JP2013128716A - 生体電気インピーダンス測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧が低い場合でも生体電気インピーダンスを高精度に測定することができる生体電気インピーダンス測定装置を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様である生体電気インピーダンス測定装置は、検出電流発生回路２１及び両波整流器１を有する。検出電流発生回路２１は、一定振幅の交流電流である検出電流を負荷１０に供給する。両波整流器１は、負荷１０両端の電圧ＶＯＰ及びＶＯＮを用いて両波整波を行う。両波整流器１は、コンパレータ１１、増幅器１３及びスイッチ部１４を有する。コンパレータ１１は、正入力端子に電圧ＶＲＰが入力し、負入力端子に電圧ＶＲＮが入力する。増幅器１３は、２つの入力端子に入力する信号を差動増幅する。スイッチ部１４は、コンパレータ１１の出力信号Ｖ１１のレベルの変化に応じて、増幅器１３の２つの入力端子のそれぞれに供給する電圧ＶＯＰ及びＶＯＮを入れ換える。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体電気インピーダンス測定装置に関する。

一般に、生体のインピーダンスを測定することで身体の組成を推定できることが知られている（非特許文献１）。この原理を利用し、身体に含まれている体脂肪量を測定する技術が確立されている。この体脂肪量測定技術では、身体の手足といった末端間のインピーダンスを四端子電極法で測定する。そして、被測定者の体重、身長、性別及び年齢などの個人身体情報と測定したインピーダンス値とから、体脂肪量を算出する。こうした体脂肪量測定技術を応用し、被測定者の体脂肪量と体重とを同時に測定する装置が広く普及している（特許文献１〜３）。

また、呼吸計測装置用のインピーダンスの変化に伴う電圧降下を測定する技術が提案されている（特許文献４）。この技術では、人体に測定用の一定電流を流し、呼吸に伴うインピーダンスの変化によって生じる電圧降下の変化によって、呼吸を検知する。

以下、特許文献４にかかる呼吸計測装置４００について説明する、呼吸計測装置４００は、生体のインピーダンスを測定することから、生体電気インピーダンス測定装置の一例と捉えることができる。図９は、特許文献４にかかる呼吸計測装置４００の構成を示すブロック図である。

呼吸計測装置４００は、生体４２に１ｋＨｚ乃至１００ｋＨｚの定電流（キャリア）を注入するための定電流出力発振回路４１及び呼吸によって変調されたキャリアの振幅変化を抽出し、呼吸波形を得るための復調回路からなっている。

復調回路には、呼吸により振幅変調された信号の包絡線を検出するために設けられた差動増幅器４３と、半波整流回路４４と、積分器４５とからなる包絡線検出部と、包絡線検出部により検出された包絡線信号を増幅する増幅器４６と、増幅器４６により増幅された包絡線信号から直流分を除去し呼吸変化のみに対応する信号を抽出する直流除去回路４７と、直流除去回路により呼吸変化のみに対応する信号を増幅する増幅器４８と、が設けられている。

図１０は、特許文献４にかかる呼吸計測装置４００の半波整流回路４４の構成例を示すブロック図である。差動増幅器４３は、呼吸によって変調されたキャリア信号を増幅する。半波整流回路４４は、整流用ダイオード４４１及び直流バイアス発生器４４２を有する。図１０では、キャリア信号の供給源を、信号源４９で表している。整流用ダイオード４４１は、差動増幅器４３により増幅されたキャリア信号を半波整流する。直流バイアス発生器４４２は、整流用ダイオード４４１で整流された信号に、整流用ダイオード４４１の順方向電圧低下分に相当する直流バイアスを与える。これにより、完全半波整流が行われる。

他にも、整流回路の例として、半導体装置において集積回路化が容易な半波整流回路（特許文献５及び６）、オフセット電圧の影響がなく、インピーダンス特性のよい全波整流が可能な全波整流回路（特許文献７）が提案されている。

特公平５−４９０５０号公報 特開平７−５１２４２号公報 米国特許第４００８７２１号明細書 特開平１１−２５３４１４号公報 特開平４−２１３６１号公報 特開平１−３００６０６号公報 特開平７−１４３７５３号公報

Henry C Lukaski et al., "Assessment of fat-free mass using bioelectrical impedance measurement of the human body", The American Journal of Clinical Nutrition, 41, April 1985, pp810-817.

ところが、発明者は、呼吸計測装置４００には以下の問題点が有ることを見出した。呼吸計測装置４００は、電源電圧が低い場合には、生体のインピーダンスの測定精度が劣化するという問題点を有する。以下、その理由を説明する。

上述したように、半波整流回路４４は整流用ダイオード４４１を有している。よって、正常な整流を実現するためには、半波整流回路４４の前段の差動増幅器４３の電源電圧は、（ダイオードの順方向電圧＋信号成分）よりも十分高い電圧である必要がある。電源電圧が下がってくると、差動増幅器４３の出力信号に歪みが生じる。従って、ダイオード順方向電圧分だけ降下した整流用ダイオード４４１の出力信号も、差動増幅器４３の出力信号と同様に歪んでしまい、誤差が生じるためである。

本発明の一態様である生体電気インピーダンス測定装置は、一定振幅の交流電流である検出電流を負荷に供給する検出電流発生回路と、前記負荷の一端からの第１の信号及び前記負荷の他端からの第２の信号を用いて両波整波を行う両波整流器と、を備え、前記両波整流器は、一方の入力端子に前記第１の信号と同期した前記第１の信号よりも振幅が大きい第３の信号が入力し、他方の入力端子に前記第２の信号と同期した前記第２の信号よりも振幅が大きい第４の信号が入力する第１のコンパレータと、２つの入力端子に入力する信号を差動増幅する第１の増幅器と、前記第１のコンパレータの出力信号のレベルの変化に応じて、前記増幅器の前記２つの入力端子のそれぞれに供給する前記第１及び第２の信号を入れ換えるスイッチ部と、を備えるものである。本発明の一態様である生体電気インピーダンス測定装置は、ダイオードを用いることなく、両波整流が可能である。よって、ダイオードの順方向電圧降下が発生しないので、電源電圧が低くとも、出力波形の歪みが生じない。これにより、電源電圧が低くとも、高精度の生体電気インピーダンス測定が実施できる。

本発明によれば、電源電圧が低い場合でも生体電気インピーダンスを高精度に測定することができる生体電気インピーダンス測定装置を提供することができる。

実施の形態１にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００の構成を模式的に示す回路図である。 実施の形態１にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００の動作を示すタイミングチャートである。 抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２が存在しない場合の生体電気インピーダンス測定装置の動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態２にかかる生体電気インピーダンス測定装置２００の構成を模式的に示す回路図である。 信号源２２２が出力する交流電圧Ｖｓの波形図である。 実施の形態２にかかる生体電気インピーダンス測定装置２００の動作を示すタイミングチャートである。 実施の形態３にかかる生体電気インピーダンス測定装置３００の構成を模式的に示す回路図である。 実施の形態３にかかる生体電気インピーダンス測定装置３００の電圧判定回路３が出力する判定結果信号ＶｊとＬＰＦ２からの出力信号Ｖｏｕｔの関係を示す図である。 特許文献４にかかる呼吸計測装置４００の構成を示すブロック図である。 特許文献４にかかる呼吸計測装置４００の半波整流回路４４の構成例を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

実施の形態１
まず、本発明の実施の形態１にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００について説明する。図１は、実施の形態１にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００の構成を模式的に示す回路図である。図１に示すように、生体電気インピーダンス測定装置１００は、両波整流器１、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦと表記する）２、検出電流発生回路２１、抵抗Ｒ１及びＲ２、端子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１及びＴ２２、出力端子Ｔｏｕｔを有する。

両波整流器１は、コンパレータ１１、インバータ１２、増幅器１３及びスイッチ部１４を有する。スイッチ部１４は、第１〜第４のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を有する。増幅器１３は、例えば全差動型オペアンプを用いることができる。コンパレータ１１は、正入力端子が検出電流発生回路２１の端子Ｔｉ１と接続され、負入力端子が検出電流発生回路２１の端子Ｔｉ２と接続される。コンパレータ１１の出力端子は、第１のスイッチＳＷ１及び第３のスイッチＳＷ３の制御端子に接続される。また、コンパレータ１１の出力端子は、インバータ１２を介して、第２のスイッチＳＷ２及び第４のスイッチＳＷ４の制御端子に接続される。

第１のスイッチＳＷ１は、端子Ｔ２１と増幅器１３の正入力端子との間に挿入される。第２のスイッチＳＷ２は、端子Ｔ２２と増幅器１３の正入力端子との間に挿入される。第３のスイッチＳＷ３は、端子Ｔ２１と増幅器１３の負入力端子との間に挿入される。第４のスイッチＳＷ４は、端子Ｔ２２と増幅器１３の負入力端子との間に挿入される。増幅器１３の出力端子は、ＬＰＦ２を介して、出力端子Ｔｏｕｔと接続される。

検出電流発生回路２１は、端子Ｔｉ１と端子Ｔｉ２の間に接続される負荷等に電流を供給する回路である。端子Ｔｉ１は、抵抗Ｒ１を介して、端子Ｔ１１と接続される。端子Ｔｉ２は、抵抗Ｒ２を介して、端子Ｔ１２と接続される。なお、抵抗Ｒ１及びＲ２は、半導体集積回路に搭載されるＥＳＤ対策用の保護抵抗と共通化することも可能である。また、上述のように、端子Ｔｉ１及びＴｉ２は、それぞれコンパレータ１１の正入力端子及び負入力端子と接続される。

生体電気インピーダンス測定装置１００の端子Ｔ１１及びＴ２１と、端子Ｔ１２及びＴ２２と、の間には、測定対象物である負荷１０が挿入される。負荷１０は、例えば、生体電気インピーダンスの測定対象である生体であり、より具体的には人体である。

続いて、生体電気インピーダンス測定装置１００の動作について説明する。検出電流発生回路２１は、負荷１０に交流電流である検出電流Ｉを供給する。負荷１０の抵抗値をＲ_Ｌ、負荷１０の両端の電圧をＶＯＮ及びＶＯＰとすると、負荷１０での電圧降下Ｖ１０は、以下の式（１）で表される。

Ｖ１０＝Ｉ×Ｒ_Ｌ＝ＶＯＮ−ＶＯＰ ・・・（１）

また、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２のインピーダンスを、共にＲｅｓｄとする。また、抵抗Ｒ１の検出電流発生回路２１側端の電圧をＶＲＰ、抵抗Ｒ２の検出電流発生回路２１側端の電圧をＶＲＮとする。この場合、コンパレータ１１の正入力端子と負入力端子との間の入力差電圧（以下、コンパレータ入力差電圧と称する）ＶＤは、以下の式（２）で表される。

ＶＤ＝Ｉ×（Ｒ_Ｌ＋２×Ｒｅｓｄ）＝ＶＲＰ−ＶＲＮ ・・・（２)

コンパレータ１１は、正入力端子の電圧が負入力端子の電圧よりも高いときにＨｉｇｈを出力し、正入力端子の電圧が負入力端子の電圧よりも低いときにＬｏｗを出力する。

第１〜第４のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、制御端子に入力する信号がＨｉｇｈの場合に導通する。よって、第１のスイッチＳＷ１及び第３のスイッチＳＷ３は、コンパレータ１１の出力信号Ｖ１１がＨｉｇｈの場合に導通する。インバータ１２によりコンパレータ１１の出力信号Ｖ１１は反転するので、第２のスイッチＳＷ２及び第４のスイッチＳＷ４は、コンパレータ１１の出力信号Ｖ１１がＬｏｗの場合に導通する。すなわち、第１のスイッチＳＷ１及び第３のスイッチＳＷ３は、第２のスイッチＳＷ２及び第４のスイッチＳＷ４に対して相補的にオン／オフする。これにより、増幅器１３の正入力端子及び負入力端子には、コンパレータ１１の出力信号Ｖ１１のレベルの変化に応じて、電圧ＶＯＰと電圧ＶＯＮが交互に入力する。

増幅器１３は、正入力端子に入力する信号から負入力端子に入力する信号を減算した信号を、ＬＰＦ２に出力する。増幅器１３の出力信号Ｖ１３は、負荷１０の両端の電圧ＶＯＰ及びＶＯＮを減算した電圧Ｖ１０を両波整流した信号となる。

図２は、実施の形態１にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００の動作を示すタイミングチャートである。コンパレータ入力差電圧ＶＤは、負荷１０、抵抗Ｒ１及びＲ２に、検出電流発生回路２１から出力される一定電流が流れることで生じる電圧降下量を示す電圧である。端子Ｔ２１を介して両波整流器１に入力する電圧ＶＯＰと端子Ｔ２２を介して両波整流器１に入力する電圧ＶＯＮとは、負荷１０の両端の電圧である。電圧ＶＯＰは、両波整流器１の第１のスイッチＳＷ１及び第３のスイッチＳＷ３に入力する。電圧ＶＯＮは、両波整流器１の第２のスイッチＳＷ２及び第４のスイッチＳＷ４に入力する。図２では、電圧ＶＯＰを実線で、電圧ＶＯＮを破線で表示している。

両波整流器１に入力する信号が正位相である場合には、電圧ＶＡＰは振幅が大きい電圧ＶＯＰとなり、電圧ＶＡＮは振幅が小さい電圧ＶＯＮとなる（図２の期間ａ）。両波整流器１に入力する信号が負位相である場合には、電圧ＶＡＰは振幅が小さい電圧ＶＯＮとなり、電圧ＶＡＮは振幅が大きい電圧ＶＯＰとなる（図２の期間ｂ）。

増幅器１３は、正入力端子の電圧ＶＡＰから負入力端子の電圧ＶＡＮを減算するので、出力信号Ｖ１３は両波整流波形を有する。出力信号Ｖ１３の電圧振幅は、負荷１０のインピーダンスの大きさに追従する。

ＬＰＦ２は、増幅器１３の出力信号Ｖ１３を平滑化した出力信号Ｖｏｕｔを、出力端子Ｔｏｕｔに出力する。図２では、増幅器１３の出力信号Ｖ１３を実線で、出力信号Ｖｏｕｔを破線で表示している。出力信号Ｖｏｕｔは、負荷１０のインピーダンスの大きさに追従した電圧となる。

以上より、本実施の形態にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００は、ダイオードを用いない構成であるため、ダイオードの順方向電圧を確保する必要がない。その結果、整流器の入力電圧の振幅及び絶対値が制限されることがないので、ダイオードに起因する測定精度の低下を回避できる。従って、本実施の形態にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００によれば、生体電気インピーダンスを高精度に測定することができる。

また、本実施の形態にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００によれば、コンパレータ入力差電圧ＶＤは、負荷１０、抵抗Ｒ１及びＲ２による合成インピーダンスの電圧降下量を示す電圧である。よって、抵抗Ｒ１及びＲ２で電圧降下が生じることにより、コンパレータ入力差電圧ＶＤを大きく、すなわち、電圧ＶＯＰ及びＶＯＮに同期する電圧ＶＲＰ及びＶＲＮの振幅を、電圧ＶＯＰ及びＶＯＮよりも大きくすることができる。これにより、コンパレータ１１が高精度に動作することが可能となる。その結果、両波整流器１が高精度に動作することができる。従って、本実施の形態にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００によれば、生体電気インピーダンスをより高精度に測定することができる。

以下、コンパレータ入力差電圧ＶＤを大きくすることによる効果について説明する。ここでは、比較例として、図１の抵抗Ｒ１及びＲ２が存在せず、コンパレータ入力差電圧ＶＤが生体電気インピーダンス測定装置１００と比べて小さな場合について説明する。図３は、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２が存在しない場合の生体電気インピーダンス測定装置の動作を示すタイミングチャートである。

図３では、コンパレータ入力差電圧ＶＤが小さいため、コンパレータ１１の動作が遅延してしまう。図３では、図２の期間ａに相当する期間は、コンパレータ１１の遅延により、期間ｃと期間ｄとに分けられる。図２の期間ｂに相当する期間は、コンパレータ１１の遅延により、期間ｅと期間ｆとに分けられる。なお、期間ｃ及びｅは、コンパレータ１１の遅延時間に相当する。

期間ｃでは、コンパレータ入力差電圧ＶＤの振幅が小さいため、コンパレータ１１の出力信号Ｖ１１が遅延する。そのため、期間ｃでは、コンパレータ１１はＬｏｗを出力する。その結果、増幅器１３の正入力端子は、電圧ＶＯＰ及び電圧ＶＯＮのうち、振幅が小さい方の電圧ＶＯＮが入力する。増幅器１３の負入力端子は、電圧ＶＯＰ及び電圧ＶＯＮのうち、振幅が大きい方の電圧ＶＯＰが入力する。

一方、期間ｄでは、図３の期間ａと同様の動作を行う。すなわち、増幅器１３の正入力端子には、電圧ＶＯＰ及び電圧ＶＯＮのうち、振幅が大きい方の電圧ＶＯＰが入力する。増幅器１３の負入力端子には、電圧ＶＯＰ及び電圧ＶＯＮのうち、振幅が小さい方の電圧ＶＯＮが入力する。

期間ｅでは、コンパレータ入力差電圧ＶＤの振幅が小さいため、コンパレータ１１の出力信号Ｖ１１が遅延する。そのため、期間ｅでは、コンパレータ１１はＨｉｇｈを出力する。その結果、増幅器１３の正入力端子には、電圧ＶＯＰ及び電圧ＶＯＮのうち、振幅が大きい方の電圧ＶＯＰが入力する。増幅器１３の負入力端子には、電圧ＶＯＰ及び電圧ＶＯＮのうち、振幅が小さい方の電圧ＶＯＮが入力する。

一方、期間ｆでは、図３の期間ｂと同様の動作を行う。すなわち、増幅器１３の正入力端子には、電圧ＶＯＰ及び電圧ＶＯＮのうち、振幅が小さい方の電圧ＶＯＮが入力する。増幅器１３の負入力端子には、電圧ＶＯＰ及び電圧ＶＯＮのうち、振幅が大きい方の電圧ＶＯＰが入力する。

両波整流器１は、増幅器１３の正入力端子の電圧ＶＡＰから負入力端子の電圧ＶＡＮを減算する。そのため、コンパレータの遅延期間（期間ｃ及びｅ）では、遅延がない場合と比べて、増幅器１３からの出力信号Ｖ１３の極性が反転する。その結果、出力信号Ｖ１３は、のこぎり波形を有することとなる。

ＬＰＦ２は、増幅器１３の出力信号Ｖ１３を平滑化した出力信号Ｖｏｕｔを、出力端子Ｔｏｕｔに出力する。図３では、増幅器１３の出力信号Ｖ１３を実線で、出力信号Ｖｏｕｔを破線で表示している。出力信号Ｖｏｕｔは、のこぎり波形を有する出力信号Ｖ１３を平滑化した電圧である。よって、図３に破線で示すように、図２と比べて、出力信号Ｖｏｕｔの絶対値が低下してしまい、生体電気インピーダンス測定装置の測定精度が低下してしまう。

つまり、生体電気インピーダンス測定装置１００では、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を有するので、コンパレータ入力差電圧ＶＤを十分に大きくすることができる。これにより、コンパレータ１１の遅延を防止し、生体電気インピーダンスを高精度に測定することが可能となる。

また、本実施の形態にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００によれば、半波整流ではなく、両波整流を行うため、高い整流効率を実現することができる。そのため、半波整流の場合よりも負荷１０のインピーダンスに対応する出力信号Ｖｏｕｔを高い電圧にすることができる。その結果、負荷１０のインピーダンスが小さい場合でも、出力信号Ｖｏｕｔがゼロ付近の電圧になることがない。従って、本実施の形態にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００によれば、より高精度に生体電気インピーダンスを測定することができる。

さらに、本実施の形態にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００によれば、上述のように、ダイオードの順方向電圧を確保する必要がない。従って、生体電気インピーダンス測定装置１００の電源電圧を低減することができる。その結果、電源の低電圧化が可能あり、例えば電源として用いられる電池の本数を減らすことが可能である。また、消費電力を低減できるので、電源として用いられるバッテリの使用可能時間を延伸することができる。

実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２にかかる生体電気インピーダンス測定装置２００について説明する。図４は、実施の形態２にかかる生体電気インピーダンス測定装置２００の構成を模式的に示す回路図である。生体電気インピーダンス測定装置２００は、実施の形態１にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００の検出電流発生回路２１を、検出電流発生回路２２に置換した構成を有する。また、生体電気インピーダンス測定装置２００では、生体電気インピーダンス測定装置１００の抵抗Ｒ１及びＲ２が除去されている。

検出電流発生回路２２は、増幅器２２１、信号源２２２及び入力抵抗Ｒ２２を有する。増幅器２２１には、例えば全差動型オペアンプを用いることができる。増幅器２２１の正入力端子には、基準電圧ＶＲＥＦが入力する。増幅器２２１の負入力端子は、入力抵抗Ｒ２２を介して信号源２２２の出力端子と接続され、更に端子Ｔｉ２とも接続される。増幅器２２１の出力端子は、端子Ｔｉ１と接続される。

信号源２２２には、基準電圧ＶＲＥＦが供給される。信号源２２２の出力端子は、両波整流器１のコンパレータ１１の負入力端子と接続される。また、コンパレータ１１の正入力端子には、基準電圧ＶＲＥＦが供給される。生体電気インピーダンス測定装置２００のその他の構成は、生体電気インピーダンス測定装置１００と同様であるので、説明を省略する。

続いて、生体電気インピーダンス測定装置２００の動作について説明する。信号源２２２は、基準電圧ＶＲＥＦをバイアス電圧とする交流信号を出力する。信号源２２２が出力する交流電圧Ｖｓは、以下の式（３）で示される。

Ｖｓ＝−Ａｓｉｎ（２πｆｔ）＋ＶＲＥＦ ・・・（３）

但し、ｆは、交流信号の周波数である。なお、図５は、信号源２２２が出力する交流電圧Ｖｓの波形図である。

増幅器２２１の出力端子は、端子Ｔｉ１、端子Ｔ１１、負荷１０、端子Ｔ１２及び端子Ｔｉ２を介して、増幅器２２１の負入力端子と接続される。よって、増幅器２２１は、反転増幅器として動作する。増幅器２２１の正入力端子と負入力端子とは、フィードバックによりバーチャルショートした状態となるので、負入力端子の電圧は常に基準電圧ＶＲＥＦに維持される。

増幅器２２１の負入力端子には電流が流れ込まないため、負荷１０に流れる検出電流Ｉは、入力抵抗Ｒ２２に流れる電流と等しくなる。入力抵抗Ｒ２２の抵抗値をＲとすると、検出電流Ｉは、以下の式（４）で表される。

Ｉ＝Ｖｓ／Ｒ ・・・（４）

式（３）及び（４）より、ｓｉｎ（２πｆｔ）が負のときには、検出電流Ｉは、増幅器２２１の出力端子から、端子Ｔｉ１及びＴｉ２を介して、入力抵抗Ｒ２２に向けて流れる。一方、ｓｉｎ（２πｆｔ）が正のときには、検出電流Ｉは、入力抵抗Ｒ２２から、端子Ｔｉ２及びＴｉ１を介して、増幅器２２１の出力端子に向けて流れる。以上のように、信号源２２２が出力する交流電圧Ｖｓは、検出電流発生回路２２から出力される検出電流Ｉを生成する。

負荷１０のインピーダンスをＲ_Ｌ、負荷１０の一端の電圧をＶＯＰ、負荷１０の他端の電圧をＶＯＮとすると、負荷１０での電圧降下Ｖ１０は、以下の式（５）で表される。

Ｖ１０＝Ｉ×Ｒ_Ｌ＝ＶＯＰ−ＶＯＮ ・・・（５)

式（４）から明らかなように、入力抵抗Ｒ２２の抵抗値Ｒがばらつくと、検出電流Ｉがばらつく。Ｉがばらつくと式（５）から負荷１０での電圧降下Ｖ１０がばらつきインピーダンスを高精度に測定できないので、入力抵抗Ｒ２２の抵抗値Ｒがばらつかないよう、入力抵抗Ｒ２２の面積を十分に大きくすることが望ましい。

図６は、実施の形態２にかかる生体電気インピーダンス測定装置２００の動作を示すタイミングチャートである。信号源２２２が出力する交流電圧Ｖｓは、基準電圧ＶＲＥＦをバイアス電圧とする交流電圧である。

コンパレータ入力差電圧ＶＤは、以下の式（６）で表される。

ＶＤ＝ＶＲＰ−ＶＲＮ
＝ＶＲＥＦ−｛−Ａｓｉｎ（２πｆｔ）＋ＶＲＥＦ｝
＝Ａｓｉｎ（２πｆｔ） ・・・（６）

式（６）で示すように、コンパレータ入力差電圧ＶＤは、信号源２２２が生成する大きな振幅を有する。よって、本実施の形態にかかる生体電気インピーダンス測定装置２００は、実施の形態１にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００と同様に、コンパレータ１１の遅延を防止し、生体電気インピーダンスを高精度に測定することが可能となる。すなわち、本実施の形態にかかる生体電気インピーダンス測定装置２００によれば、実施の形態１にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００と同様の作用効果を実現することができる。

また、本実施の形態にかかる生体電気インピーダンス測定装置２００によれば、実施の形態１にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００が有する抵抗Ｒ１及びＲ２が無くとも、コンパレータ１１の遅延を防止できる。よって、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を削除することができるので、生体電気インピーダンス測定装置２００の小型化及びコスト削減の点で有利である。

実施の形態３
次に、本発明の実施の形態３にかかる生体電気インピーダンス測定装置３００について説明する。図７は、実施の形態３にかかる生体電気インピーダンス測定装置３００の構成を模式的に示す回路図である。生体電気インピーダンス測定装置３００は、実施の形態１にかかる生体電気インピーダンス測定装置１００に、電圧判定回路３を追加した構成を有する。

電圧判定回路３は、コンパレータ３１及び３２、ＡＮＤゲート３３、判定結果出力端子Ｔｊを有する。コンパレータ３１の正入力端子には、基準電圧ＶＨが入力する。コンパレータ３１の出力端子は、ＡＮＤゲート３３の一方の入力と接続される。コンパレータ３２の負入力端子には、基準電圧ＶＬが入力する。コンパレータ３２の出力端子は、ＡＮＤゲート３３の他方の入力と接続される。コンパレータ３１の負入力端子及びコンパレータ３２の正入力端子は、ＬＰＦ２の出力端子と接続される。ＡＮＤゲート３３の出力端子は、判定結果出力端子Ｔｊと接続される。なお、基準電圧ＶＨは、基準電圧ＶＬよりも高い電圧である。生体電気インピーダンス測定装置３００のその他の構成は、生体電気インピーダンス測定装置１００と同様であるので、説明を省略する。

続いて、生体電気インピーダンス測定装置３００の動作について説明する。コンパレータ３１は、ＬＰＦ２からの出力信号Ｖｏｕｔが基準電圧ＶＨより低いとＨｉｇｈを出力し、基準電圧ＶＨより低いとＬｏｗを出力する。コンパレータ３２は、ＬＰＦ２の出力信号Ｖｏｕｔが基準電圧ＶＬより高いとＨｉｇｈを出力し、基準電圧ＶＬより低いとＬｏｗを出力する。

図８は、実施の形態３にかかる生体電気インピーダンス測定装置３００の電圧判定回路３が出力する判定結果信号ＶｊとＬＰＦ２からの出力信号Ｖｏｕｔの関係を示す図である。ＡＮＤゲート３３は、コンパレータ３１の出力信号がＨｉｇｈ、かつ、コンパレータ３２の出力信号がＨｉｇｈのときに、判定結果信号ＶｊとしてＨｉｇｈを出力する。それ以外のときは、ＡＮＤゲート３３は、判定結果信号ＶｊとしてＬｏｗを出力する。つまり、電圧判定回路３は、ＬＰＦ２からの出力信号Ｖｏｕｔが、基準電圧ＶＨと基準電圧ＶＬとの間である場合にのみ、Ｈｉｇｈを出力する。

よって、本実施の形態にかかる生体電気インピーダンス測定装置３００では、判定結果信号Ｖｊをモニタすることにより、負荷１０のインピーダンスが、所定の範囲内に収まっているか否かを判定することができる。また、生体電気インピーダンス測定装置３００と負荷１０との接続又は接触の異常を検出することが可能となる。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態３にかかる電圧判定回路３を、実施の形態２にかかる生体電気インピーダンス測定装置２００に追加することができることは、言うまでもない。

実施の形態２では、抵抗Ｒ１及びＲ２は必要ないが、抵抗Ｒ１及びＲ２を設けたとしても、生体電気インピーダンス測定装置２００が同様の作用効果を実現できることは勿論である。

また、抵抗Ｒ１及びＲ２には、それぞれスイッチなどの他の素子が直列に挿入されても良い。また、抵抗Ｒ１及びＲ２と共に、挿入された素子のインピーダンスを利用することも可能である。

Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
Ｒ２２ 入力抵抗
ＳＷ１ 第１のスイッチ
ＳＷ２ 第２のスイッチ
ＳＷ３ 第３のスイッチ
ＳＷ４ 第４のスイッチ
Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２ 端子
Ｔｉ１、Ｔｉ２ 端子
Ｔｊ 判定結果出力端子
Ｔｏｕｔ 出力端子
ＶＤ コンパレータ入力差電圧
ＶＨ、ＶＬ、ＶＲＥＦ 基準電圧
Ｖｉｎ 交流出力電圧
Ｖｊ 判定結果信号
１ 両波整流器
２ ＬＰＦ
３ 電圧判定回路
１０ 負荷
１１、３１、３２ コンパレータ
１２ インバータ
１３、４６、４８ 増幅器
２１、２２ 検出電流発生回路
３１、３２ コンパレータ
３３ ＡＮＤゲート
４１ 定電流出力発振回路
４２ 生体
４３ 差動増幅器
４４ 半波整流回路
４５ 積分器
４７ 直流除去回路
４９、２２２ 信号源
１００、２００、３００ 生体電気インピーダンス測定装置
２２１ 増幅器
４００ 呼吸計測装置
４４１ 整流用ダイオード
４４２ 直流バイアス発生器

Claims (11)

1. 一定振幅の交流電流である検出電流を負荷に供給する検出電流発生回路と、
   前記負荷の一端からの第１の信号及び前記負荷の他端からの第２の信号を用いて両波整波を行う両波整流器と、を備え、
   前記両波整流器は、
   一方の入力端子に前記第１の信号と同期した前記第１の信号よりも振幅が大きい第３の信号が入力し、他方の入力端子に前記第２の信号と同期した前記第２の信号よりも振幅が大きい第４の信号が入力する第１のコンパレータと、
   ２つの入力端子に入力する信号を差動増幅する第１の増幅器と、
   前記第１のコンパレータの出力信号のレベルの変化に応じて、前記増幅器の前記２つの入力端子のそれぞれに供給する前記第１及び第２の信号を入れ換えるスイッチ部と、を備える、
   生体電気インピーダンス測定装置。
2. 前記スイッチ部は、
   前記第１のコンパレータの前記出力信号のレベルの変化に応じて、前記第１の信号を前記第１の増幅器の第１の入力端子に供給する第１のスイッチと、
   前記第１のコンパレータの前記出力信号のレベルの変化に応じて、前記第２の信号を前記第１の増幅器の前記第１の入力端子に供給する第２のスイッチと、
   前記第１のコンパレータの前記出力信号のレベルの変化に応じて、前記第１の信号を前記第１の増幅器の第２の入力端子に供給する第３のスイッチと、
   前記第１のコンパレータの前記出力信号のレベルの変化に応じて、前記第２の信号を前記第１の増幅器の前記第２の入力端子に供給する第４のスイッチと、を備え、
   前記第１及び第３のスイッチは、前記第２及び第４のスイッチに対して相補的にオン／オフすることを特徴とする、
   請求項１に記載の生体電気インピーダンス測定装置。
3. 前記第１及び第３のスイッチの制御端子には、前記第１のコンパレータの前記出力信号が正論理で入力し、
   前記第２及び第４のスイッチの制御端子には、前記第１のコンパレータの前記出力信号が反転論理で入力することを特徴とする、
   請求項２に記載の生体電気インピーダンス測定装置。
4. 前記スイッチ部は、
   前記第１のコンパレータの前記出力信号が入力し、出力端子が前記第２及び第４のスイッチの前記制御端子と接続されるインバータを更に備えることを特徴とする、
   請求項３に記載の生体電気インピーダンス測定装置。
5. 前記負荷の一端と前記検出電流発生回路の第１の端子との間に接続される第１の抵抗と、
   前記負荷の他端と前記検出電流発生回路の第２の端子との間に接続される第２の抵抗と、を更に備え、
   前記第１のコンパレータの入力端子の一方は、前記第１の端子と接続され、
   前記第１のコンパレータの入力端子の他方は、前記第２の端子と接続されることを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の生体電気インピーダンス測定装置。
6. 前記検出電流発生回路は、
   第１の基準電圧が入力し、前記第１の基準電圧をバイアス電圧とする交流信号を出力する信号源と、
   出力端子が前記第１の端子と接続され、一方の入力端子に前記第１の基準電圧が入力する第２の増幅器と、
   前記信号源と前記第２の増幅器の他方の入力端子との間に接続される入力抵抗と、を備え、
   前記第１のコンパレータの入力端子の一方には、前記信号源が出力する前記交流信号が入力し、
   前記第１のコンパレータの入力端子の他方には、前記第１の基準電圧が入力することを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の生体電気インピーダンス測定装置。
7. 前記第１の増幅器の出力信号を平滑化するローパスフィルタを更に備えることを特徴とする、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の生体電気インピーダンス測定装置。
8. 前記ローパスフィルタの出力信号の電圧の大きさに応じてレベルが変化する判定結果信号を出力する電圧判定回路を更に備えることを特徴とする、
   請求項７に記載の生体電気インピーダンス測定装置。
9. 前記電圧判定回路は、
   正入力端子に第２の基準電圧が入力し、負入力端子に前記ローパスフィルタの前記出力信号が入力する第２のコンパレータと、
   負入力端子に前記第２の基準電圧よりも低い第３の基準電圧が入力し、正入力端子に前記ローパスフィルタの前記出力信号が入力する第３のコンパレータと、
   ２つの入力端子のそれぞれが、前記第２及び第３のコンパレータの出力端子と接続され、前記判定結果信号を出力するＡＮＤゲートを備えることを特徴とする、
   請求項８に記載の生体電気インピーダンス測定装置。
10. 前記負荷は生体であることを特徴とする、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の生体電気インピーダンス測定装置。
11. 前記生体は人体であることを特徴とする、
    請求項１０に記載の生体電気インピーダンス測定装置。

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