JP6125743B2 - 生体電気インピーダンス測定用の医学測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、検査すべき患者の皮膚表面上で少なくとも１対の測定電極対を介してインピーダンス測定信号を検出するためのインピーダンス測定ユニットを有する医学測定装置に関する。

現在使用されている生体電気インピーダンス法は、健康な人及び病気の人の栄養状態を判定するのに使用されている。

現在、体の組成は、研究施設において水中で患者の体重を計ることのみによって直接測定できる。所謂、静水力学的計量法においては、体の脂肪、筋肉、骨、体液及びその他の構成要素は異なる比密度を有しているという事実を利用している。この測定法は非常に複雑であるだけでなく患者にとって心地よくないため、体の組成を間接的に測定する他の方法が頻繁に使用される。広く使用されている間接法は、体の生体電気インピーダンスを測定する方法である。この技術では、人体のインピーダンスは体内の種々の導電体に関連するという事実を利用している。振幅の小さな一定の交流を生物学的構造体に印加すると、周波数に依存するインピーダンスを測定できる。人体は、導電体と見なすことができる細胞内液及び細胞外液、並びに容量性を有する細胞膜から構成されている。１ｋＨｚ前後の低い周波数では、細胞膜がその容量性のためにコンデンサとして働くため、電流は主に細胞外液と通して流れる。高い周波数では、電流は細胞膜及び細胞内液を介しても流れる。従って、高い周波数の範囲では、細胞外液を通して電流がオームの法則に従って流れると共に、細胞膜及び細胞内液を介して静電容量的に電流が流れる。従って、得られる測定可能な交流抵抗は、オーミック成分Ｒ（抵抗）と容量成分Ｘｃ（リアクタンス）とを有し、生体電気インピーダンスＺの測定値を表す。検査される人の年齢、身長及び性別と共に、測定された抵抗とリアクタンスに基づいて体の組成を推定すると共に評価することが長い間試みられてきた。これは、多くの仮定、例えば、人体では印加された電流の大部分が体内に含まれる流体を通して流れるという仮定を使用することで可能となる。体の質量のちょうど７３．２％が水分であると仮定すると、除脂肪質量（ＦＦＭ）は、「測定された」総体内水分（ＴＢＷ）から推定できる。除脂肪質量が分かると、脂肪質量（ＦＭ）は患者の全質量（ＧＭ）から極めて容易に決定できる。

従って、これらの公知であり確立された技術は、検査される患者についての全体的な指標を決定する。この全体的な指標は、これらの技術で使用される積分（integral）測定法から得られる。この測定では、典型的には、電極を両手に取り付けて測定を行う（上体の全体的な指標の決定）か、又は手と足との間で測定を行う（体の測定側についての全体的な指標）。

本発明は、更に発展させた生体電気インピーダン測定用の測定装置を利用可能にするという課題に基づくものである。

本発明は、最初に示したタイプの測定装置を以下のように改良してこの課題を達成したものである。即ち、測定プロセス中において、インピーダンス測定信号の局所測定のために、測定電極対の２個の電極が患者の皮膚表面に同じ領域で同時に接触するように、測定電極対の電極間の距離を１ミリ未満から数センチまでの範囲としたものである。

本発明による測定装置は、確立された技術を更に発展させて局所生体電気インピーダンス測定が行えるようにしたものである。電極間の距離を１ミリ未満から数センチまでの範囲となるように短くすることにより、体全体に亘って積分が行われることはなく、生体電気インピーダンスが局所的に記録される。本発明によれば、全ての電極が皮膚表面の１個の同一の局所領域に接触する。即ち、全ての電極が検査すべき患者の同じ体の部分（例えば、手、指、足又はつま先）に接触する。

本発明による測定装置が、詳しくは測定電極に接触する皮膚表面の領域において、局所抵抗及びリアクタンスを測定するために、検査すべき患者の体組織に皮膚表面を介して可変周波数の交流を印加するための給電電極対を有していると実用的である。

測定電極に対応する給電電極の間の距離が数ミリから数センチまでの範囲であることが好ましい。測定電極と給電電極が互いに平行に延在する接触ストリップとして構成されている実施形態は特に有利であることが証明されている。これにより、例えば電極と皮膚表面との間の境界抵抗によって引き起こされる誤差の影響を受けることなく、体組織の局所インピーダンスの測定が可能となる。

可変周波数の交流を発生するために、本発明による測定装置が交流発生器を有していると実用的である。インピーダンス信号は、アナログ／デジタル変換器によってデジタル化され、その後、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）される。そして、ＤＦＴアルゴリズムは、インピーダンスの実部と虚部、即ち抵抗値とリアクタンス値を提供する。これらの値は、評価のために更にデジタル処理できる。

電極間の距離は、好ましくは最大で１０センチ、特に好ましくは５０ミクロン〜５センチ、更に好ましくは１００ミクロン〜１センチ、最も好ましくは１ミリ〜５ミリである。

本発明による測定装置の構成によれば、インピーダンスの経時的局所変化を測定することができる。この目的のために、測定装置が、インピーダンス測定ユニットに接続された評価ユニット有していると実用的である。評価ユニットはプログラム制御することができ、インピーダンス測定信号の評価をソフトウエアによって柔軟に行うことができる。

例えば、局所生体インピーダンスは、拍動中における血液の変化量に基づいて変化し、局所生体電気インピーダンスによって心拍数の測定が可能となる。これに関連し、脈幅（pulse amplitude）が重要な生理学的パラメータとして同時に測定される。この脈幅は、体温と相関があることが分かっている。即ち、検査中の体の部位の温度を生体インピーダンス分析によって測定できる。更に、局所生体インピーダンスは、検査中の組織内の流体の量、即ち血液の局所量に依存し、検査中の組織の局所潅流を測定できる（例えば、潅流によって引き起こされる局所容積変化を容積脈波信号として測定できる）。最後に、体の局所生体電気インピーダンスは、栄養分の摂取によって変化するため、血中グルコースレベルによって決定されることが知られている代謝を検査するために生体インピーダンスを使用できる。従って、本発明による測定装置は、血中グルコース値を非侵襲的に監視し、これにより、グルコースの影響、及び／又は体内のグルコースによって開始された生理学的反応のエネルギー要求を調べることが可能となる。ソフトウエアによって評価ユニットが実施する適切なアルゴリズムによって、記録されたインピーダンス測定信号に基づいて血中グルコースレベルに関しての意見を述べることができる。

本発明による測定装置の特に実際的な実施形態は、他の測定法と組み合わせることによって得られる。

本発明による測定装置に、光学測定ユニットを追加的に設けることができる。このユニットは、検査中の体組織に電磁放射線を照射するための放射線源と、体組織によって散乱及び／又は伝播された放射線を検出するための少なくとも１個の放射線センサとを有する。通常の発光ダイオード又はレーザダイオードを、対応するスペクトル域において光学的放射線、即ち光を放出する放射線源として使用できる。検査中の体組織における放射線の吸収を、本発明による装置を使用して少なくとも２種の（より好ましくは３種の）異なる光波長で測定し、これによって、血液の酸素濃度及び組織の潅流を測定することが特に有利であることが証明された。従って、光学測定ユニットは、本発明による測定装置のパルスオキシメトリーユニットを構成する。

実際的な実施形態によれば、本発明による測定装置の光学測定ユニットは、体組織によって散乱及び／又は伝播された放射線を検出する少なくとも２個の放射線センサを有しており、放射線センサは放射線源からの距離が相違するように配置されている。これにより、それぞれの場合において、体組織内で放射線が移動した距離に関する結論を導き出すことが可能となる。これに基づき、異なる深さの組織層における血液と組織中の酸素濃度を調査できる。これに関連し、下側の組織層からの測定信号は動脈の血液によってより強く影響され、放射線の吸収は表面に近い領域の毛細血管系中の血液によってより強く影響されるという事実を利用できる。

検査中の体組織の異なる部分を照射する少なくとも２個の放射線源を設けた本発明の測定装置の実施形態は有利である。この様にして、光吸収度の示差測定（differential measurement）を簡単に行うことができる。これにより、酸素に富んだ血液又は酸素の少ない血液による検査中の体組織の潅流の代謝による変化を調べることができる。これに関連し、局所酸素消費量は組織の代謝活動によって変化するという事実を利用している。変化する酸素消費量を測定することにより、酸素消費量に直接相関する局所エネルギー消費量に関する結論を得ることができる。これによってグルコースレベルに関する結論を得ることができることは特に興味深い。従って、本発明による測定装置は、光学測定によって血中グルコースレベルの非侵襲的測定も可能にするため有利である。異なる測定法によって血中グルコースレベルを重複して測定することにより、本発明による測定装置の精度と信頼性を向上できる。

本発明による測定装置の光学測定ユニットの２個の放射線源は、放射線源によって照射された部分が、それぞれの場合において、酸素の少ない血液及び酸素に富んだ血液による潅流に関して異なる影響を受けるように設計しなければならない。これは、例えば、少なくとも２個の放射線源が異なる空間放出特性を有していることで達成される。例えば、類似の波長（例えば６３０ｎｍと６５０ｎｍ）の発光ダイオードとレーザを放射線源として使用できる。しかし、２個の放射線源は放出開口角が異なる。例えば、発光ダイオードは大きな開口角で検査中の体組織内に光を放出するのに対し、レーザダイオードの光は非常に小さい開口角で体組織に入る。この結果、体組織の異なる部分が２個の放射線源を用いて検出される。開口角が大きいために、発光ダイオードは、レーザよりも、潅流されていない表皮のより大きな部分を検出すする。潅流されていない表皮はヘモグロビン濃度の変化によって実際上影響されない。従って、体組織によって散乱及び／又は伝播された発光ダイオードの放射線の強度は、レーザの放射線の強度よりもヘモグロビン濃度の変化に対する依存性が少ない。必須条件は、２個の放射線源によって放出された放射線の波長が、それぞれの場合において、放射線の酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンによる吸収の程度が異なるように選択されることである。従って、波長は、６００ｎｍと７００ｎｍの間、好ましくは、６３０ｎｍと６５０ｎｍの間である。

実際的な実施形態によれば、少なくとも１個の放射線源が、導光要素、例えば光ファイバに接続されている。単数又は複数の放射線源によって放出された放射線は、導光要素によって検査すべき患者の皮膚表面に導かれる。共通の基板に接合された複数の放射線源（例えば、複数のＬＥＤチップ）の放射線を単一の導光要素に結合することができるため有利である。これに関連し、異なる放射線源を異なる方法で導光要素に結合できる。この様にして、検査すべき体組織へ放射線を照射する異なる放射線源に異なる放出特性を持たせることができる。

本発明による測定装置の評価ユニットは、光学測定信号を評価するために使用できるため有利である。この目的のために、評価ユニットが、体組織で散乱及び／又は伝播された２個の放射線源の放射線から局所代謝パラメータを測定するように構成されていると実用的である。検査中の体組織内で酸素が消費されると、酸化ヘモグロビンが還元ヘモグロビンに変換される。体組織の異なる部分から来る２個の放射線源の放射線を比較することによって、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとの濃度比の変化を測定できる。これにより、局所酸素消費量、及び最終的には（間接的に）血中グルコースレベルを測定できる。従って、体組織で散乱及び／又は伝播された少なくとも２個の放射線源の放射線の強度に基づいて局所酸素消費量及び／又は血中グルコースレベルを測定するように本発明による測定装置の評価ユニットが設定されていると実用的である。

本発明による測定装置の機能範囲は、２個以上のＥＫＧ電極を介してＥＫＧ信号を検出するＥＫＧユニットによって拡張でき有利である。本発明のこの有利な更なる発展によれば、例えば、インピーダンス測定信号、パルスオキシメトリー信号及びＥＫＧ信号が、測定装置によって組み合わせて検出されると共に評価される。

従って、容積脈波信号とＥＫＧ信号の時間的推移を評価するために測定装置の評価ユニットを設けることが有利である。適切なプログラム制御によって、本発明による測定装置の評価ユニットはＥＫＧ信号中のＲピークを自動的に認識できる。この様にして、心拍動の正確な時点を自動的に測定できる。更に、そのプログラム制御によって、評価ユニットは、容積脈波信号の最大値を認識できる。この容積脈波信号の最大値に基づき、心拍動によって起動された脈波が、測定装置によって検出が行われる周辺測定位置に到達した時間を測定できる。こうして、最終的に、ＥＫＧ信号中のＲピークとこれに続く容積脈波信号の最大値の間の時間間隔を測定できる。この時間間隔は、所謂脈波速度の測定値である。他方、この脈波速度に基づき血圧に関する意見を述べることができる。何故なら、脈波速度の短縮には血圧の増加が伴い、脈波速度が長くなった場合には血圧が低下していると結論を出すことができる。更に、脈波速度は、血液の密度に依存しており、特に血管壁（例えば、大動脈）の弾力性に依存している。そして、動脈硬化の可能性があるとの結論を血管の弾力性から引き出すことができる。

心拍数の絶対値、心拍数の変化、及びそれに対応する心臓の不整脈も測定信号の評価に含めることができる。従って、洞性頻拍、洞性徐脈、洞停止、及び所謂補充収縮等の不整脈を自動的に測定できる。ＥＫＧ信号を使用して、心拍動中の心臓の心房収縮時間、心室収縮時間、及び心室弛緩時間等を測定できる。更には、心臓における電気刺激信号線の所謂ブロック（房室ブロック、索枝ブロック等）及び潅流の問題や梗塞に関する予備診断が可能である。脈の推移におけるその他の不規則性も容積脈波信号を使用して測定できる。

本発明による測定装置のＥＫＧ電極の少なくとも１個がインピーダンス測定ユニットの給電又は測定電極として同時に使用される場合は実用的である。

有利な実施形態によれば、本発明によるセンサユニットは、一体化された温度又は熱センサを有している。このセンサは局所熱発生量を測定するのに使用できる。最も単純な場合は、温度センサは、測定位置において皮膚の表面温度を測定するように構成されている。熱交換に基づき局所代謝活動に関する結論を導き出すことができる。更に、熱センサは局所潅流を測定するのにも適している。熱測定に関するより詳細な背景情報については、Nitzanらの論文（Meir Nitzan, Boris Khanokh, "Infrared Radiometry of Thermally Insulated Skin for the Assessment of Skin Blood Flow," Optical Engineering 33, 1994, No. 9, p. 2953 to 2956）を参照されたい。

本発明により上記の測定方法、即ちインピーダンス測定、酸素飽和度測定、ＥＫＧ測定、及び温度又は熱測定を組み合わせることは特に有利である。全ての測定信号は、代謝を検査するために、適したアルゴリズムを用いて測定装置の評価ユニットによって評価でき、また組み合わせることができる。異なる測定法を組み合わせることにより、病理学的変化の認識を非常に効果的に、重複して、高い信頼性で行うことができる。

上記の様に、本発明による測定装置において組み合わせ得る異なる測定法を組み合わせることにより更に有利となる。何故なら、上で既に述べたように、グルコース濃度の非侵襲的な測定を可能にできるためである。本発明による装置による血中グルコースレベルの決定に使用できる方法を以下により詳細に説明する。

本発明による測定装置は、代謝によって影響されるデータを測定すると共に評価する。これに関連し、測定装置のユーザーが摂取する栄養分の組成とエネルギー代謝が大きな役割を果たしていることは明らかである。代謝に関与する栄養分は、本質的に炭水化物、脂肪及びタンパク質であることが知られている。更なる処理により、炭水化物はグルコースに変換され、タンパク質はアミノ酸に変換され、脂肪は脂肪酸に変換される。エネルギーキャリヤは、酸素と共に体組織の細胞に変換され、ＡＴＰ（アデノシン三リン酸）を産生し、エネルギーを発する。ＡＴＰは、体自体の実際のエネルギーキャリヤである。ＡＴＰを産生するのにグルコースを使用することは好ましい。しかし、（例えば、インシュリンの不足によって）グルコースからのＡＴＰを産生が抑制されている場合、酸化する脂肪酸が増える。しかし、このプロセスにおける酸素消費は一定ではない。

栄養分の摂取に対する人体の代謝反応は、上述の様に、栄養分組成に特異的に依存する。例えば、体の血管系は、消費した食物を消化するのに体が必要とするエネルギーの量に応じて反応する。栄養摂取に対する体の反応は、本発明による測定装置を使用して測定できる脈波速度、及び血圧と脈拍に基づいて測定できる。この目的のために、本発明による測定装置の評価ユニットが、脈波速度の時間的推移を評価すると共に、栄養分の摂取以降の脈波速度の時間的推移に基づいて、測定装置のユーザーが摂取した栄養分の組成を判定するように設定されていると実用的である。脈波速度並びに血圧と脈拍は、栄養分の摂取が始まると直ぐに変化する。これに関連し、それぞれの場合において、最大値と最大値の時点は、栄養分の組成によって影響される。脈波速度の推移と絶対高さ、血圧及び脈拍は、摂取した栄養分の組成を発明による測定装置の評価ユニットによって決定するのに使用できる。

人体の代謝は、本質的に、通常の状態、即ち静止しており、所謂熱的中立状態にある場合のグルコース代謝によって決定される。このため、通常の状態にある体組織の細胞内のグルコース濃度は、熱発生量と酸素消費量の関数となる。次の式が当てはまる。
［Ｇｌｕ］ ＝ ｆ₁（ΔＴ，ＶＯ₂）
上式において、［Ｇｌｕ］はグルコース濃度を表す。熱発生量ΔＴは、本発明による測定装置の熱センサによって測定できる。例えば、動脈の温度と、断熱が完全な場合に皮膚表面が到達するであろう温度との差から決定できる（ΔＴ＝Ｔ∞−Ｔ_artery）。ｆ₁（ΔＴ，ＶＯ₂）は、グルコース濃度の熱発生量と酸素消費量に対する関数依存性を示す。酸素消費量は、前記したように、静脈酸素飽和度と動脈酸素飽和度との差、及び潅流から決まる。しかし、栄養素の摂取中又は摂取直後のグルコース濃度を決定するためには、エネルギー代謝における脂肪代謝の割合を表す補正項を考慮しなければならない。次の式が当てはまる。
［Ｇｌｕ］ ＝ ｆ₁（ΔＴ，ＶＯ₂）＋Ｘ＊ｆ₂（ΔＴ，ＶＯ₂）
上式において、Ｘは、栄養分の摂取の後は負となる係数である。これに関連し、Ｘは摂取した栄養分の組成に依存する。特に、Ｘは脂肪と炭水化物が代謝に関与する割合に依存する。係数Ｘは上記のように脈波速度の時間的推移を使用して決定できる。炭水化物又はグルコースが直接消費された場合、Ｘは０である。値Ｘが増加すると、摂取した栄養分中の脂肪の割合が増加する。脈波速度の時間的推移、血圧及び／又は脈拍から補正係数Ｘを決定するためには、それぞれの場合において、装置のユーザーに適応させるための本発明による測定装置の較正が通常必要となる。ｆ₂（ΔＴ，ＶＯ₂）は、脂肪代謝についての、熱発生量と酸素消費量に対するグルコース濃度の関数依存性を示す。

従って、本発明による測定装置の評価ユニットは、局所酸素消費量及び局所熱発生量から局所グルコース濃度を決定するために設定できる。この目的のために、測定装置は適した測定法を有していなければならない。上で述べたように、酸素消費量の測定は、酸素飽和度測定を生体電気インピーダンス測定と組み合わせることによって行える。熱発生量を決定するためには、適切な熱センサが更に必要となる。最後に、上に示した関数的関係に従ってグルコース濃度を計算できるようにするためには、例えば、脈波速度の時間的推移から補正係数Ｘを決定しなければならない。これも、上で述べたように、ＥＫＧ信号とパルスオキシメトリー信号の組み合わせ測定で行うことができる。従って、グルコース濃度を決定するためには、本発明による測定装置が生体電気インピーダンス測定ユニット、パルスオキシメータ、ＥＫＧユニット、及び熱センサを組み合わせることが実用的である。

上で概説した方法は、最初は細胞内のグルコース濃度を決定できるだけである。血中グルコース濃度との関係を次の単純化した式で表すことができる。
［Ｇｌｕ］_cell ＝ ａ＋ｂ＊ｌｎ（ｃ＊［Ｇｌｕ］_blood）
定数ａ、ｂ及びｃは、測定装置のユーザーの個々の生理機能に依存する。従って、本発明による測定装置の評価ユニットは、局所グルコース濃度から血中グルコースレベルを決定できるように更に設定でき、この場合、測定装置のユーザーの生理機能依存するパラメータを考慮しなければならない。これらのパラメータは、対応する較正で決定できる。例えば、従来の方法で、侵襲的に決定した血中グルコース値と比較することによって決定できる。

本発明による測定装置の少なくとも１種、好ましくは全ての測定法に、重畳する電磁干渉を除去するためにローパスフィルタ及び／又は５０／６０Ｈｚフィルタを設けると実用的である。これは、（例えば、アナログ／デジタル変換器の前の）適切な電子配線、又は、評価ユニットによる測定データ処理において行うことができる。

詳しくは、検査すべき患者の皮膚表面の同じ領域において全ての測定が行われるように、全ての測定方法を組み合わせてコンパクトなセンサユニットにした本発明による測定装置の実施形態は特に好ましい。この様にして、複数の診断測定値を出力するコンパクトなセンサユニットが作られる。検査中の患者の健康状態に関する診断結果を表す情報を迅速に且つ高い信頼性で得るためにこれらの測定値を個別に又は組み合わせて評価できる。コンパクトなセンサユニットは、完全に機能する部品として大量にコスト的に有利な方法で予め製造し、殆どの種類の診断装置に組み込むことができる。実際の測定は、特に簡単で便利な方法で行うことができる。この目的のために行うべきことは、例えば、インピーダンス測定ユニット及びＥＫＧユニットの電極が設けられているセンサハウジングの表面を、検査すべき体組織の領域内の皮膚と接触させることだけである。これは、例えば患者の指をセンサユニットのハウジング表面に置くことによって行うことができる。そして、インピーダンス測定とＥＫＧ誘導（EKG derivation）が、センサユニットに接触する皮膚の部位を介して同時に行われる。

本発明による測定装置は、携帯監視装置に組み込むことができ、この装置内では、上記の測定法が、個々に或いは組み合わせられて測定データを記録するためのデータ記録ユニットを構成し、記録された測定データを評価するプログラム制御評価ユニットが設けられている。メモリユニットが、記録及び／又は計算・評価されたデータを記憶する。記録及び／又は評価されたデータを可視化するために表示ユニットが設けられている。データ転送ユニットは、記録及び／又は計算・評価されたデータを外部の装置に転送する。これに関連し、これは、一般の有線インターフェース又は無線インターフェース（例えば、ブルートゥース標準によるもの）であることができる。患者の治療の進行を監視するために、治療をする医師が、監視装置のメモリユニットに記憶されたデータを読み出して評価することができる。監視装置のデータ転送インターフェースは、視監装置のメモリユニットに記憶されたデータを医者のパーソナルコンピュータに転送するために使用できる。しかし、センサユニットによって検出され評価された診断データを遠隔地に転送できるため実用的である。データ転送は、例えば、データネットワーク（インターネット）を介して行うことができる。或いは、診断データは、携帯無線ネットワークを介して転送できる。生の測定信号、又は評価済みの診断データは、より詳細な分析と記録のため、及び個々の値の経時変化を監視するために、例えば、中央位置（「健康管理センター」）に転送できる。その場所で、必要であれば、そこに記憶された患者データ（慢性疾患又は以前の疾患に関する情報を含む）を考慮して、例えば、適切な分析アルゴリズムによってデータが評価される。その結果を、それぞれの場合において、測定装置のユーザーに、ユーザーの健康状態を知らせるために、データネットワーク又は通信ネットワークを介して送り返すことができる。必要であれば、中央位置から、本発明によるセンサユニットによる他の目的とする測定も開始できる。更に、拡張した分析のために、評価結果に関する患者への質問をデータネットワーク又は通信ネットワークを介して送ることができる。測定及び評価結果から医学的緊急性が明らかとなった場合、必要な対策（例えば、緊急サービスへの自動警報）を直ぐに開始できる。遠隔地へデータを転送できることの別の利点は、測定信号を評価するために必要なソフトウエアを装置自体に実装する必要がなく、データが受信される中央位置にソフトウエアを保持すると共に管理するだけでよいことである。

測定装置の好適な実施形態によれば、データ記録ユニット（インピーダンス測定ユニット）、評価ユニット、メモリユニット、表示ユニット及び転送ユニットが共通のハウジングに収容されている。その結果、装置はコンパクトな構造を有し、何時でも何処でも携帯装置として使える。測定装置は、スタンドアロン型の装置であってもよく、他の方法で使用できる電子装置（例えば、腕時計、携帯電話、ＭＰ３プレイヤー、デジタルカメラ）に組み込んでもよい。また、本発明による測定装置は、娯楽又は通信技術の任意の所望の装置、例えば、デスクトップ、ノートブック、ラップトップ、携帯電話、パームトップ、ハンドヘルド等に接続することができる。その様な装置を利用することで、何時でも、関心のある生理学的パラメータを決定するために測定を迅速に、便利に、かつ目立つことなく行える。本発明の測定装置のセンサシステムが小型であるため、このシステムを、眼鏡、腕時計、宝石等の任意の所望のアクセサリーに組み込むことができ、或いは衣服（所謂「スマート衣服」）に組み込むことができる。

本発明による測定装置の別の好適な実施形態によれば、検査すべき患者の体の部分、例えば、指を固定するための固定装置が設けられる。インピーダンス測定の場合及びパルスオキシメトリー測定の場合、光学センサ、即ち、インピーダンス測定ユニットの測定及び給電電極に対する体組織（例えば、指）の接触圧が測定信号に大きな影響を与える。従って、固定装置によって定義された接触圧を保証することが実用的である。固定装置は、例えば、対応する体の部分を測定及び／又は給電電極に対して、或いは光学センサに対して（優しく）押さえ付け、体の部分をそこで固定する膨張可能な空気クッションを含むことができる。固定することによって、測定結果を不正確にする体の部分の移動を阻止できて有利である。

本発明による測定装置の別の有利な実施形態においては、複数の給電及び／又は測定電極がマトリックスの形態で配置されている。これにより、交流の供給及び電圧測定において異なる空間構成を作ることができる。これに関連して得られる追加の情報により、ｐＨ、ｐＣＯ₂値、ｐＯ₂値、及び電解質代謝（Ｎａ⁺濃度、Ｋ⁺濃度、Ｃａ²⁺濃度、Ｍｇ²⁺⁺濃度等）に関する結論を引き出すことができる。

本発明の例示的実施形態を図面を参照してより詳細に説明する。

本発明による測定装置のインピーダンス測定ユニットの概略図。 コンパクトなセンサユニットとしての本発明による測定装置の上面図。 円形の測定及び給電電極を備えた本発明による測定装置を示す図。 本発明による測定装置のブロック図。 本発明による測定装置の代替の例示的実施形態の概略図。 本発明による測定装置のインピーダンス測定ユニットのブロック回路図。

図１に示す本発明による測定装置の生体電気インピーダンス測定ユニット１００は、電源２から可変周波数の交流を供給する２個の電極１と、局所抵抗及び局所リアクタンスを測定するために、装置のユーザーの指の領域において体組織２００のインピーダンスを測定するための２個以上の測定電極３とを有する。４点測定のため、電極１、３と体組織２００との間の境界抵抗が測定を不正確なものにすることはない。電極１、３の間の距離は、数ミリから数センチにすぎないことが実用的である。測定プロセスの間、４個全ての電極１、３が、インピーダンス測定信号の局所測定のために、ユーザーの指の皮膚表面の同じ領域に同時に接触する。電源２により、可変周波数の交流が発生される。このようにして、複素インピーダンスの測定が可能となる。測定信号は電圧計４によって検出される。測定信号がアナログ／デジタル変換器（図１には示されていない）によってデジタル化され、その後、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）されるのが実用的である。そして、ＤＦＴアルゴリズムは、インピーダンスの実部と虚部、即ち抵抗値とリアクタンス値を出力する。図示のインピーダンス測定ユニット１００は、電極間の距離が小さいため、非常にコンパクトに構成でき、携帯電子装置（例えば、腕時計、携帯電話、ＭＰ３プレイヤー、デジタルカメラ、ハンドヘルド等）に容易に組み込むことができる。

図２は、任意の所望の装置に組み込むことができるコンパクトなセンサユニットとしての、全体を３００で示した本発明による測定装置を示す。測定装置３００は、センサハウジング４００のインターフェースで利用できる種々の測定法を有している。センサハウジング４００の寸法は、例えば、１０×７×３ｍｍにすぎない。測定装置３００のユーザーは測定を行うために、それを指先で触る。例えば、発光ダイオードの形態の光源５、５’が測定装置３００に組み込まれており、異なる波長の光を放出できる。この目的のために、異なる発光半導体素子が共通のセンサハウジング４００に収容されている。また、異なる光源からハウジング４００のユーザーインターフェースに光を案内するため光波伝導体を使用することも可能である。また、測定装置３００は１個以上のフォトセンサ６を有している。フォトセンサ６は、光源５、５’の極近くに設けられている。センサ６は、ユーザーの指先の組織内で散乱した光源５又は５’からの光を受ける。更に、熱センサ７が光源５、５’の直近に設けられている。この様にして、熱測定が光学測定と同じ測定位置で行われることが保証される。更に、生体電気インピーダンスを測定するための合計で４個の電極１、３が測定装置３００の表面に設けられている。電極１、３は絶縁ストリップ８で互いに離間されている。図１に関連して上で述べたように、装置のユーザーは、手で４個の電極。即ち、測定及び給電電極を同時に触る。
参照番号１で示した電極の内の少なくとも１個は、ＥＫＧユニットのＥＫＧ電極としても使用される。このＥＫＧユニットも測定装置３００に組み込まれている。別のＥＫＧ電極（対抗電極（不図示））がどこか他のところに配置されており、指先で電極を触ることができる。これにより、２点誘導（two-point derivation）（腕間測定）が行われる。

図２に示す測定装置３００の例示的実施形態においては、検査中の体組織の異なる部分を照射する２個の放射線源５、５’が設けられている。この目的のために、２個の放射線源５、５’は、異なる空間放射特性、即ち異なる放射角度を有している。放射線源５は発光ダイオードであり、放射線源５’はレーザ、例えば、所謂ＶＣＳＥＬレーザ（垂直共振器面発光レーザ）である。発光ダイオード５とレーザ５’は、非常に近い波長（例えば、６３０ｎｍと６５０ｎｍ）の光を放射するが、異なる開口角（例えば、２５°と５５°）を有している。図２に示す配列により、上記したように、代謝によって引き起こされる血液中の酸素含有量の変化の示差測定が可能となる。この目的のために、何れの場合も、２個の放射線源５、５’によって放出された放射線の波長は、光の吸収の程度が酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンとで異なる範囲に入らなければならない。血液の酸素含有量（酸素飽和度）の絶対値測定のためには、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの光の吸収が実質的同じになるスペクトル域（所謂等吸収点）に波長が入る他の放射線源（図２には示されていない）が存在しなければならない。発光ダイオードとレーザによってそれぞれ放出された光は、対応する光案内ファイバによってキーボードのハウジング表面に導くことができる。この場合、対応するファイバ端が図１において参照符号５、５’で示される。発光ダイオードとレーザは、検査すべき体組織内に所望の異なる開口角で光を放出するように、対応するファイバに結合することが可能である。従って、体組織の異なる部分が２個の放射線源によって検査される。開口角がより大きいため、発光ダイオードで検査される体組織の潅流のない表皮の割合は、レーザの場合よりも大きくなる。体組織内で散乱され、部分的に吸収された光（放射線源５の光と放射線源５’の光の両方）はセンサ６によって検出される。センサ６は、ハウジング４００の表面に直接配置する必要はない。それに替え、測定装置３００の内部に配置されたセンサに光案内ファイバによって光を導くことができる。放射線源５からの光を放射線源５’からの光と区別するために、２個の光源５、５’を異なる時間変調で動作させることができ、センサ６によって検出された信号はこれに応じて復調される。それに替え、２個の放射線源５、５’の放射を異なる波長に基づいて区別することもできる。放射線源５、５’によって放出された放射線の強度は、体組織を通過する際の径路長に応じて低下し、強度の低下と吸収された物質（酸化ヘモグロビン）の濃度との関係は公知のランベルトベールの法則によって与えられる。図２のセンサ６によって、各場合において、関心のある強度低下のパラメータを、放射線源５、５’によって覆われた体組織の部分について明確に別々に測定できる。このように区別された測定を行うために、異なる放射線源５、５’に割り当てるべき強度低下のパラメータは、好適なプログラム制御評価ユニットによって互いに関係付けることができる。最も単純な場合、各場合において、２個の放射線源５、５’の放射線の強度低下のパラメータから比率（quotients）が計算される。これらの比率の変化から、代謝の変化に関する結論を導き出すことができる。例えば、栄養の摂取後に血中グルコースレベルが上昇した場合、これに応じてより多くのグルコースが、（ある時間遅れの後）体組織の細胞に入り、そこで変換される。これに関連し、酸素が使用される。細胞は血液を介してこの酸素を得る。これに関連し、酸化ヘモグロビンは、酸素を放出することで還元ヘモグロビンになる。従って、酸化ヘモグロビンに対する還元ヘモグロビンの割合が増加する。放射線源５、５’の放出の開口角が異なるため、各場合において、ヘモグロビン濃度の変化の強度の低下に対する影響は相違する。従って、ヘモグロビン濃度の変化は、強度低下のパラメータの比率から検出できる。これにより、酸素消費量に関する結論を間接的に引き出すことができる。酸素消費量は血中グルコースレベルに依存するため、血中グルコースレベルも、既に述べた放射線の吸収の示差測定によって測定できる。光学測定と並行して、電極１，３によって生体インピーダンス分析が行われる。生体インピーダンス測定の主要な目的は、局所潅流の測定である。これは、酸素消費量、従って血中グルコースレベルの測定における追加のパラメータとして使用される。また、開口角度が異なる放射線を１個の放射線源５のみで発生することができ、これは対応する光学要素（例えば、ビームスプリッタ、レンズ等）を使用することで行われる。

図３は、同心的に配置された実質的に円形の電極１、３を備えた本発明による測定装置３００の代替の実施形態を示す。検査すべき体の部位によって、図２の配列又は図３の配列がより良く適合する。

図４は、本発明による測定装置３００の構造をブロック図として概略的に示す。測定装置３００は、各場合において、測定位置での体組織の血管系内における酸素濃度を光学測定するための光学測定ユニット１３０を有する。光学測定ユニット１３０によって記録されたパルスオキシメトリー信号が分析ユニット１１０に送られる。測定装置３００の別の必須の構成要素は、局所熱発生量を測定するための熱測定ユニット１２０である。この熱測定ユニット１２０は、各場合において、検査中の体の部位を断熱する特別な熱センサである。従って、この部位では、血流のみによって熱が吸収され、又は熱が放出される。このため、温度の時間分解（time-resolved）測定によって潅流と熱の発生を測定できる。潅流が強い場合、検査中の体の部位は非常に短い時間で最高温度に達する。潅流が少ない場合、より長い時間がかかる。加えて、測定温度の外挿によって、動脈温度に関する結論を引き出すことができる。何故なら、測定位置の温度は動脈の温度と局所熱発生量のみによって決定されるからである。熱測定ユニット１２０によって記録された測定信号も更なる処理のために分析ユニット１１０に送られる。更に、測定装置３００は、生体電気インピーダンス測定によって局所組織パラメータを検出するインピーダンス測定ユニット１００を有している。インピーダンス測定ユニット１００の測定信号も分析ユニット１１０によって処理される。最後に、本発明によれば、ＥＫＧ信号を検出するためのＥＫＧユニット１３２が設けられている。ＥＫＧユニット１３２もＥＫＧ信号の処理のために分析ユニット１１０に接続されている。光学測定ユニット１３０は、それに割り当てられた図２及び図３に示す測定装置３００の光源５、５’及び光センサ６を備えている。熱測定ユニット１２０は熱センサ７に接続されている。インピーダンス測定ユニット１００は、測定装置３００の電極１、３を介して測定信号を検出する。分析ユニット１１０は、全ての測定信号の前処理を行う。この目的のために、回路網の周波数である５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの範囲の干渉を除去するために、信号はバンドパスフィルタを通る。更に、信号の雑音が抑制される。分析ユニット１１０を通過した後、光学測定ユニット１３０、熱測定ユニット１２０、インピーダンス測定ユニット１００及びＥＫＧユニット１３２の処理信号が評価ユニット１４０に到達する。評価ユニット１４０は、測定信号から診断を行うのに必須なパラメータを計算する。評価ユニット１４０の機能は本質的にはソフトウエアで実現される。例えば、検査中の体組織の組成（水分含有量、脂肪含有量等）がインピーダンス測定ユニット１００の時間依存的に記録された測定信号から計算される。光学測定ユニット１３０の信号から動脈の酸素飽和度が計算されると共に、（インピーダンス測定に基づいて前もって決定された組織パラメータに基づき）毛細血管の酸素飽和度が計算される。更に、潅流及び動脈温度が、熱測定ユニット１２０の測定信号及び、時間依存インピーダンス測定から導き出すことができるデータから測定される。脈波速度は、ＥＫＧユニット１３２の信号及び光学測定ユニット１３０の信号から測定される。最後に、静脈の酸素飽和度、及び測定位置における他の代謝パラメータ、特に局所酸素消費量及びグルコース濃度が、それ迄に行われた全ての計算結果から評価ユニット１４０によって計算される。計算結果は診断ユニット１５０によって解釈される。診断ユニット１５０は、評価ユニット１４０が計算した局所代謝パラメータを評価する。評価ユニット１４０と診断ユニット１５０は、測定結果を表示するためにグラフィックユニット１６０に接続されている。得られたデータはメモリーユニット１７０に記憶できる。詳細には、各場合において、測定の日時も同時に記憶される。更に、インターフェースユニット１８０が設けられており、このインターフェースユニット１８０は、計算された生理学的パラメータを転送する。インターフェースユニット１８０により、データとパラメータ、詳細には、メモリーユニット１７０に記憶されたデータとパラメータを、例えば、詳細には示していない治療医のＰＣに転送できる。その場所で、データをより詳細に分析できる。特に、測定装置３００を用いて長時間に亘って記録されたデータとパラメータの変化を調べ、これから、罹患している疾病の進行に関する結論を導き出すことができる。

図５は、本発明による測定装置３００の別の例示的実施形態を概略的に示す。ハウジング４００の外側にＥＫＧ電極９が取り付けられている。一方の手の指をこの電極に接触させる。他方の手の指をチューブ状の開口部１０内に挿入する。開口部１０の内部には、電極１、３、光源５、５’、光センサ６及び熱センサ７が設けられている。更に、開口部１０の内部には、指を適所に固定し、指をセンサに対して優しく、定義された圧力で押し付ける膨張可能な空気クッション１１が配置されている。測定装置３００の操作キー及び測定結果を出力するディスプレーは、図面を分かり易くするために図６では省略されている。

図６は、本発明による測定装置３００のンピーダンス測定ユニット１００の構造（回路技術）をブロック図で示す。インピーダンス測定ユニット１００は、外部サイクル信号６１が与えられるデジタル信号発生器６０を有している。デジタル信号は、デジタル／アナログ変換器６２によってアナログ信号に変換され、増幅器６３によって増幅される。このようにして、可変周波数の交流信号が発生され、給電電極１を介して、検査すべき患者の体に送られる。インピーダンス測定信号が測定電極３を介して検出され、増幅器６５によって増幅される。増幅器６５の後には、可変減衰器６６と、雑音低減のためのローパスフィルタ６７が設けられている。増幅されフィルタを通されたアナログ信号は、アナログ／デジタル変換器６８によってデジタル信号に変換され、デジタルフーリエ変換ユニット６９によって変換される。フーリエ変換された測定信号の実部と虚部がレジスタ７０、７１にそれぞれ記憶される。レジスタ７０、７１の内容をインターフェース７２（例えば、ＰＣインターフェース）を介して問合せることができる。インターフェース７２を介して、フーリエ変換されたデジタル信号が本発明による測定装置３００の評価ユニット１４０に転送される。

Claims (16)

1. 各々第一電極及び第二電極を含む複数対の測定電極対（３）を備えるインピーダンス測定ユニット（１００）を有する医学測定装置であって、該インピーダンス測定ユニット（１００）は、前記測定電極対（３）を介して、検査すべき患者の皮膚表面（２００）上でインピーダンス測定信号を検出し、
   前記測定電極対（３）の第一電極と第二電極との間の距離が、測定プロセスの間、インピーダンス測定信号の局所測定のために、前記測定電極対（３）が患者の皮膚表面（２００）に同じ領域で同時に接触するような距離であり、
   前記インピーダンス測定ユニット（１００）はさらに、検査すべき患者の体組織に可変周波数の交流を加えるために、第一給電電極と第二給電電極とを含む給電電極対（１）を複数対備え、
   前記測定電極対（３）の電極及び／又は前記給電電極対（１）の電極は、マトリックスの形態で配置されており、
   前記医学測定装置はさらに、２個以上のＥＫＧ電極（３、９）を介してＥＫＧ信号を検出するＥＫＧユニット（１３２）を備え、
   前記医学測定装置はさらに、光学測定ユニット（１３０）と、さらに温度又は熱センサ（７）とを備え、
   前記医学測定装置はさらに、インピーダンス測定ユニット（１００）、前記ＥＫＧユニット（１３２）、前記光学測定ユニット（１３０）、及び前記温度又は熱センサ（７）に接続された評価ユニット（１４０）を備え、
   該評価ユニット（１４０）は、局所インピーダンス測定信号の変化を測定し、且つインピーダンス測定信号から局所抵抗と局所リアクタンスを測定するように設定されており、
   評価ユニット（１４０）は更に、
   ｐＨ及び
   ｐＯ₂値及び
   電解質代謝
   を、局所インピーダンス測定信号の経時的変化から、並びに
   心拍数及び／又は
   脈幅及び／又は
   局所潅流及び／又は
   局所体温及び／又は
   血中グルコースレベル及び／又は
   ｐＣＯ ₂ 値
   を決定するアルゴリズムによって前記測定ユニットの全ての信号を組み合わせることによって、測定するように設定されている、医学測定装置。
2. 前記少なくとも一つの測定電極対（３）の第一電極と第二電極との間の距離が最大で１０センチであることを特徴とする、請求項１に記載の医学測定装置。
3. 電極間の前記距離が５０ミクロン〜５センチであることを特徴とする、請求項２に記載の医学測定装置。
4. 電極間の前記距離が１００ミクロン〜１センチであることを特徴とする、請求項３に記載の医学測定装置。
5. 電極間の前記距離が１ミリ〜５ミリであることを特徴とする、請求項３に記載の医学測定装置。
6. 測定及び給電電極（１、３）が、互いに平行に延在する接触ストリップとして構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の医学測定装置。
7. ＥＫＧ電極（３、９）の内の少なくとも１個が、生体電気インピーダンス測定ユニット（１００）の給電電極又は測定電極（１、３）としても使用されることを特徴とする、請求項１に記載の医学測定装置。
8. 前記光学測定ユニット（１３０）が、検査すべき体組織を照射する少なくとも１個の放射線源（５）と、体組織によって散乱及び／又は伝播された放射線を検出する少なくとも１個の放射線センサ（６）とを有することを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載の医学測定装置。
9. 前記光学測定ユニット（１３０）は、体組織によって散乱及び／又は伝播された放射線を検出する少なくとも２個の放射線センサ（６）を有し、これらの放射線センサ（６）が放射線源（５）から異なる距離で配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の医学測定装置。
10. 検査する体組織の異なる部分を照射する少なくとも２個の放射線源（５、５’）が設けられていることを特徴とする、請求項８又は９に記載の医学測定装置。
11. 少なくとも２個の放射線源（５、５’）は、異なる空間放出特性を有していることを特徴とする、請求項１０に記載の医学測定装置。
12. 少なくとも１個の放射線源（５）は、放射線源（５）が放出した放射線を皮膚表面（２００）に案内する導光要素に接続されていることを特徴とする、請求項８〜１１の何れか１項に記載の医学測定装置。
13. 検査すべき患者の体の部分を測定装置（３００）上で固定する固定装置（１１）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１２の何れか１項に記載の医学測定装置。
14. 固定装置（１１）は、体の部分を測定及び／又は給電電極（１、３）に対して押し付ける膨張可能な空気クッションを有することを特徴とする、請求項１３に記載の医学測定装置。
15. 娯楽又は通信用装置、或いはその他の携帯装置又はアクセサリーと接続されていることを特徴とする、請求項１〜１４の何れか１項に記載の医学測定装置。
16. 前記携帯装置は、ノートブック、ラップトップ、携帯電話、パームトップ、又はハンドヘルドであることを特徴とする、請求項１５に記載の医学測定装置。

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