JP2012205604A - 生体インピーダンス測定装置 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体組織を無侵襲的に測定する技術に関する。

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。

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。

特許第１９０９０３８号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（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。 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（ａ）、（ｂ）は、図３の駆動部の動作を示す波形図である。 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５の制御回路の構成例を示す回路図である。 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の構成を示す図である。

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。

（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。

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。

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Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_ｌ３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Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ３に応じた渦電流を発生させる。

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Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ３を変化させる。

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Ｉ_Ｌ１を用いて、式（１）で与えられる。
Ｊ_１＝ｋ_１×Ｉ_Ｌ１×ｈ_１ …（１）
ここでｈ_１は、θ＝９０度の向きを有する単位ベクトルであり、ｋ_１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。

同様に、第２の電磁石Ｍ１が発生する渦電流Ｊ_２、第３の電磁石Ｍ３が発生する渦電流Ｊ_３はそれぞれ、コイルＬ２、Ｌ３に流れる電流Ｉ_Ｌ２、Ｉ_Ｌ３を用いて、式（２）、（３）で与えられる。
Ｊ_２＝ｋ_２×Ｉ_Ｌ２×ｈ_２ …（２）
Ｊ_３＝ｋ_３×Ｉ_Ｌ３×ｈ_３ …（３）
ｈ_２は、θ＝２１０度の向きを有する単位ベクトル、ｈ_３はθ＝３３０度の向きを有する単位ベクトルであり、ｋ_２、ｋ_３は、ｋ_１と同様の係数である。

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Ｊ_{ｔｏｔａｌ}は、式（４）で与えられる。
Ｊ_{ｔｏｔａｌ}＝Σ_{ｉ＝１：ｍ}Ｊ_ｉ＝Ｊ_１＋Ｊ_２＋Ｊ_３
＝ｋ_１×Ｉ_Ｌ１×ｈ_１＋ｋ_２×Ｉ_Ｌ２×ｈ_２＋ｋ_３×Ｉ_Ｌ３×ｈ_３ …（４）
ここで、Σ_{ｉ＝１：ｍ}Ｊ_ｉは、Ｊ_１からＪ_ｍの総和を表す。

したがって、図１の渦電流発生装置１０によれば、駆動電流Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ３を時々刻々と変化させることにより、合成電流Ｊ_{ｔｏｔａｌ}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。

続いて、いくつかの好ましい駆動電流Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ３の発生手法を説明する。

（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Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ３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Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ３が供給される。図２（ａ）、（ｂ）は、三相対称高周波の駆動電流Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ３および合成電流Ｊｔｏｔａｌの向きを示す図である。
Ｉ_Ｌ１＝Ｉ_０・ｃｏｓ（ωｔ） …（５ａ）
Ｉ_Ｌ２＝Ｉ_０・ｃｏｓ（ωｔ−２π／３） …（５ｂ）
Ｉ_Ｌ３＝Ｉ_０・ｃｏｓ（ωｔ−４π／３） …（５ｃ）

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、ｋ_１＝ｋ_２＝ｋ_３＝ｋとみなすことができる。このとき式（４）の合成電流Ｊ_{ｔｏｔａｌ}は、式（６）で与えられる。
Ｊ_{ｔｏｔａｌ}＝ｋ×（Ｉ_Ｌ１×ｈ_１＋Ｉ_Ｌ２×ｈ_２＋Ｉ_Ｌ３×ｈ_３） …（６）

式（６）に、式（５ａ）〜（５ｃ）を代入すると、式（７）を得る。
Ｊ_{ｔｏｔａｌ}＝ｋ×Ｉ_０×｛ｈ_１・ｃｏｓ（ωｔ）＋ｈ_２・ｃｏｓ（ωｔ−２π／３）＋ｈ_３・ｃｏｓ（ωｔ−４π／３）｝ …（７）

式（７）の合成電流Ｊ_{ｔｏｔａｌ}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・Ｉ_０・ｓｉｎ（ωｔ） （８ａ）
Ｊｙ＝（３／２）ｋ・Ｉ_０・ｃｏｓ（ωｔ） （８ｂ）

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Ｊ_{ｔｏｔａｌ}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Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ３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。

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。

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Ｊ_{ｔｏｔａｌ}を発生させると、その合成電流Ｊ_{ｔｏｔａｌ}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。

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。

（第２の駆動方法）
駆動部１２は、第１周波数ω_１を有する高周波キャリア電流を、第１周波数ω_１より低い第２周波数ω_２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Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌｍを生成する。そしてｍ個の駆動電流Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌｍ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。

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ω_１のキャリア信号Ｓ４（＝ｃｏｓω_１ｔ）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。

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ω_２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（ω_２ｔ） …（９ａ）
Ｓ２＝ｃｏｓ（ω_２ｔ−２π／３） …（９ｂ）
Ｓ３＝ｃｏｓ（ω_２ｔ−４π／３） …（９ｃ）

このとき、駆動電流Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ３は、式（１０ａ）〜（１０ｃ）で与えられる。
Ｉ_Ｌ１＝Ｉ_０・ｃｏｓ（ω_１ｔ）・ｃｏｓ（ω_２ｔ） …（１０ａ）
Ｉ_Ｌ２＝Ｉ_０・ｃｏｓ（ω_１ｔ）・ｃｏｓ（ω_２ｔ−２π／３） …（１０ｂ）
Ｉ_Ｌ３＝Ｉ_０・ｃｏｓ（ω_１ｔ）・ｃｏｓ（ω_２ｔ−４π／３） …（１０ｃ）

このとき、合成電流Ｊ_{ｔｏｔａｌ}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・Ｉ_０・ｃｏｓ（ω_１ｔ）ｓｉｎ（ω_２ｔ） （１１ａ）
Ｊｙ＝（３／２）ｋ・Ｉ_０・ｃｏｓ（ω_１ｔ）・ｃｏｓ（ω_２ｔ） （１１ｂ）

この駆動方式では、合成電流Ｊ_{ｔｏｔａｌ}の向きθは、ω_２ｔ［ｒａｄ］で与えられ、第２角周波数ω_２と同期して回転する電流場を発生することができる。

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Ｊ_{ｔｏｔａｌ}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。

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。

（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。

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。

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Ｉ_Ｌ１〜Ｉ_Ｌ３を供給する駆動部１２の機能も有している。

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Ｊ_{ｔｏｔａｌ}の方向θを変化させる。そして、合成電流Ｊ_{ｔｏｔａｌ}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Ｊ_{ｔｏｔａｌ}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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｊ_{ｔｏｔａｌ}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Ｊ_{ｔｏｔａｌ}と逆向きのキャンセル電流Ｊ_{ｃａｎｃｅｌ}が発生する。このキャンセル電流Ｊ_{ｃａｎｃｅｌ}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Ｊ_{ｔｏｔａｌ}を、キャンセル電流Ｊ_{ｃａｎｃｅｌ}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。

（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。

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。

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Ｊ_{ｔｏｔａｌ}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。

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。

（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。

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。

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Ｊ_{ｔｏｔａｌ}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。

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。

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。

Claims (9)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

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