JP4567479B2 - Biological information measuring device and biological information measuring method - Google Patents
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Description
セキュリティ確保や情報漏洩防止のための指紋認識を含む生体情報検出技術に関する。 The present invention relates to a biometric information detection technique including fingerprint recognition for ensuring security and preventing information leakage.
指先の指紋パターン認識を応用した個人認証システムは、比較的安価で、使用者にとっても簡便な操作が可能であるため、保安および機密漏洩防止を目的としたドア開錠システム、コンピュータシステム端末や携帯用小型端末(PDA)の使用者認証などに広く用いられている。 Personal authentication systems that apply fingertip fingerprint pattern recognition are relatively inexpensive and easy for the user to operate. Therefore, door unlocking systems, computer system terminals and mobile phones for the purpose of security and leakage prevention It is widely used for user authentication of personal digital assistants (PDAs).
しかしながら、光学画像センサまたは半導体センサを用いて、指紋の2次元パターンを認識する原理であるため、樹脂等の何らかの方法で指紋パターンを複製した模造品を用いることで、個人認証を欺瞞することが可能であり、不正な行為を完全には排除しきれないという問題点が指摘されてきた。 However, since it is the principle of recognizing a two-dimensional fingerprint pattern using an optical image sensor or a semiconductor sensor, it is possible to deceive personal authentication by using a counterfeit product obtained by copying the fingerprint pattern by some method such as resin. It has been pointed out that it is possible and cannot completely eliminate fraudulent acts.
上記の問題を解決するため、特許文献1に示すように、複数の指紋パターンを認識させる対策や、特許文献2に示すように、光センサを用いて血液を検出する対策が考案されているが、前者については、複数のパターンの模造品を用いることで不正が可能であり、また、後者については、十分高速なデジタル信号処理を行うコンピュータシステムとデジタル・アナログ変換器(DAC)とLED等の光源を組み合わせることで欺瞞信号を合成することも可能であり、完全に不正を排除することは困難である。
In order to solve the above problem, a countermeasure for recognizing a plurality of fingerprint patterns as shown in
なお、赤外線センサを用いて、生体の掌の静脈血管パターンを認識する個人認証システムも実用化されているが、原理的に、システムの小型化が困難であり、携帯用小型端末(PDA)や携帯電話、腕時計型電子機器等への搭載がほとんど不可能である。
上述したように、従来の指紋パターン認識を応用した個人認証システムは、個人認証を欺瞞することが可能であり、不正な行為を完全には排除しきれない、また小型化が困難という問題点を有している。そこで本願発明は、指紋検出センサを用いながらも、指紋を複製した生体でない模造品や、光信号の合成による欺瞞手段を排除でき、真贋判定の精度を向上させ、高度なセキュリティの確保が可能な生体情報測定装置を提供することを目的とする。 As described above, the conventional personal authentication system applying fingerprint pattern recognition can deceive personal authentication, and cannot completely eliminate fraudulent acts and is difficult to miniaturize. Have. Therefore, the present invention can eliminate the imitation product that is not a living body that duplicates the fingerprint and the deception means by synthesizing the optical signal while using the fingerprint detection sensor, and can improve the accuracy of the authenticity determination and ensure high security. It aims at providing a biological information measuring device.
上記課題を解決するために、本願発明の生体情報測定装置及び生体情報測定方法は、超音波センサを用いて血管内を流れる血液の流速に対応する信号波形を検出し、検出した信号波形の信号処理によって得られる血流速度、脈拍数、信号波形の特徴抽出といった処理結果に基づいて測定対象を生体として認証するか否かを判定し、紛れもなく生体(人体)であると判定した場合に、個人認証処理を行うようにするものである。 In order to solve the above problems, the biological information measuring device and the biological information measuring method of the present invention detect a signal waveform corresponding to the flow velocity of blood flowing in a blood vessel using an ultrasonic sensor, and detect the signal waveform detected. When it is determined whether or not to authenticate the measurement target as a living body based on the processing results such as blood flow velocity, pulse rate, and signal waveform feature extraction obtained by the processing, and when it is determined that it is a living body (human body) The personal authentication process is performed.
指紋センサを用いた安価かつ小型な装置でありながら、指紋の複製による模造品や、光信号を合成する欺瞞手段による不正な行為を排除し、高度なセキュリティを確保することができる。装置が小型かつ安価に実現可能であるため、携帯用小型端末(PDA)や携帯電話、腕時計型電子機器等、いわゆるウェアラブル端末装置にも搭載が容易である。また、10MHz以上の周波数の入射超音波に対応し、血流に伴うドップラシフトを模倣した適切なスペクトルの反射超音波を合成することは技術的に困難であり、不正行為の排除に有効である。 Although it is a low-priced and small device using a fingerprint sensor, it is possible to eliminate imitations by duplicating fingerprints and illegal acts by deceptive means for synthesizing optical signals, thereby ensuring high security. Since the device is small and can be realized at low cost, it can be easily mounted on a so-called wearable terminal device such as a portable small terminal (PDA), a mobile phone, and a wristwatch type electronic device. In addition, it is technically difficult to synthesize reflected ultrasound with an appropriate spectrum that mimics Doppler shift associated with blood flow, corresponding to incident ultrasound with a frequency of 10 MHz or higher, and is effective in eliminating fraud. .
(実施の形態1)
まず、図面に基づき実施例の構成を説明する。図1は、本発明の生体情報測定装置の構成を示すブロック図である。図2および図3には本発明で用いた血流速度センサを示す。図2には、指紋センサとして光学式指紋読取りセンサ9を用いた例を、また、図3には半導体指紋読取りセンサ11を用いた例を示す。さらに、図4に超音波ドップラ信号測定原理の概略を示す模式図を示す。
(Embodiment 1)
First, the structure of an Example is demonstrated based on drawing. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the biological information measuring apparatus of the present invention. 2 and 3 show a blood flow velocity sensor used in the present invention. 2 shows an example using an optical
血流速度センサ10は、2対の超音波センサ、すなわち、発信素子2a、受信素子3aから成る超音波センサ1aと、発信素子2b、受信素子3bから成る超音波センサ1bとを組み合わせたものである。超音波センサ1a、1bの発信素子2a、2bと受信素子3a、3bはいずれも圧電性セラミックス板に電極薄膜を形成した圧電振動素子である。本実施の形態においては超音波の周波数は15MHzとした。発振制御回路22は、発振回路21内部のスイッチング回路を制御し発振回路21のオン・オフと発振周波数を切替える手段である。切替えタイミングは速度演算部51内部のクロックにて制御され、切替えによって速度計算に誤りは生じない。一定でない間隔で周波数切替えとオン・オフを繰返すことで、欺瞞信号の合成をより困難にすることができる。本発明においては、2対の超音波センサ1a、1bを用い、超音波の射出および受信の指向性の方向が互いに平行にならない角度αを成すようにセンサ支持基板10上に配置してある。この血流速度センサ10に、図4に示すように測定対象である生体71(被験者の指先など)を接触させて、指紋認識と同時に、あるいは、指紋認識の直前か直後に血流速度を計測する。
超音波センサ1aの発信素子2aから発した超音波(送信波13a)は生体組織中を伝播し、血管中を流れる血液で反射される。反射波14aは、血液の流れる速度に従いドップラシフトを受けた信号に変化している。この反射波を受信素子3aで受信する。超音波センサ1bについても同様に、発信素子2bから発した超音波(送信波13b)は血流によるドップラシフトを受けて反射され受信素子3bで検出されるのであるが、超音波センサ1aと1bでは超音波の放射される指向方向が異なる。この超音波センサ1aと1bの角度の差αと超音波センサ1aと1bの信号から得られたそれぞれのドップラシフト周波数ΔFa、ΔFbから血流速度を計算することが可能である。
The blood
The ultrasonic wave (transmission wave 13a) emitted from the transmitting element 2a of the ultrasonic sensor 1a propagates through the living tissue and is reflected by the blood flowing through the blood vessel. The reflected wave 14a changes to a signal subjected to Doppler shift according to the blood flow speed. This reflected wave is received by the receiving element 3a. Similarly for the ultrasonic sensor 1b, the ultrasonic wave (transmitted wave 13b) emitted from the transmitting element 2b is reflected by the Doppler shift due to blood flow and detected by the
超音波計測部50は、2対の超音波センサ1からなる血流速度センサ10、それぞれ2組の検波回路23、フィルタ回路24、増幅回路25、A/D変換器26からなる。反射波14a、14bを受けた受信素子3a、3bのそれぞれの信号は、検波回路23a、23bで検波され、超音波の搬送波成分(ベース成分)を取り除いたドップラシフト信号成分のみが取り出され、さらにフィルタ回路24a、24bによりA/D変換処理に不要な周波数成分を取り除き、増幅回路25a、25bでそれぞれ増幅される。このドップラシフト信号はアナログ信号であるが、A/D変換器26a、26bによりデジタルデータに変換され、バッファメモリ41に一時蓄積される。
The
速度演算部51は、バッファメモリ41と、演算処理装置43からなる。バッファメモリ41は超音波センサ1からの計測データを一時的に保持する。それぞれのバッファメモリ内のデータは一定量ごとに演算処理装置43に送られる。演算処理装置43は、各A/D変換器によりデジタル化された各センサからのデータをデジタル入出力部44を経由して受取り、信号演算処理部45および汎用演算処理部46の機能により演算処理し、ノイズ成分を除去した血流速度を算出する。また、この演算処理装置43は、後述するように、算出された血液の流速または脈拍数があらかじめ定められた所定の範囲内にあるか否かによって、測定対象を生体として認証するか否かを判定する機能や、検出された流速波形から特定のパターンを抽出し、このパターンの情報から測定対象を生体として認証するか否かを判定する機能を持つ信号演算処理部45または汎用演算処理部46を有している。
なお、演算処理装置43が計測データのサンプリングレートに対して十分高速に動作するのであれば、バッファメモリ41および42は省略可能である。また信号演算処理部45は特殊なハードウェア構成によって信号処理を高速に実行する装置であり、汎用演算処理部46の処理速度が高速である場合は、信号演算処理部45は省略可能である。
The speed calculation unit 51 includes a buffer memory 41 and an arithmetic processing device 43. The buffer memory 41 temporarily stores measurement data from the
If the arithmetic processing unit 43 operates at a sufficiently high speed with respect to the sampling rate of the measurement data, the buffer memories 41 and 42 can be omitted. The signal arithmetic processing unit 45 is a device that performs signal processing at a high speed with a special hardware configuration. If the processing speed of the general-purpose arithmetic processing unit 46 is high, the signal arithmetic processing unit 45 can be omitted.
図3に示すように、血流センサ10に測定対象である生体71(本実施例においては被験者の指先)を接触させて、血流速度を計測する。超音波センサ1aの発信素子2aから発した超音波(送信波78a)は生体組織中を伝播し、血管を流れる血液で反射される。反射波14aは、血液の流速に従いドップラシフトを受けた信号に変化する。この反射を受信素子3aで受信する。超音波センサ1bについても同様に、発信素子2bから発した超音波(送信波78b)は血流によるドップラシフトを受けて反射され受信素子3bで検出されるのであるが、超音波の放射される指向方向が異なる。受信素子3a、3bで受けたそれぞれの反射波79a、79bの信号は、それぞれ、検波回路23a、23bで検波され、超音波の搬送波成分(ベース成分)を取り除いたドップラ信号成分のみが取り出され、さらにフィルタ回路24a、24bによりA/D変換処理に不要な高周波成分を取り除いた後、増幅回路25a,26bでそれぞれ増幅される。このドップラ信号はアナログ信号であるが、A/D変換器26a、26bによりデジタルデータに変換され、バッファメモリ41に一時蓄積された後、演算処理装置43のデジタル入出力部44を介して主記憶部42に転送され、記憶される。
As shown in FIG. 3, the blood flow velocity is measured by bringing the
上記測定で得られた超音波センサ1aと超音波センサ1bのそれぞれのドップラ信号のデジタルデータを演算処理装置43の信号演算処理部45および汎用演算処理部46においてフーリエ変換(FFT)処理により、周波数分布(スペクトル)データに変換し、周波数分布データを主記憶部42に記憶する。A/D変換のサンプリング周波数をfs=20kHz、FFT処理の個数をNf=256個とすると、0.0128秒毎の周波数分布データが、Nf=512個とすると、0.0256秒毎の周波数分布データが得られることになる(ただし、FFT処理のデータ個数とFFT処理の時間間隔は必ずしも一致しなくてもよい。たとえば、0.01秒間隔で256個ずつのデータを処理することも可能である)。 The digital data of the respective Doppler signals of the ultrasonic sensor 1a and the ultrasonic sensor 1b obtained by the above measurement is subjected to Fourier transform (FFT) processing in the signal arithmetic processing unit 45 and the general-purpose arithmetic processing unit 46 of the arithmetic processing unit 43, so that the frequency The data is converted into distribution (spectrum) data, and the frequency distribution data is stored in the main storage unit 42. Assuming that the sampling frequency of A / D conversion is fs = 20 kHz and the number of FFT processes is Nf = 256, the frequency distribution data every 0.0128 seconds is Nf = 512, and the frequency distribution is every 0.0256 seconds. (However, the number of FFT processing data and the time interval of the FFT processing do not necessarily match. For example, 256 pieces of data can be processed at intervals of 0.01 seconds.) is there).
以上の方法で超音波センサ1aのデータから得られた周波数シフトをFa、超音波センサ1bのデータから得られた周波数シフトをFb、とすると、血流速度Vhは、下記の式で導出できる。 If the frequency shift obtained from the data of the ultrasonic sensor 1a by the above method is Fa and the frequency shift obtained from the data of the ultrasonic sensor 1b is Fb, the blood flow velocity Vh can be derived by the following equation.
ここで、αは2つの超音波センサの超音波の射出および受信の指向性のなす角度、cは生体中での音速、Fsは超音波センサの発信周波数(駆動周波数)である。 Here, α is an angle formed by directivity of emission and reception of the ultrasonic waves of the two ultrasonic sensors, c is a sound velocity in the living body, and Fs is a transmission frequency (drive frequency) of the ultrasonic sensors.
以上のように血流速度を計測し、その速度が例えば、10cm/sec以上でなければ、演算処理装置43は生体ではないと判断する。また、血流速度波形から脈周期(ピークとピークの時間差)または脈拍数が得られるので、脈拍数が異常である場合も不正である、即ち生体ではないと判断する。また、たとえば、脈拍数が異常に大きい場合には、犯罪者に脅迫されて認証作業を行っているという可能性も考えられ、この場合も不正な行為が発生していると判断することも可能である。 As described above, the blood flow velocity is measured, and if the velocity is not 10 cm / sec or more, for example, it is determined that the arithmetic processing device 43 is not a living body. Further, since the pulse cycle (peak-to-peak time difference) or pulse rate is obtained from the blood flow velocity waveform, it is determined that the pulse rate is also incorrect, that is, not a living body. In addition, for example, if the pulse rate is abnormally large, there may be a possibility that the criminal is threatened and performing authentication work. In this case, it can also be determined that an illegal act has occurred. It is.
指紋読取装置53は、撮像素子6を有する光学式指紋読取りセンサ9または半導体指紋読取りセンサ11からなる撮像部33で指紋パターンを検出し、いったんバッファメモリ31に検出した指紋パターンの画像データを記憶し、その画像データは画像データ処理装置32において、2値化処理などのパターン抽出処理を行い、個人認証装置54内のデータ検索処理装置47に出力するが、演算処理装置43での血流速度測定によって生体を測定していると判定された場合には、その旨の判定信号が演算処理装置43から出力され、データ検索処理装置47は、指紋読取装置53から出力された指紋パターンの画像データと、あらかじめストレージ(外部記憶装置)48またはネットワーク49上の記憶領域にあるデータベースに登録しておいた指紋パターンとを比較し個人認証を行う。
The
一方、上記血流速度測定によって生体を測定していないと判定された場合には、その旨の判定信号が演算処理装置43から出力され個人認証は行わない。 On the other hand, when it is determined that the living body is not measured by the blood flow velocity measurement, a determination signal to that effect is output from the arithmetic processing unit 43 and personal authentication is not performed.
なお、図1においては、複数の演算処理装置(プロセッサ)を用意しているが、十分に処理能力の大きな(高速な)演算処理装置を用意できる場合は、各処理工程を各処理装置に分担させることなく、複数の演算機能を同一の演算処理装置で兼ねても良い。
(実施の形態2)
図5は本発明の装置の血流速度センサによって得られた血流速度波形の測定例である。図5に示すように生体の脈拍に伴う血流速度の変化は複雑であり、単純な往復運動や回転運動の機械式ポンプでは生体を模した速度変化を持つ流れを作り出すことは難しい。したがって、血流速度波形から特長を抽出し、機械式ポンプで人工的に作り出した流れと区別し、不正行為を排除できる。例えば、最小値と最大値の時間差83の脈周期86に対する比率、第1ピークと第2ピークの時間差84の脈周期86に対する比率、第1ピークと第2ピークの強度比、振幅(ピーク値)のゆらぎの大きさと周期、脈周期のゆらぎの大きさと周期などといった血流速度波形の波形パターンから、測定対象を生体として認証するか否かを判定する前述の機能(例えば、判定プログラム)を信号演算処理部45または汎用データ処理部46が有しているので、人工的な流れと区別することが可能である。なお、あらかじめ個人ごとに血流速度波形の特長を数値化し、ストレージ48またはネットワーク49上の記憶領域にあるデータベースに登録しておき、測定波形と比較することも可能であり、更に高度で厳密なセキュリティの確保が可能となる。
In FIG. 1, a plurality of processing units (processors) are prepared. However, when a processing unit having a sufficiently large processing capability (high speed) can be prepared, each processing step is assigned to each processing unit. A plurality of arithmetic functions may be combined with the same arithmetic processing unit without causing them to occur.
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a measurement example of the blood flow velocity waveform obtained by the blood flow velocity sensor of the apparatus of the present invention. As shown in FIG. 5, the change in blood flow velocity accompanying the pulse of the living body is complicated, and it is difficult to create a flow having a speed change imitating that of a living body with a simple reciprocating or rotating mechanical pump. Therefore, features can be extracted from the blood flow velocity waveform, and can be distinguished from the flow artificially created by the mechanical pump, and fraud can be eliminated. For example, the ratio of the time difference 83 between the minimum value and the maximum value to the pulse period 86, the ratio of the time difference 84 between the first peak and the second peak to the pulse period 86, the intensity ratio between the first peak and the second peak, and the amplitude (peak value) The above-described function (for example, a determination program) for determining whether or not to authenticate the measurement object as a living body from the waveform pattern of the blood flow velocity waveform such as the fluctuation size and period of the pulse and the fluctuation magnitude and period of the pulse cycle is signaled Since the arithmetic processing unit 45 or the general-purpose data processing unit 46 is provided, it can be distinguished from an artificial flow. It is possible to digitize the characteristics of the blood flow velocity waveform for each individual in advance and register it in the database in the storage area of the storage 48 or
セキュリティの確保、企業情報および個人情報等の漏洩防止などを目的とし、入室制限、コンピュータ機器等の使用制限のため、生体の指紋パターンを認識することで個人認証を行うための生体情報測定装置に利用可能である。携帯用小型端末(PDA)や携帯電話、腕時計型電子機器等、いわゆるウェアラブル端末装置にも搭載が容易である。 A biometric information measuring device for personal authentication by recognizing biometric fingerprint patterns for the purpose of ensuring security, preventing leakage of corporate information and personal information, etc. Is available. It can be easily mounted on a so-called wearable terminal device such as a portable small terminal (PDA), a mobile phone, and a wristwatch type electronic device.
1a、1b 超音波センサ
2a、2b 発信素子
3a、3b 受信素子
4 センサ支持部材
5 レンズ
6 撮像素子
7 保護ガラス
8 光学フィルタ
9 光学式指紋読取りセンサ
10 血流速度センサ
11 半導体指紋読取りセンサ
21a、21b 発振回路
22 発振制御回路
23a、23b 検波回路
24a、24b フィルタ回路
25a、25b 増幅回路
26a、26b A/D変換器
31 バッファメモリ
32 画像データ処理装置
41a、41b バッファメモリ
42 主記憶部
43 演算処理装置
44 デジタル入出力部
45 信号演算処理部
46 汎用演算処理部
47 データ検索処理装置
48 ストレージ
49 ネットワーク
50 超音波計測部
51 速度演算部
53 指紋読取装置
54 個人認証装置
64 駆動電圧(a)
65 駆動電圧(b)
66 A/D変換タイミング
71 生体(指先)
72 動脈血管
78 送信波
79 反射波
80 血流速度波形
81 第1ピークの強度
82 第2ピークの強度
83 最小値と最大値の時間差
84 第1ピークと第2ピークの時間差
85 振幅
86 脈周期
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b Ultrasonic sensor 2a,
65 Drive voltage (b)
66 A / D conversion timing 71 Living body (fingertip)
72
Claims (8)
前記計測部は、前記生体中に超音波を入射する発信手段と入射された前記超音波が前記血液で反射された反射波を受信する受信手段とからなる1対の超音波センサを互いに異なる角度で基板上に2対具備し、
前記撮像部は、前記超音波センサのそれぞれの間の前記基板上に配置されており、前記生体に対向する平坦面を具備し、
前記超音波センサのそれぞれは、前記平坦面に対して傾斜している傾斜面を具備し、
前記平坦面及び前記傾斜面により構成される面は、前記生体を配置するための凹形状を具備することを特徴とする生体情報測定装置。 An image pickup unit that detects and outputs a fingerprint pattern, processes the output fingerprint pattern and outputs image data, and detects a signal waveform corresponding to the flow velocity of blood flowing through a blood vessel in the living body. a measuring unit for outputting Te, the measurement object based on the processing results obtained by the signal processing of the signal waveform output from the measuring unit determines whether to authenticate as the living body, and outputs the result of judgment judged A calculation unit having a function, and a personal authentication device that performs a personal authentication process based on the determination result in the calculation unit and the image data output from the fingerprint reader ,
The measuring unit converts a pair of ultrasonic sensors, each of which includes a transmitting unit that inputs an ultrasonic wave into the living body and a receiving unit that receives a reflected wave of the incident ultrasonic wave reflected by the blood, at different angles. With two pairs on the substrate,
The imaging unit is disposed on the substrate between each of the ultrasonic sensors, and includes a flat surface facing the living body,
Each of the ultrasonic sensors comprises an inclined surface that is inclined with respect to the flat surface,
The biological information measuring apparatus according to claim 1, wherein a surface constituted by the flat surface and the inclined surface has a concave shape for arranging the living body.
前記計測部は、前記生体中に超音波を入射する発信手段と入射された前記超音波が前記血液で反射された反射波を受信する受信手段とからなる1対の超音波センサを互いに異なる角度で基板上に2対具備し、
前記撮像部は、前記超音波センサのそれぞれの間の前記基板上に配置されており、前記生体に対向する平坦面を具備し、
前記超音波センサのそれぞれは、前記平坦面に対して傾斜している傾斜面を具備し、
前記平坦面及び前記傾斜面により構成される面は、前記生体を配置するための凹形状を具備し、
前記画像データを出力する工程と、前記信号波形を検出し、検出された前記信号波形の信号処理によって得られる処理結果に基づいて測定対象を前記生体として認証するか否かを判定して判定した結果を出力する工程と、前記判定結果と前記画像データに基づいて前記個人認証処理を行う工程と
を具備することを特徴とする生体情報測定方法。 An imaging unit that detects and outputs a fingerprint pattern, and a measurement unit that detects and outputs a signal waveform corresponding to a flow velocity of blood flowing through a blood vessel in a living body, and image data obtained by performing image processing on the fingerprint pattern and the signal waveform A biometric information measuring method used in a biometric information measuring apparatus for performing personal authentication processing using
The measuring unit converts a pair of ultrasonic sensors, each of which includes a transmitting unit that inputs an ultrasonic wave into the living body and a receiving unit that receives a reflected wave of the incident ultrasonic wave reflected by the blood, at different angles. With two pairs on the substrate,
The imaging unit is disposed on the substrate between each of the ultrasonic sensors, and includes a flat surface facing the living body,
Each of the ultrasonic sensors comprises an inclined surface that is inclined with respect to the flat surface,
The surface constituted by the flat surface and the inclined surface has a concave shape for arranging the living body,
And outputting the image data, detects the signal waveform to determine the measurement object based on the processing results obtained by the signal processing of the detected the signal waveform to determine whether to authenticate as the biometric and outputting the result, and performing the personal authentication process based on the image data and the determination result
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