JP2013034699A - 生体信号計測用電極、並びに、その使用方法及び製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】非金属導電性フィラーと、水と、水溶性ポリマーを含むマトリクス樹脂と、を含有する生体信号計測用電極。
【選択図】図2
Description
非金属導電性フィラーとしては、種々のものを使用することができるが、カーボンナノチューブ、カーボンブラック、黒鉛等の炭素材料が好ましく、特に、導電性の高いカーボンナノチューブが好ましい。カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブでも多層カーボンナノチューブでもよいが、電極の柔軟性及び皮膚追従性の観点からはできるだけ細く、やわらかいものが好ましい。
水の含有量は、電極総質量を基準として0.1〜98質量%であることが好ましく、1〜90質量%であることがより好ましく、5〜90質量%であることが更に好ましい。0.1質量%以下では十分な柔軟性が得られず、また導電性も低下するため、電極抵抗と電極−皮膚間の接触抵抗をともに上昇させ明瞭な脳波の計測が困難になる。また、98質量%を超えると電極の構造保持が困難になり、同じく脳波計測が困難になる。
マトリクス樹脂は、上記非金属導電性フィラーの分散、保水、及び、電極構造保持の役割を担うものである。マトリクス樹脂としては、水への溶解性を有する水溶性ポリマーを含み、架橋構造を形成して含水ゲルとなるものが好ましい。また、当該水溶性ポリマーは、生体への刺激性や、非金属導電性フィラーの分散性を勘案して選択され、例えば、ポリアクリル酸やポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース等のセルロース樹脂や、アラビアゴム、コーンスターチ等が用いられる。また、これらの樹脂を2種類以上混合してもよい。
上記電極は、その使用に際し、導電性ペーストを介さず直接皮膚に付着させることができる。皮膚と電極との間に導電性ペースト等の媒介物を存在させないため、電極の取り付け作業及び取り外し作業を大幅に簡略化することが可能で、かつ、被験者の肉体的負担も少なくすることができる。
上記電極は、非金属導電性フィラーと、水と、水溶性ポリマーを含むマトリクス樹脂とを混合してフィラー分散液とし、次いで、これをゲル化して成形体とすることにより製造することができる。より具体的には、フィラー分散液の調製として、マトリクス樹脂中に非金属導電性フィラーを直接混練してこれを水に溶解させてもよく、マトリクス樹脂を水に溶解させてから、そこに非金属導電性フィラーを添加してもよい。このように液体状のフィラー分散液を調製することにより、非金属導電性フィラーを分散させやすくなり、その後の架橋処理によって含水ゲルを成形することが容易になる。
本実施形態に係る電極は、脳波測定用センサに好適に適用することができる。図1は、脳波測定用センサの一実施形態を示す。脳波測定用センサ1は、被験者の頭部に装着して脳波を検出するためのものであり、図1に示されるように、電極部2と、リード線部3と、コネクタ部4とを備えている。
ポリアクリル酸(和光純薬工業製 重量平均分子量100万)2gを純水98gに溶解した水溶液にカーボンナノチューブ0.1gを加え、湿式分散装置(吉田機械興業製 NM2−2000AR−D)を用いて混合し、分散液を製造した。得られた分散液9gとポリアクリル酸ナトリウム(和光純薬工業製 重量平均分子量750万)を2質量%溶解した水溶液1gとを混合し、フィラー分散液を調製した。得られたフィラー分散液をスポイトで採取し、これを15質量%カリミョウバン水溶液中に2ml滴下した。円盤状になったフィラー分散液を10分間放置することでゲル化処理を行い、成形ゲル体を作製した。この円盤状の成形ゲル体をカリミョウバン水溶液中からすくい取り、成形ゲル体の表面水分をよくふき取り、成形ゲル体からなるφ10mmの含水ゲル電極を得た。含水ゲル電極の含水量は、120℃乾燥後の重量測定の結果、電極総質量を基準として90質量%であった。また、含水ゲル電極を25℃、40%RHにおいて5時間放置したときの水分減少率は、15%であった。ここで、水分減少率は、次の式により算出した。
水分減少率(%)={(放置前の含水ゲル電極中の水の質量 − 放置後の含水ゲル電極中の水の質量)/放置前の含水ゲル電極中の水の質量}×100
ポリアクリル酸(和光純薬工業製 重量平均分子量100万)2gを純水98gに溶解した水溶液にカーボンナノチューブ0.1gを加え、湿式分散装置(吉田機械興業製 NM2−2000AR−D)を用いて混合し、分散液を製造した。得られた分散液100gとポリビニルアルコール(和光純薬工業製 重合度2000)の20質量%水溶液5gとを混合し、フィラー分散液を調製した。得られたフィラー分散液をスポイトで採取した。採取した分散液2mlに15質量%ホウ砂水溶液50mlを加えてよく混合することで、ゲル化処理を行った。得られたゲルをφ10mmの円盤状に成形し、含水ゲル電極を得た。含水ゲル電極の含水量は、120℃乾燥後の重量測定の結果、電極総質量を基準として75質量%であった。また、含水ゲル電極を25℃、40%RHにおいて5時間放置したときの水分減少率は、12%であった。
従来の銀皿電極を頭部の脳波計測箇所に導電性ペーストを用いずに貼り付け、脳波計測を行ったが、すぐに剥離し、安定した脳波計測はできなかった。
2質量%カルボキシメチルセルロース水溶液99.9gに0.1gのカーボンナノチューブを加え、湿式分散装置(吉田機械興業製 NM2−2000AR−D)を用いて混合し、フィラー分散液を製造した。得られたフィラー分散液をスポイトで採取し、PETフィルム上へ厚み5μmとなるよう塗布した。PETフィルム上に塗布したフィラー分散液を70℃で熱風乾燥して水を除去し、フィラー分散液を乾燥させた塗膜とPETフィルムとからなるカーボンナノチューブ塗布フィルムを得た。得られたカーボンナノチューブ塗布フィルムをφ10mmの円盤状に打ち抜き、カーボンナノチューブ電極を得た。
ポリメタクリル酸メチルのエチルメチルケトン5質量%溶液99.9gに0.1gのカーボンナノチューブを加え、湿式分散装置(吉田機械興業製 NM2−2000AR−D)を用いて混合し、フィラー分散液を製造した。得られたフィラー分散液をスポイトで採取し、PETフィルム上へ厚み5μmとなるよう塗布した。PETフィルム上に塗布したフィラー分散液を70℃で熱風乾燥して水を除去し、フィラー分散液を乾燥させた塗膜とPETフィルムとからなるカーボンナノチューブ塗布フィルムを得た。得られたカーボンナノチューブ塗布フィルムをφ10mmの円盤状に打ち抜き、カーボンナノチューブ電極を得た。
従来の銀皿電極を被験者の頭部の脳波計測箇所に導電性ペーストを用いて貼り付け、脳波計測を行った結果、良好な波形が得られた。結果を図5に示す。当該電極を取り付けた状態でX線CTによる撮像を行ったところ、アーチファクトが写りこんだ。また、導電性ペーストを用いているため、電極の取り付け及び取り外しの作業に手間がかかるとともに、取り外し後に頭皮の洗浄及び銀皿電極の洗浄が必要である等、作業負担が大きかった。
Claims (9)
- 非金属導電性フィラーと、水と、水溶性ポリマーを含むマトリクス樹脂と、を含有する生体信号計測用電極。
- 前記水の含有量は、電極総質量を基準として0.1〜98質量%である、請求項1に記載の生体信号計測用電極。
- 前記マトリクス樹脂がゲル化している、請求項1又は2に記載の生体信号計測用電極。
- 前記水は、電解質イオン成分を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の生体信号計測用電極。
- 前記非金属導電性フィラーは、カーボンナノチューブである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の生体信号計測用電極。
- 前記非金属導電性フィラーの含有量は、前記マトリクス樹脂100質量部に対し、1〜50質量部である、請求項1〜5のいずれか一項に記載の生体信号計測用電極。
- 導電性ペーストを介さず直接皮膚に付着させる、請求項1〜6のいずれか一項に記載の生体信号計測用電極の使用方法。
- 非金属導電性フィラーと、水と、水溶性ポリマーを含むマトリクス樹脂とを混合してフィラー分散液とし、次いで、前記マトリクス樹脂をゲル化して成形体とし、該成形体からなる生体信号計測用電極を得る、生体信号計測用電極の製造方法。
- 非金属導電性フィラーは、カーボンナノチューブである、請求項8に記載の生体信号計測用電極の製造方法。
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