(57)【要約】【課題】血液を採取することなく、血中のグリコヘモグロビン（ＨｂＡ１ｃ）の濃度を求めることの出来る血液分析装置を提供する。【解決手段】波長の異なる第１の近赤外光と第２の近赤外光とを時間的に交互に生体４に照射するための二つの光源１、２を有する照射手段と、前記生体４を透過して外部に出射される第１の近赤外光及び第２の近赤外光の透過光強度を検出する検出手段５とを備え、前記第１の近赤外光の透過光強度の変化から生体中のヘモグロビンによる近赤外光の吸収により生じる透過光の脈波を検出し、前記第２の近赤外光の透過光強度の変化から生体中のグルコースによる近赤外光の吸収により生じる脈波を検出し、前記ヘモグロビンの吸収による脈波の大きさを参照信号として、ヘモグロビンに結合したグルコースの吸収による脈波の信号から血液中の総ヘモグロビン量に対するグリコヘモグロビンの割合を算出することを特徴とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なる第１の近赤外光と第２の近赤外光とを時間的に交互に生体に照射するための二つの光源を有する照射手段と、前記生体を透過して外部に出射される第１の近赤外光及び第２の近赤外光の透過光強度を検出する検出手段とを備え、前記第１の近赤外光の透過光強度の変化から生体中のヘモグロビンによる近赤外光の吸収により生じる透過光の脈波を検出し、前記第２の近赤外光の透過光強度の変化から生体中のグルコースによる近赤外光の吸収により生じる脈波を検出し、前記ヘモグロビンの吸収による脈波の大きさを参照信号として、ヘモグロビンに結合したグルコースの吸収による脈波の信号から血液中の総ヘモグロビン量に対するグリコヘモグロビンの割合を算出することを特徴とする血液分析装置。
【請求項２】
前記第１の近赤外光の発光波長は７００ｎｍから９００ｎｍであり、前記第２の近赤外光の発光波長は１１００ｎｍから１３００ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の血液分析装置。
【請求項３】
前記第１の近赤外光の発光波長は７００ｎｍから９００ｎｍであり、前記第２の近赤外光の発光波長は１５００ｎｍから１７００ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の血液分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近赤外光の生体内透過特性を利用して血中グルコースの濃度を測定し、血液中の総ヘモグロビン量に対するグリコヘモグロビンの割合を算出するための、血液分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、生活習慣病が医療費の増大の大きな要因として挙げられ、その克服が課題となっている。生活習慣病の中でも、糖尿病は自己健康管理が望まれる軽度の疾患も含めると日本では１３００万人とも言われ、特に注目されている。特に加齢とともに糖尿病の頻度は増加し、６０歳をこえると男性でも女性でも糖尿病の頻度は１５％程度となる。糖尿病にはインシュリン依存の１型と非インシュリン依存の２型糖尿病がある。日本では食べ過ぎ、運動不足、肥満体質が主な原因の２型糖尿病の割合が多い。２型糖尿病は、血糖値が高くても無症状なので放置されやすく、合併症が起きて初めて糖尿病と分かるケースが多い。したがって、適切な早期の診断や日常的な病態の把握、及び食事、運動などの生活習慣の改善により、糖尿病ではあっても、病気の進行を阻止し、質の高い生活を送ることを可能とすることが望まれている。このためには医療機関と連携した糖尿病の自己健康管理が極めて重要となっている。
【０００３】
糖尿病は、血液中のグルコース濃度を指標とし、血液中のグルコース濃度がブドウ糖負荷試験などによる診断で概ね空腹時で１２６ｍｇ／ｄｌ以上、食後２時間で  ２００ｍｇ／ｄｌ以上と診断される。血中のグルコース濃度を求めるにはグルコースオキシダーゼを用いる方法などがある（例えば、特許文献１参照。）。しかし、血液中のグルコース濃度は食事などの影響を大きく受けるため、日常の健康管理のためには必ずしも適切な指標とはならない場合もあった。また、インシュリンを注射する必要のある１型糖尿病では血糖値の自己測定（ＳＭＢＧ）を行い血糖値を適切な値にコントロールすることが重要であるが、２型糖尿病では必要ない。むしろ、最近では健康診断の血液検査の測定項目としてグリコヘモグロビン（以下ＨｂＡ１ｃと記す）の総ヘモグロビンに対する割合を導入し、糖尿病の進行状態判定の指標として用い、ＨｂＡ１ｃの割合が７％以下、できれば６％以下とすることが望ましいというように健康管理項目として用いられるようになっている。
【０００４】
ＨｂＡ１ｃはヘモグロビンのヘム蛋白の末端にグルコースが非酵素的に結合したものである。赤血球の寿命は２〜３ヶ月程度であるため、ＨｂＡ１ｃの割合は一ヶ月間程度の血液中グルコースの平均的な濃度を反映していることが知られている。したがってＨｂＡ１ｃ濃度は食事等によって大きく変化するグルコース濃度とは異なり高血糖値の状態の長期的な指標として用いられるようになっている。そのため検査時にたまたま血糖値が低いような初期の糖尿病でも発見しやすい。
【０００５】
通常、ＨｂＡ１ｃ濃度は血液を採取し高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）でヘモグロビンを分画し、ＨｂＡ分画領域に現れるＨｂＡ１ｃの分画分として決めている（例えば特許文献２参照）。また、最近では抗原抗体反応などを利用した小型の分析装置も普及し始めているが、血液を採取することは変わらない。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１６２３５３号公報（第４−６頁、図２）
【特許文献２】
特開２００２−０３１６２６号公報（第３頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、ＨｂＡ１ｃの濃度を求めるためには血液を採取しなければならなかった。しかしながら、血液採取を行うことは感染の危険や苦痛を伴うため好ましくない。比較的軽度の糖尿病患者あるいは糖尿病と診断されなくとも高血糖値を示す人では日常の健康管理のためにＨｂＡ１ｃの値を管理することが重要であるが、顕著な症状が現れるまではなかなか病院に行くことはせず、治療開始が遅れることが多々あった。このような観点から、血液を採取することなく、自宅でも測定可能な光学的手段のような非侵襲的に血中のＨｂＡ１ｃの濃度を求めることの出来る手段が望まれていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の血液分析装置は下記記載の手段を採用する。
波長の異なる第１の近赤外光と第２の近赤外光とを時間的に交互に生体に照射するための二つの光源を有する照射手段と、前記生体を透過して外部に出射される第１の近赤外光及び第２の近赤外光の透過光強度を検出する検出手段とを備え、前記第１の近赤外光の透過光強度の変化から生体中のヘモグロビンによる近赤外光の吸収により生じる透過光の脈波を検出し、前記第２の近赤外光の透過光強度の変化から生体中のグルコースによる近赤外光の吸収により生じる脈波を検出し、前記ヘモグロビンの吸収による脈波の大きさを参照信号として、ヘモグロビンに結合したグルコースの吸収による脈波の信号から血液中の総ヘモグロビン量に対するグリコヘモグロビンの割合を算出することを特徴とする。
また、前記第１の近赤外光の発光波長は７００ｎｍから９００ｎｍであり、前記第２の近赤外光の発光波長は１１００ｎｍから１３００ｎｍであることを特徴とする。
また、前記第１の近赤外光の発光波長は７００ｎｍから９００ｎｍであり、前記第２の近赤外光の発光波長は１５００ｎｍから１７００ｎｍであることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の最適な実施形態を説明する。本実施形態における血液分析装置は、波長の異なる第１の近赤外光と第２の近赤外光とを時間的に交互に生体に照射するための二つの光源を有する照射手段と、前記生体を透過して外部に出射される第１の近赤外光及び第２の近赤外光の透過光強度を検出する検出手段とを備えている。前記照射手段は波長の異なる二つの近赤外光を発行するＬＥＤ１、ＬＥＤ２と、ＬＥＤドライバー１２と、ハーフミラー３とを有する。ＬＥＤ１は第１の近赤外光の光源であり、発光波長８００ｎｍの発光ダイオードである。ＬＥＤ２は第２の近赤外光の光源であり、発光波長１３００ｎｍの発光ダイオードである。ＬＥＤ１とＬＥＤ２とはＬＥＤドライバー１２から交互に送られてくる出力によって第１の近赤外光と第２の近赤外光とを交互に発光し、この第１の近赤外光と第２の近赤外光とはハーフミラー３で同一光軸に重ねられ、生体組織４としての手の指に入射される。入射されたそれぞれの近赤外光は生体組織４を通過した後、前記検出手段としての受光用のフォトダイオード５に入射され電気信号に変換される。この電気信号はプリアンプ６で増幅された後、バンドパスフィルター７で高周波のノイズ成分及びドリフトや体動に伴い生じる直流成分が除かれ、信号成分のみが出力される。前記信号成分はＡＤコンバータ８でデジタル化されＬＥＤ１、ＬＥＤ２の発光タイミングに同期してマルチプレクサ９でそれぞれ、メモリーＡ１０、メモリーＢ１１に振り分けられ記憶される。ＡＤコンバータ８のサンプリング周波数は脈動の周波数に比べて１０倍程度に取れば十分であり２０Ｈｚ程度で良い。サンプリング時間は１０秒間とし、その後ＣＰＵ１３はメモリＡ１０、メモリーＢ１１より数値を読み出し、数値演算を行い第１の近赤外光、第２の近赤外光のそれぞれの波長について吸光度を計算し、規格化した吸光度の差分からＨｂＡ１ｃの量を求めディスプレイ１４に表示する。
【００１０】
以下、本発明の原理を説明する。ヘモグロビン分子はＦｅ原子を中心にしてα鎖２つ、β鎖２つの合計４つのヘム蛋白からなる巨大たんぱく質である。たんぱく質はグルコースの存在下でグルコースと結合しグリケーション（糖化）されることが知られている。ヘモグロビンもグルコースが結合することによってＨｂＡ１ｃとなる。このときグルコースはヘモグロビンのβ鎖の末端に非酵素的に結合している。ヘム蛋白の分子量は１ユニットで約１６０００である。一方、グルコースの分子量は約１８０である。ヘモグロビンは血液中に通常１６ｇ／ｄｌの割合で含まれている。これから簡単な計算で、たとえば総ヘモグロビンに対するＨｂＡ１ｃの割合が１０％の人の血液中には、通常の血漿中に含まれるグルコースとは別に８ｍｇ／ｄｌ程度のグルコースがヘモグロビン中に含まれていることになる。
【００１１】
心臓から送り出された動脈血はその時間的に変動する血圧に依存して末梢の毛細血管を拡張，収縮させ、いわゆる脈動を生じさせる。近赤外光は生体組織を透過しやすいが、ヘモグロビンによりある程度吸収される。この脈動に伴い血液の容積が変化し、したがって入射された第１の近赤外光の吸収量がヘモグロビンの量に依存して微弱に変化するため、透過光強度を検出することにより、ヘモグロビン量を推定できる。
【００１２】
グルコースは血液中、細胞間質および細胞に含まれているが、末梢毛細血管の周辺組織においてほぼ均一に分布していると考えられ、したがって、末消毛細血管の拡張に伴ってグルコースの濃度は変化しないとみなしてよい。また、近赤外域に光の吸収を持つ水、アルブミン、グロブリン等についても同様に濃度は変化しないとみなしてよい。ところが、赤血球中のヘモグロビンについては赤血球が末梢毛細血管内に局在して存在しているため、末梢毛細血管の拡張に伴い末梢血管中のヘモグロビン量は増加することになる。したがってヘモグロビンの吸収に合せた波長の第１の近赤外光で透過光を測定すると受光した信号には血液の脈動に伴う脈波が見られる。このとき同時にグルコースの吸収に合わせた波長の第２の近赤外光で吸光度を測定すると、ヘモグロビンに余分に含まれているグルコースすなわちＨｂＡ１ｃ中のグルコースによる分だけ光の吸収の多い信号が得られる。すなわち、血漿、細胞間質，細胞中に単体で存在しているグルコースは脈動が生じても濃度は変化しないため近赤外光の吸収は一定で検出光に脈動は見られないが、ＨｂＡ１ｃ中のグルコースに依存した第２の近赤外光の吸収が脈動を引き起こすことになるのである。
【００１３】
脈動による透過光の変調においては、変調の程度は個人差や循環系の状態によって様々である。しかし、脈動による透過光の変調は微少量であり、線形とみなせるので、絶対量がほぼ一定であるヘモグロビンによる変調量との比をとれば、グルコースの濃度を算出することができる。
この余分に検出されたグルコースはヘモグロビンに結合していたものであるから、このグルコースの量から逆にグルコースと結合したヘモグロビンすなわちＨｂＡ１ｃの濃度を求めることが出来る。
【００１４】
以下グルコースの濃度を導出する計算式を説明する。
第２の近赤外光の波長λＧ  におけるグルコースのモル吸光係数をＡＧとする。第１の近赤外光の波長λＨにおけるヘモグロビンのモル吸光係数をＡＨとする。波長λＨの光は生体を透過することにより主にヘモグロビンにより吸収され
ｅｘｐ（−ＡＨ・ＭＨ・ｄ）
だけ減衰する。ここに生体組織４の等価的な厚みをｄ、ヘモグロビンのモル濃度をＭＨとする。脈動により時間の関数として等価的にδｄ（ｔ）だけ厚みが変化すると仮定すると減衰割合は
ｅｘｐ（−ＡＨ・ＭＨ・（ｄ＋δｄ（ｔ）））
となり、
ｅｘｐ（−ＡＨ・ＭＨ・δｄ（ｔ））
だけ脈動による変調成分が重畳される。同様に第２の近赤外光でのグルコースの吸収に関してはグルコースのモル濃度をＭＧとして波長λＧに対して
ｅｘｐ（−ＡＧ・ＭＧ・δｄ（ｔ））
だけ脈動による変調成分が重畳される。どちらも微小量であるから近似して
−ＡＨ・ＭＨ・δｄ（ｔ）
−ＡＧ・ＭＧ・δｄ（ｔ）
したがって両者の比を取れば
ＭＧ・ＡＧ／ＭＨ・ＡＨ
となり、吸収係数ＡＧ、ＡＨは知られているから比の値から濃度を算出できることになる。これらの量から逆に総ヘモグロビンに対するＨｂＡ１ｃの割合を求めることが出来る。
【００１５】
なお、血液中には酸素化されたオキシヘモグロビンと酸素化されていないデオキシヘモグロビンとがありそれぞれ吸収スペクトルが異なる。したがって酸素飽和度に依存しないヘモグロビンによる吸収を検出するための第１の近赤外光の波長としてはオキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンの等吸収点である７８０ｎｍ近傍である７００ｎｍ〜９００ｎｍの範囲が適切である。また、グルコースの吸収を検出するための第２の近赤外光の波長としては、複数あり、本発明では１２５０ｎｍ近傍である１１００ｎｍ〜１３００ｎｍの範囲、あるいは１６００ｎｍ近傍である１５００ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲を用いることが好ましい。
【００１６】
血液中や組織には水、アルブミン、グロブリン、尿素、チトクロームなどの物質があり、これらの物質によっても近赤外光は吸収されることが良く知られている。ヘモグロビンの吸収を決める第１の近赤外光の波長８００ｎｍではほとんどヘモグロビンによる吸収が主のためこれらの生体物質による吸収は無視できる。本発明で用いたグルコースの吸収を決める第２の近赤外光の波長１２５０ｎｍ、１６００ｎｍではこれらの生体物質による吸収を考慮して、クラスター分析など一般の統計的手法を用いて演算処理することは言うまでもない。貧血などでヘモグロビン量が標準とは大きく異なる患者などに対しては、実測データに基づき補正項として計算式に加えることで、さらに精度を向上させることができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上、本発明の血液分析装置は、血液を採取することなく総ヘモグロビンに対する血中のＨｂＡ１ｃの割合を非侵襲的に求めることができる。したがって糖尿病患者に負担をかけることなく病気の進行あるいは治癒の状態を知ることができるため、生活習慣の改善の効果を容易に知ることが出来る。特に、糖尿病の管理が必要な高齢者や介護を必要とする人の在宅での健康管理に用いることが出来る。また、在宅でも容易に測定が出来るため、病院に行かなくても済み、医療費の削減に寄与することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を説明する図である。
【符号の説明】
１  ＬＥＤ
２  ＬＥＤ
３  ハーフミラー
４  生体組織
５  フォトダイオード
６  プリアンプ
７  バンドパスフィルター
８  ＡＤコンバータ
９  マルチプレクサ
１０  メモリーＡ
１１  メモリーＢ
１２  ＬＥＤドライバー
１３  ＣＰＵ
１４  ディスプレイ
【図１】
2004248716.tif 000003