JP6629887B2 - 生体信号計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、生体内の電気的活動など、電位の経時的な変化を電極で計測する装置に関する。

脳波や心電図など、生体内の活動に伴って発生する電位の変化は、生体の外部に取り付けられた電極を介して計測することができる。このようにして計測される電位の変化は、病院や研究機関等で、生体内の異常の有無や程度を非侵襲的に把握するための生体信号として従来用いられている。この計測のための装置、つまり脳波計や心電計などの医療用途又は研究用途の検査機器も、民生機器と同様に小型化が進んでいる。しかし、このような検査機器には高い精度が要求され、また、医療施設の診察室や検査室、往診先などで活動の少ない状態の被検者が使用対象であることが多い。そのため、小型化された検査機器であっても、例えば脳波計の大きさ及び重さは、使用していない状態でキャスター付きの台や専用のケースに収納して移動可能な程度の可搬性を備える程度である（非特許文献１参照）。

一方、心電計では携帯可能なサイズのものがあり、固い筐体からなる本体と、その本体から伸びるか、又は本体に接続して用いられる、先端に電極を備える複数のケーブルから構成される（非特許文献２参照）。

日本光電株式会社、生理検査機器：脳波計、［ｏｎｌｉｎｅ］平成２７年１２月８日、［平成２８年１月５日検索］、インターネット（ＵＲＬ：http://www.nihonkohden.co.jp/iryo/products/physio/03_eeg/index.html） 日本光電株式会社、生理検査機器：心電計、［ｏｎｌｉｎｅ］平成２７年１２月２５日、［平成２８年１月５日検索］、インターネット（ＵＲＬ：http://www.nihonkohden.co.jp/iryo/products/physio/01_ecg/index.html）

従来の検査機器による検査は、上記のような特定の場所での比較的短時間の実施であれば、被検者にとっての身体的負担はあまり大きくない。しかし、検査の目的や被検者によってはその負担が不適切に大きい場合がある。

具体的な例としては、睡眠時の生体信号を取得するための検査が考えられる。複数装着される電極、電極が装着される箇所への塗布剤、電極と本体とを接続するケーブルの肌への接触等が、被検者に強い装着感又は違和感を与えて被検者の入眠を妨げたり、被検者の体内で起こる電気的活動に影響を与えたりする。この結果、被検者の普段の睡眠状態の生体信号が取得できない。また、特に、乳児や幼児など耐ストレス性が低い被検者や、身体の制御能力が不十分な被検者の場合は、この装着感や違和感に大きな身体反応を示し検査の実施が困難なこともある。

また、従来の脳波計の場合は、ケーブルによる被検者の動きへの制限があるため、計測の実施可能な状況に制限がある。例えば日常的な行動を取る被検者の生体信号を計測して行うようなモニタリングができない。

さらには、上記のような検査機器による検査は比較的大掛かりである。脳波の計測は、聴診器や血圧計、体温計などによる簡易的な検査のように家庭内で患者や患者の家族が実施することは基本的に難しく、医療機関で実施される必要がある。携帯可能な心電計は家庭内でも利用可能であるが、チャネル数等の性能面での制限がある。したがって、生体信号の計測は、重篤な状況ではない場合も医療機関で実施する必要性が生じることがあり、患者（被検者）にとっての上記の身体的な負担のみならず、被検者及び医療機関の両方にとって時間的負担及び金銭的負担も大きい。

本発明はこれらの問題に鑑みてなされたものであり、被検者に与える装着感及び違和感が抑えられた、計測の簡便さと高性能とを両立させる生体信号計測装置の提供を目的とする。

上記の目的を達成するために提供される、本発明に係る生体信号計測装置は、生体に貼り付けて用いられる生体信号計測装置であって、複数の電極と前記複数の電極のそれぞれと接続される複数の配線とが形成され、伸縮及び屈曲自在で、かつ、粘着性を有するシートと、前記複数の配線に接続され、前記複数の配線を介して得られる生体信号を無線で送信する信号処理回路が実装された基板とを備え、前記複数の電極は、前記シートの表面に露出しており、前記シートと前記基板とは、前記シートの裏面と前記基板とが対向するように重ねられる。

この生体信号計測装置が備える複数の電極は、湿布のように貼付可能なシートと共に生体に貼り付けられる。したがって、塗布剤が不要であり、皮膚に接触するケーブルはない。また、貼り付けられたシート及び電極は貼り付けられた生体の部位の形状及び動きに追従するため、その貼付位置からずれたり剥がれたりしにくい。そして基板とシートとが重ねられる構成で生体信号計測装置全体がコンパクトにまとめられており、さらに、被検者の動きを制限するようなケーブルがないため、被検者に装着感や違和感を起こさせにくい。

また、このような生体信号計測装置は、前記シートの表面が前記生体に貼り付けられた状態で前記シート及び前記基板を平面視したときの外形が５ｃｍ×１５ｃｍの矩形に収まる大きさであってもよい。

これにより、被検者の額に全体が収まる大きさであって、この被検者の脳波を計測することができる生体信号計測装置が実現される。

また、前記複数の電極には、基準電極と、複数の計測電極とが含まれてもよい。

これにより、貼付位置の範囲内で取得可能な基準電位に基づく電位の変化を生体信号としてマルチチャネルで計測することができる。

また、前記基準電極は、前記シートと着脱可能な態様で、前記シートに貼り付けられてもよい。

これにより、例えば医療従事者は、従来実施してきた生体信号の計測方法と同じ原理に基づく計測方法をこの生体信号計測装置を用いて実施することができる。したがって、この生体信号計測装置は、従来の装置と形状及び大きさが異なっていても操作上の抵抗感が小さい。また、この生体信号計測装置を用いて取得される生体信号は、従来の装置で取得したものと同じ感覚で利用することができる。

また、前記複数の電極には、複数の電極の並びからなる列が少なくとも２列で並行して配置された電極が含まれてもよい。

これにより、電極の一部が皮膚から剥がれても、貼付位置での生体信号の計測を継続することができる。

また、前記シートは、可撓性のある接続部を有し、前記複数の配線のそれぞれは、対応する前記電極から前記接続部まで延びており、前記接続部は、前記シートを折り返すように曲げられ、当該接続部の先端が前記信号処理回路に接続されていてもよい。

これにより、信号処理回路を備える基板と、電極及び配線とを備えるシートとは折り重ねられるような配置が可能であり、平面視したときの生体信号計測装置全体での大きさを抑えることができる。

また、前記シートが有する前記接続部は、前記複数の電極に近い箇所から前記先端に近くなるほど硬度が増してもよい。

これにより、基板に接続されているシートの先端部分に応力が集中することを防ぎ、シートの耐用寿命を延ばすことができる。

また、前記信号処理回路は、前記複数の電極を介して得られるアナログ信号を処理してデジタル信号に変換するアナログ回路と、前記アナログ回路で得られたデジタル信号を処理して無線で送信するデジタル回路と、前記アナログ回路及び前記デジタル回路に電力を供給する電源回路とを有し、前記アナログ回路、前記デジタル回路及び前記電源回路は、前記基板の実装面を３つの領域に分割して得られる第１領域、第２領域及び第３領域にそれぞれ実装されてもよい。

これにより、アナログ回路とデジタル回路との間でのノイズのまわり込みを抑えることができる。

また、前記アナログ回路は、前記アナログ信号を２０ビット以上のビット数のデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を有してもよい。

これにより、従来の生体信号計測機器に匹敵する高い分解能での計測をすることができる。

また、前記アナログ回路は、前記複数の電極と前記生体との接触インピーダンスを計測することによって前記複数の電極と前記生体との接触状態を検出する接触状態検出回路を有してもよい。

これにより、電極の被検者の皮膚への接触状態を確認することができ、適切な計測が可能な装着状態の確保及び維持を図ることができる。

また、前記電源回路は、充電可能な電池と、前記基板に設けられた接続端子と、前記接続端子から供給される電力で前記電池を充電する充電回路とを有してもよい。

これにより、この生体信号計測装置を被検者が装着するウェアラブルな計測装置として使用することができる。

なお、これらの包括的又は具体的な態様は、システム、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよく、また、これらのシステム、集積回路、コンピュータプログラム及び記録媒体からの任意な組み合わせで実現されてもよい。

本発明によれば、被検者に与える装着感及び違和感が抑えられ、かつ計測の簡便さと精度とを両立させた生体信号計測装置が提供される。

図１は、本発明の実施の形態に係る生体信号計測装置の構成の概要を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施例に係る、脳波計として用いられる生体信号計測装置の構成の外観を示す模式図である。 図３は、本発明の実施例に係る生体信号計測装置の、被検者による装着例を示す図である。 図４は、本発明の実施例に係る生体信号計測装置の、信号取得部を含む貼付部及び基板の構成例を示す図である。 図５は、本発明の実施例に係る生体信号計測装置の、信号取得部を含む貼付部及び基板の構成の他の例を示す図である。 図６Ａは、本発明の実施例に係る生体信号計測装置によって計測された脳波と、同時に医療用の脳波計測装置によって計測された脳波とを比較するための図である。 図６Ｂは、本発明の実施例に係る生体信号計測装置によって計測された脳波と、同時に医療用の脳波計測装置によって計測された脳波とを比較するための図である。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態）
［１．全体構成］
図１は、本実施の形態に係る生体信号計測装置１０の構成の概要を示すブロック図である。

生体信号計測装置１０は、生体に起こる電位の経時的な変化を電極で計測して生体信号として取得し、この生体信号のデータを出力する装置である。ここでいう生体の電位の変化とは例えば脳、又は心臓その他筋肉の活動によって生じる、微弱な電位（数十マイクロボルト〜数十ミリボルト）の変化である。

生体信号計測装置１０は、入力部１００、制御部２００、電源部３００、及び出力部４００を備える。これらの構成要素の物理的な配置については例を用いて後述する。

入力部１００は、生体の皮膚を介して検出可能な体内の電位を計測し、計測した電位の時系列変化を示す信号を制御部２００へ出力する。入力部１００は、信号取得部１１０、貼付部１１５、増幅部１２０、及びアナログ−デジタル変換器（図１及び以下ではＡ／Ｄ変換器と表記する）１３０を備える。

信号取得部１１０は複数の薄膜状の電極であり、粘着性を有するシートである貼付部１１５の片面に露出するよう形成される。なお、以下では、信号取得部１１０が露出する側の貼付部１１５の面を貼付部１１５の表面といい、その反対側の面を裏面ともいう。貼付部１１５は、表面が生体の皮膚と接触するように生体に貼り付けられる。信号取得部１１０はこの状態で電位を検出する。複数の電極である信号取得部１１０はそれぞれに電位の計測が可能であり、各電極による電位の計測によって取得された生体信号は、個別の伝送路（チャネル）で増幅部１２０及びＡ／Ｄ変換器１３０を経て制御部２００に入力される。なお、これらの電極の中には１個以上の基準電極と１個以上の計測電極とが含まれ、生体信号は、各計測電極と当該計測電極に対応する基準電極との間の電位差を計測して取得される。

信号取得部１１０及び貼付部１１５は、いずれも伸縮性及び自在に屈曲が可能な柔軟性を有し、被検者の体表に貼り付けられると、その貼り付けられた場所の形状及び動きに追従する。

このような特性を有する貼付部１１５としては、例えば湿布等の基材に使われるシリコーン素材からなる粘着基材が用いられる。このような材料からなる貼付部１１５は高い伸縮性及び柔軟性に加えて水分透過性を有するため、装着時の被検者の違和感及び発汗を抑えることができる。また、このような材料は生体適合性が高いため、貼付部１１５は長時間の装着が可能である。

また、電極である信号取得部１１０の素材としては、金属粒子を用いた伸縮導体を使用することができる。さらにこの伸縮導体は、貼付部１１５に形成される、信号を信号取得部１１０から貼付部１１５の外部まで伝送する配線の材料としても用いられる。この伸縮導体を材料とする電極及び配線は７００％程度まで伸長可能である。この金属粒子としては、例えば銀ナノワイヤーが用いられ、これにより１００００Ｓ／ｃｍ程度の導電率が得られる。したがって、被検者の生体信号は、低抵抗及び低ノイズの電極及び配線を通って後述の増幅部１２０に入力される。つまり、伸縮導体を材料とする信号取得部１１０及び配線は、伸縮性と、好適な透明性及び導電性を兼ね備え、その伸長性能により被験者の動きを妨げない。

このような信号取得部１１０及び配線が形成された貼付部１１０は、全体として伸縮及び屈曲自在で、かつ粘着性を有するシートであり、長時間の装着が可能である。

なお、信号取得部１１０において、この金属粒子の伸縮導体が貼付部１１５の表面に露出していなくてもよい。例えば信号取得部１１０は、層状に重なる導電性のゲル材料と伸縮導体とで構成され、貼付部１１５の表面にはこのゲル材料が露出し、伸縮導体は貼付部１１５内に包埋されていてもよい。これにより、金属粒子の酸化などによる伸縮導体の劣化が抑えられ、また、金属に対するアレルギーを有する被検者であっても本実施の形態に係る生体信号計測装置１０を利用することができる。

増幅部１２０は、信号取得部１１０から入力された生体信号を増幅してＡ／Ｄ変換器１３０に出力する。このような増幅部１２０は、例えば後述する基板上の、オペアンプを含む増幅回路として実現されてもよい。

Ａ／Ｄ変換器１３０は、増幅部１２０から入力されたアナログ信号である生体信号をデジタル信号に変換して制御部２００に出力する。なお、従来の医療機器と同等の精度（分解能）を得るために、本実施の形態における生体信号計測装置１０のＡ／Ｄ変換器１３０は、アナログ信号を２０ビット以上のビット数のデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器で実現される。例えば２４ビットのΔΣ型Ａ／Ｄ変換器が用いられる。

制御部２００は、生体信号計測装置１０の動作全体を制御する。制御部２００は、中央処理装置（以下、ＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）ともいい、図１ではＣＰＵと表記）２１０、ベースバンドデジタル信号処理部（以下、ベースバンドＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒともいい、図１ではＤＳＰと表記））２２０、接触状態検出部２３０、クロック生成部２４０、電源管理部２５０、及び電力安定部２６０を備える。

ＣＰＵ２１０は、記憶部（図示なし）からプログラムを読みだして実行し、生体信号計測装置１０を構成する各構成要素の動作の管理や制御を行う。

ベースバンドＤＳＰ２２０は、入力部１００から入力されたデジタル信号に所定の処理をした上で出力部４００を介して外部に出力する。

接触状態検出部２３０は、電極である信号取得部１１０と生体との接触状態を検出する電子回路（接触状態検出回路）である。具体的には、接触状態検出部２３０は、信号取得部１１０と生体の皮膚との間の接触インピーダンスを計測し、この接触インピーダンスの大きさに基づいて接触状態の良不良を判定する。例えば装着時及び生体信号の計測中にこの判定が実行されることで、生体信号計測装置１０の適正な装着状態が確保される。なお、接触状態が不良であると判定される基準は、設定により適宜変更されてよい。例えば入力部１００が備える信号入力の経路が８チャネルである場合、この８チャネルのうち、被検者からの電極の外れ（リードオフ）が１チャネルでも検出された場合に不良と判定されてもよいし、過半数の５チャネルについてリードオフが検出された場合に不良と判定されてもよい。

クロック生成部２４０は、ＣＰＵ２１０の内部クロックを生成するクロック生成回路である。

電源管理部２５０及び電力安定部２６０は、後述する電源部３００と共に電源回路を構成し、電源部３００から入力される電力を制御部２００その他の構成要素を駆動させる電力として供給する。電源管理部２５０は例えばＤＣ−ＤＣコンバータを備え、入力部１００及び出力部４００には、電源管理部２５０で変圧された異なる電圧の電力がそれぞれ供給される。電力安定部２６０は、供給される電力を安定化するレギュレータである。

電源部３００は、上記の電源管理部２５０及び電力安定部２６０を介して生体信号計測装置１０の各構成要素の動作のために必要な電力を供給する。電源部３００は充電回路３１０及び充電池３２０を備える。

充電回路３１０は、充電池３２０を充電するために、生体信号計測装置１０の外部から電力を取り込み、取り込んだ電力を電圧及び電流を制御して充電池３２０に供給する回路である。充電回路３１０は電力を取り込むための接続端子３３０を備える。この接続端子３３０は、例えば商用電源のコンセントからケーブルを介して電力を取り込むための受電端子でもよいし、給電可能な外部の装置から受電可能なＵＳＢ（ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｓｅｒｉａｌ ｂｕｓ）等のポートでもよい。

充電池３２０は生体信号計測装置１０の各構成要素に供給されるための電力が蓄電される、充電可能な電池である。充電池３２０は用途に応じた容量のものが用いられる。例えば被検者の覚醒時又は睡眠時のモニタリングが可能な程度に長い連続使用を可能とする程度の容量のものであってもよい。また、容量に加えて使用時に被検者に与える装着感なども考慮して、充電池３２０は例えばボタン型の電池、又は薄膜バッテリーを用いて実現される。これにより、生体信号計測装置１０の装着感を増す重量や大きさの増加、及び生体の形状への追従性の低下を抑えることができる。

出力部４００は、無線でデータの送信が可能な無線通信モジュールであり、ベースバンドＤＳＰ２２０から出力された生体信号を生体信号計測装置１０の外部の機器、例えば記憶装置、モニターなどの表示装置、又はこれらを備える情報端末へリアルタイムで出力する。本実施の形態における出力部４００には、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＷｉ−Ｆｉ（登録商標）等の通信規格に拠る通信方式が用いられる。また、生体信号計測装置１０の連続使用時間の長時間化のために、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ(登録商標) Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ（ＢＬＥ）のような低消費電力の通信方式が用いられてもよい。なお、リアルタイムで出力できる情報量（送信レート）には各通信方式の帯域幅による上限があるため、Ａ／Ｄ変換器１３０によるアナログ信号のサンプリングレートは、通信方式と計測のチャネル数とに応じて変更される。

上記の構成を有する本実施の形態に係る生体信号計測装置１０は、貼付部１１５によって生体に貼り付けて使用される。この使用時において、上記の電源部３００と出力部４００とを備える生体信号計測装置１０には、電力を常時供給する電源ケーブル、及び生体信号を常時出力するための通信ケーブルが不要である。したがって、生体信号計測装置１０を装着する被検者は、これらのケーブルによる装着感を感じたり、動きの制限を受けたりしない。また、生体信号計測装置１０には、被検者の動きや発汗などによってリードオフが生じても、複数の電極を用いることによる冗長性があり、また、リードオフ検出に基づく装着情況の監視が可能である。これにより、生体信号計測装置１０を用いれば、例えば長時間にわたるモニタリングであっても高い確実性を持って実行することができる。

また、上記の構成を有する生体信号計測装置１０は、２４ビットの計測分解能による、高精度かつ広いダイナミックレンジでの電位計測が可能である。具体的には、±２．５Ｖの計測レンジにわたって、１μＶ以下の微弱な生体信号を０．２μＶの分解能で取得することができる。このような生体信号計測装置１０は、脳波、並びに心電位及び眼電位を含む各種の筋電位の測定に応用できる高い汎用性を有する。

［２．実施例］
上記の構成を有する生体信号計測装置１０は、上述のとおり、脳波計、心電計、筋電計等として用いることができる。以下では、本実施の形態に係る生体信号計測装置１０の実施例として、脳波計として用いられる生体信号計測装置１０を具体的に説明する。

［２−１．概要］
図２は、脳波計として用いられる生体信号計測装置１０の外観を示す模式図である。本図の（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。なお、図１で示された構成要素の一部は、本図では見やすさのために図示が省略されている。例えば貼付部１１５は透明であってその裏面側からも信号取得部１１０が視認可能であってもよいが、本図では信号取得部１１０の図示を省略している。なお、（ｂ）に示される図で下側の面が表面であり、この面が被検者の額に接触するように貼り付けて装着される。

図２の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、脳波計として用いられる生体信号計測装置１０では、貼付部１１５の裏面側（図の上方）に基板５００及び充電池３２０が重なるように配置される。充電池３２０は、ケーブル７００を介して基板５００に接続されている。

本実施例に係る生体信号計測装置１０において、上述のとおり伸縮及び屈曲自在で、かつ粘着性を有するシートである貼付部１１５の外形は、本図の（ａ）に示される平面視で、人の額に収まる程度の形状及び大きさを有する。なお、貼付部１１５は、一続きのシートをなす貼付部本体１１５ａと接続部１１５ｂとからなる。信号取得部１１０を含む貼付部本体１１５ａは略矩形であり、大きさは奥行き（図中のＤ）×幅（図中のＷ）が５ｃｍ×１５ｃｍの矩形に収まる程度である。これは、装着時の違和感が抑えられた生体信号計測装置１０は乳幼児に用いられる脳波計としても適していることに鑑み、乳幼児の額にも収まる大きさにしたものである。なお、信号取得部１１０の各電極の大きさは、この大きさの貼付部１１５の中でもある程度の間隔をおいて複数配置することができる程度に小さいものである。接続部１１５ｂは信号取得部１１０から出る配線（図２では図示省略）を含む。この配線は、接続部１１５ｂの先端まで延びて露出する。接続部１１５ｂは可撓性を有し、本実施例に係る生体信号計測装置１０の使用時には上記のとおりシート状の貼付部１１５を折り返すように曲げられて、平面視において先述の矩形に収まる。

基板５００は、本図の（ｂ）に示されるように、貼付部１１５の裏面と対向するように重ねられる。本実施例では、基板５００は粘着性のあるゲル状の物質からなるクッション６００を介して貼付部１１５に重ねられている。この基板５００には例えばフレキシブル基板が用いられる。これにより、前述のクッション６００と相俟って生体信号計測装置１０の装着時に被検者の額の形状、及び皮膚又は筋肉の動きへのある程度の追従性を持たせて装着時の違和感を抑えている。このフレキシブル基板には、信号取得部１１０が取得した生体信号を処理するための回路（以下、信号処理回路ともいう）が実装されている。また、基板５００には、信号取得部１１０が取得したが生体信号が配線を通ってこの信号処理回路に入力されるように接続部１１５ｂの先端が接続される。基板５００については詳細を後述する。

充電池３２０は、例えば厚さ約１ｍｍのシート状の柔軟性を有する電池であり、基板５００に接続された状態で、本図の（ｂ）に示されるように基板５００に対向するように重ねられる。容量は用途に応じたものが用いられ、例えば生体信号計測装置１０を睡眠中の被検者のモニタリングに用いる場合は、１０時間以上の連続使用が可能な大きさ、例えば生体信号計測装置１０の駆動電流が２０ｍＡとして、２００ｍＡｈ以上あるものを用いてもよい。

本実施例に係る生体信号計測装置１０では、このように貼付部１１５、クッション６００、基板５００、及び充電池３２０は重ねられる。クッション６００、基板５００、及び充電池は、この状態で生体信号計測装置１０を平面視すると、すべて上述の貼付部１１５の矩形状の範囲に収まる大きさに抑えられる。なお、基板５００と充電池３２０とを接続するケーブル７００もこの範囲に収まるものが用いられる。また、生体信号計測装置１０全体の厚さ（図中のＨ）及び重量も極力抑えられる。このように大きさ及び重さを抑えることで、生体信号計測装置１０を額に装着する被検者の装着感や違和感を小さくすることができる。上記の実施の形態に係る生体信号計測装置１０を本実施例の構成で基板５００及び充電池３２０を貼付部１１５の外形に収める場合、例えば厚さは７ｍｍ、重量は２５ｇを超えない程度に抑えることができる。なお、信号取得部１１０を含む貼付部１１５の厚さは軽量化のためには極力薄いものが望ましいが、実用的な取扱いをし易い程度の強度を持たせるために適度な厚みを持たせてもよい。例えば本実施例の大きさの貼付部１１５の場合、厚さは１ｍｍ程度で実用的な強度を得ることができる。

本実施例に係る生体信号計測装置１０の、被検者による装着例を図３に示す。本図では、充電池３２０の上から図２で示されていないカバーでさらに被った生体信号計測装置１０を、貼付部本体１１５ａの表面が被検者の額に接するよう貼り付けている。このように、本実施例に係る生体信号計測装置１０は市販の冷却ジェルシートのように額に貼付して用いられる。生体信号計測装置１０から外部に伸びる信号又は電力を伝送するケーブル類はなく、被検者は計測データの伝送先と無線通信が可能な範囲であれば自由に移動することができる。計測データの伝送先にノート型のパーソナルコンピュータやタブレット、スマートフォンなどの移動型の情報端末や記憶装置を用いることで、被検者の行動範囲の制限をさらに小さくすることができる。

また、従来、医療用途よりも簡易な構成の、研究又は民生用途の脳波計がある。これらの脳波計では、電極は弾性のある樹脂又はゴム等を用いた固定具を介して被検者の頭部に固定される。しかしこのような固定具は適用可能な頭部の大きさに上限及び下限がある。一方、本実施例における生体信号計測装置１０では、そのような固定具を介さずに電極を被検者の頭部に固定できるため、例えば頭囲の小さい乳幼児にも使用することができる。また、本実施例における生体信号計測装置１０では、弾性のある固定具のような頭部を絞める力が働かないため、例えば被検者の頭部に怪我があっても使用できる可能性が従来の脳波計よりも高い。

［２−２．貼付部及び信号取得部］
図４は、図２に示される本実施例に係る生体信号計測装置１０の、信号取得部１１０を含む貼付部１１５及び基板５００の構成例を示す図である。本図では、貼付部１１５を折り返さない状態で、貼付部１１５と基板５００とがコネクタ３５０を介して接続されている様子が示されている。

本図中、貼付部本体１１５ａ内にあるハッチングが施された８つの円（１１０ａ〜１１０ｈ）は、それぞれ個別の電極である信号取得部１１０を示す。本図に示される例では、貼付部１１５には、４つの信号取得部１１０の並びからなる、貼付部１１５の長手方向に延びる列が２つ並行して配置されている。また、各信号取得部１１０から接続部１１５ｂの右端まで延びる、ハッチングが施された線は、生体信号の経路である配線を示す。なお、信号取得部１１０の形状、個数、列数、信号取得部１１０どうしの位置関係はこの例に限定されない。また、配線のパターンはこの図に示される例に限定されない。

上述のとおり、これらの信号取得部１１０には基準電位を取得するための基準電極と、各場所で基準電位からの電位差を計測する計測電極とが含まれる。例えば、信号取得部１１０ａは基準電極であり、信号取得部１１０ｂは、信号取得部１１０ａが取得する基準電位からの電位差を計測する計測電極であってもよい。すなわち、信号取得部１１０ａは計測電極である信号取得部１１０ｂの基準電極である。同様に、信号取得部１１０ｃは計測電極である信号取得部１１０ｄの基準電極であり、信号取得部１１０ｅは計測電極である信号取得部１１０ｆの基準電極であり、信号取得部１１０ｇは計測電極である信号取得部１１０ｈの基準電極であってもよい。この場合、生体信号計測装置１０は４チャネルで生体信号を計測することができる。または、信号取得部１１０ａは、計測電極である信号取得部１１０ｂ〜１１０ｈの基準電極であってもよい。この場合、生体信号計測装置１０は７チャネルで生体信号を計測することができる。なお、信号取得部１１０の個数は上記のとおりこの例に限定されず、より多くの信号取得部１１０を用いてより多くのチャネルで計測することも可能である。

また、これらの複数の信号取得部１１０には、貼付部１１５と着脱可能な電極が含まれ、この電極が耳朶等の額以外の場所で基準電位を計測するための基準電極として用いられてもよい。例えば図５に示されるように、信号取得部１１０ａが貼付部本体１１５ａから分離可能な基準電極であってもよい。図５は、図２に示される本実施例に係る生体信号計測装置１０の、信号取得部１１０を含む貼付部１１５及び基板５００の構成の別の例を示す図である。図５では破線で示される位置に貼り付けられていた信号取得部１１０ａが貼付部本体１１５ａから剥がされて分離している状態が示されている。なお、貼付部本体１１５ａから分離している信号取得部１１０も、信号の経路である配線との接続は維持する。このように貼付部本体１１５ａから一旦剥がされた信号取得部１１０は、貼付部１１５の粘着性によって貼付部１１５に再度貼り付くことができる。

また、上述のとおり、接続部１１５ｂは可撓性を有するが、可撓性の程度は場所によって変化させてもよい。例えば、生体信号計測装置１０の取り回しにおける付勢や接続部１１５ｂの変形による応力は、基板５００との接続用のコネクタ３５０に噛ませる接続部１１５ｂの先端の部分に集中する。接続部１１５ｂが貼付部本体１１５ａと同様に柔軟な素材である場合は、この応力によってこの先端の部分が破損しやすい。このような早期の破損を防ぐために、例えば接続部１１５ｂは、信号取得部１１０（貼付部本体１１５ａ）に近い箇所から先端に近くなるほど硬度を増すような構成を有していてもよい。例えば図４において、Ａの範囲、つまり貼付部本体１１５ａ、及び接続部１１５ｂのうち貼付部本体１１５ａに近い部分は、共通して上述の伸縮性を有する柔軟なシリコーン素材である。続くＢの範囲では、容易に撓む程度に柔軟性は有するものの、Ａの範囲のような伸縮性はないプラスチック樹脂製とし、さらに続く、接続部１１５ｂの先端を含むＣの範囲では、Ｂの範囲と同様に伸縮性はなく可撓性はあるものの、Ｂの範囲のプラスチック樹脂よりさらに硬いプラスチック樹脂製としてもよい。この構成では、上述のような応力は接続部１１５ｂの先端部分に集中せず、接続部１１５ｂにおいて素材が切り替わる箇所にも分散される。これにより、応力による接続部１１５ｂの破損を遅らせて、貼付部１１５の耐用寿命を延ばすことができる。

［２−３．基板］
基板５００には、上述のとおり信号処理回路が実装されている。ここでいう信号処理回路には、入力部１００のうちの増幅部１２０とＡ／Ｄ変換器１３０、制御部２００、電源部３００のうちの充電回路３１０、及び出力部４００が含まれる。これらの構成要素のうち、生体の体表での電位の計測によって得られたアナログ信号を処理してデジタル信号に変換する増幅部１２０及びＡ／Ｄ変換器１３０はアナログ回路に、このデジタル信号の処理に関連する、制御部２００のＣＰＵ２１０、ベースバンドＤＳＰ２２０、接触状態検出部２３０、及びクロック生成部２４０、並びに処理されたデジタル信号を無線で送信する出力部４００はデジタル回路に、アナログ回路及びデジタル回路に電力を供給する、制御部２００の電源管理部２５０及び電力安定部２６０、並びに電源部３００の充電回路３１０及び充電池３２０は電源回路に分けられる。そして、これらのアナログ回路、デジタル回路、及び電源回路は、基板５００の実装面を３つの領域に分割して得られる領域に第１領域、第２領域、及び第３領域にそれぞれ実装される。例えば図４においてａで示される範囲が第１領域、ｃで示される範囲が第２領域、ｂで示される範囲が第３領域である。このようにアナログ回路の領域とデジタル回路の領域とを分けることで、一方で発生するノイズの他方へのまわり込みを抑えている。また、アナログ回路とデジタル回路とでは駆動電力の電圧が異なるため、充電池３２０からの出力系統はアナログ回路とでデジタル回路とで分けられる。一方でＧＮＤラインはアナログ回路とでデジタル回路とで共通である。したがって、このようにアナログ回路とデジタル回路が実装される領域を分け、基板５００内で極力離すことでノイズの影響を抑えている。

なお、図４に示される例では基板５００を分割して得られる各領域の形状及び大きさはほぼ同じであるが、本発明において基板５００の分割の仕方はこの例に限定されない。また、基板５００は物理的に連続する１枚のフレキシブル基板でなくてもよい。例えば第１〜第３領域のそれぞれ又は一部が別個のフレキシブル基板に実装され、これらのフレキシブル基板が信号や電力を伝送するための配線で接続されてもよい。

また、電源回路のうち、充電池３２０は基板５００上に実装されなくてもよい。例えば基板５００上に設けられたホルダーを介して基板５００上に実装されてもよいし、図２に示されるように、ケーブルを介してフレキシブル基板と接続されてもよい。

また、上記では基板５００がフレキシブル基板である場合が説明されているが、基板５００はフレキシブル基板には限定されない。つまり、基板５００はリジッド基板であってもよい。基板５００がリジッド基板であっても、生体信号計測装置１０に占める大きさを極力小さくすることで、クッション６００及び貼付部１１５を介して基板５００が被検者に与える違和感は抑えられる。

［２−４．精度］
本実施例に係る生体信号計測装置１０は、従来の医療用の脳波計測装置に比べてごく小さく、かつ簡便に利用が可能である。しかし、これを用いて計測される生体信号の精度が十分でなければ、医療機器としての用途に適さない。

図６Ａ及び図６Ｂは、本実施例に係る生体信号計測装置１０、及び医療用の脳波計測装置（日本光電株式会社製、Ｎｅｕｒｏｆａｘ（登録商標） ＥＥＧ−１２００、以下、Ｎｅｕｒｏｆａｘと表記する）の両方を、１人の被検者の額に装着し、並行して脳波を計測して得た脳波図である。なお、基準電位は耳朶にて取得した。図６Ａは被検者が眼を開いている状態、図６Ｂは被検者が眼を開いている状態で計測された脳波の脳波図である。これらの脳波図の曲線のうち、実線は本実施例に係る生体信号計測装置１０で取得した脳波を示し、破線はＮｅｕｒｏｆａｘで取得した脳波を示す。これらの脳波図からわかるように、両装置で取得された脳波は高い一致を示した。また、取得された脳波の周波数解析の結果も高い一致を示し、さらに、両装置で取得された脳波間では、相関係数０．９９以上の高い相関が見られた。このように、本実施例に係る生体信号計測装置１０は、例えば脳波のような微弱な電位変化であっても、医療用の脳波計測機器と同等の精度で計測することができる。

［２−５．利用例］
本実施例に係る、脳波計として用いられる生体信号計測装置１０は、従来の医療用その他用途の脳波計に比べて装着している被検者の負担が小さく、簡便に脳波の計測ができる。また装着したままの移動やある程度の作業が可能であることから、いわゆるウェアラブル機器として用いて日常生活に近い状態での脳波の常時計測を可能にする。

このような脳波計としての生体信号計測装置１０は、例えば睡眠時無呼吸症候の患者の自宅での睡眠状態管理、高齢者の自動車運転や機械作業等の能力の脳活動データによる定量的評価、脳活動の異変を伴う認知症、パーキンソン病、てんかん、精神疾患等の、脳活動の定量的評価による診断及びモニタリング、手術時の麻酔深度のモニタリング、脳の発達科学等の研究等で利用することができる。

また、創薬の分野においては、神経系の薬の投薬による脳活動の定量的変化のデータの収集に利用することができる。あるいは、医療の現場において、同目的の複数の薬から、患者に最適な薬を選択する指標となるデータの収集に利用することができる。

介護の分野においては、意思疎通に困難がある場合でも、脳波に基づいて温度や痛みなどの不快感を検知するための被介護者のモニタリングにも利用することができる。

さらには、実用化される製品としては、従来の脳波計よりも被検者の費用的な負担が小さくなることが見込まれる。これにより個々人での導入が容易になり、個別化医療を目的とするヘルスケアモニタリングの実現を促す。また、医療以外の分野では、脳波による機器の制御手段、脳波に基づく機器の自動運転と手動運転との切り替え手段等におけるユーザインターフェースとしての個人による利用が考えられる。

［３．その他の適用例］
上記の実施例では脳波計として用いられる生体信号計測装置１０について説明したが、上述のとおり、生体信号計測装置１０は心電計、眼電計、筋電計等の各種の電位に基づく生体信号の計測機器に適用できる。そして生体信号計測装置１０は、これらの計測機器としても、従来の機器に比べて装着感が少なく、かつ十分な精度での計測が可能な機器として提供される。

なお、これらの脳波以外の生体信号の計測機器として提供される生体信号計測装置１０も、基本的な構成は上述の実施の形態のとおりであり、電極である信号取得部１１０の個数及び配置、計測部位を被う貼付部１１５の形状及び大きさ、取得された生体信号の可視化のための処理アルゴリズム等の点で適宜変更して調整される。

このような計測機器は、例えば出産のタイミングの早期検知のための、家庭内での妊婦の子宮の筋電計として利用することができる。また、胎児の健康状態に異常がある場合のモニタリングのための手段、または胎児とのコミュニケーションツールとしての胎児の心拍計としての利用することができる。

また、スポーツやリハビリなどにおける身体制御のデータ収集に利用することもできる。このような用途においては、装着感が少なく運動を妨げないこと、かつ冗長性があるため、運動によって一部の電極が外れても計測を継続できることが本発明に係る生体信号計測装置１０の利点となる。

これらの用途の場合、貼付部１１５の形状及び大きさは、例えば、各用途に応じた信号取得部１１０の個数及び配置、並びに装着された状態での生体信号計測装置１０の安定性及びこれによって被検者に生じる装着感を考慮して適宜決定されるものであり、上記の実施例には限定されない。

さらには、装着感が小さいことから、上記の脳波計と併用して、比較的軽い被検者の負担で脳波と他の生体信号とを同時に計測することができる。

また、本発明は人体に用いる生体信号計測装置としての実施の形態及び実施例を用いて説明したが、人体以外の生体又は生体以外の電位変化の計測にも適用することができる。例えば、植物の表面の電位差の変化をモニタリングすることで農作物の生育管理に利用したり、建造物のコンクリート部分の表面の電位差をマッピングすることで、内部腐食の有無など内部状態の検査をしたりすることができる。なお、人体以外の用途においては、貼付部１１５の形状及び大きさは、例えば、各用途に応じた信号取得部１１０の個数及び配置、並びに設置された状態での生体信号計測装置１０の安定性を考慮して適宜決定されるものであり、上記の実施例には限定されない。

［４．変形例］
以上、本発明に係る生体信号計測装置について実施の形態及び実施例を用いて説明したが、本発明は上記の実施の形態及び実施例に限定されない。以下に、本発明に係る生体信号計測装置に加えられる変形例を挙げる。

例えば、上述の生体信号計測装置１０は、基板５００と貼付部１１５との間のクッション６００を備えなくてもよい。例えば基板５００は貼付部１１５に直接固定されてもよいし、図３に示されるカバーに固定されてもよい。また、基板５００と貼付部１１５とは必ずしも重ねて配置されなくてもよい。例えば図４に示されるように、接続部で折り曲げることなく展開した状態で用いられてもよい。

また、生体信号計測装置１０は、さらに生体信号のデータを記憶するための記憶装置を備えてもよい。この記憶装置は、例えば外部との無線通信が不可能な場合のデータの一時的な保存場所として用いられる。このデータは、無線通信が可能な状態で出力部４００を介して外部に出力されてもよい。または、生体信号計測装置１０は、脱着可能な通信用のケーブルでも出力できるように構成されてもよい。例えば、充電回路３１０が備えるＵＳＢのポートに接続されるケーブルからデータが出力されてもよい。

また、生体信号計測装置１０を装着する被検者の場所や行動、生体信号計測装置の用途に応じて、光や振動などを利用する環境発電を電源として併用してもよい。これにより連続使用時間を伸ばすことができる。なお、バッテリーの持続時間の調整は、目的に応じて必要な計測データを取得可能な範囲で、チャネル数、アナログ信号のサンプリングレート等を変更しても行うことができる。

また、電極である信号取得部１１０及び配線が形成されるシートである貼付部１１５は、上述のように伸縮及び屈曲が自在で、かつ、粘着性を有するものであればよく、その素材はシリコーン素材に限定されない。例えば貼付部１１５は、絆創膏のように、樹脂、ゴム、又は繊維（布）等の素材、又はこれらの組み合わせが用いられた同様の特性を有するシートであってもよい。

また、信号取得部１１０及び配線の素材である伸縮導体に用いられる材料は、上記の銀ナノワイヤーに限られない。導体である、金や銅等の他の金属のナノワイヤー又はカーボンナノファイバーに代えたり、これらが混合して用いられたりしてもよい。

上述の実施の形態及びその変形例の記載は、本発明の技術内容を説明することを目的とする例示としてなされたものであり、本願に係る発明の技術的範囲をこの記載に限定する趣旨ではない。本願に係る発明の技術的範囲は、明細書、図面、及び請求の範囲又はこれに均等の範囲において当業者が想到可能な限り、変更、置き換え、付加、省略されたものも含む。

本発明は、脳波計、心電計、眼電計、筋電計等の生体信号計測装置として利用可能であり、また、生体以外であっても、構造物の表面での電位計測のための装置として利用可能である。

１０ 生体信号計測装置
１００ 入力部
１１０、１１０ａ〜１１０ｈ 信号取得部
１１５ 貼付部
１１５ａ 貼付部本体
１１５ｂ 接続部
１２０ 増幅部
１３０ Ａ／Ｄ変換器
２００ 制御部
２１０ ＣＰＵ
２２０ ベースバンドＤＳＰ
２３０ 接触状態検出部
２４０ クロック生成部
２５０ 電源管理部
２６０ 電力安定部
３００ 電源部
３１０ 充電回路
３２０ 充電池
３３０ 接続端子
３５０ コネクタ
４００ 出力部
５００ 基板
６００ クッション
７００ ケーブル

Claims (9)

1. 生体に貼り付けて用いられる生体信号計測装置であって、
   複数の電極と前記複数の電極のそれぞれと接続される複数の配線とが形成され、伸縮及び屈曲自在で、かつ、粘着性を有するシートと、
   前記複数の配線に接続され、前記複数の配線を介して得られる生体信号を無線で送信する信号処理回路が実装された基板とを備え、
   前記複数の電極は、前記シートの表面に露出しており、
   前記シートと前記基板とは、前記シートの裏面と前記基板とが対向するように重ねられ、
   前記シートは、可撓性のある接続部を有し、
   前記複数の配線のそれぞれは、対応する前記電極から前記接続部まで延びており、
   前記接続部は、前記シートを折り返すように曲げられ、当該接続部の先端が前記信号処理回路に接続されており、
   前記シートが有する前記接続部は、前記複数の電極に近い箇所から前記先端に近くなるほど硬度が増す
   生体信号計測装置。
2. 前記シートの表面が前記生体に貼り付けられた状態で前記シート及び前記基板を平面視したときの外形は、５ｃｍ×１５ｃｍの矩形に収まる大きさである
   請求項１記載の生体信号計測装置。
3. 前記複数の電極には、基準電極と、複数の計測電極とが含まれる
   請求項１又は２記載の生体信号計測装置。
4. 前記基準電極は、前記シートと着脱可能な態様で、前記シートに貼り付けられている
   請求項３記載の生体信号計測装置。
5. 前記複数の電極には、複数の電極の並びからなる列が少なくとも２列で並行して配置された電極が含まれる
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の生体信号計測装置。
6. 前記信号処理回路は、前記複数の電極を介して得られるアナログ信号を処理してデジタル信号に変換するアナログ回路と、前記アナログ回路で得られたデジタル信号を処理して無線で送信するデジタル回路と、前記アナログ回路及び前記デジタル回路に電力を供給する電源回路とを有し、
   前記アナログ回路、前記デジタル回路及び前記電源回路は、前記基板の実装面を３つの領域に分割して得られる第１領域、第２領域及び第３領域にそれぞれ実装されている
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の生体信号計測装置。
7. 前記アナログ回路は、前記アナログ信号を２０ビット以上のビット数のデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を有する
   請求項６記載の生体信号計測装置。
8. 前記アナログ回路は、前記複数の電極と前記生体との接触インピーダンスを計測することによって前記複数の電極と前記生体との接触状態を検出する接触状態検出回路を有する
   請求項６記載の生体信号計測装置。
9. 前記電源回路は、
   充電可能な電池と、
   前記基板に設けられた接続端子と、
   前記接続端子から供給される電力で前記電池を充電する充電回路とを有する
   請求項６記載の生体信号計測装置。

Images