導電率分布画像の生成装置、その方法およびそれを用いた体脂肪測定装置
【課題】測定対象の生体インピーダンスを高精度で測定するインピーダンスＣＴ法を実現し、簡便、安全かつ高精度な導電率分布画像の生成装置および内臓脂肪測定装置を提供する。
【解決手段】測定対象の外周上に環状に２組の電極群（５１ａ，５１ｂ）が配置され、第１の電極群（５１ａ）のうち順次選択される２つの電極間（Ａｉ，Ａｉ＋２）に電流が印加され、第１の電極群の残りの電極（Ａ１，・・・，Ａｉ−１，Ａｉ＋１，Ａｉ＋３，・・・，ＡＮ）および第２の電極群（５２ｂ）のうち前記電流が印加される２つの電極に対応づけられる電極（Ｂｉ，Ｂｉ＋２）における隣接電極の間の電位差が順次測定される。すべての電極位置における電位が測定されるため測定系の誤差が補償されて精度の高い生体インピーダンス測定が可能となる。
【解決手段】測定対象の外周上に環状に２組の電極群（５１ａ，５１ｂ）が配置され、第１の電極群（５１ａ）のうち順次選択される２つの電極間（Ａｉ，Ａｉ＋２）に電流が印加され、第１の電極群の残りの電極（Ａ１，・・・，Ａｉ−１，Ａｉ＋１，Ａｉ＋３，・・・，ＡＮ）および第２の電極群（５２ｂ）のうち前記電流が印加される２つの電極に対応づけられる電極（Ｂｉ，Ｂｉ＋２）における隣接電極の間の電位差が順次測定される。すべての電極位置における電位が測定されるため測定系の誤差が補償されて精度の高い生体インピーダンス測定が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インピーダンスＣＴ法によって測定部位断面の体脂肪分布を画像化し、体脂肪を測定するための導電率分布画像の生成装置、その方法およびそれを用いた体脂肪測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体腹部に蓄積される脂肪は、その蓄積部位から、皮下脂肪と内臓脂肪に大別される。このうち特に内臓脂肪の蓄積は、糖尿病、高血圧、脂質異常症などの病態、およびこれらが重複して発症した病態であるメタボリックシンドロームの誘発因子となることが言われており、健康の維持、増進のために内臓脂肪量の管理の重要性が認識されている。
【０００３】
測定部位断面の脂肪分布を画像化し、皮下脂肪量と内臓脂肪量のそれぞれを区別して測定可能な装置としては、Ｘ線ＣＴ、ＭＲＩ等が知られている。しかしながら、これらの装置はきわめて高価で、装置の維持管理には費用と手間がかかり、さらに隔離された部屋と広い設置床面積を必要とするため規模の大きな装置となる。また、Ｘ線ＣＴの場合には、放射線の被曝が健康被害を及ぼす可能性があり、一般人が健康管理のために日常的に使用するには適さない。
【０００４】
測定部位断面での導電率分布を比較的簡易な装置で画像化する方法としてインピーダンスＣＴ法が知られており、本発明者らはこのインピーダンスＣＴ法を体脂肪測定に応用することに着目した。インピーダンスＣＴ法は、特許文献１に開示されるように、測定部位に電流を流し、その外周表面上に誘起された電位分布から測定部位断面での導電率分布を推定する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３３９６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで特許文献１において、得られた画像から脂肪面積を推定する方法は閾値を上回るか下回るかで二値化している。主な測定対象とする腹部は、人体の中でも断面サイズが比較的大きくかつ脂肪分布が複雑であるため、このような方法で脂肪比率を測定するには、Ｘ線ＣＴに匹敵する十分な解像度が必要となる。
【０００７】
また、生体インピーダンス計測では電極と真皮の接触抵抗による影響を避けるため４電極法を用いる。そのため、腹部をリング状に取り囲む電極を配置し、所定の２つの電極を電流を流すための電極（以下電流電極という。）とし、残りの電極を用いて隣接する電極同士の電位差を測定する。しかし、電流電極近傍の電位を測定することができないため測定精度に限界がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような従来の技術の課題に着目してなされたものであり、本発明によれば、より高精度に生体インピーダンスを測定して、良好なインピーダンス画像を取得し、より正確に内臓脂肪量を推定することができる。
【０００９】
本発明の技術的側面によれば、体脂肪測定装置は、測定対象の外周上に環状に複数の電極位置が規定され、各電極位置に各電極が配置される第１電極群と、 前記各電極位置において前記第１電極群の電極の近傍に各電極が配置される第２電極群と、（ｉ）前記第１電極群のうち順次選択される２つの電極位置の電極を電流電極として選択して電流を印加し、（ｉｉ）すべての電極位置について前記電流電極以外の電極を電位測定電極として選択し、隣接電極位置における前記電位測定電極間の電位差を順次測定するインピーダンス測定手段と、測定結果に基づいて前記測定対象の断面上の導電率分布を算出し、画像化する導電率分布算出手段と、算出された導電率分布に基づいて脂肪量を算出する脂肪量算出手段と、算出された脂肪量を表示する表示手段とを具備することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の他の技術的側面によれば、さらに前記隣接電極位置の前記電位測定電極間の電位差の総和がゼロとなるように前記インピーダンス測定手段の測定誤差が補償されることを特徴とする。
【００１１】
本発明のさらに別の技術的側面によれば、体脂肪測定方法は、測定対象の外周上に環状に規定される複数の電極位置に対して各電極位置に各電極が配置される第１電極群から順次選択された２つの電極間に電流を印加することと、前記各電極位置において前記第１電極群の電極の近傍に各電極が配置される第２電極群と前記第１電極群とからすべての隣接電極位置について前記電流を印加した電極以外の電極を順次選択して電位差を測定することと、前記隣接電極位置の電極間の電位差の総和がゼロとなるように各電位差の測定誤差が補償されることと、補償された各電位差に基づいて前記測定対象の断面上の導電率分布を算出して画像化することと、算出された導電率分布に基づいて脂肪量を算出することとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電極を二段構造とすることにより測定対象の腹部の一周にわたる電位差を万遍なく測定することができるため、キルヒホッフの第２法則を適用することが可能となり、測定回路におけるオフセットや排除が困難な飛来ノイズなどに由来する測定誤差を補償して精度の高いインピーダンス分布を測定することができる。また、誤差補償を自動化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の体脂肪測定装置の構成図。
【図２】インピーダンス測定手段の構成図。
【図３】電極ユニットと回路ユニットの構成図。
【図４】電極群の平面配置図。
【図５】第１電極群と第２電極群の配置を示す斜視図。
【図６】第１電極群と第２電極群を用いたインピーダンス測定の概念図。
【図７】一体型電極部の構成図。
【図８】インピーダンス測定の他の実施形態の概念図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の実施の形態について図１〜図８を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１の実施形態の体脂肪測定装置を示す構成図である。体脂肪測定装置は、被測定体（測定対象）の外周表面上に配置する複数の電極を有する２組の電極群１ａおよび１ｂと、複数の電極のうち順次選択される二つの電極間に電流を流し、残りの電極の電位もしくは電極間の電位差を測定するインピーダンス測定手段２と、電極の位置から被測定体の輪郭情報を計測する輪郭情報測定手段３と、測定された電位または電位差および輪郭情報とから被測定体の測定部位断面上の導電率分布を求める導電率分布算出手段４と、得られた導電率分布に基づいて被測定体の体脂肪量、体脂肪率、内臓脂肪量、皮下脂肪量等を算出する脂肪量算出手段５と、その算出結果を表示する表示手段６とからなる。なお、体脂肪測定装置に含まれる２組の電極群１ａおよび１ｂとインピーダンス測定手段２と輪郭情報測定手段３とは導電率分布画像の生成装置を構成する。
【００１６】
＜電極群の構成＞
図２は電極群とインピーダンス測定手段の構成図である。本実施形態の電極群５１ａ，５１ｂを含む電極部７０は図４に示すような平面図を有する構造をとることができる。リング状の支持板５３上に、複数のエアシリンダ５５ａ，５５ｂがリングの中心を向いて固定され、エアシリンダ５５ａ（５５ｂ）のロッド５６ａ（５６ｂ）の先端には電極５１ａ（５１ｂ）が配置されている。被測定体５０は支持板５３の開閉部５２を開くことによって支持板５１の中心部に入り込み、開閉部５２を閉じた後に測定に供される。
【００１７】
被測定体表面への電極５１ａ（５１ｂ）の接触は、エアシリンダ５５ａ（５５ｂ）に空気圧をかけてロッド５６ａ（５６ｂ）を伸長し、電極５１ａ（５１ｂ）を被測定体表面に押し付けることにより行う。測定部位をたとえば人体腹部とする場合には、被験者を支持板５３の中心に立位で静止させ、支持板５３の高さを被験者の臍高位に合わせることにより被験者の腹部外周上に電極を配置する。
【００１８】
本実施形態の体脂肪測定装置は図５および図６に示すように２組の電極群５１ａ，５１ｂを上下二段のリング状に配置し、任意の２つの電極を電流源たる定電流回路２３と接続する電極（電流電極）として選択し、その近傍に配置された電極を当該電極位置における電圧測定電極として選択することにより、腹部の一周にわたって電位差を測定することができる。本実施形態においては第１電極群５１ａの一対の電極を電流電極として選択し、当該電極位置における電圧測定電極は電流電極に対応する第２電極群５１ｂを選択するものとして説明する。なお、図５において電極５１ａ，５１ｂを支持する構造は省略している。
【００１９】
各電極５１ａ，５１ｂの近傍にはプリアンプ３７ａ，３７ｂが配置され，電極が電圧測定電極として選択された場合にはプリアンプ３７ａ，３７ｂの出力が選択スイッチ群３６を介して差動増幅器２６に出力される。また、電流電極として選択された電極５１ａはスイッチ群２４を介して定電流回路２３の電流源７２ａ，７２ｂに接続されるとともに、選択スイッチ群３６は対応する第２電極群５１ｂを電圧測定電極として選択する。なお、スイッチ群２４の１単位は１対のスイッチからなり、各スイッチは電流源７２ａ，７２ｂのいずれかに接続されて、所定の電流電極を選択する。
【００２０】
第１電極群５１ａは被測定体の外周表面上を取り巻くように複数（Ｎ個）の電極が１次元配置され、第２電極群５１ｂは第１の電極群５１ａの各電極に対応するように複数（Ｎ個）の電極が隣接配置される。電極５１ａ，５１ｂの数Ｎは、測定部位の種類や大きさに応じて適宜選択することができるが、本実施形態においてはＮ＝３２個として説明する。
【００２１】
被験者（測定対象）を導電率が３次元に分布する長形物体（仮想モデル体）とみなしたときに、第１電極群５１ａおよび第２電極群５１ｂは物体の所定の高さ（腹部）で長手方向に直交するように配置される。この場合に、基準の位置（たとえば臍高位）から方位角方向に電極をリング状に実質的に等間隔に配置し、図６に示すように第１の電極群５１ａを｛Ａ１，Ａ２，・・・，Ａｉ−１，Ａｉ，Ａｉ＋１，・・・，ＡＮ｝、第２の電極群５１ｂを｛Ｂ１，Ｂ２，・・・，Ｂｉ−１，Ｂｉ，Ｂｉ＋１，・・・，ＢＮ｝と表すことにする。たとえば、電極Ｂｉは電極Ａｉの近傍に配置され、本実施形態では電極Ａｉに対して長形物体の長手方向に平行な方向（上下方向）の近傍に配置される。したがって、１つの電極位置（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）に第１電極群の電極（Ａｉ）と第２電極群の電極（Ｂｉ）が相互に近傍に配置される。
【００２２】
インピーダンスの精密測定には４電極法によらなければならない。したがって、第１の電極群５１ａのうち電極Ａｉと電極Ａｉ＋２が電流電極として選択された場合には、従来であれば、電極Ａｉ＋１、Ａｉ＋３、Ａｉ＋４、Ａｉ＋５・・・ＡＮ、Ａ１、Ａ２・・・Ａｉ−１のＮ−２個の電極を用いて隣接電極間の電位差を測定していた。ただし、電極位置Ａｉ＋１は両隣りが電流電極のため、実質的に電位差測定に利用しにくい。これに対して、本発明は従来測定できなかった電極Ａｉ−１、Ａｉ、Ａｉ＋１、Ａｉ＋２、Ａｉ＋３の隣接電極間の電位差をそれとほぼ等価なＡｉ−１、Ｂｉ、Ａｉ＋１、Ｂｉ＋２、Ａｉ＋３の隣接電極間の電位差に置き換えて完全な測定を実現することができる。
【００２３】
ここでｉ番目の電極位置にある電極（ＡｉまたはＢｉ）の電位をＶｉ、ｉ＋１番目の電極位置にある電極（Ａｉ＋１またはＢｉ＋１）の電位をＶｉ＋１、これらの電位差をΔＶｉ＝Ｖｉ＋１−Ｖｉと表現すると、隣接電極間電位差の総和はキルヒホッフの第２法則により、
【数１】
【００２４】
が成立する。なお、電極ＡＮ（ＢＮ）の隣接電極はＡＮ−１（ＢＮ−１）とＡ１（Ｂ１）とし、ｉはＮ（＝３２）を法とするものとして解釈する（ＡＮ＝Ａ０）。
【００２５】
この場合、第１電極群の特定の２個の電極Ａｉ、Ａｉ＋２を電流電極として選択すると、他の３０個の電極Ａｉ＋３、Ａｉ＋４、Ａｉ＋５・・・Ａ３２、Ａ１、Ａ２・・・Ａｉ−１、Ａｉ＋１と第２電極群のうち電極Ｂｉ、Ｂｉ＋２が電圧測定電極として選択される。すなわち、第１電極群５１ａから順次選択される２つの電極位置（ｉ，ｉ＋２）の電極を電流電極（Ａｉ，Ａｉ＋２）として選択して電流を印加し、すべての電極位置（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）について電流電極以外の６２個の電極から所定の一対の電極を電位測定電極として選択し、隣接電極位置における前記電位測定電極間の電位差（ΔＶ１〜ΔＶＮ）を順次測定する。
【００２６】
より具体的には、コンピュータ２１に含まれるコントローラに制御されたスイッチ群２４が任意の一対の電極５１ａを電流電極として選択する。スイッチ群２４は図６に例示するように、定電流回路２３の２本の出力線を特定の電極Ａｉ，Ａｉ＋２に選択的に接続するスイッチ群であるが、図２においては簡略化して表現している。
【００２７】
図２には３２対の第１電極群５１ａ、第２電極群５１ｂのうち４対のみが例示されている。マルチプレクサ２７等についても同様である。すなわち、図において上側の２対の電極群のうち第１電極群５１ａの２つの電極がスイッチ群２４により電流電極として選択されてそれぞれ電流源７２ａ，７２ｂに接続され、対応する第２電極群５１ｂの２つの電極がスイッチ群３６により電圧測定電極として選択されている。
【００２８】
また、図において下側の２対の電極群のうち第１電極群５１ａがスイッチ群３６により測定電極として選択されるが、第２電極群５１ｂはインピーダンス測定手段に接続されない。電圧測定はマルチプレクサ２７で測定電極を順次切り換えることにより実行される。
【００２９】
＜電極ユニット＞
図２では定電流回路２３の接続相手の２つの電極５１ａをスイッチ群（マトリックススイッチ）２４のＯＮ／ＯＦＦにより選択するように模式的に表現したが、正弦波発振器２２に基づいて正弦波電流を発生する定電流回路２３を各電極５１ａの近傍に配置し、スイッチ群２４を配置してＯＮ／ＯＦＦを切り換えるように構成してもよい。
【００３０】
図３は、１対の電極群５１ａ，５１ｂを含む電極ユニット４０とこれに接続される回路ユニット４１の一組のみを模式的に表現したものである。
【００３１】
電極ユニット４０は第１電極群５１ａの１つの電極（たとえばＡｉ）とその近傍に配置される第２電極群５１ｂの１つの電極（たとえばＢｉ）および各電極に切り換え可能に接続されるプリアンプ３７ａ，３７ｂを含む。また、スイッチ群２５は図２のスイッチ群２４の断続機能を含み、第１電極群５１ａが電流電極として選択された場合には回路ユニット４１の定電流回路２３の電流を第１電極群５１ａに導き、それ以外の場合には第１電極群５１ａをプリアンプ３７ａの入力に択一的に接続する。また、スイッチ群３６は、第１電極群５１ａが電流電極として選択された場合には第２電極５１ｂに接続されたプリアンプ３７ｂの出力を差動アンプ２６に接続し、それ以外の場合には第１電極５１ａに接続されたプリアンプ３７ａの出力を差動アンプ２６に択一的に接続する。スイッチ群３６で選択された電圧信号はラインｃを経由して回路ユニット４１の差動増幅器２６に出力されるとともにラインｆを介して隣接する回路ユニットの差動増幅器（図示せず）に出力される。
【００３２】
回路ユニット４１は測定系として差動アンプ２６、バッファアンプ４３、および電流刺激系として位相反転器４６、位相選択スイッチ４７、電流源４５を含む。差動増幅器２６はスイッチ群３６で選択された測定電極の電位と、隣接する回路ユニットからラインｅを介して入力された隣接位置の測定電極の電位との電位差を増幅してバッファアンプ４３を介してラインａからマルチプレクサ２７に出力する。また正弦波発振器２２からラインｂを介して正弦波信号が位相反転器４６に入力し、非反転出力と反転出力とがスイッチ４７で選択される。選択された正弦波電圧信号は電圧制御型電流源４５で電圧電流変換されて正弦波電流を発生し、ラインｄを介して電流電極５１ａに出力される。
【００３３】
図３のような電極ユニット４０と回路ユニット４１の構成により定電流回路２３と電流電極とが近接配置されるため周波数特性が改善される。なお、３２組の電極ユニット４０と回路ユニット４１は３２組の電極部７０に組み込まれるように構成してもよい。
【００３４】
＜電位測定＞
全ての隣接電極間電位差ΔＶｉが測定されると（Ｎ回）、任意の電極位置ｉ，ｊ間（ｉ＜ｊ）の電位差ΔＶｉｊは測定で得られた電位差ΔＶｋを用いて、
【数２】
【００３５】
から算出することができる。
【００３６】
被測定体表面で発生した電位は、電極５１ａ，５１ｂを通して差動増幅器２６で増幅され、その出力信号がマルチプレクサ２７を通ってバンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ）２８に導かれる。バンドパスフィルタ２８を通過した信号は、位相検出型アンプ２９に導かれ、移相器３１からのタイミング信号を用いて正弦波発振器２２と同一位相の成分（実部）と９０度位相の遅れた成分（虚部）に分解された後、直流電圧信号に変換される。その後、直流電圧信号がＡ／Ｄ変換器（直流電圧計）３０によってＡ／Ｄ変換され、コンピュータ２１に取り込まれる。
【００３７】
これらの操作をマルチプレクサ２７の接点を移動させて繰り返し、すべての差動増幅器２６からの出力信号を計測する。さらに、スイッチ群２４（２５）を順次切り替えて別の電極間に電流を流し、差動増幅器２６からの出力信号を同様にして計測する。
【００３８】
被測定体５０に電流を印加するための電流電極５１ａは被測定体５０の外周上に配置した電極から適宜選択できる。また、電流電極５１ａの電極間隔は電圧測定のダイナミックレンジ等を考慮して適宜設定できるが、本実施形態ではひとつおきに隣接する２つの電極すなわち隣接電極間隔の２単位分の距離を設定し、２つの電極を被測定体５０の全周のすべての位置（電極位置ｉとｉ＋２）について選択する。この場合には選択される電極位置の組み合わせは、｛（ｉ，ｉ＋２）｝＝｛（１，３），（２，４），（３，５）・・・（Ｎ−２，Ｎ），（Ｎ−１，１），（Ｎ，２）｝とすることができる。
【００３９】
＜測定誤差の補償＞
すでに説明したように、２組の電極群５１ａ，５１ｂを配置したことにより、１周にわたる隣接位置の電極間の電位差の総和が式（１）に示すように常にゼロになることを利用することができる。ところでプリアンプ３７ａ，３７ｂ、差動増幅器２６、ロックインアンプ２９等の測定回路を介して現実に測定される電位差をΔＶｉ’、直流信号を処理するロックインアンプ２９、Ａ／Ｄ変換器３０等で生じる誤差電圧（オフセット電圧等）をｅ、電位差の真値をΔＶｉとすると、生の測定データはΔＶｉ’＝ΔＶｉ＋ｅと表現できる。この誤差電圧ｅには、生体インピーダンスにより生じた電位差とは関係なく電子回路で発生する飛来ノイズも含まれる。すなわち、プリアンプ３７ａ，３７ｂの入力インピーダンスは接触抵抗の影響を極力軽減するために非常に大きいため空中を伝搬する測定周波数と同一の飛来ノイズの影響を受けやすい。
【００４０】
インピーダンス測定からインピーダンス分布の画像を再構成するためには一般に有効数字６桁の精度が必要とされる。したがってわずかな測定誤差があっても高精度な測定には深刻な問題となる。そこで、測定回路系に依存する測定誤差を簡便かつ確実に除去する方法が望まれていた。
【００４１】
発明者らは測定対象５０を一巡する欠けのない本発明の電位差測定法によれば、式（１）より、
【数３】
【００４２】
となるので、
【数４】
【００４３】
により測定誤差ｅが補償され、真値を容易に推定することができることを見いだした。すなわち、各電位差の実測値ΔＶｉ’およびその総和Ｖtotalに基づいてΔＶｉを求めることができ、さらに式（２）より高い精度で任意の電位差ΔＶｉｊを算出することができる。
【００４４】
＜輪郭形状の計測＞
複雑な脂肪分布を画像化するためには楕円等で近似するのでは足りず、現実の測定部位断面の輪郭形状を測定する必要がある。
【００４５】
輪郭情報測定手段３は電極部７０のエアシリンダ５５ａ（５５ｂ）に配置された位置センサ５７ａ（５７ｂ）とコンピュータ（コントローラ）２１とから構成される。エアシリンダ５５ａ（５５ｂ）にはロッド５５ａ（５５ｂ）が駆出された量に応じた電気信号を出力する位置センサ５７ａ（５７ｂ）が取り付けられている。コンピュータ２１は、ロッド５６ａ（５６ｂ）が完全に引き込まれた時の電極の位置情報と位置センサ５７ａ（５７ｂ）によって検出されたロッド５６ａ（５６ｂ）の駆出量情報とから、被測定体５０に接触した状態の電極５１ａ，５１ｂの位置を算出する。したがって、すべてのエアシリンダ５５ａ，５５ｂにおける電極５１ａ（５１ｂ）の位置を検知することにより、被測定体５０の輪郭形状や断面積などが得られる。
【００４６】
図７は１対の電極５１ａ，５１ｂを一体的に構成した電極部７０を示す。電極部７０は輪郭情報測定手段３、電極ユニット（図示せず）、回路ユニット（図示せず）を含んで構成される。１対の電極５１ａ，５１ｂは低摩擦空気シリンダ７５のロッド７６の先端に固定された電極支持部７７に位置固定される。ロッド７６は主軸が被測定体５０の輪郭にほぼ垂直に向かう方向Ａに伸縮自在である。また電極５１ａ，５１ｂの繰り出し量は位置センサ（リニアポテンショメータ）としてのスライド抵抗器７８により検出される。すなわち、電極支持部７７にスライド抵抗器７８の可動部７８ａが位置固定され，抵抗体７８ｂが低摩擦空気シリンダ７５に位置固定されるため、電極５１ａ，５１ｂの繰り出し量が相応する抵抗値に変換されて位置検出される。このように電極部７０を一体として構成することによって構造が簡素化されて小型化することができるとともに、回路部分（電極ユニット４０、回路ユニット４１）を電極近傍に組み込むことによって周波数特性やＳ／Ｎが向上する。
【００４７】
＜導電率分布の算出＞
導電率分布算出手段４はコンピュータおよびそのコンピュータに組み込まれたソフトウエアを含み、取得されたデータに基づいて導電率分布またはインピーダンス分布を算出する。なお、インピーダンス［Ωｍ］は導電率［Ω−１ｍ−１］の逆数でこれらは等価である。
【００４８】
まず、輪郭情報測定手段３によって求められた測定部位断面の輪郭形状ならびに測定部位外周上に配置された電極５１ａ，５１ｂの位置情報に基づいて被測定体５０と同一の輪郭形状を有する仮想モデル面が構成される。次に、仮想モデル面上に初期値として適当な導電率分布を与え、インピーダンス測定手段２による測定と同様の電極間に同様の電流を流したとき、仮想モデル面外周上に発生する電位分布を有限要素法などによって計算する。
【００４９】
算出した電位分布を、インピーダンス測定手段２で実際の被測定体５０に対して測定された電位差ΔＶｉｊと比較し、両者の差（残差）が小さくなるように、仮想モデル面上の導電率分布を修正する。導電率分布を修正した仮想モデル面に対して、同様にして外周の電位分布を計算し、実測値と再度比較する。残差が所定の設定値以下になるまであるいは残差が一定値に収束するまでこれらの操作を反復し、仮想モデル面上に測定部位断面と同一の導電率分布を再現する。二次元的な仮想モデル面の代わりに、長手方向に同一の断面形状を有する三次元的な仮想モデル体を用いてもよい。
【００５０】
＜脂肪量算出＞
脂肪量算出手段５はコンピュータに含まれ、導電率分布算出手段４によりえられた導電率分布画像に基づいて脂肪量を算出する。すなわち、脂肪と筋肉等の非脂肪部分とは導電率が異なるため、導電率の分布が脂肪、筋肉等の分布を反映しているので、たとえば所定のしきい値以下の導電率を有する領域を脂肪領域と判定し、それ以外の領域を非脂肪域と判定し、これらの結果に基づいて脂肪量を算出することができる。本発明には他の脂肪量算出方法も適用することができる。いずれの脂肪量算出方法であっても本発明のインピーダンス測定法によれば脂肪量の推定精度を向上させることができる。
【００５１】
表示手段６は、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等の映像表示装置あるいは紙、フィルム等の印刷媒体への印刷機器を用いることができる。映像表示装置の画面あるいは印刷機器の印刷媒体上には、算出した導電率分布画像や脂肪分布画像を表示したり、被験者のプロフィールなどの入力データや算出した体脂肪量などの出力データの数値および文字情報を表示することができる。
【００５２】
（変更実施形態）
本発明はすでに説明したように、所定の電極位置（ｉ，ｉ＋２）の電流電極が選択された場合に、すべての電極位置（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）について隣接電極間電位差ΔＶｉを測定することを特徴とする。そのため、本実施形態では第１電極群から所定の電極位置の２個の電極を電流電極として選択し、電位測定面を電流電極位置とできるだけ一致させるように順次電圧測定電極を選択した。電流電極近傍の電圧測定電極がジグザグに選択されるためジグザグモードと呼ぶことにする。この場合には図６に示すように、第１電極群の電極５１ａと第２電極群５１ｂから電極ユニット４０および回路ユニット４１を介して電圧測定電極を順次切り換える必要がある。
【００５３】
図８には、電流電極を第１電極群５１ａから順次選択し、電圧測定電極を第２電極群５１ｂから順次選択する変更実施形態を示す。電流電極位置からわずかにずれた平面上に電圧測定電極が配置されるのでパラレルモードと呼ぶことにする。この場合にも全ての電極位置について隣接電極間電位差ΔＶｉを測定するのでキルヒホッフの第２法則を利用することができる。さらに、電極ユニット４０においてスイッチ群２５、３６による電気的接続の切り換え等が不要となるためジグザグモードに比べて回路を簡素化、小型化することができる。
【００５４】
本発明によれば、２組の電極群を用いて測定対象の精密なインピーダンス測定が可能となるため、より高い空間分解能の導電率分布画像や脂肪分布画像を算出することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ａ，１ｂ 電極群
２１ コンピュータ（コントローラ）
２２ 正弦波発振器
２３ 定電流回路
２４，２５，３６ スイッチ群
２６ 差動増幅器
２７ マルチプレクサ
２８ バンドパスフィルター
２９ ロックインアンプ
３０ Ａ／Ｄ変換器
３１ 移相器
３７ａ，３７ｂ プリアンプ
４０ 電極ユニット、 ４１ 回路ユニット
５１ａ 第１電極群、 ５１ｂ 第２電極群
５２ 開閉部
５３ 支持板
５５ａ，５５ｂ，７５ エアシリンダー
５６ａ，５６ｂ，７６ ロッド
５７ａ，５７ｂ，７８ 位置センサ
７０ 電極部
７２ａ，７２ｂ 交流電流源
７７ 電極支持部
７８ スライド抵抗器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インピーダンスＣＴ法によって測定部位断面の体脂肪分布を画像化し、体脂肪を測定するための導電率分布画像の生成装置、その方法およびそれを用いた体脂肪測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人体腹部に蓄積される脂肪は、その蓄積部位から、皮下脂肪と内臓脂肪に大別される。このうち特に内臓脂肪の蓄積は、糖尿病、高血圧、脂質異常症などの病態、およびこれらが重複して発症した病態であるメタボリックシンドロームの誘発因子となることが言われており、健康の維持、増進のために内臓脂肪量の管理の重要性が認識されている。
【０００３】
測定部位断面の脂肪分布を画像化し、皮下脂肪量と内臓脂肪量のそれぞれを区別して測定可能な装置としては、Ｘ線ＣＴ、ＭＲＩ等が知られている。しかしながら、これらの装置はきわめて高価で、装置の維持管理には費用と手間がかかり、さらに隔離された部屋と広い設置床面積を必要とするため規模の大きな装置となる。また、Ｘ線ＣＴの場合には、放射線の被曝が健康被害を及ぼす可能性があり、一般人が健康管理のために日常的に使用するには適さない。
【０００４】
測定部位断面での導電率分布を比較的簡易な装置で画像化する方法としてインピーダンスＣＴ法が知られており、本発明者らはこのインピーダンスＣＴ法を体脂肪測定に応用することに着目した。インピーダンスＣＴ法は、特許文献１に開示されるように、測定部位に電流を流し、その外周表面上に誘起された電位分布から測定部位断面での導電率分布を推定する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３３９６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで特許文献１において、得られた画像から脂肪面積を推定する方法は閾値を上回るか下回るかで二値化している。主な測定対象とする腹部は、人体の中でも断面サイズが比較的大きくかつ脂肪分布が複雑であるため、このような方法で脂肪比率を測定するには、Ｘ線ＣＴに匹敵する十分な解像度が必要となる。
【０００７】
また、生体インピーダンス計測では電極と真皮の接触抵抗による影響を避けるため４電極法を用いる。そのため、腹部をリング状に取り囲む電極を配置し、所定の２つの電極を電流を流すための電極（以下電流電極という。）とし、残りの電極を用いて隣接する電極同士の電位差を測定する。しかし、電流電極近傍の電位を測定することができないため測定精度に限界がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、このような従来の技術の課題に着目してなされたものであり、本発明によれば、より高精度に生体インピーダンスを測定して、良好なインピーダンス画像を取得し、より正確に内臓脂肪量を推定することができる。
【０００９】
本発明の技術的側面によれば、体脂肪測定装置は、測定対象の外周上に環状に複数の電極位置が規定され、各電極位置に各電極が配置される第１電極群と、 前記各電極位置において前記第１電極群の電極の近傍に各電極が配置される第２電極群と、（ｉ）前記第１電極群のうち順次選択される２つの電極位置の電極を電流電極として選択して電流を印加し、（ｉｉ）すべての電極位置について前記電流電極以外の電極を電位測定電極として選択し、隣接電極位置における前記電位測定電極間の電位差を順次測定するインピーダンス測定手段と、測定結果に基づいて前記測定対象の断面上の導電率分布を算出し、画像化する導電率分布算出手段と、算出された導電率分布に基づいて脂肪量を算出する脂肪量算出手段と、算出された脂肪量を表示する表示手段とを具備することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の他の技術的側面によれば、さらに前記隣接電極位置の前記電位測定電極間の電位差の総和がゼロとなるように前記インピーダンス測定手段の測定誤差が補償されることを特徴とする。
【００１１】
本発明のさらに別の技術的側面によれば、体脂肪測定方法は、測定対象の外周上に環状に規定される複数の電極位置に対して各電極位置に各電極が配置される第１電極群から順次選択された２つの電極間に電流を印加することと、前記各電極位置において前記第１電極群の電極の近傍に各電極が配置される第２電極群と前記第１電極群とからすべての隣接電極位置について前記電流を印加した電極以外の電極を順次選択して電位差を測定することと、前記隣接電極位置の電極間の電位差の総和がゼロとなるように各電位差の測定誤差が補償されることと、補償された各電位差に基づいて前記測定対象の断面上の導電率分布を算出して画像化することと、算出された導電率分布に基づいて脂肪量を算出することとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電極を二段構造とすることにより測定対象の腹部の一周にわたる電位差を万遍なく測定することができるため、キルヒホッフの第２法則を適用することが可能となり、測定回路におけるオフセットや排除が困難な飛来ノイズなどに由来する測定誤差を補償して精度の高いインピーダンス分布を測定することができる。また、誤差補償を自動化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の体脂肪測定装置の構成図。
【図２】インピーダンス測定手段の構成図。
【図３】電極ユニットと回路ユニットの構成図。
【図４】電極群の平面配置図。
【図５】第１電極群と第２電極群の配置を示す斜視図。
【図６】第１電極群と第２電極群を用いたインピーダンス測定の概念図。
【図７】一体型電極部の構成図。
【図８】インピーダンス測定の他の実施形態の概念図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の実施の形態について図１〜図８を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の第１の実施形態の体脂肪測定装置を示す構成図である。体脂肪測定装置は、被測定体（測定対象）の外周表面上に配置する複数の電極を有する２組の電極群１ａおよび１ｂと、複数の電極のうち順次選択される二つの電極間に電流を流し、残りの電極の電位もしくは電極間の電位差を測定するインピーダンス測定手段２と、電極の位置から被測定体の輪郭情報を計測する輪郭情報測定手段３と、測定された電位または電位差および輪郭情報とから被測定体の測定部位断面上の導電率分布を求める導電率分布算出手段４と、得られた導電率分布に基づいて被測定体の体脂肪量、体脂肪率、内臓脂肪量、皮下脂肪量等を算出する脂肪量算出手段５と、その算出結果を表示する表示手段６とからなる。なお、体脂肪測定装置に含まれる２組の電極群１ａおよび１ｂとインピーダンス測定手段２と輪郭情報測定手段３とは導電率分布画像の生成装置を構成する。
【００１６】
＜電極群の構成＞
図２は電極群とインピーダンス測定手段の構成図である。本実施形態の電極群５１ａ，５１ｂを含む電極部７０は図４に示すような平面図を有する構造をとることができる。リング状の支持板５３上に、複数のエアシリンダ５５ａ，５５ｂがリングの中心を向いて固定され、エアシリンダ５５ａ（５５ｂ）のロッド５６ａ（５６ｂ）の先端には電極５１ａ（５１ｂ）が配置されている。被測定体５０は支持板５３の開閉部５２を開くことによって支持板５１の中心部に入り込み、開閉部５２を閉じた後に測定に供される。
【００１７】
被測定体表面への電極５１ａ（５１ｂ）の接触は、エアシリンダ５５ａ（５５ｂ）に空気圧をかけてロッド５６ａ（５６ｂ）を伸長し、電極５１ａ（５１ｂ）を被測定体表面に押し付けることにより行う。測定部位をたとえば人体腹部とする場合には、被験者を支持板５３の中心に立位で静止させ、支持板５３の高さを被験者の臍高位に合わせることにより被験者の腹部外周上に電極を配置する。
【００１８】
本実施形態の体脂肪測定装置は図５および図６に示すように２組の電極群５１ａ，５１ｂを上下二段のリング状に配置し、任意の２つの電極を電流源たる定電流回路２３と接続する電極（電流電極）として選択し、その近傍に配置された電極を当該電極位置における電圧測定電極として選択することにより、腹部の一周にわたって電位差を測定することができる。本実施形態においては第１電極群５１ａの一対の電極を電流電極として選択し、当該電極位置における電圧測定電極は電流電極に対応する第２電極群５１ｂを選択するものとして説明する。なお、図５において電極５１ａ，５１ｂを支持する構造は省略している。
【００１９】
各電極５１ａ，５１ｂの近傍にはプリアンプ３７ａ，３７ｂが配置され，電極が電圧測定電極として選択された場合にはプリアンプ３７ａ，３７ｂの出力が選択スイッチ群３６を介して差動増幅器２６に出力される。また、電流電極として選択された電極５１ａはスイッチ群２４を介して定電流回路２３の電流源７２ａ，７２ｂに接続されるとともに、選択スイッチ群３６は対応する第２電極群５１ｂを電圧測定電極として選択する。なお、スイッチ群２４の１単位は１対のスイッチからなり、各スイッチは電流源７２ａ，７２ｂのいずれかに接続されて、所定の電流電極を選択する。
【００２０】
第１電極群５１ａは被測定体の外周表面上を取り巻くように複数（Ｎ個）の電極が１次元配置され、第２電極群５１ｂは第１の電極群５１ａの各電極に対応するように複数（Ｎ個）の電極が隣接配置される。電極５１ａ，５１ｂの数Ｎは、測定部位の種類や大きさに応じて適宜選択することができるが、本実施形態においてはＮ＝３２個として説明する。
【００２１】
被験者（測定対象）を導電率が３次元に分布する長形物体（仮想モデル体）とみなしたときに、第１電極群５１ａおよび第２電極群５１ｂは物体の所定の高さ（腹部）で長手方向に直交するように配置される。この場合に、基準の位置（たとえば臍高位）から方位角方向に電極をリング状に実質的に等間隔に配置し、図６に示すように第１の電極群５１ａを｛Ａ１，Ａ２，・・・，Ａｉ−１，Ａｉ，Ａｉ＋１，・・・，ＡＮ｝、第２の電極群５１ｂを｛Ｂ１，Ｂ２，・・・，Ｂｉ−１，Ｂｉ，Ｂｉ＋１，・・・，ＢＮ｝と表すことにする。たとえば、電極Ｂｉは電極Ａｉの近傍に配置され、本実施形態では電極Ａｉに対して長形物体の長手方向に平行な方向（上下方向）の近傍に配置される。したがって、１つの電極位置（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）に第１電極群の電極（Ａｉ）と第２電極群の電極（Ｂｉ）が相互に近傍に配置される。
【００２２】
インピーダンスの精密測定には４電極法によらなければならない。したがって、第１の電極群５１ａのうち電極Ａｉと電極Ａｉ＋２が電流電極として選択された場合には、従来であれば、電極Ａｉ＋１、Ａｉ＋３、Ａｉ＋４、Ａｉ＋５・・・ＡＮ、Ａ１、Ａ２・・・Ａｉ−１のＮ−２個の電極を用いて隣接電極間の電位差を測定していた。ただし、電極位置Ａｉ＋１は両隣りが電流電極のため、実質的に電位差測定に利用しにくい。これに対して、本発明は従来測定できなかった電極Ａｉ−１、Ａｉ、Ａｉ＋１、Ａｉ＋２、Ａｉ＋３の隣接電極間の電位差をそれとほぼ等価なＡｉ−１、Ｂｉ、Ａｉ＋１、Ｂｉ＋２、Ａｉ＋３の隣接電極間の電位差に置き換えて完全な測定を実現することができる。
【００２３】
ここでｉ番目の電極位置にある電極（ＡｉまたはＢｉ）の電位をＶｉ、ｉ＋１番目の電極位置にある電極（Ａｉ＋１またはＢｉ＋１）の電位をＶｉ＋１、これらの電位差をΔＶｉ＝Ｖｉ＋１−Ｖｉと表現すると、隣接電極間電位差の総和はキルヒホッフの第２法則により、
【数１】
【００２４】
が成立する。なお、電極ＡＮ（ＢＮ）の隣接電極はＡＮ−１（ＢＮ−１）とＡ１（Ｂ１）とし、ｉはＮ（＝３２）を法とするものとして解釈する（ＡＮ＝Ａ０）。
【００２５】
この場合、第１電極群の特定の２個の電極Ａｉ、Ａｉ＋２を電流電極として選択すると、他の３０個の電極Ａｉ＋３、Ａｉ＋４、Ａｉ＋５・・・Ａ３２、Ａ１、Ａ２・・・Ａｉ−１、Ａｉ＋１と第２電極群のうち電極Ｂｉ、Ｂｉ＋２が電圧測定電極として選択される。すなわち、第１電極群５１ａから順次選択される２つの電極位置（ｉ，ｉ＋２）の電極を電流電極（Ａｉ，Ａｉ＋２）として選択して電流を印加し、すべての電極位置（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）について電流電極以外の６２個の電極から所定の一対の電極を電位測定電極として選択し、隣接電極位置における前記電位測定電極間の電位差（ΔＶ１〜ΔＶＮ）を順次測定する。
【００２６】
より具体的には、コンピュータ２１に含まれるコントローラに制御されたスイッチ群２４が任意の一対の電極５１ａを電流電極として選択する。スイッチ群２４は図６に例示するように、定電流回路２３の２本の出力線を特定の電極Ａｉ，Ａｉ＋２に選択的に接続するスイッチ群であるが、図２においては簡略化して表現している。
【００２７】
図２には３２対の第１電極群５１ａ、第２電極群５１ｂのうち４対のみが例示されている。マルチプレクサ２７等についても同様である。すなわち、図において上側の２対の電極群のうち第１電極群５１ａの２つの電極がスイッチ群２４により電流電極として選択されてそれぞれ電流源７２ａ，７２ｂに接続され、対応する第２電極群５１ｂの２つの電極がスイッチ群３６により電圧測定電極として選択されている。
【００２８】
また、図において下側の２対の電極群のうち第１電極群５１ａがスイッチ群３６により測定電極として選択されるが、第２電極群５１ｂはインピーダンス測定手段に接続されない。電圧測定はマルチプレクサ２７で測定電極を順次切り換えることにより実行される。
【００２９】
＜電極ユニット＞
図２では定電流回路２３の接続相手の２つの電極５１ａをスイッチ群（マトリックススイッチ）２４のＯＮ／ＯＦＦにより選択するように模式的に表現したが、正弦波発振器２２に基づいて正弦波電流を発生する定電流回路２３を各電極５１ａの近傍に配置し、スイッチ群２４を配置してＯＮ／ＯＦＦを切り換えるように構成してもよい。
【００３０】
図３は、１対の電極群５１ａ，５１ｂを含む電極ユニット４０とこれに接続される回路ユニット４１の一組のみを模式的に表現したものである。
【００３１】
電極ユニット４０は第１電極群５１ａの１つの電極（たとえばＡｉ）とその近傍に配置される第２電極群５１ｂの１つの電極（たとえばＢｉ）および各電極に切り換え可能に接続されるプリアンプ３７ａ，３７ｂを含む。また、スイッチ群２５は図２のスイッチ群２４の断続機能を含み、第１電極群５１ａが電流電極として選択された場合には回路ユニット４１の定電流回路２３の電流を第１電極群５１ａに導き、それ以外の場合には第１電極群５１ａをプリアンプ３７ａの入力に択一的に接続する。また、スイッチ群３６は、第１電極群５１ａが電流電極として選択された場合には第２電極５１ｂに接続されたプリアンプ３７ｂの出力を差動アンプ２６に接続し、それ以外の場合には第１電極５１ａに接続されたプリアンプ３７ａの出力を差動アンプ２６に択一的に接続する。スイッチ群３６で選択された電圧信号はラインｃを経由して回路ユニット４１の差動増幅器２６に出力されるとともにラインｆを介して隣接する回路ユニットの差動増幅器（図示せず）に出力される。
【００３２】
回路ユニット４１は測定系として差動アンプ２６、バッファアンプ４３、および電流刺激系として位相反転器４６、位相選択スイッチ４７、電流源４５を含む。差動増幅器２６はスイッチ群３６で選択された測定電極の電位と、隣接する回路ユニットからラインｅを介して入力された隣接位置の測定電極の電位との電位差を増幅してバッファアンプ４３を介してラインａからマルチプレクサ２７に出力する。また正弦波発振器２２からラインｂを介して正弦波信号が位相反転器４６に入力し、非反転出力と反転出力とがスイッチ４７で選択される。選択された正弦波電圧信号は電圧制御型電流源４５で電圧電流変換されて正弦波電流を発生し、ラインｄを介して電流電極５１ａに出力される。
【００３３】
図３のような電極ユニット４０と回路ユニット４１の構成により定電流回路２３と電流電極とが近接配置されるため周波数特性が改善される。なお、３２組の電極ユニット４０と回路ユニット４１は３２組の電極部７０に組み込まれるように構成してもよい。
【００３４】
＜電位測定＞
全ての隣接電極間電位差ΔＶｉが測定されると（Ｎ回）、任意の電極位置ｉ，ｊ間（ｉ＜ｊ）の電位差ΔＶｉｊは測定で得られた電位差ΔＶｋを用いて、
【数２】
【００３５】
から算出することができる。
【００３６】
被測定体表面で発生した電位は、電極５１ａ，５１ｂを通して差動増幅器２６で増幅され、その出力信号がマルチプレクサ２７を通ってバンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ）２８に導かれる。バンドパスフィルタ２８を通過した信号は、位相検出型アンプ２９に導かれ、移相器３１からのタイミング信号を用いて正弦波発振器２２と同一位相の成分（実部）と９０度位相の遅れた成分（虚部）に分解された後、直流電圧信号に変換される。その後、直流電圧信号がＡ／Ｄ変換器（直流電圧計）３０によってＡ／Ｄ変換され、コンピュータ２１に取り込まれる。
【００３７】
これらの操作をマルチプレクサ２７の接点を移動させて繰り返し、すべての差動増幅器２６からの出力信号を計測する。さらに、スイッチ群２４（２５）を順次切り替えて別の電極間に電流を流し、差動増幅器２６からの出力信号を同様にして計測する。
【００３８】
被測定体５０に電流を印加するための電流電極５１ａは被測定体５０の外周上に配置した電極から適宜選択できる。また、電流電極５１ａの電極間隔は電圧測定のダイナミックレンジ等を考慮して適宜設定できるが、本実施形態ではひとつおきに隣接する２つの電極すなわち隣接電極間隔の２単位分の距離を設定し、２つの電極を被測定体５０の全周のすべての位置（電極位置ｉとｉ＋２）について選択する。この場合には選択される電極位置の組み合わせは、｛（ｉ，ｉ＋２）｝＝｛（１，３），（２，４），（３，５）・・・（Ｎ−２，Ｎ），（Ｎ−１，１），（Ｎ，２）｝とすることができる。
【００３９】
＜測定誤差の補償＞
すでに説明したように、２組の電極群５１ａ，５１ｂを配置したことにより、１周にわたる隣接位置の電極間の電位差の総和が式（１）に示すように常にゼロになることを利用することができる。ところでプリアンプ３７ａ，３７ｂ、差動増幅器２６、ロックインアンプ２９等の測定回路を介して現実に測定される電位差をΔＶｉ’、直流信号を処理するロックインアンプ２９、Ａ／Ｄ変換器３０等で生じる誤差電圧（オフセット電圧等）をｅ、電位差の真値をΔＶｉとすると、生の測定データはΔＶｉ’＝ΔＶｉ＋ｅと表現できる。この誤差電圧ｅには、生体インピーダンスにより生じた電位差とは関係なく電子回路で発生する飛来ノイズも含まれる。すなわち、プリアンプ３７ａ，３７ｂの入力インピーダンスは接触抵抗の影響を極力軽減するために非常に大きいため空中を伝搬する測定周波数と同一の飛来ノイズの影響を受けやすい。
【００４０】
インピーダンス測定からインピーダンス分布の画像を再構成するためには一般に有効数字６桁の精度が必要とされる。したがってわずかな測定誤差があっても高精度な測定には深刻な問題となる。そこで、測定回路系に依存する測定誤差を簡便かつ確実に除去する方法が望まれていた。
【００４１】
発明者らは測定対象５０を一巡する欠けのない本発明の電位差測定法によれば、式（１）より、
【数３】
【００４２】
となるので、
【数４】
【００４３】
により測定誤差ｅが補償され、真値を容易に推定することができることを見いだした。すなわち、各電位差の実測値ΔＶｉ’およびその総和Ｖtotalに基づいてΔＶｉを求めることができ、さらに式（２）より高い精度で任意の電位差ΔＶｉｊを算出することができる。
【００４４】
＜輪郭形状の計測＞
複雑な脂肪分布を画像化するためには楕円等で近似するのでは足りず、現実の測定部位断面の輪郭形状を測定する必要がある。
【００４５】
輪郭情報測定手段３は電極部７０のエアシリンダ５５ａ（５５ｂ）に配置された位置センサ５７ａ（５７ｂ）とコンピュータ（コントローラ）２１とから構成される。エアシリンダ５５ａ（５５ｂ）にはロッド５５ａ（５５ｂ）が駆出された量に応じた電気信号を出力する位置センサ５７ａ（５７ｂ）が取り付けられている。コンピュータ２１は、ロッド５６ａ（５６ｂ）が完全に引き込まれた時の電極の位置情報と位置センサ５７ａ（５７ｂ）によって検出されたロッド５６ａ（５６ｂ）の駆出量情報とから、被測定体５０に接触した状態の電極５１ａ，５１ｂの位置を算出する。したがって、すべてのエアシリンダ５５ａ，５５ｂにおける電極５１ａ（５１ｂ）の位置を検知することにより、被測定体５０の輪郭形状や断面積などが得られる。
【００４６】
図７は１対の電極５１ａ，５１ｂを一体的に構成した電極部７０を示す。電極部７０は輪郭情報測定手段３、電極ユニット（図示せず）、回路ユニット（図示せず）を含んで構成される。１対の電極５１ａ，５１ｂは低摩擦空気シリンダ７５のロッド７６の先端に固定された電極支持部７７に位置固定される。ロッド７６は主軸が被測定体５０の輪郭にほぼ垂直に向かう方向Ａに伸縮自在である。また電極５１ａ，５１ｂの繰り出し量は位置センサ（リニアポテンショメータ）としてのスライド抵抗器７８により検出される。すなわち、電極支持部７７にスライド抵抗器７８の可動部７８ａが位置固定され，抵抗体７８ｂが低摩擦空気シリンダ７５に位置固定されるため、電極５１ａ，５１ｂの繰り出し量が相応する抵抗値に変換されて位置検出される。このように電極部７０を一体として構成することによって構造が簡素化されて小型化することができるとともに、回路部分（電極ユニット４０、回路ユニット４１）を電極近傍に組み込むことによって周波数特性やＳ／Ｎが向上する。
【００４７】
＜導電率分布の算出＞
導電率分布算出手段４はコンピュータおよびそのコンピュータに組み込まれたソフトウエアを含み、取得されたデータに基づいて導電率分布またはインピーダンス分布を算出する。なお、インピーダンス［Ωｍ］は導電率［Ω−１ｍ−１］の逆数でこれらは等価である。
【００４８】
まず、輪郭情報測定手段３によって求められた測定部位断面の輪郭形状ならびに測定部位外周上に配置された電極５１ａ，５１ｂの位置情報に基づいて被測定体５０と同一の輪郭形状を有する仮想モデル面が構成される。次に、仮想モデル面上に初期値として適当な導電率分布を与え、インピーダンス測定手段２による測定と同様の電極間に同様の電流を流したとき、仮想モデル面外周上に発生する電位分布を有限要素法などによって計算する。
【００４９】
算出した電位分布を、インピーダンス測定手段２で実際の被測定体５０に対して測定された電位差ΔＶｉｊと比較し、両者の差（残差）が小さくなるように、仮想モデル面上の導電率分布を修正する。導電率分布を修正した仮想モデル面に対して、同様にして外周の電位分布を計算し、実測値と再度比較する。残差が所定の設定値以下になるまであるいは残差が一定値に収束するまでこれらの操作を反復し、仮想モデル面上に測定部位断面と同一の導電率分布を再現する。二次元的な仮想モデル面の代わりに、長手方向に同一の断面形状を有する三次元的な仮想モデル体を用いてもよい。
【００５０】
＜脂肪量算出＞
脂肪量算出手段５はコンピュータに含まれ、導電率分布算出手段４によりえられた導電率分布画像に基づいて脂肪量を算出する。すなわち、脂肪と筋肉等の非脂肪部分とは導電率が異なるため、導電率の分布が脂肪、筋肉等の分布を反映しているので、たとえば所定のしきい値以下の導電率を有する領域を脂肪領域と判定し、それ以外の領域を非脂肪域と判定し、これらの結果に基づいて脂肪量を算出することができる。本発明には他の脂肪量算出方法も適用することができる。いずれの脂肪量算出方法であっても本発明のインピーダンス測定法によれば脂肪量の推定精度を向上させることができる。
【００５１】
表示手段６は、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置等の映像表示装置あるいは紙、フィルム等の印刷媒体への印刷機器を用いることができる。映像表示装置の画面あるいは印刷機器の印刷媒体上には、算出した導電率分布画像や脂肪分布画像を表示したり、被験者のプロフィールなどの入力データや算出した体脂肪量などの出力データの数値および文字情報を表示することができる。
【００５２】
（変更実施形態）
本発明はすでに説明したように、所定の電極位置（ｉ，ｉ＋２）の電流電極が選択された場合に、すべての電極位置（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）について隣接電極間電位差ΔＶｉを測定することを特徴とする。そのため、本実施形態では第１電極群から所定の電極位置の２個の電極を電流電極として選択し、電位測定面を電流電極位置とできるだけ一致させるように順次電圧測定電極を選択した。電流電極近傍の電圧測定電極がジグザグに選択されるためジグザグモードと呼ぶことにする。この場合には図６に示すように、第１電極群の電極５１ａと第２電極群５１ｂから電極ユニット４０および回路ユニット４１を介して電圧測定電極を順次切り換える必要がある。
【００５３】
図８には、電流電極を第１電極群５１ａから順次選択し、電圧測定電極を第２電極群５１ｂから順次選択する変更実施形態を示す。電流電極位置からわずかにずれた平面上に電圧測定電極が配置されるのでパラレルモードと呼ぶことにする。この場合にも全ての電極位置について隣接電極間電位差ΔＶｉを測定するのでキルヒホッフの第２法則を利用することができる。さらに、電極ユニット４０においてスイッチ群２５、３６による電気的接続の切り換え等が不要となるためジグザグモードに比べて回路を簡素化、小型化することができる。
【００５４】
本発明によれば、２組の電極群を用いて測定対象の精密なインピーダンス測定が可能となるため、より高い空間分解能の導電率分布画像や脂肪分布画像を算出することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１ａ，１ｂ 電極群
２１ コンピュータ（コントローラ）
２２ 正弦波発振器
２３ 定電流回路
２４，２５，３６ スイッチ群
２６ 差動増幅器
２７ マルチプレクサ
２８ バンドパスフィルター
２９ ロックインアンプ
３０ Ａ／Ｄ変換器
３１ 移相器
３７ａ，３７ｂ プリアンプ
４０ 電極ユニット、 ４１ 回路ユニット
５１ａ 第１電極群、 ５１ｂ 第２電極群
５２ 開閉部
５３ 支持板
５５ａ，５５ｂ，７５ エアシリンダー
５６ａ，５６ｂ，７６ ロッド
５７ａ，５７ｂ，７８ 位置センサ
７０ 電極部
７２ａ，７２ｂ 交流電流源
７７ 電極支持部
７８ スライド抵抗器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の外周上に環状に複数の電極位置が規定され、各電極位置に各電極が配置される第１電極群と、
前記各電極位置において前記第１電極群の電極の近傍に各電極が配置される第２電極群と、
（ｉ）前記第１電極群のうち順次選択される２つの電極位置の電極を電流電極として選択して電流を印加し、
（ｉｉ）すべての電極位置について前記電流電極以外の電極から電位測定電極を選択し、隣接電極位置における前記電位測定電極間の電位差を順次測定するインピーダンス測定手段と、
測定結果に基づいて前記測定対象の断面上の導電率分布を算出し、画像化する導電率分布算出手段と
を具備することを特徴とする導電率分布画像の生成装置。
【請求項２】
前記隣接電極位置の前記電位測定電極間の電位差の総和がゼロとなるように前記インピーダンス測定手段の測定誤差が補償されることを特徴とする請求項１記載の導電率分布画像の生成装置。
【請求項３】
前記インピーダンス測定手段が選択する電位測定電極は、前記第１電極群のうち前記電流電極として選択されない電極および前記第２電極群のうち前記電流電極の電極位置の電極から選択されることを特徴とする請求項１または２記載の導電率分布画像の生成装置。
【請求項４】
前記インピーダンス測定手段が選択する電位測定電極は、前記第２電極群から選択されることを特徴とする請求項１または２記載の導電率分布画像の生成装置。
【請求項５】
前記第１電極群の各電極とそれに対応する前記第２電極群の電極が電極支持部に位置固定されて、前記電極支持部は測定対象の外周に向かう方向に移動自在であり、
前記電極支持部の移動量に基づいて前記測定対象の外周の輪郭形状を取得し前記導電率分布算出手段に出力する輪郭形状測定手段をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の導電率分布画像の生成装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の導電率分布画像の生成装置と、
算出された導電率分布に基づいて脂肪量を算出する脂肪量算出手段と、
算出された脂肪量を表示する表示手段と
を具備することを特徴とする体脂肪測定装置。
【請求項７】
測定対象の外周上に環状に規定される複数の電極位置に対して各電極位置に各電極が配置される第１電極群から順次選択された２つの電極間に電流を印加することと、
前記各電極位置において前記第１電極群の電極の近傍に各電極が配置される第２電極群と前記第１電極群とからすべての隣接電極位置について前記電流を印加した電極以外の電極を順次選択して電位差を測定することと、
前記隣接電極位置の電極間の電位差の総和がゼロとなるように各電位差の測定誤差を補償することと、
補償された各電位差に基づいて前記測定対象の断面上の導電率分布を算出して画像化することと
を含むことを特徴とする導電率分布画像の生成方法。
【請求項１】
測定対象の外周上に環状に複数の電極位置が規定され、各電極位置に各電極が配置される第１電極群と、
前記各電極位置において前記第１電極群の電極の近傍に各電極が配置される第２電極群と、
（ｉ）前記第１電極群のうち順次選択される２つの電極位置の電極を電流電極として選択して電流を印加し、
（ｉｉ）すべての電極位置について前記電流電極以外の電極から電位測定電極を選択し、隣接電極位置における前記電位測定電極間の電位差を順次測定するインピーダンス測定手段と、
測定結果に基づいて前記測定対象の断面上の導電率分布を算出し、画像化する導電率分布算出手段と
を具備することを特徴とする導電率分布画像の生成装置。
【請求項２】
前記隣接電極位置の前記電位測定電極間の電位差の総和がゼロとなるように前記インピーダンス測定手段の測定誤差が補償されることを特徴とする請求項１記載の導電率分布画像の生成装置。
【請求項３】
前記インピーダンス測定手段が選択する電位測定電極は、前記第１電極群のうち前記電流電極として選択されない電極および前記第２電極群のうち前記電流電極の電極位置の電極から選択されることを特徴とする請求項１または２記載の導電率分布画像の生成装置。
【請求項４】
前記インピーダンス測定手段が選択する電位測定電極は、前記第２電極群から選択されることを特徴とする請求項１または２記載の導電率分布画像の生成装置。
【請求項５】
前記第１電極群の各電極とそれに対応する前記第２電極群の電極が電極支持部に位置固定されて、前記電極支持部は測定対象の外周に向かう方向に移動自在であり、
前記電極支持部の移動量に基づいて前記測定対象の外周の輪郭形状を取得し前記導電率分布算出手段に出力する輪郭形状測定手段をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の導電率分布画像の生成装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の導電率分布画像の生成装置と、
算出された導電率分布に基づいて脂肪量を算出する脂肪量算出手段と、
算出された脂肪量を表示する表示手段と
を具備することを特徴とする体脂肪測定装置。
【請求項７】
測定対象の外周上に環状に規定される複数の電極位置に対して各電極位置に各電極が配置される第１電極群から順次選択された２つの電極間に電流を印加することと、
前記各電極位置において前記第１電極群の電極の近傍に各電極が配置される第２電極群と前記第１電極群とからすべての隣接電極位置について前記電流を印加した電極以外の電極を順次選択して電位差を測定することと、
前記隣接電極位置の電極間の電位差の総和がゼロとなるように各電位差の測定誤差を補償することと、
補償された各電位差に基づいて前記測定対象の断面上の導電率分布を算出して画像化することと
を含むことを特徴とする導電率分布画像の生成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−５０７７７（Ｐ２０１２−５０７７７Ａ）
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９７６８７（Ｐ２０１０−１９７６８７）
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【出願人】（００００００９１８）花王株式会社 (8,290)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１５日（２０１２．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３日（２０１０．９．３）
【出願人】（００００００９１８）花王株式会社 (8,290)
【Ｆターム（参考）】
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