(57)【要約】【課題】  血中糖の透過率を計測する非侵襲血糖計の測定精度が実用上問題であった。本発明はその問題を解決した。【解決手段】  血中糖の透過率計測ではなく  皮膚の境界面の反射率計測により実用上問題ない  非侵襲血糖計を発明した。図６は  本発明の主要な構成ブロック図である。LはCO2ガスレーザー光源であり、波長9.2〜10.8μmの複数輝線状の光束径が数ｍｍ程度の発振周波数１ＫＨＺ〜100ＫＨＺで射出される。出射光のレベルはＭｓの分岐ミラーにより受光素子Ｍｒにより監視する。FはLから必要な波長を取り出す装置である。  血中糖の吸光係数（衰消係数）の波長依存性は8.5μ〜10.0μである。非計測部位に出来るだけ垂直にＭ3ミラーより入射させ出来るだけ正反射光を受光素子Dで受光する。境界における正反射率の計測から血中糖の濃度を算出する。被計測部はFXで測定時間中固定される。【選択図】図６
2020010880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の入射角にほぼ対応する正反射角度で計測する、人体の間質液の糖濃度を反映した複素数屈折率の境界面の反射率測定により血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項２】
血中糖の吸収波長8.5μ〜10.0μのいずれかの波長を用いて反射率を計測しCO2ガスレーザーを使用する入射角35度未満の請求項１の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項３】
予め  血中糖の吸収波長による反射率と糖濃度の対応表を測定対象生体の区分により作り、反射率から血糖値を算出する請求項２の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項４】
血中糖の吸収波長8.5μ〜10.0μのいずれかの波長を用いて反射率を計測し、血中 糖の吸収無しの波長として8.5μに近い8.5μより短波長の波長を使うか  10.0μに近い
10.0μより長波長を使用するCO2ガスレーザーを使用する請求項２の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項５】
被計測部位を固定板に圧着板などで固定する手段を有する請求項２の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項６】
被計測部位を固定板に圧着板などで固定する手段を有する請求項４の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項７】
被計測部位と入射光と反射光と受光素子の関係を正反射光が受光素子で受けられるように調整機能を有する上記請求項６の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。  
【請求項８】
血中糖の吸収波長9.3μ、9.4μ、9.5μ或は9.6μいずれかの波長を用いて反射率を計測し、夫々の回折フィルターと遮光板を回転板に取り付けた請求項７の血中糖濃度を計
測する非侵襲血糖計。
【請求項９】
血中糖の吸収無しの波長として10.2μを用いる手段として、夫々の回折フィルターと遮光板を回転板に取り付けた請求項８の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項１０】
予め血中糖の吸収波長による反射率と糖濃度の対応表を測定対象生体の区分により作り、反射率から血糖値を算出する請求項９の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項１１】
予め血中糖の吸収波長による反射率と糖濃度の対応表を測定対象生体の区分により作り、反射率から血糖値を算出する請求項７の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項１２】
予め血中糖の吸収波長による反射率と糖濃度の対応表を測定対象生体の区分により作り、反射率から血糖値を算出する請求項８の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項１３】
被計測部位と入射光と反射光と受光素子の関係を正反射光が受光素子で受けられるように調整機能を有する請求項４の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項１４】
血中糖の吸収波長9.3μ、9.4μ、9.5μ或は9.6μいずれかの波長を用いて反射率を計測し、夫々の回折フィルターと遮光板を回転板に取り付けた請求項13の血中糖濃度を計
測する非侵襲血糖計。
【請求項１５】
予め血中糖の吸収波長による反射率と糖濃度の対応表を対象生体区分により作り、反射率から血糖値を算出する請求項14の血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計。
【請求項１６】
35度以内の入射角にほぼ対応する正反射角度で計測する、人体を除いた生体の間質液の糖濃度を反映した複素数屈折率の境界面の反射率測定により間質液中糖濃度を計測する
非侵襲糖度計。
【請求項１７】
糖の吸収波長8.5μ〜10.0μのいずれかの波長を用いて反射率を計測しCO2ガスレーザーを使用する請求項１6の糖濃度を計測する非侵襲糖度計。
【請求項１８】
糖の吸収波長8.5μ〜10.0μのいずれかの波長を用いて反射率を計測し、糖の吸収無しの波長として8.5μに近い8.5μより短波長の波長を使うか10.0μに近い10.0μより長
波長を使用するCO2ガスレーザーを使用する請求項17の糖濃度を計測する非侵襲糖度計。
【請求項１９】
予め糖の吸収波長による反射率と糖濃度の対応表を測定対象生体の区分により作り、反射率から糖値を算出する請求項18の糖濃度を計測する非侵襲糖度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
光を生体に当て生体  内部を計測する  応用生体光計測分野。
【背景技術】
【０００２】
従来の光を利用した非侵襲血糖計のアイデアは  糖分子の吸光度に注目したものであり、典型的な例は  図1のように指に入射光I0を照射し、透過光Itを計測するものである。
すると（１）が成り立つ。
【０００３】
【数１】
2020010880.tif 000003
【０００４】
意図するところは  Itを計測し（１）からαを算出するものである。
ところが  実用的には  全て失敗している。理由はαｄが  大きすぎ  或はItの信号レベルが小さすぎ  現在の検出器では  α検知に至らない  ということである。
図2は従来例である。手指・耳朶の透過を狙ったものである。出典は下記の非特許文献である。
これも失敗例である。
そこで  従来の透過例を鑑みて  出来るだけｄを小さくする目的で図3 のようなアイデアが考案されている。
図3のように入射光I０を指の肉厚面に接するが如く斜入射する。透過光Itは  指の肉厚面に接するが如く斜め拡散出射する。これはｄの出来るだけ小さいことを狙って  指の表皮に斜入射、斜拡散出射の構成になっている。
この場合  拡散反射光（＝透過光＝皮膚に入り  再び皮膚から外の空気域に出る光）を計測している。この場合の  最近  出願公開されている例を下記の特許文献に示す。
その図４のなかで読み取れるように斜光線入射の工夫がされているが  実用的には  失敗している。
それは  ｄが小さくとれなく  トータル  測定精度に問題があると考えられることである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
M．Noda  et  al．：Diabetologia,35(suppl),ｐＡ204(1994)
近赤外センシング技術    （株）サイエンス  フォーラム)
【特許文献１】出願番号特願2016-570633(P2016-570633)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の光を使った  非侵襲血糖計は  皮膚内に入った透過光が再び空気域に出ていく透過光  或は  拡散反射光には注目していた。それは（１）式によって表されるα・ｄが大きく  結果Itの信号レベルが小さく測定精度に問題があった。 
それに対して本発明は  本発明は、皮膚内に入った透過光が再び空気域に出ていく透過光
或は  拡散反射光には注目していなく、空気域と媒体（皮膚）の境界面における反射率変化と人体の間質液の糖濃度に注目する。
本発明は  人体の間質液の糖濃度と血中の糖濃度が近似していることを利用して  皮膚表面の  反射率の変化から皮膚内の間質液の糖濃度を計測して  血中の糖濃度を算定する非侵襲血糖測定装置である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
人体の皮膚表面に光が入射し  反射し  反射率測定の様子は例えば  図６に示す。指に必要な光が入射し、正反射角で光を受光素子Dで受け  電気信号により  人体の間質液の糖濃度を反映した複素数屈折率の境界面の反射率測定を行い  血中糖濃度を非侵襲でMで表示する。
次に反射率測定が  糖濃度にいかに関係するか説明する。
人体の間質液の糖濃度は  血中糖濃度と近似しており、間質液の糖濃度が反射率測定で求め得ることを示す。
透過率計測ではないことがポイントである。
図５は  air空気とa-b面で接している  複素数屈折率Nの人体の間質液媒体を模式的に示したものである。
図５のように  入射角：Ψ0、反射角：Ψ0。反射率は次式で表される。
例えば  インターネットHP
home.sato-gallery.com/hikaribussei/chap3.html
より
【０００８】
【数２】
2020010880.tif 000004
【０００９】
ここで
N＝n＋ｉK
N：複素数屈折率
n：実部屈折率
K：K消衰係数：α＝４πK/λ：波長依存の吸収係数：濃度に比例
このKが求めたい血中糖濃度である。
Rp：入射光線、反射光線に垂直（図5の紙面上）の電界強度の反射率、
Rs：入射光線、反射光線に垂直（図5の紙面垂直）の電界強度の反射率
定性的に（3.11）を理解するために
Ψ0＝０
垂直入射、垂直反射の場合をかんがえる。
すると(3.11) は      
【００１０】
【数３】
2020010880.tif 000005
【００１１】
Rp＝Rsとなり、Rと置き直すと
【００１２】
【数４】
2020010880.tif 000006
【００１３】
K消衰係数：α＝４πｋ/λ：波長依存の吸収係数：濃度に比例：間質液糖度に比例：血中糖度に比例
【００１４】
【数５】
2020010880.tif 000007
【００１５】
（２）は  Rの計測からnをパラメーターにして  Kが分かることをしめしている。nは人種、性別、年齢、職種、食物などによって変わることもあり得る。
そこで  実用上は  血中糖濃度の計測範囲を前もって網羅する必要があり、実用上問題ない  条件に従った生体区分によるRとKの対応表を用意し、計測したRから  Kを求めることができる。
或は  表ではなく  RとKの関係を  属性に従って関数近似でも問題ない。
事前の計測で  採血方式により  血糖値とKの関係が値付けされる。
次に  nの値によらず  RとKの関係が成り立つことを示す。
【００１６】
【数６】
2020010880.tif 000008
【００１７】
（７）の示唆するところはR0を前もって計測し  （２）の複素数Nの実数部nによらず計測時にはRから血中糖濃度Kを求めることができることをしめしている。
R0の意味するところは  血中糖度（吸収係数）の波長依存性がゼロの場合の実数部屈折率に対応する反射率であり、糖分子を含めた他分子の総合実数部屈折率に対応する。
吸収波長域Kが糖分子のみとすると  吸収域近傍のR０は吸収域の総合実数屈折に対応している。
ここではnの波長に対する変化はKより小さいことを応用している。
また  （２）からnを消去する別方法は  波長をパラメーターにしてRとKの独立式を実験的に複数求めることでも得られる。
血中糖の吸光係数（消衰係数）の波長依存性は8.5μ〜10.0μ（Frontiers  Med.Biol.Enbng,Vol.9,Ｎｏ．２,pp.137−153（1999））と示されている。
これにより  Rの計測には8.5μ〜10.0μの波長を  R0の計測には8.5μ未満か10.0より長い波長を用いる。重要なことはR0が分かれば  Rから総合実数率屈折率を消去した  Kを求め得るということである。  
（５によるR0とnの関係は厳密には  人種、性別、年齢、職種、食物などによって変わることもあり得る。
そこで  実用上は  血中糖濃度の計測範囲を前もって網羅する必要があり、実用上問題ない  nの生体区分によるRとKの対応表を用意し、計測したRから  Kを求めることもきる。或は  表ではなく  RとKの関係を関数近似でも問題ない。
事前の計測で  採血方式により  血糖値とKの関係が値付けされる。
【００１８】
【数７】
2020010880.tif 000009
【００１９】
以上が基本的な本発明の理論骨子である。
しかし  実際にはRは  RsとRsとは厳密には異なるRpの混在であり  境界面の微細構造も反射率に影響を与えるので  反射率Ｒと血中糖度（Ｋ比例）の対応データは    必要十分な実験による実用上問題ない領域（年齢分布、人種分布、男女差、食物などを考慮した）、の  Ｒ、Ｒ0  、Ｋ  データ或はR、n、Kデータでないといけない。
さらに被測定表面に等価的に透過フィルターに相当する、例えば  汚れとかが  カバーされている場合を考慮する。このフィルターの透過因子をXとする。入射と反射の2重に因子がかかる。
すると（２）、（５）は  
【００２０】
【数８】
2020010880.tif 000010
【００２１】
R’はXを踏まえた吸収波長域の反射 であり、R0’は吸収波長域外の反射率である。
（９）からXも性別、年齢、職種、人種、食物などによる区分けして使用することも可能であり、予め測定して生体のR’、X、n、K区分表をつくり  R‘からK値を対応表により求めることも可能である。
（９）（１０）は未知数X、nの２個であり、独立式が２個であり（Kの値は独立に選ぶことができ  ２個以上の独立式が得られる）、X、nを求めることができる。
Xが求まれば（９）（１０）からR,R0がもとまり（２）、（５）の展開が可能である。
この場合の生体区分にはXのデータを加味した生体区分表からR0’、R’からKを求めることも可能である。また光入射角はゼロが理想であるが  ３５度未満の入射角であれば実用に供すると考える。
【００２２】
本発明例として  （２）  或は（９）を応用した  血中糖の吸収波長8.5μ〜10.0μのいずれかの波長を用いて反射率を計測しCO2ガスレーザーを使用し光入射角ゼロ近傍の35度未満
の入射角を持つ  生体区分表をもつ血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計である。
【００２３】
本発明の別例として  （５）或は（１０）を応用した  血中糖の吸収波長8.5μ〜10.0μのいずれかの波長を用いて反射率を計測し、血中 糖の吸収無しの波長として8.５μに近い  
8.5μより短波長の波長を用いるか  10.0μに近い  10.0μより長波長を用いて  CO2ガスレーザーを使用し入射角ゼロ近傍の35度未満の入射角を持つ  血中糖濃度を計測する非侵襲血糖計である。
図６は  本発明の別例の主要な構成ブロック図の例である。  
LはCO2ガスレーザー光源であり、波長9.2〜10.8μmの複数輝線状の光束径が数ｍｍ程度の発振周波数１ＫＨＺ〜100ＫＨＺで射出される。出射光のレベルはＭｓの分岐ミラーにより受光素子Ｍｒにより監視する。LはCO2レーザー光源に限定するものではない。
別途光パラメトリック発振器であってもよい。FはLから必要な波長を取り出す装置である。  
血中糖の吸光係数（消衰係数）の波長依存性は8.5μ〜10.0μ（Frontiers  ed.Biol.Enbng,Vol.9,Ｎｏ．２,pp.137−153（1999））と示されている。
必要な波長は  例えば、図7に示すように  9.6μ、10.2μ、bl遮光の３種を選ぶ。
rtb回転板に光通過窓をもたせ9.6μの回折フィルター、10.2μの回折フィルター、遮光の各選択が巡回する構成にする。
rtb回転のサイクルは受光素子のレスポンにあわせる。熱電対の場合は概１Ｈｚにする。これらの回折フィルターは光量レベルの調整もＮＤフィルターなどで行う。
これら回折フィルターは干渉フィルターであってもよい。あるいは回転板は  横スライドの往復機構を持つ手段であってもよい。
あるいは  電磁気か音響による回折格子の定数を変化さす  不動型の光学フィルターであってもよい。或は9.6μと遮光の２種であってもよい。
図７のLaserはレーザー光である。図６のＭ1、Ｍ2、Ｍ3  は  光路を変更するためのミラーで１枚〜複数枚使う。
ＦＸは被測定物、例えば図８に示すような指の固定装置であり  測定時間内固定される。ＦＸは被測定物、例えば図８に示すような指の固定装置であり  測定時間内固定される。例えば親指の第一関節から指先までの肉厚表皮を使う場合、図８に示すように  入射光穴に  抑え板で  第一関節から指先が動かないように  固定する。抑え板は  バネ性の金属で方側は固定されており  親指を挿入して他の側に  例えば  図のように回転ネジで圧迫固
定する。
親指を  固定し易くするため  固定板に  指肉厚の堀の形状を設け、略中央に入射光穴をあける。この抑え板は  くりかえし使用が可能なテープで少なくとも片側で例えばマジック固定であってもよい。あるいは洗濯バサミ状の  指抑えであってもよい。  
また  この固定装置は反射光Ｉｒが最大になるように  自動的或は手動により機構が３次元的に動かし得る。メカニズムは図示していないが  組み立てロボットなどの公知手段を使う。
自動化のメカニズムの原理は  例えば図9にしめす。
少なくともnn法線方向に動くstm直進手段（第一手段）と入射点を中心に紙面垂直の回転軸（rt1回転１）を有する手段（第二手段）と入射点を中心に  紙面上の法線直角の回転軸（rt2回転２）を有する手段（第三手段）をもち、これら手段を用いて  自動  あるいは手動で最適位置にfxb固定治具とD受光素子を固定する。
最適化の方法は  例えば第一手段の微小変動でIr反射光の増減をみながら局部最大値をもとめ、次に第二手段の微小変動でIrの増減をみながら局部最大値をもとめ、次に第三手段の微小変動でIrの増減をみながら局部最大値をもとめ  て位置を固定する。これらを自動
あるいは手動でおこなう。
pbは圧着板である。
Ｄは受光素子である。
入射角と反射角が出来るだけ０度になるようにし  かつ  受光量を多くする。そのために受光素子の縁近くを入射光が通り、受光部と被測定部を近接さす。
受光素子は9.2μ〜10.8μに感度があり、高感度のものほどよい。
強制冷却型素子でもいいし  あるいは  常温タイプの熱電対でもよい。
Ｍは必要な表示を例えば  血糖濃度  時刻  時間などを  算出  表示するもので、又  予め必要な  生体区分ごとのRとKの対応表とか  測定ごとの記憶とか、測定ごとの出力などをする装置である。
9.6μ波長については
Ir＝反射率R×I9・・・・・（１１）
I9入射光  はＭｒで計測し、IrはＤで測定する。
（１１）によりＲが計測される。
遮光については遮光によりノイズレベルを測定する。
夫々の計測値から  ノイズレベルを引いた値をIr、I9とする。
10.2μについては  糖吸収外の近傍波長である。      
【００２４】
K＝0
Iｒ0 ＝R0×I0 ・・・・・（１２）
I0はＭｒで計測し、Iｒ0はＤで測定する。
（１２）によりＲ０が計測される。
【００２５】
この場合も遮光時のノイズレベルを計測する。
このノイズ値を  夫々の入射値、反射値  から引く。
その値がIｒ0、I0であり（１２）からＲ0を求める。
更に（3.11）は人体の血中糖度だけに適用され得るものではなく、同様の応用は植物の果物などの生体糖度計測にも適用できる。
被計測体を植物の生体に変えればよい。
本発明は  具体例として糖分子に注目したものであるが、非糖分子であっても（3.11）で示唆される分子が吸収波長をもち液中に混在する場合の分子量計測にも適用され得る。
【発明の効果】
【００２６】
透過光の血中糖度計測の代わり  境界面の反射率を計測して非侵襲血中糖度計測をする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】透過率計測の概念図
【図２】近赤外光を利用する従来例
【図３】表皮の透過光を利用する概念図
【図４】斜入射光を利用する従来例
【図５】境界面の反射率の説明図
【図６】本発明の主ブロック図
【図７】本発明の選択波長の説明図
【図８】本発明の指固定説明図
【図９】本発明の指固定の調整説明図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図６に示す必要な手段から成る。
【符号の説明】
【００２９】
I0:入射光、It：透過光、air：空気、N：複素数屈折率、n：実部屈折率
K：虚数部屈折率＝消耗係数（∝血中糖濃度）、Mｓ：分岐ミラー
L：レーザー光源、F：フィルター、Mr：受光部、M1：ミラー
M2：ミラー、M3：ミラー、Fx：固定装置、D：受光部、M：表示演算装置
Laser：レーザー光、rtb：回転板、bl：遮光板、9.6μ：9.6μレーザー
10.2μ：10.2μレーザー、rt：回転、rta：回転軸、stm：直進移動、
fxb：固定板、rt1：回転１、rt2：回転２、pb：圧着板、D：受光部、
I9：入射光、nn：法線、Ir：反射光    
【図１】
2020010880.tif 000011
【図２】
2020010880.tif 000012
【図３】
2020010880.tif 000013
【図４】
2020010880.tif 000014
【図５】
2020010880.tif 000015
【図６】
2020010880.tif 000016
【図７】
2020010880.tif 000017
【図８】
2020010880.tif 000018
【図９】
2020010880.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月2日(2018.8.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2020010880.tif 000020