JP7724711B2 - 生体電極及び生体電極付き装具 - Google Patents

生体電極及び生体電極付き装具

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Description

本発明は、肌接触インピーダンスが低く、アーチファクトの少ない生体信号の測定が可能となる生体電極に関する。
また、本発明は、装着の際などに力が加えられても配線の断線が発生しにくく、装着部位周長(太さ)の個人差があっても電極を所定の位置に当接することが可能な生体電極付き装具に関する。
近年、健康の維持又はその増進に対する人々の関心が高まっている。そこで、健康管理のために、日常生活の中で、人々がより手軽に心拍信号、心電信号、脳波信号、筋電信号などの生体情報を測定して健康維持に役立てる方法が開発されている。特に、皮膚表面の任意の位置に接触させた電極間の電位差やインピーダンス、キャパシタンスなどを測定することにより、生体活動や皮膚下の組織状態を観察できることが知られてきており、それを健康の維持管理に役立てることが望まれている。
また、麻痺患者の運動機能回復のために行われる電気刺激療法や、電気刺激によって肩こり等のこりを改善する低周波治療、電気刺激によって筋肉のトレーニング効果が得られるEMS(Electrical Muscle Stimulation)においては、皮膚表面の任意の位置に接触させた電極から生体に電気刺激を与えることで各効果が得られることが知られている。
従来、生体信号の測定や電気刺激の付与の際には、ベッドに横たわるなど安静状態で実施されることが一般的であったが、近年では活動中の生体信号を測定して健康の管理に応用する試みが提案されている。活動中には、生体電極の当接位置がずれてしまい、その結果、取得した生体信号にノイズ(アーチファクト)が取り込まれるという問題があった。
特許文献1には、繊維編地により構成された電極層を備え、繊維編地の表面における水接触角が115°以上である生体電極が開示されている。この生体電極は、皮膚から放出された水分を皮膚と電極層表面との間に留めることで生体電気信号を精度高く取得することが可能となるとされる。しかしながら、複数の生体電極が近接して配置される場合には、皮膚と電極層表面との間に留められた水分が流れ、近接する生体電極との間で短絡する虞がある。また、皮膚と電極層表面との間に水分が留められるため、被測定者が不快感をおぼえるという問題がある。
また、活動中に生体電極の当接位置がずれる問題を解決し、生体信号を測定しやすくするための身体装具として、伸縮性のある布帛に電極を備えたサポーターが開発されている。腕や脚に巻き付けたり、筒状にして装着したりできるため、手軽に日常的に使用することができる。しかしながら、正確な測定や電気刺激のためには電極が接触する位置の正確さが重要になる一方で、腕や脚の太さや体型は極めて個人差が大きいため、個人差に応じたサイズのサポーターを用意する必要があった。
これに対し特許文献2には、伸縮性を備えた環状基材層と2以上の生体信号を検出する検出手段、検出手段に接続された伸縮性を備えた導電用ハーネスを有する生体信号検出装具が提案されている。しかしながら、導電用ハーネスが導電糸と弾性糸とを混用して製編されているため、製造には特殊な装置が必要であるうえ、電極の位置を自由に設計することが困難である、という課題があった。
特開2018-042719号公報 特開2018-078949号公報
本発明は、アーチファクトが少ない生体信号の測定が可能であり、近接する生体電極間での短絡の虞がなく、装着の際や生体信号測定時においても不快感のない生体電極を提供することを課題とする。
また、本発明は、装着の際などに力が加えられても配線の断線が発生し難く、装着部位周長(太さ)の個人差があっても電極を所定の位置に当接させて正確な測定や電気刺激を行える生体電極付き装具を提供することを課題とする。
本発明者らは鋭意検討した結果、生体電極の表面近傍に水を内包可能で、且つ生体電極表面と皮膚との境界部分には必要以上の水が存在しないようにすることで、生体電極間での短絡のおそれや不快感がなくアーチファクトが少ない生体電極を提供しうることを見出し、本発明を完成するに至った。
また、生体電極付き装具において、基布面内の低い伸長性を示す方向に沿って配線を形成することにより、配線の断線が発生し難く正確な測定や電気刺激を行えることを見いだし、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下に示す生体電極及び生体電極付き装具に関する。
(1)導電性繊維を90~100質量%含有する厚み0.5~2.0mmの編物からなるシート状構造体と、前記シート状構造体に付与された吸水性樹脂とからなる生体電極であって、前記シート状構造体が膜厚0.1~20μmの吸水性樹脂の薄膜で被覆されており、かつ前記生体電極の水分保持指数が0.8以上であることを特徴とする生体電極。
(2)前記吸水性樹脂が、カルボン酸塩当量が150~1,500g/eq.のポリアクリル酸及び/又はその塩の架橋物である、(1)記載の生体電極。
(3)前記導電性繊維が、表面に金属皮膜を有する合成繊維である、(1)記載の生体電極
(4)シート状構造体全量に対する吸水性樹脂の付与量が0.5~100g/mである、(1)記載の生体電極。
(5)前記編物のコースが20~70コース/2.54cm、ウェールが30~100ウェール/2.54cmである、(1)記載の生体電極。
(6)前記編物の目付けが80~300g/mである、(1)記載の生体電極。
(7)(1)~(6)のいずれかに記載の生体電極を製造する方法であって、溶媒に吸水性樹脂を溶解又は分散した処理液を用いてシート状構造体に吸水性樹脂を付与する工程、及び前記溶媒を除去する工程を含む、生体電極の製造方法。
(8)伸縮性を有する基布上に、該基布表面に形成された配線と、該配線の末端に設けられた生体信号検出手段たる生体電極と、前記配線を被覆する絶縁層とを有する電極配置領域を備えた布帛構造物からなる生体電極付き装具において、
前記基布が電極配置領域において相対的に低い伸長性を示す第一伸長方向と、該第一伸長方向と異なる伸長方向であって該第一伸長方向より高い伸長性を示す第二伸長方向とを少なくとも有し、且つ前記配線が該第一伸長方向に沿って形成されていること、及び前記生体電極が(1)~(6)のいずれかに記載の生体電極であること、を特徴とする生体電極付き装具。
(9)前記配線と前記基布との間に、第二の絶縁層が設けられている、(8)記載の生体電極付き装具。
(10)前記電極配置領域における基布表面の生体電極を設ける側(肌に接触する面)に、肌側布帛が設けられている、(8)記載の生体電極付き装具。
(11)前記配線が導電性樹脂組成物からなる、(8)記載の生体電極付き装具。
(12)前記第一伸長方向に沿って拘束部が設けられている、(8)記載の生体電極付き装具。
(13)前記生体電極付き装具が筒状又は腕もしくは脚に巻きつけて固定できる形状である、(8)記載の生体電極付き装具。
本発明の生体電極においては、皮膚と生体電極との間に必要以上の水分が存在しない状態を実現することができるため、アーチファクトが少ない生体信号の取得が可能となる。そのため、精度の高い生体信号測定を可能とする生体電極が得られる。また、近接する生体電極間で短絡するおそれがなく、さらに装着の際や生体信号測定時における不快感も抑えられた生体電極が得られる。
また、本発明の生体電極付き装具においては、電極配置領域を構成する基布として、相対的に低い伸長性を示す第一伸長方向と、該第一伸長方向と異なる伸長方向であって該第一伸長方向より高い伸長性を示す第二伸長方向とを少なくとも有する伸縮性のある布帛を用い、且つ相対的に低い伸長性を示す第一伸長方向に沿って配線を形成することにより、装着の際などに力が加えられても配線の断線が発生し難く、装着部位周長(太さ)の個人差があっても電極を所定の位置に正確に当接することを可能とすることができる。
本発明の生体電極付き装具は、生体電極が腕や脚の皮膚表面に接触するように巻きつけて固定したり、筒状にして装着したりして使用するサポーター等として、有効に用いることができる。比較的高い伸長性を示す第二伸長方向を腕や脚の周方向とすることにより、個人差による太さの違いにかかわらず、皮膚表面の所定の位置に正確に電極が接触するように装着することができる。
本発明の生体電極付き装具を装着し、任意の電極間の電位差やインピーダンス、キャパシタンスなどを測定することにより、生体活動や皮膚下の組織状態を知ることができる。また電極から生体に電気刺激を与えることで、麻痺やこりの治療を行ったり筋肉のトレーニング効果を高めたりすることができる。正確な測定や電気刺激のためには電極が接触する位置が重要になるが、本発明によれば、第二伸長方向における比較的に高い伸長性によって装着部位の太さに応じて電極が適切な位置に当接され、正確な測定や電気刺激が可能になる。
本発明の生体電極(実施例1)を用いて得られた筋電図の例。 本発明の生体電極(実施例2)を用いて得られた筋電図の例。 比較例1の生体電極を用いて得られた筋電図の例。 比較例2の生体電極を用いて得られた筋電図の例。 本発明の生体電極付き装具の一例における電極配置領域の断面の概略図である。 本発明の生体電極付き装具の一例における電極配置領域の断面の概略図である。 本発明の生体電極付き装具の一例を示す概略図である。
1 基布
2 配線
3 電極
4 絶縁層(第一の絶縁層)
4’ 第二の絶縁層
5 肌側布帛
6 拘束部
7 端子
8 電極配置領域
9 第二伸長方向
10 入出力部領域
I.生体電極
本発明の生体電極は、導電性繊維を含有するシート状構造体と、前記シート状構造体に付与された吸水性樹脂とからなる。
本発明の生体電極によれば、皮膚から取り込まれた水分や、生体信号測定に先立ち予め生体電極に付与された水分が、生体電極の表面近傍には内包されるものの、生体電極の表面外側に水が滲み出ることを抑制できる。その結果、皮膚と生体電極との間に必要以上の水が存在しないため不快感をおぼえず、また、近接する生体電極間での短絡を発生させることがない。一方、生体電極の内部及び内部の表面近傍(表面内側近傍)には水分が保持されるため、アーチファクトの影響がなく、精度の高い生体信号測定が可能となる。
1.シート状構造体
(1)導電性繊維
本発明におけるシート状構造体は、その構成要素として導電性繊維を含む。導電性繊維としては金属線、導電性ポリマーからなる繊維、あるいは非導電性ポリマーからなる繊維に導電性を付与したものであることができる。
(i)金属線
金属線の金属種としては、銅、銀、金、鉄、ステンレス、ニッケル、クロム、錫、アルミニウム等が挙げられる。このうち好ましいものとしては、汎用性の高さから、銅とステンレスが挙げられる。金属線の太さは特に制限されないが、好ましくは直径10~200μm程度である。
(ii)導電性ポリマー
導電性ポリマーの例としては、PEDOT/PSS(ポリ(4-スチレンスルホン酸)[PSS]をドープしたポリ(3、4-エチレンジオキシチオフェン)[PEDOT];チオフェン系導電性ポリマー)、ポリアセチレン、ポリ(p-フェニレンビニレン)、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリ(p-フェニレン)等が挙げられる。
このうち好ましいものとしては、PEDOT/PSS、ポリアニリンが挙げられ、特に好ましいのはPEDOT/PSSである。導電性ポリマーの繊維径は特に制限されないが、好ましくは直径10~200μm程度である。
(iii)非導電性ポリマーからなる繊維に導電性を付与したもの
導電性繊維として非導電性ポリマーからなる繊維に導電性を付与したものを用いる場合、非導電性ポリマーからなる繊維としては、公知の繊維から適宜選択すればよいが、強度や汎用性の点で合成繊維であることが好ましい。
合成繊維の例としては、ナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、アクリル繊維、塩化ビニリデン繊維、ポリウレタン繊維、アラミド繊維等が挙げられる。このうち好ましいものとしてはナイロン繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維が挙げられ、特に好ましいものはポリエステル繊維である。
非導電性ポリマーからなる繊維の繊維径は特に制限されないが、好ましくは直径10~200μm、あるいは繊度2~400デシテックスである。
また、非導電性ポリマーからなる繊維は、上記繊維からなるモノフィラメントであっても、それらを複数用いたマルチフィラメントであってもよく、マルチフィラメントの場合はフィラメント数5~100本程度が好ましい。
非導電性ポリマーからなる繊維に導電性を付与する手段としては、非導電性ポリマーの表面を導電性ポリマーで被覆する方法、非導電性ポリマーの表面に導電性粒子を含有する導電性塗料を塗布する方法、非導電性ポリマーの表面に金属めっき等によって金属皮膜を形成する方法などが挙げられる。
非導電性ポリマーの表面を導電性ポリマーで被覆する方法において、被覆に用いられる導電性ポリマーの例としては、PEDOT/PSS、ポリアセチレン、ポリ(p-フェニレンビニレン)、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリ(p-フェニレン)等が挙げられる。
導電性ポリマーを被覆する方法としては、押し出し式コーティング、ディッピング式コーティング等が挙げられる。導電性ポリマーの被膜の厚みは特に制限されないが、好ましくは0.01~200μmである。この方法により導電性を付与された非導電性ポリマー全量に対する導電性ポリマーの割合は特に限定されないが、好ましくは0.1~90質量%程度である。
非導電性ポリマーの表面に導電性粒子を含有する導電性塗料を塗布する方法において、導電性塗料の例としては、アクリル樹脂やポリウレタン樹脂等の合成樹脂に銅、銀、ニッケル、錫等の金属粒子や銀-酸化銀粒子、カーボンブラック等の導電性粒子を分散した塗料が挙げられる。
導電性粒子の粒子径は特に制限されないが、好ましくは0.01~100μm、特に好ましくは0.1~50μmである。導電性粒子の配合割合は合成樹脂全量に対し5~99質量%程度が好ましく、特に好ましくは10~95質量%程度である。
導電性塗料を塗布する方法としては、押し出し式コーティング、ディッピング式コーティング等が挙げられる。導電性塗料の被膜の厚みは特に制限されないが、好ましくは0.01~200μmである。この方法により導電性を付与された非導電性ポリマー全量に対する導電性ポリマーの割合は特に限定されないが、好ましくは0.1~90質量%程度である。
非導電性ポリマーの表面に金属めっき等によって金属皮膜を形成する方法において、金属めっきに用いられる金属としては、銅、銀、金、白金、ニッケル、クロム、錫等が挙げられる。このうち、優れた導電性を有するという点で、銅、銀、金が好ましい。さらには、生体電極として汗等の電解質水溶液に対する耐食性に優れ、汗と接触した時の静止電位が小さく、計測する生体信号にノイズが入り難くなるという点から特に銀が好ましい。
金属皮膜を形成する方法として好ましいのは金属めっきである。金属めっきの方法としては、電気金属めっき、無電解金属めっきなど従来公知の方法を採用することができる。
非導電性ポリマーの表面に金属皮膜を形成する方法において、導電性を付与された非導電性ポリマー全量に対する金属皮膜の割合(金属付着量)は特に限定されないが、好ましくは5~40質量%、より好ましくは10~30質量%である。
上述した非導電性ポリマーからなる繊維に導電性を付与する手段のなかでは、電極として必要な導電性が得られ易いという観点から、金属めっきによって金属皮膜を形成する方法が好ましい。
(iv)まとめ
本発明のシート状構造体に含有される導電性繊維としては、表面に金属皮膜を有する合成繊維であることが好ましい。これによれば、表面抵抗値が小さく高感度の生体電極を得ることができる。
(2)シート状構造体
(i)シート状構造体の構成
本発明のシート状構造体を構成する材料としては、前記導電性繊維のほかにナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、アクリル繊維、塩化ビニリデン繊維、ポリウレタン繊維、アラミド繊維等の繊維材料が用いられていてもよい。
シート状構造体を構成する前記繊維材料の繊度は特に制限されないが、好ましくは2~100デシテックス、さらに好ましくは5~60デシテックスである。
当該繊維はモノフィラメントであっても、それらを複数用いたマルチフィラメントであってもよく、マルチフィラメントの場合はフィラメント数2~100本程度が好ましい。このうち、弾性を有するモノフィラメント(弾性糸)が好ましく、さらにはポリウレタン弾性糸が特に好ましい。
シート状構造体の構造は上記繊維材料を用いて得られる編物(繊維編地)である。
シート状構造体の厚みは特に制限されないが、生体電極としての形状安定性や、機械的強度を高めつつ生体電極の皮膚への密着性を向上させる観点から、好ましくは0.1~4.0mm、より好ましくは0.5~2.0mmである。
本発明のシート状構造体は、前記導電性繊維を少なくとも構成要素の一部として含む。すなわち、シート状構造体全体に対する前記導電性繊維の含有率は90~100質量%である。
(ii)シート状構造体の製造方法
本発明のシート状構造体の製造方法は特に限定されないが、導電性繊維が金属線の場合、シート状構造体を製造する繊維材料の一部に金属線を含ませてから適宜シート状に成形することができる。シート状に成形する方法としては、製織、製編、バインダー樹脂を介在して成形する方法、熱融着による方法等が挙げられる。
導電性繊維が導電性ポリマーの場合、シート状構造体を製造する繊維材料の一部に導電性ポリマーからなる繊維を含ませてから同様に適宜シート状に成形することができる。
導電性繊維が導電性を付与した非導電性ポリマーの場合、シート状構造体を製造する繊維材料の一部に導電性を付与した非導電性ポリマーからなる繊維を含ませてから同様に適宜シート状に成形することができる。
また、シート状構造体を製造する繊維材料を芯糸としてこれに導電性繊維を巻き付ける(カバリングする)ことにより、導電性繊維を含有するカバリング糸とし、このカバリング糸を用いて製織又は製編する、あるいはバインダー樹脂を介在して成形する、熱融着により成形する、などの方法でシート状に成形して導電性繊維を含有するシート状構造体を得ることができる。この場合、シート状構造体を製造する繊維材料としては弾性のモノフィラメント(弾性糸)を用いることが好ましく、さらにはポリウレタン弾性糸を用いることが好ましい。また、導電性繊維としてはポリエステル繊維等の合成繊維に銀等の金属めっきを行って得られる金属めっき糸を用いることが好ましい。
カバリング糸の芯糸となる繊維材料の繊度は、好ましくは10~100デシテックス、より好ましくは10~60デシテックスである。
カバリング糸における導電性繊維に用いる合成繊維は、好ましくはフィラメント数が5~100本からなるマルチフィラメントであり、かかるマルチフィラメントの総繊度は10~100デシテックスである。
前記合成繊維に金属めっきを行って得られる金属めっき糸において、好ましい金属付着量は5~40質量%、さらに好ましくは10~30質量%である。
前記芯糸と導電性繊維との質量比率は、好ましくは5:95~25:75である。すなわちカバリング糸全量に対する導電性繊維の含有率は、好ましくは75~95質量%である。
非導電性ポリマーを使用する場合、別の方法として、導電性を付与する前の非導電性ポリマーからなる繊維をシート状に成形し、その後導電性を付与することもできる。非導電性ポリマーからなる繊維をシート状に成形する手段としては、製織や製編、バインダー樹脂を介在してシート状に成形する方法、熱融着による方法等が挙げられる。非導電性ポリマーからなる繊維をシート状に成形したのち導電性を付与する方法としては、前記非導電性ポリマーからなる繊維に導電性を付与する方法と同様の方法が挙げられ、なかでも金属めっきにより金属皮膜を形成する方法が好ましい。
本発明の生体電極は、その表面近傍に相当程度の水分を内包することができる。この水分内包機能が高い理由は必ずしも明らかではないが、吸水性樹脂の存在に加え、シート状構造体を構成する繊維の微細構造の影響も大きいと考えられる。シート状構造体の内部に存在する空隙の大きさや量、分布などにより、所謂毛細管現象に起因する水分保持が起こると考えられる。
前記シート状構造体は編物である。これによれば、編物からなるシート状構造体の内部空隙に前記吸水性樹脂が付与され、生体電極の内側表面近傍で水分を保持することと、この水分の生体電極外側表面への滲漏を抑制することができる。その結果、高精度の生体信号測定を可能とする生体電極を得ることができる。
前記編物の密度は特に制限されないが、コースが20~70コース/2.54cm、ウェールが30~100ウェール/2.54cmであることが好ましい。また、編地の目付けは80~300g/mが好ましい。
前記編物の組織は特に限定されず、天竺編み、パール編み、ワッフル編み、鹿の子編み、フライス編、スムース編、ダブルトリコット編、ダブルラッセル編みなどが挙げられる。なかでも、適度な厚みと緻密な内部空隙を有し、優れた伸縮性を備えるという点からスムース編みが好ましく、そのなかでも3段スムース編み、4段スムース編みが特に好ましい。厚みは0.5~2.0mmである。
2.吸水性樹脂
本発明においては、前記シート状構造体に吸水性樹脂が付与される。吸水性樹脂は、水に対して高い親和性を有する材料からなる。吸水性樹脂は、一定の水分保持能力を有すること、具体的にはJIS K 7223-1996に準拠した方法で測定した水分保持能力として自重の0.5質量倍~20質量倍、好ましくは0.5~10質量倍、より好ましくは1.0~5質量倍の水を吸収して保持できるものであることが望ましい。
このような吸水性樹脂としては、各種のヒドロゲル材料、例えばアクリル酸及び/又はアクリル酸塩の重合体もしくは共重合体、及びそれらの架橋物が挙げられる。具体的には、以下の(a)~(g)の一種以上が挙げられる。
(a)アクリル酸の重合体
(b)アクリル酸と他のモノマーとの共重合体
(c)アクリル酸塩の重合体
(d)アクリル酸塩と他のモノマーとの共重合体
(e)アクリル酸とアクリル酸塩との共重合体
(f)アクリル酸とアクリル酸塩と他のモノマーとの共重合体、
(g)上記いずれかの(共)重合体の架橋物
共重合体における共重合成分(他のモノマー)としては特に限定されないが、メタクリル酸、アクリル酸エステル類、メタクリル酸エステル類等が挙げられる。塩としては、ナトリウム塩、カリウム塩等のアルカリ金属塩が挙げられる。
また他の吸水性樹脂としては、任意のポリマーを主鎖とし、アクリル酸及び/又はアクリル酸塩の重合体もしくは共重合体(上記(a)~(f)のいずれか)が側鎖として導入されたグラフト共重合体、及びそれらの架橋物も挙げられる。
グラフト共重合体の主鎖となるポリマーとしては特に限定されないが、デンプン、カルボキシメチル化セルロース、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル等が挙げられる。
吸水性樹脂としてはそのほかに、デンプン又はカルボキシメチル化セルロースの架橋物、デンプン-アクリル酸塩グラフト共重合体の加水分解生成物の架橋物、ビニルアルコール-アクリル酸塩共重合体の架橋物、無水マレイン酸グラフトポリビニルアルコールの架橋物、架橋イソブチレン-無水マレイン酸共重合体、酢酸ビニル-アクリル酸エステル共重合体のケン化物、ポリエステル樹脂エマルジョン等を用いることができる。
なかでも上述したアクリル酸及び/又はアクリル酸塩の重合体もしくは共重合体の架橋物(上記(a)~(g)のうちの(g))、及びアクリル酸及び/又はアクリル酸塩の重合体もしくは共重合体が側鎖として導入されたグラフト共重合体の架橋物を好適に用いることができる。グラフト共重合体の主鎖となるポリマーとしては、デンプン、カルボキシメチル化セルロース、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル等が挙げられる。塩としては、ナトリウム塩が好ましい。
より好ましくは、上述したアクリル酸及び/又はアクリル酸塩の重合体もしくは共重合体の架橋物が用いられる。
さらに好ましくは、上記(a)アクリル酸の重合体、(c)アクリル酸塩の重合体、及び(e)アクリル酸とアクリル酸塩との共重合体のいずれかの架橋物((a)、(c)、及び(e)からなる群から選択される(共)重合体の架橋物;以下、「ポリアクリル酸及び/又はその塩の架橋物」という)が用いられる。特に好ましくは(e)アクリル酸とアクリル酸塩との共重合体の架橋物((e)の架橋物)が用いられる。塩として好ましくは、ナトリウム塩が用いられる。
ポリアクリル酸及び/又はその塩の架橋物の取得方法の一例としては、ポリアクリル酸におけるカルボキシ基の少なくとも一部を中和してカルボン酸塩とし、次いで架橋剤を作用させて残存するカルボキシ基の少なくとも一部を架橋させることによって得ることができる。
架橋剤として好ましくは、エポキシ基を2以上有する反応性化合物が用いられる。具体的には、グリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、ソルビトールポリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテル等のポリグリシジルエーテル類を挙げることができる。このうちグリセロールポリグリシジルエーテルが好ましい。
架橋剤の使用量は特に制限されないが、架橋剤がポリグリシジルエーテル類の場合、(ポリグリシジルエーテル類中のエポキシ基のモル数):(吸水性樹脂中のカルボキシ基のモル数)=25:100~75:100になるように添加するのが好ましい。なお、ここでいうカルボキシ基のモル数とは、中和して塩となっているカルボキシ基を含めた総カルボキシ基モル数である。
架橋剤の使用量が少なすぎると、吸水時のシート状構造体への密着性が弱く電極から脱離しやすくなり、多すぎると生体電極の風合いが硬くなる場合がある。
ポリアクリル酸及び/又はその塩の架橋物において、その水分保持能力は、中和されてカルボン酸塩となっているカルボキシ基の数に影響される。したがって、架橋物中のカルボン酸塩の当量が、150~1,500g/eq.であることが好ましく、300~1,000g/eq.であることがより好ましい。カルボン酸塩の当量がこの範囲内であるポリアクリル酸及び/又はその塩の架橋物を吸水性樹脂として選択することにより、生体電極の水分保持指数を0.8以上とすることが容易となる。カルボン酸塩の当量は、中和剤(例えばナトリウム塩の場合は水酸化ナトリウムなど)や架橋剤の使用量を適宜選択することによって上記範囲に調整することができる。
ポリアクリル酸塩グラフト共重合体の架橋物についても、同様にポリアクリル酸塩グラフト共重合体におけるカルボキシ基の少なくとも一部を中和してカルボン酸塩とし、次いで架橋剤を作用させることによって得ることができる。
また、ポリエステル樹脂エマルジョンも好適に用いることができる。例えば「陰イオン性特殊ポリエステル樹脂」と呼ばれることもあるアニオン性界面活性剤を含むポリエステル樹脂組成物を用いることもできる。
これらの吸水性樹脂は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
吸水性樹脂の平均分子量は特に制限されないが、通常は平均分子量が4,000~100,000程度のものを使用するのが好ましい。
これらの吸水性樹脂をシート状構造体に付与することにより、生体電極における水分保持指数を制御することが容易となり、簡易な工程で本発明の生体電極を製造することが可能となる。
前記シート状構造体に前記吸水性樹脂を付与する手段としては、溶媒に前記吸水性樹脂を溶解又は分散した処理液を用いてこれにシート状構造体を浸漬する方法、同処理液をスプレー等によりシート状構造体に噴きつける方法等があるが、特に限定されない。その後、処理液中の溶媒を蒸発させる等によって除去することで、シート状構造体が吸水性樹脂の薄い膜で被覆されることになる。乾燥後の吸水性樹脂はシート状構造体の繊維を必ずしも完全に被覆している必要はなく、繊維上に不連続に付着している状態であってもよい。
処理液において、吸水性樹脂を溶解又は分散させる溶媒としては、吸水性樹脂を溶解又は分散させることが出来れば特に制限されないが、例えば水、メタノール、エタノール、2-プロパノール等のアルコール類、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン類、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、N-メチルピロリドン、γ-ブチロラクトン等の有機溶剤が挙げられる。処理液中の吸水性樹脂の濃度は特に制限されないが1~40質量%程度である。
吸水性樹脂付与後のシート状構造体全量に対する吸水性樹脂の付与量は、好ましくは0.5~100g/m、より好ましくは10~80g/mである。シート状構造体を被覆する吸水性樹脂の薄膜の膜厚は0.1~20μmである。


前記シート状構造体に前記吸水性樹脂が付与された本発明の生体電極は、その表面近傍に相当程度の水分を内包できる点に特徴を有する。具体的には、本発明の生体電極は、水分保持指数が0.8以上であることが必須であり、好ましくは0.9以上である。
ここで本発明における水分保持指数について説明する。概ね水平な台に置かれた試料(生体電極)の表面に、純水0.01gを静かにのせて30秒間静置する。その後純水をのせた位置に重なるように定量濾紙No.5A(東洋濾紙株式会社製)を置き、更に濾紙の上に直径50mm、厚さ0.5mmのシリコーンゴムシートと直径50mmの鉄板(合計質量100g)を重ねて0.5kPaの圧力となるようにして60秒間静置する。定量濾紙に吸収された純水の質量から、試料(生体電極)に保持されている純水の比率を下記の数式1により算出し、本発明における水分保持指数とする。
(数式1)
水分保持指数=1-[定量濾紙に吸収された純水の質量(g)]÷0.01
本発明の生体電極が、上記定義で表される水分保持指数で0.8以上を示すほどに表面近傍の水分内包機能が高い理由は必ずしも明らかではないが、シート状構造体の微細構造や吸水性樹脂の付着状態など、様々な要件が影響していると考えられる。
シート状構造体の微細構造に関しては、シート状構造体の内部に存在する空隙の大きさや量、分布などにより、所謂毛細管現象に起因する水分保持が起こると考えられる。さらに、シート状構造体内部の表面積も大きく影響すると考えられる。したがって、シート構造体の繊維構造(編地が好ましい)、繊維の太さ(繊度)やフィラメント数、繊維間の空隙(編地の密度)、編地の目付けなどについて、好ましい条件を選択することで、所望の水分保持指数を得ることができる。
吸水性樹脂については、樹脂の種類や樹脂自身の水分保持能力、シート状構造体への付与量や厚み、吸水性樹脂の付着状態などについて、好ましい条件を選択することで、所望の水分保持指数を得ることができる。なお吸水性樹脂の付着状態としては、付着した吸水性樹脂の形状(水玉状等)などが挙げられる。
本発明においては、かかる要件を適宜組み合わせて生体電極の水分保持指数を0.8以上とすることが求められる。前記水分保持指数を0.8以上とすることにより、水分が生体電極の内部や内部の表面近傍には保持されるものの、生体電極の表面外側に水分が滲み出ることを抑制できる。その結果、皮膚と生体電極との間に必要以上の水が存在しないため不快感をおぼえず、また、複数の生体電極が近接する場合でも短絡を起すことがない。一方、生体電極の内部及び内部の表面近傍には水分が保持されるため、アーチファクトの影響がなく、精度の高い生体信号測定が可能となる。
本発明の生体電極は導電性繊維を含有するシート状構造体からなるため、通常の繊維布帛を切断する方法で自由に裁断できる。したがって、自由な大きさ、形に裁断し、身体に装着する装具の内側(皮膚に接触する側)に貼り付けて使用することができる。導電性繊維を含有するシート状構造体からなる生体電極であるので、信号の入出力用として金属細線を縫製によって接続することも可能である。
II.生体電極付き装具
本発明の生体電極付き装具(サポーター)は、伸縮性を有する布帛からなる基布表面に形成された配線、該配線の末端に設けられた生体電極、及び前記配線上を被覆する絶縁層を有する電極配置領域を少なくとも一部に備えた布帛構造物からなる。なお、基布表面とは配線及び電極が設けられる面をいい、基布裏面とはその反対側をいう。
1.電極配置領域
本発明の電極配置領域は、基布の上に少なくとも配線、生体電極、及び絶縁層を含み、配線が基布の第一伸長方向に沿って形成されている領域である。
図5及び図6に本発明の電極配置領域の一例の断面図を示す。図5中、電極配置領域は、基布1の上に少なくとも配線2、電極3、及び絶縁層4を含み、配線2が基布1の第一方向に沿って形成されている。電極3は配線2の末端近傍に設けられ、絶縁層4に覆われていない。
(1)基布
本発明の基布は、生体への装着性や生体電極の皮膚への密着性の観点から、伸縮性を有する布帛により構成される。少なくとも一方向に伸縮性を示すものであればよいが、二方向以上に伸縮性を示すものであってもよく、全方向に伸縮性を示すものであってもよい。
肌への追従性の観点から、配線方向以外の全方向に良好な伸縮性を示すものが好ましい。例えば、全方向に伸長性を示す基布を用い、配線方向にのみ縫製等の手段により伸びを制限することができる。
伸縮性を有する布帛を構成する素材としては、通常衣類に用いられる布帛であれば特に制限されず、例えば織物、不織布、編物等が挙げられる。生体電極への密着性や装着性の観点から、柔軟性にも優れた素材が好ましい。
具体的には、ポリエステル、ポリアミド、ポリウレタン、ポリエチレンなどの合成繊維からなる布帛、綿、麻、絹などの天然繊維からなる布帛、それらの混紡繊維からなる布帛や混合繊維等が挙げられる。これらは1種類でもよく、2種類以上から構成されていてもよい。
また、基布は単層であっても複層であってもよい。基布が複層である場合、各層を構成する素材は同一であっても異なっていてもよい。
基布の厚みは特に制限されないが、生体電極の形状安定性や、機械的強度を高めつつ生体電極の皮膚への密着性を向上させる観点から、好ましくは0.05~1.00mm程度、より好ましくは0.1~0.5mm程度である。
前記基布は、電極配置領域において、相対的に低い伸長性を示す第一伸長方向と、該第一伸長方向と異なる伸長方向であって該第一伸長方向より高い伸長性を示す第二伸長方向とを少なくとも有する。第一伸長方向と第二伸長方向とが互いに異なる方向を示すとは、第一伸長方向と第二伸長方向とが互いに平行でないこと、あるいは両方向が互いに交差するような関係にあることを意味する。また、第一伸長方向は基布内で最も伸び率の低い方向であることが好ましい。
第一伸長方向の伸長性の目安としては、例えばJIS規格の「L 1096 D法」に準ずる荷重2.1N/幅10mmでの伸び率が20%以下、好ましくは15%以下、特に好ましくは10%以下である。伸び率の下限は特に制限されないが、第一伸長方向の伸び率は0%に近い方が好ましい。
第二伸長方向における伸長性の目安としては、上記JIS規格に準ずる伸び率が25%~150%の範囲であることが好ましく、さらに好ましくは30%~100%である。特に好ましくは30~70%である。
また、第二伸長方向においてJIS規格のL 1096 E法に準じて荷重2.1N/幅10mm、繰り返し回数1回にて測定される伸長弾性率が80%以上であることが好ましく、85%以上であることがより好ましい。第二伸長方向の伸長弾性率が80%以上であれば、本発明の生体電極付き装具を装着した際、適度な締め付け効果が発現され、使用中に電極位置がズレることを防止できる。第一伸長方向における伸長弾性率は特に制限されない。
第一伸長方向と第二伸長方向は基布面上で相互に平行でなく、異なる方向を示すものであり、両方向は互いに交差していると言うことができる。両方向が互いに成す角度(鋭角側)は特に制限されないが、目安としては、好ましくは60~90度程度であり、より好ましくは概ね直交している状態(90度程度)である。
基布が経糸と緯糸からなる通常の織物の場合、その経糸と緯糸は相互に交差(直交)している状態であり、前記経糸と緯糸の方向は本発明の第一伸長方向と第二伸長方向を形成し得る。したがって、基布として織物を利用する場合、経糸と緯糸の伸長性を変えることによって、所望の伸長性を示す第一伸長方向と第二伸長方向を形成することができる。
例えば、ほぼ伸長性を示さない経糸と、ポリウレタン弾性糸などの伸長性を示す糸を含有する緯糸とで織物を形成した場合には、経糸の長手方向が第一伸長方向となり、緯糸の長手方向が第二伸長方向となる。配線は経糸の長手方向、すなわち第一伸長方向に沿って形成することができる。
一方、交差する二方向(例えばタテとヨコ)に良好な伸長性を持つ編物など、二以上の方向(あるいは全方向)に高い伸長性を示す布帛を基布に用いる場合、電極配置領域では、いずれか一方向の伸長を抑制するための拘束手段を用いて拘束部を設けることが好ましい。それにより、少なくとも一方向を低い伸長性を示す第一伸長方向とすることができ、それに沿って配線を形成させることができる。
伸長を抑制する拘束手段としては、伸長を抑制したい方向に、伸長性の低い糸で縫製する、あるいは伸びの少ない布帛やフィルム、シートを貼り付ける、などの方法が挙げられる。縫製に用いる伸長性の低い糸としてはポリエステル、ナイロン、アラミドなどの糸が挙げられる。伸びの少ない布帛としては、ポリエステル織物、ナイロン織物、アラミド織物等が挙げられる。伸びの少ないフィルムやシートの材質としては、ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。
伸長性の異なる第一伸長方向及び第二伸長方向を有する伸縮性布帛を製織により形成するには、比較的に高い伸長性を示す第二伸長方向に用いられる繊維としてポリウレタン弾性糸を芯糸としポリエステル糸やナイロン糸を巻きつけたカバリング糸などを用い、比較的に低い伸長性を示す第一伸長方向に用いられる繊維としてポリエステル糸やナイロン糸を用いて製織し布帛を形成することができる。
本発明においては、電極が腕や脚の皮膚表面に接触するように腕や脚に巻きつけて固定したり、筒状にして装着して使用したりするサポーターなどの装具では、腕や脚の周方向が基布の第二伸長方向となるように用いる。したがって、第二伸長方向と交差する第一伸長方向は、腕や脚の周方向と交差する方向(腕や脚の長手方向)となるように装着される。
(2)配線
本発明の配線は、基布表面に形成され、その一方の末端には生体電極が設けられ、もう一方の末端は外部接続端子と電気的に接続し、電極と外部接続端子(信号の入出力端子)とを結ぶ。端子は外部装置と電気的に接続して信号の入出力を行う。
電極配置領域においては、配線は基布上の第一伸長方向に沿って形成されていることが必要である。配線が第二伸長方向に沿って伸びていると、布帛の伸長に伴い配線が断線するおそれがある。
配線は、例えば金属めっき布帛や金属箔、導電性樹脂組成物の塗膜をカットして貼り付けるなどの方法で形成することができる。導電性樹脂組成物等を用いた導電性インクを直接印刷して形成することもできる。断線しにくいという点から、導電性インクによる印刷で形成したものが好ましい。
金属めっき布帛としては、ポリエステル織物の表面に銅、銀、ニッケル、錫などの金属を電気めっき法や無電解めっき法で単独あるいは順次組み合わせて析出させた金属めっき布帛が挙げられる。金属箔に用いる金属としては、銅、銀、ニッケル、錫などが挙げられる。金属箔の厚みは特に制限されないが、好ましくは1~30μm程度である。
導電性インクに用いられる導電性樹脂組成物としては、公知の市販品や、アクリル樹脂やポリウレタン樹脂等の合成樹脂を溶媒に溶かした溶媒溶液に導電性粒子を分散させたものが挙げられる。導電性粒子としては銀粒子、ニッケル粒子、カーボン粒子等が挙げられる。
溶媒としては水、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール類、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等のグリコール類の誘導体、γ-ブチロラクトン、N-メチルメチルピロリドン、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、炭酸ジメチル、ジオキサン、テトラヒドロフラン、ソルベントナフサ等が挙げられる。
これらの溶媒のうちで好ましいものはメチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン類、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート等のグリコール類の誘導体、γ-ブチロラクトンである。上記導電性樹脂組成物全量に対する溶媒の割合は一般的に5~95質量%程度である。
上記導電性樹脂組成物における合成樹脂としては、上述したアクリル樹脂やポリウレタン樹脂の他に、ポリエステル樹脂等が挙げられる。
導電性粒子の配合割合は特に制限されないが、導電性樹脂組成物中の固形分に対し概ね50~95質量%程度である。
導電性樹脂組成物以外の導電性インクとしては、PEDOT/PSS(ポリ(4-スチレンスルホン酸)[PSS]をドープしたポリ(3、4-エチレンジオキシチオフェン)[PEDOT])等の導電性ポリマー等を挙げることができる。印刷の方法はインクジェット印刷方式、スクリーン印刷方式等が挙げられる。
配線の太さ(径)や長さは、使用対象部位の態様や電気信号の種類、生体電極付き装具のサイズ、態様、種類等に応じて定めることができ、特に制限されない。配線の太さとして好ましくは500~5,000μm、より好ましくは1,000~3,000μm程度である。
(3)生体電極
生体信号の測定や電気刺激には使用対象部位(皮膚等)に接触する生体電極が用いられる。生体電極は配線に接続し、さらに配線を介して端子に電気的に接続されて生体信号の外部への出力や生体に電気刺激を与えることを可能としている。ひとつの配線に対し生体電極はひとつ設けられる。
このような生体電極には、使用対象部位の態様や生体信号の種類に応じて種々のものがある。本発明における生体電極として具体的には、基材に金属皮膜を設けたもの、基材に導電性塗料を塗布したものなどが挙げられる。
特に好ましいものとしては、上述した、導電性繊維を含有するシート状構造体と前記シート状構造体に付与された吸水性樹脂とからなり水分保持指数が0.8以上であることを特徴とする本発明の生体電極が挙げられる。
導電性繊維を含有するシート状構造体の好ましいものとしては、表面に金属皮膜を有する合成繊維を含有した繊維材料を成形した繊維構造体が挙げられる。吸水性樹脂の好ましいものとしては、ポリアクリル酸及び/又はその塩の架橋物が挙げられる。
生体電極は、使用対象部位に接触する面と反対側に配線が形成される場合が多いため、厚さ方向にも導通があることが好ましい。このような点を考慮すると、生体電極を構成する基材として多孔質基材を用い、その内部にまで金属皮膜が形成されているものが好ましい。さらに装着性(肌触り)や密着性などの観点から、クッション性(弾力性)を有するものが望ましい。このような多孔質基材の素材としては、織物、編物、不織布等の布帛、高分子材料からなる発泡体等が挙げられる。
金属皮膜を構成する金属としては銅、銀、ニッケル、錫等が挙げられる。多孔質基材(その内部まで)に金属皮膜を形成する方法としては、電気金属めっき、無電解金属めっき等が挙げられる。
導電性塗料の例としては、アクリル樹脂やポリウレタン樹脂に銅、銀、ニッケル、錫等の金属微粒子や銀-酸化銀粒子、カーボンブラック等を分散した塗料が挙げられる。その他、PEDOT/PSS等の導電性ポリマーからなる塗料が挙げられる。
電極を基布上に形成する方法としては、電極を所定の位置に導電性接着剤等で貼り付ける方法、ホットメルト接着剤を用いて加熱、加圧後に冷却する方法などが挙げられる。導電性の接着剤としては、公知の市販品(例えば藤倉化成株式会社製導電ペースト:ドータイトD-500等)を用いることができる。ホットメルト接着剤としては公知の市販品(例えばシーダム株式会社製ポリウレタンホットメルトシート:エセランSHM101等)を用いることができる。
電極の形状(大きさ)や厚みは、使用対象部位の態様や電気信号の種類、生体電極付き装具の態様や種類等に応じて定めることができ、特に制限されない。好ましくは、電極の形状としては丸形、四角形等、大きさとしては5~100mm×5~100mm程度、厚みとしては0.5~5.0mm程度が挙げられる。
(4)絶縁層
本発明では絶縁層を布帛構造物の使用対象部位(皮膚)側、すなわち配線の基布側とは反対の側に、配線を被覆するように設ける。これにより配線が皮膚に触れるのを防止することができる。一方、絶縁層は電極部分には設けない。このため、電極部分は布帛構造物の表面側(皮膚等の使用対象部位に接する面)に露出するようになり、これにより電極が使用対象部位に接触することができる。
本発明は通常、ひとつの配線に対し電極はひとつ設けられる。このため電極が集中する箇所では配線も混み合うが、絶縁層で被覆することによって短絡を防ぐことができる。
絶縁層は配線のみを被覆することも、電極部分以外の基布表面全体を被覆することもできる。前記第二伸長方向の伸長性を損なわないという観点から、好ましくは配線のみを被覆する。
絶縁層を構成する素材としては、ポリウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等が挙げられる。
絶縁層の皮膜厚みは特に限定されないが、好ましくは10~200μm、より好ましくは20~150μm程度が挙げられる。
絶縁層は、基布上に設けられた配線の上(配線における基布との接触側と反対の側)に配線を被覆するように設ける必要があるが、そのほかに必要に応じて配線と基布の間に第二の絶縁層を設けることもできる。配線の上(配線における基布との接触側と反対の側)に設ける絶縁層を第一の絶縁層とすると、第一の絶縁層と第二の絶縁層を設けることは、配線を上と下の両側から挟むように絶縁層で被覆する、あるいは配線の周囲を絶縁層で囲うように被覆することとなり、汗などで濡れた場合でも短絡せず、より正確な計測や電気刺激が可能となる。予め絶縁層で周囲を被覆した配線を用いて布帛構造物を形成することもできる。
本発明ではまた、基布の配線を形成した面とは反対の面(基布裏面)に第三の絶縁層を設けることもできる。この場合も第一の絶縁層と第三の絶縁層とで配線を挟むように被覆することとなり、汗などに起因する短絡を防ぎ、より正確な計測や電気刺激が可能となる。
かかる第二及び第三の絶縁層の素材、厚み等は、第一の絶縁層と同様である。
(5)その他
本発明の電極配置領域は、基布上に上述した配線、電極及び絶縁層を設けるが、さらに必要に応じて電極側、つまり皮膚等の使用対象部位に接触する面に肌触りを良くするための布帛(肌側布帛)を設けることもできる。肌側布帛を設けることにより、装着時の肌触りが良好になるという利点がある。
肌側布帛は電極以外の電極配置領域全体に、配線及び絶縁層を覆うように設けることができる。肌側布帛を基布に固定し、装着の際にズレることを防止するにあたっては、全面ではなく部分的に接着するか、縫い付けるなどの方法で固定した方が望ましい。全面を接着してしまうと生体電極付き装具にハリが出てしまい、第二伸長方向の伸長性を阻害する虞がある。
図6は、第二の絶縁層及び肌側布帛を設けた場合の電極配置領域の一例に関する断面図である。図6中、基布1上に第二の絶縁層4’が設けられ、その上に配線2が設けられている。すなわち、第二の絶縁層4’は基布1と配線2との間に設けられている。配線2の上にさらに第一の絶縁層4が設けられ、配線2は第一と第二の絶縁層4、4’に挟まれるように被覆されている。電極3は配線2の末端近傍に設けられ、第一の絶縁層4に覆われていない。第一の絶縁層4の上にさらに肌側布帛5が設けられており、肌側布帛5は基布上の電極配置領域以外の領域も覆っていてもよい。電極3は肌側布帛5に覆われていない。
肌側布帛を構成する素材としては、通常の肌触りをよくするために用いられる布帛であれば特に制限されないが、好ましくはナイロン・トリコット等が挙げられる。基布の第二伸長方向における伸長性を妨げないように、基布の第二伸長方向の伸長性と同等かより高い伸長性を有する布帛であることが望ましい。
肌側布帛の厚みは使用対象部位の態様や電気信号の種類、生体電極付き装具のサイズ、態様、種類等に応じて定めることができ、特に制限されない。好ましくは0.1~1.0mm程度である。
2.入出力部領域
本発明においては、上述した電極配置領域に配置された電極は配線を介して端子に電気的に接続され、これにより生体信号の外部への出力や生体に電気刺激を与える事を可能としている。端子を設置して信号の入出力を行う領域を、以下「入出力部領域」とする。
図7に、本発明の電極配置領域及び入出力部領域を含む生体電極付き装具の一例を概略図として示す。図7中、9は基布の第二伸長方向を示し、8は電極配置領域、10は入出力部領域を示す。基布1上に配線2が設けられ、配線2の一方の末端近傍に電極3が、他方の末端には入出力部領域10にある端子7が接続されている。配線2に沿って配線2を囲むように絶縁層4が設けられている。基布1上には拘束部6が第二伸長方向9と概ね直角方向(すなわち第一伸長方向)に設けられ、配線2は拘束部6によって伸長性が抑制されている第一伸長方向に沿って延伸して形成されている。
入出力部領域において、端子は外部装置と電気的に接続して信号の入出力を行う。外部装置との接続を容易にするため、端子は集中して配置するのが好ましい。入出力部領域は、その領域内に電極を有しないため、電極配置領域と区別することができる。入出力部領域では端子を集中して配置させるため、配線は基布の伸長性とは無関係に端子との位置関係を重視して設置することができる。
生体電極付き装具を腕や脚に巻きつけて使用する際、入出力部領域は筒状とせず、また、皮膚に接触しないようにしてもよい。筒状となった電極配置領域の一端から、入出力部領域が舌状に突出した形状とすることができる。
例えば、図7の生体電極付き装具を左右の辺を合せて筒状にした際、入出力部領域10は筒状とはならず、筒状となった電極配置領域8の上端の一部から突き出たように(舌状に)形成される。
入出力部領域を構成する布帛はいずれの方向においても伸長性の有無を問わない。電極配置領域に用いられる基布と入出力部領域に用いられる基布とが同じであってもよく、その場合は電極配置領域と入出力部領域とを一体に形成しうる共通の布帛を基布とすることができる。基布の厚みや種類、伸び率等は、上述した電極配置領域に用いられる基布と同じである。
また、電極配置領域に用いられる基布と入出力部領域に用いられる基布とを異なる布帛で構成してもよい。入出力部領域における配線の断線を防ぐという観点からは、入出力部領域を構成する布帛はあまり高い伸長性を示さないものの方が好ましい。布帛自体の伸長性を抑制する目的で、伸長性を示さないフィルム等で入出力部領域全体を被覆してもよい。あるいは、前記電極配置領域における拘束手段を利用して伸長性を抑制してもよい。
III.まとめ
1.生体電極
本発明の生体電極では、前記水分保持指数が0.8以上であることにより、水分が生体電極の内部や表面近傍には保持されるものの、生体電極の表面に水分が滲み出ることを抑制できる。その結果、皮膚と生体電極との間に必要以上の水が存在しないため不快感をおぼえず、また、複数の生体電極が近接する場合でも短絡を起すことがない。一方、生体電極の内部及び表面近傍には水分が保持されるため、アーチファクトの影響がなく、精度の高い生体信号測定が可能となる。
本発明の生体電極は導電性繊維を含有するシート状構造体からなるため、通常の繊維布帛を切断する方法で自由に裁断できる。したがって、自由な大きさ、形に裁断し、身体に装着する装具の内側(皮膚に接触する側)に貼り付けて使用することができる。導電性繊維を含有するシート状構造体からなる生体電極であるので、信号の入出力用として金属細線を縫製によって接続することも可能である。
2.生体電極付き装具
本発明の生体電極付き装具は、生体電極が腕や脚の皮膚表面に接触するように巻きつけて固定したり、筒状にして装着したりする身体装着用装具(サポーター)などとして用いることができる。比較的高い伸長性を示す方向(第二伸長方向)を腕や脚の周方向とするため、個人差による太さの違いにかかわらず、皮膚表面の所定の位置に生体電極が接触するように装着でき、任意の電極間の電位差やインピーダンス、キャパシタンスなどを正確に測定することが可能となり、かかる正確な測定に基づいて生体活動や皮膚下の組織状態をより良く知ることができる。また、正確な位置に電気刺激を与えることが可能となり、効率的に麻痺やこりの治療を行ったり筋肉トレーニング効果を高めたりすることができる。
以下に本発明を実施例により説明するが、本発明はこれらの実施例により何らの制限を受けるものではない。
<実施例1>
(1)導電性繊維を含有するシート状構造体の作製
33デシテックス/6フィラメントのPET(ポリエチレンテレフタレート)糸に銀めっきを行って銀付着量が20質量%の銀めっき糸を作製した。PU(ポリウレタン)弾性糸「ROICA」(登録商標;旭化成株式会社製、モノフィラメント;22デシテックス)1本を芯糸とし、上記銀めっき糸1本を撚糸回数650T/M、Z撚りでカバリングしてPU糸と銀めっき糸からなるカバリング糸を得た。片岡機械工業株式会社製カバリング機(B-3タイプ)を用い、PU糸と銀めっき糸の質量比率は17:83であり、カバリング糸全体に対する銀めっき糸の含有率は83質量%であった。このカバリング糸を、22ゲージ、4段スムース組織で編み立てて導電性繊維を含むシート状構造体(編地)を作製した。この編物のコースは35コース/2.54cm、ウェールは54ウェール/2.54cmであり、編地の目付けは192g/mであった。また、この編地の厚みは1.2mm、サイズは直径35cm×長さ50cmの筒状であった。
(2)吸水性樹脂処理液の作製
濃度20質量%のポリアクリル酸水溶液(ポリアクリル酸;平均分子量25,000、和光純薬工業株式会社製、商品名「ポリアクリル酸25,000」)8質量部に、20質量%水酸化ナトリウム水溶液1.112質量部を加えて混合し、ポリアクリル酸中のカルボキシ基の25%をナトリウム塩とした。次に架橋剤としてグリセロールポリグリシジルエーテル(ナガセケムテックス株式会社製、商品名「デナコールEX-313」)1.56質量部、水20.928質量部を加えて混合し、吸水性樹脂処理液を作製した。なお、この架橋剤の使用量に関しては、(ポリグリシジルエーテル類中のエポキシ基のモル数):(吸水性樹脂中のカルボキシ基のモル数)=50:100となるように架橋剤を配合したものである。
この吸水性樹脂は、自重の1.2質量倍程度の水を吸収して保持することができ、カルボン酸ナトリウム塩の当量は590g/eq.であった。
(3)生体電極の作製
この吸水性樹脂処理液に前記シート状構造体(編地)を浸漬(浸漬時間;0.5分)した後、吸水性樹脂処理液を含んだシート状構造体(編地)をロール幅450mm、ニップ幅20mm、ニップ圧力1.45MPa、送り速度2m/分の条件にてマングルで絞り、乾燥炉で100℃×5分間乾燥し、その後180℃×2分間の熱セットをした。熱セット後のシート状構造体(編地)の質量増加から算出した吸水性樹脂の付与量は22.5g/mであった。
このシート状構造体を15mm×15mmの四角形にカットして生体電極を3個得た。得られた生体電極について、上述した方法及び数式1にしたがって水分保持指数を求めたところ、0.970であった。結果を表1に示す。
(4)生体信号の計測
得られた3個の生体電極を、前腕部装着具の皮膚側に間隔10mmとなるように一列に並べて貼り付け、岩淵技術商事株式会社製筋電位センサIWS940開発キット「マッスルリンク」の+電極、-電極、ノイズキャンセル電極をこの順で3個の生体電極と被覆電線にて接続した。生体電極に水道水を霧吹きで吹き付けて生体電極を水で濡らし、生体電極が被験者の撓側手根屈筋上に並んで接触するように、被験者の前腕部に前腕部装着具を装着した。このとき、皮膚に対する生体電極の着圧が0.5kPaとなるようにした。手首の曲げ伸ばし運動を行いながら、筋電信号を取得し、筋電図を得た。得られた筋電図を図1に示した。
また、得られた生体電極を被験者に装着してもらい、電極部と肌との接触に起因する装着感を官能評価したところ、不快感がないとの評価が得られた。
<実施例2>
吸水性樹脂処理液として商品名「SR1801Mconc」(高松油脂株式会社製、ポリエステル系樹脂水溶液)15質量部と水85質量部の混合液を用い、シート状構造体への吸水性樹脂の付与量を3.67g/mとした以外は実施例1と同様にしてシート状構造体に吸水性樹脂を付与し生体電極を得た。
なお、「SR-1801Mconc」はアニオン性界面活性剤を含むポリエステル樹脂組成物(陰イオン性特殊ポリエステル樹脂)のエマルジョンであり、自重の0.6質量倍程度の水を吸収し保持することができる。

得られた生体電極について、上述した方法及び数式1にしたがって水分保持指数を求めたところ、0.823であった。結果を表1に示す。また、この生体電極を用い、実施例1と同様に筋電信号を取得し、得られた筋電図を図2に示した。
また、得られた生体電極を実施例1と同様に被験者に装着してもらい、電極部と肌との接触に起因する装着感を官能評価したところ、不快感がないとの評価が得られた。
<比較例1>
吸水性樹脂を付与しなかったこと以外は実施例1と同様にして生体電極を得た。得られた生体電極について、上述した方法及び数式1にしたがって水分保持指数を求めたところ、0.125であった。結果を表1に示す。また、この生体電極を用い、実施例1と同様に筋電信号を取得し、得られた筋電図を図3に示した。
また、得られた生体電極を実施例1と同様に被験者に装着してもらい、電極部と肌との接触に起因する装着感を官能評価したところ、水のべたつきによる不快感があるとの評価が得られた。
<比較例2>
吸水性樹脂処理液として商品名「SR1801Mconc」(高松油脂株式会社製、ポリエステル系樹脂水溶液)3質量部と水97質量部の混合液を用い、吸水性樹脂の付与量を0.94g/mとした以外は実施例2と同様にしてシート状構造体に吸水性樹脂を付与し生体電極を得た。
得られた生体電極について、上述した方法及び数式1にしたがって水分保持指数を求めたところ、0.186であった。結果を表1に示す。また、この生体電極を用い、実施例1と同様に筋電信号を取得し、得られた筋電図を図4に示した。
また、得られた生体電極を実施例1と同様に被験者に装着してもらい、電極部と肌との接触に起因する装着感を官能評価したところ、水のべたつきによる不快感があるとの評価が得られた。
<生体信号の評価>
実施例1,2及び比較例1,2で得られた筋電図から、筋電信号に対してノイズが十分に小さく筋電信号の波形が判別可能である場合を〇、筋電信号に対してノイズが大きく筋電信号の波形が判別できない場合を×と評価した(図1~4を参照)。結果を水分保持指数とともに表1に示す。
<実施例3>
[基布]
セーレン株式会社製のポリエステル・トリコット編地(ポリウレタン弾性糸交編、厚み300μm)を用い、電極配置領域が経(タテ)100mm×緯(ヨコ)165mm、入出力部領域がタテ60mm×ヨコ(上辺部)50mmとなるように、電極配置領域と入出力部領域を一体にカットし、経方向に縫製糸による長さ80mmの拘束部を4箇所設けた。各拘束部の間隔は40mmとした。縫製糸はKBセーレン株式会社製液晶ポリエステル繊維(ゼクシオンType-vs、280デシテックス/48フィラメント)を3本撚り合わせて作製した。
[配線形成]
リンテック株式会社製離型紙(商品名「WEKR78TPD-H」、厚み145μm、層構成PP/紙/PP)に太陽インキ製造株式会社製銀ペースト(商品名「ELEPASTE TR70901」)を乳剤厚み15μm、ステンレス100メッシュ、線径71μmの版でスクリーン印刷し、熱風循環乾燥炉で130℃、30分乾燥することで、導電性樹脂組成物の塗膜を得た。
得られた導電性樹脂組成物の塗膜にシーダム株式会社製ウレタン系ホットメルトシート(エセランSHM-101PUR)を重ね、株式会社ハシマ製エアー駆動式全自動転写用プレスHP-4536A-12で130℃、370g/cm、30秒間熱プレスして貼り合わせた。
次に、Gravotech社製レーザ裁断機LS900で図3に示す配線2に相当するパターン状にカットし、離型紙上から配線以外の部分を除去する事で、離型紙上に配線幅2mm、配線ピッチ40mm(電極形成領域)の接着層付き配線パターンを形成した。
次に、配線パターンが基布の拘束部間の概ね中央に縫製糸と平行になるようにして接着層付き配線パターンの接着層と基布を重ね合わせ、株式会社ハシマ製エアー駆動式全自動転写用プレスHP-4536A-12で130℃、370g/cm、30秒間熱プレスして貼り合わせることで基布上に配線を形成した。
[第一の絶縁層の形成]
シーダム株式会社製ポリウレタンシート(ハイグレスDUS202、厚み100μm)とシーダム株式会社製ウレタン系ホットメルトシート(エセランSHM101PUR、厚み70μm)を重ね、株式会社ハシマ製エアー駆動式全自動転写用プレスHP-4536A-12で130℃、370g/cm、30秒間熱プレスして貼り合わせた。
次に、Gravotech社製レーザ裁断機LS900で絶縁層パターンをカットし、絶縁層パターン以外の部分を除去することで、線幅3mm、線ピッチ40mm、生体電極と接続するための窓を幅2mm×長さ8mmで開けた接着層付き絶縁層パターンを形成した。生体電極と接続するための窓は配線毎に一箇所とした。
次に、接着層付き絶縁層パターンの接着層と基布上に形成された配線を重ね合わせ、株式会社ハシマ製エアー駆動式全自動転写用プレスHP-4536A-12で130℃、370g/cm、30秒間熱プレスして貼り合わせることで配線上に絶縁層を形成した。
[生体電極形成]
セーレン株式会社製の銀めっきポリエステル糸(33デシテックス/6フィラメント)の4段スムース編地とシーダム株式会社製ウレタン系ホットメルトシート(エセランSHM101PUR)を重ねて110℃に加熱したアイロンで仮止めした後に、直径10mmの円形に切り出して生体電極を作製した。切り出した生体電極の中心と、絶縁層に設けられた生体電極と接続するための窓の中心とを重ね、株式会社ハシマ製エアー駆動式全自動転写用プレスHP-4536A-12で130℃、370g/cm、30秒間熱プレスして貼り合わせることで生体電極を取り付けた。
[生体電極付き装具の作製]
上記で得られた配線、絶縁層、生体電極を形成した布帛構造体の電極配置領域の第二伸長方向の両端部を、重なり幅5mmとなるようにミシンで縫い止め、電極配置領域が筒状となり入出力部領域が上部に舌状に突き出した形状の生体電極付き装具を作製した。
作製した装具の周長は160mmである。得られた生体電極付き装具の電極形成領域における第一伸長方向、第二伸長方向の伸び率は2.0%、45.9%であった。また第二伸長方向の伸長弾性率は89.5%であった。
[電極位置の正確さ評価]
尺骨茎状突起(手首小指側の骨の出っ張り)から肘側に50mm離れた位置の周長が170mmと190mmである2人の被験者について、作製した筒状の生体電極付き装具を装着したときの生体電極の周長方向における位置を確認した。両被験者において想定した位置に生体電極が接触していることが確認できた。
[配線の断線しにくさの評価]
尺骨茎状突起(手首小指側の骨の出っ張り)から肘側に50mm離れた位置の周長が180mmの被験者に、作製した筒状の生体電極付き装具を繰り返し100回着脱してもらい、その後配線の導通状態を日置電機株式会社製ミリオームハイテスタ(3540)で測定し、断線が無いことを確認できた。
<実施例4>
実施例3と同じ基布に対して、まず第二の絶縁層を形成したこと、電極形成の前に肌側布帛を積層したこと、以外は実施例3と同様にして生体電極付き装具を作製した。
[第二の絶縁層形成]
シーダム株式会社製ポリウレタンシート(ハイグレスDUS202、厚み100μm)とシーダム株式会社製ウレタン系ホットメルトシート(エセランSHM101PUR、厚み70μm)を重ね、株式会社ハシマ製エアー駆動式全自動転写用プレスHP-4536A-12で130℃、370g/cm、30秒間熱プレスして貼り合わせた。
次に、Gravotech社製レーザ裁断機LS900で絶縁層パターンをカットし、絶縁層パターン以外の部分を除去する事で、線幅3mm、線ピッチ40mm接着層付き絶縁層パターンを形成した。次に、絶縁層パターンが基布の拘束部間の概ね中央に縫製糸と平行になるようにして接着層付き絶縁層パターンと基布とを重ね合わせ、株式会社ハシマ製エアー駆動式全自動転写用プレスHP-4536A-12で130℃、370g/cm、30秒間熱プレスして貼り合わせることで基布上に第二の絶縁層パターンを形成した。
[肌側布帛の積層]
上記、第二の絶縁層を形成した後、実施例3と同様に[配線形成]と[第一の絶縁層の形成]を実施した。続けて、セーレン株式会社製のポリウレタン弾性糸を交編したポリエステル編地(厚み300μm)に生体電極と接続するための窓を幅2mm×長さ8mmで開けて肌側布帛を作製した。直径10mmに切り出したシーダム株式会社製ウレタン系ホットメルトシート(エセランSHM101PUR)の中央に幅2mm×長さ8mmの穴を開け、肌側布帛の窓と重ねて110℃に加熱したアイロンで加圧し、肌側布帛にホットメルトシートを仮止めした。
次に基布の第一の絶縁層と肌側布帛とを、双方の窓の位置が重なるように合わせ、株式会社ハシマ製エアー駆動式全自動転写用プレスHP-4536A-12で130℃、370g/cm、30秒間熱プレスして貼り合わせることで肌側布帛を取り付けた。その後、実施例3と同様に[生体電極形成]、[生体電極付き装具の作製]を行った。得られた生体電極付き装具の電極形成領域における第一伸長方向、第二伸長方向の伸び率は2.0%、29.8であった。また第二伸長方向の伸長弾性率は88.8%であった。
[電極位置の正確さ評価]
実施例3と同様の評価を行い、両被験者において想定した位置に生体電極が接触していることが確認できた。
[配線の断線しにくさの評価]
実施例3と同様に、生体電極付き装具を繰り返し100回着脱してもらい、その後テスタにて配線に断線がないことを確認できた。
<実施例5>
実施例3において、生体電極として実施例1で得られた生体電極1個を用いた以外は、実施例3と同様にして生体電極付き装具を作製した。得られた生体電極付き装具を被験者に装着して実施例1と同様の方法で筋電信号を測定した。結果は〇(実施例1,2,比較例1,2における判別基準による)であった。また、実施例3と同様の装着テストによっても、想定した位置に生体電極が接触していること、及び配線に断線がないことが確認された。
本発明の生体電極は、心拍信号、心電信号、脳波信号、筋電信号などの生体情報を測定したり、麻痺患者の運動機能回復のために行われる電気刺激療法や、電気刺激によって肩こり等のこりを改善する低周波治療、電気刺激によって筋肉のトレーニング効果が得られるEMS(Electrical Muscle Stimulation)においては、皮膚表面の任意の位置に接触させた電極から生体に電気刺激を与えたりする際に、皮膚に接触させる信号の入出力部として用いることができる。本発明の生体電極は、適度に水分を保持しながら、余分な水分を皮膚と生体電極との境界部に介在させないことができるため、活動中であってもアーチファクトの少ない生体信号の取得が可能となる。また、近接する生体電極間での短絡のおそれがなく、装着の際や生体信号測定時においても不快感がない。
本発明の生体電極付き装具は、生体電極が腕や脚の皮膚表面に接触するように巻きつけて固定したり、筒状にして装着したりする身体装着用装具(サポーター)などとして用いることができる。比較的高い伸長性を示す方向(第二伸長方向)を腕や脚の周方向とするため、個人差による太さの違いにかかわらず、皮膚表面の所定の位置に生体電極が接触するように装着でき、任意の電極間の電位差やインピーダンス、キャパシタンスなどを正確に測定することが可能となり、かかる正確な測定に基づいて生体活動や皮膚下の組織状態をより良く知ることができる。また、正確な位置に電気刺激を与えることが可能となり、効率的に麻痺やこりの治療を行ったり筋肉トレーニング効果を高めたりすることができる。

Claims (13)

  1. 導電性繊維を90~100質量%含有する厚み0.5~2.0mmの編物からなるシート状構造体と、前記シート状構造体に付与された吸水性樹脂とからなる生体電極であって、前記シート状構造体が吸水性樹脂の膜厚0.1~20μmからなる薄膜で被覆されており、かつ前記生体電極の水分保持指数が0.8以上であることを特徴とする生体電極。
  2. 前記吸水性樹脂が、カルボン酸塩当量が150~1,500g/eq.のポリアクリル酸及び/又はその塩の架橋物である、請求項1記載の生体電極。
  3. 前記導電性繊維が、表面に金属皮膜を有する合成繊維である、請求項1記載の生体電極。
  4. シート状構造体全量に対する吸水性樹脂の付与量が0.5~100g/mである、請求項1記載の生体電極。
  5. 前記編物のコースが20~70コース/2.54cm、ウェールが30~100ウェール/2.54cmである、請求項1記載の生体電極。
  6. 前記編物の目付けが80~300g/mである、請求項1記載の生体電極。
  7. 請求項1~のいずれかに記載の生体電極を製造する方法であって、溶媒に吸水性樹脂を溶解又は分散した処理液を用いてシート状構造体に吸水性樹脂を付与する工程、及び前記溶媒を除去する工程を含む、生体電極の製造方法。
  8. 伸縮性を有する基布上に、該基布表面に形成された配線と、該配線の末端に設けられた生体信号検出手段たる生体電極と、前記配線を被覆する絶縁層とを有する電極配置領域を備えた布帛構造物からなる生体電極付き装具において、
    前記基布が電極配置領域において相対的に低い伸長性を示す第一伸長方向と、該第一伸長方向と異なる伸長方向であって該第一伸長方向より高い伸長性を示す第二伸長方向とを少なくとも有し、且つ前記配線が該第一伸長方向に沿って形成されていること、及び前記生体電極が請求項1~のいずれかに記載の生体電極であること、を特徴とする生体電極付き装具。
  9. 前記配線と前記基布との間に、第二の絶縁層が設けられている、請求項記載の生体電極付き装具。
  10. 前記電極配置領域における基布表面の生体電極を設ける側(肌に接触する面)に、肌側布帛が設けられている、請求項記載の生体電極付き装具。
  11. 前記配線が導電性樹脂組成物からなる、請求項記載の生体電極付き装具。
  12. 前記第一伸長方向に沿って拘束部が設けられている、請求項記載の生体電極付き装具。
  13. 前記生体電極付き装具が筒状又は腕もしくは脚に巻きつけて固定できる形状である、請求項記載の生体電極付き装具。
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