JP5635989B2 - インピーダンス測定回路及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、インピーダンスの測定に関する。具体的に、しかし排他的ではなく、本発明は、表面接触電極を用いるインピーダンス測定に関する。

表面接触電極を用いるインピーダンス測定は、可変且つ未知の接触インピーダンスが存在するという問題を提示する。これは、測定の精度を下げる。接触電極インピーダンス測定は、例えば、皮膚組織のインピーダンス測定で用いられる（いわゆる、バイオインピーダンス測定）。この測定は、モニタリング配置のユーザの身体的又は医学的状態に関する様々な情報をモニタリングするために使用されてよい。

インピーダンス測定のための最も簡単なセットアップは、いわゆる２点セットアップである。これは、図１に示されている。

計測装置１０は、既知の電流Ｉを未知のインピーダンスＺ_Ｘに供給するために用いられる電流源１２を有する。電圧測定デバイス１４を用いる電圧測定は、未知のインピーダンスに比例すると推測される電圧降下を決定する。

しかし、ケーブルのインピーダンスＺ_Ｗも電圧降下及び測定される電圧に十分に寄与し、それにより、測定結果Ｚを改ざんする：

Z=U/I=I×(Z_W+Z_X+Z_W)/I=Z_W+Z_X+Z_W>Z_X

結果として、測定結果Ｚは、真のインピーダンスＺ_Ｘよりも高くなる。このような２点インピーダンス測定セットアップの欠点を回避するために、４点インピーダンス測定セットアップは、付加的な電極対を用いる。

４点測定技術は、図２を参照して説明される。

電流は、２つの給電電極１及び４（これらは、駆動端子と見なされてよい。）を通って供給され、電圧降下は、２つの測定電極２及び３（これらは、測定端子と見なされてよい。）の間で測定される。電圧測定は、非常に高い入力インピーダンスを有する装置（例えば、高入力インピーダンス差動増幅器）により実施され、それにより、電流はほとんど測定電極を流れない。すなわち、それらのケーブル及び接触抵抗は、測定においてほとんど寄与しない。

この配置において、一対の電極は、測定されるインピーダンスに電流を流すために使用され、他の一対の電極は、接続を通じて有意な電流を引き込むことなく、測定のために使用される。

測定電圧Ｕは、未知のインピーダンスＺ_Ｘでの電圧降下Ｕ_Ｘとほぼ同じである。多くの用途に関し、４点インピーダンス測定セットアップは、このようにして十分な精度を提供する。しかし、測定電極２及び３を通る電流フローにより得られる測定には、依然として誤差が存在する。

本発明に従って、電源配置と、電圧測定配置と、プロセッサとを有するインピーダンス測定回路であって、２点測定モード及び４点測定モードで動作可能であり、前記プロセッサは、前記２点測定モード及び前記４点測定モードによる測定電圧を組み合わせることによって、測定されるインピーダンスを導出するよう構成される、インピーダンス測定回路が提供される。

このように、本発明は、２点測定技術及び４点測定技術の結果を組み合わせて、測定精度の改善を提供することができる。特に、２つの測定の結果は、電極抵抗の影響が相殺されることを可能にする。

前記２点測定モードは、測定されるインピーダンスの両端の第１の電圧が、前記測定されるインピーダンスへ及び該測定されるインピーダンスから電流を誘導するために使用される測定端子対を用いて取得されるモードを有し、前記４点測定モードは、前記測定されるインピーダンスの両端の第２の電圧が、前記測定されるインピーダンスへ及び該測定されるインピーダンスから電流を誘導するために使用される前記測定端子対及び他の端子対を用いて取得されるモードを有する。

このように、２つの測定技術は個々には標準的であるが、２点測定モードの２つの電極は４点測定モードのための測定電極として使用される。

望ましくは、第１の端子対と第２の端子対との間で電流源配置の電流出力を切り換えるために、スイッチング配置が設けられる。前記第１の端子対は、２点インピーダンス測定端子を有し、前記第１の端子対及び前記第２の端子対は、全体として、４点インピーダンス測定端子を有する。

前記スイッチング配置は、前記電流源配置の両側に接続されている第１の入力対と、２つの出力対とを有し、前記２つの出力対のうちの第１の出力対は、前記２点インピーダンス測定端子を有し、前記２つの出力対のうちの第２の出力対は、前記４点インピーダンス測定端子を有する。

望ましくは、前記プロセッサは、

Z=Z_fourpoint/[1-(Z_twopoint/Ri)]

を計算することによって、前記測定されるインピーダンスを導出するよう構成され、Z_fourpointは、４点測定電圧から得られる４点インピーダンスであり、Z_twopointは、２点測定電圧から得られる２点インピーダンスであり、Riは、前記電圧測定配置の内部インピーダンスである。

この関係は、電極抵抗の影響を相殺することが分かっている。

本発明は、更に、皮膚インピーダンスを測定するバイオセンサであって、皮膚と接触する４つの接触電極の組と、本発明に従うインピーダンス測定回路とを有するバイオセンサを提供する。

本発明は、更に、２点測定モードにおいて電圧測定を得るステップと、４点測定モードにおいて電圧測定を得るステップと、前記２点測定モード及び前記４点測定モードによる測定電圧を組み合わせることによって、測定されるインピーダンスを導出するステップとを有するインピーダンス測定方法を提供する。

この方法は、皮膚と接触するよう４つの接触電極の組を適用し、２点測定のために前記接触電極のうちの２つを用いて、また、４点測定のために前記接触電極の全てを用いて、当該方法を実行することによって、バイオインピーダンス検知のために使用されてよい。

従来の２点測定技術を説明するために使用される図である。 従来の４点測定技術を説明するために使用される図である。 従来の４点測定技術により生ずる誤差を導出するために使用される図である。 誤差解析に関与する構成要素を示す図３の簡略図である。 本発明の測定技術を説明するために使用される図である。 本発明の測定回路の実施例を示す。

本発明の例を、添付の図面を参照して詳細に記載する。

同じ参照符号は、同じ構成要素を表す場合に、異なる図において使用されることがある。参照符号が特許請求の範囲において使用されている場合に、これは、請求項の理解を改善するためであり、限定を意図しているわけではない。

本発明は、精度の改善を提供するよう２点インピーダンス測定技術及び４点インピーダンス測定技術の結果を組み合わせることによって、これらの測定技術に対する改善を提供する。

本発明は、４点インピーダンス測定プロセスから生じる誤差の解析に基づく。図３は、残留誤差を説明するために用いられ、未知の対象に対してインピーダンス測定を実施する準備ができている４点セットアップを示す。

この例では、バイオインピーダンス測定用途のための本発明の適用性を証明するために、ヒト組織細胞の従来モデルが使用される。

未知のインピーダンスＺは、互いに並列である抵抗Ｒｐ及びキャパシタＣｐと直列な抵抗Ｒｓとしてモデル化される。低周波で、このモデルは細胞インピーダンスＲｓ＋Ｒｐに相当し、より高い周波数ではＲｓに低下する。これは、ここではキャパシタＣｐによって表されているキャパシタとして細胞膜が働くために起こる。

夫々の電極接触１〜４は、キャパシタと並列に接続されている抵抗によってモデル化される。電極は、皮膚の上に置かれている金属板であると考えられてよい。電極及び皮膚表面は、キャパシタの２つのプレートを形成するが、当然、それらは、互いから絶縁されておらず、従って、損失を伴うキャパシタに相当する。損失は、そのキャパシタと並列な抵抗によってモデル化される。

図示されるように、電極１と２、３と４の間の組織を夫々モデル化する抵抗Ｒ_１２及びＲ_３４が存在する。後述されるように、これらの構成要素は、単純な抵抗としてモデル化されるために、寄与しない。電流源は、既知の電流Ｉを端子１及び４に供給する。高い入力インピーダンスＲ_ｉを有する電圧測定装置は、未知のインピーダンスＺの両端の電圧降下を測定する。以下で、測定される電圧Ｕは、不必要な要素の影響を理解するために、分析的に計算される。

既知の電流は、端子１及び４にある電極と抵抗Ｒ_１２及びＲ_３４とを通って変化することなく流れ、それにより、図４に示される簡略図が適用可能である。基本的に、このとき、回路網４０と並列に接続される未知のインピーダンスＺが存在する。回路網４０は、破線内の構成要素を有し、下記の式１のように記述可能である：

回路網全体のインピーダンスＺ_{ｔｏｔａｌ}、すなわち、未知のインピーダンスＺに並列接続されているＺ_ｍに関し、下記の式２が計算可能である：

測定される電圧Ｕは、この全体インピーダンスでの電圧降下の一部であり、下記の式３のように計算可能である：

分母における最後の２つの項、すなわち、Ｒ_２及びＲ_３を有する項は、結果を改ざんする。本発明は、かかる誤差が決定され得るという認識に基づく。それらが知られると、抵抗Ｒ_ｉは計測装置の特性であり、従って、知られていると推測され得るので、未知のインピーダンスＺがより正確に計算され得る。

電極接触品質は測定ごとに様々であるから、上記式におけるＲ_２及びＲ_３を有する項は、知られていないだけでなく可変でもある。多くの用途に関し、それらの誤差項を無視することが可能である。しかし、高い測定精度を必要とする用途では、従来技術で知られているような４点接触セットアップでは不十分である。

高い精度が要求され、且つ、電極接触品質が測定ごとに明確に変化する用途の例には、本出願人によって開発された心不全管理システムがある。投薬を活用して、心不全患者の状態はむしろ安定に保たれる。しかし、時間とともに、投薬は調整される必要があり、もしこれが適切な時期に行われない場合は、患者は、心臓がこれ以上十分に身体に血を巡らせることができない、いわゆる代償不全に陥る。これは、心臓がもはや十分に身体に血を巡らせることができず、液体が四肢や肺に溜まることを意味する。この場合に、費用のかかる入院に至る。

心不全患者を管理する考えは、適時の投薬調整により入院を回避するよう十分早期に肺に溜まっている液体を検出するために、毎日の患者の胸部のバイオインピーダンス測定を含む。４点測定セットアップは、毎日の測定を行うために、及び、セットアップの高い再現性を達成するために、使用され、電極は、ベストのようなものの上に置かれているハーネスに内蔵されている。

胸部における電極の位置がベストを用いて測定のたびに略同じにされ得るとしても、接触圧は測定ごとに不可避的に変化する。従来技術による４点測定がこのような変化する条件下で用いられる場合、心不全管理全体を乱しうる測定結果が生ずる。本発明は、この問題に対する信頼できる解決法を提供するが、当然、より一般的にインピーダンスの正確な測定に対してより一層幅広い用途を有する。

図５は、本発明に従う改善された４点インピーダンス測定セットアップを示す。明らかなように、元のセットアップと比較して、スイッチングユニット５０が設けられており、電流源１２が、従来の４点測定セットアップを実施するように端子１及び４のいずれかへ接続され、あるいは、４点セットアップの２つの測定電極２及び３のみを用いて２点測定を行うように端子２及び３へ接続されることを可能にする。

未知のインピーダンスＺを正確に決定するために、２つのステップを有する手順が与えられる。第１のステップで、電流源がスイッチングユニット５０によって端子２及び３に接続されて、２点測定が行われる。測定される電圧Ｕは、この場合に、次の式４のようになる：

上記式における項Ｚ^＋は、式３における未知の誤差項を記述する。Ｚ^＋に関して式４を解くと、次の式（５）が得られる：

この式は式３に代入される：

式５を取り込むことで、次の式７が得られる：

これは、式７によって、電圧測定回路の内部抵抗Ｒ_ｉが知られている場合に、４点測定の結果が２点測定の結果を用いて補正可能であり、それにより、未知のインピーダンスＺの真の値が得られることを示す。Ｒ_ｉは、純抵抗性の抵抗よりむしろ、複素数であってよい。

手順の第２のステップで、スイッチングユニットは、電流源を端子１及び４に接続して、標準的な４点測定を可能にする。次いで、この４点測定の結果は、２点測定により提案される手順の第１のステップで予め得られる結果を用いて、式７に従って、補正されてよい。当然、２点測定及び４点測定はどちらから行われてもよく、その場合に、結果は、正確なインピーダンス測定を得るために組み合わされる。

インピーダンスＲ_ｉは、機器仕様書から知られてよい。しかし、同じ回路を用いてこの値を測定することも可能である。Ｒ_ｉが未知である場合、未知のインピーダンスＺはセットアップに接続されてよく、次いで、２点測定及び４点測定が行われる。式７を用いて、その場合に、Ｒ_ｉは、２点測定及び４点測定からの結果に基づいて、次の式８に従って計算され得る：

インピーダンスＲ_ｉは計測装置の特性であるから、上記のキャリブレーションステップ、すなわち、未知のインピーダンスＺを接続し、２点測定及び４点測定を行い、そのＲ_ｉを計算することは、一度だけ行われる必要がある。このように、Ｒ_ｉの決定は、最初のキャリブレーション動作の一部であってよい。

後の測定において、上記の２点測定ステップのみが実行される必要がある。すなわち、１ステップにおける２点測定の結果は、他のステップにおける４点測定から得られる結果を補正するために、式７に従って、事前に決定されているＲ_ｉとともに使用される。

２点測定及び４点測定は立て続けに行われるべきであり、それにより、２点測定の測定結果に含まれる電極２及び３に関する情報は、４点測定が実行される時に有効である。

この要件は、２つの測定ステップの自動制御を提供することによって確かにされ、スイッチングユニット５０は、測定をトリガするマイクロコントローラによって制御される。

図６は、システムの概要を与えるブロック図である。

システムは、スイッチング配置５０及び電流源１４を有する。スイッチング配置５０は、電流源１４の両側を、電極２及び３へ（図示）又は付加的な４点電極１及び４へ接続する。スイッチング配置５０は、マイクロコントローラ６０によって制御される。電圧測定は、Ａ／Ｄ変換を有するユニット６２によって実行される。ユニット６２は、電流源１４に対してスイッチング配置５０の反対側にあり、測定電極２及び３の間に接続される。

ユニット６２は、測定結果をマイクロコントローラ６０に与え、マイクロコントローラ６０は、上記のアルゴリズム計算を実施する。

図６は、電極１〜４が適用される身体６４を示し、身体６４は、上記の例では、ユーザの皮膚である。

マイクロコントローラ６０はスイッチングユニット５０を制御するだけでなく、電流源１４も制御する。マイクロコントローラ６０は、このようにして、電流源のパラメータ、例えば、未知のインピーダンスＺに供給される電流の周波数を変更することができる。このように、異なる周波数で一連の測定を行うことが可能であり、これにより、全ての信号測定は、上記の２つのステップ、すなわち、端子２及び３での測定電極の電極接触に関する情報を得るために２点測定を行うステップと、得られた２点測定による結果を用いて結果が補正される４点測定を行うステップとを有する。

本発明の利点は、スイッチングユニットを除いて、余分の構成要素がシステムに導入される必要がないことである。スイッチングユニットは、例えば、リレーであってよいが、電子スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ）が使用されてもよい。

本発明は、精度を改善することによって、従来の４点インピーダンス測定を改善する。本発明の使用の一例は、心不全管理のために行われる測定である。しかし、本発明は、より一般的に、最先端の４点インピーダンス測定に対するアップグレードと見なすことができる。アプローチは、余分の構成要素を最小限しか必要とせずに、電極接触品質の変化により測定誤差を補償する。

スイッチング配置は、電流源と端子との間に示されている。しかし、本発明は、２つの電流源（まとめて「電流源配置」を形成する。）を有して実施されてよい。従って、スイッチング配置は、その場合に、単純に、一方の電流源がオフであるときに他方の電流源をオンされるよう制御し、あるいは、２つの電流源のうちの一方のみを回路に接続されるよう制御する必要がある。このように、スイッチング配置を実施する多くの方法が存在することは明らかであり、重要な要件は、回路が、２点測定及び４点測定が異なる時点に行われ得るように適合されることである。

上記の例は、表面接触電極によるインピーダンスの測定に関する。しかし、本発明は、より一般的にインピーダンス測定に関し、従来の２点及び４点測定技術に対する改善を提供する。本発明の潜在的な用途の例は、上記のバイオインピーダンス検知に加えて、多数のカテゴリに該当する。例えば、下記の通りである。
［ヘルス及びウェルネス用途］
・体脂肪／身体組成の測定
・（例えば、スポーツトレーニング、減量評価、高齢者のための健康問題のための）脱水症の評価
・（ストレス測定又は嘘検出のための）電気皮膚反応／皮膚インピーダンス測定
・救急診療（例えば、胸腔内の内部出血の検出）
・術後の最初の数日間の身体における出血のモニタリング及び検出
［産業用途］
・例えばガスパイプ内における金属の腐食を検出するためのインピーダンス測定。

他にも多くの用途が存在し、これらは当業者にとっては言うまでもない。

上記で与えられた特定のバイオセンシングの例のために使用される電流源は、交流（ＡＣ）電流源である。測定周波数のための典型的な範囲は、その場合に、５ｋＨｚ（キロヘルツ）から１ＭＨｚ（メガヘルツ）である。最大電流は、医用電気機器に関する関連する標準規格ＩＥＣ６０６０１−１で記載されているように、周波数の関数であり、それはまた、医療装置のタイプに依存する。

例えば、電極等の患者との導電接触を有するＢＦと分類される装置に関し、下記の最大値が標準規格によって示されている：
１ｋＨｚより下：最大電流値は０．１ｍＡ（ミリアンペア）、
１ｋＨｚより上：最大電流は、０．１ｍＡにｋＨｚ単位の周波数値を乗じたもの（例えば、１０ｋＨｚ周波数は１ｍＡの最大電流を生じさせる。）。

最大よりも低い電流値が使用され得る。なお、電流が高いほど、信号対雑音比は良い。

回路素子については詳細に記載されていない。スイッチング配置、電流源及び電圧測定回路並びにプロセッサは全て標準的な構成要素であり、当業者は容易に本発明を実施することができる。

種々の変形例が当業者には明らかである。

Claims (10)

1. 電流源と、電圧測定ユニットと、プロセッサとを有するインピーダンス測定回路であって、
   当該回路は、２点測定モード及び４点測定モードで動作可能であり、
   前記プロセッサは、Z=Z_fourpoint/[1-(Z_twopoint/Ri)]に従って、前記２点測定モード及び前記４点測定モードによる測定電圧を組み合わせることによって、測定されるインピーダンスを導出するよう構成され、
   Z_fourpointは、４点測定電圧から得られる４点インピーダンスであり、Z_twopointは、２点測定電圧から得られる２点インピーダンスであり、Riは、前記電圧測定ユニットの内部インピーダンスである、回路。
2. 前記２点測定モードは、測定されるインピーダンスの両端の第１の電圧が、前記測定されるインピーダンスへ及び該測定されるインピーダンスから電流を誘導するために使用される測定端子対を用いて取得されるモードを有し、
   前記４点測定モードは、前記測定されるインピーダンスの両端の第２の電圧が、前記測定されるインピーダンスへ及び該測定されるインピーダンスから電流を誘導するために使用される前記測定端子対及び他の端子対を用いて取得されるモードを有する、
   請求項１に記載の回路。
3. 第１の端子対と第２の端子対との間で前記電流源の電流出力を切り換えるスイッチングユニットを有し、
   前記第１の端子対は、２点インピーダンス測定端子を有し、
   前記第１の端子対及び前記第２の端子対は、全体として、４点インピーダンス測定端子を有する、
   請求項１又は２に記載の回路。
4. 前記スイッチングユニットは、前記電流源の両側に接続されている第１の入力対と、２つの出力対とを有し、
   前記２つの出力対のうちの第１の出力対は、前記２点インピーダンス測定端子を有し、
   前記２つの出力対のうちの第２の出力対は、前記４点インピーダンス測定端子を有する、
   請求項３に記載の回路。
5. 皮膚インピーダンスを測定するバイオセンサであって、
   皮膚と接触する４つの接触電極の組と、
   請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載のインピーダンス測定回路と
   を有するバイオセンサ。
6. ２点測定モードにおいて電圧測定を得るステップと、
   ４点測定モードにおいて電圧測定を得るステップと、
   Z=Z_fourpoint/[1-(Z_twopoint/Ri)]に従って、前記２点測定モード及び前記４点測定モードによる測定電圧を組み合わせることによって、測定されるインピーダンスを導出するステップと
   を有し、
   Z_fourpointは、４点測定電圧から得られる４点インピーダンスであり、Z_twopointは、２点測定電圧から得られる２点インピーダンスであり、Riは、前記電圧測定ユニットの内部インピーダンスである、インピーダンス測定方法。
7. 前記２点測定モードは、測定されるインピーダンスの両端の第１の電圧を、前記測定されるインピーダンスへ及び該測定されるインピーダンスから電流を誘導するために使用される測定端子対を用いて取得するステップを有し、
   前記４点測定モードは、前記測定されるインピーダンスの両端の第２の電圧を、前記測定されるインピーダンスへ及び該測定されるインピーダンスから電流を誘導するために使用される前記測定端子対及び他の端子対を用いて取得するステップを有する、
   請求項６に記載の方法。
8. 第１の端子対と第２の端子対との間で電流源を切り換えるステップを有し、
   前記第１の端子対は、２点インピーダンス測定端子を有し、
   前記第１の端子対及び前記第２の端子対は、全体として、４点インピーダンス測定端子を有する、
   請求項７に記載の方法。
9. 前記内部インピーダンスRiは、既知の基準インピーダンスを用いて当該インピーダンス測定方法を行うことによって取得される、
   請求項６に記載の方法。
10. 皮膚と接触するよう４つの接触電極の組を適用するステップと、
    ２点測定のために前記接触電極のうちの２つを用いて、また、４点測定のために前記接触電極の全てを用いて、請求項６乃至８のうちいずれか一項に記載のインピーダンス測定方法を実行するステップと
    を有する皮膚インピーダンス測定方法。

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