JP2007000544A

JP2007000544A - 生体内成分計測装置

Info

Publication number: JP2007000544A
Application number: JP2005187236A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Maruo; 勝彦丸尾
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2007-01-11

Abstract

【課題】生体に対するの安全性を確保しつつ光強度の強いレーザ光を用いた測定を可能とする上に、一定の計測精度を確保することができる生体成分計測装置を提供することにある。
【解決手段】光ファイババンドル２は、レーザ光を複数の光ファイバ２０_１〜２０_１２により分岐するとともに、各光ファイバ２０_１〜２０_１２の端部を測定プローブ３の出射側端面に臨ませ、測定プローブ３の出射側端面での光の分布が均一となるように曲率が近いもの同士が隣接しないように各光ファイバ２０_１〜２０_１２の端部を前記プローブの出射側端面において同一円周上に所定間隔に配置している。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体成分の定性・定量分析を行う生体成分計測装置に関するものである。

生体の皮膚組織に近赤外光を照射すると共に、前記皮膚組織からの拡散反射光を受光して吸光度スペクトル測定を行い、生体成分の定性・定量分析を行う生体成分計測装置として、近赤外光を得るための光源にレーザ光源を用いた装置が提供されている（例えば特許文献１）。

このレーザ光源を用いる装置の利点としては、測定信号の光強度を確保することができ、しかもハロゲン光源のようにハロゲン球のような消耗部品が不要で、メンテナンスが容易な上に小型化も可能となるという利点がある。

一方、生体の安全性から照射できる光強度には安全基準［Ｊ，ＩＳＴ０６０１−２−２０３（赤外線治療器の安全に関する個別要求事項）］により制限がある。

そこで特許文献１に開示されている装置では、束ねられた複数の光ファイバの一端にレーザ光を入射させ、直線状に配置した各光ファイバの他端から出射させて生体へ照射することで、レーザ光を各光ファイバに分散させている。
特開平１１−１３７５３８号公報（段落番号０００９、００３１〜００３４、図１）

ところで、上述の特許文献１に用いられる光ファイバは、曲率によって減衰率が異なるため、複数の光ファイバを束ねて用いる場合、夫々の曲率によって光ファイバでの光強度が異なり、そのため出射面での光分布が均一とならず、結果計測精度が悪くなるという問題があった。

本発明は、上述の問題に鑑みて為されたもで、その目的とするところは、生体に対するの安全性を確保しつつ光強度の強いレーザ光を用いた測定を可能とする上に、一定水準の計測精度を確保することができる生体成分計測装置を提供することにある。

上述の目的を達成するために、請求項１の発明では、近赤外光を発生させる光源と、前記近赤外光を生体に照射するとともに、生体を通った拡散反射光を受光する測定プローブと、検量モデルを記憶する記憶部と、前記吸光度スペクトルと前記検量モデルとから生体内成分を定量化する生体内成分計測装置において、
前記近赤外光がレーザ光であって、前記光源から出射されたレーザ光を複数の光ファイバにより分岐するとともに、各光ファイバの端部を前記測定プローブの出射側端面に臨ませた光分岐手段と、前記測定プローブの出射側端面での光の分布を均一とする設定構造とを有していることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、レーザ光を複数の光ファイバーで分岐することで、各光ファイバから生体に照射するレーザ光の強度を低減することができ、そのため生体に対する安全性を確保しつつ光強度の強いレーザ光を用いた測定を可能とし、しかも測定プローブの出射側端面での光分布を均一とすることができるため一定水準の計測精度を確保することができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記設定構造が、各光ファイバの曲率に基づき、曲率が近いものが隣接しないように各光ファイバの端部を前記プローブの出射側端面において同一円周上に所定間隔に配置している構成であることを特徴とする。

請求項２の発明によれば、曲率によって光強度分布が異なる光ファイバを用いても、測定プローブの出射側端面での光分布を均一とすることができる。

請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、前記設定構造が、レーザ光を順次複数に分岐して最終段の各光ファイバの光強度を均一化する多段構成の光分岐手段により構成されていることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、各光ファイバの光強度を均一とすることで、測定プローブの出射側端面での光分布を均一とすることができる。

請求項４の発明では、請求項１の発明において、前記設定構造が、光ファイバの曲率調整を調整して各光ファイバの光強度を均一化する手段により構成されていることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、各光ファイバの曲率を同じとなるように調整することで、減衰率を均一にすることができ、その結果各光ファイバの光強度を均一にして測定プローブの出射側端面での光分布を均一とすることができる。

本発明は、レーザ光を複数の光ファイバーで分岐することで、各光ファイバから生体に照射するレーザ光の強度を低減することができ、そのため生体に対する安全性を確保しつつ光強度の強いレーザ光による測定を可能とし、しかも測定プローブの出射側端面での光分布を均一とすることができるため一定の計測精度を確保することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施形態１）
本実施形態は図２に示すようにレーザ光源１から発光された近赤外のレーザ光を光分岐手段である光ファイババンドル２の複数の光ファイバ２０_１〜２０_１２により分岐し、各光ファイバの端部を接続した測定プローブ３の出射側端面から夫々の光ファイバを介して送られてくるレーザ光を生体組織４に対して出射させるようになっている。

光ファイババンドル２は、図１（ａ）に示すようにレーザ光源１側の入射体２３に単心の光ファイバ２１の一端を結合し、この光ファイバ２１の他端側に図１（ｂ）に示すように１２本の光ファイバ２０_１〜２０_１２の一端を結合してこれら光ファイバ２０_１〜２０_１２で分岐する多心／単心光分岐型コード２２により構成されている。１２本の光ファイバ２０_１〜２０_１２の出射側端部は測定プローブ３に接続され、その端面を測定プローブ３の出射側端面に臨ませるとともに、この出射側端面において同一円周上に等間隔に配置している。

ここで測定プローブ３の位置ずれの影響を軽減し、計測精度を向上させるためには、測定プローブ３の出射側端面での光の分布が均一であることが理想であるが、光ファイバ２０_１〜２０_１２は図３に示すように曲率によって減衰率が異なるため、各光ファイバ２０_１〜２０_１２の光強度は均一とならない。そのため同一円周上に配置する際に同じ曲率の光ファイバ２０を隣接配置した場合には、測定プローブ３の出射側端面での光分布が均一とならない。そこで、本実施形態では図１（ｂ）に示すように配置構成で分岐されたとき隣接する、つまり曲率が近い光ファイバ同士を、測定プローブ３の出射側端面においては隣接させないように、図１（ｃ）に示すよう曲率が近いものを離して配置する構造により、測定プローブ３の端面光の分布が均一となるように設定している。また光ファイバ２０_１〜２０_１２の配置円の中心位置には拡散反射光を受光するための受光ファイバ５の入射端面を臨ませている。

ここで本実施形態の生体内成分計測装置は、真皮組織中のグルコース濃度を血糖値の代用特性として測定し血糖値を推定するために使われるものであるので、真皮組織の吸収度スペクトルを選択的に測定する必要から、光ファイバ２０_１〜２０_１２と受光ファイバ５の中心間距離Ｌを６５０μｍに設定している。

また、使用する光ファイバ２０_１〜２０_１２及び受光ファイバ７のコア径を０．１７５ｍｍ、クラッド径を０．２ｍｍとしている。更に利用するレーザ光の波長は、近赤外領域の中でも第１倍音の吸収が観察される１３００〜１９００ｎｍを用い、レーザ光源１としては波長範囲１２００〜２０００ｎｍのレーザ光を出射できるレーザ光源を用いる。このレーザ光源１は広い波長範囲を出力するレーザ光源であれぱ良い。またレーザ光源１として可変長レーザ光源（例えば可変長範囲が１２６０〜１６３０ｎｍのレーザ光源）を用いた場合には、図４に示すように受光泰子１０の前に回折格子からなる分光手段を用いる必要がなく、レンズ７，７を通じてレーザ光を受光素子１０で受光することができ、装置の構成としては簡単となる。

ここで、生体に対する光照射の安全基準の一例として上述したＪ、ＩＳＴ０６０１−２０３では出力密度は７Ｗ／ｃｍ^２を超えてはならないとしているが、本実施形態によればレーザ光源１からの高強度の光を、多心／単心光分岐型コード２２の光ファイバ２０_１〜２０_１２により分岐して、１本当たりの光強度を低減させて生体組織４に照射する構成であるため、実際には多心／単心光分岐による光ロスが存在するものの、単純に１本当たりの光強度が１２分の１になると仮定すると、８４Ｗ／ｃｍ^２の出力密度のレーザ光を利用することが可能となる。

一方、受光ファイバ５においては、全ての光ファイバ２０_１〜２０_１２からの拡散反射光を受光することが可能となる。従って、レーザ光源１からの出力時点で安全基準以上のレーザ出力を用いても、生体に安全な測定が可能となる。また、レーザ光源１が利用できることで、ハロゲン光源のようにハロゲン球のような消耗部品が不要でメンテナンスが容易となるとともに、小型化も可能となる。

次に本実施形態の生体内成分計測装置を用いて血糖値の計測する場合の説明を図２に基づいて説明する。まず人体の前腕部など生体組織４の表面に測定プローブ３の先端面を所定圧力で接触させて近赤外スペクトル測定を行う。このときレーザ光源１からのレーザ光は入射体２３に接続している光ファイバ２１に入射した後、各光ファイバ２０_１〜２０_１２で分岐され、分岐されたレーザ光は測定プローブ３の出射側端面において同一円周上に配置された１２本の光ファイバ２０_１〜２０_１２の端面より生体組織４の表面に照射される。

生体組織４に照射されたこの測定光は生体組織４内で拡散反射した後に、拡散反射光の一部、つまり吸光度スペクトルデータを含む光が測定測定プローブ３の先端に配置されている受光ファイバ５に受光される。受光された光はこの受光ファイバ５を介して、測定側出射体６から出射される。

測定側出射体６から出射された光は、レンズ７、７、反射ミラー８を介して回折格子９に入射して分光された後、受光素子１０において検出される。受光素子１０で検出された光信号はＡ／Ｄコンバーター１１でＡＤ変換された後、パーソナルコンピュータなどの演算装置１２に入力される。この演算装置１２が吸収度スペクトルデータを解析して血糖値を算出し、計測を終了する。

尚血糖値計測を、年齢４５歳（非糖尿病患者）の男性に対して行ったところ図５に示すような血糖値予測結果（イ）が得られた。この計測において、被験者は血糖値変動を生じさせるため実験開始後１時間２０分後に、経口的にグルニース溶液（トレーランＧ、清水製薬株式会社）を摂取した。また皮膚スペクトル測定は５分毎に行われ、実際の血糖値の測定結果(ロ)は簡易血糖計によって測定した結果である。測定プローブ３はスペクトル測定を行う６０秒間、皮膚に接触させ、それ以外の時間は皮膚からは離し、またスペクトル測定中は、皮膚と測定プローブ３の接触圧力を４７０ｇｆ／ｃｍ^２に保った。また、測定部位の温度は電気ヒーターで常時３５℃に維持し、血糖値を算出するための検量モデルは血糖測定実験以前に準備した吸収スペクトルデータ群を多変量解析（ＰＬＳ回帰分析）して得たものを用いた。

ところで上述のようレーザ光の分岐して光強度を低減する以外に、レーザ光を生体に照射する際には安全な照射量について考慮する必要がある。この安全な照射量は、照射強度とその強度の光を照射した時間の積分量で決まるため、本実施形態において、生体スペクトルを測定する時間以外は光の照射量をなくすか、小さくする機能を有するスイッチ手段を設ければ、測定信号のＳＮ比を確保しつつ、生体への安全性を高めることができる。

このスイッチ手段としては機械的な手段があるが、小型化のためには光ファイバにスイッチ手段を設けることがより有効である。スイッチ手段の例としては空間伝搬型（２Ｄマイクロミラー型、３Ｄマイクロミラー型）、導波路型（ファイバ駆動型、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計型、熱光学型、バブル型、泡発生型、泡移動型［Ｏｌｉｖｅ−ＳＷ〕）等の様々な方式が存在するが、適切な方式を選択すれば良い。スイッチ手段の設置位置としては、光分岐をする前（レーザ光源１と光分岐手段である光ファイババンドル２との間）に設置することがスイッチ手段の数を削減でき、小型化や光ロスを小さくする意味からも望ましい。
（実施形態２）
実施形態１で用いた多心／単心光分岐コード２２では、１２本の光ファイバ２０_１〜２０_１２で一度にレーザ光を分岐しているため、各光ファイバ２０_１〜２０_１２の光強度分布が大きくなる。そこで本実施形態では図６に示すように、まず初段の多心／単心光分岐コード２２_１で４本に分岐し、更に各分岐光ファイバ２０ａ〜２０ｄから多心／単心光分岐コード２２_２２〜２２_２５により夫々３本の光ファイバ２０_１〜２０_３，２０_４〜２０_６，２０_７〜２０_９、２０_１０〜２０_１２に分岐して最終的に１２本に分岐する構造とすることで、各光ファイバ２０_１〜２０_１２の光強度を均一にし、測定プローブの出射側端面での光分布を均一に設定している。

このように分岐構成された各光ファイバ２０_１〜２０_１２の端面を測定プローブ３の出射側端面において同一円周上に一定間隔で配置することで、実施形態１と同様に測定プローブ３の出射側端面の光分布を均一化することができるのである。尚各光ファイバ２０_１〜２０_１２の曲率を考慮して、実施形態１のような配置を行えば、一層の均一化が図れる。尚光の照射量を安全な量とするためのスイッチ手段を本実施形態に設ける場合には、初段の光分岐手段の前かあるいは次段の光分岐手段の前に設置することが望ましい。

（ａ）は実施形態１に用いる光ファイババンドルの光源側の端部の正面図、（ｂ）は実施形態１に用いる光ファイババンドルにおける光ファイバ配置説明図、（ｃ）は実施形態１に用いる測定プローブの出射側端面の正面図である。実施形態１のシステム構成図である。光ファイバの曲率と減衰率の関係説明図である。実施形態１の別のシステム構成図である。実施形態１を用いた血糖値の測定実験例の結果を示すグラフである。実施形態２に用いる光ファイババンドルにおける光ファイバ配置説明図である。

符号の説明

２光ファイババンドル
２０_１〜２０_１２光ファイバ
２１光ファイバ
２２多心／単心光分岐コード
３測定プローブ
５受光ファイバ

Claims

近赤外光を発生させる光源と、前記近赤外光を生体に照射するとともに、生体を通った拡散反射光を受光する測定プローブと、検量モデルを記憶する記憶部と、前記吸光度スペクトルと前記検量モデルとから生体内成分を定量化する生体内成分計測装置において、
前記近赤外光がレーザ光であって、前記光源から出射されたレーザ光を複数の光ファイバにより分岐するとともに、各光ファイバの端部を前記測定プローブの出射側端面に臨ませた光分岐手段と、前記測定プローブの出射側端面での光の分布を均一とする設定構造とを有していることを特徴とする生体内成分計測装置。
前記設定構造が、各光ファイバの曲率に基づき、曲率が近いものが隣接しないように各光ファイバの端部を前記プローブの出射側端面において同一円周上に所定間隔に配置している構成であることを特徴とする請求項１記載の生体内成分計測装置。
前記設定構造が、レーザ光を順次複数に分岐して最終段の各光ファイバの光強度分布を均一化する多段構成の光分岐手段により構成されていることを特徴とする請求項１記載の生体内成分計測装置。
前記設定構造が、光ファイバの曲率調整を調整して各光ファイバの光強度を均一化する手段により構成されていることを特徴とする請求項１記載の生体内成分計測装置。