CN101765403B - 无创生物检测仪及无创生物检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种易于装戴的无创生物检测仪。无创生物检测仪(1)由仪器主体(3)和腕带(40)构成。仪器主体(3)由主体部件(31)和主体固定组件(4)构成。主体部件(31)由主体固定组件(4)固定在腕带(40)上。通过将此腕带(40)配戴在人的前臂的手腕附近，来将仪器主体(3)装戴到人体。摄像机(5)被固定在比腕带(40)的宽D更向外突出的位置，以此，在将腕带(40)配戴在人的手臂上时，摄像机(5)就被配置在可以拍摄的位置。

Description

无创生物检测仪及无创生物检测方法

技术领域：

本发明涉及一种通过照射生物并拍摄被照生物来获取生物信息的无创生物检测仪。本发明还涉及一种通过照射生物并拍摄被照生物来获取生物信息的无创生物检测方法。

背景技术：

通过用摄像机拍摄生物、分析生物图像中的血管来测定血液成份的无创生物检测仪已为人所知。作为这种技术，比如有美国专利申请公开第2004-162471号公报上公开的无创生物检测仪。

此无创生物检测仪用光源照射含有血管(静脉)的手腕，拍摄所照射的手腕，从由此获得的图像计测出血液成份，将其计测结果显示在显示器上。要准确拍摄待测血管，就必须使待测血管正好位于适于摄像机拍摄的区域。为此，上述公报记述的无创生物检测仪可以根据摄像机摄取的生物图像生成表示待测血管的血管图像并显示在显示器上，在显示器上显示表示适于摄像机拍摄区域的标识，以易于对位。

手臂上的血管中，手腕的血管特别适于拍摄。因为手腕的静脉处于肉眼就可看到的皮肤浅表位置，在生物内的光散射少，血管粗而形状单纯，可以清晰地拍摄到血管。上述公报中记载的无创生物检测仪在腕带正上方装有摄像机，因此，要拍摄腕部的血管就要将腕带缠绕在手腕上。然而，手腕处存在可活动的关节，难以戴上有足以安装摄像机的宽度的腕带。

发明内容：

本发明正是针对此情况，目的是提供一种使拍摄区域正对着适于作拍摄目标的手腕、且易于装戴的无创生物检测仪。

为解决上述技术问题，本发明第一点所涉及的无创生物检测仪包括仪器主体和可戴在受检者的手臂上并固定该仪器主体的装戴部件，该仪器主体有用光照射生物的光源和拍摄被照生物的摄像机。其特征在于：将上述仪器主体固定在上述装戴部件上，当将上述装戴部件戴在受检者手腕以外的手臂的其他一定位置时，使所述摄像机正好配置在该受检者的手腕处。

本发明第二点所涉及的无创生物检测方法的特征在于，包括以下步骤：装戴步骤，通过将装戴部件戴在受检者除手腕以外的手臂的其他一定位置，使具有光照生物用的光源和拍摄所照生物的摄像机的仪器主体的摄像机被配置到该受检者手腕的手掌一侧；光照步骤，用上述光源照射手腕的手掌一侧；拍摄步骤，用上述摄像机拍摄被照手腕的手掌一侧；信息获取步骤，分析上述拍摄步骤所得图像，获取生物信息。

本发明具有上述构成，因此可以将无创生物检测仪戴在手臂上，并拍摄最适宜作测定部位的手腕。手臂比起手腕的关节来，周长固定，且形状单纯，因此便于装戴仪器。手臂周长固定，因此戴上不易错位，用本发明的无创生物检测仪可以在稳定的状态下实施检测。

附图说明：

图1为第一实施方式所涉及的无创生物检测仪的平面图。

图2为图1在A-A方向的剖面图。

图3为第一实施方式所涉及的无创生物检测仪的平面图。

图4为第一实施方式所涉及的无创生物检测仪的结构框图。

图5为光源的结构平面图。

图6为设置在固定板上的四个发光二极管的位置关系图。

图7为第一实施方式所涉及的无创生物检测仪戴在手腕上时的平面图。

图8为相对于位置X的亮度B的分布图。

图9为相对于位置X的浓度D的分布图。

图10为相对于位置X的亮度B的分布图。

图11为相对于位置X的浓度D的分布图。

图12为用血细胞计数仪等检测数个受检者的血红蛋白浓度所得的实测值和用第一实施方式所涉及的无创生物检测仪得出的测算值绘制的图。

图13为第二实施方式涉及的无创生物检测仪的结构截面图。

具体实施方式：

下面参照附图详细说明本发明的无创生物检测仪和无创生物检测方法的实施方式。

图1是本发明第一实施方式涉及的无创生物检测仪1的平面图。图2是从图1A-A箭头方向看到的剖面图。图3是无创生物检测仪1的平面图。图3是通过铰链32转动仪器主体3的状态显示图。

此无创生物检测仪(以下也简称为“仪器”)1为手表式生物检测仪，由仪器主体3和腕带40组成。仪器主体3由包括摄像机5和分析器6的主体部件31和固定在腕带40上的主体固定组件4构成。主体部件31被主体固定组件4固定在腕带40上。通过将此腕带40配戴在人的手臂、特别是前臂的手腕附近，来将仪器主体3装戴到人体。仪器主体3可通过沿腕部转动腕带40来调整位置。

如图1所示，仪器主体3的主体部件31上面略呈矩形，上面中央设有显示器33。显示器33的显示屏朝向与后述摄像机5的拍摄方向正相反的方向(参照图2)。因此，使用者不仅能戴着仪器1用摄像机5拍摄手腕，同时还能看到显示屏的显示。

主体部件31的一侧长边(在图1中为右侧长边)向外伸出，在这一伸出部分上配置了使用者操作仪器1用的、由电源/实行键和菜单键组成的操作部件38。因此，当使用者将仪器1戴在左腕时，操作部件38正好在从使用者的角度看的眼前处，操作起来很容易。

圆筒形的摄像机5固定在主体部件31的底面，并向下突出。摄像机5有光源51和受光部件52，这些都通过电线和扁平电缆(无图示)等与分析器6及显示器33连接，可互换电信号。主体部件31内部叠层设置有分析器6和显示器33。

主体固定组件4配置在主体部件31和腕带40之间(参照图2)，由固定在腕带40上的底座41和固定在底座上的转台42构成。底座41由板形材料构成，纵向一头为棱角形，另一头为圆弧形。棱角一侧的底面连接腕带40，圆弧形一侧设有圆形开口，以便固定后述转台42。

转台42由上下端外径不同的筒状组件构成，有用于收纳从主体部件31突出出来的摄像机5的开口43。转台42下端垂直插入底座41上的开口，可相对于底座41以开口43中心为轴转动。直径大于下端的上端设有铰链32，可支撑主体部件31，使其相对于转台42转动。即主体部件31可通过铰链32向箭头X方向转动，以此可以开关仪器1。主体部件31通过转台42可以以后述摄像机5的镜头52a的光轴为中心向箭头Y或箭头Z方向转动(参照图2、3)。

向箭头X方向中的顺时针方向转动主体部件31，则摄像机5脱离开口43，使用者可以通过开口43看到待测部位的血管。向箭头Y或箭头Z方向转动主体部件31，则可以转动位于开口中心的摄像机5。

转台42由不透光的材料制成，以便在摄像机5拍摄生物图像时能遮挡外光。

底座41和转台42的分界面安装有环形弹性部件49。弹性部件49起防止转台42从底座41向上脱离的防脱作用，同时还起到转台42转动时适度增加底座41和转台42之间的磨擦力的磨擦作用。

底座41的底部安装有腕带40。腕带40由像尼龙搭链(注册商标)一样可根据使用者腕部粗细进行调整的带状材料构成。腕带40也可以由橡胶等有伸缩性的材料构成。

转台42的开口43的内壁处设有调位组件47，该调位组件47由从转台42的开口43的内壁向开口43的中心水平伸展的数个突起构成。这些调位组件47与转台42同步转动，当进行血管对位时，转动转台42，使待测血管位于设在铰链32附近的调位部件47a和与之相对而设的调位部件47c连成的直线上。调位部件47a和47c连成的直线从光源51的发光二极管R1、R2、L1、L2之间通过，其走向与规定摄像机5的拍摄区域的走向的轴AY(参照图6)一致。因此，通过将调位组件47的方向对准血管，即可调整摄像机5的方向，使之能在发光二极管R1、R2、L1、L2从两侧照明的情况下拍摄血管。

为了测定时在关闭状态下锁住仪器1，还分别在主体部件31上设置了啮合孔35，在转台42上设置了啮合部件45。啮合部件45设置在转台42的上面且与铰链32相对的位置。啮合孔35设置在主体部件31的底面且与啮合部件45相对应的位置。啮合部件45从转台42垂直竖立，其顶端弯曲约90度。啮合部件45顶端钩住设置在啮合孔35内的棱，从而可以限制主体部件31向箭头X方向的转动。

主体部件31的侧面设有解除扣37。一按解除扣37，啮合部件45和啮合孔35的啮合就被解除，主体部件31即可向箭头X方向转动。因为啮合部件45设置在转台42上，故啮合部件45固定在啮合孔35中，这不会限制转台42的转动，转台42在仪器1关闭的状态下也可以向箭头Y或箭头Z方向转动。

如图3所示，在打开仪器1的状态下，收纳摄像机5的开口43处于比腕带40宽D更向外突出的位置。当从图3所示的状态关闭仪器1时，摄像机5被收纳进开口43中，固定在比腕带40的宽D更向外突出的位置(参照图2)。以此种结构，摄像机5可以拍摄到紧靠被腕带40遮挡的部位的相邻部位。

图7为安装上仪器1的状态的平面图。如图所示，将腕带40配戴在手臂上后，收纳摄像机5的开口43位于手腕上方。从图示状态关闭仪器1，则摄像机5正对手腕。因此，使用者只要调整位置，使摄像机正对适宜拍摄的手腕部位，同时将腕带40固定在易于装戴的手臂，就可以轻松地配戴。与手腕相比，手臂的周长固定，且离心脏越近，周长越长，因此，转动摄像机5进行调整时和进行测定时，仪器1不易从固定的位置移动，可以实施稳定的测定。

图4为本实施方式涉及的无创生物检测仪1的结构框图。如该图所示，仪器1由摄像机5、分析器6、显示器33和操作部件38构成。摄像机5由光源51和受光部件52组成，光源51有四个发光二极管R1、R2、L1、L2，受光部件52由聚焦反射光的镜头52a、固定镜头52a的镜筒52b和拍摄图像的CCD相机52c组成。

图5是光源51的结构平面图。光源51由圆板形的固定板51a和固定在此固定板51a的四个发光二极管R1、R2、L1、L2构成。固定板51a中央设有圆形开口51b，用于让射入受光部件52的光通过。上述四个发光二极管沿此开口51b四周围着上述镜头52a的光轴配置。

图6为设置在固定板51a的四个发光二极管的位置关系图。发光二极管R1、R2、L1、L2分别对称地配置在通过开口51b中心且互相垂直相交的第一轴AY和第二轴AX上。更详细而言，发光二极管R1和L1对称地配置在第一轴AY两侧，发光二极管R2和L2同样对称地配置在第一轴AY两侧。发光二极管R1和R2对称地配置在第二轴AX两侧，发光二极管L1和L2也同样对称地配置在第二轴AX两侧。

在仪器1配戴于手腕的状态下，手腕表面的拍摄区CR为受光部件52拍摄的区域。发光二极管L1和L2(第二光源)一侧的指示线62a和发光二极管R1和R2(第一光源)一侧的指示线62b之间的区域62c为适于受光部件52拍摄的区域，即拍摄时定位于血管的区域。指示线62a和62b由分析器6显示在显示器33。分析血液成份时，调整仪器主体3的安装位置，使手腕的任意血管位于上述区域62c内。

受光部件52由聚焦反射光的镜头52a、固定镜头52a的镜筒52b和拍摄图像的CCD相机52c组成(参照图2)，可拍摄拍摄区CR中的图像。镜头52a和镜筒52b插在内部为黑色的圆筒形遮光筒52d中。CCD相机52c将已成像的图像作为图像信号传输到分析器6。

分析器6由CPU、ROM、RAM、A/D转换器、或D/A转换器等构成，有波形提取部件61、量化部件62、存储器63、演算器64、光量控制部件65和存储器66。波形提取部件61就受光部件52的CCD相机52c拍摄的图像，提取拍摄区CR中对第二轴AX的图像浓度分布作为亮度波形。量化部件62对提取的亮度波形的形态特征进行量化。存储器63将受光部件52获得的光学信息转换为数字数据存储起来。演算器64根据量化的特征和光量数据计算血液的成份浓度等。光量控制部件65根据从受光部件52获得的信息，适当反馈控制光源51的光量。存储器66存储演算器64演算的结果。

显示器33输出演算结果和监视器图像。操作部件38由菜单键、电源/实行键组成，用于控制电源开/关和选择显示菜单、开始测定等操作。

下面就仪器1的对位步骤进行说明。

如图7所示，用束带(测血压用加压带)等加压带2向受检者的手臂加压，阻止手腕周围的血流，使血管(静脉)膨胀。再在打开仪器1的状态下将腕带40缠在前臂的手腕附近。只要仪器1处在打开的状态就能通过开口43观察到待测部位，因此使用者移动仪器1，以便能够通过开口43捕捉到手腕上凸现的血管BV。

将血管BV捕捉到开口43内后，向箭头Y或箭头Z方向转动转台42，调整位置，使血管BV进入区域62c(参照图6)内。具体而言，一边通过开口43观察手腕上凸现的血管，一边以底座41为准转动转台42，使测试目标血管BV定位于调位部件47a和调位部件47c连成的直线上。位置调整完后，关闭仪器1。于是，设在转台42上的啮合部件45和设在仪器主体3上的啮合孔35连在一起，仪器1在关闭状态下锁住。然后，使用者通过操作主体部件31上面的操作部件38的电源/实行键，开始测定。

下面就无创生物检测仪1的测定处理进行说明。

首先，使用者通过电源/实行键打开电源，则分析器6进行初始化，进入可接受测定开始指示的状态。初始化一结束，分析器6就判断是否通过电源/实行键下达了测定开始指示，如果判断有测定开始指示，则开始测定处理。

测定处理一开始，光量控制部件65和光源51便通过发光二极管R1、R2、L1、L2(左右亮灯模式)以适当光量照亮含血管BV的生物部分(在此指人的手腕)测定区域，受光部件52用CCD相机52c拍摄所照亮的拍摄区CR(参照图5)。以此获得拍摄区CR内含血管(静脉)BV图像在内的组织图像。

根据所得图像，波形提取部件61如图8所示，绘制横断血管BV的亮度波形(对于位置X的亮度B的分布)PF，运用快速傅立叶变换等算法减少噪声成份。

量化部件62用基准线BL对此亮度波形PF进行格式化。通过以血管所吸收部分的亮度波形PF的形状为基础求出基准线BL，就可以求出图9所示的不依赖于入射光量的浓度波形(相对于位置X的浓度D的分布)NP。

演算器64就格式化的浓度波形NP算出峰高和半值幅宽w(在峰值高度50％的位置上的浓度波形的分布宽度)。在此获得的h表示所测血管(血液)吸收的光强度与通过组织部分的光强度之比，w表示相当于血管直径的长度。演算器64用在此所得的峰高h和半值幅宽w，以下列公式(1)计算出无修正血红蛋白浓度D，并将结果存入存储器66。

D＝h/wⁿ·(1)

其中，n为表示光散射带来的半值幅加宽的非线形常数。无光散射时，n＝1，有光散射时，n＞1。

用发光二极管R1、R2(右侧亮灯模式)以适当光量照亮并拍摄与上述拍摄部位相同的部位。接着，用发光二极管L1、L2(左侧亮灯模式)以适当光量照亮并拍摄。波形提取部件61从这些以左右亮灯模式获得的各图像提取图10所示亮度波形PF1、PF2。

量化部件62就亮度波形PF1、PF2分别获得不依赖于入射光量的浓度波形NP1、NP2(参照图11)。

演算器64分别根据从发光二极管R1、R2的照明获得的浓度波形NP1算出峰高h1、重心坐标cg1；根据从发光二极管L1、L2的照明获得的浓度波形NP2算出峰高h2、重心座标cg2。演算器64用求出的结果算出下列公式(2)所表示的血管散射光量指标S，将计算结果存入存储器66。

S＝(cg1-cg2)/{(h1+h2)/2··(2)

然后，演算器64根据获得生物图像中的血管周边组织像，算出表示该周边组织所含血量的组织血量指标M。具体而言，根据位于距生物图像中的血管像一定距离(例如2.5mm)的该生物图像中的血管周边组织像，抽取沿该血管像分布的亮度分布。生物图像中不仅拍摄有目标血管，还有该血管周围的组织。光与组织中的血量成比例衰减，因此计算出该周边组织的光的衰减率，即可推算出周边组织中的血量。

演算器64根据上述算出的血管深度指标S导出补正系数fs，根据组织血量指标M导出补正系数fm，用这些系数，计算出由下列公式(3)所表示的补正血红蛋白浓度Do。

Do＝D·fs·fm·(3)

存储器66存储算出的结果，分析器6在显示器33显示补正血红蛋白浓度Do，测定处理结束。

图12为针对数个受检者的血红蛋白浓度，用血细胞计数仪测得的实测值和用本发明实施方式涉及的无创生物检测仪1计算出的值绘制成的图。如图12所示，实测值和仪器1计算出的值均位于倾斜度1的直线附近，实测值和算出值无差异，由此可知，仪器1可以精确地测量血红蛋白浓度。

在本实施方式中，说明了将血红蛋白浓度作为检测项目予以检测的结构，但只要是拍摄手腕可检测的检测项目，本发明就可以广泛地应用。比如也可以快速连续地拍摄手腕的血管，以检测血的流速。

在本实施方式中列举了用可如腕带40那样缠在手臂的材料将仪器主体3戴在手臂的例子，但不限于这种结构。比如也可以在底座41底面上设置数个夹片，用这些夹片夹持手臂，将仪器主体3戴在手臂。

本实施方式列举了将分析器6装在主体部件31中的例子，可不限于这种结构，分析器6也可以设置在主体部件31外。比如用无线或一定的连接线等通信手段将设在仪器1外的计算机与仪器1连接起来。可以考虑将摄像机5拍摄的图像通过通信手段传送到计算机，由计算机进行图像分析和血红蛋白浓度计算。

图13为第二实施方式涉及的无创生物检测仪1的结构截面图。此第二实施方式涉及的无创生物检测仪1如后所述，除主体部件31和主体固定组件4能拆装外，其他结构与上述实施方式涉及的仪器1相同，因此，对同样结构部件用同一符号，省略详细说明。

如图13所示，主体固定组件4在转台42上部的前后两端有一对固定爪450，主体部件31底面与这二个固定爪450相对应的位置设有一对固定孔350。主体部件31和转台42通过这对固定爪450插入固定孔350，从而被安装在一起，并且可以拆装。采取这种结构，使用者可以从主体固定组件4上取下仪器主体3。

固定爪450设在转台42，因此只要相对于底座41转动转台42，就可旋转一对固定爪450的方向。开口43设有调位组件47，使用者只要一边通过开口43观察凸现在手腕上的血管，一边转动转台42使血管位于调位部件47a和47c连成的直线上，之后，安装上仪器主体3，使固定孔350嵌入固定爪450即可。

Claims (14)

1.一种无创生物检测仪，包括：

仪器主体，具有用光照射生物的光源和拍摄被照生物的摄像机；

装戴部件，能够戴在受检者手臂上并固定住所述仪器主体；

所述仪器主体固定在所述装戴部件上，当所述装戴部件戴在所述受检者手腕以外的手臂的其他一定位置时，所述摄像机正好配置在所述受检者的手腕处。

2.根据权利要求1所述的无创生物检测仪，其特征在于还包括：

分析器，用于分析所述摄像机拍摄生物所得图像，获取生物信息；

所述分析器收纳在所述仪器主体中。

3.根据权利要求1所述的无创生物检测仪，其特征在于：

所述仪器主体具有固定在所述装戴部件的第一部件和固定在所述第一部件上并可以移动的、收纳所述光源和摄像机的第二部件。

4.根据权利要求3所述的无创生物检测仪，其特征在于：

所述摄像机含有物镜；

所述第二部件由所述第一部件固定，并能够以所述物镜的光轴为中心转动。

5.根据权利要求1所述的无创生物检测仪，其特征在于：

所述光源有数个发光元件，用于照射在所述受检者手腕的手掌一侧的血管，所述摄像机拍摄所述发光元件照射下的所述血管。

6.根据权利要求1所述的无创生物检测仪，其特征在于：

还有含显示屏在内的显示器，所述显示器配置在所述仪器主体上，其显示屏朝向与所述摄像机拍摄方向相反的方向。

7.根据权利要求3所述的无创生物检测仪，其特征在于：

所述第一部件还有连接部件；

所述第二部件能够以所述连接部件为中心移动。

8.根据权利要求7所述的无创生物检测仪，其特征在于：

所述第一部件有开口，使配置有所述摄像机的手腕上的位置可视化，当以所述连接部件为中心移动所述第一部件时，所述第一部件和第二部件的结构使所述光源和摄像机收纳入所述开口。

9.根据权利要求2所述的无创生物检测仪，其特征在于：所述生物信息是血红蛋白浓度。

10.根据权利要求1所述的无创生物检测仪，其特征在于：

所述摄像机有物镜，能通过所述物镜拍摄手腕的手掌一侧的血管，

所述光源含有多个发光元件，这些发光元件围绕所述物镜的光轴配置，用于照射所述摄像机拍摄的血管；

所述仪器主体一方面可以使所述摄像机向所述装戴部件移动，一方面可使所述多个发光元件和所述摄像机以所述物镜的光轴为中心转动。

11.一种无创生物检测方法，包括以下步骤：

装戴步骤，将装戴部件戴在受检者的手臂上的除手腕以外的其他一定位置，使具有光照生物用的光源和拍摄所照生物用的摄像机的仪器主体的摄像机配置到所述受检者手腕的手掌一侧；

照明步骤，用所述光源照射所述手腕的手掌一侧；

拍摄步骤，用所述摄像机拍摄被照手腕的手掌一侧；

信息获取步骤，分析所述拍摄步骤所得图像，获取生物信息。

12.根据权利要求11所述的无创生物检测方法，还包括调位步骤，调整配置在所述手腕手掌一侧的所述摄像机的位置，

所述调位步骤包括以下步骤：移动所述仪器主体，使所述摄像机配置到手腕手掌一侧的血管上；

以所述摄像机的物镜光轴为中心转动所述仪器主体，使具有配置在以所述摄像机的物镜光轴为中心的圆周上的多个发光元件的所述光源朝向所述血管配置在一定位置。

13.根据权利要求11所述的无创生物检测方法，还包括显示所述信息获取步骤获得的生物信息的步骤。

14.根据权利要求11所述的无创生物检测方法，其特征在于：所述生物信息为血红蛋白浓度。

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