JP2009261669A - 血中成分濃度測定装置及び血中成分濃度測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】血中成分の濃度を、非侵襲にて、高精度に測定することができる血中成分濃度測定装置及び血中成分濃度測定方法を提供すること。
【解決手段】本発明の血中成分濃度測定装置１は、血中成分の光吸収帯に属する波長を有する光を生体に向けて照射する照射手段９と、前記照射手段９により照射され、前記生体１３内で反射した光、又は前記生体１３を透過した光を受光する受光手段１１と、前記受光手段１１により受光した光の強度における脈派に起因する変動に基づき、前記血中成分濃度を測定する濃度測定手段５と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、生体の血中成分の濃度を測定する血中成分濃度測定装置及び血中成分濃度測定方法に関する。

従来、血中成分の濃度を非侵襲で測定しようとする技術が開示されている。例えば、特許文献１には、以下の技術が開示されている。波長７８０〜１３００ｎｍから選択される少なくとも１つの波長の近赤外光を人体に入射させ、その透過光の強度を測定する。そして、透過光の強度に基づいて人体内のグルコース濃度を求める。
特開平５−１７６９１７号公報

しかしながら、上記の従来技術では、測定時において、測定する部位を押さえつける程度が微妙に変わっただけでも測定値が変動してしまい、高精度な測定ができなかった。
本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、血中成分の濃度を、非侵襲にて、高精度に測定することができる血中成分濃度測定装置及び血中成分濃度測定方法を提供することを目的とする。

本発明の血中成分濃度測定装置は、血中成分の光吸収帯に属する波長を有する光を生体に向けて照射し、生体内で反射した光、又は生体を透過した光を受光し、その受光した光の強度における脈派に起因する変動に基づき、血中成分濃度を測定する。このことにより、本発明の血中成分濃度測定装置は、血中成分濃度を、非侵襲にて、高精度に測定することができる。

特に、本発明の血中成分濃度測定装置は、脈派に起因する変動における波高に基づき、血中成分濃度を測定することができる。こうすることにより、血中成分濃度を、非侵襲にて、高精度に測定することができる。

また、本発明の血中成分濃度測定装置は、波高と、基準波高との対比結果に基づき、血中成分濃度を測定することができる。ここで、基準波高とは、例えば、予め所定の状態において測定しておいた波高である。こうすることにより、血中成分濃度を、非侵襲にて、高精度に測定することができる。

また、本発明の血中成分濃度測定装置は、複数種類の光のそれぞれについて、波高を算出し、異なる光に対応する波高同士の対比結果に基づき、血中成分濃度を測定することができる。こうすることにより、血中成分濃度を、非侵襲にて、高精度に測定することができる。

本発明の血中成分濃度測定装置は、例えば、生体の指先に向けて光を照射するものとすることができる。そのことにより、容易に血中成分濃度を測定することができる。
本発明の血中成分濃度測定装置は、生体に対する照射手段の押し付け圧を一定に保持する保持手段を備えることが好ましい。こうすることにより、血中成分濃度の測定中に、生体の測定部位が動いてしまうようなことが無く、また、押しつけ圧が強すぎ、毛細血管が圧迫されてしまうようなことがない。

本発明の血中成分濃度測定方法は、血中成分の光吸収帯に属する波長を有する光を生体に向けて照射し、生体内で反射した光、又は生体を透過した光を受光し、その受光した光の強度における脈派に起因する変動に基づき、血中成分濃度を測定する。このことにより、本発明の血中成分濃度測定方法は、血中成分濃度を、非侵襲にて、高精度に測定することができる。

特に、本発明の血中成分濃度測定方法は、脈派に起因する変動における波高に基づき、血中成分濃度を測定することができる。こうすることにより、血中成分濃度を、非侵襲にて、高精度に測定することができる。

また、本発明の血中成分濃度測定方法は、波高と、基準波高との対比結果に基づき、血中成分濃度を測定することができる。ここで、基準波高とは、例えば、予め所定の状態において測定しておいた波高である。こうすることにより、血中成分濃度を、非侵襲にて、高精度に測定することができる。

また、本発明の血中成分濃度測定方法は、複数種類の光のそれぞれについて、波高を算出し、異なる光に対応する波高同士の対比結果に基づき、血中成分濃度を測定することができる。こうすることにより、血中成分濃度を、非侵襲にて、高精度に測定することができる。

本発明の血中成分濃度測定方法は、例えば、生体の指先に向けて光を照射するものとすることができる。そのことにより、容易に血中成分濃度を測定することができる。
前記血中成分としては、例えば、アルコール（エチルアルコール）、グルコース、糖、タンパク質、コレステロール等が挙げられる。測定に用いる光の波長は、血中成分に応じて設定することができる。例えば、測定する血中成分がアルコールである場合は、８００〜１４００ｎｍの範囲が好ましい。この範囲の波長を用いることにより、他の波長（例えば８００ｎｍ未満）を用いる場合よりも、被験者の個人差や食事の影響を小さくすることができる。また、８００〜１０００ｎｍの波長を用いて測定した値と、１０００〜１４００ｎｍの波長を用いて測定した値との比に基づいて血中成分濃度を算出すると、被験者の個人差や食事の影響を一層小さくすることができる。

前記生体としては、ヒト、各種動物等が挙げられる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
１．血中成分濃度測定装置の構成
血中成分濃度測定装置１の構成を図１〜図４に基づいて説明する。図１は血中成分濃度測定装置１の全体構成を表す斜視図であり、図２は測定部５を表す正面図であり、図３は指尖保持部１５を表す正面図であり、図４は血中成分濃度測定装置１の電気的構成を表すブロック図である。

血中成分濃度測定装置１は、図１に示すように、被験者（ヒト）の掌を載置することができる掌置台３と、掌置台３に掌を載置した状態で、指尖を挿入可能な測定部５とを備えている。

測定部５は、図２に示すように、本体部７と、照射部９と、受光部１１とを有する。本体部７は、底面が略Ｖ字型となった樋状の部材であり、被験者の指尖１３を挿入可能な大きさを有する。照射部９は、本体部７のＶ字型の底面を構成する第１底面７ａに取り付けられており、本体部７の内側に向けて、光を照射可能である。照射部９はＬＥＤを光源とし、所定の波長の光を照射する。なお、ＬＤを光源としてもよく、光学フィルタやプリズムで分光した光を照射するものであってもよい。受光部１１は、本体部７のＶ字型の底面を構成する第２底面７ｂに取り付けられており、照射部９が照射した光を受光可能である。受光部１１は、周知のフォトダイオード（ＰＤ）や光電管により光を受光し、電気信号に変換する。

また、血中成分濃度測定装置１は、測定部５の上方に、図３に示す指尖保持部１５を備えている。指尖保持部１５は、袋状の部材である袋部１７と、袋部１７の下面に取り付けられ、スポンジから成る押しつけ部１９とから構成される。袋部１７は、図示しない加圧ポンプからエアーを供給されると、図３（ａ）に示すように膨張する。このとき、押しつけ部１９は下方に移動し、測定部５に置かれた指尖に上方から当接し、指尖を下方に押しつける。その結果、図２に示すように、指尖１３は照射部９及び受光部１１に押しつけられ、指尖１３と照射部９及び受光部１１の相対的な位置関係は一定に保たれる。血中成分濃度の測定はこの状態で行う。押しつけ部１９の押しつけ圧力は、２０±５Ｐａに設定される。

一方、袋部１７からエアーを排出すると、図３（ｂ）に示すように、袋部１７は収縮し、押しつけ部１９は、上方に移動する。ことのき、押しつけ部１９は、測定部５に置かれた指尖に当接せず、測定部５に対する指尖の出し入れが自由になる。

また、血中成分濃度測定装置１は、図４に示すように、液晶ディスプレイから成り、各種表示を行う表示部２０を備えている。また、血中成分濃度測定装置１は、測定部５、指尖保持部１５、及び表示部２０を制御するとともに、測定部５で得られた電気信号に基づき、後述する各種演算を実行する制御部２２を備えている。制御部２２は、後述する基準波高や検量線等の各種データを記憶する記憶部２２ａを備えている。また、血中成分濃度測定装置１は、キーボードから成り、情報を制御部２２に入力可能な入力部２４を備える。

２．血中成分濃度の測定方法
まず、図２に示すように、被験者の指尖１３を血中成分濃度測定装置１の測定部５に挿入し、指尖保持部１５（図３参照）により、指尖１３を一定の位置に保持する。

この状態で、血中成分濃度測定装置１（特に制御部２２）は、図５のフローチャートに示す手順で、血中成分濃度を測定する。ここでは、血中成分としてアルコールを測定する。

ステップ１０では、被験者の個人認証を行う。具体的には、入力部２４（図４参照）に入力されたパスワードにより個人認証を行う。なお、指紋や静脈のパターン等の生体情報で個人認証を行ってもよい。

ステップ２０では、被験者の基準波高を記憶部２２ａ（図４参照）から読み込む。この基準波高の内容については後述する。基準波高は、被験者ごとに、記憶部２２ａに予め記憶されており、前記ステップ１０で認証した個人に対応する基準波高を読み込む。

ステップ３０では、以下に示すように、脈派測定を行う。図２に示すように、照射部９が、アルコールの光吸収帯に属する波長（１３００ｎｍ）を有する光を指尖１３に向けて照射する。指尖１３の内部には、骨２１、動脈２３、静脈２５、及び毛細血管２７が存在する。照射部９により照射された光は指尖１３内に入り、毛細血管２７に至る。このとき、毛細血管２７内の血液に含まれるアルコールにより特定波長の光が吸収される。そして、吸収されなかった光の一部が受光部１１に入射する。受光部１１に入射した光は、電気信号に変換される。制御部２２は、受光部１１に入射した光に基づく電気信号を時系列的に取得し、図６及び図７に示すように、脈派に起因して周期的に変動する波形を得る。なお、図６は被験者が飲酒していない状態での波形であり、図７は被験者が飲酒した後における波形である。

ステップ４０では、図６及び図７に示すように、前記ステップ３０で得られた波形において、波高（脈派に起因する周期的な変動におけるピークとボトムとの差）を算出する。なお、上述した基準波高とは、被験者が飲酒していない状態での波形から算出された波高である。

ステップ５０では、前記ステップ４０で算出した波高から、前記ステップ２０で読み込んだ基準波高を差し引いて、波高差を算出する。
ステップ６０では、前記ステップ５０で算出した波高差が、所定の閾値より大きくなっているか（すなわち、前記ステップ４０で算出した波高が、基準波高よりも所定の値以上高くなっているか）否かを判断する。ＹＥＳの場合はステップ７０に進み、ＮＯの場合はステップ９０に進む。

ステップ７０では、次のようにして、血中アルコール濃度を算出する。まず、基準波高に対する、前記ステップ４０で算出した波高の比率（以下、波高比率とする）を算出する。血中成分濃度測定装置１は、波高比率と血中アルコール濃度との検量線を、被験者ごとに記憶部２２ａに予め記憶しており、上記のように算出した波高比率を、この検量線に当てはめて、血中アルコール濃度を算出する。

ステップ８０では、前記ステップ７０で算出した血中アルコール濃度を、表示部２０に表示する。その後、本処理を終了する。
一方、前記ステップ６０でＮＯと判断した場合は、ステップ９０に進み、飲酒なしと判断し、本処理を終了する。

３．血中成分濃度測定装置１が奏する効果
(i) 血中成分濃度測定装置１は、血中アルコール濃度を、非侵襲にて、高精度に測定することができる。このことは、以下の実験結果により支持される。

血中アルコール濃度が異なる複数の被験者について、それぞれ、上述した方法で波高を算出した。また、同時に、同じ被験者について、採血した血液サンプルおける血中アルコール濃度を精密に測定した。波高と、採血した血液サンプルにおける血中アルコール濃度との関係を図８に示す。図８に示すように、波高と血中アルコール濃度とは、非常に良く相関がとれていた。すなわち、波高を利用すれば、非侵襲にて、高精度に血中アルコール濃度を測定できることが確認できた。

この効果は、以下の事実と対比すると、一層明らかとなる。血中成分濃度測定装置１の測定部５に被験者の指尖を挿入し、照射部９から光（波長：１３００ｎｍ）を照射した。そして、ある時点における、受光部１１での受光率を計測した。ここで受光率とは、照射部９で照射した光の強度に対する、受光部１１で受光した光の強度の比率である。

上記の受光率を、血中アルコール濃度が異なる複数の被験者について、それぞれ計測した。その結果を図９（ａ）に示す。図９（ａ）に示すように、受光率と血中アルコール濃度との相関は全く見られなかった。また、上記の受光率を、同一の被験者（飲酒していない被験者）について、繰り返し計測した、その結果を図９（ｂ）に示す。図９（ｂ）に示すように、受光率は再現性が乏しく、計測ごとに値が変動してしまった。この結果から、波高ではなく、受光部１１で受光した光の強度（受光率）自体に基づき、血中アルコール濃度を精度よく測定することは困難であることが分かった。

波高に基づけば血中アルコール濃度を非侵襲にて高精度に測定できる理由は、以下のように推測できる。血液は毛細血管の外にも存在し、照射部９が照射する光は、毛細血管内の血液だけではなく、毛細血管の外に存在する血液によっても吸収される。そのため、受光部１１で受光する光の強度は、毛細血管内の血液だけではなく、毛細血管の外に存在する血液によっても影響される。毛細血管の外にある血液の量や分布は、指尖の押しつけ程度等によって大きく影響され、結果として、受光部１１で受光する光の強度も、指尖の押しつけ程度等によって大きく影響されてしまう。そのため、受光部１１で受光する光の強度は再現性が乏しくなってしまう。

それに対し、波高は、脈派（血管内を流れる血液の脈動）により生じる変動の高さであるから、毛細血管内の血液のみに影響され、毛細血管の外に存在する血液には影響されない。よって、波高に基づけば、毛細血管の外に存在する血液の影響を受けず、血中アルコール濃度を非侵襲にて高精度に測定できると考えられる。
(ii) 血中成分濃度測定装置１は、掌置台３を備え、血中アルコール濃度を測定するとき、被験者の掌は、掌置台３に載置される。このため、血中アルコール濃度の測定中、被験者の指尖が回転してしまうことがなく、常に同じ毛細血管を測定対象とすることができる。
(iii) 血中成分濃度測定装置１は、Ｖ字型の底面を有する本体部７を備え、血中アルコール濃度を測定するとき、被験者の指尖は、このＶ字型の部分に挟まれるように保持される。そのことにより、血中アルコール濃度の測定中、被験者の指尖を一層動きにくくすることができる。
(iv)押しつけ部１９は、適切な圧力で被験者の指尖を測定部５に押しつけるので、血中アルコール濃度の測定中に指尖が動いてしまうようなことが無く、また、押しつけ圧が強すぎ、毛細血管が圧迫されてしまうようなことがない。

４．血中成分濃度の他の測定方法
血中成分濃度測定装置１は、図１０のフローチャートに示す方法で血中アルコール濃度を測定してもよい。

ステップ１１０では、第１の波長（１３００ｎｍ）の光を用い、前記ステップ２０と同様に、脈派測定を行う。
ステップ１２０では、前記ステップ１１０で得られた波形において、波高を算出する。

ステップ１３０では、第２の波長（１６５０ｎｍ）の光を用い、前記ステップ２０と同様に、脈派測定を行う。
ステップ１４０では、前記ステップ１３０で得られた波形において、波高を算出する。

ステップ１５０では、前記ステップ１２０で算出した波高と、前記ステップ１４０で算出した波高との比率（以下、波高比率とする）を算出する。
ステップ１６０では、前記ステップ１５０で算出した波高比率が、基準比率から変化しているか否か判断する。ここで、基準比率とは、血中アルコール濃度が０のときの波高比率であり、予め記憶部２２ａに記憶されていた値である。波高比率が、基準比率から変化していると判断した場合はステップ１７０に進み、変化していないと判断した場合はステップ１９０に進む。

ステップ１７０では、血中アルコール濃度を算出する。記憶部２２ａは、波高比率と血中アルコール濃度との検量線を、被験者ごとに記憶しており、前記ステップ１５０で算出した波高比率を、この検量線に当てはめて、血中アルコール濃度を算出する。

ステップ１８０では、前記ステップ１７０で算出した血中アルコール濃度を、表示部２０に表示する。その後、本処理を終了する。
一方、前記ステップ１６０でＮＯと判断した場合は、ステップ１９０に進み、飲酒なしと判断し、本処理を終了する。

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、血中成分濃度測定装置１を用いて、アルコール以外の血中成分である、グルコース、糖、タンパク質、コレステロール等を測定してもよい。その場合は、照射部９が照射する光の波長を、それぞれの血中成分の吸収帯に合わせて設定すればよい。

また、受光手段１１は、指尖を透過した光を受光するものであってもよい。
また、記憶手段２２ａに、波高と血中アルコール濃度との検量線を記憶しておき、算出した波高をこの検量線に当てはめ、血中アルコール濃度を算出してもよい。

血中成分濃度測定装置１の全体構成を表す斜視図である。 測定部５を表す正面図である。 図３は指尖保持部を表す正面図であり、（ａ）は指尖を押圧する状態を表し、（ｂ）は指尖を開放する状態を表す。 血中成分濃度測定装置１の電気的構成を表すブロック図である。 血中成分濃度測定装置１が実行する処理を表すフローチャートである。 受光部１１に入射した光に基づく電気信号の波形を表すグラフである。 受光部１１に入射した光に基づく電気信号の波形を表すグラフである。 血中アルコール濃度と波高との関係を表すグラフである。 受光率を表すグラフであり、（ａ）は飲酒した被験者に対応し、（ｂ）は飲酒していない被験者に対応する。 血中成分濃度測定装置１が実行する処理を表すフローチャートである。

符号の説明

１・・・血中成分濃度測定装置、３・・・掌置台、５・・・測定部、７・・・本体部、
７ａ・・・第１底面、７ｂ・・・第２底面、９・・・照射部、１１・・・受光部、
１３・・・指尖、１５・・・指尖保持部、１７・・・袋部、１９・・・押しつけ部、
２０・・・表示部、２１・・・骨、２２・・・制御部、２２ａ・・・記憶部、
２３・・・動脈、２４・・・入力部、２５・・・静脈、２７・・・毛細血管

Claims (11)

1. 血中成分の光吸収帯に属する波長を有する光を生体に向けて照射する照射手段と、
   前記照射手段により照射され、前記生体内で反射した光、又は前記生体を透過した光を受光する受光手段と、
   前記受光手段により受光した光の強度における脈派に起因する変動に基づき、前記血中成分濃度を測定する濃度測定手段と、
   を備えることを特徴とする血中成分濃度測定装置。
2. 前記濃度測定手段は、前記脈派に起因する変動における波高に基づき、前記血中成分濃度を測定することを特徴とする請求項１に記載の血中成分濃度測定装置。
3. 前記濃度測定手段は、前記波高と、基準波高との対比結果に基づき、前記血中成分濃度を測定することを特徴とする請求項２に記載の血中成分濃度測定装置。
4. 前記照射手段は、波長がそれぞれ異なる複数種類の光を照射可能であるとともに、前記受光手段は、前記複数種類の光を受光可能であり、
   前記濃度測定手段は、前記複数種類の光のそれぞれについて、前記波高を算出し、異なる光に対応する波高同士の対比結果に基づき、前記血中成分濃度を測定することを特徴とする請求項２に記載の血中成分濃度測定装置。
5. 前記照射手段は、生体の指先に向けて前記光を照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の血中成分濃度測定装置。
6. 前記生体に対する前記照射手段の押し付け圧を一定に保持する保持手段を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の血中成分濃度測定装置。
7. 血中成分の光吸収帯に属する波長を有する光を生体に向けて照射し、前記生体内で反射した前記光、又は前記生体を透過した前記光を受光し、前記受光した光の強度における脈派に起因する変動に基づき、前記血中成分濃度を測定することを特徴とする血中成分濃度測定方法。
8. 前記脈派に起因する変動における波高に基づき、前記血中成分濃度を測定することを特徴とする請求項７に記載の血中成分濃度測定方法。
9. 前記波高と、基準波高との対比結果に基づき、前記血中成分濃度を測定することを特徴とする請求項８に記載の血中成分濃度測定方法。
10. 複数種類の光のそれぞれについて、前記波高を算出し、異なる光に対応する波高同士の対比結果に基づき、前記血中成分濃度を測定することを特徴とする請求項８に記載の血中成分濃度測定方法。
11. 生体の指先に向けて前記光を照射することを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の血中成分濃度測定方法。