JP4473397B2

JP4473397B2 - 体脂肪計測装置及び方法

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Publication number: JP4473397B2
Application number: JP2000060088A
Authority: JP
Inventors: 英一木村; 恵美芦辺; 直樹柳井; 元信塩見; 信義安田
Original assignee: Arkray Inc; Kurashiki Spinning Co Ltd
Current assignee: Arkray Inc; Kurashiki Spinning Co Ltd
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 2000-03-06
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2020-03-06
Also published as: JP2001095806A; US6618615B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は人体、動物及び魚を含む動物体の体脂肪を定量するための装置と、人体以外の動物体の体脂肪を定量する方法に関し、特に赤外線を用いて非侵襲的に体脂肪を測定する装置と方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
体脂肪を非侵襲的に測定する方法として、生体に６００〜１１００ｎｍの可視から近赤外領域の光を照射し、体脂肪による吸光度をもとに体脂肪を定量する装置が提案されている（特表平４−５００７６２号公報、特開平１０−９４５２３号公報参照）。
【０００３】
そのうちの一つの方法では、中心波長が６６０〜７４０ｎｍの範囲の可視光を用いる。その理由は、光源として発光ダイオードのような半値幅の広いものを用いるためであり、この波長領域は単位波長当りの吸光度変化が平坦であるために、測定精度の維持、向上に優位となる。そして、発光ダイオードは安価なものが入手できるので、高い精度を維持しながら低コストに実現できるとされている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、人体、動物及び魚を含む動物体を考えた場合、６００〜１１００ｎｍの波長の光に対しては、動物体の構成要素であるヘモグロビンやメラミンなどの組織成分が大きな吸光係数をもっており、それに反して脂肪の吸光係数はこの波長領域では小さい。しかも、測定部位や測定者によって、組織成分の組成が微妙に異なるため、吸光係数の大きいヘモグロビンやメラミンといった組織成分の違いが脂肪率の定量結果に大きな影響を与える。事実、本発明者らの測定によれば、その波長領域ではなく、脂肪の吸収係数のより大きい波長領域においてさえも、皮下脂肪厚と吸光度との間には良好な相関関係は得られず、定量は困難であることが判明した（後述の図７とその説明を参照）。
本発明は、人体、動物及び魚を含む動物体の体脂肪を計測する体脂肪計測装置と、人体以外の動物体の体脂肪を計測する体脂肪計測方法を対象とし、体脂肪の定量精度を高めることを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、脂肪による吸光係数の大きい波長領域で測定するとともに、被測定部位又はその周辺部を圧迫する圧力を２段階に異ならせて測定を行ない、その２つの圧迫状態下での吸光度の差（差吸光度）を求めると、体脂肪と差吸光度との間に相関関係のあることを見いだした。
【０００６】
図１は本発明を概略的に表わしたものである。測光装置２は、１.１〜２.０μｍの波長領域に含まれる赤外線を動物体に照射する投光機構、その光による動物体からの出力光を受光する受光機構、及び動物体への照射光又は動物体からの出力光を分光する分光手段を備えており、動物体による特定波長での吸光度を測定するものである。４は動物体の被測定部位又はその周辺部を圧迫することのできる圧迫機構であり、差吸光度算出手段６は、圧迫機構４による第１の圧力による圧迫状態下での測光装置２による第１の吸光度と、第１の圧力より低圧力の第２の圧力による圧迫状態下又は非圧迫状態下での測光装置２による第２の吸光度とから差吸光度を求める。記憶部８は体脂肪と差吸光度との関係を記憶しており、演算部１０は差吸光度算出手段６により算出された差吸光度から記憶部８に記憶されている関係に基づいて体脂肪を定量して出力する。
【０００７】
体脂肪と差吸光度との関係とは、例えば、既知の手段により測定した体脂肪と、この発明の装置により測定した差吸光度とから求めた相関関係を示す関係式であり、そのような関係式を記憶部８を記憶させておいて定量に供する。
ここで、「体脂肪」の語は、脂肪厚及び脂肪率を含む意味で使用している。
【０００８】
本発明の体脂肪計測方法は、１.１〜２.０μｍの波長領域に含まれる赤外線を人体以外の動物体に照射し、その光による動物体からの出力光を受光して動物体による特定波長での吸光度を測定する測光工程を、第１の圧力による圧迫状態下とそれより低圧力の第２の圧力による圧迫状態下又は非圧迫状態下の２つの状態下で行い、それぞれの状態下で得られた吸光度の差から差吸光度を求め、その差吸光度に基づいて体脂肪を定量する動物体の体脂肪計測方法である。
【０００９】
１.１〜２.０μｍの波長領域は、ヘモグロビンやメラミンの吸光係数が小さくなり、脂肪の吸光係数が大きくなる。したがって、この波長領域での測定は、脂肪の定量には有利である。１.１〜２.０μｍの波長領域では、脂肪以外の組織成分の光吸収もなお存在するが、被測定部位又はその周辺部を圧迫する圧力を２段階に異ならせて測定を行なって差吸光度を求めることにより、その差吸光度に基づいて脂肪を定量することができる。
【００１０】
このように、脂肪の吸光係数の大きい波長領域の選択と、２段階の圧迫状態下での差吸光度により、脂肪の定量精度が高まる。
なお、低圧力側の「圧迫状態」は、低圧力での圧迫のみならず、非圧迫状態も含んだ意味で使用している。
【００１１】
本発明の体脂肪計測装置の測定対象の第１は人体である。皮下脂肪厚さや脂肪率を計測して健康管理などに利用することができる。
本発明の体脂肪計測装置の測定対象の第２は人体以外の動物体、すなわち牛や豚、鯨などの動物や、まぐろ、ぶりなどの魚である。これらの生きた動物体の皮下脂肪厚さや脂肪率を経皮的に計測して、食肉としての品質を評価することができる。また、脂肪した状態での経皮的計測や、さらには解体した状態での計測にも供することができる。
本発明の体脂肪計測方法の測定対象は人体以外の動物体である。この計測方法については、上の本発明の計測装置を用いる場合だけでなく、他の計測装置を用いても実施は可能である。
【００１２】
図２に、牛脂の吸収スペクトルを示す。ａ，ｂ，ｃで示される３つのピークが見られるが、ａとｃは脂肪によるピークであり、ｂは水によるピークである。ピークａのピークトップ波長は１.２１μｍ（８２６４ｃｍ^-1）付近であり、ピークｃのピークトップ波長は１.７２μｍ（５８１４ｃｍ^-1）付近である。そのため、脂肪の吸光度を測定する波長として、１.２１μｍ近傍又は１.７２μｍ近傍の波長を選択するのが好ましい。
【００１３】
また、２波長測定を行なう場合は、吸光度を測定する波長として１.２１μｍ近傍又は１.７２μｍ近傍の第１の波長（測定波長）と、体脂肪の吸収係数の小さい第２の波長（基準波長）との２波長を選択し、差吸光度を求める各圧迫状態での吸光度は、測定波長での吸光度から基準波長での吸光度を差し引いたものとするのが好ましい。
【００１４】
測定波長における吸光度と基準波長における吸光度との吸光度差を用いる理由は次の通りである。一般にスペクトルにはベースラインの変動が生じる。原因としては、装置の温度ドリフト、周囲温度変化、光源の劣化、検出器の温度による感度変化や劣化、測定対象の散乱状態の変化、測定対象への測定プローブの接触具合、測定部位の位置の再現性などが挙げられる。そこで、測定波長における吸光度と基準波長における吸光度との吸光度差を用いると、これらの変動要因が除去され、再現性のよい吸光度を測定することができる。
【００１５】
しかし、本発明は吸光度差を用いる場合に限らず、測定波長における吸光度に基づいて異なる圧迫状態下での差吸光度を求める場合も含んでいる。
圧迫機構４による加圧の第１の圧力は１.０〜３.０ｋＰａ、第２の圧力は１.０ｋＰａ未満とするのが好ましい。測定対象が人体以外の場合には第１の圧力をさらに高圧にしてもよいが、人体が測定対象である場合は苦痛を与えることになるので、あまり高圧にするのは避けた方がよい。
【００１６】
【実施例】
図３は一実施例を表わす。実施例は測定対象物が人体である場合を想定しているが、本発明は他の測定対象物に適用されるものも含んでいる。
テーブル２０上に測定対象物２２である指がその腹をテーブル２０側にして置かれるようになっている。テーブル２０にはプローブ２４が嵌めこまれ、プローブ２４には光ファイバ束２６と２８の先端部が固定され、光ファイバ束２６と２８の先端面がプローブ２４から露出して、テーブル２０上に置かれた測定対象物２２と接触するようになっている。
【００１７】
光ファイバ束２６の基端部は分光器３０に接続され、分光器３０は光源３２からの光を分光して光ファイバ束２６へ導くようになっている。光ファイバ束２６の先端面から測定対象物２２に測定用の赤外線が照射される。光源３２は１.１〜２.０μｍの波長領域に含まれる赤外線を発生するものであり、この波長領域の連続スペクトルを含むものであってもよく、又は不連続な輝線スペクトルを含むものであってもよい。そのような光源としては、タングステン−ハロゲンランプのほか、赤外発光用のＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）などを用いることができる。プローブ２４、光ファイバ束２６及び光源３２は投光機構の一例を構成している。
【００１８】
光ファイバ束２８の先端面には、測定対象物２２に照射されて測定対象物２２内に侵入した赤外線の散乱光が入射する。その光ファイバ束２８の基端部は検出器３４に接続され、検出器３４は光ファイバ束２８により導かれてきた光の強度を検出し、コンピュータ３６へ光データとして送る。検出器３４は測定対象物２２に照射された赤外線の波長に感度をもつものであり、そのような赤外検出器としては、Ｇｅフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオード、ＰｂＳ光導電素子、ＰｂＳｅ光導電素子、ＩｎＡｓ光起電力素子、焦電素子などを用いることができる。プローブ２４、光ファイバ束２８及び検出器３４は受光機構の一例を構成している。
【００１９】
分光器３０はコンピュータ３６により制御されて波長を走査し、スペクトルを測定できるようになっている。実施例では、分光器３０は測定対象物２２に照射される前の光を分光する位置に配置された前分光方式をとっているが、測定対象物２２で散乱された後の光を分光する位置に配置して後分光方式としてもよい。
プローブ２４、光ファイバ束２６，２８、分光器３０、光源３２、検出器３４及びコンピュータ３６により測光装置２を構成し、人体による特定波長での吸光度を測定できるようになっている。
【００２０】
テーブル２０上に置かれた測定対象物２２を圧迫する為に、プローブ２４を含む領域のテーブル２０上にハウジング４０が取りつけられており、ハウジング４０内に置かれた測定対象物２２を圧迫するためにエアパック４２が配置されている。エアパック４２にはエア配管４６を経てエアポンプ４８から空気が送られて、エアパック４２により測定対象物２２を圧迫できるようになっている。エア配管４６には圧力計５０が設けられ、エアパック４２による圧迫圧力を計測する。圧力計５０の圧力計測値はコンピュータ３６に圧力データとして取り込まれ、圧力値が所定値になるように、エアポンプ４８がコンピュータ３６により制御される。これにより、エアパック４２を介して測定対象物２２が所定の圧力で圧迫される。ハウジング４０、エアパック４２、エア配管４６、エアポンプ４８、圧力計５０及びコンピュータ３６は圧迫機構４の一例を構成している。
図１における差吸光度算出手段６、記憶部８及び演算部１０はコンピュータ３６により実現される機能である。
【００２１】
この実施例において、測定対象物２２の指を図のようにテーブル２０上に置き、コンピュータ３６からの指令によりエアポンプ４８からエアパック４２に空気を供給して測定対象物２２の指を所定の圧力、例えば０.２ｋＰａで圧迫する。その状態で、光源３２からの赤外線を分光器３０で分光して光ファイバ束２６を介して測定対象物２２に照射する。測定対象物２２に照射された赤外線は測定対象物２２で散乱した後に光ファイバ束２８に入射し、検出器３４に導かれて検出される。測定対象物２２に照射する赤外線の波長を分光器３０により走査することにより、その圧迫状態下での散乱光スペクトルを得る。
【００２２】
次に、コンピュータ３６からの指令によりエアポンプ４８からエアパック４２にさらに空気を供給して測定対象物２２を先の圧力よりも高圧の所定の圧力、例えば３.０ｋＰａで圧迫し、同様にしてその圧迫状態下での散乱光スペクトルを得る。
この２つの圧迫状態下での散乱光スペクトルを図４に示す。吸収の大きいスペクトル（ａ）は０.２ｋＰａによる低圧力側の圧迫状態でのスペクトル、吸収の小さいスペクトル（ｂ）は３.０ｋＰａによる高圧力側の圧迫状態でのスペクトルである。
【００２３】
この２つの圧迫状態下での散乱光スペクトルの差を求めると、差吸光度スペクトルを得ることができる。図５に、この実施例を用いて脂肪層の厚さの異なる種々の部位で図４のように２段階の圧迫状態下での散乱光スペクトルを測定して求めた差吸光度スペクトルを示す。
差吸光度＝（３ｋＰａ時の吸光度）−（０.２ｋＰａ時の吸光度）
として求めた。さらに、各圧迫状態下での吸光度は２波長法による吸光度差として求めたものであり、１.１５μｍでの吸光度を基準にして１.２１μｍでの吸光度差を求めたものである。すなわち、
吸光度＝（１.２１μｍでの吸光度）−（１.１５μｍでの吸光度）
である。
【００２４】
図６は図５の結果に基づいて、皮下脂肪厚と差吸光度との相関関係を示したものである。皮下脂肪厚さはキャリバで挾んで直接測定した厚さである。
図６の結果から、皮下脂肪厚の測定値のばらつきは大きいものの、皮下脂肪厚と差吸光度の間には相関関係のあることがわかる。このような測定結果から、相関関係を示す関係式を求め、それを記憶部８を記憶させて定量に供することができる。
【００２５】
この結果と比較するために、図６の横軸の差吸光度に代えて、差吸光度を求めるのに用いた２段階の圧迫状態のうちの低圧力側の０.２ｋＰａの圧迫状態下での吸光度を用いて、皮下脂肪厚との相関関係を求めた。その結果を図７に示す。非圧迫状態で測定した場合も同様の結果になる。図７の結果の相関関係は、図６の結果の相関関係に比べて劣っており、本発明により２段階の圧迫状態での吸光度の差を求めることにより、皮下脂肪厚との間の相関関係が改良されることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明では、脂肪の吸光係数の大きい１.１〜２.０μｍの波長領域を用い、被測定部位又はその周辺部を圧迫する圧力を２段階に異ならせて測定を行ない、その２つの圧迫状態下での吸光度の差を求めることにより、体脂肪との相関関係が良好となり、体脂肪の定量精度が高まる。
本発明の計測装置で人体の体脂肪を計測すれば、健康管理に役立つ定量的データを提供することができるようになる。
本発明の計測装置及び計測方法を人体以外の動物体に適用すれば、例えば食肉用の動物や魚を生きた状態で計測して品質を管理することができる。人体以外の動物体の場合には、死亡した状態でも、しかも解体の前後を通して体脂肪を計測する需要がある。そのため、本発明の計測装置及び計測方法は、人体以外の動物体の品質管理に有用な定量的データを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を概略的に示すブロック図である。
【図２】牛脂の吸収スペクトルを示す波形図である。
【図３】一実施例を示す概略構成図である。
【図４】同実施例を用いて測定した２つの圧迫状態下での散乱光スペクトルを示す波形図である。
【図５】同実施例を用いて脂肪層の厚さの異なる種々の部位で散乱光スペクトルを測定して求めた差吸光度スペクトルを示す波形図である。
【図６】同実施例を用いて測定した皮下脂肪厚と差吸光度との相関関係を示す波形図である。
【図７】０.２ｋＰａの圧迫状態下での吸光度と皮下脂肪厚との相関関係を示す波形図である。
【符号の説明】
２測光装置
４圧迫機構
６差吸光度算出手段
８記憶部
１０演算部

Claims

１.１〜２.０μｍの波長領域に含まれる赤外線を人体、動物及び魚を含む動物体に照射する投光機構、その光による動物体からの出力光を受光する受光機構、及び動物体への照射光又は動物体からの出力光を分光する分光手段を備えて動物体による特定波長での吸光度を測定する測光装置と、
動物体の被測定部位又はその周辺部を圧迫する圧迫機構と、
前記圧迫機構による第１の圧力による圧迫状態下での前記測光装置による第１の吸光度と、第１の圧力より低圧力の第２の圧力による圧迫状態下又は非圧迫状態下での前記測光装置による第２の吸光度とから差吸光度を求める差吸光度算出手段と、
体脂肪と差吸光度との関係を記憶している記憶部と、
前記差吸光度算出手段により算出された差吸光度から前記記憶部に記憶されている関係に基づいて体脂肪を定量する演算部とを備えた体脂肪計測装置。
第１の圧力は１.０〜３.０ｋＰａ、第２の圧力は１.０ｋＰａ未満である請求項１に記載の体脂肪計測装置。
吸光度を測定する波長は１.２１μｍ近傍又は１.７２μｍ近傍である請求項１又は２に記載の体脂肪計測装置。
吸光度を測定する波長は１.２１μｍ近傍又は１.７２μｍ近傍の第１の波長と、脂肪の吸収係数の小さい第２の波長との２波長であり、前記差吸光度を求める各圧迫状態での吸光度は、第１の波長での吸光度から第２の波長での吸光度を差し引いたものである請求項１又は２に記載の体脂肪計測装置。
１.１〜２.０μｍの波長領域に含まれる赤外線を人体以外の動物体に照射し、その光による動物体からの出力光を受光して動物体による特定波長での吸光度を測定する測光工程を、第１の圧力による圧迫状態下とそれより低圧力の第２の圧力による圧迫状態下又は非圧迫状態下の２つの状態下で行い、それぞれの状態下で得られた吸光度の差から差吸光度を求め、その差吸光度に基づいて体脂肪を定量することを特徴とする動物体の体脂肪計測方法。