JP4214324B2 - 生体組織の測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は生体組織に物理量測定用の測定プローブを接触させて生体組織の物理量を測定する測定装置に関するものである。特に、人体に近赤外領域の光を照射し、その光による人体からの出力光（透過光、散乱光、反射光など生体から出力する全ての光を含む）により、体中の物理量、例えば血中のグルコース濃度、血液の酸素飽和度などを測定するための非侵襲測定方法に用いる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
臨床検査の分野において、生体に光を照射し、その出力光から血液の酸素飽和度や血糖値などを測定する非侵襲測定方法が試みられている。生体は散乱体であり、しかも場所によって内部構造が複雑に異なるため、血糖値など濃度測定を行おうとすれば生体中での光の光路長を一定にしなければならない。生体組織に測定プローブを当接させ、光照射を行ない、その出力光を測定する場合、生体組織に対して測定プローブを当てる測定位置や測定プローブの方位などの条件を一定にしなければ、再現性のある測定値を得ることはできない。
【０００３】
非侵襲測定装置としては、光学測定デバイスを取り付け装置により生体組織に押し当てて測定するものが提案されている（特開平８−２１５１８０号公報（引用文献）参照）。その測定装置では、センサは生体組織の上側から垂直方向の下向きに組織に対し当接するように押しつけられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
腕や指に測定プローブを押し当てて測定しようとする場合、被測定部位は人の姿勢によって重力方向、即ち垂直方向に変化しやすい。測定プローブを当接させる位置によっては被測定部位の垂直方向変化により測定プローブが被測定部位に当接する圧力が変化することがある。特に血液量や血液に関する物理量を測定する場合、測定プローブが生体と接触する圧力が変化すれば生体組織からの散乱光強度が変化し、測定値に誤差が生じることは知られている。
【０００５】
圧力により生体の測定値がどのくらい変化するかを調べたデータがある。図１は指の同じ位置に光ファイバプローブを押し当て、その光ファイバプローブから指に光を照射し、光ファイバプローブを指に押し当てる圧力（接触圧力）を変えてその反射光の強度を測定したものである。（Ａ）は広い波数範囲のスペクトルを表わし、（Ｂ）はその６０００ｃｍ^-1付近の記号ｂで示された部分を拡大して示したものである。
この結果では、圧力が低い場合と高い場合とで反射光の相対変化量は３.５％に及んでいる。
【０００６】
これに対し、血糖値を光学的に測定しようとすればどの程度の光量変化があるかを推定するために、グルコース水溶液の透過吸収測定を行なった結果を図２に示す。例えば、グルコースの吸収波長１６７９ｎｍ（約６０００ｃｍ^-1）のところで、１００００ｍｇ／ｄｌの濃度変化に相当する光強度の相対変化量は約２.５％である。人体の生理変化範囲でのグルコース濃度の変化範囲は４００ｍｇ／ｄｌであるので、これをグルコースによる光吸収強度の相対変化量に置き換えると、０.１％の相対光量変化量しかないことになる。すなわち、接触圧力による反射光の相対変化量は通常のグルコース濃度の変化範囲の３５倍もあることになる。
【０００７】
そのため、腕などを固定し、測定プローブを一定した場所に押し当てても、垂直方向の姿勢の変化によって測定プローブと生体組織との接触圧力が変化すれば測定値も変化し、再現性のある測定結果が得られないこととなる。
【０００８】
引用文献の装置は生体に対し垂直方向に測定プローブを押し当てているので、生体の姿勢の変化などが測定プローブと生体組織との接触圧力の変化となって現われ、再現性の良い結果を得ることが難しい。
本発明は生体の被測定位置を固定し、被測定部位に対する測定プローブの接触圧力を一定にすることにより再現性のある測定結果を得ることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明が適用される測定方法は、生体組織に物理量測定用の測定プローブを接触させて生体組織の物理量を測定する方法において、人の姿勢による重力方向での圧力変化を抑えるために、測定プローブを押し当てる方向（測定方向）と重力の方向が同じ直線上に来ないようにすることにより、重力方向の変化による測定方向での圧力変化を抑えるようにしたものである。
そのため、本発明では、生体組織の被測定部位の周囲を固定することによりその被測定部位を空間的に固定し、測定プローブをその被測定部位に重力の影響を受けにくい方向、好ましくは水平方向から一定圧力で当接させて物理量の測定を行う。
【００１０】
本発明を導き出したモデルを図３により説明する。
（Ａ）に示されるように、人の指などの被測定部位２に対し、測定プローブ４を押し当てる。測定プローブ４は被測定部位２に対する圧力が原点において０となるように作用しているものと仮定する。被測定部位２はＣを曲率中心とする曲率半径Ｒの断面円形のものを仮定する。Ｘ_pを測定プローブ４が被測定物２に当接している位置ＰのＸ座標、Ｙ_pをそのｙ座標、Ｘｃを被測定物２の曲率中心Ｃのｘ座標、Ｙｃをそのｙ座標、Ｒを曲率半径、θを曲率中心Ｃと測定プローブ当接位置Ｐとを結ぶ直線が水平面に対しなす角度であるとすると、
Ｘ_p＝Ｘｃ＋Ｒcosθ
Ｙ_p＝Ｙｃ＋Ｒsinθ （１）
が成り立つ。測定プローブ４が被測定部位２に当接している位置Ｐと原点との距離をｒ_pとすれば、
ｒ_p ²＝Ｘ_p ²＋Ｙ_p ²
＝Ｘｃ²＋Ｙｃ²＋２Ｒ（Ｘｃ・cosθ＋Ｙｃ・sinθ）＋Ｒ² （２）
となる。
【００１１】
人の姿勢により重力方向の変位ｄｙのみが発生するものとする。（２）式を微分とするとつぎの（３）式が得られる。
２ｒ_p・ｄｒ_p＝２Ｙｃ・ｄＹｃ＋２Ｒ・ｄＹｃ・sinθ （３）
ここで、ｄｒ_pは測定プローブの変位であり、測定プローブ４が被測定部位２を押す圧力の変化ｄ_pは測定プローブの変位ｄｒ_pに比例すると仮定すると、（３）式からわかるように、θ＝０とＹｃ＝０の条件で測定すれば、ｄｒ_p＝０となり、重力方向の変動ｄＹｃによる接触圧力への影響が最も小さくになる。すなわち、図３（Ｂ）に示されるように、被測定部位２が原点と同じＹ座標にあり、θ＝０（水平方向）となるように測定プローブ４を押し当てた状態が最も再現性のあるデータを得ることのできる状態であることがわかる。
【００１２】
このような測定条件を実現するための本発明の測定装置は、生体組織の被測定部位を除いてその周辺部を固定するために、その被測定部位の周辺部の形状に対応した形状を有する型プローブと、型プローブに移動可能に設置され、その型プローブに固定された生体組織の被測定部位に重力の影響を受けにくい方向、好ましくは水平方向から当接した状態で型プローブに固定される測定プローブと、測定プローブを型プローブに対して固定する固定手段とを備えている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
測定プローブを被測定部位に一定圧力で押し当てるために、固定手段は型プローブに対する測定プローブの相対位置を定める手段を備えていることが好ましい。
また、測定プローブを被測定部位に一定圧力で押し当てる手段として、測定プローブは被測定部位と当接する先端部に一定圧力発生機構を備え、この一定圧力発生機構に接続された圧力センサを備えていることが好ましい。一定圧力発生機構の一例としてエアパックを挙げることができる。
【００１４】
測定プローブの一例は、生体組織に光を照射し、その光による生体組織からの出力光を受光して生体組織の血中成分を非侵襲的に測定するための光学測定用のプローブである。
被測定部位の正確な位置決めのためには、型プローブは生体組織の被測定対象物それぞれの形状に応じてそれぞれ用意されていることが好ましい。
型プローブとして人の手の指を固定するものである場合、その被測定部位の重力方向の変位を抑えるために、腕の肘から手首までの下腕部を肘を下側にし、手首を上側にして斜め方向に支持する支持台をさらに備えていることが好ましい。
【００１５】
【実施例】
図４は第１の実施例を表わす。生体組織の被測定物として人の手を取り挙げる。（Ａ）は型プローブに被測定物２の手を固定した状態を示す正面図、（Ｂ）は背面図、（Ｃ）は（Ａ）のＡ−Ａ位置での断面図、（Ｄ）は（Ａ）のＢ−Ｂ位置での断面図である。
１０は型プローブであり、２つの部材１０ａと１０ｂとが組み合わされて、親指を除く４本の指を挟みこんで固定できるようになっている。型プローブ１０には特定の指の被測定部位を露出させるように穴１２があけられており、その穴１２の周囲の４本の指を型プローブ１０により固定し、被測定部位の空間的な位置を固定する。ここでは中指の一部を被測定部位として使用するものとし、被測定部位自身と接触しないように、その他の部分を利用して手の全体の空間位置を固定する。
【００１６】
図４では親指を除く各指が水平方向を向き、垂直方向に並ぶように型プローブ１０により固定される。型プローブ１０は型の空間の形と被測定物２の輪郭とが同じになるように作られている。したがって、異なる被測定物に対しては異なる型プローブ１０が用意されている。型プローブ１０の穴１２に水平方向から測定プローブ（図示略）が挿入され、穴１２内の指に接触させられて測定が行われる。
【００１７】
測定プローブの一例は、図５に示されるものである。光ファイバ束からなる測定プローブ１４が穴１２の内径とほぼ等しい外径を持って形成されており、測定プローブ１４の外周面には型プローブ１０からの相対的な位置が設定できるように目盛が付されている。この実施例では、被測定物２の指と測定プローブ１４との接触圧Ｐは、相対的距離ｘの関数として、
Ｐ＝ｆ（ｘ）
で与えられる。被測定物２によって相対的距離ｘを定めておき、各被測定物２について定めた相対的距離ｘで測定を行うことにより、測定プローブ１４と被測定物２との接触圧を一定に保つことができ、再現性のよい測定値を得ることができる。
【００１８】
図６は測定プローブと被測定物２との接触圧を一定に保つための他の手段の実施例を示したものである。ここでは固定台１６が型プローブ１０に設けられており、型プローブ１０の穴１２と固定台１６の穴が連結して、その穴に光ファイバ束からなる測定プローブ（ファイバプローブ）１４が挿入される。測定プローブ１４の先端からは被測定物２に光が照射され、被測定物２からの出射光が入射する。測定プローブ１４の先端で、光の出射と入射の妨げにならない位置に、被測定物２と接触するエアパック１８が設けられている。エアパック１８はポリ４フッ化エチレン製のチューブ２０を経て圧力センサ２２につながり、指示計２４により圧力が読み取られるようになっている。
【００１９】
図６の実施例では、型プローブ１０に指を固定し、固定台１６の穴に測定プローブ１４を挿入してその先端のエアパック１０を被測定物２に接触させることによって、接触圧が圧力センサ２２により直接検出される。その圧力値が、被測定物２ごとに設定された一定圧になるように測定プローブ１４の押圧力を調節することにより、つねに接触圧が一定の状態で測定を行うことができる。
【００２０】
型プローブ１０に測定プローブ１４を固定する手段の一例を図７に示す。（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。
型プローブ１０を構成する一対の部材１０ａ，１０ｂのうちの一方１０ａはその下部に２つのピン用の穴があけられており、Ｌ字型の固定台１６ａの基板面に立てられたピン３４をその穴に嵌め込むことにより、型プローブ１０の部材１０ａが固定台１６ａに対して相対的な位置決めがなされる。部材１０ａと固定台１６ａとの位置決め精度は、部材１０ａ、固定台１６ａ、ピン３４の加工精度により保証される。型プローブ１０の他方の部材１０ｂは、部材１０ａに対してピン（図示略）によって相対的な位置決めがなされ、ネジ３０によって固定されることにより、型プローブ１０が組み立てられて固定台１６ａの所定の位置に固定される。型プローブ１０はピン３４により固定台１６ａに固定されているだけであるので、着脱が容易である。
【００２１】
測定プローブ１４を型プローブ１０と所定の関係を保って固定するために、固定台１６ａのＬ字に立ち上がった部分に測定プローブ１４を通す穴３６が開けられ、その穴３６に上部から貫通したネジ穴が設けられており、そのネジ穴に設けたネジ３２により測定プローブ１４が固定台１６ａに固定される。測定プローブ１４と型プローブ１０との相対的な位置関係は、固定台１６ａの穴に測定プローブ１４を通し、測定プローブ１４に設けられた目盛により調整し、ネジ３２により固定する。その目盛と圧力との関係は、圧力センサにより前もって測定しておく。
【００２２】
図８（Ａ）に被測定物中の物理量を測定する系を概略的に示す。測定プローブ１４ａとして２分岐光ファイバ束を用いる。１つにまとめられた端部が被測定物に接触し、２つに分岐した端部の一方が光源側、他方が受光部側となっている。光源側の光ファイバ端には、光源部４０からの光が分光部４２を経由して単色光となって入射し、受光部側の光ファイバ端は受光部４４に接続され、受光部４４で検出された光は電気信号に変換され、データ処理部４６で増幅される。制御・計算部４８は各部の制御と、データ処理部４６からのデジタル信号を演算処理して血中成分濃度など、注目の物理量を算出する。出力部５０は制御・計算部４８による物理量算出結果を出力するＣＲＴなどのディスブレーやプリンタなどである。
【００２３】
この測定系では、光源部４０からの光が分光部４２で単色光となって測定プローブ１４ａの光源側の光ファイバ端に入射し、合流した光ファイバ端から型プローブ１０に固定された被測定物に照射される。その光照射による被測定物からの出力光は、同じ測定プローブ１４ａに入射し、受光部側の光ファイバ端から受光部４４に入射して検出され、データ処理部４６で増幅され、制御・計算部４８で物理量が求められる。
【００２４】
図８（Ｂ）は、被測定者によって型プローブ１０を交換する必要があるところから、異なる被測定者に対しては異なる型プローブ１０Ａ〜１０Ｚが用意されている様子を示したものである。型プローブ１０は図７に示したように、固定台１６ａのピンに嵌め込んで着脱可能に固定できるようになっていることにより、容易に交換することができる。
【００２５】
図９は被測定物２である指を水平面内に配置するようにした例である。型プローブ５２には被測定物の手を固定する凹みが設けられており、水平方向から測定プローブ１４を押し当てて指に当接させる穴があけられている。
【００２６】
図１０は指を被測定物２とした場合の型プローブと測定プローブの他のいくつかの実施例を示したものである。
（Ａ）では、型プローブ５４は指２の先端をはめこむリング状に形成されており、型プローブ５４に対し相対位置が定められるように目盛の付された測定プローブ１４が指２に当接できるようになっている。
【００２７】
（Ｂ）では、指を固定するために一対の型プローブ５４ａと５４ｂが設けられ、指を２箇所で固定できるようなっている。測定プローブ１４は型プローブ５４ａと５４ｂの間で指と接触し、測定プローブ１４と型プローブ５４ａの間の相対的な距離ｘが設定できるように測定プローブ１４には目盛が付されている。
（Ｃ）では、指２を固定するプローブ５６に穴があけられて、測定プローブ１４がその穴に嵌め込まれるようになっている。
【００２８】
図１１は指を測定するため、型プローブ１０としては図４に示されたものと同様のものを使用する。型プローブ１０を保持するとともに腕を保持する支持台６０は、肘を下側にし手首を上側にして下腕部を斜めに傾けた状態で支持できるように、傾斜をもって形成されている。下腕部の長さに応じて肘の高さを調節するために、支持台６０の下部の肘の下にあたる部分には、調節台６２が設けられている。
【００２９】
腕を支持台６０に支持した状態で、腕を固定するために、押さえ部材６４が取りつけられている。押さえ部材６４により腕の血流に影響を与えないように、押さえ部材６４は空気の入った柔らかい袋などにより形成されている。
図１１の支持台を使用することにより、姿勢の変化により腕が垂直方向に変位するのを抑えることができ、より再現性のよい測定を行うことがでるようになる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明では、生体組織の被測定部位の周囲を固定することによりその被測定部位を空間的に固定し、測定プローブをその被測定部位に重力の影響を受けにくい水平方向のみから一定圧力で当接させて物理量の測定を行うようにしたので、重力方向の変化による測定方向での圧力変化を抑えることができ、被測定対象である人の姿勢がすこし変化しても、重力方向での被測定部位に対する測定プローブの圧力が変化するのを抑えることができる。そのため、接触圧力変化に起因する測定データのばらつきを抑えることができ、再現性のよい測定データを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバプローブを指に押し当てる圧力を変えてその反射光の強度を測定したスペクトルであり、（Ａ）は広い波数範囲のスペクトル、（Ｂ）はその６０００ｃｍ^-1付近の記号ｂで示された部分を拡大して示したスペクトルである。
【図２】グルコース水溶液の透過吸収スペクトルを示す図である。
【図３】（Ａ）は測定プローブと被測定部位との接触圧力を計算するモデルを示す図、（Ｂ）は接触圧力変化が最も少ない状態での測定プローブと被測定部位の関係を示す正面図である。
【図４】第１の実施例を表わす図であり、（Ａ）は型プローブに被測定物の手を固定した状態を示す正面図、（Ｂ）は背面図、（Ｃ）は（Ａ）のＡ−Ａ位置での断面図、（Ｄ）は（Ａ）のＢ−Ｂ位置での断面図である。
【図５】同実施例における型プローブと測定プローブを示す断面図である。
【図６】他の実施例における型プローブと測定プローブを示す断面図である。
【図７】型プローブに測定プローブを固定する手段の一例を示す図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。
【図８】（Ａ）は被測定物中の物理量を測定する系を概略的に示すブロック図、（Ｂ）は異なる型プローブが用意されている様子を示す概略正面図である。
【図９】さらに他の実施例における型プローブと測定プローブを示す断面図である。
【図１０】（Ａ）から（Ｃ）はそれぞれさらに他の実施例における型プローブと測定プローブを示す断面図である。
【図１１】さらに他の実施例における型プローブと支持台を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
２ 被測定部位
１０，２０，２４，２４ａ，２４ｂ，２６ 型プローブ
１２ 穴
１４，１４ａ 測定プローブ
１６，１６ａ 固定台
１８ エアパック
２２ 圧力センサ
３０ 支持台
３４ 押さえ部材

Claims (6)

1. 生体組織の被測定部位を除いてその周辺部を固定するために、その被測定部位の周辺部の形状に対応した形状を有し、被測定部位の空間的な位置を固定するように配置される型プローブと、
   前記型プローブに移動可能に設置され、その型プローブに固定された生体組織の被測定部位に水平方向のみから当接した状態で前記型プローブに固定される測定プローブと、
   前記測定プローブを前記型プローブに対して固定する固定手段とを備え、
   前記型プローブは被測定部位の空間的な位置を固定するように配置された状態で前記測定プローブを水平方向に移動可能に支持する穴を１つだけ有し、前記測定プローブが前記穴に挿入されることにより被測定部位に水平方向のみから当接することを特徴とする生体組織測定装置。
2. 前記固定手段は、前記型プローブに対する前記測定プローブの相対位置を定める手段を備えている請求項１に記載の生体組織測定装置。
3. 前記測定プローブは被測定部位と当接する先端部に一定圧力発生機構を備え、この一定圧力発生機構に接続された圧力センサを備えている請求項１又は２に記載の生体組織測定装置。
4. 前記測定プローブは、生体組織に光を照射し、その光による生体組織からの出力光を受光して生体組織の血中成分を非侵襲的に測定するための光学測定用のプローブである請求項１から３のいずれか一項に記載の生体組織測定装置。
5. 前記型プローブは生体組織の被測定対象物それぞれの形状に応じてそれぞれ用意されている請求項１から４のいずれか一項に記載の生体組織測定装置。
6. 前記型プローブは人の手の指を固定するものであり、
   腕の肘から手首までの下腕部を肘を下側にし、手首を上側にして斜め方向に支持する支持台をさらに備えている請求項１から５のいずれか一項に記載の生体組織測定装置。

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