JP6466051B2 - 生体信号測定用電極及びその製造方法、並びに生体信号測定システム - Google Patents
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Description
本発明が解決しようとする他の課題は、本発明による生体信号測定用電極を利用した生体信号測定システムを提供することである。
本発明が解決しようとするさらに他の課題は、本発明による生体信号測定用電極を製造する方法を提供することである。
そして、動雑音に強靭な電極構造を介して、良質の生体信号を確保し、測定システム内の信号処理部の役割を最小化させ、測定システムの構成を最小化させて消費電力及びシステムコストを低減することができる。
また、生体信号測定用電極の構造が簡単であるので、着脱使用便利性が向上し、測定システム厚を薄くすることができ、量産性が向上し、製造コストを節減することができ、簡単な製造方法で製作可能であり、一回使用電極にも適する。
また、生体電気信号以外の他の物理量を測定する外部の追加的なセンサや信号源なしに、動雑音を低減することができ、信号対雑音比(SNR)を向上することができる。
生体信号測定装置は、人体に付着される生体用電極及び生体用電極に付着されるセンシングプラットホーム(sensing platform)を含む。一般的に生体用電極は、伝導性粘着剤、皮膚と付着する接着シート、金属電極などから構成される。金属電極に設けた突起は、測定装置と生体用電極を電気的及び機械的に連結する。以下、生体(用)電極、即ち、生体信号(生体電位)測定用電極を単に、電極という。
第2インターフェース360では、金属電極並びに電解質、電解質並びに皮膚310の間のインターフェース変化により、電荷分布の撹乱によって動雑音(motion artifact)が発生しうる。
測定システム330と電極320との第3インターフェース370を介して、システム荷重(system_load)が第2インターフェース360に伝達される。
図5は、診断パラメータであるRR間隔の、動雑音発生に起因する誤謬を示したものであり、一方の電極を押して動雑音が発せられる場合、RR間隔の変化を示している。
従来技術における、複数の金属電極と複数の伝導性粘着剤との1:1結合によって構成されるマルチチャネル電極とは異なり、本発明に係わる(生体信号測定用)電極は、複数の金属電極と、1つの伝導性粘着剤とから構成され、皮膚との堅固な結合力を提供し、インターフェースの変化を最小化する。1つの伝導性粘着剤は、後述の図13におけるa,b両端子間を連結する電気的経路上に抵抗を呈する効果を有し、連結抵抗の大きさによって測定信号の大きさが決まる。
伝導性粘着剤620(760)は、一面には、少なくとも2つの金属電極が付着され、他面は、生体に付着され、所定の面積及び厚みを持って一体に形成されている。
また前記抵抗は、前記少なくとも2つの金属電極の広さ(幅)によっても調節され、金属電極の広さが広いほど、抵抗値は小さくなる。
そして、伝導性粘着剤620(760)及び支持部材600(740)の一面と他面とに保護フィルムが付着され、保護フィルムは、伝導性粘着剤620(760)及び支持部材600(740)の接着面を保護する。
一般的な電極を利用して、N個(Nは2以上の自然数)の測定点で電位を測定するためには、分離されているN個の金属電極パッド(Ag−AgCl、Au、Pt、ステンレススチールなど)と、金属電極パッドの前面に位置するN個の伝導性粘着剤(ヒドロゲル)パッドとが必要である。
図4を参照すれば、金属電極430ごとに、伝導性粘着剤420が別途に存在し、伝導性粘着剤を支持するための支持部材410が必要である。図4は、N=3個の金属電極430,432,434に、3個の伝導性粘着剤420,422,424が存在する場合を示す。金属電極から受信される生体信号は、増幅器440を介して増幅され、生体信号測定装置450に伝達される。
図10は、互いに異なる2つの位置における電位差による差動信号を測定する簡単な例であり、電極(+)と電極(−)とで得られる生体電位差を測定するための電極の対が差動増幅器1030と連結され、1チャネルを構成する。
図12(A)の左側の図は、単一電極と生体の皮膚との間のインターフェース回路モデルを示し、特に皮膚表面に生体信号測定用電極が付着されるときの、皮膚と電極との間のインターフェースモデルを示す。皮膚と電極を構成する複数の層は各々、抵抗成分とキャパシタ成分とから構成され、互いに異なる物質が接する結果できる二重層では、ハーフセル電位(half cell potential、E23)が生じる。
図13の回路モデルにおいては、信号伝逹経路上の2つの端子a、bの間に、抵抗成分が連結される効果として、連結抵抗の抵抗値が十分に小さいとき、2個の閉ループが形成され、差動増幅器の入力端では、近方の閉ループ上の電位差が測定されるので、信号源の電位差は除去されてしまう。
しかし、連結抵抗の抵抗値を適切に増大するならば、入力端から遠方の閉ループ上の電位差、即ち、信号源の電位差を維持しながら、皮膚と電極との間の安定した固定力を提供してインターフェースの変化を最小化し、かくして信号伝達経路上の電気的特性の変化を最小化することが可能である。
該グラフにおいて、太い実線、細い実線、破線は各々、抵抗値が100オーム、1kオーム、10kオームの場合を示す。即ち、前記連結抵抗R17の抵抗値の大きさを制御することにより、最終出力端での心電図信号成分のサイズを調節できる。
例えば、1kオームの場合、動雑音は実質的に解消される一方、信号は減衰するけれどもクリアに残り、極めて良好なSNRが得られる。
単一化された伝導性粘着パッドは、既存の方法とは異なり、生体電気信号以外の他の物理量を測定する外部の追加的なセンサや信号源を用いることもなく、インターフェースの変化を最小化して動雑音を低減し、信号対雑音比(SNR)を向上できる。
該グラフにおいて、太い実線、細い実線、破線は各々、抵抗値が100オーム、1kオーム、10kオームの場合を示す。
例えば、1kohmの場合、動雑音は実質的に解消される一方、信号は減衰するけれどもクリアに残り、極めて良好なSNRが得られる。
生体信号測定用電極1600は、図16には示していないが、図6に示したように、伝導性粘着剤620及び支持部材600を含んでなる。
増幅器1630は、前記少なくとも2つの金属電極中から選択された2つの金属電極間の信号差を増幅する。
プロセッサ1640は、増幅器1630で増幅された信号を信号処理する。
そして、前記伝導性粘着剤620上に位置し、信号をフィルタリングする導電体をさらに含み得る。
無線送受信部1660は、前記加工されたデータを外部機器に伝送し、外部機器から無線で信号を受け入れる。
支持部材800は、伝導性粘着剤820が生体に付着されたとき、伝導性粘着剤800が上下左右に揺れないように支持する。前記支持部材800は、生体に接触される一面に、生体に接着される接着物質920が塗布されていることが望ましい。伝導性粘着剤の粘着力及び粘度によっては、支持部材800と接着物質920は省略できる。
プロセッサ1740は、増幅器1730で増幅された信号を信号処理する。
また本発明による生体信号測定システムは、複数個の増幅器を含み、図16を参照して説明したように、各増幅器は、任意の2つの金属電極を介して入力された信号の差を増幅し、プロセッサ1740に伝達できる。
無線送受信部1760は、前記加工されたデータを外部機器に伝送し、外部機器から無線で信号を受け入れることができる。
図18を参照すれば、金属電極1802,1803,1804,1805,1806,1807のうち、任意の、例えば、4つの金属電極の対、1802と1803,1803と1805,1804と1807,及び、1806と1803を介した電気的信号は、それぞれ連結された増幅器に入力される。各増幅器の出力は、電極選択部1820を介して選択され、プロセッサ1840で順次に処理され、マルチチャネル生体電位信号として出力される。
これについて簡略に説明すれば、生体信号測定用電極に付着された金属電極1900,1902,1904,1906,1908を介した信号が差動増幅器1910に入力されて増幅され、これがプロセッサ1920に入力され、ユーザが所望する応用プログラムを利用して信号処理加工された後、無線送信部1930に伝達され、アンテナ1950を介して外部に伝送される。加工されたデータは、保存部1940に保存される。電源1960は、電源電圧を生体信号測定システム全体に供給する。
図20を参照すれば、所定の面積及び厚みを有する1つの伝導性粘着剤を支持する支持部材を、所定サイズの前記伝導性粘着剤が挿入できる寸法に裁断する(S2000段階)。生体に接触する前記支持部材の一面に、生体接着剤を塗布、又は付着する(S2020段階)。前記支持部材に前記伝導性粘着剤を挿入する(S2040段階)。その後、前記伝導性粘着剤と支持部材との両面に、保護フィルムを付着する(S2060段階)。
310 皮膚
320,1020,1022,1024 電極
330 生体信号測定システム
350 第1インターフェース
360 第2インターフェース
370 第3インターフェース
410,600,740,800,940,1000,1100 支持部材
420, 422, 424, 620, 760, 820, 960, 1010, 1120 伝導性粘着剤
430, 432, 434, 830, 832, 834, 836, 975, 977, 1610, 1612, 1614, 1616, 1618, 1710, 1712, 1714, 1716, 1718, 1802, 1803, 1804, 1805, 1806, 1807, 1900, 1902, 1904, 1906, 1908, 1909 金属電極
440,1030,1630,1730,1910 増幅器
450,1040 生体信号測定装置
630, 632, 634, 636, 1140, 1141, 1142, 1143, 1144, 1145, 1146 金属電極付着位置
700,780,900,980 保護フィルム
720,920 接着物質
850, 852, 854, 856, 970, 1770, 1772, 1774, 1776 ターミナル
1600,1700 生体信号測定用電極
1640,1740,1840,1920 プロセッサ
1650,1750,1940 保存部
1660,1760 無線送受信部
1820 MUX
1930 無線送信部
1950 アンテナ
Claims (12)
- 第一面には、少なくとも2つの金属電極が付着され、異なる第二面は、生体に付着され、所定の面積及び厚みを有する1つの伝導性粘着剤と、
前記伝導性粘着剤が前記生体に付着されたとき、前記伝導性粘着剤を支持し、所定サイズの前記伝導性粘着剤が挿入できる寸法に裁断され、前記伝導性粘着剤が挿入された支持部材と、
前記支持部材の前記生体に接触される一面に塗布され、前記生体に接着される接着物質と、を含み、
前記少なくとも2つの金属電極が、前記伝導性粘着剤に付着されるとき、前記少なくとも2つの金属電極を前記伝導性粘着剤に付着させる位置が前記少なくとも2つの金属電極間の距離が異なる位置に変更可能であり、前記伝導性粘着剤が同一面上の2点間の抵抗が当該2点間の距離に応じて変化する材料で構成され、前記抵抗によって、前記少なくとも2つの金属電極間は、短絡せず、
前記支持部材と前記接着物質は、互いに異なる物質からなることを特徴とする生体信号測定用電極。 - 第一面には、少なくとも2つの金属電極が付着され、異なる第二面は、生体に付着され、所定の面積及び厚みを有する1つの伝導性粘着剤と、
前記伝導性粘着剤の一面に付着される前記少なくとも2つの金属電極と、
前記伝導性粘着剤が前記生体に付着されたとき、前記伝導性粘着剤を支持し、所定サイズの前記伝導性粘着剤が挿入できる寸法に裁断され、前記伝導性粘着剤が挿入された支持部材と、
前記支持部材の前記生体に接触される一面に塗布され、前記生体に接着される接着物質と、を含み、
前記少なくとも2つの金属電極が、前記伝導性粘着剤に付着されるとき、前記少なくとも2つの金属電極を前記伝導性粘着剤に付着させる位置が前記少なくとも2つの金属電極間の距離が異なる位置に変更可能であり、前記伝導性粘着剤が同一面上の2点間の抵抗が当該2点間の距離に応じて変化する材料で構成され、前記抵抗によって、前記少なくとも2つの金属電極間は、短絡せず、
前記支持部材と前記接着物質は、互いに異なる物質からなることを特徴とする生体信号測定用電極。 - 前記少なくとも2つの金属電極は、
生体信号測定システムの端子と直接連結されることを特徴とする請求項2に記載の生体信号測定用電極。 - 前記少なくとも2つの金属電極それぞれに対応し、前記少なくとも2つの金属電極を生体信号測定システムと連結する少なくとも2つのターミナルをさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の生体信号測定用電極。
- 前記支持部材は、
前記生体に接触される一面に、前記生体に接着される接着物質が塗布されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の生体信号測定用電極。 - 前記抵抗は、
前記少なくとも2つの金属電極の広さが広いほど、抵抗値は小さくなることを特徴とする請求項1又は2に記載の生体信号測定用電極。 - 前記伝導性粘着剤上に位置し、電気的信号をフィルタリングする導電体をさらに含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の生体信号測定用電極。
- 生体信号測定用電極と、
前記生体信号測定用電極に付着される少なくとも2つの金属電極と、
前記少なくとも2つの金属電極の中から選択された2つの金属電極間の信号差を増幅する増幅器と、
前記増幅器で増幅された信号を信号処理するプロセッサと、を含み、
前記生体信号測定用電極は、
第一面には、前記少なくとも2つの金属電極が付着され、異なる第二面は、生体に付着され、所定の面積及び厚みを有する1つの伝導性粘着剤と、
前記伝導性粘着剤が人体に付着されたとき、前記伝導性粘着剤を支持し、所定サイズの前記伝導性粘着剤が挿入できる寸法に裁断され、前記伝導性粘着剤が挿入された支持部材と、
前記支持部材の前記生体に接触される一面に塗布され、前記生体に接着される接着物質と、を含み、
前記少なくとも2つの金属電極が、前記伝導性粘着剤に付着されるとき、前記少なくとも2つの金属電極を前記伝導性粘着剤に付着させる位置が前記少なくとも2つの金属電極間の距離が異なる位置に変更可能であり、前記伝導性粘着剤が同一面上の2点間の抵抗が当該2点間の距離に応じて変化する材料で構成され、前記抵抗によって、前記少なくとも2つの金属電極間は、短絡せず、
前記支持部材と前記接着物質は、互いに異なる物質からなることを特徴とする生体信号測定システム。 - 少なくとも2つの金属電極を具備する生体信号測定用電極と、
前記少なくとも2つの金属電極の中から選択された2つの金属電極間の信号差を増幅する増幅器と、
前記増幅器で増幅された信号を信号処理するプロセッサと、を含み、
前記生体信号測定用電極は、
第一面には、前記少なくとも2つの金属電極が付着され、異なる第二面は、生体に付着され、所定の面積及び厚みを有する1つの伝導性粘着剤と、
前記伝導性粘着剤の一面に付着される前記少なくとも2つの金属電極と、
前記伝導性粘着剤が人体に付着されたとき、前記伝導性粘着剤を支持し、所定サイズの前記伝導性粘着剤が挿入できる寸法に裁断され、前記伝導性粘着剤が挿入された支持部材と、
前記支持部材の前記生体に接触される一面に塗布され、前記生体に接着される接着物質と、を含み、
前記少なくとも2つの金属電極が、前記伝導性粘着剤に付着されるとき、前記少なくとも2つの金属電極を前記伝導性粘着剤に付着させる位置が前記少なくとも2つの金属電極間の距離が異なる位置に変更可能であり、前記伝導性粘着剤が同一面上の2点間の抵抗が当該2点間の距離に応じて変化する材料で構成され、前記抵抗によって、前記少なくとも2つの金属電極間は、短絡せず、
前記支持部材と前記接着物質は、互いに異なる物質からなることを特徴とする生体信号測定システム。 - 前記伝導性粘着剤上に位置し、電気的信号をフィルタリングする導電体をさらに含むことを特徴とする請求項8又は9に記載の生体信号測定システム。
- 複数の金属電極の中から、2つの金属電極を決定する金属電極選択部をさらに具備することを特徴とする請求項8又は9に記載の生体信号測定システム。
- 前記プロセッサは、
所定のプログラムを実行し、前記信号処理されたデータを加工し、前記プログラム及び加工されたデータを保存する保存部と、
前記加工されたデータを外部機器に伝送する無線送受信部と、をさらに含むことを特徴とする請求項8又は9に記載の生体信号測定システム。
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