(57)【要約】【課題】ピックアップを生体表面に押し当てて測定を行う際の生体スペクトルの変動を抑えて経時的再現性を得ることで生体成分濃度の定量精度を高める。【解決手段】波長範囲１０００ｎｍ〜２５００ｎｍの近赤外光を生体の表面に照射すると共に生体からの反射光を受光し、受光成分から得られる生体信号に基づいて生体中の成分濃度を測定するにあたり、受発光間隔が中心間距離０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されているとともに生体表面との接触面積が１．１ｃｍ2以上、３０ｃｍ2以下のピックアップ８を１５ｋＰａ〜６０ｋＰａの接触圧で生体に接触させて測定を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長範囲１０００ｎｍ〜２５００ｎｍの近赤外光を生体の表面に照射すると共に生体からの反射光を受光し、受光成分から得られる生体信号に基づいて生体中の成分濃度を測定するにあたり、受発光間隔が中心間距離０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されているとともに生体表面との接触面積が１．１ｃｍ2以上、３０ｃｍ2以下のピックアップを１５ｋＰａ〜６０ｋＰａの接触圧で生体に接触させて測定を行うことを特徴とする生体信号測定方法。
【請求項２】
波長範囲１０００ｎｍ〜２５００ｎｍの近赤外光を生体の表面に照射すると共に生体からの反射光を受光し、受光成分から得られる生体信号に基づいて生体中の成分濃度を測定する生体信号測定装置であって、受発光間隔が中心間距離０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であり且つ生体表面との接触面積が１．１ｃｍ2以上、３０ｃｍ2以下とされているピックアップと、該ピックアップを生体の表面に１５ｋＰａ〜６０ｋＰａの接触圧で接触させる加圧手段とを備えていることを特徴とする生体信号測定装置。
【請求項３】
ピックアップにおける受発光部はピックアップのエッジから２ｍｍ以上の距離のところに配されていることを特徴とする請求項２記載の生体信号測定装置。
【請求項４】
ピックアップの温度を所定の範囲に制御する温度制御手段を備えていることを特徴とする請求項２または３記載の生体信号測定装置。
【請求項５】
ピックアップはその熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の生体信号測定装置。
【請求項６】
上記ピックアップはその生体との接触面が曲率半径４０ｍｍ〜３００ｍｍの凹面であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の生体信号測定装置。
【請求項７】
ピックアップはその生体との接触面から受発光部が３ｍｍ以下の突出量で突出していることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の生体信号測定装置。
【請求項８】
ピックアップは本体とその外周に位置するアダプタとで構成されているとともに、アダプタ先端面から受発光部を有する本体が出没自在となっていることを特徴とする請求項７記載の生体信号測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外光を生体表面に向けて照射するとともに生体内部からの反射光を受光して受光成分から得られる生体信号に基づいて生体中の成分濃度を非侵襲で測定するにあたっての生体信号測定方法及び生体信号測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生体の表面に近赤外光を照射した際の生体からの反射光を受光し、この受光成分から生体信号を測定することによって生体内の種々の情報を得ることができる。例えば、近赤外光の吸収強度はグルコースの存在により大きな影響を受けるので、受光した反射光のスペクトルを生体信号として測定することで光の吸収強度に基づいて生体内のグルコース濃度、つまりは血糖値を知ることができる。この方法によれば、被験者から採血する必要がないために被験者に負担を強いることなく血糖値の測定を行なうことができる。
【０００３】
このような近赤外光を利用した生体信号測定装置は従来から種々のものが提供されているが、その一例を図２８に示す。１はハロゲンランプなどの光源、２は拡散板、３はピンホール、４はレンズであり、光源１から発光された近赤外光は拡散板２、ピンホール３、レンズ４を通過して光入射体５に入射されるようになっている。光入射体５には発光側光ファイバー６の一端とリファレンス用発光側光ファイバー７の一端が接続してある。発光側光ファイバー６の他端は測定用ピックアップ８に接続してあり、リファレンス用発光側光ファイバー７の他端はリファレンス用ピックアップ９に接続してある。
【０００４】
また測定用ピックアップ８には受光測光ファイバー１０の一端が接続してあり、リファレンス用ピックアップ９にはリファレンス用受光測光ファイバー１１の一端が接続してある。受光測光ファイバー１０の他端は受光側光出射体１２に接続してあり、リファレンス用受光測光ファイバー１１の他端はリファレンス用受光側光出射体１３に接続してある。
【０００５】
そして、人体の腕部などの生体１４の表面に測定用ピックアップ８の先端面を接触させた状態で光源１を発光させると、光源１から光入射体５に入射した近赤外光は、発光側光ファイバー６を経てピックアップ８の先端から生体１４の表面に照射される。生体１４に照射されたこの測定光は生体内で反射や拡散し、その反射光が測定用ピックアップ８の先端から受光測光ファイバー１０に受光される。受光されたこの光は受光測光ファイバー１０を介して受光側光出射体１２から出射され、レンズ１５を通して回折格子１６に入射して分光された後、反射光の検出手段である受光素子１７に至る。
【０００６】
受光素子１７で検出された光信号はＡ／Ｄコンバーター１８でＡＤ変換された後、パーソナルコンピュータなどの演算装置１９に入力され、検出された光信号中の生体信号であるスペクトルを解析することによって血糖値などを算出する。測定されたリファレンス信号をＲｅｆ、生体信号をＳｉｇとすると、吸光度ＡｂｓはＡｂｓ＝ｌｏｇ10（Ｒｅｆ／Ｓｉｇ）と表される。演算手段１９はＰＬＳ解析に代表される多変量解析を用いてリファレンス信号Ｒｅｆと生体信号Ｓｉｇをもとにグルコース濃度変化に由来するスペクトル中の吸光度Ａｂｓの微量変化を解析してグルコース濃度を演算する。
【０００７】
図２９は、Ｘ軸が波長、Ｙ軸が吸光度で、生体の波長１３００ｎｍ〜１９００ｎｍの近赤外領域における吸光度スペクトルを示している。また、スペクトルの形状及ぴ大きさの指標として、指標１、指標２、指標３を示してある。この波長領域は生体成分である水分やグルコース、脂肪、アルブミンといった生体成分のピークが混在する領域で、指標１は１６５０ｎｍの吸光度値であり、スペクトルのベースラインを表す指標である。指標２は１４５０ｎｍの吸光度値と指標１の１６５０ｎｍの吸光度値の差で水のスペクトルのベースラインからの高低差を示しており、指標３は１７２０ｎｍの吸光度値と指標１の１６５０ｎｍの吸光度値の差で、脂肪のスペクトルのベースラインからの高低差を示しており、これら指標２，指標３は、スペクトルの形状の変動を確認する指標としている。
【０００８】
指標１は、皮膚とピックアップの間に介在するスペクトル変動要因全般から影響を受け、スペクトル全体が上下にシフトする。
【０００９】
指標２は主に水スペクトルの形状を反映しており、生体表面の水分（汗、角質水分など）、及び表皮・真皮に存在する水分量の変化によって変動する。真皮層の水分も層の上端部に多く存在することから、指標２は皮膚の表面に近い部分（表皮−真皮）の情報の生体成分変動を主にあらわしていると考えられる。
【００１０】
指標３は、主に脂質スペクトルの形状を反映している。この脂質スペクトルは血中に存在する中性脂肪の変動よりも、真皮層の下の皮下組織に存在する皮下脂肪の情報がスペクトルとなって現れている。
【００１１】
ちなみに、人間を含む生物の皮膚組織は角質層を含む表皮層、真皮層、皮下組織層の３層から形成されており、表皮層の厚みは約０．２〜０．４ｍｍ、真皮層の厚みは約０．５〜２ｍｍ、皮下組織層の厚みは約１〜３ｍｍである。真皮層は毛細血管等が発達しており、血中の生体成分に応じた物質移動が速やかに起こる。特に血中グルコース濃度（血糖値）に対して真皮層（真皮組織）中のグルコース濃度は追随して変化すると考えられている。皮下組織層は脂肪組織が中心であり、グルコース等の水溶性の生体成分は、皮下組織層（皮下組織）中に均一に存在しにくい。このためにこの種の生体信号測定装置では、上記真皮層での反射光を受光することができるように構成されている。
【００１２】
真皮層の厚みが薄い人の指標３が、厚い人と比べて絶対値が大きい傾向があるのは、照射した光が真皮層を通り過ぎて皮下組織にまで到達しやすく、反射してきた光に多くの脂肪情報が含まれているからと考えられる。また、同じ人でもピックアップを接触させる場所によって指標３の大きさが異なる場合がある。これは真皮層の脂肪境界面は凹凸形状をしており、真皮膚の厚みも厚いところと薄いところが存在することに起因すると考えられ、この点においても指標３は皮膚の深い部分（真皮一皮下組織）の情報の生体成分変動を主にあらわしていると考えられる。
【００１３】
ここで、周囲の環境温度の変動や光学部品の位置関係などによって、照射光が変動をきたし、測定される反射光のスペクトルに影響を与える（形の変化、大きさレベルの変化）おそれがあるので、この変動を補正する必要がある。このためにセラミック板などの基準板２０で反射させたリファレンス光を測定し、これを基準光として補正を行なうようにしている。上記の受光側光出射体１２とレンズ１５の間、及びリファレンス用受光側光出射体１３とレンズ１５の間にはそれぞれシャッター２１ａ，２１ｂが配置してあり、シャッター２１ａ，２１ｂが選択的に開閉することによって受光側光出射体１２からの光とリファレンス用受光側光出射体１３からの光のいずれか一方が選択的に通過して受光素子１７に入る。このリファレンス光を基準光とすることで、周囲の環境温度や光学部品の位置関係などによる変動を補正することができる。
【００１４】
ところで、この種の生体信号測定装置では測定するスペクトルの変動要因が多く、実用化には多くの問題が残っている。
【００１５】
たとえば、皮膚の表面は角質層で構成される皮溝・皮丘が存在し凹凸形状を形成している。この表面にピックアップを接触させると、この皮膚の立体形状とピックアップの表面との間に空気層や皮脂、汗等が存在し、光の屈折率が変わるためスペクトル形状及ぴ大きさが変動してしまう。先に示したスペクトル指標においては、空気層等の存在により光の屈折率が変化し、スペクトル全体の大きさの指標１が大きく変動したり、発汗などの影響で指標２が急に大きくなったりする。
【００１６】
この現象をできるだけ軽減するには、ピックアップを皮膚に圧力をかけた状態で接触させ、皮丘部分とピックアップの接触面積を増して密着性を増加させ、ピックアップと皮膚表面に介在する物質による影響を極力低減することが考えられる。
【００１７】
しかし、密着性を確保するためにピックアップを皮膚に強く押し当てると、別の新たな問題が発生する。すなわち、光が皮膚の中に進入して生体情報を多く拾ってくる真皮層は、コラーゲンの繊維状物質の網目構造の間にＩＳＦなどの水分をたっぷり含む基質が存在したものとして構成されているとともに、上記基質は加圧によって非常に動きやすい存在である。基質には毛細血管から透過してくるグルコースなどの生体情報関連物質が多く存在しているために、加圧による基質の移動はスペクトルの形状に大きい影響を与える。また、コラーゲンなどの結合線維が密に網目状に並んでいるとともに皮膚の運動に関して重要な役割を果たしている網状層も光路中に存在しているが、この網目構造の変化や位置もスペクトルの形状に大きい影響を与える。
【００１８】
また、ピックアップを皮膚に押し付けた時、その周縁のエッジで応力が集中するためにエッジ部分に接触する皮膚の網状層は、他の部分に比べ極端に延伸されたり逆に圧縮され、短時間に復元しない状態になってしまうとともに、網状層の変形に伴って間の基質の存在位置も変化してくる。
【００１９】
密着性を確保するためにピックアップを皮膚に強く押し当てる時のもう一つの問題は、ピックアップを押し当てる腕は複数の筋肉と腱及び骨からなるために、ピックアップの面積がかなり小さい時と、筋肉や腱などの上に載っているピックアップが位置ズレや角度ズレを起こしやすく、これがスペクトルに大きく影響することである。また、面積が小さいということは、単位面積あたりの加圧値が低くなりやすく、そのために体動などの影響で皮膚接触圧が変化して網状層や基質の圧縮率が変化することになり、スペクトルが非常に変わりやすい状態となる。
【００２０】
具体的にいえば、ピックアップの皮膚接触面積が小さいと、程度の差はあるが測定開始時から指標１と指標２のバラツキが非常に大きく吸光度の変動で言えぱ０．０２以上の幅でばらついてしまうものであり、指標３が経時的に増加傾向を示して初期値からの変動が０．０２〜０．０３程度に増加した後やっと安定状態に入る。５分に１回の測定において安定に２時間以上要することになる。吸光度０．０２の変動は、グルコース濃度１０ｍｇ／ｄＬ変動に対する吸光度変動の１００倍以上の変動に相当する。この変動を多変量解析によって補正するには大きすぎ、グルコースの定量精度を確保するには一桁少ないばらつきつき範囲、好ましくは０．００７以下に抑えることが望ましい。
【特許文献１】特公平３−４７０９９号公報
【特許文献２】特開平１１−７０１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は上記の点に鑑みたもので、ピックアップを生体表面に押し当てて測定を行う際の生体スペクトルの変動を抑えて経時的再現性を得ることで生体成分濃度の定量精度を高めることができる生体信号測定方法及び生体信号測定装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記課題を解決するために本発明に係る生体信号測定方法は、波長範囲１０００ｎｍ〜２５００ｎｍの近赤外光を生体の表面に照射すると共に生体からの反射光を受光し、受光成分から得られる生体信号に基づいて生体中の成分濃度を測定するにあたり、受発光間隔が中心間距離０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されているとともに生体表面との接触面積が１．１ｃｍ2以上、３０ｃｍ2以下のピックアップを１５ｋＰａ〜６０ｋＰａの接触圧で生体に接触させて測定を行うことに特徴を有しており、本発明に係る生体信号測定装置は、波長範囲１０００ｎｍ〜２５００ｎｍの近赤外光を生体の表面に照射すると共に生体からの反射光を受光し、受光成分から得られる生体信号に基づいて生体中の成分濃度を測定する生体信号測定装置であって、受発光間隔が中心間距離０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であり且つ生体表面との接触面積が１．１ｃｍ2以上、３０ｃｍ2以下とされているピックアップと、該ピックアップを生体の表面に１５ｋＰａ〜６０ｋＰａの接触圧で接触させる加圧手段とを備えていることに特徴を有している。
【００２３】
ピックアップにおける受発光部はピックアップのエッジから２ｍｍ以上の距離のところに配されていることが望ましく、ピックアップの温度を所定の範囲に制御する温度制御手段を備えていたり、ピックアップの熱伝導率が０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であること、ピックアップの生体との接触面が曲率半径４０ｍｍ〜３００ｍｍの凹面であること、ピックアップの生体との接触面から受発光部が３ｍｍ以下の突出量で突出していること、ピックアップは本体とその外周に位置するアダプタとで構成されているとともに、アダプタ先端面から受発光部を有する本体が出没自在となっていることなども好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、生体表面との接触面積が１．１ｃｍ2以上、３０ｃｍ2以下のピックアップを１５ｋＰａ〜６０ｋＰａの接触圧で生体に接触させて測定を行うために、測定を繰り返す時の経時的再現性を保つことができるようになったものであり、精度の高い生体中の成分濃度測定、特にグルコース濃度測定にきわめて有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、本発明に係る信号測定装置は、全体構成としては図２８に示したものと同じであるが、ピックアップ８及びこのピックアップ８を所定の圧力で皮膚に接触させる加圧手段に特徴を有するもので、図１〜図３に示す加圧手段は、測定用腕置き台４０を備えたベース４１上のＸＹステージ５１にＺ軸ステージ４９を設けて、該Ｚ軸ステージ４９にロードセル３６を介してピックアップ８を取り付けたものとなっており、モータ駆動でピックアップ８を上下動させる上記Ｚ軸ステージ４９は、ピックアップ８を下降させて腕置き台４０上に置かれた腕１４の表面にピックアップ８を接触させる時、ロードセル３６から出力される圧力信号が所定値になった時点で下降を停止させる。図１中の３９は腕置き台４０上に置いた腕の位置がずれないようにするための握り棒であり、ベース４１上に支持棒３９によって支持されている。また、図中３７は腕１４の皮膚上に貼り付けて使用する位置決め治具であり、ピックアップ８はこの位置決め治具３７内に嵌り込んで腕１４に接触する。
【００２６】
図３に示すものは、ロードセル３６に代えてピックアップ８の先端面に配した圧力検知センサー４２を設けたもので、このものにおいてもピックアップ８を腕１４に接触させるためにＺ軸ステージ４９がピックアップ８を下降させる時、圧力検知センサー４２で検知される圧力が所定圧になった時点でＺ軸ステージ４９は下降を停止させて、ピックアップ８と腕１４との接触圧を所定圧に保つ。なお、ピックアップの先端面の面積が決定されていることから単位面積当たりの接触圧を所定値に保つことができる。
【００２７】
上記所定圧の設定及び保持を行う加圧手段は、図４に示すように、錘５０を用いたものであってもよい。本例におけるＺ軸ステージ４９は上下スライド自在なものであり、ピックアップ８を腕１４に押し付ける力は、上記錘５０によって発生する。
【００２８】
また、図５に示す加圧手段は、ピックアップ８を上下スライド自在なスライダー６０を介してＺ軸ステージ４９に取り付けるとともに、ピックアップ８を下方に向けてばね付勢するばね５３を設けたものであり、Ｚ軸ステージ４９でスライダー６０を下降させることでピックアップ８を腕１４に接触させた時点から、更にばね５３を圧縮させつつスライダー６０を降下させ、スライダー６０とピックアップ８との接触をスイッチ５２で検知した時点でＺ軸ステージ４９の降下を停止させれば、所定量だけ圧縮されたばね５３の力で設定される圧力でピックアップ８が腕１４に接触する。
【００２９】
更に図６に示す加圧手段は、Ｚ軸ステージ４９にソレノイド５６を取り付けてそのプランジャー５８にピックアップ８を装着したものであり、Ｚ軸ステージ４９によるソレノイド５６の上下動でピックアップ８先端面から腕までの距離をある値にした状態からソレノイド５６の励磁でプランジャー５８を下降させてピックアップ８先端面を腕１４に所定圧で接触させる。この所定圧は上記距離とソレノイド５６に印加する電流値で調整することができる。
【００３０】
ここにおいて、本発明においてはピックアップ８先端面、つまり腕１４に接触する面の面積を１．１ｃｍ2以上、３０ｃｍ2以下とし、さらに加圧手段によって設定されるピックアップ８と腕１４との接触圧を１５ｋＰａ〜６０ｋＰａとするのである。
【００３１】
次にこの理由について説明する。まずピックアップ８であるが、これは発光ファイバー６と受光ファイバー１０の間隔である受発光間隔Ｌが２ｍｍ以下に設定されているものを用いる。この間隔Ｌは、測定用の近赤外光が皮膚組織のどこまで浸透したものを反射光として受光することができるかという点において重要である。
【００３２】
すなわち、人間を含む生物の皮膚組織は通常、角質層を含む表皮層、真皮層、皮下組織層の３層から形成されており、表皮層の厚みは約０．２〜０．４ｍｍ、真皮層の厚みは約０．５〜２ｍｍ、皮下組織層の厚みは約１〜３ｍｍである。真皮層は毛細血管等が発達しており、血中の生体成分に応じた物質移動が速やかに起こる。特に血中グルコース濃度（血糖値）に対して真皮層（真皮組織）中のグルコース濃度は追随して変化すると考えられている。皮下組織層は脂肪組織が中心であり、グルコース等の水溶性の生体成分は皮下組織層（皮下組織）中に均一に存在しにくい。従って、血中グルコース濃度（血糖値）を精度よく測定するには、真皮層の近赤外スペクトルを選択的に測定する必要があり、２ｍｍ以下に受発光間隔Ｌを設定したピックアップ８はこの点において有効である。
【００３３】
そしてピックアップ８の先端面の面積であるが、この面積が小さいと、腕１４に押し付けた時、腕１４においてピックアップ８を受ける土台となる筋肉や腱が左右に分かれてしまって不安定になるのに対し、面積が大きい場合には測定部分及び周囲の組織（内部含む）が安定に保持され、スペクトル測定が安定する。この安定面積は、１．１ｃｍ2〜３０ｃｍ2であり、円形ピックアップでいえば直径１１．５ｍｍ〜６２ｍｍのものに相当する。もっとも腕１４で測定を行う場合は、腕１４の太さを考慮すれば、直径４０ｍｍ以下が適当で、面積でいえば１．１ｃｍ2〜１２．６ｃｍ2以下に相当する。さらに好ましくは直径２２ｍｍ以下とすると、腕１４が細い場合にもピックアップ８が腕からはみ出ることがない。
【００３４】
ちなみにこの範囲を下回ると皮膚への接触によるスペクトル変動要因が発生し、この範囲を上回るとピックアップ８を皮膚に所定の接触圧で接触させる際の接触荷重の設定が大きくなり過ぎて、被計測者の腕に大きい負担をかける。
【００３５】
また図１１に示すようにピックアップ８先端周縁のエッジ近傍は内部組織に過度な加圧及ぴ延伸等のダメージを与えやすいために定ごとの不安定性を生じたり、ダメージの蓄積で経時的なスペクトル変化が生じる。このためにピックアップ８における発光ファイバー６と受光ファイバー１０はエッジから適当な距離Ｄだけ離れていることが望ましい。図９に示すようにピックアップ８の面積が大きくてもエッジから近いところに発光ファイバー６と受光ファイバー１０とが位置している場合、エッジに起因するスペクトル不安定要素が発生しやすい。このためにピックアップ８の中央付近に発光ファイバー６と受光ファイバー１０を設置することが望ましい。ちなみに上記距離Ｄは２ｍｍ以上が望ましい。
【００３６】
これらの点を全て考慮すると、最も適切な皮膚接触面積１．１ｃｍ2〜３．８ｃｍ2である。またピックアップ８先端面は図１０に示すような楕円形などであってもよいが、円形にすることによって接触圧の不均一性を最小限に抑えることができる。なお、上記面積に設定することは、図８に示すようにピックアップ８の外周に接触面積調整用のアダプタ８０を装着することで実現してもよい。
【００３７】
図１２及ぶ図１３にピックアップ８の先端面を直径４ｍｍ，９ｍｍ，１２ｍｍ，１８ｍｍ，３６ｍｍの５水準の円形に振って４６ｋＰａの圧力で腕１４に接触させ、５分ごとにスペクトルを測定するとともに２時間で２４データを取った際の生体の吸光度スペクトルの形状および大きさを意味する前記指標１〜３のＳＤ値を示す。このとき被験者は空腹状態で一切の飲み食いを行っておらず、血糖値に関して言えば１０ｍｍｇ／ｄＬも変化していない状態であった。
【００３８】
図から明らかなように、直径４ｍｍ及び直径９ｍｍのピックアップ８を用いた場合は変化が大きいが、直径１２ｍｍ以上になると各指標のＳＤ値が低くなり、スペクトルがばらつきが少なく安定して測定できていることがわかる。また、直径が小さくなるにつれて指標１，３が右上がり傾向で経時的に増加していることがわかる。指標２も直径が小さいほどばらつきの幅が大きい。
【００３９】
３つの指標に共通して言えることは、上記水準の中では直径１８ｍｍが極小値を持っていることである。このサイズの直径は、ピックアップ８を腕１４の皮膚に接触させる際に土台となる筋肉の配置に対して筋肉や皮膚組織を動かさない大きさであり、且つ、単位面積あたりの接触圧を４６ｋＰａに設定したときの実荷重に対する腕全体への負担が過負荷ない大きさであるためと考えられる。
【００４０】
次に接触圧であるが、これは単位面積当たりの１５ｋＰａ〜６０ｋＰａであることが望ましい。この接触圧を保つことで測定部分も含めて広い範囲で土台となる筋肉と測定部分の皮膚を押し固めてしまうことができて、測定時の体動に対して組織が動きにくくなりスペクトルが安定する。また、皮膚とピックアップの密着度が確保されることにより、ノイズの少ない正確なスペクトルが測定できる。更に、毛細血管の中の血球成分など散乱物質を広い範囲で排除することによりノイズを減らしてスペクトルを安定させることができる。また、一定圧で加圧・解放を繰り返すことによって、皮膚組織内の血液交換が促進され、血液中と組織液中の成分濃度の追随性が向上する。
【００４１】
ちなみに、同じ接触圧でもピックアップ８と皮膚との接触面積が前記値未満では、ピックアップ８のエッジ部分による皮膚構造の変形が及ぼす影響が非常に大きい。また、ピンポイントで皮膚とピックアップが接触している場合、接触圧の絶対値が低くなるために体動に対して組織が動きやすい。また設定加圧が低いということは設定圧力に対する変動が微小でも割合として誤差が大きくなりやすく、それに伴ってピックアップ８の皮膚への食い込み量の変化が大きくなりやすく、これもスペクトルが大きく変化する原因となる。
【００４２】
ピックアップ８の先端面は、ピックアップ８を接触させる腕の断面形状に合わせて図１４に示すように凹面としておくならば、フラット形状の場合よりも接触圧の分布が低減されて安定する。ちなみに半径６０ｍｍ〜４０ｍｍの凹面が一般的に腕の曲率に近い。これらの凹面を持つピックアップ８で皮膚を所定の圧力で押した場合、ピックアップ８の先端面全面が皮膚にあたった状態で圧力を加えるため、圧力分布が少なく、同じ圧力でも被験者への負担が軽減される。
【００４３】
また、凹面構造により皮膚の表面及ぴ皮膚組織の成分が外側に逃げることなく、皮膚接触面内にとどまることから、測定時の加圧による真皮層などの構造変化が起こりにくく、測定毎のスペクトルの安定が向上する。また、皮膚への負担が減ることから、更に経時的変化が抑えることができる。
【００４４】
凹面の曲率が半径４０ｍｍよりも高く、例えば半径２０ｍｍになってしまうと、腕の曲率を超えてしまってピックアップ８を皮膚表面に押し付けた際にピックアップ８と皮膚の間に空気層が介在してしまう可能性があり、またの両側の突出が皮膚に対して応力集中の場所になってしまって逆に被験者に負担をかける可能性がある。
【００４５】
このほか、図１５に示すように、ピックアップ８の内部や先端面等のピックアップ８近傍に温度制御素子２８を設置し、ピックアップ８を所定の温度にコントロールすることによって多少の体温変動、また外気変動からの影響を排除することができる。
【００４６】
温度を一定に保つメリットは次の通りである。すなわち、ピックアップ８における導光手段に光ファイバーなどを用いた場合、温度が変化すると熱膨張が起こって光の屈折率が変化する。この変化は、生体に接触させて光を照射するときに生体への光の進入する角度や量が変わることになり、光路や光路長が微妙に変化する。このためにスペクトルの大きさ、形状に変化が生じてしまう。
【００４７】
また、生体側では生体の大部分を占める水分のスペクトル図１６に示すように温度が上昇するにつれて短波長側へ全波長においてシフトするために生体側も同様に測定時の温度を一定にする必要がある。また、生体側の温度とピックアップ８側の温度が異なっていると接触させた際にどうしても熱変動が生じてしまう。このことから、スペクトルの形状の再現性及びばらつきの少ないスペクトル測定のためには、両側の温度を早く同じにして速く安定させることが望ましい。
【００４８】
なお、ピックアップ８が上記所定面積未満である場合、ピックアップ８の体積あたりの表面積が大きくなって、温度制御素子２８を取り付ける位置によってはピックアップ８の温度傾斜が大きくなる。
【００４９】
この点に関して更に述べるならば、ピックアップ８の熱伝導率は０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが、皮膚に接触させた際の温度変化や制御時の温度ぶれを極力抑えることができる点でセンシングが安定する。皮膚の熱伝導率が０．３〜０．５Ｗ／（Ｍ・Ｋ）であるために、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の熱伝導率の物質を加圧部の材料として用いた場合、ピックアップ８の皮膚接触面の熱が皮膚側へ流れてしまい、ピックアップ８の接触面温度が皮膚温度に引きずられてピックアップ８の安定温度管理が難しくなる。基本的には、接触時の皮膚側温度、およびピックアップ８側の温度が平衡になったときにスペクトルが安定するので、それを待っていると接触時から計測開始までに非常に長い時間がかかる可能性がある。
【００５０】
ピックアップ８の材料としては汎用の金属（鉄、ＳＵＳ、アルミ、胴、真鎌）などは上記の範囲に十分にはいっており、また、ガラス、大理石、レンガ、セラミックなども使ってもよい。プラスチックやゴム類は、単体では所定範囲を下回るものが多いので、そういう材質に関しては、単体ではなく他の高熱伝導率との複合構成によって使うことが望ましい。木材、皮草類などは、大きく所定範囲を下回るものが大半であることからことから使用には向いていない。
【００５１】
図１９は直径１８ｍｍの円形で且つ３６℃に制御させたアルミ製のピックアップ８を使用し、皮膚に４６ｋＰａの接触圧で押し付けた際のピックアップ８の表面の温度と皮膚の表面温度の経時的変化を示したものである。この場合約１０秒で互いの温度が安定する。しかし、ピックアップ８の熱伝導率が上記範囲以下である場合、図１８のようにピックアップの皮膚接触面の温度が皮膚表面温度に引きずられ温度が安定するのに非常に時間がかかる。
【００５２】
ピックアップ８表面に温度検知センサーを設置しておけば、これらの温度変化を確認することができるほか、互いの温度が安定した時点で計測を開始するといったことも可能である。また温度検知センサーによりセンシングした皮膚温度情報から生体スペクトルに対して補正をかけることもできる。さらに図１７に示すように加圧部周囲が断熱材２９で覆うことでピックアップ８側面からの放熱を抑えることができ、放熱面積が大きいにも関わらず温度分布が少なく安定する。
【００５３】
ピックアップ８の外周に前記アダプタ８０を設けて、接触面積はアダプタ８０で設定するものとし、そして小径であるピックアップ８の先端部は図２０に示すようにアダプタ８０よりも少し突出させるようにしたり、ピックアップ８における発光ファイバー６と受光ファイバー１０が位置する受発光部だけを少し突出させるようにしてもよい。
【００５４】
太っている人などに対して受発光部がしっかり皮膚に当たる上にその周囲も確実に押すことができるために、スペクトルを確実に取ることができる上に経時的安定性にも優れる。ただし、突出量は３ｍｍ以下にすることが望ましい。この突出量を超えると周囲を押さえる効果よりも受発光部のエッジ部分による皮膚押し付けの影響が出始める可能性がある。
【００５５】
図２１は、直径１８ｍｍでフラットな接触面を持つピックアップ８において、直径４ｍｍの受発光部の突出量を変化させたときの指標３の経時的変化を示している。４ｍｍも突出させると直径４ｍｍの受発光部を単独で接触させたときと変わらない指標変化となることから、突出量は３ｍｍ以下に抑えることが望ましい。
【００５６】
ただし、直径の小さい受発光部を３ｍｍ以下とはいえ常時突出させておくことは、破損を招く虞が高くなる。このために図２２に示すように、ピックアップ８をアダプタ８０に対して所定量だけスライド自在としておくとともに、常時はピックアップ８がアダプタ８０内に納まっており、皮膚に押し当てた時にはばね８１を挟んだ一対の部材で構成されるアダプタ８０が縮むことでピックアップ８の先端部が所定量だけ突出するようにしておくことが望ましい。ばね８１を用いることに代えて、図２３に示すようにアダプタ８０そのものを弾性材で構成し、前記接触圧でピックアップ８を皮膚に接触させる時に所定量だけピックアップ８がアダプタ８０より突出するようにしておいてもよい。
【００５７】
ピックアップ８にアダプタ８を被せた構成は、皮膚との接触面の形状やサイズ、上記突出量などを適宜設定することができる点で好ましい。皮膚との接触面を凹面にする場合も、いくつかも曲率の凹面となっているアダプタ８０を用意しておき、腕の曲率に合わせた曲率のアダプタ８０を用いることで、最適な測定を常に行うことができるものとなる。
【実施例】
【００５８】
ピックアップ８の面積、接触面形状、接触圧、材質を異ならせた実施例１〜５及び比較例１〜３のスペクトルの安定性比較及ぴ生体成分濃度推定精度比較を行った。生体成分に関してはスペクトルの測定と共に採血を行って血糖値を分析装置により計測し、その濃度変化に対する推定精度を算出した。
【００５９】
スペクトルは無グルコース負荷の状態で５分毎に測定し、２時間で２４ポイントのデータを得た後、グルコースを負荷して血糖を変動させ、同様に５分毎に測定し、血糖値が下がりきるまで計測を実施した。
【００６０】
測定の仕方は、図１に示すような腕置き台４０に腕１４を固定してプッシュプルゲージに固定したピックアップ８を各圧力で皮膚に接触させて測定を行った。ちなみにピックアップ８は３５℃Ｃに温調した。比較する指標として、糖負荷するまでの２時間の指標１〜３のＳＤ値を比較した。また血糖値の推定精度に関しては糖負荷及び無糖負荷のデータをすべて含めて、１４００ｎｍ〜１８００ｎｍの吸光度値をＸ変量、採血値をＹ変数にしてＰＬＳ解析を行い、推定精度を算出した。
【００６１】
上記実施例及ぴ比較例のピックアップ８の構成条件及ぴスペクトル指標安定性の結果及び血糖値推定精度を表１に示す。
【００６２】
【表１】
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【００６３】
直径４ｍｍのピックアップ８を１２０ｋＰａで接触させた比較例１でスペクトル測定をした際の各指標の経時的変化を図２６(a)〜(c)に、血糖値推定解析結果を図２６(d)に示す。また、直径４ｍｍのピックアップ８を６０ｋＰａで接触させた比較例２でスペクトル測定をした際の各指標の経時的変化を図２７(a)〜(c)に、血糖値推定解析結果を図２７(d)に示す。
【００６４】
比較例１では無精負荷の時間帯において指標１と２が経時的に上昇している。その指標の経時的変化は、図２６(d)の血糖値推定において前半２時間の無糖負荷部分の推定曲線に影響を及ぼしていることが分かる。この領域ではＹ変数である血糖値がほぼ同値にもかかわらず、スペクトルの変動が起ってしまっていることによって糖負荷後の血糖変動において血糖値の推定精度が非常に低下し、全体として推定精度が低い状態になっている。
【００６５】
比較例２では図２７に示すように、指標１及び指標２が比較的安定しているのに対して、指標３が矢印のように大きく経時的上昇を起こしている。この指標３の変動が図２７(d)の血糖値推定において前半２時間の無糖負荷部分の推定曲線に影響を及ぼしていることが分かる。同様にその後の血糖変動の推定精度も非常に低い状態になっている。
【００６６】
直径１８ｍｍのピックアップ８を接触圧４６．２ｋＰａで接触させた実施例１でスペクトル測定をした際の各指標の経時的変化を図２４(a)〜(c)に、血糖値推定解析結果を図２４(d)に示す。また、直径３６ｍｍのピックアップ８を４５ｋＰａで接触させた実施例例２でスペクトル測定をした際の各指標の経時的変化を図２５(a)〜(c)に、血糖値推定解析結果を図２５(d)に示す。
【００６７】
実施例１及び実施例２においてすべての指標が無糖負荷部分においてほとんど変化せずに安定している。それに伴って血糖値推定結果も前半の無糖負荷の部分も推定値がほとんど変化せず、さらに糖負荷後の血糖トレンドの推定も非常に良い精度となっている。特に指標３においては皮膚の真皮層の圧縮により、大多数の場合経時的増加が見られたが、ピックアップ８の接触面積を所定の大きさまで広げることによってほとんど変化しなくなった。
【００６８】
表１に示すように、このほか複数の条件を変化させて同様の実験を行ったところ、やはりピックアップ８の接触面の大きさ及び適切な接触圧により指標バラツキが減少し、推定精度が向上した。また各指標とも大きくＳＤ値が半分以下に減少し、推定鴉度に関しては相関係数が０．７以下から０．８〜０．９にまで上昇した。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施の形態の一例のピックアップ及び加圧手段の側面図である。
【図２】(a)(b)は同上の断面図である。
【図３】他例の断面図である。
【図４】更に他例の断面図である。
【図５】(a)(b)は別の例の断面図である。
【図６】(a)(b)はは更に別の例の断面図である。
【図７】ピックアップの一例を示すもので、(a)は先端面の正面図、(b)は断面図である。
【図８】ピックアップの他例を示すもので、(a)は先端面の正面図、(b)は断面図である。
【図９】ピックアップの更に他例の先端面の正面図である。
【図１０】ピックアップの別の例の先端面の正面図である。
【図１１】(a)(b)は他の例の断面図である。
【図１２】(a)(b)(c)はピックアップの直径による指標変化の説明図である。
【図１３】(a)(b)(c)はピックアップの直径によるＳＤ値変化の説明図である。
【図１４】ピックアップの別の例の断面図である。
【図１５】(a)(b)はピックアップの他の例の断面図である。
【図１６】温度影響の説明図である。
【図１７】ピックアップの別の例の断面図である。
【図１８】ピックアップと皮膚との温度変化の説明図である。
【図１９】ピックアップと皮膚との温度変化の説明図である。
【図２０】(a)(b)はピックアップの他例の断面図である。
【図２１】ピックアップの受発光部の突出量を異ならせた時の指標変化の説明図である。
【図２２】(a)(b)(c)はピックアップの他の例の断面図である。
【図２３】(a)(b)(c)はピックアップの別の例の断面図である。
【図２４】実施例１での各指標の経時的ばらつき及び血糖値推定解析結果の説明図である。
【図２５】実施例２での各指標の経時的ばらつき及び血糖値推定解析結果の説明図である。
【図２６】比較例１での各指標の経時的ばらつき及び血糖値推定解析結果の説明図である。
【図２７】比較例２での各指標の経時的ばらつき及び血糖値推定解析結果の説明図である。
【図２８】全体構成のブロック図である。
【図２９】指標についての説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
Ｐ  加圧手段
８  ピックアップ
１４  腕
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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