JP2003524467A

JP2003524467A - 生体試料中のアナライト濃度の非侵襲的測定

Info

Publication number: JP2003524467A
Application number: JP2000614878A
Authority: JP
Inventors: ウー，シヤオマオ; ハリール，オマー・エス; チヨン，ツイー−ウエン; イエー，シユウ−チエン; ハンナ，チヤールズ・エフ
Original assignee: Abbott Laboratories
Current assignee: Abbott Laboratories
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2003-08-19
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: EP1173091A1; WO2000065988A1; US6654620B2; JP4638055B2; US6241663B1; CA2365884A1; US20020055671A1

Abstract

(57)【要約】生体試料中のアナライト濃度の測定方法であって、（１）前記生体試料の表面と接触する少なくとも１つの熱制御可能な光学測定素子（１２）を含む光学測定計器（１０）を準備するステップ、（２）不活性で熱伝導性の光学的に透明な結合剤（１００）を前記した少なくとも１つの光学測定素子（１２）及び／または前記生体試料の表面に適用して、前記結合剤を生体試料の表面と少なくとも１つの光学測定素子の間の界面に配置するステップ、（３）前記生体試料の光学特性を前記光学計器を用いて測定するステップ、及び（４）前記生体試料の光学特性を該生体試料中のアナライト濃度と相関させるステップを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の背景）発明の分野本発明はヒト組織中のアナライト濃度の非侵襲的測定を改良するための方法に
関し、より具体的には光学測定デバイスとヒト組織表面の間の界面に結合剤を適
用することによりヒト組織及びヒト身体部分中のアナライト濃度の非侵襲的測定
を改良する方法に関する。

【０００２】従来技術の説明ヒト組織中の生物学的試料（例えば、グルコース）濃度の非侵襲的測定は各種
方法により試みられてきた。赤外線を使用する光学的方法は、光が組織を透過し
、その後吸収または散乱測定値を与え得ることに基づいて操作する。これらの方
法は、光を導入するステップ及び光を皮膚と接している素子を有する光学デバイ
スにより集めるステップを含む。

【０００３】Ｒｏｂｉｎｓｏｎらの米国特許第４，９７５，５８１号明細書は、電磁スペク
トルの近赤外領域の波長を有する拡散反射光を検出することによりグルコース濃
度を非侵襲的に測定する方法を記載している。Ｂａｒｎｅｓらの米国特許第５，
３７９，７６４号明細書は、電磁スペクトルの近赤外領域の波長を有する光によ
りグルコース濃度を非侵襲的に測定する方法を記載している。皮膚表面を光学測
定デバイスと接触させると光学測定デバイスと皮膚表面の間に界面が形成される
。Ｄａｈｎｅらの米国特許第４，６５５，２２５号明細書は、グルコース濃度を
インビボ測定するための光学システムを記載している。このシステムでは、光は
空気中を通って光学素子から皮膚に、皮膚から光学素子に伝達される。Ｃａｒｏ
らの米国特許第５，３４８，００３号明細書は、グルコースや他のアナライト濃
度を測定するために一時的に変調した電磁エネルギーを使用することを記載して
いるが、光エネルギーの一部は空気中を通って皮膚表面に伝達し、皮膚から逆反
射する。

【０００４】Ｍａｒｂａｃｈ，「ＩＲスペクトルによる血中グルコース測定のための測定方
法(Measurement Techniques for IR Spectroscopic Blood Glucose Determinati
on)」，１９９３年発行及びＲ．Ｍａｒｂａｃｈ，Ｔ．Ｈ．Ｋｏｓｃｈｉｎｓｋ
ｙ，Ｆ．Ａ．Ｇｒｉｅｓ及びＨ．Ｍ．Ｈｅｉｓｅ，「ヒト小陰唇の近赤外拡散反
射率分光分析法による非侵襲的血中グルコースアッセイ(Noninvasive Blood Glu
cose Assay by Near-Infrared Diffuse Reflectance Spectroscopy of the Huma
n Inner Lip)」，ＡｐｐｌｉｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，Ｖｏｌ．４７，
ｐ．８７５−８８１（１９９３）は、ヒト小陰唇で拡散反射率を測定するための
光学アクセサリーを記載している。前記アクセサリーは、光学アクセサリーの屈
折率を組織の屈折率に整合させることにより、皮膚表面域でのフレネルまたは正
反射の非感度を抑制している。前記光学アクセサリーを構築するための材料とし
てフッ化カルシウム（ＣａＦ_２）が開示されていた。フッ化カルシウムの屈折率
は１．４２であるのに対して組織の屈折率が約１．３８であるので、フッ化カル
シウムの屈折率は皮膚に整合させるのに理想的ではない。よって、アクセサリー
と組織が完全に接触すると仮定すると、屈折率の不整合がアクセサリー−組織界
面で生ずる。アクセサリーの光学効率は、組織表面がでこぼこなためにアクセサ
リーと組織とが光学的に完全に接触しないという事実により更に低下する。その
結果、有意な屈折率の不整合が生じ、光はアクセサリー（屈折率＝１．４２）か
ら空気（屈折率＝１．０）に、次いで組織（屈折率＝１．３８）に移動する。よ
って、組織の固有の粗度により、アクセサリーと組織の間に小さな空隙が生じ、
このためシステムの光学処理量が低下し、測定アクセサリーの性能が低下する。

【０００５】Ｓｉｍｏｎｓｅｎらの米国特許第５，５５１，４２２号明細書は、空間分解拡
散反射率に基づいて組織中の散乱係数を測定する方法を記載している。この特許
に基づく臨床装置及び方法は光学プローブを皮膚表面に固定するために二重ステ
ィックテープを使用している。この界面材料は機械的に付着させる目的で使用さ
れており、測定変動に関する問題を解決していない。Ｊ．Ｔ．Ｂｒｕｕｌｓｅｍ
ａら，「糖尿病患者の血中グルコース濃度と非侵襲的に測定した組織光学散乱係
数の相関関係(Correlation between blood glucose concentration in diabetic
s and noninvasively measured tissue optical scattering coefficient)」，
ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２２，ｐ．１９０−１９２（１９９７
）（以下、Ｂｒｕｕｌｓｅｍａら）は、Ｓｉｍｏｎｓｅｎらの米国特許第５，５
５１，４４２号明細書の方法に基づく臨床研究を記載している。別の臨床研究は
、Ｌ．Ｈｅｉｎｅｍａｎｎら，「Ｉ型糖尿病患者における光学グルコースセンサ
ーによる非侵襲的連続グルコースモニタリング(Non-invasive continuous gluco
se monitoring in Type I diabetic patients with optical glucose sensors)
」，Ｄｉａｂｅｔｏｌｏｇｉａ，Ｖｏｌ．４１，ｐ．８４８−８５４（１９９８
）により報告された。いずれの研究でも、光学測定における有意なドリフトが観
察され、グルコース濃度の変化と無関係に散乱係数が変化し、散乱係数の変化と
グルコース濃度の変化の間に相関関係がないことが見られた。データの質が乏し
いことから、グルコース濃度を相関または予測するために統計分析を使用できな
かった。

【０００６】顕微鏡検査におけるコントラスト及びイメージ品質を改良させるために光学結
合剤を使用することは当業界で公知である。古典的な例では、顕微鏡レンズと試
料対象物の間の界面に液浸油を適用してきた。光学測定の精度を高めるために光
学整合流体を使用することも当業界で公知である。測定しようとする対象物と同
じ屈折率を有する光学整合流体を使用すると、表面での反射ロスが少なくなり、
測定の精度が高くなる。

【０００７】Ｃｈａｎｃｅの米国特許第５，５９６，９８７号明細書及び同第５，４０２，
７７８号明細書は、組織の光学特性の測定方法を記載している。特に、米国特許
第５，５９６，９８７号明細書は、放射線が対象物に導入するように構成された
光学入力ポートと対象物中の光路を介して移行した放射線を検出するように構成
した光学検出ポートとを有する分光計、対象物の周囲に配置されており、比較的
に小さく、導入した光子が対象物の外側に逃げるのを制限するように構成した光
子エスケープ防止手段、及び導入される放射線と検出される放射線の間の変化に
基づいて対象物の光学特性を測定するように構成されている処理手段を含む分光
測光システムを開示している。前記システムはまた、比較的に大きな容積で、光
子エスケープ防止手段を形成し、特定の散乱及び吸収特性を有し、組織−媒体光
路からの光子のエスケープを実質的に制限する光学媒体、組織−媒体光路を形成
するために当該生物学的組織を移行路に配置するように構成した位置決め手段、
及び組織−媒体の光路の検出した光学特性及び光学媒体の散乱または吸収特性に
基づいて組織の生理学的特性を測定するように構成した処理手段を含む。光子エ
スケープ防止手段は、対象物を囲んで特定光学特性を有する光学媒体を含む。特
定の光学特性は吸収または散乱係数である。前記媒体は対象物の光学特性に整合
する光学特性を少なくとも１つ有する。光学結合システムは、可撓性の光学的に
透明なバッグ内に収容されており、モニターする組織及びシステムの励起及び検
出ポートの周囲に部分的に配置されている光学整合流体を含む。光学媒体は、散
乱材料、例えば平滑な球面または柱形態を有する固体粒子を含み得る。光学媒体
は特定の吸収または散乱特性を有する液体、例えばイントラリピド溶液を含み得
る。光学結合媒体は特定の散乱または吸収係数を有する柔軟な固体を含み得る。
前記光学媒体を使用する分光測光システムにより、正常組織の光学特性とは異な
る光学特性を有する腫瘍の位置を決定することができる。

【０００８】Ｍｅｓｓｅｒｓｃｈｍｉｄｔの米国特許第５，６５５，５３０号明細書及び同
第５，８２３，９５１号明細書は、ヒト組織中の血中アナライトを非侵襲的に測
定するための光学的方法を記載している。具体的には、前記特許出願明細書はセ
ンサー素子と皮膚表面上の試料域の間に屈折率整合媒体を配置することを記載し
ている。前記特許出願明細書に記載されている測定方法では、拡散反射と正反射
の両方を測定しなければならない。屈折率整合媒体を使用すると、ガラス／空気
／組織の界面でのフレネル反射に関与する正反射成分が低下する。２種類の屈折
率整合媒体、すなわち疎水性の屈折率整合流体及び親水性添加剤を含有する疎水
性の屈折率整合流体が記載されていた。

【０００９】１９８８年５月１８日に出願された係属中の米国特許出願第０９／０８０，４
７０号明細書（譲渡人は本願と同じ）は、温度コントロールを用いる非侵襲的グ
ルコースセンサーを記載している。温度をコントロールする１つの目的は、生理
学的変動の影響を最小限とすることである。１９９８年１１月２３日に出願され
た係属中の米国特許出願第０９／９０８，０４９号明細書（譲渡人は本願と同じ
）は、１つ以上の層を有する組織の光学特性の測定方法を記載している。この方
法は、空間分解測定部位に位置する密接光学ファイバー群を複数使用することを
含む。各群により、試料中の特定層に関連する情報が得られる。光学特性を測定
する特定層の選択は、光照射サイトと検出素子群のサイトの間の距離に依存して
決定される。上記した係属中の特許出願明細書に記載されている層はヒト組織の
試料では３ｍｍの深さの範囲にある。薄い皮膚層を有する身体部分（例えば、前
腕または腹部）では、この深さに角質層、表皮または真皮が含まれる。上記した
特許出願明細書は皮膚と接触させて温度制御光学素子を使用することを教示して
いる。

【００１０】各種分光法が当業界で公知であるが、侵襲的方法に匹敵する精度でグルコース
濃度を非侵襲的に測定する、すなわちヒト身体部分から抜き取った血液中のグル
コースを分析するデバイスはまだ市販されていない。また、従来技術の分光法は
測定デバイスと皮膚の間の光学結合の効率の変動の影響を解決していない。前記
変動が生ずると、測定デバイスにより誘導される測定値がドリフトする。その結
果、現在のグルコースモニタリングのような非侵襲的代謝物検査方法は許容でき
るほどの精度を有していなかった。

【００１１】非侵襲的グルコース測定用光学計器は、食事負荷試験または経口グルコース負
荷試験を実施することにより校正され得る。被験者は数時間絶食した後所与量の
食料または飲料を摂取する。その摂取の結果、被験者の血中グルコース濃度が変
化する。血中グルコース濃度は慣用されている従来技術の侵襲的方法、例えば血
液を指スティックを用いて採取し、血中グルコースレベルを携帯式試験ストリッ
プ及び光学もしくは電気化学的検出器を用いて測定することを含む方法により測
定することができる。非侵襲的光学計器からの信号を処理し、同時に侵襲的方法
により測定したグルコース濃度と相関させる。非侵襲的方法により集めたデータ
及び侵襲的方法により集めたデータをプロットし、適当な適合方法（例えば、一
次最小二乗適合）を用いて処理して、校正曲線を作成することができる。

【００１２】皮膚に光学測定プローブを接触させると、たとえグルコース濃度が変化しなく
ても信号は時間の関数として単方向に変化する。Ｊ．Ｔ．Ｂｒｕｕｌｓｅｍａら
が報告した時間的挙動により前記変動の例が与えられた。試料中のアナライト濃
度の変化と無関係な信号の経時的変化をドリフトと呼ぶ。

【００１３】Ｒｏｂｉｎｓｏｎらの米国特許第４，９７５，５８１号明細書は、前記ドリフ
トを観察し、それを最小限とするためにスペクトルの一次導関数を使用した。し
かしながら、この補正は前記問題の原因を解決しない。実際、皮膚の空間分解拡
散反射率測定では、Ｂｒｕｕｌｓｅｍａらが測定した信号ドリフトは結果の統計
分析を妨げるほど非常に大きかった。

【００１４】（発明の要旨）１つの態様で、本発明は生体試料中のアナライト濃度の測定方法を提供し、そ
の方法は、（１）前記生体試料の表面と接触する少なくとも１つの熱制御可能な光学測定素
子を含む光学測定計器を準備するステップ；（２）不活性で熱伝導性の光学的に透明な結合剤を前記した少なくとも１つの光
学測定素子及び／または前記生体試料の表面に適用して、前記結合剤を生体試料
の表面と少なくとも１つの光学測定計器の間の界面に配置するステップ；（３）前記生体試料の光学特性を前記した少なくとも１つの光学測定計器を用い
て測定するステップ；及び（４）前記生体試料の光学特性を該生体試料中のアナライト濃度と相関させるス
テップを含む。

【００１５】別の態様で、本発明は身体部分の組織由来のアナライトの非侵襲的光学測定用
光学計器の校正方法であって、（１）前記組織の表面と接触する少なくとも１つの熱制御可能な光学測定素子を
含む光学測定計器を準備するステップ；（２）不活性で熱伝導性の光学的に透明な結合剤を前記した少なくとも１つの光
学測定素子及び／または前記組織の表面に適用して、前記結合剤を組織の表面と
少なくとも１つの光学測定素子の間の界面に配置するステップ；（３）前記組織中のアナライト濃度を一定期間にわたり変化させるステップ；（４）前記組織の少なくとも１つの光学特性の変化を前記した一定期間にわたり
少なくとも１つの光学測定素子を用いて測定するステップ；（５）前記組織中のアナライト濃度の変化を前記した一定期間にわたり分析用組
織試料を採取することを含む基準方法を用いて測定するステップ；（６）前記組織の少なくとも１つの光学特性の変化を該組織中のアナライト濃度
の変化と相関させて、校正データを得るステップ；及び（７）前記校正データを用いて、前記組織中のアナライト濃度を測定するステッ
プを含む。

【００１６】本発明のために好適な結合剤は、測定変化（特に、ドリフト）を低下させるの
に役立ち得る幾つかの特性を有していなければならない。最も重要な特性の１つ
は、食事負荷試験や経口グルコース負荷試験のような通常数時間に及ぶ長時間実
験でも結合剤の光学特性が変化しない十分な高い光学安定性を有する。結合剤の
光学特性は貯蔵中にも安定のままでなければならない。よって、グリセロールの
ような吸湿性物質は、生体試料（例えば、ヒト組織）及び周囲から水を吸収して
その物理的特性が時間と共に変化するので本発明の結合剤として適当でない。

【００１７】第２に、結合剤は、光学プローブと生体試料（例えば、ヒト組織）の間で迅速
且つ効率的に熱伝導し得るのに十分に高い熱伝導率を有していなければならない
。結合剤の熱伝導率は空気の少なくとも４倍、すなわち１ｍＷ／ｃｍ／℃以上で
なければならない。

【００１８】第３に、結合剤は、該結合剤が測定域から移行することを防ぐために十分に高
い粘度を有していなければならない。一方、結合剤は、光学プローブと生体試料
（例えば、ヒト組織）が十分に接触し得、さもなければ空気が充填されているプ
ローブと生体試料間の小ポケットに浸透し得るように十分に低い粘度を有してい
なければならない。結合剤の好ましい粘度は約１０〜約１００，０００センチポ
アズの範囲である。

【００１９】第４に、結合剤は不活性でなければならない。結合剤由来の物質が生体試料に
拡散してはならず、生体試料由来の物質が結合剤に拡散してはならない。よって
、高濃度の水またはアルコールを含む結合剤は本発明のために適当でない。水ま
たはアルコールのような低分子量化合物は測定中生体試料中に拡散し、生体試料
の光学特性が変化したり、結合剤の組成が変化してその屈折率または熱伝導率の
ような物理的特性が変化するする恐れがある。水及び／またはアルコールを含む
結合剤は、組織から塩やタンパク質のような物質を時間と共に抽出する恐れがあ
る。その結果、生体試料及び結合剤の特性が変化し得、経時的信号の変化、すな
わちドリフトに関与し得る。

【００２０】適当な結合剤を使用すると、ヒト組織（例えば、皮膚）を含めた生体試料中の
アナライト濃度を測定するように設計された光学測定のバックグラウンド変化が
低下する。本発明の方法によると、生体試料（例えば、ヒト前腕の皮膚）に対す
る光学測定の際のドリフトが低下する。

【００２１】（図面の簡単な説明）図１は、本発明で使用するのに適した装置を示すブロック図である。

【００２２】図２Ａは、本発明の方法で使用するのに適した装置の分岐光学ファイバーを示
す概略図である。

【００２３】図２Ｂは、本発明の方法で使用するのに適した装置の光学ファイバーチップを
示す概略図である。

【００２４】図３は、本発明の方法で使用するのに適した装置のヒトインターフェースモジ
ュールの一部を示す概略図である。

【００２５】図４は、加熱素子を有する光学プローブと結合剤の間の界面及び結合剤と皮膚
の間の界面を示す概略図である。

【００２６】図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び５Ｄは、一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数
として示すグラフである。これらのグラフは結合剤としてのシリコーン油の効果
を示す。

【００２７】図５Ｅは、一定温度での吸収係数の変化を時間を関数として示すグラフである
。このグラフは結合剤としてのシリコーン油の効果を示す。

【００２８】図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ及び６Ｄは、一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数
として示すグラフである。これらのグラフは結合剤としての油以外の物質の効果
を示す。

【００２９】図６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ及び６Ｈは、一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数
として示すグラフである。これらのグラフは結合剤としての鉱油の効果を示す。

【００３０】図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ及び７Ｄは、温度調節実験における（矢印で示す）皮膚温
度変化に応答する拡散反射率の変化を示すグラフである。これらのグラフは結合
剤としてのシリコーン油の効果を示す。

【００３１】図７Ｅ、７Ｆ、７Ｇ及び７Ｈは、温度調節実験における（矢印で示す）皮膚温
度変化に応答する吸収係数の変化（図７Ｅ、７Ｇ）及び散乱係数の変化（図７Ｆ
、７Ｈ）を示すグラフである。これらのグラフは結合剤としてのシリコーン油の
効果を示す。

【００３２】（詳細説明）本明細書中、用語「光学プローブ」及び「光学測定計器」は互換可能に使用さ
れている。用語「素子」は光学測定計器の部品を指す。用語「熱制御可能」は光
学計器の素子の、その温度が外部手段により制御される能力を指す。用語「イン
ターフェース（界面）」は隣接領域間の共通境界を形成する表面を指す。用語「
生体試料」にはヒトを含めた生存動物の組織が含まれる。この組織は動物身体の
内部にあっても動物身体の外部にあってもよい。

【００３３】校正方法は、生体試料の光学特性の非侵襲的測定値と同一生体試料中のアナラ
イト濃度を相関させるために必要である。校正データを得るための１つの実際的
方法では、適当な化合物を注入するかまたは生存動物の場合には食料または飲料
を摂取させることにより生体試料中のアナライト濃度を経時的に変化させること
を含む。このようにアナライト濃度を変化させている間、光学特性の非侵襲的測
定を連続的にまたは反復的に実施する。同時に、同じ期間中定期的に少量の試料
を生体試料または動物の身体部分から取り出す。その後、前記試料を標準的方法
、すなわち通常化学的、生化学的または電気化学的方法である基準方法により分
析して、その期間中のアナライト濃度の変化の実際の経過を調べる。次いで、相
関を調べて、測定した光学特性の変化とアナライト濃度の実際の変化の間の関係
（通常、数学的関係）を確立させる。その関係は、その後アナライト濃度を非侵
襲的光学測定から予測するために使用される。

【００３４】前記校正方法の典型例には血中グルコース検査が含まれる。係属中の米国特許
出願第０９／０８０，４７０号明細書は温度コントロールを用いる非侵襲的グル
コースセンサーを記載している。係属中の米国特許出願第０９／０９８，０４９
号明細書は１層以上の組織の光学特性の測定方法を記載している。両方の特許出
願明細書は、ヒト組織を光学的に、より具体的にはヒト組織の空間分解拡散反射
率を測定する方法を教示している。前記した光学測定では、モンテカルロ擬似法
のような方法を使用して組織に対する光学特性または光学パラメーター（例えば
、吸収係数（μ_ａ）及び散乱係数（μ_ｓ））を演繹することができる。この場合
、組織の光学特性は校正方法において組織中のアナライト（すなわち、グルコー
ス）濃度と相関している。相関関係が確立しているならば、組織中のアナライト
（グルコース）濃度は光学測定から予測することができる。

【００３５】校正方法において、被験者の血液中のグルコース濃度を各種方法で変化させる
ことができる。最も一般的で最も簡単な方法は、食事負荷試験方法において大量
の炭水化物または糖を含む食料または飲料を摂取させることである。或いは、経
口グルコース負荷試験方法において、飲料は高濃度のグルコース（または、デキ
ストロース）を含む溶液であり得る。食事負荷試験及び経口グルコース負荷試験
により、被験者の血中グルコースレベルは約３０〜６０分の間に上昇する。グル
コース濃度がピークレベルに達したら、グルコース濃度は下がり始め、約２〜４
時間で飲食する前のレベルに戻る。或いは、グルコース溶液を被験者の静脈に注
射してもよく、こうすると被験者の血中グルコースレベルが殆ど直ぐに上昇する
。また、グルコース調整剤、例えばインスリンを被験者の静脈に注射してもよく
、こうすると被験者の血中グルコースレベルが殆ど直ぐに低下する。

【００３６】グルコースレベルが変化している間の別々の時点で、組織の光学特性を調べる
ために被験者の身体部分の組織に対して光学測定を実施することができる。同時
に、光学測定を実施したと同時点で被験者の実際の血中グルコース濃度を測定す
るために基準方法を使用することができる。一般的に使用される基準方法は、被
験者から血液試料を静脈穿刺または指スティックにより抜き取り、その血液試料
を化学的または電気化学的方法により分析して該血液試料中のグルコース濃度を
調べることを含む。

【００３７】援用により本明細書に含まれるとする係属中の米国特許出願第０９／０８０，
４７０号明細書は、非侵襲的測定のために温度コントロールを用いるグルコース
センサーを記載している。温度コントロールする１つの目的は生理学的変動の影
響を最小限にすることである。温度値を適当に選択すると、バックグラウンド信
号ドリフトも改善される。しかしながら、前記センサーを用いた温度制御デバイ
スでも、更にドリフトを有意に低下させることが望ましい。

【００３８】米国特許出願第０９／０８０，４７０号明細書の方法は、従来技術のヒト組織
中のアナライトを非侵襲的に測定するための多くの方法と同様に、組織からの伝
達したまたは拡散反射した光の測定を含み、ヒト身体部分の組織表面に光学プロ
ーブを接触させるステップを必要とする。光学プローブと組織の間の機械的・熱
的相互作用により、組織中に熱が再分布し、組織（特に、皮膚の場合には角質層
）の構造が変形する。また、これらの変化により、毛細管の血管運動、静脈拡張
や発汗を含めた一連の生理学的応答が促進される。その結果、プローブが接触し
ている領域の周りの組織の光学特性が変化する。前記変化が比較的定常状態に達
するのに必要な時間は数秒〜数分の範囲であり得、プローブの温度、プローブの
組織に対する圧力、プローブの接触面積等の要因並びに体温、表皮の厚さや筋肉
及び脂肪含量のような被験者の物理的及び生理学的状態にかなり依存している。
残念ながら、このような複雑な関係のために、最終結果、すなわち測定した反射
光信号、よって計算した組織の光学特性の変化を制御したり、予測することはか
なり難しい。組織中の当該アナライトの濃度の変化と無関係の測定した光学信号
の経時的変化を通常バックグラウンド信号ドリフトと呼ぶ。

【００３９】バックグラウンド信号ドリフトはしばしば信号の経時的変化として特徴づけら
れており、変化の大きさ及び方向は予測不能である。この変化の予測不能性は、
光学特性の測定についてバイアス誤差よりもランダム誤差を生じやすい。従って
、バックグラウンド信号ドリフトは校正により、または組織と光学デバイスの界
面領域の反射率の不整合のような光学収差を補正することにより補正することが
できそうもない。

【００４０】バックグラウンド信号ドリフトは、光学プローブが組織と接触してから直ぐ（
通常最初の５分以内）が最も強いようである。この間、信号幅はたとえすべての
アナライト濃度が殆ど変化していなくても５〜２０％またはそれ以上変化し得る
。追加のバックグラウンド信号ドリフトはそれ以上の時間の間も起こり得る。す
なわち、バックグラウンド信号ドリフトは例えば３０分で０〜２０％またはそれ
以上の範囲であり得る。この変化は、アラナイト濃度の変化のために通常５％未
満である特定信号の変化よりも非常に大きいことがある。バックグラウンド信号
ドリフトは多分多くの非侵襲的方法で経験する最も困難な問題である。例えば、
経口グルコース負荷試験では、皮膚に対して光学プローブを再接触させると生ず
る誤差を避けるために、光学デバイスを通常皮膚に対して約２時間連続的に適用
している。しかしながら、この間ドリフトは非常に大きく、現在まで誰も経口グ
ルコース負荷試験の間グルコースを追跡することはできていない。

【００４１】図１は、本発明で使用するのに適した装置１０の概略図である。この装置によ
り、ヒト身体部分（例えば、前腕）の皮膚から空間分解拡散反射率測定値Ｒ（ｒ
）を得ることができる。複数の距離ｒ_１，ｒ_２，…，ｒ_ｎでの拡散反射率測定値
Ｒを用いると、皮膚表面から３ｍｍ未満の深さで皮膚についての光学特性、例え
ば吸収係数（μ_ａ）及び散乱係数（μ_ｓ）を測定することができる。光学特性を
測定するための装置及び方法の詳細は係属中の米国特許出願第０９／０８０，４
７０号明細書に記載されている。装置１０は３つのモジュール、すなわちヒトイ
ンターフェースモジュール１２、光源モジュール１４及び検出器モジュール１６
を含む。図１に示すように、ヒトインターフェースモジュール１４は分岐光学フ
ァイバープローブ１８を介して光源モジュール１４及び検出器モジュール１６に
連結している。

【００４２】図２Ａは分岐光学ファイバープローブ１８を示す。分岐光学ファイバープロー
ブはＡｎｈｙｄｒｏｕｓＧＬｏｗＯＨＶＩＳ−ＮＩＲ光学ファイバーか
ら構成されている。図２Ｂに示すように、ファイバープローブは３つの異なる末
端ポイント、すなわち「チップ」を有する。操作中、光源チップ２０は光源モジ
ュール１４内に収容されており、検出器チップ２２は検出器モジュール１６内に
収容されており、共通チップ２４はヒトインターフェースモジュール１２内に収
容されている。１本の光学ファイバー１２は光を光源チップ２０から共通チップ
２４に伝達する。６本の光学ファイバー（２８，３０，３２，３４，３６及び３
８）は光を共通チップ２４から検出器チップ２２に伝達する。

【００４３】光源モジュール１４は、ＳｔａｎｆｏｒｄＲｅｓｅａｒｃｈＯｐｔｉｃａ
ｌＣｈｏｐｐｅｒで変調したＧｉｌｗａｙＬ１０４１ランプのような変調
光の源（図示せず）を含む。光源強度の変動の測定を正規化するために光源を出
たビームの一部を基準検出器（例えば、ＨａｍｍａｍａｔｓｕＳ−２３８６−
４４Ｋ６Ｃシリコン検出器）に向けるためにプリズム、二色ビームスプリッタ
ー等を使用し得る。光源から発射した光の残りは、少なくとも１つの焦点レンズ
を用いて光源チップの末端に集中させる。減衰器、光学フィルターや絞りのよう
な追加光学素子を光源と光源チップの間に挿入してもよい。光源チップは、好ま
しくは光源から発射したビームに対して光源チップの位置を調節するための手段
を有するアダプター中に保持する。

【００４４】共通チップ２４は、使用中身体部分に対して置かれるヒトインターフェースモ
ジュール中に設置されている。図２Ｂに示すように、共通チップは光源ファイバ
ー２６、及び組織試料により散乱した光を集める６本の追加ファイバー（２８，
３０，３２，３４，３６及び３８）を含む。

【００４５】ファイバー２８，３０，３２，３４，３６及び３８は共通チップ内に光源ファ
イバー２６から徐々に離れた距離に位置する。光源ファイバー２６の中心と共通
チップの集光ファイバー２８，３０，３２，３４，３６及び３８の中心の相対距
離は図２Ｂに示す通りであり得る。好ましい具体例では、集光ファイバーのすべ
ては光源ファイバー２６から４ｍｍ未満、好ましくは２ｍｍ未満離れた距離で配
置されている。以下により詳細に説明するように、この距離により非常に良好な
精度が得られる。

【００４６】６本の集光ファイバー２８，３０，３２，３４，３６及び３８は、シャッター
が各ファイバーに個々に応答し得るのに十分な空間を保ちながら図２Ｂに示すよ
うに検出器チップ２２内に円形に配置される。検出器モジュールは検出器チップ
を受容し、１本のファイバーから放射した光を同時に検出できる回転シャッター
（図示せず）に隣接して検出器チップを保持する。前記シャッターは、６本のフ
ァイバーの位置で固定するためのデテントまたは他の手段を有する。当該ファイ
バーからの光は、１対の直径２５ｍｍ、焦点距離６０ｍｍの色消しンズにより検
出器上に集中する。検出器はＨａｍｍａｍａｔｓｕＳ−２３８６−４４Ｋ６
Ｃシリコン検出器である。検出器モジュールは適当な電子信号処理機器、例えば
大ダイナミックレンジ増幅器及びロックイン増幅器をも含む。或いは、６本のフ
ァイバーの出力を平行信号処理のために６つの検出器に向けることもできる。

【００４７】図３はヒトインターフェースモジュール１２を示し、このモジュールはアルミ
ニウムディスク４０、熱電冷却素子４２、熱電対４４、ヒートシンク４６、共通
チップ２４及びインターフェースアダプター４８を含む。アルミニウムディスク
は、分岐光学ファイバープローブ１８の共通チップ２４を受容し、共通チップ２
４を身体部分に対して保持する開口５０を含む。アルミニウムディスク４０（及
びディスク４０に隣接する組織）の温度は熱電冷却素子４２、例えばＭａｒｌｏ
ｗＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ型番ＳＰ１５０７−０１ＡＣによりコントロールされ
る。熱電冷却素子４２は温度コントローラー／電源、例えばＭａｒｌｏｗＩｎ
ｄｕｓｔｒｉｅｓ型番ＳＥ５０００−０２により動く。ヒートシンク４６は、熱
伝導を高めるために熱電冷却素子４２の裏側に設けられている。インターフェー
スアダプター４８は身体部分に沿うように形成されており、例えば円筒形、平坦
、球形または他の形状であり得る。インターフェースアダプター４８により、ア
ルミニウムディスク４０及び共通チップ２４の身体部分への光学的及び熱的結合
効率が向上する。

【００４８】図４を参照すると、皮膚１０２と光学計器１０４の間の機械的コンプライアン
スを達成するために結合剤１００を使用しなければならない。従って、通常でこ
ぼこな皮膚表面は光学測定計器１０４の光学測定素子１０６，１０８及び光学計
器１０４の熱制御素子１１０と熱的及び光学的に接触し、温度コントロール及び
熱伝導が改良される。組織の光学特性は温度により影響される。皮膚１０２と温
度制御素子１１０の間の効率的な熱伝導により、組織温度がうまく制御され、光
学信号はより安定する。熱制御素子１１０は図３のアルミニウムディスク４０に
相当する。光学測定素子１０６，１０８は図３の共通チップ２４中の光学ファイ
バーに相当する。光学測定素子１０６は光導入ファイバーである。光学測定素子
１０８は集光ファイバーである。

【００４９】本発明のために好適な結合剤は、測定変動（特に、ドリフト）の低下を助ける
ことができるように幾つかの特性を有していなければならない。最も重要な特性
の１つは、結合剤の光学特性が食事負荷試験や経口グルコース負荷試験のような
長い試験期間中変化しない十分に高い光学安定性を有する。結合剤の光学特性は
貯蔵中も安定でなければならない。よって、グリセロールのような吸湿剤は、皮
膚及び大気から水を吸収してその物理的特性が経時的に変化するので結合剤とし
て適当でない。

【００５０】第２に、結合剤は光学プローブと組織の間で迅速且つ効率的に熱伝導され得る
ように十分に高い熱伝導率を有していなければならない。結合剤の熱伝導率は空
気の少なくとも４倍、すなわち１ｍＷ／ｃｍ／℃以上でなければならない。

【００５１】第３に、結合剤は測定域から移行するのを防ぐために十分に高い粘度を有して
いなければならない。一方、その粘度は、光学プローブと皮膚が十分に接触し得
、さもなければ空気が充填されているであろうプローブと皮膚の間の小さなポケ
ットに浸透し得るように十分に低くなければならない。結合剤の好ましい粘度は
約１０〜約１００，０００センチポアズの範囲である。

【００５２】第４に、結合剤は不活性でなければならない。結合剤からの物質が生体試料中
に拡散してはならず、生体試料からの物質が結合剤中に拡散してはならない。よ
って、高濃度の水またはアルコールを含有する結合剤は本発明には適さない。水
またはアルコールのような低分子量化合物は生体試料中に拡散して、試料の光学
特性が変化したり、結合剤の組成が変化し、よって結合剤の物理的特性（例えば
、屈折率または熱伝導率）が変化する恐れがある。水及び／またはアルコールを
含有する結合剤は生体試料から塩やタンパク質のような物質を長時間の間に抽出
する可能性もある。その結果、試料及び結合剤の両方の特性が変化し得、信号の
経時的変化、すなわちドリフトに関与することがあり得る。

【００５３】結合剤が１０〜４５℃の温度で熱的に安定であることが好ましい。結合剤が１
０〜４５℃の温度で酸素に対して不活性であることも好ましい。

【００５４】本発明の方法において使用するのが適当であると判明している結合剤にはシリ
コーン油及び鉱油が含まれる。シリコーン油には、反復構造単位−Ｒ_２Ｓｉ−Ｏ
−（式中、Ｒはメチルやフェニルのような１価の有機基である）を有するオルガ
ノシリコーンオキシドポリマー流体が含まれるが、これに限定されない。本明細
書中、鉱油は液体炭化水素の混合物である。市販されているシリコーン油は、ポ
リマーの分子量に依存して５〜１００，０００センチポアズの粘度を有し得るポ
リ（ジメチルシロキサン）である。本発明で使用するのに適した典型的なシリコ
ーン油はＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐａｎｙからカタログ番号
１４，６１５−３で市販されているものである。このシリコーン油は約４８セン
チポアズの粘度、約１．５ｍＷ／ｃｍ／℃の熱伝導率、約１．４０４の屈折率及
び約０．９６３ｋｇ／Ｌの密度を有する。鉱油もパラフィン油や液体ペトロラタ
ムの名前でも知られており、これらは専ら石油から誘導される。鉱油は密度に従
って軽油または重油として分類され得る。本発明で使用するのに適した典型的な
鉱油はＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐａｎｙからカタログ番号３
３−０７６−０で市販されているものである。この鉱油は約３５センチポアズの
粘度、約１．３ｍＷ／ｃｍ／℃の熱伝導率、約１．４７６の屈折率及び約０．８
６２ｋｇ／Ｌの密度を有する。

【００５５】本発明のために適当な結合剤には、本明細書で規定する範囲内の熱伝導率、粘
度及び屈折率を有する他の種類の流体も含まれる。例えば、ポリエチレングリコ
ールのような合成液体並びに植物、動物または他の天然資源由来の他の油も結合
剤として好適であり得る。結合剤と生物学的組織の相互作用により生ずる干渉は
特定用途における光学信号に対する実際的な影響に従って定義される。数種の測
定、特に短時間で実施しる測定の場合には、組織と結合剤の間の成分交換は殆ど
または全く問題でない。従って、当業者は数種の水系またはアルコール系液体（
例えば、グリセロールと水の水性ゲルまたは混合物）を光学信号ドリフトを制御
するための結合剤として使用し得る。

【００５６】米国特許第５，６５５，５３０号明細書は疎水性の屈折率整合光学結合流体を
記載している。前記化合物の１種には塩素化フルオロカーボンが含まれる。本発
明で有用な結合剤は疎水性物質である必要も、また皮膚の屈折率に整合する屈折
率を有する必要もない。後記するように、皮膚の屈折率よりも有意に高い屈折率
を有する結合剤は測定信号のドリフトを効果的に低下させることが判明した。十
分に高い粘度及び十分に高い熱伝導率を有する光学的に透明な結合剤が必要であ
る。屈折率の整合は必要でない。なぜならば、正反射は光導入サイトからの距離
（すなわち、ｒ）で測定した反射信号に実質的に関与しないからである。更に、
塩素化フルオロカーボンは角質層中の脂肪成分との相互作用により皮膚に対して
悪影響を及ぼすことがあり得る。

【００５７】米国特許第５，８２３，９５１号明細書は、拡散散乱光の正反射成分を減らす
ために親水性の屈折率整合流体を使用することを記載している。クロロ−フルオ
ロ炭化水素、アルコール及び界面活性剤を含有する液体がプローブと皮膚の間の
結合剤として機能する屈折率整合流体の代表例である。実施例に記載するように
、グリセロールまたはグリセロールと水の混合物のような親水性結合剤を使用し
ても測定信号のドリフトは低下しない。更に、アルコール分子は角質層に拡散し
てその光学的特性が経時的に変化し、ドリフトを生ずる可能性があるので、イソ
プロピルアルコールのようなアルコールの使用は望ましくない。アルコール及び
界面活性剤も角質層の機械的特性に影響を及ぼす。

【００５８】屈折率整合流体の使用はプローブ／皮膚界面でのフレネル損失のために変動を
低下させる。Ｍｅｓｓｅｒｓｃｈｍｉｄｔの方法は、集光プローブが光照射ポイ
ントから離れた距離で組織表面で皮膚組織と接している場合には適用しない。更
に、Ｍｅｓｓｅｒｓｃｈｍｉｄｔは屈折率整合流体を使用する温度を開示してい
なかった。流体の屈折率は温度に強く依存する。通常、温度が上昇すると屈折率
は低下する。従って、２０℃で光学結合流体の屈折率が皮膚の屈折率と整合する
ならば、光学プローブが皮膚と接触し、体温（３４〜３７℃）に達すると光学結
合流体の屈折率は低下するであろう。この条件下で、屈折率の不整合が再び起こ
ってフレネル損失が生じ、よって温度平衡に近づくと測定の変動が起こる。２０
℃で測定して皮膚の屈折率（約１．３８）よりも高く、皮膚を照射し再放射され
た光を検出する光学ファイバーの屈折率に近い屈折率を有する不活性で非拡散流
体を選択することが好ましい。

【００５９】米国特許第５，６５５，５３０号明細書及び同第５，８２３，９５１号明細書
とは異なり、米国特許第４，９７５，５８１号明細書は信号のドリフトの影響を
隠蔽するためにデータを数学的に操作することを開示している。

【００６０】本明細書に記載の方法では、空間分解反射率測定用の熱制御可能な光学プロー
ブを皮膚からの光学信号を集めるために使用する。熱制御可能な光学プローブを
皮膚及び角質層よりも高い屈折率を有する結合剤と接触させると、結合剤の屈折
率は低下し、皮膚と結合剤の間の屈折率不整合が低下する。いずれの場合にも、
結合剤は測定温度範囲で皮膚の屈折率よりも高い屈折率を有するものを選択すべ
きである。

【００６１】液体混合物の屈折率は、単一液体の屈折率よりも温度に対してより複雑な依存
性を示す。液体混合物からの光学信号は、単一液体からの光学信号よりも接触温
度及び時間の変化としてより複雑な挙動を示す。よって、皮膚の層中のアナライ
ト濃度を温度制御しながら測定する際に、結合剤の屈折率と皮膚の屈折率の整合
は重要でなく、異なる温度では測定が不正確になる恐れがある。しかしながら、
屈折率は温度に依存し、組織散乱は温度に依存するので、皮膚の真皮内で再現可
能な熱平衡を達成するためには温度制御可能な光学プローブと皮膚の間で適当な
熱接触を確立させることが重要である。光学プローブと皮膚をその間に空隙なし
に、不活性で高熱伝導性の流体（またはゲル）を用いて熱接触させると、アラナ
イト濃度を測定する皮膚の容積における温度が光学プローブの温度に近くなり、
制御温度の応答に対する信号の改善がもたらされる。すなわち、ドリフトが測定
の早期に低くなる。よって、いずれの測定温度でも皮膚の屈折率よりも高い屈折
率を有する熱伝導性結合剤を使用し、いずれの測定部位においても皮膚の温度を
コントロールすることにより、測定ドリフトの低下が達成される。

【００６２】従って、結合剤の屈折率は皮膚の屈折率に整合させる必要がない。多くの他の
用途の場合のように、図４に示すように、光学測定素子１０６，１０８は１．５
以上の屈折率を有し、皮膚１０２の屈折率は約１．３８である。結合剤１００（
例えば、屈折率が１．４０４のシリコーン油）を適用すると、室温での屈折率値
を用いる方法に従って光学ファイバー、結合剤と皮膚の間で明らかな不整合が依
然として見られる。しかしながら、光導入ファイバー１０６と集光ファイバー１
０８の間の距離が０．４ｍｍ以上のオーダーであるので、測定時の正反射の影響
は有意でない。

【００６３】以下、非限定実施例により本発明を更に説明する。

【００６４】（実施例）実施例１図１〜３は、光を散乱する試料の光学特性、よって異なる試料の深さで各種ア
ナライトの濃度を測定するための装置を図示している。この装置の詳細は、援用
により本明細書に含まれるとする１９９８年５月１８日に出願された係属中の米
国特許出願第０９／０８０，４７０号明細書（譲渡人は本願と同じ）に記載され
ている。前記装置は、ヒト被験者の皮膚から再放射された光の反射率を測定する
ために使用され得る。

【００６５】図１に示すように、装置１０は光源モジュール１４、ヒトインターフェースモ
ジュール１２、信号検出器モジュール１６、及び前記した３つのモジュール中に
光信号を伝達する分岐光学ファイバー束１８を含む。単色光は６つの波長、すな
わち５９０ｎｍ、６５０ｎｍ、７５０ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ及び９５０
ｎｍで交互に光源モジュール１４から発生する。異なる波長組は、目下の組の１
つ以上の帯域フィルターを交換することにより得られ得る。この光は分岐光学フ
ァイバー束１８中の光源ファイバー２６を介してヒトインターフェースモジュー
ル１２に伝達される（図２Ａ及び２Ｂ）。光源ファイバー２６は光源モジュール
１４中の光源チップ２０に収容されている１端からの光を受容し、その光を他端
から被験者の前腕の皮膚に放射し、ヒトインターフェースモジュール１２中の共
通チップ２４に収容されている光導入サイトと称されるポイントで皮膚に直接到
達させる。共通チップ２４から、それぞれ独立の６つの集光素子である６本の他
のファイバー２８，３０，３２，３４，３６，３８が皮膚と接触している。前記
ファイバーの各々は皮膚と接触しているポイント（すなわち、光検出サイト）で
皮膚から再放射された光を集める。主な成分が図３に図示されているヒトインタ
ーフェースモジュール１２は共通チップ２４を皮膚と固定させる。このヒトイン
ターフェースモジュールにより、共通チップ２４が皮膚と接している領域に対す
る温度及び圧力制御メカニズム（図３中、４０，４４，４６）をも提供する。更
に、ヒトインターフェースモジュールは前腕を検査するための快適なアームレス
ト（図３中、４８）を有する。測定ステップは温度がコントロールされている組
織中の深さに限定される。この深さは、好ましくは皮膚表面から３ｍｍ未満、よ
り好ましくは２ｍｍ未満である。

【００６６】光源ファイバー及び検出ファイバーは４００μｍの直径を有する。各検出ファ
イバー２８，３０，３２，３４，３６または３８から共通チップ２４の端部の光
源ファイバー２６までの距離により、皮膚表面上で測定される対応する集光サイ
トと光導入サイトの間の距離が規定される。これらの距離を表１に示す。

【００６７】

【表１】

【００６８】６本の集光ファイバーは共通チップ２４で皮膚から再放射されたした光を受容
し、その光を検出器モジュール１６に収容されている検出器チップ２２に伝達す
る。検出器チップ２２の前記した各ファイバーの端部はシリコーン検出器（図示
せず）に対してレンズ（図示せず）の焦点面にある。しかしながら、ファイバー
からの光信号は、特定ファイバー端部と検出器の間のシャッター（図示せず）が
開いたときのみ検出される。

【００６９】従って、（図４に示す）サンプリング距離ｒは、特定の集光ファイバーを選択
し、これらの集光ファイバーに接続させた検出器により前記ファイバーから集め
た再放射光の強度を測定することにより測定される。この測定は、皮膚から再放
射した光を集める６本のファイバーの特定の１本を選択するプログラム可能なシ
ャッターを使用することにより達成される。シャッターは、シャッターをプログ
ラム化したステップ数回転させるかまたはそのマウント上の予備選択デテントに
回転させることにより移動させる。集光ファイバー２８以外のすべての集光ファ
イバーは光導入ファイバー２６から比較的離れた距離にあり、よって正反射によ
りあまり影響されない。

【００７０】実施例２本実施例は、一定温度条件下での空間分解拡散反射率の測定におけるドリフト
の低下に対する各種結合剤の効果を示す。

【００７１】ａ．シリコーン油の効果第１の測定では、健康な男性被験者を実施例１に記載の装置を用いて試験した
。結合剤は使用しなかった。数時間後、第２の測定では、結合剤を適用した以外
は同一の実験を同じ被験者に対して実施した。両方の測定において、測定部位は
左前腕であった。

【００７２】使用した結合剤はシリコーン油（ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍ
ｐａｎｙのカタログ番号１４，６１５−３）であった。この結合剤は１．４０４
の屈折率及び０．９６３ｋｇ／Ｌの密度を有していた。

【００７３】温度は両方の測定中３４℃に設定した。第２の測定前に、シリコーン１滴を被
験者の左前腕の試験部位に垂らし、更にシリコーンの別の１滴を光学ファイバー
の先端２４及びアルミニウムディスク２４上に垂らした。光学プローブが皮膚と
接触すると、シリコーン油の粘度が低いために油は光学プローブと皮膚の間に非
常に薄い層を形成した。

【００７４】図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び５Ｄは、第１測定（白菱形）及び第２測定（黒四角）
の特定反射率データを示す。図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ及び５Ｄは、油を適用しなかっ
たときには約１０分の測定中両検出距離（０．４４ｍｍ及び１．８４ｍｍ）及び
両波長（５９０ｎｍ及び９５０ｎｍ）でひどいドリフトが生じた。しかしながら
、油を適用した後は、測定した信号の経時的変化、すなわちドリフトが有意に低
下した。図５Ｅに示すように、同様の効果が３つの選択波長（５９０ｎｍ、８０
０ｎｍ及び９５０ｎｍ）での吸収係数データ（μ_ａ）でも見られた。μ_ａの値は
係属中の米国特許出願第０９／０８０，４７０号明細書に記載されている方法に
より反射率データから導いた。第１測定（結合剤なし、黒記号）では１０分で２
０〜４０％の信号ドリフトが記録され、第２測定（シリコーン油使用、白記号）
では信号ドリフトが有意に低下した。

【００７５】ｂ．シリコーン油以外の結合剤の効果同一の被験者に対して以下の物質：１）結合剤なし２）脱イオン水３）脱イオン水中２５％グリセロール（ＳｉｇｍａＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍ
ｐａｎｙ，Ｇ−９０１２）（完全に溶解）４）脱イオン水中５０％グリセロール（ＳｉｇｍａＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍ
ｐａｎｙ，Ｇ−９０１２）（完全に溶解）５）鉱油（ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐａｎｙ、カタログ番号
３３−０７６−０）を試験して、信号ドリフトに対する３種の物質の効果を調べた。他のすべての測
定条件及び物質の適用方法は上記と同一であった。

【００７６】結果を図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇ及び６Ｈに示す。鉱油を
使用することによりドリフトが有意に低下したことは明らかである（図６Ｅ、６
Ｆ、６Ｇ及び６Ｈ）。水やグリセロール水溶液のような結合剤を適用してドリフ
トが低下するかどうかは不明である（図６Ａ、６Ｂ、６Ｃ及び６Ｄ）。

【００７７】表２に、本実施例で使用した数種の物質の物理的特性を要約する。

【００７８】

【表２】

【００７９】実施例３本実施例は、熱伝導性結合剤を非侵襲的測定時に使用するときのドリフトの低
下及び熱調節条件下での温度応答の改善を示す。第１の測定では、健康な男性被
験者を実施例１に記載の装置を用いて試験した。結合剤を使用しなかった。第２
の測定では、結合剤を適用した以外は同一の実験を同じ被験者に対して実施した
。両方の測定において、測定部位は左前腕であった。

【００８０】使用した結合剤はシリコーン油（ＡｌｄｒｉｃｈＣｈｅｍｉｃａｌＣｏｍ
ｐａｎｙのカタログ番号１４，６１５−３）であった。この結合剤は１．４０４
の屈折率及び０．９６３ｋｇ／Ｌの密度を有していた。

【００８１】測定温度は最初２２℃に設定し、その後２つの一定温度（すなわち、２２℃と
３８℃）の間で切り換えた。従って、温度シーケンスは２２℃、３８℃、２２℃
、３８℃及び２２℃であった。温度を、図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、７Ｅ、７Ｆ
、７Ｇ及び７Ｈに小さな矢印で示す時間に切り換えた。各温度で、信号を約４分
間測定した。その後、温度を約１分で次の値に切り換え、別の信号を約４分間測
定した。２つの測定を実施した。第１の測定では、結合剤を使用しなかった。第
２の測定の前に、シリコーン油１滴を被験者の左前腕の試験部位上に垂らし、別
の１滴を光学ファイバーのチップ２４及び温度制御素子５０の上に垂らした。光
学プローブを皮膚と接触させるとき、シリコーン油の粘度が低いために油は皮膚
とプローブの間で非常に薄い膜を形成した。

【００８２】図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ及び７Ｄは、第１測定（白菱形）及び第２測定（黒四角）
の特定反射率データを示す。図７Ａ、７Ｂ、７Ｃ及び７Ｄは、油を適用しなかっ
たときには約１０分の測定中両検出距離（０．４４ｍｍ及び１．８４ｍｍ）及び
両波長（５９０ｎｍ及び９５０ｎｍ）でひどいドリフトが生じた。油を適用した
後は、信号ｖｓ時間の測定変化、すなわちドリフトがすべて結合剤を用いずに得
た測定の場合に比して有意に低下した。更に、結合剤としてシリコーン油を適用
したときには記録データについて１つの温度に対応する状態から別の温度に対応
する状態へよりシャープな変化が見られた。図７Ｅ、７Ｆ、７Ｇ及び７Ｈに示す
ように、同様の効果が３つの波長（５９０ｎｍ、８００ｎｍ及び９５０ｎｍ）で
の吸収及び散乱係数データ（μ_ａ及びμ_ｓ）から見られた。μ_ａ及びμ_ｓの値は
係属中の米国特許出願第０９／０８０，４７０号明細書に記載されている方法に
より反射率データから導いた。

【００８３】実施例２及び表２は、屈折率はドリフトを改善する際の因子であり得るが、重
要な因子ではないことを示す。シリコーン油及び鉱油は、光学プローブと皮膚の
接触により生ずるバックグラウンド信号ドリフトを低下させるのに非常に有効で
ある。温度応答の改善は、空気の熱伝導率に比して油の熱導電率が非常に高いた
めに生じ得る。しかしながら、熱伝導率はドリフトを測定する際の唯一の因子で
あるとは思えない。より高い熱伝導率を有する他の水溶液、例えば水そのもの、
水中２５％及び５０％グリセロールは油のようにドリフトを低下させなかった。

【００８４】組織に適合する屈折率の効果の点で、グリセロール水溶液はシリコーン油また
は鉱油よりも好ましいと期待されたが、そうではなかった。ドリフトを低下させ
るのに最も効果的な結合剤であるシリコーン油及び鉱油は、皮膚の屈折率よりも
高い屈折率を有しているものの優れたドリフト抑制作用を示す。

【００８５】水溶液は、水の蒸発、グリセロール及び／または水の皮膚の内層への拡散及び
皮膚成分の接触剤への移行のために安定性に欠ける。すべての場合において、皮
膚及び接触剤の薄層の組成変化により不安定が生ずる。

【００８６】対照的に、シリコーン油及び鉱油は非常に安定であり、物質が皮膚からまたは
皮膚へ移行することはない。更に、シリコーン油及び鉱油の熱導電率は（空気に
比較して）非常に高いので、これらはドリフト低下のために理想的である。

【００８７】上述したように、生体試料中のアナライト濃度の測定方法においてドリフトを
低下させることは望ましい。ドリフト低下は身体部分の組織から非侵襲的に光学
測定用光学計器を校正するためにも望ましい。非侵襲的グルコース測定のための
光学計器の校正は、食事負荷試験または経口グルコース負荷試験を実施すること
によりなし得る。被験者は数時間絶食後既知量のグルコースを摂取する。血中の
グルコース濃度は、血液を指スティックにより採取し、血中グルコースレベルを
携帯式試験片及び光学または生化学的検出器を用いて測定することを含めた一般
的な侵襲的方法により測定する。非侵襲計器からの信号を処理し、同一時間に侵
襲的方法により測定したグルコース濃度と相関させる。非侵襲的方法により集め
たデータと侵襲的方法により集めたデータをプロットし、適当な適合方法（例え
ば、一次最小二乗適合）を用いると、校正曲線を作成することができる。

【００８８】本発明の範囲及び趣旨を逸脱しないで本発明の各種改変及び変更は当業者には
自明であり、本発明は本明細書に記載の特定具体例に不当に限定されないと理解
すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で使用するのに適した装置を示すブロック図である。

【図２Ａ】本発明の方法で使用するのに適した装置の分岐光学ファイバーを示す概略図で
ある。

【図２Ｂ】本発明の方法で使用するのに適した装置の光学ファイバーチップを示す概略図
である。

【図３】本発明の方法で使用するのに適した装置のヒトインターフェースモジュールの
一部を示す概略図である。

【図４】加熱素子を有する光学プローブと結合剤の間の界面及び結合剤と皮膚の間の界
面を示す概略図である。

【図５Ａ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図５Ｂ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図５Ｃ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図５Ｄ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図５Ｅ】一定温度での吸収係数の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図６Ａ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図６Ｂ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図６Ｃ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図６Ｄ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図６Ｅ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図６Ｆ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図６Ｇ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図６Ｈ】一定温度での拡散反射率の変化を時間を関数として示すグラフである。

【図７Ａ】温度調節実験における（矢印で示す）皮膚温度変化に応答する拡散反射率の変
化を示すグラフである。

【図７Ｂ】温度調節実験における（矢印で示す）皮膚温度変化に応答する拡散反射率の変
化を示すグラフである。

【図７Ｃ】温度調節実験における（矢印で示す）皮膚温度変化に応答する拡散反射率の変
化を示すグラフである。

【図７Ｄ】温度調節実験における（矢印で示す）皮膚温度変化に応答する拡散反射率の変
化を示すグラフである。

【図７Ｅ】温度調節実験における（矢印で示す）皮膚温度変化に応答する吸収係数の変化
を示すグラフである。

【図７Ｆ】温度調節実験における（矢印で示す）皮膚温度変化に応答する散乱係数の変化
を示すグラフである。

【図７Ｇ】温度調節実験における（矢印で示す）皮膚温度変化に応答する吸収係数の変化
を示すグラフである。

【図７Ｈ】温度調節実験における（矢印で示す）皮膚温度変化に応答する散乱係数の変化
を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ハリール，オマー・エスアメリカ合衆国、イリノイ・60048、リバテイビル、ポートワイン・コート・1506 (72)発明者チヨン，ツイー−ウエンアメリカ合衆国、イリノイ・60061、バーノン・ヒルズ、アツプルトン・31 (72)発明者イエー，シユウ−チエンアメリカ合衆国、イリノイ・60030、グレイズレイク、ストラトフオード・コート・ 920 (72)発明者ハンナ，チヤールズ・エフアメリカ合衆国、イリノイ・60048、リバテイビル、ウエスト・リンカーン・アベニユー・410 Ｆターム(参考） 4C038 KK10 KL05 KL07 KX02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】生体試料中のアナライト濃度の測定方法であって、（１）前記生体試料の表面と接触する少なくとも１つの熱制御可能な光学測定素
子を含む光学測定計器を準備するステップ；（２）不活性で熱伝導性の光学的に透明な結合剤を前記した少なくとも１つの光
学測定素子及び／または前記生体試料の表面に適用して、前記結合剤を生体試料
の表面と少なくとも１つの光学測定素子の間の界面に配置するステップ；（３）前記生体試料の光学特性を前記した少なくとも１つの光学測定素子を用い
て測定するステップ；及び（４）前記生体試料の光学特性を該生体試料中のアナライト濃度と相関させるス
テップを含むことを特徴とする前記方法。
【請求項２】測定ステップが、温度がコントロールされている生体試料中
の深さに限定されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項３】深さが生体試料の表面から３ｍｍ未満であることを特徴とす
る請求の範囲第２項に記載の方法。
【請求項４】深さが生体試料の表面から２ｍｍ未満であることを特徴とす
る請求の範囲第２項に記載の方法。
【請求項５】測定ステップを複数の波長で実施することを特徴とする請求
の範囲第１項に記載の方法。
【請求項６】結合剤が１０〜４５℃の範囲の温度で熱的に安定であること
を特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項７】結合剤が１０〜４５℃の範囲の温度で酸素に対して不活性で
あることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項８】熱伝導率が１ｍＷ／ｃｍ／℃以上であることを特徴とする請
求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項９】結合剤が光学測定素子から移行しない十分な粘度を有するこ
とを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。
【請求項１０】結合剤の粘度が約１０〜約１００，０００センチポアズの
範囲にあることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の方法。
【請求項１１】結合剤が生体試料中に拡散しないことを特徴とする請求の
範囲第１項に記載の方法。
【請求項１２】身体部分の組織由来のアナライトの非侵襲的光学測定用光
学計器の校正方法であって、（１）前記組織の表面と接触する少なくとも１つの熱制御可能な光学測定素子を
含む光学測定計器を準備するステップ；（２）不活性で熱伝導性の光学的に透明な結合剤を前記した少なくとも１つの光
学測定素子及び／または前記組織の表面に適用して、前記結合剤を組織の表面と
少なくとも１つの光学測定素子の間の界面に配置するステップ；（３）前記組織中のアナライト濃度を一定期間にわたり変化させるステップ；（４）前記組織の少なくとも１つの光学特性の変化を前記した一定期間にわたり
少なくとも１つの光学測定素子を用いて測定するステップ；（５）前記組織中のアナライト濃度の変化を前記した一定期間にわたり分析用組
織試料を採取することを含む基準方法を用いて測定するステップ；（６）前記組織の少なくとも１つの光学特性の変化を該組織中のアナライト濃度
の変化と相関させて、校正データを得るステップ；及び（７）前記校正データを用いて、前記組織中のアナライト濃度を測定するステッ
プを含むことを特徴とする前記方法。
【請求項１３】測定ステップが、温度がコントロールされている組織中の
深さに限定されることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の方法。
【請求項１４】深さが組織の表面から３ｍｍ未満であることを特徴とする
請求の範囲第１３項に記載の方法。
【請求項１５】深さが組織の表面から２ｍｍ未満であることを特徴とする
請求の範囲第１３項に記載の方法。
【請求項１６】測定ステップを複数の波長で実施することを特徴とする請
求の範囲第１２項に記載の方法。
【請求項１７】結合剤が１０〜４５℃の範囲の温度で熱的に安定であるこ
とを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の方法。
【請求項１８】結合剤が１０〜４５℃の範囲の温度で酸素に対して不活性
であることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の方法。
【請求項１９】熱伝導率が１ｍＷ／ｃｍ／℃以上であることを特徴とする
請求の範囲第１２項に記載の方法。
【請求項２０】結合剤が光学測定素子から移行しない十分な粘度を有する
ことを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の方法。
【請求項２１】結合剤の粘度が約１０〜約１００，０００センチポアズの
範囲にあることを特徴とする請求の範囲第２０項に記載の方法。
【請求項２２】結合剤が生体試料中に拡散しないことを特徴とする請求の
範囲第１２項に記載の方法。