JP2005504600A - 身体組成を測定するための装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、対象の身体組成を測定するための装置であって、生体電気インピーダンスを測定するための第１の電子モジュール（６）と、測定装置（２）に接続された場合に、対象の身体または身体の一部を通過する可変電気信号（１１）を発生するための少なくとも１つの電力源（１０）とを備えた装置に関する。本発明は、前記電力源が、矩形電圧信号（１１）を供給するべく設計された電圧発生器（１０）であることを特徴としている。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、個人の生体電気インピーダンスを計算するためのユニットと関連付けられた電気測定回路を有する、身体組成を測定するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
身体組成を測定することにより、個人の健康状態が分かる。より詳細には、生体の脂肪の量およびその進展を常に知ることにより、ダイエット中の有効な助けとなる。体脂肪を測定するための方法の中でも、身体中の水分の量と相関した人体のインピーダンスの測定が注目されている。人体は、筋肉、骨格、臓器および組織によって構成される除脂肪体および脂肪体から構成されている。除脂肪体の約７０％は水分であり、一方、脂肪体にはほとんど水分は含まれていない。したがって人体の電気インピーダンスおよび個人の総体重を測定し、パラメータを若干調整することにより、個人の脂肪体および除脂肪体を計算することができる。
【０００３】
生体電気インピーダンスの測定は、周波数が高く、かつ、強度の小さい短時間の交流電流が組織を通過する際の導電率に基づいている。Ｐａｒｉｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ−Ｐａｒｉｓ−ＦｒａｎｓｅのＢｏｕｌｉｅｒ博士により、極めて周波数の高い（１００ｋＨｚを超える）電気信号が体節（胴または下半身）を横切る単一測定を利用した、総合身体組成を確立するための概念が発案されており、したがってこの方法で、測定サポートとして秤量スケールが利用されている。この概念の最初の科学的有効性については、１９９４年に、Ｂｏｕｌｉｅｒ博士により確立されている（非特許文献１）。
【０００４】
文献に、このような測定装置が記載されており（特許文献１）、秤量スケールプラットフォームおよび４つの電極を備えたプレートの連携を利用して、身体の値すなわちインピーダンスが取得されている。４つの電極のうちの２つは、電流発生器を有する回路に結合され、他の２つは測定装置に接続されている。したがって、印加された一定の電流を知ることにより、測定電圧の関数として、部分測定された身体のインピーダンスの値が計算され、また、特にサイズおよび年齢を関数とした調整係数を適用し、かつ、個人の体重を積分することによって、除脂肪体および脂肪体が計算されている。この装置は容易に使用することができるが、測値に完全な信頼性がなく、例えば浮腫すなわち水分うっ滞の問題を抱えている個人の場合、除脂肪体および脂肪体の計算が歪曲されることがある。
【０００５】
人体における電気挙動を研究する場合、人体における電気挙動を導電性かつ均質な電解溶液中の細胞懸濁に同化させることができることが注目されている。リポタンパク質膜によって分離された細胞内および細胞外の導電媒体が細胞膜を構成している。フリッケモデルは、人体の電気挙動を、細胞内の媒体の電気抵抗を表す細胞内抵抗Ｒｉに直列に接続された細胞膜を表す容量Ｃから構成された電気回路に同化している。容量Ｃおよび細胞内抵抗Ｒｉは、細胞外抵抗Ｒｅに並列に接続されている。水分が生体、特に細胞内媒体中および細胞外媒体中に局部的に存在する状態で実施されるインピーダンス測定を、信頼性の高い方法で関連付けるためには、抵抗ＲｉおよびＲｅの各々を知る必要がある。
【０００６】
文献には、本出願人の名前で、１つの解決法が提案されている（特許文献２）。この文献には、身体組成を測定するための、電流信号を方形波の形で印加し、かつ、装置の励起電極間の持続期間を調整することができる電流源を使用した装置が記述されている。この装置では、測定電極間の電圧が測定され、それにより、測定した身体部分の総合インピーダンスおよび細胞外抵抗が決定され、それらから結果として細胞内抵抗が推定されている。この装置は、満足に動作するが、その構築は繊細であり、かつ、費用がかかることが判明している。したがって、利用されている計算方法には、極端に正確な瞬間に測定を実施し、同時に、完璧にバランスの取れたデューティサイクルを有する電流信号を極めて正確に印加することが要求されている。このような電流発生器を利用する場合、装置の動作条件、例えば、周囲温度によって影響される発生電流値だけ信号に換算される温度変化に極めて敏感なトランジスタを使用しなければならない。
【０００７】
【特許文献１】
ＦＲ−Ａ−２６９８７７９
【特許文献２】
ＦＲ−Ａ−２７７５５８１
【非特許文献１】
Doctoral Thesis of Human Biology-Rene Descartes University-Paris V. 1994 p85-86
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、前述の欠点を克服し、かつ、身体組成を測定するための、動作中、周囲の条件に影響されることなく、正確な測定を実施することができる装置を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、身体組成を測定するための、容易に使用することができ、かつ、動作の信頼性が高い装置である。
【００１０】
本発明の付随目的は、身体組成を測定するための、最少の費用で量産することができる単純な構造の装置である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
これらの目的は、個体の身体組成を測定するための装置であって、生体電気インピーダンスを測定するように意図された第１の電子モジュールと、可変電気信号を発生するように意図された少なくとも１つの電気エネルギー源とを有し、前記エネルギー源が矩形波の電圧信号を供給するように意図された電圧発生器であるため、この電気エネルギー源が測定装置に接続された場合に、上記可変電気信号が個体の身体または身体の一部を通過する装置によって達成される。
【００１２】
したがって、電圧発生器をエネルギー源として利用することにより、供給電圧以下の値を有する一定の信号を連続的に供給することができる利点が提供される。例えば、身体組成を測定するための装置は、電子構造全体の供給電圧を、装置のバッテリの電圧レベルに無関係に一定に維持することができる電子電圧調整器を備えた、供給電圧に等しい電圧を直接発生するマイクロプロセッサを利用することができる。この事実および装置の内部アーキテクチャにより、マイクロプロセッサのみで、その電圧閾値が電圧調整器の精度に匹敵する正確な値を有する方形波電圧信号を発生することができる。有利なことには、このマイクロプロセッサは、以下で説明するように、生体の細胞外および細胞内の抵抗の成端を可能にする計算を実行するために利用するマイクロプロセッサと同じマイクロプロセッサにすることができる。
【００１３】
利用している様々なコンポーネントが周囲のパラメータに敏感であり、そのために、費用がかかり、かつ、正確な調整が困難な温度補償システムという電子アセンブリを装置に導入しなければならない従来技術の文献による電流発生器の場合は、この限りではない（特許文献２参照）。
【００１４】
それに対して、本発明による装置の場合、最少の費用で極めて容易に実施することができる、良好な品質を備えた安定した信号を供給する電圧発生器によって、個体の身体を通過する電気信号が生成される。
【００１５】
また、一方では矩形波信号を使用し、他方では電圧を使用していることにより、正弦波信号および多重周波数処理を利用した、生体電気インピーダンスを測定するための従来技術による装置の場合のような複雑性および正確な位相ずれの測定が回避され、また同時に、上で言及した本出願人による特許の場合のように、極端に正確な瞬間における測定に依存することなく、また、完璧にバランスの取れたデューティサイクルを有する信号を利用することなく、より簡単な方法で、身体組織の容量による影響および細胞内および細胞外抵抗の測定を分離することができる。したがって電圧信号を使用することにより、同一の測定を進行させる場合に、単一かつ一定の信号から開始して、単純な方法で細胞内および細胞外抵抗を測定することができる。
【００１６】
本発明による装置は、前記信号の持続期間の少なくとも２つの所定の瞬間に電圧測定を実施することができる手段を備えていることが有利であり、それにより、この少なくとも２つの瞬間における個体の身体または身体の測定部分の等価抵抗Ｒｅｑが直接決定され、かつ、決定された等価抵抗から、細胞外抵抗Ｒｅおよび細胞内抵抗Ｒｉが推定される。
【００１７】
したがって、上記２つの瞬間におけるわずかに２つの測定により、等価抵抗Ｒｅｑから、必要な計算を実施することによって、個体の身体組成の計算、特に組織中における水分の分布を決定するために不可欠の、細胞内および細胞外抵抗値を推定することができる。
【００１８】
本発明による装置は、細胞外抵抗Ｒｅに等しい等価抵抗Ｒｅｑを決定するべく、前記矩形波信号のプラトーの末端で第１の電圧測定を実施し、かつ、Ｒｉと並列のＲｅに等しい等価抵抗Ｒｅｑを決定し、また、第１の測定を基に、個体の身体または身体の測定部分の細胞内抵抗Ｒｉを決定するべく、前記信号の立上りエッジの末端で第２の電圧測定を実施することができる手段を備えていることが好ましい。
【００１９】
前記信号のプラトーは、理論的には一定の信号と見なすことができ、実際に、周波数が極めて低く（１０ｋＨｚ未満）、また、前記信号の遷移縁すなわち立上りエッジおよび立下りエッジは、理論的には無限周波数の信号と見なすことができ、実際に１００ｋＨｚより高くなっている。したがって、前記信号のプラトーの末端で測定を実施することにより、個体の身体の測定部分の膜容量Ｃを開回路と見なすことができ、また、立上りエッジの末端で測定を実施することにより、膜容量Ｃを短絡と見なすことができ、それにより、膜容量Ｃの値を考慮することなく、前記抵抗値を決定することができる。
【００２０】
前記電圧発生器は、周期、振幅およびデューティサイクルの調整が可能な波形を提供する電圧信号を供給するように意図されていることが好ましい。
【００２１】
前記信号の周期およびデューティサイクルを調整することにより、膜容量Ｃを開回路と見なすことができるよう、膜容量Ｃを完全に充電するべく、信号の、その末端で測定を実施するプラトーの持続期間を適合させることができ、それにより、身体または身体の測定部分の細胞外抵抗を、最も良好に測定することができる。
【００２２】
前記電圧発生器は、振幅が３Ｖと６Ｖの間の低電圧信号である電圧信号を供給するように意図されていることが有効である。供給される電流は８００μＡ以下である。
【００２３】
このような電圧により、装置を利用している間、個体が保護され、かつ、正確な測定を実施するだけの十分な大きさの信号が保証される。
【００２４】
本発明による装置は、個体の体重を測定するように意図された第２の電子モジュールを有していることが好ましい。
【００２５】
したがって第２のモジュールは、測定した個体の体重を直接装置に供給することができ、それにより、個体の身体組成を計算するために、体重データを手で入力する必要はない。
【００２６】
第１の電子モジュールおよび第２の電子モジュールは、個体の身体組成を決定することができる計算ユニットに接続されていることが有効である。この計算ユニットは、マイクロプロセッサであることが有利である。
【００２７】
装置の２つの電子モジュールを使用して実施される測定中に得られるデータは、計算ユニット、特に、計算式をメモリに記憶し、かつ、個体の身体組成に関する情報を生成するマイクロプロセッサに送信される。
【００２８】
本発明は、測定値および計算値を表示するための表示手段を有していることが有利である。
【００２９】
したがって装置のユーザに、装置による測定値および／または計算値の情報を任意の瞬間に実時間で与えることができる。
【００３０】
本発明による装置は、前記電気信号を個体の身体上の第１のポイントと第２のポイントの間に印加するように意図された少なくとも２つの励起電極と、電圧を測定する端子を有する少なくとも２つの測定電極とを有していることが好ましい。
【００３１】
原理的には、個体の身体に適用される、測定回路に接続された２つの電極のみを利用して、生体電気インピーダンスを測定することができるが、信号を加えるための２つの電極と測定のための２つの電極の計４つの電極を使用することにより、電極と個体の身体の接触ポイントにおける皮膚障壁をも通過させることができ、それにより、電気回路の、個体の身体の測定部分を表す端子部分で直接測定を実施することができる。
【００３２】
本発明の特徴は、生体電気インピーダンスを測定するように意図された第１の電子モジュールと、可変電気信号の引渡しを意図した少なくとも１つの電気エネルギー源とを有し、前記エネルギー源が矩形波の電圧信号を供給するように意図された電圧発生器であるため、この電気エネルギー源が測定装置に接続された場合に、上記可変電気信号が個体の身体または身体の一部を通過する秤量スケールの中に有利に見出される。
【００３３】
また、本発明は、個体の身体または身体の一部の生体電気インピーダンスを測定するための、個体に接続された２つの励起電極間に矩形電圧信号が印加され、同じく個体に接続された２つの測定電極間の電圧が、前記矩形信号の持続期間の少なくとも２つの所定の瞬間に測定される方法であって、電気信号が横切る個体の身体または身体の測定部分の上記少なくとも２つの瞬間における等価抵抗Ｒｅｑを直接決定し、かつ、決定した等価抵抗Ｒｅｑから、その細胞外抵抗Ｒｅおよび細胞内抵抗Ｒｉを推定することができ、また、測定値および計算ユニットを利用して個体の身体組成を決定する方法にも等しく関連している。
【００３４】
本発明の方法によれば、細胞外抵抗Ｒｅに等しい等価抵抗Ｒｅｑを決定するべく、前記矩形波信号のプラトーの末端で第１の電圧測定を実施し、かつ、Ｒｉと並列のＲｅに等しい等価抵抗Ｒｅｑを決定し、また、第１の測定を基に、個体の身体または身体の測定部分の細胞内抵抗Ｒｉを決定するべく、前記信号の立上りエッジの末端で第２の電圧測定を実施することが好ましい。
【００３５】
本発明のその他の特徴および利点については、何ら制限されることのない実施例によって例証する、本発明の実施形態についての以下の説明および図面から、より明確になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図３に示す、本発明による、４つの電極を備えたプレート１２の形態の、個体、人間または動物の身体組成を測定するための装置２が提供される。４つの電極のうちの２つは、励起すなわち個体の身体の２つのポイント間に信号を加えるための電極２０、２２であり、他の２つは測定電極２４、２６である。電極の各々は、個体が、測定を実施するべく、水平に置かれたプレート１２の上に立った場合に、その個体の足が接触するように配列されている。電極２０、２２、２４および２６は、ステンレス鋼または他の任意の導電材料でできており、プレート１２は、絶縁材料、例えばプラスチック材料でできている。装置２が測定した値および／または計算した値を表示するための表示装置１５を、プレート１２上に配置することもできる。
【００３７】
プレート１２は、秤量スケールの荷重印加プレートに結合されていることが有利であり、その場合、秤量スケールが読み取った情報は、装置の電子回路に直接送信される。
【００３８】
図２に示すように、本発明による装置２の電子回路は、個体の生体電気インピーダンスを測定するように意図された第１の電子モジュール６を有している。このモジュールは、電気エネルギー源、特に、装置の電極に接続された場合に、個体の身体または身体の一部を通過する電気信号１１を発信することができる電圧発生器１０、測定ユニット３０および信号処理ユニット９によって構成されている。測定ユニット３０は、測定電極２４と２６の間の個体の身体を通過した後の電気信号１１を回復している。
【００３９】
本発明による装置は、個体の体重を測定するように意図された第２の電子モジュール７を有している。第１の電子モジュール６および第２の電子モジュール７は、計算ユニット１４、特に、処理を実行するようになされたマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラに接続されている。計算ユニット１４は、装置２が測定した値および／または計算した値を表示するための表示装置１５に接続されている。
【００４０】
図４は、本発明による、装置２の第１の電子モジュール６の信号処理ユニット９の回路図を示したものである。図に示す回路図によれば、励起電極２０に電気信号１１が印加されている。参照番号４は、フリッケモデルによる個体、特に人体の身体電気モデルまたは身体の測定部分の電気モデルを表しており、ＲｉおよびＲｅは、細胞内および細胞外抵抗であり、Ｃは、人体の膜容量または人体の測定部分の膜容量を表している。参照番号２４および２６は測定電極を表しており、Ｒ２およびＣ２は、電極に接続された身体部分、特に足の皮膚接触による抵抗および容量である。Ｒ０は接続抵抗を表している。
【００４１】
図４に示す回路図では、装置の各測定電極２４、２６の電圧ＶｂおよびＶｃ、および較正された、良好な精度を有する基準抵抗Ｒｒの端子部分の電圧ＶｄおよびＶｒが測定される。
【００４２】
したがって、電圧ＶｄおよびＶｒを測定することにより、電位差
Ｖｄ−Ｖｒ＝Ｒｒ・ｉ
が得られ、この電位差から、
ｉ＝（Ｖｄ−Ｖｒ）／Ｒｒ
で表される電流の強さが推定される。同様に、電圧ＶｂおよびＶｃを測定することにより、電位差
Ｖｂ−Ｖｃ＝Ｒｅｑ・ｉ
が得られる。この式に、その前に計算されたｉを代入すると、
Ｒｅｑ＝（Ｖｂ−Ｖｃ）／ｉ＝Ｒｒ・（Ｖｂ−Ｖｃ）／（Ｖｄ−Ｖｒ） （１）
が得られる。この関係式において、Ｒｅｑは、電圧Ｖｂ、Ｖｃ、ＶｄおよびＶｒの測定時点における個体の身体の下半身の等価抵抗を表している。
【００４３】
利用する信号は、持続期間、振幅およびデューティサイクルを調整することができる矩形波すなわち方形波電圧である。図５は、身体組成の測定に利用される、本発明の第１の実施形態による電気信号１１を示したものである。
【００４４】
生成される電気信号１１の特異性は、立上りエッジであるポイント３１で、無限周波数の信号を提供し、プラトーの末端であるポイント３２で、極めて低い周波数の信号を提供していることである。また、回路の膜容量Ｃは、高い周波数では短絡に類似した挙動を示し、低い周波数では開回路に類似した挙動を示すことが知られている。
【００４５】
したがって、４つの電圧Ｖｂ、Ｖｃ、ＶｄおよびＶｒの測定は、３１および３２の瞬間に実施され、それにより、
ポイント３１から、Ｃが短絡で、かつ、ＲｅおよびＲｉが並列である１／Ｒｅｑ＝１／Ｒｅ＋１／Ｒｉから、
Ｒｅｑ＝（Ｒｅ＋Ｒｉ）（Ｒｅ・ｉ） （２）
が推定され、また、
ポイント３２から、Ｃが開回路であるＲｅｑ＝Ｒｅが推定される。
【００４６】
したがって、ポイント３２における電圧Ｖｂ、Ｖｃ、ＶｄおよびＶｒの測定から、関係式（１）を使用して、Ｒｅの値
Ｒｅ＝Ｒｅｑ＝Ｒｒ・（Ｖｂ−Ｖｃ）／（Ｖｄ−Ｖｒ） （３）
が推定される。
【００４７】
ポイント３１における第２の電圧Ｖｂ、Ｖｃ、ＶｄおよびＶｒの測定から、関係式（２）を使用して、Ｒｉの値
Ｒｉ＝Ｒｅ・Ｒｅｑ／（Ｒｅ−Ｒｅｑ）
が推定される。Ｒｅｑは、ポイント３１で測定した電圧値を関係式（１）に代入することによって計算され、また、Ｒｅの値は、関係式（３）を使用してポイント３２で決定される。
【００４８】
要するに、同じ信号を使用してＲｅｑを決定し、かつ、細胞内抵抗Ｒｉおよび細胞外抵抗Ｒｅを決定することができる。ＲｉおよびＲｅの値は、脂肪体および除脂肪体を計算する上で必須である。計算は、計算ユニット１４によって、計算ユニット１４に記憶されている数学式に基づいて実施される。計算ユニット１４に記憶されている式には、体重、身長、年齢等の他のパラメータが組み込まれている。したがって、Ｒｅと並列のＲｉによって表される総合抵抗を正確に測定することにより、脂肪体および除脂肪体の量を決定することができ、また、ＲｉおよびＲｅを正確に測定することにより、水分の分布を観察し、また、例えば浮腫すなわち水分うっ滞問題の存在を決定することができ、あるいはまた、これらの測定により、筋肉組織に含まれている水分の量が常に急変する乳児の脂肪体および除脂肪体の量を決定することができる。
【００４９】
図６は、矩形波すなわち方形波の電圧信号１１を有する、本発明の第２の実施形態を示したもので、信号１１は、各半サイクルの中間で抑制されている。したがって抵抗ＲｉおよびＲｅは、既に説明したように、電圧測定をポイント３１、３２で実施することによって計算される。この実施形態により、膜壁を表す容量の漸進変化を回避することができる。
【００５０】
第１の電子モジュール、信号処理ユニット、測定ユニット３０は、計算ユニット１４および表示装置１５と共に、身体組成を測定するための独立した装置を構成することができ、あるいは他の装置、例えば秤量スケールあるいはマッサージ、フィットネス等の装置に統合することができる。
【００５１】
本発明の特許請求の骨子を逸脱することなく本発明の他の変形態様および実施形態を案出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来技術による、４つの電極を利用した生体電気インピーダンスの測定原理を示す線図である。
【図２】本発明による、身体組成を測定するための装置のブロック図である。
【図３】本発明による装置の平面図である。
【図４】本発明による装置を利用した、身体組成のパラメータを測定するための回路図である。
【図５】本発明の第１の実施形態によって生成される電気信号の波形を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態によって生成される電気信号の波形を示す図である。
【０００１】
本発明は、個人の生体電気インピーダンスを計算するためのユニットと関連付けられた電気測定回路を有する、身体組成を測定するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
身体組成を測定することにより、個人の健康状態が分かる。より詳細には、生体の脂肪の量およびその進展を常に知ることにより、ダイエット中の有効な助けとなる。体脂肪を測定するための方法の中でも、身体中の水分の量と相関した人体のインピーダンスの測定が注目されている。人体は、筋肉、骨格、臓器および組織によって構成される除脂肪体および脂肪体から構成されている。除脂肪体の約７０％は水分であり、一方、脂肪体にはほとんど水分は含まれていない。したがって人体の電気インピーダンスおよび個人の総体重を測定し、パラメータを若干調整することにより、個人の脂肪体および除脂肪体を計算することができる。
【０００３】
生体電気インピーダンスの測定は、周波数が高く、かつ、強度の小さい短時間の交流電流が組織を通過する際の導電率に基づいている。Ｐａｒｉｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ−Ｐａｒｉｓ−ＦｒａｎｓｅのＢｏｕｌｉｅｒ博士により、極めて周波数の高い（１００ｋＨｚを超える）電気信号が体節（胴または下半身）を横切る単一測定を利用した、総合身体組成を確立するための概念が発案されており、したがってこの方法で、測定サポートとして秤量スケールが利用されている。この概念の最初の科学的有効性については、１９９４年に、Ｂｏｕｌｉｅｒ博士により確立されている（非特許文献１）。
【０００４】
文献に、このような測定装置が記載されており（特許文献１）、秤量スケールプラットフォームおよび４つの電極を備えたプレートの連携を利用して、身体の値すなわちインピーダンスが取得されている。４つの電極のうちの２つは、電流発生器を有する回路に結合され、他の２つは測定装置に接続されている。したがって、印加された一定の電流を知ることにより、測定電圧の関数として、部分測定された身体のインピーダンスの値が計算され、また、特にサイズおよび年齢を関数とした調整係数を適用し、かつ、個人の体重を積分することによって、除脂肪体および脂肪体が計算されている。この装置は容易に使用することができるが、測値に完全な信頼性がなく、例えば浮腫すなわち水分うっ滞の問題を抱えている個人の場合、除脂肪体および脂肪体の計算が歪曲されることがある。
【０００５】
人体における電気挙動を研究する場合、人体における電気挙動を導電性かつ均質な電解溶液中の細胞懸濁に同化させることができることが注目されている。リポタンパク質膜によって分離された細胞内および細胞外の導電媒体が細胞膜を構成している。フリッケモデルは、人体の電気挙動を、細胞内の媒体の電気抵抗を表す細胞内抵抗Ｒｉに直列に接続された細胞膜を表す容量Ｃから構成された電気回路に同化している。容量Ｃおよび細胞内抵抗Ｒｉは、細胞外抵抗Ｒｅに並列に接続されている。水分が生体、特に細胞内媒体中および細胞外媒体中に局部的に存在する状態で実施されるインピーダンス測定を、信頼性の高い方法で関連付けるためには、抵抗ＲｉおよびＲｅの各々を知る必要がある。
【０００６】
文献には、本出願人の名前で、１つの解決法が提案されている（特許文献２）。この文献には、身体組成を測定するための、電流信号を方形波の形で印加し、かつ、装置の励起電極間の持続期間を調整することができる電流源を使用した装置が記述されている。この装置では、測定電極間の電圧が測定され、それにより、測定した身体部分の総合インピーダンスおよび細胞外抵抗が決定され、それらから結果として細胞内抵抗が推定されている。この装置は、満足に動作するが、その構築は繊細であり、かつ、費用がかかることが判明している。したがって、利用されている計算方法には、極端に正確な瞬間に測定を実施し、同時に、完璧にバランスの取れたデューティサイクルを有する電流信号を極めて正確に印加することが要求されている。このような電流発生器を利用する場合、装置の動作条件、例えば、周囲温度によって影響される発生電流値だけ信号に換算される温度変化に極めて敏感なトランジスタを使用しなければならない。
【０００７】
【特許文献１】
ＦＲ−Ａ−２６９８７７９
【特許文献２】
ＦＲ−Ａ−２７７５５８１
【非特許文献１】
Doctoral Thesis of Human Biology-Rene Descartes University-Paris V. 1994 p85-86
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、前述の欠点を克服し、かつ、身体組成を測定するための、動作中、周囲の条件に影響されることなく、正確な測定を実施することができる装置を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、身体組成を測定するための、容易に使用することができ、かつ、動作の信頼性が高い装置である。
【００１０】
本発明の付随目的は、身体組成を測定するための、最少の費用で量産することができる単純な構造の装置である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
これらの目的は、個体の身体組成を測定するための装置であって、生体電気インピーダンスを測定するように意図された第１の電子モジュールと、可変電気信号を発生するように意図された少なくとも１つの電気エネルギー源とを有し、前記エネルギー源が矩形波の電圧信号を供給するように意図された電圧発生器であるため、この電気エネルギー源が測定装置に接続された場合に、上記可変電気信号が個体の身体または身体の一部を通過する装置によって達成される。
【００１２】
したがって、電圧発生器をエネルギー源として利用することにより、供給電圧以下の値を有する一定の信号を連続的に供給することができる利点が提供される。例えば、身体組成を測定するための装置は、電子構造全体の供給電圧を、装置のバッテリの電圧レベルに無関係に一定に維持することができる電子電圧調整器を備えた、供給電圧に等しい電圧を直接発生するマイクロプロセッサを利用することができる。この事実および装置の内部アーキテクチャにより、マイクロプロセッサのみで、その電圧閾値が電圧調整器の精度に匹敵する正確な値を有する方形波電圧信号を発生することができる。有利なことには、このマイクロプロセッサは、以下で説明するように、生体の細胞外および細胞内の抵抗の成端を可能にする計算を実行するために利用するマイクロプロセッサと同じマイクロプロセッサにすることができる。
【００１３】
利用している様々なコンポーネントが周囲のパラメータに敏感であり、そのために、費用がかかり、かつ、正確な調整が困難な温度補償システムという電子アセンブリを装置に導入しなければならない従来技術の文献による電流発生器の場合は、この限りではない（特許文献２参照）。
【００１４】
それに対して、本発明による装置の場合、最少の費用で極めて容易に実施することができる、良好な品質を備えた安定した信号を供給する電圧発生器によって、個体の身体を通過する電気信号が生成される。
【００１５】
また、一方では矩形波信号を使用し、他方では電圧を使用していることにより、正弦波信号および多重周波数処理を利用した、生体電気インピーダンスを測定するための従来技術による装置の場合のような複雑性および正確な位相ずれの測定が回避され、また同時に、上で言及した本出願人による特許の場合のように、極端に正確な瞬間における測定に依存することなく、また、完璧にバランスの取れたデューティサイクルを有する信号を利用することなく、より簡単な方法で、身体組織の容量による影響および細胞内および細胞外抵抗の測定を分離することができる。したがって電圧信号を使用することにより、同一の測定を進行させる場合に、単一かつ一定の信号から開始して、単純な方法で細胞内および細胞外抵抗を測定することができる。
【００１６】
本発明による装置は、前記信号の持続期間の少なくとも２つの所定の瞬間に電圧測定を実施することができる手段を備えていることが有利であり、それにより、この少なくとも２つの瞬間における個体の身体または身体の測定部分の等価抵抗Ｒｅｑが直接決定され、かつ、決定された等価抵抗から、細胞外抵抗Ｒｅおよび細胞内抵抗Ｒｉが推定される。
【００１７】
したがって、上記２つの瞬間におけるわずかに２つの測定により、等価抵抗Ｒｅｑから、必要な計算を実施することによって、個体の身体組成の計算、特に組織中における水分の分布を決定するために不可欠の、細胞内および細胞外抵抗値を推定することができる。
【００１８】
本発明による装置は、細胞外抵抗Ｒｅに等しい等価抵抗Ｒｅｑを決定するべく、前記矩形波信号のプラトーの末端で第１の電圧測定を実施し、かつ、Ｒｉと並列のＲｅに等しい等価抵抗Ｒｅｑを決定し、また、第１の測定を基に、個体の身体または身体の測定部分の細胞内抵抗Ｒｉを決定するべく、前記信号の立上りエッジの末端で第２の電圧測定を実施することができる手段を備えていることが好ましい。
【００１９】
前記信号のプラトーは、理論的には一定の信号と見なすことができ、実際に、周波数が極めて低く（１０ｋＨｚ未満）、また、前記信号の遷移縁すなわち立上りエッジおよび立下りエッジは、理論的には無限周波数の信号と見なすことができ、実際に１００ｋＨｚより高くなっている。したがって、前記信号のプラトーの末端で測定を実施することにより、個体の身体の測定部分の膜容量Ｃを開回路と見なすことができ、また、立上りエッジの末端で測定を実施することにより、膜容量Ｃを短絡と見なすことができ、それにより、膜容量Ｃの値を考慮することなく、前記抵抗値を決定することができる。
【００２０】
前記電圧発生器は、周期、振幅およびデューティサイクルの調整が可能な波形を提供する電圧信号を供給するように意図されていることが好ましい。
【００２１】
前記信号の周期およびデューティサイクルを調整することにより、膜容量Ｃを開回路と見なすことができるよう、膜容量Ｃを完全に充電するべく、信号の、その末端で測定を実施するプラトーの持続期間を適合させることができ、それにより、身体または身体の測定部分の細胞外抵抗を、最も良好に測定することができる。
【００２２】
前記電圧発生器は、振幅が３Ｖと６Ｖの間の低電圧信号である電圧信号を供給するように意図されていることが有効である。供給される電流は８００μＡ以下である。
【００２３】
このような電圧により、装置を利用している間、個体が保護され、かつ、正確な測定を実施するだけの十分な大きさの信号が保証される。
【００２４】
本発明による装置は、個体の体重を測定するように意図された第２の電子モジュールを有していることが好ましい。
【００２５】
したがって第２のモジュールは、測定した個体の体重を直接装置に供給することができ、それにより、個体の身体組成を計算するために、体重データを手で入力する必要はない。
【００２６】
第１の電子モジュールおよび第２の電子モジュールは、個体の身体組成を決定することができる計算ユニットに接続されていることが有効である。この計算ユニットは、マイクロプロセッサであることが有利である。
【００２７】
装置の２つの電子モジュールを使用して実施される測定中に得られるデータは、計算ユニット、特に、計算式をメモリに記憶し、かつ、個体の身体組成に関する情報を生成するマイクロプロセッサに送信される。
【００２８】
本発明は、測定値および計算値を表示するための表示手段を有していることが有利である。
【００２９】
したがって装置のユーザに、装置による測定値および／または計算値の情報を任意の瞬間に実時間で与えることができる。
【００３０】
本発明による装置は、前記電気信号を個体の身体上の第１のポイントと第２のポイントの間に印加するように意図された少なくとも２つの励起電極と、電圧を測定する端子を有する少なくとも２つの測定電極とを有していることが好ましい。
【００３１】
原理的には、個体の身体に適用される、測定回路に接続された２つの電極のみを利用して、生体電気インピーダンスを測定することができるが、信号を加えるための２つの電極と測定のための２つの電極の計４つの電極を使用することにより、電極と個体の身体の接触ポイントにおける皮膚障壁をも通過させることができ、それにより、電気回路の、個体の身体の測定部分を表す端子部分で直接測定を実施することができる。
【００３２】
本発明の特徴は、生体電気インピーダンスを測定するように意図された第１の電子モジュールと、可変電気信号の引渡しを意図した少なくとも１つの電気エネルギー源とを有し、前記エネルギー源が矩形波の電圧信号を供給するように意図された電圧発生器であるため、この電気エネルギー源が測定装置に接続された場合に、上記可変電気信号が個体の身体または身体の一部を通過する秤量スケールの中に有利に見出される。
【００３３】
また、本発明は、個体の身体または身体の一部の生体電気インピーダンスを測定するための、個体に接続された２つの励起電極間に矩形電圧信号が印加され、同じく個体に接続された２つの測定電極間の電圧が、前記矩形信号の持続期間の少なくとも２つの所定の瞬間に測定される方法であって、電気信号が横切る個体の身体または身体の測定部分の上記少なくとも２つの瞬間における等価抵抗Ｒｅｑを直接決定し、かつ、決定した等価抵抗Ｒｅｑから、その細胞外抵抗Ｒｅおよび細胞内抵抗Ｒｉを推定することができ、また、測定値および計算ユニットを利用して個体の身体組成を決定する方法にも等しく関連している。
【００３４】
本発明の方法によれば、細胞外抵抗Ｒｅに等しい等価抵抗Ｒｅｑを決定するべく、前記矩形波信号のプラトーの末端で第１の電圧測定を実施し、かつ、Ｒｉと並列のＲｅに等しい等価抵抗Ｒｅｑを決定し、また、第１の測定を基に、個体の身体または身体の測定部分の細胞内抵抗Ｒｉを決定するべく、前記信号の立上りエッジの末端で第２の電圧測定を実施することが好ましい。
【００３５】
本発明のその他の特徴および利点については、何ら制限されることのない実施例によって例証する、本発明の実施形態についての以下の説明および図面から、より明確になるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図３に示す、本発明による、４つの電極を備えたプレート１２の形態の、個体、人間または動物の身体組成を測定するための装置２が提供される。４つの電極のうちの２つは、励起すなわち個体の身体の２つのポイント間に信号を加えるための電極２０、２２であり、他の２つは測定電極２４、２６である。電極の各々は、個体が、測定を実施するべく、水平に置かれたプレート１２の上に立った場合に、その個体の足が接触するように配列されている。電極２０、２２、２４および２６は、ステンレス鋼または他の任意の導電材料でできており、プレート１２は、絶縁材料、例えばプラスチック材料でできている。装置２が測定した値および／または計算した値を表示するための表示装置１５を、プレート１２上に配置することもできる。
【００３７】
プレート１２は、秤量スケールの荷重印加プレートに結合されていることが有利であり、その場合、秤量スケールが読み取った情報は、装置の電子回路に直接送信される。
【００３８】
図２に示すように、本発明による装置２の電子回路は、個体の生体電気インピーダンスを測定するように意図された第１の電子モジュール６を有している。このモジュールは、電気エネルギー源、特に、装置の電極に接続された場合に、個体の身体または身体の一部を通過する電気信号１１を発信することができる電圧発生器１０、測定ユニット３０および信号処理ユニット９によって構成されている。測定ユニット３０は、測定電極２４と２６の間の個体の身体を通過した後の電気信号１１を回復している。
【００３９】
本発明による装置は、個体の体重を測定するように意図された第２の電子モジュール７を有している。第１の電子モジュール６および第２の電子モジュール７は、計算ユニット１４、特に、処理を実行するようになされたマイクロプロセッサまたはマイクロコントローラに接続されている。計算ユニット１４は、装置２が測定した値および／または計算した値を表示するための表示装置１５に接続されている。
【００４０】
図４は、本発明による、装置２の第１の電子モジュール６の信号処理ユニット９の回路図を示したものである。図に示す回路図によれば、励起電極２０に電気信号１１が印加されている。参照番号４は、フリッケモデルによる個体、特に人体の身体電気モデルまたは身体の測定部分の電気モデルを表しており、ＲｉおよびＲｅは、細胞内および細胞外抵抗であり、Ｃは、人体の膜容量または人体の測定部分の膜容量を表している。参照番号２４および２６は測定電極を表しており、Ｒ２およびＣ２は、電極に接続された身体部分、特に足の皮膚接触による抵抗および容量である。Ｒ０は接続抵抗を表している。
【００４１】
図４に示す回路図では、装置の各測定電極２４、２６の電圧ＶｂおよびＶｃ、および較正された、良好な精度を有する基準抵抗Ｒｒの端子部分の電圧ＶｄおよびＶｒが測定される。
【００４２】
したがって、電圧ＶｄおよびＶｒを測定することにより、電位差
Ｖｄ−Ｖｒ＝Ｒｒ・ｉ
が得られ、この電位差から、
ｉ＝（Ｖｄ−Ｖｒ）／Ｒｒ
で表される電流の強さが推定される。同様に、電圧ＶｂおよびＶｃを測定することにより、電位差
Ｖｂ−Ｖｃ＝Ｒｅｑ・ｉ
が得られる。この式に、その前に計算されたｉを代入すると、
Ｒｅｑ＝（Ｖｂ−Ｖｃ）／ｉ＝Ｒｒ・（Ｖｂ−Ｖｃ）／（Ｖｄ−Ｖｒ） （１）
が得られる。この関係式において、Ｒｅｑは、電圧Ｖｂ、Ｖｃ、ＶｄおよびＶｒの測定時点における個体の身体の下半身の等価抵抗を表している。
【００４３】
利用する信号は、持続期間、振幅およびデューティサイクルを調整することができる矩形波すなわち方形波電圧である。図５は、身体組成の測定に利用される、本発明の第１の実施形態による電気信号１１を示したものである。
【００４４】
生成される電気信号１１の特異性は、立上りエッジであるポイント３１で、無限周波数の信号を提供し、プラトーの末端であるポイント３２で、極めて低い周波数の信号を提供していることである。また、回路の膜容量Ｃは、高い周波数では短絡に類似した挙動を示し、低い周波数では開回路に類似した挙動を示すことが知られている。
【００４５】
したがって、４つの電圧Ｖｂ、Ｖｃ、ＶｄおよびＶｒの測定は、３１および３２の瞬間に実施され、それにより、
ポイント３１から、Ｃが短絡で、かつ、ＲｅおよびＲｉが並列である１／Ｒｅｑ＝１／Ｒｅ＋１／Ｒｉから、
Ｒｅｑ＝（Ｒｅ＋Ｒｉ）（Ｒｅ・ｉ） （２）
が推定され、また、
ポイント３２から、Ｃが開回路であるＲｅｑ＝Ｒｅが推定される。
【００４６】
したがって、ポイント３２における電圧Ｖｂ、Ｖｃ、ＶｄおよびＶｒの測定から、関係式（１）を使用して、Ｒｅの値
Ｒｅ＝Ｒｅｑ＝Ｒｒ・（Ｖｂ−Ｖｃ）／（Ｖｄ−Ｖｒ） （３）
が推定される。
【００４７】
ポイント３１における第２の電圧Ｖｂ、Ｖｃ、ＶｄおよびＶｒの測定から、関係式（２）を使用して、Ｒｉの値
Ｒｉ＝Ｒｅ・Ｒｅｑ／（Ｒｅ−Ｒｅｑ）
が推定される。Ｒｅｑは、ポイント３１で測定した電圧値を関係式（１）に代入することによって計算され、また、Ｒｅの値は、関係式（３）を使用してポイント３２で決定される。
【００４８】
要するに、同じ信号を使用してＲｅｑを決定し、かつ、細胞内抵抗Ｒｉおよび細胞外抵抗Ｒｅを決定することができる。ＲｉおよびＲｅの値は、脂肪体および除脂肪体を計算する上で必須である。計算は、計算ユニット１４によって、計算ユニット１４に記憶されている数学式に基づいて実施される。計算ユニット１４に記憶されている式には、体重、身長、年齢等の他のパラメータが組み込まれている。したがって、Ｒｅと並列のＲｉによって表される総合抵抗を正確に測定することにより、脂肪体および除脂肪体の量を決定することができ、また、ＲｉおよびＲｅを正確に測定することにより、水分の分布を観察し、また、例えば浮腫すなわち水分うっ滞問題の存在を決定することができ、あるいはまた、これらの測定により、筋肉組織に含まれている水分の量が常に急変する乳児の脂肪体および除脂肪体の量を決定することができる。
【００４９】
図６は、矩形波すなわち方形波の電圧信号１１を有する、本発明の第２の実施形態を示したもので、信号１１は、各半サイクルの中間で抑制されている。したがって抵抗ＲｉおよびＲｅは、既に説明したように、電圧測定をポイント３１、３２で実施することによって計算される。この実施形態により、膜壁を表す容量の漸進変化を回避することができる。
【００５０】
第１の電子モジュール、信号処理ユニット、測定ユニット３０は、計算ユニット１４および表示装置１５と共に、身体組成を測定するための独立した装置を構成することができ、あるいは他の装置、例えば秤量スケールあるいはマッサージ、フィットネス等の装置に統合することができる。
【００５１】
本発明の特許請求の骨子を逸脱することなく本発明の他の変形態様および実施形態を案出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来技術による、４つの電極を利用した生体電気インピーダンスの測定原理を示す線図である。
【図２】本発明による、身体組成を測定するための装置のブロック図である。
【図３】本発明による装置の平面図である。
【図４】本発明による装置を利用した、身体組成のパラメータを測定するための回路図である。
【図５】本発明の第１の実施形態によって生成される電気信号の波形を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態によって生成される電気信号の波形を示す図である。
Claims (13)
- 個体の身体組成を測定するための装置であって、生体電気インピーダンスを測定するように意図された第１の電子モジュール（６）と、前記測定装置（２）に接続された場合に、前記個体の身体または身体の一部を通過する可変電気信号を発生するように意図された少なくとも１つの電気エネルギー源とを有し、前記エネルギー源が、矩形波の電圧信号（１１）を供給するように意図された電圧発生器（１０）であることを特徴とする装置。
- 前記信号（１１）の持続期間の少なくとも２つの所定の瞬間に電圧測定を実施することができる手段を備え、それにより、この少なくとも２つの瞬間における前記個体の身体または身体の測定部分の等価抵抗Ｒｅｑが直接決定され、かつ、決定された等価抵抗から、その細胞外抵抗Ｒｅおよび細胞内抵抗Ｒｉが推定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
- 前記矩形波信号（１１）のプラトーの末端（３２）で第１の電圧測定を実施して、前記細胞外抵抗Ｒｅに等しい前記等価抵抗Ｒｅｑを決定し、かつ、前記信号（１１）の立上りエッジの末端（３１）で第２の電圧測定を実施して、Ｒｉと並列のＲｅに等しい前記等価抵抗Ｒｅｑを決定し、前記第１の測定を基に、前記個体の身体または身体の測定部分の前記細胞内抵抗Ｒｉを決定する手段を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
- 前記電圧発生器（１０）が、周期、振幅およびデューティサイクルを調整することができる波形を提供する電圧信号（１１）を供給するように意図されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
- 前記電圧発生器（１０）が、振幅が３Ｖと６Ｖの間の低電圧信号である電圧信号（１１）を供給するように意図されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
- 前記個体の体重を測定するように意図された第２の電子モジュール（７）を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
- 前記第１の電子モジュール（６）および前記第２の電子モジュール（７）が、前記個体の身体組成を決定することができる計算ユニット（１４）に接続されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
- 前記計算ユニット（１４）がマイクロプロセッサであることを特徴とする請求項７に記載の装置。
- 測定値および計算値を表示するための表示手段（１５）を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
- 前記電気信号（１１）を前記個体の身体上の第１のポイントと第２のポイントの間に印加するように意図された少なくとも２つの励起電極（２０、２２）、および電圧を測定する端子を有する少なくとも２つの測定電極（２４、２６）を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
- 生体電気インピーダンスを測定するように意図された第１の電子モジュール（６）と、測定装置（２）に接続された場合に、個体の身体または身体の一部を通過する可変電気信号を引き渡すように意図された少なくとも１つの電気エネルギー源とを有し、前記エネルギー源が、矩形波の電圧信号（１１）を供給するように意図された電圧発生器（１０）であることを特徴とする秤量スケール。
- 個体の身体または身体の一部の生体電気インピーダンスを測定するための方法であって、前記個体に接続された２つの励起電極（２０、２２）間に矩形電圧信号（１１）が印加され、同じく前記個体に接続された２つの測定電極（２４、２６）間の電圧が、前記矩形信号（１１）の持続期間の少なくとも２つの所定の瞬間に測定され、それにより、前記電気信号が横切る前記個体の身体または身体の測定部分の前記少なくとも２つの瞬間における等価抵抗Ｒｅｑが直接決定され、かつ、決定された等価抵抗Ｒｅｑから、その細胞外抵抗Ｒｅおよび細胞内抵抗Ｒｉが推定され、前記測定値および計算ユニット（１４）を利用して、前記個体の身体組成が決定されることを特徴とする方法。
- 前記矩形波信号（１１）のプラトーの末端（３２）で第１の電圧測定を実施して、前記細胞外抵抗Ｒｅに等しい前記等価抵抗Ｒｅｑを決定し、かつ、前記信号（１１）の立ち上りエッジの末端（３１）で第２の電圧測定を実施して、Ｒｉと並列のＲｅに等しい前記等価抵抗Ｒｅｑを決定し、前記第１の測定を基に、前記電気信号が横切る前記個体の身体または身体の測定部分の前記細胞内抵抗Ｒｉを決定することを特徴とする請求項１２に記載の測定方法。
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