(57)【要約】【課題】本発明の目的は、被検体の被測定部位や測定条件が測定毎に変動したり被検体組織の差異等のために被測定部位の位置に依存して測定結果が異なるといった問題、あるいは被検体の組織性状に関連した所望の光信号を検出する際に前記被検体の組織性状の定量分析や定性分析を行う際の阻害要因となる光の成分が混入するといった問題を解決することにある。【解決手段】本発明は、光学部９から少なくとも一つ以上の波長の単色光又はそれに近い所望の光を被検体に照射し、被検体内を拡散、透過及び／又は反射した光を光学部９により検出して被検体の組織性状に関する情報を非侵襲的に得る非侵襲性検査装置において、被検体の被照射部位及び／又は被測定部位の変更が可能なように光学部９を移動するために設けられた移動機構５を有する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学部から少なくとも一つ以上の波長の単色光又はそれに近い所望の光を被検体に照射し、被検体内を拡散、透過及び／又は反射した光を前記光学部により検出して前記被検体の組織性状に関する情報を非侵襲的に得る非侵襲性検査装置において、
前記被検体の被照射部位及び／又は被測定部位の変更が可能なように前記光学部を移動するために設けられた移動機構を有することを特徴とする非侵襲性検査装置。
【請求項２】
前記光学部は、
前記単色光又はそれに近い光を発生させる光源部と、
前記単色光又はそれに近い光を同一光軸に重ね合わせる合波部と、
前記光源より発生された光、前記同一光軸に重ね合わされた複数の単色光又はそれに近い光を前記被検体へ照射すると共に前記被検体を拡散、透過、若しくは反射した光を受光する照射・受光部と、
前記被検体の少なくとも一つ以上の測定点から光信号を検出可能な光検出部とから構成され、
前記光学部は、前記照射及び受光のための光学窓となるインタフェース部を介して前記被測定部位と接するよう設けられ、前記移動機構により、前記インタフェース部と被測定部位が接する面に対して水平方向に移動されることを特徴とする請求項１記載の非侵襲性検査装置。
【請求項３】
前記光源部より発せられる光の照射開口と前記インタフェース部とは共焦点を形成し、前記受光検出開口と前記インタフェース部は共焦点を形成し、
前記照射開口と前記受光検出開口と前記インタフェース部において入射及び出射する光束の主光線が、前記照射開口の面と前記受光検出開口面と前記インタフェース部に対して、略垂直であることを特徴とする請求項２に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項４】
前記光学部は、照射用と受光用の光ファイバを有することを特徴とする請求項２に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項５】
前記インタフェース部は、互いに光学的な伝播が制限された光導波路を複数並べ平板状に構成した構造を有することを特徴とする請求項２に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項６】
前記光導波路は、照射及び受光する領域に対して十分に小さな径を有する少なくとも２種類の屈折率を有する光ファイバ状の伝送路であることを特徴とする請求項５に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項７】
前記インタフェース部は、少なくとも１本以上の光ファイバが埋め込まれたプレートとして構成されることを特徴とする請求項２に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項８】
前記光学部は、照射用と受光用の光ファイバを有し、
前記照射用の光ファイバの径は、前記プレートに埋め込まれた光ファイバの径よりも小さいか又は同等であり、前記受光用の光ファイバの径は、前記インタフェース部のプレートに埋め込まれた光ファイバの径よりも大きいか又は同等であることを特徴とする請求項７に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項９】
前記光学部の移動機構は、前記光学部を搭載する移動部と、前記移動部に対して歯車を介して接続された駆動部とを有し、前記駆動部の駆動力は前記歯車で前記駆動部から前記移動部へ伝播され、前記移動部の両端に取付けられた誘導棒で移動方向が制御され、前記移動部の停止位置はセンサによって検出されることを特徴とする請求項１に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項１０】
前記光学部の移動機構は、前記光学部に設けられた駆動部と、前記光学部の移動距離及び／又は位置情報を検出するための位置エンコード部とを有することを特徴とする請求項１に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項１１】
前記インタフェース部の一部又はその近傍に配置された、前記被測定部位及び／又はその近傍の温度を制御するための温度制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項１２】
前記インタフェース部の一部又はその近傍に配置された前記被検体の所望の部位が触れているか否かを感知する接触センサと、前記接触センサの出力信号に基づき前記光源部より発せられる出力光の全部もしくは一部の光強度、周波数及び／又は波長を制御する制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記被検体の所望の測定部位が所望の接触圧で前記インタフェース部に接触しているとき、前記光源部より発せられる出力光の全部又は一部の光を被検体へ照射させ、前記被検体の所望の測定部位が所望の接触圧で前記インタフェース部に接触していないときには、前記光源部より発せられる出力光の全部又は一部の光強度を抑制し、前記被検体の所望の測定部位が所望の接触圧でインタフェース部に接触しているときには、前記光源部より発せられる出力光の全部又は一部の光強度を所望の大きさに制御することを特徴とする請求項１２に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項１４】
前記制御部は、前記接触センサの情報に基づいて、被検体の所望の測定部位が所望の接触圧で前記インタフェース部に接触し測定可能な状態であるか否かを判定する機能と、測定の状態を表示させる機能とを有することを特徴とする請求項１２に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項１５】
前記被検体の組織性状に関する情報は、生体組織の細胞中、あるいは生体組織の細胞外の体液成分濃度であることを特徴とする請求項１に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項１６】
前記被検体の体液成分濃度は、グルコース濃度であって、
前記グルコース濃度の定量にあたって少なくとも４００〜２５００ｎｍの領域から選択された全領域あるいは一部の領域からなる１種類以上の波長の光を用いることを特徴とする請求項１５に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項１７】
前記体液成分濃度は、血液中に含まれるヘモグロビン濃度であって、前記ヘモグロビン濃度の定量にあたって少なくとも５００〜１６００ｎｍの領域から選択された全領域あるいは一部の領域からなる１種類以上の波長の光を用いることを特徴とする請求項１５に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項１８】
前記被検体の組織性状に関する情報は、生体組織の変性や変化に依存した光の吸収率や透過率、或いは拡散係数等の光物性情報であることを特徴とする請求項１に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項１９】
前記光学部の移動機構により少なくとも２つ以上の測定位置において、所望の情報を取得し、前記複数の測定位置での情報から平均値や偏差値等の代表値を算出することを特徴とする請求項１に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項２０】
前記光学部の移動機構により予め少なくとも２つ以上の測定位置において所望の情報を得て、その情報に基づき測定位置を決定し、前記測定位置にて所望の情報を測定することを特徴とする請求項１に記載の非侵襲性検査装置。
【請求項２１】
被検体の内部構造及び分析物を非侵襲性でもって検査するための非侵襲性検査装置において、
前記被検体の一部表面と接続されるインタフェース部と、
前記被検体に対して光照射／受光をする光学部と、
前記光学部を前記インタフェース部に沿って移動可能に支持する移動機構と、
前記光学部を所定の軌道にそって反復移動するために前記移動機構を制御する制御部とを具備することを特徴とする非侵襲性検査装置。
【請求項２２】
前記光学部は、前記所定の軌道に沿って移動する期間に前記光照射／受光を繰り返すことを特徴とする請求項２１記載の非侵襲性検査装置。
【請求項２３】
前記軌道は、直線、円弧、又は複雑な軌道のいずれかであることを特徴とする請求項２１記載の非侵襲性検査装置。
【請求項２４】
前記インタフェース部には、１ミクロン〜１００ミクロンの直径を有する一連の光ファイバからなることを特徴とする請求項２１記載の非侵襲性検査装置。
【請求項２５】
前記インタフェース部ろ前記光学部との間には、前記窓−空気インタフェースで反射率損失を最小限に抑えるために、反射防止膜が設けられることを特徴とする請求項２４記載の非侵襲性検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、健康管理や、疾病の診断や治療、或いは美容のために、血液や生体組織細胞中あるいは生体組織細胞外の体液中の物質濃度、或いは生体組織の光物性情報を非侵襲で光学的に測定する計測機器に係り、特に可視光、近赤外光、もしくは中間赤外光などを用いて、グルコース、コレステロール、中性脂肪、アルブミン等の蛋白成分、ヘモグロビン、及びクレアチニンなどの血中成分濃度、酸素や二酸化炭素などの生体内ガス濃度、及びアルコールや薬物などの濃度を非侵襲的に測定する非侵襲性検査装置、あるいは癌、炎症、皮膚保湿能、動脈硬化等に代表される生体組織の変性に関する情報を非侵襲的に測定する非侵襲性検査装置に係り、特に身体の一部の表面とインタフェースで接続する固定光窓、並びに照明及び検出手段を有する人体中の構造及び分析物の非侵襲性検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被検体内に存在する物質の成分や濃度を測定するための代表的な従来装置としては、血液中もしくは体液中のグルコース濃度（血糖値）を測定する血糖計がある。現在広く用いられている血糖計は、被検体の指や腕などの部位の一部に針を刺して採取した少量の血液サンプルを利用するもので、この採取した血液中のグルコースを化学反応させてその濃度を測定する。最も一般的なグルコース濃度の計測法としては、酵素電極を用いた方法がある。グルコース検知に使用される酵素としては、例えばグルコースオキシダーゼ(GOD) がある。この酵素を高分子膜などに固定化しておき、被検体物質中のグルコースがそのＧＯＤ固定化膜に接触することによって酸素が消費され、この酸素の変化を捕らえることでグルコース濃度を測定することができる。このような採血式の血糖計は携帯可能な大きさであり、糖尿病患者の血糖値の管理に利用されている。
【０００３】
しかしながら、上記方法では採血のために指や腕などの一部に針を刺す必要があり被検者の皮膚を損傷するとともに苦痛を伴う。そのために、糖尿病患者の血糖値を厳密に管理するためには一日に５、６回以上の測定が望ましいにもかかわらず、現状では一日に２、３回程度の測定回数に留まっている。被検者の皮膚損傷や苦痛を軽減する目的で、微小な針やレーザを用いて痛みを伴わない程度の微小な穴を皮膚表面に開け微量の細胞間質液を採取して測定する方法や、皮膚表面に電圧や超音波を印加して皮膚の浸出透過性を良くし細胞間質液等の浸出液を抽出して測定する方法等が研究されているが、実用に供するには至っていない。
【０００４】
一方、グルコース等の被検体内に存在する物質の成分や濃度を採血や細胞間質液の抽出を必要せずに非侵襲で測定する方法としては、特公平３−４７０９９号公報あるいは特公平５−５８７３５号公報に示されているような電磁波を利用した方法がある。ここで、波長帯域が３８０〜７７０ｎｍ程度の電磁波を可視光、７７０〜１５００ｎｍ程度の電磁波を近赤外光、１５００〜３０００ｎｍ程度の電磁を中赤外光、及び３０００〜２５０００ｎｍ程度の電磁を遠赤外光とする。前記特公平３−４７０９９号公報あるいは特公平５−５８７３５号公報には、被検体の皮膚表面などに異なる複数の波長の近赤外光を照射し、それらの検出信号を基準信号と測定信号とに分け、これらの値を演算処理することにより被検体内に存在する物質の成分や濃度を測定する方法が開示されている。
【０００５】
上記方法において近赤外光の光源としては、タングステン・ハロゲンランプ等の白色光源から発せられる光を干渉フィルタ等の分光手段で所定の波長に分光する方法や単色光もしくはそれに近い半導体レーザ（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。また、被検体を透過、拡散した近赤外光の検出器としては、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光素子が用いられる。
【０００６】
上記のような近赤外光、更には可視光を用いた生体物質の非侵襲分光分析は近年注目されている方法であり、中遠赤外光を用いた分光分析と比較して生体の構成要素として大部分を占める水の吸収が小さいために、水溶液系の分析が可能であることや、生体を透過する能力が高いという長所を有する。反面、分子振動に帰属する信号が中赤外光領域と比較すると１００分の１程度と小さく、信号の帰属が特定しにくいという短所を有する。更に、近赤外光を用いた測定においても、水の第一倍音付近の領域（１２５０〜１８００ｎｍ）の近赤外光は比較的分子振動に帰属するスペクトル信号が大きい反面、光の透過性が悪く、水の第二倍音付近の領域（８００〜１３００ｎｍ）の近赤外光は分子振動に帰属するスペクトル信号が小さい反面、光の透過性が良いという特性をもつ。
【０００７】
すなわち、近赤外領域において目的とする生体物質の信号を検知する場合、目的とする生体物質の濃度変化に対応する信号が非常に小さく、またその信号の帰属が明瞭でない場合が多いという問題を抱えている。このような問題を解決するための方法としては、特開平１０−２１６１１２号公報や特開平１０−３２５７９４号公報などに記載されている統計解析手法あるいは多変量解析手法を用いる方法がある。これらの解析方法は微小な信号変化を捕らえ正確な物質の定量化をおこなうのに優れた方法であるが、目的とする生体物質情報の指標となる信号の信号対雑音比（ＳＮ比）を改善するものではない。
【０００８】
ＳＮ比を改善する方法としては、基準信号と目的とする物質情報に関係する信号との差、あるいはそれらの比を求めることにより目的とする生体物質の濃度変化（変動）を明確にする方法や、複数回計測した信号を平均化することにより雑音成分を小さくする方法が用いられている。
【０００９】
また被検体に光を照射して被検体組織を透過、拡散した光を検出する場合には、被検体の組織性状の指標となる情報を有する光信号以外に、被検体組織表面や測定器の光の入出力部において散乱あるいは反射した前記組織性状の指標となる情報とは無関係な光が重畳して測定され、雑音が大きくなる場合がある。
【００１０】
このような問題を解決するための測定法として、特公平６−１０３２５７号公報、米国特許第５５５１４２２号公報、米国特許第５７７０４５４号公報、国際出願第ＷＯ９９／５９４６４号公報などに記載されているような、照射点と受光点の距離を変えることによって実質的に光拡散光路長が異なる複数の測定データから物質の吸光度を算出する空間分解拡散反射法がある。
【００１１】
例えば、国際出願第ＷＯ９９／５９４６４号公報には、複数の光ファイバを被検体の測定部位表面に直接接触させ、光の照射と複数の異なる部位で被検体組織を透過、拡散した光を検出する前記空間分解拡散反射法の計測方法が開示されている。この方法は、光ファイバを被検体の測定部位表面に直接接触させており、また照射位置と光検出位置が空間的に異なるため、前記被検体組織表面や測定器の光の入出力部において散乱あるいは反射することによって発生する雑音信号の検出を抑制することができる。しかしながら、本方法は光学系を直接被検体に接触させるため、測定部位を可変し難く、当該移動機構は非常に複雑な構造になるという問題がある。
【００１２】
また、米国特許第５８９３３６４号公報に記載されているように複数の光源と検出器をアレイ状に構成し光学ファイバプレートを介して照射及び受光を行う方法も開示されている。しかし本法は複数の光源と検出器が必要であり高価となる。
【００１３】
生体組織の光学的特性は個体差間や部位によって異なる。このような光学的特性の差異は、測定精度に大きな影響を与える。このような個体差間や部位によって異なる光学的特性の影響を抑制し、測定精度の向上を図ることを目的とした方法としては、特開平１０−３２５７９４号公報、特開平１１−５０６２０７号公報、米国特許第５７４７８０６号公報等に記載されているような、複数の波長の光を照射して、その際に被検体を拡散、透過、若しくは反射した光信号を収集して、それらの情報から相互相関などの処理を行うことにより、被検体の組織性状を反映した所望の情報を精度良く抽出する方法がある。また、部位の違いによる光学的特性の差異の影響を抑制する方法としては、電荷結合素子などの撮像素子を用いて光を照射する部分を含む被検体の一部を撮影して画像情報化し、この画像情報から光を照射する位置が測定の度毎に同一になるように調整する方法が、特開平１１−１２８１７６号公報に開示されている。
【００１４】
また、計測部位の温度に依存して測定結果が変動することが明らかにされており、この問題を解決する方法としては、特開平１１−１２３１９５号公報や国際出願第ＷＯ９９／５９４６４号公報に記載されているような計測部位の温度を制御する方法、あるいは特開平１１−１２３１９５号公報に記載されているような計測部位の温度を計測して補正を行う方法などが開示されている。
【００１５】
また、効率よく被検体内へ光を侵入させると共に、被検体内を拡散、透過、若しくは反射して被検体外に到達した光の検出能を高めるために、光の入出力部及びその近傍を血圧計などに利用されているマンシェット(圧迫帯)を用いて、被検体と測定装置との接触性を良くする方法もある。
【００１６】
グルコース濃度（血糖値）以外の被検体内に存在する物質の成分や濃度の非侵襲的測定に関しては、例えば抹消血管内のヘモグロビン濃度の測定装置や酸素飽和度を測定する装置などが実用化されている。また、グルコースと同様に生活習慣病に関わる重要な生体内物質であるコレステロールや中性脂肪をはじめとした各種の生体情報を非侵襲的かつ定量的に計測する装置の開発が望まれている。
【００１７】
また、局在反射率測定の使用は、技術的に公知であり、かつ組織及び濁り媒質の吸収係数、μａ、及び散乱係数、μｓ’、の定量に利用される。局在反射率測定において、光が一つの照明部位に導入され、かつ照明部位からの種々の距離の複数の光収集部位で収集される。照明部位及び各検出部位間の距離は、光源−検出器距離と呼ばれる。幾つかの光源−検出器距離での光強度は、吸収係数、μａ、散乱係数、μｓ’、及び他の派生パラメータのような組織の光学パラメータを計算するために使用される（非特許文献１を参照せよ）。これらパラメータの値は、ヘモグロビン及びグルコースのような組織中の分析物の濃度を定量するため、及び腫瘍のような組織内部の不均質構造を撮像するに使用される。
【００１８】
分析物の非侵襲性定量のための局在反射率測定の使用は、グルコース濃度を定量するために、子ウシ筋肉及び腹部のような深部組織構造中のバルク散乱係数を測定するための、特許文献１３でＳｉｍｏｎｓｅｎ  ｅｔ  ａｌによって開示された。測定用プローブの配置、光源及び検出点間の距離、及び光輸送方程式への拡散近似の使用は、約数センチメートルの組織中の深さでの光サンプリングを必要とした。特許文献１４は、多くの光源−検出器距離での信号測定を可能にするために、円周上に互いに対向して配置される、多数の光源及び検出器を内蔵する、人体中の構造を撮像する光トモグラフィー装置を記載する。
【００１９】
グルコース濃度を定量するための散乱係数の使用の例は、例えば非特許文献２及び３のような、幾つかの学術論文に示されている。組織散乱係数の規模に対するグルコースの影響を利用する方法は、グルコース濃度の変化に起因する間質液（ＩＳＦ）の屈折率の変化を追跡する。Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ（非特許文献４）は、両面テープを使用して人体に取り付けられた、一定の、広い光源−検出器距離での照明及び検出ファイバからなる光学プローブの使用を開示している。Ｓｉｍｏｎｓｅｎ  ｅｔ  ａｌも、光ファイバ窓と接触する固定ファイバからの光を、身体の一部に送出し、かつ身体の一部から反射された光を、光窓と接触するファイバに送出するための、光ファイバ窓の使用を開示している。
【００２０】
Ｇｒａｔｔｏｎ  ｅｔ  ａｌの特許文献１５は、人体の一部の複数の部位を照明する変調された複数の光源及び単一の光収集素子を使用するグルコースのＮＩ定量への周波数変調方法を開示する。グルコース濃度は、散乱係数の値から推定された。結果は、非特許文献５に説明され、一定の、広い光源−検出器距離での照明及び検出ファイバからなる光学プローブの使用を記載する。光源及び検出器は、高周波で変調され、かつ位相及び振幅の変化は、媒質又は人体の一部の吸収及び散乱係数を定量するために使用された。光ファイバは、人体の一部と直接接触させられるか、又は両面粘着テープによって貼り付られる。
【００２１】
温度調節された局在反射率プローブは、Ｋｈａｌｉｌ  ｅｔ  ａｌの特許文献１６によって開示された。幾つかの出版物が、異なる温度での組織の光学特性を調査するために、これらの温度調節された局在反射率プローブを利用した。例えば、非特許文献６、７、８及び９を参照せよ。
【００２２】
特許文献１６及び上述の文献は、各々が身体の一部の表面と接触させられ得る２つの温度調節された光学プローブを有する非侵襲性光学測定装置を利用した。光源−検出器距離は、温度調節されたディスク内に取り付けられた照明ファイバ及び検出ファイバの相対位置によって固定された。２つの位置での２つの異なる温度条件で、組織の光学特性を測定することは、可能であった。
【特許文献１】特公平３−４７０９９号公報
【特許文献２】特公平５−５８７３５号公報
【特許文献３】特開平１０−２１６１１２号公報
【特許文献４】特開平１０−３２５７９４号公報
【特許文献５】特公平６−１０３２５７号公報
【特許文献６】米国特許第５５５１４２２号明細書
【特許文献７】米国特許第５７７０４５４号明細書
【特許文献８】国際出願第ＷＯ９９／５９４６４号明細書
【特許文献９】特開平１１−５０６２０７号公報
【特許文献１０】米国特許第５７４７８０６号明細書
【特許文献１１】特開平１１−１２８１７６号公報
【特許文献１２】特開平１１−１２３１９５号公報
【特許文献１３】米国特許第５５５１４２２号明細書
【特許文献１４】米国特許第６９３７８８４号明細書
【特許文献１５】米国特許第５４９２１１８号明細書
【特許文献１６】米国特許第６６６２０３０号明細書
【非特許文献１】Ｂ．Ｗｉｌｓｏｎ，”Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｉｓｓｕｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ：ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  ｔｈｅｏｒｉｅｓ”  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ−Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｏｆ  Ｌａｓｅｒ−Ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ  Ｔｉｓｓｕｅ，Ａ．Ｊ．Ｗｅｌｃｈ  ａｎｄ  Ｍ．Ｃ．Ｃ．Ｖａｎ  Ｇｅｍｅｒｔ，ｅｄｉｔｏｒｓ，Ｐｌｅｎｕｍ  Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，ＮＹ，１９９５，ｐａｇｅｓ  ２３３−２６１
【非特許文献２】Ｋｏｈｌ  ｅｔ  ａｌ，”Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｏｎ  ｌｉｇｈｔ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｉｎ  ｔｉｓｓｕｅ  ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ  ｐｈａｎｔｏｍｓ”Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １９９４；１９：２１７０−７２
【非特許文献３】Ｋｏｈｌ  ｅｔ  ａｌ，”Ｔｈｅ  ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ  ｏｆ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｕｐｏｎ  ｔｈｅ  ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｏｆ  ｌｉｇｈｔ  ｉｎ  ｔｉｓｓｕｅ−ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ  ｐｈａｎｔｏｍｓ”Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ  Ｂｉｏｌｏｇｙ  １９９５；４０：１２６７−８７
【非特許文献４】Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ，Ｄｉａｂｅｔｅｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃｓ  ２０００；２：２１１−２２０
【非特許文献５】Ｍａｉｅｒ  ｅｔ  ａｌ，”Ｎｏｎ−ｉｎｖａｓｉｖｅ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｒｅｄｕｃｅｄ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｏｆ  ｔｉｓｓｕｅｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ”Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ  １９９４；１９：２０６２−６４
【非特許文献６】Ｋｈａｌｉｌ  ｅｔ  ａｌ，”Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｖｉｓｉｂｌｅ  ａｎｄ  ｎｅａｒ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ  ｏｆ  ｉｎｔａｃｔ  ｈｕｍａｎ  ｓｋｉｎ”Ｊ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ，２００３；８：１９１−２０５
【非特許文献７】Ｙｅｈ  ｅｔ  ａｌ，”Ｎｅａｒ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｏｆ  Ｔｈｅ  Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  ｏｆ  Ｉｎｔａｃｔ  Ｄｉａｂｅｔｉｃ  ａｎｄ  Ｎｏｎ−Ｄｉａｂｅｔｉｃ  Ｈｕｍａｎ  Ｓｋｉｎ”Ｊ  Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ  Ｏｐｔｉｃｓ，２００３；８：５３４−５４４
【非特許文献８】Ｙｅｈ  ｅｔ  ａｌ，”Ｔｒａｃｋｉｎｇ  Ｂｌｏｏｄ  Ｇｌｕｃｏｓｅ  Ｃｈａｎｇｅｓ  ｉｎ  Ｃｕｔａｎｅｏｕｓ  Ｔｉｓｓｕｅ  ｂｙ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”Ｃｌｉｎｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ２００３；４９：９２４−９３４
【非特許文献９】Ｋｈａｌｉｌ  ｅｔ  ａｌ，”Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｏｆ  ｎｅａｒ  ＩＲ  ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ  ｓｉｇｎａｌｓ  ｏｆ  ｉｎｔａｃｔ  ｄｉａｂｅｔｉｃ  ｈｕｍａｎ  ｓｋｉｎ  ｔｏ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｔｉｍｕｌｉ”ＳＰＩＥ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ２００３；５０８６：１４２−１４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明の目的は、被検体内に存在する物質の成分や濃度、或いは被検体組織の変性に関する情報を非侵襲で光学的に測定し分析する装置に関し、被検体の体液や組織の成分、濃度、或いは物性の変化に関連した光学的な情報を迅速に精度良く計測して正確な被検体の組織性状の定量分析あるいは定性分析を行うことができる非侵襲性検査装置を提供することにある。
【００２４】
さらに詳細には、被検体の被測定部位や測定条件が測定毎に変動したり被検体組織の差異等のために被測定部位の位置に依存して測定結果が異なるといった問題、あるいは被検体の組織性状に関連した所望の光信号を検出する際に前記被検体の組織性状の定量分析や定性分析を行う際の阻害要因となる光の成分が混入するといった問題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の第１局面は、光学部から少なくとも一つ以上の波長の単色光又はそれに近い所望の光を被検体に照射し、被検体内を拡散、透過及び／又は反射した光を前記光学部により検出して前記被検体の組織性状に関する情報を非侵襲的に得る非侵襲性検査装置において、前記被検体の被照射部位及び／又は被測定部位の変更が可能なように前記光学部を移動するために設けられた移動機構を有する。  
本発明の第２局面は、被検体の内部構造及び分析物を非侵襲性でもって検査するための非侵襲性検査装置において、前記被検体の一部表面と接続されるインタフェース部と、前記被検体に対して光照射／受光をする光学部と、前記光学部を前記インタフェース部に沿って移動可能に支持する移動機構と、前記光学部を所定の軌道にそって反復移動するために前記移動機構を制御する制御部とを具備する。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によると、被検体の体液や組織の成分、濃度、或いは物性の変化に関連した光学的な情報を迅速に精度良く計測して正確な被検体の組織性状の定量分析あるいは定性分析を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明の実施形態では、光源や合波部や受光検出部等で構成される光学部と、被検体の被測定部位と接して照射窓及び受光窓となるインタフェース部を分離することにより可動式の光学部を構成する。前記光学系の一部を構成する照射・受光部は、前記被測定部位もしくはインタフェース部と光学的に共焦点を形成し且つ光束の主光線が前記照射・受光部や前記被測定部位の入出射面に対して垂直もしくは近似的にそれと等価な配置とするか、もしくは複数の光ファイバで構成する。また、前記インタフェース部には、光ファイバを埋め込んだプレート、もしくは多数の微小な光ファイバで構成された光ファイバプレートを用いる。
【００２８】
これにより、所望の被測定部位での測定や複数の被測定部位での測定を迅速に行うことを可能にすると共に、被検体の組織性状の定量分析や定性分析を行う際の阻害要因となる不要な光の照射や検出を抑制し、前記被検体の所望の組織性状を反映した光学的な情報を精度良く検出することを可能にする。更には、被測定部位の温度制御機構や接触検知機構を具備することにより、測定精度の向上、及び誤作動や光による生体損傷を防止する。
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面にもとづいて詳細に説明する。図１は、本発明に係わる非侵襲性検査装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態は、特公平６−１０３２５７号公報、米国特許第５５５１４２２号公報、米国特許第５７７０４５４号公報、国際出願第ＷＯ９９／５９４６４号公報等に記載されている、照射点と受光点の距離を変えることによって実質的に光拡散光路長が異なる複数の測定データから物質の吸光度を算出する空間分解拡散反射法と、特開平１０−３２５７９４号公報、特開平１１−５０６２０７号公報、米国特許第５７４７８０６号公報等に記載されている、複数の波長の光を利用する方法を用いる。
【００３０】
図１において、所望の一つもしくは複数の単色光あるいはそれに近い光を発生させる光源部９−１と、前記光源部より発生した複数の単色光あるいはそれに近い光を同一光軸に重ね合わせる合波部９−２と、前記光源より発生された光を被検体の所望の被測定部位へ照射するとともに前記被検体を拡散、透過、若しくは反射した光を所望の部位で受光するための光軸を制御する照射・受光部９−３と、所望の一箇所もしくは複数の部位から前記被検体を拡散、透過、若しくは反射した光信号を同時に検出し電気信号に変換する光検出部９−４と、前記検出された信号を所望の振幅に増幅する信号増幅部９−５とは、光学系可動部（光学部ともいう）９を構成する。光学系可動部９は、移動機構駆動部５によって移動駆動される。
【００３１】
光学系可動部９は、被測定部位と接して当該装置の照射及び受光のための光学窓となるインタフェース部１０と被測定部位が接する面に対して水平方向に移動可能に移動機構駆動部５によって支持される。
【００３２】
非侵襲性検査装置の典型的な外観としては、図１１（ａ）に示すように、ハウジング（筐体）８１の一部には溝状に窪んだアームトレイ８２が形成される。アームトレイ８２の略中央部分にはインタフェース部１０が配置される。アームトレイ８２の一端にはグリップ８３が取り付けられる。インタフェース部１０の内側には光学系可動部９が配置されている。測定時には、被検体はアームトレイ８２に腕を横たえ、グリップ８３を手で握る。被検体の腕の一部分（被測定部位）はインタフェース部１０に接触する。被測定部位がインタフェース部１０に接触した状態で、光学系可動部９がインタフェース部１０とは独立して移動することができる。
【００３３】
前記光源部９−１及び合波部９−２によって得られた所望の光は、前記照射・受光部９−３とインタフェース部１０を介して被検体１３の所望の被測定部位へ照射される。前記照射された光信号の一部は、被検体内に存在する物質によって吸収される。この光の吸収量は、被検体内に存在する所定の物質の存在比率や濃度に依存する。一方、前記被検体１３を拡散、透過、若しくは反射した所望の部位における光信号は、前記インタフェース部１０と照射・受光部９−３を介して前記光検出部９−４に導かれ電気信号に変換される。被検体１３を拡散、透過、若しくは反射した所望の部位において検出される光信号の強度もまた、被検体内に存在する所定の物質の存在比率や濃度に依存する。
【００３４】
前記被検体１３の所望の測定部位近傍には、被測定部位の温度を制御する温度制御部１１と前記被測定部位とインタフェース部１０の接触度を感知する接触センサ１２が配置されている。
【００３５】
前記光検出部９−４において検出された電気信号は、信号増幅部９−５にて所望の振幅に増幅され、データ収集部８においてデジタル信号に変換され収集される。前記収集されたデジタル信号は、信号処理部７において所望の信号処理が行われ、その結果はデータ記憶部４に保存されると共に、必要に応じて表示部１に所望の情報が表示される。表示部１の情報表示方法は、画面への表示などによる視覚情報伝達手段の他にも、音声などによる聴覚情報伝達手段、あるいは振動などによる触覚情報伝達手段などを用いることもできる。更には、それら複数の手段を併用することも可能である。当該装置の操作は操作部２により行う。操作の方法としては、キーボード、マウス、ボタン、タッチキーパネル、音声など当該装置の使用者に適した所望の操作手段を用いることができる。
【００３６】
制御部３は、当該装置の使用者が操作する操作部２の信号や接触センサ１２の出力信号等に基づき、表示部１、データ記憶部４、移動機構駆動部５、電源部６、信号処理部７、データ収集部８、光源部９−１、信号増幅部９−５、温度制御部１１などの当該装置の動作を制御する。電源部６は、表示部１、制御部３、移動機構駆動部５、光源部９−１、信号増幅部９−５、接触センサ１２などへ電力を供給し、更に制御部３は、必要に応じてデータ記憶部４、信号処理部７、データ収集部８、温度制御部１１などへ電力を供給する。
【００３７】
本実施形態の光源部９−１において使用する単色光あるいはそれに近い光を発生させる光源としては、半導体レーザ（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の小型の発光素子が望ましく、それらの所望の波長で発光する素子を一つもしくは複数使用することができる。例えば、本発明に関わる一実施形態として被検体内のグルコース濃度を測定する場合には、波長が４００〜２５００ｎｍ、もしくは６００〜１３００ｎｍの波長領域の複数の光を照射する。この際に使用するＬＤやＬＥＤとしては、発光波長が５５０〜６５０ｎｍ程度ではInGaAlP、発光波長が６５０〜９００ｎｍ程度ではGaAlAs、発光波長が９００〜２３００ｎｍ程度ではInGaAsもしくはInGaAsPなどの材料を用いたＬＤやＬＥＤを使用することができる。また最近では、波長が５５０ｎｍ以下で発光する InGaNを用いた発光素子も使用可能になりつつある。特に、ＬＤより発せられる単色で位相の揃った、所謂、コヒーレント光は光線の制御が容易で、効率良く被検体１３への照射が可能であり、本発明の実施形態に好適である。
【００３８】
図２に本発明の第１の実施形態に係わる光源部９−１と合波部９−２の構成を示す。図２において、４個の光源（２０−１、２０−２、２０−３、２０−４）はそれぞれ異なる波長の光を放射する。また、放射される光の強度や変調周波数は、制御部からの信号によって前記各光源に印加する電流量を可変することによって制御する。各々の波長の光は、それぞれ対応するコリメートレンズ（２１−１、２１−２、２１−３、２１−４）により平行光線にされ、更にＮＤフィルタ（２２−１、２２−２、２２−３、２２−４）により所望の光強度にされる。そして、直角プリズム２３及びダイクロイックプリズム（２４−１、２４−２、２４−３）により４波長の光を同一光軸に重ね合わせる。重ね合わせられた光は、ビームスプリッタ２８により２つに分割され一方は出力光２９とし、他方は参照光として参照光用ＮＤフィルタ２７とフォーカスレンズ２６を介して参照光用光検出器２５に入射し、光信号から電気信号に変換する。この参照光信号は、前記被検体を透過、拡散してきた光信号と同様に、信号増幅部９−５にて所望の振幅に増幅後、データ収集部８においてをデジタル信号に変換され取り込まれる。そして、信号処理部７において所望の信号処理に利用される。一方、出力光２９は前記照射・受光部９−３へと導かれる。
【００３９】
本実施形態では、４個の光源の場合を示しているが、同様な構成により任意の光源数の光を同一光軸に合波することが可能である。本実施形態に示したような構成とすることにより、比較的小型の合波光学系とすることができ、光ファイバ等を用いる方法よりも光の減衰を少なくすることができる。
【００４０】
次に、本発明の第１の実施形態に係わる照射・受光部９−３と光検出部９−４の第１の構成例を図３（ａ）に示す。本構成例において、合波部９−２の出力光２９は偏光ビームスプリッタ３３に所望の角度で入射される。そして、照射・受光フォーカスレンズ（３４−１、３４−２、３４−３）により集光され、インタフェース部１０を介して被検体１３の所望の被照射部位３５に照射される。照射するビームの大きさとしては、例えば直径０．４ｍｍ程度のほぼ均一な光強度分布を有する円形状のビームを用いる。また、照射する光強度は、被検体の生体組織に損傷を与えない程度とし、例えばレーザ光を用いる場合にはJIS C 6802 「レーザ製品の放射安全基準」に規定されている最大許容露光量（ＭＰＥ）以下の強度とする。そして、前記被検体１３内を透過、拡散した光信号は、所望の光検出部位（３６−１、３６−２、３６−３、３６−４）において検出される。ここで、光検出部位は本実施形態では４箇所としているが、必要に応じて１箇所でも構わないし、複数箇所でも構わない。また、光照射部位３５と光検出部位（３６−１、３６−２、３６−３、３６−４）の空間的な配置は、適時測定条件などに応じて設定して構わない。例えば、照射部位３５と光検出部位（３６−１、３６−２、３６−３、３６−４）の距離は、照射強度、被検体１３内での光の減衰、散乱係数、及び光検出器（３０−１、３０−２、３０−３、３０−４）の感度などを考慮して決めることができ、望ましくは０．５ｍｍから２ｍｍ程度とする。
【００４１】
本実施形態における照射・受光部９−３の光学系は、前記光源部９−１と合波部９−２より発せられる光の照射開口と被検体１３の照射部位３５もしくは光学的にそれと等価となるインタフェース部１０において共に焦点を形成する。また、光検出器（３０−１、３０−２、３０−３、３０−４）の開口と光検出部位（３６−１、３６−２、３６−３、３６−４）もしくは光学的にそれと等価となるインタフェース部１０においても同様に焦点を形成する。これにより共焦点を有する光学系とする。更に、前記照射開口、光検出器開口、被照射部位及び光検出部位もしくは前記光学的にそれらと等価となるインタフェース部１０において、入射もしくは出射する光束の主光線は、照射開口面、光検出器開口面、被照射部位面及び光検出部位面もしくは前記光学的にそれらと等価となるインタフェース面に垂直とし、両テレセントリックな光学系とする。これにより、照射光と各検出信号の混在や不要な散乱光の影響を抑制するとともに、被照射部位３５と光検出部位（３６−１、３６−２、３６−３、３６−４）を厳密に選択することができる。更には、照射・受光コリメートレンズ（３２−１、３２−２、３２−３）と照射・受光フォーカスレンズ（３４−１、３４−２、３４−３）の曲率や屈折率、あるいは各レンズの間隔を調整することにより検出器開口面と光検出部位面での倍率を任意に設定することができるため、検出器の物理的な大きさに依存することなく、光検出部位（３６−１、３６−２、３６−３、３６−４）を設定することができる。
【００４２】
前記照射・受光部９−３と光検出部９−４を構成する光検出器３０、光検出器マスク３１、照射・受光コリメートレンズ３２、偏光ビームスプリッタ３３、照射・受光フォーカスレンズ３４、及びインタフェース部１０は、照射光及び検出光が反射しないよう表面処理を施す。例えば、光が透過する光検出器３０の窓材部や照射・受光コリメートレンズ３２、偏光ビームスプリッタ３３、照射・受光フォーカスレンズ３４、及びインタフェース部１０の表面を、アルミニューム（Al）、フッ化マグネシウム（MgF2）、金（Au）などでコーティングする。また、光検出器マスク３１の表面は反射の少ない黒色塗料を塗布する。
【００４３】
光検出器（２５、３０−１、３０−２、３０−３、３０−４）としては、前記光源部９−１より発せられる波長の光に対して感度の高い受光特性を有するものであればよいが、例えば波長が３８０〜９００ｎｍの領域ではＳｉ製の検出器、波長が９００〜２６００ｎｍの領域ではＩｎＧａＡｓ製の検出器を好適に用いることができる。
【００４４】
また、本発明の第１の実施形態に係わる照射・受光部９−３と光検出部９−４の第２の構成例としては、図３（ｂ）に示すように合波部９−２からの出力光２９は照射・受光コリメートレンズ１（３２−１）から入射させることもできる。
【００４５】
次に、本発明の第１の実施形態に係わる被検体１３と接して照射光及び受光の出入り口となるインタフェース部１０の構成を図４に示す。図４（ａ）は上部斜方よりみた３次元的な投影図、図４（ｂ）は上面図、図４（ｃ）は側面図、及び図４（ｄ）は照射光及び検出光とインタフェース部１０の関係を示す図である。
【００４６】
本実施形態では、照射及び受光する領域に対して十分に小さな径を有する光ファイバ４０を複数並べ平板状に構成し、各々の光ファイバの周囲には吸収体４３を配する。
【００４７】
前記光ファイバ４０は、高屈折率のコア部４１を低屈折率のクラッド部４２で被覆した構造となっており、照射領域や光検出領域d2に対して十分小さな外径のものが望ましい。光ファイバの外径d1としては、例えば５〜２０mμｍ程度のものを用いる。入射光は各光ファイバ４０のコア４１内で全反射を繰り返しながら出力面へ伝搬する。また、一部コア部より漏れ出た光とクラッド部４２に入射した光は光ファイバを取り囲んでいる吸収体４２により吸収され、各光ファイバ４０を伝搬する光のクロストークを防止する。光ファイバ４０としては、コア部に低損失の石英ガラスを用いた石英ガラスファイバをはじめ、コア部にＰＭＭＡなどを用いたプラスチック光ファイバなどがあり、用途に応じて使い分けることができる。また、吸収体４２としては色ガラス等を用いることができる。光ファイバ４０の開口数（ＮＡ）は、被検体１３での照射光の深達度を考慮し、隣接する光ファイバに入出射する光のクロストークがなく、かつ効率良く照射や光信号の収集ができる値を選択する。例えば、光ファイバ40のＮＡとしては0.4程度のものを利用することができる。また、平板の光透過率を良くする為、可能な限り光ファイバ４０のコア部４１の径が大きく、クラッド部４２と吸収体４３の平板に占める表面積の割合は少ないことが望ましい。
【００４８】
また、被検体との接触面には、表面の保護を目的に皮膜４４を施す。皮膜４４は、所望の波長帯域において吸収や反射、散乱が少なく、人体に触れることによって変質せず、また人体に対して無害な物質であることが望ましい。例えば、光学レンズに施される反射防止コート（Al, MgF2, Au）、シリコン樹脂膜、ポリパラキシリレン樹脂膜などがある。
【００４９】
インタフェース部１０に前述のような光ファイバプレートを用いることにより、非接触の光学系において照射光と各検出信号の混在や不要な散乱光の影響を抑制するとともに、被照射部位３５と光検出部位（３６−１、３６−２、３６−３、３６−４）を厳密に選択することができる。また、被検体１３の被測定部位に対して、前記光源部９−１、合波部９−２、照射・受光部９−３、及び光検出部９−４の構成に依らず、常に一定の開口数（ＮＡ）で測定が可能となる。
【００５０】
次に、図５に本発明の第１の実施形態に係わる移動機構部の第１の構成例を示す。本実施形態では、移動光学部基板５３を駆動モータ５０と複数のギア５１により駆動する。移動光学部基板５３には、光学系可動部９が搭載されている。駆動モータ５０としては、例えば直流（ＤＣ）モータを用いる。駆動モータ５０の回転力を複数のギア５１により水平駆動力に変換する。また、ギア５１のギア比を調整することで所望の水平駆動力を得る。移動光学部基板５３の両端にガイドロッド５２を配置することにより、移動光学部基板５３の円滑な移動を実現する。
【００５１】
本実施形態の移動軌跡は直線状とし、可動範囲は被測定部位にも依存するが、例えば０．５ｃｍから２ｃｍ程度とする。移動量の制御は、駆動モータ５０への印加電流を制御して行っても良いし、別にフォトセンサや位置エンコーダを取りつけて制御する事もできる。
【００５２】
次に、本発明の第１の実施形態に係わる移動機構部の第２の構成例を図６（ａ）に示す。本実施形態では、光学系可動部９を回転駆動モータ５４と一体化し、回転駆動モータ５４により回転歯車５５を回転させることによりガイド用内歯車５６に沿って光学系可動部９を移動させる。本実施形態のように光学系可動部９（被移動部側）に駆動機構（回転駆動モータ５４）を配置することにより、移動機構の小型化を図ることができる。回転駆動モータ５４としては、ステッピングモータ等を利用することができる。可動の範囲や移動軌跡はガイド用内歯車５６の形状によって決まる。望ましい可動範囲は被測定部位にも依存するが、例えば0.5cmから2cm程度とすることができる。移動軌跡は、本実施形態のように円弧状の軌跡でも良いし、或いは直線など場合に応じて色々な軌跡にすることができる。また、回転歯車５５には移動距離や位置を検出するためのロータリエンコーダ５７が取りつけられており、この信号に基づき所望の位置への移動制御を可能にする。位置精度と位置分解能は回転駆動モータ５４の制御能力、回転歯車５５及びガイド用内歯車５６のギア比によって決まるが、例えば0.05mmから0.1mm程度とすることができる。
【００５３】
前記位置検出を行う第２の構成例を図６（ｂ）に示す。本実施形態では、回転駆動モータ５４と回転歯車５５の間の回転軸５９に所望の穴の開いた位置エンコード用回転板５８−２を取り付け、その回転板の穴の一部をフォトカプラの光５８−３が通過する位置にフォトカプラ５８−１を配置する。そして、フォトカプラ５８−１の信号に基づき移動光学部の位置を検出する。位置エンコード用回転板５８−２の穴の大きさや個数は位置検出の必要精度に応じて決まる。上記のように、回転駆動軸にロータリエンコーダ５７、若しくは位置エンコード用回転板５８−２とフォトカプラ５８−１を用いた位置検出機構を付けることにより、高精度の位置制御が容易となる。
【００５４】
また、前記光学系可動部９において光源部９−１に発熱が問題となる場合には、前記一体で構成される光学系可動部９と移動機構駆動部５の支持や筐体に、アルミニウム合金などの軽量で熱伝導性が高く且つ十分な剛性を有する材料を用い、更には移動機構駆動部５の一部に放熱用の放射板を設けることができる。
【００５５】
図７に本発明の第１の実施形態に係わる照射領域と光検出領域の例を示す。本発明の第１の実施形態では所望の複数波長の光は、時分割パルス的に各波長の光は夫々異なる時間でパルス的に同一照射領域に照射するか、或いは波長毎に異なる周波数で強度変調して連続的に複数波長の光を同時に同一照射領域に照射する。パルスの印加時間や間隔、或いは連続照射の場合の変調周波数は、測定時間や生体の体動などを考慮して設定する。本実施形態で用いている空間分解拡散反射計測法では、光拡散光路長が異なる複数の測定データから物質の吸光度を算出する。本実施形態では、６１−１、６１−２、６１−３、６１−４の４箇所から光信号を検出する。この時、l1≠l2≠l3≠l4として、各測定点での光拡散光路長が異なるようにする。光検出領域は測定条件等に応じて適当に設定することができるが、例えば、本実施形態に示したように４箇所全ての検出領域を同一円形（d1=d2=d3=d4）とすることができる。
【００５６】
本発明の第１の実施形態に係わる被検体の被測定部位と当該装置の接触部の構成、及び照射領域と光検出領域の移動軌跡の第１の実施形態を図８（ａ）に示す。前記被検体の被測定部位と当該装置の接触部は、光学窓となるインタフェース部１０の周囲に温度制御部１１および接触センサ１２が配置される。ここで、インタフェース部１０の面積が大きく被測定部位の温度制御が十分に行えない場合には、光学窓となるインタフェース部１０に光学的に透明な導電性物質よりなる電極を配し、これに電流を印加して被測定部位の温度を制御することも可能である。
【００５７】
次に、本発明の第１の実施形態に係わる被検体の被測定部位と当該装置の接触部の構成、及び照射領域と光検出領域の移動軌跡の第２の実施形態を図８（ｂ）に示す。前記被検体の被測定部位と当該装置の接触部は、光学窓となるインタフェース部１０の周囲に温度制御部１１および接触センサ１２が配置される。ここで、インタフェース部１０の面積が大きく被測定部位の温度制御が十分に行えない場合には、光学窓となるインタフェース部１０に光学的に透明な導電性物質よりなる電極を配し、これに電流を印加して被測定部位の温度を制御することも可能である。
【００５８】
次の説明のための包括的でない実施例は、本発明の装置を建造し、かつ利用する方法を記載する。当業者は、本発明の精神から逸脱することなく、一つの光窓内の位置間で、又は複数の光窓間で照明又は検出光学素子を移動させる方法を計画できる。
【００５９】
照射領域と光検出領域は、前記インタフェース部１０の領域内で前記光学系可動部９を動かすことによって任意に移動させることができる。移動軌跡６３は、本実施に示したように、照射領域と光検出領域の位置関係を保持したまま、円弧状或いは直線状など場合に応じて移動させることが可能である。また、本実施形態以外にも、例えば互いに離れた複数の被測定部位での測定が必要となる場合には、図８（ｂ）に示した被測定部位と当該装置の接触部の構成を所望の位置６０−１，６０−２，６０−３，６０−４に複数用意し、それらの複数の光学窓となるインタフェース部１０の間で前記光学系可動部９を動かし、照射領域と光検出領域を移動して測定することも可能である。
【００６０】
光学部は、長方形又は円形の光ファイバ窓、固定照明ファイバ、及び所定の軌道に沿って種々の距離から光を収集するための可動検出ファイバを有する。距離を画定するために、所定の開口を有するマスクを使用してもよい。光源−検出器距離を安定させるための複雑な軌道を使用してもよい。照明光学素子としては、複数の発光ダイオード、及び集束レンズを使用する複数の光源照明光学素子からなるものでもよい。また、照明光学素子としては、複数の発光ダイオード、ファイババンドル、集束レンズ、及び開口を使用する複数の光源照明光学素子からなるものでもよい。さらに、照明光学素子としては、複数の発光ダイオード、内部全反射体、万華鏡、及び鏡を使用する複数の光源照明光学素子の例からなるものでもよい。照明及び検出ヘッドを移動させる方法としては、回転鏡又は可動鏡の採用によるものであってもよい。
【００６１】
被検体１３の被測定部位としては、比較的簡便に測定可能な指、腕、耳朶などが望ましいが、その他にも足の裏、ふくらはぎ、腹部など被検体の様々な部位を用いることができる。そして、被測定部位と直接に接触するインタフェース部１０の形状は被測定部位に合わせて構成することができる。
【００６２】
次に、本発明の第１の実施形態に係わる被検体の被測定部位と当該装置の接触部の第３の構成例を図８（ｃ）に示す。前記被検体の被測定部位と当該装置の接触部は、光学窓となるインタフェース部１０の周囲に温度制御部１１の一部を構成する熱インタフェース部６６を配置する。熱インタフェース部６６には熱伝導製の良いアルミニュームなどの金属材料を使用することが望ましい。熱インタフェース部６６の底面部には熱源となるペルチェ素子６４を取り付ける。また、熱インタフェース部６６内に温度計測用の熱センサ６５を埋め込む。熱センサ６５としては、熱電対やサーミスタなどを用いることができる。前記被検体の被測定部位と当該装置の接触部を構成するインタフェース部１０、ペルチェ素子６４、熱センサ６５、熱インタフェース部６６は、インタフェース基板６７の上面に被測定部位の場所に応じて１つ若しくは複数設置する。また、これらの周辺部には、接触センサ１２を所望の数だけ配置する。接触センサとしては、圧力センサ、導電性センサ、重量センサなどを用いることができる。
【００６３】
また、インタフェース部１０と光学系可動部（光学部）９との間には、窓−空気インタフェースで反射率損失を最小限に抑えるために、典型的にはアルミ薄膜である反射防止膜６８が設けられる。
【００６４】
図９と図１０に次に本発明の第２の実施形態に係わる光学部の構成を示す。本実施形態では、図１及び図２に示した合波部９−２の出力光２９はフォーカスレンズ７０で集光し、ミラー７１で光軸を変更して照射光ガイド用光ファイバ７２へ入射する。照射光は前記照射光ガイド用光ファイバ７２の出力端からインタフェースプレート７４に埋め込まれたインタフェース埋め込み光ファイバ７５を介して被検体１３へ照射される。被検体１３内を透過及び拡散した光は所望の位置でインタフェースプレート７４に埋め込まれたインタフェース埋め込み光ファイバ７５を介して受光ガイド用光ファイバ７３に入射し、光検出器３０−１、３０−２、３０−３、３０−４で電気信号に変換される。光伝送路として光ファイバを用いることで光学系を簡素化することができ、また不要な光の混入を抑制することができる。
【００６５】
図１０に示すように、前記照射光ガイド用光ファイバ７２と受光ガイド用光ファイバ７３の端面は、前記インタフェースプレート７４と所望の間隔が空いており、光学部の移動を容易に可能にする。そして、前記インタフェース埋め込み光ファイバ７５の径は測定領域と同じ径とし、照射光ガイド用光ファイバ７２の径は前記インタフェース埋め込み光ファイバ７５の径と同等かもしくは小さくする。また、受光ガイド用光ファイバ７３の径は前記インタフェース埋め込み光ファイバ７５の径と同等かもしくは大きくする。これより、所望の領域への照射や所望の領域からの受光が効率良く可能となる。また落射、受光用の光ファイバを平行移動しても測定位置はファイバプレートによって固定されているため、光学部を移動させた場合にも位置再現性良く繰り返し測定することができる。
【００６６】
前記光検出部９−４及び参照光用光検出器２５に入射した光信号は、検出器において電気信号に変換される。これらの電気信号は、信号増幅部９−５にて所望の振幅に増幅後、データ収集部８においてをデジタル信号に変換され取り込まれる。そして、信号処理部７においてデータ処理され、被検体内に存在する物質の成分や濃度、或いは被検体組織の変性に関する情報が算出される。
【００６７】
一般的に、被検体内に存在する物質の成分や濃度、或いは被検体組織の変性に関係する信号成分は非常に微弱であるため、前記光検出部９−４より検出された生体情報を含む信号を、前記参照光用光検出器２５より検出された参照信号で検波することにより、所望の生体情報を含む信号成分のみを効果的に抽出する。
【００６８】
被検体内に存在する物質の成分や濃度、或いは被検体組織の変性に関する情報は、予め当該被検者や所望の被検者群において本発明に基づく当該装置と他の標準的な手法により得られる測定データから統計的解析方法などを用いて両方の測定データの関係を数学モデル化しておき、この数学モデルに従って算出される。
【００６９】
測定データ及び算出された被検体内に存在する物質の成分や濃度、或いは被検体組織の変性に関する情報は、必要に応じてデータ記憶部４に保存される。そして、被検体内に存在する物質の成分や濃度、或いは被検体組織の変性に関する情報は、表示部１を介して当該装置の使用者に視覚的、聴覚的、触覚的な情報伝達手段のいずれかをもって知らせる。
【００７０】
制御部３は当該装置の動作に関する診断機能を具備しており、電源投入後に前記自己診断機能が起動され、その診断結果や不具合時の対処法が必要に応じて、表示部１を介して当該装置の使用者に視覚的、聴覚的、触覚的な情報伝達手段のいずれかをもって知らせることができる。
【００７１】
また、制御部３は測定日時の予約機能を具備しており、実際の測定に先立って予め測定の日時を表示部１及び操作部２を用いて設定する機能と前記測定の日時もしくは当該時刻の直前に測定を促すための情報を表示部１を介して当該装置の使用者に視覚的、聴覚的、触覚的な情報伝達手段のいずれかをもって知らせることができる。
【００７２】
また、制御部３は使用者もしくは被検者１３のためのサポート機能を具備しており、測定結果や過去の測定結果履歴等の情報を、表示部１を介して当該装置の使用者に視覚的、聴覚的、触覚的な情報伝達手段のいずれかをもって知らせることができる。また、当該装置の操作方法及び測定方法を、表示部１を介して視覚的、聴覚的、触覚的な情報伝達手段のいずれかをもって順次知らせ誘導することができる。
【００７３】
更には、被検体組織の測定位置によって測定結果が異なるような場合には、予め複数の測定位置で予備的な測定を実施し、最適な測定位置を決めることができる。例えば、測定結果が被検体１３内の被測定部位の血管走行や血液量に応じて異なる場合には、予めヘモグロビンの濃度分布を予備的に測定し、その結果から最適な測定位置を決める。そして、グルコース等の所望の測定を前記最適な測定位置にて実施することができる。
【００７４】
以上のように本実施形態によれば、被検体における被測定部位の変更が可能な移動機構をもつ光学部を実現することができ、所望の被測定部位での測定や複数の被測定部位での測定を迅速に行うことが可能になる。また、前記光学系を共焦点且つ両テレセントリックな配置とするかもしくは光ファイバで構成し、被検体のインタフェース部に光ファイバを埋め込んだプレート、もしくは多数の微小な光ファイバで構成された光ファイバプレートを用いることにより、被検体の組織性状の定量分析や定性分析を行う際の阻害要因となる不要な光の照射や検出を抑制し、前記被検体の所望の組織性状を反映した光学的な情報を精度良く検出することが可能になる。更には、被測定部位の温度制御機構や接触検知機構を具備することにより、測定精度の向上、及び誤作動や光による生体損傷を防止することができる。
【００７５】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係わる非侵襲性検査装置の第１の実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係わる光源及び合波部の構成を示す図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係わる照射・受光部と光検出部の構成例を示す図。
【図４】本発明の第１の実施形態に係わるインタフェース部の構成を示す図。
【図５】本発明の第１の実施形態に係わる第１の移動機構部の構成例を示す図。
【図６】本発明の第１の実施形態に係わる第２の移動機構部の構成例を示す図。
【図７】本発明の第１の実施形態に係わる照射領域と光検出領域を示す図。
【図８】本発明の第１の実施形態に係わる被検体接触部の構成例と照射及び光検出領域の移動軌跡を示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態に係わる照射・受光部と光検出部の構成を示す図。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係わるインタフェース部の構成を示す図。
【図１１】本実施形態に係る非侵襲性検査装置の外観を示す図。
【符号の説明】
【００７７】
１…表示部、２…操作部、３…制御部、４…データ記憶部、５…移動機構駆動部、６…電源部、７…信号処理部、８…データ収集部、９…光学系可動部、９−１…光源部、９−２…合波部、９−３…照射・受光部、９−４…光検出部、９−５…信号増幅部、１０…インタフェース部、１１…温度制御部、１２…接触センサ、１３…被検体、２０−１…光源、２０−２…光源、２０−３…光源、２０−４…光源、２１−１…合波コリメートレンズ、２１−２…合波コリメートレンズ、２１−３…合波コリメートレンズ、２１−４…合波コリメートレンズ、２２−１…ＮＤフィルタ、２２−２…ＮＤフィルタ、２２−３…ＮＤフィルタ、２２−４…ＮＤフィルタ、２３…直角プリズム、２４−１…ダイクロイックプリズム、２４−２…ダイクロイックプリズム、２４−３…ダイクロイックプリズム、２５…参照光用光検出器、２６…合波フォーカスレンズ、２７…参照光用ＮＤフィルタ、２８…ビームスプリッタ、２９…出力光、３０−１…光検出器、３０−２…光検出器、３０−３…光検出器、３０−４…光検出器、３１…光検出器マスク、３２−１…照射・受光コリメートレンズ、３２−２…照射・受光コリメートレンズ、３２−３…照射・受光コリメートレンズ、３３…偏光ビームスプリッタ、３４−１…照射・受光フォーカスレンズ、３４−２…照射・受光フォーカスレンズ、３４−３…照射・受光フォーカスレンズ、３５…被照射部位、３６−１…光検出部位、３６−２…光検出部位、３６−３…光検出部位、３６−４…光検出部位、４０…光ファイバ、４１…コア部、４２…クラッド部、４３…吸収体、４４…皮膜部、４５…光ファイバ開口数、４６…照射・受光光路、４７…照射・受光開口数、５０…駆動モータ、５１…ギア、５２…ガイドロッド、５３…移動光学部基板、５４…回転駆動モータ、５５…回転ギア、５６…ガイド用内ギア、５７…ロータリエンコーダ、５８−１…フォトカプラ、５８−２…位置エンコード用回転板、５８−３…フォトカプラ光軸、５９…回転軸、６０…光照射位置、６０−１…光照射位置、６０−２…光照射位置、６０−３…光照射位置、６０−４…光照射位置、６２−１…被測定位置、６２−２…被測定位置、６２−３…被測定位置、６２−４…被測定位置、６３…光照射位置の移動軌跡、６４…ペルチェ素子、６５…熱センサ、６６…熱インタフェース部、６７…インタフェース基板、７０…フォーカスレンズ、７1…ミラー、７２…照射光ガイド用光ファイバ、７３…受光ガイド用光ファイバ、７４…インタフェースプレート、７５…インタフェース埋め込み光ファイバ。
【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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