JP6991498B2 - 生体内信号強度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、生体内で活動する組織の活動部位（信号源）の信号強度を検出する生体内信号強度検出方法、及び生体内信号強度検出装置に関する。

生体表面に電極を取り付けて、その電極に生じた電圧を測定することによって、生体内で活動する組織の活動状態を計測することが行われている。

例えば、特許文献１には、生体と所定平面との交線（閉曲線）上の各点において、表面電位を測定することによって、その平面を通る生体の断面内の電位分布を求める方法が開示されている。

特開平１１－１１３８６７号公報 国際公開第２０１６／０７５７２６Ａ１号

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、生体に多数の電極を隙間なく配置して測定する必要があるため、生体への負担が大きい。また、電極数が少なければ、生体への負担は軽減されるが、解像度の低い電位分布しか得ることができない。

本発明は、少ない数の電極を用いて、生体内で活動する組織の活動部位（信号源）の信号強度を検出することができる生体内信号強度検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る生体内信号強度検出装置は、生体表面に配置される電極に生じる電圧によって、生体内の信号源の信号強度を検出する生体内信号強度検出装置であって、生体内の信号源は、複数の筋繊維からなる線状の信号源であって、複数の信号源を囲むように、生体表面の円周上に配置する、２つの電極が連結された電極ユニットと、生体表面の円周上に配置された２つの電極を含む平面内における信号源の位置情報（ｘ，ｙ）を検出する手段と、各電極とグランド電位との間に生じる電圧Ｅ _１ 、Ｅ _２ を測定する手段と、２つの電極を含む平面内における各電極の位置情報、及び、信号源の位置情報（ｘ，ｙ）から、信号源と前記各電極との距離ｒ _１ 、ｒ _２ を算出する手段と、を備え、信号源の位置情報（ｘ、ｙ）を検出する手段は、２つの電極を配置した円周上に、一つの電極を配置し、各電極とグランド電位との間に、第１の外部抵抗及び第２の外部抵抗を、それぞれ切り替え可能に並列接続し、各電極とグランド電位との間に、第１の外部抵抗を接続したときに生じる第１の電圧Ｖ _１ 、Ｖ _２ 、Ｖ _３ 、及び、各電極とグランド電位との間に、第２の外部抵抗を接続したときに生じる第２の電圧Ｖ' _１ 、Ｖ' _２ 、Ｖ' _３ を測定する手段と、第１の電圧Ｖ _１ 、Ｖ _２ 、Ｖ _３ 及び第２の電圧Ｖ' _１ 、Ｖ' _２ 、Ｖ' _３ から、比Ｖ _１ ／Ｖ' _１ 、Ｖ _２ ／Ｖ' _２ 、Ｖ _３ ／Ｖ' _３ を算出する手段と、各電極が配置された生体表面の円周に沿った断面内における各電極の位置座標を（ａ _１ 、ｂ _１ ）、（ａ _２ 、ｂ _２ ）、（ａ _３ 、ｂ _３ ）、第１の外部抵抗の大きさを無限大、第２の外部抵抗の大きさをＲ _ｇ 、信号源とグランド電極との間の内部抵抗をＲ _ｂ０ 、βを生体の導電率で決まる定数としたとき、信号源の断面内における位置（ｘ、ｙ）を、下記の連立方程式（１）を解くことによって検出する手段とを含み、生体内の信号源の信号強度Ｖ _０ は、下記の式（２）、（３）に基づいて検出することを特徴とする。

本発明によれば、少ない数の電極を用いて、生体内で活動する組織の活動部位（信号源）の信号強度を検出することが可能な生体内信号強度検出装置を提供することができる。

本発明の検出対象とする信号源のモデルを示した図である。 本発明の第１の本実施形態における生体内信号源の信号強度を検出する方法を説明した図である。 本発明の第２の本実施形態における生体内信号源の信号強度を検出する方法を説明した図である。 信号源の位置検出方法を説明する電気回路網を示した図である。 各電極と外部抵抗との接続状態の切り替えのステップを示した表である。 信号源の位置を検出する方法を説明した図である。 信号源の位置を検出する方法を説明した図である。 信号源の位置検出方法を説明する電気回路網を示した図である。 各電極と外部抵抗との接続状態の切り替えのステップを示した表である。 信号源の位置を検出する方法を説明した図である。 本発明の他の実施形態における生体内信号強度検出装置の構成を示したブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。なお、以下の説明において、特に断らない限り、「電極」は、生体表面に取り付ける部材をいい、「電位」は、電気的レベルをいい、「電圧」は、測定された電気的レベルをいう。

本願出願人は、少ない数の電極を用いて、生体内で活動する組織の活動部位（信号源）の位置を精度よく検出することができる方法を提案している（特許文献２）。

本提案による生体内の信号源位置検出方法は、生体表面に、少なくとも３つの電極を配置し、各電極とグランド電位との間に、抵抗値の異なる２つの外部抵抗を並列に接続して、第１の外部抵抗に並列接続したときに各電極に生じる電圧Ｖ_ｉ（ｉ＝１，２，３）と、第２の外部抵抗に並列接続したときに各電極に生じる電圧Ｖ’_ｉ（ｉ＝１，２，３）を測定するものである。ここで、各電極と信号源との間の内部抵抗Ｒ_ｉ（ｉ＝１，２，３）が、各電極と信号源との間の距離Ｌ_ｉ（ｉ＝１，２，３）に比例するとすると、距離Ｌ_ｉ（ｉ＝１，２，３）は、電圧比（Ｖ_ｉ／Ｖ’_ｉ）を変数とする３つの連立方程式で表すことができる。従って、測定した３つの電圧比（Ｖ_ｉ／Ｖ’_ｉ）を用いて、この３つの連立方程式を解くことによって、信号源の３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を求めることができる。

しかしながら、本提案による方法では、信号源の位置を検出することはできるが、信号源の信号強度を検出することはできない。そこで、本願発明は、少ない数の電極を用いて、生体内で活動する組織の活動部位（信号源）の信号強度を検出することが可能な生体内信号強度検出方法を提案するものである。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態において、検出対象とする信号源のモデルを示した図である。

図１に示した信号源のモデルは、腕等の骨格筋を構成する複数の筋繊維４０で、各筋繊維４０は、図中の矢印の向きに沿って線状に存在する。そして、骨格筋が活動（収縮）すると、特定の筋繊維４０が信号源Ｖsとなり、高い電位を発生する。この信号源Ｖsとなる筋繊維４０の活動部位は、筋繊維４０の向きに沿って線状に存在するため、信号源Ｖsの電位分布は一様となる。従って、図１に示すように、信号源Ｖsの検出範囲を、Ａ－Ａ線に沿った断面内に限定すれば、線状の信号源Ｖsを、二次元座標（ｘ,ｙ）の点として捉えることができる。

図２は、本実施形態における生体内信号源の信号強度を検出する方法を模式的に説明した図である。

図２に示すように、２つの電極２１、２２を、複数の筋繊維（線状の信号源）４０を囲むように、生体１０の表面の円周１０Ａ上に配置する。また、生体１０の表面には、電極２１、２２で測定する電圧の影響を受けない位置にグランド電極（不図示）も配置される。

ところで、生体内の信号源Ｖｓの信号強度Ｖ_０は、信号源Ｖｓから離れるに従い減衰する。従って、生体１０の表面１０Ａに配置された各電極２１、２２で測定される信号強度（電圧Ｅ _ｉ）は、信号源Ｖｓから各電極２１、２２までの距離をｒ_ｉとすると、以下の式（１－１）（減衰式）で表される。

ここで、ηは減衰係数である。

すなわち、図２に示した２つの電極２１、２２で測定される電圧Ｅ _１、Ｅ _２は、以下の式（１－２）で表される。

式（１－２）からＶ_０を消去すると、以下の式（１－３）が導出される。

従って、式（１－３）から、減衰件数ηは、以下の式（１－４）から求めることができる。

また、式（１－２）から、信号源Ｖｓの信号強度Ｖ_０は、以下の式（１－５）から求めることができる。

式（１－４）に示すように、減衰係数ηは、各電極２１、２２で測定された電圧Ｅ _１、Ｅ _２、及び、信号源Ｖｓから各電極２１、２２までの距離ｒ_１、ｒ_２を用いて求めることができる。

ここで、信号源Ｖｓの位置情報（ｘ、ｙ）は、後述する方法により検出することができる。従って、２つの電極２１、２２を含む平面内における各電極の位置情報（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）（ｉ＝１，２）と、信号源Ｖｓの位置情報（ｘ、ｙ）から、信号源Ｖｓと各電極２１、２２との距離ｒ_ｉ（ｉ＝１，２）を算出することができる。

これにより、式（１－５）に示すように、信号源Ｖｓの信号強度Ｖ_０は、式（１－４）により求めたηと、電極２１若しくは電極２２で測定された電圧Ｅ _１、Ｅ _２、及び信号源Ｖｓと電極２１若しくは電極２２との距離ｒ_１、ｒ_２を用いて求めることができる。

すなわち、本実施形態における生体内信号強度検出方法は、複数の信号源を囲むように、生体表面の円周上に、２つの電極２１、２２を配置する工程と、２つの電極２１、２２を含む平面内における信号源Ｖｓの位置情報（ｘ，ｙ）を求める工程と、２つの電極２１、２２を含む平面内における各電極の位置情報（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）（ｉ＝１，２）、及び、信号源Ｖｓの位置情報（ｘ，ｙ）から、信号源Ｖｓと各電極２１、２２との距離ｒ_ｉ（ｉ＝１，２）を算出する工程と、各電極２１、２２とグランド電位との間に生じる電圧Ｅ _ｉ（ｉ＝１，２）を測定する工程とを含み、距離ｒ_ｉ（ｉ＝１，２）、電圧Ｅ _ｉ（ｉ＝１，２）、及び、体内における信号源の減衰式に基づいて、生体内の信号源の信号強度を検出するものである。

本実施形態によれば、信号源Ｖｓの位置情報（ｘ，ｙ）、信号源Ｖｓを囲むように、生体表面の円周上に配置した２つの電極２１、２２の位置情報（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）（ｉ＝１，２）、及び各電極２１、２２で測定された電圧Ｅ _ｉ（ｉ＝１，２）を用いて、式（１－１）で示した体内における信号源Ｖｓの減衰式に基づいて、生体内の信号源Ｖｓの信号強度Ｖ_０を検出することができる。これにより、少ない数の電極を用いて、生体内で活動する組織の活動部位（信号源）の信号強度を検出することが可能となる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態における生体内信号源の信号強度を検出する方法を説明した図である。

図３に示すように、３つの電極２１、２２、２３を、複数の筋繊維（線状の信号源）４０を囲むように、生体１０の表面の円周１０Ａ上に配置する。また、生体１０の表面には、電極２１、２２、２３で測定する電圧の影響を受けない位置にグランド電極（不図示）も配置される。

図３に示した電極２１と電極２２との間で生じる電圧Ｅ _１は、式（１－１）で示した減衰式に基づいて、以下の式（２－１）のように表される。

ここで、Ｖ_０は、生体内の信号源Ｖｓの信号強度、ｒ_１、ｒ_２は、信号源Ｖｓから電極２１、２２までの距離、ηは、式（１－１）で示した減衰式の減衰係数である。

式（２－１）から、生体内の信号源Ｖｓの信号強度Ｖ_０は、以下の式（２－２）で表される。

同様に、電極２２と電極２３との間で生じる電圧Ｅ _２は、式（１－１）で示した減衰式に基づいて、以下の式（２－３）のように表される。

ここで、ｒ_３は、信号源Ｖｓから電極２３までの距離である。

式（２－３）から、生体内の信号源Ｖｓの信号強度Ｖ_０は、以下の式（２－４）で表される。

式（２－２）、（２－４）からＶ_０を消去すると、以下の式（２－５）が導出される。

さらに、式（２－５）から、減衰係数ηは、以下の式（２－６）で表される。

ここで、式（２－６）の右辺を、以下の式（２－７）のように定数Ａで置き換えると、式（２－６）は、以下の式（２－８）のように表される。

従って、式（２－８）から、減衰係数ηは、以下の式（２－９）から求めることができる。

また、式（２－２）から、信号源Ｖｓの信号強度Ｖ_０は、以下の式（２－１０）から求めることができる。

式（２－９）及び式（２－７）から、減衰係数ηは、各電極間に生じるＥ _１、Ｅ _２、及び、信号源Ｖｓから各電極までの距離ｒ_１、ｒ_２、ｒ_３を用いて求めることができる。

ここで、信号源Ｖｓの位置情報（ｘ、ｙ）は、後述する方法により検出することができる。従って、３つの電極２１、２２、２３を含む平面内における各電極の位置情報（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）（ｉ＝１，２，３）と、信号源Ｖｓの位置情報（ｘ、ｙ）から、信号源Ｖｓと各電極２１、２２、２３との距離ｒ_ｉ（ｉ＝１，２，３）を算出することができる。

これにより、式（２－１０）から、信号源Ｖｓの信号強度Ｖ_０は、式（２－９）により求めたηと、各電極間に生じた電圧Ｅ _１、Ｅ _２、及び信号源Ｖｓと各電極までの距離ｒ_１、ｒ_２、ｒ_３を用いて求めることができる。

このように、本実施形態によれば、信号源Ｖｓの位置情報（ｘ，ｙ）、信号源Ｖｓを囲むように、生体表面の円周上に配置した３つの電極２１、２２、２３の位置情報（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ）（ｉ＝１，２，３）、及び各電極間に生じた電圧Ｅ _ｉ（ｉ＝１，２）を用いて、式（１－１）で示した体内における信号源Ｖｓの減衰式に基づいて、生体内の信号源Ｖｓの信号強度Ｖ_０を検出することができる。これにより、少ない数の電極を用いて、生体内で活動する組織の活動部位（信号源）の信号強度を検出することが可能となる。

なお、本実施形態では、式（２－１）及び式（２－３）に示したように、各電極間に生じた電圧Ｅ _１、Ｅ _２を、各電極で測定した電圧の差分により求めているため、外部からのノイズをキャンセルすることができる。そのため、電極間に生じた電圧Ｅ _ｉを、ノイズの影響を少なくして測定できるため、信号源Ｖｓの信号強度をより精度良く検出することができる。

（信号源の位置検出方法）
図４～図７を参照しながら、本実施形態における信号源Ｖｓの信号強度検出方法に用いる信号源の位置検出方法について説明する。

図４は、生体内の信号源Ｖｓの位置を検出する方法を説明する電気回路網を示した図である。

図４に示すように、生体１０の表面に、３つの電極２１、２２、２３を配置する。また、各電極２１、２２、２３とグランド電位との間に、相互に切り替え可能な第１の外部抵抗及び第２の外部抵抗を並列接続する。ここでは、第１の外部抵抗の抵抗値を無限大とし、第２の外部抵抗の抵抗値をＲgとしている。これにより、各電極２１、２２、２３とグランド電位との間は、切り替え手段ＳＷによって、外部抵抗Ｒgが接続されていない場合と、外部抵抗Ｒgが接続されている場合とに切り替えられる。なお、生体１０の表面に、電極２１、２２、２３で測定する電圧の影響を受けない位置にグランド電極２０を配置し、これをグランド電位にしているが、必ずしも、生体１０の表面に、グランド電極２０を配置する必要はない。

生体１０の表面に配置した各電極２１、２２、２３には、生体１０内の信号源Ｖsからの電圧が発生し、その電圧をアンプ３０で増幅して、出力電圧Ｖoutが出力される。各電極２１、２２、２３とアンプ３０との間には、スイッチＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３がそれぞれ配置され、各スイッチＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３を順次、導通させることにより、各電極２１、２２、２３に生じた電圧が、アンプ３０の出力電圧Ｖoutとして測定される。

図５に示すように、切り替え手段ＳＷ、及びスイッチＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３を、それぞれ切り替える（ステップ１～ステップ６）。これにより、各電極２１、２２、２３とグランド電位との間に、外部抵抗が接続されていないときに各電極２１、２２、２３に生じる第１の電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、及び各電極２１、２２、２３とグランド電位との間に、外部抵抗Ｒgが接続されているときに各電極２１、２２、２３に生じる第２の電圧Ｖ’_１、Ｖ’_２、Ｖ’_３が測定される。なお、図５では、各電極２１、２２、２３を、それぞれ、チャネルｃｈ_１、ｃｈ_２、ｃｈ_３と表示している。

図６は、複数の筋繊維４０を囲むように、生体１０の表面の円周１０Ａ上に、３つの電極２１、２２、２３を配置した図で、信号源Ｖsと各電極２１、２２、２３との間の内部抵抗を、それぞれ、Ｒ_ｂ１、Ｒ_ｂ２、Ｒ_ｂ３と表している。

このとき、図５に示したステップ１において、電極２１（チャネルｃｈ_１）で生じる第１の電圧（外部抵抗が接続されていない場合）Ｖ_１は、式（３－１）で与えられる。

一方、ステップ４において、電極２１（チャネルｃｈ_１）で生じる第２の電圧（外部抵抗Ｒgが接続されている場合）Ｖ’_１は、アンプ３０の入力抵抗Ｒ_ｉｎが非常に大きいとき、式（３－２）で与えられる。

ここで、Ｒ_ｂ０は、信号源Ｖsとグランド電極２０との間の内部抵抗を表す。

式（３－１）及び式（３－２）から、電極２１（チャネルｃｈ_１）において、外部抵抗Ｒgが接続されていない場合の第１の電圧Ｖ_１と、外部抵抗Ｒgが接続されている場合の第２の電圧Ｖ’_１との比Ｖ’_１／Ｖ_１（減衰比）は、式（３－３）で与えられる。

同様に、電極２２（チャネルｃｈ_２）において、外部抵抗Ｒgが接続されていない場合の第１の電圧Ｖ_２と、外部抵抗Ｒgが接続されている場合の第２の電圧Ｖ’_２との比Ｖ’_２／Ｖ_２（減衰比）、及び、電極２３（チャネルｃｈ_３）において、外部抵抗Ｒgが接続されていない場合の第１の電圧Ｖ_３と、外部抵抗Ｒgが接続されている場合の第２の電圧Ｖ’_３との比Ｖ’_３／Ｖ_３（減衰比）は、それぞれ、式（３－４）、式（３－５）で与えられる。

ところで、生体１０内の導電率が一様であると仮定すると、内部抵抗の抵抗値Ｒ_ｂ１、Ｒ_ｂ２、Ｒ_ｂ３は、それぞれ、生体１０内の信号源Ｖsと、各電極２１、２２、２３との距離に比例すると考えられる。従って、式（３－３）、（３－４）、（３－５）から、生体１０内の信号源Ｖsと、各電極２１、２２、２３との距離Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は、それぞれ、式（３－６）、（３－７）、（３－８）で表される。

ここで、βは、内部抵抗Ｒ_ｂｉと距離Ｌ_ｉ（ｉ＝１、２、３）との比例定数で、生体１０の導電率等で定まる。

式（３－６）、（３－７）、（３－８）に示すように、距離Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３は、それぞれ、減衰比（Ｖ’_１／Ｖ_１、Ｖ’_２／Ｖ_２、Ｖ’_３／Ｖ_３）の逆数の関数として表される。そして、図７に示すように、信号源Ｖsは、各電極２１、２２、２３を中心とする半径Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３の円Ｑ_１、Ｑ_２、Ｑ_３の交点に存在すると考えられる。各電極２１、２２、２３の位置座標を、（ａ_１、ｂ_１）、（ａ_２、ｂ_２）、（ａ_３、ｂ_３）とすると、円Ｑ_１、Ｑ_２、Ｑ_３は、それぞれ、以下の式（３－９）、（３－１０）、（３－１１）で表される。

従って、式（３－６）、（３－７）、（３－８）で求めたＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３を用いて、上記の式（３－９）、（３－１０）、（３－１１）は、以下の式（３－１２）で表される３つの連立方程式になる。

ここで、式（３－１２）で表される３つの連立方程式の未知数は、信号源Ｖsの二次元座標（ｘ、ｙ）と、定数β、Ｒ_ｂ０の４つになる。従って、Ｒ_ｂ０を予め与えることによって、３つの連立方程式を解くことにより、信号源Ｖsの二次元座標（ｘ、ｙ）と、定数βを求めることができる。

このように、生体１０の表面に配置した３つの電極２１、２２、２３と、グランド電位との間に外部抵抗を並列接続し、その接続状態を切り替えて、各電極２１、２２、２３に生じる電圧の比（減衰比）を測定することによって、生体１０内の信号源Ｖsの２次元位置（ｘ、ｙ）を容易に検出することができる。これにより、少ない数の電極を用いて、生体内の信号源Ｖsの２次元位置を精度よく検出することができる。

また、内部抵抗Ｒ_ｂｉと距離Ｌ_ｉ（ｉ＝１、２、３）との比例定数βを、上記の連立方程式を解くことによって求めることができる。そのため、比例定数βが、体内の組成に影響を受けて変動したり、あるいは、検出中に値が変化したりしても、生体内の信号源Ｖsの２次元位置を、より精度よく検出することができる。

なお、生体１０内の信号源Ｖsは１つと仮定して説明したが、実際には、複数の信号源が同時に発生する場合もある。このような場合でも、これら信号源の電気信号の最も支配的な１点を信号源として求めることができる。

また、図５に示したように、切り替え手段ＳＷ、及びスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３を切り替えて、各電極２１、２２、２３における第１の電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、及び第２の電圧Ｖ’_１、Ｖ’_２、Ｖ’_３を順次測定している。従って、これらの切り替え時間内に、信号電Ｖsの電位が変化すると、信号源Ｖsの位置測定に誤差が生じるおそれがある。そのため、各電極及び外部抵抗の切り替えは、できるだけ高速で行うことが好ましい。例えば、１μｓ以下、望ましくは０．１μｓ以下で切り替えることが好ましい。

なお、上記の説明では、第１の外部抵抗の抵抗値を無限大（非導通）とし、第２の外部抵抗の抵抗値をＲgとしたが、第１の外部抵抗を、第２の外部抵抗と異なる大きさの抵抗値にしてもよい。

この場合、生体１０の表面の円周上に３つの電極２１、２２、２３を配置するとともに、各電極２１、２２、２３とグランド電位との間に、相互に切り替え可能な第１の外部抵抗及び第２の外部抵抗を並列接続する。そして、各電極２１、２２、２３とグランド電位との間に、第１の外部抵抗を並列接続したときに各電極２１、２２、２３に生じる第１の電圧Ｖ_ｉ（ｉ＝１，２，３）、及び各電極２１、２２、２３とグランド電位との間に、第２の外部抵抗を並列接続したときに各電極２１、２２、２３に生じる第２の電圧Ｖ’_ｉ（ｉ＝１，２，３）を測定する。そして、第１の電圧Ｖ_ｉ及び第２の電圧Ｖ’_ｉから比Ｖ_１／Ｖ’_ｉ（ｉ＝１，２，３）を算出し、これら３つの比Ｖ_ｉ／Ｖ’_ｉ（ｉ＝１，２，３）に基づいて、生体内の信号源Ｖsの位置を検出すればよい。

次に、図８～図１０を参照しながら、本実施形態における信号源Ｖｓの信号強度検出方法に用いる他の信号源位置検出方法について説明する。

図８は、生体内の信号源Ｖｓの位置を検出する方法を説明する電気回路網を示した図である。

図８に示すように、生体１０の表面に、３つの電極２１、２２、２３を配置する。具体的には、図６に示したように、３つの電極２１、２２、２３を、複数の筋繊維４０を囲むように、生体１０の表面の円周１０Ａ上に配置する。また、第１の電極２１と第２の電極２２との間、第２の電極２２と第３の電極２３との間、及び第３の電極２３と第１の電極２１との間に、それぞれ、相互に切り替え可能な第１の外部抵抗及び第２の外部抵抗を並列接続する。なお、本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、第１の外部抵抗の抵抗値を無限大とし、第２の外部抵抗の抵抗値をＲgとする。また、生体１０の表面に、電極２１、２２、２３で測定する電圧の影響を受けない位置にグランド電極２０を配置し、これをグランド電位にしている。

図８に示すように、各電極２１、２２、２３と差動アンプ３０との間に、スイッチＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、及びＳＳ_１、ＳＳ_２、ＳＳ_３が配置されている。そして、各スイッチＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、及びＳＳ_１、ＳＳ_２、ＳＳ_３を、図９に示すように、順次、導通させることによって、第１の電極２１と第２の電極２２との間、第２の電極２２と第３の電極２３との間、及び第３の電極２３と第１の電極２１との間に生じた電圧が、差動アンプ３０の出力電圧Ｖoutとして測定される。また、各電極間は、切り替え手段ＳＷによって、外部抵抗が接続されていない場合と、外部抵抗Ｒgが接続されている場合とに切り替えられる。これにより、図９に示すように、切り替え手段ＳＷ、及び各スイッチＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、ＳＳ_１、ＳＳ_２、ＳＳ_３を、それぞれ切り替えることによって（ステップ１～ステップ６）、各電極間に外部抵抗Ｒgが接続されていないときに各電極間に生じる第１の電圧Ｖ_１２、Ｖ_２３、Ｖ_３１、及び各電極間に外部抵抗Ｒgが接続されているときに各電極間に生じる第２の電圧Ｖ’_１２、Ｖ’_２３、Ｖ’_３１)が測定される。なお、図８には、各電極２１、２２、２３を、それぞれ、チャネルｃｈ_１、ｃｈ_２、ｃｈ_３と表示している。

図９に示したステップ１において、電極２１と電極２２との間（チャネルｃｈ_１とｃｈ_２との間）で生じる第１の電圧（外部抵抗が接続されていない場合）Ｖ_１２は、式（４－１）で与えられる。

一方、ステップ４において、電極２１と電極２２との間（チャネルｃｈ_１とｃｈ_２との間）で生じる第２の電圧（外部抵抗Ｒgが接続されている場合）Ｖ’_１２は、アンプ３０の入力抵抗Ｒ_ｉｎが非常に大きいとき、式（４－２）で与えられる。

ここで、Ｒ_ｂ１及びＲ_ｂ２は、それぞれ、生体１０内の信号源Ｖsと電極２１（チャネルｃｈ_１）の間の内部抵抗、及び信号源Ｖsと電極２２（チャネルｃｈ_２）の間の内部抵抗を表す。

式（４－１）及び式（４－２）から、電極２１と電極２２との間（チャネルｃｈ_１とｃｈ_２との間）で生じる第１の電圧Ｖ_１２と第２の電圧Ｖ’_１２の比Ｖ’_１２／Ｖ_１２（減衰比）は、式（４－３）で与えられる。

同様に、電極２２と電極２３との間（チャネルｃｈ_２とｃｈ_３との間）で生じる第１の電圧Ｖ_２３と第２の電圧Ｖ’_２３の比Ｖ’_２３／Ｖ_２３（減衰比）、及び、電極２３と電極２１との間（チャネルｃｈ_３とｃｈ_１との間）で生じる第１の電圧Ｖ_３１と第２の電圧Ｖ’_３１の比Ｖ’_３１／Ｖ_３１（減衰比）は、それぞれ、式（４－４）、（４－５）で与えられる。

ここで、Ｒ_ｂ３は、生体１０内の信号源Ｖsと電極２３（ｃｈ_３）との間の内部抵抗の抵抗値を表す。

各電極間に生じる電圧の測定において、生体１０内の内部抵抗は、各電極と信号源との間の内部抵抗の和で表される。例えば、電極２１と電極２２との間（チャネルｃｈ_１とｃｈ_２との間）で生じる第１の電圧Ｖ_１２及び第２の電圧Ｖ’_１２の測定において、生体１０内の内部抵抗は、Ｒ_ｂ１＋Ｒ_ｂ２で表される。

ここで、生体１０内の導電率が一様であると仮定すると、内部抵抗の和（Ｒ_ｂ１＋Ｒ_ｂ２）は、電極２１と信号源Ｖsとの距離Ｄ_１と、電極２２と信号源Ｖsとの距離Ｄ_２との和（Ｄ_１＋Ｄ_２）に比例すると考えられる。従って、式（２－３）、（２－４）、（２－５）から、各電極と信号源Ｖsとの距離の和（Ｄ_１＋Ｄ_２）、（Ｄ_２＋Ｄ_３）、（Ｄ_３＋Ｄ_１）は、それぞれ、式（４－６）、（４－７）、（４－８）で表される。

ここで、αは、内部抵抗Ｒ_ｂｉと距離Ｄ_ｉ（ｉ＝１、２、３）との比例定数で、生体１０の導電率等で定まる。

式（４－６）、（４－７）、（４－８）に示すように、各電極と信号源Ｖsとの距離の和（Ｄ_１＋Ｄ_２）、（Ｄ_２＋Ｄ_３）、（Ｄ_３＋Ｄ_１）は、それぞれ、減衰比（Ｖ’_１２／Ｖ_１２）、（Ｖ’_２３／Ｖ_２３）、（Ｖ’_３１／Ｖ_３１）の逆数の関数として表される。そして、図１０に示すように、信号源Ｖsは、電極２１、２２（チャネルｃｈ_１、ｃｈ_２）を焦点とする楕円Ｐ _１、電極２２、２３（チャネルｃｈ_２、ｃｈ_３）を焦点とする楕円Ｐ _２、及び電極２３、２１（チャネルｃｈ_３、ｃｈ_１）を焦点とする楕円Ｐ _３の交点に存在すると考えられる。

各電極２１、２２、２３の位置座標を、（ａ_１、ｂ_１）、（ａ_２、ｂ_２）、（ａ_３、ｂ_３）とすると、楕円Ｐ _１、Ｐ _２、Ｐ _３は、それぞれ、以下の式（４－９）、（４－１０）、（４２－１１）で表される。

従って、式（４－６）、（４－７）、（４－８）で求めた（Ｄ_１＋Ｄ_２）、（Ｄ_２＋Ｄ_３）、（Ｄ_３＋Ｄ_１）を用いて、以下の式（４－１２）で表される３つの連立方程式を解くことによって、信号源Ｖsの二次元座標（ｘ、ｙ）を求めることができる。

式（４－１２）には、信号源Ｖsとグランド電極２０との間の内部抵抗Ｒ_ｂ０が式中に入っていない。また、式（４－１２）で表される３つの連立方程式の未知数は、信号源Ｖsの二次元座標（ｘ、ｙ）と、定数αの３つになる。従って、式（４－１２）で表される３つの連立方程式を解くことによって、信号源Ｖsの二次元座標（ｘ、ｙ）と、定数αを求めることができる。

上記の方法によれば、信号源Ｖsの二次元座標（ｘ、ｙ）を求める際に、２つの定数、すなわち、内部抵抗Ｒ_ｂｉと距離Ｌ_ｉ（ｉ＝１、２、３）との比例定数α、及び、信号源Ｖsとグランド電極２０との間の内部抵抗Ｒ_ｂ０を、予め求めておく必要がなく、簡便に、生体内の信号源Ｖsの二次元座標を求めることができる。

（生体内信号強度検出装置）
図１１は、本発明の他の実施形態における生体内信号強度検出装置の構成を示すブロック図で、生体表面に配置される電極に生じる電圧によって、生体内の信号源の信号強度を検出する装置である。なお、本実施形態で対象とする生体内の信号源は、複数の筋繊維からなる線状の信号源である。

図１１に示すように、本実施形態における生体内信号強度検出装置１００は、少なくとも２つの電極が連結された電極ユニット１１０を備え、かかる電極ユニット１１０は、図図２に示したように、複数の筋繊維（線状の信号源）４０を囲むように、生体１０の表面の円周１０Ａ上に配置される。

生体内信号強度検出装置１００は、さらに、信号源Ｖｓの位置情報（ｘ，ｙ）を検出する手段１２０と、各電極とグランド電位との間、又は、各電極間に生じる電圧Ｖ_ｉ（ｉ＝１，２）を測定する手段１３０と、信号源Ｖｓと各電極との距離ｒ_ｉ（ｉ＝１，２）を算出する手段１４０と、信号源Ｖｓの信号強度を検出する手段１５０とを備えている。

信号強度検出手段１５０では、電圧測定手段１３０で測定された電圧Ｖ_ｉ（ｉ＝１，２）、距離算出手段１４０で算出された距離ｒ_ｉ（ｉ＝１，２）、及び式（１－１）で示した生体内における信号源の減衰式に基づいて、信号源Ｖｓの信号強度を検出する。

ここで、信号強度の検出は、上記の第１の実施形態または第２の実施形態において説明した生体内信号強度検出方法を用いて検出することができる。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では、体内における信号源の減衰式に、式（１－１）を用いたが、必ずしもこれに限定されない。

また、上記実施形態では、信号源の信号強度の検出を、複数の信号源を囲むように、少なくとも２つ以上の電極を配置して行ったが、さらに一つ以上の電極を配置して、信号源の位置検出を行ってもよい。

また、上記実施形態では、信号源Ｖｓの位置情報（ｘ、ｙ）の検出を、図４～図７、若しくは、図８～図１０を参照しながら説明した方法、すなわち、複数の信号源を囲むように、少なくとも３つ以上の電極を配置し、各電極とグランド電位との間に、抵抗値の異なる２つの外部抵抗を並列に接続して、それぞれの外部抵抗に並列接続したときに各電極に生じる電圧Ｖ_ｋ（ｋ＝１，２，３）及び電圧Ｖ’_ｋ（ｋ＝１，２，３）を測定し、電圧比Ｖ_ｋ／Ｖ’_ｋ（ｋ＝１，２，３）に基づいて行う方法を説明したが、必ずしもこれに限定されない。例えば、生体表面に多数の電極を格子状に配置し、各電極で測定した表面電位と、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴画像）や、ＣＴ（Computed Tomography:コンピュータ断層撮影）等で得られた生体の画像データに基づいて、体内の電位分布を解析することによって、生体内の信号源の位置情報を求める方法を用いてもよい。

１０ 生体
１０Ａ 円周
２０ グランド電極
２１ 第１の電極（チャネルｃｈ_１）
２２ 第２の電極（チャネルｃｈ_２）
２３ 第３の電極（チャネルｃｈ_３）
３０ 差動アンプ
４０ 筋繊維
１００ 生体内信号強度検出装置
１１０ 電極ユニット
１２０ 位置情報検出手段
１３０ 電圧測定手段
１４０ 距離算出手段
１５０ 信号強度検出手段

Claims (2)

1. 生体表面に配置される電極に生じる電圧によって、生体内の信号源の信号強度を検出する生体内信号強度検出装置であって、
   前記生体内の信号源は、複数の筋繊維からなる線状の信号源であって、
   前記複数の信号源を囲むように、前記生体表面の円周上に配置する、２つの電極が連結された電極ユニットと、
   前記生体表面の円周上に配置された前記２つの電極を含む平面内における前記信号源の位置情報（ｘ，ｙ）を検出する手段と、
   前記各電極とグランド電位との間に生じる電圧Ｅ_１、Ｅ_２を測定する手段と、
   前記２つの電極を含む平面内における各電極の位置情報、及び、前記信号源の位置情報（ｘ，ｙ）から、前記信号源と前記各電極との距離ｒ_１、ｒ_２を算出する手段と、
   を備え、
   前記信号源の位置情報（ｘ、ｙ）を検出する手段は、
   前記２つの電極を配置した円周上に、一つの電極を配置し、前記各電極とグランド電位との間に、第１の外部抵抗及び第２の外部抵抗を、それぞれ切り替え可能に並列接続し、前記各電極とグランド電位との間に、前記第１の外部抵抗を接続したときに生じる第１の電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３、及び、前記各電極とグランド電位との間に、前記第２の外部抵抗を接続したときに生じる第２の電圧Ｖ'_１、Ｖ'_２、Ｖ'_３を測定する手段と、
   前記第１の電圧Ｖ_１、Ｖ_２、Ｖ_３及び前記第２の電圧Ｖ'_１、Ｖ'_２、Ｖ'_３から、比Ｖ_１／Ｖ'_１、Ｖ_２／Ｖ'_２、Ｖ_３／Ｖ'_３を算出する手段と、
   前記各電極が配置された生体表面の円周に沿った断面内における前記各電極の位置座標を（ａ_１、ｂ_１）、（ａ_２、ｂ_２）、（ａ_３、ｂ_３）、前記第１の外部抵抗の大きさを無限大、前記第２の外部抵抗の大きさをＲ_ｇ、前記信号源とグランド電極との間の内部抵抗をＲ_ｂ０、βを生体の導電率で決まる定数としたとき、前記信号源の前記断面内における位置（ｘ、ｙ）を、下記の連立方程式（１）を解くことによって検出する手段と
   を含み、
   生体内の信号源の信号強度Ｖ_０は、下記の式（２）、（３）に基づいて検出する、生体内信号強度検出装置。
   

   

   

   
2. 生体表面に配置される電極に生じる電圧によって、生体内の信号源の信号強度を検出する生体内信号強度検出装置であって、
   前記生体内の信号源は、複数の筋繊維からなる線状の信号源であって、
   前記複数の信号源を囲むように、前記生体表面の円周上に配置する、２つの電極が連結された電極ユニットと、
   前記生体表面の円周上に配置された前記２つの電極を含む平面内における前記信号源の位置情報（ｘ、ｙ）を検出する手段と、
   前記各電極とグランド電位との間に生じる電圧Ｅ_１、Ｅ_２を測定する手段と、
   前記２つの電極を含む平面内における各電極の位置情報、及び、前記信号源の位置情報（ｘ、ｙ）から、前記信号源と前記各電極との距離ｒ_１、ｒ_２を算出する手段と、
   を備え、
   前記信号源の位置情報（ｘ、ｙ）を検出する手段は、
   前記２つの電極を配置した円周上に、一つの電極を配置し、前記生体表面の円周上に配置する３つの電極を、第１の電極、第２の電極、及び第３の電極としたとき、前記第１の電極と前記第２の電極との間、前記第２の電極と前記第３の電極との間、及び前記第３の電極と前記第１の電極との間に、第１の外部抵抗及び第２の外部抵抗を、それぞれ切り替え可能に並列接続し、前記各電極間に前記第１の外部抵抗を並列接続したときに各電極間に生じる第１の電圧Ｖ_１２、Ｖ_２３、Ｖ_３１、及び前記各電極間に前記第２の外部抵抗を並列接続したときに各電極間に生じる第２の電圧Ｖ'_１２、Ｖ'_２３、Ｖ'_３１を測定する手段と、
   前記第１の電圧Ｖ_１２、Ｖ_２３、Ｖ_３１及び前記第２の電圧Ｖ'_１２、Ｖ'_２３、Ｖ'_３１から、それぞれ比Ｖ_１２／Ｖ'_１２、Ｖ_２３／Ｖ'_２３、Ｖ_３１／Ｖ'_３１を算出する手段と、
   前記各電極が配置された生体表面の円周に沿った断面内における前記各電極の位置座標を（ａ_１、ｂ_１）、（ａ_２、ｂ_２）、（ａ_３、ｂ_３）、前記第１の外部抵抗の大きさを無限大、前記第２の外部抵抗の大きさをＲ_ｇ、αを生体の導電率で決まる定数としたとき、前記信号源の前記断面内における位置（ｘ、ｙ）を、下記の連立方程式（４）を解くことによって検出する手段と、
   を含み、
   生体内の信号源の信号強度Ｖ_０は、下記の式（５）、（６）に基づいて検出する、生体内信号強度検出装置。
   

   

   

   

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