JPH1033512A - 無侵襲生化学計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】血中グルコース濃度等を測定可能とした小型か
つ軽量かつ低価格な無侵襲生化学計測装置を提供する。 【解決手段】温度センサを測定対象となる生体の光照射
部位あるいは拡散，透過光の検出部位の近傍の少なくと
も一方に配置し、測定された温度と減光度の両方に基づ
いて生体中の吸光物質濃度を計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は無侵襲生化学計測装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近赤外分光法を利用する、生体中のグル
コース濃度の無侵襲計測がアプライドスペクトロスコピ
ー第４７／７巻，１９９３年，第８７５頁から第８８１
頁（Applied Spectroscopy， Vol. 47， No.7， pp. 87
5−881）に記載されている。本技術では測定対象者の唇
からの近赤外拡散反射スペクトルと測定対象者の血中グ
ルコース濃度の従来法による測定を同時に行い、得られ
た近赤外スペクトルと血中グルコース濃度の測定値をも
とに部分最小自乗（ＰＬＳ）多変量解析法を用いて検量
式を作成している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】原理的には広い波長範
囲でスペクトルを求めなくてもグルコースに固有の吸収
波長を適切に選んで、レーザを光源として減光度を測定
することによりランベルト・ベールの法則によりグルコ
ースの定量が可能である。しかしながら、近赤外の領域
におけるグルコースの吸収波長では常に水の吸収が存在
し、一般に水の吸収はグルコースの吸収に比べ遥かに強
く、しかも水の吸収は温度によって変動し、たとえばグ
ルコース濃度の１００mg／ｄＬに対する吸光度の変化は
０.１ 度の温度変動による水の吸収の変化程度である。
生体は水が主要成分であり、体温も気温等によって０.
５ 度程度はたやすく変動する。完全な健常者を厳密に
温度が制御された部屋にとどめたとしても食事や睡眠，
日常動作による０.１ 度程度の体温変動は避けがたい。

【０００４】このため、少なくとも単一波長における吸
光度を測っただけでは生体における正常範囲の血中グル
コース濃度を定量することは不可能であった。温度の変
動は一般に吸収スペクトルにおけるベースライン変動等
の形で現れ、グルコース濃度変化による減光度スペクト
ルの変化とは異なるため、多くの波長でスペクトルを測
定し、多変量解析を利用すれば微少な温度変動による変
化を補正してグルコース濃度変動に関する情報をスペク
トル形から抽出することができる。前記文献では波長
１.１μｍから１.６μｍの範囲における近赤外拡散反射
スペクトルを測定したうえで多変量解析を利用してい
る。

【０００５】しかしこのようにスペクトルを求めること
によって温度を測ることなく温度変動の影響を補正する
には必然的に非常に多くの波長における測定という代償
が必要となり、少数の選択された波長のレーザを用いた
測定はできなくなる。前記文献では、近赤外スペクトル
を得るために市販の、タングステンランプを光源とする
近赤外分光器を使用している。従ってシステムを小型で
低価格なものとするのはほとんど不可能である。また、
タングステンランプのような白色光源を光源とした結果
単位波長あたりの光量が少ないため、透過型の測定が実
行困難となり、反射スペクトルの測定に限定されてい
る。

【０００６】本発明の目的はより少ない波長における測
定で、温度の影響を補正して高精度に血中グルコース等
の生体中における吸光物質濃度が測定でき、なおかつ小
型化・軽量化・低価格化が可能な無侵襲生化学計測装置
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は少なくとも一
つの温度センサを測定対象となる生体の光照射部位ある
いは拡散，透過光の検出部位の近傍に配置し、測定され
た温度と減光度の両方に基づいてグルコース等の吸光物
質濃度を計算することによって達成される。

【０００８】測定部位を断熱材で覆う、温度センサを複
数用いて温度測定部位を複数化する、等の構成によって
より高い精度と信頼性を得ることが可能である。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施例を図１に示
す。図１は使用形態を斜めから見た図である。本実施例
では血中グルコース濃度を無侵襲測定の対象とし、生体
１の測定部位として指を使用して指の減光度を測定す
る。筺体３には生体の測定部位である指を挿入するため
孔が設けられており、円筒状の断熱材２が設置されてい
る。光源，光センサ，信号処理回路等は筺体３に内蔵さ
れている。測定結果はデジタル数値表示パネル４に表示
される。装置の小型化，低電力化，低価格化のためここ
ではデジタル数値表示パネル４として液晶パネルを用い
ているが、ＬＥＤ表示パネルやアナログメータを用いて
も問題はない。

【００１０】図２は図１の内部の構成を示す断面図であ
る。グルコース濃度を測定するためにはグルコースの吸
収波長付近の光を使用する必要があり、透過，拡散した
光を検出するためには生体への浸透性が高い波長７００
ｎｍ〜２５００ｎｍの近赤外光を用いる必要がある。

【００１１】グルコースは近赤外領域において１６００
ｎｍ付近と２３００ｎｍ付近に顕著な吸収をもつ。水の
吸収が１６８０ｎｍにおいて極小となるため１６００ｎ
ｍ付近の光に対しては生体の透過性が比較的高い。そこ
で図２の光源５，５′，５″をそれぞれ波長１５５０ｎ
ｍ，１６００ｎｍ，１７００ｎｍの半導体レーザとして
３波長測定を行うシステムを構成し、１６００ｎｍ付近
におけるグルコースの吸収を利用した。光源は半導体レ
ーザと限らず、発光ダイオードでも良い。

【００１２】光源駆動回路６はこれら三つの光源を一定
周期で時分割して発光させる。指を透過，拡散してきた
光は光電変換素子からなる光センサ８で電流信号に変換
され、この電流信号は電流電圧変換回路９で電圧信号に
変換される。信号処理装置１２はＡＤ変換器，マイクロ
コンピュータ等を内蔵し、電流電圧変換回路９の出力信
号と光源駆動回路６の出力する参照信号をもとに各波長
ごとの生体１による減光度を光源が発光する周期ごとに
計算する。

【００１３】ここでは光源が発光する周期を６ｍｓ，各
光源の発光する時間を２ｍｓとし、５，５′，５″の順
に２ｍｓずつずらして発光させた。６ｍｓ程度の時間で
は生体の温度ドリフトや動きなどは無視することができ
るのでほぼ瞬間的な減光度を各波長に対して同時に求め
たと考えることができる。もちろん各光源を異なる周波
数で変調して周波数弁別検出を行って完全な同時測定を
行うことも可能である。

【００１４】温度によって抵抗が変化する温度センサ１
０，１０′によって指の温度が測定される。温度センサ
１０，１０′の間の間隔は測定対象となる生体１の厚さ
よりやや小さくしてあり、筺体３への指の挿入と同時に
自動的に生体１と温度センサとの密着が得られる。生体
１の周囲は断熱材２によって囲まれており、その中は外
気温の影響を受けることなく温度がほとんど一様になる
よう設計されている。そのため生体の温度勾配はあった
としても直線的と考えることができ、表面の２点で温度
計測を行うだけで生体中の光が透過，拡散する範囲の温
度分布に関する十分な情報が得られる。温度センサ１
０，１０′の抵抗は抵抗電圧変換回路１１，１１′によ
って電圧信号に変換され、信号処理装置１２はこの信号
をもとに生体１の温度を求める。

【００１５】信号処理装置１２はこのようにして得られ
た生体１の３波長に対する減光度と生体１の温度から内
部に記憶された検量式をもとに血中グルコース濃度を計
算し、結果は例えば図１の数値表示パネル４のように表
示される。

【００１６】減光度スペクトルから血中グルコース濃度
を求める検量式はあらかじめ何度か減光度スペクトルの
測定と同時に採血して従来法によって血中グルコース濃
度を測定し、３波長における減光度スペクトルと生体１
の温度を説明変数，血中グルコース濃度を目的変数とし
てＰＬＳ（partial least square）多変量解析法を適用
して求めた一次式である。

【００１７】本実施例では断熱材２の内径として平均的
な成人の指のサイズに対して多少余裕を持たせた値を採
用したが、使用者の指のサイズと形に応じて断熱材２を
設計するか、断熱材２の素材としてポリウレタンやスポ
ンジなどの伸縮性に富む材料を使用して内径を指の太さ
よりやや小さめに設計することにより、生体１の表面と
断熱材２の間の隙間をほとんどなくして保温性を高め、
さらに温度の一様性をよくして温度センサを一つとする
ことも可能である。また、断熱材２の内径を指の太さよ
りやや小さめに設計することにより指の挿入と同時に自
動的に温度センサや光センサと生体の密着性が保証され
るなどの利点も得られる。

【００１８】図３は従来法によって測定された血中グル
コース濃度と本実施例によって減光度と温度から検量式
によって計算されたグルコース濃度との相関を示す。相
関係数が０.９６９７ ，検量線に対するデータのばらつ
きから推定されるグルコース濃度の検出限界が５０.２m
g／ｄＬ という良好な結果が得られている。

【００１９】本発明の第２の実施例を図４に示す。本実
施例では生体１の測定部位として耳朶を用い、実施例１
と同様に耳朶の片側から光を照射し、反対側で透過，拡
散してきた光を検出する透過型の測定システムを構成し
た。耳朶は厚みが大体４mm程度であり、指よりも薄いの
で透過，拡散光の強度が指を測定部位にした場合よりも
遥かに大きくなるため、光の検出を容易にしかも高精度
に行うことができる。

【００２０】板１３と１３′で耳朶を挟み、板同士が並
行かつ間隔を一定に保つ機構によって固定される。板１
３と１３′の中には光を照射する機構及び光を検出する
ための機構が設けられており、ここで用いる光やこれら
によって得た情報の、信号処理装置１２を内蔵する筺体
３との受け渡しがカバー１４によって固定されたケーブ
ル束１５によって行われる。ケーブル束１５は光ファイ
バや電気信号を通信するケーブルを束ねたものである。

【００２１】図５は第２の実施例の耳朶装着部分を図４
の耳朶の持ち主の前面から見た場合の図、図６は第２の
実施例の耳朶装着部分を図４の耳朶の持ち主の背面から
見た場合の図である。板１３と１３′で耳朶を挟み、板
同士が並行かつ間隔を一定に保つ機構として３本のスペ
ーサ１９，１９′，１９″と３本のばね２０，２０′，
２０″を使用する。スペーサ１９，１９′，１９″は細
目のネジが切られており、板１３′に開けられたねじ孔
を利用して１３と１３′の間隔を調製することが可能に
なっている。測定対象者の耳朶の厚さをあらかじめノギ
ス，マイクロメータ等で測定しておき、ねじが切られた
スペーサ１９,１９′,１９″の板１３′から飛び出た部
分の長さを耳朶の厚さよりもやや小さい同一の値に調整
しておいたうえで、板１３と１３′で耳朶を挟む。ばね
２０，２０′，２０″によって耳朶を押しつけるように
板１３と１３′が引っ張られ、耳朶がスペーサの飛び出
た長さまで縮んだところでスペーサによって板が押さえ
られ、固定される。

【００２２】本実施例においては測定対象者の耳朶の厚
さが４.１mm であったため、スペーサで固定する板と板
の間隔を３.９mm に調整した。

【００２３】図７は、第２の実施例の耳朶装着部分を図
５と同一の方向から見て、視線方向に対して垂直かつケ
ーブル束１５に交わる平面で切った断面図である。本実
施例では光源や光源の電源は図４のように筺体３の中に
おかれ、光ファイバ１６を介して生体１へ光が照射され
る。このようにすることにより耳朶装着部の軽量化が可
能となった。耳朶中を透過，拡散した光は耳朶の光を照
射した側の反対側において光センサ８によって検出され
る。光センサ８の出力電流はケーブル１７へ注入され
る。光センサ８は光電面が耳朶にほとんど密着するよう
に設置され、効率よく透過，拡散した光を検出できるよ
うになっている。

【００２４】本実施例では光センサとして直径５mmのフ
ォトダイオードを使用した。透過，拡散光を光ファイバ
を介して検出した場合、せいぜいその太さ分の面積から
しか光を集められないか、レンズなどの集光系を設けて
耳朶装着部を重たくするかのいずれかの犠牲を払う必要
があるが、本方式によれば耳朶装着部を軽くし、なおか
つ効率よく透過，拡散光を集めて検出することができ
る。

【００２５】本実施例では二つの温度センサ９，９′を
使用し、光照射部の近傍と光検出部の近傍のそれぞれに
一つずつ設置した。測定部位を厚さが小さい耳朶とした
ことにより光が透過，拡散する領域の温度勾配は常にほ
とんど直線的とみなすことができる。そのため特に断熱
材で覆わなくても２点による温度計測で温度分布を正確
に知ることができ、温度による効果を精密に補償するこ
とが可能となった。断熱材が不要となったため、耳朶装
着部の軽量化，小型化が実現された。温度センサ９，
９′の出力はケーブル１８，１８′にそれぞれ入力さ
れ、光ファイバ１６，ケーブル１７とともに束ねられて
ケーブル束１５となり、信号処理系を内蔵する筺体３へ
接続される。

【００２６】図８は本実施例における筺体３の内部の断
面図である。光源駆動回路６によって発光した光源５′
の出力光は光ファイバ１６へ注入され、ケーブル１７を
介して伝達された光センサ８の出力電流は電流電圧変換
回路９によって、ケーブル１８，１８′を介して伝達さ
れた温度センサ９，９′の抵抗は抵抗電圧変換回路１
１，１１′によってそれぞれ電圧に変換される。信号処
理装置１２はこれらの電圧信号から光源５の光に対する
生体１の減光度と生体１の２点の温度を求め、その結果
に基づいて第１の実施例と同様にして血中グルコース濃
度を計算し、表示する。

【００２７】図９に健常者を対象として糖負荷試験を行
った時の、本実施例による血糖値の連続モニタリングの
結果を示す。実線は本実施例による無侵襲モニタリング
の結果、白抜きの丸は１０分おきに採血して従来法で測
定した結果である。本実施例は無侵襲であるばかりでな
く耳朶装着部が軽量であるため使用者に測定中もほとん
ど負担を感じさせることがないので、通常の労働を行い
ながらの長時間連続モニタリングを可能とする。

【００２８】本実施例では光源に波長１６００ｎｍの光
を出力する半導体レーザ光源５′一つだけを使用してい
る。光が透過，拡散する光路長、すなわち、生体１の厚
さを一定に保つ機構を設けたことによって、単一波長に
おける減光度と温度の測定だけで高精度の計測が行える
ようになった。本実施例では、応答速度はシリコンフォ
トダイオードに劣るが、波長１μｍを越えるやや長波長
の近赤外光に対して感度がよいゲルマニウムフォトダイ
オードを使用し、光を変調せずに生体に照射し、光セン
サ８の出力電流を直流として測定している。光源を高速
変調あるいはパルス駆動して用いる場合にはフォトダイ
オードとしてインジウム・ガリウム・砒素フォトダイオ
ードを使用することにより高速変調された長波長の近赤
外光に対しても同程度の感度を得ることが可能である。
光を変調すれば第１の実施例と同様にして複数波長を使
用してさらに高精度の測定をすることも可能であり、そ
の場合も本実施例の方式によれば耳朶装着部の大きさ，
重さは変わらない。

【００２９】第１の実施例，第２の実施例のいずれでも
血中グルコース濃度の無侵襲測定を目的としたためグル
コースの吸収波長である１６００ｎｍ付近の光を使用し
たが、他の成分例えばアルブミンや尿素，コレステロー
ル等の濃度を測定しようとする場合はそれぞれに固有の
近赤外における吸収波長の光を用いればよい。もし波長
１μｍ以下の近赤外光を使用する場合には光センサとし
てシリコンフォトダイオードを用いれば実施例と同様に
小型かつ安価かつ高感度な測定系を構成することができ
る。

【００３０】図１０に本発明の第３の実施例の断面図を
示す。本実施例では第２の実施例とほぼ同一の構成を用
いるが、温度センサの数を一つとし、その代わりに板１
３，１３′の素材を断熱性の高い中空のステンレスで作
り、ふとん状の断熱材２によって耳朶下部と空気の間を
遮断することにより温度の一様性を確保した。

【００３１】また、新たに生体１の加熱，冷却を行う装
置としてペルチェ素子２１を設けた。光の照射部から検
出部に至る生体を光が透過，拡散する光路の温度をでき
る限り一様とし、この部分そのものの温度を測定するた
め、ペルチェ素子は孔あきのものを使用した。２１は孔
あきのペルチェ素子の断面を示している。ペルチェ素子
を設けたことにより生体の温度を能動的に変化させるこ
とが可能となった。

【００３２】本実施例では温度センサ９で生体１の温度
をモニタしながらペルチェ素子２１による加熱，冷却の
サイクルをこの温度が３６度と３７度の間で上下するよ
うに繰り返し、３６度から３７度の間で０.１ 度きざみ
に、すなわち３６.０度 ，３６.１度，３６.２度，…３
６.９度，３７.０度になる瞬間において、生体１の減光
度を測定し、減光度の温度依存性を求める。減光度の温
度依存性はグルコース濃度によって異なるので、この方
式によっても単一波長で精密なグルコース濃度の測定が
可能となる。

【００３３】しかもこの方式によれば減光度の相対的な
変化の勾配からグルコース濃度を求めるので生体１の絶
対的な厚さを正確に知る必要がなく、１点における温度
測定だけで温度勾配の影響もオフセットとして取り除く
ことができる。もちろん、二つのペルチェ素子を両側に
設置し、さらに第２の実施例と同様に温度センサも両側
に設けて両側の温度が等しくなるよう加熱，冷却を行う
ことにより断熱材なしでさらに高い精度を得られる。

【００３４】

【発明の効果】より少ない波長の光で生体中の吸光物
質、たとえば血中グルコースなどの濃度を無侵襲的に精
度よく測定することが可能となる。波長を少なくした結
果、装置の小型化，軽量化，低価格化が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の使用形態を示す斜視
図。

【図２】本発明の第１の実施例の断面図。

【図３】本発明の第１の実施例によって測定された血中
グルコース濃度と従来法によって測定された血中グルコ
ース濃度との相関を示す説明図。

【図４】本発明の第２の実施例の使用形態を示す説明
図。

【図５】本発明の第２の実施例における耳朶装着部を使
用者の前面から見た説明図。

【図６】本発明の第２の実施例における耳朶装着部を使
用者の背面から見た説明図。

【図７】本発明の第２の実施例における耳朶装着部を使
用者の全面から見た断面図。

【図８】本発明の第２の実施例における信号処理装置を
内蔵する筺体３の断面図。

【図９】本発明の第２の実施例による血糖値の連続モニ
タリングを示す説明図。

【図１０】本発明の第３の実施例を示す断面図。

【符号の説明】

１…生体、２…断熱材、３…筺体、４…数値表示パネ
ル、５，５′，５″…光源、６…光源駆動装置、７…合
波素子、８…光センサ、９…電流電圧変換回路、１０…
温度センサ、１１…抵抗電圧変換回路、１２…信号処理
装置。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一個の光源と、前記光源から出
   た光を生体に照射する手段と、少なくとも一つの光セン
   サを備え、前記生体を透過，拡散した光を検出した結果
   から前記生体による減光度を求める装置において、前記
   光を照射した部位から光を検出する部位にかけての生体
   を覆う断熱材と、少なくとも一個の温度センサを設け、
   前記温度センサを前記生体と前記断熱材の間隙に配置
   し、前記生体による減光度と前記温度センサによって測
   定された温度の両方に基づいて生体の吸光物質濃度を計
   算する装置を備えることを特徴とする無侵襲生化学計測
   装置。
2. 【請求項２】少なくとも一個の光源と、この光源から出
   た光を生体に照射する手段と、少なくとも一つの光セン
   サを備え、生体を透過，拡散した光を検出した結果から
   生体による減光度を求める装置において、生体へ光を照
   射した部位の近傍と生体を拡散，透過した光を検出する
   部位の近傍のそれぞれに温度センサを少なくとも一つず
   つ配置し、前記生体による減光度と前記温度センサによ
   って測定された温度の両方に基づいて生体の吸光物質濃
   度を計算する装置を備えることを特徴とする無侵襲生化
   学計測装置。
3. 【請求項３】少なくとも一個の光源と、この光源から出
   た光を生体に照射する手段と、少なくとも一つの光セン
   サを備え、生体を透過，拡散した光を検出した結果から
   生体による減光度を求める装置において、前記光を照射
   した部位から光を検出する部位にかけての生成を覆う断
   熱材と、少なくとも一個の温度センサと加熱また冷却を
   行う装置を設け、前記温度センサと加熱または冷却を行
   う装置を前記生体と前記断熱材の間隙に配置し、前記生
   体による減光度と前記温度センサによって測定された温
   度の両方に基づいて生体の吸光物質濃度を計算する装置
   を備えることを特徴とする無侵襲生化学計測装置。
4. 【請求項４】請求項１，２または３に記載の前記光源に
   波長７００ｎｍから波長２５００ｎｍの近赤外光を出力
   する光源を用いる無侵襲生化学計測装置。
5. 【請求項５】請求項１，２または３に記載の前記光源の
   少なくとも一つに波長１０００ｎｍから波長１８００ｎ
   ｍの、好ましくは波長１５５０ｎｍから１７５０ｎｍの
   近赤外光を出力する半導体レーザまたは発光ダイオード
   を用い、光センサの少なくとも一つにゲルマニウムフォ
   トダイオードまたはインジウム・ガリウム・砒素フォト
   ダイオードを用いる無侵襲生化学計測装置。
6. 【請求項６】請求項１または３に記載の断熱材の素材と
   して発泡性高分子繊維材料を用いる無侵襲生化学計測装
   置。
7. 【請求項７】請求項１，２または３において、前記光源
   の光を光ファイバへ導入し、前記光ファイバの光を導入
   した側の反対側端面から射出する光を前記生体の耳朶の
   一方の側に照射し、前記耳朶の光を照射した面の反対側
   の表面上あるいはごく表面近傍に光センサを設ける無侵
   襲生化学計測装置。
8. 【請求項８】請求項１，２または３において、前記光源
   の光を光ファイバへ導入し、前記光ファイバの光を導入
   した側の反対側端面から射出する光を前記生体の耳朶の
   一方の側に照射し、前記耳朶の光を照射した面の反対側
   の表面に密着あるいはごく表面近傍に光センサを設け、
   前記耳朶を挟む２枚の板と、板のどちらか一つにだけ固
   定された、２枚の板についてあわせて少なくとも合計三
   つのスペーサと、前記スペーサの長さを調節する手段と
   前記２枚の板を結ぶ複数本のばね機構を備え、前記光フ
   ァイバと前記光検出器を前記板に固定する無侵襲生化学
   計測装置。
9. 【請求項９】請求項３に記載の前記加熱または冷却を行
   う装置として少なくとも一つの孔の空いたペルチェ素子
   を用い、前記生体への光を照射する位置と前記生体から
   透過，拡散光を検出する位置の少なくとも一方をこの孔
   の内側に配置する無侵襲生化学計測装置。
10. 【請求項１０】請求項２に記載の前記複数の温度センサ
    から選んだ異なる二つの組のうち少なくとも一つの組に
    おいて温度センサ間の距離が前記生体の測定部位の厚さ
    よりも小さい無侵襲生化学計測装置。