生物电阻抗测定方法及测定装置、以及使用该测定装置的健康管理方针指导装置的制作方法

专利名称：生物电阻抗测定方法及测定装置、以及使用该测定装置的健康管理方针指导装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于取得关于作为人或家畜等动物生物内部组织的脂肪组织、肌肉组织、骨组织等的各种生物信息的生物电阻抗测定方法及利用该方法的测定装置、以及使用该测定装置的健康管理方针指导装置。
背景技术：
以前，为了肥胖等的健康管理，一般进行专门体重测定，但近年来，不仅体格上的肥胖，而且作为测定肥胖的一个指标，皮下脂肪或内脏脂肪等身体脂肪量或表示相对于体重的身体脂肪的比例引人注意。
初期的身体脂肪测定是将被测者全身没入水中来测定水中体重，求出比重的大规模测定。对此，近年来提议几个可推测与通过现有方法得到的结果相关高的结果的简易测定方法。在这些测定方法中，有利用超声波和利用近红外线的方法，但最近一般利用生物电阻抗(Bioelectric Impedance)。
以前，广泛进行的生物电阻抗测定基于称为四电极法的测定原理。参照图27来说明该四电极法的生物电阻抗测定方法。
在该方法中，使用两个一组的通电用电极1a、1b与相同的两个一组的测定用电极2a、2b，紧贴着生物5的表面设置，使两个测定用电极2a、2b位于两个通电用电极1a、1b的内侧。在通电用电极1a、1b之间连接高频电源3，在生物5的内部流过一定的高频电流i。由连接于测定用电极2a、2b之间的检测器4来测定由此发生的电压(电位差)。若生物5的内部均质，则认为在远离通电用电极1a、1b位置上的电流分布基本一样，所以分别一定程度以上远离通电用电极1a、1b来配置测定用电极2a、2b，可得到对应于生物深部中水平方向延伸部位5a的生物电阻抗。另外，通过使检测器4的输入阻抗比测定用电极2a、2b的阻抗足够高，具有能够进行去除电极阻抗影响的正确测定的优点。
作为利用这种四电极法的生物电阻抗测定的身体组成测定装置，在文献中记载了多种，同时实际上市场上有售。例如，在特开平7-51242号公报中，公开了如下构成的装置在用两手持握的各夹钳中配置通电用电极及测定用电极，当被测者持握该夹钳时，通电用电极紧贴两手的指侧，测定用电极紧贴两手的手腕侧，根据如此取得的生物电阻抗，推算体内脂肪、除脂肪量、体脂肪率、体内水分量、基础代谢量等各种生物信息。另外，在特公平5-49050号公报中公开了如下构成的装置当使被测者双脚加载时，电极紧贴在两脚里侧，可同时测定体重和体脂肪。
由此，由于四电极法的生物电阻抗测定既简便，精度又高，所以现在被广泛利用。但是，从图27可知，该测定方法存在如下的所谓原理制约测定在生物5的内部由两个测定用电极2a、2b夹持的宽区域，换言之，在生物5的表面上沿基本平行延伸方向的生物内部组织层并列构成的生物电阻抗。因此，实质上不可能取得局部皮下脂肪的厚度、内脏脂肪的厚度等生物表面正下方的深度方向(即生物内部组织层的截面方向)的生物信息。
另外，在利用上述四电极法的生物电阻抗测定的身体组成测定装置中，测定将两手间、两脚间、或手脚之间设为电流路径的生物电阻抗，推测除脂肪量，另外，还利用身高或体重等关于体格的辅助数据来推测体脂肪率。在这种装置中，因为截面积比脚部或腕部大数十倍的腹部成为电流路径的一部分，所以脚部或腕部对生物电阻抗的贡献相对大，相反，腹部的皮下脂肪、腹腔内脂肪(内脏脂肪)的贡献低。因此，在结果中难以显示腹部的皮下脂肪、腹腔内脂肪的增减，结果，缺乏可靠性。
上述生物表面正下方的深度方向生物信息可不依赖于生物电阻抗测定、而通过X线CT扫描、核磁共振成像(MRI)等其它装置来得到。但是，这种装置的规模非常大，并且高价。另外，用于测定的约束时间还长，向被测者强加身体的、精神的及经济的很大负担。此外，一般人为了健康管理、健康维持，也不可能日常使用。
鉴于这种问题而作出本发明，其主要目的在于提供一种生物电阻抗测定方法及测定装置，不对被测者施加与现在实用的四电极法生物电阻抗测定同程度的负担，可测定现有方法中难以测定的生物内部深度方向的生物电阻抗。
另外，本发明的另一目的在于提供一种测定装置，利用生物内部深度方向的生物电阻抗的测定结果，取得皮下脂肪厚、肌肉组织脂肪化(所谓的霜降化现象)、骨组织强度或厚度(皮质骨密度、海绵骨密度等)、骨内部骨髓细胞脂肪化等以前不能简单测定的各种生物信息，并提示给被测者或检查者。
另外，本发明的再一目的在于提供一种健康管理方针指导装置，提高现有利用四电极法的身体组成测定装置的精度，对有用性高的健康管理提示方针信息。

发明内容
如上所述，在现有四电极法中，通过离开测定用电极来抵触通电用电极，高频电流尽量理想地、即足够宽且一样地通过生物内部。本申请发明人就生物电阻抗的测定方法，在继续多年研究的过程中，根据与这种现有方法完全相反的想法，着眼于测定位于通电用电极大致正下方、电流沿基本垂直于生物表面的方向行进的部分、即比电流路径大致水平还浅的部分中的电位差。
另外，为了测定这种电位差，想到了(1)构成一方通电用电极，以在其正下方，电流密度集中在生物的深度方向上，通过在该通电用电极附近配置测定用电极，测定与该通电用电极抵触部件大致同等的电压，及(2)因为由从生物表面流向深度方向的电流在生物内部形成等电位面，所以通过在该等电位面露出生物表面的部位配置测定用电极，测定与深度方向上某位置电压大致同等的电压，或(3)通过将测定用电极维持在(1)的位置不动，使配置在其附近的上述通电用电极远远离开，测定与该测定用电极正下方的深度方向某位置下的电压大致同等的电压，通过组合上述(1)及(2)、或(1)及(3)，得到新的生物电阻抗测定方法，即得到沿深度方向延伸的规定部位的上下两端的电位差，根据电位差和电流来算出生物电阻抗。
即，根据本发明的生物电阻抗测定方法中，根据在生物表面测定的电信号，测定与该生物内部信息关联的生物电阻抗，其特征在于将包含具有小接触面积的第1电极及第2电极的一组通电用电极距离规定间隔，抵触生物表面，在该生物内部流过高频电流，对应于该高频电流，测定在作为生物表面的上述第1电极附近的第1部位、与离开该第1部位规定距离或之上的第2部位间产生的电位差，根据该电位差及上述高频电流的电流值，算出上述第1电极的抵触部位及其附近大致正下方深度方向的生物电阻抗。
另外，在实施上述测定方法的本发明的生物电阻抗测定装置中，根据在生物表面测定的电信号，测定与该生物内部信息关联的生物电阻抗，其特征在于具备a)一组通电用电极，距离规定间隔，抵触生物表面，包含具有电流密度应集中的小接触面积的第1电极及第2电极，b)高频电流供给单元，通过该通电用第1电极及第2电极，在生物内部流过高频电流，c)测定用电极，包含抵触作为生物表面的上述通电用第1电极抵触部位附近的第1电极、和抵触离开该第1电极规定距离或之上位置的第2电极，d)电压测定单元，对应于上述高频电流，测定上述测定用第1电极、第2电极间产生的电位差，e)算出单元，根据该电位差及上述高频电流的电流值，算出上述通电用第1电极的抵触部位及其附近大致正下方深度方向的生物电阻抗。
另外，在本发明的生物电阻抗测定方法及测定装置中，最好构成为通电用电极的第1电极，为了在电极正下方使电流密度集中，必须一定程度缩小接触面积，但第2电极，由于后述理由，可确保大的接触面积。
在发明的生物电阻抗测定方法及测定装置中，从高频电流供给单元，以规定频率在通电用第1电极与第2电极之间流过恒定的高频电流。如上所述，若增大通电用第2电极的接触面积，则在生物内部，电流容易扩散到深部，到达深部后，以稳定的电流密度分布在水平方向上流动。另一方面，由于通电用第1电极的接触面积小，所以在第1电极正下方电流集中，每单位截面积的电流密度高，在基本垂直于生物表面的深度方向上形成电流路径。作为第1电极抵触部位附近的第1部位的电位，与上述电流路径中除生物表面或皮肤组织层以外部位的电位大致相等。另外，在生物内部，形成相对于沿上述深度方向的电流路径电位的等电位面，该等电位面也露出生物表面。因此，在远离第1部位规定距离的第2部位中，因为测定与电流路径深度方向某位置上的电位相等的电位，所以第1部位与第2部位之间的电位差与沿电流路径的深度方向某区域上下端的电位差等价。由此，可算出通电用第1电极抵触部位及其附近的、大致正下方深度方向上、例如横贯皮肤正下方各生物组织层方向上的生物电阻抗。
上述第1部位、第2部位之间的电位差测定可采用各种形态。最简单的形态是在通电用第1电极附近、即抵触第1部位的测定用第1电极与抵触上述第2部位的测定用第2电极之间连接检测器，直接测定电压的构成即可(参照

图1)。因此，由于只要通电后仅测定一次电压即可，所以测定仅需少的人手或时间即可完成。
另外，作为其它形态，也可以位于生物表面设置在第1部位及第2部位以外的第3部位上的电极为基准，分别测定第1部位与第3部位间的电压、第2部位与第3部位间的电压，算出两者的电压差(参照图3)。此时，设置在第3部位上的电极也可兼用作通电用第2电极，还可单独设置。
另外，最好构成为在生物表面大致直线状配置通电用第1、第2电极及电压测定用的多个电极。尤其是，在连接通电用第1电极与第2电极的直线的延长线上，在第1电极最近设置测定用第1电极，距离该测定用第1电极，保持与通电用第1电极与第2电极之间间隔距离基本相同的间隔距离，设置测定用第2电极。此时，在通电用、测定用同时，第1电极与第2电极间的间隔距离的最小值依赖于作为测定对象的生物粗细及测定深度来决定。一旦如此构成，则通电用电极与测定用电极线性对称配置，利用相反定理来改换连接，使在通电用电极间连接电压检测单元，在测定用电极之间连接电流供给单元(参照图2)。利用如此改换连接所进行的两次测定结果，可提高测定精度。另外，通过比较两个测定结果，例如除作为两次测定中对应于作为共同深度方向的电流集中部位的生物电阻抗之外，可取得具体在水平方向上延伸的生物内部组织的层并列构成的生物电阻抗差等。
另外，若构成为还在上述测定用第1电极与第2电极之间配置一个以上的其它测定用电极，测定这些电极间的电压，则可测定上述通电用第1电极抵触部位附近基本正下方的深度方向上不同深度位置区域的生物电阻抗，由此可详细得到精度高的生物信息。
另外，本发明的其它生物电阻抗测定方法中，根据在生物表面测定的电信号，测定与该生物内部信息关联的生物电阻抗，其特征在于具有第1测定模式，使包含具有小接触面积的第1电极及第2电极的一组通电用电极距离规定间隔，抵触生物表面，通过该第1电极及第2电极，在生物内部流过高频电流，和第2测定模式，通过抵触作为生物表面的、连接上述第1电极与第2电极直线的第1电极侧延长线上的第3电极和上述第2电极，在生物内部流过高频电流，分别对第1及第2测定模式测定在作为生物表面的上述第1电极附近部位、与上述第2电极抵触部位或其附近部位之间产生的电位，计算两者的电压差，根据该电位差及上述高频电流的电流值，算出上述第1电极的抵触部位及其附近大致正下方深度方向的生物电阻抗。
另外，在实施上述本发明的其它生物电阻抗测定方法的测定装置中，根据在生物表面测定的电信号，测定与该生物内部信息关联的生物电阻抗，其特征在于具备a)一组通电用电极，分别距离规定间隔，抵触生物表面，包含具有小的接触面积第1电极、第2电极及第3电极，第3电极抵触作为生物表面的、连接上述第1电极和第2电极直线的第1电极侧延长线上，b)高频电流供给单元，在第1测定模式下，通过通电用第1电极及第2电极，在生物内部流过高频电流，在第2测定模式下，通过通电用第2电极及第3电极，在生物内部流过高频电流，c)测定用电极，包含抵触作为生物表面的上述通电用第1电极附近的第1电极、和抵触上述通电用第2电极的抵触部位或其附近的第2电极，d)电压测定单元，分别对第1及第2测定模式测定该测定用第1电极、第2电极之间产生的电压，同时求出两者的电压差，e)算出单元，根据该电压差及上述高频电流的电流值，算出上述通电用第1电极的抵触部位及其附近大致正下方深度方向的生物电阻抗。
即，在本发明的生物电阻抗测定方法及测定装置中，当测定测定用第1电极、第2电极间的电位差时，分别在接近该第1电极的通电用第1电极中流过电流、即在测定部位深度方向上集中流过电流的第1测定模式、和在该第1电极中不流过电流、即在该第1电极深部基本水平方向上流过电流的第2测定模式下，分别测定电压(参照图6)。第1测定模式下得到的电压为与通电用第1电极抵触部位的电位基本相同的电位，第2测定模式下得到的电压与第1电极正下方规定深度位置的电位基本相同，所以，两者的电压差，与上述测定方法及测定装置一样，与沿深度方向电流路径的某区域上下端的电位差等价。由此，可算出通电用第1电极抵触部位及其附近大致正下方的深度方向上的生物电阻抗。
根据本发明的生物电阻抗测定方法及测定装置，与现有的四电极法一样，仅通过使规定电极粘贴或接触被测者身体的皮肤表面局部，就可测定该皮肤正下方生物内部深度方向的信息，例如皮下脂肪厚度、肌肉组织厚度、骨组织厚度等。另外，可推测关于所谓肌肉组织的脂肪化等肌肉组织健康度、骨质疏松症的行进程度等骨组织健康度、骨髓细胞脂肪化等骨髓组织的健康度等各种健康方针的信息。以前，这种诊断、检测中虽然必需大规模的装置，但根据本发明，可非常简便且高精度地进行同样的诊断、检查，所以减轻了对被测者心理、身体及经济上的负担。另外，还有利于装置的廉价、小型轻量化，所以还适于作为日常健康管理、健康维持用装置。
另外，不单独使用本发明的生物电阻抗测定方法，若与现有的四电极法的测定相组合，则可进行范围非常宽的测定，同时，可大幅度提高体脂肪率等测定结果的精度。不用说，通过与四电极法的组合，对应于对被测者的负担仍与以前一样，装置的成本也几乎不会增加。
附图的简要说明图1是表示本发明生物电阻抗测定方法最基本的电极配置构成的图，(a)是生物表面的俯视图，(b)是(a)中A-A’线截面图，(c)是(b)中主要部分的放大图。
图2是表示图1测定方法中改换电源和检测器的状态图。
图3是表示本发明生物电阻抗测定方法的其它电极配置构成的图。
图4是表示本发明生物电阻抗测定方法的其它电极配置构成的图。
图5是表示本发明生物电阻抗测定方法的其它电极配置构成的图。
图6是表示本发明生物电阻抗测定方法的其它电极配置构成的图。
图7是表示皮下脂肪厚度测定模式的纵向截面图。
图8是表示本发明的生物电阻抗测定方法中配置多个电极情况一实例的图。
图9是表示图8所示构成测定一实例的图。
图10是表示由图9所示测定一实例得到的电位变化的图。
图11是表示图8所示构成测定另一实例的图。
图12是表示本发明的生物电阻抗测定方法中配置多个电极情况另一实例的图。
图13是具备图12所示电极构成的测定装置测定的控制流程图。
图14是表示图13所示测定结果一实例的图。
图15是表示利用本测定方法的测定装置中抵触被测者身体的电极垫构成的图，(a)是俯视图，(b)是(a)中B-B’线截面图。
图16是表示图15所示电极垫一使用形态的图。
图17是表示图15所示电极垫另一使用形态的图。
图18是图8所示多数电极情况下电极垫的构成图。
图1是多数电极情况下另一电极垫的构成图。
图20是表示使用本发明生物电阻抗测定装置的健康管理方针指导装置一测定实例的图。
图21是图20所示健康管理方针指导装置的动作说明图。
图22是表示使用本发明生物电阻抗测定装置的健康管理方针指导装置另一测定实例的图。
图23是表示图22所示健康管理方法指导装置测定动作的流程图。
图24是图22所示健康管理方针指导装置的外观图。
图25是表示便携型健康管理方针指导装置一实例的外观图。
图26是表示其它便携型健康管理方针指导装置的外观图。
图27是表示以前盛行的四电极法的生物电阻抗测定方法原理的截面图。
发明的最佳实施形态[测定方法的一实施例]首先，说明本发明的生物电阻抗测定方法的原理。
图1是表示本发明生物电阻抗测定方法最基本的电极配置构成的图，(a)是生物表面的俯视图，(b)是(a)中A-A’线截面图，(c)是(b)中主要部分的放大图。
高频电流供给用电极，由彼此面积不同的通电用第1电极1a和通电用第2电极1b构成。另一方面，电压测定用电极同样由彼此面积不同的测定用第1电极2a和测定用第2电极2b构成。通电用第1电极1a和测定用第1电极2a都为L2×W大小的薄长方形形状，通电用第2电极1b及测定用第2电极2b都为L1×W大小的薄长方形形状。这里，L1＞＞L2。如图1(a)所示，这四个电极1a、1b、2a、2b配置成基本直线状，并且对于二分通电用第1电极1a与测定用第1电极2a间隙的中心线呈线性对称。通过将各电极如此形成薄长方形状，在由这些电极排列方向(即电极短向)来规定测定条件的同时，确保电极长向必需的充分接触性，避免接触不良，还可降低电极电阻。
在通电用第1电极1a和通电用第2电极1b之间，从高频电源(下面简称为电源)3以规定频率流过电流值为i的恒定电流。另一方面，在测定用第1、第2电极2a、2b之间连接测定电压用的检测器4，测定两电极2a、2b间的电位差。通电用第1电极1a的面积远小于通电用第2电极1b的面积，所以如图1(b)所示，在通电用第1电极1a正下方的生物5的内部，沿深度方向非常集中地流过电流i。另一方面，因为通电用第2电极1b的面积大，所以电流容易稳定到达生物5的深部，在深部，电流沿水平方向一定程度扩散后稳定流动。因此，如图1(b)所示，在电流i的路径中，从阻抗这点看，可看做是存在具有阻抗Zh且沿水平方向延伸的横向部位5b、和具有阻抗Zv且在通电用第1电极1a正下方沿深度方向延伸的纵向部位5c。
由上述流动的电流i，在生物5的内部产生如图1(c)中由虚线所述的描绘等电位线E的电位分布。即，在生物表面存在在纵向部位5c中与深度方向位置等电位的部位。这里，在与深度方向位置P1同一电位的生物表面上的点P2上配置测定用第2电极2b。因此，可由该测定用第2电极2b来测定深度方向位置P1的电位。另一方面，因为测定用第1电极2a非常接近通电用第1电极1a配置，所以可将由测定用第1电极2a测定的电位看做与通电用第1电极1a的抵触位置P3的电位相同。因此，与由测定用第1、第2电极2a、2b测定纵向部位5c的深度方向两端部P1、P3的电位差相同。因此，根据电源3提供的电流i和检测器4检测的电压值，可求出纵向部位5c的生物电阻抗Zv。
总之，若如上所述测定深度方向的生物电阻抗，则不必将通电用电极1a、1b与测定用电极2a、2b配置成完全线性对称。即，电极间距离d也可不相等，通电用第1电极1a与测定用第1电极2a、通电用第2电极1b与测定用第2电极2b的大小也不必分别相同。但是，通过上述那样有意的对称构成，可进行如下测定。
在图1(b)中，若假设通电用第1、第2电极1a、1b夹持部分的生物5的内部状态与测定用第1、第2电极2a、2b夹持部分的生物5的内部状态相同，则如图2所示，即使改换电源3和检测器4也可得到相同的测定结果。因此，在这种条件成立的情况下，可认为改换电源3及检测器4后测定的2次测定结果之差是生物电阻抗Zv的测定误差。因此，例如也可计算2次测定结果的平均，将平均值用作结果。另外，在由其它任何方法来判断可靠性的情况下，也可采用任何看做可靠性高的一方的结果。
另外，即使改换电源3及检测器4来测定，如果生物电阻抗Zv的测定误差小，则称这2次测定结果之差反映生物内部横向部位的生物电阻抗的不同。即，得到相当于图1(b)中横向部位5b和图2中横向部位5d的生物电阻抗Zh、Zh’之差的信息。例如，在通过手腕、脚腕、背骨等电极抵触位置少许差异来测定这些电极正下方组织构成大不相同的身体部位的情况下，可根据上述2次测定结果之差，相对算出体积电阻率等电特性的不同，通过比较法来提高测定对象组织的分析精度。
上述基本的测定方法可作各种变形。图3-图6是表示变形例的电极配置。
图3、图4两个例子利用与图1中所示基本相同的测定原理。即，根据图3的构成，代替直接测定测定用第1、第2电极2a、2b之间的电位差，通过切换开关6，分别测定通电用第2电极1b与测定用第1电极2a之间的电压V1、及通电用第2电极1b与测定用第2电极2b之间的电压V2。不用说，也可不依赖开关6而对于各测定用电极2a、2b分别设置检测器。另外，在图4的实例中，与通电用第2电极1b不同地设置作为对电压V1、V2的基准电位点的测定用第3电极2c。也可改换测定用第3电极2c与通电用第2电极1b的位置。
图5、图6的两个例子代替图3、图4所示改换电压测定点，改变在生物5内部流过高频电流i的路径，分别测定此时同一部位的电压，求出两者的电位差。在构成上，图5相当于对图3的构成改换电源3和检测器4，图6相当于对图4的构成改换电源3和检测器4，但在测定原理上与上述实施例有若干不同。
即，在图5中，一旦开关6倒向下侧，电流从电源3流向通电用第1电极1a与测定用第2电极2b之间，则在生物5的内部形成通过横向部位5b及纵向部位5c的电流路径。此时，由检测器4检测的电压V1可看做是在测定用第2电极2b的位置为基准的通电用第1电极1a抵触部位的电位(之所以这样，是因为非常接近通电用第1电极1a来配置测定用第1电极2a)。
接着，一旦开关6倒向上侧，电流从电源3流向通电用第2电极1b与测定用第2电极2b之间，则在生物5的内部形成通过横向部位5b及沿其横向长向延伸的部位的电流路径。此时，因为纵向部位5c中不流过电流，所以由检测器4检测的电压V2可看做是在测定用第2电极2b的位置为基准的基本作为纵向部位5c最深部的P1的电位。因此，V1-V2由于相当于纵向部位5c的纵向两端部的电位差，由此，与上述各实例一样，可求出纵向部位5c的生物电阻抗Zv。
如上所述，根据本发明的生物电阻抗测定方法，可知可取得生物表面正下方或比其还深部的生物内部在深度方向上的信息。虽然与生物组织的种类(即脂肪组织、骨组织、肌肉组织、血管组织等)无关，可得到各种生物信息，但作为一实例，参照图7来说明将上述生物电阻抗测定用于皮下脂肪厚度的测定中。
图7是表示皮下脂肪厚度测定模块的纵向截面图，在皮肤层10下存在皮下脂肪层11，在皮下脂肪层11下存在肌肉组织层12。这里，将小面积的通电用第1电极1a作为面积AO的圆形电极，进行模型化。假设在通电用第1电极1a的正下方，如图7所示，形成大致圆锥状的电流路径。
若皮下脂肪层11的厚度为Lf，肌肉组织层12中用作电流路径的部位厚度为Lm，则电位差ΔV(若用图1来说，即检测器4的检测电压)如下ΔV＝i·Zv＝ρf·Lf·(i/Af)+ρm·Lm·(i/Am)其中，ρf为皮下脂肪层11的体积电阻率，ρm为肌肉组织层12的体积电阻率。另外，Af、Am分别如图7所示，是上述电流路径的横截面积及底面积。因为横截面积与距电极位置的距离平方成反比，所以有(1/Af)＞(1/Am)。
另外，由以前可知，生物内部组织层中，脂肪层的体积电阻率最高，体积电阻率与肌肉层相比，约高出10倍左右。因此，皮下脂肪层11的体积电阻率ρf与肌肉组织层12的体积电阻率ρm的关系为ρf＞＞ρm。
另外，若LfLm，则有Zvρf·Lf/Af。
其中，ρf为定值，Af由通电用第1电极1a的尺寸A0或通电用电极间的距离等条件来决定(例如，若由圆筒形模型来近似，则AfA0)。因此，可知Zv与Lf成正比，可用生物电阻抗Zv来导出皮下脂肪层11的厚度Lf。
另外，在必需去除皮肤层10的信息的情况下，只要将通电用第1电极1a和与其接近的测定用第1电极2a之间的间隔距离扩大若干即可。理由如下。
皮下脂肪层的厚度虽是用本测定方法最容易测定的生物信息之一，但此外，可得到后述的各种生物信息。
在上述实施例中说明的生物电阻抗测定方法中，通电用电极、测定用电极基本上分别为一对。在图3-图6的实例中，电极虽不必是一对，但共用部分电极，或是设置其它基准电极，基本上是一对。但是，通过进一步发展本测定方法，可容易想到可增加电极数量。例如图1(c)所示，因为在生物5的内部如等电位线E所描绘的那样形成电位斜度，所以根据在生物5的表面从测定用第1电极2a向测定用第2电极2b，可容易推测得到可测定纵向部位5c中深度方向位置各不相同的电位。
图8是表示在通电用第1电极1a与测定用第2电极2b之间配设多个测定用电极的实例。各电极2a、2d、2e、2f、2g、2h、2i尺寸相同(例如L2×W)，但其间隙不一定恒定。在通电用第1、第2电极1a、1b之间流过高频电流，依次改换开关7，分别测定测定用第2电极2b与其它电极2a、2d、2e、2f、2g、2h、2i间的电压，必要时，通过求出电压差，不仅纵向部位5c整体，还可算出部分的生物电阻抗。即，由此，可取得特定深度的生物信息，例如高精度得到皮下脂肪以下的肌肉组织层的信息、血管组织的信息等。
参照图9及图10来说明上述利用多个电极配置构成的测定具体例。图9是在肌肉组织层12的内部存在局部脂肪13的情况实例。图10中示出依次测定如上所述配置在通电用第1电极1a与测定用第2电极2b之间的n个测定用电极电位情况下的电位差分布。在肌肉组织层12的内部存在局部脂肪13的情况时，因为脂肪的电阻率远比其周围肌肉的电阻率大，所以生物内部的电位分布混乱，观测结果如图10所示。由此，除可确认有无存在局部脂肪，还可根据该电位差的变位信息来推测局部脂肪的大小、位置、混入程度等。
另外，图11是表示通过相同构成来推测骨部的内部构造的平衡的实例的图。如图11所示，骨部具有海绵骨15包围骨髓组织14、另外，皮质骨16覆盖其外侧的构造。因为皮质骨16的体积电阻率比肌肉层12及海绵骨15的都高，所以根据由各电极测定的电位分布，可推测皮质骨16的厚度。另外，因为海绵骨15的体积电阻率比皮质层16及骨髓组织14的都低，所以同样可推测海绵骨15的厚度(例如发达程度)。并且，虽然骨髓组织14因老化而脂肪化，但仍可通过体积电阻率不同来推测脂肪化的进行状况。
图8虽是将图1的实施例扩展为多个电极的实例，但当然可通过同样的考虑，对应于图3-图6各例，扩展成多个电极，可得到深度方向的致密生物信息。
另外，作为同样配置多个电极的构成，可测定生物表面中沿水平方向相互不相同位置正下方的深度方向的生物电阻抗。图12是表示这种测定方法一实例的图。开关8切换检测器4对各电极的连接，开关9切换电源3对于各电极的连接。
图13是表示具备图12所示构成的测定装置的一测定方法的控制流程图。一旦开始测定，则首先设m＝1，使开关8、9动作，以便使电源3连接在电极a1上，检测器4连接在电极a2上(步骤S10)。在该状态下，生物内部流过电流，测定电压(步骤S11)，根据结果算出生物电阻抗，并据此来推算脂肪厚度(步骤S12)。此时所得到的是电极a1正下方的脂肪厚度。将结果存储在存储器中(步骤S13)。
接着，判断所有测定是否结束(步骤S14)，若未结束，则返回步骤S10，将m加1后，进行步骤S-13的处理。通过该处理，推算电极a2正下方的脂肪厚度，存储在存储器中。若如此依次边错位通电用电极及测定用电极两者边进行测定，则可得到电极a1-a(n-1)正下方各脂肪厚度。若所有测定结束，则从步骤S14前进到S15，将测定结果显示在显示器上，并从打印机中输出。图14中示出显示一例。因此，通过本测定装置可容易得到生物规定直线上的某区间的脂肪厚度分布。
另外，在上述各测定方法中，通过缩小通电用电极一方的尺寸，可提高生物内部的电流密度。若电流密度过低，则信号的S/N比下降，不能确保充分的测定精度，但相反，若电流密度过高，则担心因电流集中而产生局部生物组织破坏。因此，存在适于适用于生物组织的允许值，满足安全方面和确保S/N比两者的电流密度，若凭本申请发明人的实验或经验，约为1μA/mm2。即，例如在电极尺寸为3mm×22mm时，因为电极面积为66mm2，所以66微安的电流适度。另外，上述允许值还依赖于高频电流的频率，上述约1μA/mm2是对约50kHz频率的允许值。
另外，上述各实施例中虽将电极形成为薄长方形形状，但电极的形状不限于此，也可形成圆形、椭圆形等各种形状。尤其是在使用圆形电极的情况下，图7说明的电极理论分析变容易，适用测定宽度窄的被测定物。
利用上述本发明生物电阻抗测定方法的测定装置当然可采用各种形态或构成，但下面说明几个具体利用形态。
图15是利用本测定方法的测定装置，是表示抵触被测者身体的电极垫20构成的图，(a)是俯视图，(b)是(a)中B-B’线截面图。本例是实施图1中说明的测定方法的粘贴式电极垫的一例。
衬底21是由聚乙烯、聚氯乙烯等绝缘体构成的薄膜片，通过在衬底21上蒸镀碳、氯化银等导电体，形成端子部22及对应于各电极的导电电极基底23、24、25、26。并且，在导电电极基底23、24、25、26上形成凝胶状或导电性橡胶等形成的导电性粘接部27，另外，在导电性粘接部27以外的部位形成绝缘性粘接部28。在端子部22中不设置任何粘接部27、28，露出导电体蒸镀层。另外，虽然绝缘性粘接部28不一定具有粘接性，但通过具有粘接性，该电极垫可确实粘贴在被测者的皮肤上，对于防止错位或剥离有效。
在使用电极垫20时，如图16所示，粘贴电极垫20，使中央宽度窄的电极24、25仅位于被测者的测定部位。另外，如图15(b)及图16所示，由夹钳状连接器30夹持端子部22，使连接器30的接触片31接触端子部22的各端子，将导通其的电缆32引出外部。在图16所示实例中，电极垫20正好粘贴在被测者手腕41的关节部分。一般，手腕的关节部分的皮下脂肪或肌肉组织薄，在皮肤正下方存在骨组织。因此，最适用于获得骨组织的信息。
如此取出到外部的电缆32的末端如图1所示安装电源3及检测器4，在导电电极基底23、24之间流过微弱高频电流，测定导电电极基底25、26之间的电位差，根据电流值与电位差来求出生物电阻抗。根据该生物电阻抗，可研究导电电极基底24、25正下方的生物信息、例如骨质疏松症的进行程度等。
不用说，不仅手腕，还可将电极垫20如上所述抵触被测者的身体各部位来进行各种测定。例如，在想取得骨组织信息的情况下，期望身体部位截面积中骨组织面积所占比例大的部位或骨组织存在于皮肤正下方的部位，除上述手腕外，电极垫也可抵触脚腕、胫部等。另外，在想测定皮下脂肪厚度的情况下，也可将电极垫抵触上腕部、腹部(尤其是横腹部)等。此外，如图17所示，若将电极垫20抵触被测者40背中的腰椎45(严格讲是第3-第4腰椎)正上方，则还可取得关于腰椎45的信息。另外，例如将电极垫抵触大腿部等通常肌肉组织发达的部位，若测定肌肉组织的体积电阻率，则可根据体积电阻率来检查肌肉组织脂肪化(在肌肉组织内部，脂肪进入肌肉状的状态)的进行状态。
另外，图18及图19(a)中示出如图8说明的那样将多个电极排列成阵列状来进行测定情况下使用的电极垫20A的一例。基本构造与图15所示相同，图15中的导电电极垫25的不同点在于在图18及图19(a)中用多个导电电极基底251-256来进行置换。
因此，在端子部22的接点部位多的情况下，如图15实例那样仅从两侧夹持的夹钳状连接器难以定位接点。因此，在图19(a)中，在端子部22一端开口定位用的圆形孔29。另一方面，如图19(b)所示，定位用销33突出设置在连接器30上，当由连接器30夹持端子部22时，定位接触片31与规定端子，使销33贯通孔29，进行确实接触。另外，在图18所示构成中，例如变厚端子部22的衬底21的厚度，增加强度，与所谓的弹性衬底连接用连接器一样，也可利用沿水平方向插入·拔除型的连接器。此时，最好具有在端子部22插入连接器的状态下沿上下方向按压止拔的机构。
下面，作为利用上述电极垫20的测定装置一例，说明测定并显示被测者的体脂肪率用的健康管理方针指导装置。
该健康管理方针指导装置利用适于得到生物内部深度方向信息的本发明的测定方法和主要适于得到生物内部水平方向(四肢、躯干等长向)信息的现有四电极法的组合。根据这种组合，进行以前困难的各种测定，并可格外提高现有的测定精度。例如，通过本测定方法，取得关联骨组织或肌肉组织发育或老化程度的信息，利用这些信息，变更根据现有四电极法的测定结果来推测体脂肪时的各种参数，结果，可提高体脂肪的推测精度。另外，通过本测定方法，测定身体各部的皮下脂肪厚度，将之反馈到现有方法的体脂肪推测中，提高精度。
图20是表示利用健康管理方针指导装置的身体组成测定的一实例。被测者40光脚稍打开两脚部，在两腕也稍离开躯干的状态下仰卧在垫子上。在被测者40的两手腕、两脚腕上分别粘贴具有上述二对电极的电极垫20。从各电极垫20引出的各4条电缆连接在健康管理方针指导装置60上。该健康管理方针指导装置60以进行各种运算处理或控制的CPU61为中心，包含内置多个开关的切换部62、连接在切换部62上的电源3及检测器4、具备键开关等的输入部63、可显示文字信息或图像信息等的显示部64、打印出测定结果等的印刷部65等。
通过该构成可进行如下测定。在图21中如I所示，若控制切换部62，使在粘贴在手腕41上的电极垫20的电极23、24之间连接电源3，在电极25、26之间连接检测器4，则可由CPU61算出手腕41深度方向上的生物电阻抗。另外，如II所示，若控制切换部62，使在粘贴在脚腕42上的电极垫20的电极23、24之间连接电源3，在电极25、26之间连接检测器4，则可由CPU61算出脚腕42深度方向上的生物电阻抗。其它手腕、脚腕也一样。
另一方面，若如III所示，在粘贴在手腕41上的电极垫20的电极23与粘贴在脚腕42上的电极垫20的电极23之间连接电源3，同样在粘贴在手腕41上的电极垫20的电极25与粘贴在脚腕42上的电极垫20的电极25之间连接检测器4，则在手腕与脚腕之间流过电流，由设置在内侧的电极得到基本贯通腕部、躯干及脚部状态下的手腕、脚腕间的电位差。即，可进行现有四电极法的生物电阻抗测定。
CPU61根据内置的控制程序来控制切换部62，例如如上所述切换电源3及检测器4的连接端。另外，每次切换时，控制电源3，使规定电流流入被测者40的体内，此时读取检测器4得到的电压值。另外，基于在一个至多个动作模式下取得的生物电阻抗，根据规定的算法，算出体脂肪率等，将其显示在显示部64中，必要时从印刷部65打印出来。因此，若在被测者40的手腕及脚腕上安装可实现本测定方法的电极垫20，则不仅可实现本测定方法，而且也不成问题地进行现有方法的生物电阻抗测定。
图22是表示使用其它健康管理方针指导装置的身体组成测定的一实例。在该实例中，分别在被测者40一侧的手腕及脚腕上粘贴具备上述两个电极50及51、52及53的电极垫，并在腹部43上粘贴本测定方法的电极垫20。即，安装在手腕、脚腕上的共计4个电极50、51、52、53进行现有四电极法的手腕、脚腕间的生物电阻抗测定。
参照图23的流程图来说明在该健康管理方法指导装置中体脂肪率测定时的动作。首先，作为算出体脂肪时的基础参数，从输入部63输入被测者40的身高、体重、年龄、性别等信息(步骤S1)。例如，一旦操作测定开始键开始实际测定时，则由切换部62将电源3连接在电极50、52之间，将检测器4连接在其内侧的电极51、53之间。由此，通过现有的四电极法来测定手腕-脚腕间的生物电阻抗(步骤S2)。
接着，通过切换部62将电源3连接在电极垫20的一对通电用电极间，将检测器4连接在一对测定用电极间。由此，测定腹部的深度方向上的生物电阻抗(步骤S3)。这反映电极垫20正下方的皮下脂肪厚度。CPU61在使用测定的两组抗的同时，根据对应于最初输入的基础参数的计算式(或算法)来计算体脂肪率(步骤S4)。另外，将结果显示在显示部64上，或从印刷部65中打印出(步骤S5)。因为通过该构成可非常正确地知道被测者的腹部皮下脂肪率，所以也可格外提高体脂肪率的算出自身精度。
图24是上述健康管理方针指导装置外观的一实例。在主体部70的前面设置输入部63、显示部64，从背面引出具备AC适配器72的电源编码器71和电极用电缆73。在电极用电缆73的末端可拆卸地设置上述电极垫20和电极50、51、52、53。
因此，即使将本发明的生物电阻抗测定方法分别单独适用于测定装置中，也可充分得到有意义的重要生物信息，但通过与四电极法等现有测定方法组合后使用，对于取得以前难以测定的生物信息，并改善由现有测定方法得到的信息精度是非常有效的。
另外，虽然上述健康管理方法指导装置规模较大，但若是测定皮下脂肪厚度等目的，则期望较小型处理容易的装置。图25是表示这种便携型健康管理方针指导装置80的一实例的图，(a)是从下面方向看见的本装置80的外观图，(b)是表示本装置80使用状态的图。装置80的主体与电极一体化，在扁平箱形主体81的下面仅突出配置四个电极、即一对通电用电极82、83和一对测定用电极84、85。电极82、83、84、85是不锈钢或氯化银等金属。在主体81的一侧面安装防滑部件86，当把持主体81时难以滑动，同时，在局部设置兼作电源开关的测定开始键87。还在主体81的上面设置显示测定结果用的显示部88。
使用时，检查者90如图25(b)所示，把持便携型健康管理方针指导装置80，将电极82-85压接在被测者91的身体上。此时，测定部位92正好变为中央电极83、84的正下方。因为电极82-85仅从主体81的下面突出，所以电极82-85紧贴在被测者91的皮肤表面，维持适度压接，进行稳定的测定。另外，在检查者90将本装置80压接在被测者91的测定部位92上的状态下，因为可用拇指压下测定开始键87，所以可在简单稳定状态下进行测定。
图26是电极形状与图25实例不同的便携型健康管理方针指导装置80的实例，(a)是从下面方向看见的本装置80的外观图，(b)是本装置80底部的侧面图。在本实例中，各电极82-85是从主体81下面突出的大致コ字形金属线。若将该装置压按在被测者的体表面，则可维持接触面积小的高接触压强，可进行稳定正确的测定。
另外，上述实施例仅是一例，可知在本发明精神范围内可适当进行变更或修正。
权利要求
1.一种生物电阻抗测定方法，根据在生物表面测定的电信号，测定与该生物内部信息关联的生物电阻抗，其特征在于包含具有小接触面积的第1电极及第2电极的一组通电用电极距离规定间隔，抵触生物表面，在该生物内部流过高频电流，对应于该高频电流，测定在作为生物表面的上述第1电极附近的第1部位、与离开该第1部位规定距离或之上的第2部位间产生的电位差，根据该电位差及上述高频电流的电流值，算出上述第1电极的抵触部位及其附近大致正下方深度方向的生物电阻抗。
2.一种生物电阻抗测定装置，根据在生物表面测定的电信号，测定与该生物内部信息关联的生物电阻抗，其特征在于具备a)一组通电用电极，距离规定间隔，抵触生物表面，包含具有电流密度应集中的小接触面积的第1电极及第2电极，b)高频电流供给单元，通过该通电用第1电极及第2电极，在生物内部流过高频电流，c)测定用电极，包含抵触作为生物表面的上述通电用第1电极抵触部位附近的第1电极、和抵触离开该第1电极规定距离或之上位置的第2电极，d)电压测定单元，对应于上述高频电流，测定上述测定用第1电极、第2电极间产生的电位差，e)算出单元，根据该电位差及上述高频电流的电流值，算出上述通电用第1电极的抵触部位及其附近大致正下方深度方向的生物电阻抗。
3.根据权利要求1或2所述的生物电阻抗测定方法及装置，其特征在于上述电位差的测定是得到位于生物表面的抵触上述第1部位的测定用第1电极与抵触上述第2部位的测定用第2电极之间的电压。
4.根据权利要求1或2所述的生物电阻抗测定方法及装置，其特征在于上述电位差的测定以位于生物表面设置在上述第1部位及第2部位以外的第3部位上的电极为基准，分别测定第1部位与第3部位间的电压、第2部位与第3部位间的电压，算出两者的电压差而得到。
5.一种生物电阻抗测定方法，根据在生物表面测定的电信号，测定与该生物内部信息关联的生物电阻抗，其特征在于具有第1测定模式，包含具有小接触面积的第1电极及第2电极的一组通电用电极距离规定间隔，抵触生物表面，通过该第1电极及第2电极，在生物内部流过高频电流，和第2测定模式，通过抵触作为生物表面的、连接上述第1电极与第2电极直线的第1电极侧延长线上的第3电极和上述第2电极，在生物内部流过高频电流，分别对于第1及第2测定模式测定在作为生物表面的上述第1电极附近部位、与上述第2电极抵触部位或其附近部位之间产生的电位，计算两者的电压差，根据该电位差及上述高频电流的电流值，算出上述第1电极的抵触部位及其附近大致正下方深度方向的生物电阻抗。
6.一种生物电阻抗测定装置，根据在生物表面测定的电信号，测定与该生物内部信息关联的生物电阻抗，其特征在于具备a)一组通电用电极，分别距离规定间隔，抵触生物表面，包含具有小的接触面积第1电极、第2电极及第3电极，第3电极抵触作为生物表面的、连接上述第1电极和第2电极直线的第1电极侧延长线上，b)高频电流供给单元，在第1测定模式下，通过通电用第1电极及第2电极，在生物内部流过高频电流，在第2测定模式下，通过通电用第2电极及第3电极，在生物内部流过高频电流，c)测定用电极，包含抵触作为生物表面的上述通电用第1电极附近的第1电极、和抵触上述通电用第2电极的抵触部位或其附近的第2电极，d)电压测定单元，分别对于第1及第2测定模式测定该测定用第1电极、第2电极之间产生的电压，同时求出两者的电压差，e)算出单元，根据该电压差及上述高频电流的电流值，算出上述通电用第1电极的抵触部位及其附近大致正下方深度方向的生物电阻抗。
7.根据权利要求1-6之一所述的生物电阻抗测定方法及装置，其特征在于在生物表面基本直线状配置通电用的多个电极和测定用的多个电极。
8.根据权利要求3所述的生物电阻抗测定方法及装置，其特征在于通电用第1、第2电极及测定用第1、第2电极在生物表面大致配置成直线状，在连接通电用第1电极和第2电极的直线的延长线上，在第1电极最近设置测定用第1电极，保持距该测定用第1电极与通电用第1电极和第2电极间间隔距离大致等间隔距离来设置测定用第2电极，实施第1测定，通过通电用第1电极和第2电极，在生物内部流过电流，测定测定用第1电极、第2电极间的电压，实施第2测定，通过测定用第1电极和第2电极，在生物内部流过电流，测定通电用第1电极、第2电极间的电压，使用第1测定及第2测定的结果，提高通电用第1电极及测定用第1电极与其附近大致正下方深度方向上的生物电阻抗算出精度。
9.根据权利要求3所述的生物电阻抗测定方法及装置，其特征在于通电用第1、第2电极及测定用第1、第2电极在生物表面大致配置成直线状，在连接通电用第1电极和第2电极的直线的延长线上，在第1电极最近设置测定用第1电极，保持距该测定用第1电极与通电用第1电极和第2电极间间隔距离大致等间隔距离来设置测定用第2电极，实施第1测定，通过通电用第1电极和第2电极，在生物内部流过电流，测定测定用第1电极、第2电极间的电压，实施第2测定，通过测定用第1电极和第2电极，在生物内部流过电流，测定通电用第1电极、第2电极间的电压，使用第1测定及第2测定的结果，求出通电用第1电极、第2电极之间及测定用第1电极、第2电极之间大致正下方深部的水平方向上生物电阻抗的不同。
10.根据权利要求1-3或7之一所述的生物电阻抗测定方法及装置，其特征在于在上述测定用第1电极与第2电极之间配置一个以上的其它测定用电极，通过测定这些电极间的电压，测定上述通电用第1电极抵触部位附近大致正下方深度方向上深度位置不同区域的生物电阻抗。
11.根据权利要求1-3或7之一所述的生物电阻抗测定方法及装置，其特征在于在上述测定用第1电极与第2电极之间配置一个以上的其它电极，通过在上述一个以上的其它电极中依次错位设定提供电流用电极和测定电压用电极，测定上述测定用第1电极和第2电极之间大致正下方深度方向上的生物电阻抗分布。
12.根据权利要求2-4或6-11之一所述的生物电阻抗测定装置，其特征在于在同一片状部件的一面中形成上述通电用的多个电极和测定用的多个电极，将该片状部件粘贴在生物表面来进行测定。
13.一种健康管理方针指导装置，使用权利要求2-4或6-11之一所述的生物电阻抗测定装置，其特征在于具备身体组成推测单元，根据上述深度方向上生物电阻抗的测定值，推测关于被测者身体组成的信息，和显示单元，显示该被推测关于身体组成的信息。
14.根据权利要求13所述的健康管理方针指导装置，其特征在于在紧贴生物的面内配置通电用的多个电极和测定用的多个电极，在使该面为一面的壳体内部，内置上述高频电流供给单元、电压测定单元、算出单元、身体组成推测单元，在对上述生物紧贴面以外的面中配备上述显示单元的显示部。
15.、根据权利要求13或14所述的健康管理方针指导装置，其特征在于上述身体组成推测单元是根据生物电阻抗的测定值来推算被测者皮下脂肪层厚度的单元，上述显示单元是显示该推测的脂肪厚度的单元。
16.一种健康管理方针指导装置，使用权利要求2-4或6-11之一所述的生物电阻抗测定装置，其特征在于具备主测定单元，利用四电极法，通过抵触被测者身体表面规定部位的多个电极，向四肢和/或躯干的长向流过电流，测定抵触内侧规定部位的电极间的电压，测定长向的生物电阻抗，和身体组成推测单元，根据该主测定单元的生物电阻抗测定值、身体特定化信息及上述生物电阻抗测定装置的生物深度方向上生物电阻抗的测定值，推测上述被测者的身体组成。
17.根据权利要求16所述的健康管理方针指导装置，其特征在于将上述主测定单元的多个电极的至少一部分兼用作上述生物电阻抗测定装置通电用或测定用的多个电极。
全文摘要
本发明的目的在于简便且高精度测定生物表面正下方的深度方向组织层的信息(脂肪层、肌肉层、骨组织层等)。为此，在本发明的一实施例中，接触生物(5)的表面直线状地配置一对通电用电极(1a)、(1b)和一对测定用电极(2a)、(2b)，以便小面积的测定用电极(2a)最接近在小面积的通电用电极(1a)。在通电用电极(1a)、(1b)之间，从高频电源(3)流过一定电流的状态下，由检测器(4)测定测定用电极(2a)、(2b)之间的电压。因为测定用电极(2a)与通电用电极(1a)接触位置(P3)基本等电位，测定用电极(2b)与生物(5)内部的纵向部位(5c)的最深位置(P1)基本等电位，所以检测器得到纵向部位(5c)上下两端的电位差，根据该电位差与电流值(i)来算出纵向部位(5c)的生物电阻抗(Zv)。
文档编号A61B5/053GK1460005SQ01815900
公开日2003年12月3日 申请日期2001年9月17日 优先权日2000年9月19日
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