JP2008051826A - Method and apparatus for optically measuring biological material and chemical substance - Google Patents

Method and apparatus for optically measuring biological material and chemical substance Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for noninvasively or invasively, speedily, easily, and with high accuracy, measuring biological materials and chemical substances in biological tissues. <P>SOLUTION: Plastic is molded into a rod-like body having a circular or an elliptical cross section to form a housing. A battery 11, an arithmetic processing part 6, and a signal processing part 5 are adjacently arranged in the housing from one side along its longitudinal direction. A display part 7 is mounted on the upper part of the signal processing part 5. A lighting circuit part 8 is mounted adjacent, and a switch 15 for measurement is mounted adjacent. Two types of LEDs 1 or more, a lens system 9, and two types of light-receiving parts 4 or more are fixed adjacent, at intervals from each other in a cylinder made of a light metal, and the cylinder is arranged adjacent to the lighting circuit part 8. A finger inserting part is provided between the light-receiving parts 4 and a reflecting plate 13. The signal processing part 5 is arranged adjacent to the back of the reflecting plate 13. Each element of the apparatus is fixed by filling plastic in the noninvasive optical measuring apparatus of biological materials, and the like. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、体液、細胞その他の生体組織内に含有される生体物質および化学物質の光学的測定方法および光学的測定装置に関するものであり、さらに詳しくは、血液、血清、細胞液、唾液、間質液、涙、汗、尿、その他の体液、細胞、血球、リンパ球、その他の生体組織内に含有され、紫外領域(200〜380nm)、可視領域(380〜780nm)、近赤外領域(780〜2500nm)および赤外領域(2500〜5000nm)のいずれかの領域に光吸収を有する生体物質および化学物質(本明細書において、これらの物質を総称して「生体物質等」ということがある。)を対象とし、発光素子および回折格子からの光を利用して迅速な検出、定性および定量分析を行なう光学的測定方法および非侵襲性または侵襲性光学的測定装置に関するものである。
なお、本明細書において、「発光素子」は、半導体発光素子に属するものであり、発光ダイオードおよびレーザーダイオードを包含するものとして用いる。
The present invention relates to an optical measurement method and an optical measurement apparatus for biological substances and chemical substances contained in body fluids, cells and other biological tissues, and more particularly, blood, serum, cell fluid, saliva, It is contained in interstitial fluid, tears, sweat, urine, other body fluids, cells, blood cells, lymphocytes, and other living tissues, and includes an ultraviolet region (200 to 380 nm), a visible region (380 to 780 nm), and a near infrared region ( Biological substances and chemical substances having light absorption in any one of 780 to 2500 nm) and infrared region (2500 to 5000 nm) (in this specification, these substances are sometimes collectively referred to as “biological substances etc.”) And optical measurement methods and non-invasive or invasive optical measurement devices that perform rapid detection, qualitative and quantitative analysis using light from light emitting elements and diffraction gratings It relates.
In this specification, “light-emitting element” belongs to a semiconductor light-emitting element, and includes a light-emitting diode and a laser diode.

本発明によれば、前記の如き生体物質等の定性および定量分析を介して、微小ガン、リュウマチ因子、アルツハイマー等の痴呆症、糖尿病、高血圧、脳検査等の診断に有用な分析情報を提供することができ、また、測定結果を用いることにより症状を予見、診断し、病態の進行の把握に寄与することができる。   According to the present invention, through qualitative and quantitative analysis of biological substances as described above, analytical information useful for diagnosis of dementia such as micro cancer, rheumatoid factor, Alzheimer, diabetes, hypertension, brain examination, etc. is provided. In addition, symptoms can be foreseen and diagnosed by using the measurement results, and can contribute to grasping the progress of the disease state.

従来、生体物質の光学的測定方法として、開発されている非侵襲的な検出および診断に用いられる定性および定量方法は、血液中のヘモグロビンを対象としたものが実用化されているにすぎない(例えば、特開2002−107291号公報参照。)。   Conventionally, as a method for optical measurement of a biological substance, a qualitative and quantitative method used for noninvasive detection and diagnosis that has been developed has only been put to practical use for hemoglobin in blood ( For example, refer to JP 2002-107291 A).

また、血液等を試料とする血液成分の侵襲的な検出および診断に頻度高く一般に用いられる測定方法であっても、
(1)診断に要する時間が長いという難点がある。短かくても数10分または数10分以上を要するものが多く、長いものは一昼夜を要する診断もある。
また、
(2)近年、診断の多項目化が進んでおり、そのため多量(例えば、通常の診断で5ml採血用真空ガラス管が2〜3本必要となる。)の採血が行なわれているが、採血には痛みを伴なうばかりでなく、感染のおそれが生じるため、その防止の対策が必要となる。また、採血器具および診断後のキットの廃棄等の医療廃棄物も大量産生するという問題も生ずる。
さらに、
(3)生体組織内の生体物質等を対象とする診断の操作が多段階となり、かつ操作が複雑であるため、熟練を要する方法が多く、その結果、測定精度に難点を包蔵するものが多い。
(4)前記の如き状況から従来採用されている生体組織内に含有される生体物質等の測定方法は、通常、長時間を要し、しかも高コストとなることが避けられない。
In addition, even in measurement methods commonly used for invasive detection and diagnosis of blood components using blood or the like as a sample,
(1) There is a problem that the time required for diagnosis is long. There are many cases that require several tens of minutes or more than several tens of minutes even if they are short.
Also,
(2) In recent years, the number of diagnoses has been increased, and therefore a large amount of blood (for example, 2 to 3 vacuum glass tubes for 5 ml blood collection are required for normal diagnosis) has been collected. In addition to being painful, there is a risk of infection, so measures to prevent it are necessary. In addition, there arises a problem that a large amount of medical waste such as a blood collection device and a kit after diagnosis is produced.
further,
(3) Since there are many stages of diagnosis operations for biological substances in biological tissues and the operation is complicated, there are many methods that require skill, and as a result, many include difficulties in measurement accuracy. .
(4) The measurement methods for biological substances contained in biological tissues that have been conventionally employed in the circumstances as described above usually require a long time and are inevitably expensive.

しかしながら、かかる問題点を背景に、例えば、特許文献1(特開平11−64218号公報)には、生体組織中の体液成分の濃度、または血液、細胞液、唾液等の体液中のコレステロール、中性脂肪、アルブミン等の成分の濃度の定量方法として、1480〜1880nmの波長領域にわたる近赤外領域におけるCH基、OH基およびNH基由来の光の吸収を利用した方法が提案されており、被測定物質の吸光スペクトルを利用するものであるが、やはり長時間を要し、また操作が煩雑のものであり、迅速な検出、定性および定量が可能な段階には達していない。   However, against this background, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-64218) discloses a concentration of a body fluid component in a biological tissue or cholesterol in a body fluid such as blood, cell fluid, saliva, etc. As a method for quantifying the concentration of components such as sex fat and albumin, a method using absorption of light derived from a CH group, an OH group and an NH group in the near infrared region over the wavelength range of 1480 to 1880 nm has been proposed. Although it uses the absorption spectrum of the substance to be measured, it still takes a long time and the operation is complicated, and it has not reached a stage where rapid detection, qualitative and quantitative determination is possible.

また、特許文献2(特開平5−176917号公報)によれば、波長380〜1320nmの近赤外光を用いて人体内のグルコース濃度を非侵襲的に測定する光学的測定方法が提案されている。   Also, according to Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-176717), an optical measurement method for noninvasively measuring the glucose concentration in the human body using near infrared light having a wavelength of 380 to 1320 nm is proposed. Yes.

しかしながら、前記の特許文献1に記載の方法と同様に迅速な診断を行なう点については解決されていない。   However, as with the method described in Patent Document 1, rapid diagnosis is not solved.

また、前記の如き提案は、いずれも近赤外光を利用したものであり、体液その他生体組織中に含有される可視領域および紫外領域での生体物質を含めた広範囲の生体物質等の検出、定性および定量分析については開示がなく、もちろん示唆するものもない。   The above proposals all use near infrared light, and detect a wide range of biological substances including biological substances in the visible region and ultraviolet region contained in body fluids and other biological tissues, There is no disclosure and no suggestion of qualitative and quantitative analysis.

かかる状況下において、体液または生体組織内の前記の如き各種の生体物質の迅速かつ簡便で正確な光学的測定方法であって、侵襲的測定のほか非侵襲的測定が可能な測定方法の開発が切望されてきた。   Under such circumstances, the development of a rapid, simple and accurate optical measurement method for various biological substances as described above in body fluids or biological tissues, and capable of noninvasive measurement in addition to invasive measurement. It has been longing for.

特開平11−64218号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-64218 特開平5−176917号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-176717

従って、本発明の課題は、前記の如き事情に鑑み、前記問題点を解消させるねらいから、紫外領域(200〜380nm)、可視領域(380〜780nm)、近赤外領域(780〜2500nm)および赤外領域(2500〜5000nm)のいずれかの領域に光吸収帯をもつ生体物質等の定性分析および定量分析を迅速かつ簡便に行なうことができ、現場において前記生体物質等の測定が可能な光学的測定方法を提供することにあり、また、特に人体内の末梢血管および生体組織等を対象とする生体物質等の可能な光学的測定装置であって、外科的な侵襲的方法でしか検出および診断ができなかった生体の異常細胞、成分、血液中の異常の判別を可能とした光学的測定装置を提供することにある。   Therefore, in view of the circumstances as described above, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, so that the ultraviolet region (200 to 380 nm), the visible region (380 to 780 nm), the near infrared region (780 to 2500 nm) and Qualitative analysis and quantitative analysis of biological materials having a light absorption band in any region of the infrared region (2500 to 5000 nm) can be quickly and easily performed, and the optical material capable of measuring the biological materials etc. in the field An optical measuring device capable of detecting biological materials, particularly for peripheral blood vessels and biological tissues in the human body, which can only be detected by a surgical invasive method. An object of the present invention is to provide an optical measuring device that can distinguish abnormalities in living cells, components, and blood that cannot be diagnosed.

そこで、本発明者は、前記の課題を解決するため、鋭意検討を重ねたところ、体液および生体組織内の微量な生体物質等が有する吸光による信号をとらえ、増幅することにより多変量解析を可能とし、さらに、所望の生体物質等以外の生体物質の信号を排除し、適正化すれば定量的に可能であることに着目し、被測定物質の光吸収波長領域に適合させた発光波長の発光素子を用いることによりかかる課題を容易に達成できることを見出し、これらの知見に基いて本発明の完成に到達した。   Therefore, the present inventor has made extensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, it is possible to perform multivariate analysis by capturing and amplifying signals from light absorption of body fluids and trace amounts of biological substances in biological tissues. Furthermore, paying attention to the fact that it can be quantitatively achieved by eliminating and optimizing the signal of biological substances other than the desired biological substance, etc., and emitting light with an emission wavelength adapted to the light absorption wavelength region of the substance to be measured It has been found that such a problem can be easily achieved by using an element, and the present invention has been completed based on these findings.

すなわち、本発明によれば、体液、細胞その他の生体組織中に含有される生体物質および化学物質の検出、定性および定量が可能な光学的測定方法であり、
体液、細胞その他の生体組織内に含有される生体物質および化学物質の検出、定性および定量が可能な光学的測定方法であって、
That is, according to the present invention, an optical measurement method capable of detecting, qualitatively and quantitatively determining biological substances and chemical substances contained in body fluids, cells and other biological tissues,
An optical measurement method capable of detecting, qualifying and quantifying biological substances and chemical substances contained in body fluids, cells and other biological tissues,

1)紫外領域、可視領域、近赤外領域および赤外領域を含むいずれかの波長領域
に少なくとも一つの光吸収帯を有する前記生体物質および化学物質を含有す
る被測定対象物に対し、
前記生体物質および化学物質の光吸収帯が属する波長領域に適合する波長の
光を放出する1種または2種以上の発光素子を用いることにより該放出光を
照射する工程と、
2)前記照射工程において照射され、前記被測定対象物を透過または反射した光
を1種または2種以上の受光素子により受光し、電気信号に変換する受光工
程とを、少なくとも含むことを特徴とする生体物質および化学物質の光学的
測定方法
が提供される。
1) For an object to be measured containing the biological substance and chemical substance having at least one light absorption band in any wavelength region including the ultraviolet region, visible region, near infrared region, and infrared region,
Irradiating the emitted light by using one or more light emitting elements that emit light having a wavelength suitable for a wavelength region to which the light absorption bands of the biological material and the chemical substance belong;
2) It includes at least a light receiving process in which light irradiated in the irradiation step and transmitted or reflected by the object to be measured is received by one or more light receiving elements and converted into an electrical signal. An optical measurement method for biological substances and chemical substances is provided.

また、本発明によれば、
体液、細胞その他の生体組織中に含有される生体物質および化学物質の検出、定性および定量が可能な光学的測定装置であって、
Moreover, according to the present invention,
An optical measuring device capable of detecting, qualifying and quantifying biological substances and chemical substances contained in body fluids, cells and other biological tissues,

1)紫外領域、可視領域、近赤外領域および赤外領域を含むいずれかの波長領域に
おいて、前記生体物質または化学物質が有する少なくとも一つの光吸収帯に適
合するように選択された波長の光を放出する1種または2種以上の発光素子に
より発光する発光手段と、
2)前記発光手段から発せられた光を集光する集光手段と、
3)前記集光手段により集光された光を被測定対象物上に集光し照射する集光・照
射手段と、
4)前記集光・照射手段により照射され前記被測定対象物を透過または反射した光
を受光する1種または2種以上の受光素子からなる受光手段と、
5)前記受光手段の出力信号を光電変換する信号処理手段と、
6)前記信号処理手段により光電変換された検出信号に基づいて、交差検証法およ
び部分最小二乗法により、吸光度スペクトルを解析・演算することにより生体
物質等を検出、定性または定量する生体物質等濃度算出手段および前記算出結
果の表示手段とを少なくとも備えることを特徴とする体液、細胞その他生体組
織中に含有される生体物質および化学物質の非侵襲性または侵襲性光学的測定
装置
が提供される。
1) Selected in any wavelength region including ultraviolet region, visible region, near-infrared region and infrared region, so as to be suitable for at least one light absorption band of the biological substance or chemical substance A light emitting means for emitting light by one or more light emitting elements that emit light of a wavelength;
2) a light collecting means for collecting the light emitted from the light emitting means;
3) Light collecting / irradiating means for condensing and irradiating the light collected by the light collecting means on the object to be measured;
4) a light receiving means comprising one or more light receiving elements for receiving the light irradiated by the condensing / irradiating means and transmitted or reflected by the object to be measured;
5) Signal processing means for photoelectrically converting the output signal of the light receiving means;
6) A biological substance that detects, qualifies, or quantifies a biological substance by analyzing and calculating an absorbance spectrum by a cross-validation method and a partial least square method based on the detection signal photoelectrically converted by the signal processing means. An apparatus for noninvasive or invasive optical measurement of biological substances and chemical substances contained in body fluids, cells and other biological tissues, comprising at least an equivalent concentration calculating means and a display means for displaying the calculation results Provided.

本発明は、前記の如く、体液、細胞その他の生体組織中に含有される生体物質等の光学的測定方法および該光学的測定方法を実現するものとして構成された光学的測定装置に関するものであるが、さらに好ましい実施の態様として次の1)〜9)に掲げるものを包含する。   As described above, the present invention relates to an optical measurement method for biological substances contained in body fluids, cells and other biological tissues, and an optical measurement device configured to realize the optical measurement method. However, the following preferable embodiments 1) to 9) are included.

1)前記被測定対象物が、人体から採取された血液、尿、間質液、唾液、涙または
汗である前記生体物質等の光学的測定方法。
2)前記被測定対象物が、人体から採取した細胞、組織、血球またはリンパ球であ
る前記生体物質等の光学的測定方法。
3)前記発光素子が同一波長を有する二個以上の発光ダイオードの組合せである前
記生体物質等の光学的測定方法。
4)前記発光素子が、前記生体物質の光吸収帯に適合する発光波長を有するもので
あって、互いに異なるピーク波長を有する二種以上の発光ダイオードの組合せ
である前記生体物質等の光学的測定方法。
5)血液中のグルコース濃度を測定する場合において、1560nm、1570n
m、1580nmおよび1590nmのピーク波長をそれぞれ連続的に有する
互いに異なる発光ダイオードまたはレーザーダイオードを同時に使用する前記
生体物質等の光学的測定方法。
6)前記被測定対象物が、生体物質の呈色反応生成物に、さらに第二の呈色反応に
より共役された呈色反応生成物を含む生体組織である前記生体物質等の光学的
測定方法。
7)前記被測定対象物が指、腕、耳朶、唇その他の体表組織の皮下の末梢血管また
は組織であり、ヘモグロビン類、血清アルブミン、チトクローム類、フラビン、
カロチン、クレアチニン、ビリルビン、総コレステロールおよび遊離コレステ
ロール等のコレステロール類、中性脂肪、尿酸、トリグリセライド 、リン脂
質または微小ガン組織を対象とする生体物質等の前記非侵襲性光学的測定装置。
8)前記被測定対象物が、呈色試薬、酵素、抗体等との反応により生成した染色物
である生体物質等の前記非侵襲性光学的測定装置。
9)前記被測定対象物が、アスパラギン酸アミノ基転移酵素(GOT)、アラニン
アミノ基転移酵素(GPT)、グルタミルペプチド転移酵素(γ−GTP)、酸性
およびアルカリ性ホスファターゼ、乳酸脱水素酵素、スーパーオキシドジスム
ターゼ、クレアチンホスホキナーゼ、ロイシンアミノペプチダーゼ、コリンエ
ステラーゼ、血中アミラーゼ、ビスフェノール類、ダイオキシン、ポリ塩化ビ
ニール類、フタル酸類、コカイン、モルヒネならびに麻薬類と呈色試薬、酵素
または抗体との反応生成物、その他の疾病検査物質である前記生体物質等の侵
襲性光学的測定装置。
1) An optical measurement method for the biological material or the like in which the object to be measured is blood, urine, interstitial fluid, saliva, tears or sweat collected from a human body.
2) An optical measurement method for the biological material or the like, in which the measurement object is a cell, tissue, blood cell or lymphocyte collected from a human body.
3) The method for optically measuring a biological substance or the like, wherein the light emitting element is a combination of two or more light emitting diodes having the same wavelength.
4) Optical measurement of the biological material or the like in which the light-emitting element is a combination of two or more types of light-emitting diodes having an emission wavelength suitable for the light absorption band of the biological material and having different peak wavelengths. Method.
5) When measuring glucose concentration in blood, 1560 nm, 1570 n
m, 1580 nm, and 1590 nm, respectively. The optical measuring method of the said biological material etc. which use simultaneously the mutually different light emitting diode or laser diode which has each.
6) Optical measurement of the biological material or the like in which the object to be measured is a biological tissue containing a color reaction product conjugated to the color reaction product of the biological material by a second color reaction. Method.
7) The object to be measured is a peripheral blood vessel or tissue under the skin of a finger, arm, earlobe, lips or other body surface, and hemoglobins, serum albumin, cytochromes, flavins,
The noninvasive optical measurement apparatus for biological materials such as carotene, creatinine, bilirubin, cholesterol such as total cholesterol and free cholesterol, neutral fat, uric acid, triglyceride, phospholipid or microcancer tissue.
8) The noninvasive optical measurement apparatus for biological materials, etc., in which the object to be measured is a dyed product generated by a reaction with a color reagent, enzyme, antibody or the like.
9) The object to be measured is aspartate aminotransferase (GOT), alanine aminotransferase (GPT), glutamyl peptide transferase (γ-GTP), acid and alkaline phosphatase, lactate dehydrogenase, superoxide Reaction of dismutase, creatine phosphokinase, leucine aminopeptidase, cholinesterase, blood amylase, bisphenols, dioxins, polyvinyl chloride, phthalates, cocaine, morphine and narcotics with color reagents, enzymes or antibodies Invasive optical measurement apparatus for biological substances such as products and other disease test substances.

本発明は、以上説明したように、体液、細胞その他の生体組織中に含有される生体物質および化学物質の迅速、簡便であり、かつ高精度の光学的測定方法を提供するものであり、(1)測定時間が1秒以下と短縮することができ、(2)最小検体量でよく、(3)検出反応が単純化され、(4)極めて効果的に低コスト化を図ることができ、(5)簡便性を有し、(6)かつ非侵襲的な測定を可能とするなどの効果を奏するものである。   As described above, the present invention provides a rapid, simple, and highly accurate optical measurement method for biological substances and chemical substances contained in body fluids, cells and other biological tissues. 1) The measurement time can be shortened to 1 second or less, (2) the minimum amount of sample is sufficient, (3) the detection reaction is simplified, (4) the cost can be extremely effectively reduced, (5) It has simplicity and (6) and produces effects such as enabling noninvasive measurement.

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係る光学的測定方法の対象とする生体物質および化学物質は、体液、細胞その他生体組織中に本来含有される成分または外部から付着、侵入した生体物質等であり、いずれであっても測定上差し支えがない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
Biological substances and chemical substances that are the targets of the optical measurement method according to the present invention are biological substances that are originally contained in body fluids, cells, and other biological tissues, or that are attached or invaded from the outside. There is no problem in measurement.

体液は、生体組織内に含まれる種々の機能的に異なった液体を総称したものであり、細胞外液および細胞内液に区分されるが、本明細書においては、具体的には、血液、血清、間質液、細胞透過液(消化管内液、膀胱内液、腺組織内の分泌液等。)、唾液、涙、汗、尿等を包含したものである。
また、前記生体組織は、正常細胞のほか、ガン細胞等の異常細胞をも含むものとして使用される。
The body fluid is a collective term for various functionally different fluids contained in a living tissue, and is classified into an extracellular fluid and an intracellular fluid. In the present specification, specifically, blood, Serum, interstitial fluid, cell permeation fluid (gastrointestinal fluid, bladder fluid, secretory fluid in glandular tissue, etc.), saliva, tears, sweat, urine, etc. are included.
Moreover, the said biological tissue is used as what contains abnormal cells, such as a cancer cell, in addition to a normal cell.

本発明に係る光学的測定方法において、体液、細胞その他の生体組織は、被測定対象物として用いられ、該被測定対象物中に含有される生体物質および化学物質が検出、定性および定量の対象とされる。
かかる生体物質等の光学的測定に際しては、主として次の四種の形態において行なうことができる。
In the optical measurement method according to the present invention, body fluids, cells and other biological tissues are used as objects to be measured, and biological substances and chemical substances contained in the objects to be measured are targets for detection, qualification and quantification. It is said.
Such optical measurement of a biological substance or the like can be performed mainly in the following four types.

すなわち、第一の形態は、皮膚の上から行なう非侵襲的測定に関するものであり、直接測定が可能な生体物質として次のものを例示することができる。下表に示すように各生体物質は、それぞれの測定に利用可能な波長を採用することにより測定することができる。   That is, the first form relates to noninvasive measurement performed from above the skin, and examples of biological materials that can be directly measured include the following. As shown in the table below, each biological substance can be measured by employing a wavelength that can be used for each measurement.

Figure 2008051826
Figure 2008051826

また、生体物質等の非侵襲的測定においては、被測定対象物として皮下の末梢血管を静脈および動脈を問わず対象とすることができ、指、腕、耳朶、唇、その他の体表組織等を用いることができる。
また、体液、細胞その他の生体組織内に侵入し含有する化学物質であって、非侵襲的測定が可能なものとして次のものを例示することができる。
In non-invasive measurement of biological materials, etc., it is possible to target subcutaneous peripheral blood vessels as objects to be measured regardless of veins and arteries, such as fingers, arms, earlobe, lips, and other body surface tissues. Can be used.
Moreover, the following can be illustrated as chemical substances that enter and contain body fluids, cells, and other biological tissues, and that can be noninvasively measured.

Figure 2008051826
等を挙げることができる。
Figure 2008051826
Etc.

本発明に係る非侵襲性光学的測定方法によれば、前記生体物質は、微量でも測定が可能であり、nmol〜μmol程度まで定量することができる。
なお、前記生体物質等の試料の採取による侵襲的測定は、当然のことながら、迅速かつ高精度で行なうことができる。また、TNT化薬、ダイオキシン等のガスクロストグラフィーなどで長時間(例えば、10〜60分)を要する検出も短時間(約1秒以下)で可能である。
According to the noninvasive optical measurement method according to the present invention, the biological material can be measured even in a trace amount, and can be quantified to about nmol to μmol.
It should be noted that invasive measurement by collecting a sample of the biological material or the like can be performed quickly and with high accuracy. In addition, detection requiring a long time (for example, 10 to 60 minutes) can be performed in a short time (about 1 second or less) by gas crossgraphy such as a TNT chemical or dioxin.

第二の形態は、人体から採取した血液、尿、間質液、唾液、涙、汗等の体液に含有される生体物質等の測定に関するものであり、特に、呈色試薬、酵素または抗体等との反応を利用することにより得られる反応生成物について検知、定性および定量の可能な生体物質等として、次に挙げるものを例示することができる。   The second form relates to the measurement of biological substances contained in body fluids such as blood, urine, interstitial fluid, saliva, tears, sweat, etc. collected from the human body, and in particular, color reagents, enzymes or antibodies, etc. Examples of biological substances that can be detected, qualitatively determined, and quantified with respect to reaction products obtained by utilizing the reaction with the following can be exemplified.

アスパラギン酸アミノ基転移酵素(GOT)、
アラニンアミノ基転移酵素(GPT)、
グルタミルペプチド転移酵素(γ−GTP)、
酸性およびアルカリ性ホスファターゼ、
乳酸脱水素酵素、
スーパーオキシドジスムターゼ、
クレアチンホスホキナーゼ、
ロイシンアミノペプチダーゼ、
コリンエステラーゼ、
血中アミラーゼ、
トリグリセライド、
リン脂質、
尿素、
ビリルビン、
ガン細胞
およびその他の呈色による疾病検査物質
等を挙げることができる。
Aspartate aminotransferase (GOT),
Alanine aminotransferase (GPT),
Glutamyl peptide transferase (γ-GTP),
Acid and alkaline phosphatases,
Lactate dehydrogenase,
Superoxide dismutase,
Creatine phosphokinase,
Leucine aminopeptidase,
Cholinesterase,
Blood amylase,
Triglyceride,
Phospholipids,
urea,
Bilirubin,
Examples include cancer cells and other color-diagnosis test substances.

前記の如き生体物質の呈色反応生成物を利用することにより、生体物質自体として性質上光学的測定ができないものであっても測定が可能となり、さらに、測定精度を向上させることができる。また、該呈色反応生成物の吸収帯の波長が小さく、これに適合するピーク波長をする発光ダイオード等の発光素子を提供できない場合には、該呈色反応生成物を第二の呈色反応に共役させることにより得られる第2次呈色反応生成物を提供することにより光学的測定を行なうことができる。   By using the color reaction product of the biological material as described above, even if the biological material itself cannot be optically measured in nature, the measurement can be performed, and the measurement accuracy can be improved. In addition, when the wavelength of the absorption band of the color reaction product is small and it is impossible to provide a light emitting device such as a light emitting diode having a peak wavelength suitable for the absorption band, the color reaction product is converted into a second color reaction. An optical measurement can be performed by providing a secondary color reaction product obtained by conjugation to.

かかる呈色反応を行なわせるために用いられる呈色試薬を表3に例示する。
呈色反応は、生体物質(または化学物質)に呈色試薬を加えることにより得られる呈色反応生成物を被測定対象物とする。
Table 3 shows examples of the color reagent used for performing the color reaction.
In the color reaction, a color reaction product obtained by adding a color reagent to a biological substance (or chemical substance) is used as an object to be measured.

また、酵素を用いる場合は、生体物質または化学物質に酵素を加えることにより得られる生成物または二つ以上の反応に少なくとも一回の酵素作用を利用することができる。
さらに、抗体を使用する場合は、生体物質または化学物質に該当抗体を加えることにより得られる呈色反応生成物またはこれらの反応の組合せによる呈色反応を利用する。
When an enzyme is used, at least one enzymatic action can be used for a product obtained by adding an enzyme to a biological substance or chemical substance, or for two or more reactions.
Furthermore, when an antibody is used, a color reaction reaction product obtained by adding the antibody to a biological substance or chemical substance or a color reaction by a combination of these reactions is used.

Figure 2008051826
Figure 2008051826

また、第三の形態は、人体から採取した細胞、組織、血球、リンパ球等の生体の一部に含有される生体物質等の測定に関するものであり、異常組織の呈色試薬、酵素または抗体との反応生成物、例えば微小ガンの色素マーカーによる染色生成物等を測定するものである。   The third form relates to measurement of biological substances contained in a part of a living body such as cells, tissues, blood cells, and lymphocytes collected from a human body, and is a color reagent, enzyme or antibody for abnormal tissues Reaction products such as, for example, products stained with a dye marker for micro cancer.

具体的には、生体の画像診断機器(MRI等)でも検出の不能な微小ガンをトルイジン・ブルー、FGG等の色素により染色し、またはこれらの色素を抗体に結合させることにより選択的に検出を可能にし、非侵襲的に外部からその存在を感知するものである。   Specifically, microscopic cancers that cannot be detected by biological diagnostic imaging equipment (such as MRI) are stained with dyes such as toluidine blue and FGG, or these dyes are selectively bound to antibodies. Enabling and non-invasively sensing its presence from the outside.

さらに、第四の形態としては、外部より生体組織に侵入した化学物質であって、紫外領域から赤外領域にわたり光学的吸収活性を有するか、または呈色反応により光学的吸収活性を有するものの測定に関するものであり、例えば、コカイン、モルヒネ、ダイオキシン等を測定するものである。   Furthermore, as a fourth form, a chemical substance that has entered a living tissue from the outside and has an optical absorption activity from the ultraviolet region to the infrared region or an optical absorption activity by a color reaction is measured. For example, cocaine, morphine, dioxin, etc. are measured.

Figure 2008051826
Figure 2008051826

次に、本発明に係る生体物質等の光学的測定方法に用いられる発光素子について説明する。発光素としては発光ダイオードまたはレーザーダイオードを用いることができる。
発光ダイオード(以下「LED」と略称することがある。)は、半導体のpn接合ダイオードのうち、電流を流すことにより光を発するものであり、基本構造としては、ホモ接合、シングルへテロ接合、ダブルヘテロ接合のものを挙げることができる。従来から赤外領域、可視領域および紫外領域にわたる発光波長を有する多種のLED結晶材料が開発されている。
Next, a light-emitting element used in the optical measurement method for biological materials and the like according to the present invention will be described. A light emitting diode or a laser diode can be used as the light emitting element.
A light-emitting diode (hereinafter may be abbreviated as “LED”) is a semiconductor pn junction diode that emits light when an electric current is passed, and has a basic structure such as a homojunction, a single heterojunction, A double heterojunction can be mentioned. Conventionally, various LED crystal materials having emission wavelengths ranging from the infrared region, the visible region, and the ultraviolet region have been developed.

本発明に係る生体物質等の光学的測定方法に好適な発光ダイオードのLED結晶材料としては、生体物質等の吸収帯をカバーするように組成比率を調整することによりピーク波長を制御したものを選択することができる。これらのなかで主としてGaAs、GaP、GaN、InP、InNおよびこれらの混晶により波長制御されたもの、例えばInGaN、GaAsP、InGaP、GaAlInN等が挙げられる。具体的には、波長1000nm以上の領域をカバーするものとしてGaAsに適当な割合のInを加えたGaInAs、さらにPを添加したGaInAsPが挙げられ、組成を調整することにより調製された特定の波長を有するものを選択することができる。また、1000nm以下の領域をカバーするものとしてGaAs(ピーク波長;900nm)、GaAsにAlを加えたGaAlAs(660〜850nm)、GaAsP(630〜580nm)、GaP(700nm)、GaN(400nm)、InGaN(400nm〜700)等を例示することができる。   The LED crystal material of the light-emitting diode suitable for the optical measurement method for biological substances, etc. according to the present invention is selected by controlling the peak wavelength by adjusting the composition ratio so as to cover the absorption band of biological substances, etc. can do. Among these, GaAs, GaP, GaN, InP, InN, and those whose wavelength is controlled by mixed crystals thereof, for example, InGaN, GaAsP, InGaP, GaAlInN, and the like can be mentioned. Specifically, GaInAs with an appropriate proportion of In added to GaAs and GaInAsP with P added to cover a region of wavelength 1000 nm or more, and a specific wavelength prepared by adjusting the composition. You can choose what you have. In addition, GaAs (peak wavelength: 900 nm), GaAlAs (660 to 850 nm) obtained by adding Al to GaAs, GaAsP (630 to 580 nm), GaP (700 nm), GaN (400 nm), and InGaN are used to cover a region of 1000 nm or less. (400 nm to 700) and the like can be exemplified.

前記の如き結晶材料のなかでヘモグロビンの測定には、特に、GaP(Zn−O)等が好適であり、また、チトクローム類についてはGaAlAs等が、GOT、GPTについてはGaP(N)等が好適である。   Among the crystalline materials, GaP (Zn—O) is particularly suitable for measuring hemoglobin, GaAlAs, etc. is suitable for cytochromes, and GaP (N), etc. is suitable for GOT and GPT. It is.

また、レーザーダイオード(LD)は、化合物半導体にpn接合を設け、活性層としたものであり、本発明の光学的測定方法においては、生体物質等の吸収帯をカバーできるピーク波長を有するもの、例えばGaAlAs、GaInAsP等各種レーザーダイオードから選択することができる。   The laser diode (LD) is a compound semiconductor provided with a pn junction and used as an active layer. In the optical measurement method of the present invention, the laser diode (LD) has a peak wavelength that can cover an absorption band of a biological substance, For example, it can be selected from various laser diodes such as GaAlAs and GaInAsP.

本発明に係る生体物質等の光学的測定方法における照射工程においては、生体物質等の光吸収帯と合致または適合するピーク波長を有する発光素子を選択し、前記被測定対象物に対し、その放出光を照射するものであるが、さらに好適な形態として以下の構成からなる照射システムが採用することが重要である。   In the irradiation step in the optical measurement method for biological substances and the like according to the present invention, a light emitting element having a peak wavelength that matches or matches the light absorption band of biological substances and the like is selected, and the emission to the object to be measured is performed. Although it irradiates light, it is important to employ | adopt the irradiation system which consists of the following structures as a more suitable form.

すなわち、第1の照射方式は、同一波長領域の同種または異種の発光素子を2個以上同時に使用するものである。例えば、具体的には血中グルコースの測定の際に、1580nmのピーク波長を有するLEDを2個以上同時に発光させ、被測定対象物を照射する。   That is, the first irradiation method uses two or more light emitting elements of the same wavelength region or the same type or different types simultaneously. For example, specifically, when measuring blood glucose, two or more LEDs having a peak wavelength of 1580 nm are simultaneously emitted to irradiate the object to be measured.

また、第2の照射方式は、生体物質等の吸収帯をカバーできるように2種以上のそれぞれ互いに異なる連続的なピーク波長を有する発光素子を同時に使用する形態である。具体的には、血中グルコースの測定において、1560nm、1570nm、1580nmおよび1590nmの4種のピーク波長を有する発光ダイオードまたはレーザーダイオードを同時に使用し、被測定対象物を照射する。   The second irradiation method is a mode in which two or more types of light emitting elements having different continuous peak wavelengths are used at the same time so as to cover an absorption band of a biological material or the like. Specifically, in the measurement of blood glucose, a light-emitting diode or a laser diode having four types of peak wavelengths of 1560 nm, 1570 nm, 1580 nm, and 1590 nm is simultaneously used to irradiate the object to be measured.

さらに、第三の照射方式は、生体物質等の吸収帯をカバーできるように、2種以上のそれぞれ互いに異なる非連続的なピーク波長を有する発光素子を配置し、同時に使用する形態のものである。具体的には、血中グルコースの測定において、1580nmおよび2140nmの非連続的なピーク波長を有する発光ダイオードまたはレーザーダイオードを同時に使用するものである。   Further, the third irradiation method is a mode in which two or more types of light emitting elements having different discontinuous peak wavelengths are arranged and used simultaneously so as to cover an absorption band of a biological material or the like. . Specifically, in the measurement of blood glucose, a light emitting diode or a laser diode having discontinuous peak wavelengths of 1580 nm and 2140 nm is used at the same time.

かかる照射方式を採用することにより、特に第1の方式によれば、照射光の強度を増加・維持することができ、また、第2および第3のシステムによれば、温度ドリフトの回避および測定条件の変動の抑制を図ることができ、これらの効果に伴ない、さらに安定的な高精度の測定を達成することができる。   By adopting such an irradiation method, in particular, according to the first method, the intensity of the irradiation light can be increased and maintained, and according to the second and third systems, temperature drift can be avoided and measured. It is possible to suppress fluctuations in conditions, and with these effects, it is possible to achieve more stable and highly accurate measurement.

特に発光素子の発熱に伴なう温度ドリフトなど近赤外光では温度の差によるピーク波長の移動が生じることを防止するために好適であり、例えば、グルコースの近赤外領域での吸収ピークの一つは波長1580nmにあるが、1560nm、1580nmおよび1590nmの三種のピーク波長の異なる発光ダイオードまたはレーザーダイオードを用いることが、温度ドリフトを回避するには有効である。   In particular, near-infrared light such as temperature drift due to heat generation of the light-emitting element is suitable for preventing the shift of the peak wavelength due to temperature difference. For example, the absorption peak of glucose in the near-infrared region is suitable. One is at a wavelength of 1580 nm, but using light emitting diodes or laser diodes having three different peak wavelengths of 1560 nm, 1580 nm and 1590 nm is effective in avoiding temperature drift.

次に本発明に係る光学的測定方法における受光工程は、前記発光工程により被測定対象物に照射され、該被測定対象物を透過または反射した光を受光素子で受光し、電気信号を発信し、次の信号処理工程に供給するものである。受光素子は、分光感度特性の異なる2種以上の半導体からなる伝導材料が好ましく、通常、CdS、Si、GaAsS、InS、PbS、InSb、PbSe、Ge等を挙げることができるが、発光波長500nm領域ではCdS、CdSeが、900nm領域ではSi、GaAs、1000〜2000nm領域ではGaInAs、2000〜3000nmではPbSe、PbS等が選択される。また、受光手段にダイオードアレイを用い、各波長を同時に測定する場合に、アレイ上で複数の波長を測定することが可能であり、かつ同波長におけるノイズ除去に用いて比較することも可能である。   Next, in the light receiving step in the optical measurement method according to the present invention, the light to be measured is irradiated by the light emitting step, and the light transmitted through or reflected by the object to be measured is received by the light receiving element, and an electric signal is transmitted. The signal is supplied to the next signal processing step. The light receiving element is preferably a conductive material composed of two or more kinds of semiconductors having different spectral sensitivity characteristics, and usually includes CdS, Si, GaAsS, InS, PbS, InSb, PbSe, Ge, etc. Then, CdS and CdSe are selected from Si and GaAs in the 900 nm region, GaInAs in the 1000 to 2000 nm region, and PbSe and PbS in the 2000 to 3000 nm region. In addition, when using a diode array as the light receiving means and measuring each wavelength simultaneously, it is possible to measure a plurality of wavelengths on the array, and it is also possible to compare by using noise removal at the same wavelength. .

本発明に係る光学的測定方法によれば、前記受光素子から出力される電気信号は、信号処理工程に供され、その検出信号を生体物質等の濃度算出工程に供され、吸光スペクトルを解析演算され測定値が算出される。   According to the optical measurement method of the present invention, the electrical signal output from the light receiving element is supplied to a signal processing step, the detection signal is supplied to a concentration calculation step of a biological substance, etc., and the absorption spectrum is analyzed and calculated. The measured value is calculated.

次に、本発明に係る生体物質等の光学的測定装置について説明する。
該光学的測定装置は、1)発光手段、2)集光・照射手段、3)受光手段、4)信号処理手段、5)生体物質等濃度算出手段、および6)測定値表示手段とを少なくとも備えたものであり、具体的には図1に示す如く構成されたものであり、同図に沿って説明する。
Next, an optical measurement apparatus for biological materials and the like according to the present invention will be described.
The optical measuring device comprises at least 1) a light emitting means, 2) a light collecting / irradiating means, 3) a light receiving means, 4) a signal processing means, 5) a biological substance concentration calculation means, and 6) a measured value display means. Specifically, it is configured as shown in FIG. 1, and will be described with reference to FIG.

1)発光手段1は、発光ダイオードおよびレーザーダイオードからなるものであり、
点灯回路8からLED1に点灯開始信号を送り、電流を流すことにより光1’
を放出する。点灯回路8は、制御回路9の信号により作動する。
2)集光・照射手段2は、平凸レンズからなるものであり、前記発光手段1にて放
出された光1’を試料3上に集光させる機能を有する。試料3は、血液試料の
場合、ガラスセルが用いられる。
3)受光手段4は、試料3を透過した光を受光素子により受光し光電変換し信号を
出力する機能を有し、生体物質等の吸収極大領域の吸光密度の変化を信号処理
手段5に送信する。
4)信号処理手段5において、受光手段4の出力・信号が受信され、光電変換(A
/D変換)され、生体物質等濃度算出手段6に入力される。
5)生体物質等濃度算出手段6では、前記信号処理手段5により光電変換された検
出信号に基づいて吸光スペクトルを解析し、吸光変化は二次微分処理され、交
差検証法、部分最小二乗法などの多変量解析からその濃度が算出される。該出
力信号が表示手段7へ供給され、測定値として表示される。
1) The light emitting means 1 comprises a light emitting diode and a laser diode,
By sending a lighting start signal from the lighting circuit 8 to the LED 1 and passing a current, the light 1 ′
Release. The lighting circuit 8 is operated by a signal from the control circuit 9.
2) The condensing / irradiating means 2 is composed of a plano-convex lens and has a function of condensing the light 1 ′ emitted from the light emitting means 1 onto the sample 3. If the sample 3 is a blood sample, a glass cell is used.
3) The light receiving means 4 has a function of receiving the light transmitted through the sample 3 by a light receiving element, photoelectrically converting it, and outputting a signal, and transmits a change in the absorption density of the absorption maximum region of the biological material or the like to the signal processing means 5 To do.
4) The signal processing means 5 receives the output / signal of the light receiving means 4 and performs photoelectric conversion (A
/ D conversion) and input to the biological substance etc. concentration calculating means 6.
5) The biological substance equality calculating means 6 analyzes the absorption spectrum based on the detection signal photoelectrically converted by the signal processing means 5, and the absorption change is subjected to second-order differential processing. The concentration is calculated from multivariate analysis such as multiplication. The output signal is supplied to the display means 7 and displayed as a measured value.

さらに好適な光学的測定装置は、図5に例示する発光・照射・受光構造を有するものであり、発光手段1が、互いに異なる2種以上のピーク波長を有する発光ダイオードまたはレーザーダイオードを同図に示すように平列に配置してなるものである。図中、発光手段1は、中心に生体物質等の最大吸収帯に合致するピーク波長を有する発光ダイオードを配置し、その同図にピーク波長が互いに連続的または非連続的に異なる2種以上の発光ダイオードを配置したものである。
また、受光手段4は、図5に示すように互いに分光感度特性の異なる2種以上の受光素子を平列に配置してなるものである。
A more suitable optical measuring device has the light emitting / irradiating / light receiving structure illustrated in FIG. 5, and the light emitting means 1 includes light emitting diodes or laser diodes having two or more different peak wavelengths. As shown, they are arranged in a row. In the figure, the light emitting means 1 has a light emitting diode having a peak wavelength that matches the maximum absorption band of a biological substance or the like at the center, and the figure shows two or more types of peak wavelengths that are continuously or discontinuously different from each other A light emitting diode is arranged.
The light receiving means 4 is formed by arranging two or more types of light receiving elements having different spectral sensitivity characteristics in a row as shown in FIG.

本発明に係る非侵襲性光学的測定装置の具体例としては、図6に、図5の発光・照射・受光システムを利用したものを例示する。
すなわち、プラスチックを成形してなる外観が長さ175mm、直径25mmの円筒状のハウジングおよび該ハウジング内に装置各部を埋設してなるものであって、前記ハウジングの内部の一方側から長手方向へバッテリー11、演算部6、信号処理部5を隣接して配置する。信号処理部5の上部には表示部7を配置する。信号処理部5に隣接して点灯回路8および該点灯回路8に接続して測定用スイッチ15を配置する。点灯回路8に隣接して2種以上のLED1、レンズ系9および受光素子4を所定の間隔を設けて固定したアルミ製円筒を配置する。受光素子4およびセラミック板13の間に指挿入部を設置し、該セラミック板13に隣接して信号処理装置5を配置する。
これらの装置各部およびデバイスは装填後、各部の周囲および空隙にプラスチックを充填して固定する。かかるプラスチック充填により振動、熱等の外部からの測定に対する妨害要因を防止することができる。
As a specific example of the non-invasive optical measurement apparatus according to the present invention, FIG. 6 illustrates an example using the light emission / irradiation / light reception system of FIG.
That is, a plastic housing is formed in a cylindrical housing having a length of 175 mm and a diameter of 25 mm, and each part of the device is embedded in the housing. 11, the calculation part 6 and the signal processing part 5 are arrange | positioned adjacently. A display unit 7 is disposed above the signal processing unit 5. A measurement switch 15 is arranged adjacent to the signal processing unit 5 and connected to the lighting circuit 8. An aluminum cylinder in which two or more kinds of LEDs 1, a lens system 9 and a light receiving element 4 are fixed at a predetermined interval is disposed adjacent to the lighting circuit 8. A finger insertion part is installed between the light receiving element 4 and the ceramic plate 13, and the signal processing device 5 is arranged adjacent to the ceramic plate 13.
After loading each part and device of these apparatuses, the periphery of each part and the space are filled with plastic and fixed. Such plastic filling can prevent disturbance factors from outside such as vibration and heat.

このようにして構成された装置の使用方法として指挿入部に指を挿入し、スイッチ15を押すと2種以上の波長が連続的に異なる発光ダイオード1から放出された光は、光路14に沿い集光レンズ系9により集光され、穴44を通過し、反射板13の前に挿入された指を透過し、反射された光が受光素子4で受光されその出力が、信号処理部5で光電変換され、生体物質等濃度算出部6で吸光スペクトル解析により、吸光変化が部分最小二乗法等の多変量解析によりその濃度が算出され、表示部7で測定値として表示される。
図7は、本発明に係る非侵襲性光学的測定装置の使用状態を示す説明図である。同図によれば、左手指を指挿入部に挿入し、測定値が装置右側の表示部に表示されていることが示されている。
As a method of using the device configured as described above, when a finger is inserted into the finger insertion portion and the switch 15 is pressed, light emitted from the light emitting diodes 1 having two or more different wavelengths continuously travels along the optical path 14. Light collected by the condenser lens system 9, passes through the hole 44, passes through the finger inserted in front of the reflecting plate 13, and reflected light is received by the light receiving element 4, and its output is received by the signal processing unit 5. The photoelectric conversion is performed, and the concentration change calculation unit 6 calculates the absorption change by the absorption spectrum analysis, and the concentration is calculated by multivariate analysis such as a partial least square method.
FIG. 7 is an explanatory view showing a use state of the noninvasive optical measurement device according to the present invention. According to the figure, it is shown that the left finger is inserted into the finger insertion part, and the measured value is displayed on the display part on the right side of the apparatus.

次に、本発明を実施例および比較例によりさらに具体的に説明する。もっとも本発明はかかる実施例等により限定されることはない。   Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present invention is not limited to such examples.

実施例1
市販のグルコースを健常人から採取した血液中に0.1〜1mmolの濃度で溶解させて、10mg/ml〜50mg/mlの濃度の異なる4種の測定用試料を調製した。
各試料について和光純薬工業社製「グルコースCIIテストワコー」によりグルコース呈色反応4−アミノアンチピリンおよびフェノール吸収波長505nmにおける吸光度を測定し、図2に示す横軸に表示した。同一の各試料について本発明に係る光学的測定方法により市販の赤外ダイオード(浜松フォトニクス社製L8254)を光源として用いて、同一条件で比吸光度を測定し、同図の縦軸に表示した。測定に要した時間は、試料調製後グルコースCII「テストワコー」による従来方法では1試料について5〜10分であったのに対し、本発明による測定方法では1秒以下であった。
また、図2に示すように、本発明に係る光学的測定方法による測定結果は、前記グルコースCII「テストワコー」による測定結果とほぼ一致し、高精度であり実用品と比較しても遜色のないことがわかった。
Example 1
Commercially available glucose was dissolved in blood collected from a healthy person at a concentration of 0.1 to 1 mmol to prepare four kinds of measurement samples having different concentrations of 10 mg / ml to 50 mg / ml.
About each sample, the glucose color reaction 4-aminoantipyrine and the light absorbency in the phenol absorption wavelength of 505 nm were measured with "glucose CII test Wako" by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., and it displayed on the horizontal axis shown in FIG. Using the commercially available infrared diode (L8254 manufactured by Hamamatsu Photonics) as a light source, the specific absorbance was measured for the same sample under the same conditions by the optical measurement method according to the present invention, and displayed on the vertical axis of the figure. The time required for the measurement was 5 to 10 minutes per sample in the conventional method using glucose CII “Test Wako” after sample preparation, whereas it was 1 second or less in the measurement method according to the present invention.
In addition, as shown in FIG. 2, the measurement result by the optical measurement method according to the present invention is almost the same as the measurement result by the glucose CII “Test Wako”, which is highly accurate and inferior to the practical product. I knew it was n’t there.

実施例2
市販の青色発光ダイオード(日亜化学工業社製青色LEDNSPB500S)によりGOT(アスパラギン酸アミノ基転移酵素)の測定反応における還元型NADの酸化作用を還元型FADに脱水素酵素の作用を利用して転化することにより、450nm近傍における吸光変化としてGOTを定量した。測定結果を図3に示す。実施例1と同様の手順であるが横軸には表示したGOT UV「テストワコー」による測定値と比較したところ本発明による測定方法の高精度が実証された。
Example 2
Using a commercially available blue light emitting diode (blue LED NSPB500S manufactured by Nichia Corporation), the oxidation of reduced NAD in the measurement reaction of GOT (aspartate aminotransferase) is converted to reduced FAD using the action of dehydrogenase. As a result, GOT was quantified as an absorbance change near 450 nm. The measurement results are shown in FIG. The procedure is the same as in Example 1, but the high accuracy of the measurement method according to the present invention was proved when compared with the measured values by the displayed GOT UV “Test Wako” on the horizontal axis.

実施例3
軽度の糖尿病患者を含む健常人20人について、ピーク波長1570nm、1580nmおよび2140nmの各市販発光ダイオードを各2個並列に配置した図5に示す発光・照射・受光構造を搭載した図6の光学的測定装置を用いてグルコース濃度を測定した。この場合、指を装置下部から挿入し固定した。
次に、同時に同一人からそれぞれ採血し、グルコースCII「テストワコー」を用いてグルコース濃度を測定した。その測定結果を図4の横軸に示す。
前記測定装置の操作は、先ず、測定用スイッチ15を押し、点灯回路8から各発光ダイオード1に同時に通電することにより放出した光を組合せレンズ系9で集光し、指に照射し、6個の集光素子4で指の末梢血管から反射した散乱反射光をとらえた。算出値を図4の縦軸に示す。この結果から温度ドリフトも回避でき、相関関数が80%以上に向上した。比較のために、発光ダイオード1種のみで測定したところ相関係数が50%に達せず、本発明に係る測定装置によれば測定精度が著しく高いことがわかる。
Example 3
Optical of FIG. 6 equipped with the light emission / irradiation / light reception structure shown in FIG. 5 in which two commercially available light emitting diodes having peak wavelengths of 1570 nm, 1580 nm and 2140 nm are arranged in parallel for 20 healthy people including mild diabetic patients. The glucose concentration was measured using a measuring device. In this case, a finger was inserted and fixed from the lower part of the apparatus.
Next, blood was collected from the same person at the same time, and the glucose concentration was measured using glucose CII “Test Wako”. The measurement results are shown on the horizontal axis of FIG.
The measurement device is operated by first pressing the measurement switch 15 and condensing the light emitted by simultaneously energizing the light emitting diodes 1 from the lighting circuit 8 with the combination lens system 9 and irradiating the finger with 6 pieces. The scattered light reflected from the peripheral blood vessels of the finger was captured by the light collecting element 4. The calculated value is shown on the vertical axis of FIG. From this result, temperature drift could be avoided and the correlation function was improved to 80% or more. For comparison, the correlation coefficient does not reach 50% when measured with only one type of light-emitting diode, and it can be seen that the measurement accuracy according to the present invention is remarkably high.

本発明に係る光学的測定装置の構成の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of a structure of the optical measuring device which concerns on this invention. グルコースについて本発明に係る測定方法による測定結果と従来の「グルコースCIIテストワコー」を用いた測定結果との関係図である。FIG. 5 is a relationship diagram of measurement results of glucose using the measurement method according to the present invention and measurement results using a conventional “glucose CII test Wako”. GOT(アスパラギン酸アミノ基転移酵素)について本発明に係る測定方法による測定結果とGOT−UV「テストワコー」を用いる測定方法による測定結果との関係図である。It is a related figure of the measurement result by the measuring method which concerns on this invention about GOT (aspartate aminotransferase), and the measuring result by the measuring method using GOT-UV "Test Wako". 本発明に係る非侵襲性光学的測定装置により測定した血中グルコース濃度の多変量解析による算出値と「グルコースCIIテストワコー」による測定結果との関係図である。FIG. 4 is a relationship diagram between a calculated value by multivariate analysis of blood glucose concentration measured by the noninvasive optical measurement device according to the present invention and a measurement result by “glucose CII test Wako”. 本発明に係る光学的測定装置の発光・照射・受光構造の一形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one form of the light emission, irradiation, and light-receiving structure of the optical measuring device which concerns on this invention. 本発明に係る非侵襲性光学的測定装置の内部構造の一形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one form of the internal structure of the noninvasive optical measuring device which concerns on this invention. 図6の本発明に係る非侵襲性光学的測定装置の一使用状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows one use condition of the noninvasive optical measuring device based on this invention of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1.LED
2.平凸レンズ
3.試料
4.受光素子
5.信号処理装置
6.演算装置
7.表示装置
8.点灯回路
9.レンズ系
10.指先挿入部
11.バッテリー
12.充填プラスチック
13.セラミックス板
14.光路
15.測定用スイッチ
1. LED
2. Plano-convex lens Sample 4. Light receiving element 5. Signal processing device 6. Arithmetic unit 7. Display device 8. Lighting circuit
9. Lens system 10. Fingertip insertion part 11. Battery 12. Filled plastic13. Ceramic plate 14. Optical path 15. Measurement switch

Claims (2)

プラスチックを断面が円形または楕円形の棒状体に成形してなるハウジングおよび該ハウジング内に装置各要素を埋設してなる非侵襲性光学的測定装置であって、
前記ハウジングの内部の一方側から長手方向にバッテリー11、演算処理部6、信号処理部5を隣接して配置し;
信号処理部5の上部に表示部7を設置し;
前記信号処理部5に隣接して点灯回路部8および該点灯回路部8に隣接して測定用スイッチ15を設置し;
前記点灯回路部8に隣接して2種以上のLED1、レンズ系9および2種以上の受光部4を所定の間隔を設けて固定した軽金属製円筒を配置し;
受光部4と反射板13の間に指挿入部を設け;
前記反射板13の背後に隣接して信号処理装置5を配置し;
前記各要素間はそれぞれ必要な連結をし;
さらに、前記装置各要素はプラスチックの充填により固定してなることを特徴とする生体物質および化学物質の非侵襲性光学的測定装置。
A non-invasive optical measurement device in which plastic is molded into a rod-shaped body having a circular or elliptical cross section and each element of the device is embedded in the housing,
A battery 11, an arithmetic processing unit 6, and a signal processing unit 5 are arranged adjacent to each other in the longitudinal direction from one side of the housing;
A display unit 7 is installed above the signal processing unit 5;
A lighting circuit unit 8 adjacent to the signal processing unit 5 and a measurement switch 15 adjacent to the lighting circuit unit 8;
A light metal cylinder in which two or more kinds of LEDs 1, a lens system 9, and two or more kinds of light receiving parts 4 are fixed at a predetermined interval is disposed adjacent to the lighting circuit part 8.
Providing a finger insertion part between the light receiving part 4 and the reflecting plate 13;
A signal processing device 5 is disposed adjacent to the back of the reflector 13;
The necessary connections between the elements;
Furthermore, the non-invasive optical measuring apparatus for biological substances and chemical substances, wherein each element of the apparatus is fixed by filling with plastic.
前記ハウジングの長さが170〜220mmであり、断面が円形の場合の直径または楕円形の場合の長軸が25〜33mmである請求項1記載の非浸襲性光学的測定装置。   The non-invasive optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the length of the housing is 170 to 220 mm, and the diameter when the cross section is circular or the long axis when the cross section is elliptical is 25 to 33 mm.
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