专利名称：无创生物测定装置及无创生物测定方法
技术领域：
本发明涉及一种通过分析拍摄生物体所得生物体图像中的血管对血液中所含成份进行测定的无创生物测定装置和无创生物测定方法。
背景技术：
用摄影设备拍摄生物体、分析生物图像中的血管、以此测定血红蛋白等血液成份的无创生物测定装置比如在美国申请公开第2004-162471号公报上已公开。此美国申请公开第2004-162471号公报上记述的装置具备照射使用者手腕上的血管(静脉)的第一光源、从第一光源照射下的血管检测光学信息的集光设备、根据此光学信息分析流经上述血管中的血液成份的分析装置。以此，使用者可以仅将上述装置戴在手腕上即可连续测量血液所含成份。
用美国申请公开第2004-162471号公报上记述的装置测定血液成份时，为了便于拍摄血管图像，束带戴在使用者手臂比手腕靠近心脏的位置，向该使用者手臂施加一定压力，以此阻碍手腕周围血流，使腕部血管(静脉)膨胀。
生物体由于束带的施压，不仅目标血管，该血管周围组织的毛细血管也淤血，血液滞流。测定时根据含血管在内的生物体的拍摄图像中血管部分的亮度和其周围部分的亮度的差，求血液成份的量。但是周围组织受压淤血，上述亮度差会缩小。因此，有测定值比实际值小的问题。
美国申请公开第2004-162471号公报上记述的装置在上述第一光源之外，还另配置有照射血管周围组织的第二光源、从被第二光源照射的生物细胞检测光学信息的第二集光部分，根据从生物组织获取的光学信息对血液成份进行校正。
然而，美国申请公开第2004-162471号公报上记述的装置除了用于从本来的测定对象——血管获取光学信息的装置外，还需要用于从血管周围的生物组织获取光学信息的专用光源和集光器件，装置的结构很复杂。又由于在获取、分析上述光学信息时不能为生物拍照，血液成份的分析很费时。
美国申请公开第2004-162471号公报上记述的装置还配有与第一光源同一方向发光照射血管的第三光源，上述集光器件从第一光源和第三光源照射的血管检测光学信息。即，美国申请公开第2004-162471号公报上记述的装置是在生物侧面配置光源和摄像设备的反射型装置。这种反射型装置不能将光源配置在摄像设备的视野内，因此摄像设备视野内的亮度没有透射型装置均匀。第一光源和第三光源的发光量对测定精度有重大影响，因此，在反射型的无创生物测定装置中，第一光源和第三光源的光量调节很重要。
发明内容
本发明第一部分提供一种无创生物体测定装置，包括 光源，照明含血管在内的生物体； 摄像系统，拍摄所述所照生物体；及 分析系统，根据拍摄所得生物体图像中的血管像取得血液中所含成份浓度、根据所述生物体图像中的血管周边组织像对所述所得成份浓度进行校正。
其中 所述分析系统具有第一生成设备、第二生成设备、成份浓度获取设备和校正设备，第一生成设备用于根据所述生物图像生成表示横断所述生物体图像中血管像分布的第一亮度分布的第一亮度分布信息；第二生成设备用于根据所述生物图像生成表示沿所述生物体图像中血管像分布的第二亮度分布的第二亮度分布信息；成份浓度获取设备用于根据所述第一亮度分布信息获取所述成份浓度；校正设备用于根据所述第二亮度分布信息对该成份浓度进行校正。
所述第二生成设备可以根据位于距所述生物图像中血管像一定距离的所述生物图像中的血管周边组织像生成所述第二亮度分布信息。
所述校正设备可以根据所述第二亮度分布信息获取反映血管周边组织中的血量的值，并根据所述获得的值对所述成份浓度进行校正。
所述校正设备可以根据所述反映血管周边组织中的血量的值获取所述第二亮度分布上的亮度随距所述光源的距离而衰减的衰减率。
本发明第二部分提供一种无创生物体测定装置，包括 光源，照明含血管在内的生物体； 摄像系统，拍摄所述所照生物体；及 分析系统，根据拍摄所得生物图像中的血管像和反映血管周边组织中血量的值取得血液所含成份浓度。
其中 所述反映血管周边组织中血量的值为血管周边组织像的亮度随距所述光源的距离而衰减的衰减率。
本发明第三部分提供一种无创生物体测定装置，包括 第一光源，照明含血管在内的生物体； 第二光源，与所述第一光源间隔一定距离配置、照明所述生物体； 摄像系统，拍摄所述生物体； 分析系统，通过分析所述摄像系统拍摄所述生物体所得生物体图像中的血管像获取血液中所含成份浓度；及 调光设备，根据所述摄像系统拍摄所述第一光源照射的所述生物体所得第一生物体图像和所述摄像系统拍摄所述第二光源照射的所述生物体所得第二生物体图像调节所述第一光源和第二光源的各个光量。
其中 所述摄像系统可以通过拍摄所述第一光源和第二光源照射的所述生物体，取得第三生物体图像； 所述分析系统可以分析所述第三生物体图像中的血管像。
所述无创生物体测定装置还包括接受测定指示的指示的接受部分，其中，所述无创生物体测定装置当其指示接受部分收到所述测定指示时，所述调光设备调节所述第一光源和第二光源的光量，调光后的所述第一光源和第二光源照射所述生物体，所述摄像系统拍摄在所述第一光源和第二光源照射下的所述生物体，所述分析系统对该摄像系统拍摄所述生物体获得的第三生物体图像中的血管像进行分析。
所述调光设备可以生成表示横断所述第一生物图像中血管像而分布的第一亮度分布的第一亮度分布信息，生成表示横断所述第二生物体图像中血管像而分布的第二亮度分布的第二亮度分布信息，根据所述第一亮度分布信息和第二亮度分布信息调节所述第一光源和第二光源的光量。
所述调光设备可根据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调节所述第一光源和第二光源的光量。
所述摄像系统的摄像区有沿所述生物体血管设置的第一中心轴和与所述第一中心轴垂直相交的第二中心轴， 所述第一光源和第二光源夹所述第一中心轴配置。
所述第一光源和第二光源夹所述第一中心轴配置时，相隔距离比所述第二中心轴的轴长方向的摄像区长度短。
所述第一光源包括二个光源器件， 所述第二光源包括二个光源器件， 所述第一光源所具备的二个光源器件夹所述摄像区与所述第一中心轴轴长方向平行配置， 所述第二光源所具备的二个光源器件夹所述摄像区与所述第一中心轴轴长方向平行配置。
本发明第四部分提供一种无创生物体测定方法，包括 为含血管在内的生物体照明的步骤； 拍摄所述光照的生物体、取得生物体图像的步骤； 根据所述生物体图像中的血管像取得血液所含成份浓度的步骤；以及 根据所述生物体图像中血管周边组织像对所述取得的成份浓度进行校正的步骤。
本发明第五部分提供一种无创生物体测定方法，包括 用第一光源照射含血管在内的生物体； 拍摄所述第一光源照射的生物体，取得第一生物体图像； 用第二光源照射所述生物体； 拍摄第二光源照射的所述生物体，取得第二生物体图像； 根据所述第一生物体图像和第二生物体图像调节所述第一光源和第二光源的光量； 用调光后的所述第一光源和第二光源照射所述生物体； 拍摄所述第一光源和第二光源照射的所述生物体，获取第三生物体图像；以及 分析所述第三生物体图像中的血管像。
图1为显示本发明无创生物测定装置的一实施方式的大致结构图； 图2为图1所示无创生物测定装置的截面说明图； 图3为光源结构的平面图； 图4为设在固定板上的发光二极管的位置关系图； 图5为测定单元的结构框图； 图6为无创生物测定装置处于待机状态时的画面一例； 图7为无创生物测定装置血管对位时显示的画面一例； 图8为无创生物测定装置测定结束时的画面一例； 图9为无创生物测定装置测定操作的流程图； 图10为将含摄像区域CR的长方形区域在0≤x≤640、0≤y≤480范围内分割成X、Y二维坐标的附图； 图11为在一定Y坐标中的X方向像素的亮度波形(亮度波形PF)一例； 图12为求血管位置方法的说明图； 图13为图9所示流程图步骤S11中实施的血红蛋白浓度测量处理的详细流程图； 图14为相对于位置X浓度D的分布图； 图15为对于位置X亮度B的分布图； 图16为相对于位置X溶液D的分布图； 图17为沿血管像分布的第二亮度分布的例示图；及 图18为针对数个被检者的血红蛋白浓度将用血细胞计数仪等测得的实测值和用本发明实施方式的无创生物体测定装置1计算出的值绘制成的图。
具体实施例方式 下面参照附图详细说明本发明的无创生物测定装置的实施方式。
图1为显示本发明无创生物测定装置1的一实施方式的大致结构图。此无创生物测定装置1为手表式血液成份分析仪，由仪器主机3和固定器具4组成。仪器主机3通过固定器具4配带在人的手腕上。仪器主机3通过固定器具4可沿人的手腕转动调整位置。仪器主机3的侧面设有供使用者操作无创生物测定装置1的电源/执行键38和主菜单键39。束带2戴在使用者手臂比手腕更靠近心脏处。束带2以一定压力向使用者手臂施压，阻止手腕周围的血液流动，使手腕的血管(静脉)膨胀。如此在束带2向手腕加压的状态下进行测定，易于血管图像的拍摄。
图2为图1所示无创生物测定装置1的截面说明图。仪器主机3由外壳35、配置于外壳35内侧的内盖37、装在内盖37下部的结合件41组成。外壳35中央有为放置后述测定单元5而形成的圆筒形单元固定部35a。内盖37和结合件41的中央形成一空间，用于容纳单元固定部35a。从此单元固定部35a的外壁中间水平伸出一对突出物35c、35d。此突出物35c和内盖37之间以及突出物35d和内盖37之间分别用压缩弹簧37a、37b连接。外壳35通过这些压缩弹簧37a、37b向内盖37施加压力。结合件41的侧面形成凹状结合部41a，可与后述支架42的内向突起42a咬合。
上述固定器具4由支架42和腕带43构成。支架42上面形状为长方形，其中央有供嵌入仪器主机3的结合件41的圆形开口。此开口的边缘设有结合件41可沿轴AZ旋转的内向突起42a。支架42装有伸缩自如的橡胶制腕带43。外壳35和内盖37用不透光的材料制成。
单元固定部35a固定有测定单元5。此测定单元5由光源51、摄像系统52、控制器53、显示器54组成，光源51、摄像系统52、显示器54和控制器53之间用电线和扁平电缆(无图示)等连接，可互相传输电子信号。
下面就光源51进行说明。图3为光源51的平面结构图。光源51由圆片形固定板51a、固定于此固定板51a的四个发光二极管R1、R2、L1、L2构成。固定板51a的中央有供射入摄像系统52的光线通过的圆形开口51b，沿此开口51b周围配置了上述发光二极管。
图4为配置于固定板51a的四个发光二极管的位置关系图。发光二极管R1、R2、L1、L2分别对称地配置于通过开口51b中心互相垂直相交的第一轴AY和第二轴AX上。在无创生物测定装置1配戴于手腕的状态下，手腕表面的摄像区CR为被摄像系统52拍摄并显示在显示器54的区域。发光二极管L1、L2(第二光源)一侧的标志线62a和发光二极管R1、R2(第一光源)一侧的标志线62b之间的区域62c为适于摄像系统52拍摄区域、即摄像时血管所处的位置区域。标志线62a和62b通过控制器53显示在显示器54。进行血液成份分析时，调整仪器主机3的安装位置，使手腕的任意血管位于上述区域62c内。血管被发光二极管R1、R2、L1、L2从两边用近红外光(中心波长＝805nm)照亮。
下面就摄像系统52的结构进行说明。如图2所示，摄像系统52由反射光聚焦用镜头52a、固定镜头52a的镜筒52b、拍摄生物体的CCD照相机52c构成，能够拍摄摄像区CR。镜头52a和镜筒52b插入内部为黑色圆筒形的遮光筒52d。CCD照相机52c将成像的图像以图像信号传输到控制器53。
下面说明控制器53的结构。控制器53在CCD照相机52c的上面。图5为测定单元5的结构框图。控制器53由CPU53a、主存储器53b、闪存卡阅读器53c、光源输出输入接口53d、帧存储器53e、图像输入接口53f、输入接口53g、通信接口53h、图像输出接口53i构成。CPU53a、主存储器53b、闪存卡阅读器53c、光源输出输入接口53d、帧存储器53e、图像输入接口53f、输入接口53g、通信接口53h、图像输出接口53i通过数据传输线连接，可互传数据。此结构使CPU53a可以向主存储器53b、闪存卡阅读器53c和帧存储器53e读写数据，并与光源输出输入接口53d、图像输入接口53f、输入接口53g、图像输出接口53i和通信接口53h互传数据。
作为分析系统的CPU53a可以执行存储于无图示的ROM和主存储器53b的计算机程序。本装置就是通过该CPU53a执行后述计算机程序，发挥无创生物测定装置功能的。
主存储器53b由SRAM或DRAM等构成，用于读取存储在无图示的ROM和闪存卡53j的计算机程序。还可以作为CPU53a执行这些计算机程序时的工作空间。
闪存卡阅读器53c用于读取存储在闪存卡53j的数据。闪存卡53j有闪存(无图示)，无需外部供电也可保存数据。闪存卡53j存储有CPU53a执行的计算机程序和用于执行这些程序的数据。
闪存卡53j比如装有TRON规格标准的操作系统。操作系统不限于此，比如也可安装美国微软公司生产的Windows(注册商标)等提供图形用户界面的操作系统。在以下说明中，本实施方式的计算机程序均在该操作系统上运行。
光源输出输入接口53d由D/A转换器和A/D转换器等组成的模拟信号接口构成。光源输出输入接口53d分别与设在光源51的四个发光二极管R1、R2、L1、L2用电信号线连接，可对这些发光二极管的动作进行控制。光源输出输入接口53d根据后述计算机程序控制给发光二极管R1、R2、L1、L2的电流。
帧存储器53e由SRAM或DRAM等分别构成，在后述图像输入接口53f执行图像处理时，作为数据存放处使用。
图像输入接口53f具有包括A/D转换器在内的视频数字转换器线路(无图示)。图像输入接口53f通过电信号线与CCD照相机52c连接，从该CCD照相机52c输入图像信号。从CCD照相机52c输入的图像信号在图像输入接口53f被进行A/D转换。这种转换成数字信号的数据存放在帧存储器53e。
输入接口53g由A/D转换器组成的模拟信号接口构成，电源/执行键38和主菜单键39与之电气连接。使用者可以通过该主菜单键39选择装置的操作项目。还可以通过电源/执行键38让装置执行装置的电源开/关以及所选操作动作。
通信接口53h由比如USB、IEEE1394、RS-232C等串行接口或SCSI等并行接口构成。控制器53可以通过该通信接口53h，根据一定的通信协议与移动计算机、手机等外设之间传输信号。据此，控制器53通过通信接口53h将测定结果数据传送到外部连接设备。
图像输出接口53i与显示器54电气连接，将与从CPU53a接收的图像数据相应的图像信号输出到显示器54。
下面就显示器54进行说明。如图2所示，显示器54配置于测定单元5上方，固定在外壳35上。此显示器54由液晶显示器构成，根据从图像输出接口53i接收的图像信号显示画面。这种画面显示可以根据无创生物测定装置1的状态切换，比如与待机状态、血管对位时、测定结束状态相应的画面显示在显示器54上。
图6显示了无创生物测定装置1处于待机状态时显示画面的一例。无创生物测定装置1处于待机状态时显示器54的画面中央显示日期和时间。显示器54的画面右下方为菜单显示区54a，显示按电源/执行键38时的无创生物测定装置1的动作，当处于待机状态时，显示“测定”。
图7为血管对位时显示画面的一例。本实施方式的无创生物测定装置1可以在显示器54显示表示适于摄像系统52拍摄的区域的标志线62a、62b，同时判断血管图像是否在适于摄像的区域内。在进行血管对位时，与所拍图像一起显示后述方式形成的血管图形61和以红色显示的标志线62a、62b。此标志线62a、62b的周围显示表示方向的标记63、64、65、66。各标记可亮灯，当血管图形61不在可收纳于标志线62a和标志线62b之间的区域62c内的位置时，控制器53让各标记发亮，指示使用者移动仪器主机3的方向，使血管图形61位于区域62c内。
在此，就各标记亮灯指示仪器主机3移动进行简单说明。在图7中，当标记63和标记64亮时，使用者需要向图7中右侧移动仪器主机3，当标记65和标记66亮时，使用者需要向图7中左侧移动仪器主机3。当标记63和标记65亮时，使用者需要顺时针转动仪器主机3，当标记64和标记66亮时，使用者需要逆时针转动仪器主机3。比如，血管图形61位置如图7所示时，控制器53亮标记63和标记65，敦促使用者顺时针转动仪器主机3。通过这种结构，在将摄像系统52的位置调整到适于拍摄血管的区域时，使用者很容易掌握该向哪边移动仪器主机3，便于调整摄像系统52的位置。
另外，如果血管图形61不在区域62c(图4)内，则标志线62a、62b显示为红色，如果血管图形61在区域62c内，则标志线62a、62b显示为蓝色。据此，使用者可以很轻松地知道血管图形61在不在区域62c内。
在进行血管对位时，菜单显示区54a显示“继续”，当血管图形61位于区域62c内时，标志线62a、62b显示为蓝色，电源/执行键38有效，使用者按此键，则测定继续进行。
图8为无创生物测定装置1测定结束时的画面一例。血液成份血红蛋白浓度的测定结果以数字形式、便于使用者查看的方式显示在显示器54上，显示为“15.6g/dL”。此时，菜单显示区54a显示“确认”。
下面就无创生物测定装置1的测定过程进行说明。图9为无创生物测定装置1执行测定操作的流程图。首先，如图1所示，束带2绑于使用者手臂，无创生物测定装置1戴于手腕。此时，使用者手臂被束带2施加一定压力，手腕周围的血流受阻，手腕的血管膨胀。然后，使用者按无创生物测定装置1上的电源/执行键38，无创生物测定装置1一通电，则进行软件的初始化，同时，检查各部位状态(步骤S1)。随后，装置处于待机状态，图6所示待机状态画面显示在显示器54(步骤S2)。
当待机状态画面显示在显示器54上时，使用者按电源/执行键38(在步骤S3选“是”)，则显示器54出现图7所示对位画面(步骤S4)。此时，CPU53a用一定光量分别让配置于光源51的发光二极管R1、R2、L1、L2发光，照射摄像区CR(图4)，拍摄所照摄像区CR(步骤S5)。
图10为将包括摄像区CR在内的长方形区域在0≤x≤640、0≤y≤480范围内分割成X、Y二维坐标的附图。CPU53a如图10所示，以包括摄像区CR图像在内的长方形区域A的最左上方像素的坐标为(0、0)，将区域A用坐标分割成X、Y二维坐标，从坐标分割的点中选择(240、60)、(400、60)、(240、420)、(400、420)四点。CPU53a求这四点围出区域B的平均亮度(步骤S6)。确定区域B的坐标不限于此，其他坐标也可。另外，区域B也可以是四角形以外的多角形或圆形。
接下来，CPU53a判断区域B的亮度是否在目标范围内(步骤S7)。如果区域B的亮度在目标范围外，则通过光源输出输入接口53d调整流入发光二极管R1、R2、L1、L2的电流量，进行光量调节(步骤S8)，并返回步骤S1。如果区域B的亮度在目标范围内(在步骤S7选择“是”)，则CPU53a将后述亮度波形的计算对象的Y坐标值设定为初始值(40)(步骤S9)。求在所设Y坐标值(40)上的X坐标一端到另一端的像素亮度。如图11所示，以此可以求出在一定Y坐标上的X方向的像素亮度波形(亮度波形PF)(步骤S10)。CPU53a判断所设Y坐标值是否为终值(440)(步骤S11)。如果Y坐标不是终值(440)(在步骤S11选“否”)，则CPU53a对Y坐标值增量一定值(20)(步骤S12)，并将处理返回到步骤S10。如果Y坐标为终值(440)(在步骤S11选“是”)，则CPU53a在抽取的各亮度波形中，抽取亮度最低的点(以下称“亮度最低点”)，存储到帧存储器53e(步骤S13)。
图12为求血管位置的方法的说明图。即，如图12所示，CPU53a将摄像区CR图像中心附近的亮度最低点(a1，b1)分别与此亮度最低点(a1，b1)纵向相邻的亮度最低点(a2，b2)及(a3，b3)连接，再将亮度最低点(a2，b2)与纵向相邻的点连接，亮度最低点(a3，b3)与纵向相邻的点连接。CPU53a在整个图像中反复进行这种操作，直至将血管作为线抽取出来，形成血管图形61(步骤S14)。CPU53a如图7所示，在显示器54上显示拍摄的摄像区CR的图像，并显示步骤S5形成的血管图形61、存储在闪存卡53j的标志线62a和标志线62b(图4)、标记63、64、65和66(步骤S15)。CPU53a判断血管图形61是否位于区域62c(图4)(步骤S16)。如果血管图形61没有位于区域62c内(在步骤S16选“否”)，则CPU53a分别亮标记63、64、65和66，指示仪器主机3应该移动的方向(步骤S17)，并将处理返回步骤S1。
如果血管图形61位于区域62c内(在步骤S16选“是”)，则CPU53a使电源/执行键38有效，可继续测定。此时，CPU53a鸣音通知使用者电源/执行键38有效(步骤S18)。然后，CPU53a等待来自电源/执行键38的输入(步骤S19)。使用者按电源/执行键38，指示继续测定(在步骤S19选“是”)，则CPU53a进行血红蛋白浓度的测定(步骤S20)，如图8所示将测定结果显示在显示器54(步骤S21)。
图13为在图9所示流程图的步骤S20实施的血红蛋白浓度测定处理的详细流程图。首先，CPU53a控制光源输出输入接口53d，以夹血管配置于两侧的光源中一侧光源的发光二极管R1、R2(第一光源)用适当光量照射含血管在内的生物体(步骤S101)，用摄像系统52拍照(步骤S102)。接下来，CPU53a判断区域B的平均亮度是否超过100(步骤S103)。如果亮度未超过100，则CPU53a用光源输出输入接口53d调整流到发光二极管R1、R2的电流量，调节发光二极管R1、R2的光量(步骤S104)，之后返回步骤S102。
在此所说的亮度的值指在本实施方式中使用的图像输入接口53f所具有的8位转换器的数字转换值(从0～255变化)。图像的亮度和CCD照相机52c输入的图像信号的大小成正比，因此，以图像信号的A/D转换值(0～255)为亮度值。
当区域B的平均亮度超过100(在步骤S103选“是”)时，CPU53a获取有关步骤S102所得图像的亮度波形PF1和不依赖于射入光量的浓度波形NP1(步骤S105)。CPU53a还控制光源输出输入接口53d，以夹血管配置于两侧的光源中另一侧光源的发光二极管L1、L2(第二光源)用适当光量照射含血管在内的生物体(步骤S106)，用摄像系统52拍照(步骤S107)。然后，CPU53a判断区域B的平均亮度是否超过100(步骤S108)。如果亮度未超过100，则CPU53a用光源输出输入接口53d调整流到发光二极管L1、L2的电流量，调节发光二极管L1、L2的光量(步骤S109)，之后返回步骤S107。
当区域B的平均亮度超过100(在步骤S108选“是”)时，CPU53a对于步骤S107所得图像进行同步骤S105一样的处理，获取亮度波形PF2和不依赖于射入光量的浓度波形NP2(步骤S110)。
图15为对应位置X的亮度B的分布图，亮度波形PF1通过步骤S105形成，亮度波形PF2通过步骤S110形成。图16为对应位置X的浓度D的分布图，浓度波形NP1通过步骤S105形成，浓度波形NP2通过步骤S110形成。
CPU53a分别从步骤S105获得的浓度波形NP1获取峰高h1和重心坐标cg1，从步骤S110获得的浓度波形NP2获取峰高h2和重心坐标cg2，并用获取的这些值，按下述公式(1)计算血管深度指标S，将计算结果存储到帧存储器53e(步骤S111)。
S＝(cg2-cg1)/{(h1+h2)/2}……(1) CPU53a分别根据步骤S105获得的亮度波形PF1和步骤S110获得的亮度波形PF2，计算血管左右的光源(发光二极管R1、R2和发光二极管L1、L2)的光量比和发光量(步骤S112)。CPU53a根据所得计算结果调节两光源的发光量(步骤S113)。
具体而言，在根据右侧亮灯(发光二极管R1、R2亮灯)[第一光源]获得的右侧亮灯图像(步骤S102)和左侧亮灯(发光二极管L1、L2亮灯)[第二光源]所得左侧亮灯图像(步骤S106)生成的亮度波形(参照图15)，以左半部分的最大亮度位置为x1，以右半部分最大亮度位置为x2。在左侧亮灯时的亮度波形PF2上设x1位置的亮度值为L1，x2位置的亮度值为L2，在右侧亮灯时的亮度波形PF1上，设x1位置的亮度值为R1，x2位置的亮度值为R2。
若将左右光源的电流值表示为电流值＝(左、右)，左侧亮灯时的电流值＝(C左、0)，右侧亮灯时的电流值＝(0、C右)，则为使两侧亮灯时的亮度分布为水平(均匀)而进行的光源电流分配可按左∶右＝x∶(1-x)的比率分配单侧亮灯时的电流。即，两侧亮灯时的电流值＝(x·C左、(1-x)·C右)。
若x＝-(R1-R2)/{(L1-L2)-(R1-R2)}，则用如上规定的L1、L2、R1和R2的值，可以求出x。比如，如果左侧亮时的电流值＝(18、0)、右侧亮时的电流值＝(0、16)、x＝0.4375，则两侧亮时的电流值＝(18×0.4375、16×0.4375)(8、9)。如此，可以调节两光源的光量以拍摄血红蛋白浓度计算用摄像区CR(步骤S114)，可以均匀地光照摄像区CR。
CPU53a控制光源输出输入接口53d，用经过调光的发光二极管R1、R2、L1和L2为摄像区CR照明，用摄像系统52拍照(步骤S114)，然后与步骤S6一样，求图10所示区域B的平均亮度，判断所求区域B的平均亮度是否超过150(步骤S115)。如果未超过150，则显示错误(步骤S116)。
区域B的平均亮度如超过150(在步骤S115选“是”)，则CPU53a绘制表示对应于摄像区CR(图4)中轴AX的第一亮度分布的亮度波形(对位置X的亮度B的分布)PF(图11)，用快速傅立叶变换(FFT)等算法减少噪声成份。CPU53a还用基准线BL对此亮度波形PF进行格式化。该基准线BL以血管吸收部分的亮度波形为基础求得。这样，就可得到不依赖于射入光量的浓度波形(相对于位置X的浓度D的分布)NP(步骤S117)。
图14为相对于位置X的浓度D的分布图，形成的浓度波形NP即如图所示。接着，CPU53a根据形成的浓度波形NP，计算峰高h和半值幅宽w。在此所得h表示通过所测血管(血液)的光强度和通过组织部分的光强度之比，即血管吸收的光强度的程度；w表示相当于血管直径的长度。CPU53a还用以下公式(2)计算未修正血红蛋白浓度D，并将结果储存在帧存储器53e(步骤S118)。
D＝h/wn……(2) 其中，n为表示光散射带来的半值幅加宽的非线形常数。无光散射时，n＝1，有光散射时，n＞1。
接下来，CPU53a分析在步骤S114所得生物图像中血管周围的组织像(步骤S119)，计算表示该周边组织中所含血量的组织血量指标M(步骤S120)。具体而言，根据位于距生物图像中的血管像一定距离(例如2.5mm)的该生物图像中的血管周边组织像，抽取沿该血管像分布的亮度分布。生物图像中不仅拍摄有目的血管，还有该血管周围的组织。图像中的亮度也随光源到照射位置的距离呈指数函数衰减，亮度衰减的比例与细胞中的血量成比例变化。因此，只要计算出血管周围细胞像的亮度衰减率，即可推算出周边组织中的血量。
血管在拍摄图像中位于略靠中间、似将中央部分纵截为上下(在图3～4中为上下)二段的位置上。因此，上述衰减率的计算中可以使用与该血管平行、距血管仅一定距离的直线(如图4中标志线62a或62b)上的、或沿直线的亮度分布(也称第二亮度分布)(以下对应于横截血管的亮度分布(第一亮度分布))。
假设血管周边组织基本平均，则光源发出的光虽然随距光源的距离呈指数函数衰减，但因为作为光源的发光二极管配置于摄像区CR的上下(在图3～4中为上下)，故上述第二亮度分布呈互逆向指数函数重合的抛物线状。图17为沿血管像分布的第二亮度分布例的显示图。在图17中纵轴为亮度，横轴为摄像区内周边组织沿血管像的位置。比如，以测定标志线62b(参照图4)上的第二亮度分布为例，横轴上的d1和d2如图4所示，基本对应于上述标志线62b与圆形摄像区CR的交叉点d1和d2。
在图17中，抛物线状的曲线m表示实际测量的亮度，指数函数n和指数函数o表示用后述方法将此曲线m一分为二的指数函数。抛物线状的曲线p为理论上迭加上述指数函数n和指数函数o形成的图形，显示与实际测量值一致。
要将抛物线状的曲线m分成二个指数函数n和指数函数o，首先要舍去抛物线状的曲线m中两端有饱和感的部分，仅留下可以实际上视为抛物线的部分。设所留部分的左端亮度为y0、最低的中间部分的亮度为y1。设相邻的像素亮度每一个像素为(r×100)％，将此r定义为衰减率。
于是，在上述所留部分的左端，上方发光二极管R1发出的光为100％，下方发光二极管R2发出的光衰减为衰减率r的w次方，因此，上方发光二极管R1的初始值U0和下方发光二极管R2的初始值D0可分别以下述公式(3)、(4)表示。
U0＝y0/(1+rw)……(3) D0＝y0/(1+rw)……(4) 在中间部分，上下发光二极管发出的光均衰减到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)的话，可以求出衰减率r。如果rw/2＝X则， 如果用美国申请公开第2004-162471号公报所述传统方法，需要用远近二个专用光源和检测此光源光线的光传感器。而且，如果设近侧光源投射到光传感器的光量为v1，远侧光源投射到光传感器的光量为v2，则用M＝log(v1/v2)求上述组织血量指标M。
在此，衰减率r的定义是相邻像素亮度每个像素为(r×100)％。如果设上述传统方法中近侧光源到光传感器的距离(像素单位)为Ln，远侧光源到光传感器的距离(像素单位)为Lf，则关于近侧光源，亮度衰减为r乘以Ln，关于远侧光源，亮度衰减为r的Lf次方。因此得知， M＝log(C×rLn)/(C×rLf)，可以用衰减率r取代上述v1、v2算出与组织血量指标M同样的值。C为上述近侧光源或远侧光源的早期光量值(未因组织衰减的光量值)。
CPU53a根据步骤S111算出的血管深度指标S获取校正系数fs，根据步骤S120算出的组织血量指标M获取校正系数fm。用获取的这些值，计算由下列公式(6)组成的校正血红蛋白浓度Do(步骤S121)。
Do＝D×fs×fm……(6) CPU53a将步骤S121的计算结果存入帧存储器53e(步骤S122)，返回主程序。
图18为针对数个被检者的血红蛋白浓度，将用血细胞计数仪等测得的实测值和用本发明实施方式的无创生物体测定装置1计算出的值绘制成的图。如图18所示，实测值和无创生物体测定装置1计算出的值均位于倾斜的直线附近，实测值和算出值无差异，由此可知，无创生物体测定装置1可以精确地测量血红蛋白浓度。
本实施方式如上所述，根据右侧亮灯(发光二极管R1、R2亮)所得的右侧亮灯图像和左侧亮灯(发光二极管L1、L2亮)所得的左侧亮灯图像，调节二光源(第一光源和第二光源)的光量，以便获得血红蛋白浓度计算用拍摄图像。如此分别点亮右侧发光二极管R1、R2(第一光源)和发光二极管L1、L2(第二光源)进行拍摄，可以获得反映右侧亮灯时摄像区CR亮度的右侧亮灯图像(第一生物图像)和反映左侧亮灯时摄像区CR亮度的左侧亮灯图像(第二生物图像)。从这些生物图像可以了解各光源光量对摄像区CR亮度的影响，知道各光源调光到何种程度即可使摄像区CR亮度均匀。因此，使用上述右侧亮灯图像和左侧亮灯图像可以调节两光源的光量，获得适于拍摄的光量。
权利要求
1.一种无创生物体测定装置，包括
光源，照明含血管在内的生物体；
摄像系统，拍摄所述所照生物体；及
分析系统，根据拍摄所得生物体图像中的血管像取得血液中所含成份浓度、根据所述生物体图像中的血管周边组织像对所述所得成份浓度进行校正。
2.根据权利要求1所述的无创生物体测定装置，其特征在于
所述分析系统具有第一生成设备、第二生成设备、成份浓度获取设备和校正设备，第一生成设备用于根据所述生物图像生成表示横断所述生物体图像中血管像分布的第一亮度分布的第一亮度分布信息；第二生成设备用于根据所述生物图像生成表示沿所述生物体图像中血管像分布的第二亮度分布的第二亮度分布信息；成份浓度获取设备用于根据所述第一亮度分布信息获取所述成份浓度；校正设备用于根据所述第二亮度分布信息对该成份浓度进行校正。
3.根据权利要求2所述的无创生物体测定装置，其特征在于
所述第二生成设备可以根据位于距所述生物图像中血管像一定距离的所述生物图像中的血管周边组织像生成所述第二亮度分布信息。
4.根据权利要求1-3任一所述的无创生物体测定装置，其特征在于
所述校正设备可以根据所述第二亮度分布信息获取反映血管周边组织中的血量的值，并根据所述获得的值对所述成份浓度进行校正。
5.根据权利要求4所述的无创生物体测定装置，其中，所述校正设备可以根据所述反映血管周边组织中的血量的值获取所述第二亮度分布上的亮度随距所述光源的距离而衰减的衰减率。
6.一种无创生物体测定装置，包括
光源，照明含血管在内的生物体；
摄像系统，拍摄所述所照生物体；及
分析系统，根据拍摄所得生物图像中的血管像和反映血管周边组织中血量的值取得血液所含成份浓度。
7.根据权利要求6所述的无创生物体测定装置，其特征在于
所述反映血管周边组织中血量的值为血管周边组织像的亮度随距所述光源的距离而衰减的衰减率。
8.一种无创生物体测定装置，包括
第一光源，照明含血管在内的生物体；
第二光源，与所述第一光源间隔一定距离配置、照明所述生物体；
摄像系统，拍摄所述生物体；
分析系统，通过分析所述摄像系统拍摄所述生物体所得生物体图像中的血管像获取血液中所含成份浓度；及
调光设备，根据所述摄像系统拍摄所述第一光源照射的所述生物体所得第一生物体图像和所述摄像系统拍摄所述第二光源照射的所述生物体所得第二生物体图像调节所述第一光源和第二光源的各个光量。
9.根据权利要求8所述的无创生物体测定装置，其特征在于
所述摄像系统可以通过拍摄所述第一光源和第二光源照射的所述生物体，取得第三生物体图像；
所述分析系统可以分析所述第三生物体图像中的血管像。
10.根据权利要求9所述的无创生物体测定装置，其特征在于还包括
接受测定指示的接受部分，
其中，所述无创生物体测定装置当其指示接受部分收到所述测定指示时，所述调光设备调节所述第一光源和第二光源的光量，调光后的所述第一光源和第二光源照射所述生物体，所述摄像系统拍摄在所述第一光源和第二光源照射下的所述生物体，所述分析系统对该摄像系统拍摄所述生物体获得的第三生物体图像中的血管像进行分析。
11.根据权利要求8-10任一所述的无创生物体测定装置，其特征在于
所述调光设备可以生成表示横断所述第一生物图像中血管像而分布的第一亮度分布的第一亮度分布信息，生成表示横断所述第二生物体图像中血管像而分布的第二亮度分布的第二亮度分布信息，根据所述第一亮度分布信息和第二亮度分布信息调节所述第一光源和第二光源的光量。
12.根据权利要求11所述的无创生物体测定装置，其特征在于
所述调光设备可根据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调节所述第一光源和第二光源的光量。
13.根据权利要求8所述的无创生物体测定装置，其特征在于
所述摄像系统的摄像区有沿所述生物体血管设置的第一中心轴和与所述第一中心轴垂直相交的第二中心轴，
所述第一光源和第二光源夹所述第一中心轴配置。
14.根据权利要求13所述的无创生物体测定装置，其特征在于
所述第一光源和第二光源夹所述第一中心轴配置时，相隔距离比所述第二中心轴的轴长方向的摄像区长度短。
15.根据权利要求14所述的无创生物体测定装置，其特征在于
所述第一光源包括二个光源器件，
所述第二光源包括二个光源器件，
所述第一光源所具备的二个光源器件夹所述摄像区与所述第一中心轴轴长方向平行配置，
所述第二光源所具备的二个光源器件夹所述摄像区与所述第一中心轴轴长方向平行配置。
16.一种无创生物体测定方法，包括
为含血管在内的生物体照明的步骤；
拍摄所述光照的生物体、取得生物体图像的步骤；
根据所述生物体图像中的血管像取得血液所含成份浓度的步骤；以及
根据所述生物体图像中血管周边组织像对所述取得的成份浓度进行校正的步骤。
17.一种无创生物体测定方法，包括
用第一光源照射含血管在内的生物体；
拍摄所述第一光源照射的生物体，取得第一生物体图像；
用第二光源照射所述生物体；
拍摄第二光源照射的所述生物体，取得第二生物体图像；
根据所述第一生物体图像和第二生物体图像调节所述第一光源和第二光源的光量；
用调光后的所述第一光源和第二光源照射所述生物体；
拍摄所述第一光源和第二光源照射的所述生物体，获取第三生物体图像；以及
分析所述第三生物体图像中的血管像。
全文摘要
本发明提供一种既简化结构又能在短时间内精确分析血液成份的无创生物体测定装置及一种无创生物体测定方法。无创生物体测定装置包括为含血管在内的生物体照明的光源；拍摄上述所照生物体的摄像系统；根据拍摄所得生物体图像中的血管像计算血液中所含成分的浓度、根据上述生物体图像中血管周边组织像对算出的成分浓度进行校正的分析系统。
文档编号A61B5/1455GK101152088SQ200710151349
公开日2008年4月2日 申请日期2007年9月28日 优先权日2006年9月29日
发明者沼田成弘, 小泽利行 申请人:希森美康株式会社