JPH10510180A - 温度補償を備えた自己発光非侵襲性赤外分光光度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は、非侵襲的にグルコース、エチルアルコール及び他の血液成分を監視するための方法及び装置である。熱として人によって放出された長波長赤外エネルギーが、監視され、そして血液における特定成分の赤外吸収が、これらの成分に対する特性赤外吸収波長（１１０）において測定（１１４）される。測定は、好ましくは、心周期の心収縮及び心拡張期と同期（１２４）され、その結果、静脈と組織によって生じた信号寄与は、検出信号の比が取られた時、取り消される。同期が行われないならば、分光光度計は、動脈、静脈及び組織成分濃度を同時に測定する。脈管付属肢の如く、赤外発光源の内部「黒体」エネルギーレベルが、測定（３００）され、そして濃度計算における温度従属効果を補償するために使用される。内部エネルギーレベル比は、実際の測定エネルギーに対して比を取られる。

Description

【発明の詳細な説明】 温度捕償を備えた自己発光非侵襲性赤外分光光度計 発明の背景 発明の分野 本発明は、人の血液におけるグルコース、溶存炭酸ガス、エチルアルコール又 は他の成分の濃度を非侵襲的に測定するために器具と方法に関する。特に、本発 明は、そのような成分が人の身体から放出された赤外エネルギー帯内の対象成分 の特定の吸収を測定することにより、強力な識別可能な吸収スペクトルを有する 長い赤外波長における人の血液中の成分の赤外吸収を監視するための器具と関連 した方法に関する。 先行技術の簡単な説明 Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｄｉａｂｅｔｅｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎによれば、米 国において１４００万人以上が糖尿病を有し、その内、約半分は自覚がないとい う。１年につきほぼ７５０，０００人が、糖尿病と診断され、およそ１５０，０ ００人が、毎年、病気又はその合併症がもとで死亡する。糖尿病を有する患者は 、失明、腎臓病、心臓病と発作の危険があるために、血液グルコースレベルを綿 密に監視し、インシュリン及びグルコース摂取量を注意深く管理することにより 、病気を管理することが必要とされる。多数の家庭用診断装置が、この目的のた めに開発された。 赤外光を用いる分光グルコース監視技術は、先行技術において公知であり、本 出願の主題である。先行技術の分光技術は、血流におけるグルコースを測定する 問題に非侵襲的な解決法を提供する。一技術の近赤外 分光法により、光は生体内のグルコースレベルを測定するために、指又は適切な 付属肢を通過される。残念なことに、この技術は、二つの不正確源、即ち、組織 干渉と特異性の欠如、を被る。さらに、使用近赤外波長は、発光ダイオード（Ｌ ＥＤ）と固体レーザーによって容易かつ経済的に発生されるが、それらは、グル コースによって特別に吸収される範囲にない。この「指紋」吸光の欠如と組織色 素及び条件からの干渉は、技術を正確な濃度決定のために無益にし、安定性が維 持されるならば、多分、傾向性のために受容されない。そのような分光技術を記 載する先行技術の特許の実例が、以下に記載される。 Ｋａｉｓｅｒは、スイス特許Ｎｏ．６１２，２７１において、赤外レーザーが 測定セルにおけるグルコース濃度を測定するための放射源として使用された技術 を記載する。測定セルは、人の血液で濡されたＡＴＲ測定プリズムと、比較溶液 で濡されたＡＴＲ基準プリズムから成る。ＣＯ₂レーザー放射は、測定セルを通 って導かれ、信号処理装置に当たる前に集められる。測定セルの前に置かれたチ ョッパは、試料と基準プリズムからの信号に対応して、２つの電圧を獲得させる 。血液において測定された物質の濃度に対応する吸収により、発生する電圧の差 分は、濃度に比例する。残念なことに、Ｋａｉｓｅｒによって使われた赤外レー ザーは、血液を加熱する望ましくない副作用を有し、人に有害であり、また、組 織吸収の効果を克服しない。Ｋａｉｓｅｒは、血液の加熱が、静脈血の体外のキ ュベットと高血液流量率を使用することにより防止されるが、Ｋａｉｓｅｒは、 測定された赤外スペクトルの部分において存在する組織吸収又は他の誤差源の影 響を克服するグルコース濃度を測定するための非侵襲性技術を記載しない。 Ｍａｒｃｈは、米国特許Ｎｏ．３，９５８，５６０において、眼の角膜を通過 した偏光赤外光の回転を検知する「非侵襲性」自動グルコースセンサシステムを 記載する。Ｍａｒｃｈのグルコースセンサは、まぶたと角膜の間の眼球の上には められ、人の角膜の一方の側において検出器で検出された放射線量の関数として グルコースを測定する。残念なことに、そのような技術は、血液の回収を必要と せず、このようにして、「非侵襲性」であるが、センサは、人の眼における据え 付けの必要性のために、人に不快の原因になる。より正確で非侵入的なシステム が望まれる。 Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎは、米国特許Ｎｏ．５，００９，２３０において、人の 血流におけるグルコース濃度を非侵襲的に検出するために、偏光赤外光を使用す る個人用グルコースモニターを記載する。偏光ビームにおいて伝えられた回転量 は、身体の脈管部分を通過する時測定され、身体のその部分におけるグルコース 濃度が測定される。Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎによって記載されたモニターは、人の 眼に取り付けられる必要はないが、測定精度は、Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎによって 使われた９４０〜１０００ｎｍ範囲において比較的少量のグルコース吸収により 限定される。 Ｄａｈｎｅ他は、米国特許Ｎｏ．４，６５５，２２５において、１１００〜２ ５００ｎｍの間の近赤外領域において特別に選択された帯域を用いて、グルコー スの存在を検出するための分光測光技術を記載する。Ｄａｈｎｅ他は、１０００ 〜２５００ｎｍ範囲の波長において光を照射することにより、十分な感度で対象 組織に達する十分な貫入深さの許容される組合せが、組織を過熱させる危険なし に、グルコース濃度変動を確認するために獲得されることを見いだした。 Ｍｅｎｄｅｌｓｏｎ他はまた、米国特許Ｎｏ．５，１３７，０２３において、 近赤外範囲における波長が、搏動フォトプレチスモグラフを用いて、グルコース の如く分析物の濃度を非侵襲的に測定するために有益であることを見いだした。 特に、Ｍｅｎｄｅｌｓｏｎ他は、透過及び反射フォトプレチスモグラフの原理を 使用し、これにより、グルコース測定が、血液体積変化が心周期の心収縮及び心 拡張期フェ−ズにおいて生ずる前後に、付属肢を透過又は組織表面から反射され る２つの異なる近赤外放射源の差又は比を分析することにより行われるグルコー ス計器を記載する。フォトプレチスモグラフの技術は、このようにして、過度の 組織吸収によって導入された誤差を説明するために、光度を調整するために使用 される。しかし、Ｄａｈｎｅ他とＭｅｎｄeｌｓｏｎ他による主張にもかかわら ず、近赤外の波長（２５００ｎｍ以下）は、グルコースによって強力に吸収され ないが、血液における他の化合物から干渉され、こうして、十分に精密な測定を 生じることができない。 Ｒｏｓｅｎｔｈａｌ他は、米国特許Ｎｏ．５，０２８，７８７において、グル コースを測定するために、近赤外範囲（６００−１１００ｎｍ）において赤外エ ネルギーを使用する非侵襲性の血液グルコースモニターを開示する。しかし、上 記の装置と同様に、これらの波長は、グルコースの一次吸収範囲にはなく、ゆえ に、これらの波長における吸収は、比較的弱い。 一次吸収範囲におけるグルコース吸収を監視するより精密なグルコース測定技 術が、米国特許Ｎｏ．５，３１３，９４１において本発明者達の中の二人によっ て提案された。その特許において、Ｂｒａｉｇ他は、中〜遠赤外範囲において一 般に信号を減衰させる強力な組織吸収に拘わ らず、改良グルコース測定を設ける中〜遠赤外範囲においてグルコース濃度を測 定するためのシステムを開示する。これは、非常に低い使用率と小さな光帯域幅 を有するエネルギーの短いバースト又はパルスとして、指又は他の脈管付属肢に 長波長赤外エネルギーを通過させることにより達成される。バーストは、心収縮 中に一つと心拡張期中に一つの、２つのエネルギーパルスが、心拍当たりに送出 される如く、心周期の心収縮及び心拡張期と同期される。エネルギーバーストの 印加中に検出された吸収信号は、多項式を用いて、血液成分の濃度を計算するた めに使用される。米国特許Ｎｏ．５，３１３，９４１において記載されたシステ ム及び方法の説明は、これにより、参照として本明細書に完全に組み入れられる 。 身体からの赤外発光は、身体の絶対温度を決定するために、使用されてきた。 例えば、本発明者の幾人かは、米国特許Ｎｏ．５、１５９、９３６において、鼓 膜の赤外エネルギー放出から人の絶対温度を測定する鼓膜温度計を開示する。し かし、そのような赤外エネルギー放出は、成分吸収測定を行うための特定の波長 において以前に測定されていない。 従って、脈動する動脈血から吸収信号を獲得し、組織などからの干渉に起因す る問題を克服することにより、グルコース、エチルアルコール及び他の血液成分 の濃度の精密な測定を設けるために、上記の分光技術を拡張することが、望まれ る。特に、よい吸収特性と改良信号対雑音比のために、人の身体から放出された 長波長赤外エネルギーを使用し、それらの放出における長波長赤外エネルギーを 心周期と同期させ、その結果、動脈血におけるそのような成分の濃度の非常に正 確な生体内温度補償測定が行われる非侵襲性血液成分測定装置が、望まれる。そ のような 目的のための方法及び装置が、ここで記載される。 発明の要約 先行技術のグルコース及び他の血液成分測定装置における上記の限界は、その ような血液成分が強力で容易に識別可能な吸収スペクトルを有するならば、長赤 外波長における血液中の血液成分の赤外吸収を監視することにより、人の血液中 のグルコース及び他の血液成分の濃度を非侵襲的に測定する器具を提供すること により克服される。好ましくは、人の腕の如く脈管付属肢からの人の身体によっ て放出された長波長赤外エネルギーが、人への傷害、静脈穿刺又は不便なしに行 われる赤外吸収測定のためのエネルギー源として使用される。 人の組織、水と骨はまた、長波長赤外エネルギーの強力な可変吸収体でもある ために、そのようなシステムにおける信号対雑音比は、血液成分濃度測定におい て重大な誤差の原因になる。しかし、これらの源からの潜在的な干渉は、（１） 光透過測定を鼓動の心収縮及び心拡張期フェーズと同期させ、動脈壁の膨張と萎 縮を使用して、測定を動脈血のみに分離し、及び／又は、（２）赤外エネルギー 源として皮膚又は他の組織によって容易に吸収されない人の腕（又は他の脈管付 属肢）によって放出された赤外エネルギーを使用することにより、本発明により 克服される。 本発明者達は、人の組織によって赤外放射として発生された赤外発光が、グル コースの如く血液成分によって放射され、部分的に再吸収された時、これらの血 液成分の濃度に関する量的情報を構成することを発見した。赤外エネルギー源と しての人の身体からの赤外発光を使用することにより、赤外源は、必要ではなく 、使用エネルギーとシステム複雑性 を非常に縮小させ、このため、装置の携帯性を高める。また、人の体内温度の変 化を捕償することにより、改良精度が、達成された。 長波長赤外検出器は、典型的に、組織による信号の減衰のために、低い応答性 を有する。これらの問題は、血液濃度測定のために人の腕又は他の脈管付属肢か らの赤外発光を使用することにより、発明の装置によって扱われる。こうして、 発明の好ましい実施態様により、高エネルギーの赤外エネルギーを人の皮膚に照 射することは不必要であり、これにより、可能な不快を回避する。測定はまた、 発明により心収縮期及び心拡張期と同期化され、組織吸収の有害な干渉効果を最 小化する。このようにして、二つ以上の測定が、典型的に、１回の鼓動につき行 われる。光学プレチスモグラフ又はＥＣＧは、測定を鼓動と同期化するために、 発明により使用される。しかし、同期化は、必要ではなく、分光光度計が、動脈 、静脈、及び組織グルコースレベルに同時に応答することが望まれるならば、除 去される。 本発明は、こうして、長波長赤外エネルギー源として人の腕又は他の脈管付属 肢からの赤外発光を用いて、人の血液におけるグルコース又はエチルアルコール の如く、少なくとも一つの所定の血液成分の濃度を測定する非侵襲性赤外分光光 度計及び方法に関する。発明の好ましい実施態様により、そのような非侵襲性赤 外分光光度計は、人によって熱として放出された少なくとも２．０μｍの広範囲 の波長において赤外吸収を測定する。測定される各成分は、ｎ個の波長の内の一 つ以上の波長において赤外エネルギーを容易に吸収し、その範囲内のｎ個の波長 の内の一つ以上の他の波長において赤外光を最小限に吸収する。このようにして 、人によって放出された赤外エネルギーは、測定される成分によって吸収 され、この吸収を測定することにより、成分の濃度が決定される。少なくとも一 つの赤外検出器は、例えば、人の動脈血管を通過し、所定の成分によって選択的 に吸収されたｎ個の波長において光を検出する。赤外検出器は、成分濃度を決定 する処理のために検出信号を出力する。また、腕又は他の脈管付属肢において人 の体内温度を測定するための温度検知装置が、温度従属効果に対して成分濃度測 定を調整する際に使用される。 また、同期手段が、人の心周期の心収縮及び心拡張期フェ−ズと測定を同期さ せるために設けられる。好ましくは、同期手段は、心臓モニターと、吸収測定が 人の心周期の心収縮及び心拡張期フェ−ズ中行われるように制御するために応答 する手段を具備する。代替的に、プレチスモグラフ信号は、赤外信号から直接に 獲得され、これにより、別個のプレチスモグラフの必要性を除去する。しかし、 この実施態様において、赤外信号は、なお、心収縮期及び心拡張期構成部分にゲ −ト制御される。 さらに、チョッパホイールは、測定信号を高周波数に変換するために使用され 、ＨｇＣｄＴ検出器における低周波数雑音を克服する。しかし、サ─モパイルの 如く他の検出器は、チョッパを必要としない。チョッパ信号は、それから増幅さ れ、濾過され、同期式に復調され、付加雑音のない検出器からのＤＣ信号を再生 成する。それから、信号は、低域濾過され、検出信号から所定の成分の濃度の計 算のために処理装置へ通過され、組織吸収誤差が実質的にない濃度指示を提供す る。 グルコースモニターの好ましい実施態様において、検出波長は、おおよそ９． １μｍであるが、基準波長はおおよそ１０．５μｍである。血液アルコールモニ ターの代替態様において、検出波長は、おおよそ３．４μｍであり、基準波長は 、おおよそ４．８μｍである。好ましくは、 帯域分析フィルターがまた、人の動脈血管と赤外検出器の間に配設され、検出及 び基準波長に中心をおく狭い通過帯域において赤外光を通過させる。 所定の成分の濃度は、比率Ｒ＝（Ｓｙｓ Ｌ１ − Ｄｉａｓ Ｌ１）／（Ｓ ｙｓ Ｌ２ − Ｄｉａｓ Ｌ２）、ここで、Ｓｙｓ Ｌ１は、検出波長におけ る検出心収縮期フェ−ズ信号であり、Ｄｉａｓ Ｌ１は、検出波長における検出 心拡張期フェ−ズ信号であり、Ｓｙｓ Ｌ２は、基準波長における検出心収縮期 フェ−ズ信号であり、そしてＤｉａｓ Ｌ２は、基準波長における検出心拡張期 フェ−ズ信号である、を形成し、次の式を解くことにより計算される。 Ｃ．Ｃ．＝Ｃ₁＋Ｃ₂＊Ｌｎ（Ｒ）＋Ｃ₃＊［Ｌｎ（Ｒ）］²＋Ｃ₄＊［Ｌｎ（Ｒ） ］³＋Ｃ₅＊［Ｌｎ（Ｒ）］⁴ ここで、Ｃ．Ｃ．は、所定の成分の濃度であり、Ｃ₁−Ｃ₅は、経験的に決定され たキャリブレ−ション係数であり、Ｌｎは、自然対数関数である。 上記の式は、多項式においてクロス乗積項を含むことにより、多重検出波長と 一つ以上の基準波長を使用するシステムに対して発生される。 また、発明の好ましい実施態様において、グルコース測定は、人の腕又は他の 脈管付属肢内の深部の温度を測定することにより、人の体温の温度変化に対して 補償される。測定温度から、Ｉ₀は、グルコースが赤外エネルギーを吸収する前 に、人の腕又は他の脈管付属肢内から発せられたエネルギーレベルの値を生ずる ように計算される。合成Ｉ_c値は、グルコースによって吸収されたエネルギーの パーセントを計算するために、実際の測定エネルギーＩに対して比を取られる。 比の不連続性はま た、測定電圧を放射パワーのワット数に変換し、チョッパー刃によって発せられ たワット数を加算し、その量の比を取ることにより除去される。それから、Ｂｅ ｉｒの式におけるＩ値として人の腕又は他の脈管付属肢からの測定信号を処理し 、Ｐｌａｎｃｋの式を用いて、測定Ｉ₀値に対してこれらの値の比を取ることに より、Ｂｅｉｒの式は、 Ｉ／Ｉ₀＝ｅ^-CLX として温度従属性の捕償を可能にするように書き換えられる。ここで、Ｃは、グ ルコース濃度であり、Ｌは、赤外発光の起点から検出点へのパス長であり、Ｘは 、実験的に決定された消光率であり、Ｉは、腕によって発せられたエネルギーで あり、そしてＩ₀は、次のＰｌａｎｃｋの式から規定された腕内の入射エネルギ ーである。 ここで、Ｔ_Rは、選択フィルターの透過係数であり、εは、皮膚の放射率であり 、Ｃ₁＝３．７４×１０⁴、Ｃ₂＝１．４３８×１０⁴であり、Ｔは、身体又は腕内 の深部の測定絶対温度であり、そしてλは、選択フィルターの波長である。 図面の簡単な説明 発明の目的及び利点は、添付の図面に関連して取られた発明の好ましい実施態 様の次の詳細な説明からより明らかになり、より容易に認識されるであろう。 第１図は、人によって放出された赤外エネルギーが赤外エネルギー源として使 用される、非侵襲性赤外分光光度計の好ましい実施態様を概略的に示す。 第２図は、第１図の実施態様において心収縮期と心拡張期を検出するためのフ ォトプレチスモグラフを示す。 第３図は、発明によりグルコース示度の温度補償のために体内腕温度を決定す るための温度検知装置を示す。 第４図は、第３図の温度検知回路の回路図である。 第５図は、温度従属効果とゼロ点における不連続性の補正の前後の、１０．５ μｍにおける目標ワット量に対する９．４μｍにおける目標ワット量の比を示す グラフである。 好ましい実施態様の詳細な説明 発明の好ましい例示の実施態様による上記の有益な特徴を有する非侵襲性赤外 分光計が、以下に、第１〜５図を参照して記載される。技術における当業者には 、吸収に対して監視される赤外エネルギーの波長を変化させることにより、エチ ルアルコール、炭酸ガス、尿素、尿酸、脂質、クレアチニン、ペプチド、コレス テロール、ヘマトクリット、薬剤と他の分析物の如く他の血液成分が、発明の技 術により測定されることを認めるであろう。このようにして、例示の実施態様に おいてここで記載されたグルコース監視装置は、説明の目的のみであり、発明の 範囲を限定することを決して意図されない。発明の範囲に関するすべての質問は 、添付のクレームを参照して解決される。 技術における当業者には公知な如く、大部分の共有結合は、赤外スペクトルに おける吸収帯の存在が分子における結合の存在を指示するが、吸収ピークの不在 がその対応する結合を保証する如く、特性並びに本質的に不変の吸収波長を有す る。このため、発明の技術により測定された各化合物又は血液成分は、吸収測定 のための一つ以上の検出及び基準波 長を確立するために使用される赤外範囲において特性吸収スペクトルを有する。 遠赤外範囲におけるグルコース測定が、好ましい実施態様としてここで記載され るが、本発明は、中及び遠赤外範囲において血液アルコールモニターとして特別 の効用を有する。 赤外スペクトルは、近赤外（おおよそ１〜３ミクロン）、中赤外（おおよそ３ 〜６ミクロン）、遠赤外（おおよそ６〜１５ミクロン）、及び極遠赤外（おおよ そ１５〜１００ミクロン）を含む。上記の如く、典型的なグルコース及び他の非 侵襲性血液成分測定装置は、グルコースと他の血液成分による赤外エネルギーの 吸収が比較的低い近赤外領域において動作する。しかし、本発明者達は、組織、 水及び骨吸収の有害な影響を最小にしながら、グルコースと他の血液成分が強力 な識別可能な吸収スペクトルを有する中及び遠赤外領域において吸収を測定する 技術を見いだした。 グルコースは、約６ミクロンを超える遠赤外において強力な特性スペクトルを 有する。ＷＯ８１／００６２２においてＭｕｅｌｌｅｒによって記載された如く 、グルコース吸収は、おおよそ９．１μｍにおける検出波長とおおよそ１０．５ μｍにおける基準波長を使用して、測定される。同様に、エチルアルコールは、 中赤外（３〜４μｍ）と遠赤外（９〜１０μｍ）において強力な特性スペクトル を有する。従って、エチルアルコール濃度は、おおよそ３．４ミクロンの検出波 長とおおよそ４．８ミクロンの基準波長を使用し、差分吸収計算技術により、測 定される。 第１図は、１０ミクロンに近い長赤外波長において、血液におけるグルコース の赤外発光を監視することにより、人の血液におけるグルコース及び／又は他の 成分の濃度を非侵襲的に測定する「自己発光」グルコ ースモニターを示す。言い替えれば、先行技術の分析器、即ち、米国特許Ｎｏ． ５，３１３，９４１において記載された分析器とは異なり、発明の本実施態様は 、赤外源を含まず、吸収分析を行うために、人の血液及び／又は周囲組織によっ て放出された赤外エネルギーを使用する。 発明者達は、先行技術の「赤外透過」形式分析器において、ほんの少量の信号 が、選択された付属肢を通過することを見いだした。対照的に、好ましい実施態 様により、正常の体熱が赤外エネルギー源を設けるために、赤外源はもはや必要 ではない。しかし、分析は、なお、長波長の赤外エネルギーにおいて行われる。 特に、２〜１２ミクロンの波長が、特に好ましいが、これらの波長は、熱の波長 として身体によって自然に放出され、２〜１２ミクロン領域における分子吸収は 、非常に分子固有であるからである。米国特許Ｎｏ．５，３１３，９４１におい て注記された如く、この領域において、各分子は異なる吸収スペクトルを有する ために、この領域は、分析化学における「指紋」領域を含む。 発明のこの実施態様は、こうして、人体以外のエネルギー源を必要としない。 エネルギーは付属肢を通過されず、これにより、過度の放射線に付随した危険の 可能性を除去する。光エネルギーを発生することは不必要であるために、本実施 態様は、小パワーにおいて作用し、こうして、この実施態様を、携帯操作のため に有望な候補にする。 第１図において図示の如く、好ましい実施態様の発明は、好ましくは、人の腕 の内部１０２から放出された赤外熱エネルギ─の検出のために、人の手首１００ の下側に載置されるように設計された赤外検出装置を含む。検出器は、１／４イ ンチのアパーチュア１０４を含み、人の腕（又は他の脈管付属肢）の内部１０２ からの赤外信号を、チョッパ制御装置 １０８によって制御されるチョッパ１０６に通過させ、高周波数に信号を変換し 、検出器における低周波数雑音を最小化する。それから、信号は、分析及び基準 フィルターを含むフィルターホイール１１０を通過し、下記の技術により吸収測 定を行う。分析フィルターホイール１１０は、赤外検出器１１４によって所望の 成分の吸収又は参照の検出を制御するためにマイクロプロセッサ１１２によって 制御される。好ましい実施態様において、フィルターホイール１１０は、３鼓動 毎にフィルターを変更する。 マイクロプロセッサ１１２は、好ましくはハンドヘルドモニターにおける使用 のために発明の小形化を可能にするＡＣ又はＤＣ電源４２０からエネルギーを受 ける。それから、計算濃度は、使用者が、グルコースレベル、エチルアルコール レベル等を容易に確認するように、ディスプレイ１１６において表示される。マ イクロプロセッサ１１２は、好ましくは、さらに、平均化、傾向化等が行われる 如く、そのような測定のシ−ケンスを記憶するためのメモリ１１７を含む。 好ましい実施態様において、冷却されたＨｇＣｄＴ検出器が、赤外検出器１１ ４として使用される。赤外検出器は、一般に、目標（この場合、人の腕の内部１ ０２）と検出器の間の温度差に応答するために、そのような検出器の極低温冷却 は、赤外信号を向上させる。しかし、低雑音電子系と適切な信号処理により、米 国特許Ｎｏ．５，３１３，９４１において記載された検出器で使用されたサ─モ パイル及びピロ電気形式の如く室温検出器がまた、この実施態様において使用さ れる。 検出により、チョップ及び濾過された信号は、前置増幅器１１８によって増幅 され、それから、帯域フィルター１１９によって濾過され、信号 が同期復調器１２０によって復調される前に、雑音を最小化する。同期復調器１ ２０は、検出器からＤＣ信号を再生成するために、チョップされた信号を復調し 、こうして、雑音は実質的に縮小される。それから、信号は、低域フィルター１ ２２によって低域濾過され、マルチプレクサとＡ／Ｄコンバ─タ１２４に渡され 、下記の技術により処理される。 米国特許Ｎｏ．５，３１３，９４１において記載されたモニターと同様に、こ の実施態様のモニターは、動脈血代謝レベルを分析するように設計される。鼓動 を監視し、鼓動に同期することにより、動脈血信号は、他の信号から区別される 。この実施態様において、赤外検出器１１４は、例えば、人の腕の内部１０２か ら放出された赤外エネルギーを連続して測定する。米国特許Ｎｏ．５，３１３， ９４１において記載されたモニターと同様に、この実施態様において、光学プレ チスモグラフは、赤外信号部位の非常に近くで鼓動を監視する。第１図に示され た如く、プレチスモグラフ信号は、好ましくは、プレチスモグラフセンサ１２８ によって人の中（又は薬）指１２６から取られるが、赤外信号は、人の手首１０ ０の下側から取られる。プレチスモグラフ信号は、シリコン検出器出力を使用信 号に変換するパルス酸素計又は他の心臓モニター１３０の前置増幅器における同 期復調電子系に適用される。合成プレチスモグラフ信号は、マルチプレクサとＡ ／Ｄコンバ─タ１２４と、それから、マイクロプロセッサ１１２に適用され、下 記の技術により処理される。プレチスモグラフ信号は、手首１００の下側からの 赤外信号を、心収縮及び心拡張信号へ電子的にゲ−ト制御するために使用され、 組織吸収効果の最小化に役立つ。静脈と組織は一般に脈動しないために、検出信 号への寄与は、比率が取られる時、打ち消される。 動作中、プレチスモグラフセンサ１２８のＬＥＤは、人の中（又は薬）指１２ ６において位置し、これにより、第２図に示された如く、可視又は近赤外光源２ ００を形成する。ＬＥＤ２００は、マイクロプロセッサ１１２とＬＥＤドライバ ー回路（不図示）によってパルスにされる。ＬＥＤ２００からの信号は、指１２ ６を通過し、シリコンフォトダイオード２０２によって検出される。上記の如く 、心臓モニター１３０の前置増幅器における同期復調電子系は、シリコン検出器 出力を使用信号に変換する。ＬＥＤ２００、シリコンフォトダイオード２０２及 び心臓モニター１３０の前置増幅器回路は、光学プレチスモグラフを共に構成す る。米国特許Ｎｏ．５，３１３，９４１において詳細に記載された如く、プレチ スモグラフ信号は、マイクロプロセッサ１１２によって使用され、マイクロプロ セッサ１１２のソフトウェア内で、心収縮期及び心拡張期積算器への赤外信号の ゲート制御のために、心周期のフェ−ズを決定する。 第１図と第２図の実施態様に対する代替態様において、プレチスモグラフ信号 は、赤外信号から直接に獲得され、別個のプレチスモグラフの必要性を除去する 。そのような実施態様において、赤外信号は、なお、心収縮期及び心拡張期成分 へゲ−ト制御される。しかし、プレチスモグラフは、別個のプレチスモグラフよ りもむしろ、赤外信号自体から導出される。もちろん、心周期を監視するための 他の技術も使用される。例えば、心臓モニター１３０は、心電図を使用し、心電 図の固有特徴に同期する。 他方、技術における当業者達は、心周期への同期が、厳格には必要ではなく、 同期段階は、除去されることを認めるであろう。同期化な明の 分光光度計は、動脈、静脈、及び組織グルコースレベルに同時に応答し、これは ある状況において望ましい。 こうして、発明により、分光光度計が心周期と同期されるならば、次の段階が 、行われる。特に、マイクロプロセッサ１１２は、次の如く、次の心周期におけ る心収縮期と心拡張期を決定するために、光検出器２０２からのプレチスモグラ フ信号を選択的に処理する。 １．従来のプレチスモグラフ信号は、光検出器２０２によって獲得され、アナ ログ対ディジタルコンバ─タ１２４によってデジタル化され、パルスＮ−１とし てメモリ１１７において記録される。これは、プレチスモグラフ信号Ｎ−１を、 おおよそ０．１〜１０ｍｓｅｃの持続期間を有するサンプリング間隔へ分割する ことにより、達成される。好ましくは、光検出器２０２からのプレチスモグラフ 信号は、１ミリ秒毎にアナログ対ディジタルコンバ─タ１２４によって標本され る。 ２．心周期波形の固有特徴が、同期目的のために選択される。好ましくは、心 臓における心室弁の閉鎖の結果として、特有の減少が生ずる心周期の波形の特徴 である重搏脈が、選択され、周期Ｎ−１に対する時間ゼロとして標識される。重 搏脈の後に発生するすべて他の１ミリ秒間隔は、周期Ｎに対する次の重搏脈が見 いだされるまで、１、２、３等として標識される。 ３．波形Ｎ−１が、ピ−ク信号点（心収縮期）を検出するために検査され、そ して間隔番号（即ち、重搏脈からの間隔数又はミリ秒）が記憶される。 ４．波形Ｎ−１が、最小信号点（心拡張期）を検出するために検査され、そし て間隔番号が、同様に、記憶される。 ５．心周期Ｎにおいて、実時間において、重搏脈が再び識別される。それから 、パルスＮ−１に対して段階４において記憶された間隔番号が、重搏脈から計数 され、周期Ｎの心拡張期に対応することを予測された時間間隔を決定する。それ から、人の手首１００の下側からの赤外エネルギーが、心拡張期の周りの２ミリ 秒間隔中に測定される。この２ミリ秒間隔の終端において、適切な数の間隔が、 計数され、周期Ｎにおける心収縮期に対応するように予測された時間間隔を決定 する。人の手首１００の下側からの赤外エネルギーが、心収縮期の周りのおおよ そ２ミリ秒に対して、再び測定される。 ６．赤外検出器１１４によって発生された吸収信号は、アナログ対ディジタル コンバ─タ１２４によってデジタル化され、マイクロプロセッサ１１２のメモリ １１７又は別の一時レジスターにおいて記憶される。 ７．周期Ｎにおいて、赤外ＬＥＤプレチスモグラフ信号が、再び記録され、検 査される。心収縮期と心拡張期は、パルスＮ−１の分析中発生することを予測さ れたおおよそ＋／−１０ミリ秒以内に発生すると判定され、メモリ１１７又は他 の一時レジスタにおいて記憶された長波長赤外データが、それから、グルコース 濃度の計算のために、マイクロプロセッサ１１２のグルコース処理アルゴリズム に伝達される。しかし、心収縮期と心拡張期が、周期Ｎー１において発生するこ とを予測された＋／−１０ミリ秒以内に発生しなかったならば、記憶値は、メモ リ１１７から消去される。 ８．段階１ー７は、多数の使用可能な測定が行われるまで繰り返される。それ から、測定値は、平均化され、又は最高及び最低値が、算出され、その結果、濃 度の正確な計算が、マイクロプロセッサ１１２によっ て行われ、表示装置１１６において表示される。 赤外検出信号の測定は、上記の如く、鼓動と同期化され、組織の影響と、患者 影響変動値と時々呼ばれる他の「非脈動」干渉を取り除く。しかし、鼓動は、毎 回同一ではなく、個人毎に変化する。これらの影響変動値は、器具のキャリブレ −ションへの要求を提示する。従って、吸収読み値を正規化し、個人キャリブレ ーションに対する必要条件を克服するために、少なくとも２つの長赤外波長が、 上記の心拡張期と心収縮期中、同時に測定される。上記の如く、グルコースに対 して、グルコースによって特に吸収された分析波長は、好ましくは、おおよそ９ ．１μｍの範囲にあるが、基準波長は、好ましくは、グルコースによって吸収さ れないおおよそ１０．５μｍの範囲にある。一般に、グルコース濃度は、９．１ μｍにおいて測定された心収縮期及び心拡張期差分信号と１０．５μｍにおいて 測定されたそれらの信号の間の比を形成することにより決定される。二つ以上の 基準及び分析波長が、使用され、その結果、多重比が形成される。それから、合 成の番号配列が、経験的に決定されたキャリブレ−ション係数により、演算され る。合成計算サイクルにより、人の動脈血におけるグルコースの濃度が生成され る。 発明の技術により二つ以上の波長において発生された吸収信号からグルコース の如く、血液成分の濃度を計算するためにマイクロプロセッサ１１２によって使 用される数学の一般形式が、以下に記載される。 一般に、グルコース、アルコールなどのｎ個の血液成分を検出するためのｎ＋ １個の検出波長のシステムに対して、波長ｎにおける心収縮期フェ−ズ信号は、 ＳＹＳ ＬＮであり、波長ｎにおける心拡張期フェ−ズ信号は、ＤＩＡＳ ＬＮ である場合に、測定される（グルコースの如 く）血液成分の濃度は、ＳＹＳ ＬＮとＤＩＡＳ ＬＮの数学関数として計算さ れる。例えば、成分濃度（Ｃ．Ｃ．）は、 Ｃ．Ｃ．＝Ｆｎ（ＳＹＳ ＬＮ，ＤＩＡＳ ＬＮ） として表現される。多重（少なくとも２つ）の波長を使用するシステムに対して 、Ｌ１−ＬＮが分析波長であり、ＬＲが一つ以上の基準波長である場合に、 Ｒ_N＝（ＳＹＳ ＬＮ−ＤＩＡＳ ＬＮ）／（ＳＹＳ ＬＲ−ＤＩＡＳ ＬＲ） ； 式（１） もちろん、比率Ｒの他の数学的形式も、使用されるが、一般に、Ｒ_N＝ＦＮ（Ｌ Ｎ，ＬＲ）である。 各血液成分の濃度は、その成分に対する各比率Ｒの関数である。例えば、グル コース濃度（Ｇ．Ｃ．）は、単一の検出と単一の基準波長に対して、次数ｐの多 項式から として計算される。ここで、Ｃ₁−Ｃ₅は、キャリブレ−ション定数であり、Ｌｎ は、自然対数関数であり、ｐ＝４である。しかし、複数の検出波長及び／又は複 数の基準波長が使用される時、クロス乗積項が、加算され、次の一般式に帰着す る。 ここで、Ｂ、Ｃ_{x y}とＤ_zは、キャリブレ−ション定数であり、ｍは、分 析及び基準波長の総数（ｍ＞＝（ｎ＋１））であり、そしてＬｎは、自然対数関 数である。 もちろん、多項式以外の他の式も、それぞれの血液成分の濃度を計算するため に、技術における当業者によって使用される。例えば、心収縮期／心拡張期比率 は、パルス酸素濃度計計算において対数で置き換えられる。代替的に、「ケモメ トリックス」として公知な数学的技術が、多重波長分光分析を提供するために使 用される。 上記から明らかな如く、光吸収による濃度の測定は、吸収光の測定を行い、濃 度を計算するために、Ｂｅｉｒの法則の導出を適用し、この場合、Ｂｅｉｒの法 則は、Ｉ＝Ｉ₀＊ｅ^-CLXとして記述され、Ｃは、グルコース濃度であり、Ｌは、 赤外発光の起点からその検出点へのパス長であり、Ｘは、実験的に決定された消 光率であり、Ｉは、腕によって発せられたエネルギーであり、そしてＩ₀は、次 のＰｌａｎｃｋの式から定義された腕内の入射エネルギーである。 ここで、Ｔ_Rは、選択フィルターの透過係数であり、εは、皮膚の放射率であり 、Ｃ₁＝３．７４×１０⁴、Ｃ₂＝１．４３８×１０⁴であり、Ｔは、身体又は腕内 の深部の測定絶対温度であり、そしてλは、選択フィルターの波長である。従っ て、対象濃度Ｃの計算は、通常、ＩとＩ_cを測定し、Ｃに対してＢｅｉｒの式を 解くことに係わる。 しかし、検体内から発せられたエネルギーが測定される上記の形式のシステム において、入射エネルギーＩ₀の光学測定は、測定される皮膚と物体を通過した 後、エネルギーが検知されるために、可能ではない。 しかし、本発明者達は、Ｐｌａｎｃｋの式が、放射源、この場合、人の腕の温度 に基づいて、Ｉ_cの実値を計算するために使用されることを発見した。技術にお ける当業者達には公知な如く、Ｐｌａｎｃｋの式は、特定波長及び温度における 「黒体」の放射率を与え、 として書かれる。ここで、Ｗ＝１ミクロン波長当たりのワット数／ｃｍ²であり 、λ＝ミクロンにおける波長、Ｔ＝ケルヴィン絶対温度、Ｃ₁＝３．７４＊１０⁴ 、Ｃ₂＝１．４３８＊１０⁴、そしてＷ_λ＝ワット数／ｃｍ²ミクロンにおける波 長の単位増分当たり単位面積当たりに放出された放射束である。 温度従属効果を補正するために、Ｉ_cは、グルコースがエネルギーを吸収する 前に、目標（人の腕）内から発せられたエネルギーレベル値を生ずるために、式 （４）を用いて計算される。Ｉ_cの計算値は、グルコースによって吸収されたエ ネルギーのパーセントの計算のために、実際の測定エネルギーＩに対して比を取 られる。比を取ることにより、パス長の如く、多数の項は、式から有効に落とさ れる。 こうして、Ｉ₀を計算するために、人の体内の深部の温度を測定することが必 要である。この目的のために、温度センサー３００（第３図）は、例えば、人の 腕の内部温度の測定のために人の手首の周りに据え付けられる。第３図に示され た如く、温度センサー３００は、人の手首１００又は前腕の周りに巻き付けられ 、ＴＲＵ−ＦＩＴモデル４０５Ｎｅｏｐｒｅｎｅ Ｗｒｉｓｔ Ｓｕｐｐｏｒｔ の如く、絶縁弾性泡３０２で覆われた、ＭＩＮＣＯ部品＃３８６ＰＤ１０Ｚ３６ Ａの如くたわみ矩 形ＲＴＤを含む。第４図に示された如く、温度検知要素（ＲＴＨ）３０１は、精 密抵抗器（Ｒ）と直列に電気的に接続される。２つの電圧測定値Ｖ_refとＶ_rthが 取られ、線形方程式を使用して、電圧比Ｖ_rth／Ｖ_refから温度が決定される。一 旦、温度が知られたならば、式（４）を使用して、Ｉ_cがワット数の単位で計算 される。 第１図のモニターにそのような技術を適用する時、９．４と１０．５の比を取 ることに付随した問題の一つは、比が「ふくれあがり」、信号がゼロに近付いた 、及び／又は負になった時、不連続になることであった。目標がチョッパホイー ル１０６よりも低い温度である時は常に、測定信号は、ゼロよりも小さい。目標 温度がチョッパホイール１０６の温度に等しい時、信号はまた、ゼロに等しい。 他方、目標がチョッパホイール１０６よりも暖かい時、正信号が生成される。第 ５図に示された如く、９．４信号対１０．５信号の比は、ゼロデルタ温度におい て不連続性を生ずる。比は、グルコース濃度を計算するために使用されたもので あるために、この不連続性を取り除くことが、望ましい。 不連続性を除去するために、測定電圧は、放射パワーのワット数に変換され、 そして、その量の比が、取られる。変換は、２つの段階を取る。 １．測定電圧をワット数に変換する。 ２．チョッパ刃１０６によって放出されたワット数を加算する。段階２は、好 ましい実施態様のシステムが、温度センサー３００によって決定される如く、チ ョッパホイール１０６の温度と目標温度の間の差分にのみ応答するために、必要 とされる。 ワット量への測定電圧の変換は、システムを実験的に較正することにより達成 される。Ｐｌａｎｃｋの式によって予測されたワット量に検出 器によって生成された電圧を変換するために、線形回帰が使用される。測定ワッ ト量が知られた後、チョッパホイール１０６から放出されたワット量は、Ｐｌａ ｎｃｋの式を用いて計算される。測定ワット量は目標チョッパ電圧に等しいため に、チョッパワット量は、目標ワット量を生ずるために、測定ワット量に加算さ れる。９．４ミクロンにおける目標ワット量の比が、１０．５ミクロンにおける 目標ワット量によって割り算される時、不連続性は除去される。 第５図に示された如く、比の不連続性は、もはや問題ではないが、比は、温度 に強い従属性を示す。この従属性を取り除くと、より正確なグルコース濃度の計 算が可能になる。 温度従属性は、黒体放射曲線のピーク及び形状の温度に関するシフトによって 生ずる。Ｐｌａｎｃｋの式は、この発光スペクトルを記述した。上記の如く、Ｐ ｌａｎｃｋの式と測定温度は、理論値Ｉ_cを計算するために使用される。測定信 号が、Ｂｅｉｒの式においてＩ値として取り扱われ、Ｐｌａｎｃｋの式からのＩ_c 値に対して比を取られるならば、Ｂｅｉｒの法則は、上記の式（４）において 記した如く、Ｉ／Ｉ₀＝ｅ^-CLXとして書き直される。 理論を適用するために、比の測定値は、グルコース溶液を浸したセーム革から 取られる。目標温度は、広範囲にわたって動かされ、その最大限に対する温度補 正がテストされる。第５図は、前及び後補正比を示す。右目盛りは、温度補正比 であるが、左目盛りは、「原目盛り」である。示された如く、ゼロにおける不連 続性と比の温度従属性は、除去された。こうして、これらの技術は、望ましくは 、計算における潜在的な誤差を除去するために、上記の計算において使用される 。 赤外検出器１１４によって検出された信号の振幅は、全システムの信号対雑音 比を確立する。信号が大きいほど、システム雑音は低くなる。システム雑音の低 下は、短い積分時間と高速測定につながる。本実施態様により、検出器１１４に よって出力された信号は、ｍｇ／ｄｌ当たりおおよそ８ｎＶであると測定された 。生信号は、６５マイクロボルトにおいて測定され、ＤＣ信号の１％のパルス振 幅を有する。技術における当業者は、そのような信号が有意な測定を行うために 十分であることを認めるが、信号対雑音比を改良するために、パルス振幅を増大 させることが望ましい。発明による一つの技術は、グルコース測定と同期して血 圧カフを膨らますことを含む。 上記の如く、ここで記載された発明の好ましい実施態様は、９．１μｍの近く を選択的に吸収するグルコースを監視するために特に設計される。しかし、技術 における当業者は、赤外エネルギーの波長を変化させることにより、炭酸ガス、 エチルアルコール、尿素、尿酸、脂質、クレアチニン、ペプチド、コレステロー ル、ヘマトクリット、薬剤（すべて５〜１０μｍ帯において吸収する）の如く、 検出された他の血流成分と幾つかの他の分析物が、測定されることを認めるであ ろう。また、腎臓患者の透析液が、発明の技術を使用して、監視される。 ここで記載された発明は、特異性と非侵襲性測定の両方を提供し、これにより 、血液グルコースレベル、エチルアルコールレベル又は他の血液成分レベルの測 定又は監視を必要とすることにより、誰でも使用が可能になる。長波長の赤外吸 光度測定の使用は、グルコース又は他の血液成分によって具体的に強力に吸収さ れた正確な波長において信号を設けるが、パルス状の心臓同期された赤外エネル ギーバーストの使用は、組 織吸収によって生じた干渉効果を取り除くが、不快なしに、高エネルギー赤外信 号を設ける。 発明の例示の実施態様が、詳細に記載されたが、技術における当業者は、発明 の新規の教示及び利点に著しく反することなく、多数の付加的な修正が、例示の 実施態様において可能であることを容易に認めるであろる。例えば、本発明は、 技術における当業者に公知な技術を使用して、一つ以上の分析波長と一つ以上の 基準波長を選択することにより、ここで述べられたものの如く、他の血液成分を 測定するために使用される。従って、これらとすべてのそのような修正は、次の 請求の範囲において記載された如く、発明の範囲内に包含されることを意図され る。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年７月９日 【補正内容】 請求の範囲 １．人の脈管付属肢によって発生及び放出された赤外発光を検出するための手 段と、 該検出手段によって検出された該赤外発光から人の血液の少なくとも一つの所定 の成分の赤外吸収を決定するための手段と、 該赤外発光が該検出手段によって検出された、該脈管付属肢の点における該人の 体内温度を測定するための手段と、 該温度測定手段によって測定された該体内温度に対応する赤外発光を決定し、該 検出手段によって検出された赤外発光と、該温度測定手段によって測定された該 体内温度に対応する決定赤外発光の関数として、該少なくとも一つの所定成分の 濃度を計算するための処理手段とを具備する非侵襲性赤外分光光度計。 ２．人の心周期の心収縮期及び心拡張期フェーズと該検出手段による該赤外発 光の検出を同期させるための同期手段をさらに具備する請求の範囲１に記載の分 光光度計。 ３．該温度測定手段が、人の腕の周りに巻き付けられるようにされたＲＴＤを 具備する請求の範囲１に記載の分光光度計。 ４．該温度測定手段が、さらに、該ＲＴＤを覆うために、人の腕の周りに巻き 付けられるようにされた絶縁材料をさらに具備する請求の範囲３に記載の分光光 度計。 ５．該処理手段が、式 Ｉ／Ｉ₀＝e^-CLX に従い、該少なくとも一つの所定成分の濃度Ｃを計算し、ここで、Ｌは、該脈管 付属肢内の該赤外発光の起点から該検出手段へのパス長であり、 Ｘは、実験的に決定された消光率であり、Ｉは、該検出手段によって検出された 赤外発光であり、そしてＩ₀は、Ｐｌａｎｃｋの式 から定義された該脈管付属肢内の入射エネルギーであり、ここで、Ｔ_Rは、該少 なくとも一つの所定成分を通過するフィルターの透過係数であり、εは、皮膚の 放射率であり、Ｃ₁＝３．７４×１０⁴、Ｃ₂＝１．４３８×１０⁴であり、Ｔは、 該赤外発光の該起点における該人の体内温度であり、そしてλは、該フィルター の波長である請求の範囲１に記載の分光光度計。 ６．人の血液における少なくとも一つの所定の成分の濃度を決定するための非 侵襲性赤外分光光度計において、 少なくとも２．０μｍのｎ個の異なる波長を含む波長範囲において人によって発 生及び放出された赤外エネルギーを検出するための手段であり、該赤外エネルギ ーは、該少なくとも一つの所定の成分によって別様に吸収された該ｎ個の波長の 各々におけるエネルギーを含み、これにより、各所定の成分は、該ｎ個の波長の 少なくとも一つにおいて赤外エネルギーを容易に吸収し、該ｎ個の波長の別の波 長において赤外エネルギーを最小に吸収し、該検出手段は、該人によって放出さ れ、該少なくとも一つの所定の成分によって選択的に吸収された該ｎ個の波長に おける赤外エネルギーを表現する少なくとも一つの検出信号を出力する検出手段 と、 該赤外エネルギーが該検出手段によって検出された該人の点において該人の体内 温度を測定するための手段と、 該温度測定手段によって測定された該体内温度に対応する赤外発光を決 定し、該検出手段によって検出された赤外エネルギーと、該温度測定手段によっ て測定された該体内温度に対応する決定赤外発光の関数として、該少なくとも一 つの所定成分の濃度を計算するための処理手段とを具備する非侵襲性赤外分光光 度計。 ７．該赤外エネルギーが、人の心周期の心拡張期フェーズの心拡張期間隔中と 、人の心周期の心収縮期フェーズの心収縮期間隔中、該検出手段によって検出さ れ、該心収縮期及び心拡張期間隔は、各々、人の該心周期の心収縮及び心拡張期 フェーズ中、約０．１〜１０ｍｓｅｃの持続時間を有する請求の範囲６に記載の 分光光度計。 ８．該少なくとも一つの所定の成分が、グルコースを含み、該一方の波長が、 約９．１μｍであり、そして該別の波長が、約１０．５μｍである請求の範囲６ に記載の分光光度計。 ９．人の動脈血管と該検出手段の間に配された第１及び第２帯域フィルターを 含む分析フィルターホイールをさらに具備し、該第１帯域フィルターは、約９． １μｍにおいて中心を据えた狭い通過帯域において赤外光を通過させ、そして該 第２帯域フィルターは、約１０．５μｍにおいて中心を据えた狭い通過帯域にお いて赤外光を通過させる請求の範囲８に記載の分光光度計。 １０．人の動脈血管と該検出手段の間に配され、約９．１μｍにおいて中心を 据えた狭い通過帯域において赤外光を通過させる第１帯域フィルターと、人の動 脈血管と該検出手段の間に配され、約１０．５μｍにおいて中心を据えた狭い通 過帯域において赤外光を通過させる第２帯域フィルターとを具備する請求の範囲 ８に記載の分光光度計。 １１．該少なくとも一つの所定の成分が、エチルアルコールを含み、 該少なくとも一つの波長が、約３．４μｍであり、そして該別の波長が、約４． ８μｍである請求の範囲６に記載の分光光度計。 １２．人の動脈血管と該検出手段の間に配された第１及び第２帯域フィルター を含む分析フィルターホイールをさらに具備し、該第１帯域フィルターは、約３ ．４μｍにおいて中心を据えた狭い通過帯域において赤外光を通過させ、そして 該第２帯域フィルターは、約４．８μｍにおいて中心を据えた狭い通過帯域にお いて赤外光を通過させる請求の範囲１１に記載の分光光度計。 １３．人の動脈血管と該検出手段の間に配され、約３．４μｍにおいて中心を 据えた狭い通過帯域において赤外光を通過させる第１帯域フィルターと、人の動 脈血管と該検出手段の間に配され、約４．８μｍにおいて中心を据えた狭い通過 帯域において赤外光を通過させる第２帯域フィルターとを具備する請求の範囲１ １に記載の分光光度計。 １４．人の心周期の心収縮期及び心拡張期フェーズと該検出手段による該赤外 発光の検出を同期させるための同期手段をさらに具備する請求の範囲６に記載の 分光光度計。 １５．該同期手段が、心臓モニターと、人の十分に灌流された組織から人の心 周期の該収縮期及び拡張期フェーズを検出するためのプレシスモグラフセンサー とを含む請求の範囲１４に記載の分光光度計。 １６．該プレシスモグラフ検知手段が、人の該十分に灌流された組織を通して 光を指向させるパルス発光ダイオードと、人の該十分に灌流された組織を通過し た光を検出する光検出器とを具備し、そして該心臓モニターが、該心周期のフェ ーズを決定するために該光検出器の検出出力を処理するための処理手段を具備す る請求の範囲１５に記載の分光光度 計。 １７．該処理手段が、式 Ｉ／Ｉ₀＝ｅ^-CLX に従い、該少なくとも一つの所定成分の濃度Ｃを計算し、ここで、Ｌは、該人体 内の該赤外発光の起点から該赤外エネルギーが該検出手段によって検出される該 点へのパス長であり、Ｘは、実験的に決定された消光率であり、Ｉは、該検出手 段によって検出された赤外エネルギーであり、そしてＩ₀は、Ｐｌａｎｃｋの式 から定義された該体内温度が測定された該人体内の入射エネルギーであり、ここ で、Ｔ_Rは、該少なくとも一つの所定成分を通過するフィルターの透過係数であ り、εは、皮膚の放射率であり、Ｃ₁＝３．７４×１０⁴、Ｃ₂＝１．４３８×１ ０⁴であり、Ｔは、該人の該赤外エネルギーの該起点における該人の体内温度で あり、そしてλは、該フィルターの波長である請求の範囲６に記載の分光光度計 。 １８．該検出手段による検出の前に、通過帯域を超える周波数に人によって放 出された該赤外エネルギーを変調するためのチョッパーホイールと、該少なくと も一つの検出信号を増幅するための前置増幅器と、通過帯域を超える該周波数に 中心がある帯域フィルターと、通過帯域を超える該周波数から該復調信号を復調 する同期復調器とをさらに具備する請求の範囲６に記載の分光光度計。 １９．該処理手段が、比率Ｒ＝（Ｓｙｓ Ｌ１ − Ｄｉａｓ Ｌ１）／（Ｓ ｙｓ Ｌ２ − Ｄｉａｓ Ｌ２）を形成し、ここで、Ｓｙｓ Ｌ１が、該一つの波長における検出収縮期フェーズ信号であり、Ｄｉａｓ Ｌ１ が、該一つの波長における検出拡張期フェーズ信号であり、Ｓｙｓ Ｌ２が、該 別の波長における検出収縮期フェーズ信号であり、そしてＤｉａｓ Ｌ２が、該 別の波長における検出拡張期フェーズ信号である請求の範囲１８に記載の分光光 度計。 ２０．該処理手段が、電圧示度からワット数の示度に該比Ｒを変換し、該チョ ッパホイールによって放出された赤外エネルギーのワット数を加算し、該体内温 度と該チョッパホイールの間の温度差を決定し、これにより、該比Ｒの不連続性 を除去する請求の範囲１９に記載の分光光度計。 ２１．光の血液における少なくとも一つの所定の成分の濃度を非侵襲的に測定 する方法において、 人によって発生及び放出された赤外発光を検出する段階と、 該赤外発光検出段階において検出された赤外発光の発光点において該人の体温を 検出する段階と、 該赤外発光検出段階において検出された該赤外発光から光の血液の少なくとも一 つの所定の成分の赤外吸収を決定する段階と、 該温度測定段階において測定された該温度に対応する赤外発光を決定する段階と 、 該赤外発光検出段階において検出された赤外発光と、赤外発光決定段階において 決定された赤外発光の関数として、該少なくとも一つの所定の成分の濃度を計算 する段階とを具備する方法。 ２２．人の心周期の心収縮期及び心拡張期フェーズと該赤外発光の検出を同期 させる段階をさらに具備する請求の範囲２１に記載の方法。 ２３．該計算段階が、式 Ｉ／Ｉ₀＝ｅ^-CLX に従い、該少なくとも一つの所定成分の濃度Ｃを計算する段階を具備し、ここで 、Ｌは、赤外発光の該点から検出点へのパス長であり、Ｘは、実験的に決定され た消光率であり、Ｉは、検出された赤外発光であり、そしてＩ₀は、Ｐｌａｎｃ ｋの式 から定義された該発光点における該人体内の入射エネルギーであり、ここで、Ｔ_R は、該少なくとも一つの所定成分を通過するフィルターの透過係数であり、ε は、皮膚の放射率であり、Ｃ₁＝３．７４×１０⁴、Ｃ₂＝１．４３８×１０⁴であ り、Ｔは、該温度が検出された、赤外発光の該点における該人の体内温度であり 、そしてλは、該フィルターの波長である請求の範囲２１に記載の方法。 ２４．人の血液における少なくとも一つの所定の成分の濃度を非侵襲的に測定 する方法において、 少なくとも２．０μｍのｎ個の異なる波長を含む波長範囲において人によって発 生及び放出された赤外エネルギーを検出する段階であり、該赤外エネルギーは、 該少なくとも一つの所定の成分によって別様に吸収された該ｎ個の波長の各々に おけるエネルギーを含み、これにより、各所定の成分は、該ｎ個の波長の少なく とも一つにおいて赤外エネルギーを容易に吸収し、該ｎ個の波長の別の波長にお いて赤外エネルギーを最小に吸収し、該人によって放出され、該少なくとも一つ の所定の成分によって選択的に吸収された該ｎ個の波長における赤外エネルギー を表現する少なくとも一つの検出信号を出力する段階と、 該赤外エネルギーが該検出段階において検出される点において該人の体内温度を 測定する段階と、 該温度測定段階において測定された該体内温度に対応する赤外発光を決定する段 階と、 該検出段階において検出された赤外エネルギーと赤外発光決定段階において決定 された赤外発光の関数として該少なくとも一つの所定成分の濃度を計算する段階 とを具備する方法。 ２５．人の心周期の心収縮期及び心拡張期フェーズと人によって放出された該 赤外エネルギーの検出を同期させる段階をさらに具備する請求の範囲２４に記載 の方法。 ２６．該同期段階が、人の心周期の収縮期及び拡張期フェーズ中発生する心拡 張及び心収縮期間隔を決定する段階を含み、これにより、該検出手段は、該心収 縮及び心拡張期間隔中行われる請求の範囲２５に記載の方法。 ２７．該計算段階が、式 Ｉ／Ｉ₀＝ｅ^-CLX に従い、該少なくとも一つの所定成分の濃度Ｃを計算する段階を具備し、ここで 、Ｌは、該赤外エネルギーが放出される点から該赤外エネルギーが検出される該 点へのパス長であり、Ｘは、実験的に決定された消光率であり、Ｉは、該赤外エ ネルギー検出段階において検出された赤外発光であり、そしてＩ₀は、Ｐｌａｎ ｃｋの式 から定義された該赤外エネルギーが放出された該点における該人体内の 入射エネルギーであり、ここで、Ｔ_Rは、該少なくとも一つの所定成分を通過す るフィルターの透過係数であり、εは、皮膚の放射率であり、Ｃ₁＝３．７４× １０⁴、Ｃ₂＝１．４３８×１０⁴であり、Ｔは、該赤外エネルギーが放出された 該点における該人の体内温度であり、そしてλは、該フィルターの波長である請 求の範囲２４に記載の方法。 ２８．該濃度計算段階が、比率Ｒ＝（Ｓｙｓ Ｌ１ − Ｄｉａｓ Ｌ１）／ （Ｓｙｓ Ｌ２ − Ｄｉａｓ Ｌ２）を形成する段階を含み、ここで、Ｓｙｓ Ｌ１は、該一つの波長における検出収縮期フェーズ信号であり、Ｄｉａｓ Ｌ １は、該一つの波長における検出拡張期フェーズ信号であり、Ｓｙｓ Ｌ２は、 該別の波長における検出収縮期フェーズ信号であり、そしてＤｉａｓ Ｌ２は、 該別の波長における検出拡張期フェーズ信号である請求の範囲２４に記載の方法 。 ２９．該濃度計算段階が、電圧示度からワット数の示度に該比Ｒを変換する段 階と、赤外発光検出器のチョッパホイールによって放出された赤外エネルギーの ワット数を加算し、該体内温度と該チョッパホイールの間の温度差を決定し、こ れにより、該比Ｒの不連続性を除去する段階とを含む請求の範囲２８に記載の方 法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゴールドバーガー， ダニエル・エス アメリカ合衆国コロラド州80301ボウルダ ー・スイート102・ウオルナツトストリー ト4760・スクエア・ワン・テクノロジー内 (72)発明者 スターリング， バーンハード・ビー アメリカ合衆国カリフオルニア州94526ダ ンビル・エルピンタドロード882

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．人の脈管付属肢からの赤外発光を検出するための手段と、 赤外エネルギー源として該検出手段によって検出された該赤外発光を使用して、 人の血液の少なくとも一つの所定の成分の赤外吸収を決定するための手段と、 該赤外発光が該検出手段によって検出された、該脈管付属肢の点における該人の 体内温度を測定するための手段と、 該決定手段によって決定された赤外吸収からの該少なくとも一つの所定の成分の 濃度を計算し、濃度計算における温度従属効果を説明するために、該温度測定手 段によって測定された体内温度に応じて、計算濃度を調整するための処理手段と を具備する非侵襲性赤外分光光度計。 ２．人の心周期の心収縮期及び心拡張期フェーズと該検出手段による該赤外発 光の検出を同期させるための同期手段をさらに具備する請求の範囲１に記載の分 光光度計。 ３．該温度測定手段が、人の腕の周りに巻き付けられたＲＴＤを具備する請求 の範囲１に記載の分光光度計。 ４．該温度測定手段が、さらに、該ＲＴＤを覆うために、人の腕の周りに巻き 付けられた絶縁材料をさらに具備する請求の範囲３に記載の分光光度計。 ５．該処理手段が、式 Ｉ／Ｉ₀＝ｅ^-CLX に従い、少なくとも一つの所定成分の濃度Ｃを計算し、ここで、Ｌは、該脈管付 属肢内の該赤外発光の起点からその検出手段へのパス長であり、Ｘは、実験的に 決定された消光率であり、Ｉは、該検出手段によって検 出された赤外発光であり、そしてＩ₀は、Ｐｌａｎｃｋの式 から定義された該脈管付属肢内の入射エネルギーであり、ここで、Ｔ_Rは、該少 なくとも一つの所定成分を通過するフィルターの透過係数であり、εは、皮膚の 放射率であり、Ｃ₁＝３．７４×１０⁴、Ｃ₂＝１．４３８×１０⁴であり、Ｔは、 該赤外発光の該起点における該人の体内温度であり、そしてλは、該フィルター の波長である請求の範囲１に記載の分光光度計。 ６．人の血液における少なくとも一つの所定の成分の濃度を決定するための非 侵襲性赤外分光光度計において、 少なくとも２．０μｍのｎ個の異なる波長を含む波長範囲において人によって放 出された赤外エネルギーを検出するための手段であり、該赤外エネルギーは、該 少なくとも一つの所定の成分によって別様に吸収された該ｎ個の波長の各々にお けるエネルギーを含み、これにより、各所定の成分は、該ｎ個の波長の少なくと も一つにおいて赤外エネルギーを容易に吸収し、該ｎ個の波長の別の波長におい て赤外エネルギーを最小に吸収し、該検出手段は、該人によって放出され、該少 なくとも一つの所定の成分によって選択的に吸収された該ｎ個の波長における赤 外エネルギーを表現する少なくとも一つの検出信号を出力する検出手段と、 該赤外エネルギーが該検出手段によって検出された該人の点において該人の体内 温度を測定するための手段と、 該少なくとも一つの検出信号からの該少なくとも一つの所定の成分の濃度を計算 し、濃度計算における温度従属効果を説明するために、該温度 測定手段によって測定された体内温度に応じて、計算濃度を調整するための処理 手段とを具備する非侵襲性赤外分光光度計。 ７．該赤外エネルギーが、人の心周期の心拡張期及び心収縮期フェーズの心拡 張及び心収縮期間隔中、それぞれ、該検出手段によって検出され、各間隔は、人 の該心周期の心収縮及び心拡張期フェーズ中、約０．１〜１０ｍｓｅｃの持続時 間を有する請求の範囲６に記載の分光光度計。 ８．該少なくとも一つの所定の成分が、グルコースを含み、該一方の波長が、 約９．１μｍであり、そして該別の波長が、約１０．５μｍである請求の範囲６ に記載の分光光度計。 ９．人の動脈血管と該検出手段の間に配された第１及び第２帯域フィルターを 含む分析フィルターホイールをさらに具備し、該第１帯域フィルターは、約９． １μｍにおいて中心を据えた狭い通過帯域において赤外光を通過させ、そして該 第２帯域フィルターは、約１０．５μｍにおいて中心を据えた狭い通過帯域にお いて赤外光を通過させる請求の範囲８に記載の分光光度計。 １０．人の動脈血管と該検出手段の間に配され、約９．１μｍにおいて中心を 据えた狭い通過帯域において赤外光を通過させる第１帯域フィルターと、人の動 脈血管と該検出手段の間に配され、約１０．５μｍにおいて中心を据えた狭い通 過帯域において赤外光を通過させる第２帯域フィルターとを具備する請求の範囲 ９に記載の分光光度計。 １１．該少なくとも一つの所定の成分が、エチルアルコールを含み、該少なく とも一つの波長が、約３．４μｍであり、そして該別の波長が、約４．８μｍで ある請求の範囲６に記載の分光光度計。 １２．人の動脈血管と該検出手段の間に配された第１及び第２帯域フィ ルターを含む分析フィルターホイールをさらに具備し、該第１帯域フィルターは 、約３．４μｍにおいて中心を据えた狭い通過帯域において赤外光を通過させ、 そして該第２帯域フィルターは、約４．８μｍにおいて中心を据えた狭い通過帯 域において赤外光を通過させる請求の範囲１１に記載の分光光度計。 １３．人の動脈血管と該検出手段の間に配され、約３．４μｍにおいて中心を 据えた狭い通過帯域において赤外光を通過させる第１帯域フィルターと、人の動 脈血管と該検出手段の間に配され、約４．８μｍにおいて中心を据えた狭い通過 帯域において赤外光を通過させる第２帯域フィルターとを具備する請求の範囲１ ２に記載の分光光度計。 １４．人の心周期の心収縮期及び心拡張期フェーズと該検出手段による該赤外 発光の検出を同期させるための同期手段をさらに具備する請求の範囲６に記載の 分光光度計。 １５．該同期手段が、心臓モニターと、人の心周期の収縮期及び拡張期フェー ズを検出するために人の十分に灌流された組織に連結されたプレシスモグラフセ ンサーとを含む請求の範囲１４に記載の分光光度計。 １６．該プレシスモグラフセンサーが、人の該十分に灌流された組織を通して 光を指向させるパルス発光ダイオードと、人の該十分に灌流された組織を通過し た光を検出する光検出器とを具備し、そして該心臓モニターが、該心周期のフェ ーズを決定するために該光検出器の検出出力を処理するための処理手段を具備す る請求の範囲１５に記載の分光光度計。 １７．該処理手段が、式 Ｉ／Ｉ₀＝ｅ^-CLX に従い、該少なくとも一つの所定成分の濃度Ｃを計算し、ここで、Ｌは、該人体 内の該赤外発光の起点から該赤外エネルギーが該検出手段によって検出される該 点へのパス長であり、Ｘは、実験的に決定された消光率であり、Ｉは、該検出手 段によって検出された赤外エネルギーであり、そしてＩ₀は、Ｐｌａｎｃｋの式 から定義された該体内温度が測定された該人体内の入射エネルギーであり、ここ で、Ｔ_Rは、該少なくとも一つの所定成分を通過するフィルターの透過係数であ り、εは、皮膚の放射率であり、Ｃ₁＝３．７４×１０⁴、Ｃ₂＝１．４３８×１ ０⁴であり、Ｔは、該人の該赤外エネルギーの該起点における該人の体内温度で あり、そしてλは、該フィルターの波長である請求の範囲６に記載の分光光度計 。 １８．該検出手段による検出の前に、通過帯域を超える周波数に人によって放 出された該赤外エネルギーを変調するためのチョッパーホイールと、該少なくと も一つの検出信号を増幅するための前置増幅器と、通過帯域を超える該周波数に 中心がある帯域フィルターと、通過帯域を超える該周波数から該復調信号を復調 するための同期復調器とをさらに具備する請求の範囲６に記載の分光光度計。 １９．該処理手段が、比率Ｒ＝（Ｓｙｓ Ｌ１ − Ｄｉａｓ Ｌ１）／（Ｓ ｙｓ Ｌ２ − Ｄｉａｓ Ｌ２）を形成し、ここで、Ｓｙｓ Ｌ１が、該一つ の波長における検出収縮期フェーズ信号であり、Ｄｉａｓ Ｌ１が、該一つの波 長における検出拡張期フェーズ信号であり、Ｓｙｓ Ｌ２が、該別の波長におけ る検出収縮期フェーズ信号であり、そ してＤｉａｓ Ｌ２が、該別の波長における検出拡張期フェーズ信号である請求 の範囲１８に記載の分光光度計。 ２０．該処理手段が、電圧示度からワット数の示度に該比Ｒを変換し、該チョ ッパホイールによって放出された赤外エネルギーのワット数を加算し、該体内温 度と該チョッパホイールの間の温度差を決定し、これにより、該比Ｒの不連続性 を除去する請求の範囲１９に記載の分光光度計。 ２１．光の血液における少なくとも一つの所定の成分の濃度を非侵襲的に測定 する方法において、 人からの赤外発光を検出する段階と、 該赤外発光検出手段によって検出された赤外発光の発光点において該人の体温を 検出する段階と、 決定に対する赤外エネルギー源として、該検出段階において検出された該赤外発 光を使用して、光の血液の少なくとも一つの所定の成分の赤外吸収を決定する段 階と、 該決定段階において決定された赤外吸収からの該少なくとも一つの所定の成分の 濃度を計算する段階であり、計算された濃度は、濃度計算における温度従属効果 を説明するために、該温度検出段階において測定された体内温度により調整され る段階とを具備する方法。 ２２．人の心周期の心収縮期及び心拡張期フェーズと該赤外発光の検出を同期 させる段階をさらに具備する請求の範囲２１に記載の方法。 ２３．該計算段階が、式 Ｉ／Ｉ₀＝ｅ^-CLX に従い、該少なくとも一つの所定成分の濃度Ｃを計算する段階を具備し、ここで 、Ｌは、赤外発光の該点から検出点へのパス長であり、Ｘは、実 験的に決定された消光率であり、Ｉは、検出された赤外発光であり、そしてＩ₀ は、Ｐｌａｎｃｋの式 から定義された該発光点における該人体内の入射エネルギーであり、ここで、Ｔ_R は、該少なくとも一つの所定成分を通過するフィルターの透過係数であり、ε は、皮膚の放射率であり、Ｃ₁＝３．７４×１０⁴、Ｃ₂＝１．４３８×１０⁴であ り、Ｔは、該温度が検出された、赤外発光の該点における該人の体内温度であり 、そしてλは、該フィルターの波長である請求の範囲２１に記載の方法。 ２４．人の血液における少なくとも一つの所定の成分の濃度を非侵襲的に測定 する方法において、 少なくとも２．０μｍのｎ個の異なる波長を含む波長範囲において人によって放 出された赤外エネルギーを検出する段階であり、該赤外エネルギーは、該少なく とも一つの所定の成分によって別様に吸収された該ｎ個の波長の各々におけるエ ネルギーを含み、これにより、各所定の成分は、該ｎ個の波長の少なくとも一つ において赤外エネルギーを容易に吸収し、該ｎ個の波長の別の波長において赤外 エネルギーを最小に吸収し、該人によって放出され、該少なくとも一つの所定の 成分によって選択的に吸収された該ｎ個の波長における赤外エネルギーを表現す る少なくとも一つの検出信号を出力する段階と、 該赤外エネルギーが該検出手段によって検出される点において該人の体内温度を 測定する段階と、 該少なくとも一つの検出信号からの該少なくとも一つの所定の成分の濃 度を計算し、濃度計算における温度従属効果を説明するために、該温度測定段階 において測定された体内温度に応じて、計算濃度を調整する段階とを具備する方 法。 ２５．人の心周期の心収縮期及び心拡張期フェーズと人によって放出された該 赤外エネルギーの検出を同期させる段階をさらに具備する請求の範囲２４に記載 の方法。 ２６．該同期段階が、人の心周期の収縮期及び拡張期フェーズ中発生する心拡 張及び心収縮期間隔を決定する段階を含み、これにより、該検出手段は、該心収 縮及び心拡張期間隔中行われる請求の範囲２５に記載の方法。 ２７．該計算段階が、式 Ｉ／Ｉ₀＝ｅ^-CLX に従い、該少なくとも一つの所定成分の濃度Ｃを計算する段階を具備し、ここで 、Ｌは、赤外エネルギーが放出される該点から該赤外エネルギーが検出される該 点へのパス長であり、Ｘは、実験的に決定された消光率であり、Ｉは、該赤外エ ネルギー検出段階において検出された赤外発光であり、そしてＩ₀は、Ｐｌａｎ ｃｋの式 から定義された該赤外エネルギーが放出された該点における該人体内の入射エネ ルギーであり、ここで、Ｔ_Rは、該少なくとも一つの所定成分を通過するフィル ターの透過係数であり、εは、皮膚の放射率であり、Ｃ₁＝３．７４×１０⁴、Ｃ₂ ＝１．４３８×１０⁴であり、Ｔは、該赤外エネルギーが放出された該点におけ る該人の体内温度であり、そしてλ は、該フィルターの波長である請求の範囲２４に記載の方法。 ２８．該濃度計算段階が、比率Ｒ＝（Ｓｙｓ Ｌ１ − Ｄｉａｓ Ｌ１）／ （Ｓｙｓ Ｌ２ − Ｄｉａｓ Ｌ２）を形成する段階を含み、ここで、Ｓｙｓ Ｌ１は、該一つの波長における検出収縮期フェーズ信号であり、Ｄｉａｓ Ｌ １は、該一つの波長における検出拡張期フェーズ信号であり、Ｓｙｓ Ｌ２は、 該別の波長における検出収縮期フェーズ信号であり、そしてＤｉａｓ Ｌ２は、 該別の波長における検出拡張期フェーズ信号である請求の範囲２４に記載の方法 。 ２９．該濃度計算段階が、電圧示度からワット数の示度に該比Ｒを変換する段 階と、赤外発光検出器のチョッパホイールによって放出された赤外エネルギーの ワット数を加算し、該体内温度と該チョッパホイールの間の温度差を決定し、こ れにより、該比Ｒの不連続性を除去する段階とを含む請求の範囲２８に記載の分 光光度計。