JP2023540990A - 測定システム - Google Patents

Abstract

測定用のシステム（１）が提供される。このシステムは、非侵襲的なスキャンのために皮膚上に配置されるスキャンニングインターフェースモジュール（１０）を備える。スキャンニングインターフェースモジュールは、皮膚（６）に押されてキャビティ内に垂直な部分（７）を作るためのキャビティ（１２）と、横方向に対峙するキャビティの入力サイド（１３）および出力サイド（１４）を介して垂直な部分をスキャンするための非線形光学系（２０）とを含む。

Description

本発明は、非侵襲的な方法で皮膚下を測定するためのシステムに関するものである。

米国特許第５，７９２，０５２号には血液中の酸素の飽和度のような物理的パラメータを測定するための装置が開示されている。この装置では、パルスオキシメータがフィンガークリップに内蔵されており、小型軽量で非常に携帯性が高く、また信頼性も高い。

物理的パラメータの測定において、非線形光学分光法（ノンリニアオプティカルスペクトロスコピ）は、皮膚下の成分を非侵襲的に検出するために適した方法の一つである。しかしながら、散乱媒質を透過し、非線形な光を放出する過程に必要な非線形的な相互作用を達成するために必要な位相や偏光などの特性を維持することには限界がある。血管構造（毛細管構造）に焦点を合わせた非侵襲的なスキャン（走査）を行おうとする場合、後方に散乱する信号を取得しようとすると、それらは通常非常に弱いので対象とする（ターゲット）領域が大きくなり、組織の厚い領域を通過させようとすると、必要な位相および偏光の要件が劣化してしまう。

この発明の一つの態様は、非侵襲的なスキャン（走査）のために皮膚上に配置するためのスキャンニングインターフェースモジュールを含むシステムである。スキャンニングインターフェースモジュールは、皮膚に押し付けることによりキャビティ内に垂直な部分を作るためのキャビティと、キャビティの横方向に対向する（互いに向かい合う）入力サイドと出力サイドとを介して垂直な部分をスキャン（走査）するための非線形光学系とを含む。本発明のシステムでは、スキャンニングインターフェースモジュールのキャビティ（空洞）を皮膚に押し付けることにより、皮膚への負担が少ない状態で、皮膚を少しだけ突出させる（張り出させる）ことにより、狭い領域を、垂直な部分とする構造を形成でき、その構造は非線形光学分光法を用いた測定に適している。実施形態の一つでは、垂直な部分の形状は、水平な方向（横方向）の距離が１ｍｍ以下、垂直な方向（縦方向）の深さが５００μｍ以下の領域を備えていてもよい。この領域の水平な方向の距離は５００μｍ未満であってもよく、垂直な方向の深さが３００μｍ未満であってもよい。キャビティサイズ（空洞のサイズ）は、このような垂直な部分の形成に適したサイズであってもよく、すなわち、キャビティの開口径は約１ｍｍまたはそれ以下であってもよく、深さは約５００μｍまたはそれ以下であってもよい。キャビティの開口径は約５００μｍまたはそれ以下であってもよく、深さは約３００μｍまたはそれ以下であってもよい。

システムは、キャビティが爪床に隣接するまたは含む領域に面するようにスキャンニングインターフェースモジュールを収容したフィンガークリップタイプのハウジング（指クリップ型ハウジング）を含んでもよい。非線形光学系を用いた血液成分の測定に適した領域の１つは、血管構造（毛細管構造）が表面から２００～３００μｍ以内にあるキューティクル領域であり、特に毛細血管床がしばしば存在する爪床を含む領域またはそれに隣接する領域である。このシステムに適した非線形光学系の１つは、ＣＡＲＳ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ、コヒーレント反ストークスラマン散乱）光学系であり、ストークス光およびポンプ光（ある実施形態ではプローブ光）がキャビティの入力サイドを介してまたは通して入力され、垂直な部分からの散乱光（ＣＡＲＳ光）がキャビティの出力サイドを介してまたは通して出力される。なお、非線形光学系は、ＳＲＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ、誘導ラマン散乱）システムなどの他のラマン光学系であってもよいし、非線形光学プロセスや非線形光学分光法（オプティカルスペクトロスコピー）を利用した他の光学系であってもよい。

本明細書の実施形態は、図面を参照した以下の詳細な説明から、よりよく理解されるであろう。
図１は、この発明のシステムの一実施形態を示す図。 図２は、垂直な部分の概要を示す図。 図３は、散乱の概要を示す図。 図４は、このシステムにおける処理の概要を示すフローチャートを示す図である。

実施形態の説明

本明細書の実施形態とその様々な特徴および有利な詳細は、添付図面に図示され、以下の説明で詳述される非限定的な実施形態を参照してより完全に説明される。周知の構成要素および処理技術の説明は、本明細書の実施形態を不必要に不明瞭にしないように省略される。本明細書で使用される例は、単に、本明細書の実施形態が実施され得る方法の理解を容易にし、当業者が本明細書の実施形態を実践することをさらに可能にすることを意図している。したがって、実施例は、本明細書における実施形態の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

図１は、この発明の一実施形態によるシステム１を示す図である。図１に示すシステム（測定システム、監視システム、分析システム）１は、ユーザの指先５に装着可能なフィンガークリップタイプの装置（指を挟むタイプの装置）である。このフィンガークリップタイプの装置は、この発明のシステム１をウェアラブルデバイスに実装した例の一つである。システム１は、スマートウォッチ、スマートグラスなど、他のウェアラブルデバイスであってもよい。

システム１は、非侵襲的なスキャンのために指５の皮膚６上に配置するスキャンニングインターフェースモジュール（走査インターフェースモジュール）１０を含む。スキャンニングインターフェースモジュール１０は、皮膚６に押し付けられるキャビティ（空洞）１２を含み、キャビティ１２を皮膚６に押し付けることによりキャビティ１２の内部に垂直な部分７を作ることができ、さらに、横方向（水平方向）に互いに向かい合う（対抗する）キャビティ１２の入力サイド（入力側面、入力側）１３および出力サイド（出力側面、出力側）１４を介して垂直な部分７をスキャンするための非線形光学系２０を含む。システム１は、非線形光学系２０を介して対象物を分析するための信号を生成するための光３１を発生するように構成された発生器（レーザモジュール）３０と、非線形光学系２０によって取得された対象物からの信号を含む光３５を検出するように構成された検出器（ディテクタ）４０と、検出器４０による検出信号の分析結果を出力するための表示装置（ディスプレイデバイス）５１とをさらに含む。システム１は、キャビティ１２が爪３の近くの爪床４に隣接するまたは爪床４を含む領域８に面するようにスキャンニングインターフェースモジュール１０を収容したフィンガークリップタイプ（指を挟み込むタイプ）のハウジング６０をさらに含む。

ハウジング６０は、上半部（アッパーパーツ、上部部品）６１と、下半部（ロワーパーツ、下部部品）６２と、上半部６１と下半部６２とを接続して挿入された指５を把持するためのコネクタ（接続部）６３とを含む。コネクタ６３は、上半部６１と下半部６２との間で指５を挟む（締め付ける、保持する、挟み込む）ことにより、スキャンニングインターフェースモジュール１０を皮膚６に押し付けるためのバネ等の部品を含んでもよい。ハウジング６０は、ハウジング６０をフィンガークリップ（指を挟むもの）として機能させる他の部品を含んでもよい。指５の爪３側に位置することになる上半部６１は、光学系２０と、表示装置５１とを収容しており、表示装置５１はタッチパネル機能を含んでいてもよい。システム１は、システム１を所定の目的のための測定装置、例えば、血糖値測定装置として機能させるための、コントローラ（プロセッサ）５０、メモリ５３および分析装置（アナライザー）４５をさらに含んでもよい。コントローラ５０、メモリ５３、およびアナライザー４５は、上半部６１に収容されていてもよい。

システム１は、ハウジング６０に収容されたレーザモジュール３０、コントローラ５０、ディスプレイ５１等への電力供給用の電池５９をさらに含んでもよい。レーザモジュール（発生装置）３０および電池５９は、下半部６２に配置されていてもよい。図１に示すシステム１は、スキャンニングインターフェースモジュール１０、光学系２０、レーザモジュール３０、検出器４０、ディスプレイ５１、コントローラ５０等のシステム１を構成するためのものがハウジング６０に収容され、システム１が単一または統合されたユニットとして提供される実施形態の１つである。レーザモジュール３０、検出器４０およびディスプレイ５１は、ハウジング６０とは別に設けられ、光ファイバ、ケーブル、および／または有線若しくは無線ネットワークを用いて接続されていてもよい。システム１は、ハウジング６０にパルスオキシメータなどの他の生体パラメータ（生体情報）を測定するための他の装置またはモジュールを含んでいてもよい。

本システム１によって測定される対象物またはターゲットは、毛細管床９０の血液毛細管（血管）９内の血液中の１つまたは複数の成分である。代表的な測定対象成分は、血糖値である。なお、対象物（対象成分）としては、グルコースの他に、ヘモグロビンＡ１ｃ、クレアチニン、アルブミン、バイオマーカー、その他血液中の生体物質などが考えられる。

非線形光学系（光学モジュール）２０は、ＣＡＲＳ光学モジュールであってもよく、レーザモジュール３０はストークス光３２、ポンプ光３３、プローブ光３４を生成するための発生装置であってもよく、それらがレーザー光３１として光ファイバ３９を介して光学系２０に供給され、垂直な部分７内で散乱光（ＣＡＲＳ）光３５が生成される。ポンプ光３３は、プローブ光３４を兼ねてもよい。レーザモジュール３０は、ファイバレーザー光源等のレーザー光源から、波長１０８５～１２３０ｎｍの範囲のストークス光３２、波長１０４０ｎｍの範囲のポンプ光３３、および波長７８０ｎｍのプローブ光３４を生成してもよい。

非線形光学系２０では、物体レンズ系（物体レンズ）２１を通して、光ファイバ３９から供給されたストークス光３２、ポンプ光３３およびプローブ光３４がキャビティ１２の入力サイド１３を介して出射され、垂直な部分７で生成されたＣＡＲＳ光３５が入力サイド１３とは反対側に位置するキャビティ１２の出力サイド１４を介してレシーバ（受光器）２７で受光または取得されるようになっている。入力サイド１３および出力サイド１４は、キャビティ１２の壁を光が通過するように１つまたは複数の開口またはスリットを含んでもよい。ＣＡＲＳ光３５は、ある程度の時間遅れを含むプローブ光３４を用いて垂直な部分７で生成（発生）させた波長６８０～７６０ｎｍの範囲のＴＤ－ＣＡＲＳ（時間遅延ＣＡＲＳ、時間依存ＣＡＲＳ）光３５であってもよい。

ＣＡＲＳ光３５を取得する受光器２７の一例は入力レンズであり、ＣＡＲＳ光３５を光ファイバに導き、分光器（スペクトロメータ）や光検出器アレイ（フォトディテクタアレイ、ＣＣＤ）等のディテクタ（検出器）に光３５を供給する。受光器２７が検出器４０として機能してもよく、キャビティ１２に対して上下方向に調整された位置で、キャビティ１２の出力サイド１４を介して光（ＣＡＲＳ光）３５を受光できる機能を有していてもよい。この光学モジュール２０に含まれる受光器２７はフォトディテクタアレイであってもよく、光を受光し、その光を受光した位置と各位置に対する強度とを測定（記録）できるフォトディテクタアレイ（光検出器アレイ）であってもよい。また、光学系２０は、対物レンズ２１の位置を上下方向（垂直方向）に調整するピエゾアクチュエータのようなアクチュエータ２２を含んでいてもよく、レーザモジュール３０から光ファイバ３９を介して供給される照射光３１をキャビティ１２に対して上下方向（垂直方向）に動かし（移動させ）、キャビティ１２に対して上下方向（垂直方向）に調整された位置で受光器２７がＣＡＲＳ光３５を受光できるようにしてもよい。

図２は、キャビティ１２によって作られる垂直な部分７の典型的な例を示す。最も適した領域（場所）の１つは、毛細管構造（血管構造）が皮膚表面の下２００～３００μｍ以内にあるキューティクル領域である。キャビティ１２を押し付けることにより、垂直な部分（垂直構造）７を、複数の毛細管９を含む毛細管床９０が通常位置する爪床４上またはそれに隣接して形成できる。キャビティ１２は、横方向（水平方向）の距離Ｌ１が１ｍｍ以下（５００μｍが好ましい）、縦方向（垂直方向）の深さＶ１が５００μｍ以下（３００μｍが好ましい）の垂直な部分７を、キャビティ１２を押し付けることにより形成できる形状であればよい。キャビティ１２は、図１に示すように、開口ｗ１の直径または幅が約１ｍｍ以下、深さｄ１が約５００μｍ以下であってもよい。開口ｗ１は、約５００μｍ以下であってもよく、深さｄ１は、約３００μｍ以下であってもよい。

このフィンガークリップタイプのシステム１では、コンフォーマルマウント（適度な山形）を押し付けてキューティクルの小部分に力を加えて隆起した領域（垂直な部分）７にしている。光学レンズ２１からのビーム３１を垂直方向に移動できるような調整部（アクチュエータ）２２を設けてもよい。毛細管床９０に焦点があることは、パルス信号が検出器４０によって検出されたときに確認できる。

図３に示すように、逆散乱（後方散乱、ＥＰＩ）では、毛細血管床９０において光が放出されたときの１％の信号しか捕捉できないのに対し、ヒト組織における生成された前方へのＣＡＲＳ放出（前方散乱）は、複数の前方散乱イベントを伴うことがあり得る。しかしながら、これらの光の放出は、スペクトロメータに集光するために必要な再コリメートをするためには非常に効率が悪い。例えば、可変波長ストークス光３２および／または可変波長ポンプ光３３を使用して、ソースレーザ３１でスウィープ（掃引）することにより、コリメーションレンズおよびスペクトロメータを排除することが可能となる。また、この実施形態では、受光器２７および検出器４０として大面積のフォトディテクタ（光検出器）を用いることが可能となり、ランダムな散乱信号を拾うことができる。光検出器がスキャンするタイミングをレーザーの掃引と同期することにより、どの波長で励起されているかを追跡することができる。フォトディテクタアレイにコーティングを施して、励起信号を遮断し、放出光（生成光）信号のみをピックアップすることができる。

非線形光学系２０は縮小されたＮＡの（低ＮＡ、開口数の小さな）対物レンズ２１を含んでもよく、それによりレイリー長を拡大することができ、キャビティ１２により形成された垂直な部分７における単一のキャピラリー９に焦点を合わせる必要性をなくすことができる。非線形光学系２０において、縮小されたＮＡレンズ系は、キャビティ１２の入力サイド１３および出力サイド１４の両方において、ファイバに結合される対物レンズ２１およびレシーバ側２７の両方に用いられてもよい。物体レンズ２１および受光器２７は、横方向（水平方向）に配置され、非線形光学系２０によって生成または放出される水平方向の光により、垂直な部分７を垂直にスキャンするために、合致する形状のキャビティ１２に対して垂直な方向に位置が調節されてもよい。これにより、毛細管床９０を見つける際に、個人差を考慮した、ある程度の深さ調整が可能となる。（典型的な非線形光学系と比較して）ＮＡの小さな対物レンズ２１を用いることにより、レイリー長が拡大され、毛細血管床（キャピラリーベッド）９０の単一の血管９に焦点を合わせる必要性を排除できる。そのため、光学系２０によりキャビティ１２内の毛細血管床９０全体をスキャンし、脈拍に応じて変化する応答を得ることができる。この信号のベースレベル（基準レベル）をＮＲ基準（非共鳴の参照成分）として利用するという、独自のＮＲ基準（非共鳴成分の基準）の手法を採用することが可能であり、この基準レベルに対して最も強い信号を標準として使用する（正規化する）ことができる。

本システム１のコントローラ５０は、表示装置５１を用いたユーザインタフェースを含むシステム全体を制御するための処理モジュール５０ａと、異なる垂直位置で取得した光の信号を減算する処理モジュール５０ｂとを含む。光学系２０では、対物レンズ２１および／または受光器（レシーバー）２７を用いてキャビティ１２に対する垂直な位置を調整することにより、垂直な部分７の異なる垂直な位置（異なる深さや高さ）を通過した光３１からの信号をディテクタ（検出器）４０で取得することができる。これらの信号は、毛細管床９０の端部を通過した光の信号、毛細管床９０の中央部を通過した光の信号、および毛細管床９０のない部分を通過した光の信号を含んでもよい。これらの信号は、（血液＋周囲）、（血液＋さらに多くの血液＋周囲）、および（周囲のみ）の情報を含み得る。したがって、処理モジュール５０ｂは、これらの信号を互いに減算することにより、主に血液中の成分に関する情報を含み、周囲に関する情報をほとんど含まない信号を生成することができる。これらのモジュール５０ａおよび５０ｂの機能は、メモリ（プロセッサやコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体）５３に格納されたプログラム（プログラムプロダクト）５３ａを用いてプロセッサ５０に実装することができる。

図４は、本システム１における処理（制御）の概要を示すフローチャートである。ステップ８１において、コントローラ５０の制御の下、様々な高さ（垂直な位置）を通過した光からの信号が取得される。ステップ８２において、測定すべき成分（対象物）の強度が高い１つまたは複数の信号が選択される。ステップ８３において、モジュール５０ｂは、異なる垂直な位置で取得した光の信号を減算して血液以外の成分の影響を低減し、解析用の信号を生成する。ステップ８４において、コントローラ５０は、信号を解析することにより、測定対象である１つまたは複数の成分に関する情報を出力する。

以上において説明したように、本発明においては、非侵襲的なキューティクルスキャンニングのためのバイオメカニカルインタフェースが提供される。非線形光学分光法を用いると、散乱媒体を透過し、非線形的発光過程（非線形的な光の放出過程）に必要な非線形的相互作用を実現するために必要な位相および偏光要件を維持する能力に限界がある。毛細血管構造に焦点を合わせて非侵襲的なスキャニングを行う場合、対象となる領域の多くは後方散乱信号を捉える必要があり、後方散乱信号は多くの場合強度が大幅に低下する、一方、組織の厚い領域を通過させようとする場合は、必要な位相と偏光の要件を劣化させることになる。潜在的な可能性を秘めた領域の一つが、毛細血管構造が表面から２００～３００μｍの範囲にあるキューティクル領域（爪の甘皮の領域、爪上皮の領域）である。この領域での課題は、毛細血管構造が垂直で、爪床と隣接するため、測定に対する適合する程度が制限されることである。提案するコンセプトでは、複数の曲面形状を用いることで、適合する程度が制限された部分の性能をサポートする。この形状は、横方向（水平方向）の距離が１ｍｍ未満（５００μｍが好ましい）、縦方向（垂直方向）の深さが５００μｍ未満（３００μｍが好ましい）の領域をキャビティ内に押し付けられるようにするものであり、非線形光学系で水平方向にスキャンすることができる。入力サイドと出力サイドとの両方でファイバに結合された低ＮＡレンズ系はそれぞれ横方向（水平方向）に配置され、その位置は、適合するキャビティに対して垂直方向に調整することができる。これにより、毛細血管床を見つける際の個人差を考慮し、ある程度の深さ調節が可能となる。（一般的な非線形光学系と比較して）ＮＡ（開口数）の低い対物レンズを使用することで、レイリー長を拡大し、単一の毛細血管に焦点を合わせる必要性を排除している。プローブはキャビティ内のキャピラリーベッド全体をスキャンし、パルスレート（脈拍）に応じて変化する応答を返してもよい。独自のＮＲ基準スキームを採用してもよく、この信号のベースレベルをＮＲ（非共鳴成分の）基準として利用し、このベースに対して最も強い信号を標準的に使用（正規化）することができる。

特定の実施形態の前述の説明は、本明細書の実施形態の一般的な性質を十分に明らかにするので、他者は、現在の知識を適用することによって、一般的な概念から逸脱することなく、そのような特定の実施形態を容易に修正および／または様々な用途に適合させることができ、したがって、そのような適合および修正は、開示された実施形態の意味および同等物の範囲で理解されるべきであるし、そうすることを意図するものである。本明細書で採用される言い回しまたは用語は、説明のためのものであり、限定するためのものではないことを理解されたい。したがって、本明細書では、好ましい実施形態について説明したが、当業者は、本明細書の実施形態が添付の請求項の精神および範囲内で変更を加えて実施できることを認識するであろう。

Claims (8)

1. 非侵襲的なスキャンのために皮膚上に配置するスキャンニングインターフェースモジュールを有するシステムであって、
   前記スキャンニングインターフェースモジュールは、キャビティであって、それを皮膚に押し付けることにより垂直な部分をキャビティ内部に形成するためのキャビティと、
   前記キャビティの、横方向に対向する入力サイドおよび出力サイドを介して、前記垂直な部分をスキャンする非線形光学系とを含む、システム。
2. 請求項１において、
   前記キャビティが爪床に隣接するまたは含む領域に面するように前記スキャンニングインターフェースモジュールを収容したフィンガークリップタイプのハウジングをさらに有する、システム。
3. 請求項１または２において、
   前記非線形光学系を介して対象物を分析するための信号を生成するための光を発生するように構成されたジェネレータと、
   前記非線形光学系により取得された前記対象物からの前記信号を含む光を検出するように構成されたディテクタとをさらに有する、システム。
4. 請求項３において、
   前記ディテクタにより検出された信号の解析結果を出力するための表示装置をさらに有する、システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記非線形光学系は、前記キャビティに対し垂直方向に調整された位置で、前記キャビティの前記出力サイドを介して光を受光できるレシーバを含む、システム。
6. 請求項５において、
   異なる垂直な位置で取得された光の信号を減算する処理モジュールをさらに有する、システム。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
   前記非線形光学系は、前記キャビティにより設けられた前記垂直な部分における単一の血管に焦点を合わせなくてもよいようにレイリー長の拡大を可能にする低開口数（ＮＡ）の対物レンズを含む、システム。
8. 非侵襲的なスキャンのために皮膚上に配置されるスキャンニングインターフェースモジュールを用いて、血管内の成分を分析するための信号を取得することを含む方法であって、
   前記スキャンニングインターフェースモジュールは、皮膚に押し付けてキャビティ内に垂直な部分を形成するキャビティと、
   前記キャビティの横方向に対向する入力サイドと出力サイドを介して前記垂直な部分をスキャンする非線形光学系と、
   前記キャビティに対して垂直方向に調整された位置で前記キャビティの前記出力サイドを介して光を受信できるレシーバとを含み、
   前記信号を取得することは、異なる垂直な位置で取得した光の信号を減算して血液以外の成分の影響を低減することを含む、方法。

Images