JPH0956702A

JPH0956702A - 無侵襲血中成分濃度測定装置

Info

Publication number: JPH0956702A
Application number: JP7210619A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ariizumi; 昌弘有泉; Tomomi Ono; 智巳小野
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1995-08-18
Filing date: 1995-08-18
Publication date: 1997-03-04

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の波長の光を利用するに際して採用され
る分光フィルターの温度特性（波長シフト）の測定値へ
与える影響を除去する。【解決手段】光源部４、分光フィルター４１及び受光
部５がこの順で配列され、その間に指尖（測定部位）Ｓ
の差し込み部分が準備されている。光源部４はグルコー
ス濃度Ｃｇを測定するべく、４種類の波長を含む光を照
射し、各波長は分光フィルター４１で分離される。分光
された４種類の光は、更に参照光と測定光とされて、受
光され、それぞれの受光光量が測定さる。これらの受光
光量から演算部８１でグルコース濃度、測定部位の温度
差、光路長、分光フィルターの波長シフト量が算出さ
れ、更に、予め求めておいた波長シフトとの相関関係に
基づく補正式あるいは補正テーブル（演算制御部８内の
ＲＯＭに記憶）を利用して、正確なグルコース濃度Ｃｇ
（血中成分濃度）が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源と受光部との
間に分光フィルターを介在させて所要の複数の波長光を
受光するようにした光学的手段を用い、受光された光量
から生体のグルコース濃度等の血中成分濃度を測定する
無侵襲の血中成分濃度測定装置に係り、特に分光フィル
ターの温度特性に起因して生じる測定値の誤差を補正し
て正確な血中成分濃度を求める測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】糖尿病の診断や治療のための血糖値の測
定装置として、近年、血液を取り出すことなく、あるい
は生体組織の一部を破壊することなく光学的手段を用い
て血液中あるいは生体組織内のグルコース（ブドウ糖）
濃度を測定する、いわゆる無侵襲式のものが提案されて
いる。

【０００３】かかる光学的な無侵襲式のグルコース濃度
の基本的な測定は、グルコースに吸収されることでグル
コース濃度に応じて吸収度（吸光度）が変化する波長光
と、グルコースにほとんど吸収されない波長光とを測定
部位に照射し、その測定部位を透過あるいは拡散反射し
た各光のエネルギーに基づいて、グルコース以外の成分
物質による影響を排除して求めることで行われる（特開
昭６０−２３６６３１号公報、特開平３−１７３５３５
号公報）。

【０００４】一方、測定光の受光レベルが測定部位の表
面温度の影響を受けることを考慮して、グルコース濃度
を算出する演算式中にこの表面温度の要素を加味して、
より正確なグルコース濃度を求めるようにしたものが提
案されている（米国特許第５０８６２２９号公報）。

【０００５】更に、Ｎ個の異なる波長光を用いて、血液
以外の生体組織の脈動による影響を受けることなく、
（Ｎ−１）個の血中成分の相対濃度を測定するものが提
案されている（特公平５−８８６０９号公報）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】米国特許第５０８６２
２９号公報記載の発明は、専用の測温手段で測定部位の
表面温度を測定し、これをグルコース濃度の算出に考慮
したものであって、測定環境の温度がグルコース濃度に
及ぼす影響について考慮したものではない。また、特公
平５−８８６０９号公報記載の発明は、複数の波長の光
を用いることで、複数の血中成分の相対濃度を測定可能
とするものであるが、測定環境の温度に対しては全く考
慮されていない。

【０００７】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
複数の波長の光を利用するに際して採用される分光フィ
ルターの温度特性の測定値へ与える影響を除去するよう
にした無侵襲血中成分濃度測定装置を提供することを目
的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
Ｎ種類の血中成分に対する各濃度を無侵襲で測定する装
置において、（Ｎ＋３）個の波長を含む光を照射する光
源と、上記照射光から上記（Ｎ＋３）個の波長の光を分
離する分光フィルターと、上記光源からの直接光と生体
組織を透過または反射した測定光とを上記分光フィルタ
ーを介して受光する受光手段と、この受光手段で受光し
た各波長毎の直接光及び測定光の各受光光量から上記Ｎ
種類の血中成分濃度を算出する濃度算出手段と、得られ
たＮ種類の血中成分濃度に対して、上記分光フィルター
の波長のシフト量に起因して生じる上記Ｎ種類の血中成
分濃度の誤差分を補正する濃度補正手段とを備えたもの
である。

【０００９】この発明によれば、Ｎ種類の血中成分の濃
度を測定するために、（Ｎ＋３）個の波長を含む光源が
用いられる。光源からの光は分光フィルターで上記（Ｎ
＋３）個の光に分離される。測定は、光源と受光部間に
生体組織（測定部位）が介在されて、それを透過しある
いは反射して得られる測定光が受光され、一方、光源か
ら直接の参照光も受光される。このようにして２（Ｎ＋
３）個の受光光量データが得られ、これより血中成分濃
度（例えばグルコース濃度Ｃｇ）、基準温度に対する温
度差Δｔ、分光フィルターの温度による波長シフト量Δ
λ及び光路長δ（第１実施形態ではｄで表わしてい
る。）が算出され、このグルコース濃度がΔｔ、Δλ、
δを用いて補正式で補正され、正確なグルコース濃度Ｃ
ｇが求められる。あるいは、得られた受光光量から、更
に吸光度Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃、Ａ₄も求め、この吸光度Ａ₁、
Ａ₂、Ａ₃、Ａ₄から正確なグルコース濃度Ｃｇが求めら
れる。

【００１０】これらの補正は、分光フィルターの波長シ
フト量と、血中成分濃度及び他の値との相関関係を予め
求めておいて、その判明した相関関係を補正式か補正テ
ーブルの形で予め装置内部の記憶部（ＲＯＭ）等に記憶
しておき、測定時にこの補正式か補正テーブルを利用し
て、先に算出した血中成分濃度に対して更に補正を施
し、正確な血中成分濃度を算出する。求めるべき血中成
分濃度が２種類であれば、５種類の波長を含む光を照射
可能な光源が採用され、分光フィルターによって、それ
ぞれの波長が分離される。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る無侵襲血中
成分濃度測定装置の第１実施形態を示すブロック構成図
である。

【００１２】本装置は、測定プローブ１及び測定装置本
体２から構成されている。なお、測定プローブ１はケー
ブルＫを介して測定装置本体２と接続されている。

【００１３】測定プローブ１は、ハウジング１ａを有
し、そのハウジング１ａ内に測定対象を挾んで圧迫する
カフ部３、このカフ部３を介して対向する位置に配設さ
れた光源部４及び受光部５を備えている。なお、光源部
４及び受光部５の一方側には、後述する所要の複数の波
長光を分離するための分光フィルターが分離波長の数の
枚数だけ準備され、交換（差換）可能に配設されてい
る。この第１実施形態では光源部４の前面に分光フィル
ター４１が配設されている。

【００１４】カフ部３は、中央に指尖等が差し込み可能
な形状を有する軟質透明材からなる中空の圧迫部３０及
びその圧迫部３０と後述するカフ圧制御回路１１とを接
続して空気の供給と吸引とが行われるチューブ３１によ
って構成されるもので、圧迫部３０は、カフ圧制御回路
１１から空気が供給されることにより膨張して、測定対
象としての生体組織（測定部位）Ｓである指尖の他、耳
朶、手首あるいは新生児や幼児の手の甲、足の甲等を圧
迫するようになっている。

【００１５】光源部４は、ハロゲンランプ等からなり、
後述するグルコース濃度等の血中成分濃度測定用の波長
λ１、生体内の測定部位の温度による吸光度のずれに対
する補正のための波長λ２、及び光路長や測定環境の温
度による分光フィルター４１のピーク波長のシフトに対
する補正のための波長λ３，λ４を含む波長帯域の光を
測定部位Ｓへ照射するものである。上記分光フィルター
４１はそれぞれ薄板状で、光源部４が波長λ１，λ２，
λ３，λ４を含む広帯域の波長の光を照射する際に、こ
れらの波長λ１，λ２，λ３，λ４の光をそれぞれ分離
抽出する。

【００１６】受光部５は、測定部位Ｓを透過した光エネ
ルギーを受光して光電変換し、測定装置本体２へ出力す
るものである。この受光部５は、１乃至は複数のフォト
トランジスタ等の受光素子がライン状あるいはマトリク
ス状に配列されてなるものである。また、受光部５の前
面に対向させて分光フィルターを配設してもよい。

【００１７】測定装置本体２は、受光部５からの波長λ
１，λ２，λ３，λ４の光の受光信号をそれぞれ増幅及
びフィルタリング（雑音除去）する信号処理回路６、こ
の信号処理回路６からの出力信号をデジタル信号に変換
するＡ／Ｄ変換回路７、波長λ１，λ２，λ３，λ４の
光の透過光量（受光光量）よりグルコース濃度等の血中
成分濃度を演算するとともにグルコース濃度等の測定の
ためのプログラムに基づいて測定装置本体２の各部を総
括制御する演算制御部８を備えている。

【００１８】また、測定装置本体２は、血中のグルコー
ス濃度等、測定した血中成分濃度を表示する表示部９、
プリントアウトする出力部１０を備えるとともに、カフ
部３による測定部位Ｓの圧迫、解除を制御すべくカフ部
３への空気供給を制御するカフ圧制御回路１１、光源部
４に発光指示を与える発光回路１２、グルコース濃度の
測定開始を指示する測定開始スイッチやプリントアウト
を指示するプリントキースイッチ等の各種のスイッチを
有する操作部１３及び測定装置本体２の各部へ電源供給
を行なう電源部１４を備えている。

【００１９】また、演算制御部８は、測定部位Ｓにおけ
るグルコース濃度等の測定を行なうべく、Ａ／Ｄ変換回
路７からの波長λ１，λ２，λ３，λ４の各光の透過光
量に基づいてグルコース濃度等を算出するようになって
いる。また、演算制御部８は、メモリを有しており、入
力された信号に基づいて後述する演算を実行する制御プ
ログラム等を記憶するＲＯＭ、演算値を一時的に保存す
るＲＡＭを有する。

【００２０】先ず、グルコース濃度測定用の波長λ１、
測定部位の温度による吸光度のずれに対する補正のため
の波長λ２を用いた、グルコース濃度の算出を例にして
説明する。このグルコース濃度Ｃgは、重回帰の式を利
用して求めることができる。今、血液における透過光量
が数１で表されるとする。

【００２１】

【数１】

【００２２】以下、種々の条件下での測定について説明
する。

【００２３】(1)未知数がＣｇ，Δｔの場合（光路長ｄ
は一定）波長λ１，λ２における透過光量は、数１より数２のよ
うに表される。

【００２４】

【数２】

【００２５】数２を解くと、数３に示すようにグルコー
ス濃度Ｃgが求まる。但し、log（I_λ1/Ｉ_0λ1）は波長
λ１における吸光度である。

【００２６】

【数３】

【００２７】数３は数４のような一般式に書換えること
ができ、

【００２８】

【数４】

【００２９】そして、数４に数５の各値Ｋ₁〜Ｋ₃を代入
することで、グルコース濃度Ｃｇが算出される。

【００３０】

【数５】

【００３１】(2)未知数がＣｇ，Δｔ，ｄの場合波長λ１，λ２，λ３（但し、λ３は光路長を求めるた
めのもの）における透過光量は、数１より数６のように
表される。

【００３２】

【数６】

【００３３】数６を解くと、数７に示すようにグルコー
ス濃度Ｃgが求まる。

【００３４】

【数７】

【００３５】ここで、数７は数８のような一般式に書換
えることができ、

【００３６】

【数８】

【００３７】そして、数８に数９の各値Ｋ₁〜Ｋ₃、ｋ₁
〜ｋ₃を代入することで、グルコース濃度Ｃｇが算出さ
れる。

【００３８】

【数９】

【００３９】今、特殊な場合として、 λ１：グルコース吸収有，温度特性有 λ２：グルコース吸収無，温度特性有 λ３：グルコース吸収無，温度特性無となる波長を選択すると、ε_gλ2＝ε_gλ3＝ε_tλ3＝０
であるから、数８は数１０のように簡易なものとなる。

【００４０】

【数１０】

【００４１】(3)血液中に無視できない妨害物質が存在
する場合この場合、数１は数１１のように表わすことができる。

【００４２】

【数１１】

【００４３】そこで、数１１を上記と同様にし、グルコ
ース濃度Ｃgについて解くと、数１２が得られ、これよ
りグルコース濃度Ｃgが算出される。

【００４４】

【数１２】

【００４５】また、更に妨害物質が増大したときは、そ
の分、測定波長数を増加した数１３を用いることで、グ
ルコース濃度Ｃgが算出される。

【００４６】

【数１３】

【００４７】(4)血液以外の組織の影響を考慮した場合この場合には、数１は数１４のように表すことができ
る。

【００４８】

【数１４】

【００４９】数１４を用いると、上記(1)における数４
に対応して数１５が得られ、この数１５によりグルコー
ス濃度Ｃgが算出される。

【００５０】

【数１５】

【００５１】また、上記(2)における数８に対応して数
１６が得られ、この数１６によってもグルコース濃度Ｃ
gが算出される。

【００５２】

【数１６】

【００５３】また、上記(3)における数１３に対応して
数１７が得られ、この数１７によっってもグルコース濃
度Ｃgが算出される。

【００５４】

【数１７】

【００５５】ここで、グルコース濃度を測定するために
用いられるグルコース濃度測定用の波長λ１と温度補正
用の波長λ２とについて説明する。吸光度がグルコース
濃度の変化に依存して大きく変化する波長をグルコース
濃度測定用波長λ１として選択することが、グルコース
濃度の測定精度の点で好ましい。従って、グルコースに
吸収され易い、すなわちグルコースによる吸収ができる
だけ強い波長の光を選択することになるが、このグルコ
ースによる吸光度は波長によって温度特性を有する場合
がある。従って、温度補正を行なって温度変化による測
定値の誤差の発生を防止する必要がある。

【００５６】この場合、吸光度がグルコース濃度の変化
にほとんど依存せず、温度のみに依存する波長であっ
て、光の吸収が波長λ１の温度特性に相関した温度特性
を有する波長域から選択された波長λ２を温度補正用の
波長として用いることで、グルコースによる吸収が強い
波長λ１の光に対して温度補正を施すことができる。

【００５７】図４及び図５は、横軸に波長を、縦軸にグ
ルコース水溶液の吸光度を示し、そして濃度を基準（図
では、“０”のライン）としてグルコース濃度を変化さ
せた場合の吸光度の変化を示しているもので、これによ
ればグルコース濃度が高くなるに従って、吸光度が大き
くなっている。この図４及び図５では、グルコース水溶
液は、波長１６００ｎｍ近傍をピークに波長域１５６０
ｎｍ〜１７６０ｎｍの近赤外光に対して強い吸収が見ら
れ、且つ高濃度になる程、その吸光度が高くなってい
る。また、波長域２０８０ｎｍ〜２２３０ｎｍ及び波長
域２２５０ｎｍ〜２２９０ｎｍの近赤外光に対しても強
い吸収が見られ、且つ高濃度になる程、その吸光度が高
くなっている。

【００５８】図６及び図７は、グルコース水溶液の濃度
を一定にして温度をパラメータとした場合におけるグル
コース水溶液の相対的な吸光度特性を示すもので、横軸
は波長を示し、縦軸は図４及び図５に比して拡大されて
おり、且つ、低温を基準温度としたときの吸光度に対す
る差を示している。なお、図６及び図７は、グルコース
濃度を一定にし、且つ所定の低温度を基準（図では、
“０”のライン）として温度を変化させた場合の吸光度
の変化を示している。そして、吸光度は、基準とした低
温度に近づくに従って、“０”のラインに近づくように
なっている。

【００５９】そして、波長域１４４０ｎｍ〜１５６０ｎ
ｍの近赤外光の吸光度と、グルコース水溶液の吸光度が
高い（図４参照）波長域１５６０ｎｍ〜１７６０ｎｍの
近赤外光の吸光度とは、温度変化に対して略等しい相関
を有している。この波長域１４４０ｎｍ〜１５６０ｎｍ
の近赤外光の吸光度は、図４に示すように、グルコース
濃度の変化に対してほとんど変化しない。また、波長域
２０５０ｎｍ〜２０８０ｎｍの近赤外光の吸光度と、グ
ルコース水溶液の吸光度が高い（図５参照）波長域２０
８０ｎｍ〜２２３０ｎｍ及び波長域２２５０ｎｍ〜２２
９０ｎｍの近赤外光の吸光度とは、温度変化に対して略
等しい相関を有している。この波長域２０５０ｎｍ〜２
０８０ｎｍの近赤外光の吸光度は、図５に示すように、
グルコース濃度の変化に対してほとんど変化しない。な
お、波長域２０５０ｎｍ〜２０８０ｎｍと波長域２２５
０ｎｍ〜２２９０ｎｍとの温度特性は、負の相関関係に
なっている。

【００６０】このように、図４にグルコース水溶液に対
して波長１６００ｎｍをピークに波長域１５６０ｎｍ〜
１７６０ｎｍの近赤外光で強い吸収が見られるため、グ
ルコースによる吸収が強い波長λ１としては、この波長
域１５６０ｎｍ〜１７６０ｎｍの範囲内から選択され
る。また、波長λ１としては、図５に示すように、強い
吸収が見られる波長域２０８０ｎｍ〜２２３０ｎｍある
いは比較的強い吸収が見られる波長域２２５０ｎｍ〜２
２９０ｎｍから選択されるものであってもよい。

【００６１】一方、図４，図６に示すように、波長域１
４４０ｎｍ〜１５６０ｎｍの近赤外光で吸光度がグルコ
ース濃度の変化に対して余り変化しないようになってお
り、また、図６から分かるように、この波長域１４４０
ｎｍ〜１５６０ｎｍでは波長域１５６０ｎｍ〜１７６０
ｎｍと温度変化に対して略等しい相関を有している。従
って、波長域１５６０ｎｍ〜１７６０ｎｍの範囲内から
選択される波長λ１に対する波長λ２は、この波長域１
４４０ｎｍ〜１５６０ｎｍの範囲内から選択される。

【００６２】また、図５，図７に示すように、波長域２
０５０ｎｍ〜２０８０ｎｍの近赤外光で吸光度がグルコ
ース濃度の変化に対して余り変化しないようになってお
り、また、図７から分かるように、この波長域２０５０
ｎｍ〜２０８０ｎｍでは波長域２０８０ｎｍ〜２２３０
ｎｍと温度変化に対して略等しい相関を有している。従
って、波長域２０８０ｎｍ〜２２３０ｎｍの範囲内から
選択される波長λ１に対する波長λ２は、この波長域２
０５０ｎｍ〜２０８０ｎｍの範囲内から選択される。

【００６３】さらに、波長域２０５０ｎｍ〜２０８０ｎ
ｍは波長域２２５０ｎｍ〜２２９０ｎｍと温度変化に対
して略等しい相関を有しているため、波長域２２５０ｎ
ｍ〜２２９０ｎｍの範囲内から選択される波長λ１に対
するグルコースによる吸収が弱い波長λ２として、波長
域２０５０ｎｍ〜２０８０ｎｍの範囲内から選択され
る。なお、波長域２０５０ｎｍ〜２０８０ｎｍと波長域
２２５０ｎｍ〜２２９０ｎｍとの温度特性は、負の相関
関係になっている。

【００６４】この特定の波長λ１，λ２に基づいて得ら
れるグルコース濃度Ｃｇを、Ｃｇ＝Ｆ（λ１、λ２）と
すると、λ１が１５９５ｎｍ、λ２が１５３５ｎｍの例
では、Ｃｇ＝Ｆ（１５９５ｎｍ、１５３５ｎｍ）のよう
になる。

【００６５】また、第１実施態様では、上記の特定の単
一波長を選択する場合の他に、グルコース吸収波長域全
体の平均を１つの吸光波長と見做し、これをグルコース
吸収波長域とすることも可能である。例えば、１５３０
ｎｍ〜１８００ｎｍでは全体としてグルコースの吸収が
あり、この平均を平均吸光度とすると、単一波長と同様
に考えることができる。また、温度相関波長域について
も波長域の全体の平均を平均吸光度とすると、単一波長
と同様に考えることができる。上記の例では、Ｃｇ＝Ｆ
（１５６０ｎｍ〜１７６０ｎｍ、１３００ｎｍ〜１４４
０ｎｍ）のようになる。なお、波長域の幅は上記の例に
比して大きく、あるいは小さく設定されたものでもよ
い。このように特定波長を波長域として捉えることによ
り、十分な発光光量レベルを確保することができ、ま
た、ノイズに起因する誤差をかなり軽減し得て測定精度
の確保が可能となる。以下、波長λ１、λ２というとき
は、単一波長と波長域の双方を含んだものとして扱う。

【００６６】次に、図２及び図３のフローチャートを用
いて、本測定装置による血中成分の内のグルコース濃度
の測定動作を説明する。まず、測定部位（生体組織）Ｓ
である指尖等をカフ部３に無圧迫状態で挾み込ませた
後、操作部１３の測定開始スイッチがオンされて光源部
４から波長λ１，λ２を含む光が測定部位Ｓへ照射さ
れ、受光部５で受光されて、波長λ１，λ２の各光の透
過光量がそれぞれ測定される（♯１）。図３のサブルー
チンは、この測定処理を示している。

【００６７】すなわち、光源部４からの波長λ１の光が
測定部位Ｓを透過して受光部５に入射されることにより
受光部５で光電変換され（♯２１）、信号処理回路６に
よって増幅、フィルタリングされる（♯２３）。続い
て、この信号処理回路６からの受光信号がＡ／Ｄ変換回
路７によってデジタル信号に変換され（♯２５）、この
Ａ／Ｄ変換された波長λ１の光の透過光量Ｉ₁が演算制
御部８のメモリ（ＲＡＭ）に格納される（♯２７）。

【００６８】同様に、♯３で、光源部４からの波長λ２
の光が測定部位Ｓを透過して受光部５に入射されること
により、図３のサブルーチンの処理が実行されて波長λ
２の光の透過光量Ｉ₂が演算制御部８のメモリに格納さ
れる。

【００６９】♯５では、カフ部３の圧迫部３０を膨張さ
せて測定部位Ｓを圧迫すべく、チューブ３１を介してカ
フ圧制御回路１１から圧迫部３０へ空気供給される。こ
の圧迫状態で光源部４からの波長λ１の光が測定部位Ｓ
を透過して受光部５に入射されることにより、図３のサ
ブルーチンの処理が実行されて圧迫状態での波長λ１の
光の透過光量Ｉ₁´が演算制御部８のメモリに格納され
る。

【００７０】続いて、圧迫状態で光源部４からの波長λ
２の光が測定部位Ｓを透過して受光部５に入射されるこ
とにより、図３のサブルーチンの処理が実行されて圧迫
状態での波長λ２の光の透過光量Ｉ₂´が演算制御部８
のメモリに格納される（♯７，♯９）。なお、波長λ
１，λ２での測定に際しては、分光フィルター４１が適
宜、対応する波長用のフィルターに交換されている。

【００７１】♯１１では、例えば、上記無圧迫状態と圧
迫状態との波長λ１の光の透過光量の差、及び無圧迫状
態と圧迫状態との波長λ２の光の透過光量の差が求めら
れ、これらの差に基づいてグルコース濃度Ｃg（血中濃
度）が抽出される。

【００７２】次いで、グルコース濃度が表示部９に表示
され、カフ部３の圧迫部３０のカフ圧が減圧されて測定
部位Ｓの圧迫が解除される（♯１３，♯１５）。続い
て、操作部１３のプリントキースイッチがオンされてい
るかどうかが判別され（♯１７）、プリントキースイッ
チがオンされていると（♯１７でＹＥＳ）、グルコース
濃度がプリンタ１１によって印字出力される（♯１
９）。この後、♯１に戻ってグルコース濃度の再測定が
行なわれる。

【００７３】一方、プリントキースイッチがオフのまま
のときには（♯１７でＮＯ）、♯１９の処理を行なうこ
となく、直ちに♯１に戻る。

【００７４】なお、上記フローチャートでは、グルコー
ス濃度の測定を繰り返し行なうようにしているが、操作
部１３に再測定スイッチを設け、この再測定スイッチが
オンされたときに♯１に戻ってグルコース濃度の再測定
を行なうようにしてもよい。

【００７５】また、上記フローチャートでは、測定部位
Ｓを圧迫しない状態で波長λ１，λ２の透過光量を測定
した後、圧迫した状態で波長λ１，λ２の透過光量を測
定したが、この測定の順番を逆にしてもよい。

【００７６】このように、グルコースによる吸収が強い
波長λ１の光と、光の吸収が温度のみに依存し、且つ、
波長λ１の光の吸光度と温度変化に対して相関を有する
波長λ２を用いて温度補正してグルコース濃度を求める
ので、グルコース濃度の測定精度を高めることができ
る。

【００７７】例えば、図１０に示すように、グルコース
による吸収が強い波長λ１の光の透過光量に基づいて演
算されたグルコース濃度を波長λ２の光の透過光量に基
づいて温度補正すると、この温度補正されたグルコース
濃度は、温度変化に拘らず実際のグルコース濃度にほぼ
一致する。

【００７８】また、図２では、測定部位Ｓを圧迫しない
状態と圧迫した状態との波長λ１，λ２の透過光量の差
を用いてグルコース濃度を算出する手法を採用したが、
これにより、脈動による血液量の変化、あるいは生体組
織の個人差、例えば皮膚、骨の個人差に起因するグルコ
ース濃度の測定誤差が抑制され、測定精度をさらに高め
ることができる。

【００７９】すなわち、測定部位Ｓを圧迫した状態で
は、測定部位Ｓには血液がほとんど流れない（虚血）た
め、このときの波長λ１の光の吸収はほとんど皮膚、骨
の生体組織によって行なわれる。一方、測定部位Ｓを圧
迫しない状態では、測定部位Ｓに血液が流れ、このとき
の波長λ１の光の吸収は血中のグルコース及び皮膚、骨
等の生体組織によって行なわれる。

【００８０】従って、測定部位Ｓを圧迫しない状態での
波長λ１，λ２の透過光量と圧迫した状態での波長λ
１，λ２の光の透過光量との差を求めることにより、皮
膚、骨の生体組織での波長λ１，λ２の光の吸収による
影響をほとんどキャンセルすることができる。

【００８１】また、測定部位Ｓの透過光量は前記数１４
に示すとおりであり、一方、圧迫して虚血したときの透
過光量は数１８で表されるから、

【００８２】

【数１８】

【００８３】そこで、数１４に数１８を代入すれば数１
９が得られ、このようにしても血液のみの場合と同様に
グルコース濃度の測定ができる。

【００８４】

【数１９】

【００８５】なお、測定部位Ｓを圧迫することなく、波
長λ１，λ２の透過光量を所定時間毎に繰り返し測定し
て波長λ１，λ２の透過光量から脈動成分を抽出し、こ
の脈動成分のみを用いてグルコース濃度の測定を行なっ
てもよい。

【００８６】この場合、波長λ１，λ２の透過光量の脈
動成分は、血液の脈動による血液量の変化によるもので
ある。従って、この波長λ１，λ２の透過光量の脈動成
分のみを用いてグルコース濃度の測定を行なうことによ
り、皮膚、骨等の生体組織による波長λ１，λ２の光の
吸収の影響を取り除いて、測定精度を向上させることが
できる。

【００８７】すなわち、血液の脈動成分を含めると、前
記数１は光路長ｄがΔｄ変化するとして、あるタイミン
グで得られた透過光量は、

【００８８】

【数２０】

【００８９】として表され、一方、平均透過光量は、

【００９０】

【数２１】

【００９１】として表される。ここで数２０と数２１と
から、透過光量は、

【００９２】

【数２２】

【００９３】として表すことができるので、前述同様に
グルコース濃度Ｃgが算出できる。このような演算方法
を採用すれば、血液以外の組織の透過率の影響について
数１６、数１７のように考慮する必要がなくなるので、
精度良くグルコース濃度を測定することが可能になる。

【００９４】ところで、上記において、光路長が未知数
の場合にλ１，λ２，λ３を利用してグルコース濃度を
求めたが、実際には分光フィルターの分光特性として理
想的なものは製造し得えず、実際の分光特性は、図１１
に示すように、半値幅が数十ｎｍか、それ以上と広く裾
引きのあるものとなってしまうため、実測値と上記算出
値とは必ずしも一致することにはならない。更に、分光
フィルターが、その特性として温度によってピーク波長
がシフトするという性質を有していることから、より正
確なグルコース濃度を求めるためには、この波長シフト
特性を考慮する必要がある。以下、説明する。

【００９５】図１２は、本発明に係る無侵襲血中成分濃
度測定装置の第２実施形態を示すブロック構成図であ
る。本装置は、基本的に第１実施形態の測定装置と同一
であり、測定プローブ１及び測定装置本体２から構成さ
れている。

【００９６】測定プローブ１は、測定部位である指尖等
が差し込み可能な空間を隔てて対向する光源部４及び受
光部５を備えている。光源部４側には光源からの照射光
から所要波長λ１，λ２，λ３，λ４を分離する分光フ
ィルタ４１が交換可能に配設し得るようになっている。

【００９７】測定装置本体２は、受光部５を構成する光
電変換素子に入射した光電流を電圧変換するＩ／Ｖ変換
回路６ａ、このＩ／Ｖ変換回路６ａからの信号をデジタ
ル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７及び演算制御部８を
備え、この演算制御部８は、グルコース濃度等の血中成
分濃度の測定のためのプログラムに基づいて測定装置本
体２の各部を総括制御する演算制御部８０と、波長λ
１，λ２，λ３，λ４の光の透過光量よりグルコース濃
度を演算する演算部８１とを備えている。この演算制御
部８内には、後述する補正テーブルや補正式あるいは変
換テーブル等を記憶するＲＯＭを有している。

【００９８】図１３は、光源部４と受光部５との間の光
学的構造図である。図において、光源部４の分光フィル
ター４１と受光部５との間には、測定光と参照光とを形
成するべく、それぞれ４５°だけ傾斜されたハーフミラ
ー４２，４３及びミラー４４，４５が配設されている。
ハーフミラー４２，４３からなる光軸は分光フィルター
４１を透過した光を指尖Ｓに照射し、透過させて測定光
として受光部５に導くためのものである。ミラー４４，
４５は指尖Ｓを迂回させる光軸を形成するもので、ハー
フミラー４２で反射された照射光をミラー４４，４５で
反射させてハーフミラー４３に戻し、ハーフミラー４３
で反射させた後、参照光として受光部５に導くようにし
ている。なお、参照光の受光時には、ハーフミラー４
２，４３間は遮光され、参照光のみが受光部５に導かれ
るようにしている。

【００９９】今、血液中のグルコース濃度を測定する場
合において、グルコース濃度Ｃｇ、温度差Δｔ及び光路
長δが未知数であるとき、ある波長λ_nの光による血液
の透過光量が数２３で表わされるとする。

【０１００】

【数２３】

【０１０１】このとき、波長λ_nでの血液の透過率Ｔ_n、
吸光度Ａ_nは、数２４、数２５で与えられる。

【０１０２】

【数２４】

【０１０３】

【数２５】

【０１０４】数２５を解くには、Ｃｇ，Δｔ，δの変数
に対して、３波長が必要であり、ここで、波長λ１、λ
２、λ３が用いられる。各波長における吸光度Ａ₁，
Ａ₂，Ａ₃は、数２５を参照して、数２６〜数２８のよう
に表わされる。

【０１０５】

【数２６】

【０１０６】

【数２７】

【０１０７】

【数２８】

【０１０８】よって、数２６〜数２８をグルコース濃度
Ｃｇ，温度差Δｔ，光路長δについて解くと、数２９〜
数３１のように、

【０１０９】

【数２９】

【０１１０】

【数３０】

【０１１１】

【数３１】

【０１１２】となり、血液中のグルコース濃度Ｃｇが数
２９で求められる。

【０１１３】しかし、実際に各波長での吸光度を求める
には、図１２に示す分光フィルター４１、図１３に示す
フィルタ光学的構造を利用して参照光と指尖Ｓに対する
測定光とを測定することとなる。そこで、これを式で表
わすと、

【０１１４】

【数３２】

【０１１５】

【数３３】

【０１１６】となり、このとき数３２、数３３より透過
光Ｔ_n、吸光度Ａ_nは数３４、数３５のようになる。

【０１１７】

【数３４】

【０１１８】

【数３５】

【０１１９】今、測定する指尖Ｓのグルコース濃度Ｃｇ
₀、血液中の基準温度との差Δｔ₀、光路長δ₀を、真の
値としての設定値とする。このとき、数３５から求めた
吸光度Ａ_nを用いて数２９よりグルコース濃度Ｃｇを求
めても、図１１に示す分光フィルター４１の分光特性
（裾引き）のために、数２５と数３５とが等しくならな
いことから、値ＣｇとＣｇ₀とは一致しない。

【０１２０】そこで、３波長を用いた測定において、演
算より求めたグルコース濃度Ｃｇから真値Ｃｇ₀を求め
る方法について説明する。数２９〜数３１より演算で求
めたグルコース濃度をＣｇ、温度差をΔｔ、光路長δと
すると、設定値（Ｃｇ₀，Δｔ₀，δ₀）と演算値（Ｃ
ｇ，Δｔ，δ）とは１対１に対応しているはずであるか
ら、種々の設定値（Ｃｇ₀，Δｔ₀，δ₀）に対する演算
値（Ｃｇ，Δｔ，δ）との相関関係を補正テーブルとし
て作成し、これをメモリ（ＲＯＭ）に予め記憶しておく
ことで、この補正テーブルから正しいグルコース濃度Ｃ
ｇ₀を得ることが可能となる。なお、設定値と演算値と
の相関関係は補正テーブルに代えて、多変量解析によっ
てＣｇ₀とＣｇ，Δｔ，δとの関係を数３６に示す関
数、

【０１２１】

【数３６】

【０１２２】として求め、これを記憶しておくことによ
り、この関数ｆ（Ｃｇ，Δｔ、δ）を用いて、より正確
なグルコース濃度等を算出するようにしてもよい。表１
は、３波長をλ１＝１５００ｎｍ，λ２＝１５１０ｎ
ｍ、λ３＝１８００ｎｍとし、分光フィルター４１の半
値幅を１００ｎｍとした場合の設定値（Ｃｇ₀，Δｔ₀，
δ₀）と演算値（Ｃｇ，Δｔ，δ）との関係を表わす補
正テーブルの一部を示している。

【０１２３】

【表１】

【０１２４】ところが、実際には、分光フィルター４１
は、光源部４からの熱輻射による温度上昇や経時変化等
によりピーク波長が常に一定とはならない。そこで、分
光フィルター４１が波長シフトを生じた場合に、この現
象がグルコース濃度Ｃｇの測定値に与える影響について
考える必要がある。

【０１２５】今、分光フィルター４１の波長が一律にΔ
λだけ波長シフトを生じた場合を考えると、このときの
各波長をλ１’＝λ１＋Δλ，λ２’＝λ２＋Δλ、λ
３’＝λ３＋Δλで表わされ、演算によって求められた
グルコース濃度、温度差、光路長をそれぞれＣｇ’，Δ
ｔ’，δ’とすると、数２９〜数３１より、

【０１２６】

【数３７】

【０１２７】

【数３８】

【０１２８】

【数３９】

【０１２９】となり、各係数Ｅ_gln，Ｅ_tln，Ｅ_ln，
Ｅ_On，Ｅ_Wnは波長シフトを生じていないときの値である
ため、Ｃｇ≠Ｃｇ’，Δｔ≠Δｔ’，δ≠δ’ であるから、補正テーブルや数３６を用いても、正しい
グルコース濃度Ｃ_g0を求めることはできない。

【０１３０】そこで、表２として、表１における各分光
フィルター４１が一律に＋１ｎｍだけシフトした場合の
設定値（Ｃｇ₀，Δｔ₀，δ₀）と演算値（Ｃｇ’，Δ
ｔ’，δ’）との関係及び演算結果であるＣｇ’，Δ
ｔ’，δ’の各値から表１の補正テーブルを用いてグル
コース濃度を求めた結果を示す。

【０１３１】

【表２】

【０１３２】人体の血液中の血糖値は、正常値で７０〜
１１０（mg／dl）であり、低血糖の人で６０（mg／dl）
以下、高血糖の人で１４０（mg／dl）以上である。そし
て、血糖値をモニタするには、±１０（mg／dl）程度の
精度が必要と考えられている。しかし、表２では、誤差
が４００（mg／dl）程度もあり、このままでは利用でき
ないことが分かる。また、一般に、分光フィルター４１
は波長シフトの温度特性として０．０２〜０．０３ｎｍ
／℃程度であるので、測定環境や条件等によっては１ｎ
ｍ程度の波長シフトを生じることも考えられなくもな
い。

【０１３３】そこで、本発明では、数２３において、波
長シフトの項Δλを考慮することとした。以下にその方
法を示すと、今、ある波長での血液の透過光量が数４０
で表わされるとする。

【０１３４】

【数４０】

【０１３５】すると、この波長での血液の透過率Ｔ_n及
び吸光度Ａ_nは数４１、数４２で与えられる。但し、Ｅ
_Snはフィルター４１の波長シフト係数である。

【０１３６】

【数４１】

【０１３７】

【数４２】

【０１３８】

【数４３】

【０１３９】よって、数４２を解くには、Δλの変数が
増えたため、計４波長が必要となり、このときの波長λ
１，λ２，λ３，λ４での吸光度Ａ₁〜Ａ₄は次のように
なる。

【０１４０】

【数４４】

【０１４１】

【数４５】

【０１４２】

【数４６】

【０１４３】

【数４７】

【０１４４】よって、数４４〜数４７をＣｇ，Δｔ，Δ
λ，δについて解くと、

【０１４５】

【数４８】

【０１４６】

【数４９】

【０１４７】

【数５０】

【０１４８】

【数５１】

【０１４９】

【数５２】

【０１５０】

【数５３】

【０１５１】

【数５４】

【０１５２】となり、血液中のグルコース濃度Ｃｇは数
４８で求められる。しかし、３波長を用いた測定の場合
と同様に、実際に測定する吸光度Ａ_nは数３５で与えら
れるので、補正テーブルや相関関数を使って正確なグル
コース濃度を求める必要がある。

【０１５３】今、測定する指尖Ｓのグルコース濃度
Ｃ_g0、血液中の基準温度との温度差Δｔ₀、光路長δ₀、
フィルターの波長シフトΔλ₀を、真の値としての設定
値とする。このとき、数４８〜数５１より演算で求めた
グルコース濃度をＣ_g、血液中の基準温度との温度差を
Δｔ、光路長をδ、フィルターの波長シフトをΔλとす
ると、設定値（Ｃ_g0，Δｔ₀，δ₀，Δλ₀）と演算値
（Ｃ_g，Δｔ，δ，Δλ）とは１対１に対応しているは
ずであるから、種々の設定値（Ｃｇ₀，Δｔ₀，δ₀）に
対する演算値（Ｃｇ，Δｔ，δ）との相関関係を、表３
に示すように補正テーブルとして求め、これをメモリ
（ＲＯＭ）に予め記憶しておくことで、この補正テーブ
ルから正しいグルコース濃度Ｃｇ₀を得ることが可能と
なる。

【０１５４】

【表３】

【０１５５】また、４波長の各吸光度Ａ₁〜Ａ₄について
も、（Ｃ_g0，Δｔ₀，δ₀，Δλ₀）と（Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，
Ａ₄）とは１対１に対応している。従って、上述のよう
な相関関係に基づく補正テーブルを用いて解く方法に代
えて、直接（Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄）と（Ｃ_g0，Δｔ₀，
δ₀，Δλ₀）との関係の変換テーブルを予め作成してＲ
ＯＭに記憶しておき、この変換テーブルから正しいグル
コース濃度Ｃ_g0を算出することもできる。

【０１５６】もしも、数４３の近似式が成立しない場合
には、演算式によって（Ｃ_g，Δｔ，δ，Δλ）を
（Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄）で表すことができないので、真
値（Ｃ_g0，Δｔ₀，δ₀，Δλ₀）と（Ｃ_g，Δｔ，δ，Δ
λ）との関係を示すテーブルが作成できない。しかし、
直接（Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄）と（Ｃ_g0，Δｔ₀，δ₀，Δ
λ₀）との関係を示すテーブルを作成することは可能で
あるので、正しいグルコース濃度Ｃ_g0を算出することが
できる。

【０１５７】また、相関関係は、テーブルに代えて、多
変量解析によって関数ｇ，ｈを、

【０１５８】

【数５５】

【０１５９】

【数５６】

【０１６０】のように求めてＲＯＭに記憶しておき、か
かる関係を満足する関数ｇ，ｈを用いてグルコース濃度
を算出する方法を採用することもできる。

【０１６１】以上の方法を採用することで、分光フィル
ター４１の波長シフトΔλを考慮し得るため、波長シフ
トの有無に影響されることなく、常に正確なグルコース
濃度を求めることができる。

【０１６２】しかし、一般には、分光フィルターの波長
シフトの特性は、中心波長により、そのシフト量が異な
るので、次に、分光フィルターの波長シフトが一律でな
い場合について考える。

【０１６３】今、分光フィルター４１を構成する各波長
に対するフィルターの波長シフト量をそれぞれΔλ₁，
Δλ_2,Δλ₃，Δλ₄とすると、数４４〜数４７は、

【０１６４】

【数５７】

【０１６５】

【数５８】

【０１６６】

【数５９】

【０１６７】

【数６０】

【０１６８】となる。

【０１６９】このとき、各波長に対するフィルターのシ
フト量の相関関係を、予め数６１のように求めておき、

【０１７０】

【数６１】

【０１７１】この数６１を用いると、数５７〜数６０
は、

【０１７２】

【数６２】

【０１７３】

【数６３】

【０１７４】

【数６４】

【０１７５】

【数６５】

【０１７６】となる。

【０１７７】よって、分光フィルター４１を構成する各
フィルターの波長シフト量が一律でないときでも、各フ
ィルター間の相関関係が分かれば、その関係を補正テー
ブルとしてＲＯＭに記憶しておき、演算結果にこの補正
テーブルで補正を行わせることで波長シフトに影響され
ない正確なグルコース濃度を求めることができる。

【０１７８】次に、図１４のフローチャートを用いて第
２実施形態におけるグルコース濃度を例にした測定動作
を説明する。まず、測定部位（生体組織）Ｓを光源部４
と受光部５間に差し込んだ状態で、光源部４から波長λ
１，λ２，λ３、λ４を含む光が順次（波長に対するフ
ィルターへの交換に応じて）測定部位Ｓへ照射され、受
光部５で受光されて、波長λ１，λ２、λ３、λ４の各
光の透過光量がそれぞれ測定される（♯３１）。次に、
測定部位Ｓを外し（この間を遮光した）状態で、光源部
４から、上記と同様にして波長λ１，λ２，λ３、λ４
の光が順次参照光として直接受光部５に入射され、各光
の光源光量がそれぞれ測定される（♯３３）。

【０１７９】得られた参照光及び測定光の透過光量は数
４０で表わされ、これより各波長λ１，λ２，λ３、λ
４における吸光度Ａ₁，Ａ₂，Ａ₃，Ａ₄が、数４４〜数４
７で求められる（＃３５）。そして、この演算結果を利
用して、数４８〜数５１からグルコース濃度Ｃ_g、血液
中の基準温度との温度差Δｔ、光路長δ、フィルターの
波長シフトΔλが算出される（＃３７）。そして、算出
されたグルコース濃度Ｃｇに対して、補正テーブル（表
３など）あるいは補正式（数５５や数５６）を用いるこ
とによって、正確なグルコース濃度Ｃｇが得られる（＃
３９）。

【０１８０】また、数５７〜数６０あるいは数６２〜数
６５を用いて吸光度を算出してもよく、このようにする
と、波長毎に波長シフト量の異なる場合でも、補正テー
ブルあるいは補正式から正確なグルコース濃度Ｃｇが得
られる。

【０１８１】なお、第１実施形態も、波長λ１〜λ４を
用いて第２実施形態と同様な測定（参照光と測定光によ
る測定）を可能とするもので、かつ演算制御部８で、数
２３〜数６５に示す演算及び分光フィルターの波長シフ
トに対する補正テーブル等を利用して正確なグルコース
濃度を得ることができるものである。

【０１８２】また、本実施形態では、血中成分としてグ
ルコース濃度を例にして説明したが、本発明はこれに限
定されず、波長光に対して吸光度を示す種々の血中成分
に対して同様に測定することが可能であり、Ｎ種類の測
定対象に対し、（Ｎ＋３）個の異なる波長の光を用いる
ことで、それらの血中成分濃度を得ることができるもの
である。

【０１８３】

【発明の効果】本発明によれば、（Ｎ＋３）個の波長を
含む光を分光フィルターで分離して光源からの直接光と
生体組織を透過または反射した測定光とを受光させ、受
光した各波長毎の直接光及び測定光の各受光光量からＮ
種類の血中成分濃度を算出し、更に、得られたＮ種類の
血中成分濃度に対して、上記分光フィルターの波長のシ
フト量に起因して生じる上記Ｎ種類の血中成分濃度の誤
差分を補正するようにしたので、使用される分光フィル
ターの温度特性による波長シフトの有無やそのシフト量
に影響されることなく、常に正確な血中成分濃度を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る血中成分濃度測定装置の第１実施
形態を示すブロック図である。

【図２】第１実施形態におけるグルコース濃度の測定動
作を示すフローチャートである。

【図３】光の透過光量を測定する動作の詳細を示すフロ
ーチャートである。

【図４】光の波長１２００ｎｍ〜１８００ｎｍに対する
グルコース水溶液の吸光度特性を示す特性図である。

【図５】光の波長２０５０ｎｍ〜２４００ｎｍに対する
グルコース水溶液の吸光度特性を示す特性図である。

【図６】光の波長１２００ｎｍ〜１８００ｎｍに対する
グルコース水溶液の吸光度の温度特性を示す特性図であ
る。

【図７】光の波長２０５０ｎｍ〜２４００ｎｍに対する
グルコース水溶液の吸光度の温度特性を示す特性図であ
る。

【図８】グルコース吸光度曲線に対する障害物による吸
光度曲線を示し、（ａ）〜（ｅ）は障害物による吸光度
の経時的変化の一例を示す図である。

【図９】温度が一定でない場合の吸光度とグルコース濃
度との相関を示す相関図である。

【図１０】本発明により選択された２波長によって求め
られたグルコースの演算濃度と実際のグルコース濃度と
の相関を示す相関図である。

【図１１】分光フィルターの実際の分光特性の例を示す
特性図である。

【図１２】本発明に係る血中成分濃度測定装置の第２実
施形態を示すブロック図である。

【図１３】光源部と受光部との間の光学的構造図であ
る。

【図１４】第２実施形態におけるグルコース濃度を例に
した測定動作を説明するフローチャートである。

【符号の説明】

１測定プローブ２測定装置本体４光源部４１分光フィルタ４２，４３ハーフミラー４４，４５ミラー５受光部６信号処理回路６ａＩ／Ｖ変換回路７Ａ／Ｄ変換回路８演算制御部９表示部１０出力部１１カフ圧制御回路１２発光回路１３操作部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成８年４月１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｎ種類の血中成分に対する各濃度を無侵
襲で測定する装置において、（Ｎ＋３）個の波長を含む
光を照射する光源と、上記照射光から上記（Ｎ＋３）個
の波長の光を分離する分光フィルターと、上記光源から
の直接光と生体組織を透過または反射した測定光とを上
記分光フィルターを介して受光する受光手段と、この受
光手段で受光した各波長毎の直接光及び測定光の各受光
光量から上記Ｎ種類の血中成分濃度を算出する濃度算出
手段と、得られたＮ種類の血中成分濃度に対して、上記
分光フィルターの波長のシフト量に起因して生じる上記
Ｎ種類の血中成分濃度の誤差分を補正する濃度補正手段
とを備えたことを特徴とする無侵襲血中濃度測定装置。