JP3819637B2 - 身体組成推計装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、生体電気インピーダンス法に基づいて、主として、除骨重量・脂肪重量、脂肪重量、体脂肪率等、被験者の体脂肪の状態等を推計するための身体組成推計装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
人間の除脂肪重量LBM、脂肪重量FAT等の精密な測定は、主として、二重エネルギX線吸収法(Dual energy X-ray Absorptiometry、以下、簡単に、DXAという)等に代表されるX線を使用する測定装置を用いたり、あるいは水中体重法により行われるが、X線による測定では、装置が大がかりになる上、被爆の虞れがある。また、水中体重法では、浴槽内に被験者が入らねばならず、大変煩雑である。
【0003】
そこで、無被爆下で取り扱える簡易な装置として、生体電気インピーダンス(Bioelectric Impedance)法を利用する身体組成推計装置が普及してきている。この生体電気インピーダンス法では、生体の電気特性が、組織又は臓器の種類によって著しく異なっており、例えば、ヒトの場合、血液の電気抵抗率は150Ω・cm前後であるのに対して、骨や脂肪の電気抵抗率は1〜5kΩ・cmもあることが、利用される。
【0004】
生体電気インピーダンスは、生体中のイオンによって搬送される電流に対する生体の抵抗(レジスタンス)と、細胞膜、組織界面、あるいは非イオン化組織によって作り出される様々な種類の分極プロセスと関連したリアクタンスとから構成される。
細胞1,1,…は、図12に示すように、細胞膜2,2,…によって取り囲まれて成り立っており、この細胞膜2,2,…は、電気的には容量(キャパシタンス)の大きなコンデンサと見ることができる。したがって、生体電気インピーダンスは、図13に示すように、細胞外液抵抗1/Yeのみからなる細胞外液インピーダンスと、細胞内液抵抗1/Yiと細胞膜容量Cmとの直列接続からなる細胞内液インピーダンスとの並列合成インピーダンスと考えることができる。
【0005】
ところで、従来の身体組成推計装置では、手足の表面電極間に流すべき正弦波交流電流の周波数を、電気位相角φが最大になる時の周波数(特性周波数)である略50kHzに固定した状態で、被験者の生体電気インピーダンスを測定する構成となっているため、細胞外液抵抗1/Yeと、細胞内液抵抗1/Yiとを分離して求めることができず、細胞外液インピーダンスと細胞内液インピーダンスとの並列合成インピーダンスに基づいて、しかも、細胞膜の容量成分を含んだ生体電気インピーダンスに基づいて、被験者の体脂肪の状態を推計していたため、除脂肪重量LBM、脂肪重量FAT等の推計精度が余り良くない、という欠点があった。
【0006】
この欠点を解消する手段として、マルチ周波のプローブ電流を生成し、生成しマルチ周波のプローブ電流を被験者の体に投入し、その際の電流及び被験者の被電圧測定表面部位間の電圧を測定し、該被験者の生体電気インピーダンスを測定することにより、細胞外液抵抗1/Ye と、細胞内液抵抗1/Yi とを(細胞膜容量Cmを含まない)純粋な抵抗値として求め、求められた細胞外液抵抗1/Yeと細胞内液抵抗1/Yiとに基づいて、被験者の体脂肪の状態を推計する身体組成推計装置が提供されている(この出願人の出願に係る特開平10−14899号公報等参照)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記出願に係るマルチ周数インピーダンス法によれば、単一周波数(50kHz)を用いたインピーダンス法に較べて明らかに推計精度の向上が認められ、マルチ周数インピーダンス法により推計された脂肪重量とDXAで測定した脂肪重量との相関係数が0.918と高いものの、体重と除脂肪重量との差をとる体脂肪量等の算出には、これで、充分であるとはいえない。
【0008】
この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、除骨重量・脂肪重量を正確に推計できるようにして、脂肪重量及び体脂肪率の推計精度の向上を図ることのできる身体組成推計装置を提供することを第1の目的としている。
また、この発明は、除骨重量・脂肪重量を正確に推計し、骨重量も推定できるようにして、脂肪重量及び体脂肪率の推計精度の向上を図ることのできる身体組成推計装置を提供することを第2の目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
【0020】
請求項1記載の発明は、身体組成推計装置に係り、マルチ周波のプローブ電流を各周波数毎に生成し、生成された前記プローブ電流を被験者の体に投入して、その際に生体に印加される電圧及び生体に流れる電流を測定する生体電気量測定手段と、該生体電気量測定手段からの測定結果に基づいて、前記被験者の体の周波数0時及び周波数無限大時の電気アドミッタンス又は電気インピーダンスを算出する電気アドミッタンス/電気インピーダンス算出手段と、式(10)を用いて、「前記被験者の体重から脂肪重量及び骨重量を除いた重量」であると定義される除骨重量・脂肪重量LEANを推計する除骨重量・脂肪重量推計手段とを備えてなることを特徴としている。
【0021】
LEAN=aY(0)H2 +bY(∞)H2 +cH3 +d …(10)
LEAN:被験者の体の除骨重量・脂肪重量
Y(0):周波数0時の電気アドミッタンス(電気インピーダンスの逆数)
Y(∞):周波数無限大時の電気アドミッタンス(電気インピーダンスの逆数)
H:被験者の身長
a,b,c,d:定数
【0022】
請求項2記載の発明は、請求項1記載の身体組成推計装置に係り、電気アドミッタンス/電気インピーダンス算出手段は、測定された各周波数毎の電気インピーダンス又は電気アドミッタンスに基づいて、最小二乗法の演算手法を駆使して、周波数0時及び周波数無限大時の電気アドミッタンス又は電気インピーダンスにまで外挿されたインピーダンス軌跡又はアドミッタンス軌跡を求め、求められた該インピーダンス軌跡又はアドミッタンス軌跡から、前記被験者の体の周波数0時及び周波数無限大時の電気アドミッタンス又は電気インピーダンスを算出することを特徴としている。
【0023】
請求項3記載の発明は、請求項1記載の身体組成推計装置に係り、前記生体電気量測定手段は、1つが5kHz以下の低周波で、他が200kHz以上の高周波である2周波のプローブ電流を各周波数毎に生成し、生成された前記プローブ電流を被験者の体に投入して、その際に生体に印加されるプローブ電圧及び生体を流れるプローブ電流を各周波数毎に測定するものであり、前記電気アドミッタンス/電気インピーダンス測定手段は、前記測定結果に基づいて、前記低周波及び高周波の電気インピーダンス又は電気アドミッタンスを算出し、算出された前記低周波の電気インピーダンス又は電気アドミッタンスを、前記被験者の体の周波数0時の電気アドミッタンス又は電気インピーダンスであるとみなすと共に、算出された前記高周波の電気インピーダンス又は電気アドミッタンスを、前記被験者の体の周波数無限大時の電気アドミッタンス又は電気インピーダンスであるとみなすものであることを特徴としている。
【0024】
請求項4記載の発明は、請求項1記載の身体組成推計装置に係り、前記除骨重量・脂肪重量推計手段での推計に用いられる、除骨重量・脂肪重量LEANを与える式(10)を構成する前記定数a,b,cは、DXAで測定した除骨重量・脂肪重量LEANを、式(10)をそれぞれ構成するY(0)H2,Y(∞)H2,H3の3つの説明変数で重回帰分析して求めたものであり、かつ、前記定数dは、式(10)の左辺の平均値と、右辺の第1項〜第3項の和の平均値との差から求めたものであることを特徴としている。
【0025】
請求項5記載の発明は、請求項1記載の身体組成推計装置に係り、前記除骨重量・脂肪重量推計手段での推計に用いられる、前記被験者の除骨重量・脂肪重量LEANを与える式(10)を構成する前記定数a,b,cは、男性に対しては、a=98.26±20%、b=306.07±20%、c=0.0029±20%が与えられ、女性に対しては、a=185.69±20%、b=169.41±20%、c=0.0030±20%が与えられ、かつ、前記定数dは、式(10)の左辺の平均値と、式(10)の右辺の第1項〜第3項の和の平均値との差から求めたものであることを特徴としている。
【0026】
請求項6記載の発明は、請求項1乃至5のいずれか1に記載の身体組成推計装置に係り、式(10)に基づいて、前記除骨重量・脂肪重量LEANを推計する除骨重量・脂肪重量推計手段と、式(11)に基づいて、前記被験者の骨重量BMCを推計する骨重量推計手段と、前記被験者の体重と、式(10)から得られた前記除骨重量・脂肪重量LEANと、式(11)から得られた前記骨重量BMCとに基づいて前記被験者の脂肪重量又は体脂肪率を推計する脂肪重量/体脂肪率推計手段とを備えてなることを特徴としている。
【0027】
BMC=eAGE+fH+gW+h …(11)
BMC:被験者の骨重量
AGE:被験者の年齢
H:被験者の身長
W:被験者の体重
e,f,g,h:定数
【0028】
請求項7記載の発明は、請求項6記載の身体組成推計装置に係り、前記骨重量推計手段での推計に用いられる、前記被験者の骨重量BMCを与える式(11)を構成する前記定数e,f,gは、DXAで測定した前記被験者の骨重量BMCを、式(11)をそれぞれ構成するAGE,H,Wの3つの説明変数で重回帰分析して求めたものであり、かつ、前記定数hは、式(11)の左辺の平均値と、右辺の第1項〜第3項の和の平均値との差から求めたものであることを特徴としている。
【0029】
請求項8記載の発明は、請求項6記載の身体組成推計装置に係り、前記被験者の骨重量BMCを与える式(11)を構成する前記定数e,f,gは、男性に対しては、e=2.13±20%、f=22.65±20%、g=46.11±20%が与えられ、女性に対しては、e=−11.37±20%、f=21.03±20%、g=20.98±20%が与えられ、かつ、前記定数hは、式(10)の左辺の平均値と、右辺の第1項〜第3項の和の平均値との差から求めたものであることを特徴としている。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用いて具体的に行う。
図1は、この発明の一実施例である身体組成推計装置の電気的構成を示すブロック図、図2は、同身体組成推計装置の使用状態を模式的に示す模式図、図3は、人体のインピーダンス軌跡を示す図、図4は、人体組織の電気的等価回路図、図5は、周波数無限大時の人体組織の電気的等価回路図、図6は、同身体組成推計装置の動作手順を示すフローチャート、図7は、同身体組成推計装置における表示器の表示例を示す図、図8は、DXAにより求められた除骨重量・脂肪重量LEANと、同身体組成推計装置を用いて求められた除骨重量・脂肪重量LEANとの相関図、図9は、DXAにより求められた骨重量BMCと、同身体組成推計装置を用いて求められた骨重量BMCとの相関図、図10は、DXAにより求められた脂肪重量FATと、同身体組成推計装置を用いて求められた脂肪重量FATとの相関図、また、図11は、DXAにより求められた脂肪重量FATと従来の身体組成推計装置を用いて求められた脂肪重量FATとの相関図である。
【0034】
この例の身体組成推計装置4は、除骨重量・脂肪重量、脂肪重量、体脂肪率等、被験者の体脂肪の状態等を推計する装置に係り、図1及び図2に示すように、被験者の体Eに測定信号としてマルチ周波のプローブ電流Ibを周波数毎に流すための信号出力回路5と、被験者の体Eを流れるマルチ周波のプローブ電流Ibを検出するための電流検出回路6と、被験者の手足間の電圧Vpを検出するための電圧検出回路7と、入力装置としてのキーボード8と、出力装置としての表示器9と、装置各部を制御すると共に、各種演算処理を行うCPU(中央処理装置)10と、CPU10の処理プログラムを記憶するROM11と、各種データを一時記憶するデータ領域及びCPU10の作業領域が設定されるRAM12と、測定時に被験者の手甲部Haや足甲部Leの皮膚表面に導電可能に貼り付けられる4個の表面電極Hp,Hc,Lp,Lcとから概略構成されている。
【0035】
上記キーボード8は、被験者の身長、年齢、体重等を入力するためのテンキーや機能キー、及び操作者(又は被験者)が測定開始/測定終了を指示するための開始/終了スイッチ等を有して構成されている。キーボード8から供給される身長データ、年齢データ、体重データは、図示せぬキーコード発生回路でキーコードに変換されてCPU10に供給される。CPU10は、コード入力された各種操作信号及び身長データ等をRAM12のデータ領域に一時記憶する。
【0036】
上記信号出力回路5は、PIO(パラレル・インタフェース)51、測定信号発生器52及び出力バッファ53から構成されている。測定信号発生器52は、所定の掃引周期で、PIO51を介してCPU10から信号発生指示信号SGが供給されると、周波数が、例えば1kHz〜400kHzの範囲で、かつ、15kHzの周波数間隔で段階変化する測定信号(電流)Iaを、所定の掃引回数Nに亘って、繰り返し生成して、出力バッファ53に入力する。出力バッファ53は、入力される測定信号Iaを定電流状態に保ちながら、マルチ周波のプローブ電流Ibとして表面電極Hcに送出する。この表面電極Hcは、測定時、被験者の手甲部Haに導電可能に貼り付けられ、これにより、100〜800μAの範囲にある電流Ibが被験者の体E(図2)を流れることになる。
【0037】
上記電流検出回路6は、I/V変換器(電流/電圧変換器)61、BPF(バンドパスフィルタ)62、A/D変換器63及びサンプリングメモリ64から概略構成されている。I/V変換器61は、被験者の体E、すなわち被験者の手甲部Ha(図2)に貼り付けられた表面電極Hcと足甲部Leに貼り付けられた表面電極Lcとの間を流れるマルチ周波のプローブ電流Ibを検出して電圧Vbに変換し、変換により得られた電圧VbをBPF62に供給する。BPF62は、入力された電圧Vbのうち、略1kHz〜800kHzの帯域の電圧信号のみを通して、A/D変換器63に供給する。
【0038】
A/D変換器63は、CPU10が発行するデジタル変換指示に従って、アナログの入力電圧Vbをデジタルの電圧信号Vbに変換した後、デジタル化された電圧信号Vbを電流データVbとして、サンプリング周期毎、測定信号Iaの周波数毎にサンプリングメモリ64に格納する。また、サンプリングメモリ64は、SRAMから構成され、測定信号Iaの周波数毎に一時格納されたデジタルの電流データVbを、CPU10の求めに応じて、CPU10に送出する。
【0039】
電圧検出回路7は、差動増幅器71、BPF(バンドパスフィルタ)72、A/D変換器73及びサンプリングメモリ74から構成されている。差動増幅器71は、被験者の体E、すなわち被験者の手甲部Haに貼り付けられた表面電極Hpと足甲部Leに貼り付けられた表面電極Lpとの間の電圧(電位差)を検出する。BPF72は、入力された電圧Vpのうち、略1kHz〜800kHzの帯域の電圧信号のみを通して、A/D変換器73に供給する。
A/D変換器73は、CPU10が発行するデジタル変換指示に従って、アナログの入力電圧Vpをデジタルの電圧信号Vpに変換した後、デジタル化された電圧信号Vpを電圧データVpとして、サンプリング周期毎、測定信号Iaの周波数毎にサンプリングメモリ74に格納する。また、サンプリングメモリ74は、SRAMから構成され、測定信号Iaの周波数毎に一時格納されたデジタルの電圧データVpを、CPU10の求めに応じて、CPU10に送出する。
なお、CPU10は、2つのA/D変換器63,73に対して同一のタイミングでデジタル変換指示を行う。
【0040】
ROM11は、CPU10の処理プログラムとして、主プログラムの他、例えば、インピーダンス算出サブプログラム、インピーダンス軌跡算出サブプログラム、周波数0時・周波数無限大時アドミッタンス決定サブプログラム(以下、単に、アドミッタンス決定サブプログラムという)、除骨重量・脂肪重量推計サブプログラム、骨重量推計サブプログラム、脂肪重量推計サブプログラム、及び体脂肪率推計サブプログラム等を格納する。
各種プログラムは、ROM11からCPU10に読み込まれ、CPU10の動作を制御する。なお、これらのサブプログラムを記録する記録媒体は、ROM11等の半導体メモリに限らず、磁気ディスク、磁気テープ等の磁気的メモリ、ROMやRAM等の半導体メモリ、CD−ROM等の光磁気メモリ、光学的メモリその他の記録媒体であっても良い。
【0041】
ここで、インピーダンス算出サブプログラムは、該サブプログラム記述されたアルゴリズムに従って、CPU10に、サンプリングメモリ64,74に記憶された周波数毎の電流データ及び電圧データを順次読み出して、各周波数についての被験者の生体電気インピーダンスを算出する処理を実行させる。
「従来の技術」欄で説明したように、細胞膜2,2,…は、容量の大きなコンデンサとみることができるため、外部から印加された電流は、周波数の低いときには、図12に実線A,A,…で示すように、細胞外液3のみを流れる。しかし、周波数が高くなるにつれて、細胞膜2,2,…を通って流れる電流が増え、周波数が非常に高くなると、同図に破線B,B,…で示すように、細胞1,1,…内を通って流れるようになる。
【0042】
インピーダンス軌跡算出サブプログラムは、記述されたアルゴリズムに従って、CPU10に、インピーダンス算出サブプログラムの制御の下で得られた各周波数についての被験者の生体電気インピーダンスに基づいて、最小二乗法の演算手法に従って、周波数0時及び周波数無限大時にまで外挿して周波数0から周波数無限大までのインピーダンス軌跡を算出する処理を実行させる。
「従来の技術」欄では、人体の組織を単純な電気的等価回路(図13)で表したが、実際の人体の組織では、いろいろな大きさの細胞が不規則に配置されているので、実際の人体のインピーダンス軌跡は、図3に実線Dで示すように、中心が実軸より上がった円弧となり、電気的等価回路は、図4に示すように、時定数τ=Cmk/Yikが分布している分布定数回路で表される。なお、同図において、1/Yeは細胞外液抵抗、1/Yikは各細胞の細胞内液抵抗、Cmkは各細胞の細胞膜容量を示す。
【0043】
アドミッタンス決定サブプログラムは、記述されたアルゴリズムに従って、CPU10に、インピーダンス軌跡算出サブプログラムの制御の下で得られたインピーダンス軌跡に基づいて、周波数0時の生体電気アドミッタンス(以下、周波数0時アドミッタンスともいう)Y(0)と周波数無限大時の被験者の生体電気アドミッタンス(以下、周波数無限大時アドミッタンスともいう)Y(∞)とを決定する処理を実行させる。
【0044】
ここで、周波数0における生体電気インピーダンスは、細胞外液抵抗と等価となるので、求められた周波数0時アドミッタンスY(0)は、細胞外液抵抗の逆数なのである。また、周波数無限大では、図5に示すように、細胞膜が容量を失い、生体電気インピーダンスは、細胞内液抵抗と細胞外液抵抗との合成抵抗と等価(図5)になる。したがって、周波数無限大時アドミッタンスY(∞)は、細胞内液抵抗と細胞外液抵抗との合成抵抗の逆数なのである。
【0045】
除骨重量・脂肪重量推計サブプログラムは、該サブプログラムに記述されたアルゴリズムに従って、CPU10に、アドミッタンス決定サブプログラムの制御の下で求められた周波数0時アドミッタンスY(0)と、周波数無限大時アドミッタンスY(∞)と、キーボード8を介して入力された被験者の身長Hとに基づいて、具体的には、式(13)を用いて、「被験者の体重から骨重量及び脂肪重量を除いた重量」であると定義される除骨重量・脂肪重量LEANを推計する処理を実行させる。
【0046】
LEAN=aY(0)H2 +bY(∞)H2 +cH3 +d …(13)
Y(0):外挿して得られた周波数0時アドミッタンス[1/Ω]
Y(∞):外挿して得られた周波数無限大時アドミッタンス
H:被験者の身長[cm]
a,b,c,d:定数
【0047】
式(13)は、多数の被験者について予め標本調査を実施した結果得られた除骨重量・脂肪重量LEANの重回帰式であり、男女別に、定数a,b,cは、DXAで測定した除骨重量・脂肪重量LEANをY(0)H2,Y(∞)H2,H3の3つの説明変数で重回帰分析して求められたものであり、この例においては、男性に対しては、a=98.26±20%、b=306.07±20%、c=0.0029±20%が与えられ、女性に対しては、a=185.69±20%、b=169.41±20%、c=0.0030±20%が与えられる。
一方、定数dは、式(13)の左辺の平均値と、右辺の第1項〜第3項の和の平均値との差から求められたものである。
【0048】
また、骨重量推計サブプログラムは、該サブプログラムに記述されたアルゴリズムに従って、CPU10に、キーボード8を介して入力された被験者の年齢AGE、身長H、及び体重Wに基づいて、具体的には、式(14)を用いて、被験者の骨重量BMCを推計する処理を実行させる。
【0049】
BMC=eAGE+fH+gW+h …(14)
AGE:被験者の年齢
H:被験者の身長[cm]
W:被験者の体重[kg]
e,f,g,h:定数
式(14)は、多数の被験者について予め標本調査を実施した結果得られた骨重量BMCの重回帰式であり、定数e,f,gは、DXAで測定した骨重量BMCをAGE,H,Wの3つの説明変数で重回帰分析して求められたものであり、男性に対しては、e=2.13±20%、f=22.65±20%、g=46.11±20%が与えられ、女性に対しては、e=−11.37±20%、f=21.03±20%、g=20.98±20%が与えられる。一方、定数hは、式(2)の左辺の平均値と、右辺の第1項〜第3項の和の平均値との差から求めたものである。
【0050】
また、脂肪重量推計サブプログラムは、該サブプログラムに記述されたアルゴリズムに従って、CPU10に、キーボード8を介し入力された被験者の体重Wと、除骨重量・脂肪重量推計サブプログラムの制御の下で得られた除骨重量・脂肪重量重量LEANと、骨重量推計サブプログラムの制御の下で骨重量BMCとに基づいて、具体的には、式(15)を用いて、被験者の脂肪重量FATを推計する処理を実行させる。
【0051】
FAT=W−(LEAN+BMC) …(15)
W:被験者の体重[kg]
LEAN:被験者の体の除骨重量・脂肪重量[kg]
BMC:被験者の骨重量[kg]
【0052】
また、体脂肪率推計サブプログラムは、該サブプログラムに記述されたアルゴリズムに従って、CPU10に、脂肪重量推計サブプログラムの制御の下で推計された脂肪重量FATと、キーボード8を介して入力された体重Wとに基づいて、具体的には、式(16)を用いて、被験者の体脂肪率%FATを算出する処理を実行させる。
【0053】
%FAT=100FAT/W …(16)
【0054】
RAM12のデータ領域には、さらに、インピーダンス算出サブプログラム等により得られた被験者の生体電気インピーダンスを周波数毎に格納する生体電気インピーダンス記憶領域と、周波数0時アドミッタンスY(0)及び周波数無限大時アドミッタンスY(∞)を記憶するアドミッタンス記憶領域と、キーボード8を介して入力された被験者の身長データを格納する身長データ記憶領域と、キーボード8を介して入力された被験者の年齢を格納する年齢データ記憶領域と、キーボード8を介して入力された被験者の体重を格納する体重データ記憶領域と、除骨重量・脂肪重量記憶領域と、BMC記憶領域と、脂肪重量推計サブプログラムにより得られた脂肪重量を記憶する脂肪重量記憶域と、体脂肪率推計サブプログラムにより得られた体脂肪率を記憶する体脂肪率記憶領域が設定される。
【0055】
表示器9は、例えば、カラー表示が可能な液晶表示パネルからなり、キーボード8からの入力データ、例えば、被験者の身長等やCPU10の演算結果、例えば、除骨重量・脂肪重量、脂肪重量、体脂肪率、インピーダンス軌跡等を表示する。
【0056】
次に、この例の動作について説明する。
まず、測定に先だって、図2に示すように、操作者(又は被験者)が、2個の表面電極Hc,Hpを被験者の手甲部Haに、2個の表面電極Lp,Lcを被験者の同じ側の足甲部Leにそれぞれ当着する、例えば、導電クリームを介して貼り付ける。以下、表面電極について説明する。この貼り付ける表面電極のうち、表面電極Hc,Lcは、それぞれマルチ周波のプローブ電流において、その周期毎に電流流入表面電極及び電流流出表面電極が入れ替わる電極として用いられるものであり、また、表面電極Hp,Lpは、表面電極Hc,Lcから生体へのマルチ周波のプローブ電流の投入により電圧検出部位に発生している電圧を取り出す電極である。表面電極Hp,Lpは、2個の表面電極Hc,Lcのうちの一方が流入表面電極になるときに該流入表面電極よりも上流側であって人体の中心に近い生体表面部位に当着される電極であり、該投入状態において他方は、電流流出表面電極よりも下流側であって人体の中心に近い生体表面部位に当着される電極である。操作者(又は被験者自身)が身体組成推計装置4のキーボード8を操作して、被験者の身長、年齢、体重を入力してRAM12の身長データ記憶領域、年齢データ記憶領域、体重データ記憶領域に記憶させる。
【0057】
次に、操作者(又は被験者自身)が、キーボード8の開始/終了スイッチをオンにすると、これより、CPU10は、図6に示す処理の流れに従って、動作を開始する。まず、ステップSP10において、CPU10は、信号出力回路5の測定信号発生器52に、信号発生指示信号SGを供給する。測定信号発生器52は、CPU10から信号発生指示信号SGを受け取ると、駆動を開始して、全測定時間の間、所定の掃引周期で、周波数が、1kHz〜400kHzの範囲で、かつ、15kHzの周波数間隔で段階変化する測定信号Iaを順次に生成して、出力バッファ53に入力する。出力バッファ53は、入力される測定信号Iaを定電流状態(100〜800μAに範囲の一定値)に保ちながら、順次に周波数を異にして生成されるマルチ周波のプローブ電流Ibとして表面電極Hcに送出する。これにより、定電流Ibが、表面電極Hcから被験者の体Eを流れ、測定が開始される。
【0058】
電流Ibが被験者の体Eに供給されると、電流検出回路6のI/V変換器61において、表面電極Hc,Lcが貼り付けられた手足間を流れるマルチ周波のプローブ電流Ibが検出され、アナログの電圧信号Vbに変換された後、BPF62に供給される。BPF62では、入力された電圧信号Vbの中から1kHz〜800kHzの帯域の電圧信号成分のみが通過を許されて、A/D変換器63へ供給される。A/D変換器63では、供給されたアナログの電圧信号Vbが、デジタルの電圧信号Vbに変換され、電流データVbとして、所定のサンプリング周期毎、測定信号Iaの周波数毎にサンプリングメモリ64に格納される。サンプリングメモリ64では、格納されたデジタルの電流データVbがCPU10の求めに応じて、CPU10に送出される。
【0059】
一方、電圧検出回路7の差動増幅器71において、表面電極Hp,Lpが貼り付けられた手足間で生じた電圧Vpが検出され、BPF72に供給される。BPF72では、入力された電圧信号Vpの中から1kHz〜800kHzの帯域の電圧信号成分のみが通過を許されて、A/D変換器73へ供給される。A/D変換器73では、供給されたアナログの電圧信号Vpが、デジタルの電圧信号Vpに変換され、電圧データVpとして、所定のサンプリング周期毎、測定信号Iaの周波数毎にサンプリングメモリ74に格納される。サンプリングメモリ74では、格納されたデジタルの電圧データVpがCPU10の求めに応じて、CPU10に送出される。CPU10は、プローブ電流Iaの掃引回数が、指定された掃引回数N繰り返す。
【0060】
そして、掃引回数が指定の回数になると、CPU10は、測定を停止する制御を行った後、図6に示すステップSP11へ進み、これより、まず、インピーダンス算出サブプログラムを起動して、両サンプリングメモリ64,74に格納された周波数毎の電流データ及び電圧データを順次読み出して、各周波数についての被験者の生体電気インピーダンス(掃引回数N回の平均値)を算出する。算出した生体電気インピーダンスをRAM12の生体電気インピーダンス記憶領域に格納する。なお、生体電気インピーダンスの算出には、その成分(抵抗及びリアクタンス)の算出も含まれる。次に、CPU10は、インピーダンス軌跡算出サブプログラムを起動して、インピーダンス算出サブプログラムにより得られた各周波数についての被験者の生体電気インピーダンス及びその成分(抵抗及びリアクタンス)に基づいて、最小二乗法を用いるカーブフィッティングの手法に従って、周波数0から周波数無限大までのインピーダンス軌跡を算出する。このようにして算出されたインピーダンス軌跡は、図7(a),(b)に示すように、中心が実軸より上がった円弧となる。
【0061】
次に、CPU10は、アドミッタンス決定サブプログラムに従って、インピーダンス軌跡算出サブプログラムの制御の下で得られたインピーダンス軌跡に基づいて、周波数0時アドミッタンスY(0)と周波数無限大時アドミッタンスY(∞)とを求める。CPU10は、求められた周波数0時アドミッタンスY(0)及び周波数無限大時アドミッタンスY(∞)をRAM12のアドミッタンス記憶領域に格納する。
【0062】
次いで、CPU10は、除骨重量・脂肪重量推計サブプログラムの制御の下で、アドミッタンス決定サブプログラムの制御の下で算出された周波数0時アドミッタンスY(0)と、周波数無限大時アドミッタンスY(∞)と、キーボード8を介して入力された被験者の身長Hとを、式(13)に代入して、被験者の除骨重量・脂肪重量LEANを推計し、推計した被験者の除骨重量・脂肪重量LEANをRAM12の除骨重量・脂肪重量記憶領域に格納する(ステップSP12)。
このように推計された除骨重量・脂肪重量LEANと、DXAにより測定された除骨重量・脂肪重量LEANとの相関を図示したのが、図8である。その相関係数rは、0.802であった。
【0063】
また、CPU10は、骨重量推計サブプログラムの制御の下で、キーボード8を介して入力された年齢AGE、身長H、及び体重Wを、式(14)に代入して、被験者の骨重量BMCを推計し、推計した骨重量BMCをRAM12のBMC記憶領域に格納する。このように推計された骨重量BMCと、DXAにより測定された骨重量BMCとの相関を図示したのが、図9である。その相関係数rは、0.91であった。
【0064】
次に、CPU10は、脂肪重量推計サブプログラムの制御の下で、除骨重量・脂肪重量推計サブプログラムを起動して得られた被験者の除骨重量・脂肪重量LEANと、骨重量推計サブプログラムを起動して得られた骨重量BMCと、キーボード8を介して入力された被験者の体重Wとを、式(15)に代入して、被験者の脂肪重量を推計し、推計された脂肪重量をRAM12の脂肪重量記憶領域に格納する(ステップSP13)。
【0065】
このように推計された脂肪重量FATと、DXAにより測定された脂肪重量FATとの相関(相関係数r=0.937)を、図10に示す。また、比較のために、上記従来の身体組成推計装置を用いて推計された脂肪重量FATと、DXAにより測定された脂肪重量FATとの相関(相関係数r=0.937)を、図11に示す。図10と図11とを比較すれば判るように、従来装置では脂肪重量FATについての相関係数rが0.918であるのに対して、この例の装置によれば、相関係数rが0.937と向上する。
また、CPU10は、体脂肪率推計サブプログラムの制御の下で、脂肪重量推計サブプログラムにより得られた脂肪重量と、キーボード8を介して入力された被験者の体重Wとを、式(16)に代入して、被験者の体脂肪率を推計し、推計された体脂肪率をRAM12の体脂肪率記憶領域に格納する。
【0066】
次に、CPU10は、ステップSP14に進んで、上述の各処理で得られた推計値、すなわち、被験者の除骨重量・脂肪重量、骨重量、脂肪重量、体脂肪率等を表示器9に表示させる。そして、一連の処理を終了する。
このように、この例の構成によれば、除骨重量・脂肪重量LEANを推計する際、被験者の身長Hの3乗の項までが考慮されるので、被験者の体脂肪の状態を一段と正確に推計できる。
加えて、個人差が認められる骨重量BMCを考慮して、被験者の脂肪重量が求められるので、被験者の体脂肪の状態を、さらに、一段と正確に推計できる。
以上の実施例のモデルは細胞膜の抵抗を無限大と仮定している。これは細胞膜の抵抗率は十分に大きいということを根拠にしている。
【0067】
確かに、細胞形状が球形に近い細胞ではこの仮定は正しいとできるが、筋肉繊維細胞のように細長い細胞では、必ずしもこの仮定が通用しないと思われる。なぜなら、繊維細胞の側面は大きな表面積を有するため、例えば細胞膜の抵抗率が大きくても側面の細胞膜の抵抗自体は低下するものと考えられる(抵抗=抵抗率×膜厚/面積)。すなわち、電流は周波数0においても細胞膜を通過するのである。この様子を図14に示す。太線は周波数0での電流パスを示し、点線は周波数無限大での電流パスを示す。図14(a) は普通の細胞の場合であって、周波数が0では細胞内を電流が通過しないので抵抗はもっぱら細胞外液のものである。これに対し、図14(b) は繊維細胞の場合であって、周波数が0であっても細胞膜の抵抗が有限値をとって、細胞の中を電流が流れ、抵抗は細胞内液と細胞外液との合成になる。図15は生体電気インピーダンスの等価回路を示す。図13に示した等価回路に対して容量Cmを細胞膜抵抗Rmでバイパスした形になっている。手足に電極を装着するタイプのインピーダンス計では、インピーダンスに対する寄与は胴体よりも手足(手足の筋肉)の方が圧倒的に大きい。だから前述したモデルでは周波数0において、細胞内を流れている電流も細胞外を流れている電流と見なされ、ECFが過大評価されることが考えられる。
そこで、統計的にECFとICFが1:2になるような有限の細胞膜抵抗Rmを考える。ここでは、細胞膜抵抗Rmは簡単のため男女差のみが存在し、固定値をとるものとする。
【0068】
細胞膜抵抗Rm及び周波数無限大時の電気インピーダンスRinf及び周波数0時の電気インピーダンスRo によって、細胞内抵抗Ricf及び細胞外抵抗Recfは、式(17)に従って導き出せる。
F =1/{Rinf -1−Ro -1}
Ricf={−Rm+(Rm2+4F)0.5}/2
Recf=1/{Rinf -1−Ricf -1} …(17)
F:中間変数
除骨重量・脂肪重量LEANの推定式は式(18)のようになる。
LEAN=A・H2/Recf+B・H2/Ricf+C・HE …(18)
H:被験者の身長[cm]
A,B,C,E:定数
【0069】
ここで、EはLEANの推定式に定数項が含まれないように決定する。このようにEを決定すれば小児のような比較的体格の小さいものへの適応性がでる。
式(18)において、第1項を細胞外液量ECF、第2項を細胞内液量ICFとすると、体水分量TBWは第1項+第2項となるが、細胞外液量ECFの中に第1項と独立である成分がある場合は細胞外液量ECFが過少評価されてしまう。細胞内液量ICFについても同様である。
そこで、これらの抵抗と独立な水分がLEANの中に一定割合で存在し、それらが、1:2の割合でECFとICFとに分割されて存在すると仮定する。その割合はTBW(=ECF+ICF)/FFM(Fat Free Mass:除脂肪体重=体重−脂肪重量)の平均が0.73になるように決定する。すわなち、
【0070】
ECF[g]=A・H2/Recf+D・LEAN
ICF[g]=B・H2/Ricf+2D・LEAN …(19)
前記定数A,B,C,D,E,Rmは、男女別に定め、電極を被験者の同じ側の手首及び足首に付けた場合、表5に示した値の0.5倍乃至2倍が適当である。
【0071】
【表5】
【0072】
以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。
例えば、各種身体組成推計式の回帰係数等の数値は、上述の実施例のものに限らず、必要に応じて、変更可能である。
【0073】
また、上述の実施例では、4個の表面電極Hc,Hp,Lc,Lpのうち、2個の表面電極Hc,Hpを被験者Eの手甲部Haに、残り2個の表面電極Lc,Lpを被験者Eの足甲部Leに、貼り付けるようにしたが、これに限らず、例えば、各2個ずつ、左右の脚又は手に取り付けるようにしても良い。
また、測定信号(電流)Iaの周波数範囲は、1kHz〜400kHzに限定されない。同様に、第1の実施例の場合は周波数の数も複数である限り任意である。また、生体電気インピーダンスを算出した後に、生体電気アドミッタンスを算出する例を示したが、生体電気アドミッタンスを直接算出するようにしても良く、これには、インピーダンス軌跡を算出する代わりに、アドミッタンス軌跡の算出が用いられる。
【0074】
また、上述の第1の実施例では、最小二乗法によるカーブフィッティングの手法を用いて、周波数0時及び無限大時の生体電気インピーダンスを求めるようにしたが、これに限らず、浮遊容量や外来ノイズの影響を他の手段により回避できる場合には、例えば、2周波数(5kHz以下の低周波と、200kHz以上の高周波)のプローブ電流を生成して被験者に投入し、被験者の体の低周波時の生体電気インピーダンス/アドミッタンスを周波数0時の生体電気インピーダンス/アドミッタンスとみなすと共に、被験者の体の高周波時の生体電気インピーダンス/アドミッタンスを周波数無限大時の生体電気インピーダンス/アドミッタンスとみなすようにしても良い。
【0075】
また、出力装置は、表示器に限らず、プリンタを用いても良い。
また、上述の実施例における生体電気インピーダンスの測定に、定電流方式でプローブ電流を生体に投入する例を説明したが、定電圧方式でプローブ電流を生体に投入するようにしても良い。
また、複数の周波数は順次に生成するだけでなく、同時に生成してフィルタ等で周波数分離して測定してもよい。
【0076】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の構成によれば、「前記被験者の体重から脂肪重量及び骨重量を除いた重量」であると定義される除骨重量・脂肪重量LEANを推計する際、被験者の身長Hの3乗の項までが考慮されるので、被験者の体脂肪の状態を一段と正確に推計できる。
【0077】
また、請求項6記載の構成によれば、個人差が認められる骨重量BMCを考慮して、被験者の脂肪重量が求められるので、被験者の体脂肪の状態を、さらに、一段と正確に推計できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例である身体組成推計装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図2】同身体組成推計装置の使用状態を模式的に示す模式図である。
【図3】人体のインピーダンス軌跡を示す図である。
【図4】人体組織の電気的等価回路図である。
【図5】周波数無限大時の人体組織の電気的等価回路図である。
【図6】同身体組成推計装置の動作処理手順を示すフローチャートである。
【図7】同身体組成推計装置における表示器のインピーダンス軌跡の表示例を示す図である。
【図8】DXAにより求められた除骨重量・脂肪重量LEANと、同身体組成推計装置を用いて求められた除骨重量・脂肪重量LEANとの相関図である。
【図9】DXAにより求められた骨重量BMCと、同身体組成推計装置を用いて求められた骨重量BMCとの相関図である。
【図10】DXAにより求められた脂肪重量FATと、同身体組成推計装置を用いて求められた脂肪重量FATとの相関図である。
【図11】従来の身体組成推計装置を用いて求められた脂肪重量FATとDXAにより求められた脂肪重量FATとの相関図である。
【図12】生体の組織を模式的に示す模式図(その1)である。
【図13】生体組織の電気的等価回路図(その1)である。
【図14】生体の組織を模式的に示す模式図(その2)である。
【図15】生体組織の電気的等価回路図(その2)である。
【符号の説明】
4 身体組成推計装置
5 信号出力回路(生体電気量測定手段の一部)
52 測定信号発生器
53 出力バッファ
6 電圧検出回路(生体電気量測定手段の一部)
61 I/V変換器
62 BPF
63 A/D変換器
64 サンプリングメモリ
7 電圧検出回路(生体電気量測定手段の一部)
10 CPU(生体電気量測定手段の一部、電気アドミッタンス/電気インピーダンス算出手段、除骨重量・脂肪重量推計手段、脂肪重量/体脂肪率推計手段)
11 ROM
12 RAM
Hc,Hp,Lc,Lp 表面電極
E 被験者の体
Ha 被験者の手甲部
Le 被験者の足甲部
Ia 測定信号
Ib マルチ周波のプローブ電流
Vp 被験者の手足間の電圧
Claims (8)
- マルチ周波のプローブ電流を各周波数毎に生成し、生成された前記プローブ電流を被験者の体に投入して、その際に生体に印加される電圧及び生体に流れる電流を測定する生体電気量測定手段と、
該生体電気量測定手段からの測定結果に基づいて、前記被験者の体の周波数0時及び周波数無限大時の電気アドミッタンス又は電気インピーダンスを算出する電気アドミッタンス/電気インピーダンス算出手段と、
式(4)を用いて、「前記被験者の体重から脂肪重量及び骨重量を除いた重量」であると定義される除骨重量・脂肪重量LEANを推計する除骨重量・脂肪重量推計手段とを備えてなることを特徴とする身体組成推計装置。
LEAN=aY(0)H2+bY(∞)H2+cH3+d …(4)
LEAN:被験者の体の除骨重量・脂肪重量
Y(0):周波数0時の電気アドミッタンス(電気インピーダンスの逆数)
Y(∞):周波数無限大時の電気アドミッタンス(電気インピーダンスの逆数)
H:被験者の身長
a,b,c,d:定数 - 電気アドミッタンス/電気インピーダンス算出手段は、測定された各周波数毎の電気インピーダンス又は電気アドミッタンスに基づいて、最小二乗法の演算手法を駆使して、周波数0時及び周波数無限大時の電気アドミッタンス又は電気インピーダンスにまで外挿されたインピーダンス軌跡又はアドミッタンス軌跡を求め、求められた該インピーダンス軌跡又はアドミッタンス軌跡から、前記被験者の体の周波数0時及び周波数無限大時の電気アドミッタンス又は電気インピーダンスを算出することを特徴とする請求項1記載の身体組成推計装置。
- 前記生体電気量測定手段は、1つが5kHz以下の低周波で、他が200kHz以上の高周波である2周波のプローブ電流を各周波数毎に生成し、生成された前記プローブ電流を被験者の体に投入して、その際に生体に印加されるプローブ電圧及び生体を流れるプローブ電流を各周波数毎に測定するものであり、
前記電気アドミッタンス/電気インピーダンス測定手段は、前記測定結果に基づいて、前記低周波及び高周波の電気インピーダンス又は電気アドミッタンスを算出し、算出された前記低周波の電気インピーダンス又は電気アドミッタンスを、前記被験者の体の周波数0時の電気アドミッタンス又は電気インピーダンスであるとみなすと共に、算出された前記高周波の電気インピーダンス又は電気アドミッタンスを、前記被験者の体の周波数無限大時の電気アドミッタンス又は電気インピーダンスであるとみなすものであることを特徴とする請求項1記載の身体組成推計装置。 - 前記除骨重量・脂肪重量推計手段での推計に用いられる、除骨重量・脂肪重量LEANを与える式(4)を構成する前記定数a,b,cは、
DXAで測定した除骨重量・脂肪重量LEANを、式(4)をそれぞれ構成するY(0)H2,Y(∞)H2,H3の3つの説明変数で重回帰分析して求めたものであり、かつ、
前記定数dは、式(4)の左辺の平均値と、右辺の第1項〜第3項の和の平均値との差から求めたものであることを特徴とする請求項1記載の身体組成推計装置。 - 前記除骨重量・脂肪重量推計手段での推計に用いられる、前記被験者の除骨重量・脂肪重量LEANを与える式(4)を構成する前記定数a,b,cは、
男性に対しては、a=98.26±20%、b=306.07±20%、c=0.0029±20%が与えられ、
女性に対しては、a=185.69±20%、b=169.41±20%、c=0.0030±20%が与えられ、かつ、
前記定数dは、式(4)の左辺の平均値と、式(4)の右辺の第1項〜第3項の和の平均値との差から求めたものであることを特徴とする請求項1記載の身体組成推計装置。 - 式(4)に基づいて、前記除骨重量・脂肪重量LEANを推計する除骨重量・脂肪重量推計手段と、
式(5)に基づいて、前記被験者の骨重量BMCを推計する骨重量推計手段と、前記被験者の体重と、式(4)から得られた前記除骨重量・脂肪重量LEANと、式(5)から得られた前記骨重量BMCとに基づいて前記被験者の脂肪重量又は体脂肪率を推計する脂肪重量/体脂肪率推計手段とを備えてなることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1に記載の身体組成推計装置。
BMC=eAGE+fH+gW+h …(5)
BMC:被験者の骨重量
AGE:被験者の年齢
H:被験者の身長
W:被験者の体重
e,f,g,h:定数 - 前記骨重量推計手段での推計に用いられる、前記被験者の骨重量BMCを与える式(5)を構成する前記定数e,f,gは、
DXAで測定した前記被験者の骨重量BMCを、式(5)をそれぞれ構成するAGE,H,Wの3つの説明変数で重回帰分析して求めたものであり、かつ、
前記定数hは、式(5)の左辺の平均値と、右辺の第1項〜第3項の和の平均値との差から求めたものであることを特徴とする請求項6記載の身体組成推計装置。 - 前記被験者の骨重量BMCを与える式(5)を構成する前記定数e,f,gは、
男性に対しては、e=2.13±20%、f=22.65±20%、g=46.11±20%が与えられ、
女性に対しては、e=−11.37±20%、f=21.03±20%、g=20.98±20%が与えられ、かつ、
前記定数hは、式(5)の左辺の平均値と、右辺の第1項〜第3項の和の平均値との差から求めたものであることを特徴とする請求項6記載の身体組成推計装置。
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