JP2023514508A - 電極対皮膚結合の推定を伴う容量結合による電気生理学的検出のための検出システム及び方法 - Google Patents

Abstract

検出システム及び方法は、検出電極システム及び体（並びにそれらの間の間隔）が結合キャパシタンスを規定するように体の表面に結合するための検出電極システムを使用する。第１及び第２の検出回路は、異なる伝達関数を有し、第１及び第２の出力を生成する。これらの出力は、結合キャパシタンスを決定するために処理される。監視される電気生理学的信号も、検出回路のうちの一方又は両方によって取得される。これにより、電極結合の品質を単純且つ受動的な形式で決定することができる。

Description

本発明は、監視されている体の表面に容量結合された検出電極に基づく電気生理学的信号の検出に関する。発明は、特に、このような容量検出電極を使用するシステムにおける電極対皮膚結合の推定に関する。

ＥＣＧ、ＥＭＧ及びＥＥＧ信号などの電気生理学的信号の測定は、専門的な健康監視及び診断において、また、個人用健康製品においてもますます必要とされている。

従来、これらの信号は、しばしば電解ゲルを使用して、ガルバニ接点を介して皮膚に取り付けられた電極によって測定される。この測定方式の欠点は、主に、長い準備時間を要し、長時間の使用中に皮膚刺激を生じさせ、患者が自由に動くことを制限し、且つ患者にとって快適度が低い、即ち患者が監視されていることを意識するということである。

乾式電極は、ゲルを必要としないため、欠点の幾つかを克服する。しかしながら、この電極タイプも、皮膚へのガルバニ接点を必要とする。さらに、これらの電極を適用した後、電極－皮膚境界面が安定平衡に達するまでに時間がかかり、例えば、一般的に、確実な測定を実行することができるまでに基線変動及びノイズレベルが完全に落ち着くまでに５～１０分かかる。抽出検査に基づく用途において、これは、長すぎ、したがって許容できない。

上述の欠点を克服するために、多くの研究が現在、電気生理学的信号の無接触（容量）測定に向けられている。この技術において、人間の皮膚が蓄電板のうちの一方として機能し、且つセンサの電極が他方の蓄電板として機能するコンデンサが有効に形成されている。容量検出を使用する場合、皮膚に対するガルバニ接点は不要である（即ち、検出は無接触である）。

容量型電気生理学的センサは、オフィスチェア、衣服、自動車及びベッドなどの広範囲の日用品に組み込むことができる。衣服へのセンサの組み込みは、例えば、妨害しないやり方で長期間の監視を可能にする。

他のタイプの電気生理学的測定技術の場合と同様に、容量型電気生理学的測定においてガルバニ接点は存在しないが、確実な監視を保証するために電極が体に十分に結合されることが重要である。これは、電極と皮膚との間の距離が所定の範囲内であるべきである（一般的に、１ｃｍ^２の電極面積の場合に３ｍｍ未満）、即ち容量結合が十分に大きくなっているべきである（一般的に１ｐＦよりも大きい）ことを意味する。

確実な測定を保証するために、結合の品質が信号取得システムに通信されることが望ましい。したがって、測定システムが電極対皮膚結合を追跡することが望ましい。

結合の品質を追跡するための既知の技術は、電極対皮膚境界面を通じて人間の体内へ既知の周波数（例えば、１ｋＨｚ）の電流を投入することに基づく。容量センサによってピックアップされるときの対応する出力信号の振幅を決定することによって、電極対皮膚結合の推定を行うことができる。この方法の欠点は、安全性の問題が、体内への電流の投入、例えば、胎児監視用途の場合に胎児へのリスクに関して、重要な部分となり得るということである。設計が安全であっても、対処されるべき追加的な要求により複雑である。

容量型電気生理学的センサの非常に魅力的な利点にもかかわらず、運動アーチファクトの問題は、実生活用途における確実な使用を妨げている主要な未解決の問題のうちの１つとして残っている。使用者の動きは、電極対皮膚結合における変化を誘発し、その結果、運動アーチファクトを生じる。この問題は、静電荷が電極対皮膚境界面に捕捉されたとき又は摩擦電気放電の場合に、より深刻となる。

したがって、対象者の体への電極の容量結合の品質を監視することができる改良されたシステム及び方法が必要とされている。

ＥＰ２７８３７２５Ａ１は、心拍又は電極が良好な接触にあるかどうかを検出するための方法及びシステムを開示している。

ＸＵ ＬＩＮ他：「Ｍｏｔｉｏｎ－Ａｒｔｉｆａｃｔ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｈｅａｒｔ－Ｒａｔｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｂｙ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ」は、運動アーチファクト除去のための適応性フィルタリング方法を開示しており、ここで、基準信号が電力線干渉から抽出される。

ＸＵ ＬＩＮ他：「Ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｏｔｉｏｎ－ａｒｔｉｆａｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ＥＣＧ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ－ｌｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ」は、基準信号が電力線干渉から抽出される適応性運動アーチファクト除去方法を開示している。

ＥＰ２４５３７９２Ａ１は、フィードバック機構を提供することによって運動アーチファクトが抑制又は低減される、電気生理学的信号の容量測定のための装置及び方法を開示している。

発明は、特許請求の範囲によって定義される。

発明の１つの態様による例によれば、体の表面からの電気生理学的信号を検出するための検出システムであって、システムは、使用時に、体の表面に結合するための検出電極システムに結合されるように構成されており、これにより、検出電極システム及び体が結合キャパシタンス（Ｃ_ｅ）を規定し、検出システムが、
検出電極システムから表面における第１の信号を検出（受信）し、且つ第１の伝達関数に基づいて第１の出力を生成するための第１の検出回路と、
検出電極システムから表面における第２の信号を検出（受信）し、且つ第１の伝達関数とは異なる第２の伝達関数に基づいて第２の出力を生成するための第２の検出回路と、
第１及び第２の出力から結合キャパシタンスを決定するように適合されたプロセッサと、を備える、検出システムが提供される。

結合キャパシタンスの決定は、体を通じて電流を投入することなく電極対体（例えば、電極対皮膚）結合が評価されることを可能にする。

このアプローチは、電極システム（１つの電極又は複数の狭い間隔で配置された電極である）が、それぞれ異なる伝達関数を有する、異なるトポロジーを有する、２つの異なる検出回路に結合されているアーキテクチャに基づく。例えば、２つの検出回路の並列システムが存在し得る。

各検出回路は、同じ電気生理学的信号（又は物理的近接性及び測定の時間的近さに基づいて同じであると仮定することができる複数の信号）並びに対応する伝達関数に基づく出力信号を提供する。第１及び第２の検出回路によって検出された第１及び第２の信号は、したがって、体の同じ生理学的パラメータを表すことが意図されており、同じ結合キャパシタンスを有する。伝達関数は、回路のコンポーネントの値によって決定され、既知である。結合キャパシタンス及び測定される電気生理学的信号（電圧、電流又はインピーダンスなど）は未知である。結合キャパシタンスは、２つの未知数を有する２つの伝達関数から分析的に推定することができる。電気生理学は、電圧、電流又はインピーダンスを検出するための検出エレクトロニクスを介して評価することができる。

したがって、２つの伝達関数は、２つの関数から２つの独立した未知の値を解決することができるという意味で直交性を有する。

１つの実施形態において、システムは、検出電極システム及び体が結合キャパシタンス（Ｃｅ）を規定するように体の表面に結合するための検出電極システムを備える。

両センサによって検出される信号は、皮膚において検出可能な電圧、電流又はインピーダンスなどの電気生理学的信号である。

プロセッサは、好ましくは、第１及び第２の出力を処理し、それにより、表面において監視される電気生理学的信号を決定するようにさらに適合されている。したがって、監視される電気生理学的信号は決定され、且つ結合品質を示す結合キャパシタンスも決定される。

プロセッサは、決定された結合キャパシタンスをさらに考慮して表面において監視される電気生理学的信号を決定し、それにより、体の運動補償を提供するように適合される。したがって、結合キャパシタンス情報は、動きによって生じる信号変動を補償するように使用され、この動きは結合キャパシタンスに影響する。

例えば１つのセットにおいて、システムは、第１及び第２の検出回路のうちの選択された１つをプロセッサ及び共有された検出電極に結合するためのスイッチシステムをさらに備える。この場合、（一対の検出回路のために）１つの電極が設けられ、各検出回路は時間共有形式で使用される。したがって、２つの完全に独立した伝達関数を生成するために、増幅器は、プロセッサによって制御されるスイッチを介して交互に作動させられる。

例えば別のセットにおいて、検出電極システムは、第１の検出回路に接続された第１の電極と、第２の検出回路に接続された第２の電極とを備える。この場合、２つの電極が十分に近く、これにより、結合キャパシタンス並びに第１及び第２の信号が同じであると仮定されるならば、別個の検出チャネルが同時に使用される。

（各検出電極のための）第１及び第２の検出回路は、例えば、それぞれ信号増幅器を備える。１つの例において、第１の検出回路は電圧増幅器を備え、第２の検出回路は電荷増幅器を備える。緩衝増幅器などの異なるタイプの増幅器は、適切な異なる伝達関数を提供する。

電気生理学的信号は、胎児ＥＣＧ信号及び母親ＥＣＧ信号などのＥＣＧ信号を含む。システムは、例えば、胎児監視システムの一部である。

電気生理学的信号は、ＥＭＧ信号を含む。システムは、例えば、神経筋診断システムの一部である。

システムは、好ましくは、さらに、結合キャパシタンスに基づいて電極接触品質情報を提供するように適合されたインターフェースを備える。このインターフェースは、測定が信頼できないこと及び１つ又は複数の容量電極の取付けが改良される必要があることをユーザに通知するためのユーザインターフェースであり得る。それは、測定された信号の解釈を支援するための、別の処理システムへのインターフェースであり得る。

例えば、検出電極システムは、電極の配列を備えてもよく、プロセッサは、それぞれの結合キャパシタンスに基づいて配列のどの電極が体への適切な結合を有するかを決定するように適合されている。

したがって、体に適切に結合された電極のみを含み、これにより、確実な測定を提供するように、不十分に結合された電極を後処理段階から排除することができる。

発明は、体の表面から電気生理学的信号を検出するための方法であって、
検出電極システム及び体が結合キャパシタンスを規定するように体の表面に結合された検出電極システムから表面における第１の信号を検出（受信）し、且つ第１の伝達関数に基づいて第１の出力を生成するステップと、
検出電極システムから表面における第２の信号を検出（受信）し、且つ第１の伝達関数とは異なる第２の伝達関数に基づいて第２の出力を生成するステップと、
第１及び第２の出力から結合キャパシタンスを決定するステップと、を有する、方法も提供する。

方法は、さらに、第１及び／又は第２の出力から電気生理学的信号を決定するステップを有する。

１つの実施形態において、方法は、さらに、検出電極システム及び体が結合キャパシタンス（Ｃｅ）を規定するように検出電極システムを体の表面に結合するステップを有する。

方法は、さらに、決定された結合キャパシタンスをさらに考慮して表面において電気生理学的信号を決定し、それにより、体の運動補償を提供するステップを有する。

発明のこれら及びその他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかとなり、且つ以下に記載される実施形態を参照して説明される。

発明をよりよく理解するために、且つ発明がどのように実施されるかをより明確に示すために、ここで単なる例として添付の図面を参照する。

対象者の体から電気生理学的信号を検出するための検出システムを示す。 体の表面から電気生理学的信号を検出するための方法を示す。 図１の回路を制御するために使用されるスイッチング信号の一例を示す。 ２つの信号の間のオーバーラップが回避されることを示すための、図３の拡大された領域を示す。 上側プロットが生の出力であり、下側プロットが高域フィルタによるフィルタリング後のものである、シミュレーション出力を示す。 プロトタイプシステムからの測定中の出力信号の一例を示す。

図面を参照して発明を説明する。

詳細な説明及び具体的な例は、装置、システム及び方法の例示的な実施形態を示しているが、単に例示目的であることが意図されており、発明の範囲を限定することは意図されていないことを理解すべきである。本発明の、装置、システム及び方法のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付の請求項及び添付の図面からよりよく理解されるであろう。図は単に概略的であり、縮尺通りに描かれていないことを理解すべきである。また、同じ又は類似の部分を示すために全図を通じて同じ参照番号が使用されていることも理解すべきである。

発明は、検出電極システム及び体（並びにそれらの間の間隔）が結合キャパシタンスを規定するように体の表面に結合するための検出電極システムを使用する検出システム及び方法を提供する。検出システムは、異なる伝達関数を有し、且つ第１及び第２の出力を生成する、第１及び第２の検出回路を有する。これらの出力は、結合キャパシタンスを決定するために処理される。これにより、電極結合の品質を単純且つ受動的な形式で決定することができる。監視される電気生理学的信号も、検出回路のうちの一方又は両方によって取得される。

体は、例えば、対象者の体であり、表面は皮膚である。発明のこの具体的な使用を以下で詳細な例において説明する。

図１は、対象者の体１２の表面１６（即ち、皮膚）から電気生理学的信号を検出するための検出システム１０を示す。検出システムは、使用時、検出電極システム１４に結合されるように配置され、ガルバニ接点なしでの表面１６への容量結合のために設けられており、これにより、検出電極システム１４、体１２及びそれらの間のギャップは、結合キャパシタンスＣ_ｅを規定する。１つの実施形態において、システムは、検出電極システム１４を備える。

一般的に、検出電極システムと表面１６との間には機械的接触が存在するが、ガルバニ接点は存在しない。例えば、検出電極システムは、体にきつく結合されるが、間には衣服が存在する。キャパシタンスは、表面及び電極システム、並びにそれらの間の間隔によって形成される。この間隔は、誘電体又はギャップとして機能する材料の層であってもよい。

物理的コンデンサは、さらに、表面と検出エレクトロニクスとの間に存在し、これにより、連続した２つのコンデンサを実現する（物理的コンデンサ及び間隔）。したがって、物理的コンデンサの１つのプレートを介して表面に対してガルバニ接点が存在するが、検出エレクトロニクスへ送られるＤＣ信号は存在せず、容量信号検出が再び使用される。

第１の検出回路２０は、検出電極システム１４を介して体における第１の電気生理学的信号を受信又は検出するように配置され、第１の伝達関数に基づいて第１の出力Ｖ_{ＯＵＴ＿ＶＡ}を生成する。第２の検出回路２２は、同じ検出電極システムを介して体における第２の電気生理学的信号を受信又は検出するように配置され、第１の伝達関数とは異なる第２の伝達関数に基づいて第２の出力Ｖ_{ＯＵＴ＿ＣＡ}を生成する。これらの第１及び第２の電気生理学的信号は、同じ生理学的プロセスによって生じ、したがって、監視される同じ生理学的パラメータを表す。

以下に説明される例において、第１及び第２の電気生理学的信号は電圧として説明されるが、検出は、その代わりに、電流測定又はインピーダンス測定に基づいてもよい。

プロセッサ３０は、第１及び第２の出力を処理し、それにより、結合キャパシタンスＣ_ｅを決定する。プロセッサ３０は、監視される電気生理学的信号Ｖ_ｂｉｏも決定する。監視される電気生理学的信号は、検出回路のうちの１つのみから決定され（即ち、検出回路のうちの好ましい１つであり、他の検出回路は、結合キャパシタンスの決定を可能にする目的のために提供される）。代替的に、監視される電気生理学的信号は、第１及び第２の出力の両方から導き出される。決定された結合キャパシタンスは、第１及び／又は第２の出力から関心のある生理学的パラメータを導き出す場合にも考慮される。

この例では、第１の検出回路２０は、電圧増幅器である。その入力部において、並列のバイアス抵抗器Ｒ_ｉ及び入力キャパシタンスＣ_ｉが存在する。増幅器は、閉じられた負のフィードバック経路を有する演算増幅器によって実現される。

第２の検出回路２２は、電流増幅器である。これは、並列のバイアス抵抗器Ｒ_ｆ及びキャパシタンスＣ_ｆを有する負のフィードバック経路を有する演算増幅器によって実現される。

キャパシタンスＣ_ｉ及びＣ_ｆは、増幅器の寄生効果を伴う。

したがって、フロントエンド増幅器アーキテクチャが使用され、検出電極ごとに２つの増幅器を有する。

電圧増幅器２０の伝達関数は：

これにより

電荷増幅器の伝達関数は：

これにより

示された例において、２つの検出回路は、２つの完全に独立した伝達関数を生成するためにプロセッサ３０を介して制御されるスイッチＳ１～Ｓ４を介して交互に作動させられる。電圧増幅器２０は、入力部におけるスイッチＳ１と、出力部におけるスイッチＳ２とを有する。これらのスイッチは、スイッチング信号ＳＷ_ＶＡを介して制御される。電荷増幅器２０も、入力部におけるスイッチＳ３と、出力部におけるスイッチＳ４とを有する。これらのスイッチは、スイッチング信号ＳＷ_ＣＡを介して制御される。

したがって、プロセッサ３０は、第１の検出回路を使用して信号を取得するための１つの方式から、第２の検出回路を使用する別の方式へ切り替わるように適合されている。これは、上述のように結合キャパシタンスの判定中及び電気生理学的信号取得中に実行され、その際、検出は、上述のように検出回路のうちの一方又は両方を使用する。

測定を正確にするために、スイッチングスキームは、（速度及び継続時間の観点から）測定される電気生理学的信号の特性を定数として仮定することができるようになっているべきである。

各増幅器は、同じ電気生理学的信号（Ｖ_ｂｉｏ）並びに対応する伝達関数（Ｔ_ＶＡ及びＴ_ＣＡ）に基づく出力信号（Ｖ_{ＯＵＴ＿ＶＡ}及びＶ_{ＯＵＴ＿ＣＡ}）を提供する。

電圧増幅器の出力信号は、したがって：

電荷増幅器の出力信号は：

数式３及び数式４において、Ｃ_ｉ及びＣ_ｆは、設計によって既知であるか又は較正手順によって推定することができる回路値である。このような較正は、エレクトロニクス回路の一体的部分であることができ、必要な時にはいつでも、例えば、温度変化がＣ_ｉ及びＣ_ｆにおけるドリフトを生じさせる場合があるので、温度変化に基づいて実行することができる。

較正手順において、Ｃ_ｉ及びＣ_ｆは、それぞれ数式３及び４によって推定することができる。この場合、Ｖ_ｂｉｏは、回路自体によって生成された既知のＡＣ信号に一時的に設定される。正確な推定を有するために、生成された信号の周波数は、関心のある電気生理学的信号の帯域内、例えば、ＥＣＧ信号の場合は１００Ｈｚであるべきである。

Ｃ_ｅについて、実際の（例えば、オンチップ、オフザシェルフ）コンデンサが、このような較正のために使用される（範囲：１～１００ｐＦにおける典型的な値で）。

代入により、電極－皮膚容量結合を推定するために、数式３及び数式４を組み合わせ、数式５を導き出すことができる。

精度を高めるために高い周波数を有する検出回路の間で切り換えることが有益である。より高い周波数のスイッチングは、皮膚－電極キャパシタンスＣ_ｅのより速い変化を検出することができる。さらに、これは、２つの増幅手段が最小である電気生理学的信号変化も保証する。しかしながら、周波数が高すぎると、測定結果は、検出回路、スイッチ及び通信インターフェースの有限速度により劣化されるので、スイッチング周波数に対する上限もある。したがって、当業者に明らかなように、適切なスイッチング周波数の範囲が存在する。

結合キャパシタンスの推定された値は、増幅器のスイッチングを制御し、且つ取得された信号の利用可能性を決定するために使用することができる。

図２は、体の表面から信号を検出するための対応する方法を示す。方法は、ステップ４０において、検出電極システムを体の表面に結合するステップを有し、これにより、検出電極システム及び体（並びにそれらの間の間隔）が、結合キャパシタンス（Ｃ_ｅ）を規定する。

ステップ４２において、体における第１の信号が、検出電極システムを介して検出され、第１の伝達関数（電圧増幅器）に基づいて第１の出力が生成される。

ステップ４４において、体における第２の信号が、検出電極システムを介して検出され、第２の伝達関数（電荷増幅器）に基づいて第２の出力が生成される。

ステップ４６において、第１及び第２の出力から結合キャパシタンスＣ_ｅが決定される。

ステップ４８において、第１及び／又は第２の出力から電気生理学的信号（Ｖ_ｂｉｏ）が決定される。

過負荷又は短絡を防止するために、スイッチング信号のタイミングは、スイッチの「オン」期間にオーバーラップが生じないように選択される。

図３は、スイッチング信号ＳＷ_ＶＡ及びＳＷ_ＣＡの一例を示す。図４は、２つの信号の間のオーバーラップが回避されることを示すための拡大された領域を示す。

発明のアプローチの原理の証明は、第１にシミュレーションによって、第２に構築されたプロトタイプの実験室測定によって実証され、結果は以下に示される。

シミュレーション
図１の回路がシミュレートされた。例として、値は、２つの較正ポイントとしてＣ_ｅ＝２０ｐＦ及びＣ_ｅ＝１００ｐＦが選択され、シミュレーションが実行され、未知のパラメータＣ_ｉ及びＣ_ｆが数式３及び数式４に従って決定され、その結果：
Ｃ_ｉ＝１．１ｐＦ
Ｃ_ｆ＝５．５ｐＦ

未知の電極コンデンサＣ_ｅを推定するために、組み合わされた増幅器が、上記で説明したように切り換えられる。

図５は、シミュレーション出力を示し、ここで、上側プロットは生の出力であるのに対し、下側プロットは、ＤＣ成分を除去するために高域フィルタ（３Ｈｚにおけるカットオフ）によるフィルタリング後のものである。

フィルタリングされたプロットは、３．０５ｍＶの電圧増幅器出力振幅を示す。しかしながら、設計された電圧増幅器は、２の組み込みゲインを有し、これにより、このゲインを修正した後、実際の電圧増幅器出力振幅は：
Ｖ_{ＯＵＴ＿ＶＡ}＝１．５２５ｍＶ

プロットは、さらに、電流増幅器出力振幅を示す：
Ｖ_{ＯＵＴ＿ＣＡ}＝１４．３７ｍＶ

数式５によって、電極－皮膚容量結合を以下のように推定することができる。

このシミュレーションにおいて、Ｃ_ｅの真の値は５０ｐＦであった。したがって、推定された値からの偏差は０．７ｐＦであり、これは、ほとんどが丸め誤差によるものである。

以下の表は、Ｃ_ｅの他の値（真の値対予測された値）についての結果を示す。

実験室測定
フロントエンド増幅器アーキテクチャのプロトタイプは、ＡＳＩＣとして設計及び製造され、容量型検出システムに組み込まれた。様々なコンデンサ（異なる値を有する）が、増幅器の入力部にはんだ付けされ、ＥＣＧ信号発生器に接続された。

これらのコンデンサの真の値が、０．１ｐＦ精度でコンデンサメータによって測定された。

第１に、既知のコンデンサＣ_ｅ＝１．６ｐＦ及びＣ_ｅ＝１０４．２ｐＦが較正ポイントとして使用され、これがＣ_ｉ＝７．２６ｐＦ及びＣ_ｆ＝７．７１ｐＦになった。次に、一連の「未知の」結合コンデンサが試験された。

図６は、測定中の出力信号の一例を示す。再び、生の信号が上側に示され、フィルタリングされた信号が下側に示されている。

以下の表は、推定された値が再び結合コンデンサの実際値に近いことを示している。

上記の例は、電圧増幅器及び電流増幅器に基づく。しかしながら、電気生理学的信号及び結合キャパシタンスが別々に解決される２つの独立した数式を提供する限り、いずれか２つの検出回路が使用される。

検出回路は、異なる伝達関数を有する他の種類の増幅器（又はさらには非増幅器回路）である。

上記の例は、１つの電極に基づく。しかしながら、２つの別個の（且つ異なる）増幅器を有する、２つ（又は３つ以上）の別個の電極を有する電極システムが存在してもよい。一方の電極は、第１のタイプの検出回路に接続され、他方の電極は、第２のタイプの検出回路に接続される。電極が十分に狭い間隔で配置される限り、電気生理学的信号Ｖ_ｂｉｏ相関は、Ｃ_ｅの推定を可能にするために十分に良好となる（また、２つの電極に対して同じであると仮定することができる）。利点は、スイッチシステム及び対応する制御を必要とすることなく、両伝達関数を同時に使用して測定を行うことができるということである。

結合インピーダンスが複雑であるならば（即ち、単なるキャパシタンスではなく、抵抗及びキャパシタンスの組合せ）、３つの異なる伝達関数を有する３つの測定システムが、実際の及び仮想のインピーダンス並びに電気生理学的信号を解決するために使用される。

発明は、電気生理学的信号（例えば、ＥＣＧ、ＥＭＧ）が測定される全ての用途に関係する。例示的な用途は、無接触胎児監視及び新生児監視である。

発明は、必ずしも電気生理学的信号に関連しないその他の無接触検出用途にも適用可能である。したがって、発明は、より一般的に、あらゆる表面における信号の無接触容量検出に適用される。

容量型電気生理学的測定から著しく利益を得ることができる２つの特に関連する用途の例が、以下に説明される。

第１の例は、新生児集中治療室における新生児監視である。新生児ケアにおける新たな監視技術は、早期新生児の生存率を改善したが、このような技術の侵襲的態様によって生じる損傷が、新生児の発達に影響する可能性がある。早生児の薄い皮膚は、接着性電極によって容易に損傷される。容量電極は、新生児ＥＣＧを広範に監視するための魅力的なオプションを提供し、サポートシステム又はさらには新生児によって着用された衣類に埋め込むことができる。これは、快適性を高め、より良好な回復を支援し、接着性電極によって生じる傷を回避する。

例えば、Ａｔａｌｌａｈ，Ｌ．他、Ｕｎｏｂｔｒｕｓｉｖｅ ＥＣＧ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ＮＩＣＵ ｕｓｉｎｇ ａ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｒｒａｙ、Ｐｈｙｓｉｏｌ．Ｍｅａｓ．３５、８９５～９１３（２０１４）が参照される。

第２の例は、妊娠（胎児及び母親）監視である。従来の非侵襲的胎児監視システムでは、胎児心臓活動を測定するために、ドップラー超音波装置が使用される。通常はひずみゲージに基づく圧力センサを使用して収縮が監視される。これらのシステムはかなりかさばり、妊娠女性の可動性を制限し、正確な適用及び操作のために熟練した専門家を必要とする。これは、これらのシステムが病院などの臨床環境においてのみ使用することができることを意味する。長年にわたり、妊娠中の歩行の有利な効果についての多くの研究が発表されており、例えば、分娩の第１段階における歩行及び直立位置は、分娩の長さを短縮する。母親がベッドサイドに「ケーブル接続」される問題を解決する、ケーブルレス胎児監視システムが存在する。さらに、パッチの形態のウェアラブル胎児監視ソリューションも、電気生理学的測定に基づいて開発されている。胎児及び母親の心拍数は、妊娠女性の腹部に取り付けられた湿式電極を使用してＥＣＧ測定から導き出される。同じ電極が、ＥＭＧ測定から子宮収縮を導き出すために使用される。これらの新たなウェアラブル監視ソリューションは、患者の可動性及び快適性をさらに高める。なぜならば、測定パッチは非常に軽量であり、容易に適用され、動作中の電極の再位置決めを必要としないからである。あいにく、これらの電気生理学的パッチは、家庭での監視のためにはまだ最適ではない。これは、主に、使用容易性（例えば、サンドペーパーによる皮膚こすり、パッチの正確な位置決め）、快適性（例えば、接着性ゲル電極が皮膚を刺激する）、及び測定の信頼性（病院環境とは対照的に、家庭は、制御されない環境である、即ち文脈上の情報を欠く）に関連する課題による。

胎児監視用途においても、容量型電気生理学的センサは、快適な代替物となる可能性を有する。なぜならば、それらは、皮膚準備又は直接皮膚接触を必要としないからである。容量型電気生理学的センサは、ウェアラブルパッチに組み込まれるか又は妊娠ベルト／パンツに容易に埋め込むことができ、これにより、薄い電気的に絶縁性の層（例えば、織物）を通じた測定を可能にする。最終的に、これは、家庭環境において、家族の近くで、リスクのある妊娠女性を監視することができるソリューションを可能にし、さらに、病院の負荷を軽減して、医療コストを削減する。容量型電気生理学的センサを使用して胎児及び母親のＥＣＧ（及び心拍数）を抽出する実現可能性は、例えば、Ｅ．Ｒｅｎｄｏｎ－Ｍｏｒａｌｅｓ、Ｒ．Ｊ．Ｐｒａｎｃｅ、及びＲ．Ａｖｉｌｅｓ－Ｅｓｐｉｎｏｓａ、Ｎｏｎ－ｉｎｖａｓｉｖｅ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇｓ ｏｆ ｆｅｔａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｃａｒｄｉｏｇｒａｍ ｄｕｒｉｎｇ ｐｒｅｇｎａｎｃｙ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２０１８年１０月１２日において実証されている。

上記のように、システムは、データ処理を実行するためにプロセッサを利用する。プロセッサは、要求される様々な機能を実行するために、ソフトウェア及び／又はハードウェアを有する、多くの方式で実装することができる。プロセッサは、一般的に、要求される機能を実行するためにソフトウェア（例えば、マイクロコード）を使用してプログラムされる１つ又は複数のマイクロプロセッサを使用する。プロセッサは、幾つかの機能を実行するための専用のハードウェアと、その他の機能を実行するための１つ又は複数のプログラムされたマイクロプロセッサ及び関連する回路との組合せとして実装される。

本開示の様々な実施形態において使用される回路の例は、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含むが、これらに限定されない。

様々な実装形態において、プロセッサは、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ及びＥＥＰＲＯＭなどの揮発性及び不揮発性コンピュータメモリなどの１つ又は複数の記憶媒体に関連している。記憶媒体は、１つ又は複数のプロセッサ及び／又はコントローラにおいて実行されたときに所要の機能を実行する１つ又は複数のプログラムによってエンコードされる。様々な記憶媒体は、プロセッサ又はコントローラ内に固定されている又はそこに記憶された１つ又は複数のプログラムをプロセッサにロードすることができるように可搬式である。

開示された実施形態に対する変更は、図面、開示及び添付の特許請求の範囲を検討することによって、請求項に記載の発明を実施する当業者によって理解及び実行することができる。請求項において、「備える」という語は、他の要素又はステップを排除せず、単数形は複数を排除しない。

１つのプロセッサ又はその他のユニットは、請求項に列挙された複数のアイテムの機能を満たす場合がある。

ある手段が互いに異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを有利に使用することができないことを示していない。

「～に適合される」という用語が特許請求の範囲又は説明において使用されている場合、「～に適合される」という用語は、「～するように構成される」という用語と同等であることが意図されていることに留意されたい。

特許請求の範囲におけるいかなる参照符号も範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (17)

1. 体の表面からの電気生理学的信号を検出するための検出システムであって、前記検出システムは、使用時に、前記体の前記表面に結合するための検出電極システムに結合され、これにより、前記検出電極システム及び前記体が結合キャパシタンスを規定し、前記検出システムが、
   前記検出電極システムを介して前記表面における第１の信号を検出し、且つ第１の伝達関数に基づいて第１の出力を生成する第１の検出回路と、
   前記検出電極システムを介して前記表面における第２の信号を検出し、且つ前記第１の伝達関数とは異なる第２の伝達関数に基づいて第２の出力を生成する第２の検出回路と、
   前記第１の出力及び前記第２の出力から前記結合キャパシタンスを決定するプロセッサと、を備える、検出システム。
2. 前記プロセッサが、さらに、前記第１の出力及び／又は前記第２の出力を処理することによって、前記表面における前記電気生理学的信号を決定する、請求項１に記載の検出システム。
3. 前記プロセッサが、決定された前記結合キャパシタンスをさらに考慮して前記表面における前記電気生理学的信号を決定し、それにより、体の運動補償を提供する、請求項２に記載の検出システム。
4. 前記第１及び第２の検出回路のうちの選択された１つを前記プロセッサ及び共有された検出電極に結合するためのスイッチシステムをさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の検出システム。
5. 前記検出電極システムをさらに備え、前記検出電極システムが、前記第１の検出回路に接続された第１の電極と、前記第２の検出回路に接続された第２の電極とを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の検出システム。
6. 前記検出電極システムが、前記第１の検出回路に接続された第１の電極と、前記第２の検出回路に接続された第２の電極とを備える、請求項５に記載の検出システム。
7. 前記第１の検出回路及び前記第２の検出回路がそれぞれ、増幅器回路を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の検出システム。
8. 前記第１の検出回路が電圧増幅器を備え、前記第２の検出回路が電荷増幅器を備える、請求項７に記載の検出システム。
9. 前記信号が、ＥＣＧ信号を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の検出システム。
10. 前記信号が、胎児のＥＣＧ信号及び母親のＥＣＧ信号を含む、請求項９に記載の検出システム。
11. 前記信号が、ＥＭＧ信号を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の検出システム。
12. 前記結合キャパシタンスに基づいて電極接触品質情報を提供するインターフェースをさらに備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の検出システム。
13. 前記検出電極システムが、電極の配列を備え、前記プロセッサが、それぞれの前記結合キャパシタンスに基づいて前記配列のどの電極が前記体への適切な結合を有するかを決定する、請求項５から１２のいずれか一項に記載の検出システム。
14. 体の表面から電気生理学的信号を検出するための方法であって、
    検出電極システム及び前記体が結合キャパシタンスを規定するように前記体の前記表面に結合された前記検出電極システムを介して前記表面における第１の信号を検出し、且つ第１の伝達関数に基づいて第１の出力を生成するステップと、
    前記検出電極システムを介して前記表面における第２の信号を検出し、且つ前記第１の伝達関数とは異なる第２の伝達関数に基づいて第２の出力を生成するステップと、
    前記第１の出力及び前記第２の出力から前記結合キャパシタンスを決定するステップと、を有する、方法。
15. 前記検出電極システム及び前記体が結合キャパシタンスを規定するように前記検出電極システムを前記体の前記表面に結合するステップをさらに有する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の出力及び／又は前記第２の出力から前記表面における前記電気生理学的信号を決定するステップを有する、請求項１４又は１５に記載の方法。
17. 決定された前記結合キャパシタンスをさらに考慮して前記表面における前記電気生理学的信号を決定し、それにより、体の運動補償を提供するステップを有する、請求項１６に記載の方法。

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