(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の血管を含む検出領域を照明する光照射手段と、照明された検出領域の画像を撮像する撮像手段と、撮像された画像を処理して血管中の血液のヘモグロビン濃度を解析する解析手段を備え、解析手段は、撮像された画像から生体組織の光強度と血液の光強度とを検出する光強度検出手段と、検出された生体組織および血液の各光強度の比からヘモグロビン濃度を算出する算出手段を備えたヘモグロビン濃度測定装置。
【請求項２】
解析手段が、撮像された画像中の血管の径を検出する血管径検出手段と、検出された血管径によりヘモグロビン濃度を補正する補正手段とを、さらに備えた請求項１記載のヘモグロビン濃度測定装置。
【請求項３】
算出手段が、次式によりヘモグロビン濃度Ｃを算出する手段である請求項１記載のヘモグロビン濃度測定装置。
Ｃ＝Ｋ・log（ＩT／ＩB）
但し、ＩT：生体組織の光強度、ＩB：血液の光強度、Ｋ：定数
【請求項４】
光強度検出手段が、画像における各画素の輝度について度数分布を調べる手段と、輝度の度数分布が輝度Ａ，Ｂ（Ａ＜Ｂ）においてそれぞれ極大値を有するとき、輝度Ａを血液の光強度、輝度Ｂを生体組織の光強度として検出する検出手段を備えることを特徴とする請求項１記載のヘモグロビン濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、非侵襲血液分析装置とその方法に関し、特にヘモグロビン濃度を生体測定する装置およびその測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヘモグロビン濃度を生体測定する装置においては、生体に異なる複数の波長の光を照射し、各波長について得られた値を次のようなランベルト・ベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）の式に代入し、それらの連立方程式の解としてヘモグロビン濃度Ｃやヘモグロビン濃度の変化量ΔＣを求めるものが知られている（例えば、特開平２−９５２６２号公報参照）。
ｌｏｇ（Ｉｏ／Ｉ）＝εＣＤ＋Ｓ……（１）
ここで、Ｉｏ：入射光強度、Ｉ：透過光強度（反射光強度）、Ｓ：生体散乱項、ε：吸光係数、Ｄ：血液層の厚さである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のこのような装置や方法においては、複数波長の光を個別に生体に入射する光源が必要である上、求めた測定値を入射光の強度に対応して較正（キャリブレーション）しなければならないという問題点がある。
【０００４】
この発明は、このような事情を考慮になされたもので、１つの帯域の波長の入射光を用いてヘモグロビン濃度を求めることができ、入射光強度によってその濃度を較正する必要のないヘモグロビン濃度測定装置およびその測定方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、生体の血管を含む検出領域を照明する光照射手段と、照明された検出領域の画像を形成する撮像手段と、形成された画像を処理して血管中の血液のヘモグロビン濃度を解析する解析手段を備え、解析手段は、形成された画像により生体組織の光強度と血液の光強度とを検出する光強度検出手段と、検出された生体組織および血液の各光強度の比からヘモグロビン濃度を算出する算出手段を備えたヘモグロビン濃度測定装置を提供するものである。
【０００６】
この装置は、非侵襲的に生体の血液のヘモグロビン濃度を測定することを特徴とし、また、生体とはヒトを含む哺乳動物である。
生体の血管を含む検出領域を照明する光照射手段における、検出領域とは、生体にありのままに存在する血管を含む所定領域のことであり、外科的に生体外へ取り出した生体の一部を意味するものではない。
【０００７】
一方、対象とする領域に含まれる血管の太さは特に限定されないが、再現性の良い結果を得るためには、なるべく皮膚に近い毛細血管ないし、細動静脈であることが好ましい。なお、毛細管ないし細動静脈で得られた血球情報は、太い血管（中大動静脈）の情報に換算することができる。
生体組織の光強度とは生体組織部分からの光の強度であり、生体組織を透過又は反射した光の強度である。血液の光の強度についても同様である。
【０００８】
この発明の光照射手段には、光源として、レーザやハロゲンランプ又はタングステンランプのような連続的に光を照射する連続光源、又はパルスレーザ（例えば、Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ  社製、７０００シリーズ）やフラッシュランプ（例えば、（株）菅原研究所製、ＤＳＸシリーズ）のような断続的に光を照射する断続光源を用いることができる。
【０００９】
また、光照射手段は上記光源に加えて、光源からの光を検出領域へ適正に導く手段として、（１）光ファイバー、（２）反射鏡、（３）レンズ又は（４）スリットなどを備えることが好ましいが、上記の（１）と（２）、（１）と（３）、（１）と（２）と（３）、（１）と（２）と（３）と（４）、（２）と（３）、又は（２）と（３）と（４）を組合わせて備えてもよい。
【００１０】
この場合、反射鏡の代りにプリズムを用いることができる。なお、光照射手段は、検出領域を偏光で照明するための偏光手段を備えてもよい。
この発明の撮像手段には、例えば一般的なＣＣＤ撮像素子を用いることができる。
【００１１】
また、撮像手段は、検出領域からの反射光ＣＣＤ撮像素子に導くための光学系において、光ファイバー、各種反射鏡、偏光素子、各種レンズ、プリズム、スリット、又はフィルターを備えてもよいが、検出領域からの反射光が微弱な場合にはイメージインテンシフィイアを備えることが好ましい。また、撮像手段は、検出領域からの不用な散乱光成分を除去するための偏光手段を備えてもよい。
【００１２】
さらに、撮像手段は、その信号処理系において、ＣＣＤ撮像素子に走査信号を供給すると共にＣＣＤ撮像素子の各画素からの出力をビデオ信号として処理するビデオ信号処理回路、およびそのビデオ信号を記録するためのＶＴＲやレーザディスクレコーダを備えることが望ましい。
【００１３】
また、光照射手段および撮像手段として、市販のビデオ・マイクロスコープシステムを使用してもよい。
そして、解析手段には、市販のパーソナルコンピュータ（例えば、Ｐｏｗｅｒ  Ｍａｃ／／Ａｐｐｌｅ社製）を用いることができる。
【００１４】
解析手段は、形成された画像から撮像された血管径を検出する血管径検出手段と、検出された血管径によりヘモグロビン濃度を補正する補正手段とを、さらに備えてもよい。
また、算出手段は、次式によりヘモグロビン濃度Ｃを算出する手段であることが好ましい。
Ｃ＝Ｋ・ｌｏｇ（ＩＴ／ＩＢ）
但し、ＩＴ：生体組織の光強度、ＩＢ：血液の光強度、Ｋ：定数
【００１５】
光強度検出手段は、画像における各画素の輝度について度数分布を調べる手段と、輝度の度数分布が輝度Ａ，Ｂ（Ａ＜Ｂ）においてそれぞれ極大値を有するとき、輝度Ａを血液の光強度、輝度Ｂを生体組織の光強度として検出する検出手段を備えることが好ましい。
【００１６】
この発明において、光強度検出手段は、撮像手段によって得られた画像から生体組織の光強度ＩＴと、血液の光強度ＩＢを検出する。
ところで、生体組織の部分についてはＣ＝０であるから（１）式より、
ｌｏｇ（Ｉｏ／ＩＴ）＝Ｓ……（２）
また、血液については、
ｌｏｇ（Ｉｏ／ＩＢ）＝εＣＤ＋Ｓ……（３）
（３）−（２）より
ｌｏｇ（ＩＴ／ＩＢ）＝εＣＤ……（４）
となる。
【００１７】
ここで、Ｄは血液層の厚さ、つまり、血管径によって決定される定数であるが、この値は、画像から得られる血管径に応じて補正することができる。また、εは検出領域への入射光の波長によって決定される定数である。
従って、算出手段は、（４）式よりヘモグロビン濃度Ｃを算出することができる。
【００１８】
また、この発明は、別の観点によれば、生体の血管の含む検出領域を照明する光照射手段と、照明された検出領域の撮像する撮像手段とから得られた画像を処理してヘモグロビン濃度を測定する方法であって、得られた画像により生体組織の光強度と血液の光強度を検出する第１工程と、検出された生体組織および血液の各光強度の比からヘモグロビン濃度を算出する第２工程からなるヘモグロビン濃度測定方法を提供するものである。
【００１９】
第２工程が、画像から撮像された血管径を検出し、算出されたヘモグロビン濃度を血管径により補正する工程をさらに備えてもよい。
【００２０】
また、第２工程が、次式を算出する工程であってもよい。
Ｃ＝Ｋ・ｌｏｇ（ＩＴ／ＩＢ）
但し、ＩＴ：生体組織の光強度、ＩＢ：血液の光強度、Ｋ：定数
【００２１】
第１工程は、各画像における画素の輝度分布が輝度Ａ，Ｂ（Ａ＜Ｂ）においてそれぞれ極大値を有するとき、輝度Ａを血液の光強度、輝度Ｂを生体組織の光強度として検出することが好ましい。
【００２２】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳述する。なお、これによってこの発明が限定されるものではない。
図１は、この発明の実施例の要部を示す構成説明図である。
【００２３】
ハロゲンランプ光源２２から発せられた光は、光ファイバ２４およびフィルタ２３を介してディフューザ２６を照射する。光はディフューザ２６により拡散されプレート２８を一様に照らす。プレート２８は実質的に面発光体となり、レンズ３０、３２、ダイクロイックミラー３４で形成される光学系を介して、プレート２８の実像３６が生体の皮膚面１６の内部に存在する血管１２を横切って形成される。フィルタ２３には、中心波長５５０ｎｍ、半値幅４０ｎｍのものを使用する。なお、プレート２８には光拡散板、例えば、シグマ光機（株）製のフロスト型拡散板を使用する。
【００２４】
つまり、血管１２を包含するプレート２８の実像３６の領域が、検出領域Ｖである。領域Ｖからの反射光は、ダイクロイックミラー３４、レンズ３８を介してＣＣＤ４０で受光される。
【００２５】
なお、フィルタ２３、ディフューザ２６、プレート２８、レンズ３０、３２、３８ダイクロイックミラー３４およびＣＣＤ４０はプローブ５８に納められ、プローブ５８の先端部５９はプラスチック又はガラスの透明板６６を介して皮膚面１６に密着し、ブレのない安定な画像が得られるようになっている。
【００２６】
ＣＣＤ４０の各画素から出力される画像信号はビデオ信号処理回路４６によって処理される。そして、ビデオ信号処理回路４６は１／３０秒につき１フレームの画像を連続的に形成し、形成された各フレームの画像は順次ビデオレコーダ、（例えばレーザディスクレコーダ）５０に記録される。
【００２７】
７０は撮像された画像を処理して検出領域Ｖ中に含まれる血管中の血液を解析する解析手段であり、例えば、これには市販のパーソナルコンピュータが用いられる。
【００２８】
そして、解析手段７０は、ビデオレコーダ５０から出力される画像の所定領域を切り出（トリミング）して出力するための切り出し手段７１、切り出された所定領域の各画素の輝度について度数分布曲線（ヒストグラム）を形成する度数分布形成手段７２、輝度の度数分布が輝度Ａ，Ｂ（Ａ＜Ｂ）においてそれぞれ極大になるとき輝度Ａを血液の光強度ＩＢ、輝度Ｂを生体組織の光強度ＩＴとして検出する光強度検出手段７３、切り出された画像の所定領域に含まれる血管の血管径Ｄを検出する光強度血管径検出手段７４、検出された光強度ＩＢ、ＩＴおよび血管径Ｄなどに基づいてヘモグロビン濃度を算出するヘモグロビン濃度算出手段７５、および算出されたヘモグロビン濃度を必要に応じて補正する補正手段７６を備える。また、解析手段７０において形成される各画像やヒストグラムは、モニタテレビ８０によりモニタされる。
【００２９】
このような解析手段７０を用いてヘモグロビン濃度を算出する手順を図２に示すフローチャートを用いて以下に説明する。
ここで、解析手段７０はビデオレコーダ５０に記録された複数フレーム又はフィールドの時系列の画像を順番に読み出して処理を行うものとする。
【００３０】
まず、図３に示すように血管ＢＬを含む１つのフレームの画像ＩＭを読出し（ステップＳ１）、次に図４に示すように血管ＢＬを含む所定領域（例えば、１００×１００ピクセル）ＡＲを切り出す（ステップＳ２）。
【００３１】
次に、図５に示すように所定領域ＡＲ内の画素の輝度について度数ｎの分布（ヒストグラム）を作成し（ステップＳ３）、ピーク値を示す２つの輝度について、低輝度の方を血液の光強度ＩＢ、高輝度の方を生体組織の光強度ＩＴとして検出する（ステップＳ４）。
【００３２】
次に、ｒ＝ｌｏｇａ（ＩＴ／ＩＢ）を算出し（ステップＳ５）、画像から血管ＢＬの血管径Ｄを求め（ステップＳ６）、Ｃ＝ｒ／εＤを算出して（ステップＳ７）、すでに算出されたＣｔに加算する（ステップＳ８）。
【００３３】
ステップＳ１〜Ｓ８の処理を複数のフレームつまり、Ｆフレームだけくり返し（ステップＳ９）、得られたＣｔをＦで除して平均値Ｃａｖを算出し（ステップＳ１０）、毛細管や細動静脈で求めたＣａｖを中大動静脈に対応する値に変換する補正を行ってヘモグロビン濃度ＨＧＢを算出する（ステップＳ１１）。具体的には実験的に求めた補正関数に基づいて行う。
【００３４】
実測例
図１に示す装置を用いてヒトの口唇部の血管を実際に撮影し、図２に示す手順によって、生体組織の散乱光強度ＩＴ、および血液の散乱光強度ＩＢを実測した。
なお、撮影は、同一のヒトの口唇部に含まれる血管の３つの箇所（血管１〜血管３）のそれぞれについて、入射光量を６段階に変化させて行った。
【００３５】
図６は、血管１〜血管３について、入射光量を変化させたときのＩＴ−ＩＢ特性を示す。
【００３６】
図６に示すように、同一の血管については、入射光量が変化してもＩＢ／ＩＴは一定であり、従って、測定されたヘモグロビン濃度を入射光の強度に対して較正する必要がないことが判る。
ＨＧＢ値１４［ｇ／ｄｌ］〜１８［ｇ／ｄｌ］の９名に対して、血球計数装置により測定されたＨＧＢ値Ｘと、本発明により算出されたＨＧＢ値Ｙとの相関を調べたところ相関係数は０．８６１であり、充分実用可能であることが実証できた。
【００３７】
【発明の効果】
この発明によれば、１つの帯域の波長の入射光源を用いてヘモグロビン濃度を測定でき、得られたヘモグロビン濃度を入射光強度によって較正する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の構成を示す構成図である。
【図２】実施例の動作手順を示すフローチャートである。
【図３】実施例において得られた画像例を示す説明図である。
【図４】画像の切り出し領域を示す説明図である。
【図５】実施例で撮像した画像の輝度分布例を示すヒストグラムである。
【図６】実測した特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１２  血管
１６  皮膚面
２２  光源
２３  フィルタ
２４  光ファイバ
２６  ディフューザ
２８  プレート
３０  レンズ
３２  レンズ
３４  ダイクロイックミラー
３６  実像
３８  レンズ
４０  ＣＣＤ
４６  ビデオ信号処理回路
５０  ビデオレコーダ
５８  プローブ
５９  先端部
６６  透明板
７０  解析手段
７２  度数分布形成手段
７３  光強度検出手段
７４  血管径検出手段
７６  補正手段
８０  モニタテレビ
Ｖ    検出領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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