生体インピーダンス測定装置
【課題】組織の電気インピーダンスの異方性の測定が困難であった。
【解決手段】渦電流発生装置１０は、略同心円上に略等間隔に配置された複数の電磁石Ｍ１〜Ｍ３を備える。電磁石Ｍ１〜Ｍ３の端面が生体組織２の表面に対向するように配置され、各電磁石Ｍ１〜Ｍ３がそれぞれのコイルＬ１〜Ｌ３に流れる駆動電流に応じた渦電流を発生させる。渦電流発生装置１０は、電磁石Ｍ１〜Ｍ３が発生させる渦電流の合成電流の方向が、時間とともに変化するように、コイルＬ１〜Ｌ３に流れる駆動電流を変化させる。電位差測定装置３０は、生体組織２の表面上に配置された複数の測定用電極ｅ１〜ｅ４を有し、渦電流によって生体組織に発生する電位差を、２つの測定用電極のペアを用いて測定する。
【解決手段】渦電流発生装置１０は、略同心円上に略等間隔に配置された複数の電磁石Ｍ１〜Ｍ３を備える。電磁石Ｍ１〜Ｍ３の端面が生体組織２の表面に対向するように配置され、各電磁石Ｍ１〜Ｍ３がそれぞれのコイルＬ１〜Ｌ３に流れる駆動電流に応じた渦電流を発生させる。渦電流発生装置１０は、電磁石Ｍ１〜Ｍ３が発生させる渦電流の合成電流の方向が、時間とともに変化するように、コイルＬ１〜Ｌ３に流れる駆動電流を変化させる。電位差測定装置３０は、生体組織２の表面上に配置された複数の測定用電極ｅ１〜ｅ４を有し、渦電流によって生体組織に発生する電位差を、２つの測定用電極のペアを用いて測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体組織を無侵襲的に測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造が複雑な生体臓器およびそれを構成する各組織は電気的な異方性を有している。電気インピーダンスの異方性の測定により、組織の構成と電気特性に関係した質の情報を得ることが期待されるため、生理学的研究、あるいは臨床応用面のおける価値が高い。
【０００３】
生体の電気インピーダンスを測定する方法として、四電極法が知られている。四電極法は、測定対象と電極との不安定な接触抵抗の影響が少ないという利点を有する反面、生体組織の形状の複雑さゆえ、生体断面のどの部分のインピーダンスを測定しているのかが判然とせず、したがって測定された結果と生理現象との対応関係の信頼性が高くないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第１９０９０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
生体の電気インピーダンスを測定する手法として、本発明者らは、特許文献１に記載の技術を提案している。しかし同文献に記載の技術では、２つの電磁石の間に生体組織を挟み込む必要があり、その用途には制限があった。
【０００６】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、組織の電気インピーダンスの異方性を簡易に測定可能な装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、生体組織のインピーダンスを測定する生体インピーダンス測定装置に関する。生体インピーダンス測定装置は、渦電流発生装置と、電位差測定装置と、を備える。渦電流発生装置は、略同心円上に略等間隔に配置されたｍ個（ｍは２以上の整数）の電磁石であって、それぞれの端面が生体組織の表面に対向するように配置されるｍ個の電磁石を有する。各電磁石は、それぞれのコイルに流れる駆動電流に応じた渦電流を発生させる。渦電流発生装置は、生体組織内にｍ個の電磁石が発生させる渦電流の合成電流の方向が、時間とともに変化するように、ｍ個の電磁石それぞれのコイルに流れる駆動電流を変化させる。電位差測定装置は、生体組織の表面上に配置された複数の測定用電極を有し、渦電流によって生体組織に発生する電位差を、２つの測定用電極のペアを用いて測定する。
【０００８】
この態様によると、複数の電磁石に駆動電流を供給することにより、生体組織には渦電流が発生する。そしてその渦電流の合成電流の流れる方向は、各電磁石のコイルに与える駆動電流の強さ、あるいは振幅の組み合わせに応じて変化させることができる。したがって生体組織内に、任意の方向で電流を流すことができ、その電流により生ずる電位差を測定用電極のペアを用いて測定することにより、生体インピーダンスの異方性を容易、および／または正確に測定することが可能となる。また、この態様によれば、複数の電磁石の間に試料を挟み込む必要が無いため、従来技術に比べて、幅広い用途に利用できる。
【０００９】
ｍ個の電磁石それぞれのコイルには、互いに位相が略（３６０／ｍ）度シフトした同一周波数の高周波の駆動電流が供給されてもよい。生体組織内には、流れる方向が駆動電流と同期して回転する合成電流が発生してもよい。
【００１０】
ｍ＝３であって、３個の電磁石は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置され、各電磁石のコイルには、三相対称高周波の駆動電流が供給されてもよい。
【００１１】
渦電流発生装置は、第１周波数を有する高周波キャリア電流を、第１周波数より低い第２周波数を有するｍ個の変調信号によって振幅変調することによりｍ個の駆動電流を生成し、ｍ個の駆動電流それぞれをｍ個の電磁石それぞれのコイルに流すことにより、流れる方向が変調信号と同期して変化する合成電流を生体組織内に発生させてもよい。
【００１２】
ｍ＝３であって、３個の電磁石は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置されてもよい。ｍ個の変調信号は、位相が互いに１２０度シフトした第２周波数の三相対称交流の各成分であってもよい。
【００１３】
ある態様の電位差測定装置は、生体組織の表面上に配置された複数のキャンセル用電極をさらに有してもよい。２つの測定用電極のペアの間に発生する電位差が実質的にゼロになるように、それと対応するキャンセル用電極のペアの間に通電する高周波電流の振幅と位相を制御し、このキャンセル用電極のペア間に流れた電流値より、対応する測定用電極のペアがなす方向のインピーダンスを測定してもよい。
【００１４】
複数の測定用電極は、ｍ個の電磁石の端面がなす面と平行で、深度が異なる面内に設置されてもよい。
【００１５】
複数の測定用電極および複数のキャンセル用電極の少なくとも一方は、ｍ個の電磁石の端面がなす面と平行で、深度が異なる面内に設置されてもよい。
【００１６】
ある態様の生体インピーダンス測定装置は、ｍ個の電磁石の第２の端面に、磁気的に共通にカップリングされるフェライトをさらに備えてもよい。フェライトとｍ個の電磁石の第２の端面の距離が調節可能であってもよい。
この態様によれば、フェライトと電磁石の距離に応じて、電磁石が発生する磁界が生体組織に浸透する深さを調節することができ、深さ方向のインピーダンス分布を測定することが可能となる。
【００１７】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のある態様によれば、生体組織の電気インピーダンスの異方性を簡易に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置の構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、三相対称高周波の駆動電流および合成電流の向きを示す図である。
【図３】第２の駆動方式を行う駆動部の構成例を示すブロック図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、図３の駆動部の動作を示す波形図である。
【図５】第２の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置の構成を示す図である。
【図６】図５の制御回路の構成例を示す回路図である。
【図７】第３の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置の構成を示す図である。
【図８】第４の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００の構成を示す図である。生体インピーダンス測定装置１００は、生体組織のインピーダンスを測定するために利用される。図１（ａ）は、生体インピーダンス測定装置１００の斜視図であり、図１（ｂ）は上方断面図である。生体インピーダンス測定装置１００は、主として、渦電流発生装置１０および３０を備える。
【００２２】
渦電流発生装置１０は、複数ｍ個（ｍは２以上の整数）の電磁石Ｍ１〜Ｍｍと、駆動部１２を備える。本実施の形態ではｍ＝３の場合を説明するが、本発明はそれに限定されるものではない。
【００２３】
複数の電磁石Ｍ１〜Ｍ３は、略同心円上に略等間隔に配置される。電磁石Ｍ１〜Ｍ３それぞれの下側の端面は、測定対象の試料（生体組織ともいう）２の表面に対向するように配置される。好ましくは３個の電磁石Ｍ１〜Ｍ３は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置される。各電磁石Ｍ１〜Ｍ３のコイルＬ１〜Ｌ３には、駆動部１２から駆動電流ＩＬ１〜Ｉｌ３が供給される。その結果、各電磁石Ｍ１〜Ｍ３は、試料２内に、駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３に応じた渦電流を発生させる。
【００２４】
駆動部１２は、生体組織内に複数の電磁石Ｍ１〜Ｍ３が発生させる渦電流の合成電流の方向が、時間とともに変化するように、複数の電磁石Ｍ１〜Ｍ３それぞれのコイルＬ１〜Ｌ３に流れる駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３を変化させる。
【００２５】
図１（ｂ）を参照する。試料２の表面と平行にｘ−ｙ平面にとるものとする。第１の電磁石Ｍ１がθ＝１８０度、第２の電磁石Ｍ２がθ＝３００度、第３の電磁石Ｍ３がθ＝６０度の位置に配置されているとする。このとき、原点Ｏ付近の観測点にて第１の電磁石Ｍ１が発生する渦電流Ｊ１は、コイルＬ１に流れる電流ＩＬ１を用いて、式（１）で与えられる。
Ｊ１＝ｋ１×ＩＬ１×ｈ１ …（１）
ここでｈ１は、θ＝９０度の向きを有する単位ベクトルであり、ｋ１は電磁石Ｍ１の形状、材料、コイルの巻き数、磁石と観測点の位置関係等によって定まる係数である。
【００２６】
同様に、第２の電磁石Ｍ１が発生する渦電流Ｊ２、第３の電磁石Ｍ３が発生する渦電流Ｊ３はそれぞれ、コイルＬ２、Ｌ３に流れる電流ＩＬ２、ＩＬ３を用いて、式（２）、（３）で与えられる。
Ｊ２＝ｋ２×ＩＬ２×ｈ２ …（２）
Ｊ３＝ｋ３×ＩＬ３×ｈ３ …（３）
ｈ２は、θ＝２１０度の向きを有する単位ベクトル、ｈ３はθ＝３３０度の向きを有する単位ベクトルであり、ｋ２、ｋ３は、ｋ１と同様の係数である。
【００２７】
観測点において、３つの電磁石Ｍ１〜Ｍ３が作る渦電流Ｊ１〜Ｊ３の合成電流Ｊｔｏｔａｌは、式（４）で与えられる。
Ｊｔｏｔａｌ＝Σｉ＝１：ｍＪｉ＝Ｊ１＋Ｊ２＋Ｊ３
＝ｋ１×ＩＬ１×ｈ１＋ｋ２×ＩＬ２×ｈ２＋ｋ３×ＩＬ３×ｈ３ …（４）
ここで、Σｉ＝１：ｍＪｉは、Ｊ１からＪｍの総和を表す。
【００２８】
したがって、図１の渦電流発生装置１０によれば、駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３を時々刻々と変化させることにより、合成電流Ｊｔｏｔａｌの向き、および／または大きさを時々刻々と変化させることができる。
【００２９】
続いて、いくつかの好ましい駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３の発生手法を説明する。
【００３０】
（第１の駆動方法）
好ましい態様において、駆動部１２は、電磁石Ｍ１〜Ｍ３それぞれのコイルＬ１〜Ｌ３に、互いに位相が略（３６０／ｍ）度シフトした同一周波数の高周波の駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３を供給する。つまり各電磁石Ｍ１〜Ｍ３のコイルＬ１〜Ｌ３には、角周波数ωの三相対称高周波の駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３が供給される。図２（ａ）、（ｂ）は、三相対称高周波の駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３および合成電流Ｊｔｏｔａｌの向きを示す図である。
ＩＬ１＝Ｉ０・ｃｏｓ（ωｔ） …（５ａ）
ＩＬ２＝Ｉ０・ｃｏｓ（ωｔ−２π／３） …（５ｂ）
ＩＬ３＝Ｉ０・ｃｏｓ（ωｔ−４π／３） …（５ｃ）
【００３１】
いま、観測点が３つの電磁石Ｍ１〜Ｍ３から等距離にあり、各電磁石の形状、特性が等しいとすれば、ｋ１＝ｋ２＝ｋ３＝ｋとみなすことができる。このとき式（４）の合成電流Ｊｔｏｔａｌは、式（６）で与えられる。
Ｊｔｏｔａｌ＝ｋ×（ＩＬ１×ｈ１＋ＩＬ２×ｈ２＋ＩＬ３×ｈ３） …（６）
【００３２】
式（６）に、式（５ａ）〜（５ｃ）を代入すると、式（７）を得る。
Ｊｔｏｔａｌ＝ｋ×Ｉ０×｛ｈ１・ｃｏｓ（ωｔ）＋ｈ２・ｃｏｓ（ωｔ−２π／３）＋ｈ３・ｃｏｓ（ωｔ−４π／３）｝ …（７）
【００３３】
式（７）の合成電流Ｊｔｏｔａｌをｘ成分Ｊｘとｙ成分Ｊｙに分解すると、式（８ａ）、（８ｂ）を得る。
Ｊｘ＝−（３／２）ｋ・Ｉ０・ｓｉｎ（ωｔ） （８ａ）
Ｊｙ＝（３／２）ｋ・Ｉ０・ｃｏｓ（ωｔ） （８ｂ）
【００３４】
式（８ａ）、（８ｂ）は、角周波数ωで時々刻々と回転する電流場を表しており、合成電流Ｊｔｏｔａｌの向きは、θ＝ωｔ[ｒａｄ]で与えられる。つまり、図１（ａ）の渦電流発生装置１０によれば、生体組織内に、流れる方向が駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３と同期して回転する合成電流を発生させることができる。
【００３５】
図１（ａ）に戻る。電位差測定装置３０は、生体組織（不図示）の表面上に配置された複数の測定用電極ｅ１〜ｅ４を有する。複数の測定用電極ｅ１〜ｅ４の個数は特に限定されず、６個、あるいは８個、それ以上であってもよい。複数の測定用電極ｅ１〜ｅ４は、円盤（ディスク）３２上に配置、固定されてもよい。
【００３６】
互いに対向する２つの測定用電極ｅ１とｅ２はペアをなし、ｅ３とｅ４はペアをなす。上述のように渦電流発生装置１０によって合成電流Ｊｔｏｔａｌを発生させると、その合成電流Ｊｔｏｔａｌが、インピーダンスを有する生体組織に流れることにより、生体組織の２点間に電位差（電圧降下）が発生する。具体的には、測定用電極ｅ１とｅ２のペアの間には、オームの法則によりΔＶｘ＝Ｒｘ×Ｊｘなる電位差が発生し、測定用電極ｅ３とｅ４の間には、ΔＶｙ＝Ｒｙ×Ｊｙなる電圧降下が発生する。ＲｘおよびＲｙは、ｘ方向およびｙ方向のインピーダンス成分を表す。
【００３７】
このように、実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００によれば、対向する測定用電極のペアの間に生ずる電位差ΔＶを測定することにより、インピーダンスの異方性を測定することができる。
【００３８】
（第２の駆動方法）
駆動部１２は、第１周波数ω１を有する高周波キャリア電流を、第１周波数ω１より低い第２周波数ω２を有するｍ個の変調信号Ｓ１〜Ｓｍによって振幅変調することによりｍ個の駆動電流ＩＬ１〜ＩＬｍを生成する。そしてｍ個の駆動電流ＩＬ１〜ＩＬｍそれぞれを電磁石Ｍ１〜ＭｍそれぞれのコイルＬ１〜Ｌｍに流すことにより、流れる方向が変調信号Ｓ１〜Ｓｍと同期して変化する合成電流Ｊｔｏｔａｌを生体組織内に発生させる。
【００３９】
図３は、第２の駆動方式を行う駆動部１２の構成例を示すブロック図である。高周波発振器１４は、第１周波数ω１のキャリア信号Ｓ４（＝ｃｏｓω１ｔ）を生成する。変調信号生成部１５は、３つの変調信号Ｓ１〜Ｓ３を生成する。乗算器１６ａ〜１６ｃは、キャリア信号Ｓ４に、変調信号Ｓ１〜Ｓ３を掛け合わせることにより振幅変調する。アンプ１８ａ〜１８ｃは、乗算器１６ａ〜１６ｃの出力Ｓ５ａ〜Ｓ５ｃを、対応するコイルＬ１〜Ｌ３に供給する。
【００４０】
好ましい態様においてｍ＝３であって、３個の電磁石Ｍ１〜Ｍ３は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置される。ｍ個の変調信号Ｓ１〜Ｓ３は、位相が互いに１２０度シフトした第２周波数ω２の三相対称交流の各成分であり、式（９ａ）〜（９ｃ）で与えられる。
Ｓ１＝ｃｏｓ（ω２ｔ） …（９ａ）
Ｓ２＝ｃｏｓ（ω２ｔ−２π／３） …（９ｂ）
Ｓ３＝ｃｏｓ（ω２ｔ−４π／３） …（９ｃ）
【００４１】
このとき、駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３は、式（１０ａ）〜（１０ｃ）で与えられる。
ＩＬ１＝Ｉ０・ｃｏｓ（ω１ｔ）・ｃｏｓ（ω２ｔ） …（１０ａ）
ＩＬ２＝Ｉ０・ｃｏｓ（ω１ｔ）・ｃｏｓ（ω２ｔ−２π／３） …（１０ｂ）
ＩＬ３＝Ｉ０・ｃｏｓ（ω１ｔ）・ｃｏｓ（ω２ｔ−４π／３） …（１０ｃ）
【００４２】
このとき、合成電流Ｊｔｏｔａｌのｘ成分およびｙ成分はそれぞれ式（１１ａ）、（１１ｂ）で与えられる。
Ｊｘ＝−（３／２）ｋ・Ｉ０・ｃｏｓ（ω１ｔ）ｓｉｎ（ω２ｔ） （１１ａ）
Ｊｙ＝（３／２）ｋ・Ｉ０・ｃｏｓ（ω１ｔ）・ｃｏｓ（ω２ｔ） （１１ｂ）
【００４３】
この駆動方式では、合成電流Ｊｔｏｔａｌの向きθは、ω２ｔ［ｒａｄ］で与えられ、第２角周波数ω２と同期して回転する電流場を発生することができる。
【００４４】
図４（ａ）、（ｂ）は、図３の駆動部１２の動作を示す波形図である。図４（ａ）に示すように変調信号Ｓ１〜Ｓ３は、式（９ａ）〜（９ｃ）で与えられる信号を、量子化（サンプリング）した信号であってもよい。図４（ａ）では、１２倍でサンプリングした信号が用いられる場合を示す。時間区間Ａ〜Ｆそれぞれにおいて、変調信号Ｓ１〜Ｓ３は同じレベルをとる。図４（ｂ）に示すように、各時間区間Ａ〜Ｆにおける合成電流Ｊｔｏｔａｌの向きは、時間とともに離散的に回転させることができる。
【００４５】
なお、変調信号Ｓ１〜Ｓ３は、必ずしも離散化する必要はなく、三相交流成分をそのまま用いてもよい。
あるいは、変調信号Ｓ１〜Ｓ３の波形は、図４（ａ）のそれらに限定されず、たとえば、位相角θをスクランブルしてもよい。言い換えれば時間区間Ａ〜Ｆの順番を任意に入れ替えてもよい。
【００４６】
（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００ａの構成を示す図である。生体インピーダンス測定装置１００ａは、渦電流発生装置１０は図１（ａ）と同様に構成され、電位差測定装置３０ａの構成が異なっている。なお、図１（ａ）と共通の構成については図示および説明は省略する。
【００４７】
電位差測定装置３０ａは、複数の測定用電極ｅ１〜ｅ６に加えて、複数のキャンセル用電極（第２の電極）Ｅ１〜Ｅ６および制御回路３４をさらに備える。キャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６は、測定用電極ｅ１〜ｅ６と同様に、生体組織の表面上に配置される。
【００４８】
制御回路３４は、複数の測定用電極ｅ１〜ｅ６および複数のキャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６に接続される。図５では、同一放射線上に配置される電極Ｅ１、ｅ１、ｅ４、Ｅ４のみが、制御回路３４に接続されるように描かれるが、その他の電極も同様に接続される。制御回路３４は、コイルＬ１〜Ｌ３に駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３を供給する駆動部１２の機能も有している。
【００４９】
図５の生体インピーダンス測定装置１００ａにおいては、渦電流発生装置１０によって、合成電流Ｊｔｏｔａｌの方向θを変化させる。そして、合成電流Ｊｔｏｔａｌの方向θに応じて、複数の測定用電極ｅ１〜ｅ６のうち、合成電流Ｊｔｏｔａｌの方向θに沿って配置される測定用電極ｅ１、ｅ４のペア、ｅ２とｅ５のペア、ｅ３とｅ６のペアのいずれかを選択し、選択された測定用電極のペアに生ずる電位差を測定することにより、θ方向のインピーダンスを好適に測定することができる。
【００５０】
測定用電極ｅ１〜ｅ６のみを用いた測定では、生体組織の表面付近のインピーダンスを測定できる。以下では、これにキャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６を組み合わせることにより、生体の表面からより深い部分のインピーダンスを測定する方法を説明する。
【００５１】
複数のキャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６は、複数の測定用電極ｅ１〜ｅ６より外周側に、略同心円上に略等間隔に配置される。そして、互いに対応するｉ番目のキャンセル用電極Ｅｉと測定用電極ｅｉとは、同じ方向に配置される。また、対向する２つのキャンセル用電極Ｅ１とＥ４、Ｅ２とＥ５、Ｅ３とＥ６はそれぞれペアをなしている。生体のインピーダンスは、キャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６および測定用電極ｅ１〜ｅ６を組み合わせることにより、以下のように測定することもできる。
【００５２】
具体的には、制御回路３４は、対向する２つの測定用電極ｅ１とｅ４のペアの間に発生する電位差ΔＶが実質的にゼロになるように、それと対応するキャンセル用電極Ｅ１とＥ４のペアの間に通電する高周波電流の振幅と位相を制御する。
【００５３】
制御回路３４としては、特許文献１（特許第１９０９０３８号公報）に記載の技術を好適に用いることができる。図６は、図５の制御回路３４の構成例を示す回路図である。駆動部１２は、高周波発振器１４、１２０度移相器１７、１９、アンプ１８ａ〜１８ｃを備える。高周波発振器１４は、所定の周波数の高周波信号を生成する。移相器１７、１９は、入力された高周波信号の位相を１２０度シフトする。アンプ１８ａ〜１８ｃは、位相が１２０度ずつシフトした３相交流信号を、対応するコイルＬ１〜Ｌ３に出力する。
【００５４】
乗算器４０ａ〜４０ｃはそれぞれ、測定用電極のペア（ｅ２５、ｅ３６、ｅ４１）のうち対応するひとつの電位差と、３相交流信号のうち対応するひとつを受け、それらを乗算する。整流・積分器４２ａ〜４２ｃはそれぞれ、対応する乗算器４０の出力を整流し、積分する。乗算器４４ａ〜４４ｃはそれぞれ、対応する乗算器４０の出力と、三相交流信号のうち対応するひとつを受け、それらを乗算する。アンプ４６ａ〜４６ｃはそれぞれ、対応する乗算器４４の出力に応じた信号を、対応するキャンセル用電極Ｅ２５，Ｅ３６，Ｅ４１のいずれかに出力する。制御回路３４の動作の詳細については、特許文献１を参照されたい。
【００５５】
図５の生体インピーダンス測定装置１００ａの動作を説明する。
いま、測定用電極ｅ１とｅ４のペアがなす方向θに、合成電流Ｊｔｏｔａｌが流れているものとする。このときキャンセル用電極Ｅ１とＥ４のペアの間に電圧を与えることにより、電磁石Ｍ１〜Ｍ３が発生する合成電流Ｊｔｏｔａｌと逆向きのキャンセル電流Ｊｃａｎｃｅｌが発生する。このキャンセル電流Ｊｃａｎｃｅｌは、生体組織の表面付近に流れるため、組織表面付近の合成電流Ｊｔｏｔａｌを、キャンセル電流Ｊｃａｎｃｅｌによってキャンセルすることができる。このときにキャンセル用電極Ｅ１とＥ４のペア間に流れる電流値は、生体組織の深い部分において、方向θのインピーダンスを示す。したがって、図５の生体インピーダンス測定装置１００ａによれば、キャンセル用電極に流れる電流値にもとづき、生体組織の深い部分のインピーダンスを測定することができる。
【００５６】
（第３の実施の形態）
図７は、第３の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００ｂの構成を示す図である。第３の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００ｂは、第１または第２の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置と組み合わせて利用することができる。
【００５７】
生体インピーダンス測定装置１００ｂは、ディスク３２上に配置された複数の測定用電極および／またはキャンセル用電極に加えて、複数の測定用電極ｅｅ１、ｆｆ１、ｇｇ１〜ｅｅ６、ｆｆ６、ｇｇ６を備える。複数の測定用電極ｅｅ１、ｆｆ１、ｇｇ１〜ｅｅ６、ｆｆ６、ｇｇ６は、ディスク３６上に配置される。
【００５８】
生体インピーダンス測定装置１００ｂの動作を説明する。ディスク３２とディスク３６は、試料２を挟み込むように配置される。つまり、ディスク３６上に配置される複数の測定用電極は、電磁石Ｍ１〜Ｍ３の下側の端面（試料側の端面）がなす面と平行で、深度が異なる面内に設置されることになる。この状態で、ディスク３２によって合成電流Ｊｔｏｔａｌを発生させ、その方向を変化させながら、放射状方向に隣接する測定電極のペア（たとえばｅｅ１とｆｆ１、ｇｇ１とｆｆ１、ｅｅ４とｆｆ４、ｆｆ４とｇｇ４）それぞれの間に生ずる電位差を測定することにより、ディスク３６が設けられた深さにおけるインピーダンスを測定することができる。
【００５９】
なお、第３の実施の形態において、ディスク３２側には、キャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６のみを設け、測定用電極ｅ１〜ｅ６は省略してもよい。
【００６０】
（第４の実施の形態）
図８は、第４の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００ｃの構成を示す図である。第４の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００ｃは、第１または第２の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置と組み合わせて利用することができる。
【００６１】
生体インピーダンス測定装置１００ｂは、フェライト５０およびスペーサ５２を備える。フェライト５０は、複数の電磁石Ｍ１〜Ｍ３の第２の端面（試料２と反対の面）に、磁気的に共通にカップリングされる。フェライト５０と、電磁石Ｍ１〜Ｍ３の第２の端面の間には、厚みｄを有するスペーサ５２が挿入される。スペーサ５２により、フェライト５０と電磁石Ｍ１〜Ｍ３の距離が調節可能となっている。
【００６２】
図７の生体インピーダンス測定装置１００ｃによれば、スペーサ５２の厚みｄに応じて、試料２の内部の磁界分布を変化させることができ、その結果、合成電流Ｊｔｏｔａｌが発生する深さを変化させることができる。すなわち、フェライト５０と電磁石Ｍ１〜Ｍ３の距離ｄを小さくした場合、磁界を試料２の浅層部を集中させることができ、浅い部分のインピーダンスを測定することができる。反対にフェライト５０と電磁石Ｍ１〜Ｍ３の距離ｄを大きくした場合、磁界を試料２の深層部に集中させることができ、深い部分のインピーダンスを測定することができる。
【００６３】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００６４】
１００…生体インピーダンス測定装置、１０…渦電流発生装置、１２…駆動部、３０…電位差測定装置、３２…ディスク、３４…制御回路、３６…ディスク、４０…乗算器、４２…整流・積分器、４４…乗算器、４６…アンプ、５０…フェライト、５２…スペーサ、２…試料。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体組織を無侵襲的に測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造が複雑な生体臓器およびそれを構成する各組織は電気的な異方性を有している。電気インピーダンスの異方性の測定により、組織の構成と電気特性に関係した質の情報を得ることが期待されるため、生理学的研究、あるいは臨床応用面のおける価値が高い。
【０００３】
生体の電気インピーダンスを測定する方法として、四電極法が知られている。四電極法は、測定対象と電極との不安定な接触抵抗の影響が少ないという利点を有する反面、生体組織の形状の複雑さゆえ、生体断面のどの部分のインピーダンスを測定しているのかが判然とせず、したがって測定された結果と生理現象との対応関係の信頼性が高くないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第１９０９０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
生体の電気インピーダンスを測定する手法として、本発明者らは、特許文献１に記載の技術を提案している。しかし同文献に記載の技術では、２つの電磁石の間に生体組織を挟み込む必要があり、その用途には制限があった。
【０００６】
本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、組織の電気インピーダンスの異方性を簡易に測定可能な装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、生体組織のインピーダンスを測定する生体インピーダンス測定装置に関する。生体インピーダンス測定装置は、渦電流発生装置と、電位差測定装置と、を備える。渦電流発生装置は、略同心円上に略等間隔に配置されたｍ個（ｍは２以上の整数）の電磁石であって、それぞれの端面が生体組織の表面に対向するように配置されるｍ個の電磁石を有する。各電磁石は、それぞれのコイルに流れる駆動電流に応じた渦電流を発生させる。渦電流発生装置は、生体組織内にｍ個の電磁石が発生させる渦電流の合成電流の方向が、時間とともに変化するように、ｍ個の電磁石それぞれのコイルに流れる駆動電流を変化させる。電位差測定装置は、生体組織の表面上に配置された複数の測定用電極を有し、渦電流によって生体組織に発生する電位差を、２つの測定用電極のペアを用いて測定する。
【０００８】
この態様によると、複数の電磁石に駆動電流を供給することにより、生体組織には渦電流が発生する。そしてその渦電流の合成電流の流れる方向は、各電磁石のコイルに与える駆動電流の強さ、あるいは振幅の組み合わせに応じて変化させることができる。したがって生体組織内に、任意の方向で電流を流すことができ、その電流により生ずる電位差を測定用電極のペアを用いて測定することにより、生体インピーダンスの異方性を容易、および／または正確に測定することが可能となる。また、この態様によれば、複数の電磁石の間に試料を挟み込む必要が無いため、従来技術に比べて、幅広い用途に利用できる。
【０００９】
ｍ個の電磁石それぞれのコイルには、互いに位相が略（３６０／ｍ）度シフトした同一周波数の高周波の駆動電流が供給されてもよい。生体組織内には、流れる方向が駆動電流と同期して回転する合成電流が発生してもよい。
【００１０】
ｍ＝３であって、３個の電磁石は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置され、各電磁石のコイルには、三相対称高周波の駆動電流が供給されてもよい。
【００１１】
渦電流発生装置は、第１周波数を有する高周波キャリア電流を、第１周波数より低い第２周波数を有するｍ個の変調信号によって振幅変調することによりｍ個の駆動電流を生成し、ｍ個の駆動電流それぞれをｍ個の電磁石それぞれのコイルに流すことにより、流れる方向が変調信号と同期して変化する合成電流を生体組織内に発生させてもよい。
【００１２】
ｍ＝３であって、３個の電磁石は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置されてもよい。ｍ個の変調信号は、位相が互いに１２０度シフトした第２周波数の三相対称交流の各成分であってもよい。
【００１３】
ある態様の電位差測定装置は、生体組織の表面上に配置された複数のキャンセル用電極をさらに有してもよい。２つの測定用電極のペアの間に発生する電位差が実質的にゼロになるように、それと対応するキャンセル用電極のペアの間に通電する高周波電流の振幅と位相を制御し、このキャンセル用電極のペア間に流れた電流値より、対応する測定用電極のペアがなす方向のインピーダンスを測定してもよい。
【００１４】
複数の測定用電極は、ｍ個の電磁石の端面がなす面と平行で、深度が異なる面内に設置されてもよい。
【００１５】
複数の測定用電極および複数のキャンセル用電極の少なくとも一方は、ｍ個の電磁石の端面がなす面と平行で、深度が異なる面内に設置されてもよい。
【００１６】
ある態様の生体インピーダンス測定装置は、ｍ個の電磁石の第２の端面に、磁気的に共通にカップリングされるフェライトをさらに備えてもよい。フェライトとｍ個の電磁石の第２の端面の距離が調節可能であってもよい。
この態様によれば、フェライトと電磁石の距離に応じて、電磁石が発生する磁界が生体組織に浸透する深さを調節することができ、深さ方向のインピーダンス分布を測定することが可能となる。
【００１７】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のある態様によれば、生体組織の電気インピーダンスの異方性を簡易に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置の構成を示す図である。
【図２】図２（ａ）、（ｂ）は、三相対称高周波の駆動電流および合成電流の向きを示す図である。
【図３】第２の駆動方式を行う駆動部の構成例を示すブロック図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は、図３の駆動部の動作を示す波形図である。
【図５】第２の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置の構成を示す図である。
【図６】図５の制御回路の構成例を示す回路図である。
【図７】第３の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置の構成を示す図である。
【図８】第４の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）、（ｂ）は、第１の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００の構成を示す図である。生体インピーダンス測定装置１００は、生体組織のインピーダンスを測定するために利用される。図１（ａ）は、生体インピーダンス測定装置１００の斜視図であり、図１（ｂ）は上方断面図である。生体インピーダンス測定装置１００は、主として、渦電流発生装置１０および３０を備える。
【００２２】
渦電流発生装置１０は、複数ｍ個（ｍは２以上の整数）の電磁石Ｍ１〜Ｍｍと、駆動部１２を備える。本実施の形態ではｍ＝３の場合を説明するが、本発明はそれに限定されるものではない。
【００２３】
複数の電磁石Ｍ１〜Ｍ３は、略同心円上に略等間隔に配置される。電磁石Ｍ１〜Ｍ３それぞれの下側の端面は、測定対象の試料（生体組織ともいう）２の表面に対向するように配置される。好ましくは３個の電磁石Ｍ１〜Ｍ３は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置される。各電磁石Ｍ１〜Ｍ３のコイルＬ１〜Ｌ３には、駆動部１２から駆動電流ＩＬ１〜Ｉｌ３が供給される。その結果、各電磁石Ｍ１〜Ｍ３は、試料２内に、駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３に応じた渦電流を発生させる。
【００２４】
駆動部１２は、生体組織内に複数の電磁石Ｍ１〜Ｍ３が発生させる渦電流の合成電流の方向が、時間とともに変化するように、複数の電磁石Ｍ１〜Ｍ３それぞれのコイルＬ１〜Ｌ３に流れる駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３を変化させる。
【００２５】
図１（ｂ）を参照する。試料２の表面と平行にｘ−ｙ平面にとるものとする。第１の電磁石Ｍ１がθ＝１８０度、第２の電磁石Ｍ２がθ＝３００度、第３の電磁石Ｍ３がθ＝６０度の位置に配置されているとする。このとき、原点Ｏ付近の観測点にて第１の電磁石Ｍ１が発生する渦電流Ｊ１は、コイルＬ１に流れる電流ＩＬ１を用いて、式（１）で与えられる。
Ｊ１＝ｋ１×ＩＬ１×ｈ１ …（１）
ここでｈ１は、θ＝９０度の向きを有する単位ベクトルであり、ｋ１は電磁石Ｍ１の形状、材料、コイルの巻き数、磁石と観測点の位置関係等によって定まる係数である。
【００２６】
同様に、第２の電磁石Ｍ１が発生する渦電流Ｊ２、第３の電磁石Ｍ３が発生する渦電流Ｊ３はそれぞれ、コイルＬ２、Ｌ３に流れる電流ＩＬ２、ＩＬ３を用いて、式（２）、（３）で与えられる。
Ｊ２＝ｋ２×ＩＬ２×ｈ２ …（２）
Ｊ３＝ｋ３×ＩＬ３×ｈ３ …（３）
ｈ２は、θ＝２１０度の向きを有する単位ベクトル、ｈ３はθ＝３３０度の向きを有する単位ベクトルであり、ｋ２、ｋ３は、ｋ１と同様の係数である。
【００２７】
観測点において、３つの電磁石Ｍ１〜Ｍ３が作る渦電流Ｊ１〜Ｊ３の合成電流Ｊｔｏｔａｌは、式（４）で与えられる。
Ｊｔｏｔａｌ＝Σｉ＝１：ｍＪｉ＝Ｊ１＋Ｊ２＋Ｊ３
＝ｋ１×ＩＬ１×ｈ１＋ｋ２×ＩＬ２×ｈ２＋ｋ３×ＩＬ３×ｈ３ …（４）
ここで、Σｉ＝１：ｍＪｉは、Ｊ１からＪｍの総和を表す。
【００２８】
したがって、図１の渦電流発生装置１０によれば、駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３を時々刻々と変化させることにより、合成電流Ｊｔｏｔａｌの向き、および／または大きさを時々刻々と変化させることができる。
【００２９】
続いて、いくつかの好ましい駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３の発生手法を説明する。
【００３０】
（第１の駆動方法）
好ましい態様において、駆動部１２は、電磁石Ｍ１〜Ｍ３それぞれのコイルＬ１〜Ｌ３に、互いに位相が略（３６０／ｍ）度シフトした同一周波数の高周波の駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３を供給する。つまり各電磁石Ｍ１〜Ｍ３のコイルＬ１〜Ｌ３には、角周波数ωの三相対称高周波の駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３が供給される。図２（ａ）、（ｂ）は、三相対称高周波の駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３および合成電流Ｊｔｏｔａｌの向きを示す図である。
ＩＬ１＝Ｉ０・ｃｏｓ（ωｔ） …（５ａ）
ＩＬ２＝Ｉ０・ｃｏｓ（ωｔ−２π／３） …（５ｂ）
ＩＬ３＝Ｉ０・ｃｏｓ（ωｔ−４π／３） …（５ｃ）
【００３１】
いま、観測点が３つの電磁石Ｍ１〜Ｍ３から等距離にあり、各電磁石の形状、特性が等しいとすれば、ｋ１＝ｋ２＝ｋ３＝ｋとみなすことができる。このとき式（４）の合成電流Ｊｔｏｔａｌは、式（６）で与えられる。
Ｊｔｏｔａｌ＝ｋ×（ＩＬ１×ｈ１＋ＩＬ２×ｈ２＋ＩＬ３×ｈ３） …（６）
【００３２】
式（６）に、式（５ａ）〜（５ｃ）を代入すると、式（７）を得る。
Ｊｔｏｔａｌ＝ｋ×Ｉ０×｛ｈ１・ｃｏｓ（ωｔ）＋ｈ２・ｃｏｓ（ωｔ−２π／３）＋ｈ３・ｃｏｓ（ωｔ−４π／３）｝ …（７）
【００３３】
式（７）の合成電流Ｊｔｏｔａｌをｘ成分Ｊｘとｙ成分Ｊｙに分解すると、式（８ａ）、（８ｂ）を得る。
Ｊｘ＝−（３／２）ｋ・Ｉ０・ｓｉｎ（ωｔ） （８ａ）
Ｊｙ＝（３／２）ｋ・Ｉ０・ｃｏｓ（ωｔ） （８ｂ）
【００３４】
式（８ａ）、（８ｂ）は、角周波数ωで時々刻々と回転する電流場を表しており、合成電流Ｊｔｏｔａｌの向きは、θ＝ωｔ[ｒａｄ]で与えられる。つまり、図１（ａ）の渦電流発生装置１０によれば、生体組織内に、流れる方向が駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３と同期して回転する合成電流を発生させることができる。
【００３５】
図１（ａ）に戻る。電位差測定装置３０は、生体組織（不図示）の表面上に配置された複数の測定用電極ｅ１〜ｅ４を有する。複数の測定用電極ｅ１〜ｅ４の個数は特に限定されず、６個、あるいは８個、それ以上であってもよい。複数の測定用電極ｅ１〜ｅ４は、円盤（ディスク）３２上に配置、固定されてもよい。
【００３６】
互いに対向する２つの測定用電極ｅ１とｅ２はペアをなし、ｅ３とｅ４はペアをなす。上述のように渦電流発生装置１０によって合成電流Ｊｔｏｔａｌを発生させると、その合成電流Ｊｔｏｔａｌが、インピーダンスを有する生体組織に流れることにより、生体組織の２点間に電位差（電圧降下）が発生する。具体的には、測定用電極ｅ１とｅ２のペアの間には、オームの法則によりΔＶｘ＝Ｒｘ×Ｊｘなる電位差が発生し、測定用電極ｅ３とｅ４の間には、ΔＶｙ＝Ｒｙ×Ｊｙなる電圧降下が発生する。ＲｘおよびＲｙは、ｘ方向およびｙ方向のインピーダンス成分を表す。
【００３７】
このように、実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００によれば、対向する測定用電極のペアの間に生ずる電位差ΔＶを測定することにより、インピーダンスの異方性を測定することができる。
【００３８】
（第２の駆動方法）
駆動部１２は、第１周波数ω１を有する高周波キャリア電流を、第１周波数ω１より低い第２周波数ω２を有するｍ個の変調信号Ｓ１〜Ｓｍによって振幅変調することによりｍ個の駆動電流ＩＬ１〜ＩＬｍを生成する。そしてｍ個の駆動電流ＩＬ１〜ＩＬｍそれぞれを電磁石Ｍ１〜ＭｍそれぞれのコイルＬ１〜Ｌｍに流すことにより、流れる方向が変調信号Ｓ１〜Ｓｍと同期して変化する合成電流Ｊｔｏｔａｌを生体組織内に発生させる。
【００３９】
図３は、第２の駆動方式を行う駆動部１２の構成例を示すブロック図である。高周波発振器１４は、第１周波数ω１のキャリア信号Ｓ４（＝ｃｏｓω１ｔ）を生成する。変調信号生成部１５は、３つの変調信号Ｓ１〜Ｓ３を生成する。乗算器１６ａ〜１６ｃは、キャリア信号Ｓ４に、変調信号Ｓ１〜Ｓ３を掛け合わせることにより振幅変調する。アンプ１８ａ〜１８ｃは、乗算器１６ａ〜１６ｃの出力Ｓ５ａ〜Ｓ５ｃを、対応するコイルＬ１〜Ｌ３に供給する。
【００４０】
好ましい態様においてｍ＝３であって、３個の電磁石Ｍ１〜Ｍ３は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置される。ｍ個の変調信号Ｓ１〜Ｓ３は、位相が互いに１２０度シフトした第２周波数ω２の三相対称交流の各成分であり、式（９ａ）〜（９ｃ）で与えられる。
Ｓ１＝ｃｏｓ（ω２ｔ） …（９ａ）
Ｓ２＝ｃｏｓ（ω２ｔ−２π／３） …（９ｂ）
Ｓ３＝ｃｏｓ（ω２ｔ−４π／３） …（９ｃ）
【００４１】
このとき、駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３は、式（１０ａ）〜（１０ｃ）で与えられる。
ＩＬ１＝Ｉ０・ｃｏｓ（ω１ｔ）・ｃｏｓ（ω２ｔ） …（１０ａ）
ＩＬ２＝Ｉ０・ｃｏｓ（ω１ｔ）・ｃｏｓ（ω２ｔ−２π／３） …（１０ｂ）
ＩＬ３＝Ｉ０・ｃｏｓ（ω１ｔ）・ｃｏｓ（ω２ｔ−４π／３） …（１０ｃ）
【００４２】
このとき、合成電流Ｊｔｏｔａｌのｘ成分およびｙ成分はそれぞれ式（１１ａ）、（１１ｂ）で与えられる。
Ｊｘ＝−（３／２）ｋ・Ｉ０・ｃｏｓ（ω１ｔ）ｓｉｎ（ω２ｔ） （１１ａ）
Ｊｙ＝（３／２）ｋ・Ｉ０・ｃｏｓ（ω１ｔ）・ｃｏｓ（ω２ｔ） （１１ｂ）
【００４３】
この駆動方式では、合成電流Ｊｔｏｔａｌの向きθは、ω２ｔ［ｒａｄ］で与えられ、第２角周波数ω２と同期して回転する電流場を発生することができる。
【００４４】
図４（ａ）、（ｂ）は、図３の駆動部１２の動作を示す波形図である。図４（ａ）に示すように変調信号Ｓ１〜Ｓ３は、式（９ａ）〜（９ｃ）で与えられる信号を、量子化（サンプリング）した信号であってもよい。図４（ａ）では、１２倍でサンプリングした信号が用いられる場合を示す。時間区間Ａ〜Ｆそれぞれにおいて、変調信号Ｓ１〜Ｓ３は同じレベルをとる。図４（ｂ）に示すように、各時間区間Ａ〜Ｆにおける合成電流Ｊｔｏｔａｌの向きは、時間とともに離散的に回転させることができる。
【００４５】
なお、変調信号Ｓ１〜Ｓ３は、必ずしも離散化する必要はなく、三相交流成分をそのまま用いてもよい。
あるいは、変調信号Ｓ１〜Ｓ３の波形は、図４（ａ）のそれらに限定されず、たとえば、位相角θをスクランブルしてもよい。言い換えれば時間区間Ａ〜Ｆの順番を任意に入れ替えてもよい。
【００４６】
（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００ａの構成を示す図である。生体インピーダンス測定装置１００ａは、渦電流発生装置１０は図１（ａ）と同様に構成され、電位差測定装置３０ａの構成が異なっている。なお、図１（ａ）と共通の構成については図示および説明は省略する。
【００４７】
電位差測定装置３０ａは、複数の測定用電極ｅ１〜ｅ６に加えて、複数のキャンセル用電極（第２の電極）Ｅ１〜Ｅ６および制御回路３４をさらに備える。キャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６は、測定用電極ｅ１〜ｅ６と同様に、生体組織の表面上に配置される。
【００４８】
制御回路３４は、複数の測定用電極ｅ１〜ｅ６および複数のキャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６に接続される。図５では、同一放射線上に配置される電極Ｅ１、ｅ１、ｅ４、Ｅ４のみが、制御回路３４に接続されるように描かれるが、その他の電極も同様に接続される。制御回路３４は、コイルＬ１〜Ｌ３に駆動電流ＩＬ１〜ＩＬ３を供給する駆動部１２の機能も有している。
【００４９】
図５の生体インピーダンス測定装置１００ａにおいては、渦電流発生装置１０によって、合成電流Ｊｔｏｔａｌの方向θを変化させる。そして、合成電流Ｊｔｏｔａｌの方向θに応じて、複数の測定用電極ｅ１〜ｅ６のうち、合成電流Ｊｔｏｔａｌの方向θに沿って配置される測定用電極ｅ１、ｅ４のペア、ｅ２とｅ５のペア、ｅ３とｅ６のペアのいずれかを選択し、選択された測定用電極のペアに生ずる電位差を測定することにより、θ方向のインピーダンスを好適に測定することができる。
【００５０】
測定用電極ｅ１〜ｅ６のみを用いた測定では、生体組織の表面付近のインピーダンスを測定できる。以下では、これにキャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６を組み合わせることにより、生体の表面からより深い部分のインピーダンスを測定する方法を説明する。
【００５１】
複数のキャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６は、複数の測定用電極ｅ１〜ｅ６より外周側に、略同心円上に略等間隔に配置される。そして、互いに対応するｉ番目のキャンセル用電極Ｅｉと測定用電極ｅｉとは、同じ方向に配置される。また、対向する２つのキャンセル用電極Ｅ１とＥ４、Ｅ２とＥ５、Ｅ３とＥ６はそれぞれペアをなしている。生体のインピーダンスは、キャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６および測定用電極ｅ１〜ｅ６を組み合わせることにより、以下のように測定することもできる。
【００５２】
具体的には、制御回路３４は、対向する２つの測定用電極ｅ１とｅ４のペアの間に発生する電位差ΔＶが実質的にゼロになるように、それと対応するキャンセル用電極Ｅ１とＥ４のペアの間に通電する高周波電流の振幅と位相を制御する。
【００５３】
制御回路３４としては、特許文献１（特許第１９０９０３８号公報）に記載の技術を好適に用いることができる。図６は、図５の制御回路３４の構成例を示す回路図である。駆動部１２は、高周波発振器１４、１２０度移相器１７、１９、アンプ１８ａ〜１８ｃを備える。高周波発振器１４は、所定の周波数の高周波信号を生成する。移相器１７、１９は、入力された高周波信号の位相を１２０度シフトする。アンプ１８ａ〜１８ｃは、位相が１２０度ずつシフトした３相交流信号を、対応するコイルＬ１〜Ｌ３に出力する。
【００５４】
乗算器４０ａ〜４０ｃはそれぞれ、測定用電極のペア（ｅ２５、ｅ３６、ｅ４１）のうち対応するひとつの電位差と、３相交流信号のうち対応するひとつを受け、それらを乗算する。整流・積分器４２ａ〜４２ｃはそれぞれ、対応する乗算器４０の出力を整流し、積分する。乗算器４４ａ〜４４ｃはそれぞれ、対応する乗算器４０の出力と、三相交流信号のうち対応するひとつを受け、それらを乗算する。アンプ４６ａ〜４６ｃはそれぞれ、対応する乗算器４４の出力に応じた信号を、対応するキャンセル用電極Ｅ２５，Ｅ３６，Ｅ４１のいずれかに出力する。制御回路３４の動作の詳細については、特許文献１を参照されたい。
【００５５】
図５の生体インピーダンス測定装置１００ａの動作を説明する。
いま、測定用電極ｅ１とｅ４のペアがなす方向θに、合成電流Ｊｔｏｔａｌが流れているものとする。このときキャンセル用電極Ｅ１とＥ４のペアの間に電圧を与えることにより、電磁石Ｍ１〜Ｍ３が発生する合成電流Ｊｔｏｔａｌと逆向きのキャンセル電流Ｊｃａｎｃｅｌが発生する。このキャンセル電流Ｊｃａｎｃｅｌは、生体組織の表面付近に流れるため、組織表面付近の合成電流Ｊｔｏｔａｌを、キャンセル電流Ｊｃａｎｃｅｌによってキャンセルすることができる。このときにキャンセル用電極Ｅ１とＥ４のペア間に流れる電流値は、生体組織の深い部分において、方向θのインピーダンスを示す。したがって、図５の生体インピーダンス測定装置１００ａによれば、キャンセル用電極に流れる電流値にもとづき、生体組織の深い部分のインピーダンスを測定することができる。
【００５６】
（第３の実施の形態）
図７は、第３の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００ｂの構成を示す図である。第３の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００ｂは、第１または第２の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置と組み合わせて利用することができる。
【００５７】
生体インピーダンス測定装置１００ｂは、ディスク３２上に配置された複数の測定用電極および／またはキャンセル用電極に加えて、複数の測定用電極ｅｅ１、ｆｆ１、ｇｇ１〜ｅｅ６、ｆｆ６、ｇｇ６を備える。複数の測定用電極ｅｅ１、ｆｆ１、ｇｇ１〜ｅｅ６、ｆｆ６、ｇｇ６は、ディスク３６上に配置される。
【００５８】
生体インピーダンス測定装置１００ｂの動作を説明する。ディスク３２とディスク３６は、試料２を挟み込むように配置される。つまり、ディスク３６上に配置される複数の測定用電極は、電磁石Ｍ１〜Ｍ３の下側の端面（試料側の端面）がなす面と平行で、深度が異なる面内に設置されることになる。この状態で、ディスク３２によって合成電流Ｊｔｏｔａｌを発生させ、その方向を変化させながら、放射状方向に隣接する測定電極のペア（たとえばｅｅ１とｆｆ１、ｇｇ１とｆｆ１、ｅｅ４とｆｆ４、ｆｆ４とｇｇ４）それぞれの間に生ずる電位差を測定することにより、ディスク３６が設けられた深さにおけるインピーダンスを測定することができる。
【００５９】
なお、第３の実施の形態において、ディスク３２側には、キャンセル用電極Ｅ１〜Ｅ６のみを設け、測定用電極ｅ１〜ｅ６は省略してもよい。
【００６０】
（第４の実施の形態）
図８は、第４の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００ｃの構成を示す図である。第４の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置１００ｃは、第１または第２の実施の形態に係る生体インピーダンス測定装置と組み合わせて利用することができる。
【００６１】
生体インピーダンス測定装置１００ｂは、フェライト５０およびスペーサ５２を備える。フェライト５０は、複数の電磁石Ｍ１〜Ｍ３の第２の端面（試料２と反対の面）に、磁気的に共通にカップリングされる。フェライト５０と、電磁石Ｍ１〜Ｍ３の第２の端面の間には、厚みｄを有するスペーサ５２が挿入される。スペーサ５２により、フェライト５０と電磁石Ｍ１〜Ｍ３の距離が調節可能となっている。
【００６２】
図７の生体インピーダンス測定装置１００ｃによれば、スペーサ５２の厚みｄに応じて、試料２の内部の磁界分布を変化させることができ、その結果、合成電流Ｊｔｏｔａｌが発生する深さを変化させることができる。すなわち、フェライト５０と電磁石Ｍ１〜Ｍ３の距離ｄを小さくした場合、磁界を試料２の浅層部を集中させることができ、浅い部分のインピーダンスを測定することができる。反対にフェライト５０と電磁石Ｍ１〜Ｍ３の距離ｄを大きくした場合、磁界を試料２の深層部に集中させることができ、深い部分のインピーダンスを測定することができる。
【００６３】
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００６４】
１００…生体インピーダンス測定装置、１０…渦電流発生装置、１２…駆動部、３０…電位差測定装置、３２…ディスク、３４…制御回路、３６…ディスク、４０…乗算器、４２…整流・積分器、４４…乗算器、４６…アンプ、５０…フェライト、５２…スペーサ、２…試料。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体組織のインピーダンスを測定する生体インピーダンス測定装置であって、
略同心円上に略等間隔に配置されたｍ個（ｍは２以上の整数）の電磁石であって、それぞれの端面が前記生体組織の表面に対向するように配置され、各電磁石がそれぞれのコイルに流れる駆動電流に応じた渦電流を発生させる、ｍ個の電磁石を有し、前記生体組織内に前記ｍ個の電磁石が発生させる渦電流の合成電流の方向が、時間とともに変化するように、前記ｍ個の電磁石それぞれのコイルに流れる駆動電流を変化させる渦電流発生装置と、
生体組織の表面上に配置された複数の測定用電極を有し、前記渦電流によって前記生体組織に発生する電位差を、２つの測定用電極のペアを用いて測定する電位差測定装置と、
を備えることを特徴とする生体インピーダンス測定装置。
【請求項２】
前記ｍ個の電磁石それぞれのコイルには、互いに位相が略（３６０／Ｍ）度シフトした同一周波数の高周波の駆動電流が供給され、前記生体組織内には、流れる方向が前記駆動電流と同期して回転する前記合成電流が発生することを特徴とする請求項１に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項３】
Ｍ＝３であって、３個の電磁石は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置され、各電磁石のコイルには、三相対称高周波の駆動電流が供給されることを特徴とする請求項２に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項４】
前記渦電流発生装置は、第１周波数を有する高周波キャリア電流を、前記第１周波数より低い第２周波数を有するｍ個の変調信号によって振幅変調することによりｍ個の駆動電流を生成し、ｍ個の駆動電流それぞれを前記ｍ個の電磁石それぞれのコイルに流すことにより、流れる方向が前記変調信号と同期して変化する前記合成電流を前記生体組織内に発生させることを特徴とする請求項１に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項５】
Ｍ＝３であって、３個の電磁石は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置され、前記ｍ個の変調信号は、位相が互いに１２０度シフトした前記第２周波数の三相対称交流の各成分であることを特徴とする請求項４に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項６】
前記電位差測定装置は、
生体組織の表面上に配置された複数のキャンセル用電極をさらに有し、
対向する２つの測定用電極のペアの間に発生する電位差が実質的にゼロになるように、それと対応するキャンセル用電極のペアの間に通電する高周波電流の振幅と位相を制御し、このキャンセル用電極のペア間に流れた電流値より、対応する測定用電極のペアがなす方向のインピーダンスを測定することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項７】
前記複数の測定用電極は、前記ｍ個の電磁石の端面がなす面と平行で、深度が異なる面内に設置されることを特徴とする請求項１に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項８】
前記複数の測定用電極および前記複数のキャンセル用電極の少なくとも一方は、前記ｍ個の電磁石の端面がなす面と平行で、深度が異なる面内に設置されることを特徴とする請求項６に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項９】
前記ｍ個の電磁石の第２の端面に、磁気的に共通にカップリングされるフェライトをさらに備え、当該フェライトと前記ｍ個の電磁石の第２の端面の距離が調節可能であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項１】
生体組織のインピーダンスを測定する生体インピーダンス測定装置であって、
略同心円上に略等間隔に配置されたｍ個（ｍは２以上の整数）の電磁石であって、それぞれの端面が前記生体組織の表面に対向するように配置され、各電磁石がそれぞれのコイルに流れる駆動電流に応じた渦電流を発生させる、ｍ個の電磁石を有し、前記生体組織内に前記ｍ個の電磁石が発生させる渦電流の合成電流の方向が、時間とともに変化するように、前記ｍ個の電磁石それぞれのコイルに流れる駆動電流を変化させる渦電流発生装置と、
生体組織の表面上に配置された複数の測定用電極を有し、前記渦電流によって前記生体組織に発生する電位差を、２つの測定用電極のペアを用いて測定する電位差測定装置と、
を備えることを特徴とする生体インピーダンス測定装置。
【請求項２】
前記ｍ個の電磁石それぞれのコイルには、互いに位相が略（３６０／Ｍ）度シフトした同一周波数の高周波の駆動電流が供給され、前記生体組織内には、流れる方向が前記駆動電流と同期して回転する前記合成電流が発生することを特徴とする請求項１に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項３】
Ｍ＝３であって、３個の電磁石は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置され、各電磁石のコイルには、三相対称高周波の駆動電流が供給されることを特徴とする請求項２に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項４】
前記渦電流発生装置は、第１周波数を有する高周波キャリア電流を、前記第１周波数より低い第２周波数を有するｍ個の変調信号によって振幅変調することによりｍ個の駆動電流を生成し、ｍ個の駆動電流それぞれを前記ｍ個の電磁石それぞれのコイルに流すことにより、流れる方向が前記変調信号と同期して変化する前記合成電流を前記生体組織内に発生させることを特徴とする請求項１に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項５】
Ｍ＝３であって、３個の電磁石は空間的に１２０度ずつ離れた略同心円上に配置され、前記ｍ個の変調信号は、位相が互いに１２０度シフトした前記第２周波数の三相対称交流の各成分であることを特徴とする請求項４に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項６】
前記電位差測定装置は、
生体組織の表面上に配置された複数のキャンセル用電極をさらに有し、
対向する２つの測定用電極のペアの間に発生する電位差が実質的にゼロになるように、それと対応するキャンセル用電極のペアの間に通電する高周波電流の振幅と位相を制御し、このキャンセル用電極のペア間に流れた電流値より、対応する測定用電極のペアがなす方向のインピーダンスを測定することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項７】
前記複数の測定用電極は、前記ｍ個の電磁石の端面がなす面と平行で、深度が異なる面内に設置されることを特徴とする請求項１に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項８】
前記複数の測定用電極および前記複数のキャンセル用電極の少なくとも一方は、前記ｍ個の電磁石の端面がなす面と平行で、深度が異なる面内に設置されることを特徴とする請求項６に記載の生体インピーダンス測定装置。
【請求項９】
前記ｍ個の電磁石の第２の端面に、磁気的に共通にカップリングされるフェライトをさらに備え、当該フェライトと前記ｍ個の電磁石の第２の端面の距離が調節可能であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の生体インピーダンス測定装置。
【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２０１２−２０５６０４（Ｐ２０１２−２０５６０４Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５８８８５（Ｐ２０１１−５８８８５）
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人科学技術振興機構 先端計測分析技術・機器開発事業、「低価格脳機能異常部位表示装置の開発」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人科学技術振興機構 先端計測分析技術・機器開発事業、「低価格脳機能異常部位表示装置の開発」産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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