(57)【要約】【課題】生体組織の光散乱特性を用いて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。【解決手段】光源１０５と、生体組織４００に当接する凹部２０６を有する光学素子２００と、前記生体組織４００を通過し、前記光学素子２００より出射する光を検出するアレイ型光検出器１０８と、前記アレイ型光検出器１０８の各画素の出力から生体組織の透過光を分析する画素情報演算部１１０と、前記画素情報演算部１１０からの出力に基づいて生体情報を演算する生体情報演算部１１０を備える生体情報測定装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
生体組織に当接する凹部を有する光学素子と、
前記生体組織を通過し、前記光学素子より出射する光を検出するアレイ型光検出器と、
前記アレイ型光検出器の各画素の出力から生体組織の透過光を分析する画素情報演算部と、
前記画素情報演算部からの出力に基づいて生体情報を演算する生体情報演算部を備える生体情報測定装置。
【請求項２】
前記画素情報演算部は、前記アレイ型光検出器の各画素の出力のうち、最大値を出力する画素の位置を算出し、前記最大値を出力する画素の位置により前記生体組織の光散乱特性を算出すること特徴とする請求項１記載の生体情報測定装置。
【請求項３】
前記アレイ型光検出器によって検出された前記生体を透過した光の強度のうち、複数の特定の画素における出力と、所定の閾値とを比較する比較部をさらに備え、
前記画素情報演算部は、前記比較部による比較結果をさらに利用して、前記生体組織の光散乱特性を算出すること特徴とする請求項１記載の生体情報測定装置。
【請求項４】
前記所定の閾値は、前記アレイ型光検出器の出力に関する閾値であり、前記比較部は、前記閾値と同じ出力となる前記アレイ型光検出器の各画素の出力と比較し、前記閾値と前記アレイ型光検出器の出力が等しくなる位置を算出し、前記画素情報演算部は、前記閾値と前記アレイ型光検出器の出力が等しくなる複数の位置から前記生体組織の光散乱特性を算出すること特徴とする請求項３記載の生体情報測定装置。
【請求項５】
前記所定の閾値は、前記アレイ型光検出器の少なくとも２つの特定画素の位置に関する閾値であり、前記比較部は、前記閾値と同じ画素の位置における前記アレイ型光検出器の出力を比較し、前記画素情報演算部は、前記閾値と同じ画素の位置における前記アレイ型光検出器の出力の差から前記生体組織の光散乱特性を算出すること特徴とする請求項３記載の生体情報測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体の組織を光学的に測定し、体液中のグルコース、コレステロール、尿素またはトリグリセリドなどの生体成分を非侵襲的に測定するために使用する光学素子、および前記光学素子を用いた生体情報測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光学測定装置を用いて、生体や溶液中の特定成分を測定する種々の方法が提案されている。例えば、特許文献１によると、媒質と接触する面を有するセンサヘッドと、その面を照射する光を検出する光センサーと、光センサーからの距離を異にして面に配置された複数の光源と、光源の逐次的な点滅を起こさせるタイミング回路と、点灯された光からの光を第1の周波数で振幅変調するための回路と、振幅変調された光信号とコヒーレントな、第1の周波数と異なる第２の周波数の第２の信号を該センサーに提供する手段と、第２の信号によって該光センサーの利得を変調し又は出力を増幅するための手段と、そして媒質を通って該光信号の位相ずれ成分、ＤＣ成分、及びＡＣ成分のうち少なくとも１つを検出するために、相互相関周波数を有する結果の信号を光センサーから導きだす手段とを含んでなる複数光源を備えた光センサーにより、高度に混濁した媒質中に混じり合った材料の絶対量の濃度、例えば、生体組織中のグルコース、オキシ及びデオキシヘモグロビン等のような生体組織の代謝物を、定量的な仕方で測定できる。本方法によれば、例えば生体組織中のグルコースのような材料の濃度が変化した際に変化する散乱係数の変化が引き起こす光の散乱変化を検出することにより生体組織中の代謝物の濃度を測定することができる。
【０００３】
また、特許文献２には、光の吸収により生体の表層組織、好ましくは皮膚組織あるいは粘膜組織、さらに好ましくは皮膚組織中の真皮組織もしくは皮下組織、または粘膜組織中の粘膜固有層もしくは粘膜下層の性状を分析する方法が開示されている。
【０００４】
この方法では、溝部を用いて生体の表層組織の一部を隆起させ、隆起した部分を介して対向している光射出部から光入射部への受発光操作を行うことで分光分析を行う。
【０００５】
本方法によれば、生体の光吸収が大きい１．４〜２．５マイクロメートルの近赤外光を用いても測定に十分な信号が得られ、体液成分の情報を得ることができる。また、光が生体を透過する光路長を溝部の寸法から決定することできる。生体による光の吸収量は、ランベルト−ベールの法則から、光路長に比例することが知られている。
【０００６】
したがって、光路長を溝部の寸法から機械的に決定できるということは、光を用いて行う測定において極めて大きな意味をもち、本方法の大きな利点である。
【０００７】
また、特許文献３によると、生体組織に当接される凹部を有する当接手段と、前記凹部内の一部より検出光を出射する検出光出射手段と、前記凹部内の他の一部に設けられて前記検出光が入射される検出光入射手段を備え、前記当接手段は、前記生体組織の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から構成された生体情報検出用接触子が提案されている。この接触子において前記検出光は、前記当接手段と前記生体組織とが当接した状態で、前記凹部にはまり込んだ前記生体組織を通過した後、前記検出光入射手段に入射する。これによれば、取り扱いやすく、生体組織へのダメージが少なく、容易かつ高精度に生体情報の測定が可能となる。
【特許文献１】特開平８−８９５００号公報
【特許文献２】特開平１１-１７８７９９号公報
【特許文献３】国際公開第０１／５８３５５号パンフレット
【特許文献４】特許第４０４７９０３号公報
【特許文献５】特開平０４−３１９３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のような従来の光学測定方法および光学測定装置は、以下のような問題点を有していた。
【０００９】
上記特許文献１に記載の方法では、散乱係数の変化により、生体組織中に含まれる特定成分の濃度を測定することができる。しかしながら、本方法に基づいて生体組織中を伝播した光を検出する際、生体組織を伝播した後方散乱光を検出する必要がある。生体組織は、前方散乱が強いという光伝播特性を有している。生体における後方散乱光は、前方散乱光に比較して光量が一般的に約１０００分の１と非常に微弱であるため、後方散乱光を検出して生体組織の代謝物の濃度を測定する本方法はＳＮ比の観点から非常に不利である。
【００１０】
上記特許文献２に記載の方法では、形成された溝部や凹部に生体組織を接触させることによって生体組織を隆起させ、光ファイバを利用して生体組織に導光する。光ファイバを用いることで、生体組織の測定したい部位を選択的に測定することが可能になる。
【００１１】
しかしながら、生体に入射された光は、生体組織による散乱・吸収を繰り返しながら生体組織を伝播する。ところが、生体組織を伝播した光を受光するために、光ファイバを用いることにより隆起させられた生体組織を透過した光の一部を検出するため、検出された透過光のうち、散乱による光の減衰量と吸収による光減衰量がそれぞれどの程度の割合で関与しているか判断できなかった。
【００１２】
また、特許文献３に記載の方法では、生体組織に当接される凹部を有する当接手段と、前記凹部内の一部より検出光を出射する検出光出射手段と、前記凹部内の他の一部に設けられて前記検出光が入射される検出光入射手段を備え、前記当接手段は、前記生体組織の屈折率よりも高い屈折率を有する材料から構成された生体情報検出用接触子が提案されている。この接触子において前記検出光は、前記当接手段と前記生体組織とが当接した状態で、前記凹部にはまり込んだ前記生体組織を通過した後、前記検出光入射手段に入射する。本方法によれば、取り扱いやすく、生体組織へのダメージが少なく、容易かつ高精度に生体情報の測定が可能となる。ところが、生体組織を散乱・吸収された光を検出する際、散乱した光から生体の光散乱特性を効率よく検出する手段について特に言及がなかった。
【００１３】
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、生体組織を透過した光を用いて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】
【００１４】
前記従来の課題を解決するために、本発明の生体成分濃度測定装置は、光源と、生体組織に当接する凹部を有する光学素子と、前記生体組織を通過し、前記光学素子より出射する光を検出するアレイ型光検出器と、前記アレイ型光検出器の各画素の出力から生体組織の透過光を分析する画素情報演算部と、前記画素情報演算部からの出力に基づいて生体情報を演算する生体情報演算部とを備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の生体成分濃度測定装置によれば、生体組織を透過した光を用いて生体成分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】
【００１６】
本発明の生体成分濃度測定装置は、光源と、生体組織に当接する凹部を有する光学素子と、前記生体組織を通過し、前記光学素子より出射する光を検出するアレイ型光検出器と、前記アレイ型光検出器の各画素の出力から生体組織の透過光を分析する画素情報演算部と、前記画素情報演算部からの出力に基づいて生体情報を演算する生体情報演算部とを備える。
【００１７】
凹部を有する光学素子に生体組織を当接させると、図８のように、凹部に生体組織が入り込む。このような状態で光学素子に光を入射すると、光学素子と生体組織の界面で入射した光は屈折し、生体組織中を伝播する。生体組織は非常に強い前方散乱特性を有するため、入射した光は生体組織中で散乱する。光学素子の凹部の浅い位置では、光の光路長は長くなるため、生体中において散乱の影響を強く受ける。一方、光学素子の凹部の深い位置では、光の光路長が短くなるため、生体中において散乱の影響は光学素子の凹部の浅い位置に比較して小さい。この結果、生体情報測定用光学素子の凹部の深さによって、生体中において散乱の影響に差が生じる。したがって、生体を透過した光をアレイ型光検出器で受光することで散乱の影響の差を測定することができ、この結果、生体組織によって、散乱の影響を受けた度合いを定量化できる。
【００１８】
図４、図５には、アレイ型光検出器がＣＭＯＳ，ＣＣＤ等の撮像素子である場合について、生体組織が異なる散乱特性を有するときのアレイ型光検出器の出力を示した図である。
【００１９】
図４には生体組織の散乱が小さい場合のアレイ型光検出器の出力の強度分布を模式的に示した図であり、分布の中心のほうが光の強度が強いことを示している。図５には、生体組織の散乱が図４の場合に比較して大きい場合のアレイ型光検出器の出力の強度分布を模式的に示した図であり、分布の中心のほうが光の強度が強いことを示している。
【００２０】
生体組織の散乱が小さい場合、図４からアレイ型光検出器のほぼ中心に光強度分布が最大になる領域に存在し、また、光強度の広がり方が小さい。一方、生体組織の散乱が大きくなると、図５のようにアレイ型光検出器の中心からずれた領域の光強度分布が移動し、また、光強度分布の広がりが大きくなることがわかる。
【００２１】
したがって、アレイ型光検出器が検出した光強度がもっとも大きい領域を抽出し、光強度が最も大きい領域の移動量を評価することにより、生体組織の散乱の程度を評価することができる。光強度がもっとも強い領域を用いて測定することにより、結果として、測定のＳＮ比が向上し、より正確に生体の光散乱特性を算出することができ、正確に算出した光散乱特性から、生体成分濃度を高精度に測定することができる。
【００２２】
ここで、光源としては、生体組織を透過する光を発するものであればよく、例えばＬＥＤ、ＬＤ、ハロゲン光源、半導体レーザ、ＳｉＣを棒状に焼結したグローバ光源、ＣＯ２レーザおよびタングステン灯などが挙げられる。また、特定の複数波長の光散乱特性を測定するために、光源がＬＥＤ、ＬＤ、半導体レーザ等の単波長の光を出射する光源である場合では、光源を複数備えていることが好ましい。さらには、ＬＥＤ，ＬＤ，半導体レーザ等の単波長の光源を利用する際、数種類の光源を利用するため、ハーフミラー等の光分割素子を利用して複数光源の光軸を合わせることが好ましい。
【００２３】
アレイ型光検出器としては、光源が出射する光を検出でき、光検出部がアレイ型になっているＣＭＯＳ、ＣＣＤ等の撮像素子や、１次元ラインセンサ等の光検出器を利用することができる。
また、アレイ型光検出器に効率よく光を入射させるために、生体成分濃度測定用光学素子の光出射面とアレイ型光検出器の間に集光レンズを設けてもよい。
【００２４】
また、生体成分濃度測定用光学素子の材料としては、生体の屈折率よりも高い屈折率をもち、光源から出射した光に対して吸収が小さいものであれば特に限定なく利用することがでるが、近赤外域の光源を利用する場合には、シリコンであって、抵抗率が１００Ωｃｍ以上のものが好ましく、抵抗率が１５００Ωｃｍ以上のものがさらに好ましい。また、フッ化カルシウムや溶融石英などであってもよい。
【００２５】
また、生体成分濃度測定用光学素子の凹部の形状としては、図８に示したとおり、凹部の深さが浅い領域の寸法Ｌ１と凹部の深さが深い領域の寸法Ｌ２を比較した際、
（数１）  Ｌ１＞Ｌ２
の関係を満たすような形状であれば特に限定しない。例えば、図８に示したようなＶ字型形状、図９に示したような形状等が利用することができる。さらには、（数１）で示した関係でＬ１とＬ２の差が大きくなると、光の散乱により広がった光が透過する光路長の差が大きくなるため、本発明の効果が大きくなり好ましい。
【００２６】
また、生体成分濃度測定用光学素子の凹部の寸法としては、光源から出射した光を十分透過できる寸法であれば特に限定なく設定できる。光源を出射する光が近赤外域であれば、凹部の一番寸法が大きい領域で２ｍｍに設定することが好ましい。
【００２７】
また、生体成分濃度測定用光学素子の光入射面、光出射面、凹部には、反射防止加工が施されていることが、より多くの光をアレイ型光検出器に導くという観点から好ましい。
【００２８】
また、生体成分濃度測定用光学素子の凹部を形成する方法としては、シリコン等の光学素子材料を凹部となる部分を切削する方法、２つの光学素子材料を利用し、おのおのに研削、切削等により同じ形状の斜面を形成し、形成した２つの斜面を合わせることにより凹部を形成する方法等があげられる。さらには、２つの光学素子材料を利用し、おのおのに研削、切削等により同じ形状の斜面を形成し、形成した２つの斜面を合わせることにより凹部を形成する方法が、凹部に反射防止用の光学薄膜を形成する際の加工容易性の観点から好ましい。
【００２９】
画素情報演算部、生体成分濃度演算部としては、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等のマイクロコンピュータを用いることができる。
また、前記アレイ型光検出器によって検出された前記生体を透過した光の強度のうち、複数の特定の画素における出力と、所定の閾値とを比較する比較部をさらに備え、前記画素情報演算部は、前記比較部による比較結果をさらに利用して、前記生体組織の光散乱特性を算出してもよい。
【００３０】
また、前記所定の閾値は、前記アレイ型光検出器の出力に関する閾値であり、前記比較部は、前記閾値と同じ出力となる前記アレイ型光検出器の各画素の出力と比較し、前記閾値と前記アレイ型光検出器の出力が等しくなる位置を算出し、前記画素情報演算部は、前記閾値と前記アレイ型光検出器の出力が等しくなる複数の位置から前記生体組織の光散乱特性を算出してもよい。
【００３１】
また、前記所定の閾値は、前記アレイ型光検出器の少なくとも２つの特定画素の位置に関する閾値であり、前記比較部は、前記閾値と同じ画素の位置における前記アレイ型光検出器の出力を比較し、前記画素情報演算部は、前記閾値と同じ画素の位置における前記アレイ型光検出器の出力の差から前記生体組織の光散乱特性を算出してもよい。
【００３２】
本発明の生体成分濃度測定装置は、光学素子の凹部に生体組織が存在しない場合、凹部での光が適切な方向に屈折しないため、アレイ型光検出器に到達する光量は非常に小さくなる。この光量が閾値以下であった場合に警告を出力する警告出力部をさらに備えることが好ましい。この構成により、生体成分濃度測定装置における、生体組織の位置が不適切であることを使用者に通知することができる。
【００３３】
ここで、警告出力部としては、警告を表示するディスプレイ、警告を音声で出力するスピーカー、警告音を発生するブザー等が挙げられる。
本発明の生体成分濃度測定装置は、アレイ型光検出器の出力信号と生体成分濃度との相関を示す相関データを格納する記憶部、生体成分濃度演算部により換算された生体成分の濃度を表示する表示部、及び生体成分濃度測定装置が動作するための電力を供給する電源をさらに備えていてもよい。
【００３４】
生体成分濃度演算部は、記憶部から上記相関データを読み出し、これを参照することにより、アレイ型光検出器の出力信号を生体成分の濃度に変換してもよい。
【００３５】
アレイ型光検出器の出力信号と生体成分濃度との相関を示す相関データは、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アレイ型光検出器の出力信号を測定し、得られたアレイ型光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。
【００３６】
本発明において、記憶部としては、例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリを用いることが
できる。
【００３７】
表示部としては、例えば、液晶等のディスプレイを用いることができる。
【００３８】
電源としては、例えば、電池等を用いることができる。
【００３９】
本発明の生体成分濃度測定装置により測定する生体成分の濃度としては、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、中性脂肪濃度等が挙げられる。
【００４０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００４１】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る生体成分濃度測定装置１００の外観を示す斜視図である。
【００４２】
生体成分濃度測定装置１００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、生体成分濃度測定装置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。
【００４３】
ここで、ディスプレイ１１４は本発明における表示部に相当する。
【００４４】
次に、生体成分濃度測定装置１００に用いる生体成分濃度測定用光学素子２００の構成について、図２を用いて説明する。図２は、生体成分濃度測定用光学素子２００の外観を示す斜視図である。生体成分濃度測定用光学素子２００は、光源１０５，１０６からの光を生体成分濃度測定用光学素子２００の内部に導く光入射面２０２と、生体組織４００と当接し、生体組織４００に光を入射させるＶ字型状の凹部２０６、生体組織４００から凹部を介して再び生体成分濃度測定用光学素子２００内に帰還した光をＣＣＤ１０８に出射する光出射面２０４を備え、光入射面２０２、光出射面２０４、凹部２０６には、反射防止膜が設けられている。
【００４５】
次に、生体成分濃度測定装置１００の本体内部の構成について、図３を用いて説明する。図３は、実施の形態１に係る生体成分濃度測定装置１００の構成を示す図である。
【００４６】
生体成分濃度測定装置１００の本体内部には、第１の光源１０５，第２の光源１０６、ハーフミラー１１８、ＣＣＤ１０８、集光レンズ１２２、ＣＣＤ駆動回路１２０、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を備えている。
【００４７】
ここで、マイクロコンピュータ１１０は、本発明における画素情報演算部及び生体成分濃度演算部に相当する。
【００４８】
電源１１６は、マイクロコンピュータ１１０に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。
【００４９】
ＣＣＤ１０８は、ＣＣＤ駆動回路１２０により駆動され、生体成分濃度測定用光学素子２００の光出射面２０４からの光を受光する。ＣＣＤ１０８により受光された光は、マイクロコンピュータ１１０により光強度が最も強い画素を抽出するように画像処理される。この結果から、生体組織４００の散乱光の強度に対応する電気信号を発出する。
メモリ１１２には、第１の光源１０５の散乱光の強度に対応する電気信号及び第２の光源１０６の散乱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が格納されている。マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２からこの相関データを読み出し、この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、本発明の記憶部に相当する。
【００５０】
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。
【００５１】
第１の光源１０５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（以下、測定用波長帯域と略称する）の近赤外光を発生する。一方、第２の光源１０６は、第１の光源１０５とは異なる波長の光を放射する。第２の光源１０６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（以下、参照用波長帯域と略称する）の近赤外光を発生する。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。
【００５２】
例えば、グルコースは、１５８０ｎｍ付近に吸収ピークを有する近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は、第１の光源１０５が、１５８０ｎｍ付近の波長帯域の近赤外光を放射する特性を有することが好ましい。
【００５３】
メモリ１１２に格納されている、第１の光源１０５の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号及び第２の光源１０６の近赤外光の散乱光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は、例えば、以下の手順によって取得することができる。
【００５４】
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、散乱光強度を測定する。このとき、第１の光源１０５の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号と、第２の光源１０６の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号とを求める。この測定を、異なる生体成分濃度を有する複数の患者について行うことにより、第１の光源１０５の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号及び第２の光源１０６の近赤外光の散乱光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からなるデータの組を得ることができる。
【００５５】
次に、このようにして取得したデータの組を解析して相関データを求める。例えば、第１の光源１０５の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号と、第２の光源１０６の近赤外光の散乱光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とにより、第１の光源１０６の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号及び第２の光源１０６の近赤外光の散乱光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。
【００５６】
次に、本実施の形態における生体成分濃度測定装置１００の動作について説明する。
【００５７】
まず、使用者が生体成分濃度測定装置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、生体成分濃度測定装置１００は測定準備状態となる。
【００５８】
次に、使用者が生体成分濃度測定用光学素子２００の凹部２０６上に、例えば、指を置く。
【００５９】
次に、生体成分濃度測定装置１００上に指を保持した状態で、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、本体１０２内の第１の光源１０５がＯＮとなり、ＣＣＤ１０８による撮像を開始する。
【００６０】
次に、上記の方法により、ＣＣＤ１０８により撮影された画像の中から、指の配置位置が適正かどうかを判定するステップが行われる。画像認識の結果、マイクロコンピュータ１１０が、ＣＣＤ１０８により撮影された画像において、検出光量が小さいと判断した場合は、凹部２０６に指の配置が不適切である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、エラーであることを使用者に通知する。指の位置が不適切であることを表すエラーが通知されると、使用者は指を動かして、凹部２０６への配置位置を変更すればよい。
【００６１】
ここで、ディスプレイ１１４、ブザー１５８及びスピーカーは、それぞれ本発明における警告出力部に相当する。
【００６２】
画像認識の結果、マイクロコンピュータ１１０が、ＣＣＤ１０８により撮影された画像において、指の位置が適正であると判断すると、上記の方法により第１の光源１０５に対する散乱光強度を測定し、次に第２の光源１０６に対する散乱光強度の測定を行う。
【００６３】
また、マイクロコンピュータ１１０が、ＣＣＤ１０８により撮影された画像において、光強度分布が測定中に動いたと判断すると、指の位置を動かさないようにする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通知する。
【００６４】
ここで、スピーカーは本発明における警告出力部に相当する。
【００６５】
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、第１の光源１０５を制御して近赤外光を遮断する。次に第２の光源１０６の電源をＯＮにし、第２の光源１０６による測定を開始する。さらに、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、第２の光源１０６を制御して、近赤外光を遮断する。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、指を生体成分濃度測定装置１００からはずすことができる。
【００６６】
マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２から、第１の光源１０５の近赤外光における散乱光強度に対応する電気信号及び第２の光源１０６の近赤外光における散乱光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、補正後の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。
【００６７】
本発明の実施の形態では、生体組織３００の散乱光強度を算出するために、ＣＣＤ１０８上の光強度が最大となる画素の位置変化を利用した例について説明したが、複数の特定の画素における出力と、所定の閾値とを比較する比較部をさらに備え、前記画素情報演算部は、前記比較部による比較結果をさらに利用して、前記生体組織の光散乱強度を算出してもよい。
このとき、所定の閾値は、メモリ１１２に格納されていることが好ましい。
また、前記所定の閾値は、ＣＣＤ１０８の出力に関する閾値であり、比較部は、閾値と同じ出力となるＣＣＤ１０８の各画素の出力と比較し、前記閾値と前記アレイ型光検出器の出力が等しくなる位置を算出し、前記画素情報演算部は、前記閾値とＣＣＤの出力が等しくなる複数の位置から前記生体組織の光散乱特性を算出してもよい。
また、別の算出方法として、所定の閾値は、ＣＣＤ１０８の少なくとも２つの特定画素の位置に関する閾値であり、比較部は、記閾値と同じ画素の位置におけるＣＣＤ１０８の出力を比較し、前記画素情報演算部は、前記閾値と同じ画素の位置における前記アレイ型光検出器の出力の差から前記生体組織の光散乱特性を算出してもよい。
このとき、マイクロコンピュータ１１０は、本発明における比較部に相当する。生体組織４００の光散乱特性を算出した後の処理については、上記の説明と同じであるため省略する。
【００６８】
以上のように、本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置１００によると、生体組織４００を透過した光のうち、前方散乱光を測定することができ、また、光強度分布のうち、光強度が最大となる画素の位置から散乱光強度を測定することができるため、高いＳＮ比で測定することができるので、生体成分濃度を高精度に測定することができる。
【００６９】
（実施の形態２）
図１０は、実施の形態２に係る生体成分濃度測定装置３００の外観を示す斜視図である。生体成分濃度測定装置３００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、生体成分濃度測定装置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。
【００７０】
ここで、ディスプレイ１１４は本発明における表示部に相当する。
【００７１】
次に、本発明の実施の形態２に係る生体成分濃度測定装置の本体内部の構成について、図１０を用いて説明する。図１１は、実施の形態２に係る生体成分濃度測定装置３００の構成を示す図である。
【００７２】
実施の形態１に係る生体成分濃度測定装置１００と比較して異なる点は、アレイ型光検出器であるＣＣＤ１０８の代わりに１次元のラインセンサ１３０を備え、これに伴い、駆動回路がＣＣＤ駆動回路１２０からラインセンサ駆動回路１３２を備えている点である。その他の構成は、実施の形態１に係る生体成分濃度測定装置１００と同じであるため説明を省略する。
【００７３】
ラインセンサ１３０は、ＣＣＤ１２０比較し、１次元のライン上に複数の検出領域１２６を備えている点で異なる。したがって、図６、図７に示したような１次元方向の光強度分布のみを検出することができる。
ラインセンサ１３０は、ラインセンサ駆動回路１３２により駆動され、生体成分濃度測定用光学素子２００の光出射面２０４からの光を受光する。ラインセンサ１３０により受光された光は、マイクロコンピュータ１１０により光強度が最も強い画素を抽出するように画像処理される。この結果から、生体組織４００の散乱光の強度に対応する電気信号を発出する。
【００７４】
メモリ１１２には、第１の光源１０５の散乱光の強度に対応する電気信号及び第２の光源１０６の散乱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が格納されている。マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２からこの相関データを読み出し、この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、本発明の記憶部に相当する。
【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】
第１の光源１０５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（以下、測定用波長帯域と略称する）の近赤外光を発生する。一方、第２の光源１０６は、第１の光源１０５とは異なる波長の光を放射する。第２の光源１０６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（以下、参照用波長帯域と略称する）の近赤外光を発生する。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。
【００７７】
例えば、グルコースは、１５８０ｎｍ付近に吸収ピークを有する近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は、第１の光源１０５が、１５８０ｎｍ付近の波長帯域の近赤外光を放射する特性を有することが好ましい。
【００７８】
メモリ１１２に格納されている、第１の光源１０５の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号及び第２の光源１０６の近赤外光の散乱光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は、例えば、以下の手順によって取得することができる。
【００７９】
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、散乱光強度を測定する。このとき、第１の光源１０５の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号と、第２の光源１０６の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号とを求める。この測定を、異なる生体成分濃度を有する複数の患者について行うことにより、第１の光源１０５の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号及び第２の光源１０６の近赤外光の散乱光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からなるデータの組を得ることができる。
【００８０】
次に、このようにして取得したデータの組を解析して相関データを求める。例えば、第１の光源１０５の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号と、第２の光源１０６の近赤外光の散乱光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とにより、第１の光源１０６の近赤外光の散乱光強度に対応する電気信号及び第２の光源１０６の近赤外光の散乱光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。
次に、本実施の形態における生体成分濃度測定装置３００の動作について説明する。まず、使用者が生体成分濃度測定装置３００の電源スイッチ１０１を押すと、本体１０２内の電源がＯＮとなり、生体成分濃度測定装置３００は測定準備状態となる。
【００８１】
次に、使用者が生体成分濃度測定用光学素子２００の凹部２０６上に、例えば、指を置く。
【００８２】
次に、生体成分濃度測定装置３００上に指を保持した状態で、使用者が生体成分濃度測定装置３００の測定開始スイッチ１０３を押すと、本体１０２内の第１の光源１０５がＯＮとなり、ラインセンサ１３０による撮像を開始する。
【００８３】
次に、上記の方法により、ラインセンサ１３０により撮影された画像の中から、指の配置位置が適正かどうかを判定するステップが行われる。画像認識の結果、マイクロコンピュータ１１０が、ラインセンサ１３０により撮影された画像において、検出光量が小さいと判断した場合は、凹部２０６に指の配置が不適切である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、エラーであることを使用者に通知する。指の位置が不適切であることを表すエラーが通知されると、使用者は指を動かして、凹部２０６への配置位置を変更すればよい。
【００８４】
ここで、ディスプレイ１１４、ブザー１５８及びスピーカーは、それぞれ本発明における警告出力部に相当する。
【００８５】
画像認識の結果、マイクロコンピュータ１１０が、ラインセンサ１３０により撮影された画像において、指の位置が適正であると判断すると、上記の方法により第１の光源１０５に対する散乱光強度を測定し、次に第２の光源１０６に対する散乱光強度の測定を行う。
【００８６】
また、マイクロコンピュータ１１０が、ラインセンサ１３０により撮影された画像において、光強度分布が測定中に動いたと判断すると、指の位置を動かさないようにする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通知する。
【００８７】
ここで、スピーカーは本発明における警告出力部に相当する。
【００８８】
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、第１の光源１０５を制御して近赤外光を遮断する。次に第２の光源１０６の電源をＯＮにし、第２の光源１０６による測定を開始する。さらに、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、第２の光源１０６を制御して、近赤外光を遮断する。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、指を生体成分濃度測定装置３００からはずすことができる。
【００８９】
マイクロコンピュータ１１０は、メモリ１１２から、第１の光源１０５の近赤外光における散乱光強度に対応する電気信号及び第２の光源１０６の近赤外光における散乱光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、補正後の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。
【００９０】
以上のように、本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置３００によると、生体組織４００を透過した光のうち、前方散乱光を測定することができ、また、光強度分布のうち、光強度が最大となる画素の位置から散乱光強度を測定することができるため、高いＳＮ比で測定することができるので、生体成分濃度を高精度に測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、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−ス濃度を測定する際に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の一実施の形態における生体成分濃度測定装置の外観を示す斜視図
【図２】本発明の一実施の形態における生体成分濃度測定装置に利用する生体成分濃度測定用光学素子の外観を示す斜視図
【図３】同生体成分濃度測定装置における構成を示す図
【図４】同生体成分濃度測定装置を用いて、生体組織を測定した際の光強度分布をＣＣＤを利用して測定した結果を模式的に示した図
【図５】同生体成分濃度測定装置を用いて、光散乱特性が異なる生体組織を測定した際の光強度分布をＣＣＤを利用して測定した結果を模式的に示した図
【図６】同生体成分濃度測定装置を用いて、生体組織を測定した際の光強度分布をラインセンサを利用して測定した結果のうち、光強度が最大となる位置を模式的に示した図
【図７】同生体成分濃度測定装置を用いて、光散乱特性が異なる生体組織を測定した際の光強度分布をラインセンサを利用して測定した結果のうち、光強度が最大となる位置を模式的に示した図
【図８】本発明における生体成分濃度測定用光学素子の形状を説明するための図
【図９】本発明における別の生体成分濃度測定用光学素子の形状を説明するための図
【図１０】本発明の別の実施の形態における生体成分濃度測定装置の外観を示す斜視図
【図１１】同生体成分濃度測定装置における構成を示す図
【符号の説明】
【００９３】
１００    生体成分濃度測定装置
１０１    電源スイッチ
１０２    本体
１０３    測定開始スイッチ
１０５    第１の光源
１０６    第２の光源
１０８    ＣＣＤ
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    ハーフミラー
１２０    ＣＣＤ駆動回路
１２２    集光レンズ
１２６    検出領域
１３０    ラインセンサ
１３２    ラインセンサ駆動回路
１５６    タイマー
１５８    ブザー
２００    生体成分濃度測定用光学素子
２０２    光入射面
２０４    光出射面
２０６    凹部
２０８    凹部を形成する斜面
２１０    光の光路を模式的に示した線
４００    生体組織
４１０    ＣＣＤで撮像した像の中心を模式的に表す線
４２０    光強度分布が最大となっている領域
４３０    光強度分布が等しい領域を模式的に示した光強度の等強度線
５０１    画素
５０２    光強度が最大となっている画素
【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】
2009273819.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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