JP2019170450A

JP2019170450A - 生体内インピーダンス測定方法及び生体内インピーダンス測定装置

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Publication number: JP2019170450A
Application number: JP2018059475A
Authority: JP
Inventors: 達弥岡田; Tatsuya Okada; 友介坂上; Yusuke Sakagami; 千草井中; Chigusa Inaka
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2038-03-27
Also published as: JP7135371B2

Abstract

【課題】安全で、かつ、細胞外液の変化を精度よく評価することができる生体内インピーダンス測定方法を提供する。【解決手段】生体の内部に体内電極１０を配置するとともに、生体の表面６０に測定基準電極４０を配置し、体内電極と測定基準電極との間に、第１の外部抵抗Ｒg1を並列接続したときに生じる第１の電圧Ｖ１、及び第２の外部抵抗Ｒg2を並列接続したときに生じる第２の電圧Ｖ２を測定し、第１の電圧Ｖ１及び第２の電圧Ｖ２の電圧比Ｖ１／Ｖ２に基づいて、生体内のインピーダンスＲbを測定する。【選択図】図２

Description

本発明は、生体内のインピーダンスを測定する方法、及び生体内インピーダンス測定装置に関する。

血管等の器官内にカテーテルを挿入して、病変部に対して検査や治療を行うことが行われている。

カテーテルを用いた治療の一つに、バルーン付きのカテーテル・アブレーション治療がある。この治療は、カテーテルの先端にバルーンを取り付け、バルーン内に液体を注入することによってバルーンを膨らませた後、高周波電流によりバルーン内の液体を温めることによって、バルーンの表面と接触している器官を焼灼するもので、例えば、心房細動の治療等に適用されている。

この治療によれば、バルーンが柔軟な球形を有しているので、心房細動の治療部位である左心房と肺静脈との接合近傍の内壁面に、膨らんだバルーンの外周面をリング状に接触させることができるため、一度に肺静脈の周囲を焼灼することができる。

一方、アブレーション治療によって器官を焼灼した後、焼灼効果を評価するために、焼灼後における生体内のインピーダンスを測定することが行われている。例えば、非特許文献１には、体内に配置した電極と、生体表面に配置した電極との間に、高周波電流を流して、出力電力Ｗと出力電流Ｉから、生体内のインピーダンスＺ（＝Ｗ／Ｉ^２）を算出する方法が開示されている。

山本尚武、中村隆夫著「生体電気計測」コロナ社、2011年11月2日、p.105〜139

しかしながら、従来の生体内インピーダンス測定方法では、生体内に高周波交流電流を流すため、感電等を引き起こすおそれがある。

また、高周波交流電流は、細胞膜を通過できるため、従来の生体内インピーダンス測定方法で得られる生体内インピーダンスは、細胞膜、細胞内液、及び細胞外液の全てのインピーダンスの合計値となる。

一方、例えば、アブレーション治療によって器官を焼灼した場合、細胞膜が破れて、細胞外液が増加するので、生体内インピーダンスは減少する。

しかしながら、上述したように、従来の生体内インピーダンス測定方法で得られる生体内インピーダンスは、細胞外液の変化だけでなく、細胞膜や細胞内液の変化にも影響を受ける。そのため、生体内インピーダンスの変化を利用して、アブレーション治療による焼灼効果を精度よく良く評価することが難しい。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その主な目的は、安全で、かつ、細胞外液の変化を精度よく評価することができる生体内インピーダンス測定方法、及び生体内インピーダンス測定装置を提供することにある。

本発明に係る生体内インピーダンス測定方法は、生体の内部に体内電極を配置するとともに、生体の表面又は内部に測定基準電極を配置し、体内電極と測定基準電極との間に、第１の外部抵抗を並列接続したときに生じる第１の電圧Ｖ_１、及び第２の外部抵抗を並列接続したときに生じる第２の電圧Ｖ_２を測定し、第１の電圧Ｖ_１及び第２の電圧Ｖ_２の電圧比Ｖ_１／Ｖ_２に基づいて、生体内のインピーダンスを測定することを特徴とする。

本発明に係る生体内インピーダンス測定装置は、生体の内部に配置される体内電極と、生体の表面又は内部に配置される測定基準電極と、体内電極と測定基準電極との間に、第１の外部抵抗及び第２の外部抵抗を、それぞれ切り替え可能に並列接続する接続手段と、接続手段により、体内電極と測定基準電極との間に、第１の外部抵抗を並列接続したときに生じる第１の電圧Ｖ_１、及び第２の外部抵抗を並列接続したときに生じる第２の電圧Ｖ_２を測定する電圧測定手段とを備え、第１の電圧Ｖ_１及び第２の電圧Ｖ_２の電圧比Ｖ_１／Ｖ_２に基づいて、生体内のインピーダンスを測定することを特徴とする。

本発明によれば、安全で、かつ、細胞外液の変化を精度よく評価することができる生体内インピーダンス測定方法、及び生体内インピーダンス測定装置を提供することができる。

生体内を交流電流が流れる様子を模式的に示した図で、(ａ）は、高周波交流電流が流れる場合、（ｂ）は、低周波交流電流が流れる場合を、それぞれ示す。本発明の一実施形態における生体内インピーダンス測定方法を説明した図である。絶縁性部材の外周面が、器官の内壁面に接触した状態を模式的に示した図である。絶縁性部材の外周面を、器官の内壁面に接触させた状態で、体内電極と測定基準電極との間に生じた電圧を測定する方法を示した等価回路図である。本発明の他の実施形態における生体内インピーダンス測定方法を説明した図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

図１は、生体内を交流電流が流れる様子を模式的に示した図で、図１(ａ）は、高周波交流電流が流れる場合、図１（ｂ）は、低周波交流電流が流れる場合を、それぞれ示す。

図１(ａ）に示すように、高周波交流電流Ｉは、細胞膜１００を通過できるため、細胞膜１００、細胞内液１１０、及び細胞外液１２０を流れる。

一方、図１（ｂ）に示すように、低周波交流電流Ｉは、細胞膜１００を通過できないため、細胞外液１２０のみを流れる。そのため、低周波交流電流Ｉを用いて、生体内のインピーダンスを測定すれば、当該インピーダンスの変化から、細胞外液１２０の変化を精度よく評価することが可能となる。

本発明者等は、生体内で発生した電気信号が、低周波（０．０１〜１００Ｈｚ）であることに着目し、この生体内で発生した電気信号を、生体表面に配置した電極で検出することによって、生体内のインピーダンスを、低い周波数帯域で測定できると考え、本発明を想到するに至った。

図２は、本発明の一実施形態における生体内インピーダンス測定方法を説明した図である。

図２に示すように、本実施形態では、生体の内部に、体内電極１０を配置することによって、生体内で発生した電気信号を検出する。具体的には、内部に体内電極１０が配置された絶縁性部材２０を、生体の器官７０内に挿入して、器官７０の内壁面に接触させて、接触した部位の電気信号を検出する。

ここで、絶縁性部材２０は、外周面が変形自在又は拡張自在な材料からなり、例えば、中空袋状からなるバルーンを用いることができる。また、絶縁性部材２０に、中空管状の可撓性部材（カテーテル）３０が結合したバルーン付きカテーテルを用いてもよい。

図２では、絶縁性部材２０の中に、導電性の流動体２１を注入することによって、絶縁性部材２０の外周面を、器官７０の内壁面に接触させた状態を示している。導電性の流動体２１は、例えば、中空管状の可撓性部材（カテーテル）１０を介して、外部から注入することができる。また、導電性の流動体２１は、例えば、生理食塩水等を用いることができる。

本実施形態では、図２に示すように、生体の表面６０に、測定基準電極４０を貼り付け、絶縁性部材２０の中に配置された体内電極１０と、測定基準電極４０との間の電圧を、生体の外部に配置された増幅器８０で増幅することによって計測する。なお、体内電極１０の電位は、リード線３１を介して、増幅器８０に入力される。

さらに、本実施形態では、図２に示すように、体内電極１０と測定基準電極４０との間に、第１の外部抵抗Ｒg1と、第２の外部抵抗Ｒg2とが並列に配置されている。そして、スイッチＳＷによって、体内電極１０と測定基準電極４０との間に、第１の外部抵抗Ｒg1が並列接続された状態と、第２の外部抵抗Ｒg2が並列接続された状態とに切り替えられる。

図３は、絶縁性部材２０の外周面が、器官７０の内壁面に接触した状態を模式的に示した図である。ここで、絶縁性部材２０の中に注入された流動体２１は、導電性を有しているため、流動体２１と接触している絶縁性部材２０の内周面の電位は、絶縁性部材２０の中に配置された電極１０の電位と、実質的に同じと考えられる。従って、図３に示すように、電極１０と、器官７０の内壁面とは、絶縁性部材２０を挟んで、静電容量結合型電極を構成していることになる。

図４は、絶縁性部材２０の外周面を、器官７０の内壁面に接触させた状態で、体内電極１０と測定基準電極４０との間に生じた電圧を測定する方法を示した等価回路図である。

ここで、Ｖbは、絶縁性部材２０が器官７０の内壁面に接触した部位の電位で、Ｒbは、測定基準電極４０と、器官７０の内壁面が絶縁性部材２０と接触した部位との間の生体内インピーダンス、Ｒinは、増幅器８０の入力抵抗を、それぞれ示す。また、体内電極１０と測定基準電極４０との間に生じた電圧は、増幅器８０で増幅されて、出力電圧Ｖoutとして計測される。

なお、体内電極１０の電位は、図２に示したリード線３１を介して、増幅器８０に入力されるため、図４では、等価回路図として、体内電極１０の位置を、測定基準電極４０と同様に、体内の表面６０に表示している。

図４に示した等価回路図において、体内電極１０と測定基準電極４０との間に、第１の外部抵抗Ｒg1を並列接続したときに生じる第１の電圧Ｖ_１は、式（２）で与えられる。

また、体内電極１０と測定基準電極４０との間に、第２の外部抵抗Ｒg2を並列接続したときに生じる第２の電圧Ｖ_２は、式（３）で与えられる。

従って、式（２）、（３）より、測定基準電極４０と、器官７０の内壁面が絶縁性部材２０と接触した部位との間のインピーダンスＲbは、以下の式（１）より求めることができる。

すなわち、式（１）より、測定基準電極４０と、器官７０の内壁面が絶縁性部材２０と接触した部位との間の生体内のインピーダンスＲbは、第１の電圧Ｖ_１と、第２の電圧Ｖ_２の電圧比（Ｖ_１／Ｖ_２）に基づいて、測定することができる。

本実施形態において、生体の内部に体内電極１０を配置するとともに、生体の表面に測定基準電極４０を配置し、体内電極１０と測定基準電極４０との間に、第１の外部抵抗Ｒg1を並列接続したときに生じる第１の電圧Ｖ_１、及び第２の外部抵抗Ｒg2を並列接続したときに生じる第２の電圧Ｖ_２を測定することによって、生体内のインピーダンスＲbを測定することができる。

本実施形態によれば、生体内で発生した低周波数帯域の電気信号を利用して、生体内のインピーダンスＲbを測定しているため、細胞外液のみのインピーダンスＲbを測定することができる。これにより、生体内のインピーダンスＲbの変化を検出することによって、細胞外液の変化を精度よく評価することができる。また、体内に外部から電流を流さないため、安全に、生体内のインピーダンスＲbを測定することができる。

なお、本実施形態では、体内電極１０と測定基準電極４０との間に、第１の外部抵抗Ｒg1、及び、第２の外部抵抗Ｒg2を、それぞれ並列接続したが、いずれか一方の抵抗値を無限大にしてもよい。すなわち、体内電極１０と測定基準電極４０との間に、外部抵抗を接続しないようにしてもよい。

この場合、式（１）において、Ｒg1をＲg、Ｒb2を無限大とすれば、生体内のインピーダンスＲbは、式（４）によって求めることができる。

図５は、本発明の他の実施形態における生体内のインピーダンスを測定する方法を示した等価回路図である。なお、本実施形態においても、図４に示したのと同様に、絶縁性部材２０の外周面を、器官７０の内壁面に接触させた状態で、体内電極１０と測定基準電極４０との間に生じた電圧を測定する。

図５に示すように、本実施形態では、生体の表面６０に、グランド電極５０をさらに配置し、体内電極１０と測定基準電極４０との間に生じた電圧を、差動アンプ８０によって測定する点が、図４に示した方法と異なる。この場合、グランド電極５０の電位は、差動アンプ８０のグランド端子に入力される。

本実施形態においても、測定基準電極４０と、器官７０の内壁面が絶縁性部材２０と接触した部位との間のインピーダンスＲbは、上記の式（１）により求めることができる。この場合、第１の電圧Ｖ_１、及び第２の電圧Ｖ_２は、その差分をとって差動アンプ８０で増幅されて測定されるため、外部からのノイズを除去することができる。これにより、生体内のインピーダンスＲbをより精度よく検出することができる。

また、図２は、本発明の一実施形態における生体内インピーダンス測定装置の構成を示す。

図２に示すように、本実施形態における生体内インピーダンス測定装置は、生体の内部に配置される体内電極１０と、生体の表面６０に配置される測定基準電極４０と、体内電極１０と測定基準電極４０との間に、第１の外部抵抗Ｒg1及び第２の外部抵抗Ｒg2を、それぞれ切り替え可能に並列接続するスイッチ（接続手段）ＳＷと、スイッチＳＷにより、体内電極１０と測定基準電極４０との間に、第１の外部抵抗Ｒg1を並列接続したときに生じる第１の電圧Ｖ_１、及び第２の外部抵抗Ｒg2を並列接続したときに生じる第２の電圧Ｖ_２を測定する増幅器（電圧測定手段）８０とを備えている。そして、上記の式（１）を用いて、測定した第１の電圧Ｖ_１及び第２の電圧Ｖ_２の電圧比Ｖ_１／Ｖ_２に基づいて、生体内のインピーダンスＲbを測定する。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態では、絶縁性部材２０として、中空袋状のバルーンを例に説明したが、これに限定されず、体内電極１０を、絶縁性部材２０で被覆したものであればよい。あるいは、体内電極１０を、導電性の流動体２１を介して絶縁性部材２０で被覆したものであってもよい。

また、上記実施形態では、絶縁性部材２０内に体内電極１０を配置して、絶縁性部材２０の外周面を、器官の内壁面に接触させた状態で、第１の電圧Ｖ_１及び第２の電圧Ｖ_２を測定したが、体内電極１０を、直接、器官の内壁面に接触させて、第１の電圧Ｖ_１及び第２の電圧Ｖ_２を測定してもよい。また、複数個の体内電極１０を用いて、第１の電圧Ｖ_１及び第２の電圧Ｖ_２を測定してもよい。

また、上記実施形態では、測定基準電極４０を、生体の表面６０に配置した例を説明したが、測定基準電極４０を、生体の内部に配置してもよい。これにより、生体自身がシールド効果を持つことによって、ノイズを軽減した状態で、生体内のインピーダンスを測定することができる。

また、上記実施形態では、絶縁性部材２０の外周面を、器官の内壁面に接触させた状態で、生体内のインピーダンスを測定した例を説明したが、これに限定されず、例えば、平面部位に絶縁性部材２０を押し当てた状態で、生体内のインピーダンスを測定するものであってもよい。

また、上記実施形態では、内部に体内電極１０が配置された絶縁性部材２０を、生体の器官７０内に挿入して、生体内のインピーダンスを測定したが、絶縁性部材２０を挿入する器官７０は、特に限定されない。例えば、心筋が活動（収縮）する際に発生する電位（心内電位）を利用する場合には、内部に体内電極１０が配置された絶縁性部材２０を、心房にある肺静脈の血管内に挿入することによって、生体内のインピーダンスを測定することができる。この場合、絶縁性部材２０が接触した部位を焼灼した後に、測定基準電極４０と、絶縁性部材２０と接触した部位との間のインピーダンスＲbを測定することによって、焼灼効果（細胞外液が増えることで、インピーダンスＲbが減少）を評価することができる。

また、本発明は、病変部の治療、診断において、生体内インピーダンスの変化を利用して、その治療効果や診断を精度よく評価することができるが、病変部の治療結果や状態が、細胞外液の変化に表れるものに対して、特に有効である。例えば、心房細胞のアブレーション治療の他に、心臓肥大（水膨れ）の診断や、肺水腫の診断等に、効果的である。

１０体内電極
２０絶縁性部材
２１流動体
３０中空管状の可撓性部材（カテーテル）
３１リード線
４０測定基準電極
５０グランド電極
６０生体の表面
７０器官
８０増幅器（差動アンプ）

Claims

生体の内部に体内電極を配置するとともに、生体の表面又は内部に測定基準電極を配置し、
前記体内電極と前記測定基準電極との間に、第１の外部抵抗を並列接続したときに生じる第１の電圧Ｖ_１、及び第２の外部抵抗を並列接続したときに生じる第２の電圧Ｖ_２を測定し、
前記第１の電圧Ｖ_１及び前記第２の電圧Ｖ_２の電圧比Ｖ_１／Ｖ_２に基づいて、生体内のインピーダンスを測定する、生体内インピーダンス測定方法。
前記第１の外部抵抗をＲg1、前記第２の外部抵抗Ｒg2としたとき、生体内のインピーダンスＲbは、以下の式（１）に基づいて測定される、請求項１に記載の生体内インピーダンス測定方法。
前記第１の外部抵抗及び第２の外部抵抗のいずれか一方は、抵抗値が無限大である、請求項１または２に記載の生体内インピーダンス測定方法。
前記体内電極は、絶縁性部材内に配置されており、
前記絶縁性部材を、体内の器官に挿入して、前記絶縁性部材の外周面を、前記器官の内壁面に接触させた状態で、前記第１の電圧Ｖ_１及び第２の電圧Ｖ_２を測定する、請求項１〜３の何れかに記載の生体内インピーダンス測定方法。
前記絶縁性部材は、中空袋状であり、
前記絶縁性部材の中に、導電性の流動体を注入して、前記絶縁性部材の外周面を、前記器官の内壁面に接触させた状態で、前記第１の電圧Ｖ_１及び第２の電圧Ｖ_２を測定する、請求項４に記載の生体内インピーダンス測定方法。
前記体内電極と、前記器官の内壁面とは、前記絶縁性部材を挟んで、静電容量結合型電極を構成している、請求項４または５に記載の生体内インピーダンス測定方法。
前記体内電極には、該体内電極の電位を外部に導出するリード線が接続されており、
前記体内電極と前記測定基準電極との間の電圧測定は、前記リード線を介して行われる、請求項１〜６の何れかに記載の生体内インピーダンス測定方法。
体内の表面に、グランド電極がさらに配置されており、
前記体内電極と前記測定基準電極との間の電圧は、前記グランド電極の電位を入力した差動アンプによって測定される、請求項１〜７の何れかに記載の生体内インピーダンス測定方法。
生体の内部に配置される体内電極と、
生体の表面又は内部に配置される測定基準電極と、
前記体内電極と前記測定基準電極との間に、第１の外部抵抗及び第２の外部抵抗を、それぞれ切り替え可能に並列接続する接続手段と、
前記接続手段により、前記体内電極と前記測定基準電極との間に、前記第１の外部抵抗を並列接続したときに生じる第１の電圧Ｖ_１、及び前記第２の外部抵抗を並列接続したときに生じる第２の電圧Ｖ_２を測定する電圧測定手段と、
を備え、
前記第１の電圧Ｖ_１及び前記第２の電圧Ｖ_２の電圧比Ｖ_１／Ｖ_２に基づいて、生体内のインピーダンスを測定する、生体内インピーダンス測定装置。
前記第１の外部抵抗及び第２の外部抵抗のいずれか一方は、抵抗値が無限大である、請求項９に記載の生体内インピーダンス測定装置。
前記体内電極は、絶縁性部材内に配置されており、
前記絶縁性部材を、体内の器官に挿入して、前記絶縁性部材の外周面を前記器官の内壁面に接触させた状態で、前記第１の電圧Ｖ_１及び第２の電圧Ｖ_２を測定する、請求項９または１０に記載の生体内インピーダンス測定装置。