JP5137606B2

JP5137606B2 - 非侵襲血液成分計測装置、非侵襲的に血液成分を計測するための方法及びコンピュータプログラム

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Publication number: JP5137606B2
Application number: JP2008030172A
Authority: JP
Inventors: 康仁大西; 利行小澤
Original assignee: Sysmex Corp
Current assignee: Sysmex Corp
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: US8494605B2; JP2009189389A; US20090203976A1

Description

本発明は、生体を撮像して得られた生体画像を解析することにより、血液に含まれる成分の濃度を計測するための非侵襲血液成分計測装置、非侵襲的に血液成分を計測するための方法及びコンピュータプログラムに関する。

従来、撮像手段を用いて生体を撮像し、生体画像中の血管を解析することにより、血液の成分濃度を測定するものとして、例えば下記特許文献１に開示されているような非侵襲生体計測装置が知られている。この特許文献１に記載の装置は、使用者の手首における血管（静脈）を照明する光源部と、この光源部によって照明された手首を撮像する撮像部と、撮像された画像に基づいて血管を流れる血液成分を解析するための制御部とを備えている。

制御部は、撮像部によって撮像された生体画像を解析し、血管を含む生体画像中の血管部分の輝度に基づいて血液に含まれる成分濃度を求める。しかしながら、光源からの光は血管を流れる血液だけでなく周辺組織液によっても吸収されるため、撮像画像中の血管部分の輝度は、周辺組織液の量によって変動してしまう場合がある。このような問題を解決するため、特許文献１に記載の装置においては、血管周辺組織の光学情報を取得し、得られた光学情報に基づいて血液成分濃度を算出するようにしている。

特開２００７―４４４９１号公報

しかしながら、引用文献１に記載の装置は、装置を固定した位置に基づいて光学情報を検出し、それに基づいて血液成分濃度を算出する構成であるため、装置を固定した位置によって測定結果が変動するおそれがあった。

本願発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、装置を固定した位置によって生じる測定結果の変動を解消しうる非侵襲血液成分計測装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の第１の観点による非侵襲血液成分計測装置は、血管を含む生体を照明するための光源部と、前記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、前記撮像部が前記生体を撮像することによって得られた生体画像に含まれる血管像に基づいて血液成分濃度を算出するとともに、前記生体画像における前記血管像の位置を決定し、前記血管像から所定の間隔を隔てて前記血管像に沿って隣接する複数の画素の輝度の分布を示す第１の輝度分布を作成し、前記第１の輝度分布に基づいて血管の周辺組織に含まれる血液量を反映する指標を取得し、前記指標に基づいて前記血液成分濃度を補正する解析部と、を備えることを特徴とする。

さらに、前記解析部は、前記血管像を横切る方向に隣接する複数の画素の輝度の分布を示す第２の輝度分布を作成し、前記第２の輝度分布に基づいて前記生体画像における血管像の位置を決定することを特徴とすることが好ましい。

また、本発明は、他の観点によれば、血管を含む生体を照明する工程と、照明された生体を撮像する工程と、前記生体を撮像することによって得られた生体画像に含まれる血管像に基づいて血液成分濃度を算出する工程と、前記生体画像における血管像の位置を決定する工程と、前記血管像から所定の間隔を隔てて前記血管像に沿って隣接する複数の画素の輝度の分布を示す第１の輝度分布を作成する工程と、前記第１の輝度分布に基づいて血管の周辺組織に含まれる血液量を反映する指標を取得する工程と、前記指標に基づいて前記血液成分濃度を補正する工程と、を含むことを特徴とする非侵襲的に血液成分を計測する方法でもある。

また、本発明は、他の観点によれば、血管を含む生体を照明するための光源部と、前記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を備え、非侵襲的に血液成分を計測するための装置の中央処理装置において実行可能なコンピュータプログラムであって、前記中央処理装置を、前記光源部によって照明された生体を前記撮像部が撮像することによって得られた生体画像に含まれる血管像に基づいて血液成分濃度を算出する手段、前記生体画像における血管像の位置を決定する手段、前記血管像から所定の間隔を隔てて前記血管像に沿って隣接する複数の画素の輝度の分布を示す第１の輝度分布を作成する手段、および前記第１の輝度分布に基づいて血管の周辺組織に含まれる血液量を反映する指標を取得し、前記指標に基づいて前記血液成分濃度を補正する手段、として機能させるためのコンピュータプログラムでもある。

本発明によれば、装置を固定した位置に関わらず、生体画像における血管の位置を基準に血液成分濃度を算出できるため、装置を固定した位置によって測定結果が変動することがなく、血液成分を再現よく計測可能な非侵襲血液成分計測装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の非侵襲血液成分計測装置の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る非侵襲血液成分計測装置の外観を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る非侵襲血液成分計測装置１の使用状態を表す図である。非侵襲血液成分計測装置１は、図２に示すようにして使用者の腕に装着され、腕から手首にかけて存在する血管を撮像し、撮像された画像に基づいてヘモグロビン濃度を計測するための血液成分計測装置である。

非侵襲血液成分計測装置１は、検出部２と、第１挟持部３と、第２挟持部４と、表示部５と、操作部６と、制御部１０とを備えている。検出部２は、生体表面を照明及び撮像するための機構であり、内側には生体部位を照明するための光源部７と、光源部７によって照明された生体部位を撮像するための撮像部８とが設けられている（図３参照）。第１挟持部３と第２挟持部４は、図２に示すように被験者の腕を挟むことによって非侵襲血液成分計測装置１を腕に固定する。表示部５は、液晶パネルを備えており、ヘモグロビン濃度計測の結果や、操作情報などを表示する。操作部６は、操作ボタンを備えており、使用者による操作を受け付ける。制御部１０は、非侵襲血液成分計測装置１の各部の動作を制御する。

図３は、非侵襲血液成分計測装置１の構成を示すブロック図である。制御部１０は、ＣＰＵ１００ａと、メインメモリ１００ｂと、フラッシュメモリカードリーダ１００ｃと、光源部入出力インタフェース１００ｄと、フレームメモリ１００ｅと、画像入力インタフェース１００ｆと、入力インタフェース１００ｇと、通信インタフェース１００ｈと、画像出力インタフェース１００ｉとを備えている。ＣＰＵ１００ａと、メインメモリ１００ｂ、フラッシュメモリカードリーダ１００ｃ、光源部入出力インタフェース１００ｄ、フレームメモリ１００ｅ、画像入力インタフェース１００ｆ、入力インタフェース１００ｇ、通信インタフェース１００ｈ、及び画像出力インタフェース１００ｉとは、相互にデータ伝送が可能であるようにデータ伝送線を介して接続されている。この構成により、ＣＰＵ１００ａは、メインメモリ１００ｂ、フラッシュメモリカードリーダ１００ｃ、及びフレームメモリ１００ｅに対するデータの読み出し、書込み、並びに、光源部入出力インタフェース１００ｄ、画像入力インタフェース１００ｆ、入力インタフェース１００ｇ、画像出力インタフェース１００ｉ、及び通信インタフェース１００ｈに対するデータの送受信が可能となる。

ＣＰＵ１００ａは、メインメモリ１００ｂにロードされたコンピュータプログラムを実行することが可能である。そして、後述するようなコンピュータプログラムをＣＰＵ１００ａが実行することにより、本装置が非侵襲血液成分計測装置として機能する。
メインメモリ１００ｂは、ＳＲＡＭ又はＤＲＡＭ等によって構成されている。メインメモリ１００ｂは、フラッシュメモリカード１００ｊに記憶されているコンピュータプログラムの読み出しに用いられる。また、これらのコンピュータプログラムを実行するときに、ＣＰＵ１００ａの作業領域として利用される。

フラッシュメモリカードリーダ１００ｃは、フラッシュメモリカード１００ｊに記憶されたデータの読み出しに使用される。フラッシュメモリカード１００ｊは、フラッシュメモリ（図示せず）を有しており、外部から電力を供給されなくても、データを保持することができる。また、フラッシュメモリカード１００ｊには、ＣＰＵ１００ａに実行されるコンピュータプログラム及びこれに用いるデータ等が記憶されている。

また、フラッシュメモリカード１００ｊには、例えばＴＲＯＮ仕様準拠のオペレーティングシステムがインストールされている。なお、オペレーティングシステムは、これに限定されるものではなく、例えば米マイクロソフト社が製造販売するＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）等のグラフィカル被験者インターフェース環境を提供するオペレーティングシステムであってもよい。以下の説明においては、本実施の形態に係るコンピュータプログラムはこれらオペレーティングシステム上で動作するものとしている。

光源部入出力インタフェース１００ｄは、Ｄ／Ａ変換器、Ａ／Ｄ変換器等からなるアナログインタフェースから構成されている。光源部入出力インタフェース１００ｄは、光源部７に設けられた４つの発光ダイオードＲ１、Ｒ２、Ｌ１、Ｌ２と夫々電気信号線によって電気的に接続されており、かかる発光ダイオードの動作制御を行うことが可能である。かかる光源部入出力インタフェース１００ｄは、後述するようなコンピュータプログラムに基づいて、発光ダイオードＲ１、Ｒ２、Ｌ１、Ｌ２に与える電流を制御する。

フレームメモリ１００ｅは、ＳＲＡＭ又はＤＲＡＭ等によって夫々構成されている。フレームメモリ１００ｅは、後述する画像入力インタフェース１００ｆが画像処理を実行するときに、データの格納用に利用される。
画像入力インタフェース１００ｆは、Ａ／Ｄ変換器を含むビデオデジタイズ回路（図示せず）を備えている。画像入力インタフェース１００ｆは、撮像部８に電気信号線によって電気的に接続されており、当該撮像部８から、画像信号が入力されるようになっている。撮像部８から入力された画像信号は、画像入力インタフェース１００ｆでＡ／Ｄ変換される。このようにデジタル変換された画像データは、フレームメモリ１００ｅに格納される。

入力インタフェース１００ｇは、Ａ／Ｄ変換器からなるアナログインタフェースから構成されている。入力インタフェース１００ｇには、操作部６が電気的に接続されている。この構成により、使用者は、操作部６を使用することにより、装置の電源のＯＮ／ＯＦＦや、装置の動作項目の選択を行って、選択を行った動作を装置に実行させることが可能である。

通信インタフェース１００ｈは、例えばＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４、ＲＳ２３２Ｃ等のシリアルインタフェース、又は、ＳＣＳＩ等のパラレルインタフェースから構成されている。制御部１０は、当該通信インタフェース１００ｈにより、所定の通信プロトコルを使用して、モバイルコンピュータ・携帯電話等の外部接続機器との間でデータの送受信が可能である。これにより、制御部１０は、かかる通信インタフェース１００ｈを介して、測定結果データを当該外部接続機器へ送信する。

画像出力インタフェース１００ｉは、表示部５に電気的に接続されており、ＣＰＵ１００ａから与えられた画像データに基づいた映像信号を表示部５に出力する。

図４は光源部７の構成を示す平面図である。光源部７は、略長方形状であって短辺が丸みを帯びて形成された保持板７１ａと、この保持板７１ａに保持された４つの発光ダイオードＲ１、Ｒ２、Ｌ１、Ｌ２とから構成されている。保持板７１ａの中央には、撮像部８へ入射する光を通過させるための円形の開口部７１ｂが設けられており、この開口部７１ｂの周囲に沿って、前述した発光ダイオードが配置されている。

図５は、保持板７１ａに設けられた４つの発光ダイオードの位置関係を示す図である。発光ダイオードＲ１、Ｒ２、Ｌ１、Ｌ２は、開口部７１ｂ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ている。非侵襲血液成分計測装置１が手首に装着された状態において、手首表面の撮像領域ＣＲは、撮像部８により撮像され、表示部５に表示される領域である。発光ダイオードＬ１およびＬ２（第２光源部）側の指標線４０１ａと、発光ダイオードＲ１およびＲ２（第１光源部）側の指標線４０１ｂとの間の領域４０１ｃが、撮像部８による撮像に適した領域、即ち撮像の際に血管を位置させる領域である。血液成分の計測を行う際には、手首の任意の血管が、前記領域４０１ｃ内に位置するように非侵襲血液成分計測装置１の装着位置を調整する。血管は、発光ダイオードＲ１、Ｒ２、Ｌ１、Ｌ２によって、近赤外光（中心波長＝８０５ｎｍ）で照明され、撮像部８が照明された血管を撮像する。発光ダイオードＲ１、Ｒ２、Ｌ１、Ｌ２は撮像領域ＣＲの紙面における上下に配置されているため、撮像部８によって撮像された画像は、上下が明るく、中央付近が暗い画像となる（図７参照）。

撮像部８は、非侵襲血液成分計測装置１を生体に装着したときに、保持板７１ａを生体と撮像部８とによって挟むように配置されている。撮像部８は、保持板７１ａの中央に設けられた開口部７１ｂを介して生体画像を撮像し、画像信号を制御部１０に送信する。

非侵襲血液成分計測装置１の測定動作
次に、非侵襲血液成分計測装置１の測定動作について図６を参照して説明する。図６は、ＣＰＵ１００ａによるヘモグロビン濃度計測処理の詳細を示すフローチャートである。
まず、非侵襲血液成分計測装置１が使用者の腕に装着される（図２参照）。次に、使用者によって操作部６が操作されて非侵襲血液成分計測装置１に電源が投入されると、ＣＰＵ１００ａは、撮像部８による撮像に適した領域内４０１ｃ（図５参照）に手首の血管が位置するよう位置調整を促す表示を表示部５に表示する処理を実行する。使用者が表示部５の表示に従って位置調整を行なったのち、操作部６を操作してヘモグロビン濃度計測の実行を指示すると、ＣＰＵ１００ａは、所定のプログラムに基づいてヘモグロビン濃度計測処理を実行する。

図７は、撮像部が生体を撮像することによって得られる撮像画像の一例を示す図であり、画像を０≦ｘ≦１２８０、０≦ｙ≦９６０の範囲でｘ、ｙの２次元の座標に座標分割したものである。以下、ヘモグロビン濃度計測処理について図６、図７を用いて説明する。
まずＣＰＵ１００ａは、光源部入出力インタフェース１００ｄを制御し、血管を挟んで両側に配設された光源のうち、一方の光源である発光ダイオードＲ１、Ｒ２（第１光源部）によって血管を含む生体を所定の光量で照明し（ステップＳ１０１）、これを撮像部８で撮像する（ステップＳ１０２）。ＣＰＵ１００ａは、撮像画像Ｇの平均輝度が所定値以上か否かを判定し（ステップＳ１０３）、輝度が所定値を超えない場合は、光源部入出力インタフェース１００ｄを介して発光ダイオードＲ１、Ｒ２に流れる電流量を調整し、これらの光量調整を行い（ステップＳ１０４）、処理をステップＳ１０２に戻す。

図８は、撮像画像Ｇのｙ座標（４８０）における横方向の輝度の分布を示す図である。図９は、撮像画像Ｇのｙ座標（４８０）における横方向のヘモグロビン濃度の分布を示す図である。ＣＰＵ１００ａは、撮像画像Ｇの平均輝度が所定値を超えると判定した場合は（ステップＳ１０３でＹｅｓ）、ステップＳ１０２によって得られた画像について、算出対象のｙ座標値を撮像画像Ｇのｙ軸方向中央となる（４８０）に設定し、ｙ座標値（４８０）における端から端までの輝度の値を求めて、図８に示すような血管を横切る方向に分布する輝度プロファイルＰＦ１を作成する。さらにＣＰＵ１００ａは、得られた輝度プロファイルＰＦ１のノイズ成分を高速フーリエ変換等の手法を用いて減少させたのち、輝度プロファイルＰＦ１をベースラインＢＬで規格化することにより、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ＮＰ１を作成する（ステップＳ１０５）。

次いで、ＣＰＵ１００ａは、光源部入出力インタフェース１００ｄを制御し、血管を挟んで両側に配設された光源のうち、他方の光源である発光ダイオードＬ１、Ｌ２（第２光源部）によって、血管を含む生体を適切な光量で照明し（ステップＳ１０６）、これを撮像部８で撮像する（ステップＳ１０７）。ＣＰＵ１００ａは、撮像画像Ｇの平均輝度が所定値以上であるか否かを判定し（ステップＳ１０８）、輝度が所定値を超えない場合は、光源部入出力インタフェース１００ｄを用いて、発光ダイオードＬ１、Ｌ２に流れる電流量を増加させ、これらの光量調整を行い（ステップＳ１０９）、ステップＳ１０７に処理を戻す。

撮像画像Ｇの平均輝度が所定値を超える場合は（ステップＳ１０８でＹｅｓ）、ＣＰＵ１００ａは、ステップＳ１０７によって得られた画像についてステップＳ１０５と同様の処理を行い、図８、９に示すような輝度プロファイルＰＦ２及び入射光量に依存しない濃度プロファイルＮＰ２を作成する（ステップＳ１１０）。

次いでＣＰＵ１００ａは、ステップＳ１０５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と、ステップＳ１１０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とをそれぞれ導出し、これらを用いて、次の算出式（１）により血管の深さを反映した指標として血管深さ指標Ｓを算出する。さらに、ＣＰＵ１００ａは、この算出結果をフレームメモリ１００ｅに記憶する（ステップＳ１１１）。
Ｓ＝（ｃｇ２−ｃｇ１）／｛（ｈ１＋ｈ２）／２｝……（１）
また、ＣＰＵ１００ａは、ステップＳ１０５により得られた輝度プロファイルＰＦ１、ステップＳ１１０により得られた輝度プロファイルＰＦ２に基づいて、血管の左右の光源（発光ダイオードＲ１、Ｒ２、及び発光ダイオードＬ１、Ｌ２）の光量比及び光量を算出し（ステップＳ１１２）、輝度プロファイルＰＦ１及びＰＦ２が左右対称となるように、発光ダイオードＲ１、Ｒ２、及び発光ダイオードＬ１、Ｌ２の光量調整を行う処理を実行する（ステップＳ１１３）。

ついで、ＣＰＵ１００ａは、光源部入出力インタフェース１００ｄを制御し、光量調整された発光ダイオードＲ１、Ｒ２、Ｌ１、Ｌ２によって撮像領域ＣＲ（図１３参照）を照明し、これを撮像部８で撮像する処理を実行する（ステップＳ１１４）。ＣＰＵ１００ａは、ステップＳ１１４において撮像された撮像画像Ｇの平均輝度を求め、平均輝度が所定値を超えるか否かを判定する（ステップＳ１１５）。輝度が所定値を超えない場合は、エラー表示を行ったのち（ステップＳ１１６）、処理をステップＳ１０１に戻す。

図１０は、撮像画像Ｇのｙ座標（４８０）における血管を横切る方向の輝度の分布を示す図である。図１１は、撮像画像Ｇのｙ座標値（４８０）における血管を横切る方向のヘモグロビン濃度の分布を示す図である。撮像画像Ｇの平均輝度が所定値を超える場合には（ステップＳ１１５でＹｅｓ）、ＣＰＵ１００ａが、得られた撮像画像Ｇについて、算出対象のｙ座標値を画像のｙ軸方向中央となる（４８０）に設定し、撮像画像Ｇのｙ座標値（４８０）における端から端までの輝度の値を求めて、図１０に示すような血管を横切る方向に分布する輝度プロファイルＰＦ３を作成する。さらに、ＣＰＵ１００ａは、高速フーリエ変換等の手法を用いて輝度プロファイルＰＦ３のノイズ成分を減少させ、輝度プロファイルＰＦ３をベースラインＢＬで規格化し、図１１に示すような濃度プロファイルＮＰ３を作成する（ステップＳ１１７）。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の形状を基に求められるため、入射光量に依存しない濃度プロファイルＮＰ３を得ることができる。

次に、ＣＰＵ１００ａは、作成された濃度プロファイルＮＰ３に基づいてピーク高さｈ及び血管径に対応する分布幅として半値幅ｗを算出する。半値幅ｗとは、濃度プロファイルＮＰ３のピーク高さの５０％における分布幅である。ここで得たピーク高さ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、半値幅ｗは撮像方向に直交する方向の血管径に相当する長さを表す。さらに、ＣＰＵ１００ａは、次の算出式（２）により無補正ヘモグロビン濃度Ｄを算出し、結果をフレームメモリ１００ｅに記憶する。（ステップＳ１１８）。
Ｄ＝ｈ／ｗ^ｎ……（２）
ただし、ｎは、散乱による半値幅の広がりの非線形を表す定数である。光散乱のない場合は、ｎ＝１、散乱のある場合はｎ＞１である。

次に、ＣＰＵ１００ａは、ステップＳ１１４において得られた撮像画像Ｇの血管周辺組織像に基づいて、当該周辺組織中に含まれる血液量を表す組織血液量指標Ｍを算出する（ステップＳ１１９）。
上記のとおり、無補正ヘモグロビン濃度Ｄは、濃度プロファイルＮＰ３のピーク高さｈに基づいて求められるが、ピーク高さｈは、血管周辺の組織血液濃度との比に基づいて相対的に決定される。つまり、血管周辺の組織血液量が多い場合と少ない場合とで、無補正ヘモグロビン濃度Ｄが変動してしまうことがある。
そこで、本実施形態においては、撮像画像中の血管周辺組織像に基づいて組織血液量指標Ｍを算出し、この組織血液量指標Ｍに基づいて無補正ヘモグロビン濃度Ｄを補正する構成としている。これにより、周辺組織血液量の個人差や、あるいはカフ締めを行った場合のうっ血による周辺組織血液量の増加などに依存することのない、正確なヘモグロビン濃度を計測することができる。この処理については後述する。

ＣＰＵ１００ａは、ステップＳ１１１で算出した血管深さ指標Ｓに基づいて補正計数ｆｓ、ステップＳ１２０で算出した組織血液量指標Ｍに基づいて補正係数ｆｍを導出し、これらを用いて、次の算出式（３）からなる補正ヘモグロビン濃度Ｄoを算出する（ステップＳ１２０）。
Ｄo＝Ｄ×ｆｓ×ｆｍ……（３）
なお、組織血液量指標Ｍに基づく補正計数ｆｍは、得られたＭの値が統計的に求められた平均的な値と一致するとき、補正計数ｆｍが１となるような関数ｆｍ＝ｆ（Ｍ）に基づいて導出される。組織血液量が多ければ多いほど、光源からの光が血管以外の部分において吸収される割合が高くなり、周辺組織と測定対象血管との輝度の差が小さくなる（図１１における濃度プロファイルＮＰ３のピーク高さｈが小さくなる）から、それだけ無補正ヘモグロビン濃度Ｄは過小に算出されることになる。したがって、補正計数ｆｍは、組織血液量に比例して無補正ヘモグロビン濃度Ｄを増加させるように補正可能な係数であることが必要であり、このため、上記関数ｆｍ＝ｆ（Ｍ）としては、傾きが正である一次関数を用いることが好ましい。
このように、血管画像に基づいて算出された補正前のヘモグロビン濃度を、組織血液量指標Ｍに基づいて補正する構成としたことにより、複雑な計算方法によることなく、組織血液量を加味した正確なヘモグロビン濃度を算出することができる。

ＣＰＵ１００ａは、ステップＳ１２１での算出結果をフレームメモリ１００ｅに記憶し（ステップＳ１２１）、主ルーチンに戻る。

図１２は、図６のステップＳ１１９における組織血液量指標Ｍを求める処理の詳細を示すフローチャートである。以下、ステップＳ１１９における組織血液量指標Ｍを算出する処理について、図１２を用いて説明する。

ＣＰＵ１００ａは、図６のステップＳ１１４において得られた撮像画像Ｇについて、算出対象のｙ座標値を画像のｙ軸方向中央となる（４８０）に設定し、設定されたｙ座標値（４８０）におけるｘ座標の端から端までの画素の輝度を求めて、血管を横切る方向に分布する輝度プロファイルＰＦ４を作成する。図１３は、撮像画像Ｇのｙ座標値（４８０）における血管を横切る方向の輝度の分布を示す図である。

次いで、ＣＰＵ１００ａは、ステップＳ３０１において作成された横方向の輝度プロファイルＰＦ４の４００≦ｘ≦８００の範囲内で、最も輝度の低い点（以下、輝度最下点）ＡのＸ座標（ａ）を求める（ステップＳ３０２）。４００≦ｘ≦８００の範囲内の輝度最下点を求めることとしたのは、撮像画像Ｇの左右両端部分は、撮像領域ＣＲ（図５参照）の紙面における上下に設けられた発光ダイオードＬ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２からの光が届きにくく、輝度が低いため、この部分を切り捨てて血管の位置を求めるためである。ここで求められたｘ座標（ａ）の位置が、撮像画像中の血管の位置となる。
撮像画像Ｇにおける輝度は、血管に対して垂直に光が透過したときの血液による光の吸収量を反映しており、これはすなわち光が血液中を透過した距離を反映している。血管の断面は略円形であるから、血管に対して垂直に光が透過したとき、光が血液中を透過する距離は血管の中心位置が最も長く、血管の中心位置において光が最も多く吸収される。これを血管を横切る方向に分布する輝度プロファイルＰＦ４についてみれば、最も輝度が低い点が血管の中心位置ということになる。
このように、撮像画像上の輝度は血液の量を反映しているため、血管を横切る方向の輝度分布に基づいて血管の位置を決定する構成としたことにより、正確な血管位置を決定することができる。

次いでＣＰＵ１００ａは、ステップＳ３０２において求められた輝度最下点Ａ（図７参照）のｘ座標（ａ）に基づいて、ｘ座標（ａ―３２０）におけるｙ座標の端から端までの画素の輝度を求めて、血管の左側に血管に沿って分布する輝度プロファイルＰＦ_Ｌを作成する（ステップＳ３０３）。

ここで、輝度プロファイルＰＦ_Ｌを作成するｘ座標を（ａ―３２０）としたのは、画像を０≦ｘ≦１２８０に座標分割したことに伴い、画像を縦に４等分したときの画素数が３２０になるからである。輝度プロファイルＰＦ_Ｌを作成するｘ座標（ａ―３２０）の値は適宜変更することができるが、ここでは血管と重複しない周辺組織部分に基づいて輝度プロファイルを作成する必要があるため、前記ｘ座標は、少なくとも血管位置のｘ座標（ａ）から血管と重複しない程度離れた位置となるように設定されることが好ましい。

このように、本実施形態においては、撮像画像における血管の位置を決定し、この血管位置から一定の間隔をおいた位置に基づいて輝度プロファイルを作成する構成としている。このような構成により、例えば、装置を固定した位置によって撮像画像中の血管が撮像画像の左右いずれか一方に寄っていたとしても、周辺組織血液量指標Ｍは常に血管から一定の間隔をおいた位置に基づいて求められるため、装置を固定した位置によって測定結果に変動を生じることなく、正確な血液成分濃度を求めることができる。

図１４は、撮像画像Ｇのｘ座標値（ａ−３２０）における血管に沿って分布する輝度の分布を示す図であり、縦軸に輝度、横軸に撮像画像Ｇにおけるｙ座標上の位置をとったものである。ＣＰＵ１００ａは、ステップＳ３０４において作成された輝度プロファイルＰＦ_Ｌにおいて、輝度最下点よりｙ座標値が大きく、且つ輝度が飽和点に達する位置Ｂ（図７参照）のｙ座標値（ｙ_１）を求める（ステップＳ３０４）。

次に、ＣＰＵ１００ａは、輝度プロファイルＰＦ_Ｌのうち（ｙ_１−３００）〜（ｙ_１）の範囲（図７において点Ｂ〜点Ｃの範囲）を切り出す（ステップＳ３０５）。図１５は、切り出した輝度プロファイルの一例を示す図である。

ここで、輝度プロファイルＰＦ_Ｌの（ｙ_１−３００）〜（ｙ_１）の範囲のみを切り出すこととしたのは、次の理由による。すなわち、血管の周辺組織がほぼ均質であるとすると、光源からの光は指数関数にしたがって減衰するが、撮像領域ＣＲの上下に光源である発光ダイオードが配置されているために、図１４の輝度プロファイルＰＦ_Ｌは、互いに逆向きの指数関数を重ね合わせた放物線状の形状となっていると考えることができる。つまり、撮像画像Ｇのｙ軸方向中央付近は、上下に配置された両方の光源からの光が重畳している部分であり、周辺組織による光の吸収量を直接反映する部分ではないから、この部分は解析対象から除外する必要がある。また、輝度プロファイルＰＦ_Ｌにおいて輝度の飽和する点とは、撮像領域ＣＲの下側に設けられた発光ダイオードＬ２からの光が１００％届いており、光源からの光が周辺組織によって吸収されている部分ではないから、この部分も解析対象から除外する必要がある。そこで、本実施形態においては、実質的に周辺組織による光の吸収が生じている部分のみを抽出して光の減衰率を算出するため、輝度の飽和する点から所定範囲内の輝度プロファイルのみを切り出して解析することとしたものである。

次いでＣＰＵ１００ａは、図１５に示した関数曲線ＡＣのようにして、切り出した輝度プロファイルＰＦ_Ｌを指数関数Ｂ＝ｋ・ｅｘｐ（α_１・ｙ）で近似し、得られた係数α_１の値をフレームメモリ１００ｅに記憶する（ステップＳ３０６）。

次いでＣＰＵ１００ａは、ステップＳ３０２において求められた血管位置のｘ座標（ａ）に基づき、ｘ座標（ａ−３２０）と血管を軸に対称となるｘ座標（ａ＋３２０）における端から端までの画素の輝度を求めて、血管の右側に、血管に沿って分布する輝度プロファイルＰＦ_Ｒを作成する（ステップＳ３０７）。ＣＰＵ１００ａは、ステップＳ３０７において作成された輝度プロファイルＰＦ_Ｒについて、ステップＳ３０４〜Ｓ３０６と同様の処理を実行してα_２を取得し、これをフレームメモリ１００ｅに記憶する（ステップＳ３０８〜３１０）。

次いでＣＰＵ１００ａは、フレームメモリ１００ｅに記憶された係数α_１と係数α_２を読み出し、これらの相加平均Ｍを求める（ステップＳ３１１）。ＣＰＵ１００ａは、得られたＭの値をフレームメモリ１００ｅに記憶し、処理を主ルーチンに戻す。ここで得られたＭの値が、組織血液量指標となる。

ここで、組織血液量指標Ｍについて説明する。
ステップＳ３０６において用いられる指数関数Ｂ＝ｋ・ｅｘｐ（α_１・ｙ）は、画像上の位置情報ｙと輝度Ｂとからなる関数である。この関数は、ｙが−１となるとき、輝度Ｂがｅｘｐ（−α_１）の割合で減衰することを示している。つまり、ここで求められる係数α_１とは、光源からの光が撮像画像Ｇ（図７参照）における１画素分の生体組織中を移動したときの光の減衰率を決定づける係数である。

係数α_１は、周辺組織に含まれるヘモグロビン濃度を反映する指標として用いることができる。すなわち、ベールの法則によれば、光源からの光が周辺組織に含まれるヘモグロビンによって吸収され、撮像部に到達していると考えたとき、撮像部に入射する光の量Ｉは、
Ｉ＝Ｉ_０・ｅｘｐ（−ε・ｃ・Ｌ）……（４）
（式中、Ｉ_０は光源からの光の量、εは吸収係数、ｃは濃度、Ｌは光が媒質中を移動する距離である）によって表される。
式（４）において、単位距離Ｌあたりの光の減衰率は、吸収係数εと濃度ｃの積によって決定されるから、
α_１＝ε・ｃ……（５）
となる。ヘモグロビンの吸収係数εは一定なので、係数α_１は、周辺組織に含まれるヘモグロビン濃度ｃ、つまり周辺組織血液量を反映していることがわかる。さらに、組織血液量指標Ｍは、血管の左側に存在する周辺組織の血液量を反映する係数α_１と、血管の右側に存在する周辺組織の血液量を反映する係数α_２との相加平均によって算出されるから、組織血液量指標Ｍは、血管の左右両側に存在する周辺組織の血液量を反映した指標であることがわかる。

また、このように、係数α_１と同様の処理に基づいて、血管を軸に対称となる位置における係数α_２を求め、係数α_１と係数α_２の相加平均Ｍを組織血液量指標として用いる構成とすることより、次のような効果が得られる。例えば、測定対象の血管から枝分かれして延びる血管が周辺部分に存在する場合や、カフ締めをした場合のうっ血によって周辺組織血液が不均質となっている場合などは、血管の左右一方側に存在する周辺組織に基づいて組織血液量指標Ｍを算出すると正確な組織血液量を加味したヘモグロビン濃度を算出できないことがあり得るが、そのような要因によって組織血液量指標Ｍが大きく変動することがなく、再現よく正確なヘモグロビン濃度を計測することができる。

図１６は、複数の被験者のヘモグロビン濃度について、血球計数装置などから得られた実測値と本発明の実施の形態にかかる非侵襲血液成分計測装置１による算出値とをプロットしたグラフである。図１６に示されるように、実測値と非侵襲血液成分計測装置１からの算出値の誤差は、ほぼ１ｇ／ｄＬの範囲内に収束しており、実測値と算出値とが乖離していないので、非侵襲血液成分計測装置１がヘモグロビン濃度を高精度で計測できていることがわかる。

なお本実施形態においては、光源部を発光ダイオードＲ１、Ｒ２、Ｌ１、Ｌ２の４つからなる構成としたが、発光ダイオードの数はこれに限定されず、適宜増減させてもよい。

また、本実施形態においてはヘモグロビン濃度を計測するための血液成分計測装置を例に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、生体を撮像して得られる画像に基づいて生体情報を測定する装置であれば、種々変更を伴い得るものである。例えば、手首部位を連続撮影することにより血流量や、血流速を計測する装置に適用してもよい。

非侵襲血液成分計測装置の外観を示す斜視図である。非侵襲血液成分計測装置の使用状態の一例を示す斜視図である。非侵襲血液成分計測装置の構成を示すブロック図である。光源部の構成を示す平面図である。保持板に設けられた４つの発光ダイオードの位置関係を示す図である。非侵襲血液成分計測装置による測定動作を示すフローチャートである。血管を含む撮像画像の一例である。撮像画像Ｇのｙ座標値（４８０）における血管を横切る方向の輝度の分布を示す図である。撮像画像Ｇのｙ座標値（４８０）における血管を横切る方向のヘモグロビン濃度の分布を示す図である。撮像画像Ｇのｙ座標値（４８０）における血管を横切る方向の輝度の分布を示す図である。撮像画像Ｇのｙ座標値（４８０）における血管を横切る方向のヘモグロビン濃度の分布を示す図である。図６のステップＳ１１９における組織血液量指標Ｍを求める処理の詳細を示すフローチャートである。撮像画像Ｇのｙ座標値（４８０）における血管を横切る方向の輝度の分布を示す図である。撮像画像Ｇのｘ座標値（ａ−３２０）における血管に沿って分布する輝度の分布を示す図である。図１４の輝度分布の所定範囲を切り出した図である。複数の被験者のヘモグロビン濃度について、血球計数装置から得られた実測値と本実施形態にかかる非侵襲血液成分計測装置１による算出値とをプロットしたグラフである。

符号の説明

１非侵襲血液成分計測装置
２検出部
３第１挟持部
４第２挟持部
５表示部
６操作部
７光源部
８撮像部
１０制御部

Claims

血管を含む生体を照明するための光源部と、
前記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、
前記撮像部が前記生体を撮像することによって得られた生体画像に含まれる血管像に基づいて血液成分濃度を算出するとともに、前記生体画像における前記血管像の位置を決定し、前記血管像から所定の間隔を隔てて前記血管像に沿って隣接する複数の画素の輝度の分布を示す第１の輝度分布を作成し、前記第１の輝度分布に基づいて血管の周辺組織に含まれる血液量を反映する指標を取得し、前記指標に基づいて前記血液成分濃度を補正する解析部と、を備えることを特徴とする非侵襲血液成分計測装置。
前記解析部は、前記血管像を横切る方向に隣接する複数の画素の輝度の分布を示す第２の輝度分布を作成し、前記第２の輝度分布に基づいて前記生体画像における血管像の位置を決定することを特徴とする請求項１に記載の非侵襲血液成分計測装置。
血管を含む生体を照明する工程と、
照明された生体を撮像する工程と、
前記生体を撮像することによって得られた生体画像に含まれる血管像に基づいて血液成分濃度を算出する工程と、
前記生体画像における血管像の位置を決定する工程と、
前記血管像から所定の間隔を隔てて前記血管像に沿って隣接する複数の画素の輝度の分布を示す第１の輝度分布を作成する工程と、
前記第１の輝度分布に基づいて血管の周辺組織に含まれる血液量を反映する指標を取得する工程と、
前記指標に基づいて前記血液成分濃度を補正する工程と、を含むことを特徴とする非侵襲的に血液成分を計測する方法。
血管を含む生体を照明するための光源部と、前記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を備え、非侵襲的に血液成分を計測するための装置の中央処理装置において実行可能なコンピュータプログラムであって、
前記中央処理装置を、
前記光源部によって照明された生体を前記撮像部が撮像することによって得られた生体画像に含まれる血管像に基づいて血液成分濃度を算出する手段、
前記生体画像における血管像の位置を決定する手段、
前記血管像から所定の間隔を隔てて前記血管像に沿って隣接する複数の画素の輝度の分布を示す第１の輝度分布を作成する手段、および
前記第１の輝度分布に基づいて血管の周辺組織に含まれる血液量を反映する指標を取得し、前記指標に基づいて前記血液成分濃度を補正する手段、
として機能させるためのコンピュータプログラム。