JP7655199B2 - Bioelectrical impedance measuring device and measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、生体電気インピーダンスの測定装置および測定方法に関するものであり、特に内部のインピーダンスを測定するものである。 The present invention relates to a bioelectrical impedance measuring device and method, in particular for measuring internal impedance.
生体に電流を流して生体電気インピーダンスを測定し、筋肉量や水分量を評価する方法が知られている。 A method is known in which an electric current is passed through a living body to measure bioelectrical impedance and evaluate muscle mass and water content.
特許文献１には、生体に接触させる電極を円環状に多数配置し、そのうち１対の電極から生体に電流を流し、残りの電極で複数の電圧を測定し、これらの測定結果を基に計算処理することで生体電気インピーダンス分布を画像化する装置が記載されている。 Patent document 1 describes a device that arranges multiple electrodes in a circular pattern to be in contact with a living body, passes a current through the living body from one pair of the electrodes, measures multiple voltages with the remaining electrodes, and performs calculations based on the results of these measurements to visualize the bioelectrical impedance distribution.
非特許文献１には、４電極法によって生体電気インピーダンスを測定し、筋肉の高負荷運動前後でのインピーダンスから筋肉の疲労度を評価することが記載されている。 Non-Patent Document 1 describes measuring bioelectrical impedance using the four-electrode method and evaluating muscle fatigue level from impedance before and after high-load muscle exercise.
非特許文献１の方法により測定できる生体電気インピーダンスは、生体の内側全体のインピーダンスであるが、皮膚のインピーダンスは湿度により大きく変化する。そのため、非特許文献１の方法では生体内部の筋肉のインピーダンス変化のみを計測することが難しかった。特に、装置を小面積化すると生体表面に電流が集中するため、内部のインピーダンス測定がより困難となった。 The bioelectrical impedance that can be measured by the method of Non-Patent Document 1 is the impedance of the entire inside of the living body, but the impedance of the skin changes significantly depending on humidity. Therefore, it was difficult to measure only the impedance change of the muscles inside the living body using the method of Non-Patent Document 1. In particular, when the area of the device is reduced, the current is concentrated on the surface of the living body, making it more difficult to measure the internal impedance.
また、特許文献１の方法では、内部のインピーダンス分布を画像化するためには広範囲に多数の電極を配置する必要があり、装置やシステムが大型化、複雑化する問題や、処理する計算量が多い問題があった。また電極同士が近接しているため、人体表面に電流が集中し、表面インピーダンスの変動によって内部インピーダンスの測定精度が低下してしまうことが問題であった。 In addition, the method of Patent Document 1 requires the placement of many electrodes over a wide area in order to image the internal impedance distribution, which leads to problems such as the large size and complexity of the devices and systems, as well as the large amount of calculations required. In addition, because the electrodes are close to each other, current is concentrated on the surface of the body, and fluctuations in surface impedance reduce the accuracy of measuring internal impedance.
そこで本発明の目的は、生体内部のインピーダンスを簡易に測定できる測定装置および測定方法を測定することである。 The object of the present invention is to provide a measurement device and a measurement method that can easily measure impedance inside a living body.
第１態様は、生体に接触させる１対の第１電極と、生体に接触させる１対の電極であって、１対の第１電極を結ぶ直線上に離間して配置され、１対の第１電極が内側となるように配置された第２電極と、生体に接触させる１対の電極であって、１対の第１電極を結ぶ直線上に離間して配置され、１対の第２電極が内側となるように配置された第３電極と、第２電極を介して生体に電流を流してその電流値を測定するとともに第１電極間の電圧値を測定して生体の表面のインピーダンスを測定し、第３電極を介して生体に電流を流してその電流値を測定するとともに第１電極間の電圧値を測定して生体の断面全体のインピーダンスを測定し、生体の表面のインピーダンスと生体の断面全体のインピーダンスから生体の内部のインピーダンスを算出する測定部と、を有することを特徴とする生体電気インピーダンスの測定装置である。 The first aspect is a bioelectrical impedance measuring device characterized by having a pair of first electrodes to be contacted with a living body, a second electrode which is a pair of electrodes to be contacted with the living body, the second electrode being spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes and arranged so that the first electrode of the pair is on the inside, and a third electrode which is a pair of electrodes to be contacted with the living body, the second electrode being spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes and arranged so that the second electrode of the pair is on the inside, and a measurement unit that passes a current through the living body via the second electrode and measures the current value and measures the voltage value between the first electrodes to measure the impedance of the surface of the living body, passes a current through the living body via the third electrode and measures the current value and measures the voltage value between the first electrodes to measure the impedance of the entire cross-section of the living body, and calculates the impedance inside the living body from the impedance of the surface of the living body and the impedance of the entire cross-section of the living body.
第１態様において、測定部は、１つの電流源と、電流源と第２電極との接続と、電流源と第３電極との接続を切り替えるスイッチを有していてもよい。 In the first aspect, the measurement section may have one current source and a switch that switches between a connection between the current source and the second electrode and a connection between the current source and the third electrode.
本発明の第２態様は、生体に接触させる１対の第１電極と、生体に接触させる１対の電極であって、１対の第１電極を結ぶ直線上に離間して配置され、１対の第１電極が内側となるように配置された第２電極と、生体に接触させる１対の電極であって、１対の第１電極を結ぶ直線上に離間して配置され、１対の第２電極が内側となるように配置された第３電極と、第２電極を介して生体の表面に第１電流を流すと同時に、第３電極を介して生体の表面および内部に前記第１電流とは逆相の第２電流を流し、生体の表面において第１電流と第２電流がキャンセルするようにし、この状態で第２電流の電流値を測定するとともに第１電極間の電圧値を測定して生体の内部のインピーダンスを算出する測定部と、を有することを特徴とする生体電気インピーダンスの測定装置である。 A second aspect of the present invention is a bioelectrical impedance measuring device comprising: a pair of first electrodes to be brought into contact with a living body; a second electrode which is a pair of electrodes to be brought into contact with the living body, the second electrode being spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes and arranged so that the first electrode of the pair is on the inside; a third electrode which is a pair of electrodes to be brought into contact with the living body, the second electrode being spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes and arranged so that the second electrode of the pair is on the inside; and a measuring unit which passes a first current on the surface of the living body via the second electrode and simultaneously passes a second current of opposite phase to the first current on the surface and inside the living body via the third electrode, so that the first current and the second current cancel each other out on the surface of the living body, and in this state measures a current value of the second current and a voltage value between the first electrodes to calculate an impedance inside the living body.
本発明において、第２電極は、１対の第１電極を結ぶ直線に垂直な方向に伸びる線状の形状であってもよい。 In the present invention, the second electrode may be linear and extend in a direction perpendicular to the straight line connecting the pair of first electrodes.
本発明において、内部インピーダンスを測定したい生体の部位の厚さをＤ１とし、第３電極の間隔をＬ１として、０．１≦Ｌ１／Ｄ１≦５を満たすようにしてもよい。 In the present invention, the thickness of the part of the living body where the internal impedance is to be measured may be D1, and the distance between the third electrodes may be L1, so that 0.1≦L1/D1≦5 is satisfied.
本発明において、内部インピーダンスを測定したい生体の部位の皮膚の厚さをＤ２とし、第２電極の間隔をＬ２として、０．１≦Ｌ２／Ｄ２≦５を満たすようにしてもよい。 In the present invention, the thickness of the skin at the part of the body where the internal impedance is to be measured may be D2, and the distance between the second electrodes may be L2, so that 0.1≦L2/D2≦5 is satisfied.
本発明において、測定部は、生体の内部のインピーダンスの変化から筋肉の疲労度を評価してもよい。 In the present invention, the measurement unit may evaluate the degree of muscle fatigue from changes in impedance inside the living body.
本発明において、測定部は、異なる周波数で生体の内部のインピーダンスを測定し、そのインピーダンスの比の変化により筋肉の疲労度を評価してもよい。 In the present invention, the measurement unit may measure the impedance inside the living body at different frequencies and evaluate the degree of muscle fatigue based on the change in the impedance ratio.
第３態様は、１対の第１電極と、１対の電極であって、１対の第１電極を結ぶ直線上に離間して配置し、１対の第１電極が内側となるように配置した第２電極と、１対の電極であって、１対の第１電極を結ぶ直線上に離間して配置し、１対の第２電極が内側となるように配置した第３電極と、を生体に接触し、第２電極を介して生体に電流を流してその電流値を測定するとともに第１電極間の電圧値を測定して生体の表面のインピーダンスを測定し、第３電極を介して生体に電流を流してその電流値を測定するとともに第１電極間の電圧値を測定して生体の断面全体のインピーダンスを測定し、生体の表面のインピーダンスと生体の断面全体のインピーダンスから生体の内部のインピーダンスを算出する、ことを特徴とする生体電気インピーダンスの測定方法である。 A third aspect is a method for measuring bioelectrical impedance, characterized in that a pair of first electrodes, a second electrode which is a pair of electrodes arranged at a distance on a line connecting the pair of first electrodes with the pair of first electrodes being positioned on the inside, and a third electrode which is a pair of electrodes arranged at a distance on a line connecting the pair of first electrodes with the pair of second electrodes being positioned on the inside, are brought into contact with a living body, a current is passed through the living body via the second electrodes and a value of the current is measured, and a voltage value between the first electrodes is measured to measure an impedance of a surface of the living body, a current is passed through the living body via the third electrode and a value of the current is measured, and a voltage value between the first electrodes is measured to measure an impedance of an entire cross-section of the living body, and an impedance inside the living body is calculated from the impedance of the surface of the living body and the impedance of the entire cross-section of the living body.
本発明の第４態様は、１対の第１電極と、１対の電極であって、１対の第１電極を結ぶ直線上に離間して配置し、１対の第１電極が内側となるように配置した第２電極と、１対の電極であって、１対の第１電極を結ぶ直線上に離間して配置し、１対の第２電極が内側となるように配置した第３電極と、を生体に接触し、第２電極を介して生体の表面に第１電流を流すと同時に、第３電極を介して生体の表面および内部に第１電流とは逆相の第２電流を流し、生体の表面において第１電流と第２電流がキャンセルするようにし、この状態で第２電流の電流値を測定するとともに第１電極間の電圧値を測定して生体の内部のインピーダンスを算出する、ことを特徴とする生体電気インピーダンスの測定方法である。 A fourth aspect of the present invention is a method for measuring bioelectrical impedance, comprising the steps of: contacting a pair of first electrodes, a second electrode which is a pair of electrodes spaced apart on a line connecting the pair of first electrodes with the pair of first electrodes positioned on the inside; and a third electrode which is a pair of electrodes spaced apart on a line connecting the pair of first electrodes with the pair of second electrodes positioned on the inside; passing a first current on the surface of the organism via the second electrodes, and simultaneously passing a second current of opposite phase to the first current on the surface and inside the organism via the third electrode, so that the first current and the second current cancel each other out on the surface of the organism; and measuring a current value of the second current and a voltage value between the first electrodes in this state to calculate impedance inside the organism.
本発明によれば、生体内部のインピーダンスを簡易に測定することができる。 The present invention makes it possible to easily measure impedance inside a living body.
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の生体電気インピーダンスの測定装置の構成を示した図である。図１のように、第１実施形態の生体電気インピーダンスの測定装置は、１対の第１電極１０と、１対の第２電極１１と、１対の第３電極１２と、第１電流源１３と、第２電流源１４と、第１電流計１５と、第２電流計１６と、電圧計１７と、算出部１８と、を有している。第１電流源１３、第２電流源１４、第１電流計１５、第２電流計１６、電圧計１７、および算出部１８は本発明の測定部に相当する。
First Embodiment
Fig. 1 is a diagram showing the configuration of a bioelectrical impedance measuring device of the first embodiment. As shown in Fig. 1, the bioelectrical impedance measuring device of the first embodiment has a pair of first electrodes 10, a pair of second electrodes 11, a pair of third electrodes 12, a first current source 13, a second current source 14, a first ammeter 15, a second ammeter 16, a voltmeter 17, and a calculation unit 18. The first current source 13, the second current source 14, the first ammeter 15, the second ammeter 16, the voltmeter 17, and the calculation unit 18 correspond to a measurement unit of the present invention.
第１電極１０は、生体に接触させる電極であり、生体にかかる電圧を測定するための電極である。１対の第１電極１０は、生体の所定位置に離間して配置される。電極の形状は円形である。他にも、長方形、正方形、などの形状であってもよい。また、電極材料は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ／ＡｇＣｌなどである。 The first electrode 10 is an electrode that is brought into contact with the living body and is an electrode for measuring the voltage applied to the living body. A pair of first electrodes 10 are placed at predetermined positions on the living body, spaced apart. The electrode is circular in shape. It may also be rectangular, square, or other shapes. The electrode material is Au, Al, Cu, Ag/AgCl, etc.
第２電極１１は、生体に接触させる電極であり、生体に電流を流すための電極である。１対の第２電極１１は、１対の第１電極１０を結ぶ直線上に離間して配置され、１対の第１電極１０が１対の第２電極１１の内側となるように配置される。電極の形状や材料は第１電極１０と同様である。 The second electrode 11 is an electrode that is in contact with the living body and is an electrode for passing a current through the living body. The pair of second electrodes 11 are arranged at a distance on a straight line connecting the pair of first electrodes 10, and are arranged so that the pair of first electrodes 10 are inside the pair of second electrodes 11. The shape and material of the electrode are the same as those of the first electrodes 10.
第３電極１２は、生体に接触させる電極であり、生体に電流を流すための電極である。１対の第３電極１２は、１対の第１電極１０を結ぶ直線上に離間して配置され、１対の第２電極１１が１対の第３電極１２の内側となるように配置される。電極の形状や材料は第１電極１０と同様である。 The third electrode 12 is an electrode that is in contact with the living body and is an electrode for passing a current through the living body. The pair of third electrodes 12 are arranged at a distance on a straight line connecting the pair of first electrodes 10, and the pair of second electrodes 11 are arranged so as to be inside the pair of third electrodes 12. The shape and material of the electrode are the same as those of the first electrodes 10.
第１電流源１３は、第２電極１１を介して生体に電流を流すための電流源である。第１電流源１３の両端は、それぞれ第１電流計１５および第２電極１１に接続されている。生体に流す電流は、周波数１ｋＨｚ～１ＭＨｚ、５００μＡ以下である。 The first current source 13 is a current source for passing a current through the living body via the second electrode 11. Both ends of the first current source 13 are connected to the first ammeter 15 and the second electrode 11, respectively. The current passed through the living body has a frequency of 1 kHz to 1 MHz and is 500 μA or less.
第２電流源１４は、第３電極１２を介して生体に電流を流すための電流源である。第２電流源１４の両端は、それぞれ第２電流計１６および第３電極１２に接続されている。生体に流す電流は、第１電流源１３と同様であり、周波数１ｋＨｚ～１ＭＨｚ、５００μＡ以下である。第１電流源１３による電流と第２電流源１４による電流は同時には流さず、一方のみに流すように制御する。たとえば、１～１０ｍｓ間隔で交互に電流を流すように制御する。 The second current source 14 is a current source for passing a current through the living body via the third electrode 12. Both ends of the second current source 14 are connected to the second ammeter 16 and the third electrode 12, respectively. The current passed through the living body is the same as that of the first current source 13, and has a frequency of 1 kHz to 1 MHz and is 500 μA or less. The current from the first current source 13 and the current from the second current source 14 are not passed simultaneously, but are controlled so that only one of them passes. For example, the currents are controlled to pass alternately at intervals of 1 to 10 ms.
第１電流計１５は、第２電極１１を介して生体に流れる電流Ｉ１の電流値を測定する装置である。 The first ammeter 15 is a device that measures the current value of the current I1 that flows through the living body via the second electrode 11.
第２電流計１６は、第３電極１２を介して生体に流れる電流Ｉ２の電流値を測定する装置である。 The second ammeter 16 is a device that measures the current value of the current I2 that flows through the living body via the third electrode 12.
電圧計１７は、第１電極１０間に接続されており、第１電極１０間の電圧を測定する装置である。 The voltmeter 17 is connected between the first electrodes 10 and is a device that measures the voltage between the first electrodes 10.
算出部１８は、第１電流計１５、第２電流計１６により測定した電流値と、電圧計１７により測定した電圧値とから、生体の内部インピーダンスを算出し、筋肉の疲労度を評価する装置である。その詳細は後述する。 The calculation unit 18 is a device that calculates the internal impedance of the living body from the current value measured by the first ammeter 15 and the second ammeter 16 and the voltage value measured by the voltmeter 17, and evaluates the degree of muscle fatigue. Details will be described later.
次に、第１実施形態における生体電気インピーダンスの測定方法について説明する。 Next, we will explain the method for measuring bioelectrical impedance in the first embodiment.
図２は、生体の腕部分の構造を示した図であり、図３はその等価回路を示した図である。図２のように、生体の腕部分では、中心に骨があり、その周りに筋肉、筋肉の外側に脂肪の層、脂肪の外側に皮膚の構造となっている。よって生体の腕部分全体のインピーダンスは、皮膚のインピーダンス、脂肪のインピーダンス、筋肉のインピーダンス、骨のインピーダンスの並列インピーダンスで近似できる。これらのうち、脂肪や骨の導電率は他に比べて低い。そのため、図３のように、皮膚のインピーダンスと筋肉のインピーダンスの並列インピーダンスでさらに近似できる。 Figure 2 shows the structure of a living body's arm, and Figure 3 shows its equivalent circuit. As shown in Figure 2, the arm of a living body has a bone in the center, muscle around it, a layer of fat on the outside of the muscle, and skin on the outside of the fat. Therefore, the impedance of the entire arm of a living body can be approximated by the parallel impedance of the skin impedance, fat impedance, muscle impedance, and bone impedance. Of these, the conductivity of fat and bone is lower than the others. Therefore, it can be further approximated by the parallel impedance of the skin impedance and muscle impedance, as shown in Figure 3.
ここで、筋運動時、筋肉には多くの血液が流入し、その導電率が変化する。したがって、筋肉の導電率を測定できれば筋肉の疲労度を評価することができる。しかし、筋運動と同時に発汗が生じた場合、皮膚の導電率は大きく変化する。生体の腕部分の断面全体のインピーダンスの測定では、筋肉の血液量と発汗量の２つの変動要因があるため、筋肉のインピーダンスのみを測定できず、筋肉の血液量を正しく評価することができない。 During muscle movement, a large amount of blood flows into the muscle, causing a change in its conductivity. Therefore, if muscle conductivity could be measured, the degree of muscle fatigue could be evaluated. However, if sweating occurs simultaneously with muscle movement, the conductivity of the skin changes significantly. When measuring the impedance of the entire cross section of a living body's arm, there are two variable factors: the amount of blood in the muscle and the amount of sweating. Therefore, it is not possible to measure only the muscle impedance, and the amount of blood in the muscle cannot be properly evaluated.
そこで第１実施形態では、生体内部のインピーダンスを以下のようにして測定する。第１電流源１３により第２電極１１を介して生体に電流Ｉ１を流し、このときの電流値、電圧値を第１電流計１５、電圧計１７により測定する。そして、電圧値を電流値で割ってインピーダンスＺｏｕｔを算出する。 In the first embodiment, the impedance inside the living body is measured as follows. A current I1 is passed through the living body via the second electrode 11 by the first current source 13, and the current value and voltage value at this time are measured by the first ammeter 15 and voltmeter 17. The voltage value is then divided by the current value to calculate the impedance Zout.
一方、第２電流源１４により第３電極１２を介して生体に電流Ｉ２を流し、このときの電流値、電圧値を第２電流計１６、電圧計１７により測定する。そして、電圧値を電流値で割ってインピーダンスＺａｌｌを算出する。 Meanwhile, a current I2 is passed through the living body via the third electrode 12 by the second current source 14, and the current value and voltage value at this time are measured by the second ammeter 16 and voltmeter 17. Then, the voltage value is divided by the current value to calculate the impedance Zall.
第３電極１２は間隔が広く、第２電極１１は、第３電極１２よりも内側に配置され、電極の間隔が短くなっている。そのため、電流Ｉ２は生体の表面から内部にかけて分布するのに対し、電流Ｉ１は生体の表面に偏って分布する。よって、インピーダンスＺｏｕｔは生体表面のインピーダンスに近似でき、インピーダンスＺａｌｌは生体断面全体のインピーダンスに近似できる。 The third electrode 12 is widely spaced, and the second electrode 11 is placed inside the third electrode 12, with the distance between the electrodes being short. Therefore, the current I2 is distributed from the surface to the inside of the body, whereas the current I1 is distributed biased toward the surface of the body. Therefore, the impedance Zout can be approximated to the impedance of the surface of the body, and the impedance Zall can be approximated to the impedance of the entire cross section of the body.
図１５は、生体内部の電流分布を電磁界ミュレーションにより求めた結果を示した図である。図１５（ａ）は電流Ｉ２、図１５（ｂ）は電流Ｉ１の分布である。生体モデルは図２の通りであり、骨の外径２０ｍｍ、筋肉の厚さ３０ｍｍ、脂肪の厚さ７ｍｍ、皮膚の厚さ３ｍｍとし、Ｉ１、Ｉ２は５００Ｈｚとした。また、導電率は、皮膚が０．３４Ｓ／ｍ、脂肪が０．４３２７Ｓ／ｍ、筋肉が０．３５１８２８Ｓ／ｍ、骨が０．０２０６４Ｓ／ｍとした。図１５のように、電流Ｉ２は生体の深部まで分布しているのに対し、電流Ｉ１は生体の表面に集中していることがわかる。 Figure 15 shows the results of the current distribution inside a living organism, determined by electromagnetic field simulation. Figure 15(a) shows the distribution of current I2, and Figure 15(b) shows the distribution of current I1. The living organism model is as shown in Figure 2, with the bone outer diameter of 20 mm, muscle thickness of 30 mm, fat thickness of 7 mm, and skin thickness of 3 mm, and I1 and I2 were set to 500 Hz. The electrical conductivity was set to 0.34 S/m for skin, 0.4327 S/m for fat, 0.351828 S/m for muscle, and 0.02064 S/m for bone. As can be seen from Figure 15, current I2 is distributed deep inside the organism, while current I1 is concentrated on the surface of the organism.
ここで、図３に示したように、生体断面全体のインピーダンスＺａｌｌは、生体表面のインピーダンスＺｏｕｔと生体内部のインピーダンスＺｉｎの並列インピーダンスに近似できる。よって、ＺｏｕｔとＺａｌｌを求めれば、Ｚｉｎ＝Ｚｏｕｔ×Ｚａｌｌ／（Ｚｏｕｔ－Ｚａｌｌ）によってＺｉｎを算出できる。このようにして、算出部１８は、第１電流計１５、第２電流計１６、電圧計１７の測定値から生体内部のインピーダンスＺｉｎを算出する。生体内部のインピーダンスＺｉｎは、筋肉のインピーダンスに近似できるので、筋肉の疲労度など、筋肉に関する各種の評価に利用することができる。 As shown in FIG. 3, the impedance Zall of the entire cross section of the living body can be approximated by the parallel impedance of the impedance Zout of the living body surface and the impedance Zin inside the living body. Therefore, if Zout and Zall are found, Zin can be calculated by Zin = Zout x Zall / (Zout - Zall). In this way, the calculation unit 18 calculates the impedance Zin inside the living body from the measured values of the first ammeter 15, the second ammeter 16, and the voltmeter 17. The impedance Zin inside the living body can be approximated to the impedance of the muscle, so it can be used for various muscle-related evaluations, such as the degree of muscle fatigue.
以上、第１実施形態によれば、簡易な構成によって生体内部のインピーダンスを測定することができる。 As described above, according to the first embodiment, impedance inside a living body can be measured using a simple configuration.
次に、生体のより詳細なモデルと、筋肉の疲労度測定について説明する。 Next, we will explain a more detailed model of the living body and how to measure muscle fatigue.
一般に、生体電気インピーダンスは複素インピーダンスとして扱われる。図８に、生体内の電流の流れを示す。図８のように、細胞膜は容量を有し、低周波では細胞を迂回して外液中を電流が流れる。一方、高周波では、外液だけでなく細胞内の内液にも電流が流れるようになる。図９は、生体の等価回路を示す。図９のように、細胞外液の抵抗をＲｅ、細胞内液の抵抗をＲｉ、細胞膜の容量をＣｍとして、ＣｍとＲｉの直列接続と、Ｒｅとの並列接続で表される。低周波では、図９（ａ）のように、Ｒｅ側に電流が流れ、高周波では、図９（ｂ）のように両側に流れる。図１０は、生体電気インピーダンスＺのｃｏｌｅ－ｃｏｌｅプロット表示である。理論的には、低周波ほどＲｅに近づき、高周波ほどＲｅ／／Ｒｉ（ＲｅとＲｉの並列抵抗）に近づく。 Generally, bioelectrical impedance is treated as a complex impedance. Figure 8 shows the flow of current in a living body. As shown in Figure 8, the cell membrane has capacitance, and at low frequencies, current flows through the external fluid, bypassing the cells. On the other hand, at high frequencies, current flows not only through the external fluid but also through the internal fluid within the cells. Figure 9 shows the equivalent circuit of a living body. As shown in Figure 9, the resistance of the extracellular fluid is Re, the resistance of the intracellular fluid is Ri, and the capacitance of the cell membrane is Cm, and it is represented by a series connection of Cm and Ri and a parallel connection with Re. At low frequencies, as shown in Figure 9(a), current flows on the Re side, and at high frequencies, it flows on both sides as shown in Figure 9(b). Figure 10 shows a cole-cole plot display of bioelectrical impedance Z. Theoretically, the lower the frequency, the closer it is to Re, and the higher the frequency, the closer it is to Re//Ri (the parallel resistance of Re and Ri).
筋肉が疲労すると、筋肉には血液が流入する。血液の導電率は筋肉の導電率よりも高いため、筋肉の疲労により生体電気インピーダンスＺは低下する。図１１は、筋肉の疲労前、疲労後の生体電気インピーダンスＺを示している。図１１のように、Ｚの実部は筋肉の疲労により低下するため、その変化量を上記の生体内部のインピーダンスの測定によって評価することで、筋肉の疲労度を評価することができる。 When a muscle becomes fatigued, blood flows into the muscle. Because the conductivity of blood is higher than that of muscle, muscle fatigue reduces bioelectrical impedance Z. Figure 11 shows bioelectrical impedance Z before and after muscle fatigue. As shown in Figure 11, the real part of Z decreases due to muscle fatigue, so the degree of muscle fatigue can be evaluated by evaluating the amount of change by measuring the impedance inside the body as described above.
ただし、Ｚの実部は個人差があり、Ｚの実部の変化量だけでは筋肉の疲労度の評価が困難な場合もある。そこで、細胞内外液抵抗比Ｒｅ／Ｒｉの変化や、異なる周波数での生体内部のインピーダンスの比の変化を評価指標として用いることにより、個人差による誤差を低減し、より精度よく筋肉の疲労度を測定することができる。異なる周波数での生体内部のインピーダンスの比は、たとえば、低周波での生体内部のインピーダンスと高周波での生体内部のインピーダンスの比である。低周波は、たとえば１００Ｈｚ～１０ｋＨｚであり、高周波は、たとえば１００ｋＨｚから１０ＭＨｚである。 However, the real part of Z varies from person to person, and it may be difficult to evaluate muscle fatigue only from the change in the real part of Z. Therefore, by using the change in the intracellular/extracellular fluid resistance ratio Re/Ri or the change in the impedance ratio inside the body at different frequencies as evaluation indices, it is possible to reduce errors due to individual differences and measure muscle fatigue more accurately. The impedance ratio inside the body at different frequencies is, for example, the ratio of the impedance inside the body at a low frequency to the impedance inside the body at a high frequency. The low frequency is, for example, 100 Hz to 10 kHz, and the high frequency is, for example, 100 kHz to 10 MHz.
図１２は、複素インピーダンスを考慮した生体の等価回路である。このような回路の場合も、Ｚｉｎ＝Ｚｏｕｔ×Ｚａｌｌ／（Ｚｏｕｔ－Ｚａｌｌ）によって生体内部のインピーダンスを測定できる。図１３は、Ｚａｌｌ、Ｚｉｎ、Ｚｏｕｔの計算例である。複素インピーダンスを考慮した場合も、生体内部のインピーダンスＺｉｎを計算できることが確認できる。 Figure 12 shows an equivalent circuit of a living body that takes complex impedance into account. In the case of such a circuit, the impedance inside the living body can be measured by Zin = Zout x Zall / (Zout - Zall). Figure 13 shows an example of calculating Zall, Zin, and Zout. It can be confirmed that the impedance Zin inside the living body can be calculated even when complex impedance is taken into account.
次に、各電極の間隔について好ましい範囲を説明する。電流を流す電極の間隔が広いほど深部まで電流を流すことができるが、生体は部位によって厚さが異なる。そこで、内部インピーダンスを測定したい生体の部位の厚さをＤ１とし、第３電極１２の間隔をＬ１として、０．１≦Ｌ１／Ｄ１≦５とすることが好ましい。Ｌ１をＤ１と同程度とすることで、装置の小型化を図りつつ、電流を深部まで流すことができる。また、第２電極１１を介して流す電流は、生体の皮膚部分に局在させる必要がある。そこで、内部インピーダンスを測定したい生体の部位の皮膚の厚さをＤ２とし、第２電極１１の間隔をＬ２として、０．１≦Ｌ２／Ｄ２≦５とすることが好ましい。Ｌ２をＤ２と同程度とすることで、電流を生体の皮膚部分に局在させる。なお、電極の配置上、第１電極１０の間隔をＬ３として、Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１を満たす。第１電極１０の間隔Ｌ３は、０＜Ｌ３＜Ｌ２を満たす範囲で任意に設定してよい。 Next, the preferred range of the spacing between the electrodes will be explained. The wider the spacing between the electrodes that pass the current, the deeper the current can pass, but the thickness of the living body varies depending on the part. Therefore, it is preferable that the thickness of the part of the living body where the internal impedance is to be measured is D1, the spacing between the third electrodes 12 is L1, and 0.1≦L1/D1≦5. By making L1 approximately the same as D1, the current can be passed deep while miniaturizing the device. In addition, the current passed through the second electrode 11 needs to be localized in the skin part of the living body. Therefore, it is preferable that the thickness of the skin of the part of the living body where the internal impedance is to be measured is D2, the spacing between the second electrodes 11 is L2, and 0.1≦L2/D2≦5. By making L2 approximately the same as D2, the current is localized in the skin part of the living body. In addition, in terms of the arrangement of the electrodes, the spacing between the first electrodes 10 is L3, and L3<L2<L1 is satisfied. The distance L3 between the first electrodes 10 may be set arbitrarily within the range 0<L3<L2.
図１４は、第１実施形態の生体電気インピーダンスの測定装置を利用した筋肉疲労度測定装置の構成を示した図である。図１４のように、筋肉疲労度測定装置は、絆創膏型のデバイスであり、絶縁体のシート２１の一方の面（裏面とする）に粘着剤が塗布されている。また、絶縁体のシート２１の裏面には、第１電極１０、第２電極１１、第３電極１２が第１実施形態と同様に配置されている。また、シート２１の表面には、第１電流源１３、第２電流源１４、第１電流計１５、第２電流計１６、電圧計１７、算出部１８、表示部２０を１つにまとめた装置が実装されている。シート２１の裏面を生体に貼り付け、第１電極１０、第２電極１１、第３電極１２を生体に接触させて、第１実施形態と同様にして生体内部のインピーダンスを測定する。算出部１８は算出した生体内部のインピーダンスの変化から筋肉の疲労度を推定する。表示部２０は、その推定された疲労度を文字などで表示する。たとえば、疲労度を低、中、高の３段階に判定し、「疲労度 高」などと表示する。 Figure 14 is a diagram showing the configuration of a muscle fatigue measurement device using the bioelectrical impedance measurement device of the first embodiment. As shown in Figure 14, the muscle fatigue measurement device is a bandage-type device, and an adhesive is applied to one side (referred to as the back side) of an insulating sheet 21. In addition, the first electrode 10, the second electrode 11, and the third electrode 12 are arranged on the back side of the insulating sheet 21 in the same manner as in the first embodiment. In addition, a device that combines the first current source 13, the second current source 14, the first ammeter 15, the second ammeter 16, the voltmeter 17, the calculation unit 18, and the display unit 20 into one is mounted on the front surface of the sheet 21. The back side of the sheet 21 is attached to a living body, and the first electrode 10, the second electrode 11, and the third electrode 12 are brought into contact with the living body to measure the impedance inside the living body in the same manner as in the first embodiment. The calculation unit 18 estimates the muscle fatigue level from the calculated change in impedance inside the living body. The display unit 20 displays the estimated fatigue level in characters or the like. For example, fatigue level can be judged into three levels: low, medium, and high, and displayed as "high fatigue level."
表示部２０による表示に替えて、あるいは加えて、アラームや音声などによって疲労度を通知してもよい。また、表示部２０に替えて、あるいは加えて、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信装置を設けてもよい。算出部１８により求めた筋肉の疲労度の情報を無線通信装置により送信し、これをスマートフォン、タブレット端末など無線通信端末により受信して、その無線通信端末に筋肉の疲労度を表示したり、音により通知したりすることができる。またこの場合、算出部１８は無線通信端末にインストールされたアプリケーションとしてもよい。 Instead of or in addition to the display by the display unit 20, the fatigue level may be notified by an alarm or sound. Also, instead of or in addition to the display unit 20, a wireless communication device such as Bluetooth (registered trademark) may be provided. The information on the muscle fatigue level calculated by the calculation unit 18 can be transmitted by the wireless communication device and received by a wireless communication terminal such as a smartphone or tablet terminal, and the muscle fatigue level can be displayed on the wireless communication terminal or notified by sound. In this case, the calculation unit 18 may be an application installed on the wireless communication terminal.
（変形例１）
図４のように、第２電極１１の形状を第１電極１０側に凸の円弧状としてもよい。第１電極１０を結ぶ直線に垂直方向に伸びる線状であれば円弧でなくともよい。このような電極形状とすることで、第２電極１１を介して電流を流したときの生体表面での電流分布と、第３電極１２を介して電流を流したときの生体表面での電流分布が同等となり、生体内部のインピーダンスをより精度よく求めることができる。図５のように第２電極１１の長さ（第１電極１０を結ぶ直線に垂直方向の長さ）をｘ、第３電極１２の間隔をＬ１、第２電極１１の間隔をＬ２として、ｘは、０．８≦（２（Ｌ１－Ｌ２））１／２≦１．２とすることが好ましい。この範囲であれば第２電極１１を介して電流を流したときの生体表面での電流分布と、第３電極１２を介して電流を流したときの生体表面での電流分布をより同等に近づけることができる。
(Variation 1)
As shown in FIG. 4, the shape of the second electrode 11 may be a convex arc shape toward the first electrode 10. It is not necessary to have an arc shape as long as it is a linear shape extending perpendicularly to the straight line connecting the first electrodes 10. By using such an electrode shape, the current distribution on the surface of the living body when a current is passed through the second electrode 11 and the current distribution on the surface of the living body when a current is passed through the third electrode 12 become equivalent, and the impedance inside the living body can be obtained more accurately. As shown in FIG. 5, the length of the second electrode 11 (length perpendicular to the straight line connecting the first electrodes 10) is x, the interval between the third electrodes 12 is L1, and the interval between the second electrodes 11 is L2, and x is preferably 0.8≦(2(L1−L2)) 1/2 ≦1.2. Within this range, the current distribution on the surface of the living body when a current is passed through the second electrode 11 and the current distribution on the surface of the living body when a current is passed through the third electrode 12 can be made more equivalent.
（変形例２）
図５のように、電流源は第１電流源１３のみとし、１対のスイッチ１９を設け、スイッチ１９によって第１電流源１３と第２電極１１、第３電極１２の接続を切り替えるように構成してもよい。図５（ａ）は、第１電流源１３と第３電極１２とを接続した状態を示している。図５（ｂ）は、第１電流源１３と第２電極１１とを接続した状態を示している。このように構成すれば、電流源と電流計が１つで済み、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
(Variation 2)
As shown in Fig. 5, the current source may be only the first current source 13, and a pair of switches 19 may be provided to switch the connection between the first current source 13 and the second electrode 11 and the third electrode 12. Fig. 5(a) shows a state in which the first current source 13 and the third electrode 12 are connected. Fig. 5(b) shows a state in which the first current source 13 and the second electrode 11 are connected. With this configuration, only one current source and one ammeter are required, which allows for a smaller device and lower costs.
（変形例３）
上記第１実施形態では、第１電流源１３による電流Ｉ１と第２電流源１４による電流Ｉ２とを交互に流していたが、図６のように、第１電流源１３による電流Ｉ１と第２電流源１４による電流Ｉ２とを逆相にして同時に流してもよい。この場合、生体断面における電流分布は図７に示すようになる。図７のように、第１電流源１３により第２電極１１を介して生体に流れる電流Ｉ１は、生体表面に分布する。一方、第２電流源１４により第３電極１２を介して生体に流れる電流Ｉ２は、生体表面だけでなく内部にも分布する。ここで、電流Ｉ１と電流Ｉ２とは逆相である。そのため、生体表面では電流がキャンセルし、主に生体内部に電流が分布する。この電流値を第２電流計１６で測定し、電圧計１７で電圧を測定すれば、生体内部のインピーダンスを算出することができる。要するに、第１実施形態は計算処理により表面のインピーダンスを除去する構成であるが、変形例３は物理的に表面のインピーダンスを除去する構成である。
(Variation 3)
In the first embodiment, the current I1 from the first current source 13 and the current I2 from the second current source 14 are alternately passed, but as shown in FIG. 6, the current I1 from the first current source 13 and the current I2 from the second current source 14 may be passed simultaneously in opposite phases. In this case, the current distribution in the cross section of the living body is as shown in FIG. 7. As shown in FIG. 7, the current I1 flowing to the living body through the second electrode 11 from the first current source 13 is distributed on the surface of the living body. On the other hand, the current I2 flowing to the living body through the third electrode 12 from the second current source 14 is distributed not only on the surface of the living body but also inside. Here, the current I1 and the current I2 are in opposite phase. Therefore, the currents cancel on the surface of the living body and are distributed mainly inside the living body. If this current value is measured by the second ammeter 16 and the voltage is measured by the voltmeter 17, the impedance inside the living body can be calculated. In short, the first embodiment is configured to remove the impedance of the surface by calculation processing, but the third modification is configured to remove the impedance of the surface physically.
変形例３のように電流Ｉ１と電流Ｉ２とを逆相にして同時に流す場合、電流Ｉ１、Ｉ２の振幅は、Ｉ１＝ｋ×Ｉ２として、０．１×（Ｌ２／Ｌ１）２＜ｋ＜（Ｌ２／Ｌ１）２となるように設定するとよい。このようにｋを設定すれば、電流Ｉ１の電流密度Ｉ１’、電流Ｉ２の電流密度をＩ２’として、いずれの領域においてもＩ１’＜Ｉ２’とすることができる。特に生体表面において大きく電流を打ち消すことができ、生体内部において電流密度を高くすることができる。その結果、生体表面でのインピーダンス変動の影響をより低減でき、生体内部でのインピーダンス変動の測定感度を高めることができる。 When the currents I1 and I2 are flowed simultaneously in opposite phases as in the third modification, the amplitudes of the currents I1 and I2 are set to I1=k×I2, so that 0.1×(L2/L1) 2 <k<(L2/L1) 2. By setting k in this way, the current density I1' of the current I1 and the current density I2' of the current I2 can be set to I1'<I2' in any region. In particular, the current can be largely cancelled out on the surface of the living body, and the current density can be increased inside the living body. As a result, the influence of the impedance fluctuation on the surface of the living body can be further reduced, and the measurement sensitivity of the impedance fluctuation inside the living body can be increased.
本発明は、筋肉の疲労度の測定などに利用することができる。 This invention can be used to measure muscle fatigue, etc.
１０：第１電極
１１：第２電極
１２：第３電極
１３：第１電流源
１４：第２電流源
１５：第１電流計
１６：第２電流計
１７：電圧計
１８：算出部
１９：スイッチ
２０：表示部
２１：シート
10: First electrode 11: Second electrode 12: Third electrode 13: First current source 14: Second current source 15: First ammeter 16: Second ammeter 17: Voltmeter 18: Calculation unit 19: Switch 20: Display unit 21: Sheet
Claims (7)
前記生体に接触させる１対の電極であって、１対の前記第１電極を結ぶ直線上に離間して配置され、１対の前記第１電極が内側となるように配置された第２電極と、
前記生体に接触させる１対の電極であって、１対の前記第１電極を結ぶ直線上に離間して配置され、１対の前記第２電極が内側となるように配置された第３電極と、
前記第２電極を介して前記生体の表面に第１電流を流すと同時に、前記第３電極を介して前記生体の表面および内部に前記第１電流とは逆相の第２電流を流し、前記生体の表面において前記第１電流と前記第２電流がキャンセルするようにし、この状態で前記第２電流の電流値を測定するとともに前記第１電極間の電圧値を測定して前記生体の内部のインピーダンスを算出する測定部と、
を有することを特徴とする生体電気インピーダンスの測定装置。 A pair of first electrodes to be brought into contact with a living body;
A pair of electrodes to be brought into contact with the living body, the second electrodes being spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes, and arranged so that the pair of first electrodes are on the inside;
A pair of electrodes to be brought into contact with the living body, the third electrode being disposed on a straight line connecting the pair of first electrodes and spaced apart from each other, and the pair of second electrodes being disposed on the inner side;
a measurement unit that flows a first current through the surface of the living body via the second electrode and simultaneously flows a second current having a phase opposite to that of the first current through the surface and inside of the living body via the third electrode so that the first current and the second current cancel each other out on the surface of the living body, and in this state measures a current value of the second current and a voltage value between the first electrodes to calculate an impedance inside the living body;
A bioelectrical impedance measuring device comprising:
前記第２電極を介して前記生体の表面に第１電流を流すと同時に、前記第３電極を介して前記生体の表面および内部に前記第１電流とは逆相の第２電流を流し、前記生体の表面において前記第１電流と前記第２電流がキャンセルするようにし、この状態で前記第２電流の電流値を測定するとともに前記第１電極間の電圧値を測定して前記生体の内部のインピーダンスを算出する、
ことを特徴とする生体電気インピーダンスの測定方法。 A pair of first electrodes, a second electrode that is a pair of electrodes arranged spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes and arranged so that the pair of first electrodes is on the inside, and a third electrode that is a pair of electrodes arranged spaced apart on a straight line connecting the pair of first electrodes and arranged so that the pair of second electrodes is on the inside are brought into contact with a living body;
a first current is passed through the surface of the living body via the second electrode, and at the same time, a second current having a phase opposite to that of the first current is passed through the surface and inside of the living body via the third electrode, so that the first current and the second current cancel each other out on the surface of the living body, and in this state, a current value of the second current is measured, and a voltage value between the first electrodes is measured to calculate an impedance inside the living body;
A method for measuring bioelectrical impedance.
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