JP2007521102A - 生体インピーダンス方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ジェイ・ナイボーア(J. Nyboer)著,「電気インピーダンスプレチスモグラフィ(Electrical impedance plethysmography)」,(米国イリノイ州スプリングフィールド),チャールズ・シー・トーマス(Charles C. Thomas),第2版,1970年, アール・ピー・パターソン(R. P. Patterson),「インピーダンス心拍記録法の基礎(Fundamentals of impedance cardiography)」,IEEE Engineering in Medicine and Biology magazine,1989年,第8巻,pp.16−18 エイチ・シュバン(H. Schwan),ケイ・リー(K. Li),「大腸菌における低導電率表面膜の誘電的研究(A dielectric study of low-conductance surface membrane)」,Nature,1956年,第177巻,pp.134−135 ピー・エイチ・シャーマン(P. H. Sherman)編,「エマルジョンの科学(Emulsion Science)」,(英国ロンドン),アカデミック(Academic),1968年,pp.354−477の、ティー・ハナイ(T. Hanai),「エマルジョンの電気特性(Electrical properties of emulsions)」 ケイ・エス・コール(K. S. Cole)及びアール・エイチ・コール(R. H. Cole),「誘電体における分散及び吸収I.交流特性(Dispersion and absorption in dielectrics. I. Alternating current characteristics)」,J. chem. Phys.,1941年,第9巻,pp.341−351 エイ・ディー・ロレンツォ(A. D. Lorenzo),エイ・アンドレオリ(A. Andreoli),ジェイ・アール・マッシー(J. R. Matthie)及びピー・オー・ウイザース(P. O. Withers),「理論的方法を用いることによる生体インピーダンスによる身体細胞量予測:技術的総論(Predicting body cell mass with bioimpedance by using theoretical methods: a technological review)」,J. Appl. Physiol.,1997年,第82巻,pp.1542−1558 ザイトロン・テクノロジーズ社(Xitron Technologies, Inc.),「4000B生体インピーダンススペクトルアナライザシステム操作マニュアル(4000B Bio-Impedance Spectrum Analyzer System Operating Manual)」,(米国カリフォルニア州サンディエゴ),予告版,1995年,付録A,pp.50−61 アール・エヌ・ボウムガートナー(R. N. Baumgartner),アール・ロス(R. Ross)及びエス・ビー・ヘイムスフィールド(S. B. Heymsfield),「脂肪組織は肥満した男性及び女性の生体電気インピーダンスに影響するか?(Does adipose tissue influence bioelectric impedance in obese men and women ?)」,J. Appl. Physol.,1998年,第84巻,pp.257−262 ケイ・アール・フォスター(K. R. Foster)及びエイチ・シー・ルカスキー(H. C. Lukaski),「全身インピーダンス−何を測定するのか?(Whole-body impedance-what does it measure ?)」,Am. J. Clin. Nutr.,1996年,第64巻(補遺),pp.388S−396S
(a) 電流に分区を通過させるように外皮表面上の少なくとも2つの点に複数の周波数で交流電流を印加する工程、
(b) それぞれの周波数について、外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 分区の筋肉含量、脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために複数の周波数において記録された電圧差を用いる工程、
を含み、
記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報(すなわち絶対値及び位相値あるいは、等価的に、抵抗値及びリアクタンス値)のいずれをも含み、
数値は、1つは主に分区の筋肉成分を表す直列の静電容量CM及び抵抗RIを含み、1つは主に分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、1つは抵抗を含む、3つの平行経路を少なくとも有する、分区に対するインピーダンスモデルを用いて決定される。
(a) 電流に分区を通過させるように外皮表面上の少なくとも2つの点に複数の周波数で交流電流を印加する工程、
(b) それぞれの周波数について、外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 分区の脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために複数の周波数において記録された電圧差を用いる工程、
を含み、
記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報(すなわち絶対値及び位相値あるいは、等価的に、抵抗値及びリアクタンス値)のいずれをも含み、
数値は、一方は主に分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、他方は主に分区の細胞外液成分を表す抵抗を含む、2つの平行経路を少なくとも有する分区に対するインピーダンスモデルを用いて決定され、
(i) 2つの平行経路だけが皮膚の内側の分区の組成を表すインピーダンスモデルの平行経路であり、
(ii) 工程(a)で印加される周波数のそれぞれは10kHz以下である。
(i) 複数の較正被験者のそれぞれについてモデルパラメータ値を得るために複数の被験者について工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 複数の較正被験者のそれぞれについて分区に対する生理学的値を得るために複数の被験者について分区に関する測定(例えば磁気共鳴画像化を用いる脂肪含量の測定)を実施する工程、及び
(iii) 相関方程式を得るために工程(i)及び(ii)で得られた値に回帰分析を実施する工程、
によって得ることができる。
(a) 身体区分の一部の周りに、一群の電極であって、第1電極及び最終電極を有し、第1電極と最終電極の間隔を除く、群の全ての電極間の周縁距離が既知の、一群の電極を付ける工程、
(b) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、第1電極及び最終電極以外の一群の電極の内の少なくとも2つの電極の間の抵抗値を決定する工程、
(c) 工程(b)において決定された抵抗値及び2つの電極間の既知の周縁距離から皮膚について単位長当りの比抵抗値を決定する工程、
(d) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、一群の電極の内の第1電極と最終電極の間の抵抗値を決定する工程、及び
(e) 工程(d)において測定された抵抗値及び工程(c)において決定された単位長当りの比抵抗値から一群の電極の内の第1電極と最終電極の間隔を計算する工程、
を含む方法を提供する。
であろうが、被験者の胴の全てまたは一部、例えば被験者の腹部の一部または全てとすることもできる。同様に、分区は特定の筋肉または筋肉の一部のように小さくすることができ、基本的に被験者の全身のように大きくすることができる。
生体インピーダンス分析への脂肪量の効果
本具体例は、脂肪量が、生体インピーダンス分析を用いる、透析患者の臨床診療における体液の正確な測定を含む身体組成の正確な測定に影響する主要な要因であることを示す。
複数周波数分析
既存のBIS手法を改善するためには、正しい電気モデルは広い範囲の電流周波数にわたって身体組織の様々な比率による電気特性を説明できるべきである。本研究の目的は腓の皮膚で測定される5kHzから1MHzでの等価回路モデルの周波数応答を評価することであった。等価回路モデルは図2Bに示される。
単一低周波数生体インピーダンス測定
図13は、5kHzで測定した抵抗値とMRIで決定した筋肉量の間に相関がないことを示す、具体例1及び2のデータに基づくグラフである。このデータは低周波数では生体インピーダンス測定データが分区の筋肉量に関係しないという結論を支持する。むしろ、図3の回路モデルで述べたように、そのような周波数においては、生体インピーダンス法で得られる測定値を主として決定する分区の成分は脂肪成分及び細胞外液成分である。
比較例
複数周波数−3平行経路モデル対50kHz
図14及び15は、図2の複数周波数−3平行経路モデルを用いて得られた生体インピーダンス測定値とMRI測定値の間の相関を、単一周波数、すなわち普通に用いられる50kHzの周波数におけるインピーダンスを用いて得られた相関と比較する。これらの図の作成に用いたデータは具体例1及び2に関して上で論じたデータである。
比較例
複数周波数−3平行経路モデル対コール−コールモデル
図16及び17は、図2の複数周波数−3平行経路モデルを用いて得られたBIS測定値とMRI測定値の間の相関を、コール−コールモデルを用いて得られた相関と比較する。これらの図の作成に用いたデータは具体例1及び2に関して上で論じたデータである。
Claims (33)
- 被験者の身体分区についての生体インピーダンスデータを分析する方法において、前記身体分区が外皮表面を有し、前記方法が、
(a) 電流に前記分区を通過させるように、前記外皮表面上の少なくとも2つの点に交流電流を複数の周波数において印加する工程、
(b) 前記複数の周波数のそれぞれについて、前記外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 前記分区の筋肉含量、脂肪含量及び細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために前記複数の周波数における前記記録された電圧差を用いる工程、
を有してなり、
前記記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報のいずれをも含み、
前記数値は、1つは主に前記分区の筋肉成分を表す直列の静電容量CM及び抵抗RIを含み、1つは主に前記分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、1つは抵抗を含む、3つの平行経路を少なくとも有する前記分区についてのインピーダンスモデルを用いて決定される、
ことを特徴とする方法。 - 前記少なくとも1つの数値が前記分区の筋肉含量を示し、RI値を前記分区の筋肉含量値に変換する相関方程式から得られることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記相関方程式が、
(i) 複数の較正被験者に関して前記複数の被験者のそれぞれについてのRI値を得るために前記工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 前記複数の被験者のそれぞれに対して前記分区の筋肉含量についての値を得るために、前記複数の較正被験者に対して前記分区の磁気共鳴画像化を実施する工程、及び
(iii) 前記相関方程式を得るために前記工程(i)及び(ii)で得られた値に関して回帰分析を実施する工程、
によって得られることを特徴とする請求項2に記載の方法。 - 前記回帰分析により前記相関方程式に対して少なくとも0.5のR2値が得られることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記複数の較正被験者が、少なくとも1人の体容積指数が20より低い較正被験者及び少なくとも1人の体容積指数が35より高い較正被験者を含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの数値が前記分区の脂肪含量を示し、RF値を前記分区についての脂肪含量値に変換する相関方程式から得られることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記相関方程式が、
(i) 複数の較正被験者に関して前記複数の被験者のそれぞれについてのRF値を得るために前記工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 前記複数の被験者のそれぞれに対して前記分区の脂肪含量についての値を得るために、前記複数の較正被験者に対して前記分区の磁気共鳴画像化を実施する工程、及び
(iii) 前記相関方程式を得るために前記工程(i)及び(ii)で得られた値に関して回帰分析を実施する工程、
によって得られることを特徴とする請求項6に記載の方法。 - 前記回帰分析により前記相関方程式に対して少なくとも0.5のR2値が得られることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 前記複数の較正被験者が、少なくとも1人の体容積指数が20より低い較正被験者及び少なくとも1人の体容積指数が35より高い較正被験者を含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
- 抵抗を含む前記平行経路が主に前記分区の細胞外液成分を表すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 抵抗を含む前記平行経路が主に前記分区の細胞外液成分と骨成分の並列結合を表すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記インピーダンスモデルが前記3本の平行経路に直列の静電容量をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記複数の周波数が5kHz以上の周波数及び1000kHz以下の周波数を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記工程(a)の前記印加される交流電流及び前記工程(b)の前記記録された電圧差が前記複数の周波数におけるインピーダンス値を計算するために用いられ、前記工程(c)が前記インピーダンス値への曲線のあてはめを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記工程(a)において、前記外皮表面上の前記少なくとも2つの点が、
(i) 前記被験者の脚上の2つの点、
(ii) 前記被験者の腓上の2つの点、
(iii) 前記被験者の腕上の2つの点
(iv) 前記被験者の二頭筋上の2つの点、
(v) 前記被験者の腹部上の2つの点、
(vi) 前記被験者の左手上の1つの点及び前記被験者の右手上の1つの点、
(vii) 前記被験者の左足上の1つの点及び前記被験者の右足上の1つの点、または
(viii)前記被験者の一方の手または前記被験者の一方の腕の上の1つの点及び前記被験者の一方の脚または前記被験者の一方の足の上の1つの点、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記分区の筋肉含量、脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す前記少なくとも1つの数値をユーザに表示する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記方法が同じ被験者について一度に2つまたはそれより多くの点において実施されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記方法が、
(i) 透析処置、
(ii) エクササイズプログラム、
(iii) リハビリテーションプログラム、及び/または
(iv) 体重コントロールプログラム、
に関連して実施されることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 生体インピーダンスデータを分析するための装置において、請求項1に記載の方法を実施するためのプログラムされたコンピュータを備えることを特徴とする装置。
- 被験者の身体分区についてのインピーダンスデータを分析する方法において、前記身体分区が外皮表面を有し、前記方法が、
(a) 電流に前記分区を通過させるように、前記外皮表面上の少なくとも2つの点に交流電流を複数の周波数において印加する工程、
(b) 前記複数の周波数のそれぞれについて、前記外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 前記分区の脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために前記複数の周波数における前記記録された電圧差を用いる工程、
を有してなり、
前記記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報のいずれをも含み、
前記数値は、一方は主に前記分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、他方は主に前記分区の細胞外液成分を表す抵抗を含む、2つの平行経路を少なくとも有する前記分区についてのインピーダンスモデルを用いて決定され、
(i) 前記2つの平行経路だけが前記皮膚内部の前記分区の組成を表すインピーダンスモデルの平行経路であり、
(ii) 前記工程(a)において印加される前記複数の周波数のそれぞれは10kHz以下である、
ことを特徴とする方法。 - 前記少なくとも1つの数値が前記分区の脂肪含量を示し、RF値を前記分区についての脂肪含量値に変換する相関方程式から得られることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記相関方程式が、
(i) 複数の較正被験者に関して前記複数の被験者のそれぞれについてのRF値を得るために前記工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 前記複数の被験者のそれぞれに対して前記分区の脂肪含量についての値を得るために、前記複数の較正被験者に対して前記分区の磁気共鳴画像化を実施する工程、及び
(iii) 前記相関方程式を得るために前記工程(i)及び(ii)で得られた値に関して回帰分析を実施する工程、
によって得られることを特徴とする請求項22に記載の方法。 - 前記工程(a)において、前記外皮表面上の前記少なくとも2つの点が、
(i) 前記被験者の脚上の2つの点、
(ii) 前記被験者の腓上の2つの点、
(iii) 前記被験者の腕上の2つの点
(iv) 前記被験者の二頭筋上の2つの点、
(v) 前記被験者の腹部上の2つの点、
(vi) 前記被験者の左手上の1つの点及び前記被験者の右手上の1つの点、
(vii) 前記被験者の左足上の1つの点及び前記被験者の右足上の1つの点、または
(viii)前記被験者の一方の手または前記被験者の一方の腕の上の1つの点及び前記被験者の一方の脚または前記被験者の一方の足の上の1つの点、
を含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。 - 前記分区の脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値をユーザに表示する工程をさらに含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記方法が同じ被験者について一度に2つまたはそれより多くの点において実施されることを特徴とする請求項21に記載の方法。
- 前記方法が、
(i) 透析処置、
(ii) エクササイズプログラム、
(iii) リハビリテーションプログラム、及び/または
(iv) 体重コントロールプログラム、
に関連して実施されることを特徴とする請求項26に記載の方法。 - 生体インピーダンスデータを分析するための装置において、請求項21に記載の方法を実施するためのプログラムされたコンピュータを備えることを特徴とする装置。
- 皮膚で覆われた身体分区の一部の周長を決定する方法において、
(a) 前記部分の周りに、一群の電極であって、第1電極及び最終電極を有し、前記第1電極と前記最終電極の間隔を除く、前記群の全ての電極間の周縁距離が既知の、一群の電極を付ける工程、
(b) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、前記第1電極及び前記最終電極以外の前記一群の電極の内の少なくとも2つの電極の間の抵抗値を決定する工程、
(c) 前記工程(b)において決定された抵抗値及び前記2つの電極間の前記既知の周縁距離から前記皮膚について単位長当りの比抵抗値を決定する工程、
(d) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、前記一群の電極の内の前記第1電極と前記最終電極の間の抵抗値を決定する工程、及び
(e) 前記工程(d)において測定された抵抗値及び前記工程(c)において決定された前記単位長当りの比抵抗値から前記一群の電極の内の前記第1電極と前記最終電極の間隔を計算する工程、
を有してなることを特徴とする方法。 - 前記第1電極及び前記最終電極を除く、全ての隣接対の電極間の前記抵抗値が、前記工程(b)において決定され、前記比抵抗値を決定するための前記工程(c)において用いられることを特徴とする請求項29に記載の方法。
- 前記第1電極及び前記最終電極を除き、隣接対の電極の間隔が等しいことを特徴とする請求項29に記載の方法。
- 前記一群の電極がベルト上に載せられていることを特徴とする請求項29に記載の方法。
- 皮膚によって覆われた身体分区の一部の周長を決定する方法において、請求項29に記載の方法を実施するためのプログラムされたコンピュータを備えることを特徴とする装置。
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