心電図を記録するウルトラフレキシブル有機差動増幅器
An ultraflexible organic differential amplifier for recording electrocardiograms
2019年8月15日 Nature Electronics 2 : 8 doi: 10.1038/s41928-019-0283-5
有機薄膜トランジスター(OTFT)を用いた差動増幅器は、信号を増幅し、ノイズを低減できることから、人間のバイタルサインの計測に有効である。しかし、OTFTは本質的に電気的特性の不均一性が大きいため、これにより構成された回路では信号処理性能の際に、信号の劣化が生じる課題があった。このような課題から、微弱な生体活動電位を記録できる有機差動増幅器は実現されていなかった。本論文では、高い信頼性を有し、微小な生体活動電位を正確に信号処理できる、厚さ2μmのウルトラフレキシブル差動増幅器を報告する。我々の手法では、OTFT間の電気的特性の不均一性を数％未満に抑制する回路設計と補償技術を開発し、これを活用することで従来からの課題を克服した。これにより、高いノイズ減衰係数（−12 dB以下）を有し、約50 μmの屈曲ひずみを加えても動作する有機差動増幅器を実現した。今回のフレキシブル増幅器を使用して心電信号をモニターしたところ、心電は大きく増幅される一方、電源に由来する60Hzノイズは約60分の１に低減した。これにより、心電信号の信号・ノイズ比（S/N比）は34 dBと高い数値を得ることができた。
Corresponding Author
関谷 毅
大阪大学産業科学研究所
Differential amplifiers based on organic thin-film transistors (OTFTs) are attractive for monitoring human vital signs because of their signal amplification and noise elimination capabilities. However, substantial variations in OTFTs lead to the degradation of signal processing performance in circuits and restrict the development of organic differential amplifiers capable of recording weak physiological potentials. Here, we report a 2-μm-thick ultraflexible organic differential amplifier capable of processing physiological signals with high signal integrity and sensitivity. Our approach uses a circuit design and compensation technique that suppress the mismatch among OTFTs to less than a few percent. This leads to a common-mode noise attenuation factor below −12 dB, even during bending to ~50 μm. Using our flexible amplifier, we monitor electrocardiogram signals, where the power of 60 Hz electrical harmonic noise was reduced ~60 times during amplification, yielding electrocardiogram signals with a signal-to-noise ratio of 34 dB.
