(57)【要約】【課題】測定精度の高い体内成分計測装置の開発を課題とする。また併せて測定精度の高い体内成分計測方法の開発を課題とする。【解決手段】体内成分計測装置１は、ハウジング２に計測用光源３と細胞活性化用光源５が取り付けられ、さらにハウジング２内に皮膚透過光検知素子（受光素子）６、計測用光源モニター素子７、透過波長可変フィルター８及び２個のハーフミラー１０，１１が取り付けられたものである。測定用光を生体に照射するのに先立って細胞活性化用光源５を発光させて生体に照射し、細胞を活性化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定用光を発生させる光源と、受光手段とを備え、光源から発する測定用光を生体に照射し、生体を透過或いは拡散反射した光を受光手段で受光し、受光手段で受光した光に基づいて生体内の成分を計測する体内成分計測装置において、測定用光を生体に照射するのに先立って所定強度の光を生体に照射し、生体に変化をもたらすことを特徴とする体内成分計測装置。
【請求項２】
測定用光を発生させる光源と、受光手段とを備え、光源から発する測定用光を生体に照射し、生体を透過或いは拡散反射した光を受光手段で受光し、受光手段で受光した光に基づいて生体内の成分を計測する体内成分計測装置において、測定用光を生体に照射するのに先立って、測定用光よりもエネルギーの高い光を生体に照射することを特徴とする体内成分計測装置。
【請求項３】
測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その波長が測定用光の波長よりも短いことを特徴とする請求項１又は２に記載の体内成分計測装置。
【請求項４】
測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その波長が４００〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の体内成分計測装置。
【請求項５】
測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、単位面積あたりのエネルギーが１〜１０Ｊ／ｃｍ２  であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の体内成分計測装置。
【請求項６】
測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その照射時間が測定用光の照射時間よりも長いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の体内成分計測装置。
【請求項７】
測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、断続的に照射されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の体内成分計測装置。
【請求項８】
測定用光を生体に照射し、生体を透過或いは拡散反射した光に基づいて生体内の成分を計測する体内成分計測方法において、測定用光を生体に照射するのに先立って所定強度の光を生体に照射し、生体に変化をもたらすことを特徴とする体内成分計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体に対して針を刺したり、メスや鋏で組織を切り取ることなく体内成分を測定する体内成分計測装置に関するものである。また併せて本発明は、体内成分を計測する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば血糖値の測定は、旧来、注射器等で少量の血液を採血し、この血液中のグルコース濃度を測定することによって行われていた。しかしながらこの方策は痛みを伴うものであるため、患者にとって苦痛である。そこで、生体に対して針を刺したり、メスや鋏で組織を切り取ることなく体内成分を測定する装置が開発されている。この装置は、例えば非侵襲血糖計と称されるものであり、特許文献１，２等に開示されている。
【０００３】
体内成分計測装置の基本構成は、光源と、受光部と、受光した光を解析する解析装置及び演算装置から成る。そして生体（例えば被検者の指）に近赤外光を照射し、生体内部に入り込んで透過及び反射を繰り返して再び生体表面に出てきた光を受光部で受光する。そしてこの光を解析装置で分光し、特定領域の光強度を測定する。この光強度に基づいて算出した吸光度から生体内の血糖値（グルコース濃度）を演算する。
【０００４】
上記した方法は、被検者に苦痛を与えることがない点で優れているが、採血による方法に比べて測定精度が劣るという問題がある。そのためこの種の体内成分計測装置では、いかにして検査精度を向上させかという点が共通する課題である。
【０００５】
たとえば特許文献１に開示された発明では、測定精度を向上させるために、被検体に対する接触圧を圧力センサで検出し、その値に基づいて接触圧が一定となるように被検体の支持板を上下させている。また特許文献２に開示された発明では、光源部の光量を計測する光量計測手段を設け、光量計測手段の出力に応じて光源部の出力を制御している。
【特許文献１】特開２００３−１１１７５０号公報
【特許文献２】特開２００３−２４５２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術の体内成分計測装置は、上記した様に各種の方策を講じて測定精度の向上に努めている。しかしながら、前記した様に体内成分計測装置では、検査精度を向上させることが共通する課題であり、測定精度のさらなる向上が望まれている。
【０００７】
そこで本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、測定精度の高い体内成分計測装置の開発を課題とするものである。また併せて本発明は、測定精度の高い体内成分計測方法の開発を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記した課題を解決するために鋭意研究を行ったところ、生体に光を照射すると細胞が活性化することが分かった。そのため生体に予備的な光を照射し、その直後に測定用の光を照射して測定を行うと、測定精度が向上することが判明した。
【０００９】
上記した知見に基づいて完成された請求項１に記載の発明は、測定用光を発生させる光源と、受光手段とを備え、光源から発する測定用光を生体に照射し、生体を透過或いは拡散反射した光を受光手段で受光し、受光手段で受光した光に基づいて生体内の成分を計測する体内成分計測装置において、測定用光を生体に照射するのに先立って所定強度の光を生体に照射し、生体に変化をもたらすことを特徴とする体内成分計測装置である。本発明の体内成分計測装置では、測定用光を生体に照射するのに先立って予備的な光を生体に照射する。その結果、生体の血流が増大すると共にグルコース等が高濃度となる。本発明では、予備的な光を生体に照射した後に測定用光を生体に照射して所定の測定を行うので、測定精度が高い。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、測定用光を発生させる光源と、受光手段とを備え、光源から発する測定用光を生体に照射し、生体を透過或いは拡散反射した光を受光手段で受光し、受光手段で受光した光に基づいて生体内の成分を計測する体内成分計測装置において、測定用光を生体に照射するのに先立って測定用光よりもエネルギーの高い光を生体に照射することを特徴とする体内成分計測装置である。本発明の体内成分計測装置においても請求項１に記載の発明と同様に測定用光を生体に照射するのに先立って測定用光よりもエネルギーの高い光を生体に照射する。そのため本発明の体内成分計測装置は、測定精度が高い。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その波長が測定用光の波長よりも短いことを特徴とする請求項１又は２に記載の体内成分計測装置である。本発明の体内成分計測装置では、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その波長が測定用光の波長よりも短い。そのため測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、エネルギーが高い。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その波長が４００〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の体内成分計測装置である。この範囲の波長は、酸化ヘモグロビンに吸収される波長であるとともに、細胞へのダメージを与える紫外線領域を除く領域である。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、単位面積あたりのエネルギーが１〜１０Ｊ／ｃｍ２  であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の体内成分計測装置である。前記したエネルギーは、被検者の皮膚に照射されるエネネギーである。この範囲は、細胞にダメージを及ぼさない範囲である。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その照射時間が測定用光の照射時間よりも長いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の体内成分計測装置である。測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その照射時間が測定用光の照射時間よりも長い。そのため細胞の活性化が可能である。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、断続的に照射されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の体内成分計測装置である。本発明の体内成分計測装置では、予備的な光の照射が断続的に行われる。そのため細胞に与えるダメージが低い。また同様の課題を解決するための方法に関する発明は、測定用光を生体に照射し、生体を透過或いは拡散反射した光に基づいて生体内の成分を計測する体内成分計測方法において、測定用光を生体に照射するのに先立って所定強度の光を生体に照射し、生体に変化をもたらすことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の体内成分計測装置では、測定に先立って予備的な光を照射し、測定に先立って細胞を活性化させる。そのため本発明の体内成分計測装置は、測定精度が高いという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下さらに本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態の体内成分計測装置を示す概念図である。図１に示す体内成分計測装置１は、ハウジング２に計測用光源３と細胞活性化用光源５が取り付けられ、さらにハウジング２内に皮膚透過光検知素子（受光手段）６、計測用光源モニター素子７、透過波長可変フィルター８及び２個のハーフミラー１０，１１が取り付けられたものである。またハウジング２には温度センサー１２が設けられている。また外部装置として演算装置１９がある。演算装置１９には、検量モデル用データベースが記憶されている。即ち多数の被験者の皮膚に光を照射し、この時の生体を透過或いは拡散反射した光のスペクトル分布等と、当該被験者の血糖血との関係を検量モデルとし、このデータを多数集めてデータベース化したものが演算装置１９に記憶されている。
【００１８】
以下、体内成分計測装置１の具体的構成について説明する。ハウジング２は、外部から光の混入が無い様に作られたものであり、内部に筒状の主光路１５と副光路１６が設けられている。即ち実施形態の体内成分計測装置１は、体内成分を計測するための光が通過する主光路１５の他に、細胞を活性化させるための光を導くための副光路１６を持っている。図１においては、二列の光路１５、１６はいずれも直線的であり、平行かつ隣接状態に図示している。
【００１９】
ハウジング２の、前記した二列の光路１５の内、主光路１５は、前記した様に直線的であり一方の端部に計測用光源３が設けられている。計測用光源３は、例えばハロゲンランプのように近赤外線帯域に波長域を有するものである。なお計測用光源３には、図示しないレンズやミラーが内蔵されている。
【００２０】
前記した主光路１５の他端側は開放されていて発光部１７を形成している。また当該光路１５の中途には第一ハーフミラー１０が配置されている。前記した主光路１５の中心部には、さらにもう一つの光路（受光用光路）２０が形成されている。光路２０は、生体から戻って来た光を受光するための光路であり、一端側は、前記した第一ハーフミラー１０と接している。また受光用光路２０の奥部には皮膚透過光検知素子（受光手段）６が設けられている。皮膚透過光検知素子６には、例えばＩｎＧａＡｓアレイ型受光素子を使用することができる。皮膚透過光検知素子６は、第一ハーフミラー１０側を向いている。
【００２１】
また光路１５から計測用光源モニター素子７が露出している。計測用光源モニター素子７は、計測用光源３から出た光の中心付近の光を検知する様に配置されている。計測用光源モニター素子７には、たとえばＩｎＧａＡｓアレイ型受光素子を使用することができる。計測用光源モニター素子７は、受光部が計測用光源３側に向いている。計測用光源モニター素子７は、計測用光源３のスペクトル分布を測定するために設けられたものである。
【００２２】
一方、前記した光路１５に隣接する光路１６は、一端側に細胞活性化用光源５が取り付けられ、他端側に第２ハーフミラー１１が設けられている。また光路１６の中途には透過波長可変フィルター８が設けられている。透過波長可変フィルター８と細胞活性化用光源５との間には、図示しないシャッターやスリット等が設けられており、透過波長可変フィルター８を通過させる場合と通過させない場合を切り換えることができる。
【００２３】
本実施形態では、細胞活性化用光源５は、波長が４００〜１０００nmの範囲の光を発する。前記した透過波長可変フィルター８を通過させると、６００nm以上の波長がカットされ、結果的に４００〜６００nmの範囲の光が発せられる。また細胞活性化用光源５のエネルギーは、被測定部の皮膚上において１〜１０Ｊ／ｃｍ２  であり、本実施形態では、３Ｊ／ｃｍ２  に調整されている。
【００２４】
上記した細胞活性化用光源５は、測定に先立って予備的に発光され、血糖値の精度を向上させるための照射光を発生させるものであり、血糖値の測定そのものには使用されない。そのため細胞活性化用光源５が発生させる光の波長は、血流増加・細胞活性化に効果的な波長であり、酸化ヘモグロビンに吸収される波長であるとともに、細胞へのダメージを与える紫外線領域を除く領域である。
【００２５】
具体的には、細胞活性化用光源５の波長は、４００〜１０００ｎｍである。また細胞活性化のためにより好ましい波長は７００〜８００ｎｍである。ただし皮膚への熱ダメージが出る場合は、相対的に酸化ヘモグロビンの吸光量がメラニンの吸光量より高くなる様に透過波長可変フィルター８を通して６００nm以上をカットする。この場合の波長は、４００〜６００ｎｍとなる。
【００２６】
細胞活性化用光源５のパワーは、照射エネルギーは部位によって効果が異なるものの、細胞へのダメージを及ぼさないために１０Ｊ／ｃｍ２  以下であることが望ましい。また細胞活性化の作用を顕著に表出させるためには、細胞活性化用光源５のパワーは、１Ｊ／ｃｍ２  以上であることが望ましい。これらの点に鑑み、推奨される細胞活性化用光源５のパワーは、１〜１０Ｊ／ｃｍ２  である。
【００２７】
照射時間は、血流量増大のために１分間以内の照射を行い、皮膚への熱ダメージが出る場合はタンパクの変性を起こさないようにするために１回の照射を１０ｍｓ以下とし、このパルス光を繰返し照射することにより血流量を増大させる効果を出す。細胞活性化用光源５が発生させる光と、計測用光源３が発生させる光とを比較すると、細胞活性化用光源５が発生させる光のパルスパワーは計測用光源３のパルスパワーよりも高い。
【００２８】
また細胞活性化用光源５が発生させる光の波長は、計測用光源３が発生させる光の波長よりも短い。また細胞活性化用光源５が発生させる光を皮膚に照射する時間は、計測用光源３が発生させる光を皮膚に照射する時間よりも短い。
【００２９】
光路１６の説明に戻ると、前記した主光路１５と副光路１６は、第一ハーフミラー１０と第二ハーフミラー１１の間で光学的に連通している。温度センサー１２は、ハウジング２の外側に露出しており、その検知面は、発光部１７と隣接している。そのため発光部１７を被検者の皮膚に押し当てると、隣接する温度センサー１２が被検者の皮膚に接触し、皮膚表面の温度を検知することができる。
【００３０】
次に、各光路中の光の経路について説明する。図２は、計測時における光の経路を示す説明図である。図３は、細胞活性化用光の経路を示す説明図である。本実施形態では、計測用光源３と細胞活性化用光源５とを個別に発光させる。計測用光源３から発せられた光は主光路１５を直進し、第一ハーフミラー１０を透過して主光路１５端部の発光部１７から外部に輻射される。この光は、被検者の皮膚に照射され、皮膚組織を透過あるいは拡散反射して発光部１７側に戻る。
【００３１】
皮膚を透過或いは拡散反射して戻った光は、前記した発光部１７から主光路１５に入る。そして第一ハーフミラー１０を透過して受光用光路２０に入り、皮膚透過光検知素子６に至る。これに対して細胞活性化用光源５から発せられた光は副光路１６を経て被検者の皮膚に照射される。
【００３２】
即ち細胞活性化用光源５から発せられた光は副光路１６を直進し、透過波長可変フィルター８の部位を通過する。そして細胞活性化用光源５から発せられた光はさらに直進するが、第二ハーフミラー１１の表面で反射して主光路１５に入る。この光は第一ハーフミラー１０の裏面で反射し、発光部１７から外部に輻射される。細胞活性化用光源５から発せられた光は、被検者の皮膚に照射される。
【００３３】
次に本発明の実施形態の体内成分計測装置１の作用について、動作手順を追って説明する。本実施形態の体内成分計測装置１は、発光部１７に指等の生体組織を乗せて血糖値を測定するものである。即ち発光部１７に指等を置き、図示しないスタートボタンをオンすることによって計測が開始される。本実施形態では、血糖値の測定は、計測用光源３を発光させて行われるが、測定に先立って、細胞活性化用光源５からエネルギーの高い光が皮膚に照射され、細胞の活性化が行われる。
【００３４】
以下、図４のフローチャートに従って説明する。図４は、本発明の実施形態の体内成分計測装置の動作手順を示すフローチャートである。前記した様に発光部１７に指等を置き、図示しないスタートボタンをオンすることによって計測が開始され、ステップ１に移行して細胞活性化用光源５がオンされる。細胞活性化用光源５から発せられた光は、前記した経路を経て被検者の皮膚に照射される。ここで細胞活性化用光源５から照射される光は、測定制度の精度向上のためだけに照射されるものであり、その波長は、酸化ヘモグロビンに吸収される波長であるとともに、細胞へのダメージを与える紫外線領域を除く領域のものである。
【００３５】
本実施形態では、ステップ１で細胞活性化用光源５がオンとなり、細胞活性化用光源５から４００〜１０００nmの波長で、エネルギーが３Ｊ／ｃｍ２  の光を発させる。そしてこの光を透過波長可変フィルター８を透過させずに被検者に照射する。即ち４００〜１０００nmの波長の光が、前記した経路を経て被検者に照射され、細胞が活性化される。細胞活性化用光源５がオンとなるとステップ２に移行し、タイマの計時が開始される。このタイマは、細胞活性化用光を照射する時間を計測するものである。この時間は、例えば０．５〜２分程度である。本実施形態では、１分を計時するものとする。
【００３６】
続いてステップ３に移行し、温度センサー１２によって被検者の皮膚の温度を検知し、ステップ４でその温度が４０°Ｃ以下であるか否かを確認する。即ち皮膚のタンパクは、４２°Ｃ越えると熱変性が生じるので、被検者に害を与える懸念がある。そこで余裕を勘案し、ステップ３，４で皮膚の温度が４０°Ｃを越えないように監視する。
【００３７】
そしてステップ５で１分が経過したか否かを判別する。１分を経過していない場合は、ステップ４に戻り、皮膚温度の監視を続ける。実際上は、温度センサー１２による皮膚温度の検知を一定時間ごとに繰り返す。例えば１秒程度の間隔を開けて温度を測定することとなる。細胞活性化用光の照射時間が１分を経過するとステップ６に移行し、細胞活性化用光源５をオフにして血糖値の測定を開始する。
【００３８】
もし細胞活性化用光の照射時間が１分に満たない間に皮膚の温度が４０°Ｃ以上となった場合は、皮膚が低温火傷する危険があるので次の対策を講じる。即ちステップ８に移行し、一旦細胞活性化用光源５をオフする。つまり本実施形態では、所定の時間（５秒間）細胞活性化用光源５をオフする。具体的には、ステップ９で停止時間の計時を開始し、ステップ１０で５秒が経過するものを待つ。
【００３９】
この後は、ステップ１１以下によって４００〜６００nmの範囲の光を断続的に照射し、これを１分間続ける。またこの間においても、皮膚温度の監視を行う。即ちステップ１１でフィルターをオン状態とする。その結果、図示しないシャッタ等が駆動し、細胞活性化用光源５から発せられた光が透過波長可変フィルター８を経て被検者に照射されるようになる。続くステップ１２でタイマの計時が開始される。このタイマは、細胞活性化用光を照射する時間を計測するものであり、１分を計時する。
【００４０】
そしてステップ１３に移行し、細胞活性化用光源５を点滅させ、間欠的な光を被検者に照射する。具体的には、１回の照射を１０ｍｓ以下とし、このパルス光を繰返し照射する。本実施形態では、照射パルスは、１０ｍｓの間オンし、５０ｍｓの間オフし、これを繰り返す。
【００４１】
続いてステップ１４に移行し、温度センサー１２によって被検者の皮膚の温度を検知し、ステップ１５でその温度が４０°Ｃ以下であるか否かを確認する。そしてステップ１６で１分が経過したか否かを判別する。１分を経過していない場合は、ステップ１３に戻り、皮膚温度の監視を続ける。細胞活性化用光の照射時間が１分を経過するとステップ７に移行し、血糖値の測定を開始する。
【００４２】
血糖値の測定は従来技術と同様であり、計測用光源３を点灯して被検者の皮膚に照射し、皮膚組織を透過あるいは拡散反射した光に基づいて血糖値を測定する。具体的には、照射する光は、対象成分の分子結合により決定される波長とし、近赤外線域の波長である。たとえば血糖計測の場合、１〜２μｍの波長の光を使用する。即ち計測用光源３を点灯して波長１〜２μｍ、エネルギーが１Ｊ／ｃｍ２  未満の光を発生させる。被検者の皮膚に照射する照射時間は、計測中の変動要因を少なくするために１秒以下とする。
【００４３】
なおこの時、計測用光源モニター素子７によって計測光照射時のスペクトル分布を計測しており、光源の劣化等による変動をモニタすることにより計測精度の向上を図っている。そして被検者の皮膚に入射した光が皮膚内部で拡散反射し、その光量が皮膚透過光検知素子６で計測される。
【００４４】
皮膚透過光検知素子６には透過波長可変フィルタが装着されており、時系列に透過する波長を切り替えながら皮膚透過光のスペクトル分布を計測する。計測用光源モニター素子７の検知信号及び皮膚透過光検知素子６の検知信号は、演算装置１９に送られる。そして光源モニタ用素子７の値に基づいて、皮膚透過光検知素子６が検出したスペクトル分布を正規化し、血糖値を決定する。図５は、皮膚透過光検知素子６が検出したスペクトル分布のグラフである。受光信号は増幅及びＡＤ変換後、マイクロコンピュータからなる演算装置１９に送られ、演算装置１９においてデータ解析によりグルコース濃度が算出される。
【００４５】
上記した実施形態では、血糖値の測定に本発明を活用したが、他の成分、例えば赤血球量、白血球量、鉄分、尿酸等の測定にも適用できる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態の体内成分計測装置を示す概念図である。
【図２】計測時における光の経路を示す説明図である。
【図３】細胞活性化用光の経路を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態の体内成分計測装置の動作手順を示すフローチャートである。
【図５】皮膚透過光検知素子が検出したスペクトル分布のグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１  体内成分計測装置
２  ハウジング
３  計測用光源
５  細胞活性化用光源
６  皮膚透過光検知素子（受光手段）
７  計測用光源モニター素子
１２  温度センサー
１５  主光路
１６  副光路
【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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