JP2015173920A - 生体検査装置および生体検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】脱毛することなく生えた状態のままで生体毛髪の健康度判定等を非侵襲に実現することができる生体検査装置及び生体検査方法を提供すること。【解決手段】 本実施形態に係る生体検査装置は、光照射部と、検出部と、計算部とを具備する。光照射部は、被検体表面から当該被検体内に向けて、赤色光又は近赤外光を照射する。検出部は、前記被検体内を伝播し当該被検体表面から外部へ放射される光を検出する。計算部は、前記放射された光を用いて、前記被検体に局在し且つ当該被検体内を伝播する光の強度に影響を与える光吸収体が存在する第１の領域と、前記被検体において前記光吸収体が存在しない第２の領域と、を分別し、前記第２の領域で光放射強度分布を測定する。【選択図】 図７

Description

本発明の実施形態は、光を用いて生体の頭皮或いは頭髪を検査する生体検査装置および生体光検査方法関する。

近年、人類の頭髪は薄毛が進行しており、アデランスの２０１１年の調査報告によれば地球人口の約１／３である３２．１３％が薄毛である。日本人は世界では１４位に位置するが、アジア系では１位であり人口の２６．７８％と報告されている。

薄毛と脱毛には相関関係があり、抜けた毛髪の詳細な観察で頭部の薄毛の進行状況がある程度推定することができる。図２０に典型的な抜け毛の毛根部の形状を図に示して説明する。通常の毛髪は５〜６年が寿命で抜け落ちるが、健常な毛髪（ａ）は太い毛幹を有し、毛根部はさらに太くなっている。異常な脱毛では、例えば毛幹が細い（ｂ）、毛根部が細くなる（ｅ）など形状や毛髪サイズの異常（ｆ）や、毛根部の虚血（ｃ）や角質化（ｄ）など、頭皮の血行不良や病変に因る性状異常が観察される。異常な脱毛状態は薄毛化を促進する。このように頭皮から抜けた毛髪には薄毛化の進行状況、対処の緊急度など、様々な情報が含まれている。

しかし脱毛した毛髪の観察による薄毛進行度推定には大きな問題がある。それは基本的にどの部位から抜けた毛髪なのかが同定できないことである。よく知られているように薄毛の進行は特定位置から開始されるケースが多い。評価したい位置の毛髪の情報を得るためには検査のためにサンプリング(脱毛)しなくてはならず、薄毛に悩む患者にとって非侵襲な測定とは言えない。

そこで頭髪を抜かずに髪の健康状態を知る方法が必要とされ、その手段として光学顕微鏡を用いた頭皮・頭髪の拡大目視観察がなされてきた。頭皮頭髪を拡大して目視観察すると、皮膚の外に現れた髪（毛幹）の太さとその分布を計ることができ、髪の過去の成長記録や動向の一部を知ることができる。また、目視観察により皮膚炎や脂質の過多など髪の成長を阻害する要因の有無を知ることができる。

しかし、目視で判る情報には現在の髪の成長情報が欠けている。一般に、頭髪の成長には頭皮の血行が良好の必要があるとされている。血行情報を得るには、近赤外線を用いた光学測定（ＮＩＲＳ）が有効とされ、脳機能測定等で実用化されている。図２１に生体成分である酸素化ヘモグロビン、脱酸素ヘモグロビン、メラニン、水、脂質の光吸収スペクトルをまとめて示す。ヘモグロビン濃度の測定に適した光波長（６５０ｎｍ以上８６０ｎｍ以下）では頭髪（毛根）に含まれるメラニンの吸収はヘモグロビンの吸収より桁違いに大きく、表面からは見えない皮膚下の毛根の存在が血行測定を著しく困難にしていた。

そこで頭皮の血行を直接測る方法ではなく、頭皮温度を遠赤外線測定で間接的に測定する方法が採用されてきた。一般に、頭皮の血行が良好であると頭皮温度は高くなる傾向があるため、頭皮の温度分布を測定して血行の分布を推定してきた。

また、脱毛に関わる頭皮の健康状態の評価項目として、頭皮の脂質量も採用されている。一般に、頭皮に過多の脂質が存在することは、髪の成長にマイナス効果とされている。現在、脂質を定量する方法として、額にセブテープを付着させて剥がし、付着した脂質をサンプリングして定量化する試験がある。しかし、この方法では頭髪のない部分しか測ることができないため、頭部（対象箇所）そのもののデータを得ることはできなかった。

毛髪を抜くことなく毛根の健康度(脱毛および薄毛への耐性)を測定する方法および装置に関する公知例は見当たらない。一方で、毛髪のダメージを非侵襲で測定する方法に関しては公知の従来技術が存在する。毛髪を非侵襲に測定する技術にはさまざまな手法があるが、その一つである赤外光計測は、被爆の問題がなく、また波長を選択することによって計測対象である化合物を選択できるという利点を有している。赤外線分光法を用いて分析・評価する主な特許文献を下に列記する（例えば、特許文献１〜６参照）。また、脱毛を意識した皮膚下の体毛の検出方法についても提案されている（例えば、特許文献７、８参照）。

特開２００２−３６０５４２号公報 特開２００３−２７０１３８公報 特開２００５−１１８３３７公報 国際公開ＷＯ２００５／０９６９３公報 特開２００５−２８７８５３公報 特開２００５−３２１２８９公報 特表２００７−５３３３９１（Ｐ２００７−５３３３９１Ａ） 国際公開 ＷＯ２０１０／５１２５３２号公報

しかしながら、これらの従来例は、皮膚へ非接触光源から約７００ｎｍ~約２０００ｎｍの波長範囲の電磁波を入射し、電磁波は皮膚内で散乱されるが、皮膚内の毛髪により一部は吸収されるため、皮膚内の毛髪を非接触の撮像素子で影として画像化する技術である。この影の形成は、体毛の形状及び体毛の屈折率における差異、及びその周辺（即ち空気又は皮膚の組織）に主に依存する。電磁波の波長は、皮膚の色素によって引き起こされる吸収が少ない領域を選択して、皮膚の色やそばかす等によるコントラスト低下を避けている。

この方法では、脱毛後の毛根の有無は検出できるが、毛髪の健康度(脱毛および薄毛への耐性)を測定することはできない。

以上の課題解決のために、発明者らは、生体の発毛位置に隣接する皮膚表面から生体内部に向けて特定波長の光を照射する光照射器と毛髪を挟んで光照射器に対向する皮膚表面位置に配置された光検出器からなる装置を作成して、生体内で散乱・吸収された光の強度を検出・測定する方法を開発してきた。この方法により毛髪の毛根のサイズ情報と近傍の血液代謝情報を得ることができ、生体の毛髪の健康度(脱毛および薄毛化への耐性)を、無侵襲に検査することができる。

しかしながら、毛根の（メラニンの吸収の）影領域は生体内光散乱により皮膚上にプロードニングしており、影の領域では他の生体組成分（真皮の血中ヘモグロビン、含脂質等）に対応した光吸収測定量が不正確になる場合がある。従って、正しく定量評価するために毛根の影が影響する領域と周辺領域とを分別する必要がある。

本発明は上記の課題を解決するための方法および装置であり、生体の毛髪の健康度(脱毛および薄毛化への耐性)測定を、従来に比して、無侵襲で、高精度且つ簡便に行うことのできる生体検査装置および方法を提供することを目的とする。

本実施形態に係る生体検査装置は、光照射部と、検出部と、計算部とを具備する。光照射部は、被検体表面から当該被検体内に向けて、赤色光又は近赤外光を照射する。検出部は、前記被検体内を伝播し当該被検体表面から外部へ放射される光を検出する。計算部は、前記放射された光を用いて、前記被検体に局在し且つ当該被検体内を伝播する光の強度に影響を与える光吸収体が存在する第１の領域と、前記被検体において前記光吸収体が存在しない第２の領域と、を分別し、前記第２の領域で光放射強度分布を測定する。

図１は、本実施形態に係る本生体検査装置１の構成を示したブロック図である。 図２は、スティック状の生体インターフェースデバイス２及びパーソナルコンピューター３とで構成する生体検査装置１を例示したものである。 図３は、図２に示した生体インターフェースデバイス２の先端Ｐの拡大図である。 図４は、本生体検査装置１を用いた毛髪健康度判定の原理を説明するための図である。 図５は、本生体検査装置１を用いて、６８０ｎｍの赤色光による毛根ファントム(アガロース／イントラリピッド分散体基体に直径９０μｍと１１０μｍの２種毛髪を植えた頭皮の光学模型)の疑似毛根測定を説明するための図である。 図６は、図５に示した疑似毛根測定の結果の一例を示した図である。 図７は、実施形態に係る領域分別機能を用いた毛髪の健康度判定処理の流れを示したフローチャートである。 図８は、測定領域における光照射部ＩＦ１２１等の配置例を示した図である。 図９（ａ）〜（ｅ）は、光学レンズ系によって撮像される測定対象領域を模式的に示した図である。 図１０は、シミュレーションによって得られた仰角θ、位相角φ毎の光強度（仰角θ＝０として鉛直方向で測定した値に対する相対強度）の分布を示した図である。 図１１は、生体に光吸収係数と散乱係数を合わせたシリコーンファントムを用いた実験を説明するための図である。 図１２は、光の入射位置と放射位置との距離ｘが６ｍｍ以上の場合における、放射光強度とｘ，ｙ（位相角φに対応）との関係を示した図である。 図１３は、ｙ＝０における光の入射位置と放射位置との距離ｘと放射光強度との関係を示したグラフである。 図１４は、ｙ＝０における光の入射位置と放射位置との距離ｘと放射光強度との関係を示したグラフである。 図１５は、光の入射位置と放射位置との距離ｘが３．５ｍｍ以下の場合における、放射光強度とｘ，ｙ（位相角φに対応）との関係を示した図である。 図１６は、ｘ＝２ｍｍ、仰角θ＝７０°におけるｙと放射光強度との関係を示したグラフである。 図１７は、ある位置における仰角θと放射光強度との関係を示したグラフである。 図１８は、本実施形態に係る生体検査装置１の変形例を示した図である。 図１９は、本実施形態に係る生体検査装置１の他の変形例を示した図である。 図２０は、抜け毛の分類例を示した図である。 図２１は、メラニン、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビンの光吸収スペクトルを示す図である。

以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る本生体検査装置１の構成を示したブロック図である。同図に示す様に、生体検査装置１は、光プローブ１２、演算回路２２、データベース２３、光信号制御部２４、コントローラー２６、表示部２８を具備する。なお、演算回路２２、光信号制御部２４、コントローラー２６については、ハードウェアで具現化しても良いし、コンピュータのアプリケーションソフトで具現化しても良い。

光プローブ１２は、多波長光源１６ａ、照明光源１６ｂ、光ファイバー１２３、光照射部ＩＦ１２１、光検出部ＩＦ１２２、光検知器２０、光学レンズ系２１ａ、エリアセンサ２１ｂを有し、皮膚表面に密着して皮膚内部と効果的に光の授受を行うためのコンポーネンツである。

光照射部ＩＦ１２１は、多波長光源１６ａ、光ファイバー１２３と共に光照射ユニットを構成し、多波長光源１６ａが発生する光（近赤外光）を被検体に向けて照射する。光検出部ＩＦ１２２は、光検知器２０と共に光検出ユニットを構成し、例えば光ファイバーの端部で構成され生体内からの光を入力するための検出面、当該入力した光を光検知器２０まで伝播させるための光導波路を有する。なお、光照射部ＩＦ１２１、光検出部ＩＦ１２２の生体への接触面には、必要に応じて、皮膚への密着性と光学的インピーダンスマッチングを行うための接触部を設けるようにしてもよい。この様な接触部により、光照射部ＩＦ１２１、光検出部ＩＦ１２２と生体面と密着させることで、光路（光散乱域）が浅いために生じる、光の入射角依存データ誤差を抑制する。

多波長光源１６ａは、特定波長の光を発生する半導体レーザ、発光ダイオード、固体レーザ、ガスレーザなどの発光素子等である。ここで、特定波長は、例えば生体透過性の高い波長領域（６００ｎｍ〜１２００ｎｍ）であり、毛髪に含まれる成分（メラニン、ケラチン等）または血液に含まれる成分（ヘモグロビン、グルコース等）に対して吸収を有する波長近傍を選定することが好ましい。多波長光源１６ａには、波長以外に制約なく様々な機器が使用できるが、コンパクト性が必要であることからＬＥＤ、ＬＤが好適である。多波長光源１６ａにおいて発生した光は、光ファイバー１２３や薄膜光導波路で構成される光導波部を介して（或いは直接空間の伝播を介して）、光照射部ＩＦ１２１に供給される。

なお、多波長光源１６ａは、光ファイバー１２３，光照射部ＩＦ１２１と一体に構成してもよい。本実施形態においては、皮膚に点接触する光源として、低反射コーティングした直径が毛髪密度(ピッチ０．９ｍｍ程度)より小さい(直径０．５ｍｍ以下が好ましい)導光ピラーの中心に光ファイバーを埋めた一体型プローブとして、光ファイバー１２３，光照射部ＩＦ１２１を構成し（図８参照）、２波長の光を切り替え可能なＬＥＤ光源から測定波長の光を導光する構成を採用している。

照明光源１６ｂは、非接触で測定領域を照らす可視光源である。照明光源１６ｂには、様々な機器が使用できるが、コンパクト性からＬＥＤやＬＤが推奨される。特に、ノイズを増やすことなくクリアな撮像画面を得るために、可視光領域かつ検査使用波長でない光で検査部を照らす白色ＬＥＤが好適である。

光検知器２０は、各種検知器が使用できるが、例えば、シリコン、ゲルマニウム、化合物半導体等を材料としたフォトダイオード、フォトトランジスタ、ＣＣＤ光センサ、ＣＭＯＳ光センサなど半導体光センサを使用するのが簡便かつ好適である。光検知器２０の受光素子には、必要に応じてフィルターを設けるようにしてもよい。光検知器２０の受光素子γ特性は１．０近傍が望ましく、受光感度の面分布も揃っていることが望まれる。

光学レンズ系２１ａ及びエリアセンサ２１ｂは、頭皮部分を拡大した顕微画像を取得するために、頭皮面にピントを合わせた光学レンズ系と結像部に配置（USB接続）したシリコンＣＭＯＳイメージセンサである。

なお、毛髪のように小さな対象を分析するためには高い空間分解能が必要である。光散乱が大きい生体で空間分解能を高めるために、十分に小さな開口部を有する光照射部ＩＦ１２１、光検出部ＩＦ１２２を具備し、それらの距離は皮膚厚の２倍以下に設定している。

また、光プローブ１２は、低反射のためのコーティング処理が施されている。低反射コーティング処理には、可視光から近赤外線まで光の反射率が低いニッケル黒メッキが好適である。さらに、光プローブ１２は、周囲を遮光壁で覆って外光を遮断するための遮光壁１２５を有している（図８参照）。遮光壁１２３は内壁も低反射素材であり、先端の開口接触部を斜め (散乱出力光の強度の高い角度である１０°以上３５°以下) にカットしてある。開口接触部を頭皮に密着させた条件で、導光ピラーは、頭皮に垂直に接する位置に配置される。

演算回路２２は、メラニン測定用波長、ヘモグロビン測定用波長のそれぞれの特定波長に対応する光量（光吸収量）を計算する。また、演算回路２２は、後述する領域分割処理、非拡散領域における補正処理を実行する。

データベース２３は、毛髪健康度の判定のための数値データベース、統計データベース、後述する領域分割処理、非拡散領域における補正処理に用いられる各種データを格納する。

光信号制御部２４は、コントローラー２６の制御のもと、所定のタイミング、周波数、強度、強度変動周期Ｔで光照射部ＩＦ１２１から光が照射されるように、光源１６を制御する。また、光信号制御部２４は、所定のタイミングで計算処理が実行されるように、演算回路２２を制御する。

コントローラー２６は、本生体検査装置１を動的又は静的に動作させるために、各構成要素を制御する。また、コントローラー２６は、後述する領域分割処理、非拡散領域における補正処理のための制御を実行する。さらに、コントローラー２６は、計算された光量に基づいて後述する毛髪形状・サイズ等情報、血液代謝情報等を取得すると共に、これらに基づいて毛髪の健康度を判定する。

なお、コントローラー２６、演算回路２２、光信号制御部２４は、ハードウェア、コンピュータのアプリケーションソフトのいずれで構成してもよい。本実施形態においては、例えば図２に示す様に、光プローブ１２、光源１６、光検知器２０、演算回路２２、光信号制御部２４を内蔵するスティック状の生体インターフェースデバイス２と、コントローラー２６の機能を実現するパーソナルコンピューター３とで構成するものとする。しかしながら、これはあくまでも一例であり、必要におうじて種々変更可能である。例えば、コントローラー２６の機能についても生体インターフェースデバイス２に内蔵させ、パーソナルコンピューター３は電源、表示、通信等の各機能を担うようにしてもよい。

図３は、図２に示した生体インターフェースデバイス２の先端Ｐの拡大図である。同図に示す様に、光源１６と光検知部２０は、光照射部ＩＦ１２１及び光検出部ＩＦ１２２（例えば光ファイバー）により、近接して配置される。光照射部ＩＦ１２１及び光検出部ＩＦ１２２の先端には、生体との密着性を上げ、光学的インピーダンスマッチングを取る先端接触部１０ａ、１０ｂが設けられている。光照射部ＩＦ１２１及び光検出部ＩＦ１２２は、弾力性のある支持体１４に固定されており、過度の負荷が光照射部ＩＦ１２１及び光検出部ＩＦ１２２に加わるのを抑制すると同時に、適切な負荷で先端を皮膚に密着させる構造を有する。光照射部ＩＦ１２１及び光検出部ＩＦ１２２の間には、髪を誘導して皮膚上の測定位置を決める毛髪ガイド１７ａ（図３の例では光照射部ＩＦ１２１及び光検出部ＩＦ１２２に並列する溝）を形成している。

図４は、本生体検査装置１を用いた毛髪健康度判定の原理を説明するための図である。同図に示す様に、毛根近傍の生体皮膚に光照射部ＩＦ１２１を接触させて特定波長の光を照射する。特定波長は、生体透過性の高い波長領域（６００ｎｍ〜１２００ｎｍ）であり、毛髪に含まれる成分（メラニン、ケラチン等）または血液に含まれる成分（ヘモグロビン、グルコース等）に対して吸収を有する波長近傍を選定する。当該照射によって生体内に入射した光は毛根Ｈ１を含む光路ＨＲを伝播する。当該伝播した光を、毛根Ｈ１を挟んだ皮膚表面に接触させた光検出部ＩＦ１２３によって検出する。検出された光の光量を解析することで、毛根のサイズ及び形状の少なくとも一方に関する情報（毛髪形状等情報）、毛根近傍の血液代謝に関する情報（血液代謝情報）を取得し、生体の毛髪の健康度（薄毛化耐性）を判定・評価する方法である。毛幹・毛根のサイズや形状は現在の毛髪の健康度情報を与え、毛根近傍の血液代謝情報は健康度の低下可能性の情報を与える。

この判定方法を使えば、例えば入射光の波長に６５０ｎｍ以上７６０ｎｍ以下の波長域を選び毛根に内包されるメラニンの吸収に起因する検知光量の低下を測定することで、毛根のサイズ情報を得ることができる。一方で、毛根を外した場所を選び、入射光の波長に650nm以上860nm 以下の近赤外線域を選び、近傍の血液代謝量情報を血液に内包されるヘモグロビン（酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素ヘモグロビン）の吸収で検知することが可能である。

図５は、本生体検査装置１を用いて、６８０ｎｍの赤色光による毛根ファントム(アガロース／イントラリピッド分散体基体に直径９０μｍと１１０μｍの２種毛髪を植えた頭皮の光学模型)の疑似毛根測定を説明するための図である。また、図６は、図５に示した疑似毛根測定の結果の一例を示した図である。なお、太い毛幹サイズの直径１１０μｍの毛髪は健康な毛根サイズを模し、標準的毛幹サイズの直径９０μｍの髪は成長不良の毛根を模している。また、図５において、入射位置と放射位置の距離は２ｍｍに固定している。

図６から解るように、直径９０μｍと１１０μｍの２種毛髪それぞれについて５％と８％程度の放射光強度の低減が観察されており、測定位置の精度を確保すれば、メラニンの光吸収量による毛根サイズの定量判定ができる。一方、毛根の（メラニンの吸収の）影領域は、生体内光散乱により皮膚上にプロードニングしており、影の領域では他の生体組成分（真皮ヘモグロビン、含脂質等）に対応した光吸収測定量が不正確になっている。

従って、毛根近傍の血液代謝情報正しく定量評価するためには、毛根及び毛根の影が影響する領域（毛根影響領域）と、毛根の影が影響しない毛根の周辺に位置し、毛根近傍の血液代謝情報を正しく測定することができる領域（毛根非影響領域）とを分別し、後者の毛根非影響領域にて血液代謝情報を測定する必要がある。そこで、本実施形態に係る生体検査装置１は、次に述べる領域分別機能により、毛根影響領域と毛根非影響領域とを分別し、それぞれの領域で健康度情報、毛根近傍の血液代謝情報を測定する。

（領域分別機能）
本機能は、生体表面（頭皮表面）を撮像した画像データを用いて毛根影響領域と毛根非影響領域とを分別するものである。なお、以下の説明においては、検査対象として生体毛髪を典型例とするが、当該例に拘泥されず、生体のすべての体毛を検査対象とすることが可能である。

図７は、本領域分別機能を用いた毛髪の健康度判定処理の流れを示したフローチャートである。図８は、測定領域における光照射部ＩＦ１２１等の配置例を示した図である。図９（ａ）〜（ｅ）は、光学レンズ系によって撮像される測定対象領域を模式的に示した図である。図７、図８、図９の各図を参照しながら、本実施形態に係る毛髪の健康度判定処理について以下説明する。

まず、測定領域に、例えば照明光源１６ｂを用いて可視照明用ＬＥＤ光を照射し、光学レンズ系２１ａにより頭皮・頭髪の顕微画像を撮像する（図９（ａ）参照）。操作者は、表示部２８に表示された当該顕微画像を観察しながら、毛髪形状等情報を測定する際の光照射部ＩＦ１２１の位置（すなわち、第一の測定波長（６７０ｎｍ）の光入射位置）を確定する（ステップＳ１）。なお、本実施形態に係る生体検査装置１では、後述するステップＳ４において毛根影響領域と毛根非影響領域とを分別する。このため、光照射部ＩＦ１２１の位置決めにおいて、毛根の影が影響しないように光プローブ１２の位置を決めなければならないといった配慮を必要としない。この点は、特筆すべき効果であると言える。

次に、光照射部ＩＦ１２１をステップＳ１において確定した位置に密着させながら（図９（ｂ）参照）、毛髪、頭皮を含む測定対象領域を、光学レンズ系２１ａを用いて撮像する（ステップＳ２）。なお、本ステップＳ２では、照明光源１６ｂは、ＯＮされた状態（すなわち、照明光源１６ｂによって測定領域が照らされた状態）となっている。

次に、照明光源１６ｂをＯＦＦとする（図９（ｂ）参照）。操作者は、光学レンズ系２１ａにより撮像された頭皮・頭髪の顕微画像を表示部２８において観察しながら、測定領域に外光の漏えいがないことを確認する（ステップＳ３）。

次に、ステップＳ１において確定した位置において、第一の測定波長（６７０ｎｍ）が光照射部ＩＦ１２１から生体内に向けて照射される。当該照射によって生体内に入射した光は毛根を含む光路を伝播する。光検出部ＩＦ１２３は、当該光路を伝播し生体表面から出射する光を検出する。演算回路２２は、光強度分布を測定し、解析・記録する。演算回路２２は、当該補正処理によって得られた光強度分布を用いて、測定領域において、毛根影響領域と毛根非影響領域とを分別する（ステップＳ４）。図９（ｄ）、（ｅ）に、皮膚面の明るさが周囲と比較してやや暗く見える毛根影響領域（部分Ｄ）と、それ以外の部分として毛根非影響領域とを模式的に示した。散乱の影響で毛根の影との境界が不明確になるため、毛根非影響領域は、マージンを十分に取って選定するのが好ましい。

なお、 図９（ｄ）に模式的に示した毛根に対応した影の主要部分（領域Ｄ）は、光照射部ＩＦと（受光光学系に対して位相角が小さい）位置関係から、放射光強度補正の効果は小さい。従って、確定した影の濃さと広がりを解析することにより、皮膚下に位置する毛根(サイズ)情報を推定できる。一方で、他の波長の光を使用して、毛根非影響領域で血行（ヘモグロビン）情報、脂質・水分情報を測定する。なお、光照射位置から一定の範囲内にある毛根非影響領域は受光光学系に対して有意な位相角がある。このため、放射光強度の定量化には補正を必要とする。当該補正処理については、後で詳しく説明する。

次に、ステップＳ１において確定した位置において、第二の測定波長（８０９ｎｍ）が光照射部ＩＦ１２１から生体内に向けて照射される。演算回路２２は、毛根非影響領域において検出された光を用いて光強度分布を測定し、頭皮の局所的血行量（総ヘモグロビン量）等の血液代謝情報を測定する（（図９（ｅ）参照：ステップＳ５）。

（非拡散領域における補正処理）
生体は光の強散乱体である。しかしながら、光の入射位置と放射位置とが所定の範囲内まで（例えば数ｍｍ以内）接近すると、光放射の仰角と位相角に対する強度分布が顕著に現れる現象が観察される。発明者らは、実験により、このことをつきとめた。

すなわち、光の入射位置と放射位置の距離が十分に離れている場合には、生体内を伝播した光は拡散モデルで近似でき、放射光は等方的に広がる。しかしながら、光の入射位置と放射位置が数ｍｍ以内まで接近すると、ビーム指向性を残した放射光は仰角と位相角に強度の最大値を持つようになる。

図１０は、シミュレーションによって得られた放射光（すなわち、光検出部ＩＦ１２２の光軸）の仰角θ、位相角φ毎の光強度（仰角θ＝０として鉛直方向で測定した値に対する相対強度）の分布を示した図である。図からわかるように、仰角は６０°〜８０°に最大値を、位相角は０°を中心に三日月状に強度分布している。

また、発明者らは、上記シミュレーションに加えて、生体に光吸収係数と散乱係数を合わせたシリコーンファントムを用いて、光の入射位置と放射位置との距離（すなわち、光照射部ＩＦ１２１と光検出部１２２との間の距離）と、拡散モデル（或いは非拡散モデル）との関係、放射光強度の仰角及び位相角の依存性について、実験を行った。当該実験では、図１１に示す様に、先端を加工した特殊プローブ（光照射部ＩＦ１２１、光検出部１２２に対応）を使用して、Ｘ，Ｙ，Ｚ（Ｚは、ＸＹ平面に垂直方向），θステージで精度よく位置合わせをして測定した。

図１２は、光の入射位置と放射位置との距離ｘが６ｍｍ以上の場合における、放射光強度とｘ，ｙ（位相角φに対応）との関係を示した図である。図１３、図１４は、ｙ＝０における光の入射位置と放射位置との距離ｘと放射光強度との関係を示したグラフである。図１２、図１３、図１４からわかるように、光の入射位置と放射位置との距離ｘが６ｍｍ以上になると、位相角φの依存性は極めて低い。従って、光の入射位置と放射位置との距離ｘが６ｍｍ以上であれば、生体内の光は拡散モデルで近似できる。

図１５は、光の入射位置と放射位置との距離ｘが３．５ｍｍ以下の場合における、放射光強度とｘ，ｙ（位相角φに対応）との関係を示した図である。図１６は、ｘ＝２ｍｍ、仰角θ＝７０°におけるｙと放射光強度との関係を示したグラフである。なお、図１６における「１４°」等の角度は、ｙの値に応じた位相角φの角度を示したものである。

図１５、図１６からわかるように、光の入射位置と放射位置との距離ｘが２ｍｍ以内になると、位相角φの影響が顕著に現れる。従って、光の入射位置と放射位置との距離ｘが例えば２ｍｍ以内の場合には、生体内の光は非拡散モデルで近似する必要がある。具体的には、距離ｘが２〜２．５ｍｍの範囲では、位相角φが３０°前後で検出光強度が１０〜２０％低下することが確認された。これは、点接触で光入射して放射光強度分布をエリアセンサで非接触測定する本実施形態では、入射位置と放射位置と光学レンズ系２１ａ（光学カメラ）の相対位置次第で、入射位置近傍の放射光強度が１０％オーダーで低下することを示唆している。

図１７は、ある位置における仰角θと放射光強度との関係を示したグラフである。同図に示す様に、仰角θ＝１０°以上から放射光強度に差が出始める。発明者らの実験では、検出される光データのＳＮ比を上げるためには、仰角θ・位相角φの分布を考慮し、エリアセンサ２１ｂは生体面に対して１０°以上３５°以下の角度に配置することが望ましく、また、生体に導光するインターフェースの軸（光検出部ＩＦ１２２の光軸）は、皮膚法線方向に対して０°度以上４５°以下の角度を有することが望ましいとの結論に至った。

また、図６に示したように、入射位置と放射位置の距離ｘ＝２ｍｍでの毛根による吸収は数％程度である。このため、毛根の影を有意に分離するためには、より変動の大きい仰角・位相角による強度変化を補正する必要があることが判る。本実施形態では、各波長の光に対して、画面上の光強度低減率を領域メッシュ化して数値化し、補正係数テーブルとしてシステム内部に留保し、これを用いて、演算回路２２が光強度分布を解析する。具体的には、毛根影響領域の補正光吸収データを基にフィッティング計算を行い、毛根のサイズ情報を推定することができる。これにより分別された毛根非影響領は、毛根の持つメラニンの吸収による変化が無視できる。このため、血液（ヘモグロビン）情報や脂質水分情報等の血液代謝情報を精度よく定量測定することができる。

（変形例１）
図１８は、本実施形態に係る生体検査装置１の変形例を示した図である。図１に示した生体検査装置１と比較した場合、図１８に示す生体検査装置１は、エリアセンサ２１ｂの単位画素がＲ，Ｇ，Ｂ，ＩＲの４種フィルターを備えた４素子で構成されていることである。Ｒ，Ｇ，Ｂの３種フィルターを備えた素子は可視画像の取得に使用する。また、毛根測定（メラニン吸収の定量）にはＲフィルターの素子、又はＩＲフィルターの素子を用いる。血行の測定や脂質・水分測定には、ＩＲフィルターの素子を用いる。

（変形例２）
図１９は、本実施形態に係る生体検査装置１の他の変形例を示した図である。図１に示した生体検査装置１と比較した場合、図１９に示す生体検査装置１は、複数の光照射系（同図の例では、複数の点光源１６ａ、１６ｂ、光ファイバー１２３ａ、１２３ｂ、光照射部ＩＦ１２１ａ、１２１ｂ）を具備する点である。

以上述べた本実施形態に係る生体検査装置１によれば、測定領域に対応する生体表面の顕微画像を取得し、これを用いて毛根影響領域と毛根非影響領域とを分別し、毛根或いは毛根の影の影響を受けない毛根非影響領域において血液代謝情報を測定する。従って、従来に比して、血液代謝情報を精度よく、安全かつ非侵襲に測定することができる。また、光の拡散モデルが成立しない領域においては、非拡散モデルを用いて光放射の仰角と位相角に対する強度分布を補正し、その結果に基づいて毛根影響領域と毛根非影響領域とを分別する。従って、より高精度に分別された毛根非影響領域において血液代謝情報を測定することができ、個体差を考慮しつつ、信頼性の高い毛髪健康度を測定することができる。

本実施形態に係る生体検査装置１によれば、測定領域に対応する生体表面の顕微画像を取得し、これを用いて測定領域において対象の正確な位置関係を容易且つ迅速に把握することができる。従って、光照射部ＩＦや光検出ＩＦ等の精度の高い位置合わせを必要としない。また、光学系を介して非接触のエリアセンサで任意の位置の放出光を測定でき、毛根影響領域と毛根非影響領域とを分別できるため、光検出ＩＦのサイズの制約が緩和されると同時に、入射光位置に対応して選択される位置の光を容易に測定することができる。その結果、測定時における操作者の作業負担を、大幅に軽減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、以下の変形例を挙げることができる。

（１）毛髪健康度の測定に拘泥されず、例えば、頭皮の血行情報検知、皮膚保湿評価、皮膚下毛細血管マッピングなど、様々な応用アプリケーションがあり、その趣旨を逸脱しない範囲で多くの変形実施例がある。

（２）顕微撮像素子を含む光学レンズ系２１ａは、デバイス構成により、エリアセンサ２１ｂと兼用できる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…生体検査装置１、２…生体インターフェースデバイス、３…パーソナルコンピューター、１２…光プローブ、１４…支持体、１５…光ミキサー、１６ａ…多波長光源、１６ｂ…照明光源、１７ａ、１７ｂ…毛髪ガイド、２０…光検知器、２１ａ…光レンズ系、２１ｂ…エリアセンサ、２２…演算回路、２３…データベース、２４…光信号制御部、２６…コントローラー、２８…表示部、３０…撮像デバイス、３２…ＬＥＤデバイス、３４…溝、１２１…光照射部ＩＦ、１２２…光検出部ＩＦ、１２３…光ファイバー。

Claims (13)

1. 被検体表面から当該被検体内に向けて、赤色光又は近赤外光を照射する光照射部と、
   前記被検体内を伝播し当該被検体表面から外部へ放射される光を検出する検出部と、
   前記放射された光を用いて、前記被検体に局在し且つ当該被検体内を伝播する光の強度に影響を与える光吸収体が存在する第１の領域と、前記被検体において前記光吸収体が存在しない第２の領域と、を分別し、前記第２の領域で光放射強度分布を測定する計算部と、
   を具備することを特徴とする生体検査装置。
2. 前記測定部は、前記光吸収体としての毛根のサイズを基準として、前記第１の領域を分別することを特徴とする請求項１記載の生体検査装置。
3. 前記測定部は、前記光吸収体の周辺に存在する血流領域を前記第２の領域として分別することを特徴とする請求項１又は２記載の生体検査装置。
4. 前記検出部によって検出された光を、波長毎に、位置に応じて強度補正する補正部をさらに具備し、
   前記測定部は、前記補正部によって補正された光を用いて、前記第１の領域と前記第２の領域とを分別し、前記光放射強度分布を測定すること、
   を特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の生体検査装置。
5. 前記検出部に設けられ、前記被検体表面に対し１０度以上３５度以下の光軸を有する角度導光インターフェースをさらに具備する請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の生体検査装置。
6. 前記検出部に設けられ、前記被検体表面の法線に対し０度以上４５度以下の光軸を有する角度導光インターフェースをさらに具備する請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の生体検査装置。
7. 前記被検体表面を撮像するための撮像素子をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至６のうちいずれか一項記載の生体検査装置。
8. 前記生体表面を照らす可視光源を具備したことを特徴とする請求項1の生体検査装置。
9. 前記検出部は、複数の波長フィルターを配列したシリコン半導体センサであることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の生体検査装置。
10. 前記光照射部は、主要波長の少なくとも一つが６５０ｎｍ以上８６０ｎｍ以下の赤色光波長域から近赤外域の光を照射することを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか一項記載の生体検査装置。
11. 前記光照射部は、主要波長の少なくとも一つが９００ｎｍ以１０００ｎｍ以下の赤色光波長域から近赤外域の光を照射することを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれか一項記載の生体検査装置。
12. 前記光照射部は、表面を低反射処理した被覆を有する光ファイバーであることを特徴とする請求項１乃至１１のうちいずれか一項記載の生体検査装置。
13. 被検体表面から当該被検体内に向けて、赤色光又は近赤外光を照射し、
    前記被検体内を伝播し当該被検体表面から外部へ放射される光を検出し、
    前記放射された光を用いて、前記被検体に局在し且つ当該被検体内を伝播する光の強度に影響を与える光吸収体が存在する第１の領域と、前記被検体において前記光吸収体が存在しない第２の領域と、を分別し、
    前記第２の領域で光放射強度分布を測定すること、
    を具備することを特徴とする生体検査方法。