JP4481501B2 - 改良型光学インターフェースによる血液被検体の非侵襲的測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（同時係属出願の相互参照）
本願は、１９９７年４月１８日に出願された米国特許出願出願番号第０８／８４４，５０１号、発明の名称「改良型光学インターフェースによる血液被検体の非侵襲的測定方法」であって、１９９８年１０月２０日に本願出願人と同じ出願人に対して発行された米国特許第５，８２３，９５１号の一部係属出願である。
【０００２】
（発明の属する技術分野）
本発明は一般に血液被検体、特にグルコースを、分光法を用いて非侵襲的に測定する方法に関する。詳細には、同方法は少なくともいくつかの波長を有する赤外線エネルギーで生物組織を照射するための改良型入力光学インターフェースと、生物試料による吸収差の測定値として吸収されなかった赤外線エネルギーを受け取り被検体濃度を決定するための改良型出力光学インターフェースとを組み込んでいる。改良型光学インターフェースの重要な要素として、屈折率整合媒体が開示される。
【０００３】
（発明の背景）
患者の血中グルコースレベルを決定するための正確で非侵襲的な方法に対する必要性および要求についてはよく文書に示されている。バーンズ（Barnes）ら（米国特許第５，３７９，７６４号）は、糖尿病患者では血液中のグルコースレベルを頻繁に監視する必要があることを開示している。分析の回数が頻繁になると、グルコースレベルに大きな振れが存在する可能性が低くなることがさらに認められている。そのような大きな揺れは、糖尿病の徴候および合併症と関連しており、同疾患が長期間続いた場合の効果としては、心疾患、動脈硬化、失明、卒中、高血圧、腎不全、および早期死亡が含まれる。以下に示すように、血中のグルコースを非侵襲的に測定するためのいくつかのシステムが提唱されている。しかしながら、そのような努力にもかかわらず、現在市販されている様式のすべての家庭用グルコース監視については、指を切るランセットが依然として必要である。このことは、いかなる様式の糖尿病管理についても最も効果的な使用はめったに成し遂げられるものではないと、糖尿病患者にとって非常に妥協的に考えられている。
【０００４】
以下に個々に論じるが、血中グルコースレベルを決定するための種々の提唱された非侵襲的方法は、一般に、分析の理論的基準として定量赤外分光を使用している。赤外分光では、物質がさまざまな波長で吸収する電磁放射線（０．７−２５μｍ）を測定する。分子は互いに対して固定位置を保たず、平均距離付近で前後に振動する。適当なエネルギーでの光の吸収により、分子はより高い振動レベルへと励起される。励起状態への分子の励起は、特定の不連続なエネルギー準位でのみ起こり、このエネルギー準位は特定の分子に固有のものである。最初の（第１の）振動状態は中赤外周波数領域（すなわち、２．５−２５μｍ）で起こる。しかしながら、この領域での血中の非侵襲的な被検体の決定は、水による光の吸収のせいで、不可能ではないにしても問題がある。この問題は、水によっては減衰されない短い波長の光を使用することによって克服される。第１の振動状態の上音はより短い波長で存在し、それらの波長での定量的決定を可能にする。
【０００５】
グルコースは中赤外線領域および近赤外線領域の両方において複数の周波数で光を吸収する。しかしながら、血液中には、同様な周波数でやはり光を吸収する、他の赤外活性被検体が存在する。それらの吸収帯が重複する性質を有するため、非侵襲的グルコース測定を信頼性のあるものとするためには、１つのまたは特定の周波数が使用できない。従ってグルコース測定に関するスペクトルデータの分析には、定量的決定に必要な感受性、精度、正確さ、および信頼性を得るために、広いスペクトル範囲にわたる多くのスペクトル強度の評価が必要とされる。吸収帯が重複することに加えて、グルコースが重量では血液中の少量成分であり、調べられる物質の性質および／または光学機器固有の非線形性により、得られたスペクトルデータが非線形の反応を示し得るという事実によって、グルコースの測定はさらに複雑となっている。
【０００６】
非侵襲的グルコース測定技術に共通なさらなる要素は、身体部分の測定位置と分析機器のセンサ素子との間の光学インターフェースに欠かせないものである。通常センサ素子は、赤外線エネルギーで試料箇所を照射するための入力素子または手段を備えなければならない。さらに、センサ素子は、入力素子による照射の結果としての透過または反射エネルギーを種々の波長で測定するための出力素子または手段を備えなければならない。
【０００７】
ロビンソン（Robinson）ら（米国特許第４，９７５，５８１号）は、既知の特性値の生物試料の１連のスペクトルから経験的に導き出された多変量モデルに関連して赤外分光を使用して、生物試料における未知値の特性を測定する方法および装置を開示している。上述の特性は、通常はグルコースを始めとする被検体の濃度であるが、試料のいかなる化学的または物理的特性であってもよい。ロビンソン（Robinson）らの方法は、校正工程および予測工程の両方を含む２工程プロセスを包含する。校正工程では、既知の特性値を有する試料を含有する種々の成分および被検体の関数として赤外線のうちの少なくともいくつかの波長の減衰差が存在するように、赤外光は既知の特性値を有する校正試料に結合される。赤外光は、光を試料に透過させるか、または光を試料から反射させることにより、試料に結合される。試料による赤外光の吸収によって光の強度の変化が起こる。この変化は光の波長の関数である。少なくともいくつかの波長において生じる強度の変化が、既知の特性値を有する１連の校正試料について測定される。多変量アルゴリズムを用いて元のまたは変換後の強度の変化を経験的に校正試料の既知の特性と関連づけることにより、多変量校正モデルが得られる。予測工程では、赤外光が未知特性値を有する試料に結合され、該校正モデルがこの未知試料から測定された光の適当な波長の元のまたは変換後の強度変化に適用される。予測工程の結果は、未知試料の特性の推定値である。ロビンソン（Robinson）らの開示は参照により本願に組み込まれる。
【０００８】
ロビンソン（Robinson）らによって開示された実施形態のうちのいくつかは非侵襲的であり、センサ素子を備えた光学インターフェースを内蔵している。ロビンソン（Robinson）らの図５および６に示されるように、光学インターフェースは第１の入力素子と第２の出力素子とを備える。入力素子は赤外光源または近赤外線光源である。試験される試料または血液を含有する身体部分との入力素子のインターフェースは、空気を介した皮膚表面への光エネルギーの透過または光エネルギー伝搬を含む。出力素子は透過または反射された光エネルギーを受け取る検出器を有する。試料との出力インターフェースも、空気を介した皮膚からの透過光または反射光の伝搬を含む。
【０００９】
バーンズ（Barnes）ら（米国特許第５，３７９，７６４号）は、グルコース濃度を分析するための分光写真法を開示している。該方法では、近赤外線（近赤外線は複数の波長を含む）が身体の一部に投射され、続いて、身体での吸収により影響を受けたものとして身体の該一部から発せられた放射線が検出される。開示された方法は、オフセットの影響を最小限にすると共に、改変された時の感知放射線の大きさの式を得るために、生じたデータを予め処理することを含む。
【００１０】
バーンズ（Barnes）らによって開示されたセンサ素子は、身体の皮膚と接触するか接触付近にくるように配置される２重導線光ファイバプローブを有する。２重導線光ファイバプローブの第１の導線は、皮膚表面と接触しつつ近赤外線を皮膚表面へ伝達する入力素子として作用する。２重導線プローブの第２の導線は、反射エネルギーまたは吸収されなかったエネルギーをスペクトル分析器に戻す出力素子として作用する。センサ素子と皮膚の間の光学インターフェースは皮膚表面を単にプローブと接触させるだけで達成され、該光学インターフェースには、プローブと皮膚との接触度に依存して、空気を介して皮膚へと光エネルギーを伝達し、空気を介してプローブへと光エネルギーを戻すことが含まれ得る。皮膚表面および測定個所における不規則部（凹凸）は、接触度に影響を及ぼす。
【００１１】
デーネ（Dahne ）ら（米国特許第４，６５５，２２５号）は、被験者の指または耳たぶを介して近赤外線スペクトルで光学エネルギーを非侵襲的に伝達するための近赤外線分光の使用を開示している。組織の深いところから拡散反射される近赤外線エネルギーの使用についても論じられている。被験者のグルコースを定量するために、２つの異なる波長での応答が導き出される。一方の波長はバックグラウンド吸収を決定するために使用され、もう一方の波長はグルコース吸収を決定するために使用される。
【００１２】
デーネ（Dahne ）らによって開示された光学インターフェースは、入力素子を有するセンサ素子を備えている。入力素子は、空気を介して皮膚表面へ伝達される光方向付け手段を組み込んでいる。吸収の基準として身体組織から透過または反射された光エネルギーは、出力素子によって受け取られる。出力素子に対するインターフェースは、反射または透過された光エネルギーを空気を介して検出素子へと伝達することを含む。
【００１３】
カロ（Caro）（米国特許第５，３４８，００３号）は、照射用光エネルギーとしての、複数の波長における一時的に変調される電磁エネルギーの使用を開示している。波長１単位経路長さ当たりの光吸収についての得られた波長の依存性を、媒体中の被検体の濃度を導くために、校正モデルと比較する。
【００１４】
カロ（Caro）によって開示された光学インターフェースは、光エネルギーが集束手段を介して皮膚表面へと伝達される、入力素子を有するセンサ素子を備える。集束手段は皮膚表面付近にあってもよいし、皮膚表面と接触してもよい。センサ素子は組織を介して伝達される光エネルギーを受け取るために皮膚表面と接触するかまたは皮膚表面付近に存在し得る光収集手段を有する出力素子も備える。再び述べるが、光エネルギーの一部は空気を介して皮膚表面へと伝搬され、センサとの非接触部および皮膚表面の不規則部のせいで出力素子に戻る。
【００１５】
組織と機器の間の光学インターフェースに関する問題が認められている。特に、組織へおよび組織からの光の結合に関する光学インターフェースの問題は、１９９３年に発行された「ＩＲ分光による血中グルコース決定のための測定技術（"MeBverfahren zur IR-spektroskopishen Blutglucose Bestimmung" 、英語の翻訳では、"Measurement Techniques for IR Spectroscopic Blood Glucose Determination" ）」という題目の論文で発表されたように、ラルフ マーバッハ（Ralf Marbach）によって認識された。
【００１６】
マーバッハは、リップの拡散反射の測定用の光学付属装置に必要な条件は、以下のものであると述べている。
１）スペクトルのＳ／Ｎ比（信号対雑音比）を最良にするために光学「スループット」が高いこと
【００１７】
２）皮膚表面領域でのフレネル反射または鏡面反射に対する感受性の鈍さが抑制されること
マーバッハによって提唱された測定付属装置では、半球状の液浸レンズを使用することで、両方の必要条件を満たす試みがなされている。レンズは、組織の屈折率と非常に適合する材料、つまりフッ化カルシウムから形成される。マーバッハによって述べられているように、経皮的拡散反射測定のための液浸レンズの重要な利点は、ＣａＦ₂と皮膚の屈折率がほぼ完全に適合されることと、フレネル反射の抑制の成功である。
【００１８】
ところがフッ化カルシウムは１．４２の屈折率を有しており、約１．３８という組織の屈折率と比較して、組織に実際は屈折率が適合していない。従って、レンズと組織が完全に接触している組織インターフェースに対して、レンズ位置では屈折率不整合が起こる。サンプリング用付属装置はさらに、組織の粗さのせいでレンズと組織が完全な光学接触を形成しないという事実によって妥協される。その結果、屈折率レンズ（Ｎ＝１．４２）から、空気（Ｎ＝１．０）、組織（Ｎ＝１．３８）へと光が移動された場合に、かなりの屈折率の不整合が起こる。このように、組織の固有の粗さによってレンズと組織の間には小さな空隙が生じ、これがシステムの光学スループットを減少させ、続いて測定付属装置の性能を妥協させる。
【００１９】
屈折率不整合に関する問題の大きさは複雑な問題である。第１に、光の一部は、試料に信号を送ることなく不整合境界で反射されて（そうでなければ血液被検体の分光分析に利用可能であるが）、入力または収集光学システムに戻る。その効果はフレネルの式に支配される。
【００２０】
【数１】

垂直入射されたランダム偏光に関して、ＮおよびＮ’は２つの媒体の屈折率である。空気／ＣａＦ₂インターフェースに対する解は、Ｒ＝０．０３、すなわち３％の反射を与える。このインターフェースは２回横切らなければならず、そうすると試料に信号を送らない反射成分は６％となる。そのようなインターフェース不整合は倍数的に増加する（乗法的である）。組織にうまく入る光の該一部を次に考慮しなければならない。例えば水の強い帯域のようなスペクトルのいくつかの領域では、伝達された光はほとんどすべて組織によって吸収される。結果として、屈折率不整合に由来するこの見かけ上小さな反射光成分が、事実上はまり込み、試料からの所望の信号を不明瞭にしてしまう。
【００２１】
最後に、光が組織から出ようとした時の臨界角を考えることが有効である。組織は非常に分散しているため、直角入射で組織に進入する光線は大きな入射角で組織から出る可能性がある。結合レンズが組織と密接に接触していない場合、そのような大きな角度の光線は全内反射となって失われるであろう。臨界角または全内反射の位置を決定する式は以下のように表される。
【００２２】
【数２】

光が組織（Ｎ’＝１．３８）のような屈折率が高い材料の中を伝搬し、空気（Ｎ＝１．０）のような屈折率が低い材料とのインターフェースに近づく場合、全内反射の臨界角が生じる。臨界角よりも大きい角度でインターフェース等に近づく光は、希薄な媒体（空気）の中を伝搬することはなく、全内反射して組織へ戻る。上述の組織／空気インターフェースに関して、臨界角は４６．４である。この角度よりも鋭利な光は抜け出るであろう。それゆえ組織からの光を十分に捕獲するためには密接な光学接触が重要である。
【００２３】
上述したように、非侵襲的にグルコース濃度を測定する先行技術の各装置はセンサ素子を利用する。各センサ素子は入力素子および出力素子を備えている。各装置における光学入力素子、出力素子および分析される組織の皮膚表面の間のインターフェースは同様である。各例において、入力光エネルギーは空気を介して表面に伝達されるか、または可能性としては空気入力センサと皮膚表面の間の接触表面における間隙による空気を介して伝達される。同様に、出力センサを皮膚と接触させて配置する試みがなされても、出力センサは、空気を介した出力センサへの伝達によって、または可能性としてはセンサ素子と皮膚表面の間の間隙を介して、透過または反射された光エネルギーを受け取る。先行技術に開示された光学インターフェースは、従来技術の方法および装置を使用して得られたデータの正確さおよび一貫性に影響を与えると考えられる。従って、グルコースを非侵襲的に測定する方法のそのような正確さは妥協される。
【００２４】
ウ（Wu）ら（米国特許第５，４５２，７２３号）は、拡散反射スペクトルを蛍光等の第２の選択スペクトルと同様測定し、該選択スペクトルを拡散反射スペクトルに適合させることを含めた、組織試料の分光写真分析方法を開示している。ウらは、この手順が試料間の変化の可能性を減らすと主張している。ウらは、光ファイバからの入射光が光学結合媒体の任意の滑らかな表面上で衝突するように鋭角に曲がる光ファイバの、入力装置としての使用について開示している。光学結合媒体の屈折率は、カテーテルと組織の間のインターフェースにほとんどまたは全く鏡面反射が起こらないように、組織の屈折率と整合される。ウらはさらに、カテーテルが接触様式または非接触様式のいずれでも使用されることを開示している。接触様式では、カテーテルの端部は組織と直に接触するように配置され、屈折率整合光学結合を達成する。従って、ウらの光学結合媒体は、光ファイバ上の固体端部である。ウらはさらに、カテーテルが非接触様式で使用され得ることを開示しており、この場合、カテーテル端部と組織との間に残された間隙は屈折率適合流体で満たされ、鏡面反射が防止される。ウらの明細書中で開示された流体に対する唯一の基準は、鏡面反射を防止するために流体は屈折率が整合され、これが血液中の被検体の分光分析についての最良の光学インターフェースの唯一の態様であるということである。
【００２５】
従って、改良型光学インターフェースを組み込んだ血中グルコース濃度を非侵襲的に測定するための方法および装置には必要性が存在する。光学インターフェースは、被検体濃度がロビンソンらによって開示されたようなモデルから正確に計算できるように、一貫性のある反復可能な結果を生成するべきである。光学インターフェースは、エネルギー源から組織へ入ると共に、組織から出力センサへ戻る入力および出力光エネルギーの両方を最大にすべきである。皮膚表面の不規則部による間隙の有害な影響または他の汚染源の存在は減少させるか排除すべきである。ユーザが分析用に装置に結合されるたびにそのような最良のインターフェースを達成するように、それを保証する手段も提供すべきである。
【００２６】
本発明は、上記必要性と、赤外分光を利用した血中グルコース濃度を非侵襲的に測定する既存の方法およびそれに付随する光学インターフェースに関する他の問題とを取り扱っている。本発明は先行技術よりも優れた効果を提供し、先行技術に関する問題を解決する。
【００２７】
（発明の要旨）
本発明は、人の組織における被検体、特にグルコースの濃度を非侵襲的に測定する方法である。同方法は、センサプローブと皮膚表面または分析される組織を含む身体の組織表面との間の改良光学インターフェースに関連して分光技術を使用する。
【００２８】
血液中のグルコース濃度を非侵襲的に測定する方法は、第１に被検体含有組織による赤外吸収を測定する装置を提供する工程を包含する。該装置は通常、３つの素子、つまり、エネルギー源、センサ素子、およびスペクトル分析器を有する。センサ素子は入力素子および出力素子を備えている。入力素子は赤外線エネルギーを伝達する第１手段によってエネルギー源に機能的に接続される。出力素子は赤外線エネルギーを伝達する第２手段によってスペクトル分析器に機能的に接続される。
【００２９】
好ましい実施形態において、入力素子および出力素子は、赤外光エネルギーを試料からおよび試料へと集束させるレンズシステムを有する。好ましい１実施形態において、入力素子および出力素子は、エネルギー源からの赤外光エネルギーの入力と被検体含有試料からの鏡面反射エネルギーおよび拡散反射光エネルギーの両方の出力とのいずれにも使用される単一のレンズシステムを有する。代わりに、入力素子および出力素子は、被検体含有試料の両側に配置された２つのレンズシステムを有することも可能である。この場合、エネルギー源からの光エネルギーは入力素子に伝達され、被検体を含有する試料を通って透過された光エネルギーは出力素子を通ってスペクトル分析器に至る。
【００３０】
赤外線エネルギーを伝達する第１手段は、好ましい実施形態において、赤外線エネルギー源を入力素子に近接させて配置し、エネルギー源からの光エネルギーを空気を介して入力素子へと伝達させることを包含する。さらに、好ましい実施形態において、赤外線エネルギーを伝達する第２手段は好ましくは、出力素子から出た光エネルギーを空気を介してスペクトル分析器へと方向付ける１つの鏡または複数の鏡のシステムを有する。
【００３１】
本発明の方法を実施する際に、被検体含有組織領域は分析箇所として選択される。該領域には指、耳たぶ、前腕の皮膚表面、または任意の他の皮膚表面が含まれる。好ましくは、該領域における被検体含有組織は、サンプリングのために、表面付近に血管を有し、比較的滑らかで硬く肥厚していない皮膚表面を有する。好ましい試料位置は前腕の裏側である。
【００３２】
次に、一定量の屈折率整合媒体または流体が、分析される皮膚領域に配置される。本明細書に詳述した屈折率整合流体は、組織への光の導入を最良にし、鏡面反射光を減らし、光を有効に組織から出すように、選択される。媒体または流体は好ましくは、適当な流体による皮膚表面への適切な結合を強める添加剤を含む。このようにして、試験データの完全性を保証する。屈折率整合媒体は非毒性であると共に、近赤外線領域に最小のスペクトル特性を有し、従って測定されている被検体に関連する波長を有する光エネルギーを最小に吸収することが好ましい。好ましい実施形態において、屈折率整合媒体は約１．３８の屈折率を有する。さらに、媒体の屈折率は組成を通じて一定である。屈折率整合媒体の組成は以下に説明する。
【００３３】
次に、センサ素子は、入力素子および出力素子を備えているが、屈折率整合媒体と接触した状態に配置される。代わりに、屈折率整合媒体をまずセンサ素子と接触配置してから、センサ素子を皮膚と接触させた状態で配置し、屈折率整合媒体をセンサ素子と皮膚との間に配置するようにしてもよい。このように、入力素子および出力素子は、光エネルギーを空気を介してまたは皮膚表面の不規則部による空気ポケットを介して伝搬させる必要性をなくす屈折率整合媒体を介して、被検体含有組織または皮膚表面に結合される。
【００３４】
被検体含有組織におけるグルコース濃度の分析において、エネルギー源からの光エネルギーは赤外線エネルギーを入力素子に伝達する第１手段を介して伝達される。光エネルギーは、入力素子から屈折率整合媒体を介して皮膚表面へと伝達される。被検体含有試料と接触する光エネルギーの中には、試料中の種々の深さで該試料中に含まれる種々の成分および被検体によって特異的に吸収されるものもある。光エネルギーの中には試料を透過するものもある。しかしながら、一定量の光エネルギーは反射して出力素子へ戻される。好ましい実施形態において、吸収されなかったかまたは透過されなかった光エネルギーは、屈折率整合媒体の中を伝搬すると、反射して出力素子に戻される。反射光エネルギーは拡散反射光エネルギーと鏡面反射光エネルギーの両方を含む。鏡面反射光エネルギーは、試料表面から反射する、被検体の情報をほとんど含まないか全く含まない光エネルギーである。他方、拡散反射光エネルギーは、被検体が存在する試料の深い所から反射している。
【００３５】
好ましい実施形態において、鏡面反射光エネルギーは拡散反射光エネルギーから分離される。吸収されなかった拡散反射光エネルギーは赤外線エネルギーをスペクトル分析器へと伝達する第２手段を介して伝達される。以下に説明するように、スペクトル分析器は、好ましくは、コンピュータを利用して、測定強度、校正モデル、および多変量アルゴリズムを用いた予測結果を生成する。
【００３６】
鏡面反射光を拡散反射光から分離する好ましい装置は、１９９５年８月９日出願の同時係属中の本願と同一の出願人に譲渡された出願である出願番号第０８／５１３，０９４号、発明の名称「改良型拡散反射率監視装置（ "Improved Diffuse Reflectance Monitoring Apparatus"）」であって、１９９７年６月１０日に発行された米国特許第５，６３６，６３３号に開示された鏡面制御装置である。上記特許の開示は文献援用される。
【００３７】
別の実施形態において、入力素子は第１の皮膚表面上で、第１の量の屈折率整合媒体と接触した状態に配置され、他方、出力素子は対向する皮膚表面上で、第２の量の屈折率整合媒体と接触した状態に配置される。代わりに、測定中に媒体が素子と皮膚表面との間に配置されるように、屈折率整合媒体は皮膚と接触させる前に入力および出力素子上に配置してもよい。この別の実施形態について、入力素子および第１の量の屈折率整合媒体を介して伝搬される光エネルギーは被検体含有組織によって特異的に吸収されるか、あるいは該組織から反射され、他方、種々の波長の一定量の光エネルギーが、被検体含有組織を介して、対向するすなわち第２の皮膚表面へ透過される。第２の皮膚表面から、吸収されなかった光エネルギーが第２の量の屈折率整合媒体を介して出力素子へと伝搬され、続いて被検体濃度を計算するためにスペクトル分析器へ伝搬される。
【００３８】
本発明の屈折率整合媒体は、上述した方法の正確さおよび反復性を改良するのに重要である。屈折率整合媒体は、好ましくはクロロフルオロカーボンを含有する組成物である。該組成物は、ペルフルオロカーボンも含み得る。１つの好ましい屈折率整合媒体は、ＦＬＵＯＲＯＬＵＢＥの商品名でオキシダントケミカル（Oxidant Chemical）社によって製造されているフッ素化−塩素化炭化水素ポリマー油である。
【００３９】
本発明の屈折率整合媒体は、光を組織に効果的に導入し、鏡面光を低減し、組織の被検体含有領域から拡散反射光を組織から効果的に出力装置に戻すことにより、人の組織中の血液被検体の分析を最良にすることが見出されている。これには適当な屈折率を有するだけでなく、対象の被検体の測定に関連する波長における赤外線エネルギーの吸収が最小限である屈折率整合媒体を選択する必要がある。それゆえ、本発明の好ましい屈折率整合媒体はスペクトルの近赤外線領域における光エネルギーの吸収が最小であるかほとんど吸収しない。
【００４０】
好ましい実施形態において、本発明の屈折率整合媒体は、診断用添加剤をも含有する。屈折率整合流体中の診断用添加剤によって流体層の高さの決定が許容され、および／または機器の波長校正が提供される。そのような添加剤は、レンズ／組織インターフェースの質を評価することを可能にすると共に、個人が本発明の装置を用いて試験されるたびに機器の性能を評価することを可能にする。診断用添加剤は流体全体の約０．２重量％〜２０重量％を占め得る。別の実施形態において、屈折率整合媒体および診断用添加剤は両方の機能を果たす同じ１つの化合物から成り得る。
【００４１】
本発明の屈折率整合媒体は、分析される組織の生理状態を増強するか変化させる生理学的添加剤も含有し得る。特に、好ましい生理学的添加剤には、毛細血管の血中グルコース濃度と皮膚間質流体グルコース濃度との間の平衡時間を短縮することでより正確な血中グルコース数を提供する血管拡張剤が包含される。生理学的添加剤は流体全体の約０．２重量％〜約２０重量％を占める。
【００４２】
化合物は、イソプロピルアルコールのような親水性添加剤を始めとする他の添加剤をも含有し得る。親水性化合物は皮膚表面の水分を拘束し、流体と皮膚のインターフェースを改良すると考えられる。さらに、屈折率整合媒体は試料位置において皮膚に油を結合させ、該油の影響を低減させるクレンジング剤を含有し得る。最後に、界面活性剤も流体組成物に含有され得る。界面活性剤は組織の濡れを改良し、均質なインターフェースを形成する。防腐剤も屈折率整合媒体に含有され得る。
【００４３】
本発明の別の実施形態において、光学センサ素子と組織の間の屈折率整合は、変形固体によって行われる。変形固体は、皮膚の不均質な表面を一部原因とする空気空隙が最小になるように、その形状が変化し得る。変形固体には、少なくともゼラチン、接着テープ、および適用時は液体であるが時間が経つと固体になる物質が含まれる。
【００４４】
屈折率整合媒体は、好ましくは１．３０−１．４５の屈折率を有し、より好ましくは１．３５−１．４０の屈折率を有する。上記範囲の屈折率の使用は、光学スループットを改良し、かつ被検体濃度とは無関係の分光の変化を減少させることにより、上記方法の反復性および正確さを改良することが見出されている、さらに、屈折率整合媒体は組成を通じて一貫した屈折率を有する。例えば、光の方向を変えるような空気の泡が存在してはならない。
【００４５】
好ましい実施形態において、組織におけるグルコース濃度は第１に出力センサによって受け取られた光の強度を測定することにより決定される。この測定された強度は、校正モデルと共に、組織におけるグルコース濃度を予測するために、多変量アルゴリズムによって使用される。校正モデルは経験的に、前記校正試料から得られた測定強度変化と一連の校正試料における既知のグルコース濃度とを関連づける。好ましい実施形態では、使用される多変量アルゴリズムは部分最小二乗法であるが、他の多変量法も使用することは可能である。
【００４６】
光学センサの入力素子および出力素子を皮膚表面に結合させる屈折率整合媒体の使用により、異常なデータを取得してしまう可能性が減少する。屈折率整合媒体は測定手順の反復性および正確さを増大させる。空気を介したまたは空気ポケットを有する不均一な皮膚表面を介した伝達によって、入力および出力光エネルギーに及ぼされる有害な影響は排除される。
【００４７】
本発明を特徴付ける新規性を有する以上のおよび他の様々な効果および特徴が本明細書に添付されると共に本明細書の一部を形成している請求の範囲において詳細に指摘される。しかしながら、本発明、その効果、およびその使用によって得られる目的の理解を深めるために、本明細書のさらなる一部を形成する図面と本発明の好ましい実施形態が例示および説明されている後続の説明的箇所とを参照する。図面において、同様な参照符号は、いくつかの図を通じて対応する本発明の好ましい実施形態の部分または構成要素を示す。
【００４８】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明の詳細な実施形態をここで開示する。しかしながら、開示された実施形態は、様々なシステムで具現化され得る本発明の単なる例証にすぎないことは理解すべきである。それゆえ、ここに開示した特定の詳細は限定的なものとして解釈されるべきではなく、むしろ請求項の基礎や当業者が本発明を様々な形で実施できるよう教示する代表的基礎として解釈されるべきである。
【００４９】
本発明は、分光を用いた組織成分の非侵襲的測定方法に関する。試料は、様々な屈折率および吸収特性を有する複数の物質から成る複合基質であることが見出されている。さらに、対象の血液成分は非常に低い濃度で存在するため、光を組織へまたは組織から有効な方法で結合させることが肝要であるとわかっている。本発明の方法は、光を組織試料へおよび組織試料から結合させる有効性を改良するための屈折率適合媒体、流体または変形固体を組み込んでいる。
【００５０】
本発明は、分析用のエネルギー源として、光スペクトルの近赤外領域における光エネルギーを利用する。水はその濃度と強い吸収率故に、近赤外線における組織の吸収に対して断然大いに貢献する。それゆえ組織の全吸収スペクトルは、水のスペクトルと非常に類似していることが見出されている。光の吸収のうちの０．１パーセントより少ない割合は、グルコース等の成分に由来している。通常の組織試料中には多くの屈折率不連続性があるため、組織は大きく散乱させることもさらに見出されている。水は１．３３の屈折率で組織の中を潅流される。細胞壁および組織の他の特徴は１．５〜１．６に近い屈折率を有する。そのような屈折率の不連続性によって、散乱が起こる。そのような屈折率の不連続性はしばしば起こりはするが、大きさは一般に小さく、散乱は一般に前方に向かって強い方向性を有する。
【００５１】
このような前方への散乱は異方性の観点で説明されており、平均散乱角の余弦として定義される。従って、後方への散乱を完了するには、つまりすべての散乱事象が光子の移動方向を１８０度変えることを意味するが、異方性係数は−１である。同様に、前方への散乱を完了するには、異方性係数は＋１である。近赤外線において、組織は、約０．９〜０．９５の異方性係数を有することが見出されており、これは前方への散乱が強いことを示す。例えば、異方性係数が．９であることは、光の平均光子が試料を通過する時に２５度までの角度でしか散乱しないことを意味する。
【００５２】
組織中の被検体の分析において、測定は少なくとも２つの異なるモードで行われ得る。組織の切片を透過する光を測定してもよいし、組織から反射されるか送られた光を測定してもよいことが理解される。光が組織を通過する時に光が前方へ散乱する性質のため、分光において透過は好ましい分析方法であると認識されている。しかしながら、特に長波長において、近赤外線光を通過させるのに十分に光学的に薄い身体の部分を見つけることは困難である。本発明の好ましい測定方法は、試料からの光の反射率に焦点を当てることである。
【００５３】
光子は不連続な屈折率で反射および屈折するため、組織に直接衝突する光は組織表面では小さな反射率を有する。これは鏡面反射と称されている。この光は組織を貫通しないため、組織成分についての情報はほとんど含まない。このことは、皮膚が、死んで試料中の対象と一般に考えられる被検体の濃度の値を欠いた外層を有するため、皮膚の生理学に照らすと特にあてはまる。被検体の情報を含む反射光エネルギーは、不連続な屈折率を通って組織試料深くまで届き、表面へ戻る光である。この反射光エネルギーは拡散反射光と称される。
【００５４】
出願人は、入射光子の大部分が組織に吸収されることを見出した。組織から戻して結合させるのに有効な光子は、その角度をなす経路において迂回させられる傾向がある。実際、定義として、光子は組織から出るために入力レンズの方向に向かって、方向を変えなければならない。しかしながら、出願人は、検出に関する大きな問題は、平均組織屈折率と組織の外の空気の屈折率との間の屈折率の不連続性に関することを見出した。入射光に作用するこの不連続性は約５パーセントより小さい屈折率および小さな鏡面反射につながることが見出されている。しかしながら、出かかる時に、この不連続性により臨界角現象が生じる。光子は高い屈折率の媒体から低い屈折率の媒体へ移動しているため、臨界角（これを超えると光子が全内反射される）が存在し、組織試料を逃さない。組織から空気へ移動する光子に対する臨界角は約４６度であることが分かっており、これが問題を提起している。組織表面に直角入射する光子は大きな角度で逸れて出るはずである。散乱の前方への方向性のため、光子がそのようにふるまうことは困難であり、組織と空気とのインターフェースにすれすれの入射や大きい角度の入射を形成する可能性が非常に高い。臨界角を超えているため、すれすれに入射する光子は外へ逃げない。
【００５５】
出願人は、組織から出て分析機器へと向かう結合光エネルギーに関する屈折率の相違に対する解決策を見出した。その解決策とは、対象のスペクトル範囲で非常に低い吸収率を有すると共に、良好な流動と適用範囲とを両立させた粘度を有し、組織に非常に適合する屈折率を有する浸漬流体の使用である。好ましい実施形態において、屈折率整合流体は好ましくは研究下にある血液被検体に関連する波長内で光エネルギーを最小にしか吸収にしないかまたは本質的に吸収しない。従って流体は所望の波長で分光学的に非活性である。しかしながら、最小に吸収する屈折率整合流体は、例えば被検体に関連する波長で光エネルギーの約１０％未満の割合を吸収する屈折率整合流体は、依然として利用可能である。好ましい物質は、ＦＬＵＯＲＯＬＵＢＥの商品名でオクシデンタル ケミカル（Occidental Chemical ）より製造されているフッ素化、塩素化炭化水素ポリマー油である。ＦＳ５は好ましいＦＬＵＯＲＯＬＵＢＥである。そのような油は約１．３８の屈折率を有し、非毒性である。出願人は該油が近赤外線で最小のスペクトル特性を有することを見出した。
【００５６】
ここで図１および２について参照すると、血液被検体濃度を非侵襲的に測定する装置の２つの好ましい実施形態を示す部分断面図が示されている。図１および２に示した図は、エネルギー源１６およびスペクトル分析器３０と機能的に接続された非侵襲的センサ素子１１に関連して屈折率整合媒体２２を利用する概念を略図で示したものである。物理的構成要素の相対的大きさ、形状、および詳細が示されている。
【００５７】
図１に示した装置および図２に示した装置は一般に３つの構成要素、つまりエネルギー源１６、センサ素子１１、およびスペクトル分析器３０を有している。図１の実施形態は、センサ素子が入力素子２０および出力素子２６を備えるものとして示す。センサ素子は、入力および出力光エネルギーに対する単一レンズシステムを有し得る。入力素子２０および出力素子２６は被検体含有組織１０の皮膚表面１２と接触する。図２の別の実施形態は、別のセンサ素子１１の配置を示す。この場合、入力素子２０および出力素子２６は被検体含有組織１０の対向する表面１２，１４に配置されている。いずれの実施形態も、被検体含有組織１０による赤外線エネルギーの吸収の測定値を与えるように機能する。しかしながら、図１の実施形態は、被検体構成成分によって被検体含有組織１０から反射される光エネルギーの量を測定するために利用される。対照的に図２の実施形態は、被検体含有組織１０を通る光エネルギーの透過を測定する。いずれの実施形態でも、種々の波長における吸収が、エネルギー源１６からの光エネルギーの強度を比較することにより決定可能である。
【００５８】
エネルギー源１６は好ましくは広幅の赤外黒体源である。エネルギー源１６から発せられた光の波長は好ましくは１．０および２．５μｍの間である。エネルギー源１６は、エネルギー源から入力素子２０へ赤外線エネルギー１８を伝達する第１手段に機能的に結合される。好ましい実施形態において、第１手段１８は、単にエネルギー源１６を入力素子２０に近接させて配置することにより光エネルギーを空気を介して入力素子２０に伝達することである。
【００５９】
センサ素子１１の入力素子２０は、好ましくは、光エネルギーを高エネルギー密度のスポットに集束させる光学レンズである。しかしながら、照射領域を変えるために他のビーム集束手段を光学レンズと共に使用し得ることは理解される。例えば、多数レンズシステム、テーパ状繊維、または他の従来の光学ビーム成形装置を、入力光エネルギーを変えるために使用することが可能である。
【００６０】
図１および２に示した両方の実施形態において、出力センサ２６は被検体含有組織１０から反射または透過された光エネルギーを受け取るために利用される。以下の分析方法に関して説明するように、図１の実施形態は反射された光エネルギーを受け取る出力センサ２６を有し、他方、図２の実施形態は被検体含有組織１０を通って透過された光を受け取る出力センサ２６を有する。
【００６１】
入力素子２０に関してと同様、出力素子２６は好ましくは光学レンズである。多数レンズシステム、テーパ状繊維、または他のビーム集束手段のような他の光学集束手段を、スペクトル分析器３０に光エネルギーを向けるのを支援するために出力素子２６に組み込むことが可能である。
【００６２】
赤外線エネルギー２８を伝達する第２手段が出力素子２６と機能的に接続される。赤外線エネルギー２８を伝達する第２手段を介して伝達された光はスペクトル分析器３０に伝達される。好ましい実施形態において、出力素子との機能的接続には、出力素子から出た反射または透過光エネルギーを空気を介してスペクトル分析器３０へ伝達させることを含む。１つの鏡または一連の複数の鏡が、スペクトル分析器へ光エネルギーを向けるために利用され得る。好ましい実施形態において、鏡面反射光を拡散反射光から分離するために、鏡面制御装置が組み込まれる。そのような装置が、１９９５年８月９日に出願された同時係属中の本願と同一の出願人に譲渡された出願番号第０８／５１３，０９４号、発明の名称「改良型拡散反射率監視装置（"Improved Diffuse Reflectance Monitoring Apparatus" ）」であって、１９９７年６月１０日に発行された米国特許第５，６３６，６３３号に開示されている。この開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【００６３】
本発明の方法を実施する際、被検体含有組織１０の領域が分析箇所として選択される。該領域には、指、耳たぶ、前腕の皮膚表面１２、または他の皮膚表面上が含まれる。好ましくは、サンプリングのための領域には、該表面付近の血管および比較的滑らかな硬く肥厚していない表面が含まれる。好ましいサンプル位置は前腕の裏側である。
【００６４】
一定量の屈折率整合媒体２２が、それが流体であれ変形固体であれ、分析する領域の皮膚表面１２上に配置される。入力素子２０および出力素子２６を備えたセンサ素子１１は、図１の実施形態に示すように、屈折率整合媒体２２と接触させて配置される。代わりに、一定の量の屈折率整合媒体２２をセンサ素子１１と接触配置させ、センサ素子１１を屈折率整合媒体２２を間に挟んだ状態で皮膚表面１２と接触配置させてもよい。いずれの方法でも、入力素子２０および出力素子２６は屈折率整合媒体２２を介して被検体含有組織１０または皮膚表面１２に結合される。屈折率整合媒体２２を介したセンサ素子１１の皮膚表面との結合により、光エネルギーを空気またはプローブと皮膚表面１２との間の空間または皮膚表面１２の不規則部による空気ポケットを介して伝搬させる必要性が排除される。
【００６５】
被検体含有組織１０の中のグルコース濃度を分析する場合、エネルギー源１６からの光エネルギーは赤外線エネルギー１８を入力素子２０に伝達する第１手段を介して伝達される。光エネルギーは入力素子２０から屈折率整合媒体２２を介して皮膚表面１２へと伝達される。皮膚表面１２と接触する光エネルギーは、身体の皮膚表面１２下に含有される様々な成分および被検体（すなわち血管内の血液）によって特異的に吸収される。好ましい実施形態において、吸収されなかった光エネルギーは、屈折率整合媒体２２を介して再び伝搬され、出力素子２６まで反射して戻される。吸収されなかった光エネルギーは、赤外線エネルギー２８をスペクトル分析器３０へ伝達する第２手段を介して伝達される。
【００６６】
図２の別の実施形態において、入力素子２０は皮膚表面１２上で第１の量の屈折率整合媒体２２と接触配置され、出力素子２６は対向する皮膚表面１４上で第２の量の屈折率整合媒体２４と接触配置される。先の実施形態と同様、屈折率整合媒体２２は皮膚表面１２との接触に先立って入力素子２０および出力素子２６と接触配置することが可能である。この別の実施形態に関して、入力素子２０および第１の量の屈折率整合媒体２２を介して伝搬された光エネルギーは被検体含有組織１０によって特異的に吸収され、種々の波長における一定量の光エネルギーは被検体含有組織１０を介して対向するすなわち第２の皮膚表面１４に伝達される。第２の皮膚表面１４から、吸収されなかった光エネルギーは第２の量の屈折率整合媒体２４を介して出力素子２６まで伝搬され、スペクトル分析器３０へと引き続き伝搬され、被検体濃度が計算される。
【００６７】
先に述べたように、本発明の屈折率整合媒体２２は、上述の方法の正確さおよび反復性を向上させるための鍵である。屈折率整合媒体は、好ましくはクロロフルオロカーボンを含む流体組成物であり得る。組成物はクロロフルオロカーボンとペルフルオロカーボンとの混合物であってもよい。好ましい組成物は約８０％〜約９９．８％のクロロフルオロカーボンを含有する。先に述べたように、本発明は測定される対象の被検体を含む試料に出入りする光エネルギーの入力および出力を最良にするために屈折率整合流体を使用する。最も広い意味では、本発明の屈折率整合流体は、本発明のプローブを皮膚表面に単に配置するだけで生じるインターフェースによりも優れた改良型光学インターフェースを形成する任意の流体であり得る。本発明の屈折率整合流体を欠いていると、インターフェースは、空気によって満たされると共に組織を出入りする光に有害な屈折を引き起こす間隙を有する可能性がある。従って、約１．０の空気の屈折率に対して約１．３８の組織の屈折率に近い屈折率を有する屈折率整合流体は改良型インターフェースを提供する。
【００６８】
また出願人は、本発明の装置の有用性のためには、センサの結合が反復可能であり、結果が患者の血中グルコースレベルを正確に反映しているものであることが必要であることも理解している。このため出願人は、本発明の屈折率整合流体が診断用添加剤および／または生理学的添加剤を含有することが好ましいことを見出した。診断用添加剤は、レンズとの組織インターフェースの質の評価および／または機器の現況の性能の評価を提供する。生理学的添加剤は、組織被検体濃度対血液被検体濃度における差を補正するために組織の生理機能を変化させる。これらの添加剤についての議論は以下に行う。
【００６９】
本発明による組織グルコースの非侵襲的測定は、添加剤を屈折率整合流体に入れることで組織が機器と接触配置されたときの流体厚さを評価することにより、改良される。好ましい実施形態において、添加剤は、特定の光の波長において既知の高い吸収率を有する化合物を含有することにより、機器の校正を提供する。さらに、そのような添加剤は正しい屈折率整合流体が機器に使用されていることを保証する。
【００７０】
屈折率整合流体は試料プローブ上の組織の高さに本質的に変化を引き起こすため、この高さを測定することにより、全グルコースまたは他の被検体の測定が支援され、同時に、経路長の補正が、試料上の組織高さの関数としてスペクトル測定に適用される。これによって、組織のスペクトル測定を開始する前に再生可能で一貫した高さの達成が保証され、さらには、組織のスペクトル測定を開始する前の高さの調節が許容される。このように、ユーザは、過剰な適合流体高さ、使用される屈折率適合流体の量の不足、または分析器に対する組織表面の何らかの他の置き違えによる疑似の結果が達成されないことが確かめられる。
【００７１】
研究用分光計は、波長を確立させるレーザー基準信号を組み込むと共に機器が補正されることを保証する、フーリエ変換システムを使用する。しかしながら、エンドユーザに入手できる機器はレーザを使用していない可能性が高く、むしろ回折格子、ＣＣＤアレイ、およびその他のような分散型の機器であり得る。そのような機器に関して、血液被検体の各分析に先立って校正が適切であることを確かめることが重要である。このため、出願人は、既知の光の波長で明確に定義されたスペクトル特徴を有する添加剤の添加が、校正を確実にするために利用できることを見出した。
【００７２】
屈折率整合流体に対して既知のスペクトル活性添加剤を利用することにより、エンドユーザが正しい屈折率整合流体を利用しており、それに対して機器が校正かつプログラムされていることも保証される。様々な屈折率整合流体の使用によって、特定被検体に対する対象領域における光エネルギーの吸収により、非侵襲的分析測定に誤差が生じる可能性がある。
【００７３】
上記反復性、正確さおよび質の保証を達成するために、分光活性剤が好ましくは屈折率整合流体に添加される。該分光活性剤は好ましくは血液被検体を測定する対象領域外に鋭利な吸収帯を有する。例えば、グルコース分析の好ましい方法において、該分光活性剤は４２００−４９００および５４００−７２００波数の範囲外で活性である。該分光活性剤は、グルコース濃度を計算するために実際に使用される波長と実質的な重複がない限り、上記範囲で活性であってもよい。該添加剤は、ペルフルオロ炭化水素に適当な官能基を配置することにより製造可能である。ペルフルオロ炭化水素は特に対象の領域でスペクトル不活性であるが、ペルフルオロ炭化水素上に配置された官能基はスペクトル活性であり得る。さらに、そのような官能基は対象の血液被検体の分析とは干渉しない。例証的な化合物には、ペルフルオロ−２−ブチルテトラヒドロフランおよびペルフルオロ塩化スクシニルが含まれる。
【００７４】
別の実施形態において、屈折率整合流体および診断用添加剤は、両方の機能を提供する同じ１つの流体から成り得る。例えば、ペルフルオロ−２−ブチルテトラヒドロフランは、光学インターフェースを改善すると同時に、化合物を診断の目的で所望範囲において分光学的に活性にする屈折率整合媒体として使用される。
【００７５】
本発明の近赤外線エネルギーは、好ましくはグルコース等の血液被検体を測定するのに好ましくは使用される。しかしながら、該光エネルギーは皮膚に全体として信号を送るのに対し、血管は皮膚体積の１０％未満を占める。それゆえ、実際には全皮膚グルコース含量が血中グルコース濃度に対する代用物として使用されている。この事実は、血中グルコースレベルが早く上昇または下降している時のように組織グルコース濃度と血管グルコース濃度との間に大きな差がある場合、不正確な試験結果につながり得る。血中グルコースは、食事後や肝臓によるグルコース生産の間、急に上昇するが、他方、皮膚グルコース濃度では釣り合ってはいるが遅い上昇が存在する。この遅れは、グルコースが皮膚の水区画に拡散するのに一定時間が必要なため、上昇の大きさおよび拡散に利用できる毛細血管の表面積に依存して、数分〜数十分間かかり得る。出願人は、分析領域における表在皮膚毛細血管の流れを増大させることにより、毛細血管の表面積が増大し、血管から皮膚へのグルコースの拡散速度も大いに増大することを見出した。これは、平衡時間の減少と、血中グルコースと皮膚水グルコース濃度の間の不均衡による測定誤差の有意な減少を顕著に生じる。
【００７６】
出願人は、局所適用される血管拡張剤が、平衡化の改良を提供し得ることを見出した。そのような血管拡張剤は、皮膚へ拡散し、毛細血管に血液を供給する小動脈上のアドレナリン作動性レセプターを遮断することにより作用する。この結果、動脈括約筋の拡張、流れに対する抵抗の減少、および毛細血管の圧力および大きさの増大が起こる。多数の好ましい血管拡張剤には、メチルニコチンアミド、ミノキシジル、ニトログリセリン、ヒスタミン、メントール、およびカプサイシンが含まれる。
【００７７】
該化合物は、イソロピルアルコール等の親水性添加剤を含有し得る。親水性添加剤は、皮膚表面に水分を結びつけ、媒体と皮膚との間のインターフェースを改良すると考えられる。さらに、屈折率整合媒体は皮膚の試料箇所で油を結合させると共に、該油の影響を減らすクレンジング剤を含有する。界面活性剤も組成物に含まれ得る。界面活性剤は組織の濡れを改良し、従って接触を改良する。最後に、防腐化合物が屈折率整合媒体に添加され得る。
【００７８】
本発明の別の実施形態において、光学センサ素子と組織との間の屈折率整合は変形固体によって行われる。変形固体は、皮膚の不均質な表面を一部原因とする空隙が最小となるように、その形状が変更され得る。変形固体には、少なくともゼラチン、接着テープ、および適用の際には液体であるが時間が経つと固体になる物質が含まれる。
【００７９】
屈折率整合媒体は、好ましくは１．３０−１．４５の屈折率を有し、より好ましくは１．３５−１．４０の屈折率を有する。この範囲の屈折率を利用することにより、上記方法の反復性および正確さが改良されることが示される。屈折率整合媒体の屈折率は、光エネルギーが該媒体を通過するときの屈折を防止するために、組成を通じて一貫していなければいけないことが認識されている。例えば、屈折率整合媒体には、屈折率の不連続性を起こさせる空気の気泡が存在してはならない。
【００８０】
好ましい実施形態において、組織におけるグルコース濃度は、第１に出力センサによって受け取られる光の強度を測定することにより決定される。測定された強度は、校正モデルと組み合わせて、組織グルコース濃度を予測するために多変量アルゴリズムによって使用される。校正モデルは、経験的に校正試料中のグルコース濃度を前記校正試料から得られた測定強度変数と関連付ける。好ましい実施形態において、使用される多変量アルゴリズムは部分最小二乗法であるが、他の多変量法も使用可能である。
【００８１】
入力素子センサからの入力赤外線エネルギーは、屈折率整合媒体２２を介して被検体含有試料または血液に結合される。従って、試料の組成の関数として赤外線エネルギーのいくつかの波長では吸収に違いがある。この吸収の違いは、被検体含有試料を通過する赤外線エネルギーの強度の変化を生じる。赤外線エネルギーの誘導された強度変化は、被検体含有試料を介して反射または透過によってセンサの出力素子に受け取られる。出力素子も、屈折率整合媒体２２を介して血液または被検体含有試料に結合される。
【００８２】
本発明のスペクトル分析器３０は、好ましくは、周波数分散装置およびフォトダイオードアレイ検出器を、そのような装置から受け取ったデータを上記に論じたモデルと比較するコンピュータと共に有する。好ましいことであるが、出力エネルギーを分析する他の方法を利用してもよい。
【００８３】
周波数分散装置およびフォトダイオードアレイ検出器は、アレイが多数の出力配線を有し、そのうちの１つがエネルギー源１６の特定波長または狭い波長に割り当てられるように、配置される。配線の各々に生成された電圧の振幅は、検出器に関連するエネルギー源の波長に対する、アレイの各特定検出器に入射する赤外線エネルギーの強度と釣り合っている。一般に、アレイ検出器のフォトダイオードは光起電性というより受動的であるが、光起電性装置を使用してもよい。アレイ検出器のダイオードには、電源からケーブルを介してアレイ検出器のダイオードに結合されるように、ＤＣ電源が供給される。アレイ検出器のダイオード素子のインピーダンスは、各特定のフォトダイオード素子に関してエネルギー源１６の通過帯でアレイ検出器に入射する、光学エネルギーの強度の関数として変化する。このインピーダンスの変化によりアレイ検出器によってランダムアクセスメモリコンピュータに供給される信号の増幅を制御することが可能である。
【００８４】
コンピュータは、一連の校正サンプルにおける既知のグルコース濃度をいくつかの波長における前記校正試料からの測定強度変化と経験的に関連させた多変量校正モデルを内部に記憶させたメモリを有する。そのようなモデルは統計学者に公知の技術を用いて構成される。
【００８５】
コンピュータは、測定された強度変化、校正モデルおよび多変量アルゴリズムを用いて、被検体含有試料１０の被検体濃度を予測する。好ましくは、計算は、ロビンソン（Robinson）ら、米国特許第４，９７５，５８１号に開示された部分最小二乗法により行われる。該特許は参照により本明細書に組み込まれる。
【００８６】
多変量分析に対するデータを導き出すために、エネルギー源１６の全スペクトル周波数範囲から少なくともいくつかの波長を同時に利用することにより、検出精度にかなりの改良が得られることが見出されている。多変量法は、検出と、干渉に対する補正、つまり無意味な結果の検出と同様、多くの非線形の種類のモデリングを導くために使用される校正試料は、多変量の基礎に基づいて分析され、被検体含有組織１０における未知の生物材料の存在が分析を妨げたり歪ませたりすることはない。これは、そのような未知の生物材料がモデルの形成に使用される校正サンプル中に存在するからである。
【００８７】
コンピュータにより部分最小二乗法のアルゴリズム、校正モデルおよび測定強度変化が使用され、被検体含有組織１０の被検体濃度が決定される。コンピュータにより導き出された指標が従来の英数字視覚表示装置に結合される。
【００８８】
（実験）
同じ装置について屈折率整合媒体を使用しなかった場合に対する屈折率整合媒体を用いた影響を証明するために、比較研究を行った。図３を参照する。図３は実験結果を示すグラフ図であり、図中、線５０は屈折率整合媒体を使用しなかった分析を示し、線５２は、センサ素子が屈折率整合媒体を介して皮膚表面に結合された場合の結果の正確さの改良を証明する。試験を行うために、屈折率整合媒体を用いるか用いないで、２分間の解像データ収集により、前腕のサンプリングを行った。
【００８９】
実験を行うために使用された装置には、４ｍｍ ＤＩＡ インジウム アンチモン化合物（ＩｎＳｂ）単一素子検出器を備えたパーキン エルマー（Perkin-Elmer）（コネチカット州ノーウォーク（Norwalk ）所在）システム２０００フーリエ変換赤外分光計（ＦＴＩＲ）が含まれていた。光源は、ギルウェイテクニカルランプ（Gilway Technical Lamp ）社（マサチューセッツ州ウォーバーン（Woburn）所在）の１００ワット石英タングステンハロゲン電球であった。干渉計は、赤外透過石英ビームスプリッターを使用した。データ収集はパーキンエルマーＴＲ−ＩＲソフトウェアを実行しているＰＣへのトランスピュータの結合により行った。データの可視化はＭａｔｌａｂ（マスワークス（MathWorks ）社、マサチューセッツ州ネーティック（Natick）所在）で実現した。サンプリング用光学機器は内部構築し、１９９５年８月９日出願の同時係属中の出願番号第０８／５１３，０９４号、発明の名称「改良型拡散反射率監視装置（ "Improved Diffuse Reflectance Monitoring Apparatus"）」であって、１９９７年６月１０日に発行された米国特許第５，６３６，６３３号に開示されたような光学システムの一部から成っていた。そのような機器パラメータは両方のスペクトルの収集に対して同一であった。
【００９０】
実験手順は以下のようにした。サンプリング表面は、その丸みをもった側面が下方を向くと同時にその平坦面が水平方向に配置されるように取り付けられたＭｇＦ₂半球から成る。光は下方から半球に発せられた。半球の平坦面、半球に対する取付部、および取付部に対するホルダはすべて、面一な水平サンプリング面を有していた。患者の腕を該表面に接して下方に配置し、前腕の裏面が半球のサンプリング面に接して横たわるようにした。前腕の該領域は前もって剃毛しておき、石鹸と水で洗浄し、イソプロピルアルコールで拭いた。次に腕を加圧帯で被覆し、該加圧帯を圧力３０ｍｍＨｇまで上昇させた。加圧帯は腕を固定すると共に、半球に対する腕の動きを防止するように作用した。サンプリング面は抵抗加熱素子および熱電対フィードバック装置により２８℃の一定温度に保持した。腕を装置内に配置した後、腕をサンプリングに先立って３０秒間平衡化させた。
【００９１】
図３を参照する。上側の跡、すなわち符号５０は、屈折率整合媒体を欠いた場合の前述したモードでのサンプリングにより得られた結果を示す。下側の跡、すなわち符号５２は、腕を置く前に半球表面に１００μｌのクロロトリフルオロエテンを適用した。いくつかの顕著な相違が存在する。最も顕著なのは、データの広がりである。符号５０および５２の各々は多数のスペクトルから構成されている。ＦＬＵＯＲＯＬＵＢＥを用いると、すべてのスペクトルは互いに非常に密接に重なっている。これは、インターフェースが非常に安定であることを示す。ＦＬＵＯＲＯＬＵＢＥを用いないと、インターフェースが極めて不安定である。また、５２００ｃｍ^-1付近のデータも顕著である。これは最も強い水の帯の位置である。ＦＬＵＯＲＯＬＵＢＥを用いないと、鏡面反射光によって汚染されているため、このバンドは弱くなる。実際、データの広がりはこの帯において最も大きいことに留意する。実際、２つの跡の差は、大いに鏡面汚染からの疑似エネルギーに因る。
【００９２】
本明細書によって包含される本発明の新たな性質および効果を以上の説明に述べてきた。しかしながら、本開示は多くの点で例証的なものにすぎない。本発明の範囲から逸脱することなく、詳細、特に部分の形状、大きさ、および配置に関して、変更を行うことが可能である。本発明の範囲が添付の請求の範囲に表現された文言で定義されることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１】屈折率適合流体を介して皮膚表面に結合されるセンサ素子の部分断面図。
【図２】屈折率適合流体を介して皮膚表面の両側に結合されるセンサ素子の別の実施形態の部分断面図。
【図３】屈折率整合媒体を介して皮膚に結合されるセンサの正確さおよび再現性を示す実験データのグラフ図。

Claims (33)

1. 人の組織中の血液被検体の濃度を非侵襲的に測定する方法であって、
   赤外吸収を測定する装置を提供する工程と、前記装置は、前記被検体が吸収を行うことによる被検体濃度に関連する選択波長を含めた複数の波長で赤外線エネルギーを放射すると共に、入力素子に機能的に接続されたエネルギー源を有し、前記装置は、スペクトル分析器に機能的に接続された出力素子をさらに有することと、
   前記選択波長で赤外線エネルギーを最小に吸収すると共に約１．３０から１．４５の屈折率を有する屈折率整合媒体を提供し、一定量の前記媒体を前記人の組織と前記入力素子および出力素子との間に配置して、前記両素子を前記屈折率整合媒体を介して前記被検体含有組織に結合させる工程と、
   前記組織を前記入力素子を介して複数の波長の赤外線エネルギーで照射し、前記波長の少なくとも一部で吸収差が存在するようにする工程と、
   吸収されなかった赤外線エネルギーの少なくとも一部を前記出力素子により吸収の分析用に収集し、その後アルゴリズムおよびモデルを用いて血液被検体濃度を計算する工程とから成る方法。
2. 前記入力素子および出力素子が１つのセンサ素子に組み込まれている請求項１に記載の方法。
3. 前記屈折率整合媒体が、照射されている組織の屈折率に非常に適合する屈折率を有する請求項１に記載の方法。
4. 前記屈折率整合媒体が、該媒体中に分散される診断用添加剤をさらに含有する請求項１に記載の方法。
5. 前記診断用添加剤は、前記選択波長以外の波長において鋭利な吸光度を示す分光活性剤である請求項４に記載の方法。
6. 前記診断用添加剤は、ペルフルオロ−２−ブチルテトラヒドロフラン、ペルフルオロ塩化スクシニルおよびそれらの混合物から成る群より選択される請求項４に記載の方法。
7. 前記屈折率適合媒体は、生理学的添加剤をさらに含有する請求項１に記載の方法。
8. 前記生理学的添加剤は血管拡張剤である請求項７に記載の方法。
9. 前記血管拡張剤は、メチルニコチン酸塩、ミノキシジル、ニトログリセ
   リン、ヒスタミン、メントール、カプサイシンおよびそれらの混合物から成る群より選択される請求項８に記載の方法。
10. 人の組織中の血液被検体の濃度を非侵襲的に測定する方法であって、
    赤外吸収を測定する装置を提供する工程と、前記装置は、前記被検体の吸収を行うことによる被検体濃度に関連する選択波長を含めた複数の波長で赤外線エネルギーを放射すると共に、入力素子に機能的に接続されたエネルギー源を有し、前記装置は、スペクトル分析器に機能的に接続された出力素子をさらに有することと、
    前記選択波長において実質的に分光学的に非活性なクロロフルオロカーボンポリマーを含有する屈折率整合媒体を提供し、一定量の前記媒体を前記人組織と前記入力素子および出力素子との間に配置して、前記両素子を前記屈折率整合媒体を介して前記被検体含有組織に結合させる工程と、
    前記組織を前記入力素子を介して複数の波長の赤外線エネルギーで照射し、前記波長の少なくとも一部で吸収差が存在するようにする工程と、
    吸収されなかった赤外線エネルギーの少なくとも一部を前記出力素子により収集し、その後アルゴリズムおよびモデルを用いて血液被検体濃度を計算する工程と
    から成る方法。
11. 前記入力素子および出力素子が１つのセンサ素子に組み込まれている請求項１０に記載の方法。
12. 前記屈折率整合媒体が、照射されている組織の屈折率に非常に適合する屈折率を有する請求項１０に記載の方法。
13. 前記屈折率整合媒体が、該媒体中に分散される診断用添加剤をさらに含有する請求項１０に記載の方法。
14. 前記診断用添加剤は、前記選択波長以外の波長において鋭利な吸光度を示す分光活性剤である請求項１０に記載の方法。
15. 前記診断用添加剤は、ペルフルオロ−２−ブチルテトラヒドロフラン、ペルフルオロ塩化スクシニルおよびそれらの混合物から成る群より選択される請求項１３に記載の方法。
16. 前記屈折率適合媒体は、生理学的添加剤をさらに含有する請求項１０に記載の方法。
17. 前記生理学的添加剤は血管拡張剤である請求項１６に記載の方法。
18. 前記血管拡張剤は、メチルニコチン酸塩、ミノキシジル、ニトログリセリン、ヒスタミン、メントール、カプサイシンおよびそれらの混合物から成る群より選択される請求項１７に記載の方法。
19. 身体の皮膚表面下の成分による赤外線エネルギーの吸収を選択された複数の波長で測定する際に身体の皮膚表面と分光センサ素子との間に光学インターフェースを提供する流体組成物であって、
    前記選択波長で赤外線エネルギーを最小に吸収すると共に１．０よりも大きい屈折率を有する非毒性流体
    を含む流体組成物。
20. 前記選択波長以外の波長において鋭利な吸光度を示す分光活性剤である有効量の診断用添加剤をさらに含む請求項１９に記載の流体組成物。
21. 前記診断用添加剤は、ペルフルオロ−２−ブチルテトラヒドロフラン、ペルフルオロ塩化スクシニルおよびそれらの混合物から成る群より選択される請求項２０に記載の流体組成物。
22. 有効量の生理学的添加剤をさらに含む請求項１９に記載の流体組成物。
23. 前記生理学的添加剤は血管拡張剤である請求項２２に記載の流体組成物。
24. 前記血管拡張剤は、メチルニコチン酸塩、ミノキシジル、ニトログリセリン、ヒスタミン、メントール、カプサイシンおよびそれらの混合物から成る群より選
    択される請求項２３に記載の流体組成物。
25. 身体の皮膚表面下での成分による赤外線エネルギーの吸収を選択された複数の波長で測定する際に身体の皮膚表面と分光センサ素子との間に光学インターフェースを提供する流体組成物であって、
    約８０％〜約９９．８％のクロロフルオロカーボンポリマーと
    約０．２％〜約２０％の診断用添加剤と
    を含む流体組成物。
26. 前記診断用添加剤は、前記選択波長以外の波長において鋭利な吸光度を示す分光活性剤である請求項２５に記載の流体組成物。
27. 前記診断用添加剤が、ペルフルオロ−２−ブチルテトラヒドロフラン、ペルフルオロ塩化スクシニルおよびそれらの混合物から成る群より選択される請求項２６に記載の流体組成物。
28. 身体の皮膚表面下での成分による赤外線エネルギーの吸収を複数の波長で測定する際に身体上の皮膚表面と分光センサ素子との間に光学インターフェースを提供する流体組成物であって、
    約８０％〜約９９．８％のクロロフルオロカーボンポリマーと
    約０．２％〜約２０％の生理学的添加剤と
    を含む流体組成物。
29. 前記生理学的添加剤は血管拡張剤である請求項２８に記載の流体組成物。
30. 前記血管拡張剤は、メチルニコチン酸塩、ミノキシジル、ニトログリセリン、ヒスタミン、メントール、カプサイシンおよびそれらの混合物から成る群より選択される請求項２９に記載の流体組成物。
31. 身体の皮膚表面下での成分による赤外線エネルギーの吸収を選択された複数の波長で測定する際に身体の皮膚表面と分光センサ素子との間に光学インターフェースを提供する多機能流体化合物であって、
    １．０よりも大きい屈折率を有する非毒性流体と、前記非毒性流体は前記選択された波長以外の波長において前記非毒性流体を光学的に活性にする官能基を有することと
    を有する流体化合物。
32. 前記官能基を有する前記非毒性流体が、前記選択された波長以外の波長において鋭利な吸光度を示す請求項３１に記載の流体化合物。
33. 前記官能基を有する前記非毒性流体がペルフルオロ−２−ブチルテトラヒドロフランである請求項３１に記載の流体化合物。

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