電気特性測定装置

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【発明の名称】	電気特性測定装置
【発明者】	【氏名】石井徹哉
【要約】	【課題】全身の体脂肪率測定と部位別の体組成を測定でき、経済的に優れた電気特性測定装置を提供する。【解決手段】生体電気インピーダンス測定装置１００に、部位別の体組成測定を可能にする信号切替え器２００を設置し、信号切替え器２００の制御は測定装置１００が有する外付け校正器制御線１１０で行うようにする。

【特許請求の範囲】
【請求項１】測定信号を生成し、生成した測定信号を被験者の体の互いに隔たる所定の２箇所の表面部位に導電可能に付けた電極を介して被験者の体に投入するための測定信号供給手段と、前記被験者の体に投入された前記測定信号の電流値を測定するための電流測定手段と、前記被験者の体の互いに隔たる所定の２箇所の表面部位に導電可能に付けた電極を介して被験者の体の所定の表面部位間に生じる電圧値を測定するための電圧測定手段と、前記電流測定手段及び電圧測定手段によってそれぞれ測定された電流値及び電圧値により前記生体の前記部位間の生体電気インピーダンスを算出し、求めるべき生体電気インピーダンス又は生体電気インピーダンスに基づく物理量を算出する演算手段と、を備える電気特性測定装置であって、前記各電極と前記電流測定手段及び前記電圧測定手段の間に信号切替手段を設置し、前記信号切替手段は、前記被験者の体の互いに隔たる所定の５箇所以上の表面部位に導電可能に付ける前記各電極のうち、所定の４つの電極を選択して前記電流測定手段及び前記電圧測定手段に接続することを特徴とする電気特性測定装置。
【請求項２】前記信号切替手段は、前記各電極と前記電流測定手段及び前記電圧測定手段の間に、着脱可能に設置されることを特徴とする請求項１記載の電気特性測定装置。
【請求項３】前記信号切替手段は、前記電流測定手段及び電圧測定手段の測定値を校正する校正手段の一部を兼ねることを特徴とする請求項１記載の電気特性測定装置。
【請求項４】前記信号切替手段を制御する制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の電気特性測定装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、生体電気インピーダンス法に基づいて、被験者の体脂肪の状態や体水分分布を推計するのに有用な電気特性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明者は、かつて生体電気インピーダンス測定装置として、Ｍ系列信号を使用した装置を出願した（特開平１０－１４８９８号公報）。その発明では４端子Ａ／Ｄコンバートされた信号をフーリエ変換することにより、多くの周波数での生体電気インピーダンスを測定して細胞の内外の水分量情報を算出している。この装置では明細書には記載していないが、信号のＳＮ比を向上させるため、Ｍ系列信号を多数回出力させ、各信号の同期加算を行っている。
【０００３】以下、その従来技術を説明する。近年、人間や動物の身体組成を評価する目的で、生体の電気特性に関する研究が行われている。生体の電気特性は、組織又は臓器の種類によって著しく異なっており、例えば、ヒトの場合、血液の電気抵抗率は１５０Ω・ｃｍ前後であるのに対して、骨や脂肪の電気抵抗率は１～５ｋΩ・ｃｍもある。この生体の電気特性は、生体電気インピーダンスと呼ばれ、生体の体表面に装着された複数の電極間に微小電流を流すことにより測定される。このようにして得られた生体電気インピーダンスから被験者の体水分分布や体脂肪率、体脂肪量を推計する方法を生体電気インピーダンス法という（「身体組成の評価法としての生体電気インピーダンス法」,Baumgartner, R.N., etc.著、「生体電気インピーダンスとその臨床応用」, 医用電子と生体工学, 金井寛著,20(3)Jun 1982 、「インピーダンス法による体肢の水分分布の推定とその応用」, 医用電子と生体工学, 波江野誠等著,23(6) 1985 、「インピーダンス法による膀胱内尿量の長時間計測」, 人間工学, 口ノ町康夫等著,28(3) 1992 等参照）。
【０００４】生体電気インピーダンスは、生体中のイオンによって搬送される電流に対する生体の抵抗（レジスタンス）と、細胞膜、組織界面、あるいは非イオン化組織によって作り出される様々な種類の分極プロセスと関連したリアクタンスとから構成される。リアクタンスの逆数であるキャパシタンスは、電圧よりも電流に時間的遅れをもたらし、位相のズレ（フェーズシフト）を作り出すが、この値はレジスタンスに対するリアクタンスの比率の逆正接角（アークタンジェント）、すなわち、電気位相角として幾何学的に定量できる。
【０００５】これら生体電気インピーダンスＺ、レジスタンスＲ、リアクタンスＸ及び電気位相角φは、周波数に依存している。非常に低い周波数ｆL では、細胞膜と組織界面の生体電気インピーダンスＺは、電気を伝導するには高すぎる。したがって、電気は細胞外液を通してのみ流れ、測定される生体電気インピーダンスＺは純粋にレジスタンスＲである。
【０００６】次に、周波数が増加するにつれて、電流は細胞膜を貫通するようになり、リアクタンスＸが高くなって位相角φを広げることになる。生体電気インピーダンスＺの大きさは、Ｚ2 ＝Ｒ2 ＋Ｘ2 によって定義されるベクトルの値に等しい。リアクタンスＸ及び位相角φが共に最大になる時の周波数を臨界周波数ｆc といい、伝導導体である生体の１つの電気特性値である。この臨界周波数ｆc を越えると、細胞膜と組織界面が容量性能力を失うようになり、これにつれてリアクタンスＸが減少する。非常に高い周波数ｆH では、生体電気インピーダンスＺは、再び純粋にレジスタンスＲと等価になる。
【０００７】図８は、人体の電気的等価回路図（等価回路モデル）である。この図において、Ｃm は細胞膜容量を表し、Ｒｉ及びＲｅはそれぞれ細胞内液抵抗及び細胞外液抵抗を表している。低い周波数ｆL においては、電流は主に細胞外スペースを流れており、インピーダンスＺは細胞外液抵抗Ｒｅに等しくなる。高い周波数ｆHにおいては、電流は細胞膜を完全に通るようになり、細胞膜容量Ｃm は、実質的に短絡されているのと等価である。したがって、高い周波数ｆH でのインピーダンスＺは、合成抵抗Ｒｉ・Ｒｅ／( Ｒｉ＋Ｒｅ）に等しい。
【０００８】以上説明した方法により、細胞内液抵抗Ｒｉと細胞外液抵抗Ｒｅとを求めることができ、これらに基づいて、被験者の体脂肪率、脂肪重量、除脂肪体重等の体脂肪の状態や体水分分布（細胞内液量、細胞外液量及びこれらの総和たる体内水分量）を推計でき、また、これらの抵抗Ｒｅ,Ｒｉの変化により、体水分分布の変化を推計できる。このような各パラメータの測定・推計を任意に選択された複数の周波数の微小正弦波電流を生体に投入し、得られた信号をデジタル信号処理して行う生体電気インピーダンス測定装置としては、特表平６－５０６８５４号公報に記載のものが知られている。
【０００９】まず、呼吸の影響について説明する。上述したように、脂肪の抵抗率は著しく大きいことが知られているが、空気の電気インピーダンスも著しく大きい。
【００１０】生体電気インピーダンスは、上述したように、人体の体表面に装着された複数の電極間に微小電流を流すことより測定されるが、電極は、通常、被験者の右手と右足にそれぞれ取り付けられるため、電流が右腕→右上半身→右下半身→右足と流れ、空気が多く含まれている右上半身（右肺）を通過している。生体電気インピーダンスは細胞膜容量Ｃm （図８参照）の影響を受けるが、この容量Ｃm が呼吸によって変化する。
【００１１】また、生体電気インピーダンスは、血行動態や代謝能等と関係しており、血流量との間にも密接な関係がある。すなわち、身体の血流量は、体内水分量の一部であり、心臓の拡張、収縮に応じて変化する。一方、生体電気インピーダンスは、身体の水分量に応じて変化する。したがって、心臓の拡張、収縮に応じて変化する血流量を考慮して、生体電気インピーダンスを測定しなければならない。
【００１２】しかしながら、上述した生体電気インピーダンス測定装置では、生体電気インピーダンスと血流量との間に密接な関係があるにもかかわらず、血流量を考慮して測定していないため、脈の影響を受けている。
【００１３】そこで、脈や呼吸の影響を低減するために、脈や呼吸の周期よりも長い間連続して生態電気インピーダンスを測定することが考えられるが、たとえ微小電流（例えば、３００μＡ）とはいえ、長時間（例えば、１ｓｅｃ以上）連続して人体に電流を流した場合、人体に悪影響を及ぼす恐れがある。つまり、正弦波信号を用いた場合には、正確な生体電気インピーダンスや体脂肪量、体内水分量を測定できないという問題があった。
【００１４】以上の問題を解決するためには、脈や呼吸の影響を受けないような非常に短い時間で生体電気インピーダンスを測定する必要があるが、このために、正弦波の微小電流の代わりに多くの周波数成分を含んだインパルス状の微小電流を用いることが考えられる。しかしながら、この方法では、極短時間（例えば、０. １μｓｅｃ程度）に電気エネルギーを集中させるため、高電圧を発生する回路が必要になるためばかりか、たとえ極短時間であっても非常に大きなエネルギーが人体に投入されるので、やけど等の損傷ないし場合によっては生命の危険が生じてしまうため、実用的ではない。
【００１５】このため、前記発明では、被験者の体にＭ系列符号信号からなるプローブ電流を流し、流れる電流と電極間の電圧とを検出し、それぞれをフーリエ変換して、周波数毎の電圧値に変換し、変換結果に基づいて生体の部位間の生体電気インピーダンス等を算出し、生体電気インピーダンス等を表示している。また、上述したような４端子法を用いて部位別の体組成を推定する装置には、例えば米国特許５３３５６６７号明細書に示すＡＬＬＩＮＯＮＥタイプの装置がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような体組成を推定する装置のユーザは、全身の体脂肪率の測定行うものが殆どであり、部位別の体組成を測定する場合には、別途、部位別の体組成を測定する装置（例えば、上記米国特許５３３５６６７号明細書に示すＡＬＬＩＮＯＮＥタイプの装置）を用いなければならないという欠点があった。この原因は、部位別の体組成を測定する装置の完成が全身の体組成測定より遅れたためであり、部位別の体組成推定のニーズがないわけではない。
【００１７】したがって、部位別の体組成を測定しようとする場合には、すでに全身用の体組成測定装置を持っているユーザでも、新たに、例えば上記ＡＬＬＩＮＯＮＥの装置を購入する必要があり、経済的ではなかった。
【００１８】本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、全身の体脂肪率測定と部位別の体組成を測定でき、経済的に優れた電気特性測定装置を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明の電気特性測定装置は、測定信号を生成し、生成した測定信号を被験者の体の互いに隔たる所定の２箇所の表面部位に導電可能に付けた電極を介して被験者の体に投入するための測定信号供給手段と、前記被験者の体に投入された前記測定信号の電流値を測定するための電流測定手段と、前記被験者の体の互いに隔たる所定の２箇所の表面部位に導電可能に付けた電極を介して被験者の体の所定の表面部位間に生じる電圧値を測定するための電圧測定手段と、前記電流測定手段及び電圧測定手段によってそれぞれ測定された電流値及び電圧値により前記生体の前記部位間の生体電気インピーダンスを算出し、求めるべき生体電気インピーダンス又は生体電気インピーダンスに基づく物理量を算出する演算手段と、を備える電気特性測定装置であって、前記各電極と前記電流測定手段及び前記電圧測定手段の間に信号切替手段を設置し、前記信号切替手段は、前記被験者の体の互いに隔たる所定の５箇所以上の表面部位に導電可能に付ける前記各電極のうち、所定の４つの電極を選択して前記電流測定手段及び前記電圧測定手段に接続することを特徴とする。
【００２０】また、前記信号切替手段は、前記各電極と前記電流測定手段及び前記電圧測定手段の間に、着脱可能に設置されるものであることで、部位別の体組成測定機能を付加できる信号切替え器をオプション品として接続することができる。
【００２１】また、前記信号切替手段は、前記電流測定手段及び電圧測定手段の測定値を校正する校正手段の一部を兼ねることで、既に電気特性測定装置が有する外付け校正器の制御線を用いて信号切替え器の制御を行うことができる。
【００２２】また、前記信号切替手段を制御する制御手段を更に備えることで、電気特性測定装置又は外部のＣＰＵ（例えば、パーソナルコンピュータ）により適切に部位別の体組成測定を行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。本発明を生体電気インピーダンス測定装置に用いた場合について詳細に説明する。図１は、この測定装置の全体的構成を示すブロック図である。
【００２４】図１において、１００は、被験者の体にＭ系列符号信号からなるプローブ電流を流し、流れる電流と電極間の電圧とを検出し、それぞれをフーリエ変換して、周波数毎の電圧値に変換し、変換結果に基づいて生体の部位間の生体電気インピーダンス等を算出・表示する生体電気インピーダンス測定装置、２００は、生体電気インピーダンス測定装置１００の外付け機器として設置され、測定装置１００に部位別の体組成測定機能を付加する信号切替え器（信号切替え手段）であり、信号切替え器２００は、測定装置１００（全身脂肪測定装置）が有する外付け校正器制御線１１０を通して測定装置１００により制御される。
【００２５】また、ベッド上に横たえられた被験者の両手、両足には、所定距離離して電流通電電極と電圧検出電極がそれぞれ一対ずつ（計８個）装着され、右手及び左手の各電極は、信号切替え器２００の切替器入力端子ＣＮ１に接続されており、右足及び左足の各電極は、信号切替え器２００の切替器入力端子ＣＮ２に接続されている。信号切替え器２００は、測定装置１００からの制御信号に従って内部のスイッチを所定モードで切替え、部位別の体組成信号として切替器出力端子ＣＮ０から出力する。この信号切替え器２００の切替器出力端子ＣＮ０は、同軸ケーブルからなる測定ケーブルを介して測定装置１００の測定ケーブル端子１２０に接続されている。
【００２６】信号切替え器２００は、既設の生体電気インピーダンス測定装置１００の外付け機器（例えば、オプション品）として、測定装置１００と被験者の両手、両足装着電極との間に挿入可能である。すなわち、測定装置１００は、信号切替え器２００を介して被験者の両手、両足に電流通電電極と電圧検出電極が接続される構成であり、測定装置１００は、校正器制御線１１０を通して信号切替え器２００の内部スイッチを切替え、４端子法を用いる生体電気インピーダンス測定と、部位別の体組成測定とを任意に切替えて測定することが可能である。なお、本実施の形態では、被験者の両手、両足に電流通電電極と電圧検出電極を計８個装着し、８個（４組）から４個（２組）を選択する。これは先行文献に記載された装置を組み合わせて使用可能にするためであり、各電極の装着方法は適宜変更可能である。
【００２７】本実施の形態では、全身体脂肪測定装置（生体電気インピーダンス測定装置１００）に、部位別のＬＴＭ（除脂肪重量－骨量）測定を可能にする信号切替え器２００を設置し、信号切替え器２００の制御は測定装置１００が有する外付け校正器制御線１１０で行うようにするものである。
【００２８】そこで、まず生体電気インピーダンス測定装置１００について、図２～図４を参照して詳細に説明し、次に信号切替え器２００の構成について図５～図７を参照して具体的に説明する。図２は、本発明を生体電気インピーダンス測定装置に用いた場合の測定装置の電気的構成を示すブロック図である。
【００２９】この例の生体電気インピーダンス測定装置１００は、図２に示すように、キーボード１と、被験者の体Ｂにプローブ電流Ｉａを測定信号として送出し、これにより被験者の体Ｂから得られる電圧電流情報をデジタル処理するための測定処理部２と、装置各部を制御すると共に、測定処理部２の処理結果に基づいて人体の生体電気インピーダンスや体脂肪、体内水分分布に関する各種数量、及び部位別の体組成を算出するためのＣＰＵ（中央演算処理装置）３と、このＣＰＵ３によって算出された被験者の体Ｂの生体電気インピーダンスや体脂肪量、体内水分量及び体組成等を表示するための表示部４と、ＣＰＵ３の処理プログラムを記憶するＲＯＭ５と、各種データ（例えば、被験者の身長、体重、性別、細胞外液や細胞内液の量等）を一時記憶するデータ領域及びＣＰＵ３の作業領域が設定されるＲＡＭ６とから概略構成されている。
【００３０】上記キーボード１は、測定者が測定開始を指示するための測定開始スイッチや、被験者の身長、体重、性別及び年齢等の人体特徴項目を入力したり、全測定時間Ｔや測定間隔ｔ、部位別の体組成等を測定目的に応じて設定／設定変更するための各種キーから構成されており、キーボード１から供給される各キーの操作データは、図示しないキーコード発生回路でキーコードに変換されてＣＰＵ３に供給される。
【００３１】上記ＣＰＵ３は、装置各部を制御すると共に、測定処理部２の処理結果に基づいて人体の生体電気インピーダンスや体脂肪、体内水分分布に関する各種数量、及び部位別の体組成を算出する。また、ＣＰＵ３には、図示しないインタフェース回路を介して外付け校正器制御線１１０が接続されており、生体電気インピーダンス測定開始時又は各スイッチング状態等において、該制御線１１０を通して校正制御信号が出力される。本来、この制御信号は測定装置１００が有する外付け校正器を制御するための制御信号であるが、本実施の形態ではこの制御線１１０を、信号切替え器２００を切替え制御するための制御線として用いる。
【００３２】また、上記測定処理部２は、ＰＩＯ（パラレル・インタフェース）７１、測定信号発生器７２、ローパスフィルタ（以下、ＬＰＦという）７３、カップリングコンデンサ７４及び身体の所定の部位に貼り付けられる電極Ｈｃからなる出力処理回路と、同じく身体の所定の部位に貼り付けられる電極Ｈｐ，Ｌｐ，Ｌｃ、カップリングコンデンサ８０ａ，８０ｂ，９０、差動増幅器８１、Ｉ／Ｖ変換器（電流／電圧変換器）９１、アナログのアンチエリアシングフィルタからなるＬＰＦ８２，９２、Ａ／Ｄ変換器８３．９３及びサンプリングメモリ（リングバッファ）８４，９４からなる入力処理回路とから構成されている。
【００３３】測定処理部２において、測定信号発生器７２は、出力抵抗が発生する信号周波数のすべての領域にわたって１０ｋΩ以上であり、全測定時間Ｔの間、所定の周期ｔで、ＰＩＯ７１を介してＣＰＵ３から信号発生指示信号が供給される度に、最長線形符号（maximal linear codes）系列（Ｍ系列）のプローブ電流Ｉａを所定回数繰り返し生成し、生成されたプローブ電流Ｉａを測定信号として、その高周波のノイズを除去するＬＰＦ７３及び被験者の体Ｂに直流分が流れないように除去するカップリングコンデンサ７４を介して、表面電極Ｈｃに送出する。プローブ電流Ｉａの値は、例えば、５００～８００μＡである。また、信号発生指示信号の供給周期は、測定者がキーボード１を用いて設定した測定間隔ｔに一致する。さらに、この例では、プローブ電流（測定信号）Ｉａの繰返回数は、信号発生指示信号１回当たり、１～２５６回である。この繰返回数も測定者がキーボード１を用いて任意に設定できるようにしてもよい。繰返回数は、多いほど精度が高くなるが、微小電流とは言え、長時間連続して人体に流した場合、人体に悪影響を及ぼす虞があるので、１～２５６回が好ましい。
【００３４】ここでＭ系列信号について説明する。Ｍ系列信号は、スペクトラム拡散通信方式やスペクトラム拡散測距システムにおいて、一般的に用いられる符号信号であって、ある長さのシフトレジスタ又は遅延素子によって生成される符号系列のうち、最長のものをいう。長さが（２n－１）ビット（ｎは正の整数）のＭ系列信号を生成する２値のＭ系列発生器は、ｎ段のシフトレジスタと、そのｎ段の状態の論理的結合をシフトレジスタの入力に帰還する論理回路（排他的論理回路）とから構成される。あるサンプル時刻（クロック時刻）におけるＭ系列発生器の出力及び各段の状態は、直前のサンプル時刻における帰還段の出力の関数である。なお、この実施の形態では、シフトレジスタが８段（ｎ＝８）のＭ系列発生器を用いている。また、シフトレジスタのシフトクロックの周波数を２ＭＨｚに設定している。
【００３５】「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、インパルス信号を用いた場合には少ない時間間隔（０. １μ秒）にエネルギーが集中するのに対して、Ｍ系列信号を用いたプローブ電流は、多くの周波数成分を含むにもかかわらず１ｍｓｅｃ程度にエネルギーが分散するため、生体を損傷することなく、また、脈や呼吸の周期より十分に短い時間間隔で発生するので、時間的に測定値を平均すればこれらの影響を受けることもない。さらに、例えば、デューティ５０％の矩形波信号の場合、周波数スペクトルの振幅は低周波では大きく、高周波で小さいので、ＳＮ比の周波数特性が高周波領域で劣化するのに対して、Ｍ系列信号は、周波数スペクトルの振幅が全周波数領域にわたって略フラットであるので、ＳＮ比の周波数特性も略フラットである。なお、Ｍ系列信号の詳細については、R.C.Dixon 著、「スペクトラム拡散通信方式」（ｐ５６～ｐ８９）を参照されたい。
【００３６】図３は、本実施の形態の生体電気インピーダンス測定装置の使用の状態を模式的に示す図である。本実施の形態は、生体電気インピーダンス測定装置１００と各電極との間に、信号切替え器２００をオプション品として接続し、部位別の体組成測定を可能にするものであるが、測定装置１００からの制御により信号切替え器２００内部のスイッチを切替えると、４端子法を用いる既存の生体電気インピーダンス測定を行うことができる。図３は、上記４端子法を用いる生体電気インピーダンス測定を行う場合の電気的な接続状態を示しており、図３では、信号切替え器２００及び左手、左足に装着された電極及び測定ケーブル等は電気的接続状態にないため示されていない。すなわち、生体電気インピーダンス測定時には、信号切替え器２００は、測定装置１００からの制御により内部スイッチを生体電気インピーダンス測定可能状態に切替えるので、信号切替え器２００は電気的にスルーの状態となり図３に示すように接続されない状態と等しくなる。
【００３７】表面電極Ｈｃ（第１電極）は、測定時、被験者の右の手甲部Ｈに導電可能に吸着方式により貼り付けられ、表面電極Ｌｃ（第２電極）は、右の足甲部Ｌに吸着方式により導電可能に貼り付けられる。それゆえ、測定信号（プローブ電流）Ｉａは、被験者の右手の部分から体Ｂに入る。
【００３８】また、高電位出力端子Ｈｐ（第３電極）は、被験者の右の手甲部Ｈに吸着方式により、導電可能に貼り付けられ、表面電極Ｌｐ（第４電極）は、右の足甲部Ｌに吸着方式により導電可能に貼り付けられる。このとき、表面電極Ｈｃ，Ｌｃを、表面電極Ｈｐ，Ｌｐよりも人体の中心から遠い部位に貼り付ける。
【００３９】上記各表面電極Ｈｐ，Ｌｐ，Ｈｃ，Ｌｃは、同軸ケーブルによって生体電気インピーダンス測定装置１００に接続されている。この同軸ケーブルに対して、先行文献特開平１０－１４８９８号公報に示すように、表面電極Ｈｐの電位と表面電極Ｌｐの電位との中間の電位に保持するシールドドライブ回路を設ける構成としてもよい。また、同軸ケーブルを用いてシールド部を接地することにより、表面電極Ｈｐとグランドに出現する容量と、表面電極Ｌｐとグランドに出現する容量とは実際にはその値が若干異なるが、説明を簡単にするため同一の値としている。また、表面電極Ｈｃ，Ｌｃは、インピーダンスが低いので、測定用ケーブルについては、単に、グランドレベル（ＧＮＤ）に接地する構成でもよい。
【００４０】次に測定信号処理について説明する。図３に示すように、表面電極（高電位出力端子)Ｈｐは、被験者の右の手甲部Ｈに吸着方式により、導電可能に貼り付けられ、一方、表面電極Ｌｐは、右の足甲部Ｌに吸着方式により導電可能に貼り付けられる。
【００４１】図２に示す差動増幅器８１は、２つの表面電極Ｈｐ，Ｌｐ間の電位（電位差）を検出する。すなわち、差動増幅器８１は、上記プローブ電流Ｉａが被験者の体Ｂに投入されると、被験者の右手足間の電圧Ｖｐを検出し、ＬＰＦ８２へ入力することになる。この電圧Ｖｐは、表面電極Ｈｐと表面電極Ｌｐとの間における被験者の体Ｂの生体電気インピーダンスによる電圧降下である。
【００４２】ＬＰＦ８２は、上記電圧Ｖｐから高周波のノイズを除去し、Ａ／Ｄ変換器８３へ供給する。ＬＰＦ８２のカットオフ周波数は、Ａ／Ｄ変換器８３のサンプリング周波数の半分より低い。これにより、Ａ／Ｄ変換器８３によるＡ／Ｄ変換処理で発生する折り返し雑音が除去される。Ａ／Ｄ変換器８３は、ＣＰＵ３からデジタル変換信号Ｓｄが供給される度に、上記ノイズが除去された電圧Ｖｐを所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換し、デジタル化された電圧Ｖｐをサンプリング周期毎にサンプリングメモリ８４へ供給する。
【００４３】次に、表面電極Ｌｃは、図３に示すように、被験者の右の足甲部Ｌに吸着方式により貼り付けられる。Ｉ／Ｖ変換器９１は、２つの表面電極Ｈｃ，Ｌｃ間に流れる電流を検出して電圧に変換する。すなわち、Ｉ／Ｖ変換器９１は、プローブ電流Ｉａが被験者の体Ｂに投入されると、被験者の右手足間を流れるプローブ電流Ｉａを検出し、電圧Ｖｃに変換した後、ＬＰＦ９２へ供給する。
【００４４】ＬＰＦ９２は、入力された電圧Ｖｃから高周波のノイズを除去し、Ａ／Ｄ変換器９３へ供給する。ＬＰＦ９２のカットオフ周波数は、Ａ／Ｄ変換器９３のサンプリング周波数の半分より低い。この場合も、Ａ／Ｄ変換器９３によるＡ／Ｄ変換処理で発生する折り返し雑音が除去される。Ａ／Ｄ変換器９３は、ＣＰＵ３からデジタル変換信号Ｓｄが供給される度に、上記ノイズが除去された電圧Ｖｃを所定のサンプリング周期でデジタル信号に変換し、デジタル化された電圧Ｖｃをサンプリング周期毎にサンプリングメモリ９４へ供給する。
【００４５】ＣＰＵ３は、ＲＯＭ５に記憶された処理プログラムに従って、上述した測定処理部２による測定を開始し、所定のサンプリング周期で、検出電圧Ｖｐ，Ｖｃを所定の回数サンプリングした後、測定を停止する制御を行う他、以下の処理を行う。すなわち、ＣＰＵ３は、まず、サンプリングメモリ８４，９４に格納された、時間の関数である電圧Ｖｐ，Ｖｃを逐次読み出してそれぞれフーリエ変換処理により、周波数の関数である電圧Ｖｐ（ｆ），Ｖｃ（ｆ）（ｆは周波数）に変換した後、平均化を行い、周波数毎の生体電気インピーダンスＺ（ｆ）[＝Ｖｐ（ｆ）／Ｖｃ（ｆ）]を算出する。
【００４６】次に、ＣＰＵ３は、得られた周波数毎の生体電気インピーダンスＺ（ｆ）に基づいて、最小二乗法の演算手法を駆使して、図４に示されるようなインピーダンス軌跡Ｄを求め、得られたインピーダンス軌跡Ｄから、被験者の体Ｂの周波数０時の生体電気インピーダンスＲ0と、周波数無限大時の生体電気インピーダンスＲ∞とを算出し、算出結果から、被験者の体Ｂの細胞内液抵抗と細胞外液抵抗とを算出する。
【００４７】従来の技術の欄では、人体の組織内細胞を単純な電気的等価回路（図８：Ｒｅは細胞外液抵抗、Ｒikは各細胞の細胞内液抵抗、Ｃmkは各細胞の細胞膜容量である）で表したが、実際の人体の組織では、色々な大きさの細胞が不規則に配置されているので、実際に近い電気的等価回路は、時定数τ＝Ｃmk・Ｒikを有する容量と抵抗との直列接続素子が分布している分布定数回路で表される。したがって、この実施の形態では、実際に近い電気的等価回路を採用して細胞内液抵抗と細胞外液抵抗とを求めることとしたので、人体のインピーダンス軌跡Ｄは、図４に示すように中心が実軸より上がった円弧となる。
【００４８】次に算出された細胞内液抵抗と細胞外液抵抗、及びキーボード１から入力された被験者の身長、体重、性別及び年齢等の人体特徴データ等に基づいて、予め処理プログラムの中に組み込まれてある身体組成推定式を駆使して、被験者の体Ｂの細胞内液抵抗、細胞外液抵抗、体脂肪率、脂肪重量、除脂肪体重、脂肪内液量、細胞外液量及びこれらの総和たる体内水分量（体液量）の各量を算出する。そして、算出された各データを表示コントローラと表示器（例えば、ＬＣＤ）とからなる表示部４に表示する。
【００４９】上記構成の生体電気インピーダンス測定装置１００を用いる場合には、まず、測定に先だって、図３に示すように、２個の表面電極Ｈｃ,Ｈｐを被験者の右の手甲部Ｈに、２個の表面電極Ｌｐ,Ｌｃを被験者の右の足甲部Ｌにそれぞれ吸着方式により張り付ける（このとき、表面電極Ｈｃ,Ｌｃを、表面電極Ｈｐ,Ｌｐよりも人体の中心から遠い部位に張り付ける）。次に、測定者（又は被験者自身）が、生体電気インピーダンス測定装置１００のキーボード１を用いて、被験者の身長、体重、性別及び年齢等の人体特徴項目を入力するとともに、測定開始から測定終了までの全測定時間Ｔや測定間隔ｔ等を設定する。キーボード１から入力されたデータ及び設定値は、ＲＡＭ５に記憶される。
【００５０】次に、測定者（又は被験者自身）がキーボード１の測定開始スイッチをオンにすると、ＣＰＵ３は、まず、所定の初期設定を行った後、測定処理部２の測定信号発生器７２に信号発生指示信号を送出する。
【００５１】これにより、測定信号発生器７２が、Ｍ系列のプローブ電流Ｉａを所定回数繰り返し生成し、測定信号としてＬＰＦ７３、カップリングコンデンサ７４、２重シールド線である測定用ケーブルを介して、被験者の手甲部Ｈに貼り付けられた表面電極Ｈｃ（図３参照）に送出するので、５００～８００μＡの測定信号Ｉａが、表面電極Ｈｃから被験者の体Ｂを流れ、最初の測定が開始される。
【００５２】測定信号Ｉａが被験者の体Ｂに投入されると、測定処理部２の差動増幅器８１において、電極Ｈｐ，Ｌｐが貼り付けられた右手足間で生じた電圧Ｖｐが検出され、ＬＰＦ８２を経て、Ａ／Ｄ変換器８３へ供給される。一方、Ｉ／Ｖ変換器９１では、電極Ｈｃ，Ｌｃが貼り付けられた右手足間を流れるプローブ電流Ｉａが検出され、電圧Ｖｃに変換された後、ＬＰＦ９２を経てＡ／Ｄ変換器９３へ供給される。このとき、ＣＰＵ３からは、サンプリング周期毎にＡ／Ｄ変換器８３，９３に対してデジタル変換信号Ｓｄが供給される。
【００５３】Ａ／Ｄ変換器８３では、デジタル変換信号Ｓｄの供給を受ける度に、電圧Ｖｐをデジタル信号に変換し、サンプリングメモリ８４へ供給する。サンプリングメモリ８４は、デジタル化された電圧Ｖｐを順次記憶する。一方、Ａ／Ｄ変換器９３では、デジタル変換信号Ｓｄの供給を受ける度に、電圧Ｖｃをデジタル信号に変換し、サンプリングメモリ９４へ供給する。サンプリングメモリ９４は、デジタル化された電圧Ｖｃを順次記憶する。
【００５４】ＣＰＵ３は、プローブ電流（測定信号）Ｉａの繰返回数が、予め設定された回数に達すると、測定を停止する制御を行った後、まず、サンプリングメモリ８４，９４に格納された、時間の関数である電圧Ｖｐ，Ｖｃを逐次読み出してそれぞれフーリエ変換処理により、周波数の関数である電圧Ｖｐ（ｆ），Ｖｃ（ｆ）（ｆは周波数）に変換した後、平均化を行って、周波数毎の生体電気インピーダンスＺ（ｆ）（＝Ｖｐ（ｆ）／Ｖｃ（ｆ））を算出する。
【００５５】次に、ＣＰＵ３は、算出された周波数毎の上記生体電気インピーダンスＺ（ｆ）に基づいて、最小二乗法の演算手法により、カーブフィッティングを行い、図４に示されるようなインピーダンス軌跡Ｄを求め、得られたインピーダンス軌跡Ｄから、被験者の体Ｂの周波数０時の生体電気インピーダンスＲ0と、周波数無限大時の生体電気インピーダンスＲ∞（インピーダンス軌跡Ｄの円弧がＸ軸と交わる点のＸ軸座標値に相当）とを算出し、算出結果から、被験者の体Ｂの細胞内液抵抗と細胞外液抵抗とを算出する。
【００５６】そして、ＣＰＵ３は、算出された細胞内夜抵抗と細胞外液抵抗、及びキーボード１から入力された被験者の身長、体重、性別及び年齢等の人体特徴データ等に基づいて、予め処理プログラムの中に組み込まれてある身体組成推定式を駆使して、被験者の体Ｂの細胞内液、細胞外液、体脂肪率、脂肪重量、除脂肪体重、細胞内液量、細胞外液量及びこれらの総和たる体内水分量（体液量）の各量を算出する。そして、算出された各データをＲＡＭ６に記憶すると共に、表示部４に表示する。
【００５７】次に、ＣＰＵ３は、全測定時間Ｔが経過したか否かを判断し、経過したとの結論が得られれば、以後の測定処理を終了し、経過していなければ、測定間隔に相当する時間ｔが経過するのを待った後、再び同様の測定処理を開始する。そして、上述の処理を、全測定時間Ｔが経過するまで繰り返す。
【００５８】このように、この例の構成によれば、プローブ電流Ｉａとして、多くの周波数成分を含むにもかかわらず１ｍｓｅｃ程度にエネルギーが分散し、しかも、周波数スペクトルの振幅が全周波数領域にわたって略フラットなＭ系列信号を用いているので、体脂肪の状態や体内水分分布の測定において、生体を損傷することもなく、また、呼吸や脈による影響を取り除くことができ、全周波数領域にわたってＳＮ比のよい計測が可能である。さらに、測定信号は、シフトレジスタ及び複数個の論理回路のみから生成でき、構成が非常に簡単になる。
【００５９】また、最小二乗法によるカーブフィティングの手法を用いて、周波数無限大時の生体電気インピーダンスが求められるので、浮遊容量や外来ノイズの影響を回避でき、細胞膜の容量成分を含まず、純粋な細胞外液抵抗と細胞内液抵抗とを求めることができる。
【００６０】図５は、本実施の形態の測定装置に用いられる信号切替え器２００の構成を示す図であり、図６は、この信号切替え器２００を実際に構成するデコーダ回路を示す回路図、図７は、図６の回路を制御するプログラムを示す図である。
【００６１】図５において、信号切替え器２００は、８端子を有する切替器入力端子ＣＮ１、切替器入力端子ＣＮ２及び切替器出力端子ＣＮ０と、切替器入力端子ＣＮ１，ＣＮ２と切替器出力端子ＣＮ０を接続する配線上に設置され、所定経路で配線を繋ぐためのスイッチＲＹ６～ＲＹ２３とから構成される。
【００６２】また、信号切替え器２００内部において、切替器入力端子ＣＮ１、切替器入力端子ＣＮ２及び切替器出力端子ＣＮ０に接続される奇数番号の信号線と、隣合う偶数番号の信号線とは同軸構造（偶数番号の信号線がシールド線である）となっており、さらに、シールド線である偶数番号の信号線は、一対で互いに接続される。
【００６３】このように、切替器入力端子ＣＮ１、切替器入力端子ＣＮ２及び切替器出力端子ＣＮ０からスイッチＲＹ６～ＲＹ２３に至る信号線の引き回しは、同軸線を使用して電圧降下のロス等を防止している。また、切替器入力端子ＣＮ１，ＣＮ２と切替器出力端子ＣＮ０の間のケーブル長は、例えば１００ｍｍ程度に統一する。各ケーブル長を揃えて構成することにより、ケーブルの特性を揃えることができ、１チャンネル（１ｃｈ）の校正を行い、その値を用いて他のケーブルの組み合わせに使用することができる。ＲＹ１８～ＲＹ２３等のシールド線に接続されたスイッチは、ケーブルの容量を介して不要なパスに電流が流れるのを防ぐためのものである。また、シールド線は、他の信号線と同じロジックで信号切替え器２００によって切替えられる。
【００６４】信号切替え器２００の切替器入力端子ＣＮ１の１～４端子は、例えば図１に示す被験者の右手に所定距離離して装着された電流通電電極と電圧検出電極に接続され、同様に、切替器入力端子ＣＮ１の５～８端子は、被験者の左手に所定距離離して装着された電流通電電極と電圧検出電極に接続される。また、切替器入力端子ＣＮ２の１～４端子は、被験者の右足に所定距離離して装着された電流通電電極と電圧検出電極に接続され、切替器入力端子ＣＮ２の５～８端子は、被験者の左足に所定距離離して装着された電流通電電極と電圧検出電極に接続される。なお、上記接続は、一例であり、切替器入力端子ＣＮ１，ＣＮ２の８個（４組）から４個（２組）を選択するものであればどのような接続方法でもよい。
【００６５】上記信号切替え器２００は、図６に示すデコーダ回路と図７に示す制御プログラムにより実現できる。図６において、２１０は、制御信号ＣＡＬ０～ＣＡＬ４と電源（ＶＣＣ，ＧＮＤ）を受ける入力端子ＣＮ３、２２０は、制御信号ＣＡＬ０～ＣＡＬ４をバッファリングすると共に電源供給による内部回路を保護する入力部ＣＮ３３、２３０は、制御信号ＣＡＬ０～ＣＡＬ４をデコードする複数の（６個の）デコーダＵ１～Ｕ６、２４０は、デコーダＵ４～Ｕ６出力によりオン／オフされるスイッチＲＹ１～ＲＹ２３である。
【００６６】上記デコーダＵ１～Ｕ６は、入力端子ＣＮ３に入力される制御信号ＣＡＬ０～ＣＡＬ４をデコードして、スイッチＲＹ１～ＲＹ２３を切替えるスイッチ制御信号/Ｙ１～/Ｙ２３（但し、/は負論理を示す）を作成する。
【００６７】図７には、例としてファイル名「ＳＳＷ－Ａ」「ＳＳＷ－ＢＲ」「ＳＳＷ－ＣＲ」で示される３つのデコーダプログラムを表している。このプログラムは、まずデコーダＵ１～Ｕ６の入力端子名Ｐ，ＧＮＤ、及び出力端子名ＮＣ，Ｙ，ＶＣＣを設定し、以下、図７に示すプログラムを作成して、各デコーダ出力/Ｙ及びスイッチ制御信号/ＲＹの動作を決定する。ファイル名「ＳＳＷ－Ａ」は、前処理のプログラムを示す。また、ファイル名「ＳＳＷ－ＢＲ」のプログラムに従ってデコーダＵ１～Ｕ６を動作させると、デコーダＵ１～Ｕ６は、スイッチＲＹ１９～ＲＹ２２（図５参照）を切替えるスイッチ制御信号/Ｙ１９～/Ｙ２２をデコード出力する。また、ファイル名「ＳＳＷ－ＣＲ」のプログラムに従ってデコーダＵ１～Ｕ６を動作させると、デコーダＵ１～Ｕ６は、スイッチＲＹ２１～ＲＹ２３を切替えるスイッチ制御信号/Ｙ２１～/Ｙ２３をデコード出力する。
【００６８】上述したように、信号切替え器２００を生体電気インピーダンス測定装置１００からの外付け校正器の制御線１１０で制御することにより、部位別の体組成を推定することができる。
【００６９】また、信号切替え器２００を生体電気インピーダンス測定装置１００に繋ぐという簡単な構成で実施できるため、既設の測定装置や設備等を変更することなく、低コストで直ちに実施できるという優れた効果がある。例えば、文献特開平１０－１４８９８号公報に示す測定装置に、本発明を適用した場合、装置の各種パラメータの変更や部材の追加を一切行わずに実施することができる。
【００７０】以上、この発明の実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもよい。
【００７１】例えば、本実施の形態では、両手、両足に各電極（８個、４組）を装着するようにしているが、必ずしも両手、両足すべてに装着する必要はなく、４個（２組）を選択して組み合わせるものであればどのようなものでもよい。
【００７２】また、各電極は、前記電流測定手段又は電圧測定手段のソース及びドレインのいずれの端子側にも切替えて接続できる。また、図５～図７に示すデコード及びスイッチは、一例でありその他の構成でもよいことは勿論である。
【００７３】また、上記実施の形態に係る測定装置を、上述したような生体電気インピーダンスを測定する測定装置に適用することもできるが、測定手段の種類や測定方法等は限定されず、装置本体と電極を接続する測定用ケーブルを有する全ての装置に適用可能である。
【００７４】例えば、算出する生体電気パラメータは、生体電気インピーダンス、インピーダンス軌跡、細胞外液抵抗及び細胞内液抵抗に限らず、生体電気アドミッタンス、アドミッタンス軌跡、上記生体電気インピーダンス又は生体電気アドミッタンス、細胞外液抵抗及び細胞内液抵抗等の時間的変化量並びにこれらの一部であってもよく、このようにすれば、体脂肪率等の測定だけではなく、各種医療制度（例えば、透析の状態測定）への適用が期待できる。また電極の取付箇所は、手や足には限定されない。また、Ｍ系列発生器を構成するシフトレジスタや論理回路は、ハードウエア構成であると、ソフトウエアである構成とを問わない。
【００７５】さらに、上述の実施の形態では、人体特徴項目として、被験者の身長、体重、性別及び年齢を入力する場合について述べたが、必要に応じて、性別、年齢等を省略してもよく、あるいは、人種等の項目を付加してもよい。算出された人体の生体電気パラメータをプリンタに出力するようにしてもよい。さらに、脈波センサや呼吸の周期を検出できるセンサを人体に貼り付け、各センサの出力信号により、測定タイミングを設定するようにしてもよい。
【００７６】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の電気特性測定装置によれば、部位別の体組成測定機能を付加できる信号切替手段をオプション品として接続することにより、全身の体脂肪率測定と部位別の体組成を測定でき、経済的に優れた電気特性測定装置を実現することができる。

【出願人】	【識別番号】０００００２１７４【氏名又は名称】積水化学工業株式会社
【出願日】	平成１１年１２月１６日（１９９９．１２．１６）
【代理人】
【公開番号】	特開２００１－１７００１９（Ｐ２００１－１７００１９Ａ）
【公開日】	平成１３年６月２６日（２００１．６．２６）
【出願番号】	特願平１１－３５７５５１