JP4199295B2

JP4199295B2 - 生体情報測定装置

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Publication number: JP4199295B2
Application number: JP2007541033A
Authority: JP
Inventors: 正彦塩井; 佳子宮本; 真司内田
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Description

本発明は、耳孔からの赤外放射光を用いて生体情報を非侵襲的に測定する生体情報測定装置に関するものである。

従来の生体情報測定装置として、生体、特に鼓膜からの赤外放射光を用いて血糖値を非侵襲的に測定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。例えば、特許文献１には、熱として鼓膜から自然に発せられる赤外スペクトル領域における人体組織に特徴的な放射スペクトル線を赤外線検出器を用いて非侵襲的に測定することにより血糖値を決定する装置が開示されている。
特表２００１−５０３９９９号公報

しかし、プランクの法則によれば、温度を有する物体からは、必ず熱による赤外放射が存在する。上記従来の測定装置の場合、鼓膜だけでなく、外耳道も赤外光の放射源となる。したがって、鼓膜からの放射光と外耳道からの放射光とが赤外線検出器に入射する。外耳道の皮膚が鼓膜に比較して厚く、血液の供給は比較的深い位置で行われているため、外耳道からの放射光は、鼓膜からの放射光に比較し、血液の情報の含有量が少ないため、外耳道からの放射光はノイズとなる。したがって、外耳道からの放射光は、測定精度悪化の要因となっていた。

本発明では、上記従来の問題点を考慮し、より正確な生体情報の測定を行うことができる生体情報測定装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の赤外光の強度に基づいて生体情報を測定するための生体情報測定装置は、耳孔内に挿入される挿入部と、前記挿入部に設けられ、前記耳孔内から放射された赤外光を前記挿入部内に導入する第１の光導入口及び第２の光導入口と、前記挿入部内に設けられ、前記第１の光導入口から導入された第１の赤外光及び前記第２の光導入口から導入された第２の赤外光を導光する導光路と、前記導光路によって導光された前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光を分光する分光素子と、前記分光素子によって分光された前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光を検出する赤外線検出器と、を備え、前記挿入部に設けられ、鼓膜から放射された赤外光から前記第２の光導入口を遮蔽する遮光部をさらに備える。

本発明の生体情報測定装置によれば、外耳道の測定に対する影響を考慮することによって、より正確な生体情報の測定を行うことができる。

本発明の赤外光の強度に基づいて生体情報を測定するための生体情報測定装置は、耳孔内に挿入される挿入部と、前記挿入部に設けられ、前記耳孔内から放射された赤外光を前記挿入部内に導入する第１の光導入口及び第２の光導入口と、前記挿入部内に設けられ、前記第１の光導入口から導入された第１の赤外光及び前記第２の光導入口から導入された第２の赤外光を導光する導光路と、前記導光路によって導光された前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光を分光する分光素子と、前記分光素子によって分光された前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光を検出する赤外線検出器と、を備え、前記挿入部に設けられ、鼓膜から放射された赤外光から前記第２の光導入口を遮蔽する遮光部をさらに備える。より好ましくは、前記赤外線検出器によって検出された前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光の強度に基づき生体情報を演算する演算部をさらに備える。

本発明において、導光路としては、赤外光を導くことのできるものであればよく、例えば、中空管や、赤外光を伝送する光ファイバ等を用いることができる。中空管を用いる場合、中空管の内表面に金の層を有することが好ましい。この金の層は、中空管の内面に金メッキを施したり、金を蒸着したりすることにより形成することができる。
分光素子としては、赤外光を波長別に分けることのできるものであればよく、例えば、特定の波長領域の赤外光を透過させる光学フィルタ、分光プリズム、マイケルソン干渉計、回折格子等を用いることができる。

赤外線検出器としては、赤外領域の波長の光を検出できるものであればよく、例えば、焦電センサ、サーモパイル、ボロメータ、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）検出器、ゴーレイセル等を用いることができる。
赤外線検出器は複数設けられていてもよい。
演算部としては、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等のマイクロコンピュータを用いることができる。

本発明の生体情報測定装置は、前記第１の光導入口から導入された前記第１の赤外光を導光する第１の導光路、及び前記第２の光導入口から導入された前記第２の赤外光を導光する第２の導光路を含む複数の導光路を備えていてもよい。
また、第１の赤外光及び第２の赤外光が、１つの導光路によって導光されるように構成されていてもよい。
本発明の生体情報測定装置において、前記第２の光導入口は、鼓膜から放射された赤外光が導入されない構成を有することが好ましい。

本構成によって、第２の光導入口からは鼓膜から放射された赤外光が導入されなくなるため、第２の光導入口から導入された第２の赤外光は外耳道から放射された赤外光のみに相当するようになる。そこで、鼓膜から放射された赤外光及び外耳道から放射された赤外光を含む第１の赤外光の強度、及び第２の赤外光の強度を用いることにより、外耳道から放射された赤外光の影響を補正して、鼓膜から放射された赤外光に基づく、より正確な生体情報の測定を行うことができる。

本発明の生体情報測定装置において、前記挿入部は、前記耳孔内に挿入されたときに鼓膜の方向を向く端部と、側面とを有し、前記第１の光導入口が前記挿入部の前記端部に設けられていてもよい。さらに、前記第２の光導入口が前記挿入部の前記側面に設けられていることが好ましい。

本発明の生体情報測定装置は、前記挿入部に設けられ、鼓膜から放射された赤外光から前記第２の光導入口を遮蔽する遮光部をさらに備える。
この構成によって、第２の光導入口からは鼓膜から放射された赤外光が導入されなくなるため、第２の光導入口から導入された第２の赤外光は外耳道から放射された赤外光のみに相当するようになる。そこで、鼓膜から放射された赤外光及び外耳道から放射された赤外光を含む第１の赤外光の強度、及び第２の赤外光の強度を用いることにより、外耳道から放射された赤外光の測定に与える影響を補正して、鼓膜から放射された赤外光に基づく、より正確な生体情報の測定を行うことができる。

ここで、遮光部の表面が、金、銀、銅、黄銅アルミニウム、白金、または鉄で構成され、遮光部の表面が光沢を有することが好ましい。
また、遮光部が、着脱可能な状態で挿入部に設けられていることが好ましい。

本発明の生体情報測定装置は、前記赤外線検出器に到達する赤外光の光路を制御する光路制御部をさらに備えていてもよい。赤外線検出器に到達する赤外光が、第１の赤外光及び第２の赤外光である状態と、第１の赤外光のみである状態とが切り替わるように、光路制御部が光路を制御できることが好ましい。
光路制御部としては、シャッター、アパーチャ等が挙げられる。

本発明の生体情報測定装置において、前記演算部は、前記第１の赤外光の強度と前記第２の赤外光の強度との強度差を閾値と比較し、前記強度差が前記閾値よりも大きい場合に警告を出力する警告出力部をさらに備えていてもよい。この構成により、生体情報測定装置の位置が不適切であることを使用者に通知することができる。
ここで、警告出力部としては、警告を表示するディスプレイ、警告を音声で出力するスピーカー、警告音を発生するブザー等が挙げられる。

本発明の生体情報測定装置は、赤外線検出器の出力信号と生体情報との相関を示す相関データを格納する記憶部、演算部により換算された生体情報を表示する表示部、及び生体情報測定装置が動作するための電力を供給する電源をさらに備えていてもよい。
演算部は、記憶部から上記相関データを読み出し、これを参照することにより、赤外線検出器の出力信号を生体情報に変換してもよい。

赤外線検出器の出力信号と生体情報との相関を示す相関データは、例えば、既知の生体情報（例えば、血糖値）を有する患者について赤外線検出器の出力信号を測定し、得られた赤外線検出器の出力信号と生体情報との相関を解析することにより取得することができる。
本発明において、記憶部としては、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリを用いることができる。
表示部としては、例えば、液晶等のディスプレイを用いることができる。
電源としては、例えば、電池等を用いることができる。

本発明における測定対象である生体情報としては、グルコース濃度（血糖値）、ヘモグロビン濃度、コレステロール濃度、中性脂肪濃度、タンパク質濃度等が挙げられる。
生体から放射される赤外光を測定することにより、生体情報、例えば、血糖値を測定することができる。生体からの赤外放射光の放射エネルギーＷは以下の数式で表される。

ここで、上記式における各記号は以下の内容を示す。
Ｗ：生体からの赤外放射光の放射エネルギー、
ε（λ）：波長λにおける生体の放射率、
Ｗ₀（λ、Ｔ）：波長λ、温度Ｔにおける黒体放射強度密度、
ｈ：プランク定数（ｈ＝６．６２５×１０^-34（Ｗ・Ｓ²））、
ｃ：光速（ｃ＝２．９９８×１０¹⁰（ｃｍ／ｓ））、
λ₁、λ₂：生体からの赤外放射光の波長（μｍ）、
Ｔ：生体の温度（Ｋ）、
Ｓ：検出面積（ｃｍ²）
ｋ：ボルツマン定数、

（数１）からわかるように、検出面積Ｓが一定の場合、生体からの赤外放射光の放射エネルギーＷは波長λにおける生体の放射率ε（λ）に依存する。放射におけるキルヒホッフの法則から、同じ温度、波長における放射率と吸収率は等しい。

ここで、α（λ）は、波長λにおける生体の吸収率を示す。
したがって、放射率を考える際には、吸収率を考えればよいことがわかる。エネルギー保存則から、吸収率、透過率及び反射率には、以下の関係が成り立つ。

ここで、上記式における各記号は以下の内容を示す。
ｒ（λ）：波長λにおける生体の反射率
ｔ（λ）：波長λにおける生体の透過率
したがって、放射率は、透過率及び反射率を用いて、

と表される。
透過率は、入射光量と測定対象物体を透過してきたときの透過光量の比で表される。入射光量と測定対象物体を透過してきたときの透過光量は、ランベルト−ベールの法則で示される。

ここで、上記式における各記号は以下の内容を示す。
Ｉ_t：透過光量、
Ｉ₀：入射光量、
ｄ：生体の厚み、
ｋ（λ）：波長λにおける生体の消衰係数、
である。生体の消衰係数は、生体による光の吸収を表す係数である。
したがって、透過率は、

と表される。
次に反射率について説明する。反射率は、全方向に対する平均反射率を算出する必要があるが、ここでは、簡単のため、垂直入射に対する反射率で考える。垂直入射に対する反射率は、空気の屈折率を１として、

と表される。
ここで、ｎ（λ）は、波長λにおける生体の屈折率を示す。
以上から、放射率は、

と表される。
生体中の成分の濃度が変化すると、生体の屈折率及び消衰係数が変化する。反射率は、通常、赤外領域において約０．０３程度と小さく、かつ（数８）からわかるように、屈折率及び消衰係数にはあまり依存しない。したがって、生体中の成分の濃度の変化により、屈折率及び消衰係数が変化しても、反射率の変化は小さい。

一方、透過率は、（数７）からわかるように、消衰係数に大きく依存する。従って、生体中の成分の濃度の変化により生体の消衰係数、すなわち生体による光の吸収の度合いが変化すると、透過率が変化する。

以上のことから、生体からの赤外放射光の放射エネルギーは、生体中の成分の濃度に依存することがわかる。したがって、生体からの赤外放射光の放射エネルギー強度から生体中の成分の濃度を求めることができる。

また、（数７）からわかるように、透過率は生体の厚みに依存する。生体の厚みが薄いほど、生体の消衰係数の変化に対する透過率の変化の度合いが大きくなるため、生体中の成分の濃度変化を検出しやすくなる。鼓膜は、厚みが約６０〜１００μｍと薄いため、赤外放射光を用いた生体中の成分の濃度測定に適している。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る生体情報測定装置１００の外観を示す斜視図である。
生体情報測定装置１００は、本体１０２と、本体１０２の側面に設けられた挿入部１０４を備えている。本体１０２には、生体成分の濃度の測定結果を表示するためのディスプレイ１１４、生体情報測定装置１００の電源をＯＮ／ＯＦＦするための電源スイッチ１０１、及び測定を開始するための測定開始スイッチ１０３が設けられている。挿入部には、耳孔内から放射された赤外光を生体情報測定装置１００内に導入する第１の光導入口１０５、及び２つの第２の光導入口１０６が設けられている。
ここで、第１の光導入口１０５は、挿入部１０４の末端（端部）に設けられており、挿入部１０４が耳孔内に挿入されたときに鼓膜の方向を向く。２つの第２の光導入口１０６は、挿入部１０４の側面に設けられている。

次に、生体情報測定装置１００の本体内部の構成について、図２、図３及び図４を用いて説明する。図２は、実施の形態１に係る生体情報測定装置１００の構成を示す図であり、図３は、実施の形態１に係る生体情報測定装置１００における挿入部１０４及びシャッター１０９を示す斜視図であり、図４は、実施の形態１に係る生体情報測定装置１００における光学フィルタホイール１０７を示す斜視図である。なお、図３においては、チョッパーを省略している。

生体情報測定装置１００の本体内部には、チョッパー１１８、シャッター１０９、光学フィルタホイール１０７、赤外線検出器１０８、前置増幅器１３０、帯域フィルタ１３２、同期復調器１３４、ローパスフィルタ１３６、アナログ／デジタルコンバータ（以下、Ａ／Ｄコンバータと略称する）１３８、マイクロコンピュータ１１０、メモリ１１２、ディスプレイ１１４、電源１１６、タイマー１５６、及びブザー１５８を備えている。ここで、マイクロコンピュータ１１０は本発明における演算部に相当する。
電源１１６は、マイクロコンピュータ１１０に交流（ＡＣ）または直流（ＤＣ）電力を供給する。電源１１６として電池を用いることが好ましい。

チョッパー１１８は、鼓膜２０２から放射し、第１の光導入口１０５から挿入部１０４内に設けられた第１の導光路３０２により本体１０２内に導かれた第１の赤外光及び第２の光導入口１０６から挿入部１０４内に設けられた第２の導光路３０４により本体１０２内に導かれた第２の赤外光をチョッピングして、それらの赤外光を高周波数の赤外線信号に変換する機能を有する。チョッパー１１８の動作は、マイクロコンピュータ１１０からの制御信号に基づき制御される。

チョッパー１１８によりチョッピングされた赤外光はシャッター１０９に到達する。
シャッター１０９は、本体１０２内に導かれた赤外光の光路を制御する機能を有する。シャッター１０９は、図３に示すように、第１の導光路３０２に対応する第１の穴４０２を有する第１の遮光板４０４、第２の導光路３０４に対応する２つの第２の穴４０６を有する第２の遮光板４０８、第１の遮光板４０４が第１のガイド４１０に沿ってスライドするように駆動させる第１のモータ４１４、及び第２の遮光板４０８が第２のガイド４１２に沿ってスライドするように駆動させる第２のモータ４１６を備えている。

第２のモータ４１６を駆動させて、第２の遮光板４０８を第２のガイド４１２に沿って、図３に示す位置から矢印Ａの方向にスライドさせることにより、第１の導光路３０２に導かれた第１の赤外光は第２の遮光板４０８により遮断され、第２の導光路３０４に導かれた第２の赤外光のみが第２の穴４０６を通って光学フィルタホイール１０７に到達する。

一方、第１のモータ４１４を駆動させて、第１の遮光板４０４を第１のガイド４１０に沿って、図３に示す位置から矢印Ａの方向にスライドさせることにより、第２の導光路３０４に導かれた第２の赤外光は第１の遮光板４０４により遮断され、第１の導光路３０２に導かれた第１の赤外光のみが第１の穴４０２を通って光学フィルタホイール１０７に到達する。このようにすると、光学フィルタホイール１０７に到達する赤外光を、第１の赤外光と第２の赤外光との間で切り替えることができる。シャッター１０９の動作は、マイクロコンピュータ１１０からの制御信号に基づき制御される。シャッター１０９は、本発明における光路制御部に相当する。

光学フィルタホイール１０７は、図４に示すように、第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３がリング１２７にはめ込まれている。図４に示す例では、いずれも扇状である第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３がリング１２７にはめ込まれることにより円盤状の部材が構成されており、その円盤状の部材の中央部にシャフト１２５が設けられている。

このシャフト１２５を図４の矢印のように回転させることにより、チョッパー１１８によりチョッピングされた赤外光の通過する光学フィルタを、第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３の間で切り替えることができる。シャフト１２５の回転は、マイクロコンピュータ１１０からの制御信号により制御される。光学フィルタホイール１０７は、本発明の分光素子に相当する。

光学フィルタの作製方法としては、公知の技術を特に限定することなく利用できるが、例えば、真空蒸着法を用いることができる。光学フィルタは、ＳｉまたはＧｅを基板として、真空蒸着法を用いてＺｎＳ、ＭｇＦ₂、ＰｂＴｅ等を基板上に積層することにより作製することができる。

第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光は、検出領域１２６を備える赤外線検出器１０８に到達する。赤外線検出器１０８に到達した赤外光は、検出領域１２６に入射し、入射した赤外光の強度に対応した電気信号に変換される。

光学フィルタホイール１０７のシャフト１２５の回転は、チョッパー１１８の動作と同期させ、チョッパー１１８が閉じている間にシャフト１２５を１２０度回転させるように制御することが好ましい。このようにすると、次にチョッパー１１８が開いたときに、チョッパー１１８によりチョッピングされた赤外光の通過する光学フィルタを隣の光学フィルタに切り替えることができる。

また、シャッター１０９の動作はシャフト１２５の回転と同期させ、シャフト１２５が３度動作して３６０度回転する毎に、シャッター１０９を通過する赤外光が第１の赤外光と第２の赤外光との間で切り替わるように、シャッター１０９の動作を制御することが好ましい。

シャフト１２５の回転とシャッター１０９の動作とをこのように制御すると、赤外線検出器１０８に到達する赤外光を、第１の光学フィルタ１２１を透過した第１の赤外光、第２の光学フィルタ１２２を透過した第１の赤外光、第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光、第１の光学フィルタ１２１を透過した第２の赤外光、第２の光学フィルタ１２２を透過した第２の赤外光、第３の光学フィルタ１２３を透過した第２の赤外光の順序で切り替えることができる。

赤外線検出器１０８から出力された電気信号は、前置増幅器１３０によって増幅される。増幅された電気信号は、帯域フィルタ１３２によって、チョッピング周波数を中心周波数とする周波数帯域以外の信号が取り除かれる。これにより、熱雑音等の統計的揺らぎに起因するノイズを最小化することができる。

帯域フィルタ１３２によって濾過された電気信号は、同期復調器１３４によって、チョッパー１１８のチョッピング周波数と帯域フィルタ１３２によって濾過された電気信号を同期させ、積分することにより、ＤＣ信号に復調される。

同期復調器１３４によって復調された電気信号は、ローパスフィルタ１３６によって高周波数帯域の信号が取り除かれる。これにより、さらにノイズを取り除くことができる。
ローパスフィルタ１３６によって濾過された電気信号は、Ａ／Ｄコンバータ１３８によってデジタル信号に変換された後、マイクロコンピュータ１１０に入力される。

ここで、各光学フィルタに対応する赤外検出器１０８からの電気信号は、シャフト１２５の制御信号をトリガーとして用いることで、どの光学フィルタを透過した赤外光に対応する電気信号であるのかを識別することができる。シャフト１２５の制御信号をマイクロコンピュータが出力してから、次のシャフト制御信号を出力するまでの間が、同じ光学フィルタに対応する電気信号となる。各光学フィルタに対応する電気信号を、それぞれメモリ１１２上で積算した後平均値を算出することにより、さらにノイズは低減されるため、測定の積算を行うことが好ましい。

メモリ１１２には、第１の光学フィルタ１２１を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、第２の光学フィルタ１２２を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、及び第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号と第３の光学フィルタ１２３を透過した第２の赤外光の強度に対応する電気信号との差分信号からなる３つの電気信号と生体成分の濃度との相関を示す相関データが格納されている。

マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に蓄積されたデジタル信号を用いて、第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号と第３の光学フィルタ１２３を透過した第２の赤外光の強度に対応する電気信号との差分信号に対応するデジタル信号を算出する。マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている相関データを読み出し、この相関データを参照して、メモリ１１２に蓄積されたデジタル信号から算出された単位時間当たりのデジタル信号を、生体成分の濃度に換算する。メモリ１１２は、本発明における記憶部に相当する。
マイクロコンピュータ１１０において換算された生体成分の濃度は、ディスプレイ１１４に出力され、表示される。

本実施の形態では、光路制御部としてシャッター１０９を用いた例を示したが、シャッター１０９に代えて、開口面積を制御可能なアパーチャを備えた遮蔽板を用いてもよい。アパーチャは、半開の状態の場合に、第１の導光路３０２に導かれた第１の赤外光のみが通過することができ、全開の状態の場合に、第１の導光路３０２に導かれた第１の赤外光及び第２の導光路３０４に導かれた第２の赤外光の両方が通過することができるように設定しておけばよい。第３の光学フィルタ１２３を透過した第２の赤外光の強度に対応する電気信号は、第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光及び第２の赤外光の強度に対応する電気信号から、第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号を差し引くことにより求めることができる。

第１の光学フィルタ１２１は、例えば、測定対象である生体成分（例えばグルコース）によって吸収される波長を含む波長帯域（以下、測定用波長帯域と略称する）の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する。一方、第２の光学フィルタ１２２は、第１の光学フィルタ１２１とは異なるスペクトル特性を有する。第２の光学フィルタ１２２は、例えば、測定対象である生体成分による吸収がなく、かつ対象成分の測定を妨害するような他の生体成分による吸収のある波長を含む波長帯域（以下、参照用波長帯域と略称する）の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する。ここで、このような他の生体成分としては、測定対象である生体成分以外で、生体中における成分量の多いものを選択すればよい。

例えば、グルコースは、９．６マイクロメートル付近に吸収ピークを有する赤外吸収スペクトルを示す。そこで、測定対象である生体成分がグルコースの場合は、第１の光学フィルタ１２１が、９．６マイクロメートルを含む波長帯域の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有することが好ましい。
一方、生体中に多く含まれるタンパク質は８．５マイクロメートル付近の赤外光を吸収し、グルコースは８．５マイクロメートル付近の赤外光を吸収しない。そこで、第２の光学フィルタ１２２が、８．５マイクロメートルを含む波長帯域の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有することが好ましい。

第３の光学フィルタ１２３は、外耳道の放射率と鼓膜の放射率とが異なる波長領域の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する。上記（数５）からわかるように、放射率は透過率と反射率に依存する。上記のように、生体の赤外領域における反射率は約０．０３であり、外耳道及び鼓膜はほぼ同じ反射率を示す。一方、外耳道の透過率は、外耳道の厚みが数ｃｍ以上であるため０に近い値となる。したがって、鼓膜の透過率が大きい波長領域において、外耳道の放射率と鼓膜の放射率との差が大きくなる。

（数７）からわかるように、生体の消衰係数が小さい、すなわち生体による光の吸収が小さい程、透過率が大きくなる。生体の約６０〜７０％が水で構成されていることから、水の吸収が小さい波長領域では鼓膜の透過率が大きくなるので、外耳道の放射率と鼓膜の放射率との差が大きくなる。そこで、第３の光学フィルタ１２３の波長特性は、水の吸収が小さい波長領域である、５〜６マイクロメートル及び７〜１１マイクロメートルの波長領域のうち、少なくとも一部の波長の赤外光を透過させるように設定されている。

メモリ１１２に格納されている、３つの電気信号と、生体成分の濃度との相関を示す相関データは、例えば、以下の手順によって取得することができる。３つの電気信号とは、（ｉ）第１の光学フィルタ１２１を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、（ii）第２の光学フィルタ１２２を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、及び（iii）第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号と第３の光学フィルタ１２３を透過した第２の赤外光の強度に対応する電気信号との差分信号、を含む。

まず、既知の生体成分濃度（例えば、血糖値）を有する患者について、鼓膜から放射される赤外光を測定する。このとき、第１の光学フィルタ１２１を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、第２の光学フィルタ１２２を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、及び第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号と第３の光学フィルタ１２３を透過した第２の赤外光の強度に対応する電気信号との差分信号からなる３つの電気信号とを求める。

この測定を、異なる生体成分濃度を有する複数の患者について行うことにより、第１の光学フィルタ１２１を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、第２の光学フィルタ１２２を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、及び第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号と第３の光学フィルタ１２３を透過した第２の赤外光の強度に対応する電気信号との差分信号からなる３つの電気信号と、それらに対応する生体成分濃度とからなるデータの組を得ることができる。

次に、このようにして取得したデータの組を解析して相関データを求める。例えば、第１の光学フィルタ１２１を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、第２の光学フィルタ１２２を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、及び第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号と第３の光学フィルタ１２３を透過した第２の赤外光の強度に対応する電気信号との差分信号からなる３つの電気信号と、それらに対応する生体成分濃度とについて、ＰＬＳ（ＰａｒｔｉａｌＬｅａｓｔＳｑｕａｒｅｓＲｅｇｒｅｓｓｉｏｎ）法などの重回帰分析法やニューラルネットワーク法などを用いて多変量解析を行う。

これにより、第１の光学フィルタ１２１を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、第２の光学フィルタ１２２を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、及び第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号と第３の光学フィルタ１２３を透過した第２の赤外光の強度に対応する電気信号との差分信号からなる３つの電気信号と、それらに対応する生体成分濃度との相関を示す関数を求めることができる。

次に、図１、図２及び図３を参照しながら本実施の形態における生体情報測定装置の動作について説明する。
まず、使用者が生体情報測定装置１００の電源スイッチ１０１を押すと、本体１０２内の電源がＯＮとなり、生体情報測定装置１００は測定準備状態となる。

次に、図２に示すように、使用者が本体１０２を持って、挿入部１０４を外耳道２０４に挿入する。このとき、第１の光導入口１０５の先端が鼓膜２０２の方向を向くように挿入する。挿入部１０４は、挿入部１０４の先端部分から本体１０２との接続部分に向かって径が太くなるような円錐形状の中空管であるため、挿入部１０４の外径が耳孔２００の内径と等しくなる位置以上は挿入部１０４が挿入されない構造になっている。

次に、挿入部１０４の外径が耳孔２００の内径と等しくなる位置で生体情報測定装置１００を保持した状態で、使用者が生体情報測定装置１００の測定開始スイッチ１０３を押すと、マイクロコンピュータ１１０がチョッパー１１８の動作を開始させることにより、鼓膜２０２から放射される赤外光の測定が開始される。

第１の光導入口１０５には、鼓膜２０２及び外耳道２０４から放射された赤外光が入射する。一方、第２の光導入口１０６は、挿入部１０４が耳孔２００内に挿入された状態において鼓膜２０２の方向を向かないように挿入部１０４の側面に設けられているため、第２の光導入口１０６には、外耳道２０４から放射された赤外光は入射するが、鼓膜２０２から放射された赤外光は入射しない。

図２からわかるように、挿入部１０４において、第２の光導入口１０６と第１の光導入口１０５との間の部位が、鼓膜２０２から放射された赤外光から第２の光導入口１０６を遮蔽する遮光部１１９に相当する。よって、第１の光導入口１０５から入射して第１の導光路３０２により本体１０２内に導かれた第１の赤外光は、鼓膜２０２及び外耳道２０４から放射された赤外光に相当し、第２の光導入口１０６から入射して第２の導光路３０４により本体１０２内に導かれた第２の赤外光は、外耳道２０４から放射された赤外光に相当する。

マイクロコンピュータ１１０は、上記の方法により、第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号と第３の光学フィルタ１２３を透過した第２の赤外光の強度に対応する電気信号との差分信号を算出する。第１の赤外光が鼓膜２０２及び外耳道２０４から放射された赤外光に相当し、第２の赤外光が外耳道２０４から放射された赤外光に相当することから、この差分信号の強度は、第１の光導入口１０５から入射した第１の赤外光の中に含まれる鼓膜から放射された赤外光の割合を示す指標となる。

第３の光学フィルタ１２３が透過させる波長領域において、外耳道２０４から放射される赤外光の強度は、鼓膜２０２から放射される赤外光の強度よりも大きくなるため、第１の赤外光において鼓膜２０２から放射された赤外光に加えて外耳道２０４から放射された赤外光が含まれていると、上記差分信号はマイナスの値となる。
第１の赤外光の中に鼓膜から放射された赤外光が多く含まれている程、第１の赤外光の強度は小さくなるので、差分信号の絶対値が大きい程、第１の赤外光の中に含まれる鼓膜から放射された赤外光の割合は大きくなる。

メモリ１１２は、予め設定された、この差分信号強度の閾値を格納している。マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２からこの閾値を読み出し、算出された差分信号強度を閾値と比較して、算出された差分信号強度の絶対値が閾値よりも小さい場合、挿入部１０４の挿入方向が鼓膜２０２からずれている旨のメッセージをディスプレイ１１４に表示したり、ブザー（図示せず）を鳴らしたり、スピーカー（図示せず）から音声で出力したりすることにより、エラーであることを使用者に通知する。鼓膜２０２の位置が認識できないことを表すエラーが通知されると、使用者は生体情報測定装置１００を動かして、挿入部１０４の挿入方向を調整すればよい。

ここで、ディスプレイ１１４、ブザー及びスピーカーは、それぞれ本発明における警告出力部に相当する。
算出された差分信号強度と閾値との比較の結果、マイクロコンピュータ１１０が、第１の赤外光の中に鼓膜から放射された赤外光が十分含まれていると判断すると、タイマー１５６による計時を開始する。

マイクロコンピュータ１１０は、タイマー１５６からの計時信号により、測定開始から一定時間経過したと判断すると、チョッパー１１８を制御して、光学フィルタホイール１０７に到達する赤外光を遮断する。これにより、自動的に測定が終了する。このとき、マイクロコンピュータ１１０はディスプレイ１１４やブザー（図示せず）を制御して、測定が終了した旨のメッセージをディスプレイ１１４に表示したり、ブザー（図示せず）を鳴らしたり、スピーカー（図示せず）から音声で出力したりすることにより、使用者に測定が終了したことを通知する。これにより使用者は測定が終了したことを確認することができるため、挿入部１０４を耳孔２００の外に取り出す。

マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２から、第１の光学フィルタ１２１を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、第２の光学フィルタ１２２を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号、及び第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号と生体成分の濃度との相関を示す相関データを読み出し、この相関データを参照して、Ａ／Ｄコンバータ１３８から出力された電気信号を生体成分の濃度に換算する。求められた生体成分の濃度は、ディスプレイ１１４に表示される。

上記のとおり、第３の光学フィルタ１２３を透過した第１の赤外光の強度に対応する電気信号と第３の光学フィルタ１２３を透過した第２の赤外光の強度に対応する電気信号との差分信号は、第１の光導入口１０５から入射した第１の赤外光の中に含まれる鼓膜から放射された赤外光の割合を示す指標となる。そこで、生体成分の濃度を求める際に、上記差分信号を含む相関データを用いることにより、第１の光導入口１０５から入射した第１の赤外光の中に含まれる鼓膜から放射された赤外光の割合で補正されるので、外耳道２０４から放射された赤外光の影響を軽減することができ、鼓膜２０２から放射された赤外光に基づく、精度の高い測定が可能となる。

なお、実施の形態１では単一の赤外線検出器１０８を用いる例を示したが、これに限定されない。実施の形態１に係る生体情報測定装置の第１の変形例について図５を用いて説明する。図５は、実施の形態１に係る生体情報測定装置の第１の変形例の構成を示す図である。第１の変形例に係る生体情報測定装置５００は、複数の赤外線検出器を用いている点で実施の形態１に係る生体情報測定装置１００と異なる。実施の形態１に係る生体情報測定装置１００と同じ構成については同じ符号を用いて、説明を省略する。

第１の変形例に係る生体情報測定装置５００は、第１の光導入口１０５から挿入部１０４内に設けられた第１の導光路３０２により本体１０２内に導かれた第１の赤外光を検出する第１の赤外線検出器５０８と、第２の光導入口１０６から挿入部１０４内に設けられた第２の導光路３０４により本体１０２内に導かれた第２の赤外光を検出する２つの第２の赤外線検出器５１０とを備えている。

第１の赤外線検出器５０８から出力される電気信号と、第２の赤外線検出器５１０から出力される電気信号は、それぞれ、前置増幅器１３０、帯域フィルタ１３２、同期復調器１３４、ローパスフィルタ１３６、Ａ／Ｄコンバータ１３８を通過した後、マイクロコンピュータ１１０上で、第１の赤外線検出器５０８から出力される電気信号から第２の赤外線検出器５１０から出力される電気信号を減算する。

また、第１の赤外線検出器５０８及び２つの第２の赤外線検出器５１０に代えて、第１の赤外光を検出する第１の検出領域と、第２の赤外光を検出する２つの第２の検出領域とを有するアレイ型の赤外線検出器を用いてもよい。

［実施の形態２］
図６及び７を参照しながら、本発明の実施の形態２に係る生体情報測定装置について説明する。図６は、本発明の実施の形態２に係る生体情報測定装置の挿入部を示す斜視図であり、図７は、本発明の実施の形態２に係る生体情報測定装置の構成を示す図である。
本実施の形態に係る生体情報測定装置の挿入部１０４は、挿入部１０４が耳孔２００内に挿入されたときに鼓膜２０４の方向を向く端部に円錐台形状の遮光部１１９を有し、遮光部１１９の大きいほうの底面が、挿入部１０４が耳孔２００内に挿入されたときに鼓膜２０２の方向を向くように、挿入部１０４の端部に設けられている。

遮光部１１９の大きいほうの底面に第１の光導入口１０５が設けられ、第１の光導入口１０５と連なる第１の導光路３０２が、遮光部１１９と挿入部１０４本体とを貫くように設けられている。また、挿入部１０４が耳孔２００内に挿入されたときに鼓膜２０２の方向を向く端部であって、遮光部１１９が設けられている領域の外側に、第２の光導入口１０６が設けられている。

図７からわかるように、挿入部１０４が耳孔２００内に挿入された状態において、第２の光導入口１０６と鼓膜２０２とを結ぶ光路の間に遮光部１１９が位置するため、遮光部１１９は、鼓膜２０２から放射された赤外光から第２の光導入口１０６を遮蔽する機能を有する。

また、遮光部１１９の側面は赤外光を反射するように構成されており、挿入部１０４が耳孔２００内に挿入された状態において、外耳道２０４から放射された赤外光は遮光部１１９の側面（反射面）で反射することにより、第２の光導入口１０６から第２の導光路３０４内に入射する。

ここで、遮光部１１９の表面は、赤外線を反射するために、赤外線に対して吸収が少ない材料で構成されていることが好ましい。赤外線を反射する材料であれば特に限定なく利用することができるが、金、銅、銀、黄銅、アルミニウム、白金、鉄等の材料が好ましい。また遮光部１１９の表面は、光沢を有する程度に平滑であることが好ましい。また遮光部１１９の側面（反射面）は、図７に示すように、第２の光導入口１０６に対して４５度に傾斜していることが好ましい。

本実施の形態の生体情報測定装置７００のその他の構成は、実施の形態１の生体情報測定装置１００と同じであるため同じ符号を付して説明を省略する。また、本実施の形態の生体情報測定装置７００の動作も実施の形態１の生体情報測定装置１００と同じであるため説明を省略する。このようにすると、実施の形態１と同様に、外耳道２０４から放射された赤外光の影響を軽減することができ、鼓膜２０２から放射された赤外光に基づく、精度の高い測定が可能となる。

本実施の形態に係る生体情報測定装置の挿入部１０４の端部に設けられている遮光部１１９は、図８に示すように、遮光部１１９からの着脱が可能であってもよい。図８は、本発明の実施の形態２に係る生体情報測定装置の挿入部の変形例を示す斜視図である。このようにすると、遮光部１１９が耳垢等によって汚れた場合に交換できるため好ましい。また、本変形例の挿入部１０４は、図８に示すように、９個の第２の光導入口１０６及び９本の第２の導光路３０４を備えている。

なお、上記の実施の形態においては、２個の第２の光導入口１０６及び２本の第２の導光路３０４を備える例、並びに９個の第２の光導入口１０６及び９本の第２の導光路３０４を備える例を示したが、第２の光導入口１０６の個数及び第２の導光路３０４の本数はこれに限定されない。１個の第２の光導入口１０６及び１本の第２の導光路３０４のみを備えていてもよい。

本発明にかかる生体情報測定装置は、生体情報をより正確に測定することができ有用である。

本発明の一実施の形態に係る生体情報測定装置の外観を示す斜視図である。同生体情報測定装置の構成を示す図である。同生体情報測定装置における挿入部及びシャッターを示す斜視図である。同生体情報測定装置における光学フィルタホイールを示す斜視図である。同生体情報測定装置の第１の変形例の構成を示す図である。本発明の他の実施の形態に係る生体情報測定装置の挿入部を示す斜視図である。同生体情報測定装置の構成を示す図である。同生体情報測定装置の挿入部の変形例を示す斜視図である。

Claims

赤外光の強度に基づいて生体情報を測定するための生体情報測定装置であって、
耳孔内に挿入される挿入部と、
前記挿入部に設けられ、前記耳孔内から放射された赤外光を前記挿入部内に導入する第１の光導入口及び第２の光導入口と、
前記挿入部内に設けられ、前記第１の光導入口から導入された第１の赤外光及び前記第２の光導入口から導入された第２の赤外光を導光する導光路と、
前記導光路によって導光された前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光を分光する分光素子と、
前記分光素子によって分光された前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光を検出する赤外線検出器と、
を備え、
前記挿入部に設けられ、鼓膜から放射された赤外光から前記第２の光導入口を遮蔽する遮光部をさらに備える、生体情報測定装置。
前記赤外線検出器によって検出された前記第１の赤外光及び前記第２の赤外光の強度に基づき生体情報を演算する演算部をさらに備える、請求項１記載の生体情報測定装置。
前記導光路が、
前記第１の光導入口から導入された前記第１の赤外光を導光する第１の導光路、及び
前記第２の光導入口から導入された前記第２の赤外光を導光する第２の導光路を有する、請求項１記載の生体情報測定装置。
前記第２の光導入口は、鼓膜から放射された赤外光が導入されない構成を有する、請求項１記載の生体情報測定装置。
前記挿入部は、
前記耳孔内に挿入されたときに鼓膜の方向を向く端部と、
側面とを有し、
前記第１の光導入口が前記挿入部の前記端部に設けられている、請求項１記載の生体情報測定装置。
前記第２の光導入口が前記挿入部の前記側面に設けられている、請求項５記載の生体情報測定装置。
前記赤外線検出器に到達する赤外光の光路を制御する光路制御部をさらに備える、請求項１記載の生体情報測定装置。
前記演算部は、前記第１の赤外光の強度と前記第２の赤外光の強度との強度差の絶対値を閾値と比較し、
前記強度差の絶対値が前記閾値よりも小さい場合に警告を出力する警告出力部をさらに備える、請求項１記載の生体情報測定装置。