JPH09171015A

JPH09171015A - 尿中成分測定装置

Info

Publication number: JPH09171015A
Application number: JP8297520A
Authority: JP
Inventors: Giyoumei Toku; 暁鳴竇; Seizo Uenoyama; 晴三上野山; Kaoru Ou; かおる王; Koji Matsuoka; 晃司松岡
Original assignee: KDK Corp; Kyoto Daiichi Kagaku KK
Current assignee: Arkray Inc
Priority date: 1995-10-18
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 1997-06-30
Anticipated expiration: 2016-10-18
Also published as: JP3774001B2

Abstract

(57)【要約】【課題】尿中成分の測定器を備えた便器において、ラ
マン分光法を用いて同時に多成分を高精度に定量でき、
便器内に放尿するだけで尿検査ができ、消耗品も不要な
測定ができる。【解決手段】便器本体１の前端部位の下方に凹型の採
尿器４が設置されており、便鉢３内で採尿ができる。採
尿器４内前端側にファイバー孔１３Ｌが１個、採尿器４
内左側にファイバー孔１３Ｒが１個設置されており、こ
のファイバー孔１３Ｌ及びファイバー孔１３Ｒ内部には
便鉢３側に集光を目的とした集光レンズ１５Ｌ及び集光
レンズ１５Ｒと、励起光源１４からの励起光を運ぶ励起
光ファイバー５とラマン光を受光するラマン光受光ファ
イバー６それぞれが設置されている。励起光ファイバー
５は便器本体１外部に設置された励起光源１４から繋が
っており、ラマン光受光ファイバー６は便器本体１外部
に設置された分光検出器１０に通じている。分光検出器
１０で、分光・検出したラマン信号をデータ処理部１１
でデータ処理し、データ出力部１２から測定結果として
出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、尿検査に用いられ
る尿中成分測定装置に関し、特に便器に放尿すると、そ
の尿を自動的に採取し、尿中の複数成分を同時に定性・
定量測定する機能を備えた、便器と一体となった尿中成
分測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】尿検査は、尿検体採取の容易性の点や、
尿が体液中に存在する正常成分の変動や異常成分の存在
を早期に反映する点から、諸種疾患の判定のみならず、
予後や治療法判断の指標としても用いられており、日常
的な健康状態の把握の手段として役立っている。

【０００３】個人でも尿検査は可能であるが、操作に実
験技術が必要なことなどから、あまり行われていない。
個人での尿検査を容易にするためのものとして尿検査試
験紙や測定器を備えた便器が開発されている。尿の一部
を便器の所定の部分に採取し、そこに試験紙を浸して尿
中のグルコースを測定する装置（特公平５−３９５５２
号公報参照）、便器内に採尿室を設け、試薬を用いて尿
中のグルコースやビリルビンを測定する装置（特開平５
−２９２６６号公報参照）、便器から採取した尿に沈殿
剤を添加し、沈殿物の質量からタンパク質の定量を行う
方法（特開平４−２３３４５７号公報参照）、便器に通
じる収容器に尿を採取し、バイオセンサー（酵素反応）
を用いて糖や尿酸を測定する装置（特公平４−３４４４
５号公報参照）などが提案されている。しかし、上記の
装置に共通していることは、尿中成分の測定に試薬や試
験紙などの消耗品を必要とし、中間反応を介した間接法
で測定していることである。

【０００４】試験紙法での判定法は主に比色法であり、
その反応機構は酵素反応や、酸化還元反応などの化学反
応が主である。試薬法では、指示薬や酵素・化学反応を
介した比色法やタンパク測定に使用される比濁法が主で
ある。また、酵素電極を使用したバイオセンサーもあ
る。

【０００５】しかし、いずれの方法にも媒介反応を介し
た間接法であるため潜在的な誤差がある。概して比色法
で判定を行う方法では、結果の判定に誤差が生じやす
く、化学反応を介するものは特異性が低い。また、尿中
にはこれらの検査に干渉する物質が多数存在するため、
それらの干渉物質が反応を阻害したり、偽陽性反応を起
こさせたり、陽性反応とは異なる色調を呈せさせて陽性
反応を隠蔽することもある。酵素を使用する系は元来不
安定で、化学反応を介する系は共存物質の影響を受けや
すい。試験紙法は同時に多項目を測定できるが、半定量
しかできない。

【０００６】また、バイオセンサーも酵素反応を介する
ため、同様のことが起こる。しかも、グルコースや尿酸
の測定ではその技術はほぼ確立しているが、未だ測定不
可能な物質もあり、感度や精度が問題になる。さらに、
在宅での試験紙法による検査では、目視で比色を行なう
ため、その判定には個人差があり、厳密な検査とは言い
難い。また、院内での検査では、採尿カップなどの容器
に患者自らが採尿し、それを看護婦若しくは検査技師な
どの院職員に手渡しなどで渡す必要がある。これには、
患者に対して羞恥心を抱かせる心配がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、尿検
査を行なう際に、試薬や試験紙などの消耗品が不要で、
使用前の試薬の保存安定性やバイオハザード物質の廃棄
の問題を解消し、共存物質による干渉作用を排除し、尿
中に含まれる諸種成分を同時に短時間で定量でき、採尿
の必要がなく、放尿した直後に直接これを測定できるの
で、患者に精神的苦痛を与える心配がない尿検査用の尿
中成分測定装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、従来測定手段として使用されている試薬法や試験紙
法に代えて、光学的手法を採用する。それにより、試薬
や試験紙などの消耗品が不要になり、そのため使用前の
試薬の保存安定性やバイオハザード物質などの廃棄の問
題も解決され、酵素反応や化学反応などの中間反応を介
さないことから共存物質による干渉を受け難く、尿の色
調による陽性色の隠蔽もない尿中成分測定装置を発明し
た。

【０００９】さらに、被測定物質固有のラマン光を利用
して測定する。それにより、短時間で同時に多項目の測
定が可能であり、通常の手段で便器に放尿し、これを測
定検体とすることから、患者に羞恥心を抱かせる心配が
ない。しかも、従来の便器の構造を著しく変化させるこ
となく、製造することが可能である。

【００１０】本発明では被測定物質中の各尿中成分から
固有のラマンスペクトルを得、そのスペクトルを利用し
てそのスペクトル強度及びスペクトルパターンから各成
分濃度を定量測定するものである。本発明で用いる「ラ
マン」なる語句は、狭い意味でのラマン散乱だけでな
く、蛍光が発生している場合にはその蛍光も同時に検出
されるので、ラマン散乱及び蛍光を含んだ意味で使用し
ている。

【００１１】測定しようとする各尿中成分について、水
溶液測定における濃度とこの固有なラマンスペクトル強
度との間の相関係数Ｒが０.８以上、好ましくは０.９以
上のシフト波数をその成分固有の測定シフト波数として
選択し、尿検体に対しラマン励起光を照射し、測定しよ
うとする複数の各尿中成分についてそれぞれ前記の条件
で選択された測定シフト波数でのラマンスペクトル強度
を測定し、予め作成した検量線や多変量回帰分析により
複数の尿中成分を同時に定量分析する。相関係数Ｒは次
の式により与えられる。

【数１】ｘｉ：尿中成分の各点の濃度ｙｉ：ｘｉに対するラマンスペクトル強度Ｘ：尿中成分の各点の濃度の平均値Ｙ：ラマンスペクトル強度の平均値

【００１２】例えば、図２５はグルコースについて、そ
のスペクトルと濃度との相関係数Ｒを縦軸に、スペクト
ルの０〜４０００ｃｍ^-1のシフト波数を横軸にとったグ
ラフである。このグラフを利用して縦軸Ｒが０.８以
上、好ましくは０.９以上のシフト波数を測定シフト波
数として選択すればよい。

【００１３】ただし尿検体が２成分以上を含んでいる場
合、多変量回帰分析のようなデータ処理手法を用いない
で定量を行おうとすれば、尿検体に単一波長の励起光を
照射してその尿検体からの散乱光を受光して得たラマン
スペクトルのうち、各成分に対して上記のように設定さ
れた測定シフト波数で、かつ互いに重ならないシフト波
数でのスペクトル強度をもとに各成分濃度を算出する。

【００１４】また、多変量回帰分析のようなデータ処理
手法を用いることも可能である。多変量回帰分析演算は
主成分回帰分析法（ＰＣＲ法）や部分最小二乗法（ＰＬ
Ｓ法）などの多変量回帰分析法を用いてデータ解析を行
なう。多変量回帰分析法では、一度に多くのスペクトル
強度を用いて回帰分析することができるので、単回帰分
析に比べて高い精度の定量分析が可能である。重回帰分
析はもっとも多用されているが、多数の試料が必要であ
り、各シフト波数でのスペクトル強度同士の相関が高い
場合にはその定量分析精度は低くなる。一方、多変量回
帰分析法であるＰＣＲ法は複数のシフト波数域でのスペ
クトル強度を互いに無関係な主成分に集約させることが
でき、さらに不必要なノイズデータを削除することがで
きるので、高い定量分析精度が得られる。またＰＬＳ法
は主成分の抽出の際に試料濃度のデータも利用すること
ができるので、ＰＣＲ法と同様に高い定量分析精度を得
ることができる。多変量回帰分析に関しては『多変量解
析』（中谷和夫著、新曜社）を参考にできる。

【００１５】種々の変動要因により複雑に変動するスペ
クトルから必要な情報を引き出すには、コンピューター
によるデータ処理が大いに役立つ。代表的な処理法は市
販の近赤外装置等に装備されている処理用ソフトウェア
にも収容されている。また市販のソフトウェアとしてＣ
ＡＭＯ社のアンスクランバー(Unscramber)などがある。
代表的な処理法とは上に挙げた重回帰分析やＰＬＳ法、
主成分回帰分析等である。

【００１６】多変量回帰分析による定量分析に適用する
データ処理の大きな流れは、(1)キャリブレーションモ
デル（検量線）の作成、(2)キャリブレーションモデル
の評価、(3)未知試料の定量である。キャリブレーショ
ンを行なうには、適当な数の検量線作成用試料を充分な
精度で測定する必要がある。得られたスペクトルは必要
に応じて前処理を行なう。代表的な前処理としては、ス
ペクトルの平滑化や微分、正規化があり、いずれも一般
的な処理である。

【００１７】次に、キャリブレーションは、スペクトル
データと目的特性の分析値との間の数学的関係式、すな
わちモデルを構築する処理である。モデルの作成は、検
量線作成用試料の分析値とスペクトルデータを用い、統
計的手法によって行われる。作成された検量線の未知試
料に対する予測の精度正しく評価するため、評価用試料
により、未知試料に対する測定誤差が求められる。キャ
リブレーションモデルの精度が不充分であると判定され
たときは、必要に応じて処理法の種類やパラメーターの
変更など行い、キャリブレーションモデルの修正を行な
う。精度が充分であると認められた検量線は未知試料の
分析に際し、スペクトルデータから目的特性の値を予測
する関係式として使用され、未知試料濃度の定量に用い
られる。

【００１８】図２３に多変量回帰分析の一般的な手順の
フローチャートを示した。検量線作成用試料（分析値既
知）のラマンスペクトル測定を行い、平滑化や正規化等
の前処理を必要に応じて行い、得られたラマンスペクト
ルデータ（各シフト波数におけるラマンスペクトル強
度）から、多変量回帰分析を用いてキャリブレーション
を行い、キャリブレーションモデルを作成する。

【００１９】次にこのキャリブレーションモデルを評価
するための評価用試料（分析値既知）のラマンスペクト
ル測定を行い、必要に応じて前処理を行い、得られたラ
マンスペクトルデータをキャリブレーションモデルに代
入し、実測値とキャリブレーションモデルからの計算値
とを比較し、キャリブレーションモデルの精度を評価す
る。精度が不充分である場合は検量線作成用試料のスペ
クトル測定や前処理、キャリブレーションモデルの作成
等の各段階に戻り、再度評価用試料のラマンスペクトル
データによって、評価を繰り返す。充分な精度が得られ
たと判定されると、未知試料（分析値未知）のラマンス
ペクトル測定により得られたラマンスペクトルデータを
このキャリブレーションモデルに代入し、濃度を計算す
る。

【００２０】測定に用いるシフト波数は、前述のよう
に、濃度とラマンスペクトル強度との相関係数Ｒが０.
８以上、好ましくは０.９以上のシフト波数を選択でき
るが、多変量回帰分析手法を用いる場合は任意の波長範
囲で選択することもできる。

【００２１】尿中成分の濃度は尿量によって変動する。
一方、クレアチニンは時間当りの排泄量が一定してい
る。そこで、測定する尿中成分としてクレアチニンを含
み、測定されたクレアチニン濃度を基準にして他の尿中
成分濃度を補正するのが好ましい。それにより、尿量変
動分を補正した測定値を得ることができる。

【００２２】使用者が便器内に放尿した尿は便器内の凹
型採尿器に採尿される。この尿に例えば励起レーザーか
らラマン励起光を照射し、ラマン光を得る。得られたラ
マンスペクトルデータを演算処理することにより、同時
に多数の尿中成分の定性・定量測定できる。

【００２３】

【実施例】以下に本発明の幾つかの実施例を図面に基づ
いて示すが、本発明がこれらによって限定されるもので
はない。図１（Ａ）は本発明の一実施例の便器本体の側
面断面図を、図２は便器本体の平面断面図を示す。便器
本体１の上面には便穴２が形成されており、従来と同様
な洋風便器形状を呈するものであり、従来と同様に便器
本体１後方上面には洗浄水を貯蔵する洗浄水タンク７が
設置されており、便器本体１内上部に洗浄水孔９が設け
られられている。洗浄水は洗浄水タンク７から通水路８
を通って洗浄水孔９から流れ出し、便鉢３及び採尿器４
を洗浄する。

【００２４】便器本体１内の前端部位の下方に凹型の採
尿器４が設置されており、便鉢３内で採尿ができる。採
尿器４内の前端側にファイバー孔１３Ｌが１個、採尿器
４内左側にファイバー孔１３Ｒが１個設置されており、
このファイバー孔１３Ｌ及びファイバー孔１３Ｒの便鉢
３側に集光を目的とした集光レンズ１５Ｌ及び集光レン
ズ１５Ｒがそれぞれ設置されており、ファイバー孔１３
Ｌ内部には励起光源１４（後の図５，６で説明する）か
らの励起光を運ぶ励起光ファイバー５、ファイバー孔１
３Ｒ内部にはラマン光を受光するラマン光受光ファイバ
ー６が設置されている。

【００２５】ファイバー孔１３Ｌ、ファイバー孔１３Ｒ
の内部の詳細は図１（Ｂ）に記載の通りである。ファイ
バー孔１３Ｌの便器本体１外側に挿入された励起光ファ
イバー５から出射される励起光を集光するためにファイ
バー孔１３Ｌの便鉢３側に集光レンズ１５Ｌが設置され
ている。また、ファイバー孔１３Ｒの便鉢３側には、採
尿器４内の尿検体からのラマン光を集光するために集光
レンズ１５Ｒが設置されており、ここで集光されたラマ
ン光はラマン光受光ファイバー６で受光され、分光・検
出器を含む光学系に導かれる。

【００２６】また、採尿器４の底部には排水孔３５が設
けられ、その排水孔３５の孔径は採尿器４に尿検体が少
なくとも測定に必要な時間は留まるような流路抵抗をも
つ大きさに設定されている。採尿器４の尿は測定中も流
れ出すが、測定中になくなることはない。測定後、採尿
器４に残った尿はその排水孔３５から流れ続け、一定時
間後には採尿器４は空になるが、採尿器４に尿が残って
いる状態で洗浄すれば、残った尿が洗浄水勢により押し
流され、採尿器４内は洗浄水に置き換えられる。採尿器
４に溜まった洗浄水も排水孔３５から流れ出し、一定時
間の後には採尿器４は空になる。

【００２７】また、図２に示すように、励起光ファイバ
ー５は便器本体１外部に設置された励起光源１４から繋
がっており、ラマン光受光ファイバー６は便器本体１外
部に設置された分光検出器１０に通じている。分光検出
器１０で、分光・検出したラマン信号をデータ処理部１
１でデータ処理し、データ出力部１２から測定値として
出力する。励起光源１４、分光検出器１０、データ処理
部１１部及びデータ出力部１２の各部は後の図５，６で
説明する。

【００２８】図３は本発明の他の実施例の便器本体の側
面断面図を、図４はその正面図を示す。図３において、
便器本体１の前面には便穴２が形成されており、従来と
同様な男性用小便器形状を呈するものであり、従来と同
様に便器本体１内上部に洗浄水孔９が設けられている。
便鉢３から採尿器４内に流入した洗浄水は、排水孔３５
から流れ出て、採尿器４内を洗浄する。

【００２９】本実施例においては、便器本体１の内部下
方に凹型の採尿器４が設置されており、便鉢３内で採尿
ができる。採尿器４内下端にファイバー孔１３Ｌが１
個、採尿器４内奥側にファイバー孔１３Ｒが１個設置さ
れており、このファイバー孔１３Ｌ及びファイバー孔１
３Ｒの便鉢３側に集光を目的とした集光レンズ１５Ｌ及
び集光レンズ１５Ｒがそれぞれ設置されており、ファイ
バー孔１３Ｌ内部には励起光源１４（後の図５，６で説
明する）からの励起光を運ぶ励起光ファイバー５、ファ
イバー孔１３Ｒ内部にはラマン光を受光するラマン光受
光ファイバー６が設置されている。

【００３０】また、図４に示すように、図２と同様に励
起光ファイバー５は便器本体１外部に設置された励起光
源１４から繋がっており、ラマン光受光ファイバー６は
便器本体１外部に設置された分光検出器１０に通じてい
る。分光検出器１０で、分光・検出したラマン信号をデ
ータ処理部１１部でデータ処理し、データ出力部１２か
ら測定値として出力する。

【００３１】図５は本発明の実施例における主として光
学系を示すブロック図であり、光源部１６、測定・受光
部１７、測定対象光学調整部１８、分光検出部１９、デ
ータ処理及びデータ出力部２０、補正光学調整部２１か
らなる。測定・受光部１７は便器本体１内に設置されて
おり、光源部１６、測定対象光学調整部１８、分光検出
部１９、データ処理部及びデータ出力部２０、補正光学
調整部２１は便器本体１外に設置されている。

【００３２】具体的に示すと、光源部１６は、単一波長
光を発生する励起光源１４と、励起光源１４からの励起
波長のみを透過し、その他の光は反射するバンドパスフ
ィルター２３と、励起光源１４からの光束を試料用光束
３１ｓと補正用光束３１ｒとに分割するビームスプリッ
タ２４と、測定・受光部１７の採尿器４内の尿検体に試
料用光束３１ｓを収束させるためにビームスプリッタ２
４を挟んで設置された光源集光レンズ２２及び収束レン
ズ３２とを備えている。励起光源１４がレーザ装置であ
る場合には、そのレーザ光からサイドバンドを遮蔽する
ためのバンドパス・フィルタ２３を設けておくのが好ま
しい。

【００３３】励起光源１４としては、例えばレーザ装置
が用いられる。レーザ装置としては連続発振をするＫｒ
イオンレーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、又はＩｎＧａＡｓな
どのレーザーダイオードやＮｄ：ＹＡＧレーザなど、又
はパルスレーザなどを用いることができ、近紫外域から
近赤外域にわたる広い波長範囲のレーザから選択して利
用することができる。レーザ装置以外の光源としてハロ
ゲンランプなどの多波長光を発生する光源を分光器又は
分光フィルタと組み合わせて用いることもできる。

【００３４】励起光の波長は８００ｎｍ以上、すなわち
近赤外以上の長波長領域が好ましい。その理由は以下の
通りである。生体成分は蛍光が大きく、Ａｒレーザ（５
１４.５ｎｍ）やＨｅ−Ｎｅレーザ（６３２.８ｎｍ）な
どの可視光で励起すると蛍光発光効率が高く、スペクト
ルが蛍光の影響を受けやすいが、近赤外以上の長波長領
域の光で励起すると蛍光発光効率が低くなって蛍光の影
響を低減でき、さらに、迷光となる蛍光灯などの外光の
影響も低減できるからである。

【００３５】測定・受光部１７には尿検体が採尿器４に
入れて設置される。測定・受光部１７は、試料用光束３
１ｓを導く励起光ファイバー５と、励起光ファイバー５
からの試料用光束３１ｓを集光して採尿器４中の尿検体
に照射する集光レンズ１５Ｌと、尿検体を採取し、試料
セルとなる採尿器４と、尿検体に試料用光束３１ｓが照
射されて発生したラマン光を集光する集光レンズ１５Ｒ
と、集光レンズ１５Ｒを経て得られたラマン光を受光
し、測定対象光学調整部１８を経て分光検出部１９に導
くラマン光受光ファイバー６とを備えている。励起光フ
ァイバー５とラマン光受光ファイバー６はそれぞれ単芯
の光ファイバーであってもよく、複数本の光ファイバー
が束ねられた光ファイバー束であってもよい。

【００３６】測定対象光学調整部１８は、得られたラマ
ン光から励起光と同じ波長成分（レイリー光）を除去し
て蛍光とラマン散乱光を含んだ測定対象光を取り出すフ
ィルタ２６と、ビームを調整する光学系（集光レンズ２
５及び２７）とを備えている。フィルタ２６は、レイリ
ー光波長をノッチ領域に含むホログラフィック・ノッチ
・フィルタ、又はレイリー光波長及びそれより短波長側
を遮蔽するカットフィルタのいずれかであることが望ま
しい。ホログラフィック・ノッチ・フィルタは、所望の
波長領域のみを遮蔽し、その他の領域の波長光を透過さ
せるものである。その遮蔽される領域（ノッチ領域）に
励起光波長が含まれたものを使用することで、励起光成
分を除去することができる。ホログラフィック・ノッチ
・フィルタは例えばKAISER OPTICAL SYSTEMS. INC.（ア
メリカ）から入手することができる。

【００３７】測定対象光学調整部１８のフィルタ２６と
集光レンズ２７との間には合波手段としてビームスプリ
ッタ２８が設置されており、測定対象光はそのビームス
プリッタ２８を透過し集光レンズ２７を経て分光・検出
器１０の分光器の入口スリットに導かれる。

【００３８】補正光学調整部２１は、ビームスプリッタ
２４により分割された補正用光束３１ｒを合波手段のビ
ームスプリッタ２８へ導くためのものであり、補正用光
束３１ｒを調整するために、光量を減衰させる減光フィ
ルタ２９と、光路を曲げる反射ミラー３０を備えてい
る。補正光学調整部２１からの補正用光束３１ｒはビー
ムスプリッタ２８で反射され、集光レンズ２７を経て分
光・検出器１０の分光器の入口スリットに導かれる。

【００３９】補正用光束３１ｒは励起光源１４からの励
起光のみを含み、試料を経ていないため、試料には依存
せず、光源からの強度変動を忠実に表したものとなる。
補正用光束３１ｒは励起光源１４からの励起光強度の変
動によるスペクトル光強度の変動を補正するものであ
り、そのような補正を必要としない場合は、光源部１６
でのビームスプリッタ２４、補正光学調整部２１及び合
波手段であるビームスプリッタ２８は不要になる。

【００４０】分光検出部１９は、測定対象光学調整部１
８から出射した光束と補正光学調整部２１から出射した
補正用光束３１ｒを、合波手段としてのビームスプリッ
タ２８を介して取り込み分光する分光器、及びその分光
器により分光されたスペクトル光を検出する検出器を備
えた１個の分光・検出器１０を備えている。

【００４１】分光・検出器１０はマルチチャンネル光検
出器を備え、測定しようとする波長領域を同時に検出す
るポリクロメータであることが望ましい。分光・検出器
１０がポリクロメータであるときは、測定しようとする
波長領域を同時に検出することができ、所定領域の測定
対象光スペクトルと励起光とを同時に検出することがで
きる。その結果、測定対象光の各波長の検出時間と励起
光との検出時間に差が生じない。しかし、測定対象光の
各波長の検出時間と励起光との検出時間に差が生じても
良い場合は、分光検出部１９が波長走査型の分光器又は
分光フィルタと、シングルチャンネル光検出器をもちい
て、測定しようとする波長領域を順次検出するようにし
てもよい。

【００４２】データ処理・出力部２０は、分光・検出器
１０の検出器により検出された分光スペクトルのデータ
処理を行なうデータ処理部１１と、データ処理部１１で
処理されたデータを出力する出力部１２とを備えてい
る。データ処理部１１は各部の動作を制御する他、分光
・検出器１０が検出した信号に対し、多変量解析などの
データ処理を行なうものであり、そのデータ処理中には
分光・検出器１０により検出された分光スペクトル中の
励起光成分の検出強度を基準にして測定対象光の検出強
度を補正する機能も含んでおり、光源の変動が補正され
たラマン散乱スペクトルを作成したり、測定対象光強度
から試料の定性や定量も行なう。出力部１２はデータ処
理部１１で処理されたデータを出力するプリンタやディ
スプレイなどである。

【００４３】なお、入射光に対して、被測定物質１１か
らの散乱光のなす角をθとすると、本実施例では、θ＝
９０°としているが、これに限るものでなく、０°≦θ
＜３６０°であればよい。

【００４４】図６は、θ＝１８０°の場合の装置を示
し、図５に示す装置と互いに共通する部分については同
一番号を付す。励起光源部１６からの試料用光束３１ｓ
は、測定対象光学調整部１８に配置された中心透過形反
射ミラー３３を透過し、光ファイバ５ａを経て測定・受
光部１７の尿検体に照射される。測定対象光学調整部１
８は図５と同様であり、光ファイバ５ａを通り、ミラー
３３で反射されてきた尿検体からのラマン光を分光・検
出器１０の分光器の入口スリットに収束させるために集
光レンズ２５、２７が設けられており、集光レンズ２５
と２７の間に励起光と同じ波長成分を除去して測定対象
光を取り出すフィルタ２６として、ノッチ領域に励起光
の波長を含むように設定されたホログラフィック・ノッ
チ・フィルタが配置されている。測定・受光部１７以外
の構成は図５と同じである。

【００４５】図６の実施例では、光ファイバ５ａは励起
光ファイバーとラマン光受光ファイバーを兼ねている。
この場合も、光ファイバ５ａは単芯の光ファイバーであ
ってもよく、複数本の光ファイバーが束ねられた光ファ
イバー束であってもよい。光ファイバー束の場合は一部
を励起光ファイバーとし、残部をラマン光受光ファイバ
ーとするように、区別して使用することもできる。

【００４６】図５、図６の光学系で、ビームスプリッタ
２４，２８，３３として、スライドガラスなどの透明板
ガラスを使用することができる。透明板ガラスを光路に
斜めに配置することにより、１つの入射光を反射光と透
過光に分離したり、透過して入射した光と反射して入射
した光とを同一光軸上に合一させることができる。ビー
ムスプリッタとしてハーフミラーを使用することもでき
るが、透明板ガラスを用いると、透過光に関してはハー
フミラーのような吸収がないので透過光量を増加させる
ことができる。

【００４７】図７は採尿器４内の尿検体を本発明の尿検
査便器により測定する動作を表すフローチャートであ
り、（Ａ）は全体の流れ、（Ｂ）は各部の動作を示した
ものである。便器本体１外の電源をＯＮにすると、測定
準備状態から装置動作がスタートする。励起光の発振が
始まり、測定がスタートする。励起光源１４により励起
された採尿器４内の尿検体のラマン光がラマン光受光フ
ァイバー６で受光され、所定時間のラマンスペクトル測
定後、測定は終了する。得られたラマンスペクトルデー
タを適当なデータ解析演算を行い処理した結果が、各成
分の濃度などとして出力される。データ出力終了後に電
源は自動的にＯＦＦになる。

【００４８】データ処理部１１では、分光・検出部１０
で分光されたラマン光の強度若しくはスペクトルパター
ンをもとにして、多変量回帰分析などの数学的演算処理
により測定データが解析されて、各成分濃度が求められ
る。解析結果は、データ出力部１２に出力される。デー
タ処理部１１は、クレアチニンの濃度を基準にして他の
成分の濃度を補正する演算も行なうことができる。

【００４９】測定をスタートさせるには、手動でスター
トボタンを押す方法の他に、図１Ａにおける排水孔３５
を透明ガラス管で形成しておき、その排水孔３５を尿検
体が通過したときに自動的に測定をスタートさせるよう
にしてもよい。

【００５０】尿中に含まれる幾つかの成分について測定
を行なった結果を示す。図８から図２２までのデータ
は、各単成分の水溶液試料について測定した結果であ
る。図８はクレアチニンのスペクトル強度と濃度との相
関関係を調べた結果であり、重相関係数Ｒ²（相関係数
Ｒの二乗）は０.９６１である。

【００５１】図９から図１１は尿中のタンパク質につい
て定量を行った結果である。アルブミンとグロブリンは
ネフローゼ症候群や腎炎など、ヘモグロビンは尿路系等
の炎症や腫瘍などの指標となる。アルブミンのスペクト
ル強度と濃度との相関関係を調べた結果が図９であり、
重相関係数Ｒ²は０.９９９である。グロブリンのスペク
トル強度と濃度との相関関係を調べた結果が図１０であ
り、重相関係数Ｒ²は０.９９４である。ヘモグロビンの
スペクトル強度と濃度との相関関係を調べた結果が図１
１であり、重相関係数Ｒ²は０.９９８である。

【００５２】図１２から図１５は尿中の糖について定量
を行った結果である。グルコースは糖尿病、ラクトース
は乳児の消化不良、フルクトースは肝障害時の食餌性果
糖症、ガラクトースは重症肝障害や乳児栄養障害などの
指標となる。グルコースのスペクトル強度と濃度との相
関関係を調べた結果が図１２であり、重相関係数Ｒ²は
０.９６４である。ラクトースのスペクトル強度と濃度
との相関関係を調べた結果が図１３であり、重相関係数
Ｒ²は０.９９９である。フルクトースのスペクトル強度
と濃度との相関関係を調べた結果が図１４であり、重相
関係数Ｒ²は０.９９０である。ガラクトースのスペクト
ル強度と濃度との相関関係を調べた結果が図１５であ
り、重相関係数Ｒ²は０.９７４である。

【００５３】図１６から図１８は尿中のケトン体につい
て定量を行なった結果である。アセト酢酸リチウムとβ
−ヒドロキシ酪酸及びアセトンはケトアシドーシスなど
の指標となる。アセト酢酸リチウムのスペクトル強度と
濃度との相関関係を調べた結果が図１６であり、重相関
係数Ｒ²は０.９９８である。β−ヒドロキシ酪酸のスペ
クトル強度と濃度との相関関係を調べた結果が図１７で
あり、重相関係数Ｒ²は０.９９７である。アセトンのス
ペクトル強度と濃度との相関関係を調べた結果が図１８
であり、重相関係数Ｒ²は０.９９９である。

【００５４】図１９と図２０は尿中の胆汁色素について
定量を行った結果である。ビリルビンは肝・胆道疾患、
ウロビリノーゲンは肝・胆道疾患や溶血性疾患などの指
標となる。ビリルビンは水に不溶であるため、本例では
ジタウロビリルビンを使用した。また、ウロビリンに関
しては、ウロビリノーゲンは不安定であり、空気酸化で
容易にウロビリンになるため、ウロビリンで測定を行っ
た。ジタウロビリルビンのスペクトル強度と濃度との相
関関係を調べた結果が図１９であり、重相関係数Ｒ²は
０.９９４である。ウロビリンのスペクトル強度と濃度
との相関関係を調べた結果が図２０であり、重相関係数
Ｒ²は０.９９５である。

【００５５】図２１は尿中の亜硝酸塩について定量を行
った結果であり、そのスペクトル強度と濃度との重相関
係数Ｒ²は０.９９８である。亜硝酸ナトリウムは尿路系
の細菌感染の指標となる。

【００５６】図２２は尿中の尿素について定量を行った
結果であり、そのスペクトル強度と濃度との重相関係数
Ｒ²は０.９９８である。尿中尿素は体内タンパク代謝、
肝・腎機能などを知るうえで有用である。これが増加す
ると体タンパク異化の亢進やキニーネ等の薬物服用が考
えられ、減少すると肝実質障害や腎機能不全が考えられ
る。さらに尿中尿素量は尿比重の指標となることも分か
っており（『新訂臨床検査研修ハンドブック３』小酒井
望、薬事日報社）、一般的に浸透圧・屈折率・尿比重は
相関が良く、三者の判定は比重で代用される（『臨床検
査法提要』金井正光、金原出版株式会社）。

【００５７】図２３、図２４に多変量回帰分析を用いた
例を示す。正常尿に尿素を１５０ｍｇ／ｄｌ、３００ｍ
ｇ／ｄｌ、４５０ｍｇ／ｄｌ、亜硝酸ナトリウムを６０
０ｍｇ／ｄｌ、１.２ｇ／ｄｌ、１.８ｇ／ｄｌ、アセト
ンを３００ｍｇ／ｄｌ、６００ｍｇ／ｄｌ、９００ｍｇ
／ｄｌそれぞれ任意の組み合わせで添加し、スペクトル
測定を行い、多変量回帰分析を用いて濃度の定量を行っ
た。

【００５８】尿中に存在する任意の物質の濃度は次の式
で近似することができる。

【数２】Ｃ；尿中に存在する任意の物質の濃度ｋ（λｉ）；シフト波数ｉｃｍ^-1における比例定数Ａ（λｉ）；シフト波数ｉｃｍ^-1におけるラマンスペク
トル強度ｋ（λｉ）は分析値既知試料の濃度と推定した濃度との
相関係数が最も高くなるように、多変量回帰分析の手順
の中で決定される。なお、この計算は市販の処理用ソフ
トウェアに予め組み込まれており、自動的に行われ、濃
度を求めたい尿中物質毎にこの式が作成される。

【００５９】スペクトル測定から濃度定量までの手順を
フローチャートで示したのが、図２３である。本例で
は、一切の前処理は行わず、処理用ソフトウェアとし
て、パーキンエルマー社のＱＵＡＮＴ＋を用いた。処理
法としてＰＣＲ法を採用した。また、フルクロスバリデ
ーションを行なう際は、キャリブレーションモデルの精
度の評価は省くことができる。

【００６０】図２４は本例で得られた計算値と実測値
（参照値）との相関図であり、重相関係数Ｒ²とＳＥＰ
はそれぞれ尿素が０.９８６と１８.１３、亜硝酸ナトリ
ウムが０.９９２と５７.１７、アセトンが０.９５６と
６９.７４であった。ＳＥＰとは、予測標準誤差のこと
で、以下に示した計算式により算出される。

【数３】ｄｉ；キャリブレーションモデルによる計算値と実測値
との差Ｄ；ｄｉの平均値ｎ；評価用試料の数この数値が小さい方が、検量線の精度が高いということ
を示す。

【００６１】

【発明の効果】本発明の尿中成分測定装置では、採尿器
で採取された尿に対し、ラマン励起光を照射し得られた
ラマン光から測定しようとする複数の体液中成分につい
て、適当なシフト波数位置の強度または全スペクトル強
度を得、多変量回帰分析法などの手法を利用することで
尿中の複数成分を同時に短時間で定量分析できるように
なり、試験紙や試薬などの消耗品が不要となり、また、
使用後の廃棄の問題も発生しない。採尿の必要もなく、
しかも個人でも容易に尿検査を行なうことができる。さ
らに、酵素反応や化学反応を介さないので共存物質の影
響を受け難く、精度よく測定できる。本発明の装置は既
存の便器に、排水孔と励起光源とラマン光受光ファイバ
ー及び集光ファイバーを設置するためのごく小さな穴を
空けるだけでよく、便器本体外に設置する分光検出部と
データ処理部及びデータ出力部も極簡易なもので対応で
きるため、広い場所を必要としない。そのため家庭や病
院内のトイレにも既存のスペースに設置可能である。ま
た、比較的安価な検出器等を使用していることもあり、
製造・加工に関する費用も安価ですむ。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は一実施例の便器本体の側面断面図、
（Ｂ）はその便器への光ファイバ取りつけ部を示す斜視
図である。

【図２】同実施例の便器本体の平面断面図である。

【図３】他の実施例の便器本体の側面断面図である

【図４】同実施例の便器本体の正面図である。

【図５】一実施例における主として光学系を示すブロッ
ク図である。

【図６】他の実施例における主として光学系を示すブロ
ック図である。

【図７】本発明の尿検査便器により測定する動作を表す
フローチャート図である。

【図８】クレアチニン濃度とラマン散乱光強度との相関
関係を示す図である。

【図９】アルブミン濃度とラマン散乱光強度との相関関
係を示す図である。

【図１０】グロブリン濃度とラマン散乱光強度との相関
関係を示す図である。

【図１１】ヘモグロビン濃度とラマン散乱光強度との相
関関係を示す図である。

【図１２】グルコース濃度とラマン散乱光強度との相関
関係を示す図である。

【図１３】ラクトース濃度とラマン散乱光強度との相関
関係を示す図である。

【図１４】フルクトース濃度とラマン散乱光強度との相
関関係を示す図である。

【図１５】ガラクトース濃度とラマン散乱光強度との相
関関係を示す図である。

【図１６】アセト酢酸リチウム濃度とラマン散乱光強度
との相関関係を示す図である。

【図１７】β−ヒドロキシ酪酸濃度とラマン散乱光強度
との相関関係を示す図である。

【図１８】アセトン濃度とラマン散乱光強度との相関関
係を示す図である。

【図１９】ジタウロビリルビン濃度とラマン散乱光強度
との相関関係を示す図である。

【図２０】ウロビリン濃度とラマン散乱光強度との相関
関係を示す図である。

【図２１】亜硝酸ナトリウム濃度とラマン散乱光強度と
の相関関係を示す図である。

【図２２】尿素濃度とラマン散乱光強度との相関関係を
示す図である。

【図２３】多変量回帰分析によるスペクトル測定から濃
度定量までの手順を示すフローチャート図である。

【図２４】尿中の複数成分の多変量回帰分析により算出
した計算値と実測値との相関図である。

【図２５】グルコースについて、そのスペクトルと濃度
との相関係数Ｒ²を縦軸に、スペクトルの０〜４０００
ｃｍ^-1のシフト波数位置を横軸にとったグラフである。

【符号の説明】

１便器本体２便穴３便鉢４採尿器５励起光ファイバー６ラマン光受光ファイバー１０分光検出器１１データ処理部１２データ出力部１３Ｌ，１３Ｒファイバー孔１４励起光源１５Ｌ，１５Ｒ集光レンズ３５排水孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松岡晃司京都府京都市南区東九条西明田町57番地株式会社京都第一科学内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】便器本体と、便器本体内で放尿を受ける位置に設けられた採尿器と、可視または近赤外の波長領域の励起光を発生する励起光
源部と、励起光源部からの励起光を採尿器内の尿検体へ照射する
とともに、その励起光照射により尿検体から発生したラ
マン光を含む測定対象光を受光する測定・受光部と、測定・受光部で受光された測定対象光を取り込み、測定
しようとする尿中成分について選択された測定シフト波
数でのラマンスペクトル強度、又は任意のシフト波数範
囲の各シフト波数におけるラマンスペクトル強度を測定
する分光・検出器を含む光学系と、前記光学系で得られたラマンスペクトル強度測定値を取
り込み、それを基にして１又は２以上の尿中成分濃度を
算出するデータ処理部と、前記データ処理部によるデータ解析結果を出力するデー
タ出力部と、を備えたことを特徴とする尿中成分測定装
置。
【請求項２】測定しようとする尿中成分について選択
された測定シフト波数は、その尿中成分の濃度とラマン
スペクトル強度との相関が良好なその成分固有のシフト
波数であり、前記データ処理部は複数の尿中成分についての濃度とそ
れぞれの測定シフト波数でのラマンスペクトル強度との
関係を示す検量線データを保持しており、複数の尿中成
分についてのそれぞれの測定シフト波数でのラマンスペ
クトル強度測定値を取り込み、検量線データを利用して
尿中の複数成分を同時に定性・定量分析するものである
請求項１に記載の尿中成分測定装置。
【請求項３】測定しようとする尿中成分について選択
された測定シフト波数は、その尿中成分の濃度とラマン
スペクトル強度との相関が良好なその成分固有のシフト
波数であり、前記データ処理部は複数の尿中成分についてのそれぞれ
の測定シフト波数でのラマンスペクトル強度測定値を取
り込み、多変量回帰分析により尿中の複数成分を同時に
定性・定量分析するものである請求項１に記載の尿中成
分測定装置。
【請求項４】前記測定シフト波数は、その尿中成分の
水溶液試料測定における相関係数Ｒが０.８以上、好ま
しくは０.９以上のシフト波数である請求項２又は３に
記載の尿中成分測定装置。
【請求項５】前記データ処理部は複数の尿中成分につ
いて任意の波長範囲の各波長におけるラマンスペクトル
強度測定値を取り込み、多変量回帰分析により尿中の複
数成分を同時に定性・定量分析するものである請求項１
に記載の尿中成分測定装置。
【請求項６】測定する尿中成分としてクレアチニンを
含み、前記データ処理部はクレアチニン濃度を基準にし
て他の尿中成分濃度を補正するものである請求項１から
５のいずれかに記載の尿中成分測定装置。
【請求項７】前記分光・検出器はマルチチャンネル光
検出器を備えて複数のシフト波数でのラマンスペクトル
強度を同時に検出するものである請求項１から６のいず
れかに記載の尿中成分測定装置。
【請求項８】前記採尿器の底部には排水孔が設けら
れ、その排水孔の孔径は採尿器に尿検体が少なくとも測
定に必要な時間は留まるような流路抵抗をもつ大きさに
設定されている請求項１から７のいずれかに記載の尿中
成分測定装置。
【請求項９】前記励起光源部は波長が８００ｎｍ以上
の光を含む励起光を発生するものである請求項１から８
のいずれかに記載の尿中成分測定装置。
【請求項１０】前記励起光源部の励起光源が半導体レ
ーザーである請求項９に記載の尿中成分測定装置。
【請求項１１】前記分光・検出器を含む光学系と前記
励起光源部は便器本体の外部に設置され、便器本体内の
採尿器と前記光学系及び前記励起光源部の間に光伝送路
として光ファイバーが設けられている請求項１から１０
のいずれかに記載の尿中成分測定装置。