JP4494779B2 - 非侵襲グルコース計測器 - Google Patents

Description

非侵襲グルコース計測器の問題を解決するために、ここ数十年の間数多くのシステムが提案された。

これらの装置全ての主な欠点は、ＳＮ比が非常に小さいことであり、このことは非常に大掛りな演算装置を要求し、その結果不一致でかつ再現性のない結果を招いた。

この発明の実施例の一つの特徴によれば、方法は、眼中の物質濃度を決定する。眼は、角膜、瞳孔、虹彩、レンズ、液体、及び網膜を有する。本方法は、第１波長を有する測定光ビームを提供する段階であって、第１波長では物質がゼロでない第１吸収係数を有する、第１波長を有する測定光ビームを提供する段階を含む。本方法はさらに、第２波長を有する基準光ビームを提供する段階であって、第２波長では物質が実質的にゼロに等しい第２吸収係数を有する、第２波長を有する基準光ビームを提供する段階を含む。本方法はさらに、測定光ビームを網膜に照射し、これにより測定光ビームを角膜、瞳孔、レンズ、及び液体を介して通過させる段階を含む。本発明はさらに、基準光ビームを網膜に照射し、これにより基準光ビームを角膜、瞳孔、レンズ、及び液体を介して通過させる段階を含む。本方法はさらに、測定光ビームの少なくとも一部を、液体、レンズ、瞳孔、及び角膜を介して、網膜から反射させ、これにより第１波長を有する測定逆反射光ビームを生成する段階を含む。本方法はさらに、基準光ビームの少なくとも一部を、液体、レンズ、瞳孔、及び角膜を介して、網膜から反射させ、これにより第２波長を有する基準逆反射光ビームを生成する段階を含む。本方法はさらに、第１波長を有する光によって照射されることに応答して測定信号を生成し、かつ、第２波長を有する光によって照射されることに応答して基準信号を生成するよう構成された検出器を提供する段階を含む。本方法はさらに、測定逆反射光ビームを検出器に照射する段階を含む。本方法はさらに、基準逆反射光ビームを検出器に照射する段階を含む。本方法はさらに、検出器からの測定信号及び基準信号に応答して、眼中の物質濃度を決定する段階を含む。

この発明の実施例の他の特徴によれば、装置は、網膜を有する眼中の物質濃度を測定する。本装置は、第１波長を有する測定光ビームを生成する測定光源を含む。物質は、第１波長の光に対してゼロでない第１吸収係数を有する。本装置はさらに、第２波長を有する基準光ビームを生成する基準光源を含む。物質は、第２波長の光に対して実質的にゼロに等しい第２吸収係数を有する。本装置はさらに、二色性コーティング層を有する光コンバイナを含む。光コンバイナは、測定光ビームの少なくとも一部が網膜から逆反射され、かつ、基準光ビームの少なくとも一部が網膜から逆反射されるように、配置可能である。本装置はさらに、逆反射測定光ビーム及び逆反射基準光ビームを受けるよう配置可能な検出器を含む。検出器は、測定信号を生成することによって第１波長を有する光に応答し、かつ、基準信号を生成することによって第２波長を有する光に応答する。本装置はさらに、検出器に結合された電気回路を含む。電気回路は、眼中の物質濃度を測定するために、測定信号及び基準信号に応答する。

この発明の実施例の一つの目的は、優れたＳＮ比を有し、かくして測定の安定性、再現性、及び信頼性を高める非侵襲グルコース計測器（Non-Invasive Glucose-Meter）を提供することにある。

この発明の実施例の他の目的は、ユーザが扱うのに容易でかつ扱い易く、サイズが小さく、かつ安価な非侵襲グルコース測定のためのそのような装置を提供することにある。

この発明の実施例のさらなる目的は、様々な環境、室内及び戸外で用いることができる非侵襲グルコース計測器を提供することにある。

この発明のこれら実施例の目的は、眼の特性を光学装置として用いることによって達成することができる。フォーカス手段及び焦平面を備えた各光学装置は、逆反射現象、すなわち入射光ビームが入って来た方向と同一の方向に入射光ビームが反射する現象を示す。この発明の実施例は、眼液（eye liquid）（硝子体）中のグルコース又は他の物質の濃度を決定するために、眼の逆反射特性を用いる電気光学装置を提供する。

本装置のある実施例は、眼の方向に２つの異なる波長帯域を放出するために、少なくとも２つの赤外（ＩＲ）エミッタを有する。他の実施例は、１つの広帯域エミッタと２つの狭帯域フィルタとを用いることによって、２つの異なる波長帯域を放出する。これら帯域のうち１つは、グルコースが高い吸収係数を有する波長に位置し、他の波長は基準として用いられる。基準ビームを用いると虹彩の変化が補償され、かくして様々な光条件で本装置を用いることができる。

ＩＲ検出器は、ビームスプリッタ（光コンバイナ）を用いてエミッタと同一の光学距離に配置され、かくして眼からの逆反射ビームは、検出器へ向けて戻る。

逆反射ビームはまず、角膜、眼のレンズ及び液体（硝子体）を介して眼を２回通過し、次いで網膜上にフォーカスされ、続けて眼の液体（eye liquid）、レンズ、及び角膜を介して検出器へ向けて反射される。眼の光路長が長いために、（α_λｘ）の指数と相関関係にある吸収信号は、グルコースの濃度が低いときでさえ重要になるであろう。

吸収の大きさは、

に比例する。ここで、ｘは、吸収媒体を通じた光路長の長さであり、α_λは、波長λにおけるグルコースの吸収係数である。

吸収媒体中の長い光学距離を進む眼からの逆反射光を用いることによって、この発明のある実施例は、以前に提案された全ての装置の主な欠点を克服するとともに、本質的に優れたＳＮ比を有する。好ましい実施例で述べられたように、本光学装置は非常に扱い易く、かつ優れたＳＮ比のために信号の処理がまた扱い易くかつ安価である。

図１は、本発明の好ましい実施例に係る、非侵襲グルコース計測器の電気光学構成の原理を概略的に示す。光コンバイナ１は、装置１０の中央に位置している。光コンバイナ１は、４つの層：二色性コーティング２、光学ガラス２５、ホログラフィックビームスプリッタ３、及びカバーガラス２１から形成されている。光学ガラス２５の一表面に適用される二色性コーティング２は、光源４の波長に対応した中心波長を有する。光源４，６，及び１１は好ましくは、レーザダイオード、又は高出力赤外発光ダイオードである。二色性コーティング２は、ＩＲビームのうち５０〜６０％が通過し、ＩＲビームのうち４０〜５０％が眼１３へ向けて９０°の角度で反射されることを可能にする。

光コンバイナ１の光学ガラス２５の他の表面上には、光源６の波長に対応した中心波長を有するホログラフィックビームスプリッタ３がある。ホログラフィックビームスプリッタは、中心波長の光ビームの５０〜６０％が通過し、光ビームの４０〜５０％が眼１３へ向けて２７０°の角度で反射されることを可能にする。２つの光源の光ビーム１８はほぼ平行なビームであり、レンズ５及び７を用いて生成される。光ビーム１８は同一光路長上にあり、かつ好ましくは約２ｍｍの直径を有する。

光ビーム１８は、角膜１４を通過し、虹彩２２、眼のレンズ１５及び眼の液体（eye liquid）１６へ入り、焦点２３でほぼ網膜上にフォーカスされる。ビームの一部は網膜から反射されることとなるが、網膜からの反射は同一の焦点２３から生じるので、正確にビーム１８の光路上を反対の方向に出てくることになる。網膜からの反射は、光コンバイナ１の方向に伝播しているビーム１９で表される。ビームは眼を２回通過し、かくして吸収媒体中の光路長が長くなるとともに、吸収信号は、（α_λｘ）の指数と相関関係になり、他のあらゆる提案された方法よりもずっと強くなるであろう。ビーム１９の５０〜６０％はビームスプリッタ３を通過し、レンズ８の手段によってＩＲ検出器９上にフォーカスされる。検出器は、シリコン検出器又はＰｂＳ検出器、あるいは当技術で知られているあらゆる他の種類のＩＲ検出器とすることができる。

装置１０は好ましくは、装置１０によって雑音とみなされる例えば角膜からの他の反射ではなく、主に逆反射ビーム１９を受けるために、眼から少なくとも１００ｍｍの距離に配置されるべきである。

光コンバイナ１の他の構成は、二色性コーティング２のみを備えた光コンバイナとすることができる。この方法では、２つの光源４及び１１は、モータ１２を用いることによって、光ビームを断続的に放出するために位置を変える。この変形例では、二色性コーティング２は、光源４及び１１両方の波長に対して広帯域のコーティングである。

図２は、この発明の他の実施例に係る、非侵襲グルコース計測器の電気光学構成の原理を概略的に示す。この実施例では、ミニチュアランプとすることのできる一つの広帯域光源４のみが用いられる。モータ１１によって駆動されるフィルタホイール（filter wheel）７が、所望の波長を選択するために用いられる。この実施例は、グルコース又は他の物質の濃度を分析するために２つ以上の波長が要求される場合に好都合である。

図３は、この発明の好ましい実施例と関連する、電気回路を概略的に示す。日本のエプソンによって製造されたEpson 6200のような中央演算処理装置（ＣＰＵ）１は、本装置の動作を制御する。

回路は、電源１６、好ましくはリチウム電池、を回路へ接続しているスイッチ３によって作動される。自己検査（self-check）の後、ＣＰＵは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のようなディスプレイ装置２に「準備完了」と表示する。測定を実施するために、スイッチ４が作動される。次いで、ＣＰＵは、測定手順を開始する。ＣＰＵは順次、アンプ１０を介して光源１５、及びアンプ１１を介して光源１４を作動し、他の実施例ではアンプ１２を介してモータ１３を作動する。眼からの逆反射光信号は、ＩＲ検出器５によって電圧信号へ変換され、電圧信号はアンプ６によって増幅されるとともにフィルタ７によって濾過される。アナログ信号は、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器８によってデジタル形態に転換され、ＣＰＵに格納される。２つの波長に対応する測定データを受け取った後、ＣＰＵは、吸収レベルに従って、Ｅ^２ＰＲＯＭ９に格納されている校正パラメータを用いてグルコースの濃度を計算する。結果はディスプレイ２に表示される。

同一の構成は、他の波長を用いて眼の液体中の他の物質の濃度を測定するために用いられ得る。

本発明は、ある好ましい実施例の点で説明されたが、ここで発表された特徴及び優位点の全てを与えない実施例を含む、当業者に明らかな他の実施例はまた、この発明の範囲内である。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定される。

好ましい実施例に係る非侵襲グルコース計測器の電気光学構成の原理を示す概略図である。 他の実施例に係る非侵襲グルコース計測器の電気光学構成の原理を示す概略図である。 好ましい実施例に関連した電気回路を示す概略図である。

符号の説明

１ 光コンバイナ
２ 二色性コーティング
３ ホログラフィックビームスプリッタ
４，６，１１ 光源
７ フィルタ
９ 検出器
１２ モータ
１４ 角膜
１５ 眼のレンズ
１６ 眼の液体
１７ 網膜
１８ 光ビーム
２１ カバーガラス
２２ 虹彩
２５ 光学ガラス

Claims (16)

1. 網膜を有する眼中の物質濃度を測定する装置であって、
   第１波長を有する測定光ビームを生成する測定光源であって、前記物質が前記第１波長の光に対してゼロでない第１吸収係数を有する、測定光源と；
   第２波長を有する基準光ビームを生成する基準光源であって、前記物質が前記第２波長の光に対して実質的にゼロに等しい第２吸収係数を有する、基準光源と；
   前記網膜から逆反射された測定光ビーム及び前記網膜から逆反射された基準光ビームを主に受けるように眼から少なくとも１００ｍｍの距離に配置可能な検出器であって、測定信号を生成することによって前記第１波長を有する光に応答し、かつ、基準信号を生成することによって前記第２波長を有する光に応答する検出器と；
   前記検出器に結合された電気回路であって、前記眼中の物質濃度を測定するために前記測定信号及び前記基準信号に応答する電気回路と；
   を備え、
   検出された逆反射の前記測定光ビームと検出された逆反射の前記基準光ビームは実質的に平行であることを特徴とする装置。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記物質は、グルコースを含むことを特徴とする装置。
3. 請求項１記載の装置において、
   前記測定光源及び前記基準光源に結合されたモータをさらに備えることを特徴とする装置。
4. 請求項１記載の装置において、
   前記測定光源は、第１赤外光源を備え、前記基準光源は、第２赤外光源を含むことを特徴とする装置。
5. 請求項４記載の装置において、
   前記第１赤外光源は、レーザダイオード又は赤外発光ダイオードを含むことを特徴とする装置。
6. 請求項４記載の装置において、
   前記第２赤外光源は、レーザダイオード又は赤外発光ダイオードを含むことを特徴とする装置。
7. 請求項１記載の装置において、
   前記測定光源は、広帯域光源を含み、前記基準光源は、前記広帯域光源を含むことを特徴とする装置。
8. 請求項７記載の装置において、
   前記測定光ビームは、第１バンドフィルタを介して伝播され、前記基準光ビームは、第２バンドフィルタを介して伝播されることを特徴とする装置。
9. 請求項１記載の装置において、
   前記測定光ビームは、前記逆反射された測定光ビームと実質的に平行であり、前記基準光ビームは、前記逆反射された基準光ビームと実質的に平行であることを特徴とする装置。
10. 請求項１記載の装置において、
    前記電気回路は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、及びディスプレイを含むことを特徴とする装置。
11. 請求項１記載の装置において、
    前記電気回路はさらに、前記測定光源及び前記基準光源に結合されていることを特徴とする装置。
12. 請求項１記載の装置において、
    二色性コーティング層を含む光コンバイナをさらに備えることを特徴とする装置。
13. 請求項１２記載の装置において、
    前記光コンバイナは、光学ガラス層、ホログラフィックビームスプリッタ層、及びカバーガラス層をさらに含むことを特徴とする装置。
14. 請求項１記載の装置において、
    前記測定光ビームは、眼の角膜、レンズ及び液体を通過し、前記網膜から逆反射され、前記液体、前記レンズ及び前記角膜を通過した後で前記検出器によって受けられ、前記基準光ビームは、前記角膜、前記レンズ及び前記液体を通過し、前記網膜から逆反射され、前記液体、前記レンズ及び前記角膜を通過した後で前記検出器によって受けられることを特徴とする装置。
15. 角膜、瞳孔、虹彩、レンズ、液体、及び網膜を有する眼中の物質であって、第１波長においてゼロでない第１吸収係数を有し、第２波長において実質的にゼロに等しい第２吸収係数を有する物質の濃度を決定する装置の作動方法であって、
    前記網膜から逆反射され、前記液体、前記レンズ、前記瞳孔及び前記角膜を２回通過した前記第１波長を有する測定光ビームを主に検出する段階と、
    前記網膜から逆反射され、前記液体、前記レンズ、前記瞳孔及び前記角膜を２回通過した前記第２波長を有する基準光ビームを主に検出する段階と、
    検出された逆反射の前記測定光ビームに応答して測定信号を生成する段階と、
    検出された逆反射の前記基準光ビームに応答して基準信号を生成する段階と、
    前記測定信号及び前記基準信号に応答して、前記眼中の物質濃度を決定する段階と、
    を備え、
    検出された逆反射の前記測定光ビームと検出された逆反射の前記基準光ビームは実質的に平行であることを特徴とする作動方法。
16. 請求項１５に記載の作動方法において、
    前記物質は、グルコースを含むことを特徴とする作動方法。

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