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心電計 の実験 ECG （ Electro Cardiogram ）心電計 回路図 と 使用オペアンプ

心電計を用いた心電図測定を行う。
差動増幅回路、雑音を抑制する回路の動作原理、デジタル オシロスコープ の特徴を理解する。

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各回路ブロック の 働き

心電計
測定時には、箱を閉じる。
電磁シールドの目的で、箱はアルミ箔で覆ってある。
はじめは 電源スイッチを OFF にする。
実験終了時も 電源スイッチを OFF にして下さい。

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心電計 入力端子

差動増幅器 差動増幅回路
Differential amplifier

差動増幅回路 （回路図ブロック a ） に、シールド線を接続。
赤クリップをプラス入力、黄クリップをマイナス入力に接続。
接地端子

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接地端子

差動アンプ

２つの電極の電位信号を入力して、それぞれの成分の同じ位相 の信号成分 （同相信号） を抑制して、違う位相 の信号成分 （逆相信号） を増幅する。

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シールド線は内部の導線を囲むように接地線が覆ってある。
導線（ケーブル）からの交流雑音の混入を防ぐ機能をもつ。
接地線と接続している黒いワニぐちクリップを回路の接地端子（シールド端子）につなぐ。

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）に付けて下さい。
左手に赤（＋）クリップ、右手に黄（－）クリップ。
その他の誘導電圧の観察も試みてください。

電極側に、心電図電極の端子をつなぐ。
電極の接着力は、軽く洗って乾かせば数回復活するので、使えなくなるまで利用してください。

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デジタル オシロスコープ ユニット を PC に

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

USB接続する。（２本：バスパワーUSB、電源もUSBから供給）

第 Ⅱ 肢誘導左足 プラス

右手 マイナス

入力 CH１ に、ケーブルを接続する。

第 Ⅲ 肢誘導左足 プラス

左手 マイナス

PC の デスクトップ にある SoftScpoe2 の アイコンをダブルクリックする。

Ⅰ右手Digital Oscilloscope
Unit 105000円

左手
心筋から発生する電流の向きⅡⅢ左足

Ⅱ ＝ Ⅰ ＋ Ⅲ

9心電計の出力端子を、デジタルオシロスコープの入力につなぐ。
心電計出力の青クリップは 接地端子。オシロスコープの黒につなぐ。

10心電図波形を観察するときには、心電計出力の赤クリップを、オシロスコープの赤につなぐ。

デジタルオシロスコープに使うパソコンの電源をバッテリー駆動にすると、商用交流雑音（ハム）の混入が減る。

心電計の電源を ON にする。

波形観察時には、ACアダプタプラグを パソコン本体から（接地端子に箱のアルミ箔と導通した緑クリップもつなぐ（アース線））外して、バッテリー駆動にしてください。
観察をしていないときは、こまめにACアダプタプラグを接続してください。
接地線にアース線を追加すると（クリップを水道の蛇口につなぐ）さらにハムが減少する。

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PC画面で、デジタルオシロスコープの調整を行う。
表示電圧は 50～500mV、表示時間幅は 200ms （１目盛り 0.2 秒）

心電図波形が 適切な位置になるように、基線調節タグ と トリガ調節タグ を 上下に動かしてください。
このデジタルオシロスコープは、波形が表示されるまで数秒間時間の遅れがあるので、波形がすぐ出なくても数秒待つようにする。
それでも表示されない場合は、トリガ調節タグを クリックしたり、オシロスコープユニットの CH1 入力プラグ を 抜いて再接続する。にする。

１秒

１秒

トリガ調節タグ
基線調節タグ1314

心電図の波形

この心電計の入力電極間の漏れ電流を測定する。

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 ）人体のダミー抵抗 １ｋΩ を

QRS波 心室筋の興奮、脱分極 （ 心室筋の収縮開始 ）入力端子につないで、流れる電流をT波 心室筋の再分極 （ 心室筋の収縮終了 ）測定する （レンジはμＡ）。

RP 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

TP

Q
P波

S

QRS波

T波

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マクロショック

この心電計は、波形表示用のパソコンもバッテリー駆動で体表に受ける電撃。
許容電流は、１００μA動作している状態であれば 内部電源機器 に相当し、（ 最小感知電流の１０％ ）フローティング（電極が商用交流と絶縁している）機器である。
測定される漏れ電流は、０．０２μＡ以下。

ミクロショック
直接、心臓に流れる電撃。

CF形 （ 漏れ電流１０μA 以下で フローティング回路あり )の規格に入る。

許容電流は、１０μA （ 心室細動の危険電流の１０％ ）漏れ電流が非常に低い理由は、

EPRシステム
機器間のアース電位差が10mV 以下になれば、体表抵抗は約１ｋΩなので、電撃は 10μA 以下に抑制できる。

非常に高い入力インピーダンスの オペアンプを入力初段の差動増幅回路に使用しているため。
心電図波形の振幅は １～１０mV 程度であるが、約１ｋΩの人体に、装置から 0.02μＡ の電流が漏れてもその影響が測定波形に与える誤差は、０．０２mV である。

1718電極（装着部）からの漏れ電流の程度による分類

フローティング Floating
漏れ電流の発生箇所は、装置の電源回路。
特に商用交流電源を利用した電源回路が原因。

B形 装着部 （ Body 形 ）漏れ電流 １００μA 以下フローティング回路なし。

体表にのみ使用。 心電図電極など。

被検者に着ける電極と、電源回路が電気的につながっていると、漏れ電流を防ぐのは困難。

BF形 装着部 （ Body 形 ＆ Floating ）漏れ電流 １００μA 以下フローティング回路あり。

そこで、電源回路から増幅回路に供給する電力を、体表にのみ使用。 エコーのプローブ（探触子）など。

トランス（絶縁トランス）を介して渡す絶縁方法がある。

CF形 装着部 （ Cor (心臓)形 ＆ Floating ）これを、フローティングという。 電気的に浮いた状態を示す。

漏れ電流 １０μA 以下

電源に、電池やバッテリを使うのも有効なフローティング。

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フローティング回路あり。

直接心臓に使用可。 カテーテル電極など。

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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。
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 (EMG Electro Myogram) （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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深呼吸による ドリフトノイズの出現を観察し、記録する。

SoftScope2 の波形表示画面をキャプチャする方法

手を強く握って 筋電図の混入を観察し、記録する。
これより、心電図を測定する場合、被検者にどのような注意

あらかじめ、デスクトップ上の WinShot を ダブルクリックして起動。

を伝える必要があるか考察してください。

画面右下のタスクバー内に、WinShotのアイコンが表示される。

Drift noise

キャプチャするウィンドウをアクティブ（ウィンドウ上枠を濃青にする）

Muscle noiseになっている状態で、 Ctrl キー を押しながら B を押す （Ctrl B）。
キャプチャされたウィンドウ画像が、ｊｐｇファイルとしてC ドライブのフォルダ 00buf に保存される。

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商用交流雑音を抑制する手段

回路図の ブロック ｆ は、５０Hzの周波数成分を除去する

１．検査時の心得帯域除去フィルタ （BEF）。

（アースの接続、電源コードを被検者や装置から離す、など）

除去の強さは、出力段にある可変抵抗器（VR）で変化する。

心電図回路、電極ケーブルや被検者にACコードを近づけてVRつまみを 左に回すと フィルタが弱くなり、右に回すと強くなる。

心電図の商用交流雑音の増加を観察してください。
２．回路の工夫 （差動増幅回路、帯域除去器（BEF））

フィルタを弱めると 心電図に混入する商用交流雑音（ハム）が増加することを観察してください。
観察が終了したら、フィルタを最強に戻してください。

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ノイズが混入した波形を 周波数解析する。

FFT （フーリエ解析、フーリエ変換） Fast Fourier Transform

メニューの Util をクリックして FFT を選択する。

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。
フィルタを強くすると、５０Hzの信号成分が抑制されることを観察する。

Scale TypeはLinear を選択（クリックする）

心電図波形成分商用交流雑音成分（Hum）

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デジタル オシロスコープ は、波形データを A / D 変換して回路ブロック ｆ の帯域除去フィルタ回路を通る前の信号には、パソコン内に取り込むので、周波数解析（フーリエ変換）など商用交流雑音（Hum）が非常に多く混入していることを生体情報の解析に有効な デジタル処理ができる。

フーリエ変換グラフで 確認して下さい。

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周波数フィルタを OFF にする。

雑音の少ない心電図波形の周波数成分は0.03 Hz ～ 13 Hz程度の狭い範囲の信号だけを含む。

差動増幅器の出力を直接、反転増幅器につないで、心電図の波形と周波数成分を観察する。

観察したい心電図信号の周波数範囲は狭い。

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周波数フィルタがないと、広い範囲の周波数雑音が混入し、回路図の ブロック e は、負帰還増幅回路（反転増幅回路）。

心電図波形がほとんど見えないことを確認して下さい。

１０ｋΩ可変抵抗を 右に回すと増幅率が上がり、周波数フィルタで、0.03 Hz ～ 13 Hz の狭い範囲の信号左に回すと下がることを、心電図波形を観察しながらだけを負帰還増幅器に渡していることを理解して下さい。

確認して下さい。 増幅率 = - ３０ｋ / （０～１０ｋ） になる。

フーリエ変換で広範囲な周波数の雑音が認められる。

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回路図ブロック e の反転増幅回路の可変抵抗値を測る。
心電計の電源が ON の状態では抵抗値が正確に測れないので、電源を OFF にして、ラグ板の R1 と 記された端子間の抵抗値を テスターで測定する。
反転増幅回路増幅率 = - ３０ｋ / R1抵抗値 を求める。

3536増幅率を大きくすると、波形に占める雑音の比率が下がりある一定電圧の入力電圧に対して、良好な波形を得るが、基線の変動が大きくなり不安定になる。

この心電計が出力する電圧は、負帰還増幅器の増幅率で適切な増幅率を、波形を観察しながら求めて下さい。

変動するので、本当は正確な １ｍV 程度の電圧を測定して校正 （キャリブレーション） を行う必要がある。
ここでは簡便に、第Ⅰ誘導の R波が 正常では １～1.5 ｍV程度なので、R波高 = １mV で キャリブレーションすると、電圧レンジは 50 mV

下の波形では、２目盛りが約１mV、１目盛り 0.5 mV となる。
臨床では、１ｃｍ目盛り１マスで電圧レンジは 500 mV

増幅率 小

１mV１mV が 普通の表示。

増幅率 大

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差動増幅器と 反転増幅器の 間の回路は、 周波数フィルタ。
回路ブロック ｂ と d は、低周波遮断フィルタ （微分回路）。
回路ブロック c は、高周波遮断フィルタ （積分回路）。

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回路ブロック ｂ と d の CR回路の時定数τは
τ= 1000000 x 0.0000047 = 4.7 秒
低周波遮断周波数は、１／（2πτ）= 0.034 Hz
回路ブロック c の CR回路の時定数τは
τ= 12000 x 0.000001 = 0.012 秒
高周波遮断周波数は、１／（2πτ）= 13.3 Hz
周波数フィルタなどで回路のインピーダンスが上がる。 高インピーダンスの出力は次の回路に信号が伝わりにくくなるので、インピーダンスを下げる ボルテージ フォロア回路 （増幅率１ の負帰還増幅回路） を付ける。
処理信号、回路を安定化させる働きをもつ。

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ボルテージ フォロア 回路
インピーダンスの高い回路から、インピーダンスの低い回路には 信号が正確に伝わらない。
（電気信号が干渉する。）
周波数フィルタなど、信号に操作を加える回路はインピーダンスが高くなってしまうので、次の回路に信号を渡す前に、オペアンプによるボルテージフォロア回路を入れて、回路のインピーダンスを下げてから、次の回路に信号を渡すと、電気信号が精度良く伝わる。

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。
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 。

ボルテージフォロアの入力インピーダンスは非常に高く、出力インピーダンスは非常に低いので （そのような性能のオペアンプを使う）、前後の回路と干渉しない安定した回路になる。

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。）

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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）

増幅器 （ アンプ ） Amplifier

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。

生体から得る電気信号（電圧信号）は微弱である。
体表電極と測定する組織の間にある組織のインピーダンスの影響で、さらに入力信号の電圧は低下する。

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。

これらの微弱電圧信号を測定するために、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

前置（初段）増幅器 プリアンプ

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。

入力信号を電気的に増幅する装置（増幅器）が必要。

入力信号を取り込み、ノイズを除去する回路。
最終（終段）増幅器 パワーアンプ

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。（FETや真空管を用いた装置。）4546

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。

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プリアンプから出た信号の電圧（電力）を上げる回路。