JP4084347B2

JP4084347B2 - 高周波帯域の皮膚インピーダンス応答を表現する皮膚インピーダンスモデル

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Publication number: JP4084347B2
Application number: JP2004332409A
Authority: JP
Inventors: 祐榮張; 辰鎬 ▲チョ▼; 尚勳申; 政祐李
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-11-17
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2024-11-16
Also published as: US20050107996A1; KR20050047295A; KR100580629B1; CN1618397A; CN1303939C; EP1530946B1; DE602004020436D1; EP1530946A1; JP2005144182A

Description

本発明は身体組成成分分析に係り、特に高周波帯域の皮膚インピーダンス応答を表現する皮膚インピーダンス特性模擬装置に関する。

身体内の生体電気インピーダンス（以下、簡単に“インピーダンス”と称す）を測定して皮膚の状態を推定したり、体脂肪量を測定したり、皮膚の薬物侵入程度を調べたり、または刺激に対する皮膚の反応などを調べる。図１は、生体の細胞構造を説明する図面である。これを参照すれば、各細胞はその形態及び大きさが少しずつ異なるために各細胞を時定数（ＴｉｍｅＣｏｎｓｔａｎｔ：ＲＣ）等価回路で表現する時、ＲＣは少しずつ差があることが分かる。

図２は、コール（Ｃｏｌｅ）により提案された皮膚インピーダンスモデルを示し、図３は、コールインピーダンスモデルによって複素インピーダンス軌跡に表現される生体インピーダンス軌跡を示す図面である。周波数が低い場合にインピーダンスは複素インピーダンス平面上でＲ_０に位置し、周波数（ω）が増加するにつれて半円軌跡に沿って動く。そして、最終的に高い周波数ではＲ_∞に収斂する。

一方、コールインピーダンスモデルでは抵抗と共に一定位相素子（ＣｏｎｓｔａｎｔＰｈａｓｅＥｌｅｍｅｎｔ、以下“ＣＰＥ”と称す）という素子を使用するが、これは抵抗とキャパシタとの中間的性質を持つ素子であって次のように表現される。

ここで、ｋは周波数（ω）＝１ｒａｄ／ｓである時のＣＰＥの大きさを示し、αは抵抗とキャパシタとの中間特性を持つものであって、例えば人間の皮膚の場合に０．５〜１の値を持つ。

ＣＰＥ素子を含むコールモデルに関する数式は次のように整理される。

数式２は生体インピーダンスの基礎的なモデルとして使われている。

コールインピーダンスモデルに適したパラメータを設定した後、１Ｈｚ〜１０ｋＨｚのインピーダンス値に対するシミュレーション結果を複素インピーダンス平面に表現すれば図４のようなインピーダンス軌跡をなす。

周波数が１０ｋＨｚ以上であればインピーダンスがＲ_∞に収斂されるためにインピーダンスデータを複素インピーダンス平面に表現し難い。数十ｋＨｚ以上の高周波帯域の皮膚インピーダンス特性を観察するためにデータを複素アドミタンス平面に表現できる。１Ｈｚ〜１０ｋＨｚのデータを複素アドミタンス平面に表現すれば、図５のように完全な円軌跡をなさずに直線と類似したグラフ形態を示す。

コールインピーダンスモデルを利用して２ＭＨｚ領域までシミュレーションを行って複素アドミタンスの平面に表現すれば、図６のように半円軌跡をなす。したがって、高周波領域の皮膚インピーダンス特性を観察するためには測定されたデータやシミュレーション結果を複素アドミタンス平面に表現する必要がある。

生体インピーダンスに関する研究のうち生体の特定部分である皮膚インピーダンス特性に関する研究も活発に進行しつつある。その中でＫｏｎｔｔｕｒｉにより提案された皮膚インピーダンスを電気的素子でモデリングした皮膚インピーダンスモデルが図７に図示されている。図７の皮膚インピーダンスモデルを数式で表せば次の通りである。

前述したように、測定された皮膚インピーダンスデータを複素インピーダンス平面上に表現する時、低周波領域で完全な半円軌跡をなせずに若干開かれたような円軌跡が現れる。Ｋｏｎｔｔｕｒｉは既存のコールロシアインピーダンスモデルに抵抗及びインダクタンスを追加することによって皮膚のインピーダンス応答特性を改善させた。

Ｋｏｎｔｔｕｒｉの皮膚インピーダンスモデルで使われた測定周波数の最大値が１０ｋＨｚであるため、これより高い周波数の皮膚インピーダンス特性については考慮しなかった。

Ｋｏｎｔｔｕｒｉの皮膚インピーダンスモデルをシミュレーションした結果を複素インピーダンス平面に表現すれば図８の通りである。図８は、完全な軌跡ではなく低周波領域で若干開かれたような形態を示す。これは、Ｋｏｎｔｔｕｒｉ皮膚インピーダンスモデルは低周波領域で表現される皮膚インピーダンス応答をよく表現することを意味する。

しかし、２ＭＨｚまでの応答をシミュレーションを通じて求めれば、複素インピーダンス平面では図８のように表現されるために高周波領域の特性を把握できない。シミュレーション結果を複素アドミタンス平面に表現すれば図９のように直線と類似した軌跡を示す。

実際的に、皮膚の周波数応答を調べるために２ＭＨｚまでの皮膚インピーダンスデータを測定してこれを複素アドミタンス平面に表現すれば、図１０に図示されたように、数ＭＨｚの高周波帯域ではアドミタンスが増加する現象を示す。

図９と図１０とを比較すれば、Ｋｏｎｔｔｕｒｉ皮膚インピーダンスモデルもやはり高周波帯域の皮膚応答をよく表現できない問題点を持っている。

本発明の目的は、数ＭＨｚの高周波帯域の皮膚応答特性を表現できる皮膚インピーダンス特性模擬装置を提供するところにある。

前記目的を達成するために、本発明の一面による皮膚インピーダンス特性模擬装置は、測定対象身体部位の両端に所定の電流を流して測定対象身体部位の両端間の電圧を測定することによって推定されるが、測定対象身体部位で３電極法を利用して測定されるデータから得られる。皮膚インピーダンス特性模擬装置は、測定対象身体部位の第１領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第１抵抗と、該第１抵抗と並列連結される第１一定位相素子とからなる第１回路と、測定対象身体部位の第２領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第２抵抗と、該第２抵抗と並列連結された第２一定位相素子と、これらに直列連結される第３抵抗とからなる第２回路と、測定対象身体部位の第３領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第４抵抗と、該第４抵抗と並列連結される第３一定位相素子とからなる第３回路と、を具備し、並列連結される前記第２回路及び前記第３回路が第５抵抗を通じて前記第１回路と直列連結される。

望ましくは、第１回路は、第１領域として、測定対象身体部位の皮膚真皮のインピーダンス特性を模擬し、第２回路は、第２領域として、測定対象身体部位の皮膚真皮成分のうち細胞膜と細胞内液のインピーダンス特性を模擬し、第３回路は、第３領域として、測定対象身体部位の皮膚真皮成分のうち細胞外液のインピーダンス特性を模擬する。

前記目的を達成するために、本発明の他面による皮膚インピーダンス特性模擬装置は、測定対象身体部位の第１領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第１抵抗と、該第１抵抗と並列連結される第１一定位相素子とからなる第１回路と、測定対象身体部位の第２領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第２抵抗と、該第２抵抗と並列連結された第２一定位相素子と、これらに直列連結される第３抵抗とからなる第２回路と、測定対象身体部位の第３領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第４抵抗と、該第４抵抗と並列連結される第３一定位相素子とからなる第３回路と、を具備し、並列連結される第２回路及び第３回路が第１回路と直列連結される。

前記目的を達成するために、本発明のさらに他面による皮膚インピーダンス特性模擬装置は、測定対象身体部位の第１領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第１抵抗と、該第１抵抗と並列連結される第１一定位相素子とからなる第１回路と、測定対象身体部位の第２領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第２抵抗と、該第２抵抗と並列連結された第２一定位相素子と、これらに直列連結される第３抵抗とからなる第２回路と、測定対象身体部位の第３領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第３一定位相素子からなる第３回路と、を具備し、並列連結される第２回路及び第３回路が第１回路と直列連結される。

本発明により提案される皮膚インピーダンスモデルは、高周波帯域の皮膚インピーダンス応答を表現できる。

本発明と本発明の動作上の利点及び本発明の実施によって達成される目的を十分に理解するためには本発明の望ましい実施例を例示する添付図面及び添付図面に記載された内容を参照せねばならない。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例を説明することによって、本発明を詳細に説明する。各図面に提示された同じ参照符号は同じ部材を示す。

図１１は、本発明の第１実施例による皮膚インピーダンス特性模擬装置を説明する図面であって、図１２のような３電極法を利用して測定される皮膚インピーダンスデータを分析して導出された。３電極法は、第１端子と第３端子間に一定電流Ｉを流しつつ第２端子と第３端子間の電圧Ｖを測定する方法である。図１３は、１ｋＨｚ〜２ＭＨｚ帯域の３６個の周波数地点で腕部分の皮膚インピーダンスデータを示す。

図１３の皮膚インピーダンスデータから得られる図１１の第２端子と第３端子間の皮膚インピーダンスモデル１１０は第１領域Ａ、第２領域Ｂそして第３領域Ｃと表現される。第１領域Ａは、第１抵抗Ｒ１と第１ＣＰＥＺ_ＣＰＥ１が並列連結されて皮膚真皮のインピーダンスを表現する部分である。第２領域Ｂは、第２抵抗Ｒ２と第２ＣＰＥＺ_ＣＰＥ２が並列連結され、並列連結された第２抵抗Ｒ２及び第２ＣＰＥＺ_ＣＰＥ２が第３抵抗Ｒ３と直列連結されて、皮膚の真皮成分のうち細胞膜及び細胞内液で表現する部分である。第３領域Ｃは、第４抵抗Ｒ４と第３ＣＰＥＺ_ＣＰＥ３とが並列連結されて皮膚の真皮成分のうち細胞外液を表現する部分である。第２領域Ｂと第３領域Ｃとは並列連結され、並列連結された第２領域Ｂと第３領域Ｃとは第５抵抗Ｒ５を通じて第１領域Ａと直列連結される。

この皮膚インピーダンスモデル１１０を数式で表現すれば次の通りである。

皮膚インピーダンスモデル１１０に適用される各パラメータ及び誤差は表１のように整理される。

図１４は、本発明の第２実施例による皮膚インピーダンス特性模擬装置を示す図面である。これを参照すれば、皮膚インピーダンス特性模擬装置１４０は、第１抵抗Ｒ１と並列連結される第１ＣＰＥＺ_ＣＰＥ１を持つ第１領域Ａと、第２抵抗Ｒ２と第２ＣＰＥＺ_ＣＰＥ２とが並列連結され、これと直列連結される第３抵抗Ｒ３を持つ第２領域Ｂと、そして第４抵抗Ｒ４と並列連結される第３ＣＰＥＺ_ＣＰＥ３を持つ第３領域Ｃを含む。第２領域Ｂと第３領域Ｃとが並列連結され、並列連結された第２領域Ｂ及び第３領域Ｃは第１領域Ａと直列連結される。皮膚インピーダンスモデル１４０は、図１１の皮膚インピーダンスモデル１１０から第５抵抗Ｒ５を除去した単純化したモデルである。

この皮膚インピーダンスモデル１４０に適用されるパラメータ及び誤差は表２のように整理される。

図１５は、本発明の第３実施例による皮膚インピーダンス特性模擬装置を示す図面である。これを参照すれば、皮膚インピーダンス特性模擬装置１５０は第１抵抗Ｒ１と並列連結される第１ＣＰＥＺ_ＣＰＥ１を持つ第１領域Ａと、第２抵抗Ｒ２と並列連結された第２ＣＰＥＺ_ＣＰＥ２と直列連結される第３抵抗Ｒ３を持つ第２領域Ｂと、そして第３ＣＰＥＺ_ＣＰＥ３を持つ第３領域Ｃとを含む。そして、並列連結される第２領域Ｂと第３領域Ｃとが第１領域Ａと直列連結される。この皮膚インピーダンスモデル１５０は、図１４の皮膚インピーダンスモデル１４０と比較して第４抵抗Ｒ４特性が第２抵抗Ｒ２及び第３抵抗Ｒ３に含まれて最も単純化されたモデルである。

この皮膚インピーダンスモデル１５０に適用されるパラメータ及び誤差は表３のように整理される。

したがって、本発明の実施例による皮膚インピーダンスモデルは、Ｘ^２誤差が３Ｅ−６程度に小さく現れ、図１３の測定された皮膚インピーダンスデータをよく表現していることが分かる。

本発明は図面に図示された実施例を参考として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、本技術分野の当業者ならばこれより多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点を理解できる。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲の技術的思想により定められねばならない。

本発明により提案される皮膚インピーダンスモデルは、ＥＩＴ（ＥｌｅｃｒｉｃａｌＩｍｐｅｄａｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）や体脂肪計などで体成分測定やいろいろな臨床分野に適用できる。特に、薬物の侵入程度や皮膚経穴の特性調査、刺激に対する皮膚の反応調査などに使われうる。また、皮膚のインピーダンス特性を研究するに当って仮想の応答を提供するシミュレーターの製作にも使われうる。

生体の細胞構造を説明する図面である。コールにより提案された皮膚インピーダンスモデルを示す図面である。コールインピーダンスモデルによって複素インピーダンス軌跡に表現される生体インピーダンス軌跡を示す図面である。コールインピーダンスモデルを利用して１Ｈｚ〜１０ｋＨｚのインピーダンス値に対するシミュレーション結果を複素インピーダンス平面に表現した図面である。コールインピーダンスモデルを利用して１Ｈｚ〜１０ｋＨｚのデータを複素アドミタンス平面に表現した図面である。コールインピーダンスモデルを利用して２ＭＨｚ領域までシミュレーションを行って複素アドミタンス平面に表現した図面である。Ｋｏｎｔｔｕｒｉにより提案された皮膚インピーダンスを電気的素子でモデリングした皮膚インピーダンスモデルを示す図面である。Ｋｏｎｔｔｕｒｉの皮膚インピーダンスモデルをシミュレーションした結果を複素インピーダンス平面に表現した図面である。Ｋｏｎｔｔｕｒｉの皮膚インピーダンスモデルを利用して１Ｈｚから２ＭＨｚまでシミュレーションした結果を複素アドミタンス平面に表現した図面である。皮膚の周波数応答を調べるために１Ｈｚから２ＭＨｚまでの皮膚インピーダンスデータを測定して複素アドミタンス平面に表現した図面である。本発明の第１実施例による皮膚インピーダンスモデルを説明する図面である。皮膚インピーダンス測定のための３電極法を説明する図面である。図１２の３電極法により測定された皮膚インピーダンスデータを示す図面である。本発明の第２実施例による皮膚インピーダンスモデルを説明する図面である。本発明の第３実施例による皮膚インピーダンスモデルを説明する図面である。

符号の説明

１１０皮膚インピーダンスモデル
Ａ、Ｂ、Ｃ第１ないし第３領域
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５第１ないし第５抵抗
Ｚ_ＣＰＥ１、Ｚ_ＣＰＥ２、Ｚ_ＣＰＥ３第１ＣＰＥないし第３ＣＰＥ

Claims

測定対象身体部位の両端に所定の電流を流して前記測定対象身体部位の両端間の電圧を測定することによって得られる前記測定対象身体部位の皮膚インピーダンス特性を模擬する皮膚インピーダンス特性模擬装置であって、
前記測定対象身体部位の第１領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第１抵抗と、該第１抵抗と並列連結される第１一定位相素子とからなる第１回路と、
前記測定対象身体部位の第２領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第２抵抗と、該第２抵抗と並列連結された第２一定位相素子と、これらに直列連結される第３抵抗とからなる第２回路と、
前記測定対象身体部位の第３領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第４抵抗と、該第４抵抗と並列連結される第３一定位相素子とからなる第３回路と、を具備し、
並列連結される前記第２回路及び前記第３回路が第５抵抗を通じて前記第１回路と直列連結されることを特徴とする皮膚インピーダンス特性模擬装置。
前記第１回路は、
前記第１領域として、前記測定対象身体部位の皮膚真皮のインピーダンス特性を模擬することを特徴とする請求項１に記載の皮膚インピーダンス特性模擬装置。
前記第２回路は、
前記第２領域として、前記測定対象身体部位の皮膚真皮成分のうち細胞膜と細胞内液のインピーダンス特性を模擬することを特徴とする請求項１に記載の皮膚インピーダンス特性模擬装置。
前記第３回路は、
前記第３領域として、前記測定対象身体部位の皮膚真皮成分のうち細胞外液のインピーダンス特性を模擬することを特徴とする請求項１に記載の皮膚インピーダンス特性模擬装置。
前記第１回路、前記第２回路、及び前記第３回路は、各々、
前記測定対象身体部位で３電極法を利用して測定されるデータに基づいて、それらの電子素子の値が決定されたことを特徴とする請求項１に記載の皮膚インピーダンス特性模擬装置。
測定対象身体部位の両端に所定の電流を流して前記測定対象身体部位の両端間の電圧を測定することによって得られる前記測定対象身体部位の皮膚インピーダンス特性を模擬する皮膚インピーダンス特性模擬装置であって、
前記測定対象身体部位の第１領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第１抵抗と、該第１抵抗と並列連結される第１一定位相素子とからなる第１回路と、
前記測定対象身体部位の第２領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第２抵抗と、該第２抵抗と並列連結された第２一定位相素子と、これらに直列連結される第３抵抗とからなる第２回路と、
前記測定対象身体部位の第３領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第４抵抗と、該第４抵抗と並列連結される第３一定位相素子とからなる第３回路と、を具備し、
並列連結される前記第２回路及び前記第３回路が前記第１回路と直列連結されることを特徴とする皮膚インピーダンス特性模擬装置。
前記第１回路、前記第２回路、及び前記第３回路は、各々、
前記測定対象身体部位で３電極法を利用して測定されるデータに基づいて、それらの電子素子の値が決定されたことを特徴とする請求項６に記載の皮膚インピーダンス特性模擬装置。
測定対象身体部位の両端に所定の電流を流して前記測定対象身体部位の両端間の電圧を測定することによって得られる前記測定対象身体部位の皮膚インピーダンス特性を模擬する皮膚インピーダンス特性模擬装置であって、
前記測定対象身体部位の第１領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第１抵抗と、該第１抵抗と並列連結される第１一定位相素子とからなる第１回路と、
前記測定対象身体部位の第２領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第２抵抗と、該第２抵抗と並列連結された第２一定位相素子と、これらに直列連結される第３抵抗とからなる第２回路と、
前記測定対象身体部位の第３領域の皮膚インピーダンス特性を模擬する、第３一定位相素子からなる第３回路と、を具備し、
並列連結される前記第２回路及び前記第３回路が前記第１回路と直列連結されることを特徴とする皮膚インピーダンス特性模擬装置。
前記第１回路、前記第２回路、及び前記第３回路は、各々、
前記測定対象身体部位で３電極法を利用して測定されるデータに基づいて、それらの電子素子の値が決定されたことを特徴とする請求項８に記載の皮膚インピーダンス特性模擬装置。