JPWO2020044854A1 - 生体計測装置、及び生体計測方法 - Google Patents
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Abstract
Description
生体計測の分野では、ユーザの状態の変化が計測結果に影響することが従来から知られていた。例えば、近赤外分光法(Near Infrared Spectroscopy、以下、NIRSと表記する)を用いた脳活動情報の計測では、ユーザの頭部の移動は体動と呼ばれる。体動は、脳血流変化を示す信号にイレギュラーな変動を与えるとされてきた。
第1の項目に係る生体計測装置は、ユーザの頭部に光を照射するための光源と、イメージセンサと、前記光源および前記イメージセンサを制御する制御回路と、信号処理回路と、を備える。前記制御回路は、前記光源に前記光を出射させ、前記イメージセンサに、前記光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射光の少なくとも一部を検出させて画像信号を出力させる。前記信号処理回路は、前記画像信号に基づいて、前記ユーザの脳の状態を示す脳活動データを生成し、前記画像信号、および前記脳活動データに影響を及ぼす前記ユーザの周辺環境の変化を検出するセンサから出力されたセンサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて、前記脳活動データの出力を停止する。
第1の項目に係る生体計測装置において、前記光はパルス光であり、前記制御回路は、前記イメージセンサに、前記パルス光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射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おいて前記反射パルス光に含まれる成分を検出することによって得られる第1信号を、前記画像信号として出力させてもよい。
第1または第2の項目に係る生体計測装置において、前記制御回路は、所定期間の間、前記光源に前記光を繰り返し出射させ、前記イメージセンサに前記画像信号を繰り返し出力させ、前記信号処理回路は、さらに、前記画像信号および前記センサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて第1の値を算出し、前記所定期間のうち、前記第1の値が予め設定された条件に該当する第1の期間の間、前記脳活動データの出力を停止してもよい。
第3の項目に係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、前記第1の期間の間、前記脳活動データが無効であることを示す信号を出力してもよい。
第3の項目に係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、前記第1の期間の間、前記第1の期間の前に生成された前記脳活動データと同じデータを出力してもよい。
第3の項目に係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、前記第1の期間の前に生成された前記脳活動データ及び前記第1の期間の後に生成された前記脳活動データを用いて補間することにより得られたデータを、前記第1の期間における前記脳活動データとして出力してもよい。
第3の項目に係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、前記第1の期間に加えて、前記第1の期間の開始前の第2の期間および前記第1の期間の終了後の第3の期間からなる群から選択される少なくとも1つの期間の間は、前記脳活動データの出力を停止してもよい。
第7の項目に係る生体計測装置において、前記第3の期間は、前記第2の期間よりも長くてもよい。
第3から第8の項目のいずれかに係る生体計測装置において前記第1の値が算出される頻度は、前記脳活動データが生成される頻度以上であってもよい。
第1から第9の項目のいずれかに係る生体計測装置において、前記光はパルス光であり、前記制御回路は、前記イメージセンサに、前記パルス光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射パルス光の強度が減少を開始する前において前記反射パルス光に含まれる成分を検出することによって得られる第2信号を、前記画像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、前記脳活動データの出力を停止してもよい。
第10の項目に係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、さらに、前記第2信号に基づいて、前記頭部の基準位置からの変位量、または前記頭部の移動速度を算出し、前記変位量の絶対値または前記移動速度の絶対値がしきい値を超える場合に、前記脳活動データの出力を停止してもよい。
第10の項目に係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、さらに、前記第2信号に基づいて、前記頭部の輝度値、または前記頭部の前記輝度値の変化速度を算出し、前記輝度値の絶対値または前記輝度値の前記変化速度の絶対値がしきい値を超える場合に、前記脳活動データの出力を停止してもよい。
第10の項目に係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、さらに、前記第2信号に基づいて、前記頭部における所定の領域の面積を算出し、前記面積がしきい値より小さい場合に、前記脳活動データの出力を停止してもよい。
第1から第9の項目のいずれかに係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、さらに、前記脳活動データを用いて第2の値を算出し、前記第2の値の変化速度の絶対値がしきい値を超える場合に、前記脳活動データの出力を停止してもよい。
第1の項目に係る生体計測装置において、前記センサは、前記周辺環境に設置された加速度センサであってもよい。
第1の項目に係る生体計測装置において、前記センサは、前記周辺環境に設置された照度センサであってもよい。
第1の項目に係る生体計測装置において、前記センサは、前記ユーザが運転する車両に配置された舵角センサ、ギヤ位置センサ、および速度センサからなる群から選択される少なくとも一つであってもよい。
第18の項目に係る生体計測装置は、ユーザの頭部に光を照射するための光源と、イメージセンサと、前記光源および前記イメージセンサを制御する制御回路と、信号処理回路と、を備える。前記制御回路は、前記光源に前記光を出射させ、前記イメージセンサに、前記光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射光の少なくとも一部を検出させて画像信号を出力させる。前記信号処理回路は、前記画像信号に基づいて、前記ユーザの脳の状態を示す脳活動データを生成し、前記画像信号、および前記脳活動データに影響を及ぼす前記ユーザの周辺環境の変化を検出するセンサから出力されたセンサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて、前記脳活動データの信頼度を算出し、前記信頼度を示す信頼度データを出力する。
第18の項目に係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、前記信頼度データを、前記脳活動データとともに出力してもよい。
第18または第19の項目に係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、さらに、前記画像信号および前記センサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて第1の値を算出し、前記第1の値が予め設定された値から離れるほど、低い信頼度を算出してもよい。
第18または第19の項目に係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、さらに、前記画像信号および前記センサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて第1の値を算出し、前記第1の値が予め設定された値を超える期間が長いほど、低い信頼度を算出してもよい。
第18または第19の項目に係る生体計測装置において、前記信号処理回路は、さらに、前記画像信号および前記センサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて第1の値を算出し、一定期間の間に、前記第1の値が予め設定された値を超える期間が長いほど、低い信頼度を算出してもよい。
第18から第22の項目のいずれかに係る生体計測装置において、前記センサは、前記ユーザが運転する車両に配置された、舵角センサ、ギヤ位置センサ、および速度センサからなる群から選択される少なくとも一つであってもよい。
第18から第23の項目のいずれかに係る生体計測装置において、前記光はパルス光であり、前記制御回路は、前記イメージセンサに、前記パルス光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射パルス光の強度が減少を開始する前において前記反射パルス光に含まれる成分を検出することによって得られる第2信号を、前記画像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、前記信頼度を算出してもよい。
第1または第2の項目に係る生体計測装置において、前記制御回路は、所定期間の間、前記光源に前記光を繰り返し出射させ、前記イメージセンサに前記画像信号を繰り返し出力させ、前記信号処理回路は、さらに、前記画像信号および前記センサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて第1の値を算出し、前記所定期間のうち、前記第1の値が予め設定された条件に該当する第1の期間が開始し遅延時間が過した後から前記第1の期間が終了するまでの間、前記脳活動データの出力を停止してもよい。
第26の項目に係る生体計測方法は、光源に、ユーザの頭部を照射する光を出射させることと、イメージセンサに、前記光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射光の少なくとも一部を検出させて画像信号を出力させることと、前記画像信号に基づいて、前記ユーザの脳の状態を示す脳活動データを生成することと、前記画像信号、および前記脳活動データに影響を及ぼす前記ユーザの周辺環境の変化を検出するセンサから出力されたセンサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて、前記脳活動データの出力を停止することと、を含む。
第27の項目に係る生体計測方法は、光源に、ユーザの頭部を照射する光を出射させることと、イメージセンサに、前記光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射光の少なくとも一部を検出させて画像信号を出力させることと、前記画像信号に基づいて、前記ユーザの脳の状態を示す脳活動データを生成することと、前記画像信号、および前記脳活動データに影響を及ぼす前記ユーザの周辺環境の変化を検出するセンサから出力されたセンサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて、前記脳活動データの信頼度を算出し、前記信頼度を示す信頼度データを出力することと、を含む。
第28の項目に係るプログラムは、生体計測装置に用いられるプログラムであって、前記生体計測装置は、ユーザの対象部に向けて光を出射する光源と、イメージセンサと、前記光源および前記イメージセンサを制御する制御回路と、前記イメージセンサから出力された信号を処理する信号処理回路と、を備え、前記制御回路は、前記光源に光を出射させ、前記イメージセンサに、前記光源から出射され前記ユーザの前記対象部から戻ってきた光の少なくとも一部を検出させて画像信号を出力させ、前記プログラムは、前記信号処理回路に、前記イメージセンサから出力された前記画像信号に基づいて、前記ユーザの状態を示す生体計測データを生成させ、前記イメージセンサ、および/または、前記生体計測データに影響を及ぼす前記ユーザの周辺環境の変化を検出する他のセンサから出力されたセンサ信号に基づいて、前記生体計測データを出力するか否かを決定させる、または、前記センサ信号に基づいて、前記生体計測データの信頼度を算出し、前記信頼度を示す信頼度データを出力させる。
[1.生体計測装置]
まず、第1の実施形態における生体計測装置10の構成および動作を、図1Aから図3を参照して説明する。
光源101は、ユーザ100の対象部に向けて光を出射する。ユーザ100の対象部は、例えば頭部であり、より具体的には、額部である。光源101から出射されてユーザ100に到達した光は、ユーザ100の表面で反射される表面反射成分I1と、ユーザ100の内部で散乱される内部散乱成分I2とに分かれる。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100の額に光を照射する場合、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10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100の額に向けて光が出射される場合、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。以下、本開示では、ユーザ100の表面で反射する表面反射成分I1は、これら3つの成分を含むとする。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、その一部がイメージセンサ102に到達する。
イメージセンサ102は、光源101から出射され、ユーザ100の対象部から戻ってきた反射パルス光の少なくとも一部を検出する。イメージセンサ102は、検出した光の強度に応じた1つ以上の画像信号を出力する。画像信号取得部108は、イメージセンサ102から出力された画像信号を取得する。画像信号取得部108は、取得した画像信号を、後述する生体計測データ生成部109および計測部110に送出する。生体計測データとして、画像信号から脳活動の状態を示す脳活動データを生成する場合、画像信号は、反射パルス光の立ち下が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。
制御回路105は、光源101およびイメージセンサ102の上記の動作を制御する。具体的には、制御回路105は、光源101のパルス光の出射タイミングと、イメージセンサ102のシャッタタイミングとの時間差を調整する。以下、当該時間差を「位相」または「位相遅れ」と称することがある。光源101のパルス光の「出射タイミング」とは、光源101から出射されるパルス光が立ち上がりを開始する時間である。制御回路105は、出射タイミングを変化させて位相を調整してもよいし、シャッタタイミングを変化させて位相を調整してもよい。
計測部110は、生体計測データの有効性を示す有効性信号を計測し、後述する出力決定部111に計測結果を信号として送出する。
信号処理回路122は、イメージセンサ102から出力された信号を処理する。信号処理回路122は、生体計測データ生成部109および出力決定部111を含む。図1Aに示す例では、信号処理回路122および計測部110は分離されているが、一体化されていてもよい。
生体計測装置10は、ユーザ100の2次元像をイメージセンサ102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、イメージセンサ102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を変化させることにより、ユーザ100の2次元像の拡大率が変更する。これにより、イメージセンサ102上の2次元像の解像度が変化する。したがって、ユーザ100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となる。
本実施形態における生体計測装置10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100を人とし、対象部を額とした場合、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。これは、前述のように、レーザの安全基準を満たす出射光の光量が非常に小さいことに加えて、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ことに起因する。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、変化前の信号強度の数十分の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。
次に、前述の生体計測装置10を用いてユーザ100の生体計測データを計測する方法の例を説明する。本実施形態では、計測部110は、表面反射成分I1を含む画像信号から、ユーザ100の体動量を計測する。本実施形態では、体動量は、対象部の移動距離である。ここでは、対象部は、ユーザ100の頭部である。移動距離は、基準位置からの変位量とも言い得る。本実施形態では、その計測結果に基づいて、出力決定部111が生体計測データを出力するか否かを決定する。
図3Aは、本実施形態における、ユーザ100の生体計測データを計測する処理の動作の一例を説明する図である。図3Aに示す例では、対象部は、ユーザ100の頭部である。
第2の実施形態における生体計測装置20の構成および動作を、図4から図6を参照して説明する。
第3の実施形態に係る生体計測装置30の構成および動作を、図7Aから図9を参照して説明する。
以下では、本開示の原理を確認するために実施した、実施例を説明する。
100 ユーザ
101 光源
102 イメージセンサ
103 光電変換部
104 電荷蓄積部
105 制御回路
106 光源制御部
107 センサ制御部
108 画像信号取得部
109 生体計測データ生成部
110、703 計測部
111、401 出力決定部
121、701 撮像部
122、702 信号処理回路
201 画素
202 ドレイン
203 フォトダイオード
204 第1の浮遊拡散層
205 第2の浮遊拡散層
206 第3の浮遊拡散層
207 第4の浮遊拡散層
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 アナログ−デジタル変換回路
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
704 ディスプレイ
705 コントローラ
Claims (27)
- ユーザの頭部に光を照射するための光源と、
イメージセンサと、
前記光源および前記イメージセンサを制御する制御回路と、
信号処理回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記光源に前記光を出射させ、
前記イメージセンサに、前記光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射光の少なくとも一部を検出させて画像信号を出力させ、
前記信号処理回路は、
前記画像信号に基づいて、前記ユーザの脳の状態を示す脳活動データを生成し、
前記画像信号、および前記脳活動データに影響を及ぼす前記ユーザの周辺環境の変化を検出するセンサから出力されたセンサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて、前記脳活動データの出力を停止する、
生体計測装置。 - 前記光はパルス光であり、
前記制御回路は、
前記イメージセンサに、前記パルス光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射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おいて前記反射パルス光に含まれる成分を検出することによって得られる第1信号を、前記画像信号として出力させる、
請求項1に記載の生体計測装置。 - 前記制御回路は、所定期間の間、前記光源に前記光を繰り返し出射させ、前記イメージセンサに前記画像信号を繰り返し出力させ、
前記信号処理回路は、
さらに、前記画像信号および前記センサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて第1の値を算出し、
前記所定期間のうち、前記第1の値が予め設定された条件に該当する第1の期間の間、前記脳活動データの出力を停止する、
請求項1または2に記載の生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、前記第1の期間の間、前記脳活動データが無効であることを示す信号を出力する、
請求項3に記載の生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、前記第1の期間の間、前記第1の期間の前に生成された前記脳活動データと同じデータを出力する、
請求項3に記載の生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、前記第1の期間の前に生成された前記脳活動データ及び前記第1の期間の後に生成された前記脳活動データを用いて補間することにより得られたデータを、前記第1の期間における前記脳活動データとして出力する、
請求項3に記載の生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、前記第1の期間に加えて、前記第1の期間の開始前の第2の期間および前記第1の期間の終了後の第3の期間からなる群から選択される少なくとも1つの期間の間は、前記脳活動データの出力を停止する、
請求項3に記載の生体計測装置。 - 前記第3の期間は、前記第2の期間よりも長い、
請求項7に記載の生体計測装置。 - 前記第1の値が算出される頻度は、前記脳活動データが生成される頻度以上である、
請求項3から8のいずれかに記載の生体計測装置。 - 前記光はパルス光であり、
前記制御回路は、
前記イメージセンサに、前記パルス光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射パルス光の強度が減少を開始する前において前記反射パルス光に含まれる成分を検出することによって得られる第2信号を、前記画像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、前記脳活動データの出力を停止する、
請求項1から9のいずれかに記載の生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、
さらに、前記第2信号に基づいて、前記頭部の基準位置からの変位量、または前記頭部の移動速度を算出し、
前記変位量の絶対値または前記移動速度の絶対値がしきい値を超える場合に、前記脳活動データの出力を停止する、
請求項10に記載の生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、
さらに、前記第2信号に基づいて、前記頭部の輝度値、または前記頭部の前記輝度値の変化速度を算出し、
前記輝度値の絶対値または前記輝度値の前記変化速度の絶対値がしきい値を超える場合に、前記脳活動データの出力を停止する、
請求項10に記載の生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、
さらに、前記第2信号に基づいて、前記頭部における所定の領域の面積を算出し、
前記面積がしきい値より小さい場合に、前記脳活動データの出力を停止する、
請求項10に記載の生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、
さらに、前記脳活動データを用いて第2の値を算出し、
前記第2の値の変化速度の絶対値がしきい値を超える場合に、前記脳活動データの出力を停止する、
請求項1から9のいずれかに記載の生体計測装置。 - 前記センサは、前記周辺環境に設置された加速度センサである、
請求項1に記載の生体計測装置。 - 前記センサは、前記周辺環境に設置された照度センサである、
請求項1に記載の生体計測装置。 - 前記センサは、前記ユーザが運転する車両に配置された、舵角センサ、ギヤ位置センサ、および速度センサからなる群から選択される少なくとも一つである、
請求項1に記載の生体計測装置。 - ユーザの頭部に光を照射するための光源と、
イメージセンサと、
前記光源および前記イメージセンサを制御する制御回路と、
信号処理回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記光源に前記光を出射させ、
前記イメージセンサに、前記光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射光の少なくとも一部を検出させて画像信号を出力させ、
前記信号処理回路は、
前記画像信号に基づいて、前記ユーザの脳の状態を示す脳活動データを生成し、
前記画像信号、および前記脳活動データに影響を及ぼす前記ユーザの周辺環境の変化を検出するセンサから出力されたセンサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて、前記脳活動データの信頼度を算出し、前記信頼度を示す信頼度データを出力する、
生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、前記信頼度データを、前記脳活動データとともに出力する、
請求項18に記載の生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、
さらに、前記画像信号および前記センサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて第1の値を算出し、
前記第1の値が予め設定された値から離れるほど、低い信頼度を算出する、
請求項18または19に記載の生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、
さらに、前記画像信号および前記センサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて第1の値を算出し、
前記第1の値が予め設定された値を超える期間が長いほど、低い信頼度を算出する、
請求項18または19に記載の生体計測装置。 - 前記信号処理回路は、
さらに、前記画像信号および前記センサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて第1の値を算出し、
一定期間の間に、前記第1の値が予め設定された値を超える期間が長いほど、低い信頼度を算出する、
請求項18または19に記載の生体計測装置。 - 前記センサは、前記ユーザが運転する車両に配置された、舵角センサ、ギヤ位置センサ、および速度センサからなる群から選択される少なくとも一つである、
請求項18から22のいずれかに記載の生体計測装置。 - 前記光はパルス光であり、
前記制御回路は、
前記イメージセンサに、前記パルス光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射パルス光の強度が減少を開始する前において前記反射パルス光に含まれる成分を検出することによって得られる第2信号を、前記画像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、前記信頼度を算出する、
請求項18から23のいずれかに記載の生体計測装置。 - 前記制御回路は、所定期間の間、前記光源に前記光を繰り返し出射させ、前記イメージセンサに前記画像信号を繰り返し出力させ、
前記信号処理回路は、
さらに、前記画像信号および前記センサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて第1の値を算出し、
前記所定期間のうち、前記第1の値が予め設定された条件に該当する第1の期間が開始し遅延時間が経過した後から前記第1の期間が終了するまでの間、前記脳活動データの出力を停止する、
請求項1または2に記載の生体計測装置。 - 光源に、ユーザの頭部を照射する光を出射させることと、
イメージセンサに、前記光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射光の少なくとも一部を検出させて画像信号を出力させることと、
前記画像信号に基づいて、前記ユーザの脳の状態を示す脳活動データを生成することと、
前記画像信号、および前記脳活動データに影響を及ぼす前記ユーザの周辺環境の変化を検出するセンサから出力されたセンサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて、前記脳活動データの出力を停止することと、を含む、
生体計測方法。 - 光源に、ユーザの頭部を照射する光を出射させることと、
イメージセンサに、前記光の照射に起因して前記頭部から戻ってきた反射光の少なくとも一部を検出させて画像信号を出力させることと、
前記画像信号に基づいて、前記ユーザの脳の状態を示す脳活動データを生成することと、
前記画像信号、および前記脳活動データに影響を及ぼす前記ユーザの周辺環境の変化を検出するセンサから出力されたセンサ信号からなる群から選択される少なくとも1つに基づいて、前記脳活動データの信頼度を算出し、前記信頼度を示す信頼度データを出力することと、を含む、
生体計測方法。
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