JP2002065628A - 生体インピーダンス検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電極の面積が十分に取れない場合でも安定し
て生体インピーダンスを検出できる生体インピーダンス
検出装置とこれを用いた体脂肪率計を提供する。 【解決手段】 電流印加手段８に接続された２つの電極
１、３間に人体と並列に安定化抵抗９を接続している。
これによって、低温環境下などで人体の表皮付近のイン
ピーダンスが極めて大きくなり電流印加手段８による安
定した電流印加が難しい場合でも前記安定化抵抗９を通
じて電流印加手段８の安定化を図ることが可能となり、
低温環境下等の表皮付近のインピーダンスが大きな場合
でも安定した生体インピーダンスを検出することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生体のインピーダ
ンスを測定する生体インピーダンス検出装置と、検出さ
れた生体インピーダンスから生体の体脂肪率を算出する
体脂肪率計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の生体インピーダンス検出装置は人
や動物などの生体に直流や交流の電流を印加した時に発
生する電位差を検出して生体のインピーダンスを算出す
るもので、電流を印加する電極と電圧を検出する電極と
が同一である２端子法と両者が別々になっている４端子
法とがある。２端子法では電流印加と電圧検出に同一の
電極を用いるので、電極と生体の接触抵抗や外気の状態
で変化しやすい表皮付近のインピーダンスも含めたイン
ピーダンスが測定され、体組成等を反映する身体深部の
インピーダンスを測定するにはあまり適当でない。そこ
で、電流印加用の１組の電極により生体に既知の電流を
印加し、電流が流れている区間の皮膚上の任意の２点に
電圧検出用の電極を配置してその間の電圧を検出するこ
とにより、原理的に接触抵抗や表皮付近のインピーダン
スの影響を受け難くできる４端子法が広く用いられてい
る。

【０００３】また、従来の体脂肪率計については、人体
の密度を測定し脂肪分とそれ以外の組織の比重の違いか
ら体脂肪率を算出する密度法が標準的な計測法として医
師や研究者に用いられているが、この方法では人体の容
積や比重を求めるために、全身を水中に潜らせる必要が
あり、被測定者への肉体的な負荷が大きく家庭用として
は用いられてはいない。そこで家庭用としては体脂肪率
と相関があると言われている生体インピーダンスや光の
透過率、超音波の反射率や透過率を測定し、測定値を上
記で述べた密度法で計測された体脂肪率と対応づけるこ
とによって間接的に体脂肪率を求める間接法が多く用い
られている。

【０００４】近年、生体インピーダンスを用いた家庭用
体脂肪率計が多く発売されており、例えば、特開平１０
−９４５３０号公報に開示されるように体重計に電極を
配置して両足間のインピーダンスを検出して人体の体脂
肪率を算出するものや、特開平１１−１８８０１６号公
報に開示されるように両手で電極を握り両腕間のインピ
ーダンスを検出して人体の体脂肪率を算出するものが存
在する。

【０００５】図１２に両手で電極を握る従来の体脂肪率
計の外観図を示す。１から４は電極、５は本体であり、
４つの電極の内１と３は電流印加電極、２、４は電圧検
出電極となっている。被験者が左手で電極１、２を握
り、右手で電極３、４を握ると、左右の上肢間に電流が
流れるので、その時に発生する左右の上肢間の電位差を
電圧検出電極で検出することにより、生体インピーダン
スを検出し、体脂肪率に換算している。

【０００６】さらに、特開平１１−７００９２号公報に
開示されるようにカード型で左右の指をカードの両面に
当てて両腕間のインピーダンスから人体の体脂肪率を算
出するものもある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の体脂肪率計では、低温環境下や肌が乾燥しやすい人
など条件によっては表皮付近のインピーダンスが極めて
大きくなってしまい、小さな電極では電流印加が安定し
て行なえず４端子法を用いても安定して生体のインピー
ダンスを測定することが困難になる場合があった。これ
を解決するために足や手との接触部に大きな電極を配置
して人体との接触面積を大きく取ることにより悪条件下
でも安定して生体のインピーダンスを測定できるように
しているが、この場合、電極の面積を大きくする必要が
あるために、形状もある程度大きな物にならざるを得
ず、機器の外形も大きくなってしまう欠点があった。な
お、電極面積を小さくしてカード型の小さな機器も存在
するが、この場合は悪条件下での測定の安定性を犠牲に
しており、測定の安定化と小型化を両立できる機器はな
かった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、生体に電流を印加する２つの電極の間に安
定化抵抗を接続した構成とした。また、電圧検出電極の
近傍にインピーダンス変換回路を設けた。さらに、出力
可変手段により複数の電流値を持つ電流を印加した。

【０００９】上記発明によれば、低温環境下など生体の
表皮付近のインピーダンスが大きく電流印加手段による
安定した電流印加が難しい場合でも安定化抵抗を通じて
電流印加回路の安定化を図ることが可能で、表皮付近の
インピーダンスが大きな場合でも安定した生体インピー
ダンスの検出ができる。また、２つの電極から電圧検出
手段に電位を伝達する間のノイズの影響を少なくするこ
とが可能で、ノイズの影響を受けない正確な生体インピ
ーダンス検出ができる。さらに、ノイズがある場合で
も、複数の電流値から生体インピーダンスに起因する電
圧成分のみを検出可能で、ノイズによる影響が少なく正
確な生体インピーダンス検出ができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１にかかる生体イ
ンピーダンス検出装置およびこれを用いた体脂肪率測定
装置は、生体のそれぞれ異なる部位の皮膚に接触し電気
的な導通を計る４つの電極と、前記４つの電極のうち２
つの電極の間に一定電流を印加する電流印加手段と、前
記４つの電極のうち前記電流印加手段に接続されない２
つの電極の間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電
圧検出手段の出力に基づいて前記生体のインピーダンス
を算出する生体インピーダンス算出手段とを持ち、前記
電流印加手段に接続された２つの電極の間を安定化抵抗
で接続したものである。

【００１１】そして、電流印加手段に接続された２つの
電極間に生体と並列に安定化抵抗を接続しているので、
低温環境下などで生体の表皮付近のインピーダンスが極
めて大きくなり電流印加手段による安定した電流印加が
難しい場合でも前記安定化抵抗を通じて電流印加手段の
安定化を図ることが可能で、低温環境下等の表皮付近の
インピーダンスが大きな場合でも安定した生体インピー
ダンスの検出ができる。

【００１２】本発明の請求項２にかかる生体インピーダ
ンス検出装置およびこれを用いた体脂肪率測定装置は、
安定化抵抗の抵抗値は少なくとも１ＭΩ以上、より望ま
しくは４ＭΩ以上である。

【００１３】そして、２つの電極間に配置する抵抗の大
きさが電流印加手段の印加する電流の周波数領域で深部
のインピーダンスと表皮付近のインピーダンスを加算し
た値の少なくとも２０倍以上の高い値となるので、２つ
の電極間に安定化抵抗を配置しても十分に正確な生体イ
ンピーダンス検出ができる。

【００１４】本発明の請求項３にかかる生体インピーダ
ンス検出装置およびこれを用いた体脂肪率測定装置は、
生体のそれぞれ異なる部位の皮膚に接触し電気的な導通
を計る４つの電極と、前記４つの電極のうち２つの電極
の間に一定電流を印加する電流印加手段と、前記４つの
電極のうち前記電流印加手段に接続されない２つの電極
の間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手
段の出力に基づいて前記生体のインピーダンスを算出す
る生体インピーダンス算出手段とを持ち、前記電圧検出
手段は前記電圧検出手段に接続された２つの電極に近接
して配置されるインピーダンス変換手段を持つ。

【００１５】そして、電圧検出手段に接続された２つの
電極に近接してインピーダンス変換手段が配置されるの
で、２つの電極から電圧検出手段に電位を伝達する間の
ノイズの影響を少なくすることが可能で、ノイズの影響
を受けない正確な生体インピーダンス検出ができる。

【００１６】本発明の請求項４にかかる生体インピーダ
ンス検出装置およびこれを用いた体脂肪率測定装置は、
生体のそれぞれ異なる部位の皮膚に接触し電気的な導通
を計る４つの電極と、前記４つの電極のうち２つの電極
の間に一定電流を印加する電流印加手段と、前記４つの
電極のうち前記電流印加手段に接続されない２つの電極
の間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手
段の出力に基づいて前記生体のインピーダンスを算出す
る生体インピーダンス算出手段とを持つとともに、生体
に印加する電流を変化させる出力可変手段を持ち、前記
電流印加手段は前記出力可変手段が可変した複数の電流
値の電流を生体に印加し、生体インピーダンス算出手段
は電流印加手段が生体に印加した複数の電流値とそれに
応じた電圧検出手段の出力値とから生体インピーダンス
を決定する。

【００１７】そして、ノイズがある場合でも、複数の電
流値から生体インピーダンスに起因する電圧成分のみを
検出可能で、ノイズによる影響が少なく正確な生体イン
ピーダンス検出ができる。

【００１８】本発明の請求項５にかかる生体インピーダ
ンス検出装置およびこれを用いた体脂肪率測定装置は、
生体のそれぞれ異なる部位の皮膚に接触し電気的な導通
を計る４つの電極と、前記４つの電極のうち２つの電極
の間に一定電流を印加する電流印加手段と、前記４つの
電極のうち前記電流印加手段に接続されない２つの電極
の間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手
段の出力に基づいて前記生体のインピーダンスを算出す
る生体インピーダンス算出手段とを持つとともに、生体
に印加する電流を遮断する出力遮断手段を持ち、生体イ
ンピーダンス算出手段は出力遮断手段が生体に印加する
電流を遮断しない場合の電圧検出手段の出力値と遮断し
た場合の電圧検出手段の出力値とから生体インピーダン
スを決定する。

【００１９】そして、電流を流さない場合の出力からノ
イズの大きさを検出できるので、生体インピーダンス測
定時のノイズの影響を検出可能で、ノイズの状態を見積
もった上で正確な生体インピーダンス検出ができる。

【００２０】本発明の請求項６にかかる生体インピーダ
ンス検出装置およびこれを用いた体脂肪率測定装置は、
電流印加手段に接続された２つの電極のうち少なくとも
一方の電圧を測定する電極電圧測定手段を持ち、前記電
極電圧測定手段の出力があらかじめ決められた範囲にあ
るとき生体インピーダンス算出手段の出力が正しい生体
インピーダンスではないと判定する。

【００２１】そして、電流印加電極に接続された電極の
電圧を測定することにより電流印加電極の電圧が正常な
動作可能な範囲を超えて正しい生体インピーダンス測定
ができなくなった場合を検出することができるので、正
しい測定ができない場合でもそれを認識できる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。

【００２３】（実施例１）図１は本発明の実施例１にお
ける生体インピーダンス測定装置のブロック図である。
図中１から４は生体６の表皮に接触させて電気的な導通
を図る電極であり、これらのうち１、３は生体６に電流
を印加させる電流印加電極、２、４は生体の電圧を検出
する電圧検出電極である。また、７は生体６に印加する
電流波形を形成する印加波形形成手段、８は印加波形形
成手段７により形成された波形を２つの電流印加電極
１、３の間に印加する電流印加手段、９は２つの電圧検
出電極１、３の間に生体に並列に配置された安定化抵
抗、１０は２つの電圧検出電極２、４の間の電圧を検出
する電圧検出手段、１１は電圧検出手段１０にて検出さ
れた電圧から生体のインピーダンスを算出する生体イン
ピーダンス算出手段である。

【００２４】なお、電流印加手段８はオペアンプ１２と
電流値調整抵抗１３で構成され、オペアンプのｏｕｔ端
子１２ａが電流印加電極１に接続される一方、オペアン
プの−端子１２ｂは印加波形形成手段７から電流値調整
抵抗１３を介して接続されるとともに電流印加電極３と
も接続され、さらにオペアンプの＋端子１２ｃは印加波
形形成手段７が形成した波形のＤＣ電圧に設定され、こ
れにより生体を含めた定電流回路が構成されて２つの電
流印加電極１、３の間には生体インピーダンスに関わら
ず印加波形形成手段７が形成した出力信号と電流値調節
抵抗１３とにより一義的に決定されるＡＣの定電流が印
加される。

【００２５】また、印加波形形成手段７は５０KHzの正
弦波波形を電圧信号として出力するもので、生体６に印
加する電流値以上の電流供給能力を持つものである。な
お、本実施例では生体である人の左右上肢間の生体イン
ピーダンスを測定するものであり、電流印加電極１と電
圧検出電極２は人の右手首、電流印加電極３と電圧検出
電極４は左手首の皮膚に貼り付けられる。

【００２６】次に上記構成の動作、作用を示す。電流印
加電極１と電圧検出電極２とを被験者の右手首に、電流
印加電極３と電圧検出電極４とを左手首の皮膚に貼り付
けると、印加波形形成手段７により形成された電圧信号
が電流値調整抵抗１３を介してオペアンプの−端子１２
ｂに引き込まれる。オペアンプ１２のｏｕｔ端子１２ａ
と−端子１２ｂとが生体を介して接続されているため、
オペアンプ１２は−端子１２ｂの電位を＋端子１２ｂと
同電位に引き込もうとするので、電流値調整抵抗１３の
両端には印加波形形成手段７の出力電圧と印加波形形成
手段７のＤＣ電圧との差、すなわち、印加波形形成手段
７の出力電圧のＡＣ成分のみの電位差が生じるように電
流値調整抵抗１３に流れる電流値が調整される。この電
流は生体６と安定化抵抗９を通じてオペアンプ１２のＯ
ＵＴ端子１２ａに引き込まれるが、その回路以外には電
流を流出するルートがないためにオペアンプ１２のｏｕ
ｔ端子１２ａと−端子１２ｂの間にはその間の回路構成
に関わらず印加波形形成手段７と電流値調整抵抗１３に
より規定される電流ｉが流れることになり、したがっ
て、生体６を含めた定電流回路を構成することができ
る。

【００２７】ただし、本実施例で、安定化抵抗９を設け
ているために、この定電流化された電流はすべてが生体
６に印加されることにはならず、（式１）に示すような
生体を介するインピーダンスＲｂと安定化抵抗９の抵抗
値Ｒｓから計算される電流ｉｂが生体に流れることにな
る。

【００２８】ｉｂ＝ｉ×Ｒｓ／（Ｒｂ＋Ｒｓ）（式１） このように安定化抵抗９により生体に流れる電流ｉｂが
安定化抵抗９と生体インピーダンスにより左右されてし
まうが、それでも安定化抵抗９を加えている理由は、低
温時や乾燥時に生体６の表皮付近のインピーダンスが極
めて大きくなる場合があり、生体６を含めた定電流回路
の動作が不安定になる場合があるのを防止するためであ
る。一般に生体のインピーダンスには周波数特性があ
り、高周波成分のインピーダンスは低く、低周波成分の
インピーダンスは高くなる。

【００２９】図２に骨格筋の周波数と抵抗率との関係図
を示す。図のように骨格筋では２０KHzから２００KHzに
かけて周波数の増加とともに徐々に抵抗率が低下してい
る。これは、細胞壁が容量成分として働き、周波数の低
い信号成分は細胞壁の外にある細胞外液のみを導体とし
て働くためにインピーダンスが高くなり、一方、周波数
が高くなると細胞壁を電流が通過し、細胞壁の内部にあ
る細胞外液まで導体として働くために電流が流れやすく
なり生体インピーダンスも低下することによる。この他
にも表皮近傍では組織の異方性による抵抗率の違いの要
因もあり、これも周波数が低いほど抵抗率が高くなるこ
とから、これら複数の要因により周波数が変わると生体
のインピーダンスは大きく変化する。

【００３０】本実施例では５０KHzの正弦波の電流を生
体に印加しておりこの周波数帯の信号は表皮付近の細胞
壁にも電流が流れまた組織の異方性の影響も受け難いた
め、表皮付近のインピーダンスも１０℃４０％ＲＨ程度
の環境下など表皮付近の毛細血管が収縮して導電体であ
る水分が減少した状態のときでも１０数ＫΩ程度で済む
が、これがＤＣから数百Ｈｚなどの周波数の低い成分に
なると数百ＭΩオーダーの大変大きなインピーダンスに
なってしまうことがある。このような場合、オペアンプ
１２が−端子１２ｂを＋端子１２ｃと同電位にするよう
にフィードバックをかけようとしても、この時フィード
バックのために流す電流の経路は生体６を経由する経路
しかなく、生体６を通じてＤＣ電位である＋端子１２ｃ
の電位を確保しようとすると低温乾燥時のきわめて高い
インピーダンスに阻まれてフィードバックがうまく機能
しなくなくなってしまう。

【００３１】しかしながら、本実施例では安定化抵抗９
を配置することにより、生体６以外にフィードバックの
経路を確保しているので、オペアンプ１２の−端子１２
ｂの電位を容易に＋端子１２ｃと同じ電位に安定して維
持できる。なお、安定化抵抗９を配置しても、安定化抵
抗９の電気抵抗が生体６に印加する周波数における生体
インピーダンスＲｂより十分に大きい場合、ｉｂはｉに
ほぼ等しくなる。本実施例の場合、生体インピーダンス
が５０ＫΩ程度でも十分な精度を確保できるように安定
化抵抗９に１０ＭΩという非常に高い抵抗値を用いてい
る。このｉｂに応じて生体６に電圧が発生し、この電圧
を２つの電圧検出電極２、４の間の電位差を電圧検出手
段１０により検出し、生体インピーダンス算出手段１１
は電圧検出手段１０の検出した電圧を生体６に印加され
る電流ｉｂとほぼ同じ電流ｉで除算することにより生体
インピーダンスが算出される。

【００３２】なお、本実施例では電流印加電極と電圧検
出電極が互いに絶縁され別個に構成された４端子法を用
いており、電圧検出電極は電流印加電極により電流が印
加される区間の皮膚に接触するように配置されているの
で、外気の影響を受けて変化しやすい電流印加電極の表
皮付近のインピーダンスと印加電流ｉｂとによる電圧は
検出されることはなく、外気等の影響を受けず変化の少
ない生体内部の抵抗成分による電圧を検出して生体イン
ピーダンスを算出できる。

【００３３】上記のように本実施例の生体インピーダン
ス検出装置は、生体に並列に安定化抵抗９を配置して生
体に電流を印加するので、低温乾燥時などの表皮付近の
インピーダンスが高くなる場合でも安定して生体に電流
を印加することができ、面積の小さな電極を用いた場合
でも安定した生体インピーダンスの測定が可能となる。

【００３４】なお、皮膚との接触面積を２cm²とした電
極を２つの電流印加電極１、３として使用した場合、１
０℃の低温環境下で表皮付近のインピーダンスを測定す
ると５０KHz付近ではほとんどの人が片側で５ＫΩ以下
であったが、ごくわずかではあるが片側２０ＫΩ程度の
人が居ることが分かった。片側の表皮付近の生体インピ
ーダンスが２０ＫΩの場合、両側で４０ＫΩとなるが、
そのような条件でも生体インピーダンスの測定精度を１
％以内にするためには安定化抵抗９の抵抗値は少なくと
もその１００倍の４ＭΩ以上とする必要がある。なお、
殆どの人が５ＫΩ以下であるので、これらの人のみ正し
く測定すればよいと割り切れば、安定化抵抗９は１０Ｋ
Ωの百倍の１ＭΩでもよい。

【００３５】（実施例２）本発明の実施例２に付いて図
面とともに説明する。図３は本発明の生体インピーダン
ス検出装置のブロック図である。本実施例が本発明の実
施例１と異なる点は、２つの電圧検出電極２、４に近接
してインピーダンス変換手段１４、１５を設けた点、及
び、電流印加電極３の電圧を測定する印加電圧監視手段
１６を設けた点にある。

【００３６】実施例１では安定化抵抗９により小さな電
極を用いても生体６へ安定した電流印加が可能になった
が、表皮付近の生体インピーダンスが大きくなると生体
６に流れる電流が一定であるためにそれに伴って２つの
電流印加電極１、３の間の電位差がその分大きくなって
しまう。生体６に印加される電流は５０KHzの正弦波形
なので、２つの電流印加電極１、３の間の電位差も５０
KHzの正弦波形となり、この振幅が大きくなると電源電
圧を更に大きくする必要が生じてくるほか、僅かな回路
の誤差やノイズが無視できなくなってくる。この問題を
解決するために、本実施例の生体インピーダンス検出装
置は、二つの電圧検出電極２、４に近接してインピーダ
ンス変換手段１４、１５を設けている。

【００３７】図４に４つの電極間のインピーダンス成分
を示す。Ｒｈ１ｉは電流印加電極１の表皮付近の抵抗、
Ｒｈ１ｖは電圧検出電極２の表皮付近の抵抗、Ｒｈ２ｉ
は電流印加電極３の表皮付近の抵抗、Ｒｈ２ｖは電圧検
出電極４の表皮付近の抵抗、Ｒｂ１は電圧検出手段１０
により検出される生体内部の生体インピーダンスであ
る。ここで、図５にこれらのインピーダンスの電圧波形
を示す。図５（ａ）は表皮付近の抵抗が十分小さい場
合、（ｂ）は表皮付近の抵抗が大きくなった場合を示
す。抵抗値は（ａ）ではＲｈ１ｖ＝Ｒｈ１ｉ＝１ＫΩ、
Ｒｈ２ｖ＝Ｒｈ２ｉ＝０．５ＫΩ、Ｒｂ１＝０．５Ｋ
Ω、（ｂ）ではＲｈ１ｖ＝Ｒｈ１ｉ＝２０ＫΩ、Ｒｈ２
ｖ＝Ｒｈ２ｉ＝１０ＫΩ、Ｒｂ１＝０．５ＫΩの場合で
ある。図中Ａは２つの電流印加電極１、３の間の電圧波
形、Ｂは一方の電圧検出電極２と基準電位間の電圧波
形、Ｃはもう一方の電圧検出電極４と基準電位間の電圧
波形、Ｄは２つの電圧検出電極２、４の間の電圧波形で
ある。なお、ここでは生体５に印加する電流として、振
幅が２５０ｍＡｐ−ｐとなる５０KHzの正弦波を用いて
いる。

【００３８】（ａ）と（ｂ）とを比較すると、Ａの振幅
が（ｂ）が７．６２ｖなのに対し（ａ）が０．５ｖで
（ｂ）が（ａ）のほぼ１５倍の値となっており、（ｂ）
のＡの振幅はＤの振幅の実に６０倍の大きさとなる。生
体インピーダンス算出手段１１では電圧検出手段１０が
検出するＤの振幅から生体インピーダンスを算出するの
で、Ｄの波形は生体インピーダンスの算出に極めて重要
であり、ノイズ等により波形に影響が受けない様に配慮
する必要がある。しかし、表皮付近のインピーダンスが
大きくなる（ｂ）では、Ｂ及びＣの振幅を見るとＡ振幅
の約２／３の大きさであり、Ｄの振幅の４０倍となって
いる。Ｄの波形はＢとＣの差であるから、ＢやＣの波形
にノイズが重畳した場合はもちろん、ＢとＣの位相が少
しでもずれた場合にも、Ｄの波形に大きく影響する。し
かし、電圧検出手段１０では、表布付近のインピーダン
スの影響を無くすために電圧検出電極２、４からの電圧
信号を表布のインピーダンスより５０〜１００倍以上の
十分大きな入力インピーダンスで接続することが要求さ
れるため、電圧検出電極２、４と電圧検出手段１０の間
ではノイズの影響を大変受けやすくなっている。また、
本実施例では電流印加電極１、３と電圧検出電極２、４
とは回路Ｐ板からリード線（図示せず）により結ばれて
おり、これが長くなるほど回路外からのノイズの影響を
受けやすく、しかも、電流印加手段８と電圧検出手段１
０との間に容量成分が生じて位相のずれを誘発する恐れ
もあった。

【００３９】そこで本実施例の生体インピーダンス検出
装置は、このリード線によるノイズの混入や位相のずれ
をなくすために電圧検出電極２、４に接してインピーダ
ンス変換手段１４、１５を設け、電圧検出電極２、４が
検出した波形をできるだけそのまま電圧検出手段１０に
送信している。この構成により、そのままではノイズの
影響を受けやすい入力インピーダンスの高い部分を極力
短くすることが可能で、またリード線に流れる電流を大
きくできるので、リード線の容量成分に起因する位相の
変化もほとんどなくすことができる。これによって、生
体の深部の生体インピーダンスに基づく電位差を正確に
検出できるので、正確な生体インピーダンスを検出でき
る生体インピーダンス検出装置を実現できる。

【００４０】なお、本実施例では電圧検出電極とインピ
ーダンス変換手段は接して配置されるが、近接して配置
されていれば必ずしも接している必要はない。ただし、
電圧検出電極とインピーダンス変換手段とは近ければ近
いほど効果が高い。

【００４１】また、本実施例の生体インピーダンス検出
装置では、電流印加電極３の電圧を監視する印加電圧監
視手段１６を設けている。これは、表皮付近のインピー
ダンスが余りに大きい場合には２つの電流印加電極１、
３間の電圧が電流印加手段８の動作が可能な電圧範囲を
超えることがあるが、この場合、印加波形のうち動作可
能範囲を超えた部分はピークカットされて生体へは正弦
波ではない歪んだ電流波形が印加される。

【００４２】従って、電圧検出手段１０の出力も歪んだ
電流による電圧を検出してしまい、そのままでは正しく
電流が印加された正しい電圧を検出したのか、歪んだ電
流波形により発生した電圧を検出したのかを区別でき
ず、誤った生体インピーダンスを検出してまう恐れがあ
った。この問題を解決するために、本実施例の生体イン
ピーダンス検出装置は電流印加電極３の電圧を監視する
印加電圧監視手段１６を設け、歪んだ電流波形を印加さ
せる恐れのある場合を監視している。

【００４３】図６に電流印加電極３の電圧波形を示す。
（ａ）は表皮付近の抵抗が十分小さい場合、（ｂ）は表
皮付近の抵抗が大きくなった場合を示す。抵抗値は図５
で説明した場合と同様である。図のように（ａ）（ｂ）
ともに波形形成手段のＤＣ電圧（０Ｖ）を基準とした正
弦波形となっているが、この振幅は２つの電流印加電極
１、３の間の生体インピーダンスにより大きく変化し、
（ａ）では＋０．２５Ｖなのに対し（ｂ）では＋３．８
１Ｖにまでなっている。

【００４４】本実施例の場合、電源電圧は＋５Ｖ、−５
Ｖの両電源を用いており、オペアンプの動作電圧範囲は
＋４Ｖ〜−４Ｖである。そこで、印加電圧監視手段１６
では＋３．９Ｖを超える電圧が発生した場合に電流印加
電極３の電圧が正常範囲内にないことを示す信号を生体
インピーダンス算出手段１１に出力し、生体インピーダ
ンス算出手段ではこの出力があるとき、算出した生体イ
ンピーダンスの代わりに、異常を示す信号を出力してい
る。

【００４５】この構成により、電流印加電極の電圧が正
常な動作可能な範囲を超えて正しい生体インピーダンス
測定ができなくなった場合を検出することができるの
で、正しい測定ができない場合でもそれを認識できる。

【００４６】なお、印加電圧監視手段１６は電圧を監視
する部分の入力インピーダンスが安定化抵抗９と同等か
それ以上の高インピーダンスを持つ必要があるので、注
意が必要である。

【００４７】また、上記実施例では印加電圧監視手段１
６は２つの電流印加電極のうちオペアンプ１２の−端子
１２ｂに接続された側の電流印加電極３の電圧を監視し
ているが、もう一方の電流印加電極１を監視してもよ
い。ただし、この場合はオペアンプのオフセット電圧や
バイアス電流の影響を受けＤＣ電圧が多少変化するた
め、その分の余裕が必要になる。したがって、本実施例
のようにオペアンプ１２の−端子１２ｂに接続された側
の電流印加電極３の電圧を監視する方がよい。

【００４８】（実施例３）本発明の実施例３を図面とと
もに示す。本実施例では生体は人体であり、検出した生
体インピーダンスから人体の体脂肪率を算出する体脂肪
率計の例を示す。図７は本実施例の体脂肪率計のブロッ
ク図、図８は本実施例の体脂肪率計の外観図である。図
中１から４は生体６の表皮に接触させて電気的な導通を
図る４つの電極であり、これらのうち１、３は生体に電
流を印加させる電流印加電極、２、４は生体の電圧を検
出する電圧検出電極である。

【００４９】また、７は生体に印加する電流波形を形成
する印加波形形成手段、８は印加波形形成手段７により
形成された波形を２つの電流印加電極１、３との間に印
加する電流印加手段、１０は２つの電圧検出電極２、４
との間の電圧を検出する電圧検出手段、１１は電圧検出
手段１０にて検出された電圧から生体のインピーダンス
を算出する生体インピーダンス算出手段、１７は被測定
者の身体情報を入力する入力手段、１８は生体インピー
ダンス算出手段１１と入力手段１７とから得られた情報
に基づき被測定者の体脂肪率を算出する体脂肪率算出手
段、１９は体脂肪率算出手段１８が算出した体脂肪率を
表示する表示手段である。

【００５０】なお、印加波形形成手段７は正弦波を形成
する波形形成手段２０と正弦波の振幅を可変して出力す
る出力可変手段２１を持ち、出力可変手段２１は本実施
例では体脂肪率算出手段１８からの信号に基づき３種の
振幅に切り替えて各振幅の出力波形を順番に一定時間ず
つ電流印加手段８に出力し、電圧検出手段１０では３種
の振幅に応じてそれぞれの場合の電圧を算出し、さらに
生体インピーダンス算出手段１１では電圧検出手段１０
が算出した３種の電圧により生体インピーダンスを決定
している。なお、本実施例では、出力可変手段２１は体
脂肪率算出手段１８からの信号に基づき増幅率を変化さ
せる可変増幅回路を用いて構成している。

【００５１】また、図７において２２は人体の左手首に
装着するための装着バンドであり、装着バンド２２の手
首と接触する側に電流印加電極１と電圧検出電極２が配
置されおり、装着バンド２２を手首に装着すると電流印
加電極１と電圧検出電極２が皮膚と接触して人体と電気
的に導通する。また、２９は本体で装着バンド２２の手
首と反対側に配置され、この本体２３上の電流印加電極
３と電圧検出電極４（図８の奥側で電極自体は隠れて見
えない）が配置され、これら本体上の２つの電極に右手
の指を接触させることにより人体と電気的に導通する。
また、入力手段１７と表示手段１９とは本体２３上に配
置されている。

【００５２】なお、本体２３上には電源スイッチ２４が
あり、体脂肪率の測定時にこのボタンを押して体脂肪率
計の電源をオンにして測定を行う。さらに、入力手段１
７は確定ボタン１７ａ、増加ボタン１７ｂ、減少ボタン
１７ｃの３つのボタンからなり、表示手段１９に表示さ
れる身体情報の数値を、各身体情報毎に増加ボタン１７
ｂと減少ボタン１７ｃを操作して被験者の値に合わせた
後に確定ボタンで数値を確定させる、といった操作によ
り身体情報の入力を行う。

【００５３】本実施例の作用を示す。まず、体脂肪率を
測定する被測定者が本体２３に設けられた入力手段１７
から自身の身長、体重、年齢、性別の身体情報を入力
し、入力された情報が体脂肪率算出手段１８に伝達され
る。被測定者は装着バンド２２を左腕手首に装着する
と、装着バンド２２の手首に接触する面に配置された電
流印加電極１と電圧検出電極２と手首とが接触して電気
的な導通が可能となる。更に装着バンド２２に接続され
た本体２３上にある電流印加電極３と電圧検出電極４に
右手の指を接触させると、生体を含めた電流印加手段８
の定電流回路が構成されて生体に定電流が印加される。

【００５４】この時、印加波形形成手段７は出力可変手
段２１により体脂肪率算出手段１８の出力に基づいた３
種類の振幅の波形を順次一定時間ずつ出力し、生体には
３種類の振幅に応じた３種類の定電流が順次印加され
る。電圧検出手段１０では、順次印加された３種の異な
る定電流に基づく生体の電圧を検出し、それぞれ生体イ
ンピーダンス算出手段１１に出力する。生体インピーダ
ンス算出手段１１では、３種の振幅に基づく３つの電圧
値を用いて生体インピーダンスを算出するが、算出方法
は以下のように行う。

【００５５】図９に横軸に生体に印加された定電流の振
幅、縦軸に検出された電圧の関係図を示す。１回の測定
では３種の異なるそれぞれ既知の振幅の定電流を印加し
それぞれの電圧を検出するので、図に示すように３つの
点がプロットされ（図中白丸）、これらの３点は通常は
原点を通過する直線上に並ぶ（Ｅ）。横軸は電流、縦軸
は電圧であるから通常は１点が求まれば生体インピーダ
ンスは決定できるが、ノイズの影響がある場合は電圧検
出手段１０にノイズによる電圧も重畳してしまい、正確
に生体インピーダンスを検出できない場合があった。

【００５６】しかしながら、本実施例のように複数の異
なる振幅の電流を印加してそれぞれの場合での電圧を測
定すると、外部からのノイズの場合、ノイズの影響はす
べての場合で等しく現れるので、図７の黒丸で表される
ような位置に並び、それぞれの点を結んだ直線はノイズ
の影響のない場合の直線に対してノイズの大きさに応じ
た分上方へ平行移動した形（Ｆ）になる。ノイズの有無
による違いは切片の高さには現れるが傾きｒＥ、ｒＦに
は現れず、この直線の傾きは生体インピーダンスと比例
するので、傾きを求めることによって外来ノイズの影響
を受けない生体インピーダンスを算出することができ
る。

【００５７】このように算出された生体インピーダンス
は体脂肪率算出手段１８に出力され、体脂肪率算出手段
１８では生体インピーダンス算出手段１１の出力と入力
手段１７に入力された被測定者の身体情報とから被測定
者の体脂肪率が算出され、算出された体脂肪率が表示手
段１９により表示されて、被測定者に報知される。

【００５８】上記のように、本実施例の体脂肪率計は、
複数の振幅の定電流を印加してそれぞれの振幅に応じた
電圧を検出し、この複数の電圧値に基づいて算出された
生体インピーダンスの値を用いて被測定者の体脂肪率を
算出するので、ノイズの影響を受けない体脂肪率計を提
供できる。

【００５９】なお、本実施例では３種の振幅を用いてい
るが、最低でも２種あれば直線を特定できるので同様な
効果が得られる他、３種以上でも同じ効果が得られる。
また、複数の振幅の電流を繰り返し印加してより多くの
電圧値から傾きを求めると時々刻々と変化するノイズの
影響を更に低減させることが可能であり、さらに効果が
高まる。

【００６０】また、本実施例では、出力可変手段として
可変増幅回路を構成して用いているが、複数の印加波形
形成手段を構成しこれら複数の波形を切り替えスイッチ
で切り替えて出力するような構成でもよいし、基準信号
を与えて滑らかな正弦波に加工する回路において基準信
号の振幅を変更して実現するものでもよく、出力可変の
方法を限定するものではない。

【００６１】また、３種の振幅の電流と電圧との関係が
直線でない場合は、ノイズの影響があったり、生体イン
ピーダンスが大きくなりすぎて正しく測定できない場合
であったりすることから、この直線性を評価して測定し
た生体インピーダンスや体脂肪率の値を評価することも
可能である。例えば、３点のうち隣り合う２点の傾きの
差を算出し、これがあらかじめ決められた閾値より大き
い場合では、生体インピーダンスや体脂肪率の測定を再
度行うように制御するなどの応用が可能となる。

【００６２】（実施例４）本発明の実施例４を図面とと
もに説明する。図１０は本発明の実施例４の体脂肪率計
のブロック図である。本実施例が本発明の実施例３と異
なる点は、出力可変手段の代わりに出力遮断手段２５を
持ち電流を流す場合と流さない場合とを交互に出力し、
電流が流れている場合の電圧検出手段１０の出力と電流
が流れていない場合の電圧検出手段１０の出力とから前
記人体の生体インピーダンスを検出して体脂肪率を算出
する点にある。なお、本実施例では、出力遮断手段２５
はアナログスイッチで構成し体脂肪率算出手段の出力を
受けて動作させている。

【００６３】生体に電流を印加していないときに電圧検
出手段１０が検出する電圧は外乱ノイズに起因する電圧
である。電流を流している場合は、この外乱ノイズが重
畳し、電圧検出手段１０では生体に印加した電流とその
間の生体インピーダンスとにより発生する電圧と外乱ノ
イズとが加わった値となる。そこで、図１１に示すよう
に定電流を印加した時の電圧検出手段１０の出力から電
流を印加しない時の電圧検出手段１０の出力を減算して
外乱ノイズのない状態での電圧を算出して出力してい
る。

【００６４】図中Ｇはノイズの重畳がほとんどない場
合、Ｈはノイズの重畳がある場合であり、それぞれＶ
Ｇ、ＶＨという電圧が求められ、この値から生体インピ
ーダンスと体脂肪率が算出される。この場合、電流を切
りかえるのではなく、電流印加のない状態を作ればよい
ので、実施例３のように増幅率を切り替えたり複数の波
形形成手段を用いたりする等の複雑な回路構成が不要で
あり、本実施例のようにアナログスイッチ等を用いるこ
とにより単純な構成で簡単に実現できる。

【００６５】なお、外乱ノイズのない状態の電圧を求め
る算出方法は、実施例で述べた定電流印加時に検出され
た電圧から電流印加をしない時に検出された電圧を減算
して求めるのが最も容易であるが、ノイズの状態によっ
てはそれだけでは正確に求められない場合もあるので、
あらかじめ得られた２つの電圧値からノイズのない場合
の電圧値を求める回帰式を求めておき、新たに得られた
２つの電圧値を回帰式に代入してノイズのない場合の電
圧値を算出するなどの方法を取ってもよい。その場合の
回帰式は例えば式２のようなものであり、ａ、ｂの係数
は様々な条件から統計的に求めておけばよい。

【００６６】Ｖ＝ａＶｉ−ｂＶ０（式２） 上記のように、本実施例の体脂肪率計は、簡単な構成で
ノイズの影響を除去できるので、電極の面積が十分に取
れない場合でも正確体脂肪率を測定できる。

【００６７】なお、本実施例の体脂肪率計では出力遮断
手段２５は印加波形形成手段に含まれるアナログスイッ
チであるが、電流印加電極が生体に電流を印加する動作
を妨げるものであれば何処にあってもよく、また、遮断
方法も回路を遮断するものに限らず物理的に電極との接
触を断つものなどでもよく、遮断方法を限定するもので
はない。

【００６８】なお、上記４つの実施例では生体インピー
ダンス検出装置とこれを用いた体脂肪率計に付いて説明
したが、いずれも、表皮付近のインピーダンスが高い場
合でも正確な生体インピーダンスを検出するための構成
が主眼であり、体脂肪率計を例に説明した構成であって
も、その生体インピーダンス検出の構成は単独で利用可
能なものであり、体脂肪率計への利用に制限するもので
はない。さらに、体脂肪率以外にも体水分量など生体イ
ンピーダンスを用いて計測できる生理状態の計測機器へ
応用してももちろんよい。

【００６９】また、上記４つの実施例では生体として人
体の生体インピーダンスや体脂肪率を求めているが、人
体に限らず、動物などでも同様である。また、生体に限
らず、電極付近のインピーダンスが変化しやすく極めて
大きくなる可能性のあるものであれば、応用が可能であ
る。

【００７０】上記発明により、電極の面積を小さくして
も正確に生体インピーダンスを検出することが可能であ
り、小型で正確な生体インピーダンス検出装置やこれを
用いた体脂肪率計を実現できる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
係る生体インピーダンス検出装置およびこれを用いた体
脂肪率測定装置は、電流印加手段に接続された２つの電
極間に人体と並列に安定化抵抗を接続しているので、低
温環境下などで人体の表皮付近のインピーダンスが極め
て大きくなり電流印加手段による安定した電流印加が難
しい場合でも前記安定化抵抗を通じて電流印加手段の安
定化を図ることが可能で、低温環境下等の表皮付近のイ
ンピーダンスが大きな場合でも安定した生体インピーダ
ンス検出ができる。

【００７２】また、請求項２に係る生体インピーダンス
検出装置およびこれを用いた体脂肪率測定装置は、２つ
の電極間に配置する抵抗の大きさが電流印加手段の印加
する電流の周波数領域で深部の生体インピーダンスと表
皮付近のインピーダンスを加算した値の少なくとも２０
倍以上の高い値となるので、２つの電極間に安定化抵抗
を配置しても十分に正確な生体インピーダンス検出がで
きる。

【００７３】また、請求項３に係る生体インピーダンス
検出装置およびこれを用いた体脂肪率測定装置は、電圧
検出手段に接続された２つの電極に近接してインピーダ
ンス変換手段が配置されるので、２つの電極から電圧検
出手段に電位を伝達する間のノイズの影響を少なくする
ことが可能で、ノイズの影響を受けない正確なインピー
ダンス検出を実現できる。

【００７４】また、請求項４に係る生体インピーダンス
検出装置およびこれを用いた体脂肪率測定装置は、ノイ
ズがある場合でも、複数の電流値から生体インピーダン
スに起因する電圧成分のみを検出可能で、ノイズによる
影響が少なく正確な生体インピーダンス検出ができる。

【００７５】また、請求項５に係る生体インピーダンス
検出装置およびこれを用いた体脂肪率測定装置は、電流
を流さない場合の出力からノイズレベルを検出できるの
で、生体インピーダンス測定時のノイズの影響を検出可
能で、ノイズの状態を見積もった上で正しい生体インピ
ーダンス検出ができる。

【００７６】また、請求項６に係る生体インピーダンス
検出装置およびこれを用いた体脂肪率測定装置は、電流
印加電極に接続された電極の電圧を測定することにより
電流印加電極の電圧が正常な動作可能な範囲を超えて正
しい生体インピーダンス測定ができなくなった場合を検
出することができるので、正しい測定ができない場合で
もそれを認識できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における生体インピーダンス
検出装置のブロック図

【図２】同装置における骨格筋の抵抗率の周波数特性図

【図３】本発明の実施例２における生体インピーダンス
検出装置のブロック図

【図４】同装置の電極装着時の生体中のインピーダンス
成分を示す回路図

【図５】（ａ）同装置の表布付近のインピーダンスが通
常の人の場合の電極の電圧出力図 （ｂ）同装置の表布付近のインピーダンスが高い人の場
合の電極の電圧出力図

【図６】（ａ）同装置の表布付近のインピーダンスが通
常の人の場合の電極の電圧出力図 （ｂ）同装置の表布付近のインピーダンスが高い人の場
合の電極の電圧出力図

【図７】本発明の実施例３における体脂肪率計のブロッ
ク図

【図８】同体脂肪率計の外観斜視図

【図９】同体脂肪率計の生体インピーダンス算出手段の
算出方法の概念を示す図

【図１０】本発明の実施例４における体脂肪率計のブロ
ック図

【図１１】同体脂肪率系の生体インピーダンス算出手段
の算出方法の概念図

【図１２】従来例における体脂肪率計の外観斜視図

【符号の説明】

１、３ 電流印加電極 ２、４ 電圧検出電極 ６ 人体（生体） ８ 電流印加手段９ 安定化抵抗 １０ 電圧検出手段 １１ 生体インピーダンス算出手段 １４、１５ インピーダンス変換手段 ２１ 出力可変手段 ２５ 出力遮断手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G028 AA01 BC07 CG08 DH05 DH09 DH13 DH14 DH21 FK01 FK09 HN01 HN11 HN13 LR02 4C027 AA06 DD05 EE01 EE03 EE05 GG00 KK07

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】生体のそれぞれ異なる部位の皮膚に接触し
   電気的な導通を計る４つの電極と、前記４つの電極のう
   ち２つの電極の間に一定電流を印加する電流印加手段
   と、前記４つの電極のうち前記電流印加手段に接続され
   ない２つの電極の間の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段の出力に基づいて前記生体のインピー
   ダンスを算出する生体インピーダンス算出手段とを備
   え、前記電流印加手段に接続された２つの電極の間を安
   定化抵抗で接続した生体インピーダンス検出装置。
2. 【請求項２】安定化抵抗の抵抗値は少なくとも１ＭΩ以
   上、より望ましくは４ＭΩ以上である請求項１に記載の
   生体インピーダンス検出装置。
3. 【請求項３】生体のそれぞれ異なる部位の皮膚に接触し
   電気的な導通を計る４つの電極と、前記４つの電極のう
   ち２つの電極の間に一定電流を印加する電流印加手段
   と、前記４つの電極のうち前記電流印加手段に接続され
   ない２つの電極の間の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段の出力に基づいて前記生体のインピー
   ダンスを算出する生体インピーダンス算出手段とを備
   え、前記電圧検出手段は前記電圧検出手段に接続された
   ２つの電極に近接して配置されるインピーダンス変換手
   段を持つ生体インピーダンス検出装置。
4. 【請求項４】生体のそれぞれ異なる部位の皮膚に接触し
   電気的な導通を計る４つの電極と、前記４つの電極のう
   ち２つの電極の間に一定電流を印加する電流印加手段
   と、前記４つの電極のうち前記電流印加手段に接続され
   ない２つの電極の間の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段の出力に基づいて前記生体のインピー
   ダンスを算出する生体インピーダンス算出手段とを持つ
   とともに、生体に印加する電流を変化させる出力可変手
   段を備え、前記電流印加手段は前記出力可変手段が可変
   した複数の電流値の電流を生体に印加し、生体インピー
   ダンス算出手段は電流印加手段が生体に印加した複数の
   電流値とそれに応じた電圧検出手段の出力値とから生体
   インピーダンスを決定する生体インピーダンス検出装
   置。
5. 【請求項５】生体のそれぞれ異なる部位の皮膚に接触し
   電気的な導通を計る４つの電極と、前記４つの電極のう
   ち２つの電極の間に一定電流を印加する電流印加手段
   と、前記４つの電極のうち前記電流印加手段に接続され
   ない２つの電極の間の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段の出力に基づいて前記生体のインピー
   ダンスを算出する生体インピーダンス算出手段とを持つ
   とともに、生体に印加する電流を遮断する出力遮断手段
   を持ち、生体インピーダンス算出手段は出力遮断手段が
   生体に印加する電流を遮断しない場合の電圧検出手段の
   出力値と遮断した場合の電圧検出手段の出力値とから生
   体インピーダンスを決定する生体インピーダンス検出装
   置。
6. 【請求項６】電流印加手段に接続された２つの電極のう
   ち少なくとも一方の電圧を測定する電極電圧測定手段を
   持ち、前記電極電圧測定手段の出力があらかじめ決めら
   れた範囲にあるとき生体インピーダンス算出手段の出力
   が正しい生体インピーダンスではないと判定する請求項
   １〜５のいずれか１項に記載の生体インピーダンス検出
   装置。