(57)【要約】  本発明の実施形態は、異なる波長範囲をそれぞれが有した複数の光ビームを生成する光源を含んだ装置に関する。装置は、複数の光ビームを標的部位に方向付ける光ファネルと、標的部位から放射する複数の光ビームをレンズに方向付ける開孔部と、標的部位から放射する光ビームを収集するように構成されたレンズとも含む。さらに、装置は、光ビームを検出するように、また検出された光の強度を示した出力信号を生成するようにそれぞれが構成された複数の光感知デバイスを含んだ検出器と、生成された各出力信号に応じて血液特性を判定するプロセッサとを含む。
2010540964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる波長範囲をそれぞれが有した複数の光ビームを生成する光源と、
複数の光ビームを標的部位に方向付ける光ファネルと、
標的部位から放射する複数の光ビームを、標的部位から放射する光ビームを収集するように構成されたレンズに方向付ける開孔部と、
光ビームを検出するように、また検出された光の強度を示した出力信号を生成するようにそれぞれが構成された複数の光感知デバイスを備える検出器と、
生成された各出力信号に応じて血液特性を判定するプロセッサとを備える、装置。
【請求項２】
波長範囲に応じて標的部位から放射する複数の光ビームのうちの異なるビームを通過させるようにそれぞれが構成された複数の干渉フィルタをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
レンズと検出器との間に位置決めされた透過格子をさらに備える、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
光源が１つ以上の発光ダイオードを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
光源が１つ以上の白熱光源を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
波長範囲が、約８００ｎｍから１６００ｎｍの間の異なる波長範囲を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
光源が光照射ファネルの進入用開口部に位置決めされている、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
標的部位に隣接して位置決めされたレンズと、
レンズと標的部位との間に位置決めされ、標的部位から放射する複数の光ビームを方向付けるように構成された開孔部と、
１つ以上のフィルタとを備える、光収集システム。
【請求項９】
レンズと１つ以上のフィルタとの間に位置決めされた透過格子をさらに備える、請求項８に記載の光収集システム。
【請求項１０】
１つ以上のフィルタが干渉フィルタである、請求項８または９に記載の光収集システム。
【請求項１１】
干渉フィルタが、波長範囲に応じて標的部位から放射する複数の光ビームのうちの異なるビームを通過させるようにそれぞれが構成されている、請求項８から１０のいずれか一項に記載の光収集システム。
【請求項１２】
１つ以上のフィルタの付近に、または１つ以上のフィルタと接触して位置決めされた１つ以上の検出器をさらに備える、請求項８から１１のいずれか一項に記載の光収集システム。
【請求項１３】
１つ以上の検出器が検出器アレイを備える、請求項８から１２のいずれか一項に記載の光収集システム。
【請求項１４】
複数の光ビームが白熱光源から生成される、請求項８から１３のいずれか一項に記載の光収集システム。
【請求項１５】
複数の光ビームが赤外線発光ダイオードから生成される、請求項８から１４のいずれか一項に記載の光収集システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の優先権
本非仮出願は、２００７年１０月４日に出願された米国仮特許出願第６０／９７７４６７号の優先権を主張する。この仮特許出願の全てが参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
試料の基本的特性の１つに、それが気体、液体、または固体であろうと、特定の波長の光を吸収し、または散乱させる試料の傾向または傾向のなさがある。試料の吸収し、散乱させ、または透過させる傾向についての特性評価は、多くの光学測定および光学計装（例えば分光光度法など）の基礎となる。光学デバイスで得られる測定の精度および反復精度は、１つ以上の検出器に到達する信号の強度を含む多くの要因に関係する。光学デバイスは、ヒトまたは動物の血液または間質液の構成成分の存在および量を測定するために使用されることができる。一実施例では、使用者の身体の標的部位から信号またはスペクトラムを得るために、非浸襲的光学装置が、なんらかの形態の分光分析を使用することができる。
【０００３】
糖尿病は、予防管理されないと徐々に神経、血管、目、腎臓、および心臓を含む多くの体組織に深刻なダメージをもたらす慢性疾患である。国立糖尿病消化器病腎臓病研究所（ＮＩＤＤＫ）は、２００７年には２３６０万人、即ち合衆国の人口の７．８％が糖尿病を患っていると推定している。世界的には、世界保健機構（ＷＨＯ）は、１億８０００万人を超える人々が糖尿病を患っていると推定しており、この数は、２０３０年までに３億６６００万人、合衆国では３０３０万人に増加すると予測している。ＷＨＯによると、２００５年には推定１１０万人が糖尿病によって死亡したということである。同機構は、糖尿病による死亡は、２００６年から２０１５年の間に全体で５０％を超える増加、中流の上の所得国では８０％を超える増加を見せることになると見込んでいる。
【０００４】
個人および社会全体に対する糖尿病の経済的負担も大きい。米国糖尿病協会によると、合衆国の２００７年の糖尿病の年間総経済コストは１７４０億ドルであったと推定されているということである。これは２００２年から４２０億ドルの増加である。この３２％の増加は、ドル金額が毎年８０億ドルを超えて上昇していることを意味している。
【０００５】
糖尿病管理の必須事項は、糖尿病患者が家庭環境で血中グルコース濃度を自己監察すること（ＳＭＢＧ）である。血中グルコースレベルを頻繁に検査することによって、糖尿病患者は薬物治療、食事、および運動をよりうまく管理して、予防管理を維持し、長期にわたる健康上の残念な結果を防止することが可能である。事実、１４４１人の糖尿病患者を数年間追跡した、糖尿病予防管理および合併症の試験（ＤＣＣＴ）は、毎日の複数の血糖検査を伴った集中予防管理プログラムに従った患者では、標準処置グループと比較して、眼疾患を発症した患者数は１／４、腎臓疾患を発症した患者数は１／２、神経疾患を発症した患者数は１／３に過ぎず、またこれらの３つの初期の合併症を既に有していた患者で悪化した患者の数はさらに極めて少ないものであったことを示した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、現在の監察技法は、分析の前に皮膚から血液を抜き取ることの不都合な、痛みを伴う性質のために、定期的に使用する意欲を失わせる。不都合な、痛みを伴う性質のために、多くの糖尿病患者は、充分な血中グルコースの予防管理のために行うべき真摯な取り組みができなくなってしまう。この結果、グルコース濃度の非浸襲的測定が、糖尿病の管理にとって望ましく有益な開発となる。非浸襲的な監察は、毎日複数回行う検査を無痛にし、糖尿病を患う子供にとってより受け入れ易いものにする。２００５年に公表された研究（Ｊ，Ｗａｇｎｅｒ、Ｃ．Ｍａｌｃｈｏｆｆ、およびＧ．Ａｂｂｏｔｔ、Ｄｉａｂｅｔｅｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃｓ、７（４）２００５、６１２−６１９）によると、糖尿病患者は、非浸襲的な血中グルコース監察デバイスによってより頻繁にＳＭＢＧを実施し、生活の質を向上させるということである。
【０００７】
血中グルコース測定のために、いくつかの非浸襲的手法がある。非浸襲的血液化学物質検査の１つの技法に、光線スペクトルのデータの収集および分析がある。分光分析から得られたスペクトルのデータまたは他のデータから、グルコース濃度などの血液特性についての情報を抽出することは、感知されている部位内の血液以外の構成成分（例えば皮膚、脂肪、骨、間質液など）の存在のために複雑な問題である。このような他の構成成分は、読み取りを変えてしまうような形でこれらの信号に影響を及ぼす可能性がある。特に、この結果生じる信号の大きさは、血液に対応する信号の部分よりも極めて大きくなる場合があり、したがって血液特性の情報を精確に抽出する能力を制限してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、異なる波長範囲をそれぞれが有した複数の光ビームを生成するように構成された光源を含んだ装置に関する。装置はまた、複数の光ビームを標的部位に方向付ける光ファネルと、標的部位から放射する複数の光ビームを、標的部位から放射する光ビームを収集するように構成されたレンズに方向付ける開孔部とも含む。さらに、装置は、光ビームを検出するように構成されかつ検出された光の強度を示した出力信号を生成するようにそれぞれが構成された複数の光感知デバイスを含んだ検出器と、生成された各出力信号に応じて血液特性を判定するプロセッサとを含む。
【０００９】
実施形態は、標的部位に隣接して位置決めされたレンズと、レンズと標的部位との間に位置決めされ、標的部位から放射する複数の光ビームを方向付けるように構成された開孔部と、１つ以上のフィルタとを含んだ光収集システムに関する。
【００１０】
必ずしも一定の縮尺で描かれてはいない本明細書の図面では、いくつかある図の全てにおいて、同様の参照符号は実質的に類似の構成要素を指している。異なる添え字を有した同様の参照符号は、実質的に類似の構成要素の異なる事例を表している。これらの図面は一般的に、一例として、しかし限定としてではなく本明細書内で論じられる様々な実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】いくつかの実施形態による動脈血液の光吸収に対応したパルス波のプロット図である。
【図１Ｂ】いくつかの実施形態による動脈血液の光吸収に対応したパルス波のプロット図である。
【図２】いくつかの実施形態による光学的構成を示す図である。
【図３】いくつかの実施形態による、生物試料の光学測定を実施するための既存の光学的構成を示す図である。
【図４Ａ】いくつかの実施形態による、生物試料の光学測定を実施するための光学的構成を示す図である。
【図４Ｂ】いくつかの実施形態による、生物試料の光学測定を実施するための光学的構成を示す図である。
【図５】いくつかの実施形態による光ファネルの横断面図である。
【図６】いくつかの実施形態による光源の構成要素を示す図である。
【図７】いくつかの実施形態による、赤外線発光ダイオート（ＩＲＥＤ）アレイマトリックスが中に配設された光ファネルの横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下の詳しい説明は添付図面への参照を含んでおり、それらは詳しい説明の一部を形成している。図面は、例証として、本発明が実践されることができる特定の実施形態を示している。本明細書で「実施例」とも呼ばれるこれらの実施形態について、当業者が本発明を実践することを可能にするように充分に詳しく説明がなされる。本発明の範囲から逸脱せずに、実施形態同士は組み合わされてもよく、他の実施形態が利用されてもよく、あるいは構造的変更および理論的変更がなされてもよい。したがって、以下の詳しい説明は、限定する意味で解釈されるべきものではなく、本発明の範囲は添付の請求項およびそれらの等価物によって画定される。
【００１３】
本明細書において、用語「ａ（１つの）」、または「ａｎ（１つの）」は、１つまたは１つよりも多くを含むものとして使用され、用語「ｏｒ（または）」は、特に別の明記がない限り、非排他的な「ｏｒ（または）」を指すものとして使用される。さらに、本明細書で使用され、特に別の形で規定されていない表現または専門用語は、説明するためのものであり、限定するためのものではないことを理解されたい。さらに、本明細書で参照される全ての刊行物、特許、および特許文献は、参照によりそれらが個別に組み込まれるかのように、それらの全てが参照により本明細書に組み込まれる。本明細書と参照によりそのように組み込まれたそれらの文献との間に整合しない使用法が現れた場合には、組み込まれた参照物における使用法は本明細書のそれを補足するものと考えられるべきであり、不整合が全く相容れない場合には、本明細書の使用法が支配することになる。
【００１４】
本発明の実施形態は、試料を照射し、その光学的特性を測定する光ファネルなどの光学構成要素に関する。人体または動物体の領域に対する分光学的サンプリングがここでは例証されているが、実施形態は、光学検出器、光学顕微鏡、分光計などを含む全てのタイプの光学機器に関する。ヒトの指などの生物試料によって吸収された光の量を判定するために、光学分光学が使用されることが可能である。指によって吸収された光の量を測定することによって、ある人のグルコース、コレステロール、およびヘモグロビンのレベルを非浸襲的に判定することが可能である。指先内に毛細血管が大きく集中していることから、また指先内で動脈血液が静脈血液へと転換することから、指先での測定が通常好まれている。
【００１５】
ヒトの指などの生物試料を通して光が透過される際、皮膚、筋肉、骨、脂肪、間質液および血液を含む指の様々な構成要素によって光は吸収および散乱される。しかしながら、ヒトの指による光の吸収は、心臓の鼓動に対応した小さな周期性パターンを示す。図１Ａは、使用者の心臓の鼓動による毛細血管内の動脈血液の光の吸収に対応するパルス波のプロット１０２を表している。検出器によって生成される総光電流と比較すると、周期性パターンの規模は小さいが、プロット１０２の周期性パターンから相当量の情報が抽出されることが可能である。例えば、人の心拍数が毎分６０拍であるとすると、任意の脈拍の開始とその脈拍の終わりとの間の時間は１秒である。プロット図は、この１秒の間に最大値またはピーク値１０４の表示と、最小値または谷値１０６の表示とを有することになる。プロット図のピーク値１０４の表示は、毛細血管内に最小量の血液が存在するときに対応し、谷値１０６の表示は、毛細血管内に最大量の血液が存在するときに対応する。周期性プロット図のピーク値と谷値によって提供される光学的情報を使用することによって、毛細血管内に存在しない、皮膚、脂肪、骨、筋肉、および間質液などの指の主要な構成要素による光学吸収および光学散乱が除外される。毛細血管内に存在しないこれらの主要な構成要素は、それらが１秒の合間で変化する可能性がないことから除外される。言い換えれば、血液によって吸収される光は、プロット図１０２のピーク値と谷値に基づいて検出されることが可能である。
【００１６】
光感知デバイスによって生成される周期性光電流のピーク値をＩＰとすると、周期性光電流の隣接する谷値はＩＶであり、ヒトの指がない状態で光感知デバイスによって生成される光電流はＩＯであり、ピーク値と谷値の光電流に対応する透過率は、次式として定義されることが可能である：
【数１】
2010540964.tif 000003
および
【数２】
2010540964.tif 000004
【００１７】
対応するピーク値と谷値の吸光度は
ＡＶ＝−ｌｏｇ（ＴＶ）      （３）
および
ＡＰ＝−ｌｏｇ（ＴＰ）      （４）
である。
【００１８】
ＡＶとＡＰの差は、指内の血液のみによる光の吸収と散乱を表している：
【数３】
2010540964.tif 000005
【００１９】
式（５）内に示されたアリゴリズムでは、光電流の変化を監察するのを必要とするだけで、指を通して透過される光パワーの変化を判定することができる。その結果、ヒトの指のない状態で光感知デバイスによって生成される光電流を判定する必要がない。
【００２０】
残念ながら、周期性パターンは極めて小さな信号であることから、周期性パターンの振幅（即ちピーク値と谷値の差異）は、指を通して透過された総光パワーの典型的に１％から３％である。図１Ａは拡大図によって周期性パターンを示している。図１Ｂは信号振幅の観点から周期性パターンをより精確に示している。ΔＡの判定で１００：１の信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を得るためには、指によって吸収される光を測定するために使用されているデバイスのベースラインノイズの吸光度（ピーク値からピーク値）は、１０Ｈｚ帯域幅内で３．０×１０−５を超えるべきではない。
【００２１】
しかしながら、１０Ｈｚ帯域幅内での３．０×１０−５の吸光度（ピーク値からピーク値）のベースラインのノイズレベルは、電池式手動操作型非浸襲的血液化学分析測定デバイスによって使用される低い光パワーレベルでは得ることが困難である。１つの解決法は、光照射パワーを増大させることである。しかしながら、一部のデバイスの寸法制限によって、所望のベースラインのノイズレベル（例えば電池の放電など）を達成するために照射パワーを増大することが可能でない場合があり、または非効率的である場合がある。したがって、デバイスの寸法および電池のパワー消費を著しく増大させずに、このようなデバイスによって検出されることが可能な光パワーの量を増大させるシステムおよび方法が求められている。
【００２２】
図２は、ヒトの指内の血液によってのみ吸収および散乱される光の量を判定するための、「脈動」概念を使用する電流光学測定システム２００の構成要素を示した簡略化ブロック図である。電池などの電源２０１は、使用者の指の頂部の方に向けられた複数の光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０を生成する光源２０２にパワーを供給する。光測定システム２００の一態様によると、光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０のそれぞれは、典型的には８００ｎｍから１６００ｎｍ内の異なる波長または異なる波長範囲を有する。例えば、第１光ビーム２０４は８５０ｎｍから９００ｎｍの波長範囲を有してもよく、第２光ビーム２０６は８７５ｎｍから９４０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第３光ビーム２０８は９２０ｎｍから９８０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第４波光ビーム２１０は９５０ｎｍから１０５０ｎｍの波長を有してもよい。光学測定システム２００は、本明細書では４つの光ビームを生成するものとして述べられているが、光源２０２は、他の実施形態ではより少ない光ビームまたは追加の光ビームを生成するように変更されることも可能であることが考えられる。
【００２３】
第１開孔部２１２は光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０が指の標的部位に達することを保証する。第２開孔部２１４は、指を通して透過された光ビームの一部分がレンズ２１６に達することを保証する。光ビーム２０４、２０６、２０８、２１０は、指と光学測定システム２００の構成要素とによって減衰され、したがって減衰された光ビーム２１８、２２０、２２２、２２４が指から放射される。減衰された光ビーム２１８、２２０、２２２、２２４はレンズ２１６を突き、レンズ２１６は減衰された光ビーム２１８、２２０、２２２、２２４を収集して、それらがより効率的に検出器ブロック２２６上に当たるようにする。
【００２４】
検出器ブロック２２６はレンズ２１６の真下に位置決めされ、光ダイオードのアレイなどの複数の光感知デバイス（ＬＳＤ）２２８、２３０、２３２、２３４を備える。光学測定システム２００の一態様によると、光感知デバイス２２８、２３０、２３２、２３４のそれぞれは、対応する干渉フィルタ（ＩＦ）２３６、２３８、２４０、２４２それぞれによって画定される光の固有の波長を検出する。干渉フィルタは１つ以上のスペクトル帯または光の線を透過させ、その他を遮断する。
【００２５】
光感知デバイス２２８、２３０、２３２、２３４のそれぞれは、特定の光感知デバイスによって受け取られる光のパワーに比例する対応した電流信号を生成する。光ダイオードによって生成される電流信号は、アナログ電圧信号またはデジタル信号などの他の形態の信号に転換されることが可能である。
【００２６】
プロセッサ２４３は検出ブロック２２６に結合され、光電流信号２４４、２４６、２４８、２５０の変化を計算するように構成されている。
【００２７】
一態様によると、プロセッサ２４３は式（５）に示されているようなアリゴリズムを実行して、指内の血液のみによって生じる光吸収（ΔＡ）の変化を計算する。この後、血液特性を判定するために、血液の光吸収のこの定量的計算が使用されることが可能である。例えば、計算された光吸収値を、メモリー（図示せず）内に記憶された様々なグルコースレベルに対応する所定の値と比較することによって、使用者のグルコースレベルが判定されることが可能である。
【００２８】
次に図３を参照すると、ヒトの指によって吸収される光の量を測定するための従来の装置の構成が示されている。赤外線発光ダイオート（「ＩＲＥＤ」）ブロック３０２が、近赤外線（「ＮＩＲ」）放射または８５０ｎｍから１１００ｎｍの光ビームを生成する複数のＩＲＥＤを含む。生成されたＮＩＲ光ビームは進入用開孔部３０４に進入し、指を通過する。指を通して透過されたＮＩＲ光ビームは退出用開孔部３０６を通過してレンズ３０８上に至る。レンズ３０８は光ビームをコリメートし、それらをフィルタアレイ３１０、次いで検出器アレイ３１２上に投影する。装置は、迷光が光検出器に到達することを防止する壁ハウジング３１４も含む。
【００２９】
この光学的構成では、退出用開孔部３０６を通過する光ビーム同士の波長は完全に混合されている。より具体的には、８５０ｎｍから１１００ｎｍまでの光パワー分布の全体が、検出アレイ３１２内の全ての検出器に透過される。
【００３０】
以下に述べられているように、図３に表わされたデバイスの構成では、デバイスの効率を阻止し、潜在的に高いベースラインノイズをもたらす問題が存在する。
【００３１】
小さな光照射パワー
子供の小さな指寸法を収容するために、光は、約０．２５（１／４）インチ以下の直径を有した進入用開孔部３０４を通って指に進入するべきであり、指を通して透過された光は、約０．２５（１／４）インチ以下の直径を有した退出用開孔部３０６を通して収集されるべきである。しかしながら０．２５インチ直径の区域内に配置されることが可能なＩＲＥＤの数は限定されている。例えば、３ミリメートル（ｍｍ）直径のＩＲＥＤは４つしか、進入用開孔部３０４の０．２５インチ直径の区域内には効果的に配置されることが可能ではない。各ＩＲＥＤからの平均パワーが、１５度から２０度のパワー放射半角で、約２．５ミリワット（ｍＷ）であることから、各ＩＲＥＤから指に進入する使用可能な総パワーは約５０パーセント（５０％）、または１．２５ｍＷである。したがって、４つのＩＲＥＤについて、使用可能な総パワーは、典型的には８５０ｎｍから１１００ｎｍである４つのＩＲＥＤによってカバーされる波長範囲全体に対して約５ｍＷ（例えば４×２．５ｍＷ×．５０など）である。
【００３２】
ヒトの指による吸収および散乱
一般的に、上述のように、指に進入する光は皮膚、脂肪、筋肉、血液、および骨によって減衰される。例えば、人の指による光の吸収および散乱が、８５０ｎｍから１１００ｎｍのＮＩＲ領域内の透過された光のパワーを約２００分の１に縮小することが可能であることが観察されている。その結果、指を通して透過される総ＩＲパワーは、典型的には８５０ｎｍから１１００ｎｍである４つのＩＲＥＤによってカバーされた波長範囲全領域内で約２５ミクロワット（μＷ）（例えば５ｍＷ／２００など）に過ぎない。
【００３３】
光学部品を結合することによる小さな収集用立体角度
光が退出用開孔部３０６から指の下で２πの立体角度内の全方位に放射される。従来の光学設計では、退出用開孔部３０６が点状源として取り扱われることが可能でないことから、指を通して透過される光パワーのほとんどを収集することが困難である。典型的には、図３に示されている光学レイアウトを使用して収集される総光パワーは約１０％に過ぎず、あるいは典型的には８５０ｎｍから１１００ｎｍである４つのＩＲＥＤによってカバーされる全波長領域内で１０μＷから２．５μＷのパワーの縮小に過ぎない。これが図３内の全ての検出器に送られる光パワーであることに留意されたい。
【００３４】
検出器の数
さらに、図３に示されているような光学システムは、血液内の化学的構成成分に関する精確な情報を得るために２０から３０ものダイオード検出器を必要とする場合がある。したがって、各検出器まで進む光パワーは約１２５ｎＷ以下になる。
【００３５】
狭帯域通過フィルタ
各検出器の頂部に配置された干渉フィルタは、典型的には１０ｎｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）の帯域幅を有する。これは、８５０ｎｍから１１００ｎｍの波長領域全体にわたってパワーが均等に分配されているとすると、光パワーを２５ｎＷから５ｎＷ分縮小する。さらに、各干渉フィルタのピーク透過率は約５０％以下である。したがって、各検出器によって受け取られる光パワーは約２．５ｎＷ以下に縮小される。
【００３６】
光電変換効率
シリコンダイオード検出器の光電変換効率は、１１００ｎｍにおける０．１アンプ／ワット（Ａ／Ｗ）から９００ｎｍにおける約０．５Ａ／Ｗの範囲である。その結果、対応する干渉フィルタの中心波長に依存して、各検出器によって作り出される光電流は、検出器毎に０．２５ナノアンプ（ｎＡ）以下から１．２５ｎＡ以下の間である。１０Ｈｚ帯域幅内の対応する高機能ショットノイズは約２．０×１０−４の吸収率（ｐ−ｐ）以上であり、これは、Ｓ／Ｎ比１００で、式（５）によって規定されるΔＡの精確な判定のために必要となるものの６倍を超えている。言い換えれば、ΔＡに対して１００：１の望ましいＳ／Ｎ比に到達するためには、検出器によって受け取られる光パワーは４０倍を超えて増大されるべきである。
【００３７】
図４Ａは、本光学測定システム４００の一態様による、生物試料の光学検出を実施するための光学的構成を示している。光源４０２は複数の光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を生成する。光源４０２は、例えば白熱光源または赤外線発光ダイオードであってもよい。光学測定システム４００の一態様によると、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０はそれぞれ異なる波長または異なる波長範囲を有する。例えば、第１光ビーム４０４は８５０ｎｍから９２０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第２光ビーム４０６は９００ｎｍから９８０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第３光ビーム４０８は９７０ｎｍから１０５０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第４光ビーム４１０は１０３０ｎｍから１１００ｎｍの波長範囲を有してもよい。総波長範囲は例えば約８００ｎｍから約１６００ｎｍであることができる。光学測定システム４００は本明細書で４つの光ビームを生成するものとして述べられているが、他の実施形態では光源がそれより少ない光ビームまたは追加の光ビームを生成するように変更されることも可能であることが考えられる。
【００３８】
光源４０２からの光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０が、進入用開口部４１４を通って光照射ファネル４１２に進入し、退出用開口部４１６を通って光照射ファネル４１２を退出する。光照射ファネル４１２の退出用開口部４１６の直径は、進入用開口部４１４の直径以下である。例えば、一実施形態によると進入用開口部４１４の直径は約０．６２５（５／８）インチであり、退出用開口部４１６の直径は約０．２５（１／４）インチである。したがって、図３に表わされている構成とは対照的に、光照射ファネル４１２は、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を使用者の指の頂部に向けて同一の全体方向に集束させる。光照射ファネルは、図３の構成と比較して、標的部位によって受け取られる総光パワーを著しく増大することができ、したがって信号対ノイズ比を実質的に増大する。
【００３９】
図５は光照射構成要素または光照射ファネル４１２の横断面図を表している。一態様によると、光照射ファネル４１２は、直径Ｄ１を備える実質的に円筒状の側壁５０２と、円錐台形状の内壁５０６によって画定される中央空洞と、２つの光進入用開口部５０８および光退出用開口部５０４とを有する。開口部５０８（第２開口部）は小さな直径Ｄ３を、開口部５０４（第１開口部）は大きな直径Ｄ２を有する。２つの光開口部の間の間隔はＬであり、内面の円錐台形状の半角はαである。本発明の一実施形態によると、半角αの値は１０度から１５度の範囲である。半角は、例えば約２５度未満であってもよい。光照射ファネル４１２は、任意の所望の屈折率を有したプラスチック、金属、または他の適切な材料、あるいは複合物／層の材料から形成されてもよい。一態様によると、光照射ファネル４１２は金属から形成され、内壁５０６の表面は高反射性となるように製作される。適切に構成されると、退出用開口部５０８における光強度は、進入用開口部５０４における光強度に対して５０から１００倍分増大されることができる。
【００４０】
図６は、光測定システム４００の一態様による光源４０２の構成要素を表している。ファネルの第１開口部の付近に、またはそれと接触して回路基板が位置決めされることができ、回路基板は、基板上に、またはそれと接触するように取り付けられた光源を含むことができる。一実施例では、複数のＩＲＥＤ６０２、６０４、６０６、および６０８がプリント基板（ＰＣＢ）６１０に取り付けられている。ＰＣＢ６１０は、電池などの電源（例えば電源２０１など）に接続された電源ライン６１２を通して電力を受け取る。電力が電源ライン６１２を通して供給されると、ＩＲＥＤ６０２、６０４、６０６、および６０８のそれぞれが電力を受け取り、複数の光ビーム（例えば光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０など）を生成する。特に、電池寿命を延ばすために、類似の動作電流を備えるＩＲＥＤが直列に接続されることが可能である。光源は、例えばハウジングによって囲まれることなどによって、ファネル内またはファネルの上に取り付けられてもよい。
【００４１】
一態様によると、光照射ファネル４１２はネジ、合釘、または他の接続手段によってＰＣＢ６１０に取り付けられてもよい。光照射ファネル４１２の内面の円錐台形状は、ＩＲＥＤ６０２、６０４、６０６、６０８からの光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を、指に向けて全体として円錐形のビームへと集束する役目を果たす。
【００４２】
図７は、三次元（３−Ｄ）ＩＲＥＤアレイのマトリックス７０２が中に配列された光照射ファネル４１２の他の実施形態の横断面図を示している。ＩＲＥＤなどの多重光源が、三次元層内に位置決めされ、光の強度を最適化するように構成されることができる。光源は、例えば水平層および垂直層内に位置決めされてもよい。この実施形態によると、合計２６のＩＲＥＤが３−Ｄアレイマトリックス内に含まれている。ＩＲＥＤは４つの層内に配置されている。第１の列は、７０４によって示されているように、４つのＩＲＥＤ（２つのＩＲＥＤが図示されていない）を含み、第２の層は、７０６によって示されているように、５つのＩＲＥＤ（２つのＩＲＥＤが図示されていない）を含み、第３の層は、７０８によって示されているように、７つのＩＲＥＤ（４つのＩＲＥＤが図示されていない）を含み、第４の層は、７１０によって示されているように、１０のＩＲＥＤ（６つのＩＲＥＤが図示されていない）を含む。電源ライン７１２は全てのＩＲＥＤに電力を供給する。他の実施形態によると、他のＩＲＥＤパターンも利用されてもよい。光の強度を最適化するために、任意の数の光源または層が利用されてもよい。
【００４３】
ＩＲＥＤは赤外線に対して光透過性であることから、ファネルの空洞内の遮断効果による光の損失は小さいはずであり、図７に示された構造は、光ファネルの空洞内のＩＲＥＤの３−Ｄアレイから放射される光パワーの８５％よりも多くを収集することが予想される。この結果、光照射ファネル４１２の０．２５インチ直径の退出用開口部４１６を通して伝送される総光パワーは、約５５ｍＷ（例えば２６×２．５ｍＷ×０．８５）であるはずである。したがって、本光学的測定システム４００内の指の上の０．２５インチ開口部を通して伝送される総光パワーは、図３を参照して述べられた構成の開孔部３０６（例えば５ｍＷ）で達成される対応するパワーの約１１倍である。さらに、指に受け取られる光パワーの増大は、指を通して透過されることが可能な光パワーの量を増大させ、したがって、検出器ブロック４２８で検出されることが可能な光パワーを増大させる。
【００４４】
図４Ａに戻ると、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０は指と光学的測定システム４００の構成要素とによって減衰される。次いで、減衰された光ビームは退出用開孔部４１８を通過し、非球面レンズ４３０によって収集される。次いで、非球面レンズ４３０から退出する光ビーム４３２はフィルタ４２６を通過して検出器４２８に至ることができる。
【００４５】
光収集のために非球面レンズ４３０を使用することの主な利点は、光収集のためのその極めて大きな立体角である。適切に構成されると、標的部位から放射された光を収集するために非球面レンズが使用されると、各検出器によって受け取られる総光パワーは、図３に示された光収集の構成と比較して、３倍から４倍分増大されることができる。光照射ファネル４１２と光収集器としての非球面レンズ４３０とを組み合わせて利用すると、図３で示された光学的構成と比較して約２０倍から約４０倍分、各検出器によって受け取られる光パワーを増大させることができる。
【００４６】
検出器ブロック４２８は、非球面レンズ４３０の下に位置決めされ、光ダイオードのアレイなどの複数の光感知デバイスを含んでもよい。光学測定システム４００の一態様によると、光感知デバイスはそれぞれ、検出器の頂部に配置された対応する干渉フィルタ４２６によって画定される固有の波長の光を検出する。
【００４７】
検出ブロック４２８にプロセッサ（例えばプロセッサ２４３など）が結合され、光感知デバイスによって生成される電流信号の変化を計算するように構成されることが可能である。例えば、図２を参照した上述のように、プロセッサ２４３は、指内の血液のみによって生じた光吸収（ΔＡ）の変化を計算するように、式（５）内に示されたものなどのアリゴリズムを実行する。その後、血液の特性を判定するために、血液の光吸収に対するこの定量的計算が使用されることが可能である。
【００４８】
図４Ｂは本光学測定システム４００の一態様による、生物試料の光学検出を実施するための他の光学的構成を示している。光源４０２が複数の光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を生成する。光源４０２は、例えば白熱光源または赤外線発光ダイオードであってもよい。光学測定システム４００の一態様によると、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０はそれぞれ異なる波長または異なる波長範囲を有する。例えば、第１光ビーム４０４は８５０ｎｍから９２０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第２光ビーム４０６は９００ｎｍから９８０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第３光ビーム４０８は９７０ｎｍから１０５０ｎｍの波長範囲を有してもよく、第４光ビーム４１０は１０３０ｎｍから１１００ｎｍの波長範囲を有してもよい。総波長範囲は例えば約８００ｎｍから約１２００ｎｍであることができる。光学測定システム４００は本明細書で４つの光ビームを生成するものとして述べられているが、他の実施形態では光源がそれより少ない光ビームまたは追加の光ビームを生成するように変更されることも可能であることが考えられる。
【００４９】
光源４０２からの光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０が、進入用開口部４１４を通って光照射ファネル４１２に進入し、退出用開口部４１６を通って光照射ファネル４１２を退出する。光照射ファネル４１２の退出用開口部４１６の直径は、進入用開口部４１４の直径以下である。例えば、一実施形態によると進入用開口部４１４の直径は約０．６２５（５／８）インチであり、退出用開口部４１６の直径は約０．２５（１／４）インチである。したがって、図３に表わされている構成とは対照的に、光照射ファネル４１２は、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０を使用者の指の頂部に向けて同一の全体方向に集束させる。光照射ファネルは、図３の構成と比較して、標的部位によって受け取られる総光パワーを著しく増大することができ、したがって信号対ノイズ比を実質的に増大する。
【００５０】
図４Ｂによって示されているように、光ビーム４０４、４０６、４０８、４１０は指と光学的測定システム４００の構成要素とによって減衰される。次いで、減衰された光ＮＩＲビームは退出用開孔部４１８を通過し、集光レンズ４２０によって収集され、透過回折格子デバイス４２２上に投影される。
【００５１】
図４Ｂで示されているように、透過回折格子４２２は、混合されたＮＩＲ光ビームの様々な波長の構成要素を、矢印によって表わされた方向に波長が単調増加してゆくスペクトラムに角度分割する。言い換えれば、特定の光ビームの回折角度が光ビームの波長に依存していることから、それぞれの光ビームは波長によって分離されることが可能である。光学スペクトラム４２４は透過回折格子４２２から出て、次いで干渉フィルタアレイ４２６によって狭められ、ダイオードアレイ４２８によって検出される。フィルタアレイ４２６内の各干渉フィルタの中心波長は単調増加するように構成されて、透過回折格子４２２から出るスペクトラムの対応した波長の構成要素と一致する。
【００５２】
８５０ｎｍから１１００ｎｍの光パワー分布全体が全ての検出器に送られる図３の光収集構造と比較すると、透過回折格子を利用した手法は、対応するフィルタの中心波長付近の波長構成要素だけを各検出器に送ることになる。その結果、無駄になる光の量が劇的に縮小し、光ダイオードによって受け取られる光パワーは、図３を参照して述べられた光収集構成に対して１０倍から２０倍分増大される。したがって、光照射ファネル４１２と、光収集器としての非球面レンズ４２０と、波長分離デバイスとしての透過回折格子４２２とを組み合わせて利用すると、図３に示された光学構成と比較して約１００倍から２００倍分光ダイオードによって受け取られる光のパワーを増大することができる。
【００５３】
本発明の実施形態は、上述の装置または光収集システムを使用する方法も含む場合がある。透過光、透過反射光、または反射光を生成するのに充分な光源が、光照射ファネルを通って標的に接触することができる。透過光、透過反射光、または反射光は光収集システムに進入し、例えば１つ以上の検出器に方向付けられることができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年7月30日(2009.7.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる波長範囲をそれぞれが有した複数の光ビームを生成する光源と、
第１直径を有した進入用開口部を通して複数の光ビームを収集し、第１直径よりも小さい第２直径を有した退出用開口部を通して複数の光ビームを標的部位に方向付ける、円錐台形状の光ファネルと、
標的部位から放射する複数の光ビームを方向付ける開孔部と、
開孔部から方向付けられた複数の光ビームを収集するように構成されたレンズと、
レンズを通過する光ビームを検出するように、また検出された光の強度を示した出力信号を生成するようにそれぞれが構成された複数の光感知デバイスを備える検出器と、
生成された各出力信号に応じて血液特性を判定するプロセッサとを備える、装置。
【請求項２】
波長範囲に応じて標的部位から放射する複数の光ビームのうちの異なるビームを通過させるようにそれぞれが構成された複数の干渉フィルタをさらに備え、複数の干渉フィルタがレンズと検出器との間に位置決めされている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
レンズと検出器との間に位置決めされた透過格子をさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
光源が１つ以上の発光ダイオードを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
光源が１つ以上の白熱光源を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
波長範囲が、約８００ｎｍから１６００ｎｍの間の異なる波長範囲を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
光源が光ファネルの進入用開口部に位置決めされている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
異なる波長範囲をそれぞれが有した複数の光ビームを生成する光源と、
第１直径を有した進入用開口部を通して複数の光ビームを収集し、第１直径よりも小さい第２直径を有した退出用開口部を通して複数の光ビームを標的部位に方向付ける、円錐台形状の光ファネルと、
標的部位から放射する複数の光ビームを方向付ける開孔部と、
開孔部から方向付けられた複数の光ビームを収集するレンズと、
レンズを通過する光ビームを検出するように、また検出された光の強度を示した出力信号を生成するようにそれぞれが構成された１つ以上の検出器と、
レンズと検出器との間に位置決めされた１つ以上のフィルタと、
生成された各出力信号に応じて血液特性を判定するプロセッサとを備える、装置。
【請求項９】
レンズと１つ以上のフィルタとの間に位置決めされた透過格子をさらに備える、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
１つ以上のフィルタが干渉フィルタである、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
１つ以上の干渉フィルタが、波長範囲に応じて標的部位から放射する複数の光ビームのうちの異なるビームを通過させるようにそれぞれが構成されている、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
１つ以上の検出器が１つ以上のフィルタの付近に、または１つ以上のフィルタと接触して位置決めされている、請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
１つ以上の検出器が検出器アレイを備える、請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
複数の光ビームが白熱光源から生成されている、請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
複数の光ビームが赤外線発光ダイオードから生成されている、請求項８に記載の装置。
【国際調査報告】
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