JP6871197B2

JP6871197B2 - 成分濃度測定装置

Info

Publication number: JP6871197B2
Application number: JP2018088064A
Authority: JP
Inventors: 雄次郎田中; 昌人中村; 大地松永; 倫子瀬山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-05-01
Filing date: 2018-05-01
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2038-05-01
Also published as: US20210212607A1; WO2019211994A1; JP2019193691A

Description

本発明は、非侵襲にグルコースの濃度を測定する成分濃度測定装置に関する。

糖尿病患者に対するインスリンの投与量の決定や、糖尿病の予防などの観点より、血糖値を把握（測定）することが重要となる。血糖値は、血液中のグルコースの濃度であり、この種の成分濃度の測定方法として、光音響法がよく知られている（特許文献１参照）。

生体にある量の光（電磁波）を照射した場合、照射した光は生体に含有される分子に吸収される。このため、光が照射された部分における測定対象の分子は、局所的に加熱されて膨張を起こし、音波を発生する。この音波の圧力は、光を吸収する分子の量に依存する。光音響法は、この音波を測定することにより、生体内の分子の量を測定する方法である。音波は生体内を伝搬する圧力波であり、電磁波に比べ散乱しにくいという特質があり、光音響法は生体の血液成分の測定に適しているものといえる。

光音響法による測定によれば、連続的な血液中のグルコース濃度の監視が可能となる。また、光音響法の測定は、血液サンプルを必要とせず、測定対象者に不快感を与えることがない。

特開２０１０−１０４８５８号公報

ところで、この種の測定の対象となる人体の部位は、経時とともに厚さが変化する場合がある。例えば、飲食の前後において、皮膚の厚さなどが局所的に変化することが考えられる。しかしながらこのように測定部位の厚さなどが変化すると、光音響法による人体内のグルコースの測定では、測定結果が変化するという問題があった。このような人体の変化により測定結果が変化するため、異なる時刻に測定した結果が異なっていても、実際には、同じ濃度である場合や、異なる時刻に測定した結果が同一であっても、実際には異なる濃度である場合などが発生し、正確な測定ができないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光音響法による人体内のグルコースの測定における、人体の経時変化による測定精度の低下の抑制を目的とする。

本発明に係る成分濃度測定装置は、グルコースが吸収する波長のビーム光を出射する光源部と、ビーム光を測定部位に対して複数照射する光照射制御部と、光照射制御部がビーム光を複数照射したことにより測定部位より発生する複数の光音響信号の各々を検出する検出部と、検出部が検出した複数の光音響信号を平均化する処理部とを備える。

上記成分濃度測定装置において、光照射制御部は、ビーム光を測定部位の各々異なる複数の箇所に照射することで、ビーム光を複数照射する。

上記成分濃度測定装置において、光照射制御部は、光源部が出射したビーム光を走査することでビーム光を測定部位の各々異なる複数の箇所に照射する。

上記成分濃度測定装置において、光照射制御部は、ビーム光を各々異なる時間で照射することで、ビーム光を複数照射するようにしてもよい。

上記成分濃度測定装置において、検出部は、複数の光音響信号の各々を個別に検出し、処理部は、検出部が個別に検出した複数の光音響信号の平均値を求めるようにすればよい。

上記成分濃度測定装置において、光照射制御部は、検出部の検出領域において、ビーム光を測定部位の複数の箇所に照射し、処理部は、検出部であり、検出部は、複数の光音響信号のすべてを検出領域で検出することで、複数の光音響信号を平均化する。

以上説明したように、本発明によれば、光照射制御部がビーム光を複数照射したことにより測定部位より発生する複数の光音響信号の各々を検出部で検出し、検出した複数の光音響信号を処理部で平均化するので、光音響法による人体内のグルコースの測定における、人体の経時変化による測定精度の低下が抑制できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における成分濃度測定装置の構成を示す構成図である。図２は、ビーム光１２１の走査状態を説明するための平面図である。図３は、本発明の実施の形態における光源部１０１および検出部１０３のより詳細な構成を示す構成図である。図４は、本発明の実施の形態２における成分濃度測定装置の構成を示す構成図である。図５は、本発明の実施の形態３における成分濃度測定装置の構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態おける成分濃度測定装置について説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における成分濃度測定装置について図１を参照して説明する。この成分濃度測定装置は、光源部１０１、光照射制御部１０２、検出部１０３、処理部１０４を備える。

光源部１０１は、グルコースが吸収する波長のビーム光を出射する。光照射制御部１０２は、光源部１０１が出射したビーム光を測定部位１５１に対して複数照射する。測定部位１５１は、例えば、指や、耳たぶなどの人体の一部である。実施の形態１において、光照射制御部１０２は、光源部１０１が出射したビーム光を測定部位１５１の各々異なる複数の箇所に照射することで、ビーム光を複数照射する。

例えば、光照射制御部１０２は、図２に示すように、光源部１０１が出射したビーム光を走査（ラスター走査）することで、ビーム光１２１を測定部位１５１の各々異なる複数の箇所に照射する。例えば、ビーム光１２１は、ビーム径が１００μｍ程度である。例えば、一辺が３ｍｍ程度の正方形の領域において、ビーム光１２１を走査し、測定部位１５１の各々異なる複数の箇所に照射する。この走査は、例えば、カルバノミラーにより実施すればよい。また、上述したビーム光１２１の走査は、例えば、よく知られたＭＥＭＳミラーを用いて実施してもよい。

また、光照射制御部１０２は、光ファイバアレイなどにより、入射した光ビームを、複数の光ビームに分割し、測定部位１５１の各々異なる箇所に照射する。

検出部１０３は、光照射制御部１０２がビーム光を複数照射したことにより測定部位１５１より発生する複数の光音響信号の各々を検出する。処理部１０４は、検出部１０３が検出した複数の光音響信号を平均化する。例えば、検出部１０３は、複数の光音響信号の各々を個別に検出し、処理部１０４は、検出部１０３が個別に検出した複数の光音響信号の平均値を求めて出力する。例えば、検出部１０３は、ビーム光が照射される箇所に移動することで、複数の光音響信号の各々を個別に検出する。また、ビーム光が照射される領域に、複数の検出部１０３を配置することで、複数の光音響信号の各々を個別に検出してもよい。

光音響法による人体内のグルコースの測定では、体温、周辺温度、測定部位１５１における水分量、測定部位１５１における血流などの影響により、異なる時刻における測定部位１５１の状態が変化する。このような測定部位１５１の状態変化は、測定結果の精度低下を招く。これに対し、実施の形態１によれば、測定部位１５１の所定の領域における異なる箇所で測定した複数の光音響信号を平均化するので、測定部位１５１の状態が、時間の経過により変化しても、測定精度の低下が抑制できるようになる。

なお、処理部１０４において、複数の測定結果の分散が所定の値に収まるように、最も大きい測定値および最も小さい測定値を用いずに、平均値を算出してもよい。また、事前に、複数の領域で測定を実施し、領域内で得られた複数の測定結果の分散値が所定の値に収まる領域で測定を実施するようにしてもよい。

ここで、光源部１０１，検出部１０３について、図３を用いてより詳細に説明する。まず、光源部１０１は、第１光源２０１、第２光源２０２、駆動回路２０３、駆動回路２０４、位相回路２０５、合波器２０６を備える。また、検出部１０３は、検出器２０７、位相検波増幅器２０８、発振器２０９を備える。

発振器２０９は、信号線により駆動回路２０３、位相回路２０５、位相検波増幅器２０８にそれぞれ接続される。発振器２０９は、駆動回路２０３、位相回路２０５、位相検波増幅器２０８のそれぞれに信号を送信する。

駆動回路２０３は、発振器２０９から送信された信号を受信し、信号線により接続されている第１光源２０１へ駆動電力を供給し、第１光源２０１を発光させる。第１光源２０１は、例えば、半導体レーザである。

位相回路２０５は、発振器２０９から送信された信号を受信し、受信した信号に１８０°の位相変化を与えた信号を、信号線により接続されている駆動回路２０４へ送信する。

駆動回路２０４は、位相回路２０５から送信された信号を受信し、信号線により接続されている第２光源２０２へ駆動電力を供給し、第２光源２０２を発光させる。第２光源２０２は、例えば、半導体レーザである。

第１光源２０１および第２光源２０２の各々は、互いに異なる波長の光を出力し、各々が出力した光を光波伝送手段により合波器２０６へ導く。第１光源２０１および第２光源２０２の各々の波長は、一方の光の波長をグルコースが吸収する波長に設定し、他方の光の波長を、水が吸収をする波長に設定する。また、両者の吸収の程度が等しくなるように、各々の波長を設定する。

第１光源２０１の出力した光と第２光源２０２の出力した光は、合波器２０６において合波されて、１の光ビームとして光照射制御部１０２に入射する。光ビームが入射された光照射制御部１０２は、例えば、入射した光ビームを走査して測定部位１５１に照射する。また、光ビームが入射された光照射制御部１０２は、例えば、入射した光ビームを、複数の光ビームに分割し、測定部位１５１の各々異なる箇所に照射する。このようにして、複数の光ビームが各々異なる箇所に照射された測定部位１５１では、各光ビームが照射された各々の内部で、各々光音響信号を発生させる。

検出器２０７は、測定部位１５１で発生した各々光音響信号を各々個別に検出し、電気信号に変換して、信号線により接続されている位相検波増幅器２０８へ送信する。位相検波増幅器２０８は、発振器２０９から送信される同期検波に必要な同期信号を受信するとともに、検出器２０７から送信されてくる複数の光音響信号に比例する電気信号を受信し、各々について同期検波、増幅、濾波を行い、各光音響信号に比例する電気信号を各々出力する。

第１光源２０１は、発振器２０９の発振周波数に同期して強度変調された光を出力する。一方、第２光源２０２は、発振器２０９の発振周波数で、かつ位相回路２０５により１８０°の位相変化を受けた信号に同期して強度変調された光を出力する。

ここで、位相検波増幅器２０８より出力される信号の強度は、第１光源２０１および第２光源２０２の各々が出力する光が、測定部位１５１内の成分（グルコース、水）により吸収された量に比例するので、信号の強度は測定部位１５１内の成分の量に比例する。このように出力される信号の強度の測定値から、成分濃度導出部（図示せず）が、測定部位１５１内の血液中の測定対象（グルコース）の成分の量を求める。

上記のように、第１光源２０１の出力した光と第２光源２０２の出力した光は、同一の周波数の信号により強度変調されているので、複数の周波数の信号により強度変調している場合に問題となる測定系の周波数特性の不均一性の影響は存在しない。

一方、光音響法による測定において問題となる光音響信号の測定値に存在する非線形的な吸収係数依存性は、上述したように等しい吸収係数を与える複数の波長の光を用いて測定することにより解決できる（特許文献１参照）。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２における成分濃度測定装置について図４を参照して説明する。この成分濃度測定装置は、光源部１０１、光照射制御部３０２、検出部１０３、処理部３０４を備える。

光源部１０１は、グルコースが吸収する波長のビーム光を出射する。光照射制御部３０２は、ビーム光１２２を測定部位１５１に対して複数照射する。実施の形態２において、光照射制御部３０２は、ビーム光１２２を各々異なる時間で照射することで、ビーム光１２２を複数照射する。なお、測定部位１５１は、例えば、指や、耳たぶなどの人体の一部である。ビーム光１２２は、例えば、検出部１０３が検出可能な領域（一辺が３ｍｍ程度の正方形の領域）のほぼ全域を照射する程度の大きなビーム径とする。また、光照射制御部３０２は、例えば、入射した光ビームを、一辺が３ｍｍ程度の正方形の領域において高速に走査して照射し、上述した大きなビーム径のビーム光１２２が照射された状態と実質同様の照射状態としてもよい。この場合、光音響信号（音波）が測定部位１５１の内部を進む距離が１／１０波長以内に収まる時間で、１回の走査が終わる走査速度とすればよい。

検出部１０３は、光照射制御部３０２がビーム光を異なる時刻で複数照射したことにより測定部位１５１より、異なる時刻で発生する複数の光音響信号の各々を検出する。処理部３０４は、検出部１０３が各々異なる時刻で検出した複数の光音響信号を平均化する。処理部３０４は、検出部１０３が各々異なる時刻で検出した複数の光音響信号の平均値を求めて出力する。

光音響法による人体内のグルコースの測定では、体温、周辺温度、測定部位１５１における水分量、測定部位１５１における血流などの影響により、異なる時刻における測定部位１５１の状態が変化する。このような測定部位１５１の状態変化は、測定結果の精度低下を招く。これに対し、実施の形態２によれば、測定部位１５１の所定の領域における異なる時刻で測定した複数の光音響信号を平均化するので、測定部位１５１の状態が、時間の経過により変化しても、測定精度の低下が抑制できるようになる。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３における成分濃度測定装置について図５を参照して説明する。この成分濃度測定装置は、光源部１０１、光照射制御部１０２、検出部３０３を備える。

光源部１０１は、グルコースが吸収する波長のビーム光を出射する。光照射制御部１０２は、ビーム光を測定部位１５１に対して複数照射する。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。実施の形態３において、光照射制御部１０２は、検出部３０３の、例えば一辺が３ｍｍ程度の正方形の検出領域に対応するように、ビーム光１２１を測定部位１５１の複数の箇所に照射する。このようにして所定の領域内で照射された複数のビーム光１２１に対応して生成された複数の光音響信号のすべてを、検出部３０３が同時に検出する。このように、検出部３０３の検出領域で検出された複数の光音響信号は、平均化された状態で検出部３０３より電気信号に変換されて出力される。実施の形態３においては、実施の形態１における処理部の機能を検出部３０３で実現する。

実施の形態３においても、測定部位１５１の所定の領域における異なる箇所で測定した複数の光音響信号を平均化するので、実施の形態１と同様に、測定部位１５１の状態が、時間の経過により変化しても、測定精度の低下が抑制できるようになる。

以上に説明したように、本発明によれば、光照射制御部がビーム光を複数照射したことにより測定部位より発生する複数の光音響信号の各々を検出部で検出し、検出した複数の光音響信号を処理部で平均化するので、光音響法による人体内のグルコースの測定における、人体の経時変化による測定精度の低下が抑制できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…光源部、１０２…光照射制御部、１０３…検出部、１０４…処理部、１５１…測定部位。

Claims

グルコースが吸収する波長のビーム光を出射する光源部と、
前記ビーム光を測定部位に対して複数照射する光照射制御部と、
前記光照射制御部が前記ビーム光を複数照射したことにより前記測定部位より発生する複数の光音響信号の各々を検出する検出部と、
前記検出部が検出した前記複数の光音響信号を平均化する処理部と
を備え、
前記光照射制御部は、前記ビーム光を前記測定部位の各々異なる複数の箇所に照射することで、前記ビーム光を複数照射し、
前記光照射制御部は、前記検出部の検出領域において、前記ビーム光を前記測定部位の複数の箇所に照射し、
前記処理部は、前記検出部であり、前記検出部は、前記複数の光音響信号のすべてを前記検出領域で検出することで、前記複数の光音響信号を平均化することを特徴とする成分濃度測定装置。
グルコースが吸収する波長のビーム光を出射する光源部と、
前記ビーム光を測定部位に対して複数照射する光照射制御部と、
前記光照射制御部が前記ビーム光を複数照射したことにより前記測定部位より発生する複数の光音響信号の各々を検出する検出部と、
前記検出部が検出した前記複数の光音響信号を平均化する処理部と
を備え、
前記光照射制御部は、前記光源部が出射した前記ビーム光を走査することで前記ビーム光を前記測定部位の各々異なる複数の箇所に照射し、
前記光照射制御部は、前記検出部の検出領域において、前記ビーム光を前記測定部位の複数の箇所に照射し、
前記処理部は、前記検出部であり、前記検出部は、前記複数の光音響信号のすべてを前記検出領域で検出することで、前記複数の光音響信号を平均化することを特徴とする成分濃度測定装置。