JP2023073088A - Bioelectrical impedance measuring device and measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体電気インピーダンスの測定装置および測定方法に関するものであり、特に内部のインピーダンスを測定するものである。 The present invention relates to a bioelectrical impedance measuring device and method, and more particularly to measuring internal impedance.
生体に電流を流して生体電気インピーダンスを測定し、筋肉量や水分量を評価する方法が知られている。 A method is known in which an electric current is applied to a living body to measure bioelectrical impedance to evaluate muscle mass and water content.
特許文献1には、生体に接触させる電極を円環状に多数配置し、そのうち1対の電極から生体に電流を流し、残りの電極で複数の電圧を測定し、これらの測定結果を基に計算処理することで生体電気インピーダンス分布を画像化する装置が記載されている。 In Patent Document 1, a large number of electrodes that are in contact with the living body are arranged in an annular shape, a current is passed through the living body from one pair of electrodes, a plurality of voltages are measured with the remaining electrodes, and calculations are performed based on these measurement results. A device is described for processing to image a bioelectrical impedance distribution.
非特許文献1には、4電極法によって生体電気インピーダンスを測定し、筋肉の高負荷運動前後でのインピーダンスから筋肉の疲労度を評価することが記載されている。 Non-Patent Document 1 describes measuring bioelectrical impedance by a four-electrode method and evaluating the degree of muscle fatigue from the impedance before and after high-load muscle exercise.
非特許文献1の方法により測定できる生体電気インピーダンスは、生体の内側全体のインピーダンスであるが、皮膚のインピーダンスは湿度により大きく変化する。そのため、非特許文献1の方法では生体内部の筋肉のインピーダンス変化のみを計測することが難しかった。特に、装置を小面積化すると生体表面に電流が集中するため、内部のインピーダンス測定がより困難となった。 The bioelectrical impedance that can be measured by the method of Non-Patent Document 1 is the impedance of the entire inside of the living body, but the impedance of the skin changes greatly depending on the humidity. Therefore, with the method of Non-Patent Document 1, it was difficult to measure only the impedance change of the muscle inside the living body. In particular, when the area of the device is reduced, the current concentrates on the surface of the living body, making it more difficult to measure the internal impedance.
また、特許文献1の方法では、内部のインピーダンス分布を画像化するためには広範囲に多数の電極を配置する必要があり、装置やシステムが大型化、複雑化する問題や、処理する計算量が多い問題があった。また電極同士が近接しているため、人体表面に電流が集中し、表面インピーダンスの変動によって内部インピーダンスの測定精度が低下してしまうことが問題であった。 In addition, in the method of Patent Document 1, it is necessary to arrange a large number of electrodes over a wide area in order to image the internal impedance distribution, which increases the size and complexity of the device or system and increases the amount of calculations to be processed. I had a lot of problems. In addition, since the electrodes are close to each other, the current is concentrated on the surface of the human body, and variations in the surface impedance reduce the measurement accuracy of the internal impedance.
そこで本発明の目的は、生体内部のインピーダンスを簡易に測定できる測定装置および測定方法を測定することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a measuring apparatus and a measuring method capable of easily measuring the impedance inside a living body.
本発明の第1態様は、生体に接触させる1対の第1電極と、生体に接触させる1対の電極であって、1対の第1電極を結ぶ直線上に離間して配置され、1対の第1電極が内側となるように配置された第2電極と、生体に接触させる1対の電極であって、1対の第1電極を結ぶ直線上に離間して配置され、1対の第2電極が内側となるように配置された第3電極と、第2電極を介して生体に電流を流してその電流値を測定するとともに第1電極間の電圧値を測定して生体の表面のインピーダンスを測定し、第3電極を介して生体に電流を流してその電流値を測定するとともに第1電極間の電圧値を測定して生体の断面全体のインピーダンスを測定し、生体の表面のインピーダンスと生体の断面全体のインピーダンスから生体の内部のインピーダンスを算出する測定部と、を有することを特徴とする生体電気インピーダンスの測定装置である。 A first aspect of the present invention includes a pair of first electrodes to be brought into contact with a living body, and a pair of electrodes to be brought into contact with a living body, which are spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes, and one A second electrode arranged such that the pair of first electrodes is on the inner side, and a pair of electrodes to be brought into contact with the living body, which are arranged separately on a straight line connecting the pair of first electrodes, and a pair of A current is passed through the living body through the third electrode arranged so that the second electrode of the second electrode is on the inner side, and the current value is measured and the voltage value between the first electrodes is measured to measure the voltage value of the living body. The impedance of the surface of the living body is measured, current is passed through the living body via the third electrode, the current value is measured, and the voltage value between the first electrodes is measured to measure the impedance of the entire cross section of the living body. and a measuring unit for calculating the impedance inside the living body from the impedance of the whole cross section of the living body.
本発明の第1態様において、測定部は、1つの電流源と、電流源と第2電極との接続と、電流源と第3電極との接続を切り替えるスイッチを有していてもよい。 In the first aspect of the present invention, the measurement section may have one current source and a switch that switches between connection between the current source and the second electrode and connection between the current source and the third electrode.
本発明の第2態様は、生体に接触させる1対の第1電極と、生体に接触させる1対の電極であって、1対の第1電極を結ぶ直線上に離間して配置され、1対の第1電極が内側となるように配置された第2電極と、生体に接触させる1対の電極であって、1対の第1電極を結ぶ直線上に離間して配置され、1対の第2電極が内側となるように配置された第3電極と、第2電極を介して生体に第1電流を流すと同時に、第3電極を介して生体に第1電流とは逆相の第2電流を流し、この状態で電流値を測定するとともに第1電極間の電圧値を測定して生体の内部のインピーダンスを算出する測定部と、を有することを特徴とする生体電気インピーダンスの測定装置である。 A second aspect of the present invention includes a pair of first electrodes to be brought into contact with a living body, and a pair of electrodes to be brought into contact with a living body, which are spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes, and one A second electrode arranged such that the pair of first electrodes is on the inner side, and a pair of electrodes to be brought into contact with the living body, which are arranged separately on a straight line connecting the pair of first electrodes, and a pair of a third electrode arranged such that the second electrode of the second electrode is on the inner side; a measurement unit that applies a second current, measures the current value in this state, measures the voltage value between the first electrodes, and calculates the impedance inside the living body. It is a device.
本発明において、第2電極は、1対の第1電極を結ぶ直線に垂直な方向に伸びる線状の形状であってもよい。 In the present invention, the second electrode may have a linear shape extending in a direction perpendicular to a straight line connecting the pair of first electrodes.
本発明において、内部インピーダンスを測定したい生体の部位の厚さをD1とし、第3電極の間隔をL1として、0.1≦L1/D1≦5を満たすようにしてもよい。 In the present invention, 0.1≦L1/D1≦5 may be satisfied, where D1 is the thickness of the part of the living body whose internal impedance is to be measured, and L1 is the distance between the third electrodes.
本発明において、内部インピーダンスを測定したい生体の部位の皮膚の厚さをD2とし、第2電極の間隔をL2として、0.1≦L2/D2≦5を満たすようにしてもよい。 In the present invention, 0.1≦L2/D2≦5 may be satisfied, where D2 is the skin thickness of the part of the living body whose internal impedance is to be measured, and L2 is the interval between the second electrodes.
本発明において、測定部は、生体の内部のインピーダンスの変化から筋肉の疲労度を評価してもよい。 In the present invention, the measurement unit may evaluate the degree of muscle fatigue from changes in impedance inside the living body.
本発明において、測定部は、異なる周波数で生体の内部のインピーダンスを測定し、そのインピーダンスの比の変化により筋肉の疲労度を評価してもよい。 In the present invention, the measurement unit may measure the internal impedance of the living body at different frequencies and evaluate the degree of muscle fatigue based on changes in the impedance ratio.
本発明の第3態様は、1対の第1電極と、1対の電極であって、1対の第1電極を結ぶ直線上に離間して配置し、1対の第1電極が内側となるように配置した第2電極と、1対の電極であって、1対の第1電極を結ぶ直線上に離間して配置し、1対の第2電極が内側となるように配置した第3電極と、を生体に接触し、第2電極を介して生体に電流を流してその電流値を測定するとともに第1電極間の電圧値を測定して生体の表面のインピーダンスを測定し、第3電極を介して生体に電流を流してその電流値を測定するとともに第1電極間の電圧値を測定して生体の断面全体のインピーダンスを測定し、生体の表面のインピーダンスと生体の断面全体のインピーダンスから生体の内部のインピーダンスを算出する、ことを特徴とする生体電気インピーダンスの測定方法である。 A third aspect of the present invention is a pair of first electrodes and a pair of electrodes, which are arranged separately on a straight line connecting the pair of first electrodes, and the pair of first electrodes are arranged inside and a pair of electrodes, which are spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes, and the pair of second electrodes are arranged on the inner side. 3 electrodes are brought into contact with a living body, current is passed through the living body through the second electrode, the current value is measured, and the voltage value between the first electrodes is measured to measure the impedance of the surface of the living body. A current is passed through the living body through three electrodes, and the current value is measured, and the voltage value between the first electrodes is measured to measure the impedance of the entire cross section of the living body. A bioelectrical impedance measuring method characterized by calculating the internal impedance of a living body from the impedance.
本発明の第4態様は、1対の第1電極と、1対の電極であって、1対の第1電極を結ぶ直線上に離間して配置し、1対の第1電極が内側となるように配置した第2電極と、1対の電極であって、1対の第1電極を結ぶ直線上に離間して配置し、1対の第2電極が内側となるように配置した第3電極と、を生体に接触し、第2電極を介して生体に第1電流を流すと同時に、第3電極を介して生体に第1電流とは逆相の第2電流を流し、この状態で電流値を測定するとともに第1電極間の電圧値を測定して生体の内部のインピーダンスを算出する、ことを特徴とする生体電気インピーダンスの測定方法である。 A fourth aspect of the present invention is a pair of first electrodes, and a pair of electrodes, which are spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes, and the pair of first electrodes are inside and a pair of electrodes, which are spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes, and the pair of second electrodes are arranged on the inner side. The three electrodes are brought into contact with the living body, and a first current is passed through the living body through the second electrode, and a second current having a phase opposite to the first current is passed through the living body through the third electrode. and calculating the impedance inside the living body by measuring the current value and measuring the voltage value between the first electrodes.
本発明によれば、生体内部のインピーダンスを簡易に測定することができる。 According to the present invention, the impedance inside the living body can be easily measured.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の生体電気インピーダンスの測定装置の構成を示した図である。図1のように、第1実施形態の生体電気インピーダンスの測定装置は、1対の第1電極10と、1対の第2電極11と、1対の第3電極12と、第1電流源13と、第2電流源14と、第1電流計15と、第2電流計16と、電圧計17と、算出部18と、を有している。第1電流源13、第2電流源14、第1電流計15、第2電流計16、電圧計17、および算出部18は本発明の測定部に相当する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a bioelectrical impedance measuring device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the bioelectrical impedance measuring device of the first embodiment includes a pair of
第1電極10は、生体に接触させる電極であり、生体にかかる電圧を測定するための電極である。1対の第1電極10は、生体の所定位置に離間して配置される。電極の形状は円形である。他にも、長方形、正方形、などの形状であってもよい。また、電極材料は、Au、Al、Cu、Ag/AgClなどである。
The
第2電極11は、生体に接触させる電極であり、生体に電流を流すための電極である。1対の第2電極11は、1対の第1電極10を結ぶ直線上に離間して配置され、1対の第1電極10が1対の第2電極11の内側となるように配置される。電極の形状や材料は第1電極10と同様である。
The
第3電極12は、生体に接触させる電極であり、生体に電流を流すための電極である。1対の第3電極12は、1対の第1電極10を結ぶ直線上に離間して配置され、1対の第2電極11が1対の第3電極12の内側となるように配置される。電極の形状や材料は第1電極10と同様である。
The
第1電流源13は、第2電極11を介して生体に電流を流すための電流源である。第1電流源13の両端は、それぞれ第1電流計15および第2電極11に接続されている。生体に流す電流は、周波数1kHz~1MHz、500μA以下である。
The first
第2電流源14は、第3電極12を介して生体に電流を流すための電流源である。第2電流源14の両端は、それぞれ第2電流計16および第3電極12に接続されている。生体に流す電流は、第1電流源13と同様であり、周波数1kHz~1MHz、500μA以下である。第1電流源13による電流と第2電流源14による電流は同時には流さず、一方のみに流すように制御する。たとえば、1~10ms間隔で交互に電流を流すように制御する。
The second
第1電流計15は、第2電極11を介して生体に流れる電流I1の電流値を測定する装置である。
The
第2電流計16は、第3電極12を介して生体に流れる電流I2の電流値を測定する装置である。
The
電圧計17は、第1電極10間に接続されており、第1電極10間の電圧を測定する装置である。
The
算出部18は、第1電流計15、第2電流計16により測定した電流値と、電圧計17により測定した電圧値とから、生体の内部インピーダンスを算出し、筋肉の疲労度を評価する装置である。その詳細は後述する。
The
次に、第1実施形態における生体電気インピーダンスの測定方法について説明する。 Next, a method for measuring bioelectrical impedance according to the first embodiment will be described.
図2は、生体の腕部分の構造を示した図であり、図3はその等価回路を示した図である。図2のように、生体の腕部分では、中心に骨があり、その周りに筋肉、筋肉の外側に脂肪の層、脂肪の外側に皮膚の構造となっている。よって生体の腕部分全体のインピーダンスは、皮膚のインピーダンス、脂肪のインピーダンス、筋肉のインピーダンス、骨のインピーダンスの並列インピーダンスで近似できる。これらのうち、脂肪や骨の導電率は他に比べて低い。そのため、図3のように、皮膚のインピーダンスと筋肉のインピーダンスの並列インピーダンスでさらに近似できる。 FIG. 2 is a diagram showing the structure of the arm of a living body, and FIG. 3 is a diagram showing its equivalent circuit. As shown in FIG. 2, the arm of a living body has a bone structure in the center, muscle around it, a layer of fat on the outside of the muscle, and skin on the outside of the fat. Therefore, the impedance of the entire arm of the living body can be approximated by the parallel impedance of skin impedance, fat impedance, muscle impedance, and bone impedance. Among these, fat and bone have relatively low conductivity. Therefore, as shown in FIG. 3, it can be further approximated by the parallel impedance of the impedance of the skin and the impedance of the muscle.
ここで、筋運動時、筋肉には多くの血液が流入し、その導電率が変化する。したがって、筋肉の導電率を測定できれば筋肉の疲労度を評価することができる。しかし、筋運動と同時に発汗が生じた場合、皮膚の導電率は大きく変化する。生体の腕部分の断面全体のインピーダンスの測定では、筋肉の血液量と発汗量の2つの変動要因があるため、筋肉のインピーダンスのみを測定できず、筋肉の血液量を正しく評価することができない。 Here, during muscle exercise, a lot of blood flows into the muscle and its conductivity changes. Therefore, if the muscle conductivity can be measured, the degree of muscle fatigue can be evaluated. However, when sweating occurs simultaneously with muscle exercise, the electrical conductivity of the skin changes significantly. In measuring the impedance of the entire cross section of the arm of the living body, there are two factors of variation, the blood volume in the muscle and the amount of perspiration.
そこで第1実施形態では、生体内部のインピーダンスを以下のようにして測定する。第1電流源13により第2電極11を介して生体に電流I1を流し、このときの電流値、電圧値を第1電流計15、電圧計17により測定する。そして、電圧値を電流値で割ってインピーダンスZoutを算出する。
Therefore, in the first embodiment, the impedance inside the living body is measured as follows. A current I1 is supplied to the living body through the
一方、第2電流源14により第3電極12を介して生体に電流I2を流し、このときの電流値、電圧値を第2電流計16、電圧計17により測定する。そして、電圧値を電流値で割ってインピーダンスZallを算出する。
On the other hand, the current I2 is passed through the living body through the
第3電極12は間隔が広く、第2電極11は、第3電極12よりも内側に配置され、電極の間隔が短くなっている。そのため、電流I2は生体の表面から内部にかけて分布するのに対し、電流I1は生体の表面に偏って分布する。よって、インピーダンスZoutは生体表面のインピーダンスに近似でき、インピーダンスZallは生体断面全体のインピーダンスに近似できる。
The
図15は、生体内部の電流分布を電磁界ミュレーションにより求めた結果を示した図である。図15(a)は電流I2、図15(b)は電流I1の分布である。生体モデルは図2の通りであり、骨の外径20mm、筋肉の厚さ30mm、脂肪の厚さ7mm、皮膚の厚さ3mmとし、I1、I2は500Hzとした。また、導電率は、皮膚が0.34S/m、脂肪が0.4327S/m、筋肉が0.351828S/m、骨が0.02064S/mとした。図15のように、電流I2は生体の深部まで分布しているのに対し、電流I1は生体の表面に集中していることがわかる。 FIG. 15 is a diagram showing results obtained by electromagnetic field simulation of the current distribution inside the living body. FIG. 15(a) shows the distribution of the current I2, and FIG. 15(b) shows the distribution of the current I1. The biological model is as shown in FIG. 2, and the outer diameter of bone is 20 mm, the thickness of muscle is 30 mm, the thickness of fat is 7 mm, the thickness of skin is 3 mm, and I1 and I2 are 500 Hz. Also, the electrical conductivity was 0.34 S/m for skin, 0.4327 S/m for fat, 0.351828 S/m for muscle, and 0.02064 S/m for bone. As shown in FIG. 15, the current I2 is distributed deep inside the living body, whereas the current I1 is concentrated on the surface of the living body.
ここで、図3に示したように、生体断面全体のインピーダンスZallは、生体表面のインピーダンスZoutと生体内部のインピーダンスZinの並列インピーダンスに近似できる。よって、ZoutとZallを求めれば、Zin=Zout×Zall/(Zout-Zall)によってZinを算出できる。このようにして、算出部18は、第1電流計15、第2電流計16、電圧計17の測定値から生体内部のインピーダンスZinを算出する。生体内部のインピーダンスZinは、筋肉のインピーダンスに近似できるので、筋肉の疲労度など、筋肉に関する各種の評価に利用することができる。
Here, as shown in FIG. 3, the impedance Zall of the entire cross section of the living body can be approximated to the parallel impedance of the impedance Zout on the surface of the living body and the impedance Zin inside the living body. Therefore, if Zout and Zall are obtained, Zin can be calculated by Zin=Zout×Zall/(Zout−Zall). Thus, the
以上、第1実施形態によれば、簡易な構成によって生体内部のインピーダンスを測定することができる。 As described above, according to the first embodiment, the impedance inside the living body can be measured with a simple configuration.
次に、生体のより詳細なモデルと、筋肉の疲労度測定について説明する。 Next, a more detailed model of the living body and measurement of muscle fatigue will be described.
一般に、生体電気インピーダンスは複素インピーダンスとして扱われる。図8に、生体内の電流の流れを示す。図8のように、細胞膜は容量を有し、低周波では細胞を迂回して外液中を電流が流れる。一方、高周波では、外液だけでなく細胞内の内液にも電流が流れるようになる。図9は、生体の等価回路を示す。図9のように、細胞外液の抵抗をRe、細胞内液の抵抗をRi、細胞膜の容量をCmとして、CmとRiの直列接続と、Reとの並列接続で表される。低周波では、図9(a)のように、Re側に電流が流れ、高周波では、図9(b)のように両側に流れる。図10は、生体電気インピーダンスZのcole-coleプロット表示である。理論的には、低周波ほどReに近づき、高周波ほどRe//Ri(ReとRiの並列抵抗)に近づく。 In general, bioelectrical impedance is treated as complex impedance. FIG. 8 shows the current flow in the living body. As shown in FIG. 8, the cell membrane has capacitance, and at low frequencies the current bypasses the cell and flows through the external fluid. On the other hand, at high frequencies, current flows not only in the external fluid but also in the internal fluid inside the cell. FIG. 9 shows an equivalent circuit of a living body. As shown in FIG. 9, where Re is the resistance of the extracellular fluid, Ri is the resistance of the intracellular fluid, and Cm is the capacitance of the cell membrane, it is represented by a series connection of Cm and Ri and a parallel connection of Re. At low frequencies, the current flows on the Re side as shown in FIG. 9(a), and at high frequencies it flows on both sides as shown in FIG. 9(b). FIG. 10 is a cole-cole plot representation of bioelectrical impedance Z. FIG. Theoretically, the lower the frequency, the closer to Re, and the higher the frequency, the closer to Re//Ri (parallel resistance of Re and Ri).
筋肉が疲労すると、筋肉には血液が流入する。血液の導電率は筋肉の導電率よりも高いため、筋肉の疲労により生体電気インピーダンスZは低下する。図11は、筋肉の疲労前、疲労後の生体電気インピーダンスZを示している。図11のように、Zの実部は筋肉の疲労により低下するため、その変化量を上記の生体内部のインピーダンスの測定によって評価することで、筋肉の疲労度を評価することができる。 When a muscle is tired, blood flows to the muscle. Since the conductivity of blood is higher than that of muscle, bioelectrical impedance Z decreases with muscle fatigue. FIG. 11 shows the bioelectrical impedance Z of muscle before and after fatigue. As shown in FIG. 11, since the real part of Z decreases due to muscle fatigue, the degree of muscle fatigue can be evaluated by evaluating the amount of change by measuring the impedance inside the living body.
ただし、Zの実部は個人差があり、Zの実部の変化量だけでは筋肉の疲労度の評価が困難な場合もある。そこで、細胞内外液抵抗比Re/Riの変化や、異なる周波数での生体内部のインピーダンスの比の変化を評価指標として用いることにより、個人差による誤差を低減し、より精度よく筋肉の疲労度を測定することができる。異なる周波数での生体内部のインピーダンスの比は、たとえば、低周波での生体内部のインピーダンスと高周波での生体内部のインピーダンスの比である。低周波は、たとえば100Hz~10kHzであり、高周波は、たとえば100kHzから10MHzである。 However, there are individual differences in the real part of Z, and it may be difficult to evaluate the degree of muscle fatigue based only on the amount of change in the real part of Z. Therefore, by using changes in the intracellular and extracellular fluid resistance ratio Re/Ri and changes in the impedance ratio in the living body at different frequencies as evaluation indices, errors due to individual differences can be reduced and muscle fatigue can be estimated more accurately. can be measured. The ratio of the impedance inside the body at different frequencies is, for example, the ratio of the impedance inside the body at low frequencies and the impedance inside the body at high frequencies. Low frequencies are, for example, 100 Hz to 10 kHz, and high frequencies are, for example, 100 kHz to 10 MHz.
図12は、複素インピーダンスを考慮した生体の等価回路である。このような回路の場合も、Zin=Zout×Zall/(Zout-Zall)によって生体内部のインピーダンスを測定できる。図13は、Zall、Zin、Zoutの計算例である。複素インピーダンスを考慮した場合も、生体内部のインピーダンスZinを計算できることが確認できる。 FIG. 12 is an equivalent circuit of a living body considering complex impedance. In the case of such a circuit as well, the impedance inside the living body can be measured by Zin=Zout×Zall/(Zout−Zall). FIG. 13 is a calculation example of Zall, Zin, and Zout. It can be confirmed that the impedance Zin inside the living body can be calculated even when the complex impedance is taken into consideration.
次に、各電極の間隔について好ましい範囲を説明する。電流を流す電極の間隔が広いほど深部まで電流を流すことができるが、生体は部位によって厚さが異なる。そこで、内部インピーダンスを測定したい生体の部位の厚さをD1とし、第3電極12の間隔をL1として、0.1≦L1/D1≦5とすることが好ましい。L1をD1と同程度とすることで、装置の小型化を図りつつ、電流を深部まで流すことができる。また、第2電極11を介して流す電流は、生体の皮膚部分に局在させる必要がある。そこで、内部インピーダンスを測定したい生体の部位の皮膚の厚さをD2とし、第2電極11の間隔をL2として、0.1≦L2/D2≦5とすることが好ましい。L2をD2と同程度とすることで、電流を生体の皮膚部分に局在させる。なお、電極の配置上、第1電極10の間隔をL3として、L3<L2<L1を満たす。第1電極10の間隔L3は、0<L3<L2を満たす範囲で任意に設定してよい。
Next, a preferable range of the distance between the electrodes will be described. The wider the distance between the electrodes through which the current is applied, the deeper the current can be applied. Therefore, it is preferable that 0.1≦L1/D1≦5, where D1 is the thickness of the part of the living body whose internal impedance is to be measured, and L1 is the distance between the
図14は、第1実施形態の生体電気インピーダンスの測定装置を利用した筋肉疲労度測定装置の構成を示した図である。図14のように、筋肉疲労度測定装置は、絆創膏型のデバイスであり、絶縁体のシート21の一方の面(裏面とする)に粘着剤が塗布されている。また、絶縁体のシート21の裏面には、第1電極10、第2電極11、第3電極12が第1実施形態と同様に配置されている。また、シート21の表面には、第1電流源13、第2電流源14、第1電流計15、第2電流計16、電圧計17、算出部18、表示部20を1つにまとめた装置が実装されている。シート21の裏面を生体に貼り付け、第1電極10、第2電極11、第3電極12を生体に接触させて、第1実施形態と同様にして生体内部のインピーダンスを測定する。算出部18は算出した生体内部のインピーダンスの変化から筋肉の疲労度を推定する。表示部20は、その推定された疲労度を文字などで表示する。たとえば、疲労度を低、中、高の3段階に判定し、「疲労度 高」などと表示する。
FIG. 14 is a diagram showing the configuration of a muscle fatigue measuring device using the bioelectrical impedance measuring device of the first embodiment. As shown in FIG. 14, the muscle fatigue level measuring device is a bandage type device, and an adhesive is applied to one surface (referred to as the back surface) of an insulating
表示部20による表示に替えて、あるいは加えて、アラームや音声などによって疲労度を通知してもよい。また、表示部20に替えて、あるいは加えて、Bluetooth(登録商標)などの無線通信装置を設けてもよい。算出部18により求めた筋肉の疲労度の情報を無線通信装置により送信し、これをスマートフォン、タブレット端末など無線通信端末により受信して、その無線通信端末に筋肉の疲労度を表示したり、音により通知したりすることができる。またこの場合、算出部18は無線通信端末にインストールされたアプリケーションとしてもよい。
Instead of or in addition to the display by the
(変形例1)
図4のように、第2電極11の形状を第1電極10側に凸の円弧状としてもよい。第1電極10を結ぶ直線に垂直方向に伸びる線状であれば円弧でなくともよい。このような電極形状とすることで、第2電極11を介して電流を流したときの生体表面での電流分布と、第3電極12を介して電流を流したときの生体表面での電流分布が同等となり、生体内部のインピーダンスをより精度よく求めることができる。図5のように第2電極11の長さ(第1電極10を結ぶ直線に垂直方向の長さ)をx、第3電極12の間隔をL1、第2電極11の間隔をL2として、xは、0.8≦(2(L1-L2))1/2≦1.2とすることが好ましい。この範囲であれば第2電極11を介して電流を流したときの生体表面での電流分布と、第3電極12を介して電流を流したときの生体表面での電流分布をより同等に近づけることができる。
(Modification 1)
As shown in FIG. 4, the shape of the
(変形例2)
図5のように、電流源は第1電流源13のみとし、1対のスイッチ19を設け、スイッチ19によって第1電流源13と第2電極11、第3電極12の接続を切り替えるように構成してもよい。図5(a)は、第1電流源13と第3電極12とを接続した状態を示している。図5(b)は、第1電流源13と第2電極11とを接続した状態を示している。このように構成すれば、電流源と電流計が1つで済み、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
(Modification 2)
As shown in FIG. 5, only the first
(変形例3)
上記第1実施形態では、第1電流源13による電流I1と第2電流源14による電流I2とを交互に流していたが、図6のように、第1電流源13による電流I1と第2電流源14による電流I2とを逆相にして同時に流してもよい。この場合、生体断面における電流分布は図7に示すようになる。図7のように、第1電流源13により第2電極11を介して生体に流れる電流I1は、生体表面に分布する。一方、第2電流源14により第3電極12を介して生体に流れる電流I2は、生体表面だけでなく内部にも分布する。ここで、電流I1と電流I2とは逆相である。そのため、生体表面では電流がキャンセルし、主に生体内部に電流が分布する。この電流値を第2電流計16で測定し、電圧計17で電圧を測定すれば、生体内部のインピーダンスを算出することができる。要するに、第1実施形態は計算処理により表面のインピーダンスを除去する構成であるが、変形例3は物理的に表面のインピーダンスを除去する構成である。
(Modification 3)
In the first embodiment, the current I1 from the first
変形例3のように電流I1と電流I2とを逆相にして同時に流す場合、電流I1、I2の振幅は、I1=k×I2として、0.1×(L2/L1)2<k<(L2/L1)2となるように設定するとよい。このようにkを設定すれば、電流I1の電流密度I1’、電流I2の電流密度をI2’として、いずれの領域においてもI1’<I2’とすることができる。特に生体表面において大きく電流を打ち消すことができ、生体内部において電流密度を高くすることができる。その結果、生体表面でのインピーダンス変動の影響をより低減でき、生体内部でのインピーダンス変動の測定感度を高めることができる。 When the currents I1 and I2 are opposite in phase and flow simultaneously as in Modification 3, the amplitude of the currents I1 and I2 is 0.1×(L2/L1) 2 <k<(I1=k×I2). L2/L1) should be set to 2 . If k is set in this manner, I1'<I2' can be established in any region, where I1' is the current density of the current I1 and I2' is the current density of the current I2. In particular, the current can be greatly canceled on the surface of the living body, and the current density can be increased inside the living body. As a result, the influence of impedance fluctuations on the surface of the living body can be further reduced, and the measurement sensitivity of impedance fluctuations inside the living body can be enhanced.
本発明は、筋肉の疲労度の測定などに利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used to measure muscle fatigue.
10:第1電極
11:第2電極
12:第3電極
13:第1電流源
14:第2電流源
15:第1電流計
16:第2電流計
17:電圧計
18:算出部
19:スイッチ
20:表示部
21:シート
10: first electrode 11: second electrode 12: third electrode 13: first current source 14: second current source 15: first ammeter 16: second ammeter 17: voltmeter 18: calculator 19: switch 20: Display unit 21: Sheet
Claims (10)
前記生体に接触させる1対の電極であって、1対の前記第1電極を結ぶ直線上に離間して配置され、1対の前記第1電極が内側となるように配置された第2電極と、
前記生体に接触させる1対の電極であって、1対の前記第1電極を結ぶ直線上に離間して配置され、1対の前記第2電極が内側となるように配置された第3電極と、
前記第2電極を介して前記生体に電流を流してその電流値を測定するとともに前記第1電極間の電圧値を測定して前記生体の表面のインピーダンスを測定し、前記第3電極を介して前記生体に電流を流してその電流値を測定するとともに前記第1電極間の電圧値を測定して前記生体の断面全体のインピーダンスを測定し、前記生体の表面のインピーダンスと前記生体の断面全体のインピーダンスから前記生体の内部のインピーダンスを算出する測定部と、
を有することを特徴とする生体電気インピーダンスの測定装置。 a pair of first electrodes to be brought into contact with a living body;
A pair of electrodes to be brought into contact with the living body, the second electrode being spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes and arranged such that the pair of first electrodes are inside. and,
A pair of electrodes to be brought into contact with the living body, the third electrode being spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes and arranged such that the pair of second electrodes are inside. and,
A current is passed through the living body through the second electrode, the current value is measured, the voltage value between the first electrodes is measured, the surface impedance of the living body is measured, and the surface impedance of the living body is measured through the third electrode. An electric current is passed through the living body, the current value is measured, and the voltage value between the first electrodes is measured to measure the impedance of the entire cross section of the living body. a measuring unit that calculates the impedance inside the living body from the impedance;
A bioelectrical impedance measuring device comprising:
前記生体に接触させる1対の電極であって、1対の前記第1電極を結ぶ直線上に離間して配置され、1対の前記第1電極が内側となるように配置された第2電極と、
前記生体に接触させる1対の電極であって、1対の前記第1電極を結ぶ直線上に離間して配置され、1対の前記第2電極が内側となるように配置された第3電極と、
前記第2電極を介して前記生体に第1電流を流すと同時に、前記第3電極を介して前記生体に前記第1電流とは逆相の第2電流を流し、この状態で電流値を測定するとともに前記第1電極間の電圧値を測定して前記生体の内部のインピーダンスを算出する測定部と、
を有することを特徴とする生体電気インピーダンスの測定装置。 a pair of first electrodes to be brought into contact with a living body;
A pair of electrodes to be brought into contact with the living body, the second electrode being spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes and arranged such that the pair of first electrodes are inside. and,
A pair of electrodes to be brought into contact with the living body, the third electrode being spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes and arranged such that the pair of second electrodes are inside. and,
A first current is passed through the living body through the second electrode, and at the same time, a second current opposite in phase to the first current is passed through the living body through the third electrode, and the current value is measured in this state. a measuring unit that measures the voltage value between the first electrodes and calculates the impedance inside the living body;
A bioelectrical impedance measuring device comprising:
前記第2電極を介して前記生体に電流を流してその電流値を測定するとともに前記第1電極間の電圧値を測定して前記生体の表面のインピーダンスを測定し、
前記第3電極を介して前記生体に電流を流してその電流値を測定するとともに前記第1電極間の電圧値を測定して前記生体の断面全体のインピーダンスを測定し、
前記生体の表面のインピーダンスと前記生体の断面全体のインピーダンスから前記生体の内部のインピーダンスを算出する、
ことを特徴とする生体電気インピーダンスの測定方法。 A pair of first electrodes and a pair of electrodes, which are spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes, and arranged such that the pair of first electrodes are inside. two electrodes; a third electrode, which is a pair of electrodes and is spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes, and arranged such that the pair of second electrodes are inside; in contact with the living body,
applying a current to the living body through the second electrode and measuring the current value and measuring the voltage value between the first electrodes to measure the surface impedance of the living body;
applying a current to the living body through the third electrode and measuring the current value and measuring the voltage value between the first electrodes to measure the impedance of the entire cross section of the living body;
calculating the impedance inside the living body from the impedance of the surface of the living body and the impedance of the entire cross section of the living body;
A bioelectrical impedance measuring method characterized by:
前記第2電極を介して前記生体に第1電流を流すと同時に、前記第3電極を介して前記生体に前記第1電流とは逆相の第2電流を流し、この状態で電流値を測定するとともに前記第1電極間の電圧値を測定して前記生体の内部のインピーダンスを算出する、
ことを特徴とする生体電気インピーダンスの測定方法。
A pair of first electrodes and a pair of electrodes, which are spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes, and arranged such that the pair of first electrodes are inside. two electrodes; a third electrode, which is a pair of electrodes and is spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes, and arranged such that the pair of second electrodes are inside; in contact with the living body,
A first current is passed through the living body through the second electrode, and at the same time, a second current opposite in phase to the first current is passed through the living body through the third electrode, and the current value is measured in this state. and calculating the impedance inside the living body by measuring the voltage value between the first electrodes;
A bioelectrical impedance measuring method characterized by:
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