(57)【要約】【課題】体液中の成分濃度を測定するのに、微量の滲出液を痛みを伴わず採取し、特別を処理を行わなくても、容易にかつ長時間連続測定し得る。【解決手段】測定部を生体表面に載置し、減圧タンク３５により、ガラス容器３１内を減圧し、皮下より生体表面に皮下滲出液を得、この皮下滲出液を多孔性の分子量選択性膜３７、３６を経て、被測定試料として金属膜３０まで達する。光源２１よりの光がプリズム２２を通り、金属膜３０で反射して、リニアアレイセンサ２３上で受光される。表面プラズモン共鳴により生じるリニアアレイセンサ２３上の強度最小位置を求め、これより共鳴角度を検出し、この共鳴角度、位置に基づいて、被測定試料中の被測定物質の濃度を算出する。【選択図】　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体から体液を採取する体液採取過程と、
前記体液採取過程で採取した体液から被測定試料を分離する試料分離過程と、
前記試料分離過程で分離した試料の屈折率を測定する屈折率測定過程と、
前記屈折率測定過程で測定した屈折率から被測定試料中又は体液中の被測定物質の濃度を算出する濃度算出過程と、
を備える体液成分濃度測定方法。
【請求項２】
前記体液が、皮下浸出液、汗、歯肉溝液、血液、又は尿から選択される体液であることを特徴とする請求項１に記載の体液成分濃度測定方法。
【請求項３】
前記体液採取過程が、減圧手法又はリバースイオントフォレシスのいずれか一方、又は両方を用いるものであることを特徴とする請求項１に記載の体液成分濃度測定方法。
【請求項４】
前記試料分離過程が、体液中の物質を分子量によって選択的に透過させる多孔性の分子量選択性膜を用いるものであることを特徴とする請求項１に記載の体液成分濃度測定方法。
【請求項５】
前記多孔性の分子量選択性膜が、選択性の異なる膜が複数枚数積層された積層膜であることを特徴とする請求項４に記載の体液成分濃度測定方法。
【請求項６】
前記多孔性の分子量選択性膜が、フッ素樹脂膜、セルロース系膜、イオンコンプレックス膜、アルブミン固定化膜、又はエッチング微細孔処理ポリカーポネイト膜から、ひとつ、又は複数選択される膜であることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の体液成分濃度測定方法。
【請求項７】
前記屈折率測定過程が、表面プラズモン共鳴を用いていることを特徴とする請求項１に記載の体液成分濃度測定方法。
【請求項８】
試料中又は体液中の被測定物質が、ブドウ糖又はタンパク質のいずれか一方、又は両方であることを特徴とする請求項１に記載の体液成分濃度測定方法。
【請求項９】
生体から体液を採取する体液手段手段と、
前記体液採取手段で採取した体液から被測定試料を分離する試料分離手段と、
前記試料分離手段で分離した試料の屈折率を測定する屈折率測定手段と、
前記屈折率測定手段で測定した屈折率から被測定試料中または体液中の被測定物質の濃度を算出する濃度算出手段と、
を備える体液成分濃度測定装置。
【請求項１０】
少なくとも光源を備えた測定用光源部と、
生体表面に密着させる多孔性の分子量選択性膜と、
生体表面から体液を滲出させ多孔性の分子量選択性膜を透過させて被測定試料とする体液採取部と、
前記測定用光源部からの光を、多孔性の分子量選択性膜上の被測定試料に入射させ、更にこの被測定試料から反射させる光学素子と、
前記光学素子より出てくる被測定試料からの反射光を受光する受光素子と、
前記受光素子からの信号に基づき、試料中あるいは体液中の被測定物質の濃度を算出する濃度算出部を備えた制御部と、
前記濃度算出部で得られた濃度を表示する表示部と、
を備えたことを特徴とする体液成分濃度測定装置。
【請求項１１】
前記光学素子は、多孔性の分子量選択性膜に対向する面に金属膜を有する表面プラズモン素子であることを特徴とする請求項１０に記載の体液成分濃度測定装置。
【請求項１２】
前記光源は、レーザであることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の体液成分濃度測定装置。
【請求項１３】
前記光源は、ＬＥＤであることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の体液成分濃度測定装置。
【請求項１４】
前記測定用光源部が、光源からの光を偏光させる偏光板を備えたことを特徴とする請求項１１に記載の体液成分濃度測定装置。
【請求項１５】
前記濃度算出手段は、受光素子からの信号に基づき、共鳴角度、位置を算出して、被測定物質の濃度を算出することを特徴とする請求項１１に記載の体液成分濃度測定装置。
【請求項１６】
前記多孔性の分子量選択性膜は、
又は前記多孔性の分子量選択性膜と前記光学素子とは、
体液成分濃度測定装置本体より分離可能である請求項１０又は請求項１１記載の体液成分濃度測定装置。
【請求項１７】
前記体液成分濃度測定装置の測定用光源部と多孔性の分子量選択性膜と光学素子と受光素子をカバーするケースを備え、このケースの一部と前記多孔性の分子量選択性膜は透明であり、生体表面からの体液の滲出や体液の分子量選択性膜の透過状況が目視することができることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の体液成分濃度測定装置。
【請求項１８】
前記測定用光源部は、平行光を発する光源、前記平行光の入射角度を変更する入射角度変更手段、集光レンズ、及びリニアアレイから構成されることを特徴とする請求項１１に記載の体液成分濃度測定装置。
【請求項１９】
前記測定用光源部は、平行光を発する光源、前記平行光の波長を変更する波長変更手段、集光レンズから構成されることを特徴とする請求項１１に記載の体液成分濃度測定装置。
【請求項２０】
前記体液採取部でリバースイオントフォレシスを採用している体液成分濃度測定装置において、
表面プラズモン素子の金属膜とリバースイオントフォレシスのための電極の一つとが、共用されていることを特徴とする請求項１１に記載の体液成分濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体の体液に含まれる成分の濃度を測定する方法及びその測定装置に関するものであり、更に言えば、生体から体液を採取し、当体液中の成分の屈折率を、例えば表面プラズモン共鳴デバイスを用いて測定し、生体の体液中の成分濃度を測定する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、糖尿病患者などは、毎日複数回、血糖を自己測定している。この測定は、採血具を用いて毛細血管から採血し、専用のセンサと測定器で自ら血糖値を測定している。
【０００３】
しかしながら、自ら採血しての血糖値測定は、毎回の採血時の痛み、採血部の皮膚の硬化、感染の危険など、多くの問題があり、毎日測定する患者にとっては、血糖測定法の改善への期待は大きい。
【０００４】
皮下組織の細胞間液（血液が毛細血管壁で濾過された液体）成分の濃度は、血液中の濃度と良好な相関がある。そこで、最近、血液を測定するのではなく、この皮下組織の細胞間液を皮下から皮膚表面に滲出（以下、皮下滲出液）させて被測定試料とすることで、前記問題点を改善する測定方法がいくつか提案されている。
【０００５】
前記皮下滲出液を採取する方法としては、小型注射針を用いる方法と、レーザ光を利用する方法とが提案されている。
【０００６】
小型注射針を用いる方法は、図１６に示すように、小型注射針１を浅く侵襲させて、皮下間質液を採取するものである。この方法の１回の採取量は約１μＬ程度である。図１７は、注射針１が複数本の場合である。
【０００７】
レーザ光を利用する方法は、微小パワーのレーザ光を皮膚表面に照射して微細孔を開け、この微細孔から皮下滲出液を得る方法である。微小パワーのレーザ光を用いれば、生体への痛みは大きく低減できる。
【０００８】
一方、皮下滲出液のような微量な試料の測定方法として、酵素試薬法と酵素電極法とが挙げられる。
【０００９】
酵素試薬法とは、酵素と呈色試薬を混合した反応試薬層に被測定試料を供給し、その呈色変化を光学的に測定して濃度を算出する方法である。試料量は約３μＬ必要である。
【００１０】
酵素電極法は、カーボンや貴金属で形成された複数の電極上に酵素を含む試薬層を直接形成し、この部分に被測定試料を供給し、酵素反応の生成物を電位印加された電極で分解し、このときの分解電流量変化を専用アルゴリズムで測定値に変換する。
【００１１】
あるいは、他の酵素電極法として、貴金属などからなる基準電極とゲートを露出させたＦＥＴのゲート上に酵素を含む試薬層を形成し、その試薬層に試料を供給して、酵素反応に伴うｐＨ変化をゲート電位変化として測定し、この変化を専用のアルゴリズム測定値に変換する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の皮下滲出液を採取する方法及び微量試料の測定方法では、以下のような問題がある。
【００１３】
先ず、皮下滲出液の採取方法において、小型注射針を用いる方法は、小型注射針を皮膚に穿刺するので痛みがあり、感染の危険や皮膚治癒に時間を要する。また、一般に人の皮膚は弾力に富んでいるため、浅く針１を穿刺しようとすると、皮膚が逃げてしまうため、操作毎の針１の侵襲深度が異なり、採取量が不安定である。深度が深い場合は、血液が試料に混入し、血球が測定精度に影響する。
【００１４】
この小型注射針を用いる方法の別の方法として、図１７に示すように、小型の注射針を多数配置して、穿刺深度を安定させるとともに、痛度を低減させることも考えられているが、針の強度が低下して、皮膚内で折れる危険や加工コストが高くなるなどの問題がある。
【００１５】
次に、レーザ光を利用する方法は、確かに微小パワーのレーザ光を用いれば痛みを低減できるが、レーザ光で空けた皮膚表面の微細孔から皮下滲出液が自然に滲出することはなく、いわば皮下滲出液を強引に絞り出さねばならず、得られる採取量は僅かである。また、レーザ光のパワーコントロールも技術的に難しく、しかも個人別に相違する皮膚状態に対応することは困難である。パワーコントロールにフィードバック機能を付加して、複数回照射することも考えられるが、操作性が低下する。
【００１６】
従来の微量試料の測定方法では、以下のような問題点がある。
【００１７】
先ず、酵素試薬法は、測定開始時に反応に必要な試料量が全量必要であり、皮下滲出液が徐々に採取されるような場合は、一旦皮下滲出液を溜めて反応系に供給する供給システムが必要になる。また、試料量の低減は、試料層・光学測定系からも品質確保の点から困難である。加えて、酵素試薬法では、試料は１回測定毎の使い捨てであり、連続測定は不可能である。
【００１８】
また、酵素電極は、必要試料量は約３μＬ程度であるが、反応に必要な試料量全量が測定開始時に必要であり、したがって、酵素試薬法と同様に供給システムが必要になる。加えて、酵素電極法も試料は使い捨てであり、連続測定は不可能である。
【００１９】
また、酵素反応に伴うｐＨ変化をゲート電位変化として測定する法では、試料の希釈が不可欠で、希釈や較正のため装置は大型化している。そのため、５μＬ／測定の試料を必要とする。また、皮下滲出液を溜める供給システムも必要である。
【００２０】
この発明は上記問題点に着目してなされたものであって、採血に比べて被測定者の肉体的、精神的苦痛が少なく、測定のための試薬や特別な処理は不必要で、皮下滲出液など微量な体液を測定でき、容易にかつ長時間測定が可能で、連続測定もできる体液成分濃度測定方法及び体液成分濃度測定装置を提供することを目的としている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
この発明の体液成分濃度測定方法は、生体から体液を採取し、この体液から被測定試料を分離して、分離した試料の屈折率を測定することにより、この屈折率から被測定物質の濃度を算出して、体液の成分の濃度を測定するものである。
【００２２】
また、この発明の体液成分濃度測定方法は、前記の屈折率測定において、表面プラズモン共鳴を用いて屈折率を測定するものである。
【００２３】
また、この発明の体液成分濃度測定装置は生体から体液を採取する体液手段手段と、前記体液採取手段で採取した体液から被測定試料を分離する試料分離手段と、前記試料分離手段で分離した試料の屈折率を測定する屈折率測定手段と、前記屈折率測定手段で測定した屈折率から被測定試料中または体液中の被測定物質の濃度を算出する濃度算出手段と、を備えている。
【００２４】
また、この発明の体液成分濃度測定装置は、具体的には、少なくとも光源を備えた測定用光源部と、生体表面に密着させる多孔性の分子量選択性膜と、生体表面から体液を滲出させ多孔性の分子量選択性膜を透過させて被測定試料とする体液採取部と、測定用光源部からの光を、多孔性の分子量選択性膜上の被測定試料に入射させ、更にこの被測定試料から反射させる光学素子と、この光学素子より出てくる被測定試料からの反射光を受光する受光素子と、受光素子からの信号に基づき、試料中あるいは体液中の被測定物質の濃度を算出する濃度算出部を備えた制御部と、前記濃度算出部で得られた濃度を表示する表示部とを備えると良い。
【００２５】
また、この発明の体液成分濃度測定装置は、前記光学素子として表面プラズモン素子を備えている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明では、皮下滲出液など微量の体液を採取する方法として、リバースイオントフォレシス法及び減圧手法とを採用している。
【００２７】
リバースイオントフォレシスとは、皮膚表面に電極を貼付し、この電極を直流電極をパルス状または一定に印加することにより、体内のイオン移動を誘起して、体液を電気的引力で体外に滲出する方法である。
【００２８】
すなわち、図１８〔（ａ）側面図、（ｂ）平面図〕に示すように、皮膚表面に皮下滲出液誘導電極２、センシング電極３を２個設置し、電極２と電極３間に電位差（例えば０．５Ｖの直流電位を繰り返し、又は常時）を印加すると、イオン化合物の電位勾配に沿っての移動が発生する。このイオン化合物の移動に伴い、皮下の体液を皮膚表面に滲出させる方法である。電位印加型の採取量は約２〜３μＬ／Ｈ程度の採取が可能である。
【００２９】
次に、吸引法とは、皮膚表面の一部を減圧〔例えば約１／２気圧（４００ｍｍＨｇ程度）〕とすることで、皮下の体液を侵出させる方法である。採取量は２〜３μＬ／１０ｍｉｎ／ｃｍ２得られる。１／２気圧程度であれば痛みはほとんどなく、採取部皮膚表面を一時赤化するが、約１日で完全に回復する。
【００３０】
以下、実施の形態により、この発明をさらに詳細に説明する。先ず、最初の実施形態として、表面プラズモン共鳴現象を利用した体液成分濃度検出装置について述べる。それゆえ、先ず表面プラズモン共鳴現象について説明する。
【００３１】
表面プラズモン共鳴現象は、単色光をガラスの全反射角以上で入射させると、ガラス片面に形成した金属膜表面に電磁波（エパネッセント波）として滲みだす。この電磁波が金属表面のプラズマ状態の電子振動（表面プラズモン波）と共鳴すると、入射光の光エネルギーが表面プラズモンの波動エネルギーに変化する。その結果、反射波強度が減少する現象である。
【００３２】
表面プラズモン共鳴現象により発生する表面波の波数は、金属膜の誘電率とそれに接する媒質の屈折率（誘電率の平方根）に影響される。影響範囲は厚みで０．数μｍ程度である。デバイスとしては、金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）などの金属膜を底面に形成したプリズムに側面から光を入射させ、反射光強度の変化（共鳴吸収）を測定することで、隣接する媒質の屈折率を測定する。
【００３３】
この実施形態の体液成分濃度測定装置の測定原理は、図１に示すように、プリズム１１の表面に形成した金属膜１２上に焦点を結ぶようにした入射光１３に対して、特定の入射角度を持った入射光のみが表面プラズモン共鳴現象で強度減少し、一定の距離をおいて、受光素子１４で強度分布を測定すれば、強度最小の位置１５として共鳴角度が検出される。同時に金属膜１２の隣接媒質である試料１６の屈折率が変化すれば、強度最小の位置１５の変化として検出されるので、この受光部１４の出力から、体液成分濃度を検出できる。すなわち、共鳴角度と位置が算出できれば、被測定物質の濃度を知ることができる。
【００３４】
図２は、この発明の一実施形態である体液成分濃度測定装置の光学系の概略を示す図である。ここでは、光源２１と、プリズム２２と、リニアアレイセンサ２３とから構成され、各部材の位置関係は変動しないように支持部材で固定している。光源２１は半導体レーザ（λ＝６３５ｍｍ、Ｐ＝３ｍｖ）２４と、レーザ光を集光する集光レンズ２５と、偏光板２６を備えている。また、光源２１の半導体レーザ２４、集光レンズ２５、偏光板２６を回転板２７上に設置して、この回転板２７の回転角度を微調整することにより、集光調整を行う。
【００３５】
プリズム２２は、上面に被測定試料液を保持する試料保持部２８を有する保液台２９上に載置されている。なお、最適入射角度は空気で約４８°、水では約６°であった。
【００３６】
ここでは、光源としてレーザを用いたが、レーザ光は微小領域の測定には有利であるが、干渉ノイズが出やすい面があり、他の光源としてＬＥＤや低コヒーレントレーザでも測定できる。
【００３７】
プリズム２２は、材質はＢＤ７を用いるとともに、表面プラズモン共鳴を発生するために、一面に金属膜３０を形成した。金属膜３０は、先ずクロム（Ｃｒ）を数ｎｍ蒸着した後に、金（Ａｕ）を約５０ｎｍ蒸着した。
【００３８】
金属膜の金属の種類としては、ＣｒやＡｕ以外に銀（Ａｇ）など、他の金属も用いることができる。また、２層構造以外に１層、多層でも可能である。
【００３９】
受光素子として、リニアセンサアレイを用い、表面プラズモン共鳴による光強度低下位置（暗線出現位置）を検出した。リニアセンサアレイ２３の検出チャネルは３２Ｃｈで、約０．１７°／Ｃｈとなる集光角４°程度の範囲の光を受光する距離を保って配置した。
【００４０】
測定は、保液台２９上部の液保持部（溝部）２８に試料液を入れ、プリズム２２の底面と接触させて、リニアセンサアレイ２３上の暗線検出位置を測定した。得られた光量分布データは、ノイズがあるとともに、リニアセンサアレイ２３のサイズなど、ハード的制約もあり、傾きや多次元近似等の補正処理を行い、より精度を向上させて最小光量位置を求めた。
【００４１】
測定試料溶液としてブドウ糖標準液（濃度範囲０〜２．０ｇ／ｄＬ）を作成し、この測定システムで計測した結果が図３である。濃度範囲０〜２．０（ｇ／ｄＬ）全域で、ブドウ糖濃度と共鳴角度に高い相関が認められ、共鳴角度変化からブドウ糖濃度を知ることができることがわかる。
【００４２】
測定光源として測定波長可変型光源を用いた場合は、表面プラズモン共鳴角度の変化をリニアセンサアレイで検出する代わりに、測定波長をスキャンさせながら、例えば１つの受光素子の受光感度が最低となる波長を記憶し、波長と試料中の濃度の関係と、その記憶した波長から試料中の溶質濃度を知ることもできる。
【００４３】
表面プラズモン素子として、図１で示したようなプリズムの代わりに、台形形状のものを用いて高さを押さえて小型化することも可能である。また、多重反射させて信号増幅することもできる。また、回析格子をプリズムの代わりに用いることで、更に薄い検出素子を形成することも可能である。
【００４４】
図４は、本発明の他の実施形態の体液成分濃度測定装置の測定部を示す図である。プリズム２２は、材質としてＢＫ７を使用し、底面積が１０＊１５ｍｍであり、底面にクロムＣｒを５ｍｍ、次に金Ａｕを５０ｍｍ蒸着コートした金属膜層３０を形成し、このプリズム２２を同材質のガラス容器３１内に収納している。
【００４５】
プリズム２２の底面側は解放されており、皮膚との間には１００〜２００ｍの空隙が設けられている。プリズム２２の底面の一部は、ガラス容器３１に固定されており、固定部以外のプリズム２２とガラス容器３１の隙間３３を通して、底面と反射側の吸引口３４から減圧される。
【００４６】
吸引は、吸引口３４に連結された減圧タンク３５で行われる。減圧タンク３５と連通することで、減圧タンク３５を含めた連結部・プリズム周辺空間・皮膚表面のシステム全体が低圧状態なので、皮下滲出液が得られる。また、タンク容器を他の空間容器に比べて大きくすることで、低圧状態を長時間維持でき、長時間測定ができる。
【００４７】
プリズム２２の底面と皮膚との間の空隙３２には、体液中の物質を分子量によって選択的に透過させる多孔性の分子量選択性膜が設けられている。ここでは、２層の多孔性の分子量選択性膜３６、３７が設けてある。人の場合の皮下侵出液量は約３０μＬ／ｈ／ｃｍ２／４００Ｔｏｆｆであり、皮膚と解放されたプリズム底面（２＊１ｍｍ、２ｍｍ２）の間隙（ｈ＝０．１５ｍｍ、約０．３μＬ）が皮下侵出液で満たされる約４０秒後から測定が可能である。更に吸引に伴って、連続的に新しい皮下滲出液に入れ替わるので、連続測定も可能である。
【００４８】
皮下侵出液の蛋白・脂質などの高分子成分がプリズム２２の底面に付着したり、濃度が大きく変化した場合にプリズム２２の底面近傍の屈折率が変化して、測定誤差が生じる場合がある。このために、プリズム２２の底面に蛋白・脂質等の浸透防止機能を有した多孔性の分子量選択性膜３６、３７を付加することは、精度の維持と向上に有効な方法である。
【００４９】
例えば、フッ素樹脂膜（イオン交換膜など膜フッ素系疎水膜）やイオンコンプレックス膜等が適当である。フッ素樹脂は膜厚や層数やコート後の加熱温度や時間により、透過性をコントロールできる。アニオン及びカチオン系の溶剤（ポリスチレンスルホン酸ナトリウムとポリ−Ｌ−リジン臭化水素塩酸を順次コートするなどして形成する）から制作するイオンコンプレックス膜も濃度やコート層数で透過性をコントロールできる。
【００５０】
このような蛋白・脂質等、浸透防止機能膜を直接プリズム底面の測定面に形成した場合に、膜が緻密であるために、表面にプラズモン発生領域（屈折率測定領域、厚み０．１μ程度のプリズム測定面上の体液層）が十分確保されない場合が発生する。
【００５１】
図４に示したのは、体液から蛋白・脂質等の高分子成分を除去した後の体液をプリズム底面の測定面に滞留させて十分な測定領域を確保するために専用層を設けた例で、分子透過性の高く、膜内空間が大きい膜、例えばセルコース系膜などが適している。
【００５２】
このように多孔性の分子量選択性膜は、選択性の異なる膜が複数枚数積層された積層膜にすることも有効である。
【００５３】
また、膜の材質としては、アルブミン固定化膜やエッチング微細孔処理ポリカーポネイト膜も適用可能である。
【００５４】
以上の実施形態では、タンパク質などの高分子物質は排除して、ブドウ糖測定の例を述べたが、例えばタンパク質の濃度を求めることも可能である。
【００５５】
すなわち、体液中屈折率に大きく寄与するのは、ブドウ糖とタンパク質であるが、ブドウ糖は体分子物質であり、タンパク質は高分子物質である。そこで、多孔性の分子量選択性膜を備えた光学素子と多孔性の分子量選択性膜を有しない光学素子とを用い、多孔性の分子量選択性膜を有しない光学素子からの出力をブドウ糖とタンパク質の濃度合計（Ａ）、多孔性の分子量選択性膜を備えた光学素子からの出力をブドウ糖のみの濃度（Ｂ）であるので、（Ａ）の値から（Ｂ）の値を差し引いてタンパク質の濃度を知ることも可能である。
【００５６】
生体からの体液として、皮下滲出液の例は既に述べたが、皮下滲出液以外に、汗、歯肉溝液、血液、または尿が測定可能である。
【００５７】
図５は、この発明の更に他の実施形態体液成分濃度測定装置の測定部を示す部である。
【００５８】
この実施形態では、プリズム２２、金属膜３０から構成される表面プラズモン共鳴素子とは別に、多孔性の分子量選択膜３８を配置した場合を示している。多孔性の分子量選択性膜３８と表面プラズモン素子の金属膜３０とは僅かの隙間４０を開けて配置されている。この隙間４０は、図４の高透過性膜空間に相当し、表面プラズモン共鳴発生場所としての体液貯留機能を果たす。
【００５９】
また、体液は表面プラズモン素子表面まで連続吸引されるので、図４の測定方法より高速に測定が可能である。
【００６０】
図６は、実施形態体液成分濃度測定装置の全体構成を示すブロック図である。この実施形態体液成分濃度測定装置は、機能的に測定部５０と、制御部６０と、表示部７０とから構成されている。測定部５０は、既に記述したように、光源５１と、表面プラズモン共鳴素子５２、受光素子５３及び感温素子５４を有し、減圧タンク３５を備えている。
【００６１】
制御部６０は、光源制御信号を出力する他、温度算出部６１、共鳴角度・位置算出部６２及び濃度算出部６３を備えている。表示部７０は、測定値をリアルタイムに表示し、あるいは経過表示を行い、更にメモリに記憶している測定値を呼び出して表示する機能を有する。
【００６２】
この実施形態体液成分濃度測定装置は、外観的に図７に示すように、測定部、制御部、減圧ポンプ等を内蔵する本体部８１と、本体部８１の裏面と皮膚間に測定部を位置させる固定部８２からなり、手首に装着するものである。
【００６３】
また、図８に示すように、制御部、表示部、減圧ポンプを有する本体部９１と、測定部９２とからなり、これらを制御ケーブル、吸引チューブを含む線９３で接続し、測定部９２体表面に接着させ、本体部９１をベルト等に掛けて保持するようにしても良い。
【００６４】
次に、図９に示すフロー図を参照して、上記実施形態体液成分濃度測定装置による測定処理手順を説明する。
【００６５】
先ず、被測定者の測定部皮膚表面を洗浄し（ステップＳＴ１）、その測定部皮膚表面に測定部を装着する。例えば、図７の測定装置であると、固定部８２であるベルトで本体部８１を手首の所定の箇所に装着する（ステップＳＴ２）。次に、電源をＯＮし（ステップＳＴ３）、減圧タンク３５により、測定部の減圧を開始する（ステップＳＴ４）。減圧を開始してから２０〜４０ｍｍｓｅｃを経過すると、体液が滲出するので、測定部での測定を行う（ステップＳＴ５）。測定が終了となるまで（ステップＳＴ６）、ステップＳＴ４に戻り、減圧を維持し、測定を継続する。
【００６６】
測定が終了すると電源をＯＦＦし（ステップＳＴ７）、減圧解除し（ステップＳＴ８）、測定部を収納し、処理を終了する（ステップＳＴ９）。
【００６７】
この実施形態の体液成分濃度測定装置で測定した皮下滲出液のブドウ糖値と、同時刻に他法で測定した血糖値の相関を示すと、図１０の通りで良好な相関が得られている。
【００６８】
以上の実施形態では、表面プラズモン共鳴を用いての体液成分濃度測定装置で説明したが、更に別の実施形態として屈折率を測定しての体液成分濃度測定装置を以下に説明する。
【００６９】
図１１は、屈折率測定の体液成分濃度測定装置の測定用光源部と分子量選択性膜と光学素子受光素子を模式的に図示したものである。
【００７０】
ここでは、光源部５１は光源５１１と入射用光ファイバー５１２からなり、受光素子５３は反射用光ファイバー５３１と光量測定器５３２から構成される。この入射用光ファイバー５１２と反射用光ファイバー５３１は、図１１のように並列に配置されており、更に併設された２本の光ファイバー５１２、５３１の先端には、光学素子としてプリズム２２が設けられている。このプリズム２２の一端面には多孔性の分子量選択性膜３８が配備されている。光源からの光は、入射用光ファイバー５１２からプリズム２２へ入り、少なくともプリズム内の多孔性分子量選択性膜３８が配備された面で反射され、反射用光ファイバー５３１から光量測定器５３２へ導かれる。
【００７１】
なお、このプリズム２２は成型品を利用することもできる。
【００７２】
図１１のような光学的な構成を用い、光源からの入射波長を連続的に変化させながら、各波長の吸収量を測定し、プリズム表面と分子量選択性膜の間にある試料の屈折率変化に伴う吸収波長の変化を捉えることで、屈折率を測定することができる。この屈折率から制御部（図示せず）において、試料中の被測定物質の濃度を算出する。
【００７３】
このような体液成分濃度測定装置において、多孔性の分子量選択性膜３８は、体液成分濃度測定装置の他の構成部分から容易に着脱できる構造にすると便利である。このような構造にすることにより、分子量選択性膜３８は測定１回毎の使い捨てにし、膜の洗浄は不要となる。
【００７４】
更に、前記多孔性の分子量選択膜３８だけでなく、光学素子２２も他の構成部分から容易に着脱できる構造にすると、更に便利である。この体液成分濃度測定装置から分離可能な光学素子２２には、樹脂成型のプリズム、又はガラス成型のプリズムなどが採用され、量産が可能で、廉価であり、光学素子２２も分子量選択性膜３６とともに、測定１回毎の使い捨てにして、測定操作の簡易化を達成できる。
【００７５】
また、別の実施形態として体液成分濃度測定装置の外部ケースの一部と分子量選択性が透明である体液成分濃度測定装置を以下に説明する。
【００７６】
図１２の（ａ）は、外部ケースの一部と分子量選択性が透明の体液成分濃度測定装置の外観図であり、図１２の（ｂ）は、図１２の（ａ）のＡＡにおける断面を模式的に図示したものである。
【００７７】
この体液成分濃度測定装置は、図１２の（ａ）に示してあるように、本体部１００と測定部５０からなる。本体部１００には表示部７０と電源スイッチ１０１が配備されている。測定部５０はケースの一部に透明部５０１を有している。この測定部内は例えばＬＥＤである光源５１（集光レンズなどは図示せず）と、光学素子である台形型のプリズム２２と、例えばＣＣＤである受光素子５３が設けられている。この台形型プリズム２２の底面には金属膜３０が貼られており、金属膜３０と僅かな間隙を破産で分子量選択性膜３８が備えられている。
【００７８】
本実施形態では、この台形型プリズム２２の上部に当たるケースの一部（透明部５０１）と分子量選択性膜３８を透明にした。このような構成とすることにより、生体表面からの体液の滲出や体液の分子量選択性膜の透過状況が目視することができ、微量である被測定試料の様子を確認しながら測定することができる。
【００７９】
次に、本発明の体液成分濃度測定装置の測定用光源部と受光素子に関して、別の実施形態を説明する。
【００８０】
図１３は、測定用光源部５１と受光素子５３の概略図である。測定用光源部５１は、平行光を発する光源と光源よりの平行光の入射角度を変更する入射角度変更手段５１３を有している。また、受光素子５３は反射光を集光する集光レンズ５３３とリニアアレイ２３から構成されている。
【００８１】
このような測定用光源部と受光素子を用いると、光源からの平行光を、光学素子、例えばプリズムの金属膜３０が貼られた底面の全面に照射することができるため、被測定試料がプリズムの金属膜３０が貼られた底面の一部に存在しない場合、あるいは被測定試料の位置や量が測定の度に変化しても、確実に測定できるという効果を奏する。
【００８２】
前記の本発明体液成分濃度測定装置の測定用光源部と受光素子に関して、更に一例、別の実施形態を挙げる。
【００８３】
図１４は、更に別の実施形態を示す測定用光源部５１と受光素子５３の概略図である。測定用光源部５１は、平行光を発する光源５１１と波長を変更する波長変更手段５１４を有している。また、受光素子５３は反射光を集光する集光レンズ５３４を備えている。このような測定用光源部５１１と受光素子５３を用いると、共鳴角度変更による表面プラズモン共鳴点の測定と同様に、波長を走査した時に受光光量が極小となる波長は濃度によって変化するので、この受光光量の極小波長を知ることで、被測定物質の濃度を測定することができる。波長変更手段として、レーザやＬＥＤの注入電流の変化のないもの、あるいは回析格子やフィルタなどの波長分離機能を用いることができる。
【００８４】
これにより、測定用光源部５１１では、入射角を変更する必要がなく、可動部がない構造となるので、構成が簡単であり、また、受光素子５３はフォトダイオードまたはフォトトランジスタのように、単一の受光素子で可能であり、簡単な構造で安価である。
【００８５】
本発明の体液成分濃度測定装置の体液採取部において、リバースイオントフォレシスを採用した場合の別の実施形態を一例説明する。
【００８６】
図１５の（ａ）は、体液採取方法としてリバースイオントフォレシスを用いた光学素子の模式図であり、図１５の（ｂ）は、光学素子の底面側からＢ方向からの模式図である。光学素子とてしプリズム２２を採用し、このプリズム２２に底面に一対のリバースイオントフォレシス用の電極１１１、１１２と、この一対の電極の間に、入射光を反射させる金属膜３０と多孔性の分子量選択性膜３８とが２層になって設けられている。図１５の（ａ）からわかるように、金属膜３０はよりプリズム２２の中にあり、多孔性の分子量選択性膜３８とリバースイオントフォレシス用の一対電極１１１、１１２とは、プリズム底面に一面となるように構成されている。皮下滲出液は、このリバースイオントフォレシス用一対電極間に直流電位を印加することで、イオン移動とともに誘導されて一対電極間の皮膚表面に滲出される。リバースイオントフォレシスの電極間の電位は一定に保持したり、一定時間毎に極性を反対にしたりして、電流量は一定になるように可変制御して、皮下より体液を滲出することができる。この皮下滲出液は、多孔性の分子量選択膜３８中に浸透し、多孔性の分子量選択膜３８で選択されて金属膜３０と分子量選択性膜３８との間隙に溢出し、被測定試料となる。
【００８７】
このような構成において、図１５の（ｃ）のように、金属膜とリバースイオントフォレシスのための電流のひとつとを共用して、共用構造１１３とする。リバースイオントフォレシスの電流においての生体との電位差発生や電流発生は、光学素子であるプリズムの光透過性や被測定物質の屈折率に影響を与えることはなく、これらを共用しても何ら問題ない。このような金属膜とリバースイオントフォレシス電流のひととを共用構造１１３としたことで、構成を簡素化できるだけでなく、皮下滲出液はロスなく、金属膜１１３と分子量選択性膜３８との間隙に滲出し、測定時間の短縮化と被測定試料の微量化が可能となる。
【００８８】
【発明の効果】
この発明によれば、体液を減圧手法あるいはリバースイオントフォレシスにより採取されるので、採取される体液は極めて微量であり、採血に比べて被験者の肉体的、精神的苦痛は少ない。得られた皮下滲出液は、希釈などの操作は必要なく、また血球成分を含まないため、抗凝固処理など、特別な処理を行わなくても、容易にかつ長時間測定することができる。
【００８９】
また、徐々に連続的に微量試料が得られるので、連続測定が可能である。また、一定量の試料が確保のための機構も部品も費用である。
【００９０】
また、屈折率測定、特に表面プラズモン共鳴素子を使用しているので、微量な試料で計測でき、測定出力の応答が早い。１回毎の都度測定も、連続測定も可能である。また、光学部品は再利用も可能で、消耗品が少ない。このため廉価で環境にも低負荷である、等の効果がある。
【００９１】
また、密閉空間での測定のためで感染の危険性が少ない。更に、皮下侵出液の採取に際しては、採取部の皮膚の表面の角質層を除去することで、滲出効率を上げることができる。
【００９２】
以上より本願発明は、体液から減圧手法あるいはリバースイオントフォレシスによる採取し、体液から分離した被測定試料の屈折率、特に表面プラズモン共鳴で測定することで、極微量な試料量を無痛に近い状態で、生体成分の濃度を測定することができ、被測定者や患者の負担を大きく低減できる。また、生体成分濃度を連続測定により、臨床的に有意義なデータを提供でき、診断や治療に大きな貢献をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態である体液成分濃度測定装置の測定原理を説明するための図である。
【図２】同実施形態の体液成分濃度測定装置の光学系の構成を示す図である。
【図３】同実施形態体液成分濃度測定装置で測定した共鳴角度とグルコース濃度との関係を示す図である。
【図４】この発明の他の実施形態体液成分濃度測定装置の測定部を示す図である。
【図５】この発明の更に他の実施形態体液成分濃度測定装置の測定部を示す図である。
【図６】この発明の上記各実施形態体液成分濃度測定装置の全体構成を示すブロック図である。
【図７】同実施形態の体液成分濃度測定装置の外観の一例を示す図である。
【図８】同実施形態の体液成分濃度測定装置の外観の他の例を示す図である。
【図９】同実施形態の体液成分濃度測定装置による測定処理手順を説明するためのフロー図である。
【図１０】同実施形態の体液成分濃度測定装置で測定した皮下滲出液のブドウ糖値と、血糖値との相関を示す図である。
【図１１】この発明の体液成分濃度測定装置の測定部の更に他の実施形態を示す図である。
【図１２】同実施形態体液成分濃度測定装置の外観の他の例と、その断面を示す図である。
【図１３】この発明の体液成分濃度測定装置の測定用光源部と受光素子の更に他の実施形態を示す図である。
【図１４】この発明の体液成分濃度測定装置の測定用光源部と受光素子の更に他の実施形態を示す図である。
【図１５】この発明の体液成分濃度測定装置の体液採取部の更に他の実施形態を示す図である。
【図１６】従来の小型注射針の皮下体液の採取法を説明する図である。
【図１７】従来の複数本の小型注射針を用いて皮下体液の採取法を説明する図である。
【図１８】リバースイオントフォレシスによる体液採取の原理を説明する図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　　　小型注射針
２　　　　　　　　　皮下滲出液誘導電極
３　　　　　　　　　センシング電極
２１　　　　　　　　光源
２２　　　　　　　　プリズム
２３　　　　　　　　リニアアレイセンサ
２４　　　　　　　　半導体レーザ
２５　　　　　　　　集光レンズ
２６　　　　　　　　偏光板
２７　　　　　　　　回転板
２８　　　　　　　　試料保持部
２９　　　　　　　　保液台
３０　　　　　　　　金属膜
３１　　　　　　　　ガラス容器
３４　　　　　　　　吸引口
３５　　　　　　　　減圧タンク
３６、３７、３８　　多孔性の分子量選択性膜
５０　　　　　　　　測定部
６１　　　　　　　　制御部
７０　　　　　　　　表示部
５１　　　　　　　　光源部
５１２　　　　　　　入射用光ファイバー
５３　　　　　　　　受光素子
５３１　　　　　　　反射用光ファイバー
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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