JP6858748B2 - 制御容量の容量電極センサを用いて電気生理学的パラメータを測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、容量電極を有するセンサ（容量電極センサ）、及び該センサを備える、被験者の生理学的パラメータを測定する装置に関する。

電気生理学とは、電気的性質の生理学的信号に関する研究分野である。最も一般的に行われる測定は、筋電図による筋活動の測定、心電図による心筋活動の記録、又は脳波による脳活動の記録である。

これらの信号は、非侵襲的に、皮膚測定領域で直接測定することができる。

使用者の生理学的状態を連続的に監視するために、導電性電極を皮膚測定領域に接触させることが知られている。皮膚測定領域での電極の電気的接触により、電気生理学的活性から生じる電位変動が電極の電位を変化させる。これらの変化は、電子回路によって直接記録される。

しかしながら、この種類のセンサの動作は、ゲル又は他の水系導電性物質の使用によって一般に得られる皮膚測定領域との良好な電気的接触を必要とする。導電性物質の使用は、被験者のためのシステムのエルゴノミクス、特性の経時的安定性、特に研究所又は療養所の外で電極を配置する時間に著しく悪影響を与える。

Ｃｏｇｎｉｏｎｉｃｓ社、ｇ．ｔｅｃ社、ｅｍｏｔｉｖ社、及びｎｅｕｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ社は、皮膚測定領域と電極との間に電気接触ゲルを添加する必要のない乾式導電性タイプの電極を開発している。これらの装置は、米国特許第４９６７０３８号明細書、米国特許第８３２６３９６号明細書、米国特許第８６４４９０４号明細書、米国特許第８５４８５５４号明細書に記載されている。

しかしながら、これらの乾式導電性タイプの電極は、皮膚測定領域との電気的接触を必要とし、皮膚刺激を引き起こす可能性がある。一方で、電極と皮膚測定領域との間の電気的接触の弱さにより、高いインピーダンスが生じ、収集された電気生理学的信号の品質が劣化する。これらのシステムでは、発汗も信号の品質劣化の原因となる。

これらの制限を解消するために、電気的接触を必要としない、いわゆる容量電極が提案されている。

英国特許出願公開第２３５３５９４号明細書には、電気生理学的測定のための容量電極が開示されている。しかし、適切な形状でない場合、皮膚測定領域、特に頭皮などの毛管力が強い領域では、反復可能かつ安定性のある距離が保証できない。したがって、電極の実効容量が変動を受け、記録される信号を劣化する。

米国特許出願公開第２０１４／０１７１７７５号明細書には、耳内静電容量電極システムが開示されている。この電極の位置決めは電気生理学の標準の一部ではないので、このような測定は一般に医学又は研究環境では使用できない。

本発明の目的は、精度及びエルゴノミクスの向上を可能にする、支持体と一体化された静電容量測定装置によって電気生理学的パラメータを測定する方法を提案することである。

この目的は、絶縁性の本体と、導電性の容量素子とを備える、被験者の生理的パラメータを測定する容量電極センサによって達成される。

本体は、絶縁性材料からなる。この本体は、基部及び該基部から突出する複数の突起を含む。これらの突起により、突起の端部が測定領域と直接機械的に接触するように、毛管要素（ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）を通り抜けることが可能となる。

容量素子の各々は、本体の内部に埋め込まれた導電性材料から構成される。各容量素子は、突起の端部が被験者の皮膚に接触しているときに容量素子が皮膚から所定の距離を有するように、各突起の端部で本体の内部に配置されている。

これら両方の特徴により、測定要素、すなわち容量素子を測定領域から一定の距離に配置することが可能となり、発汗により影響されない反復可能な一定の容量（キャパシタンス）を得ることができる。

センサは、以下の特徴のうち少なくとも１つをさらに有することができる。

本体は単一の材料片で形成されている。

本体は、絶縁性材料を容量素子上に直接成形することにより形成することができる。

センサは、基部内に延在する電子基板と、各容量素子を電子基板に接続する導電性ワイヤとを備える。

本体は、容量素子、電子基板、及び導電性ワイヤの周りに材料を成形することによって形成することができる。これにより、全ての構成要素が本体の内部に埋め込まれるため、水中に浸漬できる装置を提供することができる。これは、例えば衣類のような洗浄可能な支持体上にセンサを取り付けることが意図されている場合に有利である。

電子基板は、容量素子の電位に応じて、生理学的パラメータの測定信号を生成するように構成することができる。

また、センサは、本体内に配置され、基部の一部に延在する遮蔽層を備えることができる。この遮蔽層により、測定領域に由来しない電磁妨害に対する感度を低下させることができる。

遮蔽層は、電子基板と容量素子の間に配置することができる。

センサは、容量素子によって測定される電位を表す電気信号を処理する外部装置に電子基板を接続するため、本体を貫通して延びるコネクタをさらに備えることができる。

また、本発明は、被験者の生理学的パラメータを測定する装置であって、
被験者の体の一部を覆うことが可能な支持体と、
上述のうち少なくとも１つのセンサと、を備え、このセンサは、被験者が支持体で覆われているときに、突起の端部が被験者の皮膚に接触した状態が支持体により維持されるように、支持体に取り付けられる装置に関する。

この支持体により、反復可能かつ簡単にセンサを配置することが可能となる。また、この支持体により、センサと測定領域の間に機械的応力を加えることが可能となる。この機械的応力により、センサの移動に伴う摂動を最小限に抑えることができ、センサと測定領域との機械的接触が保証される。

本発明の一実施形態では、支持体は、心電図の記録を可能にするために被験者の胴を被覆可能な衣類である。

本発明の別の実施形態では、支持体は、脳波の記録を可能にするために被験者の頭部を被覆可能な衣類である。

本発明の別の実施形態では、支持体は、筋電図の記録を可能にするために被験者の胴を被覆可能な衣類である。

本発明の一実施形態では、上記装置は、参照センサと、１つ又は複数の測定センサとを備える。これにより、いわゆる参照電極を用いて、いわゆる示差測定を行うことが可能となる。

さらに、本発明は、上述の装置を用いて被験者の生理学的パラメータを測定する方法であって、
参照センサにより参照信号を得る工程と、
測定センサにより測定信号を得る工程と、
測定信号から参照信号を差し引くことで生理学的パラメータを表す信号を得る工程と、を備える方法に関する。

本発明の一実施形態では、上記方法は、生理学的パラメータを表す信号に、該信号の特定の周波数成分の別の周波数成分に対する相対振幅を増加させる補正フィルタを適用する工程をさらに備えることができる。

実際に、以下で説明するように、容量素子はハイパスフィルタとして機能する。このフィルタは、障害であると考えられる信号を修正する。適切な補正フィルタ（以下で説明する）を適用することで、測定領域の電位の変動をより表す信号を得るように、周波数スペクトルの修正を事後的に補正することによって、欠陥を修正することが可能となる。

他の特徴及び利点は、以下の説明からさらに明らかになるであろう。この説明は、単なる例示であって、限定するものではなく、添付の図面と併せて解されるべきである。

本発明の第１の実施形態による電気生理学的パラメータを測定する装置の一例を概略的に示す。 本発明の第２の実施形態による電気生理学的パラメータを測定する装置の別の例を概略的に示す。 本発明の第２の実施形態による電気生理学的パラメータを測定する装置の別の例を概略的に示す。 本発明の一実施形態による容量電極センサを底面図で概略的に示す。 図３の容量電極センサを断面図で概略的に示す。 図３の容量電極センサを上面図で概略的に示す。 容量電極センサの電子回路と該容量電極センサの外部要素の一例を概略的に示す。 遮蔽システムを含む容量電極センサの電子回路と該容量電極センサの外部要素の別の例を概略的に示す。

図１及び図２において、図示された電気生理学的信号を測定する装置は、例えば筋電図、脳波、又は心電図などの被験者の少なくとも１つの電気生理学的パラメータを追跡するために支持体１１１に取り付けられた複数の容量電極センサ１１を備える。

支持体１１１は、測定領域を被覆可能なＴシャツ又は帽子などの衣類として実現される。

容量電極センサ１１の支持体１１１は、頭皮４０の皮膚測定領域と突起３４の先端部３３の間の機械的接触を向上するように容量電極センサ１１に機械適応力を加えることを可能にする機械的特性及び裏打ちを有する。

図１に図示される実施形態では、容量電極センサの支持体は、胴を囲むＴシャツである。

図１に図示される実施形態では、容量電極センサを１３〜１９の位置に配置することで心臓の電気的活動を記録することができ、容量電極センサを１０１〜１０４の位置に配置することで腕及び腹部での筋肉の電気的活動を記録することができる。

容量電極センサ１１の位置は、使用者による測定装置の設置により、関心のある電気生理学的パラメータの測定が可能となる体の位置で容量電極センサ１１の所定の反復可能な位置決めがなされるように、予め決定される。

図２Ａに図示される特定の実施形態では、生理学的パラメータを測定する装置は、脳波測定ヘルメット２である。

特定の実施形態では、帽子１１１における容量電極センサの配置は、図２Ｂに図示される実施形態のように、周知の取り付け方である１０−２０法に従う。

特定の実施形態では、突起３４の先端部３３と皮膚測定領域４０の間の機械的接触を向上させるため、頭皮での容量電極センサの機械的拘束を増すように、上記の脳波測定ヘルメット２に顎紐２３を含めることができる。

図３及び図４は、容量電極センサ３の一実施形態を示す。

本実施形態では、容量電極センサ３は、絶縁性材料からなる本体３２を備える。本体は、０．５ｃｍ以上３ｃｍ以下の平坦な基部３１と、基部３１から突出する複数の突起３４とを含む。本体３２は、単一の材料片で形成されている。

容量電極センサ３は、導電性材料からなる複数の容量素子３０１をさらに備える。各容量素子３０１は各突起３４の端部で本体３２内に埋め込まれているため、突起３４の端部が被験者４０の皮膚に接触している際、容量素子３７は測定領域４０とキャパシタを形成しながら、皮膚から所定の距離をおかれる。

電子基板３６は、本体３２の基部３１内に延在している。

各容量素子３７は、ワイヤ３８によって電子基板３６に接続されている。

コネクタ３５は、本体３２を貫通して延び、電子基板３６を外部の記録装置又は生理学的信号処理装置に接続する。

本体３２は、好ましくは、容量素子３７、電子基板３６、及びワイヤ３８の周りに成形されることで、単一の材料片から構成される。

突起３４は、選択された実施形態に応じて、周期的又は疑似周期的な配置で、等距離になるように分布される。突起３４間の距離、数、基部３１上の突起３４の分布、及び突起３４の形状は、被験者の皮膚測定領域との直接の機械的接触を達成するため、突起３４が毛管の厚さを通り抜けることができるように最適化される。

このように、被験者に応じて、本明細書に提示された実施形態の特異性の結果として、突起３４の先端部３３と皮膚測定領域４０との間の毛管要素が全く存在しないか、又は、非常に少数となることで、皮膚測定領域と容量素子３７との間の距離を経時的に安定かつ反復可能なものとすることができる。これは、皮膚測定領域と容量素子３７との間に形成されるキャパシタの容量の値を、経時的に安定かつ反復可能なものとする効果を有する。これにより、電気容量性センサに関連する信号の品質を大幅に改善することが可能となる。

各容量素子３７の電位は、得られた測定領域４０（図４参照）における電界の変化に特に敏感である。その電気的特性と皮膚測定領域４０への物理的近接により、突起３４の先端部での容量素子３７の電位が、近くの皮膚測定領域４０の電位と結合される。

絶縁性本体３２は、コネクタ３５を除いて、容量電極センサの全ての要素を囲む。また、本体３２は容量電極センサに機械的抵抗特性を与える。

特定の実施形態では、突起が毛管領域を通り抜けて皮膚測定領域４０と直接機械的に接触するように、３〜５０個の突起３４が、細長い形状を有し、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の直径を有する。

突起の端部３３と皮膚測定領域との間のこの機械的接触は、測定の間、一定であり、容量素子３７と皮膚測定領域４０との間の一定かつ反復可能な距離を保証する。この特徴により、電気生理学的な電位の測定における、皮膚発汗の影響を排除することができる。

皮膚測定領域４０から容量素子３７を隔てる絶縁性材料からなる本体３２の厚さは、所望の特徴にもよるが、５０μｍ以上５００μｍ以下である。

素子３７及び４０からなる実効容量の値は、突起３４の形状及び容量電極センサ当たりの突起３４の数に依存する。より具体的には、容量は、容量素子３７の直径、素子３７と皮膚測定領域４０との間の絶縁性材料３２の厚さ、絶縁性材料３２の電気誘電率、及び容量電極センサ３当たりの突起３４の数に依存する。この容量の値は、関係式：Ｃ＝∈Ｎａ／ｄから算出することができる（式中、Ｃは測定領域４０及び素子３７により形成されたキャパシタの実効容量、∈は本体３２の絶縁性材料の誘電率、Ｎは１センサ当たりの突起の数、ａは容量素子３７の有効径、ｄは容量素子３７と皮膚測定領域４０との間の絶縁性材料の厚さを表す）。容量の算出は有限要素法を用いて行うこともできる。この手法では、皮膚測定領域を平面でモデル化することができる。

特定の実施形態では、センサは、本体３２の内部に配置され、基部３１の幅にわたって延在する遮蔽要素３９を含む。

容量電極センサの電子要素４２、４３、４４に関連付けられた遮蔽要素３９により、測定領域外の要素によって生成される電磁放射によって発生する寄生要素を低減することが可能となる。遮蔽要素３９は、非反転入力が導電性素子３７に電気的に接続された演算増幅器４２を用いる技術により、特定の電位に維持される。反転入力は、遮蔽要素３９と演算増幅器４２の出力の両方に接続される。「フォロワ」と呼ばれるこの電子回路により、容量素子３０１と同じ電位に遮蔽要素３９の電位を維持することが可能となる。遮蔽要素３９は、外部装置によって放射される電磁妨害から容量素子３０１を保護するために効果的に作用することができる。増幅器４２の出力は、容量素子３０１上の電位と同じ電位を有するため、測定された電気生理学的信号のコピーを伝達する。

容量電極センサは、増幅器４２の出力でコピーされた電気生理学的信号を増幅し調整するための電子基板３６を含む。この増幅・調整基板は、増幅器４３及び抵抗器４４、４４４、並びにキャパシタ４５を含み、その電気的特性により、増幅のゲインを決定することができる。ゲインは、抵抗器４４、４４４及びキャパシタ４５の値と同様に、４３で増幅された信号のレベルがＡＤＣ４７によって正確にデジタル化されるのに十分であるように決定される。さらに、抵抗器４４４及びＡＤＣ４７の直ぐ上流のキャパシタ４５は、ローパスフィルタを形成し、その特性を容易に決定することができる。

図６Ｂを参照すると、遮蔽要素３９及び増幅器４２を含む実施形態において、演算増幅器４３に関連付けられた容量素子３７の伝達関数は、極座標の周波数空間で次のように表される：Ｈ_ｃａｐａ＝（１＋Ｒ_ＡＯ／Ｚ_ｃａｐａ）^−１。式中、Ｒ_ＡＯは、本実施形態による要素４２、又は、４２及び４３の実効入力インピーダンスであり、極座標におけるインピーダンスＺ_ｃａｐａは、Ｚ_ｃａｐａ＝−ｉ／ωＣ（ｉは虚数単位、ωは角周波数、Ｃはキャパシタの電気容量）により定義され、これらの多様な算出方法が上述されている。

特定の実施形態では、容量電極センサ３に接続される第２の電子回路４８は、その伝達関数Ｈ_{ｆｉｌｔｅｒ}が、伝達関数Ｈ_ｃａｐａの逆数（Ｈ_ｃａｐａ×Ｈ_{ｆｉｌｔｅｒ}＝１）であるデジタルフィルタを含む。

容量素子３０１と皮膚測定領域４０によって形成されるキャパシタの容量の値が経時的に安定かつ反復可能であると、容量電極センサの伝達関数も経時的に安定かつ反復可能となる。したがって、伝達関数が予め定められているデジタルフィルタは、電極３の伝達関数に常に適合し、これにより、経時的に安定かつ反復可能な、良好な信号品質が保証される。

Claims (12)

1. 被験者の生理学的パラメータを測定するための容量電極を有するセンサであって、
   基部（３１）及び該基部（３１）から突出する複数の突起（３４）を含む、絶縁性材料からなる、単一の材料片で形成された本体（３２）と、
   前記本体（３２）内に埋め込まれた、導電性材料からなる複数の容量素子（３７）と、
   複数の導電性ワイヤ（３８）と、
   前記本体（３２）の前記基部（３１）内に延在する電子基板（３６）と、を備え、
   各容量素子（３７）は、前記複数の導電性ワイヤ（３８）の１つにより、前記電子基板（３６）に接続され、前記電子基板（３６）は、前記容量素子（３７）の電位に応じて、前記生理学的パラメータの測定信号を生成するように構成され、
   前記容量素子（３７）、前記電子基板（３６）、及び前記導電性ワイヤ（３８）は、前記本体（３２）内に埋め込まれ、
   各容量素子（３７）は、前記突起（３４）の端部が前記被験者の皮膚に接触しているときに前記容量素子が前記皮膚から所定の距離を有するように、各突起（３４）の前記端部で前記突起（３４）内に配置されることを特徴とするセンサ。
2. 前記本体（３２）内に配置され、前記基部（３１）の一部に延在する遮蔽層（３９）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記遮蔽層（３９）が、前記電子基板と前記容量素子（３７）の間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
4. 前記容量素子（３７）によって測定された電位を表す電気信号を処理する外部装置に前記電子基板（３６）を接続するように、前記本体（３２）を貫通して延びるコネクタ（３５）をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ。
5. 前記本体（３２）が、前記容量素子（３７）、前記電子基板（３６）、及び前記導電性ワイヤ（３８）上に前記絶縁性材料を直接成形することによって形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセンサ。
6. 被験者の生理学的パラメータを測定する装置であって、
   前記被験者の体の一部を覆うことが可能な支持体（１１１）と、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の少なくとも１つのセンサと、を備え、
   前記センサは、前記被験者が前記支持体（１１１）で覆われているときに、前記突起（３４）の前記端部が前記被験者の前記皮膚に接触した状態が前記支持体（１１１）により維持されるように、前記支持体（１１１）に取り付けられることを特徴とする装置。
7. 前記支持体（１１１）が、心電図の記録を可能にするために前記被験者の胴を被覆可能な衣服であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記支持体（１１１）が、脳波の記録を可能にするために前記被験者の頭部を被覆可能な衣類であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 前記支持体（１１１）が、筋電図の記録を可能にするために前記被験者の胴を被覆可能な衣服であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
10. 参照センサと、１つ又は複数の測定センサと、を備えることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の装置。
11. 請求項１０に記載の装置を用いて被験者の生理学的パラメータを測定する方法であって、
    前記参照センサにより参照信号を得る工程と、
    前記測定センサにより測定信号を得る工程と、
    前記測定信号から前記参照信号を差し引くことで前記生理学的パラメータを表す信号を得る工程と、を備えることを特徴とする方法。
12. 前記生理学的パラメータを表す信号に、該信号の特定の周波数成分の別の周波数成分に対する相対振幅を増加させる補正フィルタを適用する工程を備えることを特徴とする請求項１１に記載の方法。

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