(57)【要約】【課題】非侵襲的なグルコース濃度測定装置において、生体内での拡散光の検出効率を上げて測定精度を向上させること。【解決手段】生体Ａ表面に配置されて、近赤外光を照射光として生体内に照射する光照射部６と、生体内で拡散した拡散光を生体外部において検出する検出器７と、該検出器により検出された光のスペクトルに基づいて生体内のグルコース濃度を求める演算手段１８と、生体表面で反射された前記照射光と前記拡散光との偏光面が互いに垂直となるように光路上に配置されこの拡散光を選択的に前記検出器に入力させる光学偏光部材２３，２４とを備えている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体表面に配置されて、近赤外光を照射光として生体内に照射する光照射部と、生体内で拡散した拡散光を生体外部において検出する検出器と、該検出器により検出された光のスペクトルに基づいて生体内のグルコース濃度を求める演算手段と、
生体表面で反射された前記照射光と前記拡散光との偏光面が互いに垂直となるように光路上に配置されこの拡散光を選択的に前記検出器に入力させる光学偏光部材とを備えていることを特徴とするグルコース濃度測定装置。
【請求項２】
前記光学偏光部材が、前記光照射部から前記生体までの照射光と生体から前記検出器までの拡散光との共通の光路上に配された直線偏光板及び１／４波長板を備えていることを特徴とする請求項１に記載のグルコース濃度測定装置。
【請求項３】
前記光学偏光部材が、生体内からの前記拡散光を分岐して前記検出器へ入力させる偏光ビームスプリッタを備えていることを特徴とする請求項１に記載のグルコース濃度測定装置。
【請求項４】
前記光学偏光部材が、生体内からの前記拡散光を分岐して前記検出器へ入力させるハーフミラーと偏光板とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のグルコース濃度測定装置。
【請求項５】
前記光照射部が、生体に対向する前記照射光の出射領域に近赤外光が透過可能な窓部材を備え、
前記窓部材の表面が、前記照射光の光路に対して斜めに配されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のグルコース濃度測定装置。
【請求項６】
前記照射光を発生する音響光学可変波長フィルタを備え、
前記音響光学可変波長フィルタからの前記照射光の光路上に配置された前記光学偏光部材が、前記照射光と一致した偏光面を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のグルコース濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体内等のグルコース濃度を非侵襲で測定するグルコース濃度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、糖尿病の判断のために血中グルコース濃度測定が行われており、特に糖尿病患者のインシュリン投与量を決定する血糖値を検査するためにグルコース濃度の測定が行われている。このグルコース濃度の測定は、一般に、指や腕から採取した血液を直接分析することにより行われている。患者の体内における血液中のグルコース濃度は、食事の前後や運動後などの測定条件によって変化するため、正確な血糖値を得るためには、頻繁なグルコース濃度測定が必要である。
しかしながら、採血した血液を直接分析する上記方法では、グルコース濃度の測定の度に注射針等を刺して採血しなければならず、患者にかかる負担が大きいという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するために、指、腕、耳朶などの生体組織に対し、外部から近赤外光を照射して生体内で拡散させ、生体外に出射された光を検出する非侵襲的なグルコース濃度測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の方法は、複数本の発光ファイバと複数本の受光ファイバとを束ねて構成した光ファイババンドルを用意し、該光ファイババンドルを構成する各光ファイバの先端面を生体表面に接触状態に配置する。そして、複数の発光ファイバの先端面から近赤外光を照射することにより、生体内に入射させ、生体内において拡散されて生体表面から生体外に戻る光を複数の受光ファイバにおいて受光するとともに、受光された光のスペクトルを分析することによりグルコースの濃度を算出するものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１３１３２２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のグルコース濃度測定技術には、以下の課題が残されている。すなわち、生体内から戻って受光ファイバに受光される光には、グルコース濃度に寄与しない生体表面からの直接反射光も含まれるため、生体内で散乱した光（拡散光）の検出効率が悪いという問題がある。
特許文献１に示される方法は、多数の発光ファイバおよび受光ファイバを使用することにより、照射光量および検出光量を増加させることで、検出されるグルコース濃度の情報量を増加させている。しかしながら、このような方法では、光ファイバーを使用するため、検出できる光量が限られてしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、効率良く生体内の拡散光を検出して測定精度を向上させることができるグルコース濃度測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のグルコース濃度測定装置は、生体表面に配置されて、近赤外光を照射光として生体内に照射する光照射部と、生体内で拡散した拡散光を生体外部において検出する検出器と、該検出器により検出された光のスペクトルに基づいて生体内のグルコース濃度を求める演算手段と、生体表面で反射された前記照射光と前記拡散光との偏光面が互いに垂直となるように光路上に配置されこの拡散光を選択的に前記検出器に入力させる光学偏光部材とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
このグルコース濃度測定装置では、生体表面で反射された照射光と拡散光との偏光面が互いに垂直となるように光路上に配置されこの拡散光を選択的に検出器に入力させる光学偏光部材を備えているので、光学偏光部材により照射光に対して垂直な偏光面とされた拡散光を分離して検出器に入力することができ、高効率な検出が可能になる。
【０００９】
また、本発明のグルコース濃度測定装置は、前記光学偏光部材が、前記光照射部から前記生体までの照射光と生体から前記検出器までの拡散光との共通の光路上に配された直線偏光板及び１／４波長板を備えていることを特徴とする。
【００１０】
このグルコース濃度測定装置では、照射光及び拡散光の共通光路上に直線偏光板と１／４波長板とが配されているので、照射光が直線偏光板により直線偏光されると共に振動方向が１／４波長板により４５°回転されて生体に照射される。そして、この照射光が生体表面等で反射した際に光の進行方向が逆転するため、この反射光は再び１／４波長板を通過して直線偏光に戻された後、偏波面が往路と９０°変わっているため直線偏光板で遮断される。したがって、生体表面等からの直接反射光を除去して、生体内の拡散光だけを検出器で受光することができ、生体内で散乱した光を効率良く検出することができる。
【００１１】
また、本発明のグルコース濃度測定装置は、前記光学偏光部材が、生体内からの前記拡散光を分岐して前記検出器へ入力させる偏光ビームスプリッタを備えていることを特徴とする。
【００１２】
このグルコース濃度測定装置では、偏光ビームスプリッタを備えているので、生体から戻ってきた拡散光を分岐して検出器に入力させるため、検出器と光照射部とを離間させて配置可能になり、拡散光に対して検出器の受光面を大きく設定することができ、受光効率を高めることができる。
【００１３】
また、本発明のグルコース濃度測定装置は、前記光学偏光部材が、生体内からの前記拡散光を分岐して前記検出器へ入力させるハーフミラーと偏光板とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
このグルコース濃度測定装置では、ハーフミラーと偏光板とを備えているので、ハーフミラーで生体から戻ってきた照射光と拡散光とを検出器側に分岐すると共に偏光板で拡散光を選択的に検出器へ入力させることができ、検出器と光照射部とを離間させて配置可能になり、拡散光に対して検出器の受光面を大きく設定することができ、受光効率を高めることができる。また、偏光ビームスプリッタを用いる場合よりも、安価に構成することができる。
【００１５】
また、本発明のグルコース濃度測定装置は、前記光照射部が、生体に対向する前記照射光の出射領域に近赤外光が透過可能な窓部材を備え、前記窓部材の表面が、前記照射光の光路に対して斜めに配されていることを特徴とする。
【００１６】
このグルコース濃度測定装置では、窓部材の表面が照射光の光路に対して斜めに配されているので、照射光が窓部材で斜めに反射して該反射光が照射光の光路からずれて戻るため、偏光ビームスプリッタを介した反射光の検出器への入力を防ぐことができる。これにより、窓部材からの直接反射光も効果的に除去することができ、生体内での拡散光の検出効率をさらに向上させることができる。
【００１７】
また、本発明のグルコース濃度測定装置は、前記照射光を発生する音響光学可変波長フィルタを備え、前記音響光学可変波長フィルタからの前記照射光の光路上に配置された前記光学偏光部材が、前記照射光と一致した偏光面を有していることを特徴とする。
【００１８】
このグルコース濃度測定装置では、照射光光路上に配置された光学偏光部材が、照射光と一致した偏光面を有しているので、照射光を高効率で透過させて生体へ照射させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るグルコース濃度測定装置の第１実施形態を、図１を参照しながら説明する。
【００２０】
本実施形態のグルコース濃度測定装置１は、図１に示すように、測定ヘッド２と、該測定ヘッド２に接続される制御部３と、該制御部３に接続される表示部４と、測定端面２ａの開口部２ｂに設けられ近赤外光を透過可能な窓部材Ｗとを備えている。
上記測定ヘッド２は、空洞部５内の中央に配置された光照射部６と、該光照射部６の周囲に配置されたＰｂＳ（硫化鉛）センサ（検出器）７とを備えている。
【００２１】
上記光照射部６は、円形横断面を有する中空の円筒状部材であって、その先端開口６ａが上記測定端面２ａ近傍に配置されている。
上記ＰｂＳセンサ７は、円形横断面を有する円筒状に形成されており、光照射部６の周囲に複数個配置されている。なお、本実施形態では、ＰｂＳセンサ７として、例えば、Ｐ２５３２−０１（浜松ホトニクス社製）が使用される。また、ＰｂＳセンサの代わりにＩｎＧａＡｓＰＩＮフォトダイオード（例えば、Ｇ５８５３−１０３：浜松ホトニクス社製）を使用しても良い。
なお、測定ヘッド２の側面には、ＰｂＳセンサ７を冷却するための図示しないヒートシンク又は電子冷却素子（ペルチェ素子）が設けられている。
上記制御部３は、ハロゲンランプなどの光源１０と、該光源１０から発せられた光をコリメートするコリメートレンズ１１と、コリメートされた光を一定の偏光方向に偏光するポーラライザ１２と、入力された高周波の周波数に応じて、ポーラライザ１２で偏光された光の特定の波長の光のみをさらに偏光して出射する音響光学可変波長フィルタ（ＡＯＴＦ：Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）１３と、該音響光学可変波長フィルタ１３に高周波を供給して制御するフィルタ制御部１４と、音響光学可変波長フィルタ１３において偏光された特定の波長の光のみを通過させるアナライザ１５と、該アナライザ１５を通過させられた光を生体Ａに集光する集光レンズ１６と、ＰｂＳセンサ７からの出力信号を増幅するアンプ１７と、該アンプ１７により増幅された出力信号に基づいてグルコース濃度を算出する演算部（演算手段）１８とを備えている。なお、図中、符号１９はＰｂＳセンサ７からアンプ１７に接続される配線である。
【００２２】
上記フィルタ制御部１４は、音響光学可変波長フィルタ１３に対して特定の周波数の高周波を供給するのと同期して、その周波数に応じて音響光学可変波長フィルタ１３から出射されている光の波長信号を演算部１８に供給するようになっている。また、フィルタ制御部１４は、音響光学可変波長フィルタ１３に供給する高周波の周波数を順次変更するようになっている。
【００２３】
上記演算部１８は、アンプ１７から得られた複数の出力信号と、フィルタ制御部１４から得られた各出力信号に対応する波長信号とから得られる出力信号のスペクトル分布に基づいて、特定波長、例えば波長１．５μｍ近傍の領域における出力信号値からグルコース濃度を演算するようになっている。
また、上記表示部４は、演算部１８に接続されたディスプレイであって、演算部１８から出力されたグルコース濃度値を表示するようになっている。
【００２４】
上記窓部材（光学偏光部材）Ｗは、直線偏光板２３と１／４波長板２４とを重ねて構成されている。すなわち、直線偏光板２３及び１／４波長板２４は、音響光学可変波長フィルタ１１からの照射光及び生体Ａ内からの拡散光の光路上に配される。なお、１／４波長板２４は、直線偏光板２３と生体Ａとの間に配されており、直線偏光板２３の外側に位置する。
この直線偏光板２３は、音響光学可変波長フィルタ１１出口の照射光の偏光方向と一致する偏光方向となるように偏光面が配されている。
【００２５】
このように構成された本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１によるグルコース濃度の測定方法について、以下に説明する。
【００２６】
本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１を用いて生体Ａ内の体液のグルコース濃度を測定するには、測定ヘッド２の測定端面２ａを生体Ａ、例えば、指先の表面に密着又は近接させる。これにより、測定端面２ａに設けられた窓部材Ｗが、生体Ａの表面に密着又は近接させられる。なお、測定部位は、指先の他、手の掌、前腕でもよい。
この状態で、光源１０および音響光学可変波長フィルタ１３を作動させ、光源１０から発せられた光から近赤外光を分光して光照射部６に入射させる。光照射部６に入射させた近赤外光は、光照射部６の先端面から出射されることにより、窓部材Ｗを透過し、生体Ａの表面から生体Ａ内に入射させられる。
【００２７】
生体Ａ内に入射された近赤外光の照射光は、入射方向に沿って生体Ａ内を進行する間に、生体組織に衝突して拡散される。生体Ａ内の光は、通過する生体組織や体液の成分に応じて、特定の波長領域の光が吸収される。したがって、生体Ａ内で拡散されることにより、生体Ａの表面に戻って生体Ａ外に出射された拡散光は、通過した生体組織や体液に応じた特定の波長領域の光量が低下している。
そして、このように生体Ａ外に出射された拡散光をＰｂＳセンサ７により検出し、該ＰｂＳセンサ７からの出力信号がアンプ１７によって増幅された後に演算部１８に入力される。演算部１８は、入力されたＰｂＳセンサ７からの出力信号に基づいて生体Ａ内のグルコース濃度を計算する。そして、計算されたグルコース濃度が、表示部４に表示されることになる。
【００２８】
上記照射光が、生体Ａに照射される際、直線偏光板２３がその偏光方向を照射光の偏光方向に合わせているので、直接偏光板２３を透過可能であり、さらに振動方向が１／４波長板２４により円偏光化されると共に４５°回転されて生体Ａに照射される。そして、この照射光が生体Ａ表面等で反射した際に光の進行方向が逆転するため、この反射光は再び１／４波長板２４を通過して直線偏光に戻された後、偏波面が往路と９０°変わっているため、偏光方向が直交している直線偏光板２３を透過できない。したがって、測定上のノイズ成分となる生体Ａ表面からの直接反射光を遮断することができる。
【００２９】
このように本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１では、窓部材Ｗとして直線偏光板２３と１／４波長板２４とを設置しているので、生体Ａ表面等からの直接反射光を除去して、生体Ａ内の拡散光だけをＰｂＳセンサ７で受光することができ、生体Ａ内の拡散光を効率的に検出することができる。
【００３０】
次に、本発明に係るグルコース濃度測定装置の第２実施形態について、図２及び図３を参照して説明する。
【００３１】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、光照射部６からの照射光を直接、窓部材Ｗを通して生体Ａに照射するのに対し、第２実施形態のグルコース濃度測定装置２０では、図２に示すように、光照射部６からの照射光を、直線偏光板として偏光ビームスプリッタ２２（光学偏光部材）と光学的窓部材Ｗ１とを介して生体Ａに照射する点である。
【００３２】
上記偏光ビームスプリッタ２２は、生体Ａ内からの拡散光を分岐して光照射部６から離間配置されたＰｂＳセンサ２７へ入力させるように配置されている。また、偏光ビームスプリッタ２２は、音響光学可変波長フィルタ１１出口の照射光の偏光方向と一致する偏光方向となるように偏光面が配されている
さらに、上記窓部材Ｗ１は、図３に示すように、その表面が照射光の光路Ｌに対して斜めに配されている。すなわち、窓部材Ｗ１は、表面の垂線Ｒが照射光の光路Ｌに対して角度αだけずれるように配されている。なお、上記角度αは、５°から６°に設定されている。
【００３３】
このように構成された本実施形態のグルコース濃度測定装置２０では、光照射部６からの照射光が偏光ビームスプリッタ２２と窓部材Ｗ１とを介して生体Ａに照射すると、生体Ａ表面で直接反射した照射光は偏光ビームスプリッタ２２を通過するためＰｂＳセンサ２７へ入射されない。したがって、本実施形態においても、測定上のノイズ成分となる生体Ａ表面からの直接反射光を遮断することができる。
【００３４】
また、窓部材Ｗ１の表面が、照射光の光路Ｌに対して斜めに配されているので、照射光が窓部材Ｗ１で斜めに反射して該反射光が照射光の光路からずれて戻るため、偏光ビームスプリッタ２２を介した反射光のＰｂＳセンサ２７への入力をさらに低減させることができる。
したがって、窓部材Ｗ１からの直接反射光も効果的に除去することができ、生体内での拡散光の検出効率をさらに向上させることができる。
【００３５】
次に、本発明に係るグルコース濃度測定装置の第３実施形態について、図４を参照して説明する。
【００３６】
第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、偏光ビームスプリッタ２２を用いて光の分岐及び偏光を行っているのに対し、第３実施形態のグルコース濃度測定装置３０では、図４に示すように、偏光ビームスプリッタの代わりにハーフミラー３２を配置すると共に、ＰｂＳセンサ２７とハーフミラー３２との間の光路上に直線偏光板３３を配置している点である。この直線偏光板２３は、音響光学可変波長フィルタ１１出口の照射光の偏光方向と垂直となる偏光方向となるように偏光面が配されている。
【００３７】
すなわち、本実施形態では、生体Ａ表面で直接反射した光がハーフミラー３２で反射されて直線偏光板３３へ導かれるが、戻った照射光の偏光方向に対して直線偏光板３３の偏光面が垂直であるため、戻った照射光は直線偏光板３３で遮断され、ＰｂＳセンサ２７へ入射されない。したがって、本実施形態においても、測定上のノイズ成分となる生体Ａ表面からの直接反射光を遮断することができる。
また、本実施形態では、偏光ビームスプリッタの代わりに比較的安価なハーフミラー３２及び直線偏光板３３を使用するため、装置全体の低コスト化を図ることができる。
【００３８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００３９】
例えば、上記各実施形態では、光照射部６として中空の円筒状部材を採用したが、これに代えて、無水石英からなる光ロッドを採用してもよい。
また、第１実施形態の他の例として、図５に示すように、光照射部４６として、円筒支持部材４１内に支持された光ファイバＦ及び集光レンズ４２を用いても構わない。すなわち、集光レンズ１６からの照射光を光ファイバＦの基端に入射し、光ファイバＦの先端から出射された照射光を集光レンズ４２で生体Ａに集光するようにしてもよい。
【００４０】
また、第２実施形態の他の例として、図６に示すように、音響光学可変波長フィルタ１１からの照射光を、偏光ビームスプリッタ２２で一旦反射させて生体Ａに照射し、生体Ａで拡散した拡散光を偏光ビームスプリッタ２２で透過させてＰｂＳセンサ２７に入力させるようにしても構わない。すなわち、生体Ａ表面で直接反射して戻る照射光は、偏光ビームスプリッタ２２で反射されてしまうため、ＰｂＳセンサ２７への入力を防ぐことができる。この例の場合、前述した第２実施形態のような偏光ビームスプリッタ２２での面反射による照射光の入力が生じず、消光比が高いという利点がある。
【００４１】
また、上記窓部材に、さらにＰｂＳセンサへの外光の入射を防止する可視光カットフィルタを重ねて設置しても構わない。
また、光源１０から入力する光の光量を矩形波状にオンオフ変化させることや音響光学可変波長フィルタ１３に印加する高周波を断続的にすることで、ＰｂＳセンサ７によって検出されアンプ１７からの出力信号に、照射時の信号成分と非照射部の信号成分とを交互に発生させ、これらの信号成分どうしを差し引きすることで、暗電流によるノイズ成分や０次光のもれを除去して、Ｓ／Ｎ比を向上させるようにしてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るグルコース濃度測定装置によれば、生体表面で反射された照射光と拡散光との偏光面が互いに垂直となるように光路上に配置されこの拡散光を選択的に検出器に入力させる光学偏光部材を備えているので、生体表面等からの直接反射光が検出器に入射されることを防止して、生体内で散乱した光を効率良く検出することができ、高精度なグルコース濃度測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施形態のグルコース濃度測定装置の全体構成を示す概要図である。
【図２】本発明に係る第２実施形態のグルコース濃度測定装置の要部構成を示す概要図である。
【図３】本発明に係る第２実施形態のグルコース濃度測定装置において、窓部材と照射光光路との位置関係を示す説明図である。
【図４】本発明に係る第３実施形態のグルコース濃度測定装置の要部構成を示す概要図である。
【図５】本発明に係る第１実施形態の他の例において、グルコース濃度測定装置の要部構成を示す概要図である。
【図６】本発明に係る第２実施形態の他の例において、グルコース濃度測定装置の要部構成を示す概要図である。
【符号の説明】
Ａ  生体
Ｌ  照射光の光路
Ｗ    窓部材（光学偏光部材）
Ｗ１  窓部材
１、２０  グルコース濃度測定装置
６、４６  光照射部
７、２７  ＰｂＳセンサ（検出器）
１８  演算部（演算手段）
２２  偏光ビームスプリッタ
２３  直線偏光板
２４  １／４波長板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004361289.tif 000006
【図５】
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【図６】
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