KR20070018774A

KR20070018774A - 바이오임피던스 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20070018774A
Application number: KR1020067005011A
Authority: KR
Inventors: 나단 더블유. 레빈; 판산 즈후
Original assignee: 레날 리서치 인스티튜트, 엘엘씨
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2007-02-14
Also published as: AU2004273821B2; US20070027402A1; JP2007521102A; CN101926647A; AU2010235963B2; EP1662993B1; WO2005027717A2; EP1662993A2; KR101091271B1; JP5491362B2; US8257280B2; WO2005027717A3; JP2011050765A; US7945317B2; AU2010235963A1; US20110275922A1; JP5215560B2; AU2004273821A1; EP2604184B1; EP1662993A4

Abstract

바이오임피던스 분석을 제공하는 방법 및 장치를 제공한다. 어떠한 면에서, MRI 데이터와 증진된 연관성을 이끄는 동등한 회로 진동수 반응 모델을 제공한다. 상기 진동수 반응 모델은 체절의 지방 성분을 포함하는, 바디 조성(body composition)을 설명한다. 대상의 종아리에서 바이오임피던스 분광법(BIS) 및 MRI를 수행함으로써 얻은 데이터는 50 ㎑에서 단일 진동수 분석 및 통상적인 Cole-Cole 모델을 사용하여 수행된 분석에 비해 성취된 증진된 연관성을 설명한다.

ECV, ICV, 진동수, 체절, 임피던스, 바이오임피던스 데이터 분석

Description

바이오임피던스 방법 및 장치 {Bioimpedance methods and apparatus}

관련 문헌

본 출원은 여기에 참고문헌으로 인용된, 2003년 9월 12일에 출원한 미국 가출원 번호 60/502,483, 2004년 6월 16일에 출원한 미국 가출원 번호 60/580,166, 및 2004년 7월 14일에 출원한 미국 가출원 번호 60/587,652에 대해 35 USC §119(e)하에 우선권을 주장한다.

본 발명은 바이오임피던스 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 대상의 바디 체절(body segment)에 있는 근육 함유율, 지방 함유율, 및/또는 세포외 유동액 함유율을 결정하기 위한 상기 방법 및 장치를 사용법에 관한 것이며, 여기서 체절은 대상자의 전체 바디를 필수적으로 포함할 수 있다.

생물학적 세포의 전기적 특성은 오랫동안 과학적 관심을 끌어왔다. 생물전기(bioelectricity)의 지식을 기반으로 한 많은 개발 및 디바이스들은 지난 세기 동안 생물학 및 생의학 분야에서 사용되어왔다.

생물전기 임피던스 분석법은 상기 분야에서 흥미있고 의욕을 돋우는 대상 중 하나이다. 바이오임피던스는 비공격적이고, 단순하고, 저렴하고 이동가능한 방법으로 바디 조성을 측정하는 그것의 잠재적인 능력으로 인해 의학의 많은 분야에서 연 구되어왔다. 특히, 바이오임피던스는 수년간 임상 연구에서 사용되어왔다. 예를 들어, 바이오임피던스를 사용한 임상적 응용이 초기 단계에서 Nybor[3] 및patterson[4]에 의해 보고되었다.

많은 저자들은 살아있는 세포의 전기적 특성의 성질을 조사해왔다[2,4,5]. Schwan et al.은 복합-진동수 전류를 사용하여 세포막의 유전체(dielectric) 특성 사이의 관계를 기술했다[2]. 바디에 있는 세포의 전기적 특성을 설명하는 기본적인 이론은 Cole에 의해 잘 정리되었다[1]. 특히, Cole은 AC 전류에 대한 세포 및 세포막의 전기적 반응을 설명하기 위한 동등한 회로 모델(이하, "Cole-Cole 모델"이라 함)을 성공적으로 개발했다.

바이오임피던스 분광법(BIS)을 사용하는 방법은 Cole-Cole 모델 및 Hanai 방법을 기본으로 한, 세포외(ECV) 및 세포내(ICV) 유동액 부피를 측정하기 위해 제안되었다[5,6,10]. 복합-진동수 바이오임피던스 분석의 계통적 분류법(methodology)은 전체 또는 체절 바디 구획(compartment)에서의 세포외 및 세포내 유동액 부피에 대한 약간의 정보를 제공할 수 있다[6].

하지만, BIS를 포함하는 바이오임피던스 분석의 정확도가 임상 사용자에 의한 확신의 주된 요건이다[7,8]. 많은 연구들이 바디 유동액을 측정하기 위한 바이오임피던스 분석의 사용을 보고해왔지만, 현존하는 기술들은 신뢰성, 유효성, 및 정확성과 관련된 문제들로 인해 임상 실험에서 널리 수용되지 못하고 있다.

현재 이용가능한 바이오임피던스 기술을 사용하는 측정 및 분석의 정확성에 반대로 영향을 미치는 많은 요인들이 있다. 그것의 일면에 따르면, 본 발명은 상기 요인들 중 하나, 즉, 바이오임피던스 데이터를 분석하는데 사용된 모델에 관여한다. 다른 세포들의 전기적 특성을 측정하는 데이터에 일반적으로 사용된 바이오임피던스 모델은, 지방이 지방-없는 질량(fat free mass)에 비해 높은 저항율을 갖고, 따라서 지방 질량은 무시될 수 있다는 기본적인 가정을 갖는다. 하지만, 최근의 연구는 대상자가 많은 양의 지방(adipose) 세포를 가질 때, 50 ㎑에서의 바이오임피던스 측정값이 영향을 받는다는 것을 알아냈다[7]. 하기에 상세히 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면 다양한 체중 지수(BMI) 값을 갖는 대상자에게 있어서 지방 질량의 양은 BIS에 의한 바디 조성의 정확한 측정에 영향을 미치는 주된 요인 중 하나라는 것을 알 수 있다.

발명의 요약

제1면에 따르면, 본 발명은 대상의 외피 표면을 갖는 바디 체절에 대한 바이오임피던스 데이터를 분석하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 하기의 단계들을 포함한다:

(a) 외피 표면상에서 적어도 두 개의 지점에 다수의 진동수로 교류를 적용하여 체절을 통해 전류가 통하도록 하는 단계;

(b) 각각의 진동수마다, 상기 외피 표면상에서 적어도 두 개의 다른 지점들 사이의 전압 차이를 기록하는 단계, 여기서 상기 기록된 전압 차이는 전극 및 상태 정보를 포함함;

(c) 상기 다수의 진동수에서 기록된 전압 차이를 사용하여 체절의 근육, 지방, 및/또는 세포외 유동액 함유율에 대한 적어도 하나의 수치 지표를 결정하는 단 계, 여기서 상기 체절에 대한 임피던스 모델을 사용하여 결정된 수치는 적어도 3개의 평행한 경로를 포함하는데, 그 중 하나는 상기 체절의 근육 성분을 주로 나타내는 콘덴서 C_M 및 저항기 R_I가 직렬로 이루어지고, 그 중 하나는 상기 체절의 지방 성분을 주로 나타내는 콘덴서 C_F 및 저항기 R_F가 직렬로 이루어지고, 그 중 하나는 저항기로 이루어짐.

이면에 따르면, 본 발명은 대상의 외피 표면을 갖는 바디 체절에 대한 바이오임피던스 데이터를 분석하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 하기 단계를 포함한다:

(c) 상기 다수의 진동수에서 기록된 전압 차이를 사용하여 체절의 지방 및/또는 세포외 유동액 함유율에 대한 적어도 하나의 수치 지표를 결정하는 단계, 여기서 상기 체절에 대한 임피던스 모델을 사용하여 결정된 수치는 적어도 3개의 평행한 경로를 포함하는데, 그 중 하나는 상기 체절의 지방 성분을 주로 나타내는 콘덴서 C_F 및 저항기 R_F가 직렬로 이루어지고, 다른 하나는 상기 체절의 세포외 유동액 성분을 주로 나타내는 저항기로 이루어짐;

여기서,

(i) 상기 두 개의 평행 경로는 피부에 대한 체절 내부의 조성을 나타내는 임피던스 모델의 유일한 평행 경로임; 및

(ii) 단계 (a)에 적용된 각각의 진동수는 10 ㎑ 이하임.

본 발명의 전술한 면들의 소정의 예에 따르면, 모델 변수(예를 들어, R_F)를 체절에 대한 생리학적인 값(예를 들어, 지방 함유율 값)으로 변형시키는 관계식이 사용된다. 상기 관계식은 하기 단계에 의해 얻어질 수 있다:

(i) 다수의 검정 대상에서 단계 (a), (b), 및 (c)를 수행하여 상기 대상들 각각에 대한 모델 변수들을 얻는 단계;

(ii) 상기 다수의 검정 대상(예를 들어, 자기 공명 영상을 사용한 지방 함유율의 측정)에서 체절에 대한 측정을 수행하여 상기 대상자들 각각에 대한 체절의 생리학적인 값을 얻는 단계;

(iii) 단계 (i) 및 (ii)에서 얻어진 값들에 대한 회귀 분석을 수행하여 관계식을 얻는 단계.

바람직하게는, 다수의 검정 대상자들은 20 미만의 체질량 지수를 갖는 적어도 하나의 검정 대상 및 35보다 큰 체질량 지수를 갖는 적어도 하나의 검정 대상자를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 다수의 검정 대상자들은 20 미만의 체질량 지수를 갖는 적어도 하나의 검정 대상 및 40보다 큰 체질량 지수를 갖는 적어도 하나의 검정 대상자를 포함한다.

제3면에 따르면, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 피부에 의해 덮힌, 일부분의 바디 체절 범위을 결정하는 방법을 제공한다:

(a) 피부에 의해 덮힌 바디 체절의 일부분 주변에 한 시리즈의 전극을 적용하는 단계, 여기서 상기 한 시리즈의 전극은 첫 번째 전극 및 마지막 전극을 가지며, 첫 번째 전극 및 마지막 전극들 사이의 거리를 제외한 모든 전극들 사이의 주변 거리가 알려져 있음;

(b) 실질적으로 피부에 침투하지않는 저 진동수 전류를 적용함으로써 첫 번째 및 마지막 전극외의, 시리즈 중 적어도 두 개의 전극 사이의 저항을 결정하는 단계;

(c) 단계 (b)에서 결정된 저항으로부터 피부에 대한 단위 길이당 저항값 및 두 개의 전극 사이의 알려진 주변 거리를 결정하는 단계;

(d) 실질적으로 피부에 침투하지않는 저 진동수 전류를 적용함으로써 시리즈 중 첫 번째 및 마지막 전극 사이의 저항을 결정하는 단계;

(e) 단계 (d)에서 측정된 저항으로부터 시리즈 중 첫 번째 및 마지막 전극 사이의 거리 및 단계 (c)에서 결정된 단위 길이당 저항율 값을 계산하는 단계.

전술한 일반적인 설명 및 후술할 상세한 설명은 단지 본 발명의 본보기에 불과하다는 것을 이해해야하며, 본 발명의 특성 및 특징을 이해하기 위한 개요 및 구조를 제공하고자 한다.

본 발명의 부가적인 특성 및 장점은 후술할 상세한 발명에서 설명될 것이고, 일부는 설명으로부터 당업자들에게 자명할 것이고, 여기에 기술된 본 발명을 수행 함으로써 인식될 것이다. 첨부된 도면은 본 발명의 더 넓은 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 인용되어 부분으로 구성된다.

도 1은 본 발명에 따른 바디 조성 모델의 횡단면 형태(도 1a) 및 3차원 형태(도 1b)를 보여준다.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 바디 조성 모델에 대해 동등한 회로 진동수 반응 모델이다.

도 3은 저 진동수 조건, 예를 들어, 10 ㎑보다 작은 진동수하에서 도 1의 바디 조성 모델에 대해 동등한 회로 진동수 반응 모델이다.

도 4는 본 발명의 수행에 사용될 수 있는 전극 구성을 보여준다.

도 5는 도 4의 전극 구성에 대한 저항기 모델을 보여준다.

도 6은 후술될 실시예의 바이오임피던스 데이터를 산출하는데 사용된 전극 배치를 보여준다.

도 7은 식 12 및 13을 사용하여 얻은, 측정된 ρ 값 및 계산된 ρ 값 사이의 관계를 보여준다. 식 12를 사용하여 얻은 관계의 가파른 기울기는 바이오임피던스 측정치에 동등한 회로 진동수 반응 모델에서 지방 함유율에 관여하는 정보를 포함하는 값을 설명한다.

도 8은 다른 지방 함유율을 갖는 대상 군들 사이의 t-테스트 p 값을 보여준다.

도 9는 다른 지방 함유율을 갖는 세 명의 대상자(환자들)에 대한 곡선 맞춤 (curve fitting)을 보여준다.

도 10은 0.588㎏의 지방 무게를 갖는 대상자에 대한 임피던스 자기(도 10a) 및 임피던스 상태(도 10b)를 보여준다.

도 11은 0.134㎏의 지방 질량를 갖는 대상자에 대한 임피던스 자기(도 11a) 및 임피던스 상태(도 11b)를 보여준다.

도 12는 본 발명의 MRI 기술에 의한 근육(MS) 평가 및 BIS 기술에 의한 근육(MS) 평가 사이의 관계를 보여준다.

도 13은 MRI에 의해 측정된 근육 질량과 5 ㎑에서 측정된 저항 사이의 관계를 보여준다.

도 14는 (i) MRI에 의해 측정된 근육 질량과 본 발명의 복합-진동수, 세 가지 평행한 경로 모델을 사용하여 결정된 세포내 저항(R_I) 사이의 관계(도 14a)를 (ii) MRI에 의해 측정된 근육 질량과 50 ㎑에서의 임피던스 사이의 관계(도 14b)와 비교한다.

도 15는 (i) MRI에 의해 측정된 근육 질량과 본 발명의 복합-진동수, 세 가지 평행한 경로 모델을 사용하여 결정된 지방 저항(R_F) 사이의 관계(도 14a)를 (ii) MRI에 의해 측정된 근육 질량과 50 ㎑에서의 임피던스 사이의 관계(도 14b)와 비교한다.

도 16은 (i) MRI에 의해 측정된 근육 질량과 본 발명의 복합-진동수, 세 가지 평행한 경로 모델을 사용하여 결정된 세포내 저항(R_I) 사이의 관계(도 16a)를 (ii) MRI에 의해 측정된 근육 질량과 Cole-Cole 모델을 사용하여 결정된 세포내 저항 사이의 관계(도 16b)와 비교한다.

도 17은 도 14는 (i) MRI에 의해 측정된 근육 질량과 본 발명의 복합-진동수, 세 가지 평행한 경로 모델을 사용하여 결정된 지방 저항(R_F) 사이의 관계(도 17a)를 (ii) MRI에 의해 측정된 근육 질량과 Cole-Cole 모델을 사용하여 결정된 세포내 저항 사이의 관계(도 17b)와 비교한다.

상술된 바와 같이, 본 발명은 대상, 즉, 사람 또는 동물의 체절의 지방, 근육, 및/또는 세포외 유동액 함유율에 관련된 정보를 제공할 수 있는 바이오임피던스 방법 및 장치에 관한 것이다.

상기 체절은 일반적으로 대상의 사지(limb) 일부 또는 전체, 예를 들어, 대상의 종아리(calf) 또는 팔뚝(forearm)이 될 것이고, 대상의 몸통 전체 또는 일부, 예를 들어, 대상의 복부의 부분 또는 전부가 될 수 있다. 유사하게, 상기 체절은 특정 근육 또는 근육 부분만큼 작을 수도 있고 본질적으로 대상의 전신만큼 클 수도 있다.

상기 체절의 위치 및 크기는 대상의 피부 상에서 전류 적용 전극의 위치에 의존할 것이다. 특히, 상기 체절은 전류 적용 전극이 활성화될 때 실질적인 전류가 통하는 것에 의해 대상의 바디 일부분을 구성할 것이다. 전류 적용 전극의 개수, 위치, 및 극성을 적절히 선택함으로써, 대상자의 바디 내에서 다양한 전류 패턴이 달성될 수 있다. 실제로, 선택된 전류 적용 전극의 극성을 다양화함으로써, 하나 이상의 체절은 전류 적용 전극을 움직일 필요없이 분석될 수 있다.

기존에 알려진 바와 같이, 전위 기록 전극은 일반적으로 전류 적용 전극의 내측에(inboard) 위치될 수 있다, 즉 상기 전위 기록 전극은 전류 적용 전극이 활성화될 때 실질적인 전류가 통하는 것에 의해 환자의 바디 일부분을 둘러싸는 피부에 일반적으로 위치될 것이다.

전류의 적용 및 전위의 기록은 현재 알려져 있고 계속해서 개발되는, 전류 적용 및 기록 전극을 포함하는 바이오임피던스 장비, 예를 들어, 후술될 실시예에서 사용된 4000B 바이오-임피던스 스펙트럼 분석기 시스템(캐나다, 샌디에고, Xitron Technologies, Inc.) 등의 상업적으로 이용가능한 장비로 실행될 수 있다. 다르게는, 상업화된 장비가 본 발명을 수행하는데 사용될 수 있다.

상기 바이오임피던스 장비에 의해 얻은 데이터의 처리는 상기 장비 내에서 전부 수행되거나 분리된 컴퓨터를 사용하여 온-라인으로 수행될 수 있다. 다르게는, 상기 데이터는 측정 시간의 순서로 저장되고 처리될 수 있다.

바람직하게는, 상기 바이오임피던스 장비는 본 발명의 분석 과정의 적어도 일부분을 수행하기 위해 프로그램화된 마이크로프로세서(microprocessor)를 포함할 것이다. 예를 들어, 상기 바이오임피던스 장비는 대상자에 대해 측정된 임피던스 데이터에 검정(calibriation) 대상자에 대한 연구로부터 얻은 회귀 식을 적용할 수 있고, 따라서 대상자의 지방, 근육, 및/또는 세포외 유동액 함유량을 장비 사용자, 예를 들어 대상자 자신 및/또는 다른 사람, 예를 들어 상기 정보에 관심이 있는 건강한 도움 제공자에게 직접 보고할 수 있다. 상기 지방, 근육, 및/또는 세포외 유동액 함유율은 그래프로, 수적으로(예를 들어, 지방 및/또는 근육 퍼센트 값), 색깔(예를 들어, 고 지방 함유율은 빨강) 또는 그 유사한 것들에 의해 보고될 수 있다.

본 발명의 소정의 구체예에서, 다수의 진동수에서 교류 전류는 대상자의 피부에 적용된다. 바람직하게는, 적어도 10의 진동수가 사용되고, 더욱 바람직하게는, 대략 50의 진동수가 사용된다. 바람직하게는, 다수의 진동수는 5 내지 10 ㎑의 진동수를 포함하지만, 원하면 더 큰 또는 더 작은 범위의 진동수가 사용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 다른 세포의 전기적 특성을 측정하는 데이터에 사용된 바이오임피던스는 일반적으로 다수의 문제점을 겪었다. 상기 문제들 중 하나는 지방은 지방 없는 질량에 비해 높은 저항율을 가지며, 따라서 지방 질량은 무시될 수 있다는 기본적인 가정이다. 다른 하나는 세포외 및 세포내 저항에 대한 모델의 측정에 관한 것이다. 현존하는 모델에서 설명되지 않았지만, 피하 세포에 기반을 둔 모델은 상기 피부 및 지방 세포의 양에 의해 영향을 받는다.

본 발명은 전기적 삽입에 대한 피부, 지방, 근육 등의 다른 구성의 바디 조성물의 반응을 조사함으로써 현재 분석 접근이 가지고 있는 여러 가지 문제점들을 감소시키고자 한다. 더욱 바람직하게는, 그것의 소정의 면에 따르면, 본 발명은 동등한 회로를 사용하는 체세포의 다른 조성물의 효과를 설명하기 위해 모델을 제공한다.

특히, 현재의 바이오임피던스 기술을 증진시키기 위해, 본 발명의 소정의 면에 따르면, 다른 부분의 체세포의 전기적 특성, 및 넓은 범위의 전류 진동수의 효과를 설명할 수 있는 개선된 전기적 모델이 제공된다. 특히, 하기 실시예 1에 나타낸 데이터는 상기 모델로의 측정에 의해 저항율에 대한 피부에서 측정된 5 ㎑에서 저항율의 관계를 평가한다.

도 1은 사지에서 전도성(conductivity)의 조성물을 설명하기 위해 사용될 수 있는 본 발명에 따른 부분의(segmental) 바디 조성 모델을 보여준다. 특히, 상기 도면은 본 발명의 전기적 모델에 대한 기준을 형성하는 사지 체절에서 전도성 조성물을 보여준다. 참고로, 표 1은 기존의 연구[8]에서 보고된 바와 같이 10 ㎑의 전류 진동수를 사용하여 다른 세포의 전기적 특성(유전율 및 저항율)을 보여준다.

도 1에 동등한 회로 모델은 도 2a에 나타냈는데, 여기서 R_G는 피부 상의 두 전극에 의해 측정된 저항을 나타내고 R_S, R_F, R_E, R_I, 및 R_B는 피부, 지방 질량, 세포외 부피, 세포내 부피, 및 뼈, 각각의 저항을 나타낸다. 도 2a에서, C_IN, C_F, 및 C_M은 피부 및 전극 사이의 전기 용량(capacitance), 지방 질량의 전기 용량, 및 세포막의 전기 용량을 각각 나타낸다.

도 2a의 모델로부터, 하기식에 의해 전체 전기 전류(I_G)가 주어질 수 있다:

하기식에 의해 R_G를 통과한 전위가 얻어질 수 있다:

여기서, I'_G는 전기 용량 CIN을 통해 흐른 전류이고, 하기식에 의해 주어진다:

피부 저항(R_S)이 다른 세포에서보다 훨씬 더 높기 때문에, I_S는 매우 낮고, 하기와 같은 식을 갖는다:

저 진동수(예를 들어, 5㎑)에서 전류는 세포내 공간을 통해 흐르지 못하기 때문에, 동등한 회로는 도 3에 보이는 바와 같이 변형될 수 있다.

도 3에서, E는 두 개의 측정 전극(R_G를 통해) 사이의 전위를 나타내고, E_E는 R_E를 통한 전위를 나타낸다. 따라서, 하기의 전위 식을 얻을 수 있다

여기서, 변수

는 콘덴서 C_IN을 통한 전위를 나타낸다. 이 전위는 고 전류 진동수 또는 C_IN이 클 때 무시될 수 있다.

도 3의 평행 회로에 따르면, 피부 전극으로부터 측정된 저항 R_G는 하기식에 의해 계산될 수 있다:

지방 질량의 저항(X_F) 및 피부와 전극 사이의 전기 용량(X_IN)은 하기와 같다:

따라서, R_G는 하기와 같이 단순화될 수 있다:

및

여기서, A_F 및 A_E 는 이 체절에서 MRI 및 ECV에서 얻은 지방 질량의 횡단면을 각각 나타낸다. 기존의 연구에 따르면, ECV에서의 저항율에 대한 지방에서의 저항율의 비는 대략 다음과 같다 [6]:

식 8은 하기식으로 더욱 단순화될 수 있다:

여기서 ρG는 피부에서 측정된 저항율이고 ρE는 일정한 값을 갖는 ECV 공간에서의 저항율이다.

로 정하고,

이 작다고 가정하면, 하기식을 얻는다:

k_E = 1이면, 저항율은 하기식에 의해 계산될 수 있다:

이런 식들, 특히 식 12 및 13을 검정 대상자의 장치(set)로부터 얻어진 실험 데이터에 적용하는 것은 실시예 1에서 설명될 것이다. 실시예에서 설명된 결과들은 지방 질량의 부피가 네 개의 표준전극 바이오임피던스 기술을 사용하는 바디 조성물의 평가에 영향을 미치는 중요한 요인이라는 것을 가리킨다.

실시예 1의 실험 데이타는 적용된 전류, 즉 5 ㎑에 대한 하나의 진동수를 사용하여 얻었다. 본 발명의 부분적인 바디 조성물의 동등한 회로 모델은 복합-진동수 전류에 대한 반응을 설명하는데 사용되는 것이 바람직하다. 실시예 2는 상기 복합-진동수 테스트의 결과를 보여준다. 특히, 이 실시예는 다른 지방 함유율을 가진 대상자에 대한 전류의 진동 증가에 따른 임피던스의 다른 감소를 보여준다.

도 2b는 도 2A의 동등한 회로 모델의 변형된 버전이다. 도 2b에서, Z_total은 a

및 b에서 두 전극에 의해 측정한 전체 임피던스를 나타낸다. 도 2a에서처럼, R_S, R_F, R_E, R_I, 및 R_B는 피부, 지방 질량, 세포외 및 세포내 부피, 및 뼈의 저항을 각각 나타내고, C_IN, C_F, 및 C_M은 피부와 전극 사이의 전류 용량, 지방 질량의 전류 용량 및 세포막의 전류 용량을 각각 나타낸다. R_i1 및 R_i2는 주입 및 측정 전극 사이의 체절의 저항을 나타낸다.

도 2의 모델에 대한 진동수를 기초로 한 관계를 얻기 위해서, 표준화될 수 있도록 상기 모델을 단순화하는데 하기식들을 사용하였다. 첫째, R_P가 R_E 및 R_B의 평행 저항을 나타내게 하고:

두 번째로, 측정을 단순화하기 위해서 하기 변수들 a, b, c, 및 d를 사용하였다:

전체 임피던스(Z_total)는 도 2의 회로로부터 얻을 수 있고, 하기식 19에 의해 주어진다:

식 19를 표준화하기 위해,

을 정하고, Z_total은 하기와 같은 식 21에 의해 주어진다:

각각의 대상에 대한 진동수 반응 데이터의 정량적인 분석은 동등한 회로에서 조성물의 기능을 나타내는 변수들의 군을 사용하여 수행되는 것이 바람직하다. 상기 변수들의 군은 분석에 대한 표준 변형 함수의 사용을 촉진함으로써 각각의 대상자들의 바디 조성에서의 차이점을 규명하도록 돕는다.

예를 들어, 식 21은 하기와 같은 관계를 사용하여 일반화될 수 있는데, 여기서 P₁, P₂, P₃, P₄, Q₁, Q₂, Q₃는 변수들의 군이다:

각각의 환자(각각의 대상자)에 대한 R_I, R_F, C_I, C_F, R_P, R_S, C_IN 값은 하기식들을 사용하여 계산된다:

여기서, a, b, c, 및 d는 식 15 내지 18에서 정의된 바와 같다.

이러한 식들에서, R_I, R_F, C_I, C_F, R_P, R_S, C_IN 은 측정될 수 있는 변수들이고, P₁, P₂, P₃, P₄, Q₁, Q₂, Q₃는 환자에 대한 진동수 반응의 곡선 맞춤에 의해 얻어진 각각의 환자에 대한 데이터 값들이다.특히, 각각의 환자에 대한 7가지 변수 R_I, R_F, C_I, C_F, R_P, R_S, C_IN 값은 상기 환자에 대한 P₁, P₂, P₃, P₄, Q₁, Q₂, Q₃ 값을 사용하여 상기 7개의 식(식 23 내지 식 29)을 풀어냄으로써 얻어진다.

하기 실시예 2에서, 곡선 맞춤 프로그램인 MATLAB 툴박스(메사추세스, 나틱크, The MathWorks, Inc.)가 각각의 환자에 대한 변수 P₁, P₂, P₃, P₄, Q₁, Q₂, Q₃ 값을 얻기 위해서 사용되었다. 진동수 반응 곡선의 자극은 표준 신호 처리 프로그램인 MALTLAB 툴박스를 사용하여 얻었다.

식 22가 바이오임피던스 실험 동안 얻어진 진동수 반응 데이터 유형을 가지고 사용하기에 바람직한 곡선 맞춤 식이지만, 바람직하다면 다른 곡선 맞춤 식이 사용될 수 있다는 것은 본 개시로부터 당업자에게 명백할 것이다. 유사하게, MALTAB 프로그램 이외의 다른 수학 처리 프로그램이 본 발명을 수행하는데 사용될 수 있다.

체절의 길이 및 원주(circumference)는 손으로 측정될 수 있다. 다르게는, 본 발명의 소정의 구체예에 따르면, 체절의 원주 및 길이는 단일 전극 대신에 전극 군을 사용하여 측정될 수 있다(도 4 참조). 저 진동수(예를 들어, <10 ㎐, 바람직하게는 <1 ㎐)에서의 저항은 피부의 전기적 특성을 반영할 수 있다. 각각의 쌍에서 어떠한 인접하는 두 전극 사이의 거리가 알려져 있기 때문에, 측정 부분의 원주는 하기와 같이 계산될 수 있고,

여기서, C는 원주를 나타내고, n은 전극의 수를 나타내고, D는 인접한 두 전극 사이의 거리를 나타내고, R_n(도 5에서 n=8)은 전극이 어떠한 체절 상에서 원을 형성할 때 첫 번째 전극과 마지막 전극 사이의 저항이고, λ는 하기식에 의해 계산될 수 있는 횡단면 부분의 면적에 대한 저항율의 비율이다:

여기서, R_i는 첫 번째와 마지막 사이의 저항을 제외한 인접한 어떠한 두 전극 사이의 저항이고, Di는 첫 번째와 마지막 사이의 거리를 제외한 인접한 어떠한 두 전극 사이의 거리이다.

따라서, 이 체절의 특정 저항율은

이고,

여기서, A는 체절에서의 횡단면이다.

이기 때문에, ρ'는 하기 식에 의해 계산될 수 있다:

일단 피부 저항율이 측정되면, 길이는 하기식에 의해 계산될 수 있다:

여기서, L은 길이이고, A는 체절의 횡단면이고, R_L은 체절의 수직의 각을 따르는 두 개의 횡단면 사이의 저항이다.

도 4에서, E1 내지 E8은 전극이고, D1 내지 D7은 두 개의 인접한 전극 사이의 거리를 각각 나타내고, D1=D2= ..=D7이다. 도 5에서, R1 내지 R은 인접한 두 개의 전극 사이의 피부 저항을 나타낸다. R8은, 상술한 바와 같이, 첫 번째(E1)와 마지막 전극(E8) 사이의 저항이다. E1과 E8 사이의 거리는 알려지지 않았지만, 상술한 바와 같이, R8/λ에 의해 계산될 수 있고, 따라서, 원주(C)는 식 30에 의해 계산될 수 있다.

여기에 설명된 수학적인 작동(operations)은 다양한 컴퓨터 및 프로그램에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 작동들은 위에서 언급되었던 상업적으로 이용가능한 MALTAB 프로그램 및 상기 프로그램 제조자의 지시에 따라 프로그램을 운영하도록 인지된 퍼스널 컴퓨터를 사용하여 수행될 수 있다. 본 발명의 수학적 작 동을 수행하도록 상업화된 프로그램은 자기 디스크, 광 디스크, 또는 상기 프로그램인 인코딩된 유사한 것 등의 컴퓨터 사용가능한 매체를 포함하는 제조 물품으로서 구체화될 수 있다. 상기 프로그램에 의해 산출된 데이타는 여러 가지 타입의 저장 미디어에 유사하게 저장될 수 있다.

어떠한 방법에 한정됨 없이, 본 발명은 후술될 실시예에 의해 더욱 완전하게 설명될 것이다.

실시예 1

바이오임피던스 분석에 대한 지방 질량의 효과

본 실시예는 지방 질량가 바이오임피던스 분석을 사용하여 투석 환자들에 대한 임상 실험에서 바디 유동액의 정확한 측정을 포함하는, 바디 조성물의 정확한 측정에 영향을 미치는 주된 요인이라는 것을 보여준다.

28명의 만성 혈액투석 환자들을 대상으로 치료 전에 연구했다. 표 2는 상기 대상자(환자들) 군에 대한 관계 변수를 설명한다.

종아리 바이오임피던스 측정은 BIS 디바이스 Xitron 4200(캐나다, 샌디에고 Xitron Technologies)를 사용하여 수행되었다. 전극의 배치 방법은 기존의 연구에서 출판되었다[9]. 설명된 바와 같이, 적절한 위치에 전극을 배치하기 위해서, 대상자가 앉아있는 자세일 때, 슬개골(patella)의 중심 부분과 측면 복사뼈(lateral malleolus)의 중심 사이의 거리(H)를 측정하였다. 환자가 누운 채로, 두 개의 측정 전극을 배치했는데, 하나는 위쪽 5㎝ 가운데 점 M에 배치하고 다른 하나는 아래쪽 5㎝에 배치했다. 두 개의 인접한 전류 주입 전극은 상기 측정 전극 위쪽 3㎝에 하나, 아래쪽에 하나 배치했다. 상기 두 개의 측정 전극에서 종아리의 원주는 0.1㎝ 정확도를 가진 테잎을 사용하여 측정하였다.

종아리 저항 및 반응성은 5 내지 1 ㎑으로부터 대수적으로 분산된 진동수 50으로 BIS 디바이스를 사용하여 측정하였다. 세포외 저항(Re) 및 세포내 저항(Ri)을 계산하고 ECV 및 ICV는 BIS 디바이스에 의해 제공된 프로그램을 사용하여 얻었다[9, 10]. 지방 질량, 근육 질량, 및 뼈는 MRI에 의해 동일한 면적에서 개별적으로 측정하였다.

기하학적 부피(V_G)는 횡단면 면적(A_G) 곱하기 체절의 길이(L)로 정의되었다. A_G는

에 의해 계산되고, 여기서 C는 종아리에서 원주의 평균값이다. 저항율(ρG,Mea)은 하기와 같이 나타난 측정값에 의해 계산되었다:

여기서, R_G는 5 ㎑에서 측정된 저항이고, A_G는 횡단면 면적이고 길이는 모든 대상자에 대해 10㎝에 고정했다.

측정 및 계산으로 얻은 저항율의 값에 대한 지방 질량의 크기 효과를 비교하기 위해서, 28명의 환자들을 기하학적 부피(V_G)에 대한 지방 질량(V_F)의 비율에 따 라 두 개의 군으로 구분하였다: 고 지방 군은 V_F/V_G>0.2로 정의하고, 정상 지방 군은 V_F/V_G≤0.2로 정의했다. 데이터는 평균값±SD로 나타내고, 연구(student) t-테스트를 사용하여 다른 군의 데이터와 비교했다. 군 사이의 차이가 p값<0.05이면 유효한 것으로 여겼다.

표 3은 상기 두 군 사이의 저항율 비교 결과를 보여준다. ρ_G, _Mea (p<0.05), ρ_G,Cal(p<0.05) 및 △ρ_G, _Cal (p<0.005)에서 유효 차이가 있지만, 두 군 사이의 ρ^* _G,Cal에서는 유효 차이가 나타나지 않았다(표 3). ρ_G, _Mea 과ρ^* _G, _Cal 사이의 차이(p<0.05)는 유효하나, ρ_G, _Mea 과ρ_G, _Cal 사이에서는 유효 차이가 나타나지 않았다.

도 7은 식 12 및 13을 사용하여 계산된 저항율과 측정된 저항율 사이의 관계를 보여준다. 상기 도면은 측정값을 기본으로 하여 식 35로부터 측정된 저항율(ρ_G,Mea)과 식 12를 사용하여 계산된 저항율(ρ_G, _Cal) 사이의 높은 정도의 관계를 보여준다. 도 7에서, 다이아몬드 표시는 식 13(ρ^* _G, _Cal = 0.66ρ_G, _Mea+ 76.7, R²=0.96)에 의해 ρ_G, _Mea 과ρ^* _G, _Cal의 관계를 나타내고, 검은 원 표시는 식 12(ρ_G, _Cal = 0.93ρ_G,Mea+ 41.1, R²=0.9)에 의해 계산된 각각의 여러 가지 k_E로 ρ_G, _Mea 과ρ_G, _Cal의 관계를 나타낸다. 상기 관계가 ρ^* _G, _Cal와ρ_G, _Mea 사이에서 높을지라도, 기울기(다이아몬드 표 시)는 단지 0.66이다. 식 12를 사용하는 각각의 k_E로 검정 후, 기울기는 0.93(검은 원)이고, 즉, 확연하게 더 좋다.

여러 가지 피하 세포에 대한 피부에서 측정된 저항율의 관계를 아는 것은 관계된 생체 전기의(bioelectric) 현상을 이해하는데 필수적이다. 많은 초기의 연구들은 직접적인 측정에 의해 여러 가지 생물 세포 및 기관의 저항율은 보여주었다[6]. 하지만, 피부 표면상에서 임상 측정을 수행하고 다수의 이론상 모델에 의해 다른 세포의 저항율을 계산한 이후로, (1) 전극 및 피부의 각각의 다른 임피던스 인터페이스(interface); (2) 각각 사이의 지방 세포의 다른 부피 및 (3) 각각 사이의 피부 임피던스 및 지방 질량에 있어서 차이의 변화를 포함하지 않는 이론상 모델;로 인해 에러(errors)가 발생할 수 있다.

본 발명은 지방 질량의 임피던스 변화를 포함하고 피부의 저항 변화 및 전류 용량 사이의 인터페이스를 포함할 수 있는 모델을 제공한다. 표 3은 상기 모델에 의한 계산과 지방 질량 증가량으로서 측정에 의한 계산 사이에 5 ㎑에서 저항율 유효 차이(△ρ)가 있다는 것을 보여준다. 이것은 피부에서 측정하여 얻은 저 진동(5 ㎑)에서의 저항율 값은 세포외 유동액 구획으로부터 뿐만 아니라 지방 질량 구획으로부터의 분포를 포함해야한다는 것을 제시한다. 도 7은 각각의 k_E의 검정 후에, 검은 원으로 표현된 곡선의 기울기가 거의 동일하다는 것을 보여주며, 이는 상기 계산된 값이 측정값에 근접함을 가리킨다. 건강한 대상자에서 저항율의 변화는 주로 지방 질량 각각의 부피에 의존한다는 것을 이해하는 것이 중요하다. 따라서, 상기 모델을 사용하는 것은 측정에 의해 얻을 수 있는 ECV 관련 정보, 예를 들어 종아리 저항율을 수정한다(correct). 무엇보다도, 상기 정보는 투석 환자들의 일정치 않은 비정상적인 수화를 조정하는데 있어서 정확한 수화 변수를 제공하기 위해 중요하다; 이것은 투석하는 동안 과도한 바디 유동액의 제거에 의해 적절한 체중을 맞추도록 할 것이다.

요약하면, 본 실시예는 피부 표면에서 저항율 측정으로부터 다른 세포에서의 저항율을 계산하기 위한 토대로서 사용될 수 있는 모델을 제공하고자 하는 본 발명의 일면을 설명한다. 즉, 본 실시예는 바이오임피던스 분석에서 사용하기 위한 분화된 바디 조성물의 전기적 저항율 모델을 제공하고자 하는 본 발명의 일면을 설명하는 것으로서, 상기 모델은 피부 표면에서 측정된 저항율과 사지를 포함하는 세포의 계산에 의한 저항율의 관계를 설명한다.

특별히, 본 실시예에서 특정 분석은 종아리의 표면에 주입된 5 ㎑ 전류를 가진 대상자 군에서 수행되었다. 본 연구는 상기 모델을 사용하여 계산된 저항율이 실제 측정에 의한 저항율 값과 매우 관계가 있다는 것을 보여주었다. 다음 실시예에서, 다른 진동수의 전류에 대한 상기 시스템의 반응을 조사하였다. 상기 실시예의 결과는 세포막의 저항율을 본 발명의 세 개의 평행 경로 모델을 사용하여 테스트할 수 있다는 것을 보여준다.

실시예 2

복합-진동수 분석

현존하는 BIS 기술을 증진시키기 위해, 올바른 전기적 모델은 넓은 범위의 전류 진동수에 대해 다른 비율의 체세포를 가지고 전기적 특성을 설명할 수 있어야 한다. 본 연구의 목적은 종아리의 피부에서 측정된 5 내지 1㎑의 동등한 회로 모델의 진동수 반응을 평가하는 것이었다. 상기 동등한 회로 모델은 도 2b에 나타냈다.

실시예 1에서와 같이 동일한 28명의 만성 혈액 투석 환자들을 대상으로 치료 전에 연구했다(표 2 참고). 또한, BIS 디바이스 Xitron 4200(캐나다, 샌디에고, Xitron Technologies)를 사용하여 종아리 바이오임피던스 측정을 수행하였고 전극의 배치는 실시예 1에서와 동일하게 하였다(도 6 참고).

종아리 저항 및 반응성은 5 내지 1 ㎑으로부터 대수적으로 분산된 진동수 50으로 BIS 디바이스를 사용하여 측정하였다. 지방 질량, 근육 질량, 및 뼈는 MRI에 의해 동일한 면적에서 개별적으로 측정하였다. 환자들을 종아리에 있는 지방 질량의 양에 따라 세 군 G1:지방>0.4㎏, G2:0.25<지방<0.4㎏ 및 G3:지방<0.25㎏으로 구분하였다.

G1과 G3 사이의 저항, 반응성 및 임피던스의 유효 차이가 관찰되었다; 하지만, G1과 G2 사이의 유효 차이는 단지 40 ㎑보다 더 높은 진동수를 나타낸다(도 8). 다른 진동수를 가진 임피던스의 본래 데이터(원, 삼각형 및 사각형)에 대한 곡선 맞춤의 결과는 도 9에 나타냈다. 원으로 나타낸 데이터는 MRI 평가에 의해 0.59㎏의 지방 질량을 갖는 환자인 반면에, 삼각형 및 사각형은 MRI 평가에 의해 0.29㎏ 및 0.23㎏의 지방 질량을 각각 갖는 두 명의 다른 환자들에 대한 데이터를 보여준다.

두 명의 환자로부터 얻은 진동수 반응 곡선(A) 및 상 반응(B)은 도 10 및 11 에서 나타냈다: 한 명은 MRI 평가에 의하면 0.55㎏ 지방 질량, 1.046㎏ 근육 질량 및 0.021㎏ 뼈를 가지며(도 10), 다른 한 명은 또한 MRI 평가에 의하면 0.134㎏ 지방 질량, 1.022㎏ 근육 질량 및 0.022㎏ 뼈를 가졌다(도 11).

더 작은 지방 질량을 가진 환자들의 임피던스가 1 내지 10㎑의 진동수 범위에서 감소하지만(도 11a), 환자가 더 큰 지방 질량을 가질 때 동일한 진동수 범위에서 상기 곡선은 거의 일정하다(도 10a)는 것이 명확하게 관찰되었다. 더욱이, 상의 최소점에서 진동수의 자기는 두 환자 사이에서 다르다.

도 12는 BIS에 의한 근육(MS) 평가 및 MRI에 의한 근육 평가의 관계를 보여준다(

여기서 L(10㎝)은 환자의 종아리에 따른 측정 전극 사이의 거리이고, Ri는 도 2b의 모델을 사용하여 계산된 세포내 저항임). MS_BIS를 계산하는데 있어서 근육 저항율로서 사용된 값 285Ω-㎝는 MRI 데이터를 기본으로 한 회귀 분석에 의해 얻었다.

도 12 산출 시, 각각의 환자에 있어서 Ri는 측정된 진동수 반응 데이터로부터 상기 환자에 대해 얻은 P₁, P₂, P₃, P₄, Q₁, Q₂, 및 Q₃ 값을 사용하여 식 23 내지 29를 해결함으로써 측정되었다. 따라서, 도 12는 대상자 각자의 바디 조성의 차이를 규명하기 위해 사용될 수 있는 동등한 회로의 조성물에 대한 진동수 반응의 분석을 정량화하는 변수들의 사용을 설명한다.

P₁, P₂, P₃, P₄, Q₁, Q₂, 및 Q₃ 값은 상술된 G1, G2, 및 G3 군에서 조사되었 다. 표 4는 G1과 G2 사이의 유효 차이(p<0.05) P1 및 G1과 G3 사이의 유효 차이 P₄를 보여준다. P 및 Q 변수들에서 P₁과 P₄를 제외하고는 유효 차이가 없다.

상기 실시예 1은 피부 표면상에서 측정한 전기적 저항율이 도 2의 동등한 회로 모델을 사용하는 지방세포에 의해 영향받는다는 것을 보여주었다. 이것은 세포외 및 세포내 유동액 부피 등의 바디 조성물을 평가하는 바이오임피던스 기술의 정확성에 영향을 미치는 더욱 중요한 요소 중 하나가 될 것이다. 물론, 바이오임피던스 정확성은 지방 질량의 양뿐 아니라 전극 및 피부 사이의 인터페이스 또는 피부 수화 정도에 의해 영향받을 수 있다.

본 실시예에서, 도 9에서 보여주는 결과는 다른 지방 함유율을 가진 환자들에서 전류 진동수의 증가와 관련된 임피던스의 감소를 증명한다. 더 큰 지방 질량을 가진 환자의 임피던스가 작은 지방 질량을 가진 환자의 임피던스보다 더 높다. 유사한 근육 질량 및 뼈 질량을 가진 두 명의 환자들의 자극 결과들은, 진동수 반응 곡선이 0 내지 1 ㎑ 범위의 진동수 차이가 있다는 것을 보여준다. 도 10 및 11사이의 차이는 0 내지 1 ㎑ 범위의 진동수에 반응하는 곡선 변화는 지방 질량에 의존하고, 복합-진동 바이오임피던스 분석에 의한 세포외 및 세포내 저항의 평가에 영향을 크게 미칠 거라는 것을 증명한다. 더욱이, 두 명의 환자들 사이의 상 반응의 최소점에서의 차이는 50 ㎑ 단일 진동수 바이오임피던스 방법을 사용하는 것이 대상자가 더 큰 지방 질량을 가졌을 때 에러를 산출할 수 있다는 것을 가리킨다.

도 12에서 보여준 BIS에 의한 근육 측정 및 MRI에 의한 근육 측정 사이의 관 계는 임상 및 다른 적용에 있어서 다수의 중요한 관계(implications)를 갖는다. 따라서, 상기 도면에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 전기적 모델은 MRI에 의해 측정된 실제 근육 질량과 매우 연관이 있다. 그러므로, 상기 모델은 단지 단순하고, 저렴하고, 비-공격적인 전기적 측정을 사용하여 대상자(환자) 개개인의 근육 질량을 측정하도록 한다.

상기 모델을 사용하여 측정된 특정 근육 질량은 BIS 측정을 하는데 사용된 전극에 대해 선택된 특정 위치에 의존할 것이다. 예를 들어, 도 12의 데이터는 전체 종아리 근육에 대한 것이다. 다른 전극 배치를 사용하여, 근육 질량, 예를 들어, 일부분의 종아리 근육, 예를 들어, 종아리의 비복근(gastrocnemius) 부분의 근육 질량이 결정될 수 있다. 다르게는, 종아리 근육에 대해 측정한 것과 달리 다른 근육, 일부분의 근육, 및/또는 근육 군, 예를 들어 대상자의 이두근(biceps) 전체 및 부분에 대해 할 수 있는 측정이 사용될 수 있다. 다르게는, 도 12에서 보여준 타입의 관계는 특정 근육, 근육 일부분, 또는 근육 군에 대한 바이오임피던스 측정 및 MRI 측정 사이에 얻어질 수 있고, 따라서, 전기적 측정에 의해 근육 질량에 대한 "절대" 값을 제공하도록 하는데, 여기서, "절대"값은 근육 질량 측정을 위해 "gold standard"로 알려진, MRI를 사용하여 얻은 값들과 상응하는 것들이 바람직하다.

근육 질량을 측정하고, 근육 또는 근육 군들을 MRI 측정에 대해 확인된 또는 확인되지 않은 전극의 적당한 적용으로 분리하는 능력은 다수의 응용을 갖는다. 예를 들어, 상기 기술들은 가정, 체육관, 스포츠 및 헬스 클럽에서의 운동 프로그램 에 적용될 수 있고, 수술 및 상해 후 재활에서 적용될 수 있는데, 여기서 근육 질량 증가의 효과가 관련된다. 따라서, 일정시간 동안 바이오임피던스 측정 시리즈를 행함으로써, 대상자(환자들) 및/또는 그들의 건강 관리 전문가들은 운동 프로그램, 식이 변화, 및/또는 재활 프로그램의 결과로서 근육 질량의 변화를 측정할 수 있다.

실시예 3

단일 저 진동수 바이오임피던스 측정

도 13은 실시예 1 및 2의 데이터를 기본으로 한 도표로서, 5 ㎑에서 측정된 저항값과 MRI에 의해 측정된 근육 질량 사이의 관계의 단점을 보여준다. 상기 데이터는 저 진동수에서 측정된 바이오임피던스 데이터가 체절의 근육 함유율에 반응하지 않는다는 결론을 뒷받침한다. 또한, 도 3의 회로 모델에서 설명한 바와 같이, 상기 진동수에서 바이오임피던스 방법으로 얻은 측정값을 주로 측정하는 체절의 조성물은 지방 및 세포외 유동액 조성물이다.

실시예 4

비교예

50 ㎑에 대한 복합-진동수, 세 개의 평행 경로 모델

도 14 및 15는 도 2의 복합-진동수, 세 개의 평행 경로 모델을 사용하여 달성한 바이오임피던스와 MRI 측정 사이의 관계를, 단일 진동수, 즉 일반적으로 50 ㎑의 진동수에서의 임피던스를 사용하여 달성한 관계와 비교한다. 이러한 도면들을 준비하기 위해 사용된 데이터는 실시예 1 및 2와 관련하여 상술된 데이터이다.

도 14는 근육 질량 관계를 보여주는 반면, 도 15은 지방 질량 관계를 보여준다. 상기 도면들에 의해 설명된 바와 같이, 본 발명의 복합-진동수, 세 개의 평행 경로 동등 회로 진동수 반응 모델은 근육 질량(본 발명 R²=0.6, 50 ㎑ R²=0.3) 및 지방 질량(본 발명 R²=0.7, 50 ㎑ R²=0.2) 둘 다에 있어서 단일 50 ㎑ 접근보다 더 높은 관계를 달성한다.

실시예 5

비교예

Cole - Cole 모델에 대한 복합-진동수, 세 개의 평행 경로 모델

도 16 및 17은 도 2의 복합-진동수, 세 개의 평행 경로 모델을 사용하여 달성한 BIS와 MRI 측정 사이의 관계를, Cole-Cole 모델을 사용하여 달성한 관계와 비교한다. 이러한 도면들을 준비하기 위해 사용된 데이터는 실시예 1 및 2와 관련하여 상술된 데이터였다.

도 16은 근육 질량 관계를 보여주는 반면, 도 17은 지방 질량 관계를 보여준다. 상기 도면들에 의해 설명된 바와 같이, 본 발명의 복합-진동수, 세 개의 평행 경로 동등 회로 진동수 반응 모델은 근육 질량(본 발명 R²=0.6, Cole-Cole 모델 R²=0.4) 및 지방 질량(본 발명 R²=0.7, Cole-Cole 모델 R²=0.1) 둘 다에 있어서 Cole-Cole 모델보다 더 높은 관계를 달성한다.

본 발명의 특정 구체예가 기술되고 설명되었지만, 본 발명의 영역과 정신에서 벗어나지 않는 여러 가지 변형은, 전술한 바로부터 당업계의 당업자들에게 자명한 것이다. 하나의 예로서, 후술될 청구항은 본 발명의 여러 가지 특성을 언급하지만, 본 발명은 이러한 특성들의 어떤 다른 모든 조합을 포함한다 할 것이며, 상기 각각의 조합은 첨부된 청구항에서 이제 설명될 것이다.

참고 문헌

위에서 언급된 여러 가지 문헌에 대한 열거는 하기와 같다. 이러한 문헌들의 내용은 참고문헌으로서 인용된다.

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[3] J.Nyboer, Electrical impedance plethysmography, 2^nd ed., Charles C. Thomas, Springfield, IL 1970

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	유전율ε	저항율 ρ(Ω-㎝)
뼈	640	10⁴
지방	3x10⁴	1.5~5x10³
혈액	2.8x10³	1.5x10²
근육(평행근)	8x10⁴	2x10²

	평균	SD	최소	최대
성	F9/M19
나이(year)	53.4	10.5	33	69
체중(㎏)	80.4	18	43.2	119.9
신장(㎝)	169.7	9.5	149	184.9
BMI(㎏/㎡)	27.7	4.97	19.18	41.11
지방(g)	344.9	118	149.2	533.5
근육(g)	525.3	110.3	326.5	761.5

VF/VG	ρG, Mea (Ω-㎝)	ρ^*G, Cal (Ω-㎝)	ρG, Cal (Ω-㎝)	△ρ (Ω-㎝)
>0.2	430.4±62	359.9±43	457.2±64	70.5±24
=<0.2	369.5±84	322.7±57	373.5±62	46.8±29
p 값	<0.05	n.s.	<0.005	<0.05

ρG,Cal 및 ρ^*G,Cal은 식 12 및 식 13을 각각 사용하여 계산된 저항율 값; △ρ= ρG,Mea - ρ^*G,Cal; a ρE값,90 Ω㎝이 ρG,Cal 및 ρ^*G,Cal을 계산하는데 사용됨.

곡선 맞춤으로부터 변수들의 요약

지방	P1	P2	P3	P4	Q1	Q2	Q3
G1	32.54±5.9^*	1412±262	-15330±3352	42640 ±12130⁺	22.5 ±6.7	-276.4 ±76	649.8±430
G2	27.3±3.7^*	1187±548	-13012±3027	34166 ±13808	22.6 ±7.7	-262 ±73	718 ±372
G3	26±4.4	1168±259	-10973±3448	24191 ±16426⁺	20.7 ±8.7	-197.2 ±102	460.3±460

^* 및 ⁺는 군 사이의 유효성(p<0.05) 차이를 가리킴.

Claims

(a) 외피(external skin) 표면상에서 적어도 두 개의 지점(points)에 다수의 진동수(frequencies)로 교류(alternating current)를 적용하여 체절을 통해 전류가 통하도록 하는 단계;

(b) 각각의 진동수마다, 상기 외피 표면상에서 적어도 두 개의 다른 지점들 사이의 전압 차이를 기록하는 단계, 여기서 상기 기록된 전압 차이는 자기(magnitude) 및 상태 정보를 포함함;

(c) 상기 다수의 진동수에서 기록된 전압 차이를 사용하여 체절의 근육, 지방, 및/또는 세포외 유동액 함유율(extracellular fluid content)에 대한 적어도 하나의 수치 지표(indicative)를 결정하는 단계, 여기서 상기 체절에 대한 임피던스(impedance) 모델을 사용하여 결정된 수치는 적어도 3개의 평행한 경로(paths)를 포함하는데, 그 중 하나는 상기 체절의 근육 성분을 주로(primarily) 나타내는 콘덴서(capacitor) C_M 및 저항기(registor) R_I가 직렬로(in series) 이루어지고, 그 중 하나는 상기 체절의 지방 성분을 주로 나타내는 콘덴서 C_F 및 저항기 R_F가 직렬로 이루어지고, 그 중 하나는 저항기로 이루어짐;

을 포함하는 것을 특징으로 하는, 대상(subject)의 외피 표면을 갖는 바디 체절(body segment)에 대한 바이오임피던스(bioimpedance) 데이터를 분석하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수치는 체절의 근육 함유율의 지표이고 R_I 값을 체절의 근육 함유량 값으로 전환하는 관계식으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 관계식은:

(i) 다수의 검정(calibration) 대상에서 단계 (a), (b), 및 (c)를 수행하여 상기 대상들 각각에 대한 R_I 값을 얻는 단계;

(ii) 상기 다수의 검정 대상에서 체절의 자기 공명 영상(magnetic resonance imaging)을 수행하여 상기 대상들 각각에 대한 체절의 근육 함유량 값을 얻는 단계;

(iii) 단계 (i) 및 (ii)에서 얻어진 값들에 대한 회귀 분석(regression analysis)을 수행하여 관계식을 얻는 단계;

에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 회귀 분석은 관계식에서 최소 0.5의 R² 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 방법.
제4항에 있어서, 다수의 검정 대상자들은 20 미만의 체질량 지수를 갖는 적 어도 하나의 검정 대상 및 35보다 큰 체질량 지수를 갖는 적어도 하나의 검정 대상자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수치는 체절의 지방 함유량의 지표이고 R_F 값을 체절의 지방 함유량 값으로 전환하는 관계식으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 관계식은:

(i) 다수의 검정 대상에서 단계 (a), (b), 및 (c)를 수행하여 상기 대상들 각각에 대한 R_F 값을 얻는 단계;

(ii) 상기 다수의 검정 대상에서 체절의 자기 공명 영상을 수행하여 상기 대상들 각각에 대한 체절의 지방 함유량 값을 얻는 단계;

(iii) 단계 (i) 및 (ii)에서 얻어진 값들에 대한 회귀 분석을 수행하여 관계식을 얻는 단계;

에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 회귀 분석은 관계식에서 최소 0.5의 R² 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 방법.
제8항에 있어서, 다수의 검정 대상자들은 20 미만의 체질량 지수를 갖는 적어도 하나의 검정 대상 및 35보다 큰 체질량 지수를 갖는 적어도 하나의 검정 대상자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 저항기로 이루어진 평행한 경로는 체절의 세포외 유동액 함유율을 주로 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 저항기로 이루어지는 평행한 경로는 체절의 세포외 유동액 및 뼈 성분의 평행한 조합을 주로 나타내는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 임피던스 모델은 세 개의 평행한 경로를 가진 직렬 콘덴서를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 다수의 진동수는 5 ㎑ 이상 및 1000 ㎑ 이하의 진동수를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (a)의 적용된 교류 및 단계 (b)의 기록된 전압은 다수의 진동수에서 임피던스 값을 측정하기 위해 사용되고, 단계 (c)는 상기 임피던스 값들에 맞는 곡선을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,

(i) 상기 곡선 맞춤(fitting)은 하기식을 사용함:

여기서, Z_total은 임피던스이고,
는 매초 반경에서의 각의 진동수,
이고, P₁, P₂, P₃, P₄, Q₁, Q₂, 및 Q₃는 상기 임피던스 모델에서 사용된 전기적 성분의 함수인 군 변수들임; 및

(ii) 상기 곡선 맞춤으로부터 대상에 대해 얻어진 P₁, P₂, P₃, P₄, Q₁, Q₂, 및 Q₃ 값은 대상에 대한 R_I 값 및 R_F 값을 결정하는데 사용됨;

을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계 (a)에서 외피 표면상의 적어도 두 지점은:

(i) 대상의 다리의 두 지점;

(ii) 대상의 종아리(calf) 두 지점;

(iii) 대상의 팔의 두 지점;

(iv) 대상의 이두박근(biceps) 두 지점;

(v) 대상의 복부 두 지점;

(vi) 대상의 왼손 한 지점 및 오른손 한 지점;

(vii) 대상의 왼발 한 지점 및 오른발 한 지점; 또는

(viii) 대상의 손 중 하나 또는 팔 중 하나의 한 지점 및 대상의 다리 중 하나 또는 발 중 하나의 한 지점;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 체절의 근육, 지방, 및/또는 세포외 유동액 함유율에 대한 적어도 하나의 수치 지표를 사용자에게 디스플레이하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 방법은 동일한 대상에서 두 개 또는 그 이상의 지점에서 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제18항에 있어서, 상기 방법은:

(i) 투석 과정;

(ii) 운동 프로그램;

(iii) 재활(rehabilitation) 프로그램; 및/또는

(iv) 체중 조절 프로그램;

으로 연결하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항의 방법을 수행하기 위해 프로그램화된 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오임피던스 데이터 분석용 장치.
(a) 외피 표면상에서 적어도 두 개의 지점에 다수의 진동수로 교류를 적용하여 체절을 통해 전류가 통하도록 하는 단계;

(b) 각각의 진동수마다, 상기 외피 표면상에서 적어도 두 개의 다른 지점들 사이의 전압 차이를 기록하는 단계, 여기서 상기 기록된 전압 차이는 자기(magnitude) 및 상태 정보를 포함함;

(c) 상기 다수의 진동수에서 기록된 전압 차이를 사용하여 체절의 지방 및/또는 세포외 유동액 함유율에 대한 적어도 하나의 수치 지표를 결정하는 단계, 여기서 상기 체절에 대한 임피던스 모델을 사용하여 결정된 수치는 적어도 2개의 평행한 경로를 포함하는데, 그 중 하나는 상기 체절의 지방 성분을 주로 나타내는 콘덴서 C_F 및 저항기 R_F가 직렬로 이루어지고, 다른 하나는 상기 체절의 세포외 유동액 성분을 주로 나타내는 저항기로 이루어짐;

을 포함하며,

(i) 상기 두 개의 평행 경로는 피부에 대한 체절 내부(segment internal)의 조성을 나타내는 임피던스 모델의 유일한 평행 경로임; 및

(ii) 단계 (a)에 적용된 각각의 진동수는 10 ㎑ 이하임;

것을 특징으로 하는, 대상의 외피 표면을 갖는 바디 체절에 대한 바이오임피 던스 데이터를 분석하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수치는 체절의 지방 함유율의 지표이고, R_F 값을 체절에 대한 지방 함유율 값으로 변형시키는 관계식으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 관계식이:

(i) 다수의 검정 대상에서 단계 (a), (b), 및 (c)를 수행하여 상기 대상들 각각에 대한 R_F 값을 얻는 단계;

(ii) 상기 다수의 검정 대상에서 체절의 자기 공명 영상을 수행하여 상기 대상들 각각에 대한 체절의 지방 함유량 값을 얻는 단계;

(iii) 단계 (i) 및 (ii)에서 얻어진 값들에 대한 회귀 분석을 수행하여 관계식을 얻는 단계;

에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 단계 (a)에서 외피 표면상의 적어도 두 지점은:

(i) 대상의 다리의 두 지점;

(ii) 대상의 종아리 두 지점;

(iii) 대상의 팔의 두 지점;

(iv) 대상의 이두박근 두 지점;

(v) 대상의 복부 두 지점;

(vi) 대상의 왼손 한 지점 및 오른손 한 지점;

(vii) 대상의 왼발 한 지점 및 오른발 한 지점; 또는

(viii) 대상의 손 중 하나 또는 팔 중 하나의 한 지점 및 대상의 다리 중 하나 또는 발 중 하나의 한 지점;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 체절의 지방, 및/또는 세포외 유동액 함유율에 대한 적어도 하나의 수치 지표를 사용자에게 디스플레이하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항에 있어서, 상기 방법은 동일한 대상에서 두 개 또는 그 이상의 지점에서 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제26항에 있어서, 상기 방법은:

(i) 투석 과정;

(ii) 운동 프로그램;

(iii) 재활(rehabilitation) 프로그램; 및/또는

(iv) 체중 조절 프로그램;

으로 연결하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제21항의 방법을 수행하기 위해 프로그램화된 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오임피던스 데이터 측정용 장치.
(a) 피부에 의해 덮힌 바디 체절의 일부분 주변에 한 시리즈의 전극을 적용하는 단계, 여기서 상기 한 시리즈의 전극은 첫 번째 전극 및 마지막 전극을 가지며, 첫 번째 전극 및 마지막 전극들 사이의 거리를 제외한 모든 전극들 사이의 주변 거리가 알려져 있음;

(b) 실질적으로 피부에 침투하지않는 저 진동수 전류를 적용함으로써 첫 번째 및 마지막 전극외의, 시리즈 중 적어도 두 개의 전극 사이의 저항을 결정하는 단계;

(c) 단계 (b)에서 결정된 저항으로부터 피부에 대한 단위 길이당 저항값 및 두 개의 전극 사이의 알려진 주변 거리를 결정하는 단계;

(d) 실질적으로 피부에 침투하지않는 저 진동수 전류를 적용함으로써 시리즈 중 첫 번째 및 마지막 전극 사이의 저항을 결정하는 단계;

(e) 단계 (d)에서 측정된 저항으로부터 시리즈 중 첫 번째 및 마지막 전극 사이의 거리를 계산하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 피부에 의해 덮힌, 일부분의 바디 체절 범위를 결정하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 첫 번째 및 마지막 전극 이외의, 모든 인접한 전극들 쌍 사이의 저항은 단계 (b)에서 결정되고, 저항값을 결정하기 위해 단계 (c)에서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 첫 번째 및 마지막 전극을 제외한, 모든 인접한 전극들 쌍 사이의 거리는 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 전극 시리즈는 벨트(belt)에 의해 운반되는 것을 특징으로 하는 방법.
제29항의 방법을 수행하기 위해 프로그램된 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 피부에 의해 덮힌, 바디 체절 일부분의 범위를 결정하는 장치.