JPS63174635A - 生体信号増幅装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は生体信号増幅装置、とくに、医療分野において
利用され、測定に必要な生体からの信号を増幅する生体
信号増幅装置に関する。

［従来の技術］ 生体信号増幅器に接続され生体に付着される生体用電極
と皮膚との間には塩分を含んだ媒体が介入されるため、
電気分解により直流電圧すなわち分極が発生する。生体
信号を測定する際このような分極は測定の妨げになるた
め、生体信号増幅器はバイパスフィルタを内蔵して分極
による直流成分を除去し、生体が発する電気信号の交流
成分のみを抽出し、これを増幅するように構成されてい
る。また、生体信号を忠実に増幅するためには低い周波
数帯に適用可使なバイパスフィルタが必要である。この
ためバイパスフィルタは時定数の大きなものが使用され
ている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで生体信号を測定する際、たとえば体動などに起
因して生体信号以外の雑音が生体信号増幅器に入力され
ることがある。生体信号は非常に微弱な信号のため１体
動などの雑音が入力されると、その出力信号は測定範囲
から大幅にずれることになる。

前にのべたように生体信号増幅器には時定数の大きなバ
イパスフィルタが使用されている。このため、測定範囲
を大幅に越える雑音が生体信号増幅器に入力されると、
たとえば出力信号の基線位置に戻るまでに数十秒を要す
ることもある。このように測定範囲を大幅に越えてしま
うと、バイパスフィルタを構成しているコンデンサが放
電して基線位置に戻るまでの間、生体信号を測定できな
いため測定結果が不連続で信頼性の低いものになってい
た。

この問題を解決するために、たとえば特開昭６１−２９
３３８では、基準レベルの異常を検出すると手操作にて
強制的に元のレベルに戻す手法が開示されている。

本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、雑音によ
る生体信号測定範囲の逸脱を最小化し、連続した測定を
可使とする生体信号増幅装置を提供することを目的とす
る。

［問題点を解決するための手段］ 本発明の一つの特徴によれば、生体に付着され生体から
の信号が入力される入力手段と、入力手段から入力され
る信号を増幅する増幅手段とを有する生体信号増幅装置
は、入力手段から入力される信号に含まれる特定の周波
数成分を除去し時定数を可変としたフィルタ手段と、フ
ィルタ手段から出力される信号を所定の域値と比較する
比較手段と、比較手段からの出力に応じてフィルタ手段
の時定数を変化させる時定数調節手段とを有し、フィル
タ手段から出力される信号が所定の域値の範囲からはず
れた場合に、時定数調節手段によりフィルタ手段の時定
数を変化させ、フィルタ手段から出力される信号が所定
の域値の範囲内にすみやかに戻るようにしている。

本発明の他の特徴によれば、時定数調節手段は、フィル
タ手段の時定数を小さくする手段を有し、フィルタ手段
から出力される信号が所定の域値の範囲からはずれた場
合に、フィルタ手段に時定数を小さくする手段を接続す
る。

本発明のさらに他の特徴によれば、域値が上限値および
下限値の２つの値からなり、比較手段は、フィルタ手段
から出力される信号を上限値および下限値とそれぞれ比
較する。

本発明のさらに他の特徴によれば、時定数調節手段が比
較手段からの２つの入力の論理和を求める論理和手段を
含み、論理和手段からの出力によりフィルタ手段の時定
数を変化させる。

本発明のさらに他の特徴によれば、時定数を小さくする
手段は、フィルタ手段の時定数を２分の１ないし３０分
の１に小さくする。

［作　用］ 本発明によれば、入力した信号はフィルタ手段により不
必要な雑音を除去した後、増幅手段により増幅される。

増幅された信号が所定の域値を外れた場合には、比較手
段は時定数調節手段に対し出力信号がレベルを越えたこ
とを知らせ、時定数調節手段はフィルタ手段の時定数を
小さくし、信号が測定範囲を越えないようにする。また
、信号が域値の範囲内になると、比較手段は時定数調節
手段に対し出力信号が域値範囲内になったことを知らせ
、この通知により時定数調節手段はフィルタ手段の時定
数を元に戻す。

［実施例］ 次に添付図面を参照して本発明による生体信号増幅装置
の実施例を詳細に説明する。

第１図には生体信号増幅器の一実施例が示されおり、生
体に装着された電極より生体信号が入力端子ＩＮ　１、
ＩＮ　２、ＩＮ　３に入力される。入力端子ＩＮ　１、
ＩＮ　２は差動増幅器である前置増幅器４と接続され、
入力端子ＩＮ　３は生体信号増幅器ｌのアースに接続さ
れる。

前置増幅器４は、入力端子ＩＮ　１より入力された生体
信号と入力端子ＩＮ　３との間の電位差、および入力端
子ＩＮ　２より入力された生体信号と入力端子ＩＮ　３
との間の電位差を入力し、２つの電位差の差電圧を増幅
した電圧を出力４１に出力する。また、前置増幅器４の
入力は非常に高インピーダンスであるため、信号源イン
ピーダンスの高い生体信号も忠実に増幅される。さらに
、前置増幅器４は差動増幅器でもあるため、入力された
２つの信号が同位相、同振幅の同相雑音の場合には、信
号が相殺される。このため、前置増幅器４は同相雑音除
去作用を有し、出力信号４１にはこのような雑音信号が
除去された信号となる。

前置増幅器４の出力側はコンデンサ５に接続され、コン
デンサ５は抵抗Ｂを介しアースに接続されている。コン
デンサ５および抵抗６よりバイパスフィルタ２が構成さ
れている。バイパスフィルタ２は、非常に低い周波数成
分の生体信号も忠実に出力できるように、時定数の大き
なものが用いられている０本実施例では心電信号を測定
する場合の適用例として、時定数を３．２秒とした。

コンデンサ５には抵抗６に並列に抵抗１２が接続され、
抵抗１２は放電スイッチ１１を介しアースに接続されて
いる。抵抗１２および放電スイッチ１１よりバイパスフ
ィルタ時定数制御部３が構成されている。生体信号増幅
器１の時定数はバイパスフィルタ２およびバイパスフィ
ルタ時定数制御部３により定められる。たとえば１時定
数は放電スイッチ１１が開放の間はコンデンサ５の容量
Ｃと抵抗６の抵抗値Ｒ１とで決まり、その値で１はＣ−
Ｒ１である。また、放電スイッチ１１が短絡されるとバ
イパスフィルタ２の抵抗６に抵抗１２が並列に接続され
ることとなり、抵抗１２の抵抗値をＲ２とすると時定数
は、τ２−１１１ニーＲ１・Ｒ２／（１’ｌｌ＋Ｒ２）
に減少する。バイパスフィルタ２およびバイパスフィル
タ制御部３により生体信号増幅器のバイパスフィルタの
時定数は決定され、これらにより信号４１に含まれる分
極による直流電圧成分はカットされる。

バイパスフィルタ２およびバイパスフィルタ制御部３に
より直流電圧成分がカットされた信号３１は主増幅器７
に入力される。主増幅器７はバイパスフィルタ２および
バイパスフィルタ制御部３より決定される時定数に影響
を与えないよう高入力インピーダンスのものが用いられ
、バイパスフィルタの出力信号を外部装置により観測で
きるレベルまで信号を増幅する。そして増幅された信号
７１は出力端子ＯＵＴ　１より外部装置に出力される。

主増幅器７で増幅された信号７１はまた比較器８の入力
８２にも入力される。比較器８には、測定範囲の逸脱を
判定するための正の閾値、すなわち域値＋に相当する定
レベル信号の入力８１が入力端子ＩＮ　４から入力され
、入力８２の信号レベルが入力８１の信号レベルより上
まわっている間、検出信号８３を出力する。主増幅器７
で増幅された信号７１はまた比較器９の入力９１にも入
力される。比較器９には入力端子ＩＮ　Ｓより、測定範
囲の逸脱を判定するための負の閾値、すなわち域値−に
相当する定レベル信号を入力９２に入力し、入力９１の
信号レベルが入力９２の信号レベルより下まわっている
間、検高信号９３を出力する。

比較器８および比較器９は論理和演算器１０と接続され
ており、検出信号８３および検出信号９３は論理和演算
５１０に入力される。論理和演算器１０は、検出信号８
３または検出信号９３のいずれかの信号を入力すると、
信号１０１を出力し、バイパスフィルタ時定数制御部３
の放電スイッチ１１を閉成させる。すなわち出力信号７
１が域値−〜域値十の範囲を外れると放電スイッチ１１
が閉成され、バイパスフィルタ時定数制御部の抵抗１２
がバイパスフィルタ２の抵抗６に並列に接続される。こ
のため、バイパスフィルタの時定数はτ１からτ２に減
少し、出力信号７１が域値−〜域値十の範囲を逸脱しな
いように、すなわち最終的には測定範囲の上限と下限と
の間の範囲を逸脱しないようになる。

次に同図および第３図を用いて第１図の生体信号増幅器
の動作を説明する。

生体信号が生体信号増幅器１の端子ＩＮ　１゜ＩＮ　２
に入力されると、前置増幅器４により同相雑音の除去お
よび増幅を行い信号４１を出力する。信号４１はバイパ
スフィルタ２およびバイパスフィルタ時定数制御部３に
より、分極による直流電圧成分をカットされた信号３１
となり主増幅器７に入力される。主増幅器７で外部装置
で観測可能なまでに増幅された生体信号は、信号７１と
して出力端子ＯＵＴ　１を介し外部装置に出力されると
ともに、比較器８の入力端子８２および比較器９の入力
端子９１に入力される。

第３図は期間ｔ１〜ｔθにおける信号７１の出力波形（
ａ）、比較器８の出力（ｂ）、比較器８の出力（Ｃ）、
論理和演算器１０の出力（ｄ）、バイパスフィルタの時
定数（ｅ）の変化を示したものである。

期間１１において、出カフ１は域値−〜域値十の範囲内
にあるため（ａ）、比較器８の出力（ｂ）および比較器
８の出力（Ｃ）に示すように検出信号８３または９３は
出力されない、このため論理和演算回路１゜より出力１
０１が出力されないため（ｄ）、放電スイッチ１１は閉
成されず、バイパスフィルタの時定数はＣ・旧となる（
ｅ）。

また期間ｔ２において出カフ１は、域値＋を越えるため
（ａ）、比較器８の出力に示すように検出信号８３を出
力する（ｂ）。論理和演算器１０は検出信号８３を入力
すると、論理和演算器１０の出力に示すように出力１０
１を出力する（ｄ）。出力１０１が放電スイッチ１１に
入力されることにより、バイパスフィルタの時定数はτ
２になる（ｅ）。

さらに期間ｔ４において出カフ１は、域値−より低い（
ａ）ため比較器９の出力に示すように検出信号９３を出
力する（Ｃ）。論理和演算器１０は検出信号９３を入力
すると、論理和演算器ｌＯの出力に示すように出力１０
１を出力する（ｄ）。出力１０１が放電スイッチ１１に
入力されることにより、バイパスフィルタの時定数（ｅ
）はτ２になる。

期間ｔ３およびｔ５は期間ｔ１と動作が同じであり、期
間上〇は期間ｔ４と動作が同じなので説明を省略する。

ところで本発明に従って好ましい生体信号増幅器を実現
するには、抵抗１２の抵抗値Ｒ２の最適値を膚釈Ｉ７な
ければならない−Ｒ２の値がすますｐｒ、２１とバイパ
スフィルタの時定数の減少量が少なく、制御を行ってい
るにもかかわらず出力信号が測定範囲を大きく逸脱して
しまう、また、Ｒ２の値が小さすぎると、バイパスフィ
ルタの時定数の減少量が大きくなりすぎ、時定数の変化
点で出力波形に大きなひずみを生じてしまう、このため
フィルタ手段の時定数を２分の１ないし３０分の１にす
るのがよく、４分の１ないし８分の１にするのが好まし
く、６分の１程度にするのが特に好ましい０本実施例で
は、Ｒ２＝　Ｒ１／８．時定数で２＝０．５秒を用いて
好ましい結果が得られた。

次に第４図を参照し、出力検出部としてマイクロコンピ
ュータを用いた一実施例を説明する。

主増幅器７の出力側はＡ／Ｄ変換器１６が接続されてい
る。　Ａ／Ｄ変換器１６は、主増幅器７より出力された
アナログの信号７１をデジタル信号に変換する変換器で
ある。　Ａ／Ｄ変換器１６の出力側にはマイクロコンピ
ュータ１８が接続されている。

マイクロコンピュータ１８はＡ／Ｉｌ変換器１６より入
力したデジタル信号を域値＋、域値−に相当するデジタ
ル値と比較するプログラムが内蔵されている。入力した
デジタル信号が域値十〜域値−の範囲内の場合には出力
ボート１７にオフ信号を送出し、デジタル信号が域値子
を越えた場合か、または域値−より低い場合には出カポ
−）１７にオン信号を送出する。

出力ボート１７はマイクロコンピュータ１８よりオフ信
号を受信すると、出力側に接続されている放電スイッチ
１１を開放し、オン信号を受信すると閉成する。

同図および第５図のフローチャートを用い動作を説明す
る。初期設定としてマイクロコンピュータ１８は域値＋
の設定（５００）および域値−の設定（５１０）を行う
、主増幅器７で増幅された信号７１は、Ａ／Ｄ変換器１
６に入力されるとデジタル信号に変換され、信号１６０
をマイクロコンピュータ１日に送信する。

マイクロコンピュータ１８は信号１６０を受信すると、
仮置数ＡＤＤＡＴＡに格納する（５２０）　、仮置数Ａ
ＩＩＤＡＴＡは域値＋と比較する処理が行なわれ（５３
０）　、域値子より大きいときは出力ボート１７にオン
信号を送出する処理を実行する（５８０）　、また、域
値＋より小さいときは、仮置数ＡＤ［１ＡＴＡを域値−
と比較する処理が行われる（５４０）　、そして。

域値−より小さければ出力ボート１７にオン信号を送出
する処理を実行しく５８０）　、また、域値−より大き
いときは出力ボート１７にオフ信号を送出する処理を実
行する（５５０）　、以上５２０〜５８０の処理を繰り
返すことにより、第４図の回路図は第１図の回路図と同
様の効果を得ることができる。

さらに第６図にはバイパスフィルタをもマイクロコンピ
ュータにより構成してソフトウェアで実現した実施例が
示されている。同図に示すように前置増幅器４の出力側
にはＡ／Ｄ変換器２６が接続され、Ａ／Ｄ変換器２６に
より前置増幅器４より入力したアナログ信号４１はデジ
タル信号に変換される。

Ａ／Ｄ変換器２６の出力側はマイクロコンピュータ２７
と接続され、マイクロコンピュータ２７は第４図で説明
したマイクロコンピュータ１８の機能以外に、ソフトウ
ェアにより実現された可変時定数バイパスフィルタの機
能が内蔵されている。マイクロコンピュータ２７では、
入力信号２８０があらかじめ初期設定した域値の範囲を
外れたことを検出すると、可変時定数バイパスフィルタ
の時定数を小さい値に変更するにより、出力ボート３０
に出力する信号の平均レベルを基線位置に近づけるよう
に補正する。

第７図のフロチャートを参照して同図の動作を説明する
。まずマイクロコンピュータ２７に初期値の設定として
域値＋の設定（ｅｏｏ）　、域値−の設定（８１０）お
よびバイパスフィルタ時定数で１の初期設定を行う（８
１２）　、また、時定数で２はマイクロコンピュータ　
２７のソフトウェアによりτ１をもとに算出される。　
Ａ／Ｄ変換器２６は前置増幅器４より信号４１を入力す
ると、デジタル信号に変換し信号２６０をマイクロコン
ピュータ２７に送信する。

マイクロコンピュータ２７は信号２６０を受信すると、
仮置数ＡＤＤＡＴＡに格納する（８２０）。仮置数ＡＤ
ＤＡＴＡはバイパスフィルタ処理が行なわれた後、メモ
リＦＡＤＤＡＴＡに格納される（８２２）。

そしてＦＡＤＤＡＴＡは域値＋と比較処理が行われ（８
３０）　、域値＋より大きいときはバイパスフィルタの
時定数をτ２に変更する処理（ｅｅｏ）が行われる。ま
た域値子より小さいときはＦＡ［］ＤＡＴＡと域値−と
の比較処理が行われる（８４０）　、　ＦＡＯＤＡＴが
域値−より小さいときはバイパスフィルタの時定数をτ
２に変更する処理（ｅｅｏ）が行われる。域値−より大
きいときにはバイパスフィルタの時定数をτｌに変更す
る処理（８５０）が行われる。以上のステップ６２０〜
６６０の処理を繰り返すことにより、第６図の回路は第
１図の回路と同様の効果を得ることができる。

ところで初期設定の段階において、時定数τ１のみを入
力し、マイクロコンピュータのソフトにより時定数で２
が選択される実施例を示したが、初期設定の段階で時定
数で２を設定してもよい。

以上のような実施例によれば、入力信号として生体信号
の域値範囲を大きく外れる信号が入力されると、比較論
理演算回路またはマイクロコンピュータの制御によりバ
イパスフィルタの時定数を小さくすることにより、コン
デンサに必要以上の電荷が蓄積されることを防ぎ、外部
装置に出力される信号が測定範囲を大きく外れることを
なくしている。そこで、コンデンサが放電するまでの間
計測が中断することはなく、忠実な生体信号の増幅が行
える。したがって、本実施例を適用した生体信号増幅器
に接続された外部装置より、信頼性の高い生体信号のデ
ータを出力することが可使である。

［発明の効果］ 本発明によれば、生体信号の判定閾値範囲を外れる信号
が入力されると、バイパスフィルタ手段の時定数を自動
的に小さくすることにより、測定範囲を大きく外れるこ
とを防止している。したがって、計測の中断がなく、忠
実な生体信号の増幅が行えるため、本発明を適用した生
体信号増幅器に接続された外部装置より、信頼性の高い
生体信号のデータが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による生体信号増幅装置の一実施例を示
すブロック図、 第２図および第３図は、第１図の動作を説明するための
波形図、 第４図は本発明の他の実施例のブロック図、第５図は第
４図の装置の動作を示すフローチャート、 第６図は本発明の他の実施例のブロック図、第７図は第
６図の装置の動作を示すフローチャートである。 主要部分の符号の説明 ２、、、、バイパスフィルタ ３、、、、バイパスフィルタ時定数制御部４、、、、前
置増幅器 ５、、、、コンデンサ ８．１２．　、抵抗 ？、、、、主増幅器 ８．９．、、比較器 ｉｏ、、、論理和演算器 １１、、、放電スイッチ １Ｂ、２［（、、Ａ／Ｄ変換器 １７．３０．　、出力ポート

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）生体に付着され、該生体からの信号が入力される
   入力手段と、 該入力手段から入力される信号を増幅する増幅手段とを
   有する生体信号増幅装置において、該装置は、 前記入力手段から入力される信号に含まれる特定の周波
   数成分を除去し、時定数を可変としたフィルタ手段と、 該フィルタ手段から出力される信号を所定の域値と比較
   する比較手段と、 該比較手段からの出力に応じて前記フィルタ手段の時定
   数を変化させる時定数調節手段とを有し、 前記フィルタ手段から出力される信号が所定の域値の範
   囲からはずれた場合に、前記時定数調節手段により前記
   フィルタ手段の時定数を変化させ、前記フィルタ手段か
   ら出力される信号が所定の域値の範囲内にすみやかに戻
   るようにすることを特徴とする生体信号増幅装置。
2. （２）前記時定数調節手段は、前記フィルタ手段の時定
   数を小さくする手段を有し、前記フィルタ手段から出力
   される信号が前記所定の域値の範囲からはずれた場合に
   、前記フィルタ手段に該時定数を小さくする手段を接続
   することを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の
   生体信号増幅装置。
3. （３）前記域値が上限値および下限値の２つの値からな
   り、前記比較手段は、前記フィルタ手段から出力される
   信号を前記上限値および下限値とそれぞれ比較すること
   を特徴とする特許請求の範囲第（１）項または第（２）
   項記載の生体信号増幅装置。
4. （４）前記時定数調節手段が前記比較手段からの２つの
   入力の論理和を求める論理和手段を含み、該論理和手段
   からの出力により前記フィルタ手段の時定数を変化させ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（３）項記載の生
   体信号増幅装置。
5. （５）前記時定数を小さくする手段は、前記フィルタ手
   段の時定数を２分の１ないし３０分の１にすることを特
   徴とする特許請求の範囲第（２）項ないし第（４）項の
   いずれかに記載の生体信号増幅装置。