JP7039002B2

JP7039002B2 - ウェアラブル生体センサ及びノイズキャンセル回路

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Publication number: JP7039002B2
Application number: JP2017236280A
Authority: JP
Inventors: 建青王; 六海野呂
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2037-12-08
Also published as: JP2018094412A

Description

本発明は、信号検出電極を用いて、心電図や筋電位や脳波などの生体信号をセンシングするウェアラブル生体センサ及びノイズキャンセル回路に関する。

従来、心電計や筋電計や脳波計などの生体信号は、身体に貼り付けられる２枚以上の信号検出電極を用いて検出し、差動増幅回路を用いて増幅することで取得されてきた。この際に、ウェアラブル生体センサにおいて、外部電磁界の存在によりコモンモードノイズが人体と大地間に生じ、差動増幅回路を通じて、ディファレンシャルモードノイズとしてセンサ回路の出力とグラウンド間に重畳される。

この際に、事前に周波数がわかっているノイズに対して、ノッチフィルタ等を用いて除去するのは従来技術（例えば特許文献1）であり、ハムノイズを対象としてノッチフィルタを用いずに、両信号検出電極間の電圧を所定の割合で分圧することによりハムノイズを相殺させる技術もある（特許文献２参照）。

特開２００５－１２４９０３特開２０１６－７７５８０

しかし、電波利用の進歩に伴い、商用電源だけでなく、放送、アマチュア無線、ＲＦＩＤ、さらにワイヤレス給電の利用が増加し、様々な周波数のノイズに対してノッチフィルタ等のフィルタ技術だけで対応するのは困難になるだけでなく、予想していない周波数のコモンモードノイズが消去されない問題がある。

また、各種のノッチフィルタやローパスフィルタやバンドパスフィルタなどを用いれば、生体信号の一部の周波数成分も除去されてしまう可能性がある。かかる問題の解決が望まれる。

（１）本発明の一の態様は、第１信号検出電極で検出された信号と第２信号検出電極で検出された信号とを差動増幅するウェアラブル生体センサであって、前記第１信号検出電極におけるインピーダンスと前記第２信号検出電極におけるインピーダンスとのアンバランスを補償するよう制御されるインピーダンス可変素子を備えるウェアラブル生体センサである。電極におけるインピーダンスのアンバランスを補償することで、アンバランスによりウェアラブル生体センサに誘起されるノイズを低減することができる。

（２）本発明の他の態様は、第１信号検出電極と第２信号検出電極とで検出された信号を差動増幅回路によって差動増幅するウェアラブル生体センサであって、前記第１信号検出電極におけるインピーダンスと前記第２信号検出電極におけるインピーダンスとのアンバランスを検出するノイズキャンセル回路と、前記アンバランスのために前記差動増幅回路から出力されるノイズを低減させるように前記ノイズキャンセル回路によって制御されるインピーダンス可変素子と、を備えるウェアラブル生体センサである。ノイズキャンセル回路は、検出したアンバランスに応じてインピーダンス可変素子を制御することで、差動増幅器から出力されるノイズを低減させることができる。

（３）本発明の他の態様は、第１信号検出電極に接続される第１インピーダンス可変素子と、第２信号検出電極に接続される第２インピーダンス可変素子と、前記第１インピーダンス可変素子を介して前記第１信号検出電極に接続されるとともに、前記第２インピーダンス可変素子を介して前記第２信号検出電極に接続され、前記第１信号検出電極で検出された信号と前記第２信号検出電極で検出された信号とを差動増幅する差動増幅回路と、前記第１インピーダンス可変素子と前記差動増幅回路との間における電圧、及び、前記第２インピーダンス可変素子と前記差動増幅回路との間における電圧を検出し、両電圧がほぼ同じになるように前記第１インピーダンス可変素子又は前記第２インピーダンス可変素子を制御するノイズキャンセル回路と、を備えるウェアラブル生体センサである。この場合、差動増幅回路に入力される両電圧がほぼ同じになり、差動増幅回路において、コモンモードノイズから変換されるディファレンシャルモードノイズを低減することができる。

（４）本発明の他の態様は、第１信号検出電極及び第２信号検出電極が外部接続され、前記第１信号検出電極で検出された信号と前記第２信号検出電極で検出された信号とを差動増幅するウェアラブル生体センサであって、第１インピーダンス可変素子と、第２インピーダンス可変素子と、前記第１インピーダンス可変素子を介して前記第１信号検出電極に接続されるとともに、前記第２インピーダンス可変素子を介して前記第２信号検出電極に接続され、前記第１信号検出電極で検出された信号と前記第２信号検出電極で検出された信号とを差動増幅する差動増幅回路と、前記第１インピーダンス可変素子と前記差動増幅回路との間における電圧、及び、前記第２インピーダンス可変素子と前記差動増幅回路との間における電圧を検出し、両電圧がほぼ同じになるように前記第１インピーダンス可変素子又は前記第２インピーダンス可変素子を制御するノイズキャンセル回路と、を内蔵するウェアラブル生体センサである。この場合、ウェアラブル生体センサに内蔵されたインピーダンス可変素子により、電極におけるインピーダンスのアンバランスを補償することができる。

（５）本発明の他の態様は、一対の信号検出電極と差動増幅回路を有するウェアラブル生体センサにおいて、前記一対の信号検出電極の各々に対してインピーダンス可変素子と、前記インピーダンス可変素子からの電圧を検出する非反転増幅回路と、前記非反転増幅回路で前記インピーダンス可変素子から検出された電圧の一方を基準とさせる電圧、他方を制御させる電圧と選択させるインピーダンス可変素子選択回路と、前記制御される電圧を、前記基準とさせる電圧レベルの電圧とさせる信号を生成し、前記制御させる電圧と選択したインピーダンス可変素子へフィードバックするインピーダンス可変素子制御回路と、を有する電圧補正回路を備え、前記インピーダンス可変素子から、前記制御される電圧及び前記基準とさせる電圧レベルの電圧を出力させ、前記差動増幅回路へ入力させることを特徴とするウェアラブル生体センサである。この態様によれば、各種のフィルタを用いずに、外部電磁界に由来するコモンモードノイズが差動増幅回路を通じてディファレンシャルノイズへ変換されることを阻止し、コモンモードノイズの影響を生体信号から除去する。よって、生体信号の周波数成分の劣化にも持たさず，ウェアラブル生体センサにおける商用電源や放送やＲＦＩＤやワイヤレス給電などの様々な周波数の外部電磁界によるコモンモードノイズを除去することができる。また、信号検出電極の貼付け具合の違いから生じる一対の信号検出電極と人体との間のインピーダンスのアンバランスを解消することもできる。

（６）ウェアラブル生体センサは、脳波を測定するセンサ、眼電位を測定するセンサ、心電を測定するセンサ、及び筋電位を測定するセンサからなる群から選択される一のセンサであってもよい。

（７）本発明の他の態様は、第１信号検出電極で検出された信号と第２信号検出電極で検出された信号とを差動増幅する差動増幅回路からコモンモードノイズの影響により出力されるノイズを低減するノイズキャンセル回路であって、前記第１信号検出電極におけるインピーダンスと前記第２信号検出電極におけるインピーダンスとのアンバランスを検出し、前記アンバランスを補償するインピーダンス可変素子を制御するよう構成されたノイズキャンセル回路である。

実施形態のウェアラブル生体センサを人体に取り付けた様子を示す。実施形態のウェアラブル生体センサの構成を示す。実施形態のウェアラブル生体センサの構成を示す。ウェアラブル生体センサのコモンモードノイズに対する等価回路のブロック図を示す。インピーダンス可変素子選択回路３４の構成を示す。インピーダンス可変素子制御回路３６の構成を示す。検証実験のブロック図を示す。信号検出電極と人体との接触抵抗１５、１６の間のアンバランスが１０～５０％の際の検証結果を示す。信号検出電極と人体との接触抵抗１５、１６の間のアンバランスを３０％のときの代表的周波数における検証結果を示す。差動増幅回路の回路図を示す。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

図１に、実施形態のウェアラブル生体センサを人体に取り付けた生体信号検出システム１を示す。一対の信号検出電極１０は、人体Ｈの診断したい部位の表面に接触で貼付けられる。また非接触で容量結合ができるように配置される。即ち、前者の場合は第１信号検出電極１２と第２信号検出電極１４は人体Ｈとの間にインピーダンスとして接触抵抗、後者の場合は第１信号検出電極１２と第２信号検出電極１４は人体Ｈとの間にインピーダンスとして結合容量が発生する。したがって、電極１２，１４におけるインピーダンスには、接触抵抗又は結合容量によるインピーダンスが含まれることになる。

人体の部位は、頭部に取り付けられて脳波、目の周囲の皮膚に取り付けられて眼電位、心臓部に取り付けられて心電図、腕などに取り付けられて筋電位や血圧などの生体信号が測定され診断に用いられる。すなわち、ウェアラブル生体センサは、頭部に取り付けられて脳波を測定するセンサであってもよいし、眼の周囲の皮膚に取り付けられて眼電位を測定するセンサであってもよいし、心臓部などに取り付けられて心電を測定するセンサであってもよいし、及び腕などに取り付けられて筋電位を測定するセンサであってもよい。一対の信号検出電極１０は、第１信号検出電極１２と第２信号検出電極１４からなる。第１信号検出電極１２は、第１ケーブル１０１介して、生体信号取得部３０に接続され、第２信号検出電極１４は、第２ケーブル１０２を介して、生体信号取得部３０に接続される。

人体Ｈに取り付けられた一対の信号検出電極１０と生体信号取得部（生体信号取得器）３０で取得した生体信号は、その後通信機能を利用してパソコンやスマートフォン４０に転送されて表示・解析され、日常のヘルスケアに用いられる。また、必要に応じて、インターネットを経由することで病院や医療センター５０に送ることで不祥事の際の即時対応を可能にしたりする。また、通信機能を使わないで生体信号を人体Ｈに付けた記憶装置に取得してもよい。なお、前述の生体信号取得部（生体信号取得器）３０は、ウェアラブル生体センサとして機能する。

（実施形態）
図２Ａに、実施形態のウェアラブル生体センサ３の構成を示す。ウェアラブル生体センサ３は、信号検出電極１０によって検出された信号を差動増幅する。差動増幅は、差動増幅回路３８によって行われる。図２Ａに示すウェアラブル生体センサ３は、インピーダンス可変素子２０を備える。インピーダンス可変素子２０は、第１信号検出電極１２におけるインピーダンスと第２信号検出電極１４におけるインピーダンスとのアンバランスを補償する。インピーダンス可変素子２０は、両インピーダンスのアンバランスを補償するように制御される。

インピーダンス可変素子２０の制御は、センサ３が備えるノイズキャンセル回路５３によって行われる。ノイズキャンセル回路５３は、両電極１２，１４におけるインピーダンスのアンバランスを検出し、そのアンバランスを補償するためのインピーダンス可変素子２０を制御する。換言すると、ノイズキャンセル回路５３は、両電極１２，１４におけるインピーダンスのアンバランスのために差動増幅回路３８から出力されるノイズ（ディファレンシャルモードノイズ；干渉電圧）を低減させるように、インピーダンス可変素子２０を制御する。以下では、ノイズキャンセル回路５３及びインピーダンス可変素子２０を含む回路を電圧補正回路５という。ウェアラブル生体センサ３は、一対の信号検出電極１０で検出された電圧信号を電圧補正回路５にてほぼ同じ大きさとさせて、差動増幅回路３８にてノイズを除去させると共に生体信号を増幅して出力する。

電圧補正回路５は、第１信号検出電極１２及び第２信号検出電極１４の各々に対してインピーダンス可変素子２０（第１インピーダンス可変素子２３及び第２インピーダンス可変素子２４）を設け検出された信号を電圧化して制御する。第１インピーダンス可変素子２３は、第１信号検出電極１２に接続され、第２インピーダンス可変素子２４は、第２信号検出電極に接続される。差動増幅回路３８の第１入力には、第１インピーダンス可変素子２３を介して、第１信号検出電極１２が接続される。差動増幅回路３８の第２入力には、第２インピーダンス可変素子２３を介して、第２信号検出電極１４が接続される。

ノイズキャンセル回路５３は、第１インピーダンス可変素子２３と差動増幅回路３８（の第１入力）との間における第１電圧Ｖ_ｃ１と、第２インピーダンス可変素子２４と差動増幅回路３８（の第２入力）との間における第２電圧Ｖ_ｃ２と、を検出する。ノイズキャンセル回路５３は、検出された第１電圧Ｖ_ｃ１と第２電圧Ｖ_ｃ２とに基づいて、インピーダンス可変素子２０を制御する。ノイズキャンセル回路５３は、これらの電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２が、ほぼ同じになるように、インピーダンス可変素子２０を制御する。

本実施形態では、ノイズキャンセル回路５３は、第１インピーダンス可変素子２３と差動増幅回路３８（の第１入力）との間における第１電圧Ｖ_ｃ１と、第２インピーダンス可変素子２４と差動増幅回路３８（の第２入力）との間における第２電圧Ｖ_ｃ２と、を検出するため、インピーダンス可変素子をフィードバック制御する制御系を構成することができる。例えば、電極１２，１４におけるインピーダンスのアンバランスを、電極１２，１４とインピーダンス可変素子２３，２５との間で検出することも考えられるが、この場合、フィードバック制御系を構成できない。フィードバック制御系を構成することで、制御が容易となる。

ノイズキャンセル回路５３は、非反転増幅回路３２にて、第１インピーダンス可変素子２３及び第２インピーダンス可変素子２４からの電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２を検出する。これらの電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２は、第１信号検出電極１２と第２信号検出電極１４の貼付け具合や、外部からの電波ノイズにより異なった電圧値になっている。ここで、人体Ｈと電極が接触している場合には接触抵抗、非接触している場合には結合容量が発生する。このため、前者の場合にはインピーダンス可変素子２０として可変抵抗を用い、後者の場合にはインピーダンス可変素子２０として可変コンデンサを用いる。

両電極１２，１４におけるインピーダンスは、前述の接触抵抗又は結合容量の影響を受けて、アンバランスになる。両電極１２，１４におけるインピーダンスがアンバランスであると、検出される電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２も異なった値（アンバランス）になる。ここで、検出される電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２は、主に、コモンモードノイズの電圧である。一般に、心電の信号レベルは、コモンノードノイズのレベルに比べて十分に小さいため、検出される電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２は、概ねコモンノードノイズ電圧であり、心電電圧の影響は少ない。そして、両電極１２，１４におけるインピーダンスがアンバランスであると、検出される電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２も異なった値になる。これを利用し、本実施形態では、電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２のアンバランスを検出することにより、両電極１２，１４におけるインピーダンスのアンバランスを検出する。

ノイズキャンセル回路５３は、例えば、検出された電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２に基づいて、第１インピーダンス可変素子２３又は及び第２インピーダンス可変素子２４のうち、制御対象となるインピーダンス可変素子を選択し、選択されたインピーダンス可変素子のインピーダンスをフィードバック制御して、電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２をほぼ同じにする。

ノイズキャンセル回路５３が備えるインピーダンス可変素子選択回路３４にて、第１インピーダンス可変素子２３又は及び第２インピーダンス可変素子２４からの電圧の内、一方を基準とさせ他方を制御させると選定される。例えば、低い電圧を基準とさせ高い電圧を制御させると選定される。

更にインピーダンス可変素子制御回路３６にて、制御されると選定させた電圧を、基準とさせた電圧レベルとする電圧信号を生成させ、制御されるインピーダンス可変素子２０（第１インピーダンス可変素子２３又は第２インピーダンス可変素子２４）へフィードバックされる。例えば、第１インピーダンス可変素子２３からの電圧Ｖ_ｃ１を基準とさせる電圧、第２インピーダンス可変素子２４からの電圧Ｖ_ｃ２を制御させる電圧とした場合、インピーダンス可変素子制御回路３６より、第２インピーダンス可変素子２４へ出力電圧を基準とさせる電圧レベル（後述する閾値を設定）にさせる電圧信号をフィードバックする。

よって、電圧補正回路５により、インピーダンス可変素子２０（第１インピーダンス可変素子２３及び第２インピーダンス可変素子２４）の両出力端子からのノイズを含む電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２がほぼ同じ大きさと制御されて（後述する閾値を設定）差動増幅回路３８へ送られるので、差動増幅回路３８にてノイズが除去され、出力側に生体信号だけ出力される。なお、グラウンド電極の表示を省略している。

また、従来ノイズ除去に用いられるフィルタは、通常一対の信号検出電極１０と差動増幅回路３８の間に設定させている。

図２Ｂは、図２Ａに示すセンサ３と同様のセンサ３の説明図である。センサ３は、筐体１００を備える。筐体１００には、内部回路３００が内蔵されている。内部回路３００は、インピーダンス可変素子２０、差動増幅回路３８、ノイズキャンセル回路５３を含む。筐体１００は、ケーブル接続用の端子１１１，１１２を備える。端子１１１，１１２には、電極１２，１４が接続されたケーブル１０１，１０２が外部接続される。ケーブル１０１，１０２に接続される電極１２，１４は、ケーブル１０１，１０２に一体的に設けられていてもよいし、着脱自在であってもよい。電極１２，１４は使い捨てタイプであってもよい。なお、図では、２本のケーブル１０１，１０２が描かれているが、複数のケーブルが１本にまとめられていてもよい。

図２Ｂに示すように、インピーダンス可変素子２０は、外部接続される電極１２，１４側、すなわち筐体３００の外側、に設けられているのではなく、センサ３に内蔵されている。電極１２，１４側にインピーダンス可変素子２０が設けられていると、電極１２，１４付近が、大型化し、電極１２，１４の取り扱い性が低下する。また、電極１２，１４が交換されたり、使い捨てのため破棄されたりする場合、インピーダンス可変素子２０が無駄になる。かかる問題は、インピーダンス可変素子２０が、センサ３に内蔵されていること、回避できる。

図３に、人体Ｈとの間に接触抵抗が発生することを想定したインピーダンス可変素子の一例として、ＣｄＳ（Cadmium Sulfide）セルと制御用ＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなる可変抵抗２２を用いたウェアラブル生体センサのコモンモードノイズに対する等価回路のブロック図を示す。ＣｄＳセルは光の強度を用いて抵抗値を可変に制御することができる。外部電磁界から生じるコモンモードノイズ源（Ｖｃ）６０は、生体信号を検出する一対の信号検出電極の人体表面との接触抵抗（Re1、Re2）１５、１６を通して、制御用ＬＥＤとＣｄＳセルからなる可変抵抗２２（第１可変抵抗２５、第２可変抵抗２６）と接続する。この際に、ディファレンシャルモードのグラウンド６２と、コモンモードのグラウンドとなる大地６４との間に、寄生容量（Ｃｇ）６６が存在する。このときの差動増幅回路３８のディファレンシャルモード出力電圧（Ｖｏ）とコモンモードノイズ（Ｖｃ）との関係式を式（１）に示す。

ここで、図９に示すように、RsとRfは差動増幅回路３８中の差動増幅回路用抵抗である。なお、図９において、３８１はオペアンプである。Re1=Re2、すなわち接触抵抗１５と１６はバランスが取れているならば、Ｖｏ=0であり、コモンモードからディファレンシャルモードへのモード変換が起きず、生体信号へのノイズの重畳が発生しない。

もし、一対の信号検出電極１０の人体Ｈとの接触抵抗１５、１６がアンバランスであれば、電極１０におけるインピーダンスがアンバランスとなる。ノイズキャンセル回路５４は、接触抵抗１５，１６のアンバランス値を、インピーダンス可変素子選択回路３４を用いて検出し、どちらの可変抵抗２２（第１可変抵抗２５又は第２可変抵抗２６）を使用するかを決定する。そして、ノイズキャンセル回路５４は、インピーダンス可変素子制御回路３６を用いて、選択した可変抵抗２２（第１可変抵抗２５又は第２可変抵抗２６）のＬＥＤに印加する電圧を制御することでＣｄＳセルの抵抗値を制御し、一対の信号電極１０と人体との接触抵抗１５、１６間のアンバランスを解消する。これにより、コモンモードノイズのディファレンシャルモードノイズへのモード変換がなくなり、その結果ウェアラブル生体センサ３における外部電磁界に起因するノイズが除去される。

インピーダンス可変素子選択回路３４は、例えば、図４に示すようにピークホールド回路４１と比較器４２で構成される。インピーダンス可変素子（ＣｄＳセル）の選択のため、ＣｄＳセル２５，２６の初期抵抗は最も低い値に設定される。したがって、制御前の初期状態において、両ＣｄＳ２５，２６は同じ抵抗値(インピーダンス)を持つ。

ピークホールド回路４１は、交流成分で現れるコモンモードノイズの電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２の最大値を検出し比較可能にする。コモンモードノイズの電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２それぞれの最大値を検出することで、コモンモードノイズ電圧レベルの違いを容易に比較することができる。比較器４２はピークホールド回路４１の結果を比較することで、例えば、電圧が大きい側のインピーダンス可変素子を制御の対象として選択し、インピーダンス可変素子制御回路３６に入力する。インピーダンス可変素子を再び選択するまでの時間間隔は、使用環境等を考慮し、あらかじめ相応しい値を決める。

インピーダンス可変素子制御回路３６は、制御の対象として選択されたインピーダン可変素子への制御量を決定する。制御量は、コモンモードノイズの電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２の差の最大値に基づき、電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２(コモンノードノイズレベル；コモンノードノイズ電圧)がほぼ同じになるように決定される。以下では、インピーダンス可変素子制御回路３６は、ＣｄＳセルを用いた場合で動作原理を説明する。

インピーダンス可変素子制御回路３６は、例えば、図５に示すように、差動増幅回路４３、ピークホールド回路４４、比較器４５、マイクロコンピュータ４６、およびローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと記す）４７から構成される。制御すべき可変抵抗２２をインピーダンス可変素子選択回路３４で決定した後、初めに差動増幅回路４３を用いて非反転増幅回路３２の出力の差（電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２の差）を検出し、ピークホールド回路４４を用いてその最大値を検出する。その後、検出された最大値を、比較器４５を用いて予め設定した閾値と比較し、検出された最大値が、閾値よりも大きい場合にはマイクロコンピュータ４６でカウントを１つあげ、そのカウントに応じたＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を出力する。したがって、ＰＷＭ信号のパルス幅は、電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２の差の最大値に応じたものとなる。

その後、ＬＰＦ４７を通すことでＰＷＭ信号を直流成分に変換し、制御用ＬＥＤを有するＣｄＳセル２２に印加する電圧を制御する。ＣｄＳセル２２に印加する電圧によって、ＣｄＳの抵抗が変化する。

これを一定の周期で行う。その周期長は対象にするコモンモードノイズ電圧の周波数などを考慮し、あらかじめ相応しい値を決定する。これにより、一対の信号電極１０の人体との接触抵抗１５、１６のバランスが取れ、非反転増幅回路３２の出力の差が小さくなり、ピークホールド回路４４から出力された電圧値が比較器４５の閾値を下回ると、マイクロコンピュータ４６のカウントが変化しなくなり、可変抵抗２２に印加する電圧が固定される。すなわち、インピーダンス可変素子制御回路３６は、電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２の差の最大値が閾値よりも小さくなるまで制御を行い、電圧Ｖ_ｃ１,Ｖ_ｃ２をほぼ同じにする。よって、このように、フィルタ回路を使用せずに、身体に取り付けられるウェアラブル生体センサ３に生ずる外部電磁界によるコモンモードノイズの影響を除去できる。

（実施例）
図６に、検証実験のブロック図を示す。検証実験回路は、信号発生器５１、生体信号検出器のコモンモード等価回路５２、コモンモードノイズキャンセル回路５３、バッテリー駆動のディジタルオシロスコープから構成される。擬似コモンモードノイズ電圧（Ｖｃ）を発生させるために信号発生器５１を使用し、ディジタルオシロスコープ５４を用いてウェアラブル生体センサの生体信号取得部３０からの出力電圧（Ｖｏ）を測定する。一対の信号検出電極の接触抵抗値は、１０kΩを基準値とした際のアンバランスの割合で決定した。また、信号発生器５１から出力するコモンモードノイズ電圧を１Ｖ、コモンモードノイズの周波数を６０Ｈｚから１００ｋＨｚ、差動増幅回路３８の利得を６０ｄＢ、回路グラウンド６２と大地６４の間の寄生容量６６は２００ｐＦとした。

図７は、上述実験条件において、本発明を使用した際と使用しない際のウェアラブル生体センサの１ｋＨｚ（左図）と８０ｋＨｚ（右図）における出力電圧（Ｖｏ）の測定結果である。本発明回路により、コモンモードノイズからディファレンシャルノイズへのモード変換が抑えられ、生体信号に重畳される各周波数のノイズが大幅に除去されたことが確認できる。丸印はノイズ除去回路３がない場合、三角印はノイズ除去回路３が有る場合を示す。なお三角印の値が０Ｖとならないのは閾値を設定しているからである。

図８に、信号検出電極と人体との接触抵抗１５、１６のアンバランスが３０％の際のウェアラブル生体センサの出力（Ｖｏ）を示す。図から、外部電磁界によるウェアラブル生体センサへのノイズが大幅に低減され、例えば、自動車へのワイヤレス給電用の８０ｋＨｚの周波数において、３０％の接触抵抗のアンバランスによるウェアラブル生体センサに誘起されるノイズは約１/１００に低減され、本発明の高い有効性を示している。丸印はノイズ除去回路５３がない場合、三角印はノイズ除去回路５３が有る場合を示す。なお三角印の値が０Ｖとならないのは閾値を設定しているからである。

本発明の一実施形態は、人体に貼付けする一対の信号検出電極１０と、電圧を用いて制御するインピーダンス可変素子２０と、生体信号取得部３０の差動増幅回路３８と、非反転増幅回路３２と、インピーダンス可変素子選択回路３４と、インピーダンス可変素子制御回路３６を有するシステムである。
この一実施形態によれば、従来ノッチフィルタ等のフィルタを使用して、低減させた外部電磁界によるコモンモードノイズを、フィルタを使用せずに除去することができる。また、従来ではフィルタが除去する周波数と同じ成分の生体信号も低減させてしまうが、本手法では、生体信号を低減させず、ノイズのみを除去することができる。

高齢化社会において、各種のウェアラブル生体センサが身体に取り付けられ、健康状態をモニタリングする需要が大幅に増え、２０１４年を「ウェアラブル元年」と呼ばれるほど高い市場性有する分野である。本発明は、各種の生活環境電磁界によるウェアラブル生体センサへの混入ノイズを除去する技術であり、ウェアラブル生体センサを実現・普及する要素技術の一つとして，将来の市場性が十分高いと思われる。

１生体信号検出システム
３ウェアラブル生体センサ
５電圧補正回路
１０一対の信号検出電極
１２第１信号検出電極
１４第２信号検出電極
１５接触抵抗（第１信号検出電極と人体間）
１６接触抵抗（第２信号検出電極と人体間）
２０インピーダンス可変素子（抵抗またコンデンサ）
２２可変抵抗（制御用ＬＥＤを有するＣｄＳセルから構成）
２３第１インピーダンス可変素子
２４第２インピーダンス可変素子
２５第１可変抵抗（制御用ＬＥＤを有するＣｄＳセルから構成）
２６第２可変抵抗（制御用ＬＥＤを有するＣｄＳセルから構成）
３０生体信号取得部
３２非反転増幅回路
３４インピーダンス可変素子選択回路
３６インピーダンス可変素子制御回路
３８差動増幅回路
４０パソコンやスマートフォン
４１インピーダンス可変素子選択回路で用いるピークホールド回路
４２インピーダンス可変素子選択回路で用いる比較器
４３インピーダンス可変素子制御回路で用いる差動増幅回路
４４インピーダンス可変素子制御回路で用いるピークホールド回路
４５インピーダンス可変素子制御回路で用いる比較器
４６マイクロコンピュータ
４７ローパスフィルタ（LPF）
５０病院や医療センター
５１信号発生器
５２ウェアラブル生体センサのコモンモード等価回路
５３コモンモードノイズ除去回路（ノイズキャンセル回路）
５４バッテリー駆動ディジタルオシロスコープ
６０コモンモードノイズを模擬した信号源
６２回路グラウンド
６４大地
６６回路グラウンドと大地の間の寄生容量
１００筐体
１０１第１ケーブル
１０２第２ケーブル
１１１端子
１１２端子
３００内部回路
３８１増幅器
Ｈ人体

Claims

第１信号検出電極に接続される第１インピーダンス可変素子と、
第２信号検出電極に接続される第２インピーダンス可変素子と、
前記第１インピーダンス可変素子を介して前記第１信号検出電極に接続される第１入力を有するとともに、前記第２インピーダンス可変素子を介して前記第２信号検出電極に接続される第２入力を有し、前記第１信号検出電極で検出された信号と前記第２信号検出電極で検出された信号とを差動増幅する差動増幅回路と、
前記第１インピーダンス可変素子と前記差動増幅回路の前記第１入力との間における第１電圧、及び、前記第２インピーダンス可変素子と前記差動増幅回路の前記第２入力との間における第２電圧をそれぞれ検出し、検出された前記第１電圧及び前記第２電圧に基づいて、両電圧がほぼ同じになるように前記第１インピーダンス可変素子又は前記第２インピーダンス可変素子を制御するノイズキャンセル回路と、
を備え、
前記ノイズキャンセル回路は、検出された前記第１電圧及び前記第２電圧に基づいて、前記第１インピーダンス可変素子及び前記第２インピーダンス可変素子のうちノイズキャンセルのために制御されるインピーダンス可変素子を選択する、
ウェアラブル生体センサ。
第１信号検出電極及び第２信号検出電極が外部接続され、前記第１信号検出電極で検出された信号と前記第２信号検出電極で検出された信号とを差動増幅するウェアラブル生体センサであって、
第１インピーダンス可変素子と、
第２インピーダンス可変素子と、
前記第１インピーダンス可変素子を介して前記第１信号検出電極に接続される第１入力を有するとともに、前記第２インピーダンス可変素子を介して前記第２信号検出電極に接続される第２入力を有し、前記第１信号検出電極で検出された信号と前記第２信号検出電極で検出された信号とを差動増幅する差動増幅回路と、
前記第１インピーダンス可変素子と前記差動増幅回路の前記第１入力との間における第１電圧、及び、前記第２インピーダンス可変素子と前記差動増幅回路の前記第２入力との間における第２電圧をそれぞれ検出し、検出された前記第１電圧及び前記第２電圧に基づいて、両電圧がほぼ同じになるように前記第１インピーダンス可変素子又は前記第２インピーダンス可変素子を制御するノイズキャンセル回路と、
を内蔵し、
前記ノイズキャンセル回路は、検出された前記第１電圧及び前記第２電圧に基づいて、前記第１インピーダンス可変素子及び前記第２インピーダンス可変素子のうちノイズキャンセルのために制御されるインピーダンス可変素子を選択する、
ウェアラブル生体センサ。
一対の信号検出電極と差動増幅回路を有するウェアラブル生体センサにおいて、
前記一対の信号検出電極の各々に対してインピーダンス可変素子と、
前記インピーダンス可変素子からの電圧を検出する非反転増幅回路と、
前記非反転増幅回路で前記インピーダンス可変素子から検出された電圧の一方を基準とさせる電圧、他方を制御させる電圧と選択させるインピーダンス可変素子選択回路と、
前記制御される電圧を、前記基準とさせる電圧レベルの電圧とさせる信号を生成し、前記制御させる電圧と選択したインピーダンス可変素子へフィードバックするインピーダンス可変素子制御回路と、を有する電圧補正回路を備え、
前記インピーダンス可変素子から、前記制御される電圧及び前記基準とさせる電圧レベルの電圧を出力させ、前記差動増幅回路へ入力させることを特徴とするウェアラブル生体センサ。
脳波を測定するセンサ、眼電位を測定するセンサ、心電を測定するセンサ、及び筋電位を測定するセンサからなる群から選択される一のセンサである請求項１～３のいずれか１項に記載のウェアラブル生体センサ。
第１信号検出電極で検出された信号と第２信号検出電極で検出された信号とを差動増幅する差動増幅回路からコモンモードノイズの影響により出力されるノイズを低減するノイズキャンセル回路であって、前記差動増幅回路は、第１インピーダンス可変素子を介して第１信号検出電極に接続される第１入力を有するとともに、第２インピーダンス可変素子を介して第２信号検出電極に接続される第２入力を有し、
前記第１インピーダンス可変素子と前記差動増幅回路の前記第１入力との間における第１電圧、及び、前記第２インピーダンス可変素子と前記差動増幅回路の前記第２入力との間における第２電圧をそれぞれ検出し、検出された前記第１電圧及び前記第２電圧に基づいて、両電圧がほぼ同じになるように前記第１インピーダンス可変素子又は前記第２インピーダンス可変素子を制御するよう構成されているとともに、
検出された前記第１電圧及び前記第２電圧に基づいて、前記第１インピーダンス可変素子及び前記第２インピーダンス可変素子のうちノイズキャンセルのために制御されるインピーダンス可変素子を選択するよう構成されたノイズキャンセル回路。