(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、Ｓ／Ｎ比を上げて測定精度を向上する。【解決手段】生体表面に配置されて、近赤外光を生体内に照射する光照射部１４と、生体内で拡散あるいは透過した光を生体外部において検出する検出器１３を内部に配置した受光用開口部１２と、検出器１３により検出された受光信号に基づいて生体内のグルコース濃度を求める演算装置２９とを備え、光照射部１４が受光用開口部１２の周囲の周方向に沿って複数配置されるとともに、光照射部１４の光軸が検出器１３の中心軸上において相互に交差するように検出器１３の中心軸に対し傾斜して配置されているグルコース濃度測定装置を提供する。【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、近赤外光を生体内に照射する光照射部と、生体内で拡散あるいは透過した光を生体外部において検出する検出器を内部に配置した受光用開口部と、該検出器により検出された受光信号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を備え、前記光照射部が前記開口部の周囲の周方向に沿って複数配置されるとともに、光照射部の光軸が検出器の中心軸上において相互に交差するように検出器の中心軸に対し傾斜して配置されているグルコース濃度測定装置。
【請求項２】
光照射部が、前記検出器の中心軸に対する傾斜角度を変化させる方向に、光照射部の先端を中心として揺動可能な角度調節機構を有する請求項１に記載のグルコース濃度測定装置。
【請求項３】
複数の光照射部の光軸の交点と前記開口部の先端との距離が、０．３ｍｍ〜１．２ｍｍとなるように、光照射部の傾斜角度が設定されている請求項１または請求項２に記載のグルコース濃度測定装置。
【請求項４】
光照射部の先端から前記交点までの光路長と、該交点から前記開口部の先端までの光路長との和が、３．０ｍｍ以下となるように光照射部の半径方向の位置が設定されている請求項３に記載のグルコース濃度測定装置。
【請求項５】
光照射部が、前記開口部の半径方向に沿って位置調整可能に設けられている請求項３または請求項４に記載するグルコース濃度測定装置。
【請求項６】
開口部内の検出器が中央に配置された主検出器とその周囲に配置された副検出器とを備え、これらの検出器において検出された光スペクトルの差分を算出する差分算出手段を備える請求項１から請求項６のいずれか１項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】
この発明は、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。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、特許文献１のような非侵襲的な方法では光ファイバにおいて受光される光にはグルコース濃度測定に寄与しない表皮組織等における散乱光も含まれＳ／Ｎ比が低下するという問題がある。この問題に対処するために多数の発光ファイバおよび受光ファイバを使用している。しかし、このような装置では、受光される光が受光ファイバを介して検出器まで導かれるため、光ファイバにおける光の減衰やＮＡ（開口数）の制限などにより、光検出効率が低いという問題がある。また多数の光ファイバを使用するため部品点数が多くコストが高くなるという不都合が生じる。
【０００６】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、Ｓ／Ｎ比を上げ、測定精度を向上させるとともに、製品コストを低減し得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】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、生体表面に配置されて、近赤外光を生体内に照射する光照射部と、生体内で拡散あるいは透過した光を生体外部において検出する検出器を内部に配置した受光用開口部と、該検出器により検出された受光信号に基づいて生体内のグルコース濃度を求める演算装置とを備え、前記光照射部が前記開口部の周囲の周方向に沿って複数配置されるとともに、光照射部の光軸が検出器の中心軸上において相互に交差するように検出器の中心軸に対し傾斜して配置されているグルコース濃度測定装置を提供する。
【０００８】
この発明によれば、生体表面に配置された光照射部から照射された光が、生体内で透過あるいは拡散し、生体表面に配された前記開口部に戻った光が、その内部の検出器により検出される。そして、検出された光スペクトルに基づいて演算手段により演算が行われ、グルコース濃度が求められる。この場合において、検出器の周囲に複数の光照射部を傾斜して配置し、光照射部の光軸を検出器の中心軸上で相互に交差させているので、光照射部から照射された光が検出器の中心軸上の一定領域に集められることになる。したがって、その領域を血液の存在する真皮の領域に設定すれば、検出器において得られるグルコース濃度の情報を増加させることが可能になる。また、その結果、検出器が少なくて済むことにもなる。
【０００９】
さらに、光照射部の中心に検出器を配置したので、検出器には専ら光照射部から発せられる光が検出される。したがって、外部からの光によるノイズを抑え、Ｓ／Ｎ比を向上することが可能となる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のグルコース濃度測定装置おいて、光照射部が、前記検出器の中心軸に対する傾斜角度を変化させる方向に、光照射部の先端を中心として揺動可能な角度調節機構を有するグルコース濃度測定装置を提供する。
【００１１】
この発明によれば、光照射部の先端を生体表面に接触させ、光照射部から光を照射させると、生体内への光の入射角度を変えることができる。したがって、測定部位の表皮の厚み等に応じて角度を調節することにより、測定部位に合わせて適正な測定を行うことが可能となる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のグルコース濃度測定装置おいて、複数の光照射部の光軸の交点と前記開口部の先端との距離が、０．３ｍｍ〜１．２ｍｍとなるように、光照射部の傾斜角度が設定されているグルコース濃度測定装置を提供する。
【００１３】
この発明によれば、前記開口部の先端および光照射部の先端を生体表面に接触させて、光照射部から光を照射すると、生体の表面から深さが０．３ｍｍ〜１．２ｍｍの領域近傍に光を集めることが可能となる。この領域は血液が存在する真皮の領域であり、検出器にはグルコース濃度情報を多く含んだ光が受光されることになる。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載のグルコース濃度測定装置おいて、光照射部の先端から前記交点までの光路長と、該交点から前記開口部の先端までの光路長との和が、３．０ｍｍ以下となるように光照射部の半径方向の位置が設定されているグルコース濃度測定装置を提供する。
【００１５】
この発明によれば、光照射部の先端を生体表面に接触させた時、光照射部から照射された光は、血液が存在する真皮において透過あるいは拡散し、前記開口部に到達する。したがって、生体内での光路長を３．０ｍｍ以下に抑え、検出される光の劣化を低減することができる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項３または請求項４に記載のグルコース濃度測定装置おいて、光照射部が、前記開口部の半径方向に沿って位置調整可能に設けられているグルコース濃度測定装置を提供する。
【００１７】
この発明によれば、光照射部の先端を生体表面に接触させ、光照射部の位置を半径方向に移動させることにより、生体の表面から光照射部の光軸の交点までの深さ、および生体内における光路長を調整することができる。
【００１８】
請求項６に係る発明は、請求項１から請求項６いずれか１項に記載のグルコース濃度測定装置において、開口部内の検出器が中央に配置された主検出器とその周囲に配置された副検出器とを備え、これらの検出器において検出された光スペクトルの差分を算出する差分算出手段を備えるグルコース濃度測定装置を提供する。
【００１９】
この発明によれば、光照射部から照射され、生体表面から斜めに入射された光のうち、比較的深部にまで到達した光は、生体表面から該表面に直交する方向に出射して、主検出器に検出される。一方、比較的浅部において拡散された光は、光の直進性により入射方向とは反対方向に生体表面に角度をなして出射され、副検出器に検出される。深部から戻った光は表皮と真皮の情報を含み、浅部から戻った光は表皮の情報のみを含む。したがって、差分演算手段の作動により真皮の情報のみが抽出され、グルコース濃度を高いＳ／Ｎ比で得ることが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態に係るグルコース濃度測定装置１００について図面を参照して説明する。
本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１００は、図１に示すように、測定ヘッド１と、測定ヘッド１に接続された制御部２と、制御部２に接続された表示部３とを備えている。
【００２１】
前記測定ヘッド１は、測定端面１１に開口する受光用開口部１２と、その内部に配置されたＰｂＳセンサ（検出器）１３と、該ＰｂＳセンサ１３の周囲に配置された光ファイバ（光照射部）１４とを備えている。前記ＰｂＳセンサ１３としては、例えば、Ｐ２５３２−０１（浜松ホトニクス社製）が使用される。図１中において、符号１５は前記測定端面１１に接した光ファイバの先端面、符号１６は受光用開口部１２から入る外部からの光をカットするための可視光カットフィルタを示している。
【００２２】
前記受光用開口部１２は、前記測定ヘッド１の中央に、測定端面１１に向かって次第に細くなるロート状の貫通穴１７として形成されている。また、前記ＰｂＳセンサ１３は、例えば、円形横断面を有する円筒状のセンサであって、その中心軸を貫通穴１７の中心軸に一致させた状態に配されている。
【００２３】
前記光ファイバ１４は、例えば、図１に示す例においては、受光用開口部１２の周囲に、周方向に間隔をあけて８本配置されている。各光ファイバ１４の光軸はＰｂＳセンサ１３の中心軸に対して４５°傾斜させられているとともに、ＰｂＳセンサ１３の中心軸に交差するように配置されている。また、受光用開口部１２との中心間距離ａが約１ｍｍとなるように配されている。これにより、８本の光ファイバ１４の光軸は、受光用開口部１２の端面からの距離ｂが約１ｍｍの点で交差させられている。
【００２４】
前記制御部２は、光源２０と、該光源２０から発せられた光をコリメートするコリメートレンズ２１と、コリメートされた光を一定の偏光方向に偏光するポラライザ２２と、入力された高周波の周波数に応じて、ポラライザ２２において偏光された光を分光して特定の波長の光（近赤外光）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−Ｏｐｔｉｃ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）２３と、該音響光学可変波長フィルタ２３に高周波を供給して制御するフィルタ制御部２４と、該音響光学可変波長フィルタ２３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２５と、該アナライザ２５を通過させられた光を集光して前記光ファイバ１４に入射させる集光レンズ２６と、光を分岐させる光カプラ２７と、ＰｂＳセンサ１３により検出された受光信号を増幅するアンプ２８と、該アンプ２８により増幅された受光信号に基づいてグルコース濃度を演算する演算装置２９とを備えている。図中、符号ＡはＰｂＳセンサ１３からアンプ２８に接続される配線である。
【００２５】
前記フィルタ制御部２４は、音響光学可変波長フィルタ２３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２３から出射されている光の波長信号を演算装置２９に供給するようになっている。また、フィルタ制御部２４は、音響光学可変波長フィルタ２３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。
【００２６】
演算装置２９は、アンプ２８から得られた複数の受光信号と、フィルタ制御部２４から得られた各受光信号に対応する波長信号とから得られる受光信号のスペクトル分布に基づいて、特定の波長領域、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。前記光源２０は、例えば、ハロゲンランプである。また、前記表示部３は、前記演算装置２９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。
【００２７】
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１００の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１００を用いて生体内部の血液のグルコース濃度を測定するには、まず、測定ヘッド１の測定端面１１を生体に対し密着させる。これにより、先端面１５および受光用開口部１２が可視光カットフィルタ１６を介して生体表面に接触させられる。
【００２８】
この状態で、光源２０および音響光学可変波長フィルタ２３を作動させ、光源２０から発せられた近赤外光を音響光学可変波長フィルタ２３により分光する。分光された光は集光レンズ２６により集光され、光カプラ２７により８本の光ファイバに分岐させられ、測定端面１１に配置されている各先端面１５から生体内に入射させられる。
【００２９】
生体内に入射された近赤外光は、入射方向に沿って生体内を進行する間に、生体組織内の体液成分に応じて、特定の波長領域の光を吸収される。したがって、生体内で拡散され、生体外部に出射された光は、体組織内の体液成分に応じた特定の波長領域の光量が低下している。このようにして生体外部に出射した光のうち、受光用開口部１２に向かって拡散した光は、貫通穴１７の内部において反射をする。そして、ＰｂＳセンサ１３により検出され、受光信号がアンプ２８によって増幅された後に演算装置２９に入力される。演算装置２９は、入力されたＰｂＳセンサ１３により検出された受光信号に基づいてグルコース濃度を計算し、表示部３においてグルコース濃度の値が表示されることになる。
【００３０】
この場合において、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１００は、測定端面１１を生体表面に密着させることにより、交点が生体表面から約１ｍｍの位置に配置される。このため、８本の光ファイバ１４から照射された光は、生体表面から約１ｍｍの領域近傍すなわち毛細血管の存在する真皮の領域に、集中させられる。その結果、同じ領域からの拡散光を多く検出することができる。
【００３１】
このように、ＰｂＳセンサ１３の周囲に光ファイバ１４を配置させているため、外部からの光によるノイズを低減することができ、また、ＰｂＳセンサ１３が一つで済むことになる。また、生体内での光路長を３．０ｍｍ以下に抑えることができるため、検出される光の劣化を低減することができる。これらのことにより、Ｓ／Ｎ比が向上し、製品コストが下がるという効果がある。
【００３２】
なお、本実施形態においては、光源２０はハロゲンランプを用いているが広帯域の光スペクトルを有するものであればこれに限るものではない。なお、分光手段は音響光学可変波長フィルタ２３に限るものではなく、また、生体内からの拡散した光を分光する装置であっても良い。なお、光照射部は光ファイバ１４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良い。なお、図３において、光ファイバの先端面１５は測定端面１１に平行にカットされているが、光ファイバ１４の光軸に対して垂直にカットされていても良いし、半球上に加工されていても良い。また、ＰｂＳセンサ１３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、測定部位としては指先の他、手のひら，前腕であっても良い。
【００３３】
また、光ファイバの傾斜角度を４５°に固定したが、これに限るものではない。すなわち、図４に示すように、光ファイバ１４を揺動可能に支持する保持ブラケット４０により光ファイバ１４の傾斜角度を可変しても良い。このようにすることで、例えば、測定部位の厚みにかかわらず、光ファイバ１４の光軸の交点を真皮の領域に調節できるという利点がある。また、受光用開口部１２の円周から放射状にレール４１が配置され、光ファイバ１４がレール上を移動し受光用開口部１２からの距離を変えることができる装置であっても良い。この場合、生体内における光路長や生体表面からの深さを適正な範囲に維持しながら、異なる入射位置や入射角度により測定することが可能となる。
【００３４】
また、光源２０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フィルタ２３に印加する高周波を断続的に変化させることで、ＰｂＳセンサ１３によって検出されたアンプ２８から出力信号に、照射時の信号成分と非照射時の信号成分とを交互に発生させ、これらの信号成分同士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比をさらに向上させることにしても良い。
【００３５】
次に、本発明の第２の実施形態に係るグルコース濃度測定装置２００について図５を参照して説明する。なお、本実施形態の説明においては上述した第１の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１００と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
【００３６】
本実施形態に係るグルコース濃度測定装置２００は、図５に示されるように、第１の実施形態に係るグルコース濃度測定装置１００のＰｂＳセンサ１３に代えて、主ＰｂＳセンサ１８と副ＰｂＳセンサ１９とを備え、演算装置２９の前段に差分演算装置３０を有する点において、第１の実施形態に係るグルコース濃度測定装置と相違する。主ＰｂＳセンサ１８は、貫通穴１７の上部の中央に配置され、副ＰｂＳセンサ１９は該主ＰｂＳ１８センサの周囲に複数、例えば、４個配置されている。
【００３７】
これにより、主ＰｂＳセンサ１８には、受光用開口部１２から貫通穴１７の中央近傍に入射した光が検出され、副ＰｂＳセンサ１９には、貫通穴１７の周辺近傍に入射した光が検出されるようになっている。
前記差分演算装置３０は、主ＰｂＳセンサ１８と副ＰｂＳセンサ１９との受光信号の差分を算出するようになっている。この場合、演算装置２９は、前段に配される差分演算装置３０からの差分信号を受けて周波数分析を行い、グルコース濃度を算出するようになっている。
【００３８】
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２００の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るグルコース濃度測定装置２００を用いて生体内部の血液のグルコース濃度を測定するには、第１のグルコース濃度測定装置１００と同様に生体内に近赤外光を照射する。
【００３９】
光ファイバ１４ａから生体内に入射され、生体内を進行する光のうち、表皮において拡散された光は、光の直進性によりその入射方向の前方に、生体表面に対して小さい角度をなして、生体外部に出射される。また、生体内を進行する光のうち、真皮において拡散された光は、生体表面に対し略垂直方向に向けて、生体外部に出射される。
【００４０】
したがって、表皮において拡散した光は、貫通穴１７の周辺に配置されている副ＰｂＳセンサ１９により受光信号Ｓ２が検出され、真皮において拡散した光は、貫通穴１７の中央に配置されている主ＰｂＳセンサ１８により受光信号Ｓ１が検出される。そして、差分演算装置３０において、あらかじめ求められている係数αをＳ２に掛け合わせ、Ｓ１との差分をとることによって、差分信号（Ｓ１−αＳ２）が求められる。この信号は、グルコース濃度測定に寄与しない表皮における散乱光成分の多くを除去したものとなり、真皮における吸収等の情報を強調する信号となっている。その結果、Ｓ／Ｎ比の高い信号を演算装置２９に入力することができ、グルコース濃度を精度良く算出することができる。
なお、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置２００は、副ＰｂＳセンサ１９を４個として説明したが、これに限定されるものではなく、任意の数で良い。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係るグルコース濃度測定装置によれば、検出器の周囲に光照射部を複数配置することにより、当該光照射部から生体内に入射され、特定領域の生体組織において各方向に拡散した光を効率良く受光することができる。その結果、グルコース濃度に関する情報を多くすることが可能となり、Ｓ／Ｎ比を向上させ、精度良くグルコース濃度を測定することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るグルコース濃度測定装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１のグルコース濃度測定装置の測定端面における光照射部および検出器の配置を概略的に示す正面図である。
【図３】図１のグルコース濃度測定装置の測定端面における生体との接触部分の拡大図である。
【図４】図１のグルコース濃度測定装置の光照射部の変形例を示す概略図である。
【図５】この発明の第２の実施形態に係るグルコース濃度測定装置の全体構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１００，２００  グルコース濃度測定装置
１２  受光用開口部
１３  ＰｂＳセンサ（検出器）
１４  光ファイバ（光照射部）
２９  演算装置
【図１】
2004286475.tif 000003
【図２】
2004286475.tif 000004
【図３】
2004286475.tif 000005
【図４】
2004286475.tif 000006
【図５】
2004286475.tif 000007