JP4599872B2 - 血糖計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、生体の皮膚組織に照射した近赤外光の皮膚組織からの拡散反射光を受光して皮膚スペクトル測定を行うことでグルコース濃度（血糖値）の計測を行う血糖計測装置に関するものである。

生体組織に近赤外光を照射して生体組織内を拡散反射した光を測定することでスペクトル信号を得て、ここから生体組織の定性・定量分析を行う近赤外分光法は、生体内の種々の情報を試薬を必要とせずに非侵襲的に且つその場で即時に得ることができることから、多くの生体分析用途で注目されている。例えば、近赤外光のある特異波長での吸収強度はグルコースの存在により変化するので、その波長を含む生体組織からの拡散反射光のスペクトルを測定し、特異波長の信号を多変量解析することで、生体内のグルコース濃度を検出することができる。

このような生体組織からのスペクトルを利用して血糖値の計測を行う血糖計測装置としては、特開昭６０−２３６６３１号公報、特公平３−４７０９９号公報、特開平１１−７０１０１号公報などがある。

この場合、皮膚表面から表皮の近くを通る血管に近赤外線を照射し、その反射光のスペクトルを分析するわけであり、吸光量はきわめて微量であることから、信号・雑音比などの点から比較的大きな光源を用いることが必須となっており、これに伴って血糖計測装置もどうしても大型のものとなってしまう。
特開昭６０−２３６６３１号公報 特公平３−４７０９９号公報 特開平１１−７０１０１号公報

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、照射する光量が少なくてもすむために小型化の点で有利な血糖計測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血糖計測装置は、生体組織に近赤外光を照射して生体組織内を拡散反射した光を測定することで得たスペクトル信号から血糖計測を行う血糖計測装置であって、生体に超音波を照射することで生体の血管中からグルコースを抽出する超音波照射手段と、生体内に定在波を発生させるとともに該定在波の周波数を漸次変化させて上記抽出されたグルコースを生体表面に向けて移動させる超音波照射手段とを備えていることに特徴を有している。血管中のグルコース濃度ではなく、生体表面に移送集積させたグルコース濃度を計測することができるようにしたものである。

この場合、グルコースの抽出用の超音波照射手段がグルコースを生体表面に向けて移動させる超音波照射手段を兼ねていてもよい。

本発明に係る血糖計測装置では、生体の血管中のグルコースを抽出して生体の表面に近いところに移送集積させた状態で計測を行うことができるものであり、近赤外光として大光量のものを用いなくても信号・雑音比を低くすることができるために、小型で携帯性に富むものを得ることができる。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図１は本発明に係る血糖計測装置を示しており、図中１は光源１０から出力される近赤外光を生体９の表面に導くとともに生体９からの反射光を受光素子１１へと導く測定用プローブ、２は同じく光源１０から出力される近赤外光を参照板に照射してその反射光を受光素子１１へと導く参照用プローブであり、これらプローブ１，２を囲むようにしてリング状の超音波振動子３を配置してある。この超音波振動子３は、振幅・周波数が可変となっている駆動回路３１によって駆動されることで発生する超音波を音響インピーダンス緩衝材３０を介して生体９の表面に加えるものである。

また、図中１３は受光素子１１の出力をＡ／Ｄ変換するコンバータ、１４は受光したスペクトルを記憶する記憶部、１５はスペクトルにおける吸光度から特異波長の信号を多変量解析することで、血糖値の代用特性として生体内のグルコース濃度を検出して血糖値を算出する演算部、１６は算出された血糖値を表示する表示部、１８は上記の各部の制御を司る制御部、１９は上記光源１０や上記駆動回路３１の動作制御に際して用いられるタイマー回路である。なお、プローブ１，２や演算部１５などの詳細については前述の従来例と同様のものを用いることができるために、ここでは詳しい説明を省略する。

本発明においては、上記駆動回路３１で超音波振動子３を駆動することで超音波を生体に照射するのであるが、ここでの照射は次の２つの段階で行う。

第１段階の超音波照射は、血管中からグルコースを抽出することを目的として、２０ｋＨｚ近辺の低周波超音波を用いる。超音波を照射することでグルコースが血管中から抽出されることに関しては、論文「Transdermal monitoring of glucose and other analytes using ultrasound（Nature Medicin,Volume6, Number3, March 2000)」に記されているように、表皮の組織の分解等により皮膚内のグルコースを含む分子の浸透性が向上することによるものと推察されている。なお、周波数としては上記周波数に限るものではない上に、周波数よりも音圧による影響の方が大であることも確認されている。

そして第２段階の超音波照射は、生体内に定在波を発生させて定在波の節（減圧部）にグルコースを集積させるとともにこの定在波の周波数を漸次高くすることで、節の位置を移動させることで、血管中から抽出したグルコースを生体表面側へと移送集積させるために行う。

この場合、次のような手順で超音波を発生させる。すなわち、超音波振動子３を生体に接触させた状態でパルス状に１回駆動して、その反射波を検出する。反射波の検出は超音波振動子３を利用することもできるが、下記の制御の点で別途超音波センサーを用いることが好ましい。

そして入射波と反射波との時間間隔から超音波の反射位置（一般的には生体内の骨や皮下脂肪の表面で血管より深い位置にある）までの距離ｌを求めるとともに、検出電圧から反射位置での反射係数ｒを計算する。そして、人体内部での平均の音速をｖとする時、ｆn＝ｎｖ／２ｌ（ｎ＝１，２…）を満たす基準周波数ｆnを計算し、駆動回路３１をタイマー回路１９で制御することで、周波数ｆnで且つ振幅がｎ／２ｆn秒ごとにａH，ａL（ただしａL＝ｒａH）に切り替わる超音波を発生させる。図２はこの時の波形を示している。このような超音波を照射した時には、振幅が大の超音波の反射波と、振幅が小の時の入射波とが同一振幅で重畳して定在波が発生する。なお、振幅が小の超音波の反射波（振幅はｒ2ａH）は振幅が大の超音波の入射波に重なるが、反射係数ｒがかなり小さいために、この反射波は無視することができ、従って振幅が大の超音波が入射する時は進行波に近似することができる。このために、超音波振動子３と上記反射位置との間の経路間に進行波と定在波とが交互に生ずる状態となる。

次いで駆動回路３１による制御で、図２(b)に示すように所定の時間間隔で周波数をｆn→ｆn+1→ｆn+2…ｆn+iと変化させる（ｉはステップ数であり、定数として定めておく）。その後、周波数をｆnに戻し、再度所定の時間間隔で周波数をｆn→ｆn+1→ｆn+2…ｆn+iと変化させる。

このように周波数を変化させた場合、図３に示すように、定在波の腹・節の位置が変化することに伴い、グルコースは生体表面側へと寄せられてくることから、この時点で前記測定用プローブ１を用いて血糖計測を行うことで、近赤外光を血管位置まで照射してその反射光を拾う場合に比して、生体表面のきわめて浅い位置まで近赤外光を照射して反射光を拾うだけでよく、しかもグルコースが生体の表面近くに集積された状態で存在していることから、グルコースに起因する吸光度変化も確実に検出することができるものであり、低光量で確実な血糖値計測を行うことができる。

定在波の発生をより確実にするには、周波数をあるレンジだけ所定のステップで変化させ、受信した超音波（反射波）の振幅が極大且つ最大になる周波数を探して、その周波数を定在波形成周波数とする。また、図４に示すように、対の超音波振動子３，３を設けて、両者の間に生体９を位置させると、より確実で振幅が大の定在波を発生させることができる。

ところで、超音波の定在波を利用してグルコースを生体表面に移送集積させる場合など、前述したところから明らかなように、超音波の発生と同時に反射した超音波を受信する必要があることから、超音波振動子３の他に別途超音波センサ３３が必要となるが、この場合、図１０(a)に示すように、超音波振動子３の外周に複数の超音波センサ３３を等間隔で配置したり、図１０(b)に示すように、超音波振動子３の中心部に超音波センサ３３を配置したものを好適に用いることができる。

また、超音波振動子３を生体９に接触させて超音波を生体９内に照射する場合、接触部の音響インピーダンス低減のために、音響インピーダンス緩衝材３０を介在させる必要がある。この音響インピーダンス緩衝材３０には超音波エコー診断などでは生体表面に塗布する専用のゲルを用いているが、このような塗布操作は面倒であることから、ゲル状のシートからなるとともに超音波振動子３に接着固定する音響インピーダンス緩衝材３０を好適に用いることができる。図１１に示すように、水を袋に詰めたウォータークッションを交換可能な音響インピーダンス緩衝材３０として用いるようにしてもよい。いずれの音響インピーダンス緩衝材３０にしても、必要に応じて交換することができるようにしておくのが好ましい。

以下、参考例を示す。図５に示す例は超音波照射で血管中から抽出したグルコースの生体内移動を、上記超音波の第２段階照射によってではなく、逆イオントフォレシスを用いて行うものであり、生体表面にプラス及びマイナスの電極４１，４２を接触させて生体表面上に０．１〜１ｍＡの微弱電流を流せば、電極４１，４２間に生じる電位差によって生体内でプラスからマイナスに向かう電界が形成され、プラス側電極４１には生体内に存在するナトリウムイオン等の陰イオンが移動し、マイナス側電極４２には塩化物イオン等の陽イオンが移動する。このイオンの移動によって生体内に対流が生じて、グルコース分子が生体の表皮内あるいは表皮近くまで移動する。電極４１，４２の配置は、リング状のものを同心に配置するほか、図６に示すように外周側に位置する電極４１だけリング状となっているものでもよく、更にはリング状であることに限定されるものではないが、リング状の電極４１，４２を用いてその内側に超音波振動子３やプローブ１を配置することがグルコースの集積とその分析について有利となる。

また、図６に示しているように、超音波振動子３も近赤外光の照射受光部であるプローブ１を囲むリング状である必要はなく、プローブ１近辺に配置できるものであればよい。

図７は、超音波照射で血管中から抽出したグルコースの生体内移動を吸引によって行うものを示している。図中５は吸引ポンプ、５０はポンプ駆動用モータである。吸引ポンプ５０によって減圧される減圧室５１の壁面には図８(a)にも示すように光透過窓５２が形成されており、減圧室５１の内外に配置されている反射鏡５３，５４と上記光透過窓５２とにより、減圧室５１の開口面を生体９に接触させた時、減圧室５１外に配置されたプローブ１は減圧室５１に面した生体表面に近赤外光を照射するとともに生体９からの反射光を受ける。もちろん、図８(b)に示すように、減圧室５１内にプローブ１を配置していてもよく、更には図９に示すように、減圧室５１の近傍にプローブ５１を配して減圧室５１を生体９に接触させた時に減圧室５１の近傍の生体９表面にプローブ５１が接触するようにしたものであってもよい。

もっとも、減圧室５１に面した生体９表面に近赤外光を照射するとともにここからの反射光を受けられるようにしている場合、減圧吸引によって生体９表面に滲出した組織間質液９０をスペクトルの測定対象とすることができるために、信号・雑音比を更に低減することができる。

また血管からのグルコースの抽出を目的とする超音波照射については、生体９表面に非接触状態で照射するようにしてもよく、この場合は図１２に示すように生体９内の血管が位置する深さ位置に超音波を集中させる音響レンズ３４を用いることで、血管位置での音圧を高めて、グルコースの抽出効果を向上させることができる。図１３に示すように、微小な超音波振動子３をアレイ状に配置してこれら超音波振動子３から発する超音波の位相を目標位置において音圧が最大となるように制御してもグルコースの抽出効果を向上させることができる。

非接触型の超音波振動子３による超音波照射手段と、生体表面に接触させた電極４１，４２間に微弱電流を流すことで生体内イオンを電極付近に移動させる電位差発生手段とを組み合わせた場合の例を図１４に、非接触型の超音波振動子３による超音波照射手段と、生体表面を吸引減圧する減圧手段とを組み合わせた例を図１５に示す。

本発明の実施の形態の一例を示すもので、(a)はブロック図、(b)は底面図である。 (a)は超音波の波形の説明図、(b)は超音波の周波数変化の説明図である。 (a)(b)は定在波によるグルコースの移送集積の説明図、(c)は超音波の定在波変化の説明図である。 超音波振動子の配置の他例を示す概略断面図である。 参考例を示すもので、(a)はブロック図、(b)は底面図である。 同上の他例を示すもので、(a)は断面図、(b)は底面図である。 別の一例を示すもので、(a)はブロック図、(b)は底面図である。 (a)は同上の部分拡大断面図、(b)は他例の断面図である。 更に他例を示すもので、(a)は断面図、(b)は底面図である。 実施形態の他の一例を示すもので、(a)(b)は共に超音波振動子と超音波センサの配置例を示す底面図である。 実施形態の別の一例を示すもので、音響インピーダンス緩衝材の他例を示すもので、(a)は断面図、(b)は分解断面図である。 (a)(b)は超音波振動子と音響レンズの例を示す断面図である。 (a)(b)はアレイ状超音波振動子の一例を示すもので、(a)は断面図、(b)は底面図である。 別の例を示すもので、(a)は断面図、(b)は底面図である。 更に他例を示すもので、(a)は断面図、(b)は底面図である。

１ 測定用プローブ
３ 超音波振動子
９ 生体

Claims (2)

1. 生体組織に近赤外光を照射して生体組織内を拡散反射した光を測定することで得たスペクトル信号から血糖計測を行う血糖計測装置であって、生体に超音波を照射することで生体の血管中からグルコースを抽出する超音波照射手段と、生体内に定在波を発生させるとともに該定在波の周波数を漸次変化させて上記抽出されたグルコースを生体表面に向けて移動させる超音波照射手段とを備えていることを特徴とする血糖計測装置。
2. 上記グルコースの抽出用の超音波照射手段が上記グルコースを生体表面に向けて移動させる超音波照射手段を兼ねていることを特徴とする請求項１記載の血糖計測装置。

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