(57)【要約】【課題】アクティブ型電極装置において、皮膚の動きに柔軟に対応することができる電極装置を提供する。【解決手段】アクティブ型電極装置１０Ａにおいて、硬いプリアンプ基盤とそれを保護するためのケースとから成るプリアンプ部１４と、銀や塩化銀などの電極部１２Ａ、１２Ｂとの間に、非導電性であり且つフレキシブルに変形する材料から成るフレキシブル部１６を設けた。これにより、電極部１２がフレキシブルに動くことが可能となり、皮膚の動きに柔軟に対応できることとなる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人間の生体信号を測定するための電極装置であって、
測定のために人体の皮膚に接触させる複数の電極部と、
所定の電線を介して各電極部と電気的に接続されたプリアンプ部と、
各電極部とプリアンプ部との間に設けられた、非導電性で柔軟に変形可能なフレキシブル部と、
を備えた電極装置。
【請求項２】
人間の生体信号を測定するための電極装置であって、
測定のために人体の皮膚に接触させる複数の電極部と、
所定の電線を介して各電極部と電気的に接続され、柔軟に変形可能なフレキシブル素材で構成されたプリアンプ部と、
を備えた電極装置。
【請求項３】
人間の生体信号を測定するための電極装置であって、
測定のために人体の皮膚に接触させる複数の電極部と、
所定の電線を介して各電極部と電気的に接続されたプリアンプ部を内蔵し、非導電性で柔軟に変形可能なフレキシブル部と、
を備えた電極装置。
【請求項４】
前記電極部が３つ以上設けられたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電極装置。
【請求項５】
前記フレキシブル部のみ、又は前記フレキシブル部と前記プリアンプ部の両方が、導電性物質で被覆されたことを特徴とする請求項１記載の電極装置。
【請求項６】
前記電極部の形状又は大きさが被測定部位に応じて設定されたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電極装置。
【請求項７】
前記フレキシブル部又は前記フレキシブル素材が複数層から成り、各層の弾性係数が被測定部位の動きに応じて設定されたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電極装置。
【請求項８】
前記フレキシブル部又は前記フレキシブル素材における弾性係数が、被測定部位の動きに応じて、連続的に変化するよう設定されたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電極装置。
【請求項９】
前記複数の電極部間に、被測定部位に応じて、段差が設けられたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電極装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間の筋肉の筋電信号等の各種の生体信号を測定するための電極装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、筋電信号を測定するための電極装置としては、電極部とアンプとが離れて設置されたパッシブ型電極装置と、電極部とアンプとが一体化しているアクティブ型電極装置とがある。このうちパッシブ型電極装置には、皿電極、針電極、ディスポーザブル電極などがあり、アクティブ型電極装置には、例えば、デルシス（ＤＥＬＳＹＳ）社のアクティブ型電極装置（製品名：Ｂａｇｎｏｌｉ　ＴＭ　ＥＭＧ　Ｓｙｓｔｅｍｓ、参照：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｅｌｓｙｓ．ｃｏｍ／）がある。
【０００３】
ところで、従来医療用もしくは検査用に利用されてきた電極装置はパッシブ型電極装置であった。このパッシブ型電極装置では、筋電信号を増幅するためのアンプと電極部とが離れて設置されているため、ノイズが混入しやすいという欠点があった。また、電極部と皮膚との接触インピーダンスを低減するために、電極部と皮膚との間にペーストや電解質を挟む必要があり、測定の手間が増大するという欠点もあった。従来、筋電信号は主に医療や検査目的で用いられてきたため、測定を行うのは病院内の検査室であり、その検査室をシールドルームとすることでノイズの混入を低減させることができ、大した問題とはなっていなかった。また、電極部を皮膚に貼付するのが医療関係者であることや、常に一定の条件下で測定を行うことが重要であるため電極部を貼付するのに手間がかかることは、それほど問題とはなっていなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年、筋電信号を測定し、それを工学的に利用するという研究がなされている。例えば、本願発明者の平岩らのＣｙｂｅｒ　Ｆｉｎｇｅｒ（平岩、内田、下原、曽根原、“筋電操作ハンドの制御のための皮膚表面筋電信号のニューラルネットによる認識”、計測自動制御学会、Ｖｏｌ．３０、Ｎｏ．２、ｐｐ．２１６−２２４、１９９４）や、本願発明者の真鍋らの無発声音声認識（真鍋、平岩、杉村、“筋電信号を用いた無発声音声認識”、インタラクション２００２予稿集）などである。ここで問題となるのは、シールドルームの外においても、ノイズの混入を抑えて筋電信号を測定することである。また、実用化を考えた場合、電極部の貼付に手間がかかるのは非常に大きな問題となる。
【０００５】
ところで、ノイズの低減を目的とした電極として、前述したアクティブ型電極装置（電極部とプリアンプが一体化した電極装置）がある。このアクティブ型電極装置を用いれば、ノイズの低減だけでなく、電極部と皮膚との間にペースト等を挟む必要がなくなるため、電極部の貼付作業の手間が低減される。
【０００６】
しかし、これらのアクティブ型電極装置にも問題がある。それは、電極部とプリアンプとが一体化されているため、電極部が硬いことである。即ち、電極部が硬いために筋肉の活動に伴う皮膚の動きに追従できずに、皮膚と電極部との接触状態が変化してしまうという問題がある。一方のパッシブ型の電極装置（特に皿電極やディスポーザブル電極）であれば、電極部と皮膚との間にペースト又は電解質などを挟んで用いること、及び筋電信号を測定するための２つの電極部を別々に設置していることの２点から多少の皮膚の動きには追従することができた。
【０００７】
これに対しアクティブ型電極装置では、電極部が硬く、ペーストや電解質を挟む必要がなく、２つの電極部が一体化されているため、皮膚の動きに追従することができない。例えば、口輪筋の筋電信号を測定しようとした場合、何も力を入れていない状態から、日本語の「う」発声時のように非常に大きく皮膚が変形する状態まで、２つの電極部と皮膚とが、接触状態を変化させずに常に一定の条件で接触している必要がある。
【０００８】
なお、アクティブ型電極装置において、電極部と皮膚との間にペーストや電解質を挟むことにより、皮膚の動きへの追従性を改善することも可能であるが、それでは電極部の貼付作業の負担が軽いというアクティブ型電極装置の利点を失ってしまう。
【０００９】
そこで、理想的な筋電信号測定用の電極装置としては、次のような要件を満たすことが必要となる。１つ目としては、ノイズの混入が少ないことである。これはアクティブ型電極装置のように電極部にプリアンプが一体化することにより実現可能である。２つ目としては、筋肉の活動に伴う皮膚の動きに柔軟に対応することである。上記２点を両立させることにより、筋電信号をどのような場所においても、またどのような部位からでも測定することが可能となり、筋電信号を測定し、それを工学的に利用する可能性を格段に広げることが可能になる。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、１点目の要件を満たすアクティブ型電極装置において、２点目の要件である皮膚の動きに柔軟に対応することができる電極装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る電極装置は、請求項１に記載したように、人間の生体信号を測定するための電極装置であって、測定のために人体の皮膚に接触させる複数の電極部と、所定の電線を介して各電極部と電気的に接続されたプリアンプ部と、各電極部とプリアンプ部との間に設けられた、非導電性で柔軟に変形可能なフレキシブル部とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項１記載の電極装置では、各電極部とプリアンプ部との間に、非導電性で柔軟に変形可能なフレキシブル部を設けたため、各電極部が皮膚の動きに応じて柔軟に動くことができる。即ち、本発明により、アクティブ型電極装置を用いながら、皮膚の動きに柔軟に対応できることとなる。なお、本発明に係る電極装置は筋電信号の測定に適用できるだけでなく、例えば脳波や心電などの他の生体信号を測定する際にも適用することが可能である。
【００１３】
また、本発明に係る電極装置は、請求項２に記載したように、人間の生体信号を測定するための電極装置であって、測定のために人体の皮膚に接触させる複数の電極部と、所定の電線を介して各電極部と電気的に接続され、柔軟に変形可能なフレキシブル素材で構成されたプリアンプ部とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２記載の電極装置では、所定の電線を介して各電極部と電気的に接続されたプリアンプ部を、柔軟に変形可能なフレキシブル素材で構成したため、請求項１と同様に、各電極部が皮膚の動きに応じて柔軟に動くことができる。
【００１５】
また、本発明に係る電極装置は、請求項３に記載したように、人間の生体信号を測定するための電極装置であって、測定のために人体の皮膚に接触させる複数の電極部と、所定の電線を介して各電極部と電気的に接続されたプリアンプ部を内蔵し、非導電性で柔軟に変形可能なフレキシブル部とを備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３記載の電極装置では、フレキシブル部が、所定の電線を介して各電極部と電気的に接続されたプリアンプ部を内蔵し、且つ、非導電性で柔軟に変形可能な構成としたため、請求項１と同様に、各電極部が皮膚の動きに応じて柔軟に動くことができる。
【００１７】
ところで、一般に筋電信号を測定するためには、２つの電極部間の電位差を測定することが必要である。そのため電極部が２つ設けられている場合には、１種類の筋電信号のみが検出できる。これに対し、請求項４に記載したように、電極部を３つ以上設けた構成とすることで、３つ以上の電極部から２つを選んだ組み合わせの数だけ、つまり３種類以上の筋電信号を検出することが可能となる。このため、通常の２つの電極部の場合よりも多くの種類の筋電信号を検出でき、検出処理の効率化と検出精度の向上を図ることができる。
【００１８】
また、請求項５に記載したように、フレキシブル部のみ、又はフレキシブル部とプリアンプ部の両方が、導電性物質で被覆（シールド）された構成とすることで、電極部とプリアンプ部の間でのノイズの混入を防止することができる。
【００１９】
また、請求項６に記載したように、電極部の形状又は大きさが被測定部位に応じて設定された構成とすることで、さらに効率的に測定を行うことができるようになる。例えば、図４（ａ）の棒状の電極部１２に比べ、図４（ｂ）の円形の電極部１２は、皮膚との接触面積がより広いために、接触抵抗を低減することができる。ただし、その反面、図４（ｂ）の円形の電極部１２は、皮膚との接触面積が広いため、余分な筋電信号の混入（クロストーク）を招きやすい。また、図４（ｃ）の同心円状の電極部１２は、２つの電極部を狭いエリアに集約できるため、ピンポイントで筋電信号を測定することが可能となる。また、図４（ｄ）の三角形の電極部１２は、皮膚との接触面積を大きく取ることが可能となる。
【００２０】
また、請求項７に記載したように、フレキシブル部又はフレキシブル素材が複数層から成り、各層の弾性係数が被測定部位の動きに応じて設定された構成とすることで、筋肉の活動に伴う皮膚の動きに、より追従して動作することが可能となる。
【００２１】
また、請求項８に記載したように、フレキシブル部又はフレキシブル素材における弾性係数が、被測定部位の動きに応じて、連続的に変化するよう設定された構成とすることで、請求項７と同様に、筋肉の活動に伴う皮膚の動きに、より追従して動作することが可能となる。
【００２２】
また、請求項９に記載したように、複数の電極部間に、被測定部位に応じて、段差が設けられた構成とすることで、各電極部と皮膚との密着性をより高めることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電極装置の各種の実施形態について順に説明する。
【００２４】
図１に、請求項１に対応する第１実施形態の電極装置１０Ａの構成例を示す。図１には２つの電極部１２Ａ、１２Ｂを設けた場合の実施形態を示す。
【００２５】
この電極装置１０Ａは、いわゆるアクティブ型電極であり、電極部１２と、フレキシブル部１６と、プリアンプ部１４と、外部接続用ケーブル１８とを含んで構成されている。このうちプリアンプ部１４は、硬いプリアンプ基盤とそれを保護するためのケースとから成る。フレキシブル部１６は、シリコンや非導電性のゴムなど、非導電性であり且つフレキシブルに変形する材料から成る。電極部１２は、銀や塩化銀などの電極部１２Ａ、１２Ｂから成る。電極部１２Ａ、１２Ｂの各々とプリアンプ部１４とは、フレキシブル部１６の内部に張られたリード線（図５を用いて後述する）などにより結線されている。また、外部接続用ケーブル１８によって、プリアンプ部１４に電源を供給しプリアンプ部１４からの出力を取り出すことが可能とされている。
【００２６】
このように第１実施形態の電極装置１０Ａでは、プリアンプ部１４と電極部１２とが離れた構成のアクティブ型電極において、プリアンプ部１４と電極部１２との間に、非導電性であり且つフレキシブルに変形する材料から成るフレキシブル部１６を設けたことにより、電極部１２がフレキシブルに動くことが可能となり、皮膚の動きに柔軟に対応できることとなる。
【００２７】
図２に、請求項４に対応する第２実施形態の電極装置１０Ｂの構成例を示す。図２には３つの電極部１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを設けた場合の実施形態を示す。一般に筋電信号を測定するためには、２つの電極部間の電位差を測定することが必要である。そのため電極部が２つ設けられている場合には、１種類の筋電信号のみが検出できる。これに対して図２に示す電極装置１０Ｂでは、電極部が３つ設置されているため、３つの電極部から２つを選んだ組み合わせの数だけ、つまり３種類の筋電信号を検出することが可能となる。
【００２８】
このように第２実施形態の電極装置１０Ｂでは、電極部が３つ設置され３種類の筋電信号を検出できるため、通常の２つの電極部の場合よりも多くの種類の筋電信号を検出でき、検出処理の効率化と検出精度の向上を図ることができる。
【００２９】
なお、図２に示した３つの電極部以外にも、４つ５つと電極部の数を増やすことにより検出可能な筋電信号の種類を増やすことが可能である。
【００３０】
図３に、請求項５に対応する第３実施形態の電極装置１０Ｃの構成例を示す。図３に示す実施形態では、図１に示したフレキシブル部１６とプリアンプ部１４との外側を、例えば導電性ゴム等の導電性のあるフレキシブルな材料２０で覆うことにより、電極装置１０Ｃの全体をシールドするものである。
【００３１】
本発明が適用されるアクティブ型電極装置には、電極部とプリアンプ部とが若干離れているため、電極部とプリアンプ部の間でノイズが混入する可能性がある。これに対し本実施形態では、電極部１２とプリアンプ部１４の間をシールドすることにより、ノイズの混入を防いでいる。即ち、図３のように、プリアンプ部１４及びフレキシブル部１６の外側を、導電性があり且つフレキシブルな材料２０で覆うことにより、電極部１２とプリアンプ部１４との間をシールドすることが可能となる。
【００３２】
なお、電極部１２と導電性の材料２０とは接触しないように設計する必要がある。また、プリアンプ部１４をシールドする必要がない場合には、上記導電性の材料２０がフレキシブル部１６のみをシールドするよう構成してもよい。また、プリアンプ部１４は硬いため、プリアンプ部１４を覆う材料２０は、必ずしもフレキシブルに変形できるものである必要はない。
【００３３】
図４（ａ）〜（ｄ）には、請求項６に対応する第４実施形態の電極装置１０Ｄの構成例を示す。図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、電極部１２の形状としては様々な形状を採用することができる。例えば、図４（ａ）に示す棒状の電極部１２、図４（ｂ）に示す円形の電極部１２、図４（ｃ）に示す同心円状の電極部１２、図４（ｄ）に示す三角形の電極部１２などがある。
【００３４】
また、これらの電極部１２の大きさとしても、様々な大きさを採用することができる。また、図４（ａ）〜（ｄ）の電極部を組み合わせたものも採用することができる。
【００３５】
これらの電極部１２の形状は、測定される筋肉に応じて使い分けることにより、より効率的に測定を行うことができるようになる。例えば、図４（ａ）の棒状の電極部１２に比べ、図４（ｂ）の円形の電極部１２は、皮膚との接触面積がより広いために、接触抵抗を低減することができる。ただし、その反面、図４（ｂ）の円形の電極部１２は、皮膚との接触面積が広いため、余分な筋電信号の混入（クロストーク）を招きやすい。
【００３６】
また、図４（ｃ）の同心円状の電極部１２は、２つの電極部を狭いエリアに集約できるため、ピンポイントで筋電信号を測定することが可能となる。また、図４（ｄ）の三角形の電極部１２は、皮膚との接触面積を大きく取ることが可能となる。
【００３７】
以上のようなさまざまな電極部形状やその大きさは、測定される筋肉の応じて使い分けることにより、さらに効率的に測定を行うことができるようになる。
【００３８】
図５（ａ）、（ｂ）には、第５実施形態の電極装置１０Ｅの構成例を示す。第５実施形態では、図５（ａ）、（ｂ）を用いて電極部１２とプリアンプ部１４との結線について説明する。電極部１２とプリアンプ部１４との結線は、図５（ａ）に示す単純なリード線２２などの金属ワイヤを用いることもできる。即ち、リード線２２Ａが電極部１２Ａとプリアンプ部１４とを結線し、リード線２２Ｂが電極部１２Ｂとプリアンプ部１４とを結線する。但し、これらリード線２２は、フレキシブル部１６の変形に応じて柔軟に変形する必要がある。
【００３９】
また、電極部１２とプリアンプ部１４との結線は、図５（ｂ）に示す導電性のゴムなど非金属の導電体を用いることもできる。即ち、非金属の導電体のリード線２２Ｃが電極部１２Ａとプリアンプ部１４とを結線し、非金属の導電体のリード線２２Ｄが電極部１２Ｂとプリアンプ部１４とを結線する。但し、この場合も、これらリード線２２は、フレキシブル部１６の変形に応じて柔軟に変形する必要がある。
【００４０】
図６に、請求項７に対応する第６実施形態の電極装置１０Ｆの構成例を示す。この電極装置１０Ｆでは、フレキシブル部１６が３層に分かれており、電極部１２側から、フレキシブル部１６Ａ、フレキシブル部１６Ｂ、フレキシブル部１６Ｃの３層で構成されている。各フレキシブル部は、別々な弾性係数を持っており、例えば、プリアンプ部１４側のフレキシブル部１６Ｃが最も硬く、電極部１２側のフレキシブル部１６Ａは最も柔軟になるように設計されている。このようにフレキシブル部１６において弾性係数が段階的に変化する構成とすることで、筋肉の活動に伴う皮膚の動きに、より追従して動作することが可能となる。
【００４１】
なお、フレキシブル部１６では、図６に示したように段階的に弾性係数を変化させてもよいし、請求項８に記載したように、連続的に弾性係数を変化させてもよい。また、弾性係数を段階的に変化させる場合、それが３層構造である必要はなく、２層構造でも４層構造でもまたそれ以上の階層構造でも構わない。また、プリアンプ部１４側の層が最も硬く、電極部１２側の層が最も柔軟である必要もなく、測定される皮膚領域の動きに応じて適した弾性係数を設定することが望ましい。
【００４２】
図７に、請求項９に対応する第７実施形態の電極装置１０Ｇの構成例を示す。この電極装置１０Ｇでは、電極部１２Ａが載置されたフレキシブル部１６Ａと、電極部１２Ｂが載置されたフレキシブル部１６Ｂとで高さ（図７において上下方向の寸法）に差異を設けることにより、電極部１２Ａ、１２Ｂの間に段差を設けている。
このように電極部１２において段差を設けることにより、電極部１２と皮膚との密着性をより高めることができる。この段差の大きさは、測定される筋肉及び皮膚の形状に応じて設定する必要がある。また、図７のように段差を設けるのではなく、電極部１２Ａ、１２Ｂにおいて連続的に高さを変化させる構成を採用してもよい。
【００４３】
図８に、請求項２に対応する第８実施形態の電極装置１０Ｈの構成例を示す。この電極装置１０Ｈは、プリアンプ部１４Ａがフレキシブルな素材で構成されたことを特徴とする。即ち、プリアンプ部１４Ａに、現在市販されているフレキシブルな基盤を用いることにより、プリアンプ部１４Ａそのものをフレキシブルにすることが可能である。これにより、電極装置１０Ｈ全体のサイズを小さくすることが可能となる。
【００４４】
なお、図８に示したフレキシブルなプリアンプ部１４Ａは、図１〜図７のプリアンプ部として採用することも当然可能である。その場合には、さらにフレキシブルでサイズの小型化が可能な電極装置を実現することができる。
【００４５】
図９に、請求項３に対応する第９実施形態の電極装置１０Ｉの構成例を示す。この電極装置１０Ｉは、フレキシブル部１６の内部にプリアンプ部１４Ｂを内蔵したことを特徴とする。このような構成を採ることにより、電子回路部品であるプリアンプ部１４Ｂを外部の衝撃などから充分に保護することが可能となる。また、図９のような構成とすれば、図１〜図８のプリアンプ部に必要であった外部のケースが不必要となるため、電極装置全体のさらなる小型化及び低コスト化を図ることができる。
なお、上記の図１〜図９の電極装置は、人体の筋電信号の測定に適用できるだけでなく、例えば脳波や心電などの他の生体信号を測定する際にも適用することが可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、各電極部が皮膚の動きに応じて柔軟に動くことができる。換言すれば、アクティブ電極を用いた場合の欠点であった、皮膚の動きに柔軟に対応できないという問題点を解決することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理及び第１実施形態を説明するための構成図である。
【図２】第２実施形態の電極の構成図である。
【図３】第３実施形態の電極の構成図である。
【図４】第４実施形態の電極の構成図であり、（ａ）は棒状の電極の例、（ｂ）は円形の電極の例、（ｃ）は同心円状の電極の例、（ｄ）は三角形の電極の例をそれぞれ示す。
【図５】第５実施形態の電極の構成図であり、（ａ）は電極とプリアンプとの結線に金属ワイヤを用いた例、（ｂ）は電極とプリアンプの結線に非金属の導電体を用いた例をそれぞれ示す。
【図６】第６実施形態の電極の構成図である。
【図７】第７実施形態の電極の構成図である。
【図８】第８実施形態の電極の構成図である。
【図９】第９実施形態の電極の構成図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ、１０Ｈ、１０Ｉ…電極装置、１２、１２Ａ、１２Ｂ…電極部、１４、１４Ａ、１４Ｂ…プリアンプ部、１６、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ…フレキシブル部、１８…外部接続用ケーブル、２０…材料、２２、２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ…リード線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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