JP2007259967A - Internal component measuring instrument - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an internal component measuring instrument capable of highly precisely measuring internal components without being affected by external factors lowering the measurement accuracy. <P>SOLUTION: CPU section 19B of an arithmetic device 19 is provided with an absorbance spectrum acquisition section 25 acquiring absorbance spectra from a reflected light from the inside of a living body 14, an internal component calculation section 23 calculating the internal components based on the acquired absorbance spectra and the absorbance spectra stored in an absorbance spectrum database DB stored in the storage section 19b, and a determination/analysis section 24 determining and analyzing the absorbance spectra acquired by the absorbance spectrum acquisition section 25 and the absorbance spectra stored in the absorbance spectrum database DB. The internal component calculation section 23 outputs calculation values of the internal components when a group of a major analysis result acquired by the determination/analysis of the determination/analysis section 24 includes the absorbance spectra acquired by the absorbance spectrum acquisition section 25. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、血糖値(グルコース)のような体内成分濃度を非侵襲的に計測する体内成分計測装置に関するものである。   The present invention relates to an in-vivo component measuring apparatus that non-invasively measures an in-vivo component concentration such as a blood glucose level (glucose).

健康管理、医療用途として、採血することなく、グルコース、蛋白質、脂質、水分、尿素などの体内成分を非侵襲的に分析する方法が注目されている。この分析方法に近赤外光を用いる場合は、近赤外域における水の吸光度スペクトルが小さいため、水溶液の分析が可能であるとともに、近赤外光は生体内を伝搬しやすいという長所がある。   As a health management and medical use, a method of noninvasively analyzing in-vivo components such as glucose, protein, lipid, water, urea and the like without drawing blood is attracting attention. When near-infrared light is used in this analysis method, since the absorbance spectrum of water in the near-infrared region is small, it is possible to analyze an aqueous solution and to have an advantage that near-infrared light easily propagates in the living body.

その反面、近赤外域の信号レベルが中赤外域の信号レベルに比して非常に小さく、またグルコースのような目的体内成分の吸収信号が、水、脂質及び蛋白質のような他の体内成分の濃度変化に敏感であるので、ピーク位置やピーク高さを使用して目的体内成分を正確に分析することが困難であった。   On the other hand, the near-infrared signal level is very small compared to the mid-infrared signal level, and the absorption signal of the target body component such as glucose is less than that of other body components such as water, lipids and proteins. Since it is sensitive to changes in concentration, it has been difficult to accurately analyze the target body component using the peak position and peak height.

近年においては、近赤外分光分析におけるこれらの不具合を改善するため、PLS回帰分析のような多変量解析を使用することが提案されている。この場合は、仮に近赤外領域の吸収信号が低いS/N比であっても、或いは他の体内成分の濃度変化が生じても、近赤外光を用いた実用的な定量分析が可能になる。例えば、近赤外分光分析を用いて対象中のグルコース濃度を求める方法が提案されている(特許文献1)。   In recent years, it has been proposed to use multivariate analysis such as PLS regression analysis in order to improve these deficiencies in near infrared spectroscopy. In this case, practical quantitative analysis using near-infrared light is possible even if the absorption signal in the near-infrared region has a low S / N ratio or changes in the concentration of other body components. become. For example, a method for obtaining a glucose concentration in a target using near infrared spectroscopy has been proposed (Patent Document 1).

この方法においては、近赤外光が被験者の皮膚に投射され、皮膚からの反射光が光ファイパーバンドルによって受光される。受光した反射光のスペクトル分析を実施して、グルコース分子に由来するOH基の吸収ピークを有する第一波長域(例えば、1550〜1650nm)、NH基の吸収ピークを有する第二波長域(例えば、1480〜1550nm)、CH基の吸収ピークを有する第三波長域(例えば、1650〜1880 nm)から吸収信号を検出する。グルコース濃度は、これらの吸収信号を説明変量とした多変量解析により決定される。   In this method, near-infrared light is projected onto the subject's skin, and light reflected from the skin is received by the optical fiber bundle. A spectrum analysis of the received reflected light is performed, and a first wavelength region having an OH group absorption peak derived from glucose molecules (for example, 1550 to 1650 nm), a second wavelength region having an NH group absorption peak (for example, 1480 to 1550 nm), an absorption signal is detected from a third wavelength region (for example, 1650 to 1880 nm) having a CH group absorption peak. The glucose concentration is determined by multivariate analysis using these absorption signals as explanatory variables.

また、確率統計的シミュレーションに基づいて媒体内の対象成分の濃度を求める方法が提案されている(特許文献2)。   In addition, a method for obtaining the concentration of the target component in the medium based on a probability statistical simulation has been proposed (Patent Document 2).

この方法においては、モンテカルロ法のような確率統計的シミュレーションによって媒体内における光路群が解析される。また、媒体の光学特性である吸収係数と等価散乱係数を所定範囲内において変化させる場合の拡散反射率の変化を示すデータテーブルが作成され、次いで回帰分析の手法により拡散反射率の平滑化処理を実施して補正データテーブルが作成される。   In this method, the optical path group in the medium is analyzed by a stochastic statistical simulation such as the Monte Carlo method. In addition, a data table showing changes in diffuse reflectance when the absorption coefficient and equivalent scattering coefficient that are optical characteristics of the medium are changed within a predetermined range is created, and then smoothing processing of the diffuse reflectance is performed by a regression analysis method. The correction data table is created by executing.

次に、1000〜2500nmの波長域にある近赤外光のような光を媒体に照射し、そこからの放射光を検出することにより得られる実測スペクトルを、補正データテーブルから提供される基準スペクトルと比較することで媒体内の対象成分の濃度を求めている。また、媒体中の対象成分以外の成分の濃度変化によって生じるスペクトル変化を補正データテーブルから演算すれば、主成分回帰分析(PCR)や重回帰分析(MLR)のような多変量解析により実測スペクトルから対象成分の濃度を求めることができるとされている。
特開平10−325794号公報 特開2003−50200号公報
Next, the measured spectrum obtained by irradiating the medium with light such as near infrared light in the wavelength range of 1000 to 2500 nm and detecting the emitted light therefrom is used as a reference spectrum provided from the correction data table. To determine the concentration of the target component in the medium. Moreover, if a spectrum change caused by a concentration change of a component other than the target component in the medium is calculated from the correction data table, a multivariate analysis such as a principal component regression analysis (PCR) or a multiple regression analysis (MLR) can be used to calculate an actual spectrum. It is said that the concentration of the target component can be obtained.
JP-A-10-325794 JP 2003-50200 A

叙述のような特許文献1、2に開示されている方法を用いても、次のような課題がある。   Even when the methods disclosed in Patent Documents 1 and 2 as described above are used, there are the following problems.

つまり近赤外光が照射される生体の皮膚は、一般に不均一な構造を有し、皮膚の厚さや皮膚構造には個人差があることが知られている、またある日の朝に測定した被験者の目的体内成分の濃度が、その同じ日の夕刻に測定した被験者の目的体内成分濃度と異なることもしばしばである。   In other words, the skin of a living body irradiated with near-infrared light generally has a non-uniform structure, and it is known that there are individual differences in skin thickness and skin structure. Often, the concentration of the subject's target component in the subject is different from the subject's target component concentration measured in the evening of the same day.

このように、被験者の目的体内成分や、目的体内成分濃度に影響を及ぼす他の体内成分の日内濃度変動が、目的体内成分の推定精度の低下を招く。   Thus, fluctuations in the daily concentration of the in-vivo component of the subject and other in-vivo components that affect the in-vivo component concentration cause a decrease in the estimation accuracy of the in-vivo component.

これらを解決するために、目的体内成分の推定精度の安定した信頼性を得るためには、より多くのデータを用いて検量線を作成することが望ましい。しかしながら、それはデータ収集に要する時間の顕著な増加を意味する。更に、目的体内成分としてグルコース、すなわち血糖値が選択される場合、グルコースの吸収信号は非常に微弱である。従って、仮にデータ量を増やしても、ノイズの影響によって推定精度の十分な改善が得られない恐れがある。   In order to solve these problems, it is desirable to create a calibration curve using more data in order to obtain stable reliability of the estimation accuracy of the target in-vivo component. However, it means a significant increase in the time required for data collection. Further, when glucose, that is, a blood glucose level is selected as the target body component, the glucose absorption signal is very weak. Therefore, even if the amount of data is increased, there is a possibility that the estimation accuracy cannot be sufficiently improved due to the influence of noise.

そこで、グルコースのような刻々と変動する目的体内成分の濃度を安定した精度で推定することのできる定量分析用検量線の作成方法、例えば、生体の複数の近赤外吸光度スペクトルと基準吸光度スペクトルの間の差分である複数の差分吸光度スペクトルを求め、差分吸光度スペクトルの各々に基準吸光度スペクトルとは異なる第二基準吸光度スペクトルを合成することにより複数の合成吸光度スペクトルを求め、複数の合成吸光度スペクトルを用いた多変量解析により検量線を作成することが提案されている。   Therefore, a method for preparing a calibration curve for quantitative analysis that can estimate the concentration of an in-vivo target component such as glucose with stable accuracy, for example, a plurality of near-infrared absorbance spectra and a reference absorbance spectrum of a living body. Obtain multiple differential absorbance spectra, which are the difference between them, synthesize a second reference absorbance spectrum different from the reference absorbance spectrum for each of the differential absorbance spectra, obtain multiple synthesized absorbance spectra, and use multiple synthesized absorbance spectra It has been proposed to create a calibration curve by multivariate analysis.

しかしながら、現実的にシミュレーションを用いて完全な環境状態を再現することは困難である。また、被験者が、例えば光測定に用いるプローブを測定部に正確に接触せずに測定した場合などには、ノイズの影響が非常に大きくなり、測定正確な計測値を得ることができないが、その得られた計測値も正しい値と判断して、血糖値を算出してしまうという恐れがある。   However, it is difficult to realistically reproduce a complete environmental state using simulation. In addition, when the subject measures the probe used for optical measurement, for example, without accurately contacting the measurement unit, the influence of noise becomes very large, and measurement accurate measurement values cannot be obtained. There is a fear that the obtained measured value is also judged to be a correct value and the blood glucose level is calculated.

本発明は、上述の点に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、計測精度を低下させる外的要因に影響されることなく体内成分の計測を精度の良く行うことができる体内成分計測装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described points, and the object of the present invention is to be able to accurately measure in-vivo components without being affected by external factors that reduce measurement accuracy. It is in providing a component measuring device.

上述の目的を達成するために、請求項1の発明では、被測定対象の生体に赤外光を照射する測定用プローブと、前記生体内からの反射光若しくは透過光から吸光度スペクトルを取得する吸光度スペクトル取得部と、予め得た複数の条件下における生体の吸光度スペクトルのデータを記憶している吸光度スペクトルデータベースと、前記吸光度スペクトル取得部で取得された吸光度スペクトルと前記吸光度スペクトルデータベースに記憶されている吸光度スペクトルとに基づいて体内成分を算出する体内成分算出部と、前記吸光度スペクトル取得部で取得された吸光度スペクトルと前記吸光度スペクトルデータベースに記憶されている吸光度スペクトルとを用いて判別分析を行う判別分析部とを備え、前記体内成分算出部は、前記判別分析部の判別分析により得られた主要な分析結果の群に、前記吸光度スペクトル取得部で取得された吸光度スペクトルが含まれるときに体内成分の算出値を出力することを特徴とする。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a measurement probe for irradiating a living body to be measured with infrared light, and an absorbance for acquiring an absorbance spectrum from reflected light or transmitted light from the living body. Stored in the spectrum acquisition unit, the absorbance spectrum database storing the absorbance spectrum data of the living body obtained in advance under a plurality of conditions, the absorbance spectrum acquired by the absorbance spectrum acquisition unit, and the absorbance spectrum database Discriminant analysis that performs discriminant analysis using an in-vivo component calculation unit that calculates an in-vivo component based on the absorbance spectrum, an absorbance spectrum acquired by the absorbance spectrum acquisition unit, and an absorbance spectrum stored in the absorbance spectrum database The in-vivo component calculation unit includes the discriminant analysis unit. Groups of major analytical results obtained by another analysis, and outputs the calculated value of the body component when it contains absorbance spectrum obtained by the absorbance spectrum acquisition unit.

請求項1の発明によれば、計測精度を低下させる外的要因の影響を受けた吸光度スペクトルを除いた上で、体内成分の算出を行うことできるため、体内成分の計測を精度良くできるという効果がある。   According to the first aspect of the present invention, since the internal component can be calculated after removing the absorbance spectrum affected by an external factor that lowers the measurement accuracy, the effect of being able to accurately measure the internal component. There is.

請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記吸光度スペクトルデータベースで記憶されている吸光度スペクトルのデータは、シミュレーションにより得られた吸光度スペクトルのデータであることを特徴とする。   The invention of claim 2 is characterized in that, in the invention of claim 1, the absorbance spectrum data stored in the absorbance spectrum database is absorbance spectrum data obtained by simulation.

請求項2の発明によれば、グルコースの微弱信号のような信号を確実に再現することができる上に、生体から吸光度スペクトルを取得してデータベースを作成するような場合に発生する装置間の誤差や、測定中のノイズ成分の影響がない吸光度スペクトルデータによりデータベースの構築ができる。   According to the second aspect of the present invention, a signal such as a weak glucose signal can be reliably reproduced, and an error between devices that occurs when an absorbance spectrum is acquired from a living body and a database is created. In addition, a database can be constructed from absorbance spectrum data that is not affected by the noise component being measured.

請求項3の発明では、被測定対象の生体に赤外光を照射する測定用プローブと、前記生体内からの反射光若しくは透過光から吸光度スペクトルを取得する吸光度スペクトル取得部と、予め得た複数の条件下における生体の吸光度スペクトルのデータを記憶している吸光度スペクトルデータベースと、前記吸光度スペクトル取得部で取得された吸光度スペクトルと前記吸光度スペクトルデータベースに記憶されている吸光度スペクトルとに基づいて体内成分を算出する体内成分算出部と、前記吸光度スペクトル取得部で取得された吸光度スペクトルと前記吸光度スペクトルデータベースに記憶されている吸光度スペクトルとを用いて判別分析を行う判別分析部とを備えるとともに、前記判別分析部の判別分析の結果に基づいて前記測定用プローブの前記生体への接圧を調整するプローブ調節部を備えていることを特徴とする。   In the invention of claim 3, a measurement probe that irradiates a living body to be measured with infrared light, an absorbance spectrum acquisition unit that acquires an absorbance spectrum from reflected light or transmitted light from the living body, and a plurality of previously obtained plural Based on the absorbance spectrum database storing the absorbance spectrum data of the living body under the above conditions, the absorbance spectrum acquired by the absorbance spectrum acquisition unit, and the absorbance spectrum stored in the absorbance spectrum database, And a discriminant analysis unit for performing discriminant analysis using the absorbance spectrum acquired by the absorbance spectrum acquisition unit and the absorbance spectrum stored in the absorbance spectrum database. Based on the result of discriminant analysis Characterized in that it comprises a probe adjusting section for adjusting the contact pressure to the living body.

請求項3の発明によれば、判別分析部の判別分析結果に基づいて生体への接圧を調節することで、生体の皮膚の状態の変化等計測精度を低下させる外的要因の影響を受けることなく、判別分析により良好と判断できる吸光度スペクトルを取得することができ、その結果体内成分の計測を精度良くできるという効果がある。   According to the invention of claim 3, by adjusting the contact pressure to the living body based on the discriminant analysis result of the discriminant analysis unit, it is influenced by external factors that reduce the measurement accuracy such as a change in the skin state of the living body. Therefore, it is possible to obtain an absorbance spectrum that can be determined to be good by discriminant analysis, and as a result, there is an effect that the measurement of in-vivo components can be performed with high accuracy.

本発明は、計測精度を低下させる外的要因の影響を受けた吸光度スペクトルを除いた上で、体内成分の算出を行うことでき、或いは生体の皮膚の状態の変化等計測精度を低下させる外的要因の影響を受けることなく、判別分析により良好と判断できる吸光度スペクトルを取得することができ、その結果、体内成分の計測を精度良くできるという効果がある。   The present invention can calculate an in-vivo component after removing an absorbance spectrum affected by an external factor that lowers measurement accuracy, or can externally reduce measurement accuracy such as a change in a skin state of a living body. Absorbance spectra that can be determined to be good by discriminant analysis can be acquired without being influenced by factors, and as a result, there is an effect that the measurement of in-vivo components can be performed with high accuracy.

図1(a)は本発明の体内成分計測装置の構成を示しており、被測定対象である被験者の体内成分の定量分析を非侵襲的に実施するために、図示するように、ハロゲンランプなどの光源1と、この光源1から発光された近赤外光を、拡散させる拡散板2と、拡散板2で拡散した近赤外光を通過させるピンホール3、ピンホール3を通過した近赤外光を集光するレンズ4と、このレンズ4で集光された近赤外光を入射する光入射体5と、光入射体5の一端を接続した発光側光ファイバー6と、発光側光ファイバー6の他端に接続し被験者の皮膚のような生体14の表面に先端を接触させる測定用プローブ8とからなる光照射部を備えている。   FIG. 1 (a) shows the configuration of the in-vivo component measuring apparatus of the present invention. In order to perform non-invasive quantitative analysis of in-vivo components of a subject to be measured, a halogen lamp or the like as shown in the figure. Light source 1, a diffusion plate 2 that diffuses near-infrared light emitted from the light source 1, a pinhole 3 that passes near-infrared light diffused by the diffusion plate 2, and a near-red light that passes through the pinhole 3 A lens 4 that collects external light, a light incident body 5 that receives near-infrared light collected by the lens 4, a light-emitting side optical fiber 6 that connects one end of the light incident body 5, and a light-emitting side optical fiber 6 The light irradiation part which comprises the probe 8 for a measurement which connects the front-end | tip to the surface of the biological body 14 like a test subject's skin is connected.

また、生体14内で反射された近赤外光(反射光)から吸光度スペクトルを取得するために、測定用プローブ8に一端を接続した受光側光ファイバー10と、該受光側光ファイバー10の他端を接続した光出射体12と、この光出射体12からの出射する反射光を集光するレンズ15aと、光出射体12とレンズ15aとの間の光路を開閉するシャッタ21aと、レンズ15aで集光され、反射鏡22で反射された反射光を入射して分光する回折格子16と、回折格子16で分光された反射光を受光検出する受光素子17とからなる生体信号取得光学系を設けてある。   Further, in order to obtain an absorbance spectrum from near-infrared light (reflected light) reflected in the living body 14, a light-receiving optical fiber 10 having one end connected to the measurement probe 8 and the other end of the light-receiving optical fiber 10 are connected. Collected by the connected light emitting body 12, a lens 15a that collects the reflected light emitted from the light emitting body 12, a shutter 21a that opens and closes the optical path between the light emitting body 12 and the lens 15a, and the lens 15a. There is provided a biological signal acquisition optical system including a diffraction grating 16 that receives and splits the reflected light reflected by the reflecting mirror 22 and a light receiving element 17 that receives and detects the reflected light dispersed by the diffraction grating 16. is there.

更にまた、周囲温度の変化や光学部品の位置関係などによって生じる近赤外光の変動を補正するため、光入射体5に一端を接続したリファレンス用発光側光ファイバー7と、このリファレンス用発光側光ファイバー7の他端に接続したリファレンス用プローブ9と、リファレンス用プローブ9から出射した近赤外光を反射させる基準板20と、一端をリファレンス用プローブ9に接続して基準板20で反射した反射光を受光するリファレンス用受光側光ファイバー11と、このリファレンス用受光側光ファイバー11の他端を接続した光出射体13と、光出射体13から出射する反射光を集光するレンズ15bと、光出射体12とレンズ15bとの間の光路を開閉するシャッタ21bと、吸光スペクトル取得部で共用する反射鏡22と、生体信号取得光学系と共用する回折格子16及び受光素子17とからなるリファレンス信号取得光学系を設けてある。   Furthermore, in order to correct fluctuations in near-infrared light caused by changes in ambient temperature, positional relationships of optical components, etc., a reference light-emitting side optical fiber 7 having one end connected to the light incident body 5 and the reference light-emitting side optical fiber 7, a reference probe 9 connected to the other end, a reference plate 20 for reflecting near-infrared light emitted from the reference probe 9, and a reflected light reflected by the reference plate 20 with one end connected to the reference probe 9. A reference light-receiving optical fiber 11, a light emitting member 13 to which the other end of the reference light-receiving optical fiber 11 is connected, a lens 15b that collects reflected light emitted from the light emitting member 13, and a light emitting member. A shutter 21b that opens and closes an optical path between the lens 12 and the lens 15b, a reflecting mirror 22 shared by the absorption spectrum acquisition unit, and a living body The is provided a reference signal acquisition optical system including a diffraction grating 16 and the light receiving element 17 for sharing the degree optics.

尚受光素子17で受光する反射光がリファレンス光か、測定光かはシャッタ21a、21bを開閉することで選択されるようになっている。   Whether reflected light received by the light receiving element 17 is reference light or measurement light is selected by opening and closing the shutters 21a and 21b.

受光素子17から出力される受光信号は、A/D変換器18でA/D変換された後、演算装置19に入力され、演算装置19によって入力された受光信号から吸光度スペクトルを求め、求めた吸光度スペクトルを解析することによって、血糖値などを算出することができるようになっている。   The light receiving signal output from the light receiving element 17 is A / D converted by the A / D converter 18 and then input to the arithmetic device 19, and the absorbance spectrum is obtained from the light receiving signal input by the arithmetic device 19. By analyzing the absorbance spectrum, the blood sugar level and the like can be calculated.

ここで演算装置19は、図1(b)に示すように、記憶部19aと、CPU部19bとを備えたパーソナルコンピュータ等のコンピュータから構成され、記憶部19aには後述する吸光度スペクトルのデータ群からなる吸光度スペクトルデータベースDBを作成するためのデータベース作成動作用プログラムと、実際に被験者の体内成分を測定するための実測動作用プログラムとが格納され、CPU部19bがこれらプラグラムを実行することで、後述のように体内成分を推定算出する体内成分算出部23と、判別分析を行う判別分析部24と、受光素子17の受光信号から吸光度スペクトル取得する吸光度スペクトル取得部25と、吸光度スペクトルデータベースDBを作成するためデータベース作成部26が機能として実現される。   Here, as shown in FIG. 1 (b), the arithmetic unit 19 is composed of a computer such as a personal computer having a storage unit 19a and a CPU unit 19b, and the storage unit 19a has an absorbance spectrum data group to be described later. A database creation operation program for creating an absorbance spectrum database DB and an actual operation program for actually measuring the in-vivo components of the subject, and the CPU 19b executes these programs, As will be described later, an in-vivo component calculation unit 23 that estimates and calculates in-vivo components, a discriminant analysis unit 24 that performs discriminant analysis, an absorbance spectrum acquisition unit 25 that acquires an absorbance spectrum from a light reception signal of the light receiving element 17, and an absorbance spectrum database DB For this purpose, the database creation unit 26 is realized as a function.

尚図1(c)は測定用プローブ8の端面を示し、この端面には発光側光ファイバー6の各素線の端面を所定の半径を有する円周上において等間隔に亙いから離して配置され、また円の中心には受光側光ファイバー10の端面を配置してある。   FIG. 1 (c) shows an end face of the measurement probe 8. On this end face, the end faces of the strands of the light-emitting side optical fiber 6 are arranged at regular intervals on a circumference having a predetermined radius. In addition, the end face of the light receiving side optical fiber 10 is arranged at the center of the circle.

ここで人間を含む生物の皮膚組織は通常、図2に示すように角質層を含む表皮層30、真皮層31、皮下組織層32の3層から形成され、表皮層30の厚みが約0.2〜0.4mm、真皮層31の厚みが約0.5〜2mm、皮下組織層の32厚みが約1〜3mmであって、真皮層31では毛細血管等が発達し、血中グルコース濃度(血糖値)に対して真皮層31中のグルコース濃度が追随して変化する。一方皮下組織層32は脂肪組織が中心であり、グルコース等の水溶性の生体成分は、皮下組織層32中に均一に存在しにくい。従って、血中グルコース濃度(血糖値)を精度良く測定するには、真皮層31の近赤外スペクトルを選択的に測定する必要がある。   Here, the skin tissue of a living organism including human beings is usually formed by three layers of an epidermis layer 30 including a stratum corneum, a dermis layer 31, and a subcutaneous tissue layer 32 as shown in FIG. 2 to 0.4 mm, the thickness of the dermis layer 31 is about 0.5 to 2 mm, and the thickness of the subcutaneous tissue layer 32 is about 1 to 3 mm. In the dermis layer 31, capillaries and the like are developed, and blood glucose concentration ( The glucose concentration in the dermis layer 31 changes following (blood glucose level). On the other hand, the subcutaneous tissue layer 32 is mainly adipose tissue, and water-soluble biological components such as glucose are unlikely to exist uniformly in the subcutaneous tissue layer 32. Therefore, in order to accurately measure the blood glucose concentration (blood glucose level), it is necessary to selectively measure the near-infrared spectrum of the dermis layer 31.

そこで真皮層31の近赤外スペクトルを選択的に測定するためには、受光間隔Lを2mm以下であることが好ましいので、測定用プローブ8の発光側光ファイバー6の各素線の端面を所定の半径を0.65mmとしてある。尚図中Xは生体14内の近赤外光の伝搬の光路を示す。   Therefore, in order to selectively measure the near-infrared spectrum of the dermis layer 31, it is preferable that the light receiving interval L is 2 mm or less, so that the end face of each strand of the light emitting side optical fiber 6 of the measuring probe 8 is set to a predetermined value. The radius is 0.65 mm. In the figure, X indicates the optical path of near infrared light propagation in the living body 14.

ここで吸光度スペクトルデータベースDBに格納する吸光度スペクトルデータとしては、次のようなものがある。
1)実測して得られる吸光度スペクトル群のデータを用いる場合、
2)後述するようなシミュレーションを用いて算出した吸光度スペクトル群のデータを用いる場合、
3)又は、実測やシミュレーションによって得られた吸光度スペクトル群の中から、基準の吸光度スペクトルを設定して(これを中心スペクトルと呼ぶ)、吸光度スペクトル群からこの中心スペクトルを差し引いた、差分吸光度スペクトル群のデータを用いる場合、がある。
Here, the absorbance spectrum data stored in the absorbance spectrum database DB includes the following.
1) When using the data of the absorbance spectrum group obtained by actual measurement,
2) When using the data of the absorbance spectrum group calculated using a simulation as described later,
3) Or a differential absorbance spectrum group in which a standard absorbance spectrum is set (referred to as a center spectrum) from the absorbance spectrum groups obtained by actual measurement or simulation, and the center spectrum is subtracted from the absorbance spectrum group. There are cases where data of

尚差分吸光度スペクトル群のデータを用いる場合は、次のような扱いを行う。   In addition, when using the data of a differential absorbance spectrum group, the following treatment is performed.

3−1)差分吸光度スペクトル群のデータをそのまま吸光度スペクトルデータベースDBとして用いる場合には、実測した吸光度スペクトルから、中心スペクトルを差し引いた吸光度スペクトルを、吸光度スペクトルデータベースと判別分析を行い、良好な吸光度スペクトルと判別されたものに対して血糖推定を行う。   3-1) When the data of the differential absorbance spectrum group is used as it is as the absorbance spectrum database DB, the absorbance spectrum obtained by subtracting the center spectrum from the measured absorbance spectrum is subjected to discriminant analysis with the absorbance spectrum database to obtain a good absorbance spectrum. The blood glucose is estimated for those determined to be.

3−2)血糖推定を行う前に、一つの実測スペクトルを用いて、この差分吸光度スペクトル群に各々加算して、吸光度スペクトルデータベースとして用いる(この差分吸光度スペクトルに加算した実測スペクトルを「較正スペクトル」とする)。   3-2) Before performing blood glucose estimation, one measured spectrum is added to each of the differential absorbance spectrum groups and used as an absorbance spectrum database (the measured spectrum added to the differential absorbance spectrum is referred to as “calibration spectrum”). And).

このようにして得られた吸光度スペクトルデータベースDBは、体内成分算出部23で血糖値算出を行うための検量線の作成と、血糖値を算出するために測定されたスペクトルを、血糖値を算出するのに適したスペクトルであるか否かを判断するために判別分析部34で行う判別分析に利用する。   The absorbance spectrum database DB thus obtained calculates a blood glucose level from a calibration curve for calculating a blood glucose level by the in-vivo component calculation unit 23 and a spectrum measured for calculating the blood glucose level. This is used for discriminant analysis performed by the discriminant analysis unit 34 in order to determine whether or not the spectrum is suitable for the above.

ここで、吸光度スペクトルデータベースDBの作成について例を挙げて詳説する。   Here, the creation of the absorbance spectrum database DB will be described in detail with an example.

(例1)
本例は、データとなる吸光度スペクトルの収集を、実測によって行う場合であって、例えば血糖値を推定するのが目的で、血糖値を目的変数として検量線を作成するのであれば、グルコース負荷実験等を行い、血糖値の高い値や低い値を示すときの吸光度スペクトルを血糖値と対に収集し、様々な血糖値と吸光度スペクトルが対になったデータベースを作成する。
(Example 1)
In this example, the absorbance spectrum as data is collected by actual measurement. For example, if the purpose is to estimate a blood glucose level and a calibration curve is created using the blood glucose level as an objective variable, a glucose tolerance experiment is performed. The absorbance spectrum when the blood glucose level is high or low is collected as a pair with the blood glucose level, and a database in which various blood glucose levels and absorbance spectra are paired is created.

また実測した吸光度スペクトル群のデータは、1)のようにそのまま吸光度スペクトルデータベースDBのデータとして利用するか、或いは3)のように中心スペクトルからの差分吸光度スペクトルに変換して用いることができる。   Further, the measured data of the absorbance spectrum group can be used as it is as the data of the absorbance spectrum database DB as in 1), or converted into a differential absorbance spectrum from the center spectrum as in 3).

更に差分吸光度スペクトルに変換した場合も、3−1)のように差分吸光度スペクトル群のデータを吸光度スペクトルデータベースDBとして利用するか、或いは3−2)のように較正スペクトルに加算することで吸光度スペクトルデータベースDBのデータとすることができる。   Furthermore, even if converted into a differential absorbance spectrum, the absorbance spectrum can be obtained by using the differential absorbance spectrum group data as the absorbance spectrum database DB as in 3-1) or by adding it to the calibration spectrum as in 3-2). Data in the database DB can be used.

尚本例のように実測による吸光度スペクトルのデータの収集を行う場合には、複数回のグルコース負荷実験を行ったデータを用いるのがなお良い。つまり収集する部屋の室温、測定した位置、被験者(生体14)の状態の遠い等の諸々の実験環境の差異が生じるため、これらの諸要因を多く含んだ検量線の作成が、実験要因を多く含み、精度を高めることになるからである。   When collecting the data of the absorbance spectrum by actual measurement as in this example, it is more preferable to use data obtained by performing a plurality of glucose load experiments. In other words, since there are differences in various experimental environments such as the room temperature of the room to be collected, the measured position, and the state of the subject (living body 14), the creation of a calibration curve including many of these factors has many experimental factors. This is because the accuracy is improved.

次に本例における吸光度スペクトルデータベースDBの収集方法について、一例を述べる。    Next, an example is described about the collection method of the absorbance spectrum database DB in this example.

まず被験者の生体の吸光度スペクトルと生体の目的体内成分の血糖値の組を複数回測定する。この測定において、目的体内成分濃度の測定は、吸光度スペクトルの測定とほぼ同じタイミングで行う。   First, a set of an absorbance spectrum of a subject's living body and a blood glucose level of a target body component of the living body is measured a plurality of times. In this measurement, the concentration of the target body component is measured at almost the same timing as the measurement of the absorbance spectrum.

尚上述したように、このような吸光度スペクトルと血糖値の組を測定する際には、血糖値に差のある時の吸光度スペクトルや、実測環境の異なるときの吸光度スペクトルを多く収集した方が良いため、血糖値が平常値の期間、及びその後、糖負荷試験を行い、血糖値を上げて、血糖値が低下するまでの期間の吸光度スペクトルデータの収集と、その各々の吸光度スペクトルデータの測定の際に、あわせて血糖値を計測した、一組ずつのデータ収集を、複数回、例えば日を変える等して行うのが望ましい。   As described above, when measuring such a set of absorbance spectrum and blood glucose level, it is better to collect a large number of absorbance spectra when there is a difference in blood glucose level and when the measured environment is different. Therefore, during the period when the blood sugar level is normal, and after that, the glucose tolerance test is performed, the blood sugar level is increased, and the absorbance spectrum data is collected during the period until the blood glucose level decreases, and the measurement of the respective absorbance spectrum data At this time, it is desirable to collect a set of data for which blood glucose levels are also measured, a plurality of times, for example, by changing the day.

また、ある被験者のために検量線を作成する場合であっても、検量線の作成に必要なデータが測定される生体は、その被験者に限定されない。例えば、被験者以外のいかなる人であっても良い。   Further, even when a calibration curve is created for a subject, the living body in which data necessary for creating the calibration curve is measured is not limited to that subject. For example, any person other than the subject may be used.

また、血糖値を測定する場合は、グルコース分子由来の吸収が大きく、且つ水分子由来の吸収の影響が比較的小さいという理由から、1200nmから1880 nmの波長域において吸光度スペクトルを測定することが望ましい。    Further, when measuring blood glucose level, it is desirable to measure the absorbance spectrum in the wavelength range of 1200 nm to 1880 nm because the absorption derived from glucose molecules is large and the influence of absorption derived from water molecules is relatively small. .

また吸光度スペクトルデータベースDBのための吸光度スペクトルの収集を、生体を用いて行わずに、脂肪乳剤(例えば、「イントラリピッド」<フレゼニウス・カビ株式会社製)のような散乱体浮遊溶液を模擬試料として使用して、その際の吸光度スペクトルのデータを生体の吸光度スペクトルのデータの代用として用い、吸光度スペクトルデータベースDBを構築しても良い。   In addition, collection of absorbance spectra for the absorbance spectrum database DB is not performed using a living body, but a scatterer suspended solution such as a fat emulsion (eg, “Intralipid” manufactured by Fresenius Mold Co., Ltd.) is used as a simulated sample. By using the absorbance spectrum data at that time as a substitute for the absorbance spectrum data of the living body, the absorbance spectrum database DB may be constructed.

この場合模擬試料としては、前記脂肪乳剤「イントラリピッド」を2〜5%含有する溶液を持ち入れば生体に近い状態の測定測定結果が得られる。そして脂肪乳剤に対するグルコース、蛋白質、脂質、水分のような体内成分の混合比や溶液温度を、それらの日内変動がカバーされるように予め設定した範囲内で変化させ、複数種類のテスト溶液を作成し、その得られたテスト溶液の各々に関して、吸光度スペクトルを測定し、これらを生体の模擬の吸光度スペクトルとして用いると良い。   In this case, if a solution containing 2 to 5% of the fat emulsion “Intralipid” is brought in as a simulation sample, measurement and measurement results in a state close to a living body can be obtained. Then, change the mixing ratio of body components such as glucose, protein, lipid, and water to the fat emulsion and the solution temperature within a preset range to cover their daily fluctuations, and create multiple types of test solutions For each of the obtained test solutions, an absorbance spectrum is measured, and these may be used as a simulated absorbance spectrum of a living body.

(例2)
上記例1は実測によってデータを得る方法であったが、本例は、 判別分析を行ったときにばらつきが少なく、より精度の良い判別を行うことができるように上述の2)のシミュレーションによって吸光度スペクトルのデータを収集する例であり、例えばモンテカルロ法などの光伝播シミュレーションを用いて吸光度スペクトルのデータを得て吸光度スペクトルデータベースDBを構築する。
(Example 2)
Although Example 1 was a method of obtaining data by actual measurement, in this example, the absorbance is reduced by simulation of the above 2) so that there is little variation when discriminant analysis is performed and more accurate discrimination can be performed. This is an example of collecting spectrum data. For example, the absorbance spectrum database DB is constructed by obtaining the absorbance spectrum data using a light propagation simulation such as the Monte Carlo method.

ここで採用するモンテカルロ法は、計算機で発生させた0〜1の範囲の一様乱数に関して、目的事象の発生確率分布に基づく関数を使用し、目的事象を正確に再現することができる統計学的手法であって、光伝播を再現する場合は、媒体に入射する光を光子の集まりとみなし、光子1つ1つの媒体内での挙動を媒体の光学特性値(μα:吸収係数、μS:散乱係数、p(θ):散乱位相関数、n:屈折率)に基づいて追跡する。   The Monte Carlo method adopted here uses a function based on the probability distribution of the target event for a uniform random number in the range of 0 to 1 generated by a computer. In this method, when light propagation is reproduced, the light incident on the medium is regarded as a collection of photons, and the behavior of each photon in the medium is expressed as an optical characteristic value (μα: absorption coefficient, μS: scattering). Tracking is based on the coefficient, p (θ): scattering phase function, n: refractive index).

その結果、全ての光子の挙動から統計的に光伝播を再現することができることになる。尚散乱位相関数のθは、方位角について対称性を仮定した場合、一回の散乱によって生じる光の進行方向の角度変化である。   As a result, light propagation can be statistically reproduced from the behavior of all photons. Note that θ of the scattering phase function is an angle change in the traveling direction of light caused by one scattering when symmetry is assumed with respect to the azimuth angle.

散乱位相関数の有効な記述は、次式(1)に示すように、Henyey−Greenstein関数によって表され、赤血球を含む生体組織の散乱を表現するためにしばしば使用される。   An effective description of the scattering phase function is expressed by the Henry-Greenstein function as shown in the following equation (1), and is often used to express scattering of biological tissue including red blood cells.

Figure 2007259967
Figure 2007259967

式(1)において、”g”は非等方散乱パラメータであり、p(θ)により表現される散乱の非等方性をより簡単に特徴づけることができる。gは1から−1までの値を取り、g=1、0、−1であるとき、その散乱特性は、それぞれに対応して完全な前方散乱、等方散乱、後方散乱によって表される。生体における散乱特性は非常に強い前方散乱によって表され、吸収が弱い媒体の散乱特性は、等方散乱によってほぼ表せる。   In the equation (1), “g” is an anisotropic scattering parameter, and the scattering anisotropy expressed by p (θ) can be characterized more easily. g takes a value from 1 to −1, and when g = 1, 0, −1, the scattering characteristic is represented by perfect forward scattering, isotropic scattering, and backscattering corresponding to each. Scattering characteristics in a living body are expressed by very strong forward scattering, and scattering characteristics of a medium having weak absorption can be expressed almost by isotropic scattering.

また、上記した近似に基づいて、散乱係数μSは、等価散乱係数μS=(1−g)μSによって提供される。光の伝播において連続する2回の相互作用(吸収、散乱)間の光路長Lは、次式(2)によって表される。相互作用時の屈折の天頂角及び方位角の変化(θ、φ)は、それぞれ次式(3)、(4)によって表される。   Also, based on the above approximation, the scattering coefficient μS is provided by the equivalent scattering coefficient μS = (1−g) μS. The optical path length L between two consecutive interactions (absorption, scattering) in the propagation of light is expressed by the following equation (2). Changes in the zenith angle and azimuth angle of refraction during interaction (θ, φ) are expressed by the following equations (3) and (4), respectively.

Figure 2007259967
Figure 2007259967

上記の式において、R、R、Rの各々は、0から1の間の一様乱数であり、∫(θ)は散乱位相関数の累積確率である。また、1番目の相互作用の際に光子のエネルギーは、その媒体の吸光特性に基づいて吸収され、次式(5)で表される。 In the above formula, each of R 1 , R 2 , R 3 is a uniform random number between 0 and 1, and ∫ (θ) is the cumulative probability of the scattering phase function. In the first interaction, photon energy is absorbed based on the light absorption characteristics of the medium, and is expressed by the following equation (5).

Figure 2007259967
Figure 2007259967

ところで、生体の皮膚は、角質層、顆粒層、有棘層、基底層を含む。基底層は、一層の碁底細胞からなり、細胞分裂によって新しい細胞が一定のレベルで作り出される。新しい細胞は肌表面に向かって上方に移動し、有棘細胞→顆粒細胞→角質細胞の順に変化し、結果的に角質層が形成される。正常な角質細胞の場合、角質細胞でなる1層が毎日剥がれ落ちる。基底細胞が新しく生まれてから角質細胞になるのに約2週間、角質細胞が皮膚表面に達して剥がれ落ちるまでに約2週間、つまり約4週間毎に表皮層は生まれ変わる。これは、表皮層が20を越える細胞層で構成されることを意味する。真皮層には、血管、リンパ管及び神経に加えて、汗腺、皮脂腺及び毛根がある。また真皮層での活発な生理活動のため、血液から補給された栄養が、基底層で細胞を作り出すために使用される。更に、真皮層には線維組織があり、皮膚を保持しつつ、皮膚の弾力性を提供している。皮下組織は主に皮下脂肪によって形成されると考えられる。従って、グルコースは主に真皮層に存在し、表皮層や皮下組織にグルコースは殆ど存在しないとみなせる。   By the way, the skin of a living body includes a stratum corneum, a granular layer, a spiny layer, and a basal layer. The basal layer consists of a single layer of cells, and new cells are created at a certain level by cell division. New cells move upward toward the skin surface and change in the order of spinous cells → granule cells → keratinocytes, resulting in the formation of a stratum corneum. In the case of normal keratinocytes, one layer of keratinocytes peels off every day. The epidermis layer is reborn about every two weeks after the basal cells are newly born to become horny cells, about two weeks until the horny cells reach the skin surface and peel off. This means that the epidermal layer is composed of more than 20 cell layers. In the dermis layer, there are sweat glands, sebaceous glands and hair roots in addition to blood vessels, lymph vessels and nerves. Also, due to active physiological activity in the dermis layer, nutrients supplemented from blood are used to create cells in the basal layer. Furthermore, the dermis layer has a fibrous tissue that provides skin elasticity while retaining the skin. Subcutaneous tissue is thought to be formed mainly by subcutaneous fat. Therefore, it can be considered that glucose is mainly present in the dermis layer and almost no glucose is present in the epidermis layer or subcutaneous tissue.

図3は、皮膚のシミュレーションモデルを示す。図中、番号30、31、32、33は、それぞれ表皮層、真皮層、皮下組織、筋肉や骨である。例えば、発光側光ファイバー6から皮膚に照射された近赤外光は、光路Xに沿って伝搬され、受光側光ファイバー10によって受光される。   FIG. 3 shows a simulation model of the skin. In the figure, numbers 30, 31, 32 and 33 are the epidermis layer, dermis layer, subcutaneous tissue, muscle and bone, respectively. For example, near-infrared light irradiated on the skin from the light-emitting side optical fiber 6 propagates along the optical path X and is received by the light-receiving side optical fiber 10.

ここでモンテカルロ法に基づいて光伝播シミュレーションを実施する場合、表皮層30、真皮層31及び皮下組織32の各々の吸収係数μα、散乱係数μS、屈折率n、非等方散乱パラメータgなどの光学特性値が必要となる。一般に、生体組織の”g”は0.8〜0.95の非常に強い前方散乱である。従って、本例で用いる”g”は0.9一定とする。またこれらの層の屈折率nも1.34一定とする。   Here, when the light propagation simulation is performed based on the Monte Carlo method, the optical parameters such as the absorption coefficient μα, the scattering coefficient μS, the refractive index n, and the anisotropic scattering parameter g of each of the epidermis layer 30, the dermis layer 31, and the subcutaneous tissue 32 are used. A characteristic value is required. In general, the “g” of living tissue is a very strong forward scatter of 0.8-0.95. Therefore, “g” used in this example is set to be constant 0.9. In addition, the refractive index n of these layers is also constant 1.34.

そしてグルコース、蛋白質、脂質、水分及び温度、散乱係数などの生体内パラメータを、生体内パラメータの日内変動がカバーされるように予め設定した範囲内で変化させ、シミュレーションによる吸光度スペクトルの作成を繰り返す。このように、複数のシミュレートした吸光度スペクトルが得られる。結果として、生体からデータを測定する代わりに、シミュレーションによってデータテーブル、つまり吸光度スペクトルデータベースDBを得ることができる。   Then, in vivo parameters such as glucose, protein, lipid, moisture and temperature, and scattering coefficient are changed within a preset range so as to cover the daily fluctuation of the in vivo parameters, and the creation of the absorbance spectrum by simulation is repeated. In this way, a plurality of simulated absorbance spectra are obtained. As a result, instead of measuring data from a living body, a data table, that is, an absorbance spectrum database DB can be obtained by simulation.

本例のようにシミュレーションを用いて吸光度スペクトルデータベースDBのデータを作成する場合、次のような有利性がある。   When the data of the absorbance spectrum database DB is created using simulation as in this example, there are the following advantages.

つまり、シミュレーションでは、グルコースのような目的体内成分濃度の日内変動範囲が予め決定され、その変動範囲において、原点”ORG”の周囲に等間隔で差分値がシミュレートされる。検量線の作成に必要なデータを生体から測定する場合においては、短時間内に等間隔の差分値を得ることは困難である。   That is, in the simulation, a daily fluctuation range of the concentration in the target body component such as glucose is determined in advance, and a difference value is simulated at equal intervals around the origin “ORG” in the fluctuation range. When measuring data necessary for creating a calibration curve from a living body, it is difficult to obtain differential values at equal intervals within a short time.

しかしながら、シミュレーションによれば、多くのデータを収集することなく、推定精度に安定した信頼性を有する検量線を作成するのに最適な差分値を速やかに得ることができる。   However, according to the simulation, it is possible to quickly obtain an optimum difference value for creating a calibration curve having a stable and reliable estimation accuracy without collecting a lot of data.

また、実測データがグルコースの微弱な信号を含んでいるかどうかを判定することは非常に困難である。しかしながら、シミュレーションによれば、そのようなグルコースの微弱信号を確実に再現することができる。更に、生体から吸光度スペクトルを測定するための装置間で発生する誤差や、測定中に生じるノイズ成分がグルコースの微弱信号に及ぼす影響を防ぐことができる。従って、シミュレーションにおいて偶然の相関はないのである
もう一つのシミュレーションによる吸光度スペクトルのデータを用いることによる大きな利点は、実測毎の環境等に依存しないデータであるために、各実測固有のノイズがデータの選別基準に影響しないということである。吸光度スペクトルデータベースDBが実測によって収集されたデータ群であると、その吸光度スペクトルデータベースDBを作成した実測環境によるノイズが、データに混在してしまう。
Further, it is very difficult to determine whether the actually measured data includes a weak signal of glucose. However, according to the simulation, such a weak signal of glucose can be reliably reproduced. Furthermore, it is possible to prevent the influence of an error occurring between devices for measuring an absorbance spectrum from a living body and a noise component generated during the measurement on a weak glucose signal. Therefore, there is no accidental correlation in the simulation. The great advantage of using the absorbance spectrum data from another simulation is data that does not depend on the environment for each measurement. It does not affect the selection criteria. When the absorbance spectrum database DB is a data group collected by actual measurement, noise due to the actual measurement environment that created the absorbance spectrum database DB is mixed in the data.

そうなると、後述する判別分析の基準や、検量線の作成に用いる吸光度スペクトルデータベースDBが、ある一つの実測環境に偏ったデータとなってしまい、データの選別基準があやふやなものになってしまう。これに対してシミュレーションで得たデータを判断基準に用いるデータ群に用いることで、実測環境等に依存することなく、一貫した基準でデータの選別を行うことができる。   In this case, the discriminant analysis criteria described later and the absorbance spectrum database DB used for the creation of the calibration curve become data biased toward a certain actual measurement environment, and the data selection criteria become ambiguous. On the other hand, by using the data obtained by the simulation for the data group used as the criterion, it is possible to select the data based on the consistent criterion without depending on the actual measurement environment.

また、上記シミュレーションによるデータは、下記に示すような差分吸光度スペクトルとして記憶装置19a内に当初格納して、上述した較正スペクトルを測定した後、そこからの生体内の成分の変動分として、この差分吸光度スペクトルを用い、先に定義した較正スペクトルに、各々加算した値を、吸光度スペクトルデータベースDBとして、判別分析、及び後述する検量線の作成に用いても良い。   Moreover, after the data by the said simulation are initially stored in the memory | storage device 19a as a differential absorption spectrum as shown below, and the calibration spectrum mentioned above is measured, this difference is used as a fluctuation | variation amount of the component in the living body from there. A value obtained by adding an absorbance spectrum to the previously defined calibration spectrum may be used as an absorbance spectrum database DB for discriminant analysis and creation of a calibration curve described later.

このようにすることによって、吸光度スペクトルデータベースDBは、基準とした実測の較正スペクトルからの変化をシミュレーションで補い、その被験者の吸光度スペクトル変化をより良く表すスペクトル群となる。   By doing so, the absorbance spectrum database DB becomes a spectrum group that better compensates for changes in the absorbance spectrum of the subject by compensating for changes from the actually measured calibration spectrum as a reference.

差分吸光度スペクトルは、生体を実測して複数の吸光度スペクトルを収集して作成しても良いし、先に述べたようなシミュレーションの吸光度スペクトル群を元にして作成しても良い。   The differential absorbance spectrum may be created by actually measuring a living body and collecting a plurality of absorbance spectra, or may be created based on a simulation absorbance spectrum group as described above.

例えば、シミュレーションの吸光度スペクトル群は、様々な変動要因、一つの例として、この場合は特に生体内の成分の濃度や体積等を考慮して作成している訳であるが、まず各々の成分の濃度や体積の中間の値のときの吸光度スペクトルを中心スペクトルとする。この中心スペクトルを基準値として、各々の成分、またその成分の中でも濃度分布によって異なる各々の吸光度スペクトルと、中心スペクトルの差を取り、この値を差分スペクトルとして、判別分析、及び検量線を作成するために必要な、吸光度スペクトルデータベースDBとする。この中心スペクトルにはシミュレーションで作成したスペクトル群の平均スペクトルを用いても良い。   For example, the absorbance spectrum group of the simulation is created in consideration of various fluctuation factors, for example, in this case, particularly the concentration and volume of the component in the living body. The absorbance spectrum at an intermediate value of concentration or volume is defined as the center spectrum. Using this center spectrum as a reference value, the difference between each component and each absorbance spectrum that varies depending on the concentration distribution among the components and the center spectrum is taken, and discriminant analysis and a calibration curve are created using this value as the difference spectrum. Therefore, the absorbance spectrum database DB is necessary. As the center spectrum, an average spectrum of a spectrum group created by simulation may be used.

また先述したように、シミュレーションの差分吸光度スペクトル群を吸光度スペクトルデータベースDBとする方法は、較正スペクトルを足してスペクトルを作成する限りではない。差分吸光度スペクトルのまま吸光度スペクトルデータベースDBとして、血糖値を測定するために実測した吸光度スペクトルから、中心スペクトルを差し引いたスペクトルを、血糖推定に用いる方法も良い。   As described above, the method of using the differential absorbance spectrum group of the simulation as the absorbance spectrum database DB is not limited to creating a spectrum by adding the calibration spectrum. A method of using the spectrum obtained by subtracting the center spectrum from the absorbance spectrum actually measured for measuring the blood glucose level as the absorbance spectrum database DB as the differential absorbance spectrum may be used.

更にまたシミュレーションの吸光度スペクトルのデータ作成において、測定に際して変動及び影響すると思われる主要な要因をパラメータとして考慮すると良い。例えば、グルコースを測定対象とした場合、グルコースに加え、生体内蛋白、脂質、温度、水分量、散乱係数などのパラメータを選出し、生体内変化を考慮した変化量を有するように算出し、そこから得られたデータ群を吸光度スペクトルデータベースDBとする。   Furthermore, in creating the absorbance spectrum data of the simulation, it is preferable to consider as a parameter the main factors that are likely to vary and affect the measurement. For example, when glucose is the measurement target, parameters such as in vivo protein, lipid, temperature, water content, and scattering coefficient are selected in addition to glucose, and calculated so as to have a change amount that takes into account the biotransformation. The data group obtained from is used as the absorbance spectrum database DB.

この際の検量線は、先述の差分吸光度スペクトル群で構成された吸光度スペクトルデータベースDBを多変量解析して作成する。検量線については後述する。   The calibration curve at this time is created by multivariate analysis of the absorbance spectrum database DB composed of the above-described differential absorbance spectrum group. The calibration curve will be described later.

判別分析に関しても同様に、測定されたスペクトルから中心スペクトルを差し引いて差分吸光度スペクトルの形にして、先述の差分吸光度スペクトル群で構成された吸光度スペクトルデータベースDBと比較して判別する。   Similarly, the discriminant analysis is performed by subtracting the center spectrum from the measured spectrum to form a differential absorbance spectrum, and comparing with the absorbance spectrum database DB configured by the above-described differential absorbance spectrum group.

判別分析部24において行う判別分析は、主成分分析やクラスター分析、パターン分類などのデータの類似性を分析して分類する手法を用いて行うもので、本実施形態では主成分分析を採用している。   The discriminant analysis performed in the discriminant analysis unit 24 is performed using a method of analyzing and classifying data similarity such as principal component analysis, cluster analysis, and pattern classification. In this embodiment, principal component analysis is adopted. Yes.

ここで、本実施形態で採用する主成分分析とは、多変量解析の一つであり、データの縮約に非常に有効性を発揮する。多次元ベクトルで表されるサンプル同士の分布の構造を、サンプル全体の持つ主要なベクトルを算出して、そのベクトルに対して各々のサンプルがどの程度類似性を持つかを算出するものである。具体的には、データを特異値分解し、データを行列と見た場合、列方向に正規化された固有ベクトルと、行方向に正規化された固有ベクトルに分解する。これらの値を用いて、データの投射を行う。サンプルの分散をもっとも多くとらえる軸の方向座標を第一ローディング、その軸への各サンプルの射影を第一スコアと呼ぶ。続いて寄与度の大きな順に、第二ローディング、第二スコアと呼ぶ。   Here, the principal component analysis employed in the present embodiment is one of multivariate analyses, and is very effective in reducing data. The main vector of the entire sample is calculated as the distribution structure of the samples represented by multidimensional vectors, and the degree of similarity of each sample with respect to the vector is calculated. Specifically, when singular value decomposition is performed on the data and the data is viewed as a matrix, the data is decomposed into eigenvectors normalized in the column direction and eigenvectors normalized in the row direction. Data projection is performed using these values. The direction coordinate of the axis that captures the most sample variance is called first loading, and the projection of each sample onto that axis is called the first score. Subsequently, the second loading and the second score are called in descending order of contribution.

一方本発明体内成分計測装置の計測対象である体内におけるグルコースの変化は非常に微小なものである。そのため、吸光度スペクトルへの寄与度という面から考えても非常に影響は小さなものとなる。すなわち、先に述べた主成分という観点から述べると、第一、第二などの寄与度の非常に高いローディングに血糖値の影響は殆ど現れでいない。もう少し高次の成分数のローディングに影響が現れているような結果が得られ、第七、第八ローディングあたりにグルコースに関する影響が現れているような結果が得られる。   On the other hand, the change in glucose in the body, which is the measurement target of the in-vivo component measurement device of the present invention, is very small. Therefore, even if it considers from the surface of the contribution to an absorbance spectrum, an influence will become very small. That is, from the viewpoint of the main component described above, the influence of the blood glucose level hardly appears in the loading with the very high contribution such as the first and second. A result that shows an influence on the loading of a slightly higher number of components is obtained, and a result that an influence on glucose appears around the seventh and eighth loadings.

ここで、本実施形態では判別分析部24にて、測定された吸光度スペクトルAと、吸光度スペクトルデータベースDBを一つのデータ群として主成分分析を行い、得られたローディングとスコアを用いて、判別を見るために用いると規定した成分数のスコアを記憶装置19aに保存し、そのスコアのうち、まず、吸光度スペクトルデータベースDBのスコアだけを用いて、スコアの範囲を設定する。   Here, in this embodiment, the discriminant analysis unit 24 performs principal component analysis using the measured absorbance spectrum A and the absorbance spectrum database DB as one data group, and uses the obtained loading and score to perform discrimination. The score of the number of components defined to be used for viewing is stored in the storage device 19a, and the score range is set using only the score of the absorbance spectrum database DB among the scores.

具体的には、判別分析部24は、吸光度スペクトルデータベースDBのスコアの値の最大値と最小値を算出するとともに、その最大値と最小値の範囲に、測定された吸光度スペクトルのスコア値が存在するか否かを判別して、範囲内に存在すれば吸光度スペクトルは適していると判断し、範囲外であれば、不適であると判断する。   Specifically, the discriminant analysis unit 24 calculates the maximum value and the minimum value of the score values in the absorbance spectrum database DB, and the measured absorbance spectrum score value exists in the range of the maximum value and the minimum value. If it is within the range, it is determined that the absorbance spectrum is suitable, and if it is outside the range, it is determined to be inappropriate.

例えば、図4(a)に示す結果の場合、吸光度スペクトルデータベースDBから得られたスコア値の最大値と最小値の間に、測定されたスペクトル(図中の丸囲みの中心の1点)のスコア値が存在するため、適していると判断する。   For example, in the case of the result shown in FIG. 4A, the measured spectrum (one point at the center of the circle in the figure) is between the maximum value and the minimum value of the score values obtained from the absorbance spectrum database DB. Since the score value exists, it is determined to be suitable.

ここで、判別分析部24が測定したスペクトルが適していると判断すれば、この測定されたスペクトルと、既に格納している検量線を用いて、血糖値を算出する。   Here, if it is determined that the spectrum measured by the discriminant analysis unit 24 is appropriate, the blood glucose level is calculated using the measured spectrum and the already stored calibration curve.

一判別分析部24が測定したスペクトルが適していないと判断すれば、この測定されたスペクトルを記憶装置19aから破棄する。   If it is determined that the spectrum measured by the one-discriminant analyzer 24 is not suitable, the measured spectrum is discarded from the storage device 19a.

この図4(a)に示す例の場合、例として挙げた用いる主成分数の数は一つで検定しているが、検定に用いる主成分数の数は一つに限らない。2つ、若しくはそれ以上の主成分数を用いて、1軸でなく、平面、若しくは多次元での類似からデータを判別しても良い(図4(b)に一例を記載)。   In the example shown in FIG. 4A, the number of principal components used as an example is tested as one, but the number of principal components used in the test is not limited to one. Using two or more principal component numbers, data may be discriminated from similarity in a plane or multi-dimension instead of one axis (an example is shown in FIG. 4B).

ここで、主成分分析によってデータの選別を行った結果の一例を図5及び図6、図7に示す。尚ここでの主成分分析は、吸光度スペクトルデータベースDBと血糖推定をするために生体を測定した吸光度スペクトルを用いて行った。また、吸光度スペクトルデータベースDBとしては、シミュレーションで作成した差分吸光度スペクトルを用いた。   Here, an example of the result of selecting data by principal component analysis is shown in FIG. 5, FIG. 6, and FIG. The principal component analysis here was performed using an absorbance spectrum database DB and an absorbance spectrum obtained by measuring a living body in order to estimate blood glucose. Further, as the absorbance spectrum database DB, a differential absorbance spectrum created by simulation was used.

まず、図5は、採血型血糖計から得た血糖値(イ)と、それと同時刻に、図1に示す本発明の体内成分測定装置にて測定した血糖値(ロ))とを示す。図6(a)乃至(c)及び図7(a)乃至(c)は、一連の測定後、推定精度が良かったものと、悪かったものをそれぞれランダムに3測定ずつ選択し、その際に測定した吸光度スペクトルを用いて、主成分分析を各々に行ったものである。図5において推定精度が良好と判断したデータは、データC、D、Fであり、推定精度が悪いと判断したデータは、データA、B、Eであり、図6(a)乃至(c)はデータC、D、Fに対応し、図7(a)乃至(c)はデータA、B、Eに対応している。 図6及び図7に示すものは、x軸の主成分数を7、y軸の主成分数を8として、平面表記したものである。   First, FIG. 5 shows a blood glucose level (A) obtained from a blood collection type blood glucose meter, and a blood glucose level (B) measured by the in-vivo component measuring apparatus of the present invention shown in FIG. 1 at the same time. 6 (a) to (c) and FIGS. 7 (a) to (c), after a series of measurements, the one with good estimation accuracy and the one with poor estimation were randomly selected for each of the three measurements. The principal component analysis was performed for each using the measured absorbance spectrum. In FIG. 5, the data determined to have good estimation accuracy are data C, D, and F, and the data determined to have poor estimation accuracy are data A, B, and E. FIGS. 6 (a) to 6 (c). Corresponds to data C, D, F, and FIGS. 7A to 7C correspond to data A, B, E. In FIGS. 6 and 7, the number of principal components on the x axis is 7 and the number of principal components on the y axis is 8.

また、シミュレーションの吸光度スペクトルのデータ作成において、蛋白、脂質、温度、水分量、散乱係数とグルコースの6つのパラメータを、生体内変化を考慮した変動範囲を有するようにして算出し、そこから得られたデータ群を吸光度スペクトルデータベースDBとして用いた。   In addition, in the creation of absorbance spectrum data for simulation, six parameters of protein, lipid, temperature, water content, scattering coefficient, and glucose are calculated so as to have a variation range that takes into account biological changes, and obtained from there. These data groups were used as the absorbance spectrum database DB.

結果、推定精度が悪い三つのデータA、B、Eは、主成分分析をした結果において、吸光度スペクトルデータベースDBから外れた位置にプロットされ、推定精度の比較的良い三つのデータC、D、Fは、吸光度スペクトルデータベースDBと非常に近接している。   As a result, the three data A, B, and E having poor estimation accuracy are plotted at positions outside the absorbance spectrum database DB in the result of the principal component analysis, and the three data C, D, and F having relatively good estimation accuracy are plotted. Is very close to the absorbance spectrum database DB.

これより、主成分分析を用いてデータを選別することにより、推定精度の良好なデータだけを選別することが可能と言える。  From this, it can be said that only data with good estimation accuracy can be selected by selecting data using principal component analysis.

次に、体内成分算出部23に用いる検量線について説明をする。   Next, a calibration curve used for the in-vivo component calculation unit 23 will be described.

体内成分算出部23で用いる検量線は、PLS回帰分析などの多変量解析を実施して作成する。本実施形態の場合にはPLS回帰分析を用い、複数の吸光度スペクトル(説明変数と呼ばれる)と、その各々と対に測定した、後に定量を目的としている成分の値(目的変数と呼ばれる)とのデータ群を用いて作成する。本実施形態の場合の説明変数は吸光度スペクトルデータベースDBに当たり、目的変数は血糖値に当たる。  The calibration curve used in the in-vivo component calculation unit 23 is created by performing multivariate analysis such as PLS regression analysis. In the case of this embodiment, using PLS regression analysis, a plurality of absorbance spectra (referred to as explanatory variables) and values of components (referred to as objective variables) that are measured in pairs with each other and are later quantified are used. Created using data groups. In this embodiment, the explanatory variable corresponds to the absorbance spectrum database DB, and the objective variable corresponds to the blood glucose level.

検量線作成後、吸光度スペクトルを測定して、その測定されて取得された吸光度スペクトルから体内成分算出部23は検量線を用いることで、血糖値を推定(算出)するのである。この検量線の使用により、被験者の目的体内成分の濃度値は、被験者から非侵襲的に測定された近赤外吸光度スペクトルから精度良推定できる。    After the calibration curve is created, the absorbance spectrum is measured, and the in-vivo component calculation unit 23 estimates (calculates) the blood glucose level from the measured and acquired absorbance spectrum by using the calibration curve. By using this calibration curve, the concentration value of the target in-vivo component of the subject can be estimated with good accuracy from the near-infrared absorbance spectrum measured noninvasively from the subject.

而して本実施形態の体内成分測定装置では、体内成分算出部23が吸光度スペクトルデータベースDBを用いて多変量解析をすることにより検量線を作成した後、この吸光度スペクトルデータベースDBと測定して取得した吸光度スペクトルとを判別分析部24が判別分析することで、スペクトルが適か不適かを判断し、適していると判断した場合は、この判断結果に基づいて体内性成分算出部23が先に作成した検量線とを用いて、血糖値を推定算出し、不適と判断した場合は測定して取得した吸光度スペクトルを破棄することである。   Thus, in the in-vivo component measuring apparatus of the present embodiment, the in-vivo component calculating unit 23 creates a calibration curve by performing multivariate analysis using the absorbance spectrum database DB, and then obtains it by measuring with this absorbance spectrum database DB. The discriminant analysis unit 24 discriminates and analyzes the absorbance spectrum thus obtained, and determines whether the spectrum is appropriate or not. If it is determined that the spectrum is appropriate, the endogenous component calculation unit 23 first determines based on the determination result. Using the prepared calibration curve, the blood glucose level is estimated and calculated, and when it is determined to be inappropriate, the absorbance spectrum obtained by measurement is discarded.

この際に吸光度スペクトルデータベースDBを基準にして、測定したスペクトルの適、不適を判断しているのは、検量線に用いるスペクトル群との類似性の高いスペクトルの方が、類似性の低いスペクトルより精度良く予測しやすいためである。    At this time, whether or not the measured spectrum is appropriate based on the absorbance spectrum database DB is judged because the spectrum having a high similarity to the spectrum group used for the calibration curve is more than the spectrum having a low similarity. This is because it is easy to predict accurately.

次に本実施形態の体内成分測定装置の動作を実施例により説明する。
(実施例1)
本実施例は、吸光度スペクトルデータベースDBとして上述したモンテカルロ法によるシミュレーションと差分吸光度スペクトルを用いて作成したものを用いる<上述した3−2)の例>。
Next, the operation of the in-vivo component measuring device of the present embodiment will be described with reference to examples.
Example 1
In this example, the absorbance spectrum database DB is prepared using the above-described Monte Carlo method simulation and the differential absorbance spectrum <Example of 3-2) described above>.

まず、実際に血糖値を測定する前に、演算装置19では、CPU部19bがデータベース作成用プログラムを実行することで、データベース作成部26を機能させ、このデータベース作成部26によって図8に示すようにモンテカルロ法によるシミュレーションにより、上述したようにシミュレーションによる吸光度スペクトルデータベースを作成し(ステップS1)、更にこの作成した吸光度スペクトルデータベースから、中心スペクトル(=各々の成分の濃度や体積の中間の値のときの吸光度スペクトル)との差を取って差分スペクトル群を作成して記憶部19bに記憶させる一連の動作を行って、データベース作成の前段階を終了する。   First, before actually measuring the blood glucose level, in the arithmetic unit 19, the CPU 19b executes the database creation program to cause the database creation unit 26 to function, and this database creation unit 26 causes the database creation unit 26 to function as shown in FIG. As described above, the absorbance spectrum database by simulation is created by simulation using the Monte Carlo method (step S1). Further, from this created absorbance spectrum database, the center spectrum (= the intermediate value of the concentration and volume of each component) A series of operations for creating a difference spectrum group by taking the difference from the (absorbance spectrum) and storing the difference spectrum group in the storage unit 19b is performed, and the previous stage of database creation is completed.

この後、血糖値を実測する前に、本実施形態の生体内成分測定装置を用いて吸光度スペクトルデータベースDBを最終的に作成するための吸光度スペクトルの一度生態4を用いた実測を行う。   Thereafter, before actually measuring the blood glucose level, the absorbance spectrum database DB for finally creating the absorbance spectrum database DB using the in-vivo component measuring apparatus of the present embodiment is measured once using the ecology 4.

次に実測の過程を簡単に説明する。   Next, the actual measurement process will be briefly described.

まず、演算装置19のCPU部19bで上述のデータベース作成プログラムを実行してデータベース作成部26を機能させた上で、人体の腕部など生体14の表面に測定用プローブ8の先端面を所定圧力で接触させた状態で光源1を発光させる。これにより、光源1から出射した近赤外光は入射体5、側光ファイバー6を介して測定用プローブ8の先端から生体14の表面に照射され、更にこの照射された近赤外光は生体14内で反射や拡散した後に、反射光となって測定用プローブ8の先端から受光側光ファイバー10に受光される。   First, the above-described database creation program is executed by the CPU 19b of the arithmetic unit 19 to cause the database creation unit 26 to function, and then the distal end surface of the measurement probe 8 is applied to the surface of the living body 14 such as a human arm with a predetermined pressure. The light source 1 is caused to emit light while being in contact with. Thereby, the near infrared light emitted from the light source 1 is applied to the surface of the living body 14 from the tip of the measurement probe 8 via the incident body 5 and the side optical fiber 6, and the irradiated near infrared light is further irradiated to the living body 14. After being reflected or diffused in the light, it becomes reflected light and is received by the light receiving side optical fiber 10 from the tip of the measurement probe 8.

この受光された反射光は受光側光ファイバー10を介して光出射体12から出射され、シャッタ21a、レンズ15a、反射鏡22を通して回折格子16に入射して分光された後、受光素子17において検出される。そして受光素子17から出力される受光信号はA/Dコンバーター18でAD変換された後、演算装置19に入力される。   The received reflected light is emitted from the light emitting body 12 through the light receiving side optical fiber 10, is incident on the diffraction grating 16 through the shutter 21 a, the lens 15 a, and the reflecting mirror 22, and is then spectrally detected. The The light receiving signal output from the light receiving element 17 is AD converted by the A / D converter 18 and then input to the arithmetic unit 19.

ここで、演算装置19のCPU部19bのデータベース作成部26は、吸光度スペクトル取得部25の機能を働かせて、リファレンス用の反射光による受光信号(リファレンス信号)と、生体14からの反射光による受光信号(生体信号)とから吸光度スペクトルを取得する。ここで吸光度Absはリファレンス信号をRef、生体信号をSigとすると、Abs=log10(Ref/Sig)と表される。この取得した吸光度スペクトルをデータベース作成部26は先に記憶部19aに記憶させている差分スペクトル群の各々に加算して、吸光度スペクトルデータベースDBを作成して記憶部19aに記憶させ、データベース作成を終了する(ステップS3)。   Here, the database creation unit 26 of the CPU unit 19b of the arithmetic unit 19 uses the function of the absorbance spectrum acquisition unit 25 to receive the light reception signal (reference signal) by the reflected light for reference and the light reception by the reflected light from the living body 14. An absorbance spectrum is acquired from the signal (biological signal). Here, the absorbance Abs is expressed as Abs = log 10 (Ref / Sig), where Ref is a reference signal and Sig is a biological signal. The database creation unit 26 adds the acquired absorbance spectrum to each of the difference spectrum groups previously stored in the storage unit 19a, creates an absorbance spectrum database DB, stores it in the storage unit 19a, and ends the database creation. (Step S3).

これにより、被験者の実際の血糖値を測定するための準備が完了することになる。   This completes the preparation for measuring the actual blood glucose level of the subject.

次に験者の実際の血糖値を測定するに当たっては、記憶部19aから実測動作用プログラムを演算装置19のCPU部19bで実行させ、実測動作状態とする。   Next, when measuring the actual blood glucose level of the examiner, the CPU 19b of the arithmetic device 19 executes the program for actual measurement operation from the storage unit 19a to set the actual measurement operation state.

このような状態で上述と同様にして被験者の生体信号Sig及びリファレンス信号Refを測定する、つまりスペクトル測定を行う(ステップS4)。そしてこの測定によって得られたスペクトルから、CPU部19bの吸光度スペクトル取得部23により吸光度スペクトルを得る(ステップS5)。   In such a state, the biological signal Sig and the reference signal Ref of the subject are measured as described above, that is, spectrum measurement is performed (step S4). Then, from the spectrum obtained by this measurement, an absorbance spectrum is obtained by the absorbance spectrum acquisition unit 23 of the CPU 19b (step S5).

そしてCPU部19bの判別分析部24は取得した吸光度スペクトルと、吸光度スペクトルデータベースDBのデータとを用いて上述した主成分分析を行い(ステップS6)、更に吸光度スペクトルデータベースDBのスコア値の存在範囲を算出する(ステップS7)。尚図4(a)で示すデータでは、存在範囲は、−15.8×10−4から、+4.9×10−4である。 Then, the discriminant analysis unit 24 of the CPU 19b performs the above-described principal component analysis using the acquired absorbance spectrum and the data of the absorbance spectrum database DB (step S6), and further determines the existence range of the score values in the absorbance spectrum database DB. Calculate (step S7). In the data shown in FIG. 4A, the existence range is from −15.8 × 10 −4 to + 4.9 × 10 −4 .

この算出した存在範囲内に取得した吸光度スペクトルのスコア値が存在するか否かの判断を行い(ステップS8)、範囲外であれば取得した吸光度スペクトルを破棄し、再度吸光度スペクトルの測定(ステップS4)に戻る。   It is determined whether or not the obtained absorbance spectrum score value exists within the calculated existence range (step S8). If it is out of the range, the obtained absorbance spectrum is discarded and the absorbance spectrum is measured again (step S4). Return to).

また範囲内にあれば、取得した吸光度スペクトルが血糖値の推定算出に適していると判断し、この判断に基づいて体内成分測定部23が当該吸光度スペクトルと上述のようにPLS回帰分析による多変量解析を用いて予め作成して記憶部19aに記憶させていた検量線とを用いて血糖値の推定算出を行い、その結果を出力する。   If it is within the range, it is determined that the acquired absorbance spectrum is suitable for blood sugar level estimation calculation, and based on this determination, the in-vivo component measurement unit 23 performs multivariate analysis based on the absorbance spectrum and the PLS regression analysis as described above. The blood glucose level is estimated and calculated using a calibration curve created in advance using analysis and stored in the storage unit 19a, and the result is output.

尚図4(a)のデータの場合、取得した吸光度スペクトルのスコア値は、−17.9×10−4であるので、先に示した存在範囲内にあり、この吸光度スペクトルは、適していると判断される。実際に、検量線と取得した図4(a)の吸光度スペクトルから算出した血糖値は、119mg/dlであり、この実測する直前に同じ被験者に対して採血式血糖計を用いて測定した血糖値は117mg/dlであったので、非常に良好な推定精度が得られたことが実証された。
(実施例2)
上述の実施例1ではシミュレーションによって吸光度スペクトルデータベースDBを作成しているが、本実施例は、実測して得られる吸光度スペクトルのデータ群を用いたものである。尚装置構成、判別分析等、吸光度スペクトルデータベースDBの作成以外に関しては、実施例1と同じであるので、データベース作成についてのみ説明する。
In the case of the data shown in FIG. 4A, the score value of the acquired absorbance spectrum is −17.9 × 10 −4 , and thus is within the existing range shown above, and this absorbance spectrum is suitable. It is judged. Actually, the blood glucose level calculated from the calibration curve and the obtained absorbance spectrum of FIG. 4A is 119 mg / dl, and the blood glucose level measured using a blood sampling blood glucose meter for the same subject immediately before the actual measurement. Was 117 mg / dl, demonstrating that very good estimation accuracy was obtained.
(Example 2)
In Example 1 described above, the absorbance spectrum database DB is created by simulation, but in this example, a data group of absorbance spectra obtained by actual measurement is used. Since the apparatus configuration, discriminant analysis, etc. other than the creation of the absorbance spectrum database DB are the same as those in the first embodiment, only database creation will be described.

本実施例では、データベース作成のための被験者は、食後4時間程、食事、飲料を摂らず、その空腹状態で本実施形態装置を用いて、生体14の吸光度スペクトルを測定し、更に吸光度スペクトルを測定した後、すぐに採血型血糖値でその時点の血糖値を測定する。
そしてこれら測定により求めた吸光度スペクトルのデータと血糖値のデータとを一つの組として記憶部19aに記憶させる。この一連測定・記憶の行程を、5分毎に行い、測定開始から2時間経過するまで行う。
In this example, the subject for creating the database does not eat meals and beverages for about 4 hours after meals, measures the absorbance spectrum of the living body 14 in the fasted state using the apparatus of this embodiment, and further calculates the absorbance spectrum. Immediately after the measurement, the blood glucose level at that time is measured with a blood-collecting blood glucose level.
Then, the absorbance spectrum data and blood glucose level data obtained by these measurements are stored in the storage unit 19a as one set. This process of measuring and storing is performed every 5 minutes until 2 hours have elapsed from the start of measurement.

更に、2時間経過後、糖負荷を行う。この場合、トレーラン(経口糖負荷試験用飲料、シミズ製薬株式会社製)を飲み、血糖値上昇を促す。血糖値が空腹時血糖状態から上昇し、その後に、実験開始時の血糖値にまで低下したのを確認する、若しくは、糖負荷後4時間経過するまで、上述の測定・記憶の行程を継続して行う。   Further, after 2 hours, sugar loading is performed. In this case, a toleran (oral glucose tolerance test drink, manufactured by Shimizu Pharmaceutical Co., Ltd.) is taken to promote an increase in blood sugar level. Confirm that the blood glucose level has risen from the fasting blood glucose level and then decreased to the blood glucose level at the start of the experiment, or continue the above measurement / memory process until 4 hours have elapsed after the glucose load. Do it.

以上の行程を更に測定日を変えて、5日間行い、吸光度スペクトルのデータと血糖値のデータの組を300組程度集めて、吸光度スペクトルデータベースDBを作成し記憶部19aに記憶する。   The above process is further performed for 5 days by changing the measurement date, and about 300 sets of absorbance spectrum data and blood glucose level data are collected, and an absorbance spectrum database DB is created and stored in the storage unit 19a.

そして得られた吸光度スペクトルデータベースDBを説明変数、血糖値を目的変数として、多変量解析の一つであるPLS回帰分析により、検量線を作成して記憶部19aに記憶させる。   Then, using the obtained absorbance spectrum database DB as an explanatory variable and blood glucose level as an objective variable, a calibration curve is created and stored in the storage unit 19a by PLS regression analysis which is one of multivariate analyses.

この後吸光度スペクトルデータベースDB及び検量線を用いて実際の被験者の血糖値計測を行うのであるが、この血糖値計測での判別分析、血糖値の推定算出は実施例1と同じであるので説明を省略する。
(実施形態2)
ところで生体14の吸光度スペクトルを測定する際に、測定用プローブ8を測定部位に一定の圧力で接触させることが重要であることが一般的であるが、一定の圧力で皮膚に接触させることが困難であるのと、一定の圧力で皮膚に接触させることができたとしても、測定用プローブ8が何度も皮膚に接触することや、その他の諸要因で、皮膚状態が時々刻々と変化していくために、一定の圧力で押すことでかえって吸光度スペクトルが大きく変化してしまうことも多い。
After that, the blood glucose level of the actual subject is measured using the absorbance spectrum database DB and the calibration curve. The discriminant analysis and blood glucose level estimation calculation in this blood glucose level measurement are the same as those in the first embodiment. Omitted.
(Embodiment 2)
By the way, when measuring the absorbance spectrum of the living body 14, it is generally important to bring the measuring probe 8 into contact with the measurement site at a constant pressure, but it is difficult to contact the skin with a constant pressure. As a result, even if the skin can be brought into contact with the skin at a constant pressure, the skin condition changes from moment to moment due to the measurement probe 8 coming into contact with the skin many times and other factors. Therefore, the absorbance spectrum often changes greatly by pressing at a constant pressure.

そこで、本実施形態では測定用プローブ8の生体14への接圧を一定に制御するためのプローブ調節部40を図9に示すように備えた点に特徴がある。   Therefore, the present embodiment is characterized in that a probe adjusting unit 40 for controlling the contact pressure of the measurement probe 8 to the living body 14 to be constant is provided as shown in FIG.

このプローブ調節部40は、測定用プローブ8を上下動させるステッピングモータ41と、このステッピングモータ41を演算装置19のCPU部19bによる判別分析部24の分析結果に基づいてステッピングモータ41を制御するコントローラ42とで構成される。   The probe adjustment unit 40 includes a stepping motor 41 that moves the measurement probe 8 up and down, and a controller that controls the stepping motor 41 based on the analysis result of the discrimination analysis unit 24 by the CPU unit 19 b of the arithmetic unit 19. 42.

つまり判別分析部24により得られる吸光度スペクトルデータベースDBのスコアの領域に被測定対象の生体14から得られた吸光度スペクトルが含まれるときは、その吸光度スペクトルと検量線とを用いて、体内成分の算出値(血糖値)を出力させる点では実施形態1の場合と同じであるが、スペクトルデータベースDBのスコアの領域に含まれない場合は、コントローラ42が測定用プローブ8の生体14への接圧を制御するために、ステッピングモータ41の動きを制御し、吸光度スペクトルを再測定するようにする。   That is, when an absorbance spectrum obtained from the living body 14 to be measured is included in the area of the score of the absorbance spectrum database DB obtained by the discriminant analysis unit 24, calculation of in-vivo components is performed using the absorbance spectrum and the calibration curve. Although it is the same as in the case of Embodiment 1 in that the value (blood glucose level) is output, the controller 42 determines the contact pressure of the measurement probe 8 to the living body 14 when it is not included in the score area of the spectrum database DB. In order to control, the movement of the stepping motor 41 is controlled, and the absorbance spectrum is remeasured.

而して本実施形態の体内成分計測装置では、図10に示すように計測が開始されるとプローブ調節部40のコントローラ42が、演算装置19の制御の下でステッピングモータ41に制御信号を与え(ステップS10)、ステッピングモータ41を進行させる(ステップS11)。これによってステッピングモータ41に取り付けられた測定用プローブ8が生体14の皮膚に向かって進み(ステップS12)、制御信号の出力から所定時間経過でステッピングモータ41の動作を停止させる(ステップS13)。尚測定用プローブ8は生体14の腕を乗せる台などに設けた保持具で保持されているものとする。   Thus, in the in-vivo component measuring apparatus of this embodiment, when the measurement is started as shown in FIG. 10, the controller 42 of the probe adjusting unit 40 gives a control signal to the stepping motor 41 under the control of the arithmetic unit 19. (Step S10), the stepping motor 41 is advanced (Step S11). As a result, the measurement probe 8 attached to the stepping motor 41 advances toward the skin of the living body 14 (step S12), and the operation of the stepping motor 41 is stopped after a predetermined time has elapsed from the output of the control signal (step S13). It is assumed that the measurement probe 8 is held by a holder provided on a table on which the arm of the living body 14 is placed.

この停止後、実施形態1の実測時と同様にスペクトル測定を開始し(ステップS14)、ステップS15で演算装置9は生体信号Sig及びリファレンス信号Regから生体14の吸光度スペクトルを取得して記憶部19aに記憶する。   After the stop, spectrum measurement is started in the same manner as in the actual measurement of the first embodiment (step S14), and in step S15, the arithmetic unit 9 acquires the absorbance spectrum of the living body 14 from the biological signal Sig and the reference signal Reg, and stores the storage unit 19a. To remember.

この取得した吸光度スペクトルと、実施形態1と同様に予め作成した吸光度スペクトルデータベースDBとを用いて、判別分析部24が主成分分析を行い(ステップS16)、ステップS17で吸光度スペクトルデータベースBのスコア値の存在範囲を算出し、ステップS18で吸光度スペクトルデータベースDBのスコア値の存在範囲に存在するか否かをチェックし、生体14から取得した吸光度スペクトルのスコア値が入っていれば、取得した吸光度スペクトルは血糖値を推定算出するのに適していると判断してその判断結果を体内成分算出部23に渡す。体内成分算出部23はこの判断結果に基づいて実施形態1と同様に検量線を用いて血糖値を推定算出する(ステップS19)。   The discriminant analysis unit 24 performs principal component analysis using the acquired absorbance spectrum and the absorbance spectrum database DB created in advance as in the first embodiment (step S16), and the score value of the absorbance spectrum database B in step S17. In Step S18, it is checked whether or not it exists in the existing range of the score value of the absorbance spectrum database DB. If the score value of the absorbance spectrum acquired from the living body 14 is included, the acquired absorbance spectrum is included. Determines that it is suitable for estimating and calculating the blood sugar level, and passes the determination result to the in-vivo component calculation unit. Based on the determination result, the in-vivo component calculation unit 23 estimates and calculates the blood glucose level using the calibration curve as in the first embodiment (step S19).

一方、吸光度スペクトルデータベースDBのスコア値の存在範囲に入っていないければ、判別分析部24は生体14から取得した吸光度スペクトルを破棄し、プローブ調節部40のコントローラ42に対してステッピングモータ41へ制御信号を出力するように指示する。これによって再度ステップS10〜S13の制御がプローブ調節部40により行われることになる。このようにして生体14から取得する吸光度スペクトルが、吸光度スペクトルデータベースDBのスコア値の存在範囲内に入るまで、ステッピングモータ41の制御を繰り返すのである。   On the other hand, if it is not within the existing range of the score values in the absorbance spectrum database DB, the discriminant analysis unit 24 discards the absorbance spectrum acquired from the living body 14 and controls the controller 42 of the probe adjustment unit 40 to the stepping motor 41. Instruct to output a signal. Thus, the control of steps S10 to S13 is performed again by the probe adjusting unit 40. Thus, the control of the stepping motor 41 is repeated until the absorbance spectrum acquired from the living body 14 falls within the range of the score values in the absorbance spectrum database DB.

尚吸光度スペクトルデータベースDBは、実施形態1で挙げた何れかの方法で予め作成したものを用いれば良い。   The absorbance spectrum database DB may be prepared in advance by any of the methods described in the first embodiment.

尚実施形態2では測定用プローブ8を生体14方向に進めて接圧を変えているが、生体14に接触させる位置を変えてスペクトル測定を行っても良い。また、位置変更と接圧の組み合わせて行っても良い。   In the second embodiment, the measurement probe 8 is advanced in the direction of the living body 14 to change the contact pressure. However, the spectrum measurement may be performed by changing the position of contact with the living body 14. Moreover, you may carry out combining the position change and contact pressure.

また、測定用プローブ8が生体14の皮膚に接触した状態から、皮膚から離れる方向へ後退させるような制御で接圧を変えて測定を行ってもよい。   Further, the measurement may be performed by changing the contact pressure by controlling the measurement probe 8 so as to be retracted from the state in which the measurement probe 8 is in contact with the skin of the living body 14.

また、最大荷重値(最大接圧値)を設定して、ステッピングモータ41を制御して測定用プローブ8を生体14の皮膚に対して押し付ける際の度合いに制限を設けるのも良い。   It is also possible to set a maximum load value (maximum contact pressure value) and control the stepping motor 41 to limit the degree of pressing the measurement probe 8 against the skin of the living body 14.

更にまた、過重値(接圧値)の変動範囲を設けて、その設定された荷重値の範囲内で測定用プローブ8を生体14の皮膚に対して押し付ける方向や引き離したりする方向へ移動させるようにステッピングモータ41を制御したりしても良い。   Furthermore, a fluctuation range of the overload value (contact pressure value) is provided, and the measurement probe 8 is moved in a direction in which the measurement probe 8 is pressed against or pulled away from the skin of the living body 14 within the set load value range. Alternatively, the stepping motor 41 may be controlled.

また、判別分析部24での判別分析方法の一つとして、先に定義した較正スペクトルの一部に着目して、その値の変動に規定範囲を設けて、新たに測定された吸光度スペクトルがその規定範囲内の変化で測定されたか否かによって、較正スペクトルとの類似性、つまりこの条件下での測定において適しているか不適であるかを判断する、という方法を採用しても良い。   In addition, as one of the discriminant analysis methods in the discriminant analysis unit 24, focusing on a part of the calibration spectrum defined above, a specified range is provided for the fluctuation of the value, and the newly measured absorbance spectrum is A method of determining similarity to the calibration spectrum, that is, whether the measurement is suitable or inappropriate in the measurement under this condition, may be employed depending on whether the measurement is performed with a change within a specified range.

この較正スペクトルの一部に規定値を設ける例を図βに示す。この図βで示すよう較正スペクトルを仮に1200nmから1900nmまでの波長帯において測定した場合、図に示しているスペクトルであれば、仮に1655nm近傍の吸光度値を判別分析に用いる点とし、この吸光度値に、例えば、±2000μAUを許容誤差範囲=規定値として設けて、以降測定する吸光度スペクトルの1655nmの吸光度値が、先に測定した較正スペクトルの1655nmの吸光度値と比較して、規定値内であるか否かで、測定されたスペクトルが適しているか、不適であるかを判断する。   An example in which a prescribed value is provided in a part of this calibration spectrum is shown in FIG. When the calibration spectrum is measured in the wavelength band from 1200 nm to 1900 nm as shown in FIG. Β, if the spectrum is shown in the figure, the absorbance value near 1655 nm is assumed to be used for discriminant analysis, and this absorbance value is For example, if ± 2000 μAU is set as an allowable error range = specified value, whether the absorbance value at 1655 nm of the absorbance spectrum measured thereafter is within the specified value compared with the absorbance value at 1655 nm of the calibration spectrum measured earlier No, it is determined whether the measured spectrum is appropriate or inappropriate.

また、上述した較正スペクトルの値に規定値を設けて判別する方法において、判別分析に用いる点を、ある1波長の吸光度値そのものを用いることに限らず、例えば図11に示す1450nm近傍の吸光度スペクトルのパワーのピーク値から1655nm近傍の吸光度スペクトル(図11では指標1と示す)のパワーの低い値を差し引く(図11では指標2と示す)ことで、測定用プローブ8の近赤外光の発光/受光の間に存在する水の量に非常に影響させることや、同様に1725nm近傍の値から1655nm近傍の値を差し引く(図11では指標3と記載)ことで、測定用プローブ8の発光/受光の間に存在する脂肪の量に非常に影響させることができる。   Further, in the above-described method for determining a calibration spectrum value by providing a specified value, the point used for discriminant analysis is not limited to the use of an absorbance value of a certain wavelength, for example, an absorbance spectrum near 1450 nm shown in FIG. By subtracting the low power value of the absorbance spectrum (shown as index 1 in FIG. 11) near 1655 nm from the power peak value (shown as index 2 in FIG. 11), the measurement probe 8 emits near-infrared light. / By greatly affecting the amount of water present during light reception, or by subtracting the value near 1655 nm from the value near 1725 nm (described as index 3 in FIG. 11), The amount of fat present during light reception can be greatly influenced.

従って上述の値を用いて、先の1655nmの1波長に依存した吸光度値を用いる代わりに、規定値を設定しても良い。   Therefore, instead of using the absorbance value depending on one wavelength of 1655 nm, the specified value may be set using the above value.

(a)は実施形態1の構成図である。(b)は実施形態1に用いる演算装置の機能構成を示すブロック図、(d)は実施形態1に用いる測定用プローブの先端面の拡大正面図である。(A) is a block diagram of Embodiment 1. FIG. (B) is a block diagram showing the functional configuration of the arithmetic device used in the first embodiment, and (d) is an enlarged front view of the distal end surface of the measurement probe used in the first embodiment. 生体の皮膚の構成図である。It is a block diagram of living body skin. シミュレーションに用いる生体の皮膚のモデル図である。It is a model figure of the skin of the biological body used for simulation. 実施形態1の判別分析部に用いる主成分分析の説明図である。It is explanatory drawing of the principal component analysis used for the discriminant analysis part of Embodiment 1. FIG. 実施形態1の判別分析部の主成分分析の説明用の一例の血糖値測定例図である。It is an example of a blood glucose level measurement example for description of the principal component analysis of the discriminant analysis part of Embodiment 1. FIG. 実施形態1の判別分析部の主成分分析の一例の説明図である。6 is an explanatory diagram illustrating an example of principal component analysis of a discriminant analysis unit according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1の判別分析部の主成分分析の一例の説明図である。6 is an explanatory diagram illustrating an example of principal component analysis of a discriminant analysis unit according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1の実施例1の動作説明用フローチャートである。6 is a flowchart for explaining the operation of the first embodiment of the first embodiment. 実施形態2の要部の構成図である。FIG. 6 is a configuration diagram of a main part of a second embodiment. 実施形態2の動作説明用フローチャートである。6 is a flowchart for explaining operations of the second embodiment. 実施形態2における判別分析部の判別分析方法に較正スペクトルを用いる場合の説明図である。It is explanatory drawing in the case of using a calibration spectrum for the discriminant analysis method of the discriminant analysis part in Embodiment 2. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 光源
2 拡散板
3 ピンホール
4 レンズ
5 光入射体
6 発光側光ファイバー
7 リファレンス用発光側光ファイバー
8 測定用プローブ
9 リファレンス用プローブ
10 受光側光ファイバー
11 リファレンス用受光側光ファイバー
12 光出射体
13 光出射体
14 生体
15a、15b レンズ
16 回折格子
17 受光素子
18 A/D変換回路
19 演算装置
19a 記憶部
19b CUP部
20 基準板
21a、21b シャッタ
22 反射鏡
23 体内成分算出部
24 判別分析部
25 吸光度スペクトル取得部
26 データベース作成部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Diffuser 3 Pinhole 4 Lens 5 Light incident body 6 Light emission side optical fiber 7 Reference light emission side optical fiber 8 Measurement probe 9 Reference probe 10 Light reception side optical fiber 11 Reference light reception side optical fiber 12 Light emission body 13 Light emission body 14 Living body 15a, 15b Lens 16 Diffraction grating 17 Light receiving element 18 A / D conversion circuit 19 Arithmetic device 19a Storage unit 19b CUP unit 20 Reference plate 21a, 21b Shutter 22 Reflector 23 Internal component calculation unit 24 Discriminant analysis unit 25 Absorbance spectrum acquisition Part 26 Database creation part

Claims (3)

被測定対象の生体に赤外光を照射する測定用プローブと、前記生体内からの反射光若しくは透過光から吸光度スペクトルを取得する吸光度スペクトル取得部と、予め得た複数の条件下における生体の吸光度スペクトルのデータを記憶している吸光度スペクトルデータベースと、前記吸光度スペクトル取得部で取得された吸光度スペクトルと前記吸光度スペクトルデータベースに記憶されている吸光度スペクトルとに基づいて体内成分を算出する体内成分算出部と、前記吸光度スペクトル取得部で取得された吸光度スペクトルと前記吸光度スペクトルデータベースに記憶されている吸光度スペクトルとを用いて判別分析を行う判別分析部とを備え、前記体内成分算出部は、前記判別分析部の判別分析により得られた主要な分析結果の群に、前記吸光度スペクトル取得部で取得された吸光度スペクトルが含まれるときに体内成分の算出値を出力することを特徴とする体内成分計測装置。 A measurement probe for irradiating a living body to be measured with infrared light, an absorbance spectrum acquisition unit for acquiring an absorbance spectrum from reflected light or transmitted light from the living body, and absorbance of the living body under a plurality of conditions obtained in advance An absorbance spectrum database storing spectrum data; an in-vivo component calculation unit that calculates in-vivo components based on the absorbance spectrum acquired by the absorbance spectrum acquisition unit and the absorbance spectrum stored in the absorbance spectrum database; A discriminant analysis unit that performs discriminant analysis using the absorbance spectrum acquired by the absorbance spectrum acquisition unit and the absorbance spectrum stored in the absorbance spectrum database, and the in-vivo component calculation unit includes the discriminant analysis unit In the group of main analysis results obtained by discriminant analysis of Chemical Composition measurement apparatus and outputs the calculated value of the body component when it contains absorbance spectrum obtained by the light intensity spectrum acquisition unit. 前記吸光度スペクトルデータベースで記憶されている吸光度スペクトルのデータは、シミュレーションにより得られた吸光度スペクトルのデータであることを特徴とする請求項1記載の体内成分計測装置。 2. The in-vivo component measurement apparatus according to claim 1, wherein the absorbance spectrum data stored in the absorbance spectrum database is absorbance spectrum data obtained by simulation. 被測定対象の生体に赤外光を照射する測定用プローブと、前記生体内からの反射光若しくは透過光から吸光度スペクトルを取得する吸光度スペクトル取得部と、予め得た複数の条件下における生体の吸光度スペクトルのデータを記憶している吸光度スペクトルデータベースと、前記吸光度スペクトル取得部で取得された吸光度スペクトルと前記吸光度スペクトルデータベースに記憶されている吸光度スペクトルとに基づいて体内成分を算出する体内成分算出部と、前記吸光度スペクトル取得部で取得された吸光度スペクトルと前記吸光度スペクトルデータベースに記憶されている吸光度スペクトルとを用いて判別分析を行う判別分析部とを備えるとともに、前記判別分析部の判別分析の結果に基づいて前記測定用プローブの前記生体への接圧を調整するプローブ調節部を備えていることを特徴とする体内成分計測装置。



A measurement probe that irradiates a living body to be measured with infrared light, an absorbance spectrum acquisition unit that acquires an absorbance spectrum from reflected or transmitted light from the living body, and the absorbance of the living body under a plurality of conditions obtained in advance An absorbance spectrum database storing spectrum data; an in-vivo component calculation unit that calculates in-vivo components based on the absorbance spectrum acquired by the absorbance spectrum acquisition unit and the absorbance spectrum stored in the absorbance spectrum database; A discriminant analysis unit that performs discriminant analysis using the absorbance spectrum acquired by the absorbance spectrum acquisition unit and the absorbance spectrum stored in the absorbance spectrum database, and the discriminant analysis result of the discriminant analysis unit Based on the contact pressure of the measurement probe to the living body Chemical Composition measuring apparatus characterized by comprising a probe adjusting unit to adjust.



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