(57)【要約】体液の分析対象物の濃度および／または空間勾配を決定する分光装置、方法ならびに対応するコンピュータ・プログラム・プロダクトが提供される。本分光装置は、生物試料内の毛細管（１０４）の位置の決定を提供することにより、毛細管のごく直近だが毛細管と重ならない体積（１２２）に分光用の励起放射の焦点を合わせられるようにする。提供される装置、方法およびコンピュータ・プログラム・プロダクトは、分析対象物濃度決定の対象となる分析対象物に対する血管壁の透過性を有利に活用する。生物学的な輸送過程によって、毛細管内に位置する体液の分析対象物の濃度が、毛細管の周囲における濃度に影響する。したがって、毛細管外の体積の分光分析は、毛細管内の精密かつ信頼できる分析対象物濃度決定のためにはたらくことができる。
2008537141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
毛細管内にある体液の分析対象物の濃度を決定するための分光装置であって：
・毛細管の位置を決定するための撮像システムと、
・励起放射を生成する放射源と、
・励起放射を毛細管の直近の体積内に向ける放射案内機構と、
・前記体積から発される戻り放射を検出する放射検出器と、
・検出された戻り放射をスペクトル分析することによって前記分析対象物の濃度を決定するための分光分析ユニットとを有する分光装置。
【請求項２】
前記撮像システムからの入力を受け取るのに反応して前記毛細管の位置に対する前記体積の位置を決定するよう適応されている制御ユニットをさらに有する、請求項１記載の分光装置。
【請求項３】
前記放射案内機構が、前記励起放射を前記体積中に合焦する合焦機構を有しており、該合焦機構は前記体積中の前記励起放射の焦点スポットサイズの変動を提供する、請求項１記載の分光装置。
【請求項４】
戻り放射の検出の間に前記体積を毛細管の位置に対して動かすことができる、請求項３記載の分光装置。
【請求項５】
前記毛細管が血管であり、前記分析対象物が血中グルコースである、請求項１記載の分光装置。
【請求項６】
前記分光分析ユニットがさらに、毛細管と前記体積との間の距離情報を利用することによって、分析対象物の濃度を決定するよう適応されている、請求項１記載の分光装置。
【請求項７】
前記制御ユニットがさらに、前記分析対象物の濃度の勾配決定のために、毛細管へのさまざまな距離をもつ複数の体積に逐次的に励起放射を向けるよう前記放射案内機構を制御するよう適応されている、請求項２記載の装置。
【請求項８】
分析対象物に対して少なくとも半透過性の毛細管壁によって閉じ込められている第一の体積内にある体液の分析対象物の濃度を決定する方法であって：
・前記第一の体積の位置を決定するステップと、
・前記第一の体積の位置に対する、前記第一の体積とは実質的に重ならないある第二の体積を決定するステップと、
・放射案内機構によって前記第二の体積中に励起放射を向けるステップと、
・前記分析対象物の濃度を決定するために、前記第二の体積から発する戻り放射を検出し、検出された戻り放射のスペクトル解析を実行するステップとを有する方法。
【請求項９】
請求項８記載の方法であって：
・前記第一の体積の直近に、前記第一の体積の位置との関連で、および／または前記第二の体積との関連で、少なくとも第三の体積を決定するステップと、
・励起放射を、前記放射案内機構によって前記少なくとも第三の体積中に向けるステップと、
・前記第三の体積から発する第二の戻り放射を検出するステップと、
・前記戻り放射のスペクトル分析および前記第二の戻り放射のスペクトル分析を利用して前記分析対象物の濃度を決定するステップとを有する方法。
【請求項１０】
前記第二の体積と前記第三の体積の大きさが異なり、および／または、前記第二の体積と前記第三の体積が逐次的にスペクトル分析の対象となる、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
疾病検出のために参照勾配と比較可能な前記分析対象の濃度勾配の決定のためにさらに適応されている、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
毛細管内に位置する位置する体液の分析対象物の濃度を決定する分光装置のためのコンピュータ・プログラムであって、前記分光装置によって動作可能であり：
・毛細管の位置情報を得るために撮像システムの出力を処理すること、
・該位置情報を利用することによって、毛細管の直近のある体積を決定すること、
・励起放射を前記体積中に向けるために放射案内機構を制御すること、
・前記分光装置の検出器の出力信号を、該検出器によって検出可能な戻り放射のスペクトル分析のために処理すること、
・前記位置情報および検出された戻り放射のスペクトル分析を利用することによって、前記分析対象物の濃度を決定すること、
のためのコンピュータ・プログラム手段を有する、コンピュータ・プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光学の分野に、より詳細には、限定するものではないが、光学的撮像および分光学的技法を利用した非侵襲的な分析対象物濃度決定に関する。
【背景技術】
【０００２】
分析目的のための光学的な分光学的技法の使用はそれ自体では従来技術から知られている。WO02/057758A1およびWO02/057759A1は、患者の毛細管を流れる血液の組成の生体条件での非侵襲的な分光分析のための分光分析装置を記載している。分光分析のための励起ビームが向けられる必要のある関心領域を同定するために、撮像システムによって毛細管の位置が決定される。
【０００３】
撮像も分光分析もいずれも共通の合焦機構を利用し、その共通の合焦機構が一方では毛細管の撮像を可能にし、他方ではラマン・スペクトルを励起するために毛細管中に近赤外（NIR）レーザービームを合焦することを許容する。典型的には、合焦機構はラマン過程から発展する散乱された放射の捕集のためにも使われる。
【０００４】
血液の明確に区別される分析対象物（a  distinct  analyte）の濃度の決定のための生体条件での非侵襲的な分光分析は、分光励起放射が向けられる組織の組成にかなり敏感である。たとえば、励起ビームを血流または血管内に合焦させると、結果として得られる戻り放射は、赤血球との散乱過程によって著しく影響される。さらに、血液内に数多くの異なる分析対象が存在するという側面のため、得られるラマン信号は本来的に、血液の多くの構成要素の分光情報を表している。
【０００５】
また、複数のさまざまなラマン信号は干渉を受けることがありうるので、血液のような体液の特定の分析対象または構成要素の検出は一層複雑になる。したがって、得られる分光信号がスペクトル分析される生体組織の形態またはコンシステンシーにかなり強く依存することは、分析対象の濃度決定の再現性を制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明は、改良された信号品質と、調査される組織の形態、構造および組成に対する向上した不感性とを提供する分光装置を提供することをねらいとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、毛細管内にある体液の分析対象物の濃度を決定するための分光装置を提供する。本分光装置は、毛細管の位置を決定するための撮像システムと、分光励起放射を生成するための放射源と、励起放射を毛細管の直近だが毛細管に重なりはしない体積内に向けるための放射案内機構とを有する。さらに、本分光装置は、励起放射の照射に反応して前記体積から発される戻り放射を検出するための放射検出器を有する。本装置はさらに、前記体積内および／または毛細管内での分析対象物の濃度を決定するための、戻り放射のスペクトル分析を提供する分光分析ユニットを有する。よって、本発明は、毛細管の血管壁が、本分光装置によって濃度レベルを決定する必要のある分析対象物にとって少なくとも半透過性であるという事実を効果的に利用する。
【０００８】
体液の分析対象物の濃度決定のために、分光励起放射が該体液の中や該体液の流れの中に直接向けられるのではなく、該体液のさまざまな構成要素が存在しているが、該体液がそっくり存在しているのではない領域に向けられるということは、本発明の優位点である。たとえば、血漿は毛細管から漏れ出るが、赤血球および白血球のようなさまざまな血液成分は毛細管壁によって指定される体積内に留まる。本発明は、たとえば関心のある分析対象物が毛細管を取り巻く組織中に拡散する結果を生じるような生物学的輸送過程を許す毛細管壁の透過性を効果的に活用する。
【０００９】
毛細管壁を通過でき、生物学的輸送過程の対象となりうる体液の分析対象物しか、事実上、分光分析の対象になれないので、これは選択的な分析対象物の濃度決定を許容する。結果として、本発明によれば、血管壁を通過できない体液の分析対象物は分光学的調査の対象にはなれない。
【００１０】
毛細管内に励起放射を直接合焦することを利用する非侵襲的な分光分析とは対照的に、本発明の手順は、血管壁を通過できない体積の分析対象物が、検出器によって検出可能な分光信号に本来的に寄与しないことを効果的に防止する。よって、通過が妨げられるおかげで、これらの分析対象物はもはや戻り放射のスペクトルに影響せず、したがってもはや分光分析の濃度決定に影響しない。
【００１１】
関心のある分析対象物が血管壁を通過できるという側面を活用することで、分光学的手順全体はもはや毛細管自身の内部で実行される必要はない。さらに、赤血球などの散乱効果や血液のさまざまな構成要素のラマン信号の干渉が最小限にまで減らせる。これは信号対雑音比の向上および感度の改善、ひいては分光分析全体の精度の改善をもたらす。
【００１２】
ある好ましい実施形態によれば、本分光装置はさらに、毛細管の決定された位置に対して前記体積の位置を決定するよう適応された制御ユニットを有する。好ましくは、制御ユニットは、撮像システムから入力を受け取るのに反応して前記体積の位置を決定するよう適応される。撮像システムは、好ましくは光学的画像取得システムとして実装されるが、体液を含む毛細管の位置情報を提供するものである。光学的画像取得および画像処理によって、毛細管の絶対位置または相対位置を指定するほか、その形態または幾何学的構造を指定するさまざまなパラメータが得られる。撮像システムによって収集されたこの情報は、典型的には、制御ユニットによって処理され、前記体積の絶対位置または相対位置のほか前記体積の周または大きさが決定される。
【００１３】
制御ユニットによって決定される体積は典型的には試料の検査体積を指定する。これは、励起放射が向けられる体積を定義するものである。励起体積のうち、検査される戻り放射を発する部分は典型的には検出体積と称され、励起体積に完全に含まれる。よって、検査体積は励起体積と完全に一致することもできるが、より小さな体積を指定することもある。一般に、検査体積の周および位置は、励起体積の周内で任意かつ独立に修正できる。それはたとえば、共焦検出機構のピンホールの大きさを変えることによってなされる。
【００１４】
好ましくは、制御ユニットは、撮像システムからまたは画像処理手段から得られるパラメータに応じて前記体積の位置、周および構造を自律的に決定する。典型的には、前記体積の位置は、毛細管の位置、すなわち毛細管の決定された位置に関して決定される。たとえば、前記体積の位置は、毛細管から所定の閾値を超えない所定の距離によって指定されてもよい。このようにして、分光励起放射が加えられる体積が毛細管と重ならないが毛細管の直近にあり、血管壁を通過する分析対象物の濃度が最小検出閾値を下回らないことが効果的に保証される。
【００１５】
本発明のあるさらなる好ましい実施形態によれば、放射案内機構は、励起放射を前記体積中に合焦するための合焦機構を有する。該合焦機構はさらに、前記体積中の励起放射の焦点スポットサイズの変化を提供する。このようにして、前記体積には合焦されたまたは合焦されていない放射のいずれをも加えることができ、よって、可変サイズの領域をスペクトル的に調査することが許容される。関心のある分析対象物および励起放射が向けられる組織の一般的性質に依存して、有益な焦点スポットサイズは大きくなったり小さくなったりしうる。一般に、小さな焦点スポットサイズほど、前記体積中での高い放射強度を許容し、したがって本来的に散乱信号のやや大きな強度を与える。しかしながら、やや小さなスポットサイズに励起放射を合焦すると、毛細管を取り巻く組織の形態および内部構造がより主要な役割を演じるようになる。たとえば、体液に適用されるとき、散乱される放射のスペクトルは、励起放射が細胞の内部に合焦されるか細胞膜に合焦されるかに強く依存しうる。結果として、励起放射の焦点スポットサイズを大きくすることで、形態または内部的幾何学的構造の側面は、検出可能な分光信号に対して軽微な影響しかもたないようになる。そのような場合、得られたスペクトルは、前記体積内に位置する種々の生物学的構造から得られるさまざまな分光学的信号の平均を表す。したがって、焦点スポットサイズを大きくすることは、分光分析の、身体組織の構造に対する向上した不感性を提供する。
【００１６】
本発明のあるさらなる好ましい実施形態によれば、前記体積は、戻り放射の検出の間、毛細管に対して移動可能である。たとえば、分光分析の間、すなわち前記体積に励起放射を加えている間、前記体積を動かすことができる。これは一般に、毛細管近傍の動的な分光分析を提供する。たとえば、前記体積は、該体積と毛細管との間の距離が変化するよう動かせる。そのような構成では、本分光装置は、毛細管を取り巻く身体組織中の分析対象物の空間的濃度勾配を決定することを提供する。別の配位では、前記体積は、毛細管までの距離を一定に保って、毛細管の位置に対して動かしうる。
【００１７】
たとえば、毛細管が細長い血管である場合、前記体積は毛細管が延在する方向に沿って動かされうる。これは、身体組織内部での、毛細管までの距離が同じ多くの位置における分析対象物濃度を決定することを許容する。このようにして、組織および／または毛細管もしくは血管壁の空間的不均一性が効果的に補償される。
【００１８】
具体的には、毛細管と検査体積との間の距離が変化するような仕方で前記体積を動かすとき、その移動は好ましくは、身体組織内部での拡散過程の時間枠を下回る時間スケールで実行されるべきである。そうでなければ、分析対象物の濃度の時間的変動のため誤った結果が得られることがありうる。したがって、分光分析の間の前者と体積との間の距離の増加は、体液の分析対象物の濃度が典型的に変化する時間スケールより小さな時間スケールで実行する必要がある。たとえば、血管近傍での血中グルコースの濃度を決定するとき、各組織中でのグルコースの拡散時間が常に考慮されなければならない。分光分析が適用される領域または身体部分に依存して、分析対象物の拡散時間は強く変動しうる。グルコースの拡散時間はいわゆるグルコース輸送担体によって支配される。グルコース輸送担体とは、組織特異的な膜タンパク質で、毛細管などを取り巻く組織を形成する細胞の細胞膜を通じたグルコースの輸送を可能にする。
【００１９】
すでに上記したように、グルコースは毛細管壁を通じて身体組織の細胞間の間質液中に自由に拡散できる。アインシュタインの関係式から、グルコース分子が100μmの距離を拡散するために必要な平均時間は、水中で測った拡散係数1×10-9m2/sを想定すれば、5sほどと推定される。グルコースの輸送は傍細胞、すなわち細胞の中でなくまわりを通ると考えられるので、輸送距離は測定された組織の大きさよりは著しく長くなりうる。さらに、組織を通ってのグルコースの正味の輸送は、濃度勾配の場合にのみ起こりうる。たとえば、フィックの法則を適用すると、1mMの濃度差および100μmの拡散距離を想定すると、毛細管面が1μm2程度として、グルコース・フラックスは約6分子/sと推定できる。
【００２０】
Stryer  L.,  Biochemistry  4th  edition,  W.  H.  Freeman  and  Company,  New  York  1995によれば、さまざまな種類の組織中でのグルコース輸送に特に適応した多様なグルコース輸送担体（GLUTと記す）が存在する。たとえば、GLUT-1はほとんどすべての哺乳類細胞、赤血球、胎盤または胎児組織のためのグルコース輸送を提供する。GLUT-2は肝臓、腎臓、腸および膵臓ベータ細胞におけるグルコース輸送について特に重要である。GLUT-3は脳におけるグルコース輸送を提供し、GLUT-4は骨格筋、心筋および脂肪組織におけるグルコース輸送のためにはたらく。
【００２１】
本発明のあるさらなる実施形態によれば、毛細管は血管であり、分析対象物は血中グルコースである。このようにして、本分光装置は、特に、人間または動物の血管を流れる血液の血中グルコース濃度を決定するよう動作可能である。一般に、本分光装置は、毛細血管を取り巻く組織中で実行される分光分析を利用して、生体条件での非侵襲的な血中グルコース濃度を与える。
【００２２】
本発明のあるさらなる実施形態によれば、分光分析ユニットはさらに、毛細管と体積との間の距離情報を利用することによって、分析対象物の濃度を決定するよう適応される。血管の近傍におけるグルコース濃度を決定することによる分光装置の適切な較正を利用することで、毛細管におけるグルコース濃度も導出できる。周辺組織のグルコースまたは分析対象物輸送属性を知り、毛細管と体積との間の距離を知ることで、前記体積中でのグルコースまたは分析対象物の濃度を決定すれば、毛細管内を流れる体液のグルコース濃度の精密かつ信頼できる決定のために一般には十分である。
【００２３】
別の側面では、本発明は、生物試料の毛細管壁によって閉じ込められている第一の体積に位置する体液の分析対象物の濃度を決定する方法を提供する。毛細管壁は分析対象物にとって少なくとも半透過性であり、本方法は、前記第一の体積の位置の決定と、前記第一の体積の位置に対するある第二の体積の決定とを含む。前記第二の体積は、前記第一の体積とは実質的に重ならない。よって、第一および第二の体積は所定の距離離れている。典型的には第一の体積のごく直近であり、したがって毛細管のごく直近である第二の体積を指定したのち、本発明の方法は、放射源および放射案内機構によって第二の体積中への励起放射の印加を提供する。
【００２４】
第二の体積中への励起放射の入射に反応して、弾性型または非弾性型いずれかのさまざまな散乱過程が起こりうる。非弾性型のほうは典型的には、第二の体積内に位置する分子の同定を許容する波長シフトを特徴とする。第二の体積から発する散乱放射、特に非弾性散乱放射の検出は、特定の分析対象物の濃度を決定するためのスペクトル解析を実行することを許容する。
【００２５】
ある好ましい実施形態では、本発明の方法はさらに、前記第一の体積と実質的に重ならない少なくともある第三の体積の決定をさらに提供する。この少なくとも第三の体積は、前記第一の体積の位置および／または幾何学および大きさに対して、ならびに／または前記第二の体積の位置および／または幾何学構造に対して決定される。次いである追加的な後続ステップで、励起放射は、放射案内機構によって前記少なくとも第三の体積中にも向けられる。典型的には、励起放射は、放射案内機構の合焦機構によって前記少なくとも第三の体積中に合焦される。したがって、前記第三の体積から発する戻り放射が、スペクトル分析のために検出され、活用される。この実施形態では、前記第二の体積および前記少なくとも第三の体積の分光学的調査は典型的には逐次的に実行される。さらに、前記第二の体積および前記少なくとも第三の体積は少なくとも部分的に重なっていてもよい。
【００２６】
ある別の側面では、本発明は、生物試料の毛細管壁によって閉じ込められている毛細管内に位置する位置する体液の分析対象物の濃度を決定する分光装置のためのコンピュータ・プログラム・プロダクトを提供する。毛細管壁は分析対象物にとって少なくとも半透過性であり、よって関心のある分析対象物の毛細管近傍への拡散を与える。本コンピュータ・プログラム・プロダクトは、分光装置によって動作可能であり、毛細管の位置情報を得るために撮像システムの出力を処理するため、該位置情報を利用することによってある体積を決定するためのコンピュータ・プログラム手段を有する。ここで、前記体積は、毛細管と実質的に重ならないものである。前記コンピュータ・プログラム手段はさらに、励起放射を前記体積中に向けるための放射案内機構の制御を提供する。前記プログラム手段はさらに、分光装置の検出器の出力信号を、該検出器によって検出可能な戻り放射のスペクトル分析のために処理するよう適応されている。
【００２７】
さらに、前記コンピュータ・プログラム・プロダクトの前記コンピュータ・プログラム手段は、前記位置情報および前記検出された戻り放射のスペクトル分析を利用することによって、分析対象物の濃度の決定を提供する。分析対象物の決定された濃度は、前記体積中の分析対象物濃度か、毛細管内のある分析対象物濃度のいずれかを指しうる。
【００２８】
さらに、請求項に参照符号があったとしても、本発明の範囲を限定するものと解釈するべきではないことを注意しておく。
【００２９】
以下では、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しつつ詳細に述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、分光装置とその主要な構成要素のブロック概略図を示している。分光装置１００は、放射源１１８、光結合機構１１０、合焦レンズ１１２、撮像システム１１４、分光分析ユニット１１６および制御ユニット１２０を有している。図示した実施形態では、分光装置１００はたとえば人間の患者の皮膚組織に適用可能である。人間の患者の組織または身体部分は皮膚１０２の表面下の血管１０４を含んでいる。血管１０４は、たとえば血中グルコースのような、濃度決定の対象となる分析対象物にとって高度に透過性である血管壁１０８を特徴とする。
【００３１】
血管１０４の形および大きさは第一の体積を指定し、その第一の体積の位置および構造が撮像システム１１４によって決定される。好ましくは、撮像および分光分析は、共通の対物レンズ１１２を使って実行される。撮像と分光分析がともに共通の放射源１１８を利用してもよいが、典型的には近赤外または赤外線のスペクトル範囲で励起放射を提供する放射源１１８とは異なるスペクトル範囲で動作するなどの、画像取得のための追加的な光源が実装されてもよい。
【００３２】
スペクトル装置１００は、たとえば血中グルコースが血管１０４の血管壁１０８を透過できるという事実を効果的に利用する。したがって、赤血球の散乱効果を最小化するとともに分光信号の干渉の影響を軽減するため、励起放射は好ましくは、検査体積１２２内に合焦される。検査体積１２２は、血管１０４の位置に対して所定の距離１０６に位置する。よって、本発明の分光装置は、たとえば拡散のような生物学的輸送過程を効果的に利用し、したがって、原理として、血管内ではなく、血管外のごく直近における血中グルコース濃度を検出することを許容する。
【００３３】
血管１０４と分光検査体積１２２との間の距離１０６は、血管壁１０８の透過性とともに血管１０４を取り巻く組織の、基本的な分析対象物輸送属性によって支配される。典型的には、距離１０６が増えると、分析対象物の濃度レベルは低下する。したがって、距離１０６は、分析対象物濃度勾配がある最小値を下回りうる所定の最大距離を超えてはならない。
【００３４】
分光装置１００の撮像システム１１４は、血管１０４の近傍の領域の画像を取得するよう適応されており、皮膚１０２の表面下にある血管１０４の位置、幾何学および進路を同定または認識することを許容する画像処理手段を具備していてもよい。撮像システムは、たとえば、直交偏光スペクトル撮像（OPSI:  Orthogonal  Polarized  Spectral  Imaging）、共焦点ビデオ顕微鏡法（CVM:  Confocal  Video  Microscopy）、光学コヒーレンス断層撮影法（OCT:  Optical  Coherence  Tomography）、共焦点レーザー走査顕微鏡法（CLSM:  Confocal  Laser  Scanning  Microscopy）、ドップラー・ベースの撮像、光音響および超音波ベースの撮像を利用することによって実装できる。
【００３５】
撮像システム１１４によって実行される画像取得およびその後の画像処理に基づいて、制御ユニット１２０は、検査体積または励起体積１２２の位置および大きさを自律的に決定するよう適応される。検査体積または励起体積１２２の決定はさらに、血管１０４を取り巻く組織を分類するパラメータとの関連で実行されてもよい。たとえば、検査体積の位置および大きさの決定は、組織の血中グルコース拡散速度との関連で、および／または組織中の、組織固有の空間的な血中グルコース濃度勾配との関連で実行されてもよい。あるいはまた、前記の励起体積または検査体積の大きさには関わりなく、検出体積も決定してもよい。すなわち、制御ユニットは、画像処理に基づいて、分光分析のために検出する戻り放射を発する、前記励起体積内の大きさおよび／または位置を自律的に指定してもよい。
【００３６】
ひとたび制御ユニット１２０によって検査体積１２２が決定されると、放射源１１８によって与えられる励起放射１２４が検査体積１２２中に合焦される。特に、戻り放射１２６のうち、検査体積１２２中で非弾性散乱を受け、励起放射１２４の波長に比べて波長シフトを有する成分が分光分析のために効果的に活用されて、原理としては、検査体積１２２内に位置する明確に区別される分析対象物の濃度を決定することを許容する。
【００３７】
一般的に、検査体積、励起体積および検出体積をどのように利用するかについてはさまざまな配位が存在する。第一は、励起および検出体積は完全に一致してもよく、比較的小さな検出および励起体積で検査体積を逐次的に走査するために使用されうる。第二に、励起および検出体積は、検査体積全体と同じ大きさでもよく、第三には、励起体積は検査体積に完全に一致しうる一方、比較的小さな検出体積が検査体積の領域を逐次的に走査するために使われる。
【００３８】
戻り放射１２６の弾性散乱されたものと非弾性散乱されたものとの分離は、光結合機構１０２によって効果的に実行される。光結合機構は、さまざまなビーム・スプリッターと、戻り放射１２６のスペクトル成分の波長特異的な偏向を与える二色性要素とを有する。
【００３９】
適切に較正されれば、分光装置１００は、検査体積１２２内と血管１０４内での分析対象物濃度レベルの相関を利用することによって、検査体積１２２内の分析対象物の濃度決定を提供するばかりでなく、血管１０４内の分析対象物濃度決定をも提供する。たとえば血管１０４の内外の血中グルコース濃度レベルの相関を知り、さらに周辺組織における典型的な空間的な血中グルコース濃度勾配を知ることで、検査体積１２２内の血中グルコース濃度を決定し、検査体積１２２と血管１０４との間の距離１０６を決定することによって、血管１０４内の血中グルコース濃度レベルも精密に導出できる。
【００４０】
図２は、血中グルコース濃度２０４を血管１０４からの距離２０２に対して例示的に表す図２００を概略的に示している。血管からの距離が増すとともに、血中グルコース濃度が単調に減少することが明瞭に見て取れる。較正手順により、そのような空間的な血中グルコース濃度勾配は記録および記憶することができ、毛細管外の血中グルコース濃度測定値を毛細管内での血中グルコース濃度に相関させるための信頼できる手段のはたらきをしうる。毛細血管からの距離の増加に対して血中グルコース濃度レベルが恒常的に低下するので、検査体積１２２と毛細管１０４との間の最大の距離１０６を指定しておくことが有益である。
【００４１】
図３は、分析対象物濃度３０４の遅延時間を血管１０４からの距離３０２に対して表示するグラフ３００を概略的に示している。遅延時間は、所与の距離３０２のところに位置している検査体積１２２内で血管１０４内の分析対象物濃度の変化が測定できるまでの時間間隔を指定する。遅延時間は、距離が増すとともに恒常的に増加し、周辺組織の基本的な生物学的輸送機構によってさらに支配される。たとえば、遅延時間は血管を取り巻く組織における分析対象物の拡散速度を反映する。よって、遅延時間は、血管１０４内および検査体積１２２内で起こる分析対象物濃度変化の間の時間的な遅延を表現するのである。
【００４２】
遅延時間は血管からの距離の増加とともに増加するので、血管内での分析対象物濃度の変化が所定の時間間隔以内に本発明の方法によって検出できることを保証するためには、距離１０６についての上限を指定しておくことが有益である。この側面は、血中グルコース濃度が臨界値を下回って患者の臨床的ショック状態を引き起こしうる緊急な状況において、きわめて重要である。
【００４３】
図４は、励起放射を加えることのできるさまざまな検査体積１２２および１２８を概略的に示している。たとえば、検査体積１２２は、血管１０８の直径と同様の大きさの領域を覆う励起放射１２４の焦点スポットサイズを表している。このやや焦点を絞ったスポットは、検査領域１２２においてやや大きな放射密度を与え、対応して大きな散乱放射１２６の強度につながる。しかしながら、やや小さな焦点スポットから得られる散乱放射は、被照射組織の形態および生物学的構造の変化にきわめて敏感でもある。よって、細胞内に合焦される放射から得られる散乱放射のスペクトルは、焦点スポットが細胞間の間質液に向けられるときに得られるスペクトルとは劇的に変わったものとなりうる。
【００４４】
したがって、分光装置１００の光案内機構およびその合焦機構は、第二の体積内での励起放射の焦点スポットサイズの変化を提供する。よって、検査体積１２２によって描かれる焦点スポットは、たとえば、検査体積１２８にまで拡大されることができる。この場合、放射強度は典型的には減少するが、さまざまな異なる生物学的構造において散乱過程が起こり、戻り放射１２６のスペクトルの空間的な平均化につながる。
【００４５】
図５は、皮膚の表面の下での第二の体積の横変位を概略的に示している。ここで、検査体積１２２のさまざまな位置は位置１３０、１３２、１３４および１３６によって指示される。見て取れるように、検査体積１２２は、矢印によって示されるような水平方向の検査経路１３８に沿って変位されている。このようにして、毛細管１０４からのさまざまな異なる距離において、分析対象物の濃度が決定できる。典型的には、検査体積１２２、よって励起放射の焦点スポットは、個々の焦点スポットからの戻り放射の検出の間に検査経路１３８に沿って移動される。このようにして、本発明の方法は、空間的な分析対象物濃度勾配を決定することさえ許容し、この濃度勾配が今度は糖尿病のような疾病の指標として活用できる。たとえば、糖尿病患者の血管は典型的には、健康な人の血管に比べて血中グルコースに関する異なる透過性を特徴とすることがありうる。このようにして、空間的なグルコース濃度勾配を測定することによって、疾病の指示が直接得られることがありうるのである。
【００４６】
検査経路１３８は決して血管１０８の長さ方向に実質的に垂直である必要はない。たとえば、検査経路１３８は、血管１０８への同じ距離を特徴とする多数の検査体積を指定してもよい。例として、前記のさまざまな検査体積１３０、…、１３６は、血管１０８の進路を模倣して垂直方向に配置されてもよい。この配位では、逐次に得られるスペクトルは、測定アーチファクトの効果的な解消を許容する平均化手順のために互いに組み合わされることができる。
【００４７】
図６は、さまざまな検査体積１４０、１４２、１４４および１４６が血管１０８のごく近傍に長方形様に配置されている代替的な実施形態を示している。この配位では、検査体積１４０、…、１４６のそれぞれは、本質的に、血管への同程度の距離を特徴としている。したがって、これらの検査体積から得られうるスペクトルはみな、同様の分析対象物濃度レベルを表すはずである。よって、示された検査体積に対応するスペクトルを組み合わせることは、平均化および誤差解消の有効な手段を提供する。
【００４８】
図７は、分析対象物濃度を決定する本発明の方法を実行するフローチャートを示している。第一のステップ７０２では、血管の位置および／または幾何学ならびに進路が撮像システムを使って決定される。得られた血管の画像およびその後の画像処理に基づいて、次のステップ７０４では、第二の体積すなわち検査体積の位置が決定される。第二の体積の位置および／または大きさの決定は、典型的には、血管の位置との関連で、また血管を取り巻く組織の輸送属性との関連で実行される。
【００４９】
検査体積の決定後、後続ステップ７０６において、放射源によって生成された分光励起放射は決定された第二の体積中に合焦され、それは典型的には多様な弾性および非弾性散乱過程につながる。さらなる図示しないステップにおいて、分光装置の検出体積が、励起または検査体積の大きさおよび／または位置との関係で適応および調整されてもよい。
【００５０】
第二の体積中への励起放射の照射の間、次のステップ７０８では、散乱された戻り放射が検出器によって検出される。検出器の出力はステップ７１０において処理および分析される。ここで、戻り放射のスペクトル分析は分光計を使って実行される。分析されたスペクトルに基づいて、最終ステップ７１２において、分析対象物の濃度が決定できる。さらに、第二の体積と血管の位置との間の距離パラメータを使うことによって、また周辺組織の分類された拡散属性を使うことによって、血管内での分析対象物濃度が精密に導出できる。
【００５１】
本質的には、本発明は、血管のごく近傍にある組織のスペクトル分析を利用して血中グルコース濃度の非侵襲的な決定を提供する。分光用の検査体積は実質的に血管と重ならないので、赤血球からの散乱に起因する不都合な信号劣化および血流に起因する得られた分光信号の時間変動を事実上、最小限にまで減らすことができる。また、血液のさまざまな有意でない分析対象物からの分光信号の干渉の効果は事実上解消できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の分光装置のブロック概略図である。
【図２】分析対象物濃度を毛細管からの距離に対して描く図である。
【図３】分析対象物濃度の遅延時間を距離に対して描く図である。
【図４】異なる大きさの諸体積を示す概略図である。
【図５】体積の横変位を示す概略図である。
【図６】逐次的に分光分析の対象となる四つの異なる体積を示す概略図である。
【図７】本発明の方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００５３】
１００  分光装置
１０２  皮膚
１０４  血液
１０６  距離
１０８  血管壁
１１０  光結合機構
１１２  合焦レンズ
１１４  撮像システム
１１６  分光分析ユニット
１１８  照射源
１２０  制御ユニット
１２２  検査体積
１２４  励起放射
１２６  戻り放射
１２８  検査体積
１３０  検査体積
１３２  検査体積
１３４  検査体積
１３６  検査体積
１３８  検査路
１４０  検査体積
１４２  検査体積
１４４  検査体積
１４６  検査体積
２００  図
２０２  距離
２０４  分析対象物濃度
３００  図
３０２  距離
３０４  分析対象物濃度
【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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【国際調査報告】
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