(57)【要約】【課題】発汗時等のノイズ問題を解決しつつ、低コストで形状に意自由度のある容量結合型生体信号計測装置、特に筋電センサを提供する。【解決手段】検体者の生体信号を測定する生体信号計測装置であって、検体者からの生体信号に基づく電位を測定する検出電極部４２と該検体者に接触させて基準電位を検出する基準電極部を備える差電検出手段と、該差電検出手段から出力される信号を処理する信号処理回路を備えている。検出電極部４２が、導電体電極４１ａと、該導電体電極４１ａの表面に薄いテープ状部材からなる絶縁物４１ｂを積層した２重構造からなる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体者の生体信号を測定する生体信号計測装置であって、
上記検体者からの生体信号に基づく電位を測定する検出電極部と該検体者に接触させて基準電位を検出する基準電極部を備える差電検出手段と、
上記差電検出手段から出力される信号を処理する信号処理回路とを備え、
上記検出電極部が、導電体電極と、該導電体電極の表面に薄いテープ状部材からなる絶縁物を積層した２重構造からなることを特徴とする生体信号計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の生体信号計測装置において、
生体信号計測装置が検体者の皮膚表面から筋電位を測定する筋電計測装置であって、該検出電極部は該皮膚表面からの筋電位を測定し、基準電極部は該皮膚表面の基準電位を検出するようになっていることを特徴とする生体信号計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の生体信号計測装置において、
導電体電極が、銀電極、銀・塩化銀電極、金電極のいずれか１つからなることを特徴とする生体信号計測装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１つに記載の生体信号計測装置において、
差電検出手段の検出電極部が２つ設けられ、
基準電極部が、両検出電極部の間に該両検出電極部から等距離の位置に配置されたことを特徴とする生体信号計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
検体者の生体信号、特に筋電位を容量結合型で計測する生体信号計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
筋収縮時に観測される生体信号は筋電とよばれ，各筋繊維における100mV程度の電位変化を生体内あるいは皮膚表面で測定したものである。生体内で侵襲的に測定する方式は細かい筋活動をみるのに適し、皮膚表面で非侵襲的に測る方式はより大きな筋活動に適している。
【０００３】
筋電のアプリケーションとしては、筋疾患などの診断、筋疲労や運動機能の人間工学的評価に加え、制御やヒューマンインタフェース用の信号源として用いられている。筋疾患の診断など、筋活動を忠実に反映した信号を必要とするケースにおいては、針電極などを用いて侵襲的に筋電を測定する。これに対して、ヒューマンインタフェース等への適用においては手軽に測定できることが重視されるため、非侵襲的に皮膚表面で測定することが多い。
【０００４】
しかしながら、筋電は生体内を伝わるときに減衰するため、皮膚表面で観測される信号は極めて微弱であり、特に商用電源から混入するノイズの影響は無視することができない。この外乱ノイズは皮膚と電極との接触抵抗が一因であり、従来は、導電性のペーストを用いる等の前処理によって接触抵抗を小さくすることにより、外乱ノイズの影響を小さくする方式が用いられてきた。しかし、導電ペーストを用いる方式では、長時間、連続して測定する場合に、導電性ペーストの経時変化が問題となり、また、導電性ペーストの皮膚への塗布、剥がし、測定後の皮膚の洗浄等、脱着時の負担が大きく、実用化の妨げとなっていた。さらに、ヒューマンインタフェース等への適用においては、筋電センサの装着を専門知識のない一般の作業員が行う必要があり、脱着の頻度も大きいことから、装着時の繁雑な前処理が敬遠される傾向にあった。また、実際の使用場面では、十分な皮膚の前処理を行わずに使用することによってノイズが混入し、期待した通りの動作をしないケースが発生している。
【０００５】
この問題の解決のために、皮膚の前処理を必要とせず、手軽に扱うことのできる筋電センサとして、絶縁物電極を用いた静電容量性結合に基づく筋電センサが開発されている。このセンサでは、皮膚の状態に影響されにくい測定が可能であるに留まらず、布などの絶縁物を介して筋電を測定することができる（例えば、非特許文献１参照）
また、例えば、筋電義手として、義肢ソケットの内側に筋電センサを取り付け、義肢ソケットの内側に人体の手の断端部を挿入して、断端部の皮膚の上から直接筋電を測定することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【非特許文献１】梶谷勇  樋口哲也：「絶縁型電極を用いた筋電センサの開発」電子情報通信学会技術研究報告. WIT2006-13, ｐ71-76(2006) (電子情報通信学会/社団法人電子情報通信学会)
【特許文献１】特開平１１−１１３８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に示すものでは、検出電極部で静電容量性結合に用いる電気絶縁体として、陽極酸化アルミニウム、酸化珪素、チタン酸バリウム、二酸化シリコン、窒化珪素などのセラミックコンデンサを加工して用いているため、電極の大きさや形を自由に変更するのが困難であり、形状の自由度が不足している。また、使用時の耐久性に問題があった。
【０００７】
特許文献１に示すものでは、柔軟な基板に検出センサを設けることで、皮膚表面に沿って自在に変形し得る基板が、皮膚表面に対して、弾性変形可能な支持部材を介して相対的に押付けられるようになっており、皮膚と検出センサとの接触不良を防止するようにしている。しかし、この特許文献１では基板構造を工夫して接触不良を低減するようにしているが、接触抵抗に起因する問題を解決するものではない。
【０００８】
このため、皮膚の接触抵抗に関わらず高感度に検出可能なものであって、その上、低コストで形状に自由度のある電極材料を用いた容量結合型筋電センサ、即ち容量結合型生体信号計測装置を開発することが強く望まれている。
【０００９】
そのために、本願の発明者は、皮膚の接触抵抗に関わらず高感度に検出可能なものとしては容量結合型筋電センサであることが好ましいので、容量結合型筋電センサを前提として、その上、低コストで形状に自由度のある電極材料について、種々の研究を重ねていった。特に、検出電極部の電気絶縁体としてセラミックコンデンサに代わるものについて、研究を重ねていった。
【００１０】
その結果、本願の発明者は、コンデンサなどの容量型の絶縁物にこだわっていると要求を満足するものを得られないので、導電体電極、例えば銀電極等の導電体電極を使って、容量結合型生体信号計測装置（例えば、筋電センサ）を作成することができないかと言う逆転発想を行った。ただ、導電電極体を使用すると、低コストで形状に自由度はあるが、発汗時等で電極と汗（電解液）の間で電極電位が発生し、これに起因するノイズが混入することが問題となる。
【００１１】
本発明では、上記発汗時等のノイズ問題を解決しつつ、低コストで形状に意自由度のある容量結合型生体信号計測装置を提供することを目的とする。
【００１２】
具体的には、導電体電極を使って容量結合型電極にするために、導電体電極の表面に、絶縁部材、特にチタンテープなどの誘電率の高い絶縁テープ状部材を配置して疑似容量結合型電極としたことを特徴とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
具体的には、請求項１の発明は、検体者の生体信号を測定する生体信号計測装置であって、上記検体者からの生体信号に基づく電位を測定する検出電極部と該検体者に接触させて基準電位を検出する基準電極部を備える差電検出手段と、上記差電検出手段から出力される信号を処理する信号処理回路とを備え、上記検出電極部が、導電体電極と、該導電体電極の表面に薄いテープ状部材からなる絶縁物を積層した２重構造からなる特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１に記載の生体信号計測装置において、生体信号計測装置が検体者の皮膚表面から筋電位を測定する筋電計測装置であって、該検出電極部は該皮膚表面からの筋電位を測定し、基準電極部は該皮膚表面の基準電位を検出するようになっていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の生体信号計測装置において、導電体電極が、銀電極、銀・塩化銀電極、金電極のいずれか１つからなることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の生体信号計測装置において、差電検出手段の検出電極部が２つ設けられ、基準電極部が、両検出電極部の間に該両検出電極部から等距離の位置に配置されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明によれば、微細な電位である生体信号を高精度に検出でき、検体者の検出部位や乾燥等の状態によらず同レベルの生体信号を計測可能であることに加え、低コストで形状自由度が高い容量結合型生体信号検出装置を得られる。その上、絶縁物が薄いテープ状部材であり、確実に絶縁できて、且つ絶縁物を簡単に交換できる。
【００１８】
請求項２の発明によれば、微細な電位である筋電を高精度に検出でき、皮膚の乾燥具合によらず同レベルの筋電信号を計測可能であることに加え、低コストで形状自由度が高い容量結合型筋電センサを得られる。
【００１９】
請求項３の発明によれば、更に低コストで、生体信号をより高精度に検出できる。
【００２０】
請求項４の発明によれば、コンパクトな生体信号計測装置を得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００２２】
この実施形態では、本発明の生体信号検出装置を筋電センサに適用した場合を示す。図１及び２に示すように、筋電計測装置１の検出電極部２を、検出体Kの段端部Dの皮膚表面Hに被せた断端袋Fの上から接触させる。検出体Ｋの動作意思を筋電計測装置1で検出される信号によって検出し、義手Ｇを動作させる手助けとするように利用する。具体的には、筋電計測装置1の検出電極４１，４２はそれぞれ、図３及び図４に示すように、プラスチックなどの絶縁体のケース４４に銀電極４２ａ、４２ａが取り付けられ、この銀電極の上に、チタンテープ等の誘電率の高い絶縁テープ４１ｂ、４２ｂを被覆し、疑似的なコンデンサ回路を形成して、生体の交流信号を検出する。検出電極４１，４２の間に、検出電極４１，４２から等距離の位置に基準電極４３を取り付けている。
【００２３】
具体的な検出は、図１及び図２に示すように、筋電計測装置１の検出電極部４１、４２及び基準電極部４３を検出体Kの皮膚表面Hに断端袋Fの上から接触させる。その結果、基準電極部４３と検出電極部４１、４２とでそれぞれ検出電位ｓ１、ｓ２とが検出され、その検出電位ｓ１、ｓ２に外乱n１、ｎ２との合算値ｓ１＋ｎ１、ｓ１＋ｎ２が差動増幅部２４に入力される。差動増幅部２４では、（ｓ１＋ｎ１）−（ｓ２＋ｎ２）が演算されて、その信号が増幅されて出力される。差動増幅部２４は、差電検出部２４aとプリ増幅部２４ｂとを備える。
【００２４】
差電検出部２４aにより、高精度に皮膚からの筋電を検出できる。プリ増幅部２４ｂを設けたことにより、皮膚表面からの微細な筋電位をプリ増幅部で増幅することで、必要な信号を確実に検出できる。また、高インピーダンスのため、最もノイズの乗り易い電極―増幅部間の配線を最短距離にて接続することでノイズの影響を最小限に抑えることができる。
【００２５】
図５に示すように、差動増幅部２４からの信号Ｓ１１は、信号処理部３０に送られる。信号処理部３０では、例えば、遮断周波数が１．６Ｈｚの第１ハイパスフィルタ３２を設けて、１．６Ｈｚ以下の周波数成分を低減し、更に遮断周波数が１３２７Ｈｚのローパスフィルタ３１を設けて、この値以上の周波数成分を低減し、通常の外乱周波数領域である領域の周波数帯を除去するようにしている。この実施形態では、その上、通常では除去しない周波数領域を含む周波数領域の除去フィルタとして、遮断周波数が３００Ｈｚである第２ハイパスフィルタ３３を設け、３００Ｈｚ以下の周波数成分を低減している。この第２ハイパスフィルタ３３によって、大きな外乱の１つである商用周波数領域を除去し、この周波数領域近辺の周波数成分も外乱要因として除去するようにした。その上、本実施形態では、断端袋Fを介して検出体Ｋの皮膚表面Ｈの信号を検出するようにしているが、断端袋８（Ｆ）と検出電極部４１、４２の接触圧が変化した場合等に発生する基線変動が大きいため、第２ハイパスフィルタによってこの影響を増幅前に除去するようにした。
【００２６】
このように、所定周波数以下の周波数領域を大胆に除去した後の信号Ｓ１２を増幅部３４に送り、増幅器３４で増幅する。増幅した後で、ノッチフィルタ３５で、商用周波数である５０Ｈｚ或いは６０Ｈｚを再度除去し、商用周波数の影響を確実に排除して、信号Ｓ１３として出力する。その結果、筋電計測装置１として必要な筋電位を効果的に検出できる。
【００２７】
検出電極部４１，４２で用いる絶縁体に要求される機能としては、絶縁できることと以外に、発汗に対して雑音信号を発生しにくいことが好ましい。特に、容易に取付け・取外しができて交換できることが好ましく、更には、皮膚に対して障害を与えない、低コストで得られるものが好ましい。絶縁物としては、例えば、絆創膏、耐震テープ、両面テープ、セロハンテープ（商標）、シールテープ等が適用できる。特に、チタンテープは、絶縁でき、発汗に対して雑音信号を発生しにくく、容易に取付け・取外しができるので、好ましい。
【００２８】
この絶縁体の膜厚は、厚すぎると電位を生じ難くなり、絶縁がとれるのなら薄ければ薄いほど良く、一般的に用いられているテープの厚さであれば、静電容量性結合を維持できる厚さであり、素材によって厚さ自体は異なり数値化して特定することは難しい。
【００２９】
電極としては、接触電位差が低いものが好ましく、銀電極、金電極、銀・塩化銀電極等が使用される。特に、電極電位差が低く、汗と電極とで電位差を生じにくいのは銀・塩化銀電極であるが、加工コストが高く耐久性に問題がある。また金電極では素材のコストが高い。銀電極は、筋電局や銀・塩化銀電極に比較して、電極電位の点で僅かに劣るが、加工しやすく材料コスト上でも有利である。
【００３０】
（実施例１）
図４に示すように、銀電極４１、４２の上に厚さ０．２ｍｍのチタンテープを貼り付け、中央に基準電極４３を装着した。仕様としては、ゲイン（プリ増幅部２４ｂ）は、１３．８２１倍、入力インピーダンスは１０００ＴΩ、ＣＭＲ（分弁率）は７８ｄＢとした。
【００３１】
（比較例１）
非特許文献１に示す容量結合型筋電センサを用い、測定用の電極として、還元再酸化型チタン酸バリウム系半導体磁気コンデンサを加工して、検出電極４１、４２の代わりに用いた。仕様は、実施例１と同じ。
【００３２】
次に、実施形態と比較例１とを用いた筋電の測定例を説明する。
【００３３】
実施形態の筋電計測装置及び比較例１の筋電計測装置を、それぞれ前腕屈筋群の筋腹付近の皮膚表面に並べてリストバンドで固定した。実施形態では基準電極４３を一体に埋め込んでいるが、比較例１と実験条件をそろえるために，共通の基準電極を前腕の伸筋側の皮膚表面に接触させて測定を行った。
【００３４】
測定は3種類行い、まず(1)脱力時に混入するノイズ信号を測定し、次に(2)最大収縮時に観測される信号の測定を行った。更に(3)電子メトロノームにあわせて1秒毎に脱力と最大収縮を繰り返しながら測定した。図６〜図１１に測定した信号波形のグラフを示し、図６，８及び１０が比較例１であり、図７，９及び１１が実施形態の測定結果を示す。上段がアンプから出力されるEMG信号をAD変換して取り込んだ電圧で，下段が信号のパワースペクトルである。
【００３５】
図６と図７の脱力時のパワースペクトルを比較すると、比較例１に対して実施形態の方が50Hzの商用電源ノイズの混入が大きいものの、図８、図９の最大収縮時のグラフからみると、どちらも50Hzのノイズレベルを上回る筋電信号を測定できていることが解る。また、図１０と図１１に示すメトロノームにあわせた筋収縮時のグラフからは、比較例１でも実施形態でも筋収縮と脱力を明確に分離可能な信号を測定できているのがわかる。
またパワースペクトルのグラフから、銀電極４１ａ（４２ａ）をチタンテープ４１ｂ（４２ｂ）で絶縁した場合に、低周波成分と高周波成分がともに減衰しているのがわかる。チタンテープ４１ｂ（４２ｂ）と銀電極４１ａ（４２ａ）の組合せが、帯域通過フィルタのような働きをしていると考えられる。これらのグラフから、比較例１と実施形態では遜色なく、筋収縮時と脱力時を明確に分離可能であることがわかる。即ち、実施形態の筋電センサが疑似容量結合型筋電センサとして、容量結合型筋電センサと同レベルの筋電検出が可能であることを示している。
【００３６】
なお、実施形態は筋電センサであるが、本発明は、この筋電センサに限らず他の構造の筋電センサにも適用でき、更には他の生体信号計測装置にも適用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上説明したように、本発明に係る生体信号計測装置は、各種生体信号の検出、例えば筋電義手や筋電義足などの筋電センサ等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明を筋電センサに適用した実施形態に係わり、差電検出手段を模式的に示したものである。
【図２】実施形態に係わる筋電センサを筋電義手に使用する状態を示す。
【図３】図４のＡ−Ａ断面を示す。
【図４】実施形態に係わる筋電計測装置の外観を説明する斜視図を示す。
【図５】実施形態に係わる筋電計測装置の信号処理回路のブロック図を示す。
【図６】比較例１において脱力時の計測値を示すグラフである。
【図７】実施形態において脱力時の計測値を示すグラフである。
【図８】比較例１において最大収縮時の計測値を示すグラフである。
【図９】実施形態において最大収縮時の計測値を示すグラフである。
【図１０】比較例１において脱力／収縮を繰り返したときの計測値を示すグラフである。
【図１１】実施形態において脱力／収縮を繰り返したときの計測値を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１        筋電計測装置
２        差電検出手段
４１      検出電極部
４１ａ    銀電極
４１ｂ    絶縁物
４２      検出電極部
４２ａ    銀電極
４２ｂ    絶縁物
２２      差電検出部
２３      基準電極部
２４      差動増幅部
３０      信号処理回路
３１      ローパスフィルタ
３２      第１ハイパスフィルタ
３３      第２ハイパスフィルタ
３４      増幅部
３５      ノッチフィルタ
【図１】
2008295867.tif 000003
【図２】
2008295867.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008295867.tif 000008
【図７】
2008295867.tif 000009
【図８】
2008295867.tif 000010
【図９】
2008295867.tif 000011
【図１０】
2008295867.tif 000012
【図１１】
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