生体信号測定装置
【課題】接触抵抗を高精度に測定することが可能な生体信号測定装置を提供すること
【解決手段】本技術に係る生体信号測定装置は、電圧源と、測定電極と、抵抗器と、第１の増幅器と、ニュートラル電極とを具備する。測定電極は、電圧源に接続され、生体に接触する。抵抗器は、電圧源と測定電極の間に接続される。第１の増幅器は、抵抗器と測定電極の間の電位を増幅する。ニュートラル電極は、生体に接触する。
【解決手段】本技術に係る生体信号測定装置は、電圧源と、測定電極と、抵抗器と、第１の増幅器と、ニュートラル電極とを具備する。測定電極は、電圧源に接続され、生体に接触する。抵抗器は、電圧源と測定電極の間に接続される。第１の増幅器は、抵抗器と測定電極の間の電位を増幅する。ニュートラル電極は、生体に接触する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、脳波や心電図等の生体信号を測定するための生体信号測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脳波、筋電図、心電図、体脂肪率等、生体（ヒトを含む動物）に電極を接触させて電位信号（以下、生体信号）を測定する生体信号測定装置において、電極と生体表面の間には接触抵抗が存在する。
【０００３】
接触抵抗は、抵抗値が大きい場合には特に、電極によって検出される生体信号に影響を与えるため、生体表面と電極の接触面に導電性ペーストを塗布する等して接触抵抗を下げることが通常である。しかし、接触抵抗を完全に除去することは困難であるため、生体信号の測定前に接触抵抗を測定することが行われる。
【０００４】
例えば、非特許文献１には、交流電圧源から抵抗器を介して電極に交流信号を印加し、接触抵抗における電位差からインピーダンス（接触抵抗）の値を求めるデジタル脳波計が記載されている。即ち、当該デジタル脳波計においては、印加電圧が抵抗器と接触抵抗によって分圧されることとなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】柳原一照、"デジタル脳波計のひみつ"、［online]、関東神経生理検査技術研究会、［平成２３年８月１日検索］、インターネット〈URL：http://www2.oninet.ne.jp/ts0905/deeg/deegsemi.htm〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に記載のデジタル脳波計においては、１０Ｖという高電圧が１００ＭΩという高抵抗を介して電極に供給されている。通常、接触抵抗は１０ＫΩ程度であり、これは抵抗器の抵抗値に比べて１万分の１程度である。
【０００７】
このため、接触抵抗による分圧は抵抗器の分圧に比べて著しく小さく、交流電圧源や抵抗器の誤差の影響を受け易い。例えば抵抗器が１％の誤差を有する場合でも誤差範囲が接触抵抗と同程度以上となり、接触抵抗を高精度に測定するには適宜キャリブレーションが必要と考えられる。
【０００８】
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、接触抵抗を高精度に測定することが可能な生体信号測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る生体信号測定装置は、電圧源と、測定電極と、抵抗器と、第１の増幅器とを具備する。
上記測定電極は、上記電圧源に接続され、生体に接触する。
上記抵抗器は、上記電圧源と上記測定電極の間に接続される。
上記第１の増幅器は、上記抵抗器と上記測定電極の間の電位を増幅する。
【００１０】
上記構成によれば、電圧源から印加された電圧は、抵抗器と接触抵抗によって分圧される。第１の増幅器によって、抵抗器と測定電極の間の電位が検出されるため、接触抵抗による分圧から接触抵抗の抵抗値を算出することが可能となる。
【００１１】
上記抵抗器は、上記測定電極と上記生体の接触抵抗の抵抗値範囲のうち、測定したい抵抗値範囲の対数中心値となる抵抗値を有してもよい。
【００１２】
上記のように、電圧源から印加される電圧は、抵抗器と接触抵抗によって分圧されるが、接触抵抗の分解能は抵抗器の抵抗値によって異なり、抵抗器の抵抗値を対数中心値とする範囲が最も高い分解能を得ることができる。したがって、抵抗器の抵抗値をこの値とすることにより、高精度に接触抵抗を測定することが可能となる。
【００１３】
上記抵抗値範囲は、１０ＫΩ以上１ＭΩ以下の範囲であり、上記抵抗器は、１００ＫΩの抵抗値を有してもよい。
【００１４】
測定電極が生体表面に装着された際の接触抵抗の一般的な範囲を、１０ＫΩ以上１ＭΩ以下の範囲に設定する。このとき、抵抗器の抵抗値を１００ＫΩとすることにより、この範囲の接触抵抗を高精度に測定することが可能となる。
【００１５】
上記抵抗器と、上記測定電極の間の接続を開閉することが可能なスイッチをさらに具備してもよい。
【００１６】
この構成によれば、当該スイッチをＯＦＦすることにより、電圧源から測定電極への電圧の印加が停止され、生体において生じる電位信号（生体信号）を検出することが可能となる。
【００１７】
上記生体信号測定装置は、第２の増幅器と、上記生体に接触し上記第２の増幅器に接続されたリファレンス電極をさらに具備してもよい。
【００１８】
この構成によれば、電極毎の接触抵抗測定が可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本技術によれば、本技術の目的は、接触抵抗を高精度に測定することが可能な生体信号測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本技術の第１の実施形態に係る生体信号測定装置の構成を示す模式図である。
【図２】検出電圧と接触抵抗の相関を示すグラフである。
【図３】同生体信号測定装置の動作を示す模式図である。
【図４】本技術の第２の実施形態に係る生体信号測定装置の構成を示す模式図である。
【図５】同生体信号測定装置から送信され、ディスプレイに表示される各電極の接触抵抗値を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（第１の実施形態）
本技術の第１の実施形態に係る生体信号測定装置について説明する。
【００２２】
［生体信号測定装置の構成］
図１は、本実施形態に係る生体信号測定装置１の構成を示す模式図である。生体信号測定装置１は、ユーザの頭表に接続され、ユーザの脳波を測定する装置（脳波計）であるものとするがこれに限られず、筋電図、心電図、体脂肪率等、生体（ヒトを含む動物）において生じる生体信号を測定することが可能な装置であるものとすることができる。同図に示すように生体信号測定装置１は、電圧源１０、抵抗器１１、スイッチ１２、増幅器１３、測定電極１４及びニュートラル電極１５を有する。
【００２３】
電圧源１０は抵抗器１１に接続され、抵抗器１１はスイッチ１２に接続されている。スイッチ１２は測定電極１４に接続され、増幅器１３はスイッチ１２と測定電極１４の間に接続されている。ニュートラル電極１５はグランドに接続されている。同図に示すように、測定電極１４とニュートラル電極１５はユーザの頭表に装着され、導電性ペースト等を介して電気的に接続されている。
【００２４】
電圧源１０は、一般的な交流電圧源を用いることができる。周波数や電圧は特に限定されないが、例えば周波数１０Ｈｚ、電圧振幅±５００μＶとすることができる。以下、電圧源１０による印加電圧をＶ１とする。
【００２５】
抵抗器１１は、印加電圧を接触抵抗（後述）との間で分圧する。以下、抵抗器１１の抵抗値をＲ１とする。抵抗値Ｒ１の詳細については後述する。
【００２６】
スイッチ１２は、回路の開閉を可能とする。詳細は後述するが、生体信号測定装置１においては、スイッチ１２の開閉により接触抵抗の測定と生体信号（脳波等）の測定を切り替えることが可能となっている。
【００２７】
増幅器１３は、測定電極１４が＋端子に、グランドが−端子に接続され、増幅器１３によって分圧された電圧Ｖ０を増幅して出力する。増幅器１３は一般的なオペアンプ（オペレーショナル・アンプリファイア）を用いることが可能である。
【００２８】
測定電極１４は、生体表面（ここでは、ユーザの頭表）に接触し、電気的に接続される。測定電極１４は、ユーザの頭表の所定の位置、例えば国際１０−２０法によって規定された位置に装着されるものとすることが可能である。また、測定電極１４は複数基が設けられることも可能である。
【００２９】
測定電極１４の構造は特に限定されないが、導電性ペーストが塗布されて用いられる導電性部材や、導電性液体を含浸する弾性部材等とすることができる。測定電極１４と生体表面の接触抵抗は、生体表面の性状や取り付け方によって異なるが、通常は数十〜数百ＫΩ程度である。
【００３０】
ニュートラル電極１５は、測定電極１４と同様に生体表面に接触し、電気的に接続される。ニュートラル電極１５は、脳波の影響の小さい位置、例えばユーザの耳朶やこめかみ等に装着されるものとすることができる。ニュートラル電極１５は測定電極１４と同様の構造とすることができる。
【００３１】
［生体信号測定装置の動作］
電圧源１０から電圧（以下、電源電圧）Ｖ１が印加されている状態でスイッチ１２がＯＮされると、微小な電流Ｉが抵抗器１１を通過して、測定電極１４からユーザの頭部を介し、ニュートラル電極１５に流れる。したがって、測定電極１４とユーザの頭表の接触抵抗、ユーザの頭部の抵抗、ユーザの頭表とニュートラル電極１５の接触抵抗の和（以下、生体の抵抗成分）を抵抗値Ｒ２とすると、以下の（式１）が成り立つ。
【００３２】
Ｖ１＝Ｒ１・Ｉ＋Ｒ２・Ｉ （式１）
【００３３】
また、増幅器１３において検出される電圧（以下、検出電圧）Ｖ０は、以下の（式２）で表される。
【００３４】
Ｖ０＝Ｉ・Ｒ２ （式２）
【００３５】
上記（式１）及び（式２）から電流Ｉを消去すると、次の（式３）が得られる。
【００３６】
Ｖ０＝Ｖ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２） （式３）
【００３７】
（式３）を変形すると、次の（式４）が得られる。
【００３８】
Ｒ２＝Ｒ１・Ｖ０／（Ｖ１−Ｖ０） （式４）
【００３９】
このようにして、増幅器１３において検出される検出電圧Ｖ０から生体の抵抗成分の抵抗値Ｒ２を求めることができる。上記（式１）に示すように、電源電圧Ｖ１が抵抗器１１の抵抗値Ｒ１と生体の成功成分の抵抗値Ｒ２によって分圧されるため、検出電圧Ｖ０は抵抗値Ｒ１によって異なる。
【００４０】
ここで、本技術に係る生体信号測定装置１においては、抵抗器１１の抵抗値Ｒ１を、測定したい抵抗値Ｒ２の範囲の対数中心値とする。測定したい抵抗値Ｒ２の範囲は、使用する測定電極１４の種類や生体表面の装着方法（導電性ペーストの有無等）に応じて任意に設定することが可能である。抵抗値Ｒ１をこのように設定することにより、抵抗値Ｒ２の測定範囲を広げ、且つ高精度な測定が可能となる。
【００４１】
具体的には、測定したい抵抗値Ｒ２の範囲が１０ＫΩ〜１ＭΩであるとすると、抵抗値Ｒ１を上記範囲の対数中心値である１００ＫΩとする。図２は抵抗値Ｒ１を１００ＫΩとし、電圧源１０の振幅を±５００μＶとした場合の生体の抵抗成分の抵抗値Ｒ２と検出電圧Ｖ０の相関を示すグラフである。
【００４２】
同図に示すように、検出電圧Ｖ０は抵抗値Ｒ１の値を中心とする範囲（図中に範囲Ａとして示す）が最も傾きが大きく、当該範囲から離れた範囲（図中に範囲Ｂとして示す）では傾きが小さくなる。具体的には、抵抗値Ｒ２が１０ＫΩ〜１ＭΩの範囲で検出電圧Ｖ０は１００μＶ〜４００μＶの広い範囲で変化するのに対し、抵抗値Ｒ２が１０ＫΩ未満では０〜１００μＶ、１ＭΩ超では４００μＶ〜５００μＶと、それぞれ比較的狭い範囲の変化となる。これは、範囲Ａにおいては抵抗値Ｒ２が微小に変化しても検出電圧Ｖ０が変動すること、即ち抵抗値Ｒ２の高い検出精度（分解能）が得られることを意味する。
【００４３】
一方、範囲Ｂにおいては高い検出精度を得ることはできないが、抵抗値が十分小さければ、生体信号測定に与える抵抗値Ｒ２の影響は無視することができ、一方で抵抗値が異常に大きければ、測定電極１４が生体表面から外れていると判断できる。したがって、いずれの場合であっても、抵抗値Ｒ２の概算値さえ取得できれば、詳細な値を取得する必要性は乏しいといえる。
【００４４】
即ち、本技術に係る生体信号測定装置１においては、抵抗器１１の抵抗値Ｒ１を、測定したい生体の抵抗成分の抵抗値Ｒ２の範囲の対数中心値とすることにより、抵抗値Ｒ２を必要な範囲で高精度に測定することが可能である。
【００４５】
また、生体信号測定装置１は、スイッチ１２の開閉により接触抵抗測定と生体信号（脳波等）測定の切替が可能に構成されている。具体的には、スイッチ１２がＯＮのときには、上述のように電圧源１０から電圧が印加され、接触抵抗が測定される。スイッチ１２がＯＦＦのときには、測定電極１４の信号が増幅器１３によって増幅され、生体信号が測定される。
【００４６】
図３は、生体信号測定装置１による接触抵抗測定及び生体信号測定の動作を示す模式図である。同図に示すように、生体信号測定の前にスイッチ１２をＯＮとして接触抵抗測定を実施し、接触抵抗が所定範囲以内ならばスイッチ１２をＯＦＦとして生体信号測定を開始するものとすることができる。その後、生体信号測定中に所定時間毎に接触抵抗測定を実施し、接触抵抗の測定や測定電極１４の外れの検出等を行うものとすることができる。
【００４７】
以上のように、本実施形態に係る生体信号測定装置１においては、必要な範囲の接触抵抗を高精度に測定し、ひいては接触抵抗の影響を受ける生体信号を高精度に測定することが可能である。
【００４８】
（第２の実施形態）
本技術の第２の実施形態に係る生体信号測定装置について説明する。本実施形態において第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する場合がある。
【００４９】
［生体信号測定装置の構成］
図４は、本実施形態に係る生体信号測定装置２の構成を示す模式図である。生体信号測定装置２は、ユーザの頭表に接続され、ユーザの脳波を測定する装置であるものとするがこれに限られず、筋電図、心電図、体脂肪率等、生体において生じる生体信号を測定することが可能な装置であるものとすることができる。同図に示すように生体信号測定装置２は、電圧源２０、抵抗器２１、スイッチ２２、増幅器２３、測定電極２４、ニュートラル電極２５、リファレンス電極２６及び増幅器２７を有する。
【００５０】
電圧源２０は抵抗器２１に接続され、抵抗器２１はスイッチ２２に接続されている。スイッチ２２は測定電極２４に接続され、増幅器２３はスイッチ２２と測定電極２４の間に接続されている。ニュートラル電極２５はグランドに接続されている。リファレンス電極２６は増幅器２７に接続されている。同図に示すように、測定電極２４、ニュートラル電極２５及びリファレンス電極２６はユーザの頭表に装着され、導電性ペースト等を介して電気的に接続されている。
【００５１】
電圧源２０は、一般的な交流電圧源を用いることができる。周波数や電圧は特に限定されないが、例えば周波数１０Ｈｚ、電圧振幅±５００μＶとすることができる。
【００５２】
抵抗器２１は、印加電圧を接触抵抗との間で分圧する。以下、抵抗器２１の抵抗値をＲｓとする。抵抗器２１の抵抗値Ｒｓは第１の実施形態と同様に、高精度に測定したい接触抵抗の抵抗値の範囲の対数中心値であるものとする。
【００５３】
スイッチ２２は、回路の開閉を可能とする。生体信号測定装置２においては、スイッチ２２の開閉により接触抵抗の測定と生体信号の測定を切り替えることが可能となっている。
【００５４】
増幅器２３は、測定電極２４が＋端子に、グランドが−端子に接続され、増幅器２３によって分圧された電圧を増幅して出力する。以下、増幅器２３の増幅率を増幅率Ａ、出力電圧を検出電圧Ｖａとする。増幅器２３は一般的なオペアンプ（オペレーショナル・アンプリファイア）を用いることが可能である。
【００５５】
測定電極２４は、生体表面に接触し、電気的に接続される。測定電極２４は、ユーザの頭表の所定の位置、例えば国際１０−２０法によって規定された位置に装着されるものとすることが可能である。また、測定電極２４は複数基が設けられることも可能である。
【００５６】
ニュートラル電極２５は、測定電極２４と同様に生体表面に接触し、電気的に接続される。ニュートラル電極２５は、脳波の影響の小さい位置、例えばユーザの耳朶やこめかみ等に装着されるものとすることができる。ニュートラル電極２５は測定電極２４と同様の構造とすることができる。
【００５７】
リファレンス電極２６は、測定電極２４及びニュートラル電極２５と同様に生体表面に接触し、電気的に接続される。リファレンス電極２６は、雑音の少ない位置、例えば頭頂部付近に装着されるものとすることができる。リファレンス電極２６は測定電極２４と同様の構造とすることができる。
【００５８】
増幅器２７は、リファレンス電極２６が＋端子に、グランドが−端子に接続され、リファレンス電極２６の検出する信号を増幅して出力する。以下、増幅器２７の増幅率を増幅率Ｂ、出力電圧を検出電圧Ｖｂとする。増幅器２７は一般的なオペアンプを用いることが可能である。
【００５９】
［生体信号測定装置の動作］
電圧源２０から電圧（以下、電源電圧Ｖｉ）が印加されている状態でスイッチ２２がＯＮされると、微小な電流が抵抗器２１を通過して、測定電極２４からユーザの頭部を介し、ニュートラル電極２５に流れる。したがって、測定電極２４とユーザの頭表の接触抵抗を抵抗値Ｒａ、リファレンス電極２６とユーザの頭表の接触抵抗を抵抗値Ｒｂ、ニュートラル電極２５とユーザの頭表の接触抵抗を抵抗値Ｒｃとすると、以下の（式５）及び（式６）が成り立つ。
【００６０】
Ｖａ＝（Ｒａ＋Ｒｃ）／（Ｒａ＋Ｒｃ＋Ｒｓ）・Ａ・Ｖｉ （式５）
【００６１】
Ｖｂ＝Ｒｃ／（Ｒａ＋Ｒｃ＋Ｒｓ）・Ｂ・Ｖｉ （式６）
【００６２】
上記（式５）を変形すると以下の（式７）が得られ、上記（式６）を変形すると、以下の（式８）が得られる。
【００６３】
（ＡＶｉ−Ｖａ）Ｒａ＋（ＡＶｉ−Ｖａ）Ｒｃ＝ＶａＲｓ （式７）
【００６４】
ＶｂＲａ＋（Ｖｂ−ＢＶｉ）Ｒｃ＝−ＶｂＲｓ （式８）
【００６５】
上記（式７）及び上記（式８）は抵抗値Ｒａと抵抗値Ｒｃの２元１次連立方程式であるので、抵抗値Ｒａと抵抗値Ｒｃをそれぞれ求めることができる。
【００６６】
このようにして、増幅器２３及び増幅器２７において検出される検出電圧Ｖａ及び検出電圧Ｖｂから抵抗値Ｒａ及び抵抗値Ｒｃを求めることができる。上記（式５）及び上記（式６）に示すように、電源電圧Ｖｉが抵抗器２１の抵抗値Ｒｓと各電極の接触抵抗によって分圧されるため、検出電圧Ｖａ及び検出電圧Ｖｂは抵抗値Ｒｓによって異なる。
【００６７】
ここで、第１の実施形態と同様に抵抗器２１の抵抗値Ｒｓを、測定したい接触抵抗の抵抗値Ｒａの範囲の対数中心値とすることにより、抵抗値Ｒａを必要な範囲で高精度に測定することが可能である。
【００６８】
また、生体信号測定装置２は、スイッチ２２の開閉により接触抵抗測定と生体信号（脳波等）測定の切替が可能に構成されている。具体的には、スイッチ２２がＯＮのときには、上述のように電圧源２０から電圧が印加され、接触抵抗が測定される。スイッチ２２がＯＦＦのときには、増幅器２３によって測定電極２４とリファレンス電極２６の信号の差分が増幅（差動増幅）され、生体信号が測定される。
【００６９】
本実施形態に係る生体信号測定装置２においては、各電極の接触抵抗を得ることができるため、接触抵抗が異常に大きい場合、即ち電極が外れている場合に、それをユーザに伝達する構成とすることも可能である。
【００７０】
例えば、生体信号測定装置２は取得した接触抵抗値をＰＣ（Personal computer）に無線通信等により送信するものとすることができる。図５は、ＰＣのディスプレイに表示される各電極の接触抵抗値を示す模式図である。同図に示すように各電極の接触抵抗値が表示され、接触抵抗値が閾値を超える場合には表示や音声等によってユーザに電極の接触性の改善を促すようにすることも可能である。
【００７１】
以上のように、本実施形態に係る生体信号測定装置２においては、必要な範囲の接触抵抗を高精度に測定し、ひいては接触抵抗の影響を受ける生体信号を高精度に測定することが可能である。
【００７２】
なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
【００７３】
（１）
電圧源と、
上記電圧源に接続され、生体に接触する測定電極と、
上記電圧源と上記測定電極の間に接続された抵抗器と、
上記抵抗器と上記測定電極の間の電位を増幅する第１の増幅器と、
を具備する生体信号測定装置。
【００７４】
（２）
（１）に記載の生体信号測定装置であって、
上記抵抗器は、上記測定電極と上記生体の接触抵抗の抵抗値範囲のうち、測定したい抵抗値範囲の対数中心値となる抵抗値を有する
生体信号測定装置。
【００７５】
（３）
（１）又は（２）に記載の生体信号測定装置であって、
請求項２に記載の生体信号測定措置であって、
上記抵抗値範囲は、１０ＫΩ以上１ＭΩ以下の範囲であり、
上記抵抗器は、１００ＫΩの抵抗値を有する
生体信号測定装置。
【００７６】
（４）
（１）から（３）のうちいずれか１つに記載の生体信号測定装置であって、
請求項１に記載の生体信号測定装置であって、
上記抵抗器と、上記測定電極の間の接続を開閉することが可能なスイッチ
をさらに具備する
生体信号測定装置。
【００７７】
（５）
（１）から（４）のうちいずれか１つに記載の生体信号測定装置であって、
第２の増幅器と、
上記生体に接触し、上記第２の増幅器に接続されたリファレンス電極
をさらに具備する生体信号測定装置。
【符号の説明】
【００７８】
１、２…生体信号測定装置
１０、２０…電圧源
１１、２１…抵抗器
１２、２２…スイッチ
１３、２３…増幅器
１４、２４…測定電極
１５、２５…ニュートラル電極
２６…リファレンス電極
２７…増幅器
【技術分野】
【０００１】
本技術は、脳波や心電図等の生体信号を測定するための生体信号測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
脳波、筋電図、心電図、体脂肪率等、生体（ヒトを含む動物）に電極を接触させて電位信号（以下、生体信号）を測定する生体信号測定装置において、電極と生体表面の間には接触抵抗が存在する。
【０００３】
接触抵抗は、抵抗値が大きい場合には特に、電極によって検出される生体信号に影響を与えるため、生体表面と電極の接触面に導電性ペーストを塗布する等して接触抵抗を下げることが通常である。しかし、接触抵抗を完全に除去することは困難であるため、生体信号の測定前に接触抵抗を測定することが行われる。
【０００４】
例えば、非特許文献１には、交流電圧源から抵抗器を介して電極に交流信号を印加し、接触抵抗における電位差からインピーダンス（接触抵抗）の値を求めるデジタル脳波計が記載されている。即ち、当該デジタル脳波計においては、印加電圧が抵抗器と接触抵抗によって分圧されることとなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】柳原一照、"デジタル脳波計のひみつ"、［online]、関東神経生理検査技術研究会、［平成２３年８月１日検索］、インターネット〈URL：http://www2.oninet.ne.jp/ts0905/deeg/deegsemi.htm〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１に記載のデジタル脳波計においては、１０Ｖという高電圧が１００ＭΩという高抵抗を介して電極に供給されている。通常、接触抵抗は１０ＫΩ程度であり、これは抵抗器の抵抗値に比べて１万分の１程度である。
【０００７】
このため、接触抵抗による分圧は抵抗器の分圧に比べて著しく小さく、交流電圧源や抵抗器の誤差の影響を受け易い。例えば抵抗器が１％の誤差を有する場合でも誤差範囲が接触抵抗と同程度以上となり、接触抵抗を高精度に測定するには適宜キャリブレーションが必要と考えられる。
【０００８】
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、接触抵抗を高精度に測定することが可能な生体信号測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る生体信号測定装置は、電圧源と、測定電極と、抵抗器と、第１の増幅器とを具備する。
上記測定電極は、上記電圧源に接続され、生体に接触する。
上記抵抗器は、上記電圧源と上記測定電極の間に接続される。
上記第１の増幅器は、上記抵抗器と上記測定電極の間の電位を増幅する。
【００１０】
上記構成によれば、電圧源から印加された電圧は、抵抗器と接触抵抗によって分圧される。第１の増幅器によって、抵抗器と測定電極の間の電位が検出されるため、接触抵抗による分圧から接触抵抗の抵抗値を算出することが可能となる。
【００１１】
上記抵抗器は、上記測定電極と上記生体の接触抵抗の抵抗値範囲のうち、測定したい抵抗値範囲の対数中心値となる抵抗値を有してもよい。
【００１２】
上記のように、電圧源から印加される電圧は、抵抗器と接触抵抗によって分圧されるが、接触抵抗の分解能は抵抗器の抵抗値によって異なり、抵抗器の抵抗値を対数中心値とする範囲が最も高い分解能を得ることができる。したがって、抵抗器の抵抗値をこの値とすることにより、高精度に接触抵抗を測定することが可能となる。
【００１３】
上記抵抗値範囲は、１０ＫΩ以上１ＭΩ以下の範囲であり、上記抵抗器は、１００ＫΩの抵抗値を有してもよい。
【００１４】
測定電極が生体表面に装着された際の接触抵抗の一般的な範囲を、１０ＫΩ以上１ＭΩ以下の範囲に設定する。このとき、抵抗器の抵抗値を１００ＫΩとすることにより、この範囲の接触抵抗を高精度に測定することが可能となる。
【００１５】
上記抵抗器と、上記測定電極の間の接続を開閉することが可能なスイッチをさらに具備してもよい。
【００１６】
この構成によれば、当該スイッチをＯＦＦすることにより、電圧源から測定電極への電圧の印加が停止され、生体において生じる電位信号（生体信号）を検出することが可能となる。
【００１７】
上記生体信号測定装置は、第２の増幅器と、上記生体に接触し上記第２の増幅器に接続されたリファレンス電極をさらに具備してもよい。
【００１８】
この構成によれば、電極毎の接触抵抗測定が可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本技術によれば、本技術の目的は、接触抵抗を高精度に測定することが可能な生体信号測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本技術の第１の実施形態に係る生体信号測定装置の構成を示す模式図である。
【図２】検出電圧と接触抵抗の相関を示すグラフである。
【図３】同生体信号測定装置の動作を示す模式図である。
【図４】本技術の第２の実施形態に係る生体信号測定装置の構成を示す模式図である。
【図５】同生体信号測定装置から送信され、ディスプレイに表示される各電極の接触抵抗値を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（第１の実施形態）
本技術の第１の実施形態に係る生体信号測定装置について説明する。
【００２２】
［生体信号測定装置の構成］
図１は、本実施形態に係る生体信号測定装置１の構成を示す模式図である。生体信号測定装置１は、ユーザの頭表に接続され、ユーザの脳波を測定する装置（脳波計）であるものとするがこれに限られず、筋電図、心電図、体脂肪率等、生体（ヒトを含む動物）において生じる生体信号を測定することが可能な装置であるものとすることができる。同図に示すように生体信号測定装置１は、電圧源１０、抵抗器１１、スイッチ１２、増幅器１３、測定電極１４及びニュートラル電極１５を有する。
【００２３】
電圧源１０は抵抗器１１に接続され、抵抗器１１はスイッチ１２に接続されている。スイッチ１２は測定電極１４に接続され、増幅器１３はスイッチ１２と測定電極１４の間に接続されている。ニュートラル電極１５はグランドに接続されている。同図に示すように、測定電極１４とニュートラル電極１５はユーザの頭表に装着され、導電性ペースト等を介して電気的に接続されている。
【００２４】
電圧源１０は、一般的な交流電圧源を用いることができる。周波数や電圧は特に限定されないが、例えば周波数１０Ｈｚ、電圧振幅±５００μＶとすることができる。以下、電圧源１０による印加電圧をＶ１とする。
【００２５】
抵抗器１１は、印加電圧を接触抵抗（後述）との間で分圧する。以下、抵抗器１１の抵抗値をＲ１とする。抵抗値Ｒ１の詳細については後述する。
【００２６】
スイッチ１２は、回路の開閉を可能とする。詳細は後述するが、生体信号測定装置１においては、スイッチ１２の開閉により接触抵抗の測定と生体信号（脳波等）の測定を切り替えることが可能となっている。
【００２７】
増幅器１３は、測定電極１４が＋端子に、グランドが−端子に接続され、増幅器１３によって分圧された電圧Ｖ０を増幅して出力する。増幅器１３は一般的なオペアンプ（オペレーショナル・アンプリファイア）を用いることが可能である。
【００２８】
測定電極１４は、生体表面（ここでは、ユーザの頭表）に接触し、電気的に接続される。測定電極１４は、ユーザの頭表の所定の位置、例えば国際１０−２０法によって規定された位置に装着されるものとすることが可能である。また、測定電極１４は複数基が設けられることも可能である。
【００２９】
測定電極１４の構造は特に限定されないが、導電性ペーストが塗布されて用いられる導電性部材や、導電性液体を含浸する弾性部材等とすることができる。測定電極１４と生体表面の接触抵抗は、生体表面の性状や取り付け方によって異なるが、通常は数十〜数百ＫΩ程度である。
【００３０】
ニュートラル電極１５は、測定電極１４と同様に生体表面に接触し、電気的に接続される。ニュートラル電極１５は、脳波の影響の小さい位置、例えばユーザの耳朶やこめかみ等に装着されるものとすることができる。ニュートラル電極１５は測定電極１４と同様の構造とすることができる。
【００３１】
［生体信号測定装置の動作］
電圧源１０から電圧（以下、電源電圧）Ｖ１が印加されている状態でスイッチ１２がＯＮされると、微小な電流Ｉが抵抗器１１を通過して、測定電極１４からユーザの頭部を介し、ニュートラル電極１５に流れる。したがって、測定電極１４とユーザの頭表の接触抵抗、ユーザの頭部の抵抗、ユーザの頭表とニュートラル電極１５の接触抵抗の和（以下、生体の抵抗成分）を抵抗値Ｒ２とすると、以下の（式１）が成り立つ。
【００３２】
Ｖ１＝Ｒ１・Ｉ＋Ｒ２・Ｉ （式１）
【００３３】
また、増幅器１３において検出される電圧（以下、検出電圧）Ｖ０は、以下の（式２）で表される。
【００３４】
Ｖ０＝Ｉ・Ｒ２ （式２）
【００３５】
上記（式１）及び（式２）から電流Ｉを消去すると、次の（式３）が得られる。
【００３６】
Ｖ０＝Ｖ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２） （式３）
【００３７】
（式３）を変形すると、次の（式４）が得られる。
【００３８】
Ｒ２＝Ｒ１・Ｖ０／（Ｖ１−Ｖ０） （式４）
【００３９】
このようにして、増幅器１３において検出される検出電圧Ｖ０から生体の抵抗成分の抵抗値Ｒ２を求めることができる。上記（式１）に示すように、電源電圧Ｖ１が抵抗器１１の抵抗値Ｒ１と生体の成功成分の抵抗値Ｒ２によって分圧されるため、検出電圧Ｖ０は抵抗値Ｒ１によって異なる。
【００４０】
ここで、本技術に係る生体信号測定装置１においては、抵抗器１１の抵抗値Ｒ１を、測定したい抵抗値Ｒ２の範囲の対数中心値とする。測定したい抵抗値Ｒ２の範囲は、使用する測定電極１４の種類や生体表面の装着方法（導電性ペーストの有無等）に応じて任意に設定することが可能である。抵抗値Ｒ１をこのように設定することにより、抵抗値Ｒ２の測定範囲を広げ、且つ高精度な測定が可能となる。
【００４１】
具体的には、測定したい抵抗値Ｒ２の範囲が１０ＫΩ〜１ＭΩであるとすると、抵抗値Ｒ１を上記範囲の対数中心値である１００ＫΩとする。図２は抵抗値Ｒ１を１００ＫΩとし、電圧源１０の振幅を±５００μＶとした場合の生体の抵抗成分の抵抗値Ｒ２と検出電圧Ｖ０の相関を示すグラフである。
【００４２】
同図に示すように、検出電圧Ｖ０は抵抗値Ｒ１の値を中心とする範囲（図中に範囲Ａとして示す）が最も傾きが大きく、当該範囲から離れた範囲（図中に範囲Ｂとして示す）では傾きが小さくなる。具体的には、抵抗値Ｒ２が１０ＫΩ〜１ＭΩの範囲で検出電圧Ｖ０は１００μＶ〜４００μＶの広い範囲で変化するのに対し、抵抗値Ｒ２が１０ＫΩ未満では０〜１００μＶ、１ＭΩ超では４００μＶ〜５００μＶと、それぞれ比較的狭い範囲の変化となる。これは、範囲Ａにおいては抵抗値Ｒ２が微小に変化しても検出電圧Ｖ０が変動すること、即ち抵抗値Ｒ２の高い検出精度（分解能）が得られることを意味する。
【００４３】
一方、範囲Ｂにおいては高い検出精度を得ることはできないが、抵抗値が十分小さければ、生体信号測定に与える抵抗値Ｒ２の影響は無視することができ、一方で抵抗値が異常に大きければ、測定電極１４が生体表面から外れていると判断できる。したがって、いずれの場合であっても、抵抗値Ｒ２の概算値さえ取得できれば、詳細な値を取得する必要性は乏しいといえる。
【００４４】
即ち、本技術に係る生体信号測定装置１においては、抵抗器１１の抵抗値Ｒ１を、測定したい生体の抵抗成分の抵抗値Ｒ２の範囲の対数中心値とすることにより、抵抗値Ｒ２を必要な範囲で高精度に測定することが可能である。
【００４５】
また、生体信号測定装置１は、スイッチ１２の開閉により接触抵抗測定と生体信号（脳波等）測定の切替が可能に構成されている。具体的には、スイッチ１２がＯＮのときには、上述のように電圧源１０から電圧が印加され、接触抵抗が測定される。スイッチ１２がＯＦＦのときには、測定電極１４の信号が増幅器１３によって増幅され、生体信号が測定される。
【００４６】
図３は、生体信号測定装置１による接触抵抗測定及び生体信号測定の動作を示す模式図である。同図に示すように、生体信号測定の前にスイッチ１２をＯＮとして接触抵抗測定を実施し、接触抵抗が所定範囲以内ならばスイッチ１２をＯＦＦとして生体信号測定を開始するものとすることができる。その後、生体信号測定中に所定時間毎に接触抵抗測定を実施し、接触抵抗の測定や測定電極１４の外れの検出等を行うものとすることができる。
【００４７】
以上のように、本実施形態に係る生体信号測定装置１においては、必要な範囲の接触抵抗を高精度に測定し、ひいては接触抵抗の影響を受ける生体信号を高精度に測定することが可能である。
【００４８】
（第２の実施形態）
本技術の第２の実施形態に係る生体信号測定装置について説明する。本実施形態において第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する場合がある。
【００４９】
［生体信号測定装置の構成］
図４は、本実施形態に係る生体信号測定装置２の構成を示す模式図である。生体信号測定装置２は、ユーザの頭表に接続され、ユーザの脳波を測定する装置であるものとするがこれに限られず、筋電図、心電図、体脂肪率等、生体において生じる生体信号を測定することが可能な装置であるものとすることができる。同図に示すように生体信号測定装置２は、電圧源２０、抵抗器２１、スイッチ２２、増幅器２３、測定電極２４、ニュートラル電極２５、リファレンス電極２６及び増幅器２７を有する。
【００５０】
電圧源２０は抵抗器２１に接続され、抵抗器２１はスイッチ２２に接続されている。スイッチ２２は測定電極２４に接続され、増幅器２３はスイッチ２２と測定電極２４の間に接続されている。ニュートラル電極２５はグランドに接続されている。リファレンス電極２６は増幅器２７に接続されている。同図に示すように、測定電極２４、ニュートラル電極２５及びリファレンス電極２６はユーザの頭表に装着され、導電性ペースト等を介して電気的に接続されている。
【００５１】
電圧源２０は、一般的な交流電圧源を用いることができる。周波数や電圧は特に限定されないが、例えば周波数１０Ｈｚ、電圧振幅±５００μＶとすることができる。
【００５２】
抵抗器２１は、印加電圧を接触抵抗との間で分圧する。以下、抵抗器２１の抵抗値をＲｓとする。抵抗器２１の抵抗値Ｒｓは第１の実施形態と同様に、高精度に測定したい接触抵抗の抵抗値の範囲の対数中心値であるものとする。
【００５３】
スイッチ２２は、回路の開閉を可能とする。生体信号測定装置２においては、スイッチ２２の開閉により接触抵抗の測定と生体信号の測定を切り替えることが可能となっている。
【００５４】
増幅器２３は、測定電極２４が＋端子に、グランドが−端子に接続され、増幅器２３によって分圧された電圧を増幅して出力する。以下、増幅器２３の増幅率を増幅率Ａ、出力電圧を検出電圧Ｖａとする。増幅器２３は一般的なオペアンプ（オペレーショナル・アンプリファイア）を用いることが可能である。
【００５５】
測定電極２４は、生体表面に接触し、電気的に接続される。測定電極２４は、ユーザの頭表の所定の位置、例えば国際１０−２０法によって規定された位置に装着されるものとすることが可能である。また、測定電極２４は複数基が設けられることも可能である。
【００５６】
ニュートラル電極２５は、測定電極２４と同様に生体表面に接触し、電気的に接続される。ニュートラル電極２５は、脳波の影響の小さい位置、例えばユーザの耳朶やこめかみ等に装着されるものとすることができる。ニュートラル電極２５は測定電極２４と同様の構造とすることができる。
【００５７】
リファレンス電極２６は、測定電極２４及びニュートラル電極２５と同様に生体表面に接触し、電気的に接続される。リファレンス電極２６は、雑音の少ない位置、例えば頭頂部付近に装着されるものとすることができる。リファレンス電極２６は測定電極２４と同様の構造とすることができる。
【００５８】
増幅器２７は、リファレンス電極２６が＋端子に、グランドが−端子に接続され、リファレンス電極２６の検出する信号を増幅して出力する。以下、増幅器２７の増幅率を増幅率Ｂ、出力電圧を検出電圧Ｖｂとする。増幅器２７は一般的なオペアンプを用いることが可能である。
【００５９】
［生体信号測定装置の動作］
電圧源２０から電圧（以下、電源電圧Ｖｉ）が印加されている状態でスイッチ２２がＯＮされると、微小な電流が抵抗器２１を通過して、測定電極２４からユーザの頭部を介し、ニュートラル電極２５に流れる。したがって、測定電極２４とユーザの頭表の接触抵抗を抵抗値Ｒａ、リファレンス電極２６とユーザの頭表の接触抵抗を抵抗値Ｒｂ、ニュートラル電極２５とユーザの頭表の接触抵抗を抵抗値Ｒｃとすると、以下の（式５）及び（式６）が成り立つ。
【００６０】
Ｖａ＝（Ｒａ＋Ｒｃ）／（Ｒａ＋Ｒｃ＋Ｒｓ）・Ａ・Ｖｉ （式５）
【００６１】
Ｖｂ＝Ｒｃ／（Ｒａ＋Ｒｃ＋Ｒｓ）・Ｂ・Ｖｉ （式６）
【００６２】
上記（式５）を変形すると以下の（式７）が得られ、上記（式６）を変形すると、以下の（式８）が得られる。
【００６３】
（ＡＶｉ−Ｖａ）Ｒａ＋（ＡＶｉ−Ｖａ）Ｒｃ＝ＶａＲｓ （式７）
【００６４】
ＶｂＲａ＋（Ｖｂ−ＢＶｉ）Ｒｃ＝−ＶｂＲｓ （式８）
【００６５】
上記（式７）及び上記（式８）は抵抗値Ｒａと抵抗値Ｒｃの２元１次連立方程式であるので、抵抗値Ｒａと抵抗値Ｒｃをそれぞれ求めることができる。
【００６６】
このようにして、増幅器２３及び増幅器２７において検出される検出電圧Ｖａ及び検出電圧Ｖｂから抵抗値Ｒａ及び抵抗値Ｒｃを求めることができる。上記（式５）及び上記（式６）に示すように、電源電圧Ｖｉが抵抗器２１の抵抗値Ｒｓと各電極の接触抵抗によって分圧されるため、検出電圧Ｖａ及び検出電圧Ｖｂは抵抗値Ｒｓによって異なる。
【００６７】
ここで、第１の実施形態と同様に抵抗器２１の抵抗値Ｒｓを、測定したい接触抵抗の抵抗値Ｒａの範囲の対数中心値とすることにより、抵抗値Ｒａを必要な範囲で高精度に測定することが可能である。
【００６８】
また、生体信号測定装置２は、スイッチ２２の開閉により接触抵抗測定と生体信号（脳波等）測定の切替が可能に構成されている。具体的には、スイッチ２２がＯＮのときには、上述のように電圧源２０から電圧が印加され、接触抵抗が測定される。スイッチ２２がＯＦＦのときには、増幅器２３によって測定電極２４とリファレンス電極２６の信号の差分が増幅（差動増幅）され、生体信号が測定される。
【００６９】
本実施形態に係る生体信号測定装置２においては、各電極の接触抵抗を得ることができるため、接触抵抗が異常に大きい場合、即ち電極が外れている場合に、それをユーザに伝達する構成とすることも可能である。
【００７０】
例えば、生体信号測定装置２は取得した接触抵抗値をＰＣ（Personal computer）に無線通信等により送信するものとすることができる。図５は、ＰＣのディスプレイに表示される各電極の接触抵抗値を示す模式図である。同図に示すように各電極の接触抵抗値が表示され、接触抵抗値が閾値を超える場合には表示や音声等によってユーザに電極の接触性の改善を促すようにすることも可能である。
【００７１】
以上のように、本実施形態に係る生体信号測定装置２においては、必要な範囲の接触抵抗を高精度に測定し、ひいては接触抵抗の影響を受ける生体信号を高精度に測定することが可能である。
【００７２】
なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
【００７３】
（１）
電圧源と、
上記電圧源に接続され、生体に接触する測定電極と、
上記電圧源と上記測定電極の間に接続された抵抗器と、
上記抵抗器と上記測定電極の間の電位を増幅する第１の増幅器と、
を具備する生体信号測定装置。
【００７４】
（２）
（１）に記載の生体信号測定装置であって、
上記抵抗器は、上記測定電極と上記生体の接触抵抗の抵抗値範囲のうち、測定したい抵抗値範囲の対数中心値となる抵抗値を有する
生体信号測定装置。
【００７５】
（３）
（１）又は（２）に記載の生体信号測定装置であって、
請求項２に記載の生体信号測定措置であって、
上記抵抗値範囲は、１０ＫΩ以上１ＭΩ以下の範囲であり、
上記抵抗器は、１００ＫΩの抵抗値を有する
生体信号測定装置。
【００７６】
（４）
（１）から（３）のうちいずれか１つに記載の生体信号測定装置であって、
請求項１に記載の生体信号測定装置であって、
上記抵抗器と、上記測定電極の間の接続を開閉することが可能なスイッチ
をさらに具備する
生体信号測定装置。
【００７７】
（５）
（１）から（４）のうちいずれか１つに記載の生体信号測定装置であって、
第２の増幅器と、
上記生体に接触し、上記第２の増幅器に接続されたリファレンス電極
をさらに具備する生体信号測定装置。
【符号の説明】
【００７８】
１、２…生体信号測定装置
１０、２０…電圧源
１１、２１…抵抗器
１２、２２…スイッチ
１３、２３…増幅器
１４、２４…測定電極
１５、２５…ニュートラル電極
２６…リファレンス電極
２７…増幅器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧源と、
前記電圧源に接続され、生体に接触する測定電極と、
前記電圧源と前記測定電極の間に接続された抵抗器と、
前記抵抗器と前記測定電極の間の電位を増幅する第１の増幅器と、
を具備する生体信号測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の生体信号測定装置であって、
前記抵抗器は、前記測定電極と前記生体の接触抵抗の抵抗値範囲のうち、測定したい抵抗値範囲の対数中心値となる抵抗値を有する
生体信号測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の生体信号測定措置であって、
前記抵抗値範囲は、１０ＫΩ以上１ＭΩ以下の範囲であり、
前記抵抗器は、１００ＫΩの抵抗値を有する
生体信号測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の生体信号測定装置であって、
前記抵抗器と、前記測定電極の間の接続を開閉することが可能なスイッチ
をさらに具備する
生体信号測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の生体信号測定装置であって、
第２の増幅器と、
前記生体に接触し、前記第２の増幅器に接続されたリファレンス電極と
をさらに具備する生体信号測定装置。
【請求項１】
電圧源と、
前記電圧源に接続され、生体に接触する測定電極と、
前記電圧源と前記測定電極の間に接続された抵抗器と、
前記抵抗器と前記測定電極の間の電位を増幅する第１の増幅器と、
を具備する生体信号測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の生体信号測定装置であって、
前記抵抗器は、前記測定電極と前記生体の接触抵抗の抵抗値範囲のうち、測定したい抵抗値範囲の対数中心値となる抵抗値を有する
生体信号測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の生体信号測定措置であって、
前記抵抗値範囲は、１０ＫΩ以上１ＭΩ以下の範囲であり、
前記抵抗器は、１００ＫΩの抵抗値を有する
生体信号測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載の生体信号測定装置であって、
前記抵抗器と、前記測定電極の間の接続を開閉することが可能なスイッチ
をさらに具備する
生体信号測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載の生体信号測定装置であって、
第２の増幅器と、
前記生体に接触し、前記第２の増幅器に接続されたリファレンス電極と
をさらに具備する生体信号測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−６６５２６（Ｐ２０１３−６６５２６Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０５５８２（Ｐ２０１１−２０５５８２）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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