(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の放射ビーム及び少なくとも１つの第２の放射ビームを放射する働きをする、少なくとも１つの放射源であり、前記第１の放射ビームは、組織の実験領域を照射して、第１の散乱放射を引き起こし、前記少なくとも１つの第２の放射ビームは、前記第１の放射ビームより低い強度を有し、かつ、周期的に前記実験領域を照射して、周期的な第２の散乱放射を引き起こす少なくとも１つの放射源と、
前記第１の散乱放射及び前記第２の散乱放射を検出し、検出された前記散乱放射を電気信号に変換する少なくとも１つの検出器であり、前記実験領域から異なる距離に配置される２つの受光センサを備える、少なくとも１つの検出器と、
前記電気信号に基づいて被分析物の濃度を決定するためのプロセッサと、を備える、組織内の被分析物の濃度を決定するための装置。
【請求項２】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームは、所定の媒質内の前記被分析物の特性吸収帯から選択される所定の波長を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームは、所定の波長を有し、
前記第１の放射ビームの前記所定の波長は、所定の媒質内の前記被分析物の吸収帯のピークに対応し、
前記第１の放射ビームは、前記組織と相互作用して、少なくとも１つの過渡プロセスに前記被分析物の前記濃度に依存させる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームは、同一の波長を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームは、異なる波長を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームのうちの１つは、各々所定の媒質内の前記被分析物の吸収帯のピークより大きい波長を有し、
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームのうちの１つは、所定の媒質内の前記被分析物の前記吸収帯のピークより小さい波長を有する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の放射ビームは、前記組織内に少なくとも１つの周期的な又は非周期的な過渡プロセスを励起し、
前記第１の散乱放射及び前記第２の散乱放射のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの前記過渡プロセスにより、少なくとも部分的に変調される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの過渡プロセスは、光音響振動を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記電気信号は、前記少なくとも１つの過渡プロセスの振幅、周波数又は減衰期間のうちの少なくとも１つを表わす、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームは、パルス間に遅れを有する単パルスを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２の放射ビームは、可変繰り返し率を有する準連続波（ＱＣＷ）の実質的に等しい間隔の短パルスを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第２の放射ビームは、可変周波数、可変パルス電力、可変パルス持続時間及び可変パルス数を有するパルス列を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームは、前記実験領域の実質的に同一点に合焦される、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１の放射ビームは、約１〜１０Ｗの電力を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の放射ビームは、約５Ｗの電力を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１の放射ビームは、約１５５０ｎｍの波長を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記第２の放射ビームは、約０．１〜１Ｗの電力を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記第２の放射ビームは、約０．２５〜０．５Ｗの電力を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記第２の放射ビームは、約１６１０ｎｍ〜１６９０ｎｍの波長を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの放射源は、パルスレーザーダイオードを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの放射源は、ファイバー結合ダイオードレーザーアレイを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの放射源は、パルス光ファイバーレーザーを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの放射源は、ダイオードレーザーにより励起されたエルビウム（Er）ガラスロッド若しくはスラブレーザ又は閃光電球を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの放射源は、波長可変なCo:MgF２レーザを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの放射源は、ネオジム含有の光学媒質Ｑ−スイッチレーザーを備え、可変持続時間、可変周波数、可変数及び可変電力を有する等間隔の短パルスを与える準連続波発生をもたらす、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームのうちの少なくとも１つの波長を変換するための光変換器を、さらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームのうちの少なくとも１つの出力を増大するための光ファイバー増幅器を、さらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの検出器は、フォトダイオードを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２９】
光学部品筐体及び電子機器筐体をさらに備え、
前記少なくとも１つの放射源及び前記少なくとも１つの検出器は、前記光学部品筐体に含まれ、
前記プロセッサは、前記電子機器筐体に含まれ、
前記光学部品筐体は前記電子機器筐体に動作可能に接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項３０】
前記光学部品筐体は光ファイバープローブを備える、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記光ファイバープローブは、束にした複数の光ファイバーを備え、
少なくとも１つの前記光ファイバーは、前記少なくとも１つの放射源を備え、
少なくとも１つの前記光ファイバーは、前記少なくとも１つの検出器を備える、請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
前記装置は、携帯用、ハンドヘルドの又はデスクトップの機器に含まれる、請求項１に記載の装置。
【請求項３３】
前記携帯用機器は、無線通信デバイスを備える、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記少なくとも１つの放射源及び前記少なくとも１つの検出器を収容する、光学部品筐体をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３５】
前記光学部品筐体は、プローブを備える、請求項３４に記載の装置。
【請求項３６】
前記プローブは、前記プローブに取り付けた接触センサをさらに備え、
該接触センサは、前記プローブと前記実験領域との間の係合の検出を可能にし、
係合が検出されなければ、前記第１の放射源及び前記第２の放射源は、前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームを放射しない、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記プローブは、前記プローブに取り付けた圧力センサをさらに備え、
該圧力センサは、前記プローブと前記実験領域との間の圧力の検出を可能にし、
検出された前記圧力が所定の圧力に等しくなければ、前記第１の放射源及び前記第２の放射源は、前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームを放射しない、請求項３５に記載の装置。
【請求項３８】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームが所定の位置に入射することを確保するために、前記実験領域をモニタするための画像解析ハードウェア又は画像解析ソフトウェアのうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３９】
画像解析ハードウェア又は画像解析ソフトウェアのうちの前記少なくとも１つは、携帯用ビデオカメラ及び撮像ソフトウェアを備える、請求項３６に記載の装置。
【請求項４０】
前記被分析物はグルコースである、請求項１に記載の装置。
【請求項４１】
最初の後方散乱放射を引き起こす第１の放射ビームと、実験領域を周期的に照射して周期的な後方散乱放射を引き起こす第２の放射ビームを放射する、少なくとも１つの放射源を用いて、組織の前記実験領域を照射するステップと、
前記最初の後方散乱放射及び前記周期的な後方散乱放射を検出するステップであり、それぞれが前記実験領域から異なる距離に配置される２つの受光センサを提供するステップを含む、前記後方散乱放射を検出するステップと、
検出された前記最初の後方散乱放射及び前記周期的な後方散乱放射を電気信号に変換するステップと、
前記電気信号に応じて被分析物の濃度を決定するステップと、を有する、組織内の被分析物の濃度を決定するための方法。
【請求項４２】
前記実験領域を照射するステップは、
媒質内の前記被分析物の吸収帯の範囲内の所定の波長を有する第１の放射ビーム及び第２の放射ビームで前記実験領域を照射するステップを有し、
前記被分析物による前記ビームの吸収は過渡プロセスを引き起こす、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記実験領域を照射するステップは、
前記被分析物の吸収帯のピークに対応する所定の波長を有する第１の放射ビーム及び第２の放射ビームで前記実験領域を照射するステップを有し、
前記被分析物以外の成分による前記ビームの吸収は、前記被分析物の前記濃度に依存する過渡プロセスを引き起こす、請求項４１に記載の方法。
【請求項４４】
前記実験領域を照射するステップは、
同一の波長を有する第１の放射ビーム及び第２の放射ビームで前記実験領域を照射するステップを有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームは、異なる波長を有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームのうちの１つは、前記被分析物の吸収帯のピークより大きい波長を有し、
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームのうちの１つは、前記被分析物の前記吸収帯のピークより小さい波長を有するように、前記実験領域を照射するステップを、さらに有する、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記実験領域を照射するステップは、
前記組織内に少なくとも１つの周期的な又は非周期的な過渡プロセスを励起するために、前記第１の放射ビームを放射するステップを有し、
前記後方散乱のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの前記過渡プロセスにより、少なくとも部分的に変調される、請求項４１に記載の方法。
【請求項４８】
前記少なくとも１つの過渡プロセスは、光音響振動を含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
検出された前記後方散乱放射を電気信号に変換するステップは、
検出された前記後方散乱放射を、前記過渡プロセスの振幅、周波数又は減衰期間のうちの１つに対応する電気信号に変換するステップを有する、請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームを放射するステップは、
パルス間に可変時間遅れを有する短い単パルスを放射するステップを有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームを放射するステップは、
可変繰り返し率を有する準連続波（ＱＣＷ）光の等距離の短パルスを放射するステップを有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項５２】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームを放射するステップは、
等距離の短パルスのパルス列を放射するステップを有し、
周波数、パルス電力、パルス持続時間及びパルスの数のうちの少なくとも１つが可変である、請求項４１に記載の方法。
【請求項５３】
前記実験領域を照射するステップは、
前記実験領域から所定の距離の共用点に、前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームを合焦するステップを有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項５４】
前記第１の放射ビームを放射するステップは、
約１〜１０Ｗの電力で前記第１の放射ビームを放射するステップを有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項５５】
前記第１の放射ビームを放射するステップは、
約５Ｗの電力で前記第１の放射ビームを放射するステップを有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項５６】
前記第１の放射ビームを放射するステップは、
約１５５０ｎｍの波長で前記第１の放射ビームを放射するステップを有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項５７】
前記第２の放射ビームを放射するステップは、
約０．１〜１Ｗの電力で前記第２の放射ビームを放射するステップを有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項５８】
前記第２の放射ビームを放射するステップは、
約０．２５〜０．５Ｗの電力で前記第２の放射ビームを放射するステップを有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項５９】
前記第２の放射ビームを放射するステップは、
約１６１０ｎｍ〜１６９０ｎｍの波長で前記第２の放射ビームを放射するステップを有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項６０】
前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームの電力を増幅するステップを、さらに有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項６１】
関心領域を照射するためのプローブと前記関心領域との間の圧力を検出するステップをさらに有し、
検出された前記圧力が所定の圧力に等しくなければ、前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームが放射されない、請求項４１に記載の方法。
【請求項６２】
前記被分析物はグルコースを含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項６３】
較正するステップをさらに有し、
較正するステップは、
被分析物を含む流体サンプルを得るステップと、
流体ベースの装置を用いて前記被分析物の基準濃度を決定するステップと、
決定された濃度が前記基準濃度に等しいかどうかを決定し、前記決定された濃度が前記基準濃度に等しくなければ、前記決定された濃度が前記基準濃度に等しくなるように、検出された前記電気信号のオフセット較正をするステップと、を有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項６４】
前記決定された濃度が前記基準濃度に等しくなるまで、複数回、前記ステップを繰り返すステップをさらに有する、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
決定された前記濃度を表示するステップをさらに有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項６６】
画像解析ハードウェア又は画像解析ソフトウェアのうちの少なくとも１つを用いて、前記第１の放射ビーム及び前記第２の放射ビームの照射位置をモニタするステップをさらに有する、請求項４１に記載の方法。
【請求項６７】
被検者のグルコースの濃度を決定するための光学装置の中で用いられるプローブヘッドであって、
第１の放射ビーム及び少なくとも１つの第２の放射ビームを放射する働きをする少なくとも１つの放射源に結合された複数の光ファイバーであって、前記第１の放射ビームは組織の実験領域を照射して第１の散乱放射を引き起こし、前記少なくとも１つの第２の放射ビームは周期的に前記実験領域を照射して周期的な第２の散乱放射を引き起こすものである、前記複数の光ファイバと、
前記第１及び第２の散乱放射を検出し、検出された前記散乱放射を電気信号に変換する少なくとも１つの検出器であり、前記実験領域から異なる距離に配置される２つの受光センサを備える、少なくとも１つの検出器と、
前記少なくとも１つの放射源へ電気信号を送信し、前記少なくとも１つの検出器からの電気信号を送信するための入力／出力インターフェースと、を備えるプローブヘッド。
【請求項６８】
前記少なくとも１つの放射源に結合された光ファイバーが、前記少なくとも１つの検出器に結合された光ファイバーにより包囲されるように、前記複数の光ファイバーが配置される、請求項６７に記載のプローブヘッド。
【請求項６９】
前記プローブヘッドの部分に取り付けた圧力センサをさらに備え、
該圧力センサは、前記プローブヘッドと前記プローブヘッドに接触する表面との間の圧力を検出し、
検出された前記圧力が所定の圧力に等しくなければ、前記光学装置は被検者の前記グルコースの濃度を決定しない、請求項６７に記載のプローブヘッド。
【請求項７０】
前記プローブヘッドは、携帯用及びハンドヘルドである、請求項６７に記載のプローブヘッド。
【請求項７１】
光学的励起及び光学的検出を用いて、被検者内のグルコースの濃度を非侵襲的に決定するための装置であって、
前記被検者の組織の一部を照射する励起ビームを放射して、前記組織の一部に物理的及び化学的変化の少なくとも１つを引き起こし、最初の後方散乱放射を引き起こす、第１の放射源と、
前記組織の一部を照射するプローブビームを周期的に放射して、周期的な後方散乱放射を引き起こす、第２の放射源と、
前記最初の後方散乱放射及び前記周期的な後方散乱放射を検出し、検出された前記後方散乱放射を前記物理的及び化学的変化の振幅、周波数及び減衰期間のうちの少なくとも１つの電気信号に変換するための少なくとも１つの検出器であり、前記後方散乱放射は、前記物理的及び化学的変化により変調されるものである、前記少なくとも１つの検出器であり、前記実験領域から異なる距離に配置される２つの受光センサを備える、少なくとも１つの検出器と、
前記物理的及び化学的変化の振幅、周波数及び減衰期間のうちの少なくとも１つを時間にわたって微分することにより、グルコースの前記濃度を決定するためのプロセッサと
を備える装置。
【請求項７２】
光学的励起及び光学的検出を用いて、被検者内のグルコースの濃度を非侵襲的に決定するための方法であって、
前記被検者の組織の一部を照射する励起ビームを放射して、表面に物理的及び化学的変化を引き起こし、最初の後方散乱光を引き起こすステップと、
前記組織の一部を照射するプローブビームを周期的に放射して、周期的な後方散乱光を引き起こすステップと、
前記実験領域から異なる距離に配置される２つの受光センサを使用して、前記最初の後方散乱光及び前記周期的な後方散乱光を検出し、検出された前記後方散乱光を前記物理的及び化学的変化の振幅、周波数及び減衰期間のうちの少なくとも１つの電気信号に変換するステップであり、前記後方散乱光は、前記物理的及び化学的変化により変調されるステップと、
前記物理的及び化学的変化の振幅、周波数及び減衰期間のうちの少なくとも１つを時間にわたって微分することにより、グルコースの前記濃度を決定するステップと
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式材料解析及び光学式材料解析を用いて被分析物の濃度を決定することに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
糖尿病は、患者の循環系及び視覚の内臓器官だけでなく、患者のライフスタイルにも影響を及ぼす重大疾患である。現在、世界で２億人を越える糖尿病患者が報告されており、今後１０年以内にその２倍になると予期されている。糖尿病治療の第1のステップは、血糖値を知ることにより、正しい食事及び医療の決定に役立てられるので、1日２４時間ずっと患者の血糖値を測定することである。
【０００３】
血糖値の濃度を測定する現在の方法は、典型的に、糖尿病患者に指に穴を開けさせて血を一滴採取させることが必要であり、その化学組成を血糖測定器により分析する。その手続きは全く無痛の訳ではなく、皮膚を傷めるので、糖尿病患者は、医者が処方すると同じ頻度で血糖値を調べることを嫌がることはよくあり、従って、十分に血糖値を測定することができない。
【０００４】
現在、血糖値測定用の携帯機器の大多数は、指先に穴を開けて血液サンプルを採取することが必要である。次に、血液サンプルを、血糖値の濃度を示す試験紙上に置く。例としては、ライフスキャン会社（LifeScan Inc.）、ジョンソン・アンド・ジョンソン会社（Johnson & Johnson company）により販売されるワンタッチ（One Toouch）（登録商標）、ウルトラ（Ultra）（登録商標）の血糖測定器がある。これらの機器は、非常に小型でかなり正確であるが、指先に穴を開けて血液サンプルを採取することは、不都合であり痛みを伴うことがある。その上、不適切な穴開けと衛生状態は、指先感染のリスクをもたらす。
【０００５】
従来の指先穴開け方法の替わりとして、シグナス会社（Cygnus Inc.）は、グルコウォッチ（GlucoWatch）（登録商標）バイオグラフ・モニタを開発した。腕時計のように見えるこの機器は、小電流を用いて皮膚から間質体液を引き抜いて、グルコースを抽出して、イオン導入法センサとして作用する消耗経皮パッドに入れる。収集したグルコースは、イオン導入法センサ内の電気化学反応を誘発して電子を発生する。イオン導入法センサは、電子を測定して、電子放射レベルを体液内のグルコースの濃度と同等と見なす。この機器は、体液のグルコース値を、最長１２時間まで２０分ごとに調べる。１２時間の作動の後に、そのバイオグラフ・モニタは、血糖値と比較するため、指プリック示度数を用いて較正しなければならない。この機器は、体液のグルコース値が血液より遅れを取るため、一部分において約１０〜３０％に決定される相対的測定誤差を有する。しかしながら、これらの機器の１つを購入さえできるためには、潜在的な買い手は、検診及び生化学検査を受けて合格しなければならない。その上、この機器は、また、敏感な皮膚を持つ幾人かの患者において、電流が導入される皮膚にひどい炎症を起こさせることが知られている。
【０００６】
グルコウォッチ（GlucoWatch）（登録商標）のような替わりの機器が成功しないため、他の非侵襲的測定の開発が始まった。これらの替わりの非侵襲的方法の多くは、光学的方法の使用を含む。これらの光学的方法のいくつかは、替わりの非侵襲的測定を提供する保証を示した。例えば、いくつかの光学的方法は、非電離放射線を用いて、消耗試薬の必要のない高速応答を与える示度数を得る。その上、より高機能化したレーザ及び光学検出器の可用性が増加するのにつれて、これらの光学検出器の使用に関連するコストが減少するので、光学的方法は非侵襲的測定のさらにもっと魅力的な替わりの形態になる可能性がある。
【０００７】
典型的な非侵襲的光学的方法は、指、前腕、舌、唇、大腿部又は腹部等のような人体のいくつかの選択部分を照射するために、光ビームを利用する。皮膚を伝播し、皮膚から反射し又は散乱する光は、照射された組織の組成についての情報を含む。それから、光は光学検出器により受けられて、分析されて、酸素又はヘモグロビンのような所定の被分析物の濃度が決定される。しかしながら、分析は本質的に複雑である、なぜならば、受信信号は非常に微弱であり、血液中の多くの被分析物によるだけでなく、ヒト皮膚の多様性と不均質性、常に変化する人間の生理及び皮膚の周りの外部環境さえも含む他の要因によってもまた、受信信号は容易に干渉される。吸光及び発光分光法、ラマン（Raman）分光法及び偏光と反射率の変化の測定のような従来の材料解析の光学的方法は、基準光ビームの顕著な散漫散乱のため、ヒト組織のような混濁媒質にとって、あまり適切ではない。
【０００８】
他の非侵襲的方法は、間質液内のグルコース量と毛細管血との間に存在する相関を利用するが、多大な時間を必要とする主要な不利点に悩まされる。さらに、その方法は、グルコース濃度の間接的測定のみ提供するが、これも、あいにく時間が遅延する。
【０００９】
レーザ光音響分光法の技術が、その提供する高感度のため、痕跡検出で用いられている。レーザ光音響分光法では、高エネルギーレーザビームが、研究中の物質を照射するために、用いられる。そのビームは物質内に熱膨張を生じて、音響波を発生する。その波の特性は、その物質の光吸収係数によるだけでなく、熱膨張、比熱及び音速のような熱物理パラメータによってもまた、決定される。その上、音響波は、また、光学散乱により影響されるが、光学散乱は、圧電性結晶、マイクロホン、光ファイバーセンサ、レーザ干渉計又は回折センサのような高感度超音波検出器により測定できる、物質内の光の分布に影響を与える。
【００１０】
例えば、光音響技術を利用した非侵襲性血糖測定に対する方法および装置は発明者チョー（Chou）の特許文献１および特許文献２に記載されている。照射すると、測定される試料の比較的薄い層内で、熱拡散長により特徴付けられる音響エネルギーが生成される。その音響出力は、一方の端部に測定セルが配置され、もう一方の端部に基準セルが配置された差分マイクロホンで検出される。検出された音響信号に基づいて、プロセッサが測定物質濃度を決定する。血流内のグルコースの濃度を決定するために、励起源を、好ましくは、約１５２０〜１８５０ｎｍおよび約２０５０〜２３４０ｎｍのスペクトル範囲であるグルコース吸収帯域に同調させて、強力な光音響出力を誘導する。これらの波長範囲では、水による吸収率は比較的低く、グルコースによる吸収率は比較的高い。
【００１１】
別の例として、発明者マッケンジー他（MacKenzie, et al）の特許文献３は、血糖値のような生物学的パラメータを測定するシステムを記載し、そのシステムは、光ガイドからのレーザパルスを指先のような軟部組織から成る身体の部分へ向けて、光音響相互作用を生成する。その結果生じる音響信号は、トランスデューサにより検出され、解析されて所望のパラメータを与える。
【００１２】
上記の光音響技術の全ては、少なくとも音響振動性能を考慮せずにエネルギーを媒質に適用することを教示しているため、比較的高いレーザ・パワーが必要であるという点で不利である。このため、これまでの技術ではエネルギーが不充分であり、得られる感度レベルが不適切である。
【００１３】
別の従来の光音響材料解析システムが発明者ゲバ他（Geca, et al）の特許文献４に記載されており、媒質内に含まれる対象成分濃度が、持続時間、周波数、数およびパワーが変更可能な等間隔の短パルスを含む光パルス列を用いる共鳴型光音響分光法により決定される。光の波長は、対象成分により光が吸収されるように選択する。照射すると、熱拡散長により特徴付けられる、媒質の比較的薄い層内における吸収光により、音響振動が生成される。パルス列内の光短パルスの繰り返し周波数が、薄膜として見なすことのできる媒質の薄い層の固有音響振動周波数と一致するように選択されて、音響振動の共鳴が得られる。音響共鳴振動の振幅および周波数の測定により、対象成分濃度を決定し、このシステムは血液成分の測定、特にグルコースの測定に適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第５，９４１，８２１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，０４９，７２８号明細書
【特許文献３】米国特許第６，８３３，５４０号明細書
【特許文献４】米国特許第６，４６６，８０６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
残念ながら、上記のシステムは、従来の光音響材料解析技術の大多数と同様に、不利である。本発明とは違って、異なる成分の吸収帯の重なり及びヒト皮膚のような媒質の弾性特性の不規則性を考慮せずに、エネルギーを媒質に適用することを教示している。このため、このような従来の技術では、得られる感度レベルが不適切であり、測定誤差が大きい。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に一致して、第１の放射ビームを放射する働きをし、組織の実験領域を照射して第１の放射散乱を引き起こす第1の放射源と、複数の第２の放射ビームを放射する働きをし、周期的に前記実験領域を照射して周期的な複数の第２の放射散乱を引き起こす第２の放射源と、前記第１の放射散乱及び前記第２の放射散乱を検出して、検出された前記放射散乱を電気信号に変換するための少なくとも２つの検出器と、前記電気信号に基づいて被分析物の濃度を決定するためのプロセッサとを備える、組織内の被分析物の濃度を決定するための装置を提供する。
【００１７】
放射の最初の後方散乱を引き起こす第１の放射ビームを放射する第1の放射源と、放射の周期的後方散乱を引き起こし実験領域を周期的に照射する第２の放射ビームを放射する第２の放射源とを用いて、組織の前記実験領域を周期的に照射するステップと、前記最初の及び周期的後方散乱を検出するステップと、検出された前記後方散乱を電気信号に変換するステップと、前記電気信号に応じて被分析物の濃度を決定するステップと、前記濃度を表示するステップと、を備える、組織内の被分析物の濃度を決定するための方法を提供する。
【００１８】
さらに、本発明に一致して、被分析物を含む流体サンプルを得るステップと、流体ベースの装置を用いて前記被分析物の第１の濃度を決定するステップと、光学装置を用いて前記被分析物の第２の濃度を決定するステップと、前記第２の濃度が前記第１の濃度に等しいかどうかを決定し、前記第２の濃度が前記第１の濃度に等しくなければ、前記第２の濃度が前記第１の濃度に等しくなるように、前記光学装置のオフセット較正をするステップとを有する、被分析物の濃度を決定するための光学装置を較正するための方法を提供する。
【００１９】
また、本発明に一致して、被検者のグルコースの濃度を決定するための光学装置の中で用いられるプローブヘッドであって、第１の放射源、放射光源、第１の検出器及び第２の検出器と容易に伝達できる複数の光ファイバーの束と、第１の放射源及び第２の放射源へ電気信号を送信し、第１の検出器及び第２の検出器からの電気信号を送信するための入力／出力インターフェースとを備えるプローブヘッドを提供する。
【００２０】
本発明に一致して、光学的励起及び光学的検出を用いて、被検者内のグルコースの濃度を非侵襲的に決定するための本発明に一致する装置であって、励起ビームを放射し、前記被検者の表面を照射して、前記表面に物理的及び化学的変化の少なくとも１つを引き起こし、放射の最初の後方散乱を引き起こす第１の放射源と、プローブビームを周期的に放射し、前記被検者の表面を照射して、放射の周期的な後方散乱を引き起こす第２の放射源と、前記最初の後方散乱及び前記周期的な後方散乱を検出して、検出された前記後方散乱を前記物理的及び化学的変化の振幅、周波数又は減衰期間のうちの少なくとも１つの電気信号に変換するための少なくとも1つの検出器と、を備え、前記後方散乱は、前記物理的及び化学的変化により変調され、さらに、少なくとも前記物理的及び化学的変化の振幅、周波数又は減衰期間を時間にわたって微分することにより、グルコースの前記濃度を決定するためのプロセッサと、を備える装置を提供する。
【００２１】
本発明に一致して、光学的励起及び光学的検出を用いて、被検者内のグルコースの濃度を非侵襲的に決定するための方法であって、前記被検者の表面を照射して、表面に物理的及び化学的変化の少なくとも１つを引き起こし、光の最初の後方散乱を引き起こすために、励起ビームを放射するステップと、前記被検者の表面を照射して、光の周期的な後方散乱を引き起こすために、プローブビームを周期的に放射するステップと、検出された前記後方散乱を少なくとも前記物理的及び化学的変化の振幅、周波数又は減衰期間の電気信号に変換するために、前記最初の後方散乱及び前記周期的な後方散乱を検出するステップと、を備え、前記後方散乱は前記物理的及び化学的変化により変調され、さらに、少なくとも前記物理的及び化学的変化の振幅、周波数又は減衰期間のうちの少なくとも１つを時間にわたって微分することにより、グルコースの前記濃度を決定するステップを備える方法を、さらに提供する。
【００２２】
本発明に一致する追加の特徴及び利点は、以下の詳細な説明で一部は説明され、詳細な説明から一部は明らかであり、又は本発明の実施により知ることができる。本発明に一致する特徴及び利点は、添付の特許請求の範囲で特に指摘された要素及びその組み合わせにより、実現され達成されるであろう。
【００２３】
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、共に、例示的かつ説明的のみであり、請求される発明を限定するものではない。
【００２４】
添付図面は、本明細書の一部に組み込まれ、本明細書の一部を構成し、本発明のいくつかの実施形態を例示し、明細書と共に本発明の原理を説明するために役立つ。
【００２５】
添付図面に関連して以下の詳細な説明から、本発明はもっと十分に理解され評価されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に一致する、被分析物濃度を決定するための光学装置を例示する簡略ブロック図である。
【図２】本発明に一致する、被分析物濃度を決定するための方法を例示するフローチャートである。
【図３】図１の光学部品筐体の実施形態を例示する図である。
【図４】実施例１で用いられる、本発明に一致する光学装置により放射される、異なるタイプの放射の強度及び持続時間を例示するグラフである。
【図５】実施例２で用いられる、本発明に一致する光学装置により放射される、異なるタイプの放射の強度及び持続時間を例示するグラフである。
【図６】本発明に一致する、光学装置を較正するための方法を例示するフローチャートである。
【図７】本発明に一致する光ファイバーの配置の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の例示的な実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。可能な限り、同一又は類似の部分には、同一の参照番号を図面全体にわたって用いる。
【００２８】
図１は、本発明に一致する、被分析物濃度を決定するための光学装置を例示する簡略ブロック図である。図１に示すように、光学装置は、光学部品筐体１０４に接続された電子機器筐体１０２を含む。電子機器筐体１０２は、導体、配線又は無線により光学部品筐体１０４に接続されるか、又は、電子機器筐体１０２及び光学部品筐体１０４は、それらの間の電気的接続をして単一の筐体に収容される。本発明の実施形態に一致して、光学部品筐体１０４は、さらに図3で例示するように、プローブを含む。
【００２９】
光学部品筐体１０４内の光学部品は、表面１０６を放射ビームＢ１及びＢ２で照射して、第1の放射散乱Ｄ１及び第２の放射散乱Ｄ２を検出することを動作可能にできる。本発明に一致して、光学装置は、電源１０８に接続されて、電子機器筐体１０２、光学部品筐体１０４及びそれらの中にある部品に電力が与えられる。外部交流電源として例示されているけれども、電源１０８は電子機器筐体１０２か、又は、光学部品筐体１０４か、どちらかに含まれても良く、交流又は直流であっても良い。その上、電子機器筐体１０２と光学部品筐体１０４とが無線で接続されるならば、別個の追加の電源を光学部品筐体１０４に接続できる。光学装置は、表示用、モニタ用、トラッキング結果用及び光学装置の較正用の外部処理装置１１０に、さらに、接続できる。外部処理装置は、パソコン（ＰＣ）、携帯端末（ＰＤＡ）、スマートフォン又は他のそのような装置を含んで良い。
【００３０】
本発明に一致して、電子機器筐体１０２は、被分析物濃度の決定を容易にするのに適している電子機器の配列を収容することができる。例えば、電子機器筐体１０２は、プロセッサ又はＣＰＵ１１２、第1の放射ドライバー１１４、第２の放射ドライバー１１６、第1のピーク検出器１１８、第２のピーク検出器１２０、マルチプレクサ（ＭＵＸ）１２２及びアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１２４を含むことができる。これらの機器の動作は、図２の議論に関連してさらに論じられよう。
【００３１】
同様に、光学部品筐体１０４は、被分析物濃度の決定をするのに用いる光学部品の配列を収容することができる。図１に示すように、光学部品筐体１０４は、表面１０６の実験領域１３０を第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２で照射するための、第1の放射源１２６及び第２の放射源１２８を含むことができる。本発明に一致して、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２は、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２を生成できる単一の放射源１２７から放射できる。光学部品筐体１０４は、さらに第1の放射散乱Ｄ１及び第２の放射散乱Ｄ２を受けるための検出器を含むことができる。本発明に一致して、単一の検出器１３２は、第1の放射散乱Ｄ１、第２の放射散乱Ｄ２及び任意の他の放射散乱を受けるように構成することができる。さらに、本発明に一致して、図３に示すように、検出器１３２は、第1の放射散乱Ｄ１及び第２の放射散乱Ｄ２を別々に受けるための別々の散乱放射検出器を含むことができる。本発明の実施形態に一致して、検出器１３２は、ピン（ＰＩＮ）フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光電増倍管又はフォトレジスタ（Photoresistor）を含むフォトダイオードのような受光センサ（optical receiving sensor）を含むことができる。光増幅器（図示せず）は、第１の放射ビーム又は第２の放射ビームの出力を増幅するために、さらに光学部品筐体１０４に含めることができる。本発明に一致して、光増幅器は、光ファイバー増幅器で良い。光学部品筐体１０４は、また、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２の波長を変換するために、さらに光変換器（図示せず）を収容することができる。
【００３２】
本発明に一致する実施形態において用いる第1の放射源及び第２の放射源は、被分析物濃度、必要な放射の周期性、サイズの制約又はコストを正確に決定するために、必要な放射の出力又は波長のような要因に依存して選択できる。例えば、第1の放射源１２６及び第２の放射源１２８は、パルスレーザーダイオード、ファイバー結合ダイオードレーザーアレイ、閃光電球又はパルス光ファイバーレーザーであっても良い。第1の放射源１２６及び第２の放射源又は単一の放射源１２７は、さらにこれらのタイプの放射源の組み合わせを含むことができる。例えば、一実施形態において、第1の放射源１２６又は第２の放射源１２８は、追加のダイオードレーザーにより励起されたエルビウム（Er）添加ガラスロッド又はスラブレーザを含むことができる。別の実施形態において、第1の放射源１２６又は第２の放射源１２８は、波長可変なCo:MgF２レーザを含むことができる。さらに別の実施形態において、第1の放射源１２６又は第２の放射源１２８は、ネオジム含有の光学媒質Ｑ−スイッチレーザーを含むことができる。
【００３３】
本発明に一致して、再使用の放射される放射源の特性は、調べられる特定の被分析物に依存するであろう。すなわち、例えば出力、放射のタイプ、波長及び周期性は、第1の放射源１２６及び第２の放射源１２８から放射される第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２の特性に影響するだろうし、これらの特性は特定の被分析物に各々異なって影響するだろうし、従って、被分析物濃度を決定する光学装置の機能を最大にするために、これらの特性を調整することが重要である。異なる材料は、異なる反射率、透過率及び吸収特性を示す。特定の媒質内の被分析物濃度を決定するために、光学測定を行なう際、被分析物及び媒質の特性を考慮しなければならない。被分析物により吸収され散乱される放射量は、放射ビームの出力及び波長に依存する。従って、調査対象であり、周囲の媒質から区別される被分析物に帰属可能で、測定可能な吸収量及び散乱量を生成するのに十分な特定の出力及び波長で、放射ビームを放射することが望ましい。例えば第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２は、所定の波長及び所定の出力を有して、放射されるであろう。本発明の実施形態に一致して、所定の波長及び出力は、調査対象の被分析物に応じて同一のもの又は異なるものにできる。
【００３４】
本発明に一致する特定の実施形態において、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２は、特定の媒質内で調査される被分析物の特有の吸収帯から選択される所定の波長を有して放射される。別の実施形態において、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２は、調査される被分析物の吸収帯のピーク波長に対応する波長で放射される。第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２が異なる波長で放射される実施形態において、一方の放射ビームＢ１又は放射ビームＢ２は被分析物の吸収帯のピーク波長よりも大きい波長を有し、他方の放射ビームＢ１又は放射ビームＢ２は被分析物の吸収帯のピーク波長よりも小さい波長を有する。さらに詳細に以下で説明するように、特定の実施形態において、本発明に一致して、第１の放射ビームＢ１は、約１〜１０Ｗの電力及び約１５５０ｎｍの波長で放射され、第２の放射ビームＢ２は、約０．１〜１Ｗの電力及び約１５５０〜１６９０ｎｍの波長で放射される。
【００３５】
すでに述べたように、第1の放射源１２６及び第２の放射源１２８は、パルス放射源を含むことができる。パルス放射源を用いる実施形態では、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２も、また、パルス状である。例えばパルス源を用いる際、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２は、パルス間に所定の遅れを有するモノラルパルスとして放射される。第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２は、また、それらの間に等しい間隔及び可変繰り返し率を有する準連続（ＱＣＷ）光の短パルスとして放射される。さらに、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２は、パルス列として、かつ、可変周波数、可変パルス電力、可変パルス持続時間及び可変パルス数を有するものとして放射される。以下に記載するように、特定の実施形態において、第２の放射ビームＢ２は、周期的に実験領域１３０を照射するために、等しい間隔を有する短パルスとして放射される。
【００３６】
本発明に一致して、被分析物濃度を決定するための方法を例示するフローチャートである図２を参照する。本発明に一致する実施形態において、図２に例示する方法は、図１に例示する光学装置を用いて実施される。このような実施形態を例示するために、図２のステップを図１の動作に関連して説明する。
【００３７】
光学部品筐体１０４であるプローブは、最初に、表面１０６の実験領域１３０に接触するように置かれる（Ｓ２０１）。本発明に一致して、プローブは、実験領域１３０に接触しても良いし、又は実験領域１３０の近くにあっても良い。さらに本発明に一致して、実験領域１３０は表面１０６にあっても良いし、又は表面１０６の下にあっても良い。実験領域１３０は、励起パルスである第1の放射源１２６から放射される第１の放射ビームＢ１で照射される（Ｓ２０２）。続いて、実験領域１３０は、プローブパルスである第２の放射源１２８から放射される第２の放射ビームＢ２で照射される（Ｓ２０３）。
【００３８】
本発明に一致して、第２の放射源１２８は、各ビームがそれらの間の所定の周期で放射される複数の第２の放射ビームＢ２を放射できる。第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２は実験領域１３０を照射するだろうし、所定の量の放射は第1の放射散乱Ｄ１及び第２の放射散乱Ｄ２として例示されるように、表面１０６の反射率に依存して実験領域１３０から散乱して戻される。その上、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２は、さらに表面１０６に周期的又は非周期的過渡プロセスを引き起こして、この過渡プロセスが少なくとも部分的に第1の放射散乱Ｄ１及び第２の放射散乱Ｄ２を調整する。
【００３９】
第1の放射散乱Ｄ１及び第２の放射散乱Ｄ２は、それから検出器１３２により検出される（Ｓ２０４）。検出器１３２は、検出した第1の放射散乱Ｄ１及び第２の放射散乱Ｄ２を処理用の電気信号に変換する。本発明に一致して、電気信号は、表面１０６に生じる任意の過渡プロセスの振幅、周波数又は減衰期間の内の少なくとも１つを表す。電気信号は、それから、第1のピーク検出器１１８及び第２のピーク検出器１２０からマルチプレクサ１２２ヘ送信される。マルチプレクサ１２２は、第1のピーク検出器１１８及び第２のピーク検出器１２０からの電気信号を結合して、単一の結合電気信号をアナログ・デジタル変換器１２４へ出力する。アナログ・デジタル変換器１２４は、入力したアナログ電気信号をデジタル電気信号へ変換して、デジタル電気信号をプロセッサ１１２へ出力する。
【００４０】
プロセッサ１１２は、デジタル電気信号を受信して、内部メモリ（図示せず）に保存される命令を実行し、デジタル電気信号を用いて計算を実施する。例えば、プロセッサ１１２は、第1の放射散乱Ｄ１及び第２の放射散乱Ｄ２の強度の変化を計算し（Ｓ２０５）、その強度の変化は、第２の放射ビームＢ２の放射の繰り返しにより、及び、放射された第１の放射ビームＢ１又は第２の放射ビームＢ２の結果として表面１０６に生じる、その後の任意の過渡プロセスにより引き起こされる。計算された強度の変化から、プロセッサ１１２は、それから、命令を実行し、実験領域１３０にある被分析物の濃度を計算するアルゴリズムを実施する（Ｓ２０６）。本発明に一致して、計算も、例えばＰＣ１１０内のプロセッサのような外部プロセッサにより行われる。計算された濃度は、それから、ユーザが見るために表示される（Ｓ２０７）。本発明に一致して、計算された濃度は、電子機器筐体１０２に取り付けられたディスプレイ上に又はコンピュータ上に表示される。その上、計算された濃度は、また、トレンド分析及び長時間分析のため、コンピュータ１１０の中に表にされる(be tabulated)。
【００４１】
本発明に一致して、画像解析技術は、本明細書に記載された光学装置に関連して用いられる。特に、画像解析技術は、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２が実験領域１３０に変化せずに常に入射することを確保するために用いられる。画像解析技術は、光学装置に取り付けられた及び／又は埋め込まれたビデオハードウェア及びソフトウェアを含み、そのビデオハードウェア及びソフトウェアは、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２が実験領域に常に入射するように、ユーザが光学装置を正確に位置付けることを可能にする。本発明に一致して、リアルタイムのビデオ送りがユーザの光学装置の表面１０６上の位置付けを示すことができるように、携帯用ビデオカメラをインストールできる。標識を実験領域１３０に置くことができ、その結果、ユーザは、ビデオ送りを用いて、実験領域１３０への入射を確保するために、光学装置を実験領域１３０に確実に調整することができる。
【００４２】
図３は、図１の光学部品筐体の実施形態を例示する。本実施形態において、図１の光学部品筐体１０４は、プローブ又はプローブヘッド３０４に形成される。プローブヘッド３０４は、第１の放射体１２６及び第２の放射体１２８を含むことができる少なくとも１つの放射体並びに検出器１３２内で表面１０６に関して異なる間隔を有する第１の散乱放射検出器３３２及び第２の散乱放射検出器３３４を含むことができる少なくとも１つの検出器１３２を含む。プローブヘッド３０４は、また、第１の放射体及び第２の放射体から放射された放射ビームを実験領域１３０に合焦するための第１のレンズ３０６を含むことができる。プローブヘッド３０４は、また、表面１０６からの散乱放射を第２の散乱放射検出器３３４及び第１の散乱放射検出器３３２にそれぞれ集める第２のレンズ３０８及び第３のレンズ３１０を含むことができる。図３では示していないけれども、プローブヘッド３０４は、さらに、図１で示す電子機器筐体１０２に収容されたもののような他の電子処理機器に接続できる。
【００４３】
図３で示すように、本発明に一致する実施形態において、検出器１３２を表面１０６から所定の距離に設ける。本発明に一致して、第２の散乱放射検出器３３４は、プローブヘッド３０４内で、第１の散乱放射検出器３３２と表面１０６との間の距離よりも大きい表面１０６からの距離で、設けられる。第２の散乱放射検出器３３４を表面１０６からより大きい距離に設けることにより、光学装置は、差分解析を行うための追加のデータ点を生成でき、濃度の示度数の正確さを増加する。例えば、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２により励起される所定のシステムに対して、第２の散乱放射検出器３３４で検出された散乱の振幅は、第１の散乱放射検出器３３２で検出された散乱の振幅よりも小さくて、２つの散乱放射検出器で検出された散乱間の相対的振幅を計算するために、用いることができる。この相対的振幅は、位置決め、圧力又は放射源の不安定性により引き起こされる誤差を相殺するために用いることができる。検出された散乱の振幅が検出されたパラメータとして説明されてきたけれども、本発明に一致して、そのパラメータは散乱の周波数又は減衰期間に関連することができる。
【００４４】
本発明の別の実施形態において、プローブヘッド３０４は、また、接触センサ、近接センサ又は圧力センサである、ゲートセンサ３０２を含むことができる。接触センサをゲートセンサ３０２として用いる実施形態において、接触センサは、実験が始められる前にプローブヘッド３０４と表面１０６との接触を検出しなければならず、従って、ゲートとして作用する。近接センサをゲートセンサとして用いる実施形態において、近接センサは、表面１０６がプローブヘッド３０４に合理的に近接していることを検出しなければならない。すなわち、近接センサを用いる実施形態において、近接センサは、実験が始められる前にプローブヘッド３０４と表面１０６との間に所定の距離が存在することを決定する。
【００４５】
圧力センサを用いる実施形態において、圧力センサ３０２は、実験が始める前に所定の圧力を検出しなければならない。図１及び図２を参照して上記に論じたように、散乱ビームＤ１及びＤ２の強度の検出した変化は、第１の放射ビームＢ１及び第２の放射ビームＢ２により引き起こされる過渡プロセスにより影響される。プローブヘッド３０４を表面１０６に接触して置く際、追加の過渡プロセスが表面１０６に導入されて、さらに散乱ビームＤ１及びＤ２の強度の変化に影響を与え、従って、また、被分析物の計算された濃度に影響を与える。しかしながら、プローブにより表面１０６に加えられるある圧力は、被分析物の濃度を計算する際、既知の圧力及びその影響を考慮に入れることができ、修正することができるように、オフセットとして用いることができる。圧力センサ３０２によりプローブヘッド３０４と表面１０６との間で検知される圧力は、第１の放射体１２６が第１の放射ビームＢ１を放射する前の所定の圧力に等しくなければならない。圧力センサ３０２は、光ファイバー圧力プローブを備えることができる。
【００４６】
本発明の実施形態に一致して、プローブヘッド３０４は光ファイバープローブを備える。本実施形態で、プローブヘッド３０４は多くの光ファイバーを備えており、光ファイバーは、少なくとも１つの放射源及び少なくとも１つの検出器と光通信を行う。例えば、光ファイバーは、第１の放射源１２６、第２の放射源１２８、第１の検出器３３２及び第２の検出器３３４と光通信を行う。光ファイバーの束は、表面１０６に出入りする放射を送るための導管又は導波管として作動する。このような実施形態に一致して、多くの光ファイバーを図７に示すように配置することができる。光ファイバーの使用により小型、軽量かつ容易に表面１０６に接触して置くことができるプローブヘッド３０４の提供を可能にする。
【００４７】
図７は本発明に一致する光ファイバーの配置の例を示す。図７（ａ）は光ファイバーの配置を例示し、その光ファイバーは、放射源１２６及び／又は１２８からの放射を送るための３つの光ファイバー７２６を含み、かつ、表面１０６からの散乱放射を放射検出器１３２を含むことができる放射検出器へ送るための複数の収集光ファイバー７３２を含む。図７（ｂ）は光ファイバーの配置を例示し、その光ファイバーは、放射源１２６及び／又は１２８からの放射を送るための２つの光ファイバー７２６を含み、かつ、表面１０６からの散乱放射を放射検出器１３２を含むことができる放射検出器へ送るための複数の収集光ファイバー７５２を含む。図７（ｃ）は光ファイバーの配置を例示し、その光ファイバーは、放射源１２６及び／又は１２８からの放射を送るための２つの光ファイバー７２６を含み、かつ、表面１０６からの散乱放射を放射検出器１３２又は３３２を含むことができる放射検出器へ送るための近くの複数の収集光ファイバー７３２を含み、かつ、表面１０６からの散乱放射を図３に示す放射検出器３３４へ送るための遠くの複数の収集光ファイバー７３４を含む。
【００４８】
本明細書に記載された光学装置は、ヒト組織内のグルコース濃度の検出のためのある実施形態に用いることができる。本発明に一致して、ヒト組織内のグルコースの検出のための実施形態は、励起パルスとして短く高出力の放射ビームＢ１を、本実施形態では組織である表面１０６の実験領域１３０へ放射する。放射の一部は表面１０６により吸収されて、表面１０６に過渡プロセスを生成し、この過渡プロセスは、表面１０６の光学的、機械的及び他の物理的特性並びに化学的特性を変化させる。これらの特性の変化は、続いて、表面１０６の光音響振動と同様に、散乱放射Ｄ１及びＤ２の振幅、周波数及び減衰期間を変化させる。
【００４９】
放射ビームＢ１の最初の放射後、第２の放射源１２８は、プローブパルスとして作用する第２の放射ビームＢ２を周期的に放射する。これらのプローブパルスは、表面１０６に最小の過渡プロセスのみを誘導するように、典型的に第１の放射ビームＢ１より低い出力である。プローブパルスは、表面１０６が時間とともに緩和するので、検出器１３２により検出することのできる追加の放射散乱Ｄ１及びＤ２を生成するのに役立つ。表面１０６は、最初の高出力放射ビームＢ１から緩和するので、検出器１３２は検出示度数を得ることができて、その検出示度数を処理することができて、最初の励起パルス及び続いてプローブパルスから散乱光の振幅を決定し、散乱光の振幅の時間にわたる変化を決定し、導入された過渡プロセスの結果として生じる変調の振幅及び周波数を決定し、表面１０６の減衰定数を決定し、プローブパルスからの散乱光の振幅変調の位相遅れを決定し、この位相遅れにより表面１０６の音響波の伝播速度の計算を可能にする。これらの処理値から、表面１０６に存在するグルコースの濃度を決定できる。本発明に一致する光学装置を用いる特別の実施例を以下に詳細に論じる。
【実施例１】
【００５０】
本発明に一致する実施形態において、例えば、図１に関する上記のような光学装置は、図１の表面１０６がヒト組織であるように、被験者のグルコース濃度の決定のために用いられる。図４は、本実施形態に一致する光学装置により放射される、異なるタイプの放射の強度及び持続時間を例示するグラフである。本実施形態に対して、第１の放射源１２６及び第２の放射源１２８は、約１５９０ｎｍのピークを有するグルコース吸収帯に対応するように選択される。本実施形態で、光学装置には、第１の放射源１２６が、１５５０ｎｍの波長、１．０〜１０．０Ｗの電力、１００ｎｓのパルス幅の励起ビームＢ１を放射するレーザであるように設ける。第２の放射源１２８は、１５５０ｎｍの波長、１．０〜１０．０Ｗの電力、８０ｎｓのパルス幅の複数の周期的なプローブパルスＢ２を放射するように設けたレーザである。
【００５１】
動作中、光音響原理に従って、励起ビームＢ１は、組織１０６内に機構変化及び高速減衰振動を生成する。励起ビームＢ１は、また、最初の光の散乱Ｄ１又はＤ２を生成する。励起ビームＢ１の放射後、プローブパルスＢ２が周期的に放射されて、追加の光の散乱Ｄ１又はＤ２を生成する。光の散乱Ｄ１及びＤ２は、検出器１３２により検出されて、光の散乱Ｄ１及びＤ２の振幅の強度を表わす電気信号に変換されて、処理のため電子機器筐体１０２へ送られる。
【００５２】
組織１０６内の機構変化及び高速減衰振動により、追加の光の散乱Ｄ１又はＤ２の振幅は時間とともに変化する。ＣＰＵ１１２は、振幅の変化を表わす電気信号を処理して、その結果をＰＣ１１０へ送る。ＰＣ１１０は、専用のアルゴリズムを用いて、電気信号を保存し、組織１０６内のグルコース濃度を計算する。
【実施例２】
【００５３】
本発明に一致する別の実施形態において、例えば、図３に関する上記のような光学装置は、図３の表面１０６がヒト組織であるように、被験者のグルコース濃度の決定のために用いられる。図５は、本実施形態に一致する光学装置により放射される、異なるタイプの放射の強度及び持続時間を例示するグラフである。本実施形態に対して、第１の放射源１２６及び第２の放射源１２８は、約１５９０ｎｍのピークを有するグルコース吸収帯に対応するように選択される。本実施形態で、光学装置には、第１の放射源１２６が、１５５０ｎｍの波長、５Ｗの電力、１００ｎｓのパルス幅の励起ビームＢ１を放射するレーザであるように設ける。第２の放射源１２８は、１６１０〜１６９０ｎｍの波長、０．２５〜０．５Ｗの電力、８０ｎｓのパルス幅の複数の周期的なプローブパルスＢ２を放射するように設けたレーザである。
【００５４】
あるいは、本発明に一致して、励起ビームＢ１は、１５５０ｎｍの波長及び１０Ｗの電力で放射することができ、周期的なプローブパルスＢ２は、１５５０ｎｍの波長及び約０．２５〜０．５Ｗの電力で、励起ビームＢ１と同じ放射源から放射することができ、周期的なプローブパルスＢ２について各パルス間に約２５マイクロ秒の遅れがあるように、放射される。
【００５５】
動作中、プローブヘッド３０４は組織１０６に接触して置かれる。本例では圧力センサを備えるゲートセンサ３０２は、プローブヘッド３０４と組織１０６との間の圧力を測定する。圧力センサ３０２が、プローブヘッド３０４と組織１０６との間の圧力が許容できる値であることを決定すると、第1の放射源が励起ビームを放射する。光音響原理に従って、励起ビームは、組織１０６内に機構変化及び高速減衰振動を生成し、また、最初の光の散乱を生成する。励起ビームの放射後、プローブパルスが第２の放射源１２８により周期的に放射されて、追加の光の散乱を生成する。光の散乱は、第1の検出器３３２及び第２の検出器３３４により検出されて、光の散乱の振幅の強度を表わす電気信号に変換されて、処理のため電子機器筐体１０２（図1に示す）へ送られる。
【００５６】
組織１０６内の機構変化及び高速減衰振動により、追加の光の散乱の振幅は時間とともに変調する。ＣＰＵ１０２（図１に示す）は、振幅の変化を表わす電気信号を処理して、光の散乱の振幅を時間とともに互いに比較するためのアルゴリズムを実行して、振幅においてだけでなく、周波数、減衰期間及び音響振動の拡散速度における微分変化も探す。これらの微分変化は、内部メモリ（図示せず）に保存されて、それから、組織１０６内のグルコース濃度を計算するためのアルゴリズムで使用される。
【００５７】
本発明に一致して、必ずしも必要ではないけれども、被分析物濃度の最適な決定を提供するために、図１又は図３で例示する光学装置を較正することができる。図６は、本発明に一致する光学装置を較正するための方法を例示するフローチャートである。上記のように、実験される被分析物がグルコースであれば、得られる濃度が正確であり、かつ、一般に認められたグルコース濃度の実験手段に適合することが、ユーザの健康にとって重要である。従って、較正プロセスの実行において、標準血液テストの結果が光学装置の結果と比較されて、光学装置は、標準血液テストに適合するために、オフセット較正がされる。この較正プロセスはグルコースの実験に関してまとめられているけれども、以下に詳細に説明する較正プロセスは、また、グルコース以外の被分析物濃度を決定するために、本発明に一致する光学装置を用いる際に用いることができる。
【００５８】
最初に流体サンプルが得られて（Ｓ４０１）、流体濃度決定手段を用いて被分析物の第１の濃度が決定される（Ｓ４０２）。この第１の濃度は記録されて、それから本発明に一致する光学装置は、濃度測定のために用いられる（Ｓ４０３）。光学装置は、図２に例示されるような方法を実行して、被分析物の第２の濃度を決定する（Ｓ４０４）。第１の濃度及び第２の濃度はお互いに比較されて、所定の正確度の範囲内で一致するかどうかを決定する（Ｓ４０５）。第１の濃度及び第２の濃度が一致すれば、さらに較正する必要はない（Ｓ４０６）。しかしながら、第１の濃度及び第２の濃度が一致しなければ、第２の濃度が第１の濃度に一致するように、光学装置は、所定の量だけオフセット較正がされる（Ｓ４０７）。このステップの後、オフセット較正が完了する（Ｓ４０８）。本発明の実施形態に一致して、光学装置の外部の又は搭載のコンピュータは、濃度の記録、一致の決定及びオフセット較正を実行することができる。
【００５９】
本明細書に記載された方法及び装置は、特定のハードウェア又はソフトウェアに言及したり、しなかったりしているが、当業者が、本発明の任意の実施形態を、過度の実験及び従来技術の使用なしに、実行に移すのに必要な市販のハードウェア及びソフトウェアを、直ちに適合できるのに十分なやり方で、本方法及び装置を説明している。さらに、本発明は、少しの特別の実施形態に言及して説明したが、その説明は全体として本発明の例示を意図したものであり、本発明を示された実施形態に限定するものと解釈されるべきではない。当業者には、様々な変更が可能であり、そのような変更は、本明細書において特別に示してはいないが、それにもかかわらず、本発明の真の精神及び範囲内にある。
【００６０】
本明細書に開示された本発明の明細書及び実施の考慮から、本発明の他の実施形態は当業者に明白であろう。本明細書及び実施例は例示としてのみ考慮すべきであり、本発明の真の範囲及び精神は以下の特許請求の範囲により示されることを意図している。
【００６１】
この出願は、２００７年１１月5日に出願された米国仮特許出願第６１／００１，９６０号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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