(57)【要約】      （修正有）【課題】簡便に高精度で生体内部情報を取得する光学式生体情報測定装置を提供する。【解決手段】生体の表面より生体内部を局在化させて照明させる光学系と、生体内部に侵入した局在化した照明光が生体組織内部にて散乱を繰り返し、生体表面から出射される光学パターンを、生体表面上に設けられた固体撮像装置５の複数の画素配列に結像させるための結像光学系４を有し、固体撮像装置で撮像した生体表面から出射される光学パターンを基に、生体内部の情報を取得する光学式生体情報測定装置。照明光学系としては複数の中心波長を有する照明光で波長を変化させ情報を取得し、また光学式生体情報測定装置を移動させ、個々の画像を基に生体内部構造を推定する。【選択図】図１
2017009398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体を照明する光源部と、
前記光源部から前記生体表面部に達する空間に存在する、照明光を生体内で局在化して照明させる照明用光学系と、
前記光源部に隣接して設けられ、前記生体の内部を散乱しながら伝搬した後に前記生体表面より出射した光を受光する所定間隔で配置された１０画素以上の複数の画素を有する固体撮像装置と、
光が出射した前記生体表面と前記固体撮像装置との間の空間に存在する、生体表面の前記光出射位置と前記画素の位置が個々対応する結像用光学系と、
前記複数の画素において受光した信号量のパターンに基づき、前記生体の生体情報を算出する演算部と、
を有する光学式生体情報測定装置。
【請求項２】
前記結像用光学系は、
前記生体表面の光出射位置を前記画素位置に結像するため前記生体表面と前記固体撮像装置の画素との間の空間に、結像用凸レンズを配置した結像光学系であることを特徴とする、
請求項１記載の光学式生体情報測定装置。
【請求項３】
前記結像用光学系は、
前記生体表面の光出射位置と前記画素位置を対応する為、に結像するために
光が出射した前記生体表面と前記固体撮像装置の画素との間の空間に、棒状レンズアレーの様な正立等倍光学系を配置した結像光学系であることを特徴とする、
請求項１記載の光学式生体情報測定装置。
【請求項４】
生体を照明する光源部と、
前記光源部から前記生体表面部に達する空間に存在する、照明光を生体内で局在化して照明させる照明用光学系と、
前記光源部に隣接して設けられ、前記生体の内部を散乱しながら伝搬した後に前記生体表面より出射した光を受光する所定間隔で配置された１０画素以上の複数の画素を有する固体撮像装置と、
光が出射した前記生体表面と前記固体撮像装置の画素との間の空隙を減らし、近傍の画素への漏れ込みを軽減して、生体表面の前記光出射位置と前記固体撮像装置の前記画素との位置が個々で対応する様な結像用光学系と、
前記複数の画素において受光した信号量のパターンに基づき、前記生体の生体情報を算出する演算部と、
を有する光学式生体情報測定装置。
【請求項５】
前記結像用光学系は、前記生体表面の前記光出射位置と固体撮像装置の前記画素との位置を個々対応させ、
前記固体撮像装置の画素を光が出射した生体表面に直接密着させて、近傍の画素への漏れ込みを軽減することを特徴とする、
請求項４記載の光学式生体情報測定装置。
【請求項６】
前記結像用光学系は、
前記生体表面の前記光出射位置と固体撮像装置の前記画素との位置に配置し、」を個々対応させ、
前記固体撮像装置の画素毎に光学遮蔽部を設け、生体表面からの出射光の隣接画素への漏れ込みを抑制することを特徴とする、
請求項４記載の光学式生体情報測定装置。
【請求項７】
前記固体撮像装置は、
複数の画素が直線的に配列されたリニアセンサであることを特徴とする、
請求項１ないし請求項４記載の光学式生体情報測定装置。
【請求項８】
前記固体撮像装置は、
複数の画素が二次元的に配列されたエリアセンサであることを特徴とする、
請求項１ないし請求項４記載の光学式生体情報測定装置。
【請求項９】
前記光源部は、
固体撮像装置に隣接して設けられ、単体、若しくは互いに離間して配置された複数の照明光源から形成されることを特徴とする、
請求項１ないし請求項４記載の光学式生体情報測定装置。
【請求項１０】
前記光源部は、
固体撮像装置の画素端部の配列に平行して隣接して設けられた導光体と、導光体の端部に設けた照明光源と、照明光源より出射された光を導光体の端部から取り込む構造と、取り込まれた光を導光体に沿って伝搬させる構造と、導光体中を伝搬される光が導光体の途中より散乱されて連続的に出射する構造と、導光体より出射した光が生体表面より照明光として照射される構造と、
からなることを特徴とする、
請求項１ないし請求項４記載の光学式生体情報測定装置。
【請求項１１】
前記光源部は、前記生体表面を照明する手前にレンズ光学系を設けることで、生体表面の照明光に指向性を持たせて照射することを特徴とする、
請求項１ないし請求項４記載の光学式生体情報測定装置。
【請求項１２】
前記光源部は、前記照明光源からの出射光をミラー反射にて、生体表面の照明光に指向性を持たせて照射することを特徴とする、
請求項１ないし請求項４記載の光学式生体情報測定装置。
【請求項１３】
前記光源部としては、
中心波長が互いに異なる複数の光源から構成され、
前記複数の光源から出射される照明光を生体表面より生体内部に局在化して照射する工程と、
生体内部で散乱されて、生体表面より出射した光を固体撮像装置内に一定間隔で配置された複数の画素で受光する工程と、
固体撮像装置の複数の画素で受光した画素出力パターンを、複数の中心波長の照明光に対応し、それぞれ独立に出力させる工程と、
中心波長に対応したそれぞれの画素出力パターンを基に、生体内部の生体情報パターンを算出する工程と、
を備えたことを特徴とする、
請求項１ないし請求項４記載の光学式生体情報測定装置。
【請求項１４】
光源から出射される照明光を生体表面より生体内部に局在化して照射する工程と、
生体内部で散乱されて、生体表面より出射した光を固体撮像装置内に一定間隔で配置された複数の画素で受光する工程と、
一定距離移動させた後に、繰り返し行われる
光源から出射される照明光を生体表面より生体内部に局在化して照射する工程と、
生体内部で散乱されて、生体表面より出射した光を固体撮像装置内に一定間隔で配置された複数の画素で受光する工程と、
固体撮像装置の複数の画素で受光した画素出力パターンを、一定距離移動する前後に対応し、それぞれ独立に出力させる工程と、
移動前後のそれぞれの画素出力パターンを基に、生体内部の生体情報パターンを算出する工程と、
を備えたことを特徴とする、
請求項１ないし請求項４記載の光学式生体情報測定方法。
【請求項１５】
光源から出射される照明光を生体表面より生体内部に局在化して照射する工程と、
生体内部で散乱されて、生体表面より出射した光を固体撮像装置内に一定間隔で配置された複数の画素で受光する工程と、
一定距離移動させた後に、繰り返し行われる
光源から出射される照明光を生体表面より生体内部に局在化して照射する工程と、
生体内部で散乱されて、生体表面より出射した光を固体撮像装置内に一定間隔で配置された複数の画素で受光する工程と、
固体撮像装置の複数の画素で受光した画素出力パターンを、一定距離移動する前後に対応し、それぞれ独立に出力させる工程と、
移動前後のそれぞれの画素出力パターンを基に、生体表面での移動方向と移動量を算出する工程と、
を備えたことを特徴とする、
請求項１ないし請求項４記載の光学式生体情報測定方法。
【請求項１６】
生体表面に所定の波長の光を照射する照射手段と、
前記生体内部で反射し拡散した前記光信号の拡散パターンを検出する受光手段と、
前記検出した拡散パターン信号の少なくとも信号レベルを補正する演算手段と、
を有する光学式生体情報測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式生体情報測定装置に関するもので、特に皮下脂肪層の厚さを測定する、光学式生体情報測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光照射部から生体表面に向けて光を照射し、生体内部を伝播した光を受光部で受光することで生体内部の皮下脂肪厚を測定する光学式皮下脂肪厚測定装置が提案されている。このような光学式皮下脂肪厚測定装置において、特許文献１に開示の皮下脂肪測定装置は、皮膚の色の相違等の影響を受けることなく高精度に皮下脂肪厚の測定を可能にしている。特許文献１の皮下脂肪測定装置は、少なくとも１個の送光素子と複数個の受光素子と脂肪厚推定手段とを備えている。
【０００３】
そして、皮下脂肪を透過して受光素子で受光した受光量を、受光量と皮下脂肪厚とのキャリブレーションカーブに適用して脂肪厚推定手段が脂肪厚を推定する。また、脂肪厚推定手段は、送光素子の直近の受光素子の受光量を用いて皮膚色素等による各受光素子の受光量を補正することで、高精度に皮下脂肪厚を測定することができるようになっている。
【０００４】
同様な光学式皮下脂肪厚測定装置としては、非特許文献１に発表が有る。非特許文献１には近赤外発光素子から出射された光を一定距離間隔で配置された２つのフォトダイオードで受光し、皮下脂肪の厚さの違いに起因した受光量の変化を測定し、皮下脂肪厚さを計測する装置である。発光体の近側のＰＤと遠側のＰＤの両者の出力を用い、皮膚の影響を軽減する工夫をしている。
【０００５】
特許文献２に開示の光学式皮下脂肪測定装置は、皮膚の色の相違等の影響を受けることなく高精度に皮下脂肪厚の測定を可能にしている。特許文献１の皮下脂肪測定装置は、中心波長の異なる複数の光源で照射し、複数個の受光素子で受光し皮下脂肪内の血液濃度の違いを補正している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１５５０９１号公報
【特許文献２】特開２００５−１６１０３８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】パナソニック電工技報  Vol.５８  Ｎｏ．２  ｐ．４０〜ｐ．４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非特許文献１には、光学式皮下脂肪測定装置と超音波断層装置による皮下脂肪厚との比較を、測定部位を二の腕、太もも、腹部の３個所につき行っており、両者には有意な正の相関が有るとしている。しかしながら、赤外光による皮下脂肪厚さのバラツキが二の腕…５ｍｍ（精度約±２５%）、太もも…５ｍｍ（精度約±２５%）、腹部…２０数ｍｍ（精度±３３%）と測定バラツキが大きく、皮下脂肪測定装置としては問題が有った。
【０００９】
従来の光学式皮下脂肪厚測定装置では、皮下脂肪の種類（（１）きめの細かい脂肪、きめの粗い脂肪、クリーミーな脂肪、（２）固い脂肪、柔らかい脂肪など）や血液濃度によって生体内で反射して生体から出力する光強度が大きくばらつく。即ち、皮下脂肪の状態によって、散乱する回数による光強度のバラツキと光吸収係数のバラツキによって生体から出力する光強度が大きくばらつくため測定バラツキの増大をもたらす。
【００１０】
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、皮下脂肪厚さの測定精度を向上し、実用的な光学式皮下脂肪測定装置を提供することにある。
また本発明の変形例として、光学式で皮膚表面下部にある屈折率の変化個所（例えば血管位置）の生体内部情報を取得する目的も有る。
本皮膚表面下部のみならず、手術に於いて内臓下部若しくは体内膜下部の生体情報（例えば血管位置）を光学的な方法で測定が可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題点を解決するために、生体の表面に向けて光を照射する光照射部と、前記生体の内部を伝播した光を受光する等間隔に配列された複数の受光部と、該受光部を生体表面の局所部分からの出射光とを対応させて受光させる構造にし、この構造により、光照射部から受光部までの経路を単純化することが出来る。
【００１２】
具体的な構造例としては、生体の表面に向けて光を照射する光照射部と、前記生体の内部を伝播した光を受光する等間隔に配列された複数の受光部と、受光部と生体表面の間にレンズを設け、生体の局所部分からの散乱光をレンズにて受光部に結像させる。この構造により、生体表面の局所部分からの出射光と複数の受光部とを１：１に対応させることが出来る。
【００１３】
即ち、生体の局所部分での散乱光をレンズにて複数の受光部で結像検知することにより、光照射部からの距離に対応した減衰曲線と皮下脂肪厚との相関関係を事前に取得することにより、測定精度の高い光学式皮下脂肪測定を装置の提供が可能となる。
【００１４】
生体の表面に向けて光を照射する光照射部と、前記生体の内部を伝播した光を受光する等間隔に配列された複数の受光部と、受光部と生体表面の間にレンズを設け、生体の局所部分からの散乱光をレンズにて受光部に結像させる。この光学系の途中箇所に、屈折率の異なる部分が有ると、受光部の到達する光量が変わり、生体内部の構造を推定することが出来き、光学式生体情報測定装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、皮膚表面下の皮下脂肪厚の様な生体情報を光学的な光信号の拡散距離で取得することで大幅に測定精度を向上させることができる。また、光学系を変化させる？ことで、生体の異なる部位の生体情報？を取得することが出来る。さらに、波長を変えることで異なる深さの生体情報を取得することが出来る。また、皮下脂肪内の反射光拡散パターン抽出とピークレベルの正規化補正処理を実施することで特許文献１の皮膚色差や特許文献２の血液濃度バラツキの影響を補正でき、簡単かつ精度の良い皮下脂肪厚を測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による光学式生体情報測定装置を示す図
【図２】生体内部で散乱された出射光を、光学レンズを用いて固体撮像装置に結像する、第１の実施形態の光学式生体情報測定装置を示す図
【図３】第１の実施形態で照明光の照射方向から見た図
【図４】図３のＡ，Ａ‘に沿った固体撮像装置の画素出力分布の、皮下脂肪厚が異なる場合の図
【図５（ａ）】図３のＢ，Ｂ‘に沿った固体撮像装置の画素出力分布の、皮下脂肪厚が異なる場合の図
【図５（ｂ）】図５（ａ）に於ける、画素出力が閾値以下となる画素位置と皮下脂肪厚の関係図
【図５（ｃ）】皮下脂肪の測定バラツキ結果を補正した精度改善図
【図６】画素が一次元的に直線状に配列された固体撮像装置を用い、画素配列の延長線上に照明光源部を配置した第２の実施形態光学式生体情報測定装置を示す図
【図７】等倍結像レンズアレーを用いて、生体表面からの出射光を撮像する、第２の実施形態の光学式生体情報測定装置の断面構造図
【図８】等倍結像レンズアレーの構造及び結像系を示す断面、平面図
【図９】画素が一次元の直線状に配列された固体撮像装置を用い、画素配列方向と直交方向に照明光源部を配置した第３の実施形態の光学式生体情報測定装置を示す図
【図１０】レンズを用いて照明光源からの照明光に指向性を持たせた第３の実施形態に於いて、直線状に配列された画素の配列方向と垂直断面方向から見た構造図
【図１１】ミラーを用いて照明光源からの照明光に指向性を持たせた第３の実施形態に於いて、直線状に配列された画素の配列方向と垂直断面方向から見た構造図
【図１２】照明光源部がイメージセンサの画素配列と平行方向に等間隔で複数個配された第４の実施形態の光学式生体情報測定装置を示す図
【図１３】第４の実施形態の光学式生体情報測定装置に於いて、皮下脂肪厚が異なる場合の、各照明光源に対応した画素出力分布を示す図
【図１４】図１３の各照明光源に対応した画素出力分布を積算した、実際の画素出力分布を示す図
【図１５】画素が一次元的に直線状に配列された固体撮像装置を用い、照明光源の光を導光体で皮膚表面に一様に照明する、第５の実施形態の光学式生体情報測定装置を示す図
【図１６】第５の実施形態の光学式生体情報測定装置に於いて、皮下脂肪厚が異なる場合の、画素出力分布を示す図
【図１７】画素が二次元的に直線状に配列された固体撮像装置を用い、第６の実施形態の光学式生体情報測定装置を、導光体の垂直断面方向から見た構造図
【図１８】第６の実施形態に於いて、生体内部に異物が存在した場合での生体表面に垂直方向から見た図
【図１９】第６の実施形態の光学式生体情報測定装置に於いて、生体内部の異物領域の断面方向で、かつ導光体と平行方向からから見た光の分散方向を示す図
【図２０】第６の実施形態の光学式生体情報測定装置に於いて、生体内部の異物領域の断面方向で、かつ導光体の垂直断面方向から見た光の分散方向を示す図
【図２１】（ａ）‥図１９のＡ，Ａ‘に沿った固体撮像装置の画素の出力分布（ｂ）‥図２０のＢ，Ｂ‘に沿った固体撮像装置の画素の出力分布
【図２２】照明光としてスポット光を用いた、第７の実施形態の光学式生体情報測定装置を示す図
【図２３】異物が有る場合の生体表面の散乱光の強度分布を示す図
【図２４】異物が有る場合と無い場合の、図２２の固体撮像装置のＢ，Ｂ‘に沿った画素出力分布
【図２５】生体内部で散乱された照明パターンを、固体撮像装置の画素を生体表面部に隣接させて撮像する、第８の実施形態の光学式生体情報測定装置を示す図
【図２６】生体内部で散乱された照明パターンを、固体撮像装置の画素毎に遮蔽板を画素周囲に配置し、生体表面部に隣接させて撮像する、第８の実施形態光学式生体情報測定装置を示す図
【図２７】画素が一次元の直線状に一定距離離間して二本配列された固体撮像装置
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態に係る光学式生体情報測定装置、特に皮下脂肪層の厚さを測定する、光学式皮下脂肪厚測定装置の構造及びその測定方法について、図面を参照しながら説明する。以下説明内において同一部分には同一の符号及び処理名を付し、最初にその詳細な説明をし、重複する同一部分の説明は省略する。 
【００１８】
＜第１の実施形態＞
本発明の光学式生体情報測定装置の第１の実施形態に付き、図１を用い説明する。生体の断面構造としては、表面に皮膚１が有り、その下に皮下脂肪２、筋肉組織３が存在する。皮膚表面は結像光学系４により、固体撮像装置５の表面の画素６配列上に結像される。照明光源７から出た光はレンズ８を経て、指向性を持った照明光９になり、生体の皮膚１からほぼ垂直方向から生体に入射される。照明光９は皮膚１、皮下脂肪２、筋肉組織３に順次到達し、その間に、それぞれの組織で散乱、吸収される。組織からの散乱光９‘は組織内を伝搬し、生体表面（ここでは皮膚１）より外部に出射される。皮膚表面での外光の反射光、及び照明光９での生体組織の散乱光９’が重なり結像光学系４にて複数画素６上に結像される。画素６は、少なくとも生体組織内部の光拡散パターンが検出できる１０画素以上から数１００画素を有する。
固体撮像装置５の画像出力は、画像演算回路１０にて演算処理される。
【００１９】
照明光源７の波長は生体内部への侵入性が可視光より良い近赤外光（７００ｎｍ以上）が望ましい（例えば中心波長７５０ｎｍ）。通常固体撮像装置で用いられる材料であるシリコンの吸収端の１０００ｎｍ付近である。この波長域（７００〜１０００ｎｍ）では皮下脂肪２の領域では光散乱が生じ、筋肉組織３の領域では光吸収が起こる。照明波長は用途に依ってはシリコン以外の赤外センサを用い３ｕｍ程度の波長域に延ばしても良い。
【００２０】
図２は結像光学系４に凸レンズ４‘を用いた例である。生体組織内では一次、二次、三次の散乱光が生じ、それぞれを９’、９‘’、９‘’‘と記す。生体組織内での散乱光９’、９‘’、９‘’‘の内、図中の皮膚表面の一点に集まってくる立体角θの範囲にある生体表面への出射光１１は、皮膚表面で屈折されて出射光１１‘となる。皮膚表面の一点からの出射光１１’は、凸レンズ４‘を経た後に収斂し、結像光学系からの出射光１１’‘となり、固体撮像装置５の画素６に結像される。このように皮膚１の表面の一点は、画素６上に結像され、１：１に対応される。
【００２１】
ここで注目すべきは、レンズ４‘にて画素６に収斂される皮膚表面の一点からの出射光１１’の基となる生体表面への出射光１１を形成する生体内部の散乱光は、狭い範囲の立体角θ内の生体内部の散乱光に限定されることである。皮膚表面では屈折し、凸レンズ４‘への生体表面からの出射光１１’の立体角θ’はより拡がる。
【００２２】
図３は光学式生体情報測定装置の平面図である。皮膚１上に有る照射光源７より照射された照明光は生体内部で散乱され、出射光の同一強度を連結した出射光分布は、リング状出射光分布１２となる。画素６は二次元的に配列（エリアセンサと称される）され、出射光分布形状は、凸レンズ４‘（図示せず）にて、固体撮像装置５の画素配列（図示せず）に結像されている。画素の配列方向を図中ではＡ-Ａ’、Ｂ’-Ｂと示している。
【００２３】
図３の固体撮像装置５のＡ-Ａ’方向の画素６の画素出力分布を図４に示す。皮下脂肪厚さが変わった場合に、皮膚からの出射光分布のＡ-Ａ’方向のパターンとしては、図４の様に変化する。
皮下脂肪が薄い場合には、皮下脂肪領域での散乱光が少なく、照射光の大部分は筋肉組織に到達しここで吸収される。この為、散乱光強度が弱く画素出力も小さい。また出力される画素領域の幅も狭い。
皮下脂肪厚が増えるにしたがって、散乱光強度は強まり、画素出力も増大し、出力される画素領域の幅も広くなる。
【００２４】
照明光源に近い部分での画素出力の低下は、高次の散乱の寄与が減る為である。これは照明光源から或る程度距離が離れた方が、皮下脂肪内部で高次の散乱光の経路を多く取り得るために散乱強度が強まることに起因する。
【００２５】
図３の固体撮像装置５のＢ’-Ｂ方向の画素６の画素出力分布を図５（ａ）に示す。皮下脂肪厚さが変わった場合に、皮膚からの出射光分布のＢ’-Ｂ方向のパターンとしては、図５（ａ）の様に変化する。
ここで注意すべきは、図３に示す第１の実施形態の光学式生体情報測定装置に於いては、凸レンズにて固体撮像装置５の画素配列に結像されている為に、照明光源に近い生体表面の光学情報は、照明光源より離れた位置（図３のＢの位置）の画素にて得られることである。図５（ａ）では生体情報のパターンに近いイメージで、図３に示す画素の配置Ｂ’-Ｂとは左右逆転した画素位置Ｂ-Ｂ’にて表記してあることである。
【００２６】
図４と同様に、皮下脂肪が薄い場合には、皮下脂肪領域での散乱光が少なく、照射光の大部分は筋肉組織に到達しここで吸収される。この為、散乱光強度が弱く画素出力も小さい。また出力される画素領域の幅も狭い。一方皮下脂肪厚が増えるにしたがって、散乱光強度は強まり、画素出力も増大し、出力される画素領域の幅も広くなる。照明光源に近い部分での画素出力の低下は、図５（ａ）と同様に高次の散乱の寄与が減る為である。
【００２７】
図５（ａ）の画素出力が所定の閾値以下になった画素位置と皮下脂肪厚さの関連を図５（ｂ）に示す。図５（ｃ）に皮下脂肪の状態によって画素出力レベルがバラツキを補正した図を示す。皮下脂肪の種類や血液濃度のバラツキによって画素出力レベルは大きくばらつくことで、閾値で検出した画素位置がばらつく。その結果測定した皮下脂肪厚のバラツキが発生する。そこで、画素出力の拡散パターン波形のピークレベルを１に正規化することでバラツキを補正でき、正確な画素位置を算出することができる。その結果図５（ｂ）に示す精度を向上させた皮下脂肪厚さの測定が可能となる。
【００２８】
非特許文献１を始めとする引用例に於いては、数カ所の測定点における光強度のみ測定しているため皮下脂肪の状態によるバラツキ量を補正することができない。
また皮膚からの出射光を２個所の散乱光検知部で集光しており、一つの散乱光検知部では様々な角度の皮膚からの出射光を集光する構造になっていた。この為、高次の散乱光を集光してしまい、皮下脂肪厚の測定精度を低下させていた。
【００２９】
これに対し、本発明では皮膚表面からの出射光の出力強度パターンを認識するために、画素出力の強度パターンを正規化することで皮下脂肪厚さの測定精度が高まる以外に、各画素での取り込む光情報はレンズが見込む角度内の光情報のみであり、光照射部から受光部までの経路を単純化出来るため、皮下脂肪厚の測定バラツキを抑制できる。
【００３０】
＜第２の実施形態＞
本発明の光学式生体情報測定装置の第２の実施形態に付き、図６を用い説明する。図６は光学式生体情報測定装置の平面図である。生体の断面構造としては図１，２と同様である。皮膚１上に有る照射光源７より照射された照明光は生体内部で散乱され、出射光の同一強度を連結した出射光分布形状は、リング状１２となる。固体撮像装置５の画素６は一次元的に配列（リニアセンサと称される）されており、画素配列方向をＢ-Ｂ’と示している。図中、画素配列の延長線上に照明光源７を配置した構造になっている。
【００３１】
図７は図１の結像光学系４に等倍結像レンズアレー４‘’を用いて、生体表面からの出射光を一次元的に画素６が配列された固体撮像装置５で撮像する光学式生体情報測定装置の断面構造図である。図１と同様に、照明光源７から出た光はレンズ８を経て、指向性を持った照明光９になり、生体の皮膚１からほぼ垂直方向から生体に入射される。生体組織内特に皮下脂肪２では一次、二次、三次の散乱光（それぞれを９’、９‘’、９‘’‘）が生じる。皮膚表面の一点からの出射光１１’は、等倍結像レンズアレー４‘’の棒状レンズ１３内を伝搬し、片端部より出射され収斂光１１’‘となり、画素６上に結像される。
【００３２】
棒状レンズ１３にて画素６に収斂される皮膚表面の一点からの出射光１１’ の基となる散乱光は、狭い範囲の立体角θ内の散乱光１１に限定されること。これは皮膚表面での屈折に起因する。
【００３３】
ここで注意すべきは、図７では等倍結像レンズアレー４‘’による結像であるため、照明光源に近い生体表面の光学情報は、照明光源に近い位置（図６、図７のＢの位置）の画素にて得られることである。図６では画素配置Ｂ-Ｂ’にて表記し、図３に示す画素配置Ｂ’-Ｂとは左右逆転している。このため、図７で示す第２の実施形態の光学式生体情報測定装置での出力波形としては、図５（ａ）に示す画素出力分布の様になる。
【００３４】
皮膚１の表面の一点は、画素６に結像され、１：１に対応される。アレー状に複数個配置された棒状レンズ１３の間隙部は遮光材料１４で覆われている。また照明光の通過部は、遮光材料１４がくり抜かれた中空部１５を有し、生体表面の照明を阻害しない。中空部１５は等倍結像レンズアレー４‘’とは異なる部品に設けても良い。
【００３５】
図８は図７の等倍結像レンズアレー４‘’と棒状レンズの構造を更に説明する断面図と平面図である。等倍結像レンズアレー４‘’は棒状レンズ１３が等間隔に配置され、棒状レンズ１３の間隙部分には遮光材料１４が形成され、照明光通過部には中空部１５が有る。皮膚表面から出た出射光１１’は、棒状レンズ１３の端面の法線方向からΦ、ξの角度で入射されると、棒状レンズの反対側の端面（棒状レンズの両面の端面同志は互いに平行）からは端面の法線方向からそれぞれΦ、ξの角度で出射される。この為、等倍の正立の結像系が実現できる。この等倍結像レンズアレー４‘’では各棒状レンズの最大視野角θは約２０〜４０°と小さく、ある限定された視野の出射光のみを結像することが出来る。
【００３６】
＜第３の実施形態＞
本発明の光学式生体情報測定装置の第３の実施形態に付き、図９を用い説明する。図９は光学式生体情報測定装置の断面構造図である。平面構造図に付いては、図３の固体撮像装置５の画素が一次元的にＡ-Ａ’方向に配列されており、画素配列の中央付近に隣接して照明光源７を配置した構造になっている。
生体の断面構造は図１，２と同様である。結像光学系４は第２の実施形態と同様に、等倍結像レンズアレー４‘’を用い、生体表面からの出射光を一次元的に画素６が配列された固体撮像装置５で撮像する。
【００３７】
図９では照明光源７から出た光はレンズ８を経て、指向性を持った照明光９になり、生体の皮膚１からほぼ垂直方向から生体に入射される。生体組織内では一次、二次、三次の散乱光（それぞれを９’、９‘’、９‘’‘）が生じる。皮膚表面の一点からの出射光１１’は、等倍結像レンズアレー４‘’の棒状レンズ１３内を伝搬し、片端部より出射され収斂光１１’‘となり、画素６上に結像される。このように皮膚１の表面の一点は、画素６に結像され、１：１に対応される。複数個配置された棒状レンズ１３の間隙部は遮光材料１４にて覆われている。遮光材料１４は照明光９の生体表面への照射を阻害しない構造になっている。
【００３８】
図１０は図９に示す第３の実施形態に於いて、直線状に配列された画素の配列方向と垂直断面方向から見た構造図である。照明光源７から出た光はレンズ８を経て、指向性を持った照明光９になり、生体の皮膚１からほぼ垂直方向から生体に入射される。生体組織内では一次、二次、三次の散乱光（それぞれを９’、９‘’、９‘’‘）が生じる。皮膚表面の一点からの出射光１１’は、等倍結像レンズアレー４‘’の棒状レンズ１３内を伝搬し、片端部より出射され収斂光１１’‘となり、固体撮像装置５の画素６上に結像される。
図９、図１０で示す第３の実施形態の光学式生体情報測定装置での出力波形としては、図４に示す画素出力分布の様になる。
【００３９】
複数個配置された棒状レンズ１３の間隙部は遮光材料１４にて覆われている。図１０に示す様に、遮光材料１４は照明光９の生体表面への照射を阻害しない構造になっている。図１０では示していないが、遮光材料１４に中空部を設け、その中空部を通して照明光９を皮膚表面に照射する構造にしても良い。またこの中空部は等倍結像レンズアレー４‘’とは異なる部品に設けても良い。
【００４０】
図１１は図１０に示す第３の実施形態に於いて、レンズ８の代わりに、照明光源７から出た光をミラー１６を用いて、指向性を持った照明光９を実現する方法である。生体内に入射された以降は図１０と同じである。
【００４１】
＜第４の実施形態＞
本発明の光学式生体情報測定装置の第４の実施形態に付き、図１２を用い説明する。図１２は光学式生体情報測定装置の断面構造図であり、図９に示す第３の実施形態の照明光源７を個画素配列方向に複数個等間隔で配列した構造になっている。生体の断面構造としては図１，２と同様である。生体表面からの出射光を一次元的に画素６が配列された固体撮像装置５で撮像する。
【００４２】
図１２では照明光源７から出た光はレンズ８を経て、指向性を持った照明光９になり、生体の皮膚１からほぼ垂直方向から生体に入射される。生体組織内では一次、二次、三次の散乱光（それぞれを９’、９‘’、９‘’‘）が生じ、等倍結像レンズアレー４‘’で一次元的に配列された画素６上に結像される。これは図９と同じであるが、図１２に於いては複数の照明光源７からの散乱光が画素上で重畳される。
【００４３】
図１２の固体撮像装置５の画素出力分布を、各照明光源７に分けて図１３に示してある。図１３に於いては皮下脂肪厚さが変わった場合の、複数の画素出力分布パターンが表記されている。図１３中で太線にて示された画素出力パターンは、図４の皮下脂肪厚さが厚い場合と薄い場合の固体撮像装置５の画素６の画素出力パターンと同じである。図１３では照明光源が複数有り、この画素出力パターンが所定距離間隔で繰り返し重畳される。隣接の照明光源７の画素出力分布パターンを破線と一点鎖線にて示してある。
【００４４】
図１３の各照明光源に対応し積算された、固体撮像装置５の合成画素出力分布を、図１４に示してある。図１４に於いては皮下脂肪厚さが変わった場合の、画素出力分布パターンが表記されている。図１４の合成画素出力分布では照明光源の間隔に対応した周期的な出力ムラ（リップル）が発生する。平均的な合成画素出力レベルは皮下脂肪の厚さに依存し、厚くなるほど出力は大きくなる。
【００４５】
＜第５の実施形態＞
本発明の光学式生体情報測定装置の第５の実施形態に付き、図１５を用い説明する。図１５は光学式生体情報測定装置の断面構造図であり、図１２に示す第４の実施形態の照明光源の間隔に対応した周期的なムラを解消する構成となっている。その手段としては、照明光源７を一様な照明光に変換する機能を有する導光体１７の端部より照射し、導光体１７の内部に形成された散乱パターン（図示せず）にて散乱され、照明光として生体表面に照射される構造になっている。散乱パターンを工夫することにより、生体表面を均等に照明することが出来る。
【００４６】
図１５の導光体１７の内部に形成された散乱パターンにて散乱された照明光を生体表面に照射しているが、導光体から生体表面間の間に光学系を挿入し、指向性のある照明光で照射するようにしても良い。
【００４７】
図１５の照明光学系にて照射された、固体撮像装置５の画素６の画素出力分布を、図１６に示す。図１５に於いては皮下脂肪厚さが変わった場合の、画素出力分布パターンが表記されている。図１６の画素出力分布では均一な照明光源に対応し、周期的な出力ムラが生じない画素出力が得られる。画素出力レベルは皮下脂肪の厚さに依存し、図１４と同様に厚くなるほど出力は大きくなる。
上記の様な方法にて皮下脂肪厚さを測定することが可能となる。
【００４８】
＜第６の実施形態＞
本発明は単に皮下脂肪厚さを測定する以外に、生体内部の異物領域の検出も可能である。本目的の光学式生体情報測定装置の第６の実施形態に付き、図１７〜２１で説明する。
【００４９】
図１７は光学式生体情報測定装置の断面構造図である。照明光源７は導光体１７の端部より照射し、導光体１７の内部に形成された散乱パターン（図示せず）にて散乱され、照明光９として生体表面を均等に照射する構造になっている。照明光９は、生体の皮膚１からほぼ垂直方向から生体に入射される。生体組織内では一次、二次、三次の散乱光（それぞれを９’、９‘’、９‘’‘）が生じる。皮膚表面の一点からの出射光１１’は、二次元的に配置された棒状レンズ１３内を伝搬し、棒状レンズ１３の片端部より出射され収斂光１１’‘となり、固体撮像装置５の二次元的に配置された画素６上に結像される。棒状レンズ１３が二次元的に配置された等倍結像レンズアレー４‘’‘と称し、図１０の棒状レンズ一次元的に配置された等倍結像レンズアレー４‘’と区別している。
【００５０】
棒状レンズ１３が二次元的に配置された等倍結像レンズアレー４‘’‘としては、一次元的に棒状レンズ１３が配置された等倍結像レンズアレー４’‘を複数個並列して配置させても良い。図１７に示す等倍結像レンズアレー４‘’‘は、この様に形成されており、隣接する遮光材料１４の間には空隙部１８が設けられている。棒状レンズ１３の最大視野角θで決まる視野半径Ｒ0が隣接する棒状レンズ間で重なり合っていれば、等倍結像レンズアレー４‘’‘が覆っている生体表面の画像をカバーし、二次元的に配置された画素６に１：１で結像することが可能である。通常、被写体から棒状レンズ端面までの距離；Ｌ0は、棒状レンズの直径；Ｄに比べ１０倍程度大きく、最大視野角が２０〜４０°であっても、隣接の棒状レンズ間同士で視野半径の重なり合いが十分可能である。
【００５１】
第６の実施形態の光学式生体情報測定装置を、生体表面に垂直方向から見た平面図を図１８に示す。図１８は光学式生体情報測定装置を照射光源７より導光体１７に入射され、導光体内部で散乱された照明光は、導光体に沿って、ほぼ一様に皮膚１より生体内部に照射される。固体撮像装置５の画素（図示せず）は二次元的に配列されており、図１６の等倍結像レンズアレー４‘’‘（図示せず）は固体撮像装置５の画素下部に配置されている。皮膚１下部の生体内部に有る異物領域１９（例えば血管や腫瘍や空洞）の場所を円形の破線で示す。更にその異物の箇所を中心にした画素の配列方向を図中ではＡ-Ａ’、Ｂ-Ｂ’と示している。
【００５２】
図１８に示す光学式生体情報測定装置の第６の実施形態のＡ-Ａ‘の画素配列方向に沿った断面構造図に付き、図１９を用い説明する。照明光源７は導光体１７の端部より照射し、導光体１７の内部に形成された散乱パターン（図示せず）にて散乱され、照明光９として生体表面を均等に照射する構造になっている。照明光９は、生体の皮膚１からほぼ垂直方向から生体に入射される。生体組織内では一次、二次、三次の散乱光（それぞれを９’、９‘’、９‘’‘）が生じる。皮膚表面の一点からの出射光１１’は、等倍結像レンズアレー４‘’‘内の二次元的に配置された棒状レンズ１３内を伝搬し、片端部より出射され収斂光１１’‘となり、固体撮像装置５の二次元的に配置された画素６上に結像される。ここで生体内部に異物領域１９が存在すると、異物領域１９と生体組織例えば皮下脂肪２の屈折率の違いにより、散乱光の屈折が発生する。このため異物領域１９の有無により画素出力が異なる。
【００５３】
同様に、図１８に示す光学式生体情報測定装置の第６の実施形態のＢ-Ｂ‘の画素配列方向に沿った断面構造図に付き、図２０を用い説明する。照明光源７は導光体１７の端部より照射し、導光体１７より照明光９として生体表面を均等に照射する構造になっている。照明光９は、生体の皮膚１からほぼ垂直方向から生体に入射される。生体組織内では一次、二次、三次の散乱光（それぞれを９’、９‘’、９‘’‘）が生じる。生体内部に異物領域１９が存在すると、異物領域１９と生体組織例えば皮下脂肪２の屈折率の違いにより、同様に散乱光の屈折が発生し、異物領域１９の有無により画素出力が異なる。
【００５４】
図２０には導光体１７を出た光がレンズ８‘（導光体からの出射光の指向性を高めるレンズなので、図１０のレンズ８と区別し８’とした）を通過し、指向性を高めた照明光９となっている様子を示している。指向性を高めることで、生体内部の照明領域を限定した散乱光パターンの分析を行う事が出来、異物領域１９の特定精度を向上することが出来る。
【００５５】
図１９、図２０に示すＡ−Ａ‘方向とＢ−Ｂ‘方向の画素６の出力分布パターンを、図２１（ａ）、図２１（ｂ）にそれぞれ示す。異物領域の存在位置、大きさ、屈折率値により、出力分布パターンは異なる。
図２１（ａ）では異物が有る位置に最も近い画素の出力が他の画素よりも小さくなっている。
図２１（ｂ）では異物が有る位置に近い画素より遠方側の出力が他の画素よりも小さくなっている。
この光学式生体情報測定装置を生体表面の皮膚に沿って移動させることにより得られた画像を解析することにより、異物領域の形状や位置、深さを求めることが出来る。
【００５６】
＜第７の実施形態＞
第６の実施形態の光学式生体情報測定装置の光源としては、第１の実施形態の光学式生体情報測定装置で用いたスポット光の照明光源７でも良い。これを第７の実施形態の光学式生体情報測定装置と称し、生体表面に垂直方向から見た平面図を図２２に示す。皮膚１上に有る照射光源７より照射された照明光は生体内部で散乱され、皮膚１の表面からの出射光の同一強度を連結した出射光分布形状は、リング状１２となる。固体撮像装置５の画素６（図示せず）は二次元的に配列されている。画素の配列方向を図中ではＡ-Ａ’、Ｂ-Ｂ’と示している。第７の実施形態の光学式生体情報測定装置は、図３で示す第１の実施形態の光学式生体情報測定装置の結像光学系４が、等倍結像レンズアレー４‘’‘に置き換わった形態である。
【００５７】
図２２に示す第７の実施形態の光学式生体情報測定装置では、照明光源７から出射された照明光（図示せず）は、生体の皮膚１のほぼ垂直方向から生体にスポット的に入射される。
生体内部に異物領域１９が存在しないと、照明光は生体内部で等方的に散乱され、皮膚１の表面からの出射光の同一強度を連結した出射光分布形状は、図６の様にリング状１２となる。
この際に、生体内部に異物領域１９が存在すると、異物領域１９と生体組織例えば皮下脂肪２の屈折率の違いにより、散乱光の屈折が発生する。図２３は皮膚１の表面からの出射光の同一強度を連結した出射光分布形状であるが、異物領域の存在により形状はリング状から図２３の様に歪む。
【００５８】
図２３の様に異物領域１９が存在する場合には、図２２に示す固体撮像装置５の異物領域１９上のＢ-Ｂ’方向の画素６の画素出力分布は図２３の様になる。異物領域１９が無い場合には皮下脂肪での散乱により破線のような波形となるが、異物領域１９が有ると画素出力は減少し、出力分布は実線のように変化する。これが図２３でのリング状からの歪の起因である。
【００５９】
こうした波形は、図２２の第７の実施形態の光学式生体情報測定装置でも、図３に示す第１の実施形態の光学式生体情報測定装置でも、結像光学系による像の反転の違いはあるが、皮膚１の表面からの出射光パターンは同じ形状である。
【００６０】
＜第８の実施形態＞
以上の実施形態に於いては、皮膚表面からの出射光パターンは結像光学系にて固体撮像装置５の画素６に１：１に結像されていたが、本発明は結像光学系無しでも実施可能である。本発明の第８の実施形態の光学式生体情報測定装置に付き、図２５を用いて説明する。
【００６１】
図２５に於いて、固体撮像装置５の画素６を皮膚表面に接近させ、皮膚表面からの出射パターンと画素を密着状態にすることで、１：１の対応を取っている。照明光源７、レンズ８、照明光９、生体組織の散乱光９’ 、画像演算回路１０、皮膚１、皮下脂肪２、筋肉組織３の生体組織は図１と同じである。
【００６２】
図２５の第８の実施形態の光学式生体情報測定装置に於いて、固体撮像装置５の画素６を皮膚１に直接接触させることによる汚れ等が懸念される場合には、図２６に示す様に、皮膚１の表面と画素６の間にスペーサ２０を設けても良い。このスペーサを遮光性材料で形成し、画素毎に設けることにより、皮膚表面からの出射光の隣接画素領域への漏れ込みを防止し、１：１対応を保持できる。
【００６３】
＜第９の実施形態＞
以上の実施形態の説明に於いては、照明光源の波長に付いては特に触れて来なかったが、本発明は照明光源として、互いに異なる中心波長を有する複数の照明光源を用いても良い。ＬＥＤの様な微小な光源を使用する場合には、共通の照明光学系を使用することが出来る。複数の照明光源を用いた光学式生体情報測定装置を本発明の第９の実施形態とする。
【００６４】
照明光源の波長を変化させることは、生体内部に有る異物領域の探査には重要で、近赤外領域では成分により吸収スペクトルが異なることが知られている。例えば、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンの近赤外領域（例えば６７０ｎｍと８００ｎｍ）の吸光係数スペクトルの違いで血中酸素濃度を知ることが出来るので動脈や静脈の生体内部の位置の特定にも使用可能である。また脂肪の吸収は９００ｎｍ以上で顕著になる。
【００６５】
照明光源の波長により、生体内部の侵入深さが異なる。照明光源の波長を切り替えながら同一箇所の生体を観察することで、生体内部に有る異物領域の位置や物質の推定、形状の観察の精度が上がる。
【００６６】
＜第１０の実施形態＞
以上の実施形態の説明に於いては、光学式生体情報測定装置の移動に付いては特に触れて来なかったが、本発明は、互いに生体表面の異なる位置での画素パターンの比較より、装置の移動方向や移動量を算出することが出来る。複数の異なる位置での画像データを基に、移動方向と移動量を算出した光学式生体情報測定装置を本発明の第１０の実施形態とする。
【００６７】
また血流の様に生体内部で一方向に移動する物体が有る場合には、異なる撮影時間の画素出力データを比較することにより、生体内部での物体の移動スピードを求めることが出来る。この応用の場合には、図２７に示す様に、固体撮像装置５の画素６が一次元的に配置された二本の画素列（６ａ、６ｂ）を、一定距離ｄだけ離間させた構造のリニアセンサが適している。移動速度は、６ａと６ｂの画像パターンの相関性の時間差依存性で算出される。
【符号の説明】
【００６８】
１  皮膚
２  皮下脂肪
３  筋肉組織
４  結像光学系
４‘  凸レンズ
４‘’  等倍結像レンズ（一次元配列）
４‘’‘  等倍結像レンズ（二次元配列）
５  固体撮像装置
６  画素
７  照明光源
８  レンズ（照明光源用指向性レンズ）
８’  レンズ（導光体出射光用指向性レンズ）
９  照明光
９‘  散乱光（一次）
９‘’  散乱光（二次）
９‘’‘  散乱光（三次）
１０  画像演算回路
１１  出射光（生体表面への出射光）
１１‘  出射光（生体表面からの出射光）
１１‘’  出射光（結像光学系からの出射光）
１２  リング状出射光分布
１３  棒状レンズ
１４  遮光材料
１５  中空部
１６  ミラー
１７  導光体
１８  空隙部
１９  異物領域
【図１】
2017009398.tif 000003
【図２】
2017009398.tif 000004
【図３】
2017009398.tif 000005
【図４】
2017009398.tif 000006
【図５（ａ）】
2017009398.tif 000007
【図５（ｂ）】
2017009398.tif 000008
【図５（ｃ）】
2017009398.tif 000009
【図６】
2017009398.tif 000010
【図７】
2017009398.tif 000011
【図８】
2017009398.tif 000012
【図９】
2017009398.tif 000013
【図１０】
2017009398.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
2017009398.tif 000016
【図１３】
2017009398.tif 000017
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2017009398.tif 000020
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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