(57)【要約】【課題】  簡易な構成により生体内の成分濃度を正確に検出することを目的とする。【解決手段】  複数の波長からなる光を発生する光源２と、周波数が無作為に変化するディジタル信号である擬似ランダム雑音信号に基づいて、周期的な高周波信号を断続的に出力する擬似ランダム雑音信号発生器５と、擬似ランダム雑音信号発生器５から不定周期で断続的に供給される高周波信号に基づいて、光源２の出射光から特定波長の光を分光するＡＯＴＦ４と、ＡＯＴＦ４により分光された光を生体Ａに照射させる照射用光ファイバ８と、照射用光ファイバ８により照射されることにより、生体内で拡散或いは透過した光を生体外部において検出する光検出器１３と、光検出器１３の出力信号と所定の信号レベルとを比較し、比較結果に応じたディジタル信号を出力する比較器１５と、比較器１５の出力信号と、擬似ランダム雑音信号とに基づいて、生体内の特定成分濃度を検出するコンピュータ１６とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の波長光を発生する光源と、
周波数が無作為に変化するディジタル信号である制御信号に基づいて、周期的な高周波信号を断続的に出力する制御手段と、
該制御手段から不定周期で断続的に供給される前記高周波信号に基づいて、前記光源の出射光から特定波長の光を分光する分光手段と、
該分光手段により分光された光を生体に照射する照射手段と、
該照射手段により照射されることにより、前記生体内で拡散或いは透過した光を前記生体外部において検出する光検出手段と、
該光検出手段の出力信号と所定の信号レベルとを比較し、比較結果に応じたディジタル信号を出力する比較手段と、
前記制御信号に対する該比較手段の出力信号のビット誤り率を演算し、該ビット誤り率に基づいて、前記生体内の特定成分濃度を演算する演算手段と
を備える成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記制御手段が、
一定周波数の高周波信号を発生する高周波発生手段と、
周波数が無作為に変化するディジタル信号である制御信号を発生する制御信号発生手段と、
前記高周波信号と前記制御信号とを乗算して、前記分光手段へ出力する乗算手段と
を備える請求項１に記載の成分濃度測定装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の成分濃度測定装置を備え、生体内のグルコース濃度を検出する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、生体内の成分濃度を検出する成分濃度測定装置に係り、特に体内のグルコース濃度を検出するグルコース濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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、グルコース濃度の検出が行われている。グルコース濃度の検出は、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検出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、グルコース濃度の検出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には、複数本の光ファイバに導入された４波長の光を生体試料に照射させ、生体中を透過、拡散した光を検出器によって検出し、更に、検出した光を電気信号に変換し、各波長ごとの生体試料による吸光度を計算することにより、生体内のグルコース濃度等を検出する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−２１６１１２号公報（段落［００１０］〜［００１２］、及び図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１では、光検出器の受光感度、生体へ照射する光の光強度、生体試料の吸光度について、所定の条件が成立するように、４つの光源から発せられる各波長の光の強度を調整し、全ての波長において誤差を生ずることなく、吸光度を計算している。
しかしながら、このような光源の微調整を実現するためには、各光源に対して光強度を調整するための駆動装置と、その駆動装置を制御するための信号処理装置が必要となるため、装置が大型化するという問題があった。
また、各光源を駆動するための制御量の演算処理等も煩雑であるため、装置に負荷がかかるという問題もあった。
【０００５】
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、簡易な構成により生体内の成分濃度を正確に測定することができる成分濃度測定装置及びグルコース濃度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、複数の波長からなる光を発生する光源と、周波数が無作為に変化するディジタル信号である制御信号に基づいて、周期的な高周波信号を断続的に出力する制御手段と、該制御手段から不定周期で断続的に供給される前記高周波信号に基づいて、前記光源の出射光から特定波長の光を分光する分光手段と、該分光手段により分光された光を生体に照射する照射手段と、該照射手段により照射されることにより、前記生体内で拡散或いは透過した光を前記生体外部において検出する光検出手段と、該光検出手段の出力信号と所定の信号レベルとを比較し、比較結果に応じたディジタル信号を出力する比較手段と、前記制御信号に対する該比較手段の出力信号のビット誤り率を演算し、該ビット誤り率に基づいて、前記生体内の特定成分濃度を演算する演算手段とを備える成分濃度測定装置を提供する。
【０００７】
本発明によれば、光源から発せられた複数波長からなる光は、分光手段に入射される。分光手段では、分光手段に高周波信号が供給されている期間において、特定波長の光が分光され、出力される。ここで、分光手段には、制御手段から無作為な周波数で断続的に高周波信号が入力される。このため、分光手段からは、特定波長の光が不定周期で断続的に出射されることとなる。この場合において、不定周期で特定波長の光を出射させるのは、後述の演算手段がビット誤り率に基づいて生体内の特定成分濃度を演算することによる。
この不定周期で断続的に出射された特定波長の光は、照射手段により生体に照射される。この結果、生体内で透過或いは拡散され、生体内の成分情報を含んだ光が生体外部に配置されている光検出手段により検出されることとなる。
ここで、生体内に測定対象とする成分が多く含まれていれば、照射された光の強度は、大幅に低下するため、光検出手段に入射される光の強度は小さく、また、ノイズが多く含まれたものとなる。従って、比較手段からは、ノイズ成分が多く含まれた信号が出力されることとなる。一方、生体内の成分濃度が低い場合には、吸光度が低いため、光検出手段に入射される光の強度は高いものとなり、また、比較的ノイズが少ないものとなる。従って、比較手段からは、ノイズ成分の小さい比較的波形のきれいな信号が出力される。このように、比較手段の出力信号は、生体内の成分濃度に依存した信号となっている。
該比較手段の出力信号は演算手段に入力される。そして、演算手段により、制御信号に対する該比較手段の出力信号のビット誤り率が演算されることにより、生体内における吸光度がどの程度であるかが判断される。ここで、前述の通り、生体には分光手段から不定周期で断続的に出射された光が照射されているが、この照射のタイミングは、周波数が無造作に変化するディジタル信号である制御信号により制御されている。
従って、生体に光が照射されているタイミングを示す制御信号に対する該比較手段の出力信号のビット誤り率が演算手段により演算されることによって、生体内における吸光度のレベルが判定され、グルコース濃度が検出される。
なお、このビット誤り率は、光学系のＳ／Ｎ比と相関関係にある。従って、検出したビット誤り率に対応するＳ／Ｎ比を求めることにより、このＳ／Ｎ比からグルコース濃度を得るようにしても良い。
なお、上記高周波信号の周波数は、測定対象となっている成分の特性に基づいて決定されるのが好ましい。例えば、グルコースであれば、１６００ｎｍ近傍の光に特性が現れるため、１６００ｎｍ近傍の波長の光を分光するような値に設定されていることが好ましい。
【０００８】
また、本発明においては、前記制御手段が、一定周波数の高周波信号を発生する高周波発生手段と、周波数が無作為に変化するディジタル信号である制御信号を発生する制御信号発生手段と、前記高周波信号と前記制御信号とを乗算して、前記分光手段へ出力する乗算手段とを備えることが好ましい。
【０００９】
本発明によれば、一定周波数の高周波信号と、周波数が無作為に変化するディジタル信号である制御信号とが乗算手段により乗算されて、分光手段へ出力される。即ち、乗算手段において、制御信号が１である場合には、高周波信号が出力され、制御信号が０である場合には、高周波信号が遮断されることとなる。これにより、簡易な構成により、無作為な周波数で、高周波信号を断続的に出力させることが可能となる。
【００１０】
また、請求項１又は請求項２に記載の成分濃度測定装置は、生体内のグルコース濃度を検出するグルコース濃度測定装置に好適である。
即ち、グルコースの濃度測定においては、赤外線付近の光の吸収度に基づいて濃度測定が行われるが、この赤外線付近の光は、光の減光率が高いため光検出が困難であり、光強度を絶対値によって判断し、正確なグルコース濃度を得るのは非常に難しい。
これに対し、本発明の成分濃度測定装置は、光検出手段の出力信号をそのまま使用するのではなく、比較手段の出力信号のビット誤り率に基づいて、生体内の成分濃度を演算するので、グルコース濃度測定のような絶対値による光検出が難しい場合に好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の成分濃度測定装置によれば、比較手段の出力信号であるディジタル信号に基づいて生体内における成分濃度を測定することにより、簡易な構成、且つ、簡単な演算処理により濃度測定を実現させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る成分濃度測定装置をグルコース濃度測定装置に適用した場合について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るグルコース濃度測定装置１の構成を示した図である。同図において、光源２は、光ファイバ３を介して分光手段としての音響光学可変波長フィルタ（以下「ＡＯＴＦ」という。）４と接続されている。これにより、光源２から出射された複数の波長からなる光は、光ファイバ３を介してＡＯＴＦ４へ導かれることとなる。
一方、ＡＯＴＦ４へは、制御部５から不定周期で断続的に高周波信号が供給されており、ＡＯＴＦ４は、この不定周期で断続的に供給される高周波信号に基づいて、光ファイバ３を介して入射された複数波長からなる光のうち、特定の波長の光のみを偏光して出力する。
ここで、制御部（制御手段）５は、周期的な高周波信号を発生する高周波発生器（高周波発生手段）５１と、周波数が無作為に変化するディジタル信号である擬似ランダム雑音信号（制御信号）を発生する擬似ランダム雑音信号発生器（制御信号発生手段）５３と、高周波信号と擬似ランダム雑音信号とを乗算してＡＯＴＦ４へ出力する乗算器（乗算手段）５２とから構成されている。このように、制御部５を構成することにより、簡易な構成により、不定周期で断続的に高周波信号を供給することが可能となる。
【００１３】
ＡＯＴＦ４の出力側は、光ファイバ６を介して装置本体１００の出口に設けられたコネクタ７に接続されている。装置本体１００の外側には、生体Ａ組織表面に接触させられる測定プローブ９が設けられており、この測定プローブ９と装置本体１００の出口に設けられたコネクタ７とが照射用光ファイバ８によって接続されている。
測定プローブ９には、その先端面１０に、中心に１本の照射用光ファイバ（照射手段）８が配置され、その周囲に間隔をあけて複数本の受光用光ファイバ１１が配置されている。すなわち、測定プローブ９の先端面１０を生体Ａ組織表面に密着させた状態で装置を作動させることにより、測定プローブ９の中心から出射された測定光は、生体Ａ内に入射され、拡散あるいは透過させられた後に、生体Ａ表面に戻り、照射用光ファイバ９の周囲に配置されている受光用光ファイバ１１によって信号光として受光されるようになっている。
受光用光ファイバ１１は、束ねられることによりファイババンドルを形成し、コネクタ１２により装置本体１００に接続されている。
【００１４】
受光用光ファイバ１１により受光された信号光は、コネクタ１２を介して光検出器（光検出手段）１３に導かれる。この光検出器１３は、例えば、ＰｂＳセンサ、あるいは、ＩｎＧａＡｓセンサである。この光検出器１３は、ファイババンドルを構成している受光用光ファイバ１１の端面に対向して配置されており、これら受光用光ファイバ１１により受光され伝播されてきた信号光を検出して検出信号を出力する。光検出器１３から出力された検出信号は、演算部（演算手段）２０へ入力される。
演算部２０は、光検出器１３の検出信号を増幅する増幅器１４と、増幅器１４から出力された電気信号の電圧レベルと所定の基準電圧レベルとを比較し、比較結果に応じたディジタル信号を出力する比較器１５と、比較器１５の出力信号と擬似ランダム雑音信号とが入力され、両信号に基づいてビット誤り率を算出して、生体内のグルコース濃度を検出するコンピュータ１６とを備えている。なお、コンピュータ１６には、ディスプレイ（図示略）が備えられており、コンピュータ１６において演算されたグルコース濃度値が表示されるようになっている。
【００１５】
次に、上記構成からなる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検出するには、測定プローブ９の先端面１０を生体Ａ、例えば、指先の表面に密着させる。なお、検出部位は、指先の他、掌、前腕等でもよい。
【００１６】
この状態で、光源２を作動させる。これにより、複数波長の光が光ファイバ３を介してＡＯＴＦ４に入射される。
ＡＯＴＦ４は、制御部５から不定周期で断続的に供給される高周波信号の周波数に対応する特定波長の光を分光し、出力する。これにより、ＡＯＴＦ４からは、高周波信号が入力されている期間においてのみ、特定波長の光が出射されることとなる。この場合において、高周波信号の周波数は、波長１６００ｎｍ近傍の光がＡＯＴＦ４から出力されるように設定されている。
この結果、ＡＯＴＦ４からは、特定波長の光、例えば、１６００ｎｍ近傍の光が不定周期で断続的に出射されることとなる。
【００１７】
ＡＯＴＦ４から断続的に出射された光は、光ファイバ６内に入射されて、コネクタ７により接続されている測定プローブ９の照射用光ファイバ８に入射させられる。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。当該光は、通過する生体Ａ組織や体液のグルコース成分に応じて光が吸収されるため、グルコース濃度が高いほど大幅に減光されることとなる。
受光用光ファイバ１１により受光された光は、受光用光ファイバ１１の端面に対向配置されている光検出器１３により検出される。
【００１８】
光検出器１３からの検出信号は、演算部２０に入力される。即ち、まず、増幅器１４に入力されることにより所定の信号レベルまで増幅され、その後、比較器１５に入力される。比較器１５では、増幅された検出信号の電圧値と基準電圧Ｖrefとが比較され、比較結果に応じたディジタル信号が出力される。
ここで、生体Ａ内のグルコース濃度が低い場合には、生体Ａ内を透過する光の吸収度は小さいため、光検出器１３からの検出信号は大きな値で比較的ノイズの少ないものとなる。従って、増幅器１４を介して入力される検出信号の電圧は、擬似ランダム雑音信号の変化に伴い基準電圧Ｖrefを正確にまたぎ、出力結果として“Ｈ（ハイ）”および“Ｌ（ロー）”の正しいディジタル信号がコンピュータへ出力される。
一方、生体Ａ内のグルコース濃度が高い場合には、光の吸収度は大きくなるため、受光用光ファイバ１１により受光される信号光は大幅に減光し、光検出器１３からの検出信号は小さな値でノイズの大きな値をとる。従って、この場合には、レベル的には増幅器１４により増幅されたとしても、比較器１５へ入力される検出信号にはノイズが混入されているため、“Ｈ”を受信していたとしても基準電圧Ｖrefを超えられない場合が発生する。当然、逆に“Ｌ”のときでも、このようなことが生ずる。この場合は、出力結果として誤りの混入した“Ｈ”と“Ｌ”のディジタル信号がコンピュータ１６へ出力されることとなる。
【００１９】
コンピュータ１６には、擬似ランダム雑音信号と比較器１５からのディジタル信号が入力される。この場合において、図１には示されていないが、擬似ランダム雑音信号発生器５３とコンピュータ１６との間には、遅延回路が設けられている。これにより、擬似ランダム雑音信号と、該信号に基づいてＡＯＴＦ４から出射され、更に、生体Ａを介して上記種々の機器を介し、最終的に比較器１５から出力されたディジタル信号とが、同時にコンピュータ１６へ入力されるようになっている。
コンピュータ１６は、まず、擬似ランダム雑音信号が“Ｈ”のときに、比較器１５から入力されたディジタル信号が“Ｈ”か“Ｌ”かを判定する。このとき、両者の信号がともに同じ場合には誤りなし、違う場合には誤りありと判定される。ここで、１６００nmの光を生体Ａ内へ照射している間に、擬似ランダム雑音信号により変化させた“Ｈ”、“Ｌ”の総ビット数に対して、誤りありと判定されたビットの個数の比率を計算し、これをビット誤り率とする。
【００２０】
次に、このビット誤り率は、光学系のＳ／Ｎ比と相関関係にある。コンピュータ１６は、このビット誤り率とＳ／Ｎ比との対応表を保持しており、先ほど求めたビット誤り率に対応するＳ／Ｎ比を求める。続いて、求めたＳ／Ｎ比に対応するグルコース濃度を予め保持しているグルコース濃度対応表から求める。ここで、グルコース濃度が高いほど、Ｓ／Ｎ比は小さな値となるため、そのような特性を考慮して対応表が作成されている。
コンピュータ１６は、Ｓ／Ｎ比に対応するグルコース濃度をグルコース濃度対応表から取得すると、取得したグルコース濃度を図示しないディスプレイに表示させる。
【００２１】
以上、説明してきたように、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１によれば、従来のように生体内で透過又は拡散された光のスペクトルの光吸収率を絶対値として測定するのではなく、比較器１５から出力されたディジタル信号と、無作為に周波数が変化するディジタル信号である擬似ランダム雑音信号とのビット誤り率に基づいてグルコース濃度を検出するので、非常に簡単な演算処理、且つ、簡易な装置構成により濃度測定を実現させることができる。
【００２２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限られない。
例えば、上述の実施形態においては、ビット誤り率からＳ／Ｎ比を求め、このＳ／Ｎ比に基づいてグルコース濃度を検出したが、この例に限られることなく、ビット誤り率とグルコース濃度とを対応付けた対応表を予め作成しておき、この対応表を参照することにより、ビット誤り率から直接的にグルコース濃度を検出することとしても良い。
また、上記ＡＯＴＦ４に代わって、グレーティングとスキャンミラーとを組み合わせたもの等を採用してもよい。
また、コンピュータ１６が行う演算処理のうち、比較器１５の出力信号と擬似ランダム雑音信号とに基づいてビット誤り率を求める過程は、比較器１５の出力信号と擬似ランダム雑音信号発生器５３から出力される擬似ランダム雑音信号とをＡＮＤ回路に入力するようにし、このＡＮＤ回路を擬似ランダム雑音信号と同期作動させることにより、このＡＮＤ回路の出力信号に基づいてビット誤り率を求める構成とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この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図である。
【符号の説明】
【００２４】
Ａ  生体
１  グルコース濃度測定装置
４  ＡＯＴＦ（音響光学可変波長フィルタ）
５  制御部
１３  光検出器
１４  増幅器
１５  比較器
１６  コンピュータ
５１  高周波発生器
５３  擬似ランダム雑音信号発生器
５２  乗算器
【図１】
2005224534.tif 000003