JP4439164B2 - 身体インピーダンス測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間の身体のインピーダンスを測定する装置に関し、より詳しくは人間の身体を左右の手足と胴体の５つの部分に分割してそれら各部分のインピーダンスを電気インピーダンス測定法によって求める身体インピーダンス測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特表平１０−５１０４５５号公報に開示されているように、人間の身体を左手、右手、左足、右足および胴体の５つの身体部分に分割して、電気インピーダンス測定法によってそれぞれの身体部分のインピーダンスを測定し、この求められたインピーダンス値にそれぞれの組織に特有の係数を与えて、各部分の体脂肪量を求めるようにした方法が知られている。
【０００３】
この公報に開示された方法は公知の４端子法を利用するもので、図６、図７に示されるように、人体を、左手、右手、胴、左足、右足の５つの部分に分けて、それぞれのインピーダンスをＺ，Ｕ，Ｍ，Ｘ，Ｙとし、また左手、右手、左足、右足の各末端にそれぞれ測定用電極Ｅ１，Ｅ２；Ｅ３，Ｅ４；Ｅ５，Ｅ６；Ｅ７，Ｅ８を設けて各インピーダンスＺ，Ｕ，Ｍ，Ｘ，Ｙの値を求めるように構成されている。この場合、各電極に接触する人体末端組織および接触インピーダンスをそれぞれｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４，ｖ５，ｖ６，ｖ７，ｖ８で表し、前記各インピーダンスＺ，Ｕ，Ｍ，Ｘ，Ｙの値を測定する際にそれらインピーダンスｖ１〜ｖ８を除外するようにされている。
【０００４】
すなわち、例えば図６（ａ）（ｂ）に示されるように、定電流Ｉを電極Ｅ８から電極Ｅ４に流して電極Ｅ２，Ｅ３間の電圧Ｖ１を、入力抵抗値の極めて高い電圧信号増幅器を持つ測定器によって測定すると、電流はインピーダンスｖ３，Ｚ，ｖ２へは流れないので、電圧Ｖ１は体内の電流流路上の点ｂ−Ｐ間に発生する電位降下の値に等しくなる。よって、式Ｖ１／Ｉを演算することにより右手インピーダンスＵの値を求めることができる。同様に、電極Ｅ６，Ｅ２間の電圧Ｖ２を測定すると、体内の電流流路上の点Ｐ−Ｑ間の電位降下を測定したことになり、式Ｖ２／Ｉを演算することにより胴体インピーダンスＭの値を求めることができる。また、電極Ｅ７，Ｅ６間の電圧Ｖ３を測定して式Ｖ３／Ｉを演算することにより右足インピーダンスＹの値を求めることができる。
【０００５】
次に、図７（ａ）（ｂ）に示されるように、定電流Ｉを電極Ｅ５〜電極Ｅ１に流して電極Ｅ３，Ｅ２間の電圧Ｖ４および電極Ｅ６，Ｅ７間の電圧Ｖ５をそれぞれ測定し、式Ｖ４／ＩおよびＶ５／Ｉを演算することにより左手インピーダンスＺおよび左足インピーダンスＸの値をそれぞれ求めることができる。
【０００６】
一方、人間の身体を複数の部分に分け、各部分のインピーダンスを求めるようにした他の公知例として、米国特許第５，３３５，６６７号明細書に開示されたものがある。
【０００７】
この米国特許明細書に開示された方法はやはり４端子法を利用するもので、図８（ａ）に示されているように、右手、右足にそれぞれ設けた電流電極１０１，１０２間および左手、左足にそれぞれ設けた電流電極１０３，１０４間に定電流Ｉを流し、図８（ｂ）に示されているように、インピーダンスを測定したい人体の部分の両端に電圧計測電極１０５，１０６を設置してそれら両電極１０５，１０６間の電圧を測定することで、その間のインピーダンスを求めるようにされている。このように４個の電流電極と２個の電圧計測電極よりなる、少なくとも６個の電極を使用して人体の部分組織のインピーダンスの測定が行われる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特表平１０−５１０４５５号公報に開示されている測定法においては、例えば図７に示されるように左手および左足の各先端に設けた電流電極間に電流を流すと、図９に示されているように、胴部を流れる電流は左側部分に偏って流れることになり、同様に図６に示されるように右手および右足の各先端に設けた電流電極間に電流を流すと、胴部を流れる電流は右側部分に偏って流れることになる。このように人体の片側に電流を流すような電極配置は胴体部において電流分布が偏り、胴部全体を代表するインピーダンスの評価に適していないという問題点がある。
【０００９】
これに対して、前記米国特許第５，３３５，６６７号明細書に開示されている測定法においては、図８に示されるように、二つの電流源から電流を両手と両足間に流すようにされているので、注入電流の約半分ずつが胴部の右側と左側とにそれぞれ流れることになって体全体に平均的に分布し、これによって平均的な電位分布が得られ、正しいインピーダンスの測定が可能になるという長所を有している。
【００１０】
ところが、この米国特許明細書に記載の測定法においては、測定電極を測定したい身体部分の両端に配置しなければならないという問題点がある。例えば足のインピーダンスを測定したい場合には、電圧計測電極を足首と足の付け根とに配置しなければならない。
【００１１】
ところで、この種の体脂肪計に要求される機能としては、手軽に、かつ服装にも影響されずに測定することができ、しかもできるだけ正確に身体の各部分毎のインピーダンスを分離測定して、各部分に特有の係数をもって全身の脂肪量に変換できる点にある。このような観点からすれば、前述の米国特許明細書に記載の方法では、全身を分離測定するに当たり、電圧計測電極を衣服の下に配置する必要があって簡便に使用するのが困難であるという問題点がある。
【００１２】
また、人間の身体組織は、電極と皮膚面との接触抵抗の大きさも含めて完全には電気インピーダンスの上で左右対称ではなく、２つの電流装置から定電流を図８（ｂ）に示されるように同時に注入した場合にも、電極１０１と電極１０３とに接続される定電流回路の電流制御増幅器から回路コモンを見たインピーダンスには差が生じてしまう。したがって、例えば電極１０２と電極１０４とに全く同じ量の電流Ｉ／２が帰還するように回路設計をしたとしても両手部に同じ電流Ｉ／２が流れることはなく、例えば左手に発生する電圧を左手の両端に設けた電極により測定して得られる電圧測定値Ｖｒによって式Ｖｒ／（Ｉ／２）にてインピーダンスを求めても正確な左手インピーダンスを得ることができないという問題点がある。
【００１３】
また、これらの測定法は４端子法を測定原理としており、身体インピーダンスの値を電圧値で測定するための一対の電圧電極は、測定装置の測定台上で、または測定者の身体表面上で互いに電気絶縁関係になるように設けられ、それぞれの電圧電極に接続される電圧測定回路の入力端子間も、ほぼ電気絶縁の関係に置かれるか、または測定対象インピーダンス値に比べて極めて電気抵抗の高い関係に置かれていた。
【００１４】
しかし、人間の皮膚面が乾燥、角質化していたり、電圧電極への接触が不完全であったりすると、電圧電極と皮膚面との間の接触抵抗が極めて高くなり、電圧測定端子から見た信号源インピーダンスが極めて高くなって電圧測定端子間に誘導ノイズが生じることになる。特にその値が測定値に近い電圧の場合には誤ってその値を測定してしまう可能性があった。
【００１５】
本発明は、このような問題点を解消するためになされたもので、人間の身体の内で内臓脂肪に最も相関の大きい胴部の体脂肪量を、胴部全体に電流が分布するようにして胴部インピーダンスを求めることにより得るとともに、従来の４端子法による測定において生じる誘導ノイズによる誤測定を起させないようにして胴部のみのインピーダンスを正確に求めることによって内臓脂肪量を正確に推定することのできる身体インピーダンス測定装置を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
前記目的を達成するために、本発明による身体インピーダンス測定装置は、
手部接触用に近接配置される左右の手部接触用電極と足部接触用に近接配置される左右の足部接触用電極とを備え、左右の手部接触用電極または足部接触用電極から胴部を通して左右の足部接触用電極または手部接触用電極へ電流を流し、身体における左右の手部、胴部および左右の足部の各部分もしくはその各部分のうちのいずれかの部分のインピーダンスを求める身体インピーダンス測定装置において、
前記手部接触用電極および足部接触用電極を、それぞれ互いに零でない有限値の導電度をもって配置するとともに、前記導電度を測定のパラメータとし、かつ前記電極を全て電流電極で構成し、
同時に左右の手部接触用電極または足部接触用電極からそれぞれが近似する値の電流を胴部断面に流入させるとともに、この胴部断面を通してそれぞれが近似する値の電流を左右の足部接触用電極または手部接触用電極へ流出させることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明によれば、身体に接触する電極の全てが電流電極で構成されていることにより、身体の各部分の全てに同時に電流が分布されるので、従来の片手と片足との間に電流を流す方法に比べて胴部を流れる電流分布が偏ることがなく、胴部インピーダンスを正確に測定することができる。また、身体末端部に近接配置される電極から身体への電流の注入が行われるので、電極を足の付け根などに移動させる必要がなく、測定者が衣服の着脱を行うことなく、電極を手と足の先端部に固定的に配置して、身体各部分のインピーダンスを容易に測定することができるという利点がある。
【００１８】
また、測定者が電極に不完全に接触していたり、測定者の皮膚面が乾燥、角質化していても、電極間の電圧を測定するための電圧測定回路の端子間は常に低い抵抗で結合されている構成になるので、誘導ノイズによって測定入力端子間には測定信号に比べて極めて小さい電圧しか発生せず、誘導ノイズを正しい測定値と誤ることがないという利点がある。なお、足部または手部の電極において、各電極間はせいぜい数百オームの電気抵抗を有するものである。
【００１９】
本発明においては、前記手部接触用電極または足部接触用電極間に既知の抵抗を接続することによって、有限値の導電度をもって配置するのが好ましい。また、導電性を持った測定台に電極を配置するようにもできる。このようにすれば、電極間に接続された抵抗の値、または導電性測定台の電極間に存在する等価抵抗の値が既知であれば、身体各部分のインピーダンス値を未知数とする回路方程式の係数をなす電流値を既知にすることができ、胴部のインピーダンス値を容易にかつ正確に求めることが可能となる。
【００２０】
本発明において、電極間に接続される抵抗の値または導電板上に設けられた電極間の等価抵抗は、予め既知のものを設置して使用しても良いし、人間の身体インピーダンスの測定動作の直前に事前測定動作モードを設けて、現在の抵抗値または等価抵抗値を測定し、既知としても良い。従来の４端子法を測定原理とする測定装置であれば、電気絶縁が低下すれば測定誤差発生の要因となるが、本発明のように事前測定モードで測定した現在の抵抗値もしくは等価抵抗値を使用すれば、誤差要因とはならないという利点がある。
【００２１】
本発明においては、前記手部接触用電極または足部接触用電極はそれぞれ、左の手部接触用と右の手部接触用に設けられる各１個の電極、または左の足部接触用と右の足部接触用に設けられる各１個の電極であるのが好ましい。このように電極を両足用または両手用をそれぞれ備えることにより、足部または手部のインピーダンスを胴部インピーダンスから独立に求めることができ、胴部インピーダンスも他の部分に対して独立に求めることができるので、内臓脂肪量推定誤差を小さくすることができる。また、これら２電極間は身体部と電極との接触抵抗が高い場合にその値に比べて十分小さい抵抗値である導電性を有するために、誘導ノイズの影響を受けずに、正確に測定することができる。
【００２２】
また、本発明においては、前記手部接触用電極または足部接触用電極が固定的に設けられるのが好ましい。これにより、電極を移動させることがなく、測定者にとって使い勝手の良い測定装置を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による身体インピーダンス測定装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２４】
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）には、本発明の第１の実施形態に係る身体インピーダンス測定装置の測定原理を示す回路構成図が示されている。
【００２５】
本実施形態においては、人体を、左手、右手、胴、左足、右足の５つの部分に分けて、各部分のインピーダンスをＺ，Ｕ，Ｍ，Ｙ，Ｘとし、また足用測定器と手用測定器とを設け、足用測定器には左足用と右足用にそれぞれ測定電極Ｅ１，Ｅ２を、手用測定器には左手用と右手用にそれぞれ測定電極Ｅ３，Ｅ４を設けるようにされている。
【００２６】
ここで、足用測定器の電極Ｅ１，Ｅ２は、測定者が衣服を着用していても接触が容易なように足の裏など足の先端部が接触できるようにされており、手用測定器の電極Ｅ３，Ｅ４は、測定者が衣服を着用していても接触が容易なように指先や掌が接触できるようにされている。また、これら両測定器は、測定者の体内を流れる電流が帰還するように、また電圧信号が測定できるように、互いに導線で結ばれている。
【００２７】
本実施形態では、図示のように、足用測定器の電極Ｅ１と電極Ｅ２との間および手用測定器の電極Ｅ３と電極Ｅ４との間にそれぞれ数百オーム以下の抵抗Ｒ１，Ｒ２が接続される。このように抵抗を接続すると、二つの足用電極間および二つの手用電極間のインピーダンスはそれぞれ低くなる上に、１個の電流源から各電極を通して両手足を含む全身に同時に電流を流すことができる。すなわち、測定電極は全て電流電極として使用される。なお、電極間に抵抗を接続する代わりに、手または足を接触する電極が測定器の測定台上に設置された導電板の上に設けられ、電極間の等価抵抗値がＲ１，Ｒ２になるようにしても良い。また、抵抗Ｒ１，Ｒ２の値は、身体インピーダンス測定動作に先立って特別に測定して既知化しても良い。
【００２８】
このような構成の身体インピーダンス測定装置においては、次のような測定手順にしたがって測定が行われる。
【００２９】
まず、第１測定ステップとして、図１（ａ）に示されるように、電極Ｅ１と電極Ｅ４との間に既知の一定電流Ｉを印加する。この一定電流Ｉは、演算増幅器Ａの制御動作で作られる。すなわち、演算増幅器Ａの一方の入力に参照電圧Ｖｃを与え、もう一方の入力に参照抵抗Ｒｃを接続し、更にその参照抵抗Ｒｃを接続した側の入力と電極Ｅ４とを接続すると、演算増幅器ＡはＶ５＝Ｖｃとなるように電流を制御する。Ｖ５＝Ｖｃが成立するときの電流をＩとすると、Ｉ＝Ｖ５／Ｒｃ＝Ｖｃ／Ｒｃであるから、一定電流Ｉを回路に流すにはＶｃ／Ｒｃ＝Ｉが成立するようにＶｃとＲｃの値を選ぶと良い。
【００３０】
そうすると、電流Ｉは電極Ｅ１において両足の各インピーダンスＹ，Ｘに対してそれぞれＩ−ｉ_１とｉ_１とに分流して両足を同時に流れ、胴部で集まることになる。また、胴部で集まった電流は両手インピーダンスＵ，Ｚに対してそれぞれＩ−ｉ_２とｉ_２とに分流して両手を同時に流れ、電極Ｅ４に集まり、再び電流Ｉとなって体外へ出ることになる。
【００３１】
このとき、各電極間に発生する電圧と演算増幅器Ａの出力電圧を測定し、電極Ｅ１−Ｅ２間がＶ１、電極Ｅ３−Ｅ４間がＶ２、演算増幅器Ａの出力Ｏと回路コモンＥとの間がＶ４であったとする。電圧Ｖ３は、次式
Ｖ３＝Ｖ４−Ｖ２−Ｖ５＝Ｖ４−Ｖ２−Ｒｃ・Ｉ
で表わされるから、この電圧Ｖ３はＶ２，Ｖ４を測定すれば既知化される。このとき、人体を５つの部分に分けた等価回路には次の式が成り立つ。
（Ｉ−ｉ_１）・Ｙ−ｉ_１・Ｘ＝Ｖ１ ……………（１）
（Ｉ−ｉ_１）・Ｙ＋Ｉ・Ｍ＋ｉ_２・Ｚ＝Ｖ３ ……………（２）
（Ｉ−ｉ_２）・Ｕ−ｉ_２・Ｚ＝Ｖ２ ……………（３）
これら式（１）〜（３）において、係数となる電流値は、ｉ_１＝Ｖ１／Ｒ１、ｉ_２＝Ｖ２／Ｒ２より既知となり、Ｉは既知であるので全て既知となる。
【００３２】
次に第２測定ステップとして、図１（ｂ）に示されるように、今度は既知の一定電流Ｉを電極Ｅ２と電極Ｅ３との間に印加する。そうすると、電流Ｉは電極Ｅ２において両足の各インピーダンスＸ，Ｙに対してそれぞれＩ−ｊ_１とｊ_１とに分流して両足を同時に流れ、胴部で集まることになる。また、胴部で集まった電流は両手インピーダンスＺ，Ｕに対してそれぞれＩ−ｊ_２とｊ_２とに分流して両手を同時に流れ、電極Ｅ３に集まり、再び電流Ｉとなって体外へ出ることになる。
【００３３】
このとき、各電極間に発生する電圧を測定し、電極Ｅ２−Ｅ１間がＶ６、電極Ｅ４−Ｅ３間がＶ７であったとする。このとき、人体を５つの部分に分けた等価回路には次の式が成り立つ。
（Ｉ−ｊ_１）・Ｘ−ｊ_１・Ｙ＝Ｖ６ …………（４）
（Ｉ−ｊ_２）・Ｚ−ｊ_２・Ｕ＝Ｖ７ …………（５）
これら式（４）（５）において、係数となる電流値は、ｊ_１＝Ｖ６／Ｒ１、ｊ_２＝Ｖ７／Ｒ２より既知となり、Ｉは既知であるので全て既知となる。
【００３４】
こうして、前記式（１）〜（５）の連立方程式を解けば、身体各部のインピーダンスＸ，Ｙ，Ｚ，Ｕ，Ｍを求めることができる。ただし、両足インピーダンスＸ，Ｙおよび両手インピーダンスＺ，Ｕの中には電極との接触インピーダンスｒ１，ｒ２，ｒ３，ｒ４がそれぞれ含まれる。なお、実施に当たっては、予め方程式の解Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｕ，ＭをＶ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ７とＲｃ，Ｉからなる演算式の形で記述しておき、前述の第１測定ステップおよび第２測定ステップのように順次電流を切り換えて所定の端子に発生する電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ７を測定して演算回路に読み込み、前記演算式に代入するようにすれば良い。
【００３５】
また、測定器表面が濡れるなどしても測定値に影響を与えないようにするには、測定器に接触して身体インピーダンスを測定する前に、零測定モードとして身体を電極に接触させずに電極Ｅ１と電極Ｅ２との間に一定電流Ｉを流して両電極間に発生する電圧Ｖ０１を測定し、更に電極Ｅ３と電極Ｅ４との間に一定電流Ｉを流して両電極間に発生する電圧Ｖ０２を測定し、現在の測定器の状態での電極間抵抗Ｒ１とＲ２とをそれぞれＲ１＝Ｖ０１／Ｉ、Ｒ２＝Ｖ０２／Ｉのように求める。そして、前述のように身体インピーダンス測定時にはＲ１，Ｒ２として零測定モードで求めた抵抗値Ｒ１，Ｒ２を適用するようにする。
【００３６】
このようにすれば、測定台が濡れるなどして従来の４端子法を測定原理とする測定器であれば大きい測定誤差が発生するのに対して、誤差無く正確な測定を実施することができる。
【００３７】
本実施形態の身体インピーダンス測定装置によれば、両足から与えた電流は一旦胴部に集められた後再び両手部に分かれて流れ出すようにされているので、片手と片足間に電流を印加する従来方法に比べて、電流を胴部全体に分布させることができることになり、正確に胴部インピーダンスのみを抽出して求めることができる。また、測定したい部位の両端に電極を配置しなくても、手と足とに設置した固定の電極の電極間に発生する電圧を測定し、回路方程式を解くことで両手、両足および胴部よりなる人体の主要５部分のインピーダンスを求めることができるという利点がある。
【００３８】
また、インピーダンス測定装置の測定回路の二つの入力と接続される二つの電極間の抵抗は常に低い値であるので、接触抵抗が極めて高い場合に電極に誘導ノイズが生じても抵抗に誘起される電圧は極めて低いので、誤測定を回避することができる利点がある。また、電極は両足用と両手用の２個で済む利点もある。
【００３９】
次に、本実施形態の身体インピーダンス測定装置を体脂肪計に適用した具体例について説明する。図２（ａ）（ｂ）には、本具体例における体脂肪計の回路構成図が示され、図３には、同体脂肪計による測定状態の外観図が示されている。
【００４０】
図２において、符号１にて示されるのは、人体の体内組織構成を等価インピーダンス回路で描いたモデルであり、左足、右足、胴、左手、右手の各部分のインピーダンス値がＹ，Ｘ，Ｍ，Ｚ，Ｕで表されている。また、足用測定器２と手用測定器３とが設けられ、足用測定器２には左足と右足の先端に、またそれぞれの足の裏全体に測定電極Ｅ１，Ｅ２を設け、手用測定器３には左手と右手の先端にそれぞれ測定電極Ｅ３，Ｅ４を設けるようにされている（足用測定器３には体重計が併設される場合もある。）。これら電極はいずれも皮膚と接触し、その接触面を通して人体に電流が流入する経路をなしている。足用測定器２の電極Ｅ１と電極Ｅ２との間および手用測定器３の電極Ｅ３と電極Ｅ４との間にはそれぞれ抵抗Ｒ１，Ｒ２が接続されている。なお、これら抵抗Ｒ１，Ｒ２としては、電極間に導電性を与え電流経路を作るものであれば抵抗以外のものでも良く、例えば測定台を導電板で構成し、電極と電極との間が導電板でつながれている構成になっていても良い。
【００４１】
前記各電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４はそれぞれ端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に接続され、端子Ｐ５は定電流回路４の出力ＯとともにアナログスイッチＡＳ１の入力端子ｃ１に接続され、端子Ｐ６は回路コモンＥに接続される。また、アナログスイッチＡＳ１の入力端子ｃ１に対応する出力端子ａ１，ｂ１はそれぞれ端子Ｐ１および端子Ｐ２に接続され、アナログスイッチＡＳ１のもう一方の入力端子ｃ２は参照抵抗Ｒｃとともに演算増幅器Ａの反転入力に接続され、この入力端子ｃ２に対応する出力端子ａ２，ｂ２はそれぞれ端子Ｐ４および端子Ｐ３に接続されている。
【００４２】
前記定電流回路４は、非反転入力端子に参照電圧Ｖｃが入力されて定電流Ｉを出力する演算増幅器Ａと、この演算増幅器Ａから定電流Ｉが出力されるように回路を制御する参照抵抗Ｒｃを備えてなり、演算増幅器Ａの負荷が変動しても常に一定値Ｉ＝Ｖｃ／Ｒｃの電流が出力されるように構成されている。
【００４３】
第１の測定ステップにてアナログスイッチＡＳ１は端子ａ１，ａ２側に接続され、電極Ｅ１と電極Ｅ４との間に定電流Ｉが印加される。また、第２の測定ステップにてアナログスイッチＡＳ１はｂ１，ｂ２側に接続され、電極Ｅ２と電極Ｅ３との間に定電流Ｉが印加される。
【００４４】
アナログスイッチＡＳ２の入力端子ａ３，ｂ３，ｄ３，ｅ３，ｆ３にはそれぞれ端子Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５，Ｐ２，Ｐ４が接続され、これらの入力に対応する出力端子ｃ３は電圧測定回路５の演算増幅器Ａ'の入力抵抗Ｒ１０に接続されている。また、アナログスイッチＡＳ２の入力端子ａ４，ｂ４，ｄ４，ｅ４，ｆ４にはそれぞれ端子Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ１，Ｐ３が接続され、これらの入力に対応する出力端子ｃ４は電圧測定回路５の演算増幅器Ａ'の入力抵抗Ｒ２０に接続されている。
【００４５】
前記電圧測定回路５は、演算増幅器Ａ'、入力抵抗Ｒ１０，Ｒ２０のほかに、フィードバック抵抗Ｒ３０，Ｒ４０を備えて構成されている。なお、入力抵抗Ｒ１０，Ｒ２０としては、測定誤差が生じないように、身体による信号源インピーダンス（数百オーム程度）に比べて十分大きい値（数百Ｋオーム程度）が選ばれる。
【００４６】
第１の測定ステップにてアナログスイッチＡＳ２は端子ａ３とａ４、ｂ３とｂ４、ｄ３とｄ４が順に選ばれ、それぞれ電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ４が測定される。また、第２の測定ステップにてアナログスイッチＡＳ２はｅ３とｅ４、ｆ３とｆ４が順に選ばれ、それぞれ電圧Ｖ６，Ｖ７が測定される。
【００４７】
前記電圧測定回路５による人体のインピーダンス測定に際しては数十ＫＨｚの交流信号が印加されるので、この電圧測定回路５の演算増幅器Ａ'の出力側には、この演算増幅器Ａ'の出力電圧を整流する整流回路６と、この整流回路６から出力される電圧信号を平滑化するフィルタ回路７が設けられ、さらにそのフィルタ回路７にて平滑化されて直流に変換された後にアナログ信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器８が設けられている。
【００４８】
こうして、Ａ／Ｄ変換器８により変換されたデジタル測定値はＩ／Ｏ回路９を通して演算回路ＣＰＵ１０に入力され、この演算回路ＣＰＵ１０により各種演算が実行される。この演算回路ＣＰＵ１０には、演算のための各種プログラム並びに記憶定数および演算結果を記憶するＲＯＭ，ＲＡＭ等で構成された記憶素子１１が接続されている。また、前記Ｉ／Ｏ回路９には、測定者が自己の年齢や性別など、測定インピーダンスを基に体脂肪量を算出するのに必要な各種データを設定するためのキースイッチ１２と、測定データ等を表示するための表示器１３とが接続されている。
【００４９】
このような構成において、演算回路ＣＰＵ１０からの指令に基づき、アナログスイッチＡＳ１，ＡＳ２により電流印加端子と電圧測定端子とを前述の第１測定ステップおよび第２測定ステップに対応するように所定位置に切り換え操作することで、人体を両足、胴、両手の５つの部分に分けたときのそれら各部のインピーダンス値Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｕ，Ｍを求めることができる。
【００５０】
これら測定されたインピーダンス値Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｕ，Ｍのうちで特に胴部のインピーダンスＭと予めＸ線ＣＴなど直接的な内臓脂肪測定手段による測定結果と比較することによって求められた特有な変換係数と、キースイッチ１２から与えられた個人特有の設定値、更には体重計が併設されている場合にはその体重計からの体重測定値とを演算させることで、内臓脂肪量など内臓脂肪関連情報を算出して表示器１３に表示することができる。
【００５１】
図４（ａ）（ｂ）には、本発明の第２の実施形態に係る身体インピーダンス測定装置の測定原理を示す回路構成図が示されている。なお、この図４においては、図１と比較して、一定電流回路および人体との対応図は省略されている。
【００５２】
本実施形態において、測定器の電極として、足用測定器は左足用にＥ１の１電極、右足用にＥ２１，Ｅ２２の２電極の計３電極を備えている。また、手用測定器は左手用にＥ３の１電極、右足用にＥ４１，Ｅ４２の２電極の計３電極を備えている。前記第１の実施形態においては、足、手のインピーダンスは電極との間の接触インピーダンスを含めて求めるように構成されているが、本実施形態においては、右足と右手のそれぞれは接触インピーダンスを除外して求めるように構成されている。
【００５３】
右足のインピーダンスをＸ、電極Ｅ２１，Ｅ２２との接触インピーダンスをそれぞれｒ２１、ｒ２２、左足の接触インピーダンスを含めたインピーダンスをＹ、右手のインピーダンスをＵ、電極Ｅ４１，Ｅ４２との接触インピーダンスをそれぞれｒ４１、ｒ４２、左手の接触インピーダンスを含めたインピーダンスをＺ、胴部のインピーダンスをＭとし、電極Ｅ２１と電極Ｅ２２との間、電極Ｅ２２と電極Ｅ１との間に数百オーム程度の抵抗Ｒ１１，Ｒ１２をそれぞれ接続し、電極Ｅ４１と電極Ｅ４２との間、電極Ｅ４２と電極Ｅ３との間に数百オーム程度の抵抗Ｒ２１，Ｒ２２をそれぞれ接続する。
【００５４】
このような構成の身体インピーダンス測定装置においては、次のような測定手順によって測定が行われる。
【００５５】
まず、第１測定ステップとして、図４（ａ）に示されるように、電極Ｅ１と電極Ｅ４１との間に既知の一定電流Ｉを印加する。このとき、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を流れる電流をそれぞれｉ_２，ｉ_１とすると、各電流は図４（ａ）のように分流して両足を同時に流れ、胴部で集まることになる。抵抗Ｒ２１，Ｒ２２を流れる電流をそれぞれｉ_４，ｉ_３とすると、胴部で集まった電流は両手インピーダンスＵ，Ｚに対してそれぞれＩ−ｉ_３とｉ_３とに分流して図４（ａ）のように両手を同時に流れ、電極Ｅ４１において集まり、再び電流Ｉとなって体外へ出ることになる。
【００５６】
このとき各電極間に発生する電圧を測定し、電極Ｅ１−Ｅ２１間がＶ１、電極Ｅ１−Ｅ２２間がＶ２、電極Ｅ３−Ｅ４１間がＶ３、電極Ｅ３−Ｅ４１間がＶ４であったとする。また、Ｖ５は、図１と同様にして、定電流回路の出力電圧を電極Ｅ１の点で回路コモンとの間で測定すると、その値を使って既知化される。ただし、接触インピーダンスｒ２はＹに、接触インピーダンスｒ３はＺにそれぞれ含まれるものとする。
【００５７】
このとき、人体を５つの部分に分けた等価回路には次の式が成り立つ。
（Ｉ−ｉ_１）・Ｙ−ｉ_１・Ｘ−ｉ_２・ｒ２１＝Ｖ１ …………（６）
（ｉ_１−ｉ_２）・ｒ２２−ｉ_２・ｒ２１＝Ｖ１−Ｖ２ …………（７）
（Ｉ−ｉ_１）・Ｙ＋Ｉ・Ｍ＋ｉ_３・Ｚ＝Ｖ５ …………（８）
−ｉ_３・Ｚ＋（Ｉ−ｉ_３）・Ｕ＋（Ｉ−ｉ_４）・ｒ４１＝Ｖ３……（９）
（Ｉ−ｉ_４）・ｒ４１−（ｉ_４−ｉ_３）・ｒ４２＝Ｖ３−Ｖ４……（１０）
これらの式（６）〜（１０）において、係数となる電流値は、ｉ_１＝Ｖ２／Ｒ１２、ｉ_２＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｒ１１、ｉ_３＝Ｖ４／Ｒ２２、ｉ_４＝（Ｖ３−Ｖ４）／Ｒ２１より既知となり、Ｉは既知であるので全て既知となる。
【００５８】
続いて、第２測定ステップとして、図４（ｂ）に示されるように、今度は既知の一定電流Ｉを電極Ｅ２１と電極Ｅ３との間に印加する。そうすると、電流Ｉは電極Ｅ２１において抵抗Ｒ１１と接触インピーダンスｒ２１とに対してｊ_１とＩ−ｊ_１とに分流し、両足のインピーダンスＸ，Ｙにおいて、Ｘには（Ｉ−ｊ_２）が、Ｙにはｊ_２がそれぞれ流れ、胴部で集まることになる。また、胴部で集まった電流は、両手のインピーダンスＵ，Ｚに対してそれぞれｊ_３と（Ｉ−ｊ_３）とに分流して両手を同時に流れ、電極Ｅ３において集まり再び電流Ｉとなって体外へ流れ出ることになる。
【００５９】
このとき各電極間に発生する電圧を測定し、電極Ｅ２１−Ｅ１間がＶ６、電極Ｅ２２−Ｅ１間がＶ７、電極Ｅ４１−Ｅ３間がＶ８、電極Ｅ４２−Ｅ３間がＶ９であったとする。
【００６０】
このとき、人体を５つの部分に分けた等価回路には次の式が成り立つ。
（Ｉ−ｊ_１）・ｒ２１＋（Ｉ−ｊ_２）・Ｘ−ｊ_２・Ｙ＝Ｖ６……（１１）
（Ｉ−ｊ_１）・ｒ２１＋（ｊ_２−ｊ_１）・ｒ２２＝Ｖ６−Ｖ７…（１２）
−ｊ_３・Ｕ−ｊ_４・ｒ４１＋（Ｉ−ｊ_３）・Ｚ＝Ｖ８ …………（１３）
（ｊ_３−ｊ_４）・ｒ４２−ｊ_４・ｒ４１＝Ｖ８−Ｖ９ …………（１４）
これらの式（１１）〜（１４）において、係数となる電流値は、ｊ_１＝（Ｖ６−Ｖ７）／Ｒ１１、ｊ_２＝Ｖ７／Ｒ１２、ｊ_３＝Ｖ９／Ｒ２２、ｊ_４＝（Ｖ８−Ｖ９）／Ｒ２１より既知となり、Ｉは既知であるので全て既知となる。
【００６１】
こうして、前記式（６）〜（１４）の連立方程式を解けば、身体各部のインピーダンスＸ，Ｙ，Ｚ，Ｕ，Ｍと接触インピーダンスｒ２１、ｒ２２、ｒ４１、ｒ４２とを求めることができる。
【００６２】
本実施形態によれば、右足インピーダンスＸと右手インピーダンスＵとはいずれも接触インピーダンスが除外されて求められるので、全身、内臓脂肪量ばかりでなく、全身の体脂肪量も推定することができる。また、内臓脂肪量の推定に手、足それぞれのインピーダンス値も参加させることができる。
【００６３】
図５には、本発明の第３の実施形態に係る身体インピーダンス測定装置の測定原理を示す回路構成図が示されている。本実施形態では、図１に示される第１の実施形態のものと比較して、抵抗Ｒ１，Ｒ２の値がそれぞれ２等分され、その２等分された各抵抗の中央に、測定端子兼一定電流印加端子Ｐ７，Ｐ８が設けられている。
【００６４】
本実施形態において、第１測定ステップでは、図１（ａ）に示されるのと同様に、電極Ｅ１と電極Ｅ４との間に既知の一定電流Ｉが印加される。これに対して、第２測定ステップでは、端子Ｐ７と端子Ｐ８との間に既知の一定電流Ｉが印加される。
【００６５】
第１測定ステップにおいて、人体を５つの部分に分けた等価回路に成り立つ式は前述のように次式である。
（Ｉ−ｉ_１）・Ｙ−ｉ_１・Ｘ＝Ｖ１ ……………（１）
（Ｉ−ｉ_２）・Ｕ−ｉ_２・Ｚ＝Ｖ２ …………（３）
【００６６】
第２測定ステップとして、既知の一定電流Ｉを端子Ｐ７と端子Ｐ８との間に印加すると、電流Ｉは端子Ｐ７において抵抗Ｒ１／２と両足の各インピーダンスＸ，Ｙに対してそれぞれｊ_１とＩ−ｊ_１とに分流して同時に両足を流れ、胴部に集まることになる。そして、胴部で集まった電流Ｉは、両手インピーダンスＺ，Ｕと抵抗Ｒ２／２に対してそれぞれｊ_２とＩ−ｊ_２とに分流して両手を同時に流れ、端子Ｐ８において集まり、再び電流Ｉとなって体外へ出ることになる。
【００６７】
このとき、端子Ｐ７−電極Ｅ２間の電圧がＶ６、電極Ｅ３−端子Ｐ８間の電圧がＶ７、演算増幅器Ａの出力と回路コモンＥ間の電圧がＶ５であったとすると、人体を５つの部分に分けた等価回路には次の式が成り立つ。
ｊ_１・（Ｘ＋Ｒ１／２）＝（Ｉ−ｊ_１）・（Ｙ＋Ｒ１／２）……（１５）
ｊ_２・（Ｚ＋Ｒ２／２）＝（Ｉ−ｊ_２）・（Ｕ＋Ｒ２／２）……（１６）
Ｖ６＋ｊ_１・Ｘ＋Ｉ・Ｍ＋ｊ_２・Ｚ＋Ｖ７＋Ｉ・Ｒｃ＝Ｖ５……（１７）
これらの式（１５）〜（１７）において、係数となる電流値は、ｊ_１＝Ｖ６／（Ｒ１／２）、ｊ_２＝Ｖ７／（Ｒ２／２）より既知となり、Ｉは既知であるので全て既知となる。また、Ｒ１，Ｒ２，Ｒｃも設計時点で与えられる既知の値である。
【００６８】
こうして、前記式（１）（３）と式（１５）〜（１７）とで連立方程式を解けば、身体各部のインピーダンスＸ，Ｙ，Ｚ，Ｕ，Ｍを求めることができる。
【００６９】
本実施形態によれば、両足のインピーダンスＸとＹ、および両手のインピーダンスＺとＵがそれぞれほぼ等しいので、両足、両手ともにほぼＩ／２に等しい電流が流れることから、左右の足からほぼ等しい値の電流が胴部に流れ込み、同時にほぼ等しい値の電流が胴部から左右の手に流出することになるため、より胴部を流れる電流分布の均一化を図ることができ、正しい胴部インピーダンスＭを測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る身体インピーダンス測定装置の測定原理を示す回路構成図である。
【図２】図２（ａ）（ｂ）は、第１の実施形態を体脂肪計に適用した具体例を示す回路構成図である。
【図３】図３は、体脂肪計による測定状態の外観図である。
【図４】図４（ａ）（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る身体インピーダンス測定装置の測定原理を示す回路構成図である。
【図５】図５は、本発明の第３の実施形態に係る身体インピーダンス測定装置の測定原理を示す回路構成図である。
【図６】図６（ａ）（ｂ）は、第１の従来例による身体インピーダンス測定装置の測定原理を示す回路構成図（１）である。
【図７】図７（ａ）（ｂ）は、第１の従来例による身体インピーダンス測定装置の測定原理を示す回路構成図（２）である。
【図８】図８（ａ）（ｂ）は、第２の従来例による身体インピーダンス測定装置の測定原理を示す回路構成図である。
【図９】図９は、従来例の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１ 人体の等価インピーダンス回路モデル
２ 足用測定器
３ 手用測定器
４ 定電流回路
５ 電圧測定回路
６ 整流回路
７ フィルタ回路
８ Ａ／Ｄ変換器
９ Ｉ／Ｏ回路
１０ 演算回路ＣＰＵ
１１ 記憶素子
１２ キースイッチ
１３ 表示器
ＡＳ１，ＡＳ２ アナログスイッチ
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ２１，Ｅ２２，Ｅ４１，Ｅ４２ 電極
Ｐ１〜Ｐ８ 端子
Ｘ 右足のインピーダンス
Ｙ 左足のインピーダンス
Ｍ 胴部のインピーダンス
Ｚ 左手のインピーダンス
Ｕ 右手のインピーダンス

Claims (4)

1. 手部接触用に近接配置される左右の手部接触用電極と足部接触用に近接配置される左右の足部接触用電極とを備え、左右の手部接触用電極または足部接触用電極から胴部を通して左右の足部接触用電極または手部接触用電極へ電流を流し、身体における左右の手部、胴部および左右の足部の各部分もしくはその各部分のうちのいずれかの部分のインピーダンスを求める身体インピーダンス測定装置において、
   前記手部接触用電極および足部接触用電極を、それぞれ互いに零でない有限値の導電度をもって配置するとともに、前記導電度を測定のパラメータとし、かつ前記電極を全て電流電極で構成し、
   同時に左右の手部接触用電極または足部接触用電極からそれぞれが近似する値の電流を胴部断面に流入させるとともに、この胴部断面を通してそれぞれが近似する値の電流を左右の足部接触用電極または手部接触用電極へ流出させることを特徴とする身体インピーダンス測定装置。
2. 前記手部接触用電極または足部接触用電極間に既知の抵抗を接続することによって、有限値の導電度をもって配置する請求項１に記載の身体インピーダンス測定装置。
3. 前記手部接触用電極または足部接触用電極はそれぞれ、左の手部接触用と右の手部接触用に設けられる各１個の電極、または左の足部接触用と右の足部接触用に設けられる各１個の電極である請求項１または２に記載の身体インピーダンス測定装置。
4. 前記手部接触用電極または足部接触用電極が固定的に設けられる請求項１〜３のいずれかに記載の身体インピーダンス測定装置。

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