JPH1080416A - 無侵襲生化学計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】血液中のグルコース濃度を採血をせず、光学的
手段により計測する無侵襲生化学計測装置で、光源への
外気温度の変化の影響及び光検出器への迷光の影響に基
づく計測誤差を解消し、高精度な無侵襲生化学計測装置
を提供する。 【解決手段】光源に半導体レーザ又はＬＥＤを使用し、
光源及び光検出器を小型の基板に設置して生体に密着さ
せ、耳の形に合わせた光の漏れないカバーにより基板及
び耳全体を覆うこと、または、耳の形に合わせた光の漏
れないカバーに光源及び光検出器を設置して耳全体を覆
うことにより、外気温度の変化の影響による計測誤差、
及び、迷光の影響による計測誤差をなくす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は医療用生化学分析装
置に係り、特に、血液中のグルコース濃度を採血をせ
ず、光学的手段により無侵襲計測し、主に糖尿病患者に
対し利用される無侵襲生化学計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近赤外光を用い生体情報を計測する装置
が、特開平3−173535 号公報「グルコース無侵襲計測方
法」に記載されている。従来技術はグルコースによる吸
収波長帯域を１６００〜１７５０ｎｍ、グルコースによ
らない基準波長帯域を１２００〜１３００ｎｍに設定
し、両近赤外光を生体組織に照射し、両透過エネルギの
差異を演算処理することにより生体組織中のグルコース
濃度を求める方法である。これは光源より照射された光
の一部を直接に、他の一部を凹面反射鏡により反射させ
て、生体組織に照射し、その透過光をＰｂＳセンサによ
り検出している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】近赤外光を直接生体に
照射し、その透過，拡散した光の強度を検出し、その検
出結果に基づき、生体成分を測定する装置で、光源に半
導体レーザ又はＬＥＤを使用する場合、外気温度の変化
に基づく影響のため光出力が安定しない。このため光源
から照射される光を生体に照射し、得られた透過，拡散
光の強度に誤差が生じていた。また光検出器が外部に露
出している場合、光検出器への迷光の影響による誤差も
生じていた。従来技術では、光源の外気温度変化による
光出力変化を安定化させる工夫は開示されていない。ま
た、生体に照射し透過，散乱した光を検出する検出器に
迷光の進入を防ぐ工夫も開示されていない。

【０００４】本発明の目的は、光源及び光検出器を小型
の基板または耳全体を覆う耳の形に合わせた光の漏れな
いカバーに設置し、外気温度の変化及び迷光の影響に基
づく計測誤差をなくすことにより、高精度な無侵襲生化
学計測装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、光源に半導
体レーザ又はＬＥＤを使用し、光源及び光検出器を小型
の基板に設置して生体に密着させ、耳の形に合わせた光
の漏れないカバーで小型の基板及び耳全体を覆う、また
は光源及び光検出器を耳の形に合わせた光の漏れないカ
バーに設置して耳全体を覆うことにより、外気温度の変
化の影響に基づく計測誤差をなくすこと、及び、迷光の
影響に基づく計測誤差をなくすことにより、達成でき
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】近赤外領域は分子振動の基本音ス
ペクトル（中赤外）と原子や分子の電子スペクトル（可
視，紫外）との間にあたり、本来透明な波長領域である
が、分子運動の倍音，高調音，結合音のスペクトルが現
われる。このため、特定分子の定性及び定量分析に近赤
外光を用いることができる。また、近赤外領域は生体透
過性が比較的大きく、無侵襲に生体内の情報を取得する
のに適している。

【０００７】生体に近赤外光を照射すると、一部は表面
で反射し、他は生体中を拡散して透過する。その際、近
赤外光の一部は生体物質に吸収される。入射光強度Ｉ０
と透過光強度Ｉｔとの間には数１で示されるLambert-Be
erの法則が成り立つと考えられる。

【０００８】

【数１】 Ｉｔ＝Ｉ０exp（−ｃｋｄ） …（１） ここで、ｃは吸収物質の濃度、ｋは吸光係数、ｄは吸収
物質の厚さを表す。

【０００９】これより目的物質の吸収波長に合わせたレ
ーザを用い、試料の厚さを一定にすれば、透過光強度の
測定により目的物質の濃度を求めることができる。例え
ば、血液中のグルコース濃度は糖尿病の指標になり、臨
床検査上重要な検査項目である。グルコースは１５６０
ｎｍ，２０７６ｎｍ，２２７２ｎｍに特徴的な吸収を有
するので、いずれかの波長の半導体レーザ及び光検出器
を用いれば、生体中、主に血液中のグルコース濃度を採
血せずに定量することができる。生体中では光の散乱が
大きいため、厚い生体試料の測定には高出力のレーザを
用いる必要がある。例えば波長１５６０ｎｍ，出力１０
ｍＷの半導体レーザを用いれば、約1.5mmの厚さの生体
を測定することができ、また、１００ｍＷのレーザを用
いると約８mmの厚さの生体を測定することができる。

【００１０】このような近赤外光の特長を有する半導体
レーザ又はＬＥＤを、無侵襲生化学計測に適用した例に
ついて説明する。

【００１１】図１に本発明の第１の実施例を示す。これ
はイヤリング内蔵型ヘッドホン型無侵襲生化学計測装置
である。図１（ａ）は本実施例の全体図、図１（ｂ）は
光源１，光検出器２及び光検出器３からなる信号検出ブ
ロックの部拡大図である。

【００１２】図１(ａ)を用いて本実施例の全体の構成を
説明する。半導体レーザ又はＬＥＤよりなる光源１を光
源駆動電流供給装置５で駆動し、光源１から照射した光
を生体（耳朶）１６へ照射する。その透過，拡散した光
は、光を電気信号に変換する受光素子などで構成される
光検出器２で検出し、増幅部６で増幅して、コンピュー
タから構成される生体信号演算処理装置７に送られる。
生体信号演算処理装置７で演算処理により吸光度や透過
特性などに変換して、その演算結果を表示装置１０に表
示、また記憶装置１１に記録する。

【００１３】本実施例は光源１，光検出器２を小型にし
てイヤリング型の基板に設置し、ヘッドホンに収納する
信号検出ブロックと、光源駆動電流供給装置５，増幅部
６，生体信号演算処理装置７，制御部８，音声処理装置
９，表示装置１０，記憶装置１１を小型にして一つのブ
ロックに納めた演算処理ブロック１２を分離し、その間
をフレキシブルな信号線により接続する。信号検出ブロ
ック及び演算処理ブロック１２を分離することにより、
被検者の時間を拘束することなしに、被検者の生体信号
を無侵襲に連続計測することができ、また、小型にする
ことで携帯可能とする。

【００１４】図１（ｂ）を用いて光源１，光検出器２及
び光検出器３からなる信号検出ブロックを詳細に説明す
る。光源１，光検出器２及び光検出器３をイヤリング型
基板４に設置し、イヤリング型基板４は生体（耳朶）１
６を挟むように装着する。イヤリング型基板４及び耳全
体をヘッドホン１４で覆い、外部からの光を遮断する。
イヤリング型基板４に設置した光検出器３は、外部から
漏れる光を検出するための検出器で、外部からの光が漏
れているときは光源１から光を照射しないようにする。
ヘッドホン１４，１５で耳を覆う場合、外部からの音が
聴こえないためスピーカ１３で外部の音を案内する。ま
た、信号検出ブロックであるイヤリング型基板４を装着
しない側のヘッドホン１５は外部の音が聴こえるよう、
メッシュ構造であってもよい。

【００１５】本実施例はヘッドホン１４，１５に内蔵さ
れたスピーカ１３により、本装置の使用手順や生体信号
演算処理装置７で演算処理により変換された吸光度や透
過特性などの計測結果を利用者に案内する機能を有す
る。利用者に計測結果を案内する方法は、例えば血糖値
を案内する場合、血糖値を直接音声により案内する方法
や、パルス音を用い正常な血糖値の範囲や前回計測した
血糖値と比較して血糖値が上昇して行くとパルス音の間
隔を速く、下降して行くとパルス音の間隔を遅くする方
法などにより案内する。ヘッドホン１４，１５に内蔵さ
れたスピーカ１３から利用者に計測手順及び計測結果を
案内することにより簡単かつ便利に使用することができ
る。光源１及び光検出器２が耳朶に密着し、それを設置
したイヤリング型基板４をヘッドホンで覆うことによ
り、外気温度の影響及び迷光の影響を受けず、高精度な
計測が可能となる。

【００１６】図２に本発明の第２の実施例を示す。これ
はヘッドホン型無侵襲生化学計測装置である。

【００１７】半導体レーザ又はＬＥＤよりなる光源１，
光検出器２，光検出器３及び、スピーカ１３をヘッドホ
ン１４に設置し、光源１が生体１６（耳）の耳朶の裏
に、光検出器２及び３を耳朶の表にくるようにしてヘッ
ドホン１４を装着する。また逆に光検出器２を耳朶の裏
に、光源１を耳朶の表になるように設置してもよい。耳
全体をヘッドホン１４及び１５で覆い、外部からの光を
遮断する。ヘッドホン１４に設置した光検出器３は、外
部から漏れる光を検出するための検出器で、外部からの
光が漏れているときは光源１から光を照射しないように
する。ヘッドホン１４，１５で耳を覆う場合、外部から
の音が聴こえないためスピーカ１３で外部の音を案内す
る。また、ヘッドホン１５は信号検出ブロックではない
側なので外部の音が聴こえるよう、メッシュ構造であっ
てもよい。光源１を光源駆動電流供給装置５で駆動し、
光源１から照射した光を生体（耳）１６へ照射する。そ
の透過，拡散した光は、光を電気信号に変換する受光素
子などで構成される光検出器２で検出し、増幅部６で増
幅して、コンピュータから構成される生体信号演算処理
装置７に送られる。生体信号演算処理装置７で演算処理
により吸光度や透過特性などに変換して、その演算結果
を表示装置１０に表示、また記憶装置１１に記録する。

【００１８】本実施例は光源１，光検出器２を小型にし
てヘッドホン型の基板に設置する信号検出ブロックと、
光源駆動電流供給装置５，増幅部６，生体信号演算処理
装置７，制御部８，音声処理装置９，表示装置１０，記
憶装置１１を小型にして一つのブロックに納めた演算処
理ブロック１２を分離し、その間をフレキシブルな信号
線により接続する。信号検出ブロック及び演算処理ブロ
ック１２を分離することにより、被検者の時間を拘束す
ることなしに、被検者の生体信号を無侵襲に連続計測す
ることができ、また、小型にすることで携帯可能とす
る。

【００１９】本実施例はヘッドホン１４，１５に内蔵さ
れたスピーカ１３により、本装置の使用手順や生体信号
演算処理装置７で演算処理により変換された吸光度や透
過特性などの計測結果を利用者に案内する機能を有す
る。利用者に計測結果を案内する方法は、例えば血糖値
を案内する場合、血糖値を直接音声により案内する方法
や、パルス音を用い正常な血糖値の範囲や前回計測した
血糖値と比較して血糖値が上昇して行くとパルス音の間
隔を速く、下降して行くとパルス音の間隔を遅くする方
法などにより案内する。このヘッドホン１４，１５に内
蔵されたスピーカ１３から利用者に計測手順及び計測結
果を案内することにより簡単かつ便利に使用することが
できる。光源１及び光検出器２をヘッドホンで覆うこと
により、外気温度の影響及び迷光の影響を受けず、高精
度な計測が可能となる。

【００２０】図３に本発明の第３の実施例を示す。これ
はヘッドホン型無侵襲生化学計測装置のヘッドホンの一
方をメッシュ構造にして外部の音を聞き取れるようにし
た例である。

【００２１】図４に本発明の第４の実施例を示す。これ
はヘッドホン型無侵襲生化学計測装置のヘッドホンの反
対側をフレームのみにして外部の音を聞き取れるように
した例である。

【００２２】図５に本発明の第５の実施例を示す。これ
はイヤリング内蔵型ヘッドホン型無侵襲生化学計測装置
の生体信号検出ブロックに複数波長の光源を用いた例で
ある。

【００２３】半導体レーザ又はＬＥＤよりなる光源１は
複数の波長の光源を用い、光検出器２も光源１の複数の
波長にそれぞれ感度を持つ光検出器を用いる。光検出器
３は外部から漏れる光を検出するための検出器で、外部
からの光が漏れているときは光源１から光を照射しない
ようにする。光源１及び光検出器２が設置されている基
板はばね１８により接続され、光源１と光検出器２の間
に生体１６（耳朶）がくるように基板を装着する。複数
波長の光源を利用し、複数波長の生体信号を得て、これ
をＰＬＳなどの多変量解析により解析することにより、
高精度な計測が可能となる。

【００２４】図６に本発明の第６の実施例を示す。これ
はイヤリング内蔵型ヘッドホン型無侵襲生化学計測装置
の生体信号検出ブロックに温度検出部を設けた例であ
る。

【００２５】半導体レーザ又はＬＥＤよりなる光源１及
び光検出器２を基板に設置する。基板にサーミスタなど
からなる温度検出部１７を設け、生体信号検出ブロック
の温度を検出する。この検出した温度により吸光係数な
どの補正を行うことで高精度な計測が可能となる。ま
た、基板に設置された光検出器３は外部から漏れる光を
検出するための検出器で、外部からの光が漏れていると
きは光源１から光を照射しないようにする。光源１及び
光検出器２が設置されている基板はばね１８により接続
され、光源１と光検出器２の間に生体１６（耳朶）がく
るように基板を装着する。

【００２６】図７に本発明の第７の実施例を示す。これ
はイヤリング内蔵型ヘッドホン型無侵襲生化学計測装置
の生体信号検出ブロックに光路長検出部を設けた例であ
る。

【００２７】半導体レーザ又はＬＥＤよりなる光源１及
び光検出器２を基板に設置する。基板に設置された光検
出器３は外部から漏れる光を検出するための検出器で、
外部からの光が漏れているときは光源１から光を照射し
ないようにする。光源１及び光検出器２が設置されてい
る基板とばね１８の間に圧力センサ１９を設け、基板の
間に生体１６（耳朶）を挟んだときに生じるばねへの圧
力を圧力センサ１８で検出することにより、光路長であ
る耳朶の厚みを検出する。検出した光路長により吸光係
数などの補正を行うことで高精度な計測が可能となる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、外気温度の影響及び迷
光の影響による計測誤差をなくすことができ、高精度な
計測を行うことができる。また利用者に計測手順及び計
測結果を案内することにより簡単かつ便利に使用するこ
とができる無侵襲生化学計測装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】イヤリング内蔵型ヘッドホン型無侵襲生化学計
測装置の一実施例の説明図。

【図２】ヘッドホン型無侵襲生化学計測装置の第二実施
例の説明図。

【図３】ヘッドホンの一方をメッシュ構造にした例を示
した説明図。

【図４】ヘッドホンの反対側をフレームのみにした例を
示した説明図。

【図５】イヤリング内蔵型ヘッドホン型無侵襲生化学計
測装置のイヤリング型の基板に複数波長の光源を用いた
例を示した説明図。

【図６】イヤリング内蔵型ヘッドホン型無侵襲生化学計
測装置のイヤリング型の基板に温度検出部を設けた例を
示した説明図。

【図７】イヤリング内蔵型ヘッドホン型無侵襲生化学計
測装置のイヤリング型の基板に光路長検出部を設けた例
を示した説明図。

【符号の説明】

１…光源、２…光検出器、３…光検出器、４…イヤリン
グ型基板、５…光源駆動電流供給装置、６…増幅部、７
…生体信号演算処理装置、８…制御部、９…音声処理装
置、１０…表示装置、１１…記憶装置、１２…演算処理
ブロック、１３…スピーカ、１４…ヘッドホン、１５…
ヘッドホン、１６…生体。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも一つの光源，光検出器からな
   り、上記光源から出射される光を、直接生体に照射し、
   その透過，拡散，反射した光の強度を光検出器により検
   出し、その検出結果に基づき、生体成分を測定する装置
   において、上記光源及び上記光検出器を一つの開口部を
   有する支持体内に設置し、上記生体を上記開口部に密着
   させることにより、上記光源及び光検出器を、上記支持
   体内壁面で構成される閉空間内に含むことを特徴とする
   無侵襲生化学計測装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の上記光源及び上記光検出
   器はそれぞれ第１及び第２の基板に設置され、上記第１
   の基板及び上記第２の基板はばねにより接続され、上記
   第１の基板及び上記第２の基板の相対位置が変化可能で
   ある無侵襲生化学計測装置。
3. 【請求項３】少なくとも一つの光源，光検出器からな
   り、上記光源から出射される光を、直接生体に照射し、
   その透過，拡散，反射した光の強度を光検出器により検
   出し、その検出結果に基づき、生体成分を測定する装置
   において、上記光源及び上記光検出器を一つの開口部を
   有する第１の支持体内に設置し、一つの開口部を有する
   第２の支持体と上記第１の支持体とをばねで接続し、上
   記第１及び第２の支持体の間の相対距離を変化可能であ
   る無侵襲生化学計測装置。
4. 【請求項４】請求項１または請求項２に記載の上記光源
   及び上記光検出器は耳朶に設置し、上記開口部を耳を含
   む側頭部に密着させる無侵襲生化学計測装置。