(57)【要約】【課題】現在、血中成分の非侵襲測定の分野において、吸光度の波長依存性や動脈の拍動成分による吸光度の変化などを組み合わせて用いることにより測定を行っているが、血中のある成分同士の比は求めることが出来るが、濃度そのものを求めることが出来ない。【解決手段】動脈中の拍動成分による旋光性の変化を測定する系と並列して、動脈の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を測定することにより、血液中の濃度比としてではく、濃度そのものを求めることが出来る。また、旋光性ではなく動脈中の拍動成分の吸光度の変化を測定する系を用いた場合でも同様に濃度を測定することが出来る。【選択図】　　　図１
2004081284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線偏光を出力する偏光光源と、電気光学的な旋光角変調素子と、光強度検出部とを備え、検体中の旋光性物質によって直線偏光が旋光する角度を測定する旋光角測定手段と、光源と光強度検出部とを備え、検体中の動脈血の拍動成分による吸光度の変化より動脈血の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を測定する光路長変化量測定手段とを有する濃度測定装置。
【請求項２】
前記旋光角測定手段により前記検体における動脈血の拍動成分中の旋光性物質による旋光角の変化量を測定した値と、前記光路長変化量測定手段により動脈血の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を測定した値とから動脈中の旋光性物質の濃度を測定することを特徴とする請求項１に記載の濃度測定装置。
【請求項３】
光源と、光強度検出部とを備え、該光源の波長を変化させたときの吸光度の変化量と検体中の複数の物質の吸光度の波長依存性より、該検体中における該複数の物質の濃度比を測定する濃度比測定手段と、光源と光強度検出部とを備え、検体中の動脈血の拍動成分による吸光度の変化より動脈血の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を測定する光路長変化量測定手段とを有する濃度測定装置。
【請求項４】
前記濃度比測定手段により、前記検体における動脈血の拍動成分中の物質の濃度比を測定した値と、前記光路長変化量測定手段により動脈血の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を測定した値とから動脈中の物質の濃度を測定することを特徴とする請求項３に記載の濃度測定装置。
【請求項５】
前記電気光学的な旋光角変調素子が、液晶素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の濃度測定装置。
【請求項６】
前記光路長変化量測定手段として、動脈中の水分による吸光特性を用いることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の濃度測定装置。
【請求項７】
前記光路長変化量測定手段における光源の波長が１４００ｎｍから１５５０ｎｍの範囲にあることを特徴とする請求項６に記載の濃度測定装置。
【請求項８】
前記検体中の濃度を測定する対象の物質が血中グルコース、血中コレステロール、血中アルブミンまたはヘモグロビンであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体の非侵襲測定のなかで特に血液中に存在する成分の濃度を生体に対して非侵襲的に測定する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自身の血液中に存在するヘモグロビン、コレステロール、アルブミン、グルコースなどの成分の濃度がどのくらいの値であるかを知ることは自身の健康管理の上でも大切なことである。その中で特にグルコースの血中濃度、すなわち血糖値を把握しておくことは、糖尿病患者や高血糖の人にとって重要である。これは、現状において糖尿病に対しての完全な治療薬がないため、体内で血糖値のコントロールが出来ない重度の糖尿病患者は血糖値の上昇や低下に際して、インシュリンの投与やブドウ糖の摂取などの処置を自身でする必要があり、また重度の糖尿病でない場合も、高血糖の状態は様々な合併症を引き起こす可能性が高いためである。
【０００３】
そのため、糖尿病患者は自分で自身の血糖値の測定を行う自己血糖測定を行っている。現在、自己血糖測定において用いられる手法は、その大半が侵襲法である。侵襲法では、指先もしくは腕等より採血を行い、グルコースを分解する酵素を用いる酵素法などを用いて血糖値を測定する。この方法は直接血液を用いるため比較的誤差の少ない正確な測定方法であるといえるが、採血による肉体的な痛みと精神的な苦痛を伴うため、患者に対して大きな負担となる。また、侵襲法では多くても一日に数回の測定となるため、血糖値を常にモニタリングする事が出来ず、就寝中などの変化に対応できないなどの問題がある。
【０００４】
血糖値に限らず、健康管理のために血糖値を含めたその他の血中成分の濃度を知りたいと思う場合に、侵襲法によってその都度採血を行うということは被測定者にとって高いハードルであることは明瞭である。
【０００５】
そこで、非侵襲的な方法、すなわち血中成分の濃度を被測定者から採血をすることなく測定する方法が提案されてきている。その方法の多くは、光、主に近赤外領域の光を用いるものであり、例として血中成分の吸光度特性や旋光度特性などを用いたものがある。
【０００６】
一例として、血糖計とは異なるが、実際に製品化されている非侵襲測定器として、血液酸素飽和度測定器が挙げられる。これは図３に示すような酸化ヘモグロビン（ＨｂＯ２）と還元ヘモグロビン（Ｈｂ）の光吸収率の波長依存性の違いを利用したものであり、ＨｂＯ２とＨｂの割合を求めることによって血液酸素飽和度（ＳａＯ２）を測定している。またこの方法では血液以外の部分、すなわち皮膚や組織細胞の影響を無視できるように動脈中の拍動成分を利用している。これは、動脈血の拍動による吸光度の変化ΔＯＤが動脈血層の光路長変化Δｌのみで起こるとする事ができ、異なる波長λ１，λ２に対して、下式が成り立つためである。
ΔＯＤ（λ１）＝｛εＨｂ（λ１）・ｃＨｂ＋εＨｂＯ２（λ１）・ｃＨｂＯ２｝・Δｌ
ΔＯＤ（λ２）＝｛εＨｂ（λ２）・ｃＨｂ＋εＨｂＯ２（λ２）・ｃＨｂＯ２｝・Δｌ
ここで、εは吸光係数、ｃは吸収物質の濃度である。これより、血液酸素飽和度（＝ｃＨｂＯ２／（ｃＨｂ＋ｃＨｂＯ２））を求めることが出来る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上式からＨｂＯ２とＨｂの成分比は求めることができるが、それぞれの濃度を個々に求めることは出来ない。これは式を解いていけば明らかであるが、ｃＨｂＯ２、ｃＨｂそれぞれの値を導くことは出来ないためである。つまり血液酸素飽和度の様に、求める値が血液中に含まれるある成分同士の比であり、かつ、その成分同士の増減に相関がある場合は測定は可能であるが、例えば血中のグルコースなどの濃度の値自体を求めることは出来ない。例えば血糖値の単位は［ｍｇ／ｄＬ］あるいは［ｍｍｏｌ／ｄＬ］であるため、濃度を求めることが必要とされる。
【０００８】
そこで本発明では上記の課題を解決して、動脈中の拍動成分を利用することで、例えば血中におけるグルコース、コレステロール、アルブミン、ヘモグロビンなどの成分の濃度を測定でき、かつ非侵襲型の血中成分濃度測定装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
これらの課題を解決するために本発明による濃度測定装置は、下記に記載の手段を採用する。すなわち、本発明の濃度測定装置は、直線偏光を出力する偏光光源と、電気光学的な旋光角変調素子と、光強度検出部を備え、検体中の旋光性物質によって直線偏光が旋光する角度を測定する旋光角測定手段と、光源と光強度検出部を備え、検体中の動脈血の拍動成分による吸光度の変化より動脈血の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を測定する光路長変化量測定手段を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の濃度測定装置は旋光角測定手段により検体における動脈血の拍動成分中の旋光性物質による旋光角の変化量を測定した値と、光路長変化量測定手段により動脈血の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を測定した値から動脈中の旋光性物質の濃度を測定することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の濃度測定装置は、光源と、光強度検出部を備え、光源の波長を変化させたときの吸光度の変化量と検体中の複数の物質の吸光度の波長依存性より、検体中における複数の物質の濃度比を測定する濃度比測定手段と、光源と光強度検出部を備え、検体中の動脈血の拍動成分による吸光度の変化より動脈血の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を測定する光路長変化量測定手段を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の濃度測定装置は、濃度比測定手段により検体における動脈血の拍動成分中の物質の濃度比を測定した値と、光路長変化量測定手段により動脈血の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を測定した値から動脈中の物質の濃度を測定することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の旋光角測定手段に用いる電気光学的な旋光角変調素子は、液晶素子を用いることが好ましい。
【００１４】
また本発明における光路長変化量測定手段として、動脈中の水分による吸光特性を用いることが好ましく、その際、光源の波長を１４００ｎｍ〜１５５０ｎｍとすると効果的である。
【００１５】
また、本発明の濃度測定装置によって測定する検体中の物質は血中グルコース、血中コレステロール、血中アルブミンまたはヘモグロビンである場合により有用である。
【００１６】
（作用）
旋光角の変化量から血液中の旋光性物質の濃度を測定しようとする測定法、あるいは血中成分の吸光度の波長依存性を用いて血中成分の濃度を測定しようとする測定法においては濃度の値自体を測定することは出来ず、濃度比の測定に留まるが、動脈の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を例えば水分などの測定対象と異なる物質の吸光度変化量から求めることにより、濃度の値自体を測定することが出来る。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明を利用した濃度測定装置の最適な実施形態を説明する。
【００１８】
（第一の実施形態）
図１は本発明の第一の実施形態の例である。図１において第一の光源１０１より出射された光線と第二の光源１０２より出射された光線をそれぞれ（ａ）、（ｂ）とする。ここで、光線（ａ）の光路は検体１０５による旋光角変化量を測定する系で、光線（ｂ）の光路は検体１０５中の動脈血の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を測定する系である。ここで、第一の光源１０１、第二の光源１０２はレーザダイオードなど、ある一定の波長の光線を出射するものである。
【００１９】
まず、光線（ａ）の光路に関しては、第一の光源１０１より出射した光線（ａ）を第一の偏光子１０３に照射する。第一の偏光子１０３によって光線（ａ）は第一の偏光子１０３の透過軸方向に光軸を持つ直線偏光となり、次に光線（ａ）を液晶パネル１０４に照射する。ここで、一例として本実施形態においては液晶パネル１０４はＴＮ型液晶とする。液晶パネル１０４を透過した光線は直線偏光もしくは楕円偏光となるが、その光軸もしくは長軸方向は液晶パネル１０４に外部より印加する交流電源Ｖｌｃｄに依存する。次に光線を検体１０５に照射する。ここで、検体１０５は人体の一部であり、比較的光の透過しやすい指先や耳たぶなどである。人体における血液中、組織細胞中には旋光性物質が存在するため、検体１０５を透過した後の光線は透過前と比べて旋光したものとなる。
【００２０】
次に検体１０５を透過した光線を第二の偏光子１０６に照射する。光線は第二の偏光子１０６を通過する際、その透過軸方向の光線のみが透過し、光検出器１０７の受光部に到達する。光検出器１０７は受光した光線の強度変化を電圧変化として出力するものである。従って光線（ａ）の系に於いては、光検出器１０７からの出力電圧Ｖｏｕｔの液晶パネル１０４に印加する交流電源Ｖｌｃｄに対する依存性を測定することにより、検体による旋光角θを測定することが出来る。
【００２１】
ここで、血液中の成分として例えばグルコースに関して考えた場合、グルコースは右旋光であり、光源の波長がλのときの旋光角θ（λ）は
θ（λ）＝α（λ）・ｃ・ｌ
で表される。ここで、α（λ）は波長λのときのグルコースの旋光係数、ｃはグルコース濃度、ｌは光路長である。ここで、測定対象を動脈成分に絞る方法として動脈の拍動成分を用いた場合、動脈血の拍動成分による旋光角の変化量Δθ（λ）は
Δθ（λ）＝α（λ）・ｃ・Δｌ
で表される。ここで、α（λ）、ｃは上記と同様で、Δｌは拍動成分による動脈血層の光路長変化量である。
【００２２】
次に光線（ｂ）の光路に関しては第二の光源１０２より出射した光線（ｂ）は直接検体１０５に照射する。このとき検体１０５に照射する箇所としては出来るだけ光線（ａ）の照射場所と近い場所になるようにする。もしくはそれぞれの系の場所を切り替えて、光線（ａ）と同じ場所に照射するようにする。これは光線（ａ）と光線（ｂ）の検体を通過する際の光路長が等しくなるようにするためである。また、図１においては光線（ａ）と光線（ｂ）の光検出器を共通にしているため、第一の光源１０１と第二の光源１０２を同時に使用はしないものとする。同時に使用する場合は光検出部を個々に用意する。
【００２３】
検体１０５を透過した光線は光検出器１０７の受光部に到達し、検体による光強度の低下の割合より吸光度を測定する。この際、検体による吸光度は動脈の拍動成分による動脈血層の光路長変化に相関した変化を示す。すなわち、拍動により光路長が増加したときには吸光度も増加し、光路長が減少したときには吸光度も減少する。ここで、例えば第二の光源１０２の波長を１４００ｎｍ〜１５５０ｎｍ程度にした場合を考えると、水の吸光度がその他の成分の吸光度に対して非常に高く、拍動成分による吸光度の変化と拍動成分中の水による吸光度の変化がほぼ等しいとすることが出来る。また水の濃度は１であるため、すなわちこの条件での吸光度の変化ΔＯＤ（λ）は
ΔＯＤ（λ）＝εＨ２Ｏ（λ）・Δｌ
で表される。ここでεＨ２Ｏ（λ）は波長λでの水の吸収係数であり、Δｌは上記と同様、拍動成分による動脈血層の光路長変化量である。
【００２４】
よって、吸光度の変化を測定することにより、拍動成分による動脈血層の光路長変化量Δｌを測定することが可能である。ここで、この光線（ｂ）の系によって測定したΔｌを上記の光線（ａ）で測定した旋光角の変化量Δθ（λ）の式、
Δθ（λ）＝α（λ）・ｃ・Δｌ
に当てはめることによって、濃度ｃが求まる。
【００２５】
また、波長λにおいて旋光性を持つ物質が動脈中に複数存在する場合には複数の波長を用いて測定を行う。仮に波長λ３、λ４の２波長を用いた場合には、式
Δθ（λ３）＝｛α１（λ３）・ｃ１＋α２（λ３）・ｃ２｝・Δｌ
Δθ（λ４）＝｛α１（λ４）・ｃ１＋α２（λ４）・ｃ２｝・Δｌ
にΔｌを当てはめ、連立方程式より濃度ｃ１、ｃ２を求めることが出来る。
【００２６】
（第二の実施形態）
次に第二の実施形態について図２に示す例を用いて説明する。図２において第二の光源１０２から出射した光線（ｂ）の系については第一の実施形態と同様で、動脈の拍動成分による動脈血層の光路長変化量Δｌを測定するためのものである。光源２０１より出射した光線（ｃ）は直接検体１０５に照射する。このとき第一の実施形態と同様の理由で、光線（ｂ）と光線（ｃ）の検体１０５に照射する箇所としては出来るだけ近い場所になるようにする。
【００２７】
検体１０５を透過した光線（ｃ）は光検出器１０７の受光部に到達し、検体による光強度の低下の割合より吸光度を測定する。この際、検体による吸光度は光線（ｂ）の場合と同様に示すように動脈の拍動成分による動脈血層の光路長変化に相関した変化を示す。ここで、ある波長λの光を吸収する物質が動脈中に１つのみであると仮定した場合、吸光度の変化ΔＯＤ（λ）は
ΔＯＤ（λ）＝ε（λ）・ｃ・Δｌ
で表される。ここで、εは吸収係数、ｃは濃度である。ここに光線（ｂ）の系より求めたΔｌを当てはめることにより濃度が求まる。
【００２８】
しかし、実際はある波長λｎの光は動脈中の複数の物質によって吸収されるため、複数の波長に対して測定を行い、連立方程式より濃度を求める。例えば、従来例で用いた酸化ヘモグロビン（ＨｂＯ２）と還元ヘモグロビン（Ｈｂ）の場合を考えると波長λ５と波長λ６において
ΔＯＤ（λ５）＝｛εＨｂ（λ５）・ｃＨｂ＋εＨｂＯ２（λ５）・ｃＨｂＯ２｝・Δｌ
ΔＯＤ（λ６）＝｛εＨｂ（λ６）・ｃＨｂ＋εＨｂＯ２（λ６）・ｃＨｂＯ２｝・Δｌ
が成り立ち、ΔＯＤ（λ５）、ΔＯＤ（λ６）、Δｌを測定することにより、連立方程式からＨｂＯ２とＨｂ、それぞれの濃度が求まる。
【００２９】
従って、動脈中の成分のなかで、旋光性もしくは吸光特性を持っている成分に関して、血中濃度の測定が可能である。よって、上記に例としてあげたグルコース、ヘモグロビンのほかにコレステロール、アルブミン等動脈中における様々な成分の濃度を測定することが出来る。
【００３０】
本実施形態における電気光学的な旋光角度変調素子としてはＴＮ型の液晶パネルを用いているがこれに限定するものではなく、外部からの電圧によって旋光角を変化させるものであれば使用可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明のように、本発明の濃度測定装置においては、下記に記載する効果を有する。
【００３２】
血液中の成分の濃度を測定する際に、動脈中の拍動成分による旋光性の変化を測定する系と並列して、動脈の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を測定することにより、血液中の濃度比としてではく、濃度そのものを求めることが出来る。また、旋光性ではなく動脈中の拍動成分の吸光度の変化を測定する系を用いた場合でも同様に濃度を測定することが出来る。これにより、様々な動脈中の成分に対して非侵襲型の血中濃度測定を行うことが可能となる。
【００３３】
また、脈の拍動成分による動脈血層の光路長変化量を求める際に水の吸光度が非常に高い１４００ｎｍから１５５０ｎｍの波長の光源を用いることにより、その他の成分による吸収の影響を無視できるため、正確な光路長変化量を求めることができ、正確な濃度測定が可能となる。
【００３４】
また、旋光角変調素子として、液晶パネルの旋光性あるいは複屈折性を用いた場合に、測定系が非常に小型かつ軽量に作製でき、測定系全体の消費電力を低く抑えることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の濃度測定装置の第一の実施形態における濃度測定装置全体の構成を示す図である。
【図２】本発明の濃度測定装置の第二の実施形態における濃度測定装置全体の構成を示す図である。
【図３】酸化ヘモグロビン（ＨｂＯ２）と還元ヘモグロビン（Ｈｂ）の吸収係数の波長依存性を示した図である。
【符号の説明】
１０１　第一の光源
１０２　第二の光源
１０３　第一の偏光子
１０４　液晶パネル
１０５　検体
１０６　第二の偏光子
１０７　光検出器
２０１　光源
【図１】
2004081284.tif 000003
【図２】
2004081284.tif 000004
【図３】
2004081284.tif 000005