JP6317104B2 - 生体電極 - Google Patents

Description

本発明は主に生体電気信号取得用の電極（生体電極）に関し、特に、使い捨て型の生体電極に関する。

従来、心電図を代表とする生体電気信号は、診断に有用な情報として広く用いられている。生体電気信号はその目的に応じて、安静時のみならず、運動中や日常生活中に取得することもある。例えば、ホルタ心電計による心電図取得は、日常生活中に長期間連続して生体電気信号を取得する代表的なものである。

生体電気信号の取得には、体表面に装着する生体電極が必要である。そして、生体電極には、取得期間に渡って少ないノイズで安定した生体電気信号を取得することが求められる。そのため、生体電極には、取得する生体電気信号の種類や、取得環境、取得期間などに応じて様々な形態のものが存在する。

長時間の使用が前提の生体電極は、衛生面やメンテナンスの手間を省くといった観点から、使い捨て（シングルユース）可能であることが望ましい。そのため、樹脂フィルムに配線パターンを印刷し、発泡シートのような絶縁物でサンドイッチした構成のような、低コストで製造可能な構成を有している（特許文献１）。

特開２００７−４４２０８号公報

ホルタ心電計による生体電気信号取得の大半は、被検者が着衣状態かつ安静でない状態で行われるため、被検者の体動によって生体電極と着衣との間で絶えず摩擦が生じる。上述の通り、使い捨て型の生体電極は低コストで製造する必要があるため、再利用を前提とした生体電極で用いられるようなシールドを内蔵した同軸誘導コードを用いることはできない。また、主に樹脂系の素材を用いて形成されるため、摩擦による静電気で帯電しやすい。そのため、特許文献１記載の生体電極では、静電気によって生体電気信号に重畳するノイズを抑制するための、導電性物質からなるシールドパターン（シールド層）を上面および下面に設けている。

従来、このようなシールドパターンは一般に、カーボンと銀とを含有する導電性塗料を塗布（印刷）することで形成されることが多いが、帯電防止（ノイズ抑制）が必ずしも十分でなく、さらなる改良が望まれていた。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、耐ノイズ性に優れ、かつ低コストで製造可能な生体電極を提供することを目的とする。

上述の目的は、生体に装着する電極パッドと、電極パッドに一端を固定され、平板状の基材に複数の層が形成された積層構造を有するリード線部と、を有する生体電極であって、リード線部が、接地端子に接続されるシールド層を有し、シールド層の第１の区間が単層構造を有し、第１の区間より接地端子に近い第２の区間が、第１の区間の構造に加え、接地端子に接続される導電細線パターンを有する多層構造を有することにより、シールド層の抵抗率が、第１の区間における抵抗率よりも、第２の区間における抵抗率の方が低くなるように制御されることを特徴とする生体電極によって達成される。

このような構成により、本発明によれば、耐ノイズ性に優れるとともに低コストで製造可能な生体電極を提供することができる。

本発明の実施形態に係る生体電極のリード線部の構成例を示す分解斜視図である。 実施形態に係る生体電極が有する導電細線パターンのメッシュパターンの例を説明するための図である。 実施形態に係る生体電極における上シールドパターンの抵抗率制御の例を模式的に示す図である。 実施形態に係る生体電極の電極パッド部分の構成例を示す分解斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の例示的な実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る生体電極のうち、一端を電極パッドに固定され、他端をコネクタに接続されるリード線部の基本的な構成例を示す分解斜視図である。電極パッドとリード線部とが一体に構成される使い捨て型の生体電極では、印刷や粘着材層を介した接着などよって平板状の基材に様々な機能を有する複数の層を形成した積層構造のリード線部を有する。本実施形態では、４つの電極を用いて２ｃｈの心電図の測定可能な生体電極に本発明を適用した例を説明する。しかし、本発明は心電図計測用の生体電極に限らず、他の生体電気信号を測定する電極にも適用可能である。また、電極の数にも特に制限は無く、１電極、３電極、５電極、７電極など、４電極以外の電極数の生体電極にも適用可能である。なお、１電極の場合、生体電気信号の測定時には他の１つ以上の電極と組み合わせて用いられる。他の１つ以上の電極は本実施形態で説明する構造を有するものであってもなくてもよい。

図１に示す生体電極は、Ａ〜Ｄの４つの電極を有する。各電極は基本的に共通の構成を有するが、電極Ａは心電計（コネクタ）に近い位置に配置されている。一方、他の電極Ｂ〜Ｄについては、電極Ａの外縁から、各電極に独立して設けられたコード部１５０を介して設けられている。なお、図１は生体電極の構成要素のうち、基材１１４に対して印刷によって設けられる層の構造を示している。図１に示す本実施形態の生体電極では、電極Ｃが共用電極である。

なお、共用電極を用いない場合、２ｃｈの心電図波形を測定するための生体電極には５つの電極（１ｃｈ＋／−，２ｃｈ＋／−，不関電極）が必要である。５電極を用いる場合は、特許文献１に示されているように、個々の電極が独立したコード部を有する構成となる。

平板状の基材１１４は例えばＰＥＴフィルムからなる。基材１１４の下面（電極装着時に体表面と対向する面）には、例えば印刷によりからなる電極パターン１１５が形成される。電極パターン１１５は先端部分が２層構造になっており、下層部分には円形の検出電極１０４と、検出電極１０４から手前に短いコード部１５０１が設けられている。また、後述する接続部１２１を設ける電極については、接続部１２１も下層に設けられる。下層部分は導電性粘着ゲル１０３と接する部分を含むため、変質しにくい塩化銀と銀の混合物から形成されている。一方、上層は銀から形成され、コード部１５０の先端部分１５０２は、下層の検出電極の中心からコード部１５０１と重複するように配置される。この重複部分は銀で形成されている上層の先端部分１５０２を塩化銀と銀の混合物で形成されている下層のコード部１５０１で保護するために設けられている。

電極パターン１１５の下面には、電極パターン１１５を絶縁するためのレジストパターン１１６がやはり印刷により設けられる。レジストパターン１１６の下面には、導電性物質からなる、静電気除去用の下シールドパターン１１７が印刷により設けられる。本実施形態では、下シールドパターン１１７はカーボンペーストで形成されている。下シールドパターン１１７のコード部１５０と、電極Ａから至近端（コネクタ側）の下面、すなわち生体電極の最下面（生体表面に装着される面）には、不織布や発泡フォームといった、柔軟性を有する絶縁性シートが粘着材によって接着される。

基材１１４の上面（生体に装着されない面）には、上シールドパターン１１３が形成されている。本実施形態では、上シールドパターン１１３の抵抗率（または導電率）が少なくとも２段階に制御されていることを特徴とする。

従来、上シールドパターン１１３はカーボンと銀がブレンドされた導電性ペーストで基材１１４の全面を覆うように形成される、すなわち上シールドパターン１１３の抵抗率又は導電率は全体を通じて一定であった。しかし、このようなシールドパターン（シールド層）では着衣との摩擦によって生じる静電気による電荷や外部から伝播するノイズに対するシールド効果は必ずしも十分ではなく、測定される生体電気信号に重畳するノイズのさらなる低減が求められていた。

シールドの効果を高めるには、シールドの導電率を高め、ノイズの原因となる電荷を速やかに接地させれば良い。シールド層の形成にカーボンと銀がブレンドされた導電性ペーストを用いる場合であれば、カーボンの比率を下げて銀の比率を上げればよい。しかし、銀の比率を高めるとコストが大きく上昇し、使い捨てを前提とした生体電極には見合わなくなってしまう。発明者が検討したところ、カーボンと銀の比が１：１の導電性ペーストを用いた場合でも、耐ノイズ性能（シールド性能）は改良の余地があった。

ノイズの大半は、体表面と検出電極１０４とを電気的に接続するための導電性粘着ゲル１０３（図３参照）を通じて信号に重畳するが、静電気によるノイズはコード部１５０においても重畳する。従って、接地すべき総電荷量は、検出電極１０４を有する電極部１１４１から接地端子に向かって増加していく。そこで、上シールドパターン１１３の抵抗率を、接地端子に最も近い部分が最も低い抵抗率（または最も高い導電率）を有するように接地端子からの距離に応じて複数段階に制御することにより、耐ノイズ性能を向上できることを見出し、本発明に到達した。換言すれば、接地すべき総電荷量の増加に従って電荷の移動速度を向上させることで、電荷が経路上に滞留する時間を短縮させ、スムーズな耐電除去を実現するものである。

抵抗率または導電率の制御は、様々な方法により行うことが可能であるが、使い捨て型生体電極のように印刷を用いて配線やシールドパターンを形成する構成においては、シールドパターンを形成する物質の抵抗率または導電率を制御するか、層構成を制御することが現実的であろう。なお、以下では説明及び理解を容易にするため、抵抗率を制御するとの説明を行うが、抵抗率と導電率は逆数の関係にあり相互に変換可能であるため、導電率の制御としてもよいことはいうまでもない。

図１には、上シールドパターン１１３を、共通の素材で生体電極全体に形成する全面パターン１１３Ｂに加え、抵抗値を低下させる区間には、導電性の高い物質で独立した細線状パターンを全面パターン１１３Ｂの下層に形成した構成により、２段階の抵抗率制御を実現した例を示している。

導電細線パターン１１３Ａは、導電率（電気伝導度）が高い物質から形成する。具体的には２０℃における導電率が1.43×10⁵[S/m]以上（電気抵抗率が７×10^-6[Ω・ｍ]以下）の物質であることが好ましい。この条件を満たせば、非金属、金属、非金属と金属との混合物のいずれを用いてもよいが、金属を含有することが好ましい。金属の中でも、２０℃における導電率が1.0×10⁷[S/m]以上（電気抵抗率が10×10^-8[Ω・ｍ]以下）であるものが好ましく、２０℃における導電率が2.5×10⁷[S/m]以上（電気抵抗率が4×10^-8[Ω・ｍ]以下）であるものがさらに好ましい。この条件を満たす金属の例としては、単体では銀（6.4×10⁷[S/m], 1.55×10^-8[Ω・ｍ]）、銅（6.1×10⁷[S/m], 1.64×10^-8[Ω・ｍ]）、アルミニウム（3.8×10⁷[S/m], 2.58×10^-8[Ω・ｍ]）、金（3.0×10⁷[S/m], 3.28×10^-8[Ω・ｍ]）などがある。

また、金属はFe-Cr系合金、Fe-Ni-Mn系合金やMo-Cr-Fe-Ni系合金など、合金であってもよい。また、非導電性の成分が含まれてもよい。具体的にどのような物質を用いるかは、細線パターンの形成方法や入手の容易性、コストなどを勘案して決定することができる。例えば印刷によってパターンを形成する場合、ペースト状の製品の入手性と導電率のバランスから銀や銀を含有する物質が好ましく用いることができる。

導電細線パターン１１３Ａが設けられた区間は、上層に設けられる全面パターン１１３Ｂを導通する電荷を、全面パターン１１３Ｂのみが設けられている区間よりも速やかに接地端子に向かって移送することができる。また、導電細線パターン１１３Ａは、もともと、基材１１４の全面を隙間なく覆って単体でシールド機能を実現することを目的としておらず、高い導電性を有する高価な金属を用いる場合でも、少量で形成可能である。

なお、導電細線パターン１１３Ａは、コード部１５０では１本の細線で構成されるが、コード部１５０より面積が大きく、かつ検出電極１０４が形成される電極部１１４１については、より効率よく電荷を捕集するため、二次元図形の外縁と、外縁内に存在し、外縁に接続される線状パターンからなるメッシュ状のパターン１１３１Ａで形成することができる。ここで、メッシュの形状には特に制限は無いが、その外縁が、検出電極１０４の外縁もしくは、体表面と検出電極１０４とを電気的に接続するための導電性粘着ゲル１０３（図４参照）の外縁を包含するように形成することが好ましい。これは、ノイズの大半が導電性粘着ゲル１０３部分を通じて信号に重畳するためである。

図１では、円の外縁と、円の外縁を６等分する点の２つを円の中心を通って接続する３つの直線パターンが導電性物質の細線で形成されたメッシュ形状を示しているが、図２（ａ）に示すように複数の同心円と、それらの外縁を接続する直線パターンを有する形状や、図２（ｂ）に示すように規則的な格子状であってもよい。一方、図２（ｃ）に示すようならせん状のパターンはここでいうメッシュ状のパターンには該当しない。なお、らせん状のパターンは外部からノイズが到来した際に誘導電流を生じるため好ましくない。メッシュ状のパターン１１３１Ａは、基材１１４の電極部１１４１上の各位置から、メッシュ状のパターン１１３１Ａを形成する細線までの最短距離にばらつきが少ない形状とすることが好ましい。換言すれば、外縁の内部に設けられるパターンは等間隔もしくは対称形状を有することが好ましい。

図３（ａ）は、図１に示した電極構造における上シールドパターン１１３が接地されるまでの経路を模式的に示している。図１の例では、基材１１４の下面側でのみコネクタと電気的に接続可能な構成を有するため、基材１１４の上面側に設けられる上シールドパターン１１３は、電極Ｂの上シールドパターン１１３と電極パターン１１５に設けられた接続部１２０，１２１と通じて電気的に接続されることで、接地されている。つまり、電極Ｃ，Ｄについての上シールドパターン１１３Ｂは電極Ａ，Ｂ間の上シールドパターン１１３Ｂを経由して接地端子に接続されている。

そのため、本実施形態では、電極Ａから電極Ｂへ至る経路では、（１）電極Ｃ，Ｄの導電性粘着ゲル１０３からのノイズ、（２）電極Ｃ，Ｄから電極Ａに至るまでの経路でのノイズ、（３）電極Ａの導電性粘着ゲル１０３からのノイズ、（４）コネクタ部品から電極Ａまでの経路でのノイズ、に係る電荷を移送する必要がある。従って、複数の経路からのノイズに係る電荷が流入する位置（電極Ａ）より下流（コネクタ接地端子側）の上シールドパターン１１３の抵抗率を、それより上流における抵抗率より低下させるように制御する。具体的には、電極Ａから下流においては導電細線パターン１１３Ａを設けて、上シールドパターン１１３を２層構造とする。

導電細線パターン１１３Ａの上に設けられる全面パターン１１３Ｂは、導電細線パターン１１３Ａの上から基材１１４の表面全体を覆うように形成される。全面パターン１１３Ｂは導電性物質から形成されるが、導電細線パターン１１３Ａを形成する物質よりも導電性が低い。また導電細線パターン１１３Ａを酸化や腐食等の変質から保護する機能を持たせるため、全面パターン１１３Ｂも酸化や腐食をしにくい素材で形成することが好ましい。本実施形態ではこれらの条件を満たし、かつ印刷でパターンを形成可能な素材として、非金属であるカーボンペーストを用いて全面パターン１１３Ｂを形成しているが、金属の使用を含め、他の物質を用いてもよい。

上述の通り、導電細線パターン１１３Ａは細線から形成されるいわば配線であるため、その面積は基材１１４よりずっと小さい。従って、導電性物質からなる全面パターン１１３Ｂは、導電細線パターン１１３Ａから離れた位置に存在する電荷を導電細線パターン１１３Ａまで速やかに移動させる経路を提供し、両者が設けられた区間では全面パターン１１３Ｂのみが設けられる区間よりも速やかな帯電除去が実現される。

なお、電極Ｂより下流では上述の（１）〜（４）に加え、（５）電極Ａから電極Ｂに至るまでの経路でのノイズ、（６）電極Ｂの導電性粘着ゲル１０３からのノイズ、に係る電荷がさらに加わるため、接地電極Ｂに関する電極パターン１１５の抵抗率をさらに低下させてもよい。

なお、図１の例とは異なり、個々の電極が直接コネクタ接地端子に接続される形態（図３（ｂ））では、電極部より下流の部分を電極部より低抵抗に構成すればよい。

なお、ここでは上シールドパターン１１３を二層構造として抵抗率の制御を行う例について説明したが、三層以上の多層構造としてもよいし、パターンの幅によって抵抗率を制御してもよい。上シールドパターン１１３を単層構造とする場合には、基材１１４の幅が下流に向かって広くなるように構成することができる。また、二層構造の場合でも、全面パターンでない層の幅を同様に制御することで抵抗率を制御できる。また、層の厚さを制御して抵抗率を制御してもよい。例えば、同一組成の導電性ペーストの塗布回数を接地端子に近い区間ほど増やすようにしてもよい。

なお、抵抗率を何段階に分けて制御するか、抵抗率をどこから変化させるか、ならびに具体的な抵抗率をどのように設定するかは、生体電極が使用される環境におけるノイズの特性などに応じて適宜定めることができる。ただし、接地すべき電荷が複数の経路から合流する位置より下流は、上流よりも抵抗を低下させるように制御することが好ましい。また、パターンの幅を制御する場合には、幅を徐々に拡げることで、滑らかに抵抗を低下させるように制御してもよい。

図４は、本実施形態の生体電極における電極パッド１０１の構成を説明するための図である。電極パッドは生体表面に取り付けられる部分である。使い捨て型でない生体電極は、電極パッドとリード線（誘導コード）とが分離した構造を有するのが一般的であるが、使い捨て構造の場合は電極パッドとリード線とが一体化された構造を有する。

図１に示したように、電極パターン１１５の先端部分に検出電極１０４が形成されている。電極パッド１０１のうち、導電性粘着ゲル１０３を体表面に固定するパッド基材１０６は、皮膚から発生する水分を発散させて皮膚に対する密着性を良好とし、かつ体動により生じる皮膚の皺などにも追従して変形可能とするため、柔軟性のある透湿防水フィルムで構成されている。パッド基材１０６として使用可能な透湿防水フィルムの厚さは、好ましくは２０〜７０μｍ、より好ましくは３０〜６０μｍ、特に好ましくは４０〜６０μｍ、最も好ましくは４５〜５５μｍである。

透湿防水フィルムが厚すぎると、皮膚からの水分を発散する効果が十分得られず、剥がれ易くなるほか、かぶれや蒸れなどの原因となり、装着感が悪化する。さらに、柔軟性（特に皮膚表面の皺に対する追従性）が低下するため、電極がごわごわして装着感が悪化するほか、剥がれやすくなる。さらに、柔軟性が低下することにより、生体電気信号にノイズが重畳しやすくなるという問題もある。

パッド基材１０６の装着面には粘着剤が塗布されており、また、円弧状の第２のセパレータ１０２が装着面の外縁部に設けられている。第２のセパレータは剥離紙であり、電極パッド１０１全体のセパレータである第１のセパレータ１０９と対向する面は粘着性を有さない。従ってパッド基材１０６の装着面の第２のセパレータ１０２の存在する領域は第１のセパレータ１０９から容易に分離することが可能である。

パッド基材１０６の略中央部には電極に対応する穴１０６１が設けられている。図１における各電極Ａ〜Ｄとその近傍はシール部材１０５によってパッド基材１０６に取り付けられるため、最上面および最下面には絶縁性シート１１１が設けられていない。

電極の下面には、導電性粘着ゲル１０３が設けられる。導電性粘着ゲル１０３は、電極の下面に塗布された導電性粘着剤により電極に取り付けられてもよいし、外周部分をパッド基材１０６の装着面に塗布される粘着剤によって固定され、電極とは直接接するようにされてもよい。

シール部材１０５は、例えばパッド基材１０６と同じ透湿防水フィルムから構成される。シール部材１０５は、電極をパッド基材１０６に固定するために設けられる。

電極パッド１０１を装着する場合、まず第２のセパレータ１０２を用いて電極パッド１０１を第１のセパレータ１０９から分離する。そして、第２のセパレータ１０２で電極パッド１０１を支持しながら、装着部位に移動し、第２のセパレータの無い外縁部から体表面に貼り付ける。そして、第２のセパレータ１０２を剥がしながら、パッド基材１０６の全面を体表面に密着させる。

以上説明したように本実施形態によれば、電極パッドとリード線部とが一体的に構成される使い捨て型の生体電極におけるシールド層の抵抗率が、第１の区間より接地端子に近い第２の区間では第１の区間より低くなるように制御することにより、低コストで耐ノイズ性能を向上させることができる。

Claims (8)

1. 生体に装着する電極パッドと、
   前記電極パッドに一端を固定され、平板状の基材に複数の層が形成された積層構造を有するリード線部と、を有する生体電極であって、
   前記リード線部が、接地端子に接続されるシールド層を有し、
   前記シールド層の第１の区間が単層構造を有し、前記第１の区間より前記接地端子に近い第２の区間が、前記第１の区間の構造に加え、前記接地端子に接続される導電細線パターンを有する多層構造を有することにより、前記シールド層の抵抗率が、前記第１の区間における抵抗率よりも、前記第２の区間における抵抗率の方が低くなるように制御されることを特徴とする生体電極。
2. 前記第１の区間を形成する物質が、前記導電細線パターンを形成する物質より低い導電率を有する導電性物質であることを特徴とする請求項１に記載の生体電極。
3. 前記リード線部の前記電極パッドに固定される部分が生体電気信号を検出する検出電極を含んだ電極部を形成し、前記導電細線パターンが前記電極部に設けられる場合、メッシュ状のパターンを形成することを特徴とする請求項１または２に記載の生体電極。
4. 前記メッシュ状のパターンが、二次元図形の外縁と、該外縁内に存在するとともに該外縁に接続される線状パターンから形成されることを特徴とする請求項３に記載の生体電極。
5. 前記電極パッドには、前記検出電極と生体とを電気的に接続するための導電性粘着ゲルが設けられ、
   前記二次元図形の外縁が、前記導電性粘着ゲルもしくは前記検出電極の外縁を包含するように形成されることを特徴とする請求項４に記載の生体電極。
6. 前記リード線部の前記電極パッドに固定される部分が生体電気信号を検出する検出電極を含んだ電極部を形成し、前記シールド層の前記第１の区間が前記電極部に対応する部分であり、前記第２の区間が前記電極部と前記接地端子との間に対応する部分であることを特徴とする請求項１または２に記載の生体電極。
7. 前記導電細線パターンが金、銀、銅の少なくとも１つを含む物質で形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の生体電極。
8. 生体に装着する電極パッドと、
   前記電極パッドに一端を固定され、平板状の基材に複数の層が形成された積層構造を有するリード線部と、を有する生体電極であって、
   前記リード線部の前記電極パッドに固定される部分が生体電気信号を検出する検出電極を含んだ電極部を形成し、
   前記リード線部が、接地端子に接続されるシールド層を有し、
   前記シールド層のうち、前記電極部に設けられる部分の抵抗値よりも、前記電極部より前記接地端子に近い部分に設けられる部分の抵抗値が低くなるように構成されることを特徴とする生体電極。

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