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JP2016150130A - 情報取得装置および情報取得方法 - Google Patents

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JP2016150130A JP2015029301A JP2015029301A JP2016150130A JP 2016150130 A JP2016150130 A JP 2016150130A JP 2015029301 A JP2015029301 A JP 2015029301A JP 2015029301 A JP2015029301 A JP 2015029301A JP 2016150130 A JP2016150130 A JP 2016150130A
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英人 石黒
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司 江口
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恵 伊藤
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Abstract

【課題】センサー感度が経時変化しても精度良く被検体における反射光の特性を検出することができる情報取得装置を提供する。【解決手段】成分測定装置1は、反射光32を入力して反射光32の光強度に対応する信号を出力するセンサーモジュール12と、反射光32の光強度を比較するための第1反射光32aをセンサーモジュール12に出力する校正板21と、センサーモジュール12に入力する反射光32を被測定部2aで反射した第2反射光32bと第1反射光32aとで切り替える校正ユニット14と、を備える。【選択図】図4

Description

本発明は、情報取得装置および情報取得方法に関するものである。
被検者の生体情報を非侵襲で取得する装置が活用されている。被検者に与える負荷が少なく安全性の高い装置になっている。その1つとして光を利用して血液成分の情報を取得する非侵襲血液分析装置が特許文献1に開示されている。それによると、センサーを被検者の皮膚面に接触させ、測定光を被検者の生体内に向けて照射する。血液中にはヘモグロビンが存在し、特定の波長の光を吸収する。そして、被検者から反射した光を分析することでヘモグロビンの中で酸化ヘモグロビンが占める割合を検出する。他にも血液成分等の生体情報を検出している。
特開平11−323号公報
特許文献1に記載の装置は検査対象とする血管を選択し、血液の情報を検出する。このとき光源部から光を射出し、撮像部にて受光する。光源部、撮像部は電子部品であり、経時変化をする。光源は光量が減少し、撮像部は光の感度が低下する。従って、検出する光の情報の精度が時間の経過にともない低下する。そこで、センサー感度が経時変化しても精度良く被検体における反射光の特性を検出することができる情報取得装置が望まれていた。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
本適用例にかかる情報取得装置であって、被検体で反射した第2反射光を入力して前記第2反射光の光強度に対応する信号を出力する受光部と、前記第2反射光の光強度を比較するための第1反射光を前記受光部に出力する反射率の安定した校正部と、前記受光部に入力する光を前記第2反射光と前記第1反射光とで切り替える切替部と、を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、情報取得装置は受光部、校正部及び切替部を備えている。切替部は受光部が入力する光を切り替える。そして、切替部は、被検体で反射した第2反射光と校正部で反射した第1反射光とのうち一方の反射光を受光部に入力する。第2反射光を受光部に入力するとき、受光部は被検体で反射した第2反射光の光強度に対応する信号を出力する。被検体は光を反射するときに被検体の成分に応じて特定の波長の光を吸収する。従って、受光部が出力する第2反射光の光強度を分析することにより被検体の情報を取得することができる。
第1反射光を受光部に入力するとき、受光部は校正部における反射光の光強度に対応する信号を出力する。校正部及び被検体を照射する光は経時変化し、受光部が反射光を信号に変換する変換率も経時変化する。一方、校正部は反射率が安定している。校正部における反射光を検出した光強度の変化量は校正部及び被検体を照射する光の変化及び受光部が反射光を信号に変換する変換率の変化の影響と相関を有している。従って、校正部における反射光を検出した光強度の変化量と被検体における反射光を検出した光強度とを用いることにより、精度良く被検体における反射光の特性を検出することができる。
[適用例2]
上記適用例にかかる情報取得装置において、前記受光部が前記第2反射光を入力するとき、前記第2反射光の光路を遮らない収納場所に前記切替部が前記校正部を移動することを特徴とする。
本適用例によれば、受光部が第2反射光を入力するとき、切替部は校正部を収納場所に移動する。収納場所は第2反射光の光路を遮らない場所になっている。従って、第2反射光が校正部に遮られずに受光部に入力することができる。
[適用例3]
上記適用例にかかる情報取得装置において、前記受光部が前記第1反射光を入力するとき、前記第2反射光の光路を遮る遮蔽場所に前記切替部が前記校正部を移動することを特徴とする。
本適用例によれば、受光部が第1反射光を入力するとき、切替部は校正部を遮蔽場所に移動する。遮蔽場所は第2反射光の光路を遮る場所になっている。従って、第2反射光を遮って第1反射光を受光部に入力することができる。
[適用例4]
上記適用例にかかる情報取得装置において、前記第1反射光の光強度の情報を用いて前記第2反射光の光強度の情報を校正する校正演算部を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、校正演算部が第1反射光の光強度の情報を用いて第2反射光の光強度の情報を校正する。第1反射光は校正部が受光部に出力した反射光である。第2反射光は被検体で反射した反射光である。従って、校正演算部は反射光において校正部に対する被検体の差を明確にすることができる。従って、校正部及び被検体を照射する光源や受光部の経時変化の影響を抑制して第2反射光を分析することができる。
[適用例5]
上記適用例にかかる情報取得装置において、前記受光部は、前記校正部または前記被検体を照射する光を射出する発光素子と、前記第1反射光または前記第2反射光が入力される受光素子と、を備え、前記発光素子の光軸と前記受光素子の光軸とは同じ向きを向くことを特徴とする。
本適用例によれば、受光部は発光素子及び受光素子を備えている。発光素子の光軸と受光素子の光軸とは同じ向きを向いている。発光素子は光を所定の指向特性で射出する。この光の指向特性の中で最も光量の高い方向を発光素子の光軸とする。受光素子は光の感度が所定の指向特性になっている。この感度の指向特性の中で最も感度の高い方向を受光素子の光軸とする。そして、受光部では光の発光量が高い方向と光の受光する感度が最も高い方向とが同じ向きになっている。
従って、発光素子の光軸及び受光素子の光軸の方向に校正部を設置するとき受光部は感度良く第1反射光を受光することができる。同様に、発光素子の光軸及び受光素子の光軸の方向に被検体を設置するとき受光部は感度良く第2反射光を受光することができる。
[適用例6]
上記適用例にかかる情報取得装置において、前記校正部はポリテトラフルオロエチレンを含むことを特徴とする。
本適用例によれば、校正部はポリテトラフルオロエチレンを含んでいる。ポリテトラフルオロエチレンは近赤外光を吸収せずに反射する。従って、校正に利用する第1反射光を効率良く得ることができる。
[適用例7]
上記適用例にかかる情報取得装置において、前記切替部が前記第1反射光と前記第2反射光とのどちらを前記受光部に入力するかを制御する制御部を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、制御部が切替部を制御する。そして、切替部は制御部の制御に従って、第1反射光と第2反射光とのどちらを受光部に入力するかを切り替える。作業手順に従って制御部が第1反射光の入力と第2反射光の入力とを切り替える為、被験者の操作を低減することができる。
[適用例8]
本適用例にかかる情報取得方法であって、被検体に情報取得装置を設置し、前記情報取得装置に内蔵された校正部に光を照射して反射した第1反射光の光強度を検出し、前記被検体に光を照射して反射した第2反射光の光強度を検出し、前記第1反射光の光強度と前記第2反射光の光強度とを用いて前記被検体の情報を取得し、前記被検体に前記情報取得装置を設置した状態で前記第1反射光の光強度を検出することと、前記第2反射光の光強度を検出することと、前記被検体の情報を取得することとを繰り返すことを特徴とする。
本適用例によれば、被検体に情報取得装置が設置される。そして、校正部に光を照射して反射した第1反射光の光強度が検出される。次に、被検体に光を照射して反射した第2反射光の光強度が検出される。続いて、第1反射光の光強度と第2反射光の光強度とを用いて被検体の情報が取得される。
被検体に情報取得装置が設置された状態で第1反射光の光強度の検出と、第2反射光の光強度の検出と、被検体の情報の取得が繰り返される。従って、被検体が移動しているときにも変化する被検体の情報を収集することができる。
第1の実施形態にかかわり、(a)は、成分測定装置の設置例を説明するための模式図、(b)及び(c)は成分測定装置の構造を示す模式平面図。 成分測定装置の構造を示す分解斜視図。 (a)は、センサーモジュールの構造を示す模式平面図、(b)は、センサーモジュールの構造を示す模式側断面図、(c)は、センサーモジュールの動作を説明するための部分模式側断面図。 (a)は校正ユニットの構造を示す模式平面図、(b)は校正ユニットの構造を示す模式側断面図、(c)及び(d)は校正ユニットの動作を説明するための模式図。 成分測定装置の電気制御ブロック図。 (a)は、情報取得方法のフローチャート、(b)は、ステップS2の校正板測定工程を詳細に示すフローチャート。 ステップS3の被検体測定工程を詳細に示すフローチャート。 生体情報取得方法を説明するための模式図。 生体情報取得方法を説明するための模式図。 生体情報取得方法を説明するための模式図。 生体情報取得方法を説明するための模式図。 第2の実施形態にかかわり、(a)はセンサー駆動回路の要部ブロック図、(b)はステップS2の校正板測定工程を詳細に示すフローチャート。 ステップS3の被検体測定工程を詳細に示すフローチャート。 第3の実施形態にかかわり、(a)はセンサー駆動回路の要部ブロック図、(b)はステップS2の校正板測定工程を詳細に示すフローチャート。
以下、実施形態について図面に従って説明する。
尚、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて図示している。
(第1の実施形態)
本実施形態では、成分測定装置と、この成分測定装置を用いて血液の成分を分析する、成分情報取得方法との特徴的な例について、図に従って説明する。
第1の実施形態にかかわる成分測定装置について図1〜図5に従って説明する。図1(a)は、成分測定装置の設置例を説明するための模式図である。図1(a)に示すように、情報取得装置としての成分測定装置1は被験者2の手首に設置される。成分測定装置1は、非侵襲式で被験者2の血液成分を測定する医療用の測定装置であり、医療機器である。成分測定装置1は手首の血管を流れる血液中の成分を測定する。本実施形態では例えば、血液成分としてグルコース濃度を測定する。グルコース濃度を測定することにより血糖値を測定することができる。
図1(b)及び図1(c)は成分測定装置の構造を示す模式平面図である。図1(b)は成分測定装置1の表面を示し、図1(c)は成分測定装置1の裏面を示す。図1(b)に示すように、成分測定装置1は腕時計と類似した形状になっている。成分測定装置1は本体ケース3を備えている。本体ケース3の図中左右には固定バンド4が設置され、固定バンド4は被験者2の手首や腕等の被測定部に成分測定装置1を固定する。固定バンド4にはマジックテープ(登録商標)が用いられている。成分測定装置1において固定バンド4が延在する方向をY方向とし、被験者2の腕が延在する方向をX方向とする。成分測定装置1が被験者2を向く方向をZ方向とする。X方向、Y方向及びZ方向は互いに直交する。
本体ケース3の表面3aは被験者2に装着したときに外向きになる面である。本体ケース3の表面3aには、操作スイッチ5、タッチパネル6及びスピーカー7が設置されている。操作スイッチ5やタッチパネル6を用いて被験者2が測定開始指示の入力を行う。そして、測定結果のデータがタッチパネル6に表示される。スピーカー7からは成分測定装置1から被験者2に注意を喚起する警告音が発せられる。
本体ケース3の側面には、外部装置と通信するための通信装置8が設置されている。通信装置8は有線ケーブルを介して通信する装置や無線通信を行うための無線通信モジュールを設置することができる。他にも、図示しない充電式電池を充填するためのコネクター9が設置されている。他にも、メモリーカード10を設置するためのリーダーライター11が設置されている。メモリーカード10は、フラッシュメモリーや強誘導体メモリー、磁気抵抗メモリー等のデータ書き換えが可能な不揮発性メモリーである。
図1(c)に示すように、本体ケース3の裏面3b側には受光部としてのセンサーモジュール12が設置されている。センサーモジュール12は被験者2の皮膚に接近させて用いられる。センサーモジュール12は被験者2の皮膚に測定光を照射し、反射光を受光するデバイスである。センサーモジュール12は光源とフォトセンサーアレイを内蔵する薄型のイメージセンサーである。
図2は成分測定装置の構造を示す分解斜視図である。図2に示すように、成分測定装置1はZ方向側から裏蓋13、切替部としての校正ユニット14、センサーモジュール12、回路ユニット15、スペーサー16、タッチパネル6、表ケース17の順に重ねて構成されている。裏蓋13及び表ケース17により本体ケース3が構成されている。
裏蓋13は板状の部材からなり、被験者2と接触する部材である。裏蓋13はX方向側に四角形の窓部13aが設置され、窓部13aはセンサーモジュール12と対向する場所に位置している。Z方向から見たとき、窓部13aを通してセンサーモジュール12が見えるようになっている。窓部13aにはガラス等の光透過性の板を配置してもよい。窓部13aを通して本体ケース3の内部に塵が入ることを防止することができる。また、センサーモジュール12が汚れることを防止することができる。
裏蓋13の−X方向側には振動装置18が設置されている。振動装置18は裏蓋13を振動させることができる。そして、成分測定装置1は裏蓋13を振動させて、被験者2に注意を喚起させる機能を備えている。振動装置18は裏蓋13を振動できれば良く振動装置18を構成する部材は特に限定されない。本実施形態では、例えば、振動装置18に圧電素子を用いている。
校正ユニット14には校正部としての校正板21が設置され、校正板21はX方向に移動可能になっている。校正板21は反射率が長期間安定しておりセンサーモジュール12の経時変化を検出するときに用いる板である。センサーモジュール12は発光素子、受光素子、分光素子が格子状に設置され被験者2に光を照射し特定の波長の反射光の光強度を検出するセンサーである。
回路ユニット15は回路基板22を備えている。回路基板22には振動装置18、校正ユニット14、センサーモジュール12及びタッチパネル6を駆動し制御する電気回路23が設置されている。電気回路23は複数の半導体チップにより構成されている。他にも、回路基板22には操作スイッチ5、スピーカー7、通信装置8、コネクター9、リーダーライター11、充電式蓄電池24が設置されている。充電式蓄電池24はコネクター9と電気的に接続され、コネクター9を介して充電することができる。
スペーサー16は回路ユニット15とタッチパネル6との間に設置される構造体である。回路ユニット15の−Z方向側の面には複数の素子が設置されているので凹凸ができている。スペーサー16は回路基板22に被せて設置され、タッチパネル6側の面を平坦にする機能を備えている。スペーサー16には複数の孔16aが設置され、操作スイッチ5及びスピーカー7が孔16aを貫通する。
タッチパネル6は表示部25上に操作入力部26が設置された構造になっている。表示部25は電子データを画像にして表示可能であれば良く特に限定されず、液晶表示装置やOLED(Organic light−emitting diodes)表示装置を用いることができる。本実施形態では、例えば、表示部25にOLEDを用いている。
操作入力部26は透明板の表面に透明電極を格子状に配置した入力装置である。操作者が透明電極に触れるとき電流が交差する電極間に流れるので操作者が触れた場所を検出することが可能になっている。透明板は光透過性のある板であれば良く樹脂シートやガラス板を用いることができる。透明電極は光透過性があり導電性の有る膜であれば良く、例えば、IGO(Indium−gallium oxide)、ITO(Indium Tin Oxide)、ICO(Indium−cerium oxide)を用いることができる。表示部25には測定の状況や測定結果等が表示される。操作スイッチ5は操作入力部26と同様に成分測定装置1を操作するスイッチである。操作者は操作入力部26及び操作スイッチ5を操作して血糖値の測定開始指示や測定条件等の各種指示入力を行う。
表ケース17には複数の孔17aが設置され、孔17aから操作入力部26、操作スイッチ5、スピーカー7、通信装置8、コネクター9及びリーダーライター11が露出する。そして、裏蓋13と表ケース17とで校正ユニット14〜タッチパネル6を挟んで収納する。
図3(a)は、センサーモジュールの構造を示す模式平面図であり、センサーモジュール12を裏面3b側から見た図である。図3(b)は、センサーモジュールの構造を示す模式側断面図である。図3(c)は、センサーモジュールの動作を説明するための部分模式側断面図である。図3(a)に示すように、センサーモジュール12には発光素子27が格子状に二次元配列されている。そして、隣り合う発光素子27の間には分光素子28が設置されている。
発光素子27及び分光素子28が配列する方向をX方向及びY方向とする。発光素子27及び分光素子28におけるX方向及びY方向の配置間隔は同一になっている。そして、発光素子27と分光素子28とはX方向及びY方向の位置が互いに所定の長さだけずらして配置されている。これにより、裏面3b側から見て分光素子28は発光素子27と重なっていない部分が広い配置になっている。そして、被験者2側から進行する光が分光素子28に到達する構造になっている。
発光素子27は画像用発光素子27a及び測定用発光素子27bにより構成されている。図中1行目、3行目、5行目、7行目、9行目は測定用発光素子27bにより構成されている。図中2行目、4行目、6行目、8行目では画像用発光素子27aと測定用発光素子27bとが交互に配置されている。1つの分光素子28に対して4つの発光素子27が設置されている。その4つの発光素子27の構成は1つが画像用発光素子27aであり3つが測定用発光素子27bになっている。
血管の位置を検出するために撮影するときに画像用発光素子27aから被験者2に光を照射する。画像用発光素子27aが照射する光の波長は800nmを中心にして700nm〜900nmになっている。血液中のヘモグロビンは波長が800nmの光をよく吸収する。従って、被験者2に画像用発光素子27aから光を照射して撮影するとき血管の配置を撮影することができる。
血液中のグルコース濃度を検出するために撮影するときに測定用発光素子27bから被験者2に光を照射する。測定用発光素子27bが照射する光の波長は1450nmを中心にして900nm〜2000nmになっている。血液中のグルコースは波長が1200nm、1600nm、2000nmの光をよく吸収する。従って、被験者2に測定用発光素子27bから光を照射して血液中のグルコース濃度を検出することができる。尚、グルコースはブドウ糖とも称される。
図を見やすくするために発光素子27は9行9列の配列になっている。発光素子27及び分光素子28の配列の行数及び列数は特に限定されず、適宜設定可能である。例えば、配置間隔は、1〜1500[μm]にすると好適であり、製造コストと測定精度との兼ね合いから、例えば100〜1500[μm]程度とするのが好ましい。また、発光素子27と分光素子28とが積層された構成に限らず、発光素子27と分光素子28とが平面に並置されていても良い。本実施形態では例えば250行×250列の発光素子27が設置されている。発光素子27間の間隔も特に限定されないが、本実施形態では例えば発光素子27間の間隔は0.1mmになっている。従って、センサーモジュール12は撮像素子としても機能するようになっている。
図3(b)に示すように、発光素子27の配列が光源としての発光層29を構成している。発光素子27は測定光を照射する照射部である。発光素子27は皮下組織に対して透過性を有する近赤外線を発光できれば良く特に限定されない。発光素子27には、例えば、LED(Light Emitting Diode)やOLED(Organic light−emitting diode)等を用いることができる。
発光層29と重ねて遮光層30が設置されている。発光層29が被験者2に向けて射出した光としての測定光31は被験者2の皮下組織にて反射し反射光32となる。遮光層30は分光素子28へ向かう光を通過させて、それ以外の光を選択的に遮蔽する。遮光層30に重ねて分光層33が設置されている。分光層33では分光素子28が格子状に配列されている。分光素子28は所定の波長の近赤外線を選択的に透過させる素子であり、エタロンと称される。分光素子28は指示信号を入力し、指示信号が指示する波長の反射光32を通過させる素子である。分光素子28には一対の鏡が対向して配置され、鏡間距離を調整する静電アクチュエーターが設置されている。そして、静電アクチュエーターが鏡間距離を調整することにより所定の波長の反射光32を通過させることが可能になっている。
グルコースのピーク波長は1200nm、1600nm、2000nmである。この3波長の透過率を検出することにより血中糖度を測定することができる。分光素子28が通過する反射光32の波長は特に限定されないが、本実施形態では、例えば、グルコースを検出するときは分光素子28が1600nmを中心にして1500nm〜1700nmの波長の光を通過させている。
分光層33と重ねて受光層34が設置されている。受光層34では受光素子35が平面状に二次元配列されている。受光素子35の配列は分光素子28の配列と同じ配列になっている。そして、反射光32の進行方向から見たとき各受光素子35は分光素子28と重なるように配置されている。
受光素子35は反射光32を受光して受光量に応じた電気信号を出力する受光部である。受光素子35は光の強度を電気信号に変換できる素子であれば良く、例えば、CCD(Charge Coupled Device Image Sensor)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)等の撮像素子を用いることができる。また、1つの受光素子35は検量に必要な各波長成分を受光する複数の素子を含む構成になっていても良い。そして、このセンサーモジュール12は発光層29の側の面が正面側であり、正面側が被験者2の皮膚面に向かうように、本体ケース3の裏面3bに設置されている。
発光素子27の光軸と受光素子35の光軸とは同じ向きを向いている。発光素子27は測定光31を所定の指向特性で射出する。この測定光31の指向特性の中で最も光量の高い方向を発光素子の光軸とする。受光素子35は反射光32を検出する感度が所定の指向特性になっている。この感度の指向特性の中で最も感度の高い方向を受光素子35の光軸とする。そして、センサーモジュール12では光の発光量が高い方向と光の受光する感度が最も高い方向とが同じ向きになっている。
従って、発光素子27の光軸及び受光素子35の光軸の方向に校正板21を設置するときセンサーモジュール12は感度良く第1反射光32aを受光することができる。同様に、発光素子27の光軸及び受光素子35の光軸の方向に被検体としての被測定部2aを設置するときセンサーモジュール12は感度良く第2反射光32bを受光することができる。
図3(c)に示すように、血管36の配置を撮影するときにはセンサーモジュール12の総ての画像用発光素子27aを一斉に発光させる。センサーモジュール12と対向する場所を被測定部2aと称す。そして、被験者2の被測定部2aの全域に測定光31を照射する。そして、総ての受光素子35にて反射光32を受光し、生体画像を取得する。血液成分を測定するときには特定の測定用発光素子27bを発光させて、特定の受光素子35が反射光32を受光する。
図4(a)は校正ユニットの構造を示す模式平面図である。図4(b)は校正ユニットの構造を示す模式側断面図であり、図4(a)のA−A線に沿う面側から見た断面図である。図4(c)及び図4(d)は校正ユニットの動作を説明するための模式図である。図4(a)及び図4(b)に示すように校正ユニット14は四角形の枠体37を備えている。枠体37は−Y方向側に位置する第1案内部材37aと+Y方向側に位置する第2案内部材37bを備えている。第1案内部材37a及び第2案内部材37bは平行に配置されX方向に延在する。第1案内部材37a及び第2案内部材37bは第1支持部材37c及び第2支持部材37dにより連結されている。
枠体37の枠内には校正板21が設置されている。第1案内部材37aにはX方向に延在する第1案内溝38が設置されている。同様に、第2案内部材37bにもX方向に延在する第2案内溝41が設置されている。校正板21は−Y方向側の面に第1凸部21aが設置され、+Y方向側の面に第2凸部21bが設置されている。第1凸部21aは第1案内溝38に挿入され、第1凸部21aは第1案内溝38に沿ってX方向に摺動する。第2凸部21bは第2案内溝41に挿入され、第2凸部21bは第2案内溝41に沿ってX方向に摺動する。そして、これにより、校正板21はX方向に移動可能になっている。
第1案内部材37aの−X方向側にはモーター42が設置され、モーター42の回転軸にはねじ棒43が設置されている。第1凸部21aの−Y方向側の端にはナット44が設置され、ナット44はねじ棒43に螺入されている。これにより、モーター42がねじ棒43を回転させるとき、ねじ棒43の回転にともなってナット44がX方向に移動する。ナット44は校正板21に固定されているので、モーター42を駆動することにより校正板21をX方向に往復移動させることができる。
図4(c)に示すように、枠体37の−Z方向側にはセンサーモジュール12が位置している。そして、センサーモジュール12は+X方向側に位置している。枠体37の内部において+X方向側を遮蔽場所45とし、−X方向側を収納場所46とする。校正板21が遮蔽場所45に位置するとき、被験者2を反射した反射光32を第2反射光32bとする。校正ユニット14が校正板21を遮蔽場所45に移動するとき、第2反射光32bの光路は校正板21に遮蔽される。これにより、第2反射光32bはセンサーモジュール12には到達しない。センサーモジュール12が校正板21に測定光31を照射するとき校正板21を反射した反射光32を第1反射光32aとする。センサーモジュール12には第1反射光32aが入力される。
校正板21の材質は赤外光を長期間安定して反射すれば良く特に限定されない。ポリテトラフルオロエチレンや金属を用いることができる。ポリテトラフルオロエチレンはテフロン(登録商標)とも称される。本実施形態では、例えば、校正板21の材質にポリテトラフルオロエチレンの粒子を押し固めて焼結した板を用いている。この板は1500nm〜1700nmの波長領域で約98%以上の高い反射率を有している。
図4(d)に示すように、モーター42を駆動して校正ユニット14が校正板21を収納場所46に移動させる。このとき、遮蔽場所45は空間になるので、測定光31及び反射光32は校正ユニット14を通過する。センサーモジュール12は被測定部2aに測定光31を照射して、被測定部2aにて反射した第2反射光32bを入力する。これにより、センサーモジュール12は被測定部2aの撮影及び第2反射光32bの検出をすることができる。
図5は成分測定装置の電気制御ブロック図である。図5において、成分測定装置1は成分測定装置1の動作を制御する制御装置47を備えている。そして、制御装置47はプロセッサーとして各種の演算処理を行うCPU48(Central Processing Unit)と、各種情報を記憶するメモリー49とを備えている。センサー駆動回路50、モーター駆動回路51、操作入力部26、表示部25、操作スイッチ5、スピーカー7、振動装置18、通信装置8及びリーダーライター11は入出力インターフェイス52及びデータバス53を介してCPU48に接続されている。
センサー駆動回路50はセンサーモジュール12を駆動する回路である。センサー駆動回路50はセンサーモジュール12を構成する発光素子27、分光素子28及び受光素子35を駆動する。センサーモジュール12には発光素子27、分光素子28及び受光素子35が平面状に二次元配列されている。センサー駆動回路50はCPU48の指示信号に従って発光素子27を点灯及び消灯する。そして、センサー駆動回路50はCPU48の指示信号に従って分光素子28を通過させる反射光32の波長を設定する。さらに、センサー駆動回路50は受光素子35が受光した光の光強度の信号を増幅しデジタル信号に変換してCPU48に送信する。
モーター駆動回路51はモーター42を駆動する回路である。モーター駆動回路51はCPU48の指示によりモーター42を所定の回転数だけ回転させる。そして、モーター駆動回路51は校正板21を遮蔽場所45と収納場所46との間で移動させる回路である。
表示部25はCPU48の指示により所定の情報を表示する。表示内容に基づき操作者が操作入力部26を操作して指示内容を入力する。そして、この指示内容はCPU48に伝達される。
スピーカー7は音声の出力装置であり、CPU48からの指示により各種の音声出力を行う。スピーカー7によって、血糖値測定開始や測定終了、エラー発生等の報知音が出力される。通信装置8は、無線通信回路、有線通信回路や通信制御回路等の回路により構成された装置である。通信装置8は外部の装置との通信を行う。
振動装置18は裏蓋13を振動させる装置である。裏蓋13は被験者2に接触しているので、成分測定装置1は裏蓋13を振動させることにより被験者2に注意を喚起させることができる。成分測定装置1の使用環境によりスピーカー7から音を出せないときには振動装置18を用いて被験者2に注意を喚起させることができる。
メモリー49は、RAM、ROM等といった半導体メモリーや、ハードディスク、DVD−ROMといった外部記憶装置を含む概念である。機能的には、成分測定装置1の動作の制御手順が記述されたシステムプログラム54を記憶する記憶領域や、血液成分を推定する演算手順が記述された血液成分測定プログラム55を記憶するための記憶領域が設定される。他にも、発光素子27の位置を示すデータである発光素子リスト56を記憶するための記憶領域が設定される。
他にも、受光素子35の位置を示すデータである受光素子リスト57を記憶するための記憶領域が設定される。他にも、メモリー49には発光素子27を全点灯して血管36の配置を撮影した生体画像データ58を記憶するための記憶領域が設定される。他にも、メモリー49には校正ユニット14を用いて光強度を校正するときに用いられる校正関連データ61を記憶するための記憶領域が設定される。他にも、メモリー49には生体画像データ58から演算した血管36の位置を示す血管位置データ62を記憶するための記憶領域が設定される。他にも、メモリー49には測定する血管36の位置を示すデータである測定位置データ63を記憶するための記憶領域が設定される。
他にも、メモリー49には測定した血液の光透過率のデータである吸光スペクトルデータ64を記憶するための記憶領域が設定される。他にも、メモリー49には測定した血液成分の血中濃度を示す血液成分値データ65を記憶するための記憶領域が設定される。他にも、CPU48のためのワークエリアやテンポラリーファイル等として機能する記憶領域やその他各種の記憶領域が設定される。
CPU48は、メモリー49内に記憶されたシステムプログラム54及び血液成分測定プログラム55に従って、血液中のグルコース濃度を測定する制御を行うものである。具体的な機能実現部としてCPU48は発光制御部66を有する。発光制御部66は複数の発光素子27を選択的に発光させる制御と消灯させる制御を行う。他にも、CPU48は受光制御部67を有する。受光制御部67は、複数の受光素子35が受光した光量のデジタルデータを取得する制御を行う。他にも、CPU48はフィルター制御部68を有する。フィルター制御部68は、センサー駆動回路50に分光素子28が通過する波長を切り換えさせる制御を行う。他にも、CPU48は制御部としての校正板制御部69を有する。校正板制御部69は、モーター駆動回路51にモーター42を駆動させて校正板21の位置を切り換えさせる制御を行う。これにより、被験者2が操作しなくても状況に応じてセンサーモジュール12への第1反射光32aの入力と第2反射光32bの入力とを切り替えることができる。
他にも、CPU48は、生体画像取得部70を有する。生体画像取得部70は、センサーモジュール12の直下の身体部位の生体画像の取得を行う。生体画像の取得は、公知の静脈認証技術等における生体画像の撮影技術を適宜利用することで実現する。すなわち、センサーモジュール12の画像用発光素子27aを一斉発光させ、総ての受光素子35による撮影を行う。そして、撮影した画像である生体画像を生成する。生体画像取得部70によって取得された生体画像は生体画像データ58としてメモリー49に記憶される。
他にも、CPU48は測定位置演算部71を有する。測定位置演算部71は生体画像に所定の画像処理を行って血管位置のデータを取得する。具体的には公知の技術を用いて生体画像から静脈パターンを識別する。例えば、生体画像の画素毎に基準輝度と比較して2値化やフィルター処理を施す。処理後の生体画像において基準輝度未満の画素が血管を示し、基準輝度以上の画素が非血管領域を示す。測定位置演算部71によって取得された血管位置のデータは血管位置データ62としてメモリー49に記憶される。
測定位置演算部71は、所定の選択条件を満たす場所の血管36を測定対象として選択する。ここで、測定対象とする場所の血管36は、1つであっても良いし、複数選択しても良い。測定対象として選択された場所の血管36のデータは、測定位置データ63としてメモリー49に記憶される。
測定位置演算部71は、測定場所の血管36それぞれにおいて駆動する測定用発光素子27b及び受光素子35を選択する。具体的には、測定する場所の血管36の中心線と直交する直線上に位置する発光素子27及び受光素子35を選択する。このとき、測定する場所と発光素子27との距離及び測定する場所と受光素子35との距離が最適距離と近い値となるように測定用発光素子27b及び受光素子35を選択する。選択された測定用発光素子27bは発光素子リスト56としてメモリー49に記憶される。そして、選択された受光素子35は受光素子リスト57としてメモリー49に記憶される。
他にも、CPU48は測定制御部72を有する。測定制御部72はセンサー駆動回路50に測定用発光素子27bを点灯させる。そして、センサー駆動回路50に受光素子35を駆動させて反射光32の光強度を検出する。この光強度は血管36を通過した光の光強度である。他にも、CPU48は校正演算部73を有する。校正演算部73は校正板21に測定光31を照射して受光素子35に反射光32を入力させる。そして、センサーモジュール12の検出感度を測定し校正係数を演算する。さらに、校正係数を用いて測定制御部72が測定した光強度を校正する。
他にも、CPU48は吸光スペクトル算出部74を有する。吸光スペクトル算出部74は、測定した血管36の吸光スペクトルを生成する。具体的には、受光素子35が受光した光の光強度をもとに、血管36の透過率Tを算出し、吸光スペクトルを生成する。算出した吸光スペクトルは吸光スペクトルデータ64としてメモリー49に記憶される。測定する波長λの数は複数でなくても良く、1つだけでも良い。波長λは測定する血液成分により変更する。
他にも、CPU48は成分値算出部75を有する。成分値算出部75は吸光スペクトルに基づいてグルコース濃度を算出する。吸光スペクトルの算出方法には重回帰分析法、主成分回帰分析法、PLS回帰分析法、独立成分分析方等の分析法を用いることができる。計測する場所の血管36が複数の場合には、各血管36にかかる吸光スペクトルを平均した吸光スペクトルからグルコース濃度を算出する。算出した値は、血液成分値データ65としてメモリー49に記憶される。
尚、本実施形態では、上記の各機能がCPU48を用いてプログラムソフトで実現することとしたが、上記の各機能がCPU48を用いない単独の電子回路(ハードウェア)によって実現できる場合には、そのような電子回路を用いることも可能である。
次に上述した成分測定装置1を用いた情報取得方法について図6〜図11にて説明する。図6(a)は、情報取得方法のフローチャートである。
図6(a)のフローチャートにおいて、ステップS1は装置設置工程に相当し、操作者が成分測定装置1を被験者2に設置する工程である。次にステップS2に移行する。ステップS2は校正板測定工程に相当する。校正板21に測定光31を照射し、受光素子35が反射光32を検出する。そして、校正演算部73が校正係数を算出する工程である。ステップS3は被検体測定工程である。この工程は、被測定部2aに測定光31を照射し、受光素子35が反射光32を検出する。そして、血中グルコースを測定する工程である。次にステップS4に移行する。ステップS4は警告判断工程であり、被験者2を警告するか警告しないかを判断する工程である。警告するとき、ステップS5に移行する。警告しないときにはステップS6に移行する。
ステップS5は警告工程である。この工程は、被験者2に異常事態が発生したことを警告する工程である。次にステップS6に移行する。ステップS6は終了判断工程であり、測定を継続するか終了するかを判断する工程である。測定を継続するとき、ステップS2に移行する。測定を終了する判断をするときにはステップS7に移行する。ステップS7は装置除去工程である。この工程は、被験者2から成分測定装置1を除去する工程である。以上により情報を取得する工程を終了する。
図6(b)は、ステップS2の校正板測定工程を詳細に示すフローチャートである。図6(b)のフローチャートにおいて、ステップS11は校正板設置工程に相当する。この工程は遮蔽場所45に校正板21を移動する工程である。次にステップS12に移行する。ステップS12は校正データ取得工程である。この工程は、校正板21に測定光31を照射して第1反射光32aを検出する工程である。次にステップS13に移行する。
ステップS13は校正係数演算工程である。この工程は、第1反射光32aの光強度を用いてステップS3の被検体測定工程に用いる校正係数を演算する工程である。次にステップS14に移行する。ステップS14は校正板収納工程である。この工程は、校正板21を収納場所46に移動する工程である。以上の工程によりステップS2の校正板測定工程を終了する。
図7は、ステップS3の被検体測定工程を詳細に示すフローチャートである。図7のフローチャートにおいて、ステップS21は画像取得工程に相当する。この工程は生体画像取得部70が総ての画像用発光素子27aを一斉に発光させて、受光層34の受光素子35が血管36の画像を撮影する工程である。次にステップS22に移行する。ステップS22は血管位置取得工程である。この工程は、測定位置演算部71が撮影した画像を用いて血管36の位置を取得する工程である。次にステップS23に移行する。
ステップS23は測定対象選択工程である。この工程は、測定位置演算部71が血管36のうち測定に適した場所を選択する工程である。さらに、測定位置演算部71は参照用に測定する場所を選択する。次にステップS24に移行する。ステップS24は受発光素子選定工程である。この工程は、測定位置演算部71が測定時に駆動する測定用発光素子27b及び受光素子35を選択する工程である。さらに、測定位置演算部71が参照用のデータを取得するために駆動する測定用発光素子27b及び受光素子35を選択する。次にステップS25に移行する。
ステップS25は測定工程である。この工程は、測定用発光素子27bから被測定部2aに測定光31を照射し、受光素子35が受光する第2反射光32bの光強度を測定する工程である。次にステップS26に移行する。ステップS26は校正工程である。この工程は、校正演算部73が測定した光強度に校正係数を積算する工程である。次にステップS27に移行する。ステップS27は吸光スペクトル演算工程である。この工程は、測定結果のデータを用いて吸光スペクトル算出部74が血液の透過率を演算する工程である。次にステップS28に移行する。ステップS28は平均吸光スペクトル演算工程であり、複数の測定場所における血液の透過率を用いて透過率の平均値を演算する工程である。次にステップS29に移行する。ステップS29は血中成分濃度演算工程である。この工程は、グルコース濃度を演算する工程である。以上の工程によりステップS3の被検体測定工程を終了する。
図8〜図11は生体情報取得方法を説明するための模式図である。次に、図8〜図11を用いて、図6及び図7に示したステップと対応させて、生体情報取得方法を詳細に説明する。図8(a)はステップS1の装置設置工程に対応する図である。図8(a)に示すように、ステップS1において、操作者が被験者2に成分測定装置1を設置する。裏面3bが被験者2に接触するように成分測定装置1を設置する。このとき、タッチパネル6が見えるように設置される。次に、操作者は操作スイッチ5を押して測定を開始する。
図8(b)はステップS11の校正板設置工程に対応する図である。図8(b)に示すように、ステップS11において、校正板制御部69がモーター駆動回路51に校正板21を収納場所46から遮蔽場所45に移動する指示信号を出力する。モーター駆動回路51は指示信号を入力してモーター42を駆動する。これにより、校正ユニット14が校正板21を収納場所46から遮蔽場所45に移動する。校正板21はセンサーモジュール12と対向する場所に位置し、第2反射光32bの光路を遮る。これにより、センサーモジュール12に第2反射光32b等の外光が入力されることが抑制される。
図8(c)及び図8(d)はステップS12の校正データ取得工程に対応する図である。図8(c)に示すように、ステップS12において、測定用発光素子27bを1つ点灯して校正板21を照射する。測定用発光素子27bから射出された測定光31は校正板21にて反射した第1反射光32aとなる。第1反射光32aはセンサーモジュール12を照射する。そして、点灯した測定用発光素子27bの近くの受光素子35が第1反射光32aを受光し光強度を検出する。受光素子35が光強度を検出したら測定用発光素子27bを消灯し別の測定用発光素子27bを点灯する。これにより、点灯した測定用発光素子27bと受光素子35との組み合わせにおける光検出感度のデータを取得することができる。
測定用発光素子27bを切り替えて順次測定用発光素子27bを点灯する。そして、点灯した測定用発光素子27bの近くの受光素子35が第1反射光32aを受光し光強度を検出する。これにより、総ての測定用発光素子27bにおける光検出感度のデータを取得する。図8(d)において、縦軸は、受光素子35が検出した光強度を示す。横軸は素子番号を示している。素子番号は測定用発光素子27bの番号と受光素子35の番号の組合せになっている。
各測定用発光素子27b及び各受光素子35には番号が設定されている。例えば、2番目の測定用発光素子27bを点灯して5番目の受光素子35が検出したデータの素子番号は(2,5)とする。感度データ線76は各素子番号の組合せにおける光強度の例を示している。感度データ線76が示すように測定用発光素子27bと受光素子35との組合せに対応した光強度が測定され校正関連データ61としてメモリー49に記憶される。尚、感度データ線76は折れ線グラフの形式であるが、素子番号と光強度との組を表形式にして記憶しても良い。
次に、ステップS13の校正係数演算工程において校正演算部73が校正係数を演算する。まず、予め光強度の基準値を設定しておく。光強度の基準値は性能が既知になっている測定用発光素子27bから測定光31を発光し性能が既知になっている受光素子35が受光する光強度にて設定するのが好ましい。
次に、校正演算部73が基準値を各素子番号の光強度で除算して校正係数を算出する。基準値と検出した光強度とが同じ値のとき校正係数は1になる。基準値より検出した光強度が大きいとき校正係数は1より小さくなる。基準値より検出した光強度が小さいとき校正係数は1より大きくなる。
図9(a)はステップS13の校正係数演算工程に対応する図である。図9(a)において、縦軸は、校正係数を示す。横軸は素子番号を示している。校正係数線77は各素子番号の組合せにおける校正係数の例を示している。校正係数線77が示すように測定用発光素子27bと受光素子35との組合せに対応した校正係数が演算され校正関連データ61としてメモリー49に記憶される。尚、校正係数線77は折れ線グラフの形式であるが、素子番号と校正係数との組を表形式にして記憶しても良い。
図9(b)はステップS14の校正板収納工程に対応する図である。図9(b)に示すように、ステップS14において、校正板制御部69がモーター駆動回路51に校正板21を遮蔽場所45から収納場所46に移動する指示信号を出力する。モーター駆動回路51は指示信号を入力してモーター42を駆動する。これにより、校正ユニット14が校正板21を遮蔽場所45から収納場所46に移動する。そして、センサーモジュール12には被測定部2aで反射した第2反射光32bが入力可能になる。以上の工程によりステップS2の校正板測定工程を終了しステップS3の被検体測定工程の先頭工程であるステップS21の画像取得工程に移行する。
ステップS21において、被測定部2aの撮影が行われる。生体画像取得部70が発光制御部66に画像用発光素子27aを点灯する指示信号を出力する。発光制御部66はセンサー駆動回路50に画像用発光素子27aを点灯する指示信号を出力する。センサー駆動回路50は画像用発光素子27aを駆動して点灯させる。画像用発光素子27aが射出した測定光31は被測定部2aを照射する。
次に、生体画像取得部70がフィルター制御部68に分光素子28が透過する光の波長を800nmにする指示信号を出力する。フィルター制御部68はセンサー駆動回路50に分光素子28の波長特性を変更する指示信号を出力する。センサー駆動回路50は分光素子28を駆動して分光素子28が透過する光の波長を800nmにする。これにより、血管36が測定光31を吸収するので血管36を撮影し易くなる。
次に、生体画像取得部70が受光制御部67に撮像する指示信号を出力する。受光制御部67はセンサー駆動回路50に受光素子35を駆動する指示信号を出力する。センサー駆動回路50は受光素子35を駆動して入力された光の光強度を受光データに変換して受光制御部67に出力する。受光素子35は格子状に配列されているので受光データは生体画像78を形成する。受光制御部67は生体画像78を生体画像データ58としてメモリー49に記憶する。
図9(c)はステップS21の画像取得工程及びステップS22の血管位置取得工程に対応する図である。図9(c)に示す生体画像78はセンサーモジュール12が出力した被測定部2aの生体画像78である。生体画像78は、センサーモジュール12における受光素子35の配列に対応する画素による二次元画像として得られる。血管36は非血管部よりも近赤外線を吸収し易い。このため、生体画像78において、血管36の像である血管像78aは非血管部の像である非血管像78bよりも輝度が低く暗くなる。このため、生体画像78において輝度が低くなっている部分を抽出することで、血管パターンを抽出することができる。すなわち、生体画像78を構成する画素毎に、その輝度が所定の閾値以下であるか否かによって該当する受光素子35の直下に血管36が存在するか否かを判定することができる。これにより、血管36の位置を検出することができる。
図9(d)はステップS23の測定対象選択工程に対応する図であり、生体画像78に基づいて得られる血管位置情報を示す模式図である。血管位置の情報は生体画像78を構成する画素毎に血管36であるか非血管部81であるかを示す情報となる。ステップS23において測定位置演算部71が血管36の測定場所である測定部位82を選択する。測定位置演算部71は測定部位82を、次の選択条件を満たすように選択する。選択条件とは、「血管の分岐部分や合流部分、画像の端部以外の部位であり、且つ、所定の長さ及び幅を有する」ことである。
血管の分岐・合流部分36aでは反射光32に、測定対象以外の血管36を透過した光が混合する可能性がある。測定対象の血管36以外の血管36を透過した光は、測定対象の測定部位82の吸光スペクトルに影響を及ぼし、測定精度が低下する可能性がある。このため、血管36の分岐・合流部分36aを除いた部分から測定部位82を選択する。
また、生体画像78における血管36の端部36bでは、画像の外側近傍の血管の分岐や合流といった構造が不明である。このため、上述と同様の理由による測定精度の低下の可能性を避けるために、生体画像78の端部36bを除いた血管36から測定部位82を選択する。
図10(a)はステップS24の受発光素子選定工程に対応する図である。図10(a)に示すように、ステップS24において、測定位置演算部71が測定時に駆動する測定用発光素子27b及び受光素子35を選定する。このとき、測定用発光素子27bと受光素子35との間に測定部位82が位置するように測定用発光素子27b及び受光素子35を選定する。受光素子35は測定部位82を透過した光を検出する。
さらに、測定位置演算部71は参照用の測定に駆動する測定用発光素子27b及び受光素子35を選定する。このとき、測定用発光素子27bと受光素子35との間に測定部位82が位置しないように測定用発光素子27b及び受光素子35を選定する。受光素子35は測定部位82を通過していない光を検出する。この測定を参照用測定と称す。本実施形態では測定用の発光素子27と参照用の発光素子27を同じ場所の素子に設定した。
照射位置の測定用発光素子27bを発光素子27cとし、測定用受光位置の受光素子35を測定用受光素子35aとする。発光素子27cと測定用受光素子35aとの間の中央に測定部位82が位置するように測定位置演算部71が発光素子27c及び測定用受光素子35aの位置を設定する。さらに、発光素子27cと測定用受光素子35aとの間の距離が所定の最適距離83になるように測定位置演算部71が発光素子27c及び測定用受光素子35aの位置を設定する。
参照用測定における参照用受光位置の受光素子35を参照用受光素子35bとする。参照用測定における照射位置の発光素子27は発光素子27cと同じにする。発光素子27cと参照用受光素子35bとの間に血管36が存在しないように参照用受光素子35bの位置を設定する。さらに、発光素子27cと参照用受光素子35bとの間の距離が所定の最適距離83になるように発光素子27c及び参照用受光素子35bの位置を設定する。
図10(b)及び図10(c)は、ステップS25の測定工程に対応する図である。当図は生体組織内における光の伝播を説明するための模式図であり、深さ方向に沿った断面図を示している。図10(b)に示すように、ステップS25において発光素子27cは所定の指向特性で測定光31を射出する。被験者2において血管36を囲む細胞組織を一般組織2dとする。一般組織2dは皮膚組織、脂肪素子、筋肉組織等であり、測定する血管36の周囲に位置する細胞組織である。測定光31の一部は一般組織2dを通って血管36を通過する。測定光31の一部は一般組織2dで散乱した後血管36を通過する。そして、測定光31の一部は血管36を透過した後で反射光32として測定用受光素子35aに入力する。測定光31の一部は血管36を透過せずに反射光32として測定用受光素子35a及び参照用受光素子35bに入力する。
図10(c)は、発光素子27から射出された光のうち受光素子35に入力する光を光線追跡法によりシミュレーションした図である。図10(c)に示すように、発光素子27cから照射された測定光31は生体組織内を拡散反射し、照射された光の一部が受光素子35に到達する。光の伝播経路である光路は2つの弧で挟まれたバナナ形状の領域を通過する。光路は発光素子27と受光素子35との略中央付近で深さ方向の幅が最も広くなるとともに、深くなる。そして、発光素子27と受光素子35との間隔が長くなる程、光が到達する深さが深くなる。
測定精度を高めるには、より多くの血管36の透過光が受光素子35で受光されることが望ましい。このことから、発光素子27と受光素子35との間のほぼ中央に測定対象となる測定部位82が位置するのが望ましい。そして、測定部位82の想定する深さに応じた最適距離83が定められる。発光素子27と受光素子35との間の最適な間隔である最適距離83は、血管36の皮膚面からの深さの約2倍の距離である。例えば、深さを3mm程度とすると、最適距離83は5〜6mm程度となる。
発光素子27cから射出される測定光31の波長は血液中のグルコースの量に応じて吸光度が変化する波長になっている。測定用受光素子35aが検出する反射光32の一部は血管36を通過しているので、反射光32の一部が血管36内の血液に吸収されている。従って、測定用受光素子35aが出力するデータは血液の吸光度と非血管部81の吸光度の情報を含んだデータになっている。一方、参照用受光素子35bが検出する反射光32は血管36を通過していないので、反射光32は血管36内の血液に吸収されていない。従って、参照用受光素子35bが出力するデータは非血管部81の吸光度の情報を含んだデータになっている。
図11(a)及び図11(b)はステップS26の校正工程に対応する図である。図11(a)において縦軸は測定値であり受光素子35が検出した光強度の値である。縦軸は図中上側が下側より強い光強度になっている。横軸には測定用受光素子35a及び参照用受光素子35bが設置されている。測定用受光素子35a及び参照用受光素子35bが測定した測定値が棒グラフにして表示されている。測定用受光素子35aが検出した測定値を血液測定値84aとし、参照用受光素子35bが検出した測定値を参照測定値84bとする。
ステップS26において校正演算部73が測定値に校正係数を積算する。校正係数はステップS2において校正演算部73が算出した係数である。校正係数は発光素子27と受光素子35との各組合せに対応して設定されている。図11(b)において縦軸は校正後測定値であり受光素子35が検出した光強度の値を校正した値である。縦軸は図中上側が下側より強い光強度になっている。横軸には測定用受光素子35a及び参照用受光素子35bが設置されている。校正後血液測定値85a及び校正後参照測定値85bが棒グラフにして表示されている。
本ステップでは血液測定値84aに発光素子27cと測定用受光素子35aとの組合せに対応する校正係数を積算して校正後血液測定値85aを算出する。さらに、参照測定値84bに発光素子27cと参照用受光素子35bとの組合せに対応する校正係数を積算して校正後参照測定値85bを算出する。
発光素子27及び受光素子35は製造時における性能の分散がある。さらに、経時変化により性能が変化する。ステップS2では面内で反射率が一様で変化し難い校正板21を用いて校正係数を設定している。そして、ステップS26では校正係数を用いて測定値を校正している。従って、ステップS26で得られた校正後血液測定値85a及び校正後参照測定値85bは発光素子27及び受光素子35の経時変化や製造時の分散の影響を受け難い測定値になっている。
ステップS27の吸光スペクトル演算工程では校正後血液測定値85a及び校正後参照測定値85bを用いて血管36における透過率を演算する。透過率は校正後血液測定値85a及び校正後参照測定値85bに四則演算を行うことにより算出することができる。簡単な演算方法としては校正後血液測定値85aを校正後参照測定値85bで除算して透過率を得ることができる。さらに、校正後血液測定値85aのうち血管36を通過した割合を考慮して演算してもよい。血管36を通過した光の割合はファントム法やモンテカルロシミュレーション法等を用いて算出することができる。
ステップS28の平均吸光スペクトル演算工程では、複数の透過率を用いて平均値の演算をする。ステップS25では1か所の測定場所を測定する説明をした。測定場所を複数にしたときにはこのステップで平均値を演算する。また、所定の時間間隔で測定するときには移動平均の演算をしても良い。平均の演算をしないときにはこのステップを省略しても良い。
図11(c)はステップS29の血中成分濃度演算工程に対応する図である。ステップS29では算出した透過率を用いて血液中のグルコース濃度を演算する。図11(c)の縦軸は血液中のグルコース濃度を示し図中上側が下側より濃い濃度になっている。横軸は透過率を示し血液中を測定光31と同じ波長の光が透過する率を示している。図中右側が左側より高い透過率になっている。相関線86は血液の透過率と血液中のグルコース濃度の関係を示した線である。血液中のグルコース濃度が高い程光が吸収されるので透過率が低くなる。ステップS28で算出した平均値が透過率算出値87のとき、相関線86を用いて血液中のグルコース濃度である濃度演算値88が算出される。尚、相関線86は関数として表しても良く表の形式にした相関表として表しても良い。このときにも、同様に透過率算出値87から濃度演算値88を算出することができる。以上の工程によりステップS3の被検体測定工程が終了し、ステップS4に移行する。
ステップS4の警告判断工程では濃度演算値88を判定値と比較する。判定値は上側判定値及び下側判定値を有する。濃度演算値88が上側判定値と下側判定値との間にあるとき正常状態であり警告しないことを判断する。濃度演算値88が上側判定値より高いとき異常状態であると判断する。濃度演算値88が下側判定値より低いときも異常状態であると判断する。異常状態のときには警告することを判断しステップS5に移行する。
図11(d)はステップS5の警告工程に対応する図である。図11(d)に示すように、ステップS5において、被験者2に警告を行う。タッチパネル6に警告文6aを表示する。警告文6aには被験者2が危険な状態であることを説明する文を表示する。この文を見て被験者2は自分の状態を容易に理解することができる。他にも、スピーカー7から警告音を発する。警告音のデータを予めメモリー49に記憶しておき、CPU48が警告音のデータに基づいた電圧波形をスピーカー7に出力する。スピーカー7は電圧波形を音波に変換して出力する。被験者2がタッチパネル6を見ていないときにも気付かせることができる。さらに、CPU48は振動装置18を駆動して裏蓋13を振動させる。裏蓋13は被験者2に接触しているので振動が被験者2に伝わる。そして、被験者2に異常状態であることを気づかせることができる。
ステップS6の終了判断工程では、血液中のグルコース濃度の情報を取得する工程を終了するか否かを判断する。操作者が操作スイッチ5または操作入力部26を操作して血液中のグルコース濃度の情報を取得する工程を終了する指示を行ったとき、終了することを判断する。操作者が終了する指示をしていないとき、ステップS2〜ステップS6を繰り返す。従って、被験者2に成分測定装置1を設置した状態でステップS2の校正板測定工程及びステップS3の被検体測定工程を繰り返して実施する。被験者2が移動するときにも、移動途中の血液中のグルコース濃度の変化を検出することができる。
ステップS7の装置除去工程では成分測定装置1を被験者2から外して除去する。以上の工程により被験者2からグルコース濃度の情報を取得する工程を終了する。
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
(1)本実施形態によれば、校正ユニット14は校正板21を移動して受光層34が入力する反射光32を切り替える。そして、校正ユニット14は、被測定部2aで反射した第2反射光32bと校正板21で反射した第1反射光32aとのうち一方の反射光32を受光層34に入力する。第2反射光32bを受光層34に入力するとき、受光層34は第2反射光32bの光強度に対応する信号を出力する。被測定部2aは光を反射するときに被測定部2aの成分に応じて特定の波長の光を吸収する。従って、受光層34が出力する第2反射光32bの光強度を分析することにより被測定部2aの成分に関する情報を取得することができる。
被測定部2a及び校正板21を照射する測定光31の光強度は経時変化し、受光層34が反射光32を信号に変換する変換率も経時変化する。校正ユニット14が第1反射光32aを受光層34に入力するとき、受光層34は校正板21における反射光32の光強度に対応する信号を出力する。校正板21の成分は変化し難い。従って、測定光31の変化や受光層34の感度の変化の影響を知ることができる。従って、校正板21における第1反射光32aを検出した光強度と被測定部2aにおける第2反射光32bを検出した光強度とを用いることにより、精度良く被測定部2aにおける反射光32の特性を検出することができる。
(2)本実施形態によれば、受光層34が第2反射光32bを入力するとき、校正ユニット14は校正板21を収納場所46に移動する。収納場所46は第2反射光32bの光路を遮らない場所になっている。従って、第2反射光32bを校正板21に遮られずに受光層34に入力させることができる。
(3)本実施形態によれば、受光層34が第1反射光32aを入力するとき、校正ユニット14は校正板21を遮蔽場所45に移動する。遮蔽場所45は第2反射光32bの光路を遮る場所になっている。従って、第2反射光32bを遮って第1反射光32aを受光層34に入力させることができる。
(4)本実施形態によれば、校正演算部73が第1反射光32aの光強度の信号を用いて第2反射光32bの光強度の信号を校正する。第1反射光32aは校正板21が受光層34に出力した反射光32である。第2反射光32bは被測定部2aで反射した反射光32である。従って、校正演算部73は校正板21に対する被測定部2aの差を明確にすることができる。その結果、校正板21及び被測定部2aを照射する発光層29や受光層34の経時変化の影響を抑制して第2反射光32bを分析することができる。
(5)本実施形態によれば、発光素子27の光軸と受光素子35の光軸とは同じ向きを向いている。そして、センサーモジュール12では光の発光量が高い方向と光の受光する感度が最も高い方向とが同じ向きになっている。従って、発光素子27の光軸及び受光素子35の光軸の方向に校正板21を設置するときセンサーモジュール12は感度良く第1反射光32aを受光することができる。同様に、発光素子27の光軸及び受光素子35の光軸の方向に被測定部2aを設置するときセンサーモジュール12は感度良く第2反射光32bを受光することができる。
(6)本実施形態によれば、校正板21はポリテトラフルオロエチレンを含んでいる。ポリテトラフルオロエチレンは近赤外光を吸収せずに反射する。従って、校正に利用する第1反射光32aを効率良く得ることができる。
(7)本実施形態によれば、校正板制御部69が校正ユニット14を制御する。そして、校正ユニット14は校正板制御部69の制御に従って、第1反射光32aと第2反射光32bとのどちらをセンサーモジュール12に入力するかを切り替える。従って、被験者2が操作しなくても状況に応じて第1反射光32aの入力と第2反射光32bの入力とを切り替えることができる。
(8)本実施形態によれば、被験者2に成分測定装置1が設置された状態で第1反射光32aの光強度の検出と、第2反射光32bの光強度の検出と、血中グルコース濃度の演算が繰り返される。従って、被験者2が移動しているときにも変化する血中グルコース濃度を検出することができる。
(第2の実施形態)
次に、成分測定装置の一実施形態について図12及び図13を用いて説明する。図12(a)はセンサー駆動回路の要部ブロック図であり、図12(b)はステップS2の校正板測定工程を詳細に示すフローチャートである。図13はステップS3の被検体測定工程を詳細に示すフローチャートである。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、校正板21を用いて測定した値で発光素子27cの出力を調整する点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、図12(a)に示すように情報取得装置としての成分測定装置91には制御装置47に接続してセンサー駆動回路92が設置されている。センサー駆動回路92は発光素子27、分光素子28及び受光素子35を駆動する。制御装置47は機能実現部として発光制御部66、受光制御部67及び校正演算部73を有している。他にも、制御装置47はメモリー49に校正関連データ61を記憶する領域を有している。センサー駆動回路92は第1D/A変換部93(Digital/Analog)、第1増幅部94及びスイッチ部95を備えている。
制御装置47と第1D/A変換部93とが接続され、第1D/A変換部93、第1増幅部94及びスイッチ部95がこの順に接続されている。そして、スイッチ部95は発光素子27と接続されている。第1D/A変換部93、第1増幅部94及びスイッチ部95は発光素子27と同じ個数になっている。そして、発光素子27毎に異なる印加電圧を設定することができる。さらに、センサー駆動回路92は第2増幅部96及びA/D変換部97(Analog/Digital)を備えている。そして、受光素子35、第2増幅部96、A/D変換部97及び制御装置47がこの順に接続されている。
校正関連データ61には各発光素子27を駆動する駆動電圧データが含まれている。発光制御部66は校正関連データ61から発光素子27の駆動電圧データを入力して第1D/A変換部93に出力する。第1D/A変換部93は電圧データを電圧信号に変換して第1増幅部94に出力する。第1増幅部94は電圧データを入力し電力増幅してスイッチ部95に出力する。スイッチ部95は発光制御部66の指示信号及び電力増幅された電圧信号を入力する。そして、スイッチ部95は指示信号に対応した電圧波形を発光素子27に出力する。これにより、発光素子27は発光制御部66により指示された電圧にて駆動される。発光素子27は測定光31を射出する。ステップS2では測定光31が校正板21に照射される。
校正板21にて反射した第1反射光32aは受光素子35に入力される。受光素子35は第1反射光32aの光強度を電圧に変換し、電圧信号を第2増幅部96に出力する。第2増幅部96は入力した電圧信号を増幅してA/D変換部97に出力する。A/D変換部97は電圧信号を電圧データに変換して制御装置47に出力する。制御装置47ではCPU48が第1反射光32aに対応する電圧データをメモリー49に記憶する。
図12(b)において、ステップS11及びステップS12は第1の実施形態と同様であり説明を省略する。次に、ステップS12の次にステップS31に移行する。ステップS31の駆動電圧演算工程において校正演算部73が発光素子27の駆動電圧を演算する。まず、予め受光素子35が受光する光強度に対応する電圧の基準値を設定しておく。基準値は光強度上限に対応する上限基準値と下限に対応する下限基準値を有している。次に、校正演算部73はステップS12にて検出した第1反射光32aに対応する電圧データをメモリー49から入力する。
次に、校正演算部73は第1反射光32aに対応する電圧データを基準値と比較する。電圧データが上限基準値より大きいときには発光素子27を駆動する駆動電圧データを小さくする。電圧データが下限基準値より小さいときには発光素子27を駆動する駆動電圧データを大きくする。駆動電圧データを変化させる幅は電圧データと基準値との差に比例した値にする。校正演算部73は総ての発光素子27に対して第1反射光32aに対応する電圧データを基準値と比較し電圧データが上限基準値より大きいときと電圧データが下限基準値より小さいときには駆動電圧データを変更する。次に、ステップS32に移行する。
ステップS32の駆動電圧変更工程では、ステップS31にて変更した駆動電圧データをメモリー49に記憶する。これにより、メモリー49では駆動電圧データが変更される。次に、ステップS14に移行する。
図13において、ステップS21〜ステップS25は第1の実施形態と同様であり説明を省略する。ステップS25の次はステップS27の吸光スペクトル演算工程に移行する。ステップS26の校正工程は省略されているステップS31及びステップS32にて発光素子27の駆動電圧が変更されているので、ステップS26を省略することが可能になっている。ステップS27〜ステップS29は第1の実施形態と同様であり説明を省略する。
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
(1)本実施形態によれば、発光素子27及び受光素子35の性能が変化するとき、発光素子27を駆動する電圧が校正される。従って、センサー駆動回路92から制御装置47に出力される電圧データは被測定部2aの状態を正しく反映したデータにすることができる。
(2)本実施形態によれば、発光素子27及び受光素子35の性能が低下するとき、発光素子27を駆動する電圧を高くしている。従って、測定光31の光強度が強くなるので制御装置47に出力される電圧データはSN比(Signal Noise)の低下を抑制することができる。
(第3の実施形態)
次に、成分測定装置の一実施形態について図14を用いて説明する。図14(a)はセンサー駆動回路の要部ブロック図であり、図14(b)はステップS2の校正板測定工程を詳細に示すフローチャートである。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、校正板21を用いて測定した値で受光素子35の出力を増幅する増幅率を調整する点にある。尚、第1の実施形態及び第2の実施形態と同じ点については説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、図14(a)に示すように情報取得装置としての成分測定装置100には制御装置47に接続してセンサー駆動回路101が設置されている。センサー駆動回路101は発光素子27、分光素子28及び受光素子35を駆動する。制御装置47は機能実現部として発光制御部66、受光制御部67及び校正演算部73を有している。他にも、制御装置47はメモリー49に校正関連データ61を記憶する領域を有している。
センサー駆動回路101は第1D/A変換部93、第1増幅部94及びスイッチ部95を備えている。制御装置47と第1D/A変換部93が接続され、第1D/A変換部93、第1増幅部94及びスイッチ部95がこの順に接続されている。そして、スイッチ部95は発光素子27と接続されている。第1D/A変換部93、第1増幅部94及びスイッチ部95は発光素子27と同じ個数になっている。そして、発光素子27毎に異なる印加電圧を設定することができる。さらに、センサー駆動回路101は第2増幅部102、第2D/A変換部103及びA/D変換部97を備えている。そして、受光素子35、第2増幅部102、A/D変換部97及び制御装置47がこの順に接続されている。第2増幅部102は増幅率が可変であり、第2増幅部102は第2D/A変換部103を介して制御装置47と接続されている。
ステップS2では測定光31が校正板21に照射される。校正板21にて反射した第1反射光32aは受光素子35に入力される。受光素子35は第1反射光32aの光強度を電圧に変換し、電圧信号を第2増幅部102に出力する。第2増幅部102は入力した電圧信号を増幅してA/D変換部97に出力する。A/D変換部97は電圧信号を電圧データに変換して制御装置47に出力する。制御装置47ではCPU48が第1反射光32aに対応する電圧データをメモリー49に記憶する。
校正関連データ61には第2増幅部102の増幅率データが含まれている。受光制御部67は第2D/A変換部103に増幅率データを出力する。第2D/A変換部103は増幅率データを増幅率を示す電圧信号に変換して第2増幅部102に出力する。第2増幅部102は増幅率を示す電圧信号を入力し、指示された増幅率で第1反射光32aに対応する電圧信号を増幅する。第2増幅部102は入力した電圧信号を増幅してA/D変換部97に出力する。
図14(b)において、ステップS11及びステップS12は第1の実施形態と同様であり説明を省略する。次に、ステップS12の次にステップS41に移行する。ステップS41の増幅率演算工程において校正演算部73が第2増幅部102の増幅率を演算する。まず、予め受光素子35が受光する光強度に対応して第2増幅部102が出力する電圧の基準値を設定しておく。基準値は光強度上限に対応する上限基準値と下限に対応する下限基準値を有している。次に、校正演算部73はステップS12にて検出した第1反射光32aに対応する電圧データをメモリー49から入力する。
次に、校正演算部73は第1反射光32aに対応する電圧データを基準値と比較する。電圧データが上限基準値より大きいときには第2増幅部102の増幅率を示す増幅率データを小さくする。電圧データが下限基準値より小さいときには増幅率データを大きくする。増幅率データを変化させる幅は電圧データと基準値との差に比例した値にする。これにより、第1反射光32aに対応する電圧データが基準値と同じ値になるようにする。校正演算部73は総ての受光素子35に対して第1反射光32aに対応する電圧データを基準値と比較し電圧データが上限基準値より大きいときと電圧データが下限基準値より小さいときには増幅率データを変更する。これにより、総ての受光素子35において第1反射光32aに対応する電圧データが基準値と同じ値になるように増幅率データを変更する。次に、ステップS42に移行する。
ステップS42の増幅率変更工程では、ステップS41にて変更した増幅率データをメモリー49に記憶する。これにより、メモリー49では増幅率データが変更される。次に、ステップS14に移行する。ステップS3の被検体測定工程は第2の実施形態と同様にステップS26の校正工程を省略する。
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
(1)本実施形態によれば、発光素子27及び受光素子35の性能が変化するとき、第2増幅部102の増幅率が変更される。従って、センサー駆動回路101から制御装置47に出力される電圧データは被測定部2aの状態を正しく反映したデータにすることができる。
尚、本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により種々の変更や改良を加えることも可能である。変形例を以下に述べる。
(変形例1)
前記第1の実施形態では、血液成分の内グルコース濃度を演算した。これに限らず、ヘモグロビンの透過率を用いて血中酸素濃度を測定しても良い。ヘモグロビンは波長が650nm付近の測定光31にて検出することができる。従って、分光素子28が通過させる反射光32の波長を650nm付近にする。そして、透過率を演算することにより、血中酸素濃度を測定することができる。他にも、脂質等の他の成分濃度を演算しても良い。また、血管に限らず、リンパ管におけるリンパ液成分の濃度を測定し演算しても良い。他にも、脳脊髄液の成分濃度を測定し演算しても良い。他にも、人体以外の動物の検査に用いても良い。さらに、動物以外でも植物の果実等の液体の成分や濃度の測定装置に成分測定装置1を用いても良い。
(変形例2)
前記第1の実施形態では、モーター42、ねじ棒43及びナット44からなる直動機構を用いて校正板21を遮蔽場所45と収納場所46との間で移動した。校正板21は他の直動機構を用いて移動させても良い。直動機構にはエアーシリンダーやリニアモーター、超音波モーター、静電モーター、クランク機構、カム機構を用いても良い。他にも、校正板21を回転させて遮蔽場所45と収納場所46との間を移動させても良い。これらの部材を用いても校正板21を遮蔽場所45と収納場所46との間で移動させることができる。そして、製造し易い構造にすることができる。他にも、校正ユニット14からモーター42、ねじ棒43及びナット44を除いて校正板21に取っ手をつけても良い。そして、被験者2が校正板21を動かすようにしてもよい。充電式蓄電池24の寿命を長くすることができる。
(変形例3)
前記第1の実施形態では、ステップS2の校正板測定工程とステップS3の被検体測定工程とを続けて行った。ステップS2の校正板測定工程の頻度よりステップS3の被検体測定工程の頻度を多くしても良い。ステップS3の被検体測定工程を実施する周期を短くすることができる。ステップS2の校正板測定工程の頻度とステップS3の被検体測定工程の頻度との比はステップS3の被検体測定工程の測定結果に応じて変更してもよい。つまり、グルコース濃度が異常状態のときには正常状態のときよりステップS3の被検体測定工程を行う頻度を多くしても良い。異常状態のときのグルコース濃度の変動をさらに詳しく測定することができる。
(変形例4)
前記第1の実施形態では、センサーモジュール12に発光素子27が設置されていた。発光素子27はセンサーモジュール12から除かれても良い。そして、発光素子27とは異なる光源から測定光31を被測定部2aに照射しても良い。センサーモジュール12に発光素子27がないので生産性良くセンサーモジュール12を製造することができる。
(変形例5)
前記第2の実施形態では、ステップS12〜ステップS32を1回行ってステップS14に移行した。ステップS12〜ステップS32を複数回反復してからステップS14に移行しても良い。さらに精度良く第1反射光32aに対応する電圧データを基準値に近づけることができる。
(変形例6)
前記第2の実施形態では、第1D/A変換部93から第1増幅部94に入力する電圧信号を変化させた。他にも、前記第3の実施形態のように第1増幅部94の増幅率を変化させても良い。このときにも、測定光31の光強度を変更させることができる。
(変形例7)
前記第2の実施形態では、発光素子27に印加する電圧を変更し、前記第3の実施形態では、第2増幅部102の増幅率を変更した。発光素子27に印加する電圧及び第2増幅部102の増幅率を変更しても良い。変更する範囲を広げることができる為、装置が経時変化したときの寿命を長くすることができる。
1,91,100…情報取得装置としての成分測定装置、2a…被検体としての被測定部、12…受光部としてのセンサーモジュール、14…切替部としての校正ユニット、21…校正部としての校正板、27,27c…発光素子、29…光源としての発光層、31…光としての測定光、32a…第1反射光、32b…第2反射光、32…反射光、34…受光部としての受光層、35…受光素子、45…遮蔽場所、46…収納場所、69…制御部としての校正板制御部、73…校正演算部。

Claims (8)

  1. 被検体で反射した第2反射光を入力して前記第2反射光の光強度に対応する信号を出力する受光部と、
    前記第2反射光の光強度を比較するための第1反射光を前記受光部に出力する反射率の安定した校正部と、
    前記受光部に入力する光を前記第2反射光と前記第1反射光とで切り替える切替部と、を備えることを特徴とする情報取得装置。
  2. 請求項1に記載の情報取得装置であって、
    前記受光部が前記第2反射光を入力するとき、前記第2反射光の光路を遮らない収納場所に前記切替部が前記校正部を移動することを特徴とする情報取得装置。
  3. 請求項1または2に記載の情報取得装置であって、
    前記受光部が前記第1反射光を入力するとき、前記第2反射光の光路を遮る遮蔽場所に前記切替部が前記校正部を移動することを特徴とする情報取得装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の情報取得装置であって、
    前記第1反射光の光強度の情報を用いて前記第2反射光の光強度の情報を校正する校正演算部を備えることを特徴とする情報取得装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の情報取得装置であって、
    前記受光部は、前記校正部または前記被検体を照射する光を射出する発光素子と、
    前記第1反射光または前記第2反射光が入力される受光素子と、を備え、
    前記発光素子の光軸と前記受光素子の光軸とは同じ向きを向くことを特徴とする情報取得装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか一項に記載の情報取得装置であって、
    前記校正部はポリテトラフルオロエチレンを含むことを特徴とする情報取得装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか一項に記載の情報取得装置であって、
    前記切替部が前記第1反射光と前記第2反射光とのどちらを前記受光部に入力するかを制御する制御部を備えることを特徴とする情報取得装置。
  8. 被検体に情報取得装置を設置し、
    前記情報取得装置に内蔵された校正部に光を照射して反射した第1反射光の光強度を検出し、
    前記被検体に光を照射して反射した第2反射光の光強度を検出し、
    前記第1反射光の光強度と前記第2反射光の光強度とを用いて前記被検体の情報を取得し、
    前記被検体に前記情報取得装置を設置した状態で前記第1反射光の光強度を検出することと、前記第2反射光の光強度を検出することと、前記被検体の情報を取得することとを繰り返すことを特徴とする情報取得方法。
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