JP7067460B2 - 成分濃度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、成分濃度測定装置に関し、より具体的には、血液中のグルコースなどの成分濃度を非侵襲に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（光音響信号）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

桑原 啓 他、「スマホで視る血液の流れ―超小型ウェアラブル血流センサ」、ＮＴＴ技術ジャーナル、２１－２４頁、２０１４年、１１月。

ところで、この種の測定の対象となる人体の部位においては、血管の径が常に一定ではなく変動している。例えば、血流量を測定していると、安静にしていても、心拍以外に約１０秒間隔の周期的な揺らぎが存在している。この約１０秒周期の揺らぎは、バソモーションと呼ばれる血管の収縮運動の影響を表している。このような血管の収縮運動に伴い血管の径が変化すると、この箇所における血液中の血漿と間質液との割合が変化して測定誤差につながる。

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などの成分濃度の測定における、血管の状態が変化することによって発生する測定誤差を抑制することを目的とする。

本発明に係る成分濃度測定装置は、測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を被測定者の測定部位に照射する光出射部と、ビーム光を照射した測定部位から発生する光音響信号を時系列に検出する検出部と、被測定者の心拍数または脈拍数を時系列に計測する計測部と、計測部が時系列に計測した心拍数または脈拍数の複数の値の統計量を求める演算部と、演算部が求めた統計量により検出部が検出した光音響信号を補正する補正部とを備える。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、補正部は、演算部が統計量の算出に用いた最新の心拍数または脈拍数の値の計測直後に検出部が検出した光音響信号を補正する。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、補正部は、予め設定されている補正係数を演算部が求めた統計量に乗じた値を、検出部が検出した光音響信号に加算することで補正する。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、演算部は、計測部が時系列に計測した心拍数または脈拍数の複数の値の分散、標準偏差、平均、時間微分値のいずれかを統計量として求める。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、補正部が補正した光音響信号により物質の濃度を求める濃度算出部を備える。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、物質はグルコースであり、光出射部は、グルコースが吸収する波長のビーム光を照射する。

以上説明したように、本発明によれば、時系列に計測した被測定者の心拍数または脈拍数の統計量をもと検出された光音響信号を補正するので、光音響法による人体内のグルコースなどの成分濃度の測定における、血管の状態が変化することによって発生する成分濃度の測定誤差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、本発明の実施の形態における成分濃度測定装置のより詳細な構成を示す構成図である。 図３は、本発明における成分濃度測定装置の演算部１０４，補正部１０５，濃度算出部１０６のハードウエア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図１を参照して説明する。この成分濃度測定装置は、光出射部１０１、検出部１０２、計測部１０３、演算部１０４、補正部１０５、および濃度算出部１０６を備える。

光出射部１０１は、測定対象の物質が吸収する波長のビーム光１２１を生成し、生成したビーム光１２１を第１保持部材１１１より測定部位１５１に向けて出射する。例えば、測定対象の物質が血中のグルコースの場合、光出射部１０１は、グルコースが吸収する波長のビーム光１２１を生成する光源部１０１ａと、光源が生成したビーム光１２１を、予め設定されたパルス幅のパルス光とするパルス生成部１０１ｂとを備える。

なお、グルコースは１．６μｍ近傍および２．１μｍ近傍の光の波長帯において吸収特性を示す（特許文献１参照）。グルコースが測定対象物質の場合、光出射部１０１が出射するビーム光１２１は、０．０２秒以上のパルス幅のビーム光とする。

検出部１０２は、第２保持部材１１２に収容されている。検出部１０２は、ビーム光１２１が照射された測定部位１５１から発生する光音響信号を検出する。検出部１０２は、例えば、２分ごとに光音響信号を検出する。検出部１０２には、クリスタルマイクロフォン、セラミックマイクロフォン、セラミック超音波センサ等の圧電効果・電歪効果を用いたもの、ダイナミックマイクロフォン、リボンマイクロフォン等の電磁誘導を用いたもの、コンデンサマイクロフォン等の静電効果を用いたもの、磁歪振動子等の磁歪を用いたものを用いることができる。圧電効果を持つものには、例えば周波数平坦型電歪素子（ＺＴ）またはＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの結晶を含むものが例示できる。検出部１０２は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）増幅器を内蔵するＰＺＴから構成することもできる。検出部１０２は、光音響信号を測定された時刻情報とともに記憶部１０５に記憶させてもよい。

ここで、光出射部１０１および検出部１０２について、図２を用いてより詳細に説明する。まず、光源部１０１ａ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１０２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、第１光源２０１へ駆動電力を供給し、第１光源２０１より上記信号の周波数に同期して強度変調された光を出射させる。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、信号線を解して駆動回路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、第２光源２０２へ駆動電力を供給し、第２光源２０２より上記信号の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射させる。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の光ビームとしてパルス生成部１０１ｂに入射する。パルス生成部１０１ｂは、例えば、光チョッパーから構成できる。光ビームが入射されたパルス生成部１０１ｂでは、入射した光ビームを所定のパルス幅のパルス光として測定部位１５１に向けて出射する。

検出器２０７は、測定部位１５１で発生した光音響信号を検出し、電気信号に変換して、信号線を解して位相検波増幅器２０８へ送信する。位相検波増幅器２０８は、同期検波に必要な同期信号を発振器２０９から受信するとともに、検出器２０７から送信されてくる光音響信号に比例する電気信号を受信し、同期検波、増幅、濾波を行って、光音響信号に比例する電気信号を出力する。このように処理された電気信号（光音響信号）が、測定された時刻の情報とともに記憶部（不図示）に記憶される。

位相検波増幅器２０８より出力される信号の強度は、測定部位１５１内の成分（グルコース、水）により吸収された、第１光源２０１および第２光源２０２の各々が出力する光の量に比例するので、上記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（光音響信号）が、補正部１０５で補正され、補正された光音響信号により、濃度算出部１０６が、測定部位１５１内の血液中の測定対象の物質（グルコース）の成分の量（濃度）を求める。

上記のように、同一の周波数の信号により強度変調された２つの光を用いることで、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、複数の光を用いる場合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）。

次に、計測部１０３は、被測定者の心拍数または脈拍数を時系列に計測する。計測部１０３は、例えば、１分あたりの心拍数を１０秒ごとに計測する。計測部１０３は、例えば、レーザ血流計から構成することができる（非特許文献１参照）。レーザ血流計は、レーザ光源から赤外光を皮膚に照射して散乱された光を受光素子で検出する。血管内を移動する赤血球に当たって散乱する光は，光のドップラー現象により，赤血球の移動速度に比例した周波数シフトを生じるため，検出した信号の周波数スペクトルを分析することにより，血液の流れに関する情報（脈拍数）を取得することができる。また、計測部１０３は、心電計測器から構成することもできる。心電計測器か計測した心電位から心拍数を求めることができる。

演算部１０４は、計測部１０３が時系列に計測した心拍数や脈拍数の複数の値（計測値）の統計量を求める。演算部１０４は、設定されている期間において計測部１０３により計測され、記憶部に記憶されている複数の計測値の統計量を求める。例えば、演算部１０４は、複数の計測値の分散を統計量として求める。また、例えば、演算部１０４は、複数の計測値の標準偏差を統計量として求める。また、例えば、演算部１０４は、複数の計測値の平均を統計量として求める。また、例えば、演算部１０４は、複数の計測値の時間微分値を統計量として求める。

統計量を求める複数の計測値を計測する期間は、血管の収縮運動の周期より長くする。例えば、バソモーションは３秒ごとに発生するので、統計量を求める複数の計測値を計測する期間は３秒以上とする。

補正部１０５は、演算部１０４が求めた統計量により検出部１０２が検出した光音響信号を補正する。補正部１０５は、演算部１０４が統計量の算出に用いた最新の心拍数または脈拍数の値の計測直後に検出部１０２が検出した光音響信号を補正する。実施の形態では、補正部１０５は、予め設定されている補正係数を演算部１０４が求めた統計量に乗じた値を、検出部１０２が検出した光音響信号に加算することで補正する。補正係数は、脈拍数から血流の良さを求めて血糖が各部位に行き渡るのに要する時間を補正するための係数である。

補正係数は、以下に示すように予め求めておくことができる。所定の期間において、計測部１０３が計測した複数の計測値の統計量を求めておく。また、上記所定の期間に実際に採取された血液を分析して求めた測定対象の物質（例えばグルコース）の濃度値を測定しておく。次に、上記所定の期間に続いて検出部１０２が検出した光音響信号を補正部１０５で補正した補正値より濃度算出部１０６が算出した濃度値が、血液の分析により測定された濃度値となるように、補正係数を設定しておく。

なお、上述した演算部１０４，補正部１０５，濃度算出部１０６は、図３に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算処理装置）３０１と主記憶装置３０２と外部記憶装置３０３と、ネットワーク３０５に接続するためのネットワーク接続装置３０４となどを備えたコンピュータ機器であり、主記憶装置３０２に展開されたプログラムによりＣＰＵ３０１が動作することで、上述した各機能が実現される。また、各機能は、複数のコンピュータ機器に統計量させるようにしてもよい。

以上に説明したように、本発明によれば、時系列に計測した被測定者の心拍数または脈拍数の統計量をもと検出された光音響信号を補正するので、血管の状態が変化することによって発生する成分濃度の測定誤差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…光出射部、１０１ａ…光源部、１０１ｂ…パルス制御部、１０２…検出部、１０３…計測部、１０４…演算部、１０５…補正部、１０６…濃度算出部、１２１…ビーム光、１５１…測定部位。

Claims (6)

1. 測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を被測定者の測定部位に照射する光出射部と、
   前記ビーム光を照射した前記測定部位から発生する光音響信号を時系列に検出する検出部と、
   前記被測定者の心拍数または脈拍数を時系列に計測する計測部と、
   前記計測部が時系列に計測した心拍数または脈拍数の複数の値の統計量を求める演算部と、
   前記演算部が求めた統計量により前記検出部が検出した光音響信号を補正する補正部と
   を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
2. 請求項１記載の成分濃度測定装置において、
   前記補正部は、前記演算部が統計量の算出に用いた最新の心拍数または脈拍数の値の計測直後に前記検出部が検出した光音響信号を補正する
   ことを特徴とする成分濃度測定装置。
3. 請求項１または２記載の成分濃度測定装置において、
   前記補正部は、予め設定されている補正係数を前記演算部が求めた統計量に乗じた値を、前記検出部が検出した光音響信号に加算することで補正する
   ことを特徴とする成分濃度測定装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   前記演算部は、前記計測部が時系列に計測した心拍数または脈拍数の複数の値の分散、標準偏差、平均、時間微分値のいずれかを統計量として求めることを特徴とする成分濃度測定装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   前記補正部が補正した光音響信号により前記物質の濃度を求める濃度算出部を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   前記物質はグルコースであり、
   前記光出射部は、グルコースが吸収する波長のビーム光を照射することを特徴とする成分濃度測定装置。

Images