JP5818038B2 - Concentration determination apparatus, concentration determination method, and program - Google Patents

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Description

本発明は、複数の光散乱媒質の層により構成される観測対象のうち、任意の層における目的成分の濃度を、非侵襲的にかつ精度良く定量する濃度定量装置及び濃度定量方法並びにプログラムに関するものである。   The present invention relates to a concentration quantification apparatus, a concentration quantification method, and a program for non-invasively and accurately quantifying the concentration of a target component in an arbitrary layer among observation targets composed of a plurality of light scattering medium layers. It is.

近年、我が国は飽食の時代にあって、糖尿病の患者が毎年増加し続けている。そのために、糖尿病性腎炎の患者も毎年増加し続けることとなり、その結果、慢性腎不全の患者も毎年1万人もの増加を続け、患者数は28万人を超えるようになってきている。
一方、高齢化社会の到来により、予防医学に対する要求の高まりを受けて、個人における代謝量管理の重要性が急速に増大している。中でも、血糖値測定は、食前や食後の血糖値を測定することで糖代謝の反応が分かることが知られており、糖尿病のごく初期段階での糖代謝の反応を評価することで、糖尿病の早期診断に基づく早期治療が可能になる。
In recent years, Japan is in the age of satiety, and the number of diabetic patients continues to increase every year. For this reason, the number of patients with diabetic nephritis will continue to increase every year. As a result, the number of patients with chronic renal failure continues to increase by 10,000 each year, and the number of patients exceeds 280,000.
On the other hand, with the arrival of an aging society, the importance of metabolic rate management in individuals is rapidly increasing in response to increasing demand for preventive medicine. Among them, blood glucose level measurement is known to be able to understand the reaction of glucose metabolism by measuring the blood glucose level before and after meals, and by evaluating the reaction of glucose metabolism at the very early stage of diabetes, Early treatment based on early diagnosis becomes possible.

従来、血糖値の測定は、腕あるいは指先等の静脈から採血を行い、この血液中のグルコースに対する酵素活性を測定することで行っている。しかし、このような血糖値の測定方法では、採血が煩雑であり、しかも採血に痛みを伴い、さらには感染症の危険性を伴う等の様々な問題がある。
また、血糖値を連続的に測定する方法としては、静脈に注射針を刺した状態で連続的に血糖値相応のグルコースの定量を行う機器が米国にて開発されており、現在臨床試験中である。しかし、静脈に注射針を刺したままにしているために、血糖値の測定中に針が抜ける危険性や感染症の危険性がある。
そこで、採血無しに頻繁に血糖値を測定することができ、しかも感染症の危険性が無い血糖値の測定装置の開発が求められている。さらには、簡単にかつ常時装着可能であり、小型化可能な血糖値の測定装置の開発が求められている。
Conventionally, the blood sugar level is measured by collecting blood from a vein such as an arm or a fingertip and measuring the enzyme activity for glucose in the blood. However, such a blood glucose level measurement method has various problems such as complicated blood collection, pain associated with blood collection, and risk of infection.
In addition, as a method for continuously measuring blood glucose level, an instrument that continuously measures glucose corresponding to blood glucose level with a needle inserted into a vein has been developed in the United States. is there. However, since the injection needle is left pierced in the vein, there is a risk that the needle may come off during the measurement of the blood glucose level and a risk of infection.
Therefore, development of a blood glucose level measuring apparatus that can measure blood glucose level frequently without blood collection and that is free from the risk of infectious diseases is demanded. Furthermore, there is a demand for the development of a blood glucose level measuring device that can be easily and always worn and can be miniaturized.

近赤外の連続光を用いて非侵襲的に血糖値を測定する装置としては、分子吸光の原理を用いた一般的な分光分析測定の原理を適用した装置が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。
この装置は、皮膚の赤外スペクトルを用いて生体成分濃度の定量をおこなう場合に、皮下脂肪の影響を受けて生体成分濃度の定量に誤差が生じることに対応したもので、より具体的には、皮膚に近赤外の連続光を照射し、その光吸収量からグルコースの濃度を算出する装置である。
この装置では、予めグルコース濃度と照射する近赤外光の波長と光の吸収量との関係を示す検量線を作成しておき、皮膚に近赤外の連続光を照射し、この皮膚からの戻り光をモノクロメーター等を用いてある波長域を走査し、その波長域の各波長に対する光の吸収量を求め、この各波長における光の吸収量と検量線とを比較することで、血液中のグルコース濃度、すなわち血糖値を算出している。
As a device for non-invasively measuring blood glucose levels using near-infrared continuous light, a device applying a general spectroscopic measurement principle using the principle of molecular absorption has been proposed (for example, a patent) References 1 and 2).
This device corresponds to the fact that when the biological component concentration is quantified using the infrared spectrum of the skin, there is an error in the quantification of the biological component concentration due to the influence of subcutaneous fat. More specifically, It is an apparatus that irradiates the skin with near-infrared continuous light and calculates the glucose concentration from the amount of light absorption.
In this device, a calibration curve indicating the relationship between the glucose concentration, the wavelength of near infrared light to be irradiated and the amount of light absorbed is prepared in advance, and the skin is irradiated with continuous light of near infrared, The return light is scanned in a certain wavelength range using a monochromator, etc., the amount of light absorbed for each wavelength in the wavelength range is obtained, and the amount of light absorbed at each wavelength is compared with a calibration curve, thereby Glucose concentration, that is, blood glucose level is calculated.

また、1700nm〜1800nmの波長範囲から選択した皮下脂肪の特異吸収波長での吸光度から、皮膚の性状の分類を行い、「皮膚厚さ」の代用特性として検量式を選択している。
さらには、予備的に近赤外の受光部と発光部との間隔を650μmとして推定した「皮膚厚さ」を1.2mm以上、1.2mm未満のいずれかに判断し、受光部と発光部との間隔を650μm、300μmのいずれかに選択した後に検量式を選択している。
Further, skin properties are classified from the absorbance at the specific absorption wavelength of subcutaneous fat selected from the wavelength range of 1700 nm to 1800 nm, and a calibration formula is selected as a substitute characteristic of “skin thickness”.
Further, the “skin thickness” estimated as a preliminary distance between the near-infrared light receiving portion and the light emitting portion is 650 μm is determined to be 1.2 mm or more and less than 1.2 mm, and the light receiving portion and the light emitting portion are determined. The calibration formula is selected after selecting the interval between 650 μm and 300 μm.

一方、近赤外光を用いた生体診断としては、例えば、時間分解計測法を用いた生体組織イメージングにより皮膚主成分における近赤外光の吸収量を測定し、この吸収量を基に皮膚主成分の各割合、例えば、血糖相応のグルコース濃度を求める方法が知られている。
この皮膚主成分の吸収量には波長依存性があるので、通常、予め皮膚主成分の定量に影響を及ぼす変動要因を多変量解析で複数の割合で変化させた複数のスペクトラムを作製しておき、皮膚主成分における近赤外光の吸収量の測定結果のスペクトルを上記の複数のスペクトラムと比較し、これらのスペクトラムから一致するスペクトラムを選ぶことにより、皮膚主成分の各割合を推定する方法が採られている。
On the other hand, for biodiagnosis using near-infrared light, for example, the amount of absorption of near-infrared light in the main component of skin is measured by biological tissue imaging using a time-resolved measurement method, and the main skin is determined based on this absorption amount. Methods are known for determining the proportion of each component, for example, the glucose concentration corresponding to blood sugar.
Since the absorption amount of the skin main component is wavelength-dependent, usually, a plurality of spectra are prepared in advance by varying the variable factors that affect the quantification of the skin main component at a plurality of ratios by multivariate analysis. The method of estimating each ratio of the skin main component by comparing the spectrum of the measurement result of the absorption amount of near infrared light in the skin main component with the above plurality of spectra and selecting a spectrum that matches from these spectra. It is taken.

特許第3931638号公報Japanese Patent No. 3931638 特許第3994588号公報Japanese Patent No. 3994588

しかしながら、従来の近赤外の連続光を用いた非侵襲的に血糖値を測定する装置では、特定深さを通過する経路の光の吸収量のみを測定することができず、したがって、特定深さの皮膚主成分における血糖相応のグルコース濃度を精度よく定量することができないという問題点があった。
また、特許文献1の装置では、皮膚表面から皮下脂肪までの深さを「皮膚厚さ」として、皮下脂肪の特異吸収波長での吸光度から皮膚の性状を分類すること、例えば、皮膚表面から皮下脂肪までの深さを「皮膚厚さ」として代用することには、(1)皮膚の真皮と皮下組織の境界は、皮膚の表面からの深さとして均一では無いこと、(2)真皮には脂肪を分泌する汗腺があって脂肪分泌物を蓄えていること、(3)皮下脂肪の特異吸収波長での吸光度から皮膚の性状の分類を行う場合、真皮の細胞及び間質液には脂肪が含まれているので、真皮と皮下脂肪との区別が難しい、等の理由により問題点があった。
However, a conventional device that measures blood glucose level non-invasively using near-infrared continuous light cannot measure only the amount of light absorbed in a path that passes through a specific depth. There is a problem that the glucose concentration corresponding to blood glucose in the skin main component cannot be accurately quantified.
In the device of Patent Document 1, the depth from the skin surface to the subcutaneous fat is defined as “skin thickness”, and the skin properties are classified from the absorbance at the specific absorption wavelength of the subcutaneous fat. To substitute the depth to fat as “skin thickness”, (1) the boundary between the dermis and subcutaneous tissue of the skin is not uniform as the depth from the surface of the skin; There is a sweat gland that secretes fat and stores fat secretions. (3) When categorizing skin properties from the absorbance at the specific absorption wavelength of subcutaneous fat, fat is contained in cells and interstitial fluid of the dermis. Because it is contained, there is a problem because it is difficult to distinguish between dermis and subcutaneous fat.

一般に、皮膚の赤外スペクトルを用いて生体成分濃度の定量を行う場合、受光部と発光部との間隔によって定まるバナナシェイプ特性により、皮膚内での光路の皮膚表面からの深さが概ね推定される。例えば、受光部と発光部との間隔を650μmとすれば、光路の皮膚表面からの深さは325μmと推定され、また、受光部と発光部との間隔を300μmとすれば、光路の皮膚表面からの深さは150μmと推定される。
しかしながら、特許文献1の装置では、上記の理由等により、皮膚の赤外スペクトルを用いて生体成分濃度の定量を行う部位を特定することができず、したがって、真皮中で間質成分の一つとしてグルコースが存在している網状層(Stratum reticulare)を特定部位として、この特定部位を透過する光路での吸光度を選択的に測定することはできない。
In general, when the concentration of biological components is quantified using the infrared spectrum of the skin, the depth of the optical path from the skin surface in the skin is roughly estimated by the banana shape characteristic determined by the distance between the light receiving part and the light emitting part. The For example, if the distance between the light receiving part and the light emitting part is 650 μm, the depth of the light path from the skin surface is estimated to be 325 μm, and if the distance between the light receiving part and the light emitting part is 300 μm, the skin surface of the light path Is estimated to be 150 μm.
However, in the apparatus of Patent Document 1, for the above-mentioned reasons, it is not possible to specify a site where the biological component concentration is quantified using the infrared spectrum of the skin, and therefore, one of the interstitial components in the dermis. As a specific part of the reticular layer where glucose is present (Stratum reticulare), it is not possible to selectively measure the absorbance in the optical path that passes through the specific part.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、複数の層により構成される観測対象のうち、定量を行う特定部位である任意の層からの後方散乱光を他の層からの光と区別することで、任意の層における目的成分の濃度を、非侵襲的にかつ精度良く定量することができる濃度定量装置及び濃度定量方法並びにプログラムを提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and among the observation objects configured by a plurality of layers, backscattered light from an arbitrary layer which is a specific portion to be quantified is transmitted to another layer. It is an object of the present invention to provide a concentration quantification apparatus, a concentration quantification method, and a program capable of non-invasively and accurately quantifying the concentration of a target component in an arbitrary layer by distinguishing from the light from the light.

上記の課題を解決するために、本発明は以下の濃度定量装置及び濃度定量方法並びにプログラムを採用した。
すなわち、本発明の濃度定量装置は、複数の層により構成される観測対象のうち、任意の層における目的成分の濃度を定量する濃度定量装置であって、前記観測対象に短時間パルス光を照射する照射部と、前記短時間パルス光の照射により前記観測対象から後方散乱される光を受光する受光部と、前記観測対象に対して照射する短時間パルス光の、前記複数の層の各々の層における光路長分布のモデルを記憶する光路長分布記憶部と、前記光路長分布のモデルの所定の時刻における、前記複数の層の各々の層の光路長を取得する光路長取得部と、前記観測対象に対して照射する短時間パルス光の時間分解波形のモデルを記憶する時間分解波形記憶部と、時間分解波形のモデルの前記所定の時刻における光強度を取得する光強度モデル取得部と、前記受光部が受光した前記光の強度を取得する光強度取得部と、前記光強度取得部が取得した前記光の強度の光強度分布と、前記光路長取得部が取得した前記複数の層の各々の層の光路長と、前記光強度モデル取得部が取得した光強度モデルとに基づいて、前記光強度分布から前記任意の層の光強度分布に対応する領域の時間の範囲である積分区間を算出する積分区間算出部と、前記積分区間算出部が算出した前記積分区間を変化させて前記任意の層における目的成分の光吸収係数を算出する光吸収係数算出部と、前記光吸収係数算出部が取得した前記目的成分の光吸収係数に基づいて、前記任意の層における前記目的成分の濃度を算出する濃度算出部と、を備えてなることを特徴とする。
すなわち、本発明の濃度定量装置は、複数の層により構成される観測対象のうち、任意の層における目的成分の濃度を定量する濃度定量装置であって、前記観測対象の皮膚層に光を照射する照射部と、前記光の照射により前記観測対象から散乱される光を受光する受光部と、前記皮膚層の光路長を取得する光路長取得部と、前記受光部が受光した光の強度を取得する光強度取得部と、前記光強度取得部が取得した前記受光した光の強度の光強度分布と、前記光路長取得部が取得した前記皮膚層の光路長とに基づいて、前記光強度分布から前記皮膚層の光強度分布に対応する領域の時間の範囲である積分区間を算出する積分区間算出部と、前記積分区間を変化させて前記皮膚層における生体成分の光吸収係数を算出する光吸収係数算出部と、前記生体成分の光吸収係数と前記皮膚層の予め記憶されている推定誤差率とに基づいて、前記目的成分の濃度を算出する濃度算出部と、を備えてなることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention employs the following concentration determination apparatus, concentration determination method, and program.
That is, the concentration quantification device of the present invention is a concentration quantification device for quantifying the concentration of a target component in an arbitrary layer among observation targets composed of a plurality of layers, and irradiates the observation target with short-time pulsed light. An irradiating unit, a light receiving unit that receives light scattered back from the observation target by irradiation of the short-time pulsed light, and each of the plurality of layers of short-time pulsed light irradiated to the observation target An optical path length distribution storage unit that stores a model of an optical path length distribution in the layer; an optical path length acquisition unit that acquires an optical path length of each of the plurality of layers at a predetermined time of the optical path length distribution model; and A time-resolved waveform storage unit that stores a model of a time-resolved waveform of short-time pulsed light that is irradiated to an observation target; and a light intensity model acquisition unit that acquires a light intensity at the predetermined time of the model of the time-resolved waveform A light intensity acquiring unit that acquires the intensity of the light received by the light receiving unit; a light intensity distribution of the light intensity acquired by the light intensity acquiring unit; and the plurality of layers acquired by the optical path length acquiring unit. Based on the optical path length of each layer and the light intensity model acquired by the light intensity model acquisition unit, an integration interval that is a time range of an area corresponding to the light intensity distribution of the arbitrary layer from the light intensity distribution An integration interval calculation unit that calculates a light absorption coefficient calculation unit that calculates a light absorption coefficient of a target component in the arbitrary layer by changing the integration interval calculated by the integration interval calculation unit, and the light absorption coefficient calculation And a concentration calculation unit that calculates the concentration of the target component in the arbitrary layer based on the light absorption coefficient of the target component acquired by the unit.
That is, the concentration quantification device of the present invention is a concentration quantification device for quantifying the concentration of a target component in an arbitrary layer among observation targets composed of a plurality of layers, and irradiates the skin layer to be observed with light. An irradiating unit, a light receiving unit that receives light scattered from the observation target by the light irradiation, an optical path length acquiring unit that acquires an optical path length of the skin layer, and an intensity of light received by the light receiving unit. Based on the light intensity acquisition unit to acquire, the light intensity distribution of the received light intensity acquired by the light intensity acquisition unit, and the optical path length of the skin layer acquired by the optical path length acquisition unit An integration interval calculation unit that calculates an integration interval that is a time range of an area corresponding to the light intensity distribution of the skin layer from the distribution, and calculates the light absorption coefficient of the biological component in the skin layer by changing the integration interval Light absorption coefficient calculator and previous Based on the estimated error rate is stored in advance in the optical absorption coefficient and the skin layer of the biological component, and characterized by being provided with a concentration calculator that calculates the concentration of the target component.

本発明の濃度定量装置では、照射部により、前記観測対象に前記短時間パルス光を照射し、受光部により、前記短時間パルス光の照射により前記観測対象から後方散乱される光を受光し、光強度取得部により、前記受光部が受光した光の強度を取得し、積分区間算出部により、前記光強度取得部が取得した前記光強度分布と、前記光路長分布記憶部が取得した前記複数の層の各々の層の光路長と、前記時間分解波形記憶部が取得した前記光強度とに基づいて、前記光強度分布から前記任意の層の光強度に対応する領域の時間の範囲である積分区間を算出する。
このように、積分区間算出部により算出された積分区間を基に、受光部が受光した光強度から前記積分区間に対応する時間帯の光強度を取得することにより、定量を行う特定部位である任意の層からの光を他の層からの光と区別して測定することができ、任意の層からの光に対する他の層からの光の影響を低減することができる。したがって、任意の層における目的成分の光の吸収量、すなわち目的成分の濃度を精度良く測定することができ、その結果、任意の層における目的成分の濃度を、非侵襲的にかつ精度良く定量することができる。
In the concentration quantification device of the present invention, the irradiation unit irradiates the observation target with the short-time pulsed light, and the light receiving unit receives light scattered back from the observation target by the irradiation of the short-time pulsed light. The light intensity acquisition unit acquires the intensity of light received by the light receiving unit, and the integration interval calculation unit acquires the light intensity distribution acquired by the light intensity acquisition unit and the plurality of optical path length distribution storage units acquired A time range of a region corresponding to the light intensity of the arbitrary layer from the light intensity distribution based on the optical path length of each of the layers and the light intensity acquired by the time-resolved waveform storage unit. Calculate the integration interval.
Thus, based on the integration interval calculated by the integration interval calculation unit, it is a specific part to be quantified by obtaining the light intensity in the time zone corresponding to the integration interval from the light intensity received by the light receiving unit. Light from any layer can be measured separately from light from other layers, and the influence of light from other layers on light from any layer can be reduced. Therefore, the light absorption amount of the target component in any layer, that is, the concentration of the target component can be accurately measured. As a result, the concentration of the target component in any layer is quantified noninvasively and with high accuracy. be able to.

本発明の濃度定量装置は、前記光吸収係数算出部は、前記積分区間算出部が算出した積分区間に基づいて前記任意の層の光吸収係数を算出する光吸収係数算出部と、前記光吸収係数算出部が算出した前記任意の層の光吸収係数に基づき前記積分区間における光吸収係数分布を算出し記憶する光吸収係数分布記憶部と、前記光吸収係数分布記憶部が取得した光吸収係数分布に基づき、前記任意の層における前記目的成分の光吸収係数を取得する光吸収係数取得部と、を備えてなることを特徴とする。   In the concentration quantification device of the present invention, the light absorption coefficient calculation unit calculates a light absorption coefficient of the arbitrary layer based on the integration interval calculated by the integration interval calculation unit, and the light absorption A light absorption coefficient distribution storage unit that calculates and stores a light absorption coefficient distribution in the integration interval based on the light absorption coefficient of the arbitrary layer calculated by the coefficient calculation unit, and a light absorption coefficient acquired by the light absorption coefficient distribution storage unit And a light absorption coefficient acquisition unit that acquires a light absorption coefficient of the target component in the arbitrary layer based on the distribution.

本発明の濃度定量装置では、光吸収係数算出部により、積分区間算出部が算出した積分区間に基づいて任意の層の光吸収係数を算出し、光吸収係数分布記憶部により、光吸収係数算出部が算出した任意の層の光吸収係数に基づき積分区間における光吸収係数分布を算出し記憶する。
このように、積分区間に基づいて算出した任意の層の光吸収係数に基づき、積分区間における光吸収係数分布を算出することで、任意の層における目的成分の光吸収係数、すなわち目的成分の濃度をさらに精度良く測定することができる。
In the concentration determination apparatus of the present invention, the light absorption coefficient calculation unit calculates the light absorption coefficient of an arbitrary layer based on the integration interval calculated by the integration interval calculation unit, and the light absorption coefficient distribution storage unit calculates the light absorption coefficient. The light absorption coefficient distribution in the integration interval is calculated and stored based on the light absorption coefficient of an arbitrary layer calculated by the unit.
Thus, by calculating the light absorption coefficient distribution in the integration section based on the light absorption coefficient of the arbitrary layer calculated based on the integration section, the light absorption coefficient of the target component in the arbitrary layer, that is, the concentration of the target component Can be measured with higher accuracy.

本発明の濃度定量装置は、前記光強度取得部は、前記積分区間内の前記観測対象の層の数n以上となる複数の時刻t〜tにおける光強度を取得し(但し、nは1以上の自然数、mはn以上の自然数)、前記光吸収係数算出部は、自然対数を示すln(・)、前記受光部が前記積分区間内の時刻tにおいて受光した光強度を示すI(t)、前記短時間パルス光の時間分解波形のモデルの前記積分区間内の時刻tにおける光強度を示すN(t)、前記光路長分布のモデルの前記積分区間内の時刻tにおける第i層の光路長を示すLi(t)、第i層の光吸収係数を示すμを用いて、

Figure 0005818038
から任意の層の光吸収係数を算出する、ことを特徴とする。 In the concentration determination apparatus of the present invention, the light intensity acquisition unit acquires light intensity at a plurality of times t 1 to t m that are equal to or greater than the number n of the observation target layers in the integration interval (where n is A natural number of 1 or more, m is a natural number of n or more), the light absorption coefficient calculating unit is ln (·) indicating a natural logarithm, and I () indicating the light intensity received by the light receiving unit at time t within the integration interval. t), N (t) indicating the light intensity at the time t in the integration interval of the model of the time-resolved waveform of the short-time pulsed light, and the i-th layer at the time t in the integration interval of the model of the optical path length distribution Li (t) indicating the optical path length of, and μ i indicating the light absorption coefficient of the i-th layer,
Figure 0005818038
The light absorption coefficient of an arbitrary layer is calculated from the above.

本発明の濃度定量装置では、光強度取得部が、積分区間内の観測対象の層の数n以上となる複数の時刻t〜tにおける光強度を取得し、光吸収係数算出部が、任意の層の光吸収係数を、上記の式(1)から算出する。
このように、後方散乱光を時間分解計測することで、任意の層以外の層からの後方散乱光をノイズとして低減することができ、目的成分の濃度における任意の層以外の層からの影響を低減することができる。したがって、目的成分の濃度をさらに精度良く測定することができる。
In the concentration quantification device of the present invention, the light intensity acquisition unit acquires the light intensity at a plurality of times t 1 to t m that are equal to or more than the number n of the observation target layers in the integration interval, and the light absorption coefficient calculation unit The light absorption coefficient of an arbitrary layer is calculated from the above equation (1).
In this way, by measuring the time-resolved backscattered light, backscattered light from layers other than any layer can be reduced as noise, and the influence of the layer other than any layer on the concentration of the target component can be reduced. Can be reduced. Therefore, the concentration of the target component can be measured with higher accuracy.

本発明の濃度定量装置は、前記光強度取得部が光強度を取得する複数の時刻は、前記複数の層の各々の層の光路長分布のピーク時間を含むことを特徴とする。   The concentration determination apparatus of the present invention is characterized in that the plurality of times when the light intensity acquisition unit acquires the light intensity includes a peak time of the optical path length distribution of each of the plurality of layers.

本発明の濃度定量装置では、光強度取得部が光強度を取得する複数の時刻が、複数の層の各々の層の光路長分布のピーク時間を含むことにより、観測対象中の複数の層から任意の層を効率的に選択することができる。したがって、任意の層における目的成分の濃度をさらに精度良く測定することができる。   In the concentration quantification device of the present invention, the plurality of times at which the light intensity acquisition unit acquires the light intensity includes the peak time of the optical path length distribution of each layer of the plurality of layers, so that the plurality of layers being observed Any layer can be selected efficiently. Therefore, the concentration of the target component in any layer can be measured with higher accuracy.

本発明の濃度定量装置は、前記光強度取得部は、前記積分区間内の所定の時刻から少なくとも所定の時間τの間の光強度を取得し、前記光吸収係数算出部は、自然対数を示すln(・)、前記受光部が前記積分区間内の時刻tにおいて受光した光強度を示すI(t)、前記短時間パルス光の時間分解波形のモデルの前記積分区間内の時刻tにおける光強度を示すN(t)、前記光路長分布のモデルの前記積分区間内の時刻tにおける第i層の光路長を示すLi(t)、前記観測対象の層の数を示すn、第i層の光吸収係数を示すμiを用いて、

Figure 0005818038
から任意の層の光吸収係数を算出する、ことを特徴とする。 In the concentration quantification device according to the present invention, the light intensity acquisition unit acquires light intensity from a predetermined time in the integration interval to at least a predetermined time τ, and the light absorption coefficient calculation unit indicates a natural logarithm. ln (·), I (t) indicating the light intensity received by the light receiving unit at time t within the integration interval, and light intensity at time t within the integration interval of the time-resolved waveform model of the short-time pulsed light N (t) indicating the optical path length of the i-th layer at time t within the integration interval of the model of the optical path length distribution, n (t) indicating the number of layers to be observed, n, Using μi indicating the light absorption coefficient,
Figure 0005818038
The light absorption coefficient of an arbitrary layer is calculated from the above.

本発明の濃度定量装置では、光強度取得部が、積分区間内の所定の時刻から少なくとも所定の時刻τの間の光強度を取得し、光吸収係数算出部が、任意の層の光吸収係数を、上記の式(2)から算出する。
このように、後方散乱光を時間分解計測することで、任意の層以外の層からの後方散乱光をノイズとして低減することができ、目的成分の濃度における任意の層以外の層からの影響を低減することができる。したがって、目的成分の濃度をさらに精度良く測定することができる。
In the concentration determination apparatus of the present invention, the light intensity acquisition unit acquires the light intensity between a predetermined time in the integration interval and at least the predetermined time τ, and the light absorption coefficient calculation unit calculates the light absorption coefficient of an arbitrary layer. Is calculated from the above equation (2).
In this way, by measuring the time-resolved backscattered light, backscattered light from layers other than any layer can be reduced as noise, and the influence of the layer other than any layer on the concentration of the target component can be reduced. Can be reduced. Therefore, the concentration of the target component can be measured with higher accuracy.

本発明の濃度定量装置は、前記照射部は、複数の波長1〜qの光を照射し、前記光吸収係数算出部は、前記任意の層における光吸収係数を前記照射部が照射した複数の波長毎に算出し、前記濃度算出部は、前記任意の層である第a層における波長iの光吸収係数を示すμa(i)、前記観測対象を形成する第j成分のモル濃度を示すgj、第j成分の波長iに対する光吸収係数を示すεj(i)、前記観測対象を形成する主成分の個数を示すp、照射部が照射する波長の種類数を示すqを用いて、

Figure 0005818038
から前記任意の層における前記目的成分の濃度を算出する、ことを特徴とする。 In the concentration determination apparatus of the present invention, the irradiation unit irradiates light having a plurality of wavelengths 1 to q, and the light absorption coefficient calculation unit includes a plurality of light irradiation coefficients irradiated by the irradiation unit in the arbitrary layer. Calculated for each wavelength, the concentration calculation unit is μa (i) indicating the light absorption coefficient of the wavelength i in the a-th layer which is the arbitrary layer, and gj indicating the molar concentration of the j-th component forming the observation target. , Εj (i) indicating the light absorption coefficient for the wavelength i of the jth component, p indicating the number of main components forming the observation object, and q indicating the number of types of wavelengths irradiated by the irradiation unit,
Figure 0005818038
From the above, the concentration of the target component in the arbitrary layer is calculated.

本発明の濃度定量装置では、照射部が、複数の波長1〜qの光を照射し、光吸収係数算出部が、任意の層における光吸収係数を照射部が照射した複数の波長毎に算出し、濃度算出部が、任意の層における目的成分の濃度を上記の式(3)から算出する。
このように、後方散乱光を時間分解計測することで、任意の層以外の層からの後方散乱光をノイズとして低減することができ、目的成分の濃度における任意の層以外の層からの影響を低減することができる。したがって、目的成分の濃度をさらに精度良く測定することができる。
In the concentration determination apparatus of the present invention, the irradiation unit irradiates light having a plurality of wavelengths 1 to q, and the light absorption coefficient calculation unit calculates the light absorption coefficient in an arbitrary layer for each of the plurality of wavelengths irradiated by the irradiation unit. Then, the concentration calculation unit calculates the concentration of the target component in an arbitrary layer from the above equation (3).
In this way, by measuring the time-resolved backscattered light, backscattered light from layers other than any layer can be reduced as noise, and the influence of the layer other than any layer on the concentration of the target component can be reduced. Can be reduced. Therefore, the concentration of the target component can be measured with higher accuracy.

本発明の濃度定量装置は、前記照射部が照射する複数の光は、前記目的成分の光吸収係数が大きくなる波長の光を含むことを特徴とする。   In the concentration quantification device according to the present invention, the plurality of lights irradiated by the irradiation unit includes light having a wavelength that increases a light absorption coefficient of the target component.

本発明の濃度定量装置は、前記照射部が照射する複数の光は、前記観測対象を構成する主成分の各々の成分の吸収スペクトル分布の直交性が高くなる波長の光を含むことを特徴とする。   The concentration quantification apparatus of the present invention is characterized in that the plurality of lights emitted by the irradiating unit includes light having a wavelength at which the orthogonality of the absorption spectrum distribution of each component of the main component constituting the observation target is increased. To do.

本発明の濃度定量方法は、皮膚層に光を照射する照射部と、前記光の照射により前記皮膚層から散乱される光を受光する受光部とを備え、前記皮膚層における生体成分の濃度を定量する濃度定量装置を用いた濃度定量方法であって、前記照射部により、前記皮膚層に前記光を照射し、前記受光部により、前記光の照射により前記皮膚層から散乱される光を受光し、光強度取得部により、前記照射部が前記光を照射した時刻以降の所定の時刻にて前記受光部が受光した光の強度を取得し、光路長取得部により、前記皮膚層の光路長を取得し、積分区間算出部により、前記光強度取得部が取得した前記受光した光の強度の光強度分布と、前記光路長取得部が取得した前記皮膚層の光路長とに基づいて、前記皮膚層の光強度分布に対応する領域の時間の範囲である積分区間を算出し、光吸収係数算出部により、前記積分区間を変化させて前記皮膚層における生体成分の光吸収係数を算出し、濃度算出部により、前記生体成分の光吸収係数と前記皮膚層の予め記憶されている推定誤差率とに基づいて、前記生体成分の濃度を算出する、ことを特徴とする。
本発明の濃度定量方法は、複数の層により構成される観測対象に短時間パルス光を照射する照射部と、前記短時間パルス光の照射により前記観測対象から後方散乱される光を受光する受光部と、前記観測対象に対して照射する短時間パルス光の、前記複数の層の各々の層における光路長分布のモデルを記憶する光路長分布記憶部と、前記観測対象に対して照射する短時間パルス光の時間分解波形のモデルを記憶する時間分解波形記憶部とを備え、前記観測対象のうち任意の層における目的成分の濃度を定量する濃度定量装置を用いた濃度定量方法であって、前記照射部により、前記観測対象に短時間パルス光を照射し、前記受光部により、前記短時間パルス光の照射により前記観測対象から後方散乱される光を受光し、光強度取得部により、前記照射部が短時間パルス光を照射した時刻以降の所定の時刻にて前記受光部が受光した光の強度を取得し、光路長取得部により、前記光路長分布記憶部から、前記光路長分布のモデルの前記所定の時刻における前記複数の層の各々の層の光路長を取得し、光強度モデル取得部により、前記時間分解波形記憶部から、前記短時間パルス光の時間分解波形のモデルの前記所定の時刻における光強度を取得し、積分区間算出部により、前記光強度取得部が取得した前記光強度分布と、前記光路長分布取得部が取得した前記複数の層の各々の層の光路長と、前記時間分解波形取得部が取得した前記光強度とに基づいて、前記光強度分布から前記任意の層の光強度分布に対応する領域の時間の範囲である積分区間を算出し、光吸収係数算出部により、前記積分区間算出部が算出した積分区間を変化させて前記任意の層における目的成分の光吸収係数を算出し、濃度算出部により、前記光吸収係数算出部が算出した光吸収係数に基づいて、前記任意の層における前記目的成分の濃度を算出する、ことを特徴とする。
The concentration quantification method of the present invention includes an irradiation unit that irradiates light to the skin layer, and a light receiving unit that receives light scattered from the skin layer by the light irradiation, and the concentration of biological components in the skin layer is determined. A concentration quantification method using a concentration quantification device for quantifying, wherein the irradiation unit irradiates the skin layer with the light, and the light receiving unit receives light scattered from the skin layer by the light irradiation. The light intensity acquiring unit acquires the intensity of light received by the light receiving unit at a predetermined time after the time when the irradiating unit irradiated the light, and the optical path length of the skin layer is acquired by the optical path length acquiring unit. Based on the light intensity distribution of the intensity of the received light acquired by the light intensity acquisition unit and the optical path length of the skin layer acquired by the optical path length acquisition unit by the integration interval calculation unit , When the area corresponds to the light intensity distribution of the skin layer Calculating the integral interval in the range of, by the light absorption coefficient calculating unit, said integration interval is changed to calculate the optical absorption coefficient of a biological component in the skin layer, the concentration calculator, the optical absorption coefficient of the biological component And the concentration of the biological component is calculated based on the pre-stored estimated error rate of the skin layer.
The concentration quantification method of the present invention includes an irradiation unit that irradiates an observation target composed of a plurality of layers with a short-time pulsed light, and a light receiving unit that receives light scattered back from the observation target by the irradiation of the short-time pulsed light. An optical path length distribution storage unit for storing a model of an optical path length distribution in each of the plurality of layers of short-time pulse light irradiated to the observation target, and a short irradiation to the observation target A time-resolved waveform storage unit that stores a time-resolved waveform model of time-pulsed light, and a concentration quantification method using a concentration quantification device that quantifies the concentration of a target component in any layer of the observation target, The irradiation unit irradiates the observation target with a short-time pulse light, the light receiving unit receives light scattered back from the observation target by the irradiation of the short-time pulse light, and the light intensity acquisition unit The irradiation unit acquires the intensity of light received by the light receiving unit at a predetermined time after the time when the pulsed light is irradiated for a short time, and the optical path length distribution unit acquires the optical path length distribution from the optical path length distribution storage unit. The optical path length of each of the plurality of layers at the predetermined time of the model is acquired, and the model of the time-resolved waveform model of the short-time pulse light is acquired from the time-resolved waveform storage unit by the light intensity model acquisition unit. The light intensity at the predetermined time is acquired, and the light intensity distribution acquired by the light intensity acquisition unit and the optical path of each of the plurality of layers acquired by the optical path length distribution acquisition unit by an integration interval calculation unit Based on the length and the light intensity acquired by the time-resolved waveform acquisition unit, an integration interval that is a time range of a region corresponding to the light intensity distribution of the arbitrary layer is calculated from the light intensity distribution, By the absorption coefficient calculator The integration interval calculated by the integration interval calculation unit is changed to calculate the light absorption coefficient of the target component in the arbitrary layer, and based on the light absorption coefficient calculated by the light absorption coefficient calculation unit by the concentration calculation unit, The concentration of the target component in the arbitrary layer is calculated.

本発明の濃度定量方法では、照射部により、観測対象に短時間パルス光を照射し、受光部により、短時間パルス光の照射により観測対象から後方散乱される光を受光し、光強度取得部により、照射部が短時間パルス光を照射した時刻以降の所定の時刻にて受光部が受光した光の強度を取得し、積分区間算出部により、前記光強度取得部が取得した前記光強度分布と、前記光路長分布取得部が取得した前記複数の層の各々の層の光路長と、前記時間分解波形取得部が取得した前記光強度とに基づいて、前記光強度分布から前記任意の層の光強度に対応する領域の積分区間を算出する。   In the concentration determination method of the present invention, the irradiation unit irradiates the observation target with short-time pulse light, the light receiving unit receives light scattered back from the observation target due to the short-time pulse light irradiation, and the light intensity acquisition unit The light intensity distribution acquired by the light intensity acquisition unit by the integration interval calculation unit by acquiring the intensity of light received by the light receiving unit at a predetermined time after the time when the irradiation unit irradiated the short-time pulsed light And the arbitrary layer from the light intensity distribution based on the optical path length of each of the plurality of layers acquired by the optical path length distribution acquisition unit and the light intensity acquired by the time-resolved waveform acquisition unit. An integration interval of a region corresponding to the light intensity of is calculated.

このように、積分区間算出部により、光強度分布から任意の層の光強度に対応する領域の積分区間を算出することで、この積分区間算出部により算出された積分区間を基に、受光部が受光した光強度から前記積分区間に対応する時間帯の光強度を取得することができ、任意の層からの光を他の層からの光と区別して測定することができ、任意の層からの光に対する他の層からの光の影響を低減することができる。したがって、任意の層における目的成分の光の吸収量、すなわち目的成分の濃度を精度良く測定することができ、その結果、任意の層における目的成分の濃度を、非侵襲的に精度良くかつ効率よく定量することができる。   In this way, the integration interval calculation unit calculates the integration interval of the region corresponding to the light intensity of an arbitrary layer from the light intensity distribution, and based on the integration interval calculated by the integration interval calculation unit, the light receiving unit Can obtain the light intensity in the time zone corresponding to the integration interval from the received light intensity, can measure the light from any layer separately from the light from other layers, from any layer It is possible to reduce the influence of light from other layers on the light. Therefore, the light absorption amount of the target component in any layer, that is, the concentration of the target component can be accurately measured. As a result, the concentration of the target component in any layer can be accurately and efficiently noninvasively. It can be quantified.

本発明のプログラムは、皮膚層に光を照射する照射部と、前記光の照射により前記皮膚層から散乱される光を受光する受光部とを備え、前記皮膚層における生体成分の濃度を定量する濃度定量装置のコンピューターに、前記皮膚層に前記光を照射する照射手順、前記光の照射により前記皮膚層から散乱される光を受光する受光手順、前記光を照射した時刻以降の所定の時刻にて受光した光の強度を取得する光強度取得手順、前記皮膚層の光路長を取得する光路長取得手順、前記光強度取得手順により取得された前記受光した光の強度の光強度分布と、前記光路長取得部が取得した前記皮膚層の光路長とに基づいて、前記皮膚層の光強度分布に対応する領域の時間の範囲である積分区間を算出する積分区間算出手順、前記積分区間算出手順により算出された積分区間を変化させて前記皮膚層における生体成分の光吸収係数を算出する光吸収係数算出手順、前記生体成分の光吸収係数と前記皮膚層の予め記憶されている推定誤差率とに基づいて、前記生体成分の濃度を算出する濃度算出手順、を実行させることを特徴とする。
本発明のプログラムは、複数の層により構成される観測対象に短時間パルス光を照射する照射部と、前記短時間パルス光の照射により前記観測対象から後方散乱される光を受光する受光部と、前記観測対象に対して照射する短時間パルス光の、前記複数の層の各々の層における光路長分布のモデルを記憶する光路長分布記憶部と、前記観測対象に対して照射する短時間パルス光の時間分解波形のモデルを記憶する時間分解波形記憶部とを備え、前記観測対象のうち任意の層における目的成分の濃度を定量する濃度定量装置のコンピューターに、前記観測対象に前記短時間パルス光を照射する照射手順、前記短時間パルス光の照射により前記観測対象から後方散乱される光を受光する受光手順、前記短時間パルス光を照射した時刻以降の所定の時刻にて受光した光の強度を取得する光強度取得手順、前記光路長分布記憶部から、前記光路長分布のモデルの前記所定の時刻における前記複数の層の各々の層の光路長を取得する光路長取得手順、前記時間分解波形記憶部から、前記短時間パルス光の時間分解波形のモデルの前記所定の時刻における光強度を取得する光強度モデル取得手順、前記光強度取得手順により取得された前記光強度分布と、前記光路長取得手順により取得された前記複数の層の各々の層の光路長と、前記光強度モデル取得手順により取得された前記光強度とに基づいて、前記光強度分布から前記任意の層の光強度分布に対応する領域の時間の範囲である積分区間を算出する積分区間算出手順、前記積分区間算出手順により算出された積分区間を変化させて前記任意の層における目的成分の光吸収係数を算出する光吸収係数算出手順、前記光吸収係数算出手順により算出された光吸収係数に基づいて、前記任意の層における前記目的成分の濃度を算出する濃度算出手順、を実行させることを特徴とする。
The program of the present invention includes an irradiation unit that irradiates light to the skin layer, and a light receiving unit that receives light scattered from the skin layer by irradiation of the light, and quantifies the concentration of biological components in the skin layer An irradiation procedure for irradiating the skin layer with the light, a light receiving procedure for receiving light scattered from the skin layer due to the light irradiation, and a predetermined time after the light irradiation time to the computer of the concentration determination device A light intensity acquisition procedure for acquiring the intensity of the received light, an optical path length acquisition procedure for acquiring the optical path length of the skin layer, a light intensity distribution of the intensity of the received light acquired by the light intensity acquisition procedure , and An integration interval calculation procedure for calculating an integration interval that is a time range of an area corresponding to the light intensity distribution of the skin layer based on the optical path length of the skin layer acquired by the optical path length acquisition unit , the integration interval calculation procedure By Light absorption coefficient calculating step of calculating the light absorption coefficient of the calculated integral interval by changing the biological component in the skin layer and on the estimated error rate the light absorption coefficient of the biological component is previously stored in said skin layer Based on this, a concentration calculation procedure for calculating the concentration of the biological component is executed.
The program of the present invention includes an irradiation unit that irradiates an observation target composed of a plurality of layers with a short-time pulsed light, and a light-receiving unit that receives light backscattered from the observation target due to the irradiation of the short-time pulsed light. An optical path length distribution storage unit for storing a model of an optical path length distribution in each of the plurality of layers of the short-time pulse light applied to the observation target; and a short-time pulse applied to the observation target A time-resolved waveform storage unit that stores a model of a time-resolved waveform of light, and a computer for a concentration quantification device that quantifies the concentration of a target component in an arbitrary layer of the observation target; An irradiation procedure for irradiating light, a light receiving procedure for receiving light scattered back from the observation object by irradiation of the short-time pulsed light, a predetermined time after the time of irradiating the short-time pulsed light A light intensity acquisition procedure for acquiring the intensity of light received at intervals, and acquiring an optical path length of each of the plurality of layers at the predetermined time of the optical path length distribution model from the optical path length distribution storage unit Obtained from the optical path length acquisition procedure, the time-resolved waveform storage unit, the light intensity model acquisition procedure for acquiring the light intensity at the predetermined time of the model of the time-resolved waveform of the short-time pulsed light, and the light intensity acquisition procedure Based on the light intensity distribution, the optical path length of each of the plurality of layers acquired by the optical path length acquisition procedure, and the light intensity acquired by the light intensity model acquisition procedure, the light intensity distribution To an integration interval calculation procedure for calculating an integration interval which is a time range of an area corresponding to the light intensity distribution of the arbitrary layer, and the integration interval calculated by the integration interval calculation procedure is changed to change the arbitrary interval Light absorption coefficient calculation procedure for calculating the light absorption coefficient of the target component in the layer, concentration calculation procedure for calculating the concentration of the target component in the arbitrary layer based on the light absorption coefficient calculated by the light absorption coefficient calculation procedure , Is executed.

本発明のプログラムでは、濃度定量装置のコンピューターに、観測対象に短時間パルス光を照射する照射手順、短時間パルス光の照射により観測対象から後方散乱される光を受光する受光手順、短時間パルス光を照射した時刻以降の所定の時刻にて受光した光の強度を取得する光強度取得手順、を実行させた後、光強度取得部により取得された光強度分布と、光路長分布記憶部により取得された複数の層の各々の層の光路長と、時間分解波形記憶部により取得された光強度とに基づいて、光強度分布から任意の層の光強度に対応する領域の積分区間を算出する積分区間算出手順、積分区間算出手順により算出された積分区間に基づいて任意の層における目的成分の光吸収係数を算出する光吸収係数算出手順、光吸収係数算出手順により算出された光吸収係数に基づいて、任意の層における目的成分の濃度を算出する濃度算出手順、を順次実行させる。   In the program of the present invention, an irradiation procedure for irradiating the observation target with a short-time pulse light on the computer of the concentration quantification apparatus, a light-receiving procedure for receiving light scattered back from the observation target by the irradiation of the short-time pulse light, and a short-time pulse After executing the light intensity acquisition procedure for acquiring the intensity of light received at a predetermined time after the light irradiation time, the light intensity distribution acquired by the light intensity acquisition unit and the optical path length distribution storage unit Based on the optical path length of each of the acquired multiple layers and the light intensity acquired by the time-resolved waveform storage unit, the integration interval of the region corresponding to the light intensity of any layer is calculated from the light intensity distribution Calculated by the integration interval calculation procedure, the light absorption coefficient calculation procedure for calculating the light absorption coefficient of the target component in an arbitrary layer based on the integration interval calculated by the integration interval calculation procedure, and the light absorption coefficient calculation procedure. Was based on the optical absorption coefficient, density calculation step of calculating the concentration of the target component in any layer, is allowed to sequentially execute.

このように、光強度取得手順により取得された光強度と、光路長取得手順により取得された複数の層の各々の層の光路長と、光強度モデル取得手順により取得された光強度とに基づいて、光強度分布から任意の層の光強度に対応する領域の積分区間を算出する積分区間算出手順を実行することで、この積分区間算出部により算出された積分区間を基に、受光部が受光した光の強度から前記積分区間に対応する時間帯の光の強度のみを取得することができ、任意の層からの光に対する他の層からの光の影響を低減することができる。したがって、任意の層における目的成分の光の吸収量、すなわち目的成分の濃度を精度良く測定することができ、その結果、任意の層における目的成分の濃度を、非侵襲的に精度良くかつ効率よく定量することができる。   Thus, based on the light intensity acquired by the light intensity acquisition procedure, the optical path length of each of the plurality of layers acquired by the optical path length acquisition procedure, and the light intensity acquired by the light intensity model acquisition procedure Then, by executing the integration interval calculation procedure for calculating the integration interval of the region corresponding to the light intensity of an arbitrary layer from the light intensity distribution, the light receiving unit is based on the integration interval calculated by the integration interval calculation unit. Only the intensity of light in the time zone corresponding to the integration interval can be acquired from the intensity of received light, and the influence of light from other layers on the light from any layer can be reduced. Therefore, the light absorption amount of the target component in any layer, that is, the concentration of the target component can be accurately measured. As a result, the concentration of the target component in any layer can be accurately and efficiently noninvasively. It can be quantified.

本発明の第1の実施形態の血糖値測定装置の構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the blood glucose level measuring apparatus of the 1st Embodiment of this invention. 人の皮膚組織の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of a human skin tissue. シミュレーション部が算出した各層の光路長分布を示す図である。It is a figure which shows the optical path length distribution of each layer which the simulation part computed. シミュレーション部が算出した時間分解波形を示す図である。It is a figure which shows the time-resolved waveform which the simulation part computed. 皮膚の主成分の吸収スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the absorption spectrum of the main component of skin. 本発明の第1の実施形態の血糖値測定装置が血糖値を測定する動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement which the blood glucose level measuring apparatus of the 1st Embodiment of this invention measures a blood glucose level. 本発明の第2の実施形態の血糖値測定装置が血糖値を測定する動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement which the blood glucose level measuring apparatus of the 2nd Embodiment of this invention measures a blood glucose level. 本発明の第3の実施形態の血糖値測定装置の構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the blood glucose level measuring apparatus of the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態の血糖値測定装置の構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the blood glucose level measuring apparatus of the 4th Embodiment of this invention. シミュレーション部で得た無吸収時光強度N(t)の時間分解波形を示す図である。It is a figure which shows the time-resolved waveform of the light intensity N (t) at the time of non-absorption obtained in the simulation part. シミュレーション部で得た吸収時光強度I(t)の時間分解波形をリニアスケールで示した図である。It is the figure which showed the time-resolved waveform of light intensity I (t) at the time of absorption obtained in the simulation part with the linear scale. シミュレーション部で得た吸収時光強度I(t)の時間分解波形をログスケールで示した図である。It is the figure which showed the time-resolved waveform of the light intensity I (t) at the time of absorption obtained in the simulation part on the log scale. 本発明の第4の実施形態の血糖値測定装置が血糖値を測定する動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement which the blood glucose level measuring apparatus of the 4th Embodiment of this invention measures a blood glucose level. 本発明の第4の実施形態の血糖値測定装置が血糖値を測定する動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement which the blood glucose level measuring apparatus of the 4th Embodiment of this invention measures a blood glucose level. 真皮層における光吸収係数と積分区間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the light absorption coefficient in a dermis layer, and an integration area. 本発明の第5の実施形態の血糖値測定装置が血糖値を測定する動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement which the blood glucose level measuring apparatus of the 5th Embodiment of this invention measures a blood glucose level. 本発明の第5の実施形態の血糖値測定装置が血糖値を測定する動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement which the blood glucose level measuring apparatus of the 5th Embodiment of this invention measures a blood glucose level. 本発明の第6の実施形態の血糖値測定装置の構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the blood glucose level measuring apparatus of the 6th Embodiment of this invention. 本発明の第7の実施形態の血糖値測定装置の構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the structure of the blood glucose level measuring apparatus of the 7th Embodiment of this invention.

本発明の濃度定量装置及び濃度定量方法並びにプログラムを実施するための形態について説明する。
本発明では、濃度定量装置として血糖値測定装置を、観測対象として人の手のひらの皮膚を、目的成分としてグルコースを、それぞれ例に取り説明する。
An embodiment for carrying out a concentration determination apparatus, a concentration determination method, and a program according to the present invention will be described.
In the present invention, a blood glucose level measuring device will be described as an example of a concentration determination device, the skin of a human palm as an observation target, and glucose as a target component.

[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態の血糖値測定装置の構成を示す概略ブロック図である。
この血糖値測定装置100は、シミュレーション部101、光路長分布記憶部102、時間分解波形記憶部103、照射部104、受光部105、計測光強度取得部106、光路長取得部107、無吸収時光強度取得部(光強度モデル取得部)108、光吸収係数算出部109、濃度算出部110を備えている。
この血糖値測定装置100は、皮膚(観測対象)の真皮層(任意の層)に含まれるグルコース(目的成分)の濃度を測定する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a configuration of a blood sugar level measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
The blood glucose level measuring apparatus 100 includes a simulation unit 101, an optical path length distribution storage unit 102, a time-resolved waveform storage unit 103, an irradiation unit 104, a light receiving unit 105, a measured light intensity acquisition unit 106, an optical path length acquisition unit 107, and a non-absorbing light. An intensity acquisition unit (light intensity model acquisition unit) 108, a light absorption coefficient calculation unit 109, and a concentration calculation unit 110 are provided.
The blood glucose level measuring apparatus 100 measures the concentration of glucose (target component) contained in the dermis layer (arbitrary layer) of the skin (observation target).

シミュレーション部101は、光吸収係数がゼロの皮膚モデルに対して光を照射するシミュレーションを行う。
光路長分布記憶部102は、光吸収係数がゼロの皮膚モデルの光路長分布を記憶する。
時間分解波形記憶部103は、光吸収係数がゼロの皮膚モデルの時間分解波形を記憶する。
照射部104は、皮膚に対して短時間パルス光を照射する。この照射部104が照射する複数の短時間パルス光は、皮膚を構成する主成分の各々の成分の吸収スペクトル分布の直交性が高くなる波長の光、すなわち、皮膚を構成する主成分の各々の成分のうち、ある主成分における特定成分の吸収スペクトルの極大値が他の成分の吸収スペクトルの極大値と大きく異なる波長の光を含んでいる。
The simulation part 101 performs the simulation which irradiates light with respect to the skin model whose light absorption coefficient is zero.
The optical path length distribution storage unit 102 stores an optical path length distribution of a skin model having a light absorption coefficient of zero.
The time-resolved waveform storage unit 103 stores a time-resolved waveform of a skin model having a light absorption coefficient of zero.
The irradiation unit 104 irradiates the skin with short-time pulsed light. The plurality of short-time pulse lights emitted by the irradiating unit 104 is light having a wavelength that increases the orthogonality of the absorption spectrum distribution of each component of the main components constituting the skin, that is, each of the main components constituting the skin. Among the components, the maximum value of the absorption spectrum of a specific component in a certain main component includes light having a wavelength that is significantly different from the maximum value of the absorption spectrum of another component.

受光部105は、短時間パルス光が皮膚によって後方散乱した光を受光する。
ここで、短時間パルス光とは、パルス幅の時間が照射部104から受光部105へ光が空気中を直接伝搬する時間よりも短いパルス光のことであり、例えば、パルス光の半値幅が0.1ps〜10ps、2つのパルス光の間の時間間隔が1ps〜100psのパルス光のことである。
また、光路長分布とは、光(光子)の移動経路の長さ(光路長)を当該光(光子)が受光部105に到達するまでの時間を基に分布関数として表したものである。
The light receiving unit 105 receives light obtained by back-scattering the short-time pulse light by the skin.
Here, the short-time pulsed light is pulsed light whose pulse width is shorter than the time required for light to propagate directly from the irradiation unit 104 to the light receiving unit 105 in the air. 0.1 ps to 10 ps refers to pulsed light having a time interval of 1 ps to 100 ps between two pulsed lights.
The optical path length distribution is a distribution function representing the length (optical path length) of the movement path of light (photons) based on the time until the light (photons) reaches the light receiving unit 105.

計測光強度取得部106は、受光部105が受光した光のある時刻における光強度を取得する。
光路長取得部107は、光路長分布記憶部102からある時刻における光路長を取得する。
無吸収時光強度取得部108は、時間分解波形記憶部103からある時刻における光の吸収係数をゼロ(零)としたときの光強度モデルを取得する。
光吸収係数算出部109は、短時間パルス光を照射した皮膚の真皮層における光吸収係数を算出する。
濃度算出部110は、真皮層に含まれるグルコースの濃度を算出する。
The measurement light intensity acquisition unit 106 acquires the light intensity at a certain time of the light received by the light receiving unit 105.
The optical path length acquisition unit 107 acquires the optical path length at a certain time from the optical path length distribution storage unit 102.
The non-absorption light intensity acquisition unit 108 acquires a light intensity model when the light absorption coefficient at a certain time is set to zero (zero) from the time-resolved waveform storage unit 103.
The light absorption coefficient calculation unit 109 calculates a light absorption coefficient in the dermis layer of the skin irradiated with the short-time pulse light.
The concentration calculation unit 110 calculates the concentration of glucose contained in the dermis layer.

そして、血糖値測定装置100において、照射部104は、皮膚に短時間パルス光を照射し、受光部105は、短時間パルス光が皮膚によって後方散乱した光を受光する。
ここで、観測対象である人の皮膚組織の構造について説明する。
図2は、人の皮膚組織の断面を示す模式図であり、皮膚31は、表皮層32と、真皮層(任意の層)33と、皮下組織34の3層により構成されている。
表皮層32は、最も外側にある厚み0.2mm〜0.3mmの薄い層で、概ね水を60%程度、蛋白質、脂質及びグルコースを含有する層であり、角質層、顆粒層、有棘層、底層等を含む。
真皮層33は、表皮層32下に形成される厚み0.5mm〜2mmの層で、概ね水を60%程度、蛋白質、脂質及びグルコースを含有する層であり、この真皮層33内には神経、毛根、皮脂腺、汗腺、毛包、血管、リンパ管等が存在する。
皮下組織34は、真皮層33下に形成される厚み1〜3mmの層で、大部分が概ね脂質を90%以上含み、残部が水からなる皮下脂肪でできている。
In the blood glucose level measuring apparatus 100, the irradiating unit 104 irradiates the skin with short-time pulsed light, and the light-receiving unit 105 receives light back-scattered by the skin with the short-time pulsed light.
Here, the structure of the human skin tissue to be observed will be described.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross section of a human skin tissue. The skin 31 is composed of three layers of an epidermis layer 32, a dermis layer (arbitrary layer) 33, and a subcutaneous tissue 34.
The epidermis layer 32 is an outermost thin layer having a thickness of 0.2 mm to 0.3 mm, and is a layer containing about 60% of water, protein, lipid and glucose, and includes a stratum corneum, a granular layer, and a spiny layer. , Including bottom layer.
The dermis layer 33 is a layer formed under the epidermis layer 32 and having a thickness of 0.5 mm to 2 mm. The dermis layer 33 is a layer containing approximately 60% of water, protein, lipid, and glucose. , Hair roots, sebaceous glands, sweat glands, hair follicles, blood vessels, lymphatic vessels, and the like.
The subcutaneous tissue 34 is a layer having a thickness of 1 to 3 mm formed under the dermis layer 33. The subcutaneous tissue 34 is mostly made of subcutaneous fat containing approximately 90% or more of lipids and the balance being water.

真皮層33内には毛細血管等が発達しており、血中グルコースに応じた物質移動が速やかに起こり、血中グルコース濃度(血糖値)に対して真皮層33中のグルコース濃度も追随して変化すると考えられている。そこで、この血糖値測定装置100では、照射部104及び受光部105を所定の入出射間距離Wをおいて皮膚31の表面に密着させ、この密着状態で照射部104から皮膚31の表面に光を照射し、この光が皮膚31内の組織により反射され、この反射光が照射部104及び受光部105に向かって散乱する光(後方散乱した光)を受光部105で検出する。   Capillaries and the like are developed in the dermis layer 33, mass transfer according to blood glucose occurs rapidly, and the glucose concentration in the dermis layer 33 follows the blood glucose concentration (blood glucose level). It is thought to change. Therefore, in the blood glucose level measuring apparatus 100, the irradiation unit 104 and the light receiving unit 105 are brought into close contact with the surface of the skin 31 with a predetermined inter-irradiation distance W, and light is emitted from the irradiation unit 104 to the surface of the skin 31 in this close contact state. The light is reflected by the tissue in the skin 31, and the light that is scattered toward the irradiation unit 104 and the light receiving unit 105 (back scattered light) is detected by the light receiving unit 105.

次に、計測光強度取得部106は、時刻tにおいて受光部105が受光した光の強度を取得する。次に、光路長取得部107は、光路長分布記憶部102から、皮膚モデルにおける光路長分布の時刻tにおける皮膚の各層の光路長を取得し、無吸収時光強度取得部108は、時間分解波形記憶部103から、皮膚モデルにおける短時間パルス光の時間分解波形の時刻tにおける光の強度を取得する。   Next, the measurement light intensity acquisition unit 106 acquires the intensity of light received by the light receiving unit 105 at time t. Next, the optical path length acquisition unit 107 acquires the optical path length of each layer of the skin at time t of the optical path length distribution in the skin model from the optical path length distribution storage unit 102, and the non-absorbing light intensity acquisition unit 108 calculates the time-resolved waveform. The intensity of light at time t of the time-resolved waveform of the short-time pulsed light in the skin model is acquired from the storage unit 103.

次に、光吸収係数算出部109は、計測光強度取得部106が取得した光強度と光路長取得部107が取得した皮膚の各層の光路長と無吸収時光強度取得部108が取得した光強度とに基づいて、皮膚の真皮層の光吸収係数を算出し、濃度算出部110は、光吸収係数算出部109が算出した光吸収係数に基づいて、真皮層におけるグルコースの濃度を算出する。   Next, the light absorption coefficient calculation unit 109 obtains the light intensity acquired by the measurement light intensity acquisition unit 106, the optical path length of each layer of the skin acquired by the optical path length acquisition unit 107, and the light intensity acquired by the non-absorption light intensity acquisition unit 108. Based on the above, the light absorption coefficient of the dermis layer of the skin is calculated, and the concentration calculation unit 110 calculates the concentration of glucose in the dermis layer based on the light absorption coefficient calculated by the light absorption coefficient calculation unit 109.

この血糖値測定装置100では、皮膚31の特定深さの層である真皮層33の光吸収係数を用いてグルコース濃度を算出するので、真皮層33以外の層によるノイズの影響を軽減することができ、特定深さの層である真皮層33に含まれるグルコースの濃度を算出することができる。したがって、特定深さの層に含まれるグルコースの光の吸収量、すなわちグルコースの濃度を、非侵襲的に精度良く測定することができる。   In this blood glucose level measuring apparatus 100, since the glucose concentration is calculated using the light absorption coefficient of the dermis layer 33, which is a layer having a specific depth of the skin 31, the influence of noise caused by layers other than the dermis layer 33 can be reduced. It is possible to calculate the concentration of glucose contained in the dermis layer 33 which is a layer having a specific depth. Therefore, the light absorption amount of glucose contained in the layer having a specific depth, that is, the glucose concentration can be measured noninvasively with high accuracy.

次に、血糖値測定装置100の動作を説明する。
血糖値測定装置100は、血糖値を測定する前に、予め皮膚モデルの各層における光路長分布と時間分解波形とを算出しておく必要がある。
まず、皮膚モデルの光路長分布及び時間分解波形の算出方法を説明する。
初めに、シミュレーション部101は、皮膚モデルを生成する。皮膚モデルの生成は、皮膚の各層の光散乱係数、光吸収係数及び厚みを決定することで行う。ここで、皮膚の部分を特定すれば、この特定された皮膚の部分における各層の散乱係数及び厚みは、個体による差が少ないので、予めサンプルを取ることなどによって決定するとよい。なお、表皮層32の厚みは略0.3mm、真皮層33の厚みは略1.2mm、皮下組織34の厚みは略3.0mmである。
また、ここで用いる皮膚モデルの光吸収係数はゼロとする。その理由は、この皮膚モデルを用いて光吸収量を算出するからである。
Next, the operation of the blood sugar level measuring apparatus 100 will be described.
The blood glucose level measuring apparatus 100 needs to calculate the optical path length distribution and the time-resolved waveform in each layer of the skin model before measuring the blood glucose level.
First, a method for calculating the optical path length distribution and time-resolved waveform of the skin model will be described.
First, the simulation unit 101 generates a skin model. The skin model is generated by determining the light scattering coefficient, light absorption coefficient, and thickness of each layer of the skin. Here, if the skin portion is specified, the scattering coefficient and thickness of each layer in the specified skin portion are small depending on the individual, so it may be determined by taking a sample in advance. The thickness of the epidermis layer 32 is approximately 0.3 mm, the thickness of the dermis layer 33 is approximately 1.2 mm, and the thickness of the subcutaneous tissue 34 is approximately 3.0 mm.
The light absorption coefficient of the skin model used here is zero. The reason is that the amount of light absorption is calculated using this skin model.

シミュレーション部101は、皮膚モデルを生成すると、この皮膚モデルに光を照射するシミュレーションを行う。このとき、照射部104の位置と受光部105の位置との間の距離Wを決定しておく必要がある。シミュレーションは、例えば、モンテカルロ法を用いて行う。
このモンテカルロ法によるシミュレーションは、例えば以下のように行われる。
When the simulation unit 101 generates a skin model, the simulation unit 101 performs a simulation of irradiating the skin model with light. At this time, it is necessary to determine the distance W between the position of the irradiation unit 104 and the position of the light receiving unit 105. The simulation is performed using, for example, a Monte Carlo method.
The simulation by the Monte Carlo method is performed as follows, for example.

まず、シミュレーション部101は、照射する光のモデルを光子(光束)とし、この光子を皮膚モデルに照射する計算を行う。皮膚モデルに照射された光子は、皮膚モデル内を移動する。このとき、光子は、次に進む点までの距離L及び方向θを乱数Rによって決定する。シミュレーション部101は、光子が次に進む点までの距離Lの計算を、式(4)により行う。   First, the simulation unit 101 uses a model of light to be irradiated as a photon (light beam), and performs calculation to irradiate the skin model with the photon. Photons irradiated to the skin model move in the skin model. At this time, the photon determines the distance L and the direction θ to the next advancing point by the random number R. The simulation unit 101 calculates the distance L to the point where the photon advances next by Expression (4).

Figure 0005818038
Figure 0005818038

但し、ln(A)はAの自然対数を示し、μsは、皮膚モデルの第s層(表皮層、真皮層、皮下組織層の何れか)の散乱係数を示す。
また、シミュレーション部101は、光子が次に進む点までの方向θの計算を、式(5)により行う。
Here, ln (A) represents the natural logarithm of A, and μs represents the scattering coefficient of the s-th layer (any one of the epidermis layer, dermis layer, and subcutaneous tissue layer) of the skin model.
In addition, the simulation unit 101 calculates the direction θ up to the point where the photon advances next by Expression (5).

Figure 0005818038
Figure 0005818038

但し、gは、散乱角度の余弦(cos)の平均である非等方性パラメーターを示し、皮膚の非等方性パラメーターは、略0.9である。
シミュレーション部101は、上記式(4)、式(5)の計算を単位時間毎に繰り返すことにより、照射部104から受光部105までの光子の移動経路を算出することができる。シミュレーション部101は、複数の光子について移動距離の算出を行う。例えば、シミュレーション部101は、10個の光子について移動距離を算出する。
However, g shows the anisotropic parameter which is the average of cosine (cos) of a scattering angle, and the anisotropic parameter of skin is about 0.9.
The simulation unit 101 can calculate the movement path of photons from the irradiation unit 104 to the light receiving unit 105 by repeating the calculations of the above formulas (4) and (5) every unit time. The simulation unit 101 calculates a movement distance for a plurality of photons. For example, the simulation unit 101 calculates the movement distance for 10 8 photons.

図3は、シミュレーション部101が算出した各層の光路長分布を示す図である。
図3では、横軸を光子の照射からの経過時間とし、縦軸を光路長の対数表示としている。
シミュレーション部101は、受光部105に到達した光子の各々の移動経路を、移動経路が通過する層毎に分類する。そして、シミュレーション部101は、単位時間毎に到達した光子の移動経路の平均長を分類された層毎に算出することで、図3に示すような皮膚の各層の光路長分布を算出する。
FIG. 3 is a diagram illustrating the optical path length distribution of each layer calculated by the simulation unit 101.
In FIG. 3, the horizontal axis is the elapsed time from photon irradiation, and the vertical axis is a logarithmic display of the optical path length.
The simulation unit 101 classifies each movement path of photons that reach the light receiving unit 105 for each layer through which the movement path passes. And the simulation part 101 calculates the optical path length distribution of each layer of a skin as shown in FIG. 3 by calculating the average length of the movement path | route of the photon which arrived for every unit time for every classified layer.

また、シミュレーション部101は、単位時間毎に受光部104に到達した光子の個数を算出することで、図4に示すような皮膚モデルの時間分解波形を算出する。
図4は、シミュレーション部101が算出した時間分解波形を示す図である。図4では、横軸を光子の照射からの経過時間とし、縦軸を受光部8が検出した光子数としている。
上述したような処理により、シミュレーション部101は、複数の波長に対して、皮膚モデルの光路長分布及び時間分解波形を算出する。このとき、シミュレーション部101は、皮膚の主成分(水、たんぱく質、脂質、グルコース等)の吸収スペクトルの直交性高くなる波長の光、すなわち皮膚の主成分(水、たんぱく質、脂質、グルコース等)の各々の成分のうち、ある主成分における特定成分の吸収スペクトルの極大値が他の成分の吸収スペクトルの極大値と大きく異なる波長の光について、光路長分布及び時間分解波形を算出すると良い。
Moreover, the simulation part 101 calculates the time-resolved waveform of a skin model as shown in FIG. 4 by calculating the number of photons reaching the light receiving part 104 every unit time.
FIG. 4 is a diagram illustrating a time-resolved waveform calculated by the simulation unit 101. In FIG. 4, the horizontal axis represents the elapsed time from photon irradiation, and the vertical axis represents the number of photons detected by the light receiving unit 8.
Through the processing as described above, the simulation unit 101 calculates the optical path length distribution and time-resolved waveform of the skin model for a plurality of wavelengths. At this time, the simulation unit 101 uses light having a wavelength that increases the orthogonality of the absorption spectrum of the skin main components (water, protein, lipid, glucose, etc.), that is, the skin main components (water, protein, lipid, glucose, etc.). Among each component, it is preferable to calculate the optical path length distribution and the time-resolved waveform for light having a wavelength at which the maximum value of the absorption spectrum of a specific component in a certain main component is significantly different from the maximum value of the absorption spectrum of another component.

図5は、皮膚の主成分の吸収スペクトルを示すグラフである。この図5では、横軸を照射する光の波長とし、縦軸を吸収係数としている。
図5によれば、グルコースの吸収係数は、波長が1600nmのときに極大となり、水の吸収係数は波長が1450nmのときに極大となることがわかる。
そのため、シミュレーション部101は、例えば1450nm、1600nmというように、皮膚を構成する主成分の各々の成分の吸収スペクトル分布の直交性が高くなる波長の光、すなわち、皮膚を構成する主成分の各々の成分のうち、ある主成分における特定成分の吸収スペクトルの極大値が他の成分の吸収スペクトルの極大値と大きく異なる波長の光について、光路長分布及び時間分解波形を算出すると良い。
FIG. 5 is a graph showing the absorption spectrum of the main component of the skin. In FIG. 5, the horizontal axis represents the wavelength of light to be irradiated, and the vertical axis represents the absorption coefficient.
According to FIG. 5, it can be seen that the absorption coefficient of glucose is maximized when the wavelength is 1600 nm, and the absorption coefficient of water is maximized when the wavelength is 1450 nm.
Therefore, for example, the simulation unit 101 uses light having a wavelength that increases the orthogonality of the absorption spectrum distribution of each component of the main component constituting the skin, such as 1450 nm and 1600 nm, that is, each of the main component constituting the skin. Among the components, it is preferable to calculate the optical path length distribution and the time-resolved waveform for light having a wavelength at which the maximum value of the absorption spectrum of a specific component in a main component is significantly different from the maximum value of the absorption spectrum of another component.

シミュレーション部101が複数の波長に対する皮膚モデルの光路長分布及び時間分解波形を算出すると、光路長分布記憶部102は、算出された光路長分布の情報を記憶し、時間分解波形記憶部103は、算出された時間分解波形の情報を記憶する。なお、シミュレーション部101は血糖測定装置100に含まれない構成としても良い。この場合、外部の装置にてシミュレーションを行った結果を光路長分布記憶部102と時間分解波形記憶部103に記憶することで血糖測定装置100が血糖値測定を行う。   When the simulation unit 101 calculates the optical path length distribution and time-resolved waveform of the skin model for a plurality of wavelengths, the optical path length distribution storage unit 102 stores information on the calculated optical path length distribution, and the time-resolved waveform storage unit 103 Information on the calculated time-resolved waveform is stored. The simulation unit 101 may be configured not to be included in the blood glucose measurement device 100. In this case, the blood glucose measurement device 100 measures the blood glucose level by storing the result of the simulation performed by the external device in the optical path length distribution storage unit 102 and the time-resolved waveform storage unit 103.

次に、この血糖値測定装置100が血糖値を測定する動作について、図6に基づき説明する。
まず、ユーザー(被測定者)が血糖値測定装置100を手首等の皮膚に当て、測定開始スイッチ(図示せず)の押下等により血糖値測定装置100を動作させると、照射部104は、皮膚31に対して波長λの短時間パルス光を照射する(ステップS1)。
Next, the operation in which the blood sugar level measuring apparatus 100 measures the blood sugar level will be described with reference to FIG.
First, when a user (a person to be measured) places the blood sugar level measuring device 100 on the skin such as a wrist and operates the blood sugar level measuring device 100 by pressing a measurement start switch (not shown) or the like, the irradiation unit 104 31 is irradiated with short-time pulsed light having a wavelength λ 1 (step S1).

ここで、波長λは、シミュレーション部101が光路長分布及び時間分解波形を算出した複数の波長の中の1つである。
例えば、皮膚を構成する主成分のうち、ある主成分における特定成分の光吸収係数が他の成分の光吸収係数より大きくなる波長の光、すなわち、特定成分の光吸収係数の極小値が他の成分の光吸収係数の極小値と大きく異なる波長の光について光路長分布及び時間分解波形を算出すると良い。
Here, the wavelength λ 1 is one of a plurality of wavelengths for which the simulation unit 101 has calculated the optical path length distribution and the time-resolved waveform.
For example, among the main components constituting the skin, light having a wavelength at which the light absorption coefficient of a specific component in one main component is larger than the light absorption coefficient of another component, that is, the minimum value of the light absorption coefficient of a specific component is It is preferable to calculate the optical path length distribution and the time-resolved waveform for light having a wavelength significantly different from the minimum value of the light absorption coefficient of the component.

照射部104が短時間パルス光を照射すると、受光部105は、照射部104から照射され皮膚31によって後方散乱された光を受光する(ステップS2)。
このとき、受光部105は、照射開始からの単位時間毎(例えば、1ピコ秒毎)の受光強度を内部メモリー(図示せず)に記録しておく。
When the irradiation unit 104 emits the short-time pulse light, the light receiving unit 105 receives the light emitted from the irradiation unit 104 and backscattered by the skin 31 (step S2).
At this time, the light receiving unit 105 records the received light intensity for each unit time (for example, every 1 picosecond) from the start of irradiation in an internal memory (not shown).

次いで、受光部105が受光を完了すると、計測光強度取得部106は、内部メモリーに格納されている、異なる時刻tにおける受光強度I(t)を皮膚の層の数と同じ数だけ取得する(ステップS3)。
図6のフローチャートでは、皮膚の3つの層について4種類の波長を用いて濃度測定を行う場合について説明する。
すなわち、計測光強度取得部106は、皮膚の3つの層について4種類の波長を用いて濃度測定を行う場合には、3つの異なる時刻t〜tにおける受光強度I(t)〜I(t)を取得する。ここで、皮膚の層の数と同じ数だけ受光強度を取得する理由は、後述する処理において、皮膚の各層の吸収係数を連立方程式によって算出するためである。
Next, when the light receiving unit 105 completes the light reception, the measurement light intensity acquisition unit 106 acquires the same amount of received light intensity I (t) at different time t stored in the internal memory as the number of skin layers ( Step S3).
In the flowchart of FIG. 6, a case where concentration measurement is performed using three types of wavelengths for three layers of skin will be described.
That is, when the measurement light intensity acquisition unit 106 performs concentration measurement using four types of wavelengths for the three layers of the skin, the received light intensity I (t 1 ) to I at three different times t 1 to t 3 . (T 3 ) is acquired. Here, the reason why the received light intensity is obtained in the same number as the number of skin layers is to calculate the absorption coefficient of each skin layer by simultaneous equations in the processing described later.

また、計測光強度取得部が光強度を取得する時刻t〜tは、皮膚の各層の光路長分布のピークとなる時刻であると良い。すなわち、照射部104が短時間パルス光を照射した時刻に、図3に示すグラフにおいて皮膚の各層の光路長が極大となる時間を加算した時刻の光強度をそれぞれ取得すると良い。 In addition, the times t 1 to t 3 at which the measurement light intensity acquisition unit acquires the light intensity may be times when the optical path length distribution of each layer of the skin becomes a peak. In other words, the light intensity at the time obtained by adding the time when the optical path length of each layer of the skin is maximized in the graph shown in FIG.

計測光強度取得部106が受光強度I(t)〜I(t)を取得すると、光路長取得部107は、光路長分布記憶部102が記憶する波長λの光路長分布から、時刻t〜tにおける皮膚の各層の光路長L(t)〜L(t)、L(t)〜L(t)、L(t)〜L(t)を取得する(ステップS4)。
また、計測光強度取得部106が受光強度I(t)〜I(t)を取得すると、無吸収時光強度取得部108は、時間分解波形記憶部103が記憶する波長λの時間分解波形から、時刻t〜tにおける検出光子数N(t)〜N(t)を取得する(ステップS5)。
When the measurement light intensity acquisition unit 106 acquires the received light intensities I (t 1 ) to I (t 3 ), the optical path length acquisition unit 107 calculates the time from the optical path length distribution of the wavelength λ 1 stored in the optical path length distribution storage unit 102. t 1 ~t optical path length of each layer of the skin at 3 L 1 (t 1) ~L 1 (t 3), L 2 (t 1) ~L 2 (t 3), L 3 (t 1) ~L 3 ( t 3) to get (step S4).
When the measurement light intensity acquisition unit 106 acquires the received light intensities I (t 1 ) to I (t 3 ), the non-absorption light intensity acquisition unit 108 performs time resolution of the wavelength λ 1 stored in the time-resolved waveform storage unit 103. from the waveform, the time t 1 detected in ~t 3 photon number N (t 1) ~N (t 3) to get (step S5).

光路長取得部107が皮膚の各層の光路長を取得し、無吸収時光強度取得部108が検出光子数を取得すると、光吸収係数算出部109は、式(6)に基づいて、皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを算出する(ステップS6)。ここで、光吸収係数μは、表皮層の光吸収係数を示し、光吸収係数μは、真皮層の光吸収係数を示し、光吸収係数μは、皮下組織の光吸収係数を示す。 When the optical path length acquisition unit 107 acquires the optical path length of each layer of the skin and the non-absorption light intensity acquisition unit 108 acquires the number of detected photons, the light absorption coefficient calculation unit 109 calculates each layer of the skin based on Equation (6). to the calculated light absorption coefficient μ 1 3 (step S6). Here, the light absorption coefficient μ 1 indicates the light absorption coefficient of the epidermis layer, the light absorption coefficient μ 2 indicates the light absorption coefficient of the dermis layer, and the light absorption coefficient μ 3 indicates the light absorption coefficient of the subcutaneous tissue. .

Figure 0005818038
Figure 0005818038

但し、ln(A)はAの自然対数を示し、N(t)は特定波長λの短時間パルス光の時間分解波形のモデルの時刻tにおける光強度を示す。また、Iinは、照射部7が照射した短時間パルス光の光強度を示す。また、Ninは、シミュレーション部2が照射のシミュレーションを行った光子の個数を示す。 However, ln (A) shows the natural logarithm of A, N (t) shows the light intensity at time t of the model of the time-resolved waveform of the short pulse light having a specific wavelength lambda k. I in indicates the light intensity of the short-time pulse light irradiated by the irradiation unit 7. N in indicates the number of photons on which the simulation unit 2 has simulated irradiation.

光吸収係数算出部109が皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを算出すると、光吸収係数算出部109は、皮膚の主成分の種類数と同じ数の波長に対して光吸収係数μ〜μを算出したか否かを判定する(ステップS7)。
本実施形態では、皮膚の主成分を水、たんぱく質、脂質、グルコースの4種類として血糖値の測定を行うため、光吸収係数算出部109は、4種類の波長λ〜λに対して光吸収係数μ〜μを算出したか否かを判定する。ここで、波長λ〜λは、シミュレーション部101が光路長分布及び時間分解波形を算出した複数の波長の中から選択する。
When the light absorption coefficient calculation unit 109 calculates the light absorption coefficients μ 1 to μ 3 of each layer of the skin, the light absorption coefficient calculation unit 109 calculates the light absorption coefficient μ with respect to the same number of wavelengths as the number of types of skin main components. It determines whether to calculate the 1 ~μ 3 (step S7).
In this embodiment, since the blood sugar level is measured with four main components of skin, water, protein, lipid, and glucose, the light absorption coefficient calculation unit 109 performs light for four wavelengths λ 1 to λ 4 . It is determined whether or not the absorption coefficients μ 1 to μ 3 are calculated. Here, the wavelengths λ 1 to λ 4 are selected from a plurality of wavelengths calculated by the simulation unit 101 for the optical path length distribution and the time-resolved waveform.

光吸収係数算出部109が、光吸収係数μ〜μを算出していない波長λ〜λがあると判定した場合(ステップS7:NO)、ステップS1に戻り、まだ光吸収係数μ〜μを算出していない波長λ〜λの光吸収係数μ〜μの算出を行う。
他方、光吸収係数算出部109が、波長λ〜λの光吸収係数μ〜μを算出していると判定した場合(ステップS7:YES)、濃度算出部110は、式(7)に基づいて真皮層に含まれるグルコースの濃度を算出する(ステップS8)。
When the light absorption coefficient calculation unit 109 determines that there are wavelengths λ 1 to λ 4 for which the light absorption coefficients μ 1 to μ 3 are not calculated (step S7: NO), the process returns to step S1 and still has the light absorption coefficient μ. and calculates the light absorption coefficient μ 1 3 wavelengths lambda 1 to [lambda] 4, which is not calculated 1 ~μ 3.
On the other hand, when the light absorption coefficient calculation unit 109 determines that the light absorption coefficients μ 1 to μ 3 of the wavelengths λ 1 to λ 4 are calculated (step S7: YES), the concentration calculation unit 110 calculates the equation (7 ) To calculate the concentration of glucose contained in the dermis layer (step S8).

Figure 0005818038
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但し、μ2(1)〜μ2(4)は、真皮層における波長λ〜λの光吸収係数を示す。また、g〜gは、真皮層におけるそれぞれ皮膚の主成分である水、たんぱく質、脂質、グルコースのモル濃度を示す。また、ε1(1)〜ε1(4)は、波長λ〜λに対する水のモル吸光係数を示し、ε2(1)〜ε2(4)は、波長λ〜λに対するたんぱく質のモル吸光係数を示し、ε3(1)〜ε3(4)は、波長λ〜λに対する脂質のモル吸光係数を示し、ε4(1)〜ε4(4)は、波長λ〜λに対するグルコースのモル吸光係数を示す。
つまり、式(7)のgを算出することで、真皮層に含まれるグルコースのモル濃度を求めることができる。
However, μ 2 (1) ~μ 2 (4) shows the optical absorption coefficient of the wavelength lambda 1 to [lambda] 4 in the dermis layer. Further, g 1 to g 4 shows the water respectively in the dermal layer is the main component of skin, proteins, lipids, the molar concentration of glucose. Further, ε 1 (1) ~ε 1 (4) shows a molar extinction coefficient of water with respect to the wavelength λ 1 ~λ 4, ε 2 ( 1) ~ε 2 (4) is for the wavelength lambda 1 to [lambda] 4 Indicates the molar extinction coefficient of the protein, ε 3 (1) to ε 3 ( 4) indicate the molar extinction coefficient of the lipid for wavelengths λ 1 to λ 4 , and ε 4 (1) to ε 4 (4) indicate the wavelength The molar extinction coefficient of glucose with respect to λ 1 to λ 4 is shown.
In other words, by calculating the g 4 of the formula (7) can be obtained the molar concentration of glucose contained in the dermal layer.

ここで、式(7)によりグルコースのモル濃度を求めることができる理由を説明する。
皮膚の散乱係数の波長依存性は小さいので、検出光子数N(t)及び光路長Ln(t)の波長に対する変化は無視することができる。また、ベア・ランベルト(Beer-Lambert)の法則により、吸光度=モル吸光係数×モル濃度で表すことができる。これにより、2波長で得られた時間分解計測より、検出光子数N(t)を消去することで、真皮層において得られる吸収係数差と皮膚を形成する各成分のモル吸光係数との関係式を示す式(7)を導くことができる。
Here, the reason why the molar concentration of glucose can be obtained by the equation (7) will be described.
Since the wavelength dependence of the skin scattering coefficient is small, changes in the number of detected photons N (t) and the optical path length Ln (t) with respect to the wavelength can be ignored. Further, it can be expressed as Absorbance = Molar extinction coefficient × Molar concentration according to the Beer-Lambert law. Thus, by eliminating the detected photon number N (t) from time-resolved measurement obtained at two wavelengths, the relational expression between the absorption coefficient difference obtained in the dermis layer and the molar absorption coefficient of each component forming the skin Equation (7) showing can be derived.

本実施形態によれば、短時間パルス光を照射し、所定の時刻において受光した光の強度に基づいてグルコースの濃度を定量する。これにより、所定の時刻において受光した光の中から、真皮層の吸収係数を選択的に算出することができる。これにより、特定の皮膚の層のグルコースの濃度を算出することができ、他の層によるノイズの影響を軽減し、精度の高い血糖値を算出することが可能になる。   According to this embodiment, short-time pulse light is irradiated, and the glucose concentration is quantified based on the intensity of light received at a predetermined time. Thus, the absorption coefficient of the dermis layer can be selectively calculated from the light received at a predetermined time. Thereby, the glucose concentration of a specific skin layer can be calculated, the influence of noise by other layers can be reduced, and a highly accurate blood sugar level can be calculated.

[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態について詳しく説明する。
第2の実施形態における血糖値測定装置の構成は、第1の実施形態の血糖値測定装置100の構成と同一であり、計測光強度取得部106、光路長取得部107、無吸収時光強度取得部108、光吸収係数算出部109の動作が異なる。
[Second Embodiment]
The second embodiment of the present invention will be described in detail.
The configuration of the blood glucose level measuring device in the second embodiment is the same as that of the blood glucose level measuring device 100 in the first embodiment, and the measurement light intensity acquisition unit 106, the optical path length acquisition unit 107, and the non-absorption light intensity acquisition. The operations of the unit 108 and the light absorption coefficient calculation unit 109 are different.

図7は、血糖値測定装置が血糖値を測定する動作を示すフローチャートである。
まず、血糖値測定装置100を動作させると、照射部104は、皮膚に対して波長λの短時間パルス光を照射する(ステップS11)。ここで、波長λは、シミュレーション部101が光路長分布及び時間分解波形を算出した複数の波長の中の1つである。
FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the blood sugar level measuring apparatus for measuring the blood sugar level.
First, when the blood sugar level measuring apparatus 100 is operated, the irradiating unit 104 irradiates the skin with short-time pulsed light having a wavelength λ 1 (step S11). Here, the wavelength λ 1 is one of a plurality of wavelengths for which the simulation unit 101 has calculated the optical path length distribution and the time-resolved waveform.

照射部104が短時間パルス光を照射すると、受光部105は、照射部104から照射され、皮膚によって後方散乱した光を受光する(ステップS12)。このとき、受光部105は、照射開始からの単位時間毎(例えば、1ピコ秒毎)の受光強度を内部メモリーに登録しておく。
受光部105が受光を完了すると、計測光強度取得部106は、内部メモリーに格納されている受光強度から、ある時刻から時間τの間の受光強度の時間分布を取得する(ステップS13)。
When the irradiation unit 104 emits the short-time pulse light, the light receiving unit 105 receives the light emitted from the irradiation unit 104 and backscattered by the skin (step S12). At this time, the light receiving unit 105 registers the received light intensity for each unit time (for example, every 1 picosecond) from the start of irradiation in the internal memory.
When the light receiving unit 105 completes the light reception, the measurement light intensity acquisition unit 106 acquires the time distribution of the received light intensity from a certain time to the time τ from the received light intensity stored in the internal memory (step S13).

計測光強度取得部106が、時間τの間の受光強度の時間分布を取得すると、光路長取得部107は、光路長分布記憶部102が記憶する波長λの光路長分布から、ある時刻から時間τの間の皮膚の各層の光路長を取得する。
図7のフローチャートでは、皮膚の3つの層について4種類の波長を用いて濃度測定を行う場合について説明する。
すなわち、計測光強度取得部106は、皮膚の3つの層について4種類の波長を用いて濃度測定を行う場合には、ある時刻から時間τの間の皮膚の各層の光路長L〜Lを取得する(ステップS14)。
When the measurement light intensity acquisition unit 106 acquires the time distribution of the received light intensity during the time τ, the optical path length acquisition unit 107 starts from the optical path length distribution of the wavelength λ 1 stored in the optical path length distribution storage unit 102 from a certain time. Obtain the optical path length of each layer of skin during time τ.
In the flowchart of FIG. 7, a case where concentration measurement is performed on three layers of skin using four types of wavelengths will be described.
That is, when the measurement light intensity acquisition unit 106 performs concentration measurement using three types of wavelengths for the three layers of the skin, the optical path lengths L 1 to L 3 of each layer of the skin between a certain time and the time τ. Is acquired (step S14).

また、計測光強度取得部106が、時間τの間の受光強度の時間分布を取得すると、無吸収時光強度取得部108は、時間分解波形記憶部103が記憶する波長λの時間分解波形から、ある時刻から時間τの間の検出光子数を取得する(ステップS15)。 When the measurement light intensity acquisition unit 106 acquires the time distribution of the received light intensity during the time τ, the non-absorption light intensity acquisition unit 108 uses the time-resolved waveform of the wavelength λ 1 stored in the time-resolved waveform storage unit 103. The number of detected photons from a certain time to time τ is acquired (step S15).

光路長取得部107が皮膚の各層の光路長を取得し、無吸収時光強度取得部108が検出光子数を取得すると、光吸収係数算出部109は、式(8)に基づいて、皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを算出する(ステップS16)。ここで、光吸収係数μは、表皮層の光吸収係数を示し、光吸収係数μは、真皮層の光吸収係数を示し、光吸収係数μは、皮下組織の光吸収係数を示す。 When the optical path length acquisition unit 107 acquires the optical path length of each layer of skin and the non-absorption light intensity acquisition unit 108 acquires the number of detected photons, the light absorption coefficient calculation unit 109 calculates each layer of the skin based on Expression (8). to the calculated light absorption coefficient μ 1 3 (step S16). Here, the light absorption coefficient μ 1 indicates the light absorption coefficient of the epidermis layer, the light absorption coefficient μ 2 indicates the light absorption coefficient of the dermis layer, and the light absorption coefficient μ 3 indicates the light absorption coefficient of the subcutaneous tissue. .

Figure 0005818038
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但し、ln(A)は、Aの自然対数を示す。また、I(t)は、時刻tにおける受光部105の受光強度を示し、Iinは、照射部104が照射した短時間パルス光の光強度を示す。また、N(t)は、時間分解波形の時刻tにおける検出光子数を示し、Ninは、シミュレーション部101が照射のシミュレーションを行った光子の個数を示す。また、L(t)〜L(t)は、時刻tにおける皮膚の各層の光路長を示す。 Here, ln (A) represents the natural logarithm of A. Further, I (t) indicates the light reception intensity of the light receiving unit 105 at time t, and I in indicates the light intensity of the short-time pulsed light irradiated by the irradiation unit 104. N (t) represents the number of detected photons at time t of the time-resolved waveform, and N in represents the number of photons on which the simulation unit 101 has simulated the irradiation. L 1 (t) to L 3 (t) indicate the optical path length of each layer of the skin at time t.

光吸収係数算出部109が皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを算出すると、光吸収係数算出部109は、皮膚の主成分の種類数と同じ数の波長に対して光吸収係数μ〜μを算出したか否かを判定する(ステップS17)。本実施形態では、皮膚の主成分を水、たんぱく質、脂質、グルコースの4種類として血糖値の測定を行うので、光吸収係数算出部109は、4種類の波長λ〜λに対して光吸収係数μ〜μを算出したか否かを判定する。ここで、波長λ〜λは、シミュレーション部101が光路長分布及び時間分解波形を算出した複数の波長の中から選択する。 When the light absorption coefficient calculation unit 109 calculates the light absorption coefficients μ 1 to μ 3 of each layer of the skin, the light absorption coefficient calculation unit 109 calculates the light absorption coefficient μ with respect to the same number of wavelengths as the number of types of skin main components. It determines whether to calculate the 1 ~μ 3 (step S17). In this embodiment, blood sugar levels are measured with four main components of skin, water, protein, lipid, and glucose, so that the light absorption coefficient calculation unit 109 performs light for four wavelengths λ 1 to λ 4 . It is determined whether or not the absorption coefficients μ 1 to μ 3 are calculated. Here, the wavelengths λ 1 to λ 4 are selected from a plurality of wavelengths calculated by the simulation unit 101 for the optical path length distribution and the time-resolved waveform.

ここで、光吸収係数算出部109が光吸収係数μ〜μを算出していない波長λ〜λがあると判定した場合(ステップS17:NO)、ステップS1に戻り、まだ光吸収係数μ〜μを算出していない波長λ〜λの光吸収係数μ〜μの算出を行う。
他方、光吸収係数算出部109が波長λ〜λの光吸収係数μ〜μを算出していると判定した場合(ステップS17:YES)、濃度算出部110は、上述した式(7)に基づいて真皮層に含まれるグルコースの濃度を算出する(ステップS18)。
If the light absorption coefficient calculation unit 109 determines that there are wavelengths λ 1 to λ 4 for which the light absorption coefficients μ 1 to μ 3 are not calculated (step S17: NO), the process returns to step S1 and still absorbs light. and calculates the light absorption coefficient μ 1 3 wavelengths lambda 1 to [lambda] 4, which is not calculated coefficient μ 1 3.
On the other hand, when it is determined that the light absorption coefficient calculation unit 109 has calculated the light absorption coefficients μ 1 to μ 3 of the wavelengths λ 1 to λ 4 (step S17: YES), the concentration calculation unit 110 calculates the equation ( Based on 7), the concentration of glucose contained in the dermis layer is calculated (step S18).

本実施形態によれば、吸収係数μ〜μを、時間τの間の光路長の積分値によって算出する。これにより、計測した受光強度I(t)に含まれている誤差による吸収係数μ〜μの算出結果に対する影響を少なくすることができる。 According to the present embodiment, the absorption coefficients μ 1 to μ 3 are calculated by the integrated value of the optical path length during the time τ. Thus, it is possible to reduce the influence on the calculation result of the absorption coefficient μ 13 by the error contained in the measured received light intensity I (t).

第1の実施形態及び第2の実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、第1の実施形態及び第2の実施形態では、濃度定量方法を血糖値測定装置100に実装し、皮膚の真皮層に含まれるグルコースの濃度を測定する場合を説明したが、これに限られず、濃度定量方法を、複数の層から形成される観測対象の任意の層における目的成分の濃度を定量する他の装置に用いても良い。
Although the first embodiment and the second embodiment have been described with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to the above-described one, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. It is possible to change the design.
For example, in the first embodiment and the second embodiment, the case where the concentration quantification method is implemented in the blood glucose level measuring apparatus 100 and the concentration of glucose contained in the dermis layer of the skin is measured has been described. Instead, the concentration quantification method may be used for another apparatus for quantifying the concentration of the target component in an arbitrary layer to be observed formed from a plurality of layers.

また、第1の実施形態及び第2の実施形態では、血糖値測定装置100がシミュレーション部101と、光路長分布記憶部102と、時間分解波形記憶部103とを備えた構成としたが、シミュレーション部101におけるシミュレーションの結果を、光路長分布記憶部102及び時間分解波形記憶部103に記憶させた構成とすれば、シミュレーション部101を別途設ける必要がなくなる。   In the first embodiment and the second embodiment, the blood sugar level measuring apparatus 100 includes the simulation unit 101, the optical path length distribution storage unit 102, and the time-resolved waveform storage unit 103. If the simulation result in the unit 101 is stored in the optical path length distribution storage unit 102 and the time-resolved waveform storage unit 103, it is not necessary to provide the simulation unit 101 separately.

上述の血糖値測定装置100は、内部にコンピューターシステムを備えた構成としてもよい。そして、上述した各処理部の動作または各処理部の一部の動作は、プログラムの形式でコンピューター読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピューターが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここで、コンピューターが読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリー等をいう。また、このコンピュータープログラムを通信回線によってコンピューターに配信し、この配信を受けたコンピューターが当該プログラムを実行するようにしても良い。   The blood glucose level measuring apparatus 100 described above may be configured to include a computer system inside. The operation of each processing unit described above or a part of the operation of each processing unit is stored in a computer-readable recording medium in the form of a program, and the computer reads and executes the program to execute the above processing. Is done. Here, the computer-readable recording medium refers to a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory, and the like. Alternatively, the computer program may be distributed to the computer via a communication line, and the computer that has received the distribution may execute the program.

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。
さらに、前述した機能をコンピューターシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
The program may be for realizing a part of the functions described above.
Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, what is called a difference file (difference program) may be sufficient.

[第3の実施形態]
図8は、本発明の第3の実施形態の血糖値測定装置の構成を示す概略ブロック図である。
本実施形態の血糖値測定装置200が、第1の実施形態の血糖値測定装置100と異なる点は、本実施形態の血糖値測定装置200が、照射部104と、受光部105と、コンピューターシステム201とを備え、コンピューターシステム201は、記憶部202と、制御部(CPU)203とを備え、記憶部202は、シミュレーション部101におけるシミュレーションの結果を記憶している光路長分布記憶部102及び時間分解波形記憶部103の機能を実行し、制御部(CPU)203は、計測光強度取得部106、光路長取得部107、無吸収時光強度取得部108、光吸収係数算出部109及び濃度算出部110の機能を実行する点である。
[Third Embodiment]
FIG. 8 is a schematic block diagram showing the configuration of the blood sugar level measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention.
The blood glucose level measuring apparatus 200 of the present embodiment is different from the blood glucose level measuring apparatus 100 of the first embodiment in that the blood glucose level measuring apparatus 200 of the present embodiment includes an irradiation unit 104, a light receiving unit 105, and a computer system. 201, the computer system 201 includes a storage unit 202 and a control unit (CPU) 203, and the storage unit 202 stores an optical path length distribution storage unit 102 that stores a simulation result in the simulation unit 101 and a time. The control unit (CPU) 203 executes the function of the decomposed waveform storage unit 103, and the measurement light intensity acquisition unit 106, the optical path length acquisition unit 107, the non-absorption light intensity acquisition unit 108, the light absorption coefficient calculation unit 109, and the concentration calculation unit. The point is that 110 functions are executed.

本実施形態の血糖値測定装置200においても、第1の実施形態の血糖値測定装置100と同様の作用・効果を奏することができる。   Also in the blood sugar level measuring apparatus 200 of the present embodiment, the same actions and effects as the blood sugar level measuring apparatus 100 of the first embodiment can be achieved.

[第4の実施形態]
図9は、本発明の第4の実施形態の血糖値測定装置の構成を示す概略ブロック図である。
この血糖値測定装置300は、手のひら等の皮膚(観測対象)を構成する複数層のうちの真皮層(任意の層)に含まれるグルコース(目的成分)の濃度を非侵襲にて定量する装置であり、シミュレーション部301と、光路長分布記憶部302と、時間分解波形記憶部303と、照射部304と、受光部305と、計測光強度取得部(光強度取得部)306と、光路長取得部307と、無吸収時光強度取得部(光強度モデル取得部)308と、積分区間算出部309と、光吸収係数算出部310と、光吸収係数分布記憶部311と、光吸収係数取得部312と、濃度算出部313とを備えている。
[Fourth Embodiment]
FIG. 9 is a schematic block diagram showing the configuration of the blood sugar level measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
This blood glucose level measuring apparatus 300 is a device that non-invasively quantifies the concentration of glucose (target component) contained in the dermis layer (arbitrary layer) of a plurality of layers constituting skin (observation target) such as a palm. Yes, a simulation unit 301, an optical path length distribution storage unit 302, a time-resolved waveform storage unit 303, an irradiation unit 304, a light receiving unit 305, a measured light intensity acquisition unit (light intensity acquisition unit) 306, and an optical path length acquisition Unit 307, non-absorption light intensity acquisition unit (light intensity model acquisition unit) 308, integration interval calculation unit 309, light absorption coefficient calculation unit 310, light absorption coefficient distribution storage unit 311, and light absorption coefficient acquisition unit 312. And a density calculation unit 313.

シミュレーション部301は、光吸収係数がゼロの皮膚モデルに対して光を照射するシミュレーションを行う。
光路長分布記憶部302は、皮膚に対して照射する短時間パルス光の、この皮膚を構成する各々の層における光路長分布のモデルを記憶する。ここでは、光吸収係数がゼロの皮膚モデルの光路長分布を記憶する。
ここで、短時間パルス光とは、パルス幅の時間が照射部304から受光部305へ光が空気中を直接伝搬する時間よりも短いパルス光のことであり、例えば、パルス光の半値幅が0.1ps〜10ps、2つのパルス光の間の時間間隔が1ps〜100psのパルス光のことである。
また、光路長分布とは、光(光子)の移動経路の長さ(光路長)を当該光(光子)が受光部305に到達するまでの時間を基に分布関数として表したものである。
The simulation part 301 performs the simulation which irradiates light with respect to the skin model whose light absorption coefficient is zero.
The optical path length distribution storage unit 302 stores a model of the optical path length distribution in each layer constituting the skin of short-time pulse light irradiated to the skin. Here, the optical path length distribution of the skin model with zero light absorption coefficient is stored.
Here, the short-time pulsed light is pulsed light whose pulse width is shorter than the time during which light travels directly from the irradiation unit 304 to the light receiving unit 305 in the air. 0.1 ps to 10 ps refers to pulsed light having a time interval of 1 ps to 100 ps between two pulsed lights.
The optical path length distribution is a distribution function representing the length (optical path length) of the movement path of light (photon) based on the time until the light (photon) reaches the light receiving unit 305.

光路長取得部307は、光路長分布記憶部302から、光路長分布のモデルの所定の時刻における、皮膚の各々の層の光路長を取得する。ここでは、光路長分布記憶部302からある時刻における光路長を取得する。ここでいう光路長とは、照射部304から照射された短時間パルス光が皮膚内に侵入し、この皮膚内にて散乱されて受光部305により検出されるまでの光の路の長さのことであり、後述するように、照射部304と受光部305との距離を設定することにより、皮膚の各々の層の光路長が推定される。   The optical path length acquisition unit 307 acquires from the optical path length distribution storage unit 302 the optical path length of each layer of the skin at a predetermined time of the optical path length distribution model. Here, the optical path length at a certain time is acquired from the optical path length distribution storage unit 302. The optical path length here refers to the length of the light path from when the short-time pulsed light emitted from the irradiation unit 304 enters the skin and is scattered in the skin and detected by the light receiving unit 305. As will be described later, the optical path length of each layer of the skin is estimated by setting the distance between the irradiation unit 304 and the light receiving unit 305.

時間分解波形記憶部303は、皮膚に対して照射する短時間パルス光の時間分解波形のモデルを記憶する。ここでは、光吸収係数がゼロの皮膚モデルの時間分解波形を記憶する。ここで、短時間パルス光の時間分解波形とは、受光部305にて受光した光(光子)の強度を、この短時間パルス光の照射時からの経過時間を基に分布関数として表したものである。
無吸収時光強度取得部308は、時間分解波形記憶部303から、短時間パルス光の時間分解波形のモデルの所定の時刻における光の吸収係数をゼロ(零)とした時(無吸収時)の光強度を取得する。ここでは、時間分解波形記憶部303からある時刻における無吸収時光強度を取得する。
The time-resolved waveform storage unit 303 stores a model of a time-resolved waveform of short-time pulsed light that is applied to the skin. Here, the time-resolved waveform of the skin model having zero light absorption coefficient is stored. Here, the time-resolved waveform of the short-time pulsed light is the intensity of light (photons) received by the light receiving unit 305 expressed as a distribution function based on the elapsed time from the irradiation of the short-time pulsed light. It is.
The non-absorptive light intensity acquisition unit 308 reads from the time-resolved waveform storage unit 303 when the light absorption coefficient at a predetermined time of the time-resolved waveform model of the short-time pulse light is zero (no absorption). Get the light intensity. Here, the non-absorption light intensity at a certain time is acquired from the time-resolved waveform storage unit 303.

照射部304は、皮膚に対して短時間パルス光を照射する。この光は皮膚内の組織によって散乱され、皮膚内に拡散する。拡散した光の一部は、受光部305に到達する(後方散乱光)。この受光部305に到達した後方散乱光が皮膚内を伝搬してきた経路は、図2に示すようにバナナシェイプの経路となる。この照射部304が照射する複数の短時間パルス光は、皮膚を構成する主成分の各々の成分の吸収スペクトル分布の直交性が高くなる波長の光、すなわち、皮膚を構成する主成分の各々の成分のうち、ある主成分における特定成分の吸収スペクトルの極大値が他の成分の吸収スペクトルの極大値と大きく異なる波長の光を含んでいる。
受光部305は、短時間パルス光が皮膚によって後方散乱した光を受光する。この受光部305は、受光強度を記録する内部メモリー(図示せず)を備えている。なお、この内部メモリーは、受光部305に電気的に接続する外部メモリーに代えた構成としてもよい。
The irradiation unit 304 irradiates the skin with short-time pulsed light. This light is scattered by the tissue in the skin and diffuses into the skin. Part of the diffused light reaches the light receiving unit 305 (backscattered light). The path through which the backscattered light that has reached the light receiving unit 305 has propagated in the skin is a banana-shaped path as shown in FIG. The plurality of short-time pulse lights emitted by the irradiating unit 304 is light having a wavelength that increases the orthogonality of the absorption spectrum distribution of each component of the main component constituting the skin, that is, each of the main component constituting the skin. Among the components, the maximum value of the absorption spectrum of a specific component in a certain main component includes light having a wavelength that is significantly different from the maximum value of the absorption spectrum of another component.
The light receiving unit 305 receives light obtained by backscattering short-time pulsed light by the skin. The light receiving unit 305 includes an internal memory (not shown) that records the light reception intensity. The internal memory may be replaced with an external memory that is electrically connected to the light receiving unit 305.

この照射部304と受光部305との入出射間距離Wと皮膚内に侵入する光Rの侵入深さとの間には、一定の関係がある。そこで、照射部304と受光部305との入出射間距離Wを規定することにより、皮膚内に侵入する光Rの侵入深さも一義的に決定されることとなる。例えば、入出射間距離Wを10mmとすると、光Rの侵入深さは10mmとなり、入出射間距離Wを0.8mmとすると、光Rの侵入深さは0.8mmとなる。   There is a certain relationship between the distance W between the entrance and exit of the irradiation unit 304 and the light receiving unit 305 and the penetration depth of the light R entering the skin. Therefore, by defining the distance W between the light input and output between the irradiation unit 304 and the light receiving unit 305, the penetration depth of the light R entering the skin is also uniquely determined. For example, if the distance W between incident and outgoing is 10 mm, the penetration depth of the light R is 10 mm, and if the distance W between incoming and outgoing is 0.8 mm, the penetration depth of the light R is 0.8 mm.

受光部305が後方散乱光を受光すると、計測光強度取得部306は、受光部305が受光した光の積分区間内の皮膚の各々の層の数n以上となる複数の時刻t〜tにおける光強度を取得する(但し、nは1以上の自然数、mはn以上の自然数)。計測光強度取得部306が光強度を取得する複数の時刻は、皮膚の各々の層の光路長分布のピーク時間を含んでいる。
積分区間算出部309は、光路長取得部307が取得した光路長分布のモデルの皮膚の各々の層の光路長と、無吸収時光強度取得部308が取得した短時間パルス光の時間分解波形のモデルの無吸収時光強度と、計測光強度取得部306が取得した受光部305が受光した光強度分布とに基づいて、前記光強度分布から皮膚の各々の層の光強度に対応する領域の積分区間を算出する。
When the light receiving unit 305 receives the backscattered light, the measurement light intensity acquisition unit 306 has a plurality of times t 1 to t m that are equal to or more than the number n of each layer of the skin in the integration interval of the light received by the light receiving unit 305. Is obtained (where n is a natural number of 1 or more and m is a natural number of n or more). The plurality of times when the measurement light intensity acquisition unit 306 acquires the light intensity includes the peak time of the optical path length distribution of each layer of the skin.
The integration interval calculation unit 309 includes the optical path length of each skin layer of the model of the optical path length distribution acquired by the optical path length acquisition unit 307 and the time-resolved waveform of the short-time pulse light acquired by the non-absorption light intensity acquisition unit 308. Based on the light intensity at the time of non-absorption of the model and the light intensity distribution received by the light receiving unit 305 acquired by the measurement light intensity acquisition unit 306, the integration of the region corresponding to the light intensity of each layer of the skin from the light intensity distribution Calculate the interval.

ここで、積分区間とは、光強度分布における任意の層の光強度に対応する領域の時間幅のことであり、開始時刻と、終了時刻と、増分時間とにより決定することができる。
例えば、(1)後方散乱した光を受光する受光部305の出力する光強度が計測光強度取得部306の最小検出感度を超えて検出された時刻から最小検出感度と等しい光強度で検出された時刻までの時間、(2)シミュレーション部301で得られる無吸収時光強度を記憶している時間分解波形記憶部303から取得した無吸収時光強度の時間特性、(3)皮膚表面に接する受光部305と照射部304との間隔、(4)シミュレーション部301に与える皮膚モデルのサイズ及び光学特性(散乱係数、吸収係数、非等方性パラメータ−、または屈折率)を用いて、積分区間の開始時刻、終了時刻、増分時間を決定する。
Here, the integration interval is a time width of a region corresponding to the light intensity of an arbitrary layer in the light intensity distribution, and can be determined by the start time, the end time, and the increment time.
For example, (1) the light intensity output from the light receiving unit 305 that receives the backscattered light is detected with the light intensity equal to the minimum detection sensitivity from the time when the light intensity detected exceeds the minimum detection sensitivity of the measurement light intensity acquisition unit 306 Time to time, (2) time characteristics of non-absorbing light intensity acquired from the time-resolved waveform storage unit 303 storing the non-absorbing light intensity obtained by the simulation unit 301, and (3) a light receiving unit 305 in contact with the skin surface. (4) The start time of the integration interval using the size and optical characteristics (scattering coefficient, absorption coefficient, anisotropic parameter, or refractive index) of the skin model given to the simulation unit 301 Determine the end time and increment time.

光吸収係数算出部310は、積分区間算出部309が算出した積分区間に基づいて皮膚の各層の光吸収係数を算出する。
ここでは、積分区間算出部309によって定めた積分区間での皮膚の各層の光吸収係数及び推定誤差率を求め、積分区間に対する皮膚の各層の光吸収係数及び推定誤差率の分布を算出する。
この光吸収係数算出部310では、皮膚における各層の光吸収係数を、下記の式(9)から算出する。
The light absorption coefficient calculation unit 310 calculates the light absorption coefficient of each layer of the skin based on the integration interval calculated by the integration interval calculation unit 309.
Here, the light absorption coefficient and the estimated error rate of each layer of the skin in the integration interval determined by the integration interval calculation unit 309 are obtained, and the distribution of the light absorption coefficient and the estimated error rate of each layer of the skin with respect to the integration interval is calculated.
In this light absorption coefficient calculation unit 310, the light absorption coefficient of each layer in the skin is calculated from the following equation (9).

Figure 0005818038
Figure 0005818038

但し、ln(A)はAの自然対数、I(t)は受光部305が時刻tにて受光した光強度、N(t)は特定波長λkの短時間パルス光の時間分解波形のモデルの時刻tにおける光強度、Li(t)は皮膚の各々の層における光路長分布のモデルの時刻tにおける第i層の光路長、μiは第i層の光吸収係数を示す。
ここで、第1層は表皮層、第2層は真皮層、第3層は皮下組織を示し、μは表皮層の光吸収係数、μは真皮層の光吸収係数、μは皮下組織の光吸収係数を示す。
Where ln (A) is the natural logarithm of A, I (t) is the light intensity received by the light receiving unit 305 at time t, and N (t) is a model of the time-resolved waveform of the short-time pulsed light with the specific wavelength λk. The light intensity at time t, Li (t) represents the optical path length of the i-th layer at time t in the model of the optical path length distribution in each layer of the skin, and μi represents the light absorption coefficient of the i-th layer.
Here, the first layer is the epidermis layer, the second layer is the dermis layer, the third layer is the subcutaneous tissue, μ 1 is the light absorption coefficient of the epidermis layer, μ 2 is the light absorption coefficient of the dermis layer, and μ 3 is the subcutaneous Shows the light absorption coefficient of tissue.

光吸収係数分布記憶部311は、光吸収係数算出部310が算出した積分区間に対する任意の層の光吸収係数及び推定誤差率の分布を記憶する。
光吸収係数取得部312は、光吸収係数分布記憶部311から取得した積分区間に対する任意の層の光吸収係数及び推定誤差率の分布と、積分区間の変化に対する光吸収係数変動率の範囲等の基準とを用いて、皮膚の表面からの特定深さにおける層の皮膚主成分における血糖相応のグルコース濃度に基づく光吸収係数を取得する。
The light absorption coefficient distribution storage unit 311 stores the distribution of the light absorption coefficient and the estimated error rate of an arbitrary layer for the integration interval calculated by the light absorption coefficient calculation unit 310.
The light absorption coefficient acquisition unit 312 includes the distribution of the light absorption coefficient and the estimated error rate of an arbitrary layer with respect to the integration interval acquired from the light absorption coefficient distribution storage unit 311, the range of the light absorption coefficient variation rate with respect to the change in the integration interval, A light absorption coefficient based on the glucose concentration corresponding to blood glucose in the skin main component of the layer at a specific depth from the surface of the skin is obtained using the reference.

濃度算出部313は、光吸収係数取得部312が取得した皮膚の表面からの特定深さにおける層の皮膚主成分における血糖相応のグルコース濃度に基づく光吸収係数から、特定深さの層に含まれるグルコースの濃度を算出する。
この濃度算出部313では、皮膚の任意の層におけるグルコースの濃度を、下記の式(10)から算出する。
The concentration calculation unit 313 is included in the layer at the specific depth from the light absorption coefficient based on the glucose concentration corresponding to blood glucose in the skin main component of the layer at the specific depth from the skin surface acquired by the light absorption coefficient acquisition unit 312. The concentration of glucose is calculated.
In the concentration calculation unit 313, the glucose concentration in an arbitrary layer of the skin is calculated from the following equation (10).

Figure 0005818038
Figure 0005818038

但し、μaは皮膚の任意の層である第a層における光吸収係数、gjは皮膚を構成する第j成分のモル濃度、εjは第j成分の光吸収係数、pは皮膚を構成する主成分の個数、qは特定波長λkの種類数を示す。
ここで、第1層は表皮層、第2層は真皮層、第3層は皮下組織を示し、μは表皮層の光吸収係数、μは真皮層の光吸収係数、μは皮下組織の光吸収係数を示す。
Where μa is the light absorption coefficient in the a layer, which is an arbitrary layer of the skin, gj is the molar concentration of the jth component constituting the skin, εj is the light absorption coefficient of the jth component, and p is the main component constituting the skin Q represents the number of types of the specific wavelength λk.
Here, the first layer is the epidermis layer, the second layer is the dermis layer, the third layer is the subcutaneous tissue, μ 1 is the light absorption coefficient of the epidermis layer, μ 2 is the light absorption coefficient of the dermis layer, and μ 3 is the subcutaneous Shows the light absorption coefficient of tissue.

そして、この血糖値測定装置300では、照射部304は、皮膚に短時間パルス光を照射し、受光部305は、短時間パルス光が皮膚により後方散乱した光を受光し、計測光強度取得部306は、時刻tにおいて受光部305が受光した光強度を取得する。
次いで、光路長取得部5は、光路長分布記憶部4から、皮膚モデルにおける光路長分布の時刻tにおける皮膚の各層の光路長を取得し、無吸収時光強度取得部308は、時間分解波形記憶部303から、皮膚モデルにおける短時間パルス光の時間分解波形の時刻tにおける光の強度を取得する。
In the blood glucose level measuring apparatus 300, the irradiation unit 304 irradiates the skin with a short-time pulse light, and the light receiving unit 305 receives the light back-scattered by the skin with the short-time pulse light, and the measurement light intensity acquisition unit. 306 acquires the light intensity received by the light receiving unit 305 at time t.
Next, the optical path length acquisition unit 5 acquires the optical path length of each layer of the skin at time t of the optical path length distribution in the skin model from the optical path length distribution storage unit 4, and the non-absorption light intensity acquisition unit 308 stores the time-resolved waveform memory. The light intensity at time t of the time-resolved waveform of the short-time pulse light in the skin model is acquired from the unit 303.

次いで、積分区間算出部309は、光路長取得部307が取得した光路長分布のモデルの皮膚の各々の層の光路長、例えば、光路長分布記憶部302から取得した光路長と、無吸収時光強度取得部308が取得した短時間パルス光の時間分解波形のモデルにおける光強度、例えば、時間分解波形記憶部303から取得した光強度と、計測光強度取得部306が取得した受光部305が受光した光の強度分布とに基づいて、前記光の強度分布から任意の層の光強度に対応する領域の積分区間を算出する。   Next, the integration interval calculation unit 309 includes the optical path length of each layer of the model skin of the optical path length distribution acquired by the optical path length acquisition unit 307, for example, the optical path length acquired from the optical path length distribution storage unit 302, and the non-absorbing light. The light intensity in the time-resolved waveform model of the short-time pulse light acquired by the intensity acquisition unit 308, for example, the light intensity acquired from the time-resolved waveform storage unit 303, and the light receiving unit 305 acquired by the measurement light intensity acquisition unit 306 receive light. Based on the light intensity distribution, an integration interval of a region corresponding to the light intensity of an arbitrary layer is calculated from the light intensity distribution.

例えば、(1)後方散乱した光を受光する受光部305の出力する光強度が計測光強度取得部306の最小検出感度を超えて検出された時刻から最小検出感度と等しい光強度で検出された時刻までの時間、(2)シミュレーション部301で得られる無吸収時光強度を記憶している時間分解波形記憶部303から取得した無吸収時光強度の時間特性、(3)皮膚表面に接する受光部305と照射部304との間隔、(4)シミュレーション部301に与える皮膚モデルのサイズ及び光学特性(散乱係数、吸収係数、非等方性パラメーター、または屈折率)を用いて、積分区間の開始時刻、終了時刻、増分時間を決定する。   For example, (1) the light intensity output from the light receiving unit 305 that receives the backscattered light is detected with the light intensity equal to the minimum detection sensitivity from the time when the light intensity detected exceeds the minimum detection sensitivity of the measurement light intensity acquisition unit 306 Time to time, (2) time characteristics of non-absorbing light intensity acquired from the time-resolved waveform storage unit 303 storing the non-absorbing light intensity obtained by the simulation unit 301, and (3) a light receiving unit 305 in contact with the skin surface. (4) The size of the skin model given to the simulation unit 301 and the optical characteristics (scattering coefficient, absorption coefficient, anisotropic parameter, or refractive index), the start time of the integration interval, Determine the end time and increment time.

次いで、光吸収係数算出部310は、積分区間算出部309によって定めた積分区間での任意の層の光吸収係数及び推定誤差率を求め、積分区間に対する任意の層の光吸収係数及び推定誤差率の分布を算出する。
次いで、光吸収係数分布記憶部311は、光吸収係数算出部310が算出した積分区間に対する任意の層の光吸収係数及び推定誤差率の分布を記憶する。
次いで、光吸収係数取得部312は、光吸収係数分布記憶部311から取得した積分区間に対する任意の層の光吸収係数及び推定誤差率の分布と、積分区間の変化に対する光吸収係数変動率の範囲等の基準とを用いて、皮膚の表面からの特定深さにおける層の皮膚主成分における血糖相応のグルコース濃度に基づく光吸収係数を取得する。
Next, the light absorption coefficient calculation unit 310 obtains the light absorption coefficient and estimated error rate of an arbitrary layer in the integration interval determined by the integration interval calculation unit 309, and calculates the light absorption coefficient and estimated error rate of the arbitrary layer with respect to the integration interval. The distribution of is calculated.
Next, the light absorption coefficient distribution storage unit 311 stores the distribution of the light absorption coefficient and the estimated error rate of an arbitrary layer for the integration interval calculated by the light absorption coefficient calculation unit 310.
Next, the light absorption coefficient acquisition unit 312 distributes the light absorption coefficient and the estimated error rate of an arbitrary layer with respect to the integration interval acquired from the light absorption coefficient distribution storage unit 311 and the range of the light absorption coefficient variation rate with respect to the change in the integration interval. Is used to obtain a light absorption coefficient based on a glucose concentration corresponding to blood glucose in the skin main component of the layer at a specific depth from the surface of the skin.

次いで、濃度算出部313は、光吸収係数取得部312が取得した皮膚の表面からの特定深さにおける層の皮膚主成分における血糖相応のグルコース濃度に基づく光吸収係数に基づいて、皮膚の表面からの特定深さにおける層に含まれるグルコースの濃度を、上記の式(10)に基づき算出する。   Next, the concentration calculation unit 313 calculates the light absorption coefficient based on the light absorption coefficient based on the glucose concentration corresponding to blood glucose in the skin main component of the layer at the specific depth from the skin surface acquired by the light absorption coefficient acquisition unit 312. The concentration of glucose contained in the layer at the specific depth is calculated based on the above equation (10).

以上により、この血糖値測定装置300では、皮膚の特定深さの層である真皮層の光吸収係数を用いてグルコース濃度を算出するので、真皮層以外の層によるノイズの影響を軽減することができ、特定深さの層である真皮層に含まれるグルコースの濃度を精度良く算出することができる。   As described above, in this blood glucose level measuring apparatus 300, the glucose concentration is calculated using the light absorption coefficient of the dermis layer which is a layer having a specific depth in the skin, so that the influence of noise caused by layers other than the dermis layer can be reduced. It is possible to accurately calculate the concentration of glucose contained in the dermis layer which is a layer having a specific depth.

また、積分区間算出部309が算出した積分区間に基づいて、この積分区間に対応する時間帯の特定深さの層である真皮層に含まれるグルコースの光吸収係数を取得するので、真皮層からの光に対する他の層からの光の影響を低減することができる。したがって、特定深さの層に含まれるグルコースの光の吸収量、すなわちグルコースの濃度を、非侵襲的に精度良く測定することができる。   Further, based on the integration interval calculated by the integration interval calculation unit 309, the light absorption coefficient of glucose contained in the dermis layer that is a layer having a specific depth in the time zone corresponding to the integration interval is acquired. It is possible to reduce the influence of light from other layers on the light. Therefore, the light absorption amount of glucose contained in the layer having a specific depth, that is, the glucose concentration can be measured noninvasively with high accuracy.

次に、血糖値測定装置300の動作を説明する。
血糖値測定装置300は、血糖値を測定する前に、予め皮膚モデルの各層における光路長分布と時間分解波形とを算出しておく必要がある。
ここで、皮膚モデルの光路長分布及び時間分解波形の算出方法を説明する。
初めに、シミュレーション部301は、皮膚モデルを生成する。皮膚モデルの生成は、皮膚の各層の光散乱係数、光吸収係数及び厚みを決定することで行う。ここで、皮膚の部分を特定すれば、この特定された皮膚の部分における各層の散乱係数及び厚みは、個体による差が少ないので、予めサンプルを取ることなどによって決定するとよい。なお、表皮層32の厚みは略0.3mm、真皮層33の厚みは略1.2mm、皮下組織34の厚みは略3.0mmである。
また、ここで用いる皮膚モデルの光吸収係数はゼロとする。その理由は、この皮膚モデルを用いて光吸収量を算出するからである。
Next, the operation of the blood sugar level measuring apparatus 300 will be described.
The blood glucose level measuring apparatus 300 needs to calculate the optical path length distribution and the time-resolved waveform in each layer of the skin model in advance before measuring the blood glucose level.
Here, a method for calculating the optical path length distribution and time-resolved waveform of the skin model will be described.
First, the simulation unit 301 generates a skin model. The skin model is generated by determining the light scattering coefficient, light absorption coefficient, and thickness of each layer of the skin. Here, if the skin portion is specified, the scattering coefficient and thickness of each layer in the specified skin portion are small depending on the individual, so it may be determined by taking a sample in advance. The thickness of the epidermis layer 32 is approximately 0.3 mm, the thickness of the dermis layer 33 is approximately 1.2 mm, and the thickness of the subcutaneous tissue 34 is approximately 3.0 mm.
The light absorption coefficient of the skin model used here is zero. The reason is that the amount of light absorption is calculated using this skin model.

シミュレーション部301は、皮膚モデルを生成すると、この皮膚モデルに光を照射するシミュレーションを行う。このとき、照射部304の位置と受光部305の位置との間の距離を決定しておく必要がある。シミュレーションは、例えば、モンテカルロ法を用いて行う。
このモンテカルロ法によるシミュレーションは、例えば以下のように行われる。
When the simulation unit 301 generates a skin model, the simulation unit 301 performs a simulation of irradiating the skin model with light. At this time, it is necessary to determine the distance between the position of the irradiation unit 304 and the position of the light receiving unit 305. The simulation is performed using, for example, a Monte Carlo method.
The simulation by the Monte Carlo method is performed as follows, for example.

まず、シミュレーション部301は、照射する光のモデルを光子(光束)とし、この光子を皮膚モデルに照射する計算を行う。皮膚モデルに照射された光子は、皮膚モデル内を移動する。このとき、光子は、次に進む点までの距離L及び方向θを乱数Rによって決定する。シミュレーション部301は、光子が次に進む点までの距離Lの計算を、式(11)により行う。   First, the simulation unit 301 uses a model of light to be irradiated as a photon (light beam), and performs calculation to irradiate the skin model with the photon. Photons irradiated to the skin model move in the skin model. At this time, the photon determines the distance L and the direction θ to the next advancing point by the random number R. The simulation unit 301 calculates the distance L to the point where the photon advances next by Expression (11).

Figure 0005818038
Figure 0005818038

但し、ln(A)はAの自然対数を示し、μsは、皮膚モデルの第s層(表皮層、真皮層、皮下組織層の何れか)の散乱係数を示す。
また、シミュレーション部301は、光子が次に進む点までの方向θの計算を、式(12)により行う。
Here, ln (A) represents the natural logarithm of A, and μs represents the scattering coefficient of the s-th layer (any one of the epidermis layer, dermis layer, and subcutaneous tissue layer) of the skin model.
In addition, the simulation unit 301 calculates the direction θ up to the point where the photon advances next by Expression (12).

Figure 0005818038
Figure 0005818038

ただし、gは、散乱角度の余弦(cos)の平均である非等方性パラメーターを示し、皮膚の非等方性パラメーターは、略0.9である。
シミュレーション部301は、上記式(11)及び式(12)の計算を単位時間毎に繰り返すことにより、照射部304から受光部305までの光子の移動経路を算出することができる。シミュレーション部301は、複数の光子について移動距離の算出を行う。例えば、シミュレーション部301は、10個の光子について移動距離を算出する。
However, g shows the anisotropic parameter which is the average of the cosine (cos) of a scattering angle, and the anisotropic parameter of skin is about 0.9.
The simulation unit 301 can calculate the movement path of photons from the irradiation unit 304 to the light receiving unit 305 by repeating the calculations of the equations (11) and (12) every unit time. The simulation unit 301 calculates the movement distance for a plurality of photons. For example, the simulation unit 301 calculates the movement distance for 10 8 photons.

シミュレーション部301は、受光部305に到達した光子の各々の移動経路を、移動経路が通過する層毎に分類する。そして、シミュレーション部301は、単位時間毎に到達した光子の移動経路の平均長を分類された層毎に算出することで、既に説明した図3に示すような皮膚の各層の光路長分布を算出する。
また、シミュレーション部301は、単位時間毎に受光部305に到達した光子の個数を算出することで、既に説明した図4に示すような皮膚モデルの時間分解波形を算出する。
The simulation unit 301 classifies the movement path of each photon that has reached the light receiving unit 305 for each layer through which the movement path passes. Then, the simulation unit 301 calculates the optical path length distribution of each layer of the skin as shown in FIG. 3 by calculating the average length of the moving path of the photons reached every unit time for each classified layer. To do.
Moreover, the simulation part 301 calculates the time-resolved waveform of the skin model as already shown in FIG. 4 by calculating the number of photons reaching the light receiving part 305 every unit time.

図10は、シミュレーション部301で得た無吸収時光強度(受光光子数と等しい)N(t)の時間分解波形を示す図であり、図11は、シミュレーション部301で得た吸収時光強度I(t)の時間分解波形をリニアスケールで示した図であり、図12は、同時間分解波形をログスケールで示した図である。図11及び図12では、表皮層、真皮層、皮下組織の三層の皮膚モデルを用いており、真皮の吸収係数に対して表皮の吸収係数を25%から150%まで変化させている。図11及び図12中、Aは25%を、Bは50%を、Cは75%を、Dは100%を、Eは125%を、Fは150%を、それぞれ示している。
図10〜図12によれば、30ps程度で光子数または光強度が極大となる値(ピーク値)に対する振幅が5%以下となっており、真値に近いことが分かる。
また、図11及び図12によれば、50ps程度では、真皮層の吸収係数に対して表皮の吸収係数を25%とした場合、ピーク値に対して3桁程度の減少となっていることが分かる。
FIG. 10 is a diagram showing a time-resolved waveform of non-absorption light intensity (equal to the number of received photons) N (t) obtained by the simulation unit 301, and FIG. FIG. 12 is a diagram showing the time-resolved waveform of t) on a linear scale, and FIG. 12 is a diagram showing the time-resolved waveform on a log scale. 11 and 12, a three-layer skin model of the epidermis layer, the dermis layer, and the subcutaneous tissue is used, and the absorption coefficient of the epidermis is changed from 25% to 150% with respect to the absorption coefficient of the dermis. 11 and 12, A indicates 25%, B indicates 50%, C indicates 75%, D indicates 100%, E indicates 125%, and F indicates 150%.
10 to 12, it can be seen that the amplitude with respect to the value (peak value) at which the number of photons or the light intensity becomes maximum at about 30 ps is 5% or less, which is close to the true value.
Further, according to FIGS. 11 and 12, at about 50 ps, when the absorption coefficient of the epidermis is 25% with respect to the absorption coefficient of the dermis layer, the peak value is reduced by about three orders of magnitude. I understand.

上述したような処理により、シミュレーション部301は、複数の波長に対して、皮膚モデルの光路長分布及び時間分解波形を算出する。このとき、シミュレーション部301は、皮膚の主成分(水、たんぱく質、脂質、グルコース等)の吸収スペクトルの差が大きい波長について光路長分布及び時間分解波形を算出すると良い。   Through the processing described above, the simulation unit 301 calculates the optical path length distribution and time-resolved waveform of the skin model for a plurality of wavelengths. At this time, the simulation unit 301 may calculate an optical path length distribution and a time-resolved waveform for a wavelength having a large difference in absorption spectrum of skin main components (water, protein, lipid, glucose, etc.).

皮膚の主成分の吸収スペクトルについては、既に図5にて説明しているとおり、グルコースの吸収係数は、波長が1600nmのときに極大となり、水の吸収係数は波長が1450nmのときに極大となる。そのために、シミュレーション部301は、例えば1450nm、1600nmというように、皮膚を構成する主成分の各々の成分の吸収スペクトル分布の直交性が高くなる波長の光、すなわち、皮膚を構成する主成分の各々の成分のうち、ある主成分における特定成分の吸収スペクトルの極大値が他の成分の吸収スペクトルの極大値と大きく異なる波長の光について光路長分布及び時間分解波形を算出すると良い。   Regarding the absorption spectrum of the main component of the skin, as already explained in FIG. 5, the absorption coefficient of glucose becomes maximum when the wavelength is 1600 nm, and the absorption coefficient of water becomes maximum when the wavelength is 1450 nm. . For this purpose, the simulation unit 301, for example, 1450 nm, 1600 nm, and the like, each of the light components having a wavelength that increases the orthogonality of the absorption spectrum distribution of each component of the main component constituting the skin, that is, each of the main components constituting the skin. Among these components, it is preferable to calculate the optical path length distribution and the time-resolved waveform for light having a wavelength at which the maximum value of the absorption spectrum of a specific component in a certain main component is significantly different from the maximum value of the absorption spectrum of another component.

シミュレーション部301が複数の波長に対する皮膚モデルの光路長分布及び時間分解波形を算出すると、光路長分布記憶部302は、算出された光路長分布の情報を記憶し、時間分解波形記憶部303は、算出された時間分解波形の情報を記憶する。   When the simulation unit 301 calculates the optical path length distribution and time-resolved waveform of the skin model for a plurality of wavelengths, the optical path length distribution storage unit 302 stores information on the calculated optical path length distribution, and the time-resolved waveform storage unit 303 Information on the calculated time-resolved waveform is stored.

次に、この血糖値測定装置300が血糖値を測定する動作について、図13及び図14に基づき説明する。
まず、被測定者が血糖値測定装置300を手首等の皮膚に当て、測定開始スイッチ(図示せず)の押下等により血糖値測定装置300を動作させると、照射部304は、皮膚に対して波長λの短時間パルス光を照射する(ステップS21)。
この波長λとしては、例えば、シミュレーション部301が光路長分布及び時間分解波形を算出した複数の波長の中の1つが好ましい。
例えば、皮膚を構成する主成分のうち、ある主成分における特定成分の光吸収係数が他の成分の光吸収係数より大きくなる波長の光、すなわち、特定成分の光吸収係数の極小値が他の成分の光吸収係数の極小値と大きく異なる波長の光について光路長分布及び時間分解波形を算出すると良い。
Next, the operation of the blood glucose level measuring apparatus 300 for measuring the blood glucose level will be described with reference to FIGS.
First, when the measurement subject puts the blood sugar level measuring device 300 on the skin such as the wrist and operates the blood sugar level measuring device 300 by pressing a measurement start switch (not shown) or the like, the irradiation unit 304 is applied to the skin. irradiating the short pulse light having a wavelength lambda k (step S21).
As the wavelength λ k , for example, one of a plurality of wavelengths for which the simulation unit 301 has calculated the optical path length distribution and the time-resolved waveform is preferable.
For example, among the main components constituting the skin, light having a wavelength at which the light absorption coefficient of a specific component in one main component is larger than the light absorption coefficient of another component, that is, the minimum value of the light absorption coefficient of a specific component is It is preferable to calculate the optical path length distribution and the time-resolved waveform for light having a wavelength significantly different from the minimum value of the light absorption coefficient of the component.

照射部304が波長λの短時間パルス光を照射すると、受光部305は、照射部304から照射され皮膚によって後方散乱された光を受光する(ステップS22)。
このとき、受光部305は、照射開始からの単位時間毎(例えば、1ピコ秒毎の時刻t〜t)の受光強度を、内部メモリー(図示せず)に記録しておく。
When the irradiation unit 304 irradiates the short pulse light having a wavelength lambda k, the light receiving portion 305 receives the light backscattered by the skin is irradiated from the irradiation unit 304 (step S22).
At this time, the light receiving unit 305 records the received light intensity for each unit time from the start of irradiation (for example, times t 1 to t m every 1 picosecond) in an internal memory (not shown).

次いで、積分区間を変化させて真皮層の光吸収係数を算出する(処理A;ステップS23)。
このステップS23は、図14に示す動作により行う。
まず、積分区間算出部309により、(1)後方散乱した光を受光する受光部305の出力する光強度が計測光強度取得部306の最小検出感度を超えて検出された時刻から最小検出感度と等しい光強度で検出された時刻までの時間、(2)シミュレーション部301で得られる無吸収時光強度を記憶している時間分解波形記憶部303から取得した無吸収時光強度の時間特性、(3)皮膚表面に接する受光部305と照射部304との間隔、(4)シミュレーション部301に与える皮膚モデルのサイズ及び光学特性(散乱係数、吸収係数、非等方性パラメーター、または屈折率)を用いて、積分区間を算出する。より具体的には、積分区間の開始時刻、終了時刻、増分時間を算出する(ステップS31)。
Next, the light absorption coefficient of the dermis layer is calculated by changing the integration interval (process A; step S23).
This step S23 is performed by the operation shown in FIG.
First, the integration interval calculation unit 309 (1) determines the minimum detection sensitivity from the time when the light intensity output from the light receiving unit 305 that receives the backscattered light exceeds the minimum detection sensitivity of the measurement light intensity acquisition unit 306. Time until time detected with equal light intensity, (2) time characteristics of non-absorption light intensity acquired from the time-resolved waveform storage unit 303 storing the non-absorption light intensity obtained by the simulation unit 301, (3) Using the distance between the light receiving unit 305 and the irradiation unit 304 in contact with the skin surface, and (4) the size and optical characteristics (scattering coefficient, absorption coefficient, anisotropic parameter, or refractive index) of the skin model given to the simulation unit 301 Calculate the integration interval. More specifically, the start time, end time, and increment time of the integration interval are calculated (step S31).

図15は、真皮層における光吸収係数と積分区間との関係を示す図である。図15では、表皮層、真皮層、皮下組織の三層の皮膚モデルを用いており、真皮層の吸収係数に対して表皮層の吸収係数を25%から150%まで変化させている。図15中、Aは25%を、Bは50%を、Cは75%を、Dは100%を、Eは125%を、Fは150%を、それぞれ示している。   FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the light absorption coefficient and the integration interval in the dermis layer. In FIG. 15, a three-layer skin model of the epidermis layer, the dermis layer, and the subcutaneous tissue is used, and the absorption coefficient of the epidermis layer is changed from 25% to 150% with respect to the absorption coefficient of the dermis layer. In FIG. 15, A indicates 25%, B indicates 50%, C indicates 75%, D indicates 100%, E indicates 125%, and F indicates 150%.

図15によれば、14ps〜34psの範囲では、表皮層と真皮層の光吸収係数の値が近づくと、予め与えられた真値の光吸収係数の値である0.55/mmに近い値で算出されていることが分かる。また、34ps〜54psの範囲では、増加してピークを持つ傾向があることが分かる。これにより、積分区間が広くなるにしたがって、真皮層の光吸収係数の値はある特定の範囲(図15では、0.54〜0.56/mm)に収斂していくことが分かる。   According to FIG. 15, in the range of 14 ps to 34 ps, when the values of the light absorption coefficient of the epidermis layer and the dermis layer approach, a value close to 0.55 / mm which is a value of the true light absorption coefficient given in advance. It can be seen that It can also be seen that there is a tendency to increase and have a peak in the range of 34 ps to 54 ps. Thus, it can be seen that as the integration interval becomes wider, the value of the light absorption coefficient of the dermis layer converges in a specific range (0.54 to 0.56 / mm in FIG. 15).

次いで、受光部305が受光を完了すると、計測光強度取得部306は、内部メモリーに記録されている受光強度から、ある時刻tにおける受光強度を皮膚の層の数と同じ数だけ取得する(ステップS32)。
例えば、皮膚の3つの層について4種類の波長を用いて濃度測定を行う場合には、3つの異なる時刻t〜tにおける受光強度I(t)〜I(t)を取得する。ここで、皮膚の層の数と同じ数だけ受光強度を取得する理由は、後述する処理において、皮膚の各層の吸収係数を連立方程式によって算出するためである。
Next, when the light receiving unit 305 completes the light reception, the measurement light intensity acquisition unit 306 acquires the received light intensity at a certain time t by the same number as the number of skin layers from the received light intensity recorded in the internal memory (step). S32).
For example, when concentration measurement is performed on three layers of skin using four types of wavelengths, received light intensity I (t 1 ) to I (t 3 ) at three different times t 1 to t 3 is acquired. Here, the reason why the received light intensity is obtained in the same number as the number of skin layers is to calculate the absorption coefficient of each skin layer by simultaneous equations in the processing described later.

また、計測光強度取得部306が光強度を取得する時刻t〜tは、皮膚の各層の光路長分布のピークとなる時刻であると良い。すなわち、照射部304が短時間パルス光を照射した時刻に、既に説明した図3において皮膚の各層の光路長が極大となる時間を加算した時刻の光強度をそれぞれ取得すると良い。 In addition, the times t 1 to t 3 at which the measurement light intensity acquisition unit 306 acquires the light intensity may be a time at which the optical path length distribution of each layer of the skin becomes a peak. That is, the light intensity at the time obtained by adding the time when the optical path length of each layer of the skin in FIG.

計測光強度取得部306が、受光強度I(t)〜I(t)を取得すると、光路長取得部307は、光路長分布記憶部302が記憶する波長λの光路長分布から、時刻t〜tにおける皮膚の各層の光路長L(t)〜L(t)、L(t)〜L(t)、L(t)〜L(t)を取得する(ステップS33)。
また、計測光強度取得部306が、受光強度I(t)〜I(t)を取得すると、無吸収時光強度取得部308は、時間分解波形記憶部303が記憶する波長λの時間分解波形から、短時間パルス光の時間分解波形のモデルの所定の時刻における光強度、例えば、時刻t〜tにおける検出光子数(無吸収時光強度)N(t)〜N(t)を取得する(ステップS34)。
When the measurement light intensity acquisition unit 306 acquires the light reception intensities I (t 1 ) to I (t 3 ), the optical path length acquisition unit 307 calculates the optical path length distribution of the wavelength λ 1 stored in the optical path length distribution storage unit 302 from time t 1 the optical path length of each layer of the skin at ~t 3 L 1 (t 1) ~L 1 (t 3), L 2 (t 1) ~L 2 (t 3), L 3 (t 1) ~L 3 (T 3 ) is acquired (step S33).
In addition, when the measurement light intensity acquisition unit 306 acquires the received light intensity I (t 1 ) to I (t 3 ), the non-absorption light intensity acquisition unit 308 stores the time of the wavelength λ 1 stored in the time-resolved waveform storage unit 303. light intensity at a predetermined time model from degradation waveform, time-resolved waveform of the short pulse light, for example, detecting the number of photons at a time t 1 ~t 3 (no absorption at the light intensity) N (t 1) ~N ( t 3 ) Is acquired (step S34).

光路長取得部307が皮膚の各層の光路長を取得し、無吸収時光強度取得部308が検出光子数(無吸収時光強度)N(t)〜N(t)を取得すると、光吸収係数算出部310は、式(13)に基づいて、積分区間算出部309が算出した、ある積分区間での皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを算出する(ステップS35)。ここで、光吸収係数μは、表皮層の光吸収係数を示し、光吸収係数μは、真皮層の光吸収係数を示し、光吸収係数μは、皮下組織層の光吸収係数を示す。 When the optical path length acquisition unit 307 acquires the optical path length of each layer of the skin, and the non-absorption light intensity acquisition unit 308 acquires the number of detected photons (non-absorption light intensity) N (t 1 ) to N (t 3 ), the light absorption. The coefficient calculation unit 310 calculates the light absorption coefficients μ 1 to μ 3 of each layer of the skin in a certain integration interval calculated by the integration interval calculation unit 309 based on the equation (13) (step S35). Here, the light absorption coefficient μ 1 indicates the light absorption coefficient of the epidermis layer, the light absorption coefficient μ 2 indicates the light absorption coefficient of the dermis layer, and the light absorption coefficient μ 3 indicates the light absorption coefficient of the subcutaneous tissue layer. Show.

Figure 0005818038
Figure 0005818038

但し、ln(A)はAの自然対数を示し、N(t)は特定波長λkの短時間パルス光の時間分解波形のモデルの時刻tにおける光強度を示す。また、Iinは、照射部304が照射した短時間パルス光の光強度を示す。また、Ninは、シミュレーション部301が照射のシミュレーションを行った光子の個数を示す。 Here, ln (A) represents the natural logarithm of A, and N (t) represents the light intensity at the time t of the model of the time-resolved waveform of the short-time pulsed light with the specific wavelength λk. I in indicates the light intensity of the short-time pulsed light irradiated by the irradiation unit 304. N in indicates the number of photons on which the simulation unit 301 has simulated the irradiation.

光吸収係数算出部310がある積分区間での皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを算出すると、光吸収係数分布記憶部311は、光吸収係数算出部310が算出した、ある積分区間での皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを記憶する(ステップS36)。 When the light absorption coefficient calculation unit 310 calculates the light absorption coefficient μ 1 to μ 3 of each skin layer in an integration interval, the light absorption coefficient distribution storage unit 311 calculates a certain integration interval calculated by the light absorption coefficient calculation unit 310. The light absorption coefficient μ 1 to μ 3 of each layer of the skin is stored (step S36).

光吸収係数算出部310がある積分区間での皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを算出すると、光吸収係数算出部310は、設定した積分区間での真皮層33の光吸収係数を算出したか否かを判断する(ステップS37)。
本実施形態では、皮膚の主成分を水、たんぱく質、脂質、グルコースの4種類として血糖値の測定を行うので、光吸収係数算出部310は、4種類の波長λ〜λに対して光吸収係数μ〜μを算出したか否かを判定する。ここで、波長λ〜λは、シミュレーション部301が光路長分布及び時間分解波形を算出した複数の波長の中から選出する。
When the light absorption coefficient calculation unit 310 calculates the light absorption coefficient μ 1 to μ 3 of each layer of the skin in an integration interval, the light absorption coefficient calculation unit 310 calculates the light absorption coefficient of the dermis layer 33 in the set integration interval. It is determined whether or not it has been calculated (step S37).
In this embodiment, blood sugar levels are measured with four main components of skin, water, protein, lipid, and glucose, so that the light absorption coefficient calculator 310 emits light for four wavelengths λ 1 to λ 4 . It is determined whether or not the absorption coefficients μ 1 to μ 3 are calculated. Here, the wavelengths λ 1 to λ 4 are selected from a plurality of wavelengths calculated by the simulation unit 301 for the optical path length distribution and the time-resolved waveform.

ここで、光吸収係数算出部310が設定した積分区間での真皮層の光吸収係数μ〜μに算出しなかった光吸収係数があると判断した場合(ステップS37:NO)、再度、ある時刻における受光強度の取得(ステップS32)に戻り、まだ算出していない真皮層の光吸収係数を算出し、再度、設定した積分区間での真皮層の光吸収係数の算出の可否の判断(ステップS37)を行う。
一方、光吸収係数算出部310が設定した積分区間での真皮層の光吸収係数μ〜μを算出したと判断した場合(ステップS37:YES)、真皮層の光吸収係数分布から光吸収係数を取得する(ステップ38)。
Here, when it is determined that there is a light absorption coefficient that is not calculated in the light absorption coefficient μ 1 to μ 3 of the dermis layer in the integration interval set by the light absorption coefficient calculation unit 310 (step S37: NO), Returning to the acquisition of the received light intensity at a certain time (step S32), the light absorption coefficient of the dermis layer that has not yet been calculated is calculated, and it is determined again whether or not the light absorption coefficient of the dermis layer can be calculated in the set integration interval ( Step S37) is performed.
On the other hand, when it is determined that the light absorption coefficient μ 1 to μ 3 of the dermis layer is calculated in the integration interval set by the light absorption coefficient calculation unit 310 (step S37: YES), light absorption is performed from the light absorption coefficient distribution of the dermis layer. A coefficient is acquired (step 38).

光吸収係数取得部312は、皮膚の主成分の種類数に対応した波長数の光吸収係数を算出したか否かを判断する(ステップS24)。
ここで、光吸収係数取得部312が皮膚の主成分の種類数に対応した波長数の光吸収係数を算出していないと判断した場合(ステップS24:NO)、短時間パルス光の照射(ステップS21)に戻り、まだ算出していない皮膚の主成分の種類数に対応した波長数の光吸収係数を算出し、再度、光吸収係数の算出の可否の判断(ステップS24)を行う。
The light absorption coefficient acquisition unit 312 determines whether or not the light absorption coefficient having the number of wavelengths corresponding to the number of types of the main components of the skin has been calculated (step S24).
Here, when it is determined that the light absorption coefficient acquisition unit 312 has not calculated the light absorption coefficient of the number of wavelengths corresponding to the number of types of main components of the skin (step S24: NO), irradiation with short-time pulse light (step S24) Returning to S21), the light absorption coefficient of the number of wavelengths corresponding to the number of types of the main component of the skin that has not yet been calculated is calculated, and it is determined again whether or not the light absorption coefficient can be calculated (step S24).

一方、光吸収係数取得部312が皮膚の主成分の種類数に対応した波長数の光吸収係数を算出したと判断した場合(ステップS24:YES)、濃度算出部313は真皮層に含まれるグルコースの濃度を算出する(ステップS25)。
濃度算出部313は、真皮層におけるグルコースの濃度を、下記の式(14)により算出する。
On the other hand, when it is determined that the light absorption coefficient acquisition unit 312 has calculated the light absorption coefficient of the number of wavelengths corresponding to the number of types of the main components of the skin (step S24: YES), the concentration calculation unit 313 includes glucose contained in the dermis layer. Is calculated (step S25).
The concentration calculation unit 313 calculates the glucose concentration in the dermis layer by the following equation (14).

Figure 0005818038
Figure 0005818038

但し、μ2(1)〜μ2(4)は、真皮層における波長λ〜λの光吸収係数を示す。また、g〜gは、真皮層におけるそれぞれ皮膚の主成分である水、たんぱく質、脂質、グルコースのモル濃度を示す。また、ε1(1)〜ε1(4)は、波長λ〜λに対する水のモル吸光係数を示し、ε2(1)〜ε2(4)は、波長λ〜λに対するたんぱく質のモル吸光係数を示し、ε3(1)〜ε3(4)は、波長λ〜λに対する脂質のモル吸光係数を示し、ε4(1)〜ε4(4)は、波長λ〜λに対するグルコースのモル吸光係数を示す。
つまり、式(14)のgを算出することで、真皮層に含まれるグルコースのモル濃度を求めることができる。
However, μ 2 (1) ~μ 2 (4) shows the optical absorption coefficient of the wavelength lambda 1 to [lambda] 4 in the dermis layer. Further, g 1 to g 4 shows the water respectively in the dermal layer is the main component of skin, proteins, lipids, the molar concentration of glucose. Further, ε 1 (1) ~ε 1 (4) shows a molar extinction coefficient of water with respect to the wavelength λ 1 ~λ 4, ε 2 ( 1) ~ε 2 (4) is for the wavelength lambda 1 to [lambda] 4 Indicates the molar extinction coefficient of the protein, ε 3 (1) to ε 3 ( 4) indicate the molar extinction coefficient of the lipid for wavelengths λ 1 to λ 4 , and ε 4 (1) to ε 4 (4) indicate the wavelength The molar extinction coefficient of glucose with respect to λ 1 to λ 4 is shown.
That is, the molar concentration of glucose contained in the dermis layer can be obtained by calculating g 4 in the equation (14).

ここで、式(14)によりグルコースのモル濃度を求めることができる理由を説明する。皮膚の散乱係数の波長依存性は小さいので、検出光子数N(t)及び光路長Ln(t)の波長に対する変化は無視することができる。また、ベア・ランベルト(Beer-Lambert)の法則により、吸光度=モル吸光係数×モル濃度で表すことができる。これにより、2波長で得られた時間分解計測より、検出光子数N(t)を消去することで、真皮層において得られる吸収係数差と皮膚を形成する各成分のモル吸光係数との関係式を示す式(14)を導くことができる。   Here, the reason why the molar concentration of glucose can be obtained from the equation (14) will be described. Since the wavelength dependence of the skin scattering coefficient is small, changes in the number of detected photons N (t) and the optical path length Ln (t) with respect to the wavelength can be ignored. Further, it can be expressed as Absorbance = Molar extinction coefficient × Molar concentration according to the Beer-Lambert law. Thus, by eliminating the detected photon number N (t) from time-resolved measurement obtained at two wavelengths, the relational expression between the absorption coefficient difference obtained in the dermis layer and the molar absorption coefficient of each component forming the skin Equation (14) showing can be derived.

上述の血糖値測定装置300は、内部にコンピューターシステム(図示略)を有しており、上述した各ステップの処理動作は、プログラムの形式でコンピューター読み取り可能な記録媒体に記憶されている。そこで、このプログラムをコンピューターが読み出して実行することにより、上記の処理動作を行うことができる。
ここで、コンピューター読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリー等が挙げられる。
また、このコンピュータープログラムを通信回線によりコンピューターに配信し、この配信を受けたコンピューターが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
The blood glucose level measuring apparatus 300 described above has a computer system (not shown) therein, and the processing operation of each step described above is stored in a computer-readable recording medium in the form of a program. Therefore, the computer can read out and execute this program to perform the above processing operation.
Here, examples of the computer-readable recording medium include a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, and a semiconductor memory.
Further, the computer program may be distributed to the computer via a communication line, and the computer that has received the distribution may execute the program.

また、上記プログラムは、上記の機能の一部を実現するためのものであってもよい。
さらに、上述した機能をコンピューターシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。
The program may be for realizing a part of the functions.
Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, what is called a difference file (difference program) may be sufficient.

以上説明したように、本実施形態によれば、積分区間算出部309により、光路長取得部307が取得した光路長分布のモデルの皮膚の各々の層の光路長と、無吸収時光強度取得部308が取得した短時間パルス光の時間分解波形のモデルの無吸収時光強度と、計測光強度取得部306が取得した受光部305が受光した光強度分布とに基づいて、前記光強度分布から真皮層の光強度に対応する領域の積分区間を算出するので、積分区間算出部309により算出された積分区間を基に、受光部305が受光した光の強度から前記積分区間に対応する時間帯の光の強度を取得することにより、真皮層からの光を他の層からの光と区別して測定することができ、真皮層からの光に対する他の層からの光の影響を低減することができる。したがって、真皮層におけるグルコースの濃度を精度良く測定することができ、その結果、真皮層におけるグルコースの濃度を、非侵襲的にかつ精度良く定量することができる。
また、積分区間を可変させることにより、真皮層におけるグルコースの濃度の測定精度を高めることができる。
As described above, according to the present embodiment, the integration interval calculation unit 309 performs the optical path length of each layer of the model skin of the optical path length distribution acquired by the optical path length acquisition unit 307 and the non-absorption light intensity acquisition unit. Based on the non-absorption light intensity of the model of the time-resolved waveform of the short-time pulse light acquired by 308 and the light intensity distribution received by the light receiving unit 305 acquired by the measurement light intensity acquisition unit 306, the light intensity distribution is used to determine the dermis. Since the integration interval of the region corresponding to the light intensity of the layer is calculated, based on the integration interval calculated by the integration interval calculation unit 309, the time zone corresponding to the integration interval is determined from the intensity of the light received by the light receiving unit 305. By obtaining the light intensity, light from the dermis layer can be measured separately from light from other layers, and the influence of light from other layers on the light from the dermis layer can be reduced. . Therefore, the glucose concentration in the dermis layer can be accurately measured, and as a result, the glucose concentration in the dermis layer can be quantified non-invasively and accurately.
Moreover, the measurement accuracy of the glucose concentration in the dermis layer can be increased by varying the integration interval.

なお、本実施形態では、シミュレーション部301が、光吸収係数がゼロの皮膚モデルに対して光を照射するシミュレーションを行うこととしたが、シミュレーション部301が行った光吸収係数がゼロの皮膚モデルに対して光を照射するシミュレーションの結果を、光路長分布記憶部302及び時間分解波形記憶部303に記憶させておけば、シミュレーション部301を備えなくとも、本実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。   In the present embodiment, the simulation unit 301 performs a simulation of irradiating light to a skin model having a zero light absorption coefficient. However, the simulation unit 301 uses a skin model having a zero light absorption coefficient. If the simulation result of irradiating light is stored in the optical path length distribution storage unit 302 and the time-resolved waveform storage unit 303, the same operations and effects as the present embodiment can be obtained without the simulation unit 301. be able to.

[第5の実施形態]
図16及び図17は、本発明の第5の実施形態の血糖値測定装置(濃度定量装置)が血糖値を測定する動作を示すフローチャートである。
本実施形態の血糖値測定装置は、第3の実施形態の血糖値測定装置300と同一の構成であり、光路長取得部307、無吸収時光強度取得部308、計測光強度取得部306、光吸収係数算出部310の動作が異なる。
[Fifth Embodiment]
FIGS. 16 and 17 are flowcharts showing an operation in which the blood sugar level measuring apparatus (concentration quantifying apparatus) according to the fifth embodiment of the present invention measures the blood sugar level.
The blood sugar level measuring apparatus of the present embodiment has the same configuration as the blood sugar level measuring apparatus 300 of the third embodiment, and includes an optical path length acquisition unit 307, a non-absorption light intensity acquisition unit 308, a measurement light intensity acquisition unit 306, and light. The operation of the absorption coefficient calculation unit 310 is different.

次に、本実施形態の血糖値測定装置が血糖値を測定する動作について説明する。
まず、被測定者が血糖値測定装置300を手首等の皮膚に当て、測定開始スイッチ(図示せず)の押下等により血糖値測定装置300を動作させると、照射部304は、皮膚31に対して波長λの短時間パルス光を照射する(ステップS41)。
この波長λとしては、例えば、シミュレーション部301が光路長分布及び時間分解波形を算出した複数の波長の中の1つが好ましい。
Next, the operation in which the blood sugar level measuring apparatus of this embodiment measures the blood sugar level will be described.
First, when the measurement subject puts the blood sugar level measuring device 300 on the skin such as the wrist and operates the blood sugar level measuring device 300 by pressing a measurement start switch (not shown) or the like, the irradiating unit 304 applies to the skin 31. Te is irradiated with short pulse light having a wavelength lambda k (step S41).
As the wavelength λ k , for example, one of a plurality of wavelengths for which the simulation unit 301 has calculated the optical path length distribution and the time-resolved waveform is preferable.

照射部304が波長λの短時間パルス光を照射すると、受光部305は、照射部304から照射され皮膚31によって後方散乱された光を受光する(ステップS42)。
このとき、受光部305は、照射開始からの単位時間毎(例えば、1ピコ秒毎の時刻t〜t)の受光強度を、内部メモリー(図示せず)に記録しておく。
When the irradiation unit 304 irradiates the short pulse light having a wavelength lambda k, the light receiving portion 305 receives the light backscattered by the skin 31 is irradiated from the irradiation unit 304 (step S42).
At this time, the light receiving unit 305 records the received light intensity for each unit time from the start of irradiation (for example, times t 1 to t m every 1 picosecond) in an internal memory (not shown).

次いで、積分区間を変化させて真皮層の光吸収係数を算出する(処理B:ステップS43)。
このステップS43は、図17に示す動作により行う。
まず、積分区間算出部309により、(1)後方散乱した光を受光する受光部305の出力する光強度が計測光強度取得部306の最小検出感度を超えて検出された時刻から最小検出感度と等しい光強度で検出された時刻までの時間、(2)シミュレーション部301で得られる無吸収時光強度を記憶している時間分解波形記憶部303から取得した無吸収時光強度の時間特性、(3)皮膚表面に接する受光部305と照射部304との間隔、(4)シミュレーション部301に与える皮膚モデルのサイズ及び光学特性(散乱係数、吸収係数、非等方性パラメーター、または屈折率)を用いて、積分区間を算出する。より具体的には、積分区間の開始時刻、終了時刻、増分時間を算出する(ステップS51)。
Next, the light absorption coefficient of the dermis layer is calculated by changing the integration interval (process B: step S43).
This step S43 is performed by the operation shown in FIG.
First, the integration interval calculation unit 309 (1) determines the minimum detection sensitivity from the time when the light intensity output from the light receiving unit 305 that receives the backscattered light exceeds the minimum detection sensitivity of the measurement light intensity acquisition unit 306. Time until time detected with equal light intensity, (2) time characteristics of non-absorption light intensity acquired from the time-resolved waveform storage unit 303 storing the non-absorption light intensity obtained by the simulation unit 301, (3) Using the distance between the light receiving unit 305 and the irradiation unit 304 in contact with the skin surface, and (4) the size and optical characteristics (scattering coefficient, absorption coefficient, anisotropic parameter, or refractive index) of the skin model given to the simulation unit 301 Calculate the integration interval. More specifically, the start time, end time, and increment time of the integration interval are calculated (step S51).

次いで、受光部305が受光を完了すると、計測光強度取得部306は、受光部305の内部メモリーに記録されている受光強度から、ある時刻から時間τの間の受光強度の時間分布を取得する(ステップS52)。
例えば、皮膚の3つの層について4種類の波長を用いて濃度測定を行う場合には、3つの異なる時間τ〜τにおける受光強度の時間分布を取得する。
Next, when the light receiving unit 305 completes the light reception, the measurement light intensity acquisition unit 306 acquires the time distribution of the light reception intensity from a certain time to the time τ from the light reception intensity recorded in the internal memory of the light reception unit 305. (Step S52).
For example, when concentration measurement is performed for three layers of skin using four types of wavelengths, time distributions of received light intensity at three different times τ 1 to τ 3 are acquired.

計測光強度取得部306が、時間τの間の受光強度の時間分布を取得すると、光路長取得部307は、光路長分布記憶部302が記憶する波長λの光路長分布から、ある時刻から時間τの間の皮膚の各層の光路長、例えば、光路長L(t)〜L(t)、L(t)〜L(t)、L(t)〜L(t)を取得する(ステップS53)。
また、計測光強度取得部306が、時間τの間の受光強度の時間分布を取得すると、無吸収時光強度取得部308は、時間分解波形記憶部303が記憶する波長λの時間分解波形から、ある時刻から時間τの間の無吸収時光強度、例えば、ある時刻から時間τの間における検出光子数(無吸収時光強度)N(t)〜N(t)を取得する(ステップS54)。
When the measurement light intensity acquisition unit 306 acquires the time distribution of the received light intensity during the time τ, the optical path length acquisition unit 307 starts from the optical path length distribution of the wavelength λ 1 stored in the optical path length distribution storage unit 302 from a certain time. The optical path length of each layer of the skin during time τ, for example, optical path lengths L 1 (t 1 ) to L 1 (t 3 ), L 2 (t 1 ) to L 2 (t 3 ), L 3 (t 1 ) ~L 3 acquires (t 3) (step S53).
In addition, when the measurement light intensity acquisition unit 306 acquires the time distribution of the received light intensity during the time τ, the non-absorption light intensity acquisition unit 308 uses the time-resolved waveform of the wavelength λ 1 stored in the time-resolved waveform storage unit 303. The non-absorption light intensity between a certain time and the time τ, for example, the number of detected photons (non-absorption light intensity) N (t 1 ) to N (t 3 ) between the certain time and the time τ is acquired (step S54). ).

光路長取得部307が皮膚の各層の光路長を取得し、無吸収時光強度取得部308が検出光子数(無吸収時光強度)N(t)〜N(t)を取得すると、光吸収係数算出部310は、式(15)に基づいて、積分区間算出部309が算出した、ある積分区間での皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを算出する(ステップS55)。ここで、光吸収係数μは、表皮層の光吸収係数を示し、光吸収係数μは、真皮層の光吸収係数を示し、光吸収係数μは、皮下組織層の光吸収係数を示す。 When the optical path length acquisition unit 307 acquires the optical path length of each layer of the skin, and the non-absorption light intensity acquisition unit 308 acquires the number of detected photons (non-absorption light intensity) N (t 1 ) to N (t 3 ), the light absorption. The coefficient calculation unit 310 calculates the light absorption coefficients μ 1 to μ 3 of each layer of the skin in a certain integration interval calculated by the integration interval calculation unit 309 based on Expression (15) (step S55). Here, the light absorption coefficient μ 1 indicates the light absorption coefficient of the epidermis layer, the light absorption coefficient μ 2 indicates the light absorption coefficient of the dermis layer, and the light absorption coefficient μ 3 indicates the light absorption coefficient of the subcutaneous tissue layer. Show.

Figure 0005818038
Figure 0005818038

但し、ln(A)はAの自然対数を示す。また、I(t)は、時刻tにおける受光部305の受光強度を示し、Iinは、照射部304が照射した短時間パルス光の光強度を示す。また、N(t)は、時間分解波形の時刻tにおける検出光子数を示し、Ninは、シミュレーション部301が照射のシミュレーションを行った光子の個数を示す。また、L(t)〜L(t)は、時刻tにおける皮膚の各層の光路長を示す。 Here, ln (A) represents the natural logarithm of A. Further, I (t) represents the light reception intensity of the light receiving unit 305 at time t, and I in represents the light intensity of the short-time pulsed light irradiated by the irradiation unit 304. N (t) represents the number of detected photons at time t of the time-resolved waveform, and N in represents the number of photons on which the simulation unit 301 has simulated the irradiation. L 1 (t) to L 3 (t) indicate the optical path length of each layer of the skin at time t.

光吸収係数算出部310がある積分区間での皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを算出すると、光吸収係数分布記憶部311は、光吸収係数算出部310が算出した、ある積分区間での皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを記憶する(ステップS56)。 When the light absorption coefficient calculation unit 310 calculates the light absorption coefficient μ 1 to μ 3 of each skin layer in an integration interval, the light absorption coefficient distribution storage unit 311 calculates a certain integration interval calculated by the light absorption coefficient calculation unit 310. The light absorption coefficients μ 1 to μ 3 of each layer of the skin are stored (step S56).

光吸収係数算出部310がある積分区間での皮膚の各層の光吸収係数μ〜μを算出すると、光吸収係数算出部310は、設定した積分区間での真皮層の光吸収係数を算出したか否かを判断する(ステップS57)。
本実施形態では、皮膚の主成分を水、たんぱく質、脂質、グルコースの4種類として血糖値の測定を行うので、光吸収係数算出部310は、4種類の波長λ〜λに対して光吸収係数μ〜μを算出したか否かを判定する。ここで、波長λ〜λは、シミュレーション部301が光路長分布及び時間分解波形を算出した複数の波長の中から選出する。
When the light absorption coefficient calculation unit 310 calculates the light absorption coefficient μ 1 to μ 3 of each layer of the skin in an integration interval, the light absorption coefficient calculation unit 310 calculates the light absorption coefficient of the dermis layer in the set integration interval. It is determined whether or not it has been done (step S57).
In this embodiment, blood sugar levels are measured with four main components of skin, water, protein, lipid, and glucose, so that the light absorption coefficient calculator 310 emits light for four wavelengths λ 1 to λ 4 . It is determined whether or not the absorption coefficients μ 1 to μ 3 are calculated. Here, the wavelengths λ 1 to λ 4 are selected from a plurality of wavelengths calculated by the simulation unit 301 for the optical path length distribution and the time-resolved waveform.

ここで、光吸収係数算出部310が設定した積分区間での真皮層の光吸収係数μ〜μに算出しなかった光吸収係数があると判断した場合(ステップS57:NO)、再度、ある時刻における受光強度の取得(ステップS52)に戻り、まだ算出していない真皮層の光吸収係数を算出し、再度、設定した積分区間での真皮層の光吸収係数の算出の可否の判断(ステップS57)を行う。
一方、光吸収係数算出部310が設定した積分区間での真皮層の光吸収係数μ〜μを算出したと判断した場合(ステップS57:YES)、真皮層の光吸収係数分布から光吸収係数を取得する(ステップ58)。
Here, when it is determined that the light absorption coefficient μ 1 to μ 3 of the dermis layer in the integration interval set by the light absorption coefficient calculation unit 310 is not calculated (step S57: NO), again, Returning to the acquisition of the received light intensity at a certain time (step S52), the light absorption coefficient of the dermis layer that has not been calculated yet is calculated, and it is determined again whether or not the light absorption coefficient of the dermis layer can be calculated in the set integration interval ( Step S57) is performed.
On the other hand, when it is determined that the light absorption coefficient μ 1 to μ 3 of the dermis layer has been calculated in the integration interval set by the light absorption coefficient calculation unit 310 (step S57: YES), light absorption is performed from the light absorption coefficient distribution of the dermis layer. A coefficient is acquired (step 58).

光吸収係数取得部312は、皮膚の主成分の種類数に対応した波長数の光吸収係数を算出したか否かを判断する(ステップS44)。
ここで、光吸収係数取得部312が皮膚の主成分の種類数に対応した波長数の光吸収係数を算出していないと判断した場合(ステップS44:NO)、短時間パルス光の照射(ステップS41)に戻り、まだ算出していない皮膚の主成分の種類数に対応した波長数の光吸収係数を算出し、再度、光吸収係数の算出の可否の判断(ステップS44)を行う。
The light absorption coefficient acquisition unit 312 determines whether or not the light absorption coefficient having the number of wavelengths corresponding to the number of types of skin main components has been calculated (step S44).
Here, when it is determined that the light absorption coefficient acquisition unit 312 has not calculated the light absorption coefficient of the number of wavelengths corresponding to the number of types of the main components of the skin (step S44: NO), irradiation with short-time pulse light (step S44) Returning to S41), the light absorption coefficient of the number of wavelengths corresponding to the number of types of the main component of the skin that has not been calculated yet is calculated, and it is determined again whether or not the light absorption coefficient can be calculated (step S44).

一方、光吸収係数取得部312が皮膚の主成分の種類数に対応した波長数の光吸収係数を算出したと判断した場合(ステップS44:YES)、濃度算出部313は、上記の式(14)に基づいて、真皮層に含まれるグルコースの濃度を算出する(ステップS45)。   On the other hand, when it is determined that the light absorption coefficient acquisition unit 312 has calculated the light absorption coefficient of the number of wavelengths corresponding to the number of types of main components of the skin (step S44: YES), the concentration calculation unit 313 calculates the above equation (14 ) To calculate the concentration of glucose contained in the dermis layer (step S45).

このように、本実施形態によれば、吸収係数μ〜μを、時間τの間の光路長の積分値によって算出する。これにより、計測した受光強度I(t)に含まれている誤差による吸収係数μ〜μの算出結果に対する影響を少なくすることができる。 Thus, according to the present embodiment, the absorption coefficients μ 1 to μ 3 are calculated by the integrated value of the optical path length during the time τ. Thus, it is possible to reduce the influence on the calculation result of the absorption coefficient μ 13 by the error contained in the measured received light intensity I (t).

[第6の実施形態]
図18は、本発明の第6の実施形態の血糖値測定装置(濃度定量装置)の構成を示す概略ブロック図である。
本実施形態の血糖値測定装置400が、第4の実施形態の血糖値測定装置300と異なる点は、この血糖値測定装置400が、照射部304と、受光部305と、コンピューターシステム401とを備え、コンピューターシステム401は記憶部402と、制御部(CPU)403とを備え、記憶部402は、シミュレーション部301におけるシミュレーションの結果を記憶している光路長分布記憶部302及び時間分解波形記憶部303の機能を実行し、制御部(CPU)403は、光路長取得部307、無吸収時光強度取得部308、計測光強度取得部306、積分区間算出部309、光吸収係数算出部310、光吸収係数分布記憶部311、光吸収係数取得部312及び濃度算出部313の機能を実行する点である。
[Sixth Embodiment]
FIG. 18 is a schematic block diagram showing a configuration of a blood sugar level measuring apparatus (concentration quantifying apparatus) according to the sixth embodiment of the present invention.
The blood glucose level measuring apparatus 400 of the present embodiment is different from the blood glucose level measuring apparatus 300 of the fourth embodiment in that the blood glucose level measuring apparatus 400 includes an irradiation unit 304, a light receiving unit 305, and a computer system 401. The computer system 401 includes a storage unit 402 and a control unit (CPU) 403. The storage unit 402 stores an optical path length distribution storage unit 302 and a time-resolved waveform storage unit that store simulation results in the simulation unit 301. 303, the control unit (CPU) 403 includes an optical path length acquisition unit 307, a non-absorption light intensity acquisition unit 308, a measurement light intensity acquisition unit 306, an integration interval calculation unit 309, a light absorption coefficient calculation unit 310, a light The point is that the functions of the absorption coefficient distribution storage unit 311, the light absorption coefficient acquisition unit 312 and the concentration calculation unit 313 are executed.

本実施形態の血糖値測定装置400においても、第1の実施形態の血糖値測定装置300と同様の作用・効果を奏することができる。   Also in the blood sugar level measuring apparatus 400 of the present embodiment, the same actions and effects as the blood sugar level measuring apparatus 300 of the first embodiment can be achieved.

[第7の実施形態]
図19は、本発明の第7の実施形態の血糖値測定装置(濃度定量装置)の構成を示す概略ブロック図であり、本実施形態の血糖値測定装置500が第4の実施形態の血糖値測定装置300と異なる点は、時間分解波形記憶部303と積分区間算出部309との間に、無吸収時光強度取得部308と並行に吸収時光強度取得部(光強度モデル取得部)501を設けた点である。
[Seventh Embodiment]
FIG. 19 is a schematic block diagram showing the configuration of a blood sugar level measuring apparatus (concentration quantifying apparatus) according to the seventh embodiment of the present invention. The blood sugar level measuring apparatus 500 of this embodiment is the blood sugar level of the fourth embodiment. The difference from the measuring apparatus 300 is that an absorption light intensity acquisition unit (light intensity model acquisition unit) 501 is provided between the time-resolved waveform storage unit 303 and the integration interval calculation unit 309 in parallel with the non-absorption light intensity acquisition unit 308. It is a point.

吸収時光強度取得部501は、シミュレーション部301で得られる無吸収時光強度と同様に得られる吸収時光強度を記憶している時間分解波形記憶部303から、短時間パルス光の時間分解波形のモデルの所定の時刻における吸収時光強度を取得する。ここでは、時間分解波形記憶部303からある時刻における吸収時の光強度を取得する。   The absorption-time light intensity acquisition unit 501 stores a model of the time-resolved waveform of the short-time pulsed light from the time-resolved waveform storage unit 303 that stores the absorption-time light intensity obtained similarly to the non-absorption-time light intensity obtained by the simulation unit 301. The light intensity upon absorption at a predetermined time is acquired. Here, the light intensity at the time of absorption at a certain time is acquired from the time-resolved waveform storage unit 303.

積分区間算出部309は、光路長取得部307が取得した光路長分布のモデルの皮膚の各々の層の光路長と、無吸収時光強度取得部308が取得した短時間パルス光の時間分解波形のモデルの無吸収時光強度と、吸収時光強度取得部501が取得した短時間パルス光の時間分解波形のモデルの吸収時光強度と、計測光強度取得部306が取得した受光部305が受光した光強度分布とに基づいて、前記光強度分布から任意の層の光強度に対応する領域の積分区間を算出する。   The integration interval calculation unit 309 includes the optical path length of each skin layer of the model of the optical path length distribution acquired by the optical path length acquisition unit 307 and the time-resolved waveform of the short-time pulse light acquired by the non-absorption light intensity acquisition unit 308. The light intensity at the time of non-absorption of the model, the light intensity at the time of absorption of the model of the time-resolved waveform of the short-time pulse light acquired by the absorption light intensity acquisition unit 501, and the light intensity received by the light receiving unit 305 acquired by the measurement light intensity acquisition unit 306 Based on the distribution, an integration interval of a region corresponding to the light intensity of an arbitrary layer is calculated from the light intensity distribution.

この血糖値測定装置500を用いて血糖値を測定する場合、積分区間を変化させて真皮層の光吸収係数を算出する。
この場合、積分区間算出部309は、(1)後方散乱した光を受光する受光部305の出力する光強度が計測光強度取得部306の最小検出感度を超えて検出された時刻から最小検出感度と等しい光強度で検出された時刻までの時間、(2)シミュレーション部301で得られる無吸収時光強度を記憶している時間分解波形記憶部303から取得した無吸収時光強度の時間特性、(3)シミュレーション部301で得られる吸収時光強度を記憶している時間分解波形記憶部303から取得した吸収時光強度の時間特性、(4)皮膚表面に接する受光部305と照射部304との間隔、(5)シミュレーション部301に与える皮膚モデルのサイズ及び光学特性(散乱係数、吸収係数、非等方性パラメーター、または屈折率)を用いて、積分区間を算出する。より具体的には、積分区間の開始時刻、終了時刻、増分時間を算出する。
When the blood glucose level is measured using the blood glucose level measuring apparatus 500, the light absorption coefficient of the dermis layer is calculated by changing the integration interval.
In this case, the integration interval calculation unit 309 performs (1) the minimum detection sensitivity from the time when the light intensity output from the light receiving unit 305 that receives the backscattered light exceeds the minimum detection sensitivity of the measurement light intensity acquisition unit 306. (2) the time characteristic of the non-absorbing light intensity acquired from the time-resolved waveform storage unit 303 storing the non-absorbing light intensity obtained by the simulation unit 301, (3) ) Time characteristics of absorption light intensity acquired from the time-resolved waveform storage unit 303 storing the absorption light intensity obtained by the simulation unit 301, (4) the interval between the light receiving unit 305 and the irradiation unit 304 in contact with the skin surface, 5) Using the size and optical characteristics (scattering coefficient, absorption coefficient, anisotropic parameter, or refractive index) of the skin model given to the simulation unit 301, the integration section It is calculated. More specifically, the start time, end time, and increment time of the integration interval are calculated.

なお、この積分区間算出部309が算出した積分区間に基づいて、光吸収係数算出部310〜濃度算出部313が特定深さの層に含まれるグルコースの濃度を算出する方法及び手順については、第4の実施形態の血糖値測定装置300と全く同様であるから、説明を省略する。   Based on the integration interval calculated by the integration interval calculation unit 309, the light absorption coefficient calculation unit 310 to the concentration calculation unit 313 calculate the concentration and concentration of glucose contained in the layer having the specific depth. Since it is completely the same as the blood glucose level measuring apparatus 300 of the fourth embodiment, the description thereof is omitted.

本実施形態においても、第4の実施形態と同様に、真皮層からの光を他の層からの光と区別して測定することができ、真皮層からの光に対する他の層からの光の影響を低減することができる。したがって、真皮層におけるグルコースの濃度を精度良く測定することができ、その結果、真皮層におけるグルコースの濃度を、非侵襲的にかつ精度良く定量することができる。
また、積分区間を可変させることにより、真皮層におけるグルコースの濃度の測定精度を高めることができる。
In the present embodiment, similarly to the fourth embodiment, the light from the dermis layer can be measured separately from the light from other layers, and the influence of the light from other layers on the light from the dermis layer can be measured. Can be reduced. Therefore, the glucose concentration in the dermis layer can be accurately measured, and as a result, the glucose concentration in the dermis layer can be quantified non-invasively and accurately.
Moreover, the measurement accuracy of the glucose concentration in the dermis layer can be increased by varying the integration interval.

以上、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等が可能である。
例えば、上記の各実施形態では、濃度定量装置として血糖値測定装置を、観測対象として人の手のひらの皮膚を、目的成分としてグルコースを、パルス光として短時間パルス光を、それぞれ取ることで、皮膚の真皮層に含まれるグルコースの濃度を測定する場合について説明したが、これに限らず、濃度定量方法を、複数の光散乱媒質の層から形成される観測対象の任意の層における目的成分の濃度を定量する他の装置に用いてもよく、特定波長の短時間パルス光を、特定波長の連続光に替えてもよい。
例えば、携帯型の皮膚主成分の濃度測定装置に適用した場合、皮膚疾患の検査や診断や治療に有効利用することが可能である。
As described above, each embodiment of the present invention has been described with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the above-described one, and various design changes and the like can be made without departing from the scope of the present invention. Is possible.
For example, in each of the above embodiments, the blood sugar level measuring device is used as the concentration determination device, the skin of a human palm is used as the observation target, glucose is used as the target component, and short-time pulsed light is used as the pulsed light. Although the case of measuring the concentration of glucose contained in the dermal layer of the present invention is not limited to this, the concentration determination method is not limited to this, and the concentration of the target component in an arbitrary layer to be observed formed from a plurality of light scattering medium layers May be used in other devices for quantitative determination, and short-time pulsed light with a specific wavelength may be replaced with continuous light with a specific wavelength.
For example, when it is applied to a portable skin main component concentration measuring apparatus, it can be effectively used for examination, diagnosis and treatment of skin diseases.

300…血糖値測定装置(濃度定量装置)、302…光路長分布記憶部、303…時間分解波形記憶部、304…照射部、305…受光部、306…計測光強度取得部(光強度取得部)、307…光路長取得部、308…無吸収時光強度取得部(光強度モデル取得部)、309…積分区間算出部、310…光吸収係数算出部、311…光吸収係数分布記憶部、312…光吸収係数取得部、313…濃度算出部、31…皮膚(観測対象)、33…真皮層(任意の層)、400…血糖値測定装置(濃度定量装置)、500…血糖値測定装置(濃度定量装置)、501…吸収時光強度取得部(光強度モデル取得部)、S21〜S25、S31〜S38、S41〜S45、S51〜S58…ステップ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 300 ... Blood glucose level measuring apparatus (concentration determination apparatus), 302 ... Optical path length distribution storage part, 303 ... Time-resolved waveform storage part, 304 ... Irradiation part, 305 ... Light receiving part, 306 ... Measurement light intensity acquisition part (light intensity acquisition part) , 307 ... Optical path length acquisition unit, 308 ... Non-absorption light intensity acquisition unit (light intensity model acquisition unit), 309 ... Integration interval calculation unit, 310 ... Light absorption coefficient calculation unit, 311 ... Light absorption coefficient distribution storage unit, 312 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Light absorption coefficient acquisition part, 313 ... Concentration calculation part, 31 ... Skin (observation object), 33 ... Dermal layer (arbitrary layer), 400 ... Blood glucose level measuring device (concentration quantification device), 500 ... Blood glucose level measuring device ( Concentration quantification device), 501... Absorption light intensity acquisition unit (light intensity model acquisition unit), S21 to S25, S31 to S38, S41 to S45, S51 to S58.

Claims (10)

複数の層により構成される観測対象のうち、任意の層における目的成分の濃度を定量する濃度定量装置であって、
前記観測対象の皮膚層に光を照射する照射部と、
前記光の照射により前記観測対象から散乱される光を受光する受光部と、
前記皮膚層の光路長を取得する光路長取得部と、
前記受光部が受光した光の強度を取得する光強度取得部と、
前記光強度取得部が取得した前記受光した光の強度の光強度分布と、前記光路長取得部が取得した前記皮膚層の光路長とに基づいて、前記光強度分布から前記皮膚層の光強度分布に対応する領域の時間の範囲である積分区間を算出する積分区間算出部と、
前記積分区間を変化させて前記皮膚層における生体成分の光吸収係数を算出する光吸収係数算出部と、
前記生体成分の光吸収係数と前記皮膚層の予め記憶されている推定誤差率とに基づいて、前記目的成分の濃度を算出する濃度算出部と、
を備えてなることを特徴とする濃度定量装置。
A concentration quantification device for quantifying the concentration of a target component in an arbitrary layer among observation targets composed of a plurality of layers,
An irradiation unit for irradiating light to the skin layer to be observed;
A light receiving unit that receives light scattered from the observation target by the light irradiation;
An optical path length acquisition unit for acquiring the optical path length of the skin layer;
A light intensity acquisition unit for acquiring the intensity of light received by the light receiving unit;
Based on the light intensity distribution of the received light intensity acquired by the light intensity acquisition unit and the optical path length of the skin layer acquired by the optical path length acquisition unit, the light intensity of the skin layer from the light intensity distribution An integration interval calculation unit that calculates an integration interval that is a time range of an area corresponding to the distribution ;
A light absorption coefficient calculating unit that calculates the light absorption coefficient of a biological component in the skin layer by changing the integration interval;
A concentration calculator that calculates the concentration of the target component based on the light absorption coefficient of the biological component and the pre-stored estimated error rate of the skin layer;
A concentration quantification apparatus comprising:
前記光吸収係数算出部は、
前記積分区間算出部が算出した積分区間に基づいて前記任意の層の光吸収係数を算出する光吸収係数算出部と、
前記光吸収係数算出部が算出した前記任意の層の光吸収係数に基づき前記積分区間における光吸収係数分布を算出し記憶する光吸収係数分布記憶部と、
前記光吸収係数分布記憶部が取得した光吸収係数分布に基づき、前記任意の層における前記目的成分の光吸収係数を取得する光吸収係数取得部と、を備えてなることを特徴とする請求項1記載の濃度定量装置。
The light absorption coefficient calculator is
A light absorption coefficient calculation unit that calculates a light absorption coefficient of the arbitrary layer based on the integration interval calculated by the integration interval calculation unit;
A light absorption coefficient distribution storage unit that calculates and stores a light absorption coefficient distribution in the integration interval based on the light absorption coefficient of the arbitrary layer calculated by the light absorption coefficient calculation unit;
A light absorption coefficient acquisition unit that acquires the light absorption coefficient of the target component in the arbitrary layer based on the light absorption coefficient distribution acquired by the light absorption coefficient distribution storage unit. 1. The concentration determination apparatus according to 1.
前記光は短時間パルス光であり、
前記光強度取得部は、前記積分区間内の前記観測対象の層の数n以上となる複数の時刻t〜tにおける光強度を取得し(但し、nは1以上の自然数、mはn以上の自然数)、
前記光吸収係数算出部は、
自然対数を示すln(・)、前記受光部が前記積分区間内の時刻tにおいて受光した光強度を示すI(t)、前記短時間パルス光の時間分解波形のモデルの前記積分区間内の時刻tにおける光強度を示すN(t)、前記皮膚層の光路長分布のモデルの前記積分区間内の時刻tにおける第i層の光路長を示すLi(t)、第i層の光吸収係数を示すμを用いて、
Figure 0005818038
から任意の層の光吸収係数を算出する、
ことを特徴とする請求項2記載の濃度定量装置。
The light is short-time pulsed light,
The light intensity acquisition unit acquires light intensities at a plurality of times t 1 to t m that are equal to or greater than the number n of the observation target layers in the integration interval (where n is a natural number of 1 or more, and m is n More natural numbers),
The light absorption coefficient calculator is
Ln (·) indicating the natural logarithm, I (t) indicating the light intensity received by the light receiving unit at the time t within the integration interval, and the time within the integration interval of the time-resolved waveform model of the short-time pulsed light N (t) indicating the light intensity at t, Li (t) indicating the optical path length of the i-th layer at time t within the integration interval of the model of the optical path length distribution of the skin layer, and the light absorption coefficient of the i-th layer Using μ i shown,
Figure 0005818038
Calculate the light absorption coefficient of any layer from
The concentration determination apparatus according to claim 2, wherein:
前記光強度取得部が光強度を取得する複数の時刻は、前記複数の層の各々の層の光路長分布のピーク時間を含むことを特徴とする請求項3記載の濃度定量装置。   The concentration quantification apparatus according to claim 3, wherein the plurality of times at which the light intensity acquisition unit acquires the light intensity includes a peak time of an optical path length distribution of each of the plurality of layers. 前記光は短時間パルス光であり、
前記光強度取得部は、前記積分区間内の所定の時刻から少なくとも所定の時間τの間の光強度を取得し、
前記光吸収係数算出部は、
自然対数を示すln(・)、前記受光部が前記積分区間内の時刻tにおいて受光した光強度を示すI(t)、前記短時間パルス光の時間分解波形のモデルの前記積分区間内の時刻tにおける光強度を示すN(t)、前記皮膚層の光路長分布のモデルの前記積分区間内の時刻tにおける第i層の光路長を示すLi(t)、前記観測対象の層の数を示すn、第i層の光吸収係数を示すμiを用いて、
Figure 0005818038
から任意の層の光吸収係数を算出する、
ことを特徴とする請求項2記載の濃度定量装置。
The light is short-time pulsed light,
The light intensity acquisition unit acquires the light intensity at least for a predetermined time τ from a predetermined time in the integration interval,
The light absorption coefficient calculator is
Ln (·) indicating the natural logarithm, I (t) indicating the light intensity received by the light receiving unit at the time t within the integration interval, and the time within the integration interval of the time-resolved waveform model of the short-time pulsed light N (t) indicating the light intensity at t, Li (t) indicating the optical path length of the i-th layer at time t within the integration interval of the model of the optical path length distribution of the skin layer, and the number of layers to be observed N shown, and μ i indicating the light absorption coefficient of the i-th layer,
Figure 0005818038
Calculate the light absorption coefficient of any layer from
The concentration determination apparatus according to claim 2, wherein:
前記照射部は、複数の波長1〜qの光を照射し、
前記光吸収係数算出部は、前記任意の層における光吸収係数を前記照射部が照射した複数の波長毎に算出し、
前記濃度算出部は、
前記任意の層である第a層における波長iの光吸収係数を示すμa(i)、前記観測対象を形成する第j成分のモル濃度を示すgj、第j成分の波長iに対する光吸収係数を示すεj(i)、前記観測対象を形成する主成分の個数を示すp、照射部が照射する波長の種類数を示すqを用いて、
Figure 0005818038
から前記任意の層における前記目的成分の濃度を算出する、
ことを特徴とする請求項2ないし5のいずれか1項記載の濃度定量装置。
The irradiation unit irradiates light having a plurality of wavelengths 1 to q,
The light absorption coefficient calculation unit calculates a light absorption coefficient in the arbitrary layer for each of a plurality of wavelengths irradiated by the irradiation unit,
The concentration calculator
Μa (i) indicating the light absorption coefficient of the wavelength i in the a-layer which is the arbitrary layer, gj indicating the molar concentration of the j-th component forming the observation target, and the light absorption coefficient of the j-th component relative to the wavelength i. Εj (i), p indicating the number of main components forming the observation object, q indicating the number of types of wavelengths irradiated by the irradiation unit,
Figure 0005818038
Calculate the concentration of the target component in the arbitrary layer from
The concentration determination apparatus according to any one of claims 2 to 5, wherein
前記照射部が照射する複数の光は、前記目的成分の光吸収係数が大きくなる波長の光を含むことを特徴とする請求項6記載の濃度定量装置。   The concentration quantification apparatus according to claim 6, wherein the plurality of lights irradiated by the irradiation unit includes light having a wavelength that increases a light absorption coefficient of the target component. 前記照射部が照射する複数の光は、前記観測対象を構成する主成分の各々の成分の吸収スペクトル分布の直交性が高くなる波長の光を含むことを特徴とする請求項6記載の濃度定量装置。   The concentration determination according to claim 6, wherein the plurality of lights emitted by the irradiation unit include light having a wavelength at which the orthogonality of the absorption spectrum distribution of each of the main components constituting the observation target is increased. apparatus. 皮膚層に光を照射する照射部と、前記光の照射により前記皮膚層から散乱される光を受光する受光部とを備え、前記皮膚層における生体成分の濃度を定量する濃度定量装置を用いた濃度定量方法であって、
前記照射部により、前記皮膚層に前記光を照射し、
前記受光部により、前記光の照射により前記皮膚層から散乱される光を受光し、
光強度取得部により、前記照射部が前記光を照射した時刻以降の所定の時刻にて前記受光部が受光した光の強度を取得し、
光路長取得部により、前記皮膚層の光路長を取得し、
積分区間算出部により、前記光強度取得部が取得した前記受光した光の強度の光強度分布と、前記光路長取得部が取得した前記皮膚層の光路長とに基づいて、前記皮膚層の光強度分布に対応する領域の時間の範囲である積分区間を算出し、
光吸収係数算出部により、前記積分区間を変化させて前記皮膚層における生体成分の光吸収係数を算出し、
濃度算出部により、前記生体成分の光吸収係数と前記皮膚層の予め記憶されている推定誤差率とに基づいて、前記生体成分の濃度を算出する、
ことを特徴とする濃度定量方法。
A concentration quantification device comprising an irradiating unit for irradiating light to the skin layer and a light receiving unit for receiving light scattered from the skin layer by the irradiation of the light, and quantifying the concentration of biological components in the skin layer was used A concentration determination method,
By the irradiation unit, the skin layer is irradiated with the light,
The light receiving unit receives light scattered from the skin layer by the light irradiation,
The light intensity acquisition unit acquires the intensity of the light received by the light receiving unit at a predetermined time after the time when the irradiation unit irradiated the light,
The optical path length acquisition unit acquires the optical path length of the skin layer,
Based on the light intensity distribution of the intensity of the received light acquired by the light intensity acquisition unit and the optical path length of the skin layer acquired by the optical path length acquisition unit by the integration interval calculation unit, the light of the skin layer Calculate the integration interval, which is the time range of the region corresponding to the intensity distribution,
The light absorption coefficient calculation unit calculates the light absorption coefficient of the biological component in the skin layer by changing the integration interval,
The concentration calculation unit calculates the concentration of the biological component based on the light absorption coefficient of the biological component and the pre-stored estimated error rate of the skin layer.
Concentration determination method characterized by this.
皮膚層に光を照射する照射部と、前記光の照射により前記皮膚層から散乱される光を受光する受光部とを備え、前記皮膚層における生体成分の濃度を定量する濃度定量装置のコンピューターに、
前記皮膚層に前記光を照射する照射手順、
前記光の照射により前記皮膚層から散乱される光を受光する受光手順、
前記光を照射した時刻以降の所定の時刻にて受光した光の強度を取得する光強度取得手順、
前記皮膚層の光路長を取得する光路長取得手順、
前記光強度取得手順により取得された前記受光した光の強度の光強度分布と、前記光路長取得部が取得した前記皮膚層の光路長とに基づいて、前記皮膚層の光強度分布に対応する領域の時間の範囲である積分区間を算出する積分区間算出手順、
前記積分区間算出手順により算出された積分区間を変化させて前記皮膚層における生体成分の光吸収係数を算出する光吸収係数算出手順、
前記生体成分の光吸収係数と前記皮膚層の予め記憶されている推定誤差率とに基づいて、前記生体成分の濃度を算出する濃度算出手順、
を実行させることを特徴とするプログラム。
A computer for a concentration quantification apparatus comprising: an irradiating unit that irradiates light to a skin layer; and a light receiving unit that receives light scattered from the skin layer by irradiation of the light, and quantifies a concentration of a biological component in the skin layer. ,
An irradiation procedure for irradiating the skin layer with the light;
A light receiving procedure for receiving light scattered from the skin layer by the light irradiation;
A light intensity acquisition procedure for acquiring the intensity of light received at a predetermined time after the light irradiation time;
An optical path length acquisition procedure for acquiring the optical path length of the skin layer;
Corresponds to the light intensity distribution of the skin layer based on the light intensity distribution of the received light intensity acquired by the light intensity acquisition procedure and the optical path length of the skin layer acquired by the optical path length acquisition unit. Integration interval calculation procedure for calculating the integration interval that is the time range of the region,
A light absorption coefficient calculation procedure for calculating a light absorption coefficient of a biological component in the skin layer by changing the integration section calculated by the integration section calculation procedure;
A concentration calculation procedure for calculating the concentration of the biological component based on the light absorption coefficient of the biological component and the pre-stored estimated error rate of the skin layer;
A program characterized by having executed.
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