JP2010237139A - 濃度定量装置、濃度定量方法及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】照射部104は、皮膚に短時間パルス光を照射し、受光部105は、皮膚によって後方散乱した光を受光し、計測光強度取得部106は、時刻tにおける受光部105の受光強度を取得する。光吸収係数算出部109は、計測光強度取得部106が取得した光強度と、光路長分布記憶部102が記憶する時刻tにおける皮膚モデルの各層の光路長と、時間分解波形記憶部103が記憶する時刻tにおける皮膚モデルの光強度とに基づいて、皮膚の真皮層の光吸収係数を算出し、濃度算出部110は、光吸収係数算出部109が算出した真皮層の光吸収係数に基づいて、真皮層のグルコース濃度を算出する。
【選択図】図1
Description
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、目的の層以外の層によるノイズの影響を軽減する濃度定量装置、濃度定量方法及びプログラムを提供することにある。
これにより、受光した光の時間分解波形から、任意の層の光吸収計数を選択的に算出することができる。そのため、算出した光吸収計数に基づいて目的成分の濃度を算出することにより、他の層によるノイズの影響を軽減し、精度の高い濃度の定量を行うことができる。
これにより、各時刻における光強度や光路長に含まれている誤差による、吸収係数の算出結果に対する影響を少なくすることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態による血糖値測定装置の構成を示す概略ブロック図である。
血糖値測定装置100(濃度定量装置)は、シミュレーション部101、光路長分布記憶部102(光路長分布記憶手段)、時間分解波形記憶部103(時間分解波形記憶手段)、照射部104(照射手段)、受光部105(受光手段)、計測光強度取得部106(光強度取得手段)、光路長取得部107(光路長取得手段)、無吸収時光強度取得部108(光強度モデル取得手段)、光吸収係数算出部109(光吸収係数算出手段)、濃度算出部110(濃度算出手段)を備える。
血糖値測定装置100は、皮膚(観測対象)の真皮層(任意の層)に含まれるグルコース(目的成分)の濃度を測定する。
光路長分布記憶部102は、光吸収係数がゼロの皮膚モデルの伝搬光路長分布を記憶する。
時間分解波形記憶部103は、光吸収係数がゼロの皮膚モデルの時間分解波形を記憶する。
照射部104は、皮膚に対して短時間パルス光を照射する。
受光部105は、短時間パルス光が皮膚によって後方散乱した光を受光する。
計測光強度取得部106は、受光部105が受光した光のある時刻における光強度を取得する。
光路長取得部107は、光路長分布記憶部102からある時刻における光路長を取得する。
無吸収時光強度取得部108は、時間分解波形記憶部103からある時刻における光強度を取得する。
光吸収係数算出部109は、短時間パルス光を照射した皮膚の真皮層における光吸収係数を算出する。
濃度算出部110は、真皮層に含まれるグルコースの濃度を算出する。
これにより、真皮層以外の層によるノイズの影響を軽減して、真皮層に含まれるグルコースの濃度を算出することができる。
血糖値測定装置100は、血糖値を測定する前に、予め皮膚モデルの各層における伝搬光路長分布と時間分解波形とを算出しておく必要がある。
まず、皮膚モデルの伝搬光路長分布及び時間分解波形の算出方法を説明する。
初めに、シミュレーション部101は、皮膚モデルを生成する。皮膚モデルの生成は、皮膚の各層の光散乱係数、光吸収係数及び厚みを決定することで行う。ここで、皮膚の各層の散乱係数及び厚みは、個体による差が少ないため、予めサンプルを取ることなどによって決定すると良い。なお、表皮層の厚みは略0.3mm、真皮層の厚みは略1.2mm、皮下組織層の厚みは略3.0mmである。
また、ここで用いる皮膚モデルの光吸収係数はゼロとする。これは、当該皮膚モデルを用いて光吸収量を算出するためである。
まず、シミュレーション部101は、照射する光のモデルを光子(光束)とし、当該光子を皮膚モデルに照射する計算を行う。皮膚モデルに照射された光子は、皮膚モデル内を移動する。このとき、光子は、次に進む点までの距離L及び方向θを乱数Rによって決定する。シミュレーション部101は、光子が次に進む点までの距離Lの計算を、式(4)によって行う。
また、シミュレーション部101は、光子が次に進む点までの方向θの計算を、式(5)によって行う。
シミュレーション部101は、上記式(4)、式(5)の計算を単位時間毎に繰り返すことにより、照射部104から受光部105までの光子の移動経路を算出することができる。シミュレーション部101は、複数の光子について移動距離の算出を行う。例えば、シミュレーション部101は、108個の光子について移動距離を算出する。
図2の横軸は光子の照射からの経過時間を示し、縦軸は光路長の対数表示を示している。シミュレーション部101は、受光部105に到達した光子の各々の移動経路を、移動経路が通過する層毎に分類する。そして、シミュレーション部101は、単位時間毎に到達した光子の移動経路の平均長を分類された層毎に算出することで、図2に示すような皮膚の各層の伝搬光路長分布を算出する。
図3の横軸は光子の照射からの経過時間を示し、縦軸は受光部105が検出した光子数を示している。シミュレーション部101は、単位時間毎に受光部105に到達した光子の個数を算出することで、図3に示すような皮膚モデルの時間分解波形を算出する。
上述したような処理により、シミュレーション部101は、複数の波長に対して、皮膚モデルの伝搬光路長分布及び時間分解波形を算出する。このとき、シミュレーション部101は、皮膚の主成分(水、たんぱく質、脂質、グルコース等)の吸収スペクトルの直交性が高くなる波長について伝搬光路長分布及び時間分解波形を算出すると良い。
図4の横軸は照射する光の波長を示し、縦軸は吸収係数を示している。図4を参照すると、グルコースの吸収係数は、波長が1600nmのときに極大となり、水の吸収係数は、波長が1450nmのときに極大となる。そのため、シミュレーション部101は、例えば1450nm、1600nmといった皮膚の主成分の吸収スペクトルの直交性が高くなる波長について伝搬光路長分布及び時間分解波形を算出すると良い。
図5は、血糖値測定装置が血糖値を測定する動作を示す第1のフローチャートである。
まず、ユーザが血糖値測定装置100を皮膚にあてがい、測定開始スイッチ(図示せず)の押下等によって血糖値測定装置100を動作させると、照射部104は、皮膚に対して波長λ1の短時間パルス光を照射する(ステップS1)。ここで、波長λ1は、シミュレーション部101が伝搬光路長分布及び時間分解波形を算出した複数の波長の中の1つである。
受光部105が受光を完了すると、計測光強度取得部106は、受光部105の内部メモリに格納されている、異なる時刻tにおける受光強度I(t)を皮膚の層の数と同じ数だけ取得する(ステップS3)。すなわち、計測光強度取得部106は、3つの異なる時刻t1〜t3における受光強度I(t1)〜I(t3)を取得する。ここで、皮膚の層の数と同じ数だけ受光強度を取得する理由は、後述する処理において、皮膚の各層の吸収係数を連立方程式によって算出するためである。
また、計測光強度取得部106が、受光強度I(t1)〜I(t3)を取得すると、無吸収時光強度取得部108は、時間分解波形記憶部103が記憶する波長λ1の時間分解波形から、時刻t1〜t3における検出光子数N(t1)〜N(t3)を取得する(ステップS5)。
光吸収係数算出部109が皮膚の各層の光吸収係数μ1〜μ3を算出すると、光吸収係数算出部109は、皮膚の主成分の種類数と同じ数の波長に対して光吸収係数μ1〜μ3を算出したか否かを判定する(ステップS7)。本実施形態では、皮膚の主成分を水、たんぱく質、脂質、グルコースの4種類として血糖値の測定を行うため、光吸収係数算出部109は、4種類の波長λ1〜λ4に対して光吸収係数μ1〜μ3を算出したか否かを判定する。ここで、波長λ1〜λ4は、シミュレーション部101が伝搬光路長分布及び時間分解波形を算出した複数の波長の中から選出する。
他方、光吸収係数算出部109が、波長λ1〜λ4の光吸収係数μ1〜μ3を算出していると判定した場合(ステップS7:YES)、濃度算出部110は、式(7)に基づいて真皮質に含まれるグルコースの濃度を算出する(ステップS8)。
つまり、式(7)のg4を算出することで、真皮質に含まれるグルコースのモル濃度を求めることができる。
第2の実施形態は、第1の実施形態による血糖値測定装置100と同じ構成であり、計測光強度取得部106、光路長取得部107、無吸収時光強度取得部108、光吸収係数算出部109の動作が異なる。
まず、血糖値測定装置100を動作させると、照射部104は、皮膚に対して波長λ1の短時間パルス光を照射する(ステップS11)。ここで、波長λ1は、シミュレーション部101が伝搬光路長分布及び時間分解波形を算出した複数の波長の中の1つである。
受光部105が受光を完了すると、計測光強度取得部106は、受光部105の内部メモリに格納されている受光強度から、ある時刻から時間τの間の受光強度の時間分布を取得する(ステップS13)。
また、計測光強度取得部106が、時間τの間の受光強度を取得すると、無吸収時光強度取得部108は、時間分解波形記憶部103が記憶する波長λ1の時間分解波形から、ある時刻から時間τの間の検出光子数を取得する(ステップS15)。
他方、光吸収係数算出部109が、波長λ1〜λ4の光吸収係数μ1〜μ3を算出していると判定した場合(ステップS17:YES)、濃度算出部110は、上述した式(7)に基づいて真皮質に含まれるグルコースの濃度を算出する(ステップS18)。
例えば、実施形態1及び実施形態2では、濃度定量方法を血糖値測定装置100に実装し、皮膚の真皮層に含まれるグルコースの濃度を測定する場合を説明したが、これに限られず、濃度定量方法を、複数の光散乱媒質の層から形成される観測対象の任意の層における目的成分の濃度を定量する他の装置に用いても良い。
Claims (10)
- 複数の光散乱媒質の層から形成される観測対象のうち、任意の層における目的成分の濃度を定量する濃度定量装置であって、
前記観測対象に対して照射する短時間パルス光の、前記複数の光散乱媒質の層の各々の層における伝搬光路長分布のモデルを記憶する光路長分布記憶手段と、
前記観測対象に対して照射する短時間パルス光の時間分解波形のモデルを記憶する時間分解波形記憶手段と、
前記観測対象に短時間パルス光を照射する照射手段と、
前記短時間パルス光が前記観測対象によって後方散乱した光を受光する受光手段と、
前記照射手段が短時間パルス光を照射した時刻以降の前記照射手段が短時間パルス光を照射した時刻以降の所定の時刻において前記受光手段が受光した光の強度を取得する光強度取得手段と、
前記光路長分布記憶手段から、前記伝搬光路長分布のモデルの前記所定の時刻における、前記複数の光散乱媒質の層の各々の層の光路長を取得する光路長取得手段と、
前記時間分解波形記憶手段から、前記短時間パルス光の時間分解波形のモデルの前記所定の時刻における光の強度を取得する光強度モデル取得手段と、
前記光強度取得手段が取得した光強度と前記光路長取得手段が取得した前記複数の光散乱媒質の層の各々の層の光路長と前記光強度モデル取得手段が取得した光強度モデルとに基づいて、前記任意の層の光吸収係数を算出する光吸収係数算出手段と、
前記光吸収係数算出手段が算出した光吸収係数に基づいて、前記任意の層における前記目的成分の濃度を算出する濃度算出手段と、
を備えることを特徴とする濃度定量装置。 - 前記光強度取得手段が光強度を取得する複数の時刻は、前記複数の光散乱媒質の層の各々の層の伝搬光路長分布のピーク時間を含むことを特徴とする請求項2に記載の濃度定量装置。
- 前記照射手段が照射する複数の光は、前記目的成分の光吸収係数が大きくなる波長の光を含むことを特徴とする請求項5に記載の濃度定量装置。
- 前記照射手段が照射する複数の光は、前記観測対象を形成する主成分の各々の成分の吸収スペクトル分布の直交性が高くなる波長の光を含むことを特徴とする請求項5に記載の濃度定量装置。
- 前記光路長分布記憶手段が記憶する短時間パルス光の、前記複数の光散乱媒質の層の各々の層における伝搬光路長分布のモデル及び前記時間分解波形記憶手段が記憶する短時間パルス光の時間分解波形のモデルは、前記観測対象の光吸収係数をゼロとしてシミュレーションを行うことによって算出することを特徴とする請求項1から請求項7の何れか1項に記載の濃度定量装置。
- 複数の光散乱媒質の層から形成される観測対象に対して照射する短時間パルス光の、前記複数の光散乱媒質の層の各々の層における伝搬光路長分布のモデルを記憶する光路長分布記憶手段と、前記観測対象に対して照射する短時間パルス光の時間分解波形のモデルを記憶する時間分解波形記憶手段とを備え、前記観測対象のうち任意の層における目的成分の濃度を定量する濃度定量装置を用いた濃度定量方法であって、
照射手段は、前記観測対象に短時間パルス光を照射し、
受光手段は、前記短時間パルス光が前記観測対象によって後方散乱した光を受光し、
光強度取得手段は、前記照射手段が短時間パルス光を照射した時刻以降の所定の時刻において前記受光手段が受光した光の強度を取得し、
光路長取得手段は、前記光路長分布記憶手段から、前記伝搬光路長分布のモデルの前記所定の時刻における、前記複数の光散乱媒質の層の各々の層の光路長を取得し、
光強度モデル取得手段は、前記時間分解波形記憶手段から、前記短時間パルス光の時間分解波形のモデルの前記所定の時刻における光の強度を取得し、
光吸収係数算出手段は、前記光強度取得手段が取得した光強度と前記光路長取得手段が取得した前記複数の光散乱媒質の層の各々の層の光路長と前記光強度モデル取得手段が取得した光強度モデルとに基づいて、前記任意の層の光吸収係数を算出し、
濃度算出手段は、前記光吸収係数算出手段が算出した光吸収係数に基づいて、前記任意の層における前記目的成分の濃度を算出する、
ことを特徴とする濃度定量方法。 - 複数の光散乱媒質の層から形成される観測対象に対して照射する短時間パルス光の、前記複数の光散乱媒質の層の各々の層における伝搬光路長分布のモデルを記憶する光路長分布記憶手段と、前記観測対象に対して照射する短時間パルス光の時間分解波形のモデルを記憶する時間分解波形記憶手段とを備え、前記観測対象のうち任意の層における目的成分の濃度を定量する濃度定量装置を、
前記観測対象に短時間パルス光を照射する照射手段、
前記短時間パルス光が前記観測対象によって後方散乱した光を受光する受光手段、
前記照射手段が短時間パルス光を照射した時刻以降の所定の時刻において前記受光手段が受光した光の強度を取得する光強度取得手段、
前記光路長分布記憶手段から、前記伝搬光路長分布のモデルの前記所定の時刻における、前記複数の光散乱媒質の層の各々の層の光路長を取得する光路長取得手段、
前記時間分解波形記憶手段から、前記短時間パルス光の時間分解波形のモデルの前記所定の時刻における光の強度を取得する光強度モデル取得手段、
前記光強度取得手段が取得した光強度と前記光路長取得手段が取得した前記複数の光散乱媒質の層の各々の層の光路長と前記光強度モデル取得手段が取得した光強度モデルとに基づいて、前記任意の層の光吸収係数を算出する光吸収係数算出手段、
前記光吸収係数算出手段が算出した光吸収係数に基づいて、前記任意の層における前記目的成分の濃度を算出する濃度算出手段、
として動作させるためのプログラム。
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