JP4282841B2

JP4282841B2 - 無侵襲生体分析装置

Info

Publication number: JP4282841B2
Application number: JP23768899A
Authority: JP
Inventors: 泰浩高地
Original assignee: Sysmex Corp
Current assignee: Sysmex Corp
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 1999-08-25
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: JP2001059814A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体に光を照射し生体から得られた画像情報を解析し生体の形態や生体成分濃度などの生体情報を得る無侵襲生体分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
採血することなく（無侵襲的に）ヘモグロビンなどの生体成分を計測しようとする装置として国際公開第ＷＯ９７／２４０６６号公報に開示されたものがある。その装置の場合、検出部に指を配置し指の透過画像を得、その画像中に解析領域（コントラストのよい血管部位）を設定し、その解析領域を解析し、血管幅やヘモグロビン濃度などを算出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような無侵襲生体分析装置では、計測対象とする血管が皮下深く存在する場合や、あるいは皮膚の表面が荒れていている場合など、生体組織の光学的散乱強度が強くなり、測定結果に影響を受ける。つまり、血管に直交する解析領域を解析してヘモグロビン濃度を求めても、生体組織の散乱光の影響で解析部位の減光が小さくなり、本来の値より低い値を示してしまう。
【０００４】
本発明者は、前記課題を解決するために血管に直交する解析領域を解析して得られる濃度プロファイルの形状に着目し、下記の知見を得ることにより本発明を完成した。すなわち、血管の断面形状はほぼ円形であるため、濃度プロファイルの形状は、血液による光の吸収量および血管の直径に依存して、ほぼ相似の形状となる。実際には、血管から皮膚の表面までの皮下組織によって、光が散乱され、観測される画像は劣化したものとなる。そのため、観測される濃度プロファイルも、画像の劣化の影響を受け、形状が変化することが予測された。そこで、種々の実験を重ね、血管が皮膚表面から深い場所に位置する場合、観測される濃度プロファイルの形状に、特異的な変化を生ずることを見いだした。その変化とは、濃度プロファイルの上部が細くなり、裾が広がる現象であり、濃度プロファイルにおけるある特定の幅の比率が増加することとして検知される。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、無侵襲生体分析装置において得られた生体情報の信頼性を判定する機能を設け、出力された生体情報が信頼できるどうかを判定することができる無侵襲生体分析装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の無侵襲生体分析装置は、生体の一部を照明する光源部と、照明された生体の一部を撮像する撮像部と、撮像画像中に設定された解析領域を解析し生体情報を得るデータ処理部と、得られた生体情報を出力する出力部とを備え、データ処理部は、解析領域の血管を横切って分布する画像濃度分布を規格化した濃度プロファイルを抽出し、抽出した濃度プロファイルの形態的特徴をあらわす特徴量である前記濃度プロファイルの分布幅に基づき、皮膚表面からの上記血管の深さによる上記出力された生体情報の信頼性を判定することを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
この発明の無侵襲生体分析装置において、生体の一部とは生体（好適例としては哺乳類）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、計測に適する部分であればよい。ヒトの場合には指や耳朶などがその一例である。ラットやマウスの場合には尻尾であってもよい。生体情報とは生体組織の形態（形状や大きさや数など）や生体成分の濃度等に関する情報である。具体的には血管の寸法や血液成分の濃度（例えば、ヘモグロビン、ヘマトクリット等）や血液成分の濃度比（例えば、血液の酸素化率等）などである。
【０００７】
操作や取り扱いの利便性の観点から、本装置は生体から画像情報を得る検出部（検出ユニット、検出装置）と得られた画像情報を解析する解析部（解析ユニット、解析装置）とに分離的に構成されていることが好ましい。両者はコネクタあるいはケーブル等の情報伝送手段により接続される。検出部は光源部及び撮像部を備え、解析部には生体情報を解析するデータ処理部、出力部及び操作部を備えることができる。
【０００８】
光源部には、半導体レーザ（ＬＤ）やＬＥＤやハロゲンランプなどの光源が使用でき、光源からの光を生体に直接、あるいは光ファイバなどを介して照射する。照射する光の波長としては生体組織を透過し、水の吸収が大きくない６００〜９５０ｎｍの範囲にあることが好ましい。
【０００９】
撮像部は、レンズなどの光学素子とＣＣＤなどの撮像素子により構成することができる。生体からの画像情報は撮像素子により生成される。
【００１０】
より好適な画像情報を得るために、検出部に生体の一部を光学系に対して保持する保持部材を備えることが好ましい。生体の一部が例えばヒトの手の指である場合には、保持部材として光源部と撮像部との間において指を離脱可能に圧迫することなく保持するものを使用することができる。例えば、可動片で指を両側から挟持する方式のものを用いることができる。
【００１１】
解析部としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびＩ／Ｏポートからなるマイクロコンピュータあるいは市販のパーソナルコンピュータを利用することができ、撮像画像から生体情報を解析するデータ処理部、各種データを入力したり各種操作を行ったりする操作部及び生体の画像情報の解析結果を出力する出力部を備えてもよい。出力部としてはＣＲＴや液晶ディスプレイなどの表示装置やプリンタ等の印字装置を使用でき、操作部としてはキーボードやテンキーやタッチキーなど使用することができる。
【００１２】
データ処理部は、解析領域の血管を横切って分布する画像濃度分布を規格化した濃度プロファイルを抽出する機能を備え、前記プロファイルの形態的特徴に基づき、上記出力された生体情報の信頼性を判定する機能を備えている。このことにより、計測対象とする血管が皮下深く存在する場合や、あるいは皮膚の表面が荒れていている場合など、得られた生体情報の信頼性が低いことを判定することができる。すなわち、得られた生体情報の信頼性の有無を判定することにより、測定者は正しくない生体情報を選択でき、再測定などにより、正確な生体情報を入手できる。
【００１３】
上記生体情報の信頼性を判定する機能が、規格化された濃度プロファイルの形態的特徴をあらわす特徴量を算出し、前記特徴量と基準となる特徴量とを比較することが実用的である。
【００１４】
さらに、形態的特徴をあらわす特徴量が、規格化された濃度プロファイルの分布幅であることが好ましい。
【００１５】
【実施例】
図１は本発明の無侵襲生体分析装置の一実施例の外観図であり、マウス様の検出部１をノート型パソコン様の解析部３の載置部４に載置した状態を示している。図２は図１の無侵襲生体分析装置を機能的に表現した全体ブロック図である。
【００１６】
載置部３に載置された検出部１は、検出部１側のコネクタ７と解析部３側のコネクタ８とで電気的にまた機構的にも連結されている。計測や取り扱いの自由度を得るために検出部１を解析部３の載置部４から取り外し、コネクタ付き接続コードで検出部１と解析部３とを接続して使用することも可能である。
【００１７】
検出部１はアーム５とアーム５に対して回転移動できるハウジング６とからなり、アーム５の内側に光源部１１が内蔵され、アーム５に対向するハウジング６の内側に撮像部１２を内蔵している。アーム５とハウジング６の間にヒトの指１４を保持し、指１４の第２関節部分において指の背側に光を照射し指の腹側からその透過光像を撮像する。指は指の両側から弾性的に挟持されている。
【００１８】
光源部１１は、波長の異なる複数のＬＥＤを備えた発光素子からなる。第１のＬＥＤとして、中心波長８３０ｎｍ、半値幅４０ｎｍのＬ３９８９（浜松ホトニクス（株）製）を使用し、第２のＬＥＤとして中心波長８９０ｎｍ、半値幅５０ｎｍのＬ２５６５６（同上製）を使用している。血管幅を計測する際は第１のＬＥＤのみを点灯させ、血液成分濃度を計測する際は第１及び第２のＬＥＤを点灯させている。
【００１９】
解析部３はデータ処理部２、出力部（液晶モニター）１０及び操作部（複数のキー）９からなる。解析部３には外部記憶媒体であるフロッピーディスクの挿入口１３が設けられ測定情報等を外部記憶することができる。
【００２０】
図２は本実施例の無侵襲生体分析装置の全体ブロック図である。
解析部３のデータ処理部２の実体は、ＣＰＵ、メモリを備えるコンピュータであり、検出部１の撮像部１２で得られた指１４の撮像画像中の解析領域内の血管部分の濃度分布を濃度プロファィルとして抽出する濃度プロファイル抽出機能、抽出された濃度プロファイルから規格した濃度プロファイルを作成する機能、規格化した濃度プロファイルの形態的特徴に基づいて出力される生体情報の信頼性を判定する機能、規格化した濃度プロファイルの形態的特徴を定量化する定量化機能、定量化された特徴に基づいて血管寸法や血液成分濃度などの生体情報を演算する演算機能などを備える。
【００２１】
図３、４のフローチャートを参照しつつ、具体的に血管幅の計測手順を説明する。図４は、規格化した濃度プロファイルより信頼性判定用の分布幅を算出し、信頼性を判定するフローチャートである。ここでは一つの波長を使って同一人の指を経時的に複数回撮像し、同一血管部位における血管幅の経時変化を計測している。
【００２２】
まず、第１のＬＥＤ（第１波長）によって指１４を照明して撮像し、指１４の皮膚表面に存在する血管（静脈）像を合む透過画像を得る（ステップＳ１）。図５に得られた透過画像を模式図として示した。長方形で示した領域が血管を垂直に横切るように設定された解析領域を示す。
【００２３】
次ぎに、データ処理部２において以下の処理が施される。
得られた撮像画像中に解析領域を設定し（ステップＳ２）、撮像濃度プロファイル抽出機能により、設定された解析領域において血管に垂直な方向の濃度プロファイル（図５）を作成する（ステップＳ３）。
【００２４】
定量化機能により濃度プロファイルのベースラインを求め、規格化する（ステップＳ４）。ここで、ベースラインとは、血管以外の部分の濃度プロファイルから、最小二乗法によって求められた直線であり、血管の部分の背景の輝度を示す。また、濃度プロファイルをベースラインによって除算することで規格化し、さらに対数化することにより、入射光量や背景輝度の勾配に依存しない規格化された濃度プロファイル（図６）を得ることができる。
【００２５】
規格化された濃度プロファイルから形態的特徴であるピーク高さｈ１、（１／２）ｈ１における分布幅（半値幅）ｗ１を算出し（ステップＳ５）、生体情報を求め記憶する。
【００２６】
規格化した濃度プロファイルから信頼性判定用の分布幅を求め、データの信頼性を判定する（ステップＳ６）。図４に示すように、規格化された濃度プロファイルから信頼性判定用のパラメータである（２０％）ｈ１における分布幅Ｗ２０、（７１％）ｈ１における分布幅Ｗ７１を求め（ステップＳ１１）、Ｗ２０／Ｗ７１を算出する（ステップＳ１２）。そして、Ｗ２０／Ｗ７１≧２．２０のときは、出力された生体情報を信頼性なしと判定し（ステップＳ１３、Ｓ１４）、Ｗ２０／Ｗ７１＜２．２０のときは、出力された生体情報は信頼性ありと判定する（ステップＳ１３、Ｓ１５）。判定結果は、生体情報の出力の際に、マークまたはメッセージとして一緒に表示される。図８に規格化された濃度プロファイルの幅Ｗ２０、Ｗ７１を矢印で示した。
【００２７】
ここで、正常な規格化したプロファイルを図９に、深い血管領域を測定して得られた規格化した濃度プロファイル図１０に示した。深い血管の規格化した濃度プロファイルは、正常な規格化した濃度プロファイルに比べ、プロファイル上部が細くなり、裾が相対的に広くなり、ｈ１の高さが低くなっていることが判る。このとき、図９の規格化した濃度プロファイルのＷ２０／Ｗ７１＝１．９８であり信頼性に問題なく、図１０の規格化した濃度プロファイルのＷ２０／Ｗ７１＝２．２５と得られ信頼性に問題があることが判る。
【００２８】
信頼性の判定が終了すると、規格化した濃度プロファイルから求めた半値幅ｗ１を血管幅として算出する（ステップＳ７）。
【００２９】
計測が完了すると、算出した血管幅からその時系列的変化を表わすグラフや表を作成して表示する（ステップＳ８、Ｓ９）。そのとき、出力された生体情報には、信頼性の判定結果を付記して表示する。例えば、信頼性がなければ、低信頼性のマークあるいはメッセージを表記する。また、測定中もしくは測定後に、測定部位が適切でないメッセージ（例えば、皮下の深い血管を測定）を表示し、測定部位を変えて再度測定するようにメッセージを表示しても良い。
【００３０】
以上、１波長を使って血管幅を計測する例を紹介したが、複数波長を使えばヘモグロビン濃度を計測することができる。すなわち、各波長に対して得られた規格化された濃度プロファイルの形態からヘモグロビン濃度を算出することができる。詳細は国際公開第ＷＯ９７／２４０６６号公報等を参考にすることができるので、ここでは説明は省略する。
【００３１】
図１１は出力部１０（液晶ディスプレイ）の表示例である。表示画面はグラフ表示領域５１、測定データ表示領域５２、測定情報領域５３、メッセージ領域５４、データ表示形式切替領域５５、コマンド領域５６を備える。
【００３２】
グラフ表示領域５１には、計測された生体情報であるヘモグロビン濃度ＨＧＢや血管幅が時系列のグラフとして表示されている。
【００３３】
測定データ表示領域５２には、上記グラフ上の測定時点の測定データが表示される。測定情報領域５３には、測定番号、測定者名、生年月日、性別等の測定者情報が表示される。メッセージ領域５４はシステムの状態を示すメッセージや、測定者に動作を促すメッセージが表示される。
【００３４】
データ表示形式切替領域５５にはデータ表示形式（グラフ、データ一覧表、撮像画像）を切り替えるためのアイコンが表示される。撮像画像を表示するときは解析領域も示すことが好ましい。
【００３５】
コマンド領域５６は、各種コマンドを実行するアイコンが表示され、アイコン選択によりＰＣカードへの測定データの記録、ファイルの削除設定、データの転送、印刷、メンテナンス等が実行できる。
【００３６】
図１１のグラフ領域５１に示されたグラフは、同一の被験者について、毎日の運動前に計測して得られたヘモグロビンＨＧＢ、血管幅、酸素化率ＶＯＩと、別途入力されたタイムトライアルの成績（計測毎にデータを入力）の時系列グラフである。また、「カーソル」キーで時系列データのグラフ上の計測点を示すバー（破線で示す）を動かすことができ、該当する測定日、測定時間、測定結果、コメントを表示領域５２に表示することができる。
【００３７】
【発明の効果】
撮像画像の血管を横切って分布する画像濃度分布を規格した濃度プロファイルを抽出し、前記プロファイルの形態的特徴に基づき、出力された生体情報の信頼性を判定することができる。得られた生体情報の信頼性の有無を判定することにより、測定者は正しくない生体情報を選択でき、再測定などにより、正確な生体情報を入手できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の外観を示す斜視図である。
【図２】この発明の実施例のブロック図である。
【図３】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４】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５】この発明の実施例により得られる画像の模式図である。
【図６】濃度プロファイルを示す説明図である。
【図７】規格化した濃度プロファイルを示す説明図である。
【図８】規格化した濃度プロファイルを示す説明図である。
【図９】規格化した濃度プロファイルを示す説明図である。
【図１０】規格化した濃度プロファイルを示す説明図である。
【図１１】この発明の表示例を示す説明図である。
【符号の説明】
１検出部
２データ処理部
３解析部
９操作部
１０出力部
１１光源部
１２撮像部
１４ヒトの指

Claims

生体の一部を照明する光源部と、照明された生体の一部を撮像する撮像部と、撮像画像中に設定された解析領域を解析し生体情報を得るデータ処理部と、得られた生体情報を出力する出力部とを備え、データ処理部は、解析領域の血管を横切って分布する画像濃度分布を規格化した濃度プロファイルを抽出し、抽出した濃度プロファイルの形態的特徴をあらわす特徴量である前記濃度プロファイルの分布幅に基づき、皮膚表面からの上記血管の深さによる上記出力された生体情報の信頼性を判定することを特徴とする無侵襲生体分析装置。
データ処理部は、前記分布幅と基準となる分布幅とを比較し、生体情報の信頼性を判定する、請求項１に記載の無侵襲生体分析装置。