JP2002513604A - 非侵襲的な鼓膜の分析物の測定 - Google Patents

非侵襲的な鼓膜の分析物の測定

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Abstract

(57)【要約】 本発明は被験者の血液中の選択された成分の濃度の測定のための方法及び装置を与える。本発明は鼓膜を通って流れる血液の多様な成分の濃度に関連した吸収情報を直接得るために、被験者の鼓膜の一部を冷却し、被験者の内耳が放射し、この冷却された部分を通って伝播する熱放射を利用する。詳細に述べると、本発明は伝播される放射の一部を赤外線検出・分析装置に向けるために、外耳道の中に挿入される光学装置を利用する。この検出装置からの信号は目的とする成分の濃度を得るために分析される。本発明は特定の成分の濃度を得るために、従来の分光光度技術及び、非分光光度技術の両方を利用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (発明の背景) 本発明は、患者血液の特定成分の濃度を非侵襲的に確定(または、測定)する
ための方法及び装置に関する。特定すると、本発明は、外部的な放射線源を提供
することなくグルコースのような成分及びその他の臨床的分析物の濃度を確定す
る。本発明は、臨床現場や(例えば、家庭用グルコース検査等の)家庭で、この
種の分析物の濃度を測定するために利用できる。
【0002】 血液の種々の成分の非侵襲的確定は、従来の侵襲的手続にすぐる顕著な利点を
もたらす。侵襲的技術は、患者を環境内の種々の汚染に曝し、このため、もしも
侵襲的方法の使用に対する十分に安全な注意が採られていないと、潜在的にエイ
ズやB型肝炎のような致命的疾患をもたらす可能性がある。非侵襲的技術は、こ
の種の潜在的に有害な露呈を排除し、糖尿患者のような多くの患者の管理に重要
な役割を果たすことができる。規則的に、典型的には1日に数度、血液のグルコ
ース含有量を監視することを要する糖尿病患者は、血液サンプルを得るために従
来、指を刺す技術を採用してきた。この技術は、痛みを覚えるだけでなく、この
ような患者を環境の汚染に曝す。人工心臓弁をもつ患者は、彼らの血液の種々の
成分濃度を監視することを要する他の一群の人々である。例えば、この種の患者
は、血液薄化薬剤の摂取レベルを適正に調節するために特定成分の監視を必要と
することがある。したがって、これらの人々はすべて、血液の種々の成分濃度を
測定するための安全で使用容易な非侵襲的技術から利益を享受し得る。
【0003】 多くの発行済みの特許は、血液のグルコース濃度の非侵襲的確定ために放射線
を使用することを開示している。例えば、米国特許第3,958,560号は、患者血液
内のグルコース含有量を非侵襲的に測定するための装置を開示している。開示さ
れた装置は、患者角膜の一側に配置される放射線源を使用することによって患者
の目を走査し、他側に配置されるセンサにより角膜を通過した後の放射線を検出
する。そのとき、透過放射線の強度はグルコースノードに相関づけられる。米国
特許第4,014,321号は、分極赤外放射線源を採用し、患者の角膜内のグルコース
のレベルを、角膜を通過した後の放射線の分極平面の回転の度合いと相関づける
非侵襲的グルコース感知装置を開示している。
【0004】 侵襲的技術の制約はエイズのような疾患の広まりに関する心配感の高まりと相
俟って、ここ数年非侵襲的光学技術の開発への関心の復活をもたらした。例えば
、Rosenthal等の米国特許第5,028,787号は、血液のグルコース含有量を測定する
ための非侵襲的装置を開示している。詳述すると、Rosenthal等のこの特許は、
複数の波長にて被験者の血液を透過したIR放射線の強度を測定する。Rosentha
l等の発明は、少なくとも一対の波長での透過放射線の強度を得るのであるが、
この波長は、一方の放射線がグルコース吸収に感応性であり、他方が感応性でな
いように選択され、そして発明はこれらの測定値をグルコース濃度と相関づける
【0005】 米国特許第5,321,265号は、サンプル例えば身体部分を照射するために、近赤
外領域例えば700〜1100nmの広帯域スペクトルを有する放射線源を採用し、複数
の重複する検出スペクトル応答により反射または透過放射線を検出する非侵襲的
技術を開示している。この特許も参照されたい。この発明はまた、その(当該ベ
クトルの)異なる成分が特定波長範囲における反射または透過放射線の被測定強
度に関係づけられるベクトルを生ずるように色覚において使用されるものに類似
の検出システムを採用する。
【0006】 米国特許第5,434,412号は、米国特許第5,321,265号に開示された装置及び方法
への改良を示す。この特許も参照されたい。詳述すると、この特許は、対応的サ
ンプリングを達成するように装置を構成する。すなわち、各検出器は、同じ方向
において透過または反射されるサンプルの実質的に同じ部分からの放射線を受信
する。この結果、より良好なSN比が得られ、関係のある分析物の濃度の結果値
の精度は改善される。
【0007】 米国特許第5,424,545号は、関係のある選択された成分の濃度を得るために上
述の米国特許第5,321,265号に開示されるものに類似の技術を採用する。この特
許も参照されたい。しかしながら、この特許は、部分的に重複する応答をもつ複
数の検出器でなく、複数の広帯域の部分的に重複する赤外線源を採用するという
点において、米国特許第5,321,265号と相違する。
【0008】 米国特許第5,666,956号は、身体部分から自然に放出される熱放射(輻射)を
収集し、このような放射を特定の分析物の顕著な特徴として分析するための方法
及び装置を開示している。この特許も参照されたい。詳述すると、この特許は、
グルコースのような分析物の濃度を測定するために、鼓膜の放射性と鼓膜の温度
と同じ温度における黒体の放射性との比が利用され得ることを請求している。
【0009】 米国特許第5,515,847号及び米国特許第5,615,672号は、被験者の体、好ましく
は血管が通った付属肢により放出される長波長の赤外放射線を監視することによ
って、被験者の特定の血液成分を非侵襲的に測定する方法及び装置を開示してい
る。これらの特許の方法は、放射源から光学的に分離しており、熱的に隔絶され
たサンプル中の明確に定められる伝達パスレングスの使用を教示していない。こ
れらの特許における分析物の絶対濃度の測定の較正の精度と多面性は、吸収サン
プルのパスレングスが如何に明確に定められるかに依存する。開示された方法は
、赤外放射線が発するところから検出され得るところまでのパスレングスの値を
定めていない。開示された方法は、厚い組織部分すなわち腕において発せられる
放射線を利用するから、パスレングスの正確な値を得ることは、放射線が検出器
に達する前における組織内での放射線の複数回の散乱や、放出される放射線が発
せられる組織内の場所と関連する不確実性に起因して問題をはらむ。
【0010】 本発明は、血液成分の濃度を非侵襲的に確定するためのこれら及びその他の従
来技術の改良にかかる。詳述すると、従来技術は、普通、かなり厚い組織部分例
えば指先中の放射線の伝達に依存するが、この結果透過放射線の強度は減衰され
ることとなり、それにより波長の選択は制限される。開示された非侵襲的技術の
多くのものは、患者の身体部分を照射するために外部放射源と、この身体部分を
透過または身体部分から反射される放射線の一部を測定するために少なくとも一
つの検出器を採用する。外部放射線源の使用は、非侵襲的試験装置の複雑さと費
用を増す。加えて、開示された方法の多くは、血液の選択される成分の濃度を得
るために従来の分光分析を採用する。この種の従来の技術は、複数の高度に分解
された帯域を示すスペクトルを分析するには適当であるが、血液の多くの成分の
特徴である広い吸収帯域を背景ノイズから区別するには特に適当でない。加えて
、種々の成分例えばグルコース、脂肪、タンパク質のような吸収帯域の潜在的な
重複は、従来の技術に対して他の困難性をもたらす。
【0011】 本発明の他の目的は、被験者の内耳から発せられ鼓膜の冷たい部分を通過した
後の熱放射線の一部を収集するこの種の方法及び装置を提供することである。
【0012】 本発明のさらに他の目的は、鼓膜の薄さを利用して、より厚い身体部分の血液
成分の測定のために利用できないスペクトル波長領域を採用するこの種の方法及
び装置を提供することである。より厚い身体部分はこのような波長には不透明で
ある。
【0013】 本発明のさらに他の目的は、被験者の内耳から放出されより冷たい鼓膜を通過
した後の熱放射線の一部を分析し、鼓膜内における被験者血液のスペクトル吸収
特性を示すことによって、被験者血液の選択された成分の濃度を非侵襲的に確定
する方法及び装置を提供することである。
【0014】 (発明の概要) 本発明は、個人の内耳から発せられる熱放射(輻射)の一部を分析することに
よって、個人血液の選択された成分の濃度を確定する方法及び装置に関する。詳
述すると、本発明では、個人の内耳から発せられ個人の鼓膜の冷たい部分を通過
する熱放射の一部を分析することによって関係のある特定の成分の濃度を得、そ
れにより膜中を流れる血液の種々の成分の吸収特性を提示する。鼓膜が冷たいこ
とは、膜が内耳道と同じ温度にあった場合、検出できないこれらの吸収特性の検
出を可能にする。
【0015】 組織を流れる血液の特定の成分の濃度を得るのに他の組織でなく鼓膜を使用す
ることが有利である。何故ならば、鼓膜は薄く構造的に簡単であるからである。
例えば、鼓膜は、多くの開示された非侵襲的方法により利用される指先よりも少
ない組織であり、指先と異なり、如何なる骨構造体をも含まない。したがって、
指先でなく鼓膜を通る放射は、少ない減衰しか受けず、その結果透過放射の強度
はより高い。加えて、膜の上述の特性は、より広範囲の波長にわたる放射を膜中
に侵入させ、それを透過させ、それにより非侵襲的試験装置における照射放射線
の波長の選択に変幻生をもたらす。
【0016】 本発明では、好ましくは鼓膜の選択された部分を冷却し、それにより内耳と膜
間に温度差を提供するのがよい。この温度差は、鼓膜中を流れる血液の選択され
た成分の吸収特性を得るために内耳から発する熱放射を採用することを可能にす
る。詳述すると、内耳から発せられる放射の一部は、膜の冷たい部分を通過する
。この放射が膜中を通過する結果として、放射の一部がそこを流れる血液の種々
の成分により吸収されることになる。例えば、選択された成分は、特定の波長の
熱放射の一部を吸収することがあり得る。かくして、透過された放射は、選択さ
れた成分に関する情報を担持する。
【0017】 鼓膜を冷却すること、特に鼓膜を内耳の放射表面上の温度よりも低い温度を膜
内に作り出すように鼓膜を周期的に冷却することが本発明の重要な側面であるこ
とを理解されたい。特に、このような温度差の不存在下においては、膜中を流れ
る血液成分の吸収スペクトルを検出することは非常に困難である。膜の冷却は、
膜の通過後、耳道に達する放射スペクトルの黒体のスペクトルからの偏りを目立
たせ、かかる偏りの検出を容易にする。膜の冷却の一つの利点は、放射源すなわ
ち内耳と、吸収サンプルすなわち鼓膜間にある程度の熱的差異を提供することで
ある。この熱的差異により、種々の成分の吸収スペクトルの直接測定が可能とな
り、また吸収パスレングス、すなわち選択された成分を得るのに使用されるパラ
メータが一層都合よく確定される。内耳と鼓膜間に、ある程度の熱的差異を提供
することの結果は、事実上鼓膜の後に(すなわち、鼓膜の奥に)外部放射源を植
え付けるのと類似である。換言すると、内耳と鼓膜間の温度差により、内耳はこ
の種の放射源として利用されることが可能となる。
【0018】 本発明の好ましい具体例は、冷却された検出器装置と膜から発せられる放射を
検出器の冷たい表面上に導く光学結像システムを採用することによって鼓膜の一
部を冷却する。したがって、本発明は、鼓膜から検出器の冷たい表面への熱の放
射伝達により鼓膜を冷却する。
【0019】 この放射冷却は、さらに、すべての物体はそれらの温度の固有関数である或る
範囲の波長と強度の電磁放射を放出することが物理的によく知られていることを
認識することにより理解できる。したがって、検出器表面と内耳道の両者は、環
境中に光子(または、光量子)を放出し、それらに当たる環境内の光子の一部を
吸収する。検出器の冷たい表面と熱い鼓膜間の光子の交換は、鼓膜の冷却を引き
起こす。鼓膜はその熱的質量が小さいので内耳道よりも迅速に冷却し、その結果
、鼓膜の温度は内耳の温度に比してずっと低くなる。
【0020】 本発明では、測定サイクルの一部の間、膜の温度が内耳道の温度よりも低くな
るように鼓膜温度の周期的変更を生ずる。本発明の1つの具体例においては、鼓
膜と冷却検出器の冷たい表面間に配置されるシャッターが周期的に開閉され、こ
れにより鼓膜が、検出器の冷たい表面とシャッターの低放射面に露呈され、鼓膜
温度の変更が行われる。鼓膜の熱質量は内耳の熱質量よりもずっと小さいから鼓
膜は内耳よりも容易に周期的温度変動に追従する。本発明では、シャッターの周
期的開閉の速度を選択し、それにより鼓膜の測定可能な温度変更を生ずるが、内
耳の意味のあるすなわち実質的な温度変動を生じさせないようにする。すなわち
、内耳は、実質的に体の温度に留まるようにする。シャッターの開閉の周期的速
度は、変動が鼓膜内における血液容積の自然の脈動的変動の観察と干渉しないよ
うに、本発明の装置において選ぶことができる。この観察は、動脈系の分析体を
非動脈系の背景から区別するのを助ける。
【0021】 本発明では、患者の血液の選択された成分の濃度を確定するために、内耳によ
り発せられ鼓膜の冷却部分を通る熱放射線の一部を採用する。本発明がその目的
を如何によく達成するかをより十分に理解するために、血液により十分に滋養を
供給され内耳組織の前に配置される薄い組織層として鼓膜をモデル化してよい。
内耳は、鼓膜よりも熱く、その温度の特徴関数である波長と強度で全方向に放射
線を放出する。この放射線の一部は、この薄い膜を通って伝搬する。鼓膜中を流
れる血液のある成分は、選択された波長にて膜中を伝搬する放射線の一部を吸収
する。かくして、鼓膜から現われる放射線は、この成分の吸収特性を示す。
【0022】 内耳から発せられる熱放射線と鼓膜との相互作用は、上述の単純モデルよりも
複雑であることは、斯界に精通したものには明らかである。例えば、鼓膜の冷た
い部分を通る放射線は、若干の散乱を受ける。かくして耳道に達する光子はすべ
てが平行路を伝搬しない。実際には、放射線は鼓膜から円錐形に現われる。
【0023】 本発明では、鼓膜の冷たい部分を通って検出装置例えば赤外線検出器に伝達さ
れる放射線を収集し、方向付けするために被験者の耳道に挿入される種々の光学
装置を採用する。例えば、本発明の1つの具体例においては、空洞の管の両端部
に配置された二つのレンズが、検出器上に伝達される放射線の一部を集結するた
めの古典的な結像システムを形成する。詳述すると、この装置は、一つのレンズ
が、その焦点距離にほぼ等しい距離にて鼓膜の冷たい部分と対面するように耳道
に挿入される。このレンズは、内耳から発せられ、鼓膜の冷たい部分を通過後、
耳道に達する放射線を実質的に平行化する。第2のレンズは、この実質的に平行
化されたビームを検出装置上に集束させる。
【0024】 本発明の他の具体例は、伝達される放射線の一部を検出器上に集結するために
1つのレンズを鼓膜と赤外線検出器の間に配置する。本発明のある他の具体例は
、鼓膜と検出器との間に少なくとも一つの光ファイバーを配置し、このファイバ
ーが一端部に伝達される放射線の一部を受信し、受信された放射線を検出器に供
給されるようにその他端部に伝達する。
【0025】 本発明ではまた、内耳道からの熱放射線を検出器に案内するために、光ファイ
バーとレンズの組み合わせを採用してもよい。詳述すると、一つの具体例は、伝
達される放射線を検出器に案内するために鼓膜と検出器との間に配置される光フ
ァイバーと、放射線をファイバーに結合するために膜と対面するファイバー端部
と鼓膜の冷却部分との間に配置されたレンズを採用する。ある他の具体例では、
鼓膜と光ファイバー間に配置されるレンズが、放射線をファイバーに結合する。
ファイバーは、放射線をその反対端部に伝達し、ファイバーの反対端部と赤外線
検出器との間に配置される第2のレンズがファイバーを出る放射線を検出器上に
集束させる。
【0026】 本発明は、普通、内耳から放出され鼓膜を通過後検出器に到達する放射線部分
に応答して電気信号を発生するため、検出装置として赤外線検出器を使用する。
本発明のある具体例は冷却検出器を使用するが、この冷却検出器は、放射線を検
出するための手段として、また鼓膜を冷却するための手段として作用する。赤外
線検出器の検出性(「D*」は、その温度が減ずるにつれて増すから、冷却検出
器の使用は、SN比を改良し、関係のある成分の濃度の導出値の精度を改善する
。かくして、冷却手段及び検出手段の双方として働く検出器の使用は、よりコン
パクトな装置を提供するだけでなく、導出濃度の精度を改善する。この種の具体
例は、普通、鼓膜と検出器の間に配置されるシャッターを採用し、検出器の冷た
い面と、検出器より熱いシャッター面に鼓膜を交番的に露出することによって、
鼓膜の温度を周期的態様で変動させる。
【0027】 前述のように、鼓膜は、薄く広い範囲の波長にわたり放射線の伝送を可能にす
るから、照射放射線の波長の選択に変幻性を与える。この変幻性により長波長の
放射線の選択を可能にするが、この長波長では、ある種の成分が鋭い吸収特性を
示しかつ種々の成分の吸収帯域の重複を少なくでき、かくして、データの分析を
、より短い波長例えば近赤外領域の電磁スペクトルでより簡単にすることができ
る。
【0028】 本発明では、選択された成分が鋭いスペクトル特性を示しかつ他の成分の吸収
帯域との重複が最小であるとき、選択された成分のスペクトル特性を取得、分析
するために古典的に分光分析技術を採用できる。本明細書において「分光測光技
術」と称される古典的分光分析技術においては、サンプル中を透過した放射線の
強度は、普通、放射線源の波長を走査することによって波長ごとに得られる。本
発明では外部放射線源でなく内耳により放出される広帯域放射線を採用するから
、放射線の波長ごとの走査は実際的でない。しかしながら、透過された放射線は
、古典的な赤外線スペクトルを得るように、例えば適当な格子または赤外線干渉
計により技術上周知の態様で分散し、透過強度を波長の関数として指示すること
ができる。このようなスペクトルは、上述のように、関係のある成分の濃度を導
出するように利用できる。
【0029】 しかしながら、本発明の実施は、分光測光技術を採用することに制限されるも
のではない。血液の多くの成分は、種々の他の成分の吸収バンドと重複する吸収
帯域を示すことがある。分光測光技術は、この種の成分の濃度を得るには適当で
ない。したがって、このような場合、特定の成分の濃度を鼓膜を通って伝達され
る放射線の強度と関係づけるため、米国特許第5,424,545号及び米国特許第5,321
,265号に開示される手法と類似の手法を採用する。本明細書においてクロモスコ
ープ(Kromoscopic)技術と称されるこの種の手法は、特定成分の吸収ピークの位
置でなくその吸収バンドの包括的な構造の試験により特定の成分の濃度を抽出す
るように色覚との類似性を利用する。特に、クロモスコープ技術では、その(当
該ベクトルの)異なる成分が、特定の波長範囲にある透過光の被測定強度に関係
づけられるベクトルを作り出す。このベクトルが、選択された成分の濃度を導出
するのに利用される。
【0030】 本発明では、広範囲の波長にわたり赤外放射線に応答する赤外線検出器と、複
数の赤外線フィルターとを利用することによって、クロモスコープ技術を実施し
得る。各フィルターは、特定の波長に優先伝達特性をもち数百nmの範囲にわた
り赤外放射線を伝達するように選ばれる。加えて、各フィルターの伝達レスポン
スの「尾部」は、少なくとも一つの他のフィルターの伝達レスポンスの尾部と部
分的に重複する。鼓膜と検出器との間に配置された、異なるフィルターで各々取
得された、放出された放射線強度に関する複数の測定値に対応するデータが、分
析のためにコンピュータ、ハードワイヤ接続論理ユニットまたはニューラルネッ
トワークに送られる。
【0031】 このように、本発明は、内耳から放出される放射線を鼓膜の冷却部分を通した
後に測定し、それにより種々の波長にて血液の特定の成分の吸収特性を示すこと
によって上述の目的を達成する。特に、本発明に従う装置は、個人の血液内の多
くの成分例えばグルコースの濃度を確定するのに使用できる。加えて、本発明は
、特定の成分の濃度を直接測定することを要しない。ある場合には、ある物質の
濃度の測定値を他の物質の濃度の測定値と相関づけることによって導出できる。
【0032】 本発明の上述及びその他の特徴は実施例の詳細な説明、及び付随する図面と共
に以下でより詳しく説明される。
【0033】 (詳細な説明) 本発明は鼓膜と内耳との間に温度差を与えるために被験者(または、患者)の
鼓膜の一部を冷却することにより、さらに、外耳道(external auditory canal
)に達する前の、被験者の内耳から放射され、鼓膜を通る熱放射の一部を分析す
ることにより、目的とする、被験者の身体の特定の成分の濃度を測定する。
【0034】 本発明は人間の耳の一部のスケッチである図1を参照することにより、さらに
良く理解することができる。図は鼓膜10、耳道12、及び耳道の中に挿入され
、鼓膜に面しているプローブ14を示している。本発明の多様な実施例との関連
で以下に詳細に説明されるが、プローブは鼓膜を冷却するため、及び内耳から放
射される赤外線放射を集めるために利用することができる。
【0035】 本発明の1つの実施例に関連したプローブの多様な構成要素が図2に描かれて
いる。フッ化カルシウム等の、赤外線放射の伝播(または、透過)が可能なレン
ズ16は耳の空洞の中に挿入される空洞の管18の遠位(すなわち、奥の端)に
配置され、鼓膜20に面する。赤外線放射に対し透過性のもう1つのレンズ22
は管の近位(すなわち、手前の端)に配置される。
【0036】 この2つのレンズの組み合わせは耳の空洞の外側に配置される冷却赤外線検出
器24の表面上に鼓膜の一部の像を結ぶ。赤外線フィルター26は選択された範
囲の波長を持った放射の一部の通過を可能にするために検出器の前に配置される
。好まれる実施例では、目的となる成分の濃度を得るためのデータの組を取得す
るために部分的に重なり合った透過応答(transmission response)を持った複
数の赤外線フィルターを利用する。
【0037】 冷却装置28は赤外線検出器及びフィルターを低温に保つ。1つの実施例にお
いて、フィルター及び検出器の両方は冷却槽との熱接触によって冷やされる。も
う1つの実施例においては、冷却装置はフィルターを冷却槽との熱接触で冷やし
ながら、検出器を熱電気的に冷やす。
【0038】 温度制御器30は鼓膜に周期的な温度変化を起こさせる。1つの実施例におい
て、温度制御器は鼓膜と赤外線フィルターとの間に配置されるシャッターである
。シャッターの周期的な開閉は鼓膜をフィルター及び検出器の冷たい表面と、シ
ャッターの暖かい表面とに交互にさらす。シャッターがフィルター及び検出器を
覆っていないとき、焦点を合わせるためのレンズの作用を通しての、鼓膜から検
出器の冷たい表面への効果的な熱の伝達は鼓膜の選択的な冷却の結果となる。し
かしながら、内耳は鼓膜のようには冷却されず、実質的に体温(すなわち、約3
7℃)に保たれ、熱放射を放射する。
【0039】 物理学において、全ての物体がそれの温度に固有な関数である波長及び強度の
範囲で電磁波を放射することは良く知られた事実である。例えば、米国特許No.5
,666,956から抜き出した図3は体温に近い、いくつかの温度で「黒体」が放射す
る熱放射の強度を波長の関数として表している。内耳は完全な「黒体」ではない
が、波長の関数としての熱放射の強度は図3の放射曲線と質的に同じである。
【0040】 本発明の方法は特に、熱放射の発生の最大の強度の波長付近の波長の適当な範
囲内に吸収帯を呈する(または、吸収帯を持った)血液中の成分の濃度の測定に
対し便利である。したがって、本発明の方法は特に、被験者(または、患者)の
血液中のD−グリコースの濃度を得るために適している。なぜなら、D−グリコ
ースはグリコースのピランリング(pyrane ring)中の炭素−酸素−炭素結合の
振動性の励起の結果と考えられている、9.7ミクロンの顕著な吸収ピークを呈
し、この波長は体温の熱放射の最大強度の波長にほぼ一致しているからである。
Mendelsonらの記事(1990年5月、生物医学工学IEEE会報37巻No.5のYitz
hak Mendelson, Allen C.Clermont, Robert A.Peura, and Been-Chyuan Lin共著
、「Blood glucose measurement by multiple total reflection and infrared
absorption spectroscopy」)から抜き取った図4は、上述の9.7ミクロンの
吸収ピークを示している無水D−グルコースの赤外線の吸収スペクトルを図示し
ている。Mendelsonらによる同じ記事から抜き取った図5は減衰全反射法技術を
利用することによって得られた血液中のグルコースのスペクトルであり、やはり
9.7ミクロンで顕著な吸収ピークを示している。
【0041】 図2をもう1度参照すると、2つのレンズの組み合わせは内耳から発生し、冷
たい鼓膜を通過し、検出器のフィルターを通過する赤外線放射の一部に焦点を合
わせている。フィルターは選択された範囲の波長に対応する放射の一部を透過さ
せる。好まれる1つの実施例は多様な波長範囲の強度データの組を得るために、
少なくとも1つの他のフィルターの波長に部分的に重なり合った透過範囲を持っ
た複数のフィルターを利用する。
【0042】 検出器は入射される放射に応答した電気信号を発生する。複数の電気ワイヤ3
2はこの信号を検出器からプリアンプ装置34に送り、プリアンプ装置は受信し
た信号の増幅された信号をスペクトル分析器36に送信し、スペクトル分析器は
分析のためにその増幅された信号を格納する。スペクトル分析器はデータから目
的となる成分の濃度に直接関連した値を得るために、良く知られた高い分解能の
分光器の使用による分光光度技術(spectrophotometric)か、前述の米国特許No
.5,321,265、No.5,434,412、及びNo.5,424,545に開示されている技術(すなわち
、クロモスコピー(Kromoscopy))と同様な分析技術の方法を利用する。伝播さ
れた放射の分析のための技術の選択は目的とする成分が鋭い帯域を呈するか、広
い帯域を呈するかに依る。分析器は通常、鋭い帯域の分析に対し分光光度技術(
spectrophotometric)を利用し、広い帯域の分析に対しクロモスコピー(Kromos
copy)を利用する。
【0043】 好まれる実施例においては、上述された信号のスペクトル分析によって得られ
た値に基づいて血液の特定の成分の濃度を得るために較正曲線が利用される。例
えば、特定の被験者のための較正曲線は指先を針で突く方法等の従来の侵襲的な
技術によって得られる濃度を本発明の方法によって得られる値と比較することに
よって得ることができる。
【0044】 図6は内耳から発生し、鼓膜40の冷たい部分を通る赤外線放射を集めるため
に光ファイバーの束38を利用した、本発明のもう1つの実施例を示している。
詳細に述べると、図は各光ファイバーの一方の端が鼓膜に面するように、耳道の
中に挿入されたロッド42の空洞の中心に配置された光ファイバーを図示してい
る。さらに、レンズ44は内耳から光ファイバーに発せられる赤外線放射の効果
的なカップリングを得るために、鼓膜とファイバーとの間のロッドの遠位の端(
すなわち、奥の端)に配置される。
【0045】 図をさらに参照すると、ロッドの近位の端(すなわち、手前の端)に配置され
た第2のレンズ46は光ファイバーを通して赤外線検出器48に伝播される放射
の効果的なカップリングを与える。
【0046】 この実施例は赤外線検出器の表面を冷却し、その結果として、2つのレンズが
検出器の冷却面に像を結ぶ鼓膜の部分を冷却する冷却装置50を利用している。
シャッター52の開閉は鼓膜の像を結ぶ部分を周期的に、検出器の冷却面にさら
し、結果として鼓膜の温度の周期的な変化を生み出す。
【0047】 図6をさらに参照すると、(前の実施例と同様に、)この実施例は検出器に波
長の選択的な範囲を持った、赤外線放射の一部の透過を可能にするための、部分
的に重なり合ったスペクトル応答を持った、複数の赤外線フィルター56を利用
する。各フィルターの1つと共に取得された、複数の一連の測定値は多様な波長
領域での放射の強度に応答するデータを与える。検出器の冷却面が冷却手段とし
て利用された場合、検出器の前面に配置された赤外線フィルターも冷却装置によ
って冷却されることは理解されなければならない。
【0048】 入射される放射に応答して赤外線検出器で生成される電気信号はプリアンプ5
8に送信され、増幅器(すなわち、プリアンプ)は次に、増幅された信号をスペ
クトル分析器60に送信する。スペクトル分析器は目的とする特定の成分の濃度
を得るためにクロモスコピー(Kromoscopic)技術か、従来の分光光度(spectro
photometric)技術のどちらかを利用することによって、特定の成分の吸収特性
に対してデータを検査する。スペクトル分析技術の選択は目的とする成分の吸収
帯域の幅、多様な吸収帯域間の重なりの度合い、検出された放射のSN比、その
他を含む多様な要因に依存する。吸収帯域が広く、特色が少なく、さらに他の成
分の吸収帯域と重なる場合、分析器は通常、クロモスコピー(Kromoscopic)を
利用する。
【0049】 このように、本発明は上述された目的を達成する。本発明の実施例は説明を目
的としており、制限のためではない。当業者は本発明の意図または範囲から外れ
ることなく、上述の実施例に多様な変更や改良を加えることができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 人間の耳の特定の部分の概略図を示す。
【図2】 鼓膜を冷却するためと、内耳から放射される熱放射を検出するためとの両方の
手段としての冷却赤外線検出器を利用する、本発明にしたがった装置である。
【図3】 異なった温度が放出する理想的な「黒体」の熱放射の強度を波長の関数として
表している。
【図4】 9.7ミクロンでの顕著な吸収のピークを表している、無水D−グルコースの
赤外線吸収スペクトルの一部である。
【図5】 前図と同様な、9.7ミクロンでの吸収のピークを表している、血中のグルコ
ースの赤外線スペクトルの一部である。
【図6】 内耳から鼓膜の冷却部分を通って赤外線検出器に放射される放射を伝播する
ために光ファイバーの束を利用した、鼓膜の一部を冷却するための冷却赤外線検
出器を利用する本発明にしたがった装置を図示している。
【符号の説明】
10 鼓膜 12 耳道 14 プローブ 16 レンズ 18 空洞の管 20 鼓膜 22 レンズ 24 冷却赤外線検出器 26 赤外線フィルター 28 冷却装置 30 温度制御器(または、シャッター) 32 複数の電気ワイヤ 34 プリアンプ装置 36 スペクトル分析器 38 光ファイバー 40 鼓膜 42 ロッド 44 レンズ 46 レンズ 48 赤外線検出器 50 冷却装置 52 シャッター 56 赤外線フィルター 58 プリアンプ 60 スペクトル分析器
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成11年11月30日(1999.11.30)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】

Claims (30)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被験者の鼓膜を通って流れる血液中の、目的とする成分の濃
    度を測定するための方法であって: 鼓膜の一部と放射収集装置との間に制限のない光学経路ができる位置まで、前
    記被験者の外耳道の中に前記装置を挿入すること; 前記鼓膜の一部に位置する選択された場所を測定サイクルの一定期間中、内耳
    の空洞の温度より低い温度に保つこと; 前記測定サイクル中、前記収集装置によって、内耳から発生し、前記選択され
    た場所を透過する赤外線放射を赤外線検出装置に向けること; 前記(赤外線検出装置に)向けられた赤外線に応答して、前記赤外線検出装置
    によって生成された、目的とする前記物質の濃度と関連のある出力信号を得るこ
    と;及び、 前記出力信号から目的とする前記物質の濃度を得ること、 のステップから成る方法。
  2. 【請求項2】 前記放射を向けるためのステップが前記透過される放射の一
    部を前記赤外線検出装置に焦点を合わせるために結像システムを利用することか
    ら成る、請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記透過される放射を向けるためのステップが鼓膜と前記赤
    外線検出装置との間に配置され、前記透過される放射の一部を前記赤外線検出装
    置に焦点を合わせる少なくとも1つのレンズを利用することから成る、請求項1
    に記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記伝播される放射を向けるためのステップが鼓膜と前記赤
    外線検出装置との間に配置され、前記伝播される放射の一部を収集し、前記収集
    された放射を前記赤外線検出装置に向ける少なくとも1つの光ファイバーを利用
    することから成る、請求項1に記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記伝播される放射の一部を前記ファイバーの中に焦点を合
    わせるために、前記光ファイバーと鼓膜との間に第1レンズを配置するステップ
    をさらに含む、請求項4に記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記ファイバーを通って伝播される放射の一部を前記検出装
    置に焦点を合わせるように、前記光ファイバーと前記検出装置との間に第2レン
    ズを配置するステップをさらに含む、請求項5に記載の方法。
  7. 【請求項7】 前記伝播される放射を向けるステップが前記鼓膜の選択され
    た場所が実質的に第1レンズの焦点面に位置し、前記赤外線検出装置が実質的に
    第2レンズの焦点面に位置し、前記第1レンズが前記伝播される放射を実質的に
    平行光線化し、前記第2レンズが前記平行光線化された放射を受け、それを前記
    検出装置に焦点を合わせるように鼓膜と前記検出装置との間に少なくとも2つの
    レンズを配置し、それにより、前記レンズが前記伝播される放射の一部を前記赤
    外線検出装置上に結像することから成る、請求項1に記載の方法。
  8. 【請求項8】 前記鼓膜の選択された場所を内耳の温度より低い温度に保つ
    ステップが冷却された赤外線検出器の表面を利用することから成る、請求項1に
    記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記向けられた放射を受けることに適合した赤外線検出器; 各々が鼓膜と前記検出器との間に別々に配置することができ、各々が波長の選
    択された範囲の赤外線放射を伝播させることに適合した複数の赤外線フィルター
    であって、それにより、前記検出器の出力信号が前記フィルターの伝播に関連し
    た波長の特定の範囲の前記向けられた放射の強度に比例することを特徴とするフ
    ィルター、 を備えるように前記検出装置を選択することによって特徴付けられる、請求項1
    に記載の方法。
  10. 【請求項10】 前記フィルターのもう1つの伝播範囲と部分的に重なり合
    うように、前記フィルターの少なくとも1つに関連した波長の範囲を選択するこ
    とによってさらに特長付けられる、請求項9の方法。
  11. 【請求項11】 前記物質の濃度を得るステップがクロモスコピー(Kromos
    copic)技術を利用することから成る、請求項10に記載の方法。
  12. 【請求項12】 前記物質の濃度を得るステップが分光光度(spectrophoto
    metric)技術を利用することから成る、請求項1に記載の方法。
  13. 【請求項13】 前記分光光度技術がフィルター測光法技術から成る、請求
    項12に記載の方法。
  14. 【請求項14】 前記検出装置がフーリエ変換赤外線分光計から成る、請求
    項1に記載の方法。
  15. 【請求項15】 前記目的とする成分がグルコースから成る、請求項1に記
    載の方法。
  16. 【請求項16】 被験者の鼓膜を通って流れる血液中の目的とする成分の濃
    度を非侵襲的に測定するための装置であって: 測定サイクルの一定期間中、鼓膜の選択された場所を内耳の空洞の温度より低
    く保つための冷却手段; 前記選択された場所と放射収集装置との間に制限の無い光学経路ができるよう
    な位置まで、前記被験者の外耳道の中に挿入される前記装置であって、それによ
    り、内耳で発生し、鼓膜の前記選択された場所を通って伝播される赤外線放射を
    収集する放射収集装置; 前記目的とする物質の濃度に関係のある出力信号を作り出すために、前記収集
    装置によって収集された放射の一部を受信することに適合した赤外線検出装置。 前記出力信号を受信することに適合し、前記物質の濃度を得るために前記受信
    された出力信号を分析するためのスペクトル分析技術を利用するスペクトル分析
    器、 から成る装置。
  17. 【請求項17】 前記収集装置が前記伝播される放射を前記赤外線検出装置
    に焦点を合わせるための結象システムから成る、請求項16に記載の装置。
  18. 【請求項18】 前記収集装置が鼓膜と前記検出装置との間に配置され、前
    記伝播される放射の一部を前記検出装置に焦点を合わせるレンズから成る、請求
    項16に記載の装置。
  19. 【請求項19】 前記収集装置が鼓膜と前記赤外線検出装置との間に配置さ
    れ、前記伝播される放射を収集し、前記収集された放射を前記検出装置に向ける
    少なくとも1つの光ファイバーから成る、請求項16に記載の装置。
  20. 【請求項20】 前記収集装置が前記光ファイバーと鼓膜との間に配置され
    、前記伝播される放射を前記ファイバーに焦点を合わせる少なくとも1つのレン
    ズをさらに備える、請求項19に記載の装置。
  21. 【請求項21】 前記収集装置が前記ファイバーを通って伝播される放射の
    一部を前記検出装置に焦点を合わせるように、前記光ファイバーと前記赤外線検
    出装置との間に配置された少なくとも1つの第2レンズをさらに備える、請求項
    20に記載の方法。
  22. 【請求項22】 前記収集装置が鼓膜と前記検出装置との間に配置された少
    なくとも2つのレンズを備え、鼓膜の前記選択された場所が実質的に前記レンズ
    の一方の焦点面に位置し、前記赤外線検出装置が実質的に前記レンズのもう一方
    の焦点面に位置し、それにより、前記レンズが前記伝播される放射の一部を前記
    赤外線検出装置上に結像することを特徴とする、請求項16に記載の装置。
  23. 【請求項23】 前記冷却手段が冷却された赤外線検出器の冷たい表面から
    成る、請求項16に記載の装置。
  24. 【請求項24】 前記検出装置が: 前記向けられた放射を受けることに適合した赤外線検出器; 各々が鼓膜と前記赤外線検出器との間に別々に配置することができ、各々が波
    長の選択された範囲の赤外線放射を伝播させることに適合した複数の赤外線フィ
    ルターであって、それにより、前記検出器の出力信号が前記フィルターの伝播に
    関連した波長の特定の範囲の前記向けられた放射の強度に比例することを特徴と
    するフィルター、 から成る、請求項16に記載の装置。
  25. 【請求項25】 前記フィルターの少なくとも1つの伝播範囲が前記フィル
    ターのもう1つの伝播範囲と部分的に重なる、請求項24に記載の装置。
  26. 【請求項26】 前記赤外線検出装置がフーリエ変換赤外線分光計から成る
    、請求項16に記載の装置。
  27. 【請求項27】 前記赤外線検出装置が分光光度技術を利用することが可能
    な検出装置から成る、請求項16に記載の装置。
  28. 【請求項28】 前記赤外線検出装置がクロモスコピー技術を利用すること
    が可能な検出装置から成る、請求項16に記載の装置。
  29. 【請求項29】 前記赤外線検出装置がフィルター測光法技術を利用するこ
    とが可能な検出装置から成る、請求項16に記載の装置。
  30. 【請求項30】 前記目的とする成分がグルコースから成る、請求項16に
    記載の装置。
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