(57)【要約】【課題】生体と同様の光学特性を備える技術を提供する。【解決手段】ファントムは、空間サイズが４０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の微小空間を有し、前記微小空間内にグルコース含有液が収容されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間サイズが４０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の微小空間を有し、前記微小空間内にグルコース含有液が収容されている、ファントム。
【請求項２】
請求項１に記載のファントムであって、
前記空間サイズが４０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、ファントム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のファントムであって、
多数の球状の部材と、前記多数の球状の部材と前記グルコース含有液とを収容する容器と、を備え、前記多数の球状の部材の隙間によって前記微小空間が形成されている、ファントム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のファントムを用いて、非侵襲血糖値計の較正を行う較正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外線分光法に使用されるファントム（模擬生体）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被検体に近赤外光を照射して被検体内部に透過してきた光を分析する近赤外線分光法に使用されるファントムが知られている。特許文献１には、ファントム本体の表面に貼付され、近赤外光を減衰させる第１の光学フィルタと、ファントム本体の内部に挿抜可能に配置され、近赤外光の透過率を可変する第２の光学フィルタとを備えるファントムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１４６３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近赤外線分光法は、血液中グルコース濃度の検量にも使用される。近赤外線分光法を用いて生体を計測する場合に特有の現象として、グルコースの信号が濃度と比較して非常に大きくなる現象が報告されている。しかし、上記従来技術では、この現象を再現できていない虞がある。このため、近赤外光による測定に用いるファントムとして、この現象を再現でき、生体と同様の光学特性を備えるファントムが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の第１の形態によれば、ファントムが提供される。このファントムは、空間サイズが４０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の微小空間を有し、前記微小空間内にグルコース含有液が収容されている。
このファントムによれば、生体と同様の光学特性を備えることができる。
【０００７】
（２）上記ファントムにおいて、前記空間サイズが４０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下でもよい。
このファントムによれば、生体と同様の光学特性を備えることができる。
【０００８】
（３）上記ファントムにおいて、多数の球状の部材と、前記多数の球状の部材と前記グルコース含有液とを収容する容器と、を備え、前記多数の球状の部材の隙間によって前記微小空間が形成されていてもよい。
このファントムによれば、生体と同様の光学特性を備えることができる。
【０００９】
本発明は、上述した形態以外の種々の形態でも実現可能であり、例えば、上述したファントムを用いて、非侵襲血糖値計の較正を行う較正方法や、この方法を実現するコンピュータープログラム、及び、コンピュータープログラムを格納する一時的でない記録媒体（non-transitory storage medium）等の形態等で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１実施形態におけるファントムの構成を示す模式図。
【図２Ａ】部材と内接球との関係を示す正面図。
【図２Ｂ】部材と内接球との関係を示す斜視図。
【図３】正規化後の分光吸光度スペクトルの比較を行った結果を示す図。
【図４Ａ】信号倍率と空間サイズの逆数との関係を示す図。
【図４Ｂ】石英ビーズの直径と空間サイズの逆数との関係を示す図。
【図５】第２実施形態におけるファントムの構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態におけるファントム１００の構成を示す模式図である。ファントム１００は、容器１１０と、複数の部材１２０と、グルコース含有液１３０とを備える。ファントム１００は、近赤外光を用いる非侵襲血糖値計などの非侵襲計測器の較正に用いることができる。この例では、水平方向Ｏから近赤外光を照射される。較正方法としては、ファントム１００を非侵襲血糖値計により測定した結果を、ファントム１００のグルコース含有液１３０のグルコース濃度と照合させる方法が例示できる。
【００１２】
容器１１０は、近赤外光を透過する透光部材により形成されている。透光部材としては、例えば、石英や各種の合成樹脂を利用可能である。近赤外光の波長は、例えば、９００ｎｍ以上であり１１００ｎｍ以下である。
【００１３】
部材１２０は、容器１１０に多数収容されている。部材１２０は、球状の部材であり、近赤外光を透過する素材により形成されている。球状の部材１２０は、真球体の部材に限らず、略球状の部材でもよく、また、表面の少なくとも一部に平面や凹凸を備えていてもよい。本実施形態において、部材１２０として石英ビーズを用いる。また、本実施形態において、部材１２０の直径は、１０μｍである。
【００１４】
グルコース含有液１３０は、容器１１０に収容されている。グルコース含有液１３０は、グルコースを含有している水溶液である。本実施形態において、グルコース含有液１３０のグルコース濃度は、人体の血糖値と近い１００ｍｇ／ｄＬである。
【００１５】
本実施形態のファントム１００は、空間サイズが４０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の微小空間を有し、微小空間内にグルコース含有液１３０を収容している。微小空間は、多数の部材１２０により形成されている。空間サイズは、微小空間の大きさであり、以下のように算出される。
【００１６】
空間サイズは、水分子が水素結合して作るクラスターの大きさがどれくらいの大きさとなり得るかによって決まる。このため、空間サイズは、部材１２０を最密充填した際にできる隙間に内接する内接球１４０の直径とする。
【００１７】
図２Ａは、部材１２０と内接球１４０との関係を示す正面図であり、図２Ｂは、部材１２０と内接球１４０との関係を示す斜視図である。内接球１４０の全体が見えるように、内接球１４０の手前に存在する部材１２０を透過した状態を、図２Ａ及び図２Ｂにおいて示す。このとき、部材１２０の直径をＴとし、内接球１４０の直径をＲとすると、次式で表される関係が成り立つ。
Ｒ≒０．２２４７Ｔ                                …（１）
【００１８】
なお、式（１）で表されるように、微小空間の空間サイズは、部材１２０の直径Ｔに比例し、部材１２０の直径Ｔを大きくするほど、空間サイズは大きくなる。このため、部材１２０の直径Ｔの大きさを調整することにより、微小空間の空間サイズを所望の大きさに設定することができる。
【００１９】
本実施形態のファントム１００は、空間サイズが４０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下の微小空間を有し、微小空間内にグルコース含有液１３０が収容されている。このときの部材１２０の直径Ｔは、約１６２ｎｍ以上約１０１２１ｎｍ以下である。このため、生体特有の光学特性を備えることができる。なお、空間サイズは、４０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下がより好ましい。以下、この効果を奏する推定メカニズムを説明する。
【００２０】
Ａ１．推定メカニズム：
生体の非侵襲分光計測を用いた血液中グルコース濃度の検量について、生体を計測する場合に特有の現象として、グルコースの信号が濃度と比較して非常に大きくなる現象が報告されている。この現象は、散乱体などを添加したグルコース水溶液を計測する場合には、得られない現象である。
【００２１】
この現象は、生体内の水分子が毛細血管内や細胞間隙などの微小領域に閉じ込められていることで生じる特有の水素結合状態に起因すると考えられている。微小領域に閉じ込められた水の特異な挙動について、最新の研究結果が報告されている（例えば、「Physical Review Letters, 111 036803 (2013)」）。
【００２２】
上記報告では、通常の光学測定で用いる石英セルなどの中の水（バルク的な状態にある水）と微小領域内の水とでは、水分子同士の水素結合で形成されるクラスター（「水分子クラスター」とも呼ぶ）のサイズが大きく異なり、また、水素結合の強度などにも違いがある旨の報告がなされている。これらの違いは、グルコース自体についての近赤外線領域の吸光特性にも影響を与えると考えられる。この理由としては、グルコースも水と同様に極性分子であり、グルコースは水分子と水素結合を形成する点が挙げられる。近赤外光は官能基の振動として吸収されるが、吸収される際、官能基につながる分子が大きくなると、吸収した分子の動きが鈍くなり、近赤外光の吸収が小さくなることが考えられる。このため、バルク的な状態にある水での水分子クラスターが動きの鈍化に寄与していると考えられ、反対に、微小領域内の水は、大きな水分子クラスターが形成されないため、近赤外光の吸収が大きくなると考えられる。つまり、生体を計測する場合に特有の現象として、グルコースの信号が濃度と比較して非常に大きくなる現象は、血液成分に由来する現象ではなく、毛細血管や細胞など生体の構造に由来する現象であると考えられる。
【００２３】
本実施形態のファントム１００は、生体と同程度の微小空間を再現している。このため、生体特有の光学特性を備えることができる。なお、毛細血管の中で血球成分（例えば、赤血球、白血球、血小板）を除いた空間のサイズは約４０ｎｍから約１μｍである。このため、ファントム１００の空間サイズも同様に、４０ｎｍ以上２５００ｎｍ以下としている。部材１２０の直径は１０μｍとしており、空間サイズは約２２４７ｎｍとなる。
【００２４】
Ｂ．実験結果：
（ｉ）グルコース溶液のみ（ビーズなし）を収容した容器と、（ｉｉ）グルコース溶液と直径が２０μｍの石英ビーズとを収容した容器と、（ｉｉｉ）グルコース溶液と直径が１０μｍの石英ビーズとを収容した容器とを用意し、グルコース濃度の変化に伴うスペクトル変動の大きさを観測した。具体的には、グルコース溶液のグルコース濃度を４０ｍｇ／ｄｌと４１０ｍｇ／ｄｌとした場合におけるスペクトル変動の大きさを観測した。なお、容器は、石英から形成されており、サイズが４ｍｍのものを用いた。石英ビーズは、容器内において最密構造となるように配置されている。
【００２５】
図３は、実験結果として正規化後の分光吸光度スペクトルの比較を行った結果を示す図である。図３において、左から順に、上記（ｉ）（グルコース溶液のみを収容した容器）での測定結果と、上記（ｉｉ）（グルコース溶液と直径が２０μｍの石英ビーズとを収容した容器）での測定結果と、上記（ｉｉｉ）（グルコース溶液と直径が１０μｍの石英ビーズとを収容した容器）での測定結果とを示す。図３において、縦軸は正規化後の分光吸光度を示し、横軸は波長（ｎｍ）を示す。
【００２６】
また、各図において、波長が９８５ｎｍ付近の測定結果を５００倍に拡大した図を下方に示す。下方に示す図において、実線はグルコース溶液のグルコース濃度が４０ｍｇ／ｄｌの結果を示し、破線はグルコース溶液のグルコース濃度が４１０ｍｇ／ｄｌの結果を示す。この結果から、以下のことが分かる。つまり、上記（ｉ）（グルコース溶液のみを収容した容器）でのピーク位置のシフトに比べて、上記（ｉｉ）（グルコース溶液と直径が２０μｍの石英ビーズとを収容した容器）でのピーク位置のシフトは、約３倍である。上記（ｉ）（グルコース溶液のみを収容した容器）でのピーク位置のシフトに比べて、上記（ｉｉｉ）（グルコース溶液と直径が１０μｍの石英ビーズとを収容した容器）でのピーク位置のシフトは約１０倍である。なお、上記（ｉ）でのピーク位置のシフトに対する石英ビーズを収容した容器でのピーク位置のシフトの倍率を、信号倍率とも呼ぶ。
【００２７】
図４Ａは、信号倍率と空間サイズの逆数との関係を示す図である。縦軸は信号倍率であり、横軸は空間サイズの逆数である。図４Ｂは、石英ビーズの直径と空間サイズの逆数との関係を示す図である。このとき、石英ビーズの直径をＴとし、空間サイズの直径をＲとすると、石英ビーズの直径Ｔと空間サイズの逆数１／Ｒとは、次式で表される関係が成り立つ。
１／Ｒ≒１／０．２２４７Ｔ                                …（２）
【００２８】
図４Ａの結果から、信号倍率が実験結果に沿うような条件を探すと、空間サイズの逆数についての指数関数のフィッティングが良好であることが分かる。図４Ａの結果から、石英ビーズの直径Ｔが５μｍのときに信号倍率が約１００となることが分かる。
【００２９】
Ｃ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態におけるファントム１００Ａの構成を示す模式図である。ファントム１００Ａは、第１実施形態のファントム１００と比較して、部材１２０が圧力Ｐで加圧されている点が異なるが、それ以外は同じである。
【００３０】
本実施形態のファントム１００Ａによれば、部材１２０が加圧されることにより、部材１２０の浮き上がりや、部材１２０の移動を抑制できる。
【００３１】
Ｄ．変形例：
この発明は前記実施例やその変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００３２】
Ｄ１．変形例１：
前記実施形態では、グルコース含有液１３０として、グルコースを添加した水溶液を用いたが、グルコース含有液１３０として、血液や擬似血液を用いてもよい。
【００３３】
Ｄ２．変形例２：
前記実施形態では、容器１１０と部材１２０により微小空間を形成しているが、容器１１０と部材１２０以外で微小空間が形成されてもよい。
【００３４】
なお、前述した各実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１００…ファントム、１００Ａ…ファントム、１１０…容器、１２０…部材、１３０…グルコース含有液、１４０…内接球
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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