JP2015205152A - 生体情報取得装置、生体情報取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】温度測定手段を別個に設けることなく、生体成分の温度依存性の影響を回避して正確な生体情報を取得できる生体情報取得装置を提案する。【解決手段】生体情報取得装置１は、生体Ｆに光を照射する光源と、生体からの光を受光する受光素子と、受光素子の検出結果に基づいて生体情報を求める演算部７４，７６と、を備える。演算部７４，７６は、光源が発光したときに、受光素子で発光時検出値を検出し、光源が消光したときに、受光素子で消光時検出値を検出し、消光時検出値に基づいて発光時検出値の温度依存成分を求めて、発光時検出値を補正する。【選択図】図１

Description

本発明は、生体情報取得装置、生体情報取得方法に関する。

生体情報取得装置は、例えば正規使用者を認証するために、正規使用者の指紋、静脈または虹彩などの撮像データを用いて判定する生体認証装置に利用されている。
また、生体情報取得装置は、近赤外光等を用いて非侵襲生体診断を行う装置としても利用されている。例えば生体の血糖値測定や生体成分の分析等に生体情報取得装置が用いられている。特に、物質の吸収特性を用いた分光法は広く用いられている。

生体成分の吸収特性は、温度依存性が大きいことが知られている。特に、水の吸収特性は、温度依存性が大きい。このため、生体情報取得装置では、測定対象である生体の温度が変動すると、光の吸収特性が変化するため、正確な生体情報を取得することが困難になる。
そこで、生体成分の温度依存性の影響を回避するために、様々な技術が検討されている。特許文献１には、生体成分の温度依存性の影響を回避するために、深部体温を測定する測定手段を備えた生体測定装置が開示されている。特許文献２には、光検出プローブを体深部温度とほぼ同じ温度に保持して、生体成分の温度依存性の影響を回避する生体測定装置が開示されている。

特開２００６−２８０７６２号公報 特開２０１０−２２７２７１号公報

しかしながら、従来の技術では、生体情報取得装置に深部体温を測定する手段や保持手段等を設けるため、生体情報取得装置が大型化・重量化してしまう。このため、例えば腕時計型の生体情報取得装置等には、適用することが困難である。
また、装置構成が複雑化するため、製品コストが上昇してしまうという問題がある。

本発明は、温度測定手段を別個に設けることなく、生体成分の吸収特性の温度依存性の影響を回避して正確な生体情報を取得できる生体情報取得装置、生体情報取得方法を提案することを目的とする。

本発明の第一実施態様に係る生体情報取得装置は、生体に光を照射する光源と、前記生体からの光を受光する受光素子と、前記受光素子の検出結果に基づいて生体情報を求める演算部と、を備え、前記演算部は、前記光源が発光したときに、前記受光素子で発光時検出値を検出し、前記光源が消光したときに、前記受光素子で消光時検出値を検出し、前記消光時検出値に基づいて前記発光時検出値の温度依存成分を求めて、前記発光時検出値を補正することを特徴とする。
従って、本発明では、発光時検出値から生体成分の温度依存性の影響を排除した高精度の生体情報を取得することができる。また、本発明では、受光素子により生体の温度に関する情報も取得するため、別途、温度情報を取得する機器を設ける必要がなくなり、装置の小型軽量化及び低価格化に寄与できる。

本発明の第二実施態様に係る生体情報取得装置は、第一実施態様において、前記受光素子は第一受光素子と第二受光素子とを有することを特徴とする。
これにより、本発明では、発光時検出値を第一受光素子で取得し、消光時検出値を第二受光素子で取得することが可能になる。

本発明の第三実施態様に係る生体情報取得装置は、第二実施態様において、前記第二受光素子は、前記光源と前記第一受光素子の間に配置されることを特徴とする。
これにより、本発明では、消光時検出値が発光時検出値よりも微弱であっても、消光時検出値を精度よく取得できる第二受光素子を選択することが可能となる。

本発明の第四実施態様に係る生体情報取得装置は、第一から第三実施態様のいずれかにおいて、前記消光時検出値は、前記受光素子が遮光状態とされて検出されることを特徴とする。
これにより、本発明では、光源が発光しておらず遮光されている際の消光時検出値が正確に温度情報を反映する様になる。この消光時検出値と生体温度との関係を把握しておくことにより、容易に生体温度を取得することができる。

本発明の第五実施態様に係る生体情報取得装置は、第一から第四実施態様のいずれかにおいて、前記生体情報は、体内または血液内の成分濃度または血糖値であることを特徴とする。
これにより、本発明では、温度依存性が大きい体内または血液内の成分濃度または血糖値に関する情報を高精度に取得することが可能となる。

本発明の第一実施態様に係る生体情報取得方法は、光源から生体に向けて照射した光を受光素子で受光して生体情報を求める生体情報取得方法であって、前記光源を発光して前記受光素子で発光時検出値を検出する発光時検出工程と、前記光源が消光して前記受光素子で消光時検出値を検出する消光時検出工程と、前記消光時検出値に基づいて前記発光時検出値の温度依存成分を求めて、前記発光時検出値を補正する補正工程と、を有することを特徴とする。
従って、本発明では、発光時検出値から生体成分の温度依存性の影響を排除した高精度の生体情報を取得することができる。また、本発明では、受光素子により生体の温度に関する情報も取得するため、別途、温度情報を取得する機器を設ける必要がなくなり、装置の小型軽量化及び低価格化に寄与できる。

本発明の第二実施態様に係る生体情報取得方法は、第一実施態様において、前記受光素子は、第一受光素子と第二受光素子とを有することを特徴とする。
これにより、本発明では、例えば、発光時検出値を第一受光素子で取得し、消光時検出値を第二受光素子で取得することが可能になる。

本発明の第三実施態様に係る生体情報取得方法は、第一実施態様または第二実施態様において、前記生体情報は、体内または血液内の成分濃度または血糖値であることを特徴とする。
これにより、本発明では、温度依存性が大きい体内または血液内の成分濃度または血糖値に関する情報を高精度に取得することが可能となる。

本発明の実施形態に係る生体情報取得装置１を示す図である。 生体情報取得部１２の断面図である。 集光部４０の各レンズ４４の配列を示す模式図である。 受光素子３４の回路図である。 本発明の実施形態に係る生体情報取得方法を示すフローチャート図である。

本発明の生体情報取得装置、生体情報取得方法について、図面を参照して説明する。
各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

図１は、本発明の実施形態に係る生体情報取得装置１を示す図である。
生体情報取得装置１は、利用者の指Ｆの静脈パターンを検出し、静脈パターンに基づいて個人認証を行い、さらに利用者の血糖値を測定するものである。
生体情報取得装置１は、生体情報取得部１２と制御部１４を備える。
生体情報取得部１２は、指Ｆの静脈パターン等を取得する。生体情報取得部１２の表面（検出面１６）に利用者の指Ｆが載置される。
制御部１４は、生体情報取得部１２によって取得された情報（静脈パターンや血糖値）に基づいて、個人認証や健康判断を行う。

図２は、生体情報取得部１２の断面図である。
生体情報取得部１２は、受光部３０、集光部４０、光源部５０を含んで構成される。
集光部４０は、指Ｆと受光部３０との間に介在し、光源部５０は受光部３０と集光部４０との間に介在する。

受光部３０は、例えばＣＭＯＳセンサーやＣＣＤセンサーである。受光部３０は、平板状の基板３２と複数の受光素子３４とを具備する。複数の受光素子３４は、基板３２のうち指Ｆ側（集光部４０側）の表面上に形成されてアレイ状（行列状）に配列する。各受光素子３４は、受光量に応じた検出信号を生成および出力する。本実施形態では、受光部３０は、後述する様に、ＣＭＯＳセンサー型の受光素子３４から構成されている。

集光部４０は、基板４２と複数のレンズ（マイクロレンズ）４４とを含んで構成される。
基板４２は、光透過性の板状部材（例えばガラス基板）である。基板４２のうち受光部３０とは反対側の表面が検出面１６に相当する。
複数のレンズ４４の各々は、受光部３０の各受光素子３４に一対一に対応するように基板４２のうち受光部３０側の表面に形成される。各レンズ４４は、指Ｆ側からの入射光をそのレンズ４４に対応する受光素子３４に対して集光する凸レンズである。
なお、基板４２と複数のレンズ４４とを一体に形成することも可能である。

図３は、集光部４０の各レンズ４４の配列を示す模式図である。
複数のレンズ４４は、相互に直交するＸ方向およびＹ方向に沿ってアレイ状に配列する。具体的には、Ｘ方向に延在する複数の直線ＬＸ１とＹ方向に延在する複数の直線ＬＹ１との各交点を各レンズ４４の光軸が通過するように各レンズ４４は配列される。
各レンズ４４の光軸はそのレンズ４４に対応する受光素子３４の中心を通過する（図２参照）。

図２に示すように、光源部５０は、基板５２と複数の有機ＥＬ素子Ｄ（Ｄ１，Ｄ２）とを含んで構成される。
基板５２は、光透過性の板状部材（例えばガラス基板）である。
複数の有機ＥＬ素子Ｄは、所定の波長の光（検査光）を指Ｆに照射する薄膜型の発光素子（光源）である。複数の有機ＥＬ素子Ｄは、基板５２の面上にＸ方向およびＹ方向に沿って行列状に配列する。

図３に示すように、複数の有機ＥＬ素子Ｄは、複数の直線ＬＸ２と複数の直線ＬＹ２との各交差部に配置される。
複数の直線ＬＸ１と複数の直線ＬＸ２とはＹ方向に等間隔で交互に配列し、複数の直線ＬＹ１と複数の直線ＬＹ２とはＸ方向に等間隔で交互に配列する。

複数の有機ＥＬ素子Ｄは、第一有機ＥＬ素子Ｄ１と第二有機ＥＬ素子Ｄ２を有する。
第一有機ＥＬ素子Ｄ１と第二有機ＥＬ素子Ｄ２は、互いに異なる波長の検出光を照射する。第一有機ＥＬ素子Ｄ１は、波長λ１の検査光を出射し、第二有機ＥＬ素子Ｄ２は波長λ２の検査光を出射する。
波長λ１および波長λ２は、近赤外光の波長域内の互いに異なる波長である。例えば、波長λ１は、指Ｆの静脈内の還元ヘモグロビンに吸収される数値に設定され、波長λ２は、グルコース（ブドウ糖）に吸収される数値に設定される。複数の第一有機ＥＬ素子Ｄ１は静脈パターンの検出に使用され、複数の第二有機ＥＬ素子Ｄ２は血糖値の測定に使用される。
各直線ＬＹ２の線上に位置する各第一有機ＥＬ素子Ｄ１の配列と、各直線ＬＹ２の線上に位置する各第二有機ＥＬ素子Ｄ２の配列と、がＸ方向に等間隔で交互に配置される。

各有機ＥＬ素子Ｄから出射した検査光は、図２に矢印α１で示すように、基板５２と集光部４０の基板４２とを透過して、指Ｆに入射する。指Ｆに入射した光は、内部で吸収されながら伝播したうえで、指Ｆから出射する。そして、図２に矢印α２で示すように、検出面１６から集光部４０に入射すると共に、各レンズ４４で集光されたうえで受光素子３４に到達する。

制御部１４は、指Ｆの静脈パターンの検出と血糖値の測定とを実行する。
図１に示すように、制御部１４は、発光制御部７２と静脈検出部７４と血糖値測定部７６とを含んで構成される。例えば記憶回路（図示略）に格納されたプログラムを演算処理装置（ＣＰＵ）が実行することで制御部１４の各要素が実現される。

発光制御部７２は、生体情報取得部１２の各第一有機ＥＬ素子Ｄ１と各第二有機ＥＬ素子Ｄ２とを選択的に発光させる。具体的には、発光制御部７２は、静脈パターンの検出時には各第一有機ＥＬ素子Ｄ１に波長λ１の検査光を照射させ、血糖値の測定時には各第二有機ＥＬ素子Ｄ２に波長λ２の検査光を照射させる。

静脈検出部（演算部）７４は、指Ｆの静脈パターンを検出する。各第一有機ＥＬ素子Ｄ１が出射する波長λ１の検査光は静脈内の還元ヘモグロビンに吸収されるから、波長λ１の照射時における各受光素子３４の受光量には指Ｆの静脈パターンが反映される。
静脈検出部７４は、発光制御部７２が各第一有機ＥＬ素子Ｄ１に波長λ１の検査光を照射させる期間内に各受光素子３４が生成する検出信号を利用して指Ｆの静脈パターンを検出する。静脈検出部７４は、正規の利用者が事前に登録した静脈パターンと実際に検出信号から特定された静脈パターンとを照合し、両者が合致した場合には正当な利用者と判定し（認証成功）、両者が合致しない場合には正規の利用者でないと判定する（認証失敗）。

血糖値測定部（演算部）７６は、利用者の血中のグルコース（ブドウ糖）の濃度を測定する。各第二有機ＥＬ素子Ｄ２が出射する波長λ２の検査光はグルコースに吸収される。したがって、利用者の血液に含まれるグルコースの濃度が各受光素子３４の受光量に反映される。
血糖値測定部７６は、発光制御部７２が各第二有機ＥＬ素子Ｄ２に波長λ２の検査光を照射させる期間内に各受光素子３４が生成する検出信号に応じて血糖値を測定する。

制御部１４は、静脈検出部７４による認証の成功を条件として、血糖値測定部７６によるグルコース（ブドウ糖）の濃度測定を行う。血糖値測定部７６によるグルコースの濃度測定の結果（血糖値）を記憶したり、血糖値や測定履歴等を表示したりする。
他方、静脈検出部７４による認証が失敗した場合には、血糖値測定部７６によるグルコースの濃度測定を中止する。

図４は受光素子３４の回路図である。フォトダイオード１１１のアノードは負電源線１５０に接続され、負電源線１５０には負電源電位Ｖｓｓが供給される。フォトダイオード１１１のカソードに、増幅トランジスター１１２のゲートとリセットトランジスター１１３のソースとが接続されている。増幅トランジスター１１２のドレインとリセットトランジスター１１３のドレインとは、正電源線１４０に接続され、正電源線１４０には正電源電位Ｖｄｄが供給される。増幅トランジスター１１２のソースと選択トランジスター１１４のドレインとが接続されている。選択トランジスター１１４のソースは読出線１２０に接続され、選択トランジスター１１４のゲートは走査線１１０に接続されている。又、リセットトランジスター１１３のゲートはリセット信号線１３０に接続されている。

受光素子３４が光量を測定するには、最初に増幅トランジスター１１２のゲートを正電源電位Ｖｄｄに充電する。次いでτの期間に渡って露光する。露光期間中にリセットトランジスター１１３はオフ状態にされているので、フォトダイオード１１１の接合リーク電流Ｉに応じて増幅トランジスター１１２のゲート電位Ｖｇが変化する。こうして、露光終了後に、増幅トランジスター１１２のゲート電位はＶｇ＝Ｖｄｄ−Ｉτ／Ｃ_Tとなる。尚、ここでＣ_Tは増幅トランジスター１１２のトランジスター容量である。接合リーク電流は光量が多い程大きいので、光量に応じて増幅トランジスター１１２のゲート電位Ｖｇは変化し、この結果生ずる増幅トランジスター１１２のコンダクタンスの変化を、読み出し期間中に、受光素子３４毎に計測して、露光期間中に照射された光量を測定する。

図５は、本発明の実施形態に係る生体情報取得方法を示すフローチャート図である。
血液（ヘモグロビンやグルコース）は、温度依存性が大きい。特に、水の吸収特性は、温度依存性が大きい。
このため、利用者の体温が変動すると、光の吸収特性が変化するため、正確な生体情報を取得することが困難になる。つまり、静脈パターンの検出や血糖値の測定が不正確になる。
そこで、生体情報取得装置１は、消光時における受光部３０（受光素子３４）の出力値を参照して、利用者（生体）の体温を測定する。そして、測定された体温に基づいて、静脈パターンの検出結果や血糖値を補正する。これにより、静脈パターンの検出や血糖値の測定を正確に行う。すなわち、正確な生体情報を取得する。

本願発明人が鋭意研究したところによると、フォトダイオード１１１は強い温度依存性を示す事が判明した。フォトダイオード１１１には逆バイアス状態のＰＮ接合半導体ダイオードが使用されているが、ＰＮ接合漏れ電流は、ショックレイ・リード・ホール生成やプールフレンケル効果を伴うフォノン・アシステッド・トンネリングにより、空乏領域にて電子・正孔対の生成が行われる事が生成原理となっている。この場合、温度の僅かな変化はフェルミ関数の広がりを変え、それ故にショックレイ・リード・ホール生成頻度やプールフレンケル効果を伴うフォノン・アシステッド・トンネリング頻度が大きく変わり、これが為に、フォトダイオード１１１は強い温度依存性を示す事になる。従って、フォトダイオード１１１に光が入射されない消光時の計測電流は温度情報を有している事となる。

具体的には、生体情報取得方法は、以下の工程で行われえる。
まず、生体情報取得装置１を利用者の指Ｆに固定する。すなわち、検出面１６を指Ｆに密着させる（機器固定工程Ｓ１）。

次に、複数の有機ＥＬ素子Ｄのうち、任意の有機ＥＬ素子（第一光源）ＤＰを発光させる（光源発光工程Ｓ２）。有機ＥＬ素子ＤＰは、第一有機ＥＬ素子Ｄ１と第二有機ＥＬ素子Ｄ２のいずれであってもよい。
有機ＥＬ素子ＤＰを発光させた状態で、有機ＥＬ素子ＤＰから離れた位置にある受光素子（第一受光素子）３４Ｑにより、生体内部（指Ｆ）で散乱伝播した光を受光（検出）する（光検出工程（発光時検出工程）Ｓ３）。つまり、受光素子３４Ｑの検出信号（発光時検出値）を取得する。
有機ＥＬ素子ＤＰから出射された光は、血液中に含まれるヘモグロビンやグルコースで吸収されるので、受光素子３４Ｑで受光（検出）した光には指Ｆの静脈パターン情報や血糖値情報が含まれる。
受光素子３４Ｑによる受光が完了したら、有機ＥＬ素子ＤＰを消光する（光源消光工程Ｓ４）。

次に、有機ＥＬ素子ＤＰを消光した状態で、受光素子３４Ｒの検出信号（消光時検出値）を取得する。受光素子（第二受光素子）３４Ｒは、光を検出していないため、受光素子３４Ｒは、主として温度情報を反映した電流を読出線１２０に出力する。つまり、受光素子３４Ｒは光源が消光時の画像を取得する（消光時画像取得工程（消光時検出工程）Ｓ５）。
受光素子３４が取得した消光時画像には温度依存性がある。このため、受光素子３４Ｒが取得した消光時画像には、指Ｆ（生体）の温度情報が含まれる。

次に、受光素子３４Ｒが取得した消光時画像に基づいて、指Ｆ（生体）の温度を求める（温度判断工程Ｓ６）。このとき、予め用意された変換テーブルを参照する。
つまり、消光時画像となる受光素子３４Ｒからの電流値（消光時検出値と称する）と温度の関係（温度依存性）を予め検証（調査）しておき、受光素子３４Ｒの消光時検出値から温度を求める変換テーブルを作成しておく。
したがって、受光素子３４Ｒからの消光時検出値を変換テーブルに照らし合わせることにより、指Ｆ（生体）の温度を求めることができる。尚、消光時検出値は、受光素子３４Ｒが遮光状態とされている際に検出されるのが好ましい。斯うすると、外光が遮られるので、光源が発光しておらず遮光されている際の消光時検出値は、正確に温度情報を反映する様になるからである。

次に、温度判断工程Ｓ６で求めた温度に基づいて、受光素子３４の検出信号に含まれる温度依存成分を求める（温度依存成分判断工程Ｓ７）。このとき、予め用意された変換テーブルを参照する。
つまり、受光素子３４の検出信号と生体温度の関係（温度依存成分）を予め検証（調査）しておき、生体温度から受光素子３４の検出信号に含まれる温度依存成分を求める変換テーブルを作成しておく。
したがって、生体温度を変換テーブルに照らし合わせることにより、受光素子３４の検出信号に含まれる温度依存成分を求めることができる。

次に、光検出工程Ｓ３において取得した検出信号の補正を行う（検出信号補正工程（補正工程）Ｓ８）。つまり、光検出工程Ｓ３において取得した検出信号から、温度依存成分判断工程Ｓ７で求めた温度依存成分を除去する。これにより、生体温度の影響を排除した検出信号が求められる。

最後に、検出信号補正工程Ｓ８を経て得られた検出信号を演算処理する（検出信号処理工程Ｓ９）。検出信号処理工程Ｓ９では、例えば多変量解析等を行う。
これにより、生体（指Ｆ）の静脈パターンや血糖値が得られる。この静脈パターンや血糖値には、生体温度の影響が排除されている。

検出信号処理工程Ｓ９において血糖値を求める場合には、例えば、以下に示す演算処理を行う。
生体内の主要成分を水、タンパク質、脂質、グルコースと考えると、ランベルト・ベールの法則から、式（１）が成り立つ。

四種類の波長を用いて吸光度Ａ（検出信号）を取得すると、式（１）から、生体内の主要成分のそれぞれの濃度ｃに光路長Ｌを掛けた値ｃＬが求められる。

つまり、

が求められる。

したがって、光路長Ｌが既知であれば、生体内の主要成分（水、タンパク質、脂質、グルコース）のそれぞれの濃度ｃを算出できる。
生体内の主要成分のそれぞれの濃度は、例えば採血などで予め求めておくことができる。したがって、生体情報取得装置１を用いた生体情報取得方法により、生体温度の影響を排除した正確な生体情報を得ることができる。

生体情報取得装置１は、上記の実施形態に限定されるものではなく、次に挙げる変形例のような形態であっても、実施形態と同様な効果が得られる。

受光素子３４Ｑと受光素子３４Ｒは、同一の受光素子であってもよい。つまり、受光素子３４Ｒは、受光素子３４Ｑを兼ねてもよい。

生体情報取得部１２は、二つの生体情報（静脈パターン、血糖値）を取得する場合に限らない。静脈パターンまたは血糖値のいずれか一方のみの生体情報を取得する場合であってもよい。
生体情報は、脳波、筋電、心電、心拍（脈拍）数、血圧等であってもよい。

１…生体情報取得装置、 １２…生体情報取得部、 ３４…受光素子、 ３４Ｑ…受光素子（第一受光素子）、 ３４Ｒ…受光素子（第二受光素子）、 ７４…静脈検出部（演算部）、 ７６…血糖値測定部（演算部）、 １１０…走査線、 １１１…フォトダイオード１１１…増幅トランジスター、 １１３…リセットトランジスター、 １１４…選択トランジスター、 １２０…読出線、 １３０…リセット信号線、 １４０…正電源線、 １５０…負電源線、 Ｄ…有機ＥＬ素子（光源）、 ＤＰ…有機ＥＬ素子（第一光源）、 Ｆ…指（生体）。

Claims (8)

1. 生体に光を照射する光源と、
   前記生体からの光を受光する受光素子と、
   前記受光素子の検出結果に基づいて生体情報を求める演算部と、
   を備え、
   前記演算部は、前記光源が発光したときに、前記受光素子で発光時検出値を検出し、前記光源が消光したときに、前記受光素子で消光時検出値を検出し、前記消光時検出値に基づいて前記発光時検出値の温度依存成分を求めて、前記発光時検出値を補正することを特徴とする生体情報取得装置。
2. 前記受光素子は、第一受光素子と、第二受光素子とを有することを特徴とする請求項１に記載の生体情報取得装置。
3. 前記第二受光素子は、前記光源と前記第一受光素子の間に配置されることを特徴とする請求項２に記載の生体情報取得装置。
4. 前記消光時検出値は、前記受光素子が遮光状態とされて検出されることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の生体情報取得装置。
5. 前記生体情報は、体内または血液内の成分濃度または血糖値であることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか一項に記載の生体情報取得装置。
6. 光源から生体に向けて照射した光を受光素子で受光して生体情報を求める生体情報取得方法であって、
   前記光源を発光して、前記受光素子で発光時検出値を検出する発光時検出工程と、
   前記光源が消光して、前記受光素子で消光時検出値を検出する消光時検出工程と、
   前記消光時検出値に基づいて前記発光時検出値の温度依存成分を求めて、前記発光時検出値を補正する補正工程と、
   を有することを特徴とする生体情報取得方法。
7. 前記受光素子は、第一受光素子と第二受光素子とを有することを特徴とする請求項６に記載の生体情報取得方法。
8. 前記生体情報は、体内または血液内の成分濃度または血糖値であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の生体情報取得方法。

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