JP2008307285A - 生体成分測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接触することなく、高精度に生体成分を測定する。
【解決手段】赤外線照射装置１は、エタノールの吸収波長を含む波長城の赤外線を被験者の眼球に照射する。赤外線受光装置３は、被験者の眼球からの赤外線の反射光を受光して、受光強度に応じた信号を生体成分濃度演算装置６に供給する。 赤外線照射位置判定装置５は、眼球撮像装置４で生成された画像に基づいて、時間（ｔ）における赤外線照射位置を判定する。生体成分濃度演算装置６は、赤外線照射位置判定装置５により赤外線が眼球の黒目に照射されていると判定されたときの赤外線反射光と、赤外線が眼球の黒目及び白目の境界部分又は当該境界部分近傍の黒目側に照射されたと判定されたときの赤外線反射光と、に基づいて眼球の生体成分を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体成分測定装置に関する。

血液中に存在する生体成分を測定するために、その成分が吸収する波長を含む光を外部から照射し、その反射光の強度（減衰度）から成分濃度を推定する方法が提案されている。

特許文献１では、光を照射する場所として眼球を対象としている。眼球は可視光に対して透明になるように細胞を常にリフレッシュしているので光学的に安定しており、光を照射する対象としては好適である。また、眼球の網膜下には、脈絡膜という毛細血管が集まっている。そこで、特許文献１の技術は、眼球の網膜下へ可視光もしくは赤外光を照射し、その反射光を測定することにより、グルコースなどの生体物質を測定する。さらに、目的の生体物質が吸収する特徴的な波長を選択することにより、反射光の減衰度から目的の成分を定量する。
特表２００３−５３２４６１号公報

血液中にはたんぱく質や脂質などの多くの成分を含んでいる。これらの物質の可視もしくは赤外領域の吸収はブロードであるために、例えばグルコースなどの成分の吸収波長と重なる部分が多い。したがって、特許文献１の技術では、反射光がこれらの妨害物質による変動によって影響されるという問題点があった。

脈絡膜は毛細血管が多く集まる場所であるが、その密度は老化や疾病（糖尿病）等により個人差が大きい。さらに、過渡的な血圧変化により血流量が一時的に変化するとその影響を大きく受ける、すなわち個人内差があるという問題点があった。

また、特許文献１では、検出メカニズムからみて、脈絡膜の血中成分と同時に眼房水成分の影響も受けるため、血中成分の濃度を選択的に測定できないため、定量性に欠けるという問題点があった。

本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、接触することなく、高精度に生体成分を測定することができる生体成分測定装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明である生体成分測定装置は、眼球に赤外線を照射する赤外線照射手段と、前記眼球からの赤外線反射光を受光する受光手段と、前記受光手段により受光された赤外線反射光のうち、前記眼球の黒目からの赤外線反射光の強度と、前記眼球の黒目及び白目の境界部分又は当該境界部分近傍の黒目側からの赤外線反射光の強度と、に基づいて、前記眼球の生体成分を測定する生体成分測定手段と、を備えている。

請求項２の発明は、請求項１に記載の生体成分測定装置であって、前記生体成分測定手段は、前記眼球の黒目からの赤外線反射光の強度と、前記眼球の黒目及び白目の境界部分又は当該境界部分近傍の黒目側からの赤外線反射光の強度と、の差又は比に基づいて、前記眼球の生体成分を測定する。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の生体成分測定装置であって、前記眼球を撮像して画像を生成する撮像手段と、前記撮像手段により生成された画像に基づいて赤外線照射位置を判定する判定手段と、を更に備え、前記生体成分測定手段は、前記判定手段により赤外線が眼球の黒目に照射されていると判定されたときの赤外線反射光と、前記判定手段により赤外線が眼球の黒目及び白目の境界部分又は当該境界部分近傍の黒目側に照射されたと判定されたときの赤外線反射光と、に基づいて、前記眼球の生体成分を測定する。

請求項４の発明は、請求項３に記載の生体成分測定装置であって、前記赤外線照射手段は、所定期間毎に赤外線の照射のオン又はオフを繰り返し、前記判定手段は、前記撮像手段により生成された赤外線照射オン時の画像と、赤外線照射オフ時の画像と、の差分である差分画像を生成し、当該差分画像に基づいて赤外線の照射位置を判定する。

請求項１の発明によれば、接触することなく、生体成分を測定することができる。

請求項２の発明によれば、個人差を廃した定量的な生体成分を測定することができる。

請求項３及び４の発明によれば、赤外線を眼球内の特定の位置に照射する制御を行うことなく、生体成分を測定することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、生体成分としてエタノールを測定する例を挙げて説明する。なお、エタノールは、通常、血中やリンパ液中に微量しか存在しないが、飲酒などにより胃腸より吸収され血中に入り、全身を回る。また、エタノールは、低分子量なのでリンパ液などへも血中から移動すると考えられる。ここで、眼球の眼房水に含まれるエタノールを測定対象としたのは、次の理由による。

血中には脂質やたんぱく質などの高分子量物質が多く存在して変動するため、これらの物質が妨害物質として働いて、目的とする成分の定量性を低くさせる。リンパ液は血液がろ過されて生成されるために、血液中に存在する低分子の物質、例えばエタノールやグルコースは容易にリンパ液へ移動することができ、これらの物質の血中濃度とリンパ液には相関がある。リンパ液は基本的に血液を反映した成分濃度を示すが、たんぱく質などの高分子量物質は非常に少ないので、血液のような妨害物質の問題を回避することができる。リンパ液は体中の種々の場所にあるが、最も体表面に近くかつ光学的に安定した場所が眼球の前房体およびその前後にある角膜と水晶体である。これらの組織には血液は流れておらず、眼房水と呼ばれるリンパ液で満たされている。本発明はこの眼房水に存在する生体成分を測定ターゲットとしているため、血液中と相関が高くかつ妨害物質の影響を受けにくい定量的測定が可能となる。

図１は、本発明の実施の形態に係る生体成分測定装置の構成を示すブロック図である。生体成分測定装置は、赤外線を照射する赤外線照射装置１と、赤外線照射装置１を制御する赤外線照射制御装置２と、赤外線の反射光を受光する赤外線受光装置３と、被験者の眼球を撮像する眼球撮像装置４と、赤外線の照射位置を判定する赤外線照射位置判定装置５と、生体成分の濃度を演算する生体成分濃度演算装置６と、を備えている。

赤外線照射装置１は、エタノールの吸収波長を含む波長城の赤外線を被験者の眼球に照射する。エタノールは０．９μｍ、１．２μｍ、１．７μｍ、２．３μｍ、３．４μｍ付近を中心とする波長に赤外線の吸収帯城がある。そこで、赤外線照射装置１は、これらの少なくとも１つの波長帯城を含む赤外線を照射する。

赤外線照射制御装置２は、赤外線照射装置１の照射オン／オフを制御する。図２は、赤外線照射装置１によって照射される赤外線の強度を示す図である。赤外線照射装置１は、赤外線照射制御装置２の制御に基づいて、例えば図２に示すように、断続的な赤外線、すなわちパルス状の赤外線を眼球へ照射する。

なお、このパターンは特に限定されるものではない。例えば、赤外線照射制御装置２は、眼球撮像装置４のビデオレートと同期するように、赤外線照射装置１から出射される赤外線パルスの周波数を制御するとよい。具体的には、赤外線照射制御装置２は、眼球撮像装置４のビデオレートが１／３０秒の場合、１／３０秒間だけ照射オン、その後１／３０秒間だけ照射オフを繰り返すパターンになるように、赤外線照射装置１を制御するとよい。

赤外線受光装置３は、被験者の眼球からの赤外線の反射光を受光して、受光強度に応じた信号を生体成分濃度演算装置６に供給する。

図３は、赤外線受光装置３により検出される赤外線強度を示す図である。Ｔ（ｔ１）、Ｔ（ｔ２）、Ｔ（ｔ３）は、それぞれ時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３で受光された強度である。赤外線照射がオフのときでも受光強度がゼロでないのは、赤外線受光装置３は外部環境からの赤外線も受光するためである。したがって、後述するように、照射オン時及び照射オフ時の赤外線反射光の強度の差が正味の反射光強度Ｔ（ｔ）として扱われる。

眼球撮像装置４は、赤外線照射装置１から出射された赤外線パルスに同期して、被験者の眼球を撮像して、被験者の眼球の画像を赤外線照射位置判定装置５に供給する。なお、眼球撮像装置４は、赤外線カメラであってもよいし、赤外線カメラでなくてもよい。

赤外線照射位置判定装置５は、眼球撮像装置４で生成された画像に基づいて、時間（ｔ）における赤外線照射位置を判定する。

ここで、赤外線を眼球の特定の場所に正確に照射するのは容易ではない。そこで、本実施形態では、赤外線照射装置１が眼球付近にパルス状の赤外線を照射しておき、赤外線照射位置判定装置５が眼球画像に基づいて実際にいつどこに赤外線が照射されたかを推定する。通常、眼球は頻繁に動くので、必要な眼球部分へ光を照射することは確率的に容易である。そして、生体成分濃度演算装置６が必要な反射光データを選択して濃度を演算する。

眼球撮像装置４が赤外線カメラでない場合、赤外線照射位置判定装置５は、眼球撮像装置４で生成された画像に基づいて、直接被験者の眼球に照射されている赤外線の位置を判定する。また、眼球撮像装置４が赤外線カメラである場合、赤外線照射位置判定装置５は、眼球撮像装置４により生成された赤外線照射オン時の画像と、赤外線照射オフ時の画像と、の差分である差分画像を生成し、当該差分画像に基づいて赤外線の照射位置を判定する。

赤外線照射位置判定装置５は、赤外線照射位置を次のような３種類に分類する。

図４（ａ）は赤外線が眼球の黒目瞳孔内部分に照射された状態を示す図であり、同図（ｂ）は眼球内の赤外線の経路を示す図である。この場合、赤外線は、角膜から前房体、水晶体、硝子体を経て網膜へ至り、同じルートを通って反射される。

図５（ａ）は赤外線が眼球の黒目と白目の境界部分に照射された状態を示す図であり、同図（ｂ）は眼球内の赤外線の経路を示す図である。この場合、赤外線は、直接硝子体を経て網膜へ至り、同じルートを通って反射される。すなわち、赤外線は、眼房水を豊富に含む角膜、前房体、水晶体を通過していない。

図６（ａ）は赤外線が眼球の白目部分に照射された状態を示す図であり、同図（ｂ）は眼球内の赤外線の経路を示す図である。

通常、眼球へ照射された光は、図４（ａ）に示すように、角膜から前房体、水晶体、硝子体を経て網膜へ至り、同じルートを通って反射される。網膜には多数の血管（脈絡膜）が存在するため、反射光にはこの血液成分の影響も混じることになる。脈絡膜の血管密度には個人差が大きいため、この影響をキャンセルできれば定量性が向上する。

そこで、本実施形態では、赤外線が眼球の黒目瞳孔内部分に照射されたときに受光された光強度と、赤外線が眼球の黒目と白目の境界部分に照射されたときに受光された光強度と、に基づいて、生体成分であるエタノールの濃度が測定される。

赤外線が黒目瞳孔内部分に照射されたときと、赤外線が黒目と白目の境界部分に照射されたときの、光が通過するルートの違いは、前者が角膜、前房体、水晶体、硝子体、網膜（脈絡膜）を通るのに対し、後者は硝子体、網膜（脈絡膜）を通るのみである。したがって、両者を比較することにより、角膜、前房体、水晶体に存在する眼房水で満たされた生体液中の成分のみを測定することができる。これは個人間差や個人内差（血圧変動などによる過渡的な血流変化）に対してロバストな測定ができる。

生体成分濃度演算装置６は、赤外線照射位置判定装置５により赤外線が眼球の黒目に照射されていると判定されたときの赤外線反射光と、赤外線が眼球の黒目及び白目の境界部分に照射されたと判定されたときの赤外線反射光と、に基づいて、眼球の生体成分を測定する。

ここで、眼球の黒目瞳孔内部分に赤外光が照射されたと判定されたとき（黒目判定のとき）の反射光強度をＴａ（ｔ）とし、黒目と白目の境界部分に赤外光が照射されたと判定されたとき（境界部分判定のとき）の反射光強度をＴｂ（ｔ）とする。生体成分濃度演算装置６は、まず赤外線照射位置判定装置５によって黒目判定のときの時間（ｔａ）と、境界部分判定のときの時間（ｔｂ）から、それの時間に対応する強度Ｔａ（ｔａ）、Ｔｂ（ｔｂ）を用いて、下記の式に従ってエタノール濃度を算出する。

［ＥｔＯＨ］＝−ｌｎ（Ｔａ（ｔａ）／Ｔｂ（ｔｂ））／ｋｅ
なお、
［ＥｔＯＨ］：エタノール濃度
（ｔａ）：眼球の黒目瞳孔内部分に赤外光が照射されたと判定された時間
（ｔｂ）：黒目と白目の境界部分に赤外光が照射されたと判定された時間
Ｔａ（ｔａ）：時間（ｔａ）における反射光強度
Ｔｂ（ｔｂ）：時間（ｔｂ）における反射光強度
ｋｅ：エタノールの吸収係数
ｌｎ：自然対数
である。

眼球の特定の場所を狙って赤外光を照射するのは非常に難しいが、眼球は頻繁に動くために所定の位置に照射される確率はかなり高い。そこで、生体成分濃度演算装置６は、赤外線照射位置判定装置５により赤外線が黒目部分、黒目と白目の境界部分にそれぞれ照射されたときの赤外線強度を選択して、選択した赤外線強度を用いて、エタノール濃度を演算する。

これにより、眼房水を豊富に含む場所を通過した反射光とそうでない反射光を比較することによって、個人差および個入内差を低減し、たんぱく質などの妨害物質の少ない眼房水（リンパ液）にある生体成分濃度を定量することが可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態に係る生体成分測定装置は、低分子量の生体成分の１つであるエタノールについて、接触することなく正確に濃度を測定することができる。

特に、上記生体成分測定装置は、眼球の眼房水のエタノールを測定対象とすることにより、たんぱく質などの妨害物質の影響を回避することができる。また、上記生体成分測定装置は、眼球の異なる場所へ赤外線をそれぞれ照射したときの反射光強度に基づいて生体成分を測定することにより、個人差や個人内差を低減することができる。

さらに、上記生体成分測定装置は、赤外線の照射タイミングに応じて生成される眼球の画像に基づいて赤外線の照射位置を判定し、赤外線が所定の照射位置にあるときの必要な反射光の強度のみを選択することにより、赤外線の照射位置を制御することなく、エタノールの濃度を測定することができる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で設計上の変更をされたものにも適用可能であるのは勿論である。

例えば、赤外線照射装置１は、黒目と白目の境界部分に赤外線を照射する代わりに、その境界部分の黒目側に赤外線を照射してもよい。また、生体成分濃度演算装置６は、赤外線反射光の強度の比を用いてエタノールの濃度を計算したが、強度の差を用いてエタノールの濃度を計算してもよい。

上述した実施の形態では、生体成分測定装置は、生体成分としてエタノールを測定したが、グルコースを測定してもよい。このとき、赤外線照射装置１は、赤外線の吸収波長域として１．６μｍ、２．１μｍの少なくとも１つを含む波長域の赤外線を眼球に照射すればよい。また、生体成分濃度演算装置６は、エタノールの吸収係数ｋｅの代わりに、グルコースの吸収係数を用いればよい。なお、エタノール、グルコース等の生体成分を測定するのに最適な赤外線の波長域（及びその組み合わせ）は、上述したものに限定されるものでもない。

また、上述した実施の形態では、赤外線の照射位置が黒目の中心にある場合を想定しているが、赤外線の照射位置が黒目の中心からずれると、赤外線吸収度が変化する。

図７（ａ）は黒目の中心からの距離を示す図であり、同図（ｂ）は光照射位置に対する赤外光吸収度を示す図である。同図に示すように、赤外線の照射位置が黒目の中心にあるとき（横軸がｒのとき）に吸収度は最大となり、その照射位置が黒目の中心からずれるに従って吸収度は小さくなる。

そこで、生体成分濃度演算装置６は、係数ａ（０＜ａ≦１）をエタノールの吸収係数ｋｅに乗じて、エタノールの濃度を演算すればよい。なお、係数ａは、黒目の中心に対する照射位置のずれを表すパラメータであり、照射位置が黒目の中心にあるときは“１”になり、黒目の中心から離れるに従って減少する。よって、エタノール濃度は下記の式になる。
［ＥｔＯＨ］＝−ｌｎ（Ｔａ（ｔａ）／Ｔｂ（ｔｂ））／（ａ＊ｋｅ）

本発明の実施の形態に係る生体成分測定装置の構成を示すブロック図である。 赤外線照射装置によって照射される赤外線の強度を示す図である。 赤外線受光装置により検出される赤外線強度を示す図である。 （ａ）は赤外線が眼球の黒目瞳孔内部分に照射された状態を示す図であり、（ｂ）は眼球内の赤外線の経路を示す図である。 （ａ）は赤外線が眼球の黒目と白目の境界部分に照射された状態を示す図であり、（ｂ）は眼球内の赤外線の経路を示す図である。 （ａ）は赤外線が眼球の白目部分に照射された状態を示す図であり、（ｂ）は眼球内の赤外線の経路を示す図である。 （ａ）は黒目の中心からの距離を示す図であり、（ｂ）は光照射位置に対する赤外光吸収度を示す図である。

符号の説明

１ 赤外線照射装置
２ 赤外線照射制御装置
３ 赤外線受光装置
４ 眼球撮像装置
５ 赤外線照射位置判定装置
６ 生体成分濃度演算装置

Claims (4)

1. 眼球に赤外線を照射する赤外線照射手段と、
   前記眼球からの赤外線反射光を受光する受光手段と、
   前記受光手段により受光された赤外線反射光のうち、前記眼球の黒目からの赤外線反射光の強度と、前記眼球の黒目及び白目の境界部分又は当該境界部分近傍の黒目側からの赤外線反射光の強度と、に基づいて、前記眼球の生体成分を測定する生体成分測定手段と、
   を備えた生体成分測定装置。
2. 前記生体成分測定手段は、前記眼球の黒目からの赤外線反射光の強度と、前記眼球の黒目及び白目の境界部分又は当該境界部分近傍の黒目側からの赤外線反射光の強度と、の差又は比に基づいて、前記眼球の生体成分を測定する
   請求項１に記載の生体成分測定装置。
3. 前記眼球を撮像して画像を生成する撮像手段と、
   前記撮像手段により生成された画像に基づいて赤外線照射位置を判定する判定手段と、を更に備え、
   前記生体成分測定手段は、前記判定手段により赤外線が眼球の黒目に照射されていると判定されたときの赤外線反射光と、前記判定手段により赤外線が眼球の黒目及び白目の境界部分又は当該境界部分近傍の黒目側に照射されたと判定されたときの赤外線反射光と、に基づいて、前記眼球の生体成分を測定する
   請求項１または請求項２に記載の生体成分測定装置。
4. 前記赤外線照射手段は、所定期間毎に赤外線の照射のオン又はオフを繰り返し、
   前記判定手段は、前記撮像手段により生成された赤外線照射オン時の画像と、赤外線照射オフ時の画像と、の差分である差分画像を生成し、当該差分画像に基づいて赤外線の照射位置を判定する
   請求項３に記載の生体成分測定装置。

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