JPWO2015186676A1 - 生体電位計測用電極、生体電位計測装置、及び生体電位計測方法 - Google Patents

Abstract

電極を皮膚に直接接触させなくても、モーションアーチファクトの影響を受けることなく生体電位を高い精度で計測することができる。ノイズ成分を含む生体電位を検出する第１リードと、第１リードと電気的に分離され、ノイズ成分を検出する第２リードと、第１リードから出力される第１信号と第２リードから出力される第２信号とが入力され、第１信号及び第２信号の差分を増幅して出力する差動増幅回路と、を備え、第２リードから検出されるノイズ成分が、生体電位の周波数スペクトルより高い周波数を持つように、差動増幅回路における第２信号側の入力インピーダンスの値を設定するようにした。

Description

本発明は、生体に無侵襲で電極を配置して生体情報を計測する生体電位計測用電極、生体電位計測装置、及び生体電位計測方法に関する。

心電位、脳波、眼電位、筋電位等の生体電位を計測することで取得される心電図（ECG:electrocardiogram）、脳電図（EMG:electroencephalogram）、眼電図（EOG:electrooculogram）、筋電図（EMG:electromyogram）等は、医療において被験者・患者（「被計測者」と総称する。）の容体を把握する上で重要な生体情報である。

従来、電極を皮膚に直接接触させたり、皮膚のゲル等を塗布してから電極を接触させたりすることで、これらの生体電位を計測していた。

特開２０１２−１２０７０５号公報 特開２００４−１２１３６０号公報

しかし、このような計測方法では、ゲルの塗布により皮膚かぶれが生じるおそれがあった。また、電極接触箇所の剃毛処理が必要となり、生体電位計測を容易に行うことができないという問題があった。

一方、生体電位計測時には、被検者の動きによる雑音（以下、モーションアーチファクトという。）が発生するが、このモーションアーチファクトによって計測結果の波形が歪曲されて生体電位を正確に測定できなくなる問題もあった。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、皮膚に直接接触させなくても生体電位を精度良く計測できる小型の生体電位計測用電極、この電極を用いた生体電位計測装置、及び生体電位計測方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様による生体電位計測用電極は、ノイズ成分を含む生体電位を検出する第１リードと、前記第１リードと電気的に分離され、ノイズ成分を検出する第２リードと、前記第１リードから出力される第１信号と前記第２リードから出力される第２信号とが入力され、前記第１信号及び前記第２信号の差分を増幅して出力する差動増幅回路と、を備え、前記第２リードから検出されるノイズ成分が、前記生体電位の周波数スペクトルより高い周波数を持つように、前記差動増幅回路における前記第２信号側の入力インピーダンスの値を設定することを特徴とする。

本発明の一態様による生体電位計測用電極においては、前記第１リードから出力される信号のノイズ成分を最小化するように、前記差動増幅回路における前記第１信号側の入力インピーダンスの値を最適化することを特徴とする。

本発明の一態様による生体電位計測用電極においては、前記差動増幅回路の一入力端に接続され、前記第１信号をインピーダンス変換する第１電圧フォロア回路と、前記差動増幅回路の他入力端に接続され、前記第２信号をインピーダンス変換する第２電圧フォロア回路と、前記差動増幅回路における第２信号側の入力インピーダンスを、前記第２電圧フォロア回路の入力インピーダンスに置き換えて、当該入力インピーダンスの値を設定することを特徴とする。

さらにかかる生体電位計測用電極においては、前記差動増幅回路における前記第１信号側の入力インピーダンスを、前記第１電圧フォロア回路の入力インピーダンスに置き換えて、当該入力インピーダンスの値を設定することを特徴とする。

本発明の一態様による生体電位計測用電極においては、前記第１リードは円形電極リードであり、前記第２リードはリング状電極リードであり、前記第１リードの外周部に同心円状に配置されていることを特徴とする。

本発明の一態様による生体電位計測用電極においては、前記第１リード及び前記第２リードを有する第１層と、前記第１層の上に設けられ、１つ、又は積層された複数の基板を有する第２層と、前記第２層の上に設けられ、前記差動増幅回路を有する第３層と、を順に積層したことを特徴とする。

本発明の一態様による生体電位計測装置においては、上述の生体電位計測用電極からなる第１電極及び第２電極と、前記第１電極の出力と前記第２電極の出力の差分を増幅して出力するアンプと、前記アンプの出力信号にフィルタリング処理を施すフィルタと、前記フィルタの出力信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル信号を出力するＡ／Ｄ変換器と、前記デジタル信号を送信する送信部と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様による生体電位計測装置においては、前記送信部は、前記デジタル信号を無線送信することを特徴とする。また本発明の一態様による生体電位計測装置においては、使用者が身体に装着または携帯する電気製品の内部に組み込まれていることを特徴とする。

本発明の一態様による生体電位計測方法においては、上述の生体電位計測装置を用いており、被計測者の皮膚に接触しないように（例：衣服を挟んで）前記第１電極及び前記第２電極を前記被計測者の皮膚に対向させ、生体電位を検出することを特徴とする。

本発明によれば、電極を皮膚に直接接触させなくても、モーションアーチファクトの影響を受けることなく生体電位を高い精度で計測することができる。

本実施形態に係る生体電位計測装置の概略構成図である。 本実施形態に係る生体電位計測用電極の概略構成図である。 本実施形態に係る生体電位計測用電極を人体表面に取り付けた際の等価回路図である。 生体電位計測用電極の取り付けの一例を示す図である。 負荷を上げ下げした際の筋電位の計測結果を示す図である。 ロボットアームの制御を行った際の筋電位の計測結果を示す図である。 生体電位計測用電極の取り付けの一例を示す図である。 歩行時の筋電位の計測結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明形態に係る生体電位計測装置の概略構成図である。図１に示すように、生体電位計測装置は、一対の生体電位計測用電極１０と、演算処理部２０と、グランド電極３０とを備え、生体に発生する電気信号（生体電位信号）を人体の表面（皮膚）上の２点間の電位差として非侵襲に計測する。

生体電位計測用電極１０（以下、単に「電極１０」と称する。）は、人体の表面上に直接設置されるか、又は被服等を介して人体表面に対向するように設置され、心電位、脳波、眼電位、筋電位等の生体電位を検出し、検出した電位をケーブルを介して演算処理部２０へ出力する。グランド電極３０は、２点間の電位差を検出する際の基準電位を得るためのものである。

電極１０は、人体の表面（皮膚）との間で容量結合を形成するとともに、グランド電極３０との間で容量結合を形成する。

演算処理部２０は、計装アンプ２２、フィルタ２４、Ａ／Ｄ変換器（アナログデジタル変換器）２６、及び送信部２８を有する。計装アンプ２２は、一対の電極１０から出力された電位がに有力され、２つの電位の差を増幅し、生体電位信号として出力する。計装アンプ２２の基準電位端子には、グランド電極３０が接続されている。

フィルタ２４は、例えばバンドパスフィルタであり、計装アンプ２２から出力された生体電位信号にフィルタリング処理を施し、後段のＡ／Ｄ変換器２６によるＡ／Ｄ変換に適した信号にする。

Ａ／Ｄ変換器２６は、フィルタ２４から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する。例えば、Ａ／Ｄ変換器２６によるＡ／Ｄ変換は、分解能が１６ビット、サンプリングレートが１ｋＨｚである。送信部２８は、Ａ／Ｄ変換器２６から出力されたデジタル信号を図示しない解析装置へ無線送信する。

図２は電極１０の概略構成図である。図２に示すように、電極１０は、はんだ層１２、中間層１４、及びコンポーネント層１６が順に積層された積層構造を有する。はんだ層１２には、生体電位を検出するためのリード（第１リード）１２Ａと、非白色雑音を検出するためのリード（第２リード）１２Ｂの２つの電極リードが同一平面上に設けられている。

電極と人体表面との間の距離を最大３mmと設定した場合、リード１２Ａは、円形電極リードであり、直径が３８mm、厚さが１mm、入力インピーダンスが１ＴΩに設定される。また、リード１２Ｂは、リード１２Ａの外周に同心円状に配置され、外径が４０mm、厚さが１mm、入力インピーダンスが１ＭΩに設定される。リード１２Ｂは樹脂で覆われており、リード１２Ａから電気的に分離されている。

このリード１２Ｂの入力インピーダンスが１ＭΩと低減されており、この結果、生体電位信号の周波数スペクトルより高い周波数を持つノイズだけが計測される。リード１２Ｂをリード１２Ａと電気的に分離したことにより、人体接触面積が少ない状態や入力インピーダンスが低い状態でも、生体電位信号を十分に測定することが可能である。すなわち、リード１２Ｂは、生体電位信号よりも高い周波数を持つ信号のみを、効果的に高性能のローパスフィルタのように、フィルタ処理にて除くことが可能である。

中間層１４は、１つ又は積層された複数のプリント基板からなるシールドである。コンポーネント層１６には、後述するアンプ等の電子部品や回路パターンが配置されている。はんだ層１２のリード１２Ａ、１２Ｂと、コンポーネント層１６の電子部品や回路パターンとは、中間層１４を介して接続される。

図３は、電極１０を人体表面に取り付けた際の等価回路図を示している。リード１２Ａで検出されるノイズ成分を含む生体電位信号をＶ_ｉｎ、リード１２Ｂで検出されるノイズ成分をＶ_ｉｎ＿Ｎとした場合、電極１０の出力信号Ｖ_ｏｕｔは以下の数式１で表すことができる。このノイズ成分Ｖ_ｉｎ＿Ｎは、電気製品の近傍から生じるモーションアーチファクトやパルス成分のような非白色ノイズ成分のみからなる。

信号Ｖ_ｉｎのインピーダンス変換を行う電圧フォロア回路１０２、ノイズ成分Ｖ_{ｉｎ＿ Ｎ}のインピーダンス変換を行う電圧フォロア回路１０４、電圧フォロア回路１０２の出力信号及び電圧フォロア回路１０４の出力信号の差分を増幅し、信号Ｖ_ｏｕｔを出力する差動増幅回路１０６は、コンポーネント層１６に設けられる。

生体電位信号の電圧をＶ_ＢＥＳ、リード１２Ａと皮膚の境界におけるノイズ成分の合計電圧をＶ_ｎｓｅｉ、リード１２Ａにおけるノイズ成分の合計電圧をＶ_ｎｃ、リード１２Ａと皮膚の境界におけるインピーダンスをＺ_ｓｅｉ、リード１２Ａの入力インピーダンスをＲ_ｃ、リード１２Ａと皮膚の境界におけるノイズインピーダンスをＺ_ｎｓｅｉ、リード１２Ａのノイズ入力インピーダンスをＺ_ｎｃとした場合、信号Ｖ_ｉｎは以下の数式２で表すことができる。

また、信号Ｖ_ｉｎのノイズ成分は、リード１２Ａの入力インピーダンスＲ_ｃを以下の数式３に基づいて最適化することで、最小化することができる。数式３において、ε_Ｏは真空時の誘電率、ε_rは材質の比誘電率、Ａは皮膚近傍のリード１２Ａの検出面積、ｆはターゲット信号の周波数、ｄは皮膚とリード１２Ａとの間の距離である。

差動増幅回路１０６では、信号Ｖ_ｉｎのノイズ成分が信号Ｖ_ｉｎ＿Ｎにより除去される。ここで、リード１２Ｂから検出されるノイズ成分である信号Ｖ_ｉｎ＿Ｎが、生体電位信号の周波数スペクトルよりも高い周波数を持つように、リード１２Ｂの入力インピーダンスＲ_ｃ＿Ｎの値（例えば上述したような１ＭΩ）が設定されている。

このように、生体電位を検出するためのリード１２Ａと、ノイズを検出するためのリード１２Ｂとを設けることで、生体電位信号よりも高い周波数成分、すなわちノイズ成分、を除去することができる。従って、電極１０は、高次ローパスフィルタとして動作することができる。

差動増幅回路１０６から出力される信号はノイズ成分が低減された生体電位信号であり、これが演算処理部２０の計装アンプ２２に入力される。

電極１０に、ハイパスフィルタを設けて、２つのリード１２Ａ、１２Ｂの間の電位差により現れるオフセット電圧を除去するようにしてもよい。また、リード１２Ａ、１２Ｂに背向ダイオード（back-to-back diode）を設け、入力バイアス電流からの影響を抑制するようにしてもよい。

電極１０へは、演算処理部２０からケーブルを介して電力を供給してもよいし、電極１０に電池を内蔵してもよい。

（実施例１）
上記実施形態による生体電位計測装置を用いて、負荷を持ちながら腕を上下させた際の筋電位を計測した。図４に示すように、一対の電極１０を上腕二頭筋の部分に配置し、グランド電極３０を腹部に配置した。このとき、被験者は厚さ１mmのコットンシャツを着用しており、電極１０はシャツを介して腕に配置した。

負荷は２．５ｋｇ、５．０ｋｇ、７．５ｋｇ、１０．０ｋｇの４種類を使用した。負荷を持った状態で５秒間腕を下げたままにし、その後、５秒間負荷を徐々に持ち上げた。続いて５秒間負荷を徐々に下げていき、その後、５秒間腕を下げたままにした。

このときの１〜５００Ｈｚ帯域におけるノイズスペクトラムを検出した結果、ノイズの大きさは周波数の上昇に伴い減少し、ノイズ密度の最大値は１０Ｈｚ以下の低周波帯に現れ、約１１μＶ／Ｈｚ^1/2であった。一般的に筋電位の大きさは１００〜１０００μＶであるため、上記実施形態による生体電位計測装置は、筋電位計測に対する十分な信頼性を有することがわかる。

筋電位の計測結果を図５（ａ）〜（ｄ）に示す。図５（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ負荷を２．５ｋｇ、５．０ｋｇ、７．５ｋｇ、１０．０ｋｇとした場合の計測結果である。いずれの計測結果においても、開始から５秒〜１５秒の間、すなわち腕を動かしている間であっても、モーションアーチファクトは計測されていない。また、開始から５秒〜７秒の間、すなわち腕を動かし始めた時に、比較的大きな筋電位を計測することができた。

次に、図４と同じ箇所に電極１０及びグランド電極３０を配置し、ロボットアームの制御を行った。ロボットアームには、kinova robotics社のJACOを使用した。計測開始から１０秒間は腕を静止し、１０秒後から１０秒間かけて腕（肘）を４５°曲げて戻し、これを２回繰り返した。

筋電位の計測結果を図６に示す。なお、図６に示すように、被験者の腕をロボットアームに接触させながら計測を行った。この計測結果から、アーム重量により、上腕二頭筋が刺激され、単純なトリガーアルゴリズムとして使用されるのに十分な強度の信号を生成できることがわかる。また、電極１０の近傍にあるロボットアームのモータが、筋電位の計測に干渉しないことがわかる。

次に、歩行時の筋電位を計測した。図７に示すように、一対の電極１０を大腿四頭筋の部分に配置し、グランド電極３０を腹部に配置した。このとき、被験者は厚さ２．２mmのジーンズを穿いており、電極１０はジーンズを介して脚に配置した。被験者は、トレッドミル上を１．２m／sの速度で２０秒間歩いた。

筋電位の計測結果を図８に示す。片脚で体重を支えつつ体幹を前に進める単脚支持期において、筋電位が大きくなることがわかる。膝と股関節が屈曲し、その後、伸展することで脚を前方に振り出す遊脚期や、両脚で体重を支える両脚支持期の筋電位は、単脚支持期の筋電位よりも小さくなる。また、モーションアーチファクトは計測されなかった。

このように本実施形態による生体電位計測装置を使用することで、ノイズレベルを１１μＶ／Ｈｚ^1/2に抑えつつ、衣服の上からでも筋電位を計測することができる。また、電極１０の近傍に電子部品が存在している状態でも筋電位を計測することができる。

本実施形態による生体電位計測装置の電極１０には、（ノイズを含む）生体電位を検出するためのリード１２Ａ、及びノイズを検出するためのリード１２Ｂの２つのリードと、２つのリードの検出信号の差分を出力する差動増幅回路１０６とが内蔵されている。

その際、リード１２Ｂから検出されるノイズ成分が生体電位の周波数スペクトルより高い周波数だけが計測されるように、当該リード１２Ｂの入力インピーダンスの値を設定しておく。さらにリード１２Ａから出力される生体電位信号のノイズ成分が最小化するように、当該リード１２Ａの入力インピーダンスの値を最適化しておく。

この結果、電極１０から演算処理部２０に与えられる信号からノイズ成分を除去することができ、電極１０を皮膚に直接接触させず、衣服の上からでも生体電位を精度良く計測できる。従って、生体電位計測を容易に行うことができる。

（実施例２）
上記実施形態による生体電位計測装置は、ウェアラブル機器、腕時計または携帯電話などの、使用者の身体に装着または携帯され、個人の身近で使用される電気製品内に組み込まれてもよい。この場合、生体電位計測装置は、電気製品の機能の一部を構成する。使用者が当該電気製品を身体に装着したりポケットに携帯することで、本発明の生体電位計測用電極が使用者の人体表面に対向するように配置され、生体電位を精度良く計測できる。従って、生体電位計測を容易に行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態そのまま限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０……生体電位計測用電極、１２Ａ、１２……リード、１４……中間層、１６……コンポーネント層、２０……演算処理部、２２……計装アンプ、２４……フィルタ、２６……Ａ／Ｄ変換機、２８……送信部、３０……グランド電極。

Claims (10)

1. ノイズ成分を含む生体電位を検出する第１リードと、
   前記第１リードと電気的に分離され、ノイズ成分を検出する第２リードと、
   前記第１リードから出力される第１信号と前記第２リードから出力される第２信号とが入力され、前記第１信号及び前記第２信号の差分を増幅して出力する差動増幅回路と、を備え、
   前記第２リードから検出されるノイズ成分が、前記生体電位の周波数スペクトルより高い周波数を持つように、前記差動増幅回路における前記第２信号側の入力インピーダンスの値を設定する
   ことを特徴とする生体電位計測用電極。
2. 前記第１リードから出力される信号のノイズ成分を最小化するように、前記差動増幅回路における前記第１信号側の入力インピーダンスの値を最適化する
   ことを特徴とする請求項１に記載の生体電位計測用電極。
3. 前記差動増幅回路の一入力端に接続され、前記第１信号をインピーダンス変換する第１電圧フォロア回路と、
   前記差動増幅回路の他入力端に接続され、前記第２信号をインピーダンス変換する第２電圧フォロア回路と、
   前記差動増幅回路における第２信号側の入力インピーダンスを、前記第２電圧フォロア回路の入力インピーダンスに置き換えて、当該入力インピーダンスの値を設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の生体電位計測用電極。
4. 前記差動増幅回路における前記第１信号側の入力インピーダンスを、前記第１電圧フォロア回路の入力インピーダンスに置き換えて、当該入力インピーダンスの値を設定する
   ことを特徴とする請求項３に記載の生体電位計測用電極。
5. 前記第１リードは円形電極リードであり、
   前記第２リードはリング状電極リードであり、前記第１リードの外周部に同心円状に配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の生体電位計測用電極。
6. 前記第１リード及び前記第２リードを有する第１層と、
   前記第１層の上に設けられ、１つ、又は積層された複数の基板を有する第２層と、
   前記第２層の上に設けられ、前記差動増幅回路を有する第３層と、
   を順に積層したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の生体電位計測用電極。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の生体電位計測用電極からなる第１電極及び第２電極と、
   前記第１電極の出力と前記第２電極の出力の差分を増幅して出力するアンプと、
   前記アンプの出力信号にフィルタリング処理を施すフィルタと、
   前記フィルタの出力信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル信号を出力するＡ／Ｄ変換器と、
   前記デジタル信号を送信する送信部と、
   を備えることを特徴とする生体電位計測装置。
8. 前記送信部は、前記デジタル信号を無線送信することを特徴とする請求項７に記載の生体電位計測装置。
9. 使用者が身体に装着または携帯する電気製品の内部に組み込まれていることを特徴とする請求項７又は８に記載の生体電位計測装置。
10. 請求項７乃至９のいずれかに記載の生体電位計測装置を用いた生体電位計測方法であって、
    被計測者の皮膚に接触しないように前記第１電極及び前記第２電極を前記被計測者の皮膚に対向させ、生体電位を検出することを特徴とする生体電位計測方法。