JP2009106376A

JP2009106376A - 生体表層組織用センシング装置

Info

Publication number: JP2009106376A
Application number: JP2007279483A
Authority: JP
Inventors: Kaname Okuno; 要奥野; Katsuhiko Maruo; 勝彦丸尾; Takehiro Nakagawa; 武大中川
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-05-21

Abstract

【課題】小型化、低コスト化を図るとともにＳＮ比を向上させる。
【解決手段】生体表層組織に照射する光を照射する発光手段と、生体表層組織からの拡散反射光を受光する受光手段を備え、発光手段の光軸と受光手段の光軸とがほぼ同一の方向である。基板上に配置された前記発光手段と受光手段は、共に半導体素子で形成され、生体組織表面に接触させるセンシング面における発光手段からの光の透過部のサイズと発光手段から放射される光の指向性とによって決定した距離だけ上記センシング面から前記発光手段を離して配置する。皮膚の深さ方向における選択性の確保に適した受発光距離を適切に保つことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体成分や性状の定性・定量分析、特に皮膚組織のグルコース濃度変化を代用特性として生体の血糖値を測定することを目的として、生体の表層組織である皮膚組織に光（殊に近赤外光）の照射と生体表層組織からの拡散反射光の受光とを行う生体表層組織用センシング装置に関するものである。

生体表層組織に近赤外光を照射し、生体表層組織内で拡散反射した光を受光して得られる信号やスペクトルから生体組織を定性・定量分析する近赤外分光法に代表される手法は、生体内の種々の上方を非侵襲的にその場で即時に得ることができる上に、試薬も必要しないことから、医療分野における多くの用途で注目されており、既に血中酸素濃度測定については広く利用されている。

その一例として、発光手段として発光素子（発光ダイオード）、受光手段として受光素子（フォトダイオード）を用いたオキシメータが特許第２６８８５０８号公報（特許文献１）に示されている。これは受光素子を中心とする円周上に発光素子を全周にわたり配置するとともに、発光素子として６６０ｎｍ程度及び８００ｎｍ程度の波長の光を放射するものを用いたものとなっている。

また、特開平１０−２１６１１５号公報（特許文献２）には、中心部に受光素子を、回りに７３０ｎｍ程度及び８８０ｎｍ程度の波長の光を放射する発光素子を配置するとともに、受発光素子を５〜７ｍｍの間隔で配置して酸素飽和度を測定するものが示されている。

上記の両文献は、発光素子及び受光素子はセンシング時に生体組織から距離を置くところに位置するものとなっているが、その距離については詳細な記載はない。

また、近赤外領域のグルコース特異吸収波長を利用する分光分析によって血糖値を推定する方法が特開２００６−８７９１３号公報（特許文献３）に示されている。図６はこの方式に該当する例を示しており、ハロゲンランプ１から発光された近赤外光は熱遮蔽板２、ピンホール３、レンズ４、光ファイババンドル５を介して生体組織６に入射される。光ファイババンドル５には測定用光ファイバ７の一端とリファレンス用光ファイバ８の一端が接続されており、測定用光ファイバ７の他端は測定用プローブ９に接続され、リファレンス用光ファイバ８の他端はリファレンス用プローブ１０に接続されている。さらに、測定プローブ９およびリファレンスプローブ１０は光ファイバを介して測定側出射体１１とリファレンス側出射体１２とにそれぞれ接続されている。

人体の前腕部など生体組織６の表面に測定プローブ９の先端面を所定圧力で接触させて近赤外スペクトル測定を行う時、光源１から光ファイババンドル５に入射した近赤外光は、測定用光ファイバ７内を伝達し、図６(b)に示すように、測定用プローブ９の先端面に同心円周上に配置された１２本の光ファイバ２０より生体組織６の表面に照射される。生体組織６に照射されたこの測定光は生体組織内で拡散反射した後に、その一部が上記光ファイバ２０の中央に位置する受光側光ファイバ１９に受光され、その後、測定側出射体１１からレンズ１３を通して回折格子１４に入射して分光された後、受光素子１５において検出される。

受光素子１５で検出された光信号はＡ／Ｄコンバーター１６でＡＤ変換された後、パーソナルコンピュータなどの演算装置１７に入力される。血糖値はこのようにして得たスペクトルデータを解析することによって算出される。

リファレンス測定はセラミック板など基準板１８を反射した光を測定し、これを基準光として行う。すなわち、光源１から光ファイババンドル５に入射した近赤外光はリファレンス用光ファイバ８を通して、リファレンス用プローブ１０の先端から基準板１８の表面に照射される。基準板に照射された光の反射光はリファレンス用プローブ１０の先端に配置された受光光ファイバ１９を介してリファレンス側出射体１２から出射される。上記の測定側出射体１１とレンズ１３の間、及びこのリファンレス側出射体１２とレンズ１３の間にはそれぞれシャッター２２が配置してあり、シャッター２２の開閉によって測定側出射体１１からの光とリファンレス側出射体１２からの光のいずれか一方が選択的に通過する。なお、測定プローブ９端面の円上に配置された１２本の発光側光ファイバ２０から中心に位置する１本の受光側光ファイバ１９までの距離Ｌは０．６５ｍｍとされている。

ここで、上記距離Ｌ（０．６５ｍｍ）に光ファイバを配置しているのは、表皮、真皮、皮下組織の層状構造を有する皮膚組織から真皮部分のスペクトルを選択的に測定するためであり、上記間隔で発光側光ファイバ２０と受光側光ファイバ１９入射光ファイバとを配置した場合、発光側光ファイバ２０から照射された近赤外光が皮膚組織内を拡散反射して受光側光ファイバ１９に到達する時、その伝播経路は“バナナ・シェイプ”と呼ばれる経路をとり、真皮部分を中心に伝播するものであり、このためにＳＮ比の良い吸光信号を得ることができる。

このように、１１００〜２５００ｎｍ波長の近赤外光を用いた血糖測定技術に関しては、従来、光源としてハロゲンランプを用い、光ファイバを介して生体へ近赤外光を導き信号測定を行なう事例が多い。光ファイバを利用することで、高温化するハロゲンランプ光源と生体との物理的な距離を確保して火傷等の障害を回避することができる上に、光ファイバのフレキシブルな特性を活かして比較的自由な条件で生体信号を測定できるからであるが、光源と生体（皮膚組織）の間に光ファイバやレンズ系が数多く介在すれば、その分、光学ロスが大きくなり、その結果、光源の消費電力や装置サイズの大きなものになる。また、光ファイバはその屈曲させることができる半径をあまり小さくすることができないことから、取り回しの点で制限がある。

受光系についても同様に、光学ロスのために受光感度を上げなくてはならず、たとえばインジウム・ガリウム・砒素系等の受光素子の場合、素子を冷却して暗電流（ダークノイズ）を下げて使用する必要が生じており、これは受光ユニットの大型化や消費電力の増加の要因になっている。また、上記のようにハロゲンランプを光源として用いると、大きな電源容量を必要とするためにどうしても大型の装置構成となり、血糖値のトレンドを連続的にモニターするといった用途を想定したものとすることができない。

一方、発光ダイオードやダイオードレーザーのような半導体素子を発光手段として用いれば、発熱量が大きくないので高温化せず、生体の直近に発光手段を配置できるために、光ファイバやレンズ系を介さずとも測定系を構築することができる。しかも、腕時計のような大きさにまで小型化することも可能であり、血糖値管理の上で用途が広がる。
特許第２６８８５０８号公報特開平１０−２１６１１５号公報特開２００６‐８７９１３号公報

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、小型化、低コスト化を図ることができる生体表層組織用センシング装置を提供することを課題としているものであり、殊に生体に安全なエネルギー密度の低い近赤外光で測定信号のＳＮ比を確保できる生体表層組織用センシング装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明に係る生体表層組織用センシング装置は、生体表層組織に照射する光を照射する発光手段と、生体表層組織からの拡散反射光を受光する受光手段を備えるとともに、前記発光手段の光軸と前記受光手段の光軸とがほぼ同一の方向となっている生体表層組織用センシング装置であって、基板上に配置された前記発光手段と受光手段は、共に半導体素子で形成されたものであるとともに、生体組織表面に接触させるセンシング面における前記発光手段からの光の透過部のサイズと前記発光手段から放射される光の指向性とによって決定した距離だけ上記センシング面から前記発光手段を離して配置していることに特徴を有している。

皮膚組織は、一般に大きく表皮（Epidermis）、真皮（Dermis）、皮下組織（Subcutaneous Tissue）の３層の組織で構成されており、血糖値測定という点からすれば、表皮組織は組織内に毛細血管が発達していないために、血液中のグルコース濃度が変動しても、この表皮組織中のグルコース濃度は追随して変化しない。また、皮下組織は血管が発達しているものの、主に脂肪組織で構成されており、水溶性であるグルコースの信号を測定する組織としては適切ではない。これに対して、真皮組織は表皮の基底層で細胞を作り出すための栄養を血液から供給するために毛細血管が発達して活発な生理活動が行われており、しかも生体成分、たとえばグルコースは組織内で高い浸透性を有することから、真皮の組織内グルコース濃度は、細胞間質液（ISF:InterstitialFluid）と同様に血糖値に追随して変化すると推定できる。

したがって、表皮組織と皮下組織からの情報を避けて、真皮組織からグルコース濃度に関する情報を選択的に得られるようにすることで精度良い血糖値測定を行うことが期待できるが、この時、受発光間隔を０．２ｍｍから２ｍｍの間（更に好ましくは０．３５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下）に設定することで、皮膚の深さ方向における真皮組織に対する選択性を確保することができる。

ここにおいて、生体組織表面に接触させるセンシング面における前記発光手段からの光の透過部のサイズが大きすぎると上記受発光間隔も大きくなってしまい、２ｍｍ以内に設定することができなくなるために、上記サイズは円形であれば直径を０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、矩形であればその短い辺が発光手段と受光手段とを結ぶ方向に位置するようにするとともに、上記短辺を０．１ｍｍ〜０．５ｍｍとすることが、皮膚の深さ方向における真皮組織に対する選択性を確保して精度の良い測定を行うことに必要となる。

従って、生体組織表面に接触させるセンシング面における前記発光手段からの光の透過部のサイズと前記発光手段から放射される光の指向性とによって決定した距離だけ上記センシング面から前記発光手段を離して配置することにより、上記選択性を確実に確保することができるものであり、発光手段として発光ダイオードを用いる場合、その発光面から出力される光の半値角を考えると、上記距離は０．１ｍｍ〜１．０ｍｍが好ましい。もちろん、上記透過部のサイズと距離とから発光手段の発光面の大きさを規定するようにしてもよい。

なお、センシング面における前記発光手段からの光の透過部の形状が矩形（長方形）である場合、上述の方向に短辺を置くことで、発光手段から出力される光をより有効に利用することができ、この時、長辺の長さは受光素子の受光部の寸法と同程度にすることが好ましい。この場合の受光部の寸法は、円形であればその直径であり、長方形であればその長辺である。ただし、長方形の受光部はその短辺が発光手段と受光手段とを結ぶ方向となるように配置する。

発光手段としては、基板上に配置することができる半導体素子であればよいが、血糖値測定について考えると血糖値の管理のために長時間・長期間の使用が想定されることから、光エネルギー密度が低く且つ安価である発光ダイオードが生体への安全性の点で望ましい。

受光手段は発光手段の場合と異なり、必要とする拡散反射光を受光することができれば上記センシング面にマスクを配置しても構わないことから、その受光面とセンシング面との間の距離を限定するものではないが、受光手段としてフォトダイオードを用いる場合、これは外部からの熱による影響を受けやすいことから、発光手段からセンシング面までの距離も大きく、つまりはセンシング面よりも離して配置することが好ましい。生体からの熱の影響を低減して測定精度を向上させることが可能となる。

また、半導体素子からなる発光手段は、その発光部が円形のものと矩形のものとがあるが、長方形のものを用いる方が光をより有効に利用することができる。

そして、基板上の前記発光手段と受光手段とは立体配線で配線することで、一部ワイヤによる配線を行う場合に比して小型化を図ることができる。

また、発光手段と受光手段との間に遮光手段を配することで、発光手段から受光手段に回り込む光を遮断することができて測定精度を向上させることができる。

本発明によれば、発光手段と受光手段との間隔を皮膚組織の深さ方向に対する選択性の点において好ましい値の範囲内に確実に保つことができるものであり、このために目的とする測定を精度良く行うことができる。しかも発光手段及び受光手段を半導体素子で形性しているために、これらを備えるセンシング部は数ｍｍ程度の大きさで構成することが可能である上に、ハロゲンランプを光源とする場合のように大きな電源容量を必要とせず、従って、腕時計のようなサイズにまとめることができて、血糖値等の生体情報を非侵襲的に連続計測することにも容易に対応することができ、血糖値管理への応用という点で医療上のメリットは極めて大である。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、本発明に係る生体表層組織用センシング装置は、皮膚組織、特に、真皮層を標的とし、真皮組織中のグルコース濃度変化を代用特性として血糖値を非侵襲的に測定するためのものであり、真皮組織に近赤外光を選択的に伝播させてグルコース濃度変化に伴う散乱係数の変化を信号として検出し、血糖値を推定するためのものとして構成した一例を図１に示す。

発光手段として面発光型の発光ダイオード２２と、受光手段としてフォトダイオードのような受光素子２３とを基板２４上に配したもので、基板２４上に外壁２６を介してセンシング面２５を構成する近赤外線帯域で透明なカバーグラスを設けている。また、発光ダイオード２２と受光素子２３との間には樹脂からなる遮光板２７を配置して、発光ダイオード２２からの回り込み光が受光素子２３に至ることがないようにしている。図中２９は基板２４上の回路パターンと発光ダイオード２２及び受光素子２３を接続している配線であり、ここでは一部にワイヤボンディングを使用している。

また、図１に示す例では２つの発光ダイオード２２，２２を受光素子２３の両側に配置しているが、この配置は一例であり、受光素子２３の回りに４つの発光ダイオード２２を等間隔で並べることもできる。

上記発光ダイオード２２には、中心波長１３００ｎｍの近赤外光を発光するとともに、縦横高さの寸法が０．３ｍｍ×０.３ｍｍ×０.２５ｍｍ、発光面の寸法が０．１９ｍｍ角のものを用い、受光素子２３にはインジウム・ガリウム・砒素系の面受光型で、縦横高さの寸法が０．６ｍｍ×０.６ｍｍ×０.２ｍｍ、受光面の寸法が０．３ｍｍ角のものを用いている。

なお、発光ダイオード２２は１０００〜２５００ｎｍの近赤外波長域の光を発光するものであればよく、複数の発光ダイオード２２が全て同じ波長の光を発光するようにしても、全て異なる波長の光を発光するようにしてもよく、更には複数波長の組み合わせにして配置するようにしてもよい。

ここにおいて、生体表層組織に接触させるセンシング面２５の内面に正対する発光ダイオード２２が上記寸法の発光面を有するとともに出力される光の広がりの半値角αが３０°である場合、センシング面２５における発光面から出力された光の透過部のサイズを０．５ｍｍ角の範囲に納めるには、図２(a)に示すように発光面から距離０．１ｍｍのところに発光面を位置させればよい。

また、図２(b)に示すように外形が０．２ｍｍ×０．２ｍｍ×０．１ｍｍで発光面が０．１ｍｍ角であり、出力される光の半値角αが２７°の発光ダイオード２２を用いるとともに、センシング面２５における光の透過部のサイズを０．１ｍｍに納めたい場合、発光面からセンシング面２５までの距離を１ｍｍとすればよい。

図３は面発光型の発光ダイオード２２が長方形状の発光面を有しているものの場合（たとえば０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．２５ｍｍの外形で発光面が０．１ｍｍ×０．０５ｍｍの長方形）を示しており、発光面の短辺を発光ダイオード２２と受光素子２３とを結ぶ方向に平行に配置している。

図４は発光ダイオード２２及び受光素子２３と基板２４との間の配線２９を立体配線としたものの例を示している。ちなみに、センシング面２５（カバーグラス）側の配線２９は、カバーグラスの内面に形成した電路パターンで行っており、カバーグラスから発光ダイオード２２や受光素子２３への配線はワイヤでもよいが、導電性樹脂を介在させることで行うとよい。

図５に他の例を示す。これはフォトダイオードである受光素子２３が生体からの熱的影響を受けてしまうことを避けるために、センシング面２５から受光素子２３までの距離をセンシング面２５から発光ダイオード２２までの距離よりも大きくしたもので、ここでは発光ダイオード２２を実装した基板２４とは別の基板２４上に受光素子２３を実装し、両基板２４，２４を外壁３０を介して積み重ねている。また、受光素子２３を載せた基板２４の背面側には例えばペルチェ素子などを利用した冷却手段３１を配置することで、熱の影響をより受けにくくするようにしてもよい。

更に、図５に示すものでは、センシング面２５から受光素子２３までの距離が大きく、受光素子２３にはより広範囲なところからの光が入ることになるために、センシング面２５と受光素子２３との間に近赤外線帯域において透明な樹脂からなる導光体３２を配置して、該導光体３１によって、受光素子２３に入射する光の範囲を制限することで前記受発光間隔を適切に保つことができるようにしている。導光体３２に代えて、センシング面２５に受光範囲を限定することになるマスクを配置してもよい。

本発明の実施の形態の一例を示しており、(a)は断面図、(b)は平面図である。 (a)は同上の部分拡大断面図、(b)は他例の部分拡大断面図である。他例の断面図である。更に他例の断面図である。別の例の断面図である。従来例を示すもので、(a)はシステム構成の概略図、(b)はそのプローブ構成の概略図である。

符号の説明

２２発光ダイオード
２３受光素子
２４基板
２５センシング面

Claims

生体表層組織に照射する光を照射する発光手段と、生体表層組織からの拡散反射光を受光する受光手段を備えるとともに、前記発光手段の光軸と前記受光手段の光軸とがほぼ同一の方向となっている生体表層組織用センシング装置であって、
基板上に配置された前記発光手段と受光手段は、共に半導体素子で形成されたものであるとともに、生体組織表面に接触させるセンシング面における前記発光手段からの光の透過部のサイズと前記発光手段から放射される光の指向性とによって決定した距離だけ上記センシング面から前記発光手段を離して配置していることを特徴とする生体表層組織用センシング装置。
前記距離が０．１〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の生体表層組織用センシング装置。
前記受光手段と前記センシング面との間の距離は、前記発光手段と前記センシング面との間の距離より大であることを特徴とする請求項１または２記載の生体表層組織用センシング装置。
前記発光手段は面発光型の発光ダイオードからなるとともに、センシング面における発光手段からの光の透過部の形状が長方形となるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の生体表層組織用センシング装置。
前記基板上の前記発光手段と受光手段とは立体配線で配線されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の生体表層組織用センシング装置。
前記発光手段と受光手段との間に遮光手段が配されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の生体表層組織用センシング装置。