無創生物檢測儀及無創生物檢測方法
2023-06-08 23:08:21
專利名稱：無創生物檢測儀及無創生物檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種通過照射生物並拍攝被照生物來獲取生物信息的無創生物檢測儀。本發明還涉及一種通過照射生物並拍攝被照生物來獲取生物信息的無創生物檢測方法。
背景技術：
通過用攝像機拍攝生物、分析生物圖像中的血管來測定血液成份的無創生物檢測儀已為人所知。作為這種技術，比如有美國專利申請公開第2004-162471號公報上公開的無創生物檢測儀。
此無創生物檢測儀用光源照射含有血管(靜脈)的手腕，拍攝所照射的手腕，從由此獲得的圖像計測出血液成份，將其計測結果顯示在顯示器上。要準確拍攝待測血管，就必須使待測血管正好位於適於攝像機拍攝的區域。為此，上述公報記述的無創生物檢測儀可以根據攝像機攝取的生物圖像生成表示待測血管的血管圖像並顯示在顯示器上，在顯示器上顯示表示適於攝像機拍攝區域的標識，以易於對位。
手臂上的血管中，手腕的血管特別適於拍攝。因為手腕的靜脈處於肉眼就可看到的皮膚淺表位置，在生物內的光散射少，血管粗而形狀單純，可以清晰地拍攝到血管。上述公報中記載的無創生物檢測儀在腕帶正上方裝有攝像機，因此，要拍攝腕部的血管就要將腕帶纏繞在手腕上。然而，手腕處存在可活動的關節，難以戴上有足以安裝攝像機的寬度的腕帶。
發明內容
本發明正是針對此情況，目的是提供一種使拍攝區域正對著適於作拍攝目標的手腕、且易於裝戴的無創生物檢測儀。
為解決上述技術問題，本發明第一點所涉及的無創生物檢測儀包括儀器主體和可戴在受檢者的手臂上並固定該儀器主體的裝戴部件，該儀器主體有用光照射生物的光源和拍攝被照生物的攝像機。其特徵在於將上述儀器主體固定在上述裝戴部件上，當將上述裝戴部件戴在受檢者手腕以外的手臂的其他一定位置時，使所述攝像機正好配置在該受檢者的手腕處。
本發明第二點所涉及的無創生物檢測方法的特徵在於，包括以下步驟裝戴步驟，通過將裝戴部件戴在受檢者除手腕以外的手臂的其他一定位置，使具有光照生物用的光源和拍攝所照生物的攝像機的儀器主體的攝像機被配置到該受檢者手腕的手掌一側；光照步驟，用上述光源照射手腕的手掌一側；拍攝步驟，用上述攝像機拍攝被照手腕的手掌一側；信息獲取步驟，分析上述拍攝步驟所得圖像，獲取生物信息。
本發明具有上述構成，因此可以將無創生物檢測儀戴在手臂上，並拍攝最適宜作測定部位的手腕。手臂比起手腕的關節來，周長固定，且形狀單純，因此便於裝戴儀器。手臂周長固定，因此戴上不易錯位，用本發明的無創生物檢測儀可以在穩定的狀態下實施檢測。
圖1為第一實施方式所涉及的無創生物檢測儀的平面圖。
圖2為圖1在A-A方向的剖面圖。
圖3為第一實施方式所涉及的無創生物檢測儀的平面圖。
圖4為第一實施方式所涉及的無創生物檢測儀的結構框圖。
圖5為光源的結構平面圖。
圖6為設置在固定板上的四個發光二極體的位置關係圖。
圖7為第一實施方式所涉及的無創生物檢測儀戴在手腕上時的平面圖。
圖8為相對於位置X的亮度B的分布圖。
圖9為相對於位置X的濃度D的分布圖。
圖10為相對於位置X的亮度B的分布圖。
圖11為相對於位置X的濃度D的分布圖。
圖12為用血細胞計數儀等檢測數個受檢者的血紅蛋白濃度所得的實測值和用第一實施方式所涉及的無創生物檢測儀得出的測算值繪製的圖。
圖13為第二實施方式涉及的無創生物檢測儀的結構截面圖。
具體實施例方式 下面參照附圖詳細說明本發明的無創生物檢測儀和無創生物檢測方法的實施方式。
圖1是本發明第一實施方式涉及的無創生物檢測儀1的平面圖。圖2是從圖1A-A箭頭方向看到的剖面圖。圖3是無創生物檢測儀1的平面圖。圖3是通過鉸鏈32轉動儀器主體3的狀態顯示圖。
此無創生物檢測儀(以下也簡稱為「儀器」)1為手錶式生物檢測儀，由儀器主體3和腕帶40組成。儀器主體3由包括攝像機5和分析器6的主體部件31和固定在腕帶40上的主體固定組件4構成。主體部件31被主體固定組件4固定在腕帶40上。通過將此腕帶40配戴在人的手臂、特別是前臂的手腕附近，來將儀器主體3裝戴到人體。儀器主體3可通過沿腕部轉動腕帶40來調整位置。
如圖1所示，儀器主體3的主體部件31上面略呈矩形，上面中央設有顯示器33。顯示器33的顯示屏朝向與後述攝像機5的拍攝方向正相反的方向(參照圖2)。因此，使用者不僅能戴著儀器1用攝像機5拍攝手腕，同時還能看到顯示屏的顯示。
主體部件31的一側長邊(在圖1中為右側長邊)向外伸出，在這一伸出部分上配置了使用者操作儀器1用的、由電源/實行鍵和菜單鍵組成的操作部件38。因此，當使用者將儀器1戴在左腕時，操作部件38正好在從使用者的角度看的眼前處，操作起來很容易。
圓筒形的攝像機5固定在主體部件31的底面，並向下突出。攝像機5有光源51和受光部件52，這些都通過電線和扁平電纜(無圖示)等與分析器6及顯示器33連接，可互換電信號。主體部件31內部疊層設置有分析器6和顯示器33。
主體固定組件4配置在主體部件31和腕帶40之間(參照圖2)，由固定在腕帶40上的底座41和固定在底座上的轉臺42構成。底座41由板形材料構成，縱向一頭為稜角形，另一頭為圓弧形。稜角一側的底面連接腕帶40，圓弧形一側設有圓形開口，以便固定後述轉臺42。
轉臺42由上下端外徑不同的筒狀組件構成，有用於收納從主體部件31突出出來的攝像機5的開口43。轉臺42下端垂直插入底座41上的開口，可相對於底座41以開口43中心為軸轉動。直徑大於下端的上端設有鉸鏈32，可支撐主體部件31，使其相對於轉臺42轉動。即主體部件31可通過鉸鏈32向箭頭X方向轉動，以此可以開關儀器1。主體部件31通過轉臺42可以以後述攝像機5的鏡頭52a的光軸為中心向箭頭Y或箭頭Z方向轉動(參照圖2、3)。
向箭頭X方向中的順時針方向轉動主體部件31，則攝像機5脫離開口43，使用者可以通過開口43看到待測部位的血管。向箭頭Y或箭頭Z方向轉動主體部件31，則可以轉動位於開口中心的攝像機5。
轉臺42由不透光的材料製成，以便在攝像機5拍攝生物圖像時能遮擋外光。
底座41和轉臺42的分界面安裝有環形彈性部件49。彈性部件49起防止轉臺42從底座41向上脫離的防脫作用，同時還起到轉臺42轉動時適度增加底座41和轉臺42之間的磨擦力的磨擦作用。
底座41的底部安裝有腕帶40。腕帶40由像尼龍搭鏈(註冊商標)一樣可根據使用者腕部粗細進行調整的帶狀材料構成。腕帶40也可以由橡膠等有伸縮性的材料構成。
轉臺42的開口43的內壁處設有調位組件47，該調位組件47由從轉臺42的開口43的內壁向開口43的中心水平伸展的數個突起構成。這些調位組件47與轉臺42同步轉動，當進行血管對位時，轉動轉臺42，使待測血管位於設在鉸鏈32附近的調位部件47a和與之相對而設的調位部件47c連成的直線上。調位部件47a和47c連成的直線從光源51的發光二極體R1、R2、L1、L2之間通過，其走向與規定攝像機5的拍攝區域的走向的軸AY(參照圖6)一致。因此，通過將調位組件47的方向對準血管，即可調整攝像機5的方向，使之能在發光二極體R1、R2、L1、L2從兩側照明的情況下拍攝血管。
為了測定時在關閉狀態下鎖住儀器1，還分別在主體部件31上設置了嚙合孔35，在轉臺42上設置了嚙合部件45。嚙合部件45設置在轉臺42的上面且與鉸鏈32相對的位置。嚙合孔35設置在主體部件31的底面且與嚙合部件45相對應的位置。嚙合部件45從轉臺42垂直豎立，其頂端彎曲約90度。嚙合部件45頂端鉤住設置在嚙合孔35內的稜，從而可以限制主體部件31向箭頭X方向的轉動。
主體部件31的側面設有解除扣37。一按解除扣37，嚙合部件45和嚙合孔35的嚙合就被解除，主體部件31即可向箭頭X方向轉動。因為嚙合部件45設置在轉臺42上，故嚙合部件45固定在嚙合孔35中，這不會限制轉臺42的轉動，轉臺42在儀器1關閉的狀態下也可以向箭頭Y或箭頭Z方向轉動。
如圖3所示，在打開儀器1的狀態下，收納攝像機5的開口43處於比腕帶40寬D更向外突出的位置。當從圖3所示的狀態關閉儀器1時，攝像機5被收納進開口43中，固定在比腕帶40的寬D更向外突出的位置(參照圖2)。以此種結構，攝像機5可以拍攝到緊靠被腕帶40遮擋的部位的相鄰部位。
圖7為安裝上儀器1的狀態的平面圖。如圖所示，將腕帶40配戴在手臂上後，收納攝像機5的開口43位於手腕上方。從圖示狀態關閉儀器1，則攝像機5正對手腕。因此，使用者只要調整位置，使攝像機正對適宜拍攝的手腕部位，同時將腕帶40固定在易於裝戴的手臂，就可以輕鬆地配戴。與手腕相比，手臂的周長固定，且離心臟越近，周長越長，因此，轉動攝像機5進行調整時和進行測定時，儀器1不易從固定的位置移動，可以實施穩定的測定。
圖4為本實施方式涉及的無創生物檢測儀1的結構框圖。如該圖所示，儀器1由攝像機5、分析器6、顯示器33和操作部件38構成。攝像機5由光源51和受光部件52組成，光源51有四個發光二極體R1、R2、L1、L2，受光部件52由聚焦反射光的鏡頭52a、固定鏡頭52a的鏡筒52b和拍攝圖像的CCD相機52c組成。
圖5是光源51的結構平面圖。光源51由圓板形的固定板51a和固定在此固定板51a的四個發光二極體R1、R2、L1、L2構成。固定板51a中央設有圓形開口51b，用於讓射入受光部件52的光通過。上述四個發光二極體沿此開口51b四周圍著上述鏡頭52a的光軸配置。
圖6為設置在固定板51a的四個發光二極體的位置關係圖。發光二極體R1、R2、L1、L2分別對稱地配置在通過開口51b中心且互相垂直相交的第一軸AY和第二軸AX上。更詳細而言，發光二極體R1和L1對稱地配置在第一軸AY兩側，發光二極體R2和L2同樣對稱地配置在第一軸AY兩側。發光二極體R1和R2對稱地配置在第二軸AX兩側，發光二極體L1和L2也同樣對稱地配置在第二軸AX兩側。
在儀器1配戴於手腕的狀態下，手腕錶面的拍攝區CR為受光部件52拍攝的區域。發光二極體L1和L2(第二光源)一側的指示線62a和發光二極體R1和R2(第一光源)一側的指示線62b之間的區域62c為適於受光部件52拍攝的區域，即拍攝時定位於血管的區域。指示線62a和62b由分析器6顯示在顯示器33。分析血液成份時，調整儀器主體3的安裝位置，使手腕的任意血管位於上述區域62c內。
受光部件52由聚焦反射光的鏡頭52a、固定鏡頭52a的鏡筒52b和拍攝圖像的CCD相機52c組成(參照圖2)，可拍攝拍攝區CR中的圖像。鏡頭52a和鏡筒52b插在內部為黑色的圓筒形遮光筒52d中。CCD相機52c將已成像的圖像作為圖像信號傳輸到分析器6。
分析器6由CPU、ROM、RAM、A/D轉換器、或D/A轉換器等構成，有波形提取部件61、量化部件62、存儲器63、演算器64、光量控制部件65和存儲器66。波形提取部件61就受光部件52的CCD相機52c拍攝的圖像，提取拍攝區CR中對第二軸AX的圖像濃度分布作為亮度波形。量化部件62對提取的亮度波形的形態特徵進行量化。存儲器63將受光部件52獲得的光學信息轉換為數字數據存儲起來。演算器64根據量化的特徵和光量數據計算血液的成份濃度等。光量控制部件65根據從受光部件52獲得的信息，適當反饋控制光源51的光量。存儲器66存儲演算器64演算的結果。
顯示器33輸出演算結果和監視器圖像。操作部件38由菜單鍵、電源/實行鍵組成，用於控制電源開/關和選擇顯示菜單、開始測定等操作。
下面就儀器1的對位步驟進行說明。
如圖7所示，用束帶(測血壓用加壓帶)等加壓帶2向受檢者的手臂加壓，阻止手腕周圍的血流，使血管(靜脈)膨脹。再在打開儀器1的狀態下將腕帶40纏在前臂的手腕附近。只要儀器1處在打開的狀態就能通過開口43觀察到待測部位，因此使用者移動儀器1，以便能夠通過開口43捕捉到手腕上凸現的血管BV。
將血管BV捕捉到開口43內後，向箭頭Y或箭頭Z方向轉動轉臺42，調整位置，使血管BV進入區域62c(參照圖6)內。具體而言，一邊通過開口43觀察手腕上凸現的血管，一邊以底座41為準轉動轉臺42，使測試目標血管BV定位於調位部件47a和調位部件47c連成的直線上。位置調整完後，關閉儀器1。於是，設在轉臺42上的嚙合部件45和設在儀器主體3上的嚙合孔35連在一起，儀器1在關閉狀態下鎖住。然後，使用者通過操作主體部件31上面的操作部件38的電源/實行鍵，開始測定。
下面就無創生物檢測儀1的測定處理進行說明。
首先，使用者通過電源/實行鍵打開電源，則分析器6進行初始化，進入可接受測定開始指示的狀態。初始化一結束，分析器6就判斷是否通過電源/實行鍵下達了測定開始指示，如果判斷有測定開始指示，則開始測定處理。
測定處理一開始，光量控制部件65和光源51便通過發光二極體R1、R2、L1、L2(左右亮燈模式)以適當光量照亮含血管BV的生物部分(在此指人的手腕)測定區域，受光部件52用CCD相機52c拍攝所照亮的拍攝區CR(參照圖5)。以此獲得拍攝區CR內含血管(靜脈)BV圖像在內的組織圖像。
根據所得圖像，波形提取部件61如圖8所示，繪製橫斷血管BV的亮度波形(對於位置X的亮度B的分布)PF，運用快速傅立葉變換等算法減少噪聲成份。
量化部件62用基準線BL對此亮度波形PF進行格式化。通過以血管所吸收部分的亮度波形PF的形狀為基礎求出基準線BL，就可以求出圖9所示的不依賴於入射光量的濃度波形(相對於位置X的濃度D的分布)NP。
演算器64就格式化的濃度波形NP算出峰高和半值幅寬w(在峰值高度50％的位置上的濃度波形的分布寬度)。在此獲得的h表示所測血管(血液)吸收的光強度與通過組織部分的光強度之比，w表示相當於血管直徑的長度。演算器64用在此所得的峰高h和半值幅寬w，以下列公式(1)計算出無修正血紅蛋白濃度D，並將結果存入存儲器66。
D＝h/wn·(1) 其中，n為表示光散射帶來的半值幅加寬的非線形常數。無光散射時，n＝1，有光散射時，n＞1。
用發光二極體R1、R2(右側亮燈模式)以適當光量照亮並拍攝與上述拍攝部位相同的部位。接著，用發光二極體L1、L2(左側亮燈模式)以適當光量照亮並拍攝。波形提取部件61從這些以左右亮燈模式獲得的各圖像提取圖10所示亮度波形PF1、PF2。
量化部件62就亮度波形PF1、PF2分別獲得不依賴於入射光量的濃度波形NP1、NP2(參照圖11)。
演算器64分別根據從發光二極體R1、R2的照明獲得的濃度波形NP1算出峰高h1、重心坐標cg1；根據從發光二極體L1、L2的照明獲得的濃度波形NP2算出峰高h2、重心座標cg2。演算器64用求出的結果算出下列公式(2)所表示的血管散射光量指標S，將計算結果存入存儲器66。
S＝(cg1-cg2)/{(h1+h2)/2··(2) 然後，演算器64根據獲得生物圖像中的血管周邊組織像，算出表示該周邊組織所含血量的組織血量指標M。具體而言，根據位於距生物圖像中的血管像一定距離(例如2.5mm)的該生物圖像中的血管周邊組織像，抽取沿該血管像分布的亮度分布。生物圖像中不僅拍攝有目標血管，還有該血管周圍的組織。光與組織中的血量成比例衰減，因此計算出該周邊組織的光的衰減率，即可推算出周邊組織中的血量。
演算器64根據上述算出的血管深度指標S導出補正係數fs，根據組織血量指標M導出補正係數fm，用這些係數，計算出由下列公式(3)所表示的補正血紅蛋白濃度Do。
Do＝D·fs·fm·(3) 存儲器66存儲算出的結果，分析器6在顯示器33顯示補正血紅蛋白濃度Do，測定處理結束。
圖12為針對數個受檢者的血紅蛋白濃度，用血細胞計數儀測得的實測值和用本發明實施方式涉及的無創生物檢測儀1計算出的值繪製成的圖。如圖12所示，實測值和儀器1計算出的值均位於傾斜度1的直線附近，實測值和算出值無差異，由此可知，儀器1可以精確地測量血紅蛋白濃度。
在本實施方式中，說明了將血紅蛋白濃度作為檢測項目予以檢測的結構，但只要是拍攝手腕可檢測的檢測項目，本發明就可以廣泛地應用。比如也可以快速連續地拍攝手腕的血管，以檢測血的流速。
在本實施方式中列舉了用可如腕帶40那樣纏在手臂的材料將儀器主體3戴在手臂的例子，但不限於這種結構。比如也可以在底座41底面上設置數個夾片，用這些夾片夾持手臂，將儀器主體3戴在手臂。
本實施方式列舉了將分析器6裝在主體部件31中的例子，可不限於這種結構，分析器6也可以設置在主體部件31外。比如用無線或一定的連接線等通信手段將設在儀器1外的計算機與儀器1連接起來。可以考慮將攝像機5拍攝的圖像通過通信手段傳送到計算機，由計算機進行圖像分析和血紅蛋白濃度計算。
圖13為第二實施方式涉及的無創生物檢測儀1的結構截面圖。此第二實施方式涉及的無創生物檢測儀1如後所述，除主體部件31和主體固定組件4能拆裝外，其他結構與上述實施方式涉及的儀器1相同，因此，對同樣結構部件用同一符號，省略詳細說明。
如圖13所示，主體固定組件4在轉臺42上部的前後兩端有一對固定爪450，主體部件31底面與這二個固定爪450相對應的位置設有一對固定孔350。主體部件31和轉臺42通過這對固定爪450插入固定孔350，從而被安裝在一起，並且可以拆裝。採取這種結構，使用者可以從主體固定組件4上取下儀器主體3。
固定爪450設在轉臺42，因此只要相對於底座41轉動轉臺42，就可旋轉一對固定爪450的方向。開口43設有調位組件47，使用者只要一邊通過開口43觀察凸現在手腕上的血管，一邊轉動轉臺42使血管位於調位部件47a和47c連成的直線上，之後，安裝上儀器主體3，使固定孔350嵌入固定爪450即可。
權利要求
1.一種無創生物檢測儀，包括
儀器主體，具有用光照射生物的光源和拍攝被照生物的攝像機；
裝戴部件，能夠戴在受檢者手臂上並固定住所述儀器主體；
所述述儀器主體固定在所述裝戴部件上，當所述裝戴部件戴在所述受檢者手腕以外的手臂的其他一定位置時，所述攝像機正好配置在所述受檢者的手腕處。
2.根據權利要求1所述的無創生物檢測儀，其特徵在於還包括
分析器，用於分析所述攝像機拍攝生物所得圖像，獲取生物信息；
所述分析器收納在所述儀器主體中。
3.根據權利要求1所述的無創生物檢測儀，其特徵在於
所述儀器主體具有固定在所述裝戴部件的第一部件和固定在所述述第一部件上並可以移動的、收納所述光源和攝像機的第二部件。
4.根據權利要求3所述的無創生物檢測儀，其特徵在於
所述攝像機含有物鏡；
所述第二部件由所述第一部件固定，並能夠以所述物鏡的光軸為中心轉動。
5.根據權利要求1所述的無創生物檢測儀，其特徵在於
所述光源有數個發光元件，用於照射在所述受檢者手腕的手掌一側的血管，所述攝像機拍攝所述發光元件照射下的所述血管。
6.根據權利要求1所述的無創生物檢測儀，其特徵在於
還有含顯示屏在內的顯示器，所述顯示器配置在所述儀器主體上，其顯示屏朝向與所述攝像機拍攝方向相反的方向。
7.根據權利要求3所述的無創生物檢測儀，其特徵在於
所述第一部件還有連接部件；
所述第二部件能夠以所述連接部件為中心移動。
8.根據權利要求7所述的無創生物檢測儀，其特徵在於
所述第一部件有開口，使配置有所述攝像機的手腕上的位置可視化，當以所述連接部件為中心移動所述第一部件時，所述第一部件和第二部件的結構使所述光源和攝像機收納入所述開口。
9.根據權利要求2所述的無創生物檢測儀，其特徵在於所述生物信息是血紅蛋白濃度。
10.根據權利要求1所述的無創生物檢測儀，其特徵在於
所述攝像機有物鏡，能通過所述物鏡拍攝手腕的手掌一側的血管，
所述光源含有多個發光元件，這些發光元件圍繞所述物鏡的光軸配置，用於照射所述攝像機拍攝的血管；
所述儀器主體一方面可以使所述攝像機向所述裝戴部件移動，一方面可使所述多個發光元件和所述攝像機以所述物鏡的光軸為中心轉動。
11.一種無創生物檢測方法，包括以下步驟
裝戴步驟，將裝戴部件戴在受檢者的手臂上的除手腕以外的其他一定位置，使具有光照生物用的光源和拍攝所照生物用的攝像機的儀器主體的攝像機配置到所述受檢者手腕的手掌一側；
照明步驟，用所述光源照射所述手腕的手掌一側；
拍攝步驟，用所述攝像機拍攝被照手腕的手掌一側；
信息獲取步驟，分析所述拍攝步驟所得圖像，獲取生物信息。
12.根據權利要求11所述的無創生物體檢測方法，還包括調位步驟，調整配置在所述手腕手掌一側的所述攝像機的位置，
所述調位步驟包括以下步驟移動所述儀器主體，使所述攝像機配置到手腕手掌一側的血管上；
以所述物鏡光軸為中心轉動所述儀器主體，使具有配置在以所述攝像機物鏡光軸為中心的圓周上的多個發光元件的所述光源朝向所述血管配置在一定位置。
13.根據權利要求11所述的無創生物檢測方法，還包括顯示所述信息獲取步驟獲得的生物信息的步驟。
14.根據權利要求11所述的無創生物檢測方法，其特徵在於所述生物信息為血紅蛋白濃度。
全文摘要
本發明提供一種易於裝戴的無創生物檢測儀。無創生物檢測儀(1)由儀器主體(3)和腕帶(40)構成。儀器主體(3)由主體部件(31)和主體固定組件(4)構成。主體部件(31)由主體固定組件(4)固定在腕帶(40)上。通過將此腕帶(40)配戴在人的前臂的手腕附近，來將儀器主體(3)裝戴到人體。攝像機(5)被固定在比腕帶(40)的寬D更向外突出的位置，以此，在將腕帶(40)配戴在人的手臂上時，攝像機(5)就被配置在可以拍攝的位置。
文檔編號A61B5/1455GK101765403SQ200880101013
公開日2010年6月30日 申請日期2008年7月29日 優先權日2007年7月31日
發明者小澤利行, 沼田成弘, 小寺俊彥 申請人:希森美康株式會社