JP6876360B2

JP6876360B2 - 生体信号計測装置用電極及びそれを備える生体信号計測装置

Info

Publication number: JP6876360B2
Application number: JP2017074031A
Authority: JP
Inventors: 邦晴竹井; 山本　祐輝; 祐輝山本; 強朱
Original assignee: TECHSOR INC.; University Public Corporation Osaka
Current assignee: TECHSOR INC.; University Public Corporation Osaka
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2021-05-26
Anticipated expiration: 2037-04-03
Also published as: JP2018174995A

Description

本発明は、生体信号計測装置用電極及びそれを備える生体信号計測装置に関する。

ウェアラブルデバイスは、次世代エレクトロニクスとして大きな関心を集めている。そして、ウェアラブルデバイスは、リアルタイムで日々の健康データを監視して、初期段階の病気を診断すること又は予測することができる。

近年、ウェアラブルデバイスの著しい発展及び、健康維持の高い需要に伴い、様々な生体信号計測が求められている。

特許文献１では、生体信号を計測するための生体信号計測用衣服が開示されている。

特開２０１６−１３６４５６号公報

しかしながら、特許文献１に係る発明では、生体信号計測用衣服とその衣服の着用者の皮膚との間に隙間ができやすく、生体信号にノイズが入るおそれがある。

また、従来、心電計測及び筋電計測等の生体信号計測には、イオンジェル（固形物、液体物を含む）を塗布した電極が一般的に利用されていた。

しかし、イオン化物が使用されているため、皮膚への長時間添付は肌荒れ等を起こす懸念があり、ウェアラブルデバイスのような応用先としては適していなかった。

また、被験者の皮膚に取り付ける電極が粘着テープで被験者の皮膚に取り付けられた場合であっても、電極自体は粘着性を有していないため、電極と被験者の皮膚との間に隙間が生じる可能性があり、生体信号にノイズが入るおそれがある。

本発明の目的は、皮膚に張り付けることが可能な生体信号計測用電極を提供することである。

本発明の他の目的は、皮膚に張り付けることが可能な生体信号計測用電極を用いた生体信号計測装置を提供することである。

本発明に係る生体信号計測装置用電極は、生体信号を読み取る生体信号計測装置用電極であって、
前記生体信号を読み取るセンサと、
前記センサで読み取った前記生体信号を送信するための導電部と、
導電性及び粘着性を有し、前記センサを皮膚に張り付け可能な接着部と、を含むものである。

このようなものであれば、被験者の皮膚に対して電極を張り付けることができる。また、被験者の皮膚とセンサが密着するため、生体信号にノイズが含まれにくい。

また、接着部が導電性を有することから、生体信号を読み取るセンサが接続部を介して生体信号を読み取ることができる。

また、被験者が運動等により汗をかいた場合であっても、電極が被験者の皮膚から剥がれ難い。つまり、安定して生体信号が計測される。

接着部は、皮膚に対してくり返し接着することが可能なものが好ましい。

このようなものであれば、１回だけでなく電極が何回も使用可能であるため、ウェアラブルデバイスとして有効である。

前記接着部が、シリコーンゴムと導電性材料とポリエチレンイミン系材料とを含むものであってもよい。

このようなものであれば、接着部が良好な導電性及び接着性（粘着性）を有する。

前記導電性材料が導電性炭素材料であり、前記ポリエチレンイミン系材料がエトキシル化ポリエチレンイミンであってもよい。

このようなものであれば、接着部の生体適合性が良いため、皮膚に悪影響が少ない。つまり、被験者の肌荒れ等が抑えられる。

前記導電性炭素材料がカーボンナノチューブであるものであってもよい。

このようなものであれば、接着部が良好な導電性を有する。なお、接着部におけるカーボンナノチューブの含有量は多いほうが好ましい。

このような生体信号計測装置用電極を含む生体信号計測装置が好ましい。本発明に係る生体身体計測装置用電極が用いられることにより、生体信号計測装置がウェアラブルデバイスとして利用することができる。

本発明に係る一実施形態における生体信号計測装置の概略図。本発明に係る一実施形態における生体信号計測装置の電極の概略図。横軸にＰＤＭＳ内に含まれるＰＥＩＥ（重量％）、縦軸に粘着性（Ｎ）を表したグラフ。横軸に被験者の皮膚に電極を繰り返し張り付けた回数（回）、縦軸にＥＣＧ出力電圧（Ｖ）を表したグラフ。横軸に日数（日）、縦軸にＥＣＧ出力電圧（Ｖ）を表したグラフ。横軸に電極の接着部の直径（ｍｍ）、縦軸に電極の接着部のインピーダンス（Ω）を表したグラフ。横軸に時間（秒）、縦軸にＥＣＧ出力（ａ．ｕ．）を表したグラフ。横軸に電極の接着部の直径（ｍｍ）、縦軸に電極の接着部のＥＣＧ出力電圧（Ｖ）を表したグラフ。

以下、本発明に係る生体信号計測装置１００の実施形態に関して図面を参照しながら説明する。

（生体信号計測装置１００）
図１に示すように、本発明に係る生体信号計測装置１００は、被験者の生体電気信号を読み取る電極２００と、電極２００からの生体電気信号を増幅等させるシグナルコンディショナ１１０と、パソコン、スマートフォン等の端末３００に生体電気信号を送信する通信部１２０と、生体電気信号を記憶する記憶部１３０と、を含む。

電極２００は、被験者の生体電気信号を読み取るセンサ２１０と、センサ２１０を被験者の皮膚に張り付ける接着部２２０と、センサ２１０で読み取った生体電気信号をシグナルコンディショナ１１０に送信する導電部２３０と、導電部２３０及び接着部２２０の周辺を被験者の皮膚に張り付けるフィルム部２４０と、を含む。

本実施形態では、センサ２１０は、ＥＣＧ（ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ）センサを用いる。また、本実施形態では、センサ２１０の個数は３であるが、センサ２１０の個数は限定されない。

接着部２２０は、粘着性導電性ポリマーである。これによりセンサ２１０と被験者の皮膚との間に隙間が生じ難い。つまり、センサ２１０により読み取った生体電気信号が、導電性を有する接着部２２０を介してセンサ２１０に読み取られるため、センサ２１０が読み取った生体電気信号にノイズが入り難い。

接着部２２０である粘着性導電性ポリマーは、導電性材料である導電性炭素材料が含まれるものが好ましい。

導電性炭素材料の例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、オイルファーネスブラック、導電性単層カーボンナノチューブ、導電性多層カーボンナノチューブが挙げられる。導電性炭素材料は、これらのうちいずれか１つであってもよく、また、複数組み合わされたされたものであってもよい。

また、粘着性導電性ポリマーは、シリコーンゴムが含まれるものが好ましい。

シリコーンゴムの例としては、ポリジメチルシロキサン、メチルシリコーンゴム、ビニル・メチルシリコーンゴム、フェニル・メチルシリコーンゴムが挙げられる。これらのうちいずれか１つであってもよく、また、複数組み合わされたものであってもよい。

接着部２２０である粘着性導電性ポリマーは、ポリエチレンイミン系材料が含まれるものが好ましい。

ポリエチレンイミン系材料は、ポリエチレンイミン構造を有しているものであればよく、例えば、ポリエチレンイミン、ポリアクリル酸エステルへのエチレンイミン付加物および／またはポリエチレンイミン付加物が挙げられる。

本実施形態では、粘着性導電性ポリマーは、シリコーンゴムであるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）と、導電性炭素材料であるカーボンナノチューブと、ポリエチレンイミン系材料であるエトキシル化ポリエチレンイミン（ＰＥＩＥ）とを混合したものである。

これにより被験者の皮膚への高い密着性及び接触インピーダンスの低減が図られる。つまり、生体電気信号が読み取られるのに、ノイズが入り込み難い。

図３は、カーボンナノチューブが１０重量％という条件下で、横軸がＰＤＭＳ内に含有されるＰＥＩＥの重量％（ｗｔ％）、縦軸が接着性（Ｎ）を表したグラフである。

ＰＤＭＳ（シリコーンゴム）にカーボンナノチューブを混合しないという条件下では、ＰＥＩＥが０．６重量％の場合、接着性が４．０Ｎであった。

つまり、カーボンナノチューブが混合されていない状態では、ＰＤＭＳにＰＥＩＥをわずかに混合するだけで接着性が良好となる。

一方、図３からわかるように、カーボンナノチューブが１０重量％という条件下では、ＰＥＩＥが０重量％の場合は接着性が０．３Ｎであった。また、１．０重量％の場合は接着性が０．９Ｎであった。また、ＰＥＩＥが３．０重量％の場合は接着性が３．０Ｎであった。

このことから、カーボンナノチューブが含有された場合、ＰＥＩＥが多く含有される必要がある。そして、ＰＥＩＥの含有量が増加するほど接着性は向上する。

なお、カーボンナノチューブが１０重量％という条件下では、ＰＥＩＥは、１．０重量％以上３．０重量％以下が好ましい。

図４は、接着部２２０がＰＤＭＳとカーボンナノチューブとＰＥＩＥとを混合したものを用いたものであり、横軸が接着部２２０の被験者の皮膚に対する付着数（回数）、縦軸がＥＣＧ出力電圧（Ｖ）を表したグラフである。なお、縦軸のＥＣＧ出力電圧は増幅されている。

図４からわかるように、少なくとも１００回くらい被験者の皮膚に対して、接着部２２０が付け剥がしした場合であっても、ＥＣＧ出力電圧はほぼ同じである。このことから、接着部２２０の皮膚に対する繰り返しの接着性が非常に良好であることがわかる。

図５は、接着部２２０がＰＤＭＳとカーボンナノチューブとＰＥＩＥとを混合したものを用いたものであり、横軸が日数（日）、縦軸がＥＣＧ出力電圧（Ｖ）を表したグラフである。なお、縦軸のＥＣＧ出力電圧は増幅されている。

図５からわかるように、接着部２２０が空気中に約８０日間置かれていた場合であっても、接着部２２０の皮膚に対する接着性はほぼ変わらない。このことから、接着部２２０が長期間空気中に置いておいても皮膚に対する接着性が非常に良好であることがわかる。

また、接着部２２０がＰＤＭＳとカーボンナノチューブとＰＥＩＥとを混合したものを用いた場合において、被験者の腕部分の皮膚に対して、接着部２２０が３０時間張り続けられるパッチテストを行ったところ、被験者の皮膚に異常は見られなかった。このことから、接着部２２０の生体適合性が良好であることがわかる。

図６は、接着部２２０がＰＤＭＳとカーボンナノチューブとＰＥＩＥとを混合したものを用いたものであり、横軸が接着部２２０の直径（ｍｍ）、縦軸が接着部２２０の周波数１００Ｈｚの場合のインピーダンス（Ω）を表したグラフである。

Ｘは、ＰＤＭＳに含有するカーボンナノチューブの量が５重量％である。Ｙは、ＰＤＭＳに含有するカーボンナノチューブの量が７．５重量％である。Ｚは、ＰＤＭＳに含有するカーボンナノチューブの量が１０重量％である。グラフでは、マルがＸを表し、シカクがＹを表し、サンカクがＺを表している。

図６からわかるように、接着部２２０の直径が１５ｍｍの場合のインピーダンスは、Ｘが約５．０×１０^６Ω、Ｙが約２．３×１０^６Ω、Ｚが約０．５×１０^６Ωであった。

また、接着部２２０の直径が２０ｍｍの場合のインピーダンスは、Ｘが約３．８×１０^６Ω、Ｙが約１．０×１０^６Ω、Ｚが約６．５×１０^５Ωであった。

図６からわかるように、Ｘ、Ｙ及びＺのいずれの場合であっても、接着部２２０の直径が１５ｍｍより２０ｍｍのほうがインピーダンスは下がっている。つまり、接着部２２０の直径が大きいほど、接着部２２０のインピーダンスが下がる。

本実施形態では、接着部２２０は略円状であったため直径で大きさを表しているが、接着部２２０の形状は円状に限られずどのような形状であってもよい。

また、Ｘ→Ｙ→Ｚの順に接着部２２０のインピーダンスが下がっている。つまり、接着部２２０にカーボンナノチューブの含有量が多いほど、接着部２２０のインピーダンスが下がる。

接着部２２０のインピーダンスが低いほど、生体電気信号が認識され易い。つまり、このことから、接着部２２０の直径、つまり大きさは大きい方が良く、また、カーボンナノチューブの含有量は多いほうが良いことがわかる。

図７は、接着部２２０がＰＤＭＳとカーボンナノチューブとＰＥＩＥとを混合したものを用いたものであり、接着部２２０の直径が２０ｍｍという条件下で、横軸が時間（秒）、縦軸がＥＣＧ出力（ａ．ｕ．）を表したグラフである。なお、縦軸の単位は、任意単位（ａｒｂｉｔｒａｒｙｕｎｉｔ）である。

図６と同様に、Ｘは、ＰＤＭＳに含有するカーボンナノチューブの量が５重量％である。Ｙは、ＰＤＭＳに含有するカーボンナノチューブの量が７．５重量％である。Ｚは、ＰＤＭＳに含有するカーボンナノチューブの量が１０重量％である。グラフでは、マルがＸを表し、シカクがＹを表し、サンカクがＺを表している。

図７からわかるように、Ｘ→Ｙ→Ｚの順にＥＣＧ出力が大きくなっている。つまり、ＰＤＭＳに含有されるカーボンナノチューブの含有量が大きいほど、ＥＣＧ出力が大きくなる。

このことからもＰＤＭＳに含まれるカーボンナノチューブの含有量は多いほうが良いことがわかる。

図８は、接着部２２０がＰＤＭＳとカーボンナノチューブとＰＥＩＥとを混合したものを用いたものであり、横軸が接着部２２０の直径（ｍｍ）、縦軸がＥＣＧ出力電圧（Ｖ）を表したグラフである。

図６及び図７と同様に、Ｘは、ＰＤＭＳに含有するカーボンナノチューブの量が５重量％である。Ｙは、ＰＤＭＳに含有するカーボンナノチューブの量が７．５重量％である。Ｚは、ＰＤＭＳに含有するカーボンナノチューブの量が１０重量％である。グラフでは、マルがＸを表し、シカクがＹを表し、サンカクがＺを表している。

図８からわかるように、Ｘ、Ｙ及びＺのいずれの場合であっても、接着部２２０の直径が１０ｍｍ→１５ｍｍ→２０ｍｍの順にＥＣＧ出力電圧が大きくなっている。また、Ｘ→Ｙ→Ｚの順にＥＣＧ出力電圧が大きくなっている。

図６、図７及び図８から判断して、接着部２２０のカーボンナノチューブの含有量は、７．５重量％以上が好ましい。また、接着部２２０の直径は、１５ｍｍ以上２０ｍｍ以下が好ましい。

シグナルコンディショナ１１０は、電極２００で読み取られた生体電気信号を増幅する。また、シグナルコンディショナ１１０では、生体電気信号に含まれているノイズをフィルタにより除去する。

通信部１２０は、電極２００で読み取られた生体電気信号を端末３００に送信する。通信部１２０の通信方法は、有線及び無線いずれであってもよい。

記憶部１３０は、電極２００で読み取られた生体電気信号を記憶する。記憶部１３０は、シグナルコンディショナ１１０で増幅されノイズが除去されたものを記憶するものであってもよい。

また、記憶部１３０は、メモリーカード、ＵＳＢメモリ等の記憶装置に記憶させるところであってもよい。

なお、記憶部１３０を利用せずに直接通信部１２０を介して生体電気信号が送信されるものであってもよい。

生体電気信号は、端末３００の表示部（モニター）３１０にグラフ等により人が認識できやすい表示方法で表示される。

なお、端末３００の例としては、デスクトップパソコン、ノートパソコン、タブレット、スマートフォンが挙げられる。端末３００の個数は１以上であればよく、複数あってもよい。

また、生体信号計測装置１００と端末３００が一つの装置に組み込まれていてもよい。

本発明に係る生体信号計測装置用電極２００は、心電計測デバイス、筋電計測デバイス等に用いることができる。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の改良、修正、又は変形を加えた態様でも実施できる。

１００…生体信号計測装置
１１０…シグナルコンディショナ
１２０…通信部
１３０…記憶部
２００…電極
２１０…センサ
２２０…接着部
２３０…導電部
２４０…フィルム部
３００…端末

Claims

生体信号を読み取る生体信号計測装置用電極であって、
前記生体信号を読み取るセンサと、
前記センサで読み取った前記生体信号を送信するための導電部と、
導電性及び粘着性を有し、前記センサを皮膚に張り付け可能な接着部と、
前記導電部及び前記接着部の周辺を皮膚に張り付けるフィルム部と、を含む電極であって、
前記接着部は、粘着性導電性ポリマーであり、カーボンナノチューブと、エトキシル化ポリエチレンイミンと、ポリジメチルシロキサンと、を含む生体信号計測装置用電極。
前記接着部が平面視円形状であり、その直径が１５ｍｍ以上である請求項１記載の生体信号計測装置用電極。
前記カーボンナノチューブの含有量が７．５重量％以上である請求項１又は２記載の生体信号計測装置用電極。
前記カーボンナノチューブの含有量が１０重量％であり、前記エトキシル化ポリエチレンイミンが１．０重量％以上である請求項３記載の生体信号計測装置用電極。
前記接着部が平面視円形状であり、その直径が２０ｍｍである請求項１乃至４のいずれかに記載の生体信号計測装置用電極。
請求項１乃至請求項５の生体信号計測装置用電極と、
前記電極の前記導電部から送信された前記生体信号を受信し、前記生体信号を増幅させるシグナルコンディショナと、
前記シグナルコンディショナによって増幅された前記生体信号を端末に送信する通信部と、
前記生体信号を記憶する記憶部と、を含む生体信号計測装置。