JP2022519031A - 非侵襲的血糖値推定のためのポータブルデバイスおよび方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、グルコース値を測定するための測定モジュール(4)を有する測定ユニット(2)と、グルコース値を測定するためのプロセスの第1部分に関するデータを処理するための第1コンピュータモジュール(5)と、第1通信モジュール(6)と、第1データ記憶モジュール(7)と、押しボタン(8)とを備えるデバイス(1)に関する。当該デバイスはまた、第2通信モジュール(17)および第3通信モジュール(20)を有する個人モニタリングユニット(3)と、血糖値を測定するためのプロセスの第2部分に関するデータを処理する第2コンピュータモジュール(18)と、インターフェイスモジュール(19)と、第2データ記憶モジュール(22)とを備える。また、非侵襲的血糖値推定のための方法も記載される。

Description

発明の詳細な説明
[本発明の対象]
本明細書に記載されている本発明の対象は、情報通信技術(Information and Communication Technologies,ICT)の分野に含まれる。
より具体的には、本発明の対象は、人々の生理学的変数および一般的な健康状態、特に血糖値をモニタリングするためのポータブル電子デバイスの開発を包含するので、生物医学工学および医療技術の文脈に位置付けられる。
[本発明の背景]
世界には4億2500万人の糖尿病患者がおり、人口増加および高齢化、ならびに都市化、肥満の蔓延、座りがちな生活習慣、およびその他の不健康な生活習慣の増加の結果、この数は2045年には6億2900万人に増加すると推定されている。成人の11人に1人は糖尿病に罹患しており、7人の妊娠女性に1人は妊娠糖尿病の影響を受ける。当該疾患の効率的な制御には、血糖値の追跡が必要である。グルコメータは、血液サンプルをもとに血糖値を測定するものだが、その精度ゆえに血糖値を測定するために最も広く使用されるデバイスである。この方法は、特に血糖値の追跡が必要な場合に、痛みを伴い、煩わしい。こうした問題を防止するために、近年、非侵襲性の、血糖測定のための多くの方法が提案されている。
リバースイオントフォレーシスは、皮膚の表面上に配置されるアノードとカソードとの間に位置する皮膚を通る小さい電流の流れに基づく。アノードとカソードとの間に電位を印加すると、皮膚下のナトリウムイオンおよび塩化物イオンが、それぞれカソードおよびアノードに向かって移動する。グルコースなどの非荷電分子は、対流に従ってイオンと共に運ばれる。この流れは、組織内のグルコースを、皮膚を通して輸送させ、したがって、カソードで収集される。当該カソードでは、従来のセンサによって測定される。当該技術の主な欠点は、しばしば皮膚に刺激を引き起こす傾向がある、電位への長い曝露時間が必要となることである。当該技術に基づく特許の2つの例は、US6885882およびWO2008/120936である。
インピーダンススペクトロスコピーは、複数の周波数における電流の注入と、測定体領域において生じる電圧の測定とに基づいている。グルコースの測定は、インピーダンススペクトルに対してそれが与える影響の分析から、間接的に行われる。この技術に基づく特許の一部の例は、ES2445700、ES2582185、WO2007/053963、US2005/0192488、US2016/0007891およびUS2015/0164387である。
光干渉断層撮影法は、低コヒーレンス光干渉法に基づく非侵襲的画像診断である。得られた干渉パターンは、サンプルの光学特性に関する情報、より具体的にはグルコース値推定に使用することができる、屈折率の変化に関する情報を含む。当該方法の主な欠点は、その複雑さと、高価かつ大型のデバイスが必要となることである。さらに、当該方法は、デバイスの動き、組織の非均質性、および他の検体に対する干渉に敏感である。特許US2007/0027372およびUS2016/0058347は、この方法を利用している。
旋光分析法は、旋光ビームが光学活性物質を通過するときに旋光ビーム上に生じる旋光度の測定に基づく技術である。皮膚の高い散乱係数がビーム脱分極を引き起こすという事実のために、ほとんどの研究者は、眼の房水にフォーカスする。当該方法の制約をいくつか挙げると、眼球運動による誤差、損傷が生じないような光曝露量安全基準、および眼球内において測定を行うときの不快感である。旋光分析法は、特許ES2313140、US4014321、EP0534166、US6704588およびUS6442410において使用される。
熱赤外分光法は、グルコース濃度の変化の結果として人体によって放出される熱放射を測定する。この方法は、例えば測定デバイスの動き、周辺温度、ならびに体温および組織温度の変動などの多くの誤差因子を有する。US2005/0043630は、この方法に基づく特許の一例である。
ラマン分光法は、溶液中の分子の回転および振動を誘導するレーザービームの使用に基づく。結果として生じる散乱光の発光は、溶液中の溶質の濃度に依存する分子の、当該振動によって影響される。当該技術の主な欠点は、生体組織がラマンシステムの強力なレーザによって損傷され得ることである。当該技術は、ES2093243、ES2206610、ES2314906、US5448992、US8355767およびUS2016/0100777において使用される。
光音響分光法は、流体を励起し、結果として音響応答を生じさせるために、レーザービームを使用することに基づいている。光音響信号は組織の比熱に依存し、当該比熱はグルコース濃度に依存する。化学的(他の生物学的化合物)および物理的(温度および圧力の変化)干渉に対する感応性により、当該技術は制約を受ける。EP1346684は、当該方法を利用する。
赤外線分光法は、分子を振動させることによる赤外線の吸収に基づいている。分子は、自身の振動周波数が光波長と一致すれば、光ビームからのエネルギーを吸収する。このようにして、グルコース濃度は、組織を横切る光の強度の変化から、推定され得る。基本的な利点として、完全に非侵襲性の技術であり、システムの構築が単純であり、コストが比較的低いことを挙げることができる。近赤外線分光法(Near-infrared,NIR)は700nmから2500nmの範囲まで、中赤外線分光法(mid-infrared,MIR)は2500nmから10μmまでの範囲にある。本発明が赤外線分光技術に基づいていると仮定すると、グルコース濃度および他の分析対象物の推定のための、当該技術の適用に関する最新技術の概要は、以下のようになる。
赤外線分光技術の使用を含む多くの文献(例えばCN204318765)は、当該技術が実施される方法を追求しておらず、このために最新技術の概要から除外されている。
特許CN104970802は、1500nm~3000nmのスペクトル範囲の近赤外線分光法を使用している。しかしながら、当該特許では、グルコース値を得る方法が示されていない。当該デバイスは、マイクロプロセッサとブルートゥース送信モジュールとを含む腕時計に組み込まれる。さらに、歩行中の足取りの推定のための重力センサと皮膚温度センサを含んでいる。
特許CN105232055は、耳たぶに対して1610nmの赤外線光源を使用している。当該デバイスは、2つの軌道に関する光学分光測定に基づいている。当該2つの軌道のうちの1つは、基準として働く光ビームに応じた軌道であり、もう1つは、身体測定領域上の反射によって影響を受ける軌道である。
文献US2009/004682には、液体血液サンプル中のグルコースの推定のための手順が記載されている。9615~9804nmの波長範囲の赤外線光の吸収スペクトルに基づく方法が使用されている。グルコースの推定には、吸収強度の積分、および吸収強度の2次導関数の積分を使用されるが、吸収スペクトルを得る方法については言及されていない。特許ES2101728においてもまた、1100nmと1900nmとの間に含まれる範囲ではあるが、吸収強度の2次導関数が使用されている。当該文献は、吸収スペクトルの推定のための手順を示している。
US2008/171925では、異なる光源から得られる複数の波長が同時に使用され、グルコース値を推定するために、入射信号と反射信号との間の遅延が測定される。特許ES2133643はまた、グルコース値推定のために2つの波長を使用する。特許US2017/105663のデバイスは、近赤外線領域において2つの分光測定を行い、畳み込み関数とモンテカルロシミュレーションとを用いてデータをフィッティングする。
EP0869348に記載の装置は、グルコース分子のOH基の吸収ピークに関連する第1波長(典型的には1550nmから1650nmまで)、NH基の吸収ピークに関連する第2波長(典型的には1480nmから1550nmまで)、およびCH基の吸収ピークに関連する第3波長(典型的には1650nmから1880nmまで)の3つの波長を、測定領域に照射する。多変量解析によって受信した放射光をもとに、グルコース値を推定する。
EP0807812に示されている手順によると、低コヒーレンス光ビームが眼球に照射される。眼球の異なる深さから反射されるビームは、移動可能なミラーから反射される、別の参照光ビームに干渉する。使用される方法によって、角膜と前眼房(房水)との界面から到来する光を、前眼房と水晶体との界面から到来する光から分離することを可能にする。2つの光ビームの捕捉強度から房水の吸光度を計算する。当該プロセスは、房水中のグルコース濃度を得るために、異なる波長において繰り返される。
特許US2005/0107676およびWO2006/047273においては、1100~1900nmの赤外線光の吸収スペクトルを推定するために、広帯域赤外線光源および異なる光学フィルタが使用される。温度の影響を避けるために、センサ領域に能動的温度制御システムが含まれる。特許US2005/020892およびUS7299080は、1150~1850nmに含まれる範囲についてであるが、同様の構成を有する。さらに、これらの文献においては、異なる検出領域へのアクセスのために、異なる光ファイバが使用される。複数のプローブを使用することにより、配置誤差によるサンプルスペクトルの干渉が最小限に抑えられる。
CN102198004においては、赤外線源としてハロゲン電球が、グルコース推定用にデジタルシグナルプロセッサ(digital signal processor,DSP)が用いられている。こうした光源は、グルコースおよび水の吸収波長帯域をカバーする、600~2500nmの範囲の波長を放射する。当該文献においては、グルコース値を推定するためにスペクトルおよびニューラルネットワークが使用される。
特許GB2531956およびWO2015/097190には、検体を特性決定するための装置が記載されている。当該検体は、皮膚の表層のグルコースでありうる。皮膚の表層の下に埋め込まれたリフレクタは、身体測定領域を通過した入射放射光を受光し、当該入射放射光を、当該身体測定領域を通して身体外に位置するセンサに向けて反射する。また、当該文献では、ラマン分光法の分析方法が使用される。さらに、測定領域における毛髪成長を促進するために、成長因子を適用する可能性が示されている。
発明CN103344597には、ハスの根の中の糖および塩の濃度を推定するための方法が記載されている。当該方法は、中赤外線分光技術と、5%、10%、15%、20%の塩および糖の濃度を有するサンプルのセットに対して行われる測定をもとにした最小二乗法によって較正されるモデルとを使用する。WO2012/048897には、赤外線域におけるサンプルの吸収スペクトルによって、テンサイ種子を分類するための方法が示されている。
特許ES2102259には、研究中の生体マトリックス内における光の伝播時間の計算に基づく、生体マトリックス中のグルコース濃度の解析的決定のための手順が記載されている。US2011/0184260に記載されている方法は、異なる旋光を有する2つの光源をサンプルに当て、各旋光において捕捉された光の比較から、グルコースを推定する。対照的に、ES2086969は、エミッタ(発光体)に対して異なる距離に配置される2つの検出器によって受光される光をもとに、生体マトリックス中のグルコース値の濃度を特性決定する。
特許GB2482378号には、組織サンプル中の検体濃度を非侵襲的に測定するための光学デバイスおよび方法が記載されている。当該デバイスは、入射光が反射される2つの光インターフェイスを有し、第2光インターフェイスはサンプル上に位置する。当該2つのインターフェイスは、第1インターフェイスから反射される光と第2インターフェイスから反射される光との間の位相差の帰結としての干渉パターンを生じさせるように配置される。US6043492では、近赤外線領域におけるグルコースの吸収スペクトルを得るために、2つのファブリ・ペロー干渉計が利用される。
特許US8629399に記載されている方法によると、発酵などの生物学的プロセスの進展を分析することが可能になる。当該手順によれば、中赤外線領域における初期吸収スペクトルは、基準パターンと組み合わされ、それにより生物学的プロセスが終了したときに、予想されるスペクトルを予測することが可能になる。現在のスペクトルと期待されるスペクトルとを比較することにより、上記プロセスの進展が解析される。
WO2001/007894は、以下の工程を含む、生物学的液体中の検体(アルブミン、コレステロール、グルコース、総タンパク質、トリグリセリドおよび尿素)の濃度を決定するための手順を保護する。(i)まず、プレート上に膜を作製するために、ガラスプレート上において液体のサンプルを乾燥させる。(ii)次に、2500~5000nmの赤外線波長にてプレートおよび膜を通過するように赤外線ビームを導く。(iii)最後に、膜中の検体の濃度を決定するために、このようにして得られたスペクトルを分析する。
赤外線分光法による分析において、吸光分光法は、サンプル中の1つ以上の物質の濃度を決定するために使用される分析技術である。吸収分光法は、分光光度計と呼ばれるデバイスを用いて行われる。最も基本的な形態の分光光度計は、光源、サンプルホルダ、および検出器によって形成される。文献WO2003076883およびUS7133710は、1180~2320nmの範囲の異なる波長を測定する分光光度計に基づいている。光源から生じた光(入射光)は、サンプルを通過して、透過される光の量を測定する検出器に至る。非分散性サンプルの場合、サンプルの吸光度は、サンプルを照らす入射光の量を、サンプルを透過した光の量によって除算した値の対数に比例する。入射光は、サンプルなしの場合に検出器に到達する光の量を測定することによって得られる。しかしながら、光がサンプルを透過するためには、入射光の強度が検出器を飽和させるために必要な光の量よりも著しく大きくなければならないことが一般的である。
検出器の飽和を補償する1つの方法は、基準測定に、より小さい積分時間(測定前に検出器が光に曝露される時間)を使用することである。しかしながら、サンプルおよび基準の測定のために異なる積分時間を使用することは、検体の測定に誤差をもたらす可能性がある。
検出器の飽和を補償する別の方法は、測光フィルタによって基準ビームを減衰させることである。測光フィルタにより、検出器に到達する入射光の強度を低減することが可能になる。特許WO2001/015596には、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene,PTFE)およびガラス繊維から作製される人工フィルタが記載されている。当該人工フィルタは、身体の一部の吸光スペクトルを模倣し、かつ、血液のスペクトル成分を含む。他の同様の特許は、US6015610およびUS5596450である。ただし、温度変動の結果としてフィルタにどのような変動があっても、推定の精度に影響する可能性がある。特許US2003/0174321には、温度変化に対して頑健である、600nm~1650nmの波長用の人工フィルタが記載されている。
別の一般的に使用される方法は、減衰全反射(attenuated total reflection,ATR)赤外線分光法である。当該方法では、結晶に光ビームを衝突させる。結晶のサイズおよび形状によって、一連の内部反射が促進され、その後、ビームは情報を伴って結晶から退出しうる。結晶の表面上部は、サンプルの表面上に位置するが、当該サンプルは皮膚であってもよい。赤外線ビームが臨界角を超える角度によって結晶上面に衝突すると、ビームは結晶内において完全に反射させられる。上面に対する各反射は、サンプル組成に関する情報を、少しだけ多く提供する。
反射ビームは、広範囲の波長にわたって、サンプル中に短距離浸透する消滅波(エバネッセント波)を含む。サンプルが放射光を吸収する赤外線スペクトルのこれらの領域では、光の一部は結晶に戻らない。吸収される光の量は、グルコース値の定量化に必要な情報を提供する。
特許WO2001/079818、WO2000/021437、EP1137364、US2005/0137469、US2004/225206、US2003/176775、US2005/0171413およびUS6362144は、ATR法に基づく。これらの文献では、グルコース値の測定が赤外線スペクトルの2つの特定の領域における比較分析をもとに行われ、それらのうちの1つは8250~8750nmの範囲の波長を有する基準として使用され、他方は9500~10000nmの波長を有する測定結果として使用される。JP2001174405は、前述の発明と同様の発明である。しかし、レーザによって発生させた単一波長と、結晶としての全反射プリズムとが用いられる。別の例は、ATRプリズムまたは光ファイバが使用されるJPH11188009である。
WO2006/079797には、赤外線光源として、電気的に加熱されるリボン、ATR導波路、導波路コリメータおよび光検出器によって、ブドウ糖などの検体を測定するための装置が記載されている。コリメータと検出器とは、調整可能な角度によって導波管に対して位置決めされる。グルコースの値は、異なる時間間隔(タイムインターバル)において測定される測定値に、予測アルゴリズムを適用することによって得られる。温度の影響は温度センサの測定に伴って補償され、圧力は圧力センサによって制御される。特許WO2016/086448はまた、革新的な要素として、グルコース推定値を正規化するための圧力センサを含む。
文献JP2010217097には、異なる波長を検出するために、中赤外線領域の光源と、ATRユニットと、光学バンドパスフィルタのセットとを含む分光器が記載されている。フィルタの各々は、モータによって駆動されるプリズムの回転によって起動される。
特許CN103919560およびCN103919561もまた、ATR技術に基づくが、当該文献では、反射部材は皮膚の下にインプラントされる(埋め込まれる)光ファイバの端部である。測定の感度は、光ファイバの端部に位置する金属ナノ粒子によって強化される。ATRに基づく他の文献は、JPH0856565であり、液体中の発酵の程度を推定するために、8333~11111nmの異なる波長が使用される。ATRに基づく他の文献には、さらにUS2003/031597およびUS7438855B2があり、グルコース濃度を推定するためにATRプリズムおよびカスタマイズされた較正曲線が使用される。ATRに基づく他の文献としては、US2004/0097796も挙げられる。
CN101947115には、光ファイバ上のATRに基づいてヒト血液中のグルコース濃度を測定するためのインプラント可能なシステムが記載されている。当該文献では、光が2つの異なる光路へと分割される。1つの経路では、光はATRセンサによって光ファイバに結合され、もう1つの経路では受光した光が直接的に基準信号として使用される。
特許WO2002/082990では、フーリエ変換に基づく赤外線分光技術が使用されている。当該技術では、単色光ビームをサンプルに投射するのではなく、複数の波長を含む光ビームを一度に発生させ、サンプルに吸収される量を測定する。当該プロセスは、異なる組み合わせの波長を含むようにビームを修正しながら、何度も繰り返される。最終的に、コンピュータは、全ての測定をもとに、各波長における吸収を推測する。フーリエ変換による赤外線分光技術が使用されている他の文献は、JP2008/256398が挙げられる。当該文献には、水によって発生するノイズを除去するための手順が組み込まれている。あるいは、KR2015/0122381では、液体培地中のガラクトースおよび無水ガラクトースの推定に適用されている。US6865408では、コンピュータシステムがグルコース値を推測するもととなるインターフェログラムを作成する拡散反射アクセサリが統合されている。WO2013/135249では、土台としてフーリエ変換に基づく商用赤外線分光計(Shimadzu IRPrestige-21/8400S、Japan)およびPIKE Technologiesアクセサリ(ATR-8200 HA)に搭載されるATR結晶プリズムが用いられている。あるいは、CN1194133では、別の市販の分光計(Nicolet Magna-IR 750SeriesII)が用いられている。
[本発明の説明]
本発明は、非侵襲的血糖値推定のためのデバイス、および、当該デバイスによって使用される方法に関する。上記デバイスは、好ましくは測定ユニットと個人モニタリングユニットとの2つのデバイスによって形成され、互いに無線によって通信する。
測定ユニットは、血管床によって潅注される人体領域の皮膚上に配置され、2つの異なる波長において光を発するポータブルデバイスである。当該2つの異なる波長の光のうちの1つは、近赤外線範囲内のグルコース分子における吸収スペクトルの最大吸光度に対応する。測定ユニットはまた、測定領域を横切る光を捕捉し、個人モニタリングユニットは測定ユニットによって得られた情報に基づいて血糖値を推定し、推定の結果をユーザに示す。
グルコース値を測定するための一般的なデバイスである、グルコメータに関しての主要利点としては、無害で痛みのなく使用できることである。このため、使用者に対していかなる種の不快感または煩わしさも引き起こさない。さらに、測定を所望の回数だけ繰り返すことができる。提案されている上記デバイスのもう1つの利点は、その低コストである。既製の電子部品を使用し、デバイスの使用中のコストを増加させる、反応性ストリップを必要としないためである。間質液中のグルコースの自動/半自動モニタリングのための市販の臨床システムに関して、その主な利点もやはり、その低コスト(使用中のコストを増加させる補助機材を必要としない)、安全性(感染の危険性に加えて、刺激を引き起こし得る皮膚下への電極の挿入を必要としない)、およびその精度である。エラーを誘発しうる間質液のグルコース成分ではなく、血液自体中のグルコース成分を分析するからである。
さらに、上記デバイスは、以下に示す他の革新的な構成および技術的利点を有する。
-測定原理は光電効果に基づいている。その結果、測定は、無害であり、かつ、ユーザに不快感を与えることなく所望の回数だけ繰り返すことができる。
-双方向ワイヤレス通信によって外部と通信することが可能なポータブルシステムであり、上流方向においてe-Healthシステムにおける測定値を統合し、かつ、下流方向においてデバイスの遠隔設定およびカスタマイズを行う。
本発明の対象であるデバイスは、赤外線分光法の技術に基づいている。当該技術に基づく他の提案と比較して、本発明に記載されているデバイスおよび方法は、以下に示す新規性および革新性を有する。1)グルコース分子の存在によって影響されない第2波長に関する比較分析からなる絶対的な正規化。2)血液の動脈成分へのアクセス、捕捉される信号中の脈動成分の識別。3)光レベル、動き、および他の条件因子の変動に対する相対的な正規化が、捕捉される信号の連続レベルに関する比較分析からなること。4)グルコース推定モデルのカスタマイズが、人物の特定の特性とおよび測定が実行される文脈とに依存すること。本発明の対象の新規性は、本明細書に添付されている特許請求の範囲に示されている。
[図面の簡単な説明]
本明細書において提供されている説明を補足するものとして、また本発明の構成をより容易に理解できるようにするのを補助することを目的として、好ましい実用的な例示的実施形態に応じて、各実施形態の説明には、限定ではなく例示として、以下に示す一連の図面が添付される。
図1は、本特許の対象となるデバイス、およびそれを構成するデバイスの基本的なアーキテクチャの図を示す。
図2は、測定ユニットの基本的なアーキテクチャの図を示す。
図3は、測定モジュールの基本的なアーキテクチャの図を示す。
図4は、個人モニタリングユニットの基本的なアーキテクチャの図を示す。
図5は、測定ユニットと個人モニタリングユニットとを組み合わせた単一のデバイスの図を示す。
図6非侵襲的血糖値推定のための方法を示す。
[本発明の好ましい実施例]
図1に示す本発明の第1の態様の可能な実施形態では、非侵襲的血糖値推定のためのデバイス(1)を有する。当該デバイス(1)は、好ましい実施形態では、2つのユニット、すなわち測定ユニット(2)、および個人モニタリングユニット(3)によって形成される。デバイス(1)は、外部サービスプロバイダ(21)と、無線通信および双方向通信することが可能である。
測定ユニット(2)は、血管床によって潅注される人体領域の皮膚上に配置され、2つの異なる波長において光を発する、ポータブルデバイスである。当該2つの異なる波長の光のうちの1つは、近赤外線範囲内のグルコース分子における吸収スペクトルの最大吸光度に対応する。測定ユニット(2)は、測定領域を横切る光を捕捉し、個人モニタリングユニット(3)と連携して、以下の条件に基づいてコンピュータ計算モデルによって血糖レベル推定を実行する。1)複数の波長の各々において受光した光の量に存在する関係からグルコースの影響を分離する。2)周囲光の影響に関して、および放出される光のレベル、組織の特性、光エミッタおよび光検出器の配置および構成、または測定領域の影響、ならびにモーションアーチファクトおよび他の低周波ノイズ源などの、測定の定常的特性(定常的な特性)に関して推定を標準化する。3)受光信号の脈動成分を考慮して動脈血の影響を分離する。好ましい実施形態では、測定ユニット(2)は、図2おいてに参照される、以下のモジュールを備える。
a)グルコース値の非侵襲的測定のための複数のコンポーネントを含む測定モジュール(4)。
b)測定モジュール(4)の一部のコンポーネントと、測定モジュール(4)によって提供されるデータをもとにしたグルコース値推定に関連する処理の第1部分とを起動させる役割を担う、第1コンピュータモジュール(5)。
c)設定コマンドを受信し、かつ、第1コンピュータモジュール(5)に関連するデータを送信する役割を担う、第1通信モジュール(6)。
d)通信障害の場合に一時的に情報を記憶するための、または、測定ユニット(2)からの情報を永続的に記録するための、第1データ記憶モジュール(7)。
e)測定ユニット(2)を起動させるための押しボタン(8)。
次に、測定モジュール(4)は、図3において示す以下のコンポーネントを備える。
a)第1コンピュータモジュール(5)から起動可能な第1光エミッタE1(9)。当該第1光エミッタは、近赤外線範囲内のグルコース分子の吸収スペクトルの最大吸光度に対応する波長を有し、血管床によって潅注される人体領域(10)の皮膚に当たる。本発明の一実施形態では950nmに対応する波長が使用されるが、他の波長も可能である。
b)同様に、第1コンピュータモジュール(5)から起動可能である第2光エミッタE2(11)。当該第2光エミッタは、グルコース分子の吸収スペクトルの最小吸光度に対応する波長を有し、第1光エミッタE1(9)に近接しては位置されており、皮膚(10)の同じ領域に影響を及ぼす。本発明の一実施形態では660nmに対応する波長が使用されるが、他の波長も可能である。
c)第1エミッタおよび第2エミッタ(9、11)の波長に敏感な光検出器(12)。当該光検出器は、光検出器(12)の感度スペクトルにおいて受光される光の強度に依存する振幅を有する電流信号S1を生成する。好ましい実施形態では、光検出器の感度スペクトルは、660nmおよび950nmに対応する波長を統合する。
d)信号S1が非常に弱い場合、第1増幅ステップ(13)は、当該信号S1から、増幅された電圧信号S2を生成する。
e)血管床内の動脈血流の結果として変化する信号S2の成分を抽出し、信号S3を生成する、第1フィルタリングステップ(14)。好ましい実施形態では、当該ステップは、心臓活動に関連する脈動成分を通過させることを可能にするカットオフ周波数を有する、ハイパスフィルタによって実行される。
f)信号S3が非常に弱い場合に、当該信号S3をもとにして増幅信号S4を生成する、第2増幅ステップ(15)。
g)、測定における定常的な特性(発光レベル、組織の定常的な特性、光エミッタおよび光検出器(12)の配置および構成、または測定領域(10)の影響)(これらは、測定ごとに変化し得、ならびに想定されるモーションアーチファクトおよび他の低周波数誤差源を生じさせる)に関連する信号S2の成分を抽出し、信号S5を生成する第2フィルタリングステップ(16)。好ましい実施形態では、このステップは、心臓活動に関連する脈動成分を通過させないことを可能にするカットオフ周波数を有するローパスフィルタによって実行される。
測定ユニット(2)によって生成される情報は、無線によって、個人モニタリングデバイス(3)に送信される。これにより、双方向通信リンクが維持される。測定の開始時間は測定ユニット(2)上の押しボタン(8)によって局所的に起動させることができ、または、個人モニタリングユニット(3)からコマンドを送信することによって遠隔的に起動させることができる。また、別のコマンドによって、自動的なグルコース推定が実行される瞬間(時点)を、事前に設定することができる。
個人モニタリングユニット(3)においては、ハードウェアおよびソフトウェアの両方の観点から、測定ユニット(2)に比べてより大きな能力を有し、グルコース値推定のための方法に関連する最大のコンピュータ計算負荷を伴う処理の一部が展開される。処理の多重レベル分布は、省エネルギーに有利に働き、コンピュータ計算負荷を低減する。個人モニタリングユニット(3)はまた、自身に接続される他のポータブルセンサから到来する、他の生理学的変数(呼吸リズム、心拍数、ECG、心拍数変動、体温、身体活動、転倒、体組成、皮膚インピーダンス、およびパルスオキシメトリなど)に関連しうる情報を処理および管理する役割を担いうる。好ましい実施形態では、図4を参照すると、個人モニタリングユニット(3)は、以下のモジュールを備える。
a)少なくとも測定ユニット(2)との双方向無線通信を確立するように意図されている第2通信モジュール(17)。
b)グルコース値推定に関連する処理の第2部分を担当する第2コンピュータモジュール(18)。警報状況または注意すべき状況を検出するためのアルゴリズムも、第2コンピュータモジュール(18)で実行される。
c)測定ユニット(2)からの情報および第2コンピュータモジュール(18)からの結果を表示し、ユーザが調節される方法、すなわち触覚(19.a)、視覚(19.b)、聴覚(19.c)、または音声制御(19.d)などで対話することを可能にするインターフェイスモジュール(19)。アラーム事象が検出される場合、インターフェイス(19)は、調整される警報手段(光、音響、振動等)で反応する。次いで、ユーザは提供される情報を管理し、見直している間に、アラームを非アクティブにするか、または無音にすることができる。インターフェイス(19)は、2つのタイプのユーザ、すなわち、家庭環境において発生し得る監視されるユーザ、または臨床環境において発生し得る専門ユーザによって使用され得る。
d)外部サービスプロバイダ(21)との双方向無線通信を確立するように意図されている第3通信モジュール(20)。
e)通信障害の場合に個人モニタリングユニット(3)からの情報を一時的に記憶するか、または、そのような情報を永続的に記録する役割を担う、第2データ記憶モジュール(22)。このような情報を永続的に記録することにより、外部データベースへのリモート接続を必要とすることなく、情報への今後のアクセスが可能になる。
個人モニタリングユニット(3)は、本発明の好ましい実施形態ではポータブルであるが、他の可能な実施形態では固定設備であってもよい。このようなデバイスは、スマートフォンやタブレットによって物理的に実施することができる。
測定ユニット(2)および個人モニタリングユニット(3)は、測定の瞬間および動作の期間を管理するために、リアルタイムタイミングシステムを維持する。当該タイミングシステムはまた、各推定に、それらが実行される時間的な瞬間(時点)を割り当てる役割も果たす。個人モニタリングユニット(3)は、事前設定プラン(予め設定されたプラン)に従ってグルコース推定値の実現を調整する役割を果たす。当該事前設定プランは、デバイスのインターフェイス(19)を介して局所的に、またはe-Healthシステムのテレマティックサービスを介してリモートに(遠隔的に)、エキスパートユーザによって設定されてよい。このような推定は、コマンドを送信することよって、測定ユニット(2)において起動される。タイミングシステムの同期化のためのコマンドの送信に基づいて、個人モニタリングユニット(3)から測定ユニット(2)への階層的な手順が確立される。エキスパートおよび監視されるユーザの両方の、異なるユーザは、推定の瞬間的な実行をアクティブ化することもできる。この瞬間的な起動は、測定ユニット(2)の押しボタン(8)から、または個人モニタリングユニット(3)のインターフェイス(19)から行うことができる。
個人モニタリングユニット(3)は、警報管理を含めて自律的に情報を管理し、情報および警報をe-Healthシステムに統合するために、測定ユニット(2)および外部サービスプロバイダ(21)と共にユーザへのシームレスな通信を確立することが可能である。
非侵襲的血糖値推定のためのデバイスの構造的および機能的なモジュール化は、2つの可能な構成、すなわち、(i)測定ユニット(2)が個人モニタリングユニット(3)から物理的に隔離されている分散型(1)と、(ii)図5に示されている、測定ユニット(2)が単一デバイス(23)内において個人モニタリングユニット(3)と一体化されている別の単一型(モノリシック型)(1)と、を可能にする。この第2のケースでは、両方のユニット間の通信を、直接的にまたは(無線ではなく)有線によって実行することができる。さらに、測定ユニット(2)および個人モニタリングユニット(3)は、単一のコンピュータモジュールなど、単一構成(デバイス(23))内の物理的コンポーネントを共有することができる。
本発明の好ましい実施形態では、光ビームが比較的半透明な身体領域(10)(例えば、指)を横切り、当該身体領域の反対側に位置する光検出器(12)によって捕捉されるように、第1光エミッタE1および第2光エミッタEE2(9、11)が配置される。当該第1の実施形態では、光検出器(12)が感応する光のスペクトルに対して不透明なケーシング内に、測定ユニット(2)を組み込むことに焦点を当てている。当該不透明なケーシングは、測定領域(10)上に一定の圧力を維持するように構成されている。
別の実施形態では、図1もまた示すように、測定ユニット(2)は、温度モジュール(24)を含んでいる。温度モジュール(24)は、測定領域(10)の温度を測定する役割を担う。これにより、グルコース推定モデルは、温度の関数としての係数を調整するために、このデータを組み込むことができる。本願特許の対象となるデバイス(1)を構成するコンポーネントおよびエレメント(要素,部材)に加えて、当該デバイスは、非侵襲的血糖値推定に使用される方法においても特徴付けられる。当該方法は、2つのレベル、すなわち、測定ユニット(2)における第1レベルの処理と、個人モニタリングユニット(3)における第2レベルの処理と、に分散して実行される。したがって、コンピュータ計算およびエネルギー節約の点で有利な分散処理アーキテクチャおよび方法が確立される。コンピュータ計算に関しては、このような多重レベル構造が2つのデバイス間の処理負荷が計算の過負荷を防止するために補償されることを可能にするためである。エネルギーに関しては、ポータブルデバイスにおける最高のエネルギー消費が、データを無線によって送信することに関連するからである。多重レベル処理は、送信される無線情報を減少させ、かつ、抽出するので、エネルギー節約が促進される。
前記方法は、図6を参照すると、以下の操作(オペレーション)を含む。
a)第1光エミッタE1および第2光エミッタE2(9、11)が停止される、事前設定期間(事前に設定される期間)P1(25)において、信号S5の平均値としてのパラメータD1の推定(28)が、実行される。
b)第1エミッタE1(9)が起動され、かつ、第2エミッタE2(11)が停止させる第2事前設定期間P2(26)において、信号S5の平均値としてのパラメータD2の推定(29)が、実行される。
c)当該期間P2(26)において、心臓活動に関連する脈動信号S4において識別される、連続的な最大値と最小値との差の平均値としてのパラメータD3の推定(30)が、実行される。
d)第2エミッタE2(11)が起動され、かつ、第1エミッタE1(9)が停止される第3事前設定期間P3(27)において、信号S5の平均値としてのパラメータD4の推定(31)が、実行される。
e)当該期間P3(27)において、心臓活動に関連する脈動信号S4において識別される、連続的な最大値と最小値との差の平均値としてのパラメータD5の推定(32)が、実行される。
f)パラメータD1、D2、D3、D4、およびD5に依存するモデルをもとにした血糖値の推定(33)。当該モデルは、2つの条件、すなわち、(i)パラメータD2およびD3において最大吸光度に関連する光に曝露されるグルコース分子と、または、(ii)パラメータD4およびD5において最小吸光度に関連する光に曝露されるグルコース分子と、に応じてパラメータに関する依存性を重み付けすることによって、グルコースの影響を分離する。光検出器(12)の測定に対する周囲光の影響は、パラメータD1に関して、依存性において重み付けされる。測定における定常的な特性(発光レベル、組織の定常的な特性、エミッタおよび光検出器(12)の配置および構成、または測定領域(10)の影響)に関連する信号成分の影響、ならびに低周波信号によって生成される可能なモーションアーチファクトおよび他の誤差源の影響は、パラメータD2およびD4に関して、依存性において重み付けされる。当該モデルは、推定に対する動脈血の影響を分離し、他の組織の影響を排除し、パラメータD3およびD5に関して依存性を重み付けする。
パラメータD1、D2、D3、D4、およびD5に関する血糖値推定のためのモデルの依存性は、コマンドを送信することによって遠隔的に設定され得る係数に基づく。係数の値は、定量的な方法(最小二乗法、遺伝的アルゴリズム、群知能またはニューラルネットワーク)によって固定される。当該定量的方法は、較正方法として使用される、参照研究における推定値の平均二乗誤差を最小化する。係数の関数としてのグルコース値推定のために可能なモデルが3つある。1)係数の値が複数のユーザにおけるモデルの使用のために調整される一般化モデル。2)係数の値が所与のユーザに対するグルコース推定を最適化するために調整される、カスタマイズされたモデル。3)一般化され、かつ、カスタマイズ可能なモデル。当該モデルは、年齢、性別、糖尿病のタイプ、または測定の状況など、ユーザの特定の特性に関連する他のパラメータとの依存性を含む。
ユーザインターフェイス(19)においてグルコース値推定を表す方法、すなわちテキスト、グラフィック、聴覚刺激(auditory)など、またはそれらの複数の組み合わせを選択することも可能である。さらに、当該提案は、推定の結果に基づいて、ユーザの分類方法を選択する可能性を付与する。選択された分類方法は、血糖値に基づいて閾値を確立する。これにより、例えば、非常に高い、高い、正常、低い、または非常に低いなどの異なるレベルに、ユーザを分類することが可能になる。閾値、レベル、および分類の結果は、推定のために選択される表現方法(テキスト、グラフィック、聴覚刺激など、またはそれらの複数の選択)に関連する方法によって示される。分類方法は、ユーザの状態に関する直接的な情報を提供するために、事前の臨床知識および分類基準を推定する。これにより、それらの評価および診断が容易となる。
ユーザの異なる測定における、グルコース推定値の履歴追跡を実行する可能性が、さらに考慮される。そのような履歴は、選択された表現方法(テキスト、グラフィック、聴覚刺激など、またはそれらの複数の選択)に関連する方法によって示される。それぞれの測定において、推定が実行される日時を識別することができる。
本発明の対象は、測定の記録におけるトレンド(傾向)、パターン、および予測を自動的に確立する目的を有する、測定の記録に対する追加の処理を含んでもよい。これらは、ユーザに通知されてもよい。
第2コンピュータモジュール(18)はまた、望ましくない状況を検出するためのシステムを実行する。望ましくない状況が検出された場合、当該システムは、ユーザに対する予防措置を可能にする一連の局所的かつ遠隔的なアラームを生じさせる。当該システムは、局所的または遠隔的に設定可能なインジケータ(指標)のライブラリと、前記インジケータに関連するアラームを生じさせるための臨界値を有するテーブルとを使用する。前記インジケータは、特定のグルコース推定と関連付けることができるが、推定の履歴のトレンド、パターン、および予測の分析とも関連付けることができる。アラームの起動を管理するロジックおよび決定ルールは、1つ以上のインジケータを関連付けるように設定することもできる。
本特許の対象となる装置、およびそれを構成する装置の基本アーキテクチャの図を示す。 測定ユニットの基本的なアーキテクチャの図を示す。 測定モジュールの基本的なアーキテクチャの図を示す。 個人モニタリングユニットの基本的なアーキテクチャの図を示す。 測定ユニットと個人モニタリングユニットを組み合わせた単一のデバイスの図を示す。 非侵襲的血糖値推定のための方法を示す。

Claims (12)

  1. 非侵襲的血糖値推定のためのデバイス(1)であって、
    測定ユニット(2)と、
    個人モニタリングユニット(3)と、を備え、
    前記測定ユニット(2)は、
    非侵襲的血糖値測定のためのプロセスを実行する複数のエレメントを含む、血糖値を測定するための測定モジュール(4)と、
    前記測定モジュール(4)を制御し、かつ、前記測定モジュール(4)によって提供されるデータをもとに、血糖値を測定するための前記プロセスの第1部分に関するデータを処理する第1コンピュータモジュール(5)と、
    設定コマンドを受信し、かつ、当該コマンドに関連するデータを前記第1コンピュータモジュール(5)に送信する第1通信モジュール(6)と、
    前記測定ユニット(2)からの情報を記憶する第1データ記憶モジュール(7)と、
    前記測定ユニット(2)を起動させる押しボタン(8)と、を備え、
    前記個人モニタリングユニット(3)は、
    少なくとも前記測定ユニット(2)との双方向無線通信を確立する第2通信モジュール(17)と、
    血糖値を測定するためのプロセスの第2部分に関するデータを処理する第2コンピュータモジュール(18)と、
    前記測定ユニット(2)からの情報および前記第2コンピュータモジュール(18)によって提供されるデータを表示し、ユーザに対話させることを可能にするインターフェイスモジュール(19)と、
    外部サービスプロバイダ(21)との双方向無線通信を確立する第3通信モジュール(20)と、
    前記個人モニタリングユニット(3)からのデータを記憶する第2データ記憶モジュール(22)と、を備え、
    前記測定モジュール(4)は、
    前記第1コンピュータモジュール(5)から起動可能であり、血管床によって潅注される身体領域(10)の皮膚に当たる、近赤外線範囲内のグルコース分子の吸収スペクトルの最大吸光度に対応する波長において発光する第1光エミッタE1(9)と、
    前記第1コンピュータモジュール(5)から起動可能であり、グルコース分子の吸収スペクトルにおける最小吸光度に対応する波長において発光し、かつ、前記光エミッタE1(9)の近くに配置されている、第2光エミッタE2(11)と、
    前記第1光E1および前記第2光E2(9、11)の波長に感応する光検出器(12)であって、前記光検出器(12)の感度スペクトルにおいて受光した光の強度に依存する振幅を有する電流信号(S1)を生成する、前記光検出器(12)と、
    前記電流信号(S1)が弱い場合、前記電流信号(S1)から増幅された電圧信号(S2)を生成する第1増幅ステップ(13)と、
    動脈血流によって変化する電圧信号(S2)の成分を抽出し、第3信号(S3)を生成する第1フィルタリングステップ(14)と、
    前記第3信号(S3)から増幅された信号(S4)を生成する第2増幅ステップ(15)と、
    測定、並びに、想定されるモーションアーチファクトおよび他の低周波数誤差源における定常的特性に関連する前記電圧信号(S2)の成分を抽出し、第5信号(S5)を生成する第2フィルタリングステップ(16)と、を含む、デバイス。
  2. 光ビームが指または耳たぶなどの比較的半透明な前記身体領域(10)を横切り、かつ、前記身体領域(10)の反対側に位置する前記光検出器(12)によって捕捉されるように、前記第1光エミッタおよび前記第2光エミッタE1およびE2(9、11)が配置されている、請求項1に記載のデバイス。
  3. 前記光検出器(12)が感度を有する光スペクトルに対して不透明なケーシングによって、前記デバイスが覆われている、請求項1に記載のデバイス。
  4. 前記不透明なケーシングは、前記身体領域(10)に一定の圧力を加える、請求項3に記載のデバイス。
  5. 前記測定ユニット(2)および前記個人モニタリングユニット(3)は、測定の時点およびオペレーションの期間を管理するリアルタイムタイミングシステムを備えている、請求項1に記載のデバイス。
  6. 前記測定ユニット(2)は、測定が実行される前記身体領域(10)内の温度を測定する温度モジュール(24)を備えている、請求項1に記載のデバイス。
  7. 前記個人モニタリングユニット(3)は、呼吸数、心拍数、ECG、心拍変動、体温、身体活動、転倒、身体組成、皮膚インピーダンス、およびパルスオキシメトリの内から選択される生理学的変数をさらに測定する、請求項1に記載のデバイス。
  8. 前記測定ユニット(2)および前記個人モニタリングユニット(3)は、物理的に隔離されているか、または、単一のデバイス(23)内に一体化されている、請求項1に記載のデバイス。
  9. 請求項1から8のいずれか1項に記載のデバイスを使用する非侵襲的血糖値推定のための方法であって、
    前記方法は、前記第1コンピュータモジュール(5)および前記第2コンピュータモジュール(18)によって分散方式にて実行され、
    前記方法は、
    前記光エミッタE1(9)およびE2(11)が停止される事前設定期間P1(25)において、前記第5信号(S5)の平均値としての第1パラメータ(D1)の第1推定(28)を実行するオペレーションと、
    前記エミッタE1(9)が起動され、かつ、前記エミッタE2(11)が停止される第2事前設定期間P2(26)において、前記第5信号(S5)の平均値としての第2パラメータ(D2)の第2推定(29)を実行するオペレーションと、
    前記第2事前設定期間P2(26)において、脈動信号(S4)において識別される連続する最大値と最小値との差の平均値に対応する第3パラメータ(D3)の第3推定(30)を実行するオペレーションと、
    前記光エミッタE2(11)が起動され、かつ、前記光エミッタE1(9)が停止される第3事前設定期間P3(27)において、前記第5信号(S5)の平均値としての第4パラメータ(D4)の第4推定(31)を実行するオペレーションと、
    前記第3事前設定期間P3(27)において、前記脈動信号(S4)において識別される連続する最大値と最小値との差の平均値に対応する第5パラメータ(D5)の第5推定(32)を実行するオペレーションと、
    前記第1パラメータから前記第5パラメータ(D1、D2、D3、D4、D5)までに依存するモデルをもとに血糖値(33)を推定するオペレーションと、を含んでおり、
    前記モデルは、前記第1パラメータから前記第5パラメータ(D1、D2、D3、D4、D5)までに対する依存性を、グルコース分子が前記第2パラメータ(D2)および前記第3パラメータ(D3)において最大吸光度に関連する光に曝露されるか、または、前記グルコース分子が前記第4パラメータおよび前記第5パラメータにおいて、最小吸光度に関連する光に曝露されるか、という2つの条件に従って重み付けすることによって、グルコースの影響を分離し、
    前記光検出器(12)の測定における周囲光の影響が前記第1パラメータ(D1)に関する依存性において重み付けされ、
    低周波信号によって生成されるモーションアーチファクトおよび誤差源を伴う測定における前記定常的特性に関連する信号成分の影響は、前記第2パラメータおよび前記第4パラメータ(D2、D4)に関する依存性において重み付けされ、
    当該モデルは、前記第3パラメータおよび前記第5パラメータ(D3、D5)に関連する依存性を重み付けすることにより、推定における動脈血の影響を分離し、かつ、他の組織の影響を除去する、方法。
  10. 前記第1パラメータから前記第5パラメータ(D1、D2、D3、D4、D5)までに対するグルコース値推定のための前記モデルの依存性は、コマンドを送信することによって遠隔的に設定することができる係数に基づいて実現され、
    前記係数の値は、(i)異なるユーザにおける使用のための一般化モデル、(ii)個人使用のためにカスタマイズされたモデル、または、(iii)ユーザの特定の特性に関連する他のパラメータへの依存性を含む、一般化され、かつ、カスタマイズ可能なモデルを生成する、請求項9に記載の方法。
  11. グルコース値推定のための前記モデルのパラメータとして、前記温度モジュール(24)の測定値を取得する、請求項9に記載の方法。
  12. グルコース推定値が不適切と考えられる値を記録した場合に、局所的かつ遠隔的にアラームを起動させるオペレーションを含んでいる、請求項9に記載の方法。
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