JP2009233404A - 非侵襲型生体成分の定量装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で省電力なものとする。
【解決手段】生体成分を非侵襲で定量する光学的装置である。近赤外波長域１０００ｎｍ〜２５００ｎｍの中の異なる複数の波長の光を順次被検体に照射する照射手段と、被検体からの反射光もしくは被検体を透過した透過光を受光する受光手段１２と、受光手段１２で得られた前記波長ごとの吸光度から演算処理して生体成分濃度を算出する演算手段１４とからなる。上記照射手段は、異なる波長の光を出力すると共に順次発光する複数の光源３と、該光源３からの光を被検体８への照射用プローブに導く導光手段とを備えている。波長の異なる光を順次被検体８に照射するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、近赤外領域における光の吸収を利用して生体組織中あるいは体液中の化学成分の体液成分濃度の分析を行う非侵襲型生体成分の定量装置に関するものであり、具体的には皮膚組織中のグルコース濃度の定量分析を行うことにより血糖値測定を行うための装置に関するものである。

皮膚組織中のグルコース濃度は血液中のグルコース濃度（血糖値）と高い相関を有していることから血糖値定量のための代用値として用いられている。このグルコース濃度の定量を非侵襲で行うものとして、ハロゲンランプからなる光源の光（近赤外光）を集光レンズで集束して被検体８に照射し、被検体８内を透過あるいは拡散反射した光を回折格子などで分光した後、受光素子ユニットで受光し、受光素子ユニットで得られた生体信号をもとにグルコース濃度を演算するものがある。この場合、光源からの光をセラミック板などの標準板に照射して標準板で反射した光の受光も行ってリファレンス信号を得て、リファレンス信号と生体信号をもとにグルコース濃度変化に由来するスペクトル中の吸光度の微量変化を解析し、グルコース濃度の演算を行っている。

たとえば、特開２０００−１３１３２２号公報（特許文献１）に示されたグルコース濃度の定量方法及びその装置では、図２４に示すように、ハロゲンランプからなる光源６１と、光源６１からの光を集束する集光レンズ６２と、集光レンズ６２を通過した光を被検体に照射するとともに被検体内を透過あるいは拡散反射した光を受光するための光ファイババンドルプローブ６３と、受光後の光を分光する回折格子を収めた回折格子ユニット６４、該回折格子ユニット６４で分光された光を検出するためのＩｎＧａＡｓアレイ型受光素子ユニット６５、アレイ型受光素子ユニット６５で得られた信号をもとにグルコース濃度を演算する演算ユニット６６とから構成されたものが示されている。

このものでは、スペクトル測定に際して光源６１からの光で前記光ファイババンドルプローブ６３を介してセラミック板などの標準板を照射するとともに標準板で反射した光（リファレンス信号）を受光し、続いて接触位置を一定化するための位置決め治具を用いて光ファイババンドルプローブ６３のセンシング部を皮膚表面に１００〜５００ｇｆ／ｃｍ２の接触圧力で当接させ、皮膚組織内を透過あるいは拡散反射した光（生体信号）を受光し、得られたリファレンス信号と生体信号をもとに前記演算ユニット６６によりグルコース濃度変化に由来するスペクトル中の吸光度の微量変化を解析して、グルコース濃度を演算する。このとき一般にはマルチチャンネル検出器で得られた解析波長範囲の全画素（例２５６画素）の信号が利用される。

ところで、グルコース濃度は数十〜数百ｍｇ／ｄｌと微量であるため、皮膚組織を透過あるいは拡散反射した光（生体信号）をもとにグルコース濃度の定量を行うには上記光をＳ／Ｎ良く捉えることが重要であり、このために吸光度ベースライン変動をできるだけ抑制してスペクトル測定の安定性を高くしておくと同時にグルコース濃度変化に応じたスペクトル変化を正しく捉えることができる分解能を持つものとしておかなくてはならない。このために上記の構成では、波長領域として１０００ｎｍ〜２５００ｎｍのスペクトルを用い（実際は、受光素子アレイ数（例：２５６素子）に割り付けられる）、多変量解析によりグルコース濃度の定量演算をして推定している。

特開２０００−１３１３２２号公報

マルチチャンネル検出器で得られた解析波長範囲内の全ての信号を吸光度換算した後にグルコース濃度推定のための解析がなされる上記のものでは、どうしてもシステム構成がおおがかりなものとなる。また、連続的な近赤外光を発生させなくてはならない光源には、ハロゲンランプ等が必要となり、その熱対策も大変である。また連続光をスペクトルに分解するための回折格子などからなる分光部を必要とする。加えるに、受光素子であるマルチチャンネル検出器は、各画素特性が必ずしも一様でないために、生体成分濃度変化に応じたスペクトル変化が正しく反映されぬまま解析されてしまうことがあり、生体成分濃度推定における良好な解析精度を得られぬ要因となっている。

本発明は以上のような点を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、小型で省電力な非侵襲型生体成分の定量装置を提供することにある。

しかして本発明は、生体成分を非侵襲で定量する光学的装置であって、近赤外波長域１０００ｎｍ〜２５００ｎｍの中の異なる複数の波長の光を順次被検体に照射する照射手段と、被検体からの反射光もしくは被検体を透過した透過光を受光する受光手段と、受光手段で得られた前記波長ごとの吸光度から演算処理して生体成分濃度を算出する演算手段とからなり、上記照射手段は、異なる波長の光を出力すると共に順次発光する複数の光源と、該光源からの光を被検体への照射用プローブに導く導光手段とを備えていることに特徴を有しており、波長の異なる光を順次被検体に照射するようにしたものである。この場合の導光手段は回折光学デバイスや光導波路を好適に用いることができる。

そして、各波長の光を被検体を経ることなく受光装置に導く参照光導光手段を備えて、演算手段は参照光と被検体を経た光とから算出した吸光度を基に生体成分濃度を算出するものであれば、より的確に生体成分の定量を行うことができる。

また、定量を目的とする生体成分がグルコースである場合、照射手段は被検体表面に当接される測定用プローブを備えるとともに、該測定用プローブは被検体に投光する投光部と被検体からの反射光もしくは被検体を透過した透過光を受光する受光部とが中心間距離０．２ｍｍ〜２．０ｍｍで配置されていることが好ましい。

以上のように本発明においては、近赤外光の全光を照射して受光した光を分光分析するのではなく、必要とする波長の光のみが光導入口に送られ複数の異なる波長の光を順次照射して受光を行うために、光源の小型化及び低電力化を図ることができるとともに、受光側に分光デバイスを必要とせず、受光についても単素子型受光素子でも良いものであってマルチチャンネル型受光手段等を必要とせず、全体として超小型・軽量・低電力のものとすることができる。

本発明の参考例のブロック図である。 同上の光ファイババンドルの一例を示すもので、（ａ）はプローブ先端の端面図、（ｂ）は光射出口の端面図、（ｃ）は光導入口の端面図である。 同上の光ファイババンドルの他例におけるプローブ先端の端面図である。 同上の動作のフローチャートである。 同上の動作のフローチャートである。 同上の動作のフローチャートである。 他例のブロック図である。 （ａ）（ｂ）は同上の光ファイバの端面図である。 更に他例のブロック図である。 別の例のブロック図である。 同上の動作のフローチャートである。 同上の動作のフローチャートである。 同上の動作のフローチャートである。 さらに別の例のブロック図である。 光源に波長可変レーザを用いた例のブロック図である。 波長選択手段を用いた例のブロック図である。 波長選択手段の一例の正面図である。 波長選択手段の他例の斜視図である。 波長選択手段の別の例の斜視図である。 波長選択手段の更に別の例の斜視図である。 （ａ）（ｂ）は夫々光源の別の例の断面図である。 本発明の実施の形態の一例であり、（ａ）〜（ｃ）は夫々光導入手段の例を示す断面図である。 同上の他例であり、（ａ）（ｂ）は夫々光導入手段の例を示す断面図である。 従来例のブロック図である。

以下本発明の基本構成等を参考例に基づいて詳述すると、図１において、３は複数個のＬＥＤ（図示例では４個）３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄからなる光源であり、ステッピングモータのような駆動部２で回転駆動される円板の同心円上に配設されている。図中１は電源である。

上記の各ＬＥＤ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、各々特定の波長帯域の光を出すもので、たとえばＬＥＤ３ａ：１４００ｎｍ、ＬＥＤ３ｂ：１５５０ｎｍ、ＬＥＤ３ｃ：１７００ｎｍ、ＬＥＤ３ｄ：１８５０ｎｍで構成されている。なお、ＬＥＤの個数や波長帯域の割り付けは、上記の例に限定されるものではなく、要求精度に応じて設定されるものであるが、最大でも１０個で納めることができる。

一方、被検体８に光を照射するための複数本の投光用光ファイバ６（クラッド径２００μｍ、コア径１８０μｍ）と、被検体８を透過あるいは拡散反射した光を受光するための受光用光ファイバ９（同じくクラッド径２００μｍ、コア径１８０μｍ）とを束ねた光ファイババンドル１１は、その被検体８表面に接触させることになるプローブ７の先端面の測定面に、図２に示すように、投光用光ファイバ６の光の出射端１６及び受光用光ファイバ９の光の入射端１７とを配したもので、複数の出射端１６は入射端１７を中心とした円周上に複数個配しており、出射端１６と入射端１７とは０．２ｍｍ〜２．０ｍｍ（図示例では０．６５ｍｍ）の間隔Ｌで配置してある。なお、図３に示すように、受光用光ファイバ９（１７）と投光用光ファイバ６（１６）との配置を入れ換えたものであってもよい。

そして投光用光ファイバ６の光導入口４（図１参照）は上記光源３に対向させ、受光用光ファイバ９の光出射口１１（図１参照）は単素子型の受光素子１２に対向させている。

受光素子１２の出力はＡ／Ｄ変換装置１３でデジタル変換されて演算手段１４に送られる。図中１５は生体成分濃度表示のための表示装置、５は計測初期に参照光を受光素子１
２に導くための反射鏡である。

生体成分の定量のためのスペクトル測定に際しては、まず光源３の参照光を計測する。すなわち、プローブ７に反射鏡５を正対させ、約１秒間隔で駆動部２のステッピングモータを作動させて投光用光ファイバ６の光導入口５と対向するＬＥＤを順次切り換える。この切換信号は前述のように演算手段１４から出力される。また、この切換信号は、同時に単素子型受光素子１２にも伝達され、単素子型受光素子１２を波長ごとにリセットさせる。反射鏡５からの反射光は受光素子１２で電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換装置１３でデジタル変換されて波長ごとの参照光電気信号として演算手段１４に記憶される。

次に、プローブ７を生体の皮膚である被検体８に当接させる。この時、接触位置を一定化するための位置決め治具を用いてプローブ７と被検体８との接触圧力が１００〜５００ｇｆ／ｃｍ２となるようにすることが好ましい。

そして、約１秒間隔で駆動部２を作動させて、４つの特定波長を有するＬＥＤ３ａ⇒ＬＥＤ３ｂ⇒ＬＥＤ３ｃ⇒ＬＥＤ３ｄを順次切り換える。この時の切換信号は単素子型受光素子１２にも送られて、単素子型受光素子１２を波長ごとにリセットする。

投光用光ファイバ６を通ってプローブ７の出射端１６から出射した光は被検体８（皮膚組織）を伝搬した後、皮膚組織から散乱光として出射されるが、入射端１７から入射した散乱光は受光用光ファイバ９によって単素子型受光素子１２に送られて電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換装置１３でデジタル変換された波長ごとの生体電気信号は演算手段１４に記憶される。

測定された参照光電気信号をＲｅｆ、生体電気信号をＳｉｇとすると、吸光度Ａｂｓは次式（１）のように表される。

Ａｂｓ＝ｌｏｇ１０（Ｒｅｆ／Ｓｉｇ）・・・・ （１）
本例では、４つの特定波長光があることから、４つの吸光度Ａｂｓを計測することができる。

Ａｂｓ１４００ｎｍ＝ｌｏｇ１０（Ｒｅｆ／Ｓｉｇ）・・・・ （２）
Ａｂｓ１５５０ｎｍ＝ｌｏｇ１０（Ｒｅｆ／Ｓｉｇ）・・・・ （３）
Ａｂｓ１７００ｎｍ＝ｌｏｇ１０（Ｒｅｆ／Ｓｉｇ）・・・・ （４）
Ａｂｓ１８５０ｎｍ＝ｌｏｇ１０（Ｒｅｆ／Ｓｉｇ）・・・・ （５）
そして４個の吸光度Ａｂｓ情報をもとに前記演算手段１４はあらかじめ格納されている生体成分濃度算出式に基づいて生体成分濃度を演算し、その演算結果を表示装置１５に表示する。図４〜図６に上記動作についてのフローチャートを示す。

被検体８（生体）での反射・拡散光利用の事例で説明したが、図７に示すように、生体の透過光を利用するものであってもよい。図８はこの場合の出射端１６と入射端１７の配置の一例を示している。また、Ａ／Ｄ変換装置１３と演算手段１４とを分けて説明したが、これは説明上であり、実際には演算手段１４がＡ／Ｄ変換装置１３も内蔵しているものが一般的である。さらに、光源３の各ＬＥＤ３ａ〜３ｄの順次切り換えを回転板の回転で行うものを示したが、直線的移動等で行ってもよく、また、図９に示すように光導入口４側を動かすことで、光導入口４が対向するＬＥＤ３ａ〜３ｄを切り換えるようにしてもよいのはもちろんである。

図１０は参照光の受光素子１２による受光を参照光用光ファイバ１０で行うようにしたものを示している。このものでは、演算手段１４から駆動部２及び受光素子１２に対して
送る切換信号により、光源３の波長とその導光経路（被検体８を介した経路か、直接受光素子１２に至る経路か）を切り換えることになる。

動作について説明すると、スペクトル測定にあたり、約１秒間隔の駆動部２の作動でＬＥＤ３ａ⇒ＬＥＤ３ａ⇒ＬＥＤ３ｂ⇒ＬＥＤ３ｂ⇒ＬＥＤ３ｃ⇒ＬＥＤ３ｃ⇒ＬＥＤ３ｄ
⇒ＬＥＤ３ｄ⇒ＬＥＤ３ａ⇒ＬＥＤ３ａ⇒と循環するように順次切換えられる。演算手段１４から出力されるこの切換信号は、受光素子１２にも送られて受光素子１２の受光波長と受光経路の識別に利用される。

図１１〜１３にこの場合の動作のフローチャートを示す。ここではある波長での生体成分光と参照光とを順次測定した後、次の波長の生体成分光と参照光とを測定するようにしているが、前述の例と同様に、波長ごとの参照光を受光した後、波長ごとの生体成分光を受光するようにしてもよい。この場合においても、図１４に示すように被検体８を透過した透過光を利用してもよいのはもちろんである。

図１５は光源３として波長可変レーザを用いたものを示している。光源３と光導入口４とは常時対向させた状態で固定しておくことができるために、位置ずれ等の問題を招くことがなくなる。

図１６に示すように、異なる波長の光を出力する光源３と光導入口４との間に波長選択手段２２を介在しており、異なる複数の波長の光を順次被検体８に照射することができるようにしている。波長選択手段２２としては、図１７に示す透過波長帯域が異なる複数のバンドパスフィルタ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの組み合わせ、図１８に示す波長チューナブルフィルタ２２ｅ、光学的デバイスであるプリズム２２ｆ（図１９参照）、傾斜膜厚フィルタ２２ｇ（図２０参照）、回折格子（図示せず）等を用いることができる。また、図２１（ａ）に示すように、透過型バンドパスフィルタ２２ｈを複数組み合わせて複数波長λ１，λ２，λ３，λ４に分波したり、図２１（ｂ）に示すように、選択波長透過光反射型積層フィルタ２２ｉを用いて分波する。なお、図２０中の２３は集光レンズであり、ここでは光源３と集光レンズ２３と光導入口４とを傾斜膜厚フィルタ２２ｇに沿って動かすことで光導入口４に入る光の波長を切り換えている。

本発明の実施の形態の一例として、光源３として異なる波長の光を出力する複数の光源（たとえば前述のＬＥＤ３ａ〜３ｄ）を用いたものがある。この場合、光導入口４にこれら光源の光を導入するにあたり、前述の光源あるいは光導入口４を移動させることに代えて、図２２，２３に示すような回折格子デバイス３０や、光ファイバ３１、光ファイバ３１と光カプラ３２との組み合わせ、光合成用光導波路３３、光学レンズ３４，３５等の光導入手段を用いている。ただし、これらのデバイスを用いる場合は、光源３として、異なる波長の光を出力する複数の光源を順次発光させることで、必要とする波長の光のみが光導入口４に至るようにしておく。

ところで、受光素子１２としては受光量の関係からＩｎＧａＡｓ型の高価で冷却を要する素子を用いなくてはならないのが現状であるが、超高輝度の光源が開発されるならば、汎用の赤外フォトダイオードや、赤外フォトトランジスタ等による安価で小型の電子回路化が可能となる。また、微細加工技術の向上により光導波路や光スイッチ等の活用により、より超小型化・省電力化が可能となる。

３ 光源
７ プローブ
８ 被検体
１２ 受光素子
１４ 演算手段

Claims (5)

1. 生体成分を非侵襲で定量する光学的装置であって、近赤外波長域１０００ｎｍ〜２５００ｎｍの中の異なる複数の波長の光を順次被検体に照射する照射手段と、被検体からの反射光もしくは被検体を透過した透過光を受光する受光手段と、受光手段で得られた前記波長ごとの吸光度から演算処理して生体成分濃度を算出する演算手段とからなり、上記照射手段は、異なる波長の光を出力すると共に順次発光する複数の光源と、該光源からの光を被検体への照射用プローブに導く導光手段とを備えていることを特徴とする非侵襲型生体成分の定量装置。
2. 導光手段は回折光学デバイスであることを特徴とする請求項１記載の非侵襲型生体成分の定量装置。
3. 導光手段は光導波路であることを特徴とする請求項１記載の非侵襲型生体成分の定量装置。
4. 各波長の光を被検体を経ることなく受光装置に導く参照光導光手段を備えて、演算手段は参照光と被検体を経た光とから算出した吸光度を基に生体成分濃度を算出するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の非侵襲型生体成分の定量装置。
5. 定量を目的とする生体成分がグルコースであり、照射手段は被検体表面に当接される測定用プローブを備えるとともに、該測定用プローブは被検体に投光する投光部と被検体からの反射光もしくは被検体を透過した透過光を受光する受光部とが中心間距離０．２ｍｍ〜２．０ｍｍで配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の非侵襲型生体成分の定量装置。

Images