(57)【要約】【課題】皮膚下の人体筋肉を偏光によって非侵襲的に評価する。【解決手段】人体の筋肉に光を照射して透過又は反射した光を解析することにより人体の筋肉の状態を推定する人体筋肉評価装置である。偏光した光を人体の皮膚に照射する偏光照射手段と、人体を透過又は反射した光について偏光角の光量分布を計測する偏光計測手段と、偏光角の光量分布を解析して人体の皮膚下の筋肉の状態を推定する解析手段とを備える。筋肉組織そのものが持っている偏光特性を利用して人体筋肉評価を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
人体の筋肉に光を照射して透過又は反射した光を解析することにより人体の筋肉の状態を推定する人体筋肉評価装置であり、偏光した光を人体の皮膚に照射する偏光照射手段と、人体を透過又は反射した光について偏光角の光量分布を計測する偏光計測手段と、偏光角の光量分布を解析して人体の皮膚下の筋肉の状態を推定する解析手段とを備えていることを特徴とする人体筋肉評価装置。
【請求項２】
偏光照射手段は波長が５００ｎｍ〜２０００ｎｍの光を照射するものであることを特徴とする請求項１記載の人体筋肉評価装置。
【請求項３】
偏光照射手段は複数種類の波長の光を照射するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の人体筋肉評価装置。
【請求項４】
偏光照射手段はライン状の光を照射するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の人体筋肉評価装置。
【請求項５】
偏光照射手段はパルス光を照射するものであり、偏光計測手段は偏光角の光量分布の時間変化を計測するものであり、解析手段は偏光角の光量分布について時間変化を考慮して解析をするものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の人体筋肉評価装置。
【請求項６】
解析手段は予め測定した皮膚又は爪による偏光角の光量分布データから皮膚又は爪による影響を除去して解析を行うものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の人体筋肉評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光を用いて皮膚下の人体筋肉を非侵襲的に評価する人体筋肉評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光を人体に照射することで非侵襲的に人体の状態を測定することについては各種のものが提供されており、特に偏光を利用するものとしては生体に磁場をかけ透過光の偏光面の角度変化を計測することでヘモグロビンを測定するものが特許文献１に示されており、また直線偏光成分の旋光角を解析してグルコース濃度を計測することが特許文献２に示されている。
【０００３】
しかし、前者は組織が本来持っている偏光特性を用いるものではなく、また後者は体内の特定成分の偏光現象を利用したものである上に、これらは皮膚下の人体筋肉が偏光に対して及ぼす影響についての記載などない。
【特許文献１】特開平４−１９４７２９号公報
【特許文献２】特開２００４−１１３４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、皮膚下の人体筋肉を偏光によって非侵襲的に評価する人体筋肉評価装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために本発明に係る人体筋肉評価装置は、人体の筋肉に光を照射して透過又は反射した光を解析することにより人体の筋肉の状態を推定する人体筋肉評価装置であり、偏光した光を人体の皮膚に照射する偏光照射手段と、人体を透過又は反射した光について偏光角の光量分布を計測する偏光計測手段と、偏光角の光量分布を解析して人体の皮膚下の筋肉の状態を推定する解析手段とを備えていることに特徴を有している。
【０００６】
これは次の知見に基づくものである。すなわち、直線偏光であるレーザ光をサンプルに照射するとともに、サンプルを透過した光を偏光板（直線偏光板）を介して受光素子で受光するとともに、上記偏光板を回転ステージによって２°ステップで１９０°回転させたところ、図２に示す相対光強度データを得ることができた。ここで、サンプルとして用いたのは鶏の胸肉（厚み１．３ｍｍ、２．６ｍｍ、３．９ｍｍ）であり、図中◇が厚み１．３ｍｍの場合、□が厚み２．６ｍｍ、△が厚み３．９ｍｍの場合を、○はサンプルを介さずに直接レーザ光を受光した場合を示している。
【０００７】
図２の縦軸は相対光強度（光量）を示しており、強度１は受光側の偏光板が無い時の受光光量である。レーザ光は直線偏光であることから、偏光板の回転に伴い受光光量がサインカーブ状に変化している。そして鶏のむね肉（筋肉）を透過した光の光量変化はサンプルを介していない場合（図中○）に比して光量だけでなく位相がずれていることから、筋肉を通過することに伴って偏光角度変化が起きていることがわかる。つまりは筋肉組織そのものが偏光特性を持っていることがわかる。このような偏光特性を持っていることの理由は定かではないが、本発明はこの点を利用して人体筋肉評価を行うものである。
【０００８】
この時、偏光照射手段が５００ｎｍ〜２０００ｎｍの波長の光を照射するものであれば、血液で吸収されにくく、これ故に血液の影響を受けがたくなるために推定精度を向上させることができる。
【０００９】
また、偏光照射手段が複数種類の波長の光を照射するものであれば、照射波長の種類を考慮して解析することで推定精度を向上させることができる。
【００１０】
また、偏光照射手段がライン状の光を照射するものであれば、照射部位を広範囲にすることができるために偏った解析となる虞を少なくすることができ、従って推定精度を向上させることができる。
【００１１】
偏光照射手段がパルス光を照射するものであり、偏光計測手段は偏光角の光量分布の時間変化を計測するものであり、解析手段が偏光角の光量分布について時間変化を考慮して解析をするものであることが好ましい。時間変化を考慮して解析することで推定精度を向上させることができる。
【００１２】
また、解析手段が予め測定した皮膚又は爪による偏光角の光量分布データから皮膚又は爪による影響を除去して解析を行うものであれば、皮膚や爪による偏光の影響を除去できるために、筋肉の状態を推定する精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明においては、偏光というきわめて簡単に得ることができる光を利用して非侵襲で人体筋肉の状態を解析評価するものであり、疲労度合いや肉体年齢等等の情報を簡便に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施形態に基いて説明すると、図１は本発明の実施の形態の一例を示しており、照射時間制御が可能な光源１と、光源１から出る光を直線偏光の光とする偏光板２と、偏光板２を経ることで直線偏光となった光を人体９の表面に照射した際の反射光もしくは透過光を受光する受光素子４と、該受光素子４の直前に配した偏光板３と、この偏光板３をモータ駆動で光軸まわりに回転させる回転ステージ５、そして受光素子４から得られる光量計測データと回転ステージ５によって偏光板３を回転させる際の偏光角度制御データとで構成される偏光角毎の光量データである偏光角光量分布データを基に解析を行う解析手段６を備えている。光源１と偏光板２とからなる偏光照射手段は、レーザ光出力手段で構成してもよい。
【００１５】
上記光源１としては、５００〜２０００ｎｍの範囲内の波長の光を好適に用いることができる。人体９の皮膚下に存在する血液、殊に酸化ヘモグロビンの吸光度が図３に示すように５００ｎｍ以下にピークを持つために、上記波長の光を用いることによって真皮層にある血管の光吸収がノイズとなってしまうことを避けることができる。
【００１６】
そして受光素子４の前に配置した偏光板３の偏光角度を切り替えながら各偏光角度毎の光量を計測して、前記偏光角光量分布データを求め、解析手段６においてこの偏光角光量分布データを元に筋肉状態を解析評価するわけである。
【００１７】
ここにおいて、偏光照射手段で人体９に照射された光は皮膚表面での反射や筋肉内部での反射が起きるが、皮膚表面で反射した光は照射した直線偏光成分と同じ偏光角度となる。従って、同じ偏光角度の光は除外することで皮膚表面からの反射光を無視することができる。
【００１８】
また、筋肉内部を透過した筋肉の深さ方向毎の光量低下について複数の波長を用いて測定したところ、図４に示すように深さ４ｍｍ程度までの範囲であれば、ほぼ直線的な光量低下となる。図中イは波長６７０ｎｍの光と鶏肉（ささみ）、波長６７０ｎｍと豚肉、波長８１０ｎｍと鶏肉を用いて測定した場合を示している。
【００１９】
更に、入射角度を変えながら、偏光角度が直交する２つの光（垂直偏光と水平偏光）について筋肉の深さ方向（１ｍｍと２ｍｍと３ｍｍと４ｍｍ）における光量低下を測定した結果を図５に示す。縦軸は相対光強度であり、強度１は受光側の偏光板が無い時の受光光量である。深さ１ｍｍでの水平偏光と垂直偏光、深さ２ｍｍでの水平偏光と垂直偏光、深さ３ｍｍでの水平偏光と垂直偏光、深さ４ｍｍでの水平偏光と垂直偏光の計８つのデータを図で示しているが、各入射角度において水平偏光及び垂直偏光の相対光強度がほぼ同一である上に、特定の筋肉組織ではその厚さに関わらず、偏光角度がある特定の傾向を示していることがわかる。
【００２０】
これらの点を踏まえて筋肉の状態の評価に際しては、前述のように、皮膚表面からの反射光は照射した直線偏光と同じ角度であるため、この角度の光量データは除外する。また、皮下組織の影響を除くことも必要であるが、これは角質層、真皮層、脂肪層を経て内部組織にいたる皮下組織の各構成部の偏光角度特性を予め調べておくことで対処することができる。
【００２１】
たとえば、照射した光量をＬ０、皮膚表面での反射光をＬaとし、また、各構成部の偏光角度と光量を
角質層：偏光角度＝α１、光量値＝Ｌ１
真皮層：偏光角度＝α２、光量値＝Ｌ２
脂肪層：偏光角度＝α３、光量値＝Ｌ３
と定義すると、光が通過した距離（深さ方向の距離）の違いによりその光量低下率は図４に示すような特性を示しているため、
角質層厚さ：Ｌ１／(Ｌ０−Ｌa)で求めた光量低下率から推定
真皮層厚さ：Ｌ２／(Ｌ０−Ｌa)で求めた光量低下率から推定
筋組織厚さ：Ｌ３／(Ｌ０−Ｌa)で求めた光量低下率から推定
で、各層の厚みを求めることができる。
【００２２】
なお、指先に関しては角質層がほとんどなく、かわりに爪があることから、爪の偏光角度データを除外するとともに、爪による光量低下を事前に計測しておくことにより指先の皮下組織の厚み計測ができる。ちなみに、爪による光量低下率をｋとすると、
角質層厚さ：Ｌ１／(Ｌ０−Ｌa)×１／ｋで求めた光量低下率から推定
真皮層厚さ：Ｌ２／(Ｌ０−Ｌa )×１／ｋで求めた光量低下率から推定
筋組織厚さ：Ｌ３／(Ｌ０−Ｌa )×１／ｋで求めた光量低下率から推定
で、各層の厚みを求めることができる。
【００２３】
また、血管の影響に関しては前述のように照射する段階でカットしているが、皮下組織構成成分は特定波長の光を吸収することから、この影響で厚みによる光量低下以外の光量低下を起こす場合がある。殊に角質層のように非常に薄い層においては厚みによる光量低下が小さいため、特に影響が出てくる。このために、角質層の吸収波長を予め調べておき、その吸収波長を照射光源の波長からカットしておくことで厚み推定の誤差をできるだけ低減することが好ましい。具体的にはメラニンは５６７ｎｍをピークとする光吸収（図６参照）を起こすために、照射する偏光は波長１０００ｎｍ以上を使用することで、メラニンの吸光による影響を避けることができる。
【００２４】
なお、偏光の照射に際しては、ライン状の光を照射するとともにＣＣＤ等の２次元の受光素子４で受光することでライン方向の構造推定ができる。照射する偏光をスポット光とし、その光をミラーで走査することによって皮膚表面で２次元の照射を行って３次元の構造推定を行うようにしてもよい。
【００２５】
また、偏光角光量分布データに基づく筋肉状態評価は静的なものに限らず、時間的な変化を含めた偏光角光量分布データを用いることで、動的状態の評価も行うことができる。この場合、受光側の偏光角度を筋肉状態の計測に最適な角度に決定後、照射光源をパルス光とし、この照射タイミングと同期をとった計測を行うことで、筋肉の伸縮による厚み変化を計測することができる。
【００２６】
偏光照射手段及び受光素子４として、ある波長の光のみを使用するのではなく、一定の範囲内に分布している波長の光を全て利用することができるものを用いる時には、その照射波長分布を考慮して解析するようにしてもよい。
【００２７】
解析手段６による解析評価としては、筋肉の状態（伸縮度や疲労度等）の評価に限るものではない。たとえば、ストレスが及ぼす影響として肩こりがあるが、筋肉の血行不良によってもたらされる肩こりは、筋収縮があまり起きていない状況にある。したがって、偏光を人体９の肩部分に照射して肩の筋組織の収縮状況をモニタすることにより、ストレスの代替現象である肩こりからストレス度を計測・評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態の一例のブロック図である。
【図２】筋肉による偏光角度毎の相対光強度を示す説明図である。
【図３】酸化ヘモグロビンの吸光度の説明図である。
【図４】筋肉内部での光量低下の説明図である。
【図５】筋肉内部での偏光角度毎の相対光強度を示す説明図である。
【図６】メラニンの吸光度の説明図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  光源
２  偏光板
３  偏光板
４  受光素子
５  回転ステージ
６  解析手段
【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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