JPH10181U - 生体を損なわない血糖濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 注射器や試験紙等を用いることなく測定部を
単に皮膚に当てることにより、手軽でかつ人体に悪影響
を与えることなく血糖濃度を測定することのできる、生
体を損なわない血糖濃度測定装置を提供する。 【解決手段】 異なる出力波長の光を発生させるレーザ
ダイオード５と、レーザダイオードの接合部に対して所
定の割合で電流値を変化させるように制御する温度調節
器１３と、光学系により調節された光を被測定部位であ
る被測定者の皮膚に照射すると共に、血管内の血液中の
血糖分子の倍振動及び組み合わせ振動により散乱されて
反射した光を集束する集光部９と、変換されたディジタ
ル測定値とメモリに記憶された検定曲線とを比較して血
液中の血糖濃度を算出すると共に、マイクロコンピュー
タにより演算・算出された血糖濃度を表示するディスプ
レイ３とを具備した。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

この考案は血糖濃度測定装置に係り、特に従来の測定装置のように注射器やメ ス等の器具を用いて採血してから血糖濃度を測定するのではなく、ノン・インベ イシブ方法（Non-Invasive Technique）を用いて採血等による生体の損傷を伴わ ずに、単に本装置の測定部分（Port）を血管の見える人体の適当な部分、例えば 手首の内側に当てることにより、血糖濃度の測定を可能にした生体を損なわない 血糖濃度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

通常、糖尿病等の患者は一日に２回ないし８回程度、平均すると４回程度は注 射器等により血液を採取し、その後、例えば酵素法（Enzymatic Method）を利用 した携帯用血糖濃度測定機器により血液中の糖濃度を測定している。

【０００３】 現在、前記測定機器を用いて行なう検査及び測定においては、１回の検査及び 測定毎に使い捨ての注射器や検査紙等が必らず１セットは使用されている。従来 の測定機器を用いる検査及び測定は、機器の本体だけでも高価であるばかりでな く、注射器や検査紙等の測定補助器具の購入費用だけでも年間を通して計算する と多大な経費を要している。

【０００４】 このような問題を解消するため多くの研究が進められてきた。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

本考案の目的は、血糖を測定する時に注射器・試験紙等の器具を用いることな く血糖濃度測定用の装置の測定部を単に皮膚に当てることにより、手軽でかつ人 体に悪影響を与えることなく血糖濃度を測定することのできる、生体を損なわな い血糖濃度測定装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため、この考案による生体を損なわない血糖濃度測定装置 は、電源スイッチを介して所定電圧を供給する電源と、この電源により所定波長 の光を発生させる光源と、この光源からの光線を所定の平行光線に制御する光学 系と、光学系を介して供給された光線を被測定部位に照射し反射されてきた光を 集束させる集光部と、集光部が集束した光を検出する検出部と、検出部からの出 力をアナログ信号からディジタル信号に変換した測定値を基準値と比較して演算 処理して血糖値を算出する演算処理部と、を備えた生体を損なわない血糖濃度測 定装置を、以下のように構成したものである。

【０００７】 少なくとも１つの発光素子よりなり接合部を備えると共に電源からの電流によ り異なる出力波長の光を発生させる光源としてのレーザダイオードと、電源から の出力に基づいて電圧の安定した出力を光源としてのレーザダイオードに供給す るダイオード用の電源調節器と、温度変化の影響を受け易いレーザダイオードの 接合部に対して所定の割合で電流値を変化させるように制御する温度調節器と、 電源調節器を制御するために演算処理部より出力されるディジタル制御信号をア ナログ制御信号に変換させるＤ／Ａ変換器と、レーザーダイオードから放出され た光を測定目的に応じて分離・結合させて平行光線となるように光学的に調節す る光学系と、光学系により調節された光を被測定部位である被測定者の皮膚に照 射すると共に、血管内の血液中の血糖分子の倍振動及び組み合わせ振動により散 乱されて反射した光を集束する集光部と、集光部により集束された光子を電気的 なアナログ測定値信号に変換した後、この信号を増幅して出力する検出器と、電 気的なアナログ測定値をディジタル測定値に変換するＡ／Ｄ変換器と、基準値と しての検定曲線を記憶するメモリと、変換されたディジタル測定値とメモリに記 憶された検定曲線とを比較して血液中の血糖濃度を算出すると共に、Ｄ／Ａ変換 器を介して電源調節器に制御信号を出力してレーザダイオードの発光光線を制御 する演算処理部としてのマイクロコンピュータと、そして、マイクロコンピュー タにより演算・算出された血糖濃度を表示するディジタルディスプレイと、を具 備すると共に、装置全体を携帯可能な寸法及び形状に小型化して形成したもので ある。

【０００８】 この考案は、近赤外線拡散反射レーザー分光法（Near-Infrared Radiation Di ffuse-Reflection Laser Spectroscopy ）に基づいて、人体に悪影響を与えない 周波数を有する電子輻射線を血管に照射し、血糖濃度を測定するようにしたもの であり、皮膚の表面から測定部位の血管までを透過し得る波長を有する電子輻射 線を用いている。この皮膚から血管までは、「ウォーターウィンドウ」と呼ばれ ているが、これは人体の結合組織の大部分が水分より構成されているため名付け られたものである。この「ウォーターウィンドウ」を通過できる電子輻射線の波 長は３〜５μｍの範囲内に部分的に散在していることが知られている。ところで 、最近本願考案者らが調査・研究した結果によれば、人体に有害でない適切なエ ネルギーを持つ電子輻射線を皮膚に照射したときに「ウォーターウィンドウ」を 通過して血管まで到達できる波長は１．３〜１．９μｍの範囲にあるということ が判明した。

【０００９】 従って、本考案では半導体（ダイオード）レーザを使用して１．３〜１．９μ ｍの範囲、とりわけ１．４〜１．８μｍの範囲の波長を有する電子輻射線を利用 している。この電子輻射線を照射したときに皮膚を通過して血管に到達する電子 輻射線は、血液の成分と相互作用し、血液の成分を成す分子の固有の特性等によ り吸収されて散乱・反射される。従って、本考案においては複雑な分子等に基づ く血液の不均一性（heterogeneity ）により吸収されて散乱・反射される光を本 考案の目的に合致するように設計された集光部（integrating sphere―積分球） により集束し、この集束された光子（ｈν）を検出部により電気的なアナログ測 定値に変換させた後、ワンチップのマイクロコンピュータに供給し、このマイク ロコンピューターにより適切な検定方法を用いて血糖値を計算・算出して血糖濃 度を測定できるようにしている。

【００１０】 なお、本考案において、近赤外線（Near Infrared Radiation ）の一般な特性 は国際純粋化学・応用化学連合会（ＩＵＰＡＣ、International Union of Pure and Applied Chemistry ）により定義された内容に準じている。即ち、その周波 数は１００〜３７５テラＨｚであり、そのエネルギーは０．９５１〜３５．８（ Kcal/mol）、０．４１２〜１．５５ｅＶであり、波長は０．８〜３０μｍである 。さらに本考案は分子の振動、回転、並進運動による近赤外線分光法において、 血糖分子の振動運動に対する物理化学的な原理に基づいて、倍振動（Overtonevi bration ）と組合わせ振動（Combination vibration ）を用いており、特に倍振 動が主に利用されている。

【００１１】 一方、本考案による他の分析方法においては、分光法における重要な測定値の 処理と測定しようとする寸法（血糖濃度）等の計算処理のため、多重線形回帰分 析（multiple linear regression analysis ）と多変量分布分析（multivariate analysis ）等のような数学的な方法に基づいて本考案の目的に合致するように 本考案者らにより改良された方法を用いてデータを処理・算出する。

【００１２】 本考案によれば、検査方法が簡便であり誰でも手軽に使用することができ、経 費が少なくて済む等の長所を持つ血糖濃度測定装置を提供できることになる。例 えば、患者が外出や旅行をする時、常時携帯することを必要としていた使い捨て の注射器や試験紙等を携帯しなくて済むことになる。さらに、上述したような採 血等の検査を行なう為の場所を捜さなくても済むようになる。さらにまた、長期 間にわたり検査及び測定を継続して行なう場合には注射により人体の特定部分、 例えば下摶部等に変形が生じてしまい人体を害するという問題点があったが、こ れも克服することができる。

【００１３】 本考案による生体を損なわない（ノン・インベイシブ）血糖濃度測定装置は直 径が例えば０．５〜５ｍｍの範囲内、望ましくは２ｍｍ以下の測定部を、例えば 手首の内側等の皮膚上の血管が見える所定部位に当接することにより、短時間内 （例えば６０秒以内、望ましくは４０秒以内）に血糖濃度を測定できるので、従 来のように不便で、なおかつ多大の費用を必要とする使い捨ての注射器・試験紙 等の消耗器具を不要にすることができる。

【００１４】

【考案の実施の形態】

以下、図面を参照して本考案の一実施例を詳細に説明する。

【００１５】 図１は本考案による血糖濃度の測定装置のブロック構成図を示し、図２は図１ に示された血糖濃度の測定装置を詳細に示した回路図である。図において、電源 スイッチ１がオンされると、電源としての図示されないバッテリからワンチップ で構成されたマイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）２に電圧が供給 される。これと同時に、電源はデジタルディスプレイ３、レーザダイオード用の 電源調節器４、及び検出部７にも供給され、必要に応じて光学系６等にも供給さ れる。この電源としてのバッテリは一般には４．５Ｖ〜９Ｖのものが使用され、 最も好ましいのは充電用の６Ｖのものである。

【００１６】 この状態でスタート／リセットスイッチ８がオンされると、マイコン２は電源 調節器４に制御信号を供給し、これにより電源調節器４はレーザダイオード５に 電源を供給し始める。この電源の供給開始により次第に増加した電流が臨界電流 （約２０ｍＡ）を越えるとレーザダイオード５が発光する。このときの電流値は 、現在の技術水準においてはレーザダイオードの特性により安定した電圧と所定 の温度のもとで約２０〜２００ｍＡが適当な値であり、この電流範囲の間で徐々 に電流を上げて、予め定められた電流値に達したときに測定に必要な波長を有す る光が放出されることになる。例えば、１．３〜１．９μｍの範囲内の波長を有 する光が用いられるが、この中でも特に、１．４〜１．８μｍの波長を有する光 が主として有用である。光源として用いられるレーザーダイオード５は１個でも 良いが、通常、複数個、例えば３０個程度で構成され、その全てが同一波長の光 を放出するようにしても良いし、また、夫々が異なる波長の光を放出するように しても良い。

【００１７】 レーザダイオード５はいわゆる半導体レーザを生成するものであり、この半導 体レーザの発振波長域は、およそ０．３３〜３２μｍにわたっている。ダイイオ ードレーザの場合、０．５７μｍより短波長側では実用性に適するものが開発さ れていない。半導体レーザにおいて発振波長の同調を行なうには一般に、（ａ） 材料の禁制帯幅の変化と、（ｂ）材料の屈折率の変化を利用する２つの方法があ り、前者は帯域同調に、後者は微細同調に主として用いられている。後者の微細 同調を行なう方法は屈折率が圧力・磁界・温度等に依存しているため、これらを 制御することにより共振器の長さを等価的に変化させて共振モードの周波数を変 移させる。ダイオードレーザの場合、励起電流によりｐｎ接合部に温度変化が生 じ電流増加に伴い所定の割合で発振周波数が低い方にシフトすることがある。温 度調節器１３は、レーザダイオード５の接合部分の温度変化に起因する上述のよ うな影響を除去するために、接合部の温度の調節を行なうものである。この温度 調節は、レーザダイオード５のチップの外部から電流変化に伴う温度変化を検出 し、所望のチップ温度になるように熱源を作用させることにより行なわれる。

【００１８】 複数個のレーザダイオード５から放出された光は同時または順次に発光するが 、同時発光の場合、例えばフーリエ変換を用いて必要な波長を分離する。

【００１９】 レーザダイオード５よりなる光源から放出された光は光学系６に達し、測定目 的に合致する平行光となるように分離・結合等の光学的調整が行われる。この光 学的な調整により一つ又は複数の方向に光軸に調整された光線は、例えば積分球 より成る集光部９に供給され、これを通過して被測定者の皮膚に順次に照射され る。集光部９は積分球とも呼ばれるようにほぼ球形の形状を有している。

【００２０】 ここで、光線の照射箇所を明確にするために被測定者の皮膚上に照射範囲を示 す基準ポートを予め準備しておいても良いが、照射箇所がはっきりしている場合 には基準ポートを設けることなく直接皮膚に照射しても良い。この光線は被測定 者の皮膚を透過して血管内の血液にまで至り、血液に吸収されずに散乱・反射さ れた光は再び集光部９により集束されてから、検出部７により検出される。なお 、散乱・反射された光を集束する集光部９の大きさは直径が２．５６ｃｍ以下に 形成されており、望ましくは１．２８ｃｍ以下、更に最も望ましいのは０．６４ ｃｍ以下となるように形成されたものである。前記したように検出された測定値 はアナログ値を有する電気的な計数値であり、これは検出部７に接続された一般 的な前段増幅器により増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１１に転送され、ディジタル 測定値に変換される。

【００２１】 Ａ／Ｄ変換器１１によりディジタル値に変換された測定信号は、マイコン２に 供給され、このマイコン２により内蔵メモリに予め記憶されている基準（検定曲 線）値と比較されて血糖濃度が計算・算出され、この結果がディジタルディスプ レイ３に表示される。

【００２２】 上記血糖濃度測定機器は、全体の大きさ（横・縦・高さ）が１７０×８０×２ ５ｍｍ以下となるように形成されており、さらに１５０×７５×２２ｍｍ以下が 適当であり、また１３０×７０×２０ｍｍ以下に形成されるのが最も好ましい。

【００２３】 一方、検出部７としてはフォトダイオードにより構成することが望ましいが、 現在の技術水準では特に前段増幅器が接続されたゲルマニウム検出器により実施 するのが最も望ましい。

【００２４】 光学系６は、例えば直径０．５〜５ｍｍ以下（最も好ましいのは直径２ｍｍ以 下）の構成部品により形成され、光を集光・拡散させて平行光線を形成する。平 行光線の形成は、周知のコリメータレンズ等を用いて行なってもよい。

【００２５】 なお、本実施例では集光部９が球形に形成された場合についてのみ説明したが 、本考案はこれに限定されず、例えば断面が楕円形、半楕円形または他の図形と なる三次元の立体形状に集光部９を形成することもできる。

【００２６】 さらに、本考案の血糖濃度測定装置は小型・軽量のものであるためマイコン２ 及びレーザダイオード５等の本体と集光部９及び検出部７等の測定部分（port） とを一体的に形成しておいても十分にその操作性を発揮できるが、本体と測定部 分とを２つの部分に分離して形成しても良い。分離されている場合には、レーザ ダイオード５からの光を被測定者の測定部分まで伝達するために、光ファイバ等 の光伝送手段を用いている。この光伝送手段の繊維の距離は、１００〜１，００ ０ｍｍであり、この中間の５００ｍｍ程度が一般には適当であるが、最も適当な 距離は３００ｍｍである。

【００２７】 なお、本実施例においてはＤ／Ａ変換器１０及びＡ／Ｄ変換器１１がワンチッ プマイコン２と分離された場合についてのみ説明したが、本考案はこれに限定さ れず、Ｄ／Ａ変換器１０及びＡ／Ｄ変換器１１がマイコン２に含まれた専用チッ プを用いても良い。

【００２８】 なお、上述部分では測定値を比較する基準値としての検定曲線を内蔵メモリに 格納しておくものとして説明したが、本実施例はマイコン２の動作を補助するた めＲＡＭ（１２1 ）とＥＰＲＯＭ（１２2 ）からなる補助回路１２を用いて必要 な情報の記憶・読出しを行なうようにしても良い。

【００２９】 上記構成に係るこの考案の一実施例による動作は以下の各段階を経て行われる 。即ち、 電源スイッチ１を利用してバッテリから電源を要するマイコン２とデジタルデ ィスプレイ３、レーザダイオード用電源調節器４、検出部７及び必要によって光 学系６等にそれぞれ電源を供給する段階。

【００３０】 スタート／リセットスイッチ８を用いてマイコン２によりレーザダイオード用 電源調節器４及び温度調節器１３がレーザダイオード５に安定した電圧と温度で 電流を漸増的に印加して測定に必要な波長を放出するように制御する段階。

【００３１】 これと関連してマイクロコンピュータ２とレーザダイオード用電源調節器４と の間に設けられたＤ／Ａ変換器１０によりディジタル制御信号を電気的な制御信 号に変換させる段階。

【００３２】 レーザダイオード５がレーザダイオード用電源調節器４の制御により測定に必 要な波長の光を放射する段階。

【００３３】 レーザダイオード５から放射された光を光学系６により目的に合うよう平行に するかあるいは光学的に調節及び分離または結合させる段階。

【００３４】 この光学的に調節された光を集光部９を通じて血糖濃度を測定しようとする被 測定者の血管が見える皮膚に照射する段階。

【００３５】 皮膚を通過して血管まで到達され血液により吸収、散乱、反射された光を集光 部９を通じて集束する段階。

【００３６】 集光部９により集束された光子を検出部７により検出して電気的なアナログ測 定値に変換し、検出部７に設けられた前段増幅器で増幅した後、Ａ／Ｄ変換器１ １に転送する段階。

【００３７】 Ａ／Ｄ変換器１１を用いて電気的なアナログ測定値をディジタル測定値に変換 した後、このディジタル測定値をマイコン２に転送する段階。

【００３８】 マイコン２内のメモリ領域に記憶されている検定曲線とＡ／Ｄ変換器１１によ り変換されたディジタル測定値を比較して血液中の血糖濃度を計算、算出する段 階。及び、 このようにして算出された血糖濃度をデジタルディスプレイ３に表示する段階 。 がそれである。

【００３９】 また、血糖濃度の測定方法は、近赤外線拡散反射レーザー分光法に基づき、分 子の振動、回転、並進運動による近赤外線分光法で血糖分子の振動運動に対する 物理化学的原理に基づき、その中でも倍振動と組合振動を利用し、特に倍振動を 利用するようになったことをも特徴としている。

【００４０】 さらに、血糖濃度の測定方法は、マイコン２内のメモリ領域に記憶されている 検定曲線とＡ／Ｄ変換器１１により変換されたデジタル測定値を比較して血糖濃 度を計算、算出する段階で多重線形回帰分析と多変量分布分析などの数学的な方 法を使用するようになったことも特徴としている。

【００４１】 前述したように、血糖濃度測定装置の本体と測定部との間を光繊維を用いて分 離する場合には、その分離される距離は１００〜１，０００ｍｍであり、適当に は５００ｍｍ、最も適当には３００ｍｍである。

【００４２】

【考案の効果】

以上詳細に説明したように、本考案によるノン・インベイシブ血糖濃度の測定 装置によれば、注射針のような器具を使用して血液を採る必要もなく単に本装置 の測定部分（port）を血管の見える人体の適当な部分、例えば手首の内側に当て ることにより血糖濃度を測定できるようになっているため、簡便なおかつ身体部 位の変異などのような人体への有害さが無く、従来の使い捨て注射器が要らなく なり、測定補助器材による費用が殆どかからなくなる等の長所を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による血糖濃度の測定装置のブロック構
成図。

【図２】図１に示された血糖濃度の測定装置を詳細に示
した回路ブロック図。

【符号の説明】

１ 電源スイッチ ２ ワンチップマイクロコンピュータ ３ デジタルディスプレイ ４ レーザダイオード用電源調節器 ５ レーザダイオード ６ 光学系 ７ 検出部 ８ スタート／リセットスイッチ ９ 集光部 １０ Ｄ／Ａ変換器 １１ Ａ／Ｄ変換器 １２ 補助回路 １３ 温度調節器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 金 允 玉 大韓民国ソウル特別市永登浦区大林洞865 −２

Claims (5)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】電源スイッチを介して所定電圧を供給する
   電源と、この電源により所定波長の光を発生させる光源
   と、この光源からの光線を所定の平行光線に制御する光
   学系と、光学系を介して供給された光線を被測定部位に
   照射し反射されてきた光を集束させる集光部と、集光部
   が集束した光を検出する検出部と、検出部からの出力を
   アナログ信号からディジタル信号に変換した測定値を基
   準値と比較して演算処理して血糖値を算出する演算処理
   部と、を備えた生体を損なわない血糖濃度測定装置にお
   いて、 少なくとも１つの発光素子より成り、かつ接合部を備え
   ると共に前記電源からの電流により異なる出力波長の光
   を発生させる前記光源としてのレーザダイオードと、 前記電源からの出力に基づいて電圧の安定した出力を前
   記光源としてのレーザダイオードに供給するダイオード
   用の電源調節器と、 温度変化の影響を受易い前記レーザダイオードの接合部
   に対して所定の割合で電流値を変化させるようにこのダ
   イオードが封止されたチップの温度を制御する温度調節
   器と、 前記電源調節器を制御するために前記演算処理部より出
   力されるディジタル制御信号をアナログ制御信号に変換
   させるＤ／Ａ変換器と、 前記レーザーダイオードから放出された光を測定目的に
   応じて分離・結合させて平行光線となるように光学的に
   調節する光学系と、 前記光学系により調節された光を被測定部位である被測
   定者の皮膚に照射すると共に、血管内の血液中の血糖分
   子の倍振動及び組み合わせ振動により散乱されて反射し
   た光を集束する集光部と、 前記集光部により集束された光子を電気的なアナログ測
   定値信号に変換した後、この信号を増幅して出力する検
   出器と、 前記電気的なアナログ測定値をディジタル測定値に変換
   するＡ／Ｄ変換器と、 前記基準値としての検定曲線を記憶するメモリと、 変換された前記ディジタル測定値と前記メモリに記憶さ
   れた検定曲線とを比較して血液中の血糖濃度を算出する
   と共に、前記Ｄ／Ａ変換器を介して前記電源調節器に制
   御信号を出力してレーザダイオードの発光光線を制御す
   る前記演算処理部としてのマイクロコンピュータと、 前記マイクロコンピュータにより演算・算出された血糖
   濃度を表示するディジタルディスプレイと、 を具備すると共に、 装置全体を携帯可能な寸法及び形状に小型化して形成し
   たことを特徴とする生体を損なわない血糖濃度測定装
   置。
2. 【請求項２】前記レーザーダイオードから放射される電
   子輻射線の波長が１．４μｍ〜１．８μｍであり、この
   波長の光が被測定者の皮膚を介して順次に血液に照射さ
   れることを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１項に
   記載の生体を損なわない血糖濃度測定装置。
3. 【請求項３】前記集光部は、直径が２．５６ｃｍ以下の
   ほぼ球形に形成された積分球より成り、かつ、全体の寸
   法が横１５０ｍｍ、縦７５ｍｍ、及び高さ２２ｍｍ以下
   に形成されたことを特徴とする実用新案登録請求の範囲
   第１項に記載の生体を損なわない血糖濃度測定装置。
4. 【請求項４】この血糖濃度測定装置の本体と、前記光学
   系，集光部及び検出部より成る測定部とを分離して構成
   すると共に、前記本体及び前記測定部分間を光ファイバ
   により接続したことを特徴とする実用新案登録請求の範
   囲第１項に記載の生体を損なわない血糖濃度測定装置。
5. 【請求項５】前記集光部により集束された前記光子を検
   出する検出部は、フォトダイオードを用いると共に前段
   増幅器を備えたゲルマニウム検出器より構成され、前記
   Ｄ／Ａ変換器及びＡ／Ｄ変換器は、前記マイクコンピュ
   ータから分離されて同一基板上に実装され、かつ、前記
   電源としては４．５〜９Ｖの充電用バッテリより構成さ
   れていることを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１
   項に記載の生体を損なわない血糖濃度測定装置。