JP2001507457A

JP2001507457A - 温度勾配スペクトル用の非侵襲的赤外吸収分光計

Info

Publication number: JP2001507457A
Application number: JP53978198A
Authority: JP
Inventors: クラマー，チャールズ，イー; スターリング，ベーンハード，ビー; ブレイグ，ジェイムス，アール; ゴールドバーガー，ダニエル，エス; シュレンバーガー，アーサー，エム; トレビノ，リック; キング，リチャード，エイ
Original assignee: オプティスキャン・バイオメディカル・コーポレイション
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1998-03-10
Publication date: 2001-06-05
Also published as: EP0966668A4; EP0966668A1; US6072180A; AU6550998A; WO1998040723A1

Abstract

(57)【要約】人もしくは動物の組織からの温度勾配スペクトルを非侵襲的に発生させ、獲得するための分光計である。分光計（380）は、組織との伝導熱伝達によって組織内の瞬間的な温度勾配を誘導させるための、赤外線透過サーマルマス（386）と、サーマルマスを冷却するためのサーマルマスと協働する冷却手段を含む。また本分光計は、組織内に瞬間的な温度勾配が進行する際に組織から放射される赤外放射を検出するための、かつ検出された赤外放射に比例する出力信号を提供するための赤外線センサ手段（316）を提供する。データ獲得手段（382）は、組織内に瞬間的な温度勾配が進行する際に、赤外線センサ手段から受信する出力信号をサンプリングするために用意される。

Description

【発明の詳細な説明】温度勾配スペクトル用の非侵襲的赤外吸収分光計関係のある出願本出願は、1997年３月12日に出願された米国特許出願第08/816,723号に関連する。発明の分野本発明は、人もしくは動物の組織に瞬間的な温度勾配を誘導するための、また温度勾配が組織を介して伝搬する際に、組織からの温度勾配スペクトルを獲得するための方法及び装置に関する。さらに結果として得られる温度勾配スペクトルは、グルコースなどの組織内に存在する物質の濃度を決定するのにも利用できる、従来の赤外スペクトルに変換可能である。発明の背景赤外分光法は、化合物の同定及び定量に関して一般に容認され、広く実施されている技術である。分析の最も共通する方法は透過スペクトルを介するものである。この方法では、赤外光の分析ビームが分析される物質を通過する。試料物質は異なる波長で種々の量の光を吸収して、透過スペクトルを生じ、この透過スペクトルは試料を通過したエネルギー対波長のグラフである。この方法では、分析される物質は「セル」の中に収容され、走査するための装置の内側に置かれる。分析ビームがセルの一方から入り他方から出る。これは明らかに非侵襲的測定には適さないインビトロ技術である。別の共通する技術では、減衰全内反射（ATIR ）の現象が利用される。この技術では、試料は赤外線透過材料から作られたプレート上に置かれる。分析ビームはこのプレートで反射され、分析器内に戻される。反射点において、分析ビームの一部（次第に消えていく波）は実際にプレートを介して進み、試料と相互に作用し、さらにビームのこの部分は他の反射されたビームと共に分析器に戻る。研究によれば、一般的に1000cm^-1の赤外ATIRビームは試料内に10μｍ侵入する。潜在的には非侵襲的であるが、この技術は物質の深い層の構成を調査するには適さない。透過モード測定は、大きな割合の入射エネルギーを透過し、セル内に容易に収容することができる気体に対しては理想的である。固体及び液体は、非常に薄い透過モード試料もしくはATIR技術のどちらかを利用することによって従来測定されている。透過モード技術は、測定される物質が対象の波長領域で非常に濃密である場合に、ひどく制限される。例えば水もしくは人血液中に溶解するグルコースを分析する場合には、９〜10 μmの波長領域が理想であるが、しかしながら入射分析ビームは200μmより小さい経路長ですっかり吸収される。このように薄い寸法の試料を維持するのは困難である。高い吸収を示すこのような場合には、ATIR技術は有効であるが、しかしながらこの技術では分析ビームが分析される物質内をわずか10μｍ程度しか通過しない。この技術は、測定される特性が試料表面の非常に近くに存在する場合にのみ有効である。透過及びATIRモード分析は実験室内で非常に有効であるが、しかしながら一般には40μm上皮組織によって覆われている多くの毛細血管の血液内のグルコースなどの何らかの物質を生体内で測定しようとすれば、明らかにどちらの技術も適さない。赤外線検出技術は、他の血液成分の濃度及び酸素飽和度の計算に関して広く利用されている。例えば非侵襲的パルス酸素濃度計は、２以上の可視及び／又は近赤外波長で吸収信号を測定するのに利用され、人の血液の合成された脈打つ流れのデータを得るために収集されたデータを処理するのに利用されている。この型式のパルス酸素濃度計の例は、Corenmanらによる米国特許第4,934,372号、Edgar ,Jrらによる米国特許第4,714,080号、Zelinによる米国特許第4,819,753号に記述されている。また赤外線検出技術は、患者の吐き出した呼気内の一酸化二窒素及び二酸化炭素等の成分の濃度を計算するのに利用されている。例えばYeldermanらは、米国特許第5,081,998号及び第5,095,913号に、赤外光を利用して患者の人工の気道に赤外線透過／検出装置を配置することによって、患者の呼吸の気流の成分の絶対的な濃度を非侵襲的に測定する技術を開示する。これらの赤外線検出技術及び上記に記載される特許は、動脈の血液酸素飽和度、患者の脈、二酸化炭素や一酸化二窒素や他の呼気成分の濃度の測定では全く正確であることが証明されている。また分光光度法は、近赤外領域の波長を測定し参照することによって、生体内の体内臓器の酸化代謝を非侵襲的にモニターするのに使用されている。例えばJo bisは、米国特許第4,223,680号及び第4,281,645号において、生きている人もしくは動物の脳もしくは心臓等の臓器内の酸素十分性をモニターするのに700〜130 0nmの領域の赤外波長が利用される技術を開示している。加えてWilberは、米国特許第4,407,290号において、血液内の成分の濃度を決定するために、可視もしくは赤外光放射ダイオード及び検出回路が試験領域での血液濃度の総変化に対する所定の血液成分の血液濃度の変化を非侵襲的に測定するのに利用される技術を開示している。このような成分にはヘモグロビンや酸素ヘモグロビンが含まれ、測定される成分は血液の酸素飽和度を決定するのに利用される。さらにWilberはコラム11〜12において、上記技術が血液流内のグルコースの測定に拡張可能であることを示唆しているが、しかしながらWilberはどのようにその測定を行ったか、どのようなエネルギーの波長を使用したか、グルコース濃度の計算に必要とされる数学的計算の形態について記載していない。現在のところ赤外光を利用する長波長分光計のグルコースモニター技術は、最も正確であると考えられ、本用途の主題である。上記に記載される非侵襲的酸素飽和度測定技術と異なった方法では、一般に従来技術の分光計のグルコースモニター技術は、赤外光を利用する成分を測定できる体外「流液」セルを使用している。代わりに減衰全内反射（ATIR）セルが、引き出された血液試料のグルコース濃度を測定するのに長波長赤外線で使用されている。しかしながらこのような技術は、血液試料を人から取り出す必要があり、したがって広く消費者が使用するには適さない。レーザラマン分光は、可視スペクトル領域の励振及び可視赤色スペクトルを測定に使用する他の分光技術である。ATIRセルを有するので、体外血液もまたラマン技術と使用される。ラマン技術は、特定波長で励起されるとすると、ある成分が特定の波長に依存する構成で光学的エネルギーを再放射するという原理に基づいている。全ての可視スペクトル領域にわたり、血液は高い吸収度を有する。分光技術の他の種類は、Barnesにより開示された米国特許第5,070,874号である。しばしば非侵襲的近赤外分光法として参照されるこの技術によれば、光は指もしくは適当な付属器を通過し、生体内でグルコースのレベルを測定するために出口でモニターされる。あいにくこの技術は２つの不正確さの要因を持つ。それは組織の干渉と限定性の欠如である。さらに利用される近赤外波長が、容易かつ経済的に光放射ダイオード（LED）や固体レーザによって発生され、人の組織を容易に透過するが、一方その近赤外波長はグルコースによる特定吸収領域にはない。組織の色素や状態による「指紋」吸収及び干渉のこの欠如は、正確な濃度決定に対して、この技術を不適なものとするが、しかし安定性が持続されるならば、使用に適する可能性がある。近赤外波長の限界を克服するための試みとして、Kaiserはスイス国特許第612, 271号において、測定セル内でグルコース濃度を測定するために、高出力赤外レーザを放射源として使用する技術を開示する。測定セルは、人の血液によって濡らされたATIR測定プリズムと、対照溶液で濡らされたATIR参照プリズムとからなる。一般には10.5μmの波長であるCO₂レーザ放射は、測定セルを介して導かれ、信号処理デバイスに到達する前に収束される。測定セルの前に配置されるチョッパーは、試料プリズム及び参照プリズムからの信号に対応する２つの電圧を獲得することができる。吸収が血液内で測定される物質の濃度に対応するために、結果として得られる電圧間の差は濃度に比例する。あいにくKaiserによって使用された赤外レーザは、血液を通過する10.5μmのエネルギーを得るために非常に高い出力を必要とし、この血液が体内に戻されると人に有害な影響を与えるであろう、血液を加熱する好ましくない側面の効果を持っている。Kaiserが静脈血液の体外キュベット及び高い血液流速を利用することにより血液の過熱防ぐことができることを示唆したとしても、Kaiserはグルコース濃度の測定に関する比侵襲的技術を開示していない。 Marchは、米国特許第3,958,560号において、目の角膜を通過する偏光した近赤外光の回転を検知する「非侵襲的」自動グルコースセンサシステムを開示している。Marchのグルコースセンサは、目瞼と角膜の間の眼球をおおって取り付けられ、人の角膜の一方の検出器で検出される放射の量の関数としてグルコースを測定する。あいにくこのような技術は血液の引き込みを必要とせず、しかも「非侵襲的」であるが、このセンサは、人の目の上に配置される必要があるので、かなりの不快感をもたらす。より正確であり、より侵入的ではないシステムが望まれる。 Hutchnsonは、米国特許第5,009,230号において、偏光した近赤外光を使用して人の血流中のグルコース濃度を非侵襲的に検出する個人のグルコースモニターを開示する。偏光された光ビームに与える回転の量が、光が体の脈管化された部分を通過する際に測定され、体のその部分でのグルコース濃度が測定される。Hutc hnsonにより開示されるモニターは人の目に取り付けられる必要はないが、測定の正確さは、比較的小さく940〜1000nmの領域のグルコースの特定吸収ではないことによって制限され、Hutchnsonによって使用される偏光の必要性によって決定される。またMendelsonらは、米国特許第5,137,023号において、近赤外領域の波長が脈動フォトプレスチモグラフィを利用してグルコースなどの被分析物質を非侵襲的に測定するのに有効であることを示す。特にMendelsonらは、透過及び反射フォトプレスチモグラフィの原理を利用するグルコース測定装置を開示し、その装置ではグルコース測定が、２つの異なる近赤外放射源の差もしくは比どちらかを分析することによって行われ、近赤外放射は、心周期の心収縮期及び心拡張期に起こる血液体積の変化の前後で組織表面から反射され、もしくは付属物を介して透過する。したがってフォトプレスチモグラフィ技術は、光の強度を調整するのに使用することができ、過度の組織の吸収によって引き起こされる誤差を排除することができる。しかしながらMendelsonらによる主張にも関わらず、近赤外線（2 500nm未満）の波長は、グルコースによって強く吸収されず、血液内の他の成分からの干渉に影響されやすく、したがって十分に正確な測定を行うことができない。 Rosenthalらは、米国特許第5,028,787号において、グルコースを測定するのに近赤外領域（600〜1100nm）の赤外エネルギーを使用する非侵襲的血液グルコースモニターを開示する。しかしながら上記の装置で言及したように、これらの波長はグルコースの主吸収領域にはなく、加えてこれらの波長での吸収は比較的弱い。主吸収領域にあるグルコースの吸収をモニターする、より正確なグルコース測定技術が望まれている。他の分子に対して、グルコースは、その共有結合の赤外吸収波長の特徴及び本質のためにある周波数において赤外光を容易に吸収する。例えばHendricksonらにより、Organic Chemistry、第三版、McGraw-Hill Book Company 256〜264頁、第７章、7-5節に記述されたように、C-C、C-N、C-O及び他の一重炭素結合は6.5〜1 5μmの領域に特性吸収波長を有する。グルコースにはこのような結合が存在するため、グルコースによる赤外吸収は遠赤外において特に特徴的である。これらの特徴にも関わらず、幸いにもその領域においては信号を減衰させる強い組織の吸収のために、中間から遠赤外領域におけるグルコース濃度の測定の示唆が幾つかなされている。このような教示の一つの公知の例としては、MuellerがWO 81/00622において開示する、遠赤外領域における波長に対する分光技術を利用して血液内の代謝産物濃度を決定するための方法及び装置を挙げることができる。特にMuellerは、吸収の読み込みを安定化させるために、9.1nmの吸収波長と10.5nmの参照波長を利用して体外血液試料内のグルコース測定の可能性を教示する。しかしながらMuel lerは、どのようにして、上記組織吸収の問題を克服すると同時に、このような波長が非侵襲的にグルコース濃度を測定するのに生体内で利用されるかについては開示していない。一般的には人の組織内で30μm以内の光路において90％吸収される、９〜10μm波長領域において組織による大きな吸収を克服することがなければ、高出力赤外エネルギーは、測定部位に組織の損傷及び不快感を生じさせることが起こりやすい。他方では、体の赤外放射は体の絶対温度を決定するのに利用されている。例えば本発明者の幾人かが米国特許第5,159,936号において、人の鼓膜から放射される全赤外エネルギーの総量から人の絶対温度を測定する鼓膜温度計を開示する。しかしながらこのような広帯域の赤外エネルギー放射は、構成成分及び濃度分析を実施するには利用されていない。 McClellandは、米国特許第5,070,242、第5,075,552号、第5,191,215号において、冷却媒体を作用させ、物質の薄い表面層部分を冷却し、薄い表面層部分と物質のその下の部分の間の温度差を瞬間的に発生させ、物質の黒体温度赤外放射からの体の温度赤外放射スペクトルを十分に変える方法を開示する。変えられた温度放射スペクトルは、放射スペクトルが放射された赤外放射の物質による自己吸収を十分にのがれる場合に、検出される。物質の下の部分に温度差が広がって伝搬する前に、すなわち変えられた温度赤外放射スペクトルが放射された赤外放射の物質による自己吸収をもはやのがれられないようになる前に、検出は有効である。このような検出によって、検出された変えられた温度赤外放射スペクトルは、一様な物質の分子成分に関する特徴を示す。同じ発明者の幾人かによって開発された他の従来技術の装置は、Braigらによって米国特許第5,313,941号に開示される。この装置では、３〜12μmの光学波長の高強度赤外エネルギーが指を通過し、透過モード測定を行う。この装置は、この波長帯における組織の高吸収を克服するために高い入射エネルギーレベルが必要である。この装置ではエネルギーは非常に低い負荷サイクルでパルス化されており、皮膚の過熱を防止する。生理学適成分特にグルコースの非侵襲的測定のための技術は、組織が表面から 40〜150μm下に存在する対象となる生理学的濃度を含む組織層を備える構成において不均一であるという問題に向けられる。さらにこの技術は確実に安全かつ有効な測定を行えなければならず、測定部位の表面もしくは下部層の組織に一時的又は永久的な損傷を起こす、あるいは人体に不快感を起こさせることがあってはならない。この技術はまた、グルコース及び他の生理学的成分が幾つかの他の同様な分子と混合されて存在するという潜在的な問題を克服する必要があり、さらに正確な定量ができなければならない。このような技術は理想的には、赤外エネルギーの高出力源を必要とせず、したがってポータブルかつ軽量な装置を製造できる。よって必要とされているのは、従来技術による問題の少なくとも幾つかを克服し、上記に引用された制約に向けられるシステム及び方法である。本発明はそのような必要性に向けられる。発明の概要本発明によれば、人もしくは動物組織からの温度勾配スペクトルを非侵襲的に発生及び獲得する分光計が提供される。この分光計は、組織との伝導熱伝達によって組織内に瞬間的な温度勾配を誘導させるための赤外線透過サーマルマスと、サーマルマスを冷却するためのサーマルマスとともに動作する冷却手段とを含む。また組織内に瞬間的な温度勾配が起こった際に組織から放射される赤外放射を検出するための、かつ検出された赤外放射に比例した出力信号を提供するための赤外線センサが提供される。データ獲得手段は、瞬間的な温度勾配が組織内に起こった際に、赤外線センサ手段から受信した出力信号をサンプリングすることによって与えられる。また本発明は生体組織からの温度勾配スペクトルの非侵襲的発生及び獲得方法を提供する。その方法は、赤外線透過マスを冷却するステップ、組織と関係する伝導熱伝達内に赤外線透過マスを配置し、それによって組織内に瞬間的な温度勾配を発生させるステップ、組織から放射され、赤外線透過マスを通過する赤外放射を検出するステップ、検出された赤外放射に比例する出力信号を提供するステップ、さらに瞬間的な温度勾配が組織内に起こった際に出力信号をサンプリングするステップ、とを含む。本発明の他の特徴は、「本発明を実施する最良の形態」と題する欄に記載され、もしくは明らかにされる。図面の簡単な説明本発明の完全な理解のために、添付の図面が参照されて、以下に本発明を実施する最良の形態が説明される。添付の図面は、図１は、加温された体からの黒体放射スペクトルのグラフである。図２は、複数の層を含む一般的な体のブロック図である。図３ａは、体が温度勾配を持つときの、体の成分の吸収スペクトル図である。図３ｂは、従来の透過分光計を使用して発生されたグルコースの吸収スペクトルである。図４は、対象となる成分における時間／深さの相互作用を受ける勾配の影響を示す曲線である。図５は、吸収パターンのスペクトル成分の時間依存性を示す曲線である。図６は、分析バンドエネルギー／対照バンドエネルギーの比対成分濃度を示すグラフと、図３による赤外エネルギースペクトルに重ね合わされた分析及び対照バンドを示すグラフを含む。図７は、本発明による分光計の第一の実施例を示す。図８は、本発明による分光計の第二の実施例を示す。図９は、本発明による分光計の第三の実施例を示す。図10は、図９に示す分光計のデータ獲得及び制御電子部品の概略図である。図11は、本発明による分光計の第四の実施例であり最良の形態の実施例である。本発明を実施する最良の形態本発明は、不均一体の赤外エネルギー吸収の測定に関する。以下の詳細な説明は、文脈において特定の用途及びその要求を満たすように、当業界の通常の技術者が本発明を製造し使用することができるように示される。好適な実施例に対する種々の変更は、当業界の熟練技術者にとっては容易に明らかであり、ここに画定される包括的な原理は他の実施例に応用される。したがって本発明は示される実施例に限定されることを意図するものではなく、ここに開示される原理及び新規の特徴と矛盾のない広い範囲に一致する。如何なる物体も絶対零度（−273.16℃）よりも上の温度で赤外エネルギーを放射する。このような放射のエネルギー密度は次式のプランクの法則に記述される。Ｗ＝em×Fn(u,t) ここでＷはＷ／cm²・μmの単位におけるエネルギー emは放射率 Fnは変数u及びtによる数学的関数 uはμmの単位における放射エネルギーの波長 tはケルビンの単位における放射体の温度であり、この式の完全な形は次の通りである。Ｗ＝em×（3.74Ｅ４／{u⁵×[(exp(1.438Ｅ４／u×t))−1]}）これらの放射対波長のグラフはしばしば黒体曲線として参照される。このような曲線が図１に示される。理論的には放射率が１である体は、プランクの法則に従ってこのような放射スペクトルを示す。例えば人の組織のおおよその放射率は 0.9〜0.98である。人体からの赤外放射はプランクの法則に従い、黒体放射スペクトルを与えることが良く知られている。人体はプランクの法則に従うエネルギーを放射するが、プランクの法則は人体から放射される全エネルギーの合計を完全に記述するわけではない。その理由は２つあり、以下の通りである。１．組織の層及び体の流体が、赤外エネルギーの幾つかの波長を選択的に吸収する。したがって組織の層及び血液もしくは他の流体は、そのエネルギーが皮膚の表面に到達する以前に、深層において放射されたエネルギーを選択的に吸収する。２．深層が外側の層よりも暖かいという、体内の温度勾配が存在し、これにより理論的な黒体放射からさらにずれる。常にこれら２つの状態は自然に存在し、もしくは強制的に存在させることができるので、構成に依存する吸収スペクトルを決定する本出願は、体から放射される全エネルギーの相応な分析から構成することができる。不均一な体に対して、構成は深さに依存し、逆に言えば深層から発せられる吸収スペクトルは十分に構成の情報を含み、組織内のその深さでの個別の成分の濃度の定量が可能である。これは、体内に温度勾配が起こるときもしくは誘導されるときのいずれかの場合に可能である。温度勾配の傾きは、温度が赤外線検出器により近い体の表面の方が、検出器からより離れている部分、一般的には体のより深い部分よりもより低いようになる。本発明は体内の本来の温度を赤外放射源として利用する。本発明の本来の放射は、単なるプランクの式に一致する黒体放射である。これらは構造に依存する如何なる構成も含まない。以下により詳細に説明されるように、これらの深い赤外放射が、より深い放射層よりもより低い温度である組織の層を通過する際に、これらの放射は選択的に自己吸収される。この選択的自己吸収は、研究によればエネルギーが最終的に物質に存在する際に、結果として生じる放射スペクトルにおける減ぜられたエネルギーのバンドを生ずる。エネルギーが自己吸収されたバンドを含むこのスペクトルは吸収スペクトルと呼ばれる。本発明は、一般的には表面から40〜150μm下の選択された層に温度勾配を伝搬させることにより「自己吸収」を促進させるように冷却することを使用する。温度勾配が十分に伝搬されれば、本技術は、組織、血液、グルコースを含む介在流体の吸収スペクトルを非侵襲的に伝えることができる。本発明は、温度勾配が試験において物質内部の表面から深い部分に伝搬するので、異なる時間で吸収スペクトルを測定することによって、物質の不均一体内の個別の深さの層の構成について正確な情報を伝えることができる。本発明による現象に関する概念的な説明が以下に記述される。人の皮膚の場合を説明する目的で考える。一般に前腕の中心温度はおおよそ37℃であり、外側表面の温度は典型的には30℃であることが知られている。簡単のために、我々の概念的なモデルでは、皮膚がそれぞれおおよそ10μmの厚みの複数の層から形成されていると考える。さらに我々のモデルを単純化するために、図２においてモデル内の各層52a〜52eが、その各層52a〜52eの温度に基づくプランクの式にしたがってエネルギーを放射すると仮定する。外側に見られる検出器システム54が放射を観測する。最も外側の層52aは検出器54に直接伝わるエネルギーを放射し、外側の層52aからのエネルギーは検出器54へのその経路において他の如何なる層52b〜52eを通過しない。内部の第二の層52bからのエネルギーは、組織を出て検出器54に到達する前に、第一の層52aを通過しなければならない。第二の層52bからのエネルギーが第一の層52aに入るとき、そのエネルギーは第一の層52aに存在する化合物によって選択的に吸収される。この吸収は従来の透過セル分光装置で起こる吸収とまさに同様である。第一の層52aは第二の層52bからのエネルギーを選択的に、特定波長で吸収する。対象から放射される全エネルギーは、従来の黒体放射と非常に類似することが明らかである。しかしながら注意深く観察すると、黒体放射スペクトルと内部温度勾配が存在する場合のより深い層による吸収後の放射スペクトルとの間には、微妙ではあるが重要な違いが観察される。図２のモデルは、典型的な数を利用する条件を満たし、図３ａ及び３ｂに示される出力を発生する。このモデルで、説明を目的として２つのスペクトルが図３ａに示され、一方は水、一方は水にグルコースを溶解した水である。通常の生理学的なグルコース濃度では、どちらのスペクトルも黒体を記述するプランク放射曲線と非常に似ているように見え、ほとんど重なる。しかしながら溶液内のグルコース濃度が高い（５％）と、９μm付近に小さな揺れが観察できる。純水放射スペクトルに対するグルコース溶液の比をとると、特性グルコース吸収スペクトルが現れる。スペクトルの大きさはグルコース濃度と温度勾配に依存する。グルコーススペクトルを引き起こす勾配が、図３ｂに示されるグルコースの従来の透過スペクトルと有利に比較される。成分の存在及び濃度が表面以下の深さにより変化する、体の成分のスペクトル吸収を解明する目的で、先に記述された温度勾配の大きさ、伝搬速度、輪郭プロファイルを安定させて制御することが必要である。先に確認したモデルは、大きな安定状態の温度勾配にさらされる不均一物質の層の吸収にのみ向けられている。この発明の１つの目的は、温度勾配の伝搬深さ及び大きさを動的に確立して制御し、組織成分の濃度が生理学的対象であるものの表面以下のより深い層の温度吸収を（時間と深さの関数として）選択的に解明することである。表面下の層による吸収を含む赤外スペクトルは、層を横切って存在する勾配の大きさに直接関係する。勾配の大きさは、温度勾配がその層に伝搬されている零付近から、体内の高い温度と体表における低い温度との間の差を温度勾配深さで割ることによってほぼ画定される最大値まで変化する。また図４は、体内に誘導される温度勾配の輪郭プロファイル、伝搬、確立の時間依存性に関連する３つの動的変数を記述する。図４は、対象の成分濃度に依存する深さと相互作用する勾配の影響を記述し、図５は対応する赤外スペクトル吸収パターンを記述する。温度勾配の輪郭プロファイルは上記概念の３つの次元で表示される。図５に示すスペクトル情報の結果として生じる時間（深さ）依存性は、人体組織において、対象のスペクトル内部は外部表面の冷却開始の後ほぼ100ms（ミリ秒）になるまで赤外吸収に現れ始めないで、さらに125〜175msの間に発生する最大の強度に瞬間的に増大することを示す。その後スペクトル内部はほぼ200msまでに減少する。この減少は、深さを増すことの作用としての光学吸収及びそのプロファイルの変化対する（勾配の大きさが減少する）光学吸収の双方の影響の蓄積による。温度勾配を大きさ、伝搬速度、輪郭プロファイルの点で最適化するために、体を加温し冷却するための手段の温度境界条件及び温度伝導特性が考えられなければならない。体が人体を参照する本発明の生理学的用途に対して特に重要であることを考えると、一時的な及び永久的な組織に対する損傷を回避することが一番重要である。人体組織が長くもしくは繰り返し露出に対してさらされうる最高温度は41〜42℃である。最低温度は十分に低く画定されるが、しかし１〜２秒の瞬間的な露出に対して−３℃と推定される。温度勾配の輪郭プロファイル、伝搬速度、大きさを発生させて制御するための機構もしくはプロセスが、測定部位の冷却及び再加温サイクルを組み込む。組織の目標部位の表面を冷却するための機構もしくはプロセスは、本発明で独特であり、そこでは冷却体が光学経路の一部分となり、そこを赤外エネルギーは記録されるために通過しなければならない。測定される人の部分の快適さのために、加温され冷却される表面領域はおおよそ18.375mm（３／４インチ）の直径とおおよそ同じ寸法であることが決められている。測定におけるＳ／Ｎ比の向上のため、深さ選択スペクトル放射を繰り返して観測することが望ましい。目標の組織領域を繰り返して冷却及び再加温し、反復するために設計された機械的デバイスは、一般的な５秒のサイクル時間で加温と冷却の間のサイクルを速やかに実施することができる。目標部位の下の体積内及び目標組織の表面領域を横切る加温及び冷却の一様性は、深さ依存放射のスペクトル信号の内容を最大化するための重要なパラメータでもある。加温もしくは冷却の間の表面を横切る温度の一様性が低下していれば、表面に垂直な方向で一様ではない温度勾配プロファイルを結果として生じる。結果として生じる吸収スペクトルは、異なる深さからの目標部位の表面を横切る吸収情報を含み、したがってスペクトル内容の変化及び深さの間の特異性を曖昧にする。存在する成分量を定量する対象物質の定量は、勾配増大技術を介して放射された関係するエネルギーから引き出される。対象物質の定量に、比例分析法は、１以上の対照波長での吸収によって規格化されたその物質により吸収されることが知られている波長で放射された関係するエネルギーを使用する。分析バンドエネルギー／対照バンドエネルギーの比が、図６に示される曲線において成分濃度に対してプロットされる。この図の上の部分は、放射エネルギー比と被分析物濃度との間の関係を示す。この図の下の部分は、幾つかのグルコース濃度に対する放射エネルギー対波長の関係を示し、また使用されたグルコースのバンドと対照分析バンドを示す。この技術の熟練者はこの関係をベールの法則として理解するであろう。Ｉ＝Ｉ₀×exp(−ｘｃａ) ここでＩは検出されたエネルギーＩ₀は放射されたエネルギーｘは経路長ｃは吸収する分子の数ａは吸収係数この技術を使用して実用的なグルコース濃度を計算するのにｘ（経路長）を明快に測定する必要はない。例えば代謝グルコース濃度は、mg/dLで表示され、もしくは流体100mLに対するグルコースの重さmgで表示される。したがって実際に要求されるのは、グルコース分子の吸収測定ではなく、単位体積当たりのグルコースの他の流体に対する比である。ここに示される技術は、水、蛋白質、グルコースを測定するのに使用することができる。吸収スペクトルの検査は、水が6.1〜12μmの特性吸収バンドを備え、蛋白質が6.0〜8.4μmを吸収し、グルコースが8.5〜10.0μmを吸収することを示す。これらの吸収バンドを使用して、各種の相対濃度を比例計算によって計算することができる。グルコースの水に対する比は、mg/dlで示されるグルコースの表示を与える。特定の実施例もしくは実施例の状態において本発明の操作をより明快に理解するために、さらに以下の議論を参照する。第一の実施例においては、人体に状態について上記したような、自然に発生する温度勾配が利用される。これは、検出器に近い体内の個所における温度（すなわち皮膚の表面温度は30℃である）がより検出器から離れている個所の温度（すなわち内部の層の温度は37℃である）よりも低い温度であるような温度勾配である。さらに図７を参照すると、これにはこのようなシステム100の第一の実施例が示されている。この実施例においては、体50からの赤外放射が光学コレクター102 によって集光される。体50の特定の成分に対応する特定波長が、波長選択システム104によって選択される。検出器106は選択システム104からの情報を受信する。信号処理システム108は情報を処理する。システムの種々の構成要素が以下に記載される。分析波長選択システム104 分析波長を選択する幾つかの手段には次のようなものが使用可能である。離散的赤外帯域フィルタ干渉計分光計格子モノクロメータ可変フィルタモノクロメータ好適な実施例では、Optical Coating Laboratories Inc.(Santa Rosa,CA)により製造された離散的分析フィルタ９つを１組としたものが使用される。代替的な実施例では、PERKIN ELMER(England)のシステム2000フーリエ変換赤外分光計（F TIR）がフィルタの代わりに使用される。このフィルタは、耐久性があり比較的経済的なコンパクトなシステムを提供する。帯域フィルタの特定の組の使用は、装置が予め選択された波長のみを分析するように制限する。FTIRの使用は、全波長の光学的測定を可能とする。FTIRを使用したとすると、最終分析波長は信号処理コンピュータ内で選択される。したがって離散的フィルタを組み込んだ装置は、所定の化合物、例えばグルコースを測定するのに適し、一方FTIRを組み込んだ装置は、ソフトウェア修正を介して、グルコース、アルコール等の多数の何らかの化合物を測定するのに用いることができる。検出器システム106 検出器システムは、赤外エネルギーを利用可能な電気的信号に変換する。一般に検出器システム106は、赤外検出器とプリアンプの２つの構成要素からなる。好適な実施例では、検出器は、９つのテルル化水銀カドミウム光起電力（PVMC T）検出器のアレイである。PVA-481-1プリアンプを備えるFERMIOINICS(Simi Val ley,CA)のモデルPV-9.1などの検出器が適する。GRASEBY(Tampa,FL)などの他の製造者による同様のユニットで代用することも可能である。信号処理システム108 好適な実施例で使用される信号処理システム108は、Digital Equipment Corp. (DEC)により製造されたパーソナルコンピュータ（PC）モデル4331pxである。他のコンピュータで置き換えることもできる。コンピュータは、計算手段、表示及びシステムとのユーザインタフェースを提供する。San Jose,CAのStrawberry Tr ee,Inc.(STI)により製造されたA/D変換システムが、検出器からのアナログ信号をコンピュータにインタフェースで接続するのに使用される。 GRASEBY 1x1 MCT検出器を組み込み、FERMIOINICSやSTIのコンピュータインタフェースを含むPERKIN ELMERの装置である、FTIRを使用する代替的な構成では、デバイスはシステムを完成させるためには必要とされない。さらに図８を参照すると、そこには、体内に温度勾配を増大させもしくは引き起こして温度差を明確に確立する、システムの第二の実施例の概略ブロック図が示されている。システム300は、システム300が体に温度勾配を引き起こすための温度勾配誘導体200を含む以外は、システム100に示される構成要素と同様の構成要素を含む。誘導体200は、往復動機構204によって体50'と繰り返し接触する冷却機構202を含む。好適な実施例においては、冷却機構202は体と接触させられる。また好適な実施例では、冷却機構は冷却ゲルマニウム結晶である。材料としてゲルマニウムは、身体に接触して温度勾配を増大させている間に、冷却機構を介して光学コレクターへ赤外エネルギーを至らせる。このシステムを使用して、冷却機構が体50' に接触する度に、光学的測定がシステム100'によって行われ、測定値は何回かの接触サイクルにわたり平均される。冷却機構202 好適な実施例においては、冷却機構202はMeller Optics of Providence,RIにより製造されたゲルマニウム結晶である。これは直径18.375mm（0.75インチ）で長さ18.375mm（0.75インチ）である。両端部表面は「光学的に平坦な状態に磨かれて」いる。他の材料、形状及び寸法も使用することができる。この結晶の機能は２つの部分を有する。１つは測定「部位」を冷却することであり、もう１つは赤外エネルギーをコレクター及び検出器システムに効率よく集光して透過することである。ゲルマニウム結晶は水冷ジャケットによりおおよそ10℃に冷却されている。この温度は測定部位に増大された温度勾配を与え、従来の検出器によって検出され得るほどに赤外信号を増大させる。一般に冷却ジャケットは、LAUDAモデルRM-20 などのウォータバスに接続されている。ウォータバスは10℃で運転され、ウォータバス内部の循環ポンプがジャケット内部の水を循環させ、結晶を冷却する。代替的には、結晶は、Alpha Instrument(Johnston,RI)TECによって制御されるMoll cor(Trenyon,NJ)のFCO.6などの熱電冷却器によって冷却可能である。目標表面を冷却のための付加的な手段は、目標窓後部表面と接触して瞬時に循環する赤外線透過冷却流体である、冷たいＮ₂もしくは他の気体を含む。結晶表面の温度が露点よりも低いので、特別な予防措置がとられ、赤外エネルギーがそこを介して集光される如何なる表面上にも結露が存在しないことを確実とする。これは、除湿された容器、結晶表面の霜取り機構、露を防ぐための化学的手段のいずれかを必要とする。測定部位にゲルマニウム結晶が接触した後、ほぼ500msの間相応の温度勾配が存在する。この時間の後、結晶は取り除かれ、その部位は再加温される。往復動機構204 好適な実施例においては、結晶の移動は、MicroMo Inc.(St.Peterzburg,FL)のモデル2842Sなどのギアヘッドモータによって駆動されるカム及レバー機構によって達成される。他の機構も利用することができる。結晶が皮膚から3.0625mm（１／８インチ）から6.125mm（１／４インチ）離れて動き、再加温可能であるということのみ要求される。再加温は、体がまさに測定部位への局所的な血流によって体自体を再加温することによって受動的に達成可能である。一般に当初の体表温度は30℃であるが、冷却結晶を皮膚表面に接触させた500ms後には約20℃にまで冷却される。自然再加温がおおよそ15秒行う。代替的には再加温は、測定部位に暖かい空気を吹き付けることによって、もしくは測定部位を暖かい伝導表面に導くことによって促進することが可能である。表面もしくは空気の温度は不快感を避けるために50℃を越えてはならない。赤外線、ＵＶ、可視光を測定部位に照射することによる光学的再加温もまた利用することができる。代替的には再加温手段は、超音波もしくはマイクロ波を含む。冷却手段と違い、本発明の再加温機構は、サイクルの再加温期間に信号を測定することがないので、赤外線透過である必要はない。再加温源に接触させ、もしくは再加温源にさらす時間は、冷却された温度から目標部位組織の温度をおおよそ 41℃までさせるのに必要とされる時間によって画定される。表面が30〜40℃の間に再加温された後、測定サイクルが繰り返される。好適な実施例では、血液グルコースのレベルの決定は100サイクルに至る測定で構成される。結晶が被験者の皮膚に接触されると、３〜15μmの帯域の赤外エネルギーが皮膚から結晶を介してシステムの離散的構成要素に至る。離散的構成要素の目的は、分析波長を選択することである。相応な波長が選択されることにより、上記理論に基づくグルコース濃度の計算が達成され得る。一般的な操作手順は以下に示される。操作手順ステップ１被験者の前腕に装置を導く。ステップ２前後動機構が、冷却結晶を被験者の皮膚に500ms間接触させる。ステップ３光学エネルギーが、システム信号プロセッサにより検出され、選択され、分析され、上記で議論されたアルゴリズムにしたがってグルコース濃度を決定する。ステップ４前後動機構が皮膚から結晶を取り除く。ステップ５皮膚が再加温される。ステップ６皮膚がおおよそ30〜40℃に再加温された後、100回の個別のグルコース濃度決定が行われるまで、サイクルが繰り返される。ステップ７全100回の測定が平均され、測定結果が報告される。本発明の分析波長の有効領域は広い。室温（25℃）を例にとると、エネルギー放射のピークは9.8μmである。人体（一般的に37℃を維持している）の場合には、放射ピークは9.3μmである。異なる温度において物質は異なる波長の放射ピークを備える。室温もしくは人の体温の例の場合には、エネルギーの大部分を含む分析領域は２〜14μmである。この帯域の範囲外のエネルギーレベルは非常に低い。より短波長帯域でこの技術を利用して試料が加温され得る。参照番号310によって示される、概略的な本発明による分光計の他の実施例が図９に図示される。分光計310は、絶縁ハウジング318によって周囲を囲まれた、温度勾配サブシステム312、光学モジュール314、赤外線検出サブシステム316からなる。開口319を除いては、ハウジング318は実質上気密である。真空源320及び乾燥気体源322がハウジング318と接続されている。データ獲得及び制御システム324と電源326が、電気的信号及び電源ライン328 によって分光計310の種々の構成要素と結合される。温度勾配サブシステム312は、２つのゲルマニウム結晶330及び332を含む。２つのゲルマニウム結晶330及び332はそれぞれ、被験者の皮膚へ、もしくは被験者の皮膚から伝導によって熱を伝達するのに使用されるサーマルマスを与える。操作において、ゲルマニウム結晶330は以下に記載するように加温され、同時に他方のゲルマニウム結晶332は冷却される。そのため本発明の一層の理解を容易にするために、これらの結晶は、単に説明を目的として、加温ゲルマニウム結晶33 0及び冷却ゲルマニウム結晶332として、これ以降参照される。赤外光を透過可能な加温及び冷却ゲルマニウム結晶330及び332は、銅製の支持 334に取り付けられ、アルミニウム製の腕木336によって保持されている。銅製の支持334及びアルミニウム製の腕木336はどちらも、赤外光がゲルマニウム結晶33 0及び332を通過するのを妨げないように開口を備える。銅製の支持334は、軸340によって駆動機構338に結合される。駆動機構338は銅製の支持334に往復回転運動を行わせるのに使用され、それによってゲルマニウム結晶330及び332は交互に開口319と隣接して配置される。また駆動機構338は軸 340に直線的な往復動を行わせ、それによって開口319と隣接して配置されるゲルマニウム結晶は開口319に前進し、開口319から後退することが可能となる。熱電ペルチエ素子及び温度センサが、加温及び冷却ゲルマニウム結晶330及び3 32のそれぞれに隣接して、銅製の支持334とアルミニウム製の腕木336の間に配置される。加温ゲルマニウム結晶330はこの熱電素子によっておおよそ48℃に加温され、この温度は従来の温度制御電子部品によって維持される。冷却ゲルマニウム素子332はこの熱電素子によっておおよそ５〜６℃に冷却され、またこの温度は従来の温度制御電子部品によって維持される。以下の温度勾配サブシステム312には光学モジュール314が配置される。光学モジュール314は、赤外線透過経路342及びホモジナイザ344を含む。ゲルマニウム結晶330及び332のどちらか一方を通過した赤外光は、光学透過経路342によってホモジナイザ344に到達する。光学透過経路342は、赤外光を90度で反射させるためのミラー343を与える。ホモジナイザ344は、赤外光がホモジナイザ344を通過する際に、赤外光を完全に分散させる機能を含む。これは、一様化前に、赤外線検出器サブシステム316 内のセンサが赤外光内に存在する全く一様なエネルギーによって等しく影響されることを確実にする。ホモジナイザ344を出る赤外光は、赤外線検出サブシステム316に入る。赤外線検出サブシステム316はジュワー瓶346と赤外線検出器アレイ348を含む。ジュワー瓶346は液体窒素で満たされ、赤外線検出器アレイ348を冷却する。赤外線検出器アレイ348は、３×３に配列された９つのテルル化水銀カドミウム光起電力（MCT）赤外線検出器を含む。検出器アレイ348の９つの赤外線検出器のそれぞれの前には単一波長赤外フィルタが配置される。したがって各検出器は赤外エネルギーの１つの特定帯域に対するセンサであり、９つの赤外線検出器の出力が全体として、所望の赤外スペクトルを与える。本発明の図解された実施例では、９つのセンサはそれぞれ、9.23、10.7、5.17、12.0、6.97、10.27、7.31 、6.03、8.4μmの波長の赤外エネルギーを検知する。これらの波長のそれぞれは、分析される人もしくは動物組織の構成の決定に関連した特定の情報を与える。例えば5.17μmの波長の赤外光は水を良く透過する。したがってこの波長の赤外光が、誘導された温度勾配がそこを伝搬する浅い体積部分よりも組織内のより深い部分から達し、したがってこの波長の赤外光が組織の内部温度を指示するということが仮定できる。分光計310によって測定される赤外スペクトルのその後の処理を目的として、この観測された温度における黒体が、そこを介して温度勾配が伝搬される体積に隠れて配置されている仮定することができる。一方水は6.03μmの波長の赤外エネルギーを非常に良く吸収する。したがって組織のより深い部分で発生されるこの波長のほとんど全ての赤外エネルギーは、皮膚表面に達する前に組織によって自己吸収されてしまう。よってこの波長のエネルギーのほぼ全てが、皮膚表面で発生され、皮膚表面温度の指示として利用することができる。組織内のグルコース濃度の測定においては、赤外エネルギーが9.23μmの波長で吸収されるので、9.23μmの波長が特に重要である。特にこの波長で吸収される赤外エネルギーの量は体内のグルコース濃度に依存し、その後この検出器からの信号は透過分光理論の原理にしたがって処理し、体内のグルコース濃度に関する数値を与えることができる。他の波長の赤外エネルギーは、試験において体の構成のさらなる情報を提供する。例えば10.7μmの波長の赤外エネルギーは、人もしくは動物の体の構成によって実質上影響を受けず、したがって比較値として利用することができる。残る他のセンサによって検出される赤外エネルギーの量は、体内の種々の蛋白質の量に依存する。これらの蛋白質は9.2μmのグルコースに対して敏感な波長の赤外エネルギーを干渉することがある。したがってこれらの波長の赤外エネルギーレベルは、このような蛋白質の効果が後段の処理において取り除くことによって、定量される。さらに図10を参照すると、データ獲得及び制御システム324は多数の機能要素に分類することができ、それは全体のシステム制御350、アナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）サンプラ352、駆動機構アクチュエータ354、温度制御356、真空源アクチュエータ358、クロック回路360、交流電力線位相センサ362を含む。データ獲得及び制御システム324は、本発明のこの実施例では電池の型式である電源364から電力を受け、交流電力の周波数干渉からの分光計310の絶縁を向上させる。検出器アレイ48からの出力信号は小さく、プリアンプ370を通過する。プリアンプ370は、Ａ／Ｄサンプラ352によって信号がサンプリングされる前に、信号の大きさを増幅する。このサンプリングはシステム制御350によって決められるような適当な時間において行われ、これに関してはより詳細に以下で議論する。同様にシステム制御350は、駆動機構38を操作して分光計の操作手順における所定の時間で軸340を前進、後退、回転させ、真空源アクチュエータ358は所定の時間で真空源320を操作して加温及び冷却ゲルマニウム結晶330及び332と開口319 の間に局部的な真空を発生させ、同時に温度制御356は電熱素子を操作して加温及び冷却ゲルマニウム結晶330及び332の所望の温度を維持するのに使用される。システム制御350は、分光計310の操作を行う種々のステップを同期させ、同調させるのに使用されるクロック回路360からの入力を受信する。電力線位相センサ362は、交流電力線干渉を検出するのに利用される。位相センサ362からの出力は、以下で詳細に記載されるように、分光計310の種々の操作ステップに関するトリガとして、システム制御350によって利用される。この方法で電力線干渉の位相に分光計の操作を同期させることによって、分光計の出力におけるこのような干渉の影響が減少される。使用において、分光計310は電力を供給され、種々のサブシステムを安定化させるように適当な時間が経過される。特に加温及び冷却ゲルマニウム結晶は、各々の結晶の安定動作温度に到達されなければならない。分光計310の操作の間、乾燥気体が連続的に乾燥気体源322からハウジング318 の内部に供給される。これによって、一般に分光計310を取り囲む空気の露点よりも低い温度である冷却ゲルマニウム結晶332上に湿気が実質上凝縮しないことが確かになる。冷却ゲルマニウム332上の水の存在が分光計310によって受容される赤外放射に干渉し、それによって分光計によって収集されるデータを不正確なものとするであろうことから、このことは重要である。分光計が安定操作状熊に達すると、被験者は装置319上に腕もしくは他の体の一部分を置く。さらに測定サイクルがオペレータによって起動され、おおよそ48 ℃の温度である加温ゲルマニウム結晶が、被験者の腕に非常に近接する開口319 に隣接する（おおよそ3.175mm（１／８インチ））。これはシステム制御350の制御下、駆動機構338による軸340の適当な回転及び移動によって達成される。加温ゲルマニウム結晶330の温度が再度安定するのに要するおおよそ１秒の間の後、システム制御350は真空源320を作動させ、これにより加温ゲルマニウム結晶 330と開口319の間の空間は、周囲の大気圧よりも水銀柱でおおよそ127mm（５インチ）低い圧力に減じられる。これは、加温ゲルマニウム結晶330に直に接触するように開口を覆う被験者の腕の一部分を引き寄せ、これによって被験者の表皮層を伝導的に予熱する。加温ゲルマニウム結晶330が被験者の腕と２秒間接触した後、システム制御350 は真空源320の使用を止め、開口19から加温ゲルマニウム結晶330を引っ込める。軸340が180度回転され、冷却ゲルマニウム結晶332が被験者の腕に非常に近接するまで前進する。冷却ゲルマニウム結晶の温度が安定するまでおおよそ１秒の問の後、システム制御350は真空源320を起動し、上述のように冷却ゲルマニウム結晶332に直に接触するように開口を覆う被験者の腕の一部分を引き寄せる。冷却ゲルマニウム結晶332と被験者の皮膚の間の接触は、被験者の皮膚から冷却結晶332へ熱を伝導的に伝達する。これは被験者の皮膚とその内部との間の、及び測定サイクルの過程にわたり温度差をもたらし、この温度の違いは、図４に図示したように、「冷たい波」の形で被験者の腕の中に伝搬する。「冷たい波」が被験者の腕に伝搬する際に、腕からの赤外放射は既に記述したように変化する。腕からの赤外放射は開口319から冷却ゲルマニウム332を介して、赤外線透過経路342を通ってホモジナイザ344に達する。ホモジナイザ344では、赤外線検出器アレイ348の全てのセンサが赤外放射の全く一様であることによって等しく影響を受けるように、赤外放射は散乱されもしくは分散される。一様化されていない放射は、例えば被験者の皮膚の傷によって赤外放射に生じることがある。ホモジナイザ344を設けることによって、検出器アレイ348の各センサは被験者の皮膚の全ての部分から等しい信号を受容する。ホモジナイザ344を出て、赤外放射は、赤外線検出器アレイ348の９つのセンサの各々の前に配置されるそれぞれの単一波長赤外フィルタを通過する。したがって各センサは、特性波長の赤外エネルギーに比例し、その後プリアンプ370に伝達される信号を発生する。プリアンプ370は検出器アレイのセンサから受容した信号を増幅する。さらに信号はＡ／Ｄサンプラ352に伝達される。被験者の皮膚が冷却ゲルマニウム結晶に対して引っ張られる際に、システム制御350によって起動されるＡ／Ｄサンプラ352は、冷たい波が被験者の表皮層に伝搬する際に、１〜20msの間隔でプリアンプ370から受信した信号をサンプリングする。サンプリングが実施されると同時に、温度制御356は使用を止められる。これが行われないと、温度制御356は冷却ゲルマニウム結晶332に隣接して取り付けられる熱電素子に予測できない電力を供給することがある。これは、赤外線検出器アレイ348によって検知されるので、赤外バックグランドに好ましくないシフトを結果として生じさせ、この好ましくないシフトはさらに分光計310によって収集されるデータの正確さに影響を与える。 60Hzの電力線位相センサ362によって検出されるので、真空源320及びＡ／Ｄサンプラ352の当初の起動は、システム制御350によって取り囲む電力線干渉の特定の位相に同期される。このような方法で分光計の測定サイクルの開始を同期させることによって、電力線干渉の効果は各測定サイクルで実質上等しく感じられる。分光計によって収集されるデータの処理が比較することを本質とするため、この同期技術は分光計によって獲得されるデータの正確さを向上させる。２秒の測定サイクルの後、真空源320は使用を止められ、冷却ゲルマニウム結晶332は被験者の腕から引っ込められる。同時にＡ／Ｄサンプラ352は赤外線検出器アレイから受容する信号のサンプリングを止め、温度制御356が再起動される。加温ゲルマニウム結晶330が、システム制御350及び駆動機構アクチュエータ35 4の制御下、さらに再度駆動機構338によって被験者の腕の極めて近くに配置される。この段では、分光計は操作のサイクルを完了しており、加温ゲルマニウム結晶330は、上述のように続行する新しいサイクルに対して配置される。結果の正確さ及び再現性を確実にし、如何なる外部干渉の効果も最小とするために、上述のサイクルは所望の回数繰り返され、検出器アレイ348の赤外線センサのそれぞれからの平均出力が与えられる。操作の好ましいモードでは、分光計は30回の完全なサイクルを行い、これは１度の完全な測定に対して５分の総操作時間を要する。図９に示される分光計に対して、システム制御は、内蔵クロック360、獲得データの表示用のモニタ、キーボード、獲得したデータを蓄積するためのディスクドライブを備えるDell XPSパーソナルコンピュータである。Ａ／Ｄサンプラ352はI ntelligent Instrumentation PSIシステムであり、電源はSRSから供給されるバッテリーパックであり、温度制御356はCAL 3200であり、真空源320はGASTによる真空ポンプである。分光計310の残りの部分に関しては、乾燥気体源322は純窒素供給源であり、駆動機構338は軸340を前進させ、後退させるための１つのステップモータと軸340 を回転させるための１つのステップモータを含む。ホモジナイザは98mm×36.75mm×36.75mm（４インチ×1.5インチ×1.5インチ）の内壁を金でメッキした角管である。角管の内壁は高精度で研磨され、それによってホモジナイザを通過する赤外光を良く反射する。赤外線検出器アレイのセンサは、Fermionics,Incの光起電性のMCT赤外線検出器である。本発明による分光計の最良の実施形態は、図11に図示される一般に参照番号38 0によって示される。分光計380の多くのサブシステムは図９に図示された分光計 310を参照して記載されたサブシステムと一致する。簡単のために、ここではこれらのサブシステムの説明は繰り返して行わない。特に光学モジュール314及び赤外線検出器システム316は図９の実施例と変化していない。図11の実施例のデータ獲得及び制御システム382は、真空源アクチュエータ358 がもはや必要とされていないこと以外は、図10に図示したデータ獲得及び制御システム324とほとんど一致する。図９及び11に図示される分光計間の主な相違は、温度勾配サブシステムにある。図11に図示される温度勾配サブシステム384は冷却ゲルマニウム結晶386を含む。この冷却ゲルマニウム結晶386は銅製の支持388に取り付けられ、アルミニウム製の腕木390によって適所に保持される。銅製の支持388及びアルミニウム製の腕木388はどちらも、赤外光が冷却ゲルマニウム結晶386を通過するのを妨げないように開口を備える。銅製の支持388は、軸394によって駆動機構392に結合される。駆動機構392は軸 394にすなわち冷却ゲルマニウム結晶386に直線的な往復動を行わせるのに使用される。熱電ペルチェ素子及び温度センサが、冷却ゲルマニウム結晶386に隣接して、銅製の支持388とアルミニウム製の腕木390の間に配置される。冷却ゲルマニウム素子386はこの熱電素子によっておおよそ−10℃に冷却され、またこの温度はデータ獲得及び制御電子部品382の温度制御356によって維持される。温度勾配サブシステム384は気密性の囲み396の中に収容される。この囲み396 は純窒素ガスで満たされ、冷却ゲルマニウム結晶386に水が凝縮することが防止されている。温度勾配サブシステム384がこのような方法で密封されているので、図９の分光計の乾燥気体源322は取り除かれる。囲み396は、冷却ゲルマニウム結晶386の両側に配置される２つのゲルマニウム窓398及び400を与えられる。このゲルマニウム窓398及び400は、どちらも赤外光を透過し、直径25.4mm（１インチ）、厚み0.381mm（0.015インチ）の寸法を有する。各ゲルマニウム窓はその周囲に取り付けられた抵抗ヒータと温度センサを備える。ゲルマニウム窓398はおおよそ44℃に加温され、一方ゲルマニウム窓400の温度は周囲の温度に維持される。これらの温度はデータ獲得及び制御電子部品38 2の温度制御の制御下でそれぞれの抵抗ヒータによって維持される。乾燥気体で満たされた密封された囲み384を設けることにより、及び２つのゲルマニウム窓398及び400を加温することにより、温度勾配サブシステム384を介する赤外線透過経路を形成する表面上に発生する凝結の量が減少される。これは分光計380によって獲得される読み値の変動を減少させる。分光計380に関する操作手順は以下の通りである。分光計380は電力を供給され、種々のサブシステムを安定化させるように適当な時間が経過される。特に冷却ゲルマニウム結晶386及びゲルマニウム窓398、40 0は各々の結晶の安定動作温度に到達されなければならない。分光計が安定操作状態に達すると、被験者はゲルマニウム窓398の上に腕もしくは他の体の一部分を置き、さらに測定サイクルがオペレータによって起動される。ゲルマニウム窓398が被験者の表皮層を予熱する、おおよそ90秒経過した後、システム制御は駆動機構392を起動させて冷却ゲルマニウム結晶386をゲルマニウム窓398に直に接触するように前進させ、同時にゲルマニウム窓398、400と冷却ゲルマニウム結晶386に関する温度制御を無効とする。比較的大きな熱容量を持つ冷却ゲルマニウム結晶386と、比較的に小さな熱容量を持つゲルマニウム窓398との間の接触は、ゲルマニウム窓398を急速に冷却する。するとゲルマニウム窓398は被験者の皮膚表面を冷却し、これによって被験者の皮膚とその内部に温度差を生じさせる。測定サイクルの過程にわたり、この温度差は、上記のように「冷たい波」の形で被験者の腕の中に伝搬し、先に記載したように腕からの赤外放射が変化する。冷却ゲルマニウム結晶386は図９の実施例のようには被験者の皮膚に直接接触されず、冷却ゲルマニウム結晶386と被験者の皮膚の間の薄いゲルマニウム窓398 を介して伝導的に伝達されることが正しく認識される。被験者の皮膚からの赤外放射は、ゲルマニウム窓398を通過し、冷却ゲルマニウム結晶386を通り、ゲルマニウム窓400を介して温度勾配サブシステム384の外に伝えられる。さらに赤外放射は光学透過経路342に入り、図９の分光計を参照して上記の如く記載されたように、赤外放射のサンプリングが始められる。冷却ゲルマニウム結晶386のゲルマニウム窓398と接触するような移動は、60Hz の電力線位相センサ362によって検出されるので、システム制御350によって取り囲む電力線干渉の特定の位相に同期される。目下安定化のために、冷却ゲルマニウム結晶386はゲルマニウム窓398と15秒の間接触状態を保持される。被験者への冷たい波の実際の伝搬は１秒未満で起こるので、行われる測定の特殊な要求によって、所望のように接触時間を変化させられることが正しく認識される。赤外線検出器アレイからの出力がサンプリングされ、データがデータ獲得及び制御電子部品によって獲得された後、冷却ゲルマニウム結晶386はゲルマニウム窓398からおおよそ2.54mm（0.1インチの距離）引き離される。冷却ゲルマニウム結晶386の引き離しによって、冷却ゲルマニウム結晶386及びゲルマニウム窓398 、400に対する温度制御が再起動される。温度制御の復旧によって、ゲルマニウム窓398は抵抗ヒータによってその設定温度に戻される。さらにこれは、被験者の皮膚を予め加温し、次の測定サイクルに対する準備を行う。冷却ゲルマニウム結晶386がゲルマニウム窓398から引き離されてから、次の測定サイクルの開始までの、冷却ゲルマニウム結晶386が再度ゲルマニウム窓398と接触するように前進するまでの総経過時間は、おおよそ90秒である。行われる測定の特殊な要求によって、所望のように接触時間を変化させられることが再度正しく認識される。この段では、分光計380は操作のサイクルを完了しており、上述のように新しいサイクルが続行される。図９の分光計のように、結果の正確さ及び再現性を確実にし、如何なる外部干渉の効果も最小とするために、上述のサイクルは所望の回数繰り返され、検出器アレイ348の赤外線センサのそれぞれからの平均出力が与えられる。操作の好ましいモードでは、分光計は10回の完全なサイクルを行い、これは１度の完全な測定に対して10分の総操作時間を要する。分光計310、380のどちらか一方によって測定サイクルが完了された後、「METH OD FOR THE REDUCTIN OF THERMAL GRADIENT SPECTRA TO CONVENTIONAL INFRARED SPECTRA」と題する、本出願と同じ日に提出された、LaRiviere,Grubman＆Payne の処理番号第P682による、出願人らの特許出願に記載されるようにデータは処理される。この出願の開示するところは参照として本発明に取り込まれる。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、上記に記載された分光計に種々の変更を行えることは明らかである。例えば３×３の検出器アレイ348に換えて、可変フィルタホイールの後方に単一赤外線センサを配置することができる。さらにこのフィルタホイールは回転し、単一赤外線センサに赤外光の所望の帯域を与える。このような場合には、アレイの複数の赤外線検出器間で赤外光を等しくするためのホモジナイザを設ける必要がない。また室温赤外線センサが低温で冷却する必要のあるセンサに換えて使用することが可能である。このような場合にはジュワー瓶346はもちろん必要ではない。さらに９より多くの数のもしくは９より少ない数の赤外波長のエネルギーが検出され、組織から放射される赤外スペクトルのより多くのもしくはより少ない情報を提供することができる。概してコストと正確さの間には相容れない条件があり、より多くのセンサ／検出される波長は、外来要素のより良い公差とより正確な最終出力を与える。したがって低価格で製造される装置は、わずかな数のセンサしか使用されず、正確さで劣ることが容認される。同様に分光計の製造形態によっては、出力信号を増幅するためのプリアンプを設ける必要がない。最後に意味のあるデータは、被験者の皮膚への冷却ゲルマニウム結晶の適用によってのみ得られることが明らかである。したがって全システムの正確さ、及び最終出力の必要とされる正確さによって、分光計は被験者の皮膚を予熱し再加温するための加温ゲルマニウム結晶もしくは窓は必要とされないことがある。

【手続補正書】【提出日】平成１１年１１月５日（１９９９．１１．５）【補正内容】請求の範囲１．生体組織からの温度勾配スペクトルの非侵襲的発生と獲得のための分光計であって、前記組織との伝導熱伝達によって前記組織に瞬間的な温度勾配を誘導するための赤外線透過サーマルマスと、前記サーマルマスを冷却するための前記サーマルマスと協働する冷却手段と、使用において前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記組織から放射される赤外放射を検出するための、及びその検出された赤外放射に比例する出力信号を与えるための赤外線センサ手段と、さらに前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記赤外線センサ手段によって与えられた前記出力信号をサンプリングするためのデータ獲得手段とからなることを特徴とする分光計。２．前記サーマルマスが前記組織に対して伝導熱伝達するように、前記組織に対して前記サーマルマスを動かすための手段をさらに含む、請求項１記載の分光計。３．前記組織に対して前記サーマルマスを動かすための手段が、前記サーマルマスを収容するハウジングと、該ハウジングが前記組織を適当な該ハウジング上の位置に置くことができる開口を画定することと、前記組織と前記サーマルマスの間の領域の気体圧力を低下させ、前記サーマルマスと直に接触するように前記組織を引っ張るための手段と、からなる、請求項２記載の分光計。４．さらに前記組織に対して前記サーマルマスを動かすための手段が、前記ハウジング及び前記サーマルマスに結合されている直線的に作動する手段と、該直線的に作動する手段が、前記開口に対して前記サーマルマスを前進させ、後退させるように操作されることと、からなる、請求項３記載の分光計。５．さらに前記組織に対して前記サーマルマスを動かすための手段が、前記ハウジング及び前記サーマルマスに結合されている回転作動する手段と、該回転作動する手段が、前記サーマルマスが前記開口に近接する位置と、前記サーマルマスが前記開口から隔置されている位置との間で、前記サーマルマスを回転するように操作可能であることと、からなる、請求項３記載の分光計。６．前記回転作動する手段に結合され、前記組織を加温するための付加的なサーマルマスと、前記付加的なサーマルマスを加温するための前記付加的なサーマルマスと協働する加温手段と、をさらに含み、前記回転作動する手段が、前記付加的なサーマルマスが前記開口に近接する位置と、前記付加的なサーマルマスが前記開口から隔置されている位置との間で、前記付加的なサーマルマスを回転するように操作可能である、請求項５記載の分光計。７．前記赤外線センサ手段によって検出される前に、前記赤外放射が通過する一様化手段と、該一様化手段が、前記赤外放射が前記一様化手段を通過する際に、前記赤外放射を分散させることと、をさらに含む、請求項１記載の分光計。８．前記一様化手段が反射する内面を有する管からなる、請求項７記載の分光計。９．前記赤外線センサ手段が赤外線検出器のアレイからなり、該アレイの各赤外線検出器が単一波長赤外フィルタの後方に配置され、それによって各赤外線検出器が赤外エネルギーの特定波長に感応する、請求項７記載の分光計。１０．前記データ処理及び獲得手段が、電力線干渉の位相に対して分光計の操作を同期させるための電力線位相センサを含む、請求項１記載の分光計。１１．乾燥気体を前記ハウジングの内部に供給するための前記ハウジングと連通する気体源をさらに含む、請求項３記載の分光計。１２．前記赤外線センサ手段が回転可能可変フィルタホイールの後方に配置される単一の赤外線検出器からなる、請求項６記載の分光計。１３．前記サーマルマスが収容される気密の囲みであって、該囲みが赤外線透過窓を含み、その赤外線透過窓の上方に前記組織が配置可能である、気密の囲みと、さらに前記赤外線透過窓に接触するように前記サーマルマスを動かし、前記組織から前記サーマルマスに熱を伝達するための手段と、をさらに含む、請求項１記載の分光計。１４．前記赤外線透過窓に接触するように前記サーマルマスを動かすための手段が、前記囲み及び前記サーマルマスと結合されている直線的に作動する手段と、該直線的に作動する手段が、前記赤外線透過窓に対して前記サーマルマスを前進させ、後退させるように操作可能であることと、からなる、請求項１３記載の分光計。１５．前記赤外線透過窓を加温するための前記赤外線透過窓と協働する加温手段をさらに含む、請求項１４記載の分光計。１６．前記囲みが乾燥気体で満たされている、請求項１５記載の分光計。１７．前記赤外線センサ手段によって検出される前に、前記赤外放射が通過する一様化手段と、該一様化手段が、前記赤外放射が前記一様化手段を通過する際に、前記赤外放射を分散させることと、をさらに含む、請求項１５記載の分光計。１８．前記一様化手段が反射する内面を有する管からなる、請求項１７記載の分光計。１９．前記赤外線センサ手段が赤外線検出器のアレイからなり、該アレイの各赤外線検出器が単一波長赤外フィルタの後方に配置され、それによって各赤外線検出器が赤外エネルギーの特定波長に感応する、請求項１５記載の分光計。２０．前記データ処理及び獲得手段が、電力線干渉の位相に対して分光計の操作を同期させるための電力線位相センサを含む、請求項１３記載の分光計。２１．前記赤外線センサ手段が回転可能可変フィルタホイールの後方に配置される単一の赤外線検出器からなる、請求項１５記載の分光計。２２．生体組織からの温度勾配スペクトルの非侵襲的発生と獲得のための分光計であって、前記組織を上方に配置することができる開口を画定するハウジングと、前記組織との伝導熱接触によって前記組織に瞬間的な温度勾配を誘導するための第一のサーマルマスと、該第一のサーマルマスが赤外線透過であることと、前記第一のサーマルマスを冷却するための前記第一のサーマルマスと協働する冷却手段と、前記組織との伝導熱伝達によって前記組織を加温するための第二のサーマルマスと、前記第二のサーマルマスを加温するための前記第二のサーマルマスと協働する加温手段と、前記生体組織を交互に加温し冷却するように、前記第一及び第二のサーマルマスを前記開口に隣接して交互に配置するための前記ハウジング内に取り付けられている駆動手段と、使用において前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記組織から放射される赤外放射を検出するための、及びその検出された赤外放射に比例する出力信号を与えるための赤外線センサ手段と、さらに前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記赤外線センサ手段によって与えられた前記出力信号をサンプリングするためのデータ獲得手段とからなることを特徴とする分光計。２３．操作において、前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記赤外線センサ手段によって与えられる前記出力信号を前記データ獲得手段がサンプリングする間、前記加温及び冷却手段が使用を止められる、請求項２２記載の分光計。２４．生体組織からの温度勾配スペクトルの非侵襲的発生と獲得のための分光計であって、前記組織を上方に配置することができる赤外線透過窓を含む囲みと、前記組織との伝導熱接触によって前記組織に瞬間的な温度勾配を誘導するための第一のサーマルマスと、該第一のサーマルマスが赤外線透過であることと、前記第一のサーマルマスを冷却するための前記第一のサーマルマスと協働する冷却手段と、前記赤外線透過窓を加温するための前記赤外透過窓と協働する加温手段と、前記赤外線透過窓との熱伝達関係において前記第一のサーマルマスを交互に配置させるための前記ハウジング内に取り付けられている駆動手段と、使用において前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記組織から放射される赤外放射を検出するための、及びその検出された赤外放射に比例する出力信号を与えるための赤外線センサ手段と、さらに前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記赤外線センサ手段によって与えられた前記出力信号をサンプリングするためのデータ獲得手段とからなることを特徴とする分光計。２５．操作において、前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記赤外線センサ手段によって与えられる前記出力信号を前記データ獲得手段がサンプリングする間、前記加温及び冷却手段が使用を止められる、請求項２４記載の分光計。２６．生体組織からの温度勾配スペクトルの非侵襲的発生と獲得のための方法であって、赤外線透過サーマルマスを冷却するステップ、前記組織と伝導熱伝達関係となるように前記赤外線透過サーマルマスを配置し、それによって前記組織内に瞬間的な温度勾配を発生させるステップ、前記組織から放射され、前記赤外線透過サーマルマスを通過する赤外放射を検出するステップ、前記検出された赤外放射に比例する出力信号を与えるステップ、さらに前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に出力信号をサンプリングするステップ、とからなることを特徴とする方法。２７．前記伝導熱伝達関係が前記組織と前記サーマルマスとの間の直接接触からなる、請求項２６記載の方法。２８．前記伝導熱伝達関係が、前記組織に直接接触する比較的薄い赤外線透過窓と前記サーマルマスとの間の接触からなる、請求項２６記載の方法。２９．前記組織と伝導熱伝達関係となるように前記固体赤外線透過サーマルマスを配置する前に、前記組織を予熱するステップをさらに含む、請求項２６記載の方法。３０．分光装置と、物質内に温度勾配を誘導するための手段とを利用して物質を分光分析するための方法であって：前記分光装置を較正するステップ；前記物質内に前記温度勾配を誘導するステップ；前記誘導するステップに応答して、前記分光装置を利用して前記物質からの表面放射を決定するステップ；さらに前記誘導するステップに応答して、前記分光装置を利用して前記物質からの参照強度を決定するステップ；光学経路に無関係に、前記物質の性質に相関する前記参照強度及び前記表面放射からのパラメータを決定するステップ；前記パラメータを電気信号として、さらなる処理に対して送信するステップ；とからなることを特徴とする方法。３１．複数の構成成分からなる不均一物質を分光分析するための方法であって、該複数の構成成分の少なくとも一部分がさらに対応する複数の被分析物を画定し、前記方法が赤外分光装置と前記物質内に温度勾配を誘導する手段を利用し：前記赤外分光装置を較正するステップと；前記物質内に前記温度勾配を誘導するステップと、該温度勾配が浸透深さを備え、該浸透深さが光学経路を画定し；前記分光装置を利用して、前記物質からの赤外放射を測定するステップと；前記赤外放射からの表面放射を計算するステップと；前記赤外放射からの参照強度を計算するステップと；前記光学経路に無関係に、前記参照強度と前記表面放射を利用して、少なくとも１つの被分析物の性質に相関するパラメータを決定するステップと；前記パラメータを信号として送信するステップと；からなることを特徴とする方法。３２．さらに前記較正するステップが、前記物質からの赤外放射を測定するステップと、前記赤外分光装置を較正するための少なくとも１つの値を計算するステップを含む、請求項３１記載の方法。３３．さらに前記計算するステップが、反射放射と装置バックグランド放射強度の少なくとも１つを計算するステップからなる、請求項３２記載の方法。３４．前記較正するステップが、前記物質に前記温度勾配を誘導するステップ以前に実行される、請求項３１記載の方法。３５．前記較正するステップが、前記物質に前記温度勾配を誘導するステップ以降に実行される、請求項３１記載の方法。３６．前記較正するステップが、前記物質に前記温度勾配を誘導するステップ以前及び以降に実行される、請求項３１記載の方法。３７．さらに特定波長で赤外放射を測定するステップと；前記特定波長からの全ての波長で前記物質に関する前記表面放射を計算するステップとを含む、請求項３１記載の方法。３８．さらに前記表面放射を計算するステップが、前記特定波長を約２から14μ mの範囲に指定するステップを含む、請求項３７記載の方法。３９．さらに前記表面放射を計算するステップが、前記特定波長を約４から12.5 μmの範囲に指定するステップを含む、請求項３８記載の方法。４０．さらに前記表面放射を計算するステップが、前記特定波長を約5.5から6.5 μmの範囲に指定するステップを含む、請求項３９記載の方法。４１．さらに前記表面放射を計算するステップが、前記特定波長に対して約６μ mの値を指定するステップを含む、請求項４０記載の方法。４２．さらに特定波長で赤外放射を測定するステップと；前記特定波長からの前記物質に関する前記参照強度を計算するステップとからなる、請求項３１記載の方法。４３．さらに前記表面放射を計算するステップが、前記特定波長を約２から14μ mの範囲に指定するステップを含む、請求項４２記載の方法。４４．さらに前記表面放射を計算するステップが、前記特定波長を約４から１２．５μmの範囲に指定するステップを含む、請求項４３記載の方法。４５．さらに前記表面放射を計算するステップが、前記特定波長を約６から10μ mの範囲に指定するステップを含む、請求項４４記載の方法。４６．さらに前記表面放射を計算するステップが、前記特定波長に対して約８μ mの値を指定するステップを含む、請求項４５記載の方法。４７．さらに前記少なくとも１つの被分析物の性質に相関するパラメータを決定するステップが、前記少なくとも１つの被分析物の濃度に関するパラメータを決定するステップからなる、請求項３１記載の方法。４８．さらに前記少なくとも１つの被分析物の濃度に関するパラメータを決定するステップが、第一の被分析物と第二の被分析物の濃度の比を決定するステップからなる、請求項４７記載の方法。４９．さらに前記少なくとも１つの被分析物の濃度に関するパラメータを決定するステップが、複数の被分析物の濃度の比を決定するステップからなる、請求項４７記載の方法。５０．さらに水、グルコース、タンパク質からなる群より、前記複数の被分析物を選択するステップを含む、請求項３１記載の方法。５１．さらに前記パラメータを信号として送信するステップが、電気信号、光信号、機械的信号、視覚信号、圧力信号からなる群より、前記信号を選択するステップを含む、請求項３１記載の方法。５２．複数の構成成分からなる不均一物質を分光分析するための方法であって、該複数の構成成分の少なくとも一部分がさらに対応する複数の被分析物を画定し、前記方法が赤外分光装置と前記物質内に温度勾配を誘導する手段とを利用し：前記分光装置を用いて、前記温度勾配を誘導する以前に、前記物質からの赤外放射を測定するステップと；前記温度勾配を誘導する以前に、前記物質からの赤外放射を利用して、装置バックグランド放射強度と反射放射を決定するステップと；前記反射放射と前記装置バックグランド放射強度の少なくとも１つを利用して、前記分光装置を較正するステップと；前記物質内に前記温度勾配を誘導するステップと、前記温度勾配が浸透深さを備え、該浸透深さが光学経路を画定し；前記分光装置を利用して第一の特定波長で前記物質からの赤外放射を測定するステップと；前記第一の特定波長での前記物質からの前記赤外放射を利用して、表面放射を計算するステップと；前記分光装置を利用して第二の特定波長で前記物質からの赤外放射を測定するステップと；前記第二の特定波長での前記物質からの前記赤外放射を利用して、前記赤外放射からの参照強度を計算するステップと；前記光学経路に無関係に、前記参照強度及び前記表面放射から、少なくとも第一の被分析物の少なくとも第二の被分析物に対する濃度の比に相関するパラメータを決定するステップと；前記パラメータを電気信号として送信するステップと；からなることを特徴とする方法。５３．さらに前記温度勾配を誘導した後に、前記物質からの赤外放射を前記分光装置により測定するステップと；前記温度勾配を誘導した後の前記物質からの赤外放射を利用して、装置バックグランド放射強度及び反射放射を決定するステップと；前記反射放射及び前記装置バックグランド放射強度の少なくとも１つを利用して、前記分光装置を較正するステップと；からなる、請求項５２記載の方法。５４．分光装置と、物質に温度勾配を誘導するための手段とを利用して、物資を分光分析するための方法であって：前記分光装置を較正するステップと；前記分光装置を較正するステップの後に、さらなる処理に関して、前記物質に誘導された前記温度勾配に関するパラメータを電気信号として送信するステップと；からなることを特徴とする方法。５５．較正された分光装置と、物質に温度勾配を誘導するための手段とを利用して、物質を分光分析するための方法であって：前記温度勾配の誘導に応答して、前記較正された分光装置を利用して、前記物質からの表面放射を決定するステップと；さらなる処理に関して、前記表面放射から得られた値を電気信号として送信するステップと；からなることを特徴とする方法。５６．較正された分光装置と、物質に温度勾配を誘導するための手段とを利用して、物質を分光分析するための方法であって：前記温度勾配の誘導に応答して、前記較正された分光装置を利用して、前記物質からの参照強度を決定するステップと；さらなる処理に関して、前記参照強度から得られた値を電気信号として送信するステップと；からなることを特徴とする方法。５７．分光装置と、物質に温度勾配を誘導するための手段とを利用して、物質を分光分析するための方法であって：光学経路に無関係に、前記物質の性質に相関する、前記温度勾配からのパラメータを決定するステップと；さらなる処理に関して、前記パラメータを電気信号として送信するステップと；からなることを特徴とする方法。５８．複数の構成成分からなる不均一物質を分光分析するための方法であって、前記複数の構成成分の少なくとも一部分がさらに対応する複数の非分析物を画定し、該方法が較正された赤外分光装置と、前記物質に温度勾配を誘導するための手段を利用し、前記物質内に前記温度勾配を誘導するステップと、前記温度勾配が浸透深さを備え、該浸透深さが光学経路を画定し；前記分光装置を利用して、適切な波長で前記物質からの赤外放射を検出するステップと；適切な波長で前記物質からの赤外放射を検出するステップに応答して、前記物質からの参照強度を計算するステップと；前記光学経路に無関係に、前記参照強度を利用して、前記物質の複数の構成成分の性質に相関するパラメータを決定するステップと；前記パラメータを信号として送信するステップと；からなることを特徴とする方法。５９．複数の構成成分からなる不均一物質を分光分析するための方法であって、前記複数の構成成分の少なくとも一部分がさらに対応する複数の非分析物を画定し、該方法が較正された赤外分光装置と、前記物質に温度勾配を誘導するための手段とを利用し、前記赤外分光装置を較正するステップと；前記物質内に前記温度勾配を誘導するステップと、前記温度勾配が浸透深さを備え、該浸透深さが光学経路を画定し；前記分光装置を利用して、適切な波長で前記物質からの赤外放射を検出するステップと；適切な波長で前記物質からの赤外放射を検出するステップに応答して、前記物質からの表面放射を計算するステップと；前記光学経路に無関係に、前記表面放射を利用して、前記物質の構成成分の性質に相関するパラメータを決定するステップと；前記パラメータを信号として送信するステップと；からなることを特徴とする方法。６０．複数の構成成分からなる不均一物質を分光分析するための方法であって、前記複数の構成成分の少なくとも一部分がさらに対応する複数の非分析物を画定し、該方法が赤外分光装置と、前記物質に温度勾配を誘導するための手段を利用し、前記分光装置を利用して、前記温度勾配を誘導する以前に前記物質からの赤外放射を検出するステップと；前記物質に前記温度勾配を誘導するステップと；前記分光装置を利用して、前記温度勾配が誘導された後に、前記物質からの赤外放射を検出するステップと；前記温度勾配が誘導される以前の前記物質からの赤外放射及び前記温度勾配が誘導された後の前記物質からの赤外放射を利用して、装置バックグランド放射強度及び反射放射を計算するステップと；前記装置バックグランド放射強度及び反射放射を利用して、前記分光装置を較正するステップと；前記分光装置を較正するステップの後に、前記被分析物の少なくとも１つに関する少なくとも１つのパラメータを、前記分光装置で決定するステップと；前記パラメータを信号として送信するステップと；からなることを特徴とする方法。６１．複数の構成成分からなる不均一物質を分光分析するための方法であって、前記複数の構成成分の少なくとも一部分がさらに対応する複数の非分析物を画定し、前記方法が較正された赤外分光装置と、前記物質に温度勾配を誘導するための手段とを利用し、該温度勾配が浸透深さを備え、該浸透深さが光学経路を画定し、それによって少なくとも１つの赤外分光測定が参照強度と表面放射の決定における結果として得られ、さらに前記方法が前記複数の被分析物の少なくとも１つの濃度に関するパラメータを決定し、前記光学経路に無関係に、少なくとも第一の被分析物の少なくとも第二の被分析物に対する濃度の比を決定するために、前記参照強度及び前記表面放射から前記パラメータを決定するステップからなることを特徴とする方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者ブレイグ，ジェイムス，アールアメリカ合衆国カリフォルニア州94501, アラメダ，クレモント・アベニュー・ナンバー６・1815 (72)発明者ゴールドバーガー，ダニエル，エスアメリカ合衆国コロラド州80301，ボウルダー，ウォルナット・ストリート・ナンバー102・4760 (72)発明者シュレンバーガー，アーサー，エムアメリカ合衆国カリフォルニア州94005, ブリスベン，サン・ベニト・ロード・232 (72)発明者トレビノ，リックアメリカ合衆国カリフォルニア州94550, リビモアー，ナルクイーンリー・ストリート・425 (72)発明者キング，リチャード，エイアメリカ合衆国カリフォルニア州94707, バークレイ，シエラ・ストリート・1059

Claims

【特許請求の範囲】１．生体組織からの温度勾配スペクトルの非侵襲的発生と獲得のための分光計であって、前記組織との伝導熱伝達によって前記組織に瞬間的な温度勾配を誘導するための赤外線透過サーマルマスと、前記サーマルマスを冷却するための前記サーマルマスと協働する冷却手段と、使用において前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記組織から放射される赤外放射を検出するための、及びその検出された赤外放射に比例する出力信号を与えるための赤外線センサ手段と、さらに前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記赤外線センサ手段によって与えられた前記出力信号をサンプリングするためのデータ獲得手段とからなることを特徴とする分光計。２．前記サーマルマスが前記組織に対して伝導熱伝達するように、前記組織に対して前記サーマルマスを動かすための手段をさらに含む、請求項１記載の分光計。３．前記組織に対して前記サーマルマスを動かすための手段が、前記サーマルマスを収容するハウジングと、該ハウジングが前記組織を適当な該ハウジング上の位置に置くことができる開口を画定することと、前記組織と前記サーマルマスの間の領域の気体圧力を低下させ、前記サーマルマスと直に接触するように前記組織を引っ張るための手段と、からなる、請求項２記載の分光計。４．さらに前記組織に対して前記サーマルマスを動かすための手段が、前記ハウジング及び前記サーマルマスに結合されている直線的に作動する手段と、該直線的に作動する手段が、前記開口に対して前記サーマルマスを前進させ、後退させるように操作されることと、からなる、請求項３記載の分光計。５．さらに前記組織に対して前記サーマルマスを動かすための手段が、前記ハウジング及び前記サーマルマスに結合されている回転作動する手段と、該回転作動する手段が、前記サーマルマスが前記開口に近接する位置と、前記サーマルマスが前記開口から隔置されている位置との間で、前記サーマルマスを回転するように操作されることと、からなる、請求項３記載の分光計。６．前記回転作動する手段に結合され、前記組織を加温するための付加的なサーマルマスと、前記付加的なサーマルマスを加温するための前記付加的なサーマルマスと協働する加温手段と、をさらに含み、前記回転作動する手段が、前記付加的なサーマルマスが前記開口に近接する位置と、前記付加的なサーマルマスが前記開口から隔置されている位置との間で、前記付加的なサーマルマスを回転するように操作される、請求項５記載の分光計。７．前記赤外線センサ手段によって検出される前に、前記赤外放射が通過する一様化手段と、該一様化手段が、前記赤外放射が前記一様化手段を通過する際に、前記赤外放射を分散させることと、をさらに含む、請求項１記載の分光計。８．前記一様化手段が反射する内面を有する管からなる、請求項７記載の分光計。９．前記赤外線センサ手段が赤外線検出器のアレイからなり、該アレイの各赤外線検出器が単一波長赤外フィルタの後方に配置され、それによって各赤外線検出器が赤外エネルギーの特定波長に感応する、請求項７記載の分光計。１０．前記データ処理及び獲得手段が、電力線干渉の位相に対して分光計の操作を同期させるための電力線位相センサを含む、請求項１記載の分光計。１１．乾燥気体を前記ハウジングの内部に供給するための前記ハウジングと連通する気体源をさらに含む、請求項３記載の分光計。１２．前記赤外線センサ手段が回転可能可変フィルタホイールの後方に配置される単一の赤外線検出器からなる、請求項６記載の分光計。１３．前記サーマルマスが収容される気密の囲みであって、該囲みが赤外線透過窓を含み、その赤外線透過窓の上方に前記組織が配置可能である、気密の囲みと、さらに前記赤外線透過窓に接触するように前記サーマルマスを動かし、前記組織から前記サーマルマスに熱を伝達するための手段と、をさらに含む、請求項１記載の分光計。１４．前記赤外線透過窓に接触するように前記サーマルマスを動かすための手段が、前記囲み及び前記サーマルマスと結合されている直線的に作動する手段と、該直線的に作動する手段が、前記赤外線透過窓に対して前記サーマルマスを前進させ、後退させるように操作されることと、からなる、請求項１３記載の分光計。１５．前記赤外線透過窓を加温するための前記赤外線透過窓と協働する加温手段をさらに含む、請求項１４記載の分光計。１６．前記囲みが乾燥気体で満たされている、請求項１５記載の分光計。１７．前記赤外線センサ手段によって検出される前に、前記赤外放射が通過する一様化手段と、該一様化手段が、前記赤外放射が前記一様化手段を通過する際に、前記赤外放射を分散させることと、をさらに含む、請求項１５記載の分光計。１８．前記一様化手段が反射する内面を有する管からなる、請求項１７記載の分光計。１９．前記赤外線センサ手段が赤外線検出器のアレイからなり、該アレイの各赤外線検出器が単一波長赤外フィルタの後方に配置され、それによって各赤外線検出器が赤外エネルギーの特定波長に感応する、請求項１５記載の分光計。２０．前記データ処理及び獲得手段が、電力線干渉の位相に対して分光計の操作を同期させるための電力線位相センサを含む、請求項１３記載の分光計。２１．前記赤外線センサ手段が回転可能可変フィルタホイールの後方に配置される単一の赤外線検出器からなる、請求項１５記載の分光計。２２．生体組織からの温度勾配スペクトルの非侵襲的発生と獲得のための分光計であって、前記組織を上方に配置することができる開口を画定するハウジングと、前記組織との伝導熱接触によって前記組織に瞬間的な温度勾配を誘導するための第一のサーマルマスと、前記第一のサーマルマスを冷却するための前記第一のサーマルマスと協働する冷却手段と、前記組織との伝導熱伝達によって前記組織を加温するための第二のサーマルマスと、前記第二のサーマルマスを加温するための前記第二のサーマルマスと協働する加温手段と、前記生体組織を交互の加温し冷却するように、前記第一及び第二のサーマルマスを前記開口に隣接して交互に配置するための前記ハウジング内に取り付けられている駆動手段と、使用において前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記組織から放射される赤外放射を検出するための、及びその検出された赤外放射に比例する出力信号を与えるための赤外線センサ手段と、さらに前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記赤外線センサ手段によって与えられた前記出力信号をサンプリングするためのデータ獲得手段とからなることを特徴とする分光計。２３．操作において、前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記赤外線センサ手段によって与えられる前記出力信号を前記データ獲得手段がサンプリングする間、前記加温及び冷却手段が使用を止められる、請求項２２記載の分光計。２４．生体組織からの温度勾配スペクトルの非侵襲的発生と獲得のための分光計であって、前記組織を上方に配置することができる赤外線透過窓を含む囲みと、前記組織との伝導熱接触によって前記組織に瞬間的な温度勾配を誘導するための第一のサーマルマスと、該第一のサーマルマスが赤外線透過であることと、前記第一のサーマルマスを冷却するための前記第一のサーマルマスと協働する冷却手段と、前記赤外線透過窓を加温するための前記赤外透過窓と協働する加温手段と、前記赤外線透過窓との熱伝達関係において前記第一のサーマルマスを交互に配置させるための前記ハウジング内に取り付けられている駆動手段と、使用において前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記組織から放射される赤外放射を検出するための、及びその検出された赤外放射に比例する出力信号を与えるための赤外線センサ手段と、さらに前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記赤外線センサ手段によって与えられた前記出力信号をサンプリングするためのデータ獲得手段とからなることを特徴とする分光計。２５．操作において、前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に、前記赤外線センサ手段によって与えられる前記出力信号を前記データ獲得手段がサンプリングする間、前記加温及び冷却手段が使用を止められる、請求項２４記載の分光計。２６．生体組織からの温度勾配スペクトルの非侵襲的発生と獲得のための方法であって、赤外線透過サーマルマスを冷却するステップ、前記組織と伝導熱伝達関係となるように前記赤外線透過サーマルマスを配置し、それによって前記組織内に瞬間的な温度勾配を発生させるステップ、前記組織から放射され、前記赤外線透過サーマルマスを通過する赤外放射を検出するステップ、前記検出された赤外放射に比例する出力信号を与えるステップ、さらに前記瞬間的な温度勾配が前記組織内に進行する際に前記出力信号をサンプリングするステップ、とからなることを特徴とする方法。２７．前記伝導熱伝達関係が前記組織と前記サーマルマスとの間の直接接触からなる、請求項２６記載の方法。２８．前記伝導熱伝達関係が、前記組織に直接接触する比較的薄い赤外線透過窓と前記サーマルマスとの間の接触からなる、請求項２６記載の方法。２９．前記組織と伝導熱伝達関係となるように前記赤外線透過サーマルマスを配置する前に、前記組織を予熱するステップをさらに含む、請求項２６記載の方法。