JP2012522579A - 血糖を非侵襲的に検出するための光分光デバイスと関連する使用方法 - Google Patents

Abstract

光を集めるための装置と、関連の使用方法とが開示されている。本装置は、前端と後端と内面と外面とを有する第１の外壁であって、内面が内側部分を画定し、内側部分が前端と後端とを有する第１の外壁と、内側部分内に配置される光源とを備える。第１の外壁は後端内に開口を有し、開口は開口直径を有する。内側部分は略円錐台形状を有し、かつ開口における開口直径に等しい断面直径と、前端近くにおける開口直径より小さい第２の断面直径とを有し、内面は光反射性である。光は、サンプルを通過して開口および集光レンズまたは第２の外壁を通って進む。透過回折格子が利用されてもよい。

Description

本発明は、血糖を非侵襲的に検出する分野に関する。

糖尿病は、制御されなければ、やがて神経、血管、目、腎臓および心臓を含む多くの体組織に深刻な損傷を与えることになる慢性疾患である。国立糖尿病・消化器・腎疾病研究所（ＮＩＤＤＫ）は、２００７年度において、合衆国における２３６０万人または人口の７．８パーセントが糖尿病であったと推定している。世界的には、世界保健機関（ＷＨＯ）が、１億８０００万人を超える人々が糖尿病を煩っていて、２０３０年までにその数は３億６６００万人にまで増加し、そのうちの３０３０万人が米国人であると推定している。ＷＨＯによれば、２００５年には、推定１１０万人が糖尿病によって死亡した。ＷＨＯは、糖尿病による死者は２００６年から２０１５年までの間に全体としては５０％を超えて増加し、高中所得国では８０％を超えて増加すると見積もっている。

糖尿病に関わる個人的および社会全体としての経済的負担は多大である。米国糖尿病協会によれば、２００７年の米国において、糖尿病に関わる経済的費用の年間総額は１７４０億ドルであったと推定された。これは、２００２年以降４２０億ドルの増加である。この３２％増加は、金額が毎年８０億ドルを超えて上昇していることを意味する。

糖尿病管理の極めて重要な要素は、糖尿病患者による自宅環境での血糖濃度の自己監視（ＳＭＢＧ）である。血糖レベルを頻繁に検査することによって、糖尿病患者は、健康に対する長期的な負の影響を制御し続けかつこれを防止するために、投薬、食事療法および運動をより良く管理することができる。実際、１，４４１名の糖尿病患者を数年間追跡調査した糖尿病コントロールと合併症に関する臨床試験（ＤＣＣＴ）は、毎日複数回の血液検査を行う強化制御プログラムに従った者では、従来療法グループに比べて、糖尿病性眼疾患を発症した者が僅かに４分の１、腎臓病を発症した者が２分の１、神経疾患を発症した者が３分の１であり、これら３つの合併症の初期症状を既に呈していた者で症状をさらに悪化させた者は遙かに少ないものであったことを示している。

現在の監視技法は、分析に先立って皮膚を介して血液を抜き取るというその不便かつ痛みを伴う性質によって習慣的使用をためらわせるものであり、多くの糖尿病患者が良好な血糖管理をするために必要な熱心さを欠く原因となっている。結果的に、糖尿病の管理にとっては、グルコース濃度の非侵襲的測定は望ましくかつ有益な開発である。非侵襲の監視装置は、毎日の複数回の検査を痛みのないものにし、かつ糖尿病を抱える子供達にとって受け入れやすいものにする。２００５年に公表された研究（Ｊ．Ｗａｇｎｅｒ、Ｃ．ＭａｌｃｈｏｆｆおよびＧ．Ａｂｂｏｔｔ共著「Ｄｉａｂｅｔｅｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃｓ」７（４）、２００５年、６１２〜６１９）によれば、非侵襲の血糖監視デバイスによって、糖尿病患者はより頻繁にＳＭＢＧを実行し、よって生活の質を向上させている。

血糖を決定するための非侵襲的手法は、幾つか存在する。血液生化学成分を非侵襲的に検出する１つの技法は、光スペクトルデータを収集して分析することを含む。

分光法から得られるスペクトルまたは他のデータからグルコース濃度等の血液の性状に関する情報を抽出することは、検出対象である領域に血液以外の成分（例えば、皮膚、脂肪、筋肉、骨、間質液）が存在することに起因して複雑な問題である。このような他の成分は、読取り値を変えるような影響をこれらの信号に与える可能性がある。具体的には、結果的に得られる信号は、その大きさが信号の血液に対応する部分より遙かに大きくなる場合があり、よって血液の性状に関する情報を正確に抽出する能力を制限する。

図面は必ずしも一定の縮尺で描かれていないが、幾つかの図を通じて、類似の数字は実質的に類似のコンポーネントを記述している。異なる接尾文字を有する類似の数字は、実質的に類似のコンポーネントの異なる例を表す。諸図は、概して、本文書において検討される様々な実施形態を、限定ではなく例として示している。

幾つかの実施形態による、動脈血の光吸収に対応する脈波を示すプロットである。 本発明による、光計測システムのコンポーネントを示す簡易ブロック図である。 幾つかの実施形態による、生体サンプルの光学的測定を実行するための既存の光学構成を示す。 生体サンプルの光学的測定を実行するための第１の代替実施形態を示す。 生体サンプルの光学的測定を実行するための好適な実施形態を示す。 生体サンプルの光学的測定を実行するための第２の代替実施形態を示す。 例示的な光漏斗および半角（α）を示す断面図である。 例示的な光漏斗および光源を示す断面図である。

以下の詳細な説明は、詳細な説明の一部を形成する添付の図面を参照することを含む。これらの図面は、本発明が実施され得る特有の実施形態を例示として示している。以下、本明細書では「例」とも称されるこれらの実施形態を、当業者による本発明の実施を可能にするために詳細に説明する。本発明の範囲を逸脱することなく、これらの実施形態は組み合わされてもよく、他の実施形態が利用されてもよく、または構造的かつ論理的変更が行われてもよい。従って、以下の詳細な説明は限定的な意味で捉えられるべきものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびその同等物によって規定される。

本文書において、「ａ（１つの）」または「ａｎ（１つの）」という用語は１つ、または２つ以上を包含して使用され、「ｏｒ（または）」という用語は、別段の指摘のない限り、非排他的な「ｏｒ（または）」を指して用いられる。さらに、本明細書において使用される表現法または用語法は、別段の定義のない限り、単に説明のためのものであって、限定を目的とするものではないことも理解されるべきである。さらに、本文書において参照される全ての公報、特許および特許文献は、参照によりその全体が、参照により個別に組み込まれるかのように本明細書に組み込まれる。本文書と、こうして参照により組み込まれるこれらの文献との間で使用法に不一致が生じる場合、組み込まれる引例における使用法は本文書の使用法の補足として考慮されるべきであり、相容れない不一致であれば、本文書における使用法が優先する。

本発明の実施形態は、サンプルを照射してその光学的性質を測定するための光漏斗等の光学コンポーネントに関する。ヒトまたは動物の身体部位の分光学的サンプリングが例示されるが、これらの実施形態は、光検出器、光学顕微鏡、分光計等を含むあらゆるタイプの光学的計測に関連している。

光分光は、ヒトの指等の生体サンプルによって吸収される光の量を決定するために使用されることが可能である。指によって吸収される光量を測定すれば、ヒトのグルコース、コレステロールおよびヘモグロビンのレベルを非侵襲的に決定することが可能である。通常は、指先での測定は、多くの毛細血管が指先に集まっている、および動脈血から静脈血への転換が指先で生じる、という理由で好ましい。しかしながら、本発明による技法は、ヒトの指での用途に限定されない。例えば、ヒトの耳たぶ等の他のサンプルの使用が望ましい場合もある。

光は、ヒトの指等の生体サンプルを介して透過されると、皮膚、筋肉、骨、脂肪、間質液および血液を含む指の様々な構成要素によって吸収されかつ散乱される。しかしながら、ヒトの指による光の吸収は、心拍に一致する小さな周期性パターンを呈することが観察されている。図１は、ユーザの心拍に起因する毛細血管内の動脈血の光吸収に対応する周期的な検出器光電流、Ｉ_Ｄ（ｔ）のプロット１０２を描いている。この周期性パターンの大きさは、検出器によって発生される合計光電流に比べると小さいが、プロット１０２のこの周期性パターンからはかなりの情報の抽出が可能である。例えば、ヒトの心拍数が毎分６０であるとすれば、任意の脈拍の始まりから終わりまでの時間は１秒である。この１秒間に、光電流は、最大またはピーク１０４の読取り値と、最少または谷１０６の読取り値とを有する。プロットのピーク１０４の読取り値は、毛細血管内に最小量の血液が存在するときに一致し、かつ谷１０６の読取り値は、毛細血管内に最大量の血液が存在するときに一致する。周期性プロットのピークおよび谷によって提供される情報を用いることにより、毛細血管内に存在しない、皮膚、脂肪、骨、筋肉および間質液等の指の主要な構成要素による光の吸収および散乱は除外される。毛細血管内に存在しないこれらの主要な構成要素が除外される理由は、これらが１拍の時間間隔において変化しないと思われることにある。言い替えれば、血液によって吸収される光は、プロット１０２のピークと谷とを基礎として検出されることが可能である。

光検出デバイスによって発生される周期性光電流のピークをＩ_ｐ、周期性光電流の隣接する谷をＩ_ｖ、およびサンプルなしの状態で光検出デバイスによって発生される光電流をＩ_０とすると、ピークおよび谷の光電流に対応する透過率は、次のように定義されることが可能である：

および、

対応するピークおよび谷の吸光度は、
Ａ_Ｖ＝−ｌｏｇ（Ｔ_Ｖ） （３）
および、
Ａ_Ｐ＝−ｌｏｇ（Ｔ_Ｐ） （４）
である。

Ａ_ｖとＡ_ｐとの差は、指内の血液のみによる光の吸収および散乱を反映している：

式（５）に示されているアルゴリズムでは、指を透過される光パワーに対応する光電流を監視するだけでよい。その結果、ヒトの指がない状態で光検出デバイスにより発生される光電流を決定する必要はない。

図２は、サンプル（例えば、ヒトの指）内の血液のみによって光の吸収および散乱量を決定するための、「拍動」の概念を利用する、概して数字２００で示されている現在の光計測システムのコンポーネントを示す簡易ブロック図である。電池等の電源２０１は、ユーザの指の先端へ方向づけられる複数の光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０を発生する光源２０２へ電力を供給する。光計測システムの一態様２００によれば、光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０は各々、典型的には約７００ｎｍから約１６００ｎｍまでである同じ波長範囲を有する。本明細書において、光計測システム２００は４つの光ビームを発生するものとして記述されているが、他の実施形態では、光源２０２がより少ない光ビームまたは追加の光ビームを発生するように変更され得ることは予期される。

第１の開口２１２は、光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０がサンプル（例えば、ヒトの指）の標的部位に当たることを保証する。第２の開口２１４は、光ビームのサンプルを介して透過される部分がレンズ２１６に当たることを保証する。光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０はサンプルおよび光計測システム２００のコンポーネントによって減衰され、よって、サンプルからは減衰された光ビーム２１８、２２０、２２２、２２４が放射される。減衰された光ビーム２１８、２２０、２２２、２２４はレンズ２１６に当たり、レンズ２１６は減衰された光ビーム２１８、２２０、２２２、２２４を、これらが検出器ブロック２２６上へより効率的に当たるように集める。

検出器ブロック２２６はレンズ２１６の直下に位置合わせされ、フォトダイオードアレイ等の複数の光検出デバイス（ＬＳＤ）２２８、２３０、２３２、２３４を備える。光計測システム２００の一態様によれば、光検出デバイス２２８、２３０、２３２、２３４は各々、特有の１つの（または複数の）光スペクトルを検出するように調整される。例えば、各光検出デバイスは、フィルタ２３６、２３８、２４０、２４２等の対応する１つの干渉フィルタ（ＩＦ）に関連づけられてもよい。干渉フィルタは、光の１つまたは複数のスペクトルバンドまたはスペクトル線を透過させて他を実質的に遮断する。

光検出デバイス２２８、２３０、２３２、２３４は各々、特定の光検出デバイスによって受け入れられる光のパワーに比例する対応した光電流信号２４４、２４６、２４８、２５０を発生する。フォトダイオードによって発生される光電流信号は、アナログ電圧信号またはデジタル信号等の別の信号形式に変換されることが可能である。

検出器ブロック２２６へはプロセッサ２４３が結合され、これは、光電流信号２４４、２４６、２４８、２５０の変化を計算するように構成される。ある例示的な実施形態において、プロセッサ２４３は、指内の血液のみによって引き起こされる光吸収（ΔＡ）の変化を計算するために、上記の数式（５）によって示される式に示されているようなアルゴリズムを実行する。この後、血液の光吸収のこの定量的計算は、血液の特性を決定するために使用されることが可能である。例えば、ユーザのグルコースレベルは、計算された光吸収値をメモリ（不図示）に記憶されている異なるグルコースレベルに対応する既定値と比較することによって決定されることが可能である。

周期性パターンの振幅（即ち、ピークと谷との差分）は、典型的には、サンプル（例えば、ヒトの指）を透過される光パワーによって発生される総光電流の１％−２％であることから、指ベースの拍動検出方法に関連づけられる困難さは、信号対雑音（「Ｓ／Ｎ」）比が低いことにある。ΔＡの決定に際して１００：１のＳ／Ｎ比を達成するためには、サンプルによる光吸収の測定に用いられているデバイスのベースライン雑音の吸収が１０Ｈｚの帯域幅内で３．０×１０^−５（ピーク間）を超えるべきではない。

しかしながら、帯域幅１０Ｈｚ内でのベースライン雑音の３．０×１０^−５という（ピーク間）吸収レベルは、幾つかの電池電源式ハンドヘルド非侵襲血液生化学成分計測デバイスによって用いられる低い光パワーレベルでは達成が困難である。

ある知られているソリューションはデータの平均化を含んでいる。Ｓ／Ｎ比を高めるために、下式により定義されるようなΔＡの平均値が、血糖濃度を抽出するためのさらなる計算に使用される：

この式において、Ｍは拍動測定の時間間隔の間の心拍数である。しかしながら、この手法は、心拍数が毎秒約１であるということに起因して長いデータ収集時間を要する。例えば、Ｓ／Ｎ比を５倍に上げるためには２５秒が必要とされ、またＳ／Ｎ比を１０倍に上げるためには１００秒が必要とされることになる。これに比べて、現在市販されている血液を抜き取るグルコース測定器は５秒以内で血糖レベルを決定することができる。さらに、検出時間が長ければ、指の移動、光パワーのドリフト、温度変化等によって測定エラーは著しく増大する。

別のソリューションは、光の照射パワーを増大することを含んでいる。しかしながら、デバイスによってはサイズが制限されることから、所望のベースライン雑音レベル（例えば、電池消耗）を達成するために照射パワーを増大することは不可能である場合があり、または効率的でない場合がある。従って、デバイスのサイズ、光の照射パワーおよび電池の電力消費量を著しく増大することなく、このようなデバイスによって検出され得る光パワー量を増大するためのシステムおよび方法が必要とされている。

図３は、サンプル（例えば、ヒトの指）によって吸収される光の量を測定するための従来の先行技術装置の構成を描いている。ランプ３０２は、近赤外（「ＮＩＲ」）線または７００ｎｍから１６００ｎｍまでの光ビームを発生する。発生されたＮＩＲ光ビームは入口開口３０４へ入り、サンプルを通過する。サンプルを介して透過されたＮＩＲ光ビームは出口開口３０６を通過してレンズ３０８上へ至る。レンズ３０８は光ビームをコリメートし、光ビームをフィルタアレイ３１０上へ、次に検出器アレイ３１２上へ投射する。本装置は、迷光が光検出器に到達することを防止するための壁ハウジング３１４も含む。

図３に示されている光学系は、極めて低い光パワー効率を有する。光は、入口開口３０４を介してサンプルに進入する。典型的には、子供の小さい指サイズに対応するために、入口開口３０４は約０．２５（１／４）インチ以下の直径を有する。サンプルを介して透過された光は、出口開口３０６を介して集められる。出口開口３０６は、典型的には、約０．２５（１／４）インチ以下の直径を有する。ランプ３０２から放射される大部分の光パワーは、照射立体角が小さいことに起因して標的部位へ達することができない。図３に示されている光学的構成はまた、集光用の小さい立体角を有する。光は、出口開口３０６から放射されてサンプルより下の２π立体角全体へ進入する。図３に示されている光学系を用いて集められる総光パワーは、典型的には、開口３０６を介して放射される光パワーの約１０％である。さらに、検出器アレイ３１２内のあらゆる検出器へ全体で７００ｎｍから１６００ｎｍまでの光パワー分布が透過されるが、各検出器は、典型的には、〜１０ｎｍという比較的狭い波長の帯域幅しか検出しない。従って、光パワーの９８％まで（またはそれ以上）が無駄にされる。

図４Ａは、例示的な第１の代替実施形態による、生体サンプルの光検出を実行するための光計測システム４００を描いている。本システムは、図５を参照して後述する技法に従って構築されてもよい光照射漏斗４１２を含む。光照射漏斗４１２の内部には、例えばランプである小さい光源４０２が配置され、これが複数の光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を発する。光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０は各々、例えば約７００ｎｍから約１６００ｎｍまでの同じ波長範囲を有する。光計測システム４００は、本明細書では４つの光ビームを発生するものとして記述されているが、他の実施形態では、光源がより少ない光ビームまたは追加的な光ビームを発生するように変更され得ることが予期される。

光源４０２からの光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０は、ビームの幾分かが漏斗の側壁によって反射されながら出口開口４１６を介して光照射漏斗４１２を出る。光照射漏斗４１２の出口開口４１６の直径は、前端に近い漏斗直径４１４より大きいか等しい。光源４０２の電極４１３および４１５は、ランプ制御盤４０１へ接続されている。例えば、ある実施形態によれば、漏斗直径４１４は約０．１２５（１／８）インチであり、出口開口４１６の直径は約０．２５（１／４）インチである。従って、図３に描かれている構造とは対照的に、光照射漏斗４１２は光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を概して同じ方向にサンプルの頂部へ向かって集束させる。光照射漏斗は、図３の配置に比べて標的部位が受け入れる総光パワーを大幅に増大させ、よって、Ｓ／Ｎ比を実質的に増大させる場合がある。

図５は、ある例示的な光漏斗５１２の横断面図を描いたものである。光漏斗５１２は、例えば図４Ａ、図４Ｂもしくは図４Ｃにおいて４１２である光照射漏斗、または図４Ｃにおいて４３４である集光漏斗として用いられることも可能である。例示的な光漏斗５１２は、直径Ｄ１を有する略円筒形の外壁５０２と、略円錐台形状を有する内壁５０６によって画定される内側部分とを有する。漏斗の内側部分は、前端５０４において直径Ｄ２を有する。漏斗は、後端に出口開口５０８を有する。開口５０８（光の出口）は、Ｄ２より大きい直径Ｄ３を有する。これらの２端間の分離距離はＬであり、内面の円錐台形状の半角はαである。半角は、例えば約４５度未満である。ある例示的な実施形態では、半角αの値は約５度から約２５度までであってもよい。光漏斗５１２は、任意の所望される屈折率を有するプラスチック、金属または他の適切な材料もしくは材料の複合物／層から形成されてもよい。ある態様によれば、光漏斗５１２は金属から作られ、内壁５０６の表面は高反射性にされる。光照射漏斗の場合、標的部位によって受け入れられる総光照射パワーは、図３に示されている光照射構造体の３倍から４倍に増大される場合がある。

図６は、概して数字６００で示される例示的な光学装置を描いたものであり、本光学装置は、例えばランプである光源６０６と、光照射漏斗６１２とを含む。光照射漏斗の前端近く、または前端に接触して、ランプパワーを制御するためのプリント基板（「ＰＣＢ」）が位置合わせされてもよい。例えばランプである光源６０６は、漏斗の前端を通って延びるワイヤを介して基板６０２へ接続される。例えばランプである光源６０６は、ＰＣＢ６０２へ取り付けられてもよい。ＰＣＢ６０２は、例えば図２に示されている電源２０１である電源、例えば電池へ接続される電力線６０４を介して電力を受け取る。電力線６０４を介して電力が供給されると、例えばランプである光源６０６は、例えば図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに示されている光ビーム４０４、４０６、４０８および４１０である複数の光ビームを発生する。漏斗内の例えばランプである光源６０６の位置は、大きい開口６０８（光の出口）によって受け入れられる照射パワーを最大にするように調整されることが可能である。

ある例示的な実施形態では、光照射漏斗６１２はＰＣＢ６０２へねじ、ポストまたは他の接続手段を介して取り付けられる。光照射漏斗６１２の内面の円錐台形状は、ランプから図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに示されている光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を概して円錐形のビームに集めて指へ集束させる働きをする。

図４Ａを再度参照すると、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０はサンプルおよび光計測システム４００のコンポーネントによって減衰される。減衰された光ビームは次に出口開口４１８を通り、例えば非球面レンズである集光レンズ４２０によって集められる。例えば非球面レンズである集光レンズ４２０を出るビーム４２１は、次にフィルタ４２６を通過し、検出器４２８へ至ってもよい。

光を集めるために例えば非球面レンズである集光レンズ４２０を用いる優位点は、集光のためにその大きい立体角にある。適切に構成されれば、標的部位から放射される光を集めるために例えば非球面レンズである集光レンズ４２０が用いられる場合に各検出器によって受け入れられる総光パワーは、図３に示されている集光構成に比べて３倍から４倍増大されることがある。光照射漏斗４１２と、集光器としての例えば非球面レンズである集光レンズ４２０とを用いる組合せは、各検出器によって受け入れられる総光パワーを、図３に示されている光学構成に比べて約９倍から約１６倍増大することがある。

検出器ブロック４２８は例えば非球面レンズである集光レンズ４２０の下に位置合わせされ、かつフォトダイオードアレイ等の複数の光検出デバイスを含んでもよい。光検出デバイスは各々、光の特有のスペクトルを検出する。ある例示的な実施形態では、干渉フィルタ４２６は各光検出デバイスの上に置かれる。

検出器ブロック４２８へは、例えば図２に示されているプロセッサ２４３であるプロセッサが結合されてもよく、このプロセッサは、光検出デバイスによって発生される電流信号の変化を計算するように構成されてもよい。例えば、図２を参照して先に述べたように、プロセッサ２４３は、指内の血液のみに起因して発生される光吸収の変化（ΔＡ）を計算するために、式（５）に示されているようなアルゴリズムを実行する。この後、血液の光吸収のこの定量的計算は、血液の特性を決定するために使用されることが可能である。

図４Ｂは、概して数字４６０で示される、生体サンプルの光検出を実行するための光学構成の好適な一実施形態を示している。光源４０２は、複数の光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を発生する。光源４０２は、例えば白熱光源または赤外線発光ダイオードであってもよい。光計測システム４６０の一態様によれば、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０は各々、例えば７００ｎｍから１６００ｎｍまでの同一の波長範囲を有する。本明細書において、光計測システム４６０は４つの光ビームを発生するものとして記述されているが、他の実施形態では、光源がより少ない光ビームまたは追加の光ビームを発生するように変更され得ることが予期される。光源４０２からの光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０は、出口開口４１６を介して光照射漏斗４１２を出る。光照射漏斗４１２の出口開口４１６の直径は、光源４０２の２つの電極４１３および４１５がランプ制御盤４０１へ接続される上部の開口４１４の直径より大きいか等しい。例えば、ある実施形態によれば、入口開口４１４の直径は約０．１２５（１／８）インチであり、出口開口４１６の直径は約０．２５（１／４）インチである。従って、図３に描かれている配置とは対照的に、光照射漏斗４１２は光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を概して同じ方向にユーザの指の頂部へ向かって集束させる。光照射漏斗は、図３の配置に比べて標的部位により受け入れられる総光パワーを大幅に増大させ、よって、Ｓ／Ｎ比を実質的に増大させる場合がある。

数字４６０によって示される図４Ｂに描かれている例示的な好ましい実施形態において、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０はサンプルおよび光計測システムのコンポーネントによって減衰される。減衰された光ＮＩＲビームは、次に出口開口４１８を通って例えば非球面レンズである集光レンズ４２０によって集められ、透過格子デバイス４２２上へ投射される。透過回折格子４２２は、混合されたＮＩＲ光ビームの様々な波長成分を、矢印４３０によって描かれている方向へ単調増加する波長を有するスペクトルに角度分解する。言い替えれば、回折角度は波長に依存することから、光ビームの異なる波長成分は回折格子４２２によって異なる方向へ送られる。透過回折格子４２２を出る光スペクトル４２４は、次にオプションである干渉フィルタアレイ４２６によって狭められてもよい。光は、光検出器アレイ４２８（例えば、フォトダイオード）によって検出される。アレイ４２８における検出器は、光の特定のスペクトルに同調された検出器が透過回折格子４２２からそのスペクトル内の光を受け入れるように位置合わせされてもよい。例えば、フィルタアレイ４２６における各干渉フィルタの中心波長は、透過回折格子４２２からのスペクトルの対応する波長成分と一致するように単調増加して配列されてもよい。例えばフィルタアレイ４２６であるフィルタの使用が任意選択であって、必須でないことは明らかであろう。

７００ｎｍから１６００ｎｍまでの光パワー分布全体が全ての検出器へ送られる図３における集光構造に比べると、透過回折格子を用いる手法は、各検出器へ送られるスペクトルを検出器（および／または対応するフィルタ）の中心波長に近い波長成分に限定する。その結果、無駄にされる光の量は著しく低減され、フォトダイオードによって受け入れられる光パワーは、図４Ａを参照して記述された集光構成に比べて１０倍から２０倍増大される場合がある。従って、光照射漏斗４１２と、集光器としての例えば非球面レンズである集光レンズ４２０と、波長分離デバイスとしての透過格子４２２とを利用する組合せは、フォトダイオードによって受け入れられる光パワーを、図３に示されている光学構成に比べて約１００倍から約２００倍増大させる場合がある。

図４Ｃは、概して数字４６２で示される例示的な第２の代替実施形態を示している。本明細書において、光計測システム４６２は４つの光ビームを発生するものとして記述されているが、他の実施形態では、光源がより少ない光ビームまたは追加の光ビームを発生するように変更され得ることは予期される。光源４０２からの光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０は、出口開口４１６を介して光照射漏斗４１２を出る。光照射漏斗４１２の出口開口４１６の直径は、光源４０２の２つの電極４１３および４１５がランプ制御盤４０１へ接続される上部の開口４１４の直径より大きいか等しい。例えば、ある実施形態によれば、入口開口４１４の直径は約０．１２５（１／８）インチであり、出口開口４１６の直径は約０．２５（１／４）インチである。光照射漏斗４１２は、サンプル（例えば、指）を照射する。光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０は、サンプルおよび光計測システムのコンポーネントによって減衰される。サンプルからは、減衰された光ビーム４３６、４３８、４４４、４４６が放出される。減衰された光ビーム４３６、４３８、４４４、４４６は入口開口４４２（第１の開口）を介して集光漏斗４３４へ入り、出口開口４４０（第２の開口）を介して集光漏斗４３４を出る。集光漏斗４３４の入口開口４４２の直径は、出口開口４４０の直径より小さいか等しい。例えば、ある実施形態によれば、出口開口４４０の直径は約０．６２５（５／８）インチであり、入口開口４４２の直径は約０．２５（１／４）インチである。集光漏斗４３４は、集められた光をフィルタアレイ４２６上へ投射してもよい。

集光漏斗４３４は、図５を参照して後述する技法に従って構築されてもよい。例えば、例示的な集光漏斗４３４は、略円筒形の外壁５０２と、円錐台形状である内壁５０６によって画定される中央開口とを有する。集光漏斗４３４もまた、任意の所望される屈折率を有するプラスチック、金属または他の適切な材料もしくは材料の複合物／層から形成されてもよい。集光漏斗４３４は金属から製造されてもよく、円錐台形状である内壁の表面は高反射性にされてもよい。集光漏斗４３４の全体的な集光効率は８０％を超えることが観察されているが、これは、図３に示されている従来の集光構造体を用いて達成される効率の８倍である。光照射漏斗４１２と集光漏斗４３４とを用いる組合せは、検出器によって受け入れられる光パワーを、図３における光学構成に比べて約２０倍から約３０倍増大させる場合がある。

フィルタアレイ４２６および検出器アレイ４２８は集光漏斗４３４の出口開口４４０の下に位置合わせされ、フォトダイオードのアレイ等の例えば図２に示されている光検出デバイス２２８、２３０、２３２、２３４である複数の光検出デバイスを備える。ある例示的な実施形態では、各光検出デバイスは光の特定の波長を検出する。

本発明の実施形態は、上述の装置または集光システムを用いる方法も含む場合がある。光源は、透過性、半透過性または反射性の光を発生するのに十分な照射漏斗を介して標的に接触してもよい。透過され、半透過され、または反射された光は集光システムへ入り、例えば１つまたは複数の検出器へ配向されてもよい。

このように、新規の発明の幾つかの実施形態を示しかつ説明した。これまでの説明から明らかであるように、本発明の所定の態様は本明細書に例示されている例の特定の詳細によって限定されるものではなく、よって、当業者にはこれらの態様の他の修正および用途または同等物が想起されることは予期される。本明細書においてこれまでに使用された用語「ｈａｖｅ（有する）」、「ｈａｖｉｎｇ（有する）」および「ｉｎｃｌｕｄｅ（含む）」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含んでいる）」ならびに類似の用語は、「ｒｅｑｕｉｒｅｄ（必須）」の意味合いではなく、「ｏｐｔｉｏｎａｌ（任意選択）」または「ｍａｙ ｉｎｃｌｕｄｅ（含む場合がある）」という意味合いで使用されている。しかしながら、本明細書および添付の図面を考察した後、当業者には、本発明構造の多くの変更、修正、変形および他の使用法および用途が明らかとなるであろう。本発明の精神および範囲を逸脱しないこのような変更、修正、変形ならびに他の使用法および用途は全て、添付の請求の範囲によってのみ限定される本発明によって包含されるものと見なされる。本明細書に開示されている実施形態が任意の従属クレームに記載されている特徴の任意および全ての組合せを含むことは理解されるべきである。

Claims (21)

1. 光を集めるための装置であって、
   前端と後端と内面と外面とを有する第１の外壁であって、内面が内側部分を画定し、内側部分が前端と後端とを有する第１の外壁と、
   内側部分内に配置される光源とを備え、
   第１の外壁が後端内に開口を有し、開口が開口直径を有し、
   内側部分が略円錐台形状を有し、
   内側部分が、開口における開口直径に等しい断面直径と、前端近くにおける開口直径より小さい第２の断面直径とを有し、
   内面が光反射性である、装置。
2. 第１の外壁が金属を含み、かつ内面が研磨される、請求項１に記載の光を集めるための装置。
3. 第２の断面直径から第１の断面直径へ延びて円錐台形状を二等分する垂線からの円錐台形状の半角が約４５度未満である、請求項１に記載の光を集めるための装置。
4. 円錐台形状の半角が、約５度より大きくかつ約２５度より小さい、請求項３に記載の光を集めるための装置。
5. サンプルを介する光を受け入れるための開口の下に位置合わせされる集光レンズをさらに備える、請求項１に記載の光を集めるための装置。
6. 集光レンズが非球面レンズである、請求項５に記載の光を集めるための装置。
7. サンプルと集光レンズとの間に位置決めされる開口をさらに備える、請求項５に記載の光を集めるための装置。
8. 複数の光フィルタをさらに備え、
   複数の光フィルタのうちの各光フィルタが、集光レンズからの光を受け入れかつ濾波された光を複数の光検出器のうちの対応する光検出器上へ放射するように位置合わせされ、
   複数の光検出器のうちの各光検出器が、複数の光フィルタのうちの対応するフィルタによって放射されるスペクトルにおける光を検出するように調整される、請求項５に記載の光を集めるための装置。
9. サンプルと集光レンズとの間に位置決めされる開口をさらに備える、請求項８に記載の光を集めるための装置。
10. 集光レンズの下に位置合わせされる回折格子をさらに備える、請求項８に記載の光を集めるための装置。
11. サンプルと集光レンズとの間に位置決めされる開口をさらに備える、請求項１０に記載の光を集めるための装置。
12. 複数の光フィルタをさらに備え、
    複数の光フィルタのうちの各光フィルタが、集光レンズからの光を受け入れかつ濾波された光を複数の光検出器のうちの対応する光検出器上へ放射するように位置合わせされ、
    複数の光検出器のうちの各光検出器が、複数の光フィルタのうちの対応するフィルタによって放射されるスペクトルにおける光を検出するように調整される、請求項１０に記載の光を集めるための装置。
13. 前端と後端と内面と外面とを有する第２の外壁をさらに備え、内面が内側部分を画定し、内側部分が前端と後端とを有し、
    第２の外壁の内側部分が後端に第１の断面直径を有する第１の開口を有し、かつ第２の外壁の内側部分が前端に第２の断面直径を有する第２の開口を有し、かつ第１の断面直径が第２の断面直径より大きく、
    内側部分が略円錐台形状を有し、かつ光反射性であり、
    サンプルが、第１の外壁における開口と第２の外壁の前端における第２の開口との間に位置合わせされることが可能である、請求項１に記載の光を集めるための装置。
14. 複数の光フィルタをさらに備え、
    複数の光フィルタのうちの各光フィルタが、第２の外壁の後端における第１の開口からの光を受け入れかつ濾波された光を複数の光検出器のうちの対応する光検出器上へ放射するように位置合わせされ、
    複数の光検出器のうちの各光検出器が、複数の光フィルタのうちの対応するフィルタによって放射されるスペクトルにおける光を検出するように調整される、請求項１３に記載の光を集めるための装置。
15. 光を集めるための方法であって、
    第１の外壁の内側部分内に位置決めされる光源を利用することを含み、
    第１の外壁が前端と後端と光反射性の内面と外面とを含み、内面が内側部分を画定し、内側部分が前端を有し、後端が略円錐台形状であり、第１の外壁が後端内に開口を有し、開口が開口直径を有し、内側部分が開口における開口直径に等しい断面直径と、前端近くにおける開口直径より小さい第２の断面直径とを有する、方法。
16. サンプルを介する光を受け入れるために開口の下に位置合わせされる集光レンズを利用することをさらに含む、請求項１５に記載の光を集めるための方法。
17. 集光レンズが非球面レンズである、請求項１６に記載の光を集めるための方法。
18. サンプルと集光レンズとの間に位置決めされる開口を利用することをさらに含む、請求項１６に記載の光を集めるための方法。
19. 複数の光フィルタを利用することをさらに含み、
    複数の光フィルタのうちの各光フィルタが、集光レンズからの光を受け入れかつ濾波された光を対応する複数の光検出器上へ放射するように位置合わせされ、かつ複数の光検出器のうちの各光検出器が、複数の光フィルタのうちの対応する光フィルタによって放射されるスペクトルにおける光を検出するように調整される、請求項１６に記載の光を集めるための方法。
20. 前端と後端と内面と外面とを有する第２の外壁を利用することであって、内面が内側部分を画定し、内側部分が略円錐台形状であって光反射性でありかつ前端と後端とを有し、第２の外壁の内側部分が後端において第１の断面直径を有する第１の開口を有し、第２の外壁の内側部分が前端において第２の断面直径を有する第２の開口を有し、第１の断面直径が第２の断面直径より大きいことと、
    サンプルを第１の外壁における開口と第２の外壁の前端における第２の開口との間に位置合わせすることをさらに含む、請求項１５に記載の光を集めるための方法。
21. 複数の光フィルタを利用することをさらに含み、
    複数の光フィルタのうちの各光フィルタが、第２の外壁の後端における第１の開口からの光を受け入れかつ濾波された光を対応する複数の光検出器上へ放射するように位置合わせされ、かつ複数の光検出器のうちの各光検出器が、複数の光フィルタのうちの対応する光フィルタによって放射されるスペクトルにおける光を検出するように調整される、請求項２０に記載の光を集めるための方法。

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