JP5002078B2 - 生体に含有される生体成分の濃度を測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体に含有されるグルコースのような生体成分の濃度を測定する方法及び当該方法に用いられる計測装置に関する。

生体に照射された光の反射光、散乱光、または透過光に基づいて、当該生体に含有されるグルコースのような生体成分の濃度が計測される。より具体的には、生体成分のラマン散乱光が観測され、当該ラマン散乱光の強度に基づいて生体成分の濃度が算出される。

特許文献１および特許文献２は、グルコース濃度を光学的に測定する方法を開示している。当該方法によれば、まず、粒子が皮膚上層に埋め込まれる。当該粒子は、グルコースとの反応時に蛍光特性を変化させる試薬を含有する。次に、生体外から励起波長を有する光が粒子に照射され、粒子で発生した蛍光を経皮的に測定する。測定された蛍光に基づき、グルコース濃度が測定される。

特表２００４−５１０５２７号公報 特表２００７−５３７８０５号公報

Melissa F. Mrozek, and Michael J. Weaver, "Detection and Identification of Aqueous Saccharides by Using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy", Analytical Chemistry, Vol. 74, No. 16, 4069-4075, 2002

本発明の目的の１つは、生体成分に含有される濃度をより正確に測定する方法を提供することである。

上述の課題を解決するために、本発明の例示的な実施形態として、以下のものが提供される：
（１） 生体に含有される生体成分の濃度を測定する方法であって、以下の工程（ａ）〜（ｇ）を具備する、方法：
測定装置を用意する工程（ａ）、ここで、
前記測定装置は、光源、光学フィルタ、および受光器を具備し、
前記光源からの略平行光を、皮膚の表面上の位置を介して前記皮膚に埋め込まれた粒子チップに照射し、第１反射光を発生させる工程（ｂ）、ここで、
前記粒子チップは基板および複数の金属粒子を具備し、
前記第１反射光を、前記光学フィルタを介して前記受光器により受光し、第１信号Ｘａを得る工程（ｃ）、ここで、以下の等式（ＩＩＩ）が充足され、
λ₂＝（１０⁷・λ₁）／（１０⁷−Ｂ・λ₁）・・・（ＩＩＩ）
λ₂：フィルタを透過する光の波長
λ₁：前記光源からの光の波長
Ｂ：前記生体成分に固有のラマンシフト
前記光源を傾ける工程（ｄ）、
前記粒子チップが前記略平行光に照射されないように、前記略平行光を前記位置と同一の位置に照射し、第２反射光を得る工程（ｅ）、
前記第２反射光を、前記光学フィルタを介して前記受光器により受光し、第２信号Ｘｂを得る工程（ｆ）、および
前記第１信号Ｘａと前記第２信号Ｘｂとの間の差に基づいて、前記生体成分の濃度を算出する工程（ｇ）。
（２） 項目１に記載の方法であって、 前記生体成分はグルコースであり、Ｂは１１２０ｃｍ^-1である、方法。
（３） 項目１に記載の方法であって、工程（ｂ）および工程（ｃ）が同時に実施される、方法。
（４） 項目１に記載の方法であって、工程（ｄ）および工程（ｅ）が同時に実施される、方法。
（５） 項目１に記載の方法であって、工程（ｄ）から工程（ｆ）が同時に実施される、方法。

本発明の一実施形態は、生体に含有される生体成分の濃度をより正確に測定する方法を提供する。

皮膚の断面図 粒子チップ３を示す図 計測装置を示す図 表面増強ラマン散乱光を示す図

（実施の形態１）
この例示的な実施形態（実施の形態１）による生体成分の濃度を測定する方法が、図面を参照しながら、以下、説明される。図面に記された構成要素は、必ずしも、縮尺通りに記したものではなく、本発明の原理を明確に例示するために誇張したものとなっている。本実施形態において、生体に含有される生体成分の濃度を測定する方法が提供される。この方法は、以下の段落で説明する工程（ａ）〜（ｇ）を具備する。

（工程（ａ））
工程（ａ）では、測定装置が準備される。図３に示されるように、測定装置は、光源９、光学フィルタ１３、および受光器１４を具備する。測定装置は、必要に応じて、光路変調器１０、レンズ系１２、信号発生器１５、ロックインアンプ１６、およびコンピュータ１７を具備する。

信号発生器１５は、光路を変化させ照射状態を切替えるための変調信号を光路変調器１０に供給する。ロックインアンプ１６は、当該変調信号を参照信号として用いて、受光器１４からの出力信号を位相検波する。コンピュータ１７は、ロックインアンプ１６の出力信号に基づき生体成分の濃度を算出する。コンピュータ１７はまた、信号発生器１５を制御する。支持体１８は、光路変調器１０、レンズ系１２、フィルタ１３、および受光器１４を保持する。

（工程（ｂ）および工程（ｃ））
図１は、図３において破線によって囲まれた皮膚の拡大断面図を示す。工程（ｂ）では、図１および図３に示されるように、光源９からの光が、皮膚の表面上の位置Ｃを透過する。皮膚に埋め込まれた粒子チップ３は透過した光によって照射され、第１反射光６をそこで発生させる。

工程（ｃ）では、図１に示されるように、第１反射光６は、皮膚の屈折率（およそ１．３７）および空気の屈折率（１）との差のために、皮膚表面で屈折する。そして、図３に示されるように、屈折した第１反射光６は、光学フィルタ１３を透過し、受光器１４によって受光される。このようにして、第１信号Ｘａが得られる。

工程（ｂ）および工程（ｃ）は、好ましくは、同時に行われる。

図１に示すように、皮膚は、表皮組織１、真皮組織２、および皮下組織４を具備する。これらの表皮組織１、真皮組織２、および皮下組織４はこの順に積層されている。

表皮組織１は生体の表面に位置する。表皮組織１は、およそ０．２ミリメートル〜およそ０．５ミリメートルの厚さを有する。真皮組織２は、およそ０．５ミリメートル〜２ミリメートルの厚さを有する。粒子チップ３は、真皮組織２に埋め込まれ、組織細胞間の体液である細胞間質液(interstitial fluid)に浸されて維持されている。皮下組織４は、主に脂肪組織から構成される。

本明細書において用いられる用語「体液」とは、細胞間質液(interstitial fluid)を意味する。

真皮組織２は複数の毛細血管を有するので、体液は当該毛細血管中の生体成分を含有している。特に、毛細血管壁は、グルコースについて高い透過性を有するので、体液中のグルコース濃度は、血糖値との高い相関性を有する。

光源９は図１におけるｚ方向に沿って略平行光５を皮膚に放つ。当該略平行光５の一例は、７８５ナノメートルナノメートルの波長を有し、かつ１００マイクロメートルマイクロメートルの直径を有する円形のビーム形状を有している光である。略平行光５は、表皮組織１を透過し、粒子チップ３に到達する。略平行光５は、粒子チップ３上で反射し、第１反射光をそこで生じる。

図２は、粒子チップ３を示す。粒子チップ３は、基板と当該基板の表面に配置された金属粒子８を具備する。金属粒子８の数の例は、およそ１万個である。金属粒子８は、照射光によって局在化表面プラズモン共鳴を発生する。金属粒子８の一例は、およそ１０ナノメートルの直径、およびおよそ３８ナノメートルの長さを有する金ナノロッドである。金ナノロッドに代えて、金または銀のような金属によって被覆した表面を有する誘電体粒子が用いられ得る。当該誘電体粒子の例はシリカである。

当該金属粒子８は、７８５ナノメートルの局在化表面プラズモン共鳴波長を有する。当該金属粒子８は、およそ７０ナノメートルの半値幅を有する。本明細書において用いられる用語「局在化表面プラズモン共鳴波長」は、吸光のピークの波長を意味する。

基板は、およそ１００マイクロメートルマイクロメートルの直径およびおよそ１００マイクロメートルの厚みを有する。基板の材料の例は、アクリル樹脂などの樹脂、ガラス、またはシリコンである。金属粒子８は、各長軸方向がｘ方向に平行になるように配置されている。ｙ方向は基板の表面においてｘ方向と直交する。ｚ方向は、基板の厚みに沿った方向である。米国特許出願公開第２０１０／０１９５１０６号公報は、粒子チップ３を詳細に開示している。米国特許出願公開第２０１０／０１９５１０６号公報は、国際公開第２００７／１０８４５３号公報および特開２００７−２４８２８４号公報に対応する。

図１に示されるように、金属粒子８を具備する面が表皮組織１と平行になる様に、粒子チップ３は真皮組織２中に埋め込まれる。表皮組織１から粒子チップ３までの距離Ｌは、およそ１．５ミリメートルである。

略平行光５によって粒子チップ３が照射されると、金属粒子８上で局在化表面プラズモン共鳴が生じ、金属粒子８の近傍における電磁場強度を増強する。これは、金属粒子８の近傍（０．５〜３０ナノメートル以内）に位置する生体物質のラマン散乱光の増強をもたらす。このようにして、表面増強ラマン散乱光が発生する。第１反射光は、当該表面増強ラマン散乱光を含む。

表面増強ラマン散乱光の強度は、通常のラマン散乱光の強度の１０⁴倍〜１０^９倍大きい。従って、金属粒子８の近傍で発生する表面増強ラマン散乱光は、皮膚表面（角質層を含む）、表皮組織１、または真皮組織２において発生するラマン散乱光よりも遥かに大きい強度を有する。これは、金属粒子８の近傍の体液に含有されている生体成分由来のラマン散乱光が選択的に増強されていることを意味する。このようにして、迷光および妨害成分の影響が低減される。

生体に含有されるグルコースのような生体成分の量は、生体に含有される妨害成分の量よりもずっと低い。従って、グルコースの通常のラマン散乱光は、皮膚表面（表皮組織１の角質層）、表皮組織１、または真皮組織２に含有される妨害成分のラマン散乱光と比べて極めて小さい強度を有する。このような理由から、グルコースの通常のラマン散乱光を抽出することは難しい。

しかし、粒子チップ３により、真皮組織２中の体液に含まれる金属粒子８の近傍のグルコースのラマン散乱光が選択的に増強される。これが、グルコースのラマン散乱光の強度を、妨害物質のラマン散乱光の強度と比較して選択的に大きくする。グルコースの表面増強ラマン散乱光の強度は、グルコースの濃度に比例するため、グルコースの表面増強ラマン散乱光の強度より、グルコースの濃度が算出される。

グルコースの濃度の算出の一例が以下に説明される。

非特許文献１の図１は、グルコースの表面増強ラマン散乱光スペクトルを示す。非特許文献１の図１に示されているように、グルコースの表面増強ラマン散乱光スペクトルは、１０００ｃｍ^−１〜１５００ｃｍ^−１であるラマンシフトの範囲に、グルコース特有の複数のピークを有する。

当該複数のピークの中でも、ラマンシフトが１１２０（ｃｍ^−１）にあるピークは、アルブミンおよびクレアチニンのラマン散乱光スペクトルのピークに重ならない。従って、当該ラマンシフトが１１２０（ｃｍ^−１）にある表面増強ラマン散乱光の強度は、グルコースの濃度にのみ比例する。

略平行光５の波長が７８５ナノメートルである場合、波長８６０.７ナノメートルの光を透過させるフィルタが光学フィルタ１３として使用される。その理由が以下に述べられる。

波長λと波数ｋとの間の関係は以下の等式（Ｉ）を充足する。
ｋ（ｃｍ^−１）＝１０^７／λ（ｎｍ） ・・・（Ｉ）

７８５ｎｍの波長は、１２７３９ｃｍ^−１の波数に対応する。従って、１１２０ｃｍ^−１のラマンシフトを有するグルコースに特有なラマン散乱光の波数は、以下の等式から算出される。
１２７３９（ｃｍ^−１）−１１２０（ｃｍ^−１）＝１１６１９（ｃｍ^−１）。
等式（Ｉ）により換算されると、１１２０ｃｍ^−１のラマンシフトを有するグルコースに特有なラマン散乱光の波長は、８６０.７ｎｍである。

光学フィルタ１３は、例えば、８６０.７ナノメートルの中心波長を有し、かつ３ナノメートルの半値全幅を有する。当該光学フィルタ１３の透過域は８５９.２ナノメートル〜８６２.２ナノメートルである。等式（Ｉ）より、当該透過域の波数は１１５９９ｃｍ^-1〜１１６３９ｃｍ^-1である。

図４は、照射光、表面増強ラマン散乱光、ラマンシフト、および半値全幅の間の関係を示す。

グルコースに特有の表面増強ラマン散乱光スペクトルの中心波長およびその幅は、光学フィルタ１３の透過スペクトルの中心波長およびその幅により規定された、透過を許容する範囲に入る。この設定により、グルコースに特有の表面増強ラマン散乱光は光学フィルタ１３を透過する。しかし、他の光は光学フィルタ１３を透過しない。

より詳細には、図４に示すように、１２７３９ｃｍ^−１の波数を有する第１集束光５ａに対して１１００ｃｍ^−１〜１１４０ｃｍ^−１のラマンシフトを有するラマン散乱光のみが選択的に透過する。他方、この光学フィルタ１３は、妨害成分のラマン散乱光及び第１反射光６を含む、不要な波数の光の透過を選択的に制限する。１１００ｃｍ^−１のラマンシフトを有するラマン散乱光の波数は、１１，６３９ｃｍ^−１ (１２，７３９ｃｍ^−１−１，１００ｃｍ^−１＝１１，６３９ｃｍ^−１)であり、１１４０ｃｍ^−１のラマンシフトを有するラマン散乱光の波数は、１１，５９９ｃｍ^−１(１２，７３９ｃｍ^−１−１，１４０ｃｍ^−１＝１１，５９９ｃｍ^−１)である。これらの値は、光学フィルタ１３の透過域の端点の波数と一致する。

表面増強ラマン散乱光の強度を強くするために、第１集束光５ａの強度が強められると、反射光６の強度及び妨害成分のラマン散乱光の強度も強められる。しかし、妨害成分のラマン散乱光及び反射光６は光学フィルタ１３により遮蔽され、受光器１４に到達しない。このようにして標的物質に特有な第１信号Ｘａのみが得られる。

グルコースの濃度検出のために用いられる光学フィルタ１３の中心波長λ_２は、下記等式(II)によって算出される。λ_１は、第１集束光５ａの波長を示す。
λ_２＝（１０^７・λ_１）／（１０^７−１１２０・λ_１） ・・・（ＩＩ）
λ_２：光学フィルタ１３の中心波長
λ_１：第１集束光５ａの波長

以上のように、実施の形態１による計測装置を用いることによって、１１２０ｃｍ^−１のラマンシフトを有するグルコースの表面増強ラマン散乱光が選択的に計測される。

言うまでもないが、通常の計測の場合と同様に、上記計測時には予め用意された検量線が用いられる。

Ｂｃｍ^−１のラマンシフトを有する生体物質の濃度を算出するためには、等式（ＩＩ）に代えて、以下の等式（ＩＩＩ）が用いられる。
λ_２＝（１０^７・λ_１）／（１０^７−Ｂ・λ_１） ・・・（ＩＩＩ）
λ_２：光学フィルタ１３の中心波長
λ_１：第１集束光５ａの波長
Ｂ：生体成分のラマンシフト

（工程（ｄ）〜工程（ｆ））
一見したところ、工程（ａ）〜工程（ｃ）を介して、生体成分の濃度は測定されるように思われる。しかし、得られた濃度の値は不正確である。その理由が、以下、説明される。

第１反射光６は、迷光を含む。迷光は、測定精度を低下させる。迷光は、反射迷光６１および拡散散乱光７１を含む。反射迷光６１は、皮膚表面に略平行光５を照射することより皮膚表面から生じる。拡散散乱光７１は、皮膚内部を進行する略平行光５によって皮膚内部から生じる。

反射迷光６１が測定精度を大きく低下させる。一方、拡散散乱光７１は測定精度をほとんど低下させない。なぜなら、反射迷光６１の強度は、拡散散乱光７１の強度よりずっと大きいためである。

屈折率の差が大きいと、反射迷光６１の量も大きくなる。略平行光５は、空気から皮膚内部に向かって進行する。空気の屈折率と皮膚の屈折率との大きな差（およそ０．３７）のため、皮膚表面で略平行光５は大きく反射する。

一方、皮膚内部では、皮膚内部の屈折率は実質的に一定である（およそ１．３７）ため、拡散散乱光７１の強度は、反射迷光６１の強度よりもずっと弱い。

略平行光５は、皮膚の表面上で全ての方向に強く反射され、反射迷光６１を発生させる。反射迷光６１は、皮膚の最表面に位置する角質層（厚さ：１０マイクロメートル〜２０マイクロメートル）において発生する。反射迷光６１の強度は、照射光の強度のおよそ４〜７％に等しい。反射迷光６１の強度は、角質層の表面粗さおよび異なる屈折率を有する領域の分布に応じて変化する。

一方、通常のラマン散乱光の強度は、照射光の強度の１０^−１６以下である。表面増強ラマン散乱光の強度は、照射光の強度の１０^−７以下である。即ち、検出される表面増強ラマン散乱光の強度よりも、皮膚の表面において発生した反射迷光６１の強度の方が極めて大きい。従って、たとえ反射迷光６１の強度が極めて小さいとしても、当該反射迷光６１の受光器１４への混入が、光センサの出力信号を飽和させ、計測を不可能にする。

光学フィルタ１３は、光センサに混入する第１反射迷光６１の量を低減させ、受光器１４が飽和すること防止し得る。

しかし、光学フィルタ１３を透過する光の透過率が下がる（すなわち、光学フィルタ１３の遮断効果が上がる）と、ラマン散乱光の透過率も下がる。実用上、光学フィルタ１３を透過する光の透過率の最小値は、おおよそ１０^−８である。即ち、全ての反射迷光６１が遮断されることはなく、一部の第１反射迷光６１がフィルタを透過する。当該一部の第１反射迷光６１は受光器１４に混入し、生体成分の濃度の計測精度を低下させる。

さらに、生体は、グルコースのような生体成分のラマンスペクトルと重なるラマンスペクトルを有する物質を有する。上記の光学フィルタ１３を使っても当該物質により発生するラマン散乱光（以下、「妨害ラマン光」という）は、低減されない。このことも、生体成分の濃度の計測精度を低下させる。

上記の問題を解決するため、本発明のこの実施形態では、工程（ｄ）〜工程（ｆ）が実施される。工程（ｄ）および工程（ｅ）は同時に実施されることが好ましい。より好ましくは、工程（ｄ）〜工程（ｆ）は同時に実施される。

（工程（ｄ））
まず、工程（ｄ）では、光源９が傾けられる。光源９の傾き角度の例は、３°以上２０°以下である。

（工程（ｅ））
工程（ｅ）において、略平行光５は位置Ｃを透過する。図１に示されるように、光源９が傾いているので、粒子チップ３は、位置Ｃを通過した略平行光５に照射されない。

工程（ｅ）において、略平行光５は位置Ｃを透過することが必要とされる。すなわち、位置Ｃ以外の皮膚表面の位置が略平行光５によって照射されてはならない。その理由が以下、記述される。

皮膚表面の光学特性は、表面粗さ、屈折率の分布、および妨害成分の濃度に依存する。皮膚表面の光学特性は、同一生体であっても均一ではない。即ち、皮膚表面上の位置に応じて、光学特性は異なる。

従って、同一の強度を有する光によって同一生体が照射されても、光に照射される位置に応じて、反射迷光６１の強度の強度は異なる。そのため、工程（ｅ）において、略平行光５は位置Ｃを透過することが必要とされる。

工程（ｂ）の場合と同様に、工程（ｅ）においても、反射迷光が生じる。工程（ｅ）において生じた反射迷光は、第２反射迷光６２と言う。言うまでもないが、第２反射迷光６２は、表面増強ラマン散乱光を含まない。なぜなら、光源９は傾いているからである。

工程（ｃ）の場合と同様に、工程（ｆ）において、第２反射迷光６２は、光学フィルタ１３を介して受光器１４により受光され、第２信号Ｘｂを得る。最後に、工程（ｇ）において、第１信号Ｘａから第２信号Ｘｂが差し引かれ、それらの差を算出する。当該差に基づいて、生体成分の濃度が算出される。コンピュータ１７がこれらを計算する。

第１信号Ｘａから第２信号Ｘｂを差し引くことが、測定精度を大きく低下させる反射迷光６１を相殺する。妨害ラマン光も相殺される。すなわち、上記差は、反射迷光６１または妨害ラマン光の成分を含まない。従って、工程（ａ）〜工程（ｃ）のみを介して得られた濃度よりも、工程（ａ）〜工程（ｆ）を介して得られた濃度は、より正確である。

本発明の一実施形態は、生体における物質（例えば、グルコース）の濃度を測定するために用いられ得る。

１ 表皮組織
２ 真皮組織
３ 粒子チップ
４ 皮下組織
５ 略平行光
６ 反射光
７１ 拡散散乱光
８ 金属粒子
９ 光源
１０ 偏光変調器
１２ レンズ系
１３ 光学フィルタ
１４ 受光器
１５ 信号発生器
１６ ロックインアンプ
１７ コンピュータ
１８ 支持体

Claims (5)

1. 生体に含有される生体成分の濃度を測定する方法であって、以下の工程（ａ）〜（ｇ）を具備する、方法：
   測定装置を用意する工程（ａ）、ここで、
   前記測定装置は、光源、光学フィルタ、および受光器を具備し、
   前記光源からの略平行光を、皮膚の表面上の位置を介して前記皮膚に埋め込まれた粒子チップに照射し、第１反射光を発生させる工程（ｂ）、ここで、
   前記粒子チップは基板および複数の金属粒子を具備し、
   前記第１反射光を、前記光学フィルタを介して前記受光器により受光し、第１信号Ｘａを得る工程（ｃ）、ここで、以下の等式（ＩＩＩ）が充足され、
   λ₂＝（１０⁷・λ₁）／（１０⁷−Ｂ・λ₁）・・・（ＩＩＩ）
   λ₂：フィルタを透過する光の波長
   λ₁：前記光源からの光の波長
   Ｂ：前記生体成分に固有のラマンシフト
   前記光源を傾ける工程（ｄ）、
   前記粒子チップが前記略平行光に照射されないように、前記略平行光を前記位置と同一の位置に照射し、第２反射光を得る工程（ｅ）、
   前記第２反射光を、前記光学フィルタを介して前記受光器により受光し、第２信号Ｘｂを得る工程（ｆ）、および
   前記第１信号Ｘａと前記第２信号Ｘｂとの間の差に基づいて、前記生体成分の濃度を算出する工程（ｇ）。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記生体成分はグルコースであり、
   Ｂは１１２０ｃｍ^-1である、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   工程（ｂ）および工程（ｃ）が同時に実施される、方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、
   工程（ｄ）および工程（ｅ）が同時に実施される、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、
   工程（ｄ）から工程（ｆ）が同時に実施される、方法。

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