JP2019208843A - 半導体装置、計測システム、および計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接触端子と接触した表面部位の形状が変化する場合でも正しく、かつ身体的なデータを参照することなく生体情報を計測できる半導体装置、計測システム、および計測方法を提供すること。【解決手段】正弦波信号を発生する信号源３０と、第１の電極１３−１を介して正弦波信号に対応する計測信号を被験者に出力する出力部と、第２の電極１３−２を介して入力された被験者を通過した計測信号を入力信号として入力する入力部と、正弦波信号と入力信号の相関値を演算する第１の演算手段３１と、相関値に基づいて被験者の生体インピーダンスを演算する第２の演算手段と、を含む。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置、計測システム、および計測方法、特に生体インピーダンスを計測する半導体装置、計測システム、および計測方法に関する。

従来、生体インピーダンスの計測に関する文献として特許文献１が知られている。特許文献１に開示された電気特性測定装置は、デジタル波形を発生する測定信号発生手段と、該デジタル波形をアナログ波形に変換する変換手段とを有し、被験者の互いに隔たる所定の２箇所の表面部位に導電可能に付けた第１および第２の電極を介して、アナログ波形の信号を被験者に投入する測定信号供給手段と、被験者に投入されるアナログ波形信号の電流値を測定する電流測定手段と、被験者の互いに隔たる所定の２箇所の表面部位間に生じる電圧値を測定する電圧測定手段と、電流測定手段および電圧測定手段によりそれぞれ測定された電流値および電圧値により、被験者の表面部位間の生体電気インピーダンスを算出し、求めるべき生体電気インピーダンスまたは生体電気インピーダンスに基づく物理量を算出する演算手段と、を備えることを特徴としている。

特許文献１に係る電気特性測定装置は、低周波数側における外部雑音の影響を回避しつつ測定時間を短縮して、生体インピーダンスの測定、および体脂肪や体水分分布の状態の測定に好適な電気特性測定装置を提供することを目的としている。このような生体インピーダンスの測定では一般にＢＩ（Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｉｎｐｅｄａｎｃｅ）法と称される測定法を用いる場合があり、測定された体水分分布は例えば肌センサ、測定された体脂肪は例えば体脂肪計等に応用されている。

肌センサの場合は、約１ｃｍ離間させた電極対を肌に接触させ、微弱電流を流して被験者のインピーダンスを計測し、そのインピーダンスをインピーダンス／水分量（％）テーブル（変換テーブル）と比較して肌の水分量を求める。その際インピーダンス／水分量（％）テーブルは計測前に予め用意しておく。一方体脂肪計の場合は、片足から他方の足、または片手から他方の手のように体幹を通過させて微弱電流を流してインピーダンスを計測し、計測したインピーダンスを身長／体重ごとに複数用意されている体脂肪％／インピーダンステーブル（変換テーブル）と比較することで体脂肪率を得ている。

特開２００１−２１２１０１号公報

上記のように従来の肌センサは、約１ｃｍ離れた電極間のインピーダンスから肌に関する情報を得ていた。そのために以下のような課題が発生していた。
（１）電極を肌に接触させる形態でしか使用できないので、肌の表面の情報しか得られない。つまり、肌の健康に重要な、真皮の奥にある例えばコラーゲン層の情報が得られない。
（２）肌と電極との間の接触面積が変化することに起因して、測定されたインピーダンスが変化する。インピーダンスは肌と電極間との間の接触面積に反比例するためである。この場合、用意しているインピーダンス／水分量（％）テーブルが使用できなくなる。つまり、水分量が不明の状態となる。

一方、上記のように従来の体脂肪計は、体幹を通過するように微弱電流を流してインピーダンスを計測し、計測したインピーダンスを身長／体重ごとに複数用意された体脂肪％／インピーダンステーブルと比較し体脂肪率を取得していた。また、従来の計測法では取得インピーダンスの値をそのまま使用している。そのため電極と体との間の接触抵抗が計測結果に大きな影響を与え、正しい計測値が得られないという問題があった．この問題を解決する手段として従来は、微弱電流の入口、出口の電極をそれぞれ２個とし、計算で接触抵抗をキャンセルした上でインピーダンスを計測していた。

また、計測したインピーダンスの値を直接使用するため、電流の経路長も測定結果に影響を与える。この問題を解消するために、従来は身長、体重、性別、年齢等の情報を測定前に計測装置に入力し、上記の変換テーブルを選択することでより誤差の少ない測定結果を得ていた。換言すれば、より正しい体脂肪率を得るために、計測装置に個人情報を入力することが求められるということであり、個人情報に関する昨今の趨勢から例えば個人情報に敏感な人にとっては問題となりえた。

以上のような課題に鑑み、接触端子と接触した肌の形状が変化する場合でも正しく肌水分量等の体組織データを測定できる計測装置、計測方法が求められている。つまり肌センサでは接触端子と接触した肌の形状が変化する場合でも真皮の奥まで計測可能な計測装置、計測方法が求められている。一方体脂肪計では、参照データ（身長、体重等）使用することなく体脂肪率を測定する計測装置、計測方法が求められている。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、接触端子と接触した表面部位の形状が変化する場合でも正しく、かつ身体的なデータを参照することなく生体情報を計測できる半導体装置、計測システム、および計測方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置は、正弦波信号を発生する信号源と、第１の電極を介して前記正弦波信号に対応する計測信号を被験者に出力する出力部と、第２の電極を介して入力された前記被験者を通過した前記計測信号を入力信号として入力する入力部と、前記正弦波信号と前記入力信号の相関値を演算する第１の演算手段と、前記相関値に基づいて前記被験者の生体インピーダンスを演算する第２の演算手段と、を含むものである。

本発明に係る計測システムは、上記の半導体装置と、前記出力部からの前記正弦波信号に対応する計測信号を被験者に出力する第１の電極と、前記被験者を通過した前記計測信号が入力信号として入力される第２の電極と、を含むものである。

本発明に係る計測方法は、各々異なる周波数の正弦波信号を発生する複数の信号源、複数の前記正弦波信号を加算した信号に対応する計測信号を被験者に出力する第１の電極、および前記被験者を通過した前記計測信号が入力信号として入力される第２の電極を含む計測システムを用いた計測方法であって、前記正弦波信号の各々と前記入力信号との相関値を演算し、複数の前記相関値を用いて前記被験者の生体インピーダンスを演算し、前記生体インピーダンスを抵抗成分と容量成分に分離し、２つの周波数の各々で測定された前記抵抗成分の比または前記容量成分の比を用いた前記被験者の体組織の状態の計測、および前記２つの周波数の各々で測定された前記容量成分の比を用いた前記被験者の肌水分の計測の少なくとも一方を行うものである。

本発明によれば、接触端子と接触した表面部位の形状が変化する場合でも正しく、かつ身体的なデータを参照することなく生体情報を計測できる半導体装置、計測システム、および計測方法を提供することが可能となる。

実施の形態に係る計測システムの構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を示すブロック図である。 （ａ）、（ｂ）は実施の形態に係る計測プログラムの処理の流れを示すフローチャートの一部である。 （ａ）、（ｂ）は実施の形態に係る計測プログラムの処理の流れを示すフローチャートの一部である。 実施の形態に係る計測システムの計算モデルを示す図である。 実施の形態に係る計測システムよる肌水分の算出を説明する図である。

以下、図１から図６を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

図１は、腕１４に装着した状態の本実施の形態に係る計測システム１の全体構成を示している。図１に示すように、計測システム１は本体装置１０、電極（肌接触端子）１３−１、１３−２（以下、総称する場合は「電極１３」）、および配線１６を備えている。本体装置１０は、後述する半導体装置１１、演算部１２を含んで構成され、生体インピーダンスの測定における主要部分である。

電極１３−１、１３−２は略球形状をなした電極対である。球形状であるため、電極１３−１、１３−２は、図１に示すように肌を挟んで（挟持して）配置することが可能となっている。肌を挟持して電極を配置することにより、本実施の形態に係る計測システム１では皮膚組織の深部まで計測することができる。

つまり、図１に示すように、皮膚１５は表皮１５−１、真皮１５−２、皮下組織１５−３から構成されている。接触型電極を使用する従来の計測装置では、計測電流が表皮１５−１、あるいは真皮１５−２の深さまでしか流れない。そのため皮膚１５の深部（皮下組織１５−３）の生体インピーダンスを計測することは困難である。これに対し、本実施の形態に係る電極１３は皮膚１５を挟んで装着するので、図１に示すように計測電流ｉｂを皮下組織１５−３まで容易に流すことが可能である。そのため、計測システム１では簡易な構成にもかかわらず、水分あるいは脂肪とのかかわりが深い皮膚１５の深部（皮下組織１５−３）のインピーダンスの計測が容易に行われる。

次に図２を参照して、本実施の形態に係る半導体装置１１について説明する。図２に示すように半導体装置１１は、複数個の（図２ではＮ個の場合を例示している）正弦波発生回路３０−１、３０−２、・・・、３０−Ｎ（以下、総称する場合は「正弦波発生回路３０」）、複数個の（図２ではＮ個の場合を例示している）相関値演算回路３１−１、３１−２、・・・、３１−Ｎ（以下、総称する場合は「相関値演算回路３１」）、ＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：デジタルアナログ変換回路）３２、加算回路１７、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：アナログデジタル変換回路）３３、ＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：低域通過フィルタ）／ＡＴＴ（Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ：減衰器）３４、ＬＰＦ／Ａｍｐ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：増幅器）３５、および切替回路３６−１、３６−２（以下、総称する場合は「切替回路３６」）を含んで構成されている。

正弦波発生回路３０は、各々異なる複数の周波数の正弦波信号を発生する回路である。正弦波発生回路３０の各々の周波数、全体の個数は特に限定されない。

加算回路１７は、正弦波発生回路３０の各々で発生した正弦波信号をデジタル的に加算し（重ね合わせ）、加算正弦波信号として出力する回路である。

ＤＡＣ３２は、加算回路１７で加算されたデジタル形式の加算正弦波信号をアナログ信号に変換する。

ＬＰＦ／ＡＴＴ３４は、低域通過フィルタとして機能する回路と減衰器として機能する回路とから構成されている。ＬＰＦ／ＡＴＴ３４はＤＡＣ３２からの加算正弦波信号の高域成分を遮断するとともに、電極１３−１から出力される信号（計測信号）のレベル（
振幅）調整を行う。なお、本実施の形態では計測信号を電流信号としているが、これに限られず電圧信号であってもよい。

切替回路３６−１と切替回路３６−２とは連動して動作し、本体装置１０の接続先を電極または基準抵抗３８に切り替える。後述する基準抵抗３８は抵抗値が既知の抵抗であり、本実施の形態では外付けとされている。むろん基準抵抗３８は半導体装置１１に含ませて構成してもよい。

ＬＰＦ／Ａｍｐ３５は、低域通過フィルタとして機能する回路と増幅器として機能する回路とから構成されている。ＬＰＦ／Ａｍｐ３５は、被験者を経由し電極１３−２から入力された計測信号の高域成分を遮断するとともに、計測信号を所定のレベル（振幅）まで増幅する。

ＡＤＣ３３は、ＬＰＦ／Ａｍｐ３５からのアナログ形式の計測信号をデジタル信号に変換する。

相関値演算回路３１−１、３１−２、・・・、３１−Ｎは、各々正弦波発生回路３０−１、３０−２、・・・、３０−Ｎを参照信号とし、該参照信号とＡＤＣ３３からの計測信号との相関値を演算する。すなわち、相関値の演算は正弦波発生回路３０の各々の周波数ごとに行われる。相関値演算回路３１で演算されたＮ個の相関値は演算部１２に出力され、演算部１２における演算に用いられる。ここで、本実施の形態に係る相関値は自己相関係数であり、自己相関とは、時間領域信号とそれ自身が変形された時間領域信号とがどれだけ近似するかを測る尺度である。本実施の形態では、被験者を通過しノイズに埋もれた計測信号を検知するために相関値を用いている。なお、演算部１２が本発明に係る「第１の演算手段」および「第２の演算手段」の一例である。

演算部１２は相関値演算回路３１からのデータを用いて、インピーダンス（生体インピーダンス）の値、生体の抵抗値、容量値を計算する演算回路である。演算部１２としては例えばマイクロコンピュータが用いられ、この場合の演算部１２は図示を省略するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を含んで構成される。なお、本実施の形態では半導体装置１１と演算部１２を別体としているが、これに限られず、演算部１２を半導体装置１１の内部に含め１チップの半導体装置１１として構成してもよい。

次に図３および図４を参照して、本実施の形態に係る計測システム１で実行される計測処理について説明する。図３および図４は、本実施の形態に係る計測プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。本実施の形態に係る計測システム１では、図示しないＵＩ（ユーザインタフェース）部等を介して計測処理の開始を指示することで、演算部１２内に備えられた図示しないＣＰＵがＲＯＭ等の記憶手段に記憶された本計測プログラムを読み込み、ＲＡＭ等に展開して図３および図４に示す処理を実行する。なお、本実施の形態では、各々異なる周波数の正弦波を発生する４個の正弦波発生回路３０を用いた形態を例示して説明する。また、本実施の形態では、計測システム１を肌センサとして機能させる形態を例示して説明する。

図３（ａ）に示すように、ステップＳ１でアナログ部の電源を投入する。本実施の形態に係るアナログ部は、図２におけるＤＡＣ３２の出力からＡＤＣ３３の入力までをいう。

ステップＳ２で測定端子を「肌」に装着する、すなわち電極１３を被験者の肌に装着し、切替回路３６を電極１３側に切り替える。その際、電極１３−１、１３−２の対で肌を挟持するようにして装着する。

ステップＳ３でＡＤＣ３３、ＤＡＣ３２を稼働させる。

ステップＳ４で予備計測用発振パラメータを正弦波発生回路３０−１に設定する。本実施の形態に係る予備計測とは、肌の抵抗値の概算値を取得し、肌の生体インピーダンスの計測にあたり複数の基準抵抗３８の中から適切な抵抗値の基準抵抗３８を選択する計測をいう。つまり、本予備計測で得られた抵抗値に近い基準抵抗３８が選択される。基準抵抗３８は後述する生体インピーダンスの計測アルゴリズムにおいて計測系の校正に用いられる。なお、ステップＳ４を実行する際の正弦波発生回路３０は正弦波発生回路３０−１に限られず、複数（本実施の形態では４つ）の中から計測系等を考慮して適切なものを選択してよい。

ステップＳ５で正弦波発生回路３０−１から正弦波を発生させる。

ステップＳ６で相関値演算回路３１−１を用いて、正弦波発生回路３０−１からの正弦波信号とＡＤＣ３３からの出力（計測信号）との間の相関値の演算を開始する。すなわち、計測信号から正弦波発生回路３０−１の周波数の成分を検知する。

ステップＳ７で終了待ちを行う。本実施の形態における終了待ちとは所定の計測時間(以下、「待ち時間」）が経過するまで次の処理を行わない（待機する）ことをいう。待ち時間は演算サンプルの数等に応じて設定される。本実施の形態では、待ち時間は図示しないＵＩ部等から入力するが、これに限られず予め本計測プログラムのなかで設定しておいてもよい。

ステップＳ８で相関値を用いて肌の概算の抵抗値を算出する。

ここで、本予備計測によって概算値ながら肌の抵抗値が計測される。そこで、例えばあまり精度を問題とせず、おおよその肌の状態を知りたいような場合には、本予備計測によって計測された抵抗値を肌の抵抗値としてもよい。

図３（ｂ）に示すようにステップＳ９で待ち時間を設定する。ステップＳ９以降は、本計測処理において肌の生体インピーダンスを実際に計測する処理である。

ステップＳ１０で正弦波発生回路３０−１を使用するか否か判定する。本ステップの処理は、例えば図示しないＵＩ部等からの設定に基づいて行われる。当該判定が肯定判定の場合にはステップＳ１１に移行し、否定判定の場合には次のステップＳ１２に移行する。

ステップＳ１１では正弦波発生回路３０−１のパラメータを設定する。本実施の形態におけるパラメータは、正弦波発生回路３０−１の発振周波数、参照周波数、演算サンプル数である。むろんパラメータはこれらに限られず、振幅等他のパラメータを設定することとしてもよい。参照周波数とは、相関値演算回路３１で相関値を演算する際に用いる基準周波数であり、本実施の形態では対応する正弦波発生回路３０の周波数である。演算サンプル数とは、相関値を算出する際のサンプル点の数であり、このサンプル数に基づいて上記の待ち時間が定められる。サンプル数は正弦波発生回路３０の各々で同じであってもよいし、正弦波発生回路３０ごとに異なってもよい。

ステップＳ１２ではステップＳ１０同様に正弦波発生回路３０−２を使用するか判定し、ステップＳ１３で正弦波発生回路３０−２のパラメータを設定する。同様にステップＳ１４、Ｓ１５では正弦波発生回路３０−３に関する処理、ステップＳ１６、Ｓ１７では正弦波発生回路３０−４に関する処理を実行する。

ステップＳ１８では、ステップＳ１０からステップＳ１７で選択された正弦波発生回路３０の発振を開始する。

図４（ａ）に示すように、ステップＳ１９で正弦波発生回路３０の終了設定を行うとともに、相関値の演算を開始する。

ステップＳ２０で待ち時間が終了するまで待機する。

ステップＳ２１で正弦波発生回路３０−１が使用するか否か、すなわちステップＳ１０からＳ１７で正弦波発生回路３０−１が選択されていたか否か判定し、当該判定が肯定判定の場合にはステップＳ２２で相関値演算回路３１−１から相関値の演算結果を読み込む。一方、ステップＳ２１で否定判定となった場合にはステップＳ２３に移行する。

ステップＳ２３、Ｓ２４では正弦波発生回路３０−２についてステップＳ２１、Ｓ２２と同様の処理を行い、ステップＳ２５、Ｓ２６では正弦波発生回路３０−３についてステップＳ２１、Ｓ２２と同様の処理を行い、ステップＳ２７、Ｓ２８では正弦波発生回路３０−４についてステップＳ２１、Ｓ２２と同様の処理を行う。なお、本実施の形態では正弦波発生回路３０の各々が選択されているか否か逐一判定する形態を例示して説明するが、これ限られず、ステップＳ１０からＳ１７における選択結果を図示しないＲＡＭ等の記憶手段に記憶させておき、該選択結果を用いてステップＳ２１からＳ２８に対応する処理を実行するようにしてもよい。

ステップＳ２９で測定端子を基準抵抗に接続する、すなわち切替回路３６を基準抵抗３８に切り替える。

ステップＳ３０で使用する正弦波発生回路３０の発振をイネーブルする、すなわち正弦波発生回路３０の発振を開始させる。

ステップＳ３１で正弦波発生回路３０の終了設定を行い、相関値演算回路３１による相関値の演算を開始する。

ステップＳ３２で待ち時間が終了するまで待機する。その後、本体装置１０に肌が接続されるように切替回路３６を切り替える。

ステップＳ３３で正弦波発生回路３０−１が使用するか否か、すなわちステップＳ１０からＳ１７で正弦波発生回路３０−１が選択されていたか否か判定し、当該判定が肯定判定の場合にはステップＳ３４で相関値演算回路３１−１から相関値の演算結果を読み込む。一方、ステップＳ３３で否定判定となった場合にはステップＳ３５に移行する。

ステップＳ３５、Ｓ３６では正弦波発生回路３０−２についてステップＳ３３、Ｓ３４と同様の処理を行い、ステップＳ３７、Ｓ３８では正弦波発生回路３０−３についてステップＳ３３、Ｓ３４と同様の処理を行い、ステップＳ３９、Ｓ４０では正弦波発生回路３０−４についてステップＳ３３、Ｓ３４と同様の処理を行う。なお、本実施の形態では正弦波発生回路３０の各々が選択されているか否か逐一判定する形態を例示して説明するが、これ限られず、ステップＳ１０からＳ１７における選択結果を図示しないＲＡＭ等の記憶手段に記憶させておき、該選択結果を用いてステップＳ３３からＳ４０に対応する処理を実行するようにしてもよい。

ステップＳ４１では、すべての周波数、すなわち選択された正弦波発生回路３０の周波数の各々についてインピーダンス値（抵抗値、容量値）を算出する。このインピーダンス値の算出は、上記処理によって取得した肌の相関値、基準抵抗の相関値を用いた演算により行う。

次に図５を参照して、本実施の形態に係る計測システム１で実行される生体インピーダンスの計測アルゴリズムについて説明する。

図５は、以下で説明する計測アルゴリズムで参照する計算モデル（等価回路）を示している。図５に示すＤＡＣ３２、ＬＰＦ／ＡＴＴ３４、ＬＰＦ／Ａｍｐ３５、ＡＤＣ３３、電極１３−１、１３−２の各々は図２と同じものである。

図５に示す電極１３−１と１３−２との間には、これらによって挟持された被験者の表面部位（肌）が配置されるが、本例では抵抗Ｒｚ（肌抵抗）と容量Ｃｚ（肌容量）の並列回路（以下、並列インピーダンスを「Ｚ」（肌インピーダンス）で表記する）によって肌をモデル化している（肌モデル４０）。本実施の形態では、基準抵抗３８として抵抗値が各々Ｒ１、Ｒ２の２つの抵抗（各々「基準抵抗Ｒ１」、「基準抵抗Ｒ２」という場合がある）を用いている。むろん基準抵抗は３８は２つに限られず肌の状態等に応じて３つ以上の基準抵抗３８を用いてもよい。図５に示すＲｔはオペアンプ３９（ＲＡＭＰ）の入力抵抗（すなわち測定器の入力抵抗）であり、αは入力抵抗Ｒｔに対する（すなわち測定装置の）利得、位相比である。オペアンプ３９は電極１３−２から入力された計測信号の動作点（図５では「ＡＶＤＤ／２」と表記）を設定する部位であり、これらによってノードＮの動作点が設定される。

図５では、ＬＰＦ／ＡＴＴ３４から出力される計測信号を「Ｖｉｎ」、ＬＰＦ／Ａｍｐ３５から出力される被験者を経由した計測信号を「Ｖｏｕｔ」と表記している。換言するとＶｉｎはＤＡＣ３２の出力にＬＰＦ／ＡＴＴ３４の影響を加えたものであり、Ｖｏｕｔは電極１３−２の出力にＬＰＦ／Ａｍｐ３５の影響を加えたものである。Ｖｉｎ系とＶｏｕｔ系の位相、ゲインの影響はαに集約される。受信側のＬＰＦ／Ａｍｐ３５の特性もαにまとめられている。また、本実施の形態では、オぺアンプ（ＲＡＭＰ）３９によってＶｉｎ系とＶｏｕｔ系が分離されている。

以上のモデル化の下、肌モデルのインピーダンスＺをＺ＝Ｒｅ＋Ｉｍとおくと、肌モデルの抵抗値Ｒ_Ｚ、および容量値Ｃ_Ｚは以下に示す（式１）から（式３）のように算出される。ただし、ＲｅはＺの実部、ＩｍはＺの虚部である。

以下、（式１）から（式３）の導出について詳細に説明する。以下の計算で用いる出力Ｖｏｕｔを以下のように定義する。
Ｖ_ｏＲ１：基準抵抗Ｒ１接続時の出力Ｖｏｕｔ
Ｖ_ｏＲ２：基準抵抗Ｒ２接続時の出力Ｖｏｕｔ
Ｖ_ｏＺ：肌接続時の出力Ｖｏｕｔ
このとき、Ｖ_ｏＲ１、Ｖ_ｏＲ２、Ｖ_ｏＺは以下に示す（式４）のように表せる。

（１）Ｒ_ｔの算出
（式４）を変形して次式を得る。

左辺同士を等しいとおいて式を変形すれば、Ｒ_ｔは以下に示す（式５）のように算出される。

（２）Ｖｉｎの算出
ＶｉｎはＤＡＣ３２の直接の出力ではないため、算出しておく必要がある。
（２−１）Ｖ_ｏＲ１からの算出
（式４）を変形して次式を得る。

上式に（式５）を代入して変形すると、ＶｉｎはＶ_ｏＲ１を用いて以下に示す（式６）のように算出される。

（２−２）Ｖ_ｏＲ２からの算出
（式４）を変形して次式を得る。

上式に（式５）を代入して変形すると、ＶｉｎはＶ_ｏＲ２を用いて以下に示す（式７）のように算出される。

（３）Ｚの算出
（式４）を変形して次式を得る。

（３−１）Ｖ_ｏＲ１からの算出
上記式に（式５）のＲ_ｔと（式６）のＶｉｎを代入して変形すると、Ｚは以下に示す（式８）のように算出される。

（３−２）Ｖ_ｏＲ２からの算出
上記式に（式５）のＲ_ｔと（式７）のＶｉｎを代入して変形すると、Ｚは以下に示す（式９）のように算出される。

ここで、上述した肌モデルのＲｅ、Ｉｍは以下に示す式を満たす。

上記式で示された関係をＲｅの式に代入すると、抵抗値Ｒｚ、容量値Ｃｚは各々以下に再掲する（式１）、(式２）で算出される。



上記に示すように、利得、位相比αは計算過程でキャンセルされ、（式１）から（式３）に含まれていない。

次に図６を参照して、本実施の形態に係る半導体装置、計測システム、計測方法による容量値の算出についてより詳細に説明する。上述した計測システム、計算アルゴリズム、計算モデルを使用することで、本実施の形態に係る半導体装置、計測システム、計測方法では、例えば肌の異なる周波ごとのインピーダンス、抵抗値、容量値が同時に、かつ同一の電極１３を介して取得される。

ここで、水の比誘電率は８０程度と極めて大きく、一方肌の容量値は肌の水分によって大きく変動する。さらに水の比誘電率は計測信号（計測電流）の周波数の影響も受ける。

図６は肌の容量値と肌の水分割合（％表示。図６では「肌水分％」と表記）との関係を示している。図６において実線は周波数がｆ１（例えば５ｋＨｚ）の場合の肌の容量値の肌水分％に対する変化を示し、破線は周波数がｆ２（＞ｆ１。例えば３０ｋＨｚ）の場合の肌の容量値の肌水分％に対する変化を示している。

肌水分％がある値の場合の、周波数がｆ１、ｆ２の容量値を各々Ａ、ＢとするとＢ／Ａの値は肌水分％と相関を有する。換言すれば、Ｂ／Ａの値から肌水分％を得ることができる。また、一般に容量値は電極の大きさによって異なる。しかしながら、本実施の形態に係る半導体装置、計測システム、計測方法では同一の電極１３で同時に測定しているため電極による挟持面積の違いは例えば乗数ｋで表現される。つまり、例えば電極１３を装着しなおした場合の周波数ｆ１、ｆ２における容量値をＡ’、Ｂ’とすれば、Ａ’＝ｋ・Ａ、Ｂ’＝ｋ・Ｂとなる。この場合、
Ｂ’／Ａ’＝（ｋ・Ｂ）／（ｋ・Ａ）＝Ｂ／Ａ
となり、容量の比は電極１３による挟持面積の違いの影響を受けない。電極１３による挟持面積の違いの影響を受けないことから、電極１３を図１に示すように球型とし、肌を挟み込む形状にした場合でも正しい生体インピーダンス値（抵抗値、容量値）が得られる。その結果、本実施の形態に係る半導体装置、計測システム、計測方法は、従来技術に係る電極を使用した場合に計測できなかった皮膚の深い部分の計測も可能となっている。なお、以上の説明は抵抗値の測定においても成立し、抵抗値の測定においても電極による挟持面積の違いの影響を受けない。また、上記では肌センサにおける計測を例示して説明したが、体脂肪の計測においても上記と同様の原理により電極による挟持面積の影響を受けずに計測することが可能である。

以上詳述したように、本実施の形態に係る半導体装置、計測システム、計測方法によれば電極の形状を自由に設計できる。このことにより従来電極の面積が変わるため実現できなかった肌を挟み込む形での体組織計測装置が実現可能となった。その結果美顔ローラに肌センサを組み込むこと、あるいは肌深部の情報（コラーゲン量等）を得ることが可能となった。

また、本実施の形態に係る半導体装置、計測システム、計測方法は肌センサ、体脂肪計に好適であるが、体組織の周波数特性の違いを検出できるので、周波数と体組織との関係、例えばコラーゲンの周波数特性、セルライトの種類ごとの周波数特性を利用すれば、肌の健康状態を具体的に測定する総合肌センサ装置としても使用可能である。

また、本実施の形態に係る半導体装置、計測システム、計測方法によれば、球状の電極で肌を挟持する態様の美肌装置を用いることにより、美肌操作中にも継続的に体組織計測を行うことができる。そのことにより美肌操作中に肌がどのように変化しているかを継続的に計測できるので、例えば美肌操作の終了時点の判断を行うことが可能である。換言すれば、本実施の形態に係る半導体装置、計測システム、計測方法によれば、美肌装置と体組織計測装置を兼用化することも可能である。すなわち、マイクロカレント（微小電流）を流すタイプの美肌操作において、本体装置１０から回転可能とされた球状の電極に微小電流を流す場合は、該微小電流と体組織計測の計測電流とを時分割で流すように構成することも可能である。

１ 計測システム
１０ 本体装置
１１ 半導体装置
１２ 演算部
１３、１３−１、１３−２ 電極
１４ 腕
１５ 皮膚
１５−１ 表皮
１５−２ 真皮
１５−３ 皮下組織
１６ 配線
１７ 加算回路
３０、３０−１〜３０−Ｎ 正弦波発生回路
３１、３１−１〜３１−Ｎ 相関値演算回路
３２ ＤＡＣ
３３ ＡＤＣ
３４ ＬＰＦ／ＡＴＴ
３５ ＬＰＦ／Ａｍｐ
３６、３６−１、３６−２ 切替回路
３８ 基準抵抗
３９ オペアンプ
４０ 肌モデル
Ｎ ノード
ｉｂ 計測電流
Ｒｔ 測定装置の入力抵抗
Ｒ１、Ｒ２ 基準抵抗
Ｚ 肌インピーダンス
Ｒｚ 肌抵抗
Ｃｚ 肌容量
α 測定装置の利得、位相比

Claims (12)

1. 正弦波信号を発生する信号源と、
   第１の電極を介して前記正弦波信号に対応する計測信号を被験者に出力する出力部と、
   第２の電極を介して入力された前記被験者を通過した前記計測信号を入力信号として入力する入力部と、
   前記正弦波信号と前記入力信号の相関値を演算する第１の演算手段と、
   前記相関値に基づいて前記被験者の生体インピーダンスを演算する第２の演算手段と、を含む
   半導体装置。
2. 前記信号源は各々異なる周波数の正弦波信号を発生する複数の前記信号源であり、
   複数の前記信号源で発生した前記正弦波信号を加算する加算部をさらに含み、
   前記出力部は前記加算部で加算された前記正弦波信号に対応する前記計測信号を前記被験者に出力し、
   前記第１の演算手段は複数の前記正弦波信号の各々と前記入力信号との相関値を演算し、
   前記第２の演算手段は複数の前記相関値に基づいて前記生体インピーダンスを演算する
   請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記第２の演算手段は前記生体インピーダンスを抵抗成分と容量成分とにさらに分離する
   請求項２に記載の半導体装置。
4. 前記第２の演算手段は、２つの前記周波数の正弦波信号で測定された前記抵抗成分の比または前記容量成分の比を用いて前記被験者の体組織の状態を計測する
   請求項３に記載の半導体装置。
5. 前記第２の演算手段は、２つの前記周波数の正弦波信号で測定された前記容量成分の比を用いて前記被験者の肌水分を計測する
   請求項３に記載の半導体装置。
6. 前記第１の演算手段は前記正弦波信号と基準抵抗の相関値をさらに演算し、
   前記第２の演算手段は前記相関値に基づいて前記被験者の生体インピーダンスを演算するに際し、前記基準抵抗の相関値を用いて前記生体インピーダンスの計測系の校正を行う
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記第１の演算手段は２つの基準抵抗について相関値を演算し、
   前記第２の演算手段は、前記２つの基準抵抗相関値を用いて前記生体インピーダンスの計測系の校正を行う
   請求項６に記載の半導体装置。
8. 前記第１の演算手段は前記信号源の１つを用いて前記正弦波信号と前記入力信号の相関値を演算し、
   前記第２の演算手段は該相関値に基づいて前記被験者の抵抗値を演算するとともに、該抵抗値を用いて前記基準抵抗の値を選択する
   請求項６または請求項７に記載の半導体装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置と、
   前記出力部からの前記正弦波信号に対応する計測信号を被験者に出力する第１の電極と、
   前記被験者を通過した前記計測信号が入力信号として入力される第２の電極と、を含む
   計測システム。
10. 前記第１の電極および前記第２の電極は、前記被験者の表面部位を挟持して前記被験者に装着される
    請求項９に記載の計測システム。
11. 前記第１の電極および前記第２の電極の形状が球状である
    請求項１０に記載の計測システム。
12. 各々異なる周波数の正弦波信号を発生する複数の信号源、複数の前記正弦波信号を加算した信号に対応する計測信号を被験者に出力する第１の電極、および前記被験者を通過した前記計測信号が入力信号として入力される第２の電極を含む計測システムを用いた計測方法であって、
    前記正弦波信号の各々と前記入力信号との相関値を演算し、
    複数の前記相関値を用いて前記被験者の生体インピーダンスを演算し、
    前記生体インピーダンスを抵抗成分と容量成分に分離し、
    ２つの周波数の各々で測定された前記抵抗成分の比または前記容量成分の比を用いた前記被験者の体組織の状態の計測、および前記２つの周波数の各々で測定された前記容量成分の比を用いた前記被験者の肌水分の計測の少なくとも一方を行う
    計測方法。