JP2004248820A

JP2004248820A - 血液分析装置

Info

Publication number: JP2004248820A
Application number: JP2003041350A
Authority: JP
Inventors: Shunji Egawa; 俊二柄川
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】血液分析装置では、異なる波長の光を照射する各発光素子から受光素子までの光路がほぼ等しくなるように、各発光素子を配置しなければ正確な測定はできなかった。
【解決手段】生体に異なる波長の光を照射する少なくとも３つ以上の発光素子と、該各発光素子に対して前記生体を挟んだ位置に配置されるとともに、前記生体を透過した光を受光する１つの受光素子と、該受光素子が発生する光電流に基づいて血液成分の濃度を算出する回路とを備えた血液分析装置において、前記各発光素子から前記受光素子までの距離がほぼ等距離になるように前記各発光素子を配置した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非侵襲で血液中の成分を分析する血液分析装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から採血しないで血液成分を検査する装置としては、動脈血の酸素飽和度を測定するパルスオキシメーターがある。これは動脈血中のヘモグロビンのうち酸素と結合したヘモグロビンの成分比を非侵襲で測定するものであり、使いやすく装置の価格も妥当なことから、さまざまな医療現場で使われてきた。例えば、手術中や術後、集中治療室では、患者の容体を連続的に監視している。また救急医療では、輸送中に患者の容体を短時間で把握するために使われてきた。さらに、高所登山での健康状態のチェックにも使われている。
【０００３】
パルスオキシメーターの高精度化や、酸素飽和度以外の測定に応用するために、波長の異なる発光ダイオードをＮ個備えて、Ｎ−１個の血中成分の濃度を測定する装置が開発された。（例えば、特許文献１）この特許文献１には、具体的な装置の構造については記載されていないが、例えば、３つの発光ダイオードを備えている例が、実施例のブロック図に示されている。
【０００４】
そして、この各発光素子から照射された光を、ひとつの受光素子によって受光し、この受光素子の出力に基づいて血液中の各成分の濃度を演算するように構成されている。これは、血液中の各成分の吸光係数が、異なったスペクトル特性を持っていることを応用している。特に、特許文献１では血液の脈動とは逆位相で生体組織が脈動をしていることに着目したので、分析される血液成分はＮ個ではなく、Ｎ−１個となっている。基本原理は、前述のパルスオキシメーターと同様であり、パルスオキシメーターでは、２個の発光素子から照射され、ひとつの受光素子で透過光を受光して、オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの２成分比を求めている。
【０００５】
この原理の前提条件となっていることが、各発光素子から受光素子までの生体組織を挟んだ光路を、ほぼ等しく配置することである。一般に、発光素子には光波長が固定の発光ダイオードが使われ、受光素子には広い範囲の波長の光を受光できるフォトダイオードが使われている。そのために、複数の発光素子が必要となるが、受光素子はひとつで構成できる。
【０００６】
【特許文献１】
特公平５−８８６０９号公報（第６−７頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような複数の発光素子を用いた血液分析装置では、各発光素子から照射され、生体組織の同一部位を透過した同一光路の光だけを受光素子が受光できれば、正しく血液分析することができる。しかし、生体組織の異なる部位を透過した光を含んでしまっては、測定誤差が生じてしまうことになる。前述したように、複数の発光素子を配置し、それを１つの受光素子で受光するため、同一の光路で測定することが困難であり、測定誤差を生じていた。
【０００８】
本発明は上記課題を解決し、複数の発光素子を同一位置に配置できないために、各発光素子から生体組織を挟んでひつとの受光素子までの光路を等しくできない場合でも、良い条件で測定することができ、測定誤差の小さい血液分析装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の特徴は、生体に異なる波長の光を照射する少なくとも３つ以上の発光素子と、該各発光素子に対して前記生体を挟んだ位置に配置されるとともに、前記生体を透過した光を受光する１つの受光素子と、該受光素子が発生する光電流に基づいて血液成分の濃度を算出する回路とを備えた血液分析装置において、前記各発光素子から前記受光素子までの距離がほぼ等距離になるように前記各発光素子を配置したことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態を詳述する。図２（ａ）および（ｂ）は本発明の一実施の形態による血液分析装置の外観図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。図３は本発明の一実施の形態による血液分析装置の測定時の姿勢を示す装着図である。第４図は本発明の一実施の形態による血液分析装置のセンサ部構造を示す断面図である。図５は本発明の一実施の形態による血液分析装置のブロック図である。
【００１１】
まず図２（ａ）および（ｂ）を用いて、本実施の形態による血液分析装置の外観を説明する。これは糖尿病の診断や検査のための血液分析装置であり、分析装置１０は、血液中の赤血球に含まれるヘモグロビンが、血液中のグルコースと結合した割合を測定する。分析装置１０の側面には、測定部位を入れられる挿入穴１１があり、患者の指が入るようにほぼ円筒形状をしている。上面には電源を入れて分析を開始させるスイッチ１２と、分析結果を表示する表示器１３が設けられている。表示器１３には血糖コントロールの指標となる、血液中のヘモグロビンＡ１ｃ成分比が表示される。ハウジング１４（図４参照）は、プラスチックでできた分析装置１０の外装である。
【００１２】
次に図３を用いて、本実施の形態による血液分析装置の使用方法を説明する。挿入穴１１には指が挿入されている。標準的な指の使い方は、右手第３指（中指）を挿入穴１１に入れて、両脇の第２指（人差し指）と第４指（薬指）で軽く分析装置１０のハウジング１４を支えて、手のひらを上に向ける。これが測定時の標準的な装着姿勢である。この場合には測定対象の生体組織１は右手第３指となる。この姿勢のままで、スイッチ１２を押せば、電源が入り分析が開始される。例えば、スイッチ１２は右手第１指（親指）で押しやすいように、上面つまり上を向いて配置されている。分析結果の血液中のヘモグロビンＡ１ｃ成分比は、スイッチ１２と同じように、上を向いている表示器１３に表示されるので、簡単に読み取ることができる。
【００１３】
次に図４を用いて、本実施の形態による血液分析装置のセンサ部構造を説明する。まず挿入穴１１は先端が閉じたほぼ円筒形状のホルダ２７からなり、指である生体組織１をホルダ２７の先端に突当たるように挿入する。ホルダ２７には、指の腹が当たる部分に受光フィルタ２６と、その反対側の指の爪側には光学フィルタ２９が備え付けられている。光学フィルタ２９は発光波長λ１、λ２、λ３を透過させる光学フィルタであり、その奥には発光素子２１、２２、２３が近接して配置されている。発光素子２１、２２、２３は、それぞれのピーク発光波長がλ１、λ２、λ３のチップ型発光ダイオードである。
【００１４】
受光フィルタ２６は、発光波長λ１、λ２、λ３を透過させるが、その他の蛍光燈や太陽光を減衰させるための光学フィルタであり、挿入穴１１と生体組織１との隙間から漏れてくる外来光の影響を少なくしている。また、受光フィルタ２６は防塵効果もあり、清掃を簡単に行うことができる。受光フィルタ２６の奥には受光素子２８が配置されている。受光素子２８は発光波長λ１、λ２、λ３を含んだ波長感度のあるフォトダイオードである。なお、受光素子２８と受光フィルタ２６によって受光部を構成している。回路３０には受光素子２８が実装されていて、それぞれの波長において脈動による光電流の変化から、血液中のヘモグロビンＡ１ｃ成分比を算出している。その算出結果は、回路３０に接続された表示器１３によって表示する。表示器１３は、ホルダ２７の上側にあり、上を向いているので読み取りやすい。
【００１５】
次に、図１を用いて本発明の実施の形態による血液分析装置の発光素子配置を説明する。まず、図１（ａ）は発光素子３個を配置した平面図である。光学フィルタ２９のほぼ中央部に発光素子３個を配置してあり、光学フィルタ２９の周囲はホルダー２７で光を遮断している。３個の発光素子２１，２２，２３は、光学フィルタ２９上にあって同一平面状に位置するとともに、その中心が正三角形の各頂点に位置するように配置され、その三角形の重心が光学フィルタ２９の中心に重なるように配置されている。受光素子２８は、その中心の平面方向の位置が、この三角形の重心の位置と一致するように配置されている。また、その正三角形の辺は、できるだけ短くなるようにして各発光素子ができるだけ中心付近に位置するように配置している。受光素子２８の中心の平面方向の位置が正三角形の重心の位置と一致し、３個の発光素子２１，２２，２３の中心が正三角形の各頂点に一致しているから、３個の発光素子２１，２２，２３から、受光素子２８までの距離は等しい。
【００１６】
このように３個の発光素子から受光素子までの距離を等距離とすることで、同様な測定条件で測定することができ、誤差が少なくなる。しかも、３つの発光素子を三角形の頂点にバランス良く配置することで、各発光素子から受光素子までの距離を等距離としたまま、これらをできだけ近づけて配置することができ、これによって、各波長の発光素子２１、２２、２３から生体組織である指に照射され、透過光を受光素子２８により受光するまでの光路を近づけることができる。
【００１７】
同様に、図１（ｂ）は発光素子４個を、（ｃ）は発光素子５個を配置した平面図である。図１（ｂ）では４個の発光素子２１，２２，２３，２４を、光学フィルタ２９の中心が重心となる正方形の頂点に配置し、受光素子２８の中心の平面方向の位置が正方形の重心の位置と一致するように配置している。（ｃ）では５個の発光素子を、それぞれの中心位置が、光学フィルタ２９の中心が重心となる正五角形の頂点に配置し、受光素子２８の中心の平面方向の位置が正五角形の重心の位置と一致するように配置している。
【００１８】
この図１（ｂ）（ｃ）の場合も、図１（ａ）と同様な効果を有している。すなわち、各発光素子から受光素子までの距離を等距離とすることで、同様な測定条件で測定することができ、誤差が少なくなる。また、各発光素子を正多角形の頂点にバランス良く配置することで、各発光素子から受光素子までの距離を等距離としたまま、各発光素子をできだけ近づけることができ、これによって、各波長の発光素子から、生体組織である指に照射され、透過光を受光素子２８により受光するまでの光路を、近づけることができる。
【００１９】
次に、図５を用いて本発明の実施の形態による血液分析装置のブロック図を説明する。波長λ１、λ２、λ３の光を発光する発光素子２１、２２、２３は、発光駆動回路３１の出力を受けて順番に点灯する。これらの発光素子２１，２２，２３の光が、生体組織１である指に照射される。照射された光は、生体組織１の各種ヘモグロビンによって吸収されるが、また赤血球による散乱も起こす。生体組織１を挟んで対向して配置された受光素子２８によって透過光が受光される。ここで、発光波長λ１、λ２、λ３は、例えば６３０ｎｍ、６８０ｎｍ、９４０ｎｍにそれぞれ設定されている。
【００２０】
受光素子２８の各波長における光電流は、生体組織１によって減衰されたあとの透過光量Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３に対応している。増幅器３２は受光素子２８の光電流を電圧変換し、それを電圧増幅している。なお、各波長における透過光量Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３には、脈動変動分に相当する脈動成分が含まれている。
【００２１】
マルチプレクサ（ＭＰＸ）３３では、増幅器３２の出力信号が、λ１、λ２、λ３の波長ごとに振り分けられ、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３４、３５、３６に供給される。ＢＰＦ３４、３５、３６によって、各信号中に含まれる高周波のノイズ成分が除去されることにより、各信号は、生体組織１における各波長λ１、λ２、λ３についての透過光の脈動成分に相当する振幅信号、つまり各波長のそれぞれの指尖容積脈波となる。
【００２２】
脈波検出回路（ＤＥＴ）３７、３８、３９は、ＢＰＦ３４、３５、３６からの各出力信号をそれぞれ検波して、透過光の脈動分の振幅値に相当する信号を検出する。これら検出信号は、生体組織１での各波長λ１、λ２、λ３における透過光の脈動変動分ΔＡ１、ΔＡ２、ΔＡ３に対応したものであり、アナログ／デジタル変換されたデータである。ＤＥＴ３７、３８、３９の出力信号ΔＡ１、ΔＡ２、ΔＡ３は、演算手段４０に供給されて、各ヘモグロビンの成分比が算出される。そして、表示手段４１ではヘモグロビンＡ１ｃの成分比が表示される。なお、回路３０は、増幅器３２、マルチプレクサ３３、バンドパスフィルタ３４、３５、３６、脈波検出回路３７、３８、３９、演算手段４０から構成されている。
【００２３】
以上が本実施の形態による血液分析装置の説明である。これと同様な方法によって、全ヘモグロビンのうち酸素と結合したオキシヘモグロビンの割合である酸素飽和度を測定するパルスオキシメーターや、グルコース濃度を測定する血糖計などの、他の分光分析による血液分析装置にも利用できる。一般に、濃度とは一定体積中に含まれる構成成分の量（前述のグルコース濃度など）や、物質量の割合である成分比（前述のヘモグロビンＡ１ｃ成分比、酸素飽和度など）や、質量の百分率、体積の百分率などで表される。すなわち、このような血液に含まれる所定の成分の濃度を測定する血液分析装置に適用できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、複数の発光素子から受光素子までを、ほぼ等距離とすることで、良好な測定条件で血液分析することができ、測定誤差を小さくできるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による血液分析装置の発光素子配置を示す平面図である。
【図２】本発明の実施の形態による血液分析装置の外観図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】本発明の実施の形態による血液分析装置の装着図である。
【図４】本発明の実施の形態による血液分析装置のセンサ部構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態による血液分析装置のブロック図である。
【符号の説明】
１生体組織
１０分析装置
１１挿入穴
１３表示器
１４ハウジング
２１、２２、２３発光素子
２８受光素子
２９光学フィルタ

Claims

生体に異なる波長の光を照射する少なくとも３つ以上の発光素子と、該各発光素子に対して前記生体を挟んだ位置に配置されるとともに、前記生体を透過した光を受光する１つの受光素子と、該受光素子が発生する光電流に基づいて血液成分の濃度を算出する回路とを備えた血液分析装置において、前記各発光素子から前記受光素子までの距離がほぼ等距離になるように前記各発光素子を配置したことを特徴とする血液分析装置。
前記各発光素子を、略同一平面上に配置したことを特徴とする請求項１に記載の血液分析装置。
前記各発光素子を、該発光素子の数と同じ数の頂点を有する正多角形の各頂点に位置するように配置したことを特徴とする請求項２に記載の血液分析装置。
前記発光素子の個数は３つであり、前記各発光素子を正三角形の各頂点に位置するように配置したことを特徴とする請求項３に記載の血液分析装置。