JPH07501884A - 近赤外定量分析のための発光ダイオード高調波長の使用 - Google Patents
近赤外定量分析のための発光ダイオード高調波長の使用Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
近赤外定量分析のための発光
ダイオード高調波長の使用
光用Ω背恩
意朶上の赳里分野
本出願は、1989年1月19日出願の米国特許出願筒298.904号(現米
国特許第5.028.787号)の一部継続出願である、1990年6月27日
出願の米国特許出願筒544,580号(現米国特許第5.068.229号)
の一部継続出願である。本発明は、小麦中のタンパク質量の測定や被検者の血液
中のグルコース量測定等のサンプル中の構成成分を無侵襲で定量分析するための
器具と方法に係り、特に発光ダイオード(LED)の高調波長を利用する新規な
近赤外定量分析測定器具に関する。
菫旦技街Ω説酉
LEDや赤外発光ダイオード(IRED)を近赤外測定用のエネルギー源として
使用する技術は、よ(知られている。例えばカン1−リーエレベータにおける小
麦や大麦中のタンパク質・湿分の測定には、I REDをエネルギー源として用
いる、何千台というTREBOR−90/XL小麦・大麦テスタが使用されてい
る。同様に、医療機関、ヘルスクラブ、スポーツ施設では、体脂肪を測定するの
に、I REDを用いるFtJTREX−5000身体成分測定具が1万台以上
使用されている。また、今日では、血中糖度測定のような血液の化学組成分析を
行う無侵襲近赤外定量分析器具として、L E DとI REDを組合せたもの
も使用されている。
しかし、LEDやIREDを用いる今日の測定具には、約1100nm以下の波
長しか使うことができないという制限がある。この制限は、主に市販の安価なL
E DやIREDから放射される波長は、最も長いものでも約950nmであ
ることに起因している。IREDの芋出力バンド幅の外側に狭い透過バンド幅を
もつフィルタを配置しても、典型的なI REDでは、11050nを越える波
長をfll用する測定手段とはならない。
1000〜1700nmの波長を有するI REDも市販されているが、このよ
うなエネルギー源はきわめて高価であり、また価格に反して出力は非常に低い。
例えば、U D T 5ensor社のIR−1300型は、波長1300nm
の光エネルギーを放射できるが、出力はわずか20マイクロワットで、しかも価
格は30ドルを越える。他方、典型的なLEDは、その約1000倍の出力のエ
ネルギーを放射でき、価格も0.30ドル未満である。
図1に示すように、1200〜1800nmにかけてのスペクトルは、定量分析
を行う上できわめて重要である。これは、脂肪、デンプンおよびタンパク質のい
くつかの吸収ピークが、この領域において支配的な水の吸収と重畳しないからで
ある。例えば、]、200nmにおいては、比較的強い脂肪の吸収帯(バンド)
があるが、この波長においては水の吸収による干渉はない。しかし、他のスペク
トル領域においては、水による赤外線エネルギーの吸収が、脂肪、デンプンおよ
びクンバク質のような他の有機成分の赤外エネルギー吸収に重畳している。した
がって。
このような低波長領域で有機成分を定量分析しようどしても、水の吸収による干
渉によって、正確な測定は困難である。
!;!12は、低波長領域で水の赤外エネルギー吸収が他の有機成分の吸収とか
なり重畳する様子を示したものである。これとは対間的に、1200 n m
J3よび1600から180Or+mにかりては、水の吸収はぼとんどないため
、タンパク質、脂肪/油類2デンプン等他の成分の測定にとっては、この波長領
域はきわめて魅力的である。。
例えば、米国特許第5,028,787号は、600〜1l100nのスペクト
ル領域のエネルギーを使用した近赤外・無侵襲の血中糖度測定方法を教示してい
る。しかし、このスペクトル領域におC−+る有機成分の吸収は1200nmに
おける吸収より弱い。したがって、水を含む物質における有機成分を測定すると
、しばしば水よる大きな干渉を受ける。このため、現在のところ血中糖度測定は
、600〜1l100nのスペクトル領域において行った方が実際的ではあるが
、そのような測定は1200nmないし1600〜1800nmで行う測定に比
べて複雑になるのは避けられない。
このため、1200〜1800nm領域の有利なエネルギーを放射する安価な固
体エネルギー源を備えた近赤外定量測定具に対する要望が高まっている。
X唄9里又
本発明による、サンプル中の構成成分を測定する近赤外定量分析具は、近赤外エ
ネルギーをサンプル中の物質に明射する、近赤外エネルギー源を含む導入手段を
具備する。このエネルギー源は、ピーク波長と高調波長の放射を行う。本発明の
測定具は、さらに選択した高調波長領域を除く全波長領域において近赤外エネル
ギーのフィルタリングを行うフィルタ手段を備える。またこの測定具は、サンプ
ルから射出するエネルギーを測定する検出手段、および検出手段によって生成さ
れる電気信号を、サンプル中に存在する成分を指示する信号に変換・処理する処
理手段も利用する。
本発明のもう一つの態様による血糖値測定用の近赤外定量分析具は、被検者の身
体の一部位における血液に近赤外エネルギーを導入する導入手段を具備する。こ
の測定具は、さらに導入手段の一高調波長領域を除く全波長領域において近赤外
エネルギーのフィルタリングを行うフィルタ手段を備える。またこの測定具は、
被検者から射出するエネルギーを測定する検出手段、および検出されたエネルギ
ーに対応する電気信号を、被検者の血糖値を指示する信号に変換する処理手段も
利用する。
A血の皿里望説朋
図1は、1200〜1600nm領域における水、デンプン、脂肪およびタンパ
ク質の近赤外エネルギー吸収スベク1ヘルを示す、波長に対して光強度の対数値
(Logll/I)]をブロツ1−シたグラフである。
図2は、900〜I050nm領域における、水の近赤外エネルギー吸収ピーク
が脂肪とタンパク質の吸収ピークに重畳する様子を示す、波長に対して光強度の
対数(Log (1/I) )値をプロットしたグラフである。
図3は、公知のI REDのエネルギースペクトルを示すグラフである図4は、
公知のIREDの基本(中心)波長と高調波長を示すグラフである。
図5は、本発明の一態様による近赤外定量分析具を示す側面図である好ましい態
様の詳細な脱B
本発明の近赤外定量測定具は、市販の安価なLEDから放射される高調波長を分
離して、1200〜1800nm領域のエネルギーを効果的に利用する。通常の
LEDは、かなり狭い単出力バンド幅の中心波長エネルギーを放射するように設
計されている。例えば、図3は、スタンレー電気■(東京、日本)製造の典型的
なLED (部品番号MAA33685)のスペクトルを示すが、このスペクト
ルは、中心波長が約600nmで単出力バンド幅は35nmである。このような
LEDは多くの製品に使用されており、価格も非常に安い(通常0.30ドル未
T@)。
これらのLEDは、近赤外領域で高調波も放射する。例えば図4は、前述の図3
で説明したrMAAJ型LEDの、精密スペクトロフォトメータ(例えばCar
y−14スベクI〜ロフ才1−メータ)で測定したスペクトルを示す。図4によ
れば、MAA型LEDの中心波長は約608nmで、図3に示した中心波長60
4nmとほぼ等しい。図4はまた、安価な部品から放射されるエネルギーに、単
出力バンド幅が約180nmで約1200nmにピークを有するものがあること
を示している。図3と図4は、標準的なスタンレーrMAAJ型のI−E Dは
約604nmの通常の可視光だけでなく1200nm領域の近赤外エネルギーも
放射することを示している。
1200nm領域のエネルギー強度は、604nm領域におけるピークエネルギ
ーの約5%しかない。この値は決して大きいものではないが、1.200nmの
エネルギーを出力する特別仕様のIREI)に比べれば大きい。しかも、120
0nmにおける単出力バンド幅が広いため(例えば]、80nmJ、多種類ある
MAA型LEDは、それぞれの光学フィルタを透過するバンド幅は狭(でも、そ
のいずれかの種類を使うかまたは多数の光学フィルタを備えてLED光の道筋に
配置される「フィルタホイール」を使えば、種々のYll定波長を得ることがで
きる。
各I REDスペクトルのバンド幅は、米国特許第4,286,327号にある
ように、単出力ハンド幅の内側と外側に相当する適当な透過バンド幅を有する光
学フィルタを複数使用することによって調整できる。
次に本発明による近赤外分析具を、体の一部位における血液分析物、例えば血糖
値を測定する、軽量の、手で持てる分析具1oを示す図5を参照して説明する。
この分析具10は、被検体の身体の一部位における血液に近赤外エネルギーを導
入する導入手段を備える。導入手段は、上述の基本波長と高調波長のエネルギー
を放射する、スタンレーrMAA」型L E Dのような、少なくとも1個の標
準的で安価なLEDを含む。
図5に示す二つのLED16と17は、上部フランジ11内に配置さね、各LE
D16.17は不透明な光陽壁19によって互いに光学的に隔離される。
−に1部フランジ11はシャフト12を介して下部フランジ15と回動可能に取
り付けられ、スプリング14はこれらフランジ11と15を閉止位置に維持する
よう働く。光学検出器】8は、下部フランジ15のLEl)16.]、7とは反
対側に取り付けられる。検出器18は、光学的に透明であるかまたは可視光を排
除して近赤外光のみを透過さける材料でできた光学ウィンドー21の後部に配置
される。フィンガーストップ23は、被検体の指を適正な位置に保持するのを助
ける。各フランジ11゜15には、室内光が分析具に入射するのを防止するため
、光シールドバリア14(図5では破線で示す)を備え付ける。
フィルタ手段は、LED16.17と被検体の身体の一部の間に設置され、導入
手段から放射されるエネルギーを選択的にフィルタリングし、またL E Dの
選択した高調波長領域のエネルギーのみを透過させる。
フィルタ手段は、選択した波長領域のエネルギーだけを透過させるものならば、
どのようなフィルタあるいはフィルタ糸でもよい。例えば、図5に示したフィル
タ26と27は、LEDIG、17がら放射されたエネルギーの内、高調波長領
I′Pili(すなわち約1200nm)のものを通ず、透過バンド幅の狭いフ
ィルタである。伯の透過バンド幅の狭い適当なフィルタも用いることができる。
本発明による近赤外定量分析具IOの操作は、次の通りである。被検体の指を分
析具10のフランジ11と15の間に差し込む、1.ED16と17から放射さ
れた光エネルギーに透過バンド幅の狭いフィルタ26と27でフィルタリングを
施し、ついで被検者の指を透過させ、光学検出器18で検出する。検出器18は
、例えば硫化鉛(PbS)の検出器のような、近赤外波長領域のエネルギーを検
出できる適当なものを選択する。インジウム−砒素(InAs)検出器も使用す
ることができる。
検出器18によって生成される電気信号は、接続線29を介してコン;−ローラ
/プロセッサ装置30に送られる。このコントローラ/プロセッサ装置30では
、米国特許第5.028.787号に記載されたような適当なアルゴリズムを用
いて信号を増幅、データ処理し、読み出し装置に表示する。本発明で使用する波
長領域においては、水の干渉が少ないため、先の米国特許第5.028.787
号に記載されたようなアルゴリズムは、回帰項をほとんど持たずに使用できる。
回帰項のほとんどないアルゴリズムを用いれば、測定具を簡単かつ安価なものに
できる。また、電位差計50は、患者の指の厚さを測定するのにも利用すること
ができる。
次に、本発明のもう一つの態様による近赤外分析具を、図6を参照して説明する
。図6は、小麦中におけるタンパク質のような、サンプル中の成分を測定する近
赤外分析具30を示す。分析具30は、サンプル中に近赤外エネルギーを導入す
る導入手段を備える。図6においては、小麦サンプルは、容器手段36中に保持
されている。導入手段は、上述の基本波長と高調波長のエネルギーを放射する、
スタンレーrMAAj型1、、 E Dのような、少なくとも1個の標準的で安
価なLEDを含む。例えば図6に示す二つの1.、、 E D 34は、不透明
な光陽壁35によって互いに光学的に隔離される。図6に示したような特別な態
様においては、マイクロプロセッサ42は、米国特許第4,286,327号に
記載されているように、一時点においては1個のLEDだけを点灯させ、ついで
順にすべてのLEDを自動的に点灯させるようにプログラムを組む。
フィルタ手段は、LED34とサンプルの間に配置され、導入手段から放射され
るエネルギーを選択的にフィルタリングし、またLEDの選択した高調波長領域
のエネルギーのみを透過させる。例えばフィルタ38は、L E I) 34か
ら放射されたエネルギーの内、高調波長領域(すなわち約1200nm)のもの
を通ず、透過バンド幅の狭いフィルタである。フィルタ手段は、選択し7た波長
領域以外の波長の透過を阻止するものならば、どのようなものも用いることがで
きる。フィルタ手段はLEDから放射された高調波波長エネルギーのうち選択し
たものはどのようなものも透過させる。
サンプルを透過したエネルギーは、上述の図5で説明したような適当な検出手段
で検出される。検出手段で生成された電気信号は、増幅器39とログ増幅器40
で増幅され、A/D (アナログ/ディジタル)コンバータ41によってディジ
タル化される。ディジタル化された信号は、マイクロプロセッサ42に送られ、
先の米国特許第5.028.787号に記載されたような適当なアルゴリズムを
用いてデータ処理される。サンプル中の成分の(S度は、読み出し装置44に表
示される。 本発明は上述の好ましい態様に即して説明したが、これに限定され
るものではない。当業者にとっては、続く請求の範囲内において種々の変形が可
能であろう。例えば、措置外の部位、例えば手首に測定を施せばばより正確な分
析か可能であろう。サンプル成分の濃度を算出するアルゴリズムは、公知の近赤
外分析波i+tiiによって種々のものを採用することかできる。
FIG、1
FIG、2
亀 U 棚 7B3
脂 噺 塙 馴
FIG、4
FIG、5
FIG、6
フロントベージの続き
(81)指定回 EP(AT、BE、CH,DE。
DK、ES、FR,GB、GR,IE、IT、LU、MC,NL、SE)、0A
(BF、BJ、CF、CG、CI、 6〜丁、 、GA、GN、ML、MR,S
N、TD、TG)、 AU、 BB、 BG、 BR,CA、 C3,FI、
HU。
J P、 KP、 KR,LK、 MG、 MN、 Ni〜V、 No、PL、
R○、 RU、 SD
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.サンプル中の成分を無侵襲で測定する近赤外定量分析具であって、(a)サ ンプル中に近赤外エネルギーを導入する、ピーク波長と高調波長の近赤外エネル ギーを放射する近赤外エネルギー源を含む導入手段と(b)前記ピーク波長の近 赤外エネルギーにフィルタリングを施し、前記高調波長の内選択したものだけを 透過させるフィルタ手段と、(c)前記サンプルから射出する近赤外エネルギー を検出する検出手段と、 (d)前記検出手段により生成された電気信号をサンプル中の成分量を指示する 信号に処理する処理手段を具備する近赤外定量分析具。 2.前記近赤外エネルギー源は発光ダイオード(LED)または赤外発光ダイオ ード(IRED)である請求の範囲第1項記載の近赤外定量分析具。 3.前記近赤外エネルギー源のピーク波長は約604nmである請求の範囲第1 項記載の近赤外定量分析具。 4.前記近赤外エネルギー源は約1200nmの高調波長を有する請求の範囲第 3項記載の近赤外定量分析具。 5.前記フィルタ手段は約1200nmのエネルギーだけを透過させる請求の範 囲第1項記載の近赤外定量分析具。 6.被検体の身体の一部位における血液分析物を無侵襲で測定する近赤外定量分 析具であって、 (a)前記被検体の身体部位に近赤外エネルギーを導入する、ピーク波長と高調 波長の近赤外エネルギーを放射する近赤外エネルギー源を含む導入手段と、 (b)前記ピーク波長の近赤外エネルギーにフィルタリングを施し、前記高調波 長の内選択したものだけを透過させるフィルタ手段と、(c)前記前記被検体の 身体部位から射出する近赤外エネルギーを検出する検出手段と、 (d)前記検出手段により生成された電気信号を前記被検体の身体部位中の血液 分析物量を指示する信号に処理する処理手段を具備する近赤外定量分析具。 7.前記血液分析物は、前記被検体の身体部位における血液中のグルコース温度 である請求の範囲第6項記載の近赤外定量分析具。 8.前記近赤外エネルギー源は発光ダイオード(LED)または赤外発光ダイオ ード(IRED)である請求の範囲第6項記載の近赤外定量分析具。 9一前記近赤外エネルギー源のピーク波長は約604nmである請求の範囲第6 項記載の近赤外定量分析具。 10.前記近赤外エネルギー源は約1200nmの高調波長を有する請求の範囲 第9項記載の近赤外定量分析具。 11.前記フィルタ手段は約1200nmのエネルギーだけを透過させる請求の 範囲第6項記載の近赤外定量分析具。 12.サンプル中の成分を無侵襲で測定する近赤外定量分析方法であって、 (a)ピーク波長と高調波長の近赤外エネルギーを放射する近赤外エネルギー源 から、サンプル中に近赤外エネルギーを導入する工程と、(b)前記ピーク波長 の近赤外エネルギーにフィルタリングを施し、前記高調波長の内選択したものだ けを透過させる工程と、(c)前記サンプルから射出する近赤外エネルギーを検 出する工程と、(d)前記検出手段により生成された電気信号をサンプル中の成 分量を指示する信号に処理する工程を含む近赤外定量分析方法。 13.前記近赤外エネルギー源のピーク波長は約604nmである請求の範囲第 12項記載の無侵襲定量分析方法。 14.前記近赤外エネルギー源は約1200nmの高調波長を有する請求の範囲 第13項記載の無侵襲定量分析方法。
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