JP4236950B2 - 非侵襲生体計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は非侵襲生体計測装置に関し、とくに生体の一部から光学的に得られる情報を解析し、血液情報、たとえばヘモグロビン濃度を計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この発明に関連する技術としては、血管を含む生体組織の一部を照明するための光源と、照明された血管と組織を撮像する撮像部と、撮像された画像を解析する解析部を備え、解析部は、撮像された画像について血管を横切って分布する画像濃度分布を画像の濃度プロファイルとして抽出する抽出部と、前記プロファイルの特徴を形態的に定量化する定量化部と、定量化された特徴に基づいて血液成分の量を演算する演算部と、演算結果を出力する出力部からなる非侵襲血液検査装置（例えば、特許文献１参照）や、検査対象とする生体の一部を載置する基台と、載置された生体の一部を両側から挟持可能な側壁部材と、基台及び側壁部材により保持された生体に光を供給する光源部と、光をうけた生体の一部から光学的情報を検出する受光部とを備えてなる生体検査装置（例えば、特許文献２参照）などが知られている。
【０００３】
【特許文献１】
ＷＯ９７／２４０６６号公報
【特許文献２】
ＷＯ９９／０００５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような非侵襲生体計測装置は、経皮的に血液分析が可能で簡便であると共に連続モニターが可能であるが、分析精度を従来の血液採取による血液分析に匹敵する程度に向上させることが望まれてきている。
例えば、特許文献１および特許文献２に示す生体検査装置では、手指などの末梢静脈を計測の対象とするため、生体によっては血流状態や血管の表皮からの深さといった生理的な個人差が測定値の変動要因となっており、このような生理的条件の違いが分析精度の限界を規定する要因のひとつであると考えられている。この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、分析精度をさらに向上させた非侵襲生体計測装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
分析精度を向上させるための一つの方法は、計測の対象とする生体の部位を生理的要因の影響を受けやすい末梢静脈ではなく、より下流（心臓に近い）の静脈に変更することにより生理的要因の影響を受けにくくすることである。
この発明は、血管を含む生体を照明するための複数の発光素子を備える光源部と、対物レンズおよび撮像素子を備え、光源部によって照明された生体を撮像するための撮像部と、光源部および撮像部を搭載する搭載部と、搭載部を対物レンズの光軸を中心に回動可能に支持するための支持部と、支持部を生体の一部に取り付けるための固定部と、撮像部によって撮像された画像を解析するための解析部とを備える非侵襲生体計測装置を提供するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
この発明による非侵襲生体計測装置は、対象とする生体の一部の計測領域を照明する光源部と、照明された測定領域から光学情報を検出する受光部と、光源部と受光部を搭載する搭載部と、搭載部を生体の一部に固定する固定部と、検出された光学情報を解析する解析部とを備え、光源部が生体の一部に対して移動可能に搭載部に搭載され、それによって計測領域の位置が調整可能であることを特徴とする。
【０００７】
この発明において、生体とはヒト，うさぎ，イヌ，ネコ，ラット，マウスなどを含む哺乳動物であり、生体の一部とは生体から分離した組織ではなく、生体のありのままの組織の一部であり、例えばヒトでは手首，手のひら，足首，足のうら又は頸部などがあげられる。
この発明において、固定部は搭載部を生体の一部に適度な圧力で弾性的に固定することが好ましい。これは生体の一部に余り強い圧力で搭載部を固定すると血管が圧迫されてうっ血状態や虚血状態を生じて正確な検査結果が得られないからである。
【０００８】
光源部には、半導体レーザ（以下、ＬＤ）やＬＥＤあるいはハロゲン光源などの光源が使用でき、直接生体の一部に照射してもよいし、ファイバーを介して照射してもよい。波長としては、４００〜９５０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
受光部は、フォトダイオードやＣＣＤなどの受光素子から構成できる。なお、受光部はレンズなどの光学系を含む構成であってもよい。
【０００９】
搭載部は生体組織の一部に対して回動可能であってもよい。
光源部は、計測領域に含まれる所望の血管を照明する光源を備えてもよい。
光源部は、計測領域の生体組織を照明する光源を備えてもよい。
固定部は、生体の一部を挟持可能な挟持片を備えてもよい。
受光部は、計測領域を撮像する撮像素子を備えてもよい。
受光部は、計測領域の組織から受ける光の光量を検出する光検出素子を備えてもよい。
解析部は、マイクロコンピュータやパーソナルコンピュータで構成できる。
【００１０】
この発明は、別の観点から、対象とする生体の一部を照明する光源と、照明された生体の一部から光学的情報を検出する受光部と、検出された光学的情報を解析する解析部とを備え、光源部は生体の一部に含まれる血管を照明する第１光源と、生体の一部に含まれる組織を照明する第２光源とを備え、解析部は第１および第２光源の照明によってそれぞれ検出される光学的情報に基づいて血管に流れる血液成分を解析する非侵襲生体計測装置を提供するものである。
【００１１】
受光部は、第１光源によって照明された血管を撮像するための撮像素子と、第２光源によって照明された組織から受ける光の光量を検出するための光検出素子を備えてもよい。
【００１２】
解析部は撮像された画像について血管を横切って分布する輝度分布を輝度プロファイルとして抽出するプロファイル抽出部と、前記プロファイルの特徴を形態的に定量化する定量化部と、定量化された特徴に基づいて血液成分の量を演算する演算部とを備え、演算部は前記血液成分の量を光検出素子から得られる光学的情報に基づいて補正してもよい。
【００１３】
第１光源は血管を挟んで照明する第３および第４光源を有し、第２光源は光検出素子からの生体の一部に平行な距離が互いに異なる第５および第６光源を有し、受光部は、第３および第４光源により同時に照明された血管の第１画象を撮像し、かつ、第３および第４光源により交互に照明された血管の第２および第３画像の各々を撮像するための撮像素子と、第５および第６光源により交互に照明された組織から受ける光の光量を各々検出するための光検出素子を備えてもよい。
【００１４】
解析部は、撮像された第１，第２および第３画像について血管を横切って分布する輝度分布をそれぞれ第１，第２および第３輝度プロファイルとして抽出するプロファイル抽出部と、各プロファイルの特徴を形態的に定量化する定量化部と、定量化された第１輝度プロファイルの特徴に基づいて血液成分の量を演算する演算部とを備え、演算部は定量化された第２および第３輝度プロファイルの特徴と、第５および第６光源の照明時に得られる各光量とに基づいて、前記血液成分の量の信頼性を判定してもよい。
演算部は第５および第６光源の照明時に得られる各光量に基づいて、前記血液成分の量を補正してもよい。
【００１５】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述する。これによってこの発明が限定されるものではない。
図１３はこの発明の構成例を示す斜視図である。ヒトの手首ＷＲに装着された検出部１はケーブル３を介して解析部２に接続されている。解析部２には入力部２８が接続されている。検出部１からの情報は解析部２を介して出力部２７に出力される。
【００１６】
図１は手首ＷＲに装着された検出部１の上面図である。
図２は検出部１の側面図、図３は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図４は図３のＢ−Ｂ矢視図である。
これらの図に示すように、検出部１は、支持台３１と、支持台３１の中央開口に垂直に挿入され矢印ＥおよびＦ方向に（図１）回転可能に支持される回転台３２と、回転台３２の中央開口に装着されたハウジング３３と、支持台３１を手首ＷＲに固定するための一対の挟持片３４，３５を備える。
【００１７】
図３に示すように、ハウジング３３は底部に開口４６を有し、内部に撮像部３６を収容する。撮像部３６は、対物レンズを内蔵する円筒状の鏡筒３７と、ＣＣＤ撮像素子３８を搭載した基板３９と、ＣＣＤ撮像素子３８の駆動用電子部品を搭載した基板４０，４１とを備える。撮像部３６は円筒形の支持部材４２に挿入され垂直に支持される。
【００１８】
支持部材４２は、底部に円形の開口部４３を有し、図４に示すように、円形の開口部４３の周囲に６つの発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２，Ｎ，Ｆと１つのフォトセンサＰＳが開口部４３と同心の円周上に配置される。支持部材４２は下端外壁面から水平方向に突出する一対の係止部４４，４５を有する。係止部４４，４５は開口部４３がハウジング３３の底部の開口４６から下方へ突出するようにハウジング３３の底部周縁に係止される。
【００１９】
ハウジング３３は内壁面から水平に突出する一対の突出部４７，４８を備え、突出部４７と係止部４４との間および突出部４８と係止部４５との間が、それぞれ圧縮スプリング４９と５０によって接続される。スプリング４９と５０は係止部４４と４５をそれぞれ矢印Ｚ方向に付勢する。
【００２０】
ハウジング３３は外壁面から水平に突出する一対の係止部５１，５２を有する。係止部５１，５２は、回転台３２の開口周縁に係止される。回転台３２は上面に一対のスプリング収容部５３，５４を有し、スプリング収容部５３，５４は係止部５１，５２をそれぞれ矢印Ｚ方向に付勢する圧縮スプリング５５，５６を収容する。
【００２１】
支持台３１の開口内周面と回転台３２との介面にはリング状の弾性部材５７が装着される。弾性部材５７は支持台３１から回転台３２が上方へ離脱することを防止する抜け止めとして作用すると共に、回転台３２の回転時に支持台３１と回転台３２との間に適当な摩擦力を与える摩擦部材として作用する。
【００２２】
ハウジング３３は開口４６の周縁から下方に突出する一対の突出部５８，５９を備え、突出部５８，５９は手首ＷＲの表面に接触し、スプリング５５，５６の弾性により適当な圧力で手首ＷＲの表面を押圧するようになっている。また、開口部４３も手首ＷＲの表面に接触しスプリング４９，５０の弾性により適当な圧力で手首ＷＲの表面を押圧するようになっている。これにより、突出部５８，５９および開口部４３は血管を圧迫することなく、手首ＷＲの表面に接触できる。
【００２３】
図２に示すように、挟持片３４はセグメント３４ａ，３４ｂに分割され、貫通ピン６０により支持台３１に枢支される。ピン６０にはセグメント３４ａ，３４ｂをそれぞれ矢印Ｃ方向（図３）に付勢するスプリング６２ａ，６２ｂが設けられる。
【００２４】
挟持片３５も同様にセグメント３５ａ，３５ｂに分割され（図１）、貫通ピン６１により支持台３１に枢支される。ピン６１にはセグメント３５ａ，３５ｂをそれぞれ矢印Ｄ方向（図３）に付勢するスプリング６３ａ，６３ｂが設けられている。
【００２５】
スプリング６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂは、支持台３１が手首ＷＲに確実に固着される力でセグメント３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂを付勢する。また、挟持片３４，３５はそれぞれ２つのセグメントに分割されているので、装着部位に突起（手首の骨）が存在しても、支持台３１を安定して手首ＷＲに装着できる。
なお、鏡筒３７に内蔵される対物レンズの光軸と、円形の開口部４３の中心軸と、回転台３２の回転軸とは、互いに一致している。
【００２６】
図６はこの発明の非侵襲生体計測装置の構成を示すブロック図である。
同図に示すようにこの生体計測装置は、検出部１と解析部２と入力部２８から構成される。検出部１は光源部１１と受光部１２からなり、光源部１１は６つの発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２，Ｎ，Ｆ（図４）を備え、受光部１２はＣＣＤ撮像素子３８（図３）とフォトセンサＰＳ（図４）を備える。
【００２７】
検出部１を図１に示すようにヒトの手首ＷＲに装着すると、図５に示すように、発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２，Ｎ，Ｆによって囲まれた計測領域が形成される。発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２は開口部４３の中心を通り互いに直交する第１軸ＡＹと第２軸ＡＸにそれぞれ対称に配置される。発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２は血管ＢＶを両側から照明し、発光ダイオードＮ，Ｆは、血管ＢＶを含まない領域を照明するようになっている。そして、ＣＣＤ撮像素子３８は、照明された血管ＢＶを含む撮像領域ＣＲの光像（ここでは反射光像）を撮像する。フォトセンサＰＳは、血管ＢＶを含まない生体部分を発光ダイオードＮとＦから経由して光センサに入力される光の光量を測定する。なお、発光ダイオードＮはフォトセンサＰＳに対して発光ダイオードＦよりも近くに設置されている。
【００２８】
プロファイル抽出部２１は、受光部１２のＣＣＤ撮像素子３８により撮像された画像の分析領域ＡＲ（図５）について画像濃度分布を輝度プロファイルとして抽出する。定量化部２２は、抽出された輝度プロファイルの形態的特徴を定量化する。記憶部２３は、受光部１２により得られた光学情報をデジタルデータに変換して記憶する。
【００２９】
演算部２４は、定量化された特徴や光量データに基づいて血液の成分濃度等を演算する。光量制御部２５は、光源部１１の光量を受光部１２から得られた情報に基づいて適正にフィードバック制御する。記憶部２６は、演算部２４によって演算された結果を記憶する。出力部２７は、演算結果やモニタ画像を出力する。入力部２８はキーボードとマウスなどからなり、計測条件や演算条件の設定を入力する。
【００３０】
このような構成における測定動作を図７に示すフローチャートを用いて説明する。
まず、図示しないカフ（血圧測定用加圧帯）のような加圧帯を用いて被検者の腕を加圧し、手首周辺の血流を阻害し、手首の血管（静脈）を膨張させる。検出部１を図１のように手首に装着し、計測領域の位置を調整する（ステップＳ１，Ｓ２）。この場合、出力部２７の出力するモニター画像を観察しながら、ハウジング３３を矢印Ｅ又はＦ方向（図１）に回転させて撮像領域ＣＲの位置を調整し、図５のように発光ダイオードＲ１とＬ１との間および発光ダイオードＲ２とＬ２と間に対象とする血管ＢＶを配置させる。
【００３１】
入力部２８から測定開始が指示されると、光量制御部２５及び光源部１１は血管ＢＶを含む生体の一部（ここではヒトの手首）の測定領域を発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２（左右点灯モード）によって適切な光量で照明し、撮像領域ＣＲ（図５）をＣＣＤ撮像素子３８で撮像する。それによって、撮像領域ＣＲ内の血管（静脈）ＢＶの像を含む組織の画像が得られる（ステップＳ３）。
【００３２】
次に、プロファイル抽出部２１が解析領域ＡＲ（図５）内の血管ＢＶを横切る輝度プロファイル（位置Ｘに対する輝度Ｂの分布）ＰＦを図８に示すように作成し、高速フーリエ変換などの手法を用いてノイズ成分を減少させる（ステップＳ４）。
【００３３】
定量化部２２はステップＳ４で得た輝度プロファイルＰＦをベースラインＢＬ（図８）で規格化する。ベースラインＢＬは血管による吸収部分の輝度プロファイルＰＦの形状を基に求める。このようにすることによって、図９に示すような入射光量に依存しない濃度プロファイル（位置Ｘに対する濃度Ｄの分布）ＮＰを得ることができる（ステップＳ５）。
【００３４】
演算部２４は、規格化された濃度プロファイルＮＰについて、ピーク高さｈ及び半値幅ｗを算出する。すなわち、ここで得たｈは計測対象の血管（血液）により吸収された光強度と組織部分を通過してきた光強度の比を表し、ｗは血管径に相当する長さを表す（ステップＳ６）。
【００３５】
ステップＳ３で撮像した部位と同じ部位を発光ダイオードＲ１，Ｒ２（右点灯モード）によって適切な光量で照明し、撮像する。それに引き続き発光ダイオードＬ１，Ｌ２（左点灯モード）によって適切な光量で照明し、撮像する（ステップＳ７）。次に、プロファイル抽出部２１はステップＳ７によって得られたそれぞれの画像についてステップＳ４と同様の処理を行い、図１０に示すような輝度プロファイルＰＦ１，ＰＦ２を得る（ステップＳ８）。
【００３６】
定量化部２２はステップＳ８によって得られた輝度プロファイルＰＦ１，ＰＦ２について、ステップＳ５と同様の処理を行い、それぞれ入射光量に依存しない濃度プロファイルＮＰ１，ＮＰ２（図１１）を得る（ステップＳ９）。
【００３７】
演算部２４は発光ダイオードＲ１，Ｒ２の照明により得られた濃度プロファイルＮＰ１からピーク高さｈ１及び重心座標ｃｇ１を、発光ダイオードＬ１，Ｌ２の照明により得られた濃度プロファイルＮＰ２からピーク高さｈ２及び重心座標ｇｃ２を、それぞれ算出する（ステップＳ１０）。
次に、演算部２４はステップＳ１０で得られた結果を用いて次の算出式からなる血管部散乱量指標Ｓを算出する（ステップＳ１１）。
Ｓ＝（ｃｇ２−ｃｇ１）／[（ｈ１＋ｈ２）・２]……（１）
【００３８】
光量制御部２５及び光源部１１は、発光ダイオードＮにより撮像領域ＣＲの近傍の生体部分を適切な光量で照明し、フォトセンサＰＳにより生体部分を経由して入射した光の光量ｖ１を測定する。測定結果は記憶部２３に保存する（ステップＳ１２）。
【００３９】
光量制御部２５及び光源部１１は、ステップＳ１２で発光ダイオードＮを発光させたと同じ光量で発光ダイオードＦを発光させ、ステップＳ１２と同様にフォトセンサＰＳに入射した光の光量ｖ２を測定・保存する（ステップＳ１３）。
【００４０】
演算部２４はステップＳ１２とＳ１３で得られた結果を用いて次の算出式からなる組織血液量指標Ｄを算出する（ステップＳ１４）。
Ｄ＝ｌｏｇ（ｖ１／ｖ２）……（２）
【００４１】
演算部２４はステップＳ１１で得た血管部散乱量指標Ｓ、およびステップＳ１４で得た組織血液量指標Ｄが次の条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１５）。
ａ１・Ｓb≦Ｄ≦ａ２・Ｓb……（３）
（ただしａ１＜ａ２、ａ１、ａ２、ｂは実験的に求めた定数）
【００４２】
式（３）の条件を満たさない場合は計測結果の信頼性が低いと判定し、再計測または計測中止とする。式（３）の条件を満たす場合は計測結果の信頼性が高いと判定し、次のステップＳ１６へ進む。
【００４３】
演算部２４はＤおよび実験的に求めた補正検量線を用いて補正率を決定する。また、近似的にＢｅｒｒの法則が成り立っているとしてｈおよびｗから血管内の血液濃度を演算し、これに補正率を乗じたものをヘモグロビン濃度ＨＧＢとして算出し、記憶部２３に記憶する（ステップＳ１６）。そして、撮像した画像や各濃度プロファイル、算出されたＨＧＢなどを出力部２７に表示する（ステップＳ１７）。
このようにして、被験者の血液中のヘモグロビン濃度が計測される。
【００４４】
図１２は、複数の被験者のヘモグロビン濃度について、血球計数器などから得られた実測値とこの発明の計測装置による算出値とをプロットしたグラフである。これによって、この発明の計測装置がヘモグロビン濃度を高精度で計測できることが分かる。
【００４５】
【発明の効果】
この発明によれば、光源部が生体の一部に対して移動可能であり、対象とする血管を光源部によって適切に照明できるので、計測精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の要部を示す上面図である。
【図２】この発明の実施例の要部を示す側面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ矢視図である。
【図５】この発明の実施例の生体の一部に対する配置を示す説明図である。
【図６】この発明の実施例の構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施例の動作を示すフローチャートである。
【図８】この発明の実施例の画像処理を示す説明図である。
【図９】この発明の実施例の画像処理を示す説明図である。
【図１０】この発明の実施例の画像処理を示す説明図である。
【図１１】この発明の実施例の画像処理を示す説明図である。
【図１２】実測値と算出値との一致の程度を示すグラフである。
【図１３】この発明の実施例の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 検出部
２ 解析部
３１ 支持台
３２ 回転台
３３ ハウジング
３４ 挟持片
３５ 挟持片
３６ 撮像部
３７ 鏡筒
３８ ＣＣＤ撮像素子
３９ 基板
４０ 基板
４１ 基板
４２ 支持部材
４３ 開口部
４４ 係止部
４５ 係止部
４６ 開口
４７ 突出部
４８ 突出部
４９ スプリング
５０ スプリング
５１ 係止部
５２ 係止部
５３ スプリング収容部
５４ スプリング収容部
５５ スプリング
５６ スプリング
５７ 弾性部材
５８ 突出部
５９ 突出部
６０ 貫通ピン
６１ 貫通ピン
６２ａ スプリング
６２ｂ スプリング
６３ａ スプリング
６３ｄ スプリング
Ｒ１ 発光ダイオード
Ｒ２ 発光ダイオード
Ｌ１ 発光ダイオード
Ｌ２ 発光ダイオード
Ｎ 発光ダイオード
Ｆ 発光ダイオード
ＰＳ フォトセンサ
ＷＲ 手首
【発明の属する技術分野】
この発明は非侵襲生体計測装置に関し、とくに生体の一部から光学的に得られる情報を解析し、血液情報、たとえばヘモグロビン濃度を計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この発明に関連する技術としては、血管を含む生体組織の一部を照明するための光源と、照明された血管と組織を撮像する撮像部と、撮像された画像を解析する解析部を備え、解析部は、撮像された画像について血管を横切って分布する画像濃度分布を画像の濃度プロファイルとして抽出する抽出部と、前記プロファイルの特徴を形態的に定量化する定量化部と、定量化された特徴に基づいて血液成分の量を演算する演算部と、演算結果を出力する出力部からなる非侵襲血液検査装置（例えば、特許文献１参照）や、検査対象とする生体の一部を載置する基台と、載置された生体の一部を両側から挟持可能な側壁部材と、基台及び側壁部材により保持された生体に光を供給する光源部と、光をうけた生体の一部から光学的情報を検出する受光部とを備えてなる生体検査装置（例えば、特許文献２参照）などが知られている。
【０００３】
【特許文献１】
ＷＯ９７／２４０６６号公報
【特許文献２】
ＷＯ９９／０００５３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような非侵襲生体計測装置は、経皮的に血液分析が可能で簡便であると共に連続モニターが可能であるが、分析精度を従来の血液採取による血液分析に匹敵する程度に向上させることが望まれてきている。
例えば、特許文献１および特許文献２に示す生体検査装置では、手指などの末梢静脈を計測の対象とするため、生体によっては血流状態や血管の表皮からの深さといった生理的な個人差が測定値の変動要因となっており、このような生理的条件の違いが分析精度の限界を規定する要因のひとつであると考えられている。この発明はこのような事情を考慮してなされたもので、分析精度をさらに向上させた非侵襲生体計測装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
分析精度を向上させるための一つの方法は、計測の対象とする生体の部位を生理的要因の影響を受けやすい末梢静脈ではなく、より下流（心臓に近い）の静脈に変更することにより生理的要因の影響を受けにくくすることである。
この発明は、血管を含む生体を照明するための複数の発光素子を備える光源部と、対物レンズおよび撮像素子を備え、光源部によって照明された生体を撮像するための撮像部と、光源部および撮像部を搭載する搭載部と、搭載部を対物レンズの光軸を中心に回動可能に支持するための支持部と、支持部を生体の一部に取り付けるための固定部と、撮像部によって撮像された画像を解析するための解析部とを備える非侵襲生体計測装置を提供するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
この発明による非侵襲生体計測装置は、対象とする生体の一部の計測領域を照明する光源部と、照明された測定領域から光学情報を検出する受光部と、光源部と受光部を搭載する搭載部と、搭載部を生体の一部に固定する固定部と、検出された光学情報を解析する解析部とを備え、光源部が生体の一部に対して移動可能に搭載部に搭載され、それによって計測領域の位置が調整可能であることを特徴とする。
【０００７】
この発明において、生体とはヒト，うさぎ，イヌ，ネコ，ラット，マウスなどを含む哺乳動物であり、生体の一部とは生体から分離した組織ではなく、生体のありのままの組織の一部であり、例えばヒトでは手首，手のひら，足首，足のうら又は頸部などがあげられる。
この発明において、固定部は搭載部を生体の一部に適度な圧力で弾性的に固定することが好ましい。これは生体の一部に余り強い圧力で搭載部を固定すると血管が圧迫されてうっ血状態や虚血状態を生じて正確な検査結果が得られないからである。
【０００８】
光源部には、半導体レーザ（以下、ＬＤ）やＬＥＤあるいはハロゲン光源などの光源が使用でき、直接生体の一部に照射してもよいし、ファイバーを介して照射してもよい。波長としては、４００〜９５０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
受光部は、フォトダイオードやＣＣＤなどの受光素子から構成できる。なお、受光部はレンズなどの光学系を含む構成であってもよい。
【０００９】
搭載部は生体組織の一部に対して回動可能であってもよい。
光源部は、計測領域に含まれる所望の血管を照明する光源を備えてもよい。
光源部は、計測領域の生体組織を照明する光源を備えてもよい。
固定部は、生体の一部を挟持可能な挟持片を備えてもよい。
受光部は、計測領域を撮像する撮像素子を備えてもよい。
受光部は、計測領域の組織から受ける光の光量を検出する光検出素子を備えてもよい。
解析部は、マイクロコンピュータやパーソナルコンピュータで構成できる。
【００１０】
この発明は、別の観点から、対象とする生体の一部を照明する光源と、照明された生体の一部から光学的情報を検出する受光部と、検出された光学的情報を解析する解析部とを備え、光源部は生体の一部に含まれる血管を照明する第１光源と、生体の一部に含まれる組織を照明する第２光源とを備え、解析部は第１および第２光源の照明によってそれぞれ検出される光学的情報に基づいて血管に流れる血液成分を解析する非侵襲生体計測装置を提供するものである。
【００１１】
受光部は、第１光源によって照明された血管を撮像するための撮像素子と、第２光源によって照明された組織から受ける光の光量を検出するための光検出素子を備えてもよい。
【００１２】
解析部は撮像された画像について血管を横切って分布する輝度分布を輝度プロファイルとして抽出するプロファイル抽出部と、前記プロファイルの特徴を形態的に定量化する定量化部と、定量化された特徴に基づいて血液成分の量を演算する演算部とを備え、演算部は前記血液成分の量を光検出素子から得られる光学的情報に基づいて補正してもよい。
【００１３】
第１光源は血管を挟んで照明する第３および第４光源を有し、第２光源は光検出素子からの生体の一部に平行な距離が互いに異なる第５および第６光源を有し、受光部は、第３および第４光源により同時に照明された血管の第１画象を撮像し、かつ、第３および第４光源により交互に照明された血管の第２および第３画像の各々を撮像するための撮像素子と、第５および第６光源により交互に照明された組織から受ける光の光量を各々検出するための光検出素子を備えてもよい。
【００１４】
解析部は、撮像された第１，第２および第３画像について血管を横切って分布する輝度分布をそれぞれ第１，第２および第３輝度プロファイルとして抽出するプロファイル抽出部と、各プロファイルの特徴を形態的に定量化する定量化部と、定量化された第１輝度プロファイルの特徴に基づいて血液成分の量を演算する演算部とを備え、演算部は定量化された第２および第３輝度プロファイルの特徴と、第５および第６光源の照明時に得られる各光量とに基づいて、前記血液成分の量の信頼性を判定してもよい。
演算部は第５および第６光源の照明時に得られる各光量に基づいて、前記血液成分の量を補正してもよい。
【００１５】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述する。これによってこの発明が限定されるものではない。
図１３はこの発明の構成例を示す斜視図である。ヒトの手首ＷＲに装着された検出部１はケーブル３を介して解析部２に接続されている。解析部２には入力部２８が接続されている。検出部１からの情報は解析部２を介して出力部２７に出力される。
【００１６】
図１は手首ＷＲに装着された検出部１の上面図である。
図２は検出部１の側面図、図３は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図４は図３のＢ−Ｂ矢視図である。
これらの図に示すように、検出部１は、支持台３１と、支持台３１の中央開口に垂直に挿入され矢印ＥおよびＦ方向に（図１）回転可能に支持される回転台３２と、回転台３２の中央開口に装着されたハウジング３３と、支持台３１を手首ＷＲに固定するための一対の挟持片３４，３５を備える。
【００１７】
図３に示すように、ハウジング３３は底部に開口４６を有し、内部に撮像部３６を収容する。撮像部３６は、対物レンズを内蔵する円筒状の鏡筒３７と、ＣＣＤ撮像素子３８を搭載した基板３９と、ＣＣＤ撮像素子３８の駆動用電子部品を搭載した基板４０，４１とを備える。撮像部３６は円筒形の支持部材４２に挿入され垂直に支持される。
【００１８】
支持部材４２は、底部に円形の開口部４３を有し、図４に示すように、円形の開口部４３の周囲に６つの発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２，Ｎ，Ｆと１つのフォトセンサＰＳが開口部４３と同心の円周上に配置される。支持部材４２は下端外壁面から水平方向に突出する一対の係止部４４，４５を有する。係止部４４，４５は開口部４３がハウジング３３の底部の開口４６から下方へ突出するようにハウジング３３の底部周縁に係止される。
【００１９】
ハウジング３３は内壁面から水平に突出する一対の突出部４７，４８を備え、突出部４７と係止部４４との間および突出部４８と係止部４５との間が、それぞれ圧縮スプリング４９と５０によって接続される。スプリング４９と５０は係止部４４と４５をそれぞれ矢印Ｚ方向に付勢する。
【００２０】
ハウジング３３は外壁面から水平に突出する一対の係止部５１，５２を有する。係止部５１，５２は、回転台３２の開口周縁に係止される。回転台３２は上面に一対のスプリング収容部５３，５４を有し、スプリング収容部５３，５４は係止部５１，５２をそれぞれ矢印Ｚ方向に付勢する圧縮スプリング５５，５６を収容する。
【００２１】
支持台３１の開口内周面と回転台３２との介面にはリング状の弾性部材５７が装着される。弾性部材５７は支持台３１から回転台３２が上方へ離脱することを防止する抜け止めとして作用すると共に、回転台３２の回転時に支持台３１と回転台３２との間に適当な摩擦力を与える摩擦部材として作用する。
【００２２】
ハウジング３３は開口４６の周縁から下方に突出する一対の突出部５８，５９を備え、突出部５８，５９は手首ＷＲの表面に接触し、スプリング５５，５６の弾性により適当な圧力で手首ＷＲの表面を押圧するようになっている。また、開口部４３も手首ＷＲの表面に接触しスプリング４９，５０の弾性により適当な圧力で手首ＷＲの表面を押圧するようになっている。これにより、突出部５８，５９および開口部４３は血管を圧迫することなく、手首ＷＲの表面に接触できる。
【００２３】
図２に示すように、挟持片３４はセグメント３４ａ，３４ｂに分割され、貫通ピン６０により支持台３１に枢支される。ピン６０にはセグメント３４ａ，３４ｂをそれぞれ矢印Ｃ方向（図３）に付勢するスプリング６２ａ，６２ｂが設けられる。
【００２４】
挟持片３５も同様にセグメント３５ａ，３５ｂに分割され（図１）、貫通ピン６１により支持台３１に枢支される。ピン６１にはセグメント３５ａ，３５ｂをそれぞれ矢印Ｄ方向（図３）に付勢するスプリング６３ａ，６３ｂが設けられている。
【００２５】
スプリング６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂは、支持台３１が手首ＷＲに確実に固着される力でセグメント３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂを付勢する。また、挟持片３４，３５はそれぞれ２つのセグメントに分割されているので、装着部位に突起（手首の骨）が存在しても、支持台３１を安定して手首ＷＲに装着できる。
なお、鏡筒３７に内蔵される対物レンズの光軸と、円形の開口部４３の中心軸と、回転台３２の回転軸とは、互いに一致している。
【００２６】
図６はこの発明の非侵襲生体計測装置の構成を示すブロック図である。
同図に示すようにこの生体計測装置は、検出部１と解析部２と入力部２８から構成される。検出部１は光源部１１と受光部１２からなり、光源部１１は６つの発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２，Ｎ，Ｆ（図４）を備え、受光部１２はＣＣＤ撮像素子３８（図３）とフォトセンサＰＳ（図４）を備える。
【００２７】
検出部１を図１に示すようにヒトの手首ＷＲに装着すると、図５に示すように、発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２，Ｎ，Ｆによって囲まれた計測領域が形成される。発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２は開口部４３の中心を通り互いに直交する第１軸ＡＹと第２軸ＡＸにそれぞれ対称に配置される。発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２は血管ＢＶを両側から照明し、発光ダイオードＮ，Ｆは、血管ＢＶを含まない領域を照明するようになっている。そして、ＣＣＤ撮像素子３８は、照明された血管ＢＶを含む撮像領域ＣＲの光像（ここでは反射光像）を撮像する。フォトセンサＰＳは、血管ＢＶを含まない生体部分を発光ダイオードＮとＦから経由して光センサに入力される光の光量を測定する。なお、発光ダイオードＮはフォトセンサＰＳに対して発光ダイオードＦよりも近くに設置されている。
【００２８】
プロファイル抽出部２１は、受光部１２のＣＣＤ撮像素子３８により撮像された画像の分析領域ＡＲ（図５）について画像濃度分布を輝度プロファイルとして抽出する。定量化部２２は、抽出された輝度プロファイルの形態的特徴を定量化する。記憶部２３は、受光部１２により得られた光学情報をデジタルデータに変換して記憶する。
【００２９】
演算部２４は、定量化された特徴や光量データに基づいて血液の成分濃度等を演算する。光量制御部２５は、光源部１１の光量を受光部１２から得られた情報に基づいて適正にフィードバック制御する。記憶部２６は、演算部２４によって演算された結果を記憶する。出力部２７は、演算結果やモニタ画像を出力する。入力部２８はキーボードとマウスなどからなり、計測条件や演算条件の設定を入力する。
【００３０】
このような構成における測定動作を図７に示すフローチャートを用いて説明する。
まず、図示しないカフ（血圧測定用加圧帯）のような加圧帯を用いて被検者の腕を加圧し、手首周辺の血流を阻害し、手首の血管（静脈）を膨張させる。検出部１を図１のように手首に装着し、計測領域の位置を調整する（ステップＳ１，Ｓ２）。この場合、出力部２７の出力するモニター画像を観察しながら、ハウジング３３を矢印Ｅ又はＦ方向（図１）に回転させて撮像領域ＣＲの位置を調整し、図５のように発光ダイオードＲ１とＬ１との間および発光ダイオードＲ２とＬ２と間に対象とする血管ＢＶを配置させる。
【００３１】
入力部２８から測定開始が指示されると、光量制御部２５及び光源部１１は血管ＢＶを含む生体の一部（ここではヒトの手首）の測定領域を発光ダイオードＲ１，Ｒ２，Ｌ１，Ｌ２（左右点灯モード）によって適切な光量で照明し、撮像領域ＣＲ（図５）をＣＣＤ撮像素子３８で撮像する。それによって、撮像領域ＣＲ内の血管（静脈）ＢＶの像を含む組織の画像が得られる（ステップＳ３）。
【００３２】
次に、プロファイル抽出部２１が解析領域ＡＲ（図５）内の血管ＢＶを横切る輝度プロファイル（位置Ｘに対する輝度Ｂの分布）ＰＦを図８に示すように作成し、高速フーリエ変換などの手法を用いてノイズ成分を減少させる（ステップＳ４）。
【００３３】
定量化部２２はステップＳ４で得た輝度プロファイルＰＦをベースラインＢＬ（図８）で規格化する。ベースラインＢＬは血管による吸収部分の輝度プロファイルＰＦの形状を基に求める。このようにすることによって、図９に示すような入射光量に依存しない濃度プロファイル（位置Ｘに対する濃度Ｄの分布）ＮＰを得ることができる（ステップＳ５）。
【００３４】
演算部２４は、規格化された濃度プロファイルＮＰについて、ピーク高さｈ及び半値幅ｗを算出する。すなわち、ここで得たｈは計測対象の血管（血液）により吸収された光強度と組織部分を通過してきた光強度の比を表し、ｗは血管径に相当する長さを表す（ステップＳ６）。
【００３５】
ステップＳ３で撮像した部位と同じ部位を発光ダイオードＲ１，Ｒ２（右点灯モード）によって適切な光量で照明し、撮像する。それに引き続き発光ダイオードＬ１，Ｌ２（左点灯モード）によって適切な光量で照明し、撮像する（ステップＳ７）。次に、プロファイル抽出部２１はステップＳ７によって得られたそれぞれの画像についてステップＳ４と同様の処理を行い、図１０に示すような輝度プロファイルＰＦ１，ＰＦ２を得る（ステップＳ８）。
【００３６】
定量化部２２はステップＳ８によって得られた輝度プロファイルＰＦ１，ＰＦ２について、ステップＳ５と同様の処理を行い、それぞれ入射光量に依存しない濃度プロファイルＮＰ１，ＮＰ２（図１１）を得る（ステップＳ９）。
【００３７】
演算部２４は発光ダイオードＲ１，Ｒ２の照明により得られた濃度プロファイルＮＰ１からピーク高さｈ１及び重心座標ｃｇ１を、発光ダイオードＬ１，Ｌ２の照明により得られた濃度プロファイルＮＰ２からピーク高さｈ２及び重心座標ｇｃ２を、それぞれ算出する（ステップＳ１０）。
次に、演算部２４はステップＳ１０で得られた結果を用いて次の算出式からなる血管部散乱量指標Ｓを算出する（ステップＳ１１）。
Ｓ＝（ｃｇ２−ｃｇ１）／[（ｈ１＋ｈ２）・２]……（１）
【００３８】
光量制御部２５及び光源部１１は、発光ダイオードＮにより撮像領域ＣＲの近傍の生体部分を適切な光量で照明し、フォトセンサＰＳにより生体部分を経由して入射した光の光量ｖ１を測定する。測定結果は記憶部２３に保存する（ステップＳ１２）。
【００３９】
光量制御部２５及び光源部１１は、ステップＳ１２で発光ダイオードＮを発光させたと同じ光量で発光ダイオードＦを発光させ、ステップＳ１２と同様にフォトセンサＰＳに入射した光の光量ｖ２を測定・保存する（ステップＳ１３）。
【００４０】
演算部２４はステップＳ１２とＳ１３で得られた結果を用いて次の算出式からなる組織血液量指標Ｄを算出する（ステップＳ１４）。
Ｄ＝ｌｏｇ（ｖ１／ｖ２）……（２）
【００４１】
演算部２４はステップＳ１１で得た血管部散乱量指標Ｓ、およびステップＳ１４で得た組織血液量指標Ｄが次の条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１５）。
ａ１・Ｓb≦Ｄ≦ａ２・Ｓb……（３）
（ただしａ１＜ａ２、ａ１、ａ２、ｂは実験的に求めた定数）
【００４２】
式（３）の条件を満たさない場合は計測結果の信頼性が低いと判定し、再計測または計測中止とする。式（３）の条件を満たす場合は計測結果の信頼性が高いと判定し、次のステップＳ１６へ進む。
【００４３】
演算部２４はＤおよび実験的に求めた補正検量線を用いて補正率を決定する。また、近似的にＢｅｒｒの法則が成り立っているとしてｈおよびｗから血管内の血液濃度を演算し、これに補正率を乗じたものをヘモグロビン濃度ＨＧＢとして算出し、記憶部２３に記憶する（ステップＳ１６）。そして、撮像した画像や各濃度プロファイル、算出されたＨＧＢなどを出力部２７に表示する（ステップＳ１７）。
このようにして、被験者の血液中のヘモグロビン濃度が計測される。
【００４４】
図１２は、複数の被験者のヘモグロビン濃度について、血球計数器などから得られた実測値とこの発明の計測装置による算出値とをプロットしたグラフである。これによって、この発明の計測装置がヘモグロビン濃度を高精度で計測できることが分かる。
【００４５】
【発明の効果】
この発明によれば、光源部が生体の一部に対して移動可能であり、対象とする血管を光源部によって適切に照明できるので、計測精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の要部を示す上面図である。
【図２】この発明の実施例の要部を示す側面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ矢視図である。
【図５】この発明の実施例の生体の一部に対する配置を示す説明図である。
【図６】この発明の実施例の構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施例の動作を示すフローチャートである。
【図８】この発明の実施例の画像処理を示す説明図である。
【図９】この発明の実施例の画像処理を示す説明図である。
【図１０】この発明の実施例の画像処理を示す説明図である。
【図１１】この発明の実施例の画像処理を示す説明図である。
【図１２】実測値と算出値との一致の程度を示すグラフである。
【図１３】この発明の実施例の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 検出部
２ 解析部
３１ 支持台
３２ 回転台
３３ ハウジング
３４ 挟持片
３５ 挟持片
３６ 撮像部
３７ 鏡筒
３８ ＣＣＤ撮像素子
３９ 基板
４０ 基板
４１ 基板
４２ 支持部材
４３ 開口部
４４ 係止部
４５ 係止部
４６ 開口
４７ 突出部
４８ 突出部
４９ スプリング
５０ スプリング
５１ 係止部
５２ 係止部
５３ スプリング収容部
５４ スプリング収容部
５５ スプリング
５６ スプリング
５７ 弾性部材
５８ 突出部
５９ 突出部
６０ 貫通ピン
６１ 貫通ピン
６２ａ スプリング
６２ｂ スプリング
６３ａ スプリング
６３ｄ スプリング
Ｒ１ 発光ダイオード
Ｒ２ 発光ダイオード
Ｌ１ 発光ダイオード
Ｌ２ 発光ダイオード
Ｎ 発光ダイオード
Ｆ 発光ダイオード
ＰＳ フォトセンサ
ＷＲ 手首
Claims (7)
- 血管を含む生体を照明するための複数の発光素子を備える光源部と、
対物レンズおよび撮像素子を備え、光源部によって照明された生体を撮像するための撮像部と、
光源部および撮像部を搭載する搭載部と、
搭載部を対物レンズの光軸を中心に回動可能に支持するための支持部と、
支持部を生体の一部に取り付けるための固定部と、
撮像部によって撮像された画像を解析するための解析部とを備える非侵襲生体計測装置。 - 撮像部によって撮像された画像を出力するための出力部をさらに備える請求項１記載の非侵襲生体計測装置。
- 解析部は、撮像部によって撮像された画像について血管を横切って分布する輝度プロファイルを抽出するプロファイル抽出部と、輝度プロファイルの特徴を形態的に定量化する定量化部と、定量化された特徴に基づいて血液成分の量を演算する演算部とを備える請求項１又は２記載の非侵襲生体計測装置。
- 固定部が、生体の一部を挟持可能な挟持片からなる請求項１〜３のいずれかに記載の非侵襲生体計測装置。
- 搭載部は、固定部によって支持部が生体の一部に取り付けられたとき、生体表面を弾性的に押圧するための弾性部材を有する請求項１〜４のいずれかに記載の非侵襲生体計測装置。
- 生体の一部が、ヒトの手首である請求項１〜５のいずれかに記載の非侵襲生体計測装置。
- 支持部は、搭載部の一部が挿入される開口と、開口に挿入された搭載部の一部と開口との間に配置されるリング状の弾性部材とをさらに備える請求項１〜６のいずれかに記載の非侵襲生体計測装置。
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