JP4525995B2 - 生体インピーダンス測定装置 - Google Patents
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Description
【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
Claims (2)
- 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。 - 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。
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