(57)【要約】 【課題】  ファイバ束の大径化を抑制しつつ、必要な波長帯域の光量を増大させて、測定精度を向上する。【解決手段】  光源部２と、該光源部２から発せられた光を伝播し、生体Ａに入射させる光ファイバ束５と、生体Ａ内において拡散または透過した光を分光する分光器４と、分光された光を検出する光検出器６とを備え、光検出器６により検出された各波長の光の吸光度に基づいて生体Ａ内のグルコース濃度を測定するグルコース濃度測定装置１であって、光源部２が、ハロゲンランプ８と、特定の波長帯域に光強度を有する広帯域光源９とを備えるグルコース濃度測定装置１を提供する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、
該光源部から発せられた光を伝播し、生体に入射させる光ファイバ束と、
生体内において拡散または透過した光を分光する分光器と、
分光された光を検出する光検出器とを備え、
光検出器により検出された各波長の光の吸光度に基づいて生体内のグルコース濃度を測定するグルコース濃度測定装置であって、
前記光源部が、ハロゲンランプと、特定の波長帯域に光強度を有する広帯域光源とを備えるグルコース濃度測定装置。
【請求項２】
前記光ファイバ束が、ハロゲンランプからの光を伝播する第１の光ファイバと、広帯域光源からの光を伝播する第２の光ファイバとを備え、
第１の光ファイバのコア径が、第２の光ファイバのコア径より大きい請求項１に記載のグルコース濃度測定装置。
【請求項３】
生体に接触させられる先端面に、前記光ファイバ束の照射端と、生体において拡散または透過した光を受光する受光部とを配置してなる測定ヘッドを備え、
前記第２の光ファイバの照射端の周囲に前記第１の光ファイバの照射端が配列され、該第１の光ファイバの外側に間隔をあけて受光部が配置されている請求項２に記載のグルコース濃度測定装置。
【請求項４】
前記光ファイバ束が、ハロゲンランプからの光を伝播する第１の光ファイバと、広帯域光源からの光を伝播する第２の光ファイバとを備え、
第１の光ファイバの本数が、第２の光ファイバの本数より多い請求項１に記載のグルコース濃度測定装置。
【請求項５】
前記広帯域光源が、１．５〜１．８μｍの波長帯域の一部または全部を含む波長帯域の光を発生する請求項１から請求項４のいずれかに記載のグルコース濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、グルコース濃度測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、糖尿病の判断のために血中グルコース濃度測定が行われており、特に、糖尿病患者のインシュリン投与量を決定する血糖値を検査するために、グルコース濃度の測定が行われている。グルコース濃度の測定は、一般に、指や腕から採取した血液を直接分析することにより行われている。患者の体内における血液中のグルコース濃度は、食事の前後や運動後などの測定条件によって変化するため、正確な血糖値を得るためには、頻繁なグルコース濃度測定が必要である。
しかしながら、採血した血液を直接分析する上記方法は、グルコース濃度の測定の度に注射針等を刺して採血しなければならず、患者にかかる負担が大きいという問題がある。
【０００３】
この問題を解決するために、指、腕、耳朶などの生体組織に対し、外部から近赤外光を照射して生体内で拡散させ、生体外に出射された光を検出する非侵襲的なグルコース濃度測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１の方法は、複数本の発光ファイバと複数本の受光ファイバとを束ねて構成した光ファイバ束を用意し、該光ファイバ束を構成する各光ファイバの先端面を生体表面に接触状態に配置する。そして、ハロゲンランプから複数の発光ファイバに集光した近赤外光をそれら発光ファイバの先端面から照射することにより、生体内に入射させ、生体内において拡散されて生体表面から生体外に戻る光を複数の受光ファイバにおいて受光するとともに、受光された光のスペクトルを分析することによりグルコースの濃度を算出するものである。
【特許文献１】特開２０００−１３１３２２号公報（図３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１において使用しているハロゲンランプは、広い波長帯域にわたる近赤外光成分を有するので、近赤外光源としては適しているが、その反面、フィラメントにより発光する方式のものであるために、集光させることが難しく、ファイバ束によって伝播する必要がある。このため、ハロゲンランプからの光は、その光強度レベルが全ての波長帯域にわたって低いという不都合がある。特に、生体内に入射され、生体組織において拡散または透過させられて生体表面に戻る戻り光はごく微量であるため、生体に入射させる光量を増大させる必要がある。光量を増大させる方法として出力が大きいハロゲンランプを使用できるが、そのような出力の大きなランプではフィラメントの面積が大きくなり、光ファイバを多数本まとめたファイバ束を用いる必要があり、ファイバ束の径が大きくなって柔軟に湾曲させることができなくなるという不都合がある。また、光ファイバの本数が多くなると照射面積が広くなり、それによって受光部との距離もいろいろな距離を持つこととなる。その結果、生体内に入射される光は、様々な光路長、すなわち、様々な深達度を有することとなり、グルコース以外の脂肪等の情報を含む光として検出される可能性が高くなる。
【０００５】
また、グルコース濃度を測定する場合、グルコース濃度に特徴的な吸収特性を示す特定の波長帯域の光の光量は、他の波長帯域の光と比較して大きくすることで、精度を向上できるが、従来のハロゲンランプを用いた近赤外光源では、その特定波長帯域の光量を必要光量まで増加させると、不必要な波長帯域の光まで増大するため、例えば、照射部が熱くなる等の問題がある。
【０００６】
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、ファイバ束の大径化を抑制しつつ、必要な波長帯域の光量を増大させて、測定精度を向上することができるグルコース濃度測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、光源部と、該光源部から発せられた光を伝播し、生体に入射させる光ファイバ束と、生体内において拡散または透過した光を分光する分光器と、分光された光を検出する光検出器とを備え、光検出器により検出された各波長の光の吸光度に基づいて生体内のグルコース濃度を測定するグルコース濃度測定装置であって、前記光源部が、ハロゲンランプと、特定の波長帯域に光強度を有する広帯域光源とを備えるグルコース濃度測定装置を提供する。
【０００８】
本発明によれば、光源部から発せられた光が、光ファイバ束内を伝播されて生体に入射され、生体内において拡散または透過させられた後に生体表面に戻る。生体内において拡散または透過させられた光は、生体表面に戻った後に分光器により分光され、光検出器により検出される。これにより、入射した光に対する検出された光の吸光度が波長ごとに測定でき、これに基づいて生体内のグルコース濃度が測定されることになる。
【０００９】
この場合において、本発明によれば、光源部がハロゲンランプと広帯域光源とを含むので、ハロゲンランプによる広い波長帯域にわたる近赤外光とともに、広帯域光源からの特定の波長帯域の光が生体内に入射される。広帯域光源は、数１０〜数１００ｎｍ程度の帯域を有し、光束径が数１０μｍ程度と、空間的に比較的小さいが高輝度の光を発生する、例えば、ＡＳＥ(Amplified Spontaneous
Emission)光源や、ＳＬＤ(Super Luminescence Diode)光源等である。
【００１０】
広帯域光源をハロゲンランプとともに用いることにより、必要な波長帯域の光強度を強調した光として生体内に入射させることができる。したがって、広帯域光源の波長帯域としてグルコース濃度に特徴的な吸光度を示す波長帯域を設定しておくことにより、グルコース濃度のより多くの情報を得ることができ、Ｓ／Ｎ比を向上して測定精度を向上することができる。グルコース濃度に特徴的な吸光度を示す波長帯域として、１．５〜１．８μｍが知られており、前記広帯域光源の波長帯域としては、１．５〜１．８μｍの一部または全部を含む波長帯域の光を発生することが好ましい。
【００１１】
また、広帯域光源は上述したように、空間的に比較的小さくかつ高輝度の光を発生する光源であるので、発生した光を伝播する光ファイバのコア径をハロゲンランプのものと比較して十分に小さくすることができる。したがって、光ファイバ束全体を太くすることなく、ハロゲンランプによる広い波長帯域にわたる光と、広帯域光源による特定波長帯域の光強度の高い光とを合成した光を生体に入射させることができる。
【００１２】
上記発明においては、前記光ファイバ束が、ハロゲンランプからの光を伝播する第１の光ファイバと、広帯域光源からの光を伝播する第２の光ファイバとを備え、第１の光ファイバのコア径が、第２の光ファイバのコア径より大きいことが好ましい。
第１の光ファイバのコア径を第２の光ファイバのコア径より大きくすることにより、比較的光強度の低いハロゲンランプからの光の光量を増加させることができる。
【００１３】
また、上記発明においては、生体に接触させられる先端面に、前記光ファイバ束の照射端と、生体において拡散または透過した光を受光する受光部とを配置してなる測定ヘッドを備え、前記第２の光ファイバの照射端の周囲に前記第１の光ファイバの照射端が配列され、該第１の光ファイバの外側に間隔をあけて受光部が配置されていることが好ましい。
第２の光ファイバの照射端から発せられる広帯域光源からの光の光強度は高く、第１の光ファイバの照射端から発せられるハロゲンランプからの光の光強度は低いので、第２の光ファイバの照射端を第１の光ファイバの照射端の中心に配置することで、両照射端からの光をその周囲の受光部にバランスよく受光させることが可能となる。
【００１４】
さらに、上記発明においては、前記光ファイバ束が、ハロゲンランプからの光を伝播する第１の光ファイバと、広帯域光源からの光を伝播する第２の光ファイバとを備え、第１の光ファイバの本数が、第２の光ファイバの本数より多いこととしてもよい。上記と同様に、第１の光ファイバの本数を第２の光ファイバの本数より多くすることで、比較的光強度の低いハロゲンランプからの光の光量を増加させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、広い波長帯域にわたる近赤外光を発するハロゲンランプと、特定の波長帯域について高輝度の近赤外光を発する広帯域光源とを組み合わせることにより、ファイバ束の大径化を抑制しつつ、必要な波長帯域の光量を増大させて、精度よくグルコース濃度を測定することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態に係るグルコース濃度測定装置１について図１〜図４を参照して説明する。
本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１は、図１に示されるように、生体Ａに照射する光を発生する光源部２と、光源部２から伝播されてきた光を生体Ａに入射させ、生体Ａにおいて拡散または透過した光を受光する測定ヘッド３と、測定ヘッド３において受光された光を分光する分光器４と、前記光源部２と測定ヘッド３および分光器４と測定ヘッド３を接続する光ファイバ束５と、該分光器４により分光された光を検出する光検出器６と、該光検出器６により検出された光のスペクトルに基づいて生体Ａ内のグルコース濃度を算出する解析処理部７とを備えている。図１中、符号１５は、第３の光ファイバ１２，１３から出射された光を集光する集光レンズである。
【００１７】
前記光源部２は、ハロゲンランプ８と、特定の波長帯域、例えば、１５００〜１７００ｎｍの帯域に高い光強度を有するＡＳＥ光源（広帯域光源）９とを備えている。これにより、光源部２は、図２に示されるように、広い波長範囲にわたり光強度を有するハロゲンランプ８からの光と、特定の波長帯域のみに光強度を有するＡＳＥ光源９からの光が合波された波長特性を有している。
【００１８】
前記光ファイバ束５は、ハロゲンランプ８から測定ヘッド３に接続される第１の光ファイバ１０と、ＡＳＥ光源９から測定ヘッド３に接続される第２の光ファイバ１１と、測定ヘッド３から分光器４に接続される第３の光ファイバ１２，１３とを備えている。光ファイバ束５の一端面は、測定ヘッド３の先端面３ａに配置されている。測定ヘッド３の先端面３ａにおける光ファイバ１０〜１３の配置は、図３に示されるように、ＡＳＥ光源９からの光を出射する１本の第２の光ファイバ１１の端面を中央に配置し、その周囲に隣接してハロゲンランプ８からの複数本、例えば、６本の第１の光ファイバ１０を配置している。また、生体Ａからの戻り光を受光する第３の光ファイバ１２，１３は、第１の光ファイバ１０のさらに外側に間隔をあけて６本配置されている。
【００１９】
６本の第１の光ファイバ１０、および６本の第３の光ファイバ１２，１３は、例えば、２００μｍのコア径を有するものであり、また、第２の光ファイバ１１は、第１の光ファイバ１０とほぼ同等のクラッド外径を有するが、コア径が５０μｍと細いものである。第１の光ファイバ１０のコア径を第２の光ファイバ１１と比較して大きく設定し、その本数も多く設定しているのは、比較的光強度の低いハロゲンランプ８からの光の光量をできるだけ多くするためである。また、第３の光ファイバ１２，１３のコア径を大きくし、本数を多く設定しているのも、できるだけ多くの光量の光を受光するためである。一方、第２の光ファイバ１１のコア径を小さくし、本数を少なくしているのは、ＡＳＥ光源９からの光は、光強度が高く、かつ空間的にも小さくすることができるからである。
【００２０】
生体Ａ内に光を入射させる第１、第２の光ファイバ１０，１１と、生体Ａからの光を受光する第３の光ファイバ１２，１３との間隔は、約０．４〜０．８ｍｍに設定されている。これらの光ファイバ１０〜１３の間隔は、光の進達度に関係しており、このように設定することによって、第１、第２の光ファイバ１０，１１の端面から発せられ生体Ａ内に入射させられた光が、グルコース成分を多く含む真皮領域にまで進達する。したがって、第３の光ファイバ１２，１３によって受光される光が、生体Ａの組織内を真皮の深さまで進達した光を多く含んでいるようになっている。
【００２１】
また、前記第３の光ファイバ１２，１３は、図３に示す例では６本備えられているが、これらの第３の光ファイバ１２，１３は３本ずつ２組に分けられ、それぞれ別々の分光器４に入射させられるようになっている。各分光器４は、入射された光をそれぞれ別々の波長帯域にわたるスペクトルに分光するように構成されている。本実施形態においては、分光器４は、例えば、回折格子である。
【００２２】
また、分光器４において分光された光は、各光検出器６により検出されるようになっている。光検出器６は、例えば、リニアアレイセンサである。分光器４によって分光された光は、そのままスペクトル信号として解析処理部７に出力されるようになっている。
また、解析処理部７においては、入力されたスペクトル信号を回帰分析することにより、生体Ａ内のグルコース濃度を算出するようになっている。算出されたグルコース濃度は、解析処理部７に接続されたモニタ１４に出力されるようになっている。
【００２３】
このように構成された本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１を用いて生体Ａ内の体液のグルコース濃度を測定するには、測定ヘッド３の先端面３ａを生体Ａ、例えば、指先の表面に密着させる。なお、測定部位は、指先の他、掌、前腕等でもよい。
【００２４】
この状態で、ハロゲンランプ８およびＡＳＥ光源９からの光を第１、第２の光ファイバ１０，１１によって測定ヘッド３に伝播させ、生体Ａ表面に密着配置されている測定ヘッド３の先端面３ａの各光ファイバ１０，１１の照射端から生体Ａ内に向けて出射させる。
これにより、図２に示す波長特性を有する光が生体Ａ内に入射される。
【００２５】
そして、第１、第２の光ファイバ１０，１１の照射端から発せられた光が生体Ａ内に入射されると、生体Ａ内に入射された光は、生体Ａ内を進行する間に、生体Ａ組織に衝突して拡散される。生体Ａ内においては、通過する生体Ａ組織や体液の成分に応じて、特定の波長帯域の光を吸収される。したがって、生体Ａ内で拡散等されることにより生体Ａの表面に戻って生体Ａ外に出射された光は、通過した生体Ａ組織や体液に応じた特定の波長帯域の光量が低下していることになる。
【００２６】
第３の光ファイバ１２，１３の端面は、上述したように第１，第２ファイバ１０，１１との間の距離を一定に固定されているので、その距離に応じた深さまで進達した光を多く受光する。本実施形態の場合には、光は真皮領域まで進達した後に、第３の光ファイバ１２，１３に受光されるので、受光される光はグルコースの情報を多く含んでいることになる。
受光された光は、第３の光ファイバ１２，１３内を伝播して分光器４まで導かれ、分光器４によって分光されて光検出器６により検出される。
【００２７】
光検出器６であるリニアアレイセンサには、分光器４により分光され、波長ごとに分離された光が検出されるので、そのままスペクトル信号として解析処理部７に出力され、解析処理部７において波長ごとの吸光度に基づいてグルコース濃度が算出され、モニタ１４に表示されることになる。
【００２８】
この場合において、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１によれば、ハロゲンランプ８からの広い波長帯域にわたる近赤外光と、ＡＳＥ光源９からの特定の波長帯域ではあるが高い光強度の近赤外光とが生体Ａ内に照射されるので、光検出器６からは、広い波長帯域にわたるスペクトル信号と、グルコースに特徴的な吸光度を示す波長帯域のスペクトル信号とが同時に含まれていることになる。したがって、グルコース濃度に関する信号を多く得ることができ、Ｓ／Ｎ比が改善されて測定精度を向上することができるという効果がある。
【００２９】
また、グルコース濃度に特徴的な吸光度を示す波長帯域の光強度を増大させるためにＡＳＥ光源９を用いているので、光を伝播する光ファイバ１１が細くて済み、光ファイバ束５全体を大径化させることが防止できるという利点がある。光ファイバ束５が大径化すると、その柔軟性が低下するので、測定ヘッド３の姿勢や位置を変更する際に、取り回しが困難になるという不都合があるが、本実施形態によれば、そのような不都合がない。
【００３０】
また、光検出器６として、異なる波長帯域に感度を有する２つのリニアアレイセンサを使用しているので、各リニアアレイセンサによって検出する光の波長帯域を分担することにより、広い波長帯域にわたって高い感度で検出を行うことができるという利点がある。
【００３１】
なお、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１においては、測定ヘッド３の先端面３ａの中央に第１および第２の光ファイバ１０，１１の照射端を配置し、その周囲に間隔をあけて第３の光ファイバ１２，１３を配列することとしたが、これに代えて、図５に示されるように、測定ヘッド３の先端面３ａの中央に第３の光ファイバ１２，１３の端面を束ねて配置し、その周囲に間隔をあけて第１の光ファイバ１０と第２の光ファイバ１１とを周方向に間隔をあけて円形に配列してもよい。
【００３２】
この場合においても、ハロゲンランプ８からの光を伝播する第１の光ファイバ１０の本数およびコア径を、ＡＳＥ光源９からの光を伝播する第２の光ファイバ１１よりも多くあるいは大きくしておくことにより、広い波長帯域にわたるハロゲンランプ８からの光と、グルコースに特徴的な吸光度を示す特定の波長帯域のＡＳＥ光源９からの光とをバランスよく合波して生体Ａ内に入射させ、Ｓ／Ｎ比を改善してグルコース濃度を精度よく測定することができる。図中、中央の７本の第３の光ファイバ１２，１３は、３本を第１のリニアアレイセンサ、４本を第２のリニアアレイセンサによって検出させるために使用すればよい。
【００３３】
また、図６に示されるように、ハロゲンランプ８からの光を伝播する第１の光ファイバ１０と、ＡＳＥ光源９からの光を伝播する第２の光ファイバ１１とを同数としてもよく、この場合には、第１、第２の光ファイバ１０，１１のコア径を異ならせることにより、ハロゲンランプ８からの光とＡＳＥ光源９からの光とをバランスよく合波させることができる。２つのリニアアレイセンサに光を導く第３の光ファイバ１２，１３は任意に、あるいはランダムに配置することとしてもよい。
【００３４】
また、上記実施形態においては、広帯域光源としてＡＳＥ光源９を例に挙げて説明したが、これに代えて、ＳＬＤ光源あるいは可変波長ＬＤ(Laser Diode）を採用してもよい。また、広帯域光源において、複数の波長の異なる広帯域光源を用いて、これをダイクロイックミラーで合波することにしてもよい。
また、リニアアレイセンサを２個用いた例を示したが、１個でもよいし、３個以上でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係るグルコース濃度測定装置の全体構成を示す概略図である。
【図２】図１のグルコース濃度測定装置の光源部の光強度の波長特性を示すグラフである。
【図３】図１のグルコース濃度測定装置の測定ヘッドの先端面の光ファイバの配列を示す正面図である。
【図４】図１のグルコース濃度測定装置の光検出部の感度の波長特性を示すグラフである。
【図５】図１のグルコース濃度測定装置の測定ヘッドの先端面の変形例を示す正面図である。
【図６】図１のグルコース濃度測定装置の測定ヘッドの先端面の他の変形例を示す正面図である。
【符号の説明】
【００３６】
Ａ  生体
１グルコース濃度測定装置
２  光源部
３  測定ヘッド
４  分光器
５  光ファイバ束
６  光検出器
８  ハロゲンランプ
９  ＡＳＥ光源（広帯域光源）
１０  第１の光ファイバ
１１  第２の光ファイバ
【図１】
2005312743.tif 000003
【図２】
2005312743.tif 000004
【図３】
2005312743.tif 000005
【図４】
2005312743.tif 000006
【図５】
2005312743.tif 000007
【図６】
2005312743.tif 000008