JP4671467B2

JP4671467B2 - インピーダンス測定装置

Info

Publication number: JP4671467B2
Application number: JP2000161806A
Authority: JP
Inventors: 孝橋　　徹; 考史佐伯
Original assignee: Yamato Scale Co Ltd
Current assignee: Yamato Scale Co Ltd
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2020-05-31
Also published as: JP2001340313A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極と身体皮膚面との間の接触インピーダンスと、電極に接触する皮膚と皮膚との間の身体内組織のインピーダンスとを測定する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、人間の身体内の脂肪量を測定する体内脂肪量測定装置として、身体末端部の皮膚面に複数の電極を設置し、これら電極間に交流電流または電圧を印加してその身体末端部に挟まれた身体内組織のインピーダンスを測定し、このインピーダンスから体内組織中の脂肪量を得るようにしたものが知られており、またその測定方法として、２端子法（２電極法）と４端子法（４電極法）とが知られている。
【０００３】
図６（ａ）には、２端子法を用いた体内脂肪量測定装置における身体インピーダンスの測定原理が示されている。この２端子法においては、２つの電極Ｅ１，Ｅ２を両手などの身体末端部の２箇所の皮膚上にそれぞれ装着し、これら電極Ｅ１，Ｅ２間に既知の一定電流Ｉを流し、そのときに電極Ｅ１，Ｅ２間に発生した電圧Ｖ１をＡＭＰ１からなる電圧測定回路にて測定するようにし、式Ｖ１／Ｉ＝Ｒを演算することにより２つの電極Ｅ１，Ｅ２間のインピーダンスＲを測定するようにされている。
【０００４】
しかし、この２端子法による場合、電極表面に汚れや水分付着など測定者個人の身体特性には関係のないインピーダンス成分が存在し、これらの要素によって電極と皮膚との間の接触インピーダンスが構成されることから、実際に測定できるインピーダンスＲは、身体内インピーダンスｒ０と、電極Ｅ１，Ｅ２と皮膚との間の各接触インピーダンスｒ１，ｒ２との和（Ｒ＝ｒ０＋ｒ１＋ｒ２）となって、これら接触インピーダンスｒ１，ｒ２と身体内インピーダンスｒ０とは分離測定できず、身体内インピーダンスのみを測定することができないという問題点がある。ところで、接触インピーダンスは前述のように電極表面の状態によって数十オームから数百オーム程度まで変化し、場合によっては数キロオームに達する場合があることから、５００オーム前後の値となる身体内インピーダンスに比べて無視できない値である。このようなことから、この２端子法により得られた身体内インピーダンス値から体脂肪量を求める測定法はほとんど用いられていないのが実情である。
【０００５】
一方、図６（ｂ）には、４端子法を用いた体内脂肪量測定装置における身体インピーダンスの測定原理が示されている。この４端子法は、前述の２端子法の欠陥を克服するために用いられている身体内インピーダンス測定方法である。この４端子法においては、例えば両手先端部の２箇所の皮膚と接触する電極Ｅ１１，Ｅ１２；Ｅ２１，Ｅ２２を設け、電極Ｅ１２，Ｅ２２を電源印加用電極として定電流Ｉを印加し、電極Ｅ１１，Ｅ２１を電圧測定用電極としてそれら電極Ｅ１１，Ｅ２１間に発生した電圧Ｖ１１をＡＭＰ１１からなる電圧測定回路にて測定するようにする。いま、各電極Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ２１，Ｅ２２と皮膚との間の接触インピーダンスをｒ１１，ｒ１２，ｒ２１，ｒ２２とし、電圧測定回路の入力インピーダンスを接触インピーダンスｒ１１，ｒ２１に比べて十分大きな値に選んでおいて電源印加電極Ｅ１２，Ｅ２２の間に定電流を流したときに接触インピーダンスｒ１１，ｒ２１の方へは測定精度に影響を与えるような電流が流れないようにする。これにより、接触インピーダンスｒ１１，ｒ２１における電圧降下が無視できることになって、電圧測定回路は測定者の身体内の点Ｐ−Ｑ間に発生する電圧Ｖ１１を測定できることになる。こうして、式Ｖ１１／Ｉ＝ｒ０によって身体内インピーダンスｒ０を得ることができる。
【０００６】
この４端子法による測定法においては、電極として、定電流（もしくは定電圧）を印加する電源印加電極と電圧を測定する電圧測定電極とを設け、全ての電極の相互間の絶縁性を保つことによって、測定誤差を発生させずに電圧測定電極から正確な身体内電圧もしくは身体内インピーダンスのみを測定するようにされている。
【０００７】
ここで、電極相互間が電気的に絶縁されていても、測定面の水分の付着などにより電極間相互の電気伝導度が大きくなる場合には、以下に説明するように測定誤差が発生することになる。すなわち、図７（ａ）に示されるように、例えば電極Ｅ１１とＥ１２および電極Ｅ２１とＥ２２との間に接触インピーダンスｒ１１，ｒ２１の大きさに比べて無視できない値の抵抗成分Ｒ１およびＲ２がそれぞれ存在するとすれば、ｒ１１，ｒ１２，Ｒ１からなるループおよびｒ２１，ｒ２２，Ｒ２からなるループに電流が流れることになってｒ１１，ｒ２１に電圧降下が生じる。そうすると、電圧測定回路は点Ｐ−Ｑ間の電圧である身体内インピーダンス発生電圧を測定することができず、接触インピーダンスｒ１１，ｒ２１の電圧降下分が加わった点Ｒ−Ｓ間の電圧が測定されることになって、正確な身体内インピーダンス値を求めることができなくなる。
【０００８】
また、図７（ｂ）に示されるように、電極Ｅ１２とＥ２２との間に身体内インピーダンスｒ０に比べて無視できない値の抵抗成分Ｒ３が存在するとすれば、電流Ｉに比べて無視できない大きさの電流ｉがＲ３の方に流れることになって式ｒ０＝Ｖ１／Ｉによって身体内インピーダンスｒ０を求めたときに大きな誤差が生じてしまう。また、図７（ｂ）の破線にて示されるように、Ｒ３と同様な抵抗成分Ｒ４が電極Ｅ１１とＥ２１との間に存在すると、電流Ｉのうち無視できない電流ｉが、ｒ２１，Ｒ４，ｒ１１のループを流れ、接触インピーダンスｒ２１，ｒ１１に電圧降下を起こす。ＡＭＰ１１はＥ１１，Ｅ２１の電圧をもって身体内インピーダンスを測定しており、接触インピーダンス部分の電位降下を分離測定できないので大きな誤差要因となる。故に、従来の方法では、電極相互間が常に絶縁であることが測定精度上不可欠の要件になっている。
【０００９】
ところで、図６（ｂ）において、電極面が絶縁物の付着で汚れていたり、測定者の電極への接触状態が不適切であると、電極Ｅ１１，Ｅ２１が極めて大きくなる。そして、ＡＭＰ１１は入力がオープンと同様な状態に陥るので、信号源インピーダンスが高くてもノイズ信号が入力され、測定者の身体内インピーダンスと全く異なる信号がＡＭＰ１１から出力される。この場合、ＡＭＰ１１の信号の大小によっては必ずしも測定状態の適否が判定できない。このような誘導ノイズを除去することを目的として、電圧測定回路の測定入力端子に抵抗を接続するようにしたものが、特開平８−１５４９１０号公報において開示されている。この公報に開示されたものでは、４端子法を適用し、４個の電極を、２個の測定用電極と２個の電流印加用電極として機能させるようにしたものにおいて、電流印加用電極と測定用電極とを抵抗で接続するようにし、これによって誘導ノイズを除去するように構成されている。
【００１０】
なお、同様の主旨により、身体インピーダンス測定器用の電圧測定回路の入力端子間に抵抗を接続することで、測定電極に発生する誘導ノイズの影響を低くするようにした技術が、特許第２７６００２１号公報、特開昭６１−１２８９４２号公報、特開平８−１５４９１１号公報に開示されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの公報に開示されている従来技術では、次に示すような問題点がある。以下に、特開平８−１５４９１０号公報の開示技術を例にとって、図８（ａ）（ｂ）によってその問題点について説明する。
【００１２】
図８（ａ）に示されるように、一対の電極Ｅ１１−Ｅ１２間および電極Ｅ２１−Ｅ２２間にそれぞれ抵抗Ｒ０を接続したとすると、定電流源５０から供給される一定電流Ｉは電極Ｅ２１の点で電流ｉ１と電流Ｉ−ｉ１とに分流し、Ｐ点でも電流ｉ２と電流Ｉ−ｉ２とに分流する。特開平８−１５４９１０号公報の開示技術では、電極Ｅ２２とＥ１２とを身体抵抗電位計測用電極と定め、これら電極間の電位降下を測定して身体内抵抗ｒ０を求めるようにしている。
【００１３】
ところが、図８（ａ）において、抵抗ｒ０のみならず、ｒ１１〜ｒ２２の各抵抗値も未知であり、かつ測定の度にその値が変化するため、電流ｉ１，ｉ２の値もそれら抵抗値の大きさに応じて変化することになる。したがって、電極Ｅ２２とＥ１２とを身体抵抗電位計測用電極として抵抗ｒ０の両端電位ｒ０・Ｉを測定しようとしても、これにｒ２２・ｉ１とｒ１２・（Ｉ−ｉ２）の電位降下分が加わることになってしまう。
【００１４】
図８（ｂ）には、図８（ａ）に示される抵抗配置に加えて、対になった電極Ｅ１２−Ｅ２２間にも抵抗Ｒｅが接続された例が示されている。この例においても、図示のように電流Ｉに分流が生じることになり、前述と同様の問題がある。
【００１５】
そこで、この公報に記載のものにおいては、抵抗Ｒ０として、Ｒ０＞＞ｒ２１またはｒ２２を満たすものを選定し、抵抗Ｒ０および接触抵抗ｒ２２にはできる限り電流が流れないようにされている。
【００１６】
また、この公報に記載のものでは、測定者が電極から完全に離脱しても測定回路の入力端子が抵抗を介して電源に接続されていて測定出力とは異なる一定の信号を出力するので、この出力信号を警報に利用するようにされている。また、図８（ａ）において、電極Ｅ１１，Ｅ２１の電極接触部において測定者が電極から離脱した場合、または図８（ｂ）において、測定者が全ての電極から完全に離脱した場合を考慮し、この状態でも定電流を維持して測定回路から外部へ警報を与えることができるように、次式で示されるように抵抗Ｒ０に上限を設けるようにされている。
（Ｚ−ｒ０ｍ）／２＞Ｒ０
ただし、Ｚ：最大負荷抵抗値、ｒ０ｍ：身体内抵抗ｒ０の最大値
【００１７】
しかし、この公報に記載のものでは、測定に際し測定者の皮膚が乾いていたり電極が汚れていたりすると接触抵抗ｒ２１等は増加して様々な値をとる反面、接続抵抗Ｒ０は前述のようにその大きさに制限が加えられているために、抵抗ｒ２１，ｒ２２が増すと前述の条件Ｒ０＞＞ｒ２１（ｒ２２）を満足できなくなってしまう。この結果、無視できない大きさの分流電流ｉ１，ｉ２が発生することとなって、図８（ａ）では測定電圧において、ｒ２２・ｉ１＋ｒ１２・（Ｉ−ｉ２）分の測定誤差を生ずることとなってしまう。
【００１８】
また、この公報に記載のものにおいては、測定者が電極から離脱するような事態になれば明確に身体内抵抗電位降下測定値と異なる値を外部に与えることができるが、このような値に至るまでに接触抵抗値の大きさに応じて大きな測定誤差が発生することとなる。したがって、測定値に影響を及ぼすような誤差が発生するまでに警報を発しようとすれば、接触抵抗変化に対する正常測定可能な範囲が狭くなってしまう。
【００１９】
このような問題が生じる原因は、電極の機能を、電流印加用と計測用とに分離し、このうち計測用電極の電位降下をもって身体内抵抗電位降下分としたところにある。
【００２０】
この公報のものも含めて、従来の４端子法は電流印加電極部の接触抵抗による電圧降下分は測定値の中に含まないようにし、電極間相互を絶縁または絶縁に近い導電状態に保ち、電極間および電圧測定電極部の接触抵抗にできるだけ電流が流れないように構成することで、電圧測定電極部の接触抵抗における電位降下分は測定結果に影響のない小さな値になるように回路が構成されている。この場合、測定値には測定電極部の接触抵抗電位降下分は含んで測定されるが、実質的に測定値は身体内インピーダンスとして扱えるようになり、接触インピーダンスは測定器の実用精度上無視できる値になる。しかし、基本的に回路構成の上で身体内インピーダンス成分のみ、または接触インピーダンスの成分のみをそれぞれ独立して測定もしくは求めることはできず、測定条件が好都合の場合に限り、接触インピーダンスを無視できるようにして身体内インピーダンスが求められる方式であった。
【００２１】
一方、２端子法において、各電極を皮膚上の極めて近接した位置に配置し、測定電極間がほとんど接触インピーダンス成分のみで、身体内インピーダンス成分がほとんどないような部位間を測定する状態に電極を配置すれば、接触インピーダンスのみの測定を行うことはできるが、これと同時に体脂肪算出に供する程度の身体内インピーダンスを測定することはできない。
【００２２】
また、従来の２端子法および４端子法を兼備した装置をそれぞれ別途に使用すれば、従来の４端子法で身体内インピーダンスを、そして従来の２端子法で、身体内インピーダンスの極めて小さい部位間を測定するのであれば接触インピーダンスを、それぞれ単独に実用的な精度で測定することは可能であるが、このようにした場合には、２台の装置が必要であったり、測定部位が限定されたり、あるいは装置が１台であっても切り替えて使用する必要があって、装置構成の大型化、複雑化は避けられない。
【００２３】
さらに、従来の測定法では、電極間の電気絶縁性が低下したときに身体内インピーダンスの測定精度に及ぼす影響が補償されるような測定法とはなっていないので、電極間に水分が付着することにより前述のような電流分流による誤差発生の問題がある。
【００２４】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、電極と身体皮膚面との間の接触インピーダンスと、電極に接触する皮膚と皮膚との間の身体内インピーダンスとを独立して求めることができるようにし、これによって接触インピーダンスの広い範囲の変化に対しても測定精度を落とさずに身体内インピーダンスを求めることのできる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。
【００２５】
【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、本発明によるインピーダンス測定装置は、
身体皮膚面上に接触するように設けられる複数の電極と、これら電極間の電圧を測定する測定手段とを備えるインピーダンス測定装置において、
各電極と身体皮膚面との接触部にその接触部に生じる電位降下の測定が可能な電流が流れるように各電極相互間に抵抗体が接続され、前記測定手段は、全ての接触部に測定電流が流れるように接続を切り替えて各電極間電圧を測定する電圧測定部と、この電圧測定部により測定された電圧に基づき、前記接触部のインピーダンスのみの電圧降下分と、前記接触部のインピーダンスに身体内インピーダンスが加わった電圧降下分とから、前記接触部のインピーダンスと前記身体内インピーダンスとを独立して求める演算部と、予め前記抵抗体の抵抗値を測定することにより絶縁性の低下分を含む抵抗値を既知化する既知化手段とを有することを特徴とするものである。
【００２６】
本発明によれば、測定者の条件もしくは環境によってその測定者の皮膚と電極との間の接触インピーダンスが種々の値をとった場合でも、各電極と身体皮膚面との接触部に生じる電位降下を、身体内インピーダンスにおける電位降下と同レベル程度にし、その電位降下分の測定が可能になるような大きさの電流が流れるようにしているので、測定精度を落とすことなく身体内インピーダンスを求めることができて正確な体脂肪量を算出することができる。こうして、接触インピーダンスの広い変化範囲に亘って身体内インピーダンスを正しく測定することができる。また、接触インピーダンスそのものを直接的に評価できる。例えば求められた接触インピーダンスの値を表示し、あるいはその値に基づいて演算判定させることで、測定者の測定条件の良否を広い範囲で正確に測定者に対して警告することができる。さらに、単一の装置による１回の測定動作により接触インピーダンスと身体内インピーダンスとをそれぞれ個別にかつ同時に求めることができ、正確な接触インピーダンスの変化量を得ることができるので、この接触インピーダンスの変化量から測定者の精神的発汗の度合いを測定して、ストレス量、精神動揺量を判定することができ、便利で多機能な健康維持用・娯楽用の測定装置とすることができる。また、簡単な回路を追加するだけで、極めて微小な接触インピーダンス変化量も求めることができるので、感度の高い精神動揺測定を行うことが可能となる。
【００２７】
また、本発明においては、予め抵抗体の抵抗値を測定することにより絶縁性の低下分を含む抵抗値を既知化する既知化手段を有しているので、電極間において接続抵抗を含む電気伝導度が変化してもその状態での電極間抵抗値を測定することで、電極間における電気伝導度変化の影響を受けずに、正確な身体内インピーダンスおよび接触インピーダンスを求めることができる。
【００２８】
本発明においては、さらに、前記演算部により演算された前記接触部のインピーダンス値を表示するとともに、このインピーダンス値の大小により測定の適否の判定結果を表示する表示手段が設けられるのが好ましい。こうすることで、測定者は、指先や足の裏など、どの部分の接触状態が不都合であるかを認識できるようになり、測定の適否を容易に判定することができる。
【００２９】
本発明において、前記演算部は、前記接触部のインピーダンスの変化量を求めるとともに、この変化量の値から測定者の精神的発汗量を求めるものであるのが好ましい。これによって、単一の測定装置によって、また同じ身体部の測定によって、体脂肪計の機能と精神動揺計の機能とを同時に併せ持たせることができ、有用な測定装置を提供することができる。
【００３０】
さらに、前記演算部は、前記測定手段による測定値に基づき、体脂肪量および体脂肪率を演算するのが好ましい。
【００３１】
本発明において、より具体的な回路構成としては、少なくとも一組の電極間に複数個の抵抗体が接続されてそれら抵抗体の抵抗値と前記接触部のインピーダンス値とが平衡ブリッジ回路をなすようにされ、この平衡ブリッジ回路の両端に電源を印加すると同時にその平衡ブリッジ回路の他端に発生する電圧を測定することで、前記接触部のインピーダンス値の変化量が求められる構成を採用するのが良い。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明による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。
【００３３】
図１（ａ）（ｂ）には、本発明の一実施例に係るインピーダンス測定装置における測定原理が示されている。
【００３４】
本実施例においては、測定者の身体皮膚と接触する４つの電極Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４が設けられている。ここで、各電極Ｅ１〜Ｅ４とその電極に接触した皮膚表面との間の接触インピーダンスがそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ，Ｕとされ、身体内インピーダンスがＭとされる。
【００３５】
電極Ｅ１−Ｅ２間および電極Ｅ３−Ｅ４間には、例えば接触インピーダンスと同等の大きさの抵抗ｒ１，ｒ３が接続され、また電極Ｅ２−Ｅ３間には、測定者が電極から完全に離脱した状態にあってもｒ１＋ｒ２＋ｒ３の値が定電流回路の電流制御の最大負荷抵抗Ｚｍ以下になるように、言い換えればＺｍ≧ｒ１＋ｒ２＋ｒ３が成り立つように値を選んで、抵抗ｒ２が接続される。
【００３６】
前記各電極Ｅ１〜Ｅ４はそれぞれ端子ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４に接続され、これら端子ｐ１〜ｐ４を介して定電流回路１の出力端子ｏ１および入力端子ｏ２に接続できるようにされ、また電圧測定回路２の端子ｓ１，ｓ２に接続できるようにされている。ここで、定電流回路１は、非反転入力端子から電圧信号Ｖ０（既知）が入力されて定電流Ｉを出力する演算増幅器ＡＭＰ１と、この演算増幅器ＡＭＰ１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Ｒｓ（既知）を備えてなり、Ｉ＝Ｖ０／Ｒｓの一定電流を身体内および付属抵抗に流し込むように構成されている。また、電圧測定回路２は、端子ｓ１，ｓ２間に発生する電圧を出力する演算増幅器ＡＭＰ２と、この演算増幅器ＡＭＰ２の入力抵抗Ｒ１，Ｒ２を備えて構成されている。なお、これら入力抵抗Ｒ１，Ｒ２としては前記インピーダンスおよび付属抵抗に比べて十分に大きい値が選ばれる。
【００３７】
このような構成において、測定に際しては、まず図１（ａ）に示されるように、定電流回路１の入力端子ｏ２と端子ｐ４とを接続した状態で、出力端子ｏ１と端子ｐ１とをアナログスイッチにて接続する。そうすると、電流Ｉは、平衡ブリッジ回路をなす身体内インピーダンスＭ、それぞれの接触インピーダンスＸ，Ｙ，Ｚ，Ｕおよび全ての付属抵抗ｒ１，ｒ２，ｒ３に分流して流れる。この状態で、端子ｐ１，ｐ２、端子ｐ１，ｐ４、端子ｐ３，ｐ４と電圧測定回路２の入力端子ｓ１，ｓ２とのそれぞれの接続を順次切り替えて、平衡ブリッジ回路の他端に発生する電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を測定する。
【００３８】
続いて、図１（ｂ）に示されるように、定電流回路１の出力端子ｏ１を端子ｐ２に切り替え、この状態で、端子ｐ２，ｐ３、端子ｐ２，ｐ４と電圧測定回路２の入力端子ｓ１，ｓ２とのそれぞれの接続を順次切り替えて電圧Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６を測定する。
【００３９】
図１（ａ）に示される接続状態において、端子ｐ１，ｐ２、端子ｐ３，ｐ４、端子ｐ１，ｐ４と電圧測定回路２の入力端子ｓ１，ｓ２とのそれぞれの接続を順次切り替えると、各インピーダンス部には次式が成立する。
▲１▼Ｘ・ｉ１＋Ｙ・（ｉ１−ｉ２）＝Ｖ１
▲２▼Ｘ・ｉ１＋Ｍ・ｉ２＋Ｕ・（ｉ２−ｉ３）＝Ｖ３
▲３▼−Ｚ・ｉ３＋Ｕ・（ｉ２−ｉ３）＝Ｖ３−（Ｖ１＋Ｖ２） ……（１）
【００４０】
また、電圧測定値とｉ１，ｉ２，ｉ３との間には次式が成立する。
ｒ１・（Ｉ−ｉ１）＝Ｖ１
ｒ２・（Ｉ−ｉ２）＝Ｖ２
ｒ３・（Ｉ−ｉ２＋ｉ３）＝Ｖ３−（Ｖ１＋Ｖ２）
Ｉ＝Ｖ０／Ｒｓ ……（２）
【００４１】
こうして、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を測定すると、ｒ１，ｒ２，ｒ３として既知の抵抗値のものを接続していれば、（２）式より（１）式の▲１▼〜▲３▼の係数は全て既知となる。
【００４２】
次に、図１（ｂ）に示される接続状態において、端子ｐ２，ｐ３、端子ｐ２，ｐ４と電圧測定回路２の入力端子ｓ１，ｓ２とのそれぞれの接続を順次切り替えると、各インピーダンス部には次式が成立する。
▲４▼Ｙ・ｊ２＋Ｍ・（Ｉ−ｊ１）＋Ｚ・（Ｉ−ｊ１−ｊ３）＝Ｖ５
▲５▼Ｙ・ｊ２＋Ｍ・（Ｉ−ｊ１）＋Ｕ・ｊ３＝Ｖ６ ……（３）
【００４３】
また、電圧測定値とｊ１，ｊ２，ｊ３との間には次式が成立する。
ｒ１・（Ｉ−ｊ１−ｊ２）＝Ｖ４
ｒ２・ｊ１＝Ｖ５
ｒ３・（Ｉ−ｊ３）＝Ｖ６−Ｖ５ ……（４）
【００４４】
こうして、同様に、Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６を測定すると、（４）式より（３）式の▲４▼▲５▼の係数は全て既知となる。
【００４５】
故に、▲１▼〜▲５▼式による連立方程式を解くことができて、インピーダンスＸ，Ｙ，Ｚ，Ｕ，Ｍの各値を求めることができる。言い換えれば全てのインピーダンスは測定されるＶ１〜Ｖ６の電圧値を代入することで求めることができる。
【００４６】
なお、本実施例の測定原理において、電極と接触させる身体皮膚が例えば異なる指のような場合には、インピーダンスＸ，Ｙ，Ｚ，Ｕの値の中には接触部のインピーダンスに身体末端組織部（例えば指先）のインピーダンスが含まれることになる。しかし、身体末端組織部における、測定に使用するような短い時間内のインピーダンス値は、腹部など身体内部に比べて安定していると考えられ、接触インピーダンスの変化量を知る用途に適用する場合には問題とはならない。
【００４７】
また、測定状態の適否判定に関しては、接触状態が不適であれば接触インピーダンスの絶対値が増加することから、予め判定境界値として例えば２つの境界値（不適切、やや不適切）を設定しておき、測定値をそれら判定境界値と比較して測定者に対してどの接触部が測定にとって適切であるか否かを表示器に表示するようにすれば良い。
【００４８】
こうして求められた身体内インピーダンスＭは体脂肪量・率の計算に供することができ、接触インピーダンスＸ，Ｙ，Ｚ，Ｕはそれらの値によって測定状態の適否判定に使用することができる。
【００４９】
本実施例の測定方式においても、接触インピーダンスＸ〜Ｕの値が増加するほど身体内インピーダンスＭの値との比が大きくなることから、正確な身体内インピーダンスＭの測定には高いＡ／Ｄ変換分解能が必要とされることになる。したがって、測定回路におけるＡ／Ｄ変換回路の分解能に応じて接触抵抗値に上限境界値を設けて接触インピーダンスＸ〜Ｕのいずれか一つが境界値を越えれば測定異常であると判定するようにするのが好ましい。こうすることで、測定異常状態が出力されるまでは身体内インピーダンスの大きさの如何にかかわらず、正しい測定を行うことができる。
【００５０】
さらに、本実施例によれば、接触インピーダンスのそれぞれの変化量を観測・算出することで、精神的ストレス、精神的動揺に起因する皮膚表面の発汗状態を捉えることができる。すなわち、発汗によって接触インピーダンスの値が変化する量を検出することができる。こうして、一つの測定器によって体脂肪計と精神動揺計とを兼ね備えた装置を得ることができる。この場合、身体内インピーダンスの変化の影響を全く受けずに、接触インピーダンスのみの値の変化から変化量を得ることができる上、４箇所同時に測定できるので、この４箇所における接触インピーダンスの変化量の合計値や平均値を求めることにより安定したデータを得ることができる。
【００５１】
また、多数の接触部のインピーダンス変化量を検出するために、身体と接触する電極の対を図２に示されるように増やしても良い。この場合にも、身体内インピーダンスＮおよび接触インピーダンスＶ，Ｗの値とそれらの変化量を４電極の場合と同様に求めることができる。
【００５２】
本実施例において、電極間の抵抗ｒ１，ｒ２，ｒ３の接続形態として、図１のような形態に代えて、図３に示されるような接続形態を選択しても、各インピーダンスを同様にして求めることができる。なお、これら図２、図３において、定電流回路および電圧測定回路は図示省略されている。
【００５３】
次に、各電極間に抵抗ｒ１，ｒ２，ｒ３を接続しても、電極間に水分などが付着して抵抗値がそれぞれ未知のｒ１１，ｒ２１，ｒ３１に変化する場合について検討する。このような状態は、左右両足間で身体内インピーダンスを測定する測定器の場合、この測定器を多くの回数使用したときに、特に足の間の電極間において本来絶縁状態に近い値であるべき抵抗値が汚れ分の付着により低下してくることによって起こる。
【００５４】
このような場合の補償方法としては、予め抵抗値ｒ１１，ｒ２１，ｒ３１の値を測定するステップを設けてそれら抵抗値を既知化しておくのが好ましい。このようにすれば、電極間の電気伝導度が変化したとき、その変化の程度が付属の測定回路で検出できるくらいに影響を及ぼすものであれば、ｒ１１，ｒ２１，ｒ３１の抵抗値変化となって現れることになるので、その値が検出できることになる。
【００５５】
具体的には、図１（ａ）において、電極Ｅ１〜Ｅ４に皮膚を接触させる前に抵抗ｒ１１，ｒ２１，ｒ３１に電流Ｉを流し、このとき端子ｐ１−ｐ２間、端子ｐ２−ｐ３間および端子ｐ３−ｐ４間の電圧を測定し、その測定値がそれぞれＶ１１，Ｖ２１，Ｖ３１であったとすると、次式を演算することにより現在の電極間抵抗値を既知化することができる。
ｒ１１＝Ｖ１１／Ｉ、ｒ２１＝Ｖ２１／Ｉ、ｒ３１＝Ｖ３１／Ｉ
故に、これらｒ１１，ｒ２１，ｒ３１の値をｒ１，ｒ２，ｒ３の代わりに使うことでインピーダンスＸ〜Ｍの値を誤差を含むことなく求めることが可能となる。
【００５６】
ところで、従来方法（例えば特開平８−１５４９１０号公報）では、電極を、電源印加用電極と電圧測定用電極とに分け、電圧測定用電極における接触部にはできるだけ電流を流さないようにして接触インピーダンス成分による電位降下分を測定誤差の許す最小限の範囲内に止め、実質身体内インピーダンス成分のみによる電位降下分を測定するようにしているため、身体内インピーダンスのみの測定は行えるが、同時に接触インピーダンスの測定を行うことはできなかった。これに対して、本実施例のインピーダンス測定装置によれば、電極間に抵抗を接続し、全ての接触部に測定電流を流して接触インピーダンスのみの電圧降下分と、接触インピーダンスに身体内インピーダンスが加わった電圧降下分とを測定することで、接触インピーダンスと身体内インピーダンスとをそれぞれ単独に求めることが可能となった。
【００５７】
また、従来方法の場合、前述のように絶縁の程度が測定可能なくらいに低下すると身体内インピーダンスが必要な精度で測定できなくなるので、電極間を終始絶縁状態に保つことが測定のための不可欠な条件となっている。これに対して、本実施例のインピーダンス測定装置によれば、電極間を常に適切な電気伝導度に保ちながら電極間の抵抗値を適宜測定して測定時点での電極間抵抗値を求めている。この値を使用することによって電極間電気伝導度変化の影響を受けずに身体内インピーダンスおよび接触インピーダンスを求めることができるという利点を有する。
【００５８】
本実施例のインピーダンス測定装置においては、若干の切り替え回路を追加することで、より微小な接触インピーダンス変化の検出にも容易に対応することができる。これを図４を用いて説明する。
【００５９】
図４（ａ）は、図１（ａ）に示される回路において、抵抗ｒ３の代わりに端子ｐ３と端子ｐ４との間に抵抗ｒ３１，ｒ３２，ｒ３３を接続し、抵抗ｒ３１と抵抗ｒ３２との間に端子ｑ１を、抵抗ｒ３２と抵抗ｒ３３との間に端子ｑ２をそれぞれ設けたものである。また、微小接触インピーダンス変化測定に必要な場合には、アナログスイッチの接点切り替えによって電源回路（定電流回路）１から端子ｑ１と端子ｐ４とに電源を与え、電圧測定回路２によって端子ｐ３と端子ｑ２との間の電圧を測定するようにされる。さらに、電圧測定回路２における演算増幅器ＡＭＰ２の入力抵抗部に端子ｑ３，ｑ４を設け、本測定モードのときには抵抗ｒ４が従来の入力抵抗に並列接続されて電圧測定回路２の増幅率を拡大するようにする。なお、抵抗ｒ４の値は、この抵抗ｒ４が入っても電圧測定回路２の入力抵抗値が身体内インピーダンスやｒ３１，ｒ３２，ｒ３３に比べて測定精度に支障がない程度に十分大きな値になるように選定される。
【００６０】
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示される回路構成の測定概念を分かり易くしたものである。ここで、ｒ３１＝ｒ３２とし、ｒ３３として、測定部における皮膚と電極の接触インピーダンスの平常値の平均的な値であるＺとＵとの和にほぼ等しい値、言い換えればｒ３３≒Ｚ＋Ｕが成り立つような値を選ぶものとする。また、微小接触インピーダンス変化を測定したいとき、測定者は電極Ｅ１，Ｅ２の方に皮膚を触れないようにする。
【００６１】
図４（ｂ）において、電源によって与えられる電圧をＶとすると、端子ｐ３と端子ｑ２との間の電圧ｅは、次式で表わされる。
ｅ＝［｛（Ｚ＋Ｕ）／（Ｚ＋Ｕ＋ｒ３１）｝−｛ｒ３３／（ｒ３２＋ｒ３３）｝］・Ｖ
ここで、前記設定条件より、ｅ≒０である（ｅ≠０であってもｅは小さな値）であるから、電圧測定回路２の出力信号は入力抵抗にｒ４を並列接続することで標準のインピーダンス測定モード時の増幅率Ｋ１からＫ２に上げても、後段に接続されているＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジに十分な余裕を残すことができる。
【００６２】
そして、測定者が測定体勢に入り、外部からの精神的刺激で接触部に発汗を起こし、接触インピーダンスがＺ，ＵからＺ＋ΔＺ，Ｕ＋ΔＵに変化したとすれば、前記式でｅは次式
ｅ＝（ΔＺ＋ΔＵ）・Ｖ
となり、ｅは微小量であるが電圧測定回路２の増幅率を高くしているので、後段のＡ／Ｄ変換器へ入力される信号はＫ２・ｅに拡大され、十分な変換精度で接触インピーダンス変化分を求めることができる。
【００６３】
このように本実施例の回路構成によれば、少しの切り替え回路を追加することで、容易に接触インピーダンスの微小変化量も測定することができるという特徴を有している。
【００６４】
次に、図５を参照しつつ、本実施例の測定原理に基づく具体的回路例について説明する。
【００６５】
図示のように、この回路においては、端子ｐ１と端子ｐ２とを切り替えるアナログスイッチＡＳ１と、端子ｐ１，ｐ２，ｐ３を切り替えるアナログスイッチＡＳ２と、端子ｐ２，ｐ３，ｐ４を切り替えるアナログスイッチＡＳ３とが設けられている。また、電圧測定回路２の演算増幅器ＡＭＰ２の出力側にはその演算増幅器ＡＭＰ２の出力電圧を整流する整流回路３と、この整流回路３から出力される電圧信号を平滑化するフィルタ４と、このフィルタ４から出力されるアナログ信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器５と、このＡ／Ｄ変換器５からの出力データを読み込むＩ／Ｏ回路６と、このＩ／Ｏ回路６からのデータに基づいて各種演算を実行するＣＰＵ７と、このＣＰＵ７の演算結果並びに各種プログラム等を記憶するメモリ８とが設けられ、さらに前記Ｉ／Ｏ回路６にはデータ表示のための表示器９と、データ入力のための操作スイッチ１０が接続されている。
【００６６】
このように構成されているので、まず測定の第１ステップにおいて、図１（ａ）に示されるように、アナログスイッチＡＳ１を切り替え選択して電源回路の出力端子ｏ１，ｏ２を端子ｐ１，ｐ４にそれぞれ接続し、電源回路（定電流回路）１より電流（または電圧）Ｉを与える。すると、前述の測定原理にて説明したように、抵抗ｒ１，ｒ２，ｒ１＋ｒ２＋ｒ３の両端に電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が発生するので、これらの値を順次電圧測定回路２の入力端に接続されたアナログスイッチＡＳ２，ＡＳ３の接点をそれぞれｐ１−ｐ２、ｐ１−ｐ４、ｐ３−ｐ４と切り替えながら測定し、その測定結果を一旦メモリ８内に記憶させる。
【００６７】
次いで、第２ステップにおいて、図１（ｂ）に示されるように、アナログスイッチＡＳ１を切り替え選択して電源回路の出力端子ｏ１，ｏ２を端子ｐ２，ｐ４にそれぞれ接続し、電源回路（定電流回路）１より電流（または電圧）Ｉを与える。すると、抵抗ｒ１，ｒ２，ｒ２＋ｒ３の両端に電圧Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６が発生するので、これらの値を順次電圧測定回路２の入力端に接続されたアナログスイッチＡＳ２，ＡＳ３の接点をそれぞれｐ２−ｐ３、ｐ２−ｐ４と切り替えながら測定し、その測定結果を一旦メモリ８内に記憶させる。
【００６８】
続いて、第３ステップにおいて、メモリ８に記憶されたＶ１〜Ｖ６の各値を前述の（１）〜（４）の式に代入することにより、目的とするインピーダンス値Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｕ，Ｍを得ることができる。また、得られた身体内インピーダンスＭの値から体脂肪量を計算したり、接触インピーダンスＸ〜Ｕの値の変化量を求めて精神的動揺を判定することができる。
【００６９】
こうして得られた接触インピーダンスの値の中には、何かの条件（例えば姿勢の変化）でとかく変化し易い身体内インピーダンスの成分は含まれていないので、接触インピーダンスの変化量は電極と皮膚の接触部の状態変化を正確に反映しているものとして捉えることができる。しかも、複数箇所を同時に測定できるので、これらの値を総合的に扱うことでより正確な測定器を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）（ｂ）は、本発明の一実施例に係るインピーダンス測定装置における測定原理図である。
【図２】図２は、本実施例の第１の変形例を示す回路図である。
【図３】図３は、本実施例の第２の変形例を示す回路図である。
【図４】図４（ａ）（ｂ）は、本実施例の第３の変形例を示す回路図である。
【図５】図５は、本実施例の測定原理に基づく具体的回路例を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、従来の２端子法を用いた体内脂肪量測定装置の測定原理図、図６（ｂ）は、従来の４端子法を用いた体内脂肪量測定装置の測定原理図である。
【図７】図７（ａ）（ｂ）は、電極相互間が絶縁されていない場合の問題点を説明する図である。
【図８】図８（ａ）（ｂ）は、従来技術の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１定電流回路
２電圧測定回路
３整流回路
４フィルタ
５Ａ／Ｄ変換器
６Ｉ／Ｏ回路
７ＣＰＵ
８メモリ
９表示器
１０操作スイッチ

Claims

身体皮膚面上に接触するように設けられる複数の電極と、これら電極間の電圧を測定する測定手段とを備えるインピーダンス測定装置において、
各電極と身体皮膚面との接触部にその接触部に生じる電位降下の測定が可能な電流が流れるように各電極相互間に抵抗体が接続され、前記測定手段は、全ての接触部に測定電流が流れるように接続を切り替えて各電極間電圧を測定する電圧測定部と、この電圧測定部により測定された電圧に基づき、前記接触部のインピーダンスのみの電圧降下分と、前記接触部のインピーダンスに身体内インピーダンスが加わった電圧降下分とから、前記接触部のインピーダンスと前記身体内インピーダンスとを独立して求める演算部と、予め前記抵抗体の抵抗値を測定することにより絶縁性の低下分を含む抵抗値を既知化する既知化手段とを有することを特徴とするインピーダンス測定装置。
さらに、前記演算部により演算された前記接触部のインピーダンス値を表示するとともに、このインピーダンス値の大小により測定の適否の判定結果を表示する表示手段が設けられる請求項１に記載のインピーダンス測定装置。
前記演算部は、前記接触部のインピーダンスの変化量を求めるとともに、この変化量の値から測定者の精神的発汗量を求めるものである請求項１または２に記載のインピーダンス測定装置。
さらに、前記演算部は、前記測定手段による測定値に基づき、体脂肪量および体脂肪率を演算する請求項１〜３のうちのいずれかに記載のインピーダンス測定装置。
少なくとも一組の電極間に複数個の抵抗体が接続されてそれら抵抗体の抵抗値と前記接触部のインピーダンス値とが平衡ブリッジ回路をなすようにされ、この平衡ブリッジ回路の両端に電源を印加すると同時にその平衡ブリッジ回路の他端に発生する電圧を測定することで、前記接触部のインピーダンス値の変化量が求められる請求項１に記載のインピーダンス測定装置。