JP2005530137A - 組織のインビボ測定のための光学的サンプリング・インターフェイス・システム - Google Patents

Abstract

【課題】 分光手段による光学的組織サンプリング、および、その後の分析対象物質測定中の測定部位におけるサンプリング変動および／または状態のばらつきに起因する誤差を最小化し、そして、補償する光学的サンプリング・インターフェイス・システムを提供すること。
【解決手段】 光学的サンプリング・インターフェイス・システムが、サンプリング変動、および、測定部位の状態のばらつきに起因する誤差を最小化し、そして、補償する。成分には、以下のものが含まれる。光学的プローブを受け取る開口を持つ光学的プローブ設置ガイドが、表面組織に対して最小で反復可能な擾乱しか持たない、組織測定部位の表面への反復可能な設置精度を容易にする。開口は、表面の凹凸による干渉を最小化し、また、サンプルされる組織容積の変動を制御する組織メニスカスを生成する。組織メニスカス上に設置された閉塞要素が、周囲のばらつきからメニスカスを隔離して、その部位における水和、したがって、表面張力を安定化させる。光学的結合媒質が、皮膚表面と光学的プローブとの間のエア・ギャップを排除する。偏り補正要素が、スペクトル測定、および、それに連結する分析対象物質測定に、偏り補正を適用する。ガイドが、置き替えられると、新しい偏り補正が、その新しい設置でなされる測定に対して量定される。システムの個々の成分を、個々に、展開することができる。

Description

本発明は、インビボでの組織の光学的サンプリングに関するものである。より特定的には、本発明は、光学的プローブ設置ガイド、サンプルされる組織を安定化させるための手段、インビボに組織測定部位を反復可能に（反復性高く）サンプルするための光学的結合器、および、測定偏りを補償するための手段を含む光学的サンプリング・インターフェイス・システムに関するものである。

光学に基づくアナライザを用いる組織の性質および分析対象物質のインビボ測定は、組織測定領域を、光学的インターフェイスまたは光学的プローブに関して、位置決めし、そして、結合することを必要とする。そのような設置および結合のための光学的サンプリング・インターフェイス・システムの要件は、考察下の組織の性質および分析対象物質の特質、適用されている光学的技術、および、ターゲット分析対象物質に関する組織の変化性に依存する。しばしば、サンプリングの再現性が、不可欠な場合には、その光学的測定は、その測定に関係する大多数の要因を制御することができる、または、抑制することができる研究所で行なわれる。しかしながら、研究所環境で行うことができないにもかかわらず、なお、高度の光学的サンプル再現性を要求する、多くの要求の厳しいインビボ応用がある。しばしば、相対的に未熟練なオペレータまたはユーザが、光学的測定を行なわなければならない。1つのそのような応用は、近赤外線分光によるブドウ糖の非侵襲的測定である。望みの最終成果が、消費者が種々の環境において用いることができる光学的測定システムである場合には、光学的サンプリングの要件は、厳しい。この問題を、ターゲット応用、生きている（生体の）皮膚の構造、および、生きている組織の動的な性質に関する検討を通じて、さらに、考察する。

ブドウ糖の非侵襲的測定
糖尿病は、世界的に、死および身体障害の主要な原因となっており、推算1600万人の米国人を苦しめている。糖尿病の合併症には、米国経済単独に対して推算された総コストが、1年当たり900億ドルを超える、心臓および腎臓の疾患、失明、神経損傷、および、高血圧が、含まれる。非特許文献1を参照されたい。長期的な臨床研究は、血中ブドウ糖レベルの適切な制御を通じて、合併症の発症を著しく低減することができることを示している。非特許文献2を参照されたい。糖尿病管理の不可欠な要素は、家庭環境における糖尿病患者による血中ブドウ糖レベルの自己モニタリングである。現在のモニタリング技術の重要な欠点は、それらの技術が、分析に先立って皮膚を通して血液を採ることに伴う不便さと痛みによって、常用する気を失わせるということである。したがって、血中ブドウ糖レベルの自己モニタリングのための新しい方法が、糖尿病患者の血中ブドウ糖の、より正確な制御への展望を改善するために必要とされる。

非常に多くのアプローチが、微量透析のような侵襲的方法から、分光に頼る非侵襲的技術までにわたって、血中ブドウ糖レベルの測定のために探求されている。各方法とも、利点と欠点とを連結させているが、極くわずかしか、認定機関から認可を得ていない。現在までのところ、血中ブドウ糖の自己モニタリングのための非侵襲的技術で、認定されているものはない。

1つの方法、近赤外線分光は、近赤外線電磁放射（波長範囲700〜2500 nmの光）による、身体へのスポット照射を伴う。その光は、検出器に、反射されて戻ってくるに先立って、組織の構成成分との、その相互作用にしたがって、部分的に吸収され、部分的に散乱される。検出される光には、入射光の、水、脂肪、蛋白質およびブドウ糖を含む身体組織の成分との既知の相互作用に基づく定量的情報が、含まれている。

近赤外線分光によるブドウ糖の非侵襲的測定のための、以前に報告された方法は、ターゲット組織容積中に表わされる血中ブドウ糖の吸収標識によって引き起こされる光減衰量の検出に頼っている。ターゲット組織容積は、そこから、光が、分光計検出システムに拡散反射される、または、透過される、照射された組織のその部分である。ブドウ糖の吸収による信号は、信号処理の種々の方法、および、1つ以上の数学的モデルを通して、スペクトル測定から抽出される。それらのモデルは、毛細血管（手指先）または静脈血の分析に基づいたスペクトル測定、および、それに連結したレファレンス血中ブドウ糖値の典型的なセット（キャリブレーション・セット）を基としたキャリブレーション・プロセスを通して展開されている。

近赤外線分光は、特定の研究において、血中ブドウ糖レベルの非侵襲的測定のための、可能なアプローチを表わすことが実証されている。非特許文献3は、600〜1300 nmの範囲において、手指を通して拡散透過率を測定するための3つの異なる機器構成を報告している。食事負荷試験が、3人の被験者のブドウ糖レベルにばらつきを与えるために用いられ、毎日毎日、各被験者に特有なキャリブレーション・モデルが、構築されて、交差検証を通じて試験された。絶対平均予測誤差は、19.8〜37.8 mg/dLに及んだ。非特許文献4〜7は、最適化された拡散反射アクセサリを備えた、1111〜1835 nmの範囲における口腔粘膜の拡散反射測定による結果を表している。インビボ検査が、ブドウ糖負荷試験を用いて、単一の糖尿病患者に対して、また、133名の様々な被験者の母集団に対して遂行された。報告された最良の標準予測誤差は、43 mg/dLであり、交差検証を通じて推算された、2日間の単一人の経口ブドウ糖負荷試験から得られた。

非特許文献8〜11は、光ファイバ・プローブによる、右手の中指への、800〜1350 nmの範囲にわたる拡散反射スペクトルを記録した。各検査は、1人の糖尿病被験者を伴い、炭水化物ローディングによって血中ブドウ糖レベルにばらつきを与えて、1日間遂行された。結果が、PLSR（partial least squares regression：部分最小二乗回帰）および動径基底関数ニューラル・ネットワークの両方を用いて、交差検証を通じて、毎日毎日、単一被験者に対して求められた。非特許文献10は、31個のブドウ糖プロファイル上の交差検証を通じて、36 mg/dLの平均の二乗平均測定誤差を報告している。

非特許文献12は、1429〜2000 nmの範囲における舌の透過測定によって、吸光度スペクトルを収集した。5人の糖尿病被験者についての研究が、39日間の期間にわたって、1日当たり5つのサンプルを取り込んで遂行された。5番目のサンプルは、全て、独立した試験セットに用いられ、全被験者の標準予測誤差は、54 mg/dLよりも大きかった。

非特許文献13において、報告されている研究は、修正された、短期間での経口ブドウ糖負荷試験中における血中ブドウ糖の非侵襲的測定を実証している。キャリブレーションは、個々人に対してカスタマイズされ、相対的に短期間で試験された。

これらの研究の全てにおいて、商業製品のような方法を受け入れることに対して影響を与える種々の制約が、言及された。全ての研究に対する基本は、組織の複雑で動的な特質のために、与えられた組織容積の再現性の高いサンプルを得ることが困難であることを考慮すると、特に、ブドウ糖に起因する信号が小さいという問題である。例えば、非特許文献14を参照されたい。そのサンプリング問題は、報告されている研究が、消費者による家庭環境におけるものではなく、熟練した技術を用いた、高度に制御された状態の下で行われたということに注意することによって、さらに、際立つ。その全体が、引用文献として本明細書に組み込まれる特許文献1によって報告されているように、組織サンプルの光学的性質に劇的で非線形の変化を生み出す化学的、構造的、および、生理学的な変動が、生じる。非特許文献15〜22を、参照されたい。

測定は、サンプルの不均質、皮膚の多層構造と、水和レベルに関係する、その急速な変動、組織中の血液の容積分率の変化、ホルモン刺激、温度のばらつき、および、血中分析対象物質レベルによって、さらに、複雑になる。これについては、皮膚の散乱性質、および、組織の動的な特質の検討を通じて、さらに、考察することができる。

人間の皮膚の構造
人間の皮膚の構造および色は、個々人間でも、同じ個人の異なる部位間でも、非常に多様である。皮膚は、層をなした細胞表皮、および、その下の結合組織の真皮から成る。真皮の下には、皮下脂肪層または脂肪組織がある。表皮は、感染と水分の損失とに対するバリアを供給する薄い外層であり、一方、真皮は、機械的な強度と弾性とを供給する厚い内層である。表皮層は、10〜150 mm厚であって、3つの層、即ち、基底層、中間層、および、表面層に分割することができる。基底層は、真皮に接しており、色素を形成するメラニン形成細胞、ケラチン生成細胞、ランゲルハンス細胞、および、メルケル細胞を含んでいる。非特許文献23を参照されたい。表面層は、角質層(SC)としても知られている。

角質層、即ち、哺乳類の表皮の最も外側の層は、表皮の成長能力のある基底層からの、水を含んだケラチン生成細胞のゆっくりとした上向きの移動によって形成され、連続的に補充される。それは、熟年の大人で、約2週ごとに補充される。非特許文献24を参照されたい。不溶性の蛋白質、ケラチンの細胞内の脱水および合成を伴う、この複雑なプロセスは、ケラチンで充填された、生体的に不活性で、縮んだ細胞に帰着する。これらの平らで、脱水された、六角形の細胞は、それらに隣接した細胞にしっかりと結合されており、その各々は、およそ、広さ30 mmで、深さ0.8 mmである。非特許文献25を参照されたい。ほとんどの体表面上に、約12〜20の細胞層がある。角質層は、通常、相対的にかなり厚い、平坦表面上にあるものを除いて、10〜20 mm厚である。非特許文献26を参照されたい。

真皮の主構成成分は、水を除けば、主としてタンパク質とグリコサミノグリカンからなる基質に埋め込まれている繊維状タンパク質、即ち、コラーゲンである。グリコサミノグリカンは、コラーゲン・フィブリルの集合状態、および、水および他の分子に対する組織の透過性（浸透性）を調整する際に中心的な役割を果たす。非特許文献27を参照されたい。コラーゲンは、人体で最も豊かな蛋白質である。エラスチン繊維も、相対的に小さな体積部分しか構成しないが、やはり、豊富である。真皮は、さらに、他の細胞構成成分も含んでおり、そして、何らの血管も、真皮−表皮の接合部を通っていないにも関わらず、非常に豊富に血液が供給される。非特許文献23を参照されたい。血管は、皮膚に栄養を与え、また、体温を制御する。人間においては、真皮の厚さは、まぶたの0.5 mmから、背中の4 mmまでの範囲にあり、そして、身体のほとんどにわたって平均すると、およそ、1.2 mmになる。非特許文献28を参照されたい。

図1は、脂肪を連結させずに削り取った皮膚101、純粋なコラーゲン102、および、牛脂肪103のスペクトル特性のプロットを示している。処理された二次導関数が、脂肪およびコラーゲンの寄与を、主としてコラーゲンと水とから成る、削り取った皮膚と比較するために、用いられている。

光と人間の皮膚との間の相互作用
光ビームが、皮膚表面上に向けられると、その一部が反射される一方、残りの部分が、皮膚に侵入する。反射光エネルギーの比率は、入射角に強く依存する。ほぼ垂直な入射においては、入射ビームの約4％が、空気(

)と乾燥した角質層(

)との間の屈折率の変化のために反射される。垂直入射放射において、角質層の非常に堅くて不規則な表面が、垂直からはずれた入射角を生み出すので、この「鏡面反射」成分は、7 %程度に高くなるかもしれない。皮膚色にかかわらず、正常な皮膚からの、ほぼ垂直ビームの鏡面反射は、250〜3000 nmの全スペクトルにわたって、常に、4〜7 %の間にある。非特許文献29を参照されたい。空気−角質層境界しか、正反射を起こさない。以前の研究からの結果は、ほとんどの柔らかい組織（皮膚、肝臓、心臓など）の屈折率は、ほぼ1.46の屈折率を持つ脂肪組織を除いて、1.38〜1.41の範囲内にあることを示している。非特許文献30を参照されたい。したがって、皮膚の相異なる層間の屈折率のこれらの差は、顕著な反射を与えるには小さすぎる。非特許文献23を参照されたい。この差は、屈折率整合のために、角質層を水和させたときには、なお一層、微小になると予想される。

皮膚に入ってきた入射ビームの93〜96 %は、皮膚のいずれかの層内での吸収または散乱によって減衰する。それら2つのプロセスが、総合して、皮膚への光の侵入、および、皮膚からの散乱光のレミッタンスを本質的に決定する。拡散反射、即ち、レミッタンスは、入射した光放射のうちの、不透明なサンプルから戻される部分として定義される。上述の様々な皮膚構成成分による吸収は、各層内におけるビームのスペクトル吸光の原因になる。散乱は、皮膚による拡散反射に寄与するようにビームを戻すことができる、唯一のプロセスである。散乱は、媒質を構成する小片の物理的特性の差に対応する、媒質の屈折率の差に起因する。散乱光の空間的な分布および強度は、波長に比しての小片のサイズおよび形状、および、媒質と構成成分の小片との間の屈折率の差に依存する。

生体組織の散乱係数は、間質液の濃度、構造繊維(structural fibers)の密度、および、細胞構造の形状およびサイズを含む、多くの制御し難い要因に依存する。コラーゲン繊維による散乱は、真皮内への光放射の侵入を決定する主要な重要事項である。非特許文献31を参照されたい。媒質の拡散能が、大きければ大きいほど、多重内部反射に関係する吸収が、より大きくなる。したがって、同じ人間の異なる部位、または、異なる人間の同じ部位から測定された反射率値は、ターゲット吸収体が、同じ濃度に存在するときでさえ、相当に異なることがある。これらの差は、性別、年令、遺伝、疾患、および、ライフスタイル差による外生要因に起因すると考えることができる。例えば、人間の皮膚の厚さは、女性よりも男性において、より厚く、一方、皮下脂肪の厚さは、女性において、より厚いことが知られている。同じグループが、真皮におけるコラーゲン密度、フィブリルの充填が、女性よりも男性の前腕において、より高いと報告している。非特許文献32を参照されたい。

皮膚の動的性質
皮膚の性質の知識および利用、高い機器感度、および、固有の非線形に対する補償は、非侵襲的組織分析対象物質測定への非侵襲的技術の応用にとって、極めて重要であるが、皮膚組織の性質に時間依存変化を導く生体的および化学的なメカニズムについての理解も、同様に、重要でありながら、大部分、無視されている。与えられた測定部位において、皮膚組織は、しばしば、ターゲット分析対象物質、および、他の干渉（妨害）種の変化を除いて、静的であると仮定される。しかしながら、組織の生理状態および液分布の変動は、相対的に短期間で、組織層および組織区分の光学的性質に深い影響を与える。そのような変動は、しばしば、水分移動を通しての液区分均一化によって支配され、水和レベル、および、血中分析対象物質レベルの変化に関係する。

総体内水は、平均的な人間の重量の60%を超える割合を占めて、2つの主な区分：細胞内液（総体内水の3分の2）と細胞外液（総体内水の3分の1）との間に分布する。非特許文献33を参照されたい。細胞外液は、次に、間質液（血管外）と血漿（血管内）とに分割される。透水性脂質膜が、区画を分離し、そして、その膜を通して、水および他の分析対象物質の濃度を均一化するために、水が、拡散プロセスを通じて、それらの区画の間に急速に送られる。1つの区画から別の区画への正味の水の流れが、浸透プロセスを構成し、また、浸透を防ぐのに必要な圧力の大きさが、浸透圧と名付けられる。静的な生理状態の下では、液区画は、平衡している。しかしながら、水の摂取または損失の結果としての正味の液の獲得または損失中に、全ての区画が、それに比例して、水を獲得または損失して、一定の相対容積を維持する。

組織によって必要とされる血清に含まれる物質、例えば、水およびブドウ糖を分配するための重要なメカニズムは、拡散プロセスを通じてである。Fickの拡散法則が、短期間で血管内／血管外液区画を平衡させることを理解することができる。血管内区画から血管外区画への水、および、他の分析対象物質の移動は、水、および、ブドウ糖を含む他の構成成分の分子が、一定の熱運動において、毛細血管壁を通ってあちこちに拡散するから、急速に生じる。平均して、水分子が、毛細血管膜を通して拡散する速度は、血漿自身が、毛細血管に沿って直線的に流れる速度よりも約80倍高い。Fickの法則の表現では、実際の拡散流 I _OAは、次式にしたがって、2つの区画の間の濃度勾配

、および、分子の拡散率 D _Aに比例する。

(1)
血中ブドウ糖濃度の短期間の増加（または減少）は、血液のオスモル濃度（水の単位質量当りの分子の数）の増加（または減少）に導く。したがって、液は、急速に再分布して、各身体区画の水濃度の変化に帰着する。高血糖の場合には、浸透効果が、血管外の水を、ブドウ糖濃度が相対的に高い血管内スペース区画に移動させる。同時に、ブドウ糖が、2つの区画のオスモル濃度を平衡させるために、血管内スペースから血管外区画に輸送される。これと反対に、血中ブドウ糖濃度の減少は、ブドウ糖を、血管外スペースから血管内スペースに移動させるとともに、水を、血管内区画から血管外スペースに移動させる。

細胞膜は、ほとんどの溶質を、相対的に通さない（浸透させない）が、水を高度に通すから、細胞膜の片側に、相対的に高い濃度の溶質が存在するときには常に、水が、その膜を横切って、相対的に高い溶質濃度の領域に拡散する。大きな浸透圧が、細胞外液の溶質濃度の比較的小さな変化によって、細胞膜を横切って発現することができる。その結果、ブドウ糖のような、細胞外液中の非透過性の溶質の濃度の比較的小さな変化が、細胞容積に、非常に大きな変化を引き起こすことができる。

サンプリング誤差
血中ブドウ糖濃度のような、組織の性質および分析対象物質の非侵襲的測定に、NIR分光法を使用することができる。上述の特許文献1は、NIR分光分析を用いて、インビボで血中ブドウ糖濃度を非侵襲的に予測するためのシステムについて記述している。そのようなNIR分光に基づく方法は、同じ組織容積の、インビボに反復される光学的サンプルを用いて展開されるキャリブレーションを利用する。それらの連続する測定は、使用可能なキャリブレーションを生み出すために、十分に反復性の高いスペクトルを与えなければならない。本明細書に記述されているように、生きている人間の皮膚の種々雑多で動的な特質は、インビボ測定において、サンプリングを不確実にする。組織の変動しやすい化学的組成および光散乱性質は、サンプリング差を発生させることができる。一例として：ブドウ糖は、組織内に一様に分布していないから、たとえ、組織中または血液中のブドウ糖濃度が、一定のままでも、サンプルされた組織容積の変動は、ブドウ糖信号強度の変動に導くであろう。測定表面部位においてサンプルするために用いられる光学的プローブを反復して設置する際の変動は、2つの別々の仕方で、サンプリング誤差に導くことができる。第一に、プローブの場所の変動は、異なる組織容積をサンプルさせることができ、そして、第二に、プローブによって組織に加えられる圧力の大きさの変動は、組織による光学的散乱を変え、それによって、サンプルされる組織容積を変化させることができる。光学的サンプリングの変化は、たとえ、血液中または組織中のターゲット分析対象物質の濃度が変化しないままであっても、そのターゲット分析対象物質のスペクトル信号を変動させることがある。さらに、光学的プローブの表面と、サンプルされる組織の表面との間のエア・ギャップは、変動しやすい表面反射を起こす。変動しやすい表面反射は、組織への変動しやすい光進入に導き、それは、次に、スペクトル測定の非線形特質の増大を起こす。変動しやすい非線形測定をキャリブレートすることが非常に困難であるのは確かである。

光学的プローブをガイドして、結合するための種々のシステムが、知られている。例えば、特許文献2および特許文献3は、ともに、光ファイバのケーブルまたは細線が縦方向に通されるフェルールを利用する光ファイバ・プローブ・ガイドを開示している。両デバイスとも、光ファイバケーブルまたは細線を、医療機器の種々の形状のレセプタクル、または、他の光ファイバのケーブルに結合するコネクタである。どちらのデバイスも、光ファイバ・プローブを、組織測定部位に反復可能に結合するための手段を備えていない。

特許文献4は、手術プロセスまたは診断プロセス中に、心臓マッピングおよびアブレーション・プローブを、心室にガイドするカテーテルおよびガイド・シースを使用するシステムについて記述している。特許文献4の教示は、心臓の手術方法に向けられており、インビボでの組織の光学的サンプリングと全く関係がない。さらに、特許文献4の装置は、光学的プローブを、組織測定部位に反復可能に結合するのに適していない。

特許文献5は、アセンブリ・プロセス中に2つの成分をアラインさせるための、レーザのような照射デバイスを用いる方法について記述している。特許文献5の教示は、インビボでの組織の光学的サンプリングではなくて、製造プロセスに向けられている。特許文献5のデバイスは、プローブ・ガイドを、組織測定部位に反復可能に設置するための如何なる手段も備えていない。それは、さらに、組織測定部位の表面温度をモニタする方策も、組織測定部位の表面温度のばらつき、および、水分の蓄積を最小化する方策も持たない。

特許文献6は、光ファイバを、望みの角度位置に位置決めするために、フレームに結合される光ファイバ支持物を開示している。前述の従来技術の場合と同様に、特許文献6の教示は、インビボでの組織の光学的サンプリングと全く関係がない。さらに、開示されているデバイスは、オペレータが、光ファイバを、それが固定位置に維持されるように動けなくすることを可能にするが、光ファイバ・プローブを、組織測定部位に反復可能に結合する手段を提示しない。それは、また、組織測定部位の表面温度をモニタする方策も、その部位における、蓄積される水分および温度のばらつきを最小化する方策も持たない。

特許文献7は、分光分析中、センサ・プローブと皮膚表面との間のインターフェイスを改善するための屈折率整合媒質を開示している。特許文献7は、ペルフルオロカーボンとクロロフルオロカーボンとを含む媒質を教示している。それらは、有名な発癌物質であるから、クロロフルオロカーボン(CFC)は、生きている組織に用いられる調合剤に用いるのには不適当である。さらに、CFCの使用は、周知の環境上の危険をもたらす。それに加えて、特許文献7のインターフェイス媒質は、分光測定中に人工産物を残すと思われる物質で処方されている。

したがって、当業技術には、組織分析対象物質を測定するための非侵襲的キャリブレーションの展開に必要な、正確な光学的サンプリングを達成する手段の必要性が存在する。非侵襲的測定中に光学的サンプリングを制御する問題の解決のためには、生きている組織、とりわけ、皮膚の構造特性および動的性質によってもたらされる、以下のいくつかの難問に取り組む必要がある。

・ 表面組織の表面結合と表面伸張における光学収差による表面反射を制御すること。
・ 不正確な設置による、サンプルされる組織容積の変動、および、サンプリング容積を不確かにする、真皮コラーゲンの変動しやすい伸張を制御すること。
・ 器械または設置ガイドから測定部位の周辺のエリアにかかる圧力に起因する、組織内の水のたまりに関連する測定偏りを補正すること。
・ 表面組織の水和を安定化させること。

組織のインビボ光学的サンプリングのために、組織測定部位に光学的プローブを結合する、光学的プローブのための設置ガイドを備えることが望ましい。さらに、同じ組織サンプル容積を、反復可能にサンプルすることができることを確実にし、それによって、機械的な組織の歪みおよびプローブ設置によるサンプリング誤差を排除する手段を備えることが望ましい。さらに、組織測定部位における温度のばらつきを最小化し、また、角質層の含水量を安定化する方策を備えて、それによって、さらなるサンプリング誤差源を排除することが望ましい。さらに、光学的プローブと、組織測定部位の皮膚との間に、無毒で、無刺激性であって、分光測定に誤差を導入しない一定のインターフェイスを備えるために、光学的結合媒質を備えることも非常に有利である。それに加えて、組織測定部位の表面温度をモニタする手段を備えて、その結果、温度が、反復される光学的サンプルの全部にわたって一定のままであることを確実にすることも有利である。最後に、設置ガイドを測定部位に取り付けるために用いられる機械的な取り付けプロセスに内在する不確実さに起因する組織サンプリングの偏りを補正するための手段を備えることも有利である。

米国特許第6,280,381号明細書 米国特許第5,548,674号明細書 米国特許第5,661,843号明細書 米国特許第5,636,634号明細書 米国特許第5,956,150号明細書 米国特許第5,448,662号明細書 米国特許第5,655,530号明細書 米国国立衛生研究所「Diabetes Statistics（糖尿病統計資料）」メリーランド州ベセスダ 1997年11月 N. Eng. J. of Med. 1993年 329巻 977-986頁 Clin. Chem. 1992年 38巻 1618-1622頁 Artif. Org. 1994年 18巻 439-447頁 SPIE Proc. 1994年 2089巻 114-115頁 Appl. Spectrosc. 1993年 47巻 875-881頁 Applied Optics 1995年 34巻4号 610-621頁 Z. Phys. Chem. 1995年 191S巻 179-190頁 Fresenius J. Anal. Chem. 1997年 359巻 78-82頁 LEOS Newsletter 1998年 12巻2号 9-11頁 Int. J. Artif. Organs 1997年 20巻 285-290頁 J. Burmeister, M. Arnold, G. Small「Human noninvasive measurement of glucose using near infrared spectroscopy [abstract]（近赤外線分光を用いた、人間のブドウ糖の非侵襲的測定［要約］）」Pittcon ニューオリンズ ルイジアナ州 1998年 IEEE Lasers and Electro-Optics Society Newsletter 1999年10月 13巻 5頁 Clin. Chem. 1999年 45巻 165-177頁 Journal of Investigative Dermatology 1981年 7巻1号 13-19頁 IEEE Journal of Quantum Electronics 1990年12月 26巻12号 2166-2185頁 SPIE 1993年 1888巻 10-21頁 The American Journal of Clinical Nutrition 1984年12月 40巻 1123-1140頁 Journal of Biomedical Optics 1996年10月 1巻4号 418-424頁 Applied Optics 1989年6月 28巻12号 2216-2222頁 IEEE Transactions on Biomedical Engineering 1989年12月 36巻12号 1146-1154頁 IEEE Journal of Quantum Electronics 26巻12号 2186-2199頁 A. Rook, D. Wilkinson, F. Ebling編「Textbook of Dermatology（皮膚科学教本）」内のF. Ebling著「The normal skin（正常な皮膚）」第3版 Blackwell Scientific Publishers オックスフォード 英国 1979年 5-30頁 W. Montagna著「The Structure and Function of Skin（皮膚の構造および機能）」第2版 Academic Press ニューヨーク 1961年 454頁 A. Rook, D. Wilkinson, F. Ebling編「Textbook of Dermatology（皮膚科学教本）」内のH. Baker著「The skin as a barrier（バリアとしての皮膚）」第3版 Blackwell Scientific Publishers オックスフォード 英国 1979年 5-30頁 W. Montagna, W. Lobitz編「The Epidermis（表皮）」内のA. Kligman著「The Biology of the stratum corneum（角質層の生体学）」Academic Press ニューヨーク 1964年 387-433頁 Acta. Ophthalmol. 1990年 69巻 304-306頁 Phys. Med. Biol. 1988年 33巻 894-897頁 J. Soc. Cosmet. Chem. 1964年 15巻 111-122頁 J. Parrish, R. Anderson, F. Urbach, D. Pitts「UV-A: Biologic Effects of Ultraviolet Radiation with Emphasis on Human Responses to Longwave Ultraviolet（UV-A：長波長紫外線に対する人間の反応に重点を置いた紫外線放射の生体的効果）」Plenum Press ニューヨーク 1978年 Appl. Opt. 1989年 28巻 2297-2303頁 Br. J. Dermatol. 1975年 93巻 639-643頁 A. Guyton, J. Hall「Textbook of Medical of Physiology（生理学医療教本）」第9版 W.B. Saunders Company フィラデルフィア 1996年 L. Ljung「Systems Identification: Theory for the User（システム同定：ユーザのための理論）」第2版 Prentice Hall 1999年 N. Draper, H. Smith「Applied Regression Analysis（応用回帰分析）」第2版 John Wiley and Sons ニューヨーク 1981年 H. Martens, T. Naes「Multivariate Calibration（多変量キャリブレーション）」John Wiley and Sons ニューヨーク 1989年 Analytica Chimica Acta 1986年 185巻 1-17頁 S. Haykin「Neural Networks: A Comprehensive Foundation（ニューラル・ネットワーク：包括的基礎）」Prentice Hall アッパーサドルリバー ニュージャージー州 1994年

本発明は、分光手段による光学的組織サンプリング中、および、その後の分析対象物質測定中の測定部位におけるサンプリング変動および／または状態のばらつきに起因する誤差を最小化し、そして、補償する光学的サンプリング・インターフェイス・システムを提供する。

光学的プローブ設置ガイドが、最小で反復可能な程度の組織の歪みおよび変位しか持たない、組織測定部位の表面の反復可能な場所精度を容易にする。そのプローブ設置ガイドの主要な構造成分は、使用中に光学的プローブを受け取る開口を持つマウントである。複数の測定の間で、プローブ設置精度を改善することに加えて、ガイド開口は、ガイド接着表面と、ガイドのいずれの部分も組織と接触しないガイド開口とにおける接触圧力の相対差のためにガイド開口内の表皮に水がたまることによって生成される組織メニスカス（組織の半月状のふくらみ）の形成を誘起する。組織メニスカスの形成は、表面の凹凸による干渉を最小化し、また、サンプルされる組織容積の変動を制御する。

組織メニスカス上に設置された閉塞要素が、周囲のばらつきから組織メニスカスを隔離し、したがって、組織メニスカスの水和の程度を安定化させ、それによって、組織メニスカスの表面張力を安定化させる。組織測定部位の表面組織上に置かれた光学的結合媒質が、皮膚表面と光学的プローブとの間のエア・ギャップによるサンプリング誤差を排除する。

測定および偏り補正要素が、スペクトル測定、および、それに連結する分析対象物質測定に、偏り補正を適用する。そのような偏り補正は、一ガイド設置中に取り入れられる全てのデータに対して、全く同じに行なわれる。ガイドが、取り除かれて、置き替えられると、新しい偏り補正が、第2のガイド設置で取り入れられる、その後の全てのデータに対して量定される。

それに加えて、本発明のシステムの個々の要素の各々は、種々の測定誤差源を阻止するための独立した解決策として、個々に、展開することができる。したがって、プローブ設置ガイドは、システムの他の要素と独立に、サンプリング誤差に十分の減少をもたらす。閉塞要素は、測定部位の表面の状態のばらつきによる測定誤差に十分の減少をもたらす。そして、補正アルゴリズムを、システムの他の要素を欠くセッティングにおいて、スペクトル測定に適用することができる。

生きている組織の分光分析において、光学的プローブを用いて、同じ組織容積を、光学的に反復してサンプルすることが、しばしば、必要である（例えば、1つ以上の組織分析対象物質を測定するための非侵襲的キャリブレーションを展開する間、そして、その後、実際の分析対象物質測定のための測定を行うとき）。光学的プローブを、前の測定に用いられた、その正確な場所に反復して設置する困難さのために、および、同じほんのわずかの程度の組織の歪みおよび変位しか、反復可能に、生み出さないことの難しさのために、サンプリング誤差が、それらの測定において導入されうる。反復されるプローブ接触事象に起因するプローブの場所の各小さな変動、または、圧力量の変動によって、わずかに異なる組織容積が、サンプルされ、それによって、サンプリング誤差が、それらの測定に導入される。本発明は、サンプリング誤差の原因となる要因を排除する、または、最小化する光学的サンプリング・インターフェイス・システムを提供する。

プローブ設置ガイド
ターゲット組織測定部位に高度に反復可能にプローブを設置する目標を達成するために、組織部位に取り除き可能に取り付けられる光学的プローブ設置ガイドの使用を通して、ターゲット組織容積の優れたサンプリング精度を備えたシステムが、本明細書において記述される。そのガイドの主要な特性は、特定の組織容積が、光学系によって正確にサンプルされるように、そのガイドが、光学的プローブに関して、ターゲット組織容積の場所を位置合わせするための手段を備えているということである。位置合わせとは、組織上のターゲット場所に関する、光学的プローブの位置についてのフィード・バックを供給することを指す。ガイドと光学的プローブとの間の位置合わせ手段は、機械的でも、光学的でも、電気的でも、磁気的でもよい。それに加えて、ガイドは、光学的プローブを受け取る開口を含んでいる。その開口は、次のものを含む、いくつかの目的に役立つ。

・ 機械的な位置合わせ点。
・ 安定した組織メニスカスを生成するための手段。
・ 測定部位の組織の表面状態が、測定の合間に安定化できるように、閉塞プラグを受け取るための開口部。

図2に示される好適な一実施例において、ガイド200は、楕円形であり、サンプルされる組織部位の表面、例えば、前腕の手のひら（たなごころに相当する）側の表面または背側の表面、に近似するように、その輪郭がつけられている。しかしながら、他の形状が、手、耳たぶ、脚、腹、上腕領域、および、手指のような身体の他の場所に対しては、用いられる。ガイドの設計は、サンプルされる組織部位に、大きな機械的エネルギーを加えることのない、快適で目立たない使用を可能にするように意図される。現実施例においては、ガイドは、硬質ポリマからできており、安定した組織メニスカスの生成を可能にする。しかしながら、軽金属のような、剛性と軽量との必要な組合せを備えた他の物質も、好適である。

組織部位へのガイドの取り付けは、ガイド200の接触面上の接着層201によってもよい。接着層は、製造時に塗ってもよいし、使用に先立ってガイドに塗ってもよい。一般に、接着剤が、ガイドの全接触面、即ち、組織測定部位に隣接して、それを囲んでいる皮膚エリアに接するガイドのその表面をカバーしている。それに加えて、ストラップ、吸着、または、腕バンドのような、他の取り付け手段も、好適である。ガイドは、測定期間の初めに、組織部位に取り付けられる。通常、この期間は、前に用いられたガイドが取り除かれてしまった後の特定の日の始めである。好適な一実施例において、取り付け方法は、接着層を、適所に塗って、むき出しにして、非侵襲的測定デバイス上に、ガイド200を設置することである。その後、組織測定部位が、腕受け台、または、ひじおよび手首支持体によって粗く位置合わせされて、ガイド上に設置される。この第1の設置中に、ガイドは、組織部位に貼られるようになる。

ガイド200は、機器から腕に送られる機械的エネルギーを、測定部位のまわりの、より大きなエリアにわたって分散させる。しかしながら、変形または移動を受けやすい身体の部分を伴う適用においては、ガイドは、測定部位の安定化、および、ターゲット組織容積に過度の力を印加することなく、下層組織の変形をもたらす、可塑性ポリマのような、可塑性材料から成ってもよい。

ガイドは、光学的プローブを受け取る開口202を持っている。光学的プローブとガイド開口202とのサイズおよび形状は、光学的プローブが、ガイドによって受け取られるとき、それが、ぴったりと嵌合して、組織測定部位に関して、x-y平面で機械的な位置合わせがもたらされるように、互いに適合している。組織への光学的プローブの過剰な侵入を回避し、光学的プローブと組織との間に反復可能な圧力を促進するために、ガイドおよび光学的プローブは、組織への光学的プローブの侵入（z方向）を制限して、制御する機械的ストップ203を備えている。組織の重量が、機械的ストップ203を通して光学的プローブに送られ、それによって、組織測定部位における圧力が、減少する。

ガイドは、任意選択の温度プローブ挿入のためのスロット208を備えている。この形態は、皮膚温度のモニタのためのキャリブレーション段階中に、特に、有用である。

測定部位の閉塞
組織部位が、光学的プローブにインターフェイスしていないとき、閉塞プラグ204が、通常、開口202に挿入される。閉塞プラグは、光学的プローブと同じ程度まで開口に侵入し、その結果、光学的プローブの接触エネルギーを模造することによって、安定した組織状態を生成する。前に検討したように、閉塞プラグは、水和バリアをもたらす物質からできており、それによって、角質層の十分で安定した水和を促進する。好適な一実施例において、このプラグは、ガイドと同じ物質からできており、また、組織部位への侵入を制御するための機械的なストップ205を持っている。開口内に挿入されるプラグの部分206のサイズは、ガイド開口202によって受け取られる光学的プローブの部分に合致する。ガイドへのプラグの取り付けは、ガイド・アセンブリとプラグ・アセンブリとの両方に据えられた1つ以上の磁石207の使用によってもよい。しかしながら、VELCRO（マジックテープ）、接着剤、および、スナップのような、他の取り付け方法を、用いてもよい。それに代えて、プラグを、弾性的な性質の物質から構成して、それを、ガイド開口に、きつく嵌合させることによって、適所に維持させてもよい。さらに、プラグは、セロファンのような疎水性の物質であってもよい。

前述のことから、当業者であれば誰でも、本光学的サンプリング・システムの1つの重要な態様は、光学的信号の増大、サンプル再現性、および、表面反射の抑制のために、測定部位の表面組織の水和の最適レベルを維持することであることを認識するであろう。前述のように、水和メカニズムの好適な一実施例は、経皮水分蒸散(TEWL)の閉塞ブロッケージによるものである。このブロッケージは、内部組織から拡散してくる水を角質層に閉じ込めるから、定常状態の水和を確実にする。高い水和レベルの達成は、この経皮水分蒸散に推進力を与える水濃度勾配を減少させる。したがって、上述の閉塞プラグは、測定の合間の期間中、ガイド開口にぴったりと嵌合して、ガイド開口内の組織を、経皮水分蒸散、および、角質層の水和状態に影響を及ぼすことが知られている温度および湿度の環境効果から隔離するように作用する。この記述したばかりの好適な一実施例に加えて、代替の一実施例において、測定部位のまわりを、可塑性ポリマ・シート（閉塞パッチ）で包んだ状態を用いて、閉塞によって高度に水和された状態を達成してもよい。

本発明の精神および範囲と一致する、角質層の水和を維持する問題に対する他の解決法は、以下のものを含めて可能であるが、それらに限定されることはない。

・ 測定のためのターゲット部位をカバーするように構成されたラップまたはパッチの形状の防湿材または半透膜（例えば、切手アルバムの透明なポケットとして、W. L. Gore and Associates（ニューアーク、デラウェア州）によって製造されたGORE-TEX）。この最後の実施例において、「パッチ」が、接着剤、または、ストラップまたはラップのような他の取り付けメカニズムによって、組織部位に貼り付けられる。
・ 角質層の水和のための非閉塞メカニズムを、以下のものを含んで、さらに、用いてもよい。
・ 空気圧によって、皮膚に送り込まれる水の印加。
・ 外的作用によって生じる閉塞(passive occlusion)を加速する超音波エネルギーの印加。
・ 乾燥した外部皮膚層に、水および溶質を送り込むのに役立つ化粧水、および、アルファ・ハイドロキシ酸溶液のような、他の水／溶質混合液の局部印加。
・ 表面の水和の改善に導く測定部位の局所的血行を高める、および／または、刺激する局部無痛性処方。

角質層の水和を達成するためのメカニズムを、処理を結合して用いてもよい。例えば、化粧水溶液、または、超音波エネルギー印加を、閉塞プラグと組み合わせて用いてもよい。

初期測定が、なされた後、上述のように、その後の測定が、単純に、組織部位を、非侵襲的測定デバイス上に置き（閉塞プラグを除去した後で）、ガイドが機械的な位置合わせをするにまかせることによって、なされる。光学的組織測定が、行なわれた後、組織が、デバイスから取り去られ、閉塞プラグが、再挿入される。

光学的位置合わせ
代替の一実施例において、ガイドは、光学的位置合わせのための手段を備えている。この実施例においては、反射体、または、受光素子が、ガイド上に設置される。その光学的プローブアセンブリは、ガイドの位置を、二次元または三次元のいずれかで、正確に算定することを可能にする光源、および、いくつかの検出器を備えている。第1の構成においては、二次元(x, y)が、算定され、また、機械的ストップが、第3の次元を制御するために用いられる。第2の構成においては、ガイドの場所が、三次元(x, y, z)全てにおいて、光学的に算定される。ガイドの位置は、ターゲット組織容積に関して一定であるから、その位置算定は、光学的プローブに関して、ターゲット組織容積の場所に関する正確な情報を供給する。そのような算定によって供給される位置合わせ情報が、以下の手段のいずれかを通して、組織部位を、光学的プローブ上に置くために、または、その逆のために用いられる。

・ オペレータまたはユーザが、どのように、光学的プローブに関して、組織部位を移動させるかを示す、視覚的または聴覚的な信号が与えられる。
・ 機械的な位置決めシステムが、光学的プローブに関して、組織測定部位を位置決めするために用いられる。
・ 機械的な位置決めシステムが、組織測定部位上に、光学的プローブを位置決めするために用いられる。

当業者であれば、組織測定部位に関して、ガイドの場所を算定するために、磁気検知システムも容易に応用することができることを認識するであろう。

複数の測定間で、プローブ設置事象の精度を改善することに加えて、ガイド開口は、組織メニスカス、即ち、光学的プローブの開口中への組織の上向きのふくらみの形成を誘起する。組織メニスカス、即ち、ガイド接着表面とガイド開口とにおける接触圧力の相対的な差に起因するガイド開口中の皮膚表面下の水のたまりは、組織へのプローブの侵入の制限をもたらすのみならず、非常に迎合的で、エネルギーを吸収する接触事象を保証する。

開口内の組織内部の静水圧は、むき出しの（ガイドのない）組織サンプルの静水圧よりも高い。この増加した静水圧は、プローブが組織に接触するときに、組織に送られるエネルギーを吸収し、それによって、真皮のコラーゲン組織に生じる歪みを制限する。真皮のコラーゲンの歪みは、組織の光学特性に、したがって、サンプルされる組織容積に強い効果を持つ。その補正を達成するために、光学的プローブの終端は、光学的プローブが完全に設置されたとき、組織測定部位の接触面の端とそろうべきである。

光学的結合媒質
光学的プローブと、組織測定部位の皮膚表面との間のインターフェイスも、重要なサンプリング誤差源となる場合がある。下層組織が、均一でないから、組織測定部位の表皮は、間隔の狭い凹凸を持って、平らでない。光学的プローブの相対的に滑らかな表面を、凹凸のある皮膚表面に結合させると、エア・ギャップが、それらの2つの表面の間に生じる。それらのエア・ギャップは、2つの表面間に、組織の光学的サンプリング中、測定に悪影響を与えるインターフェイスを生成する。図4に示されるように、光学的プローブ402と、組織測定部位400の皮膚との間の、光学的結合液401のような、ある量の光学的結合媒質が、そのようなギャップを解消する。

光学的結合液は、以下のようであるのが好ましい。
・ スペクトル的に感度を持たない。
・ 無刺激かつ無毒である。
・ 良好な表面被覆性質を得るために、低粘性を持っている。
・ 反復適用における皮膚からの脂肪酸および油の浸出に関して、溶解力に乏しいという性質を持つ。

ペルフルオロカーボンと呼ばれる化合物、炭素原子とフッ素原子しか含まない化合物のクラスから、有効な光学的結合液の成分を選択することによって、そのような特性を達成することが可能である。鎖長を、20個未満の炭素に名目的に制限することによって、必要な粘性特性を持つ分子が、得られる。ペルフルオロカーボン結合液に含まれる分子種は、分枝鎖構造を含んでもよいし、直鎖構造を含んでもよい。多分散ペルフルオロカーボンとして結合液に含まれる、小さなペルフルオロカーボン分子の混合液は、製造コストを低く維持すると同時に、必要な特性を備えている。

好適な一実施例において、光学的結合液は、3M Corporationによって製造されているFC-40およびFC-70として知られているようなペルフルオロ化合物である。そのような化合物は、近赤外線領域において感度を持たず、そのことは、それらの化合物を、近赤外線スペクトルを使用する光学的サンプリング処理に、特別に非常に適したものとする。それに加えて、それらは、無毒かつ無刺激であるという長所を持っている。したがって、それらは、生きている被験者に重大な健康上の危険をもたらすことなく、長期間でも、生きている組織と直接接触することができる。さらに、このタイプのペルフルオロ化合物は、疎水性であり、かつ、溶解力に乏しい。したがって、それらは、光学的サンプリング中に、結果に悪影響を与える水、または、他の混入物質を吸収する見込みはない。光学的サンプリング液は、光学的サンプルに人工産物を導入するであろうアルコールまたは洗剤のような他の物質を加えることなく処方することが望ましい。最後に、ペルフルオロ化合物の並外れた安定性は、クロロフルオロカーボンに一般的に連結する環境上の危険を解消する。

さらに、ペルフルオロカーボンおよびクロロフルオロカーボンを含んでいる他の液組成も、光学的結合液として好適である。例えば、90%の高分子クロロトリフルオロエチレンと、10%の他のフルオロカーボンとの混合物は、望ましい光学特性を持つ。クロロトリフルオロエテンを用いることもできる。これらの組成は、望ましい光学的特性を持っているが、それらの毒性プロファイル、および、それらの溶解力のある特性が、それらを、前述のペルフルオロ化合物ほど望ましくはないものにしている。

それに加えて、他の液体媒質、例えば、化粧水溶液またはアルファ・ハイドロキシ酸溶液、が、光学的プローブの組織測定部位への結合に好適である。

使用中、ある量の光学的サンプリング液が、組織測定部位と光ファイバ・プローブとのインターフェイスに設置され、その結果、組織測定部位と光ファイバ・プローブとが、その2つの表面間に如何なるエア・ギャップも残さずに、光学的に強く結合することができる。実際には、組織測定部位とプローブとの間のインターフェイスに、そのような量の光学的サンプリング液を設置する1つの好都合な仕方は、光ファイバ・プローブにそれを設置するほうが、より簡単であるけれども、光ファイバ・プローブを設置するのに先立って、皮膚表面に、少量の液を設置することである。

さらに、近赤外線に中性である（感度を持たない）という、必要な光学的特性を持つ、いくつかの非液体媒質も、光学的結合媒質として好適である（例えば、特に、前述の液体媒質の1つと組み合わせて用いたときに、プローブと測定部位の表面との間にはさまれたGORE-TEX膜）。

偏り補正
最後に、ガイド取り付けによってもたらされるメニスカスのサイズの変動を補償するために、測定に偏り補正をなすのが好ましい。これらの偏り補正は、処理されたスペクトル測定、および、予測の直前の、予測される分析対象物質値に適用される。

ガイド装置に連結する偏り補正システム300の一実施例が、図3に要約されている。非侵襲的測定システム301が、「組織測定」(302)

を提供する。ここで、Nは、測定の次元に相当する。好適な一実施例において、mは、波長範囲（例えば、700〜2500 nm）から選択されたN個の波長（または、波長範囲、または、選択された（複数の）波長）における強度によって表わされる、組織サンプルの強度スペクトルのことを言う。好適な一実施例において、バックグラウンドまたはレファレンス m _oが、次の計算にしたがって、組織測定を標準化または正規化するために用いられる。

(2)
ここで、m _oは、サンプルに入射する光の推算であり、mは、検出される光の強度スペクトルであり、また、aは、入射光の、身体組織の成分との既知の相互作用に基づく定量的情報を含んでいる吸光度スペクトルと類似である。それに代えて、組織測定 mを、aの代わりに、直接用いることができる。

標準化された組織測定 aに、雑音を減衰させ、かつ、表面反射、組織容積の歪みおよび機器効果に関連する干渉を減少させるための前処理303を行って、処理された組織測定 xを生み出すのが好ましい。好適な一実施例において、前処理ステップには、一次導関数の計算、関心を寄せている分析対象物質に特定の特定波長および特定波長領域の選択、および、散乱補正（例えば、MSC(multiplicative scatter correction)）が含まれる。

偏り補正ステップ304が、次式による、前処理済みの推算された組織バックグラウンド−組織テンプレート305と、xとの差の量定を通して、上に定義した前処理ステップに続く。

(3)
ここで、xは、前処理された組織測定、即ち、選択された特徴セットであり、x _iは、推算されたバックグラウンド、即ち、現在のガイド設置に連結した組織テンプレートであり、cおよびdは、組織テンプレートに対する勾配修正および切片修正である。各ガイド設置の後、組織テンプレート305が、1つ以上の組織測定（前処理後の）、および、データ選択基準（例えば、互いに極めて似ている組織測定だけを選択して、それらを平均することによって）を通して、量定される。好適な一実施例において、zが、ガイドの設置、および、

および

に続く等化期間の後に収集される単一の組織測定から計算される。このプロセスは、「偏り補正」と呼ばれ、次の両方を含んでいる。

・ 組織テンプレートを形成するように処理される、1つ以上の組織測定の収集。
・ 連結する、主要分析対象物質測定源から量定されるレファレンス分析対象物質値のセットの収集。

例えば、ブドウ糖の近赤外線測定の場合には、レファレンス分析対象物質値が、採血の電気化学的分析から量定される。それらの分析対象物質値が、組織テンプレートを生成するために用いたのと同じストラテジにしたがって組み合わされて、次式によって、分析対象物質測定偏り修正 b, 309を形成する。

(4)
ここで、g:

は、zを、ターゲット分析対象物質の推算

, 308にマップするために用いられるキャリブレーション・モデル307である。このモデルは、各々が、前処理されて、偏り補正された組織測定(z)と、それに連結する、血液または間質液のサンプルの分析から量定されたレファレンス分析対象物質値(y)とから成る典型的な対データ点のキャリブレーション・セットから量定される。このプロセスによれば、血液、血清、血漿、または、間質液が、センサ・サンプル部位の近辺にある、または、サンプル部位を反映するように設計／決定されている組織部位から採取される。例えば、グルコース測定のための非侵襲的近赤外線測定が、キャリブレーションのために、前腕上で行われるとき、何人かの人間について、同じ前腕、または、反対の前腕のような代替部位から、毛細血管の採血を収集することが可能である。それに代えて、採血を用いずに、いくつかの場合においては、毛細血管中のブドウ糖値ではなく、間質液中のブドウ糖値を用いる方が、有益である。gの構造を設計する方法は、システム同定［非特許文献３４］のプロセスを通してである。モデル・パラメータは、多変量回帰、または、重み付けされた多変量回帰［非特許文献３５］、主成分回帰［非特許文献３６］、部分最小二乗回帰［非特許文献３７］、または、人工ニューラル・ネットワーク［非特許文献３８］を含む既知の方法を用いて計算される。キャリブレーション・データも、データが、種々のガイド設置事象と連結したサブセットを含んでいる場合には、偏り補正しなければならない。

任意選択に、偏り補正された組織測定が、アウトライア（外れ値）検出ステップ306を経る。図3に示されるように、アウトライア検出の必要性、および、アウトライア検出処理の形態は、使用されるサンプリング技術に依存する。アウトライア検出は、機器に関する問題、貧弱な被験者のサンプリング、または、キャリブレーション・セットの範囲外の被験者に起因するスペクトル変動を通して、無効な測定を検出する方法を提供する。アウトライアを検出する1つの方法は、主成分分析と残差分析とを通じてである。

典型的な応用
例1
単一被験者に対する、いくつかの相異なる近赤外線サンプリング処理間のスペクトル変動における差を調べるための研究が、行われた。近赤外線スペクトルが、波長範囲1100〜1950 nmにわたって、拡散反射の強度スペクトルを収集する、注文製の走査型近赤外線分光計を用いて、収集された。スペクトル・サンプリング間隔は、1 nmであり、ピーク強度における信号対雑音比は、およそ、90 dBであった。研究に用いられた検出器は、インジウム・ガリウム砒素(InGaAs)であり、光学的な構成は、照射ファイバと検出ファイバとの間に小さな間隔(

)を持つ、皮膚への単純な光ファイバ・インターフェイスから成った。レファレンス・スペクトルが、各サンプル測定の前に、LABSHPERE社（ノース・サットン、ニューハンプシャ州）によって提供された99% SPECTRALON 反射物質をスキャンすることによって記録された。吸光度スペクトルが、上記の式(2)によって計算された。

およそ20個の近赤外線吸光度スペクトルが、以下の処理を用いて、被験者の前腕から収集された。

1. 患者の腕の設置をガイドするために、ひじおよび手首支持体しか用いないベースライン測定。
2. 測定部位の閉塞なしで、本明細書に記述されているガイド位置決めシステムの好適な一実施例を用いて行われた測定。
3. ガイド位置決めシステムと、開示されている閉塞方法（ガイド開口中のプラグ）との両方を用いて行われた測定。

各スペクトルの収集の前に、被験者の腕が、光学的プローブ上に設置し直された。データの分析は、上述の3つのデータ・サブセットの各々上で行なわれ、分光計の各モータ位置における二乗平均変動を計算することから成った。正規化されたRMS変動対モータ位置のプロットが、図5に与えられている。示されているように、ガイド位置決めシステムのない場合のRMS変動のプロット501は、相対的に、より大きなサンプル変動を示す。プロット502, 503が、それぞれ、示しているように、光学的プローブ上の被験者の腕の設置し直しに関連する相対変動が、ガイドの利用によって減少し（制御1）、また、部位閉塞の追加を通じて、なお、さらに減少する（制御2）。

例2
ガイド設置システムの利益のさらなる例示として、60個の測定が、単一被験者に対して、ガイド位置決めシステムを持つ場合と、持たない場合とについて行なわれた。全てのスペクトルが、注文製の走査型近赤外線分光計を用いて、収集された。その機器が、波長範囲1050〜2450 nmにおいて、前腕から、拡散反射の強度スペクトルを収集した。スペクトル・サンプリング間隔は、1 nmであり、ピーク強度における信号対雑音比は、およそ、90 dBであった。研究に用いられた検出器は、インジウム・ガリウム砒素(InGaAs)検出器と、拡張InGaAs検出器との組み合わせであった。光学的な構成は、照射ファイバと検出ファイバとの間に小さな間隔(

)を持つ、皮膚への単純な光ファイバ・インターフェイスから成った。レファレンス・スペクトルが、各サンプル測定に先立って、99% SPECTRALON 反射物質をスキャンすることによって記録され、吸光度が、式(2)にしたがって計算された。検査中、被験者が座ったままで、再現性の高い圧力で、再現性の高い場所において、サンプル・インターフェイスに腕を位置決めするための受け台が、開発された。測定の第1のセットにおいて、各々が、相異なる腕の設置を表わす60個のサンプルが、収集され、そして、吸光度が、計算された。測定の第2のセットにおいて、60個のサンプルが、ガイド位置決めシステムを用いて、収集された。図6にプロットされて示されている吸光度スペクトルは、ガイド位置決めシステムを用いる利益を例示している。図6Aのプロットは、ガイド位置決めシステムを用いない場合の、60個の腕の設置全体にわたる吸光度スペクトルを示している。ガイドを用いると、スペクトルの変動量は、著しく減少する（図6B）。

例3
本閉塞方法の利益の試験として、60個の測定が、例2において記述された装置を用いて、単一被験者に対して行われた。測定の第1のセットにおいて、60個のサンプルが、閉塞なしのガイド位置決めシステムを用いて収集され、吸光度が、前述のように計算された。測定の第2のセットにおいて、60個のサンプルが、ガイド位置決めシステムと、好適な閉塞方法（ガイド開口中のプラグ）との両方を用いて収集された。図7は、閉塞なしで収集された吸光度スペクトル（図7A）、および、閉塞を終えてから収集された吸光度スペクトル（図7B）を示している。水バンドに連結した表面変動の減少は、改善された光学的サンプリングが、本閉塞方法の結果として実現されたことを実証した。

本発明の光学的プローブ設置ガイドは、ターゲット組織測定部位における、高度に反復可能なプローブ設置を可能にするが、本発明は、連続する光学的サンプルにわたって、既知の増分だけ光学的プローブの設置をシフトすることによって、制御された仕方で、小さなサンプリング変動を生み出すために用いることもできる。

本発明は、ターゲット組織測定部位における、高度に反復可能な光学的プローブ設置をもたらすことによって、組織サンプルのインビボ分光検査中にサンプリング誤差を制限する手段を提供する。本発明の構造上の特徴が、組織測定部位および光学的プローブにおける温度のばらつき、および、角質層の水和の変動、および、組織の歪みおよび変位の変動、即ち、全てのサンプリング誤差源を最小化する。組織測定部位において皮膚表面に直接接触する、任意選択の温度プローブが、連続する測定にわたって、皮膚温度のモニタリングを可能にする。光学的結合液が、組織測定部位の皮膚表面と光学的プローブとのインターフェイスにおける空隙を排除する。十分に水和された角質層が、閉塞プラグ、または、他のメカニズムの使用によって達成される。最後に、スペクトル測定、および、その結果生じる分析対象物質測定が、偏り補正されて、ガイド設置に起因する誤差が、補償される。

本発明の光学的サンプリング・インターフェイス・システムは、本明細書において、組織の光学的サンプリングに関して記述されているが、当業者であれば、本発明を、光学的プローブの反復可能な設置を必要とする他のセッティングに適用することができることを認識するであろう。

本明細書に記述されている光学的プローブ設置ガイド測定システム中の要素の各々は、それ単独で、測定に有益であり、したがって、他の要素の有無に関わらず、用いることができることが理解される。特に、ガイド、水和制御システム、結合液、および、偏り補正は、それ独自で有益である。例えば、代替の機械的な位置決めシステムが、開発された場合に、水和制御プロセス、偏り補正、および、結合液は、依然として、有益である。

本発明は、本明細書において、いくつかの好適な実施例に関して記述されているが、当業者であれば、他の適用を、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に述べられている適用に代えて置き換えることができることを容易に認識するであろう。したがって、本発明は、請求項によってしか制限されるべきではない。

削り取った人間の皮膚、純粋な脂肪、および、純粋なコラーゲンの二次微分吸光度スペクトルを示す。 本発明による光学的プローブ設置ガイドを示す。 本発明による測定および偏り補正システムのブロック図である。 本発明による光学的結合液の層によって光学的に結合された光学的プローブと組織測定部位とを示す。 本発明でない場合と、本発明である場合の、サンプリング誤差に起因する測定変動のプロットを示す。 本発明でない場合(6A)と、本発明である場合(6B)の、サンプリング誤差に起因する測定変動のプロットを示す。 閉塞プラグを用いない場合(6A)と、用いる場合(6B)の、サンプリング誤差に起因する測定変動のプロットを示す。

符号の説明

200 ガイド
201 接着層
202 開口
204 閉塞プラグ
207 磁石
300 偏り補正システム
301 非侵襲的測定システム
302 組織測定
303 前処理
304 偏り補正
305 組織テンプレート
306 アウトライア検出
307 キャリブレーション・モデル
308 ターゲット分析対象物質の推算
309 分析対象物質測定偏り修正
400 組織測定部位
401 光学的結合液
402 光学的プローブ

Claims (66)

1. 光学的プローブを、ターゲット測定部位に反復可能に結合するための光学的プローブ設置ガイドであって、
   接触面を持つマウントであって、当該接触面の少なくとも一部が、使用中に、当該測定部位に隣接する表面に接触するマウントと、
   当該マウントによって定められ、当該光学的プローブを受け取るように適合化された開口であって、当該開口によって定められるエリアが、当該測定部位を有する開口と、を有するガイド。
2. 当該測定部位が、組織測定部位を有し、そして、当該測定部位の表面組織が、皮膚を有し、皮膚表面が、角質層を有する請求項1に記載のガイド。
3. 当該開口が、当該光学的プローブによって閉塞されていないときに、当該開口を閉塞するための手段を、さらに、有する請求項2に記載のガイド。
4. 当該開口を閉塞するための当該手段が、閉塞プラグを有する請求項3に記載のガイド。
5. 当該開口によって受け取られるように適合化された当該閉塞プラグの部分の形状および寸法が、当該開口の形状および寸法を模倣している請求項4に記載のガイド。
6. 当該プラグを、当該ガイドの外側表面に取り除き可能に取り付けるための手段を、さらに、有する請求項3に記載のガイド。
7. 当該取り付けるための手段が、
   当該プラグおよび当該ガイドに取り付けられた磁石、
   マジックテープ、
   接着剤、
   スナップ、のいずれかを有する請求項6に記載のガイド。
8. 当該プラグが、取り付け手段を追加することなく、当該開口に、ぴったりと嵌合するように適合化されている請求項4に記載のガイド。
9. 当該開口の内部に、組織メニスカスを誘起する請求項4に記載のガイド。
10. 当該プラグが、当該メニスカスの表面全体にわたって、前記角質層の水和レベルを安定化させるように適合化されている請求項9に記載のガイド。
11. 当該ガイドを、当該測定部位に取り除き可能に取り付けるための手段を、さらに、有する請求項1に記載のガイド。
12. 当該取り付けるための手段が、接着剤を有する請求項11に記載のガイド。
13. 当該取り付けるための手段が、
    少なくとも1本のストラップ、
    少なくとも1本の腕バンド、
    少なくとも1つの吸着要素、のいずれかを有する請求項11に記載のガイド。
14. 当該開口のサイズおよび形状が、当該光学的プローブのサイズおよび形状に合致し、当該プローブが、当該開口にぴったりと嵌合し、その結果、当該測定部位に関する、当該プローブのx-y平面の機械的な位置合わせがもたらされる請求項1に記載のガイド。
15. 少なくとも1つの機械的なストップを、さらに、有する請求項1に記載のガイドであって、当該ストップが、当該測定部位への当該プローブの過剰な侵入を防いで、当該測定部位に関して、当該プローブのz軸に沿う位置合わせをもたらすガイド。
16. 当該プローブが、当該測定部位に関して、x軸、y軸、z軸のいずれかに沿って位置合わせされる光学的位置合わせ手段を、さらに、有する請求項1に記載のガイド。
17. x軸、y軸、z軸のいずれかに沿う磁気的位置合わせ手段を、さらに、有する請求項1に記載のガイド。
18. 当該測定部位に隣接する表面の温度をモニタするための手段を、さらに、有する請求項1に記載のガイド。
19. 光学的結合媒質が、当該プローブを、当該測定部位に光学的に結合する請求項1に記載のガイド。
20. サンプル容積の変動を制御するための手段と、
    光学的信号の表面反射を制御するための手段と、
    測定部位の少なくとも1つの表面状態を安定化させるための手段と、を有する光学的サンプリング・インターフェイス・システムであって、
    サンプリング誤差が、最小化されるか、解消されるか、低減されるか、補償されるシステム。
21. サンプル容積の変動を制御するための当該手段が、光学的プローブを、ターゲット測定部位に反復可能に結合するための光学的プローブ設置ガイドを有する請求項20に記載のシステムであって、当該ガイドが、
    接触面を持つマウントであって、当該接触面の少なくとも一部が、使用中に、当該測定部位に隣接する表面に接触するマウントと、
    当該マウントによって定められ、当該光学的プローブを受け取るように適合化された開口であって、当該開口によって定められるエリアが、当該測定部位を有する開口と、を有するシステムにおいて、
    当該ガイドが、当該測定部位に取り除き可能に取り付けられるシステム。
22. 当該ガイドを取り付けるための手段が、
    接着剤、
    少なくとも1本のストラップ、
    少なくとも1本の腕バンド、
    少なくとも1つの吸着要素、のいずれかを有する請求項21に記載のシステム。
23. 当該開口のサイズおよび形状が、当該光学的プローブのサイズおよび形状に合致し、当該プローブが、当該開口にぴったりと嵌合し、その結果、当該測定部位に関する、当該プローブのx-y平面の機械的な位置合わせがもたらされ、当該ガイドが、少なくとも1つの機械的なストップを、さらに、有し、当該ストップが、当該測定部位への当該プローブの過剰な侵入を防いで、当該測定部位に関して、当該プローブのz軸に沿う位置合わせをもたらす請求項21に記載のシステム。
24. 当該ガイドは、当該プローブが、当該測定部位に関して、x軸、y軸、z軸のいずれかに沿って位置合わせされる光学的位置合わせ手段を、さらに、有する請求項21に記載のシステム。
25. 表面反射を制御するための当該手段が、光学的結合媒質を有する請求項20に記載のシステム。
26. 当該光学的結合媒質が、光学的結合液を有する請求項25に記載のシステム。
27. 当該光学的結合液が、
    1つ以上のペルフルオロ化合物を有する請求項26に記載のシステムであって、ある量の当該光学的結合液が、光学的プローブと測定部位とのインターフェイスに設置され、その結果、当該プローブと当該測定部位とが、光学的に強く結合するシステム。
28. 少なくとも1つの表面状態を安定化させるための当該手段が、表面水和を安定化させるための手段を有する請求項20に記載のシステム。
29. 表面水和を安定化させるための当該手段が、閉塞プラグを有し、当該閉塞プラグが、測定の合間に、光学的プローブ設置ガイドの開口によって受け取られるように適合化されており、その結果、当該測定部位が、閉塞されて、表面水分の蒸発が、防止される請求項28に記載のシステム。
30. 当該開口によって受け取られるように適合化された当該閉塞プラグの部分の形状および寸法が、当該開口の形状および寸法を模倣している請求項29に記載のシステム。
31. 当該閉塞プラグが、当該ガイドの外側表面に、取り除き可能に取り付けられる請求項29に記載のシステム。
32. 表面水和を安定化させるための当該手段が、
    前記測定部位における超音波処理、
    当該表面に水を当てるための手段、
    表面組織の水和を高める局部適用物を適用するための手段、
    外的作用によって生じる閉塞(passive occlusion)を加速するための手段、
    当該表面に、当該表面の外層に水および／または溶質を送り込む水／溶質混合液を当てるための手段、のいずれかを有する請求項28に記載のシステム。
33. 少なくとも1つの表面状態を安定化させるための当該手段が、当該測定部位に対するカバーを有し、当該部位からの表面水分の蒸発が、防がれる請求項20に記載のシステム。
34. 少なくとも1つの表面状態を安定化させるための当該手段が、表面温度を安定化させるための手段を有する請求項20に記載のシステム。
35. 当該測定部位が、組織測定部位を有し、そして、当該測定部位の表面組織が、皮膚を有し、皮膚表面が、角質層を有する請求項20に記載のシステム。
36. サンプリングされる容積の変動と、測定状態の変動との1つ、または、両方に起因する測定偏りを補正するための手段を、さらに、有する請求項35に記載のシステム。
37. 測定偏りを補正するための当該手段が、
    非侵襲的測定システムと、
    組織テンプレートと、
    キャリブレーション・モデルと、を有する請求項36に記載のシステムであって、
    測定偏りが、
    組織測定と、組織テンプレートとの間の差を量定するステップと、
    生じた差を、キャリブレーション・モデルにしたがって、ターゲット分析対象物質の測定にマップするステップと、
    当該分析対象物質測定に、ベースライン修正を適用するステップと、によって補償されるシステム。
38. サンプルされる容積の変動が、測定間における光学的プローブ、または、光学的プローブ設置ガイドのいずれかの設置の違いに起因する請求項37に記載のシステム。
39. 当該組織テンプレートが、測定期間中に、あらかじめ定められたデータ選択基準にしたがって組み合わされる1つ以上の組織測定を通じて量定される請求項37に記載のシステム。
40. 当該キャリブレーション・モデルは、各々が、前処理されて、偏り補正された組織測定と、それに連結する、血液または間質液のサンプルの分析から量定されたレファレンス分析対象物質値とから成る典型的な対データ点のキャリブレーション・セットから量定される請求項37に記載のシステム。
41. 当該ベースライン修正が、当該組織テンプレートおよび当該キャリブレーション・モデルに連結する請求項37に記載のシステム。
42. 非侵襲的分析対象物質測定における測定偏りを補償する方法であって、当該偏りが、測定間の、サンプルされる容積および測定状態の変動に起因する方法において、
    組織測定をもたらすステップと、
    当該組織測定と組織テンプレートとの間の差を量定するステップと、
    生じた差を、キャリブレーション・モデルにしたがって、ターゲット分析対象物質の測定にマップするステップと、
    当該分析対象物質の測定に、ベースライン修正を適用するステップと、を有する方法。
43. サンプルされる容積の当該変動が、測定間における光学的プローブ、または、光学的プローブ設置ガイドのいずれかの設置の違いに起因する請求項42に記載の方法。
44. 当該組織測定と組織テンプレートとの間の前記差を量定する前に、当該組織測定および組織テンプレートを前処理するステップを、さらに、有する請求項42に記載の方法であって、前処理が、
    微分計算、
    ターゲット分析対象物質に特定の波長および波長領域の選択、
    散乱補正、のいずれかを有する方法。
45. 当該組織測定と組織テンプレートとの間の差を量定する当該ステップが、
    次式、
    

    

    （ここで、xは、前処理されたスペクトル、即ち、選択された特徴セットを有し、x _tは、測定期間に連結した組織テンプレートを有し、cおよびdは、定数である）にしたがって、
    前記組織テンプレートと前処理されたスペクトルとの間の差を量定するステップを有する請求項42に記載の方法。
46. 当該組織テンプレートが、各測定期間中に、あらかじめ定められたデータ選択基準にしたがって組み合わされた1つ以上の組織測定を通じて量定される請求項45に記載の方法。
47. 

    および
    

    

    である請求項45に記載の方法。
48. 連結するレファレンス分析対象物質値のセットを備えるステップであって、当該値が、当該あらかじめ定められたデータ選択基準にしたがって組み合わされて、測定偏り修正を形成するステップを、さらに、有する請求項42に記載の方法。
49. 当該レファレンス分析対象物質値が、血液サンプルまたは間質液サンプルの分析から量定される請求項48に記載の方法。
50. 当該分析対象物質値が、当該組織テンプレートを生成するために用いられると同じストラテジにしたがって組み合わされ、分析対象物質偏り修正 bが、次式、
    

    

    （ここで、g:
    

    

    は、zを、前記ターゲット分析対象物質の推算
    

    

    にマップするために用いられるキャリブレーション・モデルである）にしたがって形成される請求項48に記載の方法。
51. 当該モデルは、各々が、前処理されて、偏り補正された組織測定(z)と、それに連結する、血液または間質液のサンプルの分析から量定されたレファレンス分析対象物質値(y)とから成る典型的な対データ点のキャリブレーション・セットから量定される請求項50に記載の方法。
52. 当該測定部位が、
    前腕の背側の表面、
    前腕の手のひら側の表面、
    胴、のいずれかの上にある請求項42に記載の方法。
53. 任意選択の、アウトライアを検出するステップを、さらに、有する請求項42に記載の方法。
54. 表面状態のばらつきによる、組織測定部位における光学的サンプリング誤差を最小化するための装置であって、
    閉塞プラグであって、測定の合間に、光学的プローブのための開口によって受け取られるように適合化されたプラグ、
    前記測定部位上に適用される閉塞パッチ、
    表面組織の水和を高める、前記測定部位への局部媒質適用、
    前記測定部位への超音波処理の適用、のいずれかを有する装置。
55. 当該開口によって受け取られるように適合化された当該閉塞プラグの部分の形状および寸法が、当該開口の形状および寸法を模倣している請求項54に記載の装置。
56. 当該プラグが、取り付け手段を追加することなく、当該開口に、ぴったりと嵌合するように適合化されている請求項54に記載の装置。
57. 当該プラグを、当該プローブ開口を定める装置の外側表面に取り除き可能に取り付けるための手段を、さらに、有する請求項54に記載の装置。
58. 当該取り付けるための手段が、
    当該プラグと、当該プローブ開口を持つ当該装置とに取り付けられた磁石、
    マジックテープ、
    接着剤、
    スナップ、のいずれかを有する請求項57に記載の装置。
59. 当該プローブ開口を持つ当該装置が、当該開口の内部に、組織メニスカスを誘起する請求項57に記載の装置。
60. 当該プラグが、当該メニスカスの表面全体にわたって、表面組織の水和レベルを安定化させるように適合化されている請求項59に記載の装置。
61. 当該開口が、光学的プローブ設置ガイドによって定められる請求項54に記載の装置。
62. 当該閉塞パッチが、当該測定部位上に適用される請求項54に記載の装置。
63. 当該閉塞パッチが、接着剤、テープ、ストラップ、吸着のいずれか1つによって取り付けられる請求項54に記載の装置。
64. 当該超音波が、測定期間に先立って、前記測定部位に印加される請求項54に記載の装置。
65. 当該局部適用物が、化粧水、アルファ・ヒドロキシ酸溶液、水、ローション、スキン・クリームのいずれかを含む請求項54に記載の装置。
66. 当該局部適用物が、局部無痛性処方を含む請求項54に記載の装置。

Images