(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の血液中の検体の濃度を決定する装置であって、
(a)前記生体の組織の領域を照射するための光源と、
(b)前記組織の領域から放出され、放出されたスペクトルの量が血液量を示す蛍光スペクトルを収集するための収集手段と、
(c)ある波長範囲で前記検体に対応した前記組織の領域から放出され、放出されたスペクトルの量が検体の量を示すラマンスペクトルを収集するための収集手段と、
(d)単位あたりの血液量での検体の濃度に比例した数値を得るために、前記収集された蛍光スペクトルで前記収集されたラマンスペクトルを除するための除算手段とを含む、検体濃度決定装置。
【請求項２】
前記蛍光スペクトルおよび前記ラマンスペクトルは、前記組織の領域が血液充満の状態である間に収集され、かつ前記組織の領域が血液枯渇の状態である間に収集され、
さらに、前記組織の領域が前記血液充満の状態である間に収集されたスペクトルと前記組織の領域が前記血液枯渇の状態である間に収集されたスペクトルとの間の相違である正味の収集されたスペクトルの積分を決定するための決定手段を含み、
前記除算手段は、前記波長範囲で前記検体に対応した前記正味の収集されたラマンスペクトルの積分を前記正味の収集された蛍光スペクトルの積分で除する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記正味の収集されたラマンスペクトルは次式によって決定される、請求項２に記載の装置。
【数１】
I(λ)unp-I(λ)pre=
{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIbu)+(fIbu)+(rIbu)}}e-[bunp]d-{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIbp)+(fIbp)+(rIbp)}}e-[bpre]d
ここで、I(λ)は、波長λでの収集された光の強度を表し、
unpまたはuは、押圧されない状態または血液充満の状態に関連し、
preまたはpは、押圧された状態または血液枯渇の状態に関連し、
(eIs)は、皮膚からの弾性処理による散乱された光の強度を表し、
(fIs)は、皮膚からの蛍光の強度を表し、
(rIs)は、皮膚からのラマン散乱の強度を表し、
(eIb)は、血液からの弾性処理による散乱された光の強度を表し、
(fIb)は、血液からの蛍光の強度を表し、
(rIb)は、血液からのラマン散乱の強度を表し、
[b]は、ヘモグロビンの濃度を表し、
dは、I(λ)が発生する場所から空気層と角質層との境界面より下方の深さを表す。
【請求項４】
さらに、(i)前記正味の収集されたスペクトルに基づいて６１ないし５０１点の隣接する点の平均の平滑化操作を行うステップと、
(ii)前記平滑化されたスペクトルを前記正味の収集されたスペクトルから減じるステップと、
(iii)前記ステップ(ii)の結果に基づいて３ないし２７の点の隣接する点の平均の平滑化操作を行うステップとによって、収集されたスペクトルを増強させる増強手段を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記ステップ(i)の隣接する点の平均の平滑化操作は、８５ないし２０１の点の平滑化操作である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記ステップ(i)の隣接する点の平均の平滑化操作は、１０１の点の平滑化操作である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記ステップ(iii)の隣接する平均の平滑化操作は、７の点の平滑化操作である、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記光源は、約７８５ｎｍないし約８５０ｎｍの波長を有する光を放出する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記波長は約７８５ｎｍである、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記波長は約８０５ｎｍまたは約８０８ｎｍである、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記光源はレーザである、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記検体は、グルコース、尿素、クレアチニン、総蛋白質、遊離脂肪酸、モノグリセリド、ジグリセリド、トリグリセライド、クレアチニン、アルファ螺旋露光された交換可能な蛋白質関連アミド陽子、コレステロール、ピルベート、チロシン、トリプトファン、重炭酸塩、電解質、乳酸、薬剤、Ｏ2、ＣＯ2またはＮＯである、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記組織の領域は指先の組織の領域である、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記血液枯渇の状態は、前記組織に止血体を取り付けることによって、または前記組織を表面で押圧することによって達成される、請求項２に記載の装置。
【請求項１５】
さらに、前記血液充満の状態および前記血液枯渇の状態についての情報を前記組織の領域から得るための超音波変換器を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項１６】
生体の血液中の検体の濃度を決定する装置であって、
(a)前記生体の組織の領域を照射するための第１の光源と、
(b)ある波長範囲で前記検体に対応した前記組織の領域から放出され、放出されたスペクトルの量が検体の量を示すラマンスペクトルを収集するための収集手段と、
(c)前記組織の領域により入射光が吸収され、吸収された光の量が血液量を示す入射光の吸収を測定するための測定手段と、
(d)単位あたりの血液量での検体の濃度を得るために、前記吸収された入射光で前記収集されたラマンスペクトルを除するための除算手段とを含む、検体濃度決定装置。
【請求項１７】
前記収集手段及び前記測定手段による収集及び測定は、前記組織の領域が前記血液充満の状態である間および前記組織の領域が前記血液枯渇の状態である間に行われ、前記除算手段は、前記血液充満の状態と前記血液枯渇の状態との間の相違に関連する正味において前記正味の収集されたラマンスペクトルを前記正味の吸収された光で除する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
さらに、(i)前記正味の収集されたスペクトルに基づいて６１ないし５０１の点の隣接する点の平均の平滑化操作を行うステップと、
(ii)前記平滑化されたスペクトルを前記正味の収集されたスペクトルから減じるステップと、
(iii)前記ステップ(ii)の結果に基づいて３ないし２７の点の隣接する点の平均の平滑化操作を行うステップとによって、収集されたスペクトルを増強させる増強手段を含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記ステップ(i)の隣接する点の平均の平滑化操作は、８５ないし２０１の点の平滑化操作である、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記ステップ(i)の隣接する点の平均の平滑化操作は、１０１の点の平滑化操作である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記ステップ(iii)の隣接する点の平均の平滑化操作は、７の点の平滑化操作である、請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
前記光源は、約７８５ｎｍから約８５０ｎｍの波長を有する光を放出する、請求項１６に記載の装置。
【請求項２３】
前記波長は約７８５ｎｍである、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記波長は約８０５ｎｍまたは約８０８ｎｍである、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記光源はレーザである、請求項１６に記載の装置。
【請求項２６】
さらに、オキシおよびデオキシヘモグロビンに対して等吸収点に対応する波長を有する光を前記組織に照射するための第２の光源を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項２７】
前記第２の光源は、レーザ、黒体源または発光ダイオードである、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記第１の光源は約７８５ｎｍの波長を有し、前記第２の光源は約８０５ｎｍまたは約８０８ｎｍの波長を有する、請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記検体は、グルコース、尿素、クレアチニン、総蛋白質、遊離脂肪酸、モノグリセリド、ジグリセリド、トリグリセライド、クレアチニン、アルファ螺旋露光された交換可能な蛋白質関連アミド陽子、コレステロール、ピルベート、チロシン、トリプトファン、重炭酸塩、電解質、乳酸、薬剤、Ｏ2、ＣＯ2またはＮＯである、請求項１６に記載の装置。
【請求項３０】
前記組織の領域は指先の組織の領域である、請求項１６に記載の装置。
【請求項３１】
前記血液枯渇の状態は、前記組織に止血体を取り付けることによって、または前記組織を表面で押圧することによって達成される、請求項１７に記載の装置。
【請求項３２】
さらに、前記血液充満の状態および前記血液枯渇の状態についての情報を前記組織の領域から得るための超音波変換器を含む、請求項１７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、血液および／または他の組織の非侵襲的な分光調査の装置に関する。特に、本発明は、血液量および検体濃度を決定する手段と皮膚に関係づけられたラマンスペクトルの特徴を検出する手段とを含む、可動性及び非可動性の組織に関係づけられたラマンスペクトルの特徴を得るための装置に関する。
【０００２】
種々の刊行物がこの明細書において引用されている。これによって、これらの公表物全体の開示は、本発明が属する技術の態様をより十分に記載するためにこの明細書へ引用されることによってこの明細書に組み込まれる。
【０００３】
【従来の技術】
長い間、生体化学作用の非侵襲的な計測管理にかなりの関心がもたれてきた。米国には１６００万人の糖尿病患者がおり、血糖値（血中グルコース濃度）の非侵襲的な測定方法が実現すれば、患者全員が恩恵を被ることになる。現在広く採用されている血糖値の測定方法を用いた場合は、多くの糖尿病患者は、該患者のインシュリン要求条件を適切に計測管理するために、日に５回から７回の血液採取をしなければならない。血中グルコースの非侵襲的な測定により、さらに精密な制御を課すことができ、糖尿病がもたらす継続的な損傷、障害および費用は最小限になる。
【０００４】
血液酸素測定法は、含酸素血液と脱酸素血液との間の均衡を非侵襲的に計測管理する電子吸収分光法の応用例である（１９９７年４月１日付け発行の米国特許第５，６１５，６７３号）。同様に、振動分光法は、複雑な混合物を定量的および定性的に半ビボ分析する信頼のおける方法であり、代謝作用として関係する重要な検体に対して、この方法を試験管内で応用した報告がある（エー・ジェー・バーガー（A. J. Berger）他、１９９９年、近赤外分光法による多成分血液分析、応用光学３８（１３）：２９１６−２９２６；エス・ワイ・ワン（S. Y. Wang）他、１９９３年、レーザラマン分光法による水様液の代謝産物の分析、応用光学３２（６）：９２５−９２９；エー・ジェー・バーガー（A. J. Berger）他、１９９６年、近赤外ラマン分光法による水様性生物学的検体の迅速な非侵襲的濃度測定、応用光学３５（１）：２０９−２１２）。振動吸収分光法のような赤外線測定は皮膚組織に応用されている。しかし、赤外線測定は、その波長域で適した光源や検知器の入手が不可能であること、また、入射放射線の吸収に基づく組織の加熱作用によって、測定の成功率が制限されるものであった（米国特許第５，５５１，４２２号、また、アール・アール・アンダーソン（R. R. Anderson）およびジェー・エー・パリッシュ（J. A. Parrish）、１９８１年、人の皮膚光学（The Optics of Human Skin）、調査的皮膚病学雑誌（Journal of Investigative Dermatology）７７（１）：１３−１９）。血中グルコースの非侵襲的な計測管理方法を提供する従来の試みは、１９９６年９月１０日付け発行の米国特許第５，５５３，６１６号、およびオー・エス・カリル（O.S. Khalil）、１９９９年、非侵襲的なグルコース測定の分光学的および臨床的見地、臨床化学（Clinical Chemistry）４５：１６５−１７７に要約されている。
【０００５】
非侵襲的な技術を血液分析に応用するには、周囲の組織と比較して血液に帰因する信号を分離するために改善された方法が要求される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、血液量および検体濃度を非侵襲的に測定するため、および皮膚のような非可動性の組織に関係する分光情報を得るための装置を提供する。一実施例において、本発明は、生体の血液中の検体の濃度を決定する装置を提供する。検体の例として、グルコース、尿素、総蛋白質、遊離脂肪酸、モノグリセリド、ジグリセリド、トリグリセライド、クレアチニン、交換可能な蛋白質関連アミド陽子またはコレステロールを含むが、これらに限定されない。好ましくは、検体はグルコースである。本発明の装置は、生体の指先のような組織の領域を照射する光源と、前記組織の領域によって放出され、放出されたスペクトルの量が血液量を示す蛍光スペクトルを収集する手段と、ある波長範囲で前記検体に対応した前記組織の領域によって放出され、放出されたスペクトルの量が検体の量を示すラマンスペクトルを収集する手段とを含む。前記装置は、さらに、単位あたりの血液量での検体の濃度に比例した数値を得るために、前記収集された蛍光スペクトルで前記収集されたラマンスペクトルを除する除算手段を含む。
【０００７】
好ましい実施例において、前記蛍光スペクトルおよび前記ラマンスペクトルは、前記組織の領域が血液充満の状態である間に収集され、かつ前記組織の領域が血液枯渇の状態である間に収集される。本発明の前記装置は、さらに、前記組織の領域が前記血液充満の状態である間に収集されたスペクトルと前記組織の領域が前記血液枯渇の状態である間に収集されたスペクトルとの間の相違である正味の収集されたスペクトルの積分を決定する手段を含む。この実施例において、前記波長範囲で前記検体に対応した前記正味の収集されたラマンスペクトルの積分は、前記正味の収集された蛍光スペクトルの積分で除される。
【０００８】
一実施例において、前記正味の収集されたラマンスペクトルは次式によって決定される。
【０００９】
【数２】
I(λ)unp-I(λ)pre=
{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIbu)+(fIbu)+(rIbu}}e-[bunp]d
-{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIbp)+(fIbp)+(rIbp}}e-[bpre]d
【００１０】
ここで、I(λ)は、波長λでの入射光の強度を表し、
unpまたはuは、押圧されない状態または血液充満の状態に関連し、
preまたはpは、押圧された状態または血液枯渇の状態に関連し、
(eIs)は、皮膚からの弾性処理による散乱された光の強度を表し、
(fIs)は、皮膚からの蛍光の強度を表し、
(rIs)は、皮膚からのラマン散乱の強度を表し、
(eIb)は、血液からの弾性処理による散乱された光の強度を表し、
(fIb)は、血液からの蛍光の強度を表し、
(rIb)は、血液からのラマン散乱の強度を表し、
[b]dは、血液に関係づけられた信号に組織の領域の深さを乗じた体積を表す。
【００１１】
本発明に係る装置は、さらに、前記正味の収集されたスペクトルに基づいて６１ないし５０１の点の隣接する点の平均の平滑化操作を行うステップと、前記平滑化されたスペクトルを前記正味の収集されたスペクトルから減じるステップと、その結果に基づいて３ないし２７の点の隣接する点の平均の平滑化操作を行うステップとによって、収集されたスペクトルを増強させる手段を含む。好ましくは、前記第１のステップの隣接する点の平均の平滑化操作は、８５ないし２０１の点の平滑化操作であり、さらに、好ましくは、１０１の点の平滑化操作である。前記第３のステップの隣接する点の平均の平滑化操作は、好ましくは、７の点の平滑化操作である。
【００１２】
好ましい実施例においては、前記光源は、約７８５ｎｍないし約８５０ｎｍの波長を有する光を放出する。そのような光源の一例は、レーザである。
【００１３】
前記血液枯渇の状態は、前記組織に止血体を取り付けること、前記組織を表面で押圧すること、または前記組織の領域に超音波変換器を適用することを含む組織変調によって達成される。本発明の装置は、また、生体の血液中の検体の濃度を決定する装置であって、前記生体の組織の領域を照射する光源と、ある波長範囲で前記検体に対応した前記組織の領域によって放出され、放出されたスペクトルの量が検体の量を示すラマンスペクトルを収集する手段と、前記組織の領域により入射光が吸収され、吸収された光の量が血液量を示す入射光の吸収を測定する手段とを含む装置を提供する。係る装置は、さらに、単位あたりの血液量での検体の濃度に比例する数値を得るために、前記収集されたラマンスペクトルを前記吸収された入射光の量で除する手段を含む。本発明の前記装置は、前記組織の領域が血液充満の状態である間および前記組織の領域が血液枯渇の状態である間に動作させることができる。前記正味の収集されたラマンスペクトルは、前記血液充満の状態と前記血液枯渇の状態との間の相違に関連する正味において前記正味の吸収された光で除される。
【００１４】
前記収集されたスペクトルは、さらに、前記の隣接する点の平均の平滑化操作によって増強することができる。本発明の前記装置は、さらに、オキシおよびデオキシヘモグロビンに対して等吸収点に対応する波長を有する光で前記組織を照射する第２の光源を含むことができる。前記第２の光源は、例えば、レーザ、黒体源または発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。好ましい実施例において、前記第１の光源は約７８５ｎｍの波長を有し、前記第２の光源は約８０５ｎｍまたは約８０８ｎｍの波長を有する。
【００１５】
本発明は、さらに、照射された生体組織によって放出されたラマンスペクトルを検出する方法を提供する。係る方法は、光を前記組織に照射し、前記組織を流れる血液が止血体によって制限されている間に、放出されたラマンスペクトルを収集するステップと、光を前記組織に照射し、前記組織を流れる血液が止血体による制限を受けない間に、放出されたラマンスペクトルを収集するステップとを含む。本発明の組織変調処理方法は、さらに、前記収集されたスペクトルを減じるステップと、減じるステップ後に残った正のスペクトルを分析するステップとを含む。好ましくは、前記組織は皮膚である。好ましくは、前記光は約７８５ｎｍから約８５０ｎｍの波長を有する。
【００１６】
本発明は、また、超音波変換器を組織の領域に適用することを含む、分光測定のために組織の領域の血液量を変調する組織変調処理方法を提供する。一実施例において、複数の変換器を前記組織の領域に適用する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、生体の可動性および非可動性の組織の組織変調および非侵襲的な分光分析の方法を提供する。本発明は、組織変調を適用された組織中の検体に関係する分光情報の分析のための数学的アルゴリズムの発見に基づいている。組織の分光測定は、組織が組織変調によってもたらされた血液充満の状態および血液枯渇の状態にある間に行われる。本発明の組織変調処理方法は、ラマン、吸収および蛍光のような非侵襲的な分光方法であり、皮膚および血液を含む組織の種々の特徴の分析に用いられる。本発明は、皮膚の欠陥および残留物のような外来の要因による影響を減じ、血液量および血液検体に関係づけられた情報を分離する方法を提供する。
【００１８】
本発明の組織変調処理方法は、仮骨、排泄物および石鹸残留物、およびその他の可能性のある外来的な分光信号の源泉による影響を直接的に減少させることを可能にする。本発明の組織変調処理方法は、吸収、蛍光、ラマン、レイリー、燐光、核磁気共鳴、誘電損失および物質と電磁放射線との相互作用が量的関係である他の様式の分光方法に適用することができる。本発明の組織変調処理方法は、血液の相互作用に由来する効果を、周囲の組織に影響するこれらの相互作用から分離することを可能にする。本発明の組織変調処理方法は、測定のノイズに対する信号の比を改善することのできる、分光信号の時間的および空間的な変調を可能にする。
【００１９】
定義
【００２０】
この明細書において用いる科学的および技術的用語は、他に規定されない限り、本発明の属する技術の分野において一般に用いられる意味を有する。この明細書で用いる場合、以下の語や句は特定の意味を有する。
【００２１】
この明細書で用いる場合、「組織」は、生体の臓器や系統のどの部分でもよく、皮膚、毛細血管床、血液、筋肉、胸部および脳を含むが、これらに限定されない。
【００２２】
この明細書で用いる場合、「所定の成分に関係するラマンスペクトル」は、その成分が放出するラマン・スペクトルを指し、ラマンスペクトルは、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者が、ラマンスペクトルの発生原因をその成分に帰すことができるものである。相対的に純粋な形で前記成分に放射線を照射し、他の成分が相対的に存在しない場合の前記成分によって放出されるラマンスペクトルを収集且つ分析することによって、ラマンスペクトルは所定の成分に帰することを決定できる。
【００２３】
この明細書で用いる場合、「血液充満」は、血液が組織を通って流れる状態および組織中の分泌液の内容状態が遮断されないことを指し、例えば、冷却または圧力作用により誘発される血管狭窄がないことを指す。血液充満の状態は加熱のように血管拡張を増進させる条件によって増強され得る。
【００２４】
この明細書で用いる場合、「血液枯渇」は、血液が組織を通って流れる状態および組織中の分泌液の内容状態が実質的に制限され血液量が最小化することを指す。血液枯渇の状態は、例えば、組織に対して冷却および／または圧力作用によって達成できる。
【００２５】
この明細書で用いる場合、「組織の領域」は、光が進む組織領域を指し、この領域から信号が収集される。
【００２６】
この明細書で用いる場合、「押圧された」は、外的圧力がかけられた組織の領域を指す。
【００２７】
この明細書で用いる場合、「押圧されない」は、かけられる圧力の外的要因がない組織の領域を指す。
【００２８】
この明細書で用いる場合、「１つの」は少なくとも１つを意味し、複数を含むことができる。
【００２９】
組織変調
【００３０】
分光方法が化学試料を分析するために用いられるときはつねに、測定条件の系統的変動は、結果として、たとえば発光強度、吸収強度のような複数の様式の種々の分光信号になる。変調は、分光信号の空間的および時間的な特徴を局所化および制御するためにしばしば系統的に適用される。種々の様式の試料への変調を達成できる方法において種々の変化が考えられる。たとえば、無生物物体を処理できるのと同じ方法で生物試料を処理することはできない。それゆえ、分光学者にとって利用できる変調の様式および手段は種々ある。
【００３１】
生体内試料の領域内でさえ種々の種類の組織があり、各々はたとえば光学定数のようなそれ自体の物理学的特徴を有し、変調に対して異なるやり方を必要とする。分光分析を行うために、最初に目標の組織に電磁放射線を当て、次に相互作用後の放射線または組織の何らかの点に間にして検出する。皮膚の表面上にない組織を調べようとする場合には、照射領域および周囲の組織は十分に透明でなければならない。分析が相互作用後の放射線の試料採取を必要とする場合には、周囲の組織に関係づけられた影響がある場合には、その影響を考慮しなければならない。これらの一般的な考慮が与えられると、分光法による非侵襲的な血液分析においては、可能な限り皮膚の表面の近くに存在する血液のもっとも豊富にたまっている部分を目標に定める。
【００３２】
皮膚の光学は、そのような分析に影響を及ぼす。皮膚の最も外側の表面は角質層と呼ばれ、約１０ミクロン厚の、部分的に重合されている死んだ皮膚の層からなる。この層は、表皮と呼ばれる生細胞の２００ミクロン厚の層と接触する位置で終了する。表皮は、真皮と呼ばれる層と接触する位置で終了する。これは皮膚のもっとも深い層であり、結合組織、脂肪組織および筋肉組織その他に接触するまで下方に伸びている。毛細血管床は、真皮と表皮との間の境界に位置している。それは、真皮と表皮との境界で毛細血管中の血液と組織との間の熱および酸素の交換を容易にするように設計された、たとえば、輪状、螺旋状、ジグザグ形状のような複数の高表面積を有する構造からなる。この空間的な大きさでの血管系の曲がりくねった形状は、皮膚の照射された領域中の血液の量を計算することを困難なものとしている。血液は分光の研究を行うのに最も適していることから、この量を知ることは望ましい。
【００３３】
論議の対象となっている皮膚の３層の各々の屈折率の実数部は、互いに等しくはないが、約１．３４から約１．５５の間の値に等しい。論議の対象となっているすべての組織が約９７％の水からなる化学組成を有すると仮定して、これは非常に驚くべきことではない。たとえば、生細胞、メラニン含有粒剤および間質液のマトリックスに包埋されたコラーゲンおよび弾性素からなるような表皮および真皮の化学的および物理的な構成に由来して、皮膚の光学はミー散乱によって支配されている。これは、約６００ｎｍより大きな波長を有する入射光のほとんどは、たとえば、いかなる波長シフトもなく、かつ前方に空間的な選択性を有して、同様の大きさの物体から弾性的に散乱されることを意味する。たとえば表皮のような皮膚の内部へ入射し外部へ放射する放射線の正味の進入量について、６００ｎｍの波長を有する入射放射線の３７％は、６００μｍ厚の部分を進入する。たとえば、屈折率の虚数部により、光の吸収のほとんどはメラニンおよび少ない程度のヘモグロビンによって行われる。
【００３４】
皮膚の光学および構造および毛細管血の分光測定に関して変調を与えるための方法を発見する必要性により、本発明は、多くの組織変調処理方法を提供する。以下に記載する方法は、最小又は最大の血液量の存在で分光測定が行えるように、ある領域の血液量を変化させることである。血液の最小の存在に対応する信号を血液の最大の存在に対応する信号から減じることは、血液に関係づけられた信号の分離を可能にする。本発明は、毛細血管床の選択された部分の血液の含有量を時間的および空間的に処理および変調する種々の方法の使用と、血液に関係づけられた信号を分離する方法とに関係する。
【００３５】
組織変調の最も単純な方法は、目標とする毛細血管床の血液の含有量を制御するために、温度および機械的圧力をそれぞれ単独でまたは併用して適用することを含む。熱的に血管狭窄および血管拡張をもたらすことは、組織変調の通常の方法である。皮膚を冷却すると、関係づけられた毛細血管は収縮し、これにより、冷却された領域外の血液は圧搾される。皮膚を加温すると、毛細血管は膨張し、血液が流れるなる。
【００３６】
同様に、皮膚の領域を圧搾し、圧搾された領域から血液が移動することに対応して、圧搾された領域が、より少ないピンク色になるのを確認することができる。組織が冷却および／または圧搾されたときに、分光測定をすることができる。この測定は、組織が加温および／または圧力解除されたときの同様の測定から減算処理される。２つの測定の間の相違は、調べた領域の血液の含有量を変えたことに由来している。
【００３７】
機械的な圧力は、各やり方の利点および不利点を変えることにより、種々のやり方で適用することができる。極めて直接的なやり方は、人が指先、例えば指の爪とは反対の肉側を透明な基板に押すことである。ガラス基板を通して単純に見ると、皮膚がガラスと接触したとき血液を押圧された領域外へ移動させたことを示す青白い領域が見える。領域を一様に青白くさせることは容易である。このやり方は、単純であることおよび極めて特殊な装置を用いないことの点で好都合である。組織のこの分光調査は、この種の分光測定を行うことに起因してガラスからのある種のバックグラウンド信号を避けがたいものとさせているガラス基板を介して行わなければならない点において不都合である。そのような問題は、指先より小さな穴を有する基板を用いることによって回避される。指先の露出した表面で光学的に干渉することなく組織中の血液の含有量を変調させるように、指は穴を覆うように表面で押圧される。
【００３８】
このやり方は、分光学者が押圧された状態または血液枯渇の状態の毛細血管床に関して安定した状態の測定を行うことを必要とし、最低周波数の変調に対応している。押圧された状態たとえば相対的に空である毛細血管床に関する安定状態での測定を、血液が満たされている毛細血管床に関して得られた安定状態での測定から減算処理した結果は、たとえば０Hzのような可能な最低周波数の変調にＤＣ信号を与える。
【００３９】
本発明の方法
【００４０】
本発明は、血液量および検体濃度を非侵襲的に測定するため、および皮膚のような非可動性の組織に関係する分光情報を得るための方法を提供する。一実施例において、本発明は、生体の血液中の検体の濃度を決定する非侵襲的な方法を提供する。生体は、好ましくは、哺乳類、鳥類、爬虫類または魚類のような脊椎動物である。哺乳類の例として、人、牛、豚、羊、ネズミ、馬、犬および猫を含むが、これらに限定されない。最も好適な実施例において、生体は人である。
【００４１】
検体の例として、グルコース、尿素、クレアチニン、総蛋白質、遊離脂肪酸、モノグリセリド、ジグリセリド、トリグリセライド、クレアチニン、アルファ螺旋露光された交換可能な蛋白質関連アミド陽子、コレステロール、ピルベート、チロシン、トリプトファン、重炭酸塩、電解質、乳酸、薬剤、または、Ｏ2、ＣＯ2およびＮＯのような血液ガスを含むが、これらに限定されない。
【００４２】
本発明の組織変調処理方法は、光源の光を指先のような生体の組織の領域に照射するステップと、組織の領域によって放出され、放出されたスペクトルの量が血液量を示す蛍光スペクトルを収集するステップと、ある波長範囲で検体に対応した組織の領域によって放出され、放出されたスペクトルの量が検体の量を示すラマンスペクトルを収集するステップとを含む。収集されたスペクトルは波長解明が行われる。本発明の組織変調処理方法は、さらに、単位あたりの血液量での検体の濃度を得るために、収集された蛍光スペクトルで収集されたラマンスペクトルを除するステップを含む。
【００４３】
好ましい実施例において、前記蛍光スペクトルおよび前記ラマンスペクトルは、前記組織の領域が血液充満の状態である間に収集され、かつ前記組織の領域が血液枯渇の状態である間に収集される。本発明の組織変調処理方法は、さらに、前記組織の領域が前記血液充満の状態である間に収集されたスペクトルと前記組織の領域が前記血液枯渇の状態である間に収集されたスペクトルとの間の相違である正味の収集されたスペクトルの積分を決定するステップを含む。この実施例において、前記波長範囲で前記検体に対応した前記正味の収集されたラマンスペクトルの積分を前記正味の収集された蛍光スペクトルの積分で除される。
【００４４】
一実施例において、前記正味の収集されたラマンスペクトルは以下のように決定される。
【００４５】
【数３】
I(λ)unp-I(λ)pre=
{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIbu)+(fIbu)+(rIbu)}}e-[bunp]d
-{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIbp)+(fIbp)+(rIbp)}}e-[bpre]d
【００４６】
ここで、I(λ)は、波長λでの収集された光の強度を表し、
unpまたはuは、押圧されない状態または血液充満の状態に関連し、
preまたはpは、押圧された状態または血液枯渇の状態に関連し、
(eIs)は、皮膚からの弾性処理による散乱された光の強度を表し、
(fIs)は、皮膚からの蛍光の強度を表し、
(rIs)は、皮膚からのラマン散乱の強度を表し、
(eIb)は、血液からの弾性処理による散乱された光の強度を表し、
(fIb)は、血液からの蛍光の強度を表し、
(rIb)は、血液からのラマン散乱の強度を表し、
[b]は、ヘモグロビンの濃度を表し、
dは、I(λ)が発生する場所から空気層と角質層との境界面より下方の深さを表す。
【００４７】
本発明の組織変調処理方法は、さらに、前記正味の収集されたスペクトルに基づいて６１ないし５０１の点の隣接する点の平均の平滑化操作を行うステップと、前記平滑化されたスペクトルを前記正味の収集されたスペクトルから減じるステップと、その結果に基づいて３ないし２７の点の隣接する点の平均の平滑化操作を行うステップとによって、収集されたスペクトルを増強させるステップを含む。好ましくは、前記第１のステップの隣接する点の平均の平滑化操作は、８５ないし２０１の点の平滑化操作であり、さらに、好ましくは、１０１の点の平滑化操作である。前記第３のステップの隣接する点の平均の平滑化操作は、好ましくは、７の点の平滑化操作である。
【００４８】
好ましい実施例においては、前記光源は、約７８５ｎｍないし約８５０ｎｍの波長を有する光を放出する。７８５ｎｍの波長は、一般に好ましいシリコンＣＣＤアレイ検出器の感度曲線で最適な重なりを提供する。８０５ｎｍおよび８０８ｎｍは、これらの波長がオキシ−及びデオキシ−ヘモグロビンによって均等に吸収されることから望ましい。８０８ｎｍは、ダイオードを製造するのに好都合である。そのような光源の一例は、レーザである。励起波長を発生させるのに用いるための好適なレーザの例として、外部空洞ダイオードレーザ、色素レーザ、最適なパラメトリック発振器およびダイオード励起固体状態レーザを含むが、これらに限定されない。
【００４９】
血液枯渇の状態は、組織に止血体を取り付けることによる組織変調、組織を表面で押圧ることによる組織変調、または組織の領域に超音波変換器を適用することによる組織変調によって達成される。
【００５０】
本発明は、また、生体の血液中の検体の濃度を決定する非侵襲的な方法であって、光源の光を前記生体の組織の領域に照射するステップと、ある波長範囲で前記検体に対応した前記組織の領域によって放出され、放出されたスペクトルの量が検体の量を示すラマンスペクトルを収集するステップと、前記組織の領域により入射光が吸収され、吸収された光の量が血液量を示す入射光の吸収を測定するステップとを含む、組織変調処理方法を提供する。係る方法は、さらに、単位あたりの血液量での検体の濃度を得るために、前記収集されたラマンスペクトルを前記吸収された入射光の量で除するステップを含む。本発明の組織変調処理方法は、前記組織の領域が血液充満の状態である間および前記組織の領域が血液枯渇の状態である間に行うことができる。前記正味の収集されたラマンスペクトルは、前記血液充満の状態と前記血液枯渇の状態との間の相違に関連する正味において前記正味の吸収された光で除される。
【００５１】
前記収集されたスペクトルは、さらに、前記の隣接する点の平均の平滑化操作によて増強されることができる。本発明の組織変調処理方法は、さらに、８０５ｎｍ又は８０８ｎｍのような、オキシおよびデオキシヘモグロビンに対して等吸収点に対応する波長を有する第２の光源の光を前記組織に照射するステップを含むことができる。前記第２の光源は、例えば、レーザ、黒体源または発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。付加的に、波長選択を達成するために黒体源を有するフィルタが用いられる。好ましい実施例において、前記第１の光源は約７８５ｎｍの波長を有し、前記第２の光源は約８０５ｎｍまたは約８０８ｎｍの波長を有する。
【００５２】
本発明は、さらに、照射された生体組織によって放出されたラマンスペクトルを検出する方法を提供する。係る方法は、光を前記組織に照射し、前記組織を流れる血液が止血体によって制限されている間に、放出されたラマンスペクトルを収集するステップと、光を前記組織に照射し、前記組織を流れる血液が止血体による制限を受けない間に、放出されたラマンスペクトルを収集するステップとを含む。本発明の組織変調処理方法は、さらに、前記収集されたスペクトルを減じるステップと、減じるステップ後に残った正のスペクトルを分析するステップを含む。好ましくは、前記組織は皮膚である。他の組織として、耳たぶ、筋肉、胸または脳のようなものを用いることができる。前記光は、好ましくは、約７８５ｎｍから約８５０ｎｍの波長を有する。
【００５３】
本発明は、また、超音波変換器を組織の領域に適用することを含む、分光測定のために組織の領域の血液量を変調する組織変調処理方法を提供する。一実施例において、複数の変換器を前記組織の領域に適用する。
【００５４】
例
【００５５】
例１  信号が血液によって吸収されていない検体に関係づけられた分光データの分析
【００５６】
この例は、本発明の非侵襲的な方法を用いて収集されたデータを分析するのに用いるアルゴリズムを示している。このアルゴリズムは、血液充満の状態および血液枯渇の状態を達成するために組織変調を用いる方法に適用できる。調べられた血液の量に関する情報が得られるように、スペクトルは血液充満の状態および血液枯渇の状態のいずれにおいても収集される。同様に、組織変調は血液に存在する成分の分析を容易にする。この例のアルゴリズムは、血液が肝要な検体に関係づけられた信号を吸収しない条件のために特に適している。
【００５７】
Sγλ(M)を、たとえばグルコースのような成分または検体γの存在を表す分光的量の測定された値とする。
【００５８】
Sγλ(M)は、与えられた波長λで測定された吸収、波長λでの光の散乱強度、波長λでの蛍光の強度または他の関連する測定値に比例している。Bγβ(M)は、調べられた場所で測定された血液の全量を表す（たとえば、ヘマトクリット）。
【００５９】
Mは、Sγλ(M)が測定されたときに、検査を実施した空間的な領域に存在する状態の全血液量の端数である。したがって、Mは０と１．０との間で変化し、組織変調の対象はMの値を操作することである。
【００６０】
Bγβ(M)およびSγλ(M)は、調べられた領域中の血液の量に比例する分光測定値に割り当てられている。Bγβ(M)およびSγλ(M)の測定の空間的な領域および関連する時間は、いずれの測定もが同じ血液量に決定的かつ定量的に関係づけられるように選択される。目的は、血液の量と検体の量との間の一定の関係を得ることである。それらは、同種の測定に関係づけられている必要がないので、同じ波長で測定される必要がない。たとえば、Sγλ(M)はラマン分光測定に関係づけられることが可能であり、Bγβ(M)は基礎づけられた吸収であることが可能である。わずかな非直線性は、依存性がパラメーター化されている限り、分光測定と濃度または血液量との間で許容できる。
【００６１】
測定が与えられると、成分γの血中濃度における相対的変化を測定することができる。最初に、式(1)は、調べられた領域に存在する血液の量をBの測定量と関係づけるのに用いられる。
【００６２】
【数４】
Bγβ(1)Bγβ(0)=k'β・・・・・・(1)
【００６３】
血液の実際の量β（ccの単位またはヘマトクリットの単位で）は、押圧時（M〜0.0）の測定量Bγβと非押圧時（M〜1.0）の測定量Bγβとの間の差に比例している。
【００６４】
同様に、式(2)は、成分の量を表している。
【００６５】
【数５】
(Sγλ(1)-Sγλ(0))=k''γ・・・・・・(2)
【００６６】
たとえば、同じ血液量に存在するγは、押圧時（M〜0.0）の測定量Sγλと非押圧時（M〜1.0）の測定量Sγλとの間の差に比例している。
【００６７】
これらの定義が与えられると、１つのアルゴリズムが以下のように定まる。
【００６８】
【数６】
(Sγλ(1)-Sγλ(0))/(Bγβ(1)-Bγβ(0))=kγ/β・・・・・・(3)
【００６９】
ここで、k=k''/k'である。
【００７０】
濃度は、γ/βのような、血液の存在の量ごとの成分γの量という単位を有する。kは、生血液の量および検体の濃度の感度および測定処理の他の特徴の関数である比例定数である。kは、特定の測定装置において一定である。装置がγの血中濃度のための値を得る限りは、用いたその組織の試料に関するkの値の依存性はほとんどない。
【００７１】
式(1)中のMの値は、以下の処理を用いて関係づけられ、得られる。Bγβ(0)およびSγλ(0)は、調査される領域外へ血液を移動させるために適当な外的な圧力下の組織について測定される。Bγβ〜(1)およびSγλ(1)は、外的な圧力が適用されていない組織について測定される。この場合において、調べられた領域に存在する血液は、ほとんど、体温と周囲の外部温度との間の差、心臓から当の毛細血管床までの距離、および局所的な毛細血管床の血管狭窄／膨張の状態の関数である。
【００７２】
この例において、上記SおよびBに対するM=1の値とM=0の値との間の差を得ることは、皮膚表面の周囲の組織および異物に関係づけられた分光信号の直接的な減算を可能にする。この方法は、Sγλ(0)およびSγλ(1)、Bγβ(0)およびBγβ(1)の個々の測定を行うための時間枠を考慮することができないので、この方法による測定はゼロ周波数または直流の測定となる。簡単な手動の機械的手段を用いることにより、押圧時（M〜0.0）の状態と非押圧時（M〜1.0）の状態との間で、少なくとも毎秒数回、移動させることができる。これは、変調の周波数を増加させることに対応する。
【００７３】
ある実施例において、直流測定は適している。直流測定を行う実施例において、皮膚と光学的に接触させ、同時にそのあいだ信号の十分な蓄積を可能にするために十分に長い時間において押圧状態（M〜0）を維持していることが必要であるため、組織変調を達成するために特別な方法が必要となる。
【００７４】
例２  高周波変調および非直流の方法
【００７５】
ある実施例において、変調はノイズに対する信号の考慮によって高周波数で行われる。高周波数変調は、ノイズに対する正味の信号の比における改善を直接にもたらす分光信号の検出において帯域幅の削減を可能にする。高周波数変調は、ノイズに対する信号の比において結果として改善をもたらし、アナログ形式での押圧時の状態と非押圧時の状態との間の減算を可能にする。毛細血管および周囲の組織のような組織の機械的性質は、特定の毛細血管床の血液の含有量を変調できる速さを制限するために、循環系のポンプ特性と結びつく。
【００７６】
音波は、周期的な圧力変動であり、分光応用のために組織変調を達成するために用いることができる。超音波は、皮下の画像診断、経皮のドラッグデリバリーおよび皮下の熱的療法のような種々のバイオメディカルの応用に用いられてきた。本発明において、１またはそれ以上の発信器からの超音波は、電磁放射線を用いて毛細血管床が分光検査されるように、毛細血管床の内容物を操作するのに用いられる。
【００７７】
一実施例において、単一の超音波変換器が用いられ、変換器にすぐ隣接した領域において作られた波動の場は、分光測定される領域を規定する。この場合において、波動場の領域は、超音波の強度を増加または減少させることによって、大いにまたは少なく血液枯渇の状態とさせられる。選択的に、単に発信器の動作を停止させることにより、血液が、通常の心拍動の下で組織内を再び満たし、それによって血液充満の状態を再び作ることを可能にする。
【００７８】
血液の組織は、超音波圧力波／変動それ自体として同じ周波数で超音波圧力に応答することができない。これらの周波数は０．０１μｍから１．０μｍまでの変位を有して超音波周波数の全範囲にわたる概略的に１０kHzから１０MHzまでの範囲に及ぶので、赤血球と同じくらいの大きさおよび重さの物質の物理的移動は、個々の波動の圧力変動の時間の規模においては発生しない。しかし、血液中の液体および細胞は、周囲の組織と比較して、超音波が照射された組織において、より大きな平均の圧力には極めて小さな時間の規模で応答する。それが、組織変調のための運動力を提供する、この平均の圧力の相違である。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者は、インピーダンス整合および他の形態係数は、特定の位置において組織変調を成し遂げるために最も有利な周波数範囲を決定することにおいて役割を演じることを認識できる。
【００７９】
単一の変換器を用いて組織変調を成し遂げるための付加的な方法がある。そのやり方は「シングルパス」によるやり方による。超音波は、周囲の組織の広大な貯蔵部に放散する前に、変換器から伝播し、組織変調を成し遂げる。「マルチパス」と呼ばれる他のやり方は、波動は単一の変換器から放射するときに以前に同じ変換器から放射された他の波動と遭遇するように、硬組織を「ミラー」として用いることを含む。建設的および破壊的な干渉は、安定状態の圧力場の発生を導く種々の反射および放出された波動間で発生する。結果として生じた正味の圧力場の空間的および時間的な特性は、波動の相対位相、振幅および分極に依存する。組織変調場の特性は小波を用いて計算することができる。
【００８０】
よく知られた簡単な解剖学により変換器の約１ｃｍ以内の骨を得ることができるので、単一の変換器を用いたマルチパスによるやり方は、指先の組織を変調するのに特に適している。したがって、波動は、変換器から伝播し、皮膚を経て組織に入り、毛細血管床を含む下の組織を経て骨に伝播し、骨から反射し、毛細血管床を含む同じ組織を経て戻る方向へ伝播し、皮膚に入る。ある波動は、皮膚表面を反射し、内部への伝搬ベクトルを有して組織に再び入り、一方、残りは、皮膚の外気側の表面で散乱し、あらゆる方向に散乱する。反射された波動場と入射した波動場との間の建設的および破壊的な干渉は、単一のパスによるやり方を用いて達成される場合よりも高いおよび低い圧力の領域を提供する。総体的な効果は、平均の正味の圧力は単一のパスで得られた圧力よりも大きいことであり、したがって、組織変調の効率を改善する。
【００８１】
超音波からの波長は、１ミリメーターの何分の１から数ミリメーターまでの範囲で変化し、これは、ある程度まで、組織が変調され得る領域の大きさを規定する。適度に合焦された近赤外レーザーによって組織に生じさせられた白熱球（glow-ball）の大きさは、波長に依存して１００μｍの位から２ｍｍまでの範囲にあり、これは、ある程度まで、組織変調を必要とする領域の大きさを規定する。また、光収集系の特性はこの点において重要である。
【００８２】
波長、位相および振幅を決定する係数が超音波を適用している過程の間において変化する場合、建設的および破壊的な干渉が発生する正確な位置は、たとえば「不鮮明になる」ように少し変化する。組織の厚さの変動と同じく、１または複数の変換器に対するのと同様な互いに対しての軟組織および硬組織の相対運動は、聴放線の波長より大きな領域にわたる干渉を不鮮明にする。超音波の波長より大きな領域を分光調査することが必要である。超音波は、その領域を血液充満の領域から血液枯渇の領域まで変化させるのに用いられる。不鮮明にすることは、分光調査のためにさらに均等な変調領域を与えることができる理由から有用である。また、この不鮮明化の効果は、開業医が不鮮明化を過度に奨励しないように、達成することができる定常状態の圧力差を減少させる傾向を有する。
【００８３】
好ましい実施例は、定常波および進行波のパターンが発生するような音波を所定の毛細血管床内に伝播させるために超音波変換器の利用を提供する。波動は、適当な組織変調を生じさせる。この変調は、超音波の波長、分極および振幅の選択におけるかなりの自由な範囲に依存し、空間的および時間的に好都合な様式で確立することができる。所定の毛細血管床の付近における骨のような硬組織は、他の組織変調方法において利用できるような干渉パターンを設定することにおいてミラーのようにふるまう。
【００８４】
他の実施例において、複数の変換器または伝達器を組み合わせることができる。複数の変換器によるやり方は、組織変調の様式のさらに大きな時間的かつ空間的な制御を達成するのに干渉が用いられることにおいて、単一の変換器のマルチパスによるやり方と類似している。複数の変換器は、単一の変換器を越えた付加的な圧力を発生させるのに用いることができる。変換器は、種々の形状において、かつ種々の分極を有して製造することができることから、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者は、超音波を用いる組織変調器の特定の要素を設計することにおいてかなりの自由範囲があることを認識する。現行の組織変調器の基本的な型式において用いられている開口の形状は、また、超音波変換器を配置するための空間的な様式を決定することができる。
【００８５】
図１は、超音波の音響的な波動間の干渉によって生じた進行および定常の圧力波の様式を用いた組織変調の概略図を示す。
【００８６】
例３  血液含有量の検体信号への効果のために補正することによる分光データの分析
【００８７】
この例は、本発明の非侵襲的な方法を用いて収集されたデータを分析する利用のための他のアルゴリズムを示している。このアルゴリズムは、血液充満の状態および血液枯渇の状態を達成するために組織変調を用いる方法に適用できる。調べられた血液の量に関する情報が得られるように、スペクトルは血液充満の状態および血液充満の状態のいずれにおいても収集される。同様に、組織変調は、血液に存在する成分の分析を容易にする。この例のアルゴリズムは、血液が肝要な検体に関係づけられた信号を吸収し、検体に関係づけられた信号へのこの吸収の効果のために補正する条件のために特に適している。
【００８８】
理論的根拠
【００８９】
生体組織からの情報を集めるためのラマン分光法の利用においては、直接に反射された光のすべてを収集系に入るように最小化することが必要である。７８５ｎｍの光の合焦されたビームが皮膚の表面に衝突したとき、全体の約５ないし１０％のある量は、下の組織の化学的性質に関する情報を生じさせるために皮膚を十分に通ることなく、直接に反射する。外気と皮膚との境界面が毛細血管床の外側に生じるので、毛細血管が血液充満または血液枯渇となる度合いは、検出器に到達する「直接に」反射された光の強度に関して影響がない。直接に反射された光の実際に達成できる最小量はそのような光を遮断するために最大の努力を行っても蛍光よりも強い大きさの位であり、ラマンの強度はさらに小さい。したがって、直接に反射された光の収集は可能な限り最小にされる。
【００９０】
入射光が組織内に伝播すると、その光は、光の波長と同程度の物体に遭遇し、ミー散乱を受ける。ミー散乱は、前方に散乱波を生じさせるための強い選択性を有する弾性処理である。経験的に、光の「白熱球」が形成されることが知られており、これは、光はいったん角質層の最初の１ミクロンぐらいを進むとまるでランダム歩行のように伝播することをよく表している。この処理は、散乱放射線のための波長シフトを含まず、かつ結果として散乱放射線のための波長シフトを生じることもない。レイリー散乱光とミー散乱光とは、ミー過程の前方角のために非常に強い選択性の原理に基づいて区別することができる。種々の他の弾性処理／散乱中心があり、それらは弾性の定義によって生じるが、すべてが波長シフトされた散乱光に結果としてなるわけではない。
【００９１】
これが、確かに重要な少なくとも２つの非弾性処理を残す。第１は蛍光で、第２はラマン散乱である。いずれもミー処理より非常に等方性を有して入射光に依存している同様の角度を有している。蛍光のたとえばパラメーター化による量は、入射光の強度、吸収強度、吸収体の濃度および放射した蛍光のための量子収量に比例している。ラマン散乱の強度は、散乱中心の濃度、特定の波長シフトを有する散乱の断面積および入射励起放射線の強度に関して、パラメーター化できる。蛍光は、少なくとも１０ナノメーターから１０2ナノメーターにわたって広がる相対的に平滑な分光分布を有する光を発生させる基本的に広帯域の放射である。対照的に、ラマン散乱は典型的に波長の狭い範囲（約７８５ｎｍで約５０ｃｍ-1である。）で広がっている。
【００９２】
アルゴリズムの構成成分
【００９３】
したがって、強くかつ狭いスペクトル帯幅の光が指先の表面に合焦された場合に検出器に到達できるあらゆる放射線源を列挙することができ、第１は、たとえば、皮膚または血液からの正味のすべての弾性処理（eIs,b）のようなミーおよびレイリー散乱に依存する波長シフトされていない強度への寄与であり、第２は、皮膚または血液からの蛍光（fIs,b）に依存する波長シフトされた強度への寄与であり、そして、第３は、皮膚または血液からのラマン散乱（rIs,b）に依存する波長シフトされた強度への寄与である。「皮膚」は、この文脈において、外的な圧力の適用下で移動しない骨、結合組織および他のすべての物質を含むあらゆる静止した（移動できない）組織を意味する。
【００９４】
調べられる組織に到達した入射光は、狭い集束した光線束と皮膚および下の組織との相互作用として見ることができる。入射強度が観察できる放射を生じさせるのに十分なとき、各体積要素おそらく入射光の伝播の方向に対してわずかに直角をなして全相互作用体積を細分することによって生じさせられた深さを変化させる各面から、入射光によって励起された種々の光源を列挙することができる。最初は、弾性散乱光、非弾性散乱光および蛍光の強度は各項の合計として表すことができる。
【００９５】
【数７】
I〜(eIs,b)+(fIs,b)+(rIs,b)={(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIb)+(fIb)+(rIb)}
【００９６】
そのように定義された各体積要素は、吸収および散乱の処理に依存して、別の入射光の強度（I0で、λ0での光子数/(sec-cm2)またはW/cm2における入射強度を示す。)になる。強度を以下の式（０）の表現での深さの関数として表すことはできない。ここで、dは深さであり、[b,s]は、調査下の体積要素と光がその体積要素から放出する点集合との間の皮膚および血液のための効果的な「濃度」が、光収集系に入るために当の生体から出なければならないことを表している。
【００９７】
【数８】
(0)・・・・・・I(d)=I0e-[b,s]d
【００９８】
強度への各寄与は、たとえばパラメーター化することにより以下のように表すことができる。
【００９９】
【数９】
(eIs,b)〜I0[s]eσs+I0[b]eσb
(fIs,b)〜I0[s]Γs+I0[b]Γb
(rIs,b)〜I0[s]rσs+I0[b]rσb
【０１００】
ここで、I0は、波長λ0での入射強度を表し、
[s]は、有効な「白熱球」にわたって統合された「皮膚」の濃度／モル濃度（たとえば、体積要素当たりにおいて。）を表し、
[b]は、有効な「白熱球」にわたって統合された「血液」の濃度／モル濃度（たとえば、体積要素あたりにおいて。）を表し、
eσbは、血液によるI0の弾性散乱のためのモル当たりの断面積を表し、
eσsは、皮膚によるI0の弾性散乱のためのモル当たりの断面積を表し、
Γsは、皮膚のための蛍光のための量子収量（吸収係数を含む）を表し、
Γbは、血液のための蛍光のための量子収量（吸収係数を含む）を表し、
rσsは、皮膚によるI0のラマン散乱のためのモル当たりの断面積を表し、
rσbは、血液によるI0のラマン散乱のためのモル当たりの断面積を表している。
【０１０１】
いかなるいわゆる「励起された」ラマン効果（I0からではなくI0からのラマン散乱光からのラマン散乱光に依存している。）を無視することができるように、散乱光／蛍光の全量は、I0から減少させられた大きさの約１００倍から１０００倍までの範囲の係数である。アンダーソンおよびパリッシュからの数によれば、入射光の８０％を越える量は、たとえばλ0=７８５ｎｍでの入射スポットサイズに比較して相互作用体積（たとえば円板の直径）に存在すると予期されるので、近赤外スペクトル領域にわたって、浸透の深さを角質層その他の表面の下方の１０2ないし１０3ミクロンまで形成することは可能である。したがって、全ラマン散乱放射線の４０％に近づくことは、それが相互作用体積から観測装置の収集円錐に放出する前にそのラマン散乱放射線がラマン散乱された強度の損失（血液または組織による吸収／ミー散乱による収集円錐からの偏向、その他）を含んでいる場合には、表面下の１０2ミクロンまでの深さに源を発する。
【０１０２】
血液量の蛍光に基づく測定
【０１０３】
組織変調がもたらされる機械的な圧力を用いて得られた位置を最も完全にかつ簡単に表すために、近赤外スペクトル領域においてすべての光の吸収の大部分は血液によると仮定する。この点において、量[b]は、すべての可能な血液によって生じる色基および散乱中心を含む。
【０１０４】
【数１０】
[b]=[oxyhemoglobin]+[deoxyhemoglobin]+[carotenoid species]+[others]
[s]=[keratin]+[interstitial fluid]+[lipids]+[ceramides]+[others]
【０１０５】
さらに、たとえばオキシヘモグロビン／デオキシヘモグロビンのような色基は大きな分子であり、遷移は電子的／振電的であるので、すべての吸収は、広帯域であり、蛍光の強さおよび特徴によく関係づけられている。したがって、いかなる外部の組織変調による励起下でない特定の深さでの体積要素からの放射は、（セント・ジャック（St. Jacques）またはアンダーソン（Anderson）およびパリッシュ（Parrish）にしたがって）指数を用いたベールの法則を用いて減少させられる。
【０１０６】
【数１１】
I(d)〜{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIb)+(fIb)+(rIb)}}e-[b,s]d
【０１０７】
皮膚および特定の深さの参照は、仮定したことおよび放射は単一の体積要素から行われることから、以下に続くことから除外される。相互作用体積からの全放射を得るために、この計算の終わりにすべての体積要素にわたる強度を積分することができる。この積分された放射は、積分された体積における物質の全量に比例している。濃度を得るために、積分された強度は、調べられた組織の体積に正規化されなければならない。
【０１０８】
【数１２】
(1)・・・・・・I〜{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIb)+(fIb)+(rIb)}}e-[b]d
【０１０９】
式(1)は、組織が「血液充満」であることを考慮される体積要素からの予期された放射に対応する。これが、同様に、ラマンスペクトルが「非押圧」条件時に現行の組織変調器における指先から得られたときに優勢となる位置に対応する。相互作用体積における血液の含有量はbunpとして表される。
【０１１０】
【数１３】
(1)・・・・・・I(λ)unp〜{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIbu)+(fIbu)+(rIbu)}}e-[bunp]d
【０１１１】
押圧条件（血液の含有量はbpreである。）は次のように表される。
【０１１２】
【数１４】
(2)・・・・・・I(λ)pre={{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIbp)+(fIbp)+(rIbp)}}e-[bpre]d
【０１１３】
「変調された組織」のラマンスペクトルは、式(1)と(2)との間の差として表される。
【０１１４】
【数１５】
(3)・・・・・・I(λ)unp-I(λ)pre〜
{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIbu)+(fIbu)+(rIbu)}}e-[bunp]d
-{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIbp)+(fIbp)+(rIbp)}}e-[bpre]d
【０１１５】
種々の方法における分析を継続することは可能であるが、本発明の目的において、組織変調の間における相互作用領域からの血液の完全な撤退（M=0かつ[bpre]=0）という限定された場合を考慮することは有用である。この場合において、単一の体積要素からの波長λでの放射のための特別な場合を、次のように書くことができる。
【０１１６】
【数１６】
(4)・・・・・・I(λ)unp-I(λ)pre〜
{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}+{(eIbu)+(fIbu)+(rIbu)}}e-[bunp]d-{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}}
={(eIbu)+(fIbu)+(rIbu)}}e-[bunp]d+{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}}(e-[bunp]d-1)
【０１１７】
すべての強度は正符号であり、指数の引数は正の符号である。それゆえ、たとえば右辺の第２の群の項のような皮膚の項は、以下の理由から、血液からの強度から減じられる。
【０１１８】
【数１７】
(e-[bunp]d-1)<0
【０１１９】
さらに、次の項は以下のような理由による。
【０１２０】
【数１８】
{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}}>{(eIbu)+(fIbu)+(rIbu)}}
【０１２１】
理由は、相互作用体積が血液で充満されているときには充満されていないときよりも、より多くの入射光（I0）が血液および組織に到達することである。したがって、たとえば血液のような可動性の成分の大きな十分の変調を含む条件のために、組織変調された（非押圧および押圧の）ラマンスペクトルは、たとえば負の方向のピークのように逆転して現れることが予期される。正味のラマンスペクトルは、組織および血液の偏ったスペクトル間の差である。
【０１２２】
組織の不均等性および可動性の組織のふるまいは、この点で特定の考慮を生む。第１に、まさしくその性質、組織におけるその位置および存在のための目的により、最も可動的な組織は血液である。間質液は、角質層の「モルタル」は固形蛋白質、脂質および水相を含んでいる有機の／固定された集合体を含むという事実によって証拠となるように、到底可動的でない。（糖尿病における最小限の襲的方法においては、簡単な穿刺は、流れる血液を自由に生むが、分析のための液体を「抜き取る」ことをしなければならない。）さらに、「ブリックス」（bricks）間の領域は、循環系のそれらほど大きくはない。これは、間質液が非可動性であることを示唆するものではなく、血液は非常により可動性であるという考えを強めるものである。可動性の成分の組織変調されたスペクトルは、それゆえ、間質液に比べて血液のスペクトルにおいて濃厚である。
【０１２３】
たとえば最も浅い毛細血管床の上端から角質層の表面までのすべての組織のような角質層および上方の表皮自体におけるラマン散乱により生じさせられたスペクトルは、血液の存在または不在によって影響を受けることはない。これは、式(4)を、０＜ｄ＜約１５０ないし２００μｍの区間にわたり積分することによって理解することができる。いかなる毛細血管床を横切ることなく、かつこの領域が血液枯渇および血液充満の両状態における指先のスペクトルに行う寄与が押圧条件を非押圧条件から減じることによって実質的に除かれるように、ラマン散乱光は収集円錐に入ることができる。これは、毛細血管床にまたはその下方のより深い組織のために場合ではなく、実際に皮膚の表面に到着する放射は局所的な血液供給によって実質的に濾過されて除去されている。
【０１２４】
たとえば血液の含有量を大きくかつ指数を小さくするように、e-[bunp]d項の大きさを変化させることによって、および、皮膚の成分に対する血液の成分のためにラマン断面積の相対的な大きさについて仮定を設けることによって、ある点でスペクトルが皮膚または血液に関係づけられた特徴において濃厚となることを確認することが可能である。実質的に等しいラマン断面積（仮定）のために、血液が、たとえば有効な経路長dにわたってe-[bunp]d=0.2または２０％より少ない透過率に対応するような、主たる吸収体であるとき、正味のスペクトルは、血液／可動性組織の特徴において濃厚となる。血液および皮膚に関係づけられた特徴のための相対的な断面積が与えられると、血液または皮膚の可能な限り多くのスペクトルを分離することができる組織変調の好適な度合いがあることが明らかである。
たとえば血液量または変調の度合いのような独立して測定されたe-[bunp]dの値の範囲にわたって、組織変調されたスペクトルを測定することによって、および式(3)に変化をあてはめることによって、さらによい分離が得ることができる。
【０１２５】
血液量の吸収に基づく測定
【０１２６】
血液量を得る目的のために、脈拍酸素測定法におけるような吸収による方法を用いて[b]のある成分の独立した測定を行うことは時には有用である。式(4)によって具体化された位置への最も近いやり方は、当の指の基部に止血体を用いることを生じさせる。この場合において、指はいかなる圧搾および非圧搾の実験における場合よりも青白さをより増すように青白くなることが確認できる。この直接の目視観測、および止血体を用いた押圧条件下および止血体を用いない非押圧条件下で指を経る近赤外レーザー（８０５ｎｍ、８３０ｎｍ、９８０ｎｍ）の透過率を測定する他の実験は、止血体が定位置にあるとき指先面積において血液が極めて少ないことを示す。（いかなる変調もが押圧および非押圧で観測され、脈拍が観測されない場合は、極めて少しである。）この場合において、止血体が適用された指のスペクトルを止血体が適用されなかった（およびいかなる方法における非押圧の）指のスペクトルから減じることによって得られたスペクトルは、実際は、前記したように、すべての負の方向の向くラマン特徴を有する。止血体が適用された指に存在したであろう血液は、骨の付近の指においてより深く存在するさらに主要な血管に存することがわかる。毛細血管床はほとんど空であることを呈し、これが血液による吸収効果を実質的に除去する。
【０１２７】
一方、直接の目視観測および同じ型のダイオードレーザ吸収実験を用いて示したように、押圧および非押圧のみを用いると、変調はたとえば血液が内外に移動させられてより少なくなった血液のような度合いの少ない青白さを呈する。式(4)に基づいて、血液のスペクトルは、変調が深くないとき最もよく分離されることが明らかである。すなわち、項（e-[bunp]d-e-[bpre]d）があまり大きくなく、0<M<1に対応する場合には、血液の濾過されたラマンスペクトルは皮膚のそれを越え、結果（非押圧および押圧）は、正の方向に向き、皮膚ではなく（たとえば、可動性の組織のような）血液を実質的によりよく表している。これは、本発明の押圧／非押圧／開口に基づく組織変調の実験のほとんどすべてに関して観測される。
【０１２８】
式(4)によって表された極端な位置によって明らかにされた反対の傾向が与えられると(M=0)、ラマン散乱または他のいかなる分光調査を用いて非侵襲的な血液分析のために最適かつ精密に測定された変調深さを再現可能に得られることが好ましい。加えて、血液に基づくラマン特徴の最大の分離を得るために、血液検体の濃度が計算されるようにラマンと同時に変調された血液量の測定を得ることは好ましい。濃度を得るために、実験的に決定するための２つの未知量があり、当の検体の量の値およびその検体の量を含んでいる血液の量の値である。これは、多くの方法で達成することができるが、血液量の測定は、好ましくは、ラマン測定から独立していることである。この特徴は、人から人への器具の移動を可能にする。ルーチン的な再校正は、要求されたように実行可能である。
【０１２９】
最初に、脈拍酸素測定法を用いる類推において、当の体積にヘモグロビンのための吸収点の波長（８０５ｎｍ）で光を入射し、送られた量を測定することができる。光が送られれば送られるほど、当の体積中に存在する血液は少なくなる。これは以下のように表すことができる。波長λi光が当の体積に衝突すると、ある光はその体積に入る。ランダム歩行のような行路によって、ある光は相互作用体積から送り（再び出てきて）、その量は体積内の血液（たとえば吸収体(s)）の量を表す量である。吸収点の波長を選択することによって、血液量の値が得られる吸収測定は、血液の酸素投与の度合いから独立している。酸素投与の度合いはラマン測定の過程にわたって変化しているので、他の波長が用いられる。血液量の測定は、その後、多くの心臓の脈拍周期にわたって平均化される。また、血液酸素中に異常な変化がある場合には、血液量の測定は影響を受けている。吸収点の波長を用いることは、この可能性を除去する。
【０１３０】
このやり方における１つの問題点は、ラマン測定に対応する相互作用体積と血液量の測定に対応する相互作用体積とのあいだの重なりを含む。異なる波長は異なる透過深さを有し、深さ分解を得るために共焦点の技術に利用を仮定することなしには、散乱体積は血液の含有量が得られる体積に正確に対応するという保証がない。しかし、体積の比が一定である場合には、得られた濃度は真の濃度に対して同じ一定の比である。データ収集系の適当な内部校正、補償および安定性が与えられると、比例関係は一定であり続ける。
【０１３１】
白熱球の形状に関係づけられた深さ成分の分布にわたってM=0の式(4)で表された限定された場合を積分することは、組織変調されたラマンスペクトルのより詳細なひな型を提供する。
【０１３２】
【数１９】
I(λ)unp-I(λ)pre={(eIbu)+(fIbu)+(rIbu)}}e-[bunp]+{{(eIs)+(fIs)+(rIs)}}(e-[bunp]-1)
={(I0[b]eσb)+(I0[b]Γb)+(I0[b]rσb)}e-[bunp]+
{(I0[s]eσb)+(I0[s]Γb)+(I0[s]rσb)}(e-[bunp]d-1)
=I0{[b]{eσb+Γb+rσb}e-[bunp]d+{[s]{eσs+Γs+rσs}}(e-[bunp]d-1)・・・・・・(5)
【０１３３】
式(5)に到達するために、当の体積要素の深さは、各体積要素から放出する光の吸収に対応する指数すべてにおいて導入される。また、断面積、濃度および量子収量（吸収強度を含む）の項において、波長シフトされたおよびレイリー散乱された光のすべての源の定義が含まれる。経験的な校正に基づくe-[bunp]d、[b]、[s]、断面積および有効な量子収量のための値を得ることができる。体積要素に入射した光の吸収を含むことは、式(6)を導く。
【０１３４】
【数２０】
=I0e-[b,s]d{[b]{eσb+Γb+rσb}e-[bunp]d+{[s]{eσs+Γs+rσs}}(e-[bunp]d-1)・・・・・・(6)
【０１３５】
式(6)は、白熱球の次元と矛盾しないdの値の分布にわたって平均化または積分される。多くの場合において、この積分は、閉じた形式で得られるが、必要なら、数値的に得ることができる。総合計を掛ける指数は、入射波長λ0に適用するのみであるので、他の項とは別の波長依存性を有する（蛍光および散乱された波長）。
【０１３６】
検出器に到達できる波長シフトされた光の量の値を得るために、積分は、たとえばdx、dy、dzのような直線座標による３次元または好都合な座標（おそらくd、θ、ψ）における同等なものに関するものであり、以下に対応する項を導入する。
【０１３７】
【数２１】
l3=volume
【０１３８】
これをより明確に理解するために、組織変調されたラマンスペクトル（σ(λ)、Γ(λ)の項によるスペクトル）は以下のように表される。
【０１３９】
【数２２】
∫v[式(6)]dxdydz〜[式(6)]xyz〜[式(6)]l3〜[式(6)]V≡P(λ)
【０１４０】
この式(6)の積分から、測定された組織変調されたスペクトル（P）は、相互作用体積における各物質の全量Vに比例していることがわかる。それは、たとえば[b]および[s]のような濃度において線型であり、積分変数を含まない項の合計を含む。したがって、相互作用体積にわたる積分が明確に行われたとき、式(6)は積分変数の２つから独立している。
【０１４１】
dにわたって積分されているかまたはx、y、zに関する関数である残った変数を含む式(6)中のいくつかの項は指数である。これらの項は、より浅い組織に対して相対的に深い組織の濃度を減少させる指数による重みづけを生む。指数のテイラー級数展開は、小さなdに対して重みに寄与するdにおける主要項線型を有する。したがって、第１次の近似値として、[b]V=モル数である。独立した血液量が測定されたとき、値V'は得られる。それが検体の相互作用体積と実質的に重なり、それによって実際に他の[b]検体に関係づけられた信号による環境を経験する限り、V'は正確にVと等しい必要はない。検体[b]のための信号を得るために用いられるような同様の浸透特性を有するλを用いて測定されることは、V'のための特に有利である。以下に示すように、これがテイラー級数展開からの偏向のよりよい除去を導く。
【０１４２】
いま、たとえばグルコースのような特定の検体に関係づけられることが可能な散乱波長λgを確認することができると仮定する。式(6)は、ラマン断面積は特定の検体[b]に対応して選択可能であることにおいて完全に一般的である。たとえば[b]のための測定可能な量の項における表現のような濃度を得るために、P(λ)の積分は、λgを含む適当な区間でV'で除算される。すなわち、以下のとおりとなる。
【０１４３】
【数２３】
P/V'=[equation 6]V/V'=[equation 6]C〜constants{[b]+[s]}・・・・・・(7)
【０１４４】
Cは、特定の調整／装置および使用者に関係づけられた校正定数を表す。光によって尋問された実際の重みがかけられた体積（血液および検体の体積）間での空間的な重なりの一定の度合いに対応してCが一定である限り、式(6)から、装置／測定処理が、散乱波長シフトにわたる積分がたとえば各々[b]および[s]のような血液および組織の構成成分の濃度に比例している濃度の合計であるスペクトルを生むことがわかる。もちろん、実際にはいかなる特定のラマンシフトでの散乱強度に寄与する１つの検体より多くあるが、重要な点は、散乱強度および蛍光強度は検体の濃度に比例していることである。
【０１４５】
血液量の測定は、血液および組織の蛍光を用いて好都合に行うことができる。たとえば７８５ｎｍまたは８０５ｎｍのようなλ0の思慮深い決定は、式(7)で用いることができる血液量V'を決定するために好都合な方法を可能にする。この場合において、ラマン特徴をまだ不明瞭にしていない間に血液量の評価を可能にするために、十分な蛍光が生じさせられる。上記のように、ラマンが狭いのに対して、蛍光は広帯域の放射である。したがって、いかなる場合においても、広い窓または他の適した手段を用いて隣接の平均化を用いて、蛍光と比較して相対的に小さな放射量を与えるラマン特徴を単純に平滑化することによって、全蛍光スペクトルP'を評価することは容易である。非押圧および押圧条件のための生データから全蛍光をこのように評価すると、M=Oの限定された場合において、以下の量が得られる。
【０１４６】
【数２４】
P'(b')=I0e-[b,s]d{[b']{eσb'+Γb'}e-[bunp]d+{[s]{eσs+Γs}}(e-[bunp]d-1)・・・・・・(8)
【０１４７】
同様に、波長シフトされた光に単純に注意を向け、これにより、すべての弾性処理の発生を取り除くことは容易である。
【０１４８】
【数２５】
P'(b)=I0e-[b,s]d{[b]{Γb}e-[bunp]d+[s](Γs)(e-[bunp]d-1)・・・・・・(9)
【０１４９】
[b]はたとえばヘモグロビン内容物のようなヘマトクリットに比例している何かであるか、または他の検体b'であるかを強調するために、b'が式(8)に導入される。式(9)において、[b]は、たとえばλにおける広い間隔にわたるP'(λ)の積分がたとえばV'のような血液量のよい値であるように蛍光が血液量[b]≡V'のよい値であるように、血液および他のから来るために蛍光の大部分は既知であることを認識するのに用いられる。したがって、P'(b')が体積Vに対応する[b']を評価するためにλの適当に選択された狭い範囲にわたって積分され、P'(b)がV'を評価するために波長シフトされない光を含む広い範囲にわたって積分される場合には、以下のように得られる。
【０１５０】
【数２６】
Σ'(b')={I0e-[b,s]d{[b']{rσb'}e-[bunp]d+{[s]{rσs}}(e-[bunp]d-1)/
{{I0e-[b,s]d{[b]{Γb}e-[bunp]d+[s](Γs)(e-[bunp]d-1)}
={[b']{rσb}e-[bunp]d+{[s]{(rσs)}}(e-[bunp]d-1)}/
{[b]{Γb}e-[bunp]d+[s](Γs)(e-[bunp]d-1)}
【０１５１】
したがって、検体[b']の濃度を試しに計測管理する場合には、以下のようになる。
【０１５２】
【数２７】
[b']V/[b]=[b']V/V'
【０１５３】
血液量の値として蛍光を用いることは、たとえば係数I0e-[b,s]dのような、すべての透過効果の第１次の除去を提供する。そして、蛍光が同じ伝播効果を受けるので係数(e-[bunp]d-1)およびe-[bunp]dは分子および分母のために同様に等しく、それらが同じ波長範囲に及ぶのでラマン光が受けるのと同様である。光学的な収集および分析の系の検出器の感度および正味の変調伝達関数について、同様の説明をすることができる。ノイズ源は、多くの場合において同じであり、精密で再現性のある補償を導く。
【０１５４】
例４  蛍光に基づく血液量の決定を用いた人間生体からの血液検体測定
【０１５５】
この例は、上記の非侵襲的な分析方法は、従来の侵襲的な方法を用いて同じ生体から行われた非常に綿密に近似した測定である血中グルコース測定を得るのに用いることができることを証明する。この例は、また、上記の平滑化操作を用いたスペクトル情報の増強と同様に蛍光に基づく血液量の決定の利用を証明する。
【０１５６】
物質および方法
【０１５７】
用いる装置は、光源と、入射および放出の光が通過可能な穴を有する金属板と、検出器と、信号処理器とを有する。装置の適した構成部分および特定の具体例は、本発明の属する技術分野で知られている他のラマンスペクトル装置から適合される（たとえば米国特許第５，５５３，６１６号、同第５，５１０，８９４号および同第５，６１５，６７３号を参照のこと）。金属板の穴の端部は、調べられる組織の血液の含有量を変調するために指が押し当てられる表面である。ここに示すデータのために、光源は、７８５ｎｍで放出する外部空洞ダイオードレーザとした（米国カリフォルニア州サンタ・クララのエス・ディー・エル社（SDL Inc.）製）。検出器はＣＣＤ群とした（米国ニュー・ジャージー州トレントンのプリンストン・インスツルメンツ社（Princeton Instruments）製）。光は、２５０ｍｍｆ１．４のニコン社のレンズによって収集された。光は、まずホログラフィックノッチフィルタによって濾過され、ホログラフィック分光写真機によって分光させられた（いずれも、米国ミシガン州アナーバーのカイザー・オプティカル・システムズ社（Kaiser Optical Systems）製）。信号処理は、標準のパーソナルコンピュータで行われた。
【０１５８】
生体は、アルミニウム板の１／４インチの穴に対して指先を置き、血液枯渇の状態を達成するために指を板に対して押すこと、および血液充満の状態を達成するために指を板に対して押すことを解除することを交替させて行った。７８５ｎｍの入射光は、金属板の穴を経て生体の指先に通され、収集されたスペクトルは下記のように分析された。光は、１３ｃｍの焦点距離の平凸レンズを用いて指に合焦させられた。指先での入射レーザパワーは５０ｍワットで、スペクトル帯域幅は約１ｃｍ-1であった。
【０１５９】
結果
【０１６０】
図２は、人の指が装置の金属板に対して押されている（下の線）間および指が金属板に対して押されない（上の線）間において生体から収集された波数において示されたラマンシフトでの典型的な何万もの生スペクトルカウント数を示している。図３は、図２の上の線（非押圧）と図２の下の線（押圧）との間の差を示している。この曲線の下方の面積は、調べられた指先の領域における組織変調による血液量の変化に比例している。
【０１６１】
図４は、図２に示す生データを採用し、１０１の点の隣接する点の平均の平滑化操作を実行し、生データから平滑化されたデータを減じ、その結果について７の点の隣接する点の平均の平滑化操作を実行することよって、描かれたグラフである。上の線（非押圧条件）は、表示された線の重なりを避けるために２０，０００カウント数だけ上方に移動されている。図５は、図４に示す２つの線間の差を示している。この減算は、血液に帰因するラマン特徴を明らかにする。４９５波数と５６０波数との間の領域における曲線とゼロとの間の面積（矢印）は、血中グルコースの含有量に対応する値を得るために積分されている。図４に示す曲線の下方の面積に対するこの値の比（生じた正規化された積分された単位数）は、血中グルコースの濃度に比例している。
【０１６２】
図６は、２人の糖尿病患者および１人の正常な生体に関して得られたグラフであり、同じ生体から採取された血液から測定され、米国カリフォルニア州ミッション・ビエホ（Mission Viejo）のヘマキュー社（HemaCue, Inc.）製のヘマキュー（商標）・キット（HemaCueTM kit）を用いて製造業者の取扱手順にしたがって医師によって分析された、実際の血中グルコース濃度（単位mg/dlでの）に対してプロットされた、積分された正規化された単位数（血液量によって分けられたラマン信号）の直線適合を示しいる。０．８９９７７の相関を表し、０．０００１未満のｐの値を有する、直線の回帰分析の結果が表示されている。
【０１６３】
例５  吸収に基づく人間生体からの血液量の測定
【０１６４】
この例は、血液量の情報が血液による光の吸収を測定することから得られることを証明する。この例は、心拍数に基づく血液量における既知の変更によって信号が変更されるという証明を含む。
【０１６５】
物質および方法
【０１６６】
データを収集するのに用いられる装置の概略図を図７に示す。生体の指１０は、たとえば閃光、自由空間結合された８０５ｎｍのダイオードレーザまたはファイバ結合された８０５ｎｍのダイオードレーザ（これら３つは異なる実験で用いられる。）のような光源１２下に、穴を有する金属板１４に接触して置かれ、穴の他端部に、電線１８によってオシロスコープ２０に結合されたレンズ付集光用ダイオード（ガリウムヒ素（GaAs））１６が配されている。図８は、図７に示す指１０を経た断面図で、金属板１４における穴２２に対して上方の指１０と、ダイオード取付台２４に配置されたレンズ付集光用ダイオード１６の角度とを示している。
【０１６７】
結果
【０１６８】
図９は、レンズ付集光用ダイオード１６を用いて測定され、秒における時間に関してミリボルトとしてプロットされた、装置に置かれた生体の指を通過した光を示している。図に示すように、心臓の鼓動の間において、より少ない血液が指先において押圧されたとき、より多くの光が通過する。同様に、鼓動の間においてより多くの血液が存在し光を吸収するとき、より少ない光が通る。図１０は、基板に対して指を押すことおよび指を押さないことの間で基板が変更されることを除いて、図９に示すと同様なデータを示している。指が金属板に対して押されたとき、血液は指先から去り、より多くの光が通過する。同様に、指が非押圧で血液が充満であるとき、より少ない光が通過する。押圧および非押圧の状態の線間の差は、血液量を決定する別な方法を提供する。
【０１６９】
図１１は、データの収集の前に数秒間所定の位置で動くことを除いて、図９に示すと同様なデータを示している。この活動は心拍数を増加させ、指を通過する光における変動に関する増加された心拍数の効果は、図８および９に示す検出された信号の源は、心臓の鼓動の関数として血液量における実際の変化であることを確認する。
【０１７０】
図１２は、止血体を用いて血液量が変調された指先から収集された約３８０から約２０００まで変化する波数でのスペクトルカウント数を示している。止血体を用いないで検出されたカウント数から減じられた、所定位置に止血体を用いて検出されたカウント数が示されている。注目するに、負の方向に向くピークである。
【０１７１】
図１３は、レンズ付集光用ダイオードを用いて測定され、秒における時間に関してミリボルトとしてプロットされた、生体の指を通過した光を示している。上の線は、所定の位置に止血体を用いて行った測定を示し、下の線は、止血体を用いずに行った測定を示している。
【０１７２】
本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者は、前記の具体的な実施例に適用することが可能な、かつ本発明の範囲を逸脱しない範囲の、種々の変更や修正を認識することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  超音波の音響的な波動間の干渉によって生じた進行および定常の圧力波の様式を用いた組織変調の概略図。
【図２】  人の指が装置の金属板に対して押されている（下の線）間および指が金属板に対して押されない（上の線）間において生体から収集された波数において示されたラマンシフトでの典型的な何万もの生スペクトルカウント数を示す図。
【図３】  図２の上の線（非押圧）と図２の下の線（押圧）との間の差を示す図。この曲線の下方の面積は、調べられた指先の領域における組織変調による血液量の変化に比例している。
【図４】  図２に示す生データを採用し、１０１の点の隣接する点の平均の平滑化操作を実行し、生データから平滑化されたデータを減じ、その結果について７の点の隣接する点の平均の平滑化操作を実行することよって描かれた図。上の線（非押圧条件）は、表示された線の重なりを避けるために２０，０００カウント数だけ上方に移動されている。
【図５】  図４に示す２つの線間の差を示す図。この減算は、血液に帰因するラマン特徴を明らかにする。４９５波数と５６０波数との間の領域における曲線とゼロとの間の面積（矢印）は、血中グルコースの含有量に対応する値を得るために積分されている。図４に示す曲線の下方の面積に対するこの値の比（生じた正規化された積分された単位数）は、血中グルコースの濃度に比例している。
【図６】  ２人の糖尿病患者および１人の正常な生体に関して得られ、同じ生体から採取された血液から測定され、従来の方法によって分析された実際の血中グルコース濃度（単位mg/dlでの）に対してプロットされた、図１ないし４において用いた方法によって得られた、積分された正規化された単位数（血液量によって分けられたラマン信号）の直線適合を示す図。０．８９９７７の相関を表し、０．０００１未満のｐの値を有する、直線の回帰分析の結果が表示されている。
【図７】  図９ないし１３に示すデータを収集するのに用いられる装置の概略図。生体の指１０は、たとえば閃光、自由空間結合された８０５ｎｍのダイオードレーザまたはファイバ結合された８０５ｎｍのダイオードレーザのような光源１２下に、穴または透明な領域を有する金属板１４に接触して置かれ、穴の他端部に、電線１８によってオシロスコープ２０に結合されたレンズ付集光用ダイオード１６が配されている。
【図８】  図７に示す指１０を経た断面図で、金属板１４における穴２２に対して上方の指１０と、ダイオード取付台２４に配置されたレンズ付集光用ダイオード１６の角度とを示している。
【図９】  レンズ付集光用ダイオード１６を用いて測定され、秒における時間に関してミリボルトとしてプロットされた、図７、８に示す装置に置かれた生体の指を通過した光を示す図。図に示すように、心臓の鼓動の間において、より少ない血液が指先において押圧されたとき、より多くの光が通過する。同様に、鼓動の間においてより多くの血液が存在し光を吸収するとき、より少ない光が通る。
【図１０】  基板に対して指を押すことおよび指を押さないことの間で基板が変更されることを除いて、図９に示すと同様なデータを示す図。指が金属板に対して押されたとき、血液は指先から去り、より多くの光が通過する。同様に、指が非押圧で血液が充満であるとき、より少ない光が通過する。押圧および非押圧の状態の線間の差は、血液量を決定する別な方法を提供する。
【図１１】  データの収集の前に数秒間所定の位置で動くことを除いて、図９に示すと同様なデータを示す図。この活動は心拍数を増加させ、指を通過する光における変動に関する増加された心拍数の効果は、図８および９に示す検出された信号の源は、心臓の鼓動の関数として血液量における実際の変化であることを確認する。
【図１２】  止血体を用いて血液量が変調された指先から収集された約３８０から約２０００まで変化する波数でのスペクトルカウント数を示す図。止血体を用いないで検出されたカウント数から減じられた、所定位置に止血体を用いて検出されたカウント数が示されている。注目するに、負の方向に向くピークである。
【図１３】  レンズ付集光用ダイオードを用いて測定され、秒における時間に関してミリボルトとしてプロットされた、生体の指を通過した光を示す図。上の線は、所定の位置に止血体を用いて行った測定を示し、下の線は、止血体を用いずに行った測定を示している。
【符号の説明】
１０  指
１２  光源
１４  金属板
１６  レンズ付集光用ダイオード
１８  電線
２０  オシロスコープ
２２  穴
２４  ダイオード取付台
【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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