JP2010164570A - 成分濃度の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象に含まれる散乱物質の影響を極力除外し、目的物質の成分濃度を正確に測定する。
【解決手段】測定対象の状態を第１磁界状態として測定対象に対して光を照射し、そのときの測定対象からの光の状態を検出する第１ステップと、測定対象の状態を第１磁界状態とは異なる第２磁界状態として測定対象に対して光を照射し、そのときの測定対象からの光の状態を検出する第２ステップと、上記第１ステップにおける検出結果と、上記第２ステップにおける検出結果に基づいて目的成分の濃度を演算する第３ステップと、を有する。第１および第２ステップにおいては、測定対象およびリファレンスについてスペクトルを取得し、第３ステップにおいては、第１ステップにおいて測定された光量と、第２ステップにおいて測定された光量との差分Δをスペクトルとして取得しつつ目的成分を演算する。
【選択図】図３

Description

本発明は、測定対象物中の目的の成分を測定する技術に関する。

近年、糖尿病などの生活習慣病患者が増加しており、自宅などで行える簡易な手法に基づいて、血液中の血糖値やコレステロール値などを測定するというニーズが増加してきている。血糖値を測定するための簡易な手法としては、たとえば指先などを穿刺して血液を出液させて検体サンプルを採取した上で、この検体サンプルを用いて血液中のグルコース濃度を測定する方法がある。

しかしながら、指先を穿刺することは痛みを伴うため、血糖値測定において苦痛を感じることがある。特に、糖尿病患者の場合、日常生活の中での血糖値の管理を行なうために、１日に数回の血糖値測定が必要となる。したがって、糖尿病患者にとっては、１日に何度も苦痛を強いられる場合があり、血糖値の測定が大きな負担となっている。また、通常のグルコース濃度の測定においては、バイオセンサや尿試験紙などの消耗品が生じるといった問題もある。

そのため、日本国特開平５−１７６９１７号公報（特許文献１）には、グルコース濃度測定時の負担を軽減するために、患者から血液を採取せずに血糖値を測定する方法が開示されている。この方法では、人体に対して０．７８〜１．３２μｍの波長の近赤外光を照射し、そのときに人体を透過した光の強度に基づいてグルコース濃度を測定することができる。

一方、日本国特開平９−１３８２３１号公報（特許文献２）には、尿試験紙などの消耗品を必要とせず、尿中のグルコース濃度を測定する方法が開示されている。この方法では、偏光子を通過した光を試料溶液に照射し、そのときに試料溶液を透過した光の旋光角度に基づいて、グルコース濃度を測定することができる。

しかしながら、日本国特開平５−１７６９１７号公報に開示された方法では、照射光が人体を透過する際の光散乱状態の影響を受けやすい。すなわち、個人間における光散乱状態の差によって、個人間で測定結果にバラツキが生じ、また同一人においても、測定部位毎の光散乱状態の差によって、測定結果にバラツキが生じる。これらの不具合を解消するためには、個人毎の検量線の作成が必要となり、また同一人においては同一箇所で測定する必要が生じる。

一方、日本国特開平９−１３８２３１号公報に開示された方法では、固形物を含まない溶液における測定では有効であるものの、血液等の混濁液の測定や生体組織内の成分を測定しようとした場合には、測定対象物中の固形物おける光散乱の影響を受け、正確な測定値を求めることができないという問題点がある。

特開平５−１７６９１７号公報 特開平９−１３８２３１号公報

本発明は、測定者の負担を軽減しつつも、測定対象に含まれる散乱物質の影響を極力除外し、測定対象中の目的物質の成分濃度を正確に測定することを目的としている。

本発明においては、 測定対象の状態を外部から磁界を付与することにより磁界変調された第１磁界状態として測定対象に対して直線偏光された光を照射し、そのときの測定対象からの光の状態を検出する第１ステップと、測定対象の状態を上記第１の磁界状態とは異なる磁界強度によって得られる第２磁界状態として測定対象に対して上記直線偏光された光を照射し、そのときの測定対象からの光の状態を検出する第２ステップと、上記第１ステップにおける検出結果と、上記第２ステップにおける検出結果と、に基づいて、目的成分の濃度を演算する第３ステップと、を有し、上記第１および第２ステップにおいては、測定対象に照射する光の振動面とは異なる振動面を有する光を選択的に透過させる検光子において直線偏光としてから、測定対象からの光の状態を光量として検出し、上記第３ステップにおいては、上記第１ステップにおいて測定された光量と、上記第２ステップにおいて測定された光量との差分Δに基づいて、目的成分の濃度演算を行う成分濃度の測定方法であって、上記第１および第２ステップにおいては、測定対象およびリファレンスに関して、複数の波長において光量を測定してスペクトルを取得し、上記第３ステップにおいては、上記差分Δをスペクトルとして取得するとともに、下記数式（３）における係数α₂および係数β₂を求め、これらの係数α₂，β₂に基づいて、目的成分の濃度演算を行う、成分濃度の測定方法が提供される。

Ｘ₂：第１および第２磁界状態間における目的成分の旋光状態の変化に基づく光量変化量のスペクトル
Ｙ₂：第１および第２磁界状態間における目的成分以外の少なくとも１つの成分の旋光状態に基づく光量変化量のスペクトル

好ましくは、第１磁界状態は、たとえば測定対象に照射する光における光束中心での磁束密度が、１００〜１０００Ｇａｕｓｓとなるように測定対象に対して磁界を与えることにより達成される。もちろん、第２磁界状態が磁界変調であってもよい。

検光子は、第２磁界状態において、測定対象に光を照射したときの上記検光子における透過光量が最も小さくなる検光子の偏光軸の位置から、絶対値において、偏光軸が１．０〜１０．０（°）ずれた状態で配置するのが好ましい。

血糖値を測定する場合においては、数式（３）におけるＸ₂を第１および第２磁界状態間におけるグルコースの旋光状態の変化に基づく吸光度変化量のスペクトルとして求め、数式（３）におけるβ₂×Ｙ₂の項を下記数式（４）として演算を行ってもよい。

数式（４）において、β₂₁、β₂₂およびβ₂₃は、それぞれ血漿の係数、酸素化ヘモグロビンの係数および脱酸素化ヘモグロビンの係数であり、Ｙ₂₁、Ｙ₂₂およびＹ₂₃は、それぞれ第１および第２磁界状態間における血漿、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの旋光状態の変化に基づく光量変化量のスペクトルである。

係数α₂，β₂は、たとえば特異値分解の手法に基づいて求めることができる。

Ｘ₁，Ｘ₂，Ｙ₁，Ｙ₂を求めるときのリファレンスとしては、純水を挙げることができる。リファレンスとしては、ノイズ成分（目的成分および純水以外の光拡散成分）を含んだ状態を擬似的に構築したものを使用することもできる。

濃度測定の目的成分は、特に限定されないが、たとえばグルコース、コレステロール、乳酸、アスコルビン酸などを例示することができる。

濃度測定の目的成分は、典型的には、グルコースであり、その場合には、測定対象に照射する光の波長は、７８０〜１３２０ｎｍの範囲から選択される。

第１および第２ステップは、人体内に存在する測定対象に対して直接光を照射することにより行うことができる。もちろん、第１および第２ステップは、測定セルに測定対象を保持させた状態で行うこともできる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る濃度測定装置の一部をブロックで描いた断面図である。 図２は、図１に示した濃度測定装置の概念図である。 図３は、グルコース溶液において、測定対象に磁界を付与したときの特定の振動面を有する旋光の吸光スペクトル、磁界を付与しないときの吸光スペクトル、およびそれらの吸光スペクトルの差分を示す吸光スペクトルを示すグラフである。 図４は、本発明の第２の実施の形態に係る濃度測定装置の概念図である。 図５は、本発明の第３の実施の形態に係る濃度測定装置の概念図である。 図６は、本発明の第４の実施の形態に係る濃度測定装置の概念図である。 図７は、本発明の第５の実施の形態に係る濃度測定装置の概念図である。 図８は、実施例１における係数αの演算結果を示すグラフである。 図９は、実施例２における血漿中のグルコース濃度を測定した結果のグラフである。 図１０は、実施例３における係数αの演算結果を示すグラフである。 図１１は、実施例４における指先のグルコース濃度を測定した結果のグラフである。

本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照しつつ説明する。

まず、本発明に係る第１の実施の形態を、図１および図２を参照しつつ説明する。

図１に示した濃度測定装置１は、指先２において、非侵襲で体液中の目的成分、たとえばグルコースやコレステロールの濃度を測定するように構成されたものである。この濃度測定装置１は、指先保持部１０、光照射部１１、磁界付与部１２、受光部１３、および制御回路１４を備えている。

指先保持部１０は、分析時において指先を保持させるためのものであり、少なくとも光照射部１１、磁界付与部１２、および受光部１３が設けられたものである。

光照射部１１は、指先２に対して光を照射するためのものである。この光照射部１１は、光源１１Ａおよび偏光子１１Ｂを有している。

光源１１Ａは、広い波長範囲の光を出射するものとして構成されており、たとえばハロゲンランプあるいはチタンサファイアレーザにより構成されている。光照射部１１の光源としてハロゲンランプを用いる場合には、光照射部１１は、ハロゲンランプからの光を色フィルタなどによりろ過し、目的とする波長の光を選択してから光を出射するように構成される。グルコース濃度を測定する場合には、光源１１Ａからは、測定対象に対しては、７８０〜１３２０ｎｍの範囲から選択される波長の光が照射される。

偏光子１１Ｂは、光源１１Ａから出射された光から、目的とする振動面を有する直線偏光をフィルタリングするためのものである。

磁界付与部１２は、指先２の内部に存在する体液、すなわち測定対象に対して磁界を与えるためのものであり、たとえば回転磁石板を備えたものとして構成される。回転磁石板は、外周部に等間隔で複数個の磁石、たとえば８個のネオジウム磁石が配置されたものである。

受光部１３は、指先２を透過した光のうち、特定方向に振動する直線偏光を受光し、受光量に応じた信号を出力するためのものである。この受光部１３は、検光子１３Ａおよび受光素子１３Ｂを備えている。

検光子１３Ａは、指先２を透過した光をフィルタリングし、特定の振動面を有する直線偏光を選択的に通過させるものである。受光素子１３Ｂにおいて旋光を受光する場合には、検光子１３Ａは、その偏光軸が偏光子１１Ｂの偏光軸と非平行となるように配置される。

受光素子１３Ｂは、指先２および検光子１３Ａを通過した光を受光し、たとえば受光量に応じた電気信号を出力するためのものであり、たとえばフォトダイオードやフォトトランジスタとして構成されている。

制御回路１４は、各要素の動作を制御するためのものであり、制御部１４Ａおよび演算部１４Ｂを備えている。

制御部１４Ａは、主として磁界付与部１２を制御するためのものである。より具体的には、制御部１４Ａは、磁界付与部１２に対して測定対象に磁界が付与される状態と磁界が付与されない状態とを選択させ、あるいは測定対象に磁界を付与する場合には、付与すべき磁界の大きさを制御するためものである。この制御部１４Ａは、たとえば磁界付与部１２が回転磁石板を備えたものとして構成される場合には、回転磁石板の回転角度を制御することにより、測定対象において実現すべき磁界状態を制御する。

演算部１４Ｂは、受光素子１３Ｂにおける受光量に基づいて、測定対象における目的成分の濃度を演算するためのものである。演算部１４Ｂでは、たとえば測定対象に対して磁界を付与していない状態における受光素子１３Ｂでの受光量と、測定対象に対して磁界を付与した状態における受光素子１３Ｂでの受光量とに基づいて、目的成分の濃度が演算される。

このような制御回路１４は、たとえばＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭにより構成される。

濃度測定装置１においては、図２に示したように、光源１１Ａから照射された光は偏光子１１Ｂにおいて直線偏光とされてから指先２に照射される。一方、指先２、より正確には指先２の内部における体液（測定対象）に対しては、制御部１４Ａの制御によって外的に付与される磁界の大きさが制御されている。典型的には、光束中心での磁束密度が１００〜１５００Ｇａｕｓｓとなるように変調周波数を１０〜１００Ｈｚとして、測定対象に対して磁界を与える第１磁界状態と、測定対象に対して外的に磁界が付与されない第２磁界状態と、が選択される。

一方、受光素子１３Ｂにおいては、指先２および検光子１３Ａを通過した目的とする振動面を有する光が受光される。受光素子１３Ｂからは、受光量に応じた電気信号が出力され、それが演算部１４Ｂにおいて記憶される。演算部１４Ｂでは、測定対象が第１磁界状態のときの受光量と、測定対象が第２磁界状態のときの受光量とが個別に記憶される。

ここで、後述の試験からも明らかとなるが、測定対象に磁界を付与する状態と、磁界を付与しない状態とでは、測定対象における旋光が生じる程度が異なる。すなわち、測定対象に磁界を付与した場合には、ファラデー効果により測定対象における種々の成分に旋光が生じ、測定対象を透過した光にも旋光が生じる。

本実施の形態においては、予め設定された旋光角の光を検光子１３Ａにおいて選択的に透過させ、それを受光素子１３Ｂにおいて受光するように構成されている。どのような角度の旋光角の光を受光するか否かは、たとえば測定対象における目的成分の種類や測定対象に与える磁界の大きさによって決定され、またトライアルアンドエラーなどによって目的成分の旋光の程度も最も適切に抽出できる旋光角を選択してもよい。

目的成分としてグルコースの濃度を測定する場合には、検光子１３Ａは、たとえば測定対象に磁界を与えていない状態において、測定対象に対して直線偏光を照射したときに、検光子１３Ａにおける透過光量が最も小さくなる検光子１３Ａの偏光軸の位置（消光点）から、絶対値において、偏光軸が１．０〜１０．０（°）ずれた状態に配置される。

受光素子１３Ｂでの透過光の受光は、指先２に対して単一の波長の光を照射することにより行ってもよいが、複数の波長の光を個別に照射し、それぞれの波長に対して個別に行ってもよい。

上述のように、演算部１４Ｂにおいては、測定対象が第１磁界状態のときの受光量と、測定対象が第２磁界状態のときの受光量と、に基づいて、測定対象における目的成分の濃度が演算される。ここで、演算部１４Ｂにおける濃度演算の手法の一例を、グルコース濃度の演算を行う場合を例にとって説明する。

図１および図２に示した濃度測定装置１では、受光素子１３Ｂにおいて、複数の波長に対して、特定の旋光角の光を受光した場合には、受光量を基準とすれば、図３に実線および点線で示したようなスペクトルが得られる。図３において、実線は測定対象に対して磁界を与えていない状態（第２磁界状態）でのスペクトルであり、点線は測定対象に対して磁界を与えた状態（第１磁界状態）でのスペクトルである。図３にはさらに、第１磁界状態のときのスペクトルと第２磁界状態のときのスペクトルとの差分スペクトルを一点鎖線として示してある。

ここで、差分スペクトルは、測定対象に含まれる種々の成分における特定の角度の旋光量の総和であるため、差分スペクトルは下記数式（５）によって表現することができる。

数式（５）からは、グルコースの旋光量ΔＩ_glucose（λ）は、差分スペクトル（λ）から、水の旋光量ΔＩ_water（λ）およびノイズ成分の旋光量ΔＩ_Noise（λ）を差し引くことにより求めることができることが分かる。グルコースの旋光量ΔＩ_glucose（λ）は、グルコース濃度に依存するため、グルコースの旋光量ΔＩ_glucose（λ）を求めることにより、グルコース濃度を演算することができる。

簡易な手法においては、ノイズ成分の影響を無視すればよく、その場合には、グルコースの旋光量ΔＩ_glucose（λ）は、差分スペクトル（λ）から、水の旋光量ΔＩ_water（λ）を差し引くことにより求めることができる。

簡易な手法においては、水はリファレンスとしての役割を果たすが、リファレンスとしては、水以外のものを採用することもできる。たとえば、ノイズ成分の影響を考慮する場合には、リファレンスをノイズ成分の影響を反映したもととして構築することもできる。すなわち、水の旋光量ΔＩ_water（λ）およびノイズ成分の旋光量ΔＩ_Noise（λ）を合算したものを求めることができるようなリファレンスを採用することもできる。また、数式（１）におけるΔＩ_water（λ）項およびΔＩ_Noise（λ）項にそれぞれ対応する２数種のリファレンスを採用することもできる。

一方、数式（５）は、吸光度（旋光による受光量変化量。以下において、「吸光」というときは、旋光による受光量変化を意味する）を基準として考えれば、下記数式（６）と等価である。

目的とする旋光角における吸光度は、目的成分の濃度に相関するものであるため、数式（６）における係数αおよび係数βを求めることにより、測定対象におけるグルコースおよび水の割合を求めることができる。その結果、係数αおよび係数βからは、グルコースと水の比率、ひいてはグルコース濃度を求めることができる。

数式（６）における係数αおよび係数βは、たとえば特異値分解（Ｓｉｎｇｕｌａｒ Ｖａｌｕｅ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＳＶＤ）の手法を用いて求めることができる。

簡易な演算においては、Ｎｏｉｓｅ（λ）項を無視し、Ａｂｓ_glucose（λ）項およびＡｂｓ_water（λ）項に基づいて、特異値分解の手法により係数αおよび係数βを求めればよい。たとえば、測定対象の吸光スペクトルと、水の吸光スペクトル（リファレンス）とを調べれば、これらの吸光スペクトルの差分から、グルコースの吸光スペクトルが擬似的に求められる。グルコースの吸光スペクトルは、測定対象に磁界を与えたときと、磁界を与えないときの双方において求めることができるため、それらの吸光スペクトルによって、旋光によるグルコースの吸光スペクトルＡｂｓ_glucose（λ）を求めることができる。その結果、数式（６）における係数αおよび係数βを求めることができる。

より正確な演算を行う場合には、数式（６）におけるＮｏｉｓｅ（λ）項を考慮して特異値分解を行って係数αおよび係数βを求めればよい。ここで、Ｎｏｉｓｅ（λ）項は、グルコースおよび水以外の成分の吸光スペクトルの総和であり、正確には下記数式（７）のように表現できる。

したがって、特異値分解の手法にしたがって、係数αおよび係数βに加えて、測定対象に含まれるグルコースおよび水以外の成分に関して、ａ，ｂ，ｃ，…，ｎをも最適化しつつ係数αおよび係数βを求めれば、グルコース濃度の測定に影響を与える光拡散成分の影響も考慮した濃度演算が可能となる。

また、数式（６）に基づいてグルコース濃度を演算する場合においても、数式（５）に基づいてグルコース濃度を演算する場合と同様に、リファレンスとしては、水に変えて、あるいは水に加えて他のリファレンスを採用することもできる。この場合のリファレンスとしては、たとえばノイズ成分の影響を反映させたものが挙げられる。

数式（６）は、測定対象が容器に保持されたグルコース溶液である場合であっても、測定対象が指先や耳朶などの生体組織に含まれる体液（たとえば血液）である場合でも適用できる。

ここで、血液中においては、グルコースと水以外の光拡散成分として、典型的には血漿に含まれる成分、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンが挙げられる。血漿中には、種々の成分が含まれているが、本発明者が確認したところ、血漿中の成分を個別に考慮して旋光による吸光スペクトルを求めてそれを合算した場合と、血漿として吸光スペクトルを求めた場合では同様な結果が得られた。したがって、グルコース濃度を演算する場合には、簡易的には、差分吸光スペクトルを下記数式（８）として表現することができる。

数式（８）においては、リファレンスとして、血漿、酸素化ヘモグロビン、および脱酸素化ヘモグロビンの３種類を併用してもよく、また血漿、酸素化ヘモグロビン、および脱酸素化ヘモグロビンに相当する１つのリファレンスを使用してもよい。後者の場合のリファレンスは、適宜設定されるが、たとえば濃度が０．５〜２．０％のリピッドエマルジョン（静注用脂肪乳剤）を使用することができる。

次に、本発明の第２ないし第５の実施の形態について、図４ないし図７を参照して説明する。図４ないし図７においては、先に説明した本発明の第１の実施の形態に係る濃度測定装置と同様な要素については同一の符号を付してあり、以下においては、重複説明を省略するものとする。

図４には、本発明の第２の実施の形態に係る濃度測定装置を示した。この濃度測定装置３は、第１の実施の形態の濃度測定装置１とは異なり、磁界付与部３２が電磁石３２Ａおよび交流電流発生器３２Ｂを備えたものとして構成されている。電磁石３２Ａは、円筒状の磁心３２Ａａに対してコイル３２Ａｂを巻き付けたものとして構成されている。

この構成では、測定対象４が磁心３２Ａａの内部に配置され、測定対象４に与える磁界は、制御回路１４の制御部１４Ａが交流電流発生器３２Ｂを制御して電磁石３２Ａに供給する電力を調整することにより変調される。

濃度測定装置３においては、測定対象４が磁心３２Ａａの内部に配置されるため、測定対象４に対して効率よく磁界を与えることができる。

図５には、本発明の第３の実施の形態に係る濃度測定装置を示した。この濃度測定装置５は、本発明の第２の実施の形態に係る濃度測定装置３（図３参照）において、磁界付与部５２の構成を変更したものである。この磁界付与部５２は、電磁石５２Ａおよび交流電流発生器５２Ｂを備えたものとして構成されている。電磁石５２Ａは、磁心５２Ａａに対してコイル５２Ａｂを巻き付けたものである。磁心５２Ａａは、両端部が互いに対峙しており、それらの端部の間に測定対象４が配置されるように構成されている。

この構成では、測定対象４が磁心５２Ａａの端部間に配置されるため、測定対象４に対して効率よく磁界を与えることができる。また、磁心５２Ａａの端部間には、セルに収容された状態の測定対象ばかりでなく、指先や耳朶を配置することができるため、生体における血糖値を測定する場合に適合した構成となっている。

図６には、本発明の第４の実施の形態に係る濃度測定装置を示した。この濃度測定装置６は、本発明の第１の実施の形態に係る濃度測定装置１（図１および図２参照）において、光照射部として直線偏光を出射するレーザ光源６１Ａを採用したものである。

この濃度測定装置６では、レーザ光源６１Ａから直線偏光が出射されるため、偏光子１１Ｂ（図１および図２参照）が不要となり、装置構成を簡略化し、また光源から出射される光を有効に利用することができるようになる。

図７には、本発明の第５の実施の形態に係る濃度測定装置を示した。この濃度測定装置７は、本発明の第２の実施の形態に係る濃度測定装置３（図４参照）において、光照射部として直線偏光を出射するレーザ光源７１Ａを採用したものである。

この濃度測定装置６では、第３の実施の形態に係る濃度測定装置５（図５参照）と同様に、偏光子１１Ｂ（図１および図２参照）が不要となり、装置構成を簡略化し、また光源から出射される光を有効に利用することができるようになる。

濃度測定装置７においては、本発明の第３の実施の形態に係る濃度測定装置５（図５参照）と同様な磁界付与部５２を採用することができる。

以上の実施の形態においては、主としてグルコース濃度を測定する場合を例にとって説明したが、本発明はグルコースに限らず、その他の成分濃度を測定する場合にも適用できる。本発明はさらに、人体においてグルコース濃度などを測定する場合には、測定部位としては指先に限らず、耳朶などにおいても適用することができる。

［実施例１］
本実施例においては、数式（６）におけるＮｏｉｓｅ（λ）項を無視した簡易な演算により、数式（６）における係数αを求めた。その結果を図８に示した。

係数αの演算にあたっては、測定対象の吸光度と水の吸光度（リファレンス）を測定した。

吸光度の測定にあたっては、セル長が３０（ｍｍ）である石英セルにサンプルを分注し、この石英セルに光を照射したときの透過光の光量を測定した。

サンプルとしては、濃度が０（ｍｇ／ｄＬ）（＝リファレンスとしての純水）、１０（ｍｇ／ｄＬ）、２０（ｍｇ／ｄＬ）、５０（ｍｇ／ｄＬ）、１００（ｍｇ／ｄＬ）、３００（ｍｇ／ｄＬ）、または５００（ｍｇ／ｄＬ）である７種類のグルコース溶液を用いた。

石英セルに対する光の照射は、ハロゲンランプから出射される光を、レンズを用いて平行光に近づけ、偏光子によって直線偏光としてから行った。照射する光の波長は、６６０ｎｍ〜１１１０ｎｍの範囲において連続的に変化させた。

透過光は、石英セルに磁界を与えた状態と、磁界を与えない状態と、のそれぞれにおいて、波長を変化させている間、連続的にフォトダイオードにおいて受光した。

石英セルに対する磁界の付与は、ネオジウム磁石（幅３０（ｍｍ）、高さ５０（ｍｍ）、厚さ１０（ｍｍ））を用いて、石英セルに照射する光における光束の中心での磁束密度が４００Ｇａｕｓｓ、変調周波数を６０Ｈｚとなるように行った。

フォトダイオードにおいては、石英セルからの透過光を検光子において目的とする振動面を有する直線偏光にフィルタリングしてから受光した。

検光子は、消光点（石英セルに磁界を与えていない状態において、石英セルに純水を分注したときの透過光を検光子に入射したときに、検光子を通過する光の強度が最も小さくなる点）における偏光軸の向きを基準としたときに、この基準から偏光軸が５度ずれるように配置した。

図８には、横軸をグルコース濃度、縦軸を係数αとして示してある。同図から分かるように、グルコース濃度と係数αと間には、一定の相関関係が見受けられる。そのため、上述した手法により係数αを求めれば、グルコース濃度を演算することができる。

ここで、留意すべき点は、今回実験を行った系では、サンプル濃度に関係なく、水の量が略一定であるために数式（６）における係数βは定数として捉えることができる。したがって、本来であれば、係数αはグルコース濃度に対して比例関係にあるはずである。この点については、今後検討の改善の余地があるが、その理由の１つとしては、光源としてハロゲンランプを用いているとともに、ハロゲンランプからの光を平行光とするための光学系に問題があると考えられる。すなわち、簡易な実験であるために、光学系の構築が不十分であり、石英セルに照射される光が十分に平行光となっていなかったものと考えられる。したがって、測定対象に照射する光の平行度を高めることにより、測定精度が向上するものと考えられる。

［実施例２］
以上においては、連続的に波長を変化させつつ測定対象に光を照射してグルコース濃度を演算する場合を例にとって説明したが、数式（６）から十分に予想されるように、単一波長の光を照射した場合であっても、数式（６）に即してグルコース濃度を演算することができる。すなわち、数式（６）は、差分吸光スペクトルの関係式として表現されていたが、数式（６）として表現された関係は、単一の波長に固定した場合において、吸光度の関係式として成立するものである。

本実施例においては、測定対象に対して単一の波長を照射し、そのときの受光結果から数式（６）におけるＮｏｉｓｅ（λ）項を無視した簡易な演算により係数αおよび係数βを求め、これらの係数α，βからグルコース濃度を測定した。その結果を図９に示した。

図９においては、血糖値測定装置（グルコカードＧＴ−１１６０：アークレイ（株）製））を用いてサンプルの血糖値を測定した結果を参照値として横軸に示してある。

吸光度の測定にあたっては、セル長が３０（ｍｍ）である石英セルに対象物を分注し、この石英セルに光を照射したときの透過光の光量を測定した。

対象物としては、サンプルとしてのグルコース濃度が未知の血漿、およびリファレンスとしての純水を用いた。

石英セルに対する光の照射は、ハロゲンランプから出射される光を、レンズを用いて平行光に近づけ、偏光子によって直線偏光としてから行った。照射する光の波長は、１０６４ｎｍに固定した。

透過光は、石英セルに磁界を与えた状態と、磁界を与えない状態と、のそれぞれにおいて、フォトダイオードにおいて受光した。

石英セルに対する磁界の付与は、ネオジウム磁石（幅３０（ｍｍ）、高さ５０（ｍｍ）、厚さ１０（ｍｍ））を用いて、石英セルに照射する光における光束の中心での磁束密度が４００Ｇａｕｓｓ、変調周波数を６０Ｈｚとなるように行った。

フォトダイオードにおいては、石英セルからの透過光を検光子において目的とする振動面を有する直線偏光にフィルタリングしてから目的とする旋光を受光した。

検光子は、消光点における偏光軸の向きを基準としたときに、この基準から偏光軸が５度ずれるように配置した。

図９から分かるように、測定波長を固定した場合であっても、血糖値測定装置を用いた場合と良好な相関関係が得られている。また、今回の実験においては、サンプルとしてノイズ成分を含む血漿を用いており、かつ数式（６）におけるＮｏｉｓｅ（λ）項を無視した簡易な手法によりグルコース濃度の演算を行っている。したがって、Ｎｏｉｓｅ（λ）項を考慮して演算を行えば、血糖値測定装置での測定結果により相関した結果が得られるものと考えられる。

［実施例３］
本実施例においては、光源としてチタンサファイアレーザ発信器（スペクトラフィジックス社製）を用い、基本的には実施例１と同様にして数式（６）における係数αを求めた。その結果を図１０に示した。

ただし、サンプルとしては、濃度が０（ｍｇ／ｄＬ）（＝リファレンスとしての純水）、１０（ｍｇ／ｄＬ）、２０（ｍｇ／ｄＬ）、５０（ｍｇ／ｄＬ）、１００（ｍｇ／ｄＬ）、または３００（ｍｇ／ｄＬ）である６種類のグルコース溶液を用いた。石英セルに対する磁界の付与は、石英セルに照射する光における光束の中心での磁束密度が１０００Ｇａｕｓｓとなるように、変調周波数を６０Ｈｚとして行った。

図１０には、横軸をグルコース濃度、縦軸を係数αとして示してあるが、グルコース濃度と係数αと間には、良好の相関関係が見受けられる。実施例１と実施例３とでは、光照射部の構成が大きく異なっており、その結果が実施例１（図８）と実施例３（図１０）との間における直線性の差として現れている。したがって、本実施例のように、測定対象に対して平行度の高い光を照射することにより、測定精度が向上するものと考えられる。

［実施例４］
本実施例では、被験者の指を測定対象としてグルコース濃度を測定した。その結果を図１１に示した。図１１においても、実施例２と同一の血糖値測定装置を用いて測定したグルコース濃度を横軸に参照値として示した。

被験者は、男性３名（３０代１名、４０代２名）、女性１名（３０代）の合計４名であり、被験者の全ては健常者である。

グルコース濃度の測定部位は、手の小指の先とし、グルコース濃度の測定は、被験者が食事を行う前後において行った。

指先に対しては、波長が１０６４ｎｍである光を、レンズにおいて平行光に近づけ、かつ偏光子によって直線偏光としてから照射した。

指先を透過した光は、検光子を通過させてから、指先に磁界を付与しない状態と、指先に磁界を付与した状態のそれぞれにおいて、フォトダイオードにおいて受光した。

検光子は、消光点における偏光軸の向きを基準としたときに、この基準から偏光軸が１５度ずれるように配置した。

指先に付与する磁界は、指先に照射する光における光束の中心での磁束密度が４００Ｇａｕｓｓ、変調周波数を６０Ｈｚとした。

リファレンスとしては、１％リピッドエマルジョン（静注用脂肪乳剤）を用いた。

図１１から分かるように、参照値と演算値との間には、若干誤差が大きいものの、一応の相関関係が見受けられる。今回の測定結果においては、実施例２の場合と同様に、指先に照射する光の平行度に問題があると考えられ、またリファレンスの設定の仕方に問題があったものと考えられる。すなわち、本実施例のリファレンスは、純水ではなくエマルジョンであり、リファレンスをノイズ成分の影響を考慮したものとしたのであるが、それが指先において測定する場合においては、十分なものではなかったものと考えられる。今後、照射光の平行度の問題を解決し、適切なリファレンスを選択することができれば、指先においても、精度良くグルコース濃度を測定できるものと考えられる。

Claims (10)

1. 測定対象の状態を外部から磁界を付与することにより磁界変調された第１磁界状態として測定対象に対して直線偏光された光を照射し、そのときの測定対象からの光の状態を検出する第１ステップと、
   測定対象の状態を上記第１の磁界状態とは異なる磁界強度によって得られる第２磁界状態として測定対象に対して上記直線偏光された光を照射し、そのときの測定対象からの光の状態を検出する第２ステップと、
   上記第１ステップにおける検出結果と、上記第２ステップにおける検出結果と、に基づいて、目的成分の濃度を演算する第３ステップと、
   を有し、
   上記第１および第２ステップにおいては、測定対象に照射する光の振動面とは異なる振動面を有する光を選択的に透過させる検光子において直線偏光としてから、測定対象からの光の状態を光量として検出し、
   上記第３ステップにおいては、上記第１ステップにおいて測定された光量と、上記第２ステップにおいて測定された光量との差分Δに基づいて、目的成分の濃度演算を行う成分濃度の測定方法であって、
   上記第１および第２ステップにおいては、測定対象およびリファレンスに関して、複数の波長において光量を測定してスペクトルを取得し、
   上記第３ステップにおいては、上記差分Δをスペクトルとして取得するとともに、下記数式（３）における係数α₂および係数β₂を求め、これらの係数α₂，β₂に基づいて、目的成分の濃度演算を行う、成分濃度の測定方法。
   

   

   Ｘ₂：第１および第２磁界状態間における目的成分の旋光状態の変化に基づく光量変化量のスペクトル
   Ｙ₂：第１および第２磁界状態間における目的成分以外の少なくとも１つの成分の旋光状態に基づく光量変化量のスペクトル
2. Ｘ₂は、測定対象の光量変化量のスペクトルからリファレンスの光量変化量のスペクトルを差し引くことにより求められ、
   Ｙ₂は、リファレンスの光量変化量のスペクトルとして求められる、請求項１に記載の成分濃度の測定方法。
3. 血糖値を測定する場合において、数式（３）におけるＸ₂を第１および第２磁界状態間におけるグルコースの旋光状態の変化に基づく光量変化量のスペクトルとして求め、
   数式（３）におけるβ₂×Ｙ₂の項を下記数式（４）として演算を行う、請求項１または２に記載の成分濃度の測定方法。
   

   

   数式（４）において、β₂₁、β₂₂およびβ₂₃は、それぞれ血漿の係数、酸素化ヘモグロビンの係数および脱酸素化ヘモグロビンの係数であり、
   Ｙ₂₁、Ｙ₂₂およびＹ₂₃は、それぞれ第１および第２磁界状態間における血漿、酸素化ヘモグロビンおよび脱酸素化ヘモグロビンの旋光状態の変化に基づく光量変化量のスペクトルである。
4. リファレンスは、純水である、請求項１ないし３のいずれかに記載の成分濃度の測定方法。
5. リファレンスは、ノイズ成分を含んだ状態を擬似的に構築したものである、請求項１ないし３のいずれかに記載の成分濃度の測定方法。
6. 上記係数α₂，β₂は、特異値分解の手法に基づいて求められる、請求項１ないし５のいずれかに記載の成分濃度の測定方法。
7. 濃度測定の目的成分は、グルコースであり、測定対象に照射する光の波長は、７８０〜１３２０ｎｍの範囲から選択される、請求項１ないし６のいずかに記載の成分濃度の測定方法。
8. 上記第１磁界状態は、測定対象に照射する光における光束中心での磁束密度が、１００〜１０００Ｇａｕｓｓとなるように測定対象に対して磁界を与えることにより達成される、請求項１ないし７のいずれかに記載の成分濃度の測定方法。
9. 上記検光子は、上記第２磁界状態において、測定対象に光を照射したときに上記検光子における透過光量が最も小さくなる上記検光子の偏光軸の位置から、絶対値において、偏光軸が１．０〜１０．０（°）ずれた状態で配置される、請求項１ないし８のいずれかに記載の成分濃度の測定方法。
10. 上記光量は、測定対象を透過した光に基づいて測定される、請求項１ないし９のいずれかに記載の成分濃度の測定方法。

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