(57)【要約】【課題】測定対象の生体インピーダンスを高精度で測定するインピーダンスＣＴ法を実現し、簡便、安全かつ高精度な筋肉量測定装置を提供する。【解決手段】  大腿部等の骨格筋を含む対象において、電気伝導度を推定する場合、対象の長さ方向に垂直な断面をいくつかの多角形によって分割し、それを対象の長さ方向に延長した多角柱を考える。さらにその多角柱の各々において、断面方向の電気伝導度と長さ方向の電気伝導度を考えそれぞれ推定し、筋肉に相当する部分の特定に、これらの電気伝導度に差があることを利用する。【選択図】図１
2015051101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象の外周上に配置した複数の電極と、
前記複数の電極のうち、順次選択される２つの電極間に電流を印加し、残りの電極の電位もしくは電極間の電位差を測定する生体インピーダンス測定手段と、
測定値に基づいて前記測定部位の断面上の導電率分布を算出し、算出された導電率分布を画像化する導電率分布算出手段と、
得られた画像を表示する表示手段と、
算出された導電率分布に基づいて対象の筋肉量を算出する筋肉量算出手段と
を備えることを特徴とする筋肉量測定装置。
【請求項２】
前記導電率算出手段は、対象の導電率異方性に基づいて前記導電率分布を算出することを特徴とする請求項１記載の筋肉量測定装置。
【請求項３】
前記筋肉量算出手段は前記各断面上の各体積要素のうち面内方向の導電率と長さ方向の導電率の比が所定値以上の異方性を有するものを選択して面積を合計することにより筋肉量を算出することを特徴とする請求項２記載の筋肉量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インピーダンスＣＴ法によって大腿部等の対象の断面の導電率分布を画像化し、筋肉量を測定する筋肉量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
寿命の延長によって、社会の高齢化が問題になっている．筋肉量の低下は、椅子からの立ち上がり動作を不可能にし、自立した生活の大きな妨げとなり、寝たきり状態の直接的原因となって、老人医療費高騰の一因となっている。
【０００３】
筋肉量の低下はサルコペニアと呼ばれ、非特許文献１によれば、筋肉量の低下のほかに、筋力の低下及び運動能力の低下を引き起こすとされている。筋肉量の測定法にはいくつかあるが、ＭＲＩまたはＸ線ＣＴによって断層像を得て、画像解析によって筋肉の面積を測定する方法が最も信頼できる。ただし、どちらの装置も高価で大型の装置であり、導入できる施設が限定される。またＭＲＩの場合は重量が非常に重いのでそれを支えうる設置場所が必要である。またＸ線ＣＴの場合は被験者の放射線被曝の問題があり、健康診断等で手軽に利用できるものではない。
【０００４】
二重エネルギーＸ線吸収測定法(dual-energy X-ray absorptiometry)は、２種類のエネルギーレベルのＸ線の透過率の差を利用して筋肉量を測定する方法で、測定対象は全身である。この測定法は測定の精度が高く、測定時間が短く、放射線の被曝量もわずかで済む。さらに骨そしょう症の診断もできて、経過観察や治療効果の評価にも利用可能である。しかし、装置が高価で専用の隔離された設置場所が必要で、導入可能な医療機関はまだ限られている。
【０００５】
その他、わが国では、バイオインピーダンス法が急速に普及してきている．その理由として、（１）ＭＲＩ、Ｘ線ＣＴ、ＤＸＡ法などと比較し、装置が比較的安価であり、小型軽量で移動が可能な点、（２）測定時間が１分以下と短い点、（３）Ｘ線被曝の問題がないため設置場所や被験者の制限が少ない点が挙げられる。妊娠の可能性のある女性や、繰り返し測定を必要とする事例、小児への検査についても被曝の心配をすることなく筋肉量測定が行えるが、信頼性が十分でなく精度が低いと考えられている。
【０００６】
一方、測定部位断面での導電率分布を比較的簡易な装置で画像化する方法としてインピーダンスＣＴ法が知られている。インピーダンスＣＴ法は、測定部位に電流を流し、その外周表面上に誘起された電位分布から測定部位断面での導電率分布を推定する技術で、特許文献１に例示される。筋肉は一般に脂肪の１０倍程度導電率が高いことが知られて、正確な断面導電率分布画像が得られれば、それから筋肉を特定するのは容易で、その面積を画像処理によって測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許３９５８３２８号
【特許文献２】特開２０１２−５０７７７号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Cruz-Jentoft, AJ et al., Age and Ageng, Vol. 39 (2012), pp. 412-423
【非特許文献２】Epstein, B. R. and Foster, K. R., Med & Biol Eng Comput, 21(1) (1983), 51-55
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで実際の応用においては、筋肉の画像化は非侵襲的でなければならない。また、一般に生体には電気伝導度異方性が存在し、非特許文献２に開示されるように筋肉でそれが他の組織に比べて大きいことが知られている。そのため筋肉の電気伝導度異方性を考慮しなければ、より正確な電気伝導度の推定は困難である。
【００１０】
そのため、日常の健診、診療で使用できる簡便且つ高精度な筋肉量測定装置の開発が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような従来の技術の課題に着目してなされたものであり、本発明によれば、生体インピーダンス測定を用いて骨格筋の電気伝導度異方性に基づいて導電率分布を取得し、より高い推定精度で筋肉量を推定することができる。
【００１２】
具体的には、大腿部において、その断面の電気伝導度を推定する場合、大腿部の長さ方向に垂直な断面をいくつかの多角形によって分割し、それを大腿部の長さ方向に延長した多角柱を考える。さらにその多角柱の各々において、断面方向の電気伝導度と長さ方向の電気伝導度を考えそれぞれ推定し、筋肉に相当する部分の特定に、これらの電気伝導度に差があることを利用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、生体インピーダンスＣＴ法によって取得された電気伝導率分布から筋肉量を正確に算出することができる。また、生体組織の電気伝導度異方性が強い筋肉が多く存在する部位において簡便でより高い精度で筋肉量を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる筋肉量測定装置の斜視図。
【図２】図１の筋肉量測定装置の本体の上面図。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる筋肉量測定装置の斜視図。
【図４】図３の筋肉量測定装置の電極部の側面図。
【図５】図３の筋肉量測定装置の電極部の上面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る筋肉量測定装置の斜視図を、図２は同様に上面図を表す。筋肉量装置の本体１は内側がリング形状をなし、脚部２によって支持されている。また、本体１は、被験者の大腿部Ｆの地面床からの高さに応じて、脚部２に対して昇降可能かつ適当な高さの固定が可能な構造になっている。すなわち、脚部２は３本または４本の脚部材を有して上下移動自在に本体１を支持し、本体１が大腿部Ｆに装着されることによって所定の高さで支持されるように構成される。本体１は、金属またはプラスチック樹脂のような硬い素材で作られている。被験者は片足（測定対象）をリング形状の本体の中心に入れる。測定者は大腿部Ｆの高さに本体１が位置づけられるように高さを調整する。本体１のリング形状に沿って配置されたエアシリンダ３は、シリンダロッドの先端に取り付けられた電極が、空気圧が発生する力によって被験者の大腿部を付勢して接触する構造を有する。
【００１６】
＜高精度電位差測定＞
電位差データを測定する手段は特開２０１２−５０７７７号（特許文献２）に例示される周知の技術が利用できる。
【００１７】
電極４は図１に示すように３段構造にしても良いが、２段の構造でもよい。また、図２に示すように、被験者の大腿部断面の１６方向から取り囲む構造でも良いが、２４方位や３２方位から取り囲む構造としてもよい。図１、図２に示す３段構造は、４８個の電極４を具備する。例えば、３段構造の上段から２段の電極群の任意の１組を電流電極に利用して電流を流し、最上段の電極群を電圧電極として利用し、隣り合うすべての電極間における電位差を測定する。全ての電極間における電位差が測定されるので測定系の誤差が補償され精度の高い測定をすることができる。同様に上段から３段目の電極群を利用して隣り合うすべての電極間の電位差を測定して、データを収集して画像再構成することができる。
【００１８】
この場合、大腿部Ｆの輪郭形状は、エアシリンダロッドの移動量を位置センサによって検出することで測定することができる。また、エアシリンダへ加える空気圧はエアコンプレッサ６により生成され、電磁弁５を介してパーソナルコンピュータ（またはマイクロコントローラ）７によって制御可能であるので、電極の装着が自動的に行うことができる。
【００１９】
＜異方的電気伝導度の算出＞
異方的電気伝導度を計算する手段について以下に述べる。まず測定された大腿部Ｆの水平方向での輪郭形状をもとに、二次元形状のモデルを作成する。これを充分な個数の多角形（例えば三角形）により分割し、さらにこれら三角形を長さ方向に厚みを持たせ、三角柱とし、これを要素（体積要素）と称する。このように三角柱の集合体として仮想空間で形成される大腿部Ｆのモデルは３次元形状を成し、長さ（高さ）方向に垂直な断面はどこをとっても同じ形状である。
【００２０】
計測した電圧―電流関係を用いて各要素の長さ方向および断面方向の電気伝導度σ［Ｓ／ｍ］（＝［Ω−１ｍ−１］）を求めることで、大腿部Ｆにおける筋肉及びその他の組織の分布が計測できる。
【００２１】
各要素の長さ方向の電気伝導度と長さ方向に対して垂直な断面方向の電気伝導度を適当な値で仮定する．この値は，生体中で取りうる電気伝導度である０．０１Ｓ／ｍから１Ｓ／ｍ程度であることが好ましく、断面のすべての部位で同一の値を用いることができる。次に、電流電極に相当する位置から測定で使用した電流値を仮想的に注入する。この電流により誘起される電位を有限要素法により電圧電極が置かれた点を含む各節点で求めることでモデル上での電位分布が求められる。計測で得られた電圧電極での電位差とこのように求めたモデル上の相当する位置における電位差との差から、２乗誤差の和を求める。この求めた２乗誤差の和を最小にする各要素の長さ方向及び横断方向の導電率を求める。すなわち、以下の式（１）で規定される関数ｆを最小にする電気伝導度σを求める。なお、本明細書において数式中のベクトルは対応する記号の上に右向き矢印を付して表示する。
【数１】
2015051101.tif 000003
【００２２】
ここで、Ｖｍｎ（ｅｘｐ）はｍ番目の電流電極ペアの間に電流を流したときにｎ番目の電極間で測定された電位差である。同様にはＶｍｎ（ｃａｌｃ）はモデル上の同じ電流電極及び電圧電極において計算により推定した電位差である。
【００２３】
式（１）のｆは、ｌｎσ＝｛ｌｎσ１，ｌｎσ２，・・・，ｌｎσｊ｝の関数として表現することができる（ｌｎは自然対数）。したがって、ｌｎσの近傍ｌｎσ＋Δｌｎσにおける関数ｆの値は、１次のテイラー展開を用いて、
【数２】
2015051101.tif 000004
【００２４】
と近似することができる。さらに、式（２）をｌｎσで偏微分して右辺をゼロとおくと、
【数３】
2015051101.tif 000005
【００２５】
となる。ここで、Ｓｍn，ｋ＝∂ｌｎＶｍｎ（ｃａｌｋ）／∂ｌｎσｋとΔｌｎＶｍｎ＝ｌｎＶｍｎ（ｃａｌｋ）−ｌｎＶｍｎ（ｅｘｐ）を定義すると、式（１）、（２）から式（４）が得られ、連立方程式（４）をΔｌｎσｋについて解くことができる。
【００２６】
る。
【数４】
2015051101.tif 000006
【００２７】
ここで、Ｍ×Ｎ行、ｊ列で要素がＳｍｎ，ｊである行列Ｓと、長さＭ×Ｎで要素がΔｌｎＶｍｎの縦ベクトルΔｌｎＶを定義して、式（４）を行列形式に書き換えると、
【数５】
2015051101.tif 000007
【００２８】
が得られる。これはニュートン法と呼ばれる解法である。
【００２９】
すなわち、電気伝導度と電位差が線形関係にあれば、ｌｎσを一度に求めることができるが、非線形であるため修正された電気伝導度σ’＝σ＋Δσを用い再度Δσ’を求める操作を繰り返して自己無撞着的に解を求める。
【００３０】
なお、ニュートン法に代えてその改良版であるマルカート法を用いてもよい。また、Ｖｍｎは測定誤差を含むので、測定値そのものを使うことは得策ではない。そこで、Ｓを特異値分解して式（５）の解空間を縮小して解くことも可能である。
【００３１】
また、電気伝導度σに異方性を仮定して、面内方向（水平方向）の電気伝導度σｘｙと長さ方向（垂直方向）の電気伝導度σｚを各々求めることもできる。
【００３２】
既に述べたように脂肪と非脂肪部部分である筋肉とは電気伝導度σが異なるため、求めた大腿部の電気伝導度分布から所定の閾値以上の部分を筋肉と判定することにより高い精度で筋肉量を推定することができる。電気伝導度σの分布や筋肉量はパーソナルコンピュータ７を介して表示装置８で確認することができる。
【００３３】
（第２実施形態）
筋肉（ここでは所謂横紋筋をいうが、大腿部の筋肉はその典型である）の電気伝導度は、既述のごとく異方性があることが知られている。たとえば大腿部においては骨、骨格筋、脂肪が主な構成要素であるが、関節のある末端部分以外では長さ方向には大きく構造が変化しない。したがって、大腿部を取り囲むように配置された電極間に電流を流した場合に、測定される電位差に変化を及ぼす範囲では長さ方向の電気的、構造的等質性を仮定することができる。すなわち、電気伝導度の異方性は本来３軸（デカルト座標系）で評価すべきであるが、上記仮定の下では横断面方向と長さ方向の２軸で異方性を測定、評価する方が限られた数の測定データを効率的に利用するという観点で好ましい。
【００３４】
そこで、等方的でない部位の多い大腿部等において所定の異方性条件を充たす体積要素各々の断面方向の面積を合計することでより正確に筋肉量が求められる。
【００３５】
面内方向の電気伝導度σｘｙと長さ方向の電気伝導度σｚの比ｒ＝σｚ／σｘｙを異方性を表すパラメータとして所定の閾値ｒｔｈを設定し、比ｒが閾値を超える体積要素をカウントして面積を合計することにより筋肉量を求めることができる。すなわち、測定誤差を考慮すると、数え上げるべき異方性のある体積要素は、σｘｙとσｚの比ｒが２以上あるものを数え上げることが好ましく更に好ましくは５以上の比があるものを数える。
【００３６】
図３は第２実施形態の側面図である。伸縮自在な素材で作られた、閉じたベルト状の本体１１には、電極１２が多数埋め込まれている。図４は電極の周辺を拡大した本実施形態の側面図である。図の下側が被験者の大腿部に接する面である。導電性の金属等で形成された電極１２は伸縮自在なベルト１４と電子回路ユニット１５を貫通して取り付けられている。図５は本実施形態の電極周辺部の上面図である。１個の電極１２には各々電子回路ユニット１５が配置され、差動増幅器などの電子回路が組み込まれている。隣の基板との間には、変形容易なフィルム基板１６で連結されている。
【００３７】
フィルム基板には電線が埋め込まれていて、電気的に複数の電子回路ユニット１５を連結している。本体１１にはコントローラ１７があり、この部分にはマイクロプロセッサとＡ／Ｄコンバータなどが装備されていて、図示しないＰＣ（パーソナルコンピュータ）からの指示に従って、データを収集する。ＰＣとコントローラ１７との通信には無線通信技術を利用することができる。被験者大腿部の外形形状は、図示しないレーザー変位計や、超音波距離センサ、レーダー、距離測定機能付き赤外線カメラ等を利用した非接触型の距離センサを利用して測定できる。
【００３８】
したがって、本発明の筋肉量測定装置によれば、生体組織の電気伝導度異方性が強い筋肉が多く存在する部位において簡便でより精度高く筋肉量を推定することができる。実施形態においては大腿部の筋肉（大腿筋）の量を推定したが、これに限られるものではなく、下腿部（下腿筋）、前腕部（前腕筋）、上腕部（上腕筋）などの骨格筋が含まれる部位に適用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１，１１  本体
３  エアシリンダ
４，１２  電極
５  電磁弁
６  エアコンプレッサ
７  ＰＣ
１４  ベルト
１５  電子回路ユニット
１６  フィルム基板
１７  コントローラー
【図１】
2015051101.tif 000008
【図２】
2015051101.tif 000009
【図３】
2015051101.tif 000010
【図４】
2015051101.tif 000011
【図５】
2015051101.tif 000012