JP2005028005A - グルコース濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 非侵襲的なグルコース濃度測定において、Ｓ／Ｎ比を上げて測定精度を向上する。
【解決手段】 生体Ａ表面に配置されて、生体Ａ内に光を照射する光照射部２と、生体Ａ内で拡散あるいは透過した光を生体Ａ外部において検出する検出器１９を有する光検出部とを備え、光照射部２に、点光源と、該点光源からの光を生体Ａ表面から所定の深さ位置に集光させる集光光学系１４とが設けられ、光検出部が、検出器１９の前段の集光光学系１４による焦点位置と共役な位置に配置されるピンホール１７を備えるとともに、検出器１９により検出された受光信号に基づいて生体Ａ内のグルコース濃度を求める演算手段４を備えるグルコース濃度測定装置１を提供する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、グルコース濃度測定装置に関するものである。

従来より、糖尿病の判断のために血中グルコース濃度測定が行われており、特に、糖尿病患者のインシュリン投与量を決定する血糖値を検査するために、グルコース濃度の測定が行われている。グルコース濃度の測定は、一般に、指や腕から採取した血液を直接分析することにより行われている。患者の体内における血液中のグルコース濃度は、食事の前後や運動後などの測定条件によって変化するため、正確な血糖値を得るためには、頻繁なグルコース濃度測定が必要である。
しかしながら、採血した血液を直接分析する上記方法では、グルコース濃度の測定の度に注射針等を刺して採血しなければならず、患者にかかる負担が大きいという問題がある。

この問題を解決するために、指、腕、耳朶などの生体組織に対し、外部から近赤外光を照射して生体内で拡散させ、生体外に出射された光を検出する非侵襲的なグルコース濃度測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１の方法は、複数本の発光ファイバと複数本の受光ファイバとを束ねて構成した光ファイババンドルを用意し、該光ファイババンドルを構成する各光ファイバの先端面を生体表面に接触状態に配置する。そして、複数の発光ファイバの先端面から近赤外光を照射することにより、生体内に入射させ、生体内において拡散されて生体表面から生体外に戻る光を複数の受光ファイバにおいて受光するとともに、受光された光のスペクトルを分析することによりグルコースの濃度を算出するものである。
特開２０００−１３１３２２号公報（図３等）

しかしながら、特許文献１に示される方法は、多数の発光ファイバおよび受光ファイバを使用することにより、照射光量および検出光量を増加させることで、検出されるグルコース濃度の情報量を増加させている。しかしながら、このような方法では、そもそも光ファイバを使用しているために、光ファイバにおける光の減衰やＮＡ（開口数）の制限などにより、導光検出効率が低いという問題がある。また、受光ファイバの受光面積に限りがあるため、生体外に出射された拡散光の一部が検出されずに失われる不都合もある。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、生体の表皮における反射ノイズを抑え、生体内部からの戻り光のＳ／Ｎ比を改善して測定精度を向上し得るグルコース濃度測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、この発明は、以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、生体表面に配置されて生体内に光を照射する光照射部と、生体内で拡散あるいは透過した光を生体外部において検出する検出器を有する光検出部とを備え、前記光照射部に、点光源と、該点光源からの光を生体表面から所定の深さ位置に集光させる集光光学系とが設けられ、前記光検出部が、前記検出器の前段の前記集光光学系による焦点位置と共役な位置に配置される検出用ピンホールを備えるとともに、検出器により検出された受光信号に基づいて生体内のグルコース濃度を求める演算手段を備えるグルコース濃度測定装置を提供する。

この発明によれば、点光源から発せられた光が、集光光学系により、生体内の生体表面から所定の深さ位置に集光させられる。生体内に入射された光は、生体内において拡散あるいは透過させられた後に、光検出部の検出器に検出される。光検出部には、集光光学系による焦点位置と共役な位置に検出用ピンホールが配置されているので、該検出用ピンホールには集光光学系の焦点位置を通過した光のみが通過させられる。したがって、検出器には、表皮における散乱光は到達することなく、生体表面から所定の深さ位置に配置されている組織における散乱または透過光のみが検出されることになる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のグルコース濃度測定装置において、前記光照射部が、光源と、該光源からの光を集光させる照明光学系と、該照明光学系の焦点位置近傍に配置され、前記点光源を構成する光源用ピンホールとを備えるグルコース濃度測定装置を提供する。
この発明によれば、光源からの光が照明光学系により集光され、その焦点位置近傍に配置されている光源用ピンホールにより点光源が構成される。光照射部は、この点光源からの光を生体に照射する。点光源を任意な光により構成できるので、例えば、分光した近赤外光からなる点光源を有する共焦点系を構成することが可能となる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のグルコース濃度測定装置において、前記照明光学系が、前記光源からの光から近赤外光を分光する分光装置を備えるグルコース濃度測定装置を提供する。
この発明によれば、分光装置の作動により、光源から分光された近赤外光が生体内に照射される。近赤外光は、血液等のグルコース濃度に応じて所定の波長領域の光の吸収量が変わるので、生体外部へ出射された近赤外光を検出してその波長領域における光量の変化を調べることにより、グルコース濃度を測定することが可能となる。

この発明に係るグルコース濃度測定装置によれば、共焦点光学系を構成することにより、グルコース濃度情報を含む真皮組織からの散乱光のみを検出することが可能となり、Ｓ／Ｎ比を向上して高い精度でグルコース濃度を測定することができるという効果がある。

以下、本発明の一実施形態に係るグルコース濃度測定装置について図面を参照して説明する。
本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１は、図１に示すように、近赤外光を生体Ａ内に照射して、生体Ａ内において散乱された光を検出することにより、生体Ａ内のグルコース濃度を測定する装置であって、近赤外光を発生する照明制御部（光照射部）２と、該照明制御部２から発せられた近赤外光を生体Ａに向けて照射するとともに、生体Ａ内において散乱された光を検出する測定ヘッド３と、該測定ヘッド３によって検出された検出信号に基づいてグルコース濃度を算出する演算部４と、該演算部４において算出されたグルコース濃度を外部に出力する表示部２３とを備えている。

前記照明制御部２は、光源５と、該光源５から発せられた光をコリメートする第１コリメートレンズ６と、コリメートされた光を一定の偏光方向に偏光するポーラライザ７と、入力された高周波の周波数に応じて、ポーラライザ７で偏光された光のうち特定の波長の光（近赤外光）のみをさらに９０°偏光して出射する音響光学可変波長フィルタ（ＡＯＴＦ：Acoust-Optic Tunable Filter、分光装置、以下、ＡＯＴＦという。）８と、該ＡＯＴＦ８に高周波を供給して制御するフィルタ制御部９と、該ＡＯＴＦ８において偏光された特定の波長の光のみを通過させるアナライザ１０と、該アナライザ１０を通過させられた光を集光して前記測定ヘッド３に入射させる第１集光レンズ１１とを備えている。前記光源５は、例えば、ハロゲンランプであるが、キセノンランプ、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプまたはＡＳＥ(Amplified Spontaneous Emission)光源でもよい。

前記フィルタ制御部９は、ＡＯＴＦ８に対して特定の周波数の高周波を供給する。フィルタ制御部９からＡＯＴＦ８に供給される高周波の周波数は、所定の速度で順次変更されるようになっている。また、フィルタ制御部９は、ＡＯＴＦ８に対して高周波を供給するのと同期して、該高周波の周波数に応じてＡＯＴＦ８から出射されている光の波長信号を前記演算部４に供給するようになっている。

前記測定ヘッド３は、前記照明制御部２の第１集光レンズ１１の焦点位置近傍に配置される第１ピンホール（光源用ピンホール）１２と、該第１ピンホール１２から出射された拡散光をコリメートする第２コリメートレンズ１３と、コリメートされた光を集光させる第２集光レンズ１４と、これら第２コリメートレンズ１３と第２集光レンズ１４との間に配置されたハーフミラー１５と、該ハーフミラー１５において反射された光を集光する第３集光レンズ１６と、該第３集光レンズ１６の焦点位置近傍に配置された第２ピンホール（検出用ピンホール）１７と、該第２ピンホール１７から発せられた光を集光する第４集光レンズ１８と、集光された光を検出する検出器１９とを備えている。検出器１９は、例えば、ＰｂＳセンサであるが、ＩｎＧａＡｓセンサでもよい。

これにより、第２集光レンズ１４の焦点位置と、第３集光レンズ１６の焦点位置とは共役な位置関係になっている。したがって、第３集光レンズ１６の焦点位置を通過させられる光は、第２集光レンズ１４の焦点位置での反射散乱光である。つまり、第３集光レンズ１６の焦点位置に第２ピンホール１７が配置されていることにより、共焦点光学系が構成され、検出器１９には、第２集光レンズ１４の焦点位置での反射散乱光のみが検出されるようになっている。
前記第２集光レンズ１４は、測定ヘッド３に着脱可能なアタッチメント２０に取り付けられている。

前記ハーフミラー１５は、第２コリメートレンズ１３によりコリメートされ、第２集光レンズ１４に向かう光を透過させる一方、生体Ａ内において散乱され第２集光レンズ１４を介して戻る光を反射して、第３集光レンズ１６に向かわせるようになっている。前記第２集光レンズ１４の焦点位置は、アタッチメント２０の先端面２０ａから若干、例えば、１ｍｍだけ外方に突出して配置されている。

前記演算部４は、検出器１９からの出力信号を増幅するアンプ２１と、該アンプ２１により増幅された出力信号に基づいてグルコース濃度を算出する演算装置２２とを備えている。
演算装置２２は、アンプ２１から得られた複数の出力信号と、フィルタ制御部９から得られた各出力信号に対応する波長信号とから得られる出力信号のスペクトル分布に基づいて、特定の波長領域、例えば、波長１．５μｍ近傍の領域における出力信号値からグルコース濃度を演算するようになっている。
前記表示部２３は、前記演算装置２２に接続されたディスプレイであって、演算装置２２から出力されたグルコース濃度値を表示するようになっている。

第２集光レンズ１４、ハーフミラー１５、第３集光レンズ１６、第２ピンホール１７、第４集光レンズ１８、検出器１９および演算部４により光検出部が構成されている。

このように構成された本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１を用いて生体Ａ内の体液のグルコース濃度を測定するには、測定ヘッド３の先端に取り付けたアタッチメント２０の先端面２０ａを生体Ａ、例えば、指先の表面に密着させる。なお、測定部位は、指先の他、掌、前腕等でもよい。

この状態で、照明制御部２を作動させることにより、光源５およびＡＯＴＦ８を作動させ、光源５から発せられた光から近赤外光を分光して測定ヘッド３に入射させる。照明制御部２において分光された近赤外光は、第１集光レンズ１１によって集光され、測定ヘッド３に設けた第１ピンホール１２に入射させられる。第１集光レンズ１１は、近赤外光を第１ピンホール１２近傍において焦点を結ぶように配置されているので、第１ピンホール１２に入射させられた光は、第１ピンホール１２の位置に点光源を形成することになる。

第１ピンホール１２の点光源から出射された近赤外光は、第２コリメートレンズ１３を通過させられることによりコリメート光となり、光路上に配置されたハーフミラー１５を透過させられる。そして、コリメート光となった近赤外光は、第２集光レンズ１４によって集光させられる。第２集光レンズ１４の焦点位置がアタッチメント２０の先端面２０ａより１ｍｍ外方に突出して配置されているので、近赤外光は、アタッチメント２０の先端面２０ａに密着させられている生体Ａ表面から、集光途中において生体Ａ内に入射させられて、生体Ａ内において焦点を結ぶことになる。

生体Ａ内に入射された近赤外光は、入射方向に沿って生体Ａ内を進行する間に、生体組織に衝突して拡散される。光は、通過する生体組織や体液の成分に応じて、特定の波長領域の光を吸収される。したがって、生体Ａ内で拡散されることにより生体Ａの表面に戻って生体Ａ外に出射された光は、通過した生体組織や体液に応じた特定の波長領域の光量が低下している。

生体Ａ外に出射された近赤外光は、再度第２集光レンズ１４を通過させられて、コリメート光とされた後に、ハーフミラー１５で反射されることにより光路を９０°曲げられて第３集光レンズ１６により集光される。第３集光レンズ１６の焦点近傍には第２ピンホール１７が配置されており、この焦点位置は前記第２集光レンズ１４の焦点位置と共役の位置関係に配置されているので、第２集光レンズ１４の焦点位置、すなわち、生体Ａ内の深さ１ｍｍの位置での反射散乱光のみが、第２ピンホール１７を通過させられて、検出器１９に検出されることになる。

検出器１９からの出力信号は、演算部４に入力されると、アンプ２１によって増幅された後に演算装置２２に入力される。演算装置２２は、入力された検出器１９からの出力信号と、前記フィルタ制御部９からの波長信号とに基づいて、検出器１９からの出力信号の波長特性を求め、当該波長特性のうち、所定の波長領域、例えば、波長１．５μｍ近傍の領域における出力信号値を求めることにより、生体Ａ内部のグルコース濃度を演算することができる。そして、演算されたグルコース濃度値は、表示部２３に表示されることになる。

この場合において、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１によれば、生体Ａ表面下１ｍｍの位置での反射散乱光のみを第２ピンホール１７に通過させ、他の光が検出器１９に到達しないようになっているので、グルコース濃度の測定に寄与しない表皮領域における散乱光を排除して、真皮領域における散乱光のみを利用することができる。その結果、Ｓ／Ｎ比を向上して、グルコース濃度値を精度よく得ることができる。

なお、上記実施形態においては、ハロゲンランプである光源５から発せられ、ＡＯＴＦ８を通して分光した近赤外光を生体Ａに入射させることとしたが、これに代えて、光源５から発せられた光を分光させることなく直接生体Ａに入射させ、生体Ａ内において散乱され生体Ａ外に出射された光を分光して検出することにしてもよい。

また、照明制御部２によって分光された近赤外光を第１ピンホール１２に通過させることにより点光源を形成したが、これに代えて、第１ピンホール１２の位置に点光源を配置してもよい。

この発明の一実施形態に係るグルコース濃度測定装置の全体構成を示す概略図である。

符号の説明

Ａ 生体
１ グルコース濃度測定装置
２ 照明制御部（光照射部）
３ 測定ヘッド
４ 演算部（演算手段）
５ 光源
８ 音響光学可変波長フィルタ、ＡＯＴＦ（分光装置）
１２ 第１ピンホール（光源用ピンホール）
１４ 第２集光レンズ（集光光学系）
１７ 第２ピンホール（検出用ピンホール）
１９ 検出器

Claims (3)

1. 生体表面に配置されて、生体内に光を照射する光照射部と、
   生体内で拡散あるいは透過した光を生体外部において検出する検出器を有する光検出部とを備え、
   前記光照射部に、点光源と、該点光源からの光を生体表面から所定の深さ位置に集光させる集光光学系とが設けられ、
   前記光検出部が、前記検出器の前段の前記集光光学系による焦点位置と共役な位置に配置される検出用ピンホールを備えるとともに、検出器により検出された受光信号に基づいて生体内のグルコース濃度を求める演算手段を備えるグルコース濃度測定装置。
2. 前記光照射部が、光源と、該光源からの光を集光させる照明光学系と、該照明光学系の焦点位置近傍に配置され、前記点光源を構成する光源用ピンホールとを備える請求項１に記載のグルコース濃度測定装置。
3. 前記照明光学系が、前記光源からの光から近赤外光を分光する分光装置を備える請求項２に記載のグルコース濃度測定装置。

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