JP2008264518A - 生体情報測定装置及び生体情報測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光源を用いて、深さ選択性を持つ生体組織の測定を行う生体情報測定装置を提供する。
【解決手段】生体に光を照射することにより生体の情報を測定する生体情報測定装置であって、生体に光を照射する第１の光源部と、生体に光を照射する第２の光源部と、生体に光源部からの光を照射することにより生体から反射する反射光、または生体を透過する透過光を受光する複数の受光素子からなる受光部とを備え、受光部から第１の光源までの距離と、受光部から第２の光源までの距離とが異なるように、第１および第２の光源部が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明のいくつかの態様は、複数の光源を用いて、深さ選択性を持つ生体組織の測定を行う生体情報測定装置及び生体情報測定方法に関する。

近年、正規使用者を認証するために、正規使用者の指紋、虹彩又は静脈パターンなどの生体情報を利用する生体認証が行われている（例えば、特許文献１参照。）。そして、生体認証を行うために、種々の生体情報取得装置が利用されている。これら生体情報取得装置の中には、光を照射する光源部と、光を受光する受光素子とを備えるものが知られている。そして、光源部からの光を生体に照射し、生体からの光を受光することにより、これら受光した光を電気信号に変換し、これにより生体情報を得ることができる。

ここで、携帯端末やパソコンなどの認証を必要とする電子機器が身の回りにあふれるようになった今日においては、大掛かりで消費電力の大きな生体情報取得装置は敬遠されてきている。その一方で、セキュリティ意識の高まりにより、認証の精度はますます高いものが要求されてきているため、生体情報の精度を向上させることも求められている。

しかし、照明光や受光のダイナミックレンジが限定されてしまうことから、得られる生体情報の質や精度が低下してしまうという問題がある。特に小型の生体情報取得装置の用いる光源や受光素子の制限が厳しくなり、ダイナミックレンジ等の点で高い性能を有するものを用いることが困難であるという問題がある。このような問題を解決するために、高精度の生体情報を得ることができるだけでなく、小型化を容易に図ることができる生体情報取得装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、生体情報取得装置を小さくしようとすると、照明光のダイナミックレンジが小さくなり、利用できる範囲が限定されてしまうことから、得られる生体情報の質が低下してしまうという問題がある。このような問題を解決するために、高精度の生体情報を得ること、さらには小型化を容易に図ることができる生体情報取得装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。
特許第３５４９７９５号公報 特開２００７−３３０７６９号公報 特開２００７−３１３２９５号公報

ところで、生体のような散乱媒質における光生体計測技術は、Ｘ線ＣＴ（Computed Tomography）等に対して生体機能情報を取得する新たな計測としては極めて重要である。この背景をもとに、光ＣＴ（Computed Tomography）や光トポグラフィ等の研究が盛んに行われている。一方、生体情報取得装置として大きく注目されている静脈像取得装置では、透過型または反射型の光イメージング技術が利用されている。

しかしながら、これらの方法はそれぞれ以下のような問題点を有している。光ＣＴでは、断層像が得られるという観点から深さ選択性を有しているが、ピコ秒オーダーの時間分解計測が可能な発光素子、受光素子等が必要であり、非常に複雑かつ大型であり、装置が高価である。また、光トポグラフィや一般的な静脈像取得装置においては深さの選択性はないため、所定の深さの血管等の情報を得ることができないという問題がある。一方、深さ選択性を有する方法としては、オプティカルコヒーレンストモグラフィが挙げられるが、一般生体組織において到達深度が１ｍｍ程度であり、その利用は大きく限定されてしまうという問題がある。

本発明に係るいくつかの態様は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複数の光源を用いて、深さ選択性を持つ生体組織の測定を行う生体情報測定装置及び生体情報測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係る生体情報測定装置は、生体に光を照射することにより前記生体の情報を測定する生体情報測定装置であって、前記生体に光を照射する第１の光源部と、前記生体に光を照射する第２の光源部と、前記生体に前記光源部からの前記光を照射することにより前記生体から反射する反射光、または前記生体を透過する透過光を受光する複数の受光素子からなる受光部とを備え、前記受光部から前記第１の光源までの距離と、前記受光部から前記第２の光源までの距離とが異なるように、前記第１および第２の光源部が配置されていることを特徴とする。
この構成によれば、生体に光を照射する２つの光源と、この光源の光を照射することにより生体から反射する反射光、または生体を透過する透過光を受光する受光部とを備え、２つの光源から受光部までの距離が異なるように光源を配置したため、深さ選択性を持つ生体組織の測定を行うことが可能となる。また、一方の光源のみを点灯した場合に得られる光強度分布情報と、他方の光源のみを点灯した場合に得られる光強度分布情報とを画像処理の演算を行うことによって生体の測定対象深さの光強度分布情報を取得するようにしたため、生体情報測定装置の簡易化および小型化を図ることができる。

上記の生体情報測定装置において、前記第１および第２の光源部から前記受光部までの距離は、前記生体の測定対象深さに基づいて決められていてもよい。
この構成によれば、第１および第２の光源部から受光部までの距離を調整することによって所望の測定対象深さの受光強度分布データを得ることが可能となる。

上記の生体情報測定装置において、前記第１および第２の光源部は、前記受光部の周囲に設けられていてもよい。また、上記の生体情報測定装置において、前記第１および第２の光源部は、環状光源であってもよい。また、上記の生体情報測定装置において、前記第１および第２の光源部は、円形であってもよい。また、上記の生体情報測定装置において、前記第１および第２の光源部は、同心状に配置されいてもよい。

上記の生体情報測定装置において、前記受光素子によって受光されるそれぞれの光強度が前記受光部全体として均されるように光透過率が設定されている不均一フィルタを前記透過光又は前記反射光の光路上に備えていてもよい。
この構成によれば、不均一フィルタを透過する透過光量を不均一フィルタ全体にわたって等しくすることができ、第１および第２の光源からの位置によることなく、受光部を構成する複数の受光素子にわたって光強度を等しくすることができるため、得られる光強度分布データが受光素子と光源との距離の影響を低減することができる。

本発明に係る生体情報測定方法は、生体に光を照射することにより前記生体の情報を測定するために、前記生体に光を照射する第１の光源部と、前記生体に光を照射する第２の光源部と、前記生体に前記光源部からの前記光を照射することにより前記生体から反射する反射光、または前記生体を透過する透過光を受光する複数の受光素子からなる受光部とを備えた生体情報測定装置における生体情報測定方法であって、前記受光部から前記第１の光源までの距離と、前記受光部から前記第２の光源までの距離とが異なるように、前記第１および第２の光源部が配置されており、前記第１の光源部のみを点灯して、前記受光部によって第１の光強度分布情報を取得するステップと、前記第２に光源部のみを点灯して、前記受光部によって第２の光強度分布情報を取得するステップと、前記第１の光強度分布情報と前記第２の光強度分布情報とを演算することによって前記生体の測定対象深さの光強度分布情報を取得するステップとを有することを特徴とする。
この構成によれば、生体に光を照射する２つの光源と、この光源の光を照射することにより生体から反射する反射光、または生体を透過する透過光を受光する受光部とを備え、２つの光源から受光部までの距離が異なるように光源を配置したため、深さ選択性を持つ生体組織の測定を行うことが可能となる。また、一方の光源のみを点灯した場合に得られる光強度分布情報と、他方の光源のみを点灯した場合に得られる光強度分布情報とを画像処理の演算を行うことによって生体の測定対象深さの光強度分布情報を取得するようにしたため、生体情報測定装置の簡易化および小型化を図ることができる。

以下、本発明の第１の実施形態による生体情報測定装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、符号１は、画像を得るためのＣＣＤ等から構成する受光部である。符号２、３は、円環状の光源（以下、円環光源という）であり、例えば半導体レーザまたは光ファイババンドルからなっている。受光部１の中心（対角線の交点）と２つの円環光源２、３の円の中心は一致するように配置されている。符号４は、円環光源２、３の点灯制御を行うとともに、受光部１が出力する受光強度分布データ（画像データ）を読み取り、画像処理を施す制御部である。符号５は、受光強度分布データ（画像データ）を記憶するメモリである。受光部１および２つの円環光源２、３は、腕などの生体６に密着するように装着される。これにより、生体６の表皮の表面において反射した円環光源２、３の光が受光部１に入射しないようにしている。

ここで、図１０、図１１を参照して、本発明の基本原理を説明する。図１０は、直径の小さい円環光源２と、直径の大きい円環光源３の光が散乱媒質である生体内においてどの程度の深度まで到達した後に、受光部１に入射するかを示す図である。図１０に示すように、光源から発した光は、円環光源の直径が小さい方が到達深度が浅く、直径が大きい方が到達深度が深くなる。これは、直径の小さい円環光源２を点灯して、受光部１によって画像を取得した場合、深さが浅い位置の画像が得られ、直径の大きい円環光源３を点灯して、受光部１によって画像を取得した場合、深さが深い位置の画像が得られることを意味している。

図１１は、受光位置、光源位置、光の到達深度の関係を示す図である。図１１に示すように、光の到達深度は、光源位置と受光位置との距離とほぼ同じになる。すなわち、受光位置と光源位置との距離Ｗと光の到達深度ｄは、ｄ≒Ｗの関係が成り立つ。したがって、この関係に基づいて、受光部１と円環光源２、３の位置関係を決めることによって、所定の深さの位置の画像を選択的に取得することが可能となる。本発明では、この原理を用いて、深さ選択性を持つ生体組織の測定を行う。

次に、図２を参照して、図１に示す生体情報測定装置の動作を説明する。まず、制御部４は、内側の（受光部１から距離が近い方の）円環光源２を点灯して、生体６に光を照射する（ステップＳ１）。このとき、円環光源２は、生体６に密着しているため、光源の光は表皮で反射することなく生体内部に入射することになる。

次に、制御部４は、円環光源２が点灯している状態で、受光部１が出力する光強度分布データ（画像データ）を読み取る（ステップＳ２）。そして、制御部４は、読み取った光強度分布データをメモリ５へ格納する（ステップＳ３）。これにより内側の円環光源２を点灯した場合の光強度分布データ（画像データ）がメモリ５に格納されたことなる。

次に、制御部４は、円環光源２を消灯し、外側の（受光部１から距離が遠い方の）円環光源３を点灯して、生体６に光を照射する（ステップＳ４）。このとき、円環光源３は、生体６に密着しているため、光源の光は表皮で反射することなく生体内部に入射することになる。

次に、制御部４は、円環光源３が点灯している状態で、受光部１が出力する光強度分布データ（画像データ）を読み取る（ステップＳ５）。そして、制御部４は、読み取った光強度分布データをメモリ５へ格納する（ステップＳ６）。これにより外側の円環光源３を点灯した場合の光強度分布データ（画像データ）がメモリ５に格納されたことなり、メモリ５には、２つの光強度分布データが記憶されたことになる。

次に、メモリ５に記憶されている外側の円環光源３を点灯した場合の光強度分布データから、内側の円環光源２を点灯した場合の光強度分布データに対して重み係数を乗算した光強度分布データを画素毎に減算して差分画像を求める（ステップＳ７）。すなわち、「外側の光源点灯時画像の画素値−内側の光源点灯時画像の画素値×重み係数（例えば、０．８）」を計算して、差分画像を求める。制御部４は、求めた差分画像をメモリ５に記憶する。この差分画像は、所定の深さが選択された画像となる。

次に、制御部４は、メモリ５に記憶されている差分画像に対して、深さ依存点拡がり関数を選択した深さを設定し、逆たたみこみ積分の処理を行う。この処理は、公知のぼけ改善処理であるため詳細な説明を省略する。これにより、光散乱によるぼけを改善した深さ選択画像を取得することができる。

なお、図１に示す受光部１の光入射面側には、図３に示す不均一フィルタを設けるようにしてもよい。不均一フィルタの光透過率は、受光部１を構成する複数の受光素子によって受光されるそれぞれの光強度が全体として均されるように設定されている。すなわち、不均一フィルタを透過する光量が、不均一フィルタの前面にわたって等しくなるように設定されている。具体的には、図３に示すように、不均一フィルタの最外縁部の周線Ｓ１の光透過率が最も低く設定され、周線Ｓ１から周線Ｓ２、Ｓ３、・・・、Ｓｎと径方向内方に向かうにつれて、光透過率は高くなるように設定されている。そして、中心点Ｓｎ領域の光透過率が最も高く設定されている。

ここで、不均一フィルタの周線Ｓ１は環状光源２に最も近い位置に配され、周線Ｓ２、Ｓ３、・・・、Ｓｎと径方向内方に向かうにつれて、環状光源２からの距離が遠くなり、中心点Ｓｎ領域が最も遠くなる。すなわち、不均一フィルタの光透過率は、生体情報測定装置が腕等の生体に装着された状態で、環状光源２から最も近い位置に配された部位で最も低く設定され、環状光源２から遠くなるにつれて漸次高くなるように設定され、環状光源２から最も遠い位置に配された部位で最も高くなるように設定されている。不均一フィルタを透過する透過光量を不均一フィルタ全体にわたって等しくすることができ、光源２、３からの位置によることなく、受光部１を構成する複数の受光素子にわたって光強度を等しくすることができるため、得られる光強度分布データが受光素子と光源との距離の影響を低減することができる。

次に、図４〜図７を参照して、実験装置を用いた生体情報測定結果について説明する。図４は、図１に示す生体情報測定装置の効果を検証するための生体を模擬したサンプルの構成を示す模式図である。１辺が１００ｍｍの立方体の中に、散乱体としてイントラピッド懸濁色液を入れ、血管等の吸収体として、艶消し黒インクで塗装した金属板を配置した。水平（横）方向に延びる金属板は光の入射面から深さ２ｍｍの位置に配置し、垂直（縦）方向に延びる金属板は光の入射面から深さ５ｍｍの位置に配置した。

そして、直径の大きい環状光源を点灯して、反射光の光強度分布データを取得したのが図５に示す画像である。また、直径の小さい環状光源を点灯して、反射光の光強度分布データを取得したのが図６に示す画像である。図５、図６は、差が分かりにくいが、図６に示す画像においては、深さが深い位置（入射面から５ｍｍ）にある吸収体（縦方向に延びる金属板）が図５に示す吸収体（縦方向に延びる金属板）よりぼけている状態である。この２つの画像に対して、前述した演算処理を施すことにより得られる画像を図７に示す。図７から明らかなように、所定の深さ（この例では、入射面から５ｍｍ）の吸収体（縦方向に延びる金属板）の像がはっきりしていることが分かる。

なお、図１に示す構成においては、２つの環状光源を備える例を示したが、直径の異なる環状光源を３つ以上備えるようにしてもよい。このようにすることにより、環状光源の直径が大きいほど深い位置の生体情報を取得することができるようになるため、所望の深さの生体情報の画像を取得することが可能となる。

このように、受光部１に近い光源（環状光源２）を点灯した場合には、光散乱媒質の中で浅い部分を伝搬する光が多く、浅い部分の情報が多く含まれる。これに対し、受光部１から遠い光源（環状光源３）では、光散乱媒質の中で光はより深い部分を伝搬し、深い部分の情報が多く含まれるようになる。このため、複数の光源から得られる受光強度分布データには、深さとして異なる情報が含まれることになる。これにより、複数の光源をそれぞれ点灯した場合に得られる受光強度分布データ両者の画像を適切な重みにより差分することによって、浅い部分と深い部分の吸収体の分離抽出が可能となる。さらに、光源数を増やすことにより深さ方向の分割数増やすことも可能である。したがって、深さ選択性を持つ生体組織の測定を行う装置を簡単な構成で実現することが可能となる。

次に、図８を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。図８は、第２の実施形態の構成を示すブロック図である。図８に示す構成が図１に示す構成と異なる点は、２つの環状光源に代えて、２つの点光源（微少な発光面を持つ光源；例えばＬＥＤ等）２１、３１を設けた点である。この構成の場合、不均一フィルタの特性も点光源用に変更する。この場合の不均一フィルタは、受光部１１の光入射面のうち、２つの点光源から近い部分は透過率が低く、遠くなるにつれて透過率が高くなるように設定されている。そして、この構成において、図２に示す動作と同様の動作によって、所定深さの画像を得る。詳細な動作は、前述した動作と同様であるため、詳細な説明を省略する。図８に示す構成によれば、光源にＬＥＤ等を用いることが可能となるため、生体情報測定装置の構成をさらに簡単にすることができる。

次に、図９を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。図９は、第３の実施形態の構成を示すブロック図である。図９に示す構成が図１に示す構成と異なる点は、２つの環状光源に代えて、複数（８個）の離散的な点光源（微少な発光面を持つ光源；例えばＬＥＤ等）によって環状の光源を実現し、制御部４から点光源２ａ〜２ｈ、３ａ〜３ｈのそれぞれに対して点灯の制御を行うようにした点である。この構成の場合、不均一フィルタの特性も離散的な点光源用に変更する。この場合の不均一フィルタは、受光部１１の光入射面のうち、８つの点光源から近い部分は透過率が低く、遠くなるにつれて透過率が高くなるように設定されている。そして、この構成において、図２に示す動作と同様の動作によって、所定深さの画像を得る。詳細な動作は、前述した動作と同様であるため、詳細な説明を省略する。図８に示す構成によれば、光源にＬＥＤ等を用いることが可能となるため、生体情報測定装置の構成をさらに簡単にすることができる。また、受光部１の周囲に均等に配置するようにしたため、受光部１に入射する光強度を均すことが可能となる。

なお、図９に示す点光源の数を必要に応じて、増やすようにしてもよい。また、図９においては、離散的な点光源によって２重の環状光源を実現しているが、３重以上の環状光源を備えていてもよい。また、図９に示す離散的な点光源による環状光源を８つの点光源で実現しているが、必ずしも８つで構成する必要はなく、７つ以下で構成してもよい。

また、前述した不均一フィルタを制御部４において画像処理によって実現してもよい。すなわち、光源の発光輝度分布と受光部１を構成する受光素子の位置関係が既知であれば、この情報をメモリ５内に記憶しておき、受光強度分布データ（画像データ）が得られた場合に、この記憶しておいた光源の発光輝度分布と受光部１を構成する受光素子の位置関係の情報に基づいて、受光強度分布データを構成する画素値を演算処理によって補正するようにする。このようにすることによって、不均一フィルタを備えている必要がないため、装置の構成を簡単にすることが可能となる。また、不均一フィルタを画像処理によって実現する場合、光源の発光輝度分布と受光部１を構成する受光素子の位置関係の情報に基づいて、受光強度分布データを補正することができるようになるため、２つの環状光源が同心である必要はない。２つの環状光源を偏心させることにより、受光素子から光源までの距離のパターンを増やすことが可能となるため、任意の深さの画像を得ることが可能となる。

以上説明したように、生体に光を照射する２つの光源と、この光源の光を照射することにより生体から反射する反射光、または生体を透過する透過光を受光する受光部とを備え、２つの光源から受光部までの距離が異なるように光源を配置したため、深さ選択性を持つ生体組織の測定を行うことが可能となる。また、一方の光源のみを点灯した場合に得られる光強度分布情報と、他方の光源のみを点灯した場合に得られる光強度分布情報とを画像処理の演算を行うことによって生体の測定対象深さの光強度分布情報を取得するようにしたため、生体情報測定装置の簡易化および小型化を図ることができる。

なお、図１、図８、図９に示す生体情報測定装置は、生体認証端末、汎用の小型生体認証モジュール、キーレスエントリーなどのコマンダー、リモコンなどにも応用することができる。

また、図１、図８、図９に示す生体情報測定装置は、コンピュータ、携帯電話、家電製品等の電子機器に備えられていてもよい。電子機器に生体認証装置を備えることによって、本人のみが電子機を使用できるようにするなどの使用制限を行うことが可能となる。

また、図１、図８および図９における制御部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより生体認証処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示す装置の動作を示すフローチャートである。 不均一フィルタの構成を示す説明図である。 効果を検証するための実験に用いた測定対象の構成を示す模式図である。 図４に示すサンプルに対して光を照射して光強度分布を取得した結果を示す画像である。 図４に示すサンプルに対して光を照射して光強度分布を取得した結果を示す画像である。 本発明による深さ選択性を持つ生体組織の測定の結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明の原理を示す説明図である。 本発明の原理を示す説明図である。

符号の説明

１・・・受光部、２・・・環状光源、３・・・環状光源、４・・・制御部、５・・・メモリ

Claims (8)

1. 生体に光を照射することにより前記生体の情報を測定する生体情報測定装置であって、
   前記生体に光を照射する第１の光源部と、
   前記生体に光を照射する第２の光源部と、
   前記生体に前記光源部からの前記光を照射することにより前記生体から反射する反射光、または前記生体を透過する透過光を受光する複数の受光素子からなる受光部とを備え、
   前記受光部から前記第１の光源までの距離と、前記受光部から前記第２の光源までの距離とが異なるように、前記第１および第２の光源部が配置されていることを特徴とする生体情報測定装置。
2. 前記第１および第２の光源部から前記受光部までの距離は、前記生体の測定対象深さに基づいて決められていることを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
3. 前記第１および第２の光源部は、前記受光部の周囲に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
4. 前記第１および第２の光源部は、環状光源であることを特徴とする請求項３に記載の生体情報測定装置。
5. 前記第１および第２の光源部は、円形であることを特徴とする請求項４に記載の生体情報測定装置。
6. 前記第１および第２の光源部は、同心状に配置されたことを特徴とする請求項５に記載の生体情報測定装置。
7. 前記受光素子によって受光されるそれぞれの光強度が前記受光部全体として均されるように光透過率が設定されている不均一フィルタを前記透過光又は前記反射光の光路上に備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の生体情報測定装置。
8. 生体に光を照射することにより前記生体の情報を測定するために、前記生体に光を照射する第１の光源部と、前記生体に光を照射する第２の光源部と、前記生体に前記光源部からの前記光を照射することにより前記生体から反射する反射光、または前記生体を透過する透過光を受光する複数の受光素子からなる受光部とを備えた生体情報測定装置における生体情報測定方法であって、
   前記受光部から前記第１の光源までの距離と、前記受光部から前記第２の光源までの距離とが異なるように、前記第１および第２の光源部が配置されており、
   前記第１の光源部のみを点灯して、前記受光部によって第１の光強度分布情報を取得するステップと、
   前記第２に光源部のみを点灯して、前記受光部によって第２の光強度分布情報を取得するステップと、
   前記第１の光強度分布情報と前記第２の光強度分布情報とを演算することによって前記生体の測定対象深さの光強度分布情報を取得するステップと
   を有することを特徴とする生体情報測定方法。

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