生体計測学概論 2
Biometrics

多くの生体信号は、脈流電圧信号である。
（直流電圧成分を、バイアス電圧という。）
測定したい信号は、交流成分だけ。
差動増幅回路を使うと、２つの電極から得る電圧信号のバイアス成分が相殺されて、交流成分だけを増幅できる。

心電計、脳波計、筋電計

bias 【名】 先入観、偏見、〔電気〕偏倚(へんい)、〔統計〕偏り

体表に電極を付けて、心筋、脳神経、筋肉から発生する微弱な脈流電流を測定。
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心電計 ECG （ Electro Cardiogram ）心電計 回路図 各回路ブロック の 働き

心電計を用いた心電図測定
増幅回路、雑音を抑制する回路で作動する。

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２個の心電図電極を 手首または足首に 貼り付ける。
まず、左右手首（内側が良い）に付ける。

右房の洞結節から発生する間歇的なパルス状の電流が左右心筋に伝道して、心筋を周期的に収縮させる。

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心電図の波形

心電図

P波 心房の興奮 （ 電流が 洞房結節 から 房室結節に 伝わる過程 ）QRS波 心室筋の興奮、脱分極 （ 心室筋の収縮開始 ）T波 心室筋の再分極 （ 心室筋の収縮終了 ）
RP波

QRS波

T波

P 0.06～0.1s
心房興奮は0.1秒以下
PQ 0.12～0.2s
房室興奮伝達は0.2秒以下
QRS 0.06～0.08s
心室興奮は 0.08秒以下
QT 0.3～0.45s
心室収縮の間隔は0.45秒以下

TPQ
P波

7S

QRS波

T波

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心電図 の 標準肢誘導
第 Ⅰ 肢誘導左手 プラス

右手 マイナス

第 Ⅱ 肢誘導左足 プラス

右手 マイナス第 Ⅲ 肢誘導左足 プラス

左手 マイナスⅠ

右手左手
心筋から発生する
電流の向き

ⅡⅢ

左足Ⅱ ＝ Ⅰ ＋ Ⅲ

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生体信号は微弱な上に、様々な ノイズ が重なっている。
ドリフト ノイズ （周波数 0.5 Hz 程度）
胸郭の呼吸変動等による低周波ノイズ。基線変動を起こす。
電極の装着不良、発汗、緊張、深呼吸で増強される。
電源回路の電圧変動でも、出力信号に変動を生じる。

10FFT （フーリエ解析、フーリエ変換） Fast Fourier Transform
波形信号の中に、どの周波数成分がどれだけ入っているかを調べる。

５０Hzのハム雑音除去フィルタ回路を通る前の信号には、商用交流雑音（Hum）が非常に多く混入している。

商用交流ノイズ (Hum) （周波数 50Hz) (西日本では 60Hz）
壁をはう 100V 交流電源の電線や、装置内部の電源回路のトランスなどから、周波数５０Hzの電磁波が出ている。
検査ベッド位置の工夫、アース線の接地などで抑制できる。
筋電図 （周波数 5～2000 Hz）
電極と測定臓器の間に、近傍の筋肉から生じる電圧変動が測定値に加わるノイズ。体動、緊張、低温で増強される。

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雑音の少ない心電図波形の周波数成分は０.３ Hz ～ ３０ Hz程度の狭い範囲の信号。

臨床で多い異常心電図 異常T波。心筋拡張が困難。
青汁など健康食品の過剰摂取によるカリウム過剰。

観察したい心電図信号の周波数範囲は狭い。

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危険な心電図とは心室期外収縮 PVC

１分に数回程度なら正常内。

P波（心房収縮）と QRS波（心室収縮） のタイミングが合っていない心電図は危険。
心臓のポンプ機能が破綻している。
ペースメーカーなどの補助が必要。
心臓のポンプ機能が保たれているかを心電図でチェックできることを理解する。
右心系： 酸素の乏しい肺動脈血を右心房 （P波）→ 右心室 （QRS波）→ 肺へ
左心系： 酸素を多く取込んだ肺静脈血を左心房 （P波）→ 左心室 （QRS波）→ 大動脈へ
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AED 自動体外式除細動器

心室細動 fibrillation 速やかにAEDが必要。
心筋が不規則運動している。ポンプ機能がない状態。
動脈に血液が送られていない。脳に酸素が行かない。

17Automated External Defibrillator
心室細動に対する救命器具

183第Ⅰ度房室ブロック

あまり危険ではない不整脈

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第Ⅱ度房室ブロック

第Ⅱ度房室ブロック

あまり危険ではない不整脈

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少し危険な不整脈

第Ⅲ度房室ブロック
危険な不整脈
心房と心室の収縮タイミングが合っていない。

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心臓ペースメーカーの誤作動 （オーバーセンシング）

脳波の種類
δ（デルタ）波０.５～４Hz 未満

ぐっすり寝ている時に現れる。

θ（シータ）波４～８Hz 未満

とろとろと眠くなって来た時に現れる。

X線検査や、携帯電話の電磁波で、ペースメーカー装置内の半導体 に電磁誘導が発生し、その電流を心臓の電気的興奮現象と感知(センシング) するた
め､ペースメーカーからの心臓への刺激電流が停止する（オーバーセンシング）。心停止の危険がある。
X線検査、CT, X線照射治療、および携帯電話の電磁波でオーバーセンシングの危険あり。

β（ベータ）波 １３～４０Hz 未満 精神活動している部位に現れる。

2324α（アルファ）波 ８～１３Hz 未満 脳の休めている部位に現れる。

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２００９年

国家試験模試

解答 ３１秒間 は 1000 ms= １秒間で 50ms は２０回 ＝２０ Hz β波

筋電図 EMG Electromyogram
筋線維から発生する活動電位を測定。

= １秒間で 120ms は約８回＝ 約 ８ Hz α波

筋線維収縮状態の、定量的な時間経過= １秒間で 240ms は約４回＝ 約 ４ Hz θ波を解析する。

= １秒間で 550ms は約２回＝ 約 ２ Hz δ波= １秒間で 730ms は約1.３回＝約 1.３Hz δ波
脳波の周波数

熟睡状態
軽眠状態
安静状態
活発状態

デルタ波 δシータ波 θアルファ波 αベータ波 β

約 ２ Hz
約 ５ Hz
約 １０ Hz
約 ２０ Hz昏睡、爆睡状態でも ０.５Hz （２秒で１回振動）以下の脳波は無い。
０.５Hz 以下の交流信号は、CR結合回路で脳波信号から除去する。

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腕や足の断層筋電図が開発されている。
（北大工学部で研究中）。
ＥＭＧ-CT
ElectroMyogram
CT
腕を動かした場合の、腕の筋肉の活動性を断層画像で観察できる。
272829305生体信号の電圧は 非常に低い。数μV～ｍV 程度。
脳波

1～５００ μV

心電図 １～５ mV
筋電図 0.0１～10 mV
増幅器は、電池または電源回路から電力を受取り、入力信号の電力エネルギーを増加して出力信号を出す。

生体信号とノイズの周波数に差があればCR回路などの周波数遮断フィルタで ノイズ除去できるが、周波数が同じ場合には、別の方法で除去する必要がある。
主な生体信号の周波数
心電図 ０．０５～２００ Hz
心音図
２０～６００ Hz
脳波
０．５～６０Hz
筋電図
５～２０００ Hz
眼振図 ０．０５～２０ Hz
ほとんどの生体信号は、周波数フィルタだけではノイズ除去ができない。

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電極の分極電圧

電極接触面の、抵抗値（電極インピーダンス）を下げるには、

体表に電極を付ける場合、ペースト（電極のり）を塗る。
ペーストは、電子を通す必要があり電解液（主成分は NaCl）が入っている。
測定装置から電極に電流が多く流れると、金属電極からペースト内に電子が流れる。
ペーストは電気抵抗（電極インピーダンス） R を持つので電圧が発生する。
また、電極自体にイオン化傾向の異なる部位があると（一部分が錆びているなど）、ペーストを介して電極の局所間で電圧 が発生する。

ペーストを厚く塗らない。
ペーストが厚いと ペーストの厚さが呼吸運動で変動する不都合も生じ、ドリフトノイズが増加する。
電極接触面の、静電容量を下げるためには、面積の小さい電極を使う。 被検者の汗を良く拭き取る。
接触面の汗が多いと、皮膚面側のコンデンサ電極に相当する面積が大きくなる。

これらの電極接触面に生じる電圧を、分極電圧という。

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接触皮膚面と金属電極の間の電解質に、電子（電荷）がたまるので、静電容量（コンデンサ）と等価の状態にもなり、電極接触面の、分極電圧を下げるためには、CR結合回路のように、入力信号が変動すると検出電圧の変動が生じる。
電極接触面の 抵抗 R、静電容量 C、分極電圧 E は、錆びた電極を使わない。

測定値を不正確にするので、小さいほうが望ましい。

錆びにくい、イオン化傾向の小さい金属の電極を使う。
銀、水銀、白金、金 など。
Ag-AgCl （銀電極の表面に塩化銀の膜が形成されたもの）（古い銀電極はペーストのCl で表面に塩化銀の膜が付く）
は、ペースト内の Cl とは イオン交換しないので、理想的な電極として、不分極電極 と呼ばれる。
生理的食塩水に入れて保存する。塩化銀の膜が維持される。
（わざと古くする処理なので、Aging という。）

35366電極接触面の、分極電圧を下げるためには、できるだけ電極に電流が流れない装置を使う。
（入力インピーダンスの高い増幅器を使う。）
インピーダンス とは、生体に流れる電流などの交流、脈流電流に対する抵抗値。
インピーダンスが低い装置で生体計測を行うと、生体に付けた体表電極に、装置が電流を流してしまう。
測定装置が体表微弱電流の測定を邪魔してはいけない。

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測定装置のインピーダンス（入力インピーダンス）を、人体（電極間）のインピーダンスより高くする理由。

インピーダンスの高い １MΩの測定器では、人体と装置の合成抵抗は ９９９Ωになる。
（１ｋΩと１MΩの並列抵抗）

人体の電気抵抗（インピーダンス）は、約１ｋΩ。
例として、体内に１Vの電圧を発生する部位があるとすると、人体に装着した電極間に流れる電流は、オームの法則で １／1000 = １ｍA 。
測定器が直接知ることができる電気情報は、電流（電子の流れ）。電圧は間接的な情報。
測定器のインピーダンス（入力インピーダンス）が1ｋΩの場合には、人体と装置の合成抵抗は５００Ωになる。 そこに１ｍAの電流が流入するので、測定器は ０．５Vの電圧と測定する。
真の電圧より低くなり、正しい測定ができない。
（インピーダンス不整合による電圧降下。）

そこに１ｍAの電流が流入すると、測定器は ０．９９９Vの電圧を測定する。
測定器のインピーダンスが高いほど正確な生体内電圧を測定できる。
インピーダンスの高い測定器＝ 装置の入力電極に電流が流入しにくい装置
人体に装着する電極の電気抵抗（インピーダンス）は低いほうが良い。
微弱な電圧を測定する装置の入力インピーダンスは高いほうが正確な測定値を得られる。

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増幅度、利得 デシベル ディービー ｄBdecibel 【名】 〔物〕 デシベル 【略】 dB

デシベル dB ： ゲイン （ ｇａｉｎ Ｇ ） の単位

デシ（ｄ）は、10分の1の意味。
ベル（B）は、本来は騒音の単位。電話の発明者の名前。
現在は、増幅回路（アンプ）の利得の指標に使われる。

電力など、マイナスの値を取らない物理量の場合、人間の感覚は、音や振動などの物理量は対数的に感じる。
（音の物理エネルギーが10から100に増えると、音の大きさが２倍に聞こえる。）
人間の感覚と比例する指標なので便利。
増幅回路を複数つないだ装置の増幅率の合計が計算しやすい。（対数は、かけ算を足し算に変換する。）

G = 10 log10（出力／入力）（ Ｇ の10分の1の値が、増幅度の対数（ゲイン） ）
電圧や電流など、マイナスの値もある物理量の場合、

G = 20 log10（出力／入力）
マイナス方向にもゲインが広がるので、２倍にする。

増幅度の対数を、利得 （ ゲイン gain ）という。
（正確には、ｄBは増幅度の単位ではなく、利得の単位）

41427増幅 amplification

増幅器＝アンプ amplifier

何らかの信号の入力に対して元の信号より大きな出力信号を得ること。
心電図や脳波などの微弱な電流を、観察しやすいように大きな電流や電圧の信号に変換する。
入力信号のもつエネルギーそのものを拡大するのではなく、増幅器に外部から供給したエネルギー（電源）を、入力に応じて制御すること。

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ゲイン 60dB の増幅器（アンプ）とは、100万倍の増幅率。
G = 60 = 10 log10(出力電力／入力電力）
log10(出力／入力） = 6 → 出力／入力 = 10 6 （100万倍）
ゲイン 20dB の増幅器とは、100倍の増幅率。
G = 20 = 10 log10（出力電力／入力電力）log10（出力／入力） = 2 → 出力／入力 = 10 2 （100倍）
これらの増幅器を直列にすると、100万倍 x 100倍 = １億倍 （10 8 倍） の増幅率になる。
出力／入力 = 10 8 → ゲイン G = 10 log10（10 8 ） = 80 dB
dBは対数の指標なので、このような面倒な計算をしなくても単純に 60 と 20 を足せば、同じ結果が得られて便利。

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S/N 比

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信号対雑音比Signal / Noise ratio

入力信号、または出力信号における測定したい信号（Signal）と、ノイズ（Noise）の比率。
単位は dB。 S/N 比 は、大きいほうが望ましい。
入力換算雑音 （ 内部雑音、 フリッカー雑音 ）測定装置の入力端子間を、抵抗器でつないで、入力信号がない状態で出る雑音信号の大きさ。
測定器自体が発生するノイズ（内部雑音）の大きさ。
Peak to peak 電圧で表示。 小さいほうが望ましい。
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生体信号の測定装置に必要な入力換算雑音の限度
信号電圧
心電図 １～５ｍV
脳波
１～５００μV
筋電図 0.01～１０ｍV

入力換算雑音１０μV 以下
３μV 以下５μV 以下入力換算雑音が１０μV の増幅器で、１mV の入力信号を測定すると、S/N比はS/N 比 = 20 log10 ( Signal / Noise )= 20 log10 ( 1mV / 10μV )= 20 log10 (10 2)= 40 dB
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