JP2020101479A - 成分濃度測定方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光音響法による人体内のグルコースなどの成分濃度の測定において、血管の状態が変化することによって発生する測定誤差を抑制する。【解決手段】圧迫部１０２は、設定されている圧迫時間の間、被測定者の測定部位１５１における血流を抑制するように測定部位１５１の周囲を圧迫する。検出部１０３は、圧迫部１０２が測定部位１５１の周囲を圧迫している間に、ビーム光１２１が照射された測定部位１５１から発生する光音響信号を検出する。検出部１０３は、圧迫部１０２が測定部位１５１の周囲の圧迫を開始してから予め設定されている時間が経過した時点で光音響信号を検出する。【選択図】 図１
Description
本発明は、成分濃度測定方法および装置に関し、より具体的には、血液中のグルコースなどの成分濃度を非侵襲に測定する成分濃度測定方法および装置に関する。
糖尿病患者に対するインスリンの投与量の決定や、糖尿病の予防などの観点より、血糖値を把握（測定）することが重要となる。血糖値は、血液中のグルコースの濃度であり、この種の成分濃度の測定方法として、光音響法がよく知られている（特許文献１参照）。
生体にある量の光（電磁波）を照射した場合、照射した光は生体に含有される分子に吸収される。このため、光が照射された部分における測定対象の分子は、局所的に加熱されて膨張を起こし、音波を発生する。この音波の圧力は、光を吸収する分子の量に依存する。光音響法は、この音波（光音響信号）を測定することにより、生体内の分子の量を測定する方法である。音波は生体内を伝搬する圧力波であり、電磁波に比べ散乱しにくいという特質があり、光音響法は生体の血液成分の測定に適しているものといえる。
光音響法による測定によれば、連続的な血液中のグルコース濃度の監視が可能となる。また、光音響法の測定は、血液サンプルを必要とせず、測定対象者に不快感を与えることがない。
桑原 啓 他、「スマホで視る血液の流れ―超小型ウェアラブル血流センサ」、ＮＴＴ技術ジャーナル、２１−２４頁、２０１４年、１１月。
ところで、この種の測定の対象となる人体の部位においては、血管の径が常に変動し、一定ではないる。例えば、血流量を測定していると、安静にしていても、心拍以外に約１０秒間隔の周期的な揺らぎが存在している。この約１０秒周期の揺らぎは、バソモーションと呼ばれる血管の収縮運動の影響を表している。このような血管の収縮運動に伴って血管の径が変化すると、この箇所における血液中の血漿と間質液との割合が変化して成分濃度の測定誤差につながる。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光音響法による人体内のグルコースなどの成分濃度の測定において、血管の状態が変化することによって発生する測定誤差の抑制を目的とする。
本発明に係る成分濃度測定方法は、被測定者の測定部位における血流を抑制するように測定部位の周囲を圧迫する第１工程と、測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を測定部位に照射して、測定部位の周囲の圧迫を開始してから設定されている時間が経過した時点で測定部位から発生する光音響信号を検出する第２工程と、光音響信号により物質の濃度を求める第３工程とを備える。
上記成分濃度測定方法の一構成例において、光音響信号を検出した後で測定部位の周囲の圧迫を停止する第４工程を備える。
上記成分濃度測定方法の一構成例において、圧迫の開始と光音響信号の検出と圧迫の停止とを周期的に繰り返す。
上記成分濃度測定方法の一構成例において、第２工程は、圧迫の開始から次の圧迫の開始までの周期の半分の時間が経過した時点で光音響信号を検出する。
上記成分濃度測定方法の一構成例において、圧迫の開始から次の圧迫の開始までの周期は５〜２０秒である。
上記成分濃度測定方法の一構成例において、物質はグルコースである。
本発明に係る成分濃度測定装置は、測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を被測定者の測定部位に照射する光出射部と、測定部位における血流を抑制するように測定部位の周囲を圧迫する圧迫部と、圧迫部が測定部位の周囲を圧迫している間に、光出射部から出射されたビーム光を照射した測定部位から発生する光音響信号を検出する検出部と、光音響信号により物質の濃度を求める濃度算出部とを備える。
上記成分濃度測定装置の一構成例において、検出部は、圧迫部が測定部位の周囲の圧迫を開始してから予め設定された時間が経過した時点で光音響信号を検出する。
上記成分濃度測定装置の一構成例において、圧迫部による圧迫動作と、検出部による光音響信号の検出動作とを制御する制御部を備える。
上記成分濃度測定装置の一構成例において、制御部は、圧迫部による圧迫の開始と、検出部による光音響信号の検出と、圧迫部による圧迫の停止とを周期的に繰り返させる。
上記成分濃度測定装置の一構成例において、制御部は、圧迫の開始から次の圧迫の開始までの周期の半分の時間が経過した時点で、検出部に光音響信号を検出させる。
上記成分濃度測定装置の一構成例において、制御部は、圧迫の開始から次の圧迫の開始までの制御の周期を５〜２０秒とする。
上記成分濃度測定装置の一構成例において、物質はグルコースであり、光出射部は、グルコースが吸収する波長のビーム光を照射する。
以上説明したように、本発明によれば、測定部位の周囲の圧迫を開始してから設定されている時間が経過した時点で光音響信号を検出するので、光音響法による人体内のグルコースなどの成分濃度の測定における、血管の状態が変化することによって発生する測定誤差が抑制できるという優れた効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置について図１を参照して説明する。この成分濃度測定装置は、光出射部１０１、圧迫部１０２、検出部１０３、濃度算出部１０４、制御部１０５を備える。
光出射部１０１は、測定対象の物質が吸収する波長のビーム光１２１を生成する剛健を備えし、生成したビーム光１２１を、被測定者の測定部位１５１に向けて出射することができる。例えば、測定対象の物質が血中のグルコースの場合、光出射部１０１は、グルコースが吸収する波長のビーム光１２１を生成する発光素子などの光源とその駆動回路とを含む光源部１０１ａと、光源が生成したビーム光１２１を、予め設定されたパルス幅を有するパルス光とするパルス生成部１０１ｂとを備える。
なお、グルコースは１．６μｍ近傍および２．１μｍ近傍の光の波長帯において吸収特性を示す（特許文献１参照）。グルコースが測定対象物質の場合、光出射部１０１が出射するビーム光１２１は、０．０２秒以上のパルス幅を有するビーム光とする。
圧迫部１０２は、被測定者の測定部位１５１における血流を抑制するように測定部位１５１の周囲を圧迫する。圧迫部１０２は、例えば、空気袋１１１、ポンプ１１２、圧力センサ１１３、制御バルブ１１４を備える。
ポンプ１１２により配管１１５を経由して空気を供給することで空気袋１１１を拡張させて測定部位１５１を圧迫する。供給している空気の圧力は、配管１１５を介して圧力センサ１１３により測定され、圧力センサ１１３が測定している空気圧が設定されている値となるように、ポンプ１１２は空気を供給する。この圧迫を予め設定された時間以上継続することにより、測定部位１５１の血管を圧迫し、血流を抑制する（例えば阻血する）。
また、制御バルブ１１４は、例えば、設定されている時間（圧迫時間）の間隔で、バルブの開閉を行う。制御バルブ１１４が閉状態において、上述したようにポンプ１１２による空気の供給が開始され、空気袋１１１を拡張させる。また、制御バルブ１１４が開状態において、ポンプ１１２による空気の供給が停止され、空気袋１１１内が減圧され、空気袋１１１による測定部位１５１の圧迫が停止される。
検出部１０３は、圧迫部１０２が測定部位１５１の周囲を圧迫している間に、ビーム光１２１が照射された測定部位１５１から発生する光音響信号を検出する。検出部１０３は、圧迫部１０２が測定部位１５１の周囲の圧迫を開始してから設定されている時間が経過した時点で光音響信号を検出する。検出部１０３が検出した光音響信号は、例えば、測定された時刻情報とともに後述する濃度算出部１０４を構成する外部記憶装置１０４ｂ（不図示）に記憶される。
検出部１０３には、クリスタルマイクロフォン、セラミックマイクロフォン、セラミック超音波センサ等の圧電効果・電歪効果を用いたもの、ダイナミックマイクロフォン、リボンマイクロフォン等の電磁誘導を用いたもの、コンデンサマイクロフォン等の静電効果を用いたもの、磁歪振動子等の磁歪を用いたものを用いることができる。圧電効果を持つものには、例えば周波数平坦型電歪素子（ＺＴ）またはＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの結晶を含むものが例示できる。検出部１０３は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）増幅器を内蔵するＰＺＴから構成することもできる。
濃度算出部１０４は、検出部１０３が検出した光音響信号により上述した物質の濃度を求める。例えば、濃度算出部１０４は、光音響信号を元に測定部位１５１内の血液中の測定対象のグルコースの濃度を求める。
ここで、濃度算出部１０４のハードウエア構成について図２を参照して説明する。濃度算出部１０４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）１０４ａと外部記憶装置１０４ｂと主記憶装置１０４ｃと、外部機器などを接続するための入出力装置１０４ｄとなどを備えたコンピュータ機器である。検出部１０３が検出した光音響信号は、入出力装置１０４ｄを介してデジタルデータとして外部記憶装置１０４ｂに記憶され、主記憶装置１０４ｃに展開されたプログラムによりＣＰＵ１０４ａが動作することで、上述した濃度算出部１０４の機能が実現される。求められた濃度は、入出力装置１０４ｄを介して読み出し可能な状態で、外部記憶装置１０４ｃに記憶される。
制御部１０５は、圧迫部１０２による圧迫動作と、検出部１０３による光音響信号の検出動作とを制御する。制御部１０５は、例えば、濃度測定開始の指示が入力されると、制御バルブ１１４を閉状態としてポンプ１１２を動作させ、空気袋１１１による測定部位１５１の周囲の圧迫を開始させる。次いで、制御部１０５は、圧迫の開始から予め設定されている時間が経過した時点で、検出部１０３に光音響信号を検出させる。次いで、検出部１０３が光音響信号を検出すると、制御部１０５は、ポンプ１１２の動作を停止し、制御バルブ１１４を開状態とし、空気袋１１１による測定部位１５１の周囲の圧迫を停止する。
また、制御部１０５は、圧迫部１０２による測定部位１５１の周囲の圧迫の開始と、検出部１０３による光音響信号の検出と、圧迫部１０２による測定部位１５１の周囲の圧迫の停止とを周期的に繰り返させる。この場合、制御部１０５は、圧迫の開始から次の圧迫の開始までの周期の半分の時間が経過した時点で、検出部１０３に光音響信号を検出させる。また、制御部１０５は、上述した一連の制御の繰り返しを、例えば、予め設定されている時間帯に実施する。
ここで、制御部１０５のハードウエア構成について図３を参照して説明する。制御部１０５は、ＣＰＵ１０５ａと外部記憶装置１０５ｂと主記憶装置１０５ｃと、外部機器などを接続するための入出力装置１０５ｄとなどを備えたコンピュータ機器である。主記憶装置１０５ｃに展開されたプログラムによりＣＰＵ１０５ａが動作することで、上述した制御部１０５の機能が実現される。
ここで、光出射部１０１および検出部１０３について、図４を用いてより詳細に説明する。まず、光源部１０１ａは、第１光源２０１、第２光源２０２、駆動回路２０３、駆動回路２０４、位相回路２０５、合波器２０６を備える。また、検出部１０３は、検出器２０７、位相検波増幅器２０８、発振器２０９を備える。
発振器２０９は、信号線により駆動回路２０３、位相回路２０５、位相検波増幅器２０８にそれぞれ接続される。発振器２０９は、駆動回路２０３、位相回路２０５、位相検波増幅器２０８のそれぞれに信号を送信する。
駆動回路２０３は、発振器２０９から送信された信号を受信し、第１光源２０１へ駆動電力を供給し、第１光源２０１より上記信号の周波数に同期して強度変調された光を出射させる。第１光源２０１は、例えば、半導体レーザである。
位相回路２０５は、発振器２０９から送信された信号を受信し、受信した信号に１８０°の位相変化を与えた信号を、信号線を介して駆動回路２０４へ送信する。
駆動回路２０４は、位相回路２０５から送信された信号を受信し、第２光源２０２へ駆動電力を供給し、第２光源２０２より上記信号の周波数でかつ位相回路２０５により１８０°の位相変化を受けた信号に同期して強度変調された光を出射させる。第２光源２０２は、例えば、半導体レーザである。
第１光源２０１および第２光源２０２の各々は、互いに異なる波長の光を出力し、各々が出力した光を光波伝送手段により合波器２０６へ導く。第１光源２０１および第２光源２０２の各々の波長は、一方の光の波長をグルコースが吸収する波長に設定し、他方の光の波長を、水が吸収をする波長に設定する。また、両者の吸収の程度が等しくなるように、各々の波長を設定する。
第１光源２０１の出力した光と第２光源２０２の出力した光は、合波器２０６において合波されて、１の光ビームとしてパルス生成部１０１ｂに入射する。パルス生成部１０１ｂは、例えば、光チョッパーから構成できる。光ビームが入射されたパルス生成部１０１ｂでは、入射した光ビームを所定のパルス幅のパルス光として測定部位１５１に出射する。
検出器２０７は、測定部位１５１で発生した光音響信号を検出し、電気信号に変換して、信号線を介して位相検波増幅器２０８へ送信する。位相検波増幅器２０８は、発振器２０９から送信される同期検波に必要な同期信号を受信するとともに、検出器２０７から送信されてくる光音響信号に比例する電気信号を受信し、同期検波、増幅、濾波を行って、光音響信号に比例する電気信号を出力する。このようにして測定されて処理された電気信号（光音響信号）が、測定された時刻の情報とともに、濃度算出部１０４を構成する外部記憶装置１０４ｂに記憶される。
位相検波増幅器２０８より出力される信号の強度は、測定部位１５１内の成分（グルコース、水）により吸収された、第１光源２０１および第２光源２０２の各々が出力する光の量に比例するので、上記信号の強度は測定部位１５１内の成分の量に比例する。このように出力される信号の強度の測定値（光音響信号）により、濃度算出部１０４が、測定部位１５１内の血液中の測定対象の物質（グルコース）の成分の量（濃度）を求める。
上記のように、同一の周波数の信号により強度変調された２つの光を用いることで、複数の周波数の信号により強度変調している場合に問題となる、複数の光を用いる場合の周波数特性の不均一性の影響を排除することができる。
一方、光音響法による測定において問題となる、光音響信号に存在する非線形的な吸収係数依存性は、上述したように等しい吸収係数を与える複数の波長の光を用いて測定することにより解決できる（特許文献１参照）。
次に、本発明の実施の形態に係る成分濃度測定方法について、図５のフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップＳ１０１で、圧迫部１０２により、被測定者の測定部位１５１における血流を抑制するように測定部位１５１の周囲を圧迫する（第１工程）。例えば、成分濃度測定装置に測定開始の指示が入力されると、測定部位１５１の周囲の圧迫が開始される。次に、測定部位１５１の周囲の圧迫を開始してから予め設定されている時間が経過すると（ステップＳ１０２のｙｅｓ）、ステップＳ１０３で、光出射部１０１から測定対象の物質が吸収する波長のビーム光１２１を測定部位１５１に向けて出射し、検出部１０３で測定部位１５１から発生する光音響信号を検出する（第２工程）。
次に、検出部１０３により光音響信号が検出されると、ステップＳ１０４で、測定部位１５１の周囲の圧迫を停止する（第４工程）。次に、ステップＳ１０５で、検出された光音響信号より、濃度算出部１０４が、測定部位１５１内の血液中の測定対象の物質（グルコース）の成分の量（濃度）を求める（第３工程）。次に、ステップＳ１０６で、例えば、成分濃度測定装置が、測定停止の指示が入力されたか否かを判断する。測定停止の指示が入力されていない場合、測定部位１５１の周囲の圧迫を停止してから設定されている時間が経過すると（ステップＳ１０７のｙｅｓ）、ステップＳ１０１に戻る。上述したステップＳ１０１〜ステップＳ１０７を、測定終了の指示が入力されるまで継続する（ステップＳ１０６のｙｅｓ）。
なお、ステップＳ１０１（第１工程）で測定部位１５１の周囲の圧迫を開始してから、ステップＳ１０４（第４工程）で測定部位１５１の周囲の圧迫を停止し、次のステップＳ１０１で圧迫を開始するまでの１周期の時間（周期Ｔ）は、５〜２０秒とすることができる。また、ステップＳ１０２で判断する経過時間すなわち予め設定された時間は、ステップＳ１０３における光音響信号の検出に要する時間をΔｔとすると、（Ｔ−Δｔ）／２とする。また、ステップＳ１０１で開始した圧迫をステップＳ１０４で停止するまでの時間は、（Ｔ＋Δｔ）／２とする（図６参照）。
次に、上述した周期Ｔの設定について説明する。例えば、周期Ｔは、被測定者の脈拍の拍動周期時間の平均値に自然数ｎを乗じた値とすることができる。例えば、１時間毎など所定の間隔で被測定者の脈拍を測定して拍動周期時間の平均値を求め、求めた平均値より周期Ｔを決定することができる。この場合、次の脈拍測定まで、決定した周期Ｔを用いてステップＳ１０１〜Ｓ１０７を繰り返し、次の脈拍測定により新たな周期Ｔが決定されると、新たな周期Ｔを用いてステップＳ１０１〜Ｓ１０７を繰り返す。上述した周期Ｔの決定周期は、適宜に設定する。例えば、ステップＳ１０１〜Ｓ１０７を繰り返す毎に、拍動周期時間の平均値を求めて周期Ｔを更新することもできる。また、上述した１周期の周期Ｔは、例えば、測定部位１５１における血管のバソモーションの間隔とすることも可能である。
なお、脈拍数の測定は、例えば、レーザ血流計を用いることができる（非特許文献１参照）。レーザ血流計は、レーザ光源から赤外光を測定部位の皮膚に照射して散乱された光を受光素子で検出する。血管内を移動する赤血球に当たって散乱する光は，光のドップラー現象により，赤血球の移動速度に比例した周波数シフトを生じるため，検出した信号の周波数スペクトルを分析することにより，血液の流れに関する情報（脈拍数）を取得することができる。
以上に説明したように、本発明によれば、測定部位の周囲の圧迫を開始してから設定されている時間が経過した時点で、ビーム光を測定部位に照射して光音響信号を検出するので、光音響法による人体内のグルコースなどの成分濃度の測定において、血管の状態が変化することによって発生する測定誤差が抑制できるようになる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
１０１…光出射部、１０１ａ…光源部、１０１ｂ…パルス生成部、１０２…圧迫部、１０３…検出部、１０４…濃度算出部、１０５…制御部、１１１…空気袋、１１２…ポンプ、１１３…圧力センサ、１１４…制御バルブ、１１５…配管、１２１…ビーム光、１５１…測定部位。
Claims (13)
- 被測定者の測定部位における血流を抑制するように前記測定部位の周囲を圧迫する第１工程と、
測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を前記測定部位に照射して、前記測定部位の周囲の圧迫を開始してから設定されている時間が経過した時点で前記測定部位から発生する光音響信号を検出する第２工程と、
前記光音響信号により前記物質の濃度を求める第３工程と
を備えることを特徴とする成分濃度測定方法。 - 請求項１項に記載の成分濃度測定方法において、
前記光音響信号を検出した後で前記測定部位の周囲の圧迫を停止する第４工程を備えることを特徴とする成分濃度測定方法。 - 請求項２記載の成分濃度測定方法において、
圧迫の開始と前記光音響信号の検出と圧迫の停止とを周期的に繰り返すことを特徴とする成分濃度測定方法。 - 請求項３記載の成分濃度測定方法において、
前記第２工程は、圧迫の開始から次の圧迫の開始までの周期の半分の時間が経過した時点で前記光音響信号を検出する
ことを特徴とする成分濃度測定方法。 - 請求項２〜４のいずれか１項に記載の成分濃度測定方法において、
圧迫の開始から次の圧迫の開始までの周期は５〜２０秒である
ことを特徴とする成分濃度測定方法。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の成分濃度測定方法において、
前記物質はグルコースであることを特徴とする成分濃度測定方法。 - 測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を被測定者の測定部位に照射する光出射部と、
前記測定部位における血流を抑制するように前記測定部位の周囲を圧迫する圧迫部と、
前記圧迫部が前記測定部位の周囲を圧迫している間に、前記光出射部から出射された前記ビーム光を照射した前記測定部位から発生する光音響信号を検出する検出部と、
前記光音響信号により前記物質の濃度を求める濃度算出部と
を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項７記載の成分濃度測定装置において、
前記検出部は、前記圧迫部が前記測定部位の周囲の圧迫を開始してから予め設定された時間が経過した時点で前記光音響信号を検出する
ことを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項７または８記載の成分濃度測定装置において、
前記圧迫部による圧迫動作と、前記検出部による前記光音響信号の検出動作とを制御する制御部を備える
ことを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項９記載の成分濃度測定装置において、
前記制御部は、
前記圧迫部による圧迫の開始と、
前記検出部による前記光音響信号の検出と、
前記圧迫部による圧迫の停止と
を周期的に繰り返させることを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項１０記載の成分濃度測定装置において、
前記制御部は、圧迫の開始から次の圧迫の開始までの周期の半分の時間が経過した時点で、前記検出部に前記光音響信号を検出させる
ことを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項１０または１１記載の成分濃度測定装置において、
前記制御部は、圧迫の開始から次の圧迫の開始までの制御の周期を５〜２０秒とする
ことを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項７〜１２のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
前記物質はグルコースであり、
前記光出射部は、グルコースが吸収する波長の前記ビーム光を照射することを特徴とする成分濃度測定装置。
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