WO1999000053A1

WO1999000053A1 - Dispositif permettant d'examiner un organisme vivant et automate permettant d'analyser le sang d'une maniere non invasive au moyen dudit dispositif

Info

Publication number: WO1999000053A1
Application number: PCT/JP1998/002875
Authority: WO
Inventors: Rokusaburo Kimura; Kaoru Asano; Hideo Kusuzawa; Yasuhiro Kouchi; Toshiyuki Ozawa
Original assignee: Toa Medical Electronics Co., Ltd.
Priority date: 1997-06-27
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 1999-01-07
Also published as: US6353750B1; AU7934498A

Description

明細書生体検査装置およびそれを用いた非侵襲血液分析装置技術分野

この発明は、生体検査装置およびそれを用いた非侵襲血液分析装置に関し、とくに、生体の一部の血管を含む組織からの光学的情報を経皮的に検出する装置と、検出された光学的情報を分析して血液に関する情報、例えばへモグロビン濃度やへマトクリットを得る装置に関する。背景技術

この種の生体検査装置においては、ヒ卜の指を指受け装置の溝に受入れ、指をその輪郭が溝の断面形状になじむまでローラで押圧して変形させ、変形した指に光を照射してその透過光を検出するようにしたものが知られている（例えば、特表平 6 — 5 0 3 7 2 8号公報参照）。

しかしながら、このような従来の装置においては、指が溝内で直線状に引伸ばされると共に強く圧迫され、血管や組織が変形してうつ血ゃ虚血状態となるため、正常な状態の血管や組織からの光学情報を得ることができないという問題がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、過度な矯正力や圧迫を加えることなく生体の一部を安定に保持して正常な光学情報を得ることが可能な生体検査装置とそれを用いた非侵襲血液分析装置を提供するものである。発明の開示

この発明は、検査対象とする生体の一部を載置する基台と、載置された生体の一部を両側から挟持可能な側壁部材と、基台及び側壁部材により保持された生体に光を供給する光源部と、光をうけた生体の一部から光学的情報を検出する受光部とを備えてなる生体検査装置を提供するものである。

この生体検査装置において、基台は例えばヒ卜の手の掌とその複数の指に適合する形態を有し、側壁部材はその複数の指の内の 1 本の指を光源部と受光部に対して適正に位置決めする。

さらにこの発明は、受光部が撮像素子からなる生体検査装置を提供するものである。さらにこの発明は生体検査装置の撮像素子によって得られた血管を含む組織の画像を解析してその血管を流れる血液に関する情報を算出する解析部と、算出された情報を出力する出力部とを備える非侵襲生体検査装置を提供するものである。図面の簡単な説明

図 1 は、この発明の第 1 実施例における検出部と解析部の構成を示すブロック図である。

図 2 は、この発明の第 1 実施例における検出部と解析部の外形を示す斜視図である。

図 3 は、この発明の第 1 実施例の検出部を示す斜視図である。図 4 は、この発明の第 1 実施例の検出部の平面図である。図 5 は、この発明の第 1 実施例の検出部の正面図である。図 6 は、この発明の第 1 実施例の検出部の側面図である。図 7 は、この発明の第 1 実施例の検出部の背面図である。図 8 は、この発明の第 1 実施例の検出部の図 4 における X— X矢視断面図である。

図 9 は、この発明の第 1 実施例の検出部の図 4 における Y— Y矢視断面図である。

図 1 0 は、この発明の第 1 実施例の検出部の図 4 における Z — Z矢視断面図である。

図 1 1 は、この発明の第 1 実施例の検出部に用いるスプリングの斜視図である。

図 1 2は、この発明の第 1 実施例における検出部と解析部の動作を示すフローチヤ一トである。

図 1 3 は、この発明の第 1 実施例における解析領域の決定手順を示すフローチヤ一トである。

図 1 4 は、この発明の第 1 実施例により得られる画像例を示す説明図である。

図 1 5 は、この発明の第 1 実施例により得られる画像例を示す説明図である。

図 1 6 は、この発明の第 1 実施例により得られる画像の濃度プロファイルを示す説明図である。

図 1 7 は、この発明の第 1 実施例により得られる画像の正規化された濃度プロファイルを示す説明図である。図 1 8 は、この発明の第 1 実施例の光源部の正面図である。図 1 9 は、この発明の第 1 実施例により表示される表示例を示す説明図である。

図 2 0 は、この発明の第 1 実施例により表示されるの他の表示例を示す説明図である。

図 2 1 は、この発明の第 2実施例の検出部を示す斜視図である o

図 2 2 は、この発明の第 2実施例の検出部を示す側面図である。

図 2 3 は、この発明の第 2実施例の検出部を示す平面図である

図 2 4 は、この発明の第 2実施例の検出部を示す正面図であな ο

図 2 5 は、この発明の第 2実施例の検出部を示す背面図である。

図 2 6 は、この発明の.第 2実施例の検出部を示す底面図であ

O o

図 2 7 は、この発明の第 2実施例の検出部を示す縦断面図である。

図 2 8 は、この発明の第 2実施例の検出部を示す要部切欠き側面図である。

図 2 9 は、図 2 8 の W— W矢視断面図である。

図 3 0 は、この発明の第 2実施例の検出部の動作を示す説明図である。図 3 1 は、この発明の第 2実施例の検出部の動作を示す説明図である。

図 3 2 は、この発明の第 3実施例の検出部と解析部の構成を示すプロック図である。

図 3 3 は、この発明の第 3実施例の検出部と解析部の動作を示すフローチヤ一トである。

図 3 4 は、この発明の第 3実施例により得られる画像における平均輝度の判定領域を示す説明図である。

図 3 5 は、この発明の第 3実施例により得られる画像において漏光像が存在する例を示す説明図である。

図 3 6 は、この発明の第 3実施例により漏光像を検出する方法を示す説明図である。

図 3 7 は、この発明の第 3実施例により得られる画像の輝度プロファイルの一例を示す説明図である。

図 3 8 は、この発明の第 3実施例により得られる画像の輝度プロファイルの他の例を示す説明図である。

図 3 9 は、この発明の第 3実施例により漏光像を検出する方法を示す説明図である。

図 4 0 は、この発明の第 3実施例により得られる関節部分の画像例を示す説明図である。

図 4 1 はこの発明の第 3実施例において関節部分を検索する領域の画素グループを示す説明図である。

図 4 2 はこの発明の第 3実施例において関節部分を検索する領域の画素グループを示す説明図である。発明を実施するための最良の形態

この発明の生体検査装置において、生体とはヒト、うさぎ、ィヌ、ネコ、ラット、マウスなどを含む哺乳動物であり、生体の一部とは生体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、例えばヒトでは手の指や足の指、他の動物では尾部などがあげられる。

この発明において、基台に載置された生体の一部は側壁部材によつて両側から適度な圧力で弾性的に挟持されることが好ましい。これは生体の一部を余り強く締付けたり変形させて固定すると血管が圧迫されてうつ血状態ゃ虚血状態を生じて正確な検査結果が得られないからである。また、生体の一部の太さが異なっても基台のセンターに安定して載置することができるからである。また、生体の一部をより自然な状態で基台に載置するために生体の一部を載置する基台は、載置される生体の一部の形態にその表面の少なくとも一部がフィットするように形成されるのが好ましい。

例えば検査対象とする生体の一部がヒ卜の手の指であるときには、基台が検査対象の指を含む複数の指とそれらの指を有する掌によって形成される曲面に適合可能な曲面からなる表面形状を有し、側壁部材はその複数の指と掌が上記曲面に適合するように基台上に載置されるとき検査対象の指を両側から挟むように基台から突出してなることが好ましい。さらに基台はその上面に検査対象の指を位置決めするための少なくとも 1 つの窪みを備えることが好ましく、 3つの窪みを備えることがさらに好ましい。つまり複数の指をそれぞれ位置決めする窪みを基台上に併せて備えることにより、指と掌はさらに安定して基台上に載 fcされる。

また、各側壁部材は、互いに接近して生体の一部を挟むように付勢されることが好ましい。

これは、例えば、両側側壁部材を互いに接近する方向に移動可能に支持する支持部材と、両側壁部材を互いに接近する方向に付勢する付勢部材を基台に備えることにより実現できる。

この場合、支持部材は、摺動機構又はヒンジ機構を有し、付勢部材はばねのような部材からなることが好ましい。

また、側壁部材は、生体の一部を挟持する状態において、その生体の一部を基台方向に押圧する力成分が生じるように付勢されることが好ましい。

検査対象とする生体の一部が動物の尾部である場合には、基台は尾部の形態にフィッ卜する表面形状を有し、側壁部材も載置された尾部を変形や圧迫しない程度に挟持するものであることが好ましい。この場合、基台は尾部を位置決めする少なくとも 1 つの窪みを備えるとよい。

また、生体検査装置において、基台および側壁部材は、生体の一部の大きさに応じて複数種類のサイズのものを準備しておくことができる。例えば、生体の一部がヒトの手の指の場合には、乳児用，子供用，大人用の 3種類を準備することができる。その際、基台および側壁部材がその他の構成部材から容易に離脱可能に設置される構造であると好都合である。

光源部には、半導体レーザ（以下、 L D ) や L E Dあるいはハロゲン光源などの光源が使用でき、直接生体の一部に照射してもよいし、ファイバ一を介して照射してもよい。波長としては、生体組織を透過し水に対する吸収が大きくない 6 0 0〜 9 5 O n mの範囲にあることが好ましい。

受光部は、レンズなどの光学系とフォトダイオードや C C D などの受光素子とから構成できる。

血管部分の濃度分布情報を詳細に得るためには、受光素子として C C Dなどの撮像素子を用いることが好ましい。 C C Dの他にラインセンサーゃフォトダイォ一ド · アレイが使用できる。

また、フォトダイオード 1 個を血管を横切る方向に走査させて濃度分布情報を得ることもできる。

受光部の光学系は、受光素子として C C Dなどの撮像素子を用いる場合には単に T V用レンズ（例えば C0M I CAR製 BD 121 4 D ) だけを用いて構成してもよい。

この発明の装置は、カバ一部材をさらに備え、そのカバ一部材は側壁部材に挟持された生体の一部の上方を覆うようにしてもよい。この場合、光源部をカバー部材に設け、受光部を基台の下方に設け、受光部を、光源から生体の一部を透過した光を基台に設けた開口を介して受光するように設置することができまた、この発明の非侵襲血液分析装置は、受光部が撮像素子からなる上記生体検査装置によって得られた血管を含む画像を解析してその血管を流れる血液に関する情報を算出する解析部を備えるが、ここで血液に関する情報とは、血液や血流に関する情報であって、具体的には血液成分濃度や血管径などである。なお、上記解析部はパーソナルコンビュ一夕で構成することができる。

この発明の非侵襲血液分析装置は、生体検査装置により得られた画像に基づいて生体の一部の基台に対する載置状態を判定する判定部と、判定された載置状態に基づく指示メッセージを出力する出力部とをさらに備えてもよい。

また、この発明の非侵襲血液分析装置は、得られた画像に基づいて光源部の光量を制御する光量制御部をさらに備えてもよい。

以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述する。これによってこの発明が限定されるものではない。

第 1 実施例

図 1 はこの発明の生体検査装置を用いた非侵襲血液分析装置の第 1 実施例の構成を示すプロック図である。図 1 において、生体検査装置としての検出部 1 は、血管を含む生体の一部（ここではヒトの手の中指）を照明するための光源部 1 1 と、照明された生体部分の光像（ここでは透過光像）を撮像する撮像部 1 2を備える。すなわち、検出部 1 はここでは生体撮像装置でのる。

解析部 2は、撮像部 1 2が生体の一部を経時的に複数回撮像するとき、撮像された画像ごとにその画像における生体の一部の位置的特徴（ここでは、指の関節部分の輪郭におけるくぼみの座標）を抽出する特徴抽出部 3 1 と、抽出された各特徴を記憶する記憶部 3 2 と、各特徴を比較する比較部 3 3 と、比較結果に基づき複数の画像において同一血管部位を含む解析領域を設定する解析領域設定部 3 4を備える。

さらに、解析部 2は、撮像された画像について解析領域内の血管を直角に直線的に横切る部分の画像濃度分布を画像の濃度プロファイルとして抽出する抽出部 2 1 と、抽出された濃度プ口ファイルの形態的特徴を定量化する定量化部 2 2 と、定量化された特徴に基づいて血管径および血液の成分濃度などを演算する演算部 2 3 と、演算結果を記憶する記憶部 2 5 と、演算結果ゃモニタ画像を出力する出力部（ C R T ) 2 4 を備える。

なお、入力部 3 5 はキーボードとマウスからなり、計測モ一ドの設定や解析領域の初期設定、演算部 2 3の演算条件の入力などを行う。また、解析部 2 はパーソナルコンピュータによつて構成される。

図 2 は図 1 に示す装置の外観斜視図であり、検出部 1 と解析部 2 とは信号ケーブル 3 によって接続されている。

図 3 は検出部 1 を示す斜視図、図 4〜図 7 は、それぞれ検出部 1 を示す平面図，正面図，側面図および背面図である。また、図 8〜図 1 0 は、それぞれ図 4 における X— X， Y— Υ , Z - Z矢視断面図である。

これらの図において、基台部材 5 1 は、検査対象とする生体の一部としてのヒトの手の中指 F (図 8 , 図 9 ) を載置する基台 5 2 , 5 3 と、基台 5 2 , 5 3を支持する基板 5 4を備える (図 6 ) 。基板 5 4 には基台 5 2 , 5 3 に載置された中指 F ( 以下、指 F という）を両側から弾性的に挟持可能な 2つの側壁部材 5 5 , 5 6力基台 5 2 , 5 3を挟むように配置される (図 9 ) 。また、カバー部材 5 7は、基台 5 2 , 5 3 に載置される指 Fの上方を覆うように設けられる（図 6 ) 。また、基板 5 4 はハウジング 5 8の上に固定される（図 6 ) 。

カバ一部材 5 7は、カバー 5 7 a と、その下面に接着されたアーム 5 7 bを備える（図 8 ) 。図 4 および図 7 に示すように、アーム 5 7 bの一端は、アームホルダー 5 9の突出部 5 9 a と 5 9 b との間にスプリング 6 0 , 6 1 と共に挿入され、それらを貫通する頭付きシャフト 6 2によつて支持される。スプリング 6 0 , 6 1 は図 1 1 に示すように線材をターンさせてその両端が 9 0度をなすように製作されたものである。

突出部 5 9 a と 5 9 b との間にシャフト 6 2によって装着されたスプリング 6 0， 6 1 は、図 6 , 図 7 に示すように、その一端が 3つのビス 6 3 によってアーム 5 7 bの両側面にそれぞれ固定され、その他端は、アームホルダ 5 9 の後面に係止される。スプリング 6 0 , 6 1 は、図 6 に示す状態においては、各両端が 9 0度よりも大きい角度を形成し、アーム 5 7 bを矢印 A 1 方向に付勢する。また、シャフト 6 2の先端には抜止め用カラ一 6 4が嵌入されている。

つまり、ァ一厶 5 7 b とアームホルダー 5 9 とは、ヒンジ機構を構成し、ァ一厶 5 7 bは図 6 に示すようにシャフト 6 2を中心として矢印 A 1 , A 2方向に回動可能であると共に、スプリング 6 0， 6 1 の付勢力により常時矢印 A 1 の方向に付勢される。

一方、図 6 , 図 1 0 に示すように、側壁部材 5 5， 5 6の下面にそれぞれ突出する突出部 5 5 a , 5 5 bおよび 5 6 a , 5 6 bは、基板 5 4 にそれぞれ突出する突出部 5 4 a , 5 4 bおよび 5 4 c , 5 4 dの間に挿入され、それらを貫通する頭付シャフト 6 5 , 6 6 によって支持される。また、シャフト 6 5 , 6 6 の各先端には抜止め用カラー 6 5 a , 6 6 aが固定されてしヽる。

これによつて、図 9 に示すように側壁部材 5 5 はシャフト 6 5 を中心に矢印 B 1 , B 2方向に、側壁部材 5 6 はシャフト 6 6 を中心に矢印 C 1 ， C 2方向に回動可能となる。図 9 に示すように、コイルスプリング 6 7 , 6 8がそれぞれ側壁部材 5 5 の下面と基板 5 4 の上面との間、および側壁部材 5 6 の下面と基板 5 4 の上面との間に装着され、側壁部材 5 5 を矢印 B 1 方向に、側壁部材 5 6 を矢印 C 1 方向にそれぞれ付勢する。

また、光源部 1 1 は図 8 に示すようにアーム 5 7 bに形成された孔 5 7 c内に設けられ、基台 5 2 と 5 3 との間の溝 6 9 を介してハウジング 5 8 に設置された撮像部 1 2 と互いに対向する

また、溝 6 9 の上部開口部には指 Fを支持すると共に光源部 1 1 からの光を透過させるガラス板 7 0が基台 5 2から 5 3へ渡るように装着されている。図 4 , 図 5 に示す 2本のピン 5 7 dはアーム 5 7 bの両側に突出し、指 Fが挿入されないときにそれぞれ側壁部材 5 5 , 5 6の上面に係止する。

ここで、指 Fが図 8 に示すように基台 5 2 , 5 3の上に載置されると、図 9 に示すように措 Fの両側が側壁部材 5 5 , 5 6 の側壁面によりほぼ均等な軽い力で押圧されると共に、指 Fの上側がアーム 5 7 bによって軽く押圧される。これによつて指

Fは基台 5 2 , 5 3上に位置決めされる。

指 Fが基台 5 2 , 5 3上に位置決めされると、光源部 1 1 力指 Fを照明し、その透過光が撮像部 1 2で受光される。撮像部 1 2 はレンズと C C Dを備え、透過光による指 Fの画像を撮像する。

ここで、図 8 に示すように、基台 5 2 , 5 3およびガラス板 7 0 は、指 F と接触する面が、指 Fの自然の曲りにフィッ卜するよう円弧状に形成されているので、指 Fを載置したときに、指 Fが不自然に引き伸ばされることや指の血管がうつ血したり虚血状態を生じることがない。

また、図 9 に示すように、側壁部材 5 5 , 5 6の指 Fに接触する対向面は、互いに平行ではなく上部が下部に比べて狭くなるようなテーパー（傾き）を有するので、側壁部材 5 5 , 5 6 は、指 Fに対して水平な力成分だけでなく下向き（垂直方向）の成分、つまり指 Fを基台 5 2 , 5 3 に押圧する力成分を与えることができ、指 Fを基台 5 2 , 5 3上に抱きしめるようにして安定に固定することが可能となる。

図 1 8 は光源部 1 1 の正面図であり、 L E D 1 1 a と L E D 1 1 bを備えた発光素子からなる。

L E D 1 l a として、中心波長 8 3 0 n m、半値幅 4 0 n m の L 3 9 8 9 (浜松ホトニタス（株）製）を使用し、 L E D 1 1 b として中心波長 8 9 O n m、半値幅 5 O n mの L 2 6 5 6 (同上製）を使用している。なお、後述するように、「血管幅計測モード」では L E D 1 1 aのみを点灯させる。

このような構成において実施される血管幅および血液成分濃度の計測手順を図 1 2および図 1 3 に示すフ口一チャートを用いて説明する。

( 1 ) 血管幅計測モード

まず、被検者が図 1 , 図 8 に示すように指 Fを検出部 1 に揷入すると、操作者は入力部 3 5 を操作して「血管幅計測モード」を設定し（ステップ S 1 ) 、 L E D 1 1 a (第 1 波長）によって指 Fを照明して撮像する。それによつて、図 1 4 に示すように、指 Fの輪郭 1 6 a と共に、撮像部 1 2側の皮膚近傍に局在する血管（静脈）像 4 0 を含む組織の画像 4 1 が得られ出力部 2 4 にモニター画像として出力される（ステップ S 2 ) 。次に、画像 4 1 において解析領域 R 1 が設定される（ステップ S 3 )

解析領域 R 1 の設定手順は図 1 3 に示す手順により実行される。つまり、計測が第 1 回目であるときには（ステップ S 3 1 ) 、解析領域設定部 3 4が血管像 4 0 の最もコントラストのよい領域を検索し、検索の結果、決定した領域を長方形状の解析領域 R 1 として設定する（ステップ S 3 2 ) 。なお、解析領域 R 1 は通常、解析領域設定部 3 4 により自動的に設定される力使用者が出力部 2 4 に出力されるモニタ像を見ながら入力部 3 5 を操作して手動設定してもよい。

設定された解析領域 R 1 は、画像 4 1 の画面を X— Y座標平面として、その各頂点の座標が記憶部 3 2 に記憶される（ステツプ S 3 3 ) 。次に、特徴抽出部 3 1 力、 -、画像 4 1 の輪郭 1 6 a における関節部分のくぼみ位置 P 1 を抽出し、抽出した位置 P 1 の座標を記憶部 3 2 に格納する（ステップ S 3 4 , S 3 5 ) o

また、ステップ 3 1 において、計測が第 2回目以降である場合には、前のステップにおいて、例えば、図 1 5 に示すような画像 4 l aが得られると、記憶されている解析領域 R 1 の座標が読み出されると共に、画像 4 1 aから関節部分のくぼみの位置 P 2が特徴抽出部 3 1 によって抽出される（ステップ S 3 6， S 3 7 ) 。

次に、第 1 回の計測時に設定した位置 P 1 と今回抽出した位置 P 2 について座標の差 Δ Χ， Δ Υが比較部 3 3 によって算出される（ステップ S 3 8 ) 。そして、厶 X , △ Υがいずれも所定の許容範囲 <5を越えない場合には（ステップ S 3 9 ) 、解析領域設定部 3 4 は初期に設定した解析領域 R 1 を Δ Χ , Δ Υだけずらすことにより、新しい解析領域 R 2 を設定する（ステツプ S 4 0 ) 。

これによつて領域 R 2内の血管部位は、第 1 回目の計測時に設定された領域 R 1 内の血管部位と実質的に同一となる。このようにして、一人の被検者の指について経時的（例えば、 2時間おき）に n回計測しても、解析領域 R 1 , R 2…… R nがその都度設定され、常に血管の同一部位についての計測が行われる。なお、ステップ S 3 9 において、 △ X， △ Yのいずれかが許容値 (5を越えると、指 1 6が検出部 1 に対して正常に設置されていないものと判断され、出力部 2 4 に「エラ一」が表示される。

次に、図 1 2のステップ S 4 において、プロファイル抽出部 2 1 、設定された解析領域 R 1 内で血管に垂直な方向の濃度プロファイル（図 1 6 ) を作成する。そして、定量化部 2 2は、この濃度プロファイルをべ一スラインで規格化する。ベースラインは、濃度プロファイルの血管部分以外の部分から、最小二乗法などによって求め、これで図 1 6のプロファイルを図 1 7 に示すように規格化する（ステップ S 5 ) 。このようにすることによって、入射光量に依存しない濃度プロファイルを得ることができる。

演算部 2 3 は、この規格化した濃度プロファイル（図 1 7 ) からピーク高さ h i を求め、（ 1 Z 2 ) h i における分布幅 (半値幅） w 1 を血管幅として算出し、記憶部 2 5 に格納する (ステップ S 6 ) 。そして、所定回数の計測が完了すると、算出した血管幅からその経時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 S 7〜S 9 ) 。

図 1 9 は、 1 人の被検者の指について、 2時間おきに計測し、血管幅 w 1 の相対的な経時変化をグラフにして出力部 2 4 に表示させた例である。

( 2 ) 血液成分濃度計測モード

まず、操作者は、入力部 3 5 (図 1 ) を操作して図 1 2 に示すように「血液成分濃度計測モード」を設定し（ステップ S 1 1 ) 、 L E D 1 l a (第 1 波長）と L E D 1 l b (第 2波長）とによつて順に被検者の指 Fを照明し、それぞれ撮像を行い (ステップ S 1 2 , S 1 3 ) 、第 1 波長により得られた画像について、ステップ S 3 と同じ手順、つまり図 1 3 に示す手順により解析領域を設定する（ステップ S 1 4 ) 。

次に、プロファイル抽出部 2 1 力^ 第 1 および第 2波長により得られた各画像について、それぞれの濃度プロファイル（図 1 6 ) を作成する（ステップ S 1 5 ) 。定量化部 2 2は、各濃度プロファイルをベースラインで図 1 7 に示すように規格化する（ステップ S 1 6 ) 。

そこで、演算部 2 3 は、規格化された各濃度プロファイルについて、ピーク高さ h i ， h 2および半値幅 w l を算出し（ステツプ S 1 7 ) 、次のようにしてヘモグロビン濃度 H G Bおよびへマトタリット H C Tを算出する（ステップ S 1. 8 ) 。

つまり、第 1 波長における血液の散乱係数を S 1 、吸収係数を A 1 とし、近似的に B e e r の法則が成立っているとすると

1 0 g ( 1 — h i ) =— k ( S I 十 A l ) w 1 …… （ 1 ) である。ここで、 kは比例定数である。

ところで散乱係数 S 1 と吸収係数 A 1 は、それぞれ血液のへマトクリット H C Tとヘモグロビン量に比例すると考えられる _c S 1 = び 1 H C T、 A l =び 2 · H G B ( 2 )

故に

o g ( 1 h i ) 二 — ( k σ 1 H C T + k σ 2 - H G

B ) · w 1 …… （ 3 )

となる。

そこで、 L E D 1 l b (第 2波長）による画像から求めたピーク高 h 2についても同様に、

l o g ( 1 - h 2 ) = - k ( S 2 + A 2 ) - w 1

=— ( k σ 3 · H C T + k σ 4 - H G B ) · w 1 …… （ 4 ) となる。

k , び 1 , び 2， σ 3 , σ 4は実験的に決定されるので、 h i , h 2 , w l により H G B, H C Tが求まる。

しかしながら、実際には血管から表皮までに存在する組織によって画像はボケるため、観察されるピーク値は組織がない場合に比べて小さくなる。よって、

l o g ( 1 - h i ) = - k ( S + A) w 1 + T …… （ 5 ) となる。

ここで、 Sは血液の散乱係数、 Aは血液の吸収係数、 Tは生体組織による影響を表す項である。

さて、この Tは、得られる画像の中で血管像のコントラストが最大となる部分を解析領域に選択することによって、比較的一定となることを実験的に見いだした。従って、実験的に求めた Tを用いても実用上は問題とはならない。算出された H G B と H C Tは記憶部 2 5 に格納される。このような計測が所定回数くり返されると、演算部 2 3 は、算出した値からその経時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 S 1 9 , S 2 0 ) 。

図 2 0 は、 1 人の被検者の措について 2 日おきに計測し、 Η G B と H C Tの経時変化をグラフにして出力部 2 4 に表示させた例である。

第 2実施例

図 2 1 はこの発明の第 2実施例の検出部 1 0 1 を示す斜視図である。この実施例は第 1 実施例の検出部 1 の構成を変形したものであり、その他の構成は第 1 実施例と同等である。

図 2 2〜図 2 7 は、それぞれ検出部 1 0 1 を示す左側面図，平面図，正面図，背面図，底面図，縱断面図である。なお、右側面図は左側面図と対称であるので、ここでは図示しない。図 2 8 は検出部 1 0 1 の要部切欠き側面図、図 2 9 は図 2 8 の W - W矢視断面図、図 3 0 と図 3 1 は要部の動作を示す説明図である。

この実施例では、手全体（手の平及び指）を無理なく自然な状態で安定して載置し測定することができ、載置時に被検者が疲れを感じることのないように工夫されている。

つまり、第 1 実施例の図 3 に示す基台部材 5 1 及びハウジング 5 8 を図 2 1 に示すように一つにまとめて中空の卵形状のハウジング 1 5 1 となし、ハウジング 1 5 1 の上面の頂上部分を第 1 実施例の基台 5 2 , 5 3 として機能させている。測定時には第 1 実施例の図 8 と同様に、中指 Fを 2つの側壁部材 1 5 5 と 1 5 6 の間に挿入すると共に、他の指を側壁部材 1 5 5 と 1 5 6の外側に対照的に 2本づっ配置し、アーム 1 5 7で中指 Fを押圧するようにする（図 3 0 , 図 3 1 参照）。この時、ウジング 1 5 1 上に手の平全体を載置することにより、その卵形の凸曲面が自然な状態における手の平とその指によつて形成される凹曲面によく合致する。

図 2 9 に示すようにハウジング 1 5 1 は上部ハウジング 1 5 1 a と底部 1 5 1 bからなり、両者は周緣部を互いに嵌合することにより一体に接合されている。側壁部材 1 5 5 , 1 5 6の下部は、ウジング 1 5 1 の内部において上部ウジング 1 5 1 aの内側から下方へ突出する突出部 1 5 4 a , 1 5 4 bにそれぞれシャフト 1 6 5 , 1 6 6 により軸支され、スプリング 1 6 7 , 1 6 8 によってそれぞれ矢印 U, V方向に付勢される。つまり、突出部 1 5 4 a 1 5 4 b とシャフト 1 6 5 , 1 6 6 は側壁部材 1 5 5 , 1 5 6 を矢印 U , V方向に回転可能に支持するヒンジ機構を構成している。側壁部材 1 5 5 1 5 6の上部はハウジング 1 5 1 の上部中央部に設けられた開口部 1 6 9 から外部に突出している。

生体の一部である指 Fは 2つの側壁部材 1 5 5 , 1 5 6 の間に設置され、両側から弾性的に挟持される（図 3 1 ) 。ここでは測定対象の指 Fを中指としているが、他の指でも測定可能でめる。

この実施例では中指 Fを側壁部材 1 5 5 , 1 5 6 間に設置し各側壁部材 1 5 5 , 1 5 6の外側に他の指を 2本ずつ載置するために、ハウジング 1 5 1 の表面に人指指，薬指などを好適に載置できるよう各指形状に合致した窪み 1 8 1 , 1 8 2， 1 8 3 (図 2 3，図 3 1 ) を設けて、各指がハウジング 1 5 1 の表面によくフィットするようにしている。

また、側壁部材 1 5 5 , 1 5 6の外側壁部は、ノヽゥジング 1 5 1 表面近傍においてくびれた凹部 1 5 5 a， 1 5 6 aを有し (図 2 4 ) 、凹部 1 5 5 a , 1 5 6 aは中指の両側の指である人指指と薬指との各中指側曲面によくフィットする曲面を形成している。また、指載置部分において側壁部材 1 5 5 , 1 5 6 の厚みが薄くなつているので、指を大きく広げることなく、自然な状態で手の平と指を載置して測定を行うことができる。

さらにフィット感を高めるため、例えば図 3 0 と図 3 1 に示すように側壁部材 1 5 5， 1 5 6の内側壁部に工夫をしてもよい。図 3 0 と図 3 1 は側壁部材 1 5 5 , 1 5 6をそれぞれ上方と正面から見た図である。この場合、側壁部材 1 5 5， 1 5 6 の内側壁部にはゴムゃスポンジ等の不透光性の軟質の弾性体 1 5 5 b , 1 5 6 bが設けられている（黒色が好ましい）。このため側壁部材 1 5 5 , 1 5 6は中指 Fをその形状に合わせて無理なく安定して挟持することができる。

また、光源部 1 1 1 (図 2 7 ) から照射された光が側壁部材 1 5 5 , 1 5 6 と指 Fの間に生じた隙間から撮像部 1 2側へ漏れるということがなくなるので、より良好な光情報を得ることができるという効果も生じる。図 2 7 に示すように、アーム 1 5 7 は一端部においてハウジング 1 5 1 内で上部ハウジング 1 5 1 a の内面から下方へ突出する突出部 1 5 9 にシャフト 1 6 2 により回動可能に支持され、開口 1 9 0から突出している。

アーム 1 5 7 は、他端部が図 2 7 に示すように側壁部材 1 5 5 , 1 5 6 に近い位置にあるときは側壁部材 1 5 5 , 1 5 6 に近づく方向つまり矢印 T 1 方向に回転しようとし、図 2 8 に示すように側壁部材 1 5 5 , 1 5 6から遠い位置にあるときには側壁部材 1 5 5， 1 5 6から遠ざかる方向つまり矢印 T 2方向に回転しょうとするようなトグル機構により支持されている。

このトグル機構では、図 2 7 に示すようにアーム 1 5 7の端部と突出部 1 5 9 にはそれぞれ突起 1 6 1 と 1 6 3が設けられ、その間にスプリング 1 6 0 が掛け渡されている。アーム 1 5 7 の矢印 T 1 又は T 2方向への回転により突起 1 6 1 , 1 6 3間の距離が変化する。アーム 1 5 7が図 2 7のように側壁部材 1 5 5， 1 5 6 に当接している状態を初期位置とし、アーム 1 5 7を矢印 T 2方向に回転させていくと突起間 1 6 1 ， 1 6 3の距離が増大するのでスプリング 1 6 0 は突起間距離を縮めようとする。すなわちアーム 1 5 7は側壁部材 1 5 5 , 1 5 6側へ戻ろうとする。

アーム 1 5 7をさらに矢印 T 2方向に回転させ、突起 1 6 1 ，シャフト 1 6 2 , 突起 1 6 3がー直線状になる状態を境にして突起間距離が減少するのでアーム 1 5 7 は逆に側壁部材 1 5 5 , 1 5 6から遠ざかる方向に回転しょうとする。そして、アーム 1 5 7 の背がハウジング開口 1 9 0 の縁に当接した状態で回転を停止する。このことにより、被験者は、一方の手の中指を側壁部材 1 5 5 , 1 5 6 間に挿入するときに、他方の手でアーム

1 5 7 を開いて保持しておく必要がなくなるので操作性が向上する。

この実施例では、図 2 7 に示すように、第 1 実施例の光源部 1 1 と同様に、アーム 1 5 7の他端部には指 Fに光照射するための光源部 1 1 1 が設けられ、ハウジング 1 5 1 の内部には第 1 実施例の撮像部 1 2 と同等の撮像部 1 2が設けられ、さらに、ノヽウジング 1 5 1 の開口部 1 6 9 には、第 1 実施例のガラス板 7 0 に対応するァクリル樹脂製の光透過板 1 7 0が設けられている。なお、 1 7 1 は光透光板 1 7 0 と撮像部 1 2を接続するフードである。

光源部 1 1 1 では、基板 1 5 7 a上に実施例 1 の光源部に用いた図 1 8 に示す発光素子 1 1 を 2個載置して光量の増大を計り、発光素子 1 1 が下向きになるようにアーム 1 5 7の他端部の開口部 1 5 7 aの上部に基板 1 5 7 dを設置している。さらに、開口部 1 5 7 aは下向きに末広がりの壁面 1 5 7 dを有し、その壁面には、白色又は銀色塗装が施され、 2つの発光素子 1 1 からの光が撮像部 1 2の方向へ効率よく反射されるようになっている。

また、指 Fに光を照射する場合、皮膚表面の微細な凹凸により光が乱反射して、生体内部に充分な光を供給することができないことがある。そこで、この実施例では措 Fの内部への光の入射効率を高めるため、光出射部分に指 F と接触する透光性部材 1 5 7 c を開口部 1 5 7 aに配置し、皮膚表面の凹凸をなくした上で光照射するようにしている。これによつて、指 Fの内部に効率よく光が供給されるので撮像部 1 2で良好な光情報を得ることができる。なお、透光性部材 1 5 7 c は図 2 7のように、下向きに凸、つまり指 F側に凸の形状を有すると効果的である。

また、アーム 1 5 7は図 2 7 に示すように中空状に設計され、ァ一厶 1 5 7内にリード線 2 0 0が設けられ、光源部 1 1 1 への電力の供給は、解析部（パーソナルコンピュータ） 2 (図 2 ) からケーブル 3 , 基板 2 0 1 , コネクター 2 0 2およびリード線 2 0 0 を介して行われるようになっているので、コネクタ一 2 0 2 においてリード線 2 0 0 は基板 2 0 1 から分離できる。このような構成により、この実施例の検出部 1 0 1 は、上部ハウジング 1 5 1 a側と下部ハウジング 1 5 1 b側とに分離できるので、製造時の組立てゃメンテナンス時の内部チヱックが容易になる。

図 2 3 に示すように、側壁部材 1 5 5 , 1 5 6 の上面には、それぞれ位置決めマーク 2 0 3 , 2 0 4が設けられている。これらは、測定時に指 Fを側壁部材 1 5 5 , 1 5 6 間に挿入するとき、指 Fの長手方向の位置決めを行うためのものであり、例えば、指 Fの第 2関節をこのマークに一致させる。

また、図 2 6 に示すように下部ハウジング 1 5 1 の底面には、 4 つのすベり止めのゴム座 2 0 5 と、電源用スライドスイッチ 2 0 6 の操作片が突出している力、ゴム座 2 0 5 の高さはその操作片よりも高く設計されている。

なお、スライドスィッチ 2 0 6 は、光源部 1 1 1 および撮像部 1 2 に供給する電力をオン · オフするものであり、これを上部ハゥジング 1 5 1 に設置すると、被験者が手をハゥジング 1 5 1 上に載置する時にその操作片が障害になるので、この位置に設けられている。

第 3実施例

図 3 2 はこの発明の検出部と解析部の第 3実施例の構成を示すブロック図である。同図において、解析部 2 aは、第 1 実施例の解析部 2 (図 1 ) に判定部 2 6 と光量制御部 2 7 とを追加したものであり、その他において図 1 と同じ要素には同じ番号を付している。

第 1 および第 2実施例のように生体の一部としてヒ卜の手の指（中指）を検出対象とする場合には、その関節部分において血管が皮膚の表面近傍に存在して撮像が容易であることから、解析領域 R 1 (図 1 4 ) が関節部分又はその近傍に設定されることが好ましい。

そのため、この実施例では第 1 又は第 2実施例の計測作業 (図 1 2 ) を行う前に、予備工程を行うようにしている。つまり、被験者が検出部 1 に指 Fを載置するときその関節部分が撮像部 1 2の撮像領域に対して適正な位置にあるか否かを判定部 2 6が判定し、適正な位置にない場合にはその旨を出力部 2 4 に出力して被験者に伝達し、指を正しく載置するよう促すようにしている。

さらに、この予備工程では、光量制御部 2 7が光源部 1 1 又は 1 1 1 の光量を撮像部 1 2から得られる画像情報に基づいて適正にフィ一ドバック制御し、光量調整を行うようにしている。次に、判定部 2 6 および光量制御部 2 7の動作について図 3 3 に示すフローチヤ一トを用いて詳述する。

図 1 2 に示す計測の開始時に被験者が指を検出部 1 に載置したとき、まず、操作者は入力部 3 5 を操作して光源部 1 1 又は 1 1 1 によってその指を照明して撮像を行うと、図 3 4 に示すように a ( 6 4 0画素） x b ( 4 8 0画素）の画面に輪郭 1 6 aを有する指の画像が得られる。そこで、判定部 2 6 は、予め画像領域の中央部に設定した判定領域 S ( c ( 3 5 2画素） X d ( 2 4 0画素））内の全画素の平均輝度 Qと基準値 Q。との差が所定値 5 ,より大きいか否かを判定する（ステップ S 5 3 ) 。 Qと Q。との差が 5 ,以上の場合には、その差が 5 >より小さくなるまで L E D 1 1 a又は 1 1 bへ供給する駆動電流を光量制御部 2 7が制御して光量の粗調整を行う（ステップ S 5 7 , S 5 2 , S 5 3 ) 。

ところで、被験者が指を検出部 1 に載置したときに、指かその長手方向に対して直交する方向つまり左右方向に適正位置からずれると、側壁部材 5 5 , 5 6 又は 1 5 5 , 1 5 6 と指との隙間から光源部 1 1 又は 1 1 1 の光の一部が漏れて、撮像部 1 2から得られる画像内に図 3 5 に示すような高輝度の漏光像 K が現れ適正な画像分析の妨げとなる。そこで、判定部 2 6 は漏光像 Kの存在の有無を次のようにして検出する（ステップ S 5 4 ) 。

まず、図 3 6 に示すように Y方向に延びる帯状の画素グループ（ 8 x 4 8 0画素）を 1 グループとして粗分画し、各グループ毎に Y方向の輝度のプロファイルを求める。図 3 7 は漏光像 Kを横切る場合のプロフアイル例であり、図 3 8 は漏光像 Kを横切らない場合のプロファイル例である。判定部 2 6 は、求めた各グループのプロファイルからその立ち上がりおよび立ち下がり位置を検出しそれらを線で結び、図 3 9 に示すような外縁線 1 6 b , 1 6 c としてそれぞれ認識する。

次に同図に示すように外縁線 1 6 b , 1 6 cの内側にそれぞれ幅 Δ Υ画素の内側領域を設定し、両方の内側領域の平均輝度 B f を算出する。両方の内側領域において B f X k ( kは 1 より大きい所定の定数）より高い輝度の画素が所定数より多いとき、漏光像 Kが存在する、つまり光源部 1 1 又は 1 1 1 の光が漏れて撮像部 i 2へ直接入射していると判定する（ステップ S 5 4 ) o

漏光像 Kの検出時には判定部 2 6 は指の左右方向のずれが検出できるので、その検出結果に応じて「もっと右に配置して下さい」とか「もっと左に配置して下さい」又は「指を抜いて再度挿入して下さい」というメッセージを出力部 2 4 に出力させる（ステップ S 5 8 ) 。

ステップ S 5 4 において漏光像 Kが検出されない場合には、判定部 2 6 は関節部分が領域 S (図 3 4 ) 内に存在するか否かを判定する（ステップ S 5 5 ) 。図 4 0 に示すように関節部分 Jは他の画像部分に比べて輝度が高いのでその位置は次のようにして容易に識別される。

つまり、判定部 2 6 は図 4 1 に示すように全画像領域（ a X b ) の中に長さ a , 幅 c ( 3 5 2画素）からなる検索領域 S 1 を設定し、検索領域 S 1 内の 8 X 8画素を 1 グループとして粗分画する。判定部 2 6 は、各グループの画素の平均輝度を算出し、その平均輝度が最大となるグループの位置を関節部分 Jの位置として検出する。

また、判定部 2 6 は、検索領域 S 1 を図 4 2 に示すように Y 方向に延びる帯状の画素グループ（ 8 x 3 5 2画素）を 1 グループとして粗分画し、各グループの画素の平均輝度を算出し、その平均輝度が最大となるグループの位置を関節部分 Jの位置 ( X座標位置）として検出してもよい。

なお、光源部 1 1 又は 1 1 1 の照射特性などにより、判定部 2 6が上記のようにして検索した関節部分 Jの位置が、実際の関節部分の位置と若干ずれることがある。そのような場合には、判定部 2 6 は上記のように検索した関節部分 Jの位置を適当な補正関数に代入して真の関節部分の位置を算出するようにしてもよい。

そして、判定部 2 6 は、関節部分 Jが領域 S (図 3 4 ) の外にある場合には、「もっと奥に配置して下さい」と力、「もっと手前に配置して下さい」というメッセ一ジを出力部 2 4 に出力させる（ステップ S 5 9 ) 。また、ステップ S 5 5 において関節部分 Jが領域 S内にある場合には、判定部 2 6 はその関節部分 Jの位置の X座標がその中心になるように図 3 4 の領域 Sを X軸に平行に移動させ、移動させた領域 S内の全画素の平均輝度 Qと基準値 Q。との差が所定値 <5 ₂より大きいか否かを判定する（ステップ S 5 6 ) 。 Qと Q。との差が 5 ₂以上の場合には、その差が 5 ₂より小さくなるまで L E D 1 1 a又は 1 1 bへ供給する駆動電流を光量制御部 2 7が制御して光量の微調整を行う（ステップ S 6 0， S 6 1 , S 5 6 ) o

このようにして、判定部 2 6 が指の載置状態と光源の光量について適正であると判定すると、第 1 又は第 2実施例に示すように図 1 2 に示す計測作業が開始される。以下の作業は、第 1 又は第 2実施例と同等であるので説明を省略する。

なお、図 1 2の計測作業において、ステップ S 2， S 1 2 , S 1 3 の前にそれぞれ図 3 3 に示す工程が揷入されるが、図 3 3の工程が、ステップ S 2 , S 1 2の前に挿入される場合にはステップ S 5 2 における撮像は第 1 波長で、ステップ S 1 3の前に挿入される場合には第 2波長で行われる。

また、出力部 2 4 にスピーカを設けステップ S 5 8 , S 5 9 において、メッセージを音声で出力させてもよい。産業上の利用可能性

この発明によれば、測定対象の生体の一部が無理なく安定して固定されるので、正確で再現性のよい検査結果が得られる。

Claims

請求の範囲

1 . 検査対象とする生体の一部を載置する基台と、載置された生体の一部を両側から挟持可能な側壁部材と、基台及び側壁部材により保持された生体に光を供給する光源部と、光をうけた生体の一部から光学的情報を検出する受光部とを備えてなる生体検査装置。

2 . 各側壁部材は、互いに接近するように付勢されてなる請求項 1 記載の生体検査装置。

3 . 基台は、両側側壁部材を互いに接近する方向に移動可能に支持する支持部材と、両側壁部材を互いに接近する方向に付勢する付勢部材とを備えてなる請求項 1 記載の生体検査装置。

4 . 支持部材が、ヒンジ機構からなり、かつ付勢部材が、スプリングからなる請求項 3記載の生体検査装置。

5 . 側壁部材は、生体の一部を挟持する状態において、その生体の一部を基台方向に押圧する力成分が生じるように付勢される請求項 1 記載の生体検査装置。

6 . 基台は、載置される生体の一部の形態にその表面の少なくとも一部が適合するように形成されてなる請求項 1 記載の生体検査装置。

7 . 光学的情報が、血管と血管を流れる血液の情報である請求項 1 記載の生体検査装置。

8 . 検査対象とする生体の一部が、ヒ卜の手の指であり、かつ基台が、指と掌によって形成される曲面に適合可能な表面形状を有し、側壁部材は、その複数の指と掌が基台上に載置されるとき検査対象の指を両側から挟むように基台から突出してなる請求項 1 記載の生体検査装置。

9 . 基台は、その上面に指を位置決めするための少なくとも 1 つの窪みを備えてなる請求項 8記載の生体検査装置。

1 0 . 指が、中指である請求項 8記載の生体検査装置。

1 1 . 基台は、その上面に中指とその両側の指を位置決めするための複数の窪みを備えてなる請求項 1 0記載の生体撮像装置。

1 2 . カバ一部材をさらに備え、そのカバ一部材は、側壁部材に挟持された生体の一部の上方を覆うことができる請求項 1 に記載の生体検査装置。

1 3 . 光源部が、カバー部材に設けられ、かつ受光部は、光源から生体の一部を透過した光を基台に設けた開口を介して受光するように基台の下方に設けられてなる請求項 1 2記載の生体検査装置。

1 4 . 光源部が、 L E Dからなり、かつ受光部が、 C C Dからなる請求項 1 記載の生体検査装置。

1 5 . 各側壁部材は、生体の一部に接触可能な弾性部材を備えてなる請求項 1 記載の生体検査装置。

1 6 . 透光性部材をさらに備え、その透光部材は、 2つの側壁部材に挟持された生体の一部に接触可能に設けられ、かつ光源部は、その透光性部材を介して生体に光を供給する請求項 1 に記載の生体検査装置。

1 7 . 受光部が、撮像素子からなる請求項 1 〜 1 6 のいずれか 1 つに記載の生体検査装置。

1 8 . 受光部が、撮像素子からなる請求項 1 〜 1 6 のいずれか 1 つに記載の生体検査装置によって得られた血管を含む組織の画像を解析してその血管を流れる血液に関する情報を算出する解析部と、算出された情報を出力する出力部とを備えてなる非侵襲血液分析装置。

1 9 . 解析条件を入力する入力部をさらに備え、解析部は得られた血管を含む組織の画像を入力された解析条件に基づいて解析する請求項 1 8記載の非侵襲血液分析装置。

2 0 . 血液に関する情報が、ヘモグロビン濃度とへマトクリツ卜の情報である請求項 1 8記載の非侵襲血液分析装置。

2 1 . 生体撮像装置により得られた画像に基づいて生体の一部の基台に対する載置伏態を判定する判定部と、判定部により判定された載置状態に基づく指示メッセージを出力するメッセ一ジ出力部とをさらに備えてなる請求項 1 8記載の非侵襲血液分析装置。

2 2 . 生体撮像装置により得られた画像情報に基づいて光源部の光量を制御する光量制御部をさらに備えてなる請求項 1 8記載の非侵襲血液分析装置。