JP2024044393A - 総蛋白濃度計測装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 非侵襲総蛋白計測により、総蛋白濃度計測の個人差を低減する装置を提供する。【解決手段】 生体に所定の光強度で光を照射する照射部と、照射部から10mm以上の距離に位置し、生体から放出される光強度を検出する光強度検出部と、光強度に基づき血流の乱流強度を算出し、乱流強度から総蛋白濃度を算出する制御部と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、血液中の総蛋白濃度を計測する装置及び方法に関する。

血中の総蛋白は、個人の栄養状態を知るのに重要な指標である。この栄養状態を常に把握するためには、採血が必要であり、医療機関で採血する必要があり、家庭で気軽に検査することは困難であった。

総蛋白は、血中に溶解している水溶性のタンパク質である。総蛋白は、臨床検査の診断項目で指定されているもので、アルブミンとグロブリンを主成分とする。一方、リポタンパクは、水に不溶の脂肪分をリン脂質とアポタンパクで覆った球状の複合体である。

アポタンパクの濃度は数mg/dLであるのに対し、総蛋白は、g/dLの単位で1000倍以上の濃度水準となる。また、水溶性蛋白（総蛋白）の大きさ13nm程度であり、水溶性であることから散乱はほとんど生じず、また不溶であったとしてもそのサイズから、散乱はほとんど生じない。

一方、リポタンパクは粒子径は100nm以上あり、また目視でも白濁する（不溶性）ことから散乱として観測できる。このように、総蛋白とリポタンパクには、物性の差がある。

特許文献１には、採血を無くすことにより医療機関のみならず家庭でも血中リポタンパク質（脂質）を計測できる方法が開示されている。即時的なデータ取得を可能とすることで、時間的に連続した血中リポタンパク質を計測することが可能となる。

特開2020-003411号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、リポ蛋白粒子による散乱係数の変動をとらえるため、栄養状態の把握に必要な総蛋白の計測は困難であった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされた発明であって、採血することなく血中の総蛋白（TP）濃度を計測するものである。

本発明の総蛋白濃度計測装置は、生体に所定の光強度で光を照射する照射部と、照射部から10mm以上の距離に位置し、生体から放出される光強度を検出する光強度検出部と、光強度に基づき血流の乱流強度を算出し、乱流強度から総蛋白濃度を算出する制御部とを有する。

また、本発明の総蛋白濃度計測装置は、生体に所定の光強度で光を照射する照射部と、照射部から10mm以上の距離に位置し、生体から放出される光強度を検出する光強度検出部と、光強度検出部により検出された光強度を送信する通信部とを有する第１装置に、通信可能に接続される総蛋白濃度計測装置であって、第１装置から送信された光強度に基づき血流の乱流強度を算出し、乱流強度から総蛋白濃度を算出する制御部を有する。

また、本発明の総蛋白濃度計測方法は、生体に所定の光強度で光を照射する照射工程と、照射工程による光の照射位置から10mm以上の距離の位置の生体から放出される光強度を検出する光強度検出工程と、光強度に基づき血流の乱流強度を算出する乱流強度算出工程と、乱流強度から総蛋白濃度を算出する総蛋白濃度算出工程とを有する。

本発明の総蛋白濃度計測装置及び方法によれば、非侵襲的に総蛋白濃度を計測することが可能となる。

照射部から生体を通した受光部までの光の経路に含まれる、皮膚、血液、及び、筋肉を示す図。 赤血球の凝集と光強度の時間変化の乱れとの関係を示す図。 健常者のＴＰと乱流強度の相関を示す図。 照射―受光部間の距離と相関係数との関係を示す図。 実施形態の総蛋白濃度計測装置の構成を示す図。 血中総蛋白による光の散乱を示す図。 実施形態の光強度検出部が照射部の対面に配置された例を示す図。 実施形態の光強度検出部が照射部の対面に配置された例を示す図。 実施形態の総蛋白濃度計測装置の制御系の構成を示す図。 実施形態の総蛋白濃度計測装置の構成を示す図。 実施形態の総蛋白濃度計測方法のフローチャート。

実施形態の総蛋白濃度計測装置及び方法について説明する。

図１に示すように、光を用いた計測は、照射部から生体を通した受光部までの光の経路に含まれる、皮膚、血液、及び、筋肉等のすべての情報を含む。血液からの情報のみを得るためには、皮膚や筋肉からの情報を取り除く必要がある。

そこで、本発明者は、実際の生体における血液は常に流動していることに着目し、血液の動きから血液情報のみを取り出すことを試みた。

参考文献（日生誌 Vol.66, No.9, 2004）の図１３によれば、タンパク質濃度が増加すれば、血液の粘性は増加することになる。すなわち、光学計測において、血液の粘性あるいは粘性に依存する現象を計測することにより、総蛋白濃度を求めることができる。

図２は、赤血球の凝集と計測時間内における光強度の乱れとの関係を示す図である。図２のａ）は、赤血球の凝集が少なく（図２のａ）の左）、その場合の光強度の時間変化を示し（図２のａ）の右）、図２のｂ）は、赤血球の凝集が多く（図２のｂ）の左）、その場合の光強度の時間変化を示す（図２のｂ）の右）。図２のｂ）に示すように、血液の粘性が増加することで、赤血球が凝集しやすくなり、血液の不均一性の増大という性質が現れる（図２のｂ）の左）。つまり、不均一性が増加した液体となった血液の血流は、光強度の測定値の時間変化の乱れとなって表れる（図２のｂ）の右）。この光強度の測定値の時間変化の乱れの大きさは、数１で算出することができる。

血液の粘性が変化した場合には、血球等は、ズリ速度の上昇に伴い、変形することが知られている。つまり、光の散乱計測においては、この赤血球の形状の変化が、光強度の計測値のゆらぎ（乱れ）として計測される。また、光強度の計測値のゆらぎ（乱れ）は、血管内の血流の乱流強度Iにより表すことができる。

血管内の血流の乱流強度Iは、次のように求めることができる。

図３は、健常者の採血したTPと、実施形態の総蛋白濃度計測装置により測定された乱流強度Iとの相関図である。図からわかるように、良好な相関が得られている。また、乱流強度Ｉは統計解析で用いられる変動係数（Coefficient of Variation）（標準偏差を平均値で割った値のこと）を求めてもよい。

なお、乱流強度Iは、数１に限らず、標準偏差、変動係数、分散などでもよく、測定時間内における血液の流動による受光強度の乱れを用いてもよい。

図４は、照射―受光部間の距離と相関係数との関係を示す図である。乱流強度Ｉと総蛋白濃度との相関は、照射―受光部間の距離に応じ相関が良化していく傾向がある。下図より、照射―受光部間の距離が10ｍｍ以上あたりから、総蛋白濃度を反映した計測結果が得られ始める。

すなわち、定性判定や毎日の総蛋白濃度の個人内変動を目的とするのであれば、照射―受光部間距離は、10ｍｍ以上あればよい。実施形態上、10ｍｍ以上50ｍｍ以下が望ましい。なお、照射強度を調整することで、照射―受光部間距離は短くすることもできる。

実施形態では、照射-受光部間距離ρを、10ｍｍ以上、好ましくは10mm以上50mm以下とする。乱流強度Ｉと総蛋白濃度との相関は、照射―受光部間の距離に応じ相関が良化していく傾向がある。図４より、照射―受光部間の距離が10mmを超えたあたりから、総蛋白濃度を反映した計測結果が得られ始める。したがって、「総蛋白濃度」を算出するに際し、照射-受光部間距離ρを、10mm以上50mm以下とすることが好適であることがわかる。

また、総蛋白濃度と乱流強度との相関をさらに向上させるために、血圧や脈動、血液量情報などを用いて、精度を向上させることも可能である。また、一定時間における受光強度の変動を評価する方法として、変動係数などの評価指標を用いてもよい。

次に、実施形態である総蛋白濃度計測装置及びその方法について、図を参照して詳細に説明をする。

図５は、第１実施形態の総蛋白濃度計測装置の構成を示す図である。

図５に示すように、実施形態の総蛋白濃度計測装置１１は、照射部１２と、光強度検出部１３と、制御部１４と、を有する。

照射部１２は、生体（被検体）外から生体内に向けて、所定の照射位置１２１に照射光を照射するための光源１２２を有する。本実施形態の光源１２２は、照射光の波長を調整することができる。光源１２２は、波長範囲を血漿の無機物によって光が吸収される波長範囲以外に調整できる。光源１２２は、血液の細胞成分によって光が吸収される波長範囲以外に調整できる。ここで、血液の細胞成分とは、血中の赤血球、白血球及び血小板である。血漿の無機物とは、血中の水及び電解質である。光源１２２は、例えば、蛍光灯、LED、レーザー、白熱灯、HID、ハロゲンランプ等である。光源１２２の照度は、制御部４により制御されてもよいし、別途制御回路を設けてもよい。

また、実施形態の照射部１２は、後述する乱流強度の算出方法に応じて、光の連続的な照射や光のパルス状の照射等の光を照射する時間長さを任意に調整することができる。照射部１２は、照射する光の強度または光の位相を任意に変調することができる。

光強度検出部１３は、生体から生体外に放出される照射光を受光して、光強度を検出する。光強度検出部１３はフォトダイオードや、CCDや、CMOS等の受光素子であればよい。

図６に示すように、光を生体に照射する照射位置１２１と、生体中の血液（図中のＥ）から放出される光強度を検出する検出位置１３１との間に所定の距離ρを設ける。所定の距離ρを設けることにより、照射した光（図中のＡ）が生体表面及び表面近傍の散乱体により反射して直接的に生体から放出される光（図中のＢ）の影響を抑制する。照射した光が、リポ蛋白等の総蛋白が存在する深さに達したのち、血液中の総蛋白（図中のＤ）によって光が反射する。

総蛋白による光の反射による散乱を経て、生体から放出される後方散乱光（図中のＣ）による光強度を検出する。また、照射位置１２１と検出位置１３１との距離ρを長くすることで、光路長は長くなる。このため、総蛋白との衝突回数が増え、検出される光は散乱の影響を多く受ける。距離ρを長くすることにより、これまでは弱く、検出しにくかった散乱の影響が捉えやすくなる。

また、図７及び図８に示すように、光強度検出部１３は、照射部１２の対面に配置されてもよい。耳たぶや指先など、比較的厚みがなく、光が貫通しやすい場所を測定する場合には、このような配置もできる。照射部及び受光部（光強度検出部）は被検体に接触してもよいし（図８）、接触しなくてもよい（図７）。

図９は実施形態の総蛋白濃度計測装置１１のブロック図である。システムバス１４２を介して、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１４１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１４３、ＲＡＭ（Random Access Memory）１４４、記憶部１４５、外部Ｉ／Ｆ（Interface）１４６、照射部１２、及び、光強度検出部１３が接続される。ＣＰＵ１４１とＲＯＭ１４３とＲＡＭ１４４とで制御部（コントローラー）１４を構成する。

ＲＯＭ１４３は、ＣＰＵ１４１により実行されるプログラムや閾値を予め記憶する。

ＲＡＭ１４４は、ＣＰＵ１４１が実行するプログラムを展開するエリアと、プログラムによるデータ処理の作業領域となるワークエリアなどの様々なメモリエリア等を有する。

記憶部１４５は、検知・算出された光強度等のデータを記憶する。記憶部１４５は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）や、フラッシュメモリや、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の、不揮発性に記憶する内部メモリーでよい。

外部Ｉ／Ｆ１４６は、例えばクライアント端末（ＰＣ）などの外部装置と通信するためのインターフェースである。外部Ｉ／Ｆ１４６は、外部装置とデータ通信を行うインターフェースであれば良く、たとえば、外部装置にローカルに接続する機器（ＵＳＢメモリ等）であっても良いし、ネットワークを介して通信するためのネットワークインターフェイスであっても良い。

制御部１４は、光強度検出部１３により検出された光強度に基づき血流の乱流強度を算出する。実施形態では、光学計測において、単純な１点のみの受光で観測する。１点のみの受光の場合には、乱流強度Iの算出式は上記数式１となる。なお、１点のみの受光の場合には、照射-受光部間距離ρは、10mm以上50mm以下付近とすることが好ましい。

また、パルス光を用いた時間分解計測により濁度を求める場合も1点計測が可能となる。この場合、光源側の周期より、受光部のサンプリングレートが重要となる。例えば無線でデータを取得する場合であっても、1秒間に250回以上のサンプリングレートがあれば、血液の濁度変化を計測することが可能である。

制御部１４は、算出された乱流強度Ｉから、血中の総蛋白濃度を算出する。

図３は、乱流強度と総蛋白濃度の相関を示す図である。図３に示すように乱流強度Ｉ（図３の縦軸）と総蛋白濃度（図３の横軸のTP）とは相関があることがわかる。相関係数が0.71と良好な結果が得られており、総蛋白濃度の増加が血液の乱流強度の上昇をもたらすことがわかる。したがって、乱流強度Ｉに基づいて総蛋白濃度を算出することが可能である。なお、図３では線形近似としているが、曲線近似等、他の近似手法を適宜使用してもよい。

また、乱流強度の相関をさらに向上させるために、血圧や脈動、血液量情報などを用いて、精度を向上させることも可能である。

実施形態では、図３に示すような、乱流強度Iと総蛋白の血液中の濃度の変化量の関係についてあらかじめ統計データ（もしくは検量線等）を取り、記憶部１４５に記憶し、制御部１４は、測定された乱流強度Iと、記憶された統計データとを比較することにより、もしくは、検量線を用いて、総蛋白の濃度の変化量を算出する。なお、統計データについては、ＲＯＭ１４３等に記憶されてもよい。

また、臨床現場において、濃度と濁度とは同義で使われることがあり、本実施形態における濃度には濁度の概念も含まれる。よって、総蛋白濃度算出部５の算出結果として、濃度のみならず、単位量当たりの粒子数やホルマジン濁度、あるいは総蛋白の平均粒子系変化量とすることができる。

なお、統計データの形式は特に限定されるものではなく、例えば、性別、身長、体重、ＢＭＩ等で分類していてもよく、表やグラフ、関数式等を用いて算出してもよい。

以下、第２実施形態である総蛋白濃度計測装置について説明をする。なお、第２実施形態の総蛋白濃度計測装置の構成は、第１実施形態の総蛋白濃度計測装置の構成と共通する部分もあるため、相違する部分を主に説明する。

上記第１実施形態では、照射部１２と光強度検出部１３と制御部１４とを一体として構成した例を示したが、これに限られず、光を照射する照射部３２と光強度検出部３３とをユーザー装置として構成し、制御部３４を総蛋白濃度計測装置として構成したシステムとしてもよい。

図１０は、第２実施形態の総蛋白濃度計測装置の構成を示す図である。

実施形態の血中総蛋白濃度計測システム３００は、光強度を測定するユーザー装置３１０と、当該光強度から総蛋白濃度を算出する血中総蛋白濃度計測装置３２０から構成される。ユーザー装置３１０と血中総蛋白濃度計測装置３２０は、無線又は有線通信網Ｎを介してネットワーク接続される。

血中総蛋白濃度計測装置３２０は、ユーザー装置３１０から送信された光強度に基づいて所定の処理を行い、総蛋白濃度を算出するための装置であり、具体的には、パーソナルコンピュータや、装置の台数や送受信するデータ量によってはサーバー装置が適宜用いられる。

ユーザー装置３１０は、ユーザーが所持する装置であり、単独の装置である場合もあり、携帯電話、腕時計等に搭載される場合もある。

ユーザー装置３１０は、光を照射する照射部３２と光強度検出部３３と通信部３１０ａとを有する。通信部３１０ａは、光強度検出部３３で検出された光強度を送信する。照射部３２と光強度検出部３３の動作・機能については第１実施形態と同様である。

総蛋白濃度計測装置３２０は、通信部３２０ａと制御部３４とを有する。通信部３２０ａは、通信部３１０ａから送信された光強度を有線又は無線ネットワークＮを介して受信し、制御部３４へ送信する。制御部３４の動作・機能については第１実施形態の制御部１４と同様である。

なお、本実施形態では、ユーザー装置３１０から血中総蛋白濃度計測装置３２０へ、ネットワークＮを介して光強度を送信したが、これに限られず、ユーザー装置３１０と血中総蛋白濃度計測装置３２０とが、ネットワークＮを介さずに直接接続し、有線通信や無線通信等の手段により光強度を送信してもよい。

次に、実施形態の総蛋白濃度計測方法について説明する。図１１は、実施形態の総蛋白濃度計測方法のフローチャートである。なお、第１実施形態の総蛋白濃度計測装置の構成を用いて実施形態の総蛋白濃度計測方法を説明するが、装置構成はこれに限られない。

第１実施形態の総蛋白濃度計測装置１１において、予め設定されているプログラムに基づいて、総蛋白濃度計測装置１１は、以下の総蛋白濃度計測処理を実行する。

照射工程（Ｓ５０１）では、照射部１２を用いて照射位置１２１に対して連続光を照射する。

光強度検出工程（Ｓ５０２）では、光強度検出部１３１を用いて検出位置１３３１における光強度を検出する。検出位置１３３１で検出された光強度は、乱流強度算出工程へと送られる。

乱流強度算出工程（Ｓ５０３）では、光強度検出工程で検出された光強度から、血流の乱流強度Ｉを算出する。乱流強度Iの算出法については上述した。

総蛋白濃度算出工程（Ｓ５０４）では、乱流強度Iから、血中の総蛋白濃度を算出する。総蛋白濃度の算出法については上述した。

以上説明したように、実施形態の総蛋白濃度計測装置及びその方法によれば、血流の乱れを測定することにより、使用用途が拡大するとともに、総蛋白濃度測定の個人差を軽減することが可能となる。

１１ 総蛋白濃度計測装置
１２ 照射部
１３ 光強度検出部
１４ 制御部

Claims (5)

1. 生体に所定の光強度で光を照射する照射部と、
   前記照射部から10mm以上の距離に位置し、前記生体から放出される光強度を検出する光強度検出部と、
   前記光強度に基づき血流の乱流強度を算出し、
   前記乱流強度から総蛋白濃度を算出する制御部と、
   を有することを特徴とする総蛋白濃度計測装置。
2. 前記照射部と前記光強度検出部の距離は、10mm以上50mm以下であることを特徴とする請求項１に記載の総蛋白濃度計測装置。
3. 前記制御部は、前記乱流強度を下記数式２により算出することを特徴とする請求項１または２に記載の総蛋白濃度計測装置。
   
4. 生体に所定の光強度で光を照射する照射部と、前記照射部から10mm以上の距離に位置し、前記生体から放出される光強度を検出する光強度検出部と、前記光強度検出部により検出された光強度を送信する通信部とを有する第１装置に、通信可能に接続される総蛋白濃度計測装置であって、
   前記第１装置から送信された前記光強度に基づき血流の乱流強度を算出し、
   前記乱流強度から総蛋白濃度を算出する制御部を、有することを特徴とする総蛋白濃度計測装置。
5. 生体に所定の光強度で光を照射する照射工程と、
   前記照射工程による光の照射位置から10mm以上の距離の位置の前記生体から放出される光強度を検出する光強度検出工程と、
   前記光強度に基づき血流の乱流強度を算出する乱流強度算出工程と、
   前記乱流強度から総蛋白濃度を算出する総蛋白濃度算出工程と、
   を有することを特徴とする総蛋白濃度計測方法。