JP4688402B2 - 組織の水分補給効果の補償による分析物濃度の非観血的決定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、組織内の分析物濃度の非観血的決定に関する。より詳細には、本発明は、病状の変化または生理的状態の変化から生じる組織の水分含量の変化を補償することによる組織内の分析物濃度の非観血的決定に関する。
【０００２】
２．技術の考察
代謝物の非観血的光学モニタリングは、臨床診断上、重要なツールである。観血的処置を施すことなく、人間の被検者の分析物濃度または病状を判断できることは、観血的処置による判断と比較して、いくつかの利点がある。これらの利点には、たとえば、検査を容易に行うことができ、痛みを減らし、潜在的バイオハザードへの暴露を減少させることが含まれる。非観血的処置の使用により、一般に、検査の頻度が高くなり、モニタリングおよび制御の精度が上がり、患者への医療が改善される。本明細書で使用するように、「非観血的」技法（あるいは本明細書で「ＮＩ技法」と呼ぶ）は、身体の組織からサンプルを採らず、また身体の組織に機器を挿入せずに使用可能な技法である。非観血的技法は、通常、身体の血管領域を電磁放射線で照射し、組織による光の吸収、散乱、および放射の結果得られるスペクトル情報を測定するものである。
【０００３】
電磁スペクトルの５５０〜１３００ｎｍ領域における測定は、非観血的決定の分野で一般に使用されている。このスペクトル領域は、ヘモグロビンの吸収に特徴的な可視帯と水分吸収に特徴的な赤外帯の間に位置する。電磁放射線は、組織内に十分な深さまで貫通し、スペクトル測定または治療に使用できる。
【０００４】
ヘモグロビンおよびヘマトクリットの値の非観血的決定は、供血センターでの使用に適した、簡単で、バイオハザードの恐れのない、無痛の処置を提供する。ヘモグロビンおよびヘマトクリットの値の非観血的決定は、小児の採血に伴う痛みが取り除かれるため、乳児や母親の貧血の診断に有効である。ヘマトクリット値の非観血的決定は、透析を受けている患者についての重要な診断上の情報をもたらすことができる。低いヘマクトリット値は、透析が不完全であることを示し、透析中のヘマトクリット値の急激な上昇は、患者が血圧降下のために失神する可能性があることを示す。
【０００５】
非観血的診断の重要な適用分野は、糖尿病の診断およびモニタリングの分野である。糖尿病は、絶対的または相対的なインスリン欠乏、高血糖、および糖尿を特徴とする慢性の代謝異常である。管理されない場合、糖尿病は、たとえば網膜症、アテローム硬化症、細小血管症、腎症、神経障害など様々な有害な臨床症状を生じる可能性がある。糖尿病が進行した段階では、失明、昏睡状態になることがあり、最終的に死に至る可能性もある。血糖値を「正常範囲」の６０〜１２０ｍｇ／ｄＬに正確に管理することは、糖尿病患者が低血糖および高血糖から生じる合併症を回避または軽減するために必要である。本明細書で使用するように、「血糖値」とは、ｍｇ／ｄＬで、またはｍＭ（モル）濃度として表される（使用するサンプルに応じて）静脈または毛細血管内のグルコースの濃度を意味する。
【０００６】
電磁スペクトルの近赤外領域は、ヘモグロビンおよび水分吸収帯の部分を含む。これらの帯は、グルコース上音（ｏｖｅｒｔｏｎｅ）吸収帯よりも数桁強い。したがって、血糖値の測定値は、ヘモグロビン吸収および水分吸収の変化によって大きく影響される。
【０００７】
米国特許第５，０８６，２２９号、第５，３２４，９７９号および第５，２３７，１７８号は、血糖値を測定するための非観血的技法を記載している。これらの技法では、血液を含む身体部分を照射し、身体部分を透過した、または身体部分から反射した光を検出する。測定されたシグナルから血糖値を計算する。これらの特許は、測定したシグナルに対する身体の水分含量の変化の効果に関しては、何も述べていない。
【０００８】
米国特許第５，１８７，６７２号、第５，１２２，９７４号、第５，４９２，５，４９２，１１８号、第５，７１３，３５２号、および第５，７７０，４５４号は、組織の散乱係数を決定し分析物濃度を計算するための周波数領域の方法および装置を記載しているが、測定した散乱シグナルに対する身体の水分含量の変化の効果に関しては、何も述べていない。
【０００９】
米国特許第５，３３７，７４５号は、血流内の化合物濃度を決定するための拍動に基づく方法を記載している。
【００１０】
米国特許第５，５５１，４２２号、第５，６７６，１４３号、第５，４９２，１１８号、第５，０５７，６９５号、および欧州特許出願ＥＰ０８１０４２９号に記載されている、空間分解拡散反射率技法（Ｓｐａｔｉａｌｌｙ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）は、散乱データからの血糖値の決定に対する、身体の水分含量の変化の効果に関しては何も述べていない。したがって、身体の異なる水分含量で２つの血糖値が同一の値を取ったとしても、組織の散乱係数は異なる値になるであろう。
【００１１】
水分は、人間の身体の主な成分である。組織は、約７０％〜約８０％の水分を含んでいると推定される。組織の水分含量の変化は、組織の光学特性に大きな可変性をもたらす。Ｗｉｌｓｏｎ他によれば、血糖値の５ｍＭ（９０ｍｇ／ｄＬ）の増加から生じる散乱係数の変化は、組織の水分含量の１％の増加から生じる散乱係数の変化と等価である。散乱係数のこの変化は、また、温度０．５°Ｃの低下の効果と等価である（Ｊ．Ｑｕ、Ｂ．Ｗｉｌｓｏｎ著、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ、２（３）、１９９７年７月、ｐ３１９〜３２５）。
【００１２】
当技術分野では、様々な分光技法が開示されているが、観血的方法の血糖値測定に匹敵する、正確な非観血的血糖値測定を提供する市販の装置はまだない。したがって、水分含量、温度、潅流など、組織の生理的状態の変化に影響されない、非観血的決定のための改良型装置および方法が依然として必要とされている。また、糖尿病患者の血糖値測定のための試薬の要らない無痛の方法および装置も必要とされている。
【００１３】
発明の概要
本発明は、組織内の分析物の濃度を決定するための方法を提供する。この方法は、たとえば、組織の水分補給状態の変化から生じる散乱係数など、組織の光学特性の値の変化を補償することを含む。この方法は、
（ａ）初期に、少なくとも１つの波長で組織サンプルの少なくとも１つの光学特性を測定するステップと、
（ｂ）前記初期の前記組織サンプルの吸収係数および散乱係数を計算するステップと、
（ｃ）少なくとも後期に、前記少なくとも１つの波長で、前記組織サンプルの前記少なくとも１つの光学特性の測定を繰り返すステップと、
（ｄ）少なくとも前記後期の前記組織サンプルの吸収係数および散乱係数を計算するステップと、
（ｅ）前記少なくとも１つの波長での吸収係数値の変化を計算して、前記組織サンプルの水分含量の変化および散乱係数値の変化を示し、それによって前記組織サンプルの水分含量の変化ならびに前記組織サンプル内の分析物濃度の変化を示すステップと、
（ｆ）前記組織サンプルの水分含量の変化の効果を補償するために散乱係数値を補正するステップと、
（ｇ）前記補正した散乱係数値を用いて前記分析物の濃度を計算するステップとを含む。
【００１４】
吸収係数を求める際の波長は、組織サンプル内で見られる、かなり高い吸収率をもつ化合物の吸収の最大値または最適値の波長に対応する。ヘモグロビンの吸収波長は、こうした測定のために好ましい。ヘモグロビンは電磁スペクトルの近赤外領域内、すなわち５５０ｎｍと１１００ｎｍの間の強い吸収帯をもつ。また、ヘモグロビンは、人間の身体内で自然に存在する化合物である。
【００１５】
あるいは、吸収係数を求める際の波長を、組織サンプル内で見られる化合物の吸収の最大値または最適値の波長に対応するものとすることもできる。この化合物は低い吸収率であっても、組織内でかなり高い濃度で表されるものである。
【００１６】
散乱係数を求める際の波長は、吸収係数を求める際の波長と同じかまたはそれに近い波長となるように選択する。こう選択することにより、吸収係数および散乱係数を決定する深さが組織サンプル中で同じになることが保証される。
【００１７】
詳細な説明
本明細書で使用する、表現「組織サンプル」は、たとえば、そのまま、または切除した人間の皮膚または人間の身体部分のサンプルなど、そのまま、または切除した人間の組織のサンプルを含むが、それだけに限らない。表現「組織光学」は、生物学的組織における光の伝播の学問を指す。表現「光学特性」は、組織サンプルの吸収、散乱、放射、反射率、および脱分極特性の１つを指す。用語「ヘマトクリット」は、血液中の赤血球の体積分率を意味する。
【００１８】
表現「光学パラメータ」は、媒体およびその成分の光学特性を説明し定義づけるパラメータを指す。光学パラメータの例には、吸収係数、散乱係数、異方性ファクタ、輸送光学平均自由行程、および分析物の吸光係数が含まれるが、それだけに限らない。表現「散乱媒体」は、光を散乱する媒体を指す。散乱媒体は、光を吸収する成分を含むことができる。表現「吸収係数」（すなわちμ_ａ）は、単位行程当たりの光の吸収の確率を指す。表現「散乱係数」（すなわちμ_ｓ）は、単位行程当たりの光の散乱の確率を指す。表現「異方性ファクタ」（すなわちｇ）は、多重散乱光子の散乱角度の平均余弦を指す。表現「換算散乱係数」（すなわちμ’_ｓ）は、単位行程当たりの等価な等方性（全ての方向で一様）散乱の確率を指す。この換算散乱係数は、関係式
【数１】

によって散乱係数μ_ｓおよび異方性ファクタｇに関係づけられる。
【００１９】
表現「拡散反射率」および「反射率」は、入射光の方向とは異なる全ての角度でサンプルから再放射される光の強さの測定値を指す。表現「空間分解散乱」および「空間分解拡散反射率」は、光導入位置から特定距離にある１組の離散光収集位置でのサンプルから再放射された光の強さの測定値を指す。あるいは、前述の表現は、サンプルの境界上の所与の光収集位置で再放射される光の強さの測定値を指すこともでき、サンプルから再放射される光は、光収集位置から定義された距離で、サンプルの同じ境界上に配置された１組の離散光導入位置でサンプルを照らすことから生じる。どちらの例でも、μ_ａおよびμ_ｓは、導入光からの距離の関数としての再放射される光の強さ、すなわち複数のサンプリング距離で再放射される光の強さから計算される。本明細書で使用するように、表現「サンプリング距離」は、光導入位置から光収集位置までの距離を意味する。本明細書では別段の指摘がない限り、表現「再放射光」および「反射光」は、表現「反射率」および「再放射光の強さ」と同義的に使用する。表現「周波数領域測定値」は、サンプルから再放射され、光導入位置からの所与の距離で測定した変調された入射光の位相角および／または振幅変化を含む光の測定値を指す。表現「光ビーム」は、サンプルに向かって平行に近い軌道でともに進み、サンプルの表面の事前定義の領域のみを照らす光子のグループを指す。実際問題として、所与の光ビームが照らすサンプル表面の事前定義された領域は、光ファイバなど照明要素で覆われた領域である。
【００２０】
一態様では、本発明は、組織内の分析物濃度を正確に決定するための方法を提供する。この方法は、組織内に存在するその他の成分の吸収の変化を測定することによって、組織の光特性（たとえば光の散乱）の値に対する組織の水分含量（組織の水分補給状態）の変化の効果を補償する。ヘモグロビンなど強く吸収する成分の吸収係数の変化を測定し、その成分の吸収の変化を組織の水分含量の変化を表すものとして用いることが好ましい。本発明の方法は、光学的に検査される組織の体積の変化から生じる、組織の吸収係数および散乱係数の変化を追跡することによって適用することができる。組織体積の変化は、その水分含量の変化によって生じる。実際、組織の水分含量が増えると組織は「膨らみ」、その水分含量が減ると「縮む」。
【００２１】
この方法は、
（ａ）初期に、少なくとも１つの波長で組織サンプルの少なくとも１つの光学特性を測定するステップと、
（ｂ）前記初期の前記組織サンプルの吸収係数および散乱係数を計算するステップと、
（ｃ）少なくとも後期に、前記少なくとも１つの波長で、前記組織サンプルの前記少なくとも１つの光学特性の測定を繰り返すステップと、
（ｄ）少なくとも前記後期の前記組織サンプルの吸収係数および散乱係数を計算するステップと、
（ｅ）前記少なくとも１つの波長での吸収係数値の変化を計算して、前記組織サンプルの水分含量の変化および散乱係数値の変化を示し、それによって前記組織サンプルの水分含量の変化ならびに前記組織サンプル内の分析物濃度の変化を示すステップと、
（ｆ）前記組織サンプルの水分含量の変化の効果を補償するために散乱係数値を補正するステップと、
（ｇ）前記補正した散乱係数値を用いて前記分析物の濃度を計算するステップとを含む。
【００２２】
吸収係数を求める際の波長は、組織サンプル内に見られる化合物の吸収の最大値または最適値の波長に対応する。この化合物は、かなり強い吸収率（消光率）をもたなければならない。本発明の方法での使用に適した化合物は、ヘモグロビンであり、ヘモグロビンは、人間の体内に自然に存在する化合物である。本発明の方法の測定のスペクトル範囲は、約５００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長範囲である。
【００２３】
あるいは、化合物は、かなり高い濃度で存在し、低い吸光度をもつこともできる。そのような化合物は、水であり、水は人間の体内に自然に存在する成分である。測定のための好ましいスペクトル範囲は、さらに好ましくは、約５００ｎｍ〜１５００ｎｍの波長範囲に拡張される。
【００２４】
散乱係数を求める際の波長は、吸収係数を求める際の波長と同じかそれに近い波長であるように選択する。こう選択することにより、吸収係数および散乱係数を決定する深さが組織サンプル内で同じになることが保証される。
【００２５】
組織サンプル、たとえば無傷の人間の皮膚を、電磁スペクトルの可視および近赤外波長で照射する場合、光が散乱し、散乱した光を測定することができる。散乱するエンティティ（細胞ミトコンドリアや繊維などの粒子）の平均寸法（サイズ）が、照射の波長のマグニチュードに近い場合、換算散乱係数、μ’_ｓはミー（Ｍｉｅ）理論を用いて下記のように表すことができる。
【数２】

ただし、ｐは体積密度、すなわち単位体積当たりの粒子数を表し、「ａ」は散乱する粒子（たとえば、細胞、ミトコンドリアまたは膠原細線維）の半径を表す。ｎ_ｅｘは、人間の身体の場合は間質液（ＩＳＦ）である、媒体の屈折率を表す。ｍ＝（ｎ_ｉｎ／ｎ_ｅｘ）は、散乱する粒子の屈折率ｎ_ｉｎの媒体の屈折率ｎ_ｅｘに対する比である。また、λは光の波長を表す。Ｇｒａａｆｆ他の「Ｒｅｄｕｃｅｄ ｌｉｇｈｔ−ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ：ａ ｓｉｍｐｌｅ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ｄｅｒｉｖｅｄ ｆｒｏｍ Ｍｉｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ」Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、１９９２年、Ｖｏｌ．３１、ｐ．１３７０〜１３７６を参照。
【００２６】
μ’_ｓおよびμ_ａを決定する方法は、当技術分野で知られている。これらの方法は、皮膚組織の拡散反射率の測定値、皮膚組織の空間分解拡散反射率の測定値、皮膚組織から光が再放射される際の周波数被変調光ビームの位相および変調の変化の測定値、皮膚組織を通る平行透過の測定値を含む。光の所与の入射波長に対し、μ’_ｓは、式（１）に示すように、散乱粒子「ａ」のサイズ、または屈折率比「ｍ」のどちらにも直接応じて変わる。散乱粒子の屈折率ｎ_ｉｎは、比較的一定のままであるため、μ’_ｓは、主に体積密度（ｐ）、媒体の屈折率（ｎ_ｅｘ）、および散乱粒子の半径（「ａ」）の影響を受ける。
【００２７】
人間の身体の電解質バランスにより、人間の身体の水分含量は厳密に制御される。余分な水分は、直ちに腎臓によって抽出され、尿として排泄される。水分の不足は、一般に、渇きとして表現される。発汗、皮膚の水分透過、および呼吸作用は、水分を抽出する他の機構である。しかし、ある種の生理的状態または病気の状態は、人間の組織内に余分な水分の貯留をもたらす可能性がある。腎障害から生じる浮腫、月経前の鼓張、またはコルチゾルなどいくつかのステロイドホルモンの摂取は、人間の身体内での余分な水分貯留を招く恐れがある。一方、個人は、様々な理由で、脱水症（組織および血液内の水分含量の減少）にかかることもある。過量発汗、過量月経、下痢、疾患、過度の身体的労作、または利尿剤の使用は、組織の脱水症および組織の一時的な水分含量の減少を招く恐れがある。
【００２８】
ｐの値は、単位体積当たりの粒子数、たとえば組織の単位体積当たりの細胞数を表し、短期間では一定である。しかし、ｐの値は、長期間では、異なる生理的状態に応じて変化することもある。組織の水分含量の変化は、ｐの値に影響を与え、したがって式（１）で求められる散乱係数の値に影響を与える。したがって、組織の水分含量が増える場合、ｐの値は低下する。同様に、組織の水分含量が減少すると、ｐの値は上昇する。組織の水分含量の変化は、屈折率ミスマッチ「ｍ」の値を変える。組織内の可溶性分析物の濃度が下がるためである。したがって、観察体積（ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｖｏｌｕｍｅ）内の細胞数の変化、または組織の水分含量の変化から生じる間質液の屈折率の変化のどちらも組織の散乱係数の変化を招く。この散乱係数の変化は次に、散乱係数の決定に基づく方法を用いる場合、血液または組織内の分析物濃度の決定の正確さに影響を及ぼす。米国特許第５，５５１，４２２号、第５，６７６，１４３号、第５，４９２，１１８号、および第５，０５７，６９５号は、組織の散乱係数の測定に対応するグルコースの非観血的決定のための方法を記載している。しかし、これらの特許は、散乱データからの血糖値の決定に対する身体の水分含量の変化の効果に関しては、何も述べていない。我々は、散乱係数の計算値をたとえばグルコースなどの人間の組織内の可溶性分析物の濃度決定に使用する前に、散乱係数の計算値に対して、組織の水分含量の変化がもたらす効果を補償することが重要であることを発見した。
【００２９】
人間の身体内に通常一定濃度で存在する他の分析物は、ヘモグロビンである。ヘモグロビンの濃度は、男性では狭い範囲で変化し、女性ではそれより低くかつそれと重なる異なる狭い範囲で変化する。ヘモグロビン濃度は、貧血の場合は下がるが、適当な治療によって容易に回復する。人間の身体内の重要な血行力学のパラメータは、ヘマトクリットである。ヘマトクリット値（Ｈｃｔ％）は、次のように表される。
【数３】

ただし、「ｍｅａｎＶ_ＲＢＣ」は、血液体積内の個々の赤血球の平均体積を表す。
【００３０】
「ΣｍｅａｎＶ_ＲＢＣ」は、血液体積内の赤血球の合計体積を表す。
【００３１】
「Ｖ_{ｐｌａｓｍａ}」は、同じ血液体積内の血漿体積を表す。
【００３２】
したがって、ヘマトクリット値は、血液内の赤血球体積分率の基準である。
【００３３】
組織の水分含量および血液の水分含量は急速に平衡状態になるため、ヘマトクリット値は、組織の水分含量に関係づけられる。ヘマトクリット値は、長期間にわたって一定である。しかし、ヘマトクリット値は、貧血、潰瘍による内出血、月経、および手術後の出血の場合は、低下する。ヘマトクリット値は、たとえば登山中またはマラソン競争中など、個人が、より高所へ移動し、または長期間、激しい身体活動を行う場合は、上昇する。したがって、ヘマトクリット値の変化を、水分含量の変化、ヘモグロビン含量の変化、またはその両方を示すものとして使用することができる。健康な男性のヘマトクリット値は、４０％〜５０％の範囲である。健康な女性のヘマトクリット値は、３２％〜４５％の範囲である。しかし、腎障害にかかっている患者で透析前の場合は、約２０％のヘマトクリット値が観察されることがある。透析中は、ヘマトクリット値が、５０％まで上昇する。過度の透析は、ヘマトクリット値を７０％のレベルにまで上げてしまう可能性があり、危険である。このレベルを超えると、血圧が急に下がり、患者が失神するであろう。
【００３４】
ヘモグロビンは、６００ｎｍと９００ｎｍの間にわたる広い電子吸収帯をもつ。ヘモグロビンの吸収は、４００ｎｍと６５０ｎｍの間の波長で非常に強い。しかし、６００ｎｍ未満の波長では、メラニン吸収（皮膚色素沈着）がより高い吸収値になり、ヘモグロビンの測定が不正確になる。波長６５０ｎｍでのヘモグロビンの吸収と波長８００ｎｍでのヘモグロビンの吸収の比は、血液酸素飽和を示すものとして使用されている。水分は、波長７５０ｎｍ、９８０ｎｍ、および１０４６ｎｍで弱い吸収帯をもつ。水分のより強い吸収帯は、波長１３００ｎｍおよび１４５０ｎｍにある。したがって、約５９０ｎｍ〜約１４００ｎｍの範囲の波長は、ヘモグロビン、組織の水分含量、およびヘマトクリット値の決定に使用することができる。こうした測定をするいくつかの技法が、従来技術に記載されている。
【００３５】
従来技術のいくつかの方法は、電磁スペクトルの近赤外領域（５００〜１４００ｎｍ）のグルコースを決定するためのスペクトル測定値およびアルゴリズムを記載している。こうした方法のいくつかは、光の透過に基くものであり、他は光の散乱に基づくものである。組織のヘマトクリット値または水分含量の変化は、ヘモグロビンの高い吸収率と、組織および血液内の水分の比較的高い濃度による、シグナルの大きな変化を含む。血糖値の変化（または他の弱く吸収する分析物の濃度変化）から生じるこのスペクトル範囲内で測定される光学シグナルの変化は、ヘマトクリット値の変化および組織内の水分含量の変化から生じるシグナルの変動によって大きく影響を受ける。このスペクトル範囲で測定される光学シグナル（Ｓ）は、下記のように表すことができる。
【数４】

および
【数５】

【００３６】
シグナル成分Ｓ_４（組織の分析物）は、光学シグナルに対するグルコースなど組織内の少なくとも１つの分析物の濃度変化の寄与を表す。血糖値は、４５ｍｇ／ｄＬと４５０ｍｇ／ｄＬの間で変わり、血糖降下状態から血糖上昇状態までに及ぶ変動を含んでいる。グルコース濃度の最大変化は、２．５ｍＭ〜２５ｍＭである。身体組織の水分含量が７０％では、人間の身体の水分濃度は、約３８モル濃度である。したがって、身体組織の水分補給状態の変化は、小さい割合であっても、グルコース濃度の変化によって生じるシグナル変化よりもはるかに大きなシグナル変化をもたらすことができる。たとえば、水分含量１％の変化から生じる散乱係数の変化は、血糖値の５ｍＭ（９０ｍｇ／ｄＬ）の変化に相当する。水分含量１％の変化は、１８０ポンド（約８１．６ｋｇ）の男性では５６０ｍＬまたは１３５ポンド（約６１．２ｋｇ）の女性では４２０ｍＬに相当する。発汗、運動、または大量の飲料を消費することによって、流体体積のこうした変化が容易になされる。
【００３７】
組織内の分析物濃度を求めるための計算ステップを用いる前に、シグナルに対する、組織の水分含量およびヘマトクリット値の変化の効果を補償することが重要である。分析物濃度に対する組織の水分含量の増加の効果は、組織内の分析物濃度の希釈に相当する。逆に、分析物濃度に対する組織の水分含量の減少の効果は、組織内の分析物濃度の増加に相当する。組織の水分含量の変化の効果を模倣し（ｍｉｍｉｃ）、こうした効果を補償するための１方法は、組織を刺激するファントム（ｐｈａｎｔｏｍｓ）を使用するものである。分析物濃度を一定に保ちながら、ファントムの水分含量を変えることは、可能である。この場合、溶液の合計体積は変化する。あるいは、体積を一定に保ちながら、ファントム内の水分含量および分析物濃度のどちらもを変えることが可能である。体積を一定に保ちながら、ヘモグロビンの吸収を模倣し、分析物の水分含量または濃度が変化するときのヘモグロビンの吸光度の変化の測定を可能にするために、知られた濃度の色素を使用することができる。
【００３８】
組織の散乱係数は、組織の水分含量の変化、および組織内の分析物、たとえばグルコースの濃度変化の両方の関数として表される。グルコースの場合、散乱は以下のように表される。
【数６】

ただし、
μ^０ _ｓは初期水分補給状態での組織の散乱係数を表す。
【００３９】
Ｖ_０は、初期水分補給状態での組織体積を表す。
【００４０】
Ｖは、初期状態以外の水分補給状態での組織体積を表す。
【００４１】
ｃ_１は、グルコースによってもたらされる散乱係数の変化率を表す。
【００４２】
［Ｇ］は、組織内のグルコース濃度を表す。
【００４３】
（主にヘモグロビンに起因可能な）組織の吸収係数は、次のように表すことができる。
【数７】

ただし、
μ^０ _ａは、初期水分補給状態の吸収係数を表す。
【００４４】
μ_ａは、初期水分補給状態以外の水分補給状態での吸収係数を表す。
【００４５】
Ｖ_０およびＶは、前述の通りである。
【００４６】
したがって、組織の水分含量の変化から生じる、人間の組織の吸収係数の変化△μ_ａおよび散乱係数の変化△μ’_ｓは、希釈効果として表される。この希釈効果は、初期値Ｖ_０から測定時の値Ｖまでの組織体積の変化、およびその結果生じるμ^０ _ｓからμ’_ｓおよびμ_ａまでの散乱係数の変化と等価である。組織の水分含量の増加から生じる吸収係数の変化△μ_ａおよび散乱係数の変化△μ’_ｓは、以下の式で表すことができる。
【数８】

【数９】

上記の２つの式を解くと、組織の水分含量の変化（△μ_ｓ）から生じる散乱係数の変化を求めることができる。
【００４７】
△μ_ｓは、式（９）で表されるように、組織の水分含量の変化から生じる、初期吸収係数（μ^０ _ａ）、初期散乱係数（μ^０ _ｓ）、および強く吸収する発色団の吸収係数の変化（△μ_ａ）として表すことができる。
【数１０】

したがって、△μ’_ｓは、組織の水分含量の変化、すなわち、希釈効果から生じる散乱係数の変化であり、組織内の発色団の吸収係数の変化と、吸収係数および散乱係数の初期値によって表すことができる。組織の水分含量の変化を追跡するように選択できる発色団は、ヘモグロビンである。ヘモグロビンは、電磁スペクトルの近赤外領域内で強く吸収するためである。
【００４８】
式（７）および（８）を式（５）に代入し、その結果得られる式を、グルコース濃度値を表すために整理することによって、次式が得られる。
【数１１】

ただし、ｃ_１は、測定したグルコース値を式（１０）中の求めた光学パラメータに当てはめることによって求められる係数である。
【００４９】
式（９）から導き出した（μ^０ _ｓ／μ^０ _ａ）をあらわす式を式（１０）に代入することによって、強く吸収する分析物の散乱係数の変化（△μ’_ｓ）および吸収係数の変化（△μ_ａ）に基く組織内のグルコース濃度を表すことができる。これらの変化は、組織の水分含量の変化によるものであり、初期値μ^０ _ｓおよびμ^０ _ａで始まる一連の時間ベースの測定値から推定できる。この関係は、式（１１）で示される。
【数１２】

【数１３】

ただし、
ｃ_２は、第１の測定時、すなわち組織の水分含量の変化前の、組織の測定位置での、吸収係数初期値の散乱係数初期値に対する比である。第１の測定を実施するときに較正手順を実行する場合、ｃ_２は、測定装置を特定の個人に合せて較正する際の、初期吸収係数μ^０ _ａの初期散乱係数μ^０ _ｓに対する比である。この場合、この測定方法は、長期間にわたる個人の血糖状態の変化を追跡するために使用できる。
【００５０】
本発明の方法は、たとえばグルコースや尿素など、身体の分析物の濃度を決定するために使用することができる。
【００５１】
実施例
以下の非限定的な実施例は、本発明の方法をさらに詳しく示すものである。
【００５２】
実施例１
本発明の方法のために使用できる装置の一実施例は、国際公開ＷＯ９９／５９４６４号、および１９９８年５月１８日出願の本願の譲受人に譲渡された米国出願第０９／０８０，４７０号に記載されたものと同様である。発明の方法のために使用できる装置の他の実施例は、米国特許第５，５５１，４２２号、第５，６７６，１４３号、第５，４９２，１１８号、第５，０５７，６９５号に記載された同様の装置である。
【００５３】
組織内の浅いところで、サンプルの温度を制御し、サンプルの温度を変えることのできる、温度制御可能な局在反射率組織光度計（ＴＣＬＲＴＰ）が、構築された。ブレッドボードの構成の詳細は、参照により本明細書に合体する、国際公開ＷＯ９９／５９４６４号に記載されている。簡単に述べると、図１に概略的に示すように、装置１０は、光源モジュール１２、光学測定子モジュール１４、およびシグナル検出モジュール１６を備えていた。これらの３つのモジュールを、分岐した光ファイバ束１８を通って相互接続した。
【００５４】
定電圧源（図示せず）によって電力を受ける５ワットの白熱電球２０（モデルＬ１０４１、Ｇｉｌｗａｙ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｌａｍｐ、Ｗｏｂｕｒｎ、ＭＡ）で、半径２ｍｍのアイリス絞り２２を通るほぼ均一な光を送った。ロックイン増幅器（図示せず）に結合した光学チョッパ２４によって、光を１５０Ｈｚでチョッパー波にした。次いで、ビームを、デフォーカスし、それぞれ５９０ｎｍ、６５０ｎｍ、７５０ｎｍ、８００ｎｍ、９００ｎｍ、および９５０ｎｍに個々の中央波長をもつ、６つの１０ｎｍ帯域フィルタ２６、２８、３０、３２、３４、および３６のうちの１つを通過させた。６つの帯域フィルタ２６、２８、３０、３２、３４、および３６を、フィルタホイール３８内に集めた。フィルタした光の一部分を、ビームスプリッタ４０によって偏向させ、シリコンフォトダイオード４２（Ｍｏｄｅｌ Ｓ−２３８６−４４Ｋ ６Ｃ、日本、浜松市浜松）および前置増幅器４４上に集束し、電球の強さの変動を補正するために使用する基準シグナルを生成した。フィルタした光ビームの残りを、ファイバ束５０のソースチップ４８に収容される照明要素４６の第１の端部上に再集束した。照明要素４６は、光ファイバであった。フィルタ２６、２８、３０、３２、３４、および３６を、ヘモグロビンおよび水分のスペクトルにおける選択された波長帯をカバーするように選択した。
【００５５】
照明要素４６の第２の端部５２および６つの光収集要素５４、５６、５８、６０、６２、および６４の第一の端部を、直径２ｃｍの温度制御ディスク６８の中心に位置する共通（ｃｏｍｍｏｎ）チップ６６内に取り付けた。共通チップ６６および温度制御ディスク６８は、光学測定子モジュール１４の部品であった。全ての要素５４、５６、５８、６０、６２および６４は、被覆シリカでできた光ファイバであり、直径４００μｍであった（Ｆｉｂｅｒｇｕｉｄｅ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、Ｓｔｉｒｌｉｎｇ、ＮＪ）。各光収集要素５４、５６、５８、６０、６２および６４の中心から、照明要素４６の端部５２の中心までの距離により、この装置のｒ１からｒ６までのサンプリング距離を画定した。これらのサンプリング距離を、表１に記載する。
【表１】

【００５６】
皮膚「Ｓ」から再放射される光を、光収集要素５４、５６、５８、６０、６２および６４によって収集し、検出モジュール１６を透過させ、基準シリコンフォトダイオード４２と同じタイプの単一のシリコンフォトダイオード７０で、６つの光収集要素５４、５６、５８、６０、６２および６４によって収集した光の強さを測定した。各光収集要素５４、５６、５８、６０、６２および６４の第２の端部は、検出チップ７２内に位置する。回転シャッタ７４は、各光収集要素から、１度に１つずつ光学シグナルを選択し、各シグナルをフォトダイオード７０および前置増幅器７６によって検出できるようにした。光源モジュール１２にある光学チョッパ２４に結合したロックイン増幅器Ｍｏｄｅｌ ＳＲ８３０ ＤＳＰ、Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ、ＣＡ（図示せず）が、前置増幅シグナルを処理した。
【００５７】
測定した光学シグナルは、初期（すなわち較正時）および初期以外の時のμ_ｓおよびμ_ａを計算するために使用できる。このようにして計算したμ_ｓおよびμ_ａの値は、吸収係数および散乱係数の変化の補償後に、組織内のグルコース濃度を計算に使用できる。吸収係数および散乱係数のこうした変化は、２つの測定時間の間の身体の水分含量の変化から生じた。
【００５８】
実施例２
実施例１に記載した装置は、本発明の方法を実施して腎臓透析を受けている糖尿病患者の血糖値を決定するために使用できる。
【００５９】
腎炎の病気のため、水分が身体内に貯留し、そのため非観血的に決定した散乱係数に誤った値が生じ、これによって血糖値の誤った値が生じる。透析中は、組織の水分含量ならびに毒素濃度が低減する。ヘマトクリット値の変化の測定によって、組織の水分含量の変化をモニタすることが可能である。ヘマトクリット値（赤血球の体積と細胞および血漿の合計体積の比）の変化は、主として、主に水分からなる血漿体積のためである。透析期間は、通常４時間かかり、この間に血糖値に大きな変動が起こる可能性があり、患者が透析を受けている間の、観血的な指穿刺サンプリングおよび測定の実施は、都合が悪い。実施例１に記載したものと同様の本発明の方法および装置は、腎臓透析を受けている糖尿病患者の血糖値の変化を追跡するために使用できる。μ^０ _ｓおよびμ^０ _ａの値は、患者が乾燥体重（ｄｒｙ ｗｅｉｇｈｔ）の場合は、透析処置の終了時、または透析処置の開始時のどちらでも求めることができる。比ｃ_２＝μ^０ _ａ／μ^０ _ｓは、式（１２）から計算できる。吸収係数および散乱係数の変化、△μ_ａおよび△μ_ｓは、透析処置中に求めることができ、式（１１）と共に使用して、透析処置中の血糖値の変化をモニタすることができる。係数ｃ_１は、（１）非観血的に測定された血糖値、および（２）透析が実施された直後に得られた光学シグナルの一連の測定を含む較正手順によって求められる。以前に得たファントムデータ、または同じ患者の較正データを含めることもできる。
【００６０】
この実施例に記載した方法は、病気または利尿薬を使用しているため、脱水症（身体の水分含量の低下）にかかっている患者の血糖値を非観血的に決定するためにも使用できる。この同じ方法を、身体の水分含量が、病状のために増加している場合に使用することもできる。また、ステロイド治療または腎障害から、鼓張、浮腫、または水分貯留が生じる可能性がある。
【００６１】
実施例３
本発明の方法を組織シミュレーティングファントムによって示した。組織の散乱を模倣するためのりん脂質エマルジョン（Ｉｎｔｒａｌｉｐｉｄ（登録商標）懸濁液）、身体による強い光吸収を模倣するための色素、様々な濃度の水、および様々な濃度のグルコースを１組の組織シミュレーティングファントムを構築するために用いた。
【００６２】
溶液１から９は、較正グリッドを用意するために作成した。溶液１から９に関連するデータを、表２にまとめて示す。これらの溶液の散乱係数および吸収係数は、Ｓｈｉｍａｄｚｕのスペクトロメータによる平衡透過によって求めた。この１組の組織シミュレーティングファントムは、様々な組合せの吸収係数（０、１および２ｃｍ^−１）および散乱係数（３、７および１０ｃｍ^−１）をもっていた。
【表２】

【００６３】
各溶液をブレーカに入れた。実施例１に記載したものと同様の光学測定子を使用した。しかし、光ファイバ間のいくつかの距離は変えた。３つの光ファイバをＰｌｅｘｉｇｌａｓ（登録商標）型（ｍｏｌｄ）内に埋め込み、その型を液体の表面よりも下に浸漬した。異なる波長の光を４００ミクロンの石英ファイバから各溶液中に導入し、光導入ファイバからの２つのサンプリング距離（０．５３ｍｍおよび１．０ｍｍ）で収集した。サンプリング距離０．５３ｍｍでの反射光の強さをＲ_１で表し、サンプリング距離１．０ｍｍでの反射光の強さをＲ_２で示した。９つの溶液について、１／Ｒ_１の値をＲ_１／Ｒ_２の値に対してプロットした。このグリッドを用いて、反射率値を吸収係数値および散乱係数値に変換でき、またその逆にも変換できた。用いた光は、波長が５２５ｎｍであり、収集したシグナルを処理して、国際公開ＷＯ９９／５９４６４号に記載されたものと同様の方法で、吸収係数および散乱係数を得た。
【００６４】
較正グリッドを確立した後、表３に示した３つの可能な状態をカバーするために、９つの溶液（溶液１０から１８）を用意した。溶液１から９に使用した方法では、１／Ｒ_１の値を、９つの各溶液（溶液１０から１８）について、Ｒ_１／Ｒ_２の値に対して求め、プロットした。３つの保存溶液、１．２ｇ／Ｌのエバンスブルー、１０％のＩｎｔｒａｌｉｐｉｄ（登録商標）懸濁液、および１モル濃度のグルコース溶液を用いて、溶液１０から１８を作成した。
【００６５】
第１組の溶液（溶液１０、１１および１２）では、吸収係数の変化を伴わずにグルコース濃度の変化がシミュレートされた。これらの溶液を、水に対する異なる比のグルコース保存溶液、Ｉｎｔｒａｌｉｐｉｄ（登録商標）懸濁液（１３ｍＬ）、エバンスブルー保存溶液（４ｍＬ）、を加えることによって用意した。結果として得られる溶液の合計体積を、２００ｍＬの一定値に維持し、吸収係数を２ｃｍ^−１の一定値に維持した。３つの溶液のグルコース濃度は、それぞれ１００、５００、および１０００ｍＭであった。溶液から反射された光の強さを測定し、上記の較正グリッドを用いて、吸収係数および散乱係数を求めた。ｃ_２を式（１２）および溶液９からの値を用いて求めた。グルコース濃度を式（１１）を用いて求めた。求めた濃度を実際の濃度に対してプロットした点が図２の円で示されている。
【００６６】
第２組の溶液（溶液１３、１４および１５）では、３つの体積のＩｎｔｒａｌｉｐｉｄ（登録商標）懸濁液を用いた。グルコースは加えなかった。溶液１３は、エバンスブルー溶液（３．９ｍＬ）、水（１８３．５ｍＬ）、およびＩｎｔｒａｌｉｐｉｄ（登録商標）懸濁液（１２．６ｍＬ）を含んでいた。溶液１４は、エバンスブルー溶液（３．２ｍＬ）、水（１８６．４ｍＬ）、およびＩｎｔｒａｌｉｐｉｄ（登録商標）懸濁液（１０．４ｍＬ）を含んでいた。溶液１５は、エバンスブルー溶液（２．６ｍＬ）、水（１８８．９ｍＬ）、およびＩｎｔｒａｌｉｐｉｄ（登録商標）懸濁液（８．５ｍＬ）を含んでいた。各溶液１３、１４および１５の合計体積は、２００ｍＬであった。グルコース濃度は、一定（０ｍＭ）に維持され、散乱材料および色素の濃度は、水分含量のみの変化の効果を模倣するように変えた。各溶液の反射率を測定し、吸収係数および散乱係数を上記の較正グリッドを用いて求めた。ｃ_２を式（１２）および溶液９からの値を用いて求めた。グルコース濃度を、式（１１）を用いて求めた。求めた濃度を実際の濃度に対してプロットした点が、図２の逆三角形で示されている。全ての予測データポイントは、グルコース濃度０の近くになった。これらのデータポイントは、グルコース濃度が一定のままで、人間の身体組織の水分補給状態（水分含量）の変化がある場合を表している。着色化合物、エバンスブルーの量は、溶液の水分含量が変化した結果、変化したが、本発明の方法で求めた散乱データおよびグルコース濃度は、影響を受けなかった。
【００６７】
第３組の溶液（溶液１６、１７および１８）では、Ｉｎｔｒａｌｉｐｉｄ（登録商標）懸濁液の体積は、溶液１３、１４および１５で変えたのと同様に変えた。溶液１６は、水（１７７．７ｍＬ）、２９ｍＭのグルコース濃度を与えるグルコース保存溶液（５．８ｍＬ、１Ｍ）、エバンスブルー溶液（３．９ｍＬ）、およびＩｎｔｒａｌｉｐｉｄ（登録商標）懸濁液（１２．６ｍｌ）を含んでいた。溶液の合計体積は、２００ｍＬであった。溶液１７は、水（１４６．６ｍＬ）、２００ｍＭのグルコース濃度を与えるグルコース保存溶液（４０ｍＬ、１Ｍ）、エバンスブルー溶液（３．２ｍＬ），およびＩｎｔｒａｌｉｐｉｄ（登録商標）懸濁液（１０．４ｍＬ）を含んでいた。溶液の合計体積は２００ｍＬであった。溶液１８は、水（１１９．９ｍＬ）、３２３ｍＭのグルコース濃度を与えるグルコース保存溶液（６９ｍＬ、１Ｍ）、エバンスブルー溶液（２．６ｍＬ），およびＩｎｔｒａｌｉｐｉｄ（登録商標）懸濁液（８．５ｍＬ）を含んでいた。溶液の合計体積は２００ｍＬであった。各溶液の反射率を測定し、吸収係数および散乱係数を上記の較正グリッドを用いて求めた。グルコース濃度を、式（１１）を用いて求めた。求めた濃度を実際の濃度に対してプロットした点が、図２の上向き三角形で示されている。これらのデータポイントは、人間の身体の水分補給状態（水分含量）の変化がある場合をシミュレートしている。着色化合物、エバンスブルーの量は、溶液の水分含量の変化の結果、変化したが、△μ_ａの値を用いて、（身体の水分含量をシミュレートする）溶液の水分含量の変化による、希釈効果についての散乱データを補正することができる。本発明の方法で求めたグルコース濃度は、図２の上向き三角形で示されており、直線（ｕｎｉｔｙ ｌｉｎｅ）に近い。式（１１）で予測されたグルコース濃度が実際の値に近いことは、強く吸収する発色団の吸収係数の変化に対して補償がなされる限り、水分含量が変化しても、グルコース濃度を決定できることを示している。溶液１０から１８に関連するデータを表３にまとめて示す。
【表３】

【００６８】
この実施例では、発色団はエバンスブルーであった。人間の身体では、ヘモグロビンの吸収の変化を式（１１）および（１２）と共に用いて、非観血的に求められる血糖値に対する、水分補給状態の変化の効果を補正することができる。
【００６９】
本発明の範囲および精神から逸脱することなく本発明の様々な修正および変更が、当業者には明らかであり、本発明は、本明細書で前述した例示的な実施形態に不当に限定されるものではないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の方法を実施するために使用できる光学システムを示す概略図である。
【図２】 懸濁液を希釈し、加えた色素（エバンスブルー）の吸収係数から希釈効果を計算する場合のグルコース濃度予測値を示すグラフである。

Claims (11)

1. 分析物濃度を決定する方法であって、
   （ａ）初期に、少なくとも１つの波長で組織サンプルの少なくとも１つの光学特性を測定するステップと、
   （ｂ）前記初期の前記組織サンプルの吸収係数および散乱係数を計算するステップと、
   （ｃ）少なくとも後期に、前記少なくとも１つの波長で、前記組織サンプルの前記少なくとも１つの光学特性の測定を繰り返すステップと、
   （ｄ）少なくとも前記後期の前記組織サンプルの吸収係数および散乱係数を計算するステップと、
   （ｅ）前記少なくとも１つの波長での吸収係数値の変化を計算して、前記組織サンプルの水分含量の変化および散乱係数値の変化を示し、それによって前記組織サンプルの水分含量の変化ならびに前記組織サンプル内の分析物濃度の変化を示すステップと、
   （ｆ）前記組織サンプルの水分含量の変化の効果を補償するために散乱係数値を補正するステップと、
   （ｇ）前記補正した散乱係数値を用いて前記分析物の濃度を計算するステップとを含む方法。
2. 前記吸収係数を決定する際の前記光の波長が、前記組織サンプル内に見られる化合物の吸収の最大値または最適値の波長に対応する、請求項１に記載の方法。
3. 前記化合物がかなり高い吸収率をもつ、請求項２に記載の方法。
4. 前記化合物がヘモグロビンである、請求項２に記載の方法。
5. 前記測定の前記スペクトル範囲が、約５００ｎｍと１１００ｎｍの間である、請求項１に記載の方法。
6. 前記化合物が、かなり高い濃度で存在し、低い吸収率をもつ、請求項２に記載の方法。
7. 前記化合物が水である、請求項２に記載の方法。
8. 前記測定の前記スペクトル範囲が、約５００ｎｍと１５００ｎｍの間である、請求項１に記載の方法。
9. 散乱係数を決定する際の前記光の波長が、吸収係数を決定する際の波長に近い波長であるように選択され、組織サンプル中で同じ深さまで光が貫通することが保証される、請求項１に記載の方法。
10. 前記分析物がグルコースである、請求項１に記載の方法。
11. 前記分析物が尿素である、請求項１に記載の方法。

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