JP6386621B2

JP6386621B2 - 心拍・心電計

Info

Publication number: JP6386621B2
Application number: JP2017089675A
Authority: JP
Inventors: 龍介川野; 石原　隆子; 隆子石原; 和彦高河原; 一善小野; 佐藤　康博; 康博佐藤; 信吾塚田; 奈保子河西; 弘二住友
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2033-10-17
Also published as: JP2017148577A

Description

本発明は、心拍測定および心電測定の少なくとも一方を行う心拍・心電計に関するものである。

近年の無線電子機器の小型化とネットワークインフラの高度化により、心拍、心電、体温、体動、脈波、血圧等に代表されるバイタルデータの常時モニタ、およびクラウドと連携させたヘルスクラウドサービスが実現されつつある。これらのシステムの中でデータの入口となるセンサーで受信される生体信号の品質は、重要項目の一つである。特にセンサーの人体への常時装着方法として、生体電極を衣類に取り付ける方法が有望視されている（非特許文献１参照）。

C.Park，P.H.Chou，Y.Bai，R.Matthews，and A.Hibbs，"An ultra-wearable，wireless，low power ECG monitoring system"，in Proc.IEEE Biomedical Circuit System Conf.，London，U.K.，Nov.2006，pp.241-244

しかしながら、図１１に示すように従来は、人体の半身の心臓１００を挟んだ左右の位置に複数の生体電極１０１，１０２を貼り付けて測定を行う必要があり、心拍・心電計の端末１０３と電極１０１，１０２とを接続するために体表面に長い配線１０４，１０５の引き回しが必要であった。

これらの生体電極１０１，１０２と端末１０３と配線１０４，１０５とは、ベースとなる衣類１０６に固定されている。したがって、特に引き回しの長い配線１０４，１０５を衣類１０６に固定する場合、衣類１０６の美観を損なうという問題点と、脱衣と着衣の繰り返しによって配線１０４，１０５が劣化するという問題点と、洗濯によって配線１０４，１０５が劣化するという問題点と、配線１０４，１０５が衣類内側にある場合に体への接触により人が不快感を感じるという問題点があった。これらの問題点は、心拍測定または心電測定のために心臓を挟んだ体幹の両側に複数の電極を配置することから、配線自身の長さが必然的に長くなってしまうことによるものである。また、配線１０４，１０５を体幹に這わせることは、ＧＮＤループを形成することになり、環境雑音の影響を受け易くなるという問題点もあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、生体への装着負荷の低減、美観や耐久性の向上およびＳＮＲ（Signal to Noise ratio）の向上を実現することができる心拍・心電計を提供することを目的とする。

本発明の心拍・心電計は、心拍測定および心電測定の少なくとも一方を行う測定回路を有する端末と、衣類の生体と接触する面に固定された正電極と基準電極と負電極と、前記衣類の生体と接触する面と反対側の面に露出するように配置され、前記正電極と機械的、電気的に接続された第１の電極側コネクタと、前記衣類の生体と接触する面と反対側の面に露出するように配置され、前記負電極と機械的、電気的に接続された第２の電極側コネクタと、前記衣類の生体と接触する面と反対側の面に露出するように配置され、前記基準電極と機械的、電気的に接続された第３の電極側コネクタと、前記第１の電極側コネクタと嵌合するように前記端末の筐体表面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された第１の端末側コネクタと、前記第２の電極側コネクタと嵌合するように前記端末の筐体表面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された第２の端末側コネクタと、前記第３の電極側コネクタと嵌合するように前記端末の筐体表面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された第３の端末側コネクタと、前記正電極と前記第１の電極側コネクタとの間に挿入され、前記正電極で受信した生体信号のインピーダンス変換を行う第１のインピーダンス変換手段と、前記負電極と前記第２の電極側コネクタとの間に挿入され、前記負電極で受信した生体信号のインピーダンス変換を行う第２のインピーダンス変換手段とを備え、前記第１の電極側コネクタと前記第１の端末側コネクタとの間で、前記正電極で受信した生体信号、前記端末から前記第１のインピーダンス変換手段に与える電源電位およびＧＮＤ電位が伝達され、前記第２の電極側コネクタと前記第２の端末側コネクタとの間で、前記負電極で受信した生体信号、前記端末から前記第２のインピーダンス変換手段に与える電源電位およびＧＮＤ電位が伝達され、前記基準電極は、前記正電極および負電極の周囲をそれぞれ囲むように配置され、前記正電極と負電極が受信する信号の中間の電位、または前記測定回路のＧＮＤ電位が基準電位として前記測定回路から前記基準電極に与えられることを特徴とするものである。

また、本発明の心拍・心電計は、心拍測定および心電測定の少なくとも一方を行う測定回路を有する端末と、衣類の生体と接触する面に固定された正電極と負電極と、前記端末の筐体の生体と接触しない面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された基準電極と、前記衣類の生体と接触する面と反対側の面に露出するように配置され、前記正電極と機械的、電気的に接続された第１の電極側コネクタと、前記衣類の生体と接触する面と反対側の面に露出するように配置され、前記負電極と機械的、電気的に接続された第２の電極側コネクタと、前記第１の電極側コネクタと嵌合するように前記端末の筐体表面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された第１の端末側コネクタと、前記第２の電極側コネクタと嵌合するように前記端末の筐体表面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された第２の端末側コネクタと、前記正電極と前記第１の電極側コネクタとの間に挿入され、前記正電極で受信した生体信号のインピーダンス変換を行う第１のインピーダンス変換手段と、前記負電極と前記第２の電極側コネクタとの間に挿入され、前記負電極で受信した生体信号のインピーダンス変換を行う第２のインピーダンス変換手段とを備え、前記第１の電極側コネクタと前記第１の端末側コネクタとの間で、前記正電極で受信した生体信号、前記端末から前記第１のインピーダンス変換手段に与える電源電位およびＧＮＤ電位が伝達され、前記第２の電極側コネクタと前記第２の端末側コネクタとの間で、前記負電極で受信した生体信号、前記端末から前記第２のインピーダンス変換手段に与える電源電位およびＧＮＤ電位が伝達されることを特徴とするものである。

本発明によれば、衣類の生体と接触する面に正電極と基準電極と負電極とを固定し、これら電極と端末とをコネクタを介して機械的、電気的に接続することにより、電極と端末との間の長い配線を無くすことができる。本発明では、生体の左右半身のいずれか一箇所にのみ心拍・心電計を装着すればよいので、常時モニタにおける生体への装着負荷を低減できると共に、配線を無くすことで、洗濯や衣類の着脱を原因とする配線の故障や劣化を無くすことができる。また、本発明では、長い配線を無くすことで、衣類の美観の劣化を抑えることができ、またＳＮＲの劣化を抑えることができる。

また、本発明では、衣類の生体と接触する面に正電極と負電極とを固定し、これら電極と端末とをコネクタを介して機械的、電気的に接続することにより、電極と端末との間の長い配線を無くすことができる。本発明では、生体の左右半身のいずれか一箇所にのみ心拍・心電計を装着すればよいので、常時モニタにおける生体への装着負荷を低減できると共に、配線を無くすことで、洗濯や衣類の着脱を原因とする配線の故障や劣化を無くすことができる。また、本発明では、長い配線を無くすことで、衣類の美観の劣化を抑えることができ、またＳＮＲの劣化を抑えることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る心拍・心電計を人体に装着した様子を示す模式図である。本発明の第１の実施の形態に係る心拍・心電計の下面図および断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る心拍・心電計の端末の構成例を示すブロック図である。本発明の第２の実施の形態に係る心拍・心電計の下面図および断面図である。本発明の第３の実施の形態に係る心拍・心電計の下面図および断面図である。本発明の第４の実施の形態に係る心拍・心電計の装着位置を示す模式図である。本発明の第５の実施の形態に係る心拍・心電計における電極３〜５と端末２との電気的な接続関係を示す回路図である。本発明の第５の実施の形態に係る心拍・心電計の正電極部の構造を示す模式図である。本発明の第５の実施の形態に係る心拍・心電計のコネクタの構造を示す断面図である。本発明の第６の実施の形態に係る心拍・心電計の下面図および断面図である。従来の心拍・心電計を人体に装着した様子を示す模式図である。

以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明するが、本発明はかかる実施の形態に限定されない。

［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態に係る心拍・心電計を生体（人体）に装着した様子を示す模式図、図２（Ａ）は心拍・心電計を生体側から見た下面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の心拍・心電計の断面図である。
本実施の形態の心拍・心電計は、心拍測定および心電測定の少なくとも一方を行う端末２と、端末２の筐体の生体１（人体や動物の体など）と接触する面に突出するように配置された正電極３と基準電極４と負電極５とを備えている。正電極３と基準電極４と負電極５とを設けることから、端末２の筐体は絶縁材料からなることが好ましい。

心拍・心電計は、図１より分かるように生体１の心臓１００よりも例えば左側の位置に、正電極３と基準電極４と負電極５とが生体１と接触するように配置される。端末２の大きさは、例えば１０ｃｍ×１０ｃｍ程度である。端末２は、衣類やそれに付属するバンド等の締め付け作用によって生体１に装着してもよいし、シールのような粘着剤を用いて生体１に装着してもよい。

正電極３と基準電極４と負電極５とは、例えば銀・塩化銀などの導電性材料からなる。端末２は、正電極３と負電極５間の電位差を測定することにより、心電波形を測定する。このような心電波形の測定はホルター心電計で周知の技術である。基準電極４は、生体１の電位変化の基準となる基準電位を生体１に与えるための電極である。基準電位は、正電極３と負電極５が受信する信号の中間電位でもよいし、端末２の回路のＧＮＤ電位でもよい。また、心電波形を測定することができれば、この心電波形を基に心拍数を算出することができる。

なお、心電波形の具体的な測定方法や心拍数の具体的な測定方法は周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。端末２は、心拍測定、心電測定のどちらか一方のみを行ってもよいし、両方の測定を行ってもよい。

図３に示すように、端末２は、電極３〜５と電気的に接続され、心拍測定、心電測定を行う測定回路２００と、端末２に電力を供給するバッテリ等の電源２０１のみでなく、測定した心拍数、心電波形を記憶するメモリ２０２を備えていてもよいし、これら心拍数、心電波形を表示する表示器２０３を備えていてもよいし、心拍数、心電波形を無線通信または有線通信を用いて外部へ送信する送信回路２０４を備えていてもよい。

以上のように、本実施の形態では、正電極３と基準電極４と負電極５とを端末２の筐体表面に設けることにより、電極３〜５と端末２との間の長い配線を無くすことができる。本実施の形態では、生体の左右半身のいずれか一箇所にのみ心拍・心電計を装着すればよいので、常時モニタにおける生体への装着負荷を低減できると共に、長い配線を無くすことで、洗濯や衣類の着脱を原因とする配線の故障や劣化を無くすことができる。また、本実施の形態では、長い配線を無くすことで、衣類の美観の劣化を抑えることができ、またＳＮＲ（Signal to Noise ratio）の劣化を抑えることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４（Ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る心拍・心電計を生体側から見た下面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の心拍・心電計の断面図であり、図２（Ａ）、図２（Ｂ）と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態においては、基準電極４を生体１から遠ざける配置としている。

基準電極４の配置箇所を、生体１を通じて正電極３および負電極５と接しない位置とすることによって、正電極３および負電極５が受信する電気信号（生体信号）の基準電位に対する振幅を大きくすることができる。本実施の形態は、生体１に誘導される雑音が小さい場合には有効である。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図５（Ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る心拍・心電計を生体側から見た下面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の心拍・心電計の断面図であり、図２（Ａ）、図２（Ｂ）と同様の構成には同一の符号を付してある。第１、第２の実施の形態では、端末２の筐体に正電極３と基準電極４と負電極５とを固定していたが、本実施の形態では、これらの電極３〜５と端末２とが分離できるようになっている。

本実施の形態では、衣類６の生体１と接触する面に電極３〜５を例えば縫い付けたり接着したりすることで、電極３〜５が生体１側に突出するように固定されている。
衣類６の生体１と接触する面と反対側の面には、正電極３と機械的、電気的に接続されたコネクタ７Ｂと、基準電極４と機械的、電気的に接続されたコネクタ８Ｂと、負電極５と機械的、電気的に接続されたコネクタ９Ｂとが露出するように固定されている。

一方、端末２の筐体表面には、それぞれコネクタ７Ｂ，８Ｂ，９Ｂと嵌合する位置にコネクタ７Ａ，８Ａ，９Ａが固定されている。コネクタ７Ａ，８Ａ，９Ａは、端末２の測定回路２００と電気的に接続されている。

人が衣類６を着用すると、人体（生体１）の皮膚表面と接触するように電極３〜５が配置される。そして、端末２のコネクタ７Ａ，８Ａ，９Ａが衣類６側のコネクタ７Ｂ，８Ｂ，９Ｂと嵌合するように端末２を装着すれば、端末２が機械的に固定され、かつ電極３〜５と端末２とが電気的に接続される。こうして、機械的固定と電気接続の両方を実現することができる。

なお、本実施の形態では、コネクタ７Ａ，８Ａ，９Ａが凹型コネクタで、コネクタ７Ｂ，８Ｂ，９Ｂが凸型コネクタとなっているが、これに限るものではなく、コネクタ７Ａ，８Ａ，９Ａを凸型コネクタ、コネクタ７Ｂ，８Ｂ，９Ｂを凹型コネクタとしてもよい。
また、本実施の形態において、基準電極４のみ第２の実施の形態で説明した構成としてもよい。この場合は、コネクタ８Ａ，８Ｂが不要となる。

［第４の実施の形態］
第１〜第３の実施の形態で説明した心拍・心電計は、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、人体の頸部１０に装着してもよいし、胸部１１に装着してもよいし、肩部１２に装着してもよいし、腕部１３に装着してもよいし、腹部１４に装着してもよいし、腰部１５に装着してもよい。また、図６（Ａ）に示すように左半身に装着してもよいし、図６（Ｂ）に示すように右半身に装着してもよい。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図７は本発明の第５の実施の形態に係る心拍・心電計における電極３〜５と端末２との電気的な接続関係を示す回路図、図８は正電極部の構造を示す模式図である。心臓を挟まない体幹の２箇所に電極を配置して心拍測定または心電測定を行う場合、電極で受信する信号は小さくなり、ＳＮＲ（Signal to Noise ratio）が劣化する。

そこで、本実施の形態では、図８に示すように、正電極３の直近にヴォルテージフォロワ２１を設け、正電極３で受信した生体信号のインピーダンス変換をヴォルテージフォロワ２１で行う。正電極３の直近にヴォルテージフォロワ２１を設けるためには、例えば正電極部を、正電極３とコネクタ７Ｂとヴォルテージフォロワ２１と絶縁材料からなる基材とで構成する。

具体的には、基材の生体１と接触する面に正電極３を配置し、基材の生体１と接触する面と反対側の面にコネクタ７Ｂとヴォルテージフォロワ２１とを配置し、基材に形成した配線とビアを用いて正電極３とヴォルテージフォロワ２１の入力とを接続し、さらに基材に形成した配線を用いてヴォルテージフォロワ２１の出力とコネクタ７Ｂとを接続すればよい。こうして、正電極３とコネクタ７Ｂとヴォルテージフォロワ２１とが１つに纏まった正電極部を実現することができる。この正電極部を、第３の実施の形態で説明したように生体１側に正電極３が突出し、生体１と接触する面と反対側の面にコネクタ７Ｂが露出するように、衣類６に固定すればよい。

負電極５についても同様に、負電極５の直近にヴォルテージフォロワを設け、負電極５で受信した生体信号のインピーダンス変換をヴォルテージフォロワで行うようにすればよい。負電極部は、正電極部と同様に、負電極５とコネクタ９Ｂとヴォルテージフォロワと基材とで実現することができる。この負電極部を、生体１側に負電極５が突出し、生体１と接触する面と反対側の面にコネクタ９Ｂが露出するように、衣類６に固定すればよい。

図７、図８に示すように、正電極３で受信された生体信号は、正電極部のヴォルテージフォロワ２１、コネクタ７Ｂ，７Ａを介して端末２の測定回路２００中の受信アンプ１６に入力されて増幅される。また、負電極５で受信された生体信号は、負電極部のヴォルテージフォロワ、コネクタ９Ｂ，９Ｂを介して端末２の測定回路２００中の受信アンプ１７に入力されて増幅される。図７の１８は基準電極４に基準電位を与えるための駆動ドライバアンプである。また、図７、図８における１９は正電極部のヴォルテージフォロワ２１と負電極部のヴォルテージフォロワに電源電位を与える電源線、２０は正電極部のヴォルテージフォロワ２１と負電極部のヴォルテージフォロワにＧＮＤ電位を与えるＧＮＤ線である。

本実施の形態では、正電極部の能動素子であるヴォルテージフォロワ２１と負電極部の能動素子であるヴォルテージフォロワを動作させるために電源とＧＮＤも供給する必要がある。この場合のコネクタ７Ａ，７Ｂ，９Ａ，９Ｂの構造を図９に示す。７Ａ−１は正電極部からの生体信号受信のための端末２側のコネクタ、７Ａ−２は正電極部のヴォルテージフォロワ２１に電源電位を与えるための端末２側のコネクタ、７Ａ−３は正電極部のヴォルテージフォロワ２１にＧＮＤ電位を与えるための端末２側のコネクタ、７Ｂ−１は生体信号送信のための正電極部側のコネクタ、７Ｂ−２は正電極部のヴォルテージフォロワ２１に電源電位を与えるための正電極部側のコネクタ、７Ｂ−３は正電極部のヴォルテージフォロワ２１にＧＮＤ電位を与えるための正電極部側のコネクタである。

また、図９の９Ａ−１は負電極部からの生体信号受信のための端末２側のコネクタ、９Ａ−２は負電極部のヴォルテージフォロワに電源電位を与えるための端末２側のコネクタ、９Ａ−３は負電極部のヴォルテージフォロワにＧＮＤ電位を与えるための端末２側のコネクタ、９Ｂ−１は生体信号送信のための負電極部側のコネクタ、９Ｂ−２は負電極部のヴォルテージフォロワに電源電位を与えるための負電極部側のコネクタ、９Ｂ−３は負電極部のヴォルテージフォロワにＧＮＤ電位を与えるための負電極部側のコネクタである。
こうして、本実施の形態では、正電極３、負電極５の直近にヴォルテージフォロワを設けることにより、ＳＮＲの劣化を抑制することができる。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図１０（Ａ）は本発明の第６の実施の形態に係る心拍・心電計を生体側から見た下面図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の心拍・心電計の断面図である。本実施の形態では、第３、第５の実施の形態で説明した正電極部３および負電極５の周囲を、基準電極４で覆う構造とする。図１０（Ａ）における２５は正電極３と基準電極４とのクリアランス（隙間）、２６は負電極５と基準電極４とのクリアランスである。

このような構造とすることで、本実施の形態では、基準電極４を、正電極３および負電極５に対して雑音に関してシールド効果を与える駆動シールドとして機能させることができる。

本発明は、心拍計、心電計に適用することができる。

１…生体、２…端末、３…正電極、４…基準電極、５…負電極、６…衣類、７Ａ，８Ａ，９Ａ，７Ｂ，８Ｂ，９Ｂ…コネクタ、１０…頸部、１１…胸部、１２…肩部、１３…腕部、１４…腹部、１５…腰部、１６，１７…受信アンプ、１８…駆動ドライバアンプ、１９…電源線、２０…ＧＮＤ線、２１…ヴォルテージフォロワ、２５，２６…クリアランス、２００…測定回路、２０１…電源、２０２…メモリ、２０３…表示器、２０４…送信回路。

Claims

心拍測定および心電測定の少なくとも一方を行う測定回路を有する端末と、
衣類の生体と接触する面に固定された正電極と基準電極と負電極と、
前記衣類の生体と接触する面と反対側の面に露出するように配置され、前記正電極と機械的、電気的に接続された第１の電極側コネクタと、
前記衣類の生体と接触する面と反対側の面に露出するように配置され、前記負電極と機械的、電気的に接続された第２の電極側コネクタと、
前記衣類の生体と接触する面と反対側の面に露出するように配置され、前記基準電極と機械的、電気的に接続された第３の電極側コネクタと、
前記第１の電極側コネクタと嵌合するように前記端末の筐体表面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された第１の端末側コネクタと、
前記第２の電極側コネクタと嵌合するように前記端末の筐体表面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された第２の端末側コネクタと、
前記第３の電極側コネクタと嵌合するように前記端末の筐体表面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された第３の端末側コネクタと、
前記正電極と前記第１の電極側コネクタとの間に挿入され、前記正電極で受信した生体信号のインピーダンス変換を行う第１のインピーダンス変換手段と、
前記負電極と前記第２の電極側コネクタとの間に挿入され、前記負電極で受信した生体信号のインピーダンス変換を行う第２のインピーダンス変換手段とを備え、
前記第１の電極側コネクタと前記第１の端末側コネクタとの間で、前記正電極で受信した生体信号、前記端末から前記第１のインピーダンス変換手段に与える電源電位およびＧＮＤ電位が伝達され、
前記第２の電極側コネクタと前記第２の端末側コネクタとの間で、前記負電極で受信した生体信号、前記端末から前記第２のインピーダンス変換手段に与える電源電位およびＧＮＤ電位が伝達され、
前記基準電極は、前記正電極および負電極の周囲をそれぞれ囲むように配置され、前記正電極と負電極が受信する信号の中間の電位、または前記測定回路のＧＮＤ電位が基準電位として前記測定回路から前記基準電極に与えられることを特徴とする心拍・心電計。
心拍測定および心電測定の少なくとも一方を行う測定回路を有する端末と、
衣類の生体と接触する面に固定された正電極と負電極と、
前記端末の筐体の生体と接触しない面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された基準電極と、
前記衣類の生体と接触する面と反対側の面に露出するように配置され、前記正電極と機械的、電気的に接続された第１の電極側コネクタと、
前記衣類の生体と接触する面と反対側の面に露出するように配置され、前記負電極と機械的、電気的に接続された第２の電極側コネクタと、
前記第１の電極側コネクタと嵌合するように前記端末の筐体表面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された第１の端末側コネクタと、
前記第２の電極側コネクタと嵌合するように前記端末の筐体表面に配置され、前記測定回路と電気的に接続された第２の端末側コネクタと、
前記正電極と前記第１の電極側コネクタとの間に挿入され、前記正電極で受信した生体信号のインピーダンス変換を行う第１のインピーダンス変換手段と、
前記負電極と前記第２の電極側コネクタとの間に挿入され、前記負電極で受信した生体信号のインピーダンス変換を行う第２のインピーダンス変換手段とを備え、
前記第１の電極側コネクタと前記第１の端末側コネクタとの間で、前記正電極で受信した生体信号、前記端末から前記第１のインピーダンス変換手段に与える電源電位およびＧＮＤ電位が伝達され、
前記第２の電極側コネクタと前記第２の端末側コネクタとの間で、前記負電極で受信した生体信号、前記端末から前記第２のインピーダンス変換手段に与える電源電位およびＧＮＤ電位が伝達されることを特徴とする心拍・心電計。