JPH1170101A - 血液成分濃度の分析方法及びその装置と該装置用光ファイバーバンドル - Google Patents
血液成分濃度の分析方法及びその装置と該装置用光ファイバーバンドルInfo
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Abstract
侵襲で精度良く行う。 【解決手段】 生体の血液成分濃度を近赤外光の分光分
析で行うにあたり、生体の表層組織における真皮部分を
選択的に透過させた近赤外光あるいは真皮部分で選択的
に拡散反射させた近赤外光を用いて分光分析を行い、定
量を目的とする成分の血中成分濃度と上記真皮部分中の
濃度との相関を利用して定量分析を行う。
Description
血液成分濃度の分析方法及びその装置と、該装置に好適
に用いることができる光ファイバーバンドルに関するも
のである。
現在、広範囲の分野で利用されている。利用する波長に
よって吸光にかかわる物理的性質は異なるが、紫外域で
は電子の励起、赤外域では分子振動の共鳴、近赤外領域
では分子振動の共鳴の高調波などが計測できるために、
これらに基づいて分析を行うことができる。
外域の光を用いて物質の定量、定性分析を行う近赤外分
光分析法は、近年、農業分野をはじめ様々な分野で利用
されはじめており、最近では生体分野において非侵襲、
無害の分析手法として注目されている。近赤外分光分析
法は0.8μmから2.5μmの波長の光を物質に照射
し、透過あるいは反射した光のスペクトルより分析を行
う手法である。この近赤外分光分析法は、 エネルギーの低い電磁波を用いるので試料を損傷するこ
とがない 固体、粉体、繊維、液体、気体など様々な状態の試料へ
の適用が可 赤外光にくらべ近赤外光では水の吸収強度が弱くなるの
で、水溶液での分析が可 などの利点を有しており、グルコースといった血液成分
濃度の定量、定性分析を非侵襲で行うことが可能であ
る。
ナルは高調波をあつかうために赤外光に比較して非常に
微弱である上、バンドの帰属が明確でないという欠点を
有しており、このために近赤外分光分析にはその定量、
定性のためにいわゆる“ケモメトリクス”と呼ばれる手
法が用いられる。これは、多変量解析手法や統計解析手
法を用いて化学分析を行う手法で、コンピュータの発達
とともに発展し、最近の近赤外分光分析では主成分回帰
分析あるいはPLS回帰分析といった多変量解析手法を
用いて行われることが多い。またニューラルネットワー
ク等の解析への応用も試みられている。
従来例として水分計がある。近赤外光による水分計は現
在、数種類が市販されているが、初期の頃の単純な水分
定量は、水の吸収の1.93μmにおける吸光度と物質
の吸収に関係しない中立波長の2.08μmにおける吸
光度の差(差吸光度)と、水分との単回帰式によりあら
かじめ求めた検量線を用いて行われている。実際の計測
においては差吸光度を測定し、検量線と比較することで
物質の水分量を測定する。ただし、この水分量計測は物
質表面に光を照射しその反射光を検出することにより行
われるので、表面近傍の深さ方向の水分量を選択的に検
出する能力はない。
されている。これは特表平8−502912号公報に示
されているように、多重に散乱した光の空間的に分解さ
れた測定によってグルコース濃度を求めようとしたもの
で、生体を通った近赤外光の測定を2つの受発光間隔で
行うとともに、受発光間隔に対する強度の依存性に基づ
いてグルコース濃度を求めている。
のところグルコースといった血液成分濃度を生体組織か
ら非侵襲で定量定性分析することは実用化に至っていな
いのが現状である。これは、生体組織における皮膚組織
は300μm程度の厚さの表皮と,その下層の厚さ1m
m程度の真皮組織、さらにその下層の多量の脂肪細胞か
らなる皮脂組織で構成されているのに対して、従来は生
体組織が均質なものと仮定しているためであると思われ
る。複雑な組織構造がからみあう生体組織においては、
グルコースのような生体成分は、組織が異なればその濃
度も大きく異なっており、この点を考慮しなくては正確
な定量は望めない。
であり、その目的とするところはグルコースといった血
液成分濃度の定量を非侵襲で精度良く行うことができる
血液成分濃度の分析方法及びその装置と該装置に好適に
用いることができる光ファイバーバンドルを提供するに
ある。
血液成分濃度の分析方法は、生体の血液成分濃度を近赤
外光の分光分析で行うにあたり、生体の表層組織におけ
る真皮部分を選択的に透過させた近赤外光あるいは真皮
部分で選択的に拡散反射させた近赤外光を用いて分光分
析を行い、定量を目的とする成分の血中成分濃度と上記
真皮部分中の濃度との相関を利用して定量分析を行うこ
とに特徴を有している。生体の皮膚組織のなかで真皮部
分は血液成分に関してその濃度の点で相関が高い上に、
近赤外光を真皮部分に選択的に透過させたり真皮部分で
選択的に拡散反射させたりすることが可能であることに
着目したものである。すなわち、図2に示すように発光
プローブPと受光プローブRとを平行に配置して測定物
9に対向させた場合、発光プローブPから出て受光プロ
ーブRで観察されるはいわゆる「バナナシェイプ」とよ
ばれる経路を通ることが実験的にも数値解析手法を用い
たシミュレーションにおいても確認されており、この
時、発光プローブPと受光プローブRとの間隔の調節に
よって測定物9の深さ方向への光の到達度を変化させる
ことができることに着目して、上記真皮部分での近赤外
光分析を行うようにしたものである。
あげることができるが、これに限るものではない。そし
て、生体の表層組織表面に近赤外光を導く光投射点と表
層組織表面から近赤外光を取り出す光検出点との間隔は
2mm以下としたり、あるいは生体の表層組織表面に近
赤外光を導く光投射点と表層組織表面から近赤外光を取
り出す光検出点とを複数設けるとともに、上記両点の最
小間隔を2mm以下,好ましくは1mm以下とすること
で、真皮部分を選択的に透過させたり真皮部分で選択的
に拡散反射させることができる。前記公報の実施例で示
された3mmや5mmといった受発光間隔では、真皮組
織の信号だけでなく、その下層に位置する筋肉組織や脂
肪組織の信号をも重畳した信号を検出してしまうことに
なり、外乱信号が多くなるために、空間的に分離された
2つの近赤外光を検出した信号を利用しても、複雑な生
体組織から精度の良いグルコース濃度の測定は難しい
が、皮膚組織のなかで最も良好なグルコース信号(つま
り血中グルコース濃度と相関の高いグルコース信号)を
外乱が少なくて安定した真皮組織から選択的に取り出す
ことができるものである。
を上記のような間隔で設けることは実際上困難である
が、一端が発光手段に接続された発光用光ファイバーの
他端と一端が受光手段に接続された受光用光ファイバー
の他端とを束ねるとともに、生体の表層組織表面に近赤
外光を導く光投射点を発光用光ファイバーの他端で、表
層組織表面から近赤外光を取り出す光検出点を受光用光
ファイバーの他端で形成することで、この問題を解決す
ることができる。
mm以下のものを好適に用いることができる。光ファイ
バーには直径が数μmから数千μm(数mm)のものを
用いることができるが、この中で特に、直径70μmか
ら1000μmの光ファイバーの利用が適している。人
間の真皮中の化学成分の定量分析を行う用途に用いるも
のについて述べるならば、人間の真皮9bは図3に示す
ように300μm程度の厚さの表皮9aと多量の脂肪細
胞からなる皮下組織9cとに挟まれた1mm程度の厚さ
の組織であり、このような真皮9b中の血液成分の分析
には線径が250〜750μmの光ファイバー、たとえ
ば500μmの光ファイバーの束を用いて図1のような
光ファイバーを作製して分光分析を行うことで、真皮9
b中の血液成分の分析が可能となる。皮膚組織中を透過
する光の経路は組織の物性や分析に用いる波長により異
なるので、予め予備実験や数値シミュレーションを行
い、測定に用いる線径を決定する必要がある。得られた
吸光信号は演算部で数値計算され目的とする成分濃度が
算出される。
光ファイバーの他端で生体の表層組織表面に近赤外光を
導く光投射点を形成するとともに一端が受光手段に接続
された受光用光ファイバーの他端で表層組織表面から近
赤外光を取り出す光検出点を受光用光ファイバーの他端
で形成する場合、上記光投射点と上記光検出点との最小
間隔を接触乃至近接させた発光用光ファイバーと受光用
光ファイバーとの線径で設定すれば、真皮部分を選択的
に透過させたり真皮部分で選択的に反射させるための間
隔設定を容易に行うことができる。
を発光用光ファイバーと受光用光ファイバーとの間に介
在させたスペーサで設定しても、真皮部分を選択的に透
過させたり真皮部分で選択的に反射させるための間隔設
定を容易に行うことができる。表層組織表面に近赤外光
を導く光投射点と表層組織表面から近赤外光を取り出す
光検出点の少なくとも一方を表層組織表面に当接させる
測定プローブ先端面に配した発光ダイオードや半導体レ
ーザーや受光素子のような微小な半導体素子で形成して
もよい。
光としては、1,300〜2,500nmの範囲の波長
のものを好適に用いることができる。1,300nm未
満の光ではS/N比の良い信号を得ることができない。
生体での透過性に優れるものの、吸収信号が非常に小さ
いために、2mm以下に設定した受発光間隔での測定で
は、真皮組織に微量含まれるグルコースのような成分の
定量が難しくなるためであり、1,300〜2,500
nmの波長は生体での透過性に劣るものの、吸収信号が
大きくてS/N比が良くなるためである。
1,800nmの範囲の波長の近赤外光もしくは2,0
00〜2,500nmの範囲の波長の近赤外光の少なく
とも一方を用いることで好ましい結果を得ることができ
る。そして生体の表層組織における表皮部分を選択的に
透過させた近赤外光あるいは表皮部分で選択的に拡散反
射させた近赤外光をリファレンス光として併用すること
も好ましい。この場合、リファレンス光は、表皮組織、
とりわけ角質層のような生体外部の環境の影響を受けや
すく、毛細血管がほとんど存在しない組織を主として透
過したり拡散反射した光となり、このような表皮組織の
吸収信号の寄与の大きい透過光あるいは拡散反射光をリ
ファレンス光とすることで、真皮組織の吸収信号を抽出
することができることになり、より正確な定量を行うこ
とが可能となる。
装置は、生体の血液成分濃度を近赤外光の分光分析で行
う分析装置であって、近赤外光を生体の表層組織表面に
投射する投射部と生体の表層組織表面から近赤外光を検
出する検出部との間隔を、上記投射部から生体組織に導
入されて検出部で検出される近赤外光が生体の表層組織
における真皮部分を選択的に透過する間隔あるいは真皮
部分で選択的に拡散反射する間隔で設けて、定量を目的
とする成分の血中成分濃度と上記真皮部分中の濃度との
相関を利用して定量分析を行う演算手段を設けているこ
とに特徴を有している。上記方法による血液成分濃度の
分析を行うことができる。
は2mm以下、好ましくは1mm以下としているのは前
述の通りであり、リファレンス光を併用する場合、リフ
ァレンス光用の投射部と検出部との間隔は0.5mm以
下、好ましくは0.35mm以下としておくことが好ま
しい。また、一端が発光手段に接続された発光用光ファ
イバーの他端を投射部とし、一端が受光手段に接続され
た受光用光ファイバーの他端を検出部としているととも
に、発光用光ファイバーと受光用光ファイバーとは上記
他端側において束ねられたもの、特に、少なくとも受光
用光ファイバーが複数本で形成されて、一端側において
これら複数本が発光用光ファイバーと受光用光ファイバ
ーとに分けられて束ねられているものを好適に用いるこ
とができる。光ファイバーは1本の光ファイバーだけで
なく複数本の光ファイバーを束ねることで受発光操作が
容易になることは周知の事実であり、従って発光用光フ
ァイバー4a及び受光用光ファイバー4bを夫々複数本
とし、図1に示すように測定物9表面に接触させる端部
において各複数本の発光用ファイバー4aと受光用ファ
イバー4bとをまとめて束ね、反対側の端部では発光用
光ファイバー4aのみを束ねるとともに受光用光ファイ
バー4bのみを束ねることによって、計測に都合の良い
光ファイバーバンドル4とすることができる。特殊な受
発光部品を用いずとも通常のハロゲンランプや発光ダイ
オードのような比較的光量の弱い光源、SiやGeやI
nGaAs製のフォトダイオードのような通常の受光素
子を用いても、物質の表面近傍の化学組成を分析するの
に十分な光量あるいは受光感度を得ることができるから
である。
至近接配置した発光用光ファイバーと受光用光ファイバ
ーとの径で定めている場合、受光用光ファイバーとして
複数種の径のものを用いたり、受光用光ファイバーを受
光手段側において各径毎に分けて束ねておくとよい。投
射部と検出部との間隔は発光用光ファイバーと受光用光
ファイバーとの間に介在させたスペーサで定めてもよ
い。
ファイバーバンドルは、一端が発光手段に接続された複
数本の発光用光ファイバーの他端を夫々投射部とし、一
端が受光手段に接続された複数本の受光用光ファイバー
の他端を夫々検出部として、発光用光ファイバーと受光
用光ファイバーとを上記他端側において束ねて隣接する
発光用光ファイバーと受光用光ファイバーとの中心間距
離が2mm以下であり且つ上記投射部と検出部とが先端
面に臨むプローブを形成し、発光用光ファイバーと一端
側と受光用光ファイバーの一端側とは別に束ねて夫々発
光手段と受光手段との接続部としていることに特徴を有
している。このように構成された光ファイバーバンドル
は血液成分濃度の分光分析装置に好適に用いることがで
きる。
受光用光ファイバーとを規則的配列をもつものとして束
ねる場合、発光用光ファイバーと受光用光ファイバーと
のうちの一方の光ファイバーの相互に隣接する4本を矩
形状格子の格子点に、他方の光ファイバーを上記矩形状
格子点の中心点に位置させて束ねたり、発光用光ファイ
バーと受光用光ファイバーとのうちの一方の光ファイバ
ーをかごめ状格子の中心格子点に、複数本の他方のファ
イバーをかごめ状格子の周囲格子点に配列させて束ねた
ものが好ましい。
ファイバーとの間に発光用光ファイバーと受光用光ファ
イバーとの間隔を定めるスペーサーを介在させておく
と、受発光間隔を確実に所定のものとすることができ
る。上記スペーサーを備えたものとする場合、発光用光
ファイバーと受光用光ファイバーとが同径であり且つス
ペーサーが両種光ファイバーの直径と等しい長さの辺を
有する正方形断面を持ち、光ファイバーとスペーサーと
が交互に配置されたものや、発光用光ファイバーと受光
用光ファイバーとが同径であり且つ第1のスペーサーが
両種光ファイバーの直径と等しい長さの辺を有する正方
形断面を持ち、第2のスペーサーが両種光ファイバーの
直径と等しい厚みの長方形断面であり、発光用光ファイ
バーと受光用光ファイバーとが第1のスペーサーを介し
て並ぶ列と第2のスペーサーとが交互に積層配置された
もの、スペーサーの片面側に発光用光ファイバーが密着
固定され、他面側に受光用光ファイバーを密着固定され
たもの、スペーサーに多数の貫通孔が所定の配置及び間
隔で形成されて光ファイバーが貫通孔に通されているも
のを好適に用いることができる。
受光用光ファイバーとはランダムに束ねられたものであ
ってもよく、この場合においても、隣接する発光用光フ
ァイバーと受光用光ファイバーとの中心間距離が2mm
以下とすることが可能であり、特に発光用光ファイバー
と受光用光ファイバーとは後者に対して前者の本数を1
/2以下としていると、各受光用光ファイバーが発光用
光ファイバーに接触乃至近接する状態を容易に且つ確実
に得ることができるために、隣接する発光用光ファイバ
ーと受光用光ファイバーとの中心間距離が2mm以下と
することができる。
とを測定表面側の端部において束ねたものを1単位とし
て該単位をプローブ側の端部において複数束ねたもので
あってもよい。さらに光ファイバーの端部がプローブの
先端面より微小寸法だけ突出していると、光ファイバー
の端面を皮膚組織に当てることを確実に行えるものとな
る。
レーション式を用いて行われる。検量線あるいはキャリ
ブレーション式は予め個人あるいは複数の被験者の様々
な状態における吸光スペクトルを解析して得られる。解
析は、多変量解析手法や統計解析手法を用いて定量、定
性分析を行う手法で、近赤外分光分析では主成分回帰分
析あるいはPLS回帰分析といった多変量解析手法を用
いて行われることが多い。
光源からの光を干渉フィルターのような光学フィルター
を用いて任意波長の光に分光したり、発光ダイオードや
レーザーダイオードのような単色光源を組み合わせて複
数波長の吸光度を測定する方式や、通常の分光分析法の
ようにハロゲンランプのような光源からの光を回折格子
あるいはフーリエ変換方式(FT−IR方式)を用いて
連続的に所定の波長の吸光スペクトルを求めるようにし
てもかまわない。
て説明すると、図4に示すものは人間の皮膚組織内のグ
ルコース濃度を定量するためのもので、150W程度の
ハロゲンランプ1、ハロゲンランプ1からの光の分光を
行う回折格子を納めた回折格子ユニット2、前記回折格
子の回転角制御を行って分光波長の調節を行うステッピ
ングモータユニット3、分光後の光を被測定物に伝える
とともにその透過光を受光ユニット5に送る光ファイバ
ーバンドル4、受光ユニット5からの信号をもとに数値
解析を行いグルコース濃度の定量を行う演算ユニット6
から構成されている。
ように、クラッド径が750μmの2本の大口径ファイ
バーを測定プローブPとなる一端B側において相互に接
触させた状態で束ねたものとなっている。クラッド径は
目的とする真皮9b組織の厚さに応じて決定され、75
0μmのものは適切な一例である。この光ファイバーバ
ンドル4の発光用光ファイバー4aの端部Aを回折格子
ユニット2へ、受光用光ファイバー4bの端部Cを受光
ユニット5へ接続し、端部Bを分析する皮膚へ直角に突
き当てて計測を行う。このように線径を適切に選んだ発
光用光ファイバー4aと受光用光ファイバー4bとを接
触させて両者の間隔を特定すれば、図3に示すように、
透過光路(の深さ)が選定され、真皮組織9bを選択的
に透過(あるいは真皮組織9bで選択的に拡散反射)さ
せることができる。従って、真皮組織9bにおける血液
成分濃度の分析が容易にできる。また、光ファイバーバ
ンドル4の作製も容易である。端部Bの皮膚への押圧力
が測定時に一定となるように圧力ゲージと押し治具とを
組み合わせたものを利用すれば精度の高い測定ができ
る。
1.7μmのInGaAs製のフォトダイオードの受光
信号を増幅後、AD変換し、マイクロコンピュータから
なる演算ユニットへ信号を伝達する。演算ユニットで行
われるグルコース濃度定量には1.25μm〜1.7μ
mの近赤外領域に属する吸光スペクトルを利用し、多変
量解析を実施する。この多変量解析はPLS(Part
ial LeastSquare)回帰分析により得ら
れる検量線(検量式)を用いている。この検量線は、予
め上記分析装置を用いた実験より得る。つまり、複数の
被験者の皮膚組織から測定した吸光スペクトルを説明変
量とし、実測した真皮細胞液中のグルコース濃度を目的
変量としてPLS回帰分析することで検量線を取得す
る。
備えた150W程度のハロゲンランプ1からの光をレン
ズ11を通じて発光用光ファイバー4aに導入し、受光
用光ファイバー4bから射出される光をスリット20を
通じてフラットフィールド型回折格子ユニット2に導
き、回折格子ユニット2で分光した光をアレイ型受光ユ
ニット5で受けている。図中60は受光ユニット5と演
算ユニット6との間に配したA/D変換装置である。上
記受光ユニット5にはたとえば受光感度域が0.9〜
2.1μmのInGaAs製のフォトダイオードを直線
状に256素子並べるとともにペルチェ素子で冷却して
いるものを用いる。そして、上記演算ユニット6では、
1.4μm〜1.8μmの近赤外領域に属する吸光スペ
クトルを利用し、上記の場合と同様に検量式(検量線)
を用いてグルコース濃度の定量を行う。
す。これは光ファイバーバンドル4の測定プローブPと
なる端部Bを示しており、ここではクラッド径が750
μmの光ファイバーをかごめ格子状に7本束ねたものを
利用するとともに、中心の光ファイバー(図中で斜線を
施したもの)を発光用光ファイバー4aとし、周囲の6
本の光ファイバーを受光用光ファイバー4bとしてい
る。受光用光ファイバー4bを発光用光ファイバー4a
の周囲に配置することで、皮膚組織透過中に減衰・散乱
した透過光をより多く集光できるので高精度の分析が可
能となる。
ド径が500μmの光ファイバーを70本程度束ねたも
のである。発光用光ファイバー(図中で斜線を施したも
の)4aと受光用光ファイバー4bの本数の比は約1:
2となるようにし、発光用光ファイバー4aの周囲を受
光用光ファイバー4bが取り囲むように規則的な配列と
している。このような光ファイバーバンドル4であれ
ば、光源や受光素子の能力に応じて光ファイバーの本数
を調節することで発光光量と受光光量とを決められるた
めに高精度の分析が可能となる。
ッド径が500μmの光ファイバーを70本程度ランダ
ムに束ねるにあたり、発光用光ファイバー(図中で斜線
を施したもの)4aと受光用光ファイバー4bの本数の
比を約1:3としている。この場合、ランダムに束ねて
も発光用光ファイバー4aの周囲を受光用光ファイバー
4bがほぼ取り囲むことになり、配列を規則正しく並べ
る作業を行わなくとも図7に示すものとほぼ同等の性能
を得ることができる。この光ファイバーバンドル4であ
れば、光源や受光素子の能力に応じて光ファイバーの本
数を調節することで高精度の分析が可能となる上に、光
ファイバーバンドル4の製作が容易となる。
則的にあるいはランダムに並べた場合、発光用光ファイ
バー4aと受光用光ファイバー4bとの最小間隔は隣接
するもので決定されるものの、多様な間隔のものが生じ
ることになる。しかし、最小間隔以外のものは実質上無
視してもよい。すなわち、図2(b)に示すように、発光
用光ファイバー4aと受光用光ファイバー4bとを接触
させた状態でその端面を測定物9の表面にほぼ直角につ
き当てて(透過する光路が特定できれば直角に限るもの
ではない)、発光用光ファイバー4aを通じて測定物9
の表面に送り込めば、隣接する受光用光ファイバー4b
への光路イ、さらに離れた受光用光ファイバー4bヘの
光路ロ、さらに離れた受光用光ファイバー4bヘの光路
ハ等、様々な光路を通って受光用光ファイバー4bに入
射される。ここで光路イ,ロ,ハの光路長を比較する
と、同一径の光ファイバーを受発光用光ファイバー4
a,4bに用いている場合、光路ロ,ハは光路イのほぼ
2倍、3倍と考えてよい。光学的に不透明で散乱の多い
生体等の物質中の光の透過は厳密にはLambert−
Beerの法則には従わないが、透過光量は光路長に応
じて急激に減少し、光路長が2倍になると散乱状態によ
っては1/10以下、光路長が3倍となるとさらにそれ
の1/10以下の程度となる。このために受光用光ファ
イバー4bに集光される透過光は基本的には隣接する発
光用光ファイバー4aからの透過光の和と考えてよいも
のであり、このために、発光用光ファイバー4aとこれ
に接して配された受光用光ファイバー4bとの中心間距
離で、必要とする深さに光の透過経路を設定することが
できる。
μmの光ファイバーにナイロン被覆を施して被覆外径を
500μmとしたものを50本程度束ねたものを用いて
もよい。ここでは発光用光ファイバー(図中で斜線を施
したもの)4aと受光用光ファイバー4bの本数の比を
約1:2とするとともに、発光用光ファイバー4aの周
囲を受光用光ファイバー4bが取り囲むように規則的に
配列させている。この光ファイバーバンドル4を利用す
れば、光源や受光素子の能力に応じて光ファイバーの本
数の調節で高精度の分析が可能となる上に、光ファイバ
ーの受発光部が線径の中心部分に限定されるので光路の
限定をよりシャープにすることができ、解像度の高い分
析が可能となる。
イバーの束を更に束ねたもので、図7に示した束を1単
位とするとき、図示例では7単位の束としている。もち
ろん、発光用光ファイバー(図中で斜線を施したもの)
4aと受光用光ファイバー4bは反対端において夫々個
別に束ねて前記端部A,Cとしている。この光ファイバ
ーバンドル4を利用すれば、光源や受光素子の能力に応
じて光ファイバーの本数の調節で高精度の分析が可能と
なる上に、光ファイバーバンドル4の製作が容易とな
る。
に示したものと同じであるが、ここで用いている光ファ
イバーバンドル4は、図13に示すように端部Bにおい
てクラッド径が500μmの発光用光ファイバー4a
(図中で斜線を施したもの)1本と、クラッド径が50
0μmと250μmの2本の受光用光ファイバー4bを
束ねたものとしている。
回折格子ユニット2に接続し、2本の径が異なる受光用
光ファイバー4b,4bの各他端C,Dは受光ユニット
5における個別の受光素子に導いている。径の小さい方
の受光用光ファイバー4bで受光した光をリファレンス
光として用いることができるようにしているのである。
つまり、図14に示すように、500μm径の受光用光
ファイバー4bで受光される透過光は主に真皮組織9b
を透過し、250μmの光ファイバー4bで受光される
透過光は主に表皮組織9aを透過した光であることか
ら、その差スペクトルを用いることで真皮組織9bのス
ペクトルのみを取り出すことができる。もちろん、光フ
ァイバー径は上記の値に限定されるものではなく、線径
は適切に選択するものとする。いずれにしても、分光分
析装置で不可欠なリファレンス測定を同一の光ファイバ
ーバンドル4で可能であり、2個の受光素子を用いれば
同時測定も可能である。なお、このような構成は、図7
〜図11に示した光ファイバーバンドル4にも適用する
ことができるのはもちろんである。
ル4では、端部Bをクラッド径が500μmと250μ
mの光ファイバーを夫々複数本束ねたものとして構成す
るとともに、500μm径の光ファイバーのうちの数本
を発光用光ファイバー(図中で斜線を施したもの)4a
とし、500μm径の光ファイバーの残りと250μm
の光ファイバーとを受光用光ファイバー4bとしてい
る。また発光用光ファイバー4aと受光用光ファイバー
4bとは規則正しく並べることで効率的に光ファイバー
を利用できるようにしている。この光ファイバーバンド
ル4を利用すれば、光源や受光素子の能力に応じた光フ
ァイバー本数の調節で高精度の分析が可能となる。図1
6に示す光ファイバーバンドル4では、クラッド径が5
00μmの光ファイバー2本と250μmの光ファイバ
ー2本を束ねたものを1単位として、これを7単位束ね
たものとして構成するとともに、各単位中のクラッド径
が500μmの光ファイバー1本を発光用光ファイバー
(図中で斜線を施したもの)4aとし、500μm径の
光ファイバーの残りと250μmの光ファイバーとを受
光用光ファイバー4bとしている。受光用光ファイバー
4bは反対端において線径別に別けて束ねて端部C、端
部Dとしている。この光ファイバーバンドル4を利用す
れば、光源や受光素子の能力に応じた光ファイバーの本
数調節で高精度の分析が可能となる上に、光ファイバー
バンドルの製作が容易となるという利点を有する。
こで用いている光ファイバーバンドル4は、クラッド径
500μmと250μmの光ファイバーを夫々発光用光
ファイバー4a及び受光用光ファイバー4bとして用い
るとともに、端部Aにおいて径を問わずに束ねた発光用
光ファイバー4aは、端部B,B’側において径別に分
けて、500μm径の発光用光ファイバー4aは500
μm径の受光用光ファイバー4bと束ね、250μm径
の発光用光ファイバー4aは250μm径の受光用光フ
ァイバー4bと束ねている。そして各径別の受光用光フ
ァイバー4b,4bの束の各端部C,Dを受光ユニット
5に接続している。
(たとえばInGaAs製のフォトダイオード)に導か
れ、径の小さい光ファイバー4bで受光した光をリファ
レンス光とし、径の大きい光ファイバー4bで受光した
光を測定光として使用する。500μm径の光ファイバ
ー4bで受光される透過光は主に真皮を透過し、250
μmの光ファイバー4bで受光される透過光は主に表皮
層を透過した光である。そこで、その差スペクトルを用
いることで真皮のスペクトルのみを取り出すことができ
る。また発光源の光量及び受光部の感度に応じて適切な
ファイバー数のバンドルとすればよい。
クラッド径500μmの光ファイバーを発光用光ファイ
バー4aに、クラッド径500μmと250μmと10
0μmの光ファイバー3本を受光用光ファイバー4bと
し、これら4本を端部Bにおいて束としたものを1単位
として複数の単位を組み合わせて光ファイバーバンドル
4を構成し、更に反対端では発光用光ファイバー4aを
まとめて端部Aとして回折ユニット2に接続し、夫々の
径の受光用ファイバー4bを径ごとにまとめて端部C,
D,Eとして受光ユニット5に接続している。
ー4bで受光した光をリファレンス光とし、クラッド径
500μmと250μmの光ファイバー4bで受光した
光を夫々測定光として使用する。500μm径の光ファ
イバー4bで受光される透過光は主に真皮組織9b中央
部を透過し、250μmの光ファイバー4bで受光され
る透過光は主に真皮組織9b上部あるいは表皮層9a下
部を透過し、100μmの光ファイバー4bで受光され
る透過光は主に表皮層9a中央部を透過した光である。
そこで、これら差スペクトルを用いることで深さ方向の
グルコース濃度分布を一度に測定することができる。ま
た同一測定で測定光とリファレンス光を測定できるため
に測定時間を短縮することができる。ここではクラッド
径500μmと250μmと100μmの光ファイバー
を使用したが、線径を適切に選択することで任意深さの
成分分析を行うことが可能である。また発光源の光量及
び受光部の感度に応じて適切なファイバー数のバンドル
とすればよい。
クラッド径が200μmの発光用光ファイバー4aと受
光用光ファイバー4bとを各50本束ねたもので、プロ
ーブとなる一端B側において両光ファイバー4a,4b
を相互に接触させた状態で束ねている。すなわち、発光
用光ファイバー4aの相互に隣接する4本を矩形状格子
の格子点に、受光用光ファイバー4bを上記矩形状格子
点の中心点に位置させると同時に、受光用光ファイバー
4bの相互に隣接する4本を矩形状格子の格子点に、発
光用光ファイバー4aを上記矩形状格子点の中心点に位
置させる状態で束ねている。この場合、発光用光ファイ
バー4aと受光用光ファイバー4bとの中心間距離は、
どの位置においてもこれら光ファイバー4a,4bの線
径と同じ値、この場合は200μmとなり、透過光路
(の深さ)を特定することができるために、真皮9bで
の成分分析を容易にできる。また、端部Bの皮膚への押
圧力が測定時に一定となるように圧力ゲージと押し治具
とを組み合わせたものを利用すれば精度の高い測定がで
きる。
4aを並べた列と受光用光ファイバー4bを並べた列と
を半ピッチずらした状態で積層したものや、図23に示
すように、発光用光ファイバー4a間に発光用光ファイ
バー4bよりも小径の受光用光ファイバー4bを配した
もの(たとえば発光用光ファイバー4aとしてクラッド
径が200μmのもの、受光用光ファイバー4bとして
クラッド径が75μmのもの)であってもよい。前者に
おいては各列が発光用光ファイバー4aと受光用光ファ
イバー4bとに別れるために両者の分離が容易で作製し
やすいものであり、後者においては両種光ファイバー4
a,4bで径が異なるために両者の分離が容易で作製し
やすいものである。
ー4aと受光用光ファイバー4bとの間隔(中心間隔)
が光ファイバーの線径(クラッド径)で定まるようにし
たものであるが、発光用光ファイバー4aと受光用光フ
ァイバー4bとの間にスペーサー7を介在させて、該ス
ペーサー7で上記間隔を設定するようにしてもよい。な
お、この場合においても光ファイバーの線径が間隔を決
定する一要素となるのはもちろんである。
を示しており、端部Bにおいて発光用光ファイバー4a
と受光用光ファイバー4bとを束ねるにあたり、同径で
ある発光用光ファイバー4aと受光用光ファイバー4b
の直径と等しい長さの辺を有する正方形断面のスペーサ
ー7を用意して、該スペーサー7を光ファイバー4a,
4b間に密着配置するとともに、発光用光ファイバー4
aの相互に隣接する4本を矩形状格子の格子点に、受光
用光ファイバー4bを上記矩形状格子点の中心点に位置
させると同時に、受光用光ファイバー4bの相互に隣接
する4本を矩形状格子の格子点に、発光用光ファイバー
4aを上記矩形状格子点の中心点に位置させる状態で束
ねている。各光ファイバー4a,4bの他端側において
は、上述のものと同じく、発光用光ファイバー4aのみ
を束ねた端部Aと、受光用光ファイバー4bのみを束ね
た端部Cとを形成している。
クラッド径が200μmのものを用いたならば、スペー
サー7の介在により、発光用光ファイバー4aと受光用
光ファイバー4bとの中心間距離は、どの位置において
も280μmとなり、透過光路(の深さ)を特定するこ
とができるために、真皮組織9bでの成分分析が容易に
できる。また、発光用光ファイバー4aとスペーサー7
のみ、あるいは受光用光ファイバー4bとスペーサー7
のみが並ぶ列に別れるために、両種光ファイバー4a,
4bの分離が容易で作成しやすいものともなっている。
用光ファイバー4aと受光用光ファイバー4bとを束ね
るにあたり、同径である発光用光ファイバー4aと受光
用光ファイバー4bの直径と等しい長さの辺を有する正
方形断面のスペーサー7aと、両種光ファイバー4a,
4bの直径と等しい厚み(短片長さ)の長方形断面のス
ペーサー7bとを用意して、発光用光ファイバー4aと
受光用光ファイバー4bとを第1のスペーサー7aを介
して並べた列を、第2のスペーサー7bを介して積層配
置し、この時、スペーサー7bを挟んだ2つの列におい
て、発光用光ファイバー4aと受光用光ファイバー4b
の位置を1ピッチずらせることで、発光用光ファイバー
4aの相互に隣接する4本を矩形状格子の格子点に、受
光用光ファイバー4bを上記矩形状格子点の中心点に位
置させると同時に、受光用光ファイバー4bの相互に隣
接する4本を矩形状格子の格子点に、発光用光ファイバ
ー4aを上記矩形状格子点の中心点に位置させる状態で
束ねている。
クラッド径が200μmのものを用いた場合、スペーサ
ー7a,7bの介在により、発光用光ファイバー4aと
受光用光ファイバー4bとの中心間距離は、どの位置に
おいても400μmとなり、透過光路(の深さ)を特定
することができるために、表面近傍の深さ方向の成分分
析が容易にできる。
光用光ファイバー4bとが格子状に並ぶ状態で束ねられ
た光ファイバーバンドル4は、次のようにして製造する
ことができる。図21に示した光ファイバーバンドル4
は、クラッド径200μmで長さ40cmの発光用光フ
ァイバー4aを50本、クラッド径200μmで長さ3
0cmの受光用光ファイバー4bを50本用意して、図
26(a)に示すように、5本の発光用光ファイバー4a
と5本の受光用光ファイバー4bとを平面上で交互に並
べて接着し、平板状ユニットを得る。この平板状ユニッ
トを10組作製した後、図26(b)に示すように、各ユ
ニットを積層接着して、図26(c)に示すものを得る。
この時、上下に並ぶ2つのユニット間で裏表を異ならせ
て積層する。得られた光ファイバー4a,4bの束は、
図21に示すステンレス製チューブ8に入れて該チュー
ブ8内面との間にエポキシ系充填材91を充填する。
光用光ファイバー4bとを分離して夫々束ね、やはりス
テンレス製チューブに入れてエポキシ系充填材を充填す
る。発光用光ファイバー4aと受光用光ファイバー4b
との長さを異ならせているのは、この分離を容易とする
ためであるが、長さではなく、たとえば色分けによって
分離できるようにしておいてもよい。なお、各端部A,
B,Cの端面は最終的には研磨機で研磨して仕上げる。
図22に示した光ファイバーバンドル4も同様の方法で
作製することができる。
は、クラッド径200μmで長さ40cmの発光用光フ
ァイバー4aを25本、クラッド径200μmで長さ3
0cmの受光用光ファイバー4bを25本用意して、5
本の発光用光ファイバー4aと5個のスペーサー7を平
面上で交互に並べて接着したユニットを5つ作製すると
ともに、5本の受光用光ファイバー4bと5個のスペー
サー7を平面上で交互に並べて接着したユニットを5つ
作製し、上記両種のユニットを交互に積層して接着した
後、ステンレス製チューブ8に入れてエポキシ系充填材
91を充填することで形成することができる。他端側で
は、発光用光ファイバー4aと受光用光ファイバー4b
とを分離して夫々束ね、やはりステンレス製チューブに
入れてエポキシ系充填材を充填する。各端部A,B,C
の端面は最終的には研磨機で研磨して仕上げる。
うに、複数個が一端側において連結されているものを用
いて、スペーサー7間の溝に発光用光ファイバー4aを
収納したものと、スペーサー7間の溝に受光用光ファイ
バー4bを収納したものとを作製し、これらを図27
(b)(c)に示すように交互に積層して接着してもよい。ス
ペーサー7同士を連結している一端部は最終の研磨時に
削り落とせばよい。
は、クラッド径200μmで長さ40cmの発光用光フ
ァイバー4aを18本、クラッド径200μmで長さ3
0cmの受光用光ファイバー4bを18本用意して、3
本の発光用光ファイバー4aと3本の受光用光ファイバ
ー4bと5個のスペーサー7aを平面上で交互に並べて
接着したユニットを6つ作製し、各ユニットとスペーサ
ー7bとを交互に積層して接着した後、ステンレス製チ
ューブ8に入れてエポキシ系充填材91を充填すること
で形成することができる。他端側では、発光用光ファイ
バー4aと受光用光ファイバー4bとを分離して夫々束
ね、やはりステンレス製チューブに入れてエポキシ系充
填材を充填する。各端部A,B,Cの端面は最終的には
研磨機で研磨して仕上げる。
ペーサー7bとを一体としたものを用いれば、スペーサ
ー7a間の溝に光ファイバー4a,4bを収納して組み
立てることができるために、光ファイバーバンドル4の
作製が更に容易となる。スペーサー7を用いる場合、そ
の形態は上記の各例に限定されるものではない。たとえ
ば図29に示すように、表裏に溝を交互に形成すること
になる矩形波型断面のスペーサー7を用意して、表裏の
各溝に光ファイバー4a,4bを収納したユニットを複
数形成し、これらユニットを積層接着するようにしても
よい。この時、スペーサー7の片面側に発光用光ファイ
バー4aを、他面側に受光用光ファイバー4bを収納す
ればよく、またスペーサー7の厚みによって光ファイバ
ー4a,4bの中心間距離を自由に設定することができ
る。
バー4bとの配列及びスペーサー7の形状の他例を図3
0に示す。ここでのスペーサー7は円筒状となってお
り、該スペーサー7の外周面に受光用光ファイバー4b
をほぼ等間隔で並べるとともにスペーサー7の内周面に
発光用光ファイバー4aをほぼ等間隔で並べて、図30
(a)に示すものでは受光用光ファイバー4bと発光用光
ファイバー4aとを周方向において同じ位置に配置して
いる。スペーサー7とこれの周面に密着固定した両種光
ファイバー4a,4bの軸線方向を平行としたこのもの
では、発光用光ファイバー4aと受光用光ファイバー4
bとの中心間距離はどの一においても発光用光ファイバ
ー4aの半径と受光用光ファイバー4bの半径とスペー
サー7の厚みの和となり、両種光ファイバー4a,4b
に200μmのクラッド径のものを用いるとともに厚み
100μmのスペーサー7を用いれば、上記中心間距離
は300μmとなる。もちろん、図30(b)に示すよう
に、発光用光ファイバー4aと受光用光ファイバー4b
とを周方向においてずらした位置に設けてもよく、この
場合、上記中心間距離は上記値より長くなる。
場合の他例を示しており、径の異なる2つの円筒状スペ
ーサー7,7を用意して、径の小さなスペーサー7の外
周面に発光用光ファイバー4aを固定し、径の大きなス
ペーサー7の外周面に受光用光ファイバー4bを固定し
た上で、径の大きなスペーサー7の内部に径の小さなス
ペーサー7をはめ込むようにしている。径の大きなスペ
ーサー7の内径(半径)と径の小さなスペーサー7の外
径(半径)との差を発光用光ファイバー4aの直径とほ
ぼ等しくしておくことで、両スペーサー7,7の軸合わ
せが容易となる。この場合、スペーサー7の内周面に光
ファイバーを固定するという困難な作業が不要となるた
めに製作が容易である。
ト状のものであってもよい。シート状スペーサー7の片
面に発光用光ファイバー4aを、他面に受光用光ファイ
バー4bを密着固定しておくのである。このものでは、
シート状スペーサー7を曲げて図30に示したような形
態としたり、あるいは渦巻き状に巻いたり波状としたり
折り畳んだりすることで適宜形態のものとすることがで
きる。また、広げて平板状としている状態のスペーサー
7に光ファイバー4a,4bを取り付けることができる
ために、光ファイバー4a,4bの位置決め及び接着固
定が容易なものである。
4aと受光用光ファイバー4bとの中心間距離の設定の
要件となるものを示したが、スペーサー7としては、光
ファイバー4a,4bを通すことができる貫通孔71を
備えたものであってもよい。図33に示すように、複数
個の貫通孔71をスペーサー7に設けておき、これら貫
通孔71に夫々光ファイバー4a,4bを通すことで、
貫通孔71の間隔で光ファイバー4a,4bの中心間距
離を設定するのである。図示例では、1本の発光用光フ
ァイバー4aを複数本の受光用光ファイバー4bが取り
囲む配列となるようにしているが、該配列は貫通孔71
の配置と両種光ファイバー4a,4bをどの貫通孔71
に挿通するかによって定まるものであり、多様な配列が
可能である。
測定プローブPの生体に接触させる端面を形成する部材
として利用することができるが、この時、図34に示す
ように、光ファイバー4a,4bの先端をスペーサー7
より少し突出させておくと、皮膚組織表面に測定プロー
ブPを当てる際に、光ファイバー4a,4bと皮膚組織
との間に隙間が生じて迷光が生じてしまうおそれを無く
すことができる。
a,4bを配置するスペーサーにおいて、リファレンス
用の受光用光ファイバー4bを発光用光ファイバー4a
の近傍に位置させることができるようにしたものを示し
ている。本発明にかかる血液成分濃度の分析装置は、光
ファイバー4を必須とするものではない。たとえば図3
6に示すように、測定プローブPの先端面に微小な発光
ダイオード41a及び受光素子41bを配列させた基板
を装着し、これら発光ダイオード41a及び受光素子4
1bを生体の表層組織表面に近赤外光を導く光投射点と
表層組織表面から近赤外光を取り出す光検出点としても
よいものである。図36(b)に示すものではL2(10
0μm)角の大きさの発光ダイオード41a及び受光素
子41bをL1(200μm)ピッチで並べるととも
に、発光ダイオード41aと受光素子41bとの間にL
3(100μm)の間隔をあけているが、この配列に限
るものではなく、上記光ファイバーを用いたものと同様
の配列あるいはランダム配置を採用することができる。
bのうちの一方を光ファイバーに置き換えたものであっ
てもよい。図37は発光用光ファイバー4aを複数の受
光素子41bで取り囲んだものを示しているが、発光ダ
イオード41aの回りを複数の受光用光ファイバー4b
が取り囲むものであってもよい。
の分析方法は、生体の血液成分濃度を近赤外光の分光分
析で行うにあたり、生体の表層組織における真皮部分を
選択的に透過させた近赤外光あるいは真皮部分で選択的
に拡散反射させた近赤外光を用いて分光分析を行い、定
量を目的とする成分の血中成分濃度と上記真皮部分中の
濃度との相関を利用して定量分析を行うものであり、生
体の皮膚組織のなかで真皮部分は血液成分に関してその
濃度の点で相関が高い上に、この真皮部分に選択的に透
過させたり真皮部分で選択的に拡散反射させた光で分光
分析を行うために、きわめて精度の高い分析を行うこと
ができるものである。
ースである時、真皮組織からは血中グルコース濃度と相
関の高いグルコース信号を得ることができるために、グ
ルコース濃度の定量分析を高い精度で行うことができ
る。そして、生体の表層組織表面に近赤外光を導く光投
射点と表層組織表面から近赤外光を取り出す光検出点と
の間隔は2mm以下としたり、あるいは生体の表層組織
表面に近赤外光を導く光投射点と表層組織表面から近赤
外光を取り出す光検出点とを複数設けるとともに、上記
両点の最小間隔を2mm以下とすると、真皮部分を選択
的に透過させたり真皮部分で選択的に拡散反射させたり
させることができるために、本発明にかかる分析を的確
に行うことができる。
光ファイバーの他端と一端が受光手段に接続された受光
用光ファイバーの他端とを束ねるとともに、生体の表層
組織表面に近赤外光を導く光投射点を発光用光ファイバ
ーの他端で、表層組織表面から近赤外光を取り出す光検
出点を受光用光ファイバーの他端で形成することによ
り、上記間隔で光投射点と光検出点とを設けることを物
理上の問題を招くことなく実現することができる。
mm以下のものを真皮組織での血液成分濃度の分析に好
適に用いることができる。しかも、一端が発光手段に接
続された発光用光ファイバーの他端で生体の表層組織表
面に近赤外光を導く光投射点を形成するとともに一端が
受光手段に接続された受光用光ファイバーの他端で表層
組織表面から近赤外光を取り出す光検出点を受光用光フ
ァイバーの他端で形成する場合、上記光投射点と上記光
検出点との最小間隔を接触乃至近接させた発光用光ファ
イバーと受光用光ファイバーとの線径で設定すれば、真
皮部分を選択的に透過させたり真皮部分で選択的に反射
させるための間隔設定を容易に行うことができる。
小間隔を発光用光ファイバーと受光用光ファイバーとの
間に介在させたスペーサで設定しても、真皮部分を選択
的に透過させたり真皮部分で選択的に反射させるための
間隔設定を容易に行うことができる。表層組織表面に近
赤外光を導く光投射点と表層組織表面から近赤外光を取
り出す光検出点の少なくとも一方は、表層組織表面に当
接させる測定プローブ先端面に配した発光ダイオードや
半導体レーザーや受光素子のような微小な半導体素子で
形成することもできる。
り、近赤外光としては、1,300〜2,500nmの
範囲の波長のもの、殊に1,400〜1,800nmの
範囲の波長の近赤外光もしくは2,000〜2,500
nmの範囲の波長の近赤外光の少なくとも一方を用いる
と、S/N比の良い測定が可能であり、分析精度も向上
する。
に透過させた近赤外光あるいは表皮部分で選択的に拡散
反射させた近赤外光をリファレンス光として併用する時
には、表皮組織の影響を受けない真皮組織の吸収信号を
抽出することができるために、より正確な定量を行うこ
とが可能となる。さらに本発明にかかる血液成分濃度の
分析装置は、近赤外光を生体の表層組織表面に投射する
投射部と生体の表層組織表面から近赤外光を検出する検
出部との間隔を、上記投射部から生体組織に導入されて
検出部で検出される近赤外光が生体の表層組織における
真皮部分を選択的に透過する間隔あるいは真皮部分で選
択的に拡散反射する間隔で設けて、定量を目的とする成
分の血中成分濃度と上記真皮部分中の濃度との相関を利
用して定量分析を行う演算手段を設けたものであるため
に、上記分析方法によるところの血液成分濃度の分析を
効果的に行うことができる。
は2mm以下としているのは前述の通りであり、リファ
レンス光を併用する場合、リファレンス光用の投射部と
検出部との間隔は0.5mm以下としておくことが好ま
しい。また、一端が発光手段に接続された発光用光ファ
イバーの他端を投射部とし、一端が受光手段に接続され
た受光用光ファイバーの他端を検出部としているととも
に、発光用光ファイバーと受光用光ファイバーとは上記
他端側において束ねられたもの、特に、少なくとも受光
用光ファイバーが複数本で形成されて、一端側において
これら複数本が発光用光ファイバーと受光用光ファイバ
ーとに分けられて束ねられているものを用いると、計測
に都合の良い光ファイバーバンドル4とすることができ
る上に、特殊な受発光部品を用いずとも通常のハロゲン
ランプや発光ダイオードのような比較的光量の弱い光
源、SiやGeやInGaAs製のフォトダイオードの
ような通常の受光素子を用いても、血液成分濃度を皮膚
組織の非侵襲で分析するのに十分な光量あるいは受光感
度を得ることができる。
至近接配置した発光用光ファイバーと受光用光ファイバ
ーとの径で定めている場合、受光用光ファイバーとして
複数種の径のものを用いれば、発光用光ファイバーとの
中心間距離が異なるために深さ方向における光透過経路
が異なる透過光を同時に得ることができるものであり、
この時、受光用光ファイバーを受光手段側において各径
毎に分けて束ねておくと、各種別(径別)に受光手段を
設けることで、光透過経路が異なる透過光の同時測定を
行うことができて、一方をレファレンス用とすることが
できる。
バーと受光用光ファイバーとの間に介在させたスペーサ
で定めてもよい。スペーサーで間隔を定めるために、用
いる光ファイバーの径に制限が生じにくくなり、適宜な
光ファイバーを選択して用いることができるほか、レフ
ァレンスを得る場合も、同じ径の光ファイバーで得るこ
とが可能となる。
ファイバーバンドルは、一端が発光手段に接続された複
数本の発光用光ファイバーの他端を夫々投射部とし、一
端が受光手段に接続された複数本の受光用光ファイバー
の他端を夫々検出部として、発光用光ファイバーと受光
用光ファイバーとを上記他端側において束ねて隣接する
発光用光ファイバーと受光用光ファイバーとの中心間距
離が2mm以下であり且つ上記投射部と検出部とが先端
面に臨むプローブを形成し、発光用光ファイバーと一端
側と受光用光ファイバーの一端側とは別に束ねて夫々発
光手段と受光手段との接続部としているために、上記の
血液成分濃度の分光分析装置に好適に用いることができ
る。
受光用光ファイバーとを規則的配列をもつものとして束
ねる場合、発光用光ファイバーと受光用光ファイバーと
のうちの一方の光ファイバーの相互に隣接する4本を矩
形状格子の格子点に、他方の光ファイバーを上記矩形状
格子点の中心点に位置させて束ねたり、発光用光ファイ
バーと受光用光ファイバーとのうちの一方の光ファイバ
ーをかごめ状格子の中心格子点に、複数本の他方のファ
イバーをかごめ状格子の周囲格子点に配列させて束ねた
ものを好適に用いることができる。発光用光ファイバー
と受光用光ファイバーとの最小間隔を適切に設定するこ
とができる上に、1本の発光用光ファイバーから出る光
を該発光用光ファイバーからいずれも等距離にある複数
の受光用光ファイバーで検出することが可能である。
ァイバーとの間に発光用光ファイバーと受光用光ファイ
バーとの間隔を定めるスペーサーを介在させておくと、
受発光間隔を確実に所定のものとすることができる。上
記スペーサーを備えたものとする場合、発光用光ファイ
バーと受光用光ファイバーとが同径であり且つスペーサ
ーが両種光ファイバーの直径と等しい長さの辺を有する
正方形断面を持ち、光ファイバーとスペーサーとが交互
に配置されたものや、発光用光ファイバーと受光用光フ
ァイバーとが同径であり且つ第1のスペーサーが両種光
ファイバーの直径と等しい長さの辺を有する正方形断面
を持ち、第2のスペーサーが両種光ファイバーの直径と
等しい厚みの長方形断面であり、発光用光ファイバーと
受光用光ファイバーとが第1のスペーサーを介して並ぶ
列と第2のスペーサーとが交互に積層配置されたもの、
スペーサーの片面側に発光用光ファイバーが密着固定さ
れ、他面側に受光用光ファイバーを密着固定されたも
の、スペーサーに多数の貫通孔が所定の配置及び間隔で
形成されて光ファイバーが貫通孔に通されているものを
好適に用いることができる。
受光用光ファイバーとはランダムに束ねられたものであ
ってもよく、この場合においても、隣接する発光用光フ
ァイバーと受光用光ファイバーとの中心間距離が2mm
以下とすることが可能であり、特に発光用光ファイバー
と受光用光ファイバーとは後者に対して前者の本数を1
/2以下としていると、各受光用光ファイバーが発光用
光ファイバーに接触乃至近接する状態を容易に且つ確実
に得ることができるために、隣接する発光用光ファイバ
ーと受光用光ファイバーとの中心間距離が2mm以下と
することができる。
とを測定表面側の端部において束ねたものを1単位とし
て該単位をプローブ側の端部において複数束ねたもので
あってもよい。さらに光ファイバーの端部がプローブの
先端面より微小寸法だけ突出していると、光ファイバー
の端面を皮膚組織に当てることを確実に行えるものとな
る。
示すもので、(a)は正面図、(b)は一端側の端面図であ
る。
図である。
である。
の端面図である。
る。
る。
である。
ある。
端の端面図である。
る。
ある。
例の端面図である。
例の端面図である。
る。
図である。
る。
ある。
ある。
法の説明図である。
造方法の説明図である。
造方法の説明図である。
方法の説明図である。
端面図である。
他例の端面図、(b)は同上の分解斜視図である。
の斜視図である。
である。
る。
上の拡大正面図である。
のところグルコースといった血液成分濃度を生体組織か
ら非侵襲で定量定性分析することは実用化に至っていな
いのが現状である。これは、生体組織における皮膚組織
は100μm程度の厚さの表皮と,その下層の厚さ1m
m程度の真皮組織、さらにその下層の多量の脂肪細胞か
らなる皮下組織で構成されているのに対して、従来は生
体組織が均質なものと仮定しているためであると思われ
る。複雑な組織構造がからみあう生体組織においては、
グルコースのような生体成分は、組織が異なればその濃
度も大きく異なっており、この点を考慮しなくては正確
な定量は望めない。
mm以下のものを好適に用いることができる。光ファイ
バーには直径が数μmから数千μm(数mm)のものを
用いることができるが、この中で特に、直径70μmか
ら1000μmの光ファイバーの利用が適している。人
間の真皮中の化学成分の定量分析を行う用途に用いるも
のについて述べるならば、人間の真皮9bは図3に示す
ように100μm程度の厚さの表皮9aと多量の脂肪細
胞からなる皮下組織9cとに挟まれた1mm程度の厚さ
の組織であり、このような真皮9b中の血液成分の分析
には線径が250〜750μmの光ファイバー、たとえ
ば500μmの光ファイバーの束を用いて図1のような
光ファイバーを作製して分光分析を行うことで、真皮9
b中の血液成分の分析が可能となる。皮膚組織中を透過
する光の経路は組織の物性や分析に用いる波長により異
なるので、予め予備実験や数値シミュレーションを行
い、測定に用いる線径を決定する必要がある。得られた
吸光信号は演算部で数値計算され目的とする成分濃度が
算出される。
Claims (34)
- 【請求項1】 生体の血液成分濃度を近赤外光の分光分
析で行うにあたり、生体の表層組織における真皮部分を
選択的に透過させた近赤外光あるいは真皮部分で選択的
に拡散反射させた近赤外光を用いて分光分析を行い、定
量を目的とする成分の血中成分濃度と上記真皮部分中の
濃度との相関を利用して定量分析を行うことを特徴とす
る血液成分濃度の分析方法。 - 【請求項2】 目的とする血液成分がグルコースである
ことを特徴する請求項1記載の血液成分濃度の分析方
法。 - 【請求項3】 生体の表層組織表面に近赤外光を導く光
投射点と表層組織表面から近赤外光を取り出す光検出点
との間隔を2mm以下とすることを特徴とする請求項1
または2記載の血液成分濃度の分析方法。 - 【請求項4】 生体の表層組織表面に近赤外光を導く光
投射点と表層組織表面から近赤外光を取り出す光検出点
とを複数設けるとともに、上記両点の最小間隔を2mm
以下とすることを特徴とすることを特徴とする請求項1
または2または3記載の血液成分濃度の分析方法。 - 【請求項5】 一端が発光手段に接続された発光用光フ
ァイバーの他端と一端が受光手段に接続された受光用光
ファイバーの他端とを束ねるとともに、生体の表層組織
表面に近赤外光を導く光投射点を発光用光ファイバーの
他端で、表層組織表面から近赤外光を取り出す光検出点
を受光用光ファイバーの他端で形成していることを特徴
とする請求項1〜4のいずれかの項に記載の血液成分濃
度の分析方法。 - 【請求項6】 光ファイバーとして線径が1mm以下の
ものを用いることを特徴とする請求項5記載の血液成分
濃度の分析方法。 - 【請求項7】 一端が発光手段に接続された発光用光フ
ァイバーの他端で生体の表層組織表面に近赤外光を導く
光投射点を形成するとともに一端が受光手段に接続され
た受光用光ファイバーの他端で表層組織表面から近赤外
光を取り出す光検出点を受光用光ファイバーの他端で形
成し、上記光投射点と上記光検出点との最小間隔を接触
乃至近接させた発光用光ファイバーと受光用光ファイバ
ーとの線径で設定していることを特徴とする請求項3〜
6のいずれかの項に記載の血液成分濃度の分析方法。 - 【請求項8】 一端が発光手段に接続された発光用光フ
ァイバーの他端で生体の表層組織表面に近赤外光を導く
光投射点を形成するとともに一端が受光手段に接続され
た受光用光ファイバーの他端で表層組織表面から近赤外
光を取り出す光検出点を受光用光ファイバーの他端で形
成し、上記光投射点と上記光検出点との最小間隔を発光
用光ファイバーと受光用光ファイバーとの間に介在させ
たスペーサで設定していることを特徴とする請求項3〜
6のいずれかの項に記載の血液成分濃度の分析方法。 - 【請求項9】 表層組織表面に近赤外光を導く光投射点
と表層組織表面から近赤外光を取り出す光検出点の少な
くとも一方を表層組織表面に当接させる測定プローブ先
端面に配した発光ダイオードや半導体レーザーや受光素
子のような微小な半導体素子で形成していることを特徴
とする請求項1〜4のいずれかの項に記載の血液成分濃
度の分析方法。 - 【請求項10】 近赤外光として、1,300〜2,5
00nmの範囲の波長のものを用いることを特徴とする
請求項1〜9のいずれかの項に記載の血液成分濃度の分
析方法。 - 【請求項11】 近赤外光として、1,400〜1,8
00nmの範囲の波長の近赤外光もしくは2,000〜
2,500nmの範囲の波長の近赤外光の少なくとも一
方を用いることを特徴とする請求項10記載の血液成分
濃度の分析方法。 - 【請求項12】 生体の表層組織における表皮部分を選
択的に透過させた近赤外光あるいは表皮部分で選択的に
拡散反射させた近赤外光をリファレンス光として併用す
ることを特徴とする請求項1〜11のいずれかの項に記
載の血液成分濃度の分析方法。 - 【請求項13】 生体の血液成分濃度を近赤外光の分光
分析で行う分析装置であって、近赤外光を生体の表層組
織表面に投射する投射部と生体の表層組織表面から近赤
外光を検出する検出部との間隔を、上記投射部から生体
組織に導入されて検出部で検出される近赤外光が生体の
表層組織における真皮部分を選択的に透過する間隔ある
いは真皮部分で選択的に拡散反射する間隔で設けて、定
量を目的とする成分の血中成分濃度と上記真皮部分中の
濃度との相関を利用して定量分析を行う演算手段を設け
ていることを特徴とする血液成分濃度の分析装置。 - 【請求項14】 投射部と検出部との間隔が2mm以下
であることを特徴する請求項13記載の血液成分濃度の
分析装置。 - 【請求項15】 投射部と検出部との間隔が0.5mm
以下のものをリファレンス用として併用していることを
特徴とする請求項13または14記載の血液成分濃度の
分析装置。 - 【請求項16】 一端が発光手段に接続された発光用光
ファイバーの他端を投射部とし、一端が受光手段に接続
された受光用光ファイバーの他端を検出部としていると
ともに、発光用光ファイバーと受光用光ファイバーとは
上記他端側において束ねられたものであることを特徴と
する請求項13〜15のいずれかの項に記載の血液成分
濃度の分析装置。 - 【請求項17】 少なくとも受光用光ファイバーが複数
本で形成されて、一端側においてこれら複数本が発光用
光ファイバーと受光用光ファイバーとに分けられて束ね
られていることを特徴とする請求項16記載の血液成分
濃度の分析装置。 - 【請求項18】 投射部と検出部との間隔は接触乃至近
接配置した発光用光ファイバーと受光用光ファイバーと
の径で定めていることを特徴とする請求項16または1
7記載の血液成分濃度の分析装置。 - 【請求項19】 受光用光ファイバーとして複数種の径
のものを用いていることを特徴とする請求項18記載の
血液成分濃度の分析装置。 - 【請求項20】 受光用光ファイバーは受光手段側にお
いて各径毎に分けて束ねていることを特徴とする請求項
19記載の血液成分濃度の分析装置。 - 【請求項21】 投射部と検出部との間隔は発光用光フ
ァイバーと受光用光ファイバーとの間に介在させたスペ
ーサで定めていることを特徴とする請求項16または1
7記載の血液成分濃度の分析装置。 - 【請求項22】 一端が発光手段に接続された複数本の
発光用光ファイバーの他端を夫々投射部とし、一端が受
光手段に接続された複数本の受光用光ファイバーの他端
を夫々検出部として、発光用光ファイバーと受光用光フ
ァイバーとを上記他端側において束ねて隣接する発光用
光ファイバーと受光用光ファイバーとの中心間距離が2
mm以下であり且つ上記投射部と検出部とが先端面に臨
むプローブを形成し、発光用光ファイバーと一端側と受
光用光ファイバーの一端側とは別に束ねて夫々発光手段
と受光手段との接続部としていることを特徴とする近赤
外分析装置用光ファイバーバンドル。 - 【請求項23】 プローブ側において発光用光ファイバ
ーと受光用光ファイバーとは規則的配列をもつものとし
て束ねられていることを特徴とする請求項22記載の近
赤外分析装置用光ファイバーバンドル。 - 【請求項24】 発光用光ファイバーと受光用光ファイ
バーとのうちの一方の光ファイバーの相互に隣接する4
本を矩形状格子の格子点に、他方の光ファイバーを上記
矩形状格子点の中心点に位置させて束ねていることを特
徴する請求項23記載の近赤外分析装置用光ファイバー
バンドル。 - 【請求項25】 発光用光ファイバーと受光用光ファイ
バーとのうちの一方の光ファイバーをかごめ状格子の中
心格子点に、複数本の他方のファイバーをかごめ状格子
の周囲格子点に配列させて束ねていることを特徴とする
請求項23記載の近赤外分析装置用光ファイバーバンド
ル。 - 【請求項26】 発光用光ファイバーと受光用光ファイ
バーとの間に発光用光ファイバーと受光用光ファイバー
との間隔を定めるスペーサーを介在させていることを特
徴とする請求項23〜25のいずれかの項に記載の近赤
外分析装置用光ファイバーバンドル。 - 【請求項27】 発光用光ファイバーと受光用光ファイ
バーとが同径であり且つスペーサーが両種光ファイバー
の直径と等しい長さの辺を有する正方形断面を持ち、光
ファイバーとスペーサーとが交互に配置されていること
を特徴とする請求項26記載の近赤外分析装置用光ファ
イバーバンドル。 - 【請求項28】 発光用光ファイバーと受光用光ファイ
バーとが同径であり且つ第1のスペーサーが両種光ファ
イバーの直径と等しい長さの辺を有する正方形断面を持
ち、第2のスペーサーが両種光ファイバーの直径と等し
い厚みの長方形断面であり、発光用光ファイバーと受光
用光ファイバーとが第1のスペーサーを介して並ぶ列と
第2のスペーサーとが交互に積層配置されていることを
特徴とする請求項26記載の近赤外分析装置用光ファイ
バーバンドル。 - 【請求項29】 スペーサーはその片面側に発光用光フ
ァイバーが密着固定され、他面側に受光用光ファイバー
を密着固定されたものであることを特徴とする請求項2
6記載の近赤外分析装置用光ファイバーバンドル。 - 【請求項30】 スペーサーは多数の貫通孔が所定の配
置及び間隔で形成されたものであり、光ファイバーは上
記貫通孔に通されていることを特徴とする請求項26記
載の近赤外分析装置用光ファイバーバンドル。 - 【請求項31】 プローブ側において発光用光ファイバ
ーと受光用光ファイバーとはランダムに束ねられている
ことを特徴とする請求項22記載の近赤外分析装置用光
ファイバーバンドル。 - 【請求項32】 発光用光ファイバーと受光用光ファイ
バーとは後者に対して前者の本数を1/2以下としてい
ることを特徴とする請求項31記載の近赤外分析装置用
光ファイバーバンドル。 - 【請求項33】 発光用光ファイバーと受光用光ファイ
バーとを測定表面側の端部において束ねたものを1単位
として該単位をプローブ側の端部において複数束ねてい
ることを特徴とする請求項22〜32のいずれかの項に
記載の近赤外分析装置用光ファイバーバンドル。 - 【請求項34】 光ファイバーの端部がプローブの先端
面より微小寸法だけ突出していることを特徴とする請求
項22〜33のいずれかの項に記載の近赤外分析装置用
光ファイバーバンドル。
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