JP6530506B2 - 測定信号増幅器および測定信号増幅器のエネルギー供給方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＥＭＧセンサ信号を増幅する測定信号増幅器、本発明による測定信号増幅器を含む医療システム、ならびに測定信号増幅器を動作させる方法に関する。

医療用の電気診断法において、たとえば筋電図計測法（ＥＭＧ）などの分野では、電気的な筋活性が測定されて、測定結果から神経細胞および筋細胞の健康状態に関する情報を取得することができる。スポーツ医学では生体力学の分野において、筋活性中に測定された電気信号の周波数もしくは振幅と筋力との関係が求められ、その結果からたとえばスポーツ選手の動きを改善することができる。

筋細胞の測定すべき膜電位は、筋細胞内部では外部よりも約７０ｍＶ程度低い値となる。筋活性時、約１ｍｓ程度持続する膜電位の局所的な反転が発生し、これを測定技術により検出することができる。それらの測定結果から表示可能な信号を生成する目的で、測定信号増幅器たとえば生体電位増幅器が用いられる。電位を増幅する測定信号増幅器を、電気差動増幅器とも称する。

測定信号を増幅する際の問題点は、「コモンモード除去比」"Common-Mode Rejection Ratio, CMRR"とも呼ばれる同相除去比である。同相除去比は、２つの入力電圧が共に同じ値だけ同時に変化したときの、この種の測定信号増幅器の出力電圧の変化を表す。理想的な測定信号増幅器であれば、このようなケースにおいて出力電圧は一定に保たれる。なぜならばこの出力電圧は、双方の入力電圧の差にのみ依存するからである。このケースでは理想的な測定信号増幅器によって、出力電圧の変化が示される。同相除去比が劣化すればするほど、測定信号増幅器の出力電圧の変化が大きくなる。

高価な測定信号増幅器は、同相除去比を改善するために電気エネルギー蓄積器を備えており、これはたとえば再充電可能なバッテリまたはキャパシタとして構成されている。エネルギー蓄積器の充電によって、充電プロセスの継続期間にわたり同相除去比の顕著な劣化に作用が及ぼされ、それによって測定信号増幅器はこのタイムインターバル中、いっそう高い測定精度で測定結果を供給するようになる。

米国特許出願公開第２０１１／０２４００２１号明細書（US 2011/0240021 A1）から、生体信号を増幅する測定信号増幅器が公知であり、この増幅器は同相除去比の改善のため、それぞれ１つのエネルギー蓄積器を含む複数のモジュールを備えており、これらのモジュールは互いに分離されて交互に再充電可能である。したがって、充電されたエネルギー蓄積器を含む１つのモジュールを測定信号の増幅に用いることができ、その間、他のモジュールのエネルギー蓄積器が充電される。このようにすれば、分離されたエネルギー蓄積器の充電プロセス中であっても、監視装置、人工呼吸器または麻酔器といった治療機器と、測定信号増幅器との直流接続が形成されない。かかる測定信号増幅器の欠点は、測定信号を増幅するために複数のモジュールが必要とされることであり、その結果、所要スペースが大きくなり、製造コストが高まり、さらには寄生容量が増大する。

別の選択肢となる解決手法によれば、測定信号増幅器はエネルギー蓄積器ではなく、この測定信号増幅器に電流を供給するために、給電導体を備えている。かかる測定信号増幅器は、第１のレベルの直流電圧を第２のレベルの直流電圧に変換する直流電圧変換器（ＤＣ−ＤＣ変換器）を用いる必要があり、この変換器は測定信号増幅器の近くに配置される。一般に、かかる直流電圧変換器の効率は比較的悪く約３５％付近にあり、このためエネルギー消費が高まると共に熱の発生も増加してしまう。特に測定信号増幅器が患者のすぐ近くに配置されているならば、このような熱は患者を不快にするであろうし、さらには患者の皮膚を損傷しかねない。

このような従来技術から出発して本発明が基礎とする課題は、上述の欠点を少なくともそれらの一部については含まない測定信号増幅器、測定信号増幅器を備えた医療システム、ならびに測定信号増幅器を動作させる方法を提供することにある。よって本発明の課題は、比較的低コストで製造可能であり、コンパクトな組み込みスペースを有し、同相除去比が改善され、それにより信頼性を伴って測定信号を増幅するようにした測定信号増幅器を提供することにある。さらに本発明の課題は、信頼性のある測定信号増幅を行いながら測定信号増幅器の十分なエネルギー供給を確保する、測定信号増幅器を動作させる方法を提供することである。

これらの課題は、請求項１の特徴を備えた測定信号増幅器、請求項５の特徴を備えた医療システム、ならびに請求項７の特徴を備えた方法によって解決される。その他の請求項、明細書および図面には、本発明のさらに別の特徴ならびに詳細が示されている。この場合、本発明による測定信号増幅器または医療システムと関連して開示されている特徴は、本発明による方法についても開示されているものとみなされ、またその逆も当てはまる。

よって上記の課題は、ＥＭＧセンサ信号を受信するためのセンサインタフェースと、電気エネルギー信号を受信するための、および処理信号を伝送するための、少なくとも１つの機器インタフェースと、充電可能なエネルギー蓄積器と、少なくとも１つの計算ユニットとを備えた、ＥＭＧセンサ信号を増幅する測定信号増幅器によって解決される。計算ユニットは、ＥＭＧセンサ信号から処理信号を導出し、センサインタフェースが受信したＥＭＧセンサ信号に応じて、電気エネルギー信号によるエネルギー蓄積器の充電を制御するように構成されている。

ＥＭＧセンサ信号は筋電図計測法における測定量であり、患者の電気的な筋活性の測定によって生成される。たとえば心筋などのように律動的もしくは周期的な筋活性の場合、ＥＭＧセンサ信号は少なくとも実質的に１つの周期性を有しており、つまり反復的な特性を有している。これによりＥＭＧセンサ信号を、診断関連区間と非診断関連区間とに分割することができる。このため非診断関連区間を排除しても、筋電図計測法の診断結果には実質的に悪影響は及ぼされない。

センサインタフェースは、ＥＭＧセンサ信号を受信するように構成されており、このためたとえばＥＭＧセンサのための対応する接続ソケットを備えている。

さらに機器インタフェースは、たとえばエネルギー源のエネルギー信号などのような電気的エネルギー信号を受信するように構成されている。したがって機器インタフェースを介して、測定信号増幅器の電流供給が保証される。機器インタフェースは好ましくは、断続的なエネルギー信号を受信するように構成されている。しかも機器インタフェースは、ＥＭＧセンサ信号から導出された処理信号を、たとえば治療機器および／または表示ユニットへ伝送するように構成されている。

エネルギー蓄積器は、好ましくは最適化された大きさに構成されている。したがってエネルギー蓄積器は好ましくは、必要とされる程度に大きくかつ可能なかぎり小さい容量を有しており、これによって測定信号増幅器の構造サイズをできるかぎり小さくすることができる。

計算ユニットは、ＥＭＧセンサ信号から処理信号を導出するように構成されている。処理信号は好ましくは、ＥＭＧセンサ信号の可用性もしくは評価可能性を高めるために、ＥＭＧセンサ信号を測定技術的に増幅したものである。計算ユニットは、電気信号を受信し処理するように構成されている。さらに計算ユニットは、受信したＥＭＧセンサ信号に基づきエネルギー蓄積器の充電を制御するように構成されている。これは好ましくは、受信したＥＭＧセンサ信号の分析、およびＥＭＧセンサ信号の関連領域とＥＭＧセンサ信号の非関連領域との差分形成によって行われる。好ましくは計算ユニットは、ＥＭＧセンサ信号の非関連領域を識別し、ＥＭＧセンサ信号のかかる非関連領域の受信時点においてのみ、エネルギー蓄積器の充電を可能にするように構成されている。

本発明が基礎とする着想は、測定信号増幅器におけるエネルギー蓄積器の充電を、かかる充電プロセス中に発生する不都合な作用を無視できる時点において行うことができる、というものであり、その理由は、そのような作用は、測定信号増幅器の出力信号の品質に比較的僅かな作用しか及ぼさないからであり、または測定信号増幅器の出力信号はそれらの時点では必要とされないからである。これによって得られる利点とは、エネルギー蓄積器が比較的小さいことから測定信号増幅器は比較的小さい組み込みスペースしか必要とせず、このため低コストで製造可能であるし、柔軟性をもって適用できる、ということである。さらに本発明による測定信号増幅器によって保証されるのは、ユーザにとって関心のあるすべての測定結果を、つまりＥＭＧセンサ信号の関連領域を、ケーブル接続された同等の適用事例の場合よりも改善された精度で表示可能なことである。

さらに、エネルギー蓄積器の充電中、処理信号の出力を阻止するように計算ユニットを構成することができる。エネルギー蓄積器の充電は好ましくは、ＥＭＧセンサ信号の非診断関連領域の受信中のみ、もしくは実質的に非診断関連領域の受信中に行われるので、かかる非関連ＥＭＧセンサ信号を抑圧することで、エラーが著しく僅かなＥＭＧセンサ信号が伝送される、という利点が得られる。また、エネルギー蓄積器の充電によってＥＭＧセンサ信号にエラーが引き起こされる可能性があることから、かかる信号はいずれにせよ後続の評価には利用できない。

好ましくは、エネルギー蓄積器が１つのキャパシタを含むように構成することができる。このようなエネルギー蓄積器は高速で充電可能であり、次の充電プロセスまで関連ＥＭＧセンサ信号の信頼性のある測定信号増幅が保証されるよう、十分に電荷を蓄積するように構成されている。しかもこのキャパシタは、好ましくは重量が嵩まずかつスペースをとらずに構成されている。

さらに好ましくは、キャパシタはゴールドキャップキャパシタ（Gold Cap Kondensator）として構成されている。このようなキャパシタは特に高速で充電可能であり、次の充電プロセスまで関連ＥＭＧセンサ信号の信頼性のある測定信号増幅を保証するのに十分な程度に、電荷を蓄積するように構成されている。さらにゴールドキャップキャパシタは、特に重量が嵩まずかつスペースをとらない。

好ましくは、以下のようにすることができる。すなわち計算ユニットはさらに、受信したＥＭＧセンサ信号に基づき、ＥＭＧセンサ信号がＱＲＳ群の心臓信号成分を含む期間である第１の期間を検出し、エネルギー蓄積器がこの第１の期間中に充電されるようエネルギー蓄積器の充電を制御するように構成されている。ＱＲＳ群は、ＥＭＧセンサ信号の非診断関連領域であり、特定の特性であることから、計算ユニットによりＥＭＧセンサ信号の分析によって容易に識別可能である。したがってエネルギー蓄積器の充電が受信したＥＭＧセンサ信号に及ぼす影響は、ＱＲＳ群の受信時点では些細なものである。このことから、ＱＲＳ群を含まない関連ＥＭＧセンサ信号には充電プロセスによってもエラーが引き起こされない、という利点が得られる。よって、処理信号のいっそう高い品質が保証される。

さらに好ましくは、第１の期間中、処理信号の出力を阻止するように、計算ユニットを構成することができる。したがって計算ユニットは、ＱＲＳ群の受信中もしくは充電プロセス中、処理信号を出力しないように構成されている。これにより、非関連処理信号が出力されない、という利点がもたらされ、特に、充電プロセスによりエラーが引き起こされたＥＭＧセンサ信号に基づく非関連処理信号が出力されない、という利点がもたらされる。

本発明による測定信号増幅器の特に好ましい実施形態によれば、以下のようにすることができる。すなわち計算ユニットは、受信したＥＭＧセンサ信号に基づき、ＥＭＧセンサ信号がＱＲＳ群の心臓信号成分を含まない期間である第２の期間を検出し、エネルギー蓄積器がこの第２の期間中は充電されないようエネルギー蓄積器の充電を制御するように構成されている。ＱＲＳ群の心臓信号成分を含まないＥＭＧセンサ信号は、少なくとも実質的に関連ＥＭＧセンサ信号である。したがって有利には、エネルギー蓄積器の充電によっても関連ＥＭＧセンサ信号にエラーが引き起こされない、ということが保証される。このため有利には、測定信号増幅器の信頼性および精度が改善される。

本発明の第２の態様によれば上記の課題は、少なくとも１つの治療機器と、ＥＭＧセンサ信号を発生する少なくとも１つのＥＭＧセンサと、本発明による測定信号増幅器とを含む医療システムによって解決される。この医療システムが有する利点とは、エネルギー蓄積器が小さいことから測定信号増幅器は比較的小さい組み込みスペースしか必要とせず、このため低コストで製造可能であるし、柔軟性をもって適用できる、ということである。さらに本発明による医療システムによって保証されるのは、ユーザにとって関心のあるすべての測定結果を、つまりＥＭＧセンサ信号の関連領域を、ケーブル接続された同等の適用事例の場合よりも改善された精度で表示可能なことである。

好ましくはこの医療システムは電流供給ユニットを含み、この電流供給ユニットは、測定信号増幅器のエネルギー蓄積器に電気エネルギーを断続的に供給するように構成されている。この場合、電流供給ユニットは好ましくは計算ユニットによって制御可能である。このようにすれば、関連ＥＭＧセンサ信号に悪影響が及ぼされることなく、簡単な手段によってエネルギー蓄積器の最適な充電が保証される、という利点が得られる。

さらに上記の課題は本発明によれば、ＥＭＧセンサ信号を増幅する測定信号増幅器を動作させるための方法によって解決され、この方法は、
・ＥＭＧセンサ信号を受信するステップと、
・ＥＭＧセンサ信号がＱＲＳ群の心臓信号成分を含む期間である第１の期間を検出するステップと、
・この第１の期間内に、測定信号増幅器のエネルギー蓄積器を電気エネルギーによって充電するステップと、
・ＥＭＧセンサ信号がＱＲＳ群の心臓信号成分を含まない期間である第２の期間を検出するステップと、
・この第２の期間中はエネルギー蓄積器（４）の充電を阻止するステップと、
を含む。

この方法により得られる利点とは、ユーザにとって関心のあるすべての測定結果を、つまりＥＭＧセンサ信号の関連領域を、ケーブル接続された同等の適用事例の場合よりも改善された精度で表示可能なことである。さらにエネルギー蓄積器の充電は、非関連ＥＭＧセンサ信号が受信される時点においてのみ行われる。

好ましくはエネルギー蓄積器の充電は、第１の期間の終端領域内においてすでに阻止される。これにより得られる利点とは、たとえば残留充電電流などにより関連ＥＭＧセンサ信号に場合によっては影響が及ぼされるのが回避される、ということである。このようにすれば、関連ＥＭＧセンサ信号から導出される処理信号の品質がさらに改善される。

特に好ましくは、測定信号増幅器は、第１の期間中、電流供給ユニットと直流的に結合されており、第２の期間中、電流供給ユニットから直流的に分離されている。直流的な分離によって得られる利点とは、測定信号増幅器と直流的に結合された電流供給ユニットによって関連ＥＭＧセンサ信号に悪影響が及ぼされるのが回避される、ということである。

次に、図面に示された実施例に基づき本発明について詳しく説明する。

本発明による測定信号増幅器の実施形態の構造を概略的に示す図 エネルギー蓄積器の充電サイクルと関連させて概略的に示すＥＭＧ／ＥＣＧダイアグラム 寄生容量を低減する第１の回路装置を概略的に示す図 寄生容量を低減する第２の回路装置を概略的に示す図

図１の破線内に描かれた本発明による測定信号増幅器１の実施形態は、中央計算ユニット５と、センサインタフェース２と、機器インタフェース３と、エネルギー蓄積器４と、を備えている。センサインタフェース２を介して、ＥＭＧセンサ信号Ｅ（図２参照）を測定信号増幅器１へ供給可能であり、さらに計算ユニット５へ伝達可能である。計算ユニット５は、ＥＭＧセンサ信号Ｅから処理信号Ｖ（図示せず）を生成し、機器インタフェース３を介して、たとえば治療機器および／または表示装置などへ転送するように、構成されている。さらに機器インタフェース３は、エネルギー蓄積器４を充電するエネルギー信号を受信するように構成されている。エネルギー蓄積器４はたとえばキャパシタとして構成されており、計算ユニット５へ電流を供給する。さらに計算ユニット５は、受信したＥＭＧセンサ信号Ｅに応じてエネルギー蓄積器４の充電を制御するように構成されている。計算ユニット５は、エネルギー蓄積器の充電を第１の期間Ｔ１（図２参照）内で可能とし、第２の期間Ｔ２（図２参照）内で阻止するように構成されている。

図２の第１のダイアグラムＩには、筋電図計測信号（ＥＭＧ信号）が示されており、この信号は心電図のアーチファクト（ＥＣＧアーチファクト）によって妨害されている。このダイアグラムには、ＥＣＧ領域７と称される２つの第１の期間Ｔ１と、これらの期間Ｔ１の間に位置しＥＭＧ領域８と称される第２の期間Ｔ２と、が示されている。第１の期間Ｔ１内では、ＥＭＧ信号が比較的強いＥＣＧアーチファクトによって重畳されており、第２の期間Ｔ２内には、ＥＭＧ信号しか含まれておらず、ＥＣＧアーチファクトは含まれていない。ＥＣＧ領域７内で測定された信号は、ＥＣＧアーチファクトに起因して、ＥＭＧ信号の検出には利用できず、したがって通常は排除される。よって、ＥＣＧ領域７は非関連ＥＭＧセンサ信号Ｅを含み、ＥＭＧ領域８は関連ＥＭＧセンサ信号Ｅを含む。

ダイアグラムＩＩに示されているように、ＥＣＧ領域７である第１の期間Ｔ１は、充電電流強度９を有する充電電流を有しており、したがってこの第１の期間Ｔ１中、エネルギー蓄積器４が充電される。ＥＭＧ領域である第２の期間Ｔ２中、エネルギー蓄積器４は外部の電圧給電部から分離されているので、ＥＭＧ領域８は充電電流を有していない。

図３には、寄生容量を低減する第１の回路装置が概略的に示されている。第１の回路装置は、エネルギー蓄積器４の電流供給を切り替えるために特に適している。第１の回路装置は、正の分岐にＰチャネルＦＥＴ（"Field Effect Transistor"）１０を、負の分岐にＮチャネルＦＥＴ１１を、抵抗１２と共に有している。制御電圧が給電電圧と一致している場合、ＰチャネルＦＥＴ１０は、切り替えられるべき導体、たとえばエネルギー蓄積器４とエネルギー源との間の電流導体を分離する。ＮチャネルＦＥＴ１１も同様に機能する。この第１の回路装置のＰチャネルＦＥＴ１０を、たとえば処理信号Ｖを出力する機器インタフェース３などのような信号導体を切り替えるために用いることもできる。寄生容量をさらに最小限に抑えるために、好ましくはＰチャネルＦＥＴ１０とＮチャネルＦＥＴ１１とのドレインからソースへの結合容量は小さい。

図４には、寄生容量を低減する第２の回路装置が概略的に示されている。第２の回路装置は、たとえば処理信号Ｖを出力する機器インタフェース３などのような信号導体を切り替えるために特に適している。この実施形態によれば、３つのＰチャネルＦＥＴ１０が直列に接続されており、抵抗１２とダイオード１３とから成る装置構成を介して互いに結合されている。複数のＰチャネルＦＥＴ１０の直列接続によって、結果として生じる容量が低減される。ＮチャネルＦＥＴ１１を含むこの種の回路によっても同様に、結果として生じる容量が低減され、したがって負の給電電圧を切り替えるために特に適している。

抵抗１２によって、制御電圧が存在しないときにゲートとソースとの間の電圧がそれぞれゼロになり、ＰチャネルＦＥＴ１０およびＮチャネルＦＥＴ１１が導体を遮断する。この場合、ダイオード１３によってゲートが制御電圧から分離される。制御電圧が減少することによって、ゲートはダイオード１３を介して負の電位におかれ、したがって導通する。ここではダイオード１３は、好ましくはできるかぎり僅かな容量を有する。第１の回路装置もしくは第２の回路装置のＰチャネルＦＥＴ１０およびＮチャネルＦＥＴ１１は、好ましくはＭＯＳＦＥＴ（"Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor"）として構成されている。

１ 測定信号増幅器
２ センサインタフェース
３ 機器インタフェース
４ エネルギー蓄積器
５ 計算ユニット
６ スイッチ
７ ＥＣＧ領域
８ ＥＭＧ領域
９ 充電電流強度
１０ ＰチャネルＦＥＴ
１１ ＮチャネルＦＥＴ
１２ 抵抗
１３ ダイオード
Ｅ ＥＭＧセンサ信号
Ｔ１ 第１の期間
Ｔ２ 第２の期間
Ｖ 処理信号
Ｉ 第１のダイアグラム
ＩＩ 第２のダイアグラム

Claims (8)

1. ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）を増幅する測定信号増幅器（１）であって、
   前記測定信号増幅器（１）は、
   ・ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）を受信するためのセンサインタフェース（２）と、
   ・電気エネルギー信号を受信するための、および処理信号Ｖを伝送するための、少なくとも１つの機器インタフェース（３）と、
   ・充電可能なエネルギー蓄積器（４）と、
   ・少なくとも１つの計算ユニット（５）と、
   を備えており、
   前記計算ユニット（５）は、前記ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）から処理信号Ｖを導出するように構成されている、
   測定信号増幅器（１）において、
   ・前記計算ユニット（５）は、前記センサインタフェース（２）が受信したＥＭＧセンサ信号（Ｅ）に応じて、前記電気エネルギー信号による前記エネルギー蓄積器（４）の充電を制御するように構成されており、
   ・前記計算ユニット（５）は、受信した前記ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）に基づき、前記ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）がＱＲＳ群Ｑの心臓信号成分を含む期間である第１の期間（Ｔ１）を検出し、前記エネルギー蓄積器（４）が前記第１の期間（Ｔ１）中に充電されるよう前記エネルギー蓄積器（４）の充電を制御するように構成されており、
   ・前記計算ユニット（５）は、受信した前記ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）に基づき、前記ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）がＱＲＳ群Ｑの心臓信号成分を含まない期間である第２の期間（Ｔ２）を検出し、前記エネルギー蓄積器（４）が前記第２の期間（Ｔ２）中は充電されないよう前記エネルギー蓄積器（４）の充電を制御するように構成されている、
   測定信号増幅器（１）。
2. 前記計算ユニット（５）は、前記エネルギー蓄積器（４）の充電中、処理信号Ｖの出力を阻止するように構成されている、
   請求項１記載の測定信号増幅器（１）。
3. 前記エネルギー蓄積器（４）は、キャパシタを含む、
   請求項１または２記載の測定信号増幅器（１）。
4. 医療システムであって、
   前記医療システムは、少なくとも１つの治療機器と、ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）を発生する少なくとも１つのＥＭＧセンサと、を備えており、
   前記医療システムは、請求項１から３までのいずれか１項記載の測定信号増幅器（１）を含む、
   医療システム。
5. 前記医療システムは、電流供給ユニットを含み、前記電流供給ユニットは、前記測定信号増幅器（１）のエネルギー蓄積器（４）に電気エネルギーを断続的に供給するように構成されている、
   請求項４記載の医療システム。
6. ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）を増幅する測定信号増幅器（１）を動作させる方法であって、前記方法は、
   ・ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）を受信するステップと、
   ・前記ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）がＱＲＳ群Ｑの心臓信号成分を含む期間である第１の期間（Ｔ１）を検出するステップと、
   ・前記第１の期間（Ｔ１）内に、前記測定信号増幅器（１）のエネルギー蓄積器（４）を電気エネルギーによって充電するステップと、
   ・前記ＥＭＧセンサ信号（Ｅ）がＱＲＳ群Ｑの心臓信号成分を含まない期間である第２の期間（Ｔ２）を検出するステップと、
   ・前記第２の期間（Ｔ２）中、前記エネルギー蓄積器（４）の充電を阻止するステップと、
   を含む方法。
7. 前記エネルギー蓄積器（４）の充電を、前記第１の期間（Ｔ１）の終端領域内においてすでに阻止する、
   請求項６記載の方法。
8. 前記測定信号増幅器（１）は、前記第１の期間（Ｔ１）中、電流供給ユニットと直流的に結合されており、前記第２の期間（Ｔ２）中、前記電流供給ユニットから直流的に分離されている、
   請求項６または７記載の方法。

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