JP6193966B2 - 身体インピーダンスの測定方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明はセンサデバイスに関し、より具体的には、センサデバイスを用いた身体インピーダンスの測定方法およびシステムに関する。

標準的な人間の体重の約６０％が水でできている。人間の体重成分は、年齢、食事、体重、および性別などの様々な要素によって変化する。これらの変化があるとしても、人間の体重成分の最大部分は水でなる。生理学的に、「体水分」または「含水レベル」の用語は、身体の水分を表すものとして用いられる。ある人物の含水レベルは、リットルか、当該人物の合計体重のパーセントとして説明される。

無理なく健康な水分レベルを維持するのは、人間の全体の健康に重要である。さらに、人間の含水レベルが少し下がっても身体パフォーマンスレベルに有意に影響する。従来の身体の含水レベルの検査方法は、体重変化をモニタし、多様なマーカーについて血液と尿を検査する。しかしながら、これらの従来方法は有効でなく、コストがかかり、正しい含水レベルを導き出す検査分析に時間がかかる。

これらのことは人間の含水レベルのモニタに制限をかける。このため、健康に関する値をモニタできるセンサデバイスを用いてリアルタイムに身体のインピーダンスを非侵襲的に算出することにより、上記事象を解消する効率のよい方法への強い希望があった。

ユーザの身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）を測定する方法およびシステムが開示される。この方法は、ユーザにセンサデバイスを接続することを含み、このセンサデバイスは少なくとも第１および第２の電極を含む。この方法は、第１のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ１）を介して前記第１の電極に、第２のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ２）を介して第２の電極に、電圧信号（Ｖ_ｉｎ）をかけて出力信号を得ることを含む。この方法は、第１および第２の電極の差動電圧を測定し、測定した差動電圧（Ｖ_ｂｏｄｙ）、電圧信号（Ｖ_ｉｎ）、第１のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ１）、および第２のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ２）を用いて身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）を算出することを含む。

添付の図面は本発明のいくつかの実施例を示す物であり、本書の記載とともに、本発明の原理を説明するのに役立つものである。当業者は、図面に描かれた特定の実施例が単なる例であり、本発明の範囲を限定するものではないことを理解するであろう。
図１は、第１実施例にかかる差動システムの図である。 図２は、第１実施例にかかるシングルエンドシステムの図である。 図３は、第２実施例にかかるシングルエンドシステムの図である。 図４は、第２実施例にかかる差動システムの図である。 図５は、第３実施例にかかる差動システムの図である。 図６は、第４実施例にかかる差動システムの図である。 図７は、第５実施例にかかる差動システムの図である。 図８は、一実施例にかかる絶対値手段（ａｂｓｏｌｕｔｅ ｖａｌｕｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）の図である。 図９は、第６実施例にかかる差動システムの図である。 図１０は、第７実施例にかかる差動システムの図である。 図１１は、第８実施例にかかる差動システムの図である。

本発明はセンサデバイスに関し、より具体的には、センサデバイスを用いた身体インピーダンスの測定方法およびシステムに関する。以下の説明は当業者が本発明を作成し使用できるようにするために提供され、特許出願およびその必要により提供されるものである。本書に記載の好適な実施例や一般的な概念および特徴の多様な変更が、当業者によって理解されるであろう。したがって、本発明は記載された実施例に限られず、本書に記載の原理や特徴と一致する最も広い範囲に許容される。

本発明にかかる方法およびシステムにより、センサデバイスを用いたユーザの身体インピーダンスの測定が可能となる。当業者は、回路を埋め込んだワイヤレスセンサデバイスを含む多様なセンサデバイスが本発明の意図と範囲内となることを理解するであろう。ユーザに２以上のセンサノードまたは電極を介してポータブルセンサデバイスを接続し、これらのセンサノードを既知のインピーダンスを通して電気信号で刺激すると、センサノードで生じる電気出力信号がポータブルセンサデバイスで検出される。得られた電気出力信号は、アナログとデジタルを組み合わせた信号処理法で処理されて、ユーザの身体のインピーダンス、または身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）が特定される。

特定された身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）はさらに、ハードウェアおよび／またはソフトウェアアプローチで処理されて、ユーザの含水レベルなどの健康関連値が特定される。当業者であれば、算出された身体インピーダンスを用いて、ある人物の水和レベルや呼吸速度を含むがこれに限られない様々な健康関連値を測定および／またはモニタすることが本発明の意図および範囲内にあることを理解するであろう。

一実施例では、ユーザの身体の一箇所から当該ユーザの身体の別の箇所へのインピーダンス、すなわち身体インピーダンスは、Ｚ_ｂｏｄｙとして分かる。Ｚ_ｂｏｄｙは、以下の式による水和レベルに反比例する：
水和レベルα１／Ｚ_ｂｏｄｙ

この反比例の関係を用いて、Ｚ_ｂｏｄｙが、年齢、身長、人種、食事、体重、および性別などの他の変数を含むハードウェア構成および／またはソフトウェアアルゴリズムを介してユーザの水和レベルに変換される。Ｚ_ｂｏｄｙは、入力電圧信号（Ｖ_ｉｎ）を既知のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ）を通して、および２以上の電極を通して未知の身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）を有するユーザの身体に印加する。Ｖ_ｉｎとＺ_ｉｎが既知の値であり、Ｚ_ｂｏｄｙを通る電圧（Ｖ_ｂｏｄｙ）をセンサデバイスで測定できるとすると、Ｚ_ｂｏｄｙは唯一の未知の値となり以下の式で算出される：
Ｚ_ｂｏｄｙ＝（Ｖ_ｂｏｄｙ／（Ｖ_ｉｎ−Ｖ_ｂｏｄｙ））×Ｚ_ｉｎ

一実施例では、算出されたＺ_ｂｏｄｙの値の変化が、呼吸の速度と呼吸の深さの測定に用いられる。ある人物が呼吸して肺が空気で満たされると、当該人物の肺のインピーダンスが増大する。この人物が吐出して肺に空気が少なくなると、当該人物の肺のインピーダンスが低減する。ユーザの肺の周囲の身体に２以上の電極を配置すると、Ｚ_ｂｏｄｙを通る電圧（）Ｖ_ｂｏｄｙ）が再びセンサデバイスで測定され、Ｚ_ｂｏｄｙの算出が可能となる。Ｚ_ｂｏｄｙは以下の式により肺の中の空気に正比例する：
肺の中の空気αＺ_ｂｏｄｙ

当業者であれば、入力信号（Ｖ_ｉｎ）は、単一端信号、ユーザの身体の異なる箇所に入力しうる差分信号、あるいは、異なる時間または同時に入力される差分信号を含むがこれに限られない多様な種類の信号であってよいことを理解するであろう。さらに、当業者は、入力信号（Ｖ_ｉｎ）は複数の電極に入力することができ、ここでは複数の差動電圧が生じてＺ_ｂｏｄｙの算出にさらなる演算が必要となることも、本発明の意図および範囲内であることを理解するであろう。

当業者は、既知のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ）は、抵抗、コンデンサ、インダクタ、スイッチ、および変圧器要素の組み合わせであり、直列あるいは並列に組み合わさって本質的に決定論的なインピーダンスを形成することを含むがこれに限定されず、本発明の意図および範囲内であることを理解するであろう。

Ｚ_ｂｏｄｙをより正確に測定するために、当業者は、入力電圧信号（Ｖ_ｉｎ）は、立ち上がりと下降時間が５０ナノ秒（ｎｓ）以下であり２以上の電極のインピーダンスを低減して僅少とする方形波またはパルス信号であってもよく、いずれも本発明の意図および範囲内であることを理解するであろう。

上述したように、得られる電気出力信号は、整流、絶対値、サンプルアンドホールド、およびトラックアンドホールドなどの複数の回路を有する処理ユニットを含むがこれに限られないハードウェアおよび／またはソフトウェアアプローチで処理されて、身体の動きなどのノイズおよび／またはアーティファクトが除去される。この処理ユニットは、ポータブルセンサデバイスに連結された別個のデバイスであってもよいし、ポータブルセンサデバイス内に全体的および／または部分的に組み込まれてもよい。これらの回路は、入力電圧信号（Ｖ_ｉｎ）または回路クロックが遷移するときに生成される出力信号に変化や異常を生じさせる。当業者は、これらの回路の後に共通のアナログ回路ブロックを用いてこれらの異常または変化の効果を低減および／または排除でき、いずれも本発明の意図および範囲内にあることを理解するであろう。

当業者は、前記共通のアナログ回路が、急峻な変化をカットするフィルタや、正しい位相および／または正しい衝撃係数のクロックを有するサンプリング回路を含むがこれに限られない多様なデバイスで異常や変化が以降の回路ブロックで検出されないようにでき、いずれも本発明の意図および範囲内にあることを理解するであろう。さらに、当業者は、処理ユニットの各回路ブロック内のクロックが、プログラム可能な位相シフト、互いに対する位相シフト、および位相シフトを通して互いに対して非オーバーラップ、衝撃係数の変更、またはプログラム可能であることを含むがこれに限定されない多様な特徴を有し、いずれも本発明の意図および範囲内にあることを理解するであろう。

出力信号の異常や変化に加えて、当業者は、処理ユニットが、電圧ドライバプルアップおよびプルダウンインピーダンス、および／または遷移時間のミスマッチ、電圧ドライバプルアップとプルダウンの衝撃係数が非理想的、電圧ドライバがミスマッチまたは設計により完全に特異である、多様な回路ブロック内のオフセット、および多様な回路クロックの違いやデザインによる位相外れを含むがこれに限られない非理想的な多種の回路となることが、本発明の意図および範囲内となることを理解するであろう。これらの非理想的な回路は、回路ブロックの較正、スイッチ追加、プログラム可能な変更を含むがこれに限られないアナログおよび／またはデジタル処理を行うことにより解消しうることが、本発明の意図および範囲内にあることを理解するであろう。

身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）は、絶対的なユーザの水和レベルを測定し、および／または相対的なユーザの水和レベルを測定するのに利用可能である。ユーザの相対的な水和レベルは、僅かに脱水、やや脱水、激しく脱水、および過度の脱水を含むがこれに限定されない多様なレベルの間でユーザのコンディションの変化を示す特定の閾値上の多様性が可能となり、いずれも本発明の意図と範囲内である。

本発明の特徴をより詳細に説明すべく、添付の図面とともに以下の記載を参照されたい。

図１は、第１実施例にかかる差分システム１００を示す。この差分システム１００は、差動電圧発生器１０２と、当該差動電圧発生器１０２にともに連結された第１のインピーダンスユニット１０４（Ｚ_ｉｎ１）および第２のインピーダンスユニット１０６（Ｚ_ｉｎ２）と、第１のインピーダンス１０４に連結された第１の電極（ＳＮＳ１）および第２のインピーダンス１０６に連結された第２の電極（ＳＮＳ２）を有するセンサデバイス１０８と、当該センサデバイス１０８に連結されたアナログ／デジタル信号処理ユニット１１０とを具える。

当業者は、作動システム１００が２以上のインピーダンスユニットや電極を利用可能であり、いずれも本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。さらに、当業者は、アナログ／デジタル信号処理ユニット１１０もセンサデバイス１０８内に全体的または部分的に組み込まれてよく、いずれも本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。さらに、当業者は、差動システム１００が、発電機や電流源を含むがこれに限られない多様な電源を利用でき、いずれも本発明の意図と範囲に含まれることを理解するであろう。

センサデバイス１０８は、差動システム１００のユーザに連結される。差動電圧発生器１０２は，センサデバイス１０８に刺激（ｓｔｉｍｕｌｕｓ）を提供する。一実施例において、差動電圧発生器１０２は高電圧レベルから低電圧レベルへ遷移する。当業者は、差動電圧発生器１０２の工程の電圧レベルは、電源と接地電圧、バッテリと接地電圧、正と負の電源を含むがこれに限定されない様々な方法で実現可能であり、いずれも本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。

さらに、当業者は、差動電圧発生器１０２と低電圧レベルは、調整、チャージポンプ調整、電圧分割、または調整や電圧デバイダなどの手段から出る接地などの手段の様々な組み合わせを介して、正の電源またはバッテリと、負の電源または接地からの２つの電圧レベルを供給することで実現可能であり、いずれも本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。

一実施例では、差動電圧発生器１０２から供給される刺激は、１メガヘルツ（ＭＨｚ）で高電圧レベルと低電圧レベルの間の遷移時間が急峻な方形またはパルス波である。当業者は、これらの刺激が、５００キロヘルツ（ｋＨｚ）より大きい周波数を含むがこれに限定されない他の多様な周波数で、５０ｎｓ以下の急峻な遷移時間を示す他の様々な種類の波であってもよく、いずれも本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。

差動電圧の大きさまたはピークは、第１および第２のインピーダンス１０４−１０６とユーザの身体インピーダンスの間に形成される電圧デバイダにより、センサデバイス１０８の第１および第２の電極で検知される。この差動電圧は、アナログおよび／またはデジタル処理機能を用いてアナログ／デジタル信号処理ユニット１１０で処理され、結果の値が得られる。当業者は、整流器、絶対値＝｜ｘ｜、スクエアリング関数＝ｘ^２、サンプリング、サンプルアンドホールド、トラックアンドホールド、アナログフィルタリング、アナログ等化、増幅、アナログ−デジタルコンバータでのデジタル化、デジタルフィルタリング、デジタル増幅、アーティファクト除去、およびベースラインワンダー除去を含むがこれに限定されない様々なアナログおよび／またはデジタル処理機能を利用でき、いずれも本発明の意図および範囲内であることを理解するであろう。

当業者は、処理後に差動電圧の得られる値が、ユーザの身体の水和レベルまたは水分レベルに反比例する身体インピーダンスを表し、これが本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。

図２は、第１実施例にかかる単一端システム２００の図である。この単一端システム２００は、電圧発生器２０２、当該電圧発生器２０２に連結された第１のインピーダンスユニット２０４（Ｚ_ｉｎ１）と、基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ）に連結された第２のインピーダンスユニット２０６（Ｚ_ｉｎ２）と、第１のインピーダンス２０４に連結された第１の電極（ＳＮＳ１）および第２のインピーダンス２０６に連結された第２の電極（ＳＮＳ２）を有するセンサデバイス２０８と、当該センサデバイス２０８に連結されたアナログ／デジタル信号処理ユニット１１０とを具える。

したがって、単一端システム２００は差動システム１００の構成と似ているが、単一端システム２００では電圧発生器２０２がセンサデバイス２０８の第１の電極（ＳＮＳ１）に方形またはパルス波を入力し、一方でセンサデバイス１０８の第２の電極（ＳＮＳ２）が一定の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ）に維持される点が異なる。電流は、Ｖ_ｒｅｆに保持されるセンサデバイス２０８の第２の電極に流入および流出する。第１と第２のインピーダンス２０４−２０６間の電圧デバイダ、およびセンサデバイス２０８にわたる電圧に基づいて身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）が算出される。

図３は、第２実施例にかかる単一端システム３００を示す。この単一端システム３００は、電圧デジタル−アナログコンバータ（ＶＤＡＣ０または電圧ＤＡＣ）３０２および増幅器（ＡＭＰ０）３０４と、当該電圧ＤＡＣ３０２の入力に接続された第１のクロック（ＣＫ１）３０６と、前記電圧ＤＡＣ３０２の出力に接続された第１の抵抗（Ｒ１）３０８と、増幅器３０４に連結された第２の抵抗（Ｒ２）と、第１の抵抗３０８に連結された第１の電極（ＳＮＳ１）および第２の抵抗３１０に連結された第２の電極（ＳＮＳ２）を有するセンサデバイス３１２と、当該センサデバイス３１２に連結されたアナログ／デジタル信号処理ユニット３１４とを具える。

単一端システム３００では、第１および第２の抵抗３０８−３１０は、インピーダンスユニットＺ_ｉｎ１とＺ_ｉｎ２である。当業者は、第１および第２の抵抗３０８−３１０は、互いに等しい抵抗あるいは互いに異なる抵抗を具えるがこれに限定されない精密かつ正確に既知の多様な抵抗を有することができ、いずれも本発明の意図および範囲内であることを理解するであろう。

アナログ／デジタル信号処理ユニット３１４は、サンプルアンドホールド関数回路（Ｓ／Ｈ０）３１６と、Ｓ／Ｈ０３１６に連結されたローパスフィルタ（ＬＰＦ０）３１８と、ＬＰＦ０３１８に連結されたアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ０）３２０とＡＤＣ０３２０に連結されたジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ０）３２２とを具える。当業者は、Ｓ／Ｈ０３１６、ＬＰＦ０３１８、ＡＤＣ０３２０、およびＤＳＰ０３２２が、プラスとマイナスの入出力構造を有する差分形式（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｆｏｒｍ）を含むがこれに限定されない様々な構造を含むことができ、いずれも本発明の意図および範囲内であることを理解するであろう。

一実施例では、Ｓ／Ｈ０３１６は、第１の入力（ＩＰ）と、第２の入力（ＩＭ）と、第１の出力（ＯＰ）と、第２の出力（ＯＭ）と、第２のクロック（ＣＫ２）とを具える。ＬＰＦ０３１８は、第１の入力（ＩＰ）と、第２の入力（ＩＭ）と、第１の出力（ＯＰ）と、第２の出力（ＯＭ）とを具える。ＡＤＣ０３２０は、第１の入力（ＩＰ）と、第２の入力（ＩＭ）と、出力（ＯＵＴ［Ｎ：１］）と、第３のクロック（ＣＫ３）とを具える。ＤＳＰ０３２２は、入力（ＩＮ）と出力（ＯＵＴ）を具える。

単一端システム３００では、第１のクロック（ＣＫ１）３０６が入力信号を電圧ＤＡＣ３０２に与え、周波数ｆｃｌｋでスイッチして、電圧ＤＡＣ３０２からセンサデバイス３１２の第１の電極への出力を高電圧レベルから低電圧レベルへとスイッチするようにする。当業者は、高電圧および低電圧レベルは、調整器または電圧デバイダあるいは双方を通した電源と接地を含むがこれに限られない様々なソースからのものでよく、いずれも本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。一実施例では、電圧ＤＡＣ３０２は、電源と接地間でスイッチする単純なデジタルインバータあるいはバッファである。

センサデバイス３１２の第２の電極は、電圧フォロワー構造内の増幅器３０４により一定の基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ）に維持される。当業者は、電圧フォロワー構造は、Ｖ_ｒｅｆに近い一定の値に維持し、Ｖ_ｒｅｆ＝（（ＶＤＡＣ＿ＨＩ＋ＶＤＡＣ＿ＬＯ）／２）を含むがこれに限定されない入出電流と有する様々な構造とすることができ、いずれも本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。

センサデバイス３１２の第１および第２の電極が電圧ＤＡＣ３０２及び増幅器３０４から入力電圧を受けた後、第１と第２の抵抗３０８−３１０と身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）の間の電圧デバイダにより生じるＺ_ｂｏｄｙにわたる得られた方形またはパルス波の電圧信号（Ｖ_ｂｏｄｙ）の大きさが、第１および第２の電極間でセンサデバイス３１２に検出される。得られた方形またはパルス波の電圧信号はアナログ／デジタル信号処理ユニット３１４に供給されて処理される。したがって、得られる方形またはパルス波の電圧信号は、アナログ／デジタル信号処理ユニット３１４の入力信号として作用する。

アナログ／デジタル信号処理ユニット３１４内で、得られた方形またはパルス波の電圧信号は、Ｓ／Ｈ０３１６および周波数ｆｃｌｋの方形またはパルス波を用いた第２のクロック（ＣＫ２）により処理される。一実施例では、第２のクロック（ＣＫ２）は第１のクロック（ＣＫ１）３０６と同位相である。Ｓ／Ｈ０３１６の出力に維持された値が得られる方形またはパルス波の電圧信号の正または負の大きさに対応するように、ＣＫ１とＣＫ２の位相が正確に行われていれば、Ｓ／Ｈ０３１６の出力は、センサデバイス３１２で生じる付加的な望まないノイズまたはリッピングあるいはアーティファクト付きの身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）に関する電圧値となる。

アナログ／デジタル信号処理ユニット３１４内で、Ｓ／Ｈ０３１６の出力（ＳＨＰ／ＳＨＭ）がＬＰＦ０３１８でフィルタリングおよび／または増幅される。当業者は、ＬＰＦ０３１８が、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ、またはバンドリジェクトフィルタを含むがこれに限定されない様々なフィルタを具えてよく、いずれも本発明の意図および範囲内であることを理解するであろう。ＬＰＦ０３１８の出力（ＡＩＰ／ＡＩＭ）は、第３のクロック（ＣＫ３）を介してｆｃｋ＿ａｄｃでクロックされるＡＤＣ０３２０でデジタル化される。一実施例では、ＡＤＣ０３２０はＮビットアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）である。

ＡＤＣ０３２０の出力（ＡＯＵＴ）は、ＤＳＰ０３２２により、信号のフィルタリング、信号の等化、アーティファクト除去、ベースラインワンダー除去、信号増幅、信号への数式適用、を含むがこれに限定されない様々な機能のいずれか１以上を実行することにより、動き、ベースラインワンダー、グリッチ、オフセットおよび／または運動ノイズによるアーティファクトを含まないクリーンな身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）である出力（ＤＳＰＯＵＴ）が求められる。一実施例では、ＤＳＰ０３２２はさらに、年齢、身長、人種、食事、体重、性別、電極間距離、および以前の記録および／または保存データを含むがこれに限定されないユーザ情報を用いて出力（ＡＯＵＴ）を処理し、水和レベル、含水量、呼吸レート、および／または呼吸深さを含むがこれに限定されない様々なユーザ関連の演算を出力する。

図４は、第２実施例にかかる差動システム４００を示す。この差動システム４００は、電圧デジタル−アナログコンバータ（ＶＤＡＣ０または電圧ＤＡＣ）４０２、この電圧ＤＡＣ４０２の入力に接続された第１のクロック（ＣＫ１）４０４と、電圧ＤＡＣ４０２の出力（ＯＰ）に接続された第１の抵抗（Ｒ１）４０６と、電圧ＤＡＣ４０２の出力（ＯＭ）に接続された第２の抵抗（Ｒ２）４０８と、前記第１の抵抗４０６に接続された第１の電極（ＳＮＳ１）および前記第２の抵抗４０８に接続された第２の電極（ＳＮＳ２）を有するセンサデバイス４１０と、当該センサデバイス４１０に接続されたアナログ／デジタル信号処理ユニット４１２とを具える。

アナログ／デジタル信号処理ユニット４１２は、サンプルアンドホールド関数回路（Ｓ／Ｈ０）４１４と、Ｓ／Ｈ０４１４に連結されたローパスフィルタ（ＬＰＦ０）４１６と、ＬＰＦ０４１６に連結されたアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ０）４１８と、ＡＤＣ０４１８に接続されたデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ０）４２０とを具える。当業者は、Ｓ／Ｈ０４１４、ＬＰＦ０４１６、ＡＤＣ０４１８、およびＤＳＰ０４２０が様々な構造を含むことができ、いずれも本発明の意図および範囲内であることを理解するであろう。

したがって、差動システム４００は単一端システム３００の構成と似ているが、差動システムでは増幅器を有さない点が異なる。代わりに、差動システム４００では、電圧デジタル−アナログコンバータ（ＶＤＡＣ０または電圧ＤＡＣ）４０２が、センサデバイス４１２の第１および第２の電極へ電圧信号差分を出力する。当業者は、ＤＡＣ４０２が、第１のクロック（ＣＫ１）４０６とＣＫ１の反転バージョンで駆動され電源と接地の間でスイッチされる２つのインバータまたはバッファを含むがこれに限らない様々な構成を具え、いずれも本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。

当業者は、アナログ／デジタル信号処理ユニット４１２は様々な回路ブロック構成を
含み、いずれも本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。

図５は、第３実施例にかかる差動システム５００を示す。この差動システム５００は差動システムとほぼ同じであるが、サンプルアンドホールド回路（Ｓ／Ｈ０）４１４’が第２のクロック（ＣＫ２）を介した少なくとも２倍のクロック（２^＊ｆｌｃｋ）でクロックされ、入力の正と負の振幅をともに別の方法でサンプルする。

さらに、アナログ／デジタル信号処理ユニット４１２’はさらに、絶対値回路（ＡＢＳ０）５０２を有する。このＡＢＳ０５０２は、第１の入力（ＩＰ）と、第２の入力（ＩＭ）と、第１の出力（ＯＰ）と、第２の出力（ＯＭ）とを有する。一実施例では、ＡＢＳ０５０２は、Ｓ／Ｈ０４１４’の出力信号の絶対値をとり、これが信号を整流して入力における負の大きさを出力における正の値にする。

このように、情報の半分（正か負の大きさ）のみが収集され、情報の他の半分は破棄される差動システム４００とは異なり、差動システム５００は正と負の大きさの双方を収集して、結果の出力を所定の期間に２倍の量のサンプルを有する正の値の出力へと整流する。

図６は、第４実施例にかかる差動システム６００を示す。この差動システム６００は差動システム５００とほぼ同様だが、絶対値回路５０２がアナログ多重器（ＡＭＵＸ０）６０２を介して実装されている点で異なる。このＡＭＵＸ０６０２は、第１の入力（Ｉ０Ｐ）と、第２の入力（Ｉ０Ｍ）と、第三の入力（Ｉ１Ｐ）と、第１の出力（ＯＰ）と、第２の出力（ＯＭ）と、セレクタ（ＳＥＬ）とを具える。

一実施例では、ＡＭＵＸ０６０２は、第４のクロック（ＣＫ４）が論理的に高レベルのときにアナログスイッチを用いて、Ｓ／Ｈ０４１４’’からのＳＨＰ出力を接続してＡＭＸＰを出力し、Ｓ／Ｈ０４１４’’からのＳＨＭ入力を接続してＡＭＸＭを出力する。ＣＫ４が論理的に低レベルのとき、ＡＭＵＸ０６０２はアナログスイッチを用いて、Ｓ／Ｈ０４１４’’からのからのＳＨＭ入力を接続してＡＭＸＰを出力し、Ｓ／Ｈ０４１４’’からのＳＨＰ入力を接続してＡＭＸＭを出力する。したがって、ＡＭＵＸ０６０２は、アナログ／デジタル信号処理ユニット４１２’’の絶対値または整流機能を実装する。

図７は、第５実施例にかかる差動システム７００を示す。差動システム７００は差動システム４００とほぼ同様だが、Ｓ／Ｈ０４１４回路ブロックが、アナログ／デジタル処理ユニット４１２’’’内の絶対値回路（ＡＢＳ０）７０２に置換されている点で異なる。ＡＢＳ０７０２は、サンプルアンドホールドまたはトラックアンドホールドを有するクロックシステムの代わりに非同期の絶対値を用いて、得られる方形またはパルス波の電圧信号を処理する。

図８は、一実施例にかかる絶対値手段８００を示す。絶対値手段８００は、マルチプレクサ（ＡＭＵＸ０）８０２と、比較器（ＣＯＭＰ０）８０４とを具える。ＡＭＵＸ０８０２は、第１の入力（Ｉ０Ｐ）と、第２の入力（Ｉ０Ｍ）と、第３の入力（Ｉ１Ｐ）と、第４の入力（Ｉ１Ｍ）と、第１の出力（ＯＰ）と、第２の出力（ＯＭ）と、セレクタ（ＳＥＬ）とを具える。ＣＯＭＰ０８０４は、正（＋）と負（−）の入力と、１つの出力を具える。ＣＯＭＰ０８０４は、ＩＰがＩＭより大きいか小さくなった場合を検知してＡＭＵＸ０８０２をスイッチし、これがアナログ／デジタル信号処理ユニット４１２の絶対値機能の実装となる。

当業者は、絶対値手段８００で用いるマルチプレクサや比較器は異なる種類であってもよく、これにはアナログ比較器やクロック比較器が含まれるがこれに限定されず、いずれも本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。さらに、当業者は、マルチプレクサ自体をクロック式として、比較器を用いなくてもよく、いずれも本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。

図９は、第６実施例にかかる差動システム９００を示す。差動システム９００は実質的に差動システム５００と似ているが、アナログ／デジタル信号処理ユニット４１２’’’’内でＡＢＳ０５０２’回路ブロックとＳ／Ｈ０４１４’’’’回路ブロックの順番が逆である。したがって、差動システム９００では、ＡＢＳ０５０２’の出力ＡＢＳＰとＡＢＳＭが、Ｓ／Ｈ０４１４’’’’に入力される。

Ｓ／Ｈ０４１４’’’’の出力で保持される値が得られる方形またはパルス波の電圧信号の正の大きさと整流された負の大きさに対応し、ＡＢＳ０５０２の遷移中に生じる情報が通過しないように、差動システム９００を通る信号の遅延を考慮することにより、ＣＫ２がＣＫ１に対して正確に合っていれば、ＡＢＳ０５０２’から生じるノイズおよび／またはアーティファクトおよび／またはグリッチが排除され、よりクリーンな出力信号がアナログ／デジタル信号処理ユニット４１２’’’’内の残りの回路ブロックに出力される。

図１０は、第７実施例にかかる差動システム１０００を示す。この差動システム１０００は実質的に差動システム４００と似ているが、アナログ／デジタル信号処理ユニット４１２’’’’’内でＳ／Ｈ０４１４回路ブロックが平方関数回路ブロック（ＳＱＲ０）１００２で置換されている。したがって、差動システム１０００では、ＳＱＲ０１００２は、絶対値の代わりに得られる方形またはパルス波電圧信号の平方をとり、得られる方形またはパルス波電圧信号の大きさに対応する電圧レベルを出力し、これにはいくらかのノイズおよび／または遷移がある。このノイズおよび／または遷移はローパスフィルタで取り除くことができ、これによりＳＱＲ０１００２の出力（ＳＱＲＰとＳＱＲＭ）がＬＰＦ０４１６’’’’’に入力されて濾波される。

図１１は、第８実施理恵にかかる差動システム１１００を示す。差動システム１１００は、実質的に差動システム１０００と似ているが、ＳＱＲ０１００２’ブロックの後にＳ／Ｈ０１１０２回路ブロックが追加されている。したがって、ＳＱＲ０１００２’の出力のノイズおよび／または遷移がさらにＳ／Ｈ０１１０２で処理され、ＬＰＦ０４１６’’’’’’によりクリーンな信号が出力される。

上述したように、この方法およびシステムにより、センサデバイスを用いて身体インピーダンスを算出することが可能である。既知のインピーダンスを通してユーザの身体に配置されたセンサデバイスに電圧信号を入力し、得られる出力電圧信号を検出し、アナログとデジタルの信号処理の組み合わせを用いて得られる出力信号を処理すると、非侵襲性で効果的なシステムを用いて正確な身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）を算出できる。算出された身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）は、ユーザの水和レベル、呼吸速度、および呼吸深さを含むがこれに限定されない多様な健康関連の値の決定とモニタリングに用いることができる。

センサデバイスを用いて身体インピーダンスを決定する方法およびシステムが開示されている。本書に記載した実施例は、全体としてハードウェアで実装された形でもよいし、全体がソフトウェアとして実装されてもよく、あるいはハードウェアとソフトウェア要素の双方を含む実装であってもよく、これはアプリケーションソフトウェア、ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコード等を含むがこれに限定されない。

本書記載のステップは、適切なコントローラまたはプロセッサ、あるいは様々な適切な記憶場所またはコンピュータ可読媒体に保存されたソフトウェアアプリケーションを用いて実装することができる。このソフトウェアアプリケーションは、プロセッサが本書に記載された機能をレシーバが実行できるようにする。

さらに、複数の実施例は、コンピュータまたは任意の命令実行システムの使用または関連してプログラムコードまたはプログラム命令を提供するコンピュータ利用可能あるいはコンピュータ可読媒体からアクセス可能なコンピュータプログラム製品の形態をとることができる。この説明のために、コンピュータ利用可能またはコンピュータ可読の記憶媒体は、命令実行システム、装置、またはデバイスで使用するか共に用いるためにプログラムの保存、通信、伝搬、または転送が可能な任意の装置であってよい。

コンピュータ可読媒体は、例えば電子的、磁気的、光学的、電磁的、赤外線、半導体システム（または装置かデバイス）、あるいは伝達媒体である。コンピュータ可読媒体は、半導体または固体メモリ、磁気テープ、着脱式コンピュータディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、固定の磁気ディスク、および光ディスクを含む。今日の光ディスクの例は、ＤＶＤ、コンパクトディスクリードオンリメモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、およびリード／ライト式コンパクトディスクを含む。

本発明を図示した実施例に沿って説明したが、当業者は、これらの実施例の様々な変形例が考えられること、およびこれらの変形例が本発明の意図と範囲内であることを理解するであろう。したがって、当業者は添付の特許請求の範囲の意図と範囲を逸脱することなく多くの変更を施すことができる。

Claims (20)

1. ユーザの身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）を算出する方法であって、当該方法が、
   第１の電極部、第２の電極部、およびアナログ／デジタル信号処理ユニットのみを有するウェアラブルセンサデバイスをユーザに接続するステップと、
   第１のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ１）を介して前記第１の電極部に、第２のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ２）を介して第２の電極部に、電圧信号（Ｖ_ｉｎ）をかけて出力信号を得るステップと、
   前記第１および第２の電極部間の差動電圧（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｖｏｌｔａｇｅ：Ｖ_ｂｏｄｙ）を、前記出力信号を利用して測定するステップと、
   測定した差動電圧（Ｖ_ｂｏｄｙ）、電圧信号（Ｖ_ｉｎ）、第１のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ１）、および第２のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ２）を用いて前記身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）を算出するステップとを具えることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記電圧信号（Ｖ_ｉｎ）は、前記第１および第２の電極部のインピーダンスが前記身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）より小さくなるような上昇・下降時間を有する方形波またはパルス信号であることを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、さらに、前記測定された差動電圧（Ｖ_ｂｏｄｙ）と前記身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）の算出の品質を向上させるために前記出力信号を処理することを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記処理がさらに、
   前記出力信号に複数の機能を実行するステップ、
   前記出力信号をフィルタリングするステップ、
   前記出力信号をデジタル化するステップ、および
   前記出力信号を処理してノイズおよび／またはアーティファクトを除去するステップを含むことを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、前記機能は、整流、絶対値、平方関数、サンプルアンドホールド関数、およびトラックアンドホールド関数のいずれかを含むことを特徴とする方法。
6. 請求項４に記載の方法において、前記フィルタリングは、アナログフィルタリング、アナログ等化、および増幅のいずれかを実行するローパスフィルタで行われることを特徴とする方法。
7. 請求項４に記載の方法において、前記出力信号の処理は、デシメーションフィルタ、デジタル等化、デジタル増幅、アーティファクト除去、およびベースラインワンダー除去を用いたいずれかのデジタルフィルタリングを実行することを含むことを特徴とする方法。
8. 請求項４に記載の方法において、さらに、
   年齢、身長、人種、食事、体重、性別、および第１と第２の電極部間の距離、のいずれかを含むユーザ情報を用いて前記出力信号を処理することを含むことを特徴とする方法。
9. 請求項１に記載の方法において、前記身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）は、
   式 Ｚ_ｂｏｄｙ＝（Ｖ_ｂｏｄｙ／（Ｖ_ｉｎ−Ｖ_ｂｏｄｙ））×（Ｚ_ｉｎ１＋Ｚ_ｉｎ２）
   を用いることを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法において、ユーザの水和レベルα１／Ｚ_ｂｏｄｙと前記水和レベルが、年齢、身長、人種、食事、体重、性別、および第１と第２の電極部間の距離、のいずれかを含むユーザ情報とともにＺ_ｂｏｄｙを用いて算出されることを特徴とする方法。
11. 請求項９に記載の方法において、前記ユーザの肺の中の空気αＺ_ｂｏｄｙおよび呼吸速度と呼吸深さが、年齢、身長、人種、食事、体重、性別、および第１と第２の電極部間の距離、のいずれかを含むユーザ情報とともにＺ_ｂｏｄｙの変化をモニタすることにより決定されることを特徴とする方法。
12. ユーザの身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）を算出するシステムであって、
    第１の電極部、第２の電極部、およびアナログ／デジタル信号処理ユニットと、電圧発生器とのみを有しユーザに接続されるウェアラブルセンサデバイスを具え、
    前記電圧発生器が、第１のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ１）を介して前記第１の電極部に、第２のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ２）を介して第２の電極部に、電圧信号（Ｖ_ｉｎ）をかけて出力信号を生成し、
    前記ウェアラブルセンサデバイスが、前記出力信号を用いて前記第１および第２の電極部間の差動電圧（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｖｏｌｔａｇｅ：Ｖ_ｂｏｄｙ）を測定し、測定した差動電圧（Ｖ _ｂｏｄｙ ）、電圧信号（Ｖ_ｉｎ）、第１のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ１）、および第２のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ２）を用いて前記身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）を算出することを特徴とするシステム。
13. 請求項１２に記載のシステムにおいて、前記第１のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ１）と第２のインピーダンス（Ｚ_ｉｎ２）は、抵抗、コンデンサ、インダクタ、スイッチ、および変圧器の任意の組み合わせであることを特徴とするシステム。
14. 請求項１２に記載のシステムにおいて、前記電圧信号（Ｖ_ｉｎ）は、前記第１および第２の電極部のインピーダンスが前記身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）より小さくなるような上昇・下降時間を有する方形波またはパルス信号であることを特徴とするシステム。
15. 請求項１２に記載のシステムにおいて、さらに、
    前記ウェアラブルセンサデバイスに接続されたアナログ／デジタル信号処理ユニットを具え、当該アナログ／デジタル信号処理ユニットが、前記測定された差動電圧（Ｖ_ｂｏｄｙ）と前記身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）の算出の品質を向上させるべく出力信号を処理することを特徴とするシステム。
16. 請求項１５に記載のシステムにおいて、前記アナログ／デジタル信号処理ユニットは：
    前記出力信号に複数の機能を実行するステップ、
    フィルタを用いて前記出力信号をフィルタリングするステップ、
    アナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を用いて前記出力信号をデジタル化するステップ、および
    デジタル信号処理を用いて前記出力信号を処理してノイズおよび／またはアーティファクトを除去するステップ、
    により前記出力信号を処理することを特徴とするシステム。
17. 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記機能は、整流、絶対値、平方関数、サンプルアンドホールド関数、およびトラックアンドホールド関数のいずれかを含むことを特徴とするシステム。
18. 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記フィルタはローパスフィルタであって、アナログフィルタリング、アナログ等化、および増幅のいずれかを実行することを特徴とするシステム。
19. 請求項１６に記載のシステムにおいて、前記デジタル信号処理を用いた出力信号の処理は、デシメーションフィルタ、デジタル等化、デジタル増幅、アーティファクト除去、およびベースラインワンダー除去を用いたいずれかのデジタルフィルタリングを実行することを含むことを特徴とするシステム。
20. 請求項１２に記載のシステムにおいて、前記身体インピーダンス（Ｚ_ｂｏｄｙ）は、
    式 Ｚ_ｂｏｄｙ＝（Ｖ_ｂｏｄｙ／（Ｖ_ｉｎ−Ｖ_ｂｏｄｙ））×（Ｚ_ｉｎ１＋Ｚ_ｉｎ２）
    を用いて算出されることを特徴とするシステム。

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