KR19990076821A - 비침입혈액검사장치 - Google Patents

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Abstract

혈관을 포함하는 생체조직의 일부를 조명하기위한 광원과 조명된 혈관과 조직을 촬상하는 촬상부와 촬상된 화상을 해석하는 해석부를 구비하고 해석부는 촬상된 화상에대해서 혈관을 가로질러 분포하는 화상농도분포를 화상농도프로파일로서 추출하는 추출부와 상기한 프로파일의 형태적특징을 정량화하는 정량화부와 정량화된 특징에 기초해서 혈액성분의 양을 연산하는 연산부와 연산결과를 출력시키는 출력부로된 비침입혈액검사장치이며 채혈하는일이없이 실시간으로 혈중의 헤모글로빈농도나 헤머터크리트치를 재현성이 양호하게 계측할수가있다.

Description

비침입혈액검사장치
말초혈액의 검사는 임상검사에 있어서 가장 중요하고 또한 빈번히 행해지는 검사의 하나이다. 특히 헤모글로빈농도 및 헤머터크리트치는 빈혈의 진단을 행하는데있어서 필수의 검사항목이다. 이들 검사는 현재 채혈에의해 행해지고있으나 빈번회수의 채혈은 환자의 부담이 될뿐만이아니라 주사침의 오주사에의한 감염사고의 발생이 우려된다.
이상과 같은것을 배경으로해서 이들 항목을 비침입적(피부경유적)으로 계측하려고하는 장치가 고안되어있다. 예를들면 일본국 특공평 3-71135호공보에는 생체에 복수파장의 광을 조사하여 그 맥동에 의한 광강도 변화로부터 혈중 헤모글로빈농도를 계측하는 헤모글로빈농도 측정장치가 제안되어있다. 같은모양으로 미국특허 제5,372,136호에도 맥동등을 이용해서 혈중헤머터크리트치를 구하는 시스템 및 방법이 기재되어있다.
그러나 이들은 검출대상이되는 혈액량이 특정되어있지 않기때문에 절대적인 값을 구하기에는 정밀도상 문제가 있었다. 다시또 센서를 장착시키는 부위에 의해서 계측치에 차이가 생기고 재현성등에 문제가 있는것이 예상된다.
또 미국특허 제4,998,533호에는 모세혈관내를 흐르는 적혈상으로부터 상기한 항목을 계측하는 장치가 제시되어 있으나 이와같은 장치에서는 구성이 극히 대형화해버리게된다. 또한 손가락등의 생체에 포함되는 혈관의 투과상이 얻어지는것에 대해서는 이미 보고가 있으나 이것을 화상해석 하므로서 상기한 항목을 정량적으로 해석하려고하는 시도는 되어있지않다.
본발명은 비침입혈액검사장치에 관한 것이다. 본발명의 장치는 생체로부터 채혈하는일이없이 실시간으로 피부경유적으로(transcutaneously) 또한 재현성이 양호하게 혈중의 헤모글로빈농도나 헤머터크리트(hematocrit)치와같은 혈액성분의 양을 계측할수있는 장치이다.
도1은 본발명의 실시예 1에 있어서의 혈액검사장치의 구성을 나타내는 블록 도
도2는 본발명의 실시예 1의 혈액검사장치의 외형을 나타내는 사시도
도3은 본발명의 실시예 1의 혈액검사장치의 주요부단면도
도4은 본발명의 실시예 1의 혈액검사장치의 동작을 나타내는 플로우차트
도5은 본발명의 실시예 1의 혈액검사장치에 의한 촬상화상(CRT로표시한 중간 색조화상)을 나타내는 사진
도6은 본발명의 실시예 1의 혈액검사장치로부터 얻어지는 화상농도프로파일 을 나타내는 설명도
도7은 본발명의 실시예 1의 혈액검사장치에 있어서 정규화된 화상농도프로파 일을 나타내는 설명도
도8은 본발명의 실시예 1의 혈액검사장치의 광원의 정면도
도9은 본발명의 실시예 1의 혈액검사장치의 표시예를 나타내는 설명도
도10은 본발명의 실시예 2의 혈액검사장치의 구성을 나타내는 블록도
도11은 본발명의 실시예 2의 혈액검사장치의 주요부단면도
도12는 도11의 X-X선에따른 단면도
도13은 본발명의 실시예 2의 혈액검사장치의 동작을 나타내는 플로우차트
도14은 본발명의 실시예 2의 혈액검사장치의 동작을 나타내는 플로우차트
도15은 본발명의 실시예 2의 혈액검사장치의 동작을 나타내는 플로우차트
도16은 본발명의 실시예 2의 혈액검사장치에의한 촬상화상(CRT로표시한 중간 색조화상)을 나타내는 사진
도17은 본발명의 실시예 2의 혈액검사장치로부터 얻어지는 화상농도프로파일 을 나타내는 설명도
도18은 본발명의 실시예 2의 혈액검사장치에 있어서 정규화된 화상농도프로 파일을 나타내는 설명도
도19은 본발명의 실시예 2의 혈액검사장치에 있어서의 초점위치와 산란분포 폭을 나타내는 그래프
도20은 도16에대한 비교예를 나타내는 사진
도21은 본발명의 실시예3의 검출부의 단면도
도22는 본발명의 실시예3의 검출부의 저면도
본발명은 이와같은 사정을 고려해서 이루어진 것으로서 간단한 장치구성으로 손가락등의 생체의 조직에 포함되는 혈관의 투과상을 얻어서 이것을 화상해석하므로서 이들 항목을 재현성이 양호하게 계측할수 있는 장치 및 방법을 제공하는것이다.
결국 혈관을 갖는 조직에 광을 투과시켜 그 투과광상을 촬상(撮像)하면 혈액성분은 광을 흡수하기때문에 그 화상은 어둡게되고 다른 부분은 광을 투과시키므로 그 화상은 밝게된다. 여기서 본발명은 화상농도를 비교하므로서 혈액성분(예를들면 헤모글로빈)의 농도를 정량함과 동시에 정량한 값을 필요에 따라 혈관의 깊이로 보정하려고 하는것이다.
따라서 본발명은 혈관을 포함하는 생체조직의 일부를 조명하기위한 광원과 조명된 혈관과 조직을 촬상하는 촬상부와 촬상된 화상을 해석하는 해석부를 구비하고 해석부는 촬상된 화상에 대해서 혈관화상농도를 해석하므로서 혈액성분의 양을 연산해서 그 연산결과를 출력시키는 비침입혈액검사장치를 제공하는 것이다.
본발명에 있어서의 생체란 사람을 포함하는 포유동물이며 또 생체조직의 일부란 생체로부터 분리한 조직이 아니고 있는그대로의 생체의 일부이며 예를들면 손가락이나 귓불등을 들수가 있다. 본발명에 의한 장치에 있어서 해석부는 촬상된 화상에대해서 혈관을 가로질러 분포하는 화상농도분포를 화상의 농도프로파일(profile)로서 추출하는 추출부와 상기한 프로파일의 특징을 형태적으로 정량화하는 정량화부와 정량화된 특징에 기초해서 혈액성분의 양을 연산하는 연산부와 연산결과를 출력시키는 출력부로 구성할 수가 있다.
또 촬상부가 생체조직의 소망의 부분을 촬상할수 있도록 광원과 촬상부에대해서 생체의 일부를 상대적으로 고정시키는 고정부재를 다시또 구비하는 것이 바람직하다.
본발명에 있어서 촬상하는 화상은 투과광화상이라도 반사광화상이라도 된다.
본발명의 광원에는 반도체레이저(이하 LD라한다)나 LED나 할로겐광원을 사용할수 있고 직접 생체의 일부에 조사해도되고 광섬유를 거쳐서 조사해도된다. 파장으로서는 생체조직을 투과하고 물의 흡수가 크지않은 400∼950nm의 범위에 있는것이 바람직하다. 광원의 파장은 투과광화상인 경우에는 예를들면 600∼950nm이 사용되고 반사광화상의 경우에는 예를들면 400∼950nm이 사용된다. 또 광원이 제1 및 제2의 파장의 광 또는 3파장이상의 광을 선택적으로 조사하는 발광소자로된 것이 바람직하고 제1 및 제2파장은 각각 산화헤모글로빈 및 환원헤모글로빈의 실질적인 흡수파장인 것이 바람직하다. 헤모글로빈농도나 헤머터크리트치를 계측하기 위해서는 2파장이상이 필요하지만 단순히 빈혈의 상태를 검출하고 싶은 경우에는 1파장만이라도 된다. 촬상부는 렌즈등의 광학계와 CCD등의 촬상장치로 구성할수 있다. 촬상부에서는 혈관을 가로지르는 방향의 화상농도프로파일이 얻어지면되므로 촬상소자로서는 CCD외에 라인센서나 포토다이오드 어레이를 사용할 수가 있다. 화상농도프로파일로서는 혈관에 직각으로 교차하는 방향의 것이 바람직하다.
또 포토다이오드 1개를 혈관을 가로지르는 방향으로 구동시켜서 화상농도프로파일을 얻을수도 있다. 촬상부의 광학계는 TV용렌즈(예를들면 코스미카제 BD1214D)만을 사용해서 구성할수 있다. 또 촬상부의 광학계는 개방구수가 동등 또는 초점거리/렌즈의 유효직경이 동등한 한쌍의 렌즈를 대물렌즈 및 결상(結像)렌즈로서 사용하고 한쪽의 렌즈의 전면초점위치와 다른쪽의 렌즈의 후면초점위치가 일치하도록 양렌즈를 동일광축상에 배치해서 양렌즈간에 2차원적으로 광투과율이 다른 광학공간필터를 설치한 광학계(이하 공액광학계라 칭한다)라도된다. 여기서 말하는 공간필터란 2차원적으로 투과율분포를 변화시킨 것으로서 여기에는 핀홀(pin hole)이나 원환상슬릿을 갖는 차광판 혹은 전기신호에의해 투과율의 분포가 변화하는 액정셔터(liquid crystal shutter)등을 사용할 수가 있다.
해석부는 추출부와 정량화부와 연산부와 출력부로 이루어지고 얻어진 화상농도프로파일로부터 혈액성분의 양 예를들면 헤모글로빈농도나 헤머터크리트치 혹은 빈혈상태를 연산해서 출력시키지만 이들은 시판의 퍼스널컴퓨터를 이용할수도 있다. 해석부의 추출부는 촬상된 화상에 대해서 혈관을 가로지르는 방향으로 분포하는 화상농도분포를 화상의 농도프로파일로서 추출한다. 정량화부는 추출된 화상농도프로파일을 정규화하여 정규화된 화상농도프로파일의 피크치 h를 산출해도 된다. 또 정량화부는 화상농도프로파일의 혈관직경에 대응하는 분포폭 w를 정량화하여 정량화한 분포폭 w에의해 피크치 h를 보정하도록 해도된다. 정량화부는 동일한 생체조직의 일부를 제1및 제2파장으로 촬상해서 얻어지는 제1 및 제2프로파일이 피크치 h1, h2와 분포폭 w1, w2를갖는때 w1과 w2의 비에 기초해서 혈액의 피하의 깊이 L을 추정하고 L로서 h1, h2를 보정하면 연산부는 보정된 피크치로부터 헤모글로빈농도 및 헤머터크리트치를 산출할 수가 있다. 공액광학계에서는 예를들면 공간필터로서 원환상슬릿을 갖는 차광판을 사용하면 생체조직으로부터 대물렌즈에 입사되는 광의 각도가 원환상슬릿의 형상(직경이나 슬릿폭)으로 결정되고 그 특정의 입사각도의 광만이 결상되므로서 혈관의 산란광상이 얻어지고 이 산란광상은 혈관상에 대한 생체조직의 요란의 영향을 반영한다. 따라서 정량화부는 원환상슬릿의 직경을 변화시켜서 복수의 다른 산란각도의 산란광상을 촬상하므로서 생체조직의 영향을 정량화할수있고 검출되는 혈액성분농도에 대해서 보다 정확한 보정을 행할수가있다. 또 이경우 정량화부는 산란광상이 혈관에 대한 초점이 맞는 정도에 의해 민감하게 변화하기때문에 이 촬상부(대물렌즈)의 초점위치를 생체조직의 표면으로부터 심층부로 향해서 주사하므로서 합계초점의 위치를 명확히 알수 있고 혈관의 깊이를 직접 정량화할수 있다. 따라서 이것을 기초로 상기한 각종 산출데이터에 대해 보정을 행할수도 있다. 결국 정량화부는 우선 미리 정해진 각도로 초점을 생체조직표면으로부터 심층부로 변화시킨때의 일련의 혈관의 산란광상으로부터 산란광상이 가장 예리하게된 때의 초점위치로부터 혈관의 깊이 L를 직접 정량화하고 이 깊이 L에 의해 피크치 h1, h2를 보정한다. 다시또 정량화부는 그 초점위치에 있어서 광학필터의 광투과율을 2차원적으로 변화시킨 때의 복수의 다른 산란광상으로부터 생체조직의 산란흡수특성을 구하여 이것을 기초로해서 다시또 피크치 h1, h2 분포폭 w1, w2를 보정할 수가 있다. 연산부는 정량화부에 의해 형태적으로 정량화된 화상농도프로파일의 특징에 기초해서 혈액성분의 양 예를들면 헤모글로빈농도나 헤머터크리트치등을 연산한다. 여기서 헤머터크리트치는 일반적으로 혈액체적에 대한 적혈구체적의 비로 정의된다. 또 출력부에는 CRT나 LCD등을 사용할 수가 있다. 별도의 관점에서보면 본발명은 혈관을 포함하는 생체조직의 일부를 조명하는 공정과 조명된 생체조직을 촬상하는 공정과 촬상된 화상을 해석하는 공정으로 이루어지고 상기한 해석하는 공정이 촬상된 화상에 대해서 혈관을 가로질러 분포하는 화상농도분포를 화상의 농도프로파일로서 추출하고 상기한 프로파일의 특징을 형태적으로 정량화하고 정량화된 특징에 기초해서 혈액성분의 양을 연산하고 연산결과를 출력시키는 공정으로된 비침입혈액검사방법을 제공할 수가 있다.
또 본발명에의하면 광학계에 광축에 대해서 특정의 각도를 갖는 광만을 생체조직으로부터 수광시켜서 광학계의 초점을 생체조직표면으로부터 심층부로 변화시킨때에 얻어지는 일련의 혈관의 산란광상으로부터 산란광상이 가장 예리하게된 때의 초점위치로부터 혈관의 깊이를 검출하고 이 초점위치에서 특정의 각도를 변화시켜서 얻어지는 복수의 산란광상으로부터 생체조직의 산란 흡수특성을 구하여 이것으로부터 상기한 프로파일의 특징을 보정하는 공정을 다시또 포함하는 비침입혈액검사방법을 제공할수도 있다.
다음에 본발명의 실시형태를 3가지 실시예에 기초해서 상세히 설명한다. 이것에 의해 본발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
우선 본발명의 실시예 1의 혈액검사장치의 구성을 설명한다. 도1은 혈액검사장치의 구성을 나타내는 블록도이며 혈관을 포함하는 생체조직의 일부를 조명하기위한 광원(11)과 조명된 혈관과 조직의 투과광상을 촬상하는 촬상부(12)는 검출부(1)의 내부에 설치되어있다.
해석부(2)는 촬상부(12)로 촬상된 화상에 대해서 혈관을 직각으로 직선적으로 가로질러 분포하는 화상농도분포를 화상농도 프로파일로서 추출하는 추출부(21)와 추출된 화상농도프로파일의 형태적 특징을 정량화하는 정량화부(22)와 정량화된 특징에 기초해서 혈액성분의 양을 연산하는 연산부(23)와 연산결과를 출력시키는 출력부(CRT)(24)를 구비하고있다. 또한 해석부는 퍼스널컴퓨터에 의해 구성하는것도 가능하다.
도2는 도1에 나타내는 장치의 사시도이며 검출부(1)에 내장되는 광원(11) 및 촬상부(12)는 해석부(2)에 신호케이블(3)에의해 접속되어있다.
도3은 검출부(1)의 단면도이며 검출부(1)는 광원(11)과 렌즈(14)및 촬상소자(15)를 갖는 촬상부(12)를 구비하고 개방구부(13)에 손가락(16)이 삽입되면 광원(11)이 손가락(16)을 조명하여 그 투과광에 의한 화상이 렌즈(14)를 거쳐서 촬상소자(15)로 촬상되도록 되어있다. 여기서 개방구부(13)는 삽입되는 손가락(16)을 가볍게 고정시킬수 있도록 손가락끝으로 향해서 내경이 작게되어 고정부재를 구성하고있다.
또한 촬상소자(15)는 CCD로 구성된다. 또 도8은 광원(11)의 정면도이며 LED(11a)와 LED(11b)를 구비하고 있다. 이 실시형태에서는 LED(11a)로서 중심파장 660nm, 반치폭 40nm의 VSF665M1(오프트란스사제)를 사용하고 LED(11b)로서 중심파장 890nm,반치폭 50nm의 L2656(하마마쓰포토닉스사제)를 사용하고있다.
다음에 이와같이 구성된 혈액검사장치의 해석부(2)의 해석수순을 도4에 나타내는 플로우차트를 사용해서 설명한다.
(1) 헤모글로빈농도와 헤머터크리트치의 산출
우선 LED(11a)에 의한 파장(이하 제1파장이라한다)으로 손가락을 조명하여(스텝1) 그 투과상을 촬상하면 도5와같이 CCD(15)측의 피부표면에 존재하는 혈관(정맥)상을 얻을수가 있다. 1mm정도의 굵기의 혈관을 대상으로하는 경우에는 재현성이 양호한 정량적인 결과가 얻어진다. 이경우 광원에 응집성이 높은 LD를 사용해도 조직에의해 확산되기 때문에 반점이 없는 도5와 같은 화상이 얻어진다. 다음에 도5에 있어서 화상중 혈관상이 가장 콘트라스트(contrast)가 좋은 영역을 검색하여 (스텝1a)결정한 영역을 해석영역으로서 도5의 4각형으로 둘러싸도록 설정한다(스텝2).
이렇게 하므로서 항상 피하 깊이가 거의 일정한 혈관을 해석대상으로 할수가있다.
다음에 이 영역내에서 혈관에 수직인 방향의 화상농도프로파일(도6)을 구한다(스텝3). 다시또 화상농도의 프로파일의 베이스라인으로 규격화한다. 베이스라인은 혈관부분 이외의 화상농도프로파일로부터 최소2승법 등에 의해 구하고 이것으로 도6의 화상농도프로파일을 도7에 나타내는 바와같이 정규화한다(스텝4). 이와같이 하므로서 입사광량에 의존하지않는 화상농도프로파일을 얻을수가 있다. 이 정규화한 화상농도프로파일(도7)로부터 피크높이 h1및 반치폭[(1/2)h1에 있어서의 분포폭] w1을 구한다(스텝5). 여기서 얻어지는 피크높이 h1은 혈관 즉 혈액이 존재하는 부분과 존재하지 않는 부분의 비를 나타내는 것으로서 허혈법(혈액이 존재하는경우와 압박에 의해 강제적으로 혈액을 배제한 경우의 비로부터 혈액분석하는 방법)이나 맥파분광법(맥동에 동기해서 신호성분을 취하므로서 변동하는 혈액에 상당하는 신호를 얻어서 혈액분석을 행하는 방법, 결국 펄스옥시미터의 원리)로부터 얻어지는 매개변수에 상당하는 매개변수를 압박이나 맥동을 이용하지않고 얻을수가 있다.
결국 제1파장에 있어서의 혈액의 산란계수를 S1, 흡수계수를 A1으로하고 근사적으로 비어(Beer)의법칙이 성립된다고하면
log(1-h1)=-k(S1+A1)w1 (1)
이다. 여기서 k는 비례정수이다. 그런데 산란계수 S1과 흡수계수A1은 각각 혈액의 헤머터크리트치 HCT와 헤모글로빈농도 HGB에 비례한다고 생각된다.
S1=σ1 HCT, A1=σ2 HGB (2)
그러므로
log(1-h1)=-(kσ1 HCT+kσ2 HGB) w1 (3)
이된다. 여기서 LED(11b)에 의한 파장(이하 제2파장이라한다)으로 같은 모양의 것을 행하여 피크높이 h2,분포폭 w2를 구한다(스텝 6∼10).
이에 대해서도 같은 모양으로
log(1-h2)=-k(S2+A2) w2=-(kσ3 HCT+kσ4 HGB) w2 (4)
가된다. k,σ1,σ2,σ3,σ4는 실험적으로 결정되기때문에 h1,h2,w1,w2에 의해 HGB,HCT가 구해진다.
그러나 실제로는 혈관으로부터 검출부까지에 존재하는 조직에 의해 화상은 흐릿해지기 때문에 관찰되는 피크치는 조직이 없는 경우에 비해서 적게된다. 따라서
log(1-h)=-k(S+A)w+T (5)
가된다. 여기서 S는 혈액의 산란계수, A는 혈액의 흡수계수, T는 흐릿해짐에의한 영향을 나타내는 항이며 조직의 두께 (혈관의 깊이 ;이하 단순히 깊이라한다)L의 함수이다.
그런데 이 T는 얻어지는 화상중에서 혈관상의 콘트라스트가 최대로 되는 부분을 계측영역으로 선택하므로서 비교적 일정하게 되는 것을 실험적으로 발견했다. 따라서 빈혈검출기와 같은 용도에서는 T를 일정하게 해도 실용상은 문제가 되지않는다.
(2) 산출한 헤모글로빈농도와 헤머터크리트치의 보정
또 헤모글로빈농도와 헤머터크리트치의 산출정밀도를 향상시키기 위해서는 다음과같이 보정하면된다.
해석영역을 제1파장의 경우와 같은 영역에 취하고 흐릿해짐의 영향이 없으면 반치폭 w1과 w2는 본래 동일할 것이지만 흐릿해짐의 영향(흐릿해짐이 클수록 반치폭도 크게된다)이 커짐에 따라서 양자에 차이가 나온다. 따라서 w2와 w1의 비로부터 깊이 L을 다음식으로 구할 수가 있다(스텝 11).
L=f (w2/w1) (6)
여기서 함수 f는 실험적으로 결정되는 함수이다. 이 깊이 L을 기초로 h1, h2, w1을 다음식으로 보정하고 보정된 h1,h2,w1을 각각 H1,H2,W 로한다(스텝12).
H1=g1(h1,L) (7)
H2=g2(h2,L) (8)
W=g3(w1,L) (9)
여기서 g1, g2, g3도 실험적으로 결정되는 함수이다. 이 보정된 H1, H2, W로부터 상술한 방법으로 헤모글로빈농도 HGB 및 헤머터크리트치 HCT를 산출한다(스텝13).
또한 해석부(2)에서는 추출부(21)가 스텝 2,3 및 스텝 7,8을 실행하고 정량화부(22)가 스텝 4,5 및 스텝 9,10을 실행하고 연산부(23)가 스텝 11∼14를 실행한다.
이와같이 해서 구한 결과가 도9에 나타내는 바와같이 출력부(CRT)(24)에 표시된다. 또한 도9에 있어서 화상 D1,D2,D3는 각각 도5, 도6, 도7에 대응하고 LED1,LED2는 LED(11a),LED(11b)에 대응하고 「PEAK」,「WIDTH」는 h1, h2와 w1,w2에 대응하고있다.
이 실시예에서는 촬상소자(15)를 CCD로 구성하고 있으나 라인센서로 구성하는 것도 가능하고 이 경우에는 직접 도4의 스텝 3, 8의 농도프로파일을 얻을수가 있다. 단 이경우 라인센서가 혈관에 수직으로 배치되어있다고는 한정되지는 않기때문에 예를들면 2개가든 라인센서를 사용하는등 연구가 필요하다. 이상은 헤모글로빈농도 및 헤머터크리트치를 산출하는 경우에 대해 설명했으나 통상 헤모글로빈농도와 헤머터크리트치와는 상관되므로 제1 또는 제2의 파장중 어느것인가 한쪽의 파장만을 도4의 공정의 일부(스텝1∼스텝5)를 행하면 어느정도의 빈혈정도의 검출(빈혈검출)이 가능하며 이 장치를 빈혈검출기로서 사용할 수가 있다.
또 일정깊이의 혈관을 대상으로하는 경우에는 깊이보정의 처리를 삭제할 수가 있다. 도4의 스텝 1a와같이 최대 콘트라스트를 갖는 영역을 검색할수 있는 정도 그것을 실현할 수가 있다.
실시예 2
우선 본발명의 실시예2의 혈액검사장치의 구성을 설명한다. 이 실시예는 실시예 1에있어서의 보정처리를 보다 정확히 행하기위해 실시예 1의 촬상부(2)와 해석부(2)를 변형한 것이다. 도10은 이 실시예 2의 구성을 나타내는 블록도이며 도1과 동일한 요소에는 동일한 참조번호를 부여하고 있다. 검출기(1a)는 혈관을 포함하는 생체조직의 일부를 조명하는 광원(11)과 공액광학계를 포함하는 촬상부(12a)로 이루어진다. 도11은 이 검출부(1a)의 단면도이다. 광원부(11)는 실시예 1과 동일하며 설명을 생략한다.
촬상부(12a)는 개방구수가 동등한 대물렌즈(14a)및 결상렌즈(14b)와 촬상소자(15)와 공간필터(18)와 필터구동부(19b)를 화살표 A 및 B방향으로 이동가능하게 탑재시킨 구동스테이지(19a)를 구비함과 동시에 거울(17)을 구비하고있다. 렌즈(14a)와 (14b)는 렌즈(14a)의 후면초점과 (14b)의 전면초점이 일점에서 일치하는 결국 공유초점을 갖도록 배치되고 공유초점위치에 공간필터(18)가 설치되고 렌즈(14b)의 후면초점의 위치에는 촬상소자(15)가 설치되어 있다. 촬상소자(15)는 실시예 1과같은 CCD등을 이용할 수가 있다. 스테이지(19a)는 도11에 나타내는바와 같이 다시또 슬라이드이동기구(31)상에 탑재되고 스테핑전동기(M1)를 구동시키므로서 화살표 A 및 B방향으로 이동한다. 이것에의해 렌즈(14a)의 초점위치 F가 조정된다. 도12는 도11의 X-X선에따른 단면도이며 필터구동부(19b)는 필터장착판(33)을 화살표 C 및 D방향으로 슬라이드이동 가능하게 지지하는 슬라이드이동부(34)를 갖는다. 스테핑전동기(M2)의 피니언기어(33b)가 필터장착판(33)의 상부의 랙(33a)에 맞물려있기때문에 스테핑전동기(M2)가 구동되는때에 필터장착판(33)이 화살표 C 또는 D방향으로 이동한다. 또 필터장착판(33)에는 공간필터(18),(18a),(18b),(18c)가 장착되어있다. 공간필터(18),(18a),(18b)는 각각 직경이 다른 원환상의 투광슬릿(32),(32a),(32b)를갖는 차광판으로 이루어지고 공간필터(18c)는 원형상의 투광창(32c)를갖는 차광판으로 이루어진다. 따라서 필터구동부(19b)에 의해 공간필터(18),(18a),(18b),(18c)의 임의의 하나를 공유초점위치에 놓을수가 있다. 또 공간필터(18c)를 공유초점위치에 놓으므로서 실질적으로 필터를 두지않는 상태를 만들수도 있다.
해석부(2b)는 촬상된 화상으로부터 프로파일을 추출하는 추출부(21), 프로파일을 정량화하는 정량화부(22),정량화된 매개변수로부터 헤모글로빈농도나 헤머터크리트치를 연산하는 연산부(23), 연산결과를 표시하는 출력부(CRT)(24)에 추가하여 초점위치를 제어하거나 공간필터의 삽입을 제어하기위해 스테핑전동기(M1),(M2)를 구동시키는 제어부(25)로 구성되어있다. 그런데 도11에 나타내는바와 같이 검출부(1a)에있어서 광원(11)으로부터 조사된 광은 손가락(16)을 투과하여 거울(17)로 90도만큼 굴곡되고 렌즈(14a),(14b)를 거쳐서 촬상소자(15)상에 결상된다.
공유초점위치에 공간필터(18)(도12)를 놓은 경우에는 손가락(16)의 조직으로부터 특정각도로 산란되는 광만이 촬상소자(15)에 결상되고 이 특정각도는 슬릿(32)의 직경에 의해 결정된다. 다시또 스테이지(19a)를 광축방향(화살표 A또는 B방향)으로 이동시키므로서 손가락(16)의 조직의 임의의 깊이에 초점 F를 맞출수가 있다.
다음에 이와같이 구성된 혈액검사장치의 해석부(2b)의 해석수순을 도13에 나타내는 플로우차트에 의해 설명한다.
(1) 헤모글로빈농도와 헤머터크리트치의 산출
우선 필터구동수단(19b)에 의해 공유초점위치로부터 공간필터(18)를 제거한다(스텝 S0). 이렇게 하므로서 실시예1과같은 촬상부의 구성이된다. 다음에 스텝1a로부터 10까지에 표시되는 헤모글로빈농도와 헤머터크리트치의 산출수순은 실시예 1의 도4와 전혀 동일하기 때문에 설명을 생략한다.
(2) 산출한 헤모글로빈농도와 헤머터크리트치의 보정
이 실시예에서는 스텝 12a에 있어서의 보정처리에 특징이 있기때문에 도14 및 도15의 플로우차트에 의해 이부분을 상세히 설명한다. 우선 필터구동부(19b)를 사용해서 공간필터(18)를 공유초점위치에 설치한다(스텝 21)
다음에 이상태에서 초점위치 F를 손가락의 피부표면에 맞춘다(스텝 23). 이 위치는 손가락의 삽입위치가 결정되어 있으므로 미리 결정되어있다. 다음에 화상을 촬상한다(스텝 24). 이것은 스텝(1)(도4)의 촬상과 다르고 특정각도내에 산란된 화상이며 다음에 혼란을 피하기위해 산란화상이라 부른다. 산란화상을 도16에 나타낸다. 산란광만을 결상시키고 있으므로 혈관의 주변부만이 휘도가 올라가있는 것에 주의를 요한다. 또한 비교예로서 같은 촬상대상에 대해서 도4의 스텝1에서 얻어진 화상을 도20에 나타낸다.
추출부(21)에 있어서 이 산란화상으로부터 스텝2(도4)에서 설정한 해석영역내의 프로파일을 구한다(스텝25). 이것도 스텝3(도4)에서의 화상농도프로파일과 구별하기위한 산란프로파일이라 부른다. 예를 도17에 나타낸다. 다시또 정량화부(22)에 있어서 산란프로파일의 베이스라인 BL를 결정하고 도18에 나타내는바와 같이 프로파일의 피크높이 sh와 분포폭 sw를 구한다(스텝26).
이것도 혼란을 피하기위해 특히 산란피크높이 SH,산란분포폭 SW로 부르기로한다. 이 값을 일단 최소치로서 기억한다(스텝 27). 다음에 초점위치 F를 미리 정한 값ΔF만큼 손가락(13)내부로 이동시킨다(스텝 28). ΔF는 통상 0.1mm정도면된다. 이에대해 같은모양으로 스텝24∼26을 반복하고 sh와 sw를 구한다.
이것과 기억된 최소치를 비교해서 만일 sw가 기억된 값보다 적으면 이것을 새로운 최소치로서 기억한다(스텝 27). 다음에 미리설정된 깊이까지 스텝24∼27을 반복한다(스텝28). 미리설정된 깊이란 통상 대상으로하는 혈관은 대략 피하 1∼2mm에 존재하므로 2mm 정도로 해두면된다.
그런데 이와같이해서 얻어진 산란피크폭 SW를 초점위치에 대해서 그리면 도19와같이되고 혈관이 존재하는 깊이로 산란피크폭은 최소치가 된다. 이것은 촬상계의 초점위치가 대상으로하는 혈관에 완전히 일치한때 산란광상이 가장 예리하게되는 것을 의미한다.
따라서 혈관폭이 최소로되는 위치가 실시예 1에서 말하는 혈관의 피하의 깊이 L'에 상당한다(스텝29). 즉 피하의 깊이가 정확히 계측되는 것이 된다. 이 상태에서 얻어지는 산란피크높이 SH1,산란분포폭 SW1 으로한다(스텝30). 또한 이플로우차트에서는 최소치로 했으나 초점위치를 변경한 모든 산란피크높이 SH와 산란분포폭 SW를 기억해두고 적당한 함수로 고정한후 극소치를 구하도록 해도된다.
다음에 촬상계의 초점위치를 피하 L'로 이동시키고(스텝31),필터구동부(19b)를 사용해서 공간필터(18a)로 변경한다(스텝32). 공간필터(18)와 공간필터(18a)와는 슬릿직경이 다르다. 이것은 결상하는 산란광각도범위를 변경하는 것을 의미한다. 공간필터(18a)를 사용해서 산란광상을 촬상하고(스텝33), 전술한바와 같이 산란프로파일의 추출(스텝34) 및 정량화를 행하고(스텝35), 산란피크높이 SH2,산란분포폭 SW2를 구한다(스텝36). 다시또 공간필터(18b)를 사용해서 같은모양의 처리를 행한다(스텝37∼41).
그런데 이와같이 해서 얻어진 SH1∼SH3, SW1∼SW3는 생체의 광학조직의 광학특성, 구체적으로는 생체조직의 산란 흡수계수를 반영한다. 즉 생체의 흡수계수가 높으면 높을수록 산란피크높이는 작게되고 산란계수가 클수록 산란피크높이는 작고 산란분포폭은 크게된다. 따라서 이들 매개변수는 생체조직의 산란계수, 흡수계수를 반영하고있다.
한편 실시예1에도 나타내는 바와같이 화상농도프로파일은 생체조직의 소란을 받지만 실시예1에서는 화상농도프로파일의 분포폭비로부터 그 소란의 보정을 행하고있다. 실시예2에서는 생체조직의 소란을 상기한 매개변수로부터 직접 정량화할 수 있으므로 다시또 정밀도가 양호한 결과를 얻을수가 있다. 결국 식(3)에 있어서의 h1,w1을 다음식으로 보정하고 보정된 h1,w1을 각각 H1',W' 로한다(스텝42, 43).
H1'=g1'(h1,L'SH1,SH2,SH3,SW1,SW2,SW3) (10)
W'=g3'(w1,L',SH1,SH2,SH3,SW1,SW2,SW3) (11)
함수 g1',g3'는 실험적으로 결정해도되고 이론적으로 부여해도된다. 파장 2에대해서도(스텝44)공간필터의 교환, 산란화상의 촬상, 산란프로파일의 추출, 산란매개변수 SH1'∼SH3', SW1'∼SW3'의 산출을 행하여(스텝45), 식(4)에 있어서의 h2를 다음과같이 보정해서 H2'로한다(스텝 44,45).
H2'=g2'(h2,L',SH1',SH2',SH3',SW1',SW2',SW3') (12)
함수 g2'에 대해서도 함수g1'와 동일하다. 여기서 루틴은 도13의 스텝13a으로 복귀하고 H1',H2',W'로부터 헤모글로빈농도 HGB 및 헤머터크리트치 HCT를 결정한다(스텝(13a).
실시예 3
실시예 1 및 실시예 2의 혈액검사장치는 투과광화상으로부터 혈액성분의 농도를 산출하는 투과광형의 것이지만 실시예 3에서는 반사광형의 혈액검사장치를 채용하고 반사광화상으로부터 혈액성분의 농도를 산출한다. 투과광형의 혈액검사장치의 측정부위가 광을 투과할수 있는 손가락이나 귓불에 한정되는것에 대해 반사광형은 예를들면 다리의 이면 볼이나 배와 같은 광범위한 생체부분을 계측대상으로 할 수 있는 점에서 이점이 있다.
특히 측정대상이 젖먹이애나 유아등 손가락의 고정 유지가 곤란한 대상에대해서 유효하다. 또 반사광을 사용하기 때문에 파장으로서는 보다 짧은 파장대 즉 400nm∼950nm를 이용할 수가 있다. 짧은 파장대에서는 헤모글로빈의 호흡이 보다 크기때문에 보다 정밀도가 양호한 측정이 가능해진다. 다음에 실시예3의 혈액검사장치의 구성을 설명한다. 도21은 이 실시예의 검출부(1b)의 단면도이며 도22는 검출부(1b)의 저면도이다. 또한 이 실시예3의 혈액검사장치는 실시예1의 혈액검사장치에 있어서 검출부(1)만을 변형한 것이므로 기타의 요소의 설명은 생략한다.
도21,도22와 같이 검출부(1b)는 촬상부(15a)을 렌즈(14b)와 함께 통형하우징(41)의 중앙부에 배치하고 그 주변에 광원으로서 LED(11c),(11d)를 배치하므로서 소형으로 구성된다. 또 광원은 레이저다이오드로 구성해도되고 고리모양섬유를 사용해서 외부로부터 도입해도된다. 이 실시예는 반사광형이므로 투과광형에 비해서 보다 많은 광량이 필요한 경우에는 광원 즉 LED(11c),(11d)의 수를 증가시키므로서 해결된다.
또 하우징(41)의 원주가장자리에는 검출부(1b)를 생체부분(16a)에 안정적으로 유지하기위해 나팔상의 고무좌대를 구비하고 있다. 또 LED(11c),(11d)는 상호 다른 파장의 광을 사출하지만 그들 파장은 실시예의 제1, 제2파장에 대응하는 것이다. 검출부(1b)로부터 얻어진 화상은 실시예 1에서 기술한 바와같이 처리된다.
본발명에 의하면 다음과 같은 산업상의 이용가능성이 얻어진다.
(1) 허혈법이나 맥파분광법을 이용하는일이 없이 피부경유적인 혈액분석이 가능하다.
(2) 간단한 구성으로 헤모글로빈농도 및 헤머터크리트치를 피부경유적으로 무침입으로 계측할 수 있다.
(3) 계측부위를 특정할 수가(대상으로하는 혈관을 특정)있으므로 재현성이 양호한 결과가 얻어진다.
(4) 헤모글로빈농도 및 헤머터크리트의 연속 검출이 가능하다.
(5) 화상처리에 의해 재현성이 양호한 결과가 얻어진다.
(6) 소형으로 값싸게 실현할수 있다.
(7) 빈혈검출기로서 이용할수가 있다.

Claims (24)

  1. 혈관을 포함하는 생체조직의 일부를 조명하기위한 광원과 조명된 혈관과 조직을 촬상하는 촬상부와 촬상된 화상을 해석하는 해석부를 구비하고 해석부는 촬상된 화상에대해서 혈관을 가로질러 분포하는 화상농도분포를 화상의 프로파일로서 추출하는 추출부와 상기한 프로파일의 특징을 형태적으로 정량화하는 정량화부와 정량화된 특징에 기초해서 혈액성분의 양을 연산하는 연산부와 연산결과를 출력시키는 출력부로된 비침입혈액검사장치.
  2. 제1항에 있어서,
    혈액성분의 양이 헤모글로빈농도 및 헤머터크리트치의 적어도 한쪽인 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  3. 제1항에 있어서,
    광원이 제1 및 제2파장의 광을 선택적으로 조사하는 발광소자로되고 제1 및 제2파장이 각각 실질적으로 산화헤모글로빈 및 환원헤모글로빈의 등흡수파장인 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  4. 제1항에 있어서,
    추출부가 화상중에서 혈관상이 가장 콘트라스트가 좋은 영역을 검출하고 검출한 영역으로부터 화상농도프로파일을 추출하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  5. 제1항에 있어서,
    정량화부는 농도프로파일을 정규화하고 정규화된 화상농도프로파일에 대해 피크치 h와 혈관직경에 대응하는 분포폭 w를 정량화하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  6. 제5항에 있어서,
    광원이 제1 및 제2파장의 광을 선택적으로 조사하는 발광소자로되고 정량화부는 동일한 생체조직의 일부를 제1 및 제2파장으로 촬상해서 얻어지는 제1 및 제2프로파일의 피크치 h1,h2와 분포폭 w1,w2를 산출하고 연산부는 정량화된 h1,h2,w1,w2로부터 헤모글로빈농도 및 헤머터크리트치를 연산하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  7. 제6항에 있어서,
    정량화부는 동일한 생체조직의 일부를 제1 및 제2파장으로 촬상해서 얻어지는 제1 및 제2화상농도프로파일의 분포폭 w1,w2로부터 혈관의 깊이 L를 추정하고 피크치 h1,h2를 L로 보정하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  8. 제1항에 있어서,
    촬상부는 대물렌즈와 결상렌즈와 양렌즈간에 설치되고 2차원적으로 광투과율을 변화시킬수 있는 공간필터와 공간필터의 광투과율을 2차원적으로 변화시키는 필터제어수단을 구비한 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  9. 제8항에 있어서,
    촬상부는 대물렌즈의 초점의 혈관에 대한 위치를 조정하는 조정수단을 다시또 구비한 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  10. 제9항에 있어서,
    정량화부는 농도프로파일을 정규화하고 정규화된 화상농도프로파일에 대해 피크치 h와 혈관직경에 대응하는 분포폭 w를 산출하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  11. 제10항에 있어서,
    정량화부는 조정수단에 의해 대물렌즈의 초점이 조정되고 가장 예리한 촬상화상이 얻어지는 때의 초점위치에 기초해서 생체조직 표면으로부터 혈관까지의 깊이 L를 연산하고 깊이 L에 기초해서 피크치 h와 분포폭 w을 보정하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  12. 제8항에 있어서,
    정량화부는 화상농도프로파일을 정규화하고 정규화된 화상농도프로파일에 대해서 피크치 h와 혈관직경에 대응하는 분포폭 w를 산출하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  13. 제12항에 있어서,
    정량화부는 공간필터의 광투과율을 2차원적으로 변화시키는 때마다 얻어지는 복수의 촬상화상에 기초해서 피크치 h와 분포폭 w를 보정하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  14. 제1항에 있어서,
    생체와 광원과 촬상부에 대해서 상대적으로 고정시키는 고정부재를 다시또 구비한 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  15. 제1항에 있어서,
    촬상부는 혈관과 조직의 투과광화상을 촬상하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  16. 제1항에 있어서,
    촬상부는 혈관과 조직의 반사광화상을 촬상하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  17. 혈관을 포함하는 생체조직의 일부를 조명하기 위한 광원과 조명된 혈관과 조직을 촬상하는 촬상부와 촬상된 화상을 해석하는 해석부를 구비하고, 해석부는 촬상된 화상에대해서 조직과 혈관과의 화상농도분포를 해석해서 혈액성분의 양을 연산하고 그 연산결과를 출력시키는 출력부로된 비침입혈액검사장치.
  18. 제17항에 있어서,
    혈액성분의 양이 헤모글로빈농도 및 헤머터크리트치의 적어도 한쪽인 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  19. 제17항에 있어서,
    광원이 제1 및 제2파장의 광을 선택적으로 조사하는 발광소자로되고 제1 및 제2파장이 600∼950nm의 범위에 있는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  20. 제17항에 있어서,
    촬상부는 대물렌즈와 결상렌즈와 양렌즈간에 설치되고 2차원적으로 광투과율을 변화시킬수있는 공간필터와 공간필터의 광투과율을 2차원적으로 변화시키는 필터제어수단을 구비한 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  21. 제20항에 있어서,
    촬상부는 대물렌즈의 초점의 혈관에대한 위치를 조정하는 조정수단을 다시또 구비한 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  22. 제17항에 있어서,
    생체를 광원과 촬상부에대해서 상대적으로 고정시키는 고정부재를 다시또 구비한 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  23. 제17항에 있어서,
    촬상부가 혈관과 조직의 투과광화상을 촬상하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
  24. 제17항에 있어서,
    촬상부가 혈관과 조직의 반사광화상을 촬상하는 것으로 된 비침입혈액검사장치.
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