JP4472794B2 - グルコース濃度の定量装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、健康管理や疾病の治療のため生体組織中のグルコース濃度、あるいは血液、血清、血漿、細胞液、唾液、涙、汗、尿などの体液中のグルコースの濃度を測定する定量装置に関するものであり、特に、近赤外領域における分光分析手法を用いるグルコース濃度の定量装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近赤外分光分析は、試料に特別な操作を行う必要がなく、非破壊で迅速な計測ができることから、近年、農業や食品、石油化学をはじめ様々な分野で利用されるようになっている。近赤外領域での分光分析は、中赤外領域における分光分析と比較すると、一般に
・近赤外領域では水の吸収スペクトルが小さいので中赤外領域では難しい水溶液系の分析が可能である
・生体を透過する能力が高い
・測定に際して特別な試料を調製する必要がない場合が多い
といった長所を有する反面、中赤外領域での分析が分子の基準振動に由来する吸収をとらえるのに対して、近赤外領域では分子振動の非調和性に起因して観察される基準振動の倍音または結合音をとらえることになる上に、近赤外領域での吸収は水素原子が関与するＣＨ基、ＯＨ基、ＮＨ基のような非調和性の大きい分子振動により生じるものであることから、
・信号レベルが中赤外領域と比較して１００分の１程度と小さい
・ＣＨ基、ＯＨ基、ＮＨ基は生体において普遍的な存在であり、この分子結合の信号をとらえることになるので、吸収ピークの帰属が明確でないことが多い
といった短所がある。この短所のために、近赤外領域での定量あるいは定性分析を行う場合、中赤外における分析のようにピーク位置やピーク高さによる分析手法では正確な分析を行うことが難しい。
【０００３】
この問題を解決するために、近年、測定スペクトルを統計解析手法、たとえば、線形重回帰分析（ＭＬＲ）、主成分回帰分析、ＰＬＳ回帰分析といった多変量解析手法を用いて分析する手法、いわゆるケモメトリクスと呼ばれる手法が用いられている。この手法はパーソナルコンピュータの発達とともに急速に普及してきた分析手法であり、数値解析を利用した統計的手法により近赤外領域でのＳＮ比の小さい吸収信号でも、実用に供する定量・定性分析が可能となる。
【０００４】
このような背景をもとに、近赤外光を用いた生体中のグルコース濃度の定量が近年非常に注目されている。採血を必要としない非侵襲的な定量が可能となるためであるが、その中で代表的なものとして以下のようなものがある。
米国特許第４，６５５，２２５号明細書：非侵襲的な分光測定方法及び装置；
この米国特許には１５７５，１７６５，２１００，２２７０±１５ｎｍより選択される少なくとも１波長と、グルコースの吸収が皆無である、あるいは重要でない１０００ｎｍから２７００ｎｍより選択される参照波長とからグルコースを定量する手法が開示されており、実施例において参照波長として１１００ｎｍが選択されている。この参照波長１１００ｎｍは第２倍音の吸収領域に属する波長であり、１５７５，１７６５，２１００，２２７０ｎｍの属する第１倍音あるいは基準振動の吸収領域に比較すると、信号の大きさが１／１００以下程度であり、このためにグルコースの吸収が皆無である、あるいは重要でない参照波長と言える。
【０００５】
逆にいえば、これは第２倍音あるいは第３倍音といった高調波領域以外から参照波長を選択することが困難であることを示している。図１及び図２は夫々第１倍音領域および第２倍音領域で測定した蒸留水と固体（粉体）状態のグルコース、アルブミン、コレステロールの吸収スペクトルを示しているが、分子結合の第１倍音やその結合音が存在する領域中にはグルコースによる吸収が皆無な波長は存在せず、相対的に吸収の少ないところが存在するだけである上に、前記の４波長においての吸収がグルコース成分のみによる吸収であることはありえず、他の生体成分の吸収が重畳していることを考えると、他の生体成分の寄与を考慮せずにグルコース濃度を定量することは実用的には不可能であると考える。さらに、１５７５，１７６５，２１００，２２７０ｎｍの波長選択の理由として、固体状態のグルコースを測定したスペクトルのピークが前記の４波長に存在することを示しているが、体液に溶解した水溶液状態でのグルコースの吸収ピークが固体状態のままで存在するということに関しては有りえないと考えるべきである。グルコースのようなＯＨ基を多く含む分子は後述するように水中では水分子による水素結合の影響を受けて、吸収スペクトルのピークがシフトすると考えられ、このために前記の４波長の内、グルコースのＯＨ基に関連する１５７５，２１００ｎｍの２波長の吸収ピークが水溶液中では波長シフトのために正確な測定が困難となっていると考えるのが自然である。
【０００６】
米国特許第５，０２８，７８７号明細書：血糖の非侵襲的測定；
この米国特許には６００ｎｍから１１００ｎｍの範囲でグルコースを定量する手法が示され、実施例には９８０±Ｘｎｍとなる２波長を用いてグルコースを定量する例が示されている。具体的には９４５ｎｍと１０１５ｎｍ（つまりＸ＝３５）を利用した手法が示されている。ここで重要な意味を持つ９８０ｎｍは、水の第２倍音の吸収ピークを示す波長であるので、この実施例では水の吸収ピークを挟んで選択した２波長を利用してグルコースの定量を実施していることになる。９４５ｎｍと１０１５ｎｍの選択理由としてグルコース濃度と良い相関が得られることが示されている。
【０００７】
米国特許第５，０７０，８７４号明細書：患者の人体中のグルコース濃度の非侵襲判定；
この米国特許には血糖の非侵襲的測定に１６６０ｎｍ付近の狭い範囲で波長を変化させて得たスペクトルのｎ次導関数よりグルコースを定量する手法が開示されている。具体的には１６６０ｎｍ付近で測定した吸光度ｌｏｇ１／Ｔの２次導関数を導き，多変量解析を用いてグルコースの定量を行っている。詳細は後述するが、我々が行った実験においても第１倍音領域での２次微分スペクトルをＰＬＳ解析して得た回帰係数が１６６０ｎｍ付近にピークを有している。しかし、１６６０ｎｍ付近の特徴的な吸収はグルコースのＣＨ基に由来するもので、このグルコースのＣＨ基に由来する１６６０ｎｍの吸収に着目した定量分析は、グルコースのＯＨ基に由来する吸収に着目する定量分析に比べて測定精度がかなり悪いという結果が出ている。ＣＨ基はグルコースだけでなく他の生体成分に普遍的に存在する分子結合で、その吸収は図１から明らかなように１７００ｎｍ付近の領域にピークが集中して観察され、グルコース以外の生体成分のＣＨ基由来の吸収とグルコースのＣＨ基由来の吸収とを分離することが難しい上に、そもそもグルコースのＣＨ基由来の吸収が他の生体成分に比べて小さいからと思われる。しかし、他の生体成分の寄与を考慮することについては開示されておらず、この点においてもグルコース濃度の定量は難しい。
【０００８】
米国特許第５，２２２，４９６号：近赤外グルコースセンサ；
この米国特許にはグルコースのＯＨ基に由来する吸収ピークがある１６００ｎｍ付近とその波長から６０ｎｍ以内の参照光によってグルコースを定量することが開示されている。具体的には１６３０ｎｍから１６６０ｎｍの範囲で選択された参照波長と１６００ｎｍのグルコースによる吸収波長とからグルコースの定量を行う例が示されている。１６００ｎｍから６０ｎｍ以内の参照波長を利用する理由としては、波長が近接する光同士は屈折率などの光学的性質がほぼ同じであるから、外乱の影響の小さい信号が得られるためとしている。また、グルコースの吸収波長の選択理由としては米国特許第４，６５５，２２５号明細書と同じく固体状態のグルコースを測定したスペクトルのピークが１６００ｎｍに存在することを示している。しかし、本従来例にあるような１６００ｎｍ付近においては、グルコース成分の吸収は吸収ピークというよりブロードな吸収帯を形成しており、場合によっては３０ｎｍ以内より選択する参照光ではグルコース信号が明確に分離しにくいと考えられる。また、この従来例においても他の生体成分の寄与を考慮することについては開示されておらず、この点においてもグルコース濃度の定量は難しい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来技術は、おおむね参照光に対するグルコースの吸収で生体中のグルコース濃度の定量を行おうというものである。しかしながら、近赤外領域での吸収スペクトルは、上述のようにＯＨ基、ＮＨ基、ＣＨ基のような生体成分が基本的に持っている分子によって生じること、またピークが不明瞭なブロード状態で吸収が観察されることから、ある波長における吸収信号は程度の差はあるものの様々な生体成分の吸収が重畳していると考えるべきである。たとえば、ＮＨ基に由来する吸収領域は、グルコースのＯＨ基に由来するブロードな吸収領域の中に存在しているし、そのグルコースのＯＨ基に由来する吸収も他の生体成分の吸収に重畳して存在する。そのためグルコースの定量はグルコース以外の生体成分の影響や温度、散乱、光路長等の外乱成分の影響を考えなければ成立し得ないといえる。生体中の溶解したグルコースの状態と近赤外スペクトルを関連づけて現象を理解するとともに、大きな外乱要因となる生体組織あるいは体液中の蛋白成分や脂肪成分の影響を近赤外スペクトルと関連づけて理解しなくてはならない。
【００１０】
本発明は、このような知見に基づき、生体組織や体液のような刻々と変動する生体成分中のグルコース濃度の定量に際して、上記のような外乱要因の考慮を行うことで精度よくグルコース濃度の定量分析を行うことができる定量装置を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明に係るグルコース濃度の装置は、近赤外光源と、近赤外光を検出する検出手段と、前記近赤外光源から発する近赤外光を生体組織あるいは体液に導入し、前記生体組織あるいは体液を透過あるいは拡散反射した近赤外光を前記検出手段に誘導する誘導手段と、前記検出手段で得られる信号を基にグルコース濃度の回帰分析を行う演算手段とからなり、上記演算手段は、分子の第１倍音が観察できる波長領域で且つ水の吸収の影響が比較的小さい１４８０ｎｍから１８８０ｎｍの波長領域内におけるグルコース分子のＯＨ基由来の吸収を測定するための１５５０ｎｍから１６５０ｎｍの第１の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＮＨ基由来の吸収を測定するための１４８０ｎｍから１５５０ｎｍの第２の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＣＨ基由来の吸収を測定するための１６５０ｎｍから１８８０ｎｍの第３の波長域からの少なくとも一つの吸収信号の、少なくとも３つの吸収信号を基にグルコースの定量を行うものであることに特徴を有している。
【００１２】
また本発明は、赤外光を検出する検出手段と、前記近赤外光源から発する近赤外光を生体組織あるいは体液に導入し、前記生体組織あるいは体液を透過あるいは拡散反射した近赤外光を前記検出手段に誘導する誘導手段と、前記検出手段で得られる信号を基にグルコース濃度の回帰分析を行う演算手段とからなり、上記演算手段は、分子の第２倍音が観察できる波長領域で且つ水の吸収の影響が比較的小さい１０００ｎｍから１３００ｎｍの波長領域内におけるグルコース分子のＯＨ基由来の吸収を測定するための１０５０ｎｍから１１３０ｎｍの第１の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＮＨ基由来の吸収を測定するための１０００ｎｍから１０５０ｎｍの第２の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＣＨ基由来の吸収を測定するための１１３０ｎｍから１３００ｎｍの第３の波長域からの少なくとも一つの吸収信号の、少なくとも３つの吸収信号を基にグルコースの定量を行うものであることに特徴を有している。
【００１３】
上記吸収信号の少なくとも一つ、複数試料の定量分析で測定した連続スペクトルを主成分回帰分析あるいはＰＬＳ回帰分析して得た回帰係数がとる正または負のピーク周辺の波長とすると、あるいは複数の試料の分析で測定した連続スペクトルを主成分回帰分析あるいはＰＬＳ回帰分析して算出された複数の主成分因子に対する回帰係数同士の交点付近の波長の吸収信号であると、好適な結果を得ることができる。
【００１４】
第１の波長域が１６００±４０ｎｍであり、第２の波長域が１５３０±２０ｎｍであり、第３の波長域が１６８５±２０ｎｍまたは１７１５±２０ｎｍまたは１７４０±２０ｎｍのいずれか一つであっても、好適な結果を得ることができるものとなる。
【００１５】
生体組織中あるいは体液中のグルコース濃度の測定に際しては、上記３つの波長域より選択した所定の半値幅を有する少なくとも３つの中心波長の光を基にグルコース濃度の定量を行うとよい。
この場合の半値幅は、複数試料の分析で測定した連続スペクトルを主成分回帰分析あるいはＰＬＳ回帰分析を行い、前記分析手法により算出された各波長に対する回帰係数がとるピーク値の７０％程度以下の値を示す波長幅を用いるのが好ましい。また、少なくとも１波長の中心波長を１５６０ｎｍから１６４０ｎｍの範囲内に設定するとともに半値幅を６０ｎｍ以下とすることも好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
前述のように、生体組織あるいは体液中のグルコース成分の定量を行うにあたっては、生体組織中あるいは体液中における生体成分の状態およびそれに起因する近赤外光の吸収変化を把握する必要がある。
生体中のグルコース定量を行うにあたっての現象認識を以下に述べる。近赤外領域での吸収は主に、ＣＨ基、ＯＨ基、ＮＨ基によるもので、その他にＣ−Ｎ，Ｃ−Ｏ，Ｃ＝Ｏ基あるいはＳＨ，ＰＨ基が観測されるが、生体中においてもＯＨ，ＣＨ，ＮＨ基の吸収を中心に考えればよい。もっとも毛髪に関してはＳＨ基も重要な意味を持ってくる。
【００２０】
また、近赤外分光分析による物質の定性あるいは定量についてどの波長を用いるかについては、被測定物の特性、目的とする定量物質のシグナルの大きさ、光源の光の強さ、受光素子の特性などを考慮して総合的に判断することになるが、グルコースの定量に際しては、生体に存在する蛋白質、脂質、水等の物質と比較して特異的な吸収を有する波長の吸収信号を用いて行えばよいことは自明であり、前述した従来技術もその考えに立脚しているが、グルコース（Ｃ₆ Ｈ₁₂Ｏ₆ ）の分子構造および固体状態で計測したグルコース吸収スペクトルから考えて、その特異的な吸収信号としてグルコースのＯＨ基に由来する吸収を捉えることが最善と考える。固体状態でのグルコースのＯＨ基由来の吸収ピークは、図１に示すように第１倍音領域（１３５０〜１８８０ｎｍ）では１５２５ｎから１６４０ｍｍ付近のブロードなピークとして存在し、第２倍音領域（９００〜１３５０ｎｍ）では図２に示すように１０００ｎｍから１１４０ｎｍ付近のブロードなピークとして存在している。この領域で観察できるグルコースのＯＨ基の吸収が水のＯＨ基のピーク（第１倍音では１４５０ｎｍ、第２倍音では９８０ｎｍ）に比べて長波長側に存在するのは、固体状態でのＯＨ基の分子振動状態と水溶液中でのＯＨ基の分子振動状態とが異なるためで、特に水溶液中では水分子の非常に大きな水素結合の影響を受ける。水溶液中においてグルコースのＯＨ基に由来する吸収は分子間の相互作用変化と水分子による水素結合の影響を受けてシフトしていると考えるべきである。
【００２１】
水溶液中においてグルコースのＯＨ基に由来する吸収スペクトルが、固体状態の時のように１５３０ｎｍから１６００ｎｍ付近にピークを持たず、シフトにより平坦な吸収となるということは、グルコースのＯＨ基に着目した定量方法が近赤外領域での定量分析に通常用いている微分操作（１次微分、２次微分）によるデータの前処理が適していない可能性があることを意味する。つまり、１５３０ｎｍから１６００ｍｍ付近にもグルコースのＯＨ基に由来する吸収は存在するが、波長に対する変化としては小さいため、微分操作つまり波長に対する変化量を求める操作ではその吸収信号をとらえることが難しいためである。
【００２２】
体液あるいは生体スペクトルの特徴として、
・近赤外領域における生体中の微量物質の吸収スペクトルは水の大きな吸収に隠れているが、その吸収に重畳して確実に存在している。このことはＰＬＳ回帰分析で得られる回帰係数あるいは主成分に特徴的に現れている
・近赤外領域で観察される吸収は主にＣＨ，ＯＨ，ＮＨ基であるので、水溶液中では水素結合の影響を受ける。影響の大きさは分子の特性に応じて異なり、グルコースのように低分子でＯＨ基を多く持つものは大きな影響を受けるが、アルブミンのような高分子タンパクヘの影響は比較的小さい
ということがいえる。
【００２３】
従って、生体中でのグルコース定量のためには、生体中の他の成分のスペクトルが重畳したスペクトル情報（測定した通常の生体成分スペクトル）より、グルコースの吸収が他の生体成分と異なった挙動を示す特異吸収帯を見い出すことが重要であることがわかる。また、その特異吸収帯においても他の生体成分（以下外乱成分と呼ぶ）の信号が重畳されているので、外乱成分の寄与分を取り除くための情報を得ることが信頼性の高い計測手法を確立するために重要であると考える。
【００２４】
外乱成分の影響を考察するために牛血清中のグルコース、アルブミン、水の３成分を人為的に変動させた系での実験を第１倍音および第２倍音で行った。つまり、アルブミンを外乱成分としてグルコース濃度の定量実験を行った。
−実験Ａ−（グルコースーアルブミン−水変動系 第１倍音）
牛血清８０ｍｌに対してグルコースを蒸留水に溶解させた水溶液を５ｍｌ、アルブミンを蒸留水に溶解させた水溶液を１５ｍｌ添加して試料とするとともに、試料中のグルコース濃度が３０ｍｇ／ｄｌ，９３ｍｇ／ｄｌ，１５５ｍｇ／ｄｌ，２８０ｍｇ／ｄｌ，５３０ｍｇ／ｄｌ，１０３０ｍｇ／ｄｌの６水準、アルブミン濃度が２．２４ｇ／ｄｌ，２．８４ｇ／ｄｌ，３．４４ｇ／ｄｌ，４．６４ｇ／ｄｌ，５．８４ｇ／ｄｌの５水準の計６×５＝３０種類の組合せから、１５種類の組合せをピックアップして試料を作成した。試料はその調製方法からもわかるように、グルコースとアルブミンと水の３成分のみが変動するように調整されている。
【００２５】
この実験では、グルコースとアルブミンの両方の濃度変動が存在するため、単純にグルコースと水あるいはアルブミンと水の関係だけではグルコースの定量ができない。
スペクトル測定及び回帰分析は１ｍｍ厚のガラス製セルに試料を入れ、ニコレー社製マグナ８５０を用い、加算平均１２８回、レゾルーション１６、検出器ＤＴＧＳ ＫＢｒ、白色光光源の条件で行った。リファレンス信号の測定は試料のスペクトル測定に先立ち、分光分析機（ＦＴ−ＩＲ）内のメモリに保存されたリファレンス信号で測定した吸収信号を吸光度に変換して得たスペクトルデータを市販の多変量解析ソフトウェアを用いてＰＬＳ回帰分析で行った。ＰＬＳ回帰分析に用いた波長範囲は、第１倍音の高調波が観察される１２５０ｎｍから１８００ｎｍである。
【００２６】
外乱成分としてアルブミンを選択した理由は、血液中に存在するもっとも一般的なタンパク成分であることに加え、生体を構成するタンパク成分の特性を推定する情報が得られると考えられるからである。
実験Ａでのグルコース定量の結果は主成分数７での推定で、検量線作成の相関係数０．９９６、標準誤差ＳＥＰ２８．１ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９９２、標準誤差ＳＥＰ３８．１ｍｇ／ｄｌであった。
【００２７】
図３に第７主成分までを利用した回帰係数を示す。図１に示した各単体成分のスペクトルと比較して、アルブミン分子のＮＨ基に由来する１５ｌ０ｎｍ付近の負のピーク、グルコース分子のＯＨ基に由来する１５８０ｎｍ付近の正のピーク、アルブミン分子のＣＨ基に由来する１７００ｎｍ付近の負のピークからグルコース濃度の定量が行われている様子がうかがえる。
【００２８】
この実験結果のグルコース分子のＯＨ基に由来する１５８０ｎｍ付近の正のピークの存在は、水溶液中におけるグルコースのＯＨ基スペクトルは固体でのスペクトルがシフトしたブロードな吸収をもつことに一見矛盾した結論に思える。しかしながら、同一スペクトルデータを２次微分処理して解析を行った図４の結果を見ると、１５８０ｎｍ付近より１５５０ｎｍから１５７０ｍｍにかけて回帰係数の大きなピークが観察され、吸収が１５８０ｎｍにあるならば当然そこに観察されるべき吸収ピークがシフトしていることになる。このことからもグルコースの１５８０ｎｍ付近の吸収はピークがシフトした比較的平坦な吸収特性を示していると考えられ、上記の結果と矛盾しない解釈が成立する。
【００２９】
微分処理を行わない吸収スペクトルの解析で１５８０ｎｍにピークを有する回帰係数が算出される理由は、この付近のグルコースのＯＨ基由来の吸収がブロードで隣接するＮＨ基由来の吸収とＣＨ基由来の吸収との影響を受けているためである。つまり両者の影響を一番受けにくい波長が１５８０ｎｍ付近に存在すると解釈できる。
【００３０】
−実験Ｂ−（グルコース−アルブミン−水変動系 第２倍音）
牛血清８０ｍｌに対してグルコースを蒸留水に溶解させた水溶液を５ｍｌ、アルブミンを蒸留水に溶解させた水溶液を１５ｍｌ添加して試料とするとともに試料中のグルコース濃度が３５ｍｇ／ｄｌ，１３６ｍｇ／ｄｌ，２２０ｍｇ／ｄｌ，４１２ｍｇ／ｄｌ，７５０ｍｇ／ｄｌの５水準、アルブミン濃度が２．６ｇ／ｄｌ，３．０ｇ／ｄｌ，３．３ｇ／ｄｌ，４．０ｇ／ｄｌ、５．４ｇ／ｄｌの５水準の計５×５＝２５種類の組合せから、１３種類の組合せをピックアップし試料を作成した。なお、検出器は液体窒素で冷却して測定した。また、ＰＬＳ回帰分析は１７点の移動平均により平滑化した吸収スペクトルに対して行った。ＰＬＳ回帰分析に用いた波長範囲は、第２倍音の高調波が観察される９００ｎｍから１３５０ｎｍである。
【００３１】
実験Ｂでのグルコース定量の結果は主成分数７での推定で、検量線作成の相関係数０．９８１、標準誤差ＳＥＰ５３．１ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９５９、標準誤差ＳＥＰ７７．２ｍｇ／ｄｌであった。
図５に第７主成分までを利用した回帰係数を示す。図２に示した３成分各単体のスペクトルと比較して、アルブミン分子のＮＨ基に由来する１０２０ｎｍ付近の負のピーク、グルコース分子のＯＨ基に由来する１０７０ｎｍから１１２０ｎｍ付近の正のピーク、アルブミン分子のＣＨ基に由来する１１５０ｎｍ付近の負のピークからグルコース濃度の定量が行われている様子がうかがえる。つまり、第２倍音領域での結果は第１倍音領域で得られた結果と相似性の強い結果となっている。
【００３２】
第１倍音および第２倍音領域での外乱変動を付与した上記のグルコース定量実験結果より、生体中でのグルコース濃度は、外乱成分とグルコース吸収スペクトル、特にグルコースのＯＨ基由来の吸収スペクトルの関係から求めることが信頼性が高く、精度のよい計測手法を確立できることがわかる。定量分析に利用するグルコースの特異吸収帯としては前述のように水のＯＨ基の吸収とは異なった位置に出現するグルコースのＯＨ基の吸収が有効であり、外乱の把握として生体成分に多く含まれるＮＨ基、ＣＨ基の吸収を把握すればよいわけである。
【００３３】
また、各高調波領域から水のＯＨ基に起因する大きな吸収の部分を除いた領域で、ＮＨ基、ＯＨ基（グルコースの）、ＣＨ基の吸収を含む波長域を設定するにあたっては、第１倍音領域では１４８０ｎｍから１８８０ｎｍの範囲において、ＯＨ基由来の吸収範囲は１５５０ｎｍから１６５０ｎｍ、ＮＨ基由来の吸収範囲は１４８０ｎｍから１５５０ｎｍ、ＣＨ基由来の吸収範囲は１６５０ｎｍから１８８０ｎｍとするのがよく、第２倍音領域では１０００ｎｍから１３００ｎｍの範囲において、ＯＨ基由来の吸収範囲は１０５０ｎｍから１１３０ｎｍ、ＮＨ基由来の吸収範囲は１０００ｎｍから１０５０ｎｍ、ＣＨ基由来の吸収範囲は１１３０ｎｍから１３００ｎｍとすればよい。
【００３４】
生体成分以外の外乱要因の１つとして生体あるいは測定試料の温度変化がある。温度変化については人間が恒温動物であるから適切な環境下で測定を行えば大きな問題とならないが、温度をグルコース濃度定量のための説明変数とすることもできる。また、生体組織あるいは体液において温度変化を最も受けるのは水分子であることから水分子の吸収の影響が小さい領域で定量することにより温度変化の影響を小さくすることができる。
【００３５】
定量分析には各高調波の領域ごとに解析を行うようにする方が良いが、利用する波長での最大、最小値を利用した変動の規格化を行えば複数の高調波領域にまたがる吸収信号も同列に利用できる。
また多波長成分を含む光あるいは単色光を被測定物に照射し、その反射光あるいは透過光を検出することによってグルコース濃度の定量を行うことができるが、この場合は被測定物に到達する前か反射あるいは透過した後に分光操作を行う必要があり、この分光操作には、干渉フィルター、回折格子、フーリエ変換方式などを用いることができる。
【００３６】
以下に本発明におけるグルコース濃度の定量装置についてのべると、前述のように本発明のグルコース濃度の定量装置は、近赤外光源と、近赤外光を検出する検出手段と、前記近赤外光源から発する近赤外光を生体組織あるいは体液に導入し、前記生体組織あるいは体液を透過あるいは拡散反射した近赤外光を前記検出手段に誘導する誘導手段と、前記検出手段で得られる信号を演算してグルコース濃度に変換する演算手段とからなるもので、上記検出手段はグルコース分子のＯＨ基由来の吸収を測定するための波長域と、生体成分のＮＨ基由来の吸収を測定するための波長域と、生体成分のＣＨ基由来の吸収を測定するための波長域の少なくとも３つの波長域の近赤外光を検出することに特徴を有するもので、前記演算手段では予め入力されている検量式を用いて近赤外光の吸収信号を利用してグルコースの定量を行う。
【００３７】
近赤外光源としては、前述したところから明らかなように比較的狭い波長の範囲でグルコースの定量が可能であること、また、場合によっては数点の波長でグルコースの定量が可能であることから、発光ダイオード（ＬＥＤ）が適している。第１，第２倍音領域で利用できる発光ダイオードは現在の技術ではＩｎＰ系のものがあり、第３倍音領域ではＧａＡｓあるいはＧａＡｌＡｓ系発光ダイオードがある。また第１，第２倍音領域で利用できる受光素子はＩｎＧａＡｓＰ系のものがあり、第３倍音領域ではシリコン受光素子がある。
【００３８】
また、発光ダイオードの特性によっては分光手段を用いる必要のない場合も存在する。特に、グルコース分子のＯＨ基由来の吸収を測定する範囲では半値幅を比較的大きく設定できるために、干渉フィルター等の分光手段を不用とすることができる。
分光手段が必要な場合、前述のように様々な分光手段を用いることが可能であるが、一般的には干渉フィルターを用いるとよい。
【００３９】
誘導手段としては生体組織を非侵襲的に測定してグルコース濃度を定量する場合は光フアイバーを利用することが適している。特に、第１倍音領域で定量を行う場合は、探さ方向への光の到達度合を光ファイバー間隔で制御し、任意探さの皮下組織中のグルコース濃度を定量する手法により測定精度を向上させることができる。
【００４０】
光ファイバー間隔を簡単に制御する方法として任意径の光ファイバーを接触させて得られる中心間距離により、つまり受発光に用いる光ファイバー径の変化で設定できるようにする手法がある。このような光ファイバーを利用しての分析は、受発光ファイバー８，９の束を図１５のように被測定物の表面にはぼ直角につき当てて行う。なお、透過する光路が特定できれば直角に限るものではない。
【００４１】
発光ファイバー８より被測定物に照射された光は隣接する受光ファイバー９への光路Ａ、さらに離れた受光ファイバー９への光路Ｂ、さらに離れた受光ファイバー９への光路Ｃ等、様々な光路を通った光が受光ファイバー９に入射される。いま、光路Ａ、Ｂ、Ｃの光路長を比較すると、同一径の光ファイバーを受発光に用いたならば光路Ｂ，Ｃは光路Ａのほぼ２倍，３倍と考えてよい。光学的に不透明で散乱の多い生体等の物質中の光の透過は厳密にはＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒの法則には従わないが、透過光量は光路長に応じて急激に減少し、光路長が２倍になると散乱状悪によっては１／１０以下、３倍となるとさらにそれの１／１０以下となる程度となる。そのため、受光ファイバー９に集光される透過光は基本的には隣接する発光ファイバー８からの透過光の和と考えてよいこととなる。
【００４２】
また、光ファイバーは１本の光ファイバーだけでなく複数の光ファイバーを束ねることにより受発光操作が容易になることは周知の事実で、上述の発光ファイバー８と受光ファイバー９とを測定側において束ねるとともに、測定側とは反対側の端部を発光ファイバー８同士及び受光ファイバ９ー同士で束ねて分岐させることで計測に都合の良いファイバーバンドルを作製できる。利用する光ファイバーは直径が数μｍから数千μｍ（数ｍｍ）のものを用いることができ、特に直径７０μｍから１０００μｍの光ファイバーの利用が適している。利用する光ファイバーは細いファイバーを被覆して任意の線径としたものを用いるようにしても良い。
【００４３】
具体的な生体組織としては図１６に示すような人間の真皮イが上げられる。人間の真皮イは１００μｍ程度の厚さの表皮ロと、多量の脂肪細胞からなる皮下組織ハとに挟まれた１ｍｍ程度の厚さの組織である。この真皮イ中の化学成分の分析には受発光ファイバーの中心間距離を２５０〜１０００μｍに調節した光ファイバーの束を用いるのが適している。例えば受発光距離（中心間距離）が５００μｍの光ファイバーバンドルを用いて分光分析を行うことで、真皮イ中のグルコース成分の分析が可能である。皮膚組織中を透過する光の経路は組織の物性や分析に用いる光の波長により異なるので、予め予備実験や数値シミュレーションを行い、測定に用いる受発光距離を決定することが好ましい。得られた吸光信号は演算部での数値計算によってグルコース濃度が算出される。
生体中のグルコース濃度の測定、特に生体組織中のグルコース濃度の定量を正確に行うことは、生体中でのグルコースの状態と外乱成分の影響を近赤外領域での吸収信号として把握したソフトウェア、再現性の高い正確な吸収スペクトルを測定可能にするハードウェア、医学的見地にたった安定な測定部位の選定等、多くの最適な要因を結びつけてはじめて可能となる。
【００４４】
【実施例】
−実施例１−
本実施例は生体成分として牛血清中のグルコースの定量分析を行ったもので、１５ｌ０から１８８０ｎｍまでのＮＨ基、ＯＨ基、ＣＨ基由来の吸収領域を連続スペクトルとして測定し解析を行った。牛血清試料は前述のグルコース、アルブミン、水の３成分変動系の実験と同一で、牛血清８０ｍ１に対してグルコースを蒸留水に溶解させた水溶液を５ｍｌ、アルブミンを蒸留水に溶解させた水溶液を１５ｍｌ添加し試料を作成した。試料は試料中のグルコース濃度が３９ｍｇ／ｄｌ，９３ｍｇ／ｄｌ，１５５ｍｇ／ｄｌ，２８０ｍｇ／ｄｌ，５３０ｍｇ／ｄｌ，１０３０ｍｇ／ｄｌの６水準、アルブミン濃度が２．２４ｇ／ｄｌ，２．８４ｇ／ｄｌ，３．４４ｇ／ｄｌ，４．６４ｇ／ｄｌ，５．８４ｇ／ｄｌの５水準の計６×５＝３０種類の組合せから、１５種類の組合せをピックアップし試料を作成した。
【００４５】
スペクトル測定は１ｍｍ厚のガラス製セルに試料を入れ、ニコレー社製マグナ８５０を用いて加算平均１２８回、レゾルーション１６、検出器ＤＴＧＳ ＫＢｒ、白色光源の条件で測定し、吸光度に変換したスペクトルデータは市販の多変量解析ソフトウェアを用いてグルコース濃度を目的変量、吸光スペクトルを説明変量としたＰＬＳ回帰分析を行った。前述のようにＰＬＳ回帰分析に用いた波長範囲は、１５ｌ０ｎｍから１８８０ｎｍである。
【００４６】
実験でのグルコース定量の結果は主成分数６での推定で、検量線作成の相関係数０．９９６、標準誤差ＳＥＰ２７．８ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９９６、標準誤差ＳＥＰ２７．８ｍｇ／ｄｌであった。
−実施例２−
本実施例における実験系は実施例１と同一で、牛血清試料中のグルコース、アルブミン、水の３成分を変動させたものである。多変量解析に用いたソフトウェアも実施例１と同じである。
【００４７】
本実施例では１５１０，１５４０，１５９０，１６５５，１７００ｎｍの５波長の吸光度を説明変量、グルコース濃度を目的変量とした線形重回帰分析（ＭＬＲ）を行った。
実験でのグルコース定量の結果は、検量線作成の相関係数０．９８０、標準誤差ＳＥＰ６２．５ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９７５、標準誤差ＳＥＰ６８．０ｍｇ／ｄｌであった。
【００４８】
１５ｌ０，１５９０，１７００ｎｍの波長の選択は図３に示す回帰係数のピーク値を示す波長として、１５４０，１６５５ｎｍの波長は複数の主成分因子による回帰係数が交わる交点として選択した。
−実施例３−
本実施例における実験系は実施例１と同一で、牛血清試料中のグルコース、アルブミン、水の３成分を変動させたものである。多変量解析に用いたソフトウェアも実施例１と同じである。
【００４９】
本実施例では１５ｌ０，１５９０，１７００ｎｍの３波長の吸光度を説明変量、グルコース濃度を目的変量とした線形重回帰分析（ＭＬＲ）を行った。グルコース定量の結果は、検量線作成の相関係数０．９７８、標準誤差ＳＥＰ６５．８ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９７５、標準誤差ＳＥＰ６９．０ｍｇ／ｄｌであった。
【００５０】
１５ｌ０，１５９０，１７００ｎｍの波長の選択は図３に示す回帰係数のピーク値を示す波長として選択した。
−実施例４−
本実施例における実験系は実施例１と同一で、牛血清試料中のグルコース、アルブミン、水の３成分を変動させたものである。多変量解析に用いたソフトウェアも実施例１と同じである。
【００５１】
本実施例では１５２５，１５９０，１６９０ｎｍの３波長の吸光度を説明変量、グルコース濃度を目的変量とした線形重回帰分析（ＭＬＲ）を行った。
実験でのグルコース定量の結果は、検量線作成の相関係数０．９８３、標準誤差ＳＥＰ５７．０ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９８１、標準誤差ＳＥＰ６０．１ｍｇ／ｄｌであった。
【００５２】
１５９０ｎｍの波長の選択は図３に示す回帰係数のピーク値を示す波長、１５２５と１６９０ｎｍの波長はそれぞれのピークよりＯＨ基由来の吸収側の波長として選択した。このようにＮＨ基、ＣＨ基由来の吸収ピークについてはＯＨ基由来の吸収に少しずれた波長を選択する方が定量性が向上する場合もある。
−実施例５−
本実施例は生体成分として牛血清中のグルコースの定量分析を行ったもので、１４８０から１８５０ｍｍまでのＮＨ基、ＯＨ基、ＣＨ基由来の吸収領域を連続スペクトルとして測定し解析を行った。牛血清試料中のグルコース、アルブミン、コレステロール、中性脂肪、水の５成分を変動させグルコースの定量を行った。試料は試料中のグルコース濃度が３５ｍｇ／ｄｌ，８５ｍｇ／ｄｌ，１４０ｍｇ／ｄｌ，２２０ｍｇ／ｄｌ，２７０ｍｇ／ｄｌ，４１５ｍｇ／ｄｌ，５ｌ０ｍｇ／ｄｌ，８００ｍｇ／ｄｌ，９８５ｍｇ／ｄｌ，１５００ｍｇ／ｄｌの１０水準、アルブミン濃度が２．２ｇ／ｄｌ，２．３ｇ／ｄｌ，２．４ｇ／ｄｌ，２．５ｇ／ｄｌ，２．８ｇ／ｄｌ，３．４ｇ／ｄｌ，４．５ｇ／ｄｌ，５．４ｇ／ｄｌの８水準、コレステロール濃度が５５ｍｇ／ｄｌ，６３ｍｇ／ｄｌ，７０ｍｇ／ｄｌ，７５ｍｇ／ｄｌ，８３ｍｇ／ｄｌ，１００ｍｇ／ｄｌ，１３５ｍｇ／ｄｌ，２０５ｍｇ／ｄｌ，３５０ｍｇ／ｄｌの９水準、中性脂肪濃度が１０ｍｇ／ｄｌ，１５ｍｇ／ｄｌ，２０ｍｇ／ｄｌ，７０ｍｇ／ｄｌ，１３３ｍｇ／ｄｌ，２５０ｍｇ／ｄｌ，４８０ｍｇ／ｄｌの７水準となるように４５種類の組合せをピックアップし試料を作成した。
【００５３】
スペクトル測定は１ｍｍ厚のガラス製セルに試料を入れ、ニコレー社製マグナ８５０を用いて加算平均１２８回、レゾルーション１６、検出器ＤＴＧＳ ＫＢｒ、白色光源の条件で測定し、吸光度に変換したスペクトルデータは市販の多変量解析ソフトウェアを用いグルコース濃度を目的変量、吸光スペクトルを説明変量としたＰＬＳ回帰分析を行った。前述のようにＰＬＳ回帰分析に用いた波長範囲は、１４８０ｎｍから１８５０ｎｍである。
【００５４】
実験でのグルコース定量の結果は主成分数７での推定で、検量線作成の相関係数０．９９２、標準誤差ＳＥＰ４８．７ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９９１、標準誤差ＳＥＰ５ｌ．１ｍｇ／ｄｌであった。
−実施例６−
本実施例における実験系は実施例５と同一で、牛血清試料中のグルコース、アルブミン、コレステロール、中性脂肪、水の５成分を変動させたものである。多変量解析に用いたソフトウェアも実施例５と同じである。
【００５５】
本実施例では１５２０，１５４０，１５８０，１６４５，１６８５，１７１５，１７４０ｎｍの７波長の吸光度を説明変量、グルコース濃度を目的変量とした線形重回帰分析（ＭＬＲ）を行った。
実験でのグルコース定量の結果は、検量線作成の相関係数０．９８９、標準誤差ＳＥＰ５５．６ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９８８、標準誤差ＳＥＰ５７．８ｍｇ／ｄｌであった。
【００５６】
１５２０，１５８０，１６８５，１７１５，１７４０ｎｍの波長の選択は１２５０ｎｍから１８５０ｎｍの範囲をＰＬＳ回帰分析を行って得られた図６に示す回帰係数のピーク値を示す波長として、１５４０，１６４５ｎｍの波長は複数の主成分因子による回帰係数が交わる交点として選択した。
−実施例７−
本実施例における実験系は実施例５と同一で、牛血清試料のグルコース、アルブミン、コレステロール、中性脂肪、水の５成分を変動させたものである。多変量解析に用いたソフトウェアも実施例５と同じである。
【００５７】
本実施例では１５２０，１５８０，１６８５ｎｍの３波長の吸光度を説明変量、グルコース濃度を目的変量とした線形重回帰分析（ＭＬＲ）を行った。
実験でのグルコース定量の結果は、検量線作成の相関係数０．９８３、標準誤差ＳＥＰ６８．０ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９８３、標準誤差ＳＥＰ６９．２ｍｇ／ｄｌであった。
【００５８】
１５２０，１５８０，１６８５ｎｍの波長の選択は実施例６により得られた図６に示す回帰係数のピーク値を示す波長として選択した。
−実施例８−
本実施例における実験系は実施例５と同一で、牛血清試料のグルコース、アルブミン、コレステロール、中性脂肪、水の５成分を変動させたものである。多変量解析に用いたソフトウェアも実施例５と同じである。
【００５９】
本実施例では１５２５，１５８０，１６８０ｎｍの３波長の吸光度を説明変量、グルコース濃度を目的変量とした線形重回帰分析（ＭＬＲ）を行った。
実験でのグルコース定量の結果は、検量線作成の相関係数０．９８７、標準誤差ＳＥＰ６０．０ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９８７、標準誤差ＳＥＰ６１．０ｍｇ／ｄｌであった。
【００６０】
１５９０ｎｍの波長の選択は実施例６により得られた図６に示す回帰係数のピーク値を示す波長、１５２５ｎｍと１６９０ｍｍの波長はそれぞれのピークよりＯＨ基由来の吸収側の波長として選択した。
−実施例９−
本実施例における実験系は実施例５と同一で、牛血清試料のグルコース、アルブミン、コレステロール、中性脂肪、水の５成分を変動させたものである。多変量解析に用いたソフトウェアも実施例５と同じである。
【００６１】
本実施例では１５ｌ０ｎｍから１８２０ｎｍまでのＮＨ基、ＯＨ基、ＣＨ基由来の吸収領域を連続スペクトルとして測定したデータをｓａｖｉｔｚｋｙ−Ｇｏｌａｙの微分手法を用いて２次微分処理を行い解析を行った。解析は２次微分値を説明変量、グルコース濃度を目的変量としたＰＬＳ回帰分析を行った。
実験でのグルコース定量の結果は主成分数６での推定で、検量線作成の相関係数０．９８６、標準誤差ＳＥＰ６３．５ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９８３、標準誤差ＳＥＰ６９．０ｍｇ／ｄｌであった。
【００６２】
−実施例１０−
本実施例は生体成分として牛血清中のグルコースの定量分析を行ったもので、１０００から１３００ｎｍまでのＮＨ基、ＯＨ基、ＣＨ基由来の吸収領域を連続スペクトルとして測定し解析を行った。牛血清試料は前述のグルコース、アルブミン、水の３成分変動系の実験と同一で、牛血清８０ｍｌに対してグルコースを蒸留水に溶解させた水溶液を５ｍｌ、アルブミンを蒸留水に溶解させた水溶液を１５ｍｌ添加して試料を作成した。試料は試料中のグルコース濃度が３５ｍｇ／ｄｌ，１３６ｍｇ／ｄｌ，２２０ｍｇ／ｄｌ，４１２ｍｇ／ｄｌ，７５０ｍｇ／ｄｌの５水準、アルブミン濃度が２．６ｇ／ｄｌ，３．０ｇ／ｄｌ，３．３ｇ／ｄｌ，４．０ｇ／ｄｌ，５．４ｇ／ｄｌの５水準の計５×５＝２５種類の組合せから、１３種類の組合せをピックアップし試料を作成した。
【００６３】
スペクトル測定は１ｍｍ厚のガラス製セルに試料を入れ、ニコレー社製マグナ８５０を用いて加算平均１２８回、レゾルーション１６、検出器ＭＣＴ／Ａ、白色光源の条件で測定し、吸光度に変換したスペクトルデータは市販の多変量解析ソフトウェアを用いグルコース濃度を目的変量、吸光スペクトルを説明変量としたＰＬＳ回帰分析を行った。
【００６４】
前述のようにＰＬＳ回帰分析に用いた波長範囲は、１０００ｎｍから１３００ｎｍである。
実験でのグルコース定量の結果は主成分数６での推定で、検量線作成の相関係数０．９８０、標準誤差ＳＥＰ５４．２ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９６２、標準誤差ＳＥＰ７４．８ｍｇ／ｄｌであった。
【００６５】
−実施例１１−
本実施例における実験系は実施例５と同一で、牛血清試料中のグルコース、アルブミン、コレステロール、中性脂肪、水の５成分を変動させたものである。多変量解析に用いたソフトウェアも実施例５と同じである。
本実施例では測定した各波長の吸光度と１５４０ｎｍにおける吸光度の差をとることで、スペクトルデータの前処理を行った。解析に用いた波長範囲は、１４８０ｎｍから１８８０ｎｍである。
【００６６】
前処理を行った各波長データを説明変量、グルコース濃度を目的変量としＰＬＳ回帰分析を行った。
実験でのグルコース定量の結果は主成分数８での推定で、検量線作成の相関係数０．９９７、標準誤差ＳＥＰ２８．９ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９９６、標準誤差ＳＥＰ３１．９ｍｇ／ｄｌであった。
【００６７】
１５４０ｎｍの波長を選択した理由は、図６に示すように複数の主成分因子による回帰係数が交わる交点として選択した。
−実施例１２−
本実施例における実験系は実施例１０と同一で、牛血清試料中のグルコース、アルブミン、水の３成分を変動させたものである。多変量解析に用いたソフトウェアも実施例５と同じである。
【００６８】
本実施例では測定した各波長の吸光度と１０６０ｎｍにおける吸光度の差をとることで、スペクトルデータの前処理を行った。解析に用いた波長範囲は、１０００ｎｍから１３００ｎｍである。
前処理を行った各波長データを説明変量、グルコース濃度を目的変量としＰＬＳ回帰分析を行った。
【００６９】
実験でのグルコース定量の結果は主成分数６での推定で、検量線作成の相関係数０．９７８、標準誤差ＳＥＰ５６．８ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９６１、標準誤差ＳＥＰ７６．１ｍｇ／ｄｌであった。
【００７０】
−実施例１３−
本実施例における生体中のグルコース濃度の定量装置は図７に示すように、近赤外光源である発光手段（発光ダイオード１）から照射した近赤外光を干渉フィルター２により任意の中心波長および半値幅に分光し、集光手段であるレンズ３によって光ファイバー４の端面に集光した光を被測定物に誘導し、被測定物の透過光を検出手段であるフォトダイオード５により検出することで吸収信号を測定し、演算手段によりグルコース濃度を算出した。
【００７１】
干渉フィルターは円盤の同心円上に３つ配置されており、モータ６で回転させることにより干渉フィルターの特性に応じた中心波長および半値幅が得られる。検出した吸収信号は吸光度に変換され予め設定された検量線によりグルコース濃度が演算される。
発光ダイオードには中心波長が１６００ｎｍで半値幅１６０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ系の素子を用いた。前記３種類の干渉フィルターには中心波長１５３０ｎｍで半値幅１０ｎｍ、中心波長１５８５ｎｍで半値幅６０ｎｍ、中心波長１６８０ｎｍで半値幅１０ｎｍのものを用いた。前記中心波長１５８５ｎｍで半値幅６０ｎｍの干渉フィルターの中心波長および半値幅の設定理由はグルコースのＯＨ基に由来する信号をとらえるために実施例５で得られた回帰係数のＯＨ基由来のピークを参考にした。実施例５の回帰係数の部分拡大を図８に示す。主成分７における回帰係数はおおよそ１５８０ｎｍにおいて極大値をとり、この極大値の７０％の値をとるのが１５５５ｎｍおよび１６１５ｎｍである。そこで中心波長を１５５５ｎｍと１６１５ｎｍの中点である１５８５ｍｍで半値幅を６０ｎｍに設定した。この手法で中心波長および半値幅を設定した近赤外光を照射することで、１点の測定を行うだけで多数の点を計測するのと同等の計測ができることになる。
【００７２】
光ファイバーの照射端７は被測定物に垂直にあてて使用する。照射端７では光ファイバーの発光側８と受光側９が交互に並んでおり、発光側ファイバー８より照射され、生体組織中を透過した近赤外光を受光側ファイバー９でうけ、検出器５に導いている。発光、受光に用いた光ファイバー径は５００μｍで、受光、発光ファイバーの中心間距離も５００μｍである。
【００７３】
グルコース濃度を算出するための検量線は、本発明の利用者あるいは複数の人間を被験者として、他の標準手法より得られるグルコース濃度の真値と本発明による吸光度の関係を統計解析手法により解析することにより得られる。
本発明の利用者本人より検量線を作成する場合はグルコース負荷試験を用い、グルコース含有物を飲食後、一定時間間隔で採血と本発明による信号測定を行うようにしてもよいし、生活中において血糖値が安定する時間を選んで信号測定を行うようにしてもよい。
【００７４】
採血した血液を分析する標準手法により得られたグルコース濃度と測定時にメモリされた信号を対比してデータ化し、演算手段に内蔵される解析手段により検量線が作成される。
本実施例のように数点での吸収信号より個人対応の検量線作成する場合には重回帰分析手法が適している。
【００７５】
−実施例１４−
本実施例における生体中のグルコース濃度の定量装置は実施例１３と同じ図７に示す構成を有する。相異点は３種類の干渉フィルターの中心波長および半値幅で、中心波長１５２０ｎｍで半値幅１０ｎｍ、中心波長１５８０ｎｍで半値幅４０ｎｍ、中心波長１６８５ｎｍで半値幅１０ｎｍのものを用いた。前記中心波長１５８０ｎｍで半値幅４０ｎｍの干渉フィルターの中心波長および半値幅の設定理由は実施例５で得られた回帰係数のピーク波長を参考にした。実施例５の主成分７における回帰係数はおおよそ１５２０，１５８０，１６８５ｎｍにおいて極大値をとり各ピークの幅の大ささで干渉フィルターの半値幅を設定した。回帰係数がピークをとる波長を選択することで、１５２０ｍｍや１６８５ｎｍのように比較的急峻なピークでも１０ｎｍ程度の半値幅を用いれば安定した値を計測できる。また１６８０ｎｍに関してはピークがブロードなので半値幅を４０ｎｍと広く設定した。
【００７６】
この手法で中心波長および半値幅を設定した近赤外光を照射することで、１点の測定を行うだけで多数の点を計測するのと同等の計測ができることになる。
−実施例１５−
本実施例における生体中のグルコース濃度の定量装置は図９に示すように、近赤外光源である３つの発光手段（半導体レーザー）１から照射した近赤外光を凹面鏡１０によって光ファイバー４の端面に集光した光を被測定物に誘導し、被測定物の透過光を検出手段であるフォトダイオード５により検出することで吸収信号を測定し、演算手段によりグルコース濃度が算出される。検出した吸収信号は吸光度に変換され予め設定された検量線によりグルコース濃度が演算される。
【００７７】
半導体レーザーには中心波長が１５３０ｎｍで半値幅１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ系の素子、中心波長１５８５ｎｍで半値幅３０ｎｍの素子、中心波長１６８０ｎｍで半値幅１０ｎｍの素子を用いた。
前記半導体レーザーの半値幅については素子自体の特性として前記半値幅のものを用いても良いし、発光ダイオードの照射面に干渉フィルターを設置し、任意の半値幅に調節してもよい。光ファイバーについては実施例１３と同じである。
【００７８】
−実施例１６−
本実施例における生体中のグルコース濃度の定量装置は図１０に示すように、ハロゲンランプである発光手段１、発光手段１からの光を被験者の身体のある部分（たとえば前腕の皮膚組織）Ｂに導くとともに拡散透過光をフラットフィールド型回折格子２０に導く光ファイバー４、回折格子２０で分光操作がなされた光をアレイ型フォトダイオード５で受光して吸収信号を測定し、演算手段ＣＰＵにより血糖値を算出する。演算ユニットＣＰＵは吸収信号を吸光度に変換した後、予め設定した検量線を使用して被験者のグルコース濃度を計算する。図１０中の２１は反射ミラー、２２は回折格子２０と光ファイバー４との間に配置したスリット、２３はＡ／Ｄ変換器である。
【００７９】
ここで用いた光ファイバー４は、図１１に示すように、各発光側ファイバー８のまわりを六角形パターンの各コーナーに位置する受光側ファイバー９で囲んでいるもので、これら６本の受光側ファイバー９と１本の発光側ファイバー８とからなる組において、Ｘ軸方向に隣接する組で１本の受光側ファイバー９が共有され、Ｙ軸方向に隣接する組で２本の受光側ファイバー９が共有されるようにしてある。また、各組において、発光側ファイバー８と受光側ファイバー９との中心間距離Ｌは０．５ｍｍに設定（各直径は２００ミクロン）している。被験者の皮層の真皮層からのスペクトル情報を選択的に抽出する場合、中心間距離Ｌは０．１〜２ｍｍ、特に０．２〜１ｍｍの範囲に設定することが好ましい。光ファイバー４の照射端７は被験者の前腕の皮層表面に対して垂直に押し当てられる。光ファイバーバンドル４を所定の圧力で皮膚表面に押し当てるため圧力ゲージや固定具を使用することが好ましい。１３５０ｎｍから１８５０ｎｍの波長範囲における前腕皮膚組織の吸収スペクトルの一例を図１２に示す。
【００８０】
上記装置を用いて被験者の血液中のグルコース濃度を定量した。年齢３０才の健康な男性の被験者に対し、３０分間の安静の後，デンプン部分加水分解物製剤トレーランＧ（清水製薬製）を服用させて７５ｇに相当するブドウ糖を摂取させた。そして血糖値の測定を安静開始時から１０分毎に採血式の簡易血糖計ノボアシスト（ノボノルディスクファーマ製）を用い指尖血液により行った。また、前腕のスペクトル測定を採血後５分毎に４回実施した。（前腕皮膚組織におけるグルコース濃度は血中グルコース濃度に対して個体差を有する時間遅れが存在するが、この被験者においては５分の時間遅れが適切であった。）採血による血糖値測定は安静開始後９０分まで、前腕のスペクトル測定は最終の採血後５分まで実施した。検量線の作成は前記実測血糖値を目的変量とし、その５分後に測定したスペクトルを説明変量として、ＰＬＳ回帰分析および重回帰分析を利用して行った。本実測での被験者の血糖値は８９〜１３４ｍｇ／ｄｌの範囲で変動している。
【００８１】
ＰＬＳ回帰分析により得た回帰係数を図１３に示す。ＰＬＳ回帰分析にあたっては、クロスバリデーション法を使用して第１倍音の高調波が観察される１３５０ｎｍ〜１８５０ｎｍの波長範囲でグルコース濃度を目的変量、吸光度を説明変量として行った。この回帰係数の形状は、１６００ｎｍ付近にピークを有する前実施例に示した血清系での実験で得られた回帰係数（図３，図６）と類似な形状を示し、グルコースの吸収から血糖値を定量していることがわかる。このＰＬＳ回帰分析の結果は，主成分数７の推定で、検量線作成の相関係数は０．９９３、標準誤差ＳＥＰは１．９ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数は０．９８８、標準誤差ＳＥＰは２．６ｍｇ／ｄｌであった。
【００８２】
同一データにおける１５５０ｎｍ、１６４０ｎｍ、１６９０ｎｍの３波長を用いてクロスバリデーション手法による重回帰分析を行って得られた検量線に実測データをあてはめた結果を図１４に示す。この３波長の重回帰分析で得られた結果は、検量線作成の相関係数０．９５７、標準誤差ＳＥＰ４．８ｍｇ／ｄｌ、検量線検定の相関係数０．９４９、標準誤差ＳＥＰ５３ｍｇ／ｄｌであった。
【００８３】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１の発明は、分子の第１倍音が観察できる波長領域で且つ水の吸収の影響が比較的小さい１４８０ｎｍから１８８０ｎｍの波長領域内におけるグルコース分子のＯＨ基由来の吸収を測定するための１５５０ｎｍから１６５０ｎｍの第１の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＮＨ基由来の吸収を測定するための１４８０ｎｍから１５５０ｎｍの第２の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＣＨ基由来の吸収を測定するための１６５０ｎｍから１８８０ｎｍの第３の波長域からの少なくとも一つの吸収信号の、少なくとも３つの吸収信号を基にグルコースの定量を行うものであり、請求項２の発明は分子の第２倍音が観察できる波長領域で且つ水の吸収の影響が比較的小さい１０００ｎｍから１３００ｎｍの波長領域内におけるグルコース分子のＯＨ基由来の吸収を測定するための１０５０ｎｍから１１３０ｎｍの第１の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＮＨ基由来の吸収を測定するための１０００ｎｍから１０５０ｎｍの第２の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＣＨ基由来の吸収を測定するための１１３０ｎｍから１３００ｎｍの第３の波長域からの少なくとも一つの吸収信号の、少なくとも３つの吸収信号を基にグルコースの定量を行うものであり、グルコースによる特異吸収としてもっとも適切と思われるＯＨ基由来の吸収を用いる上に、外乱としての生体成分を考慮したものとなっていることから、グルコース濃度の定量の精度を大きく向上させることができるものである。
【００８４】
しかも上記３つの波長域を生体水分に由来する水分子の吸収の影響が比較的小さい範囲に設定しているために、生体水分の影響の排除が容易であり、また上記波長を用いるために、良好な定量結果を得ることができる。
なお、上記３つの波長域は、相互に隣接した波長域となっているために、広い波長範囲の光を発する光源を必要としなくなる上に、検出手段の検出感度を揃えることができることになるために、定量が容易となる。
【００８６】
また、上記吸収信号の少なくとも一つは、複数試料の定量分析で測定した連続スペクトルを主成分回帰分析あるいはＰＬＳ回帰分析して得た回帰係数がとる正または負のピーク周辺の波長とすると、あるいは複数の試料の分析で測定した連続スペクトルを主成分回帰分析あるいはＰＬＳ回帰分析して算出された複数の主成分因子に対する回帰係数同士の交点付近の波長の吸収信号を用いると、好適な結果を得ることができる。
【００８７】
第１の波長域が１６００±４０ｎｍであり、第２の波長域が１５３０±２０ｎｍであり、第３の波長域が１６８５±２０ｎｍまたは１７１５±２０ｎｍまたは１７４０±２０ｎｍのいずれか一つであっても、良好な定量結果を得ることができる。
生体組織中あるいは体液中のグルコース濃度の測定に際しては、上記３つの波長域より選択した所定の半値幅を有する少なくとも３つの中心波長の光を基にグルコース濃度の定量を行うとよい。光源として入手の容易なものを用いることができる。
【００８８】
この場合の半値幅は、複数試料の分析で測定した連続スペクトルを主成分回帰分析あるいはＰＬＳ回帰分析し、前記分析手法により算出された各波長に対する回帰係数がとるピーク値の７０％程度以下の値を示す波長幅を用いると、さらに良好な結果を得ることができ、さらに少なくとも１波長の中心波長を１５６０ｎｍから１６４０ｎｍの範囲内に設定するとともに半値幅を６０ｎｍ以下とするとよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１倍音領域における生体物質の吸収スペクトル図である。
【図２】第２倍音領域における生体物質の吸収スペクトル図である。
【図３】第１倍音領域でグルコース、アルブミン、水の３成分を変動させた実験系での回帰係数の説明図である。
【図４】第１倍音領域でグルコース、アルブミン、水の３成分を変動させた実験系での２次微分の回帰係数の説明図である。
【図５】第２倍音領域でグルコース、アルブミン、水の３成分を変動させた実験系での回帰係数の説明図である。
【図６】第１倍音領域でグルコース、アルブミン、コレステロール、中性脂肪、水の５成分を変動させた実験系での回帰係数の説明図である。
【図７】本発明に係る装置の一例の概略図である。
【図８】図６の回帰係数の部分拡大図である。
【図９】本発明に係る装置の他例の概略図である。
【図１０】本発明に係る装置の更に他例の概略図である。
【図１１】同上の光ファイバーの断面図である。
【図１２】皮膚組織の吸収スペクトルの一例の説明図である。
【図１３】ＰＬＳ回帰分析で得られた回帰係数の説明図である。
【図１４】重回帰分析の検量線と実測データとの説明図である。
【図１５】光ファイバーから生体組織へ照射された近赤外光の光路の槻念図である。
【図１６】人間の皮膚組織の概念図である。

Claims (8)

1. 近赤外光源と、近赤外光を検出する検出手段と、前記近赤外光源から発する近赤外光を生体組織あるいは体液に導入し、前記生体組織あるいは体液を透過あるいは拡散反射した近赤外光を前記検出手段に誘導する誘導手段と、前記検出手段で得られる信号を基にグルコース濃度の回帰分析を行う演算手段とからなり、上記演算手段は、分子の第１倍音が観察できる波長領域で且つ水の吸収の影響が比較的小さい１４８０ｎｍから１８８０ｎｍの波長領域内におけるグルコース分子のＯＨ基由来の吸収を測定するための１５５０ｎｍから１６５０ｎｍの第１の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＮＨ基由来の吸収を測定するための１４８０ｎｍから１５５０ｎｍの第２の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＣＨ基由来の吸収を測定するための１６５０ｎｍから１８８０ｎｍの第３の波長域からの少なくとも一つの吸収信号の、少なくとも３つの吸収信号を基にグルコースの定量を行うものであることを特徴とするグルコース濃度の定量装置。
2. 近赤外光源と、近赤外光を検出する検出手段と、前記近赤外光源から発する近赤外光を生体組織あるいは体液に導入し、前記生体組織あるいは体液を透過あるいは拡散反射した近赤外光を前記検出手段に誘導する誘導手段と、前記検出手段で得られる信号を基にグルコース濃度の回帰分析を行う演算手段とからなり、上記演算手段は、分子の第２倍音が観察できる波長領域で且つ水の吸収の影響が比較的小さい１０００ｎｍから１３００ｎｍの波長領域内におけるグルコース分子のＯＨ基由来の吸収を測定するための１０５０ｎｍから１１３０ｎｍの第１の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＮＨ基由来の吸収を測定するための１０００ｎｍから１０５０ｎｍの第２の波長域からの少なくとも一つの吸収信号と、生体成分のＣＨ基由来の吸収を測定するための１１３０ｎｍから１３００ｎｍの第３の波長域からの少なくとも一つの吸収信号の、少なくとも３つの吸収信号を基にグルコースの定量を行うものであることを特徴とするグルコース濃度の定量装置。
3. 上記吸収信号の少なくとも一つは、複数試料の定量分析で測定した連続スペクトルを主成分回帰分析あるいはＰＬＳ回帰分析して得た回帰係数がとる正または負のピーク周辺の波長の吸収信号であることを特徴とする請求項１または２記載のグルコース濃度の定量装置。
4. 上記吸収信号の少なくとも一つは、複数の試料の分析で測定した連続スペクトルを主成分回帰分析あるいはＰＬＳ回帰分析して算出された複数の主成分因子に対する回帰係数同士の交点付近の波長の吸収信号であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のグルコース濃度の定量装置。
5. 第１の波長域が１６００±４０ｎｍであり、第２の波長域が１５３０±２０ｎｍであり、第３の波長域が１６８５±２０ｎｍまたは１７１５±２０ｎｍまたは１７４０±２０ｎｍのいずれか一つであることを特徴とする請求項１記載のグルコース濃度の定量装置。
6. 生体組織中あるいは体液中のグルコース濃度の測定に際して、上記３つの波長域より選択した所定の半値幅を有する少なくとも３つの中心波長の光を基にグルコース濃度の定量を行うものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のグルコース濃度の定量装置。
7. 複数試料の分析で測定した連続スペクトルを主成分回帰分析あるいはＰＬＳ回帰分析し、前記分析手法により算出された各波長に対する回帰係数がとるピーク値の７０％程度以下の値を示す波長幅を半値幅としていることを特徴とする請求項６記載のグルコース濃度の定量装置。
8. 少なくとも１波長の中心波長を１５６０ｎｍから１６４０ｎｍの範囲内に設定しているとともに半値幅を６０ｎｍ以下としていることを特徴とする請求項６記載のグルコース濃度の定量装置。

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