(57)【要約】【課題】  指紋読取装置を用いながらも、指紋を複製した生体でない模造品や、光信号の合成による欺瞞手段を排除でき、真贋判定の精度を向上させ、高度なセキュリティの確保が可能な生体情報測定装置を提供する。【解決手段】  本願発明の生体情報測定装置及び生体情報測定方法は、超音波センサを用いて血管内を流れる血液の流速に対応する信号波形を検出し、検出した信号波形の信号処理によって得られる血流速度、脈拍数、信号波形の特徴抽出といった処理結果に基づいて測定対象を生体として認証するか否かを判定し、生体（人体）であると判定した場合に個人認証処理を行うようにするものである。【選択図】  図１
2006212269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指紋パターンを検出し出力する撮像部を備え、出力された前記指紋パターンを画像処理して画像データを出力する指紋読取装置と、生体中の血管を流れる血液の流速に対応する信号波形を検出して出力する計測部と、該計測部から出力された前記信号波形の信号処理によって得られる処理結果に基づいて測定対象を生体として認証するか否かを判定し、判定した結果を出力する判定機能を有する演算部と、該演算部での前記判定結果と前記指紋読取装置から出力された前記第１のデータに基づいて個人認証処理を行う個人認証装置とを具備することを特徴とする生体情報測定装置。
【請求項２】
前記演算部における前記処理結果は生体中の血管を流れる血液の流速または脈拍数であり、前記判定は前記流速または前記脈拍数があらかじめ定められた所定の範囲内にあるか否かによってなされることを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
【請求項３】
前記演算部における前記処理結果は前記流速に対応する前記信号波形の波形パターンであり、前記判定は前記波形パターンの特徴を抽出することによってなされることを特徴とする請求項１に記載の生体情報測定装置。
【請求項４】
前記波形パターンの特徴は、波形の最小値と最大値の時間差、１波形の第１のピークと第２のピークの強度比、１波形の前記第１のピークと前記第２のピークの時間差、各波形の波形周期または振幅の変化、のいずれかまたはいずれかの組み合わせであることを特徴とする請求項３に記載の生体情報測定装置。
【請求項５】
前記計測部は、生体中に超音波を入射する発信手段と入射された超音波が生体中の血液で反射された反射波を受信する受信手段とからなる１対の超音波センサを互いに異なる角度で基板上に２対備え、前記撮像部は、それぞれの前記１対の超音波センサの間の前記基板上に配置されていることを特徴とする請求項１、２および３の生体情報測定装置。
【請求項６】
指紋パターンを検出し、検出された前記指紋パターンを画像処理して画像データを出力する工程と、生体中の血管を流れる血液の流速に対応する信号波形を検出し、検出された前記信号波形の信号処理によって得られる処理結果に基づいて測定対象を生体として認証するか否かを判定して判定した結果を出力する工程と、前記判定結果と前記画像データに基づいて個人認証処理を行う工程と、を含むことを特徴とする生体情報測定方法。
【請求項７】
前記処理結果は生体中の血管を流れる血液の流速または脈拍数であり、前記判定は前記流速または前記脈拍数があらかじめ定められた所定の範囲内にあるか否かによってなされることを特徴とする請求項６に記載の生体情報測定装置。
【請求項８】
前記処理結果は前記流速に対応する前記信号波形の波形パターンであり、前記判定は前記波形パターンの特徴を抽出することによってなされることを特徴とする請求項６に記載の生体情報測定方法。
【請求項９】
前記波形パターンの特徴は、波形の最小値と最大値の時間差、１波形の第１のピークと第２のピークの強度比、１波形の前記第１のピークと前記第２のピークの時間差、各波形の波形周期または振幅の変化、のいずれかまたはいずれかの組み合わせであることを特徴とする請求項８に記載の生体情報測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
セキュリティ確保や情報漏洩防止のための指紋認識を含む生体情報検出技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
指先の指紋パターン認識を応用した個人認証システムは、比較的安価で、使用者にとっても簡便な操作が可能であるため、保安および機密漏洩防止を目的としたドア開錠システム、コンピュータシステム端末や携帯用小型端末（ＰＤＡ）の使用者認証などに広く用いられている。
【０００３】
しかしながら、光学画像センサまたは半導体センサを用いて、指紋の２次元パターンを認識する原理であるため、樹脂等の何らかの方法で指紋パターンを複製した模造品を用いることで、個人認証を欺瞞することが可能であり、不正な行為を完全には排除しきれないという問題点が指摘されてきた。
【０００４】
上記の問題を解決するため、特許文献１に示すように、複数の指紋パターンを認識させる対策や、特許文献２に示すように、光センサを用いて血液を検出する対策が考案されているが、前者については、複数のパターンの模造品を用いることで不正が可能であり、また、後者については、十分高速なデジタル信号処理を行うコンピュータシステムとデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）とＬＥＤ等の光源を組み合わせることで欺瞞信号を合成することも可能であり、完全に不正を排除することは困難である。
【０００５】
なお、赤外線センサを用いて、生体の掌の静脈血管パターンを認識する個人認証システムも実用化されているが、原理的に、システムの小型化が困難であり、携帯用小型端末（ＰＤＡ）や携帯電話、腕時計型電子機器等への搭載がほとんど不可能である。
【特許文献１】特開２００３−２８１５０８号公報
【特許文献２】特開平０７−３０８３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、従来の指紋パターン認識を応用した個人認証システムは、個人認証を欺瞞することが可能であり、不正な行為を完全には排除しきれない、また小型化が困難という問題点を有している。そこで本願発明は、指紋検出センサを用いながらも、指紋を複製した生体でない模造品や、光信号の合成による欺瞞手段を排除でき、真贋判定の精度を向上させ、高度なセキュリティの確保が可能な生体情報測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本願発明の生体情報測定装置及び生体情報測定方法は、超音波センサを用いて血管内を流れる血液の流速に対応する信号波形を検出し、検出した信号波形の信号処理によって得られる血流速度、脈拍数、信号波形の特徴抽出といった処理結果に基づいて測定対象を生体として認証するか否かを判定し、紛れもなく生体（人体）であると判定した場合に、個人認証処理を行うようにするものである。
【発明の効果】
【０００８】
指紋センサを用いた安価かつ小型な装置でありながら、指紋の複製による模造品や、光信号を合成する欺瞞手段による不正な行為を排除し、高度なセキュリティを確保することができる。装置が小型かつ安価に実現可能であるため、携帯用小型端末（ＰＤＡ）や携帯電話、腕時計型電子機器等、いわゆるウェアラブル端末装置にも搭載が容易である。また、１０ＭＨｚ以上の周波数の入射超音波に対応し、血流に伴うドップラシフトを模倣した適切なスペクトルの反射超音波を合成することは技術的に困難であり、不正行為の排除に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施の形態１）
まず、図面に基づき実施例の構成を説明する。図１は、本発明の生体情報測定装置の構成を示すブロック図である。図２および図３には本発明で用いた血流速度センサを示す。図２には、指紋センサとして光学式指紋読取りセンサ９を用いた例を、また、図３には半導体指紋読取りセンサ１１を用いた例を示す。さらに、図４に超音波ドップラ信号測定原理の概略を示す模式図を示す。
【００１０】
血流速度センサ１０は、２対の超音波センサ、すなわち、発信素子２ａ、受信素子３ａから成る超音波センサ１ａと、発信素子２ｂ、受信素子３ｂから成る超音波センサ１ｂとを組み合わせたものである。超音波センサ１ａ、１ｂの発信素子２ａ、２ｂと受信素子３ａ、３ｂはいずれも圧電性セラミックス板に電極薄膜を形成した圧電振動素子である。本実施の形態においては超音波の周波数は１５ＭＨｚとした。発振制御回路２２は、発振回路２１内部のスイッチング回路を制御し発振回路２１のオン・オフと発振周波数を切替える手段である。切替えタイミングは速度演算部５１内部のクロックにて制御され、切替えによって速度計算に誤りは生じない。一定でない間隔で周波数切替えとオン・オフを繰返すことで、欺瞞信号の合成をより困難にすることができる。本発明においては、２対の超音波センサ１ａ、１ｂを用い、超音波の射出および受信の指向性の方向が互いに平行にならない角度αを成すようにセンサ支持基板１０上に配置してある。この血流速度センサ１０に、図４に示すように測定対象である生体７１（被験者の指先など）を接触させて、指紋認識と同時に、あるいは、指紋認識の直前か直後に血流速度を計測する。
超音波センサ１ａの発信素子２ａから発した超音波（送信波１３ａ）は生体組織中を伝播し、血管中を流れる血液で反射される。反射波１４ａは、血液の流れる速度に従いドップラシフトを受けた信号に変化している。この反射波を受信素子３ａで受信する。超音波センサ１ｂについても同様に、発信素子２ｂから発した超音波（送信波１３ｂ）は血流によるドップラシフトを受けて反射され受信素子３ｂで検出されるのであるが、超音波センサ１ａと１ｂでは超音波の放射される指向方向が異なる。この超音波センサ１ａと１ｂの角度の差αと超音波センサ１ａと１ｂの信号から得られたそれぞれのドップラシフト周波数ΔＦａ、ΔＦｂから血流速度を計算することが可能である。
【００１１】
超音波計測部５０は、２対の超音波センサ１からなる血流速度センサ１０、それぞれ２組の検波回路２３、フィルタ回路２４、増幅回路２５、Ａ／Ｄ変換器２６からなる。反射波１４ａ、１４ｂを受けた受信素子３ａ、３ｂのそれぞれの信号は、検波回路２３ａ、２３ｂで検波され、超音波の搬送波成分（ベース成分）を取り除いたドップラシフト信号成分のみが取り出され、さらにフィルタ回路２４ａ、２４ｂによりＡ／Ｄ変換処理に不要な周波数成分を取り除き、増幅回路２５ａ、２５ｂでそれぞれ増幅される。このドップラシフト信号はアナログ信号であるが、Ａ／Ｄ変換器２６ａ、２６ｂによりデジタルデータに変換され、バッファメモリ４１に一時蓄積される。
【００１２】
速度演算部５１は、バッファメモリ４１と、演算処理装置４３からなる。バッファメモリ４１は超音波センサ１からの計測データを一時的に保持する。それぞれのバッファメモリ内のデータは一定量ごとに演算処理装置４３に送られる。演算処理装置４３は、各Ａ／Ｄ変換器によりデジタル化された各センサからのデータをデジタル入出力部４４を経由して受取り、信号演算処理部４５および汎用演算処理部４６の機能により演算処理し、ノイズ成分を除去した血流速度を算出する。また、この演算処理装置４３は、後述するように、算出された血液の流速または脈拍数があらかじめ定められた所定の範囲内にあるか否かによって、測定対象を生体として認証するか否かを判定する機能や、検出された流速波形から特定のパターンを抽出し、このパターンの情報から測定対象を生体として認証するか否かを判定する機能を持つ信号演算処理部４５または汎用演算処理部４６を有している。
なお、演算処理装置４３が計測データのサンプリングレートに対して十分高速に動作するのであれば、バッファメモリ４１および４２は省略可能である。また信号演算処理部４５は特殊なハードウェア構成によって信号処理を高速に実行する装置であり、汎用演算処理部４６の処理速度が高速である場合は、信号演算処理部４５は省略可能である。
【００１３】
図３に示すように、血流センサ１０に測定対象である生体７１（本実施例においては被験者の指先）を接触させて、血流速度を計測する。超音波センサ１ａの発信素子２ａから発した超音波（送信波７８ａ）は生体組織中を伝播し、血管を流れる血液で反射される。反射波１４ａは、血液の流速に従いドップラシフトを受けた信号に変化する。この反射を受信素子３ａで受信する。超音波センサ１ｂについても同様に、発信素子２ｂから発した超音波（送信波７８ｂ）は血流によるドップラシフトを受けて反射され受信素子３ｂで検出されるのであるが、超音波の放射される指向方向が異なる。受信素子３ａ、３ｂで受けたそれぞれの反射波７９ａ、７９ｂの信号は、それぞれ、検波回路２３ａ、２３ｂで検波され、超音波の搬送波成分（ベース成分）を取り除いたドップラ信号成分のみが取り出され、さらにフィルタ回路２４ａ、２４ｂによりＡ／Ｄ変換処理に不要な高周波成分を取り除いた後、増幅回路２５ａ，２６ｂでそれぞれ増幅される。このドップラ信号はアナログ信号であるが、Ａ／Ｄ変換器２６ａ、２６ｂによりデジタルデータに変換され、バッファメモリ４１に一時蓄積された後、演算処理装置４３のデジタル入出力部４４を介して主記憶部４２に転送され、記憶される。
【００１４】
上記測定で得られた超音波センサ１ａと超音波センサ１ｂのそれぞれのドップラ信号のデジタルデータを演算処理装置４３の信号演算処理部４５および汎用演算処理部４６においてフーリエ変換（ＦＦＴ）処理により、周波数分布（スペクトル）データに変換し、周波数分布データを主記憶部４２に記憶する。Ａ／Ｄ変換のサンプリング周波数をｆｓ＝２０ｋＨｚ、ＦＦＴ処理の個数をＮｆ＝２５６個とすると、０．０１２８秒毎の周波数分布データが、Ｎｆ＝５１２個とすると、０．０２５６秒毎の周波数分布データが得られることになる（ただし、ＦＦＴ処理のデータ個数とＦＦＴ処理の時間間隔は必ずしも一致しなくてもよい。たとえば、０．０１秒間隔で２５６個ずつのデータを処理することも可能である）。
【００１５】
以上の方法で超音波センサ１ａのデータから得られた周波数シフトをＦａ、超音波センサ１ｂのデータから得られた周波数シフトをＦｂ、とすると、血流速度Ｖｈは、下記の式で導出できる。
【００１６】
【数１】
2006212269.tif 000003
【数２】
2006212269.tif 000004
【００１７】
ここで、αは２つの超音波センサの超音波の射出および受信の指向性のなす角度、ｃは生体中での音速、Ｆｓは超音波センサの発信周波数（駆動周波数）である。
【００１８】
以上のように血流速度を計測し、その速度が例えば、１０ｃｍ／ｓｅｃ以上でなければ、演算処理装置４３は生体ではないと判断する。また、血流速度波形から脈周期（ピークとピークの時間差）または脈拍数が得られるので、脈拍数が異常である場合も不正である、即ち生体ではないと判断する。また、たとえば、脈拍数が異常に大きい場合には、犯罪者に脅迫されて認証作業を行っているという可能性も考えられ、この場合も不正な行為が発生していると判断することも可能である。
【００１９】
指紋読取装置５３は、撮像素子６を有する光学式指紋読取りセンサ９または半導体指紋読取りセンサ１１からなる撮像部３３で指紋パターンを検出し、いったんバッファメモリ３１に検出した指紋パターンの画像データを記憶し、その画像データは画像データ処理装置３２において、２値化処理などのパターン抽出処理を行い、個人認証装置５４内のデータ検索処理装置４７に出力するが、演算処理装置４３での血流速度測定によって生体を測定していると判定された場合には、その旨の判定信号が演算処理装置４３から出力され、データ検索処理装置４７は、指紋読取装置５３から出力された指紋パターンの画像データと、あらかじめストレージ（外部記憶装置）４８またはネットワーク４９上の記憶領域にあるデータベースに登録しておいた指紋パターンとを比較し個人認証を行う。
【００２０】
一方、上記血流速度測定によって生体を測定していないと判定された場合には、その旨の判定信号が演算処理装置４３から出力され個人認証は行わない。
【００２１】
なお、図１においては、複数の演算処理装置（プロセッサ）を用意しているが、十分に処理能力の大きな（高速な）演算処理装置を用意できる場合は、各処理工程を各処理装置に分担させることなく、複数の演算機能を同一の演算処理装置で兼ねても良い。
（実施の形態２）
図５は本発明の装置の血流速度センサによって得られた血流速度波形の測定例である。図５に示すように生体の脈拍に伴う血流速度の変化は複雑であり、単純な往復運動や回転運動の機械式ポンプでは生体を模した速度変化を持つ流れを作り出すことは難しい。したがって、血流速度波形から特長を抽出し、機械式ポンプで人工的に作り出した流れと区別し、不正行為を排除できる。例えば、最小値と最大値の時間差８３の脈周期８６に対する比率、第１ピークと第２ピークの時間差８４の脈周期８６に対する比率、第１ピークと第２ピークの強度比、振幅（ピーク値）のゆらぎの大きさと周期、脈周期のゆらぎの大きさと周期などといった血流速度波形の波形パターンから、測定対象を生体として認証するか否かを判定する前述の機能（例えば、判定プログラム）を信号演算処理部４５または汎用データ処理部４６が有しているので、人工的な流れと区別することが可能である。なお、あらかじめ個人ごとに血流速度波形の特長を数値化し、ストレージ４８またはネットワーク４９上の記憶領域にあるデータベースに登録しておき、測定波形と比較することも可能であり、更に高度で厳密なセキュリティの確保が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
セキュリティの確保、企業情報および個人情報等の漏洩防止などを目的とし、入室制限、コンピュータ機器等の使用制限のため、生体の指紋パターンを認識することで個人認証を行うための生体情報測定装置に利用可能である。携帯用小型端末（ＰＤＡ）や携帯電話、腕時計型電子機器等、いわゆるウェアラブル端末装置にも搭載が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係るセンサの構成を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。
【図３】本発明に係るセンサの構成を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。
【図４】本発明に係るセンサの構成を示す図である。
【図５】本発明の生体情報測定装置において得られる血流速度波形の例を示す例示図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ａ、１ｂ    超音波センサ
２ａ、２ｂ    発信素子
３ａ、３ｂ    受信素子
４    センサ支持部材
５    レンズ
６    撮像素子
７    保護ガラス
８    光学フィルタ
９    光学式指紋読取りセンサ
１０    血流速度センサ
１１    半導体指紋読取りセンサ
２１ａ、２１ｂ    発振回路
２２    発振制御回路
２３ａ、２３ｂ    検波回路
２４ａ、２４ｂ    フィルタ回路
２５ａ、２５ｂ    増幅回路
２６ａ、２６ｂ    Ａ／Ｄ変換器
３１    バッファメモリ
３２    画像データ処理装置
４１ａ、４１ｂ    バッファメモリ
４２    主記憶部
４３    演算処理装置
４４    デジタル入出力部
４５    信号演算処理部
４６    汎用演算処理部
４７    データ検索処理装置
４８    ストレージ
４９    ネットワーク
５０    超音波計測部
５１    速度演算部
５３    指紋読取装置
５４    個人認証装置
６４    駆動電圧（ａ）
６５    駆動電圧（ｂ）
６６    Ａ／Ｄ変換タイミング
７１    生体（指先）
７２    動脈血管
７８    送信波
７９    反射波
８０    血流速度波形
８１    第１ピークの強度
８２    第２ピークの強度
８３    最小値と最大値の時間差
８４    第１ピークと第２ピークの時間差
８５    振幅
８６    脈周期
【図１】
2006212269.tif 000005
【図２】
2006212269.tif 000006
【図３】
2006212269.tif 000007
【図４】
2006212269.tif 000008
【図５】
2006212269.tif 000009