JP4795807B2

JP4795807B2 - 生体インピーダンス計測装置

Info

Publication number: JP4795807B2
Application number: JP2006032823A
Authority: JP
Inventors: 一樹玉村; 豊山崎; 典朗大山; 宗孝高杉
Original assignee: Fukuda Denshi Co Ltd
Current assignee: Fukuda Denshi Co Ltd
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: JP2007209545A

Description

本発明は、生体インピーダンス計測装置に関する。

電気回路等のインピーダンス計測では一般に、被計測物に微小電流を流してその間の電圧降下を計測してインピーダンスを計測する。生体のインピーダンス計測においても同様に、生体に微小電流を流し被計測部位の電圧降下を計測してインピーダンスを計算する。しかし、生体のインピーダンス計測では、電気回路等のインピーダンス計測とは異なり、生体に適応するために安全性を考慮した高周波微小電流を使用する必要がある。また、生体と電極との間には無視できない接触インピーダンスが発生する場合が多く、注意が必要である。

生体インピーダンス計測に多く採用されている方式として、２電極法と４電極法がある（たとえば、特許文献１を参照。）。

特開２００３−５２６５８号公報

一般的に生体インピーダンスが数十Ω〜百数十Ωであるのに対して、接触インピーダンスは、皮膚の状態や電極の種類や装着状態等によって百数十Ω〜数ｋΩとなるので、正確な計測が困難である。２電極法では計測されるインピーダンスに接触インピーダンスが含まれるし、４電極法では計測する電流が接触インピーダンスの影響で過小評価されてしまう。

具体的に説明すると、２電極法では、電流を流す電極（電流電極）と電圧を計測する電極（電圧電極）に同じ電極を使用する。このため、電極の装着や回路構成が簡単であるという利点がある。しかし、計測するインピーダンスには電極と生体との間の接触インピーダンス等も含まれるため、生体インピーダンスだけを正確に計測することはできない。なお、電気回路等のインピーダンス計測では、接触インピーダンスはほとんど無視できるほど小さいため、２電極法が用いられている。

一方の４電極法では、電流電極と電圧電極とで異なる電極を使用する。一般的に電圧計測回路の入力インピーダンスは十分に大きく、電圧電極と生体との間に生じる接触インピーダンスを無視できるため、計測するインピーダンスに電圧電極と生体との間に生じる接触インピーダンスが含まれることはない。しかし、電流電極と生体との間に生じる接触インピーダンスによって測定電流が変化してしまい、これが生体インピーダンスの正確な計測を妨げる要因となる。

測定電流の変化をできるだけ小さくする方法（定電流計測）はいくつかあるが、簡単かつ一般的な方法として、電流出力回路の出力インピーダンスを大きくする方法が知られている。これは、接触インピーダンスに比べて出力インピーダンスを十分に大きくとり、計測するインピーダンスに含まれる接触インピーダンスの割合を無視できる程度まで小さく抑える方法である。

しかしながら、電流出力回路の出力インピーダンスを大きくするほど、測定電流が微小になり、計測されるインピーダンス波形のＳ／Ｎが劣化する等の問題がある。

したがって、本発明は、生体のインピーダンスを高精度に計測することが可能な生体インピーダンス計測装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る生体インピーダンス計測装置は、被検体の計測対象部位の両端に接触される第１電極対と、前記第１電極対を挟む位置にて前記被検体に接触される第２電極対と、前記第２電極対に電圧を印加するための電源部を含む電流出力部と、前記第１電極対および前記第２電極対のいずれか一方を電圧電極として選択する選択部と、前記選択部により選択された前記電圧電極の間の電圧を検出する検出部と、前記選択部に前記第２電極対を前記電圧電極として選択させ、前記電源部のドライブ電圧と、前記電流出力部の出力インピーダンスと、前記検出部により検出される前記第２電極対の間の電圧値とに基づいて、前記計測対象部位を流れる電流を計算する電流計算部と、前記選択部に前記第１電極対を前記電圧電極として選択させ、前記検出部により検出される前記第１電極対の間の電圧値と、前記電流計算部により計算された電流値とに基づいて、前記計測対象部位のインピーダンスを計算するインピーダンス計算部とを有することを特徴とする。

本発明の別の側面に係る生体インピーダンス計測装置は、被検体の計測対象部位の両端に接触される第１電極対と、前記第１電極対を挟む位置にて前記被検体に接触される第２電極対と、前記第２電極対に電圧を印加するための電源部を含む電流出力手段と、前記第２電極対を利用した２電極法を適用することで、前記第２電極対の間を流れる電流を計測する電流計測手段と、前記第２電極対を電流電極、前記第１電極対を電圧電極とする４電極法を適用して、これにより検出される前記第１電極対の間の電圧値と、前記電流計測手段により計測された電流値とに基づいて、前記計測対象部位のインピーダンスを計算するインピーダンス計算手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、生体のインピーダンスを高精度に計測することが可能な生体インピーダンス計測装置が提供される。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施に有利な具体例を示すにすぎない。また、以下の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の課題解決手段として必須のものであるとは限らない。

図１は、本実施形態における生体インピーダンス測定装置の外観を示す図である。生体インピーダンス測定装置１は、制御ユニット２と、この制御ユニット２に接続された計測ユニット３とで構成されている。制御ユニット２は、表示部２５、操作パネル２７を備えるとともに、記録用紙２６ａに対し印刷出力を行う印刷部２６を備えている。被検体（図示の例では被検者の下肢部）Ｓには４つの電極Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが所定の間隔をあけて装着される。計測対象部位は、内側の電極Ｂ−Ｃ間の部位である。したがって、この電極の装着態様の見かけ上は、電極Ａ，Ｄ（第２電極対）を電流電極、電極Ｂ，Ｃ（第１電極対）を電圧電極とする従来の４電極法と同様である。もっとも、後述するように、本実施形態におけるインピーダンス計測においては、従来の４電極法のみならず、電極Ａ，Ｄを用いた２電極法も適用されることになる。したがって、２電極法の適用場面においては、電極Ａ，Ｄは電流電極と電圧電極とを兼ねることになる。ただし以下では便宜上、従来の４電極法に従い、電極Ａ，Ｄを電流電極、電極Ｂ，Ｃを電圧電極という場合もある。

なお、各電極Ａ〜Ｄには、いわゆるテープ電極を使用することが好ましい。これは、長尺テープの片面に粘着剤が塗布され、その粘着面の中央部に、そのテープ幅よりも狭い幅の帯状の電極がテープ長手方向に沿って付着されたものである。このようなテープ電極の粘着面（すなわち電極面）と被検体Ｓの皮膚表面とを対向させて、そのテープ電極を被検体Ｓの周囲に巻き付けるようにして装着する。こうして電極は被検体Ｓに接触される。また、電極面には被検体Ｓとの接触インピーダンスが小さくなるように導電性粘着ゲルが塗布されているとよいであろう。

つぎに、図２および図３を参照して、本実施形態における生体インピーダンス計測装置１の具体的な構成を説明する。

図２は計測ユニット３の具体的構成例を示すブロック図である。同図において、被検体Ｓは等価回路にて示されており、上記したとおり、Ｚ0が計測対象部位の生体インピーダンスである。Ｚi1は電流電極Ａとの接触インピーダンス、Ｚi2は電流電極Ｄとの接触インピーダンスである。また、Ｚv1は電圧電極Ｂとの接触インピーダンス、Ｚv2は電圧電極Ｃとの接触インピーダンス、Ｚ01は電流電極Ａと電圧電極Ｂとの間の生体インピーダンス、Ｚ02は電流電極Ｄと電圧電極Ｃとの間の生体インピーダンスである。

計測ユニット３は、２電極法によるインピーダンス計測と４電極法によるインピーダンス計測とを選択的に行うための回路構成を有する。この計測ユニット３はたとえば、図示の如く、電流出力部３ａと、電圧検出部３ｂと、電極選択部３ｃとで構成されている。

電流出力部３ａは、ドライブ電圧制御回路３１、交流電源３２、非反転および反転バッファ対Ｂ1，Ｂ1'、ドライブ抵抗対Ｒx，Ｒx'で構成される。交流電源３２は高周波（たとえば50KHz）の交流ドライブ電圧を発生する。本実施形態では、この交流電源３２は、ドライブ電圧制御回路３１からのドライブ電圧制御信号に応じて、発生するドライブ電圧値をＶdcとＶd（＝α・Ｖdc）の２段階に切り替えることが可能である。ドライブ電圧を切り替えるのは、２電極法による計測時に収集される測定電圧値と４電極法による計測時に収集される測定電圧値とのダイナミックレンジを揃えるためである。この目的のために、αは１を超える値（たとえば、α＝10）に設定される。交流電源３２で発生したドライブ電圧は、非反転バッファＢ1と反転バッファＢ1'とに供給される。非反転バッファＢ1および反転バッファＢ1'の出力端はそれぞれ、ドライブ抵抗Ｒx，Ｒx’を介して、電極Ａ，Ｄに接続される。ドライブ抵抗Ｒx，Ｒx’は、計測ユニット３の出力インピーダンスを規定する。ここで、計測ユニット３の出力インピーダンスをＲdと定義する。そして、ドライブ抵抗Ｒx，Ｒx’の抵抗値はそれぞれ、Ｒd／２とする。

電圧検出部３ｂは、たとえば差動増幅器Ampにより実現される。この差動増幅器Ampは、電極間電圧（すなわち、計測電圧）を増幅して制御ユニット２に供給するためのものである。

また、電極選択部３ｃは、電極Ａ，Ｂのいずれかを選択するための第１の切替スイッチSW1と、電極Ｃ，Ｄのいずれかを選択するための第２の切替スイッチSW2から構成される。第１の切替スイッチの接点ａには電極Ａが接続され、接点ｂには電極Ｂが接続される。一方、第２の切替スイッチの接点ａには電極Ｄが接続され、接点ｂには電極Ｃが接続される。

そして、電圧検出部３ｂを構成する差動増幅器Ampの非反転入力端子には電極選択部３ｃの第１の切替スイッチSW1が接続され、反転入力端子には電極選択部３ｃの第２の切替スイッチSW2が接続される。

この構成において、第１の切替スイッチSW1および第２の切替スイッチSW2を共に接点ｂ側に切り替えれば、計測対象である電極Ｂ−Ｃ間の電圧を測定することができる。この場合の構成は４電極法の構成である。一方、第１の切替スイッチSW1および第２の切替スイッチSW2を共に接点ａ側に切り替えれば、電極Ａ−Ｄ間の電圧を測定することができる。すなわち、この場合の構成は、電極Ａ，Ｄを用いた２電極法の構成である。このようにして、本実施形態における計測ユニット３は、４電極法と２電極法とを切り替え可能に構成されている。第１および第２の切替スイッチSW1, SW2の切り替えは、制御ユニット２から供給されるスイッチ制御信号に応じて行われる。

図３は、制御ユニット２のハードウェア構成を示すブロック図である。制御ユニット２は、図示の如く、装置全体の制御を司るＣＰＵ２１、ＣＰＵ２１のワークエリアを提供するＲＡＭ２２、制御プログラムや固定的なデータを記憶しているＲＯＭ２３をはじめ、以下の構成を備える。

２４はＶＲＡＭ、２５は表示部である。ＶＲＡＭ２４は表示しようとするイメージデータを展開するメモリであり、ここにイメージデータ等を展開することで表示部２５に表示させることができる。表示部２５はたとえば液晶ディスプレイで構成される。印刷部２６は、収集したデータや情報、あるいは表示したデータや情報を印刷することができる。印刷部２６はたとえばサーマルプリンタで構成される。２７は各種設定や指示コマンドを入力するための操作パネルである。この操作パネル２７により、Ｚ0の計測開始指令を入力することが可能になっている。操作パネル２７はたとえばキースイッチやタッチパネルで構成される。

また、２８は計測ユニット３と通信を行うためのインタフェース（Ｉ／Ｆ）である。具体的には、このＩ／Ｆ２８を介して、計測ユニット３の差動増幅器Ampからの測定電圧信号が入力され、また、ドライブ電圧制御回路３１に対してドライブ電圧制御信号が出力されるとともに、第１および第２の切替スイッチSW1, SW2にスイッチ制御信号が出力される。なお、Ｉ／Ｆ２８は、入力された測定電圧信号をディジタル値に変換するために、検波回路、増幅器、ローパスフィルタ、Ａ／Ｄ変換器を備えている（いずれも図示省略）。

本実施形態における生体インピーダンス計測装置１の構成は概ね以上のとおりである。

次に、この生体インピーダンス計測装置１によるインピーダンスＺ0の計測処理を説明する。

電極と被検体との間に生じる接触インピーダンスは一定ではなく、皮膚の状態、電極の種類や装着状態等によって百数十Ω〜数ｋΩに亘る範囲の値をとりうることが知られている。このため、４電極法によるインピーダンス計測では、電流電極Ａと電流電極Ｄとの間の被検体Ｓに流れる実際の電流値は不明である。従来の４電極法では、性能の良い電極を使ったり接触する生体部位（皮膚）に処理を加えたり、電流出力部の出力インピーダンスを大きく設計し、接触インピーダンスを無視できると仮定して、あるいは接触インピーダンスを適当な値に見積もって、計算上の電流値を用いてインピーダンスを計算していた。このために、計測結果として得られるインピーダンスには誤差を生じていた。

一方、２電極法では、計測するインピーダンスには電極と被検体との間の接触インピーダンス等も含まれるため、生体インピーダンスだけを正確に計測することは困難であることは先述したとおりである。しかし、この２電極法では、被検体を流れる実際の電流値を求めることが可能である。

そこで本実施形態では、４電極法を適用する前にいったん２電極法を適用して被検体を流れる実際の電流値を求め、その後、４電極法を適用し、先に求めた実際の電流値を用いてインピーダンスを算出する。

図４は、本実施形態における生体インピーダンスＺ0の計測処理を示すフローチャートである。このフローチャートに対応するプログラムは、たとえば制御ユニット２内のＲＯＭ２３に記憶されている制御プログラムに含まれ、ＣＰＵ２１によって実行される。したがって本実施形態では、このＣＰＵ２１によって、電流計算ならびにインピーダンス計算が実現されることになる。

この処理は、図１に示したように被検体Ｓへの電極の装着が完了し、操作パネル２７よりＺ0計測開始指令が入力されたことに応答して開始される。

まず、第１および第２の切替スイッチSW1, SW2をそれぞれ接点ａ側に切り替えることにより、電極Ｂ，Ｃを遮断し、電極Ａ，Ｄによる２電極法の構成とする（ステップＳ１）。その後、ドライブ電圧制御回路３１にドライブ電圧値をＶdcとするためのドライブ電圧制御信号を出力し（ステップＳ２）、安定するまでの一定時間（たとえば、１sec）待機する（ステップＳ３）。この間、交流電源３２からのドライブ電圧は、ドライブ電圧制御回路３１によってＶdcに制御される。この状態で、差動増幅器Ampの出力を入力することにより、電極Ａ−Ｄ間の電圧値Ｖcを収集する（ステップＳ４）。ここでは、所定時間（たとえば、512msec）分の電圧値Ｖcを収集し、その平均をとるようにしてもよい。

次に、第１および第２の切替スイッチSW1, SW2をそれぞれ接点ｂ側に切り替えることにより、４電極法の構成とする（ステップＳ５）。その後、ドライブ電圧制御回路３１にドライブ電圧値をＶd（＝α・Ｖdc）とするためのドライブ電圧制御信号を出力し（ステップＳ６）、安定するまでの一定時間（たとえば、１sec）待機する（ステップＳ７）。この間、交流電源３２からのドライブ電圧は、ドライブ電圧制御回路３１によってＶdに制御される。この状態で、差動増幅器Ampの出力を入力することにより、電圧電極Ｂ−Ｃ間の電圧値Ｖ0を収集する（ステップＳ８）。ここでは、所定時間（たとえば、512msec）分の電圧値Ｖ0を収集し、その平均をとるようにしてもよい。

ステップＳ９では、ステップＳ４で計測した電極Ａ−Ｄ間の電圧値Ｖcより、被検体Ｓの計測対象部位を流れる電流値Ｉdcを計算する。上述したとおり、２電極法では、電極Ａ−Ｄ間のインピーダンスＺcには接触インピーダンス等が含まれている。すなわち、インピーダンスＺcは次式で表すことができる。

Ｚc＝Ｚ0＋Ｚ01＋Ｚ02＋Ｚi1＋Ｚi2 （１）

さて、ドライブ電圧がＶdcのときのドライブ電流をＩdcとすると、Ｉdcは次式で表すことができる。

Ｉdc＝Ｖdc／（Ｒd＋Ｚc）（２）

２電極法が適用されている現在の場合では、Ｉdcは被検体Ｓの計測対象部位を実際に流れる電流に等しい。Ｉdcは、次式によっても表すことができる。

Ｉdc＝Vc／Ｚc （３）

式（２）と式（３）から、次式が導かれる。

Ｚc＝ＲdVc／(Vdc−Vc) （４）

この式（４）によって求められたＺcを、式（２）に適用することで、被検体Ｓの計測対象部位を流れる電流値Ｉdcを求めることができる。

このように、電極Ａ，Ｄを用いた２電極法により被検体Ｓの計測対象部位を流れる電流Ｉdcが決まった後、ステップＳ１０で、被検体Ｓの計測対象部位のインピーダンスＺ0の計算を行う。Ｚ0の計算過程は次のとおりである。

まず、式（３）のＺｃに式（４）の右辺を代入することにより、Ｉdcは次式により表される。

Ｉdc＝（Vdc−Vｃ）／Ｒd （５）

また、現在のドライブ電圧Vdのときのドライブ電流をＩdとすると、上述のとおり、Vd＝α・Vdcであるから、Ｉdは次式で表される。

Ｉd＝α・Ｉdc （６）

この式（６）の右辺を式（５）に代入することで、Ｉdは次式で表される。

Ｉd＝α(Vdc−Vc)／Ｒd （７）

よって、この式（７）より、計測対象部位のインピーダンスＺ0は次式で表される。

Ｚ0＝Ｖ0／Ｉd＝Ｖ0／｛α(Vdc−Vc)／Ｒd｝（８）

ステップＳ１０では、このようにして、計測対象部位のインピーダンスＺ0が求められる。

以上により、本処理が完了する。

以上説明した実施形態によれば、２電極法により求められた被検体Ｓの計測対象部位を流れる実際の電流値Ｉdcを用いて（式（６）参照）、計測対象部位のインピーダンスＺ0が求められる。これにより、高精度に生体インピーダンスを計測することができる。

なお、上述の実施形態では、おおよそ数十Ωである生体インピーダンスとおおよそ数百Ωである接触インピーダンスのダイナミックレンジの違いから、接触インピーダンスが含まれる２電極法による計測時に収集される測定電圧値（Ｖc）と、接触インピーダンスが含まれない４電極法による計測時に収集される測定電圧値（Ｖ0）とのダイナミックレンジを揃えるために、それぞれのドライブ電圧をＶdcとＶd（＝α・Ｖdc）で切り替えるようにしていた。つまり今回の実施形態では、２電極法で収集される測定電圧（Ｖc）と、４電極法で収集される測定電圧（Ｖ0）で、約10倍の差がある。したがって、このような場合には、上の数式を用いた説明においては、α＝10として考えればよい。

また、上述のようにドライブ電圧を切り替えることでダイナミックレンジを揃えるかわりに、たとえば、図３に示したＩ／Ｆ２８内において、不図示のＡ／Ｄ変換器の前段に設けられる増幅器の増幅率を変更することでダイナミックレンジを揃えるようにしてもよい。

実施形態における生体インピーダンス測定装置の外観を示す図である。実施形態における計測ユニットの具体的構成例を示す図である。実施形態における制御ユニットのハードウェア構成を示すブロック図である。実施形態における生体インピーダンスの計測処理を示すフローチャートである。

Claims

被検体の計測対象部位の両端に接触される第１電極対と、
前記第１電極対を挟む位置にて前記被検体に接触される第２電極対と、
前記第２電極対に電圧を印加するための電源部を含む電流出力部と、
前記第１電極対および前記第２電極対のいずれか一方を電圧電極として選択する選択部と、
前記選択部により選択された前記電圧電極の間の電圧を検出する検出部と、
前記選択部に前記第２電極対を前記電圧電極として選択させ、前記電源部のドライブ電圧と、前記電流出力部の出力インピーダンスと、前記検出部により検出される前記第２電極対の間の電圧値とに基づいて、前記計測対象部位を流れる電流を計算する電流計算部と、
前記選択部に前記第１電極対を前記電圧電極として選択させ、前記検出部により検出される前記第１電極対の間の電圧値と、前記電流計算部により計算された電流値とに基づいて、前記計測対象部位のインピーダンスを計算するインピーダンス計算部と、
を有することを特徴とする生体インピーダンス計測装置。
被検体の計測対象部位の両端に接触される第１電極対と、
前記第１電極対を挟む位置にて前記被検体に接触される第２電極対と、
前記第２電極対に電圧を印加するための電源部を含む電流出力手段と、
前記第２電極対を利用した２電極法を適用することで、前記第２電極対の間を流れる電流を計測する電流計測手段と、
前記第２電極対を電流電極、前記第１電極対を電圧電極とする４電極法を適用して、これにより検出される前記第１電極対の間の電圧値と、前記電流計測手段により計測された電流値とに基づいて、前記計測対象部位のインピーダンスを計算するインピーダンス計算手段と、
を有することを特徴とする生体インピーダンス計測装置。