ブライス・ビーマー
心電図検査（ECGまたはEKGと略されることが多い）は1900年代初頭に登場し、心臓の状態を診断および監視するための重要な技術として今も使用されています。ハードウェアの革新により、ECGテクノロジのサイズとコストが削減され、ECG波形と心拍変動に基づいて健康とウェルネスに関する洞察を解き放つ新たな機会が生まれました。ウェアラブルIoT インフラストラクチャとAIと組み合わせると、ECG心臓モニタリングは、生涯にわたる心臓の健康をサポートする新しい洞察を解き放つ鍵となる可能性があります。
ECGにはいくつの電極が使用されますか?
ECGは電流検知回路を作成し、身体に配置された2つ以上の電極間の差動電荷を測定します。この図は、ECG電極の配置によって、リード線の方向性に基づいて3つの異なるECG波が生成される様子を示しています。
スポーツや健康管理のアプリケーションで心拍数や心拍変動を測定するには、シンプルな単一誘導（2つの電極）ECGで十分です。 適切な場所に追加の電極を配置すると、心臓の機能をより徹底的に観察できます。高度な 医療診断では、ECGシステムには最大10個の電極があり、12 ～ 18個の誘導を提供できます。これにより、医師は心臓の機能と構造を評価し、複雑な不整脈を診断できます。
ECG電極はどのように機能しますか?
実用的な洞察につながるクリーンなデータを取得するには、あらゆる心臓モニタリング デバイスにおいて電流検知回路の信号品質が不可欠です。ECGの場合、すべては電極の設計から始まります。電極結合は、ノイズを低減し、ECG波形を維持するために重要です。
体内のイオン電流からのイオンが電極上の電解質に到達すると、電極表面で酸化還元反応が起こります。これらの反応では、電子がイオンから電極に移動し、イオン電流が電流に変換されます。これはヘルムホルツ二重層と呼ばれる現象によって可能になります。
ECG信号の振幅は通常0.5mV ～ 1mVしかないため、さまざまな種類のノイズや歪みの影響を受けやすくなります。モーションアーティファクトは、センサーが皮膚の表面で動いたり滑ったりすること、皮膚が伸びたり接触面が変化すること、電極と皮膚の間の距離が変化すること、電極と皮膚が完全に切断されることなどにより発生する、ノイズの最も一般的な原因です。患者が単に姿勢を変えるだけでも、モーションアーティファクトが発生する可能性があります。
これらの課題を軽減するには、電極の設計を慎重に検討する必要があります。材質、形状、サイズ、接着方法はすべて、モーションアーティファクトやその他のノイズ源を最小限に抑える上で重要な役割を果たします。医療用途では、電極の動きを防ぐために粘着性電極が使用されますが、従来から スポーツやフィットネス用途 で使用されているウェアラブルECGモニターや衣服ベースの電極は、配置精度を向上させ、快適性を高め、コンプライアンスを高める可能性があります。
心電図電極の種類
電極には主に「ウェット」電極と「ドライ」電極の2つの種類があります。どちらのタイプも機能的には同じですが、湿式電極には皮膚と接触する電解質が含まれています。対照的に、乾式電極は皮膚の水分と汗を利用して必要なイオン伝導体を生成します。
どちらのタイプでも、上述のヘルムホルツ層を形成するにはイオン伝導体が不可欠です。適切な電解質層がないと、信号ノイズとインピーダンスの問題により、信号対雑音比が大幅に低下します。体毛、ローション、スキンケア、角質など、人間の皮膚の変動によっても、汚染物質が入り込んだり、インピーダンスが上昇したり、電解質の機能に影響が及ぶ可能性があります。
湿式電極を使用することは、良好な電解質層を確保し、低インピーダンスの皮膚電極インターフェースを迅速に作成する1つの方法です。ただし、時間が経つと電極が乾燥し、予期しない信号振幅の減衰が発生する可能性があります。粘着性電極は、金属スナップ（Ag AgCl）と皮膚の間に電解質ゲルを封入したフォーム接着剤で構成されており、湿式電極の最も一般的な形式です。
ドライ電極はユーザーに利便性と快適性を提供します。カーボンドープポリマーフィルム、金属化ファブリック、スクリーン印刷された導電性リンクなど、さまざまなフォームファクターがあります。しかし、多くの場合、皮膚と電極の間に適切な電解質界面を構築するにはある程度の時間が必要です。このプロセスにより、信号ノイズがECG波形をマスクする起動ノイズと呼ばれる現象が発生します。
湿式または乾式の電極アプリケーションでは、電解質層が乾燥してインピーダンスが動的に変化し、信号の振幅に劇的な影響を与えますが、周期には影響を与えません。このため、信号対雑音比が必要な特徴を検出するのに十分低い場合、多くのアプリケーションで振幅を動的に補正できます。
ECGシステム設計のポイント
ECGシステムを設計する際には、適切な電極と実施形態を選択することが重要です。ただし、最初に製品の価値提案に必要なデータの洞察を特定して、新しいアプリケーションのシステム要件を概説することが最善です。これらのベースライン技術要件をユーザーおよびケア提供者のニーズと組み合わせることで、製品要件の総合的な視点が作成されます。
次世代のECG製品の開発 心臓の健康に関する新たな知見を得るのに役立ちますが、使いやすさと技術的パフォーマンスのバランスを見つける必要があります。
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