JP2020032105A - Biological measurement device, biological measurement system, control method, and computer program - Google Patents
Biological measurement device, biological measurement system, control method, and computer program Download PDFInfo
- Publication number
- JP2020032105A JP2020032105A JP2018163334A JP2018163334A JP2020032105A JP 2020032105 A JP2020032105 A JP 2020032105A JP 2018163334 A JP2018163334 A JP 2018163334A JP 2018163334 A JP2018163334 A JP 2018163334A JP 2020032105 A JP2020032105 A JP 2020032105A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- seat
- user
- signal
- photodetector
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本開示は、生体計測装置、生体計測システム、制御方法、およびコンピュータプログラム
に関する。
The present disclosure relates to a biological measurement device, a biological measurement system, a control method, and a computer program.
従来、光照射によって生体情報の変化を計測する方法が知られている。例えば、特許文献1は、被検者の頭部に光照射部と受光部を配置し、脳の血流動態変化を計測する生体光計測装置を開示している。特許文献2は、運転席のヘッドレストに赤外光ユニットを搭載して、運転者の頭部の血流分布または血流量の情報を取得する生体情報取得装置を開示している。特許文献3は、被検者を光で照射して、被検者の生体活動を示す情報を非接触で計測する生体活動計測装置を開示している。特許文献4についても同様である。
Conventionally, a method of measuring a change in biological information by light irradiation has been known. For example,
本開示は、ユーザの生体情報を非接触で精度よく計測する新規な技術を提供する。 The present disclosure provides a new technique for measuring biological information of a user in a non-contact and accurate manner.
本開示の一態様に係る生体計測装置は、位置および/または角度を変化させることが可能な座席と、前記座席の前記位置および/または前記角度を示す第1信号を出力する座席センサと、生体計測装置と、を備えるシステムにおいて使用される生体計測装置であって、前記座席に座るユーザの被検部に照射される光を出射する光源と、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出して第2信号を出力する光検出器と、前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、前記第2信号に基づいて、前記ユーザの生体情報を示す第3信号を生成して出力する信号処理回路と、を備え、前記制御回路は、前記第1信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させる。 A living body measurement device according to an aspect of the present disclosure includes a seat capable of changing a position and / or an angle, a seat sensor that outputs a first signal indicating the position and / or the angle of the seat, and a living body. And a measurement device, which is a biological measurement device used in a system including: a light source that emits light to be irradiated on a test portion of a user sitting on the seat; and a light source that emits light from the light source and returns from the test portion. A light detector that detects at least a part of the received light and outputs a second signal, a control circuit that controls the light source and the light detector, and, based on the second signal, biometric information of the user. And a signal processing circuit that generates and outputs a third signal as shown in the figure, wherein the control circuit causes the light source to emit the light based on a change in the first signal, and then causes the light detector to emit the light. Until it is detected Changing the time difference.
本開示の技術によれば、ユーザの生体情報を非接触で精度よく計測することができる。 According to the technology of the present disclosure, biological information of a user can be accurately measured without contact.
(本開示の一態様に至った経緯)
特許文献1に記載の装置では、光照射部および受光部を被検者の頭部に接触させた状態で、脳の血流動態変化が計測される。特許文献2に記載の装置では、赤外光ユニットを運転者の頭部に近接させた状態で、運転者の頭部の血流分布または血流量が取得される。いずれの装置でも、前述の状態では、被検者または運転者は、拘束感によってストレスを感じ得る。
(History leading to one embodiment of the present disclosure)
In the device described in
一方、特許文献3および特許文献4に記載の装置では、光源からユーザの被検部に向けて光を出射して、当該被検部からの反射光を光検出器によって検出することにより、ユーザの生体内部の情報を非接触で計測することができる。非接触での計測では、拘束感によるストレスは生じない。しかし、非接触での計測では、ユーザの被検部と光検出器との距離が変化すると、当該被検部からの反射光が光検出器に入射する時間が変化する。このため、当該時間の変化を考慮せずに計測すると、計測精度が低下し得る。
On the other hand, the devices described in
本発明者は、以上の検討に基づき、以下の項目に記載の生体計測装置に想到した。 The present inventor has conceived the biological measuring device described in the following items based on the above study.
[項目1]
第1の項目に係る生体計測装置は、位置および/または角度を変化させることが可能な座席と、前記座席の前記位置および/または前記角度を示す第1信号を出力する座席センサと、生体計測装置と、を備えるシステムにおいて使用される生体計測装置であって、前記座席に座るユーザの被検部に照射される光を出射する光源と、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出して第2信号を出力する光検出器と、前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、前記第2信号に基づいて、前記ユーザの生体情報を示す第3信号を生成して出力する信号処理回路と、を備え、前記制御回路は、前記第1信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させる。
[Item 1]
A biometric device according to a first item includes a seat capable of changing a position and / or an angle, a seat sensor that outputs a first signal indicating the position and / or the angle of the seat, and a biometric device. A biological measurement device used in a system comprising: a light source that emits light to be applied to a test portion of a user sitting on the seat; and a light source that emits light from the light source and returns from the test portion. A light detector that detects at least a part of the emitted light and outputs a second signal, a control circuit that controls the light source and the light detector, and indicates biological information of the user based on the second signal. A signal processing circuit that generates and outputs a third signal, wherein the control circuit causes the light source to emit the light based on a change in the first signal, and then outputs the light to the photodetector. Time to detect Changing the difference.
[項目2]
第1の項目に係る生体計測装置において、前記制御回路は、前記座席の前記位置および/または前記角度と、前記時間差との関連を示すデータを参照して、前記時間差の初期値を設定してもよい。
[Item 2]
In the biological measurement device according to the first item, the control circuit sets an initial value of the time difference with reference to data indicating a relationship between the position and / or the angle of the seat and the time difference. Is also good.
[項目3]
第1の項目に係る生体計測装置は、前記ユーザを認証する認証センサをさらに備え、前記制御回路は、前記認証センサによる認証結果に基づいて、前記座席の前記位置および/または前記角度と、前記時間差の初期値とを設定してもよい。
[Item 3]
The biometric device according to the first item, further includes an authentication sensor for authenticating the user, wherein the control circuit is configured to determine the position and / or the angle of the seat based on an authentication result by the authentication sensor; An initial value of the time difference may be set.
[項目4]
第1から第3の項目のいずれかに係る生体計測装置において、前記光検出器は、前記制御回路からの指示に従って姿勢を変化させることが可能であり、前記制御回路は、前記第1信号に基づいて、前記光検出器の姿勢を決定した後、前記光源および前記光検出器を用いた計測動作を開始してもよい。
[Item 4]
In the biological measurement device according to any one of the first to third items, the photodetector can change a posture according to an instruction from the control circuit, and the control circuit responds to the first signal. After determining the attitude of the photodetector based on the determination, a measurement operation using the light source and the photodetector may be started.
[項目5]
第1から第4の項目のいずれかに係る生体計測装置において、前記ユーザの前記被検部は、前記ユーザの額であり、前記制御回路は、前記光源に、1つ以上のパルス光を出射させ、前記光検出器に、前記被検部から戻ってきた各パルス光のうち、各パルス光の強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間に含まれる成分を検出することによって得られる信号を、前記第2信号として出力させ、前記信号処理回路は、前記第2信号に基づいて、前記ユーザの脳活動の状態を示す信号を、前記第3信号として生成してもよい。
[Item 5]
In the living body measurement device according to any one of the first to fourth items, the test portion of the user is a forehead of the user, and the control circuit emits one or more pulse lights to the light source. The photodetector, by detecting a component included in a period from the start of the intensity of each pulse light to the end of the decrease in the intensity of each pulse light among the respective pulse lights returned from the test portion. The obtained signal may be output as the second signal, and the signal processing circuit may generate a signal indicating a state of the brain activity of the user as the third signal based on the second signal.
[項目6]
第6の項目に係る生体計測システムは、第1から第4の項目のいずれかに係る生体計測装置と、前記座席と、前記座席センサと、を備える。
[Item 6]
A biological measurement system according to a sixth item includes the biological measurement device according to any of the first to fourth items, the seat, and the seat sensor.
[項目7]
第7の項目に係る制御方法は、光源に、位置および/または角度を変化させることが可能な座席に座るユーザの被検部に照射される光を出射させることと、光検出器に、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出させることと、前記座席の前記位置および/または前記角度を示す第1信号を取得することと、前記第1信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させることと、を含む。
[Item 7]
The control method according to the seventh item includes causing the light source to emit light to be irradiated on a test portion of a user sitting on a seat capable of changing a position and / or an angle, and causing a light detector to: Detecting at least a part of the light emitted from the light source and returning from the test portion, obtaining a first signal indicating the position and / or the angle of the seat, and detecting the first signal. Changing the time difference from when the light source emits the light to when the light detector detects the light based on the change.
[項目8]
第8の項目に係るコンピュータプログラムは、コンピュータにおいて実行されるコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムは、光源に、位置および/または角度を変化させることが可能な座席に座る記ユーザの被検部に照射される光を出射させることと、光検出器に、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出させることと、前記座席の前記位置および/または前記角度を示す第1信号を取得することと、前記第1信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させることと、を実行させる。
[Item 8]
The computer program according to the eighth item is a computer program executed on a computer, wherein the computer program includes a light source, a test part of a user who sits on a seat capable of changing a position and / or an angle. Emitting light irradiated to the light source; and causing the photodetector to detect at least a part of light emitted from the light source and returned from the test portion; and detecting the position of the seat and / or the light. Obtaining a first signal indicating an angle, and changing a time difference between emitting the light from the light source and detecting the light by the photodetector based on a change in the first signal. And let it run.
以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置などは、一例であり、本開示の技術を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 Each of the embodiments described below shows a comprehensive or specific example. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions of components, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and do not limit the technology of the present disclosure. In addition, among the components in the following embodiments, components not described in the independent claims indicating the highest concept are described as arbitrary components.
本開示において、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部、またはブロック図における機能ブロックの全部または一部は、例えば、半導体装置、半導体集積回路(IC)、またはLSI(large scale integration)を含む1つまたは複数の電子回路によって実行され得る。LSIまたはICは、1つのチップに集積されてもよいし、複数のチップを組み合わせて構成されてもよい。例えば、記憶素子以外の機能ブロックは、1つのチップに集積されてもよい。ここでは、LSIまたはICと呼んでいるが、集積の度合いによって呼び方が変わり、システムLSI、VLSI(very large scale integration)、もしくはULSI(ultra large scale integration)と呼ばれるものであってもよい。LSIの製造後にプログラムされる、Field Programmable Gate Array(FPGA)、またはLSI内部の接合関係の再構成またはLSI内部の回路区画のセットアップができるreconfigurable logic deviceも同じ目的で使うことができる。 In this disclosure, all or a part of a circuit, a unit, an apparatus, a member, or a part, or all or a part of a functional block in a block diagram is, for example, a semiconductor device, a semiconductor integrated circuit (IC), or an LSI (large scale integration). ) May be performed by one or more electronic circuits. The LSI or IC may be integrated on one chip, or may be configured by combining a plurality of chips. For example, functional blocks other than the storage element may be integrated on one chip. Here, the term is referred to as an LSI or an IC, but the term varies depending on the degree of integration, and may be referred to as a system LSI, VLSI (very large scale integration), or ULSI (ultra large scale integration). A Field Programmable Gate Array (FPGA), which is programmed after the manufacture of the LSI, or a reconfigurable logic device capable of reconfiguring a bonding relationship inside the LSI or setting up a circuit section inside the LSI can also be used for the same purpose.
さらに、回路、ユニット、装置、部材または部の全部または一部の機能または操作は、ソフトウェア処理によって実行することが可能である。この場合、ソフトウェアは1つまたは複数のROM、光学ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録され、ソフトウェアが処理装置(processor)によって実行されたときに、そのソフトウェアで特定された機能が処理装置(processor)および周辺装置によって実行される。システムまたは装置は、ソフトウェアが記録されている1つまたは複数の非一時的記録媒体、処理装置(processor)、および必要とされるハードウェアデバイス、例えばインターフェースを備えていてもよい。 Furthermore, all or some of the functions or operations of the circuits, units, devices, members, or units can be executed by software processing. In this case, the software is recorded on one or more non-transitory recording media such as a ROM, an optical disk, a hard disk drive, etc., and when the software is executed by a processor, a function specified by the software is executed. It is performed by a processor and peripheral devices. The system or apparatus may include one or more non-transitory storage media on which the software is recorded, a processor, and any required hardware devices, such as an interface.
以下、実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。以下の説明において、同一または類似する構成要素には同一の符号を付す。 Hereinafter, embodiments will be specifically described with reference to the drawings. In the following description, the same or similar components are denoted by the same reference numerals.
(実施形態)
[1.生体計測装置100]
図1Aから図3Bを参照して、本開示の例示的な実施形態における生体計測装置100の構成を説明する。
(Embodiment)
[1. Biological measuring device 100]
With reference to FIGS. 1A to 3B, a configuration of the
図1Aは、本実施形態における生体計測システム100Sの例を模式的に示す図である。図1Aに示す例では、水平方向をX方向とし、鉛直方向をY方向とする。生体計測システム100Sは、例えば自動車の内部に設けられ得る。生体計測システム100Sは、座席12と、座席センサ14と、生体計測装置100とを備える。
FIG. 1A is a diagram schematically illustrating an example of a
座席12は、座面部12sおよび背もたれ部12bを含む。座席12は、ユーザの操作により、位置および/または角度を変化させることが可能である。座席12の位置は、水平方向および/または鉛直方向に変化し得る。座席12の角度は、座席12の背もたれ部12bの傾斜角度である。本実施形態では、背もたれ部12bは、ユーザ10の頭部が接触するヘッドレストも含む。座席センサ14は、例えばリニアポテンショメータなどの位置センサおよび/またはロータリポジションセンサなどの角度センサを含み得る。座席センサ14は、これらのセンサにより、座席12の位置および/または角度を検出する。座席センサ14は、座席12の位置および/または角度を示す信号16を出力する。信号16を「第1の信号」と称する。生体計測装置100は、光源20と、光検出器30と、制御回路60と、信号処理回路70と、を備える。本実施形態における光検出器30は、2次元画像を取得するイメージセンサである。なお、光検出器30は、2次元画像を取得するイメージセンサに限らず、1次元画像を取得するイメージセンサであってもよい。用途によっては、光検出器30は、単一の光電変換素子を備えたセンサであってもよい。
The
光源20は、座席12に座るユーザ10の被検部10tに照射されるパルス光を出射する。光検出器30は、ユーザ10の被検部10tから戻ってきたパルス光の少なくとも一部を検出する。制御回路60は、光源20および光検出器30を制御する。信号処理回路70は、光検出器30から出力された信号を処理する。
The
本実施形態では、制御回路60は、光源20を制御する光源制御部61と、光検出器30を制御するセンサ制御部62とを含む。光源制御部61は、光源20から出射されるパルス光の強度、パルス幅、出射タイミング、および/または波長を制御する。センサ制御部62は、光検出器30の各画素における信号蓄積のタイミングを制御する。
In the present embodiment, the
本明細書において、「生体情報」とは、生体の計測可能な量を意味する。生体情報には、例えば、血流量、血圧、心拍数、脈拍数、呼吸数、体温、脳波、血液中の酸素化ヘモグロビン濃度、血液中の脱酸素化ヘモグロビン濃度、血中酸素飽和度、皮膚の反射スペクトルなどの、種々の量が含まれる。生体情報の一部は、バイタルサインと称されることがある。以下に、生体計測装置100の各構成要素を説明する。
In the present specification, “biological information” means a measurable amount of a living body. Biological information includes, for example, blood flow, blood pressure, heart rate, pulse rate, respiratory rate, body temperature, brain waves, oxygenated hemoglobin concentration in blood, deoxygenated hemoglobin concentration in blood, blood oxygen saturation, Various quantities are included, such as the reflection spectrum. A part of the biological information may be called a vital sign. Hereinafter, each component of the
[1−1.光源20]
光源20は、ユーザ10の被検部10tに向けて光を出射する。ユーザ10の被検部10tは、例えば、ユーザ10の額である。脳活動情報を利用しない場合、ユーザ10の被検部10tは、例えば、腕、胴体、または足でもよい。光源20から出射されてユーザ10に到達した光は、ユーザ10の表面で反射される成分I1と、ユーザ10の内部で散乱される成分I2とに分かれる。以下の説明では、表面で反射される成分I1を「表面反射成分I1」と称し、内部で散乱される成分を「内部散乱成分I2」と称する。内部散乱成分I2は、生体内部で1回反射もしくは散乱、または多重散乱する成分である。ユーザ10の額に向けて光を出射する場合、内部散乱成分I2は、額の表面から奥に8mmから16mmほどの部位、例えば脳に到達し、再び生体計測装置100に戻る成分を指す。表面反射成分I1は、直接反射成分、拡散反射成分、および散乱反射成分の3つの成分を含む。直接反射成分は、入射角と反射角とが等しい反射成分である。拡散反射成分は、表面の凹凸形状によって拡散して反射する成分である。散乱反射成分は、表面近傍の内部組織によって散乱して反射する成分である。ユーザ10の額に向けて光を出射する場合、散乱反射成分は、表皮内部で散乱して反射する成分である。以降、本実施形態では、ユーザ10の表面で反射する表面反射成分I1は、これら3つの成分を含む。表面反射成分I1および内部散乱成分I2は、反射または散乱によって進行方向が変化し、その一部が光検出器30に到達する。
[1-1. Light source 20]
The
まず、内部散乱成分I2の取得方法を説明する。光源20は、制御回路60からの指示に従い、パルス光を所定の時間間隔または所定のタイミングで複数回繰り返し出射する。光源20から出射されるパルス光は、例えば立ち下り期間がゼロに近い矩形波であり得る。本明細書において、「立ち下り期間」とは、パルス光の強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間である。一般に、ユーザ10に入射した光は、様々な経路でユーザ10内を伝搬し、時間差を伴ってユーザ10の表面から出射する。このため、パルス光の内部散乱成分I2の後端は、広がりを有する。ユーザ10の被検部10tが額である場合、内部散乱成分I2の後端の広がりは、4ns程度である。このことを考慮すると、パルス光の立ち下がり期間は、例えばその半分以下である2ns以下に設定され得る。立ち下り期間は、さらにその半分の1ns以下であってもよい。光源20から出射されるパルス光の立ち上り期間は任意である。本明細書において、「立ち上り期間」とは、パルス光の強度が増加を開始してから増加が終了するまでの期間である。本実施形態における内部散乱成分I2の検出では、パルス光の立ち下り部分が使用され、立ち上り部分は使用されないためである。パルス光の立ち上がり部分は、表面反射成分I1の検出に用いられ得る。光源20は、例えば、LDなどのレーザであり得る。レーザから出射される光は、パルス光の立ち下がり部分が時間軸に略直角である、急峻な時間応答特性を有する。
First, a method for obtaining the internal scattering component I2 will be described. The
光源20から出射される光の波長は、例えば650nm以上950nm以下の波長範囲に含まれる任意の波長であり得る。この波長範囲は、赤色から近赤外線の波長範囲に含まれる。本明細書では、可視光のみならず赤外線についても「光」の用語を使用する。上記の波長範囲は、「生体の窓」と呼ばれており、生体内の水分および皮膚に比較的吸収されにくいという性質を有する。生体を検出対象にする場合、上記の波長範囲の光を使用することにより、検出感度を高くすることができる。本実施形態のように、ユーザ10の皮膚および脳の血流変化を検出する場合、使用される光は、主に酸素化ヘモグロビン(HbO2)および脱酸素化ヘモグロビン(Hb)に吸収されると考えられる。酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンとでは、光吸収の波長依存性が異なる。一般に、血流に変化が生じると、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの濃度が変化する。この変化に伴い、光の吸収度合いも変化する。したがって、血流が変化すると、検出される光量も時間的に変化する。
The wavelength of the light emitted from the
光源20は、上記の波長範囲に含まれる2つ以上の波長の光を出射してもよい。そのような複数波長の光は、複数の光源からそれぞれ出射されてもよい。
The
本実施形態における生体計測装置100では、非接触でユーザ10を計測するため、網膜への影響を考慮して設計された光源20が用いられ得る。例えば、各国で策定されているレーザ安全基準のクラス1を満足する光源20が用いられ得る。クラス1が満足されている場合、被爆放出限界(AEL)が1mWを下回るほどの低照度の光が、ユーザ10に照射される。なお、光源20自体はクラス1を満たしていなくてもよい。例えば、拡散板またはNDフィルタを光源20の前に設置して光を拡散または減衰することにより、レーザ安全基準のクラス1が満たされていてもよい。
In the
従来、生体内部の深さ方向における異なる場所での吸収係数または散乱係数などの情報を区別して検出するために、ストリークカメラが使用されていた。例えば、特開平4−189349は、そのようなストリークカメラの一例を開示している。これらのストリークカメラでは、所望の空間分解能で計測するために、パルス幅がフェムト秒またはピコ秒の極超短パルス光が用いられていた。 Conventionally, a streak camera has been used to distinguish and detect information such as an absorption coefficient or a scattering coefficient at different places in a depth direction inside a living body. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-189349 discloses an example of such a streak camera. In these streak cameras, ultra-short pulse light with a pulse width of femtoseconds or picoseconds has been used in order to measure at a desired spatial resolution.
これに対し、本実施形態における生体計測装置100は、表面反射成分I1と内部散乱成分I2とを区別して検出することができる。したがって、光源20から出射されるパルス光は、極超短パルス光である必要はなく、パルス幅を任意に選択することができる。
On the other hand, the
脳血流を計測するために額を光で照射する場合、内部散乱成分I2の光量は、表面反射成分I1の光量の数千分の1から数万分の1程度の非常に小さい値になり得る。さらに、レーザの安全基準を考慮すると、照射できる光の光量は、極めて小さくなる。したがって、内部散乱成分I2の検出は非常に難しくなる。その場合でも、光源20が、比較的パルス幅の大きいパルス光を出射すれば、時間遅れを伴う内部散乱成分I2の積算量を増加させることができる。それにより、検出光量を増やし、SN比を向上させることができる。
When irradiating the forehead with light to measure cerebral blood flow, the light amount of the internal scattering component I2 becomes a very small value of about one thousandth to several tens of thousands of the light amount of the surface reflection component I1. obtain. Further, in consideration of laser safety standards, the amount of light that can be irradiated is extremely small. Therefore, it becomes very difficult to detect the internal scattering component I2. Even in such a case, if the
光源20は、例えばパルス幅が3ns以上のパルス光を出射する。一般に、脳などの生体組織内で散乱された光の時間的な広がりは4ns程度である。図1Bは、光検出器30に到達する光の強度の時間変化の例を示す図である。図1Bに示す例では、光源20から出射される入力パルス光の幅は、0ns、3ns、および10nsである。図1Bに示すように、光源20からのパルス光の幅を広げるにつれて、ユーザ10から戻ったパルス光の後端部に現れる内部散乱成分I2の光量が増加する。図1Cは、入力パルス光の幅を横軸に、光検出器30での検出光量を縦軸に表した図である。光検出器30は、電子シャッタを備える。図1Cの結果は、パルス光の後端がユーザ10の表面で反射されて光検出器30に到達した時刻から1ns経過した後に電子シャッタを開いた条件で得られた。この条件を選択した理由は、パルス光の後端が到達した直後は、内部散乱成分I2と比較して、表面反射成分I1の比率が高いためである。図1Cに示すように、光源20から出射されるパルス光のパルス幅を3ns以上にすると、検出光量を最大化することができる。
The
光源20は、パルス幅5ns以上、さらには10ns以上のパルス光を出射してもよい。一方、パルス幅が大きすぎても使用しない光が増えて無駄となる。このため、光源20は、例えば、パルス幅50ns以下のパルス光を出射する。または、光源20は、パルス幅30ns以下、さらには20ns以下のパルス光を出射してもよい。
The
光源20の照射パターンは、例えば、照射領域内において、均一な強度分布をもつパターンであってもよい。この点で、本実施形態は、例えば特開平11-164826号公報に開示された従来の生体計測装置とは異なる。特開平11−164826号公報に開示された装置では、検出器と光源とを3cm程度離し、表面反射成分が、空間的に内部散乱成分から分離される。このため、離散的な光照射とせざるを得ない。これに対し、本実施形態における生体計測装置100は、表面反射成分I1を時間的に内部散乱成分I2から分離して低減することができる。このため、均一な強度分布を有する照射パターンの光源20を用いることができる。均一な強度分布を有する照射パターンは、光源20から出射される光を拡散板で拡散することによって形成してもよい。
The irradiation pattern of the
本実施形態では、従来技術とは異なり、ユーザ10の照射点直下でも、内部散乱成分I2を検出することができる。ユーザ10を空間的に広い範囲にわたって光で照射することにより、計測解像度を高めることもできる。
In the present embodiment, unlike the related art, the internal scattering component I2 can be detected even immediately below the irradiation point of the
[1−2.光検出器30]
光検出器30は、光源20から出射され、ユーザ10の被検部10tから戻ってきた光の少なくとも一部を検出して信号を出力する。当該信号は、例えば、反射パルス光のうち、立ち上り期間の少なくとも一部に含まれる強度に応じた信号、または、立ち下り期間の少なくとも一部に含まれる強度に応じた信号である。当該信号を「第2の信号」と称する。
[1-2. Photodetector 30]
The
光検出器30は、複数の光電変換素子32と、複数の電荷蓄積部34とを含む。具体的には、光検出器30は、2次元に配置された複数の光検出セルを備え、ユーザ10の2次元情報を一度に取得する。本明細書において、光検出セルを「画素」とも称する。光検出器30は、例えば、CCDイメージセンサまたはCMOSイメージセンサなどの任意の撮像素子である。より一般的には、光検出器30は、少なくとも1つの光電変換素子32と、少なくとも1つの電荷蓄積部34とを含む。
The
光検出器30は、電子シャッタを備える。電子シャッタは、撮像のタイミングを制御する回路である。本実施形態では、制御回路60でのセンサ制御部62が、電子シャッタの機能を有する。電子シャッタは、受光した光を有効な電気信号に変換して蓄積する1回の信号蓄積の期間と、信号蓄積を停止する期間とを制御する。信号蓄積期間は、「露光期間」または「撮影期間」と称することもできる。以下の説明では、露光期間の幅を、「シャッタ幅」と称することがある。1回の露光期間が終了し次の露光期間が開始するまでの時間を、「非露光期間」と称することがある。以下、露光している状態を「OPEN」、露光を停止している状態を「CLOSE」と称することがある。
The
光検出器30は、電子シャッタにより、露光期間および非露光期間を、サブナノ秒、例えば、30psから1nsの範囲で調整することができる。距離の計測が目的である従来のTOFカメラは、被写体の明るさの影響を補正するため、光源20から出射され被写体で反射されて戻ってきた光の全てを検出する。したがって、従来のTOFカメラでは、シャッタ幅が光のパルス幅よりも大きい必要があった。これに対し、本実施形態における生体計測装置100では、被写体の光量を補正する必要がない。このため、シャッタ幅がパルス幅よりも大きい必要はない。したがって、シャッタ幅を、例えば、1ns以上30ns以下の値に設定することができる。本実施形態における生体計測装置100によれば、シャッタ幅を縮小できるため、検出信号に含まれる暗電流の影響を低減することができる。
The
ユーザ10の額を光で照射して脳血流などの情報を検出する場合、内部での光の減衰率が非常に大きい。例えば、入射光に対して出射光が、100万分の1程度にまで減衰し得る。このため、内部散乱成分I2を検出するには、1パルスの照射だけでは光量が不足する場合がある。レーザ安全性基準のクラス1での照射では、特に光量が微弱である。この場合、光源20がパルス光を複数回出射し、それに応じて光検出器30も電子シャッタによって複数回露光することにより、検出信号を積算して感度を向上することができる。
When illuminating the forehead of the
以下、光検出器30の構成例を説明する。
Hereinafter, a configuration example of the
光検出器30は、撮像面上に2次元的に配列された複数の画素を備え得る。各画素は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子と、1つまたは複数の電荷蓄積部とを備え得る。以下、各画素が、光電変換によって受光量に応じた信号電荷を発生させる光電変換素子と、パルス光の表面反射成分I1によって生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積部と、パルス光の内部散乱成分I2によって生じた信号電荷を蓄積する電荷蓄積部とを備える例を説明する。以下の例では、制御回路60は、光検出器30に、ユーザ1の頭部から戻ってきたパルス光中の立ち下り開始前の部分を検出させることにより、表面反射成分I1を検出させる。制御回路60はまた、光検出器30に、ユーザ1の頭部から戻ってきたパルス光中の立ち下り開始後の部分を検出させることにより、内部散乱成分I2を検出させる。光源20は2種類の波長の光を出射する。
The
図1Dは、光検出器30の1つの画素201の概略的な構成の例を示す図である。なお、図1Dは、1つの画素201の構成を模式的に示しており、実際の構造を必ずしも反映していない。この例における画素201は、光電変換を行うフォトダイオード203と、電荷蓄積部である第1の浮遊拡散層(Floating Diffusion:FD)204、第2の浮遊拡散層205、第3の浮遊拡散層206、および第4の浮遊拡散層207と、信号電荷を排出するドレイン202とを含む。
FIG. 1D is a diagram illustrating an example of a schematic configuration of one
1回のパルス光の出射に起因して各画素に入射したフォトンは、フォトダイオード203によって信号電荷である信号エレクトロンに変換される。変換された信号エレクトロンは、制御回路60から入力される制御信号に従って、ドレイン202に排出されるか、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207のいずれかに振り分けられる。
Photons that have entered each pixel due to one pulsed light emission are converted by the
光源20からのパルス光の出射と、第1の浮遊拡散層(FD1)204、第2の浮遊拡散層(FD2)205、第3の浮遊拡散層(FD3)206、および第4の浮遊拡散層(FD4)207への信号電荷の蓄積と、ドレイン202への信号電荷の排出が、この順序で繰り返し行われる。この繰り返し動作は高速であり、例えば動画像の1フレームの時間内に数万回から数億回繰り返され得る。1フレームの時間は、例えば約1/30秒である。画素201は、最終的に、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207に蓄積された信号電荷に基づく4つの画像信号を生成して出力する。
The emission of the pulse light from the
この例における制御回路60は、光源20に、第1の波長を有する第1のパルス光と、第2の波長を有する第2のパルス光とを、順に繰り返し出射させる。第1の波長および第2の波長として、ユーザ10の内部組織での吸収率が異なる2波長を選択することにより、ユーザ10の状態を分析することができる。例えば、第1の波長として805nmよりも長い波長を選択し、第2の波長として805nmよりも短い波長を選択してもよい。これにより、ユーザ10の血液中の酸素化ヘモグロビン濃度および脱酸素化ヘモグロビン濃度のそれぞれの変化を検出することが可能になる。
The
制御回路60は、まず、光源20に、第1のパルス光を出射させる。制御回路60は、第1のパルス光の表面反射成分I1がフォトダイオード203に入射している第1の期間に、第1の浮遊拡散層204に信号電荷を蓄積させる。続いて、制御回路60は、第1のパルス光の内部散乱成分I2がフォトダイオード203に入射している第2の期間に、第2の浮遊拡散層205に信号電荷を蓄積させる。次に、制御回路60は、光源20に、第2のパルス光を出射させる。制御回路60は、第2のパルス光の表面反射成分I1がフォトダイオード203に入射している第3の期間に、第3の浮遊拡散層206に信号電荷を蓄積させる。続いて、制御回路60は、第2のパルス光の内部散乱成分I2がフォトダイオード203に入射している第4の期間に、第4の浮遊拡散層207に信号電荷を蓄積させる。
The
このように、制御回路60は、第1のパルス光の出射を開始した後、所定の時間差を空けて、第1の浮遊拡散層204および第2の浮遊拡散層205に、フォトダイオード203からの信号電荷を順次蓄積させる。その後、制御回路60は、第2のパルス光の出射を開始した後、上記所定の時間差を空けて、第3の浮遊拡散層206および第4の浮遊拡散層207に、フォトダイオード203からの信号電荷を順次蓄積させる。以上の動作が、複数回繰り返される。外乱光および環境光の光量を推定するために、光源20を消灯した状態で、不図示の他の浮遊拡散層に信号電荷を蓄積する期間を設けてもよい。第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の信号電荷量から、上記他の浮遊拡散層の信号電荷量を差し引くことにより、外乱光および環境光成分を除去した信号を得ることができる。
As described above, after starting emission of the first pulsed light, the
なお、本実施形態では、電荷蓄積部の数を4としているが、目的に応じて2以上の複数の数に設計してよい。例えば、1種類の波長のみを用いる場合には、電荷蓄積部の数は2であってよい。また、使用する波長が1種類であり、表面反射成分I1が検出されない用途では、画素ごとの電荷蓄積部の数は1であってもよい。また、2種類以上の波長を用いる場合であっても、それぞれの波長を用いた撮像を別のフレームで行えば、電荷蓄積部の数は1であってもよい。また、後述するように、表面反射成分I1の検出と内部散乱成分I2の検出とをそれぞれ別のフレームで行えば、電荷蓄積部の数は1であってもよい。 In the present embodiment, the number of charge storage units is four, but it may be designed to be two or more according to the purpose. For example, when only one type of wavelength is used, the number of charge storage units may be two. Further, in a case where only one wavelength is used and the surface reflection component I1 is not detected, the number of charge storage units for each pixel may be one. Further, even when two or more wavelengths are used, the number of charge storage units may be one if imaging using each wavelength is performed in another frame. Further, as will be described later, if the detection of the surface reflection component I1 and the detection of the internal scattering component I2 are performed in different frames, the number of charge storage units may be one.
図1Eは、光検出器30の構成の一例を示す図である。図1Eにおいて、二点鎖線の枠によって囲まれた領域が1つの画素201に相当する。画素201には1つのフォトダイオードが含まれる。図1Eでは2行2列に配列された4画素のみを示しているが、実際にはさらに多数の画素が配置され得る。画素201は、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の4つを含む。第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の4つに蓄積される信号は、あたかも一般的なCMOSイメージセンサの4画素の信号のように取り扱われ、光検出器30から出力される。
FIG. 1E is a diagram illustrating an example of the configuration of the
各画素201は、4つの信号検出回路を有する。各信号検出回路は、ソースフォロワトランジスタ309と、行選択トランジスタ308と、リセットトランジスタ310とを含む。この例では、リセットトランジスタ310が図1Dに示すドレイン202に対応し、リセットトランジスタ310のゲートに入力されるパルスが前述のドレイン排出パルスに対応する。各トランジスタは、例えば半導体基板に形成された電界効果トランジスタであるが、これに限定されない。図示されるように、ソースフォロワトランジスタ309の入力端子および出力端子の一方と、行選択トランジスタ308の入力端子および出力端子のうちの一方とが接続されている。ソースフォロワトランジスタ309の入力端子および出力端子の上記一方は、典型的にはソースである。行選択トランジスタ308の入力端子および出力端子の上記一方は、典型的にはドレインである。ソースフォロワトランジスタ309の制御端子であるゲートは、フォトダイオード203に接続されている。フォトダイオード203によって生成された正孔または電子の信号電荷は、フォトダイオード203とソースフォロワトランジスタ309との間の電荷蓄積部である浮遊拡散層に蓄積される。
Each
図1Eには示されていないが、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207はフォトダイオード203に接続される。フォトダイオード203と、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の各々との間には、スイッチが設けられ得る。このスイッチは、制御回路60からの信号蓄積パルスに応じて、フォトダイオード203と第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の各々との間の導通状態を切り替える。これにより、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の各々への信号電荷の蓄積の開始と停止とが制御される。本実施形態における電子シャッタは、このような露光制御のための機構を有する。
Although not shown in FIG. 1E, the first to fourth floating diffusion layers 204 to 207 are connected to the
第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207に蓄積された信号電荷は、行選択回路302によって行選択トランジスタ308のゲートがONにされることにより、読み出される。この際、第1の浮遊拡散層204から第4の浮遊拡散層207の信号電位に応じて、ソースフォロワ電源305からソースフォロワトランジスタ309およびソースフォロワ負荷306へ流入する電流が増幅される。垂直信号線304から読み出されるこの電流によるアナログ信号は、列ごとに接続されたアナログ−デジタル(AD)変換回路307によってデジタル信号データに変換される。このデジタル信号データは、列選択回路303によって列ごとに読み出され、光検出器30から出力される。行選択回路302および列選択回路303は、1つの行の読出しを行った後、次の行の読み出しを行い、以下同様に、全ての行の浮遊拡散層の信号電荷の情報を読み出す。制御回路60は、全ての信号電荷を読み出した後、リセットトランジスタ310のゲートをオンにすることにより、全ての浮遊拡散層をリセットする。これにより、1つのフレームの撮像が完了する。以下同様に、フレームの高速撮像を繰り返すことにより、光検出器30による一連のフレームの撮像が完結する。
The signal charges stored in the first floating
本実施形態では、CMOS型の光検出器30の例を説明したが、光検出器30は他の種類の撮像素子であってもよい。光検出器30は、例えば、CCD型であっても、単一光子計数型素子であっても、EMCCDまたはICCDなどの増幅型イメージセンサであっても構わない。
In this embodiment, the example of the
図1Fは、本実施形態における1フレーム内の動作の例を示す図である。図1Fに示すように、1フレーム内で、第1のパルス光の出射と第2のパルス光の出射とを交互に複数回切り替えてもよい。このようにすると、2種類の波長による検出画像の取得タイミングの時間差を低減でき、動きがあるユーザ10であっても、ほぼ同時に第1のパルス光および第2のパルス光による撮影が可能である。
FIG. 1F is a diagram illustrating an example of an operation within one frame according to the present embodiment. As shown in FIG. 1F, the emission of the first pulse light and the emission of the second pulse light may be alternately switched a plurality of times within one frame. In this way, the time difference between the acquisition timings of the detected images based on the two wavelengths can be reduced, and even the
本実施形態では、光検出器30は、パルス光の表面反射成分I1および/または内部散乱成分I2を検出することができる。表面反射成分I1の時間的または空間的な変化から、ユーザ10の第1の生体情報を取得することができる。第1の生体情報は、例えば、ユーザ10の脈拍であり得る。一方、内部散乱成分I2の時間的または空間的な変化から、ユーザ10の第2の生体情報である脳活動情報を取得することができる。
In the present embodiment, the
第1の生体情報は、表面反射成分I1を検出する方法とは異なる方法によって取得してもよい。例えば、光検出器30とは異なる他の種類の検出器を利用して、第1の生体情報を取得してもよい。その場合、光検出器30は、内部散乱成分I2のみを検出する。他の種類の検出器は、例えばレーダまたはサーモグラフィであってもよい。第1の生体情報は、例えば、ユーザ10の脈拍、発汗、呼吸、および体温からなる群から選択される少なくとも1つであり得る。第1の生体情報は、ユーザ10の頭部に照射されたパルス光の内部散乱成分I2を検出することにより得られる脳活動情報以外の生体情報である。ここで、「脳活動情報以外」とは、第1の生体情報中に脳活動に起因する情報が一切含まれないことを意味するものではない。第1の生体情報は、脳活動とは別の生体活動に起因する生体情報が含まれている。第1の生体情報は、例えば、自律的または反射的な生体活動に起因する生体情報である。
The first biological information may be obtained by a method different from the method of detecting the surface reflection component I1. For example, the first biological information may be obtained by using another type of detector different from the
[1−3.制御回路60および信号処理回路70]
制御回路60は、光源20のパルス光の出射タイミングと、光検出器30のシャッタタイミングとの時間差を調整する。光源20の「出射タイミング」とは、光源20から出射されるパルス光が立ち上りを開始するタイミングである。「シャッタタイミング」とは、露光を開始するタイミングである。制御回路60は、出射タイミングを変化させて時間差を調整してもよいし、シャッタタイミングを変化させて時間差を調整してもよい。
[1-3.
The
制御回路60は、光検出器30の各画素によって検出された信号からオフセット成分を取り除くように構成されてもよい。オフセット成分は、太陽光もしくは蛍光灯などの環境光、または外乱光による信号成分である。光源20の駆動をOFFにして光源20から光が出射されない状態で、光検出器30によって信号を検出することにより、環境光または外乱光によるオフセット成分が見積もられる。
The
制御回路60は、例えばプロセッサおよびメモリの組み合わせ、またはプロセッサおよびメモリを内蔵するマイクロコントローラなどの集積回路であり得る。制御回路60は、例えばプロセッサがメモリに記録されたプログラムを実行することにより、例えば出射タイミングとシャッタタイミングとの調整、オフセット成分の見積り、およびオフセット成分の除去を行う。
The
信号処理回路70は、光検出器30から出力された画像信号を処理する回路である。信号処理回路70は、画像処理などの演算処理を行う。信号処理回路70は、例えばデジタルシグナルプロセッサ(DSP)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)などのプログラマブルロジックデバイス(PLD)、または中央演算処理装置(CPU)もしくは画像処理用演算プロセッサ(GPU)とコンピュータプログラムとの組み合わせによって実現され得る。なお、制御回路60および信号処理回路70は、統合された1つの回路であってもよいし、分離された個別の回路であってもよい。また、信号処理回路70は、例えば遠隔地に設けられたサーバなどの外部の装置の構成要素であってもよい。この場合、サーバなどの外部の装置は、無線通信または有線通信により、光源20、光検出器30、および制御回路60と相互にデータの送受信を行う。
The
本実施形態における信号処理回路70は、光検出器30から出力された信号に基づき、皮膚表面の血流および脳血流の時間変化を示す動画像データを生成することができる。信号処理回路70は、そのような動画像データに限らず、他の情報を生成してもよい。例えば、他の機器と同期させることにより、脳における血流量、血圧、血中酸素飽和度、または心拍数などの生体情報を生成してもよい。
The
脳血流量またはヘモグロビンなどの血液内成分の変化と、人間の神経活動との間には密接な関係があることが知られている。例えば、人間の感情の変化に応じて神経細胞の活動が変化することにより、脳血流量または血液内の成分が変化する。したがって、脳血流量または血液内成分の変化などの生体情報を計測できれば、ユーザ10の心理状態を推定することができる。ユーザ10の心理状態とは、例えば、気分、感情、健康状態、または温度感覚を意味する。気分は、例えば、快、または不快である。感情は、例えば、安心、不安、悲しみ、または憤りである。健康状態は、例えば、元気、または倦怠である。温度感覚は、例えば、暑い、寒い、または蒸し暑いである。また、これに派生して、脳活動の程度を表す指標、例えば熟練度、習熟度、および集中度なども心理状態に含まれる。信号処理回路70は、脳血流量などの変化に基づいて、ユーザ10の集中度などの心理状態を推定して、推定結果を示す信号を出力してもよい。
It is known that there is a close relationship between changes in blood components such as cerebral blood flow or hemoglobin and human neural activity. For example, cerebral blood flow or a component in blood changes as the activity of nerve cells changes in response to changes in human emotions. Therefore, if biological information such as changes in cerebral blood flow or blood components can be measured, the psychological state of the
図1Gは、制御回路60による光源20および光検出器30に関する動作の概略を示すフローチャートである。制御回路60は、概略的には図1Gに示す動作を実行する。なお、ここでは内部散乱成分I2の検出のみを行う場合の動作を説明する。ステップS101では、制御回路60は、まず、光源20に所定時間だけパルス光を出射させる。このとき、光検出器30の電子シャッタは露光を停止した状態にある。制御回路60は、パルス光の一部がユーザ10の表面で反射されて光検出器30に到達する期間が完了するまで、電子シャッタに露光を停止させる。次に、ステップS102では、制御回路60は、当該パルス光の他の一部がユーザ10の内部を散乱して光検出器30に到達するタイミングで、電子シャッタに露光を開始させる。所定時間経過後、ステップS103では、制御回路60は、電子シャッタに露光を停止させる。続いて、ステップS104では、制御回路60は、上記の信号蓄積を実行した回数が所定の回数に達したか否かを判定する。ステップS104での判定がNoの場合、Yesと判定するまで、ステップS101からステップS103が繰り返される。ステップS104での判定がYesの場合、ステップS105では、制御回路60は、各浮遊拡散層に蓄積された信号電荷に基づく画像を示す信号を光検出器30に生成させて出力させる。
FIG. 1G is a flowchart showing an outline of the operation of the
以上の動作により、計測対象の内部で散乱された光の成分を高い感度で検出することができる。なお、複数回の光出射および露光は必須ではなく、必要に応じて行われる。 With the above operation, the light component scattered inside the measurement target can be detected with high sensitivity. Note that light emission and exposure a plurality of times are not essential, and are performed as necessary.
[1−4.その他]
生体計測装置100は、ユーザ10の2次元像を光検出器30の受光面上に形成する結像光学系を備えてもよい。結像光学系の光軸は、光検出器30の受光面に略直交する。結像光学系は、ズームレンズを含んでいてもよい。ズームレンズの位置が変化するとユーザ10の2次元像の拡大率が変更し、光検出器30上の2次元像の解像度が変化する。したがって、ユーザ10までの距離が遠くても、所望の計測領域を拡大して詳細に観察することが可能になる。
[1-4. Others]
The
また、生体計測装置100は、ユーザ10と光検出器30との間に、光源20から出射される波長帯域の光、またはその近傍の光のみを通過させる帯域通過フィルタを備えてもよい。これにより、環境光などの外乱成分の影響を低減することができる。帯域通過フィルタは、多層膜フィルタまたは吸収フィルタによって構成される。光源20の温度およびフィルタへの斜入射に伴う帯域シフトを考慮して、帯域通過フィルタの帯域幅は、20〜100nm程度の幅を持たせてもよい。
In addition, the
また、生体計測装置100は、光源20とユーザ10との間、および光検出器30とユーザ10との間に、それぞれ偏光板を備えてもよい。この場合、光源20側に配置される偏光板と、光検出器30側に配置される偏光板との偏光方向は、直交ニコルの関係である。これにより、ユーザ10の表面反射成分I1のうち正反射成分、すなわち入射角と反射角が同じ成分が光検出器30に到達することを防ぐことができる。つまり、表面反射成分I1が光検出器30に到達する光量を低減させることができる。
Further, the
[2.光源および光検出器の動作]
本実施形態における生体計測装置100は、表面反射成分I1と内部散乱成分I2とを区別して検出することができる。ユーザ10の被検部10tを額とした場合、検出したい内部散乱成分I2による信号強度は、非常に小さくなる。前述のように、レーザ安全基準を満たす非常に小さな光量の光が照射されることに加えて、頭皮、脳髄液、頭蓋骨、灰白質、白質および血流による光の散乱および吸収が大きいためである。さらに、脳活動時の血流量または血流内成分の変化による信号強度の変化は、さらに数十分の1の大きさに相当し非常に小さくなる。したがって、本実施形態では、撮像の際、検出したい信号成分の数千倍から数万倍である表面反射成分I1は、可能な限り除去される。
[2. Operation of light source and photodetector]
The
以下、本実施形態における生体計測装置100における光源20および光検出器30の動作の例を説明する。
Hereinafter, an example of the operation of the
図1Aに示すように、光源20がユーザ10をパルス光で照射すると、表面反射成分I1および内部散乱成分I2が発生する。表面反射成分I1および内部散乱成分I2はその一部が光検出器30に到達する。内部散乱成分I2は、光源20から出射して、光検出器30に到達するまでにユーザ10の内部を通過する。このため、内部散乱成分I2の光路長は、表面反射成分I1の光路長よりも長くなる。したがって、内部散乱成分I2が光検出器30に到達する時間は、表面反射成分I1が光検出器30に到達する時間よりも平均的に遅れる。
As shown in FIG. 1A, when the
図2は、光源20から矩形パルス光が出射され、ユーザ10から戻ってきた光が光検出器30に到達する光信号を表す図である。横軸は、(a)〜(d)ではいずれも時間(t)を表す。縦軸は、(a)〜(c)では強度を表し、(d)では電子シャッタのOPENまたはCLOSEの状態を表す。(a)は、表面反射成分I1を示す。(b)は、内部散乱成分I2を示す。(c)は、(a)に示す表面反射成分I1、および(b)に示す内部散乱成分I2の合算成分を示す。(a)に示すように、表面反射成分I1は矩形を維持する。一方、(b)に示すように、内部散乱成分I2は、さまざまな光路長を経た光の合算である。このため、(b)は、パルス光の後端が尾を引いたような特性を示す。言い換えれば、内部散乱成分I2の立ち下がり期間は、表面反射成分I1の立ち下がり期間よりもが長くなる。(c)の光信号から内部散乱成分I2の割合を高めて抽出するために、(d)に示す通り、表面反射成分I1の後端以降に、電子シャッタの露光が開始される。後端以降とは、表面反射成分I1が立ち下がった時またはその後を意味する。このシャッタタイミングは、制御回路60によって調整される。前述したとおり、本開示の生体計測装置100は、表面反射成分I1と、対象の深部に到達した内部散乱成分I2とを区別して検出する。このため、出射パルス幅およびシャッタ幅は任意である。したがって、従来のストリークカメラを使用した方法と異なり、簡便な構成により、コストを大幅に低下させることができる。
FIG. 2 is a diagram illustrating an optical signal in which rectangular pulse light is emitted from the
図2における(a)では、表面反射成分I1の後端が垂直に立ち下がっている。言い換えると、表面反射成分I1が立ち下りを開始してから終了するまでの時間がゼロである。しかし、現実的には光源20が照射するパルス光自体が完全な垂直でない場合、ユーザ10の表面に微細な凹凸がある場合、表皮内での散乱により、表面反射成分I1の後端が垂直に立ち下がらない場合がある。また、ユーザ10は不透明な物体であることから、表面反射成分I1の光量は、内部散乱成分I2の光量よりも非常に大きくなる。したがって、表面反射成分I1の後端が垂直な立ち下り位置からわずかにはみ出した場合であっても、内部散乱成分I2が埋もれてしまう可能性がある。また、電子シャッタの読み出し期間中に、電子移動に伴う時間遅れが発生し得る。このため、図2の(d)に示すような理想的なバイナリの読み出しを実現できないことがある。したがって、制御回路60は、電子シャッタのシャッタタイミングを表面反射成分I1の立ち下り直後よりやや遅らせてもよい。例えば、0.5nsから5ns程度遅らせてもよい。なお、電子シャッタのシャッタタイミングを調整する代わりに、制御回路60は、光源20の出射タイミングを調整してもよい。制御回路60は、電子シャッタのシャッタタイミングと光源20の出射タイミングとの時間差を調整する。非接触で脳活動時の血流量または血流内成分の変化を計測する場合は、あまりにもシャッタタイミングを遅らせすぎると、もともと小さい内部散乱成分I2がさらに減少してしまう。このため、表面反射成分I1の後端近傍にシャッタタイミングを留めておいてもよい。ユーザ10の散乱による時間遅れは、4nsである。したがって、シャッタイミングの最大の遅らせ量は、4ns程度である。
In FIG. 2A, the rear end of the surface reflection component I1 falls vertically. In other words, the time from the start of the fall of the surface reflection component I1 to the end thereof is zero. However, in reality, when the pulsed light itself emitted from the
光源101から出射された複数のパルス光の各々を、同じ時間差のシャッタタイミングで露光してもよい。これにより、内部散乱成分I2の検出光量が増幅される。 Each of the plurality of pulsed lights emitted from the light source 101 may be exposed at the same time difference in shutter timing. Thereby, the detected light amount of the internal scattering component I2 is amplified.
なお、ユーザ10と光検出器30の間に帯域通過フィルタを配置することに替えて、またはそれに加えて、制御回路60が、光源20に光を出射させない状態で、同じ露光時間で撮影することによってオフセット成分を見積もってもよい。見積もったオフセット成分は、光検出器30の各画素によって検出された信号から差分除去される。これにより、光検出器30上で発生する暗電流成分を除去することができる。
Instead of, or in addition to, disposing a band-pass filter between the
内部散乱成分I2には、ユーザ10の内部特性情報、例えば、脳血流情報が含まれる。ユーザ10の脳血流量の時間的な変動に応じて、血液に吸収される光の量が変化する。その結果、光検出器30による検出光量も、相応に増減する。したがって、内部散乱成分I2をモニタリングすることにより、ユーザ10の脳血流量の変化から脳活動状態を推定することが可能になる。
The internal scattering component I2 includes internal characteristic information of the
次に、表面反射成分I1の検出方法の例を説明する。表面反射成分I1には、ユーザ10の表面特性情報、例えば、顔および頭皮の血流情報が含まれる。光検出器30は、光源20から出射されるパルス光がユーザ10に到達し、再び光検出器30に戻る光信号のうち、表面反射成分I1を検出する。
Next, an example of a method for detecting the surface reflection component I1 will be described. The surface reflection component I1 includes surface characteristic information of the
図3Aは、表面反射成分I1を検出する場合のタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。表面反射成分I1の検出のために、例えば、図3Aに示すように、パルス光が光検出器30に到達する前にシャッタをOPENにし、パルス光の後端が到達するよりも前にシャッタをCLOSEにしてもよい。このようにシャッタを制御することにより、内部散乱成分I2の混入を少なくすることができる。その結果、ユーザ10の表面近傍を通過した光の割合を大きくすることができる。シャッタCLOSEのタイミングを、光検出器30への光の到達直後にしてもよい。これにより、光路長が比較的短い表面反射成分I1の割合を高めた信号検出が可能になる。表面反射成分I1の信号を取得することにより、ユーザ10の脈拍、または顔血流の酸素化度を検出することも可能になる。他の表面反射成分I1の取得方法として、光検出器30がパルス光全体を取得したり、光源20から出射された連続光を検出したりしてもよい。
FIG. 3A is a diagram schematically illustrating an example of a timing chart when the surface reflection component I1 is detected. To detect the surface reflection component I1, for example, as shown in FIG. 3A, the shutter is opened before the pulse light reaches the
図3Bは、内部散乱成分I2を検出する場合のタイミングチャートの一例を模式的に示す図である。パルスの後端部分が光検出器30に到達する期間にシャッタをOPENにすることにより、内部散乱成分I2の信号を取得することができる。
FIG. 3B is a diagram schematically illustrating an example of a timing chart when the internal scattering component I2 is detected. The signal of the internal scattering component I2 can be obtained by setting the shutter to OPEN during the period when the rear end portion of the pulse reaches the
図3Bに示す動作をまとめると、制御回路60は、以下の動作を行う。制御回路60は、光源20に、1つ以上のパルス光を出射させる。制御回路60は、光検出器30に、ユーザ10の被検部10tから戻ってきた各パルス光のうち、各パルス光の立ち下がり期間に含まれる成分を検出させる。当該成分は、内部散乱成分I2を含む。制御回路60は、光検出器30に、当該検出によって得られる信号を出力させる。信号処理回路70は、当該信号に基づいて、ユーザ10の脳活動の状態を示す信号を生成する。
To summarize the operation shown in FIG. 3B, the
表面反射成分I1を、内部散乱成分I2を取得する生体計測装置100以外の装置によって検出してもよい。内部散乱成分I2を取得する装置とは別の装置、または脈波計もしくはドップラ血流計といった別デバイスを用いてもよい。その場合、当該別デバイスは、デバイス間のタイミング同期、光の干渉、および検出箇所の合わせこみを考慮して使用される。本実施形態のように、同一カメラまたは同一センサによる時分割撮像を行えば、時間的および空間的なずれが発生しにくい。同一のセンサによって表面反射成分I1および内部散乱成分I2の両方の信号を取得する場合、図3Aおよび図3Bに示すように、1フレームごとに取得する成分を切り替えてもよい。あるいは、図1Dから図1Fを参照して説明したように、1フレーム内で高速に取得する成分を交互に切り替えてもよい。その場合、表面反射成分I1と内部散乱成分I2との検出時間差を低減することができる。
The surface reflection component I1 may be detected by a device other than the
さらに、表面反射成分I1および内部散乱成分I2のそれぞれの信号を、2つの波長の光を用いて取得してもよい。例えば、750nmおよび850nmの2波長のパルス光を利用してもよい。これにより、それぞれの波長での検出光量の変化から、酸素化ヘモグロビンの濃度変化および脱酸素化ヘモグロビンの濃度変化を算出することができる。表面反射成分I1および内部散乱成分I2を、それぞれ2波長で取得する場合、例えば図1Dから図1Fを参照して説明したように、4種類の電荷蓄積を1フレーム内で高速に切り替える方法が利用され得る。そのような方法により、検出信号の時間的なずれを低減することができる。 Further, the signals of the surface reflection component I1 and the internal scattering component I2 may be acquired using light of two wavelengths. For example, pulsed light having two wavelengths of 750 nm and 850 nm may be used. Thereby, the change in the concentration of oxygenated hemoglobin and the change in the concentration of deoxygenated hemoglobin can be calculated from the change in the detected light amount at each wavelength. When the surface reflection component I1 and the internal scattering component I2 are acquired at two wavelengths, for example, as described with reference to FIGS. 1D to 1F, a method of rapidly switching four types of charge accumulation in one frame is used. Can be done. With such a method, the time lag of the detection signal can be reduced.
生体計測装置100は、ユーザ10の額に向けてパルス状の近赤外光または可視光を出射し、表面反射成分I1の時間的変化から、頭皮または顔の酸素化ヘモグロビン量の変化または脈拍を検出することができる。光源20は、表面反射成分I1を取得するために、近赤外光または可視光を出射する。近赤外光であれば昼夜問わず、計測が可能である。脈拍を計測する場合、より感度が高い可視光を用いてもよい。日中であれば外乱光である日射または室内光源を照明代わりに使用してもよい。光量が不足する場合は、専用の光源で補強してもよい。内部散乱成分I2は、脳まで到達した光成分を含む。内部散乱成分I2の時間変化を計測することにより、脳血流の時間的な増減を計測することができる。
The
脳まで到達した光は、頭皮および顔表面も通過する。このため、頭皮および顔の血流の変動も重畳されて検出される。その影響を除去または低減するために、信号処理回路70は、光検出器30によって検出された内部散乱成分I2から表面反射成分I1を減算する処理を行ってもよい。これにより、頭皮および顔の血流情報を除いた純粋な脳血流情報を取得することができる。減算方法には、例えば、内部散乱成分I2の信号から、光路長差を考慮して決定された1以上のある係数を表面反射成分I1の信号に掛けた値を減算する方法が用いられ得る。この係数は、例えば、一般的な人の頭部光学定数の平均値に基づいて、シミュレーションまたは実験によって算出され得る。このような減算処理は、同一のカメラまたはセンサにより、同一の波長の光を用いて計測する場合に容易に行うことができる。これは、時間的および空間的なずれを低減しやすく、内部散乱成分I2に含まれる頭皮血流成分と、表面反射成分I1の特性とを一致させやすいことに起因する。
Light that reaches the brain also passes through the scalp and face surface. For this reason, fluctuations in blood flow of the scalp and face are also detected in a superimposed manner. In order to remove or reduce the influence, the
脳と頭皮との間には頭蓋骨が存在する。このため、脳血流の2次元分布と、頭皮および顔の血流の2次元分布とは独立である。したがって、光検出器30によって検出される信号に基づいて、内部散乱成分I2の2次元分布と表面反射成分I1の2次元分布とを、独立成分分析または主成分分析などの統計手法を用いて分離してもよい。
There is a skull between the brain and the scalp. Therefore, the two-dimensional distribution of cerebral blood flow and the two-dimensional distribution of scalp and facial blood flow are independent. Therefore, based on the signal detected by the
[3.計測動作中の時間差の決定]
図1Aに示す例において、計測動作中に、ユーザ10が座席12の位置および/または角度を調整すると、ユーザ10の被検部10tと光検出器30との距離が変化し得る。以下の説明において、ユーザ10の被検部10tの中心と、光検出器30の受光面の中心との距離を「計測距離」と称する。当該計測距離の変化を考慮せず計測すると、表面反射成分I1および内部散乱成分I2の計測精度が低下し得る。
[3. Determination of time difference during measurement operation]
In the example illustrated in FIG. 1A, if the
以下に、計測精度の低下を防ぐために、計測動作中に、光源20から出射された光が、ユーザ10の被検部10tで反射され、光検出器30が反射光を検出するまでの時間差を決定する方法の一例を説明する。
In the following, in order to prevent a decrease in measurement accuracy, a time difference until light emitted from the
本実施形態では、生体計測装置100の通常使用前に、制御回路60は、不図示のメモリに、時間差の初期値の候補を記録する。
In the present embodiment, before normal use of the
図4Aは、時間差の初期値の候補を記録する動作を示すフローチャートである。 FIG. 4A is a flowchart illustrating an operation of recording a candidate for an initial value of a time difference.
ステップS201では、ユーザ10が座席12に座る。
In step S201, the
ステップS202では、ユーザ10は、座席12の最適な位置および/または角度を調整する。本明細書では、座席12の位置および/または角度を、「座席設定」と称することがある。緊張度を計測する場合、最適な位置および/または角度は、ユーザ10が窮屈さを感じずにリラックスして座ることができる位置および/または角度である。何らかの作業中に集中度を計測する場合、最適な位置および/または角度は、ユーザ10が作業しやすい位置および/または角度である。
In step S202, the
ステップS203では、制御回路60は、座席12の最適な位置および/または角度を、基準位置および/または基準角度として、制御回路60が備える不図示のメモリに記録する。本明細書では、座席12の基準位置および/または基準角度を、「基準座席設定」と称することがある。座席センサ14は、位置センサおよび/または角度センサによって座席12の位置および/または角度を検出し、座席12の位置および/または角度を示す信号16を、無線通信または有線通信によって制御回路60の不図示のメモリに出力する。
In step S203, the
ステップS204では、制御回路60は、光源20から出射された光が、ユーザ10の被検部10tで反射され、光検出器30に入射するまでの時間差を、基準時間差として制御回路60の不図示のメモリに記録する。基準時間差は、以下のようにして算出される。ユーザ10の被検部10tと光検出器30との計測距離は、基準計測距離として、公知のTOF技術によって取得される。基準時間差は、基準計測距離の2倍である往復距離を空気中の光速c=3.0×108[m/秒]で割ることによって算出される。なお、基準時間差は、光検出器30が表面反射成分I1あるいは内部散乱成分I2を取得できるように調整された時間差であってもよい。この場合、光検出器30のシャッタタイミングを変化させながら複数回の検出を行い、光検出器30がパルス光の立ち上がり部分、あるいは立ち下がり部分を取得できるようにシャッタタイミングを調整し、光源20からのパルス光の出射から当該シャッタタイミングまでの時間差を基準時間差とする。制御回路60の不図示のメモリには、座席12の基準位置および/または基準角度と、基準時間差との関連を示すバックデータが記録される。表1は、当該バックデータの例を示す。当該バックデータは、座席12の基準位置および/または基準角度と、基準計測距離と、基準時間差とを含む。例えば、表1に示す(Xa、Ya;βa)は、後述する座席12の水平方向の位置Xa、座席12の鉛直方向の位置Ya、および座席12の背もたれ部12bの傾斜角度βaを含む基準座席設定を表す。表1に示す複数の基準時間差は、計測動作を開始する際の時間差の初期値の候補である。
In step S204, the
図4Bは、通常使用時での制御回路60の動作のフローチャートである。
FIG. 4B is a flowchart of the operation of the
ステップS301では、ユーザ10が、座席12に座る。ユーザ10は、座席12の位置および/または角度を、基準位置および/または基準角度に調整する。座席12は、ユーザ10の入力により、座席12の位置および/または角度を、基準位置および/または基準角度に調整する機能を有していてもよい。
In step S301, the
ステップS302では、座席センサ14は、信号16を出力して、座席12の基準位置および/または基準角度のデータを制御回路60に入力する。生体計測装置100は、不図示の入力装置を備えていてもよい。この場合、ユーザ10は、座席12の基準位置および/または基準角度を当該入力装置に入力する。
In step S302, the
ステップS303では、制御回路60は、入力された座席12の基準位置および/または基準角度と、不図示のメモリに予め記録された前述のバックデータとを参照して、記録された基準時間差を、時間差の初期値として設定する。このように、制御回路60は、計測動作を実行する前に、予め記録された、表1に示されるようなバックデータを参照して、時間差の初期値を設定する。
In step S303, the
ステップS304では、制御回路60は、計測動作を開始する。
In step S304, the
ステップS305では、制御回路60は、光源20にパルス光を出射させ、光検出器30に、反射パルス光を検出させる。この動作は、図3Aおよび図3Bに示すように、複数回繰り返されてもよい。
In step S305, the
ステップS306では、制御回路60は、光検出器30に、信号を出力させる。信号処理回路70は、光検出器30から出力された当該信号に基づいて、ユーザ10の生体情報を示す信号を生成して出力する。信号処理回路70によって生成および出力された当該信号を「第3の信号」と称する。ユーザ10の生体情報は、前述した第1の生体情報および/または第2の生体情報である。
In step S306, the
ステップS307では、制御回路60は、座席センサ14から出力される信号16に基づいて、ユーザ10が座席12の位置および/または角度を調整したか否かを判定する。
In step S307,
ステップS308では、ステップS307での判定がYesの場合、制御回路60は、計測距離と基準計測距離との差Δdが許容範囲内か否かを判定する。当該計測距離は、座席センサ14から出力される信号16を用いた演算によって算出される。算出方法については後述する。時間差の調整可能な最小単位が200[ピコ秒]である場合、上記の許容範囲は、|Δd|<3[cm]である。|Δd|=3[cm]のとき、2|Δd|=6[cm]の往復距離を空気中の光速で割った値が200[ピコ秒]だからである。Δd>0のとき、ユーザ10の被検部10tは、光検出器30から離れる。したがって、反射光パルスが光検出器30に入射する時間は遅くなる。Δd<0のとき、ユーザ10の被検部10tは、光検出器30に近づく。したがって、反射光パルスが光検出器30に入射する時間は早くなる。
In step S308, if the determination in step S307 is Yes, the
ステップS309では、ステップS308での判定がNoの場合、制御回路60は、時間差を変化させる。例えば、3[cm]≦|Δd|<6[cm]では、制御回路60は、光検出のタイミングを、Δd>0のとき200ピコ秒だけ遅らせ、Δd<0のとき200[ピコ秒]だけ早める。6[cm]≦|Δd|<9[cm]では、制御回路60は、光検出のタイミングを、Δd>0のとき400[ピコ秒]だけ遅らせ、Δd<0のとき400[ピコ秒]だけ早める。
In step S309, if the determination in step S308 is No, the
時間差の調整可能な最小単位がtmとして表され、許容範囲の上限が(ctm)/2=dmとして表され、自然数がnとして表される場合、ndm≦|Δd|<(n+1)dmでは、制御回路60は、時間差を、Δd>0のときntmだけ遅らせ、Δd<0のときntmだけ早める。
Adjustable minimum unit of the time difference is represented as t m, when the upper limit of the allowable range (ct m) / 2 = represented as d m, the natural numbers represented as n, nd m ≦ | Δd | <(n + 1 ) in d m, the
ステップS310では、制御回路60は、計測を終了するか否かを判定する。ステップS310での判定がNoの場合、再び、前述の動作が繰り返される。当該動作は、計測が行われるフレームの数だけ繰り返される。
In step S310,
なお、ステップS307での判定がYesの場合、ステップS310での判定の前に、またはステップS310での判定がNoの後に、制御回路60は、基準計測距離を、座席12の位置および/または角度の調整後の計測距離に変更してもよい。ユーザ10の姿勢は、経時的に変化し得るからである。
If the determination in step S307 is Yes, before the determination in step S310, or after the determination in step S310 is No, the
以上の制御回路60の動作をまとめると、以下のようになる。制御回路60は、座席12の座席センサ14から出力される信号16の変化に基づいて、時間差を変化させる。より具体的には、制御回路60は、光源20にパルス光を出射させ、光検出器30に信号を出力させる計測動作を繰り返す。制御回路60は、計測動作を行っている間、座席12の座席センサ14から出力される信号16の変化を検出したとき、時間差を変化させる。
The operation of the
次に、本実施形態における生体計測装置100の変形例を説明する。
Next, a modified example of the
図5は、本実施形態における生体計測システム100Sの変形例を模式的に示す図である。図5に示す例では、図1Aに示す例と異なり、生体計測装置100は、ユーザ10を認証する認証センサ40をさらに備える。制御回路60は、認証センサ40を制御する認証制御部63をさらに備える。認証センサ40は、例えば、ユーザの顔を撮影するイメージセンサと、イメージセンサによって取得された顔画像のデータを処理する処理回路とを備え得る。光検出器30がイメージセンサを含む場合、そのイメージセンサを認証センサ40の一部として利用してもよい。認証センサ40は、顔画像以外の情報に基づいてユーザを認証してもよい。例えば、指紋、静脈パターン、および/または入力されたユーザIDに基づいてユーザを認証してもよい。
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a modified example of the
図6Aは、個人認証が行われる実施形態における動作の例を示すフローチャートである。 FIG. 6A is a flowchart illustrating an example of an operation in the embodiment in which personal authentication is performed.
図6Aに示すステップS401、およびステップS403からステップS404の動作は、それぞれ、図4Aに示すステップS201からS203の動作と同じである。 The operations of step S401 and steps S403 to S404 shown in FIG. 6A are the same as the operations of steps S201 to S203 shown in FIG. 4A, respectively.
ステップS402では、認証センサ40は、例えば、ユーザ10の個人認証に必要なデータを取得する。個人認証に必要なデータは、例えば、ユーザID、顔画像、指紋、および/または静脈パターンであり得る。
In step S402, the
ステップS405では、制御回路60は、光源20から出射された光が、ユーザ10の被検部10tで反射され、光検出器30に入射するまでの時間差を、基準時間差として制御回路60の不図示のメモリに記録する。なお、基準時間差は、光検出器30が表面反射成分I1あるいは内部散乱成分I2を取得できるように調整された時間差であってもよい。制御回路60の不図示のメモリには、ユーザ10と、座席12の基準位置および/または基準角度と、基準時間差との関連を示すバックデータが記録される。表2は、当該バックデータの例を示す。当該バックデータは、個人認証に必要なバックデータと、座席12の基準位置および/または基準角度と、基準計測距離と、基準時間差とを含む。表2では、各ユーザに、1つの座席12の基準位置および/または基準角度と、1つの基準計測距離と、1つの基準時間差とが対応づけられている。一方、各ユーザに、複数の座席12の基準位置および/または基準角度と、複数の基準計測距離と、複数の基準時間差とが対応づけられていてもよい。
In step S405, the
図6Bは、個人認証が行われる実施形態における通常使用時の動作の例を示すフローチャートである。 FIG. 6B is a flowchart illustrating an example of an operation during normal use in the embodiment in which personal authentication is performed.
図6Bに示すステップS501、およびステップS504からステップS510の動作は、それぞれ、図4Bに示すステップS301、およびステップS304からステップS310の動作と同じである。 The operations of step S501 and steps S504 to S510 shown in FIG. 6B are the same as the operations of step S301 and steps S304 to S310 shown in FIG. 4B, respectively.
ステップS502では、制御回路60は、認証センサ40による個人認証の結果に基づいて、ユーザ10を特定する。
In step S502, the
ステップ503では、制御回路60は、特定したユーザ10と、記録されたバックデータとを参照して、自動的に、基準時間差を時間差の初期値として設定する。同様に、制御回路60は、自動的に、座席12の基準位置および/または基準角度を設定することもできる。このように、制御回路60は、計測動作を実行する前に、認証センサ40による認証結果に基づいて、座席12の基準位置および/または基準角度と、時間差の初期値とを設定する。
In step 503, the
図6Bに示す例では、ユーザ10が座席12に座った後に個人認証が行われるが、これに限定されない。ユーザ10が座席12に座る前に、例えば静脈パターンによってユーザ10を記録および認証してもよい。例えば病院で本システムが使用される場合、生体計測装置は、医師、看護師、またはユーザ本人によって入力されたユーザIDを認識することにより、ユーザ10を特定してもよい。
In the example illustrated in FIG. 6B, personal authentication is performed after the
[4.計測動作中の計測距離の算出]
次に、図4Bに示すステップS308、および図6Bに示すステップS508における計測距離の算出方法の一例を説明する。
[4. Calculation of measurement distance during measurement operation]
Next, an example of a method of calculating the measurement distance in step S308 illustrated in FIG. 4B and step S508 illustrated in FIG. 6B will be described.
図7Aは、座席12の位置および/または角度の調整前および調整後での、座席12、および座席12に座るユーザ10を模式的に示す図である。実線は、調整前の座席12の位置および/または角度を表す。破線は、調整後の座席12の位置および/または角度を表す。
FIG. 7A is a diagram schematically illustrating the
図7Aに示す例では、座席12の最上部12tと光検出器30との距離は、ユーザ10の被検部10tと光検出器30との距離と同程度であると仮定する。座席12の背もたれ部12bの回転の支点12fは、ユーザ10の上半身の回転の支点10fと異なる。さらに、座席12の背もたれ部12bの高さは、ユーザ10の座高と異なる。これらの相違から、座席12の背もたれ部12bの傾斜が変化したとき、座席12の最上部12tと光検出器30との距離の変化は、ユーザ10の被検部10tと光検出器30との距離の変化と同じではない。
In the example illustrated in FIG. 7A, it is assumed that the distance between the
ユーザ10の被検部10tと、光検出器30との距離の変化を算出するためには、厳密には、ユーザ10の体格の情報も考慮される。しかし、ここでは簡単のために、次の3つの条件を仮定する。
(1)座席12の背もたれ部12bの傾斜角度は、ユーザ10の上半身の傾斜角度と同じである。
(2)ユーザ10の上半身の回転の支点10fは、座席12の背もたれ部12bの回転の支点12fよりも、光検出器30に近い。
(3)座席12の背もたれ部12bを垂直にした場合、座席12の最上部12tの高さは、ユーザ10の被検部10tの高さよりも高いか、同等である。
Strictly, information on the physique of the
(1) The inclination angle of the
(2) The
(3) When the
上記の条件では、座席12の背もたれ部12bの傾斜が変化したときの、座席12の最上部12tと光検出器30との距離の変化は、ユーザ10の被検部10tと光検出器30との距離の変化Δdよりも大きい。しかし、ここでは簡単のため、その変化の差は無視する。すなわち、座席12の最上部12tと光検出器30との距離の変化が生じたとき、ユーザ10の被検部10tと光検出器30との距離についても同程度の変化が生じると仮定する。制御回路60は、座席12の最上部12tと、光検出器30との距離の変化量に基づいて、位相を変化させるか否かを判定する。
Under the above conditions, when the inclination of the
図7Bは、図7Aに示す座席12の位置および/または角度の調整前での、座席12と光検出器30との関係を模式的に示す図である。簡単のために、座席12の背もたれ部12bは、一枚の板として取り扱われる。X0は、水平方向における、座席12の背もたれ部12bの支点12fと、光検出器30との距離を表す。Y0は、鉛直方向における、座席12の背もたれ部12bの支点12fと、光検出器30との距離を表す。Lは、座席12の最上部12tと支点12fとの距離を表す。β0は、座席12の背もたれ部12bの傾斜角度を表す。傾斜角度は、座席12の背もたれ部12bと、Y方向に平行な線とがなす角度である。
FIG. 7B is a diagram schematically illustrating a relationship between the
座席12の位置および/または角度の調整前での、座席12の最上部12tと光検出器30との距離dは、以下の式(1)によって表される。
座席12の位置および/または角度を調整すると、X0は、X0+ΔXに変化し、Y0はY0+ΔYに変化し、β0はβ0+Δβに変化する。この場合、座席12の位置および/または角度の調整後での、座席12の最上部12tと光検出器30との距離は、以下の式(2)によって表される。
式(1)および式(2)から、座席12の位置および/または角度の調整前と調整後とでの、座席12の最上部12tと光検出器30との距離の変化量d’−dは、以下の式(3)によって表される。
ここでは、座席12の位置および/または角度の調整前でのユーザ10の被検部10tと光検出器30との基準計測距離は、d0として表され、座席12の位置および/または角度の調整後でのユーザ10の被検部10tと光検出器30との距離は、d1として表される。d1は、式(3)を用いて、以下の式(4)によって近似される。
以上から、図4Bに示すステップS308、および図6Bに示すステップS508での、計測距離d1と基準計測距離d0との差Δd=d1−d0は、式(3)から算出される。ただし、当該算出には用いられるLは、通常使用前に、制御回路60の不図示のメモリに記録されている。Lは、表1および表2に示すバックデータを記録する際に、一緒に記録されてもよい。または、Lは、当該バックデータを記録する前から、制御回路60の不図示のメモリに記録されていてもよい。
From the above, the difference Δd = d 1 −d 0 between the measured distance d 1 and the reference measured distance d 0 in step S308 shown in FIG. 4B and step S508 shown in FIG. 6B is calculated from equation (3). . However, L used for the calculation is recorded in a memory (not shown) of the
以上のように、本実施形態における生体計測装置100では、計測距離と基準計測距離との差Δdを、TOF技術を用いずに得ることにより、1フレームの時間が短くても、時間差を容易かつ適切に変化させることができる。その結果、計測動作中にユーザ10が座席12の位置および/または角度を調整した場合でも、ユーザ10の生体情報を精度よく計測することができる。
As described above, in the
座席12の角度を調整せず、座席12の位置を調整する場合、ユーザ10の被検部10tと光検出器30との計測距離は、以下のようにして算出することもできる。
When adjusting the position of the
図8Aは、光検出器30から出力される信号から取得されるユーザ10の顔画像を模式的に示す図である。本実施形態における生体計測装置100では、制御回路60からの指示に従って光検出器30の姿勢を変化させることが可能であってもよい。これにより、図4Bに示すステップS304、および図5Bに示すステップS504での計測動作を開始する前に、光検出器30の姿勢は、図8Aに示すように、ユーザ10の被検部10tの中心10cが取得画像の中心に位置するように調整される。このとき、ユーザ10の被検部10tと、光検出器30とが正対すると言い得る。
FIG. 8A is a diagram schematically illustrating a face image of the
図8Bは、座席12の位置が水平方向に変化したときの、ユーザ10と光検出器30との関係を模式的に示す図である。αは、座席12の位置の調整前での、光検出器30と、ユーザ10の被検部10tとが正対するときの、光検出器30の設置角度を表す。αは、光検出器30の受光面と、Y方向に平行な線とがなす角度である。αはまた、光検出器30の受光面に垂直でありユーザ10の被検部10tの中心10cを通過する線と、X方向に平行な線とがなす角度でもある。ユーザ10の被検部10tと、光検出器30とが正対するときの、ユーザ10の被検部10tと光検出器30との基準計測距離d0は、TOF技術によって既知である。
FIG. 8B is a diagram schematically illustrating a relationship between the
座席12の位置が水平方向にΔXだけ光検出器30に近づいたとき、図8Bに示す例から、ユーザ10の被検部10tと、光検出器30との計測距離d2は、以下の式(5)によって表される。
一方、座席12の位置が水平方向にΔXだけ光検出器30から離れたとき、図8Bに示す例から、ユーザ10の被検部10tと光検出器30と計測距離d3は、以下の式(6)によって表される。
図8Cは、座席12の位置が鉛直方向に変化したときの、ユーザ10の被検部10tと、光検出器30との関係を模式的に示す図である。
FIG. 8C is a diagram schematically illustrating a relationship between the
座席12の位置が鉛直方向にΔY1だけ上昇し、ΔY1がd0・sinαよりも小さいとき、図8Cに示す例から、ユーザ10の被検部10tと光検出器30との計測距離d4は、以下の式(7)によって表される。
座席12の位置が鉛直方向にΔY2だけ上昇し、ΔY2がd0・sinαよりも大きいとき、図8Cに示す例から、ユーザ10の被検部10tと光検出器30との計測距離d5は、以下の式(8)によって表される。
座席12の位置が鉛直方向にΔY1だけ下降したとき、図8Cに示す例から、ユーザ10の被検部10tと、光検出器30との計測距離d6は、以下の式(9)によって表される。
以上から、図4Bに示すステップS308、および図6Bに示すステップS508での計測距離di(i=2から6)と、基準計測距離d0との差Δdを、Δd=di−d0によって算出してもよい。このように、計測距離と基準計測距離との差Δdを、TOF技術を用いずに得ることにより、1フレームの時間が短くても、時間差を容易かつ適切に変化させることができる。その結果、計測動作中にユーザ10が座席12の位置および/または角度を調整しても、ユーザ10の生体情報を精度よく計測することができる。
From the above, the measurement distance d i (i = 2 to 6) at step S508 shown in step S308, and 6B is shown in FIG. 4B, the difference [Delta] d between the
次に、ユーザ10の被検部10tと、光検出器30とが正対しない例を説明する。
Next, an example in which the subject 10 t of the
図8Dは、ユーザ10の被検部10tと、光検出器30とが正対していないときの、ユーザ10の顔画像を模式的に示す図である。図8Dは、例えば、座席12の位置が鉛直方向に下降したときのユーザ10の顔画像を示す。計測動作を中断して、ユーザ10が座席12の位置および/または角度を調整した後、計測動作を開始する前に、制御回路60は、ユーザ10の被検部10tと、光検出器30とが正対するように光検出器30の姿勢を決定してもよい。光検出器30の姿勢は、光検出器30の設置角度αを調整することによって決定され得る。その後、制御回路60は、光源20および光検出器30を用いた計測動作を開始してもよい。
FIG. 8D is a diagram schematically illustrating a face image of the
[5.応用例]
次に、本実施形態における生体計測装置100の応用例を説明する。
[5. Application example]
Next, an application example of the
図9Aは、病院の診断中または瞑想トレーニング中にユーザ10が座席12に座る例を模式的に示す図である。図9Aに示す例では、病院の診断中または瞑想トレーニング中に、ユーザ10の第1の生体情報および/または第2の生体情報が計測される。病院の診断中または瞑想トレーニング中にユーザ10が座席12の位置および/または角度を調整しても、本実施形態における生体計測装置100により、ユーザ10の生体情報を精度よく計測することができる。
FIG. 9A is a diagram schematically illustrating an example in which the
図9Bは、自動車内でユーザ10が座席12に座る例を模式的に示す図である。図9Bに示す例では、自動車の運転中に、ユーザ10の第1の生体情報および/または第2の生体情報が計測される。例えば、脳活動情報を示す第2の生体情報を計測して、ユーザ10が漫然状態であるか、または、事故を起こす可能性があるかを調べることができる。自動車の運転中にユーザ10が座席12の位置および/または角度を調整しても、本実施形態における生体計測装置100により、ユーザ10の生体情報を精度よく計測することができる。
FIG. 9B is a diagram schematically illustrating an example in which the
本開示は、制御回路60が実行する動作の方法およびプログラムも含む。
The present disclosure also includes an operation method and a program executed by the
本実施形態における生体計測装置は、特定のユーザが、特定の場所で、特定の作業を行う際に、作業中の集中度などのメンタル状態を診断するために利用することができる。また、本実施形態における生体計測装置は、例えば、病院での精神疾患の定期診断、脳トレーニングジムでのメンタル状態の診断、デスクワーク中の集中力または課題難易度の検出、または装置の運転作業中のエラー予測または漫然状態の検出に応用することができる。 The biometric device according to the present embodiment can be used for diagnosing a mental state such as a degree of concentration during work when a specific user performs a specific work at a specific place. In addition, the biological measurement device according to the present embodiment includes, for example, periodic diagnosis of a mental illness in a hospital, diagnosis of a mental condition in a brain training gym, detection of concentration or task difficulty during desk work, or during operation of the device. Can be applied to the prediction of errors or the detection of a lazy state.
10 :ユーザ
10f :支点
10t :被検部
12 :座席
12s :座面部
12b :背もたれ部
12f :支点
12t :最上部
14 : 座席センサ
16 :信号
20 :光源
30 :光検出器
60 :制御回路
62 :光源制御部
63 :センサ制御部
70 :信号処理回路
100 :生体計測装置
100S :生体計測システム
101 :光源
201 :画素
202 :ドレイン
203 :フォトダイオード
204、205、206、207 :浮遊拡散層
302 :行選択回路
303 :列選択回路
304 :垂直信号線
305 :ソースフォロワ電源
306 :ソースフォロワ負荷
307 :変換回路
308 :行選択トランジスタ
309 :ソースフォロワトランジスタ
310 :リセットトランジスタ
10:
Claims (8)
前記座席の前記位置および/または前記角度を示す第1信号を出力する座席センサと、
生体計測装置と、
を備えるシステムにおいて使用される生体計測装置であって、
前記座席に座るユーザの被検部に照射される光を出射する光源と、
前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出して第2信号を出力する光検出器と、
前記光源および前記光検出器を制御する制御回路と、
前記第2信号に基づいて、前記ユーザの生体情報を示す第3信号を生成して出力する信号処理回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第1信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させる、
生体計測装置。 A seat whose position and / or angle can be changed,
A seat sensor that outputs a first signal indicating the position and / or the angle of the seat;
A biological measurement device;
A biometric device used in a system comprising:
A light source that emits light that is irradiated on a test portion of a user sitting on the seat;
A photodetector that emits a second signal by detecting at least a part of the light emitted from the light source and returned from the test section;
A control circuit for controlling the light source and the photodetector,
A signal processing circuit that generates and outputs a third signal indicating the biological information of the user based on the second signal;
With
The control circuit, based on the change of the first signal, to change the time difference from emitting the light to the light source until the light detector to detect the light,
Biological measurement device.
請求項1に記載の生体計測装置。 The control circuit sets an initial value of the time difference with reference to data indicating the relationship between the position and / or the angle of the seat and the time difference,
The biological measurement device according to claim 1.
前記制御回路は、前記認証センサによる認証結果に基づいて、前記座席の前記位置および/または前記角度と、前記時間差の初期値とを設定する、
請求項1に記載の生体計測装置。 Further comprising an authentication sensor for authenticating the user,
The control circuit sets the position and / or the angle of the seat and an initial value of the time difference based on an authentication result by the authentication sensor.
The biological measurement device according to claim 1.
前記制御回路は、前記第1信号に基づいて、前記光検出器の姿勢を決定した後、前記光源および前記光検出器を用いた計測動作を開始する、
請求項1から3のいずれかに記載の生体計測装置。 The photodetector is capable of changing a posture according to an instruction from the control circuit,
The control circuit, based on the first signal, after determining the attitude of the photodetector, starts a measurement operation using the light source and the photodetector,
The biological measurement device according to claim 1.
前記制御回路は、
前記光源に、1つ以上のパルス光を出射させ、
前記光検出器に、前記被検部から戻ってきた各パルス光のうち、各パルス光の強度が減少を開始してから減少が終了するまでの期間に含まれる成分を検出することによって得られる信号を、前記第2信号として出力させ、
前記信号処理回路は、前記第2信号に基づいて、前記ユーザの脳活動の状態を示す信号を、前記第3信号として生成する、
請求項1から4のいずれかに記載の生体計測装置。 The test portion of the user is the amount of the user,
The control circuit includes:
Causing the light source to emit one or more pulsed lights;
The photodetector is obtained by detecting a component included in a period from the time when the intensity of each pulse light starts to decrease to the time when the decrease ends, among the pulse lights returned from the test section. Outputting a signal as the second signal;
The signal processing circuit generates a signal indicating a state of brain activity of the user as the third signal based on the second signal.
The biological measurement device according to claim 1.
前記座席と、
前記座席センサと、
を備える生体計測システム。 A biological measurement device according to any one of claims 1 to 4,
Said seat,
Said seat sensor;
A biological measurement system comprising:
光検出器に、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出させることと、
前記座席の前記位置および/または前記角度を示す第1信号を取得することと、
前記第1信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させることと、
を含む、制御方法。 Causing the light source to emit light to be irradiated on a test portion of a user sitting on a seat capable of changing a position and / or an angle;
Causing the photodetector to detect at least a portion of the light emitted from the light source and returned from the test portion;
Obtaining a first signal indicating the position and / or the angle of the seat;
Based on the change of the first signal, to change the time difference between the time when the light source emits the light and the time when the light detector detects the light,
And a control method.
前記コンピュータプログラムは、
光源に、位置および/または角度を変化させることが可能な座席に座る記ユーザの被検部に照射される光を出射させることと、
光検出器に、前記光源から出射され、前記被検部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出させることと、
前記座席の前記位置および/または前記角度を示す第1信号を取得することと、
前記第1信号の変化に基づいて、前記光源に前記光を出射させてから前記光検出器に前記光を検出させるまでの時間差を変化させることと、
を実行させる、コンピュータプログラム。 A computer program executed on a computer,
The computer program comprises:
Causing the light source to emit light to be irradiated on a test portion of a user sitting on a seat capable of changing a position and / or an angle;
Causing the photodetector to detect at least a portion of the light emitted from the light source and returned from the test portion;
Obtaining a first signal indicating the position and / or the angle of the seat;
Based on the change of the first signal, to change the time difference between the time when the light source emits the light and the time when the light detector detects the light,
A computer program that runs
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018163334A JP2020032105A (en) | 2018-08-31 | 2018-08-31 | Biological measurement device, biological measurement system, control method, and computer program |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018163334A JP2020032105A (en) | 2018-08-31 | 2018-08-31 | Biological measurement device, biological measurement system, control method, and computer program |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020032105A true JP2020032105A (en) | 2020-03-05 |
Family
ID=69666250
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018163334A Pending JP2020032105A (en) | 2018-08-31 | 2018-08-31 | Biological measurement device, biological measurement system, control method, and computer program |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2020032105A (en) |
-
2018
- 2018-08-31 JP JP2018163334A patent/JP2020032105A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7386440B2 (en) | Biometric device, operating method of biometric device, and determination device | |
JP7065421B2 (en) | How to get information inside the imager and the object | |
JP6998529B2 (en) | Imaging device | |
JP6814967B2 (en) | Imaging device | |
JP6887097B2 (en) | Imaging device | |
US10352853B2 (en) | Measuring device including light source that emits at least one light pulse group, photodetector, and control circuit | |
JP2017009584A (en) | Imaging apparatus | |
CN112188866A (en) | Biological measurement device and biological measurement method | |
JP2020103879A (en) | Biological measurement method, map data generation method, program, computer readable recording medium, and biological measurement device | |
JP7308430B2 (en) | System, recording medium, and method for estimating user's psychological state | |
JP2020099670A (en) | Biomedical measurement device, biomedical measurement method, computer-readable recording medium, and program | |
JP2024016142A (en) | Information processing method in computer and biological measurement system | |
JP7417867B2 (en) | Optical measurement device | |
JP2020032105A (en) | Biological measurement device, biological measurement system, control method, and computer program | |
WO2020137276A1 (en) | Imaging device | |
WO2021182018A1 (en) | Measuring apparatus and method for controlling measuring apparatus | |
WO2020137352A1 (en) | Biosensing method, map data generation method, program, computer-readable medium, and biosensing device | |
WO2022138063A1 (en) | Biological measurement device, biological measurement method, and computer program | |
WO2023090188A1 (en) | Light detecting system, processing device, method for controlling light detecting system, and program | |
JP7142246B2 (en) | Bioinstrumentation device, head-mounted display device, and bioinstrumentation method | |
JP2021141949A (en) | Measuring device and program | |
WO2022202057A1 (en) | Method and device for estimating emotional state of user |