JP6323882B2 - 生体その場観察における分光分析法 - Google Patents

Description

本発明は、本来精密な試料調整が必要となる分光分析法を、試料調整が困難となる生きたままの生体分析や、個体差のばらつきが大きい生体試料に対して適用するために、光散乱の影響を受けにくい測定法に関するものである。
本発明の分光分析法は、例えば、光学的に個人差の生じやすい肌の状態や体内の状態の違いがあっても、目的となる血液をはじめとする生体物質成分分析に必要となる化学物質濃度を簡便に測定することに適用でき、また、測定ごとに較正がはかられるために絶対測定量を提示することが可能となる。

生体分光分析では光散乱の影響を強くうけるため、吸光係数εの測定では、被測定試料に対して測定された光の透過率Ｔあるいは反射率Ｒを元にして、ランバートベール則に基づく計算式εＣＬ＋Ｓ＝−ｌｏｇ₁₀ＴまたはεＣＬ＋Ｓ＝−ｌｏｇ₁₀Ｒで吸光度が求められる。ただし、被測定試料の光路長をＬ、濃度をＣ、光散乱等による減衰量をＳで表す。
このように、吸光度Ａ＝εＣＬは被測定試料の光散乱Ｓに影響を受けるため、被測定試料の散乱光量をあらかじめ決定しておく必要があった。

特開２００６−２３９２６７号公報 特表２００５−５２１４９９号公報 特開２００７−８３０２１号公報 特開２０１１−１７９９９４号公報

従来の分光法が基本とする法則は、ランバートベール則である(特許文献１〜４参照)。これは、ある強度の光を溶液内に通過させたとき、その溶液濃度と、溶液内を通過する距離に対して、光強度が線形に減衰することに基づく。しかし、溶液濃度が高い場合には、多重散乱が生じるため、濃度や距離に対する線形性を失う。また、溶液濃度が低い場合であっても、生体基質など他に光散乱要因があれば光強度が影響を受けるため、定量的測定は困難である。

例えば、被測定試料の光路長Ｌ、濃度Ｃが同じ試料(人工血液モデル)に対して、光散乱の度合いのみを変化させたときの反射率スペクトルを図１に示す。光散乱がほとんど無い理想的な反射スペクトルが図１ａに示されている。これに対して、図１ｂおよび図１ｃは、それぞれ弱い光散乱がある場合および強い光散乱がある場合の反射率スペクトルである。図１ａからはランバートベール則に基づいて、本来の人工血液試料の吸光度を求めることができるが、図１ｂおよび図１ｃでは光散乱の影響Ｓを考慮しなければ、本来の人工血液試料の吸光度を求めることができない。生体における光散乱体は測定対象と一体あるいは、測定光路中に存在するため、単独で光散乱を測定することが困難であるため、多くの被験者データと直接測定(観血測定などの他手法)との相関を取ることで較正曲線が決定され、それに基づく統計的推定値が決定される。
しかし、統計的推定値は被験者集団の平均的な統計値であるが、光散乱が平均から離れている多くの人に対して正確な情報を与えない。

光強度に基づく分光分析は、光散乱によって情報が失われやすいために、生体計測に不向きである。光散乱は生体内基質によって生じるものと光吸収によって生じるものの２つの原因がある。生体内基質によって生じる光散乱は、互いに近接した波長を有する光の間においては散乱係数がほぼ同等とみなせるため、互いを比較することで光散乱の影響を打ち消すことが可能となる。また、光吸収によって生じる光散乱は、同程度の光吸収を有する複数の光を比較することで、影響を打ち消すことが可能となる。そこで、この２つの原因からなる光散乱を解決するためには、
１）近接した波長であって、 …条件１
２）同じ吸光度を有する波長 …条件２
という２つの条件を満たす２つ以上の波長を測定すればよい。

例えば、２種類の化学物質Ａ，Ｂからなる混合溶液が、Ａ：Ｂ＝ａ：ｂの割合で含まれるとする。ただし、ａ＋ｂ＝１である。このとき、混合溶液の吸光度曲線は図２に示すように、Ａのみ(ａ＝１，ｂ＝０)の場合の吸光度曲線ｆ(λ)と、Ｂのみ(ａ＝０，ｂ＝１)の場合の吸光度曲線ｇ(λ)との間に挟まれた曲線ｈ(λ)となる。
このとき、条件１および２を満たす２つの波長をそれぞれλ₁、λ₂とする場合、同じ吸光度を有することから、ｆ(λ₁)＝ｈ(λ₂)となる。この方程式を、条件ａ＋ｂ＝１の下で解くことで、それぞれａ，ｂを求めることが可能となる。

すなわち、本発明は、分光分析による光の吸収測定を行う際に、１）近接した波長であって、２）同じ吸光度を有する波長という２つの条件を満たす２つ以上の波長を用いて測定し、光の吸収測定を行う際に測定された光強度を吸光度に変換することなく、測定された分光曲線から直接的に定量化を行うことを特徴とする推定法である。
また、本発明は、分光分析による光の吸収測定を行う際に、１）近接した波長であって、２）同じ吸光度を有する波長という２つの条件を満たす２つ以上の波長を用いて測定し、目的とする化学物質以外によって生じる光散乱に依存することなく定量測定することを特徴とする推定法である。
また、本発明は、分光分析による光の吸収測定を行う際に、１）近接した波長であって、２）同じ吸光度を有する波長という２つの条件を満たす２つ以上の波長を用いて測定し、目的とする化学物質中において高濃度で生じる多重光散乱に依存することなく定量測定することを特徴とする推定法である。
また、本発明は、上記推定法において、生体中における、不純物や生体基質から生じる光散乱に依存することなく定量測定することを特徴とする推定法である。

光散乱は生体内基質によって生じるものと光吸収によって生じるものの２つの原因があるが、まず生体内基質によって生じるものに対する効果を述べる。
図１は吸光度が等しいが、それぞれ散乱係数が異なる基質を有する試料に対する反射強度スペクトルである。従来の分光分析法において反射光強度から混合溶液濃度を求めるには、反射光強度を吸光度へ変換する必要があるが、これには前述のように散乱係数の値が必要である。しかし、ここで提案するように、条件１および条件２を満たす波長を選択することを考えると、図１のすべてのケースで選択波長を同じにすることが可能である。同じ波長の組み合わせは、吸光度が等しいときである。つまり、上記２つの条件において、試料の基質を原因とする散乱係数に関係せずに、混合溶液の混合比率を求めることが可能となる。

次に、光吸収から生じる光散乱に対する効果を述べる。
光吸収から生じる光散乱は、溶液濃度が高い場合に生じ、一般には吸光度１を超える試料に対しては、吸光度を求める際に従来の分光分析の基本式ランバートベール則からの相違が大きくなるため、非線形散乱を考慮したクベルカムンク則による補正法が考案されている。図１に示した計測例と同様に、生体内基質の光散乱を一定として、光吸収を変化させて測定したとき、２つの波長の組み合わせはほぼ等しくなることが確認できた。つまり、上記２つの条件において、光吸収を原因とする散乱係数に関係せずに、混合溶液の混合比率を求めることが可能となる。

また、吸光度１を超える強い光吸収においても、ランバートベール則およびクベルカムンク則などの補正法を用いることなく、反射分光測定から直接的に、混合溶液の混合比率を求めることが可能となる。

本発明の解決する課題である光散乱の程度によって変化する反射率スペクトルを説明する図である。 本発明の原理となる２種類の化学物質からなる混合溶液の反射率スペクトルを説明する図である。 本発明の一例となる人工血液モデルの吸光係数スペクトルを説明する図である。 本発明の一例となる人工血液モデルを用いたときの光散乱の程度に応じて変化する反射率スペクトルを説明する図である。

上記段落０００６、０００７でも説明したように、光強度に基づく分光分析は、光散乱によって情報が失われやすいために、生体計測に不向きである。光散乱は生体内基質によって生じるものと光吸収によって生じるものの２つの原因がある。生体内基質によって生じる光散乱は、互いに近接した波長を有する光の間においては散乱係数がほぼ同等とみなせるため、互いを比較することで光散乱の影響を打ち消すことが可能となる。また、光吸収によって生じる光散乱は、同程度の光吸収を有する複数の光を比較することで、影響を打ち消すことが可能となる。そこで、この２つの原因からなる光散乱を解決するためには、
１）近接した波長であって、 …条件１
２）同じ吸光度を有する波長 …条件２
という２つの条件を満たす２つ以上の波長を測定すればよい。

例えば、２種類の化学物質Ａ，Ｂからなる混合溶液が、Ａ：Ｂ＝ａ：ｂの割合で含まれるとする。ただし、ａ＋ｂ＝１である。このとき、混合溶液の吸光度曲線は図２に示すように、Ａのみ(ａ＝１，ｂ＝０)の場合の吸光度曲線ｆ(λ)と、Ｂのみ(ａ＝０，ｂ＝１)の場合の吸光度曲線ｇ(λ)との間に挟まれた曲線ｈ(λ)となる。
このとき、条件１および２を満たす２つの波長をそれぞれλ₁、λ₂とする場合、同じ吸光度を有することから、ｆ(λ₁)＝ｈ(λ₂)となる。この方程式を、条件ａ＋ｂ＝１の下で解くことで、それぞれａ，ｂを求めることが可能となる。

また、波長λ₁、λ₂においては近接波長であるため、同様の光路を通過する限り光減衰が生じた場合においてもその減衰量も同程度となる。このため、測定される直接量である光反射率スペクトルあるいは光透過率スペクトルも、波長λ₁、λ₂においては等しい光強度となる。

また、光強度に対する非線形が生じるような試料を考慮した場合においても、波長λ₁、λ₂においては等しい光強度を有する点であるため、等しい非線形減衰が生じると考えられる。

このように、減衰量が同程度であるならば本手法は原理的に有効であり、その減衰が光強度に対して線形であるか非線形であるかには依存しない。試料の濃度が高い場合や光路長が長い場合などに、試料溶液中において多重散乱が生じることが知られており、これによって光強度に非線形を生じる。ランバートベール則は線形であることを前提にしているため適用できないが、本手法はこのような場合にも有効である。

従来の吸光度スペクトル測定法が適用できないケースとして、光減衰を有する生体基質の中に、目的とする吸光度を有する物質が置かれている場合を考える。ここでは、光減衰を発生させるパラメーターとして散乱係数を想定し、散乱係数が異なる３つの基質、ミラー(光散乱無し)・パラフィンシート(弱い光散乱)・紙(強い光散乱)についてそれぞれ本手法を適用する。
目的の吸光度を有する試料として、吸光度０.６の人工血液を用いる。人工血液は図３に示すような吸光スペクトルを有しており、それぞれ酸素飽和度が１００％および０％となるように配合割合が調整されているが、いま片方の０％が不明であるとして本手法を用いた推定を行う。推定は、減衰の異なる３つの基質に対して行い、減衰量に依存しないという本手法の有効性を検証する。

図４に、吸光度０.６でそれぞれ基質の異なる人工血液モデルの反射率スペクトルを示す。光散乱の無い理想的な測定環境における反射スペクトルが図１ａに示されている。これに対して、図１ｂおよび図１ｃは、生体中の測定を想定したものであり、それぞれ弱い光散乱がある場合および強い光散乱がある場合の反射率スペクトルである。従来法からは、図１ａからはランバートベール則に基づいて、本来の人工血液試料の吸光度を求めることができるが、図１ｂおよび図１ｃでは光散乱の影響Ｓを別に測定しておかなければ、本来の人工血液試料の吸光度を求めることができない。生体における光散乱体は測定光路中に存在するため、通常は単独で光散乱Ｓを測定することが困難である。

このような、光減衰の異なるそれぞれの試料に対して、本手法を適用する。図１ａの反射スペクトルにおいて、５９１.５ｎｍと６０９.３ｎｍの光強度が等しいことが分かる。既知量である図３の吸光度スペクトルから換算すると、５９１.５ｎｍが１００％酸素飽和度のとき、６０９.３ｎｍは０.０％酸素飽和度と求められるため、ここで未知量とした正しい配合割合が得られることがわかる。同様に、図１ｂおよび図１ｃの異なる散乱を有する吸光度スペクトルに対しては６０８.５ｎｍ，６０９.７ｎｍとなるため、それぞれ、４.５％および−２.２％の酸素飽和度と求められる。正しい値０％からは多少の誤差の範囲内で、目的となる配合割合を測定することができる。

このように、本手法では減衰量に関する情報を用いることなく、減衰の異なる基質に対して正しい化学物質配合を得ることができる。

なお、生体の減光要因を低減する類似技術としては、２波長あるいは複数の波長での吸光分光を行うパルスオキシメータがある。パルスオキシメータでは動脈血管の脈動を利用して２波長の強度比を計測し、拍動成分以外の減光要因を低減する技術である。このため、動脈しか計測できないこと、および強度比は較正をとらなければ酸素飽和度に変換できないことの少なくとも２点で本発明とは本質的に異なるものである。

分光分析の生体適用は試料調整が必要であるが、生きたままの計測や個体差を補正するなどの作業には非常な困難を伴う。本手法では、光散乱をはじめとする減衰に依存しないため、無調整での測定や、個体差を考慮することなく、簡単に計測を行える可能性を有する。

たとえば血液検査において、現在は侵襲性の高い観血式による試料採取と分光計測が必要であるが、本手法において非観血かつその場測定を行える可能性がある。これは健康診断における手間を大幅に削減し、献血におけるタイムラグを無くし、糖尿病患者の血糖管理におけるストレス低減に大きく貢献する可能性がある。

Claims (4)

1. 少なくとも目的とする化学物質以外の周囲の物質によりまたは目的とする化学物質により光散乱を生じる測定環境下で、分光分析による光の吸収測定を行う際に、
   既知及び未知の混合比率の混合溶液のそれぞれに対して測定される分光曲線間において、
   １）散乱係数の同等な近接した波長であって、２）同じ吸光度を有する波長という２つの条件を満たす波長を選択し、測定された光強度を吸光度に変換することなく、測定された分光曲線から直接的に前記光散乱の影響を受けることなく前記目的とする化学物質の混合比率の定量化を行う、ことを特徴とする生体その場観察における分光分析法。
2. 前記光散乱は、前記目的とする化学物質以外によって生じる光散乱であることを特徴とする請求項１記載の分光分析法。
3. 前記光散乱は、前記目的とする化学物質中において高濃度で生じる多重光散乱であることを特徴とする請求項１記載の分光分析法。
4. 前記光散乱は、生体中における、不純物や生体基質から生じる光散乱であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分光分析法。

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