JP2001333891A - 生体インピーダンス測定装置 - Google Patents
生体インピーダンス測定装置Info
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Abstract
生体インピーダンス測定装置を得る。 【解決手段】 一方の電流供給極31と基準抵抗群38
の一端とを定電流発生器22の一端に接続し、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2
4の一端に接続し、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、他方の電流供給極32と
近接した電圧供給極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22の他端に接続する。
Description
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。
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1
2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。
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。
報に記載されたものは、次のような問題点があった。
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。
−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。
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。
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。
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。
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。
(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。
は、まず、生体に4つの電極を接続した後に、CPU2
8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、CPU2
8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。
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。
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。
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。
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。
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。
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2
2の一端の電位V0が加えられるとしても問題ない。
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。
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。
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。
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。
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2
4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V0
b、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。
8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2
4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。
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3
1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。
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。
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。
したときの回路図である。
きの回路図である。
力との関係を示す図である。
ク図である。
た電流の流れる回路図である。
関係を示す図である。
したときの回路図である。
ときの回路図である。
出力との関係を示す図である。
Claims (2)
- 【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。
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