JP3966796B2

JP3966796B2 - 血糖測定装置

Info

Publication number: JP3966796B2
Application number: JP2002280409A
Authority: JP
Inventors: 真人中村; 典雄大久保
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP2004113434A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、血糖測定装置に関するものであり、さらに詳しくは採血を要することなく人体の外部から無侵襲的に血糖の測定が可能な生体偏光脈波計測による無侵襲血糖測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の糖尿病患者の著しい増加に対し、その管理に必要な血糖データを得るために簡易かつ迅速で正確な血糖の測定装置が要求されている。また、患者自身が安全かつ容易に使用可能な血糖計が提供されるならば血糖のコントロールに寄与するところも極めて大きいものといえる。
【０００３】
現状の血糖測定は、注射器で採血する、あるいは針で皮膚を刺し血液を採取して測定する方法が用いられている。糖尿病、新生児医療などでは、合併症や予防改善のために、何度も採血による血糖測定が行われている。針をさす痛み、皮下出血、血液を介した感染事故等の問題から、無痛、非観血である無侵襲血糖測定の要望は極めて大きい。
【０００４】
血糖は血液中に含まれるグルコース濃度を測定することで把握することが出来るが、従来の無侵襲血糖測定方法としては、グルコースの特定吸収波長である近赤外から赤外域の波長光の吸収を測定する方法、グルコースによる偏光の旋光角を測定する方法、ラマン光測定などいくつかの方法が報告されている。（例えば特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２-２０２２５８
【０００６】
しかし、グルコースの特定吸収波長の計測は、皮下組織や水による吸収が大きく、また、温度、プローブ接触条件の影響などが大きな障害となり、未だ実用にいたるものはない。
【０００７】
偏光の旋光角測定では、眼の前眼房水での計測が報告されているが、光路長が特定できないことと、角膜による複屈折が問題で、やはり実用化には至っていない。他の方法はいまだ可能性を追求している段階である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、前記の如き事情に鑑み人体の外部から血液中のグルコース濃度を測定する、いわゆる無侵襲測定の可能な装置であって、精度が高く再現性にも優れた血糖測定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、血液試料または体外、例えば手の指から体内の血液に波長６００〜１７００ｎｍの光を照射し、人体組織を透過した光を受光し、得られた透過光の旋光角を解析、演算し、血液中のグルコース濃度を算出することにより、測定精度、再現性の高い血糖測定が実現できることを見出した。
【００１０】
すなわち、本発明は、照射光を発生する光源手段と、検体試料を透過した測定光を受光する測定光受光手段と、前記光源手段と前記検体試料の間に配置されており、高速回転することにより、前記光源手段からの前記照射光を通過させて、前記検体に前記測定光を照射する回転偏光板と、前記検体試料と前記測定光受光手段の間に固定配置され、前記回転偏光板が一回転する度に、前記検体試料を透過した前記測定光を通過させる固定偏光板と、前記検体試料を透過していないリファレンス光を受信するリファレンス光受信手段と、前記測定光受光手段と前記リファレンス光受光手段からの受光信号に基づいて、検体の脈動に伴う旋光角の変化及び前記測定光の強度を検出して、検体試料の血糖値を測定する測定処理部とを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。グルコースは光の偏光を反時計方向に回転させる左旋光性の光学特性をもつ。この旋光角は光学的厚さとグルコース濃度に関係する。
【００１２】
図３はグルコース濃度と旋光角の関係を測定した測定模式図を示す。発振波長７８７ｎｍの半導体レーザダイオード１から出射された光は偏光板２を通過し、光学的厚さが一定の検体試料３へ入射され、検体中に含まれるグルコースによって反時計方向に旋光角５だけ旋光される。
【００１３】
図７は旋光角を測定するための測定系を示す。半導体レーザダイオード２０から出射された光は、回転偏光板２５を通過して検体試料２１に入射される。半導体レーザダイオード２０は４分の１波長板を具備し、出射光は円偏光されている。検体試料２１を透過した光は固定偏光板２２を通過してフォトディテクター２３で受光される。
【００１４】
一方、反射型センサ２４から出射されるリファレンス用の光は、固定偏光板２２、回転偏光板２５を通過して回転反射鏡２６で反射される。反射された光は、再度回転偏光板２５、固定偏光板２２を通過して、反射型センサ２４に入射される。回転偏光板２５、回転反射鏡２６は、モータドライバ２８、モータ２７で回転される。半導体レーザダイオード２０は、半導体レーザダイオード制御装置２９で制御される。フォトディテクター２３、反射型センサ２４で受光された光信号は、計測用のパソコン３０に送られる。
【００１５】
図８は図７で測定された信号光４０とリファレンス光４１の光強度の時間的変化（位相差）を示す。旋光角はリファレンス光と信号光の位相差で表される。
【００１６】
図４は図３の測定系を用いて測定したグルコース濃度と旋光角の関係を示す。検体であるグルコース溶液は、人体組織（散乱体）を含まず、図３における光学的厚さ４が９ｍｍで一定のものを用いた。
この図からグルコース濃度と旋光角は負の相関があることがわかる。このように光学的厚さを変数として、旋光角からグルコース濃度が求められる。
【００１７】
次に、検体として散乱体を含む試料を用いた場合の測定結果を説明する。検体は散乱体として脂肪乳剤を０．０２％含むものを用いた。図９はグルコース濃度と旋光角の関係を示す。この図からわかるように散乱体がある検体を用いた場合においても、グルコース濃度と旋光角の関係は負の相関を持つ。
【００１８】
一方検体として人体の指を用いる場合、動脈の脈動で検体の光学的厚さが変化し、受光される光の旋光角は脈動をもつ。正確なグルコース濃度を測定するためには、この生体の脈動を考慮する必要がある。
【００１９】
一般に、グルコースなどの光学活性体を含む媒体では、旋光角Aは光路長L と光学活性物質の濃度Cに比例する。すなわち、
Ａ＝αＣＬ・・・（１）
と表される。αは比旋光度で、物質の種類、温度、波長によって決まっている。グルコースの比旋光度は、６３３ｎｍの発振波長において４．５６２（度ｃｍ^２／g）である。Ｃは光学活性体の濃度でこの場合はグルコース濃度である。
【００２０】
本血糖計測法では、血液以外の影響をできるだけ除外するため、動脈の脈動による変動分のみに注目する。すなわち、（１）式は、
ΔＡ＝α×ΔＬ×Ｃ・・・・・（２）
Ｃ＝ΔＡ／α・ΔＬ・・・・・（３）
となる。
ここで、αは比旋光度で定数、ΔＡは旋光角の変動、ΔＬは透過光強度の変動から見積もられる光学的厚さの変動となる。
以上。
【００２１】
したがって、血糖値(グルコース濃度)Ｃは、ΔＬに対するΔＡの比に相関することが分かる。このようにして、偏光脈波を計測することによって、グルコース濃度が算出できる。
【００２２】
本発明では、高速高精度で旋光角を計測するハイスピードエルプソメトリを用いて、生体によって旋光角が脈動するする生体偏光脈波を計測し、グルコース濃度を測定する。
ハイスピードエリプソメトリは、脈動を測定するために１秒間に２０回のデータサンプリングが必要であり、高速に回転できる偏光板が必要である。
【００２３】
図１は生体（指など）のグルコース濃度を測定するための測定系の模式図を示す。発振波長８０５ｎｍの半導体レーザダイオード１０から出射された光は、エンコーダ付サーボ中空モータを有した回転偏光板１１を通過して検体試料である指１２に入射され、指１２を透過した光は偏光板１３を通過して高感度フォトダイオード１４で受光される。また半導体レーザダイオード１０は４分の１波長板を具備し、出射光は円偏光されている。回転偏光板１１としてはファラデイ素子等を用いた電気式回転偏光板を用いてもよい。
【００２４】
図２は、図１の測定系を用いて計測された検体試料である生体（指）の透過光波形を示す。サーボ中空モータのエンコーダ信号４２は１パルス／１サイクルで、計測データ４３は２波／１サイクル（周波数では２８〜３０Ｈｚ）であった。信号光の計測データ４３の包絡線は脈拍による周期的変化を示す。この周波数は１〜２Ｈｚであった。
【００２５】
図６は旋光角の周期的変化の包絡線及び包絡線の最大領域、最小領域において信号光４０とリファレンス光４１の位相関係を示す。包絡線の最大領域は血液量が少なく、光学的厚さは薄い。一方包絡線の最小領域は血液量が多く、光学的厚さは厚い。光学的厚さが薄い（包絡線の最大領域）ときは旋光角が小さく、光学的厚さが厚い（包絡線の最小領域）ときは旋光角が大きい。
これらの計測データ（生体偏光脈波計測データ）を解析することで、旋光角の周期的変化が算出される。
【００２６】
また生体偏光脈波計測データから脈拍による変化が１〜２Ｈｚであることがわかる。これらのデータを解析することで、光学的厚さの周期的変化が算出される。
【００２７】
これらの光学的厚さと偏光角の周期的変化を解析することで、グルコース濃度が算出できる。
【００２８】
グルコース濃度の算出方法を図５に示す。光学的厚さＬ、旋光角Ａをパラメータとしたグルコース濃度ｙの関数であるｙ＝ｆ（Ｌ，Ａ）とｙ＝ｆ（ΔＬ、ΔＡ）を導出する。
【００２９】
次に図１の測定装置を用いて透過光計測（包絡線、周波数解析など）と生体偏光脈波計測を行う。これらのデータを解析して、光学的厚さＬの変動成分ΔＬ、旋光角Ａの変動成分ΔＡを解析し、ΔＬ、ΔＡを抽出する。
【００３０】
次に、ΔＬとΔＡの相関関係を解析する。最後に、グルコース濃度ｙを導出する。こうして、生体の脈動等による光学的厚さの変化による測定誤差のない、高精度なグルコース濃度を再現性よく測定できる。
【００３１】
また、回転偏光板の回転数を増大させることで、より高精度なグルコース濃度を再現性よく測定できる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明により、人体の外部から血液中のグルコース濃度を測定する、いわゆる無侵襲測定の可能な装置であって、精度が高く再現性にも優れた血糖測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の血糖測定の模式図を示す。
【図２】本発明の血糖測定装置で測定される透過光データを示す。
【図３】光学的厚さが一定の検体試料をもちいた測定模式図を示す。
【図４】図７の測定装置を用いて散乱体なしの場合のグルコース濃度と旋光角の関係を示す。
【図５】グルコース濃度の周期的変化を導出するフローチャートを示す。
【図６】旋光角の周期的変化の包絡線と包絡線の最大領域、最小領域において信号光４０とリファレンス光４１の位相関係を示す。
【図７】旋光角を測定するための測定系を示す。
【図８】信号光４０とリファレンス光４１の光強度の位相差を示す。
【図９】図７の測定装置を用いて散乱体ありの場合のグルコース濃度と旋光角の関係を示す。
【符号の説明】
１半導体レーザダイオード
２偏光板
３検体試料
４光学的厚さ
５旋光角
１０半導体レーザダイオード
１１回転偏光板
１２指
１３偏光板
１４フォトダイオード
２０半導体レーザダイオード
２１検体試料
２２固定偏光板
２３フォトディテクター
２４反射型センサ
２５回転偏光板
２６回転反射鏡
２７モータ
２８モータドライバ
２９半導体レーザダイオード制御装置
３０計測用のパソコン
４０信号光
４１リファレンス光
４２エンコーダ信号
４３計測データ

Claims

照射光を発生する光源手段と、
検体試料を透過した測定光を受光する測定光受光手段と、
前記光源手段と前記検体試料の間に配置されており、高速回転することにより、前記光源手段からの前記照射光を通過させて、前記検体に前記測定光を照射する回転偏光板と、前記検体試料と前記測定光受光手段の間に固定配置され、前記回転偏光板が一回転する度に、前記検体試料を透過した前記測定光を通過させる固定偏光板と、
前記検体試料を透過していないリファレンス光を受信するリファレンス光受信手段と、前記測定光受光手段と前記リファレンス光受光手段からの受光信号に基づいて、検体の脈動に伴う旋光角の変化及び前記測定光の強度を検出して、検体試料の血糖値を測定する測定処理手段と
を備えることを特徴とする血糖測定装置。
前記光源手段は、円偏光された照射光を出力することを特徴とする請求項１に記載の血糖測定装置。
前記回転偏光板は、少なくとも１秒間に２０回転することを特徴とする請求項１または２に記載の血糖測定装置。
前記光源手段は、発信波長が６００〜１７００ｎｍのレーザ光を出力するレーザダイオードであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の血糖測定装置。
さらに、前記測定処理手段は、ハイスピードエルプソメトリを用いて、生体によって旋光角が脈動する生体偏光脈波を計測し、グルコース濃度を測定する請求項１から４のいずれか１項に記載の血糖測定装置。