生体インピーダンス方法及び装置
生体インピーダンス分析を与えるための方法及び装置が提供される。いくつかの態様において、MRIデータとの改善された相関をもたらす等価回路周波数応答モデルが提供される。周波数応答モデルには、身体分区の脂肪成分を含む、身体組成を考慮にいれている。被験者の腓に関して生体インピーダンススペクトロスコピー(BIS)及びMRIを実施することによって得られたデータは、50kHzにおける単一周波数分析及び通常のコール−コールモデルを用いて実施された分析に比較して改善された相関が得られることを示す。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【0001】
本出願は、米国特許法第119条e項の下に、2003年9月22日に出願された米国仮特許出願第60/502483号、2004年6月16日に出願された米国仮特許出願第60/580166号及び2004年7月14日に出願された米国仮特許出願第60/587652号の恩典を主張するものである。これらの仮特許出願明細書の全ての内容はそれぞれの全体が本明細書に含まれる。
【技術分野】
【0002】
本発明は生体インピーダンス方法及び装置に関し、さらに詳しくは、被験者の身体の分区の筋肉含量、脂肪含量及び/または細胞外液含量を決定するためのそのような方法及び装置の使用に関する。分区には基本的に被験者の全身を含めることができる。
【背景技術】
【0003】
生体組織の電気特性はかなりの期間にわたって科学的に注目されてきた。前世紀に、生体電気の知識に基づく多くの発展があり、新しい装置が生物学及び生物医学分野において用いられた。
【0004】
生体電気インピーダンス分析はこの分野において注目され、取り組まれてきた研究課題の1つである。生体インピーダンスは、非侵襲性であり、簡単で、費用がかからず、可搬な方法で身体組成を測定できる能力を秘めているため、多くの医学分野で研究されてきた。特に、生体インピーダンスは多年にわたり臨床研究に用いられてきた。例えば、生体インピーダンスを用いる臨床応用が初期段階において非特許文献1及び2に報告されている。
【0005】
多くの研究者が生きた組織の電気特性の本質を調べてきた(非特許文献2,3,4)。シュバン(Schwan)等は複数の周波数の電流を用いて細胞膜の誘電特性の間の関係を説明している(非特許文献3)。身体の組織の電気特性を説明するための基本理論はコール(Cole)によって十分に確立された(非特許文献5)。特に、コールはAC電流に対する細胞及び細胞膜の電気応答を説明するための等価回路モデル(以降「コール−コールモデル」)の展開に成功した。
【0006】
コール−コールモデル及びハナイ(Hanai)の方法に基づく細胞外液(ECV)量及び細胞内液(ICV)量を測定するための生体インピーダンススペクトロスコピー(BIS)を用いる方法が提案された(非特許文献4,6,7)。今では複数周波数生体インピーダンス分析法が全身または分区身体画分における細胞外液量及び細胞内液量に関する何らかの情報を提供できる(非特許文献6)。
【0007】
しかし、BISを含む、生体インピーダンス分析の確度が臨床ユーザの主要な関心事である(非特許文献8,9)。体液推定への生体インピーダンス分析の使用が多くの研究で報告されているが、信頼性、妥当性及び確度に関して疑問があるため、現行の手法は臨床診療において広く受け入れられてはいない。
【0008】
現在利用できる生体インピーダンス手法を用いる測定及び分析の確度に悪影響を及ぼす多くの要因がある。本発明のいくつかの態様にしたがえば、本発明はこれらの要因の内の1つ、すなわち生体インピーダンスデータを分析するために用いられるモデルに関する。様々な組織の電気特性を計算するためにこれまで普通に用いられている生体インピーダンスモデルは、脂肪は無脂肪質に比較して高い抵抗を有し、したがって脂肪量は無視できるという基本仮定を有する。しかし、最近の研究により、被験者が大量の脂肪組織を有している場合に、50kHzにおける生体インピーダンス測定が影響を受けることがわかった(非特許文献8)。以下で詳細に論じるように、本発明により、脂肪量が様々な体容積指数(BMI)値を有する被験者についてのBISによる身体組成の正確な測定に影響する主要な要因の1つであることがわかった。
【非特許文献1】ジェイ・ナイボーア(J. Nyboer)著,「電気インピーダンスプレチスモグラフィ(Electrical impedance plethysmography)」,(米国イリノイ州スプリングフィールド),チャールズ・シー・トーマス(Charles C. Thomas),第2版,1970年,
【非特許文献2】アール・ピー・パターソン(R. P. Patterson),「インピーダンス心拍記録法の基礎(Fundamentals of impedance cardiography)」,IEEE Engineering in Medicine and Biology magazine,1989年,第8巻,pp.16−18
【非特許文献3】エイチ・シュバン(H. Schwan),ケイ・リー(K. Li),「大腸菌における低導電率表面膜の誘電的研究(A dielectric study of low-conductance surface membrane)」,Nature,1956年,第177巻,pp.134−135
【非特許文献4】ピー・エイチ・シャーマン(P. H. Sherman)編,「エマルジョンの科学(Emulsion Science)」,(英国ロンドン),アカデミック(Academic),1968年,pp.354−477の、ティー・ハナイ(T. Hanai),「エマルジョンの電気特性(Electrical properties of emulsions)」
【非特許文献5】ケイ・エス・コール(K. S. Cole)及びアール・エイチ・コール(R. H. Cole),「誘電体における分散及び吸収I.交流特性(Dispersion and absorption in dielectrics. I. Alternating current characteristics)」,J. chem. Phys.,1941年,第9巻,pp.341−351
【非特許文献6】エイ・ディー・ロレンツォ(A. D. Lorenzo),エイ・アンドレオリ(A. Andreoli),ジェイ・アール・マッシー(J. R. Matthie)及びピー・オー・ウイザース(P. O. Withers),「理論的方法を用いることによる生体インピーダンスによる身体細胞量予測:技術的総論(Predicting body cell mass with bioimpedance by using theoretical methods: a technological review)」,J. Appl. Physiol.,1997年,第82巻,pp.1542−1558
【非特許文献7】ザイトロン・テクノロジーズ社(Xitron Technologies, Inc.),「4000B生体インピーダンススペクトルアナライザシステム操作マニュアル(4000B Bio-Impedance Spectrum Analyzer System Operating Manual)」,(米国カリフォルニア州サンディエゴ),予告版,1995年,付録A,pp.50−61
【非特許文献8】アール・エヌ・ボウムガートナー(R. N. Baumgartner),アール・ロス(R. Ross)及びエス・ビー・ヘイムスフィールド(S. B. Heymsfield),「脂肪組織は肥満した男性及び女性の生体電気インピーダンスに影響するか?(Does adipose tissue influence bioelectric impedance in obese men and women ?)」,J. Appl. Physol.,1998年,第84巻,pp.257−262
【非特許文献9】ケイ・アール・フォスター(K. R. Foster)及びエイチ・シー・ルカスキー(H. C. Lukaski),「全身インピーダンス−何を測定するのか?(Whole-body impedance-what does it measure ?)」,Am. J. Clin. Nutr.,1996年,第64巻(補遺),pp.388S−396S
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の課題は、皮膚、脂肪、筋肉のような様々な身体構成成分の電気入力に対する応答を調べることによって現行の分析手法にともなう様々な問題を軽減することであり、特に、等価回路を用いて身体組織の様々な成分の効果を表すモデルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
第1の態様にしたがえば、本発明は被験者の身体分区について生体インピーダンスを分析する方法を提供する。身体分区は外皮表面を有し、本方法は、
(a) 電流に分区を通過させるように外皮表面上の少なくとも2つの点に複数の周波数で交流電流を印加する工程、
(b) それぞれの周波数について、外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 分区の筋肉含量、脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために複数の周波数において記録された電圧差を用いる工程、
を含み、
記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報(すなわち絶対値及び位相値あるいは、等価的に、抵抗値及びリアクタンス値)のいずれをも含み、
数値は、1つは主に分区の筋肉成分を表す直列の静電容量CM及び抵抗RIを含み、1つは主に分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、1つは抵抗を含む、3つの平行経路を少なくとも有する、分区に対するインピーダンスモデルを用いて決定される。
【0011】
第2の態様にしたがえば、本発明は被験者の身体分区について生体インピーダンスを分析する方法を提供する。身体分区は外皮表面を有し、本方法は、
(a) 電流に分区を通過させるように外皮表面上の少なくとも2つの点に複数の周波数で交流電流を印加する工程、
(b) それぞれの周波数について、外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 分区の脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために複数の周波数において記録された電圧差を用いる工程、
を含み、
記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報(すなわち絶対値及び位相値あるいは、等価的に、抵抗値及びリアクタンス値)のいずれをも含み、
数値は、一方は主に分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、他方は主に分区の細胞外液成分を表す抵抗を含む、2つの平行経路を少なくとも有する分区に対するインピーダンスモデルを用いて決定され、
(i) 2つの平行経路だけが皮膚の内側の分区の組成を表すインピーダンスモデルの平行経路であり、
(ii) 工程(a)で印加される周波数のそれぞれは10kHz以下である。
【0012】
本発明の上述した態様のいくつかの実施形態にしたがえば、モデルパラメータ(例えばRF)を分区についての生理学的値(例えば脂肪含量値)に変換する相関方程式が用いられる。相関方程式は、
(i) 複数の較正被験者のそれぞれについてモデルパラメータ値を得るために複数の被験者について工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 複数の較正被験者のそれぞれについて分区に対する生理学的値を得るために複数の被験者について分区に関する測定(例えば磁気共鳴画像化を用いる脂肪含量の測定)を実施する工程、及び
(iii) 相関方程式を得るために工程(i)及び(ii)で得られた値に回帰分析を実施する工程、
によって得ることができる。
【0013】
複数の較正被験者には、体容積指数が20より低い被験者を少なくとも一人、及び体容積指数が35より高い被験者を少なくとも一人含めることが望ましい。複数の較正被験者には、体容積指数が20より低い被験者を少なくとも一人、及び体容積指数が40より高い被験者を少なくとも一人含めることがさらに望ましい。
【0014】
第3の態様にしたがえば、本発明は皮膚で覆われた身体分区の一部の周長を決定するための、
(a) 身体区分の一部の周りに、一群の電極であって、第1電極及び最終電極を有し、第1電極と最終電極の間隔を除く、群の全ての電極間の周縁距離が既知の、一群の電極を付ける工程、
(b) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、第1電極及び最終電極以外の一群の電極の内の少なくとも2つの電極の間の抵抗値を決定する工程、
(c) 工程(b)において決定された抵抗値及び2つの電極間の既知の周縁距離から皮膚について単位長当りの比抵抗値を決定する工程、
(d) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、一群の電極の内の第1電極と最終電極の間の抵抗値を決定する工程、及び
(e) 工程(d)において測定された抵抗値及び工程(c)において決定された単位長当りの比抵抗値から一群の電極の内の第1電極と最終電極の間隔を計算する工程、
を含む方法を提供する。
【0015】
上述の全般的説明及び以下の詳細な説明が本発明の例示に過ぎず、本発明の本質及び性格を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。
【0016】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は当業者には説明から容易に明らかであろうし、あるいは本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。添付図面は本発明のさらなる理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
上で論じたように、本発明は被験者、すなわち人間または動物の身体の分区の脂肪含量、筋肉含量及び/または細胞外液含量に関する情報を与えることができる生体インピーダンス方法及び装置に関する。
【0018】
分区は一般に被験者の四肢の一部または全て、例えば被験者の腓または前腕
であろうが、被験者の胴の全てまたは一部、例えば被験者の腹部の一部または全てとすることもできる。同様に、分区は特定の筋肉または筋肉の一部のように小さくすることができ、基本的に被験者の全身のように大きくすることができる。
【0019】
分区の位置及び大きさは被験者の皮膚上の電流印加電極の配置に依存するであろう。詳しくは、分区は、電流印加電極を作動させたときに実質的な電流が通過する被験者の身体の部分を構成するであろう。電流印加電極の数、位置及び極性の適切な選択により、被験者の身体内に様々な電流パターンを達成することができる。実際上、選択された電流印加電極の極性を変えることにより、電流印加電極の移動を必要とせずに1つより多くの分区を分析することができる。
【0020】
技術上知られているように、電圧記録電極は一般に電流印加電極の内側に配置されるであろう。すなわち、電圧記録電圧は一般に、電流印加電極を作動させたときに実質的な電流が通過する患者の身体の部分を囲む、皮膚上に配置されるであろう。
【0021】
電流の印加及び電圧の記録は、現在知られているかまたは今後開発される、電流印加電極及び記録電極を有する生体インピーダンス装置、例えば以下で論じられる具体例で用いた4000B生体インピーダンススペクトルアナライザシステム(ザイトロン・テクノロジーズ社(Xitron Technologies、Inc.),米国カリフォルニア州サンディエゴ)のような市販装置で実施することができる。あるいは、特別調製装置を本発明の実施に用いることができる。
【0022】
生体インピーダンス装置によって得られたデータの処理は装置内で完全に実施することができ、あるいは別のコンピュータを用いてオンラインで実施することができる。あるいは、データを格納し、測定後に処理することができる。
【0023】
好ましくは、生体インピーダンス装置は本発明の分析手順の少なくとも一部を実施するようにプログラムされたマイクロプロセッサを備えるであろう。例えば、生体インピーダンス装置は較正被験者に関する調査から得られた回帰方程式をある被験者について測定されたインピーダンスデータに適用することができ、したがって、その被験者の脂肪含量、筋肉含量及び/または細胞外液含量を装置のユーザ、例えば被験者自身及び/または、その情報に関心がある別の人、例えば健康管理者に直接報告することができる。脂肪含量、筋肉含量及び/または細胞外液含量はグラフで、数値で(例えば、脂肪及び/または筋肉の百分率値として)、または色(例えば、高脂肪含量に対して赤)で、あるいはその他の様式で、報告することができる。
【0024】
本発明のいくつかの実施形態においては、被験者の皮膚に複数の周波数で交流電流が印加される。少なくとも10の周波数が用いられることが好ましく、ほぼ50の周波数が用いられることがさらに好ましい。複数の周波数は5kHzと1000kHzの間の周波数からなることが好ましいが、望ましければより広いかまたはより狭い範囲にわたる周波数を用いることができる。周波数は周波数範囲にわたり対数的に分布することが最も好ましい。
【0025】
上で論じたように、様々な組織の電気特性を計算するためにこれまで普通に用いられているインピーダンスモデルには多くの問題がある。そのような問題の1つは、脂肪は無脂肪質に比較して抵抗が高く、したがって脂肪量は無視できるという基本仮定である。別の問題は細胞外抵抗及び細胞内抵抗のモデルの計算に関する。既存のモデルでは考慮されていないが、皮膚下の組織に基づくモデルは皮膚及び脂肪組織量によって影響を受ける。
【0026】
本発明は、皮膚、脂肪、筋肉のような様々な身体構成成分の電気入力に対する応答を調べることによって現在の分析手法にともなう様々な問題を軽減することに向けられる。さらに詳しくは、いくつかの態様にしたがえば、本発明は等価回路を用いて身体組織の様々な成分の効果を表すためのモデルを提供する。
【0027】
詳しくは、現行の生体インピーダンス手法を改善するため、本発明のいくつかの態様にしたがえば、様々な身体組織比による電気特性及び広い範囲の電流周波数の効果を説明することができる、改善された電気モデルが提供される。以下で具体例1において提示されるデータでは特に、皮膚で測定された5kHzにおける比抵抗値の、モデルを用いて計算された比抵抗値との関係が評価される。
【0028】
図1は、四肢の導電率の成分を表すために用いることができる、本発明にしたがう分区身体組成モデルを示す。特に、図は本発明の電気モデルに対する基礎をなす四肢分区における導電性成分を示す。参考のため、表1は、以前の研究(非特許文献9)で報告されているように、周波数が10kHzの電流を用いたときの様々な組織の電気特性(比誘電率及び比抵抗)を示す。
【0029】
図1に対する等価回路モデルが図2Aに示される。ここで、RGは皮膚上の2つの電極による抵抗測定値を表し、RS,RF,RE,RI及びRBはそれぞれ、皮膚、脂肪量、細胞外液量、細胞内液量及び骨の抵抗値を表す。図2Aにおいて、CIN,CF及びCMはそれぞれ、皮膚と電極の間の静電容量、脂肪量の静電容量及び細胞膜の静電容量を表す。
【0030】
図2Aのモデルから、総電流(IG)は式1:
【数1】
【0031】
によって与えることができる。
【0032】
RGにかかる電圧は式2:
【数2】
【0033】
により得ることができ、ここでI'GはコンデンサCINを通る電流であり、式3:
【数3】
【0034】
で与えられる。
【0035】
皮膚の抵抗値(RS)は他の組織の抵抗よりかなり高いからISは非常に小さく、よって式4:
【数4】
【0036】
が得られる。
【0037】
低周波数(例えば5kHz)の電流は細胞内空間を通らないであろうから、等価回路は図3に示されるように修正することができる。
【0038】
図3において、Eは(RGにかかる)2つの測定電極間の電圧を表し、EEはREにかかる電圧を表す。したがって、電圧方程式を式5:
【数5】
【0039】
と書くことができ、ここで、
【数6】
【0040】
はコンデンサCINにかかる電圧を表す。この電圧は高電流周波数において、またはCINが大きいときは、無視することができる。
【0041】
図3の並列回路にしたがい、皮膚電極による抵抗RGの測定値は式6:
【数7】
【0042】
で計算することができる。
【0043】
脂肪量のリアクタンス(XF)及び皮膚と電極の間のリアクタンス(XIN)は、
【数8】
【0044】
及び
【数9】
【0045】
である。
【0046】
したがって、RGは式7:
【数10】
【0047】
及び式8:
【数11】
【0048】
のように簡単にすることができる。ここで、AF及びAEはそれぞれ、この分区におけるMRI及びECVからの脂肪量の断面積を表す。以前の研究により、ECVにおける比抵抗に対する脂肪量の比抵抗の比は近似的に式9:
【数12】
【0049】
である(非特許文献6)。
【0050】
式8はさらに式10:
【数13】
【0051】
のように簡単にすることができ、ここでρGは皮膚上で測定された比抵抗であり、ρEは値が一定のECV空間の比抵抗である。式11:
【数14】
【0052】
とし、
【数15】
【0053】
が小さいと仮定すれば、式12:
【数16】
【0054】
が得られる。
【0055】
kE=1であれば、比抵抗は式13:
【数17】
【0056】
によって計算することができる。
【0057】
一組の較正被験者から得られた実験データへのこれらの式、特に式12及び13の適用が以下の具体例1に述べられる。具体例1に説明される結果は、脂肪質の量が標準の4電極生体インピーダンス法を用いる身体組成の推定に影響する重要な要因であることを示す。
【0058】
具体例1の実験データは、印加電流について1つの周波数、すなわち5kHzを用いて得られた。発明者等の分区身体成分の等価回路モデルは、複周波数電流への応答を表すために用いられることが好ましい。具体例2はそのような複周波数検査の結果を示す。特に、この具体例は、電流周波数が高くなるにつれて、脂肪含量が異なる被験者に対してインピーダンスの減少が異なることを示す。
【0059】
図2Bは図2Aの等価回路モデルの修正版である。図2Bにおいて、Z総合はA及びBにある2つの電極による測定の総合インピーダンスを表す。図2Aと同じく、RS,RF,RE,RI及びRBはそれぞれ、皮膚、脂肪量、細胞外液量、細胞内液量及び骨の抵抗値を表し、CIN,CF及びCMはそれぞれ、皮膚と電極の間の静電容量、脂肪量の静電容量及び細胞膜の静電容量を表す。Ri1及びRi2は注入電極と測定電極の間の身体分区の抵抗値を表す。
【0060】
図2のモデルについての周波数に基づく関係を得るため、モデルが標準化されるように、式を用いてモデルを簡略化した。第1に、RPをREとRBの並列抵抗(式14):
【数18】
【0061】
とした。第2に、計算を簡単にするために、式15,16,17及び18:
【数19】
【数20】
【数21】
【0062】
及び
【数22】
【0063】
で表されるパラメータa,b,c及びdを用いた。
【0064】
総合インピーダンス(Z総合)を図2の回路から得ることができ、式19:
【数23】
【0065】
で与えられる。
【0066】
式19を標準化するために、式20:
【数24】
【0067】
とおいた。
【0068】
よって、Z総合は式21:
【数25】
【0069】
で得られる。
【0070】
個々の被験者についての周波数応答データの定量的分析は等価回路における構成要素の関数を表すために一群のパラメータを用いて実施されることが好ましい。そのようなパラメータ群は、分析に対する標準伝達関数の使用を容易にすることによって個々の被験者の身体組成における差異の識別に役立つ。
【0071】
式21は、例えば、関係式22:
【数26】
【0072】
を用いて規格化することができ、ここでP1,P2,P3,P4,Q1,Q2,Q3はパラメータ群である。
【0073】
個々の患者(個々の被験者)についてのRI,RF,CI,CF,RP,RS,CINに対する値は、式23,24,25,26,27,28及び29:
【数27】
【数28】
【数29】
【数30】
【数31】
【数32】
【0074】
及び
【数33】
【0075】
を用いて計算される。ここで、a,b,c及びdは上に式15〜18で定義されている。
【0076】
これらの式において、RI,RF,CI,CF,RP,RS,CINは決定されるべき変数であり、P1,P2,P3,P4,Q1,Q2,Q3は個々の患者についての周波数応答データの曲線あてはめによって得られるその患者についてのデータ値である。詳しくは、個々の患者についての7つの変数RI,RF,CI,CF,RP,RS,CINの値は、その患者についてのP1,P2,P3,P4,Q1,Q2,Q3の値を用いて上の7つの式(式23から式29)を解くことによって得られる。
【0077】
以下の具体例2においては、個々の患者についてのパラメータP1,P2,P3,P4,Q1,Q2,Q3の値を得るために、MATLABツールボックスの曲線あてはめプログラム(マスワークス社(MathWorks, Inc.),米国マサチューセッツ州ナティック)を用いた。周波数応答曲線のシミュレーション値はMATLABツールボックスの標準信号処理プログラムを用いて得られた。
【0078】
式22は、当業者には本開示から明らかであろうように、生体インピーダンス実験中に得られるタイプの周波数応答データとともに用いるに好ましい曲線あてはめ式であるが、望ましければ別の曲線あてはめ式を用いることができる。同様に、MATLABプログラム以外の数学処理プログラムを本発明の実施に用いることができる。
【0079】
分区の長さ及び周長は手作業で測定することができる。あるいは、本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、分区の周長及び分区長は単電極の代りに電極群を用いて測定することができる(図4を見よ)。低周波数(例えば<10Hz,好ましくは<1Hz)における抵抗値は皮膚の電気特性を表すことができる。それぞれの対においていずれの隣接する2つの電極の間隔も知られているから、測定領域の周長は式30:
【数34】
【0080】
として計算することができる。ここで、Cは周長を表し、nは電極数であり、Dは2つの隣接する電極の既知の間隔であり、Rn(図5ではn=8)は電極がどの分区においても円をなしている場合の第1電極と最終電極の間の抵抗値であり、λは式31:
【数35】
【0081】
によって計算することができる断面領域面積に対する比抵抗の比であって、Riは第1電極と最終電極の間の抵抗値を除く全ての隣接する2つの電極間の抵抗値であり、Diは第1電極と最終電極の間隔を除く全ての隣接する2つの電極の間隔である。
【0082】
したがって、この分区の皮膚における比抵抗は式32:
【数36】
【0083】
であり、ここでAは分区の断面積である。A=C2/(4π)であるから、ρ'は式33:
【数37】
【0084】
で計算することができる。皮膚の比抵抗が決定されれば、分区長は式34:
【数38】
【0085】
で計算することができ、ここでLは分区長であり、Aは分区の断面積であって、RLは分区の縦軸に沿う2つの断面領域間の抵抗値である。
【0086】
図4において、E1〜E8は電極であり、D1〜D7はそれぞれ2つの隣接する電極の間隔を表し、D1=D2=・・・=D7である。図5において、R1〜R7は2つの隣接する電極間の皮膚抵抗値を表す。R8は、上述したように、第1電極(E1)と最終電極(E8)の間の抵抗値である。E1とE8の間隔は未知であるが、上で論じたように、R8/λによって計算することができ、したがって、式30によって周長(C)を計算することができる。
【0087】
本明細書に説明される数学操作は様々なコンピュータ及びソフトウエアを用いて実施することができる。例えば、そのような操作は、上で論じた市販のMATLABプログラム及びプログラム作成者の仕様にしたがってそのプログラムを実行するように構成されたパーソナルコンピュータを用いて実施することができる。本発明の数学操作の実施に合せて作成されたプログラムを、その上にプログラムがエンコードされる、磁気ディスク、光ディスク等のようなコンピュータが利用できる媒体を含む製品として実現することができる。プログラムで生成されたデータは同様に様々なタイプの記憶媒体上に格納することができる。
【0088】
いかなる態様においても本発明を限定することは目的とせずに、以下の具体例によって本発明をさらに十分に説明する。
【0089】
(具体例1)
生体インピーダンス分析への脂肪量の効果
本具体例は、脂肪量が、生体インピーダンス分析を用いる、透析患者の臨床診療における体液の正確な測定を含む身体組成の正確な測定に影響する主要な要因であることを示す。
【0090】
28人の長期血液透析患者を処置の前に調べた。表2はこの被験者(患者)グループについての当該パラメータを示す。
【0091】
ザイトロン4200(ザイトロン・テクノロジーズ社,米国カリフォルニア州サンディエゴ)BIS装置を用いて腓生体インピーダンス測定を実施した。電極配置手順は以前の研究で発表されている(エフ・ツー(F. Zhu),エス・サーカー(S. Sarker),シー・カイトワッチャラチャイ(C. Kaitwatcharachai),アール・グリーンウッド(R. Greenwood),シー・ロンコ(C. Ronco),エヌ・ダブリュー・レビン(N. W. Levin),「局所生体インピーダンス分析を用いる腓の比抵抗測定の方法及び再現性(Methods and reproducibility of measurement of resistivity in the calf using regional bioimpedance analysis)」,Blood Purif.,2003年,第21巻,pp.131−136。本文献は以降非特許文献10と称する)。非特許文献10に説明されるように、正規の位置に電極を配置するため、被験者を座位において、膝蓋骨の中央部と外果の中央の間隔(H)を測定した(図6を見よ)。患者を横臥させ、2つの測定電極を、一方は中心点より5cm上、他方は5cm下に配置した。2つの電流注入電極を、一方は測定電極より3cm上、他方は3cm下に配置した。2つの測定電極における腓の周長は精度0.1cmのテープを用いて測定した。
【0092】
50の周波数を5kHzから1MHzにかけて対数的に分布させてBIS装置を用いて腓の抵抗値及びリアクタンスを測定した。BIS装置で提供されるプログラムを用いて(非特許文献7及び10)、細胞外抵抗値(Re)及び細胞内抵抗値を計算し、ECV及びICVを得た。同じ領域でMRIによって脂肪量、筋肉量及び骨を個別に測定した。
【0093】
幾何学的体積(VG)を分区の断面積(AG)×長さ(L)として定めた。AGはAG=C2/(4π)で計算することができ、ここでCは腓の周長の平均値である。比抵抗(ρG,Mea)を式35:
【数39】
【0094】
に示される測定値を用いて計算した。ここでRGは5kHzで測定した抵抗値であり、AGは断面積であって、長さ(L)は全ての被験者について10cmに固定した。
【0095】
測定及び計算の両者からの比抵抗値への脂肪量の効果を比較するため、幾何学的体積(VG)に対する脂肪量(VF)の比にしたがって28人の患者を2グループに分けた。VF/VG>0.2として高脂肪値グループを定め、VF/VG≦0.2として正常脂肪値グループを定めた。データを平均値±標準偏差として表し、異なるグループからのデータを比較するためにスチューデントのt検定を用いた。p値<0.05であれば、グループ間の差を有意であると見なした。
【0096】
表3は2グループ間の比抵抗比較の結果を示す。ρG,Mea(p<0.05)、ρG,Cal(p<0.005)及びΔρ(p<0.05)には有意な差があったが、ρ*G,Calでは2グループ間に有意な差が見られなかった(表3)。ρG,Meaとρ*G,Calの間の差(p<0.05)は有意であったが、ρG,MeaとρG,Calの間には有意な差が見られなかった。
【0097】
図7は式12及び13を用いた比抵抗の計算値と測定値の間の相関を示す。本図は測定値に基づいて式35から決定した比抵抗(ρG,Mea)と式12を用いて決定した比抵抗(ρG,Cal)の間の強い相関を示す。図7において、◆印は式13によるρ*G,CalとのρG,Meaの相関(ρ*G,Cal=0.66ρG,Mea+76.7,R2=0.96)を表し、●印は式12で計算した個々の様々なkE値を用いたρG,MeaとρG,Calの間の相関(ρG,Cal=0.93ρG,Mea+41.1,R2=0.9)を表す。ρ*G,CalとのρG,Meaの相関は強いが、勾配は0.66(◆印)に過ぎない。式12を用いた個々のkEによる較正後の勾配は0.93(●印)である。すなわち、かなり改善されている。
【0098】
皮膚で測定された比抵抗の様々な皮下組織との関係の知識は、関係する生体電気現象の理解に肝要である。初期の研究の多くが直接測定による様々な生体組織及び器官の比抵抗を示している(非特許文献6)。しかし、臨床測定は皮膚表面上で行われ、様々な組織の比抵抗は数多くの理論モデルによって計算されているから、(1)電極と皮膚の界面のインピーダンスが個人毎に異なること、(2)脂肪組織の量が個々に異なること及び(3)個人間の皮膚インピーダンス及び脂肪量の差の変数を理論モデルが含んでいないことにより、誤差が生じ得る。
【0099】
本発明は脂肪量のインピーダンスの変数を含み、皮膚及び静電容量間の界面の比抵抗の変数を含めることができる、モデルを提供する。表3は、脂肪量が多くなると、モデルによる計算と測定に基づく計算の間で5kHzにおける比抵抗に有意な差(Δρ)があることを示す。これは、皮膚上の測定から得られた低周波数(5kHz)における比抵抗値には細胞外液画分からの寄与だけでなく脂肪量画分からの寄与も含めるべきであることを示唆する。図7は、●印で示されるような、個々のkEによる較正後の曲線の勾配が1にほとんど等しいことを示し、これは計算値が測定値に近いことを示す。健康な被験者における比抵抗の変動性が主に個々の脂肪量に依存することを理解することが重要である。したがって、本モデルを用いれば、例えば、腓の比抵抗の測定によって、ECVに関する正しい情報を得ることができる。この情報は、とりわけ、透析患者で変動し得る異常含水量を調節するための正確な含水パラメータを提供するために重要である。これによって、透析中の過剰な体液を除去することで適切な体重を目指すことが可能となるであろう。
【0100】
要約すれば、本具体例は、皮膚表面における比抵抗の測定から様々な組織における比抵抗を計算するための基礎として用いることができるモデルを提供する、本発明の態様のいくつかを説明する。すなわち、本具体例は、皮膚表面上の測定による比抵抗と四肢を構成する組織の計算による比抵抗の関係をモデルが表す、生体インピーダンス分析に使用するための身体分区組成の電気比抵抗モデルを提供する、本発明の態様のいくつかを説明する。
【0101】
特に、本具体例においては、腓の表面において注入された5kHzの電流を用いて特定の分析を被験者グループで行った。本調査はモデルを用いて計算した比抵抗値が実際の測定による比抵抗値と強く相関することを示した。次の具体例においては、様々な周波数の電流に対するシステムの応答を調査する。この具体例の結果は、本発明の3平行形路モデルを用いて細胞膜の比抵抗を検査できることを示す。
【0102】
(具体例2)
複数周波数分析
既存のBIS手法を改善するためには、正しい電気モデルは広い範囲の電流周波数にわたって身体組織の様々な比率による電気特性を説明できるべきである。本研究の目的は腓の皮膚で測定される5kHzから1MHzでの等価回路モデルの周波数応答を評価することであった。等価回路モデルは図2Bに示される。
【0103】
具体例1と同じ28人の血液透析患者(表2を見よ)を処置前に調べた。同じく、ザイトロン4200(ザイトロン・テクノロジーズ社,米国カリフォルニア州サンディエゴ)BIS装置を用いて腓生体インピーダンス測定を実施した。電極の配置は上に具体例1で説明した配置と同じである(図6を見よ)。
【0104】
50の周波数を5kHzから1MHzにかけて対数的に分布させてBIS装置を用いて腓の抵抗及びリアクタンスを測定した。MRIによって脂肪量、筋肉量及び骨をBIS測定と同じ領域で個別に測定した。患者を腓の脂肪量にしたがって、脂肪>0.4kgのG1,0.25<脂肪<0.4kgのG2及び脂肪<0.25kgのG3の、3グループに分けた。
【0105】
G1とG3の間には抵抗、リアクタンス及びインピーダンスに有意な差が見られたが、G1とG2の間の有意な差は40kHzより高い周波数でしか見られない(図8)。様々な周波数によるインピーダンスの生データ(○,△及び□)への曲線あてはめの結果を図9に示す。○印で示されるデータはMRIで推定された脂肪量が0.59kgの患者についてのデータであり、△印及び□印はそれぞれ、同じくMRIで推定された脂肪量が0.29kg及び0.23kgの2人の別の患者についてのデータを示す。
【0106】
2人の患者による、周波数応答曲線(A)及び位相応答(B)が図10及び11に示され、一方の患者(図10)はMRIで推定された脂肪量が0.55kg,筋肉量が1.046kg,骨が0.021kgであり、他方の患者(図11)は同じくMRIで推定された脂肪量が0.134kg,筋肉量が1.022kg,骨が0.022kgである。
【0107】
脂肪量が少ない方の患者のインピーダンスは1〜10kHzの周波数範囲で減少する(図11A)が、患者がより多くの脂肪量を有する場合は、同じ周波数範囲で曲線がほとんど一定である(図10A)ことがはっきり分かる。さらに、位相の最小点における周波数値が2人の患者の間で異なっている。
【0108】
図12はBIS及びMIRによる筋肉(MS)推定値の相関を示す(MSBIS=285L2/Ri,ここでL(10cm)は患者の腓に沿う測定電極間隔であり、Riは図2Bのモデルを用いて計算した細胞内抵抗値である)。MSBISの計算において筋肉比抵抗として用いた285Ω-cmの値はMRIデータに基づく回帰分析によって得た。
【0109】
図12の作成においては、測定した周波数応答データからそれぞれの患者について得られたP1,P2,P3,P4,Q1,Q2及びQ3の値を用いて式23〜29を解くことによって、それぞれの患者についてRiを決定した。したがって、図12は個々の被験者の身体組成における差を識別するために用いることができる等価回路の構成要素の周波数応答の分析を定量化するためのパラメータ群の使用を説明する。
【0110】
上に論じたグループG1,G2及びG3についてP1,P2,P3,P4,Q1,Q2及びQ3の値の差を調べた。表4はG1とG2の間のP1の有意な差(p<0.05)及びG1とG3の間のP4の有意な差を示す。P及びQパラメータではP1及びP4を除いて有意な差はなかった。
【0111】
具体例1は、図2の等価回路モデルを用いる皮膚表面上での電気比抵抗測定が脂肪組織によって影響を受けることを上に示した。これは、細胞外液量及び細胞内液量のような身体組成を推定するための生体インピーダンス法の確度に影響する、さらに重要な要因の1つであると考えられる。もちろん、生体インピーダンスの確度は、脂肪量だけでなく、電極と皮膚の間の界面または皮膚含水量の度合いによっても影響を受ける。
【0112】
本具体例において、図9に示される結果は脂肪含量が様々な患者において電流周波数が高くなるとインピーダンスが減少することを示す。脂肪量が多い患者のインピーダンスは脂肪量が少ない患者のインピーダンスより高い。筋肉量及び骨量が同様の2人の患者のシミュレーション結果は周波数応答曲線が0〜1kHzの周波数範囲において異なることを示す。図10と11の間の差は0〜1kHzの周波数に対する応答における曲線の変化が脂肪量に依存し、複数周波数生体インピーダンス分析による細胞外抵抗値及び細胞内抵抗値の推定に大きく影響するであろうことを示す。さらに、2人の患者の間の位相応答の最小点における差は、被験者の脂肪量が多い場合に、50kHzの単一周波数生体インピーダンス法を使用すると誤差が生じ得るであろうことを示す。
【0113】
図12に示されるBIS及びMRIによる筋肉量推定値の間の相関には、臨床及びその他の応用について多くの重要な関連がある。すなわち、図12に示されるように、本発明の電気モデルはMRIで測定されるような実筋肉量との十分な相関を与える。したがって、本モデルにより、簡単で、費用がかからず、非侵襲性の電気測定だけを用いる、個々の被験者(患者)の筋肉量の決定が可能になる。
【0114】
本モデルを用いて決定される特定の筋肉量はBIS測定を行うために用いられる電極に対して選ばれる特定の場所に依存するであろう。例えば、図12のデータは全腓筋肉についてのデータである。異なる電極配置を用いることによって、例えば、腓筋肉の一部、例えば腓の腓腹部の筋肉量を決定することができる。あるいは、腓筋肉について測定を行う以外に、その他の筋肉、筋肉の各部及び/または筋肉群について測定を行うことができ、例えば被験者の二頭筋の全てまたは一部について測定を行うことができる。相対測定だけが必要であれば、生体インピーダンス測定値をそのまま用いることができる。あるいは、図12に示されるタイプの相関を、特定の筋肉、筋肉の各部または筋肉群について生体インピーダンス測定値とMRI測定値の間で得ることができ、よって、電気測定で筋肉量についての「絶対」値を提供することが可能になる。ここで「絶対」値は、筋肉量測定に対して受認された「黄金基準」である、MRIを用いて得られる筋肉量に相当する筋肉量であることが好ましい。
【0115】
MRI測定値に対して照合するかまたはせずに、電極の適切な適用により個々の筋肉または筋肉群の筋肉量を測定できる能力によって、数多くの応用が得られる。例えば、これらの手法は、筋肉量増加の効果が意味をもつ、家庭、ジム、運動クラブ及びヘルスクラブにおけるエクササイズプログラム並びに外科手術または傷害後のリハビリテーションにおいて、適用できる。すなわち、時間の経過とともに一連の生体インピーダンス測定を行うことにより、被験者(患者)及び/または被験者(患者)のヘルスケア専門家が、エクササイズプログラム、食事の変化及び/またはリハビリテーションプログラムの結果としての筋肉量変化を監視することができる。
【0116】
(具体例3)
単一低周波数生体インピーダンス測定
図13は、5kHzで測定した抵抗値とMRIで決定した筋肉量の間に相関がないことを示す、具体例1及び2のデータに基づくグラフである。このデータは低周波数では生体インピーダンス測定データが分区の筋肉量に関係しないという結論を支持する。むしろ、図3の回路モデルで述べたように、そのような周波数においては、生体インピーダンス法で得られる測定値を主として決定する分区の成分は脂肪成分及び細胞外液成分である。
【0117】
(具体例4)
比較例
複数周波数−3平行経路モデル対50kHz
図14及び15は、図2の複数周波数−3平行経路モデルを用いて得られた生体インピーダンス測定値とMRI測定値の間の相関を、単一周波数、すなわち普通に用いられる50kHzの周波数におけるインピーダンスを用いて得られた相関と比較する。これらの図の作成に用いたデータは具体例1及び2に関して上で論じたデータである。
【0118】
図14は筋肉量の相関を示し、図15は脂肪量の相関を示す。これらの図で示されるように、本発明の複数周波数−3平行経路等価回路周波数応答モデルでは、単一50kHz手法よりも強い相関が筋肉量(50kHzでのR2=0.3に対して本発明ではR2=0.6)及び脂肪量(50kHzでのR2=0.2に対し本発明ではR2=0.7)のいずれについても得られる。
【0119】
(具体例5)
比較例
複数周波数−3平行経路モデル対コール−コールモデル
図16及び17は、図2の複数周波数−3平行経路モデルを用いて得られたBIS測定値とMRI測定値の間の相関を、コール−コールモデルを用いて得られた相関と比較する。これらの図の作成に用いたデータは具体例1及び2に関して上で論じたデータである。
【0120】
図16は筋肉量の相関を示し、図17は脂肪量の相関を示す。これらの図で示されるように、本発明の複数周波数−3平行経路等価回路周波数応答モデルではコール−コールモデルよりも強い相関が筋肉量(コール−コ−ルモデルでのR2=0.4に対して本発明ではR2=0.6)及び脂肪量(コール−コールモデルでのR2=0.1に対し本発明ではR2=0.7)のいずれについても得られる。
【0121】
本発明の特定の実施形態を説明し、図示したが、当業者には本発明の範囲及び精神を逸脱しない様々な改変が上述した開示から明らかであろうことは当然である。ほんの一例として、添付される特許請求の範囲には本発明の様々な特徴が挙げられるが、本発明がそれらの特徴の内のいくつかまたは全ての組合せを、添付される特許請求の範囲にそのような組合せが実際に述べられているか否かにかかわらず、包含することは当然である。
【表1】
【表2】
【表3】
【表4】
【図面の簡単な説明】
【0122】
【図1A】本発明にしたがう身体組成モデルを断面形態で示す
【図1B】本発明にしたがう身体組成モデルを3次元形態で示す
【図2A】図1の身体組成モデルに対する等価回路周波数応答モデルである
【図2B】図1の身体組成モデルに対する等価回路周波数応答モデルである
【図3】低周波条件、例えば10kHzより低い周波数の下での図1の身体組成モデルに対する等価回路周波数モデルである
【図4】本発明の実施に用いることができる電極構成を示す
【図5】図4の電極構成に対する抵抗器モデルを示す
【図6】詳細な説明に与えられる具体例の生体インピーダンスを生じさせるために用いられた電極配置を示す
【図7】ρ測定値と式12及び13を用いて得られたρ計算値の間の相関を示す。式12を用いて得られたより急峻な相関勾配は生体インピーダンス測定に対する等価回路周波数応答モデルにおける脂肪含量に関する情報を含む値を示す
【図8】脂肪含量が異なる被験者グループ間のt検定のp値を示す
【図9】脂肪含量が異なる3人の被験者(患者)についてのインピーダンスの曲線のあてはめを示す
【図10】脂肪量が0.588kgの被験者(患者)についてのインピーダンスの絶対値(図10A)およびインピーダンスの位相(図10B)を示す
【図11】脂肪量が0.134kgの被験者(患者)についてのインピーダンスの絶対値(図11A)およびインピーダンスの位相(図11B)を示す
【図12】筋肉(MS)のMRIによる推定量と本発明のBIS手法による推定量の間の相関を示す
【図13】MRIによって測定された筋肉量と5kHzで測定された抵抗値の間の相関を示す
【図14】(i)MRIによって測定された筋肉量と本発明の複数周波数−3平行経路モデルを用いて決定された細胞内抵抗値(RI)の間の相関(図14A)を、(ii)MRIによって測定された筋肉量と50kHzにおけるインピーダンスの間の相関(図14B)と比較して示す
【図15】(i)MRIによって測定された脂肪量と本発明の複数周波数−3平行経路モデルを用いて決定された脂肪抵抗値(RF)の間の相関(図15A)を、(ii)MRIによって測定された脂肪量と50kHzにおけるインピーダンスの間の相関(図15B)と比較して示す
【図16】(i)MRIによって測定された筋肉量と本発明の複周波数−3平行経路モデルを用いて決定された細胞内抵抗値(RI)の間の相関(図16A)を、(ii)MRIによって測定された筋肉量とコール−コールモデルを用いて決定された細胞内抵抗値の間の相関(図16B)と比較して示す
【図17】(i)MRIによって測定された脂肪量と本発明の複数周波数−3平行経路モデルを用いて決定された脂肪抵抗値(RF)の間の相関(図17A)を、(ii)MRIによって測定された脂肪量とコール−コールモデルを用いて決定された細胞内抵抗値の間の相関(図17B)と比較して示す
【関連出願の説明】
【0001】
本出願は、米国特許法第119条e項の下に、2003年9月22日に出願された米国仮特許出願第60/502483号、2004年6月16日に出願された米国仮特許出願第60/580166号及び2004年7月14日に出願された米国仮特許出願第60/587652号の恩典を主張するものである。これらの仮特許出願明細書の全ての内容はそれぞれの全体が本明細書に含まれる。
【技術分野】
【0002】
本発明は生体インピーダンス方法及び装置に関し、さらに詳しくは、被験者の身体の分区の筋肉含量、脂肪含量及び/または細胞外液含量を決定するためのそのような方法及び装置の使用に関する。分区には基本的に被験者の全身を含めることができる。
【背景技術】
【0003】
生体組織の電気特性はかなりの期間にわたって科学的に注目されてきた。前世紀に、生体電気の知識に基づく多くの発展があり、新しい装置が生物学及び生物医学分野において用いられた。
【0004】
生体電気インピーダンス分析はこの分野において注目され、取り組まれてきた研究課題の1つである。生体インピーダンスは、非侵襲性であり、簡単で、費用がかからず、可搬な方法で身体組成を測定できる能力を秘めているため、多くの医学分野で研究されてきた。特に、生体インピーダンスは多年にわたり臨床研究に用いられてきた。例えば、生体インピーダンスを用いる臨床応用が初期段階において非特許文献1及び2に報告されている。
【0005】
多くの研究者が生きた組織の電気特性の本質を調べてきた(非特許文献2,3,4)。シュバン(Schwan)等は複数の周波数の電流を用いて細胞膜の誘電特性の間の関係を説明している(非特許文献3)。身体の組織の電気特性を説明するための基本理論はコール(Cole)によって十分に確立された(非特許文献5)。特に、コールはAC電流に対する細胞及び細胞膜の電気応答を説明するための等価回路モデル(以降「コール−コールモデル」)の展開に成功した。
【0006】
コール−コールモデル及びハナイ(Hanai)の方法に基づく細胞外液(ECV)量及び細胞内液(ICV)量を測定するための生体インピーダンススペクトロスコピー(BIS)を用いる方法が提案された(非特許文献4,6,7)。今では複数周波数生体インピーダンス分析法が全身または分区身体画分における細胞外液量及び細胞内液量に関する何らかの情報を提供できる(非特許文献6)。
【0007】
しかし、BISを含む、生体インピーダンス分析の確度が臨床ユーザの主要な関心事である(非特許文献8,9)。体液推定への生体インピーダンス分析の使用が多くの研究で報告されているが、信頼性、妥当性及び確度に関して疑問があるため、現行の手法は臨床診療において広く受け入れられてはいない。
【0008】
現在利用できる生体インピーダンス手法を用いる測定及び分析の確度に悪影響を及ぼす多くの要因がある。本発明のいくつかの態様にしたがえば、本発明はこれらの要因の内の1つ、すなわち生体インピーダンスデータを分析するために用いられるモデルに関する。様々な組織の電気特性を計算するためにこれまで普通に用いられている生体インピーダンスモデルは、脂肪は無脂肪質に比較して高い抵抗を有し、したがって脂肪量は無視できるという基本仮定を有する。しかし、最近の研究により、被験者が大量の脂肪組織を有している場合に、50kHzにおける生体インピーダンス測定が影響を受けることがわかった(非特許文献8)。以下で詳細に論じるように、本発明により、脂肪量が様々な体容積指数(BMI)値を有する被験者についてのBISによる身体組成の正確な測定に影響する主要な要因の1つであることがわかった。
【非特許文献1】ジェイ・ナイボーア(J. Nyboer)著,「電気インピーダンスプレチスモグラフィ(Electrical impedance plethysmography)」,(米国イリノイ州スプリングフィールド),チャールズ・シー・トーマス(Charles C. Thomas),第2版,1970年,
【非特許文献2】アール・ピー・パターソン(R. P. Patterson),「インピーダンス心拍記録法の基礎(Fundamentals of impedance cardiography)」,IEEE Engineering in Medicine and Biology magazine,1989年,第8巻,pp.16−18
【非特許文献3】エイチ・シュバン(H. Schwan),ケイ・リー(K. Li),「大腸菌における低導電率表面膜の誘電的研究(A dielectric study of low-conductance surface membrane)」,Nature,1956年,第177巻,pp.134−135
【非特許文献4】ピー・エイチ・シャーマン(P. H. Sherman)編,「エマルジョンの科学(Emulsion Science)」,(英国ロンドン),アカデミック(Academic),1968年,pp.354−477の、ティー・ハナイ(T. Hanai),「エマルジョンの電気特性(Electrical properties of emulsions)」
【非特許文献5】ケイ・エス・コール(K. S. Cole)及びアール・エイチ・コール(R. H. Cole),「誘電体における分散及び吸収I.交流特性(Dispersion and absorption in dielectrics. I. Alternating current characteristics)」,J. chem. Phys.,1941年,第9巻,pp.341−351
【非特許文献6】エイ・ディー・ロレンツォ(A. D. Lorenzo),エイ・アンドレオリ(A. Andreoli),ジェイ・アール・マッシー(J. R. Matthie)及びピー・オー・ウイザース(P. O. Withers),「理論的方法を用いることによる生体インピーダンスによる身体細胞量予測:技術的総論(Predicting body cell mass with bioimpedance by using theoretical methods: a technological review)」,J. Appl. Physiol.,1997年,第82巻,pp.1542−1558
【非特許文献7】ザイトロン・テクノロジーズ社(Xitron Technologies, Inc.),「4000B生体インピーダンススペクトルアナライザシステム操作マニュアル(4000B Bio-Impedance Spectrum Analyzer System Operating Manual)」,(米国カリフォルニア州サンディエゴ),予告版,1995年,付録A,pp.50−61
【非特許文献8】アール・エヌ・ボウムガートナー(R. N. Baumgartner),アール・ロス(R. Ross)及びエス・ビー・ヘイムスフィールド(S. B. Heymsfield),「脂肪組織は肥満した男性及び女性の生体電気インピーダンスに影響するか?(Does adipose tissue influence bioelectric impedance in obese men and women ?)」,J. Appl. Physol.,1998年,第84巻,pp.257−262
【非特許文献9】ケイ・アール・フォスター(K. R. Foster)及びエイチ・シー・ルカスキー(H. C. Lukaski),「全身インピーダンス−何を測定するのか?(Whole-body impedance-what does it measure ?)」,Am. J. Clin. Nutr.,1996年,第64巻(補遺),pp.388S−396S
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の課題は、皮膚、脂肪、筋肉のような様々な身体構成成分の電気入力に対する応答を調べることによって現行の分析手法にともなう様々な問題を軽減することであり、特に、等価回路を用いて身体組織の様々な成分の効果を表すモデルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
第1の態様にしたがえば、本発明は被験者の身体分区について生体インピーダンスを分析する方法を提供する。身体分区は外皮表面を有し、本方法は、
(a) 電流に分区を通過させるように外皮表面上の少なくとも2つの点に複数の周波数で交流電流を印加する工程、
(b) それぞれの周波数について、外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 分区の筋肉含量、脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために複数の周波数において記録された電圧差を用いる工程、
を含み、
記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報(すなわち絶対値及び位相値あるいは、等価的に、抵抗値及びリアクタンス値)のいずれをも含み、
数値は、1つは主に分区の筋肉成分を表す直列の静電容量CM及び抵抗RIを含み、1つは主に分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、1つは抵抗を含む、3つの平行経路を少なくとも有する、分区に対するインピーダンスモデルを用いて決定される。
【0011】
第2の態様にしたがえば、本発明は被験者の身体分区について生体インピーダンスを分析する方法を提供する。身体分区は外皮表面を有し、本方法は、
(a) 電流に分区を通過させるように外皮表面上の少なくとも2つの点に複数の周波数で交流電流を印加する工程、
(b) それぞれの周波数について、外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 分区の脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために複数の周波数において記録された電圧差を用いる工程、
を含み、
記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報(すなわち絶対値及び位相値あるいは、等価的に、抵抗値及びリアクタンス値)のいずれをも含み、
数値は、一方は主に分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、他方は主に分区の細胞外液成分を表す抵抗を含む、2つの平行経路を少なくとも有する分区に対するインピーダンスモデルを用いて決定され、
(i) 2つの平行経路だけが皮膚の内側の分区の組成を表すインピーダンスモデルの平行経路であり、
(ii) 工程(a)で印加される周波数のそれぞれは10kHz以下である。
【0012】
本発明の上述した態様のいくつかの実施形態にしたがえば、モデルパラメータ(例えばRF)を分区についての生理学的値(例えば脂肪含量値)に変換する相関方程式が用いられる。相関方程式は、
(i) 複数の較正被験者のそれぞれについてモデルパラメータ値を得るために複数の被験者について工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 複数の較正被験者のそれぞれについて分区に対する生理学的値を得るために複数の被験者について分区に関する測定(例えば磁気共鳴画像化を用いる脂肪含量の測定)を実施する工程、及び
(iii) 相関方程式を得るために工程(i)及び(ii)で得られた値に回帰分析を実施する工程、
によって得ることができる。
【0013】
複数の較正被験者には、体容積指数が20より低い被験者を少なくとも一人、及び体容積指数が35より高い被験者を少なくとも一人含めることが望ましい。複数の較正被験者には、体容積指数が20より低い被験者を少なくとも一人、及び体容積指数が40より高い被験者を少なくとも一人含めることがさらに望ましい。
【0014】
第3の態様にしたがえば、本発明は皮膚で覆われた身体分区の一部の周長を決定するための、
(a) 身体区分の一部の周りに、一群の電極であって、第1電極及び最終電極を有し、第1電極と最終電極の間隔を除く、群の全ての電極間の周縁距離が既知の、一群の電極を付ける工程、
(b) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、第1電極及び最終電極以外の一群の電極の内の少なくとも2つの電極の間の抵抗値を決定する工程、
(c) 工程(b)において決定された抵抗値及び2つの電極間の既知の周縁距離から皮膚について単位長当りの比抵抗値を決定する工程、
(d) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、一群の電極の内の第1電極と最終電極の間の抵抗値を決定する工程、及び
(e) 工程(d)において測定された抵抗値及び工程(c)において決定された単位長当りの比抵抗値から一群の電極の内の第1電極と最終電極の間隔を計算する工程、
を含む方法を提供する。
【0015】
上述の全般的説明及び以下の詳細な説明が本発明の例示に過ぎず、本発明の本質及び性格を理解するための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。
【0016】
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は当業者には説明から容易に明らかであろうし、あるいは本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。添付図面は本発明のさらなる理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
上で論じたように、本発明は被験者、すなわち人間または動物の身体の分区の脂肪含量、筋肉含量及び/または細胞外液含量に関する情報を与えることができる生体インピーダンス方法及び装置に関する。
【0018】
分区は一般に被験者の四肢の一部または全て、例えば被験者の腓または前腕
であろうが、被験者の胴の全てまたは一部、例えば被験者の腹部の一部または全てとすることもできる。同様に、分区は特定の筋肉または筋肉の一部のように小さくすることができ、基本的に被験者の全身のように大きくすることができる。
【0019】
分区の位置及び大きさは被験者の皮膚上の電流印加電極の配置に依存するであろう。詳しくは、分区は、電流印加電極を作動させたときに実質的な電流が通過する被験者の身体の部分を構成するであろう。電流印加電極の数、位置及び極性の適切な選択により、被験者の身体内に様々な電流パターンを達成することができる。実際上、選択された電流印加電極の極性を変えることにより、電流印加電極の移動を必要とせずに1つより多くの分区を分析することができる。
【0020】
技術上知られているように、電圧記録電極は一般に電流印加電極の内側に配置されるであろう。すなわち、電圧記録電圧は一般に、電流印加電極を作動させたときに実質的な電流が通過する患者の身体の部分を囲む、皮膚上に配置されるであろう。
【0021】
電流の印加及び電圧の記録は、現在知られているかまたは今後開発される、電流印加電極及び記録電極を有する生体インピーダンス装置、例えば以下で論じられる具体例で用いた4000B生体インピーダンススペクトルアナライザシステム(ザイトロン・テクノロジーズ社(Xitron Technologies、Inc.),米国カリフォルニア州サンディエゴ)のような市販装置で実施することができる。あるいは、特別調製装置を本発明の実施に用いることができる。
【0022】
生体インピーダンス装置によって得られたデータの処理は装置内で完全に実施することができ、あるいは別のコンピュータを用いてオンラインで実施することができる。あるいは、データを格納し、測定後に処理することができる。
【0023】
好ましくは、生体インピーダンス装置は本発明の分析手順の少なくとも一部を実施するようにプログラムされたマイクロプロセッサを備えるであろう。例えば、生体インピーダンス装置は較正被験者に関する調査から得られた回帰方程式をある被験者について測定されたインピーダンスデータに適用することができ、したがって、その被験者の脂肪含量、筋肉含量及び/または細胞外液含量を装置のユーザ、例えば被験者自身及び/または、その情報に関心がある別の人、例えば健康管理者に直接報告することができる。脂肪含量、筋肉含量及び/または細胞外液含量はグラフで、数値で(例えば、脂肪及び/または筋肉の百分率値として)、または色(例えば、高脂肪含量に対して赤)で、あるいはその他の様式で、報告することができる。
【0024】
本発明のいくつかの実施形態においては、被験者の皮膚に複数の周波数で交流電流が印加される。少なくとも10の周波数が用いられることが好ましく、ほぼ50の周波数が用いられることがさらに好ましい。複数の周波数は5kHzと1000kHzの間の周波数からなることが好ましいが、望ましければより広いかまたはより狭い範囲にわたる周波数を用いることができる。周波数は周波数範囲にわたり対数的に分布することが最も好ましい。
【0025】
上で論じたように、様々な組織の電気特性を計算するためにこれまで普通に用いられているインピーダンスモデルには多くの問題がある。そのような問題の1つは、脂肪は無脂肪質に比較して抵抗が高く、したがって脂肪量は無視できるという基本仮定である。別の問題は細胞外抵抗及び細胞内抵抗のモデルの計算に関する。既存のモデルでは考慮されていないが、皮膚下の組織に基づくモデルは皮膚及び脂肪組織量によって影響を受ける。
【0026】
本発明は、皮膚、脂肪、筋肉のような様々な身体構成成分の電気入力に対する応答を調べることによって現在の分析手法にともなう様々な問題を軽減することに向けられる。さらに詳しくは、いくつかの態様にしたがえば、本発明は等価回路を用いて身体組織の様々な成分の効果を表すためのモデルを提供する。
【0027】
詳しくは、現行の生体インピーダンス手法を改善するため、本発明のいくつかの態様にしたがえば、様々な身体組織比による電気特性及び広い範囲の電流周波数の効果を説明することができる、改善された電気モデルが提供される。以下で具体例1において提示されるデータでは特に、皮膚で測定された5kHzにおける比抵抗値の、モデルを用いて計算された比抵抗値との関係が評価される。
【0028】
図1は、四肢の導電率の成分を表すために用いることができる、本発明にしたがう分区身体組成モデルを示す。特に、図は本発明の電気モデルに対する基礎をなす四肢分区における導電性成分を示す。参考のため、表1は、以前の研究(非特許文献9)で報告されているように、周波数が10kHzの電流を用いたときの様々な組織の電気特性(比誘電率及び比抵抗)を示す。
【0029】
図1に対する等価回路モデルが図2Aに示される。ここで、RGは皮膚上の2つの電極による抵抗測定値を表し、RS,RF,RE,RI及びRBはそれぞれ、皮膚、脂肪量、細胞外液量、細胞内液量及び骨の抵抗値を表す。図2Aにおいて、CIN,CF及びCMはそれぞれ、皮膚と電極の間の静電容量、脂肪量の静電容量及び細胞膜の静電容量を表す。
【0030】
図2Aのモデルから、総電流(IG)は式1:
【数1】
【0031】
によって与えることができる。
【0032】
RGにかかる電圧は式2:
【数2】
【0033】
により得ることができ、ここでI'GはコンデンサCINを通る電流であり、式3:
【数3】
【0034】
で与えられる。
【0035】
皮膚の抵抗値(RS)は他の組織の抵抗よりかなり高いからISは非常に小さく、よって式4:
【数4】
【0036】
が得られる。
【0037】
低周波数(例えば5kHz)の電流は細胞内空間を通らないであろうから、等価回路は図3に示されるように修正することができる。
【0038】
図3において、Eは(RGにかかる)2つの測定電極間の電圧を表し、EEはREにかかる電圧を表す。したがって、電圧方程式を式5:
【数5】
【0039】
と書くことができ、ここで、
【数6】
【0040】
はコンデンサCINにかかる電圧を表す。この電圧は高電流周波数において、またはCINが大きいときは、無視することができる。
【0041】
図3の並列回路にしたがい、皮膚電極による抵抗RGの測定値は式6:
【数7】
【0042】
で計算することができる。
【0043】
脂肪量のリアクタンス(XF)及び皮膚と電極の間のリアクタンス(XIN)は、
【数8】
【0044】
及び
【数9】
【0045】
である。
【0046】
したがって、RGは式7:
【数10】
【0047】
及び式8:
【数11】
【0048】
のように簡単にすることができる。ここで、AF及びAEはそれぞれ、この分区におけるMRI及びECVからの脂肪量の断面積を表す。以前の研究により、ECVにおける比抵抗に対する脂肪量の比抵抗の比は近似的に式9:
【数12】
【0049】
である(非特許文献6)。
【0050】
式8はさらに式10:
【数13】
【0051】
のように簡単にすることができ、ここでρGは皮膚上で測定された比抵抗であり、ρEは値が一定のECV空間の比抵抗である。式11:
【数14】
【0052】
とし、
【数15】
【0053】
が小さいと仮定すれば、式12:
【数16】
【0054】
が得られる。
【0055】
kE=1であれば、比抵抗は式13:
【数17】
【0056】
によって計算することができる。
【0057】
一組の較正被験者から得られた実験データへのこれらの式、特に式12及び13の適用が以下の具体例1に述べられる。具体例1に説明される結果は、脂肪質の量が標準の4電極生体インピーダンス法を用いる身体組成の推定に影響する重要な要因であることを示す。
【0058】
具体例1の実験データは、印加電流について1つの周波数、すなわち5kHzを用いて得られた。発明者等の分区身体成分の等価回路モデルは、複周波数電流への応答を表すために用いられることが好ましい。具体例2はそのような複周波数検査の結果を示す。特に、この具体例は、電流周波数が高くなるにつれて、脂肪含量が異なる被験者に対してインピーダンスの減少が異なることを示す。
【0059】
図2Bは図2Aの等価回路モデルの修正版である。図2Bにおいて、Z総合はA及びBにある2つの電極による測定の総合インピーダンスを表す。図2Aと同じく、RS,RF,RE,RI及びRBはそれぞれ、皮膚、脂肪量、細胞外液量、細胞内液量及び骨の抵抗値を表し、CIN,CF及びCMはそれぞれ、皮膚と電極の間の静電容量、脂肪量の静電容量及び細胞膜の静電容量を表す。Ri1及びRi2は注入電極と測定電極の間の身体分区の抵抗値を表す。
【0060】
図2のモデルについての周波数に基づく関係を得るため、モデルが標準化されるように、式を用いてモデルを簡略化した。第1に、RPをREとRBの並列抵抗(式14):
【数18】
【0061】
とした。第2に、計算を簡単にするために、式15,16,17及び18:
【数19】
【数20】
【数21】
【0062】
及び
【数22】
【0063】
で表されるパラメータa,b,c及びdを用いた。
【0064】
総合インピーダンス(Z総合)を図2の回路から得ることができ、式19:
【数23】
【0065】
で与えられる。
【0066】
式19を標準化するために、式20:
【数24】
【0067】
とおいた。
【0068】
よって、Z総合は式21:
【数25】
【0069】
で得られる。
【0070】
個々の被験者についての周波数応答データの定量的分析は等価回路における構成要素の関数を表すために一群のパラメータを用いて実施されることが好ましい。そのようなパラメータ群は、分析に対する標準伝達関数の使用を容易にすることによって個々の被験者の身体組成における差異の識別に役立つ。
【0071】
式21は、例えば、関係式22:
【数26】
【0072】
を用いて規格化することができ、ここでP1,P2,P3,P4,Q1,Q2,Q3はパラメータ群である。
【0073】
個々の患者(個々の被験者)についてのRI,RF,CI,CF,RP,RS,CINに対する値は、式23,24,25,26,27,28及び29:
【数27】
【数28】
【数29】
【数30】
【数31】
【数32】
【0074】
及び
【数33】
【0075】
を用いて計算される。ここで、a,b,c及びdは上に式15〜18で定義されている。
【0076】
これらの式において、RI,RF,CI,CF,RP,RS,CINは決定されるべき変数であり、P1,P2,P3,P4,Q1,Q2,Q3は個々の患者についての周波数応答データの曲線あてはめによって得られるその患者についてのデータ値である。詳しくは、個々の患者についての7つの変数RI,RF,CI,CF,RP,RS,CINの値は、その患者についてのP1,P2,P3,P4,Q1,Q2,Q3の値を用いて上の7つの式(式23から式29)を解くことによって得られる。
【0077】
以下の具体例2においては、個々の患者についてのパラメータP1,P2,P3,P4,Q1,Q2,Q3の値を得るために、MATLABツールボックスの曲線あてはめプログラム(マスワークス社(MathWorks, Inc.),米国マサチューセッツ州ナティック)を用いた。周波数応答曲線のシミュレーション値はMATLABツールボックスの標準信号処理プログラムを用いて得られた。
【0078】
式22は、当業者には本開示から明らかであろうように、生体インピーダンス実験中に得られるタイプの周波数応答データとともに用いるに好ましい曲線あてはめ式であるが、望ましければ別の曲線あてはめ式を用いることができる。同様に、MATLABプログラム以外の数学処理プログラムを本発明の実施に用いることができる。
【0079】
分区の長さ及び周長は手作業で測定することができる。あるいは、本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、分区の周長及び分区長は単電極の代りに電極群を用いて測定することができる(図4を見よ)。低周波数(例えば<10Hz,好ましくは<1Hz)における抵抗値は皮膚の電気特性を表すことができる。それぞれの対においていずれの隣接する2つの電極の間隔も知られているから、測定領域の周長は式30:
【数34】
【0080】
として計算することができる。ここで、Cは周長を表し、nは電極数であり、Dは2つの隣接する電極の既知の間隔であり、Rn(図5ではn=8)は電極がどの分区においても円をなしている場合の第1電極と最終電極の間の抵抗値であり、λは式31:
【数35】
【0081】
によって計算することができる断面領域面積に対する比抵抗の比であって、Riは第1電極と最終電極の間の抵抗値を除く全ての隣接する2つの電極間の抵抗値であり、Diは第1電極と最終電極の間隔を除く全ての隣接する2つの電極の間隔である。
【0082】
したがって、この分区の皮膚における比抵抗は式32:
【数36】
【0083】
であり、ここでAは分区の断面積である。A=C2/(4π)であるから、ρ'は式33:
【数37】
【0084】
で計算することができる。皮膚の比抵抗が決定されれば、分区長は式34:
【数38】
【0085】
で計算することができ、ここでLは分区長であり、Aは分区の断面積であって、RLは分区の縦軸に沿う2つの断面領域間の抵抗値である。
【0086】
図4において、E1〜E8は電極であり、D1〜D7はそれぞれ2つの隣接する電極の間隔を表し、D1=D2=・・・=D7である。図5において、R1〜R7は2つの隣接する電極間の皮膚抵抗値を表す。R8は、上述したように、第1電極(E1)と最終電極(E8)の間の抵抗値である。E1とE8の間隔は未知であるが、上で論じたように、R8/λによって計算することができ、したがって、式30によって周長(C)を計算することができる。
【0087】
本明細書に説明される数学操作は様々なコンピュータ及びソフトウエアを用いて実施することができる。例えば、そのような操作は、上で論じた市販のMATLABプログラム及びプログラム作成者の仕様にしたがってそのプログラムを実行するように構成されたパーソナルコンピュータを用いて実施することができる。本発明の数学操作の実施に合せて作成されたプログラムを、その上にプログラムがエンコードされる、磁気ディスク、光ディスク等のようなコンピュータが利用できる媒体を含む製品として実現することができる。プログラムで生成されたデータは同様に様々なタイプの記憶媒体上に格納することができる。
【0088】
いかなる態様においても本発明を限定することは目的とせずに、以下の具体例によって本発明をさらに十分に説明する。
【0089】
(具体例1)
生体インピーダンス分析への脂肪量の効果
本具体例は、脂肪量が、生体インピーダンス分析を用いる、透析患者の臨床診療における体液の正確な測定を含む身体組成の正確な測定に影響する主要な要因であることを示す。
【0090】
28人の長期血液透析患者を処置の前に調べた。表2はこの被験者(患者)グループについての当該パラメータを示す。
【0091】
ザイトロン4200(ザイトロン・テクノロジーズ社,米国カリフォルニア州サンディエゴ)BIS装置を用いて腓生体インピーダンス測定を実施した。電極配置手順は以前の研究で発表されている(エフ・ツー(F. Zhu),エス・サーカー(S. Sarker),シー・カイトワッチャラチャイ(C. Kaitwatcharachai),アール・グリーンウッド(R. Greenwood),シー・ロンコ(C. Ronco),エヌ・ダブリュー・レビン(N. W. Levin),「局所生体インピーダンス分析を用いる腓の比抵抗測定の方法及び再現性(Methods and reproducibility of measurement of resistivity in the calf using regional bioimpedance analysis)」,Blood Purif.,2003年,第21巻,pp.131−136。本文献は以降非特許文献10と称する)。非特許文献10に説明されるように、正規の位置に電極を配置するため、被験者を座位において、膝蓋骨の中央部と外果の中央の間隔(H)を測定した(図6を見よ)。患者を横臥させ、2つの測定電極を、一方は中心点より5cm上、他方は5cm下に配置した。2つの電流注入電極を、一方は測定電極より3cm上、他方は3cm下に配置した。2つの測定電極における腓の周長は精度0.1cmのテープを用いて測定した。
【0092】
50の周波数を5kHzから1MHzにかけて対数的に分布させてBIS装置を用いて腓の抵抗値及びリアクタンスを測定した。BIS装置で提供されるプログラムを用いて(非特許文献7及び10)、細胞外抵抗値(Re)及び細胞内抵抗値を計算し、ECV及びICVを得た。同じ領域でMRIによって脂肪量、筋肉量及び骨を個別に測定した。
【0093】
幾何学的体積(VG)を分区の断面積(AG)×長さ(L)として定めた。AGはAG=C2/(4π)で計算することができ、ここでCは腓の周長の平均値である。比抵抗(ρG,Mea)を式35:
【数39】
【0094】
に示される測定値を用いて計算した。ここでRGは5kHzで測定した抵抗値であり、AGは断面積であって、長さ(L)は全ての被験者について10cmに固定した。
【0095】
測定及び計算の両者からの比抵抗値への脂肪量の効果を比較するため、幾何学的体積(VG)に対する脂肪量(VF)の比にしたがって28人の患者を2グループに分けた。VF/VG>0.2として高脂肪値グループを定め、VF/VG≦0.2として正常脂肪値グループを定めた。データを平均値±標準偏差として表し、異なるグループからのデータを比較するためにスチューデントのt検定を用いた。p値<0.05であれば、グループ間の差を有意であると見なした。
【0096】
表3は2グループ間の比抵抗比較の結果を示す。ρG,Mea(p<0.05)、ρG,Cal(p<0.005)及びΔρ(p<0.05)には有意な差があったが、ρ*G,Calでは2グループ間に有意な差が見られなかった(表3)。ρG,Meaとρ*G,Calの間の差(p<0.05)は有意であったが、ρG,MeaとρG,Calの間には有意な差が見られなかった。
【0097】
図7は式12及び13を用いた比抵抗の計算値と測定値の間の相関を示す。本図は測定値に基づいて式35から決定した比抵抗(ρG,Mea)と式12を用いて決定した比抵抗(ρG,Cal)の間の強い相関を示す。図7において、◆印は式13によるρ*G,CalとのρG,Meaの相関(ρ*G,Cal=0.66ρG,Mea+76.7,R2=0.96)を表し、●印は式12で計算した個々の様々なkE値を用いたρG,MeaとρG,Calの間の相関(ρG,Cal=0.93ρG,Mea+41.1,R2=0.9)を表す。ρ*G,CalとのρG,Meaの相関は強いが、勾配は0.66(◆印)に過ぎない。式12を用いた個々のkEによる較正後の勾配は0.93(●印)である。すなわち、かなり改善されている。
【0098】
皮膚で測定された比抵抗の様々な皮下組織との関係の知識は、関係する生体電気現象の理解に肝要である。初期の研究の多くが直接測定による様々な生体組織及び器官の比抵抗を示している(非特許文献6)。しかし、臨床測定は皮膚表面上で行われ、様々な組織の比抵抗は数多くの理論モデルによって計算されているから、(1)電極と皮膚の界面のインピーダンスが個人毎に異なること、(2)脂肪組織の量が個々に異なること及び(3)個人間の皮膚インピーダンス及び脂肪量の差の変数を理論モデルが含んでいないことにより、誤差が生じ得る。
【0099】
本発明は脂肪量のインピーダンスの変数を含み、皮膚及び静電容量間の界面の比抵抗の変数を含めることができる、モデルを提供する。表3は、脂肪量が多くなると、モデルによる計算と測定に基づく計算の間で5kHzにおける比抵抗に有意な差(Δρ)があることを示す。これは、皮膚上の測定から得られた低周波数(5kHz)における比抵抗値には細胞外液画分からの寄与だけでなく脂肪量画分からの寄与も含めるべきであることを示唆する。図7は、●印で示されるような、個々のkEによる較正後の曲線の勾配が1にほとんど等しいことを示し、これは計算値が測定値に近いことを示す。健康な被験者における比抵抗の変動性が主に個々の脂肪量に依存することを理解することが重要である。したがって、本モデルを用いれば、例えば、腓の比抵抗の測定によって、ECVに関する正しい情報を得ることができる。この情報は、とりわけ、透析患者で変動し得る異常含水量を調節するための正確な含水パラメータを提供するために重要である。これによって、透析中の過剰な体液を除去することで適切な体重を目指すことが可能となるであろう。
【0100】
要約すれば、本具体例は、皮膚表面における比抵抗の測定から様々な組織における比抵抗を計算するための基礎として用いることができるモデルを提供する、本発明の態様のいくつかを説明する。すなわち、本具体例は、皮膚表面上の測定による比抵抗と四肢を構成する組織の計算による比抵抗の関係をモデルが表す、生体インピーダンス分析に使用するための身体分区組成の電気比抵抗モデルを提供する、本発明の態様のいくつかを説明する。
【0101】
特に、本具体例においては、腓の表面において注入された5kHzの電流を用いて特定の分析を被験者グループで行った。本調査はモデルを用いて計算した比抵抗値が実際の測定による比抵抗値と強く相関することを示した。次の具体例においては、様々な周波数の電流に対するシステムの応答を調査する。この具体例の結果は、本発明の3平行形路モデルを用いて細胞膜の比抵抗を検査できることを示す。
【0102】
(具体例2)
複数周波数分析
既存のBIS手法を改善するためには、正しい電気モデルは広い範囲の電流周波数にわたって身体組織の様々な比率による電気特性を説明できるべきである。本研究の目的は腓の皮膚で測定される5kHzから1MHzでの等価回路モデルの周波数応答を評価することであった。等価回路モデルは図2Bに示される。
【0103】
具体例1と同じ28人の血液透析患者(表2を見よ)を処置前に調べた。同じく、ザイトロン4200(ザイトロン・テクノロジーズ社,米国カリフォルニア州サンディエゴ)BIS装置を用いて腓生体インピーダンス測定を実施した。電極の配置は上に具体例1で説明した配置と同じである(図6を見よ)。
【0104】
50の周波数を5kHzから1MHzにかけて対数的に分布させてBIS装置を用いて腓の抵抗及びリアクタンスを測定した。MRIによって脂肪量、筋肉量及び骨をBIS測定と同じ領域で個別に測定した。患者を腓の脂肪量にしたがって、脂肪>0.4kgのG1,0.25<脂肪<0.4kgのG2及び脂肪<0.25kgのG3の、3グループに分けた。
【0105】
G1とG3の間には抵抗、リアクタンス及びインピーダンスに有意な差が見られたが、G1とG2の間の有意な差は40kHzより高い周波数でしか見られない(図8)。様々な周波数によるインピーダンスの生データ(○,△及び□)への曲線あてはめの結果を図9に示す。○印で示されるデータはMRIで推定された脂肪量が0.59kgの患者についてのデータであり、△印及び□印はそれぞれ、同じくMRIで推定された脂肪量が0.29kg及び0.23kgの2人の別の患者についてのデータを示す。
【0106】
2人の患者による、周波数応答曲線(A)及び位相応答(B)が図10及び11に示され、一方の患者(図10)はMRIで推定された脂肪量が0.55kg,筋肉量が1.046kg,骨が0.021kgであり、他方の患者(図11)は同じくMRIで推定された脂肪量が0.134kg,筋肉量が1.022kg,骨が0.022kgである。
【0107】
脂肪量が少ない方の患者のインピーダンスは1〜10kHzの周波数範囲で減少する(図11A)が、患者がより多くの脂肪量を有する場合は、同じ周波数範囲で曲線がほとんど一定である(図10A)ことがはっきり分かる。さらに、位相の最小点における周波数値が2人の患者の間で異なっている。
【0108】
図12はBIS及びMIRによる筋肉(MS)推定値の相関を示す(MSBIS=285L2/Ri,ここでL(10cm)は患者の腓に沿う測定電極間隔であり、Riは図2Bのモデルを用いて計算した細胞内抵抗値である)。MSBISの計算において筋肉比抵抗として用いた285Ω-cmの値はMRIデータに基づく回帰分析によって得た。
【0109】
図12の作成においては、測定した周波数応答データからそれぞれの患者について得られたP1,P2,P3,P4,Q1,Q2及びQ3の値を用いて式23〜29を解くことによって、それぞれの患者についてRiを決定した。したがって、図12は個々の被験者の身体組成における差を識別するために用いることができる等価回路の構成要素の周波数応答の分析を定量化するためのパラメータ群の使用を説明する。
【0110】
上に論じたグループG1,G2及びG3についてP1,P2,P3,P4,Q1,Q2及びQ3の値の差を調べた。表4はG1とG2の間のP1の有意な差(p<0.05)及びG1とG3の間のP4の有意な差を示す。P及びQパラメータではP1及びP4を除いて有意な差はなかった。
【0111】
具体例1は、図2の等価回路モデルを用いる皮膚表面上での電気比抵抗測定が脂肪組織によって影響を受けることを上に示した。これは、細胞外液量及び細胞内液量のような身体組成を推定するための生体インピーダンス法の確度に影響する、さらに重要な要因の1つであると考えられる。もちろん、生体インピーダンスの確度は、脂肪量だけでなく、電極と皮膚の間の界面または皮膚含水量の度合いによっても影響を受ける。
【0112】
本具体例において、図9に示される結果は脂肪含量が様々な患者において電流周波数が高くなるとインピーダンスが減少することを示す。脂肪量が多い患者のインピーダンスは脂肪量が少ない患者のインピーダンスより高い。筋肉量及び骨量が同様の2人の患者のシミュレーション結果は周波数応答曲線が0〜1kHzの周波数範囲において異なることを示す。図10と11の間の差は0〜1kHzの周波数に対する応答における曲線の変化が脂肪量に依存し、複数周波数生体インピーダンス分析による細胞外抵抗値及び細胞内抵抗値の推定に大きく影響するであろうことを示す。さらに、2人の患者の間の位相応答の最小点における差は、被験者の脂肪量が多い場合に、50kHzの単一周波数生体インピーダンス法を使用すると誤差が生じ得るであろうことを示す。
【0113】
図12に示されるBIS及びMRIによる筋肉量推定値の間の相関には、臨床及びその他の応用について多くの重要な関連がある。すなわち、図12に示されるように、本発明の電気モデルはMRIで測定されるような実筋肉量との十分な相関を与える。したがって、本モデルにより、簡単で、費用がかからず、非侵襲性の電気測定だけを用いる、個々の被験者(患者)の筋肉量の決定が可能になる。
【0114】
本モデルを用いて決定される特定の筋肉量はBIS測定を行うために用いられる電極に対して選ばれる特定の場所に依存するであろう。例えば、図12のデータは全腓筋肉についてのデータである。異なる電極配置を用いることによって、例えば、腓筋肉の一部、例えば腓の腓腹部の筋肉量を決定することができる。あるいは、腓筋肉について測定を行う以外に、その他の筋肉、筋肉の各部及び/または筋肉群について測定を行うことができ、例えば被験者の二頭筋の全てまたは一部について測定を行うことができる。相対測定だけが必要であれば、生体インピーダンス測定値をそのまま用いることができる。あるいは、図12に示されるタイプの相関を、特定の筋肉、筋肉の各部または筋肉群について生体インピーダンス測定値とMRI測定値の間で得ることができ、よって、電気測定で筋肉量についての「絶対」値を提供することが可能になる。ここで「絶対」値は、筋肉量測定に対して受認された「黄金基準」である、MRIを用いて得られる筋肉量に相当する筋肉量であることが好ましい。
【0115】
MRI測定値に対して照合するかまたはせずに、電極の適切な適用により個々の筋肉または筋肉群の筋肉量を測定できる能力によって、数多くの応用が得られる。例えば、これらの手法は、筋肉量増加の効果が意味をもつ、家庭、ジム、運動クラブ及びヘルスクラブにおけるエクササイズプログラム並びに外科手術または傷害後のリハビリテーションにおいて、適用できる。すなわち、時間の経過とともに一連の生体インピーダンス測定を行うことにより、被験者(患者)及び/または被験者(患者)のヘルスケア専門家が、エクササイズプログラム、食事の変化及び/またはリハビリテーションプログラムの結果としての筋肉量変化を監視することができる。
【0116】
(具体例3)
単一低周波数生体インピーダンス測定
図13は、5kHzで測定した抵抗値とMRIで決定した筋肉量の間に相関がないことを示す、具体例1及び2のデータに基づくグラフである。このデータは低周波数では生体インピーダンス測定データが分区の筋肉量に関係しないという結論を支持する。むしろ、図3の回路モデルで述べたように、そのような周波数においては、生体インピーダンス法で得られる測定値を主として決定する分区の成分は脂肪成分及び細胞外液成分である。
【0117】
(具体例4)
比較例
複数周波数−3平行経路モデル対50kHz
図14及び15は、図2の複数周波数−3平行経路モデルを用いて得られた生体インピーダンス測定値とMRI測定値の間の相関を、単一周波数、すなわち普通に用いられる50kHzの周波数におけるインピーダンスを用いて得られた相関と比較する。これらの図の作成に用いたデータは具体例1及び2に関して上で論じたデータである。
【0118】
図14は筋肉量の相関を示し、図15は脂肪量の相関を示す。これらの図で示されるように、本発明の複数周波数−3平行経路等価回路周波数応答モデルでは、単一50kHz手法よりも強い相関が筋肉量(50kHzでのR2=0.3に対して本発明ではR2=0.6)及び脂肪量(50kHzでのR2=0.2に対し本発明ではR2=0.7)のいずれについても得られる。
【0119】
(具体例5)
比較例
複数周波数−3平行経路モデル対コール−コールモデル
図16及び17は、図2の複数周波数−3平行経路モデルを用いて得られたBIS測定値とMRI測定値の間の相関を、コール−コールモデルを用いて得られた相関と比較する。これらの図の作成に用いたデータは具体例1及び2に関して上で論じたデータである。
【0120】
図16は筋肉量の相関を示し、図17は脂肪量の相関を示す。これらの図で示されるように、本発明の複数周波数−3平行経路等価回路周波数応答モデルではコール−コールモデルよりも強い相関が筋肉量(コール−コ−ルモデルでのR2=0.4に対して本発明ではR2=0.6)及び脂肪量(コール−コールモデルでのR2=0.1に対し本発明ではR2=0.7)のいずれについても得られる。
【0121】
本発明の特定の実施形態を説明し、図示したが、当業者には本発明の範囲及び精神を逸脱しない様々な改変が上述した開示から明らかであろうことは当然である。ほんの一例として、添付される特許請求の範囲には本発明の様々な特徴が挙げられるが、本発明がそれらの特徴の内のいくつかまたは全ての組合せを、添付される特許請求の範囲にそのような組合せが実際に述べられているか否かにかかわらず、包含することは当然である。
【表1】
【表2】
【表3】
【表4】
【図面の簡単な説明】
【0122】
【図1A】本発明にしたがう身体組成モデルを断面形態で示す
【図1B】本発明にしたがう身体組成モデルを3次元形態で示す
【図2A】図1の身体組成モデルに対する等価回路周波数応答モデルである
【図2B】図1の身体組成モデルに対する等価回路周波数応答モデルである
【図3】低周波条件、例えば10kHzより低い周波数の下での図1の身体組成モデルに対する等価回路周波数モデルである
【図4】本発明の実施に用いることができる電極構成を示す
【図5】図4の電極構成に対する抵抗器モデルを示す
【図6】詳細な説明に与えられる具体例の生体インピーダンスを生じさせるために用いられた電極配置を示す
【図7】ρ測定値と式12及び13を用いて得られたρ計算値の間の相関を示す。式12を用いて得られたより急峻な相関勾配は生体インピーダンス測定に対する等価回路周波数応答モデルにおける脂肪含量に関する情報を含む値を示す
【図8】脂肪含量が異なる被験者グループ間のt検定のp値を示す
【図9】脂肪含量が異なる3人の被験者(患者)についてのインピーダンスの曲線のあてはめを示す
【図10】脂肪量が0.588kgの被験者(患者)についてのインピーダンスの絶対値(図10A)およびインピーダンスの位相(図10B)を示す
【図11】脂肪量が0.134kgの被験者(患者)についてのインピーダンスの絶対値(図11A)およびインピーダンスの位相(図11B)を示す
【図12】筋肉(MS)のMRIによる推定量と本発明のBIS手法による推定量の間の相関を示す
【図13】MRIによって測定された筋肉量と5kHzで測定された抵抗値の間の相関を示す
【図14】(i)MRIによって測定された筋肉量と本発明の複数周波数−3平行経路モデルを用いて決定された細胞内抵抗値(RI)の間の相関(図14A)を、(ii)MRIによって測定された筋肉量と50kHzにおけるインピーダンスの間の相関(図14B)と比較して示す
【図15】(i)MRIによって測定された脂肪量と本発明の複数周波数−3平行経路モデルを用いて決定された脂肪抵抗値(RF)の間の相関(図15A)を、(ii)MRIによって測定された脂肪量と50kHzにおけるインピーダンスの間の相関(図15B)と比較して示す
【図16】(i)MRIによって測定された筋肉量と本発明の複周波数−3平行経路モデルを用いて決定された細胞内抵抗値(RI)の間の相関(図16A)を、(ii)MRIによって測定された筋肉量とコール−コールモデルを用いて決定された細胞内抵抗値の間の相関(図16B)と比較して示す
【図17】(i)MRIによって測定された脂肪量と本発明の複数周波数−3平行経路モデルを用いて決定された脂肪抵抗値(RF)の間の相関(図17A)を、(ii)MRIによって測定された脂肪量とコール−コールモデルを用いて決定された細胞内抵抗値の間の相関(図17B)と比較して示す
【特許請求の範囲】
【請求項1】
被験者の身体分区についての生体インピーダンスデータを分析する方法において、前記身体分区が外皮表面を有し、前記方法が、
(a) 電流に前記分区を通過させるように、前記外皮表面上の少なくとも2つの点に交流電流を複数の周波数において印加する工程、
(b) 前記複数の周波数のそれぞれについて、前記外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 前記分区の筋肉含量、脂肪含量及び細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために前記複数の周波数における前記記録された電圧差を用いる工程、
を有してなり、
前記記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報のいずれをも含み、
前記数値は、1つは主に前記分区の筋肉成分を表す直列の静電容量CM及び抵抗RIを含み、1つは主に前記分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、1つは抵抗を含む、3つの平行経路を少なくとも有する前記分区についてのインピーダンスモデルを用いて決定される、
ことを特徴とする方法。
【請求項2】
前記少なくとも1つの数値が前記分区の筋肉含量を示し、RI値を前記分区の筋肉含量値に変換する相関方程式から得られることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記相関方程式が、
(i) 複数の較正被験者に関して前記複数の被験者のそれぞれについてのRI値を得るために前記工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 前記複数の被験者のそれぞれに対して前記分区の筋肉含量についての値を得るために、前記複数の較正被験者に対して前記分区の磁気共鳴画像化を実施する工程、及び
(iii) 前記相関方程式を得るために前記工程(i)及び(ii)で得られた値に関して回帰分析を実施する工程、
によって得られることを特徴とする請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記回帰分析により前記相関方程式に対して少なくとも0.5のR2値が得られることを特徴とする請求項3に記載の方法。
【請求項5】
前記複数の較正被験者が、少なくとも1人の体容積指数が20より低い較正被験者及び少なくとも1人の体容積指数が35より高い較正被験者を含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記少なくとも1つの数値が前記分区の脂肪含量を示し、RF値を前記分区についての脂肪含量値に変換する相関方程式から得られることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項7】
前記相関方程式が、
(i) 複数の較正被験者に関して前記複数の被験者のそれぞれについてのRF値を得るために前記工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 前記複数の被験者のそれぞれに対して前記分区の脂肪含量についての値を得るために、前記複数の較正被験者に対して前記分区の磁気共鳴画像化を実施する工程、及び
(iii) 前記相関方程式を得るために前記工程(i)及び(ii)で得られた値に関して回帰分析を実施する工程、
によって得られることを特徴とする請求項6に記載の方法。
【請求項8】
前記回帰分析により前記相関方程式に対して少なくとも0.5のR2値が得られることを特徴とする請求項7に記載の方法。
【請求項9】
前記複数の較正被験者が、少なくとも1人の体容積指数が20より低い較正被験者及び少なくとも1人の体容積指数が35より高い較正被験者を含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
【請求項10】
抵抗を含む前記平行経路が主に前記分区の細胞外液成分を表すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項11】
抵抗を含む前記平行経路が主に前記分区の細胞外液成分と骨成分の並列結合を表すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項12】
前記インピーダンスモデルが前記3本の平行経路に直列の静電容量をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項13】
前記複数の周波数が5kHz以上の周波数及び1000kHz以下の周波数を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項14】
前記工程(a)の前記印加される交流電流及び前記工程(b)の前記記録された電圧差が前記複数の周波数におけるインピーダンス値を計算するために用いられ、前記工程(c)が前記インピーダンス値への曲線のあてはめを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項15】
(i) 前記曲線のあてはめが、
【数1】
のタイプの方程式を用い、ここで、Z総合がインピーダンスであり、ωはラジアン/秒を単位とする角周波数であり、
【数2】
であり、P1,P2,P3,P4,Q1,Q2及びQ3は前記インピーダンスモデルに用いられる電気要素の関数であるパラメータ群であって、
(ii) 前記被験者について前記曲線のあてはめから得られる前記P1,P2,P3,P4,Q1,Q2及びQ3の値が前記被験者についてのRI値及び/またはRF値を決定するために用いられる、
ことを特徴とする請求項14に記載の方法。
【請求項16】
前記工程(a)において、前記外皮表面上の前記少なくとも2つの点が、
(i) 前記被験者の脚上の2つの点、
(ii) 前記被験者の腓上の2つの点、
(iii) 前記被験者の腕上の2つの点
(iv) 前記被験者の二頭筋上の2つの点、
(v) 前記被験者の腹部上の2つの点、
(vi) 前記被験者の左手上の1つの点及び前記被験者の右手上の1つの点、
(vii) 前記被験者の左足上の1つの点及び前記被験者の右足上の1つの点、または
(viii)前記被験者の一方の手または前記被験者の一方の腕の上の1つの点及び前記被験者の一方の脚または前記被験者の一方の足の上の1つの点、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項17】
前記分区の筋肉含量、脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す前記少なくとも1つの数値をユーザに表示する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項18】
前記方法が同じ被験者について一度に2つまたはそれより多くの点において実施されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項19】
前記方法が、
(i) 透析処置、
(ii) エクササイズプログラム、
(iii) リハビリテーションプログラム、及び/または
(iv) 体重コントロールプログラム、
に関連して実施されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項20】
生体インピーダンスデータを分析するための装置において、請求項1に記載の方法を実施するためのプログラムされたコンピュータを備えることを特徴とする装置。
【請求項21】
被験者の身体分区についてのインピーダンスデータを分析する方法において、前記身体分区が外皮表面を有し、前記方法が、
(a) 電流に前記分区を通過させるように、前記外皮表面上の少なくとも2つの点に交流電流を複数の周波数において印加する工程、
(b) 前記複数の周波数のそれぞれについて、前記外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 前記分区の脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために前記複数の周波数における前記記録された電圧差を用いる工程、
を有してなり、
前記記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報のいずれをも含み、
前記数値は、一方は主に前記分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、他方は主に前記分区の細胞外液成分を表す抵抗を含む、2つの平行経路を少なくとも有する前記分区についてのインピーダンスモデルを用いて決定され、
(i) 前記2つの平行経路だけが前記皮膚内部の前記分区の組成を表すインピーダンスモデルの平行経路であり、
(ii) 前記工程(a)において印加される前記複数の周波数のそれぞれは10kHz以下である、
ことを特徴とする方法。
【請求項22】
前記少なくとも1つの数値が前記分区の脂肪含量を示し、RF値を前記分区についての脂肪含量値に変換する相関方程式から得られることを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項23】
前記相関方程式が、
(i) 複数の較正被験者に関して前記複数の被験者のそれぞれについてのRF値を得るために前記工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 前記複数の被験者のそれぞれに対して前記分区の脂肪含量についての値を得るために、前記複数の較正被験者に対して前記分区の磁気共鳴画像化を実施する工程、及び
(iii) 前記相関方程式を得るために前記工程(i)及び(ii)で得られた値に関して回帰分析を実施する工程、
によって得られることを特徴とする請求項22に記載の方法。
【請求項24】
前記工程(a)において、前記外皮表面上の前記少なくとも2つの点が、
(i) 前記被験者の脚上の2つの点、
(ii) 前記被験者の腓上の2つの点、
(iii) 前記被験者の腕上の2つの点
(iv) 前記被験者の二頭筋上の2つの点、
(v) 前記被験者の腹部上の2つの点、
(vi) 前記被験者の左手上の1つの点及び前記被験者の右手上の1つの点、
(vii) 前記被験者の左足上の1つの点及び前記被験者の右足上の1つの点、または
(viii)前記被験者の一方の手または前記被験者の一方の腕の上の1つの点及び前記被験者の一方の脚または前記被験者の一方の足の上の1つの点、
を含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項25】
前記分区の脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値をユーザに表示する工程をさらに含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項26】
前記方法が同じ被験者について一度に2つまたはそれより多くの点において実施されることを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項27】
前記方法が、
(i) 透析処置、
(ii) エクササイズプログラム、
(iii) リハビリテーションプログラム、及び/または
(iv) 体重コントロールプログラム、
に関連して実施されることを特徴とする請求項26に記載の方法。
【請求項28】
生体インピーダンスデータを分析するための装置において、請求項21に記載の方法を実施するためのプログラムされたコンピュータを備えることを特徴とする装置。
【請求項29】
皮膚で覆われた身体分区の一部の周長を決定する方法において、
(a) 前記部分の周りに、一群の電極であって、第1電極及び最終電極を有し、前記第1電極と前記最終電極の間隔を除く、前記群の全ての電極間の周縁距離が既知の、一群の電極を付ける工程、
(b) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、前記第1電極及び前記最終電極以外の前記一群の電極の内の少なくとも2つの電極の間の抵抗値を決定する工程、
(c) 前記工程(b)において決定された抵抗値及び前記2つの電極間の前記既知の周縁距離から前記皮膚について単位長当りの比抵抗値を決定する工程、
(d) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、前記一群の電極の内の前記第1電極と前記最終電極の間の抵抗値を決定する工程、及び
(e) 前記工程(d)において測定された抵抗値及び前記工程(c)において決定された前記単位長当りの比抵抗値から前記一群の電極の内の前記第1電極と前記最終電極の間隔を計算する工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項30】
前記第1電極及び前記最終電極を除く、全ての隣接対の電極間の前記抵抗値が、前記工程(b)において決定され、前記比抵抗値を決定するための前記工程(c)において用いられることを特徴とする請求項29に記載の方法。
【請求項31】
前記第1電極及び前記最終電極を除き、隣接対の電極の間隔が等しいことを特徴とする請求項29に記載の方法。
【請求項32】
前記一群の電極がベルト上に載せられていることを特徴とする請求項29に記載の方法。
【請求項33】
皮膚によって覆われた身体分区の一部の周長を決定する方法において、請求項29に記載の方法を実施するためのプログラムされたコンピュータを備えることを特徴とする装置。
【請求項1】
被験者の身体分区についての生体インピーダンスデータを分析する方法において、前記身体分区が外皮表面を有し、前記方法が、
(a) 電流に前記分区を通過させるように、前記外皮表面上の少なくとも2つの点に交流電流を複数の周波数において印加する工程、
(b) 前記複数の周波数のそれぞれについて、前記外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 前記分区の筋肉含量、脂肪含量及び細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために前記複数の周波数における前記記録された電圧差を用いる工程、
を有してなり、
前記記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報のいずれをも含み、
前記数値は、1つは主に前記分区の筋肉成分を表す直列の静電容量CM及び抵抗RIを含み、1つは主に前記分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、1つは抵抗を含む、3つの平行経路を少なくとも有する前記分区についてのインピーダンスモデルを用いて決定される、
ことを特徴とする方法。
【請求項2】
前記少なくとも1つの数値が前記分区の筋肉含量を示し、RI値を前記分区の筋肉含量値に変換する相関方程式から得られることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記相関方程式が、
(i) 複数の較正被験者に関して前記複数の被験者のそれぞれについてのRI値を得るために前記工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 前記複数の被験者のそれぞれに対して前記分区の筋肉含量についての値を得るために、前記複数の較正被験者に対して前記分区の磁気共鳴画像化を実施する工程、及び
(iii) 前記相関方程式を得るために前記工程(i)及び(ii)で得られた値に関して回帰分析を実施する工程、
によって得られることを特徴とする請求項2に記載の方法。
【請求項4】
前記回帰分析により前記相関方程式に対して少なくとも0.5のR2値が得られることを特徴とする請求項3に記載の方法。
【請求項5】
前記複数の較正被験者が、少なくとも1人の体容積指数が20より低い較正被験者及び少なくとも1人の体容積指数が35より高い較正被験者を含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。
【請求項6】
前記少なくとも1つの数値が前記分区の脂肪含量を示し、RF値を前記分区についての脂肪含量値に変換する相関方程式から得られることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項7】
前記相関方程式が、
(i) 複数の較正被験者に関して前記複数の被験者のそれぞれについてのRF値を得るために前記工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 前記複数の被験者のそれぞれに対して前記分区の脂肪含量についての値を得るために、前記複数の較正被験者に対して前記分区の磁気共鳴画像化を実施する工程、及び
(iii) 前記相関方程式を得るために前記工程(i)及び(ii)で得られた値に関して回帰分析を実施する工程、
によって得られることを特徴とする請求項6に記載の方法。
【請求項8】
前記回帰分析により前記相関方程式に対して少なくとも0.5のR2値が得られることを特徴とする請求項7に記載の方法。
【請求項9】
前記複数の較正被験者が、少なくとも1人の体容積指数が20より低い較正被験者及び少なくとも1人の体容積指数が35より高い較正被験者を含むことを特徴とする請求項8に記載の方法。
【請求項10】
抵抗を含む前記平行経路が主に前記分区の細胞外液成分を表すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項11】
抵抗を含む前記平行経路が主に前記分区の細胞外液成分と骨成分の並列結合を表すことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項12】
前記インピーダンスモデルが前記3本の平行経路に直列の静電容量をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項13】
前記複数の周波数が5kHz以上の周波数及び1000kHz以下の周波数を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項14】
前記工程(a)の前記印加される交流電流及び前記工程(b)の前記記録された電圧差が前記複数の周波数におけるインピーダンス値を計算するために用いられ、前記工程(c)が前記インピーダンス値への曲線のあてはめを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項15】
(i) 前記曲線のあてはめが、
【数1】
のタイプの方程式を用い、ここで、Z総合がインピーダンスであり、ωはラジアン/秒を単位とする角周波数であり、
【数2】
であり、P1,P2,P3,P4,Q1,Q2及びQ3は前記インピーダンスモデルに用いられる電気要素の関数であるパラメータ群であって、
(ii) 前記被験者について前記曲線のあてはめから得られる前記P1,P2,P3,P4,Q1,Q2及びQ3の値が前記被験者についてのRI値及び/またはRF値を決定するために用いられる、
ことを特徴とする請求項14に記載の方法。
【請求項16】
前記工程(a)において、前記外皮表面上の前記少なくとも2つの点が、
(i) 前記被験者の脚上の2つの点、
(ii) 前記被験者の腓上の2つの点、
(iii) 前記被験者の腕上の2つの点
(iv) 前記被験者の二頭筋上の2つの点、
(v) 前記被験者の腹部上の2つの点、
(vi) 前記被験者の左手上の1つの点及び前記被験者の右手上の1つの点、
(vii) 前記被験者の左足上の1つの点及び前記被験者の右足上の1つの点、または
(viii)前記被験者の一方の手または前記被験者の一方の腕の上の1つの点及び前記被験者の一方の脚または前記被験者の一方の足の上の1つの点、
を含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項17】
前記分区の筋肉含量、脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す前記少なくとも1つの数値をユーザに表示する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項18】
前記方法が同じ被験者について一度に2つまたはそれより多くの点において実施されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項19】
前記方法が、
(i) 透析処置、
(ii) エクササイズプログラム、
(iii) リハビリテーションプログラム、及び/または
(iv) 体重コントロールプログラム、
に関連して実施されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項20】
生体インピーダンスデータを分析するための装置において、請求項1に記載の方法を実施するためのプログラムされたコンピュータを備えることを特徴とする装置。
【請求項21】
被験者の身体分区についてのインピーダンスデータを分析する方法において、前記身体分区が外皮表面を有し、前記方法が、
(a) 電流に前記分区を通過させるように、前記外皮表面上の少なくとも2つの点に交流電流を複数の周波数において印加する工程、
(b) 前記複数の周波数のそれぞれについて、前記外皮表面上の別の少なくとも2つの点の間の電圧差を記録する工程、及び
(c) 前記分区の脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値を決定するために前記複数の周波数における前記記録された電圧差を用いる工程、
を有してなり、
前記記録された電圧差は絶対値情報及び位相情報のいずれをも含み、
前記数値は、一方は主に前記分区の脂肪成分を表す直列の静電容量CF及び抵抗RFを含み、他方は主に前記分区の細胞外液成分を表す抵抗を含む、2つの平行経路を少なくとも有する前記分区についてのインピーダンスモデルを用いて決定され、
(i) 前記2つの平行経路だけが前記皮膚内部の前記分区の組成を表すインピーダンスモデルの平行経路であり、
(ii) 前記工程(a)において印加される前記複数の周波数のそれぞれは10kHz以下である、
ことを特徴とする方法。
【請求項22】
前記少なくとも1つの数値が前記分区の脂肪含量を示し、RF値を前記分区についての脂肪含量値に変換する相関方程式から得られることを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項23】
前記相関方程式が、
(i) 複数の較正被験者に関して前記複数の被験者のそれぞれについてのRF値を得るために前記工程(a),(b)及び(c)を実施する工程、
(ii) 前記複数の被験者のそれぞれに対して前記分区の脂肪含量についての値を得るために、前記複数の較正被験者に対して前記分区の磁気共鳴画像化を実施する工程、及び
(iii) 前記相関方程式を得るために前記工程(i)及び(ii)で得られた値に関して回帰分析を実施する工程、
によって得られることを特徴とする請求項22に記載の方法。
【請求項24】
前記工程(a)において、前記外皮表面上の前記少なくとも2つの点が、
(i) 前記被験者の脚上の2つの点、
(ii) 前記被験者の腓上の2つの点、
(iii) 前記被験者の腕上の2つの点
(iv) 前記被験者の二頭筋上の2つの点、
(v) 前記被験者の腹部上の2つの点、
(vi) 前記被験者の左手上の1つの点及び前記被験者の右手上の1つの点、
(vii) 前記被験者の左足上の1つの点及び前記被験者の右足上の1つの点、または
(viii)前記被験者の一方の手または前記被験者の一方の腕の上の1つの点及び前記被験者の一方の脚または前記被験者の一方の足の上の1つの点、
を含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項25】
前記分区の脂肪含量及び/または細胞外液含量を示す少なくとも1つの数値をユーザに表示する工程をさらに含むことを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項26】
前記方法が同じ被験者について一度に2つまたはそれより多くの点において実施されることを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項27】
前記方法が、
(i) 透析処置、
(ii) エクササイズプログラム、
(iii) リハビリテーションプログラム、及び/または
(iv) 体重コントロールプログラム、
に関連して実施されることを特徴とする請求項26に記載の方法。
【請求項28】
生体インピーダンスデータを分析するための装置において、請求項21に記載の方法を実施するためのプログラムされたコンピュータを備えることを特徴とする装置。
【請求項29】
皮膚で覆われた身体分区の一部の周長を決定する方法において、
(a) 前記部分の周りに、一群の電極であって、第1電極及び最終電極を有し、前記第1電極と前記最終電極の間隔を除く、前記群の全ての電極間の周縁距離が既知の、一群の電極を付ける工程、
(b) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、前記第1電極及び前記最終電極以外の前記一群の電極の内の少なくとも2つの電極の間の抵抗値を決定する工程、
(c) 前記工程(b)において決定された抵抗値及び前記2つの電極間の前記既知の周縁距離から前記皮膚について単位長当りの比抵抗値を決定する工程、
(d) 実質的に皮膚に侵入しない低周波数の電流を印加することによって、前記一群の電極の内の前記第1電極と前記最終電極の間の抵抗値を決定する工程、及び
(e) 前記工程(d)において測定された抵抗値及び前記工程(c)において決定された前記単位長当りの比抵抗値から前記一群の電極の内の前記第1電極と前記最終電極の間隔を計算する工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項30】
前記第1電極及び前記最終電極を除く、全ての隣接対の電極間の前記抵抗値が、前記工程(b)において決定され、前記比抵抗値を決定するための前記工程(c)において用いられることを特徴とする請求項29に記載の方法。
【請求項31】
前記第1電極及び前記最終電極を除き、隣接対の電極の間隔が等しいことを特徴とする請求項29に記載の方法。
【請求項32】
前記一群の電極がベルト上に載せられていることを特徴とする請求項29に記載の方法。
【請求項33】
皮膚によって覆われた身体分区の一部の周長を決定する方法において、請求項29に記載の方法を実施するためのプログラムされたコンピュータを備えることを特徴とする装置。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【公表番号】特表2007−521102(P2007−521102A)
【公表日】平成19年8月2日(2007.8.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−526346(P2006−526346)
【出願日】平成16年9月10日(2004.9.10)
【国際出願番号】PCT/US2004/029711
【国際公開番号】WO2005/027717
【国際公開日】平成17年3月31日(2005.3.31)
【出願人】(506085169)レナル リサーチ インスティテュート エルエルシー (2)
【氏名又は名称原語表記】RENAL RESEARCH INSTITUTE, LLC
【Fターム(参考)】
【公表日】平成19年8月2日(2007.8.2)
【国際特許分類】
【出願日】平成16年9月10日(2004.9.10)
【国際出願番号】PCT/US2004/029711
【国際公開番号】WO2005/027717
【国際公開日】平成17年3月31日(2005.3.31)
【出願人】(506085169)レナル リサーチ インスティテュート エルエルシー (2)
【氏名又は名称原語表記】RENAL RESEARCH INSTITUTE, LLC
【Fターム(参考)】
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