JP2000155091A

JP2000155091A - 皮下脂肪測定装置、近赤外生体計測装置及び近赤外生体計測方法

Info

Publication number: JP2000155091A
Application number: JP33126098A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ogura; 俊彦小椋; Kazuhisa Tanabe; 一久田部
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1998-11-20
Publication date: 2000-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】皮膚の色の相違等の影響を受けることなく、
高精度に皮下脂肪厚の測定を行う。【解決手段】皮膚１７上に、送光素子２、受光素子
３、４、５、６を一直線上に配置し、送光素子２からの
近赤外を発し、脂肪層１８の透過光を受光素子４、５、
６で受光し、これらの受光量を切替回路１１、増幅器１
２、Ａ／Ｄ変換器１３を介して、ＣＰＵ１４に取込み、
各受光素子４、５、６の受光量を推定するに際し、送光
素子２の直近の受光素子３の受光量で、皮膚色差による
各受光素子４、５、６の受光量を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば皮下脂肪
厚測定装置等の近赤外生体計測装置及び近赤外生体計測
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、皮下脂肪厚の測定方法として、キ
ャリパー法や超音波法が知られている。キャリパー法は
皮下脂肪厚を指で摘まみ、その厚さを物理的に計測する
方法であり、例えば特開平９−３２２８８９号では、測
定部位に電気的検出装置を付加し、自動的に計測する装
置が提案されている。また、超音波法は、生体内に超音
波を送信し、反射エコーから皮下脂肪厚を測定する手法
であり、超音波診断装置を用いた計測や一般向けの製品
も多数存在する。さらに、体脂肪率の計測では、特表平
４−５００７６２号のように近赤外光を用いて、その吸
光特性から体脂肪率を推定する方法も実用化されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のキャリ
パー法は、皮膚の摘まみ方により測定値が異なり、計測
者によるバラツキが大きい。さらに、拘束感が強く、被
験者に対する負担が大きいなどの問題点がある。超音波
法では、Ｂモード断層像により皮下脂肪厚を視覚的に観
測でき、その値も比較的正確であるが、装置が高価であ
り、計測に専門的な知識を必要とするため一般的でな
い。また、一般家庭向けのＡモードによる製品も市販さ
れているが、測定時に石鹸水や計測用ジェルを塗布する
必要があるため、ユーザビリティが悪い。さらに、測定
精度も１地点から超音波を入射し、同じ地点から受信す
るため、生体内で複雑に反射した信号から皮下脂肪厚の
情報を分離することが難しく、Ｂモードによる計測装置
と比較して信頼性が悪い。

【０００４】近赤外光による体脂肪率計もあるが、この
機器の構成では、極狭い範囲の皮下脂肪のみを計測する
だけで、物理量としての皮下脂肪厚を測定することはで
きない。生体における近赤外特性の測定は、皮膚表面に
接地した送光素子と受光素子により行われるため、入射
部分と検出部分の皮膚を近赤外光が透過することにな
る。皮膚の色は各個人ではもちろんのこと、同一人物に
おいても異なり、太陽光の照射の機会が多い前腕と腹部
では、明らかに異なる色をしている人が多い。皮膚の色
はメラニン色素によるものであり、メラニン色素は９５
０ｎｍの近赤外領域まで吸光特性がある。さらに、皮膚
の厚さや吸収・散乱特性は、各個人においても異なって
いる。こうした皮膚色差や、吸光・散乱特性の違いが、
近赤外特性の計測に影響を及ぼし、測定精度を低下させ
る原因となっていた。

【０００５】この発明は上記問題点に着目してなされた
ものであって、皮膚の色の相違等の影響を受けることな
く、高精度な測定が可能な皮下脂肪厚測定装置、近赤外
生体計測装置及び近赤外生体計測方法を提供することを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の皮下脂肪厚測
定は、複数個の異なる光路長が得られるように配置され
た少なくとも１個の送光素子と複数個の受光素子、ある
いは複数個の送光素子と少なくとも１個の受光素子と、
前記受光素子の受光量を、受光量と脂肪厚とのキャリブ
レーションカーブに適用して脂肪厚を推定する脂肪厚推
定手段とを備え、少なくとも１組の送光素子と受光素子
の受光量より、他の送光素子と受光素子の組の受光量を
補正するようにしている。

【０００７】また、この発明の近赤外生体計測装置は、
複数の異なる光路長が得られるように配置された少なく
とも１個の近赤外光送光素子と複数個の近赤外光受光素
子、あるいは複数個の近赤外光送光素子と少なくとも１
個の近赤外光受光素子と、前記受光素子の受光量に基づ
いて、生体データを推定する推定手段とを備え、少なく
とも１組の近赤外光送光素子と近赤外光受光素子の受光
量より、他の近赤外光送光素子と近赤外光受光素子の組
の受光量を補正する受光量補正手段を備えている。

【０００８】これらの装置は、補正用として、送光素子
の近傍に受光素子を設けることにより、生体、皮膚の近
赤外透過特性を求めることができ、その値を用いて皮膚
色差の影響を補正する。近接の素子を用いない場合に比
して、個人差にバラツキや部位によるバラツキを押さえ
ることができ、より高精度の計測が可能となる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態により、この発
明をさらに詳細に説明する。図１は、この発明の一実施
形態である皮下脂肪厚測定装置１の下面図、図２は同斜
視図である。ここでは、送受光プローブ１ａに、１個の
送光素子（発光ダイオード）２と、４個の受光素子（フ
ォトダイオード）３、４、５、６が直線上に配置されて
いる。送光素子２と各受光素子３、４、５、６の距離
は、送光素子２と受光素子３の距離が５ｍｍ、送光素子
２と受光素子４の距離が２０ｍｍ、送光素子２と受光素
子５の距離が４０ｍｍ、送光素子２と受光素子６の距離
が８０ｍｍに設定されている。受光素子３は皮膚の吸光
特性を得るためのものであり、発光素子からの距離が１
〜６ｍｍの範囲で設定するのがよい。また、受光素子
４、５、６は皮下脂肪厚の情報を得るためのものであ
り、厚い皮下脂肪厚まで測定するためには、送受光間距
離を長くする必要があり、薄い皮下脂肪厚を精度よく測
定するためには、送受光間距離を短くする必要がある。
送光素子２として、近赤外発光ダイオードが使用され、
受光素子３、４、５、６として、近赤外フォトダイオー
ドが使用される。ここで送受光間距離を２０、４０、８
０ｍｍとしたが、より多くのセンサを配置してもよく、
その送受光間距離も計測目的に応じて適当に選択しても
よい。送受光プローブ１ａの送光素子２、受光素子３、
４、５、６の周囲に遮光材７が配されている。

【００１０】装置本体１ｂの上面に、表示部８、入力ボ
タン９及び測定ボタン１０を備えており、内部に回路部
を備えている。図３は、上記実施形態皮下脂肪測定装置
の回路構成を示すブロック図である。この実施形態皮下
脂肪測定装置は、送光素子２、受光素子３、４、５、６
の他、受光素子３、４、５、６のいずれの出力を取り込
むか選択するための切替回路１１、受光信号を増幅する
増幅器１２、Ａ／Ｄ変換回路１３、ＣＰＵ１４及び送光
素子を駆動し、光量を制御する光量制御回路１５を備え
ている。

【００１１】送光素子２より照射された近赤外光は、生
体組織１６を透過し、各位置の受光素子３、４、５、６
に受光される。各受光素子の受光強度の計測は、切替回
路１１により選択され、増幅回路１２により低インピー
ダンス信号に初段増幅した後に、Ａ／Ｄ変換回路１３に
よりデジタル信号に変換される。この値をＣＰＵ１４が
受信し、皮下脂肪厚の推定処理が行われる。ここでは、
切替回路１１により受光素子３、４、５、６を選択した
が、より高速に受光処理を行う場合は、個別に増幅器と
Ａ／Ｄ変換回路を設け、同時に計測してもよい。

【００１２】ＣＰＵ１４は、デジタル変換された受光量
を受信し、これをもとに皮下脂肪量を推定する。さら
に、送光素子近傍の受光量を用いて受光センサ感度が最
適となるよう発光量を調節する。あるいは、受光量が一
定となるよう光量を調節する。推定された皮下脂肪厚は
表示部８で表示される。図４は、受光素子３の受光量を
Ａ／Ｄ変換せずに、直接光量制御回路１５にフィードバ
ックする場合の構成である。この場合は、ＣＰＵ１４が
設定値を光量制御回路１５に送り、光量が一定値となっ
たところで受光素子４、５、６の受光量を測定する。

【００１３】図５は、皮下脂肪厚に対する受光量を示し
ており、送受光間距離５ｍｍでは、皮下脂肪厚５ｍｍ以
上で受光量が飽和する。他の受光素子に関しては、それ
ぞれが送受光間距離のおよそ半分の皮下脂肪厚で飽和し
ている。皮下脂肪厚はこうした各受光素子の皮下脂肪厚
依存の受光量変化より推定される。しかし、図５は皮膚
の色差や、血液量変化による散乱・吸収特性の変動を無
視したもので、実際の測定にはこれらの変動要因が影響
を及ぼしている。図６は、皮膚の色差を考慮した場合の
受光特性であり、皮膚の色が白い人は受光量の飽和値が
高く（図６のａ、図７参照）、色の黒い人は皮膚による
吸収があるため（図６のｂ、図８参照）飽和値が低くな
る。こうした皮膚色差による受光量差を考慮にいれず、
皮下脂肪厚を推定した場合は、誤差が大きくなり、とて
も実用的ではない。したがって、なんらかの補正を行
い、この影響を取り除く必要がある。

【００１４】本発明は、皮膚の色差や血液量による影響
を効果的にかつ簡便に除去する方法に関するものであ
る。皮膚色差の影響は、全ての送受光間距離において観
測されるが、送受素子近傍のセンサでは、皮膚内を透過
した光がほとんどであるため、より皮膚色差の影響が顕
著に現れる。一方、送受光間距離が長くなるに従い、皮
膚の下部組織を透過する光が増すため、皮下脂肪厚変化
と皮膚の影響が重なり合ったものとなる。そのため、送
受光間距離が短い受光素子の受光量の値を用いて、その
他の受光量を補正する必要がある。図５、図６では、皮
下脂肪厚に依存した各距離の受光量変化を示した。その
受光量変化は、飽和型の特性を持つため、皮下脂肪厚を
推定するためには、飽和型関数をキャリブレーションに
用いる必要がある。こうした関数には、ミカエリスメン
テン型関数やシグモイド関数などがある。図９はミカエ
リスメンテン型の関数によるキャリブレーションカーブ
を示したもので、この関数は、

【００１５】

【数１】

【００１６】ａ、ｂ、ｃの定数により成り立っている。
定数ａは、受光量が半分となる時の皮下脂肪厚値を示し
ており、送受光間距離が短い場合は小さく、長くなるに
したがい増加する。この値は、特定の送受光間距離にお
いては一定となる。定数ｂは、受光量のシフト成分を示
しており、計測上は暗電流や外乱光に対応する。

【００１７】定数ｃは、最低値から最高値までの変化量
を示しており、皮膚色差や血液量変化による受光量変化
は、この定数を調節することで補正できる。図１０は、
皮膚吸光度に対するパラメータｃの変化を示したもの
で、皮膚の吸光度が増すにしたがい、そのキャリブレー
ションカーブの定数ｃは減少する。しかし、その他の定
数はほとんど変化しないため、皮膚吸光度の影響を補正
するためには、定数ｃだけを変化させればよい。一方、
送受光間距離の短い受光素子の値は、ほぼ皮膚吸光度に
対応している。図１１は、皮膚吸光度に対する受光量変
化を示したもので、皮下脂肪厚が３〜４０ｍｍまでを重
ね描きしているが、皮膚吸光度に依存した変化を示して
いる。したがって、送受光間距離の短いセンサ値より皮
膚吸光度を求め、これから定数ｃを設定すればよい。こ
れにより、キャリブレーションカーブが決定され、送受
光間距離２０、４０、８０ｍｍの各値より、皮下脂肪厚
を推定することが可能となる。

【００１８】他の実施形態として、送受光間距離が短い
センサの受光量を一定とするよう光量を調節し、２０、
４０、８０ｍｍの受光量から皮下脂肪厚を推定する方法
もある。図１２、図１３は、この方法の概略を示したも
ので、送光素子の光量を皮膚の白い場合に弱くし、黒い
場合には強くする。これにより、皮膚の影響を取り除
き、皮下脂肪厚依存の変化を、より顕著化させることが
できる。この方法では、皮膚の影響を測定の段階で除去
できるため、測定後の補正と比較して高精度の推定が可
能となり、特別な演算処理も必要としない。また、各受
光素子の受光量も一定の範囲内に調節することが容易で
ある。

【００１９】

【発明の効果】この発明によれば、１組の送光素子と受
光素子の距離を近接とすることにより、皮膚の近赤外透
過特性を求めることができ、その値を用いて皮膚色差の
影響を補正できるので、従来に比し、個人差によるバラ
ツキや部位によるバラツキを押さえることができ、高精
度の計測が可能となる。また、人種間による皮膚差も同
様にキャンセルできる。そのため本発明を適用した商品
を世界中で使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態である皮下脂肪測定装置
の下面図である。

【図２】同実施形態皮下脂肪測定装置の斜視図である。

【図３】同実施形態皮下脂肪測定装置の回路構成を示す
ブロック図である。

【図４】この発明の他の実施形態皮下脂肪測定装置の回
路構成を示すブロック図である。

【図５】皮下脂肪測定装置による皮下脂肪量と受光量の
関係を示す図である。

【図６】皮膚色差に応じた皮下脂肪厚と受光量の関係を
示す図である。

【図７】上記図６に関し、皮膚の色の白い人の光の生体
内伝搬を示す図である。

【図８】上記図６に関し、皮膚の色の黒い人の光の生体
内伝搬を示す図である。

【図９】上記実施形態皮下脂肪測定装置で使用するミカ
エリスメンテン型関数を示す図である。

【図１０】皮膚吸光度と定数ｃとの関係を示す図であ
る。

【図１１】皮膚吸光度と受光量との関係を示す図であ
る。

【図１２】実施形態皮下脂肪測定装置において、皮膚の
色の白い人と黒い人の光の生体内伝搬を示す図である。

【図１３】実施形態皮下脂肪測定装置における皮下脂肪
厚と受光量の関係を示す図である。

【符号の説明】

２送光素子３、４、５、６受光素子８表示部９、１０入力部１１切替手段１２増幅器１３Ａ／Ｄ変換器１４ＣＰＵ１５光量制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G059 AA01 BB12 CC16 EE02 FF06 GG02 HH01 KK03 KK05 MM01 MM12 4C038 VB22 VC01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個の異なる光路長が得られるように配
置された少なくとも１個の送光素子と複数個の受光素
子、あるいは複数個の送光素子と少なくとも１個の受光
素子と、前記受光素子の受光量を、受光量と脂肪厚との
キャリブレーションカーブに適用して脂肪厚を推定する
脂肪厚推定手段とを備え、少なくとも１組の送光素子と
受光素子の受光量より、他の送光素子と受光素子の組の
受光量を補正する受光量補正手段を備えたことを特徴と
する皮下脂肪厚測定装置。
【請求項２】前記補正用受光素子と送光素子の距離が１
〜６ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の皮下脂
肪厚測定装置。
【請求項３】前記送光素子が発光ダイオードであること
を特徴とする請求項１記載の皮下脂肪厚測定装置。
【請求項４】前記送光素子が近赤外光を発する素子であ
ることを特徴とする請求項１記載の皮下脂肪厚測定装
置。
【請求項５】前記キャリブレーションカーブが飽和型で
あり、そのカーブの形状を前記少なくとも１組の素子孔
素子と受光素子の受光量から決定することを特徴とする
請求項１記載の皮下脂肪厚測定装置。
【請求項６】前記受光量補正手段は、１組の送光素子と
受光素子の受光量で皮膚吸光度を求め、この吸光度によ
り、他の送光素子と受光素子の受光量を補正することを
特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又
は請求項５記載の皮下脂肪厚測定装置。
【請求項７】前記受光量補正手段は、１個の送光素子と
複数個の受光素子のうち、所定の受光素子の受光量が一
定となるように、送光素子の光量を調整するものである
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求
項４又は請求項５記載の皮下脂肪厚測定装置。
【請求項８】前記送光素子の光量調整は、前記所定の受
光素子の受光量をＡ／Ｄ変換したデータに基づいて調整
することを特徴とする請求項７記載の皮下脂肪厚測定装
置。
【請求項９】前記送光素子の光量調整は、前記所定の受
光素子の受光量をアナログ的にフィードバックして制御
することを特徴とする請求項７記載の皮下脂肪厚測定装
置。
【請求項１０】前記送光素子及び受光素子は送受光プロ
ーブとして形成され、この送受光プローブと、演算部を
含む本体が一体に構成されたものであることを特徴とす
る請求項１記載の皮下脂肪厚測定装置。
【請求項１１】複数の異なる光路長が得られるように配
置された少なくとも１個の近赤外光送光素子と複数個の
近赤外光受光素子、あるいは複数個の近赤外光送光素子
と少なくとも１個の近赤外光受光素子と、前記受光素子
の受光量に基づいて、生体データを推定する推定手段と
を備え、少なくとも１組の近赤外光送光素子と近赤外光受光素子
の受光量より、他の近赤外光送光素子と近赤外光受光素
子の組の受光量を補正する受光量補正手段を備えたこと
を特徴とする近赤外生体計測装置。
【請求項１２】少なくとも１個の近赤外光送光素子と複
数個の近赤外光受光素子、あるいは複数個の近赤外光送
光素子と少なくとも１個の近赤外光受光素子を複数の異
なる光路長が得られるように配置し、前記受光素子の受
光量に基づいて、生体データを推定する近赤外生体計測
方法において、少なくとも１組の近赤外光送光素子と近赤外光受光素子
の受光量より、他の近赤外光送光素子と近赤外光受光素
子の組の受光量を補正するようにしたことを特徴とする
近赤外生体計測方法。