JP2008295867A - Biological signal measuring device - Google Patents
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- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Abstract
Description
検体者の生体信号、特に筋電位を容量結合型で計測する生体信号計測装置に関する。 The present invention relates to a biological signal measuring apparatus that measures a biological signal of a subject person, in particular, a myoelectric potential by a capacitive coupling type.
筋収縮時に観測される生体信号は筋電とよばれ,各筋繊維における100mV程度の電位変化を生体内あるいは皮膚表面で測定したものである。生体内で侵襲的に測定する方式は細かい筋活動をみるのに適し、皮膚表面で非侵襲的に測る方式はより大きな筋活動に適している。 The biological signal observed during muscle contraction is called myoelectricity, and is measured in vivo or on the skin surface by a potential change of about 100 mV in each muscle fiber. The method of measuring invasively in a living body is suitable for seeing detailed muscle activity, and the method of measuring noninvasively on the skin surface is suitable for larger muscle activity.
筋電のアプリケーションとしては、筋疾患などの診断、筋疲労や運動機能の人間工学的評価に加え、制御やヒューマンインタフェース用の信号源として用いられている。筋疾患の診断など、筋活動を忠実に反映した信号を必要とするケースにおいては、針電極などを用いて侵襲的に筋電を測定する。これに対して、ヒューマンインタフェース等への適用においては手軽に測定できることが重視されるため、非侵襲的に皮膚表面で測定することが多い。 Myoelectric applications are used as signal sources for control and human interface in addition to diagnosing muscle diseases and ergonomic evaluation of muscle fatigue and motor function. In cases where a signal that faithfully reflects muscle activity, such as diagnosis of a muscular disease, is required, myoelectricity is measured invasively using a needle electrode or the like. On the other hand, in application to a human interface or the like, since it is important to be able to measure easily, measurement is often performed non-invasively on the skin surface.
しかしながら、筋電は生体内を伝わるときに減衰するため、皮膚表面で観測される信号は極めて微弱であり、特に商用電源から混入するノイズの影響は無視することができない。この外乱ノイズは皮膚と電極との接触抵抗が一因であり、従来は、導電性のペーストを用いる等の前処理によって接触抵抗を小さくすることにより、外乱ノイズの影響を小さくする方式が用いられてきた。しかし、導電ペーストを用いる方式では、長時間、連続して測定する場合に、導電性ペーストの経時変化が問題となり、また、導電性ペーストの皮膚への塗布、剥がし、測定後の皮膚の洗浄等、脱着時の負担が大きく、実用化の妨げとなっていた。さらに、ヒューマンインタフェース等への適用においては、筋電センサの装着を専門知識のない一般の作業員が行う必要があり、脱着の頻度も大きいことから、装着時の繁雑な前処理が敬遠される傾向にあった。また、実際の使用場面では、十分な皮膚の前処理を行わずに使用することによってノイズが混入し、期待した通りの動作をしないケースが発生している。 However, since myoelectrics are attenuated when transmitted through the living body, the signal observed on the skin surface is extremely weak, and the influence of noise mixed in from a commercial power source cannot be ignored. This disturbance noise is partly due to the contact resistance between the skin and the electrode. Conventionally, a method of reducing the influence of the disturbance noise by reducing the contact resistance by pretreatment such as using a conductive paste has been used. I came. However, in the method using the conductive paste, the time-dependent change of the conductive paste becomes a problem when measuring continuously for a long time. Also, the conductive paste is applied to the skin, peeled off, washed after the measurement, etc. The burden at the time of detachment was large, which hindered practical application. Furthermore, in application to human interfaces, etc., it is necessary for ordinary workers without specialized knowledge to attach myoelectric sensors, and since the frequency of attachment / detachment is large, complicated preprocessing at the time of attachment is avoided. There was a trend. Further, in actual use situations, there are cases where noise is mixed in by using without performing sufficient skin pretreatment, and the operation does not work as expected.
この問題の解決のために、皮膚の前処理を必要とせず、手軽に扱うことのできる筋電センサとして、絶縁物電極を用いた静電容量性結合に基づく筋電センサが開発されている。このセンサでは、皮膚の状態に影響されにくい測定が可能であるに留まらず、布などの絶縁物を介して筋電を測定することができる(例えば、非特許文献1参照)
また、例えば、筋電義手として、義肢ソケットの内側に筋電センサを取り付け、義肢ソケットの内側に人体の手の断端部を挿入して、断端部の皮膚の上から直接筋電を測定することが知られている(例えば、特許文献1参照)。
Also, for example, as a myoelectric prosthetic hand, a myoelectric sensor is attached to the inside of the prosthetic limb socket, a stump portion of the human hand is inserted inside the prosthetic limb socket, and the myoelectricity is measured directly from above the skin at the stump portion. It is known to do (see, for example, Patent Document 1).
非特許文献1に示すものでは、検出電極部で静電容量性結合に用いる電気絶縁体として、陽極酸化アルミニウム、酸化珪素、チタン酸バリウム、二酸化シリコン、窒化珪素などのセラミックコンデンサを加工して用いているため、電極の大きさや形を自由に変更するのが困難であり、形状の自由度が不足している。また、使用時の耐久性に問題があった。
In the
特許文献1に示すものでは、柔軟な基板に検出センサを設けることで、皮膚表面に沿って自在に変形し得る基板が、皮膚表面に対して、弾性変形可能な支持部材を介して相対的に押付けられるようになっており、皮膚と検出センサとの接触不良を防止するようにしている。しかし、この特許文献1では基板構造を工夫して接触不良を低減するようにしているが、接触抵抗に起因する問題を解決するものではない。
In the one disclosed in
このため、皮膚の接触抵抗に関わらず高感度に検出可能なものであって、その上、低コストで形状に自由度のある電極材料を用いた容量結合型筋電センサ、即ち容量結合型生体信号計測装置を開発することが強く望まれている。 For this reason, a capacitively coupled myoelectric sensor using an electrode material that can be detected with high sensitivity regardless of the contact resistance of the skin and has a low degree of freedom in shape, that is, a capacitively coupled biological body. It is strongly desired to develop a signal measuring device.
そのために、本願の発明者は、皮膚の接触抵抗に関わらず高感度に検出可能なものとしては容量結合型筋電センサであることが好ましいので、容量結合型筋電センサを前提として、その上、低コストで形状に自由度のある電極材料について、種々の研究を重ねていった。特に、検出電極部の電気絶縁体としてセラミックコンデンサに代わるものについて、研究を重ねていった。 Therefore, the inventor of the present application preferably uses a capacitively coupled myoelectric sensor as a sensor that can be detected with high sensitivity regardless of the contact resistance of the skin. Various researches have been made on electrode materials with low cost and flexibility in shape. In particular, research has been conducted on an alternative to a ceramic capacitor as an electrical insulator of the detection electrode section.
その結果、本願の発明者は、コンデンサなどの容量型の絶縁物にこだわっていると要求を満足するものを得られないので、導電体電極、例えば銀電極等の導電体電極を使って、容量結合型生体信号計測装置(例えば、筋電センサ)を作成することができないかと言う逆転発想を行った。ただ、導電電極体を使用すると、低コストで形状に自由度はあるが、発汗時等で電極と汗(電解液)の間で電極電位が発生し、これに起因するノイズが混入することが問題となる。 As a result, the inventor of the present application cannot obtain what satisfies the requirements when sticking to a capacitive insulator such as a capacitor, and therefore, using a conductor electrode such as a silver electrode, An inversion idea was made as to whether a combined biological signal measuring device (for example, myoelectric sensor) could be created. However, if a conductive electrode body is used, the shape is flexible at a low cost, but an electrode potential is generated between the electrode and sweat (electrolyte) when sweating, etc., and noise caused by this may be mixed. It becomes a problem.
本発明では、上記発汗時等のノイズ問題を解決しつつ、低コストで形状に意自由度のある容量結合型生体信号計測装置を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a capacitively coupled biological signal measuring device having a degree of freedom in shape at a low cost while solving the above-described noise problem such as sweating.
具体的には、導電体電極を使って容量結合型電極にするために、導電体電極の表面に、絶縁部材、特にチタンテープなどの誘電率の高い絶縁テープ状部材を配置して疑似容量結合型電極としたことを特徴とする。 Specifically, in order to make a capacitively coupled electrode using a conductor electrode, an insulating member, particularly an insulating tape-like member having a high dielectric constant, such as titanium tape, is arranged on the surface of the conductor electrode, and pseudo capacitive coupling is performed. It is characterized by being a mold electrode.
具体的には、請求項1の発明は、検体者の生体信号を測定する生体信号計測装置であって、上記検体者からの生体信号に基づく電位を測定する検出電極部と該検体者に接触させて基準電位を検出する基準電極部を備える差電検出手段と、上記差電検出手段から出力される信号を処理する信号処理回路とを備え、上記検出電極部が、導電体電極と、該導電体電極の表面に薄いテープ状部材からなる絶縁物を積層した2重構造からなる特徴とする。
Specifically, the invention of
請求項2の発明は、請求項1に記載の生体信号計測装置において、生体信号計測装置が検体者の皮膚表面から筋電位を測定する筋電計測装置であって、該検出電極部は該皮膚表面からの筋電位を測定し、基準電極部は該皮膚表面の基準電位を検出するようになっていることを特徴とする。
The invention of
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載の生体信号計測装置において、導電体電極が、銀電極、銀・塩化銀電極、金電極のいずれか1つからなることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the biological signal measuring apparatus according to the first or second aspect, the conductor electrode is composed of any one of a silver electrode, a silver / silver chloride electrode, and a gold electrode.
請求項4に発明は、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の生体信号計測装置において、差電検出手段の検出電極部が2つ設けられ、基準電極部が、両検出電極部の間に該両検出電極部から等距離の位置に配置されたことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the biological signal measuring device according to any one of the first to third aspects, the two detection electrode portions of the differential detection means are provided, and the reference electrode portion is provided between the two detection electrode portions. It is characterized by being arranged at an equidistant position from both the detection electrode portions.
請求項1の発明によれば、微細な電位である生体信号を高精度に検出でき、検体者の検出部位や乾燥等の状態によらず同レベルの生体信号を計測可能であることに加え、低コストで形状自由度が高い容量結合型生体信号検出装置を得られる。その上、絶縁物が薄いテープ状部材であり、確実に絶縁できて、且つ絶縁物を簡単に交換できる。
According to the invention of
請求項2の発明によれば、微細な電位である筋電を高精度に検出でき、皮膚の乾燥具合によらず同レベルの筋電信号を計測可能であることに加え、低コストで形状自由度が高い容量結合型筋電センサを得られる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、更に低コストで、生体信号をより高精度に検出できる。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、コンパクトな生体信号計測装置を得られる。
According to the invention of
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the following description of the preferred embodiment is merely illustrative in nature, and is not intended to limit the present invention, its application, or its use.
この実施形態では、本発明の生体信号検出装置を筋電センサに適用した場合を示す。図1及び2に示すように、筋電計測装置1の検出電極部2を、検出体Kの段端部Dの皮膚表面Hに被せた断端袋Fの上から接触させる。検出体Kの動作意思を筋電計測装置1で検出される信号によって検出し、義手Gを動作させる手助けとするように利用する。具体的には、筋電計測装置1の検出電極41,42はそれぞれ、図3及び図4に示すように、プラスチックなどの絶縁体のケース44に銀電極42a、42aが取り付けられ、この銀電極の上に、チタンテープ等の誘電率の高い絶縁テープ41b、42bを被覆し、疑似的なコンデンサ回路を形成して、生体の交流信号を検出する。検出電極41,42の間に、検出電極41,42から等距離の位置に基準電極43を取り付けている。
In this embodiment, a case where the biological signal detection device of the present invention is applied to an myoelectric sensor is shown. As shown in FIGS. 1 and 2, the
具体的な検出は、図1及び図2に示すように、筋電計測装置1の検出電極部41、42及び基準電極部43を検出体Kの皮膚表面Hに断端袋Fの上から接触させる。その結果、基準電極部43と検出電極部41、42とでそれぞれ検出電位s1、s2とが検出され、その検出電位s1、s2に外乱n1、n2との合算値s1+n1、s1+n2が差動増幅部24に入力される。差動増幅部24では、(s1+n1)−(s2+n2)が演算されて、その信号が増幅されて出力される。差動増幅部24は、差電検出部24aとプリ増幅部24bとを備える。
Specifically, as shown in FIGS. 1 and 2, the
差電検出部24aにより、高精度に皮膚からの筋電を検出できる。プリ増幅部24bを設けたことにより、皮膚表面からの微細な筋電位をプリ増幅部で増幅することで、必要な信号を確実に検出できる。また、高インピーダンスのため、最もノイズの乗り易い電極―増幅部間の配線を最短距離にて接続することでノイズの影響を最小限に抑えることができる。
The myoelectricity from the skin can be detected with high accuracy by the
図5に示すように、差動増幅部24からの信号S11は、信号処理部30に送られる。信号処理部30では、例えば、遮断周波数が1.6Hzの第1ハイパスフィルタ32を設けて、1.6Hz以下の周波数成分を低減し、更に遮断周波数が1327Hzのローパスフィルタ31を設けて、この値以上の周波数成分を低減し、通常の外乱周波数領域である領域の周波数帯を除去するようにしている。この実施形態では、その上、通常では除去しない周波数領域を含む周波数領域の除去フィルタとして、遮断周波数が300Hzである第2ハイパスフィルタ33を設け、300Hz以下の周波数成分を低減している。この第2ハイパスフィルタ33によって、大きな外乱の1つである商用周波数領域を除去し、この周波数領域近辺の周波数成分も外乱要因として除去するようにした。その上、本実施形態では、断端袋Fを介して検出体Kの皮膚表面Hの信号を検出するようにしているが、断端袋8(F)と検出電極部41、42の接触圧が変化した場合等に発生する基線変動が大きいため、第2ハイパスフィルタによってこの影響を増幅前に除去するようにした。
As shown in FIG. 5, the signal S <b> 11 from the
このように、所定周波数以下の周波数領域を大胆に除去した後の信号S12を増幅部34に送り、増幅器34で増幅する。増幅した後で、ノッチフィルタ35で、商用周波数である50Hz或いは60Hzを再度除去し、商用周波数の影響を確実に排除して、信号S13として出力する。その結果、筋電計測装置1として必要な筋電位を効果的に検出できる。
In this way, the signal S12 after boldly removing the frequency region below the predetermined frequency is sent to the
検出電極部41,42で用いる絶縁体に要求される機能としては、絶縁できることと以外に、発汗に対して雑音信号を発生しにくいことが好ましい。特に、容易に取付け・取外しができて交換できることが好ましく、更には、皮膚に対して障害を与えない、低コストで得られるものが好ましい。絶縁物としては、例えば、絆創膏、耐震テープ、両面テープ、セロハンテープ(商標)、シールテープ等が適用できる。特に、チタンテープは、絶縁でき、発汗に対して雑音信号を発生しにくく、容易に取付け・取外しができるので、好ましい。
As a function required for the insulator used in the
この絶縁体の膜厚は、厚すぎると電位を生じ難くなり、絶縁がとれるのなら薄ければ薄いほど良く、一般的に用いられているテープの厚さであれば、静電容量性結合を維持できる厚さであり、素材によって厚さ自体は異なり数値化して特定することは難しい。 If the thickness of this insulator is too thick, it is difficult to generate an electric potential, and if insulation can be obtained, the thinner the better, the better the thickness of the tape that is generally used, and capacitive coupling. It is a thickness that can be maintained, and the thickness itself is different depending on the material, and it is difficult to specify it numerically.
電極としては、接触電位差が低いものが好ましく、銀電極、金電極、銀・塩化銀電極等が使用される。特に、電極電位差が低く、汗と電極とで電位差を生じにくいのは銀・塩化銀電極であるが、加工コストが高く耐久性に問題がある。また金電極では素材のコストが高い。銀電極は、筋電局や銀・塩化銀電極に比較して、電極電位の点で僅かに劣るが、加工しやすく材料コスト上でも有利である。 The electrode preferably has a low contact potential difference, and a silver electrode, a gold electrode, a silver / silver chloride electrode, or the like is used. In particular, it is a silver / silver chloride electrode that has a low electrode potential difference and is unlikely to cause a potential difference between sweat and an electrode, but has a high processing cost and a problem in durability. The gold electrode is expensive. Silver electrodes are slightly inferior in terms of electrode potential compared to myoelectric stations and silver / silver chloride electrodes, but are easy to process and advantageous in terms of material cost.
(実施例1)
図4に示すように、銀電極41、42の上に厚さ0.2mmのチタンテープを貼り付け、中央に基準電極43を装着した。仕様としては、ゲイン(プリ増幅部24b)は、13.821倍、入力インピーダンスは1000TΩ、CMR(分弁率)は78dBとした。
Example 1
As shown in FIG. 4, a 0.2 mm thick titanium tape was pasted on the
(比較例1)
非特許文献1に示す容量結合型筋電センサを用い、測定用の電極として、還元再酸化型チタン酸バリウム系半導体磁気コンデンサを加工して、検出電極41、42の代わりに用いた。仕様は、実施例1と同じ。
(Comparative Example 1)
A capacitively coupled myoelectric sensor shown in
次に、実施形態と比較例1とを用いた筋電の測定例を説明する。 Next, an example of measuring myoelectricity using the embodiment and Comparative Example 1 will be described.
実施形態の筋電計測装置及び比較例1の筋電計測装置を、それぞれ前腕屈筋群の筋腹付近の皮膚表面に並べてリストバンドで固定した。実施形態では基準電極43を一体に埋め込んでいるが、比較例1と実験条件をそろえるために,共通の基準電極を前腕の伸筋側の皮膚表面に接触させて測定を行った。
The myoelectric measurement device of the embodiment and the myoelectric measurement device of Comparative Example 1 were arranged on the skin surface in the vicinity of the muscle abdomen of the forearm flexor muscle group and fixed with a wristband. In the embodiment, the
測定は3種類行い、まず(1)脱力時に混入するノイズ信号を測定し、次に(2)最大収縮時に観測される信号の測定を行った。更に(3)電子メトロノームにあわせて1秒毎に脱力と最大収縮を繰り返しながら測定した。図6〜図11に測定した信号波形のグラフを示し、図6,8及び10が比較例1であり、図7,9及び11が実施形態の測定結果を示す。上段がアンプから出力されるEMG信号をAD変換して取り込んだ電圧で,下段が信号のパワースペクトルである。 Three types of measurements were performed. First, (1) the noise signal mixed during weakness was measured, and then (2) the signal observed during maximum contraction was measured. In addition, (3) measurement was repeated while repeating weakness and maximum contraction every second according to the electronic metronome. 6 to 11 show graphs of the measured signal waveforms, FIGS. 6, 8 and 10 show Comparative Example 1, and FIGS. 7, 9 and 11 show the measurement results of the embodiment. The upper row is the voltage obtained by AD conversion of the EMG signal output from the amplifier, and the lower row is the signal power spectrum.
図6と図7の脱力時のパワースペクトルを比較すると、比較例1に対して実施形態の方が50Hzの商用電源ノイズの混入が大きいものの、図8、図9の最大収縮時のグラフからみると、どちらも50Hzのノイズレベルを上回る筋電信号を測定できていることが解る。また、図10と図11に示すメトロノームにあわせた筋収縮時のグラフからは、比較例1でも実施形態でも筋収縮と脱力を明確に分離可能な信号を測定できているのがわかる。
またパワースペクトルのグラフから、銀電極41a(42a)をチタンテープ41b(42b)で絶縁した場合に、低周波成分と高周波成分がともに減衰しているのがわかる。チタンテープ41b(42b)と銀電極41a(42a)の組合せが、帯域通過フィルタのような働きをしていると考えられる。これらのグラフから、比較例1と実施形態では遜色なく、筋収縮時と脱力時を明確に分離可能であることがわかる。即ち、実施形態の筋電センサが疑似容量結合型筋電センサとして、容量結合型筋電センサと同レベルの筋電検出が可能であることを示している。
Comparing the power spectrum at the time of weakness in FIG. 6 and FIG. 7, the embodiment is larger in comparison with the first comparative example, but it is seen from the graphs at the time of the maximum contraction in FIG. 8 and FIG. It can be seen that both can measure myoelectric signals exceeding the noise level of 50 Hz. Further, it can be seen from the graphs at the time of muscle contraction in accordance with the metronome shown in FIGS. 10 and 11 that a signal capable of clearly separating muscle contraction and weakness can be measured in both Comparative Example 1 and the embodiment.
Further, it can be seen from the graph of the power spectrum that when the
なお、実施形態は筋電センサであるが、本発明は、この筋電センサに限らず他の構造の筋電センサにも適用でき、更には他の生体信号計測装置にも適用できるものである。 In addition, although embodiment is a myoelectric sensor, this invention is applicable not only to this myoelectric sensor but to the myoelectric sensor of other structures, Furthermore, it can apply also to another biological signal measuring device. .
以上説明したように、本発明に係る生体信号計測装置は、各種生体信号の検出、例えば筋電義手や筋電義足などの筋電センサ等に適用できる。 As described above, the biological signal measuring apparatus according to the present invention can be applied to detection of various biological signals, for example, myoelectric sensors such as myoelectric prosthetic hands and myoelectric prostheses.
1 筋電計測装置
2 差電検出手段
41 検出電極部
41a 銀電極
41b 絶縁物
42 検出電極部
42a 銀電極
42b 絶縁物
22 差電検出部
23 基準電極部
24 差動増幅部
30 信号処理回路
31 ローパスフィルタ
32 第1ハイパスフィルタ
33 第2ハイパスフィルタ
34 増幅部
35 ノッチフィルタ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記検体者からの生体信号に基づく電位を測定する検出電極部と該検体者に接触させて基準電位を検出する基準電極部を備える差電検出手段と、
上記差電検出手段から出力される信号を処理する信号処理回路とを備え、
上記検出電極部が、導電体電極と、該導電体電極の表面に薄いテープ状部材からなる絶縁物を積層した2重構造からなることを特徴とする生体信号計測装置。 A biological signal measuring device for measuring a biological signal of a specimen person,
A difference detection unit comprising a detection electrode unit for measuring a potential based on a biological signal from the sample person and a reference electrode unit for contacting the sample person to detect a reference potential;
A signal processing circuit for processing a signal output from the differential detection means,
The biological signal measuring device, wherein the detection electrode section has a double structure in which a conductor electrode and an insulator made of a thin tape-like member are laminated on the surface of the conductor electrode.
生体信号計測装置が検体者の皮膚表面から筋電位を測定する筋電計測装置であって、該検出電極部は該皮膚表面からの筋電位を測定し、基準電極部は該皮膚表面の基準電位を検出するようになっていることを特徴とする生体信号計測装置。 The biological signal measuring apparatus according to claim 1,
The biosignal measuring device is a myoelectric measuring device that measures myoelectric potential from the skin surface of the subject person, wherein the detection electrode unit measures myoelectric potential from the skin surface, and the reference electrode unit is a reference potential of the skin surface A biological signal measuring device characterized in that the signal is detected.
導電体電極が、銀電極、銀・塩化銀電極、金電極のいずれか1つからなることを特徴とする生体信号計測装置。 In the biological signal measuring device according to claim 1 or 2,
The biological signal measuring device, wherein the conductor electrode is one of a silver electrode, a silver / silver chloride electrode, and a gold electrode.
差電検出手段の検出電極部が2つ設けられ、
基準電極部が、両検出電極部の間に該両検出電極部から等距離の位置に配置されたことを特徴とする生体信号計測装置。 In the biological signal measuring device according to any one of claims 1 to 3,
Two detection electrode portions of the differential detection means are provided,
A biological signal measuring device, wherein the reference electrode unit is arranged at a position equidistant from the two detection electrode units between the two detection electrode units.
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