(57)【要約】 【課題】  生体に照射する光の光量を安定させて、測定精度を向上する。【解決手段】  生体Ａに照射する光を発生する光源２と、該光源２から発せられた光を分光する分光器７と、該分光器７において分光された光を生体Ａの表面に導く照射用光ファイバ１１と生体Ａ内において拡散または透過した光を受光する受光用光ファイバ１２とからなる光プローブ２５と、該受光用光ファイバ１２により受光されて伝播された光を検出する光検出器５とを備え、各波長における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、前記分光器７により分光された光を照射用光ファイバ１１に導く間に、その光内の不要モードを除去する励振器１７が配置されてい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】
生体に照射する光を発生する光源と、該光源から発せられた光を分光する分光器と、該分光器において分光された光を生体の表面に導く照射用光ファイバと生体内において拡散または透過した光を受光する受光用光ファイバとからなる光プローブと、該受光用光ファイバにより受光されて伝播された光を検出する光検出器とを備え、各波長における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、
前記分光器により分光された光を照射用光ファイバに導く間に、その光内の不要モードを除去する励振器が配置されているグルコース濃度測定装置。
【請求項２】
前記光プローブを前記励振器および前記光検出器に対して着脱可能に接続する光コネクタを備える請求項１に記載のグルコース濃度測定装置。
【請求項３】
前記光プローブが、測定形態によって湾曲可能に設けられている請求項１または請求項２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バンドルを用意し、該光ファイババンドル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に示される方法は、多数の発光ファイバおよび受光ファイバを使用して、照射光および検出光量を増加させることで、検出されるグルコース濃度の情報量を増加させている。
しかしながら、特定の波長の光を光ファイバで生体組織まで導く場合、コア径の大きなマルチモードファイバでは、ファイバの曲げ、温度によって光の波長や光強度が不安定になるという不都合がある。そのため、生体への光の入射位置や姿勢を変更するために光ファイバの湾曲方向を変更すると、生体に照射される光の波長や光量が変動してしまい、精度の高い測定を行うことができないという問題がある。
【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、生体に照射する光の波長および強度変動を抑制して、測定精度を向上し得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】
【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、生体に照射する光を発生する光源と、該光源から発せられた光を分光する分光器と、該分光器において分光された光を生体の表面に導く照射用光ファイバと生体内において拡散または透過した光を受光する受光用光ファイバとからなる光プローブと、該受光用光ファイバにより受光されて伝播された光を検出する光検出器とを備え、各波長における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、前記分光器により分光された光を照射用光ファイバに導く間に、その光内の不要モードを除去する励振器が配置されているグルコース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光は、分光器において分光され、励振器を通過させられた後に、照射用光ファイバを通過して生体内に入射させられる。そして、生体内において拡散または透過した光を受光用光ファイバを介して光検出器により検出するとともに、検出された光から各波長における吸光度に基づいて生体内のグルコース濃度が測定される。
この場合において、照射用光ファイバおよび受光用光ファイバを含む光プローブが何らかの原因によって湾曲されたり振動させられたりする等の変動を受けた場合には、その度合や変化によって内部を伝送される光の強度が変動することとなる。
出願人は、照射用光ファイバの変動による光強度や波長の変動が、内部を通過している光の伝送モードの内のごく短距離で減衰してしまうリーキーモードやクラッドを伝播するクラッドモードのような不要モードによるものであるとの知見を得た。
【０００８】
そこで、本発明によれば、分光された光を励振器に通過させることにより、任意に湾曲される照射用光ファイバへの入射前に、不要モードを除去して定常モードのみあるいは定常モードと高次モードのみとしているので、照射用光ファイバが湾曲させられても、不要モードによる光強度や波長の変動を低く抑えることができ、その結果、得られる測定値のばらつきが抑制され、安定したグルコース濃度の測定を行うことが可能となる。また、照射用光ファイバを振動や湾曲等に対して過度に保護する必要がなく、装置の構成を簡易にすることができる。
【０００９】
上記発明においては、前記光プローブを前記励振器および前記光検出器に対して着脱可能に接続する光コネクタを備えることが好ましい。
このようにすることで、光コネクタの着脱により、光プローブを変更しても励振器の作動により不要モードを除去して、生体に照射する光の波長および強度の変動を抑制することができる。
【００１０】
また、上記発明においては、前記照射用光ファイバを含む光プローブが、測定形態によって湾曲可能に設けられていることが好ましい。
このようにすることで、分光器からの光を照射用光ファイバによって生体表面まで導く際に、照射用光ファイバを湾曲させることにより、光プローブの先端を任意の位置に任意の角度で生体の表面に当てることができる。したがって、光ファイバを自由に取り回して使い勝手を向上することができるとともに、それによる測定精度の低下を防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、励振器の作用により、光が照射用光ファイバ内に定常モードのみあるいは定常モードと高次モードのみで伝送される結果、照射用光ファイバの湾曲等によって得られる吸光度に生じるばらつきを抑制して、安定したグルコース濃度の測定を行う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】
【００１２】
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ＡＳＥ光源２と、該ＡＳＥ光源２から発せられた光を分光する分光器３と、前記分光器３から出射された測定光を生体Ａに向けて照射するとともに、生体Ａ内で拡散あるいは透過した信号光を生体Ａ外部において受光する測定ヘッド４と、該測定ヘッド４により受光された信号光を検出する信号光検出器５と、該信号光検出器５により検出された信号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演算部６とを備えている。
【００１３】
前記ＡＳＥ光源２は所定の波長帯域の近赤外光を出射する光源である。
前記分光器３は、入力された高周波信号の周波数に応じて、入射された光の内の特定の波長の光のみを分光して出射する音響光学可変波長フィルタ（ＡＯＴＦ：Acoust-Optic
Tunable Filter、以下、ＡＯＴＦという。）７と、該ＡＯＴＦ７に高周波信号を供給して制御するフィルタ制御部８とを備えている。
前記フィルタ制御部８は、ＡＯＴＦ７に対して特定の周波数の高周波信号を供給する。フィルタ制御部８からＡＯＴＦ７に供給される高周波信号の周波数は、順次変更されるようになっている。
【００１４】
また、フィルタ制御部８は、ＡＯＴＦ７に対して高周波信号を供給するのと同期して、該高周波信号を後述する演算部６に供給するようになっている。図中、符号９は、同期検波のための基本周波数を発生する発振器、符号１０は乗算器を示している。これにより、ＡＯＴＦ７および演算部６には、発振器９から供給される基本周波数とフィルタ制御部８から供給される周波数とが乗算された周波数の高周波信号がそれぞれ入力されるようになっている。
【００１５】
測定ヘッド４は、その先端面４ａに、例えば、図２に示されるように、中心に１本の照射用光ファイバ１１を備え、その周囲に間隔をあけて複数本の受光用光ファイバ１２を備えている。すなわち、測定ヘッド４の先端面４ａを生体Ａの表面に密着させた状態でグルコース濃度測定装置１を作動させることにより、測定ヘッド４の中心に配置された照射用光ファイバ１１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１１の周囲に配置されている受光用光ファイバ１２によって信号光として受光されるようになっている。
【００１６】
照射用光ファイバ１１および受光用光ファイバ１２は、束ねられて光プローブ２５を構成し、その一端が前記測定ヘッド４に接続されており、他端は、光コネクタ１３，１４を介して装置本体１５に接続されている。
測定ヘッド４の先端面４ａにおける照射用光ファイバ１１の端面と各受光用光ファイバ１２の端面との間の距離は、照射用光ファイバ１１から出射された測定光が、所定の光路長を経て受光用光ファイバ１２に受光されるような距離に設定されている。本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１の場合には、グルコースを多く含む真皮領域にまで測定光が進達するように、約０．４〜０．８ｍｍの距離をあけて配置されている。これにより、受光用光ファイバ１２により受光される信号光は、生体Ａ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る。受光用光ファイバ１２は、束ねられることによりファイババンドルを形成して装置本体１５に接続されている。符号１６は、受光用光ファイバ１２と信号光検出器５との間に配置されたレンズである。
【００１７】
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、ＡＯＴＦ７と照射用光ファイバ１１との間に、励振器１７が接続されている。励振器１７は、ＡＯＴＦ７により分光された光を通過させる間に、該光内から不要モードの光を除去し、定常モードの光のみあるいは定常モードと高次モードの光のみを出力するようになっている。励振器１７は、例えばＳＧＳファイバ法に基づいている。
【００１８】
信号光検出器５は、例えば、ＰｂＳセンサ、あるいは、ＩｎＧａＡｓセンサである。信号光検出器５は、装置本体１５に接続された受光用光ファイバ１２の端面にレンズ１６を介して対向して配置されており、これら受光用光ファイバ１２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ようになっている。
【００１９】
前記演算部６は、信号光検出器５の検出信号を増幅するアンプ１８と、該アンプ１８から出力された電気信号を入力するロックイン検波器１９と、該ロックイン検波器１９の出力をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２０と、該Ａ／Ｄ変換器２０から出力されたディジタル信号に基づいてグルコース濃度を算出するコンピュータ２１とを備えている。
コンピュータ２１においては、Ａ／Ｄ変換器２０から得られた複数の出力信号と、フィルタ制御部８より出力される高周波信号、つまりＡＯＴＦ７で分光する波長とから得られたスペクトル分布が測定され、特定の波長領域、例えば、波長１６００ｎｍ近傍の領域における出力信号値からグルコース濃度が演算されるようになっている。
なお、コンピュータ２１には、図示しない表示部が接続されており、コンピュータ２１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。
【００２０】
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４の先端面４ａ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。
その際に、測定ヘッド４の先端面４ａの位置および角度を調節するために、装置本体１５と測定ヘッド４との間の照射用光ファイバ１１および受光用光ファイバ１２を任意に湾曲させる。
【００２１】
この状態で、ＡＳＥ光源２から近赤外光を照射する。
すると、ＡＳＥ光源２から発せられた近赤外光は、ＡＯＴＦ７に入射される。ＡＯＴＦ７は、該ＡＯＴＦ７により分光する光の波長に対応する周波数の高周波信号をフィルタ制御部８から供給されることにより、入射された光から所定波長の光を分光して出射し、励振器１７内に入射させる。
【００２２】
励振器１７においては、ＡＯＴＦ７から出射された光が通過させられる間に、不要モードの光がカットされ、定常モードの光のみあるいは定常モードと高次モードの光のみが通過させられる。そして、このような伝送モードの光のみが照射用光ファイバ１１に入射させられて測定ヘッド４まで伝播され、その先端面４ａから生体Ａに照射されることになる。
【００２３】
生体Ａ内に入射された測定光は、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。測定光は、通過する生体Ａ組織や体液の成分に応じて、特定の波長領域の光を吸収される。したがって、生体Ａ内で拡散されることにより生体Ａの表面に戻って生体Ａ外に出射された信号光は、通過した生体A組織や体液に応じた特定の波長領域の光量が低下していることになる。
【００２４】
受光用光ファイバ１２は、上述したように照射用光ファイバ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含む信号光を受光する。本実施形態の場合には、測定光は真皮領域まで進達した後に、受光用光ファイバ１２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、受光用光ファイバ１２を介して装置本体１５内に戻され、受光用光ファイバ１２の端面に対向配置されている信号光検出器５により検出される。
【００２５】
信号光検出器５からの出力信号は、演算部６に入力されると、アンプ１８によって増幅される。アンプ１８において増幅された信号光検出器５からの出力信号は、ロックイン検波器１９を通過させられる。これにより、フィルタ制御部８からＡＯＴＦ７に入力された高周波信号に対応する波長の光に関する出力信号のみが抽出される。したがって、抽出された出力信号には、生体Ａに入射された測定光と波長を同じくする生体Ａからの散乱光の情報のみが含まれ、他の波長の光、例えば、外来光に関する情報は除かれている。その結果、外来光等によるノイズの発生を抑制することができる。
【００２６】
そして、ロックイン検波器１９において抽出された出力信号は、Ａ／Ｄ変換器２０によってディジタル信号に変換させられてコンピュータ２１に入力される。フィルタ制御部８より出力される高周波信号、つまりＡＯＴＦ７で分光する波長は順次変更されており、コンピュータ２１には、生体Ａに入射させた測定光の波長情報が、フィルタ制御部８から順次供給される。したがって、コンピュータ２１においては、出力信号と波長情報との関係を示すスペクトル分布が求められていくことになる。また、コンピュータ２１は、求めたスペクトル分布の内、所定の波長領域、例えば、波長１６００ｎｍ近傍の領域における出力信号値を求めることにより、生体Ａ内部のグルコース濃度を演算する。そして、演算されたグルコース濃度値は、ディスプレイに表示されることになる。
【００２７】
この場合において、上述したように、照射用光ファイバ１１は測定ヘッド４を生体Ａに対して位置決めするために任意に湾曲させられる。したがって、照射用光ファイバ１１内に不要モードの光が含まれている場合には、照射用光ファイバ１１の湾曲のされ方によって、内部を伝送されている不要モードの光が影響を受け、全体的な光強度や波長が変動する。光強度や波長の変動は、最終的に得られる吸光度にばらつきを生じさせることになる。
本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１によれば、任意に湾曲させられる照射用光ファイバ１１の前段に、励振器１７が配置されているので、該励振器１７によって、不要モードの光が除去され、定常モードの光のみあるいは定常モードと高次モードの光のみが照射用光ファイバ１１内に入射させられる。
【００２８】
その結果、照射用光ファイバ１１がいかなる形態に湾曲されても、内部を通過させられている光が、余分な不要モードの光を除去された定常モードあるいは定常モードと高次モードの光のみであるので、照射用光ファイバ１１の湾曲による光強度の変動が抑えられることになる。そして、生体に照射される光の強度の変動が抑制されているので、受光用光ファイバ１２により受光され、信号光検出器５により検出される光に含まれているグルコース濃度の情報も照射用光ファイバ１１の湾曲により発生するばらつきを抑制して、安定した測定を行うことができる。
【００２９】
すなわち、本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１によれば、照射用光ファイバ１１を自由に湾曲させて、測定ヘッド４を最適な位置および角度として測定することができるとともに、照射用光ファイバ１１の湾曲による光強度の変動を十分に抑制して、得られる吸光度のばらつきを抑えることができる。その結果、グルコース濃度の測定精度を向上することができるという効果がある。
【００３０】
本実施形態に係るグルコース濃度測定装置１による測定精度向上の効果は、以下の実験結果に基づいている。
すなわち、励振器１７を有する本実施形態のグルコース濃度測定装置１と、励振器１７を有しないグルコース濃度測定装置とを用意し、生体Ａを模擬した物質として、一定の拡散、吸収特性を有するイントラリピッド（登録商標）５％に対して光を照射するとともに、照射用光ファイバ１１を左右に湾曲させながら吸光度を７０回ずつ測定し、その標準偏差を図２に示すようにプロットした。図中、ｌは左側に湾曲させた場合、ｒは右側に湾曲させた場合を示している。
【００３１】
２つのグルコース濃度測定装置により得られた吸光度の標準偏差を比較すると、波長１５３０〜１５９０ｎｍの帯域において、励振器１７を有するものが、標準偏差０．００７程度であるのに対し、励振器１７を有しないものが０．０１４〜０．０１８程度と、励振器１７を挿入した効果が認められた。
【００３２】
なお、上記実施形態においては、受光用光ファイバ１２により受光された信号光を検出する信号光検出器５のみを有する場合について例示したが、信号光検出器５により検出される信号光の大きさは、生体Ａに入射される光、すなわち、ＡＯＴＦ７から発せられた光の強度の変動とともに変動する。したがって、図４に示されるように、ＡＯＴＦ７と励振器１７との間に光分岐部２２を設けて参照光を分岐して参照光検出器２３によって検出しておき、コンピュータ２１において、受光された信号光から差し引くことにより、ＡＯＴＦ７から発せられる光の強度変動による信号光強度の変動を除去することが可能となる。光分岐部２２における分岐比率は、測定光に９５％、参照光に５％程度となるように設定されているので、測定光が生体Ａ内で大きく減衰されて得られる信号光と参照光とのレベル差を減少させて強度変動による信号光強度の変動を効果的に除去することができる。この場合に、コンピュータ２１においては、参照光検出器２３からの出力信号に所定の係数をかけることにより、信号レベルを調整してもよい。
【００３３】
光分岐部２２としては、例えば、ビームスプリッタや、光カプラによる方法のものが考えられる。ビームスプリッタの場合に、測定光はビームスプリッタを透過させられ、参照光はビームスプリッタの表面において反射させられる。したがって、測定光は、参照光よりもビームスプリッタを透過した分だけ光が吸収されてしまうことになるので、図５に示されるように、ビームスプリッタ２２による分岐後の参照光検出器２３側の光路に、ビームスプリッタ２２と同じ吸収特性を有する補正用光学素子２４を挿入することにしてもよい。
また、光源２としてＡＳＥ光源を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、他のレーザ光源等を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【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測定ヘッドの先端面を示す正面図である。
【図３】図１のグルコース濃度測定装置の効果を確認するための実験例を示すグラフである。
【図４】図１のグルコース濃度測定装置において、参照光を検出する場合の変形例を示す図である。
【図５】図４の光分岐部としてビームスプリッタを用いる場合の補正用光学素子を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
Ａ  生体
１  グルコース濃度測定装置
２  ＡＳＥ光源（光源）
５  信号光検出器（光検出器）
７  ＡＯＴＦ（分光器）
１１  照射用光ファイバ
１２  受光用光ファイバ
１７  励振器
２５  光プローブ
【図１】
2005304822.tif 000003
【図２】
2005304822.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005304822.tif 000006
【図５】
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