JP2007175242A - 測定装置、測定プログラム及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】血中の物質の濃度を非侵襲的に、かつ精度よく求めることのできる測定装置を実現する。
【解決手段】血糖値測定装置１は、振動数の異なる２種類の中赤外レーザ光ｆ１・ｆ２を爪床１２の同一の領域に対して異なる角度で照射する量子カスケードレーザ２ａ・２ｂと、照射領域から放射されるコヒーレント反ストークスラマン散乱光ｆ３を受光して、当該散乱光ｆ３の強度を検出する受光部３と、受光部３の検出結果を基に、生体の血中に含まれるグルコースの濃度を求める演算部５とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体の血中に含まれる物質の濃度を測定することができる測定装置に関するものである。

現在、糖尿病患者は、その予備軍も含めると日本だけでも１５５０万人にのぼると言われている。糖尿病患者にとって、インシュリンによる血糖値（血中グルコース濃度）の管理は非常に重要である。血糖値は食事の摂取などにより日内でも大きく変動するため、血糖値の管理にはこまめな測定を必要とする。

図９は、従来の血糖値測定方法を示す図である。従来、血糖値の測定は、患者に無痛針を刺して血管内から血液を採取し、採取した血液から試薬を用いて血糖値を測定することにより行われてきた。基本的には、図９に示すように、グルコースを基質とするグルコース酸化酵素の酸化・還元反応により生じる電子を検出することにより、血糖値を測定するのである。

しかし採血には、患者の精神的負担を始めとして、感染症の危険性などの多くの問題点があり、患者が気軽に行うことができるとは言いがたい。このことから、非侵襲的に患者の血糖値を測定することのできる測定装置が求められていた。

このような要求に対して、特許文献１では、光学的な方法により、非侵襲的に患者の血糖値を測定することのできる測定方法が提案されている。この測定方法では、４００ｎｍから２５００ｎｍの範囲に含まれる波長の光を一次光として患者の生体組織に照射し、照射された一次光と血中のグルコースとの相互作用の結果放射される二次光の強度を検出することにより、血糖値を測定している。

ところで、近年、生体に適した光、特に生体振動モードに対応した中赤外光（３μｍ〜３０μｍの範囲内の波長を有する電磁波であり、テラヘルツ波ともいう）に関する研究・開発が進展している。特許文献２には、中赤外レーザ光を照射できる量子カスケードレーザが開示されている。この量子カスケードレーザは、小型ながらも強い中赤外レーザ光を照射できるため、血糖値を非侵襲的に測定できる可能性が高まった。

そして、特許文献３では、携帯電話機に量子カスケードレーザを内蔵することにより、ユーザの唇から光学的に血糖値を測定する技術が提案されている。この携帯電話機では、量子カスケードレーザから照射される中赤外レーザ光を全反射させ、これに伴って界面から滲み出すエバネッセント光を唇の血管に当てることにより、血中のグルコース濃度を測定している。
特表平８−５０２９１２号公報（平成８年(1996)４月２日公開） 特開平８−２７９６４７号公報（平成８年(1996)１０月２２日公開） 特開２００５−７３７６３号公報（平成１７年(2005)３月２４日公開）

しかしながら、非侵襲的に血糖値を測定するための実用的な測定装置は未だ開発されていない。具体的には、上述した従来の技術により血糖値を精度よく測定することができていない。

例えば、特許文献３の携帯電話機では、エバネッセント光を用いて血中のグルコース濃度を測定しているが、エバネッセント光は静止しているのに対して血中のグルコースは流れているため、エバネッセント光とグルコース量との間で正しい相関が取れる保証はない。しかも、エバネッセント光とグルコースとの間で共鳴を生じさせ、光量の変化を測定すると記載されているが、具体的にどのようにして光量の変化を測定するのかについては開示されていない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、血中の物質の濃度を非侵襲的に、かつ精度よく求めることのできる測定装置を実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る測定装置は、生体の血中に含まれる物質の濃度を測定する測定装置であって、振動数の異なる２種類の中赤外レーザ光を生体組織の同一の領域に対して異なる角度で照射する照射部と、上記領域から放射されるコヒーレント反ストークスラマン散乱光（以下「ＣＡＲＳ光」という）を受光して、当該散乱光の強度を検出する受光部と、上記受光部の検出結果を基に、上記物質の濃度を求める演算部とを備えていることを特徴とする。

上述したように、血中に含まれる物質の濃度を測定するための測定装置ならびに測定方法について様々なものが提案されているが、未だ実用的なものは存在しない。本発明に係る測定装置では、中赤外レーザ光を用いた分光法により血中の物質の濃度を測定する。中赤外レーザ光は、生体に含まれる物質を共鳴させるのに好適な振動数を有しているので、血中の物質の濃度を測定するのに適している。

そして、上記構成によれば、照射部により、生体組織に対して２種類の異なる振動数の中赤外レーザ光が照射され、その結果放射されるＣＡＲＳ光が受光部により受光されるとともに、その強度が検出される。このように、本発明係る測定装置では、コヒーレント反ストークスラマン散乱（以下、「ＣＡＲＳ」という）を利用する。ＣＡＲＳは、２種類の異なる振動数の光が照射された際に、所定の条件下で特に強い散乱光が放射される現象であり、通常のラマン散乱に比べて、はるかに高い感度、分解能、精度で物質の情報を得ることができる。従って、血中の物質の濃度を非侵襲的に、かつ精度よく求めることができる。

また、上記測定装置では、上記２種類の中赤外レーザ光の振動数の差が、上記物質の振動数に等しいことが好ましい。

ＣＡＲＳ光は、入射する２種類のレーザ光の振動数の差が物質の振動数と等しい場合に、最も強度が大きくなる。従って、上記構成によれば、ＳＮ比が向上し、精度よく血中の物質の濃度を測定することができる。

また、上記測定装置では、中赤外レーザ光の照射対象となる生体組織が爪床であることが好ましい。

爪床は表皮が薄く、毛細血管が生体表面に近接している組織である。また、爪床の上に覆いかぶさる爪体は死んだ表皮細胞からなり、水分含有量が通常の細胞に比べて非常に低い。従って、血管内に到達する前に生体の水に吸収されてしまう中赤外レーザ光の量を抑制することができ、精度よく血中グルコース濃度を測定することができる。

しかも、指先の爪の部分は、唇のようなデリケートな部分とは異なり、様々なものが接触しても感染症などに罹患するおそれが少ない。従って、照射部や受光部を当接させる構成であっても、紫外線などにより照射部や受光部の殺菌を逐一行う必要がなく、装置の取り扱いが容易になる。また、頭部から離れているので、中赤外レーザ光による健康への悪影響が万一あったとしても、悪影響の程度を抑えることができる。

また、上記測定装置では、上記２種類の中赤外レーザ光のそれぞれの振動数が、ケラチンの吸収域外であることが好ましい。

爪床に覆いかぶさる爪体は、ケラチンを多く含んでいる。従って、中赤外レーザ光の振動数をケラチンの吸収域外にすることにより、爪床に到達する中赤外レーザ光の強度が強くなり、精度よく血中グルコース濃度を測定することができる。

また、上記測定装置では、測定対象となる血中の物質がグルコースであることが好ましい。

現在、糖尿病患者やその予備軍は、世界中に数多く存在する。糖尿病では、日々の血糖値の管理が重要である。しかしながら、従来の採血に基づいた血糖値の測定は、患者に対して精神的・肉体的に多大な負担をかけることになる。ここで、上記構成によれば、血糖値を非侵襲的に、かつ精度よく測定することができるようになるので、糖尿病患者及びその予備軍の負担を軽減することができる。

また、上記測定装置において、上記照射部は、量子カスケードレーザによって中赤外レーザ光を照射するものであることが好ましい。

量子カスケードレーザは、サイズが非常に小さい点が特徴である。従って、測定装置を小型化して携帯型にし、患者がいつでもどこでも血糖値の測定を行うことが可能になる。しかも、量子カスケードレーザは、発光井戸層が多段に設けられていることにより、強度の大きい中赤外レーザ光を発振することが可能であるため、精度よく血中グルコース濃度を測定することができる。

また、上記測定装置は、上記受光部の検出結果と上記物質の濃度との対応関係が示されたテーブルを格納した記憶部をさらに備え、上記演算部は、上記テーブルを参照することにより、上記受光部の検出結果を基に上記物質の濃度を求めるものであることが好ましい。

測定装置を利用する患者に依存して、測定条件は様々に変化する。従って、関数などを用いた計算のみでは、受光部の検出結果から物質の濃度を精度よく求めることは困難な場合がある。ここで、上記構成によれば、受光部の検出結果と物質の濃度との対応関係が示されたテーブルが予め記憶部に格納されており、演算部がこのテーブルを参照して物質の濃度を求めるので、誤差の少ない測定結果を容易に得ることが可能になる。

また、上記測定装置は、中赤外レーザ光が照射される上記領域における血液量を測定する血流量測定部をさらに備え、上記演算部は、上記受光部の検出結果及び上記血流量測定部の測定結果を基に、上記物質の濃度を求めるものであってもよい。

血中に含まれる物質の濃度は、物質の量及びその物質を含む血液の量の２つのパラメータによって決定される。上記の測定装置において、ＣＡＲＳ光の強度は患者の血中に含まれる物質の量に対応するが、周知のごとく人間の血流量は環境に応じて時々刻々と変化するので、物質の濃度を特に精度よく求めるためには、照射領域における血液の量をも測定する必要がある。

上記構成によれば、血流量測定部によって照射領域における血液量が測定され、演算部は、受光部の検出結果（すなわち照射領域における物質の量）と、血流量測定部の測定結果（すなわち照射領域における血液の量）とを基に、血中に含まれる物質の濃度を測定する。従って、血流量が平均的な値から変化した場合であっても、血中に含まれる物質の濃度を精度よく測定することができる。

ところで、上記測定装置の演算部は、ハードウェアで実現してもよいし、プログラムをコンピュータに実行させることによって実現してもよい。具体的には、本発明に係るプログラムは、上記演算部としてコンピュータを動作させるプログラムであり、本発明に係る記録媒体には、当該プログラムが記録されている。

これらのプログラムがコンピュータによって実行されると、当該コンピュータは、上記演算部として動作する。したがって、上記測定装置と同様に、血中の物質の濃度を非侵襲的に、かつ精度よく求めることができる。

本発明に係る測定装置は、以上のように、振動数の異なる２種類の中赤外レーザ光を生体組織の同一の領域に対して異なる角度で照射する照射部と、当該領域から放射されるコヒーレント反ストークスラマン散乱光を受光して、当該散乱光の強度を検出する受光部とを備えた構成となっているので、血中の物質の濃度を非侵襲的に、かつ精度よく求められるという効果を奏する。

〔実施形態１〕
本発明に係る測定装置の一実施形態について図１から図７に基づいて説明すると以下の通りである。本実施形態では、血中に含まれる物質の濃度を測定する測定装置の一例として、生体の血中グルコース濃度（血糖値）を非侵襲的に測定する血糖値測定装置について説明する。

（１−１．血糖値測定装置の測定原理）
本実施形態の血糖値測定装置は、血中グルコース濃度を非侵襲的に測定するために、非線形光散乱、特にコヒーレント反ストークスラマン散乱（以下「ＣＡＲＳ」という）を利用する。ＣＡＲＳは、２つの入射光の振動数の差に対して物質が共鳴する光混合の一種であり、通常のラマン散乱と比較して、はるかに高い感度、分解能、精度で物質の情報を得ることができる。

本実施形態では、血中濃度を測定する対象となる物質がグルコースであり、グルコースの共鳴振動数は、中赤外光（３μｍ〜３０μｍの範囲内の波長を有する電磁波であり、テラヘルツ波ともいう）の振動数に相当する。従って、ＣＡＲＳを誘導するための２種類の光として３μｍ〜３０μｍの範囲内の波長を有する中赤外レーザ光を用いる。

図２は、ＣＡＲＳの原理を示す図である。図２に示すように、試料に対して振動数の異なる２種類の光を異なる角度で入射させた場合、２つの入射光の振動数が所定の条件を満たすときに、入射光と試料中の物質との間で共鳴が起こり、特に強い散乱光が放射される。この現象がＣＡＲＳであり、放射される散乱光のことをコヒーレント反ストークスラマン散乱光（以下「ＣＡＲＳ光」）という。そして、上記の所定の条件とは、２つの入射光の振動数の差が、試料に含まれる物質の振動モードや回転モードに対応する振動数（共鳴振動数）と等しくなることである。

つまり、物質の共鳴振動数をωｓとし、２種類の入射光の振動数をそれぞれω１，ω２（ただし、ω１＞ω２）とすると、ω１，ω２が次の式（１）
ωｓ＝ω１−ω２ …（１）
を満たすときに最も強いＣＡＲＳ光が観測される。

このように、非線形光学分光法であるコヒーレント反ストークスラマン分光法を用いることにより、血中に含まれるグルコースの量を精度よく測定することができる。

なお、中赤外レーザ光は水に吸収され易い特性があるので、中赤外レーザ光を照射する部位（すなわち測定部位）は、生体の外部から血管内部までの距離が短い部位であることが好ましい。生体組織の中でも爪床は毛細血管が表皮に近い位置を走向する組織であるので、本実施形態では、爪床に向けて２種類の中赤外レーザ光を照射し、爪床を走向する毛細血管内のグルコースとの共鳴により特異的に放射されるＣＡＲＳ光を爪体の上部で捉え、その強度を検出する。

図３は、水による中赤外レーザ光の吸収特性を示す図である。図３に示すように、中赤外レーザ光は、１ｍｍの水を通過する間に略１００％吸収される。ここで、図４に示すように、爪体の上部から爪体を介して爪床に向けて中赤外レーザ光を照射する場合の吸収率について考察する。

爪体は、通常、０．５ｍｍ〜０．７ｍｍ程度の厚みを有しているが、死んだ表皮細胞によって構成されているため、水分含有量は組織全体に対して１２％程度と、通常の他の組織に比べて少ないのが特徴である。このため、爪体による中赤外レーザ光の吸収率は、厚みが０．５ｍｍ〜０．７ｍｍの水の場合に比べておよそ１／８であり、計算すると６％〜８％程度に過ぎない。このことから、爪床に充分量の中赤外レーザ光が到達することが分かり、測定部位として爪床が適しているといえる。

（１−２．血糖値測定装置の構成）
続いて、本実施形態の血糖値測定装置１の構成について説明する。

図５は、血糖値測定装置の機能構成を示すブロック図である。血糖値測定装置１は、２つの量子カスケードレーザ２ａ・２ｂを有する照射部２、受光部３、ＡＤ変換部４、演算部５、記憶部６、及び表示部８を備えている。

照射部２の量子カスケードレーザ２ａ・２ｂは、多段量子井戸構造により中赤外レーザ光を照射するものである。図６は量子カスケードレーザ２ａ・２ｂの構造を示す断面図である。量子カスケードレーザ２ａ・２ｂは、基板上に超高真空ＭＢＥで電子注入層と井戸層とを交互に蒸着することにより作成することができる。通常、１組の電子注入層及び発光層の厚みはおおよそ１０００Åであり、量子カスケードレーザではこの電子注入層及び発光層の組が１０００組程度積層される。

発光井戸層を多段（カスケード状態）にする理由は、最初の量子井戸から発光する光は微弱であるものの、多段量子井戸構造にすることにより、最初の微弱なレーザ光が別の量子井戸内に閉じ込められた電子の誘導放出を促進し、この繰り返しによってレーザ光の強度が著しく増幅されるためである。

この量子カスケードレーザ２ａ・２ｂに閾値以上の電圧を印加すると、図５の矢印で示される方向に、３μｍ〜３０μｍの波長の中赤外線レーザ光が発振される。

図７は量子カスケードレーザ２ａ・２ｂの発振原理を説明するための電子注入層及び量子井戸層の基本ユニットを示す図である。図６において井戸が傾いているのは、井戸が電圧の影響を受けているからである。電圧の影響で電子注入層から電子が供給され、トンネル効果によって井戸内に入り閉じ込められる。量子井戸の中ではサブバンド構造が形成され、サブバンド遷移によって電子が遷移する。その結果レーザ発光が生じる。そしてサブバンド間遷移した電子は次の井戸へ注入される。この繰り返しが続くことが量子カスケードレーザの最大の特徴である。最終的に多段量子井戸構造からは、強い中赤外線レーザ光が放出される。

なお、レーザ発振に必要な電圧は、直流電圧、パルス型交流電圧のうちの何れでもよい。また、必要に応じて、量子カスケードレーザ２ａ・２ｂをレーザ発振に好適な温度に冷却するための冷却装置を設けてもよい。

上述したように２つの量子カスケードレーザ２ａ・２ｂからは、それぞれ中赤外レーザ光が発振される。ここで、量子カスケードレーザ２ａから照射される中赤外レーザ光の振動数をω１、量子カスケードレーザ２ｂから照射される中赤外レーザ光の振動数ω２とすると、ω１，ω２は、次の式（２）
ω１＞ω２ …（２）
の関係を満たしている。さらに、グルコースの共鳴振動数をωｇとすると、次の式（３）
ωｇ＝ω１−ω２ …（３）
の関係を満たすようにω１，ω２を設定する。なお、グルコースの共鳴振動数ωｇは、実験により求めることができる。

また、爪体の主成分であるケラチンによる吸収を抑制するため、中赤外レーザ光の振動数ω１，ω２は、ケラチンによる吸収域外に設定する。ケラチンによって吸収される光の振動数は、実験により求めることができる。

受光部３は、量子カスケードレーザ２ａ・２ｂから発振された中赤外レーザ光が血管内のグルコースと共鳴することにより放射されるＣＡＲＳ光を受光して強度を検出するためのものである。受光部３としては、光電変換を利用したフォトダイオードなどを用いることができる。この場合、受光部３は、受光したＣＡＲＳ光の強度に応じた電圧又は電流を出力する。

なお、受光部３には、出力する電圧又は電流を増幅する増幅器が必要に応じて設けられていてもよい。また、受光部３には、精度よく血中グルコース濃度を測定するために、光電変換時の変換率や信号増幅時の増幅率が安定しているものを用いることが好ましい。

図１は、量子カスケードレーザ２ａ・２ｂ及び受光部３の配置を示す図である。図６に示すように、量子カスケードレーザ２ａ・２ｂによって、それぞれ中赤外レーザ光ｆ１・ｆ２が爪体１１を介して爪床１２に照射される。なお、爪床１２の下部には皮下組織１３がある。

爪床１２の毛細血管内において、中赤外レーザ光ｆ１・ｆ２がグルコースと共鳴することにより、ＣＡＲＳ光ｆ３が放射される。ここで、量子カスケードレーザ２ａから照射される中赤外レーザ光ｆ１の波数ベクトルをｋ１、量子カスケードレーザ２ｂから照射される中赤外レーザ光ｆ２の波数ベクトルをｋ２とすると、ＣＡＲＳ光ｆ３の波数ベクトルｋ３は、次の式（４）
ｋ３＝２ｋ１−ｋ２ …（４）
によって表される。

つまり、図１に示すように、ＣＡＲＳ光ｆ３は、２ｋ１−ｋ２で表される向きに放射される。従って、量子カスケードレーザ２ａ・２ｂ及び爪床１２は、ＣＡＲＳ光ｆ３の向きが生体外部（爪体の上部）に向くように配置される必要があり、そして、受光部３は、ＣＡＲＳ光ｆ３の放射される光路上に配置される必要がある。

このため、血糖値測定装置１は、指先の形状に合わせて形成されたフレームを備え、ユーザがこのフレームを指先に装着した際に量子カスケードレーザ２ａ・２ｂ及び受光部３が爪床に対して上述した条件を満たす定位置で配置されるように、フレームに照射部２及び受光部３が取り付けられていてもよい。

さらに、適切な光学系を用いて中赤外レーザ光のビーム幅を広げておけば、爪床１２を走向する毛細血管の広い領域にわたって中赤外レーザ光を照射することができ、そこから放射されるＣＡＲＳ光を検出することにより、血中グルコース濃度を精度よく測定することができる。

また、ＣＡＲＳ光の振動数ω３は、２ω１−ω２で表されるので、受光部３は、この振動数ω３の中赤外光のみを電圧又は電流に変換するものであることが好ましい。

ＡＤ変換部４は、アナログ／デジタル変換回路を有し、受光部３からの出力電圧又は出力電流をデジタル信号に変換し、演算部５に入力するためのものである。

演算部５は、ＣＰＵなどによって構成されるマイクロコンピュータであり、受光部３が検出したＣＡＲＳ光の強度に基づいて、血中のグルコース濃度を求める。この際、演算部５は、記憶部６に格納された変換テーブル７を参照する。

記憶部６は、例えば不揮発性メモリによって構成される。記憶部６に格納される変換テーブル７には、受光部３から出力される、ＣＡＲＳ光の強度に応じた電圧値（又は電流値）と、血中のグルコース濃度との対応関係が示されている。この変換テーブル７は、血糖値測定装置１又はそれに類似する装置を用いて、実際に患者の爪床でＣＡＲＳ光の強度を検出してそのときの出力電圧値を取得するとともに、そのときの患者の血中グルコース濃度を採血して測定し、これらの値を対応付けることによって作成することができる。なお、出力電圧値と血中グルコース濃度との対応付けは、複数組について行うことが好ましい。

このように予め対応付けを行って変換テーブルを作成しておけば、以降は、採血を行うことなく、受光部３からの出力電圧値に基づいて演算部５が血中グルコース濃度を求めることができるようになる。

なお、複数の患者が血糖値測定装置１を利用する場合には、上記の変換テーブル７を患者ごとに作成する。爪体の厚みや、毛細血管の走向・太さ、さらには血流量には個人差があるため、ある患者から作成した変換テーブル７を他の患者に対して適用すると、測定誤差が大きくなるおそれがある。従って、このような場合、記憶部６に患者ごとの複数の変換テーブル７を格納しておき、使用する変換テーブルを演算部５が患者ごとに切り換えることが好ましい。

表示部８は、液晶パネルなどによって構成され、演算部５が求めた血中グルコース濃度（血糖値）をユーザに提示するためのものである。

なお、血糖値測定装置１の演算部５は、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現することができる。すなわち、血糖値測定装置１は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ（central processing unit）、上記プログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（random access memory）、上記プログラム及び各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアである血糖値測定装置１の測定プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、血糖値測定装置１に供給し、そのコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。

上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。

また、血糖値測定装置１を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。

（１−３．血糖値測定装置の動作）
次に、本実施形態の血糖値測定装置１の動作について説明する。

まず、患者が血糖値測定装置１の照射部２及び受光部３を爪体の上部の適切な位置にセットする。そして、図示しないボタンなどを介して患者により血中グルコース濃度の測定が指示される。ここで、変換テーブル７が患者ごとに用意されている場合は、患者により、図示しない入力部を介して患者の識別情報が入力される。これを受けて、演算部５は、記憶部６に格納された複数の変換テーブル７の中から、識別情報が入力された患者に対応する変換テーブル７を選択し、メモリにロードする。

続いて、照射部２の２つの量子カスケードレーザ２ａ・２ｂが、患者の爪床の同一領域に対してそれぞれ中赤外レーザ光を照射する。その結果、照射領域の毛細血管内に含まれる血中グルコースが共鳴し、グルコース量に応じてＣＡＲＳ光が放射される。

受光部３は、このＣＡＲＳ光を受光し、ＣＡＲＳ光の強度に応じた大きさの電圧又は電流をＡＤ変換部４へ出力する。ＡＤ変換部４は、入力された電圧又は電流の大きさをデジタル化して電圧値又は電流値とし、これを演算部５に入力する。

演算部５は、変換テーブル７を参照して、入力された電圧値又は電流値に対応する血中グルコース濃度を求め、求めたグルコース濃度を表示部８に表示させる。

（１−４．変形例）
なお、上述した実施形態は、本発明を実施する上で最も好ましい形態であって、本発明はこれに限定されるわけではない。

本発明の測定装置は、生体の血中に含まれる物質の濃度を測定するものであり、この物質の濃度を、振動数の異なる２種類の中赤外レーザ光を生体組織の同一の領域に対して異なる角度で照射することにより上記領域から放射されるコヒーレント反ストークスラマン散乱光の強度に基づいて求めるものである。

本発明の測定装置が測定できる上記の血中に含まれる物質の例としては、上述したグルコースに限定されず、細胞、高分子化合物、低分子化合物などの、主として血液検査において検査されるあらゆる物質が含まれる。細胞としては、血中に存在する赤血球や、顆粒球・リンパ球・単球を含む白血球、血小板などが挙げられる。また、高分子化合物としては、ＬＤＨ（乳酸脱水素酵素）、ＡＳＴ（アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ）、ＡＬＴ（アラニンアミノトランスフェラーゼ）、γＧＴＰ（ガンマグルタールトランスペプチダーゼ）などの酵素類や、免疫グロブリンなどが挙げられる。また、低分子化合物としては、上述したグルコースに加えて、尿酸、中性脂肪などが挙げられる。

本発明の測定装置でこれらの物質の血中濃度を測定する場合、測定装置が照射する２種類の中赤外レーザ光の振動数の差が、それぞれの物質の振動モードや回転モードに対応した共鳴振動数に等しくなるように、中赤外レーザ光の振動数を設定すればよい。特に、高分子化合物や細胞といった巨大な物質の場合は、その物質に特有の部位を探索し、その部位における共鳴振動数を用いてもよい。

また、本発明の測定装置が中赤外レーザ光を照射する組織としては、上述した爪床に限定されず、中赤外レーザ光が毛細血管内まで届く組織であれば、唇、舌、目、上腕の内側の皮膚組織など、あらゆる組織が含まれる。

また、中赤外レーザ光を照射する照射部は、必ずしも量子カスケードレーザによって構成されていなくてもよく、例えば、超伝導薄膜でもよいし、リチウム化合物などを用いた非線形光学素子によって構成されていてもよい。

また、変換テーブル７は、血中グルコース濃度が様々な血液サンプルを複数用意し、これら血液サンプルに対して血糖値測定装置１で用いられる中赤外レーザ光ｆ１・ｆ２と同じ強度の中赤外レーザ光を照射し、放射されるＣＡＲＳ光の強度を検出して、ＣＡＲＳ光の強度と血中グルコース濃度との相関関係を求めることによって作成してもよい。

〔実施形態２〕
本発明に係る測定装置の他の実施形態について説明すると以下の通りである。本実施形態の血糖値測定装置は、基本的には上述した実施形態１のものと同じであり、同一の部材については同一の符号を付し、説明を省略する。

（２−１．血糖値測定装置の構成）
まず、本実施形態の血糖値測定装置の構成について説明する。図８は、本実施形態の血糖値測定装置の機能構成を示すブロック図である。

本実施形態の血糖値測定装置２１は、図８に示すように、流速測定部（血流量測定部）２２をさらに備えている。この流速測定部２２は、エコー装置であり、血管内の血液の流速を測定するものである。詳細には、流速測定部２２は、超音波ドップラー法を用いて血管内の血液の流速を測定する。なお、流速測定部２２が流速を測定する部位は特に限定されないが、中赤外レーザ光の照射される領域、又はその近辺であることが好ましい。

また、演算部５は、血中グルコース濃度を求めるための機能ブロックとして、血流量算出部（血流量測定部）２３、物質量算出部２４、濃度算出部２５を含んでいる。そして、記憶部６には、光強度−物質量変換テーブル２７、流速−血流量変換テーブル２８が格納されている。

光強度−物質量変換テーブル２７は、受光部３の検出結果とグルコース量との関係が示されたテーブルであり、より詳細には、受光部３からＡＤ変換部４を介して出力される電圧値又は電流値と、グルコース量との関係が示されたテーブルである。

また、流速−血流量変換テーブル２８は、流速測定部２２の測定結果と血流量との関係が示されたテーブルであり、より詳細には、流速測定部２２によって測定された血液の流速と、中赤外レーザ光の照射領域における血流量との関係が示されたテーブルである。

物質量算出部２４は、受光部３の検出結果、すなわちＣＡＲＳ光強度に応じた電圧値又は電流値を基に、中赤外レーザ光の照射領域に含まれるグルコース量を求めるためのものである。なお、グルコース量を求める際に、物質量算出部２４は光強度−物質量変換テーブル２７を参照する。

血流量算出部２３は、流速測定部２２の測定結果、すなわち血液の流速に基づいて、受光部３がＣＡＲＳ光を受光する間に中赤外レーザ光の照射領域を流れた血液の量（すなわち血流量）を求めるためのものである。なお、血流量を求める際に、血流量算出部２３は流速−血流量変換テーブル２８を参照する。

（２−２．血糖値測定装置の動作）
次に、本実施形態の血糖値測定装置２１の動作について説明する。

ユーザによって血糖値の測定が指示されると、照射部２の２つの量子カスケードレーザ２ａ・２ｂが、患者の爪床の同一領域に対してそれぞれ中赤外レーザ光を照射する。その結果、照射領域の毛細血管内に含まれる血中グルコースが共鳴し、グルコース量に応じてＣＡＲＳ光が放射される。

受光部３は、このＣＡＲＳ光を受光し、ＣＡＲＳ光の強度に応じた大きさの電圧又は電流をＡＤ変換部４へ出力する。ＡＤ変換部４は、入力された電圧又は電流の大きさをデジタル化して電圧値又は電流値とし、これを演算部５の物質量算出部２４に入力する。

物質量算出部２４は、光強度−物質量変換テーブル２７を参照して、入力された電圧値又は電流値に対応するグルコース量を検索し、得られたグルコース量を濃度算出部２５へ入力する。

一方、流速測定部２２は、ドップラー効果を利用して血液の流速を測定し、得られた流速を演算部５の血流量算出部２３に入力する。血流量算出部２３は、流速−血流量変換テーブル２８を参照して、入力された流速に対応する血流量を検索し、得られた血流量を濃度算出部２５へ入力する。

濃度算出部２５は、物質量算出部２４から入力されたグルコース量と、血流量算出部２３から入力された、照射領域における血流量とから、血中グルコース濃度を算出する。血中グルコース濃度は、例えばグルコース量を血流量で除算することにより求めることができる。そして、求めた血中グルコース濃度は、表示部８に表示される。

以上のように、本実施形態の血糖値測定装置２１では、受光部３がＣＡＲＳ光を受光する間に中赤外レーザ光の照射領域を流れた血液の量（血流量）を、流速測定部２２及び血流量算出部２３が測定する。また、受光部３の検出結果に基づいて、物質量算出部２４がグルコース量を測定する。そして、演算部５の濃度算出部２５は、測定されたグルコース量及び血流量を基に、血中グルコース濃度を算出する。

人体の血流量は外的環境などに応答して変動するものであるが、本実施形態の血糖値測定装置１によれば、人体の血流量を考慮しつつ、血中グルコース濃度を精度よく測定することができる。

（２−３．変形例）
本実施形態では、物質量算出部２４がグルコース量を求め、流速測定部２２及び血流量算出部２３が血流量を求め、濃度算出部２５がグルコース量及び血流量から血中グルコース濃度を算出する構成としたが、本発明はこれに限定されるわけではない。

例えば、演算部５は、流速測定部２２の測定結果と受光部３の検出結果とを取得し、取得したこれらの結果から、直接血中グルコース濃度を求めてもよい。この場合、記憶部６には、血液の流速（流速測定部の測定結果）及び受光部３の出力電圧値（受光部３の検出結果）と、血中グルコース濃度との対応関係が示されたデータベースが格納され、演算部５は、血中グルコース濃度を求める際に、このデータベースを参照すればよい。

また、本実施形態では、流速測定部２２及び血流量算出部２３の組み合わせによって、中赤外レーザ光の照射領域における血流量を測定するための血流量測定部を実現したが、本発明はこれに限定されるわけではない。

中赤外レーザ光の照射領域における血流量は、例えば、カメラを用いた画像認識技術によって測定することもできる。また、他の公知の手法を用いて測定してもよい。

最後に、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明に係る測定装置は、非侵襲的に、かつ精度よく血中に含まれる物質の濃度を測定できるので、採血を必要とする従来の血液検査システムに取って代わる次世代の診断機器として利用することができる。

本発明の一実施形態を示すものであり、血糖値測定装置の要部構成を示すとともに、各部材の配置を示す図である。 コヒーレント反ストークスラマン散乱の現象を示す図である。 中赤外光の水による吸収特性を示す図である。 指先における各組織を示す図である。 本発明の一実施形態を示すものであり、血糖値測定装置の機能構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態を示すものであり、量子カスケードレーザの構造を示す断面図である。 量子カスケードレーザによるレーザ発振の原理を示す図である。 本発明の他の実施形態を示すものであり、血糖値測定装置の機能構成を示すブロック図である。 従来の技術を示すものであり、血中グルコース濃度の測定原理を示す図である。

符号の説明

１，２１ 血糖値測定装置（測定装置）
２ 照射部
２ａ，２ｂ 量子カスケードレーザ
３ 受光部
５ 演算部
６ 記憶部
７ 変換テーブル（テーブル）
１２ 爪床
２２ 流速測定部（血流量測定部）
２３ 血流量算出部（血流量測定部）

Claims (11)

1. 生体の血中に含まれる物質の濃度を測定する測定装置であって、
   振動数の異なる２種類の中赤外レーザ光を生体組織の同一の領域に対して異なる角度で照射する照射部と、
   上記領域から放射されるコヒーレント反ストークスラマン散乱光を受光して、当該散乱光の強度を検出する受光部と、
   上記受光部の検出結果を基に、上記物質の濃度を求める演算部とを備えていることを特徴とする測定装置。
2. 上記２種類の中赤外レーザ光の振動数の差が、上記物質の振動数に等しいことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 上記生体組織が爪床であることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
4. 上記２種類の中赤外レーザ光のそれぞれの振動数が、ケラチンの吸収域外であることを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 上記物質がグルコースであることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
6. 上記照射部は、量子カスケードレーザによって中赤外レーザ光を照射するものであることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
7. 上記受光部の検出結果と上記物質の濃度との対応関係が示されたテーブルを格納した記憶部をさらに備え、
   上記演算部は、上記テーブルを参照することにより、上記受光部の検出結果を基に上記物質の濃度を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
8. 中赤外レーザ光が照射される上記領域における血液の流速を測定する流速測定部をさらに備え、
   上記演算部は、上記受光部の検出結果及び上記流速測定部の測定結果を基に、上記物質の濃度を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
9. 中赤外レーザ光が照射される上記領域における血流量を測定する血流量測定部をさらに備え、
   上記演算部は、上記受光部の検出結果及び上記血流量測定部の測定結果を基に、上記物質の濃度を求めるものであることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
10. 請求項１から９の何れか１項に記載の測定装置を動作させるための測定プログラムであって、コンピュータを上記演算部として機能させるための測定プログラム。
11. 請求項１０に記載の測定プログラムが記録されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。

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