JP7476963B2

JP7476963B2 - ウェアラブル生体信号計測素子および生体信号計測装置

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Publication number: JP7476963B2
Application number: JP2022533269A
Authority: JP
Inventors: 芳行土居; 俊重島村; 雄三石井; 聡綱島
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Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2024-05-01
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Description

本発明は、長期間高精度で測定可能なウェアラブル生体信号計測素子および生体信号計測装置に関する。

近年、心拍信号、心電信号などの生体信号を計測するウェアラブル装置における電極に、生体への適合性が良い材料として、導電性及び親水性が特に優れた導電性高分子や金属を用いられている。

このウェアラブル装置は着衣に埋め込まれ利用されるが、皮膚と接触する電極部の乾燥により接触抵抗（インピーダンス）が増大すると、計測する生体信号に波形劣化が生じる。その抵抗値変化は、所望の信号に対して波形歪やノイズ増加の要因となり、信号の消失（リードオフ）を生じさせる。そこで、接触抵抗を維持するために、電極において適度な湿潤環境を維持する必要がある。

図１２および図１３を参照して、非特許文献１に開示される生体信号計測装置９０の基本的な構成と動作について説明する。

図１２に、生体信号計測装置９０を装着した着衣１の正面図を示す。生体信号計測装置９０は大きく、着衣１と、電極部９１と、電気線路９２と、制御器９４とで構成されている。皮膚２と接する面である着衣１の内面（内部）に、複数の電極部９１が設けられている。電極部９１にはそれぞれ電気線路９２が電気的に接続され、制御器９４に接続される。

図１３に、生体信号計測装置９０の着衣１の内部から見た正面図を示す。また、図１４に、図１３に示すＸＩＶ－ＸＩＶ’断面図を示す。制御器９４は、着脱可能な電気部品であり、着衣１の外部に設置され、電気コネクタ９３を介して電気的に接続される。電気コネクタ９３は着衣を貫通するように設置されており、着衣１の内部において電気線路９２と接続される。電極部９１は、生体信号の計測時において、皮膚２に接触する。

ここで、着衣１はポリエステルや綿など、Ｔシャツなどの一般的な下着素材が用いられる。電極部９１および電気線路９２には、導電性を有する高分子や金属を含む材料が用いられる。

電気コネクタ９３にはスナップボタンなど、制御器９４との電気接続と着脱機構を兼用する部品が用いられる。また、制御器９４について詳細は図示しないが、生体からの電気信号を検出する検出器、信号を増幅する増幅器、信号データを蓄積するメモリ、信号を外部機器に伝送するための無線部品などから構成される。

電極部９１で検出される電気信号（例えば心電波形）は、電気線路９２および電気コネクタ９３を介して制御器９４に伝達される。ここでは図示しないが、制御器９４はその信号データをメモリに蓄積し、無線信号に変換した後に外部のコンピュータや端末に送信する。

次に、図１５を用いて、特許文献１に開示される電極部の構成を説明する。図１５は、図１３に示す電極部９１のＸＩＶ－ＸＩＶ’断面図である。電極部９１は、着衣１の内部において、皮膚２と接触して生体信号を検出する電極９１１と、貫通孔９１３を有する基材９１５と、基材９１５に取り付けられたカバー９１６と、および基材９１５とカバー９１６の内部に設置される湿度調整材９１４とを備える。また、電極９１１に電気線路９２が接続され、制御器９４に電気信号を伝達する。

基本的な動作は図１３、図１４と同様、電極部９１で検出される電気信号が、電気線路９２および電気コネクタ９３を介して制御器９４に伝達される。図１５に示す構成は、電極９１１が適切な湿度環境を維持するために、湿度調整材９１４による湿度調整機能を有する。

湿度調整材９１４は、水分やグリセロール等の保湿剤を含浸可能な材料であり、皮膚で発生する汗を吸い取ることも可能である。

特許第５７０６５７５号公報

Tsukada, Yayoi Tetsuou et al. "Validation of wearable textile electrodes for ECG monitoring." Heart and vessels vol. 34,7 (2019): 1203-1211. doi:10.1007/s00380-019-01347-8

しかしながら、非特許文献１に開示される生体信号計測装置では、電極部に湿度調整機構を具備していないため、皮膚と接触する電極部の乾燥により接触抵抗が増大すると、計測する生体信号に波形劣化が生じるという問題が高頻度に発生していた。

また、日々の生体活動において、接触抵抗値の変化を測定する際に、気づかないうちに所望の信号に対して波形歪やノイズ増加、およびリードオフが発生するという問題があった。ここで、リードオフとは波形が取得（測定）できない状態をいう。

さらに、乾燥およびリードオフに気づき電極への水分供給を行う際に、その適切な供給量が不明であるため、過度に電極を湿潤させることにより、着衣装着時に電極の過度な濡れに伴う冷感や、活動時における蒸れによる不快感などの生体への肉体的、精神的ストレスが発生するという問題もあった。

また、特許文献１に開示される生体信号計測装置では、湿度調整機構を有するが、例えば過負荷な生体活動や高温乾燥雰囲気での活動によって湿度調整材自体も十分な湿度を保持できない場合がある。そこで、外部から水分を供給することができないために、電極の湿度調整機能が劣化あるいは消失するという問題があった。

さらに、湿度調整材は、着衣とともに洗濯されるが、洗濯を繰り返すうちに調整性能が劣化するので、生体信号計測装置としての性能寿命が短いという問題があった。

上述したような課題を解決するために、本発明に係るウェアラブル生体信号計測素子は、着衣に装着され、制御器に着脱可能に接続するウェアラブル生体信号計測素子であって、皮膚に接触する電極と、前記電極に接続する電気線路と、前記電気線路に接続し、前記着衣を貫通し、前記着衣の外部で前記制御器と着脱可能に接続する電気コネクタと、前記着衣の外部に一方の開口部を有し、前記着衣の外部に他方の開口部を有し、前記一方の開口部から水分が供給される導水部からなる導水機構を有する水分供給機構とを備え、前記他方の開口部が前記電極に略密接し、前記導水機構の中間部に第２の水タンクと、前記第２の水タンクと前記電極の間の前記導水機構に電磁弁とをさらに備える。
また、本発明に係るウェアラブル生体信号計測素子は、着衣に装着され、制御器に着脱可能に接続するウェアラブル生体信号計測素子であって、皮膚に接触する電極と、前記電極に接続する電気線路と、前記電気線路に接続し、前記着衣を貫通し、前記着衣の外部で前記制御器と着脱可能に接続する電気コネクタと、前記着衣の外部に一方の開口部を有し、前記着衣の外部に他方の開口部を有し、前記一方の開口部から水分が供給される導水部からなる導水機構を有する水分供給機構とを備え、前記他方の開口部が前記電極に略密接し、前記電極が乾燥した場合にリードオフ状態を検出する。

また、本発明に係るウェアラブル生体信号計測素子は、着衣に装着され、制御器に着脱可能に接続するウェアラブル生体信号計測素子であって、皮膚に接触する電極と、前記電極に接続する電気線路と、前記電気線路に接続し、前記着衣を貫通し、前記着衣の外部で前記制御器と着脱可能に接続する電気コネクタと、導水機構と、前記着衣の内部の前記導水機構の開口部に接続し、前記電極との接触面に貫通孔を有する第１の水タンクとを有する水分供給機構とを備え、前記導水機構の中間部に第２の水タンクと、前記第２の水タンクと前記電極の間の前記導水機構に電磁弁とをさらに備える。
また、本発明に係るウェアラブル生体信号計測素子は、着衣に装着され、制御器に着脱可能に接続するウェアラブル生体信号計測素子であって、皮膚に接触する電極と、前記電極に接続する電気線路と、前記電気線路に接続し、前記着衣を貫通し、前記着衣の外部で前記制御器と着脱可能に接続する電気コネクタと、導水機構と、前記着衣の内部の前記導水機構の開口部に接続し、前記電極との接触面に貫通孔を有する第１の水タンクとを有する水分供給機構とを備え、前記電極が乾燥した場合にリードオフ状態を検出する。

本発明によれば、電極部の乾燥を抑制し長期間高精度で測定可能なウェアラブル生体信号計測素子および生体信号計測装置を提供できる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る生体信号計測装置の正面図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る生体信号計測装置における電極部の断面図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係る生体信号計測装置の機能ブロック図である。図４は、本発明の第１の実施の形態に係る生体信号計測装置における電極の湿潤環境保持手順を示すフローチャート図である。図５は、本発明の第１の実施の形態の変形例に係る生体信号計測装置における電極部の断面図である。図６は、本発明の第２の実施の形態に係る生体信号計測装置の正面図である。図７は、本発明の第２の実施の形態に係る生体信号計測装置における電極部の断面図である。図８は、本発明の第３の実施の形態に係る生体信号計測装置の正面図である。図９は、本発明の第３の実施の形態に係る生体信号計測装置における制御器の断面図である。図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る生体信号計測装置の機能ブロック図である。図１１は、本発明の第３の実施の形態に係る生体信号計測装置における電極の湿潤環境保持手順を示すフローチャート図である。図１２は、従来の生体信号計測装置の着衣への装着を示す図である。図１３は、従来の生体信号計測装置の正面図である。図１４は、従来の生体信号計測装置の断面図である。図１５は、従来の生体信号計測装置における電極部の断面図である。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態について図１～図５を参照して説明する。

＜生体信号計測装置の構成＞
図１に、第１の実施の形態に係る生体信号計測装置１０の着衣１の内部から見た正面図を示す。生体信号計測装置１０は、ウェアラブル生体信号計測素子１０１と制御器１４とを備える。

ウェアラブル生体信号計測素子１０１は、着衣１に装着され、着衣１の内部に電極部１１と、電気線路１２と、電気コネクタ１３とを有する。

電極部１１には、それぞれ電気線路１２が電気的に接続され、電気コネクタ１３を介して制御器１４に接続される。電極部１１は、生体信号の計測時において、皮膚２に接触させる。

ここで、電気コネクタ１３は、着衣１を貫通するように設置されており、着衣１の外部には着脱可能な制御器１４（図中、点線）が装着される。

この構成により、電極部１１で検出される電気信号（例えば心電波形）は、電気線路１２および電気コネクタ１３を介して制御器１４に伝達される。

制御器１４は、その信号データをメモリに蓄積し、無線信号に変換した後に、外部のコンピュータや端末に送信する。

図２は、図１における電極部１１のＩＩ－ＩＩ’断面図であり、電極部１１の構成を示す。電極部１１は、着衣１の内部において、皮膚２と接触して生体信号を検出する電極１１１と、水分を貯蔵する水タンク１１２（第１の水タンク）を備える。

電極１１１は、電気線路１２に接続する。ここで、電極の大きさは、４ｃｍ×３ｃｍで、厚さが５ｍｍ程度であり、水タンクの容量は５ｍｌ（ミリリットル）程度である。

ここで、水タンク１１２は電極１１１と接する面に貫通孔１１５を有する。

また、導水機構である導水部１１３は、着衣１を貫通し、着衣１の内部の導水部１１３の開口部が水タンク１１２に接続する。着衣１の外部の導水部１１３の開口部に、キャップ１１４が設置される。

水タンク１１２に、着衣１の外部の導水部１１３の開口部から水分（保湿効果を含む水溶液でも良い）３を供給する。水タンク１１２にはエラトマーやゴム材など弾性伸縮性を有する素材が用いられる。

このように、ウェアラブル生体信号計測素子１０１は、水分供給機構として、導水機構（導水部１１３）と水タンク１１２（第１の水タンク）を備える。

この構成により、水タンク１１２に供給される水分３は、貫通孔１１５を介して、電極１１１に供給される。また、水タンク１１２は外部からの押圧力に応じて伸縮し、一定の水分が貫通孔１１５を介して電極１１１に供給される。

また、着衣１は従来技術と同様、ポリエステルや綿など、Ｔシャツなどの一般的な下着素材が用いられる。

電極部１１および電気線路１２には、材料として、導電性の繊維状の材料が用いられる。導電性の繊維状の材料として、例えば、導電性を有する高分子や金属を含む繊維材料、例えば繊維に金属をメッキや蒸着などにより成膜した材料や繊維に金属糸を編み込んだ材料を用いることができる。金属には、銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）などを用いることができる。

電気コネクタ１３には、スナップボタンなど、制御器１４との電気接続と着脱機構を兼用する部品が用いられる。

また、制御器１４は、生体からの電気信号を検出する検出器、信号を増幅する増幅器、信号データを蓄積するメモリ、信号を外部機器に伝送するための無線部品などから構成される（図示せず）。

＜生体信号計測装置の動作＞
本実施の形態に係る生体信号計測装置１０の動作について説明する。

まず、電極部１１で検出される電気信号が、電気線路１２および電気コネクタ１３を介して制御器１４に伝達される。

次に、電極１１１に対して湿潤環境を保持する手順について、図３および図４を参照して説明する。

図３に、生体信号計測装置１０の機能ブロック図を示す。また、図４は、電極１１１に対して湿潤環境を保持する手順のフローチャート図を示す。

波形計測機能２１により計測された生体信号は、波形情報送信機能２２により制御器１４から外部端末に送信される。

一方、波形計測機能２１により計測された生体信号を、制御器１４または外部端末に具備されるリードオフ検出機能２３において監視し、電極が乾燥した場合はリードオフが検出される（ステップ３１～３２）。

次に、リードオフ通知機能２４により、装置利用者（ユーザ）にリードオフであることがアラーム等の手段で通知される（ステップ３３）。

次に、通知を受領したユーザが水タンク１１２を着衣１の外部から加圧することにより、水タンク１１２から水分３が電極１１１に供給される（ステップ３４～３５）。

最後に、電極１１１が湿潤することにより、電極１１１と皮膚２の接触抵抗が適正化される（ステップ３６～３７）。以上の操作は、例えば、1日１回程度行われる。

なお、通知方法は、例えば、制御器１４からの無線信号を受信する外部端末（例えば、スマートフォン）から、アラーム音の鳴動および端末の振動（バイブレーション）によって提供される。または、制御器１４からアラーム音の鳴動および端末の振動（バイブレーション）によって提供されてもよい。

本実施の形態に係る生体信号計測装置１０およびウェアラブル生体信号計測素子１０１によれば、電極１１１に適切な湿潤環境を具備できるため、信号データの劣化や欠損を防止することができる。

また、日々の生体活動において、容易にリードオフ状態に気づくことができるため、波形歪やノイズ増加、およびリードオフの期間を削減することができる。

さらに、乾燥およびリードオフに気づき電極１１１への水分３を供給する際に、水タンク１１２への押圧力に応じて水分供給量が明確になるため、適度に電極１１１を湿潤させることができ、着衣装着時に電極１１１の過度な濡れに伴う冷感や、活動時における蒸れによる不快感などの生体への肉体的、精神的ストレスの発生を低減することが可能となる。

また、特許文献１に開示された湿度調整材を要しないため、着衣と共に繰り替えし洗濯された場合でも調整性能の劣化は生じにくく、生体信号計測装置としての性能寿命を長延化することが可能となる。

一方で、従来技術と同様、水タンク内に湿度調整材を封入することも可能である。ここで、従来技術と異なる点は、水分を外部から適宜導入して湿潤を調整することが可能であるため、本実施の形態における湿度調整材に要求される調整能力は、従来技術に用いられる湿度調整材に要求される調整能力よりも低くてもよい点である。この点は、材料の選択肢を拡大することに繋がり、より高寿命の湿度調整材や、経済性に優れる湿度調整材を適用することも可能である。

また、水タンク１１２にエラトマーやゴム材など弾性伸縮性を有する素材を用いることにより、外部からの加圧時に貫通孔１１５の径を変化させることができる。例えば、電極側の貫通孔１１５の径を通常は０．１ｍｍなど細径として電極１１１への過剰な水分供給を抑制する。

一方、水タンク１１２に外部から加圧した場合は、水タンク１１２が伸長して、貫通孔１１５の径が０．５ｍｍ程度に拡大する。このように、必要に応じて貫通孔１１５の径を拡大させて、電極１１１への水分３の供給量を変化させることができる。

なお、機能ブロック図およびフローチャートに示される、検出される信号は、リードオフ信号に限らない。例えば、信号強度に閾値を設け、その閾値を下回った場合に通知を発出するような構成も可能である。その場合は、リードオフ信号を用いた検出、通知よりもさらに精密に湿潤環境を保持することが可能となる。

本実施の形態では、水タンクから貫通孔を介して電極に水を供給する例を示したが、これに限らず、貫通孔の部分に配置した逆止弁を介して電極に水を供給することもできる。この場合、通常、逆止弁は閉じており、水タンクが加圧されたときに、圧力によって開き、水タンクから電極に水を供給する。

＜第１の実施の形態の変形例＞
次に、第１の実施の形態の変形例に係る生体信号計測装置４０について図５を参照して説明する。生体信号計測装置４０は、第１の実施の形態に係る生体信号計測装置と略同様の構成を有するが、ウェアラブル生体信号計測素子４０１の電極部４１に水タンクを備えない点で異なる。

図５に、ウェアラブル生体信号計測素子４０１における電極部４１の断面図を示す。電極部４１は、着衣１の内部において、皮膚２と接触して生体信号を検出する電極４１１と、導水部４１３を備える。

電極４１１は、電気線路４２に接続する。

導水部４１３は着衣１を貫通しており、着衣１の外部における導水部４１３の開口部にはキャップ４１４が設置される。着衣１の内部における導水部４１３の開口部は、電極４１１に略密接する。

ここで、略密接とは、導水部４１３の開口部は、電極４１１に完全に密着することはなく、導水部４１３の開口部と電極４１１との間に数ｍｍ程度又は１ｍｍ以下の僅かな隙間が有り、水分３がその隙間から浸み出し、電極４１１に水分３を供給できる程度に接することをいう。

ここで、着衣１の内部における導水部４１３の開口部を、径が広がる形状にして、隙間から浸み出す水分３が電極４１１の表面に容易に広がるようにしてもよい。

このように、ウェアラブル生体信号計測素子４０１は、水分供給機構として、導水部４１３を備える。

この構成により、着衣１の外部における導水部４１３の開口部から注入された水分３は、電極４１１に供給される。

生体信号計測装置４０では、水タンクを備えないので、第１の実施の形態に係る生体信号計測装置１０と比較して長時間において水分を保持することはできないが、適切な時間間隔で水分を供給して電極に水分を供給すれば、良好に動作することができる。

このように、本変形例に係る生体信号計測装置４０およびウェアラブル生体信号計測素子４０１によれば、導水部を有さない従来の構成に比べて、容易に電極に水分を供給して湿潤状態を維持できる。

また、本実施の形態および変形例においては、導水機構（導水部）は外形０．３ｍｍ程度の細径チューブを使用するが、これに限らず、例えば中空ポリエステルなどの繊維や、ヒートパイプに使用されるガラスや金属製のマイクロ流路も適用可能である。

＜第２実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態に係る生体信号計測装置を図６～図７を参照して説明する。
＜生体信号計測装置の構成＞

図６に、第２の実施の形態に係る生体信号計測装置５０の着衣１の内部から見た正面図を示す。生体信号計測装置５０は、ウェアラブル生体信号計測素子５０１と制御器５４とを備える。

ウェアラブル生体信号計測素子５０１は、着衣１に装着され、着衣１の内部に電極部５１と、電気線路５２と、電気コネクタ５３とを有する。

電極部５１には、それぞれ電気線路５２が電気的に接続され、電気コネクタ５３を介して制御器５４に接続される。電極部５１は、生体信号の計測時において、皮膚２に接触させる。

ここで、電気コネクタ５３は、着衣１を貫通するように設置されており、着衣１の外部には着脱可能な制御器５４（図中、点線）が装着される。

この構成により、電極部５１で検出される電気信号（例えば心電波形）は、電気線路５２および電気コネクタ５３を介して制御器５４に伝達される。

制御器５４は、その信号データをメモリに蓄積し、無線信号に変換した後に、外部のコンピュータや端末に送信する。

さらに、生体信号計測装置５０には、電極部５１以外の箇所に水タンク５８を有する。本実施の形態の場合、着衣１を介して制御器５４と対向する着衣１の内部に、水タンク（第２の水タンク、以下、「制御側水タンク」という。）５８が設置されるが、これに限らない。着衣１の内部で制御器５４と対向する位置と電極部との間の箇所でもよいし、着衣１の外部でもよい。

また、制御側水タンク５８には、各電極部５１に繋がる導水機構（水路５９）が接続されている。

また、制御側水タンク５８には、導水機構（導水部５１３、図示せず）が着衣１を貫通して接続され、着衣１の外側の導水機構（導水部５１３）の開口部から水分３が供給される。

また、着衣１の外側の導水機構（導水部５１３）の開口部にはキャップ５１４（図示せず）を備える。

図７は、図６における電極部５１のＶＩＩ－ＶＩＩ’断面図であり、電極部５１の構成を示す。電極部５１は、着衣１の内部において、皮膚２と接触して生体信号を検出する電極５１１と、水分３を貯蔵する水タンク（第１の水タンク、以下、「電極側水タンク」という。）５１２を備える。

電極５１１は、電気線路５２に接続する。ここで、電極の大きさは、４ｃｍ×３ｃｍで、厚さが５ｍｍ程度であり、水タンクの容量は５ｍｌ（ミリリットル）程度である。

ここで、電極側水タンク５１２は電極５１１と接する面に貫通孔５１５を有する。

また、導水機構（導水部５１７と水路５９）のうち、着衣１の内部の導水部５１７の開口部が、電極側水タンク５１２に接続する。導水機構（導水部５１７と水路５９）のうち、着衣１の外部の水路５９の開口部に、制御側水タンク５８が接続される。

電極側水タンク５１２、制御側水タンク５８にはエラトマーやゴム材など弾性伸縮性を有する素材が用いられる。

このように、ウェアラブル生体信号計測素子５０１は、水分供給機構として、導水機構の中間部に制御側水タンク５８（第２の水タンク）を備え、導水機構の着衣内部の開口部に電極側水タンク５１２（第１の水タンク）を接続する構成を有する。

この構成により、制御側水タンク５８（第２の水タンク）に供給される水分３は、導水機構を介して、電極側水タンク５１２（第１の水タンク）に供給され、貫通孔５１５を介して、電極５１１に供給される。

また、制御側水タンク５８（第２の水タンク）への外部からの押圧力（水圧）が電極側水タンク５１２（第１の水タンク）に伝達し、その水圧に応じて、一定の水分３が貫通孔５１５を介して電極５１１に供給される。

また、本実施の形態では、電極側水タンク５１２の内部に湿度調整材５１６を封入する。湿度調整材５１６は、水分やグリセロール等の保湿剤を含浸可能な材料であり、皮膚で発生する汗を吸い取ることも可能である。

また、着衣１は、従来技術と同様、ポリエステルや綿など、Ｔシャツなどの一般的な下着素材が用いられる。

電極部５１および電気線路５２には、材料として、導電性の繊維状の材料が用いられる。導電性の繊維状の材料として、例えば、導電性を有する高分子や金属を含む繊維材料、例えば繊維に金属をメッキや蒸着などにより成膜した材料や繊維に金属糸を編み込んだ材料を用いることができる。金属には、銀（Ａｇ）やアルミニウム（Ａｌ）などを用いることができる。

電気コネクタにはスナップボタンなど、制御器との電気接続と着脱機構を兼用する部品が用いられる。

また、制御器は、生体からの電気信号を検出する検出器、信号を増幅する増幅器、信号データを蓄積するメモリ、信号を外部機器に伝送するための無線部品などから構成される。

＜生体信号計測装置の動作＞
本装置の動作は第１の実施の形態と略同様であるが、手順において、通知を受領したユーザは、水タンクを着衣外部から加圧する際、電極側水タンク５１２ではなく制御側水タンク５８を加圧する点で異なる。

これにより一度の加圧動作で、制御側水タンク５８（第２の水タンク）から電極側水タンク５１２（第１の水タンク）を介して水分３が全電極５１１に供給され、電極５１１が湿潤することにより、電極５１１と皮膚２の接触抵抗が適正化される。以上の操作は、例えば、1日１回程度行われる。

本実施の形態に係る生体信号計測装置５０によれば、電極への適切な湿潤環境の具備、信号データの劣化や欠損の防止、日々の生体活動にけるリードオフ状態の認識、これらによる波形歪およびリードオフの期間削減が可能となる。

また、押圧力に応じた水分供給量の明確化による適度な湿潤環境の確保と肉体的、精神的ストレスの発生の低減をもたらす。

さらに、本実施の形態においては、制御側水タンクを具備することにより、ユーザの動作が削減可能となる。すなわち、一度の加圧動作により全電極に水分を供給できるとともに、制御側水タンクへの一度の水分導入によって全電極側水タンクへの水分供給が可能となる。

なお、水タンクの大小関係は種々の選択肢がある。例えば、制御側水タンクの容量を大きくして電極側水タンクの容量を小さくした場合は、各電極側水タンクの重量を軽くすることが可能である。また、制御側水タンクの容量を小さくして電極側水タンクの容量を大きくすることにより制御側の重量を軽くことができる。

また、本実施の形態においては、電極側水タンクに湿度調整材を設置したが、この限りではない。すなわち、湿度調整材は必要とされる湿度調整性能に応じて設置すればよい。例えば、制御側水タンクの内部に設置しても良い。または、全てのタンクにおいて湿度調整材を設置しなくてもよい。

本実施の形態においては、水分を外部から適宜導入して湿潤を調整することが可能であるため、本実施の形態における湿度調整材に要求される調整能力は、従来技術に用いられる湿度調整材に要求される調整能力よりも低くてもよい点である。この点は、材料の選択肢を拡大することに繋がり、より高寿命の湿度調整材や、経済性に優れる湿度調整材を適用することも可能である。

また、本実施の形態においては、導水機構（導水部と水路）は外形０．３ｍｍ程度の細径チューブを使用するが、これに限らず、例えば中空ポリエステルなどの繊維や、ヒートパイプに使用されるガラスや金属製のマイクロ流路も適用可能である。

また、本実施の形態では、制御側水タンク５８（第２の水タンク）とともに、電極側水タンク５１２（第１の水タンク）を備える構成例を示したが、これに限らない。制御側水タンク５８（第２の水タンク）を備え、電極側水タンク５１２（第１の水タンク）を備えない構成でもよい。この場合、第１の実施の形態の変形例と同様に、着衣内部の導水機構の開口部は、電極と略密接する。

＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態に係る生体信号計測装置を図８～図１１を参照して説明する。

本実施の形態に係る生体信号計測装置は、第２の実施の形態と略同様の構成を有し、制御側水タンク（第２の水タンク）を制御器の内部に備える点で異なる。さらに、制御側水タンク（第２の水タンク）と電極部との間に電磁弁を備え、電磁弁により電極への水分供給を調整する点で異なる。詳細を以下に説明する。

＜生体信号計測装置の構成＞
図８に、第３の実施の形態に係る生体信号計測装置６０の着衣１の内部から見た正面図を示す。生体信号計測装置６０は、ウェアラブル生体信号計測素子６０１と制御器６４とを備える。

ウェアラブル生体信号計測素子６０１は、着衣１に装着され、着衣１の内部に電極部６１と、電気線路６２と、電気コネクタ６３とを有する。

電極部６１には、それぞれ電気線路６２が電気的に接続され、電気コネクタ６３を介して制御器６４に接続される。電極部６１は、生体信号の計測時において、皮膚２に接触させる。

ここで、電気コネクタ６３は、着衣１を貫通するように設置されており、着衣１の外部には着脱可能な制御器６４（図中、点線）が装着される。

この構成により、電極部６１で検出される電気信号（例えば心電波形）は、電気線路６２および電気コネクタ６３を介して制御器６４に伝達される。

制御器６４は、その信号データをメモリに蓄積し、無線信号に変換した後に、外部のコンピュータや端末に送信する。

図９は、図８における制御器６４のＶＩＩ－ＶＩＩ’断面図であり、制御器６４の構成を示す。

生体信号計測装置６０は、制御器６４の内部に水タンク（第２の水タンク、以下「制御側水タンク」という。）６８を有する。

制御側水タンク６８には、導水機構（導水部６１３２）が制御器６４の外部から接続され、着衣１の外側の導水機構（導水部６１３２）の開口部から水分３が供給される。

また、着衣１の外側の導水機構（導水部６１３２）の開口部にはキャップ６１４を備える。

また、制御側水タンク６８には、電極部６１の電極（図示せず）に水分３を供給する導水機構が接続される。この導水機構は、導水部６１３１と、水路６９と、導水部６１７（図示せず）からなる。

導水部６１３２の一方の開口部は、制御器６４内部の制御側水タンク６８に接続し、導水部６１３２の他方の開口部は、着衣１の内部の水路６９に接続する。

水路６９は、第２の実施の形態に係る素子と同様に、導水部（図示せず）を介して、電極部６１において電極との接触面に貫通孔を有する電極側水タンク（第１の水タンク、図示せず）に接続する。

したがって、制御側水タンク（第２の水タンク）６８に供給された水分３は、導水機構（水路と導水部）を通って、電極側水タンク（第１の水タンク）に供給され、電極側水タンクの通孔を通って、電極に供給される。

さらに、制御器６４の内部には、制御側水タンク６８の導水機構（導水部６１３１）との接続部に電磁弁６１８を具備する。

制御側水タンク６８には、制御器６４の外部の導水機構（導水部６１３２）の開口部から水分（保湿効果を含む水溶液でも良い）３を供給する。制御側水タンク６８、電極側水タンクには、エラトマーやゴム材など弾性伸縮性を有する素材が用いられる。

本実施の形態に係る生体信号計測装置において、電磁弁６１８が、制御器６４の内部で、制御側水タンク（第２の水タンク）６８の導水機構（導水部６１３１）との接続部に配置される例を示したが、これに限らない。電磁弁は、制御側水タンク（第２の水タンク）６８と電極部６１の電極との間の導水機構に配置されればよい。但し、電磁弁への電気配線の簡素化を考慮すると、電磁弁は制御器近傍に配置されることが望ましい。

また、本実施の形態に係る生体信号計測装置において、制御側水タンク（第２の水タンク）６８が制御器６４の内部に配置される例を示したが、これに限らない。制御器６４の外部に配置されても、電磁弁により水分供給を調整できる。

このように、ウェアラブル生体信号計測素子６０１は、水分供給機構として、導水機構の中間部に制御側水タンク（第２の水タンク）６８を備え、着衣内部の導水機構の開口部に電極側水タンク（第１の水タンク）を接続する構成を有する。

この構成により、制御側水タンク（第２の水タンク）６８に供給される水分３は、、電磁弁６１８の開閉、導水機構を介して、電極側水タンク（第１の水タンク）に供給され、貫通孔を介して、電極部６１の電極に供給される。

ここで、電磁弁６１８の開閉駆動により、電極部６１の電極への水分供給を調整できる。

＜生体信号計測装置の動作＞
生体信号計測装置６０の動作は第１、２の実施の形態と略同様であるが、電極への水分の供給の調整に電磁弁を用いる点で異なる。

図１０に、生体信号計測装置６０の機能ブロック図を示す。また、図１１に、電極に対して湿潤環境を保持する手順のフローチャート図を示す。

波形計測機能７２において計測された生体信号は、波形情報送信機能７３により制御器６４から外部端末に送信される。

一方、波形計測機能７２により計測された生体信号を、制御器６４または外部端末に具備されるリードオフ検出機能７４において監視し、電極部６１の電極が乾燥した場合はリードオフが検出される（ステップ８１～８２）。

次に、水送出許可機能７５を介して電磁弁開閉機能７６を駆動させる（ステップ８３～８４）。

次に、電磁弁開閉機能７６により、電磁弁６１８が開き、制御側水タンク（第２の水タンク）６８より導水機構を介して電極側水タンク（第１の水タンク）に水分３が供給され、貫通孔を介して、電極部６１の電極に供給される（ステップ８５）。

最後に、電極が湿潤することにより、電極と皮膚の接触抵抗が適正化される（ステップ８６～８７）。以上の操作は、例えば、1日１回程度行われる。

本実施の形態に係る生体信号計測装置６０によれば、電極への適切な湿潤環境の具備、信号データの劣化や欠損の防止、日々の生体活動にけるリードオフ状態の認識、これらによる波形歪およびリードオフの期間削減が可能となる。

また、電磁弁の開閉動作に応じた水分供給量の明確化による適度な湿潤環境の確保と肉体的、精神的ストレスの発生の低減をもたらす。

また、本実施の形態においては、制御側水タンクと電磁弁を制御器内部に具備することにより、ユーザの動作を必要することなく電気信号によって全電極に水分を供給できるとともに、制御側水タンクへの一度の水分導入によって全電極側水タンクへの水分供給が可能となる。

また、本実施の形態においては、水タンクの大小関係は種々の選択肢がある。例えば、制御側水タンクの容量を大きくして電極側水タンクの容量を小さくした場合は、各電極側水タンクの重量を軽くすることが可能である。逆に制御側水タンクの容量を小さくして電極側水タンクの容量を大きくすることにより制御側の重量を軽くことができる。

また、湿度調整材は必要とされる湿度調整性能に応じて設置すればよい。例えば、制御側水タンクの内部に設置しても良い。または、全てのタンクにおいて湿度調整材を設置しなくてもよい。

また、制御器は洗濯を行わないため、その湿度調整材は洗濯による劣化から免れることが出来る。これは材料の選択肢を拡大することに繋がり、より高寿命の湿度調整材や、経済性に優れる湿度調整材を適用することも可能である。

また、本実施の形態では、制御側水タンク（第２の水タンク）６８とともに、電極側水タンク（第１の水タンク）を備える構成例を示したが、これに限らない。制御側水タンク（第２の水タンク）６８を備え、電極側水タンク（第１の水タンク）を備えない構成でもよい。この場合、第１の実施の形態の変形例と同様に、電極部内の導水機構の開口部は、電極と略密接する。

本発明の実施の形態では、生体信号計測装置が２個の電極部を備える例を示したが、これに限らず、複数の電極部を備えてもよい。また、生体信号計測装置は１個の電極部を備える場合でも動作できる。

本発明の実施の形態では、生体信号計測装置における制御器が、計測した波形からリードオフを検出して、リードオフを外部端末（例えば、スマートフォン）に通知する例を示したが、これに限らない。生体信号計測装置における制御器が、計測した波形を、スマートフォンやサーバ等に送信し、スマートフォンやサーバ等でリードオフを検出して、リードオフを通知してもよく、通知結果はサーバ等にアラーム音や振動として出力されてもよいし、生体信号計測装置（制御器）に送信されて出力されてもよい。

本発明の実施の形態では、生体信号計測装置の構成、動作手順などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。生体信号計測装置の機能を発揮し効果を奏するものであればよい。

本発明は、心拍信号、心電信号などの生体信号を計測するウェアラブル装置に適用することができる。

１０生体信号計測装置
１０１ウェアラブル生体信号計測素子
１１電極部
１２電気線路
１３電気コネクタ
１４制御器
１１１電極
１１２第１の水タンク
１１３導水機構（導水部）
１１４キャップ
１１５貫通孔

Claims

着衣に装着され、制御器に着脱可能に接続するウェアラブル生体信号計測素子であって、
皮膚に接触する電極と、
前記電極に接続する電気線路と、
前記電気線路に接続し、前記着衣を貫通し、前記着衣の外部で前記制御器と着脱可能に接続する電気コネクタと、
前記着衣の外部に一方の開口部を有し、前記着衣の外部に他方の開口部を有し、前記一方の開口部から水分が供給される導水部からなる導水機構を有する水分供給機構とを備え、
前記他方の開口部が前記電極に略密接し、
前記導水機構の中間部に第２の水タンクと、前記第２の水タンクと前記電極の間の前記導水機構に電磁弁とをさらに備えるウェアラブル生体信号計測素子。
着衣に装着され、制御器に着脱可能に接続するウェアラブル生体信号計測素子であって、
皮膚に接触する電極と、
前記電極に接続する電気線路と、
前記電気線路に接続し、前記着衣を貫通し、前記着衣の外部で前記制御器と着脱可能に接続する電気コネクタと、
前記着衣の外部に一方の開口部を有し、前記着衣の外部に他方の開口部を有し、前記一方の開口部から水分が供給される導水部からなる導水機構を有する水分供給機構とを備え、
前記他方の開口部が前記電極に略密接し、
前記電極が乾燥した場合にリードオフ状態を検出するウェアラブル生体信号計測素子。
着衣に装着され、制御器に着脱可能に接続するウェアラブル生体信号計測素子であって、
皮膚に接触する電極と、
前記電極に接続する電気線路と、
前記電気線路に接続し、前記着衣を貫通し、前記着衣の外部で前記制御器と着脱可能に接続する電気コネクタと、
導水機構と、前記着衣の内部の前記導水機構の開口部に接続し、前記電極との接触面に貫通孔を有する第１の水タンクとを有する水分供給機構と
を備え、
前記導水機構の中間部に第２の水タンクと、前記第２の水タンクと前記電極の間の前記導水機構に電磁弁とをさらに備えるウェアラブル生体信号計測素子。
着衣に装着され、制御器に着脱可能に接続するウェアラブル生体信号計測素子であって、
皮膚に接触する電極と、
前記電極に接続する電気線路と、
前記電気線路に接続し、前記着衣を貫通し、前記着衣の外部で前記制御器と着脱可能に接続する電気コネクタと、
導水機構と、前記着衣の内部の前記導水機構の開口部に接続し、前記電極との接触面に貫通孔を有する第１の水タンクとを有する水分供給機構と
を備え、
前記電極が乾燥した場合にリードオフ状態を検出するウェアラブル生体信号計測素子。
前記電極が乾燥した場合にリードオフ状態を検出して、前記電磁弁を駆動して水分を供給する請求項１又は請求項３に記載のウェアラブル生体信号計測素子。
前記電極が、導電性の繊維状の材料から構成される請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のウェアラブル生体信号計測素子。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のウェアラブル生体信号計測素子と、
前記制御器と
を備える生体信号計測装置。