JPWO2018079321A1 - ウェアラブル電極 - Google Patents

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Abstract

ウェアラブル電極は、着用者(20)の左上半身の腹側から背側にかけての各部位の皮膚に同時に接触し得るように衣服(21)に固定された電極(203)と、着用者(20)の右上半身の腹側から背側にかけての各部位の皮膚に同時に接触し得るように衣服(21)に固定された電極(204)とから構成される。電極(203,204)は、着用者(20)が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次下がるように、あるいは着用者(20)が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次上がるように設置される。

Description

本発明は、日常的に心電波形等の生体電気信号を取得するために用いられるウェアラブル電極に関するものである。
近年、日常的な自己の健康管理の重要性が指摘されている。このような個人の健康管理の手法の一つとして、長期間にわたって心電波形等の生体電気信号を記録し、解析することで、自律神経の乱れや心臓病の兆候を早期に発見することができ、予防医学において有効であることが知られている。長期間にわたって生体電気信号を取得するため、生体電極の取り付けられた衣類(ウェアラブル電極)が注目されている(非特許文献1参照)。
David M.D.Ribeiro,et al.,"A Real time,Wearable ECG and Continous Blood Pressure Monitoring System for First Responders",33rd Annual International Conference of the IEEE EMBS,pp.6894-6898,2011
図7A〜図7Cは従来のウェアラブル電極を人体に装着した様子を示す模式図であり、図7Aは人体正面図、図7Bは人体側面図、図7Cは人体背面図である。従来のウェアラブル電極においては、図7A〜図7Cに示すように生体電極101,102を着用者110の心臓100の心筋の高さ(左心室の中央ライン付近。男性では乳頭下線付近)の胸部の左右2箇所に設置することが多い。
しかしながら、従来のウェアラブル電極では、着用者が前かがみ姿勢を取ると生体電極101,102が着用者の体から離間して生体電気信号を計測できなくなったり、生体電極101,102が着用者の体から離間しないように伸縮性のある素材で生体電極101,102を体に締め付けるため着用者に不快感を与えたりするという課題があった。
本発明の目的は、着用者の不快感を軽減することができ、着用者が様々な姿勢をとっても生体電気信号を取得することができるウェアラブル電極を提供することにある。
本発明は、衣服の着用者の生体電気信号を検出するウェアラブル電極において、着用者の左上半身の腹側から背側にかけての各部位の皮膚に同時に接触し得るように衣服に固定された1つ以上の第1の電極と、着用者の右上半身の腹側から背側にかけての各部位の皮膚に同時に接触し得るように前記衣服に固定された1つ以上の第2の電極とを備え、前記第1、第2の電極は、着用者が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次下がるように、あるいは着用者が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次上がるように設置されることを特徴とするものである。
本発明によれば、着用者の左上半身の腹側から背側にかけての各部位の皮膚に同時に接触し得るように衣服に固定された第1の電極と、着用者の右上半身の腹側から背側にかけての各部位の皮膚に同時に接触し得るように衣服に固定された第2の電極とを設けることにより、着用者が前かがみ等の姿勢をとっても、第1、第2の電極の各々の少なくとも一部が着用者の体と接触するため、着用者の生体電気信号を取得することができる。また、本発明では、第1、第2の電極で着用者の体を締めつける必要がないので、着用者の不快感を軽減することができる。さらに、本発明では、着用者が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次下がるように、あるいは着用者が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次上がるように第1、第2の電極を設置しているため、第1、第2の電極が着用者の胴回り方向への衣服の伸縮を阻害することを軽減でき、着用者の不快感を更に軽減することができる。
図1A−図1Cは、本発明の第1の実施例に係るウェアラブル電極を人体に装着した様子を示す模式図である。 図2は、本発明の第1の実施例に係るウェアラブル電極と従来のウェアラブル電極において心拍を計測するのに必要な胸部の単位幅あたりの張力を示す図である。 図3は、本発明の第1の実施例に係るウェアラブル電極の装着例を説明する図である。 図4は、本発明の第1の実施例に係るウェアラブル電極と電極を水平配置したウェアラブル電極において心拍を計測するのに必要な胸部の単位幅あたりの張力を示す図である。 図5は、電極を水平配置したウェアラブル電極を説明する図である。 図6A−図6Cは、本発明の第2の実施例に係るウェアラブル電極を人体に装着した様子を示す模式図である。 図7A−図7Cは、従来のウェアラブル電極を人体に装着した様子を示す模式図である。
以下、好適な実施例について参照して本発明を説明するが、本発明はかかる実施例に限定されない。
[第1の実施例]
図1A〜図1Cは本発明の第1の実施例に係るウェアラブル電極を人体に装着した様子を示す模式図であり、図1Aは人体正面図、図1Bは人体側面図、図1Cは人体背面図である。本実施例のウェアラブル電極は、図1A〜図1Cに示すように、衣服21と、衣服21の着用者20(生体)の左の乳房部210の皮膚と左の側胸部及び左の下肋部及び左の腋窩部のうち少なくとも1つの部位(図1Aの211)の皮膚と左の側胸部の背側及び左の下肋部の背側及び左の肩甲下部のうち少なくとも1つの部位(図1Cの212)の皮膚とに同時に接触し得るように、かつ着用者20が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次下がるように衣服21の裏面(着用者20の皮膚と接触する面)に固定された1つ以上の帯状の電極203と、衣服21の着用者20の右の乳房部213の皮膚と右の側胸部及び右の下肋部及び右の腋窩部のうち少なくとも1つの部位(図1Aの214)の皮膚と右の側胸部の背側及び右の下肋部の背側及び右の肩甲下部のうち少なくとも1つの部位(図1Cの215)の皮膚とに同時に接触し得るように、かつ着用者20が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次下がるように衣服21の裏面に固定された1つ以上の帯状の電極204とから構成される。図1A〜図1Cにおける200は着用者20の心臓である。
なお、腋窩部はいわゆる脇の下の領域を意味し、側胸部は腋窩部よりも下方の領域を意味し、下肋部は側胸部よりも更に下方の領域を意味する。また、肩甲下部は肩甲骨がある肩甲部の下の領域を意味する。人体の各部の名称については、例えば参考文献「橋本 尚詞,“看護学入門 1 人体のしくみと働き”,pp.3−8,2013年」に開示されている。
電極203,電極204は、それぞれ配線231,232を介して生体信号取得装置233と接続される。1つ以上の電極203と1つ以上の電極204のうち、一部は正電極であり、残りは負電極である。
電極203,204の素材は特に限定されず、カーボンフィラー混合樹脂、Ag布、導電性高分子含浸布帛、電解液を染み込ませた布帛等を制限なく用いることができる。好ましくは導電性高分子含浸布帛であれば、密着する皮膚への刺激が少なく、かつ耐久性が良好である。また、電極203,204の大きさについては、図1A〜図1Cを用いて説明した配置条件を満たす大きさであれば特に限定されない。
なお、生体電気信号受信の際にしばしば用いられる基準電位については、上記の正電極及び負電極と接触しないように別途、基準電極を衣服21に設け、配線を介してこの基準電極を生体信号取得装置233と接続することによって得てもよい。この場合には、互いに分離して設けられた1つ以上の電極203と互いに分離して設けられた1つ以上の電極204とは、一部が正電極で他の一部が負電極となり、正電極及び負電極として機能する電極以外の電極203または電極204が基準電極となる。
また、正電極と負電極が受信する信号から求めた中間電位を基準電位としてもよいし、生体信号取得装置233の回路のGND電位を基準電位としてもよい。
衣服21は、電極203,204を設置できるものであれば特に限定されず、図1A〜図1Cに示したシャツ型の他、腹巻き型やベルト型、コルセット型等の形態をとることができる。
衣服21が図1A〜図1Cのようなシャツ型である場合,首下から肩も含む身体を包む着用になるため、電極203,204はより適正な位置に配置、維持される。
電極203,204は、衣服21の前身頃22の裏面に配置される。電極203,204がそれぞれ着用者20の体表面の半周近くを回るように腹側から背側まで伸びているため、前身頃22は、電極203,204の背側先端が収まるように、脇下から腹部にかけての部位が衣服21のアームホールの中心26よりも背側に延伸されている。このため、前身頃22と縫い合わされる衣服21の後ろ身頃23は、前身頃22の延伸に応じて、脇下から腹部にかけての部位がアームホールの中心26よりも着用者20の後正中線の方向に減縮し、この部位の幅W2が身幅W1よりも細くなっている。したがって、前身頃22と後ろ身頃23の縫い合わせ線24,25は、着用者20の体側面重心線よりも背中側に配置される。
衣服21の素材は通常の衣料品で用いられる綿、羊毛等の天然繊維素材、ポリエステル、ナイロン等の合成繊維素材を何ら制限なく用いることができるが、本発明はかかる衣服21の形状や素材に限定されるものではない。
電極203,204の衣服21への固定方法としては、例えば電極203,204を衣服21に縫い付ける方法、電極203,204を衣服21に接着する方法、電極203,204を衣服21に含浸させる方法などがある。この中では、特に接着する方法が容易である。また、衣服21の縫製前に、衣服21の前身頃22または後ろ身頃23に電極203,204をアイロンや加熱プレスマシンで熱圧着し、その後、前身頃22と後ろ身頃23を縫製してもよい。
配線231,232としては、公知の配線素材を制限なく用いることができるが、着用者20の動きによって変形する衣服21上に設置されるため、配線素材自体に伸縮性があるもの(例えば、導電性ゴム)や、バネのように伸縮性のある構造・レイアウトをしているものがより望ましい。
また、配線231,232は、電極設置部位以外の人体等からの信号を取得しないよう、絶縁体で被覆されていることが望ましい。この配線231,232は、それぞれ電極203,204と同様に、着用者20が直立の状態で生体信号取得装置233側の端部から電極203,204側の端部にかけて装着位置が漸次下がるように、衣服21の前身頃22に固定されている。配線231,232の衣服21への固定方法としては、例えば配線231,232を衣服21に縫い付ける方法、配線231,232を衣服21に接着する方法などがある。
本実施例では、電極203,204及び配線231,232を衣服21の前身頃22に固定することにより、電極203,204が縫い合わせ線24,25を跨ぐことがない。その結果、立体的な体の構造に衣服21がフィットして、電極203,204がずれにくいという利点がある。また、衣服21の縫製前に電極203,204及び配線231,232を前身頃22に設置できるため、縫製工程が容易となる。
生体信号取得装置233は、電極203,204で検出した生体電気信号(本実施例では心電波形)を取得して処理する。生体信号取得装置233としては、心電波形を取得しR波を検出する公知の装置を特に限定なく用いることができる。生体信号取得装置233は、心電波形から心拍を検出する機能、各種の表示機能、取得した生体電気信号や心拍の情報を外部へ無線送信する機能などを備えていてもよい。また、生体信号取得装置233は、衣服21の裏面あるいは表面(着用者20の皮膚と接触する面と反対側の面)のどちらに固定されていてもよい。
ただし、本実施例の場合、上記のとおり、着用者20が直立の状態で配線231,232の生体信号取得装置233側の端部の位置に対して配線231,232の電極203,204側の端部の位置が斜め下になるようにする必要があるので、このような配線231,232の配置が実現できるように生体信号取得装置233の位置を決める必要がある。
図2に、着用者の心臓の高さの胸部の左右2箇所に電極を設置する従来のウェアラブル電極(図7)と、本実施例のウェアラブル電極とを同一の着用者が順番に着用し、時速4kmで歩行した際に、心拍を計測するのに必要な胸部の張力を計測した結果を示す。ここでは、心拍の正常な計測に成功したときの、胴回り方向の単位幅(1cm)あたりの張力のうちの最低値を計測結果としている。また、本実施例のウェアラブル電極については、図3に示すように、着用者20が直立の状態で水平面27と電極203,204とのなす角θを30°とした。
図2の300は従来のウェアラブル電極を用いた場合に心拍の計測に必要な張力を示し、301は本実施例のウェアラブル電極を用いた場合に心拍の計測に必要な張力を示している。図2によれば、本実施例では、従来のウェアラブル電極に比べ心拍を計測するのに必要な胸部の張力が低減するので、着用者の不快感を軽減できることが分かる。
図4に、衣服21に電極203,204を水平配置したウェアラブル電極と、本実施例のウェアラブル電極とを同一の着用者が順番に着用した場合の胸部の張力を計測した結果を示す。ここでは、電極203,204が配置された胸部の胴回り方向の寸法を20%延伸した際の胴回り方向の単位幅(1cm)あたりの張力を計測結果としている。本実施例のウェアラブル電極については、図3に示したように、着用者20が直立の状態で水平面27と電極203,204とのなす角θを30°とした。また、電極203,204を水平配置したウェアラブル電極とは、図5に示すように、着用者20が直立の状態で水平面27と電極203,204の延伸方向とが平行(θが0°)な電極のことを言う。
図4の400は電極203,204を水平配置したウェアラブル電極を用いた場合の張力を示し、401は本実施例のウェアラブル電極を用いた場合の張力を示している。
図4によれば、本実施例では、電極203,204を斜めに設置することで、電極203,204を水平配置したウェアラブル電極に比べ胸部の張力を低減することができ、着用者の不快感を軽減できることが分かる。
こうして、本実施例では、着用者の左上半身の腹側から背側にかけての各部位の皮膚に同時に接触し得るように電極203を設け、着用者の右上半身の腹側から背側にかけての各部位の皮膚に同時に接触し得るように電極204を設けることにより、着用者が前かがみ等の姿勢をとっても、電極203,204の各々の少なくとも一部が着用者の体と接触するため、着用者の生体電気信号を取得することができる。また、本実施例では、電極203,204で着用者の体を締めつけるような構造を採用していないため、着用者の不快感を軽減することができる。さらに、着用者が直立の状態で電極203,204及び配線231,232を水平面に対し斜めになるように設置しているため,電極203,204及び配線231,232に衣服21の素材よりも伸縮性の小さい素材を用いたとしても、電極203,204及び配線231,232が着用者の胴回り方向への衣服21の伸縮を阻害することを軽減でき、着用者の不快感を軽減することができる。
[第2の実施例]
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図6A〜図6Cは本発明の第2の実施例に係るウェアラブル電極を人体に装着した様子を示す模式図であり、図6Aは人体正面図、図6Bは人体側面図、図6Cは人体背面図である。本実施例のウェアラブル電極は、図6A〜図6Cに示すように、衣服21aと、衣服21aの着用者20の左の側胸部の腹側及び左の下肋部の腹側のうち少なくとも1つの部位の皮膚と左の側胸部及び左の下肋部及び左の腋窩部のうち少なくとも1つの部位(図6Aの211)の皮膚と左の側胸部の背側及び左の肩甲部のうち少なくとも1つの部位(図6Cの216)の皮膚とに同時に接触し得るように、かつ着用者20が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次上がるように衣服21aの裏面に固定された1つ以上の帯状の電極203aと、衣服21aの着用者20の右の側胸部の腹側及び右の下肋部の腹側のうち少なくとも1つの部位の皮膚と右の側胸部及び右の下肋部及び右の腋窩部のうち少なくとも1つの部位(図6Aの214)の皮膚と右の側胸部の背側及び右の肩甲部のうち少なくとも1つの部位(図6Cの217)の皮膚とに同時に接触し得るように、かつ着用者20が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次上がるように衣服21aの裏面に固定された1つ以上の帯状の電極204aとから構成される。
電極203a,電極204aは、それぞれ配線231a,232aを介して生体信号取得装置233と接続される。基準電極を設ける場合には、第1の実施例と同様に、正電極および負電極として機能する電極203a,204a以外の別の電極203aまたは204aを基準電極とすればよい。
電極203a,204aは、第1の実施例の電極203,204と同様の素材からなるものであるが、衣服21aの後ろ身頃23aの裏面に配置される。本実施例では、電極203a,204aがそれぞれ着用者20の体表面の半周近くを回るように背側から腹側まで伸びているため、後ろ身頃23aは、電極203a,204aの腹側先端が収まるように、脇下から腹部にかけての部位が衣服21aのアームホールの中心26よりも腹側に延伸されている。このため、後ろ身頃23aと縫い合わされる衣服21aの前身頃22aは、後ろ身頃23aの延伸に応じて、脇下から腹部にかけての部位がアームホールの中心26よりも着用者20の前正中線方向に減縮し、この部位の幅W3が身幅W1よりも細くなっている。したがって、前身頃22aと後ろ身頃23aの縫い合わせ線24a,25aは、着用者20の体側面重心線よりも腹側に配置される。
配線231a,232aは、それぞれ電極203a,204aと同様に、着用者20が直立の状態で生体信号取得装置233側の端部から電極203a,204a側の端部にかけて装着位置が漸次下がるように、衣服21aの後ろ身頃23aに固定されている。
本実施例では、電極203a,204a及び配線231a,232aを衣服21aの後ろ身頃23aに固定することにより、電極203a,204aが縫い合わせ線24a,25aを跨ぐことがない。その結果、立体的な体の構造に衣服21aがフィットして、電極203a,204aがずれにくいという利点がある。また、衣服21aの縫製前に電極203a,204a及び配線231a,232aを後ろ身頃23aに設置できるため、縫製工程が容易となる。また、本実施例の場合、腹側に配線231,232や生体信号取得装置233を設ける必要がないので、衣服21aを前開きにすることができ、着脱を容易にすることができるという利点がある。
第1の実施例及び本実施例において、前身頃22、あるいは後ろ身頃23aに電極203,203a,204,204a及び配線231,231a,232,232aを固定する方法は、特に限定されず、任意の方法を取ることができる。特に、熱圧着による固定を行う場合、第1の実施例及び本実施例のように、電極203,203a,204,204a及び配線231,231a,232,232aが縫い合わせ部分を跨がることがないと、圧着面がフラットであるため、熱圧着に通常用いられる加熱プレス機の平板上に、圧着の必要な部材を配した縫製前の身頃を設置することができる。その結果、衣服21,21aの作成が容易であるだけでなく、電極203,203a,204,204a及び配線231,231a,232,232aの接着が、全面ムラ無く行うことができるため、接着の耐久性も向上するという利点を有する。
生体信号取得装置233の機能は第1の実施例で説明したとおりであるが、本実施例の場合、着用者20が直立の状態で配線231a,232aの生体信号取得装置233側の端部の位置に対して配線231a,232aの電極203a,204a側の端部の位置が斜め下になるようにする必要があるので、このような配線231a,232aの配置が実現できるように生体信号取得装置233の位置を決める必要がある。
その他の構成は第1の実施例で説明したとおりである。こうして、本実施例では、第1の実施例と同様の効果を得ることができる。
なお、第1、第2の実施例では、衣服に固定しない状態で平らに延ばしたときに平面視略長方形となる電極形状を採用しているが、これに限るものではなく、平らに延ばしたときに平面視略楕円形となる電極形状を採用してもよい。
また、生体信号取得装置233は、衣服21,21aに着脱自在に取り付けられる構造であってもよい。この場合には、生体信号取得装置233と配線231,231a,232,232aとの間はコネクタを介して電気的に接続される。
本発明は、生体電気信号を取得する技術に適用することができる。
20…着用者、21,21a…衣服、22,22a…衣服の前身頃、23,23a…衣服の後ろ身頃、24,24a,25,25a…前後身頃の縫い合わせ線、26…アームホールの中心、200…心臓、203,203a,204,204a…電極、210…左の乳房部、211…左の側胸部及び左の下肋部及び左の腋窩部のうち少なくとも1つの部位、212…左の側胸部の背側及び左の下肋部の背側及び左の肩甲下部のうち少なくとも1つの部位、213…右の乳房部、214…右の側胸部及び右の下肋部及び右の腋窩部のうち少なくとも1つの部位、215…右の側胸部の背側及び右の下肋部の背側及び右の肩甲下部のうち少なくとも1つの部位、216…左の側胸部の背側及び左の肩甲部のうち少なくとも1つの部位、217…右の側胸部の背側及び右の肩甲部のうち少なくとも1つの部位、231,231a,232,232a…配線、233…生体信号取得装置。

Claims (8)

  1. 衣服の着用者の生体電気信号を検出するウェアラブル電極において、
    着用者の左上半身の腹側から背側にかけての各部位の皮膚に同時に接触し得るように衣服に固定された1つ以上の第1の電極と、
    着用者の右上半身の腹側から背側にかけての各部位の皮膚に同時に接触し得るように前記衣服に固定された1つ以上の第2の電極とを備え、
    前記第1、第2の電極は、着用者が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次下がるように、あるいは着用者が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次上がるように設置されることを特徴とするウェアラブル電極。
  2. 請求項1記載のウェアラブル電極において、
    前記第1の電極は、着用者の左の乳房部の皮膚と左の側胸部及び左の下肋部及び左の腋窩部のうち少なくとも1つの部位の皮膚と左の側胸部の背側及び左の下肋部の背側及び左の肩甲下部のうち少なくとも1つの部位の皮膚とに同時に接触し得るように、かつ着用者が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次下がるように前記衣服に固定され、
    前記第2の電極は、着用者の右の乳房部の皮膚と右の側胸部及び右の下肋部及び右の腋窩部のうち少なくとも1つの部位の皮膚と右の側胸部の背側及び右の下肋部の背側及び右の肩甲下部のうち少なくとも1つの部位の皮膚とに同時に接触し得るように、かつ着用者が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次下がるように前記衣服に固定されることを特徴とするウェアラブル電極。
  3. 請求項2記載のウェアラブル電極において、
    着用者の生体電気信号を取得する生体信号取得装置と前記第1、第2の電極とを電気的に接続する第1、第2の配線をさらに備え、
    前記第1、第2の配線は、前記生体信号取得装置が前記衣服の腹側に固定されるときに、着用者が直立の状態で生体信号取得装置側の端部から第1、第2の電極側の端部にかけて装着位置が漸次下がるように前記衣服に固定されることを特徴とするウェアラブル電極。
  4. 請求項3記載のウェアラブル電極において、
    前記第1、第2の電極及び前記第1、第2の配線は、前記衣服の前身頃に固定されることを特徴とするウェアラブル電極。
  5. 請求項1記載のウェアラブル電極において、
    前記第1の電極は、着用者の左の側胸部の腹側及び左の下肋部の腹側のうち少なくとも1つの部位の皮膚と左の側胸部及び左の下肋部及び左の腋窩部のうち少なくとも1つの部位の皮膚と左の側胸部の背側及び左の肩甲部のうち少なくとも1つの部位の皮膚とに同時に接触し得るように、かつ着用者が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次上がるように前記衣服に固定され、
    前記第2の電極は、着用者の右の側胸部の腹側及び右の下肋部の腹側のうち少なくとも1つの部位の皮膚と右の側胸部及び右の下肋部及び右の腋窩部のうち少なくとも1つの部位の皮膚と右の側胸部の背側及び右の肩甲部のうち少なくとも1つの部位の皮膚とに同時に接触し得るように、かつ着用者が直立の状態で腹側から背側にかけて装着位置が漸次上がるように前記衣服に固定されることを特徴とするウェアラブル電極。
  6. 請求項5記載のウェアラブル電極において、
    着用者の生体電気信号を取得する生体信号取得装置と前記第1、第2の電極とを電気的に接続する第1、第2の配線をさらに備え、
    前記第1、第2の配線は、前記生体信号取得装置が前記衣服の背側に固定されるときに、着用者が直立の状態で生体信号取得装置側の端部から第1、第2の電極側の端部にかけて装着位置が漸次下がるように前記衣服に固定されることを特徴とするウェアラブル電極。
  7. 請求項6記載のウェアラブル電極において、
    前記第1、第2の電極及び前記第1、第2の配線は、前記衣服の後ろ身頃に固定されることを特徴とするウェアラブル電極。
  8. 請求項1乃至7のいずれか1項に記載のウェアラブル電極において、
    互いに分離して設けられた1つ以上の前記第1の電極と互いに分離して設けられた1つ以上の前記第2の電極とは、一部が正電極で他の一部が負電極となり、正電極および負電極として機能する電極以外の前記第1の電極または前記第2の電極は基準電極となることを特徴とするウェアラブル電極。
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