JP2023015889A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生体指標の測定において、測定対象物の表面状態の影響を低減して、測定の信頼性を向上する。【解決手段】測定装置は、光源装置と、光源装置からの光が入射する入射端面、入射端面から入射した光を内部反射する反射面、および内部反射光を出射する出射端面を有するＡＴＲプリズムと、前記反射面と測定対象物との界面で反射されて前記ＡＴＲプリズムの出射端面から出射された出射光を検出する検出器と、前記検出器で受光された前記出射光の強度に基づき前記測定対象物の内部情報を推定するプロセッサと、を有し、前記光源装置は、前記入射端面への入射角が異なる光を出射可能であり、前記検出器は、前記ＡＴＲプリズムの出射端面から異なる出射角度で出射した出射光を複数の異なる位置で検出し、前記プロセッサは、前記複数の異なる位置での検出結果に基づいて前記測定対象物の内部情報を演算する。【選択図】図６

Description

本発明は、生体指標の測定装置に関する。

近年、世界中で糖尿病患者が増加しており、採血を伴わない非侵襲的な血糖値計測が望まれている。光を用いてセンシングする方法としては、近赤外光を用いたもの、中赤外光を用いたもの、ラマン分光を用いたものなど、様々な方式が提案されている。このうち、中赤外領域はグルコースの吸収が大きい指紋領域であり、近赤外領域よりも測定の感度を高めることができる。血糖値以外にも、ヘモグロビン濃度、血中脂質、血中タンパク質、血中腫瘍ＤＮＡ等の生体指標が、中赤外領域で非侵襲に測定され得る。

全反射減衰（ＡＴＲ：Attenuated Total Reflection）プリズムと皮膚との接触状態を高精度に測定したうえで、皮膚内部の生体物質の量を測定する生体物質測定装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この測定装置では、ＡＴＲプリズムと皮膚との接触状態を検出するために、ＡＴＲプリズムに歪みセンサが装着されている。

測定対象物の表面には、残渣物や角質層など、推定対象ではない別の物質が存在しており、生体指標の測定結果に影響する。測定対象物の表面状態を考慮した従来の測定方法には、未だ検討の余地がある。

本発明は、生体指標の測定において、測定対象物の表面状態の影響を低減して、測定の信頼性を向上することを目的とする。

一実施形態では、測定装置は、
光を出射する光源装置と、
前記光が入射する入射端面と、前記入射端面から入射した光を内部反射する反射面と、内部反射光を出射する出射端面と、を有する減衰全反射プリズムと、
前記反射面と測定対象物との界面で反射されて前記減衰全反射プリズムの前記出射端面から出射された出射光を検出する検出器と、
前記検出器で受光された前記出射光の強度に基づき、前記測定対象物の内部情報を推定するプロセッサと、を有し、
前記光源装置は、前記入射端面への入射角が異なる光を出射可能であり、
前記検出器は、前記出射端面から異なる出射角度で出射した前記出射光を複数の異なる位置で検出し、
前記プロセッサは、前記複数の異なる位置での検出結果に基づいて前記測定対象物の前記内部情報を演算する。

生体指標の測定において、測定対象部位の表面状態の影響を低減して、測定の信頼性を向上することができる。

エバネッセント光のしみ出しを説明する図である。 単一反射ＡＴＲプリズムを用いたときの反射角度（しみ込み深さ）の選択を示す図である。 単一反射ＡＴＲプリズムの入射角としみ込み深さの関係を示す図である。 多重反射ＡＴＲプリズムにおける反射を示す図である。 受光位置と反射角度の関係を示す図である。 実施形態の測定装置の模式図である。 情報処理装置のハードウエア構成図である。 実施形態の基本的な計測処理のフローチャートである。 血糖値推定のフローチャートである。 第２実施形態の測定装置の模式図である。 第３実施形態の測定装置の模式図である。 第４実施形態の測定装置の模式図である。

実施形態では、エバネッセント光の吸光度を測定するＡＴＲ法において、エバネッセント光の測定対象物へのしみこみ深さが入射角度に依存することを利用して、吸光度の計測結果から、測定部位表面の不要な情報を除去または低減する。これにより、測定部位の表面状態の影響を低減し、目的とする生体情報の推定精度を向上する。

血糖値などの生体情報を非襲撃的に計測する際に、ＡＴＲプリズムを唇に挟んで計測が行われることがある。唇などの粘膜部位は、表面の角質層がごく薄いので、体液や血液中のグルコースをより高い感度で検出できるためである。しかし、唇を測定部位とする場合、食事の残渣や口紅、唾液などが唇に付着していることがある。唇が清浄でない状態で測定を行うと、様々な物質がATRプリズムに付着し、グルコース由来の信号が識別しにくくなる。唇にかぎらず、指、耳たぶなどの部位でも、角質層、皮脂、汗などが測定に影響する。

ＡＴＲ法は、プリズムから測定対象物にしみだすエバネッセント光の吸光度に基づいて特性値を推定する測定法である。測定部位の表面に目的物質ではない別の物質が存在すると、光の吸光度にその別の物質の情報が含まれ、目的物質を推定するうえで誤差要因となる。実施形態では、このような誤差要因を、エバネッセント光のしみこみ深さの入射角依存性を利用して、低減する。以下の実施形態で、同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する説明を省略することがある。

図１は、エバネッセント光のしみ出しを説明する図である。エバネッセント光の測定対象物Ｓへのしみこみ深さ（ｄｐ）は、測定対象物Ｓへの入射角θに依存する。図１では、赤外光ＩＲがプリズムＰの端面Ｐinに垂直入射した後に、プリズムＰと測定対象物Ｓとの界面に入射角θで入射する場合を示している。

エバネッセント光のしみこみ深さ（ｄｐ）は、式（１）で表される。

ここで、λは光の波長（μｍ）、θは入射角、ｎ_１はプリズムＰの屈折率、ｎ_２は測定対象物Ｓの屈折率である。式（１）から、しみだし深さｄｐは、入射角θの関数で表され、波長λに比例し、プリズムＰの屈折率ｎ_１に反比例することがわかる。

この関係を利用すると、入射角度を変化させてしみこみ深さを変えることで、測定対象物Ｓの表面情報を支配的に含む計測データと、測定対象物Ｓの内部と表面の両方の情報を含む計測データを取得できる。異なるしみこみ深さでの２以上の計測データの差分または比をとることで、内部情報の割合が支配的な（すなわち表面情報の割合が十分に小さい）データを抽出することができると考えられる。これが実施形態の計測方法の基本原理である。

図２は、単一反射型のＡＴＲプリズム１２０を用いたときの反射角度（しみ込み深さ）の選択を示す。単一反射型のＡＴＲ１２０の入射面１２１に、測定用の光が入射し、ＡＴＲプリズム１２０の反射面１２３で反射される。臨界角よりも小さい入射角で反射面１２３に入射した光線ＤＲａは、反射面１２３で反射されずに屈折する。臨界角よりも大きい角度で反射面１２３に入射した光線ＤＲｂは、反射面１２３で反射され、出射面１２２からＡＴＲプリズム１２０の外に出る。

光線ＤＲｂは、反射面１２３への入射角に応じて、異なるしみこみ深さをもち、かつ、異なる方向に反射される。ＡＴＲプリズム１２０の出射面１２２を出た各光線ＤＲｂの受光位置は、そのまましみこみ深さと一対一対応する。したがって、ＡＴＲプリズム１２０を出た光線ＤＲｂに対する検出器１０３の位置を、矢印Ｍの方向に動かすことで、異なるしみこみ深さをもつ光線を受光することができる。出射光線に対する検出器１３０の位置を選択することで、反射角度（すなわち、しみこみ深さ）を選択できる。

図３は、図２の単一反射型のＡＴＲプリズム１２０の入射角としみこみ深さ（ｄｐ）の関係を示す。しみこみ深さ（ｄｐ）は、入射光の強度が１／ｅになる距離で表される。臨界角を超える領域について、入射角が大きくなるほどしみこみ深さは小さくなり、入射角としみこみ深さが一対一で対応する。反射光線ＤＲｂをどこで受光するかによって、測定対象物の内部へのしみこみ深さを選択できる。

図４は、多重反射型のＡＴＲプリズム１０２での多重反射を示す。生体指標の非襲撃的な計測では、感度向上のために多重反射型のＡＴＲプリズム１０２が用いられることが多い。反射回数ごとに吸光が指数関数的に増えるからである。ＡＴＲプリズム１０２の内部で多重反射が起きる過程では、各々の光線ＤＲｂの反射角度は、全反射により保たれている。しかし出射端面１１２からＡＴＲプリズム１０２を出た光線の出射角度は、光線によって異なる。そのため、受光位置としみこみ深さが、一対一で対応しなくなる。

図５は、反射角度と受光位置の関係を示す図である。図５の（Ａ）は、受光位置が出射端面１１２の近傍にあるとき、すなわち出射端面１１２から受光位置までの距離Ｌがほぼ０のときの反射角度と受光位置の関係を示す。図５の（Ｂ）は、距離Ｌが１００ｍｍのときの反射角度と受光位置の関係を示す。反射角度は光線ＤＲｂの入射角度に対応し、入射角度は式（１）で表されるように、しみこみ深さに対応する。

有限の受光面積をもつ検出器１０３は、ある受光位置で信号を検出するときに、反射角度（すなわちしみこみ深さ）を区別せずに複数の反射光線を同時に検出する。図５では、受光面積として１ｍｍ×１ｍｍの素子を想定しており、網掛けの領域が受光範囲となる。図５の（Ａ）のように出射端面１１２の近傍では、異なる反射角度でＡＴＲプリズム１０２を出た複数の光線が、この受光素子で同時に検出される。

これに対し、図５の（Ｂ）のように、出射端面１１２からある程離れた距離では、検出器１０３の位置を変えることで、反射角度、すなわちしみこみ深さを一対一で計測することができる。したがって、多重反射型のＡＴＲプリズム１０２を用いる場合は、ＡＴＲプリズム１０２の出射端面１１２からの検出器１０３の距離Ｌを適切に選択し、出射光の光軸と直交する面内での受光位置としみこみ深さとの対応関係を利用する。ＡＴＲプリズム１０２からの出射光が複数の拡散光線を含む場合は、拡散光線群の中心光軸と直交する面を移動面としてもよい。異なるしみこみ深さでの測定データから目的とする生体指標のデータを抽出することで、計測精度が向上する。

計測では、特定の波数範囲に含まれる２以上の波長の光を用いて、非襲撃的に計測を行ってもよい。赤外分光の分野では一般的に「波数」が用いられるが、波数ｋは単位長あたりに含まれる波の数（１／λ）で表されるので、以下の説明では「波数」と「波長」はほぼ同義で用いられる。

＜第１実施形態＞
図６は、第１実施形態の測定装置１００の概略図である。測定装置１００は、測定光学系１０と、情報処理装置２０と、表示装置２１を含む。情報処理装置２０と表示装置２１は一体化されていてもよい。測定光学系１０と情報処理装置２０の間に、データを収録するデータロガーが配置されていてもよいし、情報処理装置２０にデータロガーの機能が組み込まれていてもよい。

測定光学系１０は、光源装置１０１、ＡＴＲプリズム１０２、及び検出器１０３を有する。光源装置１０１とＡＴＲプリズム１０２は、光ファイバ１１０によって光学的に接続されていてもよいし、光学ミラー等の導光部材を用いてもよい。

光源装置１０１は、特定の波数範囲から選択された、少なくとも２つの波長の光を出力するように構成されていてもよい。２以上の波長のうちの少なくとも１波長は、測定光学系１０により得られた測定データの正規化に用いられてもよい。正規化の波長を用いることにより、常に変動する測定状態、たとえば、ＡＴＲプリズム１０２と測定対象物との接触状態のばらつきなどを補正することができる。

特定の波数範囲は、測定対象物の固体差や測定状況の相違にかかわらず、目的とする生体指標が安定して測定されるように、あらかじめ決定されている。たとえば、幅広い範囲で収集した測定データと、食前から食後にかけての典型的な生体指標の推移との相関から、適切な波長範囲を求めることができる。

血糖値、すなわちグルコースの量を計測する場合、
（ａ）波数９７０ｃｍ^－１以上、１０１０ｃｍ^－１以下の範囲から選択される第１波長と、波数９５０ｃｍ^－１以上、９９０ｃｍ^－１以下の範囲から選択される第２波長、
（ｂ）波数１１３０ｃｍ^－１以上、１２２０ｃｍ^－１以下の範囲から選択される２つの波長、
（ｃ）波数１７００ｃｍ^－１以上、１７６０ｃｍ^－１以下の範囲から選択される２つの波長、
などを用いることができる。これらの範囲で選択される２つの波長はグルコースに対する吸光度の相関が高く、血糖値の推定精度を向上できるからである。

光源装置１０１は、上記の波長の光を出力できるのであれば、どのような光源であってもよい。波長可変光源を用いてもよいし、複数の光源ユニットを組み合わせてもよい。また、広い波長域にわたる光を出射する光源と波長フィルタとを組み合わせてもよい。広波長域の光源として、ランプ光源、発光ダイオード（light emitting diode：ＬＥＤ）、スーパールミネセントダイオード（super luminescent diode：ＳＬＤ）等を用いることができる。広波長域の赤外ランプと、ＦＴＩＲ（Fourier transform infrared spectrometer:フーリエ変換赤外分光光度計）などの分光器との組み合わせを用いても、同じように測定が可能である。

グルコースの指紋領域である中赤外での吸光度を計測する際には、一般に連続的なスペクトルを有する光源が用いられ、発光面積が大きくなる。この場合、光源からは非平行光が出射される。実施形態では、受光位置を変えることで異なるしみこみ深さでの情報を取得するため、非平行光は積極的に利用される。コリメート光を出射する多波長レーザ光源を用いる場合でも、ＡＴＲプリズム１０２までの導光に光ファイバ１１０を用いる場合、光ファイバ１１０の出射端面で発散角が大きくなるので、この場合も非平行光を利用することができる。

コリメート光を出射するレーザ光源を用いる場合は、複数の入射角で測定対象物に入射させるために、拡散板等の光学素子を組み合わせてもよいし、レーザ光源の出射角度を変えながら複数の角度でＡＴＲプリズム１０２にレーザ光を入射してもよい。単波長光源を用いる場合は、一例として、９．１μｍ、９．３μｍ、９．５μｍ程度の波長の量子カスケードレーザを用いてもよい。

光源装置１０１から出射される赤外光は、光ファイバ１１０を介して、ＡＴＲプリズム１０２に入射する。ＡＴＲプリズム１０２は、入射端面１１１と、出射端面１１２と、反射面１１３を有する。ＡＴＲプリズム１０２は、反射面１１３が皮膚、唇などの測定対象物と接触するように配置され、ＡＴＲプリズム１０２に入射した赤外光ＩＲによって測定対象物が照射される。赤外光ＩＲは、測定対象物の吸収スペクトルに相当する減衰を受けて、出射端面１１２から出射される。

上述のように、ＡＴＲ法は、ＡＴＲプリズム１０２と測定対象物との界面で全反射が起きる際に現れる界の「しみ出し」を利用している。ＡＴＲプリズム１０２を唇などの測定対象物に押し当てて測定を行うと、しみ出した界（エバネッセント場）が測定対象物により吸収される。

赤外光ＩＲの場合、ＡＴＲプリズム１０２から測定部位へ光がしみ出す深さはわずか数ミクロン程度であり、深さ数百ミクロン程度に存在する毛細血管まで光は到達しない。しかし、皮膚や粘膜細胞中には、血管中の血漿などの成分が組織液（間質液）としてにじみ出ていることが知られている。その組織液中に存在するグルコース等の成分を光吸収スペクトル強度または吸光度として検知することで、生体指標の測定が可能となる。

界のしみ出しを利用した光吸収スペクトル強度を測定するには、表皮が存在しない口腔粘膜や、表皮が薄い耳たぶや唇などを測定部位とするのが望ましい。ＡＴＲプリズム１０２を出た赤外光ＩＲは、生体情報を含む光信号として、検出器１０３で検出される。

検出器１０３は、矢印Ｍで示すように、ＡＴＲプリズム１０２を出射した赤外光ＩＲの光軸と交差する面内で移動可能である。検出器１０３は、一例として、単素子の焦電型の赤外線センサを用いる。焦電型の赤外線センサは、赤外線入射による温度変化に応じて生じる自発分極を利用して入射赤外線の光量（強度）を計測する。

受光位置選択手段として、検出器１０３を駆動する移動機構４１を用いる。移動機構４１は、たとえばリニアスライダであり、焦電センサをリニアスライドに設置して、スライド上を移動可能にする。移動機構４１は、検出器１０３の位置を制御するコントローラ、ドライバ等を含んでいてもよい。検出器１０３の位置制御に個別のコントローラを用いる替わりに、情報処理装置２０の機能により、検出器１０３を駆動制御してもよい。

図４を参照して述べたように、検出器１０３はＡＴＲプリズム１０２の出射端面１１２から所定の距離Ｌ離れた位置で移動する。この例で、検出器１０３はＡＴＲプリズム１０２の出射端面１１２から８０ｍｍ～１２０ｍｍ離れた位置で、しみこみ深さと一対一の関係で反射光を検出する。検出器１０３の受光面積は、たとえば１ｍｍ×１ｍｍであるが、この例に限定されない。

ＡＴＲプリズム１０２から出射した赤外光ＩＲの光軸と、検出器１０３の移動面との交点を原点とすると、原点から±１０ｍｍの範囲で、検出器１０３を矢印Ｍの方向に１ｍｍずつ移動して計測してもよい。この場合、合計で２１地点での計測結果が得られる。必ずしも２１地点すべてで計測する必要はなく、いくつかの地点を選択して計測してもよい。

検出器１０３による検出結果は、情報処理装置２０で解析され、血糖値量などの生体指標が推定される。推定結果は表示装置２１される。情報処理装置２０は、検出器１０３によって異なる位置で取得された複数の検出結果を処理する。出射赤外光ＩＲの光軸と交わる面内での検出器１０３の位置はしみこみ深さに対応するので、しみこみの深い位置で計測した吸光度と、しみこみが浅い位置で計測した吸光度とを用いて血糖値を推定する。たとえば、２つの吸光度の差分は、測定対象物の内部の生体情報を支配的に含む。

図７は、情報処理装置２０のハードウエアブロック図である。情報処理装置２０は、表示装置２１、入力装置２２、ＣＰＵ（central processing unit：中央演算装置）２３、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２４、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）２５、補助記憶装置２６、外部インタフェース（Ｉ／Ｆ）２７、通信インタフェース（Ｉ／Ｆ）２８を有し、これらはバス３０９によって相互に接続されている。

ＣＰＵ２３と、主記憶装置であるＲＡＭ２４、及びＲＯＭ２５はメインバスに直接接続され、その他のデバイスは、内部インタフェースを介してメインバスに接続されていてもよい。図２では、図示を簡略化するために、各デバイスはバス３０９で相互接続されるとものとして描かれている。

ＣＰＵ２３は、検出器１０３で検出された各波長の光強度から、波長ごと、検出位置ごとに、測定対象物の吸光度を求める。
波数ｋでの吸光度Ａは、
Ａ(ｋ)＝－ｌоｇ_１０（Ｉ／Ｉ_０） （２）
で表される。ここで、Ｉ_０は測定光学素子１７への入射光の強度、すなわち光源の出射光強度である。Ｉは測定光学素子１７から出て光検出器１８で検出された光の強度である。Ｉ_０に対するＩの比は、測定対象物による赤外光の減衰を表している。赤外光線をＡＴＲプリズム１０２の反射面１１３に対して異なる入射角で入射するので、測定対象物へのしみこみ深さｄｐが異なり、光線ごとに減衰状態が異なる。したがって、検出器１０３の位置によって、異なる吸光度Ａが得られる。

ＣＰＵ２３はまた、検出器１０３の位置を制御する移動機構４１の動作を制御してもよい。ＣＰＵ２３は、移動機構４１の移動と、検出器１０３によるデータ取り込みのタイミングを同期させてもよい。ＣＰＵ２３とは別に、メモリ内蔵型のＡＳＩＣ（application specific integrated circuit：特定用途集積回路）やプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）を設けて、移動機構４１の動作と検出器１０３からのデータ取り込みのタイミングを制御してもよい。

ＲＯＭ２５には、ＣＰＵ２３で実行される処理に必要なプログラム、パラメータ等が格納されている。検出器１０３で得られたデータ値、生体指標の推定に用いられる計算式、推定結果などは、ＲＯＭ２５に保存されていてもよいし、補助記憶装置３０４に保存されてもよい。ＲＡＭ２４は、ＣＰＵ２３による演算処理のワークエリアとして用いられる。

入力装置２２は、タッチパネル、キーボード等のユーザインタフェースである。表示装置２１は、ＣＰＵ２３によるデータ処理結果や推定された生体指標を表示する。表示装置２１を情報処理装置２０の外部に設けてもよい。外部インタフェース２７は、検出器１０３や移動機構４１との接続に用いられる。通信インタフェース２８は、ネットワークや外部サーバとのデータ通信に用いられる。ＣＰＵ２３によって推定された生体指標は、ネットワークや外部サーバを介して、測定対象者の端末装置に送信されてもよい。

図８は、ＣＰＵ２３によって実行される基本処理のフローチャートである。ＡＴＲプリズム１０２の出射光を第１位置で検出して、第１検出値を取得する（Ｓ１１）。検出器１０３は、ＡＴＲプリズム１０２から出射した赤外光ＩＲの光軸と交わる面内で移動可能である。ＣＰＵ２３は、移動機構４１を制御して検出器１０３を第１位置へ移動し、検出器１０３にて、第１位置の方向へ反射された赤外光を検出する。

次に、ＡＴＲプリズム１０２の出射光を第２位置で検出して、第２検出値を取得する（Ｓ１２）。ＣＰＵ２３は、移動機構４１を制御して検出器１０３を第２位置へ移動し、検出器１０３にて、第２位置の方向へ反射された赤外光を検出する。

第１検出値と第２検出値に基づいて、測定対象物の生体指標を推定する。上述のように反射角はしみこみ深さを一対一で対応する。第１位置でのしみこみ深さと、第２位置でのしみこみ深さは異なり、それぞれの位置で計測された吸光度に含まれる目的の生体指標情報の割合が異なる。そこで、第１検出値と第２検出値との差、または比に基づいて、不要な表面情報を除去して、目的とする生体指標情報を抽出する。たとえば、生体指標として透過率を用いる場合、検出値の差分を用いて、
log₁₀（しみこみが浅い位置での透過率）－log₁₀（しみこみが深い位置での透過率）
を算出することで、表面情報の影響を低減する。また、生体指標として吸光度を用いる場合は、
Log₁₀{（しみこみが浅い位置での透過率）／（しみこみが深い位置での透過率）}
を計算することで、表面情報の影響を低減してもよい。

図９は、生体指標測定の一例としての血糖値推定のフローチャートである。この処理フローは、図８の基本処理をより詳細に示すものである。まず、測定装置１００で、バックグラウンドスペクトル（ＢＧ）を測定する（Ｓ２１）。バックグラウンドスペクトルの測定に際して、ＡＴＲプリズム１０２を洗浄してプリズム表面を清浄な状態にしておくことが望ましい。

バックバックグラウンドスペクトルは、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ：Fourier Transform Infrared Spectoscopy）による血糖値推定に用いられる。赤外光線を用いた測定で、測定対象物がある状態と、ない状態の２つの測定から、測定対象物の吸収スペクトルを得る。そのため、測定対象物がない状態で赤外光をＡＴＲプリズム１０２に入射してバックグラウンドスペクトルを計測する。このとき、検出器１０３は、たとえば、検出器１０３の原点、すなわち、ＡＴＲプリズム１０２から出射する赤外光の光軸と検出器１０３の移動面との交点で、出射赤外光を受光してもよい。

次に、唇などの測定対象物をＡＴＲプリズム１０２に接触させる（Ｓ２２）。ＡＴＲプリズム１０２の多重全反射面である反射面１１３を唇で挟み込んでもよい。

次に、検出器１０３を計測初期位置に移動する（Ｓ２３）。計測初期位置は、検出器１０３の移動面内の任意の位置でよい。たとえば、反射角度が最も大きくなる位置（しみこみ深さが最も浅い地点）、または反射角度が最も小さくなる位置（しみこみ深さが最も深い地点）を初期位置に設定してもよい。あるいは、原点を初期位置としてもよい。

検出器１０３を次の計測位置に移動して（Ｓ２４）、スペクトル測定を行う（Ｓ２５）。初期位置の場合は、初期位置を次の計測位置として、初期位置でスペクトル測定を行う。このスペクトル測定を、バックグランドスペクトルの測定と区別して、「スペクトル測定Ｂ」と呼ぶ。

スペクトル測定Ｂの後に、検出器１０３が最終位置にあるかどうかを判断する（Ｓ２６）。最終位置にない場合は、Ｓ２４に戻って、検出器１０３を次の計測位置に移動する（Ｓ２４）。次の計測位置で、異なる反射角でＡＴＲプリズム１０２を出た赤外光線の吸光度スペクトルを測定する（Ｓ２４）。検出器１０３が最終位置に達するまで、検出器１０３の移動と、移動した位置でのスペクトル測定Ｂを繰り返す。

すべての測定位置でスペクトル測定Ｂが終わると、検出器１０３を原点に移動し（Ｓ２７）、測定対象物をＡＴＲプリズム１０２から離す（Ｓ２８）。各検出位置で得られたスペクトル測定Ｂの測定値と、バックグラウンドスペクトルを用いて、血糖値を推定する（Ｓ２９）。しみこみ深さが最も深い位置と、最も浅い位置の２か所の測定データを用いる場合は、差分または比を用いて、グルコース以外のノイズ成分（唇の表面状態に起因するノイズなど）を低減し、さらにＡＴＲプリズム１０２自体のバックグラウンドノイズを除去して、グルコース起因のスペクトルを推定してもよい。３以上の測定データから血糖値を推定する場合は、測定対象物の表面から内部に向かう変化の割合を用いて、グルコース起因のスペクトルを抽出してもよい。

推定した血糖値を表示装置２１に表示して（Ｓ３０）、処理を終了する。なお、７～１２μｍ（中赤外光）から選択される２以上の波長の赤外光を用いる場合は、各波長の光についてＳ２４からＳ２９を実施し、２波長での推定結果の相関を用いてもよい。このような処理により、グルコース等の生体指標の推定精度を向上することができる。

＜第２実施形態＞
図１０は、第２実施形態の測定装置２００の模式図である。第２実施形態では、検出器の検出面（または受光面）に対して、遮蔽板の開口位置を相対的に変えることで、異なる反射角度（しみこみ深さ）の光線を検出する。

測定装置２００は、測定光学系１０Ａと、情報処理装置２０と、表示装置２１を含む。情報処理装置２０と表示装置２１は一体化されていてもよい。測定光学系１０Ａは、光源装置１０１、ＡＴＲプリズム１０２、光源装置１０１とＡＴＲプリズム１０２を光学的に接続する光ファイバ１１０、及び検出器２０３を有する。

検出器２０３は、第１実施形態の検出器１０３よりも広い受光面積を有する。検出器２０３は、たとえば、単素子の焦電型赤外線センサであり、５ｍｍ×５ｍｍの受光面積を有する。検出器２０３は、ＡＴＲプリズム１０２の出射端面１１２から所定距離Ｌ離れた位置に固定されている。受光位置選択手段として、ＡＴＲプリズム１０２の出射端面１１２と検出器２０３の間に、開口３０１を有する遮蔽板３１を配置する。遮蔽板３１は、移動機構３２により矢印Ｍの方向に移動可能である。開口３０１の位置は、検出器２０３の受光面と平行に移動する。なお、遮蔽板３１を固定にして、検出器２０３を遮蔽板と平行な方向に移動可能にしてもよい。

遮蔽板３１の開口３０１を通過した光は、検出器２０３で検出され、検出結果を表す信号が情報処理装置２０に入力される。遮蔽板３１の移動範囲、移動のステップサイズは、検出器２０３の受光面積、目的の測定物質、ＡＴＲプリズム１０２の出射端面１１２からの散乱角度等に応じて、適宜設定される。

測定装置２００を用いた血糖値推定は、図９の処理フローにしたがって行われる。ただし、検出器１０３の移動に替えて、遮蔽板３１を計測初期位置に移動し、その後、最終位置に到達するまで、遮蔽板３１の位置、換言すると、開口３０１の位置を、所定のステップサイズで移動して、スペクトル測定Ｂを行う。複数位置でのスペクトル測定Ｂの結果を用い、好ましくは、バックグラウンドスペクトル情報も用いて、血糖値を推定する。

測定装置２００により、ＡＴＲプリズム１０２の反射方向としみこみ深さの対応関係を利用して、生体指標の測定精度を向上できる。

＜第３実施形態＞
図１１は、第３実施形態の測定装置３００の模式図である。第３実施形態では、受光面積の比較的小さい検出器を固定し、開口を有する遮蔽板と集光レンズを組み合わせて、受光位置可変の構成を実現する。

測定装置３００は、測定光学系１０Ｂと、情報処理装置２０と、表示装置２１を含む。情報処理装置２０と表示装置２１は一体化されていてもよい。測定光学系１０Ｂは、光源装置１０１、ＡＴＲプリズム１０２、光源装置１０１とＡＴＲプリズム１０２を光学的に接続する光ファイバ１１０、集光レンズ３５、及び検出器３０３を有する。

検出器３０３は、たとえば、単素子の焦電型赤外線センサであり、１ｍｍ×１ｍｍの受光面積を有する。ＡＴＲプリズム１０２の出射端面１１２と検出器３０３の間に、開口３０１を有する遮蔽板３１と、集光レンズ３５を配置する。集光レンズ３５は、遮蔽板３１の透過側に設けられ、開口３０１を通過した光を、検出器３０３の受光面に集光する。検出器３０３は、集光レンズ３５が集光した光を効率よく検出する位置に固定されている。移動機構３２により、遮蔽板３１は、ＡＴＲプリズム１０２を出た赤外光ＩＲの光軸と直交する面内で、矢印Ｍの方向に移動可能である。開口３０１を有する遮蔽板３１と集光レンズ３５は、受光位置選択手段として用いられる。集光レンズ３５を設けることで、検出器３０３の受光面積を最小限にして、ノイズとコストを低減することができる。

遮蔽板３１の開口３０１と集光レンズ３５を通過した光は、検出器３０３で検出され、検出結果を表す信号が情報処理装置２０に入力される。遮蔽板３１の移動範囲、移動のステップサイズは、検出器３０３の受光面積、集光レンズ３０５の集光機能、目的の測定物質、ＡＴＲプリズム１０２の出射端面１１２からの散乱角度等に応じて適宜設定される。

測定装置３００を用いた血糖値推定は、図９の処理フローにしたがって行われる。第２実施形態と同様に、図９のフローチャートにおける検出器１０３の移動に替えて、遮蔽板３１を計測初期位置に移動し、その後、最終位置に到達するまで、遮蔽板３１の位置、換言すると、開口３０１の位置を、所定のステップサイズで変えて、スペクトル測定Ｂを行う。複数位置でのスペクトル測定Ｂの結果を用い、好ましくは、バックグラウンドスペクトル情報も用いて、血糖値を推定する。

＜第４実施形態＞
図１２は、第５実施形態の測定装置４００の模式図である。第４実施形態では、検出器アレイを用い、ＡＴＲプリズム１０２からの出射光を、アレイ中の異なる検出素子で受光する。

測定装置４００は、測定光学系１０Ｃと、情報処理装置２０と、表示装置２１を含む。情報処理装置２０と表示装置２１は一体化されていてもよい。測定光学系１０Ｃは、光源装置１０１、ＡＴＲプリズム１０２、光源装置１０１とＡＴＲプリズム１０２を光学的に接続する光ファイバ１１０、及び検出器アレイ４０３を有する。

検出器アレイ４０３は、複数の検出素子４０１の配列を含む。検出器アレイ４０３は、たとえば、マイクロボロメータアレイである。マイクロボロメータは、入射する赤外光のエネルギーを、温度依存の電気抵抗を持つ物質が受ける熱に基づいて計測する。検出器アレイ４０３のサイズは、たとえば２０ｍｍ×２０ｍｍであり、この受光エリア内に、酸化バナジウム等の多数の抵抗素子が検出素子４０１として配置されている。検出器アレイ４０３として、２次元アレイに替えて、複数の焦電センサが一次元に配置されたリニアアレイを用いてもよい。検出器アレイ４０３を用いることで、位置制御を行う移動機構が不要になり、測定装置全体のサイズとコストを低減できる。

検出器アレイ４０３の各検出素子４０１で受光された光は、検出結果を表す信号として情報処理装置２０に入力される。検出器アレイ４０３中の検出素子４０１の位置と、反射角度、すなわちしみこみ深さとは対応するので、異なるしみこみ深さでの吸光度情報を得ることができる。

測定装置４００を用いた血糖値推定は、図５の処理フローにしたがって行われる。この場合、第１位置は、検出器アレイ４０３中の第１の検出素子４０１の位置に対応し、第２位置は、第２の検出素子４０１の位置に対応する。各位置の検出素子４０１の出力に基づいて吸収スペクトルを取得し、異なる検出素子４０１で得られたスペクトルの差または比を用いて、血糖値を推定する。

以上、波長選択について血糖値計測を例にとって説明してきたが、本発明の非侵襲の測定は血糖値測定に限定されず、タンパク質、血中腫瘍ＤＮＡなど、他の生体指標の測定にも適用することができる。検出器は焦電センサに限定されず、多重量子井戸を用いた赤外センサ、グラファイトを用いた赤外センサなど、赤外領域に感度を有する任意のセンサを用いることができる。

異なる角度でＡＴＲプリズム１０２内を全反射して出射した測定光を、出射光の光軸と直交する面内の異なる位置で受光し、検出することで、スペクトル中のノイズ成分が除去され、目的の測定物質の吸収スペクトルが得られる。

多重反射型のＡＴＲプリズムを用いる場合は、受光位置を選択することで、異なるしみ込み深さの情報が得られる。単反射型のＡＴＲプリズムを用いる場合はＡＴＲプリズムへの入射角度を変化させることで、異なるしみこみ深さの情報が得られる。いずれの場合もＡＴＲプリズムの出射端面から出る測定光の出射角度と検出位置は、一対一対応である。

測定光として、波長７～１２μｍの光（中赤外光）を用いることで、グルコースの吸光度を感度良く計測できる。典型的なグルコースの吸収スペクトルまたは血糖値推移と相関の高い２以上の測定波長を用いることで、個体差や測定環境の相違にかかわらず、安定的に血糖値を推定することができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 測定光学系
２０ 情報処理装置
２１ 表示装置
２２ 入力装置２２
２３ ＣＰＵ
２４ ＲＡＭ
２５ ＲＯＭ
２６ 補助記憶装置
２７ 外部インタフェース
２８ 通信インタフェース
３１ 遮蔽板
３０１ 開口
３２、４１ 移動機構
３５ 集光レンズ
１００、２００、３００、４００ 測定装置
１０１ 光源装置
１０２、１２０ ＡＴＲプリズム
１０３、２０３、３０３ 検出器
１１０ 光ファイバ
１１１ 入射端面
１１２ 出射端面
１１３、１２３ 反射面
１２１ 入射面
１２２ 出射面
３０９ バス
４０１ 検出素子
４０３ 検出器アレイ

特開２０２０－１６３１８８号公報

Claims (11)

1. 光を出射する光源装置と、
   前記光が入射する入射端面と、前記入射端面から入射した光を内部反射する反射面と、内部反射光を出射する出射端面と、を有する減衰全反射プリズムと、
   前記反射面と測定対象物との界面で反射されて前記減衰全反射プリズムの前記出射端面から出射された出射光を検出する検出器と、
   前記検出器で受光された前記出射光の強度に基づき、前記測定対象物の内部情報を推定するプロセッサと、
   を有する測定装置において、
   前記光源装置は、前記入射端面への入射角が異なる光を出射可能であり、
   前記検出器は、前記出射端面から異なる出射角度で出射した前記出射光を複数の異なる位置で検出し、
   前記プロセッサは、前記複数の異なる位置での検出結果に基づいて前記測定対象物の前記内部情報を演算する、
   測定装置。
2. 前記検出器は、前記出射端面からの前記出射光を、前記出射光の光軸と直交する面内の第１位置で得られる第１検出値と、前記第１位置と異なる第２位置で得られる第２検出値を前記プロセッサに出力し、
   前記プロセッサは、前記第１検出値と前記第２検出値を用いて前記測定対象物の前記内部情報を推定する、
   請求項１に記載の測定装置。
3. 前記検出器は、前記第１位置で、前記光のエバネッセント光が前記反射面から前記測定対象物へしみだす第１のしみこみ深さでの第１の吸収スペクトルを検出し、前記第２位置で、前記第１のしみこみ深さと異なる第２のしみこみ深さでの第２の吸収スペクトルを検出する、
   請求項２に記載の測定装置。
4. 前記プロセッサは、前記第１の吸収スペクトルと前記第２の吸収スペクトルの差、または比に基づいて、前記測定対象物の前記内部情報を推定する、
   請求項３に記載の測定装置。
5. 前記減衰全反射プリズムは、多重反射プリズムであり、
   前記光源装置から出射された光は、複数の異なる角度で前記入射端面に入射し、
   前記検出器は、前記減衰全反射プリズムの前記出射端面から所定距離離れて位置し、
   前記光の前記減衰全反射プリズムへの入射角と、前記減衰全反射プリズムから出射する前記出射光の前記検出器での受光位置とは一対一対応する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 前記減衰全反射プリズムから出射する前記出射光の光軸と直交する面内で、前記検出器を前記複数の異なる位置へ移動する移動機構、
   を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
7. 前記検出器の検出面と前記減衰全反射プリズムの前記出射端面との間に配置される、開口を有する遮蔽板と、
   前記遮蔽板を前記検出面に対して相対的に移動する移動機構と、
   を有し、前記検出器は、前記開口の相対位置に応じて前記複数の異なる位置で前記出射光を受光する、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
8. 前記検出器の前記検出面と、前記遮蔽板の間に配置される集光レンズ、
   を有し、
   前記検出器の受光面積は前記遮蔽板の遮蔽面に比べて小さい、
   請求項７に記載の測定装置。
9. 前記検出器は、複数の検出素子の配列を含む検出器アレイである、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の測定装置。
10. 前記光の波長は７～１２μｍである、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の測定装置。
11. 前記測定対象物の前記内部情報は血糖値である、
    請求項１から１０のいずれか一項に記載の測定装置。

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