(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射可能な単数または複数のレーザと、
前記レーザから出射されたレーザ光を集束して生体の内部組織に光照射する対物レンズ系と、
前記生体の内部組織により反射され前記対物レンズ系により屈折された反射光を光路変換させるハーフミラーと、
前記ハーフミラーにより光路変換された反射光を集束するレンズ系と、
前記レンズ系により集束された反射光を通過させるピンホールと、
前記ピンホールを通過した反射光を受光する受光素子と
を備える共焦点光学系と、
前記共焦点光学系と前記生体とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構と、
前記レーザから１６００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域で波長を１０ｎｍ間隔で変えながら出射される各レーザ光について前記受光素子でそれぞれ得られる各データに基づいて収集されたグルコースの濃度の３次元分布に基づいて血管の位置を特定するとともに、前記レーザから出射されるレーザ光の波長を変化させて得られたデータに基づいて、前記生体の成分の測定のうち、前記血管における前記生体の成分の測定および前記血管以外の組織部分における前記生体の成分の測定を行うデータ解析系と、
を備え、
前記移動駆動機構により前記共焦点光学系と前記生体とを相対的に３次元的に移動させることで前記生体に対して前記共焦点光学系の焦点位置を相対的に３次元的に移動させて、前記生体の内部組織の３次元的なデータを得て、
前記データ解析系は、
前記生体の内部組織の３次元的なデータにより位置が特定された前記生体の真皮組織において、前記グルコースの濃度の３次元分布に基づいて前記生体の真皮組織に存在する血管の位置を特定するとともに、
前記レーザから出射されるレーザ光の波長を変化させて得られたデータに基づいて、前記生体の成分の測定のうち、前記生体の真皮組織中の前記血管における前記生体の成分の測定および前記真皮組織中の前記血管以外の組織部分における前記生体の成分の測定を行うことを特徴とする生体成分測定装置。
【請求項２】
前記移動駆動機構により前記生体に対して前記共焦点光学系の焦点位置を前記生体の表皮表面からの深さ方向に移動させて、レーザ光の吸光度の変化に基づいて前記焦点位置を前記生体の真皮組織の深さに特定して前記測定を行うことを特徴とする請求項１に記載の生体成分測定装置。
【請求項３】
前記生体の成分は、血液内のグルコースであり、
前記データ解析系は、前記受光素子でそれぞれ得られる各データに基づいて前記生体の内部組織中の前記グルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度の定量を行い血糖値の測定を行うことを特徴とする請求項２に記載の生体成分測定装置。
【請求項４】
前記データ解析系は、前記移動駆動機構により前記生体に対して前記共焦点光学系の焦点位置を移動させて前記真皮組織の深さ方向の位置を特定し、前記真皮組織内で定量された前記グルコースの濃度に基づいて前記真皮組織に存在する血管の位置を特定し、前記血管の位置における前記グルコースの濃度を前記血糖値として測定することを特徴とする請求項３に記載の生体成分測定装置。
【請求項５】
前記生体の成分は、血液内のグルコース以外の成分であり、
前記データ解析系は、前記移動駆動機構により前記生体に対して前記共焦点光学系の焦点位置を移動させて前記真皮組織の深さ方向の位置を特定し、前記真皮組織で反射された反射光を前記受光素子で受光してそれぞれ得られる各データに基づいて前記真皮組織中のグルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度の定量を行い、定量された前記グルコースの濃度に基づいて前記真皮組織に存在する血管の位置を特定し、前記血管の位置において前記グルコース以外の成分の測定を行うことを特徴とする請求項２に記載の生体成分測定装置。
【請求項６】
前記データ解析系は、
血液内の異なるグルコース濃度についてそれぞれ１６００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域で波長を１０ｎｍ間隔で変えながら前記レーザから各レーザ光を出射した各場合の各吸光度に基づいてそれぞれ求められた各重み付け定数と、
前記血液内のグルコース濃度と前記レーザ光の吸光度との検量線と、
を備え、
前記各レーザ光について前記受光素子でそれぞれ得られる各データからそれぞれ吸光度を算出し、算出した前記各吸光度を前記各重み付け定数に基づいて重み付け加算し、前記検量線の情報に基づいて前記重み付け加算された吸光度から前記グルコース濃度を算出することを特徴とする請求項３または請求項５に記載の生体成分測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体成分測定装置に係り、特に、生体にレーザ光を照射しその反射光を検出して生体成分の濃度等を測定する生体成分測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、血液中の血糖値等の成分の濃度等を測定する場合には、注射器で人体から血液を採取したり、指先や耳たぶを穿刺したりして、血液を実際に採取して行われることが多い。それに対して、近年、このように生体を侵襲して血液を採取せずに、生体に光を照射してその生体による反射光や生体を透過した光を検出して光が生体により吸収された度合（吸光度）に基づいて目的の成分の濃度等を測定する手法が提案されている（特許文献１〜５および非特許文献１参照）。
【０００３】
特に、非特許文献１に記載の手法では、図１１に示すように、人体の表皮組織ａ１、真皮組織ａ２、皮下組織ａ３からなる皮膚組織において、表皮組織ａ１では毛細血管があまり発達しておらず、皮下組織ａ３は主に脂肪組織で構成されているのに対して、表皮組織ａ１と皮下組織ａ３との間の真皮組織ａ２では組織内に毛細血管が発達しており、グルコース（glucose）が高い浸透性を有しており血管中から組織内に浸透することから、真皮組織ａ２内のグルコース濃度が血液中の血糖値と相関があると推定する。
【０００４】
そして、その推定の下に、入射用光ファイバＦinと検出用光ファイバＦdetからなるプローブＰを皮膚に当接させ、入射用光ファイバＦinから近赤外光Ｒを照射して真皮組織ａ２内を透過させて検出用光ファイバＦdetで検出し、その吸光度から真皮組織ａ２中のグルコース濃度を測定して、その測定結果に基づいて血液中の血糖値を予測する近赤外分光分析法が提案されている。
【特許文献１】特開平１０−１９０号公報
【特許文献２】特開平１０−１５５７７５号公報
【特許文献３】特開平１０−２１６１１２号公報
【特許文献４】特開平１０−３２５７９４号公報
【特許文献５】特開平１１−１５５８４０号公報
【非特許文献１】丸尾勝彦、外８名，「光学的血糖値測定システムの開発状況」，医科器械学，日本医科器械学会，２００３年８月，第７３巻，第８号，ｐ．４０６−４１４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１〜５に記載された生体中においてグルコース濃度を測定する部位を特定しない手法では、吸光度に関する何らかの測定値が得られても、その吸光度と血糖値との相関が明確でない。また、測定する部位を変えると異なる測定値が得られると考えられるが、それらの結果がいかにして相互に関連付けられ、その関連がどのように血糖値と結び付くかが不明であるという問題がある。
【０００６】
また、非特許文献１に記載の手法では、皮膚組織のうち表皮組織ａ１や皮下組織ａ３の影響が軽減されることがある程度期待できるが、入射された光Ｒは表皮組織ａ１を通過した後、真皮組織ａ２を透過し、さらに表皮組織ａ１を通過して検出用光ファイバＦdetにより検出されるため、真皮組織ａ２におけるグルコース濃度を選択的に検出しているとは言い難い。
【０００７】
また、同文献に記載されているように入射用光ファイバＦinと検出用光ファイバＦdetとの間隔等が固定されていると、表皮組織ａ１や真皮組織ａ２の厚みなど皮膚組織の個人差に対応できずに誤差を生じる要因となってしまう。さらには、真皮組織ａ２内における入射用光ファイバＦinから検出用光ファイバＦdetへの平均光路長が波長ごとに異なるため、解析が困難になるという問題もある。
【０００８】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、測定を行う生体の部位を確実に特定し、当該部位における生体の成分の測定を非侵襲でかつ確実に行うことが可能な生体成分測定装置を提供することを目的とする。また、本発明は、特に血液中の血糖値を非侵襲でかつ確実に測定可能な生体成分測定装置を提供することをも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の問題を解決するために、請求項１に記載の生体成分測定装置は、
レーザ光を出射可能な単数または複数のレーザと、
前記レーザから出射されたレーザ光を集束して生体の内部組織に光照射する対物レンズ系と、
前記生体の内部組織により反射され前記対物レンズ系により屈折された反射光を光路変換させるハーフミラーと、
前記ハーフミラーにより光路変換された反射光を集束するレンズ系と、
前記レンズ系により集束された反射光を通過させるピンホールと、
前記ピンホールを通過した反射光を受光する受光素子と
を備える共焦点光学系と、
前記共焦点光学系と前記生体とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構と、
前記レーザから１６００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域で波長を１０ｎｍ間隔で変えながら出射される各レーザ光について前記受光素子でそれぞれ得られる各データに基づいて収集されたグルコースの濃度の３次元分布に基づいて血管の位置を特定するとともに、前記レーザから出射されるレーザ光の波長を変化させて得られたデータに基づいて、前記生体の成分の測定のうち、前記血管における前記生体の成分の測定および前記血管以外の組織部分における前記生体の成分の測定を行うデータ解析系と、
を備え、
前記移動駆動機構により前記共焦点光学系と前記生体とを相対的に３次元的に移動させることで前記生体に対して前記共焦点光学系の焦点位置を相対的に３次元的に移動させて、前記生体の内部組織の３次元的なデータを得て、
前記データ解析系は、
前記生体の内部組織の３次元的なデータにより位置が特定された前記生体の真皮組織において、前記グルコースの濃度の３次元分布に基づいて前記生体の真皮組織に存在する血管の位置を特定するとともに、
前記レーザから出射されるレーザ光の波長を変化させて得られたデータに基づいて、前記生体の成分の測定のうち、前記生体の真皮組織中の前記血管における前記生体の成分の測定および前記真皮組織中の前記血管以外の組織部分における前記生体の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の生体成分測定装置において、前記移動駆動機構により前記生体に対して前記共焦点光学系の焦点位置を前記生体の表皮表面からの深さ方向に移動させて、レーザ光の吸光度の変化に基づいて前記焦点位置を前記生体の真皮組織の深さに特定して前記測定を行うことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の生体成分測定装置において、
前記生体の成分は、血液内のグルコースであり、
前記データ解析系は、前記受光素子でそれぞれ得られる各データに基づいて前記生体の内部組織中の前記グルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度の定量を行い血糖値の測定を行うことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の生体成分測定装置において、前記データ解析系は、前記移動駆動機構により前記生体に対して前記共焦点光学系の焦点位置を移動させて前記真皮組織の深さ方向の位置を特定し、前記真皮組織内で定量された前記グルコースの濃度に基づいて前記真皮組織に存在する血管の位置を特定し、前記血管の位置における前記グルコースの濃度を前記血糖値として測定することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の生体成分測定装置において、
前記生体の成分は、血液内のグルコース以外の成分であり、
前記データ解析系は、前記移動駆動機構により前記生体に対して前記共焦点光学系の焦点位置を移動させて前記真皮組織の深さ方向の位置を特定し、前記真皮組織で反射された反射光を前記受光素子で受光してそれぞれ得られる各データに基づいて前記真皮組織中のグルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度の定量を行い、定量された前記グルコースの濃度に基づいて前記真皮組織に存在する血管の位置を特定し、前記血管の位置において前記グルコース以外の成分の測定を行うことを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項３または請求項５に記載の生体成分測定装置において、
前記データ解析系は、血液内の異なるグルコース濃度についてそれぞれ１６００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域で波長を１０ｎｍ間隔で変えながら前記レーザから各レーザ光を出射した各場合の各吸光度に基づいてそれぞれ求められた各重み付け定数と、前記血液内のグルコース濃度と前記レーザ光の吸光度との検量線と、を備え、前記各レーザ光について前記受光素子でそれぞれ得られる各データからそれぞれ吸光度を算出し、算出した前記各吸光度を前記各重み付け定数に基づいて重み付け加算し、前記検量線の情報に基づいて前記重み付け加算された吸光度から前記グルコース濃度を算出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、異なる波長のレーザ光を用いた共焦点光学系により生体の内部組織においてその深さ方向や平面方向の位置を特定して生体成分の測定を行うことが可能となるため、表皮組織や真皮組織等の厚みなどのように生体の内部組織を構成する各部位に個人差がある場合であっても、各部位の吸光度の違い等を利用して、目的とする部位の深さ方向の位置範囲を特定できるので、確実に目的とする部位を特定し、その部位における生体成分の測定を行い、しかも、その測定を非侵襲で行うことが可能となる。
【００１７】
また、真皮組織内のグルコース濃度の３次元分布を得ることができ、真皮組織中においてグルコース濃度が高い部位を毛細血管の位置と特定することが可能となるため、その部位におけるグルコース濃度を毛細血管内を流れる血液中のグルコース濃度すなわち血糖値として有効かつ確実に測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る生体成分測定装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
なお、本実施形態では、生体成分測定装置により被験者の例えば腕等の真皮組織にレーザ光を照射し、その反射光を受光素子で受光して得られるデータに基づいてその被験者の血液中のグルコースによるレーザ光の吸光度を測定して血液内の血糖値の定量を行う場合について説明するが、これに限定されない。
【００２０】
生体成分測定装置１は、図１に示すように、生体Ａの生体成分のデータを収集するための共焦点光学系２と、得られたデータを解析するためのデータ解析系３とで構成されている。
【００２１】
共焦点光学系２には、載置台２１が設けられ、載置台２１上に被験者の腕等の生体Ａが載置されるようになっている。
【００２２】
生体Ａの上方には、少なくとも２波長以上の波長のレーザ光を出射可能なレーザ２２が備えられており、本実施形態では、レーザ２２として、出射するレーザ光の波長を変化させることができる波長可変レーザが用いられている。なお、波長可変レーザの代わりに出射するレーザ光の波長が異なる複数のレーザを切り換えて用いるように構成することも可能である。
【００２３】
レーザ２２の生体Ａ側には、レーザ２２から出射されたレーザ光を平行光とするためのコリメータレンズを含むコリメータレンズ系２３が配置されており、コリメータレンズ系２３のさらに生体Ａ側には、コリメータレンズ系２３の光軸に対して略４５°の傾斜を有する状態でハーフミラー２４が配置されている。なお、レーザ２２から出射され、レンズ系２３により平行光とされたレーザ光はハーフミラー２４を透過するようになっている。
【００２４】
ハーフミラー２４の生体Ａ側には、レーザ２２から出射され平行光とされたレーザ光を集束するための対物レンズを含む対物レンズ系２５が配置されており、レーザ光は対物レンズ系２５により集束されて、生体Ａの内部組織に光照射されるようになっている。
【００２５】
生体Ａの内部組織で反射された反射光は、対物レンズ系２５で屈折されて平行光とされ、ハーフミラー２４に入射してハーフミラー２４により反射され、略９０°光路変換されるようになっている。
【００２６】
ハーフミラー２４の側方には、ハーフミラー２４により光路変換された反射光が入射され、それを集束するレンズ系２６が配置されており、レンズ系２６により屈折された反射光は、レンズ系２６の側方に設けられたピンホール２７の位置で集束し、ピンホール２７を通過して、光電子増倍管やフォトダイオード、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等で構成された受光素子２８に受光されるようになっている。なお、ピンホール２７は、図示しない絞りを設けたり、径が異なる複数のピンホールを設けてそれらを切り替え可能に構成すること等により、通過する反射光の光量を調整できるように構成することも可能である。
【００２７】
受光素子２８からは、受光素子２８が受光した反射光の光量に応じて強さや大きさが増減する電流や電圧がデータ信号として出力され、そのデータ信号がＡ／Ｄ変換器２９によりＡ／Ｄ変換されて、生体成分測定装置１のデータ解析系３に送信されるようになっている。
【００２８】
データ解析系３は、本実施形態では、図２に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１やＲＯＭ（Read Only Memory）３２、ＲＡＭ（Random Access Memory）３３、入出力インターフェース３４等がバス３５に接続されて構成されるコンピュータで構成されている。ＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３２に記憶されているデータ解析用のプログラム等の各種プログラムを読み出してＲＡＭ３３に適宜展開して各種処理を実行するようになっている。
【００２９】
データ解析において、ＣＰＵ３１は、波長の異なる２波長以上の波長の各レーザ光の出射により受光素子２８からＡ／Ｄ変換器２９や入出力インターフェース３４を介して入力される複数のデータ信号に基づいて生体Ａの生体成分の定量を行うようになっている。
【００３０】
具体的には、血糖値すなわち血液内のグルコース濃度の定量を行う場合、ＲＯＭ３２には、図３に示すような血液内のグルコース濃度とレーザ光の吸光度との検量線が記憶されており、ＣＰＵ３１は、この検量線に基づいて生体Ａの生体成分の定量を行うようになっている。
【００３１】
検量線は、例えば以下の手法により予め求めておくことができる。すなわち、まず、被験者から血液を採取して血液内のグルコース濃度を測定する。そして、それと同時に、上記の共焦点光学系２のレーザ２２を調整して、その被験者に対してグルコースによる吸収がない、またはほとんどない波長のレーザ光を照射し、レーザ光の反射光の強度のデータを収集する。
【００３２】
そして、次に、例えばグルコースの吸収が比較的大きい１６００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域で波長を１０ｎｍ間隔で変えながらその被験者にレーザ光を照射する。そして、各波長についてデータ解析系３でそれぞれデータ信号を収集し、得られた各データ信号と前記レーザ光の反射光の強度のデータとから各波長についての吸光度をそれぞれ算出する。この各波長ごとの吸光度の算出を、例えば被験者にグルコースを経口摂取させるなどして血液内の異なるグルコース濃度で行う。
【００３３】
このようにして、各波長についての吸光度が各グルコース濃度ごとにテーブル状に得られるが、続いて、このテーブル状の吸光度のデータを用いて、各波長について得られる吸光度のデータを重み付け加算する際の各データについての最適な重み付け定数を求める。そして、例えば図３に示すように、グルコース濃度を横軸（ｘ軸）にとり、重み付け加算された吸光度を縦軸（ｙ軸）にとったグラフを作成し、グルコース濃度をｘ座標、そのグルコース濃度において各波長における吸光度のデータを重み付け加算した吸光度をｙ座標とする点をプロットし、それを各グルコース濃度について行うことで図３に示すような検量線が得られる。
【００３４】
なお、図３では、４種類のグルコース濃度の結果のみが記載されているが、何種類の異なるグルコース濃度の結果で検量線を作成するかは適宜決定される。また、検量線は図３に記載されているように直線状に、すなわちグルコース濃度と重み付け加算された吸光度が比例または一次関数的な関係になるとは限らず、検量線は、直線近似または曲線近似された式の形、或いはグルコース濃度と重み付け加算された吸光度とを変数とするテーブルの形でＲＯＭ３２に記憶されている。また、ＲＯＭ３２には、各波長について得られる吸光度のデータに重み付けするための各重み付け定数が記憶されている。
【００３５】
ＣＰＵ３１は、血糖値の測定においては、前述した１６００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域で波長を１０ｎｍ間隔で変えながら共焦点光学系２のレーザ２２からレーザ光を出射させ、各波長について受光素子２８からそれぞれデータ信号を入手する。そして、各波長についてそれぞれ吸光度を算出し、ＲＯＭ３２から重み付け定数を読み出して各吸光度を重み付け加算する。そして、ＲＯＭ３２から検量線の情報を読み出して、この検量線の情報に基づいて重み付け加算された吸光度からそれに対応するグルコース濃度を算出するようになっている。
【００３６】
なお、その際、予めＲＯＭ３２に記憶された検量線の情報に基づいてグルコース濃度が算出されるため、生体Ａから血液を採取せずに非侵襲で血糖値の測定が行われる。また、波長を種々変えて得られた複数の波長における吸光度の最適な重み付け定数や、重み付け加算された吸光度とグルコース濃度との検量線の算出を、例えば多変量解析等の手法を用いて行うように構成することも可能である。
【００３７】
図２に示したように、本実施形態では、生体成分測定装置１には、共焦点光学系２と生体Ａとを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構４が設けられており、移動駆動機構４の駆動により生体Ａに対して共焦点光学系２の焦点位置を相対的に３次元的に移動させて、生体Ａの内部組織の３次元的なデータを得ることができるようになっている。
【００３８】
具体的には、本実施形態では、作業者がデータ解析系３を構成するコンピュータを操作することで移動駆動機構４を作動させることができるようになっており、移動駆動機構４の作動により、共焦点光学系２のうち、レーザ２２、コリメータレンズ系２３、ハーフミラー２４、対物レンズ系２５、レンズ系２６、ピンホール２７および受光素子２８等が、載置台２１上に載置された生体Ａに対して一体的に３次元方向、すなわち図１に示すようにＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向にμｍ（マイクロメータ）レベルで微小移動されるようになっている。
【００３９】
ここで、図１中のＸ軸方向およびＹ軸方向は、生体Ａの表皮面に略平行な平面内の互いに直交する方向であり、以下、Ｘ軸方向およびＹ軸方向をあわせて生体Ａの表皮面に平行な平面方向または単に平面方向という。また、図１中のＺ軸方向は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に直行し、生体Ａの表皮面からの深さを表す方向であり、以下、生体Ａの表皮面からの深さ方向または単に深さ方向という。
【００４０】
つまり、本実施形態では、移動駆動機構４は、作業者のキーボード等の操作に基づくＣＰＵ３１からの指示に応じて、共焦点光学系２の上記各部材をＸ軸方向やＹ軸方向すなわち生体Ａの表皮面に平行な平面方向に微小量ずつ移動させることで、図４に示すように共焦点光学系２の対物レンズ系２５の焦点位置Ｆを生体Ａの内部組織中で平面方向に２次元的にスキャンさせることができるようになっている。
【００４１】
また、移動駆動機構４は、作業者の操作に基づくＣＰＵ３１からの指示に応じて、共焦点光学系２の上記各部材をＺ軸方向すなわち深さ方向に微小量ずつ移動させることで、図５に示すように共焦点光学系２の対物レンズ系２５の焦点位置Ｆを深さ方向に微小量ずつ移動させることができるようになっている。
【００４２】
そして、これにより、焦点位置Ｆの平面方向の２次元スキャンを生体Ａ内で深さを変えて行うことで、生体Ａの内部組織の３次元的にデータを得ることができるようになっている。本実施形態では、後述するように、この３次元的なデータ採取を生体Ａの真皮組織ａ２に対して行うようになっている。
【００４３】
さらに、ＣＰＵ３１は、生体Ａの真皮組織ａ２について焦点位置Ｆの位置を平面方向および深さ方向に変化させて前述した手法によりグルコース濃度の算出を行い、得られたグルコース濃度を３次元的にマッピングすることで、生体Ａの真皮組織ａ２に存在する毛細血管の位置を特定して、血液中のグルコース濃度を測定するようになっている。この点については、後で詳しく述べる。なお、図４や図５において、ａ１は表皮組織、ａ２は真皮組織、ａ３は皮下組織を表す。
【００４４】
なお、移動駆動機構４は、共焦点光学系２の各部材の位置や各部材間の距離を調整することもできるようになっている。また、本実施形態のように静止する生体Ａに対して共焦点光学系２を移動させる代わりに、静止する共焦点光学系２に対して生体Ａの位置を３次元的に移動させるように構成することも可能であり、共焦点光学系２と生体Ａとをともに移動させて相対的に３次元的に移動させるように構成することも可能である。
【００４５】
また、対物レンズ系２５の焦点位置Ｆの深さ方向への移動は、本実施形態のように対物レンズ系２５自体の生体Ａへの接近により行われる代わりに、あるいはそれとあわせて、対物レンズ系２５内部でのレンズ配置の変更により行われるように構成することも可能である。また、対物レンズ系２５内部でのレンズ配置の変更により対物レンズ系２５の焦点位置Ｆの深さ方向への移動が行われる場合には、それにあわせてレンズ系２６−ピンホール２７間の距離も変更される。
【００４６】
次に、本実施形態に係る生体成分測定装置１の作用について説明する。
【００４７】
生体成分測定装置１の共焦点光学系２では、前述したように、レーザ２２から出射されたレーザ光が対物レンズ系２５により集束されて生体Ａの内部組織に光照射され、その反射光が対物レンズ系２５で屈折され、ハーフミラー２４で反射された後、レンズ系２６で屈折され、ピンホール２７の位置で集束してピンホール２７を通過する。そして、ピンホール２７を通過した反射光が受光素子２８に受光される。
【００４８】
その際、レーザ光は、図６に示すように対物レンズ系２５の焦点位置Ｆのレンズ側の位置Ｐ１や、図７に示すように対物レンズ系２５の焦点位置Ｆのレンズからさらに遠方側の位置Ｐ２にも到達するため、それらの位置Ｐ１、Ｐ２でもレーザ光の反射が生じ得る。
【００４９】
しかし、図６のように焦点位置Ｆよりレンズ側の位置Ｐ１の内部組織で反射した反射光は、レンズ系２６で屈折されるとピンホール２７の手前の位置で集束するため、反射光の大半はピンホール２７を形成する壁面で遮蔽されてしまい、反射光のごく一部しかピンホール２７を通過しない。
【００５０】
また、図７のように焦点位置Ｆのレンズからさらに遠方側の位置Ｐ２の内部組織で反射した反射光は、レンズ系２６で屈折されるとピンホール２７の位置で集束し切れず、上記と同様に、反射光の大半がピンホール２７を形成する壁面で遮蔽されてしまい、反射光のごく一部しかピンホール２７を通過しない。
【００５１】
それに対し、図１に示したように、対物レンズ系２５の焦点位置Ｆの内部組織で反射した反射光は、レンズ系２６で屈折されるとピンホール２７の位置で的確に集束するため、反射光のほぼ全量がピンホール２７を通過する。
【００５２】
そして、ピンホール２７を小径に形成することで、対物レンズ系２５の焦点位置Ｆの内部組織で反射した反射光はそのほぼ全量がピンホール２７を通過し、焦点位置Ｆ以外の位置の内部組織で反射した反射光はピンホール２７をほとんど通過しないようにすることができる。
【００５３】
このように、本実施形態の共焦点光学系２では、ピンホール２７を通過する反射光は、そのほとんどが対物レンズ系２５の焦点位置Ｆにおいて内部組織で反射した反射光となるため、焦点位置Ｆで特定される内部組織の位置における生体成分の情報を精度良く反映した反射光を受光素子２８で検出することが可能となる。そのため、共焦点光学系２を移動駆動機構４で移動させ、対物レンズ系２５の焦点位置Ｆを微小量ずつ変えてデータを収集することで、生体Ａの内部組織における位置を特定しながらその位置におけるグルコース濃度を収集することが可能となる。
【００５４】
また、上記のように、焦点位置Ｆで特定される内部組織の位置における反射光以外の反射光はほとんどピンホール２７を通過できないので、焦点位置Ｆで特定される内部組織の位置における生体成分の情報をＳ／Ｎよく検出することが可能となる。
【００５５】
また、本実施形態では、生体Ａの内部組織のうち真皮組織ａ２のグルコース濃度のデータを３次元的に収集し、真皮組織ａ２中に存在する毛細血管の位置を特定して、その毛細血管の位置におけるグルコース濃度を血液中のグルコース濃度すなわち血糖値として測定する。
【００５６】
そのために、まず、共焦点光学系２をＺ軸方向、すなわち生体Ａの表皮面からの深さ方向に移動させながら、生体Ａにおける真皮組織ａ２の位置を特定する。
【００５７】
生体Ａの皮膚組織を構成する表皮組織ａ１、真皮組織ａ２および皮下組織ａ３は、グルコース等に特定されない全成分による吸光度、すなわちグルコースや水、脂肪等により吸収される分を含む全吸光度が照射されるレーザ光の波長に応じてそれぞれの組織で異なるという特性を有する。図８は、前述した非特許文献１に示されているシミュレーション結果を転載したものであるが、例えば、レーザ光の波長が１４５０ｎｍである場合には、真皮組織ａ２の吸光度が表皮組織ａ１や皮下組織ａ３の吸光度より格段に大きい。また、実際の観測においても、レーザ光の波長を適宜選択すると、表皮組織ａ１、真皮組織ａ２、皮下組織ａ３でレーザ光の吸光度が比較的明確に変化することが観測される。
【００５８】
そこで、本実施形態では、移動駆動機構４を作動させて、図５に示したように、対物レンズ系２５の焦点位置Ｆが表皮面に近い位置に集束されるように共焦点光学系２の位置調整を行った後、共焦点光学系２をＺ軸方向に微小移動させて焦点位置Ｆを深さ方向に微小量ずつ移動させながら、各位置でレーザ光の全成分による吸光度を測定する。そして、吸光度が大きく増加した位置で焦点位置Ｆが表皮組織ａ１から真皮組織ａ２に移行し、さらに共焦点光学系２をＺ軸方向に移動させて、吸光度が大きく減少した位置で焦点位置Ｆが真皮組織ａ２から皮下組織ａ３に移行したと判断して、真皮組織ａ２の深さ方向の位置の範囲を特定する。
【００５９】
なお、真皮組織ａ２の深さ方向の位置の特定においては、本実施形態のように全成分による吸光度を用いる代わりに、前述したグルコース濃度の変化で特定することも可能である。前述したように、角質層を含み毛細血管があまり発達していない表皮組織ａ１や、主に脂肪組織で構成される皮下組織ａ３に比べ、真皮組織ａ２は組織内に毛細血管が発達していてグルコース濃度が高い。そのため、グルコース濃度が高い深さ方向の範囲を真皮組織ａ２の深さ方向の位置の範囲として特定することができる。
【００６０】
続いて、真皮組織ａ２であると判断された深さ方向の範囲内で、図４に示したように共焦点光学系２をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、対物レンズ系２５の焦点位置Ｆを生体Ａの表皮面に平行な平面方向に微小量ずつ移動させて真皮組織ａ２中で２次元スキャンさせながら、その各位置でグルコース濃度を測定する。すると、図９に示すように、各位置におけるグルコース濃度を２次元的にマッピングした場合、例えば図中に斜線を付して示された部分のように、グルコース濃度が周囲より高い部分が検出される。
【００６１】
この２次元スキャンによるマッピングを、焦点位置Ｆを深さ方向（Ｚ軸方向）に微小移動させながら行うと、図１０に示すように、グルコース濃度の３次元分布を得ることができる。そして、図１０に斜線を付して示された部分のように、グルコース濃度が周囲より高い部分の３次元分布が線状に検出される場合がある。
【００６２】
前述したように、グルコースは毛細血管から組織内に高い浸透性を有するとはいえ、真皮組織ａ２中における濃度より毛細血管中の濃度の方が高いから、グルコース濃度が周囲より高く線状に検出された部分は、真皮組織ａ２中の毛細血管であると判別することができる。
【００６３】
本実施形態では、このようにして、周囲よりもグルコース濃度が高く線状に検出された部分を真皮組織ａ２中の毛細血管であるとしてその位置を特定し、その毛細血管の位置におけるグルコース濃度を毛細血管内を流れる血液中の血糖値として測定するようになっている。
【００６４】
本実施形態では、上記のように、グルコースや水、脂肪等の全成分による吸光度やグルコース濃度により真皮組織ａ２の深さ方向の位置の範囲を特定し、グルコース濃度に基づいて真皮組織ａ２中の毛細血管の位置を特定することができる。このようにして毛細血管の位置が特定できれば、その位置における他の成分の濃度等を測定することで、血液中のグルコース以外の成分の濃度等の測定を行うことが可能となる。
【００６５】
その際、このようにしてグルコース以外の成分の濃度等を測定する場合には、前述したグルコースの場合と同様に、例えばその成分による吸収が大きい波長領域内で波長を種々変化させて得られるデータ信号に基づいて算出されるその成分による吸光度を重み付け加算するための各重み付け定数と、重み付け加算された吸光度とその成分とを対応付ける検量線を予め作成し、ＲＯＭ３２に記憶させておくことが必要となる。
【００６６】
また、真皮組織ａ２における毛細血管以外の組織部分の位置を特定することもできるから、上記と同様の手法により、真皮組織ａ２の毛細血管以外の組織部分における種々の生体成分の濃度等の測定を行うことが可能となる。さらには、本実施形態では、表皮組織ａ１、真皮組織ａ２および皮下組織ａ３の位置をそれぞれ区別して特定して測定を行うことができるため、それぞれの組織における種々の生体成分を的確に区別してその濃度等の測定を行うことが可能となる。
【００６７】
以上のように、本実施形態に係る生体成分測定装置１によれば、異なる波長のレーザ光を用いた共焦点光学系２により、生体Ａの内部組織においてその深さ方向や平面方向の位置を特定して生体成分の測定を行うことが可能となる。そのため、例えば真皮組織ａ２における生体成分の測定を行う場合などのように、生体Ａの内部組織を構成する各部位の厚み、すなわち表皮組織ａ１や真皮組織ａ２等の厚み等に個人差がある場合であっても、各部位の吸光度の違い等を利用して、目的とする部位の深さ方向の位置範囲を特定できるので、確実に目的とする部位を特定し、その部位における生体成分の測定を行うことが可能となる。
【００６８】
また、共焦点光学系２により生体Ａに異なる波長のレーザ光を照射してその反射光を測定するだけであるから、血液の採取等を伴わず、当該部位における生体成分の測定を非侵襲で行うことが可能となる。
【００６９】
さらに、本実施形態に係る異なる波長のレーザ光を用いた共焦点光学系２は、前述したように生体Ａの内部組織における深さ方向や平面方向の位置を特定して反射光を得ることができるものであるから、真皮組織ａ２内のグルコース濃度の３次元分布を得ることができる。そのため、真皮組織ａ２中においてグルコース濃度が高い部位を毛細血管の位置と特定することが可能となり、その部位におけるグルコース濃度を毛細血管内を流れる血液中のグルコース濃度、すなわち血糖値として有効かつ確実に測定することが可能となる。しかも、上記のように血糖値を非侵襲で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本実施形態における生体成分測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態における生体成分測定装置のデータ解析系等の構成を示すブロック図である。
【図３】グルコース濃度と重み付けされた吸光度との検量線の例を示すグラフである。
【図４】生体の内部組織中で平面方向に移動される焦点位置を説明する図である。
【図５】生体の内部組織中で深さ方向に移動される焦点位置を説明する図である。
【図６】焦点位置より浅い位置で反射した反射光がピンホールの手前の位置で集束することを説明する図である。
【図７】焦点位置より深い位置で反射した反射光がピンホールの位置で集束し切れないことを説明する図である。
【図８】表皮組織、真皮組織、皮下組織における吸光度のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図９】真皮組織内のグルコース濃度をマッピングした際に周囲より高いグルコース濃度が検出される部分を表す図である。
【図１０】グルコース濃度の３次元分布において周囲より高いグルコース濃度が線状に検出される部分を表す図である。
【図１１】入射用光ファイバから近赤外光を照射し、真皮組織を透過させて検出用光ファイバで検出する従来の手法を説明する図である。
【符号の説明】
【００７１】
１    生体成分測定装置
２    共焦点光学系
３    データ解析系
４    移動駆動機構
２２  レーザ
２４  ハーフミラー
２５  対物レンズ系
２６  レンズ系
２７  ピンホール
２８  受光素子
Ａ    生体
ａ２  真皮組織
Ｆ    焦点位置
Ｘ、Ｙ  表皮表面に平行な平面方向
Ｚ    深さ方向
【図１】
0005684443.tif 000002
【図２】
0005684443.tif 000003
【図３】
0005684443.tif 000004
【図４】
0005684443.tif 000005
【図５】
0005684443.tif 000006
【図６】
0005684443.tif 000007
【図７】
0005684443.tif 000008
【図８】
0005684443.tif 000009
【図９】
0005684443.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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