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大阪大学と産総研、世界最薄・最軽量の生体計測回路を実現 厚さ1マイクロメートル

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(イメージ)
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2019年8月19日、「産総研・阪大 先端フォトニクス・バイオセンシングオープンイノベーションラボラトリ(PhotoBIO-OIL)」は、世界最薄・最軽量の生体計測用の差動増幅回路の開発に成功したと発表した。開発したプロトタイプで実際にノイズ除去を含めた心電の計測に成功しており、装着性と密着性が向上したことで、スポーツをしているときなど激しい体の動きを伴う場面における生体計測が可能になるとしている。

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1マイクロメートルの素材上に有機トランジスタを集積

今回開発に成功したのは、大阪大学産業科学研究所の関谷毅教授、植村隆文特任准教授を中心とした研究グループと、産業技術総合研究所が大阪大学内に設置した「産総研・阪大 先端フォトニクス・バイオセンシングオープンイノベーションラボラトリ(PhotoBIO-OIL)」。ヘルスケアや医療用途の生体計測回路はこれまで、シリコントランジスタに代表される硬い電子素子で構成されていることが多いが、柔らかい肌などの生体組織に触れると炎症を起こしやすいため、日常生活において長時間の生体信号の計測は困難とされてきた。

研究グループは、有機トランジスタ※1という柔軟な電子素子を、厚さ1マイクロメートル (マイクロ:100万分の1) のパリレンというプラスチックフィルム上に集積させる生体計測回路を開発した。くしゃくしゃに丸めても壊れず、人の肌に違和感なく貼り付けることができるという。作製した回路は差動増幅回路とよばれる信号処理回路の一種で、回路内における有機トランジスタの電流ばらつきを2%以下にまで低減する補償技術も開発。従来のシングルエンド型の増幅回路※2と比較すると、微弱な生体電位を増幅可能なだけではなく、外乱ノイズ※3を取り除くことができる。実際にこの柔らかい生体計測回路を用いた心電信号の計測において、心電を25倍に増幅しながら、ノイズを7分の1以下まで除去することができたという。

研究グループでは、この成果により、日常生活において心電信号に限らない様々な微弱生体信号 (脳波や胎児心電など) を、機器の装着感なく正確にモニタリングすることが可能になるとしている。

この成果は2019年8月16日(金)午前0時(日本時間)に英国科学誌「Nature Electronics」(オンライン)に掲載された。

※1 有機トランジスタ
電気が流れる半導体部分が有機材料であるトランジスタのこと。無機半導体とは異なり、有機半導体の多くが200度以下の低温で製造できるため、薄いプラスチックフィルムを基材として用いることができ、軽くて柔らかいトランジスタを実現できる。このトランジスタを複数個組み合わせ、集積させることで、信号増幅やノイズ除去などの処理機能をもつ電子回路がつくられる。

※2 シングルエンド型の増幅回路
上述の差動増幅回路とは異なり、1つの入力端子しかもたない増幅回路のこと。入力信号をそのまま増幅するため、目的の生体信号だけではなく不必要な外乱ノイズも一緒に出力される。とくに、生体信号の多くは非常に微弱な信号であることから、シングルエンド型の増幅回路は生体計測には不向きとされる。

※3 外乱ノイズ
生体信号の計測においては、主に商用交流ノイズ (ハムノイズともいう) と体動ノイズが外乱として生体信号に混入する。商用交流ノイズは周囲の電源機器から発生し、日本では西日本で60 Hz、東日本で50 Hzの一定周波数をもつ。体動ノイズは、体の動きに伴う電極や配線のズレなどによって生じる。そのため、体と密着できる柔軟性をもった電極や計測回路の開発が高精度の生体計測に重要である。