JP2004045096A

JP2004045096A - 生体成分の定量装置

Info

Publication number: JP2004045096A
Application number: JP2002200366A
Authority: JP
Inventors: Jiyakusei Chin; 陳　若正; Kaname Okuno; 奥野　要; Masayuki Naruo; 鳴尾　正之
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-07-09
Filing date: 2002-07-09
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】特異的な画素特性を示す画素を予め解析対象画素から除外して定量分析精度を高くする。
【解決手段】光源部１からの近赤外光を被検体Ｓに投射してその透過光や散乱光を分光手段１２を介して受光手段１３で受光するとともに、光源部の光から生成したリファレンス光を分光手段を介して受光手段で受光し、受光手段から得られるこれらの受光信号をもとに演算手段１４にて生体成分の定量を行う。　上記演算手段１４は、各画素アドレスに波長割り付けした画素出力を行うマルチチャンネル型の上記受光手段１３が光の入射がない時に発生する各画素出力の経時的標準偏差を基に解析対象画素から除外する画素を決定する較正手段を備える。特異的な画素特性を示す画素を解析対象画素から容易に除外することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近赤外領域における光の吸収を利用して生体組織中あるいは体液中の化学成分を分光分析して定量する生体成分の定量装置、たとえば皮膚組織中のグルコース濃度の定量分析で血糖値の測定などに用いられる定量装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
皮膚組織中のグルコース濃度は血液中のグルコース濃度（血糖値）と高い相関を有していることから血糖値定量のための代用値として用いられている。このグルコース濃度の定量を非侵襲で行うものとして、ハロゲンランプからなる光源の光（近赤外光）を集光レンズで集束して被検体に照射し、被検体内を透過あるいは拡散反射した光を回折格子などで分光した後、受光素子ユニットで受光し、受光素子ユニットで得られた生体信号をもとにグルコース濃度を演算するものがある。この場合、光源からの光をセラミック板などの標準板に照射して標準板で反射した光の受光も行ってリファレンス信号を得て、リファレンス信号と生体信号をもとにでグルコース濃度変化に由来するスペクトル中の吸光度の微量変化を解析し、グルコース濃度の演算を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、グルコース濃度は数十〜数百ｍｇ／ｄｌと微量であるため、皮膚組織を透過あるいは拡散反射した光（生体信号）をもとにグルコース濃度の定量を行うには上記光をＳ／Ｎ良く捉えることが重要であり、このために吸光度ベースライン変動をできるだけ抑制してスペクトル測定の安定性を高くしておくと同時にグルコース濃度変化に応じたスペクトル変化を正しく捉えることができる分解能を持つものとしておかなくてはならない。従って周囲環境温度や時間的な変動に対して光源や受光素子ユニット等の光学部品の安定化、殊に受光素子ユニットの安定化が不可欠である。
【０００４】
ここにおいて、分光した光を受光素子で受光して波長毎のデータを得る場合は、受光素子ユニットしてマルチチャンネル検出器を用いて、マルチチャンネル検出器で得られた解析波長範囲の全画素（ただし欠損画素は除く）の信号を吸光度換算した後にグルコース濃度推定のための解析に利用している。
【０００５】
しかしマルチチャンネル検出器は、一般に全画素中の数％の画素が欠損画素である上に、欠損画素以外の他の画素もその特性は必ずしも一様でない。従って、欠損画素を除外して解析を行ったとしても、画素特性が全体画素特性に比べて総じて均一でない部分の画素、特に特異的な画素特性を示す画素も演算処理されることになる。このために、グルコース濃度変化に応じたスペクトル変化が正しく反映されぬまま解析されてしまう虞が非常に高く、従って良好な解析精度を得ることができないものとなっている。
【０００６】
本発明は以上のような点を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、マルチチャンネル検出器の各画素別特性を把握して、特異的な画素特性を示す画素を予め解析対象画素から除外することで精度の高い定量分析ができるようにした生体成分の定量装置における較正方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、光源部からの近赤外光を被検体に投射してその透過光や散乱光を分光手段を介して受光手段で受光するとともに、光源部の光から生成したリファレンス光を分光手段を介して受光手段で受光し、受光手段から得られるこれらの受光信号をもとに演算手段にて生体成分の定量を行う生体成分の定量装置において、上記演算手段は、各画素アドレスに波長割り付けした画素出力を行うマルチチャンネル型の上記受光手段が光の入射がない時に発生する各画素出力の経時的標準偏差を基に解析対象画素から除外する画素を決定する較正手段を備えていることに特徴を有している。特異的な画素特性を示す画素を解析対象画素から容易に除外することができる。
【０００８】
この場合、較正手段は、各画素における暗電流の経時的標準偏差を基に解析対象画素から除外する画素を決定するものであっても、リファレンス信号測定の光学経路および生体信号測定の光学経路を伝搬して各画素に至る２光束の比の常用対数である吸光度の経時的標準偏差を基に解析対象画素から除外する画素を決定するものであってもよい。
【０００９】
また、較正手段は、経時的標準偏差が最小である画素のｎ倍以上（ｎは整数、２以上が好ましい）となる全ての画素を除外する画素としているものであっても、経時的標準偏差が全画素の平均値のｎ倍以上となる全ての画素を除外する画素としているものであってもよい。
【００１０】
受光手段は恒温箱に収容しておくことも好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１は本発明において用いる生体成分（グルコース）の定量装置の一例の構成を示すもので、ハロゲンランプからなる光源１、サンプル測定プローブ６とリファレンス測定プローブ７に均一な光を入光させるための拡散板２、拡散板２を透過した光を点光源にするためのピンホール３、ピンホールを通過した光をコリメートするためのレンズ４、レンズ４を通過した光を集束するためのレンズ５、レンズ５を通過した光を被検体（皮膚組織）Ｓに照射させるとともに被検体Ｓを透過あるいは拡散反射した光（生体信号）を受光するサンプル測定プローブ６、レンズ５を通過した光を参照用の標準反射板Ｒに照射して反射した光（リファレンス信号）を受光するリファレンス測定プローブ７、生体信号とリファレンス信号の光の測定経路を切り替えるためのシャッター８、生体信号とリファレンス信号の光を分光手段に導くためのコリメートレンズ９、コリメートレンズ９を通過した生体信号とリファレンス信号の光を集光するためのレンズ１０、レンズ１０を通過した前記生体信号とリファレンス信号の光を分光する回折格子を収めた分光手段１２、分光手段１２で分光された光を検出するためのマルチチャンネル型受光手段１３、受光手段１３で得られた信号をもとにグルコース濃度を演算する演算手段１４で構成されている。
【００１２】
サンプル測定プローブ６は、被検体Ｓに光を照射するための投光用光ファイバと被検体Ｓ内を透過あるいは拡散反射した光を受光するための受光用光ファイバとを複数本束ねたもので、被検体Ｓ表面に接触させるセンシング部６ａは、図２（ａ）に示すように、クラッド径が２００μｍ、コア径が１８０μｍの投光用光ファイバの光の出射端１５および受光用光ファイバの光の入射端１６で構成され、出射端１５が入射端１６を中心とした円周上に配されている。出射端１５と入射端１６との中心間隔Ｌは６５０μｍである。ただし、この中心間隔Ｌは０．１〜２ｍｍ以下の範囲内において設定されていればよい。サンプル測定プローブ６の出射部６ｂは図２（ｂ）に示す通りである。また、リファレンス測定プローブ７もサンプル測定プローブ６と同じ構成となっている。
【００１３】
測定に際しては、被検体Ｓに対する接触位置を一定化するための位置決め治具を用い、サンプル測定プローブ６のセンシング部６ａと被検体Ｓ表面への接触圧力を所定圧に設定して当接させる。サンプル測定プローブ６内の投光用光ファイバを通り出射端１５から出射した光は被検体（皮膚組織）Ｓを伝搬し、被検体Ｓから出射された一部の散乱光が入射端１６に入る。同様にリファレンス測定プローブ７内の投光用光ファイバを通り出射端１５から出射して標準反射板Ｒで反射した光はリファレンス測定プローブ７の入射端１６によって受光する。
【００１４】
そして上記両プローブ６，７の入射端１６に入った光は、プローブ６，７の出射部６ｂ，７ｂからシャッター８を介して分光手段１２へと送られる。このシャッター８は、生体信号とリファレンス信号の光の測定経路を切り替えるためのもので、図３に示すように、測定開始後の初期状態では前記シャッター８は閉じており、従って受光手段１３の暗出力が測定される。続いてリファレンス信号の光路にあるシャッター８ｂを開いてリファレンス信号の測定を行い、シャッター８ｂを閉じた後、生体信号の光路にあるシャッター８ａを開いて生体信号を測定し、その後シャッター８ａを閉じる。検量式を作成するためのデータ収集の場合、この一連の動作を１０分毎に約３時間かけて行う。
【００１５】
上記シャッター８を通過した生体信号とリファレンス信号の光は分光手段１２で分光された後、マルチチャンネル型の受光手段１３において受光信号として検出され、受光信号は増幅及びＡＤ変換後、マイクロコンピュータからなる演算手段１４に送られる。
【００１６】
この時、測定されたリファレンス信号をＲｅｆ、生体信号をＳｉｇとすると、吸光度Ａｂｓは
Ａｂｓ＝ｌｏｇ_１０（Ｒｅｆ／Ｓｉｇ）
と表されるが、演算手段１４はリファレンス信号Ｒｅｆと生体信号Ｓｉｇをもとにグルコース濃度変化に由来するスペクトル中の吸光度Ａｂｓの微量変化を解析することでグルコース濃度を演算する。
【００１７】
この時、一般には前記マルチチャンネル型受光手段１３、たとえばアレイ型受光素子の解析波長範囲の全画素（欠損画素は除く）の信号を利用するのであるが、本発明においては、各画素別特性を把握して特異的な画素特性を示す画素を予め解析対象画素から除外し、残りの有効画素から得られた信号を演算処理してグルコース濃度の定量分析を行っている。
【００１８】
この時の特異画素選別について具体的に説明すると、判断指標として上記受光手段１３に光が入射しない時に発生する各画素出力、すなわち、各画素における暗電流を所要時間だけ連続計測してその標準偏差を求める。たとえば５分間隔で３時間連続計測した計３７点の標準偏差を求める。次に、その暗電流の標準偏差が最小である画素の値を基準値とし、この基準値に所定値を加えた値以上（たとえば基準値の２倍以上）の標準偏差を持つ全ての画素を特異画素として抽出し、定量分析の対象画素から除外するのである。
【００１９】
図４は電源投入後からの各３時間毎における暗電流の標準偏差の一例を示している。このように特異画素の除去という較正をした上で解析すれば、グルコース濃度変化に応じた吸光度のスペクトル変化をより正しく捉えることができ、さらに精度良いグルコース濃度の定量分析が可能となる。
【００２０】
基準値の判断指標を暗電流とする場合、暗電流の標準偏差が全画素の平均値に所定値を加えた値以上（例えば全画素の平均値の２倍以上）の画素は全て除外するというようにしてもよい。ちなみに、ここでは２倍以上としたが、３〜５倍以上であってもよい。受光手段１３にも個体差があるために、この数値はある程度その受光手段１３の画素特性を把握した上で決めればよい。
【００２１】
また、前記標準偏差の算出は、必ずしも５分間隔で３時間連続計測した計３７点で求める必要は無く、ＯＧＴＴ（経口糖負荷試験）などの臨床試験における実験プロトコルに応じた時間を考慮して決めるのが望ましい。
【００２２】
基準値の判断指標を暗電流ではなく、吸光度としてもよい。この場合、リファレンス信号測定経路と生体信号測定経路の２経路の途中に同品番同ロットの標準反射板Ｒを用意し、リファレンス信号測定経路から得た光と、生体信号測定経路から得た光の比の常用対数を吸光度と定義する。この吸光度の経時的標準偏差を求めることは、装置のベースライン安定性の評価となり、また、特異画素検出の為のひとつの判断指標となる。
【００２３】
具体的にはまず標準反射板Ｒを経由してリファレンス信号測定の光学経路および生体信号測定の光学経路を伝搬した光によるところの各画素における２光束の比の常用対数、すなわち、各画素における吸光度をたとえば５分間隔で３時間連続計測した計３７点で求め、得られた複数の吸光度の標準偏差を求める。次に、その吸光度の標準偏差が最小である画素の値を基準値とし、この基準値の例えば２倍以上となる全ての画素を解析対象画素から除外する。図５は電源投入後からの各３時間毎における吸光度の標準偏差の一例である。この場合においても、特異画素の除去という較正をした上で解析することになるために、グルコース濃度変化に応じた吸光度のスペクトル変化がより正しく捉えることができるものとなり、精度の良いグルコース濃度の定量分析が可能となる。
【００２４】
この場合においても、標準偏差の算出は、たとえば５分間隔で３時間連続計測した計３７点で求める必要は無く、ＯＧＴＴ（経口糖負荷試験）などの臨床試験における実験プロトコルに応じた時間を考慮して決めるのが望ましい。また、吸光度の標準偏差が最小である画素の値を基準値とし、それより２倍以上となる全ての画素を除外したが、必ずしも２倍以上である必要は無く、３〜５倍以上であってもよいものであり、受光手段１３にも個体差があるためにこの数値はある程度その受光手段１３の画素特性を把握した上で決めればよい。
【００２５】
図６に示すものは、少なくともマルチチャンネル検出器である受光手段１３を（図示例では分光手段１２も）恒温箱１５に入れることで、特異画素発生確率を低減させたものを示している。
【００２６】
ところで、上記の各例では、サンプル測定プローブ６とリファレンス測定プローブ７の２つを備えているものについて示したが、図７に示すように、単一の測定プローブ６を被検体Ｓに当接させて生体信号を得るのと、標準反射板Ｒを利用したリファレンス信号を得るのとに用いるものについても適用することができる。図８はこの場合の電源投入後からの各３時間毎における暗電流の標準偏差の一例である。なお、このものにおいても、暗電流を判断指標とするほか、吸光度を判断指標とすることができる。後者の場合、標準反射板Ｒ経由のリファレンス信号測定の２回計測から、すなわち、１回目と２回目の測定したリファレンス信号の比から吸光度を算出し、それを繰り返して吸光度の標準偏差を求めればよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、光源部からの近赤外光を被検体に投射してその透過光や散乱光を分光手段を介して受光手段で受光するとともに、光源部の光から生成したリファレンス光を分光手段を介して受光手段で受光し、受光手段から得られるこれらの受光信号をもとに演算手段にて生体成分の定量を行う生体成分の定量装置において、上記演算手段は、各画素アドレスに波長割り付けした画素出力を行うマルチチャンネル型の上記受光手段が光の入射がない時に発生する各画素出力の経時的標準偏差を基に解析対象画素から除外する画素を決定する較正手段を備えているために、特異的な画素特性を示す画素を解析対象画素から容易に除外することができるものであり、このような画素を解析対象画素から除外するために、解析対象画素から得られた信号を演算処理する時、精度の高い定量分析ができるものである。しかも、特異画素の除外による解析対象画素数の幻想により、各画素で要していた信号取り込み時間が削減され、スペクトルの測定時間の短縮もなされることになる。
【００２８】
この場合、較正手段は、各画素における暗電流の経時的標準偏差を基に解析対象画素から除外する画素を決定するものであっても、リファレンス信号測定の光学経路および生体信号測定の光学経路を伝搬して各画素に至る２光束の比の常用対数である吸光度の経時的標準偏差を基に解析対象画素から除外する画素を決定するものであってもよい。いずれの場合も除外する画素を簡便に決定することができる。
【００２９】
また、較正手段は、経時的標準偏差が最小である画素のｎ倍以上となる全ての画素を除外する画素としているものであっても、経時的標準偏差が全画素の平均値のｎ倍以上となる全ての画素を除外する画素としているものであってもよい。
【００３０】
また、受光手段は恒温箱に収容しておくことで、特異画素の発生確率を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例における装置の概略図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は同上のプローブ構成の一例を示す正面図である。
【図３】同上のシャッター動作の説明図である。
【図４】電源投入後の全画素（２５６コ）における暗電流の各３時間標準偏差（５分間隔３７点）の一例の説明図である。
【図５】電源投入後の全画素（２５６コ）における吸光度の各３時間標準偏差（５分間隔；３７点）の一例の説明図である。
【図６】他例の概略図である。
【図７】別の例の概略図である。
【図８】同上における電源投入後の全画素（２５６コ）における暗電流の各３時間標準偏差（５分間隔；３７点）の一例の説明図である。
【符号の説明】
１　光源
６　測定プローブ
７　測定プローブ
１２　分光手段
１３　受光手段
１４　演算手段

Claims

光源部からの近赤外光を被検体に投射してその透過光や散乱光を分光手段を介して受光手段で受光するとともに、光源部の光から生成したリファレンス光を分光手段を介して受光手段で受光し、受光手段から得られるこれらの受光信号をもとに演算手段にて生体成分の定量を行う生体成分の定量装置において、上記演算手段は、各画素アドレスに波長割り付けした画素出力を行うマルチチャンネル型の上記受光手段が光の入射がない時に発生する各画素出力の経時的標準偏差を基に解析対象画素から除外する画素を決定する較正手段を備えていることを特徴とする生体成分の定量装置。
較正手段は、各画素における暗電流の経時的標準偏差を基に解析対象画素から除外する画素を決定するものであることを特徴とする請求項１記載の生体成分の定量装置。
較正手段は、リファレンス信号測定の光学経路および生体信号測定の光学経路を伝搬して各画素に至る２光束の比の常用対数である吸光度の経時的標準偏差を基に解析対象画素から除外する画素を決定するものであることを特徴とする請求項１記載の生体成分の定量装置。
較正手段は、経時的標準偏差が最小である画素のｎ倍以上となる全ての画素を除外する画素としているものであることを特徴とする請求項２または３記載の生体成分の定量装置。
較正手段は、経時的標準偏差が全画素の平均値のｎ倍以上となる全ての画素を除外する画素としているものであることを特徴とする請求項２または３記載の生体成分の定量装置。
受光手段は恒温箱に収容されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の生体成分の定量装置。