(57)【要約】  被測定者の鼓膜の厚さの影響を考慮して、鼓膜から放射される赤外光に基づいて生体成分の濃度を測定する装置を提供する。  生体成分濃度の測定装置は、鼓膜から放射された赤外光を検出する検出部と、鼓膜の厚さに関連する厚さ情報を取得する取得部と、検出された赤外光および取得された厚さ情報に基づいて、生体成分の濃度を算出する演算部とを備えている。鼓膜から放射される赤外光には被測定者の鼓膜の厚さの影響が含まれているため、検出された赤外光のみならず鼓膜の厚さ情報に基づいて生体成分の濃度を算出することにより、生体成分濃度の高精度な測定が可能になる。
2007105588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鼓膜から放射された赤外光を検出する検出部と、
前記鼓膜の厚さに関連する厚さ情報を取得する取得部と、
検出された前記赤外光および取得された前記厚さ情報に基づいて、生体成分の濃度を算出する演算部と
を備えた、生体成分濃度の測定装置。
【請求項２】
前記検出部は、
前記生体成分によって吸収される赤外光の波長を含む波長帯域Ａ１の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ１を出力し、
１１マイクロメートル以上の波長帯域から選択された波長帯域Ｂの赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ｂを出力し、
４．５から５．８マイクロメートルの波長帯域から選択された波長帯域Ｃの赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ｃを出力し、
前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、ＢおよびＣに基づいて、前記生体成分の濃度を算出する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記生体成分による吸収が前記波長帯域Ａ１の赤外光よりも少ない波長帯域Ａ２の赤外光であって、前記生体成分とは異なる生体成分によって吸収される波長帯域Ａ２の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ２を出力し、
前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、Ａ２、ＢおよびＣの各々に基づいて、前記生体成分の濃度を算出する、請求項２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値、前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値および前記波長帯域Ｃに関する前記検出部の信号値と、前記生体成分の濃度との相関を示す濃度相関データを記憶する記憶部をさらに備え、
前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、ＢおよびＣに基づいて前記相関データを参照して、前記生体成分の濃度を算出する、請求項２に記載の測定装置。
【請求項５】
前記記憶部は、
前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値と温度との相関を示す温度相関データ、および、温度および前記波長帯域Ｃに関する前記検出部の信号値と前記鼓膜の厚さとの相関を示す厚さ相関データをさらに記憶しており、
前記取得部は、前記検出部から出力された信号Ｂに基づいて前記温度相関データを参照して温度を特定し、さらに、特定された温度および前記検出部から出力された信号Ｃに基づいて前記厚さ相関データを参照して前記厚さ情報を取得する、請求項４に記載の測定装置。
【請求項６】
前記演算部は、特定された前記温度、取得された前記厚さ情報および前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値に基づいて前記濃度相関データを参照し、前記生体成分の濃度を算出する、請求項５に記載の測定装置。
【請求項７】
前記鼓膜と前記検出器との間の光路上に設けられた少なくとも３つの光学素子であって、前記波長帯域Ａ１の波長の赤外光を透過させる光学素子、前記波長帯域Ｂの波長の赤外光を透過させる光学素子、および、前記波長帯域Ｃの波長の赤外光を透過させる光学素子をさらに備えた、請求項２に記載の測定装置。
【請求項８】
光を放射する光源と、
前記光源から放射され、前記鼓膜で反射された前記光を集光するレンズと、
前記レンズを移動させるアクチュエータと、
空間フィルタと、
前記レンズにより集光された前記光のうち、前記空間フィルタを透過した光を検出して、その強度に応じた信号を出力する光検出器と
をさらに備え、前記取得部は、前記レンズを移動させながら前記光検出器から出力される信号を測定し、前記光検出器の出力信号が第１の極大値を示すときの前記レンズの第１の位置から、前記光検出器の出力信号が第２の極大値を示すときの前記レンズの第２の位置まで移動するときの前記レンズの移動量を、前記厚さ情報として算出する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項９】
光を放射する光源と、
前記光を前記鼓膜に集束させる光学系と、
前記鼓膜において反射した前記光を検出する光検出器と
をさらに備え、
前記取得部は、前記光源からの光が前記鼓膜の第１面に合焦したときの前記光学系の第１設定値と、前記光源からの光が前記鼓膜の第２面に合焦したときの前記光学系の第２設定値とに基づいて、前記厚さ情報を算出する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項１０】
前記光源は、４００〜４２０ｎｍの範囲の波長の光を放射するレーザ光源である、請求項８記載の測定装置。
【請求項１１】
前記検出部は、
前記生体成分によって吸収される赤外光の波長を含む波長帯域Ａ１の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ１を出力し、
１１マイクロメートル以上の波長帯域Ｂを受けて、その強度に応じた信号Ｂを出力し、
前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１およびＢに基づいて、前記生体成分の濃度を算出する、請求項８に記載の測定装置。
【請求項１２】
前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値および前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値と、前記厚さ情報と、前記生体成分の濃度との相関を示す相関データを記憶する記憶部をさらに備え、
前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１およびＢと前記厚さ情報とに基づいて前記相関データを参照し、前記生体成分の濃度を算出する、請求項１１に記載の測定装置。
【請求項１３】
前記鼓膜から放射される赤外光の強度を増加させるための赤外光源をさらに備え、
前記検出部は、受けた赤外光の強度に応じた信号を出力する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項１４】
前記取得部は、ネットワークを介して前記厚さ情報を取得する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項１５】
前記取得部は、着脱可能な記録媒体を介して前記厚さ情報を取得する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項１６】
算出された前記生体成分の濃度の情報を出力する出力部をさらに備えた、請求項１に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体からの赤外放射光を用いて生体情報を非侵襲的に測定する生体成分濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の生体成分濃度測定装置として、生体、特に鼓膜からの赤外放射光を用いて血糖値を非侵襲的に測定するものが提案されている。例えば、特許文献１には、熱として鼓膜から自然に発せられる赤外線における人体組織に特徴的な放射スペクトル線を非侵襲的に測定することにより血糖値を決定する装置が開示されている。【０００３】
しかし、プランクの輻射法則によれば、物体から熱放射により放出される赤外放射光の強度は、赤外光を放射する物体の温度によって変化する。鼓膜の温度は体温により変化するため、鼓膜の温度は、個人毎や測定毎に変化するおそれがある。この鼓膜の温度の影響により、鼓膜からの赤外放射光を用いた血糖値測定にばらつきが生じるという問題があった。【０００４】
そこで、鼓膜からの赤外放射光を用いて血糖値を非侵襲的に測定する装置において、鼓膜からの赤外放射光に含まれる鼓膜の温度の影響を補正することが提案されている。例えば、特許文献２では、耳孔内の温度を測定して、測定された放射スペクトル線に含まれる温度の影響を補正する技術が開示されている。具体的には、８マイクロメートルから１４マイクロメートルまでの広い波長範囲における赤外線放射の強度を測定することにより、耳の温度が測定されている。
【特許文献１】米国特許第５６６６９５６号明細書および図面
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／００４３６３０号明細書および図面
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明者は、鼓膜から放射される赤外光の強度が鼓膜の温度だけでなく、鼓膜の厚さにも影響されるという知見を得た。この知見によれば、鼓膜の温度のみならずその厚さをも考慮しなければ、赤外光の強度に基づいて正確な生体成分の濃度（たとえば血糖値）を求めることができない。【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載の装置では、鼓膜から放射される赤外光に含まれる鼓膜の厚さの影響が考慮されておらず、結果として得られた生体成分の濃度の精度は高いとはいえなかった。【０００７】
本発明は、上述の従来の問題点に鑑み、鼓膜から放射される赤外光に含まれる鼓膜の厚さの影響を補正することにより、生体成分濃度を高精度に測定することができる生体成分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】
【０００８】
本発明による生体成分濃度の測定装置は、鼓膜から放射された赤外光を検出する検出部と、前記鼓膜の厚さに関連する厚さ情報を取得する取得部と、検出された前記赤外光および取得された前記厚さ情報に基づいて、生体成分の濃度を算出する演算部とを備えている。【０００９】
前記検出部は、前記生体成分によって吸収される赤外光の波長を含む波長帯域Ａ１の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ１を出力し、１１マイクロメートル以上の波長帯域から選択された波長帯域Ｂの赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ｂを出力し、４．５から５．８マイクロメートルの波長帯域から選択された波長帯域Ｃの赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ｃを出力し、前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、ＢおよびＣに基づいて、前記生体成分の濃度を算出してもよい。【００１０】
前記検出部は、前記生体成分による吸収が前記波長帯域Ａ１の赤外光よりも少ない波長帯域Ａ２の赤外光であって、前記生体成分とは異なる生体成分によって吸収される波長帯域Ａ２の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ２を出力し、前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、Ａ２、ＢおよびＣの各々に基づいて、前記生体成分の濃度を算出してもよい。【００１１】
前記測定装置は、前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値、前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値および前記波長帯域Ｃに関する前記検出部の信号値と、前記生体成分の濃度との相関を示す濃度相関データを記憶する記憶部をさらに備え、前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、ＢおよびＣに基づいて前記相関データを参照して、前記生体成分の濃度を算出してもよい。【００１２】
前記記憶部は、前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値と温度との相関を示す温度相関データ、および、温度および前記波長帯域Ｃに関する前記検出部の信号値と前記鼓膜の厚さとの相関を示す厚さ相関データをさらに記憶しており、前記取得部は、前記検出部から出力された信号Ｂに基づいて前記温度相関データを参照して温度を特定し、さらに、特定された温度および前記検出部から出力された信号Ｃに基づいて前記厚さ相関データを参照して前記厚さ情報を取得してもよい。【００１３】
前記演算部は、特定された前記温度、取得された前記厚さ情報および前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値に基づいて前記濃度相関データを参照し、前記生体成分の濃度を算出してもよい。【００１４】
前記測定装置は、前記鼓膜と前記検出器との間の光路上に設けられた少なくとも３つの光学素子であって、前記波長帯域Ａ１の波長の赤外光を透過させる光学素子、前記波長帯域Ｂの波長の赤外光を透過させる光学素子、および、前記波長帯域Ｃの波長の赤外光を透過させる光学素子をさらに備えていてもよい。【００１５】
前記測定装置は、光を放射する光源と、前記光源から放射され、前記鼓膜で反射された前記光を集光するレンズと、前記レンズを移動させるアクチュエータと、空間フィルタと、前記レンズにより集光された前記光のうち、前記空間フィルタを透過した光を検出して、その強度に応じた信号を出力する光検出器とをさらに備え、前記取得部は、前記レンズを移動させながら前記光検出器から出力される信号を測定し、前記光検出器の出力信号が第１の極大値を示すときの前記レンズの第１の位置から、前記光検出器の出力信号が第２の極大値を示すときの前記レンズの第２の位置まで移動するときの前記レンズの移動量を、前記厚さ情報として算出してもよい。【００１６】
前記測定装置は、光を放射する光源と、前記光を前記鼓膜に集束させる光学系と、前記鼓膜において反射した前記光を検出する光検出器とをさらに備え、前記取得部は、前記光源からの光が前記鼓膜の第１面に合焦したときの前記光学系の第１設定値と、前記光源からの光が前記鼓膜の第２面に合焦したときの前記光学系の第２設定値とに基づいて、前記厚さ情報を算出してもよい。【００１７】
前記光源は、４００〜４２０ｎｍの範囲の波長の光を放射するレーザ光源であってもよい。【００１８】
前記検出部は、前記生体成分によって吸収される赤外光の波長を含む波長帯域Ａ１の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ１を出力し、１１マイクロメートル以上の波長帯域Ｂを受けて、その強度に応じた信号Ｂを出力し、前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１およびＢに基づいて、前記生体成分の濃度を算出してもよい。【００１９】
前記測定装置は、前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値および前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値と、前記厚さ情報と、前記生体成分の濃度との相関を示す相関データを記憶する記憶部をさらに備え、前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１およびＢと前記厚さ情報とに基づいて前記相関データを参照し、前記生体成分の濃度を算出してもよい。【００２０】
前記測定装置は、前記鼓膜から放射される赤外光の強度を増加させるための赤外光源をさらに備え、前記検出部は、受けた赤外光の強度に応じた信号を出力してもよい。【００２１】
前記取得部は、ネットワークを介して前記厚さ情報を取得してもよい。【００２２】
前記取得部は、着脱可能な記録媒体を介して前記厚さ情報を取得してもよい。【００２３】
前記測定装置は、算出された前記生体成分の濃度の情報を出力する出力部をさらに備えていてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の生体成分濃度測定装置によれば、鼓膜から放射される赤外光と、鼓膜の厚さに関連する厚さ情報とを利用して生体成分の濃度を算出する。厚さ情報は鼓膜の厚さを反映しており、その厚さを考慮して鼓膜から放射される赤外光の強度に基づいて生体成分の濃度を測定する。これにより、生体成分の濃度を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による生体成分濃度測定装置１０の機能ブロックの構成を示す図である。
【図２】実施形態１による測定装置１００の外観を示す斜視図である。
【図３】測定装置１００のハードウェア構成を示す図である。
【図４】実施形態１による光学フィルタホイール１０６を示す斜視図である。
【図５】黒体における分光放射輝度の計算結果のグラフを示す図である。
【図６】グルコース水溶液から放射される赤外光の分光放射輝度とグルコース水溶液の厚さとの関係の計算結果、及び血清吸収スペクトルの各グラフを示す図である。
【図７】実施形態１による測定装置１００を用いて、測定された赤外光強度に含まれる鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する手順を示すフローチャートである。
【図８】グルコース水溶液から放射され第３の光学フィルタを透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度の関係の計算結果のグラフを示す図である。
【図９】グルコース水溶液から放射され第４の光学フィルタを透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度及び厚さとの関係の計算結果のグラフを示す図である。
【図１０】グルコース水溶液から放射され第１の光学フィルタを透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の濃度、温度及び厚さとの関係の計算結果のグラフを示す図である。
【図１１】実施形態２による生体成分濃度測定装置３００のハードウェア構成を示す図である。
【図１２】実施形態２による光学フィルタホイール３０６を示す斜視図である。
【図１３】実施形態２による測定装置３００を用いて、測定された赤外光強度に含まれる鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する手順を示すフローチャートである。
【図１４】実施形態３による生体成分濃度測定装置４００の外観を示す斜視図である。
【図１５】実施形態３による測定装置４００のハードウェア構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０、１００、３００、４００  生体成分濃度測定装置
１１  赤外光検出部
１２  取得部
１３  演算部
１４  出力部
１５  メモリカード
１６  ネットワーク
１７  病院
１０１    電源スイッチ
１０２、３０２    本体
１０３    測定開始スイッチ
１０４    導波管
１０６、３０６    光学フィルタホイール
１０８    赤外線検出器
１１０    マイクロコンピュータ
１１２    メモリ
１１４    ディスプレイ
１１６    電源
１１８    チョッパー
１２１    第１の光学フィルタ
１２２    第２の光学フィルタ
１２３    第３の光学フィルタ
１２４    第４の光学フィルタ
１２５    シャフト
１２６    検出領域
１２７    リング
１３０    前置増幅器
１３２    帯域フィルタ
１３４    同期復調器
１３６    ローパスフィルタ
１３８    Ａ／Ｄコンバータ
１４２    第１のハーフミラー
１４４    第２のハーフミラー
１５６    タイマー
１５８    ブザー
２００    耳孔
２０２    鼓膜
２０４    外耳道
３１０    光源
３１２    第１の集光レンズ
３１４    第２の集光レンズ
３１６    アクチュエータ
３１８    空間フィルタ
３２０    光検出器
３２２    レンズ枠
７００    赤外光源
７０２    ハーフミラー
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
生体から放射される赤外光を測定することにより、例えば血糖値などの生体成分濃度の情報を得ることができる。以下では、まずその原理を説明し、その原理に基づいて動作する本発明による生体成分濃度測定装置の機能的な構成を説明する。その後、本発明による生体成分濃度測定装置の第１〜第３の実施形態を説明する。【００２８】
生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーＷは以下の数式で表される。
【数１】
2007105588.tif 000003
【数２】
2007105588.tif 000004
Ｗ：生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギー、
ε（λ）：波長λにおける生体の放射率、
Ｗ0（λ、Ｔ）：波長λ、温度Ｔにおける熱放射の黒体放射強度密度、
ｈ：プランク定数（ｈ＝６．６２５×１０-34（Ｗ・Ｓ2））、
ｃ：光速（ｃ＝２．９９８×１０10（ｃｍ／ｓ））、
λ1、λ2：生体からの熱放射により放射される赤外放射光の波長（μｍ）、
Ｔ：生体の温度（Ｋ）、
Ｓ：検出面積（ｃｍ2）
ｋ：ボルツマン定数【００２９】
（数１）によれば、検出面積Ｓが一定の場合、生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーＷは波長λにおける生体の放射率ε（λ）に依存する。放射におけるキルヒホッフの法則から、同じ温度、波長における放射率と吸収率は等しい。
【数３】
2007105588.tif 000005
α（λ）：波長λにおける生体の吸収率【００３０】
したがって、放射率を考える際には、吸収率を考えればよいことがわかる。エネルギー保存則から、吸収率、透過率及び反射率には、以下の関係が成り立つ。
【数４】
2007105588.tif 000006
ｒ（λ）：波長λにおける生体の反射率
ｔ（λ）：波長λにおける生体の透過率【００３１】
したがって、放射率は、透過率及び反射率を用いて以下の数式で表される。
【数５】
2007105588.tif 000007
【００３２】
透過率は、入射光量と測定対象物体を透過してきたときの透過光量の比で表される。入射光量と測定対象物体を透過してきたときの透過光量は、ランベルト−ベールの法則で示される。
【数６】
2007105588.tif 000008
Ｉt：透過光量、
Ｉ0：入射光量、
ｄ：生体の厚さ、
ｋ（λ）：波長λにおける生体の消衰係数
生体の消衰係数は、生体による光の吸収を表す。【００３３】
したがって、透過率は以下の数式で表される。
【数７】
2007105588.tif 000009
【００３４】
次に反射率について説明する。反射率は、全方向に対する平均反射率を算出する必要があるが、ここでは、簡単のため、垂直入射に対する反射率で考える。垂直入射に対する反射率は、空気の屈折率を１として、以下の数式で表される。
【数８】
2007105588.tif 000010
ｎ（λ）：波長λにおける生体の屈折率【００３５】
以上から、放射率は以下の数式で表される。
【数９】
2007105588.tif 000011
【００３６】
生体中の成分の濃度が変化すると、生体の屈折率及び消衰係数が変化する。反射率は、通常、赤外領域において約０．０３程度と小さく、かつ（数８）から理解されるように、屈折率及び消衰係数にはあまり依存しない。したがって、生体中の成分の濃度の変化によって屈折率及び消衰係数が変化しても、反射率の変化は小さい。【００３７】
一方、透過率は、（数７）に示されるように、消衰係数に大きく依存する。したがって、生体中の成分の濃度の変化により生体の消衰係数、すなわち生体による光の吸収の度合いが変化すると、透過率が変化する。【００３８】
したがって、生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーは、生体中の成分の濃度に依存することがわかる。生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギー強度から生体中の成分の濃度を求めることができる。【００３９】
（数７）によれば、透過率は生体の厚さに依存する。生体の厚さが薄いほど、生体の消衰係数の変化に対する透過率の変化の度合いが大きくなるため、生体中の成分の濃度変化を検出しやすくなる。【００４０】
鼓膜は、厚さが約６０〜１００μｍと薄いため、赤外放射光を用いた生体中の成分の濃度測定に適している。【００４１】
透過率は生体の厚さに依存するため、生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーは生体の厚さによる影響を受ける。したがって、鼓膜からの熱放射により放射される赤外放射光を用いて生体中の成分の濃度を測定する場合、検出された鼓膜からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーを、鼓膜の厚さにより補正し、補正後の放射エネルギー強度を生体中の成分の濃度に換算することにより、測定の精度を向上させることができる。【００４２】
また、（数１）及び（数２）によれば、熱放射の黒体放射強度密度は生体の温度に依存するため、生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーは生体の温度による影響を受ける。したがって、鼓膜からの赤外放射光を用いて生体中の成分の濃度を測定する場合、検出された鼓膜からの赤外放射光の放射エネルギーを、鼓膜の温度により補正し、補正後の放射エネルギー強度を生体中の成分の濃度に換算することにより、測定の精度を向上させることができる。【００４３】
次に図１を参照しながら、上述の原理に基づく本発明の生体成分濃度測定装置の機能的構成を説明する。【００４４】
図１は、本発明による生体成分濃度測定装置１０の機能ブロックの構成を示す。測定装置１０は、赤外光検出部１１、取得部１２、演算部１３、及び、出力部１４を有する。【００４５】
生体成分濃度測定装置１０（以下「測定装置１０」と記述する。）は、鼓膜２０２から放射された赤外光を検出するとともに、鼓膜２０２の厚さｄを反映する情報（鼓膜厚さ情報）を取得して、それらに基づいて生体成分の濃度を算出する。そして、算出した生体成分の濃度の情報をディスプレイに出力し、メモリカードに記録し、および／または、ネットワークに接続された病院等に送信する。ここでいう「生体成分の濃度」とは、たとえばグルコース濃度（血糖値）、ヘモグロビン濃度、コレステロール濃度、中性脂肪濃度の少なくともひとつである。【００４６】
各構成要素の機能は以下のとおりである。【００４７】
赤外光検出部１１は、鼓膜２０２から放射された赤外光を受けて、所定の帯域の赤外光を検出する。【００４８】
取得部１２は、鼓膜２０２の厚さｄに応じた鼓膜厚さ情報を取得する。たとえば鼓膜２０２から放射される赤外光に基づく測定およびレーザ光を用いた測定である。これらは、後述の実施形態１〜３において詳述する。【００４９】
被測定者の鼓膜２０２の厚さが既に測定され、鼓膜厚さ情報が測定装置１０の外部に保存されている場合には、取得部１２は外部からその鼓膜厚さ情報を取得できる。たとえば鼓膜厚さ情報が、測定装置１０に対して着脱可能なメモリカード１５に保存されている場合には、測定装置１０に装填されたメモリカード１５から鼓膜厚さ情報を読み出すことができる。また、鼓膜厚さ情報が病院１７等に保存されている場合には、ネットワーク１６を介して病院１７から鼓膜厚さ情報を取得することもできる。【００５０】
演算部１３は、赤外光検出部１１によって検出された赤外光と鼓膜厚さ情報とに基づいて、生体成分の濃度を算出する。演算部１３は、鼓膜の厚さを反映する鼓膜厚さ情報を利用して生体成分の濃度（たとえば血糖値）を求める。これにより、精度の高い結果を得ることができる。演算部１３の具体的な処理は、実施形態１〜３において詳述する。【００５１】
出力部１４は、演算部１３によって算出された生体成分の濃度を示す情報をディスプレイに出力し、メモリカード１５に記録し、および／または、ネットワーク１６に接続された病院１７等に送信する。なお、ディスプレイ上への表示に代えて、または表示とともに、生体成分の濃度を示す情報をスピーカから音声で出力してもよい。【００５２】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の測定装置１０の実施形態１〜３をそれぞれ説明する。【００５３】
（実施形態１）
図２は、本実施形態による生体成分濃度測定装置１００の外観を示す斜視図である。【００５４】
生体成分濃度測定装置１００（以下「測定装置１００」と記述する。）は、本体１０２と、本体１０２の側面に設けられた導波管１０４を備えている。本体１０２には、生体成分の濃度の測定結果を表示するためのディスプレイ１１４、測定装置１００の電源をＯＮ／ＯＦＦするための電源スイッチ１０１、及び測定を開始するための測定開始スイッチ１０３が設けられている。【００５５】
ディスプレイ１１４は液晶ディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）ディスプレイ等である。ディスプレイ１１４は図１に示す出力部１４に対応する。【００５６】
導波管は耳孔内に挿入され、鼓膜から放射された赤外光を測定装置１００内部へと導く機能を有している。導波管としては、赤外線を導くことのできるものであればよく、例えば、中空管や、赤外線を伝送する光ファイバ等を用いることができる。中空管を用いる場合、中空管の内表面に金の層を有することが好ましい。この金の層は、中空管の内面に金メッキを施したり、金を蒸着したりすることにより形成することができる。【００５７】
次に、図３および図４を参照しながら、測定装置１００の本体内部のハードウェアの構成を説明する。【００５８】
図３は、測定装置１００のハードウェア構成を示す図である。【００５９】
測定装置１００の本体内部には、チョッパー１１８、光学フィルタホイール１０６、赤外線検出器１０８、前置増幅器１３０、帯域フィルタ１３２、同期復調器１３４、ローパスフィルタ１３６、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１３８、マイクロコンピュータ１１０、メモリ１１２、ディスプレイ１１４、電源１１６、タイマー１５６、及びブザー１５８が備えられている。【００６０】
測定装置１００の上記構成要素のうち、特に、赤外線検出器１０８、前置増幅器１３０、帯域フィルタ１３２、同期復調器１３４、ローパスフィルタ１３６、Ａ／Ｄコンバータ１３８は、図１に示す測定装置１０の赤外光検出部１１として機能する。また、マイクロコンピュータ１１０およびメモリ１１２は、図１に示す取得部１２および演算部１３として機能する。そして出力部１４は、ディスプレイ１１４として機能する。【００６１】
測定装置１００は、鼓膜から放射された赤外光を赤外線検出器１０８によって検出する。本明細書において、「鼓膜から放射された赤外光」とは、鼓膜自身からの熱放射により鼓膜から放射された赤外光、及び、鼓膜に照射された赤外光が鼓膜において反射することにより鼓膜から放射された赤外光を含む。本実施形態による測定装置１００は、後述の実施形態３の測定装置とは異なり、赤外光を放射する光源を備えていない。したがって、本実施形態による赤外線検出器１０８は、鼓膜自身からの熱放射により放射された赤外光を検出する。【００６２】
赤外線検出器としては、赤外領域の波長の光を検出できるものであればよく、例えば、焦電センサ、サーモパイル、ボロメータ、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）検出器、ゴーレイセル等を用いることができる。【００６３】
ここで、マイクロコンピュータ１１０は、たとえばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の演算回路である。【００６４】
電源１１６は、測定装置１００内部の電気系統を動作させるためのＡＣまたはＤＣ電力を供給する。電源１１６として電池を用いることが好ましい。【００６５】
チョッパー１１８は、鼓膜２０２から放射され、導波管１０４により本体１０２内に導かれた赤外光をチョッピングして、赤外光を高周波数の赤外線信号に変換する。チョッパー１１８の動作は、マイクロコンピュータ１１０からの制御信号に基づき制御される。チョッパー１１８によりチョッピングされた赤外光は、光学フィルタホイール１０６に到達する。【００６６】
図４は、光学フィルタホイール１０６を示す斜視図である。光学フィルタホイール１０６は、第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４を有しており、これらがリング１２７にはめ込まれて構成されている。第１〜第４の光学フィルタ１２１〜１２４の各々は分光素子として機能する。各々がどのような波長帯域の赤外光を透過させるかについては後述する。【００６７】
図４に示す例では、いずれも扇状である第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４がリング１２７にはめ込まれることにより円盤状の部材が構成されており、その円盤状の部材の中央部にシャフト１２５が設けられている。このシャフト１２５を図４の矢印のように回転させることにより、チョッパー１１８によりチョッピングされた赤外光の通過する光学フィルタを、第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４の間で切り替えることができる。【００６８】
シャフト１２５の回転は、マイクロコンピュータ１１０によって制御される。マイクロコンピュータ１１０から出力された制御信号は、モータ（図示せず）に送られる。モータは制御信号に応じた回転数でシャフト１２５を回転させる。シャフト１２５の回転は、チョッパー１１８の回転と同期させ、チョッパー１１８が閉じている間にシャフト１２５を９０度回転させるように制御されることが好ましい。その理由は、次にチョッパー１１８が開いたときに、チョッパー１１８によりチョッピングされた赤外光の通過する光学フィルタを隣の光学フィルタに切り替えることができるためである。【００６９】
第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３または第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光は、検出領域１２６を備える赤外線検出器１０８に到達する。【００７０】
赤外線検出器１０８に到達した赤外光は、検出領域１２６に入射する。赤外線検出器１０８は、入射した赤外光を受けて、その強度に対応した電気信号に変換して出力する。【００７１】
赤外線検出器１０８から出力された電気信号は、前置増幅器１３０によって増幅される。増幅された電気信号は、帯域フィルタ１３２によって、チョッピング周波数を中心周波数とする周波数帯域以外の信号が取り除かれる。これにより、熱雑音等の統計的揺らぎに起因するノイズを最小化することができる。【００７２】
帯域フィルタ１３２によって濾過された電気信号は、同期復調器１３４によって、チョッパー１１８のチョッピング周波数と帯域フィルタ１３２によって濾過された電気信号を同期させ、積分することにより、ＤＣ信号に復調される。【００７３】
同期復調器１３４によって復調された電気信号は、ローパスフィルタ１３６によって高周波数帯域の信号が取り除かれる。これにより、さらにノイズを取り除くことができる。【００７４】
ローパスフィルタ１３６によって濾過された電気信号は、Ａ／Ｄコンバータ１３８によってデジタル信号に変換された後、マイクロコンピュータ１１０に入力される。ここで、各光学フィルタに対応する赤外検出器１０８からの電気信号は、シャフト１２５の制御信号をトリガーとして用いることで、どの光学フィルタを透過した赤外光に対応する電気信号であるのかを識別することができる。シャフト１２５の制御信号をマイクロコンピュータが出力してから、次のシャフト制御信号を出力するまでの間が、同じ光学フィルタに対応する電気信号となる。各光学フィルタに対応する電気信号を、それぞれメモリ１１２上で積算した後平均値を算出することにより、さらにノイズは低減されるため、測定の積算を行うことが好ましい。【００７５】
メモリ１１２には、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値、及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と生体成分の濃度との相関を示す濃度相関データが格納されている。濃度相関データは、例えば、既知の生体成分濃度（例えば、血糖値）を有する患者について赤外線検出器の出力信号を測定し、得られた赤外線検出器の出力信号と生体成分の濃度との相関を解析することにより取得することができる。【００７６】
マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２からこの濃度相関データを読み出し、この濃度相関データを参照して、メモリ１１２に蓄積されたデジタル信号から算出された単位時間当たりのデジタル信号を、生体成分の濃度に換算する。メモリ１１２は、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶部として機能する。【００７７】
マイクロコンピュータ１１０において換算された生体成分の濃度は、ディスプレイ１１４に出力され、表示される。【００７８】
次に、第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４の構成、並びに鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する方法について説明する。【００７９】
第１の光学フィルタ１２１は、例えば、測定対象である生体成分によって吸収される波長を含む波長帯域（以下、測定用波長帯域と略称する）の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する。【００８０】
一方、第２の光学フィルタ１２２は、第１の光学フィルタ１２１とは異なるスペクトル特性を有する。第２の光学フィルタ１２２は、例えば、測定対象である生体成分による吸収がなく、かつ対象成分の測定を妨害するような他の生体成分による吸収のある波長を含む波長帯域（以下、参照用波長帯域と略称する）の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する。ここで、このような他の生体成分としては、測定対象である生体成分以外で、生体中における成分量の多いものを選択すればよい。【００８１】
例えば、グルコースは、約９．６マイクロメートル付近に吸収ピークを有する赤外吸収スペクトルを示す。そこで、測定対象である生体成分がグルコースの場合には、第１の光学フィルタ１２１は９．６マイクロメートルを含む波長帯域（たとえば９．６±０．１マイクロメートル）の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有することが好ましい。【００８２】
一方、生体中に多く含まれるタンパク質は約８．５マイクロメートル付近の赤外光を吸収するが、グルコースはその付近の赤外光を吸収しない。そこで、第２の光学フィルタ１２２は８．５マイクロメートルを含む波長帯域（たとえば８．５±０．１マイクロメートル）の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有することが好ましい。【００８３】
第３の光学フィルタ１２３は、測定対象の生体成分によって吸収がなく、かつ鼓膜の厚さによる赤外光の強度の変化がない波長帯域を透過させるようなスペクトル特性を有する。第４の光学フィルタ１２４は、赤外光の強度の変化が鼓膜の厚さによって変化し、かつ測定対象の生体成分による吸収がほとんどない波長帯域の光を透過させるようなスペクトル特性を有する。【００８４】
ここで、図５および６を参照しながら、第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４の好ましいスペクトル特性を説明する。【００８５】
図５は、生体の温度が、摂氏３５度、摂氏３６度、摂氏３７度の場合における熱放射の黒体分光放射輝度の計算結果を示す。一方、図６は、血清の吸収スペクトルと、厚さの異なるグルコース水溶液から熱放射により放射される赤外光の分光放射輝度の計算結果とを示している。【００８６】
ここで、生体構成成分と血清中に含まれる成分とはよく似ていることが知られている。そこで、以下では生体構成成分の吸収スペクトルに代えて血清の吸収スペクトルを用いて説明する。なお、生体の組成は約７０％が水であり、放射特性を決める要因の大きな要因が水の影響であるため、生体の代わりにグルコース水溶液を用いて計算した。【００８７】
図５は、（数２）の生体の温度Ｔに３０８Ｋ（３５℃）、３０９Ｋ（３６℃）、または３１０Ｋ（３７℃）をそれぞれ代入して計算し、さらに円周率で除算することにより、単位を分光放射輝度に換算したグラフである。また、図６は、図５の３７℃のグラフと、（数９）より算出した放射率を用いて計算したグラフである。（数９）に代入する屈折率ｎおよび消衰係数ｋは、グルコース水溶液のものを用いた。生体の厚さｄは、人間の鼓膜の平均的な厚さである６０〜１００マイクロメートルの範囲として（数９）に代入し、計算した。【００８８】
図５によれば、生体の体温付近の温度では、黒体は、約４マイクロメートルから長い波長の赤外線を熱放射により放射し、約９〜１０マイクロメートルの波長で分光放射輝度が最大になっている。したがって、光学フィルタのスペクトル特性を決定するにあたり、少なくとも４マイクロメートル以上の波長を選択する必要がある。温度変化の影響については、どの波長も（数２）にしたがって、影響を受けることがわかる。【００８９】
図６には、Ａ、Ｂ、Ｃの各波長帯域が示されている。波長帯域Ａは、生体構成成分によって赤外光が変化する波長を含む。波長帯域Ｂは、生体構成成分によっても、測定対象の厚さによっても赤外光が変化しない波長を含む。波長帯域Ｃは、生体構成成分によって赤外光が変化せず、かつ測定対象の厚さによって赤外光が変化する波長を含む。（数３）から放射率と吸収率が等価であるため、放射光スペクトルは、血清の吸収スペクトルの変化に応じて変化する。【００９０】
上述の内容に図６中の波長帯域Ａの中から、適切な波長を選択することによって、測定対象成分の濃度を算出することができる。ところが、波長帯域Ａ中の放射光スペクトルは、測定対象の厚さによって変化するため、測定対象の厚さの影響を考慮して測定対象成分の濃度を算出することが好ましい。【００９１】
図６の波長帯域Ｂでは、生体構成成分、および測定対象の厚さによって放射光スペクトルが変化しない。したがって、波長帯域Ｂ中の赤外光強度の変化は、温度変化のみに対応するため、波長帯域Ｂ中の赤外光強度を測定することによって、温度の補正を行うことができる。図６の波長帯域Ｃは、生体構成成分によって赤外光強度は変化しないが、測定対象の厚さによって赤外光強度が変化する。したがって、測定対象の厚さの影響を補正するために波長帯域Ｃ中の波長を利用することができる。【００９２】
以上から、第３の光学フィルタ１２３のスペクトル特性は、図６の波長帯域Ｂから選択される波長の赤外光を透過させるスペクトル特性、第４の光学フィルタ１２４のスペクトル特性は、図６の波長帯域Ｃから選択される波長の赤外光を透過させるスペクトル特性を有していればよい。【００９３】
第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４は、できるだけ広い波長範囲の赤外光を透過させることが好ましい。赤外検出器１０８へ到達する赤外光のエネルギーを大きくすることにより、シグナル／ノイズ比を向上させるためである。例えば、第３の光学フィルタ１２３は、波長が約１１マイクロメートルより長い波長を透過させるカットオフ波長が約１１マイクロメートルのバンドパスフィルタ、第４の光学フィルタ１２４は、波長約４．５マイクロメートルから約５．８マイクロメートルの波長を透過させるバンドパスフィルタであることが好ましい。【００９４】
光学フィルタの作製方法としては、公知の技術を特に限定することなく利用できるが、例えば、真空蒸着法を用いることができる。光学フィルタは、Ｓｉ、ＧｅまたはＺｎＳｅを基板として、真空蒸着法やイオンスパッタ法を用いてＺｎＳ、ＭｇＦ2、ＰｂＴｅ、Ｇｅ、ＺｎＳｅ等を基板上に積層することにより作製することができる。【００９５】
ここで、基板上に積層する各層の膜厚、積層する順序、積層回数等を調節して、積層された薄膜内における光の干渉を制御することにより、所望の波長特性を持つ光学フィルタを作製することができる。例えば、第３の光学フィルタ１２３は、Ｇｅを基板として、ＰｂＴｅを約１８０ナノメートル、次にＺｎＳを約８００ナノメートル、ＰｂＴｅを約３４０ナノメートル蒸着し、このＺｎＳとＰｂＴｅとの組を１セットとして、この組を４セット繰り返して蒸着する。最後に、ＺｎＳを約１７００ナノメートル蒸着し、最終的に１０層蒸着することにより、約１１マイクロメートルより長い波長を透過させる光学フィルタを作製することができる。【００９６】
次に、図７を参照しながら、鼓膜の温度及び厚さの影響を含む赤外光の強度を補正する手順を説明する。図７は、本実施形態による測定装置１００を用いて、測定された赤外光強度に含まれる鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する手順を示すフローチャートである。【００９７】
まず、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光、第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光、第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光、及び第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光を、赤外線検出器１０８によって測定する（Ｓ１００）。各光学フィルタを透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値は、メモリ１１２に格納される（Ｓ１０２）。【００９８】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と鼓膜の温度との相関を示す温度相関データを読み出し、メモリ１１２に格納されている第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光の強度に対応する電気信号Ｂを用いて温度相関データを参照し、電気信号の信号値を鼓膜の温度に換算する（Ｓ１０４）。温度相関データの一例は図８に示されている。図８については後に説明する。【００９９】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている、第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と鼓膜の温度及び厚さとの相関を示す厚さ相関データを読み出し、ステップ１０４で求められた鼓膜の温度と、メモリ１１２に格納されている第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光の強度に対応する電気信号Ｃとを用いて厚さ相関データを参照し、鼓膜の厚さを算出する（Ｓ１０６）。厚さ相関データの一例は図９に示されている。図９については後に説明する。【０１００】
第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値、及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と生体成分の濃度との相関を示す濃度相関データとしては、鼓膜の温度と鼓膜の厚さの組合せに対応して、それぞれ異なる複数の相関データがメモリ１１２に格納されている。例えば、３水準の鼓膜の温度と５水準の鼓膜の厚さの組合せの場合、１５通りの互いに異なる相関データを格納していればよい。【０１０１】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている複数の相関データの中から、ステップ１０４において求められた鼓膜の温度と、ステップ１０６において求められた鼓膜の厚さの組合せに対応する濃度相関データを選んで読み出す（Ｓ１０８）。【０１０２】
最後に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号Ａ１及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号Ａ２を用いて、読み出された濃度相関データを参照し、電気信号の信号値を生体成分の濃度に換算する（Ｓ１１０）。濃度相関データの一例は図１０に示されている。図１０については後に説明する。【０１０３】
以下に、第１の光学フィルタ１２１が９．６±０．１マイクロメートルの波長の赤外光を透過させるフィルタ、第３の光学フィルタ１２３が１１〜１４マイクロメートルの波長の赤外光を透過させるフィルタ、第４の光学フィルタ１２４が４．８〜５．８マイクロメートルの波長の赤外光を透過させるフィルタを用い、鼓膜の代わりにグルコース水溶液を用い、測定対象である第１の生体成分がグルコースであり、その他の成分を含まない場合について、図８〜１０を用いて具体的に説明する。水溶液には測定対象である第１の生体成分以外の生体成分は含まれないため、以下の例では第２の光学フィルタ１２２は用いていない。【０１０４】
図８は、グルコース水溶液から熱放射により放射され第３の光学フィルタ１２３を透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度との関係の計算結果を示すグラフ、図９は、グルコース水溶液から熱放射により放射され第４の光学フィルタ１２４を透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度及び厚さとの関係の計算結果を示すグラフ、図１０は、グルコース水溶液から熱放射により放射され第１の光学フィルタを透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の濃度、温度及び厚さとの関係を示すグラフである。【０１０５】
図８に示される温度と放射輝度との関係が温度相関データとして規定される。図９に示される、複数の温度の各々に応じた鼓膜の厚さと放射輝度との関係が厚さ相関データとして規定される。そして、図１０に示される、複数の温度および鼓膜厚さの各々に応じた濃度と放射輝度との関係が温度相関データとして規定される。【０１０６】
理解の便宜のため、各図の横軸を温度、厚さ、濃度で表現し、縦軸を放射輝度で表現しているが、相関データとして実際にメモリ１１２に保持される際には各物理量に対応する電気信号値が保持されていればよい。このとき、メモリ１１２には、各図に表されるような関数形式で保持されてもよいし、各電気信号の信号値と生体成分濃度とが対応付けられたテーブル形式で保持されてもよい。【０１０７】
図８は、（数１）において、生体の温度として３０９Ｋ（３６℃）、３０９．５Ｋ（３６．５℃）、または３１０Ｋ（３７℃）を代入して計算し、さらに円周率で除算し、波長範囲１１〜１４．３マイクロメートルで積分して計算した。ただし、（数１）中のセンサ面積は乗算していない。【０１０８】
図９は、（数９）において、厚さｄを変化させて放射率を計算し、（数１）に代入し、かつ（数１）中の温度として３０９Ｋ（３６℃）、３０９．５Ｋ（３６．５℃）、または３１０Ｋ（３７℃）を代入して計算し、さらに円周率で除算し単位を放射輝度に変換した。（数１）中の積分は、４．８〜５．８マイクロメートルの波長範囲で積分を実施した。【０１０９】
図１０は、（数９）において、厚さｄとグルコース濃度に対応する屈折率、消衰係数を代入して放射率を計算し、（数１）に代入し、かつ（数１）中の温度として３０９Ｋ（３６℃）または３０９．５Ｋ（３６．５℃）を代入して計算し、さらに円周率で除算し単位を放射輝度に変換した。（数１）中の積分は、９．５〜９．７マイクロメートルの波長範囲で積分を実施した。【０１１０】
まず、第３の光学フィルタ１２３を透過する赤外光の放射輝度は、グルコース水溶液の厚さには依存せず、図８に示すように、温度に比例して変化する。赤外線検出器１０８の出力は、赤外線検出器１０８に入射する赤外光の放射輝度に比例して電圧を出力するため、赤外線検出器１０８が出力する電気信号は赤外線検出器１０８に入射する赤外光の放射輝度に比例する。したがって、図８に示す第３の光学フィルタ１２３を透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度との関係を参照することにより、第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光に対応する電気信号からグルコース水溶液の温度を求めることができる。【０１１１】
次に、図９に示すように、グルコース水溶液から熱放射により放射され、第４の光学フィルタ１２４を透過する赤外光の放射輝度は、グルコース水溶液の温度及び厚さに依存して変化する。したがって、図９に示す第４の光学フィルタ１２４を透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度及び厚さとの関係を参照することにより、図８から求めたグルコース水溶液の温度と、第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光に対応する電気信号とから、グルコース水溶液の厚さを求めることができる。【０１１２】
次に、図１０に示すように、グルコース水溶液から熱放射により放射され第１の光学フィルタを透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の濃度との関係は、グルコース水溶液の温度及び厚さ（図１０におけるｔ）の組合せに対応して変化する。図１０には、４つの異なるグルコース水溶液の温度及び厚さの組合せに対応して、４本のグラフが示されている。そこで、図８から求めたグルコース水溶液の温度と、図９から求めたグルコース水溶液の厚さとの組合せから、その組合せに対応するグラフを図１０の中から選択することができる。選択されたグラフを参照することにより、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光に対応する電気信号をグルコース濃度に換算することができる。【０１１３】
メモリ１１２に格納されている、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値及び第２の光学フィルタ３２４を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と生体成分の濃度との相関を示す濃度相関データは、例えば、以下の手順によって取得することができる。【０１１４】
まず、既知の生体成分濃度（例えば、血糖値）を有する患者について、鼓膜から熱放射により放射される赤外光を測定する。このとき、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号とを求める。この測定を、生体成分濃度、鼓膜の温度、及び鼓膜の厚さが異なり複数の患者について行うことにより、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度、鼓膜の温度、及び鼓膜の厚さとからなるデータの組を得ることができる。【０１１５】
次に、このようにして取得したデータの組を解析して濃度相関データを求める。例えば、まず、鼓膜の温度及び鼓膜の厚さについて、それぞれ複数の段階からなる水準を設定し、鼓膜の温度の水準及び鼓膜の厚さの水準ごとに同じ水準に属するデータの組を分類しておく。例えば、鼓膜の温度について３つの水準を設定し、鼓膜の厚さについて５つの水準を設定する場合、データの組を１５のグループに分類することになる。次に、グループごとに、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度とについて、ＰＬＳ（Ｐａｒｔｉａｌ  Ｌｅａｓｔ  Ｓｑｕａｒｅｓ  Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ）法などの重回帰分析法やニューラルネットワーク法などを用いて多変量解析を行う。これにより、グループごとに、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度との相関を示す関数を求めることができる。【０１１６】
また、第１の光学フィルタ１２１が測定用波長帯域の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有し、第２の光学フィルタ１２２が参照用波長帯域の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する場合、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と、第１の光学フィルタ３２４が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号の信号値との差を求め、その差とそれに対応する生体成分濃度との相関を、濃度相関データとして求めてもよい。例えば、最小二乗法等の直線回帰分析を行うことにより求めることができる。【０１１７】
これまでは、第３の光学フィルタおよび第４の光学フィルタを利用して鼓膜の温度および厚さを測定し、さらに第１の光学フィルタおよび第２の光学フィルタを利用して生体成分の濃度を測定する方法を説明したが、他の方法を採用してもよい。例えば、第１〜第４の光学フィルタがそれぞれ透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度との相関を示す関数を予め求めておく。そして得られた各電気信号の信号値をその関数に代入することにより、生体成分濃度を求めてもよい。なお、「関数」ではなく、各電気信号の信号値と生体成分濃度とが対応付けられたテーブル形式の相関データであってもよい。上記構成を採用する場合には、メモリ１１２に、上述の関数またはテーブルを格納しておけばよい。【０１１８】
このような関数または相関データは、例えば、各光学フィルタが透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と、これらに対応する生体成分濃度のデータの組をＰＬＳ法などの重回帰分析法や、ニューラルネットワーク法などを用いて多変量解析を行うことにより求めることができる。【０１１９】
次に、測定装置１００の動作について説明する。以下では、測定装置１００の使用者が、自らの生体成分の濃度を計測するとして説明する。後述する実施形態２および３においても同様とする。【０１２０】
まず、使用者が図２に示す測定装置１００の電源スイッチ１０１を押すと、本体１０２内の電源がＯＮとなり、測定装置１００は測定準備状態となる。【０１２１】
次に、使用者が本体１０２を持って、導波管１０４を耳孔２００内に挿入する。導波管１０４は、導波管１０４の先端部分から本体１０２との接続部分に向かって径が太くなるような円錐形状の中空管であるため、導波管１０４の外径が耳孔２００の内径と等しくなる位置よりも奥へは導波管１０４が挿入されない構造になっている。【０１２２】
次に、導波管１０４の外径が耳孔２００の内径と等しくなる位置で測定装置１００を保持した状態で、使用者が測定装置１００の測定開始スイッチ１０３を押すと、測定が開始される。【０１２３】
マイクロコンピュータ１１０は、タイマー１５６からの計時信号により、測定開始から一定時間経過したと判断すると、チョッパー１１８を制御して、光学フィルタホイール１０６に到達する赤外光を遮断する。これにより、自動的に測定が終了する。このとき、マイクロコンピュータ１１０はディスプレイ１１４やブザー１５８を制御して、測定が終了した旨のメッセージをディスプレイ１１４に表示したり、ブザー１５８を鳴らしたり、スピーカー（図示せず）から音声で出力したりすることにより、使用者に測定が終了したことを通知する。これにより使用者は測定が終了したことを確認することができるため、導波管１０４を耳孔２００の外に取り出す。【０１２４】
マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、Ａ／Ｄコンバータ１３８から出力された電気信号を光学フィルタ毎に識別し、それぞれの光学フィルタに対応する電気信号の平均値を算出する。【０１２５】
さらに、マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、第３の光学フィルタ１２４に対応する電気信号から鼓膜の温度を求め、第４の光学フィルタ１２４に対応する電気信号から鼓膜の厚さを求める。【０１２６】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２から、求められた鼓膜の温度と厚さの組合せに対応する濃度相関データを読み出し、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号を用いて濃度相関データを参照し、生体成分の濃度に換算する。求められた生体成分の濃度は、ディスプレイ１１４に表示される。【０１２７】
以上のように、本実施形態に係る測定装置１００によると、第３、第４の光学フィルタ１２４に対応する電気信号を用いて、鼓膜の温度及び厚さの影響を補正することにより、それらの影響を取り除くことができるため、測定精度を向上させることができる。【０１２８】
（実施形態２）
図１１および図１２を参照しながら、本実施形態による生体成分濃度測定装置の構成を説明する。【０１２９】
図１１は、本実施形態による生体成分濃度測定装置３００（以下「測定装置３００」と記述する。）のハードウェア構成を示す。また図１２は、測定装置３００における光学フィルタホイール３０６を示す斜視図である。【０１３０】
測定装置３００が実施形態１に係る測定装置１００と比較して異なる点は、測定装置３００が、レーザ光を用いて鼓膜の厚さを測定する機能を有することにある。その機能を実現するために、測定装置３００の本体内部には、光源３１０、第１の集光レンズ３１２、第２の集光レンズ３１４、アクチュエータ３１６、空間フィルタ３１８、光検出器３２０、第１のハーフミラー１４２、及び第２のハーフミラー１４４が設けられている。実施形態１の測定装置１００のように鼓膜からの赤外放射を利用して鼓膜の厚さを測定する必要はないため、本実施形態による光学フィルタホイール３０６（図１２）には実施形態１の第４の光学フィルタに対応するフィルタは設けられていない。【０１３１】
ここで、光源３１０、第１の集光レンズ３１２、第２の集光レンズ３１４、アクチュエータ３１６、空間フィルタ３１８、及び光検出器３２０は、図１に示す取得部１２として機能する。その他の構成は、実施形態１に係る測定装置１００と同じであるため説明を省略する。【０１３２】
光源３１０は、鼓膜２０２を照明するための可視光を出射する。【０１３３】
光源３１０は、例えば、青色レーザ、赤色レーザ等のレーザや、ＬＥＤ等の可視光光源である。レンズの焦点深度を小さくするという観点からは、波長の短い光を出射する光源が好ましい。また、色収差の発生を防ぐため、レーザ光源が好ましい。光源３１０として、４００〜４２０ｎｍの範囲内の波長の光を出射する青色レーザを用いると、両方の特性を満たすためさらに好ましい。【０１３４】
光源３１０から出射され、第１のハーフミラー１４２により反射され、第１の集光レンズ３１２により集光された可視光は、第２のハーフミラー１４４により反射された後、導波管１０４を通って外耳道２０４内に導かれ、鼓膜２０２を照明する。【０１３５】
第１のハーフミラー１４２は、可視光の一部を反射し、残りを透過させる機能を有する。【０１３６】
第２のハーフミラー１４４は、可視光を反射して、赤外光を透過する。第２のハーフミラー１４４の材料としては、赤外線を吸収せず、透過し、可視光を反射する材料が好ましい。第２のハーフミラー１４４の材質としては、例えば、ＺｎＳｅ、ＣａＦ2、Ｓｉ、Ｇｅ等を用いることができる。さらには、赤外線の透過効率を向上させる目的で、第２のハーフミラーの両面に、反射防止膜が形成されていることが好ましい。【０１３７】
一方、鼓膜２０２から外耳道２０４を通って導波管１０４内に入射した可視光は、第２のハーフミラー１４４により反射され、第１の集光レンズ３１２を透過した後、一部は第１のハーフミラー１４２を透過する。第１のハーフミラー１４２を透過した可視光は、第２の集光レンズ３１４により集光され、空間フィルタ３１８に到達する。第２の集光レンズ３１４により集光された可視光のうち、空間フィルタ３１８を透過した可視光は光検出器３２０に到達する。【０１３８】
ここで、空間フィルタ３１８は、アルミニウム、鉄等の可視光を透過しない材料から構成される薄い板材に、１００μｍ程度の穴が設けられた構成を有している。【０１３９】
第１の集光レンズ３１２の位置が鼓膜２０２の外耳道２０４側の表面または中耳側の表面（裏面）に合焦している際には、第２の集光レンズ３１４により集光された可視光は、空間フィルタ３１８に設けられた穴の位置に合焦するため、空間フィルタ３１８を通過することができる。このとき、光検出器３２０の出力は極大値を示す。一方、第１の集光レンズ３１２の位置が鼓膜２０２の表面または裏面に合焦していないときは、第２の集光レンズ３１４により集光された可視光は、空間フィルタ３１８に設けられた穴上に合焦しないため、空間フィルタ３１８を通過することができない。このとき、光検出器３２０の出力は小さくなる。【０１４０】
第１の集光レンズ３１２及び第２の集光レンズ３１４としては、公知のレンズを利用することができる。この中で、第１のレンズ３１２としては、焦点深度を小さくするという観点から開口数の大きいものが好ましい。【０１４１】
光検出器３２０としては、光源から出射される光と同じ波長の光を検出できるものであれば、特に限定することなく公知技術を適用することができる。例えば、フォトダイオードや、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の画像素子が挙げられる。この中で、光検出器３２０とし３２０として、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の画像素子を用いると、鼓膜を撮像しながら測定することができる。【０１４２】
測定装置３００は、レンズ枠３２２に保持された第１の集光レンズ３１２を駆動し、光検出器３２０上に正しく集光させるための機構を備える。【０１４３】
アクチュエータ３１６は、マイクロコンピュータ１１０からの制御信号によって駆動され、第１の集光レンズ３１２を光軸の方向（図１１中の矢印の方向）に移動させることができる。このとき、第１の集光レンズ３１２の位置を位置センサ（図示せず）が検出し、マイクロコンピュータ１１０に出力する。【０１４４】
一方、マイクロコンピュータ１１０は、光検出器３２０の出力信号の強度と位置センサの出力を検出することにより、鼓膜２０２上で合焦位置を検出する。マイクロコンピュータ１１０は、光検出器３２０の出力信号が最大となる位置に第１の集光レンズ３１２が移動するように、アクチュエータ３１６を制御する。【０１４５】
このようにして、鼓膜２０２までの距離が変化しても、光検出器３２０上に鼓膜２０２において反射した可視光を正しく集光させることができる。【０１４６】
アクチュエータ３１６及び位置センサとしては、公知のビデオカメラやデジタルスチルカメラに搭載されているオートフォーカス装置において用いられているものと同様のものを用いることができる。【０１４７】
例えば、アクチュエータ３１６としては、レンズ枠３２２に設けたコイルと、本体３０２側に固定されたヨーク、及びこのヨークに取付けられた駆動用マグネットとから構成することができる。レンズ枠３２２を、２本のガイドポールによって光軸方向に移動可能に支持しておき、レンズ枠３２２に設けたコイルに電流が供給されると、ヨークと駆動用マグネットとで形成される磁気回路中にあるコイルに対して、光軸方向の磁気推進力が生じ、レンズ枠３２２が光軸方向に移動する。推進力の正負の方向は、コイルに供給される電流の向きによって制御することができる。【０１４８】
位置センサとしては、例えば、一定ピッチで着磁され、レンズ枠３２２に取付けられたセンサマグネットと、本体３０２側に固定された磁気抵抗センサ（以下、ＭＲセンサと略称する）とから構成することができる。本体３０２側に固定されたＭＲセンサにより、レンズ枠３２２に取付けられたセンサマグネットの位置を検出することにより、第１の集光レンズ３１２の位置を検出することができる。【０１４９】
光学フィルタホイール３０６は、図１２に示すように、第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、及び第３の光学フィルタ１２３がリング１２７にはめ込まれている。図１２に示す例では、いずれも扇状である第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、及び第３の光学フィルタ１２３がリング１２７にはめ込まれることにより円盤状の部材が構成されており、その円盤状の部材の中央部にシャフト１２５が設けられている。各分光フィルタの光学特性は、実施形態１と同様であるため説明を省略する。光学フィルタホイール３０６は、本発明における分光素子に相当する。【０１５０】
次に、本実施形態に係る測定装置３００を用いて、鼓膜の厚さを反映する情報である鼓膜厚さ情報を測定する方法について説明する。【０１５１】
まず、第１の集光レンズ３１２の初期位置として、第１の集光レンズ３１２の集光位置が鼓膜２０２よりも耳孔側になるように設定する。【０１５２】
次に、マイクロコンピュータ１１０からの制御信号によりアクチュエータ３１６を駆動させ、第１の集光レンズ３１２の集光位置が初期位置から鼓膜２０２の方向に移動するように第１の集光レンズ３１２を移動させる。このとき、アクチュエータ３１６の駆動にあわせて光検出器３２０の出力信号を監視する。【０１５３】
最初に光検出器３２０の出力信号が極大（第１の極大値）になったとき、光源３１０から出射された可視光が鼓膜２０２の外耳道２０４側の表面上に集光されたことを示している。このときの位置センサの出力信号を、レンズの第１の位置を表す信号としてマイクロコンピュータ１１０が記録する。【０１５４】
さらに、アクチュエータ３１６を駆動させると、一旦光検出器３２０の出力信号は小さくなるが、再び、光検出器３２０の出力信号が極大値（第２の極大値）を示す。このとき、光源３１０から出射された可視光が鼓膜２０２の中耳側の表面（裏面）に集光していることを示す。このときの位置センサの出力信号を、レンズの第２の位置を表す信号としてマイクロコンピュータ１１０が記録する。【０１５５】
マイクロコンピュータ１１０に記録された、レンズの第１の位置及び第２の位置を表す位置センサの２つの出力信号から、第１の集光レンズ３１２が第１の位置から第２の位置まで移動するときの移動量を算出することができる。この第１の集光レンズ３１２の移動量は、鼓膜２０２の厚さを反映している。レンズの移動量を利用することにより、鼓膜２０２の厚さを反映する情報である鼓膜厚さ情報を測定することができる。【０１５６】
なお、位置センサを設けなくても、鼓膜２０２の厚さを測定することは可能である。たとえば、アクチュエータ３１６に印加される電圧値に対応して位置が特定可能であれば、レンズの第１の位置に対応する電圧値と第２の位置に対応する電圧値との差に基づいて移動量が特定できる。この移動量が鼓膜２０２の厚さに対応する。また、アクチュエータ３１６に印加する電圧値の変化量と移動量とが対応付けられていれば、レンズを第１の位置から第２の位置まで移動させるために印加された電圧値の変化量から移動量を特定することもできる。【０１５７】
次に、鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する手順について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施形態による測定装置３００を用いて、測定された赤外光強度に含まれる鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する手順を示すフローチャートである。【０１５８】
まず、アクチュエータ３１６を用いて第１の集光レンズ３１２を移動させることにより、上述の方法を用いて、鼓膜２０２の厚さを反映する情報である鼓膜厚さ情報を測定し（Ｓ２００）、鼓膜厚さ情報を表す位置センサの出力信号をメモリ１１２に格納する（Ｓ２０２）。【０１５９】
次に、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光、第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光、及び第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光を透過した赤外光を、赤外線検出器１０８により測定する（Ｓ２０４）。各光学フィルタを透過した赤外光の強度に対応する電気信号は、メモリ１１２に格納される（Ｓ２０６）。【０１６０】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている、第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と鼓膜の温度との相関を示す相関データを読み出し、これを参照して、メモリ１１２に格納されている第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光の強度に対応する電気信号を、鼓膜の温度に換算する（Ｓ２０８）。【０１６１】
第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号、及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と生体成分の濃度との相関を示す相関データとしては、鼓膜の温度と鼓膜厚さ情報を表す位置センサの出力信号との組合せに対応して、それぞれ異なる複数の相関データがメモリ１１２に格納されている。例えば、３水準の鼓膜の温度と５水準の鼓膜厚さ情報との組合せの場合、１５通りの互いに異なる相関データを格納していればよい。【０１６２】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている複数の相関データの中から、ステップ２０８において求められた鼓膜の温度と、ステップ２００において求められた鼓膜厚さ情報との組合せに対応する相関データを選んで読み出す（Ｓ２１０）。【０１６３】
最後に、マイクロコンピュータ１１０は、読み出された相関データを参照して、メモリ１１２に格納されている第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号を、生体成分の濃度に換算する（Ｓ２１２）。【０１６４】
次に、本実施形態における測定装置３００の動作について説明する。なお、測定装置４００の電源の投入から導波管が耳に挿入されるまでの動作は、実施形態１の測定装置１００と同じであるため、その説明は省略する。【０１６５】
導波管１０４の外径が耳孔２００の内径と等しくなる位置で測定装置３００を保持した状態で、使用者が測定装置３００の測定開始スイッチ１０３を押すと、上述の方法により、マイクロコンピュータ１１０が、光検出器３２０の出力信号と位置センサの出力信号とから、鼓膜の厚さが測定され、鼓膜厚さ情報として取得される。【０１６６】
マイクロコンピュータ１１０が、鼓膜厚さ情報を取得した判断すると、次に赤外光の測定が開始される。【０１６７】
マイクロコンピュータ１１０は、タイマー１５６からの計時信号により、測定開始から一定時間経過したと判断すると、チョッパー１１８を制御して、光学フィルタホイール３０６に到達する赤外光を遮断する。これにより、自動的に測定が終了する。このとき、マイクロコンピュータ１１０はディスプレイ１１４やブザー１５８を制御して、測定が終了した旨のメッセージをディスプレイ１１４に表示したり、ブザー１５８を鳴らしたり、スピーカー（図示せず）から音声で出力したりすることにより、使用者に測定が終了したことを通知する。これにより使用者は測定が終了したことを確認することができるため、導波管１０４を耳孔２００の外に取り出す。【０１６８】
マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、Ａ／Ｄコンバータ１３８から出力された電気信号を、光学フィルタ毎に識別し、それぞれの光学フィルタに対応する電気信号の平均値を算出する。【０１６９】
さらに、マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、第３の光学フィルタ１２４に対応する電気信号から鼓膜の温度を求める。【０１７０】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２から、求められた鼓膜の温度と鼓膜厚さ情報との組合せに対応する、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と生体成分の濃度との相関を示す相関データを読み出し、この相関データを参照して、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号を生体成分の濃度に換算する。求められた生体成分の濃度は、ディスプレイ１１４に表示される。【０１７１】
以上のように、本実施形態に係る測定装置３００によると、鼓膜の温度及び厚さの影響を補正することにより、それらの影響を取り除くことができるため、測定精度を向上させることができる。【０１７２】
（実施形態３）
図１４は、本実施形態による生体成分濃度測定装置４００（以下「測定装置４００」と記述する。）の外観を示す斜視図である。外観は、実質的には図１と同じであるため、その説明は省略する。【０１７３】
次に、図１５を参照しながら、測定装置４００の本体内部の構成を説明する。図１５は、測定装置４００のハードウェア構成を示す図である。【０１７４】
測定装置４００が実施形態１に係る測定装置１００と比較して異なる点は、測定装置４００が鼓膜から放射される赤外光の強度を増加させるための機能を有することにある。その機能を実現するために、測定装置４００の本体内部には、赤外線を放射する赤外光源７００、ハーフミラー７０２が設けられている。その他の構成は、実施形態１に係る測定装置１００と同じであるため説明を省略する。【０１７５】
赤外光源７００は、鼓膜２０２に赤外光を照射するための赤外光を出射する。赤外光源７００から出射され、ハーフミラー７０２により反射された赤外光は、導波管１０４を通って外耳道２０４内に導かれ、鼓膜２０２を照射する。鼓膜２０２に到達した赤外光は、鼓膜２０２で反射し、測定装置４００側に反射光として放射される。この赤外光は、再び、導光管１０４、ハーフミラー７０２を透過し、光学フィルタホイール１０６を通過し、赤外線検出器１０８で検出される。【０１７６】
測定装置４００が検出する鼓膜２０２からの反射光の強度は、（数８）で示される反射率と鼓膜２０２へ照射された赤外光強度の積で表される。（数８）で示したとおり、生体中の成分の濃度が変化すると、生体の屈折率及び消衰係数が変化する。反射率は、通常、赤外領域において約０．０３程度と小さく、かつ（数８）から理解されるように、屈折率及び消衰係数への依存は小さい。生体中の成分の濃度の変化による反射率の変化は小さいが、赤外光源７００が放射する赤外線の強度を強くすると、反射率の変化を高い精度で検出することができる。なお、鼓膜２０２のような波長の数倍程度の厚さの対象に対して強い強度の赤外線を照射して反射光を測定すると、鼓膜２０２中の厚さに依存して光の干渉度合いが変化することにより、反射光の強度が変化する。【０１７７】
赤外光源７００としては、公知のものを特に限定することなく適用することができる。例えば、シリコンカーバイド光源、セラミック光源、赤外ＬＥＤ、量子カスケードレーザ等を用いることができる。これらは必要な波長帯域に応じて使い分ければよい。たとえば赤外ＬＥＤについては、必要な波長ごとに１つの光源を設ければよい。【０１７８】
ハーフミラー７０２は、赤外光を２光束に分割する機能を有する。第３のハーフミラー７０２の材質としては、例えば、ＺｎＳｅ、ＣａＦ2、Ｓｉ、Ｇｅ等を用いることができる。さらには、赤外線の透過率と反射率を制御する目的で、ハーフミラー７０２に、反射防止膜が形成されていることが好ましい。【０１７９】
メモリ１１２には、第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光の強度に対応する電気信号値と鼓膜の温度との相関を示す温度相関データ、第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光の強度に対応する電気信号値と鼓膜の温度及び厚さとの相関を示す厚さ相関データ、及び、第１および第２の光学フィルタ１２１および１２２を透過した赤外光の強度に対応する各電気信号値と生体成分の濃度との相関を示す複数の濃度相関データが格納されている。【０１８０】
温度相関データ及び厚さ相関データは、実施形態１と同じものを用いることができる。【０１８１】
濃度相関データとしては、鼓膜の温度と鼓膜の厚さの組合せに対応して、それぞれ異なる複数の相関データがメモリ１１２に格納されている。例えば、３水準の鼓膜の温度と５水準の鼓膜の厚さの組合せの場合、１５通りの互いに異なる相関データを格納していればよい。これら複数の相関データは、例えば、以下の手順によって取得することができる。【０１８２】
まず、既知の生体成分濃度（例えば、血糖値）を有する患者について、赤外光源７００から鼓膜に照射された赤外光が鼓膜において反射することにより鼓膜から放射される赤外光を測定する。このとき、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号とを求める。この測定を、生体成分濃度、鼓膜の温度、及び鼓膜の厚さが異なり複数の患者について行うことにより、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度、鼓膜の温度、及び鼓膜の厚さとからなるデータの組を得ることができる。【０１８３】
次に、このようにして取得したデータの組を、実施形態１と同様に解析することにより、相関データを求める。例えば、まず、鼓膜の温度及び鼓膜の厚さについて、それぞれ複数の段階からなる水準を設定し、鼓膜の温度の水準及び鼓膜の厚さの水準ごとに同じ水準に属するデータの組を分類しておく。例えば、鼓膜の温度について３つの水準を設定し、鼓膜の厚さについて５つの水準を設定する場合、データの組を１５のグループに分類することになる。次に、グループごとに、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度とについて、ＰＬＳ（Ｐａｒｔｉａｌ  Ｌｅａｓｔ  Ｓｑｕａｒｅｓ  Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ）法などの重回帰分析法やニューラルネットワーク法などを用いて多変量解析を行う。これにより、グループごとに、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度との相関を示す関数を求めることができる。【０１８４】
赤外光源７００から鼓膜に照射された赤外光が鼓膜において反射することにより鼓膜から放射した赤外光を検出することにより、生体成分濃度を測定することが可能である。【０１８５】
次に、本実施形態による測定装置４００の動作について説明する。なお、測定装置４００の電源の投入から導波管が耳に挿入されるまでの動作は、実施形態１の測定装置１００と同じであるため、その説明は省略する。【０１８６】
導波管１０４の外径が耳孔２００の内径と等しくなる位置で測定装置１００を保持した状態で、使用者が生体成分濃度測定装置１００の測定開始スイッチ１０３を押すと、測定が開始される。【０１８７】
まず、赤外光源７００が作動していない状態で、鼓膜２０２からの熱放射により放射される赤外光が測定される。次に、マイクロコンピュータ１１０は、タイマー１５６からの計時信号により、測定開始から一定時間経過したと判断すると、赤外光源７００を作動させる。これにより、鼓膜２０２からの熱放射により放射される赤外光に加えて、赤外光源７００から鼓膜に照射された赤外光が鼓膜において反射することにより鼓膜から放射された赤外光が測定される。【０１８８】
マイクロコンピュータ１１０は、タイマー１５６からの計時信号により、測定開始から一定時間経過したと判断すると、赤外光源７００を制御して赤外光を遮断する。これにより、自動的に測定が終了する。このとき、マイクロコンピュータ１１０はディスプレイ１１４やブザー１５８を制御して、測定が終了した旨のメッセージをディスプレイ１１４に表示したり、ブザー１５８を鳴らしたり、スピーカー（図示せず）から音声で出力したりすることにより、使用者に測定が終了したことを通知する。これにより使用者は測定が終了したことを確認することができるため、導波管１０４を耳孔２００の外に取り出す。【０１８９】
マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、Ａ／Ｄコンバータ１３８から出力された電気信号を、光学フィルタ毎に識別し、それぞれの光学フィルタに対応する電気信号の平均値を算出する。【０１９０】
さらに、マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、赤外光源７００が作動していない状態において測定された第３の光学フィルタ１２４に対応する電気信号から鼓膜の温度を求め、赤外光源７００が作動していない状態において測定された第４の光学フィルタ１２４に対応する電気信号から鼓膜の厚さを求める。【０１９１】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２から、求められた鼓膜の温度と厚さの組合せに対応する、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と生体成分の濃度との相関を示す相関データを読み出す。この相関データを参照して、赤外光源７００が作動している状態において測定された第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号を生体成分の濃度に換算する。求められた生体成分の濃度は、ディスプレイ１１４に表示される。【０１９２】
また、上述の実施形態においては、分光素子として光学フィルタホイールを利用する例を説明した。しかし、分光素子としては赤外光を波長別に分けることのできるものであればよい。例えば、特定の波長帯域の赤外線を透過させるマイケルソン干渉計、回折格子等を用いることができる。また光学フィルタホイールのように、複数のフィルタが一体成型されている必要はない。さらに、例えば、赤外ＬＥＤ、量子カスケードレーザ等の特定波長の光を放射できる赤外光源を利用する場合には、赤外光を分光する必要がない。したがって、本実施形態に係る光学フィルタホイールに設けられている第１の光学フィルタ、第２の光学フィルタは不要となる。【０１９３】
以上のように、本実施形態に係る生体成分濃度測定装置によれば、第３、第４の光学フィルタに対応する電気信号を用いて、鼓膜の温度及び厚さの影響を取り除くことができるため、測定精度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１９４】
本発明にかかる生体成分濃度測定装置は、非侵襲的な生体成分濃度の測定、例えば、血液を採取することなくグルコース濃度を測定する際に有用である。
【図１】
2007105588.tif 000012
【図２】
2007105588.tif 000013
【図３】
2007105588.tif 000014
【図４】
2007105588.tif 000015
【図５】
2007105588.tif 000016
【図６】
2007105588.tif 000017
【図７】
2007105588.tif 000018
【図８】
2007105588.tif 000019
【図９】
2007105588.tif 000020
【図１０】
2007105588.tif 000021
【図１１】
2007105588.tif 000022
【図１２】
2007105588.tif 000023
【図１３】
2007105588.tif 000024
【図１４】
2007105588.tif 000025
【図１５】
2007105588.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月27日(2008.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鼓膜から放射された赤外光を検出する検出部と、
前記鼓膜の厚さに関連する厚さ情報を取得する取得部と、
検出された前記赤外光および取得された前記厚さ情報に基づいて、生体成分の濃度を算出する演算部と
を備えた、生体成分濃度の測定装置。
【請求項２】
前記検出部は、
前記生体成分によって吸収される赤外光の波長を含む波長帯域Ａ１の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ１を出力し、
１１マイクロメートル以上の波長帯域から選択された波長帯域Ｂの赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ｂを出力し、
４．５から５．８マイクロメートルの波長帯域から選択された波長帯域Ｃの赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ｃを出力し、
前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、ＢおよびＣに基づいて、前記生体成分の濃度を算出する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記生体成分による吸収が前記波長帯域Ａ１の赤外光よりも少ない波長帯域Ａ２の赤外光であって、前記生体成分とは異なる生体成分によって吸収される波長帯域Ａ２の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ２を出力し、
前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、Ａ２、ＢおよびＣの各々に基づいて、前記生体成分の濃度を算出する、請求項２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値、前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値および前記波長帯域Ｃに関する前記検出部の信号値と、前記生体成分の濃度との相関を示す濃度相関データを記憶する記憶部をさらに備え、
前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、ＢおよびＣに基づいて前記相関データを参照して、前記生体成分の濃度を算出する、請求項２に記載の測定装置。
【請求項５】
前記記憶部は、
前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値と温度との相関を示す温度相関データ、および、温度および前記波長帯域Ｃに関する前記検出部の信号値と前記鼓膜の厚さとの相関を示す厚さ相関データをさらに記憶しており、
前記取得部は、前記検出部から出力された信号Ｂに基づいて前記温度相関データを参照して温度を特定し、さらに、特定された温度および前記検出部から出力された信号Ｃに基づいて前記厚さ相関データを参照して前記厚さ情報を取得する、請求項４に記載の測定装置。
【請求項６】
前記演算部は、特定された前記温度、取得された前記厚さ情報および前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値に基づいて前記濃度相関データを参照し、前記生体成分の濃度を算出する、請求項５に記載の測定装置。
【請求項７】
前記鼓膜と前記検出器との間の光路上に設けられた少なくとも３つの光学素子であって、前記波長帯域Ａ１の波長の赤外光を透過させる光学素子、前記波長帯域Ｂの波長の赤外光を透過させる光学素子、および、前記波長帯域Ｃの波長の赤外光を透過させる光学素子をさらに備えた、請求項２に記載の測定装置。
【請求項８】
光を放射する光源と、
前記光源から放射され、前記鼓膜で反射された前記光を集光するレンズと、
前記レンズを移動させるアクチュエータと、
空間フィルタと、
前記レンズにより集光された前記光のうち、前記空間フィルタを透過した光を検出して、その強度に応じた信号を出力する光検出器と
をさらに備え、前記取得部は、前記レンズを移動させながら前記光検出器から出力される信号を測定し、前記光検出器の出力信号が第１の極大値を示すときの前記レンズの第１の位置から、前記光検出器の出力信号が第２の極大値を示すときの前記レンズの第２の位置まで移動するときの前記レンズの移動量を、前記厚さ情報として算出する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項９】
光を放射する光源と、
前記光を前記鼓膜に集束させる光学系と、
前記鼓膜において反射した前記光を検出する光検出器と
をさらに備え、
前記取得部は、前記光源からの光が前記鼓膜の第１面に合焦したときの前記光学系の第１設定値と、前記光源からの光が前記鼓膜の第２面に合焦したときの前記光学系の第２設定値とに基づいて、前記厚さ情報を算出する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項１０】
前記光源は、４００〜４２０ｎｍの範囲の波長の光を放射するレーザ光源である、請求項８に記載の測定装置。
【請求項１１】
前記検出部は、
前記生体成分によって吸収される赤外光の波長を含む波長帯域Ａ１の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ１を出力し、
１１マイクロメートル以上の波長帯域Ｂを受けて、その強度に応じた信号Ｂを出力し、
前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１およびＢに基づいて、前記生体成分の濃度を算出する、請求項８に記載の測定装置。
【請求項１２】
前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値および前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値と、前記厚さ情報と、前記生体成分の濃度との相関を示す相関データを記憶する記憶部をさらに備え、
前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１およびＢと前記厚さ情報とに基づいて前記相関データを参照し、前記生体成分の濃度を算出する、請求項１１に記載の測定装置。
【請求項１３】
前記鼓膜から放射される赤外光の強度を増加させるための赤外光源をさらに備え、
前記検出部は、受けた赤外光の強度に応じた信号を出力する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項１４】
前記取得部は、ネットワークを介して前記厚さ情報を取得する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項１５】
前記取得部は、着脱可能な記録媒体を介して前記厚さ情報を取得する、請求項１に記載の測定装置。
【請求項１６】
算出された前記生体成分の濃度の情報を出力する出力部をさらに備えた、請求項１に記載の測定装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体からの赤外放射光を用いて生体情報を非侵襲的に測定する生体成分濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の生体成分濃度測定装置として、生体、特に鼓膜からの赤外放射光を用いて血糖値を非侵襲的に測定するものが提案されている。例えば、特許文献１には、熱として鼓膜から自然に発せられる赤外線における人体組織に特徴的な放射スペクトル線を非侵襲的に測定することにより血糖値を決定する装置が開示されている。
【０００３】
しかし、プランクの輻射法則によれば、物体から熱放射により放出される赤外放射光の強度は、赤外光を放射する物体の温度によって変化する。鼓膜の温度は体温により変化するため、鼓膜の温度は、個人毎や測定毎に変化するおそれがある。この鼓膜の温度の影響により、鼓膜からの赤外放射光を用いた血糖値測定にばらつきが生じるという問題があった。
【０００４】
そこで、鼓膜からの赤外放射光を用いて血糖値を非侵襲的に測定する装置において、鼓膜からの赤外放射光に含まれる鼓膜の温度の影響を補正することが提案されている。例えば、特許文献２では、耳孔内の温度を測定して、測定された放射スペクトル線に含まれる温度の影響を補正する技術が開示されている。具体的には、８マイクロメートルから１４マイクロメートルまでの広い波長範囲における赤外線放射の強度を測定することにより、耳の温度が測定されている。
【特許文献１】米国特許第５６６６９５６号明細書および図面
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／００４３６３０号明細書および図面
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明者は、鼓膜から放射される赤外光の強度が鼓膜の温度だけでなく、鼓膜の厚さにも影響されるという知見を得た。この知見によれば、鼓膜の温度のみならずその厚さをも考慮しなければ、赤外光の強度に基づいて正確な生体成分の濃度（たとえば血糖値）を求めることができない。
【０００６】
しかしながら、特許文献２に記載の装置では、鼓膜から放射される赤外光に含まれる鼓膜の厚さの影響が考慮されておらず、結果として得られた生体成分の濃度の精度は高いとはいえなかった。
【０００７】
本発明は、上述の従来の問題点に鑑み、鼓膜から放射される赤外光に含まれる鼓膜の厚さの影響を補正することにより、生体成分濃度を高精度に測定することができる生体成分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】
【０００８】
本発明による生体成分濃度の測定装置は、鼓膜から放射された赤外光を検出する検出部と、前記鼓膜の厚さに関連する厚さ情報を取得する取得部と、検出された前記赤外光および取得された前記厚さ情報に基づいて、生体成分の濃度を算出する演算部とを備えている。
【０００９】
前記検出部は、前記生体成分によって吸収される赤外光の波長を含む波長帯域Ａ１の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ１を出力し、１１マイクロメートル以上の波長帯域から選択された波長帯域Ｂの赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ｂを出力し、４．５から５．８マイクロメートルの波長帯域から選択された波長帯域Ｃの赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ｃを出力し、前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、ＢおよびＣに基づいて、前記生体成分の濃度を算出してもよい。
【００１０】
前記検出部は、前記生体成分による吸収が前記波長帯域Ａ１の赤外光よりも少ない波長帯域Ａ２の赤外光であって、前記生体成分とは異なる生体成分によって吸収される波長帯域Ａ２の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ２を出力し、前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、Ａ２、ＢおよびＣの各々に基づいて、前記生体成分の濃度を算出してもよい。
【００１１】
前記測定装置は、前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値、前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値および前記波長帯域Ｃに関する前記検出部の信号値と、前記生体成分の濃度との相関を示す濃度相関データを記憶する記憶部をさらに備え、前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１、ＢおよびＣに基づいて前記相関データを参照して、前記生体成分の濃度を算出してもよい。
【００１２】
前記記憶部は、前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値と温度との相関を示す温度相関データ、および、温度および前記波長帯域Ｃに関する前記検出部の信号値と前記鼓膜の厚さとの相関を示す厚さ相関データをさらに記憶しており、前記取得部は、前記検出部から出力された信号Ｂに基づいて前記温度相関データを参照して温度を特定し、さらに、特定された温度および前記検出部から出力された信号Ｃに基づいて前記厚さ相関データを参照して前記厚さ情報を取得してもよい。
【００１３】
前記演算部は、特定された前記温度、取得された前記厚さ情報および前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値に基づいて前記濃度相関データを参照し、前記生体成分の濃度を算出してもよい。
【００１４】
前記測定装置は、前記鼓膜と前記検出器との間の光路上に設けられた少なくとも３つの光学素子であって、前記波長帯域Ａ１の波長の赤外光を透過させる光学素子、前記波長帯域Ｂの波長の赤外光を透過させる光学素子、および、前記波長帯域Ｃの波長の赤外光を透過させる光学素子をさらに備えていてもよい。
【００１５】
前記測定装置は、光を放射する光源と、前記光源から放射され、前記鼓膜で反射された前記光を集光するレンズと、前記レンズを移動させるアクチュエータと、空間フィルタと、前記レンズにより集光された前記光のうち、前記空間フィルタを透過した光を検出して、その強度に応じた信号を出力する光検出器とをさらに備え、前記取得部は、前記レンズを移動させながら前記光検出器から出力される信号を測定し、前記光検出器の出力信号が第１の極大値を示すときの前記レンズの第１の位置から、前記光検出器の出力信号が第２の極大値を示すときの前記レンズの第２の位置まで移動するときの前記レンズの移動量を、前記厚さ情報として算出してもよい。
【００１６】
前記測定装置は、光を放射する光源と、前記光を前記鼓膜に集束させる光学系と、前記鼓膜において反射した前記光を検出する光検出器とをさらに備え、前記取得部は、前記光源からの光が前記鼓膜の第１面に合焦したときの前記光学系の第１設定値と、前記光源からの光が前記鼓膜の第２面に合焦したときの前記光学系の第２設定値とに基づいて、前記厚さ情報を算出してもよい。
【００１７】
前記光源は、４００〜４２０ｎｍの範囲の波長の光を放射するレーザ光源であってもよい。
【００１８】
前記検出部は、前記生体成分によって吸収される赤外光の波長を含む波長帯域Ａ１の赤外光を受けて、その強度に応じた信号Ａ１を出力し、１１マイクロメートル以上の波長帯域Ｂを受けて、その強度に応じた信号Ｂを出力し、前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１およびＢに基づいて、前記生体成分の濃度を算出してもよい。
【００１９】
前記測定装置は、前記波長帯域Ａ１に関する前記検出部の信号値および前記波長帯域Ｂに関する前記検出部の信号値と、前記厚さ情報と、前記生体成分の濃度との相関を示す相関データを記憶する記憶部をさらに備え、前記演算部は、前記検出部から出力された信号Ａ１およびＢと前記厚さ情報とに基づいて前記相関データを参照し、前記生体成分の濃度を算出してもよい。
【００２０】
前記測定装置は、前記鼓膜から放射される赤外光の強度を増加させるための赤外光源をさらに備え、前記検出部は、受けた赤外光の強度に応じた信号を出力してもよい。
【００２１】
前記取得部は、ネットワークを介して前記厚さ情報を取得してもよい。
【００２２】
前記取得部は、着脱可能な記録媒体を介して前記厚さ情報を取得してもよい。
【００２３】
前記測定装置は、算出された前記生体成分の濃度の情報を出力する出力部をさらに備えていてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の生体成分濃度測定装置によれば、鼓膜から放射される赤外光と、鼓膜の厚さに関連する厚さ情報とを利用して生体成分の濃度を算出する。厚さ情報は鼓膜の厚さを反映しており、その厚さを考慮して鼓膜から放射される赤外光の強度に基づいて生体成分の濃度を測定する。これにより、生体成分の濃度を高精度に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
生体から放射される赤外光を測定することにより、例えば血糖値などの生体成分濃度の情報を得ることができる。以下では、まずその原理を説明し、その原理に基づいて動作する本発明による生体成分濃度測定装置の機能的な構成を説明する。その後、本発明による生体成分濃度測定装置の第１〜第３の実施形態を説明する。
【００２６】
生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーＷは以下の数式で表される。
【数１】
2007105588.tif 000027
【数２】
2007105588.tif 000028
Ｗ：生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギー、
ε（λ）：波長λにおける生体の放射率、
Ｗ0（λ、Ｔ）：波長λ、温度Ｔにおける熱放射の黒体放射強度密度、
ｈ：プランク定数（ｈ＝６．６２５×１０-34（Ｗ・Ｓ2））、
ｃ：光速（ｃ＝２．９９８×１０10（ｃｍ／ｓ））、
λ1、λ2：生体からの熱放射により放射される赤外放射光の波長（μｍ）、
Ｔ：生体の温度（Ｋ）、
Ｓ：検出面積（ｃｍ2）
ｋ：ボルツマン定数
【００２７】
（数１）によれば、検出面積Ｓが一定の場合、生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーＷは波長λにおける生体の放射率ε（λ）に依存する。放射におけるキルヒホッフの法則から、同じ温度、波長における放射率と吸収率は等しい。
【数３】
2007105588.tif 000029
α（λ）：波長λにおける生体の吸収率
【００２８】
したがって、放射率を考える際には、吸収率を考えればよいことがわかる。エネルギー保存則から、吸収率、透過率及び反射率には、以下の関係が成り立つ。
【数４】
2007105588.tif 000030
ｒ（λ）：波長λにおける生体の反射率
ｔ（λ）：波長λにおける生体の透過率
【００２９】
したがって、放射率は、透過率及び反射率を用いて以下の数式で表される。
【数５】
2007105588.tif 000031
【００３０】
透過率は、入射光量と測定対象物体を透過してきたときの透過光量の比で表される。入射光量と測定対象物体を透過してきたときの透過光量は、ランベルト−ベールの法則で示される。
【数６】
2007105588.tif 000032
Ｉt：透過光量、
Ｉ0：入射光量、
ｄ：生体の厚さ、
ｋ（λ）：波長λにおける生体の消衰係数
生体の消衰係数は、生体による光の吸収を表す。
【００３１】
したがって、透過率は以下の数式で表される。
【数７】
2007105588.tif 000033
【００３２】
次に反射率について説明する。反射率は、全方向に対する平均反射率を算出する必要があるが、ここでは、簡単のため、垂直入射に対する反射率で考える。垂直入射に対する反射率は、空気の屈折率を１として、以下の数式で表される。
【数８】
2007105588.tif 000034
ｎ（λ）：波長λにおける生体の屈折率
【００３３】
以上から、放射率は以下の数式で表される。
【数９】
2007105588.tif 000035
【００３４】
生体中の成分の濃度が変化すると、生体の屈折率及び消衰係数が変化する。反射率は、通常、赤外領域において約０．０３程度と小さく、かつ（数８）から理解されるように、屈折率及び消衰係数にはあまり依存しない。したがって、生体中の成分の濃度の変化によって屈折率及び消衰係数が変化しても、反射率の変化は小さい。
【００３５】
一方、透過率は、（数７）に示されるように、消衰係数に大きく依存する。したがって、生体中の成分の濃度の変化により生体の消衰係数、すなわち生体による光の吸収の度合いが変化すると、透過率が変化する。
【００３６】
したがって、生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーは、生体中の成分の濃度に依存することがわかる。生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギー強度から生体中の成分の濃度を求めることができる。
【００３７】
（数７）によれば、透過率は生体の厚さに依存する。生体の厚さが薄いほど、生体の消衰係数の変化に対する透過率の変化の度合いが大きくなるため、生体中の成分の濃度変化を検出しやすくなる。
【００３８】
鼓膜は、厚さが約６０〜１００μｍと薄いため、赤外放射光を用いた生体中の成分の濃度測定に適している。
【００３９】
透過率は生体の厚さに依存するため、生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーは生体の厚さによる影響を受ける。したがって、鼓膜からの熱放射により放射される赤外放射光を用いて生体中の成分の濃度を測定する場合、検出された鼓膜からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーを、鼓膜の厚さにより補正し、補正後の放射エネルギー強度を生体中の成分の濃度に換算することにより、測定の精度を向上させることができる。
【００４０】
また、（数１）及び（数２）によれば、熱放射の黒体放射強度密度は生体の温度に依存するため、生体からの熱放射により放射される赤外放射光の放射エネルギーは生体の温度による影響を受ける。したがって、鼓膜からの赤外放射光を用いて生体中の成分の濃度を測定する場合、検出された鼓膜からの赤外放射光の放射エネルギーを、鼓膜の温度により補正し、補正後の放射エネルギー強度を生体中の成分の濃度に換算することにより、測定の精度を向上させることができる。
【００４１】
次に図１を参照しながら、上述の原理に基づく本発明の生体成分濃度測定装置の機能的構成を説明する。
【００４２】
図１は、本発明による生体成分濃度測定装置１０の機能ブロックの構成を示す。測定装置１０は、赤外光検出部１１、取得部１２、演算部１３、及び、出力部１４を有する。
【００４３】
生体成分濃度測定装置１０（以下「測定装置１０」と記述する。）は、鼓膜２０２から放射された赤外光を検出するとともに、鼓膜２０２の厚さｄを反映する情報（鼓膜厚さ情報）を取得して、それらに基づいて生体成分の濃度を算出する。そして、算出した生体成分の濃度の情報をディスプレイに出力し、メモリカードに記録し、および／または、ネットワークに接続された病院等に送信する。ここでいう「生体成分の濃度」とは、たとえばグルコース濃度（血糖値）、ヘモグロビン濃度、コレステロール濃度、中性脂肪濃度の少なくともひとつである。
【００４４】
各構成要素の機能は以下のとおりである。
【００４５】
赤外光検出部１１は、鼓膜２０２から放射された赤外光を受けて、所定の帯域の赤外光を検出する。
【００４６】
取得部１２は、鼓膜２０２の厚さｄに応じた鼓膜厚さ情報を取得する。たとえば鼓膜２０２から放射される赤外光に基づく測定およびレーザ光を用いた測定である。これらは、後述の実施形態１〜３において詳述する。
【００４７】
被測定者の鼓膜２０２の厚さが既に測定され、鼓膜厚さ情報が測定装置１０の外部に保存されている場合には、取得部１２は外部からその鼓膜厚さ情報を取得できる。たとえば鼓膜厚さ情報が、測定装置１０に対して着脱可能なメモリカード１５に保存されている場合には、測定装置１０に装填されたメモリカード１５から鼓膜厚さ情報を読み出すことができる。また、鼓膜厚さ情報が病院１７等に保存されている場合には、ネットワーク１６を介して病院１７から鼓膜厚さ情報を取得することもできる。
【００４８】
演算部１３は、赤外光検出部１１によって検出された赤外光と鼓膜厚さ情報とに基づいて、生体成分の濃度を算出する。演算部１３は、鼓膜の厚さを反映する鼓膜厚さ情報を利用して生体成分の濃度（たとえば血糖値）を求める。これにより、精度の高い結果を得ることができる。演算部１３の具体的な処理は、実施形態１〜３において詳述する。
【００４９】
出力部１４は、演算部１３によって算出された生体成分の濃度を示す情報をディスプレイに出力し、メモリカード１５に記録し、および／または、ネットワーク１６に接続された病院１７等に送信する。なお、ディスプレイ上への表示に代えて、または表示とともに、生体成分の濃度を示す情報をスピーカから音声で出力してもよい。
【００５０】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明の測定装置１０の実施形態１〜３をそれぞれ説明する。
【００５１】
（実施形態１）
図２は、本実施形態による生体成分濃度測定装置１００の外観を示す斜視図である。
【００５２】
生体成分濃度測定装置１００（以下「測定装置１００」と記述する。）は、本体１０２と、本体１０２の側面に設けられた導波管１０４を備えている。本体１０２には、生体成分の濃度の測定結果を表示するためのディスプレイ１１４、測定装置１００の電源をＯＮ／ＯＦＦするための電源スイッチ１０１、及び測定を開始するための測定開始スイッチ１０３が設けられている。
【００５３】
ディスプレイ１１４は液晶ディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）ディスプレイ等である。ディスプレイ１１４は図１に示す出力部１４に対応する。
【００５４】
導波管は耳孔内に挿入され、鼓膜から放射された赤外光を測定装置１００内部へと導く機能を有している。導波管としては、赤外線を導くことのできるものであればよく、例えば、中空管や、赤外線を伝送する光ファイバ等を用いることができる。中空管を用いる場合、中空管の内表面に金の層を有することが好ましい。この金の層は、中空管の内面に金メッキを施したり、金を蒸着したりすることにより形成することができる。
【００５５】
次に、図３および図４を参照しながら、測定装置１００の本体内部のハードウェアの構成を説明する。
【００５６】
図３は、測定装置１００のハードウェア構成を示す図である。
【００５７】
測定装置１００の本体内部には、チョッパー１１８、光学フィルタホイール１０６、赤外線検出器１０８、前置増幅器１３０、帯域フィルタ１３２、同期復調器１３４、ローパスフィルタ１３６、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１３８、マイクロコンピュータ１１０、メモリ１１２、ディスプレイ１１４、電源１１６、タイマー１５６、及びブザー１５８が備えられている。
【００５８】
測定装置１００の上記構成要素のうち、特に、赤外線検出器１０８、前置増幅器１３０、帯域フィルタ１３２、同期復調器１３４、ローパスフィルタ１３６、Ａ／Ｄコンバータ１３８は、図１に示す測定装置１０の赤外光検出部１１として機能する。また、マイクロコンピュータ１１０およびメモリ１１２は、図１に示す取得部１２および演算部１３として機能する。そして出力部１４は、ディスプレイ１１４として機能する。
【００５９】
測定装置１００は、鼓膜から放射された赤外光を赤外線検出器１０８によって検出する。本明細書において、「鼓膜から放射された赤外光」とは、鼓膜自身からの熱放射により鼓膜から放射された赤外光、及び、鼓膜に照射された赤外光が鼓膜において反射することにより鼓膜から放射された赤外光を含む。本実施形態による測定装置１００は、後述の実施形態３の測定装置とは異なり、赤外光を放射する光源を備えていない。したがって、本実施形態による赤外線検出器１０８は、鼓膜自身からの熱放射により放射された赤外光を検出する。
【００６０】
赤外線検出器としては、赤外領域の波長の光を検出できるものであればよく、例えば、焦電センサ、サーモパイル、ボロメータ、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）検出器、ゴーレイセル等を用いることができる。
【００６１】
ここで、マイクロコンピュータ１１０は、たとえばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）等の演算回路である。
【００６２】
電源１１６は、測定装置１００内部の電気系統を動作させるためのＡＣまたはＤＣ電力を供給する。電源１１６として電池を用いることが好ましい。
【００６３】
チョッパー１１８は、鼓膜２０２から放射され、導波管１０４により本体１０２内に導かれた赤外光をチョッピングして、赤外光を高周波数の赤外線信号に変換する。チョッパー１１８の動作は、マイクロコンピュータ１１０からの制御信号に基づき制御される。チョッパー１１８によりチョッピングされた赤外光は、光学フィルタホイール１０６に到達する。
【００６４】
図４は、光学フィルタホイール１０６を示す斜視図である。光学フィルタホイール１０６は、第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４を有しており、これらがリング１２７にはめ込まれて構成されている。第１〜第４の光学フィルタ１２１〜１２４の各々は分光素子として機能する。各々がどのような波長帯域の赤外光を透過させるかについては後述する。
【００６５】
図４に示す例では、いずれも扇状である第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４がリング１２７にはめ込まれることにより円盤状の部材が構成されており、その円盤状の部材の中央部にシャフト１２５が設けられている。このシャフト１２５を図４の矢印のように回転させることにより、チョッパー１１８によりチョッピングされた赤外光の通過する光学フィルタを、第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４の間で切り替えることができる。
【００６６】
シャフト１２５の回転は、マイクロコンピュータ１１０によって制御される。マイクロコンピュータ１１０から出力された制御信号は、モータ（図示せず）に送られる。モータは制御信号に応じた回転数でシャフト１２５を回転させる。シャフト１２５の回転は、チョッパー１１８の回転と同期させ、チョッパー１１８が閉じている間にシャフト１２５を９０度回転させるように制御されることが好ましい。その理由は、次にチョッパー１１８が開いたときに、チョッパー１１８によりチョッピングされた赤外光の通過する光学フィルタを隣の光学フィルタに切り替えることができるためである。
【００６７】
第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３または第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光は、検出領域１２６を備える赤外線検出器１０８に到達する。
【００６８】
赤外線検出器１０８に到達した赤外光は、検出領域１２６に入射する。赤外線検出器１０８は、入射した赤外光を受けて、その強度に対応した電気信号に変換して出力する。
【００６９】
赤外線検出器１０８から出力された電気信号は、前置増幅器１３０によって増幅される。増幅された電気信号は、帯域フィルタ１３２によって、チョッピング周波数を中心周波数とする周波数帯域以外の信号が取り除かれる。これにより、熱雑音等の統計的揺らぎに起因するノイズを最小化することができる。
【００７０】
帯域フィルタ１３２によって濾過された電気信号は、同期復調器１３４によって、チョッパー１１８のチョッピング周波数と帯域フィルタ１３２によって濾過された電気信号を同期させ、積分することにより、ＤＣ信号に復調される。
【００７１】
同期復調器１３４によって復調された電気信号は、ローパスフィルタ１３６によって高周波数帯域の信号が取り除かれる。これにより、さらにノイズを取り除くことができる。
【００７２】
ローパスフィルタ１３６によって濾過された電気信号は、Ａ／Ｄコンバータ１３８によってデジタル信号に変換された後、マイクロコンピュータ１１０に入力される。ここで、各光学フィルタに対応する赤外検出器１０８からの電気信号は、シャフト１２５の制御信号をトリガーとして用いることで、どの光学フィルタを透過した赤外光に対応する電気信号であるのかを識別することができる。シャフト１２５の制御信号をマイクロコンピュータが出力してから、次のシャフト制御信号を出力するまでの間が、同じ光学フィルタに対応する電気信号となる。各光学フィルタに対応する電気信号を、それぞれメモリ１１２上で積算した後平均値を算出することにより、さらにノイズは低減されるため、測定の積算を行うことが好ましい。
【００７３】
メモリ１１２には、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値、及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と生体成分の濃度との相関を示す濃度相関データが格納されている。濃度相関データは、例えば、既知の生体成分濃度（例えば、血糖値）を有する患者について赤外線検出器の出力信号を測定し、得られた赤外線検出器の出力信号と生体成分の濃度との相関を解析することにより取得することができる。
【００７４】
マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２からこの濃度相関データを読み出し、この濃度相関データを参照して、メモリ１１２に蓄積されたデジタル信号から算出された単位時間当たりのデジタル信号を、生体成分の濃度に換算する。メモリ１１２は、ＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶部として機能する。
【００７５】
マイクロコンピュータ１１０において換算された生体成分の濃度は、ディスプレイ１１４に出力され、表示される。
【００７６】
次に、第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４の構成、並びに鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する方法について説明する。
【００７７】
第１の光学フィルタ１２１は、例えば、測定対象である生体成分によって吸収される波長を含む波長帯域（以下、測定用波長帯域と略称する）の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する。
【００７８】
一方、第２の光学フィルタ１２２は、第１の光学フィルタ１２１とは異なるスペクトル特性を有する。第２の光学フィルタ１２２は、例えば、測定対象である生体成分による吸収がなく、かつ対象成分の測定を妨害するような他の生体成分による吸収のある波長を含む波長帯域（以下、参照用波長帯域と略称する）の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する。ここで、このような他の生体成分としては、測定対象である生体成分以外で、生体中における成分量の多いものを選択すればよい。
【００７９】
例えば、グルコースは、約９．６マイクロメートル付近に吸収ピークを有する赤外吸収スペクトルを示す。そこで、測定対象である生体成分がグルコースの場合には、第１の光学フィルタ１２１は９．６マイクロメートルを含む波長帯域（たとえば９．６±０．１マイクロメートル）の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有することが好ましい。
【００８０】
一方、生体中に多く含まれるタンパク質は約８．５マイクロメートル付近の赤外光を吸収するが、グルコースはその付近の赤外光を吸収しない。そこで、第２の光学フィルタ１２２は８．５マイクロメートルを含む波長帯域（たとえば８．５±０．１マイクロメートル）の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有することが好ましい。
【００８１】
第３の光学フィルタ１２３は、測定対象の生体成分によって吸収がなく、かつ鼓膜の厚さによる赤外光の強度の変化がない波長帯域を透過させるようなスペクトル特性を有する。第４の光学フィルタ１２４は、赤外光の強度の変化が鼓膜の厚さによって変化し、かつ測定対象の生体成分による吸収がほとんどない波長帯域の光を透過させるようなスペクトル特性を有する。
【００８２】
ここで、図５および６を参照しながら、第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４の好ましいスペクトル特性を説明する。
【００８３】
図５は、生体の温度が、摂氏３５度、摂氏３６度、摂氏３７度の場合における熱放射の黒体分光放射輝度の計算結果を示す。一方、図６は、血清の吸収スペクトルと、厚さの異なるグルコース水溶液から熱放射により放射される赤外光の分光放射輝度の計算結果とを示している。
【００８４】
ここで、生体構成成分と血清中に含まれる成分とはよく似ていることが知られている。そこで、以下では生体構成成分の吸収スペクトルに代えて血清の吸収スペクトルを用いて説明する。なお、生体の組成は約７０％が水であり、放射特性を決める要因の大きな要因が水の影響であるため、生体の代わりにグルコース水溶液を用いて計算した。
【００８５】
図５は、（数２）の生体の温度Ｔに３０８Ｋ（３５℃）、３０９Ｋ（３６℃）、または３１０Ｋ（３７℃）をそれぞれ代入して計算し、さらに円周率で除算することにより、単位を分光放射輝度に換算したグラフである。また、図６は、図５の３７℃のグラフと、（数９）より算出した放射率を用いて計算したグラフである。（数９）に代入する屈折率ｎおよび消衰係数ｋは、グルコース水溶液のものを用いた。生体の厚さｄは、人間の鼓膜の平均的な厚さである６０〜１００マイクロメートルの範囲として（数９）に代入し、計算した。
【００８６】
図５によれば、生体の体温付近の温度では、黒体は、約４マイクロメートルから長い波長の赤外線を熱放射により放射し、約９〜１０マイクロメートルの波長で分光放射輝度が最大になっている。したがって、光学フィルタのスペクトル特性を決定するにあたり、少なくとも４マイクロメートル以上の波長を選択する必要がある。温度変化の影響については、どの波長も（数２）にしたがって、影響を受けることがわかる。
【００８７】
図６には、Ａ、Ｂ、Ｃの各波長帯域が示されている。波長帯域Ａは、生体構成成分によって赤外光が変化する波長を含む。波長帯域Ｂは、生体構成成分によっても、測定対象の厚さによっても赤外光が変化しない波長を含む。波長帯域Ｃは、生体構成成分によって赤外光が変化せず、かつ測定対象の厚さによって赤外光が変化する波長を含む。（数３）から放射率と吸収率が等価であるため、放射光スペクトルは、血清の吸収スペクトルの変化に応じて変化する。
【００８８】
上述の内容に図６中の波長帯域Ａの中から、適切な波長を選択することによって、測定対象成分の濃度を算出することができる。ところが、波長帯域Ａ中の放射光スペクトルは、測定対象の厚さによって変化するため、測定対象の厚さの影響を考慮して測定対象成分の濃度を算出することが好ましい。
【００８９】
図６の波長帯域Ｂでは、生体構成成分、および測定対象の厚さによって放射光スペクトルが変化しない。したがって、波長帯域Ｂ中の赤外光強度の変化は、温度変化のみに対応するため、波長帯域Ｂ中の赤外光強度を測定することによって、温度の補正を行うことができる。図６の波長帯域Ｃは、生体構成成分によって赤外光強度は変化しないが、測定対象の厚さによって赤外光強度が変化する。したがって、測定対象の厚さの影響を補正するために波長帯域Ｃ中の波長を利用することができる。
【００９０】
以上から、第３の光学フィルタ１２３のスペクトル特性は、図６の波長帯域Ｂから選択される波長の赤外光を透過させるスペクトル特性、第４の光学フィルタ１２４のスペクトル特性は、図６の波長帯域Ｃから選択される波長の赤外光を透過させるスペクトル特性を有していればよい。
【００９１】
第３の光学フィルタ１２３及び第４の光学フィルタ１２４は、できるだけ広い波長範囲の赤外光を透過させることが好ましい。赤外検出器１０８へ到達する赤外光のエネルギーを大きくすることにより、シグナル／ノイズ比を向上させるためである。例えば、第３の光学フィルタ１２３は、波長が約１１マイクロメートルより長い波長を透過させるカットオフ波長が約１１マイクロメートルのバンドパスフィルタ、第４の光学フィルタ１２４は、波長約４．５マイクロメートルから約５．８マイクロメートルの波長を透過させるバンドパスフィルタであることが好ましい。
【００９２】
光学フィルタの作製方法としては、公知の技術を特に限定することなく利用できるが、例えば、真空蒸着法を用いることができる。光学フィルタは、Ｓｉ、ＧｅまたはＺｎＳｅを基板として、真空蒸着法やイオンスパッタ法を用いてＺｎＳ、ＭｇＦ2、ＰｂＴｅ、Ｇｅ、ＺｎＳｅ等を基板上に積層することにより作製することができる。
【００９３】
ここで、基板上に積層する各層の膜厚、積層する順序、積層回数等を調節して、積層された薄膜内における光の干渉を制御することにより、所望の波長特性を持つ光学フィルタを作製することができる。例えば、第３の光学フィルタ１２３は、Ｇｅを基板として、ＰｂＴｅを約１８０ナノメートル、次にＺｎＳを約８００ナノメートル、ＰｂＴｅを約３４０ナノメートル蒸着し、このＺｎＳとＰｂＴｅとの組を１セットとして、この組を４セット繰り返して蒸着する。最後に、ＺｎＳを約１７００ナノメートル蒸着し、最終的に１０層蒸着することにより、約１１マイクロメートルより長い波長を透過させる光学フィルタを作製することができる。
【００９４】
次に、図７を参照しながら、鼓膜の温度及び厚さの影響を含む赤外光の強度を補正する手順を説明する。図７は、本実施形態による測定装置１００を用いて、測定された赤外光強度に含まれる鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する手順を示すフローチャートである。
【００９５】
まず、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光、第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光、第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光、及び第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光を、赤外線検出器１０８によって測定する（Ｓ１００）。各光学フィルタを透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値は、メモリ１１２に格納される（Ｓ１０２）。
【００９６】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と鼓膜の温度との相関を示す温度相関データを読み出し、メモリ１１２に格納されている第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光の強度に対応する電気信号Ｂを用いて温度相関データを参照し、電気信号の信号値を鼓膜の温度に換算する（Ｓ１０４）。温度相関データの一例は図８に示されている。図８については後に説明する。
【００９７】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている、第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と鼓膜の温度及び厚さとの相関を示す厚さ相関データを読み出し、ステップ１０４で求められた鼓膜の温度と、メモリ１１２に格納されている第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光の強度に対応する電気信号Ｃとを用いて厚さ相関データを参照し、鼓膜の厚さを算出する（Ｓ１０６）。厚さ相関データの一例は図９に示されている。図９については後に説明する。
【００９８】
第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値、及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と生体成分の濃度との相関を示す濃度相関データとしては、鼓膜の温度と鼓膜の厚さの組合せに対応して、それぞれ異なる複数の相関データがメモリ１１２に格納されている。例えば、３水準の鼓膜の温度と５水準の鼓膜の厚さの組合せの場合、１５通りの互いに異なる相関データを格納していればよい。
【００９９】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている複数の相関データの中から、ステップ１０４において求められた鼓膜の温度と、ステップ１０６において求められた鼓膜の厚さの組合せに対応する濃度相関データを選んで読み出す（Ｓ１０８）。
【０１００】
最後に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号Ａ１及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号Ａ２を用いて、読み出された濃度相関データを参照し、電気信号の信号値を生体成分の濃度に換算する（Ｓ１１０）。濃度相関データの一例は図１０に示されている。図１０については後に説明する。
【０１０１】
以下に、第１の光学フィルタ１２１が９．６±０．１マイクロメートルの波長の赤外光を透過させるフィルタ、第３の光学フィルタ１２３が１１〜１４マイクロメートルの波長の赤外光を透過させるフィルタ、第４の光学フィルタ１２４が４．８〜５．８マイクロメートルの波長の赤外光を透過させるフィルタを用い、鼓膜の代わりにグルコース水溶液を用い、測定対象である第１の生体成分がグルコースであり、その他の成分を含まない場合について、図８〜１０を用いて具体的に説明する。水溶液には測定対象である第１の生体成分以外の生体成分は含まれないため、以下の例では第２の光学フィルタ１２２は用いていない。
【０１０２】
図８は、グルコース水溶液から熱放射により放射され第３の光学フィルタ１２３を透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度との関係の計算結果を示すグラフ、図９は、グルコース水溶液から熱放射により放射され第４の光学フィルタ１２４を透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度及び厚さとの関係の計算結果を示すグラフ、図１０は、グルコース水溶液から熱放射により放射され第１の光学フィルタを透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の濃度、温度及び厚さとの関係を示すグラフである。
【０１０３】
図８に示される温度と放射輝度との関係が温度相関データとして規定される。図９に示される、複数の温度の各々に応じた鼓膜の厚さと放射輝度との関係が厚さ相関データとして規定される。そして、図１０に示される、複数の温度および鼓膜厚さの各々に応じた濃度と放射輝度との関係が温度相関データとして規定される。
【０１０４】
理解の便宜のため、各図の横軸を温度、厚さ、濃度で表現し、縦軸を放射輝度で表現しているが、相関データとして実際にメモリ１１２に保持される際には各物理量に対応する電気信号値が保持されていればよい。このとき、メモリ１１２には、各図に表されるような関数形式で保持されてもよいし、各電気信号の信号値と生体成分濃度とが対応付けられたテーブル形式で保持されてもよい。
【０１０５】
図８は、（数１）において、生体の温度として３０９Ｋ（３６℃）、３０９．５Ｋ（３６．５℃）、または３１０Ｋ（３７℃）を代入して計算し、さらに円周率で除算し、波長範囲１１〜１４．３マイクロメートルで積分して計算した。ただし、（数１）中のセンサ面積は乗算していない。
【０１０６】
図９は、（数９）において、厚さｄを変化させて放射率を計算し、（数１）に代入し、かつ（数１）中の温度として３０９Ｋ（３６℃）、３０９．５Ｋ（３６．５℃）、または３１０Ｋ（３７℃）を代入して計算し、さらに円周率で除算し単位を放射輝度に変換した。（数１）中の積分は、４．８〜５．８マイクロメートルの波長範囲で積分を実施した。
【０１０７】
図１０は、（数９）において、厚さｄとグルコース濃度に対応する屈折率、消衰係数を代入して放射率を計算し、（数１）に代入し、かつ（数１）中の温度として３０９Ｋ（３６℃）または３０９．５Ｋ（３６．５℃）を代入して計算し、さらに円周率で除算し単位を放射輝度に変換した。（数１）中の積分は、９．５〜９．７マイクロメートルの波長範囲で積分を実施した。
【０１０８】
まず、第３の光学フィルタ１２３を透過する赤外光の放射輝度は、グルコース水溶液の厚さには依存せず、図８に示すように、温度に比例して変化する。赤外線検出器１０８の出力は、赤外線検出器１０８に入射する赤外光の放射輝度に比例して電圧を出力するため、赤外線検出器１０８が出力する電気信号は赤外線検出器１０８に入射する赤外光の放射輝度に比例する。したがって、図８に示す第３の光学フィルタ１２３を透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度との関係を参照することにより、第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光に対応する電気信号からグルコース水溶液の温度を求めることができる。
【０１０９】
次に、図９に示すように、グルコース水溶液から熱放射により放射され、第４の光学フィルタ１２４を透過する赤外光の放射輝度は、グルコース水溶液の温度及び厚さに依存して変化する。したがって、図９に示す第４の光学フィルタ１２４を透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度及び厚さとの関係を参照することにより、図８から求めたグルコース水溶液の温度と、第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光に対応する電気信号とから、グルコース水溶液の厚さを求めることができる。
【０１１０】
次に、図１０に示すように、グルコース水溶液から熱放射により放射され第１の光学フィルタを透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の濃度との関係は、グルコース水溶液の温度及び厚さ（図１０におけるｔ）の組合せに対応して変化する。図１０には、４つの異なるグルコース水溶液の温度及び厚さの組合せに対応して、４本のグラフが示されている。そこで、図８から求めたグルコース水溶液の温度と、図９から求めたグルコース水溶液の厚さとの組合せから、その組合せに対応するグラフを図１０の中から選択することができる。選択されたグラフを参照することにより、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光に対応する電気信号をグルコース濃度に換算することができる。
【０１１１】
メモリ１１２に格納されている、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値及び第２の光学フィルタ３２４を透過した赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と生体成分の濃度との相関を示す濃度相関データは、例えば、以下の手順によって取得することができる。
【０１１２】
まず、既知の生体成分濃度（例えば、血糖値）を有する患者について、鼓膜から熱放射により放射される赤外光を測定する。このとき、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号とを求める。この測定を、生体成分濃度、鼓膜の温度、及び鼓膜の厚さが異なり複数の患者について行うことにより、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度、鼓膜の温度、及び鼓膜の厚さとからなるデータの組を得ることができる。
【０１１３】
次に、このようにして取得したデータの組を解析して濃度相関データを求める。例えば、まず、鼓膜の温度及び鼓膜の厚さについて、それぞれ複数の段階からなる水準を設定し、鼓膜の温度の水準及び鼓膜の厚さの水準ごとに同じ水準に属するデータの組を分類しておく。例えば、鼓膜の温度について３つの水準を設定し、鼓膜の厚さについて５つの水準を設定する場合、データの組を１５のグループに分類することになる。次に、グループごとに、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度とについて、ＰＬＳ（Ｐａｒｔｉａｌ  Ｌｅａｓｔ  Ｓｑｕａｒｅｓ  Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ）法などの重回帰分析法やニューラルネットワーク法などを用いて多変量解析を行う。これにより、グループごとに、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度との相関を示す関数を求めることができる。
【０１１４】
また、第１の光学フィルタ１２１が測定用波長帯域の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有し、第２の光学フィルタ１２２が参照用波長帯域の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する場合、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と、第１の光学フィルタ３２４が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号の信号値との差を求め、その差とそれに対応する生体成分濃度との相関を、濃度相関データとして求めてもよい。例えば、最小二乗法等の直線回帰分析を行うことにより求めることができる。
【０１１５】
これまでは、第３の光学フィルタおよび第４の光学フィルタを利用して鼓膜の温度および厚さを測定し、さらに第１の光学フィルタおよび第２の光学フィルタを利用して生体成分の濃度を測定する方法を説明したが、他の方法を採用してもよい。例えば、第１〜第４の光学フィルタがそれぞれ透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度との相関を示す関数を予め求めておく。そして得られた各電気信号の信号値をその関数に代入することにより、生体成分濃度を求めてもよい。なお、「関数」ではなく、各電気信号の信号値と生体成分濃度とが対応付けられたテーブル形式の相関データであってもよい。上記構成を採用する場合には、メモリ１１２に、上述の関数またはテーブルを格納しておけばよい。
【０１１６】
このような関数または相関データは、例えば、各光学フィルタが透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号の信号値と、これらに対応する生体成分濃度のデータの組をＰＬＳ法などの重回帰分析法や、ニューラルネットワーク法などを用いて多変量解析を行うことにより求めることができる。
【０１１７】
次に、測定装置１００の動作について説明する。以下では、測定装置１００の使用者が、自らの生体成分の濃度を計測するとして説明する。後述する実施形態２および３においても同様とする。
【０１１８】
まず、使用者が図２に示す測定装置１００の電源スイッチ１０１を押すと、本体１０２内の電源がＯＮとなり、測定装置１００は測定準備状態となる。
【０１１９】
次に、使用者が本体１０２を持って、導波管１０４を耳孔２００内に挿入する。導波管１０４は、導波管１０４の先端部分から本体１０２との接続部分に向かって径が太くなるような円錐形状の中空管であるため、導波管１０４の外径が耳孔２００の内径と等しくなる位置よりも奥へは導波管１０４が挿入されない構造になっている。
【０１２０】
次に、導波管１０４の外径が耳孔２００の内径と等しくなる位置で測定装置１００を保持した状態で、使用者が測定装置１００の測定開始スイッチ１０３を押すと、測定が開始される。
【０１２１】
マイクロコンピュータ１１０は、タイマー１５６からの計時信号により、測定開始から一定時間経過したと判断すると、チョッパー１１８を制御して、光学フィルタホイール１０６に到達する赤外光を遮断する。これにより、自動的に測定が終了する。このとき、マイクロコンピュータ１１０はディスプレイ１１４やブザー１５８を制御して、測定が終了した旨のメッセージをディスプレイ１１４に表示したり、ブザー１５８を鳴らしたり、スピーカー（図示せず）から音声で出力したりすることにより、使用者に測定が終了したことを通知する。これにより使用者は測定が終了したことを確認することができるため、導波管１０４を耳孔２００の外に取り出す。
【０１２２】
マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、Ａ／Ｄコンバータ１３８から出力された電気信号を光学フィルタ毎に識別し、それぞれの光学フィルタに対応する電気信号の平均値を算出する。
【０１２３】
さらに、マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、第３の光学フィルタ１２４に対応する電気信号から鼓膜の温度を求め、第４の光学フィルタ１２４に対応する電気信号から鼓膜の厚さを求める。
【０１２４】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２から、求められた鼓膜の温度と厚さの組合せに対応する濃度相関データを読み出し、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号を用いて濃度相関データを参照し、生体成分の濃度に換算する。求められた生体成分の濃度は、ディスプレイ１１４に表示される。
【０１２５】
以上のように、本実施形態に係る測定装置１００によると、第３、第４の光学フィルタ１２４に対応する電気信号を用いて、鼓膜の温度及び厚さの影響を補正することにより、それらの影響を取り除くことができるため、測定精度を向上させることができる。
【０１２６】
（実施形態２）
図１１および図１２を参照しながら、本実施形態による生体成分濃度測定装置の構成を説明する。
【０１２７】
図１１は、本実施形態による生体成分濃度測定装置３００（以下「測定装置３００」と記述する。）のハードウェア構成を示す。また図１２は、測定装置３００における光学フィルタホイール３０６を示す斜視図である。
【０１２８】
測定装置３００が実施形態１に係る測定装置１００と比較して異なる点は、測定装置３００が、レーザ光を用いて鼓膜の厚さを測定する機能を有することにある。その機能を実現するために、測定装置３００の本体内部には、光源３１０、第１の集光レンズ３１２、第２の集光レンズ３１４、アクチュエータ３１６、空間フィルタ３１８、光検出器３２０、第１のハーフミラー１４２、及び第２のハーフミラー１４４が設けられている。実施形態１の測定装置１００のように鼓膜からの赤外放射を利用して鼓膜の厚さを測定する必要はないため、本実施形態による光学フィルタホイール３０６（図１２）には実施形態１の第４の光学フィルタに対応するフィルタは設けられていない。
【０１２９】
ここで、光源３１０、第１の集光レンズ３１２、第２の集光レンズ３１４、アクチュエータ３１６、空間フィルタ３１８、及び光検出器３２０は、図１に示す取得部１２として機能する。その他の構成は、実施形態１に係る測定装置１００と同じであるため説明を省略する。
【０１３０】
光源３１０は、鼓膜２０２を照明するための可視光を出射する。
【０１３１】
光源３１０は、例えば、青色レーザ、赤色レーザ等のレーザや、ＬＥＤ等の可視光光源である。レンズの焦点深度を小さくするという観点からは、波長の短い光を出射する光源が好ましい。また、色収差の発生を防ぐため、レーザ光源が好ましい。光源３１０として、４００〜４２０ｎｍの範囲内の波長の光を出射する青色レーザを用いると、両方の特性を満たすためさらに好ましい。
【０１３２】
光源３１０から出射され、第１のハーフミラー１４２により反射され、第１の集光レンズ３１２により集光された可視光は、第２のハーフミラー１４４により反射された後、導波管１０４を通って外耳道２０４内に導かれ、鼓膜２０２を照明する。
【０１３３】
第１のハーフミラー１４２は、可視光の一部を反射し、残りを透過させる機能を有する。
【０１３４】
第２のハーフミラー１４４は、可視光を反射して、赤外光を透過する。第２のハーフミラー１４４の材料としては、赤外線を吸収せず、透過し、可視光を反射する材料が好ましい。第２のハーフミラー１４４の材質としては、例えば、ＺｎＳｅ、ＣａＦ2、Ｓｉ、Ｇｅ等を用いることができる。さらには、赤外線の透過効率を向上させる目的で、第２のハーフミラーの両面に、反射防止膜が形成されていることが好ましい。
【０１３５】
一方、鼓膜２０２から外耳道２０４を通って導波管１０４内に入射した可視光は、第２のハーフミラー１４４により反射され、第１の集光レンズ３１２を透過した後、一部は第１のハーフミラー１４２を透過する。第１のハーフミラー１４２を透過した可視光は、第２の集光レンズ３１４により集光され、空間フィルタ３１８に到達する。第２の集光レンズ３１４により集光された可視光のうち、空間フィルタ３１８を透過した可視光は光検出器３２０に到達する。
【０１３６】
ここで、空間フィルタ３１８は、アルミニウム、鉄等の可視光を透過しない材料から構成される薄い板材に、１００μｍ程度の穴が設けられた構成を有している。
【０１３７】
第１の集光レンズ３１２の位置が鼓膜２０２の外耳道２０４側の表面または中耳側の表面（裏面）に合焦している際には、第２の集光レンズ３１４により集光された可視光は、空間フィルタ３１８に設けられた穴の位置に合焦するため、空間フィルタ３１８を通過することができる。このとき、光検出器３２０の出力は極大値を示す。一方、第１の集光レンズ３１２の位置が鼓膜２０２の表面または裏面に合焦していないときは、第２の集光レンズ３１４により集光された可視光は、空間フィルタ３１８に設けられた穴上に合焦しないため、空間フィルタ３１８を通過することができない。このとき、光検出器３２０の出力は小さくなる。
【０１３８】
第１の集光レンズ３１２及び第２の集光レンズ３１４としては、公知のレンズを利用することができる。この中で、第１のレンズ３１２としては、焦点深度を小さくするという観点から開口数の大きいものが好ましい。
【０１３９】
光検出器３２０としては、光源から出射される光と同じ波長の光を検出できるものであれば、特に限定することなく公知技術を適用することができる。例えば、フォトダイオードや、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の画像素子が挙げられる。この中で、光検出器３２０とし３２０として、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の画像素子を用いると、鼓膜を撮像しながら測定することができる。
【０１４０】
測定装置３００は、レンズ枠３２２に保持された第１の集光レンズ３１２を駆動し、光検出器３２０上に正しく集光させるための機構を備える。
【０１４１】
アクチュエータ３１６は、マイクロコンピュータ１１０からの制御信号によって駆動され、第１の集光レンズ３１２を光軸の方向（図１１中の矢印の方向）に移動させることができる。このとき、第１の集光レンズ３１２の位置を位置センサ（図示せず）が検出し、マイクロコンピュータ１１０に出力する。
【０１４２】
一方、マイクロコンピュータ１１０は、光検出器３２０の出力信号の強度と位置センサの出力を検出することにより、鼓膜２０２上で合焦位置を検出する。マイクロコンピュータ１１０は、光検出器３２０の出力信号が最大となる位置に第１の集光レンズ３１２が移動するように、アクチュエータ３１６を制御する。
【０１４３】
このようにして、鼓膜２０２までの距離が変化しても、光検出器３２０上に鼓膜２０２において反射した可視光を正しく集光させることができる。
【０１４４】
アクチュエータ３１６及び位置センサとしては、公知のビデオカメラやデジタルスチルカメラに搭載されているオートフォーカス装置において用いられているものと同様のものを用いることができる。
【０１４５】
例えば、アクチュエータ３１６としては、レンズ枠３２２に設けたコイルと、本体３０２側に固定されたヨーク、及びこのヨークに取付けられた駆動用マグネットとから構成することができる。レンズ枠３２２を、２本のガイドポールによって光軸方向に移動可能に支持しておき、レンズ枠３２２に設けたコイルに電流が供給されると、ヨークと駆動用マグネットとで形成される磁気回路中にあるコイルに対して、光軸方向の磁気推進力が生じ、レンズ枠３２２が光軸方向に移動する。推進力の正負の方向は、コイルに供給される電流の向きによって制御することができる。
【０１４６】
位置センサとしては、例えば、一定ピッチで着磁され、レンズ枠３２２に取付けられたセンサマグネットと、本体３０２側に固定された磁気抵抗センサ（以下、ＭＲセンサと略称する）とから構成することができる。本体３０２側に固定されたＭＲセンサにより、レンズ枠３２２に取付けられたセンサマグネットの位置を検出することにより、第１の集光レンズ３１２の位置を検出することができる。
【０１４７】
光学フィルタホイール３０６は、図１２に示すように、第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、及び第３の光学フィルタ１２３がリング１２７にはめ込まれている。図１２に示す例では、いずれも扇状である第１の光学フィルタ１２１、第２の光学フィルタ１２２、及び第３の光学フィルタ１２３がリング１２７にはめ込まれることにより円盤状の部材が構成されており、その円盤状の部材の中央部にシャフト１２５が設けられている。各分光フィルタの光学特性は、実施形態１と同様であるため説明を省略する。光学フィルタホイール３０６は、本発明における分光素子に相当する。
【０１４８】
次に、本実施形態に係る測定装置３００を用いて、鼓膜の厚さを反映する情報である鼓膜厚さ情報を測定する方法について説明する。
【０１４９】
まず、第１の集光レンズ３１２の初期位置として、第１の集光レンズ３１２の集光位置が鼓膜２０２よりも耳孔側になるように設定する。
【０１５０】
次に、マイクロコンピュータ１１０からの制御信号によりアクチュエータ３１６を駆動させ、第１の集光レンズ３１２の集光位置が初期位置から鼓膜２０２の方向に移動するように第１の集光レンズ３１２を移動させる。このとき、アクチュエータ３１６の駆動にあわせて光検出器３２０の出力信号を監視する。
【０１５１】
最初に光検出器３２０の出力信号が極大（第１の極大値）になったとき、光源３１０から出射された可視光が鼓膜２０２の外耳道２０４側の表面上に集光されたことを示している。このときの位置センサの出力信号を、レンズの第１の位置を表す信号としてマイクロコンピュータ１１０が記録する。
【０１５２】
さらに、アクチュエータ３１６を駆動させると、一旦光検出器３２０の出力信号は小さくなるが、再び、光検出器３２０の出力信号が極大値（第２の極大値）を示す。このとき、光源３１０から出射された可視光が鼓膜２０２の中耳側の表面（裏面）に集光していることを示す。このときの位置センサの出力信号を、レンズの第２の位置を表す信号としてマイクロコンピュータ１１０が記録する。
【０１５３】
マイクロコンピュータ１１０に記録された、レンズの第１の位置及び第２の位置を表す位置センサの２つの出力信号から、第１の集光レンズ３１２が第１の位置から第２の位置まで移動するときの移動量を算出することができる。この第１の集光レンズ３１２の移動量は、鼓膜２０２の厚さを反映している。レンズの移動量を利用することにより、鼓膜２０２の厚さを反映する情報である鼓膜厚さ情報を測定することができる。
【０１５４】
なお、位置センサを設けなくても、鼓膜２０２の厚さを測定することは可能である。たとえば、アクチュエータ３１６に印加される電圧値に対応して位置が特定可能であれば、レンズの第１の位置に対応する電圧値と第２の位置に対応する電圧値との差に基づいて移動量が特定できる。この移動量が鼓膜２０２の厚さに対応する。また、アクチュエータ３１６に印加する電圧値の変化量と移動量とが対応付けられていれば、レンズを第１の位置から第２の位置まで移動させるために印加された電圧値の変化量から移動量を特定することもできる。
【０１５５】
次に、鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する手順について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施形態による測定装置３００を用いて、測定された赤外光強度に含まれる鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する手順を示すフローチャートである。
【０１５６】
まず、アクチュエータ３１６を用いて第１の集光レンズ３１２を移動させることにより、上述の方法を用いて、鼓膜２０２の厚さを反映する情報である鼓膜厚さ情報を測定し（Ｓ２００）、鼓膜厚さ情報を表す位置センサの出力信号をメモリ１１２に格納する（Ｓ２０２）。
【０１５７】
次に、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光、第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光、及び第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光を透過した赤外光を、赤外線検出器１０８により測定する（Ｓ２０４）。各光学フィルタを透過した赤外光の強度に対応する電気信号は、メモリ１１２に格納される（Ｓ２０６）。
【０１５８】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている、第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と鼓膜の温度との相関を示す相関データを読み出し、これを参照して、メモリ１１２に格納されている第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光の強度に対応する電気信号を、鼓膜の温度に換算する（Ｓ２０８）。
【０１５９】
第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号、及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と生体成分の濃度との相関を示す相関データとしては、鼓膜の温度と鼓膜厚さ情報を表す位置センサの出力信号との組合せに対応して、それぞれ異なる複数の相関データがメモリ１１２に格納されている。例えば、３水準の鼓膜の温度と５水準の鼓膜厚さ情報との組合せの場合、１５通りの互いに異なる相関データを格納していればよい。
【０１６０】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２に格納されている複数の相関データの中から、ステップ２０８において求められた鼓膜の温度と、ステップ２００において求められた鼓膜厚さ情報との組合せに対応する相関データを選んで読み出す（Ｓ２１０）。
【０１６１】
最後に、マイクロコンピュータ１１０は、読み出された相関データを参照して、メモリ１１２に格納されている第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号を、生体成分の濃度に換算する（Ｓ２１２）。
【０１６２】
次に、本実施形態における測定装置３００の動作について説明する。なお、測定装置４００の電源の投入から導波管が耳に挿入されるまでの動作は、実施形態１の測定装置１００と同じであるため、その説明は省略する。
【０１６３】
導波管１０４の外径が耳孔２００の内径と等しくなる位置で測定装置３００を保持した状態で、使用者が測定装置３００の測定開始スイッチ１０３を押すと、上述の方法により、マイクロコンピュータ１１０が、光検出器３２０の出力信号と位置センサの出力信号とから、鼓膜の厚さが測定され、鼓膜厚さ情報として取得される。
【０１６４】
マイクロコンピュータ１１０が、鼓膜厚さ情報を取得した判断すると、次に赤外光の測定が開始される。
【０１６５】
マイクロコンピュータ１１０は、タイマー１５６からの計時信号により、測定開始から一定時間経過したと判断すると、チョッパー１１８を制御して、光学フィルタホイール３０６に到達する赤外光を遮断する。これにより、自動的に測定が終了する。このとき、マイクロコンピュータ１１０はディスプレイ１１４やブザー１５８を制御して、測定が終了した旨のメッセージをディスプレイ１１４に表示したり、ブザー１５８を鳴らしたり、スピーカー（図示せず）から音声で出力したりすることにより、使用者に測定が終了したことを通知する。これにより使用者は測定が終了したことを確認することができるため、導波管１０４を耳孔２００の外に取り出す。
【０１６６】
マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、Ａ／Ｄコンバータ１３８から出力された電気信号を、光学フィルタ毎に識別し、それぞれの光学フィルタに対応する電気信号の平均値を算出する。
【０１６７】
さらに、マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、第３の光学フィルタ１２４に対応する電気信号から鼓膜の温度を求める。
【０１６８】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２から、求められた鼓膜の温度と鼓膜厚さ情報との組合せに対応する、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と生体成分の濃度との相関を示す相関データを読み出し、この相関データを参照して、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号を生体成分の濃度に換算する。求められた生体成分の濃度は、ディスプレイ１１４に表示される。
【０１６９】
以上のように、本実施形態に係る測定装置３００によると、鼓膜の温度及び厚さの影響を補正することにより、それらの影響を取り除くことができるため、測定精度を向上させることができる。
【０１７０】
（実施形態３）
図１４は、本実施形態による生体成分濃度測定装置４００（以下「測定装置４００」と記述する。）の外観を示す斜視図である。外観は、実質的には図１と同じであるため、その説明は省略する。
【０１７１】
次に、図１５を参照しながら、測定装置４００の本体内部の構成を説明する。図１５は、測定装置４００のハードウェア構成を示す図である。
【０１７２】
測定装置４００が実施形態１に係る測定装置１００と比較して異なる点は、測定装置４００が鼓膜から放射される赤外光の強度を増加させるための機能を有することにある。その機能を実現するために、測定装置４００の本体内部には、赤外線を放射する赤外光源７００、ハーフミラー７０２が設けられている。その他の構成は、実施形態１に係る測定装置１００と同じであるため説明を省略する。
【０１７３】
赤外光源７００は、鼓膜２０２に赤外光を照射するための赤外光を出射する。赤外光源７００から出射され、ハーフミラー７０２により反射された赤外光は、導波管１０４を通って外耳道２０４内に導かれ、鼓膜２０２を照射する。鼓膜２０２に到達した赤外光は、鼓膜２０２で反射し、測定装置４００側に反射光として放射される。この赤外光は、再び、導光管１０４、ハーフミラー７０２を透過し、光学フィルタホイール１０６を通過し、赤外線検出器１０８で検出される。
【０１７４】
測定装置４００が検出する鼓膜２０２からの反射光の強度は、（数８）で示される反射率と鼓膜２０２へ照射された赤外光強度の積で表される。（数８）で示したとおり、生体中の成分の濃度が変化すると、生体の屈折率及び消衰係数が変化する。反射率は、通常、赤外領域において約０．０３程度と小さく、かつ（数８）から理解されるように、屈折率及び消衰係数への依存は小さい。生体中の成分の濃度の変化による反射率の変化は小さいが、赤外光源７００が放射する赤外線の強度を強くすると、反射率の変化を高い精度で検出することができる。なお、鼓膜２０２のような波長の数倍程度の厚さの対象に対して強い強度の赤外線を照射して反射光を測定すると、鼓膜２０２中の厚さに依存して光の干渉度合いが変化することにより、反射光の強度が変化する。
【０１７５】
赤外光源７００としては、公知のものを特に限定することなく適用することができる。例えば、シリコンカーバイド光源、セラミック光源、赤外ＬＥＤ、量子カスケードレーザ等を用いることができる。これらは必要な波長帯域に応じて使い分ければよい。たとえば赤外ＬＥＤについては、必要な波長ごとに１つの光源を設ければよい。
【０１７６】
ハーフミラー７０２は、赤外光を２光束に分割する機能を有する。第３のハーフミラー７０２の材質としては、例えば、ＺｎＳｅ、ＣａＦ2、Ｓｉ、Ｇｅ等を用いることができる。さらには、赤外線の透過率と反射率を制御する目的で、ハーフミラー７０２に、反射防止膜が形成されていることが好ましい。
【０１７７】
メモリ１１２には、第３の光学フィルタ１２３を透過した赤外光の強度に対応する電気信号値と鼓膜の温度との相関を示す温度相関データ、第４の光学フィルタ１２４を透過した赤外光の強度に対応する電気信号値と鼓膜の温度及び厚さとの相関を示す厚さ相関データ、及び、第１および第２の光学フィルタ１２１および１２２を透過した赤外光の強度に対応する各電気信号値と生体成分の濃度との相関を示す複数の濃度相関データが格納されている。
【０１７８】
温度相関データ及び厚さ相関データは、実施形態１と同じものを用いることができる。
【０１７９】
濃度相関データとしては、鼓膜の温度と鼓膜の厚さの組合せに対応して、それぞれ異なる複数の相関データがメモリ１１２に格納されている。例えば、３水準の鼓膜の温度と５水準の鼓膜の厚さの組合せの場合、１５通りの互いに異なる相関データを格納していればよい。これら複数の相関データは、例えば、以下の手順によって取得することができる。
【０１８０】
まず、既知の生体成分濃度（例えば、血糖値）を有する患者について、赤外光源７００から鼓膜に照射された赤外光が鼓膜において反射することにより鼓膜から放射される赤外光を測定する。このとき、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号とを求める。この測定を、生体成分濃度、鼓膜の温度、及び鼓膜の厚さが異なり複数の患者について行うことにより、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度、鼓膜の温度、及び鼓膜の厚さとからなるデータの組を得ることができる。
【０１８１】
次に、このようにして取得したデータの組を、実施形態１と同様に解析することにより、相関データを求める。例えば、まず、鼓膜の温度及び鼓膜の厚さについて、それぞれ複数の段階からなる水準を設定し、鼓膜の温度の水準及び鼓膜の厚さの水準ごとに同じ水準に属するデータの組を分類しておく。例えば、鼓膜の温度について３つの水準を設定し、鼓膜の厚さについて５つの水準を設定する場合、データの組を１５のグループに分類することになる。次に、グループごとに、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度とについて、ＰＬＳ（Ｐａｒｔｉａｌ  Ｌｅａｓｔ  Ｓｑｕａｒｅｓ  Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ）法などの重回帰分析法やニューラルネットワーク法などを用いて多変量解析を行う。これにより、グループごとに、第１の光学フィルタ１２１が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度との相関を示す関数を求めることができる。
【０１８２】
赤外光源７００から鼓膜に照射された赤外光が鼓膜において反射することにより鼓膜から放射した赤外光を検出することにより、生体成分濃度を測定することが可能である。
【０１８３】
次に、本実施形態による測定装置４００の動作について説明する。なお、測定装置４００の電源の投入から導波管が耳に挿入されるまでの動作は、実施形態１の測定装置１００と同じであるため、その説明は省略する。
【０１８４】
導波管１０４の外径が耳孔２００の内径と等しくなる位置で測定装置１００を保持した状態で、使用者が生体成分濃度測定装置１００の測定開始スイッチ１０３を押すと、測定が開始される。
【０１８５】
まず、赤外光源７００が作動していない状態で、鼓膜２０２からの熱放射により放射される赤外光が測定される。次に、マイクロコンピュータ１１０は、タイマー１５６からの計時信号により、測定開始から一定時間経過したと判断すると、赤外光源７００を作動させる。これにより、鼓膜２０２からの熱放射により放射される赤外光に加えて、赤外光源７００から鼓膜に照射された赤外光が鼓膜において反射することにより鼓膜から放射された赤外光が測定される。
【０１８６】
マイクロコンピュータ１１０は、タイマー１５６からの計時信号により、測定開始から一定時間経過したと判断すると、赤外光源７００を制御して赤外光を遮断する。これにより、自動的に測定が終了する。このとき、マイクロコンピュータ１１０はディスプレイ１１４やブザー１５８を制御して、測定が終了した旨のメッセージをディスプレイ１１４に表示したり、ブザー１５８を鳴らしたり、スピーカー（図示せず）から音声で出力したりすることにより、使用者に測定が終了したことを通知する。これにより使用者は測定が終了したことを確認することができるため、導波管１０４を耳孔２００の外に取り出す。
【０１８７】
マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、Ａ／Ｄコンバータ１３８から出力された電気信号を、光学フィルタ毎に識別し、それぞれの光学フィルタに対応する電気信号の平均値を算出する。
【０１８８】
さらに、マイクロコンピュータ１１０は、前述の方法により、赤外光源７００が作動していない状態において測定された第３の光学フィルタ１２４に対応する電気信号から鼓膜の温度を求め、赤外光源７００が作動していない状態において測定された第４の光学フィルタ１２４に対応する電気信号から鼓膜の厚さを求める。
【０１８９】
次に、マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２から、求められた鼓膜の温度と厚さの組合せに対応する、第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と生体成分の濃度との相関を示す相関データを読み出す。この相関データを参照して、赤外光源７００が作動している状態において測定された第１の光学フィルタ１２１を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第２の光学フィルタ１２２を透過した赤外光の強度に対応する電気信号を生体成分の濃度に換算する。求められた生体成分の濃度は、ディスプレイ１１４に表示される。
【０１９０】
また、上述の実施形態においては、分光素子として光学フィルタホイールを利用する例を説明した。しかし、分光素子としては赤外光を波長別に分けることのできるものであればよい。例えば、特定の波長帯域の赤外線を透過させるマイケルソン干渉計、回折格子等を用いることができる。また光学フィルタホイールのように、複数のフィルタが一体成型されている必要はない。さらに、例えば、赤外ＬＥＤ、量子カスケードレーザ等の特定波長の光を放射できる赤外光源を利用する場合には、赤外光を分光する必要がない。したがって、本実施形態に係る光学フィルタホイールに設けられている第１の光学フィルタ、第２の光学フィルタは不要となる。
【０１９１】
以上のように、本実施形態に係る生体成分濃度測定装置によれば、第３、第４の光学フィルタに対応する電気信号を用いて、鼓膜の温度及び厚さの影響を取り除くことができるため、測定精度を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１９２】
本発明にかかる生体成分濃度測定装置は、非侵襲的な生体成分濃度の測定、例えば、血液を採取することなくグルコース濃度を測定する際に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１９３】
【図１】本発明による生体成分濃度測定装置１０の機能ブロックの構成を示す図である。
【図２】実施形態１による測定装置１００の外観を示す斜視図である。
【図３】測定装置１００のハードウェア構成を示す図である。
【図４】実施形態１による光学フィルタホイール１０６を示す斜視図である。
【図５】黒体における分光放射輝度の計算結果のグラフを示す図である。
【図６】グルコース水溶液から放射される赤外光の分光放射輝度とグルコース水溶液の厚さとの関係の計算結果、及び血清吸収スペクトルの各グラフを示す図である。
【図７】実施形態１による測定装置１００を用いて、測定された赤外光強度に含まれる鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する手順を示すフローチャートである。
【図８】グルコース水溶液から放射され第３の光学フィルタを透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度の関係の計算結果のグラフを示す図である。
【図９】グルコース水溶液から放射され第４の光学フィルタを透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の温度及び厚さとの関係の計算結果のグラフを示す図である。
【図１０】グルコース水溶液から放射され第１の光学フィルタを透過する赤外光の放射輝度とグルコース水溶液の濃度、温度及び厚さとの関係の計算結果のグラフを示す図である。
【図１１】実施形態２による生体成分濃度測定装置３００のハードウェア構成を示す図である。
【図１２】実施形態２による光学フィルタホイール３０６を示す斜視図である。
【図１３】実施形態２による測定装置３００を用いて、測定された赤外光強度に含まれる鼓膜の温度及び厚さの影響を補正する手順を示すフローチャートである。
【図１４】実施形態３による生体成分濃度測定装置４００の外観を示す斜視図である。
【図１５】実施形態３による測定装置４００のハードウェア構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１９４】
１０、１００、３００、４００  生体成分濃度測定装置
１１  赤外光検出部
１２  取得部
１３  演算部
１４  出力部
１５  メモリカード
１６  ネットワーク
１７  病院
１０１    電源スイッチ
１０２、３０２    本体
１０３    測定開始スイッチ
１０４    導波管
１０６、３０６    光学フィルタホイール
１０８    赤外線検出器
１１０    マイクロコンピュータ
１１２    メモリ
１１４    ディスプレイ
１１６    電源
１１８    チョッパー
１２１    第１の光学フィルタ
１２２    第２の光学フィルタ
１２３    第３の光学フィルタ
１２４    第４の光学フィルタ
１２５    シャフト
１２６    検出領域
１２７    リング
１３０    前置増幅器
１３２    帯域フィルタ
１３４    同期復調器
１３６    ローパスフィルタ
１３８    Ａ／Ｄコンバータ
１４２    第１のハーフミラー
１４４    第２のハーフミラー
１５６    タイマー
１５８    ブザー
２００    耳孔
２０２    鼓膜
２０４    外耳道
３１０    光源
３１２    第１の集光レンズ
３１４    第２の集光レンズ
３１６    アクチュエータ
３１８    空間フィルタ
３２０    光検出器
３２２    レンズ枠
７００    赤外光源
７０２    ハーフミラー
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【国際調査報告】
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