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ナノテク情報

ライフ・医療

着るだけで心電図計測ができるスマートウエア ~体の動きで生じるノイズを新設計手法で克服~

 国立研究開発法人産業技術総合研究所(産総研)は2019年6月10日,同センシングシステム研究センター ハイブリッドセンシングデバイス研究チームの竹下 俊弘研究員らが,名古屋大学大学院医学系研究科 小児外科学の内田 広夫教授らと共同で,医療機器レベルの心電図を計測できるスマートウエアを開発した,と発表した.本研究は,国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の委託事業「次世代プリンテッドエレクトロニクス材料・プロセス基盤技術開発」の支援を受けて行われ,成果の詳細は英国科学雑誌Scientific Reportsにオンライン掲載された(注).本成果は先にNEDOから公開され,今回改めて産総研から発表されたものである.

 近年,ドライ電極を組み込み,身に着けるだけで心電図の計測が可能なウエアが開発され,在宅での心疾患スクリーニングや経過観察への応用が期待されている.しかし,現在の製品は,呼吸や会話といった体の動きによって生じるノイズ(モーションアーティファクト;MA)のため,心電図の波形から医学的に意義のある情報を取得することは難しかった.MAは皮膚とドライ電極との接触が不安定であることが原因であり,本研究において研究グループは,MAを改善するため,銀メッキを施した短繊維(長さ500μm,直径17~18μm)を,静電植毛技術により,起毛構造にしたドライ電極とそれに接続する配線を開発した.静電植毛技術は,短繊維を帯電させ電気力線に沿って加工対象に吹き付けて短繊維を起毛した状態で植え付ける.起毛ドライ電極は,柔らかな風合いを持ち,皮膚と電極間の接触が良好である.静電植毛で形成された配線(長さ60mm,幅3mm)の電気抵抗は伸縮により変化し,40%の伸びに対し29.1Ωから64.3Ωに増大する.しかし,皮膚と電極との接触抵抗は数kΩのレベルであるため,配線伸縮の測定への影響は無視し得るレベルである.実際に適用してMAを抑制するには,電極の厚さ,形状,硬さなどの最適化が必要であり,最適条件検討のための人工皮膚と,呼吸の動きを模すアクチュエーターからなる評価装置も開発された.この装置を用いた模擬心電図測定実験から,皮膚とドライ電極間の接触圧が1000Pa以上であれば(1000から2000Paの範囲が好ましい),呼吸や深呼吸の動きがあってもMAを抑制でき,安定して心電図計測が可能という結果が得られた.開発された起毛ドライ電極は約1cm×1cmの平面状で,柔軟で伸縮性があり,胸部の測定部位に接触するよう衣服内側に接着剤で取付けられる.電極は30回以上の洗濯にも耐え得るという.

 名古屋大学医学部で行った実証実験では,みぞおち部から脇下部にかけて横方向の6位置にそれぞれ縦方向3箇所ずつ,計18箇所にドライ電極を設置し,各位置でのMAが観察された.電極構造を最適化する前は,電極位置により心電図にMAがさまざまな形で現れていたが,電極構造を最適化すると全ての電極位置でMAは解消し,正常な波形の得られることが確認された.

 研究グループは,今後,起毛ドライ電極の皮膚安全性試験や電気安全性試験を行い,ボランティアによる臨床試験を経て医療機器としての認証取得を目指すとともに,この起毛ドライ電極の筋電図や脳波などへの応用展開を図りたいとしている.

(注)Toshihiro Takeshita, Manabu Yoshida, Yusuke Takei, Atsushi Ouchi, Akinari Hinoki, Hiroo Uchida, and Takeshi Kobayashi, "Relationship between Contact Pressure and Motion Artifacts in ECG Measurement with Electrostatic Flocked Electrodes Fabricated on Textile", Scientific Reports Vol. 9, Article number: 5897 (2019), Published 11 April 2019, DOI: 10.1038/s41598-019-42027-x