JP4470939B2

JP4470939B2 - 生体スペクトル測定装置

Info

Publication number: JP4470939B2
Application number: JP2006348565A
Authority: JP
Inventors: 敬輔清水; 勝彦丸尾; 若正陳
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2018-12-22
Also published as: JP2007127666A

Description

本発明は、近赤外領域における光の吸収を利用した生体組織中あるいは体液中の化学成分を分光分析する生体スペクトル測定装置に関するものであり、具体的には皮膚組織等の化学成分濃度、例えば、水分、グルコース、果糖、カルシウム、ナトリウム等の定量分析や皮膚の弾力、はり、みずみずしさといった物理的性質の定量、定性分析を行うための生体スペクトル測定装置に関するものである。

可視域に隣接する近赤外域の光を用いて物質の定量、定性分析を行う近赤外分光分析法は、近年、農業分野をはじめ様々な分野で利用されはじめており、最近では生体計測分野において非侵襲、無害の分析手法として注目されている。

０．８μｍから２．５μｍの波長の光を物質に照射し、透過あるいは反射した光のスペクトルより分析を行う近赤外分光分析法は、
１）エネルギーの低い電磁波を用いるので試料を損傷することがない
２）固体、粉体、繊維、液体、気体など様々な状態の試料に適用することができる
３）赤外にくらべ近赤外では水の吸収強度が弱くなるので、水溶液での分析ができる
などの利点を有しているが、吸収シグナルは高調波を扱うために赤外に比較して非常に微弱である上、バンドの帰属が明確でないという欠点を有しており、このために近赤外分光分析ではその定量・定性のためにいわゆる「ケモメトリクス」と呼ばれる手法が用いられるのが通常である。これは多変量解析手法や統計解析手法を用いて化学分析を行う手法で、コンピュータの発達とともに発展し、最近の近赤外分光分析では主成分回帰分析あるいはＰＬＳ回帰分析といった多変量解析手法を用いて行われることが多い。またニューラルネットワーク等の解析への応用も試みられている。

従来の近赤外分光分析では、主としてＦＴ−ＩＲのような汎用の分光分析装置と、図８に示すような光ファイババンドル２０とを用いてスペクトル測定を行っている。図８(a)に示す光ファイババンドル２０は、ステンレスチューブ２１，２２内に同心円状に投光用光ファイバ９素線と受光用光ファイバ１５素線とを配置したもの、図８(b)に示す光ファイババンドル２０はステンレスチューブ２１内に投光用光ファイバ９素線と受光用光ファイバ１５素線とをランダムに配置したものである。

また、生体組織を近赤外線を利用して分析する試みとしては、まだ実用化に至っていないが光ＣＴの開発がある。光ＣＴは生体表層部分の分析を意図したものではないが、現在実用化されているＸ線によるＣＴスキャンや核磁気共鳴を利用したＮＭＲのような断層イメージを近赤外光を用いて撮影しようとするものである。光ＣＴの開発では拡散反射法により測定した、投光用プローブから受光用プローブヘ到達する物質中の光の透過経路を確定することが非常に重要となる。光の透過経路は投光用プローブ４ａと受光用プローブ４ｂとを測定物質イに対して平行に配置した場合、図９に示すようにいわゆるバナナシェイプとよばれる経路を通ることが実験的にも光の拡散方程式やモンテカルロ法のような数値解析手法を用いたシミュレーションにおいても確認されている。従って、物質の化学成分や物性の深さ方向の分析は、投光用プローブ４ａと受光用プローブ４ｂの間隔を調節することで目的とする分光分析を行うことができる。

しかし、残念ながら今のところ物質の表面近傍の深さ方向への化学成分あるいは物性の定量、定性分析の装置が実用化に至っていないのが現状で、その大きな理由は、表面から数ｍｍ以内、特に皮膚組織のように表面より数百μｍの近傍における分析を行う場合、光の透過経路を設定するには投光用プローブと受光用プローブの間隔も同程度の数百μｍで配置する必要があり、投光用、受光用プローブの径によっては物理的に不可能であったり、２つのプローブ間隔に対して十分に細い１００μｍ程度の光ファイバを用いても、投光用光ファイバに集光する方法の困難性や受光用光ファイバで得られる光量の小ささを考えると、特殊な高出力発光手段あるいは、超高感度の受光手段の組み合わせ無しには実現できない。

本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、発光ダイオード（ＬＥＤ）である比較的普通の光源と、ＳｉやＧｅやＩｎＧａＡｓ製のフォトダイオードのような普通の受光素子とで表面から数ｍｍ以内の近傍の化学成分あるいは物性の定量、定性分析を効率良く行うことができる生体スペクトル測定装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る生体スペクトル測定装置は、近赤外光源と、近赤外光を受光して信号化する受光手段と、近赤外光源から発する近赤外光を生体表層組織に投射するための投射部と、生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を検出する検出部と、近赤外光源から発する近赤外光を投射部に誘導する光伝達手段と、生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を前記検出部から受光手段へと誘導する光伝達手段と、前記受光手段から得られた信号を演算する演算手段と、前記近赤外光源や前記投射部を収納するケースとから成り、
前記受光手段をフォトダイオードとし、前記近赤外光源を発光ダイオードとして、前記近赤外光源を前記ケース内の天井面の中央に配置するとともに、該天井面に対向するケース内の面に前記投射部および前記検出部を配置して、前記投射部と前記検出部との間に光遮蔽部が設けられ、前記投射部が前記検出部を中心とする円周上に配置されているとともに、前記ケース内には近赤外光源から発する近赤外光を投射部全てに誘導する光伝達手段として近赤外光源から発する近赤外光を平行化するための単一のコリメート手段を配置していることに特徴を有している。

上記コリメート手段にはコリメートレンズを好適に用いることができる。また、他方の光伝達手段は光ファイバとすればよい。

前記光遮蔽部はコーティングで形成したのであってもよい。

本発明は、近赤外領域における光の吸収を利用した生体組織あるいは体液中の化学成分の定量、定性分析を行うための装置であり、近赤外光源からの光が単一のコリメート手段で平行化されて誘導される投射部を検出部を中心とする円周上に配置することによって生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を極めて効率よく受光することができるために受光ロスを最小限に抑えることができ、従来例のように投光用光ファイバの周囲に受光用光ファイバを複数本配置したり超高感度の受光手段を用いたりせずとも良いため低価格化が可能となる上に表面から数ｍｍ以内の近傍の化学成分あるいは物性の定量、定性分析を行うことができるものを小型化することができる。

また、コリメート手段にはコリメートレンズを用いることで、投射部に平行化した近赤外光を簡便に供給することができる。

以下、本発明を添付図面に基いて説明すると、本発明に係る生体スペクトル測定装置は、生体表層組織近傍の化学成分あるいは物性の定量、定性分析を行うためのものであり、例えば人間の皮膚組織内、特に真皮領域中のグルコース濃度を分光分析により定量するもので、図２は、近赤外光源としての１５０Ｗのハロゲンランプ１、ハロゲンランプ１からの光の分光を行う回折格子を収めた回折格子ユニット２、前記回折格子の回転角制御を行って分光波長の調節を行うステッピングモータユニット３、分光後の光を被測定物に投射してその透過あるいは拡散反射光を受光し信号化するための測定プローブ４、測定プローブ４からの信号をもとに数値解析を行ってグルコース濃度の定量を行う演算ユニット５とから構成される参考例である。

上記測定プローブ４は、円筒状に形成されたケースの生体接触側端部に近赤外光を生体表層組織に投射するための投射部６と生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を検出する検出部７とを有する当接部８を配置し、投射部６にはクラッド径が２００μｍの投光用光ファイバ９の一端が当接部８と同一平面上になるように固定している。一方、投光用光ファイバ９の他端は測定用プローブ４の側壁面に設けられたコネクタ１０を介して前記回折格子ユニット２に接続され、回折格子ユニット２によって分光された近赤外光が光伝達手段である投光用光ファイバ９を通って投射部６から生体表層組織に投射される。

また、上記ケース内には生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光（図中、矢印で表示）を集光するための集光レンズ１１を配置しており、検出部７を通って測定プローブ４内に入光した近赤外光は、ケースの天井面に配した受光感度域が０．９〜２．１μｍのＩｎＧａＡｓ製のフォトダイオード１２によって受光される。フォトダイオード１２の位置は集光レンズ１１の焦点位置となるように調節してある。また、測定プローブ４内の側壁面にはアルミニウムや金等を蒸着することで、測定プローブ４外への近赤外光の透過や測定プローブ４の材質自身の分子振動による吸収が生体表層組織を透過あるいは拡散反射して得られた近赤外吸収スペクトルに重畳されるのを防いでいる。

上記フォトダイオード１２の受光信号は増幅後、ＡＤ変換し、マイクロコンピュータからなる演算ユニット５に送る。演算ユニット５で行われるグルコース濃度定量には１．２５μｍ〜１．８μｍの近赤外領域に属する吸光スペクトルを利用し、多変量解析を実施する。ここでは多変量解析として、ＰＬＳ（Partial Least Square）回帰分析により得られる検量線（検量式）を用いた。上記検量線は、予め本例の分析装置を用いた実験より得ている。この実験は複数の被験者の生体表層組織から測定した吸光スペクトルを説明変量とし、実測した真皮組織液中あるいは血中グルコース濃度を目的変量としてＰＬＳ回帰分析することにより得られる。

測定プローブ４における上記当接部８は、図１(b) に示すように中心部に近赤外光を生体表層組織に投射するための投射部６を、またこの投射部６を中心とする円周上に検出部７を形成したもので、両者の位置関係保持のために一部を架橋している。そして、投射部６と検出部７との中心間距離Ｌは０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定している。また、当接部８は光遮蔽部としての機能も兼ね備えており、遮光性の良い素材とくに近赤外光が透過しない素材で形成することで、検出部７以外からの近赤外光は測定プローブ４内に入光しないようにしている。従って真皮組織中グルコース濃度の情報を多く含んだ近赤外光を選択的に検出できるものである。なお、投射部６と検出部７との間隔が先に述べたような所定の値に保たれるものであれば、投射部６と検出部７とは例えば図３(a)(b)に示すようなものであっても良く、この場合も受光側に光ファイバを用いないという点で低コスト化が可能となるが、図１(b) に示したもののように投射部６の周囲に検出部７をほぼ３６０度配置することが、受光ロスを最小限に抑えて生体表層組織を透過あるいは拡散反射してきた近赤外光を最小限の材料（部品）で極めて効率よく受光することが可能となる。いずれにしても、これまでのように投光用光ファイバ９の周囲に受光用光ファイバを複数本配置したり超高感度の受光手段を用いたりせずとも良いため低価格化が可能となり、普通の受光素子や簡単な集光手段で表面から数ｍｍ以内の近傍の化学成分あるいは物性の定量、定性分析を行うことができる。

図４に実施例を示す。ここでは近赤外光源としてハロゲンランプの代わりに中心波長が１６００ｎｍで半値幅が１６０ｎｍの発光ダイオード１３を用いて、この発光ダイオード１３を測定用プローブ４内の天井面に配置している。発光ダイオード１３から発せられた近赤外光は同じく測定用プローブ４内に配されたコリメートレンズ１４によってコリメート（平行化）され、当接部８に設けられた投射部６から生体表層組織に投射される。そして、生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光（図中、矢印で表示）は同じく当接部８に設けられた検出部７から検出されるが、この検出部７にはクラッド径が２００μｍの受光用光ファイバ１５の一端を当接部８と同一平面上になるように固定しており、受光用光ファイバ１５の他端は測定用プローブ４の側壁面に設けられたコネクタ１０を介して受光ユニット１６に接続して、受光ユニット１６内に配した受光感度域が０．９〜２．１μｍのＩｎＧａＡｓ製のフォトダイオードで受光し、この受光信号を増幅後、ＡＤ変換し、マイクロコンピュータからなる演算ユニット５へ信号を伝達するものとしてある。

このものにおいても、投射部６と検出部７との中心間距離は０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定し、また当接部８を遮光性の良い素材とくに近赤外光が透過しない素材で形成することで検出部７以外からの近赤外光が測定プローブ４内に入光しないようにしており、このために、真皮組織中グルコース濃度の情報を多く含んだ近赤外光を選択的に検出できる。なお、図中では発光ダイオード１３の電流源は省略している。

この場合、光源として発光ダイオード１３を用いるために光源の小型化と同時に生体スペクトル測定装置自体を小型化することができ、また先の例と同様に多数の光ファイバを使用せずとも非常に効率よく生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を受光することができるため材料費が少なくて済み、低価格化が可能となるものである。なお、発光ダイオード１３の波長および半値幅は上記のものに限定するものではない。

図５に他の参考例を示す。これは生体表層組織に投射するための投射部６と生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を検出する検出部７とを当接部８にそれぞれ複数個配置し、複数の投射部６にはそれぞれクラッド径が２００μｍの投光用光ファイバ９の各一端を当接部８と同一平面上になるように固定し、投光用光ファイバ９の各他端は測定用プローブ４の側壁面に設けられたコネクタ１０を介して複数に分岐した光ファイバ（図中省略）によって回折格子ユニット２に接続している。ここで、各検出部７は、図１に示したものと同じく、各投射部６を囲むものとして形成している。複数の投射部６と複数の検出部７とを設けることで、生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光をさらに効率よく検出することができるようにしたものである。

なお、図４に示した実施例における当接部８が本例のように複数個の投射部６と検出部７とを有するものであっても良いことはもちろんである。

また、当接部８に複数個の投射部６と検出部７を設ける代わりに、図１で示したような測定プローブ４を複数個用意して回折格子ユニット２によって分光された近赤外光を複数に分岐した光ファイバを通して複数個の測定プローブ４に入光するものであっても良い。

生体表層組織に投射するための投射部６と生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を検出する検出部７とを有する当接部８は、図６に示すように、透過率の波長依存性が少ない例えばサファイアやＢＫ−７等の光学ガラスから成る基板１７の所定の位置に黒色塗料ｌ８等をコーティングすることで形成するとよい。黒色塗料１８は生体表層組織に投射するための投射部６と生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を検出する検出部７を残して基板１７の片面あるいは両面にコーティングして、投射部６と検出部７以外からの光の出入りができないようにする。この場合、当接部８の所定の位置に穴を開けるといった加工が不要である上に、図１に示したもののように一部を架橋するといったことが不要となるので、投射部６と検出部７を容易に形成することができ、受光ロスも少なくすることができる。なお、遮光できるものであれば上記黒色塗料に限るものではなく、またつや消しを施すことによって生体表層組織と当接部８との界面における光の散乱を低減することができる。

図７に更に他の参考例を示す。これは当接部８の中心部に配した投射部６に光ファイバ９の直進性をもたすためのガイド１９を設けたものである。このガイド１９は投光用光ファイバ９を当接部８に対して垂直に保持するものであり、光ファイバの接続部（フェルール）等に用いられる金属毛細管を用いている。ここではクラッド径が２００μｍの投光用光ファイバ９の一端が内径２５０μｍのガイド１９に挿入され、光伝達手段である投光用光ファイバ９を通って投射部６から生体表層組織に近赤外光が投射されるようになっている。

このように、光ファイバの直進性をもたすためのガイド１９を設けることによって生体表層組織に投射する近赤外光の方向性を自在に制御することが可能となり、投光用光ファイバ９を９０度近く曲げて使用する場合でも容易に当接部８に対して垂直に保持させることができる。

表面より数百μｍの近傍における分析を行う場合、光の透過経路を特定することが重要であり、仮に投光用光ファイバ９が当接部８に対して垂直以外の角度で傾きが生じると検出部７で検出された近赤外光の生体表層組織における透過経路が特定しにくくなり、その結果として定量性が悪化する。しかし、ガイド１９を設けることで、生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光の透過経路を特定しやすくなり、ひいては真皮領域中のグルコース濃度を精度良く定量することができる。

なお、投射部６に発光ダイオードを直接配置すれば、投光のための光ファイバを無くすことができる。

本発明の参考例における測定プローブを示すもので、(a)は断面図、(b)は底面図である。同上のブロック図である。 (a)(b)は夫々測定用プローブの別の参考例の底面図である。実施例の断面図である。別の参考例を示すもので、(a)は断面図、(b)は底面図である。当接部の説明図である。異なる参考例の断面図である。 (a)(b)は夫々従来例で使用している光ファイババンドルの断面図である。測定対象へ照射された近赤外光の経路を示す概念図である。

４測定プローブ
６投射部
７検出部
８当接部
１２フォトダイオード

Claims

近赤外光源と、近赤外光を受光して信号化する受光手段と、近赤外光源から発する近赤外光を生体表層組織に投射するための投射部と、生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を検出する検出部と、近赤外光源から発する近赤外光を投射部に誘導する光伝達手段と、生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を前記検出部から受光手段へと誘導する光伝達手段と、前記受光手段から得られた信号を演算する演算手段と、前記近赤外光源や前記投射部を収納するケースとから成り、
前記受光手段をフォトダイオードとし、前記近赤外光源を発光ダイオードとして、前記近赤外光源を前記ケース内の天井面の中央に配置するとともに、該天井面に対向するケース内の面に前記投射部および前記検出部を配置して、前記投射部と前記検出部との間に光遮蔽部が設けられ、前記投射部が前記検出部を中心とする円周上に配置されているとともに、前記ケース内には近赤外光源から発する近赤外光を投射部全てに誘導する光伝達手段として近赤外光源から発する近赤外光を平行化するための単一のコリメート手段を配置していることを特徴とする生体スペクトル測定装置。
前記コリメート手段はコリメートレンズであることを特徴とする請求項１記載の生体スペクトル測定装置。
近赤外光を前記検出部から受光手段へと誘導する光伝達手段が光ファイバであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の生体スペクトル測定装置。