無創生物測定裝置及無創生物測定方法

2023-09-21 10:27:20 2

專利名稱：無創生物測定裝置及無創生物測定方法
技術領域：
本發明涉及一種通過分析拍攝生物體所得生物體圖像中的血管對血液中所含成份進行測定的無創生物測定裝置和無創生物測定方法。

背景技術：
用攝影設備拍攝生物體、分析生物圖像中的血管、以此測定血紅蛋白等血液成份的無創生物測定裝置比如在美國申請公開第2004-162471號公報上已公開。此美國申請公開第2004-162471號公報上記述的裝置具備照射使用者手腕上的血管(靜脈)的第一光源、從第一光源照射下的血管檢測光學信息的集光設備、根據此光學信息分析流經上述血管中的血液成份的分析裝置。以此，使用者可以僅將上述裝置戴在手腕上即可連續測量血液所含成份。
用美國申請公開第2004-162471號公報上記述的裝置測定血液成份時，為了便於拍攝血管圖像，束帶戴在使用者手臂比手腕靠近心臟的位置，向該使用者手臂施加一定壓力，以此阻礙手腕周圍血流，使腕部血管(靜脈)膨脹。
生物體由於束帶的施壓，不僅目標血管，該血管周圍組織的毛細血管也淤血，血液滯流。測定時根據含血管在內的生物體的拍攝圖像中血管部分的亮度和其周圍部分的亮度的差，求血液成份的量。但是周圍組織受壓淤血，上述亮度差會縮小。因此，有測定值比實際值小的問題。
美國申請公開第2004-162471號公報上記述的裝置在上述第一光源之外，還另配置有照射血管周圍組織的第二光源、從被第二光源照射的生物細胞檢測光學信息的第二集光部分，根據從生物組織獲取的光學信息對血液成份進行校正。
然而，美國申請公開第2004-162471號公報上記述的裝置除了用於從本來的測定對象——血管獲取光學信息的裝置外，還需要用於從血管周圍的生物組織獲取光學信息的專用光源和集光器件，裝置的結構很複雜。又由於在獲取、分析上述光學信息時不能為生物拍照，血液成份的分析很費時。
美國申請公開第2004-162471號公報上記述的裝置還配有與第一光源同一方向發光照射血管的第三光源，上述集光器件從第一光源和第三光源照射的血管檢測光學信息。即，美國申請公開第2004-162471號公報上記述的裝置是在生物側面配置光源和攝像設備的反射型裝置。這種反射型裝置不能將光源配置在攝像設備的視野內，因此攝像設備視野內的亮度沒有透射型裝置均勻。第一光源和第三光源的發光量對測定精度有重大影響，因此，在反射型的無創生物測定裝置中，第一光源和第三光源的光量調節很重要。


發明內容
本發明第一部分提供一種無創生物體測定裝置，包括 光源，照明含血管在內的生物體； 攝像系統，拍攝所述所照生物體；及 分析系統，根據拍攝所得生物體圖像中的血管像取得血液中所含成份濃度、根據所述生物體圖像中的血管周邊組織像對所述所得成份濃度進行校正。
其中 所述分析系統具有第一生成設備、第二生成設備、成份濃度獲取設備和校正設備，第一生成設備用於根據所述生物圖像生成表示橫斷所述生物體圖像中血管像分布的第一亮度分布的第一亮度分布信息；第二生成設備用於根據所述生物圖像生成表示沿所述生物體圖像中血管像分布的第二亮度分布的第二亮度分布信息；成份濃度獲取設備用於根據所述第一亮度分布信息獲取所述成份濃度；校正設備用於根據所述第二亮度分布信息對該成份濃度進行校正。
所述第二生成設備可以根據位於距所述生物圖像中血管像一定距離的所述生物圖像中的血管周邊組織像生成所述第二亮度分布信息。
所述校正設備可以根據所述第二亮度分布信息獲取反映血管周邊組織中的血量的值，並根據所述獲得的值對所述成份濃度進行校正。
所述校正設備可以根據所述反映血管周邊組織中的血量的值獲取所述第二亮度分布上的亮度隨距所述光源的距離而衰減的衰減率。
本發明第二部分提供一種無創生物體測定裝置，包括 光源，照明含血管在內的生物體； 攝像系統，拍攝所述所照生物體；及 分析系統，根據拍攝所得生物圖像中的血管像和反映血管周邊組織中血量的值取得血液所含成份濃度。
其中 所述反映血管周邊組織中血量的值為血管周邊組織像的亮度隨距所述光源的距離而衰減的衰減率。
本發明第三部分提供一種無創生物體測定裝置，包括 第一光源，照明含血管在內的生物體； 第二光源，與所述第一光源間隔一定距離配置、照明所述生物體； 攝像系統，拍攝所述生物體； 分析系統，通過分析所述攝像系統拍攝所述生物體所得生物體圖像中的血管像獲取血液中所含成份濃度；及 調光設備，根據所述攝像系統拍攝所述第一光源照射的所述生物體所得第一生物體圖像和所述攝像系統拍攝所述第二光源照射的所述生物體所得第二生物體圖像調節所述第一光源和第二光源的各個光量。
其中 所述攝像系統可以通過拍攝所述第一光源和第二光源照射的所述生物體，取得第三生物體圖像； 所述分析系統可以分析所述第三生物體圖像中的血管像。
所述無創生物體測定裝置還包括接受測定指示的指示的接受部分，其中，所述無創生物體測定裝置當其指示接受部分收到所述測定指示時，所述調光設備調節所述第一光源和第二光源的光量，調光後的所述第一光源和第二光源照射所述生物體，所述攝像系統拍攝在所述第一光源和第二光源照射下的所述生物體，所述分析系統對該攝像系統拍攝所述生物體獲得的第三生物體圖像中的血管像進行分析。
所述調光設備可以生成表示橫斷所述第一生物圖像中血管像而分布的第一亮度分布的第一亮度分布信息，生成表示橫斷所述第二生物體圖像中血管像而分布的第二亮度分布的第二亮度分布信息，根據所述第一亮度分布信息和第二亮度分布信息調節所述第一光源和第二光源的光量。
所述調光設備可根據所述第一亮度分布中最大亮度值和所述第二亮度分布中最大亮度值調節所述第一光源和第二光源的光量。
所述攝像系統的攝像區有沿所述生物體血管設置的第一中心軸和與所述第一中心軸垂直相交的第二中心軸， 所述第一光源和第二光源夾所述第一中心軸配置。
所述第一光源和第二光源夾所述第一中心軸配置時，相隔距離比所述第二中心軸的軸長方向的攝像區長度短。
所述第一光源包括二個光源器件， 所述第二光源包括二個光源器件， 所述第一光源所具備的二個光源器件夾所述攝像區與所述第一中心軸軸長方向平行配置， 所述第二光源所具備的二個光源器件夾所述攝像區與所述第一中心軸軸長方向平行配置。
本發明第四部分提供一種無創生物體測定方法，包括 為含血管在內的生物體照明的步驟； 拍攝所述光照的生物體、取得生物體圖像的步驟； 根據所述生物體圖像中的血管像取得血液所含成份濃度的步驟；以及 根據所述生物體圖像中血管周邊組織像對所述取得的成份濃度進行校正的步驟。
本發明第五部分提供一種無創生物體測定方法，包括 用第一光源照射含血管在內的生物體； 拍攝所述第一光源照射的生物體，取得第一生物體圖像； 用第二光源照射所述生物體； 拍攝第二光源照射的所述生物體，取得第二生物體圖像； 根據所述第一生物體圖像和第二生物體圖像調節所述第一光源和第二光源的光量； 用調光後的所述第一光源和第二光源照射所述生物體； 拍攝所述第一光源和第二光源照射的所述生物體，獲取第三生物體圖像；以及 分析所述第三生物體圖像中的血管像。



圖1為顯示本發明無創生物測定裝置的一實施方式的大致結構圖； 圖2為圖1所示無創生物測定裝置的截面說明圖； 圖3為光源結構的平面圖； 圖4為設在固定板上的發光二極體的位置關係圖； 圖5為測定單元的結構框圖； 圖6為無創生物測定裝置處於待機狀態時的畫面一例； 圖7為無創生物測定裝置血管對位時顯示的畫面一例； 圖8為無創生物測定裝置測定結束時的畫面一例； 圖9為無創生物測定裝置測定操作的流程圖； 圖10為將含攝像區域CR的長方形區域在0≤x≤640、0≤y≤480範圍內分割成X、Y二維坐標的附圖； 圖11為在一定Y坐標中的X方向像素的亮度波形(亮度波形PF)一例； 圖12為求血管位置方法的說明圖； 圖13為圖9所示流程圖步驟S11中實施的血紅蛋白濃度測量處理的詳細流程圖； 圖14為相對於位置X濃度D的分布圖； 圖15為對於位置X亮度B的分布圖； 圖16為相對於位置X溶液D的分布圖； 圖17為沿血管像分布的第二亮度分布的例示圖；及 圖18為針對數個被檢者的血紅蛋白濃度將用血細胞計數儀等測得的實測值和用本發明實施方式的無創生物體測定裝置1計算出的值繪製成的圖。

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測定裝置的實施方式。
圖1為顯示本發明無創生物測定裝置1的一實施方式的大致結構圖。此無創生物測定裝置1為手錶式血液成份分析儀，由儀器主機3和固定器具4組成。儀器主機3通過固定器具4配帶在人的手腕上。儀器主機3通過固定器具4可沿人的手腕轉動調整位置。儀器主機3的側面設有供使用者操作無創生物測定裝置1的電源/執行鍵38和主菜單鍵39。束帶2戴在使用者手臂比手腕更靠近心臟處。束帶2以一定壓力向使用者手臂施壓，阻止手腕周圍的血液流動，使手腕的血管(靜脈)膨脹。如此在束帶2向手腕加壓的狀態下進行測定，易於血管圖像的拍攝。
圖2為圖1所示無創生物測定裝置1的截面說明圖。儀器主機3由外殼35、配置於外殼35內側的內蓋37、裝在內蓋37下部的結合件41組成。外殼35中央有為放置後述測定單元5而形成的圓筒形單元固定部35a。內蓋37和結合件41的中央形成一空間，用於容納單元固定部35a。從此單元固定部35a的外壁中間水平伸出一對突出物35c、35d。此突出物35c和內蓋37之間以及突出物35d和內蓋37之間分別用壓縮彈簧37a、37b連接。外殼35通過這些壓縮彈簧37a、37b向內蓋37施加壓力。結合件41的側面形成凹狀結合部41a，可與後述支架42的內向突起42a咬合。
上述固定器具4由支架42和腕帶43構成。支架42上面形狀為長方形，其中央有供嵌入儀器主機3的結合件41的圓形開口。此開口的邊緣設有結合件41可沿軸AZ旋轉的內向突起42a。支架42裝有伸縮自如的橡膠製腕帶43。外殼35和內蓋37用不透光的材料製成。
單元固定部35a固定有測定單元5。此測定單元5由光源51、攝像系統52、控制器53、顯示器54組成，光源51、攝像系統52、顯示器54和控制器53之間用電線和扁平電纜(無圖示)等連接，可互相傳輸電子信號。
下面就光源51進行說明。圖3為光源51的平面結構圖。光源51由圓片形固定板51a、固定於此固定板51a的四個發光二極體R1、R2、L1、L2構成。固定板51a的中央有供射入攝像系統52的光線通過的圓形開口51b，沿此開口51b周圍配置了上述發光二極體。
圖4為配置於固定板51a的四個發光二極體的位置關係圖。發光二極體R1、R2、L1、L2分別對稱地配置於通過開口51b中心互相垂直相交的第一軸AY和第二軸AX上。在無創生物測定裝置1配戴於手腕的狀態下，手腕錶面的攝像區CR為被攝像系統52拍攝並顯示在顯示器54的區域。發光二極體L1、L2(第二光源)一側的標誌線62a和發光二極體R1、R2(第一光源)一側的標誌線62b之間的區域62c為適於攝像系統52拍攝區域、即攝像時血管所處的位置區域。標誌線62a和62b通過控制器53顯示在顯示器54。進行血液成份分析時，調整儀器主機3的安裝位置，使手腕的任意血管位於上述區域62c內。血管被發光二極體R1、R2、L1、L2從兩邊用近紅外光(中心波長＝805nm)照亮。
下面就攝像系統52的結構進行說明。如圖2所示，攝像系統52由反射光聚焦用鏡頭52a、固定鏡頭52a的鏡筒52b、拍攝生物體的CCD照相機52c構成，能夠拍攝攝像區CR。鏡頭52a和鏡筒52b插入內部為黑色圓筒形的遮光筒52d。CCD照相機52c將成像的圖像以圖像信號傳輸到控制器53。
下面說明控制器53的結構。控制器53在CCD照相機52c的上面。圖5為測定單元5的結構框圖。控制器53由CPU53a、主存儲器53b、快閃記憶體卡閱讀器53c、光源輸出輸入接口53d、幀存儲器53e、圖像輸入接口53f、輸入接口53g、通信接口53h、圖像輸出接口53i構成。CPU53a、主存儲器53b、快閃記憶體卡閱讀器53c、光源輸出輸入接口53d、幀存儲器53e、圖像輸入接口53f、輸入接口53g、通信接口53h、圖像輸出接口53i通過數據傳輸線連接，可互傳數據。此結構使CPU53a可以向主存儲器53b、快閃記憶體卡閱讀器53c和幀存儲器53e讀寫數據，並與光源輸出輸入接口53d、圖像輸入接口53f、輸入接口53g、圖像輸出接口53i和通信接口53h互傳數據。
作為分析系統的CPU53a可以執行存儲於無圖示的ROM和主存儲器53b的電腦程式。本裝置就是通過該CPU53a執行後述電腦程式，發揮無創生物測定裝置功能的。
主存儲器53b由SRAM或DRAM等構成，用於讀取存儲在無圖示的ROM和快閃記憶體卡53j的電腦程式。還可以作為CPU53a執行這些電腦程式時的工作空間。
快閃記憶體卡閱讀器53c用於讀取存儲在快閃記憶體卡53j的數據。快閃記憶體卡53j有快閃記憶體(無圖示)，無需外部供電也可保存數據。快閃記憶體卡53j存儲有CPU53a執行的電腦程式和用於執行這些程序的數據。
快閃記憶體卡53j比如裝有TRON規格標準的作業系統。作業系統不限於此，比如也可安裝美國微軟公司生產的Windows(註冊商標)等提供圖形用戶界面的作業系統。在以下說明中，本實施方式的電腦程式均在該作業系統上運行。
光源輸出輸入接口53d由D/A轉換器和A/D轉換器等組成的模擬信號接口構成。光源輸出輸入接口53d分別與設在光源51的四個發光二極體R1、R2、L1、L2用電信號線連接，可對這些發光二極體的動作進行控制。光源輸出輸入接口53d根據後述電腦程式控制給發光二極體R1、R2、L1、L2的電流。
幀存儲器53e由SRAM或DRAM等分別構成，在後述圖像輸入接口53f執行圖像處理時，作為數據存放處使用。
圖像輸入接口53f具有包括A/D轉換器在內的視頻數字轉換器線路(無圖示)。圖像輸入接口53f通過電信號線與CCD照相機52c連接，從該CCD照相機52c輸入圖像信號。從CCD照相機52c輸入的圖像信號在圖像輸入接口53f被進行A/D轉換。這種轉換成數位訊號的數據存放在幀存儲器53e。
輸入接口53g由A/D轉換器組成的模擬信號接口構成，電源/執行鍵38和主菜單鍵39與之電氣連接。使用者可以通過該主菜單鍵39選擇裝置的操作項目。還可以通過電源/執行鍵38讓裝置執行裝置的電源開/關以及所選操作動作。
通信接口53h由比如USB、IEEE1394、RS-232C等串行接口或SCSI等並行接口構成。控制器53可以通過該通信接口53h，根據一定的通信協議與移動計算機、手機等外設之間傳輸信號。據此，控制器53通過通信接口53h將測定結果數據傳送到外部連接設備。
圖像輸出接口53i與顯示器54電氣連接，將與從CPU53a接收的圖像數據相應的圖像信號輸出到顯示器54。
下面就顯示器54進行說明。如圖2所示，顯示器54配置於測定單元5上方，固定在外殼35上。此顯示器54由液晶顯示器構成，根據從圖像輸出接口53i接收的圖像信號顯示畫面。這種畫面顯示可以根據無創生物測定裝置1的狀態切換，比如與待機狀態、血管對位時、測定結束狀態相應的畫面顯示在顯示器54上。
圖6顯示了無創生物測定裝置1處於待機狀態時顯示畫面的一例。無創生物測定裝置1處於待機狀態時顯示器54的畫面中央顯示日期和時間。顯示器54的畫面右下方為菜單顯示區54a，顯示按電源/執行鍵38時的無創生物測定裝置1的動作，當處於待機狀態時，顯示「測定」。
圖7為血管對位時顯示畫面的一例。本實施方式的無創生物測定裝置1可以在顯示器54顯示表示適於攝像系統52拍攝的區域的標誌線62a、62b，同時判斷血管圖像是否在適於攝像的區域內。在進行血管對位時，與所拍圖像一起顯示後述方式形成的血管圖形61和以紅色顯示的標誌線62a、62b。此標誌線62a、62b的周圍顯示表示方向的標記63、64、65、66。各標記可亮燈，當血管圖形61不在可收納於標誌線62a和標誌線62b之間的區域62c內的位置時，控制器53讓各標記發亮，指示使用者移動儀器主機3的方向，使血管圖形61位於區域62c內。
在此，就各標記亮燈指示儀器主機3移動進行簡單說明。在圖7中，當標記63和標記64亮時，使用者需要向圖7中右側移動儀器主機3，當標記65和標記66亮時，使用者需要向圖7中左側移動儀器主機3。當標記63和標記65亮時，使用者需要順時針轉動儀器主機3，當標記64和標記66亮時，使用者需要逆時針轉動儀器主機3。比如，血管圖形61位置如圖7所示時，控制器53亮標記63和標記65，敦促使用者順時針轉動儀器主機3。通過這種結構，在將攝像系統52的位置調整到適於拍攝血管的區域時，使用者很容易掌握該向哪邊移動儀器主機3，便於調整攝像系統52的位置。
另外，如果血管圖形61不在區域62c(圖4)內，則標誌線62a、62b顯示為紅色，如果血管圖形61在區域62c內，則標誌線62a、62b顯示為藍色。據此，使用者可以很輕鬆地知道血管圖形61在不在區域62c內。
在進行血管對位時，菜單顯示區54a顯示「繼續」，當血管圖形61位於區域62c內時，標誌線62a、62b顯示為藍色，電源/執行鍵38有效，使用者按此鍵，則測定繼續進行。
圖8為無創生物測定裝置1測定結束時的畫面一例。血液成份血紅蛋白濃度的測定結果以數字形式、便於使用者查看的方式顯示在顯示器54上，顯示為「15.6g/dL」。此時，菜單顯示區54a顯示「確認」。
下面就無創生物測定裝置1的測定過程進行說明。圖9為無創生物測定裝置1執行測定操作的流程圖。首先，如圖1所示，束帶2綁於使用者手臂，無創生物測定裝置1戴於手腕。此時，使用者手臂被束帶2施加一定壓力，手腕周圍的血流受阻，手腕的血管膨脹。然後，使用者按無創生物測定裝置1上的電源/執行鍵38，無創生物測定裝置1一通電，則進行軟體的初始化，同時，檢查各部位狀態(步驟S1)。隨後，裝置處於待機狀態，圖6所示待機狀態畫面顯示在顯示器54(步驟S2)。
當待機狀態畫面顯示在顯示器54上時，使用者按電源/執行鍵38(在步驟S3選「是」)，則顯示器54出現圖7所示對位畫面(步驟S4)。此時，CPU53a用一定光量分別讓配置於光源51的發光二極體R1、R2、L1、L2發光，照射攝像區CR(圖4)，拍攝所照攝像區CR(步驟S5)。
圖10為將包括攝像區CR在內的長方形區域在0≤x≤640、0≤y≤480範圍內分割成X、Y二維坐標的附圖。CPU53a如圖10所示，以包括攝像區CR圖像在內的長方形區域A的最左上方像素的坐標為(0、0)，將區域A用坐標分割成X、Y二維坐標，從坐標分割的點中選擇(240、60)、(400、60)、(240、420)、(400、420)四點。CPU53a求這四點圍出區域B的平均亮度(步驟S6)。確定區域B的坐標不限於此，其他坐標也可。另外，區域B也可以是四角形以外的多角形或圓形。
接下來，CPU53a判斷區域B的亮度是否在目標範圍內(步驟S7)。如果區域B的亮度在目標範圍外，則通過光源輸出輸入接口53d調整流入發光二極體R1、R2、L1、L2的電流量，進行光量調節(步驟S8)，並返回步驟S1。如果區域B的亮度在目標範圍內(在步驟S7選擇「是」)，則CPU53a將後述亮度波形的計算對象的Y坐標值設定為初始值(40)(步驟S9)。求在所設Y坐標值(40)上的X坐標一端到另一端的像素亮度。如圖11所示，以此可以求出在一定Y坐標上的X方向的像素亮度波形(亮度波形PF)(步驟S10)。CPU53a判斷所設Y坐標值是否為終值(440)(步驟S11)。如果Y坐標不是終值(440)(在步驟S11選「否」)，則CPU53a對Y坐標值增量一定值(20)(步驟S12)，並將處理返回到步驟S10。如果Y坐標為終值(440)(在步驟S11選「是」)，則CPU53a在抽取的各亮度波形中，抽取亮度最低的點(以下稱「亮度最低點」)，存儲到幀存儲器53e(步驟S13)。
圖12為求血管位置的方法的說明圖。即，如圖12所示，CPU53a將攝像區CR圖像中心附近的亮度最低點(a1，b1)分別與此亮度最低點(a1，b1)縱向相鄰的亮度最低點(a2，b2)及(a3，b3)連接，再將亮度最低點(a2，b2)與縱向相鄰的點連接，亮度最低點(a3，b3)與縱向相鄰的點連接。CPU53a在整個圖像中反覆進行這種操作，直至將血管作為線抽取出來，形成血管圖形61(步驟S14)。CPU53a如圖7所示，在顯示器54上顯示拍攝的攝像區CR的圖像，並顯示步驟S5形成的血管圖形61、存儲在快閃記憶體卡53j的標誌線62a和標誌線62b(圖4)、標記63、64、65和66(步驟S15)。CPU53a判斷血管圖形61是否位於區域62c(圖4)(步驟S16)。如果血管圖形61沒有位於區域62c內(在步驟S16選「否」)，則CPU53a分別亮標記63、64、65和66，指示儀器主機3應該移動的方向(步驟S17)，並將處理返回步驟S1。
如果血管圖形61位於區域62c內(在步驟S16選「是」)，則CPU53a使電源/執行鍵38有效，可繼續測定。此時，CPU53a鳴音通知使用者電源/執行鍵38有效(步驟S18)。然後，CPU53a等待來自電源/執行鍵38的輸入(步驟S19)。使用者按電源/執行鍵38，指示繼續測定(在步驟S19選「是」)，則CPU53a進行血紅蛋白濃度的測定(步驟S20)，如圖8所示將測定結果顯示在顯示器54(步驟S21)。
圖13為在圖9所示流程圖的步驟S20實施的血紅蛋白濃度測定處理的詳細流程圖。首先，CPU53a控制光源輸出輸入接口53d，以夾血管配置於兩側的光源中一側光源的發光二極體R1、R2(第一光源)用適當光量照射含血管在內的生物體(步驟S101)，用攝像系統52拍照(步驟S102)。接下來，CPU53a判斷區域B的平均亮度是否超過100(步驟S103)。如果亮度未超過100，則CPU53a用光源輸出輸入接口53d調整流到發光二極體R1、R2的電流量，調節發光二極體R1、R2的光量(步驟S104)，之後返回步驟S102。
在此所說的亮度的值指在本實施方式中使用的圖像輸入接口53f所具有的8位轉換器的數字轉換值(從0～255變化)。圖像的亮度和CCD照相機52c輸入的圖像信號的大小成正比，因此，以圖像信號的A/D轉換值(0～255)為亮度值。
當區域B的平均亮度超過100(在步驟S103選「是」)時，CPU53a獲取有關步驟S102所得圖像的亮度波形PF1和不依賴於射入光量的濃度波形NP1(步驟S105)。CPU53a還控制光源輸出輸入接口53d，以夾血管配置於兩側的光源中另一側光源的發光二極體L1、L2(第二光源)用適當光量照射含血管在內的生物體(步驟S106)，用攝像系統52拍照(步驟S107)。然後，CPU53a判斷區域B的平均亮度是否超過100(步驟S108)。如果亮度未超過100，則CPU53a用光源輸出輸入接口53d調整流到發光二極體L1、L2的電流量，調節發光二極體L1、L2的光量(步驟S109)，之後返回步驟S107。
當區域B的平均亮度超過100(在步驟S108選「是」)時，CPU53a對於步驟S107所得圖像進行同步驟S105一樣的處理，獲取亮度波形PF2和不依賴於射入光量的濃度波形NP2(步驟S110)。
圖15為對應位置X的亮度B的分布圖，亮度波形PF1通過步驟S105形成，亮度波形PF2通過步驟S110形成。圖16為對應位置X的濃度D的分布圖，濃度波形NP1通過步驟S105形成，濃度波形NP2通過步驟S110形成。
CPU53a分別從步驟S105獲得的濃度波形NP1獲取峰高h1和重心坐標cg1，從步驟S110獲得的濃度波形NP2獲取峰高h2和重心坐標cg2，並用獲取的這些值，按下述公式(1)計算血管深度指標S，將計算結果存儲到幀存儲器53e(步驟S111)。
S＝(cg2-cg1)/{(h1+h2)/2}……(1) CPU53a分別根據步驟S105獲得的亮度波形PF1和步驟S110獲得的亮度波形PF2，計算血管左右的光源(發光二極體R1、R2和發光二極體L1、L2)的光量比和發光量(步驟S112)。CPU53a根據所得計算結果調節兩光源的發光量(步驟S113)。
具體而言，在根據右側亮燈(發光二極體R1、R2亮燈)[第一光源]獲得的右側亮燈圖像(步驟S102)和左側亮燈(發光二極體L1、L2亮燈)[第二光源]所得左側亮燈圖像(步驟S106)生成的亮度波形(參照圖15)，以左半部分的最大亮度位置為x1，以右半部分最大亮度位置為x2。在左側亮燈時的亮度波形PF2上設x1位置的亮度值為L1，x2位置的亮度值為L2，在右側亮燈時的亮度波形PF1上，設x1位置的亮度值為R1，x2位置的亮度值為R2。
若將左右光源的電流值表示為電流值＝(左、右)，左側亮燈時的電流值＝(C左、0)，右側亮燈時的電流值＝(0、C右)，則為使兩側亮燈時的亮度分布為水平(均勻)而進行的光源電流分配可按左∶右＝x∶(1-x)的比率分配單側亮燈時的電流。即，兩側亮燈時的電流值＝(x·C左、(1-x)·C右)。
若x＝-(R1-R2)/{(L1-L2)-(R1-R2)}，則用如上規定的L1、L2、R1和R2的值，可以求出x。比如，如果左側亮時的電流值＝(18、0)、右側亮時的電流值＝(0、16)、x＝0.4375，則兩側亮時的電流值＝(18×0.4375、16×0.4375)(8、9)。如此，可以調節兩光源的光量以拍攝血紅蛋白濃度計算用攝像區CR(步驟S114)，可以均勻地光照攝像區CR。
CPU53a控制光源輸出輸入接口53d，用經過調光的發光二極體R1、R2、L1和L2為攝像區CR照明，用攝像系統52拍照(步驟S114)，然後與步驟S6一樣，求圖10所示區域B的平均亮度，判斷所求區域B的平均亮度是否超過150(步驟S115)。如果未超過150，則顯示錯誤(步驟S116)。
區域B的平均亮度如超過150(在步驟S115選「是」)，則CPU53a繪製表示對應於攝像區CR(圖4)中軸AX的第一亮度分布的亮度波形(對位置X的亮度B的分布)PF(圖11)，用快速傅立葉變換(FFT)等算法減少噪聲成份。CPU53a還用基準線BL對此亮度波形PF進行格式化。該基準線BL以血管吸收部分的亮度波形為基礎求得。這樣，就可得到不依賴於射入光量的濃度波形(相對於位置X的濃度D的分布)NP(步驟S117)。
圖14為相對於位置X的濃度D的分布圖，形成的濃度波形NP即如圖所示。接著，CPU53a根據形成的濃度波形NP，計算峰高h和半值幅寬w。在此所得h表示通過所測血管(血液)的光強度和通過組織部分的光強度之比，即血管吸收的光強度的程度；w表示相當於血管直徑的長度。CPU53a還用以下公式(2)計算未修正血紅蛋白濃度D，並將結果儲存在幀存儲器53e(步驟S118)。
D＝h/wn……(2) 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。
接下來，CPU53a分析在步驟S114所得生物圖像中血管周圍的組織像(步驟S119)，計算表示該周邊組織中所含血量的組織血量指標M(步驟S120)。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的血管，還有該血管周圍的組織。圖像中的亮度也隨光源到照射位置的距離呈指數函數衰減，亮度衰減的比例與細胞中的血量成比例變化。因此，只要計算出血管周圍細胞像的亮度衰減率，即可推算出周邊組織中的血量。
血管在拍攝圖像中位於略靠中間、似將中央部分縱截為上下(在圖3～4中為上下)二段的位置上。因此，上述衰減率的計算中可以使用與該血管平行、距血管僅一定距離的直線(如圖4中標誌線62a或62b)上的、或沿直線的亮度分布(也稱第二亮度分布)(以下對應於橫截血管的亮度分布(第一亮度分布))。
假設血管周邊組織基本平均，則光源發出的光雖然隨距光源的距離呈指數函數衰減，但因為作為光源的發光二極體配置於攝像區CR的上下(在圖3～4中為上下)，故上述第二亮度分布呈互逆向指數函數重合的拋物線狀。圖17為沿血管像分布的第二亮度分布例的顯示圖。在圖17中縱軸為亮度，橫軸為攝像區內周邊組織沿血管像的位置。比如，以測定標誌線62b(參照圖4)上的第二亮度分布為例，橫軸上的d1和d2如圖4所示，基本對應於上述標誌線62b與圓形攝像區CR的交叉點d1和d2。
在圖17中，拋物線狀的曲線m表示實際測量的亮度，指數函數n和指數函數o表示用後述方法將此曲線m一分為二的指數函數。拋物線狀的曲線p為理論上迭加上述指數函數n和指數函數o形成的圖形，顯示與實際測量值一致。
要將拋物線狀的曲線m分成二個指數函數n和指數函數o，首先要捨去拋物線狀的曲線m中兩端有飽和感的部分，僅留下可以實際上視為拋物線的部分。設所留部分的左端亮度為y0、最低的中間部分的亮度為y1。設相鄰的像素亮度每一個像素為(r×100)％，將此r定義為衰減率。
於是，在上述所留部分的左端，上方發光二極體R1發出的光為100％，下方發光二極體R2發出的光衰減為衰減率r的w次方，因此，上方發光二極體R1的初始值U0和下方發光二極體R2的初始值D0可分別以下述公式(3)、(4)表示。
U0＝y0/(1+rw)……(3) D0＝y0/(1+rw)……(4) 在中間部分，上下發光二極體發出的光均衰減到r的w/2次方，因此下列式子(5)成立。
y1＝2×U0×rw/2＝2×y0/(1+rw)×rw/2……(5) 就r解式子(5)的話，可以求出衰減率r。如果rw/2＝X則， 如果用美國申請公開第2004-162471號公報所述傳統方法，需要用遠近二個專用光源和檢測此光源光線的光傳感器。而且，如果設近側光源投射到光傳感器的光量為v1，遠側光源投射到光傳感器的光量為v2，則用M＝log(v1/v2)求上述組織血量指標M。
在此，衰減率r的定義是相鄰像素亮度每個像素為(r×100)％。如果設上述傳統方法中近側光源到光傳感器的距離(像素單位)為Ln，遠側光源到光傳感器的距離(像素單位)為Lf，則關於近側光源，亮度衰減為r乘以Ln，關於遠側光源，亮度衰減為r的Lf次方。因此得知， M＝log(C×rLn)/(C×rLf)，可以用衰減率r取代上述v1、v2算出與組織血量指標M同樣的值。C為上述近側光源或遠側光源的早期光量值(未因組織衰減的光量值)。
CPU53a根據步驟S111算出的血管深度指標S獲取校正係數fs，根據步驟S120算出的組織血量指標M獲取校正係數fm。用獲取的這些值，計算由下列公式(6)組成的校正血紅蛋白濃度Do(步驟S121)。
Do＝D×fs×fm……(6) CPU53a將步驟S121的計算結果存入幀存儲器53e(步驟S122)，返回主程序。
圖18為針對數個被檢者的血紅蛋白濃度，將用血細胞計數儀等測得的實測值和用本發明實施方式的無創生物體測定裝置1計算出的值繪製成的圖。如圖18所示，實測值和無創生物體測定裝置1計算出的值均位於傾斜的直線附近，實測值和算出值無差異，由此可知，無創生物體測定裝置1可以精確地測量血紅蛋白濃度。
本實施方式如上所述，根據右側亮燈(發光二極體R1、R2亮)所得的右側亮燈圖像和左側亮燈(發光二極體L1、L2亮)所得的左側亮燈圖像，調節二光源(第一光源和第二光源)的光量，以便獲得血紅蛋白濃度計算用拍攝圖像。如此分別點亮右側發光二極體R1、R2(第一光源)和發光二極體L1、L2(第二光源)進行拍攝，可以獲得反映右側亮燈時攝像區CR亮度的右側亮燈圖像(第一生物圖像)和反映左側亮燈時攝像區CR亮度的左側亮燈圖像(第二生物圖像)。從這些生物圖像可以了解各光源光量對攝像區CR亮度的影響，知道各光源調光到何種程度即可使攝像區CR亮度均勻。因此，使用上述右側亮燈圖像和左側亮燈圖像可以調節兩光源的光量，獲得適於拍攝的光量。
權利要求
1.一種無創生物體測定裝置，包括
光源，照明含血管在內的生物體；
攝像系統，拍攝所述所照生物體；及
分析系統，根據拍攝所得生物體圖像中的血管像取得血液中所含成份濃度、根據所述生物體圖像中的血管周邊組織像對所述所得成份濃度進行校正。
2.根據權利要求1所述的無創生物體測定裝置，其特徵在於
所述分析系統具有第一生成設備、第二生成設備、成份濃度獲取設備和校正設備，第一生成設備用於根據所述生物圖像生成表示橫斷所述生物體圖像中血管像分布的第一亮度分布的第一亮度分布信息；第二生成設備用於根據所述生物圖像生成表示沿所述生物體圖像中血管像分布的第二亮度分布的第二亮度分布信息；成份濃度獲取設備用於根據所述第一亮度分布信息獲取所述成份濃度；校正設備用於根據所述第二亮度分布信息對該成份濃度進行校正。
3.根據權利要求2所述的無創生物體測定裝置，其特徵在於
所述第二生成設備可以根據位於距所述生物圖像中血管像一定距離的所述生物圖像中的血管周邊組織像生成所述第二亮度分布信息。
4.根據權利要求1-3任一所述的無創生物體測定裝置，其特徵在於
所述校正設備可以根據所述第二亮度分布信息獲取反映血管周邊組織中的血量的值，並根據所述獲得的值對所述成份濃度進行校正。
5.根據權利要求4所述的無創生物體測定裝置，其中，所述校正設備可以根據所述反映血管周邊組織中的血量的值獲取所述第二亮度分布上的亮度隨距所述光源的距離而衰減的衰減率。
6.一種無創生物體測定裝置，包括
光源，照明含血管在內的生物體；
攝像系統，拍攝所述所照生物體；及
分析系統，根據拍攝所得生物圖像中的血管像和反映血管周邊組織中血量的值取得血液所含成份濃度。
7.根據權利要求6所述的無創生物體測定裝置，其特徵在於
所述反映血管周邊組織中血量的值為血管周邊組織像的亮度隨距所述光源的距離而衰減的衰減率。
8.一種無創生物體測定裝置，包括
第一光源，照明含血管在內的生物體；
第二光源，與所述第一光源間隔一定距離配置、照明所述生物體；
攝像系統，拍攝所述生物體；
分析系統，通過分析所述攝像系統拍攝所述生物體所得生物體圖像中的血管像獲取血液中所含成份濃度；及
調光設備，根據所述攝像系統拍攝所述第一光源照射的所述生物體所得第一生物體圖像和所述攝像系統拍攝所述第二光源照射的所述生物體所得第二生物體圖像調節所述第一光源和第二光源的各個光量。
9.根據權利要求8所述的無創生物體測定裝置，其特徵在於
所述攝像系統可以通過拍攝所述第一光源和第二光源照射的所述生物體，取得第三生物體圖像；
所述分析系統可以分析所述第三生物體圖像中的血管像。
10.根據權利要求9所述的無創生物體測定裝置，其特徵在於還包括
接受測定指示的接受部分，
其中，所述無創生物體測定裝置當其指示接受部分收到所述測定指示時，所述調光設備調節所述第一光源和第二光源的光量，調光後的所述第一光源和第二光源照射所述生物體，所述攝像系統拍攝在所述第一光源和第二光源照射下的所述生物體，所述分析系統對該攝像系統拍攝所述生物體獲得的第三生物體圖像中的血管像進行分析。
11.根據權利要求8-10任一所述的無創生物體測定裝置，其特徵在於
所述調光設備可以生成表示橫斷所述第一生物圖像中血管像而分布的第一亮度分布的第一亮度分布信息，生成表示橫斷所述第二生物體圖像中血管像而分布的第二亮度分布的第二亮度分布信息，根據所述第一亮度分布信息和第二亮度分布信息調節所述第一光源和第二光源的光量。
12.根據權利要求11所述的無創生物體測定裝置，其特徵在於
所述調光設備可根據所述第一亮度分布中最大亮度值和所述第二亮度分布中最大亮度值調節所述第一光源和第二光源的光量。
13.根據權利要求8所述的無創生物體測定裝置，其特徵在於
所述攝像系統的攝像區有沿所述生物體血管設置的第一中心軸和與所述第一中心軸垂直相交的第二中心軸，
所述第一光源和第二光源夾所述第一中心軸配置。
14.根據權利要求13所述的無創生物體測定裝置，其特徵在於
所述第一光源和第二光源夾所述第一中心軸配置時，相隔距離比所述第二中心軸的軸長方向的攝像區長度短。
15.根據權利要求14所述的無創生物體測定裝置，其特徵在於
所述第一光源包括二個光源器件，
所述第二光源包括二個光源器件，
所述第一光源所具備的二個光源器件夾所述攝像區與所述第一中心軸軸長方向平行配置，
所述第二光源所具備的二個光源器件夾所述攝像區與所述第一中心軸軸長方向平行配置。
16.一種無創生物體測定方法，包括
為含血管在內的生物體照明的步驟；
拍攝所述光照的生物體、取得生物體圖像的步驟；
根據所述生物體圖像中的血管像取得血液所含成份濃度的步驟；以及
根據所述生物體圖像中血管周邊組織像對所述取得的成份濃度進行校正的步驟。
17.一種無創生物體測定方法，包括
用第一光源照射含血管在內的生物體；
拍攝所述第一光源照射的生物體，取得第一生物體圖像；
用第二光源照射所述生物體；
拍攝第二光源照射的所述生物體，取得第二生物體圖像；
根據所述第一生物體圖像和第二生物體圖像調節所述第一光源和第二光源的光量；
用調光後的所述第一光源和第二光源照射所述生物體；
拍攝所述第一光源和第二光源照射的所述生物體，獲取第三生物體圖像；以及
分析所述第三生物體圖像中的血管像。
全文摘要
本發明提供一種既簡化結構又能在短時間內精確分析血液成份的無創生物體測定裝置及一種無創生物體測定方法。無創生物體測定裝置包括為含血管在內的生物體照明的光源；拍攝上述所照生物體的攝像系統；根據拍攝所得生物體圖像中的血管像計算血液中所含成分的濃度、根據上述生物體圖像中血管周邊組織像對算出的成分濃度進行校正的分析系統。
文檔編號A61B5/1455GK101152088SQ200710151349
公開日2008年4月2日 申請日期2007年9月28日 優先權日2006年9月29日
發明者沼田成弘, 小澤利行 申請人:希森美康株式會社