JP2007143702A - Apparatus for measuring component in body and method for measuring component in body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体に対して針を刺したり、メスや鋏で組織を切り取ることなく体内成分を測定する体内成分計測装置に関するものである。また併せて本発明は、体内成分を計測する方法に関するものである。 The present invention relates to an in-vivo component measuring apparatus that measures an in-vivo component without piercing a living body with a needle or cutting a tissue with a scalpel or scissors. In addition, the present invention also relates to a method for measuring in-vivo components.
例えば血糖値の測定は、旧来、注射器等で少量の血液を採血し、この血液中のグルコース濃度を測定することによって行われていた。しかしながらこの方策は痛みを伴うものであるため、患者にとって苦痛である。そこで、生体に対して針を刺したり、メスや鋏で組織を切り取ることなく体内成分を測定する装置が開発されている。この装置は、例えば非侵襲血糖計と称されるものであり、特許文献1,2等に開示されている。
For example, blood glucose levels are conventionally measured by collecting a small amount of blood with a syringe or the like and measuring the glucose concentration in the blood. However, this strategy is painful for the patient because it is painful. In view of this, devices have been developed that measure components in the body without piercing the living body or cutting tissue with a scalpel or scissors. This device is called a non-invasive blood glucose meter, for example, and is disclosed in
体内成分計測装置の基本構成は、光源と、受光部と、受光した光を解析する解析装置及び演算装置から成る。そして生体(例えば被検者の指)に近赤外光を照射し、生体内部に入り込んで透過及び反射を繰り返して再び生体表面に出てきた光を受光部で受光する。そしてこの光を解析装置で分光し、特定領域の光強度を測定する。この光強度に基づいて算出した吸光度から生体内の血糖値(グルコース濃度)を演算する。 The basic configuration of the in-vivo component measuring device includes a light source, a light receiving unit, an analysis device that analyzes the received light, and an arithmetic device. The living body (for example, the subject's finger) is irradiated with near-infrared light, and the light that enters the living body and repeats transmission and reflection and emerges from the surface of the living body is received by the light receiving unit. Then, this light is spectrally separated by an analyzer, and the light intensity in a specific region is measured. The blood glucose level (glucose concentration) in the living body is calculated from the absorbance calculated based on the light intensity.
上記した方法は、被検者に苦痛を与えることがない点で優れているが、採血による方法に比べて測定精度が劣るという問題がある。そのためこの種の体内成分計測装置では、いかにして検査精度を向上させかという点が共通する課題である。 The above-described method is excellent in that it does not cause pain to the subject, but there is a problem that measurement accuracy is inferior to the method using blood collection. Therefore, in this kind of in-vivo component measuring device, the common issue is how to improve the inspection accuracy.
たとえば特許文献1に開示された発明では、測定精度を向上させるために、被検体に対する接触圧を圧力センサで検出し、その値に基づいて接触圧が一定となるように被検体の支持板を上下させている。また特許文献2に開示された発明では、光源部の光量を計測する光量計測手段を設け、光量計測手段の出力に応じて光源部の出力を制御している。
従来技術の体内成分計測装置は、上記した様に各種の方策を講じて測定精度の向上に努めている。しかしながら、前記した様に体内成分計測装置では、検査精度を向上させることが共通する課題であり、測定精度のさらなる向上が望まれている。 As described above, the in-vivo component measuring device of the prior art strives to improve measurement accuracy by taking various measures. However, as described above, in the in-vivo component measuring device, it is a common problem to improve the inspection accuracy, and further improvement in the measurement accuracy is desired.
そこで本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、測定精度の高い体内成分計測装置の開発を課題とするものである。また併せて本発明は、測定精度の高い体内成分計測方法の開発を課題とする。 Accordingly, the present invention focuses on the above-described problems of the prior art and aims to develop an in-vivo component measuring device with high measurement accuracy. In addition, another object of the present invention is to develop a method for measuring in-vivo components with high measurement accuracy.
本発明者らは、上記した課題を解決するために鋭意研究を行ったところ、生体に光を照射すると細胞が活性化することが分かった。そのため生体に予備的な光を照射し、その直後に測定用の光を照射して測定を行うと、測定精度が向上することが判明した。 The inventors of the present invention conducted intensive research to solve the above-described problems, and found that the cells are activated when the living body is irradiated with light. For this reason, it has been found that measurement accuracy is improved by irradiating a living body with preliminary light and immediately after that measurement light is irradiated.
上記した知見に基づいて完成された請求項1に記載の発明は、測定用光を発生させる光源と、受光手段とを備え、光源から発する測定用光を生体に照射し、生体を透過或いは拡散反射した光を受光手段で受光し、受光手段で受光した光に基づいて生体内の成分を計測する体内成分計測装置において、測定用光を生体に照射するのに先立って所定強度の光を生体に照射し、生体に変化をもたらすことを特徴とする体内成分計測装置である。本発明の体内成分計測装置では、測定用光を生体に照射するのに先立って予備的な光を生体に照射する。その結果、生体の血流が増大すると共にグルコース等が高濃度となる。本発明では、予備的な光を生体に照射した後に測定用光を生体に照射して所定の測定を行うので、測定精度が高い。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、測定用光を発生させる光源と、受光手段とを備え、光源から発する測定用光を生体に照射し、生体を透過或いは拡散反射した光を受光手段で受光し、受光手段で受光した光に基づいて生体内の成分を計測する体内成分計測装置において、測定用光を生体に照射するのに先立って測定用光よりもエネルギーの高い光を生体に照射することを特徴とする体内成分計測装置である。本発明の体内成分計測装置においても請求項1に記載の発明と同様に測定用光を生体に照射するのに先立って測定用光よりもエネルギーの高い光を生体に照射する。そのため本発明の体内成分計測装置は、測定精度が高い。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その波長が測定用光の波長よりも短いことを特徴とする請求項1又は2に記載の体内成分計測装置である。本発明の体内成分計測装置では、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その波長が測定用光の波長よりも短い。そのため測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、エネルギーが高い。
The invention according to
請求項4に記載の発明は、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その波長が400〜1000nmであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の体内成分計測装置である。この範囲の波長は、酸化ヘモグロビンに吸収される波長であるとともに、細胞へのダメージを与える紫外線領域を除く領域である。 The invention according to claim 4 is characterized in that the wavelength of the light irradiating the living body prior to the measurement light irradiation is 400 to 1000 nm. It is a measuring device. The wavelength in this range is a wavelength that is absorbed by oxyhemoglobin, and is a region excluding an ultraviolet region that damages cells.
請求項5に記載の発明は、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、単位面積あたりのエネルギーが1〜10J/cm2 であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の体内成分計測装置である。前記したエネルギーは、被検者の皮膚に照射されるエネネギーである。この範囲は、細胞にダメージを及ぼさない範囲である。
The invention according to
請求項6に記載の発明は、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その照射時間が測定用光の照射時間よりも長いことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の体内成分計測装置である。測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、その照射時間が測定用光の照射時間よりも長い。そのため細胞の活性化が可能である。 According to a sixth aspect of the present invention, in the light irradiated on the living body prior to the measurement light irradiation, the irradiation time is longer than the irradiation time of the measurement light. It is an in-vivo component measuring device. The light irradiated on the living body prior to the measurement light irradiation has a longer irradiation time than the measurement light irradiation time. Therefore, cell activation is possible.
請求項7に記載の発明は、測定用光の照射に先立って生体に照射する光は、断続的に照射されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の体内成分計測装置である。本発明の体内成分計測装置では、予備的な光の照射が断続的に行われる。そのため細胞に与えるダメージが低い。また同様の課題を解決するための方法に関する発明は、測定用光を生体に照射し、生体を透過或いは拡散反射した光に基づいて生体内の成分を計測する体内成分計測方法において、測定用光を生体に照射するのに先立って所定強度の光を生体に照射し、生体に変化をもたらすことを特徴とするものである。
The invention according to
本発明の体内成分計測装置では、測定に先立って予備的な光を照射し、測定に先立って細胞を活性化させる。そのため本発明の体内成分計測装置は、測定精度が高いという効果がある。 In the in-vivo component measurement apparatus of the present invention, preliminary light is irradiated prior to measurement, and cells are activated prior to measurement. Therefore, the in-vivo component measuring apparatus of the present invention has an effect of high measurement accuracy.
以下さらに本発明の実施形態について説明する。図1は、本発明の実施形態の体内成分計測装置を示す概念図である。図1に示す体内成分計測装置1は、ハウジング2に計測用光源3と細胞活性化用光源5が取り付けられ、さらにハウジング2内に皮膚透過光検知素子(受光手段)6、計測用光源モニター素子7、透過波長可変フィルター8及び2個のハーフミラー10,11が取り付けられたものである。またハウジング2には温度センサー12が設けられている。また外部装置として演算装置19がある。演算装置19には、検量モデル用データベースが記憶されている。即ち多数の被験者の皮膚に光を照射し、この時の生体を透過或いは拡散反射した光のスペクトル分布等と、当該被験者の血糖血との関係を検量モデルとし、このデータを多数集めてデータベース化したものが演算装置19に記憶されている。
Embodiments of the present invention will be further described below. FIG. 1 is a conceptual diagram showing an in-vivo component measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. In a body
以下、体内成分計測装置1の具体的構成について説明する。ハウジング2は、外部から光の混入が無い様に作られたものであり、内部に筒状の主光路15と副光路16が設けられている。即ち実施形態の体内成分計測装置1は、体内成分を計測するための光が通過する主光路15の他に、細胞を活性化させるための光を導くための副光路16を持っている。図1においては、二列の光路15、16はいずれも直線的であり、平行かつ隣接状態に図示している。
Hereinafter, a specific configuration of the in-vivo
ハウジング2の、前記した二列の光路15の内、主光路15は、前記した様に直線的であり一方の端部に計測用光源3が設けられている。計測用光源3は、例えばハロゲンランプのように近赤外線帯域に波長域を有するものである。なお計測用光源3には、図示しないレンズやミラーが内蔵されている。
Of the two rows of
前記した主光路15の他端側は開放されていて発光部17を形成している。また当該光路15の中途には第一ハーフミラー10が配置されている。前記した主光路15の中心部には、さらにもう一つの光路(受光用光路)20が形成されている。光路20は、生体から戻って来た光を受光するための光路であり、一端側は、前記した第一ハーフミラー10と接している。また受光用光路20の奥部には皮膚透過光検知素子(受光手段)6が設けられている。皮膚透過光検知素子6には、例えばInGaAsアレイ型受光素子を使用することができる。皮膚透過光検知素子6は、第一ハーフミラー10側を向いている。
The other end side of the main
また光路15から計測用光源モニター素子7が露出している。計測用光源モニター素子7は、計測用光源3から出た光の中心付近の光を検知する様に配置されている。計測用光源モニター素子7には、たとえばInGaAsアレイ型受光素子を使用することができる。計測用光源モニター素子7は、受光部が計測用光源3側に向いている。計測用光源モニター素子7は、計測用光源3のスペクトル分布を測定するために設けられたものである。
Further, the measurement light source monitor
一方、前記した光路15に隣接する光路16は、一端側に細胞活性化用光源5が取り付けられ、他端側に第2ハーフミラー11が設けられている。また光路16の中途には透過波長可変フィルター8が設けられている。透過波長可変フィルター8と細胞活性化用光源5との間には、図示しないシャッターやスリット等が設けられており、透過波長可変フィルター8を通過させる場合と通過させない場合を切り換えることができる。
On the other hand, the
本実施形態では、細胞活性化用光源5は、波長が400〜1000nmの範囲の光を発する。前記した透過波長可変フィルター8を通過させると、600nm以上の波長がカットされ、結果的に400〜600nmの範囲の光が発せられる。また細胞活性化用光源5のエネルギーは、被測定部の皮膚上において1〜10J/cm2 であり、本実施形態では、3J/cm2 に調整されている。
In the present embodiment, the cell
上記した細胞活性化用光源5は、測定に先立って予備的に発光され、血糖値の精度を向上させるための照射光を発生させるものであり、血糖値の測定そのものには使用されない。そのため細胞活性化用光源5が発生させる光の波長は、血流増加・細胞活性化に効果的な波長であり、酸化ヘモグロビンに吸収される波長であるとともに、細胞へのダメージを与える紫外線領域を除く領域である。
The cell
具体的には、細胞活性化用光源5の波長は、400〜1000nmである。また細胞活性化のためにより好ましい波長は700〜800nmである。ただし皮膚への熱ダメージが出る場合は、相対的に酸化ヘモグロビンの吸光量がメラニンの吸光量より高くなる様に透過波長可変フィルター8を通して600nm以上をカットする。この場合の波長は、400〜600nmとなる。
Specifically, the wavelength of the cell
細胞活性化用光源5のパワーは、照射エネルギーは部位によって効果が異なるものの、細胞へのダメージを及ぼさないために10J/cm2 以下であることが望ましい。また細胞活性化の作用を顕著に表出させるためには、細胞活性化用光源5のパワーは、1J/cm2 以上であることが望ましい。これらの点に鑑み、推奨される細胞活性化用光源5のパワーは、1〜10J/cm2 である。
The power of the cell
照射時間は、血流量増大のために1分間以内の照射を行い、皮膚への熱ダメージが出る場合はタンパクの変性を起こさないようにするために1回の照射を10ms以下とし、このパルス光を繰返し照射することにより血流量を増大させる効果を出す。細胞活性化用光源5が発生させる光と、計測用光源3が発生させる光とを比較すると、細胞活性化用光源5が発生させる光のパルスパワーは計測用光源3のパルスパワーよりも高い。
Irradiation time is less than 1 minute to increase blood flow, and if there is heat damage to the skin, one irradiation is 10 ms or less to prevent protein denaturation. The effect of increasing blood flow is obtained by repeatedly irradiating. When the light generated by the cell
また細胞活性化用光源5が発生させる光の波長は、計測用光源3が発生させる光の波長よりも短い。また細胞活性化用光源5が発生させる光を皮膚に照射する時間は、計測用光源3が発生させる光を皮膚に照射する時間よりも短い。
The wavelength of light generated by the cell
光路16の説明に戻ると、前記した主光路15と副光路16は、第一ハーフミラー10と第二ハーフミラー11の間で光学的に連通している。温度センサー12は、ハウジング2の外側に露出しており、その検知面は、発光部17と隣接している。そのため発光部17を被検者の皮膚に押し当てると、隣接する温度センサー12が被検者の皮膚に接触し、皮膚表面の温度を検知することができる。
Returning to the description of the
次に、各光路中の光の経路について説明する。図2は、計測時における光の経路を示す説明図である。図3は、細胞活性化用光の経路を示す説明図である。本実施形態では、計測用光源3と細胞活性化用光源5とを個別に発光させる。計測用光源3から発せられた光は主光路15を直進し、第一ハーフミラー10を透過して主光路15端部の発光部17から外部に輻射される。この光は、被検者の皮膚に照射され、皮膚組織を透過あるいは拡散反射して発光部17側に戻る。
Next, the light path in each optical path will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram showing light paths during measurement. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a path of light for cell activation. In the present embodiment, the
皮膚を透過或いは拡散反射して戻った光は、前記した発光部17から主光路15に入る。そして第一ハーフミラー10を透過して受光用光路20に入り、皮膚透過光検知素子6に至る。これに対して細胞活性化用光源5から発せられた光は副光路16を経て被検者の皮膚に照射される。
The light transmitted through the skin or diffusely reflected and returned returns from the
即ち細胞活性化用光源5から発せられた光は副光路16を直進し、透過波長可変フィルター8の部位を通過する。そして細胞活性化用光源5から発せられた光はさらに直進するが、第二ハーフミラー11の表面で反射して主光路15に入る。この光は第一ハーフミラー10の裏面で反射し、発光部17から外部に輻射される。細胞活性化用光源5から発せられた光は、被検者の皮膚に照射される。
That is, the light emitted from the cell
次に本発明の実施形態の体内成分計測装置1の作用について、動作手順を追って説明する。本実施形態の体内成分計測装置1は、発光部17に指等の生体組織を乗せて血糖値を測定するものである。即ち発光部17に指等を置き、図示しないスタートボタンをオンすることによって計測が開始される。本実施形態では、血糖値の測定は、計測用光源3を発光させて行われるが、測定に先立って、細胞活性化用光源5からエネルギーの高い光が皮膚に照射され、細胞の活性化が行われる。
Next, the operation of the in-vivo
以下、図4のフローチャートに従って説明する。図4は、本発明の実施形態の体内成分計測装置の動作手順を示すフローチャートである。前記した様に発光部17に指等を置き、図示しないスタートボタンをオンすることによって計測が開始され、ステップ1に移行して細胞活性化用光源5がオンされる。細胞活性化用光源5から発せられた光は、前記した経路を経て被検者の皮膚に照射される。ここで細胞活性化用光源5から照射される光は、測定制度の精度向上のためだけに照射されるものであり、その波長は、酸化ヘモグロビンに吸収される波長であるとともに、細胞へのダメージを与える紫外線領域を除く領域のものである。
Hereinafter, description will be given with reference to the flowchart of FIG. FIG. 4 is a flowchart showing an operation procedure of the in-vivo component measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. As described above, a finger or the like is placed on the
本実施形態では、ステップ1で細胞活性化用光源5がオンとなり、細胞活性化用光源5から400〜1000nmの波長で、エネルギーが3J/cm2 の光を発させる。そしてこの光を透過波長可変フィルター8を透過させずに被検者に照射する。即ち400〜1000nmの波長の光が、前記した経路を経て被検者に照射され、細胞が活性化される。細胞活性化用光源5がオンとなるとステップ2に移行し、タイマの計時が開始される。このタイマは、細胞活性化用光を照射する時間を計測するものである。この時間は、例えば0.5〜2分程度である。本実施形態では、1分を計時するものとする。
In the present embodiment, the cell
続いてステップ3に移行し、温度センサー12によって被検者の皮膚の温度を検知し、ステップ4でその温度が40°C以下であるか否かを確認する。即ち皮膚のタンパクは、42°C越えると熱変性が生じるので、被検者に害を与える懸念がある。そこで余裕を勘案し、ステップ3,4で皮膚の温度が40°Cを越えないように監視する。
Subsequently, the process proceeds to step 3 where the temperature of the subject's skin is detected by the
そしてステップ5で1分が経過したか否かを判別する。1分を経過していない場合は、ステップ4に戻り、皮膚温度の監視を続ける。実際上は、温度センサー12による皮膚温度の検知を一定時間ごとに繰り返す。例えば1秒程度の間隔を開けて温度を測定することとなる。細胞活性化用光の照射時間が1分を経過するとステップ6に移行し、細胞活性化用光源5をオフにして血糖値の測定を開始する。
In
もし細胞活性化用光の照射時間が1分に満たない間に皮膚の温度が40°C以上となった場合は、皮膚が低温火傷する危険があるので次の対策を講じる。即ちステップ8に移行し、一旦細胞活性化用光源5をオフする。つまり本実施形態では、所定の時間(5秒間)細胞活性化用光源5をオフする。具体的には、ステップ9で停止時間の計時を開始し、ステップ10で5秒が経過するものを待つ。
If the temperature of the skin becomes 40 ° C or higher while the irradiation time of the cell activation light is less than 1 minute, the following measures are taken because the skin may be burned at low temperature. That is, the process proceeds to step 8 where the cell
この後は、ステップ11以下によって400〜600nmの範囲の光を断続的に照射し、これを1分間続ける。またこの間においても、皮膚温度の監視を行う。即ちステップ11でフィルターをオン状態とする。その結果、図示しないシャッタ等が駆動し、細胞活性化用光源5から発せられた光が透過波長可変フィルター8を経て被検者に照射されるようになる。続くステップ12でタイマの計時が開始される。このタイマは、細胞活性化用光を照射する時間を計測するものであり、1分を計時する。
After this, light in the range of 400 to 600 nm is intermittently applied in
そしてステップ13に移行し、細胞活性化用光源5を点滅させ、間欠的な光を被検者に照射する。具体的には、1回の照射を10ms以下とし、このパルス光を繰返し照射する。本実施形態では、照射パルスは、10msの間オンし、50msの間オフし、これを繰り返す。
Then, the process proceeds to step 13, the cell
続いてステップ14に移行し、温度センサー12によって被検者の皮膚の温度を検知し、ステップ15でその温度が40°C以下であるか否かを確認する。そしてステップ16で1分が経過したか否かを判別する。1分を経過していない場合は、ステップ13に戻り、皮膚温度の監視を続ける。細胞活性化用光の照射時間が1分を経過するとステップ7に移行し、血糖値の測定を開始する。
Subsequently, the process proceeds to step 14 where the temperature of the subject's skin is detected by the
血糖値の測定は従来技術と同様であり、計測用光源3を点灯して被検者の皮膚に照射し、皮膚組織を透過あるいは拡散反射した光に基づいて血糖値を測定する。具体的には、照射する光は、対象成分の分子結合により決定される波長とし、近赤外線域の波長である。たとえば血糖計測の場合、1〜2μmの波長の光を使用する。即ち計測用光源3を点灯して波長1〜2μm、エネルギーが1J/cm2 未満の光を発生させる。被検者の皮膚に照射する照射時間は、計測中の変動要因を少なくするために1秒以下とする。
The blood glucose level is measured in the same manner as in the prior art. The
なおこの時、計測用光源モニター素子7によって計測光照射時のスペクトル分布を計測しており、光源の劣化等による変動をモニタすることにより計測精度の向上を図っている。そして被検者の皮膚に入射した光が皮膚内部で拡散反射し、その光量が皮膚透過光検知素子6で計測される。
At this time, the spectrum distribution at the time of measurement light irradiation is measured by the measurement light source monitor
皮膚透過光検知素子6には透過波長可変フィルタが装着されており、時系列に透過する波長を切り替えながら皮膚透過光のスペクトル分布を計測する。計測用光源モニター素子7の検知信号及び皮膚透過光検知素子6の検知信号は、演算装置19に送られる。そして光源モニタ用素子7の値に基づいて、皮膚透過光検知素子6が検出したスペクトル分布を正規化し、血糖値を決定する。図5は、皮膚透過光検知素子6が検出したスペクトル分布のグラフである。受光信号は増幅及びAD変換後、マイクロコンピュータからなる演算装置19に送られ、演算装置19においてデータ解析によりグルコース濃度が算出される。
The skin transmitted light detecting
上記した実施形態では、血糖値の測定に本発明を活用したが、他の成分、例えば赤血球量、白血球量、鉄分、尿酸等の測定にも適用できる可能性がある。 In the above-described embodiment, the present invention is used for measuring blood glucose level. However, the present invention may be applicable to measurement of other components such as red blood cell volume, white blood cell volume, iron content, and uric acid.
1 体内成分計測装置
2 ハウジング
3 計測用光源
5 細胞活性化用光源
6 皮膚透過光検知素子(受光手段)
7 計測用光源モニター素子
12 温度センサー
15 主光路
16 副光路
DESCRIPTION OF
7 Light source monitor element for
Claims (8)
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