JP2004150984A

JP2004150984A - 近赤外分光による溶質濃度測定方法とその装置

Info

Publication number: JP2004150984A
Application number: JP2002317467A
Authority: JP
Inventors: Hidenobu Arimoto; 英伸有本; Yukio Yamada; 幸生山田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】従来の近赤外分光法に基づく水溶液濃度分析手法では、測定データが膨大であり、温度変化に起因する測定誤差が大きく、さらに分光装置のドリフトによる推定濃度の誤差が大きい。
【解決手段】波長１，５００〜１，８００ｎｍ程度の近赤外領域に十分なスペクトル強度を有する波長可変レーザ或いは広帯域光源から射出した光を光ファイバプローブ等の導波部へ導き人体の皮膚に照射し、拡散反射を受けた光を分光した後にＰＬＳ解析を施す。その際、測定されたスペクトルと基準物質から得たスペクトルの両者を用いて差分吸光度スペクトルを算出し、さらに２次微分を施す。この２次微分差分吸光度スペクトルのうち、水の吸収帯と一致せず、かつ顕著な負の値を有する領域の２次微分差分吸光度スペクトルのみを用いてＰＬＳ解析を行う。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水に溶解した濃度の未知なる媒質の濃度を近赤外分光法に基づき推定を行う方法とその測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在多数の糖尿病患者および予備軍と考えられる人がおり、これらの人は定期的に血糖値、すなわち血中グルコース濃度を測定し、その推移を観察する必要がある。このようなグルコース濃度の測定に際しては種々の手法が存在するが、多くの場合は微量であっても血液、或いは体液を人体から抽出して、その中のグルコース濃度を測定することが広く行われている。疾病を持たない場合でも健康診断などにおいて、中性脂肪、コレステロール、尿素等の血液成分を測定するためには採血を行うのが一般的な手法である。
【０００３】
しかしながら、微量であっても人体から血液等を抽出することは好ましいことではなく、血液等を人体から取り出すことなく非侵襲的な手法により正確にグルコース等の成分濃度を測定する手法の開発が望まれている。そのような手法の一つとして、人体の皮膚の一部に近赤外光を照射し、人体皮膚、血液、及び体液等の吸収スペクトルを測定し、多変量解析を施すことでグルコース等の血液成分濃度を推定する技術が注目され、研究開発が進められている。
【０００４】
このような近赤外光を用いて非侵襲的にグルコース等の血液成分濃度を測定するに際して、従来は、波長２，０００ｎｍ以下の近赤外領域において、皮膚等の表面近傍で拡散反射した光の吸光度スペクトルを測定し、ＰＬＳ回帰分析等の多変量解析を行い成分濃度を推定する手法が広く研究されている。
【０００５】
なお、１，３００〜１，９００ｎｍの近赤外領域における光の吸収を利用して生体組織中或いは体液中のグルコース濃度を定量するに当たり、外乱要因を考慮して特定の波長領域を選択するようにした技術として特許文献１が存在する。
【０００６】
【特許文献】
特開２０００−１３１３２２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような測定システムを用いて測定を行う装置を実用化するためには、測定システムの小型化・軽量化は不可避である。それに対して、従来研究レベルで使用されている光学系の主流は、ハロゲンランプなどの広帯域光源、回折格子、及びリニアセンサの組み合わせであり、システムを集積するための制約が大きい。また、測定した吸収スペクトルのデータ解析には多変量解析が広く用いられているがデータ数が膨大なものとならざるを得ない。
【０００８】
例えば１，３００〜１，８００ｎｍの領域を波長分解能２ｎｍで分光した場合には、データ点数が２５０点となる。更にこの測定を２０種のサンプルに対して繰り返した後にＰＬＳ回帰分析を用いてデータ処理を行う際は、２５０点の吸収光度スペクトルデータ（説明変数）をサンプル数である２０セット分並べた２５０×２０の行列が作成され、データ数が膨大になり、繰り返し計算の多い多変量解析を行う際には、このようなサイズの大きなデータは処理速度の低下を招く、という問題を生じる。
【０００９】
また、温度変化に起因する測定誤差が大きいという問題もある。即ち、波長１，３００〜１，８００ｎｍの領域では１，４５０ｎｍ周辺に水の吸収ピークが存在する。水の温度が変化すると、分子の水素結合の程度に応じてピーク波長が前後に変化する。グルコースの濃度推定を目的に吸光度スペクトルの測定を行い、そのデータを用いて濃度推定のための解析を行うと、水の温度変化によって生じた吸光度スペクトルの変化のために大きな推定誤差が生じるという問題が生じる。
【００１０】
測定装置のドリフトに起因した濃度推定誤差も顕著な問題である。吸光度スペクトルの測定に際し、ａ）光源の発光強度の不安定さ、ｂ）検出器の検出感度の不安定さ、ｃ）周辺の空気の屈折率ゆらぎ、等に起因して分光強度出力がわずかに変動し、装置のドリフトが生じる。その結果、グルコース等の成分濃度の推定値に大きな誤差を生じさせることになる。
【００１１】
したがって本発明は、近赤外分光法に基づく溶質濃度推定に関し、処理速度を向上させるためにデータ量を低減し、溶液温度の変動に起因した推定誤差を低減させるとともに、分光装置のドリフトに起因した推定誤差を低減させることができる方法、およびその方法を実施する装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記段落［０００７］に記載した課題を解決するため、本発明においてはデータのサイズを縮小する技術を提案する。本発明によるデータのサイズ縮小の基本的考え方は以下のようなものである。図２（ａ）に示すような、低濃度の水溶液の吸光度スペクトルは、光波長あるいは波数に関して２次微分を行うと図３（ａ）に示すようなグラフとなる。２次微分スペクトルの値のうち負の値を有する波長領域では、もとの吸光度スペクトルのグラフにおいて上に凸な形状を示す。
【００１３】
一方、水溶液の吸光度スペクトルから溶質を含まない水の吸光度スペクトルを差し引いて差分吸光度を求めると、図２（ｂ）に示すように溶質のみに起因した吸光度スペクトル変化分が得られる。上記段落［００１２］に記載と同様に差分吸光度スペクトルに２次微分を施すと図３（ｂ）の２次微分差分吸光度スペクトルのグラフが得られる。差分吸光度スペクトルにおいて変化の急峻な凸形状は、２次微分差分吸光度スペクトルにおいては絶対値の大きな負の値、即ち小さな値となる。
【００１４】
このようにして２次微分差分吸光度スペクトルが負となる波長領域からのみ２次微分差分吸光度スペクトルの値を取得或いは選択することにより、少ないデータ量で正確な成分濃度推定を可能とする。
【００１５】
上記段落［０００９］に記載した第２の課題を解決するための本発明は、水の温度変化に起因する測定誤差を低減する。水の吸収ピークはおよそ１，４５０ｎｍ付近に存在し、水の温度変化に伴い吸光度スペクトルが変化する領域は上記吸収ピーク周辺に一致する。それに対し、溶質の差分吸光度スペクトルは、水の吸収ピーク周辺では負の値をとる。これは、溶質が水に溶解する際に水分子を押し出し、単位体積中に含まれる水分子数が減少するためである。
【００１６】
したがって、温度変化に敏感な１，４５０ｎｍ周辺の波長領域を測定から除外しても、目的成分の濃度推定には深刻な影響を与えない。よって、前述の２次微分差分吸光度スペクトルが負となる領域を選択するにあたっては、１，５００ｎｍよりも長波長領域を対象とする。同様に１，８００ｎｍよりも長波長の領域においても強い水の吸収が存在し、温度変化に敏感であるという理由から、波長選択の対象は１，８００ｎｍ以下の領域とする。結果として１，５００ｎｍ以上１，８００ｎｍ以下の領域から、２次微分差分吸光度スペクトルが負となる波長領域を選択する。この範囲は図４において網掛け部分で示されている。
【００１７】
上記段落［００１０］に記載した第３の課題は、差分吸光度スペクトルに２次微分を施すことのみで解決される。上記段落［００１０］に記載した原因から発生する装置のドリフトには波長依存性が低く、測定データ全体が縦軸としての吸光度方向に平行移動するような効果が支配的である。しかしながらドリフトの波長依存性、すなわちデータ全体に傾斜を与えるような効果も縦方向への平行移動に比較すれば小さいものの無視はできない程度である。
【００１８】
差分吸光度スペクトルに１次微分を施した場合には、波長に依存しない縦軸方向への平行移動効果がキャンセルされる。差分吸光度スペクトルに２次微分を施した場合には、波長と線形な関係を有する傾斜効果がキャンセルされる。したがって、差分吸光度スペクトルを２次微分した際には、装置のドリフトによって与えられる、縦軸方向への平行移動効果と傾斜効果の両者がキャンセルされ、結果として装置のドリフトに起因した成分濃度推定誤差のほとんどを除去することができる。
【００１９】
したがって本発明による近赤外分光法に基づく溶質濃度測定方法は、光波長１，５００〜１，８００ｎｍ程度の近赤外領域において測定した水溶液の吸光度スペクトルの２次微分値のうち顕著な負の値を選択してＰＬＳ回帰分析等の多変量解析を行い、当該水溶液中に含有する溶質の濃度を推定するようにしたものである。
【００２０】
また、本発明による近赤外分光法に基づく溶質濃度測定装置は、光波長１，５００〜１，８００ｎｍ程度の近赤外領域において測定した水溶液の吸光度スペクトルの２次微分値のうち顕著な負の値を選択してＰＬＳ回帰分析等の多変量解析を行い、当該水溶液中に含有する溶質の濃度を推定する手段を備えたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
表１に示すように、温度と濃度がそれぞれ異なる９種類のグルコース水溶液の透過スペクトルを測定し、うち３種類のサンプルを用いて濃度推定のための検量モデルを作成し、残り６種類のサンプルのグルコース濃度推定を行った。
【表１】

【００２２】
最初、透過スペクトル測定と差分吸光度スペクトル算出を行う。サンプル（温度２５、３０、３５℃、グルコース濃度１、２、３ｇ／ｄＬすべての組み合わせ）９種類を光路長０．５ｍｍの石英セルに封入しハロゲンランプで照明、透過した光のスペクトルを分光光度計を用いて測定する。測定範囲は波数７，５００〜５，５００ｃｍ−１（波長１，３３３〜１，８１８ｎｍ）、測定点数は３２５点である。これら９種類のサンプルの透過スペクトルをＩ_{ＯＵＴ，Ｎ} （Ｎ＝１，２，３，．．．９）とする。
【００２３】
上記段落［００２２］に記載した９種類の水溶液サンプルとは別に、２次微分差分吸光度スペクトルが顕著な負の値を示す領域を選択するのを容易にするために、濃度の高いグルコース水溶液を２種類（２、４ｇ／ｄＬ）用意し、その透過スペクトルの測定を上記段落［００２２］に記載したものと同じ分光光度計、同じ測定範囲および同じ測定点数で行う。これら２種類の高濃度サンプルの透過スペクトルをＩ_{ＯＵＴ，Ｈ１}およびＩ_{ＯＵＴ，Ｈ２}とする。
【００２４】
差分吸光度スペクトルの算出に必要な、水の透過スペクトルの測定を上記段落［００２２］に記載したものと同じ分光光度計、同じ測定範囲および同じ測定点数で行う。この水の透過スペクトルをＩ_{ＯＵＴ，０}とする。
【００２５】
高濃度サンプルに関する差分吸光度スペクトルを以下の式１にしたがい算出する。
Ａ_ＨＭ＝ｌｏｇ（Ｉ_{ＯＵＴ，ＨＭ} ／Ｉ_{ＯＵＴ，０}），（Ｍ＝１，２）・・・式１
ここでｌｏｇは１０を底とする常用対数をあらわす。
【００２６】
同様に、９種類のサンプルそれぞれに関する差分吸光度スペクトルを以下の式２にしたがい算出する。
Ａ_Ｎ＝ｌｏｇ（Ｉ_{ＯＵＴ，Ｎ} ／Ｉ_{ＯＵＴ，０}），（Ｎ＝１，２，３，．．．９）・・・式２
【００２７】
次いで、差分吸光度スペクトルの２次微分を行う。上記段落［００２５］および［００２６］に記載した式で算出した差分吸光度スペクトルＡ_ＨＭ（Ｍ＝１，２）およびＡ_Ｎ（Ｎ＝１，２，３，．．．９）を波長或いは波数に関して、微分アルゴリズムＳａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙ法を用いて２次微分する。ここで算出した差分吸光度スペクトルＡ_ＨＭ（Ｍ＝１，２）およびＡ_Ｎ（Ｎ＝１，２，３，．．．９）の２次微分をＡ”_ＨＭ（Ｍ＝１，２）およびＡ”_Ｎ（Ｎ＝１，２，３，．．．９）と表記する。
【００２８】
その後、濃度推定に用いる波長選択を行う。高濃度サンプルに関する２次微分差分吸光度スペクトルＡ”_ＨＭ（Ｍ＝１，２）のうち、顕著な負の値を示す領域として１，５３０〜１，６３０ｎｍ、１，６８５〜１，７００ｎｍ、及び１，７２５〜１，７５５ｎｍの３領域を選択する。
【００２９】
９種類のサンプルに関する２次微分差分吸光度スペクトルＡ”_Ｎ（Ｎ＝１，２，３，．．．９）から上記段落［００２８］に記載したとおりの３領域選択された波長領域のデータのみを抽出する。この結果、もともと３２５点だった測定データ点を７４点に減少させることができる。（図５）
【００３０】
次に、ＰＬＳ回帰分析による検量モデル作成と濃度推定を行う。９種類のグルコース水溶液サンプルのうち、温度と濃度の組み合わせが（２５℃、１ｇ／ｄＬ）、（２５℃、２ｇ／ｄＬ）、（３０℃、１ｇ／ｄＬ）、である３種類の水溶液サンプルに関する２次微分差分吸光度スペクトルの上記段落［００２９］に記載のとおり抽出したデータを用いてＰＬＳ回帰分析を行い、濃度推定用検量モデルを作成する。
【００３１】
上記段落［００３０］で検量モデル作成に用いた３種類のサンプルを除く６種類のサンプルはグルコース濃度が未知であると仮定して、これら６種類のサンプルに関する２次微分差分吸光度スペクトルのうち上記段落［００２９］に記載のとおり抽出したデータに、段落［００３０］に記載のとおり作成した検量モデルを適用し、濃度推定を行う。
【００３２】
上記基本的な考え方に基づき、上記段落［００２１］に記載した９種類のグルコース水溶液サンプルを用いる代わりに、人体皮膚表層において拡散反射スペクトルを複数回の測定し、その後２次微分差分吸光度スペクトルを算出、次いでＰＬＳ回帰分析等の多変量解析を用いて成分濃度推定用検量モデル作成および血液成分の濃度推定を行う。
【００３３】
その際には図１の概要図に示す装置によって実施することができる。図１に示す例においては、波長可変レーザ或いは広帯域スペクトルを有する光源から射出した光をミラー等によって、光ファイバプローブ等の導波部へ入射させ、導波部の端部を被験者の皮膚に接触させる。皮膚に照射した光のうち拡散反射により得た光を導波部へ再び入射させ、これを分散グレーティングやフーリエ分光等の分光部で分光した後に、各波長のスペクトル強度を光検出器によって検出する。検出されたスペクトルデータはＰＬＳ解析部で処理された後に濃度推定値表示部で濃度推定値が表示される。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は上記のような手法を採用することによりデータサイズを減少させ、それにより検量解析に要する処理速度を向上させることができ、温度依存の小さな領域を選択することによって、測定対象媒質の温度が変化した際の検量誤差を低減できる。また、装置のドリフトによる測定誤差低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による波長選択型血液成分測定装置の概要図である。
【図２】吸光度スペクトルを示す図であり、（ａ）はグルコース水溶液の吸光度スペクトルを示し、（ｂ）はグルコース水溶液の吸光度スペクトルから水の吸光度スペクトルを差し引いた差分吸光度スペクトルを示す図である。
【図３】吸光度スペクトルの２次微分を示す図であり、（ａ）はグルコース水溶液の吸光度スペクトルの２次微分を示し、（ｂ）は差分吸光度スペクトルの２次微分を示す図である。
【図４】水の吸光度スペクトルを示す図である。
【図５】濃度２ｇ／ｄＬ、４ｇ／ｄＬのグルコース水溶液の差分吸光度スペクトルの２次微分を示す図である。

Claims

光波長１，５００〜１，８００ｎｍ程度の近赤外領域において測定した、水に溶解した濃度の未知なる媒質の吸光度スペクトルの２次微分値を用いてＰＬＳ回帰分析を行い、目的物質の濃度を推定することを特徴とする近赤外分光に基づく濃度測定方法。
光波長１，５００〜１，８００ｎｍ程度の近赤外領域において測定した、水に溶解した濃度の未知なる媒質の吸光度スペクトルの２次微分値を用いてＰＬＳ回帰分析を行い、目的物質の濃度を推定する手段を備えたことを特徴とする近赤外分光に基づく濃度測定装置。