容量結合型電極を用いた生体内信号発生の3D計測と

容量結合型電極を用いた
生体内信号発生の３D計測と
心電図発生位置推定への応用
立命館大学理工学部ロボティクス学科
牧川方昭
080711JST新技術説明会
1/24
新しいヒトと機械の関係のパラダイムシフト
形式的な作業
の繰り返し
ロボットに
関するプロ
ロボットの操作範囲には
人間は立ち入り禁止
ヒトがロボットを気遣う
080711JST新技術説明会
ロボットを知らない
弱者（運動・知能）
弱者への
サービス
ヒトの生活の中に
ロボットが入り込む
ロボットがヒトを気遣う
2/24
静電容量結合型心電図計測の詳細
The Electrically Non-contacting ECG Measurement in Daily Life
Y.K.Lim1, K.K.Kim1, K.S.Park2
1
Medical & Biological Engineering, Seoul Nat’l Univ.
2
Dept. of Biomedical Engineering, Seoul Nat’l Univ.
Vout =
ZU =
ZL =
ZL
ZU + Z L
1
j ωC E
R in
1 + j ωC in R in
Vout
j ωR inC E
=
Va
1 + j ωR in (C in + C E )
Ri n
V out
j ωR in C E
が十分大きく，C in が十分小さければ， V = 1 + j ω R C + C = 1
a
in ( in
E)
すなわち，心電図と同じ電圧の信号がボルテージフォロワの出力に現れる．
080711JST新技術説明会
3/24
計測原理
絶縁電極
CE
容量結合
CE
Cin Rin
Vheart
CG
CK
Vin
CE
:生体と電極間の静電容量
CG
:生体と大地間の静電容量
CK
:生体と回路間の静電容量
Cin
:オペアンプの入力容量
Rin
:オペアンプの入力抵抗
Vheart
Vin
V in
=
V heart
:心臓の発生電位
:出力電圧
1
C
C
C
1
1
1
+ in +
+ in +
+ in + 1
j ω C E R in C E
j ω C G R in C G
j ω C K R in C K
※オペアンプの特性で Rin は限りなく大きい
ここで C in 〈〈 C G , C K , C E という条件を満たせば
Vin ≅ Vheart
080711JST新技術説明会
となる
4/24
2電極によるECGの測定
measured voltage [V]
insulated electrode
cotton T shirt
(max 17 pieces)
080711JST新技術説明会
orginal
digital-filtered
4
2
0
-2
-4
0
1
2
time
3
[sec]
4
5/24
絶縁電極１極の心電図計測
絶縁物：紙
50(H)×20(W)×1.5(D) mm
絶縁電極
容量型心電図[μV]
30
20
10
080711JST新技術説明会
容量型心電図
8
6
0
-10
4
従来の心電図
-20
-30
-40
-50
Sub.MT
2
0
1
1001
2001
3001
時間[s]
4001
5001
従来の心電図[mV]
in
out
-2
周波数帯域5Hz～100Hz
(60Hzのノッチフィルタ)
6/24
絶縁電極２極の心電図計測
30
Sub.MT
容量型心電図
容量型心電図[μV]
6
10
5
0
4
-10
3
従来の心電図
2
-20
1
-30
0
-40
-1
-50
-2
0
080711JST新技術説明会
従来の心電図[mV]
7
20
絶縁電極
8
1
2
時間[s]
3
4
周波数帯域5Hz～100Hz
(60Hzのノッチフィルタ)
7/24
実験③・実験④
絶縁電極：２極
＋グラウンドとなる表面電極
絶縁電極2極を人体近傍に設
置し，それぞれを差動増幅し
た心電図計測
out
Sub.MT
capacitive coupling [mV]
ただし，表面電極をグラウンド
として皮膚表面に設置した
capacitive coupling
30
ECG
8
20
6
10
0
4
-10
-20
2
-30
0
ECG [ mV]
実験③
-40
-50
0
1
2
3
4
5
-2
Time [s]
つまり，グラウンド電極は絶縁
電極として人体近傍に設置し
た
out
Sub.MT
in
capacitive coupling
30
ECG
8
20
6
10
0
4
-10
-20
2
-30
0
ECG [ mV]
絶縁電極2極[1極を信号用，
1極をグラウンド用]を人体近
傍に設置した心電図計測
絶縁電極：２極
（信号用とグラウンド用）
capacitive coupling [mV]
実験④
-40
-50
0
1
2
3
4
5
-2
Time [s]
080711JST新技術説明会
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実験⑤・実験⑥
絶縁電極：２極
（屋外での計測）
out
ただし，グラウンド電極は容
量結合で大地（地球）とつな
がると考え，人体近傍に設
置しない
capacitive coupling
30
ECG
8
20
6
10
0
4
-10
-20
2
-30
0
ECG [ mV]
屋外で絶縁電極2極を人体
近傍に設置し，それぞれを
差動増幅した心電図計測
Sub.MT
capacitive coupling [mV]
実験⑤
-40
-50
0
1
2
3
4
Time [s]
5
-2
60 Hzの
ノッチフィルタなし
実験⑥
080711JST新技術説明会
Sub.MT
out
capacitive coupling
30
ECG
8
20
6
10
0
4
-10
-20
2
-30
0
ECG [ mV]
ただし，自動車のシャーシが
グラウンドと想定でき，グラ
ウンド電極は容量結合で自
動車のシャーシとつながると
考え，人体近傍に設置しな
い
絶縁電極：２極
（車中での計測）
capacitive coupling [mV]
自動車内で絶縁電極2極を
人体近傍に設置し，それぞ
れを差動増幅した心電図計
測
-40
-50
0
1
2
3
Time [s]
4
5
-2
60 Hzの
ノッチフィルタなし
9/24
非接触心電図センシングの改良
3
2
電圧
1
0
-1
-2
-3
0
080711JST新技術説明会
time
2
10/24
非接触心電図センシングの改良：長時間計測結果
非接触ECG (V)
1.0
0
-1.0
1.0
非接触ECG (V)
旧回路
0
1
2
1
2
時間(hr)
3
4
3
4
新回路
0
-1.0
0
080711JST新技術説明会
時間(hr)
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導電布電極による睡眠中のECG計測例
Two electro-conductive cloth were used for capacity coupling electrode.
Subjects were asked to lie on a bed with wearing T-shirt.
Slightly deformed ECG but clear R-peak can be seen.
080711JST新技術説明会
12/24
筋電図（上腕二頭筋）計測
電極2
（絶縁電極）
電極1
（絶縁電極）
グラウンド
（表面電極）
周波数帯域5Hz～100Hz
(60Hzのノッチフィルタ)
Sub.MT
out
080711JST新技術説明会
13/24
今回用いた計測原理
伝達関数
生体
インピーダンス
電極
Vs
Rb
Rf
Cf
カットオフ周波数一定
j ωR f C f
j ωR f C e
Vout
=
⋅
Vs
1 + jωR f C f 1 + jω ( R f + Rb )Ce
Vout
Ce
Rf
Ceが変化することによりフィルタ回路
のカットオフ周波数(Fc)が変化する
電圧ソース型
ハイパスフィルタ
（2次）
ゲイン曲線
ゲイン
Fcがこれ以上にならな
いようにする
必要な
周波数帯域
ＦｃＦｃ‘
20[Hz]
周波数
Ceが減少するとFcが増加
080711JST新技術説明会
14/24
静電容量型電極を用いた筋電図計測実験
実験目的
電圧ソース型HPFを用いた計測システムにより，
容量値の影響を低減できるかの検証
電圧ソース型HPF使用時と未使用時の比較
実験内容
屈曲運動時の筋電図計測
実験条件
計測部位：上腕二頭筋
GND位置：橈骨
増幅率：前段20[dB] 後段40[dB]
計測場所：シールドルーム
計測電極位置
080711JST新技術説明会
GND電極位置
15/24
実験結果
2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
電圧[V]
電圧[V]
0.5
0
-0.5
0
-0.5
-1
-1
-1.5
-1.5
-2
-2
0
1
2
3
4
5
0
1
2
3
4
5
時間[s]
時間[s]
電圧ソース型HPFを使用した際の
等尺性収縮時の筋電図
電圧ソース型HPFを未使用時の
等尺性収縮時の筋電図
電圧ソース型ハイパスフィルタ未使用時では電極の面積を変えると
筋電図波形に大きな影響が出る．
080711JST新技術説明会
16/24
屈曲運動時の筋電図波形
2
1.5
1
電圧[V]
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-2
0
1
2
3
4
5
時間[s]
電圧ソース型ハイパスフィルタ・電極Lを使用した時の筋電図波形
体動成分の影響による基線の揺らぎは見られない
080711JST新技術説明会
17/24
静電容量型電極を用いた眼電位計測
静電容量型電極
(ground)
静電容量型電極
(signal)
・被験者は，健常成人男性５人（23歳±1）
・計測部位は，上腕二頭筋
・安静座位で，5秒間の瞬きした時の眼電位を計測した
・計測はシールド室で実施
静電容量型電極
(signal)
080711JST新技術説明会
18/24
複数絶縁電極を用いた非接触心電図計測
[front]
②
①
⑩
③
⑨
④
⑧
⑤
⑥
⑦
⑩
①
②
胸部表面に１０個の絶縁電
極を貼り、各電極の静電容
量データを計測。
Insulated electrode
[rear]
※Transverse section of body
Insulated electrode
CE
capacitive coupling
• 被験者－２２歳、男性
• サンプリング周波数 - 200Hz
• １Hz ハイパスフィルタにより、体動によるノイズを除
去、60Hz ノッチフィルタにより商用電源ノイズを除去
• 計測時間 – ２０秒
• グラウンド電極は左足に貼付
Frequency range：1Hz～100Hz
Notch filter (60Hz)
080711JST新技術説明会
19/24
1.5
1
0.5
0
①
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
-0.5
0
0.5
1
-1
1.5
2
2.5
time[t]
output voltage[mV]
②
2
output voltage[mV]
output voltage[mV]
各電極における計測結果
-1.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0
-0.5
-1
-1.5
0
0.5
1
1.5
2
output voltage[mV]
⑨
③
2.5
time[t]
2
1.5
1
0.5
④
1
1.5
2
0.5
1
1.5
time[t]
2
2.5
output voltage[mV]
0
⑥
⑦
2.5
0.5
1
1.5
2
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
-1
-1.5
⑧
2
1.5
1
0.5
0.5
1
1.5
2
2.5
1.5
2
2.5
time[t]
[rear]
0
-0.5
-1
-1.5
2
⑨
0
⑤
1.5
0
-0.5
-1
-1.5
2.5
time[t]
2
1.5
1
0.5
2
1.5
1
0.5
0
⑧
⑤
0.5
1
time[t]
④
0
-0.5
-1
-1.5
0
⑩
output voltage[mV]
0
output voltage[mV]
①
②
0
-0.5
-1
-1.5
output voltage[mV]
[front]
③
0.5
time[t]
output voltage[mV]
output voltage[mV]
time[t]
2
1.5
1
0.5
⑩
2
1.5
1
0.5
⑥
0
-0.5
-1
-1.5
2
1.5
1
0.5
⑦
0
-0.5
-1
-1.5
0
0.5
1
time[t]
0
0.5
1
1.5
2
2.5
time[t]
080711JST新技術説明会
20/24
心電図発生位置の推定結果
[front]
[left]
estimate value of b [cm]
4
3
2
1
[Right]
0
-3
-2
-1
0
1
2
3
-1
※Transverse section of body
-2
seen from parietal region
estimate value of a [cm]
[rear]
2
1.5
1
0.5
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
100
200
300
time[s]
080711JST新技術説明会
400
60～180
3
0
0
0～30
30～60
estimate value of b [cm]
2.5
output voltage[mV]
4
0～30
30～60
60～180
180～210
210～340
340～370
370～500
500
180～210
210～340
2
340～370
370～500
1
0
-3
-1
1
3
-1
-2
estimate value of a [cm]
21/24
従来技術の課題と新技術の特徴
従来技術
従来の表面電極による生体内信号の３D計測の場
合、電極の貼り具合などから、正確な生体内信号を
同定するのが難しい。
新技術
容量型電極により、電極ペーストの乾燥などの問題
がなくなり、正しい生体内信号の計測が可能となる。
体幹の回りに設置した複数の容量型電極により、生
体内信号の分布計測が可能となる。
複数の生体計測データから、生体内信号の３D計測
が可能となる。
080711JST新技術説明会
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本技術に関する知的財産権

発明の名称：生体信号計測方法及び装置
出願番号：特願2006-098643
出願人
：学校法人立命館
発明者
：牧川方昭
塩澤成弘
丸山敏弘
080711JST新技術説明会
23/24
お問合わせ先
立命館大学
理工リサーチオフィス
市原岳洋

080711JST新技術説明会
ＴＥＬ：077-561-2802
ＦＡＸ：077-561-2811
E-mail：[email protected]
24/24

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