JP2000186998A - 生体スペクトル測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的普通の光源及び普通の受光素子と簡単
な集光手段で表面から数ｍｍ以内の近傍の化学成分ある
いは物性の定量、定性分析を行う。 【解決手段】 近赤外光源と、近赤外光を受光して信号
化する受光手段と、近赤外光源から発する近赤外光を生
体表層組織に投射するための投射部と、生体表層組織を
透過あるいは拡散反射した近赤外光を検出する検出部
と、近赤外光源から発する近赤外光を投射部に誘導する
光伝達手段もしくは生体表層組織を透過あるいは拡散反
射した近赤外光を前記検出部から受光手段へと誘導する
光伝達手段と、前記受光手段から得られた信号を演算す
る演算手段とから成る。投射部と検出部との間隔は０．
１ｍｍ以上２ｍｍ以下とし、両者の間に光遮蔽部を設
け、検出部は投射部を中心とする円周上に配置、あるい
は投射部は検出部を中心とする円周上に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、近赤外領域におけ
る光の吸収を利用した生体組織中あるいは体液中の化学
成分を分光分析する生体スペクトル測定装置に関するも
のであり、具体的には皮膚組織等の化学成分濃度、例え
ば、水分、グルコース、果糖、カルシウム、ナトリウム
等の定量分析や皮膚の弾力、はり、みずみずしさといっ
た物理的性質の定量、定性分析を行うための生体スペク
トル測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】可視域に隣接する近赤外域の光を用いて
物質の定量、定性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、最近では生体計測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。

【０００３】０．８μｍから２．５μｍの波長の光を物
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、 １）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 ２）固体、粉体、繊維、液体、気体など様々な状態の試
料に適用することができる ３）赤外にくらべ近赤外では水の吸収強度が弱くなるの
で、水溶液での分析ができるなどの利点を有している
が、吸収シグナルは高調波を扱うために赤外に比較して
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ではその
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のが通常である。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。またニ
ューラルネットワーク等の解析への応用も試みられてい
る。

【０００４】従来の近赤外分光分析では、主としてＦＴ
−ＩＲのような汎用の分光分析装置と、図８に示すよう
な光ファイババンドル２０とを用いてスペクトル測定を
行っている。図８(a)に示す光ファイババンドル２０
は、ステンレスチューブ２１，２２内に同心円状に投光
用バンドル９と受光用バンドル１５とを配置したもの、
図８(b)に示す光ファイババンドル２０はステンレスチ
ューブ２１内に投光用光ファイバ９素線と受光用光ファ
イバ１５素線とをランダムに配置したものである。

【０００５】また、生体組織を近赤外線を利用して分析
する試みとしては、まだ実用化に至っていないが光ＣＴ
の開発がある。光ＣＴは生体表層部分の分析を意図した
ものではないが、現在実用化されているＸ線によるＣＴ
スキャンや核磁気共鳴を利用したＮＭＲのような断層イ
メージを近赤外光を用いて撮影しようとするものであ
る。光ＣＴの開発では拡散反射法により測定した、投光
用プローブから受光用プローブヘ到達する物質中の光の
透過経路を確定することが非常に重要となる。光の透過
経路は投光用プローブ４ａと受光用プローブ４ｂとを測
定物質イに対して平行に配置した場合、図９に示すよう
にいわゆるバナナシェイプとよばれる経路を通ることが
実験的にも光の拡散方程式やモンテカルロ法のような数
値解析手法を用いたシミュレーションにおいても確認さ
れている。従って、物質の化学成分や物性の深さ方向の
分析は、投光用プローブ４ａと受光用プローブ４ｂの間
隔を調節することで目的とする分光分析を行うことがで
きる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、残念ながら今
のところ物質の表面近傍の深さ方向への化学成分あるい
は物性の定量、定性分析の装置が実用化に至っていない
のが現状で、その大きな理由は、表面から数ｍｍ以内、
特に皮膚組織のように表面より数百μｍの近傍における
分析を行う場合、光の透過経路を設定するには投光用プ
ローブと受光用プローブの間隔も同程度の数百μｍで配
置する必要があり、投光用、受光用プローブの径によっ
ては物理的に不可能であったり、２つのプローブ間隔に
対して十分に細い１００μｍ程度の光ファイバを用いて
も、投光用光ファイバに集光する方法の困難性や受光用
光ファイバで得られる光量の小ささを考えると、特殊な
高出力発光手段あるいは、超高感度の受光手段の組み合
わせ無しには実現できない。

【０００７】本発明はこのような点に鑑みなされたもの
であり、その目的とするところは、通常のハロゲンラン
プ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオードの
ような比較的普通の光源と、ＳｉやＧｅやＩｎＧａＡｓ
製のフォトダイオードのような普通の受光素子と簡単な
集光手段で表面から数ｍｍ以内の近傍の化学成分あるい
は物性の定量、定性分析を行うことができる生体スペク
トル測定装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】しかして本発明に係る生
体スペクトル測定装置は、近赤外光源と、近赤外光を受
光して信号化する受光手段と、近赤外光源から発する近
赤外光を生体表層組織に投射するための投射部と、生体
表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を検出す
る検出部と、近赤外光源から発する近赤外光を投射部に
誘導する光伝達手段もしくは生体表層組織を透過あるい
は拡散反射した近赤外光を前記検出部から受光手段へと
誘導する光伝達手段と、前記受光手段から得られた信号
を演算する演算手段とから成り、前記投射部と検出部と
の間隔が０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下となっているととも
に前記投射部と前記検出部との間に光遮蔽部が設けら
れ、前記検出部が前記投射部を中心とする円周上あるい
は前記投射部が前記検出部を中心とする円周上に配置さ
れていることに特徴を有している。

【０００９】上記光伝達手段のうち一方は光ファイバと
すればよく、この時、光ファイバの直進性をもたせるガ
イドを当接部に設けることが好ましい。

【００１０】また本発明に係る生体スペクトル測定装置
は、近赤外光源と、近赤外光を受光して信号化する受光
手段と、近赤外光源から発する近赤外光を生体表層組織
に投射するための投射部と、生体表層組織を透過あるい
は拡散反射した近赤外光を検出する検出部と、生体表層
組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を前記検出部
から受光手段へと誘導する光伝達手段と、前記受光手段
から得られた信号を演算する演算手段とから成り、発光
ダイオードからなる近赤外光源が配された前記記投射部
と検出部との間隔が０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下となって
いるとともに前記投射部と前記検出部との間に光遮蔽部
が設けられ、前記検出部が前記投射部を中心とする円周
上あるいは前記投射部が前記検出部を中心とする円周上
に配置されていることに特徴を有している。

【００１１】前記光遮蔽部はコーティングで形成したの
であってもよい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施の形態の一例
に基づいて説明すると、本発明に係る生体スペクトル測
定装置は、生体表層組織近傍の化学成分あるいは物性の
定量、定性分析を行うためのものであり、例えば人間の
皮膚組織内、特に真皮領域中のグルコース濃度を分光分
析により定量するもので、図２に示すように、近赤外光
源としての１５０Ｗのハロゲンランプ１、ハロゲンラン
プ１からの光の分光を行う回折格子を収めた回折格子ユ
ニット２、前記回折格子の回転角制御を行って分光波長
の調節を行うステッピングモータユニット３、分光後の
光を被測定物に投射してその透過あるいは拡散反射光を
受光し信号化するための測定プローブ４、測定プローブ
４からの信号をもとに数値解析を行ってグルコース濃度
の定量を行う演算ユニット５とから構成される。

【００１３】上記測定プローブ４は、円筒状に形成され
たケースの生体接触側端部に近赤外光を生体表層組織に
投射するための投射部６と生体表層組織を透過あるいは
拡散反射した近赤外光を検出する検出部７とを有する当
接部８を配置し、投射部６にはクラッド径が２００μｍ
の投光用光ファイバ９の一端が当接部８と同一平面上に
なるように固定している。一方、投光用光ファイバ９の
他端は測定用プローブ４の側壁面に設けられたコネクタ
１０を介して前記回折格子ユニット２に接続され、回折
格子ユニット２によって分光された近赤外光が光伝達手
段である投光用光ファイバ９を通って投射部６から生体
表層組織に投射される。

【００１４】また、上記ケース内には生体表層組織を透
過あるいは拡散反射した近赤外光（図中、矢印で表示）
を集光するための集光レンズ１１を配置しており、検出
部７を通って測定プローブ４内に入光した近赤外光は、
ケースの天井面に配した受光感度域が０．９〜２．１μ
ｍのＩｎＧａＡｓ製のフォトダイオード１２によって受
光される。フォトダイオード１２の位置は集光レンズ１
１の焦点位置となるように調節してある。また、測定プ
ローブ４内の側壁面にはアルミニウムや金等を蒸着する
ことで、測定プローブ４外への近赤外光の透過や測定プ
ローブ４の材質自身の分子振動による吸収が生体表層組
織を透過あるいは拡散反射して得られた近赤外吸収スペ
クトルに重畳されるのを防いでいる。

【００１５】上記フォトダイオード１２の受光信号は増
幅後、ＡＤ変換し、マイクロコンピュータからなる演算
ユニット５に送る。演算ユニット５で行われるグルコー
ス濃度定量には１．２５μｍ〜１．８μｍの近赤外領域
に属する吸光スペクトルを利用し、多変量解析を実施す
る。ここでは多変量解析として、ＰＬＳ（Partial Leas
t Square）回帰分析により得られる検量線（検量式）を
用いた。上記検量線は、予め本例の分析装置を用いた実
験より得ている。この実験は複数の被験者の生体表層組
織から測定した吸光スペクトルを説明変量とし、実測し
た真皮組織液中あるいは血中グルコース濃度を目的変量
としてＰＬＳ回帰分析することにより得られる。

【００１６】測定プローブ４における上記当接部８は、
図１(b)に示すように中心部に近赤外光を生体表層組織
に投射するための投射部６を、またこの投射部６を中心
とする円周上に検出部７を形成したもので、両者の位置
関係保持のために一部を架橋している。そして、投射部
６と検出部７との中心間距離Ｌは０．１ｍｍ以上２ｍｍ
以下に設定している。また、当接部８は光遮蔽部として
の機能も兼ね備えており、遮光性の良い素材とくに近赤
外光が透過しない素材で形成することで、検出部７以外
からの近赤外光は測定プローブ４内に入光しないように
している。従って真皮組織中グルコース濃度の情報を多
く含んだ近赤外光を選択的に検出できるものである。な
お、投射部６と検出部７との間隔が先に述べたような所
定の値に保たれるものであれば、投射部６と検出部７と
は例えば図３(a)(b)に示すようなものであっても良く、
この場合も受光側に光ファイバを用いないという点で低
コスト化が可能となるが、図１(b)に示したもののよう
に投射部６の周囲に検出部７をほぼ３６０度配置するこ
とが、受光ロスを最小限に抑えて生体表層組織を透過あ
るいは拡散反射してきた近赤外光を最小限の材料（部
品）で極めて効率よく受光することが可能となる。いず
れにしても、これまでのように投光用光ファイバ９の周
囲に受光用光ファイバを複数本配置したり超高感度の受
光手段を用いたりせずとも良いため低価格化が可能とな
り、普通の受光素子や簡単な集光手段で表面から数ｍｍ
以内の近傍の化学成分あるいは物性の定量、定性分析を
行うことができる。

【００１７】図４に他例を示す。ここでは近赤外光源と
してハロゲンランプの代わりに中心波長が１６００ｎｍ
で半値幅が１６０ｎｍの発光ダイオード１３を用いて、
この発光ダイオード１３を測定用プローブ４内の天井面
に配置している。発光ダイオード１３から発せられた近
赤外光は同じく測定用プローブ４内に配されたコリメー
トレンズ１４によってコリメート（平行化）され、当接
部８に設けられた投射部６から生体表層組織に投射され
る。そして、生体表層組織を透過あるいは拡散反射した
近赤外光（図中、矢印で表示）は同じく当接部８に設け
られた検出部７から検出されるが、この検出部７にはク
ラッド径が２００μｍの受光用光ファイバ１５の一端を
当接部８と同一平面上になるように固定しており、受光
用光ファイバ１５の他端は測定用プローブ４の側壁面に
設けられたコネクタ１０を介して受光ユニット１６に接
続して、受光ユニット１６内に配した受光感度域が０．
９〜２．１μｍのＩｎＧａＡｓ製のフォトダイオードで
受光し、この受光信号を増幅後、ＡＤ変換し、マイクロ
コンピュータからなる演算ユニット５へ信号を伝達する
ものとしてある。

【００１８】このものにおいても、投射部６と検出部７
との中心間距離は０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定し、
また当接部８を遮光性の良い素材とくに近赤外光が透過
しない素材で形成することで検出部７以外からの近赤外
光が測定プローブ４内に入光しないようにしており、こ
のために、真皮組織中グルコース濃度の情報を多く含ん
だ近赤外光を選択的に検出できる。なお、図中では発光
ダイオード１３の電流源は省略している。

【００１９】この場合、光源として発光ダイオード１３
を用いるために光源の小型化と同時に生体スペクトル測
定装置自体を小型化することができ、また先の例と同様
に多数の光ファイバを使用せずとも非常に効率よく生体
表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を受光す
ることができるため材料費が少なくて済み、低価格化が
可能となるものである。なお、発光ダイオード１３の波
長および半値幅は上記のものに限定するものではない。

【００２０】図５に更に他例を示す。これは生体表層組
織に投射するための投射部６と生体表層組織を透過ある
いは拡散反射した近赤外光を検出する検出部７とを当接
部８にそれぞれ複数個配置し、複数の投射部６にはそれ
ぞれクラッド径が２００μｍの投光用光ファイバ９の各
一端を当接部８と同一平面上になるように固定し、投光
用光ファイバ９の各他端は測定用プローブ４の側壁面に
設けられたコネクタ１０を介して複数に分岐した光ファ
イバ（図中省略）によって回折格子ユニット２に接続し
ている。ここで、各検出部７は、図１に示したものと同
じく、各投射部６を囲むものとして形成している。複数
の投射部６と複数の検出部７とを設けることで、生体表
層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光をさらに効
率よく検出することができるようにしたものである。

【００２１】なお、図４に示した実施例における当接部
８が本例のように複数個の投射部６と検出部７とを有す
るものであっても良いことはもちろんである。

【００２２】また、当接部８に複数個の投射部６と検出
部７を設ける代わりに、図１で示したような測定プロー
ブ４を複数個用意して回折格子ユニット２によって分光
された近赤外光を複数に分岐した光ファイバを通して複
数個の測定プローブ４に入光するものであっても良い。

【００２３】生体表層組織に投射するための投射部６と
生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光を検
出する検出部７とを有する当接部８は、図６に示すよう
に、透過率の波長依存性が少ない例えばサファイアやＢ
Ｋ−７等の光学ガラスから成る基板１７の所定の位置に
黒色塗料ｌ８等をコーティングすることで形成するとよ
い。黒色塗料１８は生体表層組織に投射するための投射
部６と生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外
光を検出する検出部７を残して基板１７の片面あるいは
両面にコーティングして、投射部６と検出部７以外から
の光の出入りができないようにする。この場合、当接部
８の所定の位置に穴を開けるといった加工が不要である
上に、図１に示したもののように一部を架橋するといっ
たことが不要となるので、投射部６と検出部７を容易に
形成することができ、受光ロスも少なくすることができ
る。なお、遮光できるものであれば上記黒色塗料に限る
ものではなく、またつや消しを施すことによって生体表
層組織と当接部８との界面における光の散乱を低減する
ことができる。

【００２４】図７に更に他例を示す。これは当接部８の
中心部に配した投射部６に光ファイバ９の直進性をもた
すためのガイド１９を設けたものである。このガイド１
９は投光用光ファイバ９を当接部８に対して垂直に保持
するものであり、光ファイバの接続部（フェルール）等
に用いられる金属毛細管を用いている。ここではクラッ
ド径が２００μｍの投光用光ファイバ９の一端が内径２
５０μｍのガイド１９に挿入され、光伝達手段である投
光用光ファイバ９を通って投射部６から生体表層組織に
近赤外光が投射されるようになっている。

【００２５】このように、光ファイバの直進性をもたす
ためのガイド１９を設けることによって生体表層組織に
投射する近赤外光の方向性を自在に制御することが可能
となり、投光用光ファイバ９を９０度近く曲げて使用す
る場合でも容易に当接部８に対して垂直に保持させるこ
とができる。

【００２６】表面より数百μｍの近傍における分析を行
う場合、光の透過経路を特定することが重要であり、仮
に投光用光ファイバ９が当接部８に対して垂直以外の角
度で傾きが生じると検出部７で検出された近赤外光の生
体表層組織における透過経路が特定しにくくなり、その
結果として定量性が悪化する。しかし、ガイド１９を設
けることで、生体表層組織を透過あるいは拡散反射した
近赤外光の透過経路を特定しやすくなり、ひいては真皮
領域中のグルコース濃度を精度良く定量することができ
る。

【００２７】光源として発光ダイオードを用いる場合、
投射部６に発光ダイオードを直接配置すれば、投光のた
めの光ファイバを無くすことができる。

【００２８】

【発明の効果】上記のように、本発明の生体スペクトル
測定装置は近赤外領域における光の吸収を利用した生体
組織あるいは体液中の化学成分の定量、定性分析を行う
ための装置であり、投射部の周囲に検出部をほぼ３６０
度配置することによって生体表層組織を透過あるいは拡
散反射した近赤外光を極めて効率よく受光することがで
きるために受光ロスを最小限に抑えることができ、従来
例のように投光用光ファイバの周囲に受光用光ファイバ
を複数本配置したり超高感度の受光手段を用いたりせず
とも良いため低価格化が可能となり、普通の受光素子や
簡単な集光手段で表面から数ｍｍ以内の近傍の化学成分
あるいは物性の定量、定性分析を行うことができる。

【００２９】また、光ファイバの直進性をもたすための
ガイドを設けることによって生体表層組織を透過あるい
は拡散反射した近赤外光の透過経路を特定しやすくな
り、目的成分を精度良く定量することが可能となる。

【００３０】そして、光源として発光ダイオードを用い
ることで装置自体を小型化することができ、この場合も
上記と同様に低価格化が可能となる。

【００３１】また、遮光性のある塗料等をコーティング
することによって投射部および検出部を形成すること
で、穴開けといった加工が不要となるため製造工程が簡
易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例における測定プロー
ブを示すもので、(a)は断面図、(b)は底面図である。

【図２】同上のブロック図である。

【図３】(a)(b)は夫々測定用プローブの他例の底面図で
ある。

【図４】さらに他例の断面図である。

【図５】別の例を示すもので、(a)は断面図、(b)は底面
図である。

【図６】当接部の説明図である。

【図７】異なる例の断面図である。

【図８】(a)(b)は夫々従来例で使用している光ファイバ
バンドルの断面図である。

【図９】測定対象へ照射された近赤外光の経路を示す概
念図である。

【符号の説明】

４ 測定プローブ ６ 投射部 ７ 検出部 ８ 当接部 １２ フォトダイオード

フロントページの続き (72)発明者 陳 若正 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 Ｆターム(参考） 2G059 AA01 AA05 AA06 BB12 CC16 EE01 EE02 EE12 GG02 GG03 HH01 JJ05 JJ11 JJ17 KK02 KK03 MM01 MM09 MM12 4C038 KK10 KL05 KL07 KM00 KX04 VA20 VB22 VC01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 近赤外光源と、近赤外光を受光して信号
   化する受光手段と、近赤外光源から発する近赤外光を生
   体表層組織に投射するための投射部と、生体表層組織を
   透過あるいは拡散反射した近赤外光を検出する検出部
   と、近赤外光源から発する近赤外光を投射部に誘導する
   光伝達手段もしくは生体表層組織を透過あるいは拡散反
   射した近赤外光を前記検出部から受光手段へと誘導する
   光伝達手段と、前記受光手段から得られた信号を演算す
   る演算手段とから成り、前記投射部と検出部との間隔が
   ０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下となっているとともに前記投
   射部と前記検出部との間に光遮蔽部が設けられ、前記検
   出部が前記投射部を中心とする円周上あるいは前記投射
   部が前記検出部を中心とする円周上に配置されているこ
   とを特徴とする生体スペクトル測定装置。
2. 【請求項２】 前記光伝達手段のうち一方が光ファイバ
   であることを特徴とする請求項１記載の生体スペクトル
   測定装置。
3. 【請求項３】 前記光ファイバの直進性をもたせるガイ
   ドを当接部に設けたことを特徴とする請求項２記載の生
   体スペクトル測定装置。
4. 【請求項４】 近赤外光源と、近赤外光を受光して信号
   化する受光手段と、近赤外光源から発する近赤外光を生
   体表層組織に投射するための投射部と、生体表層組織を
   透過あるいは拡散反射した近赤外光を検出する検出部
   と、生体表層組織を透過あるいは拡散反射した近赤外光
   を前記検出部から受光手段へと誘導する光伝達手段と、
   前記受光手段から得られた信号を演算する演算手段とか
   ら成り、発光ダイオードからなる近赤外光源が配された
   前記記投射部と検出部との間隔が０．１ｍｍ以上２ｍｍ
   以下となっているとともに前記投射部と前記検出部との
   間に光遮蔽部が設けられ、前記検出部が前記投射部を中
   心とする円周上あるいは前記投射部が前記検出部を中心
   とする円周上に配置されていることを特徴とする生体ス
   ペクトル測定装置。
5. 【請求項５】 前記光遮蔽部はコーティングで形成され
   たものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか
   の項に記載の生体スペクトル測定装置。