JP2006296660A - Biological information measuring method, biological information measuring optical element and biological information measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体組織を光学的に測定することによって体液中のグルコース、コレステロール、尿素およびトリグリセリドなどを非侵襲的に測定する、体液成分の光学的測定装置および測定方法に関する。 The present invention relates to an optical measurement apparatus and measurement method for a body fluid component that noninvasively measures glucose, cholesterol, urea, triglyceride and the like in a body fluid by optically measuring a living tissue.
従来、生体表面と当接する凹部を備えた光学素子を用いて、生体情報を測定する方法が提案されている(例えば特許文献1)。特許文献1に開示された生体情報測定装置は、図6に示すように、光源11と、表面に複数の凹部621、622、623、624、625と凸部631、632、633、634、635、636を有する生体情報検出用接触子と、光検出器18と、信号処理部64と、表示装置65とを備えている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a method for measuring biological information using an optical element having a concave portion that comes into contact with a biological surface has been proposed (for example, Patent Document 1). As shown in FIG. 6, the biological information measuring device disclosed in Patent Document 1 includes a
この生体情報測定装置を使用する場合、生体情報検出用接触子の表面を生体組織66に接触させ、上記凸部631、632、633、634、635、636が生体組織66に押し込まれた状態で、光源11からの光を、生体情報検出用接触子から上記凹部621、622、623、624、625と接触している生体組織66に入射させる。生体組織66内を光が伝播した後、生体情報検出用接触子に入射し、生体情報検出用接触子から出射した光を光検出器18にて検出する。凹部621、622、623、624、625の深さを調節することで、測定対象となる生体組織66の深さを制御することができ、特定層の光学特性が決定される。
しかしながら、上記のような従来の光学測定方法および光学測定装置は、以下のような問題点を有していた。すなわち、上記従来の方法では、複数の凹部621、622、623、624、625および凸部631、632、633、634、635、636のうち、例えば、ある凹部622を他の位置にある凹部623よりも深く形成することにより、異なる深さの情報を測定していた。しかし、互いに異なる位置に設けられた凹部622、623を用いる必要があるため、生体組織を測定する位置が、生体表面からみて異なるという問題点があった。
However, the conventional optical measurement method and optical measurement apparatus as described above have the following problems. That is, in the conventional method, for example, among the plurality of
そこで、本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、生体表面からみて同じ位置で、かつ異なる深さの生体組織における生体情報を測定することができる生体情報測定方法、生体情報測定用光学素子および生体情報測定装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and a biological information measurement method and biological information measurement that can measure biological information in biological tissues at the same position and different depths as seen from the surface of the biological body. An object of the present invention is to provide an optical element and a biological information measuring device.
上記のような課題を解決すべく、本発明は、
生体組織と当接するための凹部を備え、光源から入射した光を前記生体組織に照射するための光学素子を用いる、生体情報測定方法であって、
前記凹部の第1の位置から、前記凹部に当接した前記生体組織に第1の光を照射する工程Aと、
前記凹部の第2の位置から、前記凹部に当接した前記生体組織に第2の光を照射する工程Bと、
前記生体組織から前記光学素子に帰還した前記第1の光を測定する工程Cと、
前記生体組織から前記光学素子に帰還した前記第2の光を測定する工程Dと、
前記工程Cおよび工程Dにおいて得られた測定結果に基づいて、前記生体組織の生体情報を求める工程Eとを含み、
前記凹部において、前記第2の位置は前記第1の位置よりも深い場所に位置し、
前記凹部の第1の位置および第2の位置は、前記光学素子を前記生体組織に当接する側からみて、前記第1の光の光軸と前記第2の光の光軸とが重なるように設定されている生体情報測定方法を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention provides:
A biological information measuring method comprising a recess for contacting a biological tissue and using an optical element for irradiating the biological tissue with light incident from a light source,
Irradiating the living tissue in contact with the concave portion from the first position of the concave portion with a first light; and
A step B of irradiating the biological tissue in contact with the concave portion from the second position of the concave portion with a second light;
Measuring the first light returned from the biological tissue to the optical element; and
Measuring the second light returned from the living tissue to the optical element; and
Based on the measurement results obtained in the step C and the step D, the step E for obtaining biological information of the biological tissue,
In the recess, the second position is located deeper than the first position,
The first position and the second position of the recess are such that the optical axis of the first light and the optical axis of the second light overlap each other when the optical element is viewed from the side in contact with the living tissue. Provided is a biological information measurement method that has been set.
また、本発明は、
生体組織と当接するための凹部と、
光源から入射した光を、前記凹部から前記生体組織に向けて出射する第1の光出射部および第2の光出射部と、
前記第1の光出射部から出射し前記生体組織によって散乱および/または吸収された第1の光が前記生体組織から前記凹部に入射する位置に設けられた第1の光入射部と、
前記第2の光出射部から出射し前記生体組織によって散乱および/または吸収された第2の光が前記生体組織から前記凹部に入射する位置に設けられた第2の光入射部とを備え、
前記凹部において、前記第2の光出射部は前記第1の光出射部よりも深い場所に位置し、かつ前記第2の光入射部は前記第1の光入射部よりも深い場所に位置し、
前記凹部において、前記第1の光出射部、前記第2の光出射部、前記第1の光入射部および第2の光入射部は、前記光学素子を前記生体組織に当接する側から見て、前記第1の光の光軸と前記第2の光の光軸とが重なるように配置されている生体情報測定用光学素子を提供する。
The present invention also provides:
A recess for contacting the living tissue;
A first light emitting part and a second light emitting part for emitting light incident from a light source toward the living tissue from the recess,
A first light incident portion provided at a position where the first light emitted from the first light emitting portion and scattered and / or absorbed by the biological tissue enters the concave portion from the biological tissue;
A second light incident portion provided at a position where the second light emitted from the second light emitting portion and scattered and / or absorbed by the biological tissue enters the concave portion from the biological tissue;
In the recess, the second light emitting part is located deeper than the first light emitting part, and the second light incident part is located deeper than the first light incident part. ,
In the recess, the first light emitting part, the second light emitting part, the first light incident part, and the second light incident part are viewed from the side in which the optical element is in contact with the living tissue. An optical element for measuring biological information is provided so that the optical axis of the first light and the optical axis of the second light are overlapped.
さらに本発明は、光源と、上記生体情報測定用光学素子と、前記生体情報測定用光学素子から出射された光を検出する光検出器と、前記光検出器によって得られた情報を演算することにより生体情報を算出する演算器とを備える生体情報測定装置をも提供する。 Furthermore, the present invention calculates a light source, the biological information measuring optical element, a photodetector for detecting light emitted from the biological information measuring optical element, and information obtained by the photodetector. There is also provided a biological information measuring device including a computing unit that calculates biological information.
本発明によれば、生体表面からみて同じ位置で、かつ異なる深さの生体組織における生体情報を測定することができる生体情報測定方法、生体情報測定用光学素子および生体情報測定装置を提供することができる。 According to the present invention, there are provided a biological information measuring method, a biological information measuring optical element, and a biological information measuring apparatus capable of measuring biological information in biological tissues at the same position and different depths as viewed from the biological surface. Can do.
本発明の生体情報測定方法は、生体組織と当接するための凹部を備え、光源から入射した光を前記生体組織に照射するための光学素子を用いるものであり、
前記凹部の第1の位置から、前記凹部に当接した前記生体組織に第1の光を照射する工程Aと、前記凹部の第2の位置から、前記凹部に当接した前記生体組織に第2の光を照射する工程Bと、前記生体組織から前記光学素子に帰還した前記第1の光を測定する工程Cと、前記生体組織から前記光学素子に帰還した前記第2の光を測定する工程Dと、前記工程Cおよび工程Dにおいて得られた測定結果に基づいて、前記生体組織の生体情報を求める工程Eとを含み、前記凹部において、前記第2の位置は前記第1の位置よりも深い場所に位置し、前記凹部の第1の位置および第2の位置は、前記光学素子を前記生体組織に当接する側からみて、前記第1の光の光軸と前記第2の光の光軸とが重なるように設定されている。
このような構成によれば、生体表面からみて同じ位置で、かつ異なる深さの生体組織における生体情報を測定することができる。
The biological information measuring method of the present invention includes a concave portion for contacting with a biological tissue, and uses an optical element for irradiating the biological tissue with light incident from a light source,
A step A of irradiating the living tissue in contact with the recessed portion with the first light from the first position of the recessed portion, and a step of applying the first light to the living tissue in contact with the recessed portion from the second position of the recessed portion. Measuring the first light returned from the biological tissue to the optical element, and measuring the second light returned from the biological tissue to the optical element. And a step E of obtaining biological information of the living tissue based on the measurement results obtained in the step C and the step D, wherein the second position is more than the first position in the recess. The first position and the second position of the concave portion are located at a deeper position when viewed from the side where the optical element is in contact with the living tissue, and the optical axis of the first light and the second light The optical axis is set to overlap.
According to such a configuration, it is possible to measure biological information in biological tissues at the same position and different depths as viewed from the biological surface.
ここで、本発明の生体情報測定方法は、前記工程Cにおいて得られた測定結果を用いて、前記工程Dにおいて得られた測定結果を補正する工程Fをさらに含むことが好ましい。
このような構成によれば、生体表面からみて同じ位置で測定された結果を用いて補正することができるので、より高精度な補正が可能である。
Here, the biological information measurement method of the present invention preferably further includes a step F of correcting the measurement result obtained in the step D using the measurement result obtained in the step C.
According to such a configuration, correction can be performed using the results measured at the same position as seen from the surface of the living body, and therefore, correction with higher accuracy is possible.
さらに、前記第2の光が前記生体組織の表皮層および真皮層中を伝播するように、前記第2の位置が設定されていることが好ましい。
このような構成によれば、表皮層の影響を補正して真皮層中の生体情報を得ることができる。
Furthermore, it is preferable that the second position is set so that the second light propagates through the skin layer and the dermis layer of the living tissue.
According to such a configuration, the biological information in the dermis layer can be obtained by correcting the influence of the epidermis layer.
また、本発明の生体情報測定用光学素子は、生体組織と当接するための凹部と、光源から入射した光を、前記凹部から前記生体組織に向けて出射する第1の光出射部および第2の光出射部と、前記第1の光出射部から出射し前記生体組織によって散乱および/または吸収された第1の光が前記生体組織から前記凹部に入射する位置に設けられた第1の光入射部と、前記第2の光出射部から出射し前記生体組織によって散乱および/または吸収された第2の光が前記生体組織から前記凹部に入射する位置に設けられた第2の光入射部とを備え、前記凹部において、前記第2の光出射部は前記第1の光出射部よりも深い場所に位置し、かつ前記第2の光入射部は前記第1の光入射部よりも深い場所に位置し、前記凹部において、前記第1の光出射部、前記第2の光出射部、前記第1の光入射部および第2の光入射部は、前記光学素子を前記生体組織に当接する側から見て、前記第1の光の光軸と前記第2の光の光軸とが重なるように配置されている。
このような構成によれば、生体表面からみて同じ位置で、かつ異なる深さの生体組織における生体情報を測定することができる。
In addition, the biological information measuring optical element of the present invention includes a first light emitting unit and a second light emitting unit configured to emit a concave portion for contacting the biological tissue and light incident from a light source toward the biological tissue from the concave portion. And a first light provided at a position where the first light emitted from the first light emitting portion and scattered and / or absorbed by the living tissue enters the concave portion from the living tissue. An incident portion and a second light incident portion provided at a position where the second light emitted from the second light emitting portion and scattered and / or absorbed by the biological tissue enters the concave portion from the biological tissue. In the recess, the second light emitting part is located deeper than the first light emitting part, and the second light incident part is deeper than the first light incident part. Located in place, and in the recess, the first light emission The second light emitting unit, the first light incident unit, and the second light incident unit are configured such that the optical axis of the first light and the second light incident unit are the same as the optical axis of the first light when viewed from the side in contact with the biological tissue. It arrange | positions so that the optical axis of 2nd light may overlap.
According to such a configuration, it is possible to measure biological information in biological tissues at the same position and different depths as viewed from the biological surface.
ここで、前記第1の光出射部および前記第2の光出射部が互いに異なる光出射面に配置されており、前記第1の光入射部および第2の光入射部が互いに異なる光入射面に配置されていてもよい。
また、前記第1の光出射部および前記第2の光出射部が同一の光出射面に配置されており、前記第1の光入射部および第2の光入射部が同一の光入射面に配置されていてもよい。この場合、前記光出射面において、前記第1の光出射部と前記第2の光出射部との間に第1の光透過制御部が設けられ、前記第1の光入射部と前記第2の光入射部との間に第2の光透過制御部が設けられていてもよい。
Here, the first light emitting part and the second light emitting part are arranged on different light emitting surfaces, and the first light incident part and the second light incident part are different from each other. May be arranged.
Further, the first light emitting part and the second light emitting part are arranged on the same light emitting surface, and the first light incident part and the second light incident part are on the same light incident surface. It may be arranged. In this case, on the light emitting surface, a first light transmission control unit is provided between the first light emitting unit and the second light emitting unit, and the first light incident unit and the second light emitting unit are provided. A second light transmission control unit may be provided between the first light incident unit and the second light transmission unit.
また、本発明の生体情報測定装置は、光源と、上記生体情報測定用光学素子と、前記生体情報測定用光学素子から出射された光を検出する光検出器と、前記光検出器によって得られた情報を演算することにより生体情報を算出する演算器とを備える。 The biological information measuring device of the present invention is obtained by a light source, the biological information measuring optical element, a photodetector for detecting light emitted from the biological information measuring optical element, and the photodetector. And a calculator for calculating biological information by calculating the information.
以下において、図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
図1は、本発明に係る生体情報測定装置の概略図である。図1に示すように、本発明の実施の形態に係る生体情報測定装置100は、光源11、生体情報測定用光学素子12、光分割器16、分光器17、光検出器18、演算器19とから構成されている。この分光器17としては、例えばグレーティングを用いた分光装置やフーリェ変換分光装置などが挙げられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present embodiment is an example, and the present invention is not limited to this.
FIG. 1 is a schematic view of a biological information measuring apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 1, the biological
生体情報測定用光学素子12は、本発明の凹部に相当する溝部13が配置され、溝部13に測定対象の皮膚を接触させて測定する。溝部13には、図1に示すように、光源11からの光が生体情報測定用光学素子12に入射し、生体組織に向けて出射する面である溝部における2つの光出射面14と、生体組織からの光が生体情報測定用光学素子12に帰還する面である溝部における2つの光入射面15が存在する。2つの光出射面14は溝部13の互いに深さの異なる位置に配置され、2つの光入射面15は溝部13の互いに深さの異なる位置に配置されている。
The biological information measuring
ここで、2つの光出射面14のうち、溝部13のより深い場所に位置している光出射面14が第2の光出射部に相当し、より浅い場所に位置している光出射面14が第1の光出射部に相当する。また、2つの光入射面15のうち、溝部13のより深い場所に位置している光入射面15が第2の光入射部に相当し、より浅い場所に位置している光入射面15が第1の光入射部に相当する。光出射面14および光入射面15は、溝部13の長手方向と垂直な方向の断面において、互いに左右対称の位置に配置されている。
Here, of the two light emitting
図1に示すように、溝部13における光出射面14、溝部13における光入射面15の角度を変化させることによって、光の屈折角度を変化させ、生体組織の異なる深さの情報を測定する。生体情報測定用光学素子12の上面側の溝部における光出射面14を通る光を用いて生体組織のより深い情報を測定し、生体情報測定用光学素子12の下面側の溝部における光出射面14を通る光を用いて生体組織のより浅い情報を測定する。
As shown in FIG. 1, by changing the angles of the
本発明に係る生体情報測定装置は、表皮、真皮およびその近傍の生体組織のみを測定することにより、体液成分の情報を測定することを特徴とする。ここで、体液成分の情報とは、体液成分の濃度、濃度の時間的変化など、各種診断・治療に有用な情報を意味する。
表皮の厚さは、一般的に、約200μmと言われている。また、一般的な表皮は図2に示すように4層構造となっている。
The biological information measuring apparatus according to the present invention is characterized by measuring information on body fluid components by measuring only the epidermis, dermis, and living tissue in the vicinity thereof. Here, the information on the body fluid component means information useful for various diagnoses and treatments such as the concentration of the body fluid component and the temporal change of the concentration.
The thickness of the epidermis is generally said to be about 200 μm. A general skin has a four-layer structure as shown in FIG.
ここで、図2は、表皮と真皮の構造を説明するための概略断面図である。最外層から、順に角質層21、顆粒層22、有棘層23、基底層24、基底膜29および真皮200と呼ばれ、各層を構成している個々の細胞は、それぞれ角質細胞25、顆粒細胞26、有棘細胞27および基底細胞28と呼ばれる。
角質層21は、通常、数層から十数層の角質細胞25から形成されている。角質細胞25は、いわゆる「死んだ細胞」であり、代謝など生命活動は行われていない。また、構成成分は、主に脂質とタンパク質である。このため、角質層21は、体液成分を光学的に測定する際の妨害成分として影響する。
Here, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the structure of the epidermis and dermis. From the outermost layer, the
The
顆粒層22は、生細胞と角質層を形成する死細胞を分ける境界に存在し、おもに、より深い層の水分の体外流出を防ぐ「防水バリア」として機能している。
有棘層23は、有棘層23より下層にある基底層24から分化した細胞で、表皮の大部分を占める層である。有棘層23は、均一な組織であり、糖代謝、脂質代謝など、通常の細胞と同様に生命活動が営まれている。
基底層24は、真皮との境界に存在し、表皮の幹細胞として、表皮細胞を細胞分裂により産出している。
The
The
The
これら表皮を形成する細胞は、角質細胞25を除いて生細胞であるため、細胞として生存するためには、栄養分が補給されていなければならない。そして、これらの細胞は、真皮200の乳頭210に存在する毛細血管220により栄養される。また、表皮中のグルコース濃度は、血糖値の変化に対して正比例で変化することが知られている(例えば、山村、他4名編、「現代皮膚科学大系3B 皮膚の構造と機能II」、中山書店、1982年)。また、真皮200も血管が非常に富み、真皮中に存在するグルコース濃度は、血糖値の変化に追従することが知られている。
Since these cells forming the epidermis are living cells except for the
つぎに、本発明に係る生体情報測定装置100の動作を、図1を用いて説明する。
図1に示すように、光源11から出射されて生体情報測定用光学素子12に入射した光は、溝部13に到達した後、溝部における光出射面14より生体組織に向け出射する。出射した光は、生体組織を通過する。このとき光は、生体組織によって吸収・散乱される。溝部13を図1のような形状にすることによって生体組織中の異なる深さの情報を測定する。その後、溝部における光入射面15から再び生体情報測定用光学素子12中に入射する。その後、光は生体情報測定用光学素子12より出射され、光分割器16によって、それぞれの深さを透過した光を別々に測定するために分割され分光器17によって分光される。最終的に光検出器18に入射する。
Next, the operation of the biological
As shown in FIG. 1, the light emitted from the
光検出器18は光を検出し、その光の強度から、吸光度を算出する。このとき、表皮の吸光度と組織の表皮より深い部分の吸光度を光分割器16によって、光を分割することによって別々に算出することができる。
演算器19は、吸光度とグルコース濃度との相関を表す換算テーブルを参照して、得られた吸光度から体液中のグルコース濃度を算出する。
The
The
つぎに、測定部位として内側前腕部の生体組織を測定する場合を例にとり、図3を参照しながら測定時の様子を説明する。なお、ここでは測定部位を前腕部とするが、測定部位は前腕部に限られるものではなく、例えば、耳垂、口唇粘膜、指および上腕部など、特に限定されない。 Next, taking the case of measuring the living tissue of the inner forearm as the measurement site, the state during measurement will be described with reference to FIG. Here, the measurement site is the forearm, but the measurement site is not limited to the forearm, and is not particularly limited, for example, the earlobe, lip mucosa, finger, and upper arm.
図3は、実際に皮膚が接触しているときの溝部13と表皮31の位置関係の様子を示している。図3に示すように、溝部13の表面に生体組織が密着する。このとき、生体組織は、図3に示すような形状を取る。この状態で光を溝部13を通じて入射させると、生体組織と溝部13の界面で屈折し、第2の光32は、表皮31に入射する。このとき、真皮200は図3に示すように変形しているため、真皮200を第1の光33が透過する。
FIG. 3 shows the positional relationship between the
このように溝部13と生体組織で図3のように屈折させるために、溝部13が設けられている生体情報測定用光学素子12の屈折率は、生体組織よりも高いほうが好ましい。また、生体組織は散乱体であり、波長によって屈折率の分散があるため、屈折角が分散し、測定に影響を与える可能性がある。しかし、生体組織は、前方散乱が強く、光路長が短いため、これらの影響は、本発明においては無視できる。
In order to refract the
表皮のみを測定するためには、図3に示すように、溝の隙間に表皮31が入り込み、かつ、一般的な表皮の厚さがほぼ200マイクロメートルであることから、第1の光33が通過する溝部13の深さの最大値を少なくとも200μm以下に設定すればよい。
第1の光が通過する溝部13の深さの最大値は基本的に表皮31の厚みにより影響を受ける。したがって、例えば、ある部位で表皮が200μmより薄いのであれば、溝の深さの最大値は200μmより薄くすればよい。また、表皮の厚さが200μmより厚い場合も、同様に溝の深さの最大値を200μmより厚くすればよい。そして、個人差が大きい位置では、表皮の厚さに応じて溝の深さの最大値を決定するとよい。
In order to measure only the epidermis, as shown in FIG. 3, since the
The maximum value of the depth of the
さらには、それぞれ異なる深さを測定するためには、それぞれの深さに対応して光路長が異なっていることが好ましい。
さらには、第1の光33の光路長の方が第2の光32の光路長より長いほうが好ましい。第1の光33によって得られる情報の方が第2の光32の光によって得られる情報の方より、真皮200の情報をより多く含まれるためである。
Furthermore, in order to measure different depths, it is preferable that the optical path lengths differ according to the respective depths.
Furthermore, the optical path length of the
最適な光路長は、測定に用いる光の波長によって異なるが、例えば、近赤外領域を用いる場合は、光路長を1〜2mmに設定することが好ましい。また、中赤外領域を用いる場合は、100μm以下に設定することが好ましい。
ここで、近赤外領域とは波長800−2500nmの領域を指し、中赤外領域とは波長2500−25000nmの領域を指す。以下、本実施の形態では、中赤外領域を用いた場合を説明する。
The optimum optical path length varies depending on the wavelength of light used for measurement. For example, when the near infrared region is used, it is preferable to set the optical path length to 1 to 2 mm. Moreover, when using a mid-infrared area | region, it is preferable to set to 100 micrometers or less.
Here, the near-infrared region refers to a region having a wavelength of 800-2500 nm, and the mid-infrared region refers to a region having a wavelength of 2500-25000 nm. Hereinafter, in the present embodiment, a case where the mid-infrared region is used will be described.
また、本発明の一改変例として図4に示したような生体情報測定用光学素子12が挙げられる。溝部13を凸形状に設定し、第2の光32、第1の光33を図4のとおり生体組織を通過させる。
この場合でも、第1の光33の光路長を第2の光32の光路長より長く設定することが好ましい。
Further, as a modification of the present invention, there is a biological information measuring
Even in this case, it is preferable to set the optical path length of the
また、本発明の一改変例として、図5に示したような生体情報測定用光学素子12も挙げられる。図5のように、光透過制御部51を、第2の光32、第1の光33を分けるように設けてもよい。光透過制御部51は、当該分野で公知のものを特に限定なしに利用することができる。
例えば、光吸収体によって、光を吸収しても良いし、光反射体によって光を反射させてもよい。また、光吸収体を適切な厚さの単層膜で形成、もしくは、多層膜で形成すると、膜内で光を多重干渉し、効率よく不要な光を吸収できるため好ましい。
Further, as a modification of the present invention, a biological information measuring
For example, the light may be absorbed by a light absorber, or the light may be reflected by a light reflector. In addition, it is preferable to form the light absorber with a single-layer film having an appropriate thickness or with a multilayer film because multiple interference of light occurs in the film and unnecessary light can be efficiently absorbed.
また、このときの光吸収体、および、膜の材料としては、特に限定なしに用いることができ、例えば、Cu、Cr、Mo、Fe、Ni、アモルファスSi、SiC、Ge、WSi2、Ti、TiN、Ta、TiW、Co、SiGe、TiSi2、CrSi2、MoSi2、FeSi2、NiSi2、CrN、MoN2、SiO2、Al2O3、TiO2などが挙げられる。
光吸収体としては、生体情報測定用光学素子100の溝部13にホウ素、リンなどを例えばイオン注入法などを用いてドープすることで形成し、不純物による吸収を持たせても良い。
In addition, the light absorber and the film material at this time can be used without any particular limitation. For example, Cu, Cr, Mo, Fe, Ni, amorphous Si, SiC, Ge, WSi 2 , Ti, TiN, Ta, TiW, Co, SiGe,
As the light absorber, the
つぎに、演算器19を用いた補正方法を、式(1)〜(5)を用いて説明する。
Next, a correction method using the
本発明の測定方法において、表皮層は測定の妨害成分となる。図3に示すように、第1の光および第2の光が伝播する表皮層の厚さはほぼ等しくなる。
したがって、図3のように、より浅い組織を伝播する第2の光が表皮層および真皮層を伝播するような状態で測定する場合は、第1の光を用いた測定および第2の光を用いた測定への表皮層の影響は、ベールの法則より等しくなる。
In the measuring method of the present invention, the skin layer becomes a disturbing component of the measurement. As shown in FIG. 3, the thicknesses of the skin layers through which the first light and the second light propagate are approximately equal.
Therefore, as shown in FIG. 3, when measuring in a state where the second light propagating through the shallower tissue propagates through the epidermis layer and the dermis layer, the measurement using the first light and the second light are performed. The effect of the skin layer on the measurement used is equal to Beer's law.
吸光度は、式(1)で表されるランベルト−ベールの法則によって表される。ここで、αはモル吸光係数εと濃度Cの積である。式(2)は、より深い組織を測定したときのランベルト−ベールの法則を示し、各種成分の吸収係数と光路長の積を足し合わせたものであり、式(3)は、より浅い組織を測定した時のベールの法則である。
式(2)と式(3)とを比較すると、表皮層中の光路長は、前述したとおり表皮層の厚みが同じであるが、生体組織へ入射する光の角度が異なるため異なってしまうが、頂角34から求まる図3中のθ1、θ2を用いて補正することができる。なお、このときの表皮中の各光路長の関係は、式(4)で示される。
Absorbance is expressed by the Lambert-Beer law expressed by equation (1). Where α is the product of the molar extinction coefficient ε and the concentration C. Equation (2) shows the Lambert-Beer law when a deeper tissue is measured, and is the sum of the products of the absorption coefficients and optical path lengths of the various components. Equation (3) shows the shallower tissue. Beer's law when measured.
Comparing equation (2) and equation (3), the optical path length in the epidermis layer is different because the thickness of the epidermis layer is the same as described above, but the angle of light incident on the living tissue is different. 3 can be corrected using θ1 and θ2 in FIG. In addition, the relationship between the optical path lengths in the epidermis at this time is expressed by Expression (4).
また、表皮層の吸収係数は、同じ位置での組織を測定しているため、各測定でほぼ同じである。そのため、式(2)と式(3)とで異なるのは、真皮層中の光路長のみである。したがって、補正工程においては、例えば、式(2)で算出される吸光度から、式(3)で算出される吸光度を式(5)のように、式(2)から式(3)を減算することで表皮層の影響をキャンセルすることができる。
そして、吸光度とグルコース濃度との相関を表す換算テーブルを参照して、式(5)により得られた吸光度から、真皮層における体液中のグルコース濃度を求めることができる。
Further, the absorption coefficient of the skin layer is almost the same in each measurement because the tissue at the same position is measured. Therefore, the only difference between the formula (2) and the formula (3) is the optical path length in the dermis layer. Therefore, in the correction step, for example, the absorbance calculated by the equation (3) is subtracted from the absorbance calculated by the equation (2) from the equation (2) as in the equation (5). Thus, the influence of the skin layer can be canceled.
And the glucose concentration in the body fluid in a dermis layer can be calculated | required with reference to the conversion table showing the correlation with a light absorbency and glucose concentration from the light absorbency obtained by Formula (5).
本実施の形態では、本工程を補正工程として用いた。また、本実施の形態では、表皮層について考えたが、妨害を与えるものとして、例えば唾液、汗および涙などであってもよい。
本発明によれば、体液成分(本実施の形態ではグルコース)を測定する際に妨害成分として存在する角質層、唾液、汗および涙などが生体組織にあっても、異なる深さを測定することにより、前記妨害成分の体液成分の情報に与える影響を低減もしくは除去することができる。
In the present embodiment, this process is used as a correction process. Further, in the present embodiment, the epidermis layer has been considered. However, for example, saliva, sweat, and tears may be used as an obstacle.
According to the present invention, even when a stratum corneum, saliva, sweat, tears, and the like that exist as interference components when measuring a body fluid component (glucose in the present embodiment) are measured in a living tissue, different depths are measured. Thus, the influence of the disturbing component on the body fluid component information can be reduced or eliminated.
体液成分の濃度は一様ではなく、濃度分布が存在する。例えば、表皮中のグルコース濃度は、供給源が真皮層中の毛細血管であり、前記毛細血管から漏れ出したグルコースが表皮中に拡散しながら表皮に供給されるという理由により、濃度分布が存在する。そのため、生体表面からみて互いに異なる位置で測定を行った場合、測定により得られる体液成分の濃度は異なるおそれがある。
本発明によれば、生体表面からみて同じ位置で、かつ異なる深さの生体組織における生体情報を測定することができるので、従来に比べて高精度に妨害成分の補正を行うことができる。
The concentration of the body fluid component is not uniform and there is a concentration distribution. For example, the glucose concentration in the epidermis has a concentration distribution because the source is capillaries in the dermis layer, and glucose leaked from the capillaries is supplied to the epidermis while diffusing into the epidermis. . Therefore, when the measurement is performed at different positions from the surface of the living body, the concentrations of the body fluid components obtained by the measurement may be different.
According to the present invention, it is possible to measure biological information in biological tissues at the same position and different depths as seen from the surface of the biological body, so that the interference component can be corrected with higher accuracy than in the past.
つぎに、光源11としては、測定対象である測定成分の吸収波長の光を発するものであればよい。中赤外領域の光であれば、例えばSiCを棒状に焼結したグローバ光源、CO2レーザおよびタングステン灯などを用いることができる。グルコースのように、波数1033cm-1、1080cm-1などの赤外域に吸収ピークがあるような物質を測定する場合には、比較的広い波長範囲をカバーすることができ10μm程度の長波長領域でも良好に発光するという観点から、グローバ光源が好ましい。また、近赤外領域の光であれば、例えばハロゲン光源、半導体レーザおよびLEDなどが挙げられる。
Next, the
生体情報測定用光学素子12の材料としては、当該分野で公知のものを用いることができる。例えば中赤外領域の波長では、シリコン、ゲルマニウム、SiC、ダイアモンド、ZnSe、ZnSおよびKrSが挙げられる。
ここで、グルコースのように、波数1033cm-1あるいは1080cm-1の中赤外領域に吸収ピークがあるような物質を計測する場合には、約9〜10μmの赤外波長で透過率が高いという観点から、シリコンまたはゲルマニウムであって、ホウ素やリンなどの不純物含有量が小さく、抵抗率が100Ωcm以上のものが好ましい。さらに、抵抗率が1500Ωcm以上のものが特に好ましい。
As the material of the biological information measuring
Here, as glucose, in the case of measuring the substance, such as an absorption peak in the mid-infrared region of the wavenumber 1033cm -1 or 1080 cm -1 it is of high transmittance in the infrared wavelength of about 9~10μm From the viewpoint, silicon or germanium having a small impurity content such as boron or phosphorus and a resistivity of 100 Ωcm or more is preferable. Furthermore, those having a resistivity of 1500 Ωcm or more are particularly preferable.
近赤外領域の場合は、溶融石英、単結晶シリコンなどが挙げられる。
なかでも、屈折率が高いという観点から単結晶シリコンが好ましく、単結晶シリコンの中でもホウ素やリンなどの不純物含有量が小さく、抵抗率が100Ωcm以上のものが好ましい。さらに、抵抗率が1500Ωcm以上のものが特に好ましい。また、ガラスや、樹脂を用いても構わない。
In the case of the near infrared region, examples thereof include fused quartz and single crystal silicon.
Among these, single crystal silicon is preferable from the viewpoint of a high refractive index, and the single crystal silicon preferably has a low content of impurities such as boron and phosphorus and has a resistivity of 100 Ωcm or more. Furthermore, those having a resistivity of 1500 Ωcm or more are particularly preferable. Further, glass or resin may be used.
溝部13としては、表皮または真皮を測定できる機能を発揮するような形状を有していればよい。特に測定深さを500μm以下に設定できるものであれば特に限定せず用いることができる。例えば、図1に示すような形状の他、図4に示すような階段状溝などが挙げられる。
また、上記では、第1の光および第2の光を用いて2つの異なる深さにおいて生体組織の情報を得る場合について説明したが、例えばさらに第3の光および第4の光を用いて、さらに測定する深さを変えて測定してもよい。例えば、第3の光を用いて表皮中の角質層を測定し、第2の光を用いて表皮中の有棘層、第1の光を用いて真皮の情報を測定しても良い。このようにすることによって、さらに深さに関する情報が得られるため好ましい。
The
Further, in the above description, the case of obtaining biological tissue information at two different depths using the first light and the second light has been described. For example, using the third light and the fourth light, Further, the measurement depth may be changed. For example, the stratum corneum in the epidermis may be measured using the third light, the spiny layer in the epidermis may be measured using the second light, and the dermis information may be measured using the first light. By doing in this way, since the information regarding depth is obtained further, it is preferable.
光分割器16としては、本発明の属する分野において公知のものであればよく、それぞれの深さを測定した光を分離し、光検出器18に光を入射できるものであれば特に限定せず用いることができる。
例えば、機械式チョッパー、フィルターおよび音響光学変調器などが挙げられる。また、それぞれの光の出射端に直接光検出器18を設けても良い。
The
Examples thereof include a mechanical chopper, a filter, and an acousto-optic modulator. Moreover, you may provide the
分光器17としては、本発明の属する分野において公知のものを用いることができる。例えばグレーティングを用いた分光器やフーリェ変換分光装置などが挙げられる。
光検出器18としても、本発明の属する分野において公知のものを用いることができる。例えば、中赤外領域では、焦電センサやサーモパイル、サーミスタおよびMCT検出器(量子型検出器の一種であるHgCdTe検出器)が挙げられる。また、近赤外領域では、InGaAs検出器、フォトダイオード、PbS検出器、InSb検出器およびInAs検出器などが挙げられる。
As the
As the
演算器19としては、特に限定なく用いることができる。例えば、コンピュータなどの演算処理装置を用いても良い。
上記においては、被検試料である生体組織としてヒト内側前腕部を採用し、グルコースを測定する方法および装置を説明したが、例えば耳垂、口唇粘膜、指および上腕部などを採用することも可能である。また、体液成分が光学的に測定可能な物質であれば、グルコース以外の体液成分の測定も可能である。
The
In the above description, the method and apparatus for measuring glucose by using the human inner forearm as the living tissue as the test sample has been described. However, for example, the ear lobe, the lip mucosa, the finger, the upper arm, and the like can also be used. is there. In addition, if the body fluid component is a substance that can be measured optically, it is possible to measure body fluid components other than glucose.
以上説明したように、本発明の生体情報測定方法、生体情報測定用光学素子および生体情報測定装置は、生体表面からみて同じ位置で、かつ異なる深さの生体組織、例えば表層組織およびそれよりも深い層を選択的に、測定することができる。本発明は、特に医療用途での体液成分の測定に有用である。 As described above, the living body information measuring method, the living body information measuring optical element and the living body information measuring apparatus according to the present invention are the same position as viewed from the living body surface, and different depths of living tissues, for example, surface tissues and the like. Deep layers can be selectively measured. The present invention is particularly useful for measuring body fluid components in medical applications.
100 生体情報測定装置
11 光源
12 生体情報測定用光学素子
13 溝部
14 溝部における光出射面
15 溝部における光入射面
16 光分割器
17 分光器
18 光検出器
19 演算器
21 角質層
22 顆粒層
23 有棘層
24 基底層
25 角質細胞
26 顆粒細胞
27 有棘細胞
28 基底細胞
29 基底膜
200 真皮
210 乳頭
220 毛細血管
31 表皮
32 第2の光
33 第1の光
34 頂角
51 光透過制御部
621,622,623,624,625 凹部
631,632,633,634,635,636 凸部
64 信号処理部
65 表示装置
66 生体組織
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記凹部の第1の位置から、前記凹部に当接した前記生体組織に第1の光を照射する工程Aと、
前記凹部の第2の位置から、前記凹部に当接した前記生体組織に第2の光を照射する工程Bと、
前記生体組織から前記光学素子に帰還した前記第1の光を測定する工程Cと、
前記生体組織から前記光学素子に帰還した前記第2の光を測定する工程Dと、
前記工程Cおよび工程Dにおいて得られた測定結果に基づいて、前記生体組織の生体情報を求める工程Eとを含み、
前記凹部において、前記第2の位置は前記第1の位置よりも深い場所に位置し、
前記凹部の第1の位置および第2の位置は、前記光学素子を前記生体組織に当接する側からみて、前記第1の光の光軸と前記第2の光の光軸とが重なるように設定されている生体情報測定方法。 A biological information measuring method comprising a recess for contacting a biological tissue and using an optical element for irradiating the biological tissue with light incident from a light source,
Irradiating the living tissue in contact with the concave portion from the first position of the concave portion with a first light; and
A step B of irradiating the biological tissue in contact with the concave portion from the second position of the concave portion with a second light;
Measuring the first light returned from the biological tissue to the optical element; and
Measuring the second light returned from the living tissue to the optical element; and
Based on the measurement results obtained in the step C and the step D, the step E for obtaining biological information of the biological tissue,
In the recess, the second position is located deeper than the first position,
The first position and the second position of the recess are such that the optical axis of the first light and the optical axis of the second light overlap each other when the optical element is viewed from the side in contact with the living tissue. Biological information measurement method that has been set.
光源から入射した光を、前記凹部から前記生体組織に向けて出射する第1の光出射部および第2の光出射部と、
前記第1の光出射部から出射し前記生体組織によって散乱および/または吸収された第1の光が前記生体組織から前記凹部に入射する位置に設けられた第1の光入射部と、
前記第2の光出射部から出射し前記生体組織によって散乱および/または吸収された第2の光が前記生体組織から前記凹部に入射する位置に設けられた第2の光入射部とを備え、
前記凹部において、前記第2の光出射部は前記第1の光出射部よりも深い場所に位置し、かつ前記第2の光入射部は前記第1の光入射部よりも深い場所に位置し、
前記凹部において、前記第1の光出射部、前記第2の光出射部、前記第1の光入射部および第2の光入射部は、前記光学素子を前記生体組織に当接する側から見て、前記第1の光の光軸と前記第2の光の光軸とが重なるように配置されている生体情報測定用光学素子。 A recess for contacting the living tissue;
A first light emitting part and a second light emitting part for emitting light incident from a light source toward the living tissue from the recess,
A first light incident portion provided at a position where the first light emitted from the first light emitting portion and scattered and / or absorbed by the biological tissue enters the concave portion from the biological tissue;
A second light incident portion provided at a position where the second light emitted from the second light emitting portion and scattered and / or absorbed by the biological tissue enters the concave portion from the biological tissue;
In the recess, the second light emitting part is located deeper than the first light emitting part, and the second light incident part is located deeper than the first light incident part. ,
In the recess, the first light emitting part, the second light emitting part, the first light incident part, and the second light incident part are viewed from the side in which the optical element is in contact with the living tissue. An optical element for measuring biological information arranged so that the optical axis of the first light and the optical axis of the second light overlap.
前記第1の光入射部および第2の光入射部が互いに異なる光入射面に配置されている、請求項4記載の生体情報測定用光学素子。 The first light emitting part and the second light emitting part are arranged on different light emitting surfaces;
The optical element for biological information measurement according to claim 4, wherein the first light incident part and the second light incident part are arranged on different light incident surfaces.
前記第1の光入射部および第2の光入射部が1つの光入射面に配置されている、請求項4または5記載の生体情報測定用光学素子。 The first light emitting part and the second light emitting part are arranged on one light emitting surface;
The optical element for biological information measurement according to claim 4 or 5, wherein the first light incident part and the second light incident part are arranged on one light incident surface.
前記第1の光入射部と前記第2の光入射部との間に第2の光透過制御部が設けられている請求項6記載の生体情報測定用光学素子。 In the light emitting surface, a first light transmission control unit is provided between the first light emitting unit and the second light emitting unit,
The optical element for biological information measurement according to claim 6, wherein a second light transmission control unit is provided between the first light incident unit and the second light incident unit.
A light source, an optical element for measuring biological information according to any one of claims 4 to 7, a photodetector for detecting light emitted from the optical element for measuring biological information, and the photodetector. A biological information measuring device comprising: an arithmetic unit that calculates biological information by calculating information.
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2005
- 2005-04-19 JP JP2005121277A patent/JP2006296660A/en active Pending
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