JP2006132986A - 光学式生体情報測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長特性を有する光源からの光を分光する分光器の性能変動を抑制し、測定精度を向上する。
【解決手段】 波長に対する光強度が変化する波長特性を有する光源２と、該光源２からの所定の波長帯域にわたる光を分光して波長毎に出射する分光器１６と、該分光器１６から出射される光の波長を制御する制御装置１７とを備え、該制御装置１７は、分光器１６から出射される光の強度の時間変化が低減するように波長の出射パターンを制御する光学式生体情報測定装置１を提供する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、光学式生体情報測定装置および測定方法に関するものである。

従来、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、ハロゲンランプから複数の発光ファイバに集光した近赤外光をそれら発光ファイバの先端面から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。
一方、光源からの光を予め分光し、光の波長を順次切り替えて生体に入射させ、各波長の光に対して生体から戻る光を受光する方法も知られている。
特開２０００−１３１３２２号公報（図３等）

これらの方法のように、光によって非侵襲的にグルコース濃度を測定する方法の場合には、生体内から得られる光信号がごく微量であるため、如何にして測定精度を向上するかが課題である。
測定精度を低下させる一因として、光源や分光器等の光学部品の発熱による性能変動が挙げられる。

発明者らは、研究の結果、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous
Emission）光源等の波長特性の変動する光源からの光を音響光学可変波長フィルタ（ＡＯＴＦ：Acoust-Optic
Tunable Filter、以下、ＡＯＴＦという。）等の分光器により分光して生体に入射させる場合に、ＡＯＴＦの分光性能が発熱により変動し、測定精度を低下させている可能性があるとの知見を得た。
しかしながら、ＡＳＥ光源のような波長特性を有する光源からの光は、波長によって光強度が大きく異なるため、単に冷却するだけでは性能変動を十分に抑えることができないという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、波長特性を有する光源からの光を分光する分光器の性能変動を抑制し、測定精度を向上することができる光学式生体情報測定装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、波長に対する光強度が変化する波長特性を有する光源と、該光源からの所定の波長帯域にわたる光を分光して波長毎に出射する分光器と、該分光器から出射される光の波長を制御する制御装置とを備え、該制御装置は、分光器から出射される光の強度の時間変化が低減するように波長の出射パターンを制御する光学式生体情報測定装置を提供する。

本発明に係る光学式生体情報測定装置によれば、光源から発せられた光が分光器を通過させられることにより分光されて、波長毎に出射される。制御装置の作動により分光から出射される光の波長が制御される。したがって、制御装置により制御された波長の出射パターンにしたがって、各波長の光が生体に入射され、生体から戻る光を検出することにより、生体内部の情報を光学式に測定することが可能となる。

この場合において、制御装置が出射パターンを制御することにより、分光器から出射される光の強度の時間変化が抑制される。これにより、分光器内部の負荷変動が小さくなり、分光器の発熱が抑制されるので、分光性能の変動が低減され、測定精度を向上することができる。

上記発明において、前記制御装置は、各波長の光の出射時間が、１回の出射中に複数回の生体情報の測定を可能とする長さとなるように出射パターンを制御することが好ましい。
制御装置が、分光器に対し、所定の順序で各波長の光を分光して出射するように制御する場合に、各波長の光の出射時間を長くすることにより、分光器から出射される光の強度の時間変化が抑制される。これにより、分光器内部の負荷変動が小さくなり、分光器の発熱が抑制されるので、分光性能の変動が低減され、測定精度を向上することができる。
また、各波長の光の１回の出射中に複数回の生体情報の測定が可能であり、複数個の測定結果を得ることができる。したがって、１回の出射により１回の測定を行う一般的な方法を複数回繰り返したのと同じ時間で、精度の高い測定結果を得ることができる。

また、上記発明において、前記制御装置は、波長の昇順または降順に分光器に光を出射させる際に、光源の波長特性において波長に対する光強度の変化率の大きな波長の光を変化率の小さな波長の光よりも長く出射するよう出射パターンを制御することが好ましい。
波長に対する光強度の変化率が波長毎に異なる波長特性を有する光源を用いる場合に、変化率の大きな波長の光と変化率の小さな波長の光とを同じ時間だけ出射させると、変化率の大きな波長における光強度の時間変化が大きくなる。したがって、変化率の大きな波長における出射時間を長くすることにより、光強度の時間変化を低減して、分光器内部の負荷変動を低減することができる。

また、上記発明において、前記制御装置は、光源の波長特性において光強度が単調増加または単調減少するような波長の順序で光を出射するよう出射パターンを制御することが好ましい。
光源の波長特性が単調増加または単調減少となるように、分光器から出射される光の波長の順序を並べ替えることにより、光強度の時間変化を小さくすることができる。これにより、分光器内部の負荷変動を低減して、測定精度を向上することができる。

また、上記発明において、前記制御装置は、前記分光器に、前記光源からの所定の波長帯域にわたる光を波長毎に出射させるステップを複数回にわたって実施し、隣り合うステップにおける出射パターンの波長の順序が相互に逆順となるように出射パターンを制御することが好ましい。
隣り合うステップの出射パターンの波長の順序を逆順とすることにより、一のステップの最後に出射される光の波長が、次のステップの最初に出射される光の波長と同じとなるため、両ステップの継ぎ目において光強度の不連続な変動が防止される。その結果、分光器内部の負荷変動を低減して、測定精度を向上することができる。

また、本発明は、波長に対する光強度が変化する波長特性を有する光源からの所定の波長帯域にわたる光を分光器により分光して波長毎に出射する際に、分光器から出射される光の強度の時間変化が少なくなるように波長の出射パターンを制御する光学式生体情報測定方法を提供する。

上記発明においては、各波長の光の出射時間が、１回の出射中に複数回の生体情報の測定を可能とする長さとなるように出射パターンを制御することが好ましい。
また、上記発明においては、波長の昇順または降順に分光器に光を出射させる際に、光源の波長特性において波長に対する光強度の変化の大きな波長の光を変化の小さな波長の光よりも長く出射するよう出射パターンを制御することが好ましい。

さらに、上記発明においては、光源の波長特性において光強度が単調増加または単調減少するような波長の順序で光を出射するよう出射パターンを制御することが好ましい。
また、上記発明においては、前記分光器に、前記光源からの所定の波長帯域にわたる光を波長毎に出射させるステップを複数回にわたって実施し、隣り合うステップにおける出射パターンの波長の順序が相互に逆順となるように出射パターンを制御することが好ましい。

本発明によれば、分光器から出射される光の強度の時間変化が低減されるので、分光器内部における負荷変動による発熱が低減される。その結果、分光器の分光性能の変動が抑制され、生体情報の測定精度を向上することができるという効果を奏する。

以下、本発明の一実施形態に係る光学式生体情報測定装置および測定方法について図１〜図５を参照して説明する。
本実施形態に係る光学式生体情報測定装置は、例えば、グルコース濃度測定装置１である。

本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１は、図１に示されるように、生体Ａに照射する光を発生するＡＳＥ光源２と、該ＡＳＥ光源２から出射された光を分光する分光器３と、該分光器３から出射された光を検出する参照光検出器４と、前記分光器３から出射された光を生体Ａに向けて照射するとともに、生体Ａ内で拡散あるいは透過した光を生体Ａ外部において受光する測定プローブ５と、該測定プローブ５により受光された光を検出する信号光検出器６と、該信号光検出器６により検出された光のスペクトルに基づいて生体Ａ内のグルコース濃度を算出する演算部７とを備えている。これらＡＳＥ光源２、分光器３、参照光検出器４、信号光検出器６および演算部７は、本体ケーシング８内に収容され、一括して温度管理されている。

前記分光器３は、入力された高周波信号の周波数に応じて、入射された光の内の特定の波長の光のみをさらに偏光して出射するＡＯＴＦ１６である。該ＡＯＴＦ１６には、該ＡＯＴＦ１６から出射させる光の波長を制御するフィルタ制御部（制御装置）１７が接続されている。

該フィルタ制御部１７は、ＡＯＴＦ１６に対して特定の周波数の高周波信号を供給する。これにより、ＡＯＴＦ１６においては供給された高周波信号の周波数に対応する波長の光のみが分光されて出力されるようになっている。

また、フィルタ制御部１７は、ＡＯＴＦ１６に対して高周波信号を供給するのと同期して、該高周波信号を後述する演算部７に供給するようになっている。図中、符号１８は、高周波信号の基本周波数を発生する発振器、符号１９は加算器を示している。これにより、ＡＯＴＦ１６および演算部７には、発振器１８から供給される基本周波数とフィルタ制御部１７から供給される周波数とが加算された周波数の高周波信号がそれぞれ入力されるようになっている。

ＡＯＴＦ１６に供給される高周波信号の周波数は、一般には、図２（ａ）に示される出射パターンを達成するように変化させられる。
すなわち、所定の測定波長帯域（例えば、１３５０〜１７４９ｎｍ）の光を生体に照射する場合、波長１３５０ｎｍから昇順に１７４９ｎｍまで１ｎｍ刻みで変化させて照射して測定するステップを１セットとして、複数セット繰り返し、その測定値の平均をとるのが一般的である。

各ステップにおいては、生体に照射される光の波長は、図３（ａ）に示されるように、測定に必要な最小時間間隔Δｔごとに１ｎｍ刻みで変更されることにより、最短時間で全波長帯域にわたる測定を実施することができる。図３中、符号ｎは、測定波長帯域内の任意の波長を示している。各波長の光が照射されている時間間隔Δｔ内においては、それぞれ１回の測定が行われている。

これに対して、本実施形態においては、図３（ｂ）に示されるように、各波長の光が照射される間に、複数回（図に示す例では２回）の測定が行われるように、最小時間間隔Δｔの複数倍（図に示す例では２倍）の時間間隔にわたって各波長の光を照射するようにしている。このようにすることで、ＡＯＴＦ１６から出射される光の出射パターンを図２（ｂ）に示されるようにすることができる。

すなわち、本実施形態によれば、図２（ａ）の場合と同じ時間内に同じ回数の測定を行いながら、図２（ｂ）に示されるように、図２（ａ）の場合よりも緩やかな光強度変化を示す出射パターンを達成することができる。
その結果、ＡＯＴＦ１６内部における負荷変動が低減されて、ＡＯＴＦ１６の発熱が抑制されるので、ＡＯＴＦ１６の熱による性能変動を防止して測定精度を向上することができる。

ＡＯＴＦ１６から出力された偏光された光は、光ファイバ２０，２１によって本体ケーシング８の出口まで導かれるようになっている。このＡＯＴＦ１６の出口に配置された光ファイバ２０は、特に制限されるものではないが、光源からの測定光をより多く取り込むために、比較的コア径の大きなマルチモードファイバやバンドルファイバが採用されることが好ましい。

また、この光ファイバ２０，２１の間には、ＡＯＴＦ１６から入射されてきた光を２方向に分岐させる光分岐部２２が設けられている。この光分岐部２２は、例えば、図４に示されるように、光ファイバ２０の端面に対向して配置されたコリメートレンズ２３と、該コリメートレンズ２３によりコリメートされた光を２方向に分岐させるビームスプリッタ２４と、分岐されたコリメート光を２本の光ファイバ２１，２５に集光させる２つの集光レンズ２６，２７とを備えている。

分岐後の一方の光ファイバ２１は、前記本体ケーシング８の出口に接続され、もう一方の光ファイバ２５は、分岐された光を参照光検出器４に導くように構成されている。光分岐部２２におけるビームスプリッタ２４の分岐比率は、例えば、本体ケーシング８の出口側に向かう測定光が９５％、参照光検出器４に向かう参照光が５％程度となるように設定されている。

本体ケーシング８の出口にはコネクタ２８が設けられており、前記光分岐部２２において分岐された一方の光ファイバ２１が接続されている。また、本体ケーシング８の外側には、生体Ａ組織表面に接触させられる測定プローブ５が設けられ、該測定プローブ５と前記コネクタ２８とが照射用光ファイバ２９によって接続されている。コネクタ２８における光ファイバ２１，２９の接続は、同径のコアを有する光ファイバ２１，２９の端面どうしを突き当てるように配置することにより行われている。光ファイバ２１，２９の端面は、例えば、ＰＣ研磨されており、一方の光ファイバ２１の端面から発せられた測定光を効率よく他方の光ファイバ２９内に引き渡すことができるようになっている。

前記測定プローブ５には、その先端面５ａに、図５に示されるように、中心に１本の照射用光ファイバ２９が配置され、その周囲に間隔をあけて複数本の受光用光ファイバ３０が配置されている。すなわち、測定プローブ５の先端面５ａを生体Ａ組織表面に密着させた状態で装置を作動させることにより、測定プローブ５の中心から出射された測定光は、生体Ａ内に入射され、拡散あるいは透過させられた後に、生体Ａ表面に戻り、照射用光ファイバ２９の周囲に配置されている受光用光ファイバ３０によって信号光として受光されるようになっている。

各受光用光ファイバ３０と照射用光ファイバ２９との間の距離は、照射用光ファイバ２９から出射された測定光が、所定の光路長を経て受光用光ファイバ３０に受光されるような距離に設定されている。本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１の場合には、グルコースを多く含む真皮領域にまで測定光が進達するように、約０．４〜０．８ｍｍの距離をあけて配置されている。これにより、受光用光ファイバ３０により受光される信号光は、生体Ａ組織内を真皮の深さまで進達した光を多く含んでいるようになる。受光用光ファイバ３０は、束ねられることによりファイババンドルを形成し、他のコネクタ３１により本体ケーシング８に接続されている。

参照光検出器４および信号光検出器６は、例えば、ＰｂＳセンサ、あるいは、ＩｎＧａＡｓセンサである。参照光検出器４は、上述したように、光分岐部２２において分岐された一方の光ファイバ２５の端面にレンズ３７を介して対向配置されており、該光ファイバ２５から出射されてきた参照光を検出して検出信号を出力するようになっている。また、信号光検出器６は、前記ファイババンドルを構成している受光用光ファイバ３０の端面にレンズ３７を介して対向配置されており、これら受光用光ファイバ３０により受光され伝播されてきた信号光を検出して検出信号を出力するようになっている。

前記演算部７は、前記信号光検出器６の検出信号および前記参照光検出器４の検出信号をそれぞれ増幅するアンプ３２と、該アンプ３２から出力された電気信号から特定の周波数の信号のみを抽出するロックイン検波器３３と、該ロックイン検波器３３から出力された電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３４と、該Ａ／Ｄ変換器３４から出力されたディジタル信号に基づいてグルコース濃度を算出するコンピュータ３５とを備えている。

前記ロックイン検波器３３は、前記フィルタ制御部１７から供給された高周波信号を受信して、アンプ３２からの電気信号から、高周波信号の周波数に一致する周波数成分の電気信号のみを抽出するようになっている。
また、コンピュータ３５は、ロックイン検波器３３により抽出された電気信号をＡ／Ｄ変換した出力信号と、前記フィルタ制御部１７から供給された高周波信号の周波数に対応してＡＯＴＦ１６から発せられる光の波長信号とを入力されるようになっている。

これにより、コンピュータ３５においては、Ａ／Ｄ変換器３４から得られた複数の出力信号と、フィルタ制御部１７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１６００ｎｍ近傍の領域における出力信号値からグルコース濃度が演算されるようになっている。
なお、コンピュータ３５には、ディスプレイ（図示略）が備えられており、コンピュータ３５において演算されたグルコース濃度値が表示されるようになっている。

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の作用および本実施形態に係るグルコース濃度測定方法について、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、測定プローブ５の先端面５ａ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、ＡＳＥ光源２を作動させる。ＡＳＥ光源２から発せられた光は、ＡＯＴＦ１６に入射させられる。
ＡＯＴＦ１６を作動させるには、ＡＯＴＦ１６により分光する測定光の波長に対応する周波数の高周波信号をフィルタ制御部１７からＡＯＴＦ１６に供給する。これにより、入射された光から所定波長の測定光が分光されて出射されることになる。

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、フィルタ制御部１７の作動により、ＡＯＴＦ１６から出射される光の光強度の時間変化が低減された出射パターンで出射される。したがって、ＡＯＴＦ１６が内部の負荷変動によって過度に発熱して分光性能が変化してしまうことを効果的に防止することができる。その結果ＡＯＴＦ１６からは、フィルタ制御部１７によって指示された波長の光が、安定した光強度で出射されることになり、測定光の光強度変動による測定誤差の発生を抑制することができるという効果がある。

また、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１によれば、ＡＯＴＦ１６の出射部にマルチモードファイバ２０が接続されているので、分光時に測定光の出射角度が変動しても、あるいは、光学系の機械的なズレや変形が生じても、ＡＯＴＦ１６から出射された測定光はコア径の大きなマルチモードファイバ２０に漏れなく入射されることになる。その結果、光源２から発せられた光が無駄なく測定プローブ５に送られるので、生体Ａから得られる信号光の光量を最大限に確保することができる。そして、受光量を大きく確保することでＳ／Ｎ比を改善し、測定精度を向上することができるという効果がある。

ＡＯＴＦ１６から出射された測定光は、光ファイバ２０を介して光分岐部２２に送られ、光分岐部２２においてその一部を参照光として分岐される。分岐された参照光は、参照用光ファイバ２５の端面に対向配置されている参照光検出器４によりそのまま検出されることになる。

参照光を分離された残りの測定光は、集光レンズ２６によって、光ファイバ２１内に入射されて、コネクタ２８により接続されている測定プローブ５の照射用光ファイバ２９に入射させられる。コネクタ２８においては、同径のコアを有する光ファイバ２１，２９どうしの端面が突き当てられた状態に接続されているので、伝達されてきた測定光が外部に漏れることなく測定プローブ５の先端面５ａから出射されることになる。

生体Ａ内に入射された測定光は、生体Ａ内を進行する間に、生体Ａ組織に衝突して拡散される。測定光は、通過する生体Ａ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外に出射された信号光は、通過した生体Ａ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ことになる。

受光用光ファイバ３０は、上述したように照射用光ファイバ２９との間の距離を一定に固定されているので、その距離に応じた深さまで進達した光を多く含む信号光を受光する。本実施形態の場合には、測定光は真皮領域まで進達した後に、信号光として受光用光ファイバ３０に受光されるので、受光される信号光はグルコースの情報を多く含んでいることになる。
受光された信号光は、受光用光ファイバ３０を介して本体ケーシング８内に戻され、受光用光ファイバ３０の端面に対向配置されている信号光検出器６により検出される。

信号光検出器６および参照光検出器４からの出力信号は、演算部７に入力されると、アンプ３２によってそれぞれ増幅される。信号光検出器６により検出される信号光の大きさは、生体Ａに入射される光、すなわち、ＡＯＴＦ１６から発せられた測定光の強度の変動とともに変動する。したがって、生体Ａへの入射前の測定光の一部を参照光として参照光検出器４により検出しておき、後述するコンピュータ３５において受光された信号光から差し引くことにより、ＡＯＴＦ１６から発せられる測定光の強度変動による信号光強度の変動を除去することが可能となる。本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１においては、光分岐部２２における分岐比率が、測定光９５％、参照光５％程度に設定されているので、測定光が生体Ａ内で大きく減衰されて得られる信号光と参照光とのレベル差を減少させて測定光の強度変動による信号光強度の変動を効果的に除去することができる。この場合に、コンピュータ３５においては、参照光検出器４からの出力信号に所定の係数をかけることにより、信号レベルを調整してもよい。

アンプ３２において増幅された各光検出器４，６からの出力信号は、それぞれロックイン検波器３３を通過させられる。これにより、フィルタ制御部１７からＡＯＴＦ１６に入力された高周波信号に対応する波長の光に関する出力信号のみが抽出される。したがって、抽出された出力信号には、生体Ａに入射された測定光と波長を同じくする生体Ａからの散乱光の情報のみが含まれ、他の波長の光、例えば、外来光に関する情報は除かれている。その結果、外来光等によるノイズの発生を抑制することができる。

そして、ロックイン検波器３３において抽出された出力信号は、それぞれＡ／Ｄ変換器３４によってディジタル信号に変換させられてコンピュータ３５に入力される。フィルタ制御部１７からＡＯＴＦ１６に入力される高周波信号の周波数が順次変更されており、コンピュータ３５には、生体Ａに入射させた測定光の波長情報が、フィルタ制御部１７から順次供給される。したがって、コンピュータ３５においては、出力信号と波長情報との関係を示す波長特性が求められていくことになる。また、コンピュータ３５は、求めた波長特性の内、所定の波長領域、例えば、波長１６００ｎｍ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。そして、演算されたグルコース濃度値は、ディスプレイに表示されることになる。

以上説明したように、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１によれば、ＡＯＴＦ１６からの光の出射パターンを工夫することにより、よりなだらかな出射パターンで光を出射できるので、ＡＯＴＦ１６の発熱を抑制して、測定精度を向上することができる。

また、光分岐部２２により、測定光の一部を参照光として分離して検出し、検出された信号光との差分をとることで測定光の強度レベルの変動による信号光強度の変動による測定精度の低下を抑制することができる。また、ＡＯＴＦ１の出口にマルチモードファイバ２０を接続したので、ＡＯＴＦ１６における出射角の変動、あるいは、光学系における機械的なズレや変形によってもＡＯＴＦ１６から出射される光を無駄なく回収して測定プローブ５に送ることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
第１に、光源としてＡＳＥ光源２を採用したが、これに代えて、波長に対して光強度が変動する波長特性を有する他の任意の光源を採用してもよい。
第２に、説明を簡単にするために、同一波長の光を照射している間に２回の測定を行う場合について説明したが、３回以上の任意の回数だけ測定するようにしてもよい。
第３に、光分岐部２２として、コリメートレンズ２３、集光レンズ２６，２７およびビームスプリッタ２４を組み合わせたものを例示して説明したが、これに代えて、図６に示されるように、ファイバカプラ３６により分岐する構造のものにしてもよい。

また、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１においては、信号光検出器６および参照光検出器４からの出力信号をそれぞれ別個のアンプ３２で増幅し、別個のロックイン検波器３３およびＡ／Ｄ変換器３４を介してコンピュータ３５に入力し、該コンピュータ３５において差分処理を行うこととしたが、これに代えて、図７に示されるように、差動アンプ３２′に入力することにより、得られた差分信号を単一のロックイン検波器３３およびＡ／Ｄ変換器３４を介してコンピュータ３５に入力することにしてもよい。

また、上記実施形態においては、光分岐部２２から出射された光を、光ファイバ２１，２９により測定プローブ５に導く装置を例に挙げて説明したが、これに代えて、図８に示されるように、光分岐部２２の出力側に複数の光ファイバ２１′，２９′からなるファイババンドルを配置し、各光ファイバ２９′ごとに複数の測定プローブ５′を設けることにしてもよい。このようにすることで、ＡＳＥ光源２から発光された光量を可能な限り多く伝播させるとともに、各測定プローブ５′の照射用光ファイバ２９′の口径を小さくして、照射用光ファイバ２９′から生体Ａ内に発せられ受光用光ファイバ３０に戻る光の進達度を狭い範囲に限定することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１および測定方法について、図９および図１０を参照して以下に説明する。なお、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置の説明において、上述した第１の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１と共通な構成要素については同一の符号を用いて説明する。

本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１は、フィルタ制御部１７の動作において第１の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１と相違している。
本実施形態において、フィルタ制御部１７は、ＡＳＥ光源２の波長特性の中で、波長に対する光強度の変化が大きな領域においては、測定毎に変化させる波長の変化幅を小さくし、光強度の変化が小さい領域では、測定毎に波長の変化幅を大きくするように、ＡＯＴＦ１６の動作を制御する。

図９は、本実施形態におけるフィルタ制御部１７の動作を説明する模式図である。すなわち、図９（ａ）は、ＡＳＥ光源２から出射される光強度が測定波長帯域（説明の便宜上、ｎ＝１〜２２とした。）の範囲で変化する曲線で示されるような波長特性を有するとき、これを最短波長ｎ＝１から最長波長ｎ＝２２まで、昇順で順次、最小時間間隔Δｔで各波長ｎの光をＡＯＴＦ１６に出射させる一般的な場合を示している。

これに対して図９（ｂ）は、本実施形態のグルコース濃度測定装置１の場合であり、フィルタ制御部１７により制御された場合のＡＯＴＦ１６の出射パターンを示している。図９（ｂ）においては、図９（ａ）において光強度の変化の小さいｎ＝１〜１１までおよびｎ＝１８〜２２までの領域については、波長の変化幅を２に設定し、光強度の変化の大きなｎ＝１１〜１８までの領域については、波長の変化幅を０．５に設定している。測定間隔は、いずれも最小時間間隔Δｔである。そして、波長の変化幅を広くしたことにより減らした測定数分だけ、波長の変化幅を狭くしたことで増やし、全体として、同じ測定数（２２）となるように設定されている。光強度の変化が大きい領域および変化が小さい領域は、本測定に先立ってＡＳＥ光源２の波長特性を調べておくことにより、予め設定しておく。

このようにすることで、ＡＯＴＦ１６からの出射パターンは、図９（ａ）と図９（ｂ）との比較によって明らかなように、波長に対する光強度の変化が大きな波長ｎ＝１１〜１８までの領域においては、時間軸方向に広がって、光強度の時間変化がなだらかになるような出射パターンとなる。また、波長に対する光強度の変化の少ない領域においては時間軸方向に狭められることになっている。したがって、図９（ｂ）の出射パターンは、全体として、図９（ａ）の場合と同一の測定時間内に同一の波長帯域にわたる光を出射して測定を行うことができる。

図１０（ａ）は、上述した図２（ａ）と同じ通常の出射パターンであり、図１０（ｂ）は、本実施形態において説明したフィルタ制御部１７による制御を行った場合の出射パターンを示している。
すなわち、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１においても、第１の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１と同様に、同じ時間内に同じ回数の測定を行いながら、緩やかな光強度変化を示す出射パターンを達成することができる。したがって、ＡＯＴＦ１６内部における負荷変動を低減して、ＡＯＴＦ１６の発熱を抑制し、ＡＯＴＦ１６の熱による性能変動を防止して測定精度を向上することができるという効果がある。

次に、本発明の第３の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１について図１１を参照して説明する。なお、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１の説明において、上述した第１の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１と共通な構成要素については同一の符号を用いて説明する。

本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１は、フィルタ制御部１７の動作において第１および第２の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１と相違している。
すなわち、図１１（ａ）に示されるように、所定の測定波長帯域（例えば、１３５０〜１７４９ｎｍ）の光を生体に照射する場合に、波長１３５０ｎｍから昇順に１７４９ｎｍまで１ｎｍ刻みで波長を変化させて照射して測定するステップを１セットとして、複数セット繰り返し、その測定値の平均をとる一般的な波長パターンにおいては、開始波長１３５０ｎｍにおける光強度と、最終波長１７４９ｎｍにおける光強度とが異なる場合、その切替時点において光強度が出射する光強度が不連続となる。波長の切替は測定を可能とするような最小時間間隔Δｔで行われるため、その時点における光強度の時間変化は極めて大きくなり、ＡＯＴＦ１６の内部における負荷変動が増大し、大きな発熱が生ずることが考えられる。

これに対して、本実施形態におけるフィルタ制御部１７は、図１１（ｂ）に示されるように、１セットおきに波長の変化方向を逆順に変えている。すなわち、あるセットにおいて波長１３５０ｎｍから昇順に１７４９ｎｍまでＡＯＴＦ１６に出射させたときは、次のセットにおいては、波長１７４９ｎｍから降順に波長１３５０ｎｍまでＡＯＴＦ１６に出射させ、以下これを繰り返すようになっている。

このように本実施形態によれば、各セットの切替時点において、ＡＯＴＦ１６から出射される光の光強度が不連続に変化することが確実に防止される。したがって、ＡＯＴＦ１６の内部における負荷変動を防止して、発熱によるＡＯＴＦ１６の性能変化によって測定精度が低下することを防止することができる。なお、この場合も、第１、第２の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１と同様に、同じ時間内に同じ回数の測定を行いながら、光強度の変化を低減する出射パターンを達成することができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係るグルコース測定装置１について、図１２および図１３を参照して以下に説明する。なお、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１の説明において、上述した第１の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１と共通な構成要素については同一の符号を用いて説明する。

本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１も、フィルタ制御部１７の動作において第１〜第３の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１と相違している。
本実施形態においては、上記第１〜第３の実施形態とは異なり、所定の測定波長帯域（例えば、１３５０〜１７４９ｎｍ）の光を生体Ａに照射する場合であって、波長１３５０ｎｍから１７４９ｎｍまでの波長を１ｎｍ刻みで変化させて照射するステップを１セットだけ行う場合に有効である。

すなわち、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１において、フィルタ制御部１７は、図１２（ａ）に模式的に示される光源の波長特性が与えられたときに、図１２（ｂ）に示されるように、その波長特性の光強度が小さい順に波長の並びを変えた出射パターンでＡＯＴＦ１６に光を出射させるようになっている。
図１２（ａ）に示されるように、波長ｎ＝１〜１１，１８〜２２における光強度が小さく、波長ｎ＝１２〜１７においてそれよりも大きな光強度を示している。したがって、これらの波長ｎの並び順序を光強度が小さい順に並べることにより、図１２（ｂ）に示されるように単調増加する出射パターンを得ることができる。

このように、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１によれば、同等の光強度を有する波長の光が隣接するように並べられた出射パターンとなるので、出射パターンにおける光強度の時間変化が低減される。その結果、ＡＯＴＦ１６の内部における負荷変動を防止して、発熱によるＡＯＴＦ１６の性能変化によって測定精度が低下することを防止することができるという第１〜第３の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１と同様の効果を奏する。

なお、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１においては、光強度が小さい順に波長を並べ替えることで、光強度が時間とともに単調増加する出射パターンを構成することとしたが、これに代えて、光強度が大きい順に波長を並べ替えることで、光強度が時間とともに単調減少する出射パターンを構成することにしても同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

なお、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１においては、所定の波長帯域内の全波長に対して１回だけ測定を行う場合について説明した。これは、図２に示されるように、複数セットの測定を行わせることとすると、セットの継ぎ目における光強度が最小時間間隔Δｔの間に最大値から最小値まで変化することになるため、波長を並べ替えて光強度の時間変化をなだらかにした効果が損なわれるためである。

そこで、第４の実施形態における出射パターンの効果を維持しながら、複数セットにわたる測定を可能にするためには、次の２つの方法がある。
第１に、本実施形態によるフィルタ制御部１７の動作と第１の実施形態によるフィルタ制御部１７の動作とを組み合わせることが有効である。

すなわち、図１４（ａ）に示されるように、繰り返されるセット数（図１４に示される例では４回）の出射パターン全体について、図１４（ｂ）に示されるように、光強度の小さい順に波長を並べ替えて、光強度が単調増加するように、ＡＯＴＦ１６に出射させる出射パターンとする。
このようにすることで、同じ波長の同じ光強度の光が連続してセット数だけ繰り返してＡＯＴＦ１６から出射されるので、測定期間全体でみると、同一の測定時間を維持しながら、光強度の時間変化を緩やかにすることができ、ＡＯＴＦ１６の発熱を防止できるという効果がある。

第２に、本実施形態によるフィルタ制御部１７の動作と第３の実施形態によるフィルタ制御部１７の動作とを組み合わせることが有効である。
すなわち、図１５（ａ）に示されるような一般的な出射パターンに対して、図１５（ｂ）に示されるように、あるセットにおいて、光強度の小さい順に波長を並べ替えて光強度が単調増加する出射パターンとしたときは、次のセットにおいてはその逆順に単調減少する出射パターンとするように波長を並べかえ、以下これを繰り返す。このようにすることで、各セットにおいては、本実施形態の効果を得ることができるとともに、セットの継ぎ目において光強度が不連続に変化することを防止できるという第３の実施形態の効果を併せて得ることができる。

このように、上記２つの方法を採用することによって、第４の実施形態における出射パターンの効果を維持しながら、複数セットにわたって測定することができるという効果がある。

また、上記各実施形態においては、ＡＯＴＦ１６が出射する光強度の時間変化が大きくなることを防止して発熱を抑制するグルコース濃度測定装置および測定方法を示した。
グルコース濃度の測定は、測定の安定を図るため、あるいは、生体Ａ内におけるグルコース濃度値の経時変化を観測するために、時間間隔をあけて複数回測定される。時間間隔は、例えば、５分、１０分等の一定時間間隔である場合もあり、測定者によって不定時間間隔で行われる場合もある。

しかし、ＡＯＴＦ１６を始めとする各光学部品は、上述した所定の波長帯域にわたる出射パターンを複数回、例えば、４００回程度繰り返さなければ、安定した温度状態とならないので、測定を開始する前に予備的にこの工程を行うことが好ましい。また、測定が一定時間間隔あるいは不定時間間隔で行われるいずれの場合においても、その最小の測定時間間隔より十分に小さい所定の時間間隔、例えば、１〜２分間隔で、光源２、分光器３および光検出器４，６に測定動作を行わせるように構成することが好ましい。

このように構成することにより、測定時のみならず、測定時間間隔より短い時間間隔で装置各部が測定時と同様の測定動作を行わせられるので、測定時には、光源２、分光器３および光検出器４，６を、同等の温度状態に設定することができる。また、光源２、分光器３および光検出器４，６のみならず、これらが測定動作させられることにより光が通過する光ファイバ２０，２１，２９，３０や光分岐部２２等の光学部品等も、同等の温度状態として測定を行うことが可能となる。

その結果、発熱による光検出器４，６の温度ドリフトや光源２の波長特性変動等による測定値のばらつきを抑えて、測定精度を向上することができる。特に、ベッドサイドモニタのように、患者がベッドに寝た状態で長時間にわたり測定を継続する場合に、光源２や分光器３および光検出器４，６その他の光学部品の熱的な時定数に対して十分に短い時間間隔で、定期的に測定動作を行っておくことにより、安定した測定条件で高い精度の測定を行うことができるので効果的である。

また、測定とは別に測定動作を行わせる時間間隔は短ければ短いほど、より同一の温度状態で測定することができるので効果的である。また、時間間隔をゼロとして、連続的に測定動作を行わせておくことで、さらに安定した測定時の温度状態を達成することができる。
また、上記各実施形態においては、測定すべき生体情報としてグルコース濃度を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。

本発明の一実施形態に係る光学式生体情報測定装置の全体構成を示す概略図である。 図１の光学式生体情報測定装置のフィルタ制御部によるＡＯＴＦ１６からの光の出射パターンを示す図である。 図２のフィルタ制御部の動作をわかり易く説明するための模式的な説明図である。 図１の光学式生体情報測定装置の光分岐部を説明する概略図である。 図１の光学式生体情報測定装置の測定プローブ先端面を示す図である。 図２の光分岐部の変形例を示す概略図である。 図１の光学式生体情報測定装置の変形例を示す概略図である。 図１の光学式生体情報測定装置の他の変形例を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る光学式生体情報測定装置のフィルタ制御部の動作をわかり易く説明するための模式的な説明図である。 図９の光学式生体情報測定装置のフィルタ制御部によるＡＯＴＦ１６からの光の出射パターンを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る光学式生体情報測定装置のフィルタ制御部によるＡＯＴＦ１６からの光の出射パターンを示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る光学式生体情報測定装置のフィルタ制御部の動作をわかり易く説明するための模式的な説明図である。 図１２の光学式生体情報測定装置のフィルタ制御部によるＡＯＴＦ１６からの光の出射パターンを示す図である。 図１２の光学式生体情報測定装置のフィルタ制御部の変形例に係るＡＯＴＦ１６からの光の出射パターンを示す図である。 図１２の光学式生体情報測定装置のフィルタ制御部の他の変形例に係るＡＯＴＦ１６からの光の出射パターンを示す図である。

符号の説明

Ａ 生体
１ グルコース濃度測定装置（光学式生体情報測定装置）
２ ＡＳＥ光源（光源）
１６ ＡＯＴＦ（分光器）
１７ フィルタ制御部（制御装置）

Claims (10)

1. 波長に対する光強度が変化する波長特性を有する光源と、
   該光源からの所定の波長帯域にわたる光を分光して波長毎に出射する分光器と、
   該分光器から出射される光の波長を制御する制御装置とを備え、
   該制御装置は、分光器から出射される光の強度の時間変化が低減するように波長の出射パターンを制御する光学式生体情報測定装置。
2. 前記制御装置は、各波長の光の出射時間が、１回の出射中に複数回の生体情報の測定を可能とする長さとなるように出射パターンを制御する請求項１に記載の光学式生体情報測定装置。
3. 前記制御装置は、波長の昇順または降順に分光器に光を出射させる際に、光源の波長特性において波長に対する光強度の変化率の大きな波長の光を変化率の小さな波長の光よりも長く出射するよう出射パターンを制御する請求項１または請求項２に記載の光学式生体情報測定装置。
4. 前記制御装置は、光源の波長特性において光強度が単調増加または単調減少するような波長の順序で光を出射するよう出射パターンを制御する請求項１から請求項３のいずれかに記載の光学式生体情報測定装置。
5. 前記制御装置は、前記分光器に、前記光源からの所定の波長帯域にわたる光を波長毎に出射させるステップを複数回にわたって実施し、隣り合うステップにおける出射パターンの波長の順序が相互に逆順となるように出射パターンを制御する請求項１から請求項４のいずれかに記載の光学式生体情報測定装置。
6. 波長に対する光強度が変化する波長特性を有する光源からの所定の波長帯域にわたる光を分光器により分光して波長毎に出射する際に、分光器から出射される光の強度の時間変化が少なくなるように波長の出射パターンを制御する光学式生体情報測定方法。
7. 各波長の光の出射時間が、１回の出射中に複数回の生体情報の測定を可能とする長さとなるように出射パターンを制御する請求項６に記載の光学式生体情報測定方法。
8. 波長の昇順または降順に分光器に光を出射させる際に、光源の波長特性において波長に対する光強度の変化の大きな波長の光を変化の小さな波長の光よりも長く出射するよう出射パターンを制御する請求項６に記載の光学式生体情報測定方法。
9. 光源の波長特性において光強度が単調増加または単調減少するような波長の順序で光を出射するよう出射パターンを制御する請求項６に記載の光学式生体情報測定方法。
10. 前記分光器に、前記光源からの所定の波長帯域にわたる光を波長毎に出射させるステップを複数回にわたって実施し、隣り合うステップにおける出射パターンの波長の順序が相互に逆順となるように出射パターンを制御する請求項６から請求項９のいずれかに記載の光学式生体情報測定方法。

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