JP5426644B2 - Non-invasive measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、測定プローブを介して光学的に被検体中のグルコースを非侵襲で測定する非侵襲的測定装置に関する。 The present invention relates to a noninvasive measurement apparatus that non-invasively measures glucose in a subject optically via a measurement probe.
人体中の分析物、特にグルコースの濃度の非侵襲的測定定量のための複数の先行技術の方法がある。これらの方法で共通するのは、一般的に、光学プローブを身体の一部と接触させ、一連の光学測定を実行し、かつ光信号セットを収集することである。検出された光信号又はこれらの信号から計算される派生光学パラメータは、次に較正関係を確立するために、基準方法によって定量される血糖濃度と相互に関連付けられる。較正関係は、較正モデルとも呼ばれる。患者データから導かれるこの較正モデルは、測定された信号をグルコース濃度に関係付ける数式である。患者のケアのため非侵襲的グルコースモニタを使用する場合、グルコース濃度は、その時測定された光信号、及び以前に確立された較正関係を使用することにより、定量される。 There are several prior art methods for non-invasive measurement and quantification of the concentration of analytes in the human body, especially glucose. Common to these methods is generally to bring an optical probe into contact with a body part, perform a series of optical measurements, and collect an optical signal set. The detected optical signals or the derived optical parameters calculated from these signals are then correlated with the blood glucose concentration quantified by the reference method to establish a calibration relationship. The calibration relationship is also called a calibration model. This calibration model, derived from patient data, is a mathematical formula that relates the measured signal to glucose concentration. When using a non-invasive glucose monitor for patient care, the glucose concentration is quantified by using the currently measured light signal and a previously established calibration relationship.
グルコースの非侵襲的測定(NI測定)の定量方法は、分子特性を追跡する直接的方法及び組織特性へのグルコースの効果を追跡する間接的方法のような、2つの広いカテゴリーに分類される。近赤外(NIR)吸収係数、中赤外吸収係数、旋光性、ラマンシフトバンド、及びNIR光音響信号のようなグルコースの固有特性を追跡する、直接的方法は、他の身体分析物と無関係な、かつ身体の生理的状態と無関係な、組織又は血液中のグルコースを検出する能力を前提とする。組織の光学特性へのグルコースの効果を追跡する間接的方法は、組織の散乱係数、間質液(ISF)の屈折率、及び組織中の音の伝搬を測定する方法を含む。 Non-invasive measurement of glucose (NI measurement) quantification methods fall into two broad categories, direct methods that track molecular properties and indirect methods that track the effects of glucose on tissue properties. A direct method to track glucose intrinsic properties such as near infrared (NIR) absorption coefficient, mid-infrared absorption coefficient, optical rotation, Raman shift band, and NIR photoacoustic signal is independent of other body analytes And the ability to detect glucose in tissues or blood that is independent of the body's physiological state. Indirect methods for tracking the effects of glucose on tissue optical properties include methods that measure tissue scattering coefficient, interstitial fluid (ISF) refractive index, and sound propagation in tissue.
グルコース分子特性を追跡する方法は、グルコースに特異的と見なされ得る極めて弱い信号に出会う。生物雑音、プローブの再位置決め誤差、個人対個人の変動、及び測定雑音が、グルコース特異的信号の小さな変化を圧倒し得る。組織特性へのグルコースの効果を追跡する間接的方法は、散乱係数変化の定量の場合に関しては明白である、計算されるパラメータ及びグルコース濃度間の非特異的関係のために、大きな難題に直面する。Khalilは、グルコース定量の非侵襲的測定方法及び較正方法を再検討した。例えば、総論(非特許文献1及び2)を参照せよ。信号の低いレベル及び測定される生物学系の複雑さのため、特別な信号処理及びデータ処理方法が、較正及び予測アルゴリズムを設定するために使用されねばならない。
The method of tracking glucose molecular properties encounters a very weak signal that can be considered specific for glucose. Biological noise, probe repositioning errors, person-to-person variations, and measurement noise can overwhelm small changes in glucose-specific signals. Indirect methods of tracking the effect of glucose on tissue properties face significant challenges due to the non-specific relationship between calculated parameters and glucose concentration, which is obvious for the case of quantifying scattering coefficient changes . Khalil reviewed the non-invasive measurement and calibration methods for glucose quantification. For example, see general remarks (
多変量解析が、複雑な混合物中の構成要素の濃度を定量するためのデータ処理に一般的に使用された。多変量解析は、グルコース関連情報を雑音のあるデータセットから抽出するためにも使用される。例えば学術論文(非特許文献3及び4)を参照することができる。多変量解析は、近赤外(NIR)スペクトル測定及びスペクトルへの温度効果に基づく、非侵襲的測定グルコース測定のデータ解析に使用された。例えば学術論文の非特許文献5、6、7、8、9及び10を参照せよ。非侵襲的測定グルコース較正のための多変量解析の使用は、特許文献1及び2で開示された。
Multivariate analysis was commonly used in data processing to quantify the concentration of components in complex mixtures. Multivariate analysis is also used to extract glucose related information from noisy data sets. For example, academic papers (Non-Patent
較正モデルを確立する簡易な方法は、測定された非侵襲的測定データを、侵襲的に定量測定されることで真値近似で得られるグルコース濃度に、適合させることである。線形最小二乗(LLS)フィッティング又は部分最小二乗(PLS)フィッティングのような回帰方法が、一般的に使用される。較正相関係数(Rc)及び較正の標準誤差(SEC)が、次に計算される。 A simple way to establish a calibration model is to fit the measured non-invasive measurement data to a glucose concentration that is obtained by approximation of the true value by being quantitatively measured invasively. Regression methods such as linear least squares (LLS) fitting or partial least squares (PLS) fitting are commonly used. The calibration correlation coefficient (R c ) and calibration standard error (SEC) are then calculated.
較正モデルは、次に1つのデータポイントを、較正セットとして残りのデータポイントを使用して、予測する能力を確認することによって検証され得る。該方法は、セット中の各データポイントに関して反復される。これは、一つを除外する交差検証(leave−one−out cross validation)(LOOCV)として知られている。次に予測値及び基準値は、交差検証予測の標準誤差(SECV)及び交差検証相関係数(Rcv)を計算するために、使用される。低いSECV及び高いRcvは、較正モデルの有効性を示す。これらのRcv及びSECV値は、モデルの予測能力を示すために、注意を払って使用できる。特に、少数のデータポイントのみが利用できる場合に注意が必要である。LOOCV手続きは、同じ実験セットからのデータポイントの使用を含むので、装置又は実験の時間依存性事象との擬似相関の効果が起きやすい。真の予測は、様々な期間にわたって得られた独立した較正及び予測データセットを使用することによってのみ達成できる。2つの計算される予測パラメータは、予測相関係数(Rp)及び予測の標準誤差(SEP)である。 The calibration model can then be verified by checking the ability to predict one data point using the remaining data points as a calibration set. The method is repeated for each data point in the set. This is known as leave-one-out cross validation (LOOCV). The prediction and reference values are then used to calculate the standard error (SECV) and cross-validation correlation coefficient (R cv ) for cross-validation prediction. A low SECV and a high R cv indicate the effectiveness of the calibration model. These R cv and SECV values can be used with care to show the predictive ability of the model. In particular, care should be taken when only a small number of data points are available. Since the LOOCV procedure involves the use of data points from the same set of experiments, the effect of pseudo-correlation with instrument or experiment time-dependent events is likely to occur. True prediction can only be achieved by using independent calibration and prediction data sets obtained over various time periods. The two calculated prediction parameters are the prediction correlation coefficient (R p ) and the standard error of prediction (SEP).
非侵襲的測定の質は、予測の標準誤差(SEP)及び予測相関係数Rpの大きさによって主に判断される。低いSEPは、高い相関係数と結び付けられた時、成功した定量であることを示す。(a)狭い範囲の分析物濃度、(b)他の時間依存性事象との偶発相関、及び(c)実験データのオーバーフィッティング(overfitting)の可能性を防止する必要がある。オーバーフィッティングの効果を回避するために、細心の注意を払う必要がある。較正(訓練)セット及び予測セットは、時間が経つと分離される必要がある。測定データポイントの数は、較正モデルの方程式のスペクトル、温度、距離等のような独立なパラメータに関する項数よりも大きくなければならない。 The quality of non-invasive measurement is mainly determined by the standard error (SEP) and the magnitude of the predicted correlation coefficients R p of the prediction. A low SEP indicates a successful quantification when combined with a high correlation coefficient. There is a need to prevent the possibility of (a) a narrow range of analyte concentrations, (b) accidental correlation with other time-dependent events, and (c) overfitting of experimental data. Great care must be taken to avoid the effects of overfitting. The calibration (training) set and the prediction set need to be separated over time. The number of measurement data points must be greater than the number of terms for independent parameters such as spectrum, temperature, distance, etc. of the calibration model equation.
高いSEPは、次の3つの方式のいずれかで解釈できる。すなわち(a)較正モデルが、グルコース特異的情報に欠ける、(b)グルコース予測が、測定雑音によって限定される、又は(c)グルコース予測が、身体の一部中の生物的背景雑音、及び身体の一部に対するプローブの再位置決め誤差によって限定される。循環パラメータ、皮膚表面条件、皮膚含水量、概日リズム効果、及び温度変化のような生物的変数は、グルコースの非侵襲的測定定量において、まだ十分に詳細に考慮されていない、雑音源の例である。長期間にわたる、これらの生物的変数の変化は、先行技術において考慮されなかった。 A high SEP can be interpreted in one of three ways: That is, (a) the calibration model lacks glucose-specific information, (b) the glucose prediction is limited by measurement noise, or (c) the glucose prediction is biological background noise in the body part, and the body Limited by the repositioning error of the probe with respect to a portion of Biological variables such as circulation parameters, skin surface conditions, skin moisture content, circadian rhythm effects, and temperature changes are examples of noise sources that have not yet been considered in sufficient detail in the non-invasive measurement quantification of glucose It is. Changes in these biological variables over time have not been considered in the prior art.
ヒト血液中のグルコース濃度の概日変動、並びに体温及びその他の生命徴候の概日周期性の間に同時相関の可能性がある。概日体温の効果、及び非侵襲的測定への血流効果を分離することは、重要であり、従ってそれらは、血糖濃度を計算するために使用される信号を混同しない。 There may be a simultaneous correlation between circadian variation in glucose concentration in human blood and circadian periodicity of body temperature and other vital signs. It is important to separate the effects of circadian body temperature and blood flow effects on non-invasive measurements, so they do not confuse the signals used to calculate blood glucose concentration.
非侵襲的測定グルコース装置の較正は、種々の侵襲的に定量されグルコース濃度及び対応する非侵襲的測定信号が利用できることを必要とする。一つの較正のアプローチは、体内測定された信号が、観察できる範囲にわたるグルコース濃度の変化を誘発することである。このことは、経口グルコース負荷試験(OGTT)、又は食事負荷試験(MTT)を使用することによって達成される。これら全ての手続きが、先行技術に記載されている。OGTTにおいて、既知の負荷(load)、概して75gのグルコースが、絶食している被検体に与えられ、かつグルコース濃度は、時間に応じて追跡される。 Calibration of a non-invasive measurement glucose device requires that various invasively quantified glucose concentrations and corresponding non-invasive measurement signals are available. One calibration approach is that the in-vivo measured signal induces a change in glucose concentration over an observable range. This is accomplished by using an oral glucose tolerance test (OGTT) or a meal tolerance test (MTT). All these procedures are described in the prior art. In OGTT, a known load, generally 75 g glucose, is given to a fasting subject, and the glucose concentration is tracked over time.
MTTは、グルコース負荷よりも炭水化物負荷が食事として投与されることを除きOGTTに類似している。テスト期間に発生したデータは、後続の非侵襲的測定からグルコース濃度を予測するために使用できる。非侵襲的測定装置の応答が、相関するOGTT又はMTTデータに基づく較正に依存して、非グルコース関連の生理的効果を具体化し得るので、非侵襲的測定装置の応答は、検査された個人に特有の較正モデルをもたらす。 MTT is similar to OGTT except that a carbohydrate load is administered as a meal rather than a glucose load. Data generated during the test period can be used to predict glucose concentration from subsequent non-invasive measurements. The response of the non-invasive measuring device can depend on calibration based on correlated OGTT or MTT data, and can embody non-glucose related physiological effects so that the response of the non-invasive measuring device Resulting in a unique calibration model.
無作為抽出された経時的サンプリングが、実行できない時、時間依存性アーチファクトは、多変量較正の結果に影響を与え得る。装置関連の時間変数に加えて、すでに論じた人体の概日リズムは、順次MTTデータポイントに重ねられる擬似時間依存性生物的背景をもたらし得る。OGTT及びMTTデータは、特定の非侵襲的測定信号が、誘発されたグルコース濃度変化によって変動することを証明するために必要とされるが、長期間にわたる信号対血糖値の信頼できる較正を確立するためには十分でない。 When random sampling over time cannot be performed, time-dependent artifacts can affect the results of multivariate calibration. In addition to device-related time variables, the circadian rhythm of the human body already discussed can result in a pseudo-time-dependent biological background that is superimposed on MTT data points sequentially. OGTT and MTT data are required to prove that specific non-invasive measurement signals vary due to induced glucose concentration changes, but establish a reliable calibration of signal versus blood glucose over time Not enough for that.
時間依存性効果の影響が少ない較正方法は、一日の中で及び長期間にわたって無作為抽出された時間帯で実行される無作為スポット検査である。このアプローチは、複数の生理的条件をカバーし、かつ概日リズム関連の相関を回避するデータポイントの使用を可能にする。それは、ほとんど装置関連の偶発的相関を回避する。このタイプの調査は、長期的調査と呼ばれ、3週間を超え、かつ数ヶ月に及ぶ長期間、患者のグルコース濃度変化を追跡することを含む。 A calibration method that is less affected by time-dependent effects is a random spot test that is performed during the day and at random time periods. This approach allows the use of data points that cover multiple physiological conditions and avoid circadian rhythm-related correlations. It avoids mostly device-related accidental correlations. This type of study, called a long-term study, involves tracking changes in the patient's glucose concentration over an extended period of more than three weeks and months.
長期的調査において、Samann et al(非特許文献11)は、800〜1350nmスペクトル域にわたるヒト指の拡散反射率の長期精度及び安定性を報告した。糖尿病を持つ10人の患者のスペクトルが、評価された。個人較正モデルが、スペクトルから各患者に関して計算され、調査の初めに記録された。これらのモデルは次に、84〜169日後に記録された、続いて得られたスペクトルから血糖値を計算するために適用された。予測の二乗平均平方根誤差として表現される較正モデルの長期精度及び安定性は、3.1〜35.9mmol/Lで変動したが、それは、臨床的に有意なグルコース濃度の定量で使用するためには、高すぎる。結果は、検出及び較正方法の長期安定性を改良し、かつ根底にある経時的な生理的過程を理解する必要性を示している。それは、時間が進むにつれ、較正モデルが変動することも示している。Samann et alは、較正モデルを更新することを考慮しなかったし、その長期的調査時間にわたり、較正モデルを更新する方法を提示もしなかった。 In a long-term study, Samann et al (11) reported the long-term accuracy and stability of human finger diffuse reflectance over the 800-1350 nm spectral range. The spectrum of 10 patients with diabetes was evaluated. A personal calibration model was calculated for each patient from the spectrum and recorded at the beginning of the study. These models were then applied to calculate blood glucose levels from subsequently acquired spectra recorded after 84-169 days. The long-term accuracy and stability of the calibration model, expressed as the root mean square error of prediction, varied from 3.1 to 35.9 mmol / L, which is for use in quantifying clinically significant glucose concentrations Is too expensive. The results indicate the need to improve the long-term stability of detection and calibration methods and to understand the underlying physiological processes over time. It also shows that the calibration model varies over time. Samann et al did not consider updating the calibration model, nor did it provide a way to update the calibration model over its long-term study time.
Burmeister et al(前掲、非特許文献8)は、39日の期間にわたり、1型糖尿病を持つ5人の被検体の舌を通るNIR(1430〜2000nm)透過を、1日当たり5回の測定を実行して調査した。舌は、高い血管分布を有し、SC(表皮)を有さず、僅かな脂肪組織を有し、均質な身体の一部であり、ほぼ一定の温度を有し、かつ5〜6mmの水性有効光路長を提供するので、舌が選択された。予測データポイントの両方のセットが、異なる日に得られた。OGTT又はMTTの代わりに、数週間にわたってデータ収集を広げること(無作為な一連のスポット検査)は、時間的効果によるデータセットの汚染を軽減する。PLS較正モデルは、異なる個人に関して発生した。モデルは、(5回の測定毎の)ブラインドサンプル濃度、又は個人によって異なるSEP>3mmol/LかつRpによるデータの後部を予測するために使用された。舌は、角質層又は皮膚層を有さないが、予測データは、限られた感度のものであるが、Samann et al(前掲、非特許文献11)によって開示された皮膚の場合よりも良い。Burmeister et alは、較正モデルを更新することを考慮しなかったし、その長期的調査時間にわたり、較正モデルを更新する方法を提示もしなかった。
Burmeister et al (supra, Non-Patent Document 8) performed NIR (1430-2000 nm) transmission through the tongue of five subjects with
Khalil(非特許文献1)は、「非侵襲的測定装置の応答が、相関するOGTT又はMTTデータに基づく較正に依存して、非グルコース関連の生理的効果を具体化し得るので、非侵襲的測定装置の応答は、検査された個人に特有の較正モデルをもたらす。この較正モデルは、侵襲的テストを使用して定期的に更新される必要がある」と主張した。しかしながら、Khalilは、長期間にわたり、較正モデルを更新する方法を提示しなかった。Khalilは、信号への季節的変動の効果を克服するための、較正モデル更新も論じなかった。 Khalil (Non-Patent Document 1) states, “Noninvasive measurement because the response of a noninvasive measurement device can embody non-glucose related physiological effects depending on calibration based on correlated OGTT or MTT data. The response of the device results in a calibration model that is specific to the individual examined, which calibration model needs to be updated regularly using invasive testing. However, Khalil did not provide a way to update the calibration model over time. Khalil also did not discuss calibration model updates to overcome the effects of seasonal variations on the signal.
皮膚特性は、環境条件次第で変化する。Forst et alの非特許文献12は、糖尿病及び非糖尿病被検体に皮膚の厚さ測定、及び血流測定を実行した。検査は、温度が段階的に25℃から9℃に変動し、かつ次に次第に25℃に再度上昇した人工気候室内で実行された。測定は、前腕皮膚で実行された。皮膚温度は、9℃で32℃から24.5℃に下がり、かつ再度の25℃で28.6℃に達した。皮膚の厚さ及び皮膚血流は、環境温度が変化するにつれて、類似したパターンを辿った。皮膚の厚さ及び血流は、非糖尿病被検体よりも糖尿病被検体に関して低かったが、環境的変化への応答は、類似していた。それ故に、皮膚血液循環及び皮膚の厚さは、環境条件によって変動する。人工気候室内の温度変動は、長期間にわたる季節的な温度変化を模倣し、かつ機器及び被検体への極度な環境効果を検査する。
Skin characteristics vary depending on environmental conditions.
皮膚の水分補給は、季節により変化する。例えば冬には、皮膚は乾燥し、落屑性であり、夏には、湿って柔軟である。それ故に、時間が進むにつれ、かつ皮膚特性が、環境条件の変化に応じて変化し得る2つ以上の季節間を時間が経つにつれ、非侵襲的光学測定の較正関係を更新することが必要である。 Skin hydration varies from season to season. For example, in winter the skin is dry and desquamating, and in summer it is moist and flexible. Therefore, it is necessary to update the calibration relationship of non-invasive optical measurements as time progresses and over time between two or more seasons where skin characteristics can change in response to changing environmental conditions. is there.
種々の生理的条件、及びヒト組織、特にヒト皮膚の特性への季節的及び環境的変化の効果をカバーする、より強力かつ安定した較正モデルを導くことが必要である。 There is a need to derive a more powerful and stable calibration model that covers various physiological conditions and the effects of seasonal and environmental changes on the properties of human tissues, especially human skin.
本発明の目的は、組織特性の季節的及び生理的変動に対する較正精度を向上することにある。 An object of the present invention is to improve calibration accuracy for seasonal and physiological variations in tissue properties.
本発明のある局面は、被検体に接触される測定プローブと、前記測定プローブに接続される光源及び光検出器と、光学的に非侵襲で被検体中のグルコースに関連する情報を測定するために前記光源及び光検出器を制御するとともに、前記光検出器の出力から較正モデルによりグルコース値を予測するコンピュータ部とを有する非侵襲的測定装置において、前記コンピュータ部は、異なる日に非侵襲的測定により取得されたデータと、それに対応する基準測定値に基づいて、回帰計算を実行することにより前記較正モデルの更新を行なう再較正手段と、前記再校正手段により更新された前記較正モデルを用いて、非侵襲的測定により取得されたデータからグルコース濃度を予測する算出手段とを備えることを特徴とする非侵襲的測定装置を提供する。 One aspect of the present invention is to measure a measurement probe that is in contact with a subject, a light source and a photodetector connected to the measurement probe, and information that is optically non-invasive and related to glucose in the subject. A non-invasive measuring apparatus having a computer unit that controls the light source and the photodetector and predicts a glucose level from an output of the photodetector by a calibration model. Recalibration means for updating the calibration model by executing regression calculation based on data acquired by measurement and a corresponding reference measurement value, and using the calibration model updated by the recalibration means A non-invasive measurement apparatus comprising: a calculation means for predicting a glucose concentration from data acquired by non-invasive measurement That.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
まず、本実施形態はその概要において、時間経過に伴う組織特性の季節的及び生理的変動を明らかにするための較正関係を改良して、非侵襲的グルコース値の予測精度を向上するものである。該方法は次の複数のステップを有する(図5参照)。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, in the outline of the present embodiment, the calibration relationship for clarifying seasonal and physiological fluctuations of tissue characteristics with the passage of time is improved to improve the prediction accuracy of a noninvasive glucose value. . The method has the following steps (see FIG. 5).
(a)複数の較正日に関して非侵襲的測定(NI測定)及び基準侵襲的(I)測定を実行し、1日当たり複数のデータポイントを得る。複数の日にわたって得られたこのデータポイントのセットは、較正セットと称される。 (A) Perform non-invasive measurements (NI measurements) and reference invasive (I) measurements on multiple calibration days to obtain multiple data points per day. This set of data points obtained over multiple days is referred to as a calibration set.
(b)較正関係を得るために、線形最小二乗(LLSQ)又は部分最小二乗(PLS)フィッティングを使用して、非侵襲的測定及び侵襲的測定の基準データポイントに関して回帰計算を実行する。較正の標準誤差(SEC)及び較正相関係数(Rc)を定量する。それが指定範囲内にあるか確認する。それが許容可能な範囲内にあるならば、較正は、成功であると判定される。 (B) Perform regression calculations on non-invasive and invasive measurement reference data points using linear least squares (LLSQ) or partial least squares (PLS) fitting to obtain a calibration relationship. Quantify the standard error of calibration (SEC) and the calibration correlation coefficient (R c ). Check if it is within the specified range. If it is within an acceptable range, the calibration is determined to be successful.
(c)1又は複数の週にわたって、各日の中で無作為抽出された時間帯で、非侵襲的測定及び基準侵襲的測定のセットを実行する。複数の日にわたって得られたこのデータポイントセットを予測セットと称する。 (C) Perform a set of non-invasive measurements and reference invasive measurements at random time periods within each day over one or more weeks. This data point set obtained over multiple days is referred to as the prediction set.
(d)予測関係を得るために、線形最小二乗(LLSQ)又は部分最小二乗(PLS)フィッティングを使用して、非侵襲的測定(NI)及び侵襲的測定(I)の基準データポイントに関して回帰計算を実行する。予測の標準誤差(SEP)及び予測相関係数(RP)を定量する。それが指定範囲内にあるか確認する。それが許容可能な範囲内にあるならば、予測は、検証に成功したと判定される。 (D) Regression calculations with respect to non-invasive measurement (NI) and invasive measurement (I) reference data points using linear least squares (LLSQ) or partial least squares (PLS) fitting to obtain predictive relationships. Execute. Quantifying the standard error (SEP) and predicted correlation coefficient prediction (R P). Check if it is within the specified range. If it is within an acceptable range, the prediction is determined to have been successfully verified.
(e)較正モデルの確立、並びに、グルコース値を予測するモデル及び装置の能力の確認後、無作為非侵襲的測定データポイントを得て、かつ較正モデル及び非侵襲的測定信号を使用して、グルコース値を予測するために、無作為非侵襲的測定を実行する。患者の血糖状態の評価、及び患者の治療管理に、結果として生じたグルコース値を使用する。 (E) After establishing a calibration model and confirming the ability of the model and device to predict glucose values, obtain random non-invasive measurement data points and use the calibration model and non-invasive measurement signal; Random non-invasive measurements are performed to predict glucose levels. The resulting glucose value is used to assess the patient's blood glucose status and to manage the patient's treatment.
(f)非侵襲的測定データポイントを得るための1つの非侵襲的測定、及びグルコース基準値を得るための対応する血糖基準測定を実行することにより、装置及びモデルを定期的に再較正する。非侵襲的測定データポイント及び侵襲的データポイントセットは、再較正データポイントを含む。再較正データポイントのためのグルコース値を予測するために較正関係を使用する。非侵襲的測定定量されたグルコース値の精度、予測値及び侵襲的に定量された値間の差を確認する。差は、規格値毎に許容可能(許容可能なSEP値の範囲内)でなければならない。 (F) Periodically recalibrate the device and model by performing one non-invasive measurement to obtain a non-invasive measurement data point and a corresponding blood glucose reference measurement to obtain a glucose reference value. Non-invasive measurement data points and invasive data point sets include recalibration data points. A calibration relationship is used to predict the glucose value for the recalibration data point. Non-invasive measurement Confirms the difference between the quantified glucose value accuracy, the predicted value and the invasively quantified value. The difference must be acceptable (within the range of acceptable SEP values) for each standard value.
(g)次のステップを使用して較正モデルを更新する。
a)ncのポイント数を有する較正データセットに戻る、
b)(nc−1)の非侵襲的測定データポイント及び対応する侵襲的グルコース値を有するために、第1データポイントを抜かす、
c)(nc)の非侵襲的測定データポイント及び対応する侵襲的グルコース値を有するために、再較正データポイントの非侵襲的測定入力、及び対応する侵襲的グルコース値を加える、
d)非侵襲的測定データポイント対グルコースの線形最小二乗フィッティング(LLSQ)又は部分最小二乗フィッティング(PLS)を利用して較正関係を再実行する、 e)再較正データポイントを再度予測し、精度を定量し、許容可能であれば、血液サンプリング及び非侵襲的測定を続行するか、又は反復する、
(h)季節的及び環境的変化をカバーする長期間にわたる一定の時間間隔で、再較正及び更新過程を反復し、それにより更新された較正モデルは、非侵襲的測定への季節的、生理的及び環境的変化の効果を表すデータポイントに基づくようになる。
(G) Update the calibration model using the following steps:
a) Return to the calibration data set with n c points.
b) skip the first data point to have (n c -1) non-invasive measurement data points and corresponding invasive glucose values;
c) adding a non-invasive measurement input of recalibration data points and a corresponding invasive glucose value to have (n c ) non-invasive measurement data points and corresponding invasive glucose values;
d) re-run the calibration relationship using non-invasive measurement data points vs. linear least squares fitting (LLSQ) or partial least squares fitting (PLS) of glucose, e) re-predict recalibration data points and improve accuracy Quantify and, if acceptable, continue or repeat blood sampling and non-invasive measurements,
(H) Repeat the recalibration and update process at regular time intervals covering seasonal and environmental changes, so that the updated calibration model is a seasonal, physiological to non-invasive measurement And based on data points representing the effects of environmental change.
一定の時間隔で、例えば毎週、再較正及び更新過程を反復すること、最先の較正ポイントを抜かすこと、及び最新の再較正ポイントを加えること、及び較正関係を再実行することは、加えられた期間により時間基準を移すことによって較正モデルを更新する。複数の再較正データポイントが元の数の較正データポイントに代わった後、更新された較正データセットは、1年の異なる季節で得られたデータポイントを表す。過程を反復することにより、1年にわたる複数の環境条件に対応する1年毎の複数の較正モデルを有することが可能になる。定期的、例えば毎週又は3日毎に実行される更新過程は、グルコースの非侵襲的定量に関して季節調整された較正関係をもたらす。 Repeating the recalibration and update process at regular intervals, e.g., weekly, skipping the earliest calibration point, adding the latest recalibration point, and rerunning the calibration relationship are added. The calibration model is updated by shifting the time reference by the specified period. After multiple recalibration data points replace the original number of calibration data points, the updated calibration data set represents data points obtained in different seasons of the year. By repeating the process, it is possible to have multiple calibration models per year that correspond to multiple environmental conditions over a year. A renewal process performed on a regular basis, for example every week or every three days, results in a seasonally adjusted calibration relationship for non-invasive quantification of glucose.
図1に本実施形態に係るグルコースの非侵襲的測定装置を示している。プローブ1は、発熱体としての熱電気モジュール2と、被検体の皮膚に接触するパッド3とを有する。熱電気モジュール2による発熱量は、温度コントローラ4により調整される。さらに温度コントローラ4の温度調整動作はコンピュータ5の制御下にある。コンピュータ5は温度調整制御とともに、グルコース非侵襲的測定処理制御及び較正更新処理制御を担っている。プローブ1の略中央部には筒状に開口が形成され、そこに光ファイバ8、9が挿入される。光ファイバ8には光源6が光学的に結合され、光ファイバ9には光検出器(信号検出器)7が光学的に結合される。
FIG. 1 shows a noninvasive measurement apparatus for glucose according to this embodiment. The
光ファイバ8は中央に置かれ、その周囲を複数の光ファイバ9が取り囲む。光ファイバ8と光ファイバ9との最大距離は、2mm未満である。つまり直径4mmの略円形範囲に光ファイバ8、9が束ねられる。測定に際しては一滴のシリコン油を、被検体の皮膚に適用し、かつ拭き取り、皮膚上に非常に薄い油の層を残して、熱伝導率を強化する。
The
図2A、図2Bに、本実施形態に係る非侵襲的測定装置の典型的な外観を示している。当該装置のハウジング(筐体)10の一部には溝状に窪んだアームトレイ25が形成される。アームトレイ25の略中央部分には測定プローブ1の表面が露出している。アームトレイ25の両端にはそれぞれ固定プラットフォーム13が装備される。測定に際しては、被検体の腕の一部分(被測定部位)はプローブ1の表面に接触する状態で、被検体はアームトレイ25に腕を横たえる。
2A and 2B show typical appearances of the noninvasive measurement apparatus according to the present embodiment. An
以下に、コンピュータ5の制御による較正更新処理について説明する。
(非侵襲的測定データの較正、較正データセット又は訓練セット)
較正データセットは、様々な生理的状態を含む特定期間にわたって収集される複数ポイント(nc)の非侵襲的測定データである。1週間又は2週間のような期間で十分である。データポイントの数ncは、線形最小二乗法、部分最小二乗法、人工ニューラルネットワーク(ANN)等を使用して、較正モデルを確立するために使用される。較正データセットは、訓練データセットとも呼ばれる。
Below, the calibration update process by control of the
(Noninvasive measurement data calibration, calibration data set or training set)
The calibration data set is multi-point (n c ) non-invasive measurement data collected over a specific time period that includes various physiological conditions. A period such as one or two weeks is sufficient. The number n c of the data points, the linear least squares method, partial least squares, using an artificial neural network (ANN), etc., are used to establish the calibration models. The calibration data set is also called a training data set.
(非侵襲的グルコース較正関係又は較正モデル)
較正モデルを確立する一つの方法は、測定された非侵襲的測定により取得したデータを、侵襲的に定量測定されたグルコース濃度に適合させることである。適合には、線形最小二乗法(LLS)又は部分最小二乗法(PLS)のような回帰方法が採用される。例えば線形較正モデルは、次の(1)式で表される。
(Non-invasive glucose calibration relationship or calibration model)
One way to establish a calibration model is to fit the data obtained from the measured non-invasive measurements to the invasive quantitatively determined glucose concentration. For the fitting, a regression method such as linear least squares (LLS) or partial least squares (PLS) is adopted. For example, the linear calibration model is expressed by the following equation (1).
[グルコース]=a0+Σiai×P(k,l,m) (1)
(1)式中、[グルコース]は、グルコース濃度であり、aiは、回帰係数であり、Pは、測定されたパラメータであり、k,l,mは、様々な波長、距離、温度等の種々の制約である。(1)式は、較正モデルとしても知られている。較正相関係数Rc及び較正の標準誤差SECが、次に定量される。
[Glucose] = a 0 + Σ i a i × P (k, l, m) (1)
In formula (1), [glucose] is the glucose concentration, a i is the regression coefficient, P is the measured parameter, k, l, m are various wavelengths, distances, temperatures, etc. There are various restrictions. Equation (1) is also known as a calibration model. The calibration correlation coefficient R c and the calibration standard error SEC are then quantified.
測定されたパラメータPは、1つの波長で、又は波長帯(スペクトルバンド)で定量された光学パラメータ値であっても良い。光学パラメータは、次のものを含む。 The measured parameter P may be an optical parameter value quantified at one wavelength or in a wavelength band (spectral band). The optical parameters include the following:
a;波長ごとの吸光度値
b;波長ごとのLog(I/Ireference)値(ここでIは拡散反射された光強度であり、かつIreferenceは、拡散反射された基準光強度であり、両値とも複数の波長で定量される)
c:波長ごとの拡散反射率値
d;波長と光源−検出器距離との組み合わせごとの局在反射率値
e;波長と、光源−検出器距離と、距離と、温度との組み合わせごとの局在反射率値(前掲のYeh et al参照)
f;波長ごとの吸収係数、散乱係数、又は両方の計算値
g;波長と、温度の組み合わせごとの吸収係数、散乱係数、又は両方の計算値
h;光音響信号又はラマンシフト
体外及び体内較正実験の間の主な相違は、人体が、概日リズムで明らかな、時間依存性の生理学的効果を有することである。休止状態では、心拍、血圧、血液循環、呼吸、体温及び皮膚血流は、概日周期性を受ける。これらのパラメータは、午前8時から正午の間と、午後4時から午後7時の間に再度、最高値に接近する。それらは、午後1時から午後3時の間と、午後10時から翌朝午前6時の間に再度、最低値にある。正常な健常人に関するこの規則的な周期性は、環境条件の変化、及びある種の疾病によって混乱する。その一方で糖尿病を持たない健常人、及び制御内糖尿病(in−control diabetes)を持つ患者におけるのグルコース濃度は、一日の中で変動し、かつ規則的な形状を辿る。一般的に朝のグルコース値は、低い(空腹時グルコース)。グルコースレベルは、朝食後に実質的に増加し、正午前の最下点まで減少し、昼食及び夕食後に再度増加し、かつ夜間は低い値に落ち着く。この形状は、糖尿病患者において歪められる。このパターンから逸脱することは、必要に応じてインスリン注射又は糖摂取のような干渉を必要とする。厳格な血糖制御は、糖尿病患者の一日のグルコース変動パターンを、健常人のそれに近く戻すことができる。
a: Absorbance value for each wavelength
b: Log (I / I reference ) value for each wavelength (where I is the diffusely reflected light intensity, and I reference is the diffusely reflected reference light intensity, and both values are quantified at a plurality of wavelengths. )
c: Diffuse reflectance value for each wavelength
d: Local reflectance value for each combination of wavelength and light source-detector distance
e; Local reflectance value for each combination of wavelength, light source-detector distance, distance, and temperature (see Yeh et al, supra).
f: Absorption coefficient for each wavelength, scattering coefficient, or both calculated values
g: Calculated value of absorption coefficient, scattering coefficient, or both for each combination of wavelength and temperature
h; Photoacoustic signal or Raman shift The main difference between in vitro and in vivo calibration experiments is that the human body has a time-dependent physiological effect that is evident in circadian rhythms. In resting state, heart rate, blood pressure, blood circulation, respiration, body temperature and skin blood flow undergo circadian periodicity. These parameters approach their maximum again between 8 am and noon and between 4 pm and 7 pm. They are at a minimum again between 1 pm and 3 pm and between 10 pm and 6 am the next morning. This regular periodicity for normal healthy people is disrupted by changes in environmental conditions and certain diseases. On the other hand, glucose concentrations in healthy individuals who do not have diabetes and in patients with in-control diabetes vary in the day and follow a regular shape. In general, morning glucose levels are low (fasting glucose). The glucose level increases substantially after breakfast, decreases to the lowest point before noon, increases again after lunch and dinner, and settles to low values at night. This shape is distorted in diabetic patients. Deviating from this pattern requires interference such as insulin injection or sugar intake as needed. Strict glycemic control can bring the diabetic patient's daily glucose fluctuation pattern back closer to that of a healthy person.
較正データセットが、できるだけ多くの生理的条件をカバーし、かつそれを構築するために使用するデータポイントが、無作為に、かつ種々の日−時間帯に得られることが、重要である。朝又は正午データポイントのような1つの特定の日−時間帯を使用することは、フィッティングアルゴリズムを信号の特定の時間行動に結び付け、かつグルコース濃度に起因する真の信号の変化に結び付けない。 It is important that the calibration data set covers as many physiological conditions as possible and that the data points used to build it are obtained randomly and at various day-time zones. Using one specific day-time zone, such as a morning or noon data point, ties the fitting algorithm to a specific time behavior of the signal and not to a true signal change due to glucose concentration.
(非侵襲的測定によるグルコースデータセット又は試験データセット)
真の予測は、異なる期間にわたって得られた独立した較正及び予測データポイントを使用することによってのみ達成され得る。他の週のような、異なる期間に得られたデータポイントのもう一つのセットnPは、グルコース値を予測するために、較正モデルの能力を検査するために使用される。予測データセットは、検査セットとしても知られている。非侵襲的測定予測データセットのデータポイントと関連したグルコース値は、総数がnPで、次に較正関係及び非侵襲的測定信号値又はこれらの信号から導かれるパラメータから定量される。2つの計算された予測パラメータは、RPであり、かつSEPが、異なる時間間隔でグルコース値を予測すべく、方法の能力を検証するために使用される。
(Glucose data set or non-invasive measurement data set or test data set)
True prediction can only be achieved by using independent calibration and prediction data points obtained over different time periods. Another set of data points n P obtained at different time periods, such as other weeks, is used to test the ability of the calibration model to predict glucose values. A predictive data set is also known as a test set. Glucose value associated with the data points of the non-invasive measurement prediction data sets, total number in n P, are quantified then from the parameter derived from the calibration relationship and non-invasive measurement signal value or these signals. Two calculations predicted parameters were are R P, and SEP are, in order to predict the glucose value at different time intervals, is used to verify the capability of the method.
(非侵襲的グルコース定量データポイント)
較正を完了し、かつモデルの予測精度を検証した後、コンピュータ部5は、測定された非侵襲的測定パラメータ及び記憶された較正関係からグルコース濃度を定量するために使用される。このように、無作為個人非侵襲的測定データポイントは、収集され、かつ各データポイントに関してグルコース値が、較正関係を用いて予測される。結果として生じたグルコース値は、次に患者の血糖状態、及び患者の治療選択の評価で使用される。グルコース定量データポイントは、随伴性基準血糖値を得ることなく、グルコース値を予測するために使用される非侵襲的測定データポイントである。それは、較正又は予測セットの一部でなく、かついつでも定量できる。
(Non-invasive glucose quantitative data points)
After completing the calibration and verifying the predictive accuracy of the model, the
(非侵襲的グルコース再較正データポイント)
体外診断装置の場合のように、非侵襲的測定装置を再較正する必要がある。体外試薬キットは、機器/試薬キットの組み合わせを使用して、標準曲線を設定するために使用される較正器セット、及び機器及び/又は試薬キットが、設定規格値まで実行されているか確認するために定期的に実行される実行制御装置セットを有する。機器較正は、機器性能のドリフト及び試薬キットの劣化、又は環境又は操作条件の変化を確認するために実行される。
(Non-invasive glucose recalibration data points)
As in the case of in vitro diagnostic devices, non-invasive measurement devices need to be recalibrated. In vitro reagent kits use instrument / reagent kit combinations to verify that the calibrator set used to set the standard curve, and that the instrument and / or reagent kit have been run to set standards. The execution control device set is periodically executed. Instrument calibration is performed to confirm instrument performance drift and reagent kit degradation, or changes in environmental or operating conditions.
体外装置の較正は、問題の分析物の既知の濃度を有し、同じ機器及び試薬を使用して検査を実行する合成較正材料を使用することによって達成される。各較正用溶液の機器信号は、較正器の濃度にフィッティングられる。標準曲線が得られ、かつサンプル中の分析物の濃度を計算するために使用される。較正は、定期的に反復でき、かつ較正間の時間が長いほど、試薬/機器システムは良好である。 Calibration of the extracorporeal device is accomplished by using a synthetic calibration material that has a known concentration of the analyte of interest and performs the test using the same equipment and reagents. The instrument signal of each calibration solution is fitted to the calibrator concentration. A standard curve is obtained and used to calculate the concentration of the analyte in the sample. The calibration can be repeated periodically and the longer the time between calibrations, the better the reagent / instrument system.
較正器の使用に加えて、実行制御装置が、機器較正の間の各実行の性能を確認するために時には使用される。実行制御装置は、分析物の既知の濃度を有し、かつそれに割り当てられた濃度範囲を有する溶液である。それは、機器操作の間、サンプルとして実行される。実行制御装置中の分析物濃度値は、実行制御装置の特定の濃度範囲内にあるか見極めるために確認される。分析物濃度の定量された値が、所定範囲外にあるならば、機器は、標準曲線をやり直すことによる再較正が必要であるか、又は新規な標準曲線が、試薬キットに関して確立される必要がある。 In addition to using a calibrator, an execution controller is sometimes used to verify the performance of each execution during instrument calibration. The execution controller is a solution having a known concentration of the analyte and having a concentration range assigned to it. It is run as a sample during instrument operation. The analyte concentration value in the execution controller is checked to determine if it is within a specific concentration range of the execution controller. If the quantified value of the analyte concentration is outside the predetermined range, the instrument needs to be recalibrated by redoing the standard curve or a new standard curve needs to be established for the reagent kit. is there.
家庭グルコースモニタ(HGM)の場合、多数の検査ストリップの各々が、較正ストリップ、及び1種以上の制御溶液を有する。較正ストリップは、この特定ロットからストリップを使用して、グルコース濃度を計算するために、手持ち装置用の計算パラメータを設定するために使用される。較正器溶液は、既知のグルコース濃度を有するグルコース水溶液である。一滴の較正器溶液が、計器中に挿入された検査ストリップ上に置かれ、かつグルコース値が、定量される。体外診断装置によって定量される較正器のグルコース値が、所定範囲内にあるならば、計器及び検査ストリップロットの両方が、許容可能であると見なされ、かつ報告されるグルコース値は、糖尿病管理に使用される。 In the case of a home glucose monitor (HGM), each of a number of test strips has a calibration strip and one or more control solutions. The calibration strip is used to set the calculation parameters for the handheld device to calculate the glucose concentration using the strip from this particular lot. The calibrator solution is an aqueous glucose solution having a known glucose concentration. A drop of calibrator solution is placed on a test strip inserted in the instrument and the glucose value is quantified. If the calibrator glucose value quantified by the in vitro diagnostic device is within a predetermined range, both the instrument and the test strip lot are considered acceptable and the reported glucose value is useful for diabetes management. used.
非侵襲的測定の場合に、測定及び機器用の標準曲線を定量するための制御装置及び較正器の同等のセットはない。確立された較正関係からの機器の偏差を定量する、類似した試薬もない。非侵襲的機器に関する較正及び定期的再較正の両方とも、先行技術では論じられていない。 In the case of non-invasive measurements, there is no equivalent set of controllers and calibrators for quantifying standard curves for measurements and instruments. There is no similar reagent that quantifies instrumental deviations from established calibration relationships. Both calibration and periodic recalibration for non-invasive devices are not discussed in the prior art.
次の事項を考慮して、非侵襲的グルコース測定装置を再較正する方法を提供することは、本実施形態において重要な要素の一つである。
a)実際に患者から測定したデータは非侵襲的測定装置を較正し、かつ再較正を確認するのに不可欠である。
b)皮膚は、温度及び湿度のような環境条件に応じて、疾病の程度により、かつ角質層の水分補給変化によりその特性を変える。
c)皮膚の荒れ、血流。
d)皮膚の水分補給は、季節により変化し、冬には、皮膚は乾燥し、落屑性であり、夏には、湿って柔軟である。
e)患者の生理的状態は、時間により変化する。皮膚への血流は、温度により変動し、血流は、温度、湿度及び物理的活動に応じて変動し、かつ血流は、疾病の進行に応じて変動する。
f)コラーゲン構造及びコラーゲングリケーションは、血糖制御の程度に応じて、時間により変動する。
Providing a method for recalibrating a non-invasive glucose measuring device in consideration of the following matters is one of the important factors in this embodiment.
a) The data actually measured from the patient is essential to calibrate the non-invasive measuring device and confirm the recalibration.
b) The skin changes its properties depending on the degree of disease and hydration changes of the stratum corneum depending on environmental conditions such as temperature and humidity.
c) Rough skin, blood flow.
d) Skin hydration varies from season to season, in winter the skin is dry and desquamating, and in summer it is moist and soft.
e) The physiological state of the patient changes with time. Blood flow to the skin varies with temperature, blood flow varies with temperature, humidity, and physical activity, and blood flow varies with disease progression.
f) Collagen structure and collagen glycation vary with time depending on the degree of blood glucose control.
時間が進行するにつれて較正関係を更新する必要性は、皮膚が、環境条件の変化に応じてその特性を変化させることから生じる。Forst et al(”Impact of environmental temperature on skin thickness and microvascular blood flow in Diabetic and non−diabetic subjects”Diabetes Technology and Therapeuticsでの発表のために提出された論文)による論文において、彼らは糖尿病及び非糖尿病被検体に皮膚の厚さ測定及び血流測定を実行した。検査は、温度が段階的に25℃から9℃に変動し、かつ次に次第に25℃に再度上昇する人工気候室内で行われた。測定は、前腕皮膚で実行された。皮膚温度は、9℃で32℃から24.5℃に下がり、かつ再度の25℃で28.6℃に達した。皮膚の厚さ及び皮膚血流は、環境温度が変化するにつれて、類似したパターンを辿った。皮膚の厚さ及び血流は、非糖尿病被検体よりも糖尿病被検体に関して低かったが、環境的変化への応答は、類似していた。それ故に、皮膚血液循環及び皮膚の厚さは、環境条件によって変動する。人工気候室内の温度変動は、長期間にわたる季節的な温度変化を模倣し、かつ機器及び被検体への極度な環境効果を検査するために行われる。 The need to update the calibration relationship as time progresses arises from the fact that the skin changes its properties in response to changes in environmental conditions. Forst et al ("Impact of environmental temporary on-skin thickness and diabetic papers in non-diabetic and non-diabetic subjects" The specimen was subjected to skin thickness measurement and blood flow measurement. The test was conducted in a climate chamber where the temperature was stepped from 25 ° C. to 9 ° C. and then gradually increased again to 25 ° C. Measurements were performed on forearm skin. The skin temperature dropped from 32 ° C. to 24.5 ° C. at 9 ° C. and reached 28.6 ° C. again at 25 ° C. Skin thickness and skin blood flow followed a similar pattern as ambient temperature changed. Although skin thickness and blood flow were lower for diabetic subjects than for non-diabetic subjects, the response to environmental changes was similar. Therefore, skin blood circulation and skin thickness vary with environmental conditions. Temperature fluctuations in the climate chamber are performed to mimic seasonal temperature changes over time and to examine extreme environmental effects on equipment and subjects.
皮膚の厚さ及び皮膚への血流、すなわち血液循環は、環境温度によって変動し、皮膚の吸収及び散乱係数の両方は、環境条件により変化する。血液循環の減少は、皮膚の吸収係数の減少をもたらし、かつ厚さの変化は、皮膚の散乱係数の変化をもたらす。皮膚は、測定が実行される間、光窓の役を務める。皮膚の光学特性の変化は、測定基準の移動をもたらす。更に、Simonsen及びGratton(前掲)の前に、グルコース濃度の変化が、散乱係数の規模に影響を及ぼすことが示された。この環境的に誘発された、皮膚の吸収及び散乱係数の変化は、皮膚が異なる特性を有する時に、異なる環境条件で実行された較正関係に基づきグルコース値を予測する能力に影響を及ぼす。 Skin thickness and blood flow to the skin, or blood circulation, vary with environmental temperature, and both skin absorption and scattering coefficients vary with environmental conditions. A decrease in blood circulation results in a decrease in skin absorption coefficient, and a change in thickness results in a change in skin scattering coefficient. The skin acts as a light window while measurements are performed. Changes in the optical properties of the skin result in movement of the metric. Furthermore, prior to Simonsen and Gratton (supra), changes in glucose concentration were shown to affect the magnitude of the scattering coefficient. This environmentally induced change in skin absorption and scattering coefficients affects the ability to predict glucose values based on calibration relationships performed at different environmental conditions when the skin has different properties.
非侵襲的測定装置を再較正することが必要であるので、再較正データポイントを次のように定義する。基準血糖値により、グルコース値を予測するために使用される1つの非侵襲的測定データポイントは、3日毎又は毎週のような一定の時間間隔(頻度)で定量できる。再較正データポイントは、一日の中で複数の時間帯にわたって無作為に分布せねばならない。例えば、早朝、午前中遅く、昼食前、昼食後、午後遅く、夕食前及び夕食後のように、一日を2〜4時間の時間帯に分割することが、可能である。グルコース値及び非侵襲的測定は、各時間帯で実行され、かつ再較正のために使用される。 Since it is necessary to recalibrate the non-invasive measurement device, the recalibration data points are defined as follows: With reference blood glucose levels, one non-invasive measurement data point used to predict glucose levels can be quantified at regular time intervals (frequency) such as every 3 days or weekly. Recalibration data points must be randomly distributed over multiple time periods throughout the day. For example, it is possible to divide a day into 2 to 4 hours, such as early morning, late in the morning, before lunch, after lunch, late afternoon, before dinner, and after dinner. Glucose values and non-invasive measurements are performed at each time period and are used for recalibration.
一日の中の様々な時間帯で得られる再較正データポイントが、できるだけ多くの生理的条件をカバーすることが、重要である。較正関係を更新するために使用されるデータポイントは、無作為に、かつ一日の中の種々の時間帯で得られねばならない。朝又は正午データポイントのような1つの特定の時間帯のみを使用することは、フィッティングアルゴリズムを信号の特定の時間行動に結び付け、かつグルコース濃度の真の変化に結び付けない。非侵襲的測定データポイント及び較正関係から予測される値、及び基準方法によって定量される血糖値の間の差は、測定の精度及び較正からの可能な偏差を確立するために使用される。 It is important that the recalibration data points obtained at various times of the day cover as many physiological conditions as possible. The data points used to update the calibration relationship must be obtained randomly and at various times during the day. Using only one specific time zone, such as a morning or noon data point, ties the fitting algorithm to a specific time behavior of the signal and does not lead to a true change in glucose concentration. The difference between the value predicted from the non-invasive measurement data points and the calibration relationship and the blood glucose level quantified by the reference method is used to establish the measurement accuracy and possible deviation from calibration.
本実施形態は、時間経過に伴う組織特性の季節的及び生理的変動を明らかにするための較正関係を改良することによる、非侵襲的グルコース値の予測を改良する方法である。該方法は、次のステップを含む。 This embodiment is a method for improving the prediction of non-invasive glucose values by improving the calibration relationship to account for seasonal and physiological variations in tissue properties over time. The method includes the following steps.
a)複数の較正日に、非侵襲的測定と基準侵襲的測定とを実行し、1日当たり複数のデータポイントを得る。複数の日にわたって得られたこのデータポイントのセットは、較正セットである。較正日数は、例えば1〜2週間である。較正モデルで使用するために、少なくとも30のデータポイントを要するため、1日当たり4又は5回データ測定を繰り返し、4又は5つのデータポイントを収集する。 a) Perform non-invasive measurements and reference invasive measurements on multiple calibration days to obtain multiple data points per day. This set of data points obtained over multiple days is a calibration set. The calibration days are, for example, 1 to 2 weeks. Since at least 30 data points are required for use in the calibration model, the data measurement is repeated 4 or 5 times per day and 4 or 5 data points are collected.
b)線形最小二乗法(LLSQ)又は部分最小二乗法(PLS)を使用して、非侵襲的測定及び侵襲的測定により取得したデータに関して回帰計算を実行する。回帰過程は、較正関係又は較正モデルをもたらす。回帰パラメータ、すなわち較正の標準誤差(SEC)及び較正相関係数(Rc)を定量する。コンピュータ部5は、計算された回帰パラメータが、良好な較正モデルをもたらすと認められ、かつ測定方法及び装置に関して特定された範囲内にあるか確認する。SEC及びRcが許容可能な範囲内にあるならば、較正は、成功と判定し、その較正モデルは、グルコース値を予測するために使用できると判断する。
b) Perform regression calculations on data acquired by non-invasive and invasive measurements using linear least squares (LLSQ) or partial least squares (PLS). The regression process results in a calibration relationship or calibration model. Regression parameters are quantified: standard error of calibration (SEC) and calibration correlation coefficient (R c ). The
c)他の期間で、一日の中で無作為抽出された時間帯で、複数のデータポイントに関する非侵襲的測定と基準侵襲的測定とをセットとして実行する。複数の日にわたって得られたこのデータポイントセットを予測セットとして使用する。 c) Performing a set of non-invasive measurements and reference invasive measurements on a plurality of data points at other time periods and randomly sampled times of the day. This data point set obtained over multiple days is used as the prediction set.
d)線形最小二乗(LLSQ)又は部分最小二乗(PLS)及びステップ(c)で確立された較正モデルを使用して、非侵襲的測定及び侵襲的(I)データポイントに関して回帰計算を実行する。予測データセットに関する回帰計算を実行することは、予測回帰パラメータセットをもたらす。予測の標準誤差(SEP)及び予測相関係数(RP)を定量する。回帰パラメータが指定範囲内にあるか確認する。それらが許容可能な範囲内にあるならば、予測は、検証に成功し、かつ患者のグルコース定量のために装置、並びに較正及び予測モデルを使用することが可能である。 d) Perform regression calculations on non-invasive measurements and invasive (I) data points using linear least squares (LLSQ) or partial least squares (PLS) and the calibration model established in step (c). Performing a regression calculation on the predictive data set results in a predictive regression parameter set. Quantifying the standard error (SEP) and predicted correlation coefficient prediction (R P). Check if the regression parameters are within the specified range. If they are within an acceptable range, the predictions can be successfully verified and the device and calibration and prediction models can be used for patient glucose quantification.
e)較正モデルの確立、及びグルコース値を予測するその能力の確立後、無作為非侵襲的測定データポイントを得て、かつ較正関係及び非侵襲的測定信号を使用して、グルコース値を予測するために、無作為非侵襲的測定を実行する。患者の糖尿病管理及び患者の治療の評価に、結果として生じたグルコース値を使用する。 e) After establishing a calibration model and establishing its ability to predict glucose values, obtain random non-invasive measurement data points and use calibration relationships and non-invasive measurement signals to predict glucose values In order to perform random non-invasive measurements. The resulting glucose value is used for patient diabetes management and evaluation of patient treatment.
f)非侵襲的測定データポイントを得るための1つの非侵襲的測定、及びグルコース基準値を得るための対応する血糖基準測定を実行することにより、定期的再較正手続きを実行する。非侵襲的測定データポイント及び侵襲的データポイントセットは、再較正データポイントを含む。 f) Perform a periodic recalibration procedure by performing one non-invasive measurement to obtain a non-invasive measurement data point and a corresponding blood glucose reference measurement to obtain a glucose reference value. Non-invasive measurement data points and invasive data point sets include recalibration data points.
g)次のステップを使用して較正モデルを更新する。 g) Update the calibration model using the following steps:
a.較正データセットに戻る、
b.(nc−1)の非侵襲的データポイント及び対応する侵襲的グルコース値を有するために、第1データポイントを抜かす、
c.(nc)の非侵襲的データポイント及び対応する侵襲的グルコース値を有するために、再較正データポイントの非侵襲的測定入力、及び対応する侵襲的グルコース値を加える、
d.侵襲的に定量されたグルコース値への非侵襲的データポイントのLLSQ又はPLSフィッティングを使用してncデータポイントの較正関係を再実行する、
e.更新された較正関係を使用して、再較正データポイントのグルコース濃度を予測し、精度を定量し、許容可能であれば、血液サンプリング及び非侵襲的測定を続行するか、又は反復する、
h)季節的及び環境的変化をカバーする長期間にわたる一定の時間間隔で、再較正及び更新過程を反復し、それにより更新された較正モデルは、非侵襲的測定への季節的、生理的及び環境的変化の効果を表すデータポイントに基づくようになる。
a. Back to the calibration data set,
b. Skip the first data point to have (n c -1) non-invasive data points and corresponding invasive glucose values;
c. To have (n c ) non-invasive data points and corresponding invasive glucose values, add non-invasive measurement inputs of recalibration data points and corresponding invasive glucose values;
d. Rerun the calibration relationship n c data points using LLSQ or PLS fitting noninvasive data point to invasively quantify glucose value,
e. Use the updated calibration relationship to predict the glucose concentration of the recalibration data point, quantify accuracy, and continue or repeat blood sampling and non-invasive measurement, if acceptable,
h) Iterating the recalibration and renewal process over a long period of time covering seasonal and environmental changes, so that the renewed calibration model is a seasonal, physiological and non-invasive measurement Be based on data points that represent the effects of environmental change.
較正の標準誤差及び較正相関係数は、グルコースの非侵襲的測定定量のための較正パラメータである。それらは、成功した較正を示すために、複数の許容基準を満たさねばならない。例えば、グルコースの非侵襲的定量に関して、値Rcは、高いことが好ましい。それ故に0.7<Rc<0.9の範囲内のRc値は、許容可能である。しかしながら、0.8<Rc<0.95の範囲内のRc値は、好ましい。0.9<Rc<0.99のような限定は、更に好ましい。較正の標準誤差の許容可能な範囲は、装置が使用される血糖範囲次第である。それ故に、装置が200mg/dlを超える高血糖振幅のみを検出するために使用されるならば、SEC値は、20mg/dL<SEC<40mg/dLの範囲内である。20mg/dL<SEC<30mg/dLのような、より小さい範囲が好まれる。18mg/dL<SEC<24mg/dLのような厳格な範囲は、更に好ましい。 Calibration standard error and calibration correlation coefficient are calibration parameters for noninvasive measurement quantification of glucose. They must meet multiple acceptance criteria to indicate a successful calibration. For example, for non-invasive quantification of glucose, the value R c is preferably high. Therefore, R c values in the range 0.7 <R c <0.9 are acceptable. However, R c values in the range 0.8 <R c <0.95 are preferred. Limitations such as 0.9 <R c <0.99 are more preferred. The acceptable range of calibration standard errors depends on the blood glucose range in which the device is used. Therefore, if the device is used to detect only hyperglycemic amplitudes above 200 mg / dl, the SEC value is in the range of 20 mg / dL <SEC <40 mg / dL. A smaller range is preferred, such as 20 mg / dL <SEC <30 mg / dL. A strict range such as 18 mg / dL <SEC <24 mg / dL is more preferable.
予測の標準誤差及び予測相関係数は、グルコースの非侵襲的測定定量のための予測パラメータである。それらは、成功した較正を示すために、複数の許容基準を満たさねばならない。例えば、グルコースの非侵襲的定量に関して、値RPは、高いことが好ましい。それ故に0.7<RP<0.9の範囲内のRP値は、許容可能である。しかしながら、0.8<RP<0.95の範囲内のRP値は、好ましい。0.9<RP<0.99のような限定は、更に好ましい。SEPの許容可能な範囲は、装置が使用される血糖範囲次第である。それ故に、装置が200mg/dlを超える高血糖振幅のみを検出するために使用されるならば、SEP値は、20mg/dL<SEP<40mg/dLの範囲内である。20mg/dL<SEP<30mg/dLのような、より小さい範囲が好まれる。18mg/dL<SEP<24mg/dLのような厳格な範囲は、更に好ましい。 Standard error of prediction and prediction correlation coefficient are prediction parameters for non-invasive measurement quantification of glucose. They must meet multiple acceptance criteria to indicate a successful calibration. For example, for non-invasive determination of glucose, the value R P is higher is preferable. R P values thus 0.7 <range of R P <0.9 is acceptable. However, 0.8 <R P values in the range of R P <0.95 is preferable. Limitations such as 0.9 <R P <0.99 are more preferred. The acceptable range of SEP depends on the blood glucose range in which the device is used. Therefore, if the device is used to detect only hyperglycemic amplitudes above 200 mg / dl, the SEP value is in the range of 20 mg / dL <SEP <40 mg / dL. A smaller range is preferred, such as 20 mg / dL <SEP <30 mg / dL. A strict range such as 18 mg / dL <SEP <24 mg / dL is more preferable.
装置が、低血糖及び正常血糖の範囲内、すなわち100mg/dL未満まで減少して使用されるならば、SEC及びSEPの許容可能な範囲は、より低く、かつより厳格でなければならない。それ故に、例えば較正及び予測の標準誤差は、低血糖及び正常血糖の範囲内での患者の糖尿管理に使用され得るグルコース値を与えるために、10〜18mg/dLの範囲内にあることが必要である。 If the device is used within the range of hypoglycemia and normoglycemia, i.e. reduced to less than 100 mg / dL, the acceptable range of SEC and SEP must be lower and more stringent. Thus, for example, standard errors in calibration and prediction need to be in the range of 10-18 mg / dL to give glucose values that can be used for patient diabetes management in the range of hypoglycemia and normoglycemia. It is.
一定の時間間隔で、再較正過程を定期的に反復すること、それにより再較正データポイントが、定量され、かつ精度に関して検査される。最先の較正ポイントが抜かされ、最新の再較正ポイントが加えられ、かつ較正回帰関係が再実行され、較正関係を更新し、かつ加えられた期間によって較正の時間領域を移す。最先の較正ポイントを抜かすこと、及び最新の再較正ポイントを加えること、及び較正関係を再実行することは、変化する生理的かつ季節的条件を取り込むために、較正関係を較正する。 By periodically repeating the recalibration process at regular time intervals, the recalibration data points are quantified and checked for accuracy. The earliest calibration point is removed, the latest recalibration point is added, and the calibration regression relationship is re-executed, the calibration relationship is updated, and the calibration time domain is shifted by the applied period. Removing the earliest calibration point, adding the latest recalibration point, and re-executing the calibration relationship calibrate the calibration relationship to capture changing physiological and seasonal conditions.
較正セット中の30のデータポイントを使用し、かつ較正セット中の1つのデータポイントを再較正データポイントと代えることによって、較正セット中の1つのデータポイントを1週間に1回更新することは、元の較正データセットから12のデータポイント、及び16週にわたって広がる18の再較正データポイントを有する較正セットを有するために、再較正手続きの開始から120日(4ヶ月)に至る。再較正手続き開始から242日(約8ヶ月)後、完全に更新された全ての30のデータポイントを有する較正セットを有する。30のデータポイントは、30を超える週にわたって広がり、かつ広範囲な生理的及び季節的環境条件をカバーする。 Updating one data point in the calibration set once a week by using 30 data points in the calibration set and replacing one data point in the calibration set with a recalibration data point is To have a calibration set with 12 data points from the original calibration data set and 18 recalibration data points spread over 16 weeks, 120 days (4 months) from the start of the recalibration procedure. After 242 days (about 8 months) from the start of the recalibration procedure, we have a calibration set with all 30 data points fully updated. The 30 data points span over 30 weeks and cover a wide range of physiological and seasonal environmental conditions.
較正手続きを更新するために、期間及び他のサイズの較正、及び予測データセット及び他の頻度を使用することが可能である。 Period and other size calibrations, and prediction data sets and other frequencies can be used to update the calibration procedure.
較正関係の更新が、3日毎に影響を及ぼされる場合、全ての30の較正データポイントが、再較正手続き開始から87日(3ヶ月未満)後に、更新され、かつ再較正データポイントに代えられる。較正曲線は、3ヶ月毎に更新でき、より厳格な(季節内の)較正モデルをもたらす。Samann et al(前掲)の場合、長期間の調査が、84〜169日にわたって実行され、非侵襲的測定の生理的及び季節的条件を表すデータポイントセット内で更新できた。 If calibration-related updates are affected every 3 days, all 30 calibration data points are updated and replaced with recalibration data points 87 days (less than 3 months) after the start of the recalibration procedure. The calibration curve can be updated every three months, resulting in a more rigorous (in-season) calibration model. In the case of Samann et al (supra), a long-term study was performed over 84-169 days and could be updated within a data point set representing the physiological and seasonal conditions of non-invasive measurements.
本実施形態による較正更新方法は、使用者自身が装置を較正する単一の使用者の場合に応用される。それ故に較正モデルは、個人特異的であり、かつ環境条件に応じた時間による移動によって変動する。 The calibration update method according to this embodiment is applied to the case of a single user who calibrates the apparatus. Therefore, the calibration model is individual specific and varies with movement over time depending on environmental conditions.
以下は、本実施形態による較正更新方法の具体例である。
図3は、本発明の季節的較正更新方法を使用した、非侵襲的センサの再較正方式を示す。データストリームは、3日毎の定期的再較正サイクル及び較正モデルの更新に基づくものである。
The following is a specific example of the calibration update method according to the present embodiment.
FIG. 3 illustrates a non-invasive sensor recalibration scheme using the seasonal calibration update method of the present invention. The data stream is based on regular recalibration cycles every 3 days and calibration model updates.
装置及びモデルは、14日目及び16日目の間で、患者のグルコース濃度を検査するために使用される。較正モデルは、3日毎、17、20、23、26、29日目等に更新される。簡潔にするために、図3では全ての再較正日を示していない。図3に示さないこれらの日の中間の日に、装置及びモデルが、患者のグルコース濃度を検査し、かつ患者の血糖レベルを管理することを可能にすべくグルコース値を提供するために再度使用される。較正関係の更新が、3日毎に実行される時、この実施形態で使用される全ての30の較正データポイントが、ほぼ1つの季節をカバーする、再較正手続き開始から87日後に、更新され、かつ再較正データポイントに代えられる。
The device and model are used to examine the patient's glucose concentration between
図4は、本実施形態の季節的較正更新方法を使用した非侵襲的センサの再較正方式を示す。データストリームは、7日毎の定期的再較正サイクル及び較正モデルの更新に基づいている。 FIG. 4 illustrates a non-invasive sensor recalibration scheme using the seasonal calibration update method of the present embodiment. The data stream is based on regular recalibration cycles every 7 days and calibration model updates.
装置及びモデルは、14日目及び19日目の間で、患者のグルコース濃度を検査するために使用される。較正モデルは、7日毎、20、27、34、41、48日目等に更新される。図4に示さないこれらの日の中間の日に、装置及びモデルが、患者のグルコース濃度を検査し、かつ患者の血糖レベルを管理することを可能にすべくグルコース値を提供するために再度使用される。
The device and model are used to examine the patient's glucose concentration between
この実施形態の較正セット中の30のデータポイントを使用し、かつ較正セット中の1つのデータポイントを再較正データポイントと代えることによって、較正セット中の1つのデータポイントを1週間に1回更新することは、1週間の期間にわたって得られた元のセットから12のデータポイント、及び16週にわたって広がる18の再較正データポイントを有する較正セットを有するために、再較正手続きの開始から120日(4ヶ月)に至る。較正セットは、再較正手続き開始から242日(約8ヶ月)後、完全に更新された全ての30の較正データポイントを有する。較正セットのための30のデータポイントは、30を超える週にわたって広がり、かつ広範囲な生理的及び季節的環境条件をカバーする。更新期間は、2つ以上の季節をカバーする。較正ポイントを1つの季節内に保つために、より短い3日毎の較正手続きを使用することが、好まれ得る。 Update one data point in the calibration set once a week by using 30 data points in the calibration set of this embodiment and replacing one data point in the calibration set with a recalibration data point Doing 120 days from the beginning of the recalibration procedure to have a calibration set with 12 data points from the original set obtained over a one week period and 18 recalibration data points spread over 16 weeks ( 4 months). The calibration set has all 30 calibration data points fully updated 242 days (approximately 8 months) after the start of the recalibration procedure. The 30 data points for the calibration set span over 30 weeks and cover a wide range of physiological and seasonal environmental conditions. The renewal period covers two or more seasons. It may be preferred to use a shorter every third day calibration procedure to keep the calibration points within one season.
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から複数の構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, you may delete a some component from all the components shown by embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1…プローブ、2…熱電気モジュール、3…パッド、4…温度コントローラ、5…コンピュータ、6…光源、7…光検出器、8、9…光ファイバ。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記測定プローブに接続される光源及び光検出器と、
光学的に非侵襲で被検体中のグルコースに関連する情報を測定するために前記光源及び光検出器を制御するとともに、前記光検出器の出力から較正モデルによりグルコース値を予測するコンピュータ部とを有する非侵襲的測定装置において、
前記コンピュータ部は、
異なる日に非侵襲的測定により取得されたデータと、それに対応する基準測定値に基づいて、回帰計算を実行することにより前記較正モデルの更新を行なう再較正手段と、
前記再校正手段により更新された前記較正モデルを用いて、非侵襲的測定により取得されたデータからグルコース濃度を予測する算出手段とを備えることを特徴とする非侵襲的測定装置。 A measurement probe in contact with the subject;
A light source and a photodetector connected to the measurement probe;
A computer unit that is optically non-invasive and controls the light source and the light detector to measure glucose-related information in the subject, and predicts the glucose value from the output of the light detector by a calibration model; A non-invasive measuring device comprising:
The computer unit is
Recalibration means for updating the calibration model by performing regression calculations based on data acquired by non-invasive measurements on different days and corresponding reference measurements;
A noninvasive measurement apparatus comprising: a calculation unit that predicts a glucose concentration from data acquired by noninvasive measurement using the calibration model updated by the recalibration unit.
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