(57)【要約】【課題】被検体の光吸収係数分布を正しく推定するための新しい手法の提案。【解決手段】濃度測定装置１において、複数の検出部８０は、測定光の照射位置からの距離が異なる複数の受光位置での生体からの散乱光の受光強度を検出する。光吸収係数分布推定部１４０は、検出部８０によって検出された受光強度と、照射位置からの距離別に伝播光路長を定めた伝播光路長モデルと、光吸収がゼロの場合の距離別の受光強度を定めた無吸収時散乱光強度モデルとを用いて、被検体の光吸収係数分布を推定する。【選択図】図１
2014016235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光を被検体に照射し、当該被検体からの散乱光に基づいて、当該被検体の光吸収係数分布を推定する光吸収係数分布推定装置であって、
前記測定光の照射位置からの距離が異なる複数の受光位置での前記散乱光の受光強度を検出する検出部と、
前記検出された受光強度と、前記距離別に伝播光路長を定めた伝播光路長モデルと、光吸収がゼロの場合の前記距離別の受光強度を定めた無吸収時散乱光強度モデルとを用いて、前記被検体の光吸収係数分布を推定する光吸収係数分布推定部と、
を備えた光吸収係数分布推定装置。
【請求項２】
前記光吸収係数分布推定部は、前記照射位置から同一距離での受光強度、伝播光路長、及び、光吸収がゼロの場合の受光強度を用いて、前記光吸収係数分布を推定する第１の推定部を有する、
請求項１に記載の光吸収係数分布推定装置。
【請求項３】
前記光吸収係数分布推定部は、光子の伝播光路長のばらつき度合を前記距離別に定めた伝播光路長ばらつきモデルを更に用いて前記光吸収係数分布を推定する、
請求項２に記載の光吸収係数分布推定装置。
【請求項４】
前記光吸収係数分布推定部は、前記第１の推定部によって推定された光吸収係数分布と、前記同一距離での前記伝播光路長のばらつき度合とを用いて、前記光吸収係数分布を推定する第２の推定部を有する、
請求項３に記載の光吸収係数分布推定装置。
【請求項５】
前記検出部は、前記測定光の照射部の周囲に円状に複数の受光部を配した前記被検体に接触させる接触子を用いて前記散乱光の受光強度を検出する、
請求項１〜４の何れか一項に記載の光吸収係数分布推定装置。
【請求項６】
同一円上の前記受光部で受光された光の強度を正規化する正規化部を更に備えた、
請求項５に記載の光吸収係数分布推定装置。
【請求項７】
前記検出部は、ラインセンサー又はエリアセンサーでなる受光部を配した前記被検体に接触させる接触子を用いて前記散乱光の受光強度を検出する、
請求項１〜４の何れか一項に記載の光吸収係数分布推定装置。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載の光吸収係数分布推定装置と、
前記光吸収係数分布推定装置によって推定された光吸収係数分布を用いて、前記被検体に含有されている所定成分の濃度を算出する濃度算出部と、
を備えた濃度測定装置。
【請求項９】
測定光を被検体に照射させ、当該被検体からの散乱光に基づいて、当該被検体の光吸収係数分布を推定する光吸収係数分布推定装置の制御方法であって、
前記測定光の照射位置からの距離が異なる複数の受光位置での前記散乱光の受光強度を検出することと、
前記検出された受光強度と、前記距離別に伝播光路長を定めた伝播光路長モデルと、光吸収がゼロの場合の前記距離別の受光強度を定めた無吸収時散乱光強度モデルとを用いて、前記被検体の光吸収係数分布を推定することと、
を含む制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質の光学的性質を利用して、被検体の光吸収係数分布を推定する光吸収係数分布推定装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、生体に含有されている所定成分の濃度を測定する濃度測定方法が考案されている。その１つとして、例えば、指先などから採血を行い、血中のグルコースに対する酵素活性を測定することで血糖値を測定する技術が考案されている。
【０００３】
しかし、上記のような血糖値の測定方法は、指先などから血液を採取する侵襲式の測定方法であり、被検者にとって痛みや不快感を伴うという問題があった。そこで、非侵襲式の測定方法として、人体の一部（例えば手）の表面から近赤外光を照射し、その光吸収量から血糖値を測定する技術が考案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１〜３には、生体に照射した光の反射光（散乱光）を利用して、真皮層のグルコースの濃度を算出する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２３７１３９号公報
【特許文献２】特開２００７−２５９９６７号公報
【特許文献３】特開２００８−４９０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記の従来例において、特許文献２，３には、生体に測定光を照射するための複数の照射部と、生体からの散乱光を受光するための１つの受光部とを有し、生体に接触させるプローブの構成が開示されている。この技術では、真皮層からの散乱光の比率が高くなるように照射部及び受光部を配置構成している。より具体的には、照射部と受光部との間の距離をある規定値（具体的には０．６５ｍｍ）に定めることで、真皮層からの散乱光を選択的に受光することを狙いとしている。
【０００７】
しかし、この方法によっても、受光部で受光される光には、真皮層以外の皮膚層（例えば表皮層や皮下組織層）を伝播してきた光が含まれ得る。真皮層には、グルコース以外にも複数の成分が含まれている。グルコースの濃度だけを高精度に求めようとしても、受光部で受光した光に真皮層以外の皮膚層を伝播してきた光が僅かでも混入してしまうと、それが誤差となって高精度に求めることができない場合があった。測定対象の成分をグルコースとして説明したが、グルコース以外でも同様の問題があった。
【０００８】
例えば上述した皮膚のように、複数の層を有して構成される被検体を考えた場合、光吸収の特性は層毎に異なり得る。このため、光吸収の特性が被検体内で部位毎にどのように相違しているかを解析することができれば、被検体の所定部位に含有されている成分の濃度を正しく測定することができると考えることができる。
【０００９】
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、物質の光学的性質を利用して、被検体の光吸収係数分布を正しく推定するための新しい手法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上の課題を解決するための第１の形態は、測定光を被検体に照射し、当該被検体からの散乱光に基づいて、当該被検体の光吸収係数分布を推定する光吸収係数分布推定装置であって、前記測定光の照射位置からの距離が異なる複数の受光位置での前記散乱光の受光強度を検出する検出部と、前記検出された受光強度と、前記距離別に伝播光路長を定めた伝播光路長モデルと、光吸収がゼロの場合の前記距離別の受光強度を定めた無吸収時散乱光強度モデルとを用いて、前記被検体の光吸収係数分布を推定する光吸収係数分布推定部と、を備えた光吸収係数分布推定装置である。
【００１１】
また、他の形態として、測定光を被検体に照射させ、当該被検体からの散乱光に基づいて、当該被検体の光吸収係数分布を推定する光吸収係数分布推定装置の制御方法であって、前記測定光の照射位置からの距離が異なる複数の受光位置での前記散乱光の受光強度を検出することと、前記検出された受光強度と、前記距離別に伝播光路長を定めた伝播光路長モデルと、光吸収がゼロの場合の前記距離別の受光強度を定めた無吸収時散乱光強度モデルとを用いて、前記被検体の光吸収係数分布を推定することと、を含む制御方法を構成することとしてもよい。
【００１２】
この第１の形態等によれば、被検体に測定光を照射する場合の照射位置からの距離が異なる複数の受光位置で、被検体からの散乱光の受光強度を検出する。つまり、予め複数の受光位置を定めておき、その複数の受光位置で散乱光の受光強度を検出する。複数の受光位置で検出した散乱光の受光強度と、照射位置からの距離別に定めた伝播光路長モデル及び無吸収時散乱光強度モデルとを用いることで、被検体の光吸収係数分布を正しく推定することができる。この手法は、例えば皮膚のように複数の層を有する被検体に適用すると効果的である。なお、被検体の光吸収係数分布を正しく推定することができれば、当該光吸収係数を用いて、被検体に含有されている所定成分の濃度を正しく算出することができる。
【００１３】
また、第２の形態として、第１の形態の光吸収係数分布推定装置における前記光吸収係数分布推定部が、前記照射位置から同一距離での受光強度、伝播光路長、及び、光吸収がゼロの場合の受光強度を用いて、前記光吸収係数分布を推定する第１の推定部を有する、光吸収係数分布推定装置を構成することとしてもよい。
【００１４】
この第２の形態によれば、照射位置から同一距離での受光強度、伝播光路長、及び、光吸収がゼロの場合の受光強度を用いることで、被検体の光吸収係数分布を推定することができる。
【００１５】
また、第３の形態として、第２の形態の光吸収係数分布推定装置における前記光吸収係数分布推定部が、光子の伝播光路長のばらつき度合を前記距離別に定めた伝播光路長ばらつきモデルを更に用いて前記光吸収係数分布を推定する、光吸収係数分布推定装置を構成することとしてもよい。
【００１６】
より具体的には、第４の形態として、第３の形態の光吸収係数分布推定装置における前記光吸収係数分布推定部が、前記第１の推定部によって推定された光吸収係数分布と、前記同一距離での前記伝播光路長のばらつき度合とを用いて、前記光吸収係数分布を推定する第２の推定部を有する、光吸収係数分布推定装置を構成することができる。
【００１７】
第３の形態によれば、上記の形態の伝播光路長モデル及び無吸収時散乱光強度モデルに加えて、光子の伝播光路長のばらつき度合を照射位置からの距離別に定めた伝播光路長ばらつきモデルを用いて光吸収係数分布を推定する。この場合、第４の形態のように、第１の推定部によって推定された光吸収係数分布と、同一距離での光子の伝播光路長のばらつき度合とを用いることで、光吸収係数分布をより正確に推定することが可能となる。
【００１８】
また、第５の形態として、第１〜第４の何れかの形態の光吸収係数分布推定装置における前記検出部が、前記測定光の照射部の周囲に円状に複数の受光部を配した前記被検体に接触させる接触子を用いて前記散乱光の受光強度を検出する、光吸収係数分布推定装置を構成することとしてもよい。
【００１９】
この第５の形態によれば、接触子を被検体に接触させた状態で測定光を被検体に照射する。接触子は、測定光の照射部の周囲に円状に複数の受光部を配している。そのため、検出部は、この接触子を用いることによって、照射部からの距離が異なる複数の受光位置で被検体からの散乱光の強度を検出することができる。
【００２０】
また、第６の形態として、第５の形態の光吸収係数分布推定装置において、同一円上の前記受光部で受光された光の強度を正規化する正規化部を更に備えた、光吸収係数分布推定装置を構成することとしてもよい。
【００２１】
第５の形態の接触子において、照射部の周囲に円状に複数の受光部を配する場合、これら複数の受光部で受光される散乱光の受光強度は、例えば受光面積の違いから、受光部毎に異なり得る。そこで、第６の形態のように、同一円上の受光部で受光された光の強度を正規化することで、光吸収係数分布の算出に適した受光強度を求めることができる。
【００２２】
また、第７の形態として、第１〜第４の何れかの形態の光吸収係数分布推定装置における前記検出部が、ラインセンサー又はエリアセンサーでなる受光部を配した前記被検体に接触させる接触子を用いて前記散乱光の受光強度を検出する、光吸収係数分布推定装置を構成することとしてもよい。
【００２３】
この第７の形態によれば、ラインセンサー又はエリアセンサーでなる受光部を配した被検体に接触させる接触子を用いることで、散乱光の受光強度を効果的に検出することができる。
【００２４】
また、第８の形態として、第１〜第７の何れかの形態の光吸収係数分布推定装置と、前記光吸収係数分布推定装置によって推定された光吸収係数分布を用いて、前記被検体に含有されている所定成分の濃度を算出する濃度算出部と、を備えた濃度測定装置を構成することとしてもよい。
【００２５】
この第８の形態によれば、上記の何れかの形態の光吸収係数分布推定装置によって推定された光吸収係数分布を用いることで、被検体に含有されている所定成分の濃度を算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】濃度測定装置の機能構成の一例を示すブロック図。
【図２】受光部設定データのデータ構成の一例を示す図。
【図３】（１）伝播光路長分布の一例を示す図。（２）無吸収時散乱光強度空間分解波形の一例を示す図。
【図４】検出散乱光強度波形の一例を示す図。
【図５】モデルデータのデータ構成の一例を示す図。
【図６】光吸収係数分布推定用データのデータ構成の一例を示す図。
【図７】濃度測定処理の流れを示すフローチャート。
【図８】受光部の配置構成の一例を示す図。
【図９】受光部の配置構成の一例を示す図。
【図１０】受光部の配置構成の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態の一例について説明する。本実施形態では、被検体を生体（より具体的には皮膚）として皮膚に測定光を照射し、皮膚からの散乱光に基づいて、皮膚の光吸収係数分布を推定する。そして、推定した光吸収係数分布を利用して、皮膚の真皮層に含まれているグルコース濃度を測定する実施形態を例に挙げて説明する。但し、本発明を適用可能な実施形態が以下説明する実施形態に限定されるわけではないことは勿論である。
【００２８】
人間の皮膚は、大きく分けて、表皮層、真皮層及び皮下組織層の３層で構成されている。その中でも、真皮層は毛細血管が発達しており、血中のグルコース濃度に呼応して真皮層のグルコース濃度が変化する。そこで、本実施形態では、真皮層に含まれているグルコース濃度を測定することで、被検者の血糖値を見積もることを目的とする。
【００２９】
１．構成
図１は、本実施形態における濃度測定装置１の機能構成の一例を示すブロック図である。濃度測定装置１は、皮膚の光吸収係数分布を推定する光吸収係数分布推定装置を備え、光吸収係数分布推定装置によって推定された皮膚の光吸収係数分布を用いて、皮膚の真皮層に含有されているグルコース濃度を測定する測定装置である。但し、本実施形態では、光吸収係数分布推定装置と濃度測定装置とが一体的な装置として構成されていることとして図示・説明する。
【００３０】
濃度測定装置１は、主要な構成として、光学装置３と、制御部１００と、操作部２００と、表示部３００と、音出力部４００と、通信部５００と、記憶部６００とを有して構成される。
【００３１】
光学装置３は、プローブ５と、多波長光源１０と、測定光入射部２０と、測定光導光部３０と、照射部４０と、３個の受光部５０（５０−１，５０−２，５０−３）と、３個の散乱光導光部６０（６０−１，６０−２，６０−３）と、３個の散乱光出射部７０（７０−１，７０−２，７０−３）と、３個の検出部８０（８０−１，８０−２，８０−３）とを有して構成される。受光部５０と、散乱光導光部６０と、散乱光出射部７０と、検出部８０とは、一対一に対応付けて設けられている。
【００３２】
プローブ５は、生体の表面に接触させた状態で測定光を生体に照射するとともに、生体からの散乱光を受光する接触子である。プローブ５は、例えば円形や矩形のパッチタイプのプローブとして構成することが可能である。
【００３３】
多波長光源１０は、複数の波長の光を生成して出力可能に構成された光源であり、例えば多波長半導体レーザーを有して構成される。多波長光源１０は、制御部１００から出力される光源制御信号に基づいて、指示された波長の光を生成し、測定光として出射する。測定光はパルス光であってもよいし、連続光であってもよい。
【００３４】
測定光入射部２０は、多波長光源１０から出力された光である測定光を入射する光入射体である。測定光入射部２０は測定光導光部３０に接続されており、多波長光源１０から入射した測定光を測定光導光部３０に導く。
【００３５】
測定光導光部３０は、測定光入射部２０から入射した測定光を照射部４０に導光する導光器であり、例えば光ファイバーを有して構成される。測定光導光部３０は一端が測定光入射部２０に接続され、他端がプローブ５の照射部４０に接続されている。
【００３６】
照射部４０は、測定光導光部３０によって導光された測定光を生体に照射する光照射体であり、例えばレンズ等を有して構成される。
【００３７】
受光部５０は、照射部４０による測定光の照射位置からの距離が異なる複数の受光位置に設けられ、生体からの散乱光を受光する受光器であり、例えばレンズ等を有して構成される。
【００３８】
散乱光導光部６０は、受光部５０で受光された散乱光を散乱光出射部７０に導光する導光器であり、例えば光ファイバーを有して構成される。散乱光導光部６０は、一端が散乱光出射部７０に接続され、他端が受光部５０に接続されている。
【００３９】
散乱光出射部７０は、散乱光導光部６０によって導光された散乱光を、対応する検出部８０に導く。
【００４０】
検出部８０は、散乱光出射部７０から出射された散乱光の強度を検出する。検出部８０は、例えば光電管や光電子増倍管、各種のフォトダイオード等の光検出器を有して構成され、検出した光強度を含む光検出信号を制御部１００に出力する。
【００４１】
制御部１００は、記憶部６００に記憶されているシステムプログラム等の各種プログラムに従って、濃度測定装置１の各部や光学装置３を統括的に制御する制御装置及び演算装置であり、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサーを有して構成される。
【００４２】
制御部１００は、主要な機能部として、光源制御部１１０と、シミュレーション部１２０と、検出散乱光強度取得部１３０と、光吸収係数分布推定部１４０と、濃度算出部１５０とを有する。但し、これらの機能部は、一実施例として記載したものに過ぎず、必ずしもこれら全ての機能部を必須構成要素としなければならないわけではない。また、これら以外の機能部を必須構成要素として追加してもよい。
【００４３】
光源制御部１１０は、多波長光源１０による光の生成・出力を制御する。具体的には、光の波長及び光の生成を指示するための光源制御信号を多波長光源１０に出力し、複数の波長での光を多波長光源１０に生成させて出力させる。
【００４４】
シミュレーション部１２０は、濃度測定前に所定のシミュレーション処理を行って、測定光の照射位置からの距離別に皮膚の各層の伝播光路長を定めた層別伝播光路長モデルと、光吸収がゼロの場合の照射位置からの距離別の受光強度を定めた無吸収時散乱光強度モデルと、各光子伝播光路長のばらつき度合を定めた層別光子伝播光路長ばらつきモデルとを算出する。そして、算出したモデルをモデルデータ６３０として記憶部６００に記憶させる。
【００４５】
シミュレーション部１２０が行うシミュレーションについて説明する。
シミュレーション部１２０は、複数の候補波長それぞれについて、当該候補波長の測定光を所定の皮膚モデルに照射した場合の皮膚の層別の伝播光路長（以下、「層別伝播光路長」と称す。）と、皮膚の光吸収がゼロの場合（無吸収時）の散乱光強度（以下、「無吸収時散乱光強度」と称す。）と、各光子の層別の伝播光路長のばらつき度合（以下、「光子別伝播光路長ばらつき」と称す。）とを、それぞれシミュレーションによって算出する。この場合、シミュレーション部１２０は、例えば「１０8個」といった複数の光子について光子の移動距離を算出する。皮膚モデルに入射する光子の個数を入射光子数「Ｎin」と定義する。
【００４６】
候補波長は、真皮層のグルコース濃度の算出に使用する測定光の波長の候補として定められた波長である。候補波長としては、皮膚の主成分を分離可能な波長を候補波長として選択すると効果的である。より具体的には、皮膚の真皮層の主成分である水、たんぱく質、脂質及びグルコースの光吸収スペクトルにおいて、各成分の光吸収係数がピークとなる波長を候補波長として選択するとよい。
【００４７】
具体例を挙げると、グルコースの光吸収係数は、波長が１６００ｎｍ（ナノメートル）のときに極大となり、水の光吸収係数は、波長が１４５０ｎｍのときに極大となる。そのため、この１４５０ｎｍや１６００ｎｍといった波長が含まれるように複数の候補波長６３１を選定するとよい。
【００４８】
シミュレーション部１２０が行うシミュレーションとしては、例えばモンテカルロ法を利用したモンテカルロシミュレーションを採用することができる。このモンテカルロシミュレーションでは、最初に皮膚モデルを生成する。皮膚モデルの生成は、皮膚の各層の光散乱係数及び厚みを決定することで行う。ここで、皮膚の各層の光散乱係数及び厚みは、個体による差が少ないため、予めサンプルを取ることなどによって決定すると効果的である。表皮層の厚みは略０．３ｍｍ、真皮層の厚みは略１．２ｍｍ、皮下組織層の厚みは略３．０ｍｍである。
【００４９】
なお、皮膚モデルのパラメーターを決定する方法はサンプルを取る方法に限られない。濃度の測定を行う際に、その都度、皮膚の各層の光散乱係数及び厚みを測定する実測を行って皮膚モデルのパラメーターを決定することとしてもよい。
【００５０】
また、本実施形態では、無吸収時散乱光強度を用いて皮膚の光吸収係数分布を推定する。このため、皮膚モデルの光吸収係数をゼロとしてモンテカルロシミュレーションを行う。つまり、光吸収が無い（無吸収）とする前提のもと、以下説明する手順でシミュレーションを行う。
【００５１】
シミュレーション部１２０は、皮膚モデルを生成すると、当該皮膚モデルに当該候補波長の測定光を照射するシミュレーションを行う。具体的には、照射する光のモデルを光子（光束）とし、当該光子を皮膚モデルに照射する計算を行う。皮膚モデルに照射された光子は、皮膚モデル内を移動する。このとき、光子が次に進む点までの距離ｄｌ及び方向θを乱数によって決定する。
【００５２】
シミュレーション部１２０は、光子が次に進む点までの距離ｄｌの計算を次式（１）によって行う。
【数１】
2014016235.tif 000003
但し、「ｌｎ（Ａ）」はＡの自然対数を示す。また、「μsm」は皮膚モデルの第ｍ層（表皮層、真皮層、皮下組織層の何れか）の光散乱係数を示し、「Ｒ」は０〜１までの乱数を示す。この式では、皮膚モデル内を光子が進む間に光吸収が発生しない（つまり光吸収係数をゼロ）としている。
【００５３】
また、シミュレーション部１２０は、光子が次に進む点までの方向θの計算を、次式（２）によって行う。
【数２】
2014016235.tif 000004
但し、「ｇ」は散乱角度のコサインの平均である非等方性パラメーターを示し、皮膚の非等方性パラメーターは略０．９である。また、「ξ」は０〜１までの乱数を示す。
【００５４】
シミュレーション部１２０は、上記の式（１）及び（２）による計算を単位時間毎に繰り返すことにより、測定光の照射位置から受光部の配置位置までの光子の移動経路を算出する。本実施形態では、受光部５０の配置数を３個としているため、照射位置から３個の受光部５０それぞれの配置位置までの光子の移動経路をそれぞれ算出する。照射位置から受光部の配置位置までの距離を「受光部距離」と称し、“Ｒ”を用いて表記する。
【００５５】
具体的には、受光部距離Ｒそれぞれについて、照射位置から当該受光部距離Ｒだけ離れた位置に到達した光子の各々の移動経路を、移動経路が通過する層毎に分類する。そして、単位時間毎に到達した光子の移動経路の総光路長を、分類された層毎に算出することで、層別伝播光路長を取得する。
【００５６】
また、シミュレーション部１２０は、光吸収係数がゼロ、入射光子数が「Ｎin」のときの散乱光強度をシミュレーションにより求める。具体的には、３個の受光部距離Ｒそれぞれについて、照射位置から当該受光部距離Ｒだけ離れた位置で受光される散乱光の強度をシミュレーションによって算出する。
【００５７】
また、シミュレーション部１２０は、皮膚の各層を伝播した光子の伝播光路長のばらつき度合を光子別に算出する。皮膚のある層を伝播した光子の伝播光路長のばらつき度合は、当該位置で受光された全光子の当該層を伝播した距離の１光子当たりの平均値と、当該位置で受光された１光子の当該層を伝播した距離との差として算出することができる。
【００５８】
具体的には、上記のモンテカルロシミュレーションにおいて、皮膚の各層における各光子の移動距離「ｌkm」を算出してそれぞれ記憶しておく。但し、下付きの添え字の「ｋ」は光子の番号を示し、「ｍ」は皮膚の層の番号を示す。つまり、「ｌkm」は、第ｋ番目の光子の皮膚の第ｍ層の移動距離を示す。この場合、照射位置から距離ｒだけ離れた位置で受光された光子の伝播光路長ばらつき度合「δkm（ｒ）」を、次式（３）及び（４）に従って算出する。
【数３】
2014016235.tif 000005
【数４】
2014016235.tif 000006
【００５９】
ここで、上記のモンテカルロシミュレーションによってどのような結果が得られるかを説明するために、実際にシミュレーションを行った結果を例示する。測定光を生体に入射した入射位置から散乱光が出射する出射位置までの距離を「入出射間距離」と定義し、“ｒ”と表記する。この入出射間距離ｒは、上記の受光部距離Ｒとは別の概念であり、原理説明のために導入したパラメーターである。入出射間距離ｒとして一定間隔毎の離散的な値を定め、複数の入出射間距離ｒについてシミュレーションを行った結果を示す。
【００６０】
図３（１）は、ある候補波長について、層別伝播光路長をシミュレーションによって求めた結果の一例を示す図である。この層別伝播光路長は、皮膚における伝播光路長の分布、つまり伝播光路長分布を表していると言える。この図において、横軸は入出射間距離ｒを示し、縦軸は総光路長Ｌm（ｒ）を示す。但し、下付きの添え字「ｍ」は皮膚の層の番号を示す。便宜的に、表皮層の番号を１とし（ｍ＝１）、真皮層の番号を２とし（ｍ＝２）、皮下組織層の番号を３として説明する（ｍ＝３）。
【００６１】
この図では、表皮層に係る総光路長をダイヤ形の白のプロットで、真皮層に係る総光路長を矩形の白のプロットで、皮下組織層に係る総光路長を三角形の白のプロットでそれぞれ示している。この図を見ると、皮膚の表面から浅い層ほど、照射位置に近い位置で総光路長Ｌm（ｒ）が最大となる傾向があることがわかる。
【００６２】
図３（２）は、ある候補波長について、光吸収係数がゼロ、入射光子数が「Ｎin」のときの散乱光強度をシミュレーションにより求めた結果の一例を示す図である。この図において、横軸は入出射間距離ｒを示し、縦軸は無吸収時散乱光強度Ｎ（ｒ）を示す。この無吸収時散乱光強度の波形は、皮膚の光吸収をゼロとした場合の散乱光の強度の空間分解波形、つまり無吸収時散乱光強度空間分解波形を表している。
【００６３】
この図を見ると、入出射間距離ｒが長くなるにつれて無吸収時散乱光強度Ｎ（ｒ）は減衰していく傾向があることがわかる。これは、照射位置から離れた位置ほど、到達する光子の数が少なくなることを意味している。なお、縦軸の無吸収時散乱光強度Ｎ（ｒ）は、当該位置で受光された光子の数（光子数）と同義である。
【００６４】
図１の説明に戻り、検出散乱光強度取得部１３０は、３個の検出部８０がそれぞれ検出した散乱光の強度（以下、「検出散乱光強度」と称す。）を取得する。検出散乱光強度は、受光部５０で受光された受光強度とも言える。
【００６５】
図４は、ある波長における検出部８０の検出散乱光強度を実測した結果の一例を示す図である。図４において、横軸は受光部距離Ｒを示し、縦軸は検出散乱光強度Ｉ（Ｒ）を示す。３個の検出部８０（８０−１，８０−２，８０−３）で検出された散乱光強度を矩形の黒のプロットで示し、これを関数フィッティングした曲線を一点鎖線で示している。この図を見ると、受光部距離Ｒが長くなるほど、検出散乱光強度Ｉ（Ｒ）は減衰する傾向があることがわかる。これは、照射位置から離れた受光部５０ほど、受光される光子の数が少なくなることを意味している。
【００６６】
光吸収係数分布推定部１４０は、皮膚の光吸収係数の分布である光吸収係数分布を推定する。光吸収係数分布推定部１４０は、照射位置から同一距離での受光強度、伝播光路長、及び、光吸収がゼロの場合の受光強度を用いて、光吸収係数分布を推定する第１の推定部１４１を機能部として有する。また、光子の伝播光路長のばらつき度合を距離別に定めた伝播光路長ばらつきモデルを更に用いて光吸収係数分布を推定する第２の推定部１４２を機能部として有する。
【００６７】
光吸収係数分布推定部１４０は、シミュレーション部１２０がシミュレーションを行うことで取得したモデルパラメーターの値と、検出散乱光強度取得部１３０によって取得された検出散乱光強度とを用いて、被検体の光吸収係数分布を推定する。本実施形態では、被検体を生体の皮膚としているため、皮膚の層別の光吸収係数（以下、「層別光吸収係数」と称す。）を光吸収係数分布として推定する。
【００６８】
詳細は後述するが、層別光吸収係数を推定するためには、皮膚の層数と同数以上のモデルパラメーターの値及び検出散乱光強度が必要となる。本実施形態では皮膚を３層としているため、層別光吸収係数を推定するために３個以上のデータが必要となる。そこで、本実施形態では、受光部５０及び検出部８０の配置数を３個とし、シミュレーション部１２０がシミュレーションを行って取得した３組のモデルパラメーターの値と、３個の検出部８０から取得した３個の検出散乱光強度とを用いて、光吸収係数分布を推定する。
【００６９】
濃度算出部１５０は、光吸収係数分布推定部１４０によって推定された光吸収係数分布を用いて、皮膚の真皮層に含有されているグルコース濃度を算出する。
【００７０】
真皮層のグルコース濃度を算出するためには、皮膚の主成分数と同数以上の真皮の光吸収係数が必要となる。本実施形態では、皮膚の主成分を水、たんぱく質、グルコース及び脂質の４個と仮定する。この場合、真皮層のグルコース濃度を算出するためには、４つの真皮の光吸収係数が必要となる。そこで、候補波長６３１の中から４つの波長を選定し、選定した波長それぞれについて層別光吸収係数を推定する。そして、これらの層別光吸収係数のうち、４つの波長それぞれにおける真皮の光吸収係数を用いて真皮層のグルコース濃度を算出する。
【００７１】
操作部２００は、例えばボタンスイッチ等を有して構成される入力装置であり、押下されたボタンの信号を制御部１００に出力する。この操作部２００の操作により、各種データの入力や、グルコース濃度の測定開始指示といった各種指示入力がなされる。
【００７２】
表示部３００は、制御部１００から出力される表示信号に基づいた各種表示を行う表示装置であり、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等を有して構成される。表示部３００には、濃度算出部１５０によって算出されたグルコース濃度等の情報が表示される。
【００７３】
音出力部４００は、制御部１００から出力される音出力信号に基づく音出力を行う音出力装置であり、例えばスピーカー等を有して構成される。音出力部４００からは、グルコース濃度測定に係る音声ガイダンスやアラーム音等が音出力される。
【００７４】
通信部５００は、制御部１００の制御に従って、装置内部で利用される情報を外部の情報処理装置との間で送受するための通信装置である。通信部５００の通信方式としては、所定の通信規格に準拠したケーブルを介して有線接続する形式や、クレイドルと呼ばれる充電器と兼用の中間装置を介して接続する形式、近距離無線通信を利用して無線接続する形式等、種々の方式を適用可能である。
【００７５】
記憶部６００は、ＲＯＭ（Read Only Memory）やフラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の記憶装置（メモリー）を有して構成され、制御部１００のシステムプログラムや、濃度測定機能を含む各種機能を実現するための各種プログラム、各種データ等を記憶している。また、各種処理の処理中データ、処理結果などを一時的に記憶するワークエリアを有する。
【００７６】
記憶部６００には、プログラムとして、制御部１００によって読み出され、濃度測定処理（図７参照）として実行される濃度測定プログラム６１０が記憶されている。濃度測定処理については、フローチャートを用いて詳細に後述する。
【００７７】
また、記憶部６００には、データとして、例えば、受光部設定データ６２０と、モデルデータ６３０と、光吸収係数分布推定用データ６５０と、成分吸収情報データ６６０と、推定光吸収係数分布データ６７０と、測定濃度データ６８０とが記憶される。
【００７８】
受光部設定データ６２０は、受光部５０の配置構成に係る設定データであり、そのデータ構成の一例を図２に示す。受光部設定データ６２０には、受光部５０の番号である受光部Ｎｏ６２１と、照射位置から当該受光部５０の配置位置までの距離である受光部距離６２３とが対応付けて記憶されている。本実施形態では受光部５０の個数を３個としているため、３個の受光部５０に係る受光部距離「Ｒn＝Ｒ1〜Ｒ3」がそれぞれ定められている。但し、“ｎ＝１〜３”は受光部５０の番号である。
【００７９】
モデルデータ６３０は、シミュレーション部１２０がシミュレーションを行うことで取得したモデルのデータであり、そのデータ構成の一例を図５に示す。モデルデータ６３０には、候補波長６３１と対応付けて、モデルパラメーターテーブル６３３が記憶されている。シミュレーション部１２０は複数の候補波長６３１についてシミュレーションを行うため、複数の候補波長６３１に係るモデルデータが記憶されている。
【００８０】
モデルパラメーターテーブル６３３には、モデルパラメーター種別と、受光部Ｎｏとが対応付けて定められている。受光部Ｎｏは、図２の受光部Ｎｏ６２１と同じである。モデルパラメーター種別には、当該受光部Ｎｏの受光部５０に対応する受光部距離Ｒnでの総光路長Ｌm（Ｒn）、無吸収時散乱光強度Ｎ（Ｒn）及び伝播光路長ばらつき度合δkm（Ｒn）が含まれる。本実施形態では、これらのパラメーターをモデルパラメーターと称する。
【００８１】
例えば、受光部Ｎｏ１の受光部５０のデータに着目すると、受光部Ｎｏ１の受光部５０に係る受光部距離はＲ1である。そのため、皮膚の各層の層光路長として｛Ｌ1（Ｒ1），Ｌ2（Ｒ1），Ｌ3（Ｒ1）｝が記憶され、無吸収時散乱光強度としてＮ（Ｒ1）が記憶されている。また、図５のデータ例では、受光部Ｎｏ１の受光部５０において第１番目の光子、第５番目の光子、・・・が受光されたため、伝播光路長ばらつき度合として｛δ11（Ｒ1），δ12（Ｒ1），δ13（Ｒ1），δ51（Ｒ1），δ52（Ｒ1），δ53（Ｒ1），・・・｝が記憶されている。受光部Ｎｏ２，Ｎｏ３の受光部５０に係るデータについても同様である。
【００８２】
光吸収係数分布推定用データ６５０は、光吸収係数分布推定部１４０が光吸収係数分布の推定に用いるデータであり、そのデータ構成の一例を図６に示す。光吸収係数分布推定用データ６５０には、波長６５１と、パラメーターテーブル６５３とが対応付けて記憶されている。
【００８３】
波長６５１は、複数の候補波長６３１の中から選定した４個の波長である。パラメーターテーブル６５３は、光吸収係数分布の推定に必要なパラメーターが格納されたテーブルであり、パラメーター種別と、受光部Ｎｏとが対応付けて定められている。
【００８４】
パラメーター種別には、当該受光部Ｎｏの受光部５０に対応する受光部距離Ｒnでの総光路長Ｌm（Ｒn）、無吸収時散乱光強度Ｎ（Ｒn）、伝播光路長ばらつき度合δkm（Ｒn）及び検出散乱光強度Ｉ（Ｒn）が定められている。これらのパラメーターのうち、総光路長Ｌm（Ｒn）、無吸収時散乱光強度Ｎ（Ｒn）及び伝播光路長ばらつき度合δkm（Ｒn）は、モデルデータ６３０から取得されるモデルパラメーターである。
【００８５】
成分吸収情報データ６６０は、皮膚の真皮層が含有する成分に係る吸収情報が記憶されたデータである。具体的には、例えば、水、たんぱく質、脂質及びグルコースの４成分の光吸収係数やモル吸光係数が吸収情報として記憶されている。これらの吸収情報は、予め測定を行って記憶部６００に記憶させておく必要がある。成分吸収情報データ６６０は、皮膚の真皮層のグルコース濃度を算出するために用いられる。
【００８６】
推定光吸収係数分布データ６７０は、光吸収係数分布推定部１４０によって推定された光吸収係数分布が記憶されたデータであり、皮膚の表皮層、真皮層及び皮下組織層それぞれの光吸収係数である層別光吸収係数の推定値が記憶される。これらの値は、真皮層の各成分の成分濃度を算出する際に、所定の連立方程式を解くことで算出する。この層別光吸収係数の具体的な算出方法については後述する。
【００８７】
測定濃度データ６８０は、濃度算出部１５０によって算出された生体に含有されている所定成分の濃度の算出結果が記憶されたデータである。例えば、皮膚の真皮層のグルコース濃度がこれに含まれる。
【００８８】
２．処理の流れ
図７は、制御部１００が記憶部６００に記憶されている濃度測定プログラム６１０に従って実行する濃度測定処理の流れを示すフローチャートである。
【００８９】
最初に、制御部１００は、複数の候補波長６３１の中から皮膚の主成分数と同数の波長を選定する（ステップＡ１）。本実施形態では、皮膚の主成分を水、たんぱく質、グルコース及び脂質を４成分としているため、複数の候補波長の中から４個の波長を選定する。
【００９０】
次いで、制御部１００は、ステップＡ１で選定した４個の波長それぞれについて、モデルパラメーターを決定する（ステップＡ３）。具体的には、モデルデータ６３０のうち、選定した４個の波長に対応する候補波長６３１のモデルパラメーターテーブル６３３を参照して、各受光部距離Ｒnでの総光路長Ｌm（Ｒn）、無吸収時散乱光強度Ｎ（Ｒn）及び伝播光路長ばらつき度合δkm（Ｒn）を読み出す。そして、これらのモデルパラメーターをパラメーターテーブル６５３に格納し、波長６５１と対応付けた光吸収係数分布推定用データ６５０を生成して記憶部６００に記憶させる。
【００９１】
次いで、制御部１００は、選定した４個の波長それぞれについてループＡの処理を行う（ステップＡ５〜Ａ１９）。ループＡの処理では、光源制御部１１０が、当該波長の光を多波長光源１０に生成させ、測定光として生体に照射させる制御を行う（ステップＡ７）。
【００９２】
その後、制御部１００は、当該波長について、各検出部８０から検出散乱光強度Ｉ（Ｒn）を取得する（ステップＡ９）。そして、取得した検出散乱光強度Ｉ（Ｒn）を光吸収係数分布推定用データ６５０のパラメーターテーブル６５３に記憶させる。
【００９３】
次いで、光吸収係数分布推定部１４０の第１の推定部１４１は、次式（５）を基本式とし、これを皮膚の３層構造に適用した具体式である次式（６）に従って、光吸収係数分布を推定する第１の推定演算を行う（ステップＡ１１）。
【数５】
2014016235.tif 000007
【数６】
2014016235.tif 000008
【００９４】
その後、光吸収係数分布推定部１４０の第２の推定部１４２は、ステップＡ１１で推定した光吸収係数分布を用いて、次式（７）を基本式とし、これを皮膚の３層構造に適用した具体式である次式（８）に従って、光吸収係数分布を推定する第２の推定演算を行う（ステップＡ１３）。
【数７】
2014016235.tif 000009
【数８】
2014016235.tif 000010
【００９５】
具体的には、ステップＡ１１で推定した皮膚の各層の光吸収係数μa1〜μa3を初期値とし、これを上記の式（８）の左辺に代入して皮膚の各層の光吸収係数μa1〜μa3の補正値を算出する。この補正値の算出を、光吸収係数が真値に収束するまで繰り返し行う。具体的には、所定の収束条件が成立するまでの間、最新の光吸収係数補正値を上記の式（８）の左辺に代入して皮膚の各層の光吸収係数μa1〜μa3の補正値を算出する演算を繰り返し実行する（ステップＡ１５；Ｎｏ→ステップＡ１３）。
【００９６】
なお、収束条件は、前回の算出値と今回の算出値との差が所定の閾値以下となることとしてもよいし、算出値の差が所定の閾値以下となることが所定回数継続することとしてもよい。また、収束計算の繰り返し回数を予め設定しておくこととしてもよい。
【００９７】
ここで、上記の式（８）を用いて、繰り返し計算をする際の打ち切り判断について説明する。モデルを単純化してグルコース水溶液について考える。また、グルコースの吸収スペクトルの吸収ピーク付近の１６００ｎｍの波長の測定光を用いてグルコース水溶液のグルコース濃度を測定する場合を考える。
【００９８】
医療現場で血糖値測定に求められる精度は±１０ｍｇ／ｄｌと言われている。例えば、波長１６００ｎｍにおける水の光吸収係数を１ｍｍ当たり０．７、グルコースの光吸収係数を１ｍｍ当たり１．３とする。１０ｍｇ／ｄｌのグルコース水溶液の体積分率は６．２×１０−5とする。
【００９９】
グルコース水溶液の光吸収係数「μa」は、次式（９）で表される。
【数９】
2014016235.tif 000011
但し、「μag」、「μaw」は、それぞれグルコース及び水の吸収係数を示す。また、「ｃvg」、「ｃvw」は、それぞれグルコース及び水の体積分率（体積濃度）を示す。
【０１００】
上記の条件で計算すると、グルコース１０ｍｇ／ｄｌの変動で生じるグルコース水溶液の光吸収係数は１ｍｍ当たり約０．００００３７となる。つまり、グルコース濃度±１０ｍｇ／ｄｌの定量のためには吸収係数±０．００００３７が判別できなければならない。従って、収束計算に当たっては、計算結果の小数点以下５桁目の数字が数回から１０回程度の計算に亘って変動しないようであれば、収束したとみなしてもよいことになる。
【０１０１】
上記の収束条件が成立したと判定した場合は（ステップＡ１５；Ｙｅｓ）、制御部１００は、最新の第２の推定演算で求めた皮膚の各層の光吸収係数補正値でなる層別光吸収係数を、推定した光吸収係数分布として記憶部６００の推定光吸収係数分布データ６７０に記憶させる（ステップＡ１７）。そして、次の波長へと処理を移行する。４個の波長全てについてステップＡ７〜Ａ１７の処理を行ったならば、制御部１００は、ループＡの処理を終了する（ステップＡ１９）。
【０１０２】
その後、濃度算出部１５０が、濃度算出処理を行う（ステップＡ２１）。そして、算出した濃度を測定濃度データ６８０として記憶部６００に記憶させる。そして、制御部１００は、算出した真皮層のグルコース濃度を表示部３００に表示させる制御を行った後（ステップＡ２３）、濃度測定処理を終了する。
【０１０３】
３．原理
３−１．光吸収係数分布の推定
ここで、図７の濃度測定処理のステップＡ１１における光吸収係数分布の第１の推定演算に係る式（５）及び（６）と、ステップＡ１３における光吸収係数分布の第２の推定演算に係る式（７）及び（８）との導出方法についてそれぞれ説明する。
【０１０４】
測定光が生体に入射することで得られる散乱光において、照射部４０から近い位置において検出された光ほど皮膚の表面から浅い部分のみを通ってきており、逆に遠い位置において検出された光ほど皮膚の表面から深い領域まで到達している。このように異なる検出位置で検出される散乱光の光強度には、その位置に応じた光経路分布中の吸光情報が含まれている。従って、空間分解波形の検出位置毎の光経路をシミュレーションや実測により予め求めておけば、逆問題解法により、光吸収係数の空間分布を推定することができる。本実施形態では、この原理に基づき、散乱体からの散乱光の空間分解波形をもとに内部吸収分布を再構成し、その吸収分布から物質濃度を求めるものである。
【０１０５】
照射部４０から生体内に入射した光は、散乱過程を繰り返しながら伝搬し、受光部５０で受光される。受光部５０に到達した光は、その検出位置によって、生体内の局所部位（ここでは各層）を選択的に通過してくると考えることができる。本実施形態では、生体内の光子の伝播経路は散乱係数により特徴づけられ、光路に沿った光強度変化は光吸収係数によって特徴づけられるとする。
【０１０６】
ここで、照射位置から距離ｒ離れた位置で受光される散乱光の受光強度Ｉ（ｒ）は、入射光強度「Ｉin」で規格化すると、空間分解波形の距離ｒに相当する位置で受光された光子のうちｋ番目のものの入射時の強度を「１」としたときの光強度を「ｉk（ｒ）」、入射光子数を「Ｎin」、当該位置で受光される光子数（光強度）「Ｎ（ｒ）」を用いて、次式（１０）のように表すことができる。
【数１０】
2014016235.tif 000012
【０１０７】
なお、光子とは、単独の量子力学的な光子ではなく、連続に減衰するエネルギーを持つ光子束を指すものとする。
【０１０８】
また、「ｉk（ｒ）」は、微視的ベア・ランベルト（Beer-Lambert）則の総和として次式（１１）のように表すことができる。
【数１１】
2014016235.tif 000013
ここで、「ｌ」は生体内の光子の移動距離である。
【０１０９】
次に、生体内の光吸収係数が層状に異なっている場合を考える。全層数をＭとし、第ｍ層における光吸収係数を「μam」、ｋ番目の光子が各層を通過した距離を「ｌkm」とすると、式（１１）は次式（１２）のように書き直すことができる。
【数１２】
2014016235.tif 000014
【０１１０】
よって、式（１０）及び式（１２）より、次式（１３）が導出される。
【数１３】
2014016235.tif 000015
【０１１１】
ここで、検出された光子毎の伝搬経路のばらつきを考慮する。この場合、検出散乱光強度の空間分解波形「Ｉ（ｒ）」は、距離ｒに相当する位置で受光される全光子の第ｍ層を伝搬した距離の１光子当たりの平均値「Ｌm´（ｒ）」と、当該位置で受光されるｋ番目の光子の第ｍ層を伝搬した距離「ｌkm（ｒ）」との差「δkm（ｒ）」を導入することにより、次式（１４）のように表される。
【数１４】
2014016235.tif 000016
【０１１２】
上記の式（１４）を変形すると次式（１５）のようになり、結果として式（１６）が得られる。
【数１５】
2014016235.tif 000017
【数１６】
2014016235.tif 000018
但し、「δkm（ｒ）」は式（３）で与えられる各光子の各層の伝播光路長のばらつき度合（伝播光路長ばらつき度合）である。
【０１１３】
また、「Ｌm´（ｒ）」を、第ｍ層を伝搬した距離の検出光子数「Ｎ（ｒ）」の総和（＝光路長分布）「Ｌm（ｒ）」を用いて表すと式（４）となる。
【０１１４】
よって、式（１６）を「Ｌm（ｒ）」を用いて表すと、第２の推定演算に係る式（７）となる。そして、これを皮膚の３層構造に適用すると、式（８）となる。
【０１１５】
次に、第１の推定演算に係る式（５）及び（６）を導出する。
上記の式（１４）について、次式（１７）のテーラー展開の公式から、次式（１８）の通りｅｘｐ関数についてテーラー展開を行うと、次式（１９）が導出される。
【０１１６】
【数１７】
2014016235.tif 000019
【数１８】
2014016235.tif 000020
【数１９】
2014016235.tif 000021
【０１１７】
式（１９）を整理すると、次式（２０）となる。
【数２０】
2014016235.tif 000022
【０１１８】
ここで、「δkm（ｒ）」は全光子に対する積算が０になるので、式（２０）の１次項は次式（２１）の通り「０」となる。
【数２１】
2014016235.tif 000023
【０１１９】
また、上記の式（２１）の２次以上の項は十分小さいとして近似すると、次式（２２）が得られる。
【数２２】
2014016235.tif 000024
【０１２０】
この式を整理し、さらに式（４）を用いて「Ｌm（ｒ）」を用いた表記にすると、式（５）となる。そして、これを皮膚の３層構造に適用するよう変形すると式（６）となる。
【０１２１】
３−２．濃度の算出
次に、図７のステップＡ２１の濃度算出処理における濃度の算出方法について説明する。ステップＡ１で選定された４個の波長を「λ1、λ2、λ3、λ4」とする。また、波長「λ」について推定された表皮層の光吸収係数を「μa1（λ）」、真皮層の光吸収係数を「μa2（λ）」、皮下組織層の光吸収係数を「μa3（λ）」と表記する。この場合、推定光吸収係数分布データ６７０に記憶されている層別光吸収係数のうち、４個の波長「λ1、λ2、λ3、λ4」のそれぞれについて推定した真皮の光吸収係数「μa2（λ1）、μa2（λ2）、μa2（λ3）、μa2（λ4）」を用いて、皮膚の真皮層のグルコース濃度を算出する。
【０１２２】
成分の総数が「Ｎ個」である場合の各成分の体積分率「ｃvi」を求める式は、次式（２３）で与えられる。
【数２３】
2014016235.tif 000025
【０１２３】
真皮層の主成分は、水、たんぱく質、脂質及びグルコースの４成分であるため（Ｎ＝４）、式（２３）を４成分の式として書き表すと次式（２４）のようになる。この式（２４）に従って、水、たんぱく質、脂質及びグルコースそれぞれの体積分率を算出する。
【数２４】
2014016235.tif 000026
【０１２４】
但し、「μai」は成分別の光吸収係数を表しており、添え字の「ｉ」は成分の記号を表している。便宜的に、水を「ｉ＝ｗ」、たんぱく質を「ｉ＝ｐ」、脂質を「ｉ＝ｌ」、グルコースを「ｉ＝ｇ」と表記する。つまり、「μaw」、「μap」、「μal」及び「μag」は、それぞれ水、たんぱく質、脂質及びグルコースの光吸収係数を示す。これらの光吸収係数は波長毎に異なり、４個の波長「λ1、λ2、λ3、λ4」それぞれに対応する光吸収係数が「μaw（λ1）〜μaw（λ4）」、「μap（λ1）〜μap（λ4）」、「μal（λ1）〜μal（λ4）」及び「μag（λ1）〜μag（λ4）」である。これらの値は吸収情報として記憶部６００の成分吸収情報データ６６０に予め記憶されている。
【０１２５】
「ｃvi」は成分別の体積分率を表しており、添え字の「ｉ」は上記と同じである。つまり、「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」及び「ｃvg」は、それぞれ水、たんぱく質、脂質及びグルコースの体積分率を示す。これらの体積分率は未知数である。４個の波長「（λ1、λ2、λ3、λ4）」それぞれについて先に算出しておいた真皮層（ｉ＝２）の光吸収係数「μa2（λ1）」、「μa2（λ2）」、「μa2（λ3）」及び「μa2（λ4）」と、上記の成分吸収情報とを用いれば、上記の連立方程式を解くことができる。従って、各成分の体積分率「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」及び「ｃvg」を算出できる。
【０１２６】
各成分の体積分率「ｃvw」、「ｃvp」、「ｃvl」及び「ｃvg」を算出したならば、公知の変換式に従って体積分率を重量体積濃度等に変換することで、真皮層の各成分の成分濃度を算出する。
【０１２７】
４．作用効果
濃度測定装置１において、被検体である生体に測定光を照射する場合の照射位置からの距離が異なる複数の受光位置で、生体からの散乱光の受光強度を検出する。具体的には、生体に接触させる接触子であるプローブ５の接触面には、照射部４０からの距離が異なる複数の位置に受光部５０が配されており、この受光部５０によって生体からの散乱光を受光する。受光部５０で受光された散乱光は、受光部５０と一対一に対応付けられた検出部８０によってその受光強度が検出される。
【０１２８】
光吸収係数分布推定部１４０は、各検出部８０で検出された散乱光の受光強度と、受光部距離別に皮膚の層別伝播光路長を定めた層別伝播光路長モデルと、皮膚の光吸収がゼロの場合の受光部距離別の散乱光強度を定めた無吸収時散乱光強度モデルと、各光子の皮膚の各層の伝播光路長のばらつき度合を受光部距離別に定めた層別光子伝播光路長ばらつきモデルとを用いて、層別光吸収係数を推定する。そして、濃度算出部１５０が、光吸収係数分布推定部１４０によって推定された層別光吸収係数を用いて、真皮層のグルコース濃度を算出する。
【０１２９】
光吸収係数分布推定部１４０が有する第１の推定部１４１は、照射位置から同一距離での検出散乱光強度（受光強度）、総光路長（伝播光路長）、及び、無吸収時散乱光強度（光吸収がゼロの場合の受光強度）を用いて、光吸収係数分布を推定する第１の推定演算を行う。具体的には、各受光部距離に対応する検出散乱光強度、総光路長及び無吸収時散乱光強度を用いて、式（５）及び（６）で与えられる連立方程式を解くことで、層別光吸収係数を推定する。
【０１３０】
上記の第１の推定演算で推定した層別光吸収係数を濃度の算出に用いることも可能であるが、本実施形態では、そのようにするのではなく、皮膚の各層における各光子の伝播光路長のばらつき度合を導入した所定の演算式に従って上記の層別光吸収係数を補正し、その補正値を用いて濃度の算出を行う。
【０１３１】
具体的には、光吸収係数分布推定部１４０が有する第２の推定部１４２は、第１の推定部１４１によって推定された層別光吸収係数と、各光子の伝播光路長ばらつき度合とを用いて、光吸収係数分布を推定する第２の推定演算を行う。この第２の推定演算では、第１の推定部１４１によって推定された光吸収係数分布を初期値として、式（７）及び（８）で与えられる演算式に従って繰り返し計算を行うことによって、光吸収係数分布を補正する。
【０１３２】
この演算式は、照射位置から距離ｒだけ離れた位置で受光される散乱光の受光強度Ｉ（ｒ）が、各光子の伝播光路長のばらつき度合δkm（ｒ）を用いて書き表すことができることに基づき導出される演算式である。具体的には、層別光吸収係数による光吸収を受ける測定光の伝播光路長が、シミュレーションに用いた全光子の伝播光路長のばらつき度合を用いて表現することができることに基づき導出される演算式であり、皮膚の層別の伝播光路長と、層別の光吸収係数と、各光子の層別の伝播光路長ばらつきとの関係を表していると考えることもできる。
【０１３３】
第１の推定演算で推定された層別光吸収係数を上記の関係に当てはめて層別光吸収係数を補正（修正）する演算を繰り返すことで、第１の推定演算で推定された層別光吸収係数を、可及的に真値に近付けることができる。そして、このようにして推定した層別光吸収係数を用いることで、真皮層に含有されているグルコース濃度を高い正確性で算出することが可能となる。
【０１３４】
５．受光部の配置構成例
上記の実施形態では受光部５０（検出部８０）の個数を３個として説明したが、３個よりも多い数の受光部５０を配置することも可能である。この場合、例えば、照射位置からの距離が等しい複数の位置に受光器を配置し、これらの受光器を一群の受光器として、受光部５０を構成することとしてもよい。
【０１３５】
図８は、この場合における受光部５０の配置構成の一例を示す図であり、プローブ５を接触面側から見た図を示している。黒丸は照射部４０（照射位置）を示し、白丸は受光部５０（受光位置）を示す。例えば、プローブの中心に照射部４０を配し、この照射部４０の周囲に同心円状に複数の受光部５０を配する構成を採用することができる。この場合、各円周上に一定数の受光器を配する構成を採用すると効果的である。１つの円周上に配置する受光器の個数を「受光器配置数」と称する。
【０１３６】
具体的には、例えば、照射部４０を中心とし、受光部距離Ｒを半径とする円の同一円周上に、受光器配置数として８個の受光器を等間隔に配置する。そして、これら８個の受光器を、受光部距離Ｒに対応する１群の受光器と考える。つまり、受光部距離Ｒに対応する受光部５０が、照射部４０を中心とする半径Ｒの円の円周上に配された８個の受光器でなる受光器群を有する構成とする。
【０１３７】
各受光器群を構成する１群の受光器は、一対一に対応付けられた一群の散乱光導光器及び散乱光出射器によって、１群の検出器に導光される。そして、この１群の検出器で、各受光器で受光された散乱光の強度が検出される。この場合、各受光部距離Ｒに対応する検出部８０は、８個の検出器でなる１群の検出器によって８個の受光強度を検出することになる。
【０１３８】
図９は、受光部５０の他の配置構成例を示す図である。図９の例では、照射部４０の周囲に同心円状に複数の受光部５０を配する点においては図８と同じであるが、照射部４０からの距離が長くなるほど、より多くの受光部５０を同一円周上に配するように構成されている。具体的には、図９の例では、受光部距離Ｒ1の受光部５０として４個の受光器が等間隔に配置され、受光部距離Ｒ2の受光部５０として８個の受光器が等間隔に配置され、受光部距離Ｒ3の受光部５０として１６個の受光器が等間隔に配置されている。
【０１３９】
図４に示した検出散乱光強度波形からも分かるように、受光部距離Ｒが長くなるにつれて、検出散乱光強度Ｉ（Ｒ）は小さくなる傾向がある。それも、照射位置からある程度距離が離れると、検出散乱光強度は極めて小さくなり、値の識別が困難となる。そこで、受光部距離Ｒが大きくなるほど、受光面積をかせぐ意味で、より多くの受光器によって散乱光を受光し、検出部でその受光強度を検出するように構成することで、散乱光の受光感度の向上を実現する。
【０１４０】
上記の図８や図９の構成を採用する場合には、制御部１００は、同一円周上に配置された受光器群に対応する検出器群からそれぞれ検出散乱光強度を取得する。そして、取得した検出散乱光強度を合算し、その結果として得られる検出散乱光強度合算値を用いて、上記の方法に従って層別光吸収係数を推定する。
【０１４１】
また、この場合は、シミュレーション部１２０が行うシミュレーションに受光器配置数を反映させることが必要となる。具体的には、記憶部６００の受光部設定データ６２０に、配置設定パラメーターとして、受光部距離及び受光器配置数を定めておく。そして、シミュレーション部１２０は、受光部設定データ６２０を参照し、上記の配置設定パラメーターを反映させたモンテカルロシミュレーションを行って、図５のモデルデータ６３０を生成する。
【０１４２】
なお、上記の実施形態では、プローブ５の接触面に受光部５０を配することとして説明したが、受光部５０と検出部８０とを一体に構成することも可能である。例えば、上記の図８及び図９の受光部５０の構成において、受光部５０と一体に構成した検出部８０をプローブ５の接触面に配することとしてもよい。
【０１４３】
また、受光面が環状の受光部を用いるのであれば、例えば図１０に示すように、照射部４０を中心とする環状の受光部５０（検出部８０）をプローブ５の接触面に配することとしてもよい。図１０において、ハッチングを施した部分が環状の受光部５０（検出部８０）に相当する。照射部４０から受光部５０の環の中心までの距離が受光部距離Ｒに相当し、照射部４０に近い方から第１受光部５０−１（第１検出部８０−１），第２受光部５０−２（第１検出部８０−２），第３受光部５０−３（第１検出部８０−３），・・・が形成されている。生体からの散乱光は、この環状の受光部５０で受光されてその受光強度が検出される。
【０１４４】
図１０の構成を採用する場合は、制御部１００は、一定の面積（以下、「受光部面積」と称す。）を有する環状の受光部５０（検出部８０）で検出された散乱光強度を取得し、当該検出散乱光強度を用いて、上記の方法に従って層別光吸収係数を推定する。
【０１４５】
なお、この場合は、シミュレーション部１２０が行うシミュレーションに受光器配置数及び受光部面積を反映させることが必要となる。具体的には、記憶部６００の受光部設定データ６２０に、配置設定パラメーターとして、受光部距離、受光器配置数及び受光部面積を定めておく。そして、シミュレーション部１２０は、受光部設定データ６２０を参照し、上記の設定パラメーターを反映させたモンテカルロシミュレーションを行って、図５のモデルデータ６３０を生成する。
【０１４６】
６．変形例
６−１．適用例
上記の実施形態では、被検体を人間の皮膚として説明したが、被検体は何もこれに限られるわけではない。例えば、果物の糖分を測定する糖分測定装置といった測定用機器に本発明の光吸収係数分布推定装置や濃度測定装置を組み込んで利用することも可能である。層状の物質のように光吸収係数の分布が内部で異なる被検体を対象として、本発明の光吸収係数分布推定装置を用いて光吸収係数分布を推定するようにすると効果的である。
【０１４７】
また、グルコースの成分濃度を算出する用途に限らず、例えば、スクロースやラクトースといった他の糖分の成分濃度を測定してもよいし、食塩水といった各種の溶液の成分濃度を測定することも可能であることは勿論である。上記の実施形態の場合には、グルコースの他に、水やたんぱく質、脂質の成分濃度も併せて算出することができる。
【０１４８】
６−２．正規化部
上記の実施形態では、シミュレーション部１２０が、受光部距離や受光器配置数、受光部面積といった配置設定パラメーターを反映させたシミュレーションを行ってモデルデータ６３０を生成することとして説明した。しかし、このような構成とするのではなく、次のような構成としてもよい。
【０１４９】
シミュレーション部１２０は、受光部の個数を「１個」、或いは受光部の面積を「１（或いは単位面積）」としてシミュレーションを行ってモデルデータ６３０を生成する。つまり、受光部５０の単位個数当たり及び単位面積当たりの伝播光路長、無吸収時散乱光強度及び伝播光路長ばらつき度合のモデルを算出することになる。
【０１５０】
そして、制御部１００が、濃度算出の際に、検出部８０によって検出された散乱光強度を配置設定パラメーターに基づいて正規化し、正規化した検出散乱光強度を用いて、層別光吸収係数を推定する。この場合は、制御部１００の機能部として、散乱光の受光強度を正規化する正規化部を追加すればよい。
【０１５１】
例えば図８や図９のように、同一円周上に所定の配置数（受光器配置数）の受光器を配して受光部５０を構成する場合には、各受光部５０を構成する受光器群に対応する検出器群で検出された散乱光強度を合算して検出散乱光強度合算値を求める。そして、この検出散乱光強度合算値を受光器配置数で除算することで、受光器一個当たりの検出散乱光強度に換算・正規化すればよい。
【０１５２】
また、例えば図９のように、一定の面積（受光部面積）を有する受光部５０を構成する場合には、当該受光部５０で受光され、検出部８０で検出された散乱光強度を、受光部面積で除算することで、受光部５０の単位面積当たりの検出散乱光強度に換算・正規化すればよい。
【０１５３】
６−３．受光部の配置数
受光部５０の配置数は３個より多くてもよい。この場合、皮膚の層数よりも多い数のデータを用いて光吸収係数分布を推定することとなる。未知数よりも計算に用いるデータ数の方が多くなるため、いわゆる過決定の状態となる。このため、上記の光吸収係数分布の第１及び第２の推定演算に係る演算式を用いて、例えば最小二乗法を適用した推定演算を行って、光吸収係数分布を推定・算出すると好適である。
【０１５４】
より具体的には、上記の実施形態では、一般式である式（７）及び具体式である式（８）に従って第２の推定部１４２が光吸収係数分布の第２の推定演算を行ったが、これらの式の代わりに、式（７）を積分型に発展させた次式（２５）に従って第２の推定部１４２が第２の推定演算を行うこととしてもよい。式（２５）を皮膚の３層構造に適用した場合の式は次式（２６）となる。
【数２５】
2014016235.tif 000027
【数２６】
2014016235.tif 000028
但し、“ｘ１”及び“ｘ２”は、それぞれ積分区間の開始距離と終了距離を示す。照射位置に最近接する受光部５０の受光部距離と照射位置から最も遠い位置の受光部５０に係る受光部距離とがこれに相当する。
【０１５５】
６−４．濃度の算出
上記の実施形態では、第２の推定演算で推定された光吸収係数を用いてグルコース濃度の算出を行うこととして説明したが、第２の推定演算を省略し、第１の推定演算で推定された光吸収係数を用いてグルコース濃度の算出を行うこととしてもよい。
【０１５６】
また、光吸収係数と体積分率との関係により定まる式（２３）及び（２４）に従ってグルコース濃度を算出するのではなく、モル吸光係数とモル濃度との関係により定まる次式（２７）及び（２８）に従ってグルコース濃度を算出することとしてもよい。
【数２７】
2014016235.tif 000029
【数２８】
2014016235.tif 000030
【０１５７】
また、これら以外にも、光吸収係数や各成分の濃度を算出するための手法として、例えば、主成分分析やＰＬＳ（Partial Least Squares）法などの多変量解析に基づく手法を用いてもよい。より具体的には、多変量解析を用いて特性が既知である物質の測定値から検量線を作成し、未知測定対象の測定値を検量線に照合することで濃度を求めてもよい。
【０１５８】
６−５．受光部の配置構成
上記の図８〜図１０で説明した受光部５０の配置構成は一例に過ぎず、他の配置構成を採用してもよいことは勿論である。
【０１５９】
例えば、図８〜図１０では、照射部４０を中心として同心円状に複数の受光部５０を配することとして説明したが、照射部４０を囲うように円状に複数の受光部５０を配することとすれば、同心円状でなくともよい。また、完全な円ではなく、半円や１／４円といったように円弧状に複数の受光部５０を配することとしてもよい。また、照射位置を中心として渦巻き状に受光部５０を配するなどしてもよい。
【０１６０】
他にも、例えば、プローブに受光器を直線状又は格子状に配してもよい。より具体的には、ラインセンサー又はエリアセンサーでなる受光部５０（受光素子）を配したプローブを構成することができる。ラインセンサー又はエリアセンサーは、照射部４０を包含するような位置関係で形成してもよいし、照射部４０から離れた位置（例えば照射部４０の近傍所定位置）に形成してもよい。この場合、照射部４０から同一距離にある受光部５０を１つの受光部群と考えることができる。
【０１６１】
６−６．光源
上記の実施形態で説明した光源は多波長光源である必要はなく、１種類の波長の光を生成する光源を複数配置することとしてもよい。また、多波長光源の代わりに白色光源を設けることとし、白色光源によって生成された白色光をモノクロメーター等の分光器によって分光して、所定波長の光を被検体に照射することとしてもよい。また、光源は光を繰り返し発生する光源であってもよい。この場合は、検出部８０において光強度を一定時間分積算し、光強度の積算値を光検出信号に含めて制御部１００に出力するようにすればよい。
【０１６２】
６−７．光強度の検出
測定光の強度が微弱である場合は、フォトンカウンティング検出によって光子の数を計数することによって光強度の検出を行うこととしてもよい。
【符号の説明】
【０１６３】
１  濃度測定装置、  ３  光学装置、  ５  プローブ、  １０  多波長光源、  ２０  測定光入射部、  ３０  測定光導光部、  ４０  照射部、  ５０  受光部、  ６０  散乱光導光部、  ７０  散乱光出射部、  ８０  検出部、  １００  制御部、  ２００  操作部、  ３００  表示部、  ４００  音出力部、  ５００  通信部、  ６００  記憶部
【図１】
2014016235.tif 000031
【図２】
2014016235.tif 000032
【図３】
2014016235.tif 000033
【図４】
2014016235.tif 000034
【図５】
2014016235.tif 000035
【図６】
2014016235.tif 000036
【図７】
2014016235.tif 000037
【図８】
2014016235.tif 000038
【図９】
2014016235.tif 000039
【図１０】
2014016235.tif 000040