(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電流供給極と、一対の電圧検出極と、既知のインピーダンスの基準抵抗が直列接続された基準抵抗群とを備えた生体インピーダンス測定装置において、
一方の電流供給極と基準抵抗群の一端とを定電流発生器の一端に接続し、
一方の電流供給極に近接した電圧検出極を差動増幅器の一端に接続し、
他方の電流供給極と基準抵抗群の他端とを電流切り替えスイッチを介して定電流発生器の他端に接続し、
他方の電流供給極と近接した電圧供給極と、基準抵抗群の他端と、各基準抵抗どうしの接続点とを電圧切り替えスイッチを介して差動増幅器の他端に接続したことを特徴とする生体インピーダンス測定装置。
【請求項２】
定電流発生器と、差動増幅器と、一対の電流供給極と、一対の電圧検出極と、既知のインピーダンスの基準抵抗が直列接続された基準抵抗群とを備えた生体インピーダンス測定装置において、
一方の電流供給極を定電流発生器の一端に接続し、
一方の電流供給極に近接した電圧検出極と基準抵抗群の一端とを差動増幅器の一端に接続し、
他方の電流供給極と基準抵抗群の他端とを電流切り替えスイッチを介して定電流発生器の他端に接続し、
他方の電流供給極と近接した電圧供給極と、基準抵抗群の他端と、各基準抵抗どうしの接続点とを電圧切り替えスイッチを介して差動増幅器の他端に接続したことを特徴とする生体インピーダンス測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体インピーダンス測定装置に関し、さらに詳細には、人の身体の末端部間のインピーダンスと身長、体重等の身体的条件から体内の脂肪量を測定する体脂肪計に用いられる生体インピーダンス測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来用いられていた生体インピーダンス測定装置は、特許第２８３５６５６号公報に開示されたようなものであった。この装置のブロック図を図５に示す。正弦波発振器１で発生させた５０ｋＨｚの正弦波を、電圧−電流変換器（定電流発生器）２で８００μＡの正弦波の定電流とし、この定電流を直列接続された複数の基準抵抗９、１０、１１を介して一対の電極Ａから人体（生体）３へ流す。一対の電極（電流供給極）Ａに近接させて一対の電極（電圧検出極）Ｂが人体３に取り付けられ、一対の電極Ｂからの取り出した電位は、スイッチ１２へ入力される。スイッチ１２へは、各基準抵抗９、１０、１１の両端の電位も入力される。スイッチ１２は、ＭＰＵ（マイクロプロセッシングユニット）８からの指示により、一対の電極Ｂからの取り出した電位または各基準抵抗９、１０、１１の両端の電位のうちから任意のものを選択して、差動増幅器４へ入力する。差動増幅器４からの出力は、整流器５、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）６、アナログ−デジタル変換器７を経て、人体のインピーダンスまたは基準抵抗に対応するデジタルデータとされる。このデジタルデータは、ＭＰＵ８へ入力される。
【０００３】
ＭＰＵ（８）は、スイッチ１２を切り替えることにより、まず、インピーダンスが既知である各基準抵抗９、１０、１１の両端の電位を差動増幅器４に入力し、このときの差動増幅器４の出力電圧から、インピーダンスと差動増幅器４の出力電圧との関係を求め、その後、人体３の両端の電位を差動増幅器４に入力し、このときの差動増幅器４の出力電圧から、人体３のインピーダンスを決定する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報に記載されたものは、次のような問題点があった。
【０００５】
比較的高抵抗の生体と複数の基準抵抗を直列に接続しているため、これらに所定の定電流を流すためには、ある程度高い電圧が必要であった。このため、電池の数が多くなったり、昇圧装置が必要となったりして、生体インピーダンス測定装置のいっそうの小型化を阻んでいた。
【０００６】
また、差動増幅器は、＋入力側の増幅率と−入力側の増幅率が完全に一致するものを得ようとすると高価になり、経済的理由から、両者にある程度差があることは避けられなかった。そして、両者の差が大きくなるほど、生体インピーダンスの誤差が大きくなり易かった。
【０００７】
この理由を図６と図７を用いて説明する。図６は、前記公報に記載の生体インピーダンス測定装置において、電圧−電流変換器２で発生した電流の流れる回路図である。ここで、アース電位をＶ０とし、基準抵抗９と基準抵抗１０との接続点の電位をＶ３、基準抵抗を１０と基準抵抗１１の接続点の電位をＶ２、基準抵抗１１と人体３との接続点の電位をＶ１とする。また、差動増幅器４の＋入力側の増幅率と−入力側の増幅率に差があったとし、差動増幅器４の入力電位と出力電位の関係が、図７のような関係があったとする。このとき、人体３の両端の電位Ｖ０とＶ１が差動増幅器４に入力されると、差動増幅器４は図７でＳで示される出力電圧を生じる。また、基準抵抗１０の両端の電位Ｖ２とＶ３が差動増幅器４に入力されると、差動増幅器４は図７のＴで示される出力電圧を生じる。もし、差動増幅器４の出力電圧ＳとＴが等しいとすると、ＭＰＵ８は、人体３と基準抵抗９とが同じインピーダンスであると決定してしまう。しかしながら、図７から明らかなように、基準抵抗９の両端の電位差（Ｖ３−Ｖ２）と人体３の両端の電位差（Ｖ１−Ｖ０）には大きな差があり、言い換えれば、両者のインピーダンスには大きな差があり、ＭＰＵ８の決定が誤りであることが解る。このように、差動増幅器の＋入力側の増幅率と−入力側の増幅率に差があると、正確に生体インピーダンスを測定できなくなる。
【０００８】
このような問題点を解決するため、低電圧で動作し、しかも、差動増幅器の＋入力側の増幅率と−入力側の増幅率に差がある場合にも、誤差の少ない生体インピーダンス測定装置が求められていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため請求項１に係る発明では、一対の電流供給極と、一対の電圧検出極と、既知のインピーダンスの基準抵抗が直列接続された基準抵抗群とを備えた生体インピーダンス測定装置において、一方の電流供給極と基準抵抗群の一端とを定電流発生器の一端に接続し、一方の電流供給極に近接した電圧検出極を差動増幅器の一端に接続し、他方の電流供給極と基準抵抗群の他端とを電流切り替えスイッチを介して定電流発生器の他端に接続し、他方の電流供給極と近接した電圧供給極と、基準抵抗群の他端と、各基準抵抗どうしの接続点とを電圧切り替えスイッチを介して差動増幅器の他端に接続した。
請求項２に係る発明では、定電流発生器と、差動増幅器と、一対の電流供給極と、一対の電圧検出極と、既知のインピーダンスの基準抵抗が直列接続された基準抵抗群とを備えた生体インピーダンス測定装置において、一方の電流供給極を定電流発生器の一端に接続し、一方の電流供給極に近接した電圧検出極と基準抵抗群の一端とを差動増幅器の一端に接続し、他方の電流供給極と基準抵抗群の他端とを電流切り替えスイッチを介して定電流発生器の他端に接続し、他方の電流供給極と近接した電圧供給極と、基準抵抗群の他端と、各基準抵抗どうしの接続点とを電圧切り替えスイッチを介して差動増幅器の他端に接続した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の望ましい第１の実施例を図１に示す。本実施例も、従来のものと同じく、一対の電流供給極３１、３２と一対の電圧検出極３３、３４との４つの電極を有する。ただし、本実施例では、一方の電流供給極３１と基準抵抗群３８の一端は、定電流発生器２２の一端に接続され、他方の電流供給極３２と基準抵抗群３８の他端とを電流切り替えスイッチ４１を介して定電流発生器２２の他端に接続している。定電流発生器２２は、ＣＰＵ（中央処理装置）２８からの指示により動作を開始または終了する。基準抵抗群３８は、２つの基準抵抗３５、３６を直列接続している。また、一方の電流供給極３１に近接した電圧検出極３３を差動増幅器２４の一端に接続し、他方の電流供給極３２と近接した電圧検出極３４と、基準抵抗群３８の他端と、両基準抵抗３５、３６の接続点とを電圧切り替えスイッチ４２を介して差動増幅器２４の他端に接続している。電流切り替えスイッチ４１と電流切り替えスイッチ４２は、半導体スイッチが用いられ、ＣＰＵ２８からの指示によって切り替えられる。
【００１１】
差動増幅器２４からの出力は、ＡＣ−ＤＣ(交流-直流）変換器２５、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器２７を経て、生体２３または基準抵抗３５、３６のインピーダンスに対応するデジタルデータとされる。これらのデジタルデータは、ＣＰＵ２８へ入力される。これらのデジタルデータから求められた生体インピーダンスは、表示装置２９に表示される。
【００１２】
生体２３のインピーダンス測定にさいしては、まず、生体に４つの電極を接続した後に、ＣＰＵ２８は，電流切り替えスイッチ４１に指示を出して、定電流発生器２２で発生させた正弦波の定電流を基準抵抗群３８に流す。さらに、ＣＰＵ２８は、電圧切り替えスイッチ４２に指示を出して、両基準抵抗３５、３６の接続点の電位または基準抵抗群３８の他端の電位を順次選択して、差動増幅器２４の他端へ入力する。こうして、既知のインピーダンスの両端の電位が差動増幅器２４に入力されたときの差動増幅器２４の出力を求め、ＣＰＵ２８にインピーダンスと差動増幅器２４の出力電圧の関係を記憶させる。このとき、４つの電極のうち少なくとも電流供給極３１と電圧検出極３３が生体に接続されていない場合には、差動増幅器２４の一端への入力がないため、作動増幅器２４は異常な出力を出すので、電極と生体が接続されていないことを知らせる警報等を出すようにしてある。
【００１３】
次に、ＣＰＵ２８は、電流切り替えスイッチ４１へ指示を出して、生体２３に定電流を流すとともに、電圧切り替えスイッチ４２へも指示を出して、電圧検出極３４の電位を差動増幅器２４へ入力し、このときの差動増幅器２４からの出力電圧と、基準抵抗群３８を利用して求めたインピーダンスと差動増幅器２４の出力電圧の関係を用いて、生体インピーダンスを求める。
【００１４】
このように、本実施例では、生体２３と基準抵抗群３８のいずれかを選択して一方のみに電流を流すから、比較的低い電圧でも所定の定電流を流すことができるので、電池の数を減らすことができ、また、昇圧装置も不要となるので、軽量小型の生体インピーダンス測定装置が得られる。
【００１５】
また、本実施例では、差動増幅器の＋入力側の増幅率と−入力側の増幅率にある程度差があっても、生体ピーダンスの誤差がさほど大きくならない。この理由を図２、図３及び図４を用いて説明する。
【００１６】
図２は、定電流発生器２２で発生させた電流を基準抵抗群３８へ流したときの回路図である。ここで、定電流発生器２２の一端の電位をＶ０とし、定電流発生器２２の他端の電位をＶ２、基準抵抗を３５と基準抵抗３６の接続点の電位をＶ１とする。また、図３は、定電流発生器２２で発生させた電流を生体２３へ流したときの回路図である。ここで、電圧検出極３３の電位をＶ０’、他方の電圧検出極の電位をＶ３とする。そして、差動増幅器の＋入力側と−入力側の増幅率に差があったとして、入力電位と出力電位の関係が、図４のような関係があったとする。
【００１７】
さて、基準抵抗群３８へ電流を流した場合、定電流発生器２２の一端の電位Ｖ０と定電流発生器２２の他端の電位Ｖ２とが差動増幅器に２４に入力されるので、差動増幅器２４は図４のＴ’で示される出力電圧を生じる。このように、基準抵抗群３８の両端の電圧（Ｖ２−Ｖ０）と差動増幅器２４の出力電圧Ｔ’との関係は、差動増幅器２４の＋入力側の増幅率によって決まる。すなわち、インピーダンスと差動増幅器２４の出力電圧の間の関係は、この場合には差動増幅器２４の＋入力側の増幅率で決まる。
【００１８】
なお、差動増幅器２４の一端には、電流供給極３１から電圧供給極３３との間の生体２３部分を介して、定電流発生器２２の一端の電位Ｖ０が加えられるが、この生体２３部分の抵抗は差動増幅器２４の入力抵抗に比べて小さいので、この生体２３部分の電圧降下は無視して、差動増幅器２４の一端には、定電流発生器２２の一端の電位Ｖ０が加えられるとしても問題ない。
【００１９】
一方、生体２３に電流を流した場合、生体２３の両端の電位、即ち、両電圧検出極３３、３４の電位Ｖ０’、Ｖ３が差動増幅器２４に加えられるので、差動増幅器２４は図４でＳ’で示される出力電圧を生じる。ところで、インピーダンスと差動増幅器２４の出力電圧との関係は、この場合には差動増幅器２４の＋入力側の増幅率で決まるから、正確な生体２３のインピーダンスを求めるためには、両電圧検出極３３、３４の電位Ｖ０’、Ｖ３が差動増幅器２４に入力されたとき、差動増幅器２４の出力電圧は図４でＳ”で示されるように校正されなければならない。
【００２０】
しかし、図４から明らかなように、電圧検出極３３は電流供給極３１に近接していて、電位Ｖ０’は電位Ｖ０に近い値であり、差動増幅器２４の実際の出力電圧Ｓ’と適正に校正された出力電圧Ｓ”との差は、極めて小さいため、実際の出力電圧Ｓ’を用いて、生体２３のインピーダンスを求めても、大きな誤差は生じない。このように、本実施例では、安価な差動増幅器２４で＋入力側の増幅率と−入力側の増幅率に差がある場合にも、誤差の少ない生体インピーダンス測定ができる。
【００２１】
ただし、生体２３の皮膚の状態によっては、皮膚と電極と間の接触抵抗が大きくなり、生体２３における電圧降下（Ｖ０−Ｖ０’）が無視できなくなり、差動増幅器２４の実際の出力電圧Ｓ’と適正に校正された出力電圧Ｓ”との差も無視できなくなることもある。このような場合にも、常に生体インピーダンス測定に誤差を生じないようにした第２の実施例について、以下に説明する。
【００２２】
第２の実施例を図８に示す。本実施例で図１に示した第１の実施例と異なる点は、基準抵抗群３８の一端が、定電流発生器２２の一端ではなく、作動増幅器２４の−入力端、又は電圧検出極３３と前記−入力端を接続する導線の途中に接続されたことである。また、本実施例では、電流切り替えスイッチ４１を電圧切り替えスイッチ４２を同じ形式にして、部品の共通化とスイッチ制御の単純化を図っているが、図８に示した電流切り替えスイッチ４１と図１に示した電流切り替えスイッチ４１の働きに差異はない。その他は、図１に示した第１の実施例と同じであるから、図８について、これ以上の説明は省略する。
【００２３】
次に第２の実施例の動作について説明する。図９は、定電流発生器２２で発生させた電流を基準抵抗群３８へ流したときの回路図である。ここで、電圧検出極３３と基準抵抗群３８の一端が共に差動増幅器２４の−入力端に接続されているから、電圧検出極３３の電位を基準電位とすることができ、この基準電位をＶ０ｂ、定電流発生器２２の他端の電位をＶ２、基準抵抗を３５と基準抵抗３６の接続点の電位をＶ１とする。また、図１０は、定電流発生器２２で発生させた電流を生体２３へ流したときの回路図である。ここで、電圧検出極３３の電位は同様に基準電位とすることができ、この基準電位をＶ０ｂ、他方の電圧検出極３４の電位をＶ３とする。そして、差動増幅器の＋入力側と−入力側の増幅率に差があったとして、入力電位と出力電位の関係が、図１１のような関係があったとする。
【００２４】
さて、図９に示したように、基準抵抗群３８へ電流を流した場合、電圧供給極３３の電位Ｖ０ｂと定電流発生器２２の他端の電位Ｖ２とが差動増幅器に２４に入力され、差動増幅器２４は、図１１のＴ’で示される出力電圧を生じる。一方、図１０に示したように、生体２３に電流を流した場合、両電圧検出極３３、３４の電位Ｖ０ｂ、Ｖ３が差動増幅器２４に加えられ、差動増幅器２４は、図１１でＳ’で示される出力電圧を生じる。
【００２５】
このように、基準抵抗群３８と生体２３のいずれに電流を流しても、差動増幅器２４の−入力端には常に基準電位Ｖ０ｂが入力されるので、電流供給極３１と電圧検出極３３との間の生体２３部分の抵抗が大きく、かつ、安価な差動増幅器で＋入力側の増幅率と−入力側の増幅率に差異があっても、差動増幅器２４に入力される電圧（Ｖ２−Ｖ０ｂ）、（Ｖ３−Ｖ０ｂ）と差動増幅器２４の出力電圧Ｔ’、Ｓ’間には、常に一定の関係が保たれる。このため、本実施例では、図１に示した第１の実施例よりも、さらに誤差の少ない生体２３のインピーダンス測定が可能となる。
【００２６】
ところで、前記両実施例では、基準抵抗を２つ用いたが、基準抵抗をもっと多数用いてもよい。この場合には、差動増幅器２４、ＡＣ−ＤＣ変換器２５又はＡ／Ｄ変換器２７に非直線性があっても精度よく生体インピーダンスを求めることができる。もっとも、所定範囲のインピーダンス測定に限れば、基準抵抗の値を適切に選定することにより、２つの基準抵抗で充分である。また、差動増幅器２４の入力側の＋と−を本実施例と逆にしてもよいことは言うまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明では、電流切り替えスイッチを切り替えて、生体と基準抵抗群の一方のみに電流を供給するので、比較的低い電圧でも動作し、電池の数を少なくでき、しかも、昇圧装置を必要としないから、生体インピーダンス測定装置の小型化が可能となる。また、本発明では、安価な差動増幅器で＋入力側の増幅率と−入力側の増幅率に差がある場合にも、誤差の少ない生体インピーダンス測定が可能ととなる。
請求項２に係る発明では、請求項１に係る発明の効果に加えて、さらに、一方の電圧検出極と基準抵抗群の一端が共に差動増幅器の一端に接続されているから、生体と基準抵抗群のいずれに電流を流しても、差動増幅器一端には常に基準電位が入力されるので、生体の皮膚と各電極との間の接触抵抗が大きく、かつ、安価な差動増幅器で＋入力側の増幅率と−入力側の増幅率に差があった場合にも、差動増幅器の入力電圧と出力電圧との間には、常に一定の関係が保たれ、常に誤差の少ない生体インピーダンス測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例のブロック図である。
【図２】第１の実施例において、基準抵抗群に電流を流したときの回路図である。
【図３】第１の実施例において、生体に電流を流したときの回路図である。
【図４】第１の実施例において、差動増幅器の入力と出力との関係を示す図である。
【図５】生体インピーダンス測定装置の従来例のブロック図である。
【図６】従来例において、電圧-電流変換器で発生させた電流の流れる回路図である。
【図７】従来例において、差動増幅器の入力と出力との関係を示す図である。
【図８】第２の実施例のブロック図である。
【図９】第２の実施例において、基準抵抗群に電流を流したときの回路図である。
【図１０】第２の実施例において、生体に電流を流したときの回路図である。
【図１１】第２の実施例において、差動増幅器の入力と出力との関係を示す図である。
【符号の説明】
２２        定電流発生器
２３        生体
２４        差動増幅器
３１、３２  電流供給極
３３、３４  電圧検出極
３５、３６  基準抵抗
３８        基準抵抗群
４１        電流切り替えスイッチ
４２        電圧切り替えスイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004525995.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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