(57)【要約】【課題】簡便に且つ的確に皮膚組織中の求める部分からの生体情報測定を行う。【解決手段】生体の表層組織表面に光を照射して表層組織からの反射光を受光し、受光した光の分光分析によって生体情報を得るにあたり、生体の表層組織表面に照射する光として直線偏光の光を用い、偏光角可変とした偏光板を介して上記反射光の受光を行ってスペクトル分布を求めて、該偏光角が異なるスペクトル分布に基づいて上記表層組織への上記光の到達深度を解析し、この解析結果に応じて上記偏光板の偏光角を設定して分光分析のための光を受光する。適切な深度からの反射光を得られる偏光角に偏光板をセットした状態で分光分析して生体情報を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体の表層組織表面に光を照射して表層組織からの反射光を分光手段を介して受光して分光分析によって生体情報を得るにあたり、生体の表層組織表面に照射する光として直線偏光の光を用いるとともに、偏光角可変とした偏光板を介して上記反射光の受光を行ってスペクトル分布を求め、該偏光角が異なるスペクトル分布に基づいて上記表層組織への上記光の到達深度を解析し、この解析結果に応じて上記偏光板の偏光角を設定して分光分析のための光を受光することを特徴とする光学的生体情報測定方法。
【請求項２】
目的とする生体情報が血液成分中のグルコース濃度であることを特徴する請求項１記載の光学的生体情報測定方法。
【請求項３】
人体の指の内側で且つ第１関節と第２関節との間の部分に光を照射することを特徴とする請求項１または２記載の光学的生体情報測定方法。
【請求項４】
生体の表層組織表面に光を斜め方向から照射するとともに、生体の表層組織表面に照射する光としてｓ偏光の光を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学的生体情報測定方法。
【請求項５】
生体の表層組織表面に光を照射する光照射手段と、表層組織からの反射光を分光して受光する分光受光手段と、分光分析によって生体情報を測定する測定手段とを備えた光学的生体情報測定装置であって、上記光照射手段は直線偏光の光を照射するものであるとともに、上記分光受光手段は偏光角を可変とした偏光板を介して上記反射光を受光するものであり、さらに偏光板を介した上記受光から求めた偏光角が異なるスペクトル分布に基づいて上記表層組織への上記光の到達深度を解析するとともにこの解析結果に応じて分光分析のための上記偏光板の偏光角を設定もしくは偏光角を指示する解析手段を備えていることを特徴とする光学的生体情報測定装置。
【請求項６】
上記光照射手段は生体の表層組織表面にその被照射面に対してｓ偏光の光を照射するものであることを特徴とする請求項５記載の光学的生体情報測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外光などの光を用いて血中成分濃度などの生体情報を測定する光学的生体情報測定方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近赤外光を物質に照射し、透過あるいは反射した光のスペクトルより分析を行う近赤外分光分析法は、近年、農業分野をはじめ様々な分野で利用されはじめており、最近では生体分野において非侵襲、無害の分析手法として注目されている。この近赤外分光分析法は、エネルギーの低い電磁波を用いるので試料を損傷することがない固体、粉体、繊維、液体、気体など様々な状態の試料への適用が可である上に、赤外光にくらべ近赤外光では水の吸収強度が弱くなるので、水溶液での分析が可などの利点を有しており、グルコースといった血液成分濃度等の生体情報の定量・定性分析を非侵襲で行うことが可能である。
【０００３】
ただし、近赤外光を用いる場合、吸収シグナルは高調波をあつかうために赤外光に比較して非常に微弱である上、バンドの帰属が明確でないという欠点を有しており、このために近赤外分光分析にはその定量・定性のためにいわゆる“ケモメトリクス”と呼ばれる手法が用いられる。これは、多変量解析手法や統計解析手法を用いて化学分析を行う手法で、コンピュータの発達とともに発展し、最近の近赤外分光分析では主成分回帰分析あるいはＰＬＳ回帰分析といった多変量解析手法を用いて行われることが多い。
【０００４】
ところで生体組織における皮膚組織は１００μｍ程度の厚さの表皮と，その下層の厚さ１ｍｍ程度の真皮、さらにその下層の多量の脂肪細胞を含む皮下組織で構成されている。そして生体情報の中でもグルコースといった血液成分濃度を近赤外分光分析法で定量・定性分析しようとする場合、近赤外光を真皮部分に選択的に透過させたり真皮部分で選択的に拡散反射させたりすることが必要となる。
【０００５】
ここにおいて、特許文献１（特開平１１−７０１０１号公報）には生体の皮膚組織表面に近赤外光を導く光投射点と、皮膚組織内部で透過乃至拡散反射して皮膚組織表面から出てくる近赤外光を検出する光検出点との間隔を２ｍｍ以下とすることにより、真皮部分で選択的に拡散反射させた光を取り出すようにしたものが示されている。この場合、光投射点及び光検出点は皮膚組織表面に接触させるプローブの先端面に臨ませたものとして構成する必要があるとともに、プローブと皮膚組織表面との接触圧を適切に管理できるようにしなくては、光検出点で検出される光強度のばらつきが大きくて高精度の測定は難しい。
【０００６】
ここにおいて、皮膚組織表面に接触させなくても単に光を当てるだけでよいものが測定の手軽さという点で望まれるが、この場合、皮膚組織表面での反射光が皮膚組織内の真皮部分で反射した光をマスキングしてしまうことになるとともに、両者を分離することができないために、真皮部分での測定ができない。
【特許文献１】特開平１１−７０１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みて発明したものであって、簡便に且つ的確に皮膚組織中の求める部分からの生体情報測定を行うことができる光学的生体情報測定方法及びその装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る光学的生体情報測定方法は、生体の表層組織表面に光を照射して表層組織からの反射光を分光手段を介して受光して分光分析によって生体情報を得るにあたり、生体の表層組織表面に照射する光として直線偏光の光を用いるとともに、偏光角可変とした偏光板を介して上記反射光の受光を行ってスペクトル分布を求め、該偏光角が異なるスペクトル分布に基づいて上記表層組織への上記光の到達深度を解析し、この解析結果に応じて上記偏光板の偏光角を設定して分光分析のための光を受光することに特徴を有している。偏光角が異なるスペクトル分布に基づいて表層組織への光の到達深度を解析し、適切な深度となる偏光角に偏光板をセットした状態で分光分析することで、求める深度からの反射光を元に生体情報を測定するものである。
【０００９】
目的とする生体情報が血液成分中のグルコース濃度がである場合、本発明を好適に用いていることができるが、他の生体情報においても本発明を適用することができる。
【００１０】
また、光を照射する部分としては、人体の手の内側、特に指の内側で且つ第１関節と第２関節との間の部分が好ましい。
【００１１】
特に生体の表層組織表面に光を斜め方向から照射するとともに、生体の表層組織表面に照射する光としてｓ偏光の光を用いることが好ましい。表層組織内の情報を多く含んだ反射光を得ることができ、より精度が高く且つ安定した生体情報測定を行うことができる。
【００１２】
そして本発明に係る光学的生体情報測定装置は、生体の表層組織表面に光を照射する光照射手段と、表層組織からの反射光を分光して受光する分光受光手段と、分光分析によって生体情報を測定する測定手段とを備えた光学的生体情報測定装置であって、上記光照射手段は直線偏光の光を照射するものであるとともに、上記分光受光手段は偏光角を可変とした偏光板を介して上記反射光を受光するものであり、さらに偏光板を介した上記受光から求めた偏光角が異なるスペクトル分布に基づいて上記表層組織への上記光の到達深度を解析するとともにこの解析結果に応じて分光分析のための上記偏光板の偏光角を設定もしくは偏光角を指示する解析手段を備えていることに特徴を有している。
【００１３】
上記光照射手段としては、生体の表層組織表面にその被照射面に対してｓ偏光の光を照射するものを好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る光学的生体情報測定方法は、偏光角が異なるスペクトル分布に基づいて表層組織への光の到達深度を解析するものであり、この解析結果から適切な深度からの反射光（透過光）を得られる偏光角に偏光板をセットした状態で分光分析することから、求める深度からの反射光を基にした生体情報の測定を行うことができる。しかも、生体に対しては単に光の照射と反射光の受光を行うだけで人体に対して非接触で構成することができ、接触圧等の影響を受けることがない。
【００１５】
そして本発明に係る光学的生体情報測定装置では、上記測定方法による測定を簡便に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図１において、照射時間制御が可能な光源１と、光源１から出る光を直線偏光の光とする偏光板２と、偏光板２を経ることで直線偏光となった光を人体９の表層組織表面に照射した際の反射光もしくは透過光を分光して受光する分光受光手段４と、該分光受光手段４の直前に配した偏光板３と、この偏光板３をモータ駆動で光軸まわりに回転させる回転ステージ５、そして分光受光手段４から得られるスペクトル分布データと回転ステージ５によって偏光板３を回転させる際の偏光角度制御データとで構成される偏光角毎のスペクトル分布データを基に解析を行う解析手段６、そして上記分光受光手段４から得られるスペクトル分布データから多変量解析手法によって生体情報、たとえば血液中のグルコース濃度を演算する測定手段７を備えている。
【００１７】
多変量解析手法によって生体情報を演算する測定手段７については、前記公報などにも示されているように公知のものであるから、ここでは偏光を用いることと上記解析手段６とについて説明する。
【００１８】
偏光板２を用いることで直線偏光とした光を生体９、たとえば指の腹に入射角４５°で当てて、反射角４５°の反射光を分光受光手段４で受光する時、偏光板３を回転させることで偏光角を変化させてスペクトル分布を観測すると、偏光角０°（受光する反射光の偏光方向が入射光と同じ）の場合イと、偏光角９０°（受光する反射光の偏光方向が入射光に対して直交）の場合ロとにおいて図２に示すように相違が見られた。
【００１９】
ここで、図中のαは脂肪の吸収ピーク、βは水の吸収ピーク、γは蛋白質の吸収ピークである。そして人体の皮膚組織は、前述のように表皮と真皮と皮下組織で構成されるが、真皮は蛋白質（コラーゲン）が多い層、皮下組織は脂肪が多い層であり、また表皮で反射した光はその偏光角が０°となる。
【００２０】
この点を踏まえて上記図２に示すスペクトル分布を観察すると、偏光角９０°の場合は偏光角０°の場合よりも脂肪による吸光が増加しているために脂肪のある層を透過していることがわかる。また、偏光角９０°の場合は偏光角０°の場合よりも蛋白質による吸光が増加していることから、偏光角９０°の反射光は蛋白質を含む層をより多く透過していることがわかる。
【００２１】
偏光角の変化は生体組織による散乱現象と偏光現象によって起きるものであるために、偏光角によって表層組織に対する光の到達深度が変化していることになる。本発明はこのような知見に基づき、反射光の受光を偏光角可変とした偏光板３を介して受光することで偏光角が異なる状態での反射光スペクトル分布から上記表層組織への上記光の到達深度を解析する解析手段６を設けたものであり、偏光角に変化に伴う上記脂肪による吸光度の変化と蛋白質による吸光度の変化とから上記解析手段６は光の到達深度が表皮になっているか真皮部分になっているか皮下組織になっているかを解析し、その解析結果として真皮部分に相当する偏光角を出力する。
【００２２】
そして上記測定手段７は解析手段６から出力された偏光角を受けて偏光板３がその偏光角となるように回転ステージ５を回転させ、この状態での生体情報の分光分析のための受光データから前述のような生体情報を求める演算を行うのである。
【００２３】
従ってこの光学的生体情報測定装置においては、測定のための部材を生体に接触させなくても、生体の表層組織（皮膚組織）における求める深さの部分から生体情報を得ることができるものであり、血液成分濃度等の生体情報を得るにあたり、より正確な情報を得ることができる。
【００２４】
ここにおいて、上記光としては波長４００ｎｍ付近と５００ｎｍ〜６００ｎｍ付近とで高い吸収度を有している酸化ヘモグロビンの吸光の影響を除去するために、６００ｎｍ〜２０００ｎｍの波長の光を使用することが有効である。
【００２５】
また、ここでは解析手段６の出力によって分光分析の際の偏光板３の偏光角設定が自動でなされるものを示したが、解析手段６の解析結果による偏光角を表示部において表示し、この表示に基づいて測定に従事する者、もしくは被測定者が偏光板３の偏光角を手動設定するものであってもよい。
【００２６】
光を照射する被測定箇所としては、皮膚表面での乱反射の原因となる皮溝が少ない手の内側（掌）が好適であり、殊に人体の指の内側（腹）における第１関節と第２関節との間の部分が好ましい。人体の各部に実際に光を照射してその反射光を観察したところ、上記関節間の部分で得たデータが最も安定性が高かったからである。
【００２７】
ところで、直線偏光とした光を対象物に照射するに際して斜め方向から照射する場合、照射する光の偏光方向が対象物の被照射面に対してｓ偏光であるかｐ偏光であるかによって異なる結果が得られることが多々あるのはよく知られたことであり、このためにここでも図４に示すように食用のハムをサンプル９０とし、このサンプル９０にｐ偏光の光とｓ偏光の光とを入射角４５°で照射し、その反射光を集光レンズ８及び偏光板３を介して分光・受光手段４で受光した。ちなみに用いた分光・受光手段４は、透過型石英回折格子と５１２画素のＣＣＤ素子からなり、９００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長範囲の測定ができるものを用いた。また光源１としてはハロゲンランプを用いた。
【００２８】
上記光源１からの光を偏光板２によってｐ偏光とした場合と、ｓ偏光とした場合とで夫々偏光板３を回転させて偏光角を変えることで平行成分や垂直成分を取り出して分光した結果を図５，図６に示す。図５がｐ偏光の場合、図６がｓ偏光の場合を示しており、図中ホは偏光板３を通さずに受光した場合を、ヘは偏光角０°の場合を、トは偏光角９０°の直交検出の場合を示しており、更に図中のチはサンプル９０を透過した透過光を偏光板３を通さずに受光した場合を示している。
【００２９】
両偏光の吸光スペクトルは、サンプル９０を透過させた場合（図中チ）については類似しているとともに水単体のスペクトルに近い。そしてｐ偏光入射時の反射スペクトルで偏光角９０°の直交検出（図中ト）では図５に示すように１５００〜１６５０ｎｍ辺りで蛋白質関連の吸収、散乱が効いてくること、深部の水の吸収がみられないことが分かる。これに対して、図６に示すｓ偏光入射の場合、ｐ偏光の場合とかなり異なるスペクトルを呈しており、水スペクトルに近づく吸収が見られ、透過光検出結果（チ）と同様の結果がでている。
【００３０】
これはｓ偏光であればｐ偏光の場合よりもサンプル９０内のより深い位置からの反射があることを示しており、これ故にｓ偏光であればｐ偏光の場合よりもサンプル９０の内部の情報を得ることができ、図６中のトを見ればわかるように、入射と垂直方向成分の拡散光を捕らえることで更に水の成分が顕著になっている。
【００３１】
一方、図７は人体の掌にｓ偏光の光を照射して偏光角を０°（図中ｄｅｇ０）から９０°（図中ｄｅｇ９０）まで１０°置きに変えて反射光のスペクトルを測定した結果を示している。直交ｄｅｇ９０に近づくにつれてプロファイルがシャープになって行くことが分かる。特に８０°（ｄｅｇ８０）、９０°（ｄｅｇ９０）では９７０ｎｍにおける水スペクトル、また１２００ｎｍ付近の生命体の炭素化合物のスペクトルが顕著となっている。このことから、皮膚構造における層と平行方向の偏光であるｓ偏光の光を用いることで皮膚内の組織で吸収された光を精度よく計測することができるものであり、これに伴って血糖値の推測精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態の一例のブロック図である。
【図２】偏光角と吸収度についてのデータの一例の説明図である。
【図３】酸化ヘモグロビンの吸光度のデータの説明図である。
【図４】試験状態を示す概略斜視図である。
【図５】ｐ偏光の場合の近赤外吸収スペクトルの説明図である。
【図６】ｓ偏光の場合の近赤外吸収スペクトルの説明図である。
【図７】ｓ偏光を掌に照射した際の分光反射スペクトルの偏光角依存性を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  光源
２  偏光板
３  偏光板
４  分光受光素子
６  解析手段
７  測定手段
９  人体
【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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