(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル（１，２）における物質を検出する装置において、
該サンプルの中を貫通する光ビーム（１０）で該サンプルを照射するためのレーザー装置（４，５）と、
該光ビームを吸収したことによってサンプル内に発生する音響信号（１１）を検出するための音響検出器（３，６）と、
前記検出された音響信号から物質の存在を示すために、該音響検出器に連結された表示ユニット（７）とを具備し、
該レーザー装置が量子井戸構造を有する半導体レーザー（５）を含んでいて、中間赤外線領域において、少なくとも２つの個々の波長の赤外線光を発生し、各々の個々の波長はサンプル内の物質の中間赤外線吸収スペクトルにおいて異なった山または谷においてであり、それぞれの山又は谷の幅の２／３を越えない帯幅を有し、前記表示ユニットが各々の前記個々の波長に関して検出された音響信号に基づいて物質の存在を示すことを特徴とする、物質を検出する装置。
【請求項２】
前記個々の波長が、前記吸収スペクトルの中で一つの山において一つの波長及び一つの谷において一つの波長を有している、請求の範囲第１項記載の物質を検出する装置。
【請求項３】
前記個々の波長が、前記吸収スペクトルの中で各々の山あるいは谷における少なくとも３つのはっきりした波長を有している請求の範囲第１項あるいは第２項記載の物質を検出する装置。
【請求項４】
前記レーザー装置（４，５）が前記少なくとも２つの個々の波長を、サンプル（１，２）内の同じ位置に対して、異なった時間に個々のレーザービームのパルスとして放出する、請求の範囲第１項から第３項のいずれか１項記載の物質を検出する装置。
【請求項５】
前記半導体レーザーが量子カスケードレーザーである、請求の範囲第１項から第４項のいずれか１項記載の物質を検出する装置。
【請求項６】
前記半導体レーザは個々の波長に合わせることができる、請求の範囲第５項記載の物質を検出する装置。
【請求項７】
前記表示ユニット（７）が、前記個々の波長のそれぞれにおける音響信号の大きさから、参照スペクトルに基づく最小二乗法によって、物質の濃度を計算するための計算装置手段（８）を有している、請求の範囲第１項から第６項のいずれか１項記載の物質を検出する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はサンプルにおける物質（ｓｕｂｓｔａｎｃｅ）を検出する装置及び方法に関するものであり、特に体液あるいは人体組織におけるグルコースのような物質の濃度を検出、測定するための装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インシュリンに依存する糖尿病患者は、規則正しい時間間隔で、その血液のグルコース濃度を監視する必要がある。現在においては、このことは血液サンプルを採取して、それを患者の体外において分析することによって通常行われている。自分の血液のグルコース値を自分で監視する患者は指ランセット（ｆｉｎｇｅｒ  ｌａｎｃｅ）を使って少量の血液を採取し、これを分析のために試薬片に加えられる。当然、この方法では痛みと不快が発生する。そのため血液のグルコース濃度を生体内で検出するための各種の試みがなされてきている。
【０００３】
ＥＰ−Ａ−２８２２３４は、患者の皮膚を貫通するレーザービームを用いる赤外線分光法（ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によって、血液流中のグルコースを生体内で検出することを提案している。該レーザービームの波長は近赤外線領域（ＮＩＲ）の０．７６から２．５μｍの中で選択される。
【０００４】
物理学・医学・生物学（Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ．）の３８（１９９３年）の１９１１頁―１９２２頁及び医療化学（Ｃｌｉｎｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）４５：９（１９９９年）の１５８７頁―１５９５頁において、Ｈ．Ａ．マックケンジィー（Ｍａｃ  Ｋｅｎｚｉｅ）他によって説明されたように、非侵襲性の血液中のグルコース測定のためには、近赤外線領域や、特に１μｍから２μｍの波長域が好ましく、それは血液との相互作用のために適当な深さにまで貫通する光に対して、人間の肌の中へ他の波長の光の吸収は大き過ぎるからである。医学・生物工学・計算機（Ｍｅｄｉｃａｌ  ＆  Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ  Ｅｎｇｅｎｅｅｒｉｎｇ  ＆  Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）の１９９３年５月号の２８４頁―２９０頁において、マックケンジィー他はまた、グルコースの測定のために、２．５μｍから２５μｍの中間赤外線（ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ：ＭＩＲ）の波長域の採用を報告している。しかし、これらの波長における皮膚伝達（ｓｋｉｎ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）は非常に低いため、それらは生体内でグルコース濃度を測定していない。採用された中間赤外線光の光源はＣＯ２レーザーであり、グルコース濃度は、ある波長においてサンプル内の吸収係数を測定し、それを同一の波長における蒸留水の吸収係数と関連づけることにより得られる。
【０００５】
上述した従来技術においては、光学的な吸収係数は光音響効果（ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｅｆｆｅｃｔ）を介して測定され、赤外線放射の光学的な吸収がグルコースにおける炭素と酸素の結合（Ｃ−Ｏ  ｂｏｎｄｓ）の振動モードのような分子共鳴に導き、非放射性の分子移行を介して下方遷移（ｄｅ−ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）が生じた時に、サンプルは局所的に加熱され、温度傾斜と材料の伸びが生じる。この伸びは音響センサーによって検出される。光のパルスからの材料の局部に制限された加熱と膨張によって、音響波のパルスが発生される。
【０００６】
生体内で測定する血液のグルコース値のための光音響検出器の使用がＷＯ９１／１８５４８に開示されている。この先行技術においては、ＭＩＲ領域における２つの波長の赤外線光が２つの異なった位置において人間の皮膚に照射される。１つの波長は血液グルコースが特定の吸収を示すように選択され、他の波長はグルコースによる特定の吸収が存在しないように選択される。音響検出器は異なった波長の赤外線が照射された場所の間の差圧を検出する。
【０００７】
人間の指を介する赤外線伝達による血液中のグルコース値の測定のための簡単な装置がＵＳ−５３１３９４１に開示されている。この装置はフィラメントによる赤外線源と、該源からある波長帯を選択するためのフィルターを取付けたシリコン光検出器とを用いている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述してきたどの技術も、グルコースの非侵襲性検出のための実際的に使用可能な装置にまでは到っていない。人間の皮膚を過度に加熱したり、あるいは焼いてしまったりすることなしに実際的に使用可能な赤外線の強度では、全ての既知の技術は感度がよくなく、また余り信頼性がなく、あるいは毎日の使用に対しては大き過ぎる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的はサンプル中の物質の非浸襲性検出（ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）のための、簡単で信頼性のある装置及び方法を提供することにある。
【００１０】
この目的は特許請求の範囲の独立項において記載した装置および方法によって解決される。従属項は本発明の好的実施例を記載している。
【００１１】
グルコースのような重要な物質（ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ  ｏｆ  ｉｎｔｅｒｅｓｔ）は、光のスペクトルの中間赤外線領域において、即ち、２．５μｍから２５μｍの波長（４０００ないし４００ｃｍ−１の波数）の赤外線光に対応した周波数において、基本の共鳴周波数を備える共有結合を有している。従って、これらの物質の吸収スペクトルの中間赤外線領域は、各々の個々の物質に対して特有の比較的狭い吸収線を含んでいる。このことは０．７６μｍから２．５μｍの波長における近赤外線領域での使用に対し長所であり、この近赤外線領域では重要な物質による赤外線吸収が振動している分子結合の高調波（ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）によるものであり、吸収帯がより広く、互いに重なり合い、より小さくてより巾広い山（ｐｅａｋ）を有し、従って、吸収を検出しようとする物質に帰することがより困難になる。
【００１２】
今までは、体液あるいは人体組織におけるグルコースのような物質の中間赤外線分光法による非侵襲性の検出の欠点と考えられていたこと、即ち、水による中間赤外線光の高い寄生吸収（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）は、請求項１によって、光音響効果による吸収の検出によって、また複数個の個々の波長（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ）におけるレーザー光を用いることによって克服される。
【００１３】
赤外線光吸収を検出するための光音響効果の使用は、サンプルによる光の吸収が高すぎて、伝達されたりあるいは反射された光から物質を検出することができない場合でも、非侵襲性技術によってサンプル内からの物質の検出を可能にするという長所を有している。
【００１４】
サンプル内の検出しようとする物質の吸収スペクトルにおける山あるいは谷（ｖａｌｌｅｙ）における少なくとも２つのはっきりした個々の波長のレーザー光でサンプルを照射することは２つの効果を有している。第１に、これらは、吸収が余り波長変動およびサンプル内の未知の他の組成による吸収線における可能な移行に依存していない波長であるということである。第２に、広範囲の波長を放出する赤外線源を伴う従来の分光法におけるような、他の波長の光によるサンプルへの不必要な加熱を避けることができる。従って、許容される光の強度は最も正確な結果を与える個々の波長に集中することができる。
【００１５】
請求項２から請求項４までの特徴は検出の精度を改良する。請求項４によるサンプルの同一場所における測定はサンプルの非均一性からの誤差を避けている。
【００１６】
好ましいレーザー装置は、請求項５に記載したような量子井戸構造（ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有した半導体レーザーを有している。量子井戸構造は異なった半導体材料の層を変更することによって作られ、レーザーの操作のために副帯移行（ｓｕｂ−ｂａｎｄ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ）が用いられる場合のエネルギーの副帯を形成する。該移行エネルギーは半導体材料と層の厚さとに依存しており、本発明の波長の要求に合致するように調節することができる。そのようなレーザー装置の一つは請求項６で記載された量子カスケードレーザー（ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ）である。該量子カスケードレーザーについての説明はＪ．フェイスト（Ｆａｉｓｔ）による“量子カスケードレーザー”サイエンス，２６４号（１９９４年）の５５３頁から５５６頁に記載されている。
【００１７】
請求項７は検出された物質の濃度の測定に関している。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１に示された装置は人体の組織１あるいは血液におけるグルコース濃度を生体内で検出及び測定するのに適している。該装置は人間の皮膚２の上に配置された空洞（ｃａｖｉｔｙ）３を有している。該空洞３にはレーザー装置４が取り付けられ、該装置には量子カスケードレーザー５が含まれている。また該空洞３にはマイクロホンとして作用する圧電変換器６が取り付けられている。
【００１９】
量子カスケードレーザー５と圧電変換器６はマイクロコントローラ（ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）８とディスプレイ９とを有する制御ユニット７に連結されている。
【００２０】
人体組織１内のグルコース濃度を検出および測定するため、制御ユニット７内のマイクロコントローラ８は量子カスケードレーザー５を駆動し、皮膚２を貫通して人体組織１の中へ入るレーザービーム１０のパルスを放出する。レーザービーム１０が人体組織１に吸収されると、該組織は局所的に加熱される。この局所加熱の結果熱膨張し、音響パルスが開始され、こうしてパルス状のレーザービーム１０は、レーザービーム１０が吸収された領域内で発生する音響信号１１のパルス列（ｐｕｌｓｅ  ｔｒａｉｎ）を導く。該パルス列１１は空洞３の中へ進行し、圧電変換器６によって検出される。好ましくは、レーザービーム１０のパルス周波数はコントローラ８によって、音響パルス１１を増幅する空洞３の音響共鳴周波数に合致するように選択される。
【００２１】
マイクロコントローラ８は圧電変換器６によって検出された各々の音響パルス１１のピーク対ピークの振幅（ｐｅａｋ  ｔｏ  ｐｅａｋ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）を確定する。該ピーク対ピーク振幅は、人体組織１の中へ吸収されたレーザービームパルスのエネルギーの測定値である。好ましくは、マイクロコントローラ８は、パルスの走行時間に関連して、グルコースの濃度に関する有用な情報を期待することのできない人体組織１の一部分から生じる各音響パルスの一部分を捨てる。例えば、皮膚２の外層内のレーザービームの吸収から生じる音響信号を無視するために、各々の音響パルスの第１部分が捨てられ、ピーク対ピークの振幅がパルスのより後の部分から得られる。
【００２２】
ＭＩＲレーザー光ビーム１０の波長は、吸収されたエネルギーが人体組織１におけるグルコース濃度に依存する場合の波長である。さらに、量子カスケードレーザー５に印加される電圧と電流は、所定の数のレーザービームパルスの後で変化され、レーザー５はこれもまた吸収がグルコース濃度に依存する場合の別の波長に調節される。このようにして、中間赤外線領域における少なくとも３つの異なった波長が連続的に走査される。好ましくは、選択される波長は山と谷における波長であり、即ち、人体組織、血液あるいは水におけるグルコースの吸収スペクトルの相対的な最大値及び最小値における波長である。
【００２３】
図２はグルコースの１００，２００、及び３００ｍｇに対し１ｄｌの水（即ち、０．１リットルの水）のグルコース水溶液の吸収スペクトルを示す。また蒸留水（０ｍｇ／ｄｌグルコース）の吸収スペクトルも示されている。図３は蒸留水の吸収スペクトルを除いた、各々のグルコース濃度のスペクトルを示している。従って、図３に示されたスペクトルは水環境におけるグルコースだけの吸収スペクトルである。図３からわかるように、最大吸収が生じるのは、例えば、波数１１５１、１１０５、１０８０、１０３６及び９９２ｃｍ−１においてである。また最小吸収になるのは波数１１８１、１１４０、１０９４、１０６６及び１０１４ｃｍ−１においてである。好ましくは、量子カスケードレーザー５は、各々の波数に対して多数のパルスで順次これらの波数全部を走査するように調節される。もし使用されているレーザーがこの領域全てについて調節することができなければ、この実施例におけるレーザー装置４は、各々のが、好ましくは同一の画一的な装置（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ）上で、特定の波長あるいは波長領域に対応する複数個のレーザーからなるように修正してもよいであろう。
【００２４】
前記マイクロコントローラ８は既知のグルコース濃度に対して図２あるいは図３に示されたような参照スペクトルを参考にして、最小二乗計算によって計算する。計算された濃度はディスプレイ９上に表示される。あるいはまた、グルコース濃度は、以前に確定された参照グルコース濃度の参照吸収に対する、各々の波長における吸収から得られた平均濃度からも計算できる。
【００２５】
好ましくは、前記マイクロコントローラ８は最小二乗計算の誤差、即ち、平均二乗誤差の平方根をも計算し、各々の音響パルスの部分のみを選択し、選択された波長のレーザービームパルスから発生するこれらの音響パルスを選択して、誤差を最小化する。このような選択は多くの予め準備された選択事項の中から、誤差がある値より小さくなるまで試行錯誤法によって選ばれる。このようにして、グルコース濃度の測定は、測定が最も信頼性のある組織１、たとえば、血管内の領域において焦点があてられる。
【００２６】
本実施例の測定原理はミルクのグルコース濃度を測定することで試験されている。ミルクは、それが容易に入手可能であり、また測定を潜在的に乱す可能性のある多数の物質が存在している血液と類似しているがゆえに、血液の代わりとしての試験溶液として用いられている。これらの物質は、例えば、ラクトーゼ、プロティン、脂肪である。
【００２７】
図４には１ｄｌあたり１００ｍｇのグルコースを有していて、異った量の脂肪分、例えば、１．５、２．５、３．５％の脂肪を含有したミルクの吸収スペクトルと、蒸留水の吸収スペクトルを示している。図５は異った脂肪濃度のミルクにおける異ったグルコース濃度の溶液の吸収スペクトルを示しており、その各々からは１ｄｌあたり０ｍｇのグルコースで１．５％の脂肪の溶液のスペクトルは除去されている。このスペクトルはブルーカー社（Ｂｒｕｋｅｒ）によって生産されスペクトロメーター（ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）によって得られる。
【００２８】
未知の溶液におけるグルコース濃度は、（図４、図５のような）既知のグルコース濃度のスペクトルから、吸収値を測定することにより、また部分最小二乗適合法（ｐａｒｔｉａｌ  ｌｅａｓｔ  ｓｑｕｉｒｅ  ｆｉｔ：ＰＬＳ）によって得ることができる。このＰＬＳ適合法はカールフリードリッヒガウス（Ｃａｒｌ−Ｆｒｉｅｄｒｉｃｈ  Ｇａｕｓｓ）によるアルゴリズムに基づいている。既知の濃度のスペクトルに基づいた標準曲線が、未知の溶液の測定値と標準曲線における対応する値との間の差の二乗の合計が最小になるように計算される。このようにして計算された標準曲線から濃度が得られる。
【００２９】
図４と図５のスペクトルは１１８１から９６０ｃｍ−１までの波数領域における、グルコース濃度測定に対して有益な吸収帯を有している。比較実験において、ある溶液の吸収値が測定され、図４あるいは図５のスペクトルを記録するために用いられてきた１１８１から９６０ｃｍ−１までのこれらの波数の全てにおいて、ＰＬＳ適合法が採用された。そして、測定値の標準曲線からの標準偏差を示し、従ってグルコース濃度に対する予想誤差を示す交差検証法の平均二乗誤差の平方根（ｒｏｏｔ  ｏｆ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ  ｅｒｒｏｒ  ｏｆ  ｃｒｏｓｓ−ｖａｌｉｄａｔｉｏ  ｎ：ＲＭＳＥＣＶ）は３．４４ｍｇ／ｄｌであった。しかしながら、測定溶液の全スペクトルを広範な波長領域において得ることは、測定時間とサンプル加熱に関して問題を提起した。
【００３０】
これらの問題を解決するために、赤外線吸収が本実施例によってある種の特定の波長においてのみ得られた。前記比較実験の他に、吸収が波数１１５１、１１０５、１０８０、１０３６、及び９９２ｃｍ−１において最大値が測定され、また１１８１ｃｍ−１において最小値が測定された時には、前記誤差（ＲＭＳＥＣＶ）は３８．１ｍｇ／ｄｌである。さらに最小値が波数１１４０、１０９４、１０６６、１０１４及び９６０ｃｍ−１において選択され、これらの最小値において測定された吸収が、前述した最大値と最小値において測定された吸収値と一緒になってＰＬＳ適合法を使用されたときには、前記ＲＭＳＥＣＶの値は５．２８ｍｇ／ｄｌでしかない。また、測定はサンプルを過度に加熱することなく、短時間の内に完了することができる。従って、吸収の測定に関して十分な数の最小値と最大値を選択することは、全てのスペクトルを使用することによって達成することのできる誤差に近い許容値内に誤差を維持することができ、しかも全スペクトルを使用することによる欠点を防ぐこともできる。
【００３１】
吸収帯幅の最大値あるいは最小値において個々の波長における吸収を測定することは、実際には、対応する吸収帯幅あるいは伝達帯幅よりも小さな帯幅を有する赤外線光ビームの吸収を測定することを意味している。好ましくは、光ビームの帯幅は、最大値あるいは最小値が測定される場合の吸収スペクトルの帯幅の２／３あるいは１／３を超えないはずである。
【００３２】
従って、本実施例は個々の複数個の波長において、レーザー光を用いて光音響的に光吸収を測定し、グルコース濃度における最大の光音響効果を期待することができる。この光音響効果は、調査中に人体組織から光が再び可視的に漏れてこない場合でも、グルコースによる光の吸収測定を可能にする。また個々の波長を採用することは、これらの波長に十分なレーザービームの出力を集中させることができ、しかも他の余り好ましくない波長の照射による、人体組織の不必要な加熱を避けることができる。選択された波長において中間赤外線を、十分な強度ではあるが限定的な全体出力によって放出し、人体組織の加熱を防ぐことのできる好ましい装置は、量子井戸構造を有する半導体レーザーである。
【００３３】
これらの測定は非侵襲的検査とグルコース濃度の監視とを可能にする。従って、糖尿病患者は血液中のグルコース濃度を、彼ら自身によって短時間のうちに、都合よく監視することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】人体組織あるいは血液中のグルコースを生体内で検出し測定するための装置を示す図である。
【図２】異った濃度のグルコース水溶液の吸収スペクトルと、蒸留水の吸収スペクトルとを示すグラフである。
【図３】蒸留水のスペクトルを除いた、図２のグルコース溶液のスペクトルを示すグラフである。
【図４】異った濃度のグルコースと脂肪を含有したミルクの吸収スペクトルと、蒸留水の吸収スペクトルとを示すグラフである。
【図５】グルコースなしのミルクの吸収スペクトルを除いた、異った濃度のグルコースと脂肪を含有したミルクの吸収スペクトルを示すグラフである。
【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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