JP4973751B2 - 生体成分測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源から出射される２波長以上の波長の各レーザ光が被測定対象である生体の内部組織により反射される各反射光を測定して生体の内部組織の成分の測定を行う生体成分測定装置に関し、特に、より正確で安定した生体内物質の定量を行うことができるための改善を施した生体成分測定装置に関する。

従来、近赤外光を利用した分光法などにより、光源から被測定対象に照射すると、被測定対象に含まれる成分に特有の波長域においてその成分の量に応じた吸光特性を示すことから、被測定対象からの反射光などの測定光から吸光度（特定成分による光の吸収度）を算出し、その吸光スペクトルに基づいて被測定対象に含まれる成分を分析する手法が知られている。

特に生体の内部組織（たとえば人体・動物の血管中血液や組織中の組織液に含まれる各種物質（血液中の血糖値などの成分の濃度など）など）の成分の測定を行う生体成分測定装置では、特許文献１のように波長可変レーザと共焦点系を用いて、波長可変レーザから出射される２波長以上の波長の各レーザ光が被測定対象である生体の内部組織により反射される各反射光や生体を透過した光を測定して生体の内部組織の成分の測定を行う生体成分測定装置が提案されている。

具体的には、被測定対象としての生体の内部組織に２波長以上の波長の各レーザ光を照射し、その生体の内部組織で反射した光や生体を透過した光から吸光度スペクトルを求めた後、生体の内部組織の成分を周知の試験にて算出し、吸光度スペクトルと生体の内部組織の成分との相関関係を表す式（以下、相関式という）を作成し、これをあらかじめ記憶するとともに、生体の内部組織の反射光や生体を透過した光から算出された吸光度を相関式に代入することで、その生体の内部組織の成分が測定されていた。

さらに、特許文献１の生体成分測定装置では、共焦点光学系と生体とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を備えるものであり、移動駆動機構により前記共焦点光学系と前記生体とを相対的に３次元的に移動させることで前記生体に対して前記共焦点光学系の焦点位置を相対的に３次元的に移動させて、生体の内部組織の３次元的なデータを得ることにより、測定を行う生体の部位を確実に特定し、当該部位における生体の成分の測定を非侵襲でかつ確実に行うことが可能な生体成分測定装置について提案されている。

このような従来の生体成分測定装置は、生体を侵襲して血液を採取せずに（具体的には、指先や耳たぶを穿刺したりして、血液を実際に採取せずに）、生体に光を照射してその生体による反射光や生体を透過した光を検出して光が生体により吸収された度合（吸光度）に基づいて目的の成分の濃度などを測定することができる点で有効であった。

このような生体成分測定装置に関連する先行技術文献として下記の特許文献１がある。

特開２００８−３０１９４４号公報

しかし、従来の生体成分測定装置では、波長可変レーザの出力光の強度変動がそのまま生体内散乱光の強度変動となり、この変動による誤差は本質的に取り除けないという問題点があった。
すなわち、従来の生体成分測定装置では、波長可変レーザの出力光の強度が変動するので、正確な吸光スペクトル測定ができないという問題点があった。

本発明は上述の問題点を解決するものであり、その目的は、より正確で安定した生体内物質の定量を行うことができる生体成分測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
光源から出射される２波長以上の波長の各レーザ光が被測定対象である生体の内部組織により反射される各反射光を測定して前記生体の内部組織の成分の測定を行う生体成分測定装置において、
前記光源から出射されたレーザ光の一部および前記生体の内部組織により反射された反射光をそれぞれ光路変換させるビームスプリッタ手段と、
該ビームスプリッタ手段により光路変換された前記光源から出射されたレーザ光を参照光として測定する参照光測定部と、
前記ビームスプリッタ手段により光路変換された前記生体の内部組織により反射される反射光を測定する反射光測定部と、
前記反射光または前記参照光のスペクトルを測定して前記生体の内部組織を分析する分析手段と、
前記光源の出力光を被測定対象表面に照射する光ファイバと、
この光ファイバの照射に基づく被測定対象表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
この第２の受光素子の検出信号に基づき前記光源の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する光源駆動回路、
を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の生体成分測定装置において、
前記分析手段は、前記第２の受光素子の検出信号で前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記被測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の生体成分測定装置において、
前記光源としてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記光源駆動回路は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記光源の出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の生体成分測定装置において、
前記光源としてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかで前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記被測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の生体成分測定装置において、
前記光源としてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号で前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算した第１の規格化信号と、前記第３の受光素子の検出信号で前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算した第２の規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記被測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項３から請求項５のいずれかに記載の生体成分測定装置において、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および参照光の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記光源の出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項３から請求項６のいずれかに記載の生体成分測定装置において、
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子と第３の受光素子および参照光の検出信号の少なくともいずれかで前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記被測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項３から請求項６のいずれかに記載の生体成分測定装置において、
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子と第３の受光素子および参照光の検出信号のそれぞれで前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算した規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記被測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１から請求項８のいずれかに記載の生体成分測定装置において、
前記参照光測定部は、
前記ビームスプリッタ手段が光路変換した前記反射光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集束された前記反射光を通過させるピンホールと、
前記ピンホールを通過した前記反射光を受光して光量に応じたデータ信号を出力する第１の受光素子と、
前記データ信号をＡＤ変換して前記分析手段に出力するＡＤ変換手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１から請求項９のいずれかに記載の生体成分測定装置において、
前記反射光測定部と前記生体とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を備え、
前記移動駆動機構により前記反射光測定部と前記生体とを相対的に３次元的に移動させることで前記生体に対して前記反射光測定部の焦点位置を相対的に３次元的に移動させて、前記生体の内部組織の３次元的なデータを得ることを特徴とする。

この結果、本発明の生体成分測定装置は、光源から出射されたレーザ光の一部および生体の内部組織により反射された反射光をそれぞれ光路変換させるビームスプリッタ手段と、ビームスプリッタ手段により光路変換された光源から出射されたレーザ光を参照光として測定する参照光測定部と、反射光または参照光のスペクトルを測定して生体の内部組織を分析する分析手段と、を備えることにより、従来よりも比較的正確で安定した生体内物質の定量を行うことができる。

また、本発明の生体成分測定装置では、本発明の生体成分測定装置は、光源から出射されたレーザ光を分岐する分岐手段と、反射光または分岐手段により分岐されたレーザ光である参照光のスペクトルを測定して生体の内部組織を分析する分析手段と、を備えることにより、従来よりも比較的正確で安定した生体内物質の定量を行うことができる。

また、本発明の生体成分測定装置では、レーザ光の一部を透過し光源から出射されたレーザ光の他の部分を光路変換する第１のビームスプリッタ手段と、第１のビームスプリッタ手段を透過して入射するレーザ光の一部を光路変換しレーザ光の他の部分を透過して生体の内部組織により反射された反射光を光路変換する第２のビームスプリッタ手段と、反射光または第１のビームスプリッタにより光路変換された参照光のスペクトルを測定して生体の内部組織を分析する分析手段と、を備えることにより、従来よりも比較的正確で安定した生体内物質の定量を行うことができる。

本発明に係る生体成分測定装置の一実施例を示す構成図である。 本発明の生体成分測定装置の他の一実施例の構成図である。 本発明の生体成分測定装置の他の一実施例の構成図である。 本発明の生体成分測定装置の他の一実施例の構成図である。 本発明の生体成分測定装置の他の一実施例の構成図である。 本発明の生体成分測定装置の他の一実施例の構成図である。 本発明の生体成分測定装置の他の一実施例の構成図である。

本発明は、光源から出射される２波長以上の波長の各レーザ光が被測定対象である生体の内部組織により反射される各反射光を測定して生体の内部組織の成分の測定を行う生体成分測定装置に関し、特に、より正確で安定した生体内物質の定量を行うことができる生体成分測定装置に関する。以下、図面を用いて本発明の生体成分測定装置を説明する。

＜実施例１＞
図１は、本発明に係る生体成分測定装置の一実施例を示す構成図であり、図１における生体成分測定装置の特徴は、ビームスプリッタ手段が波長可変レーザあるいは固定波長レーザなどの光源から出射されたレーザ光の一部および生体の内部組織により反射された反射光をそれぞれ光路変換させ、参照光測定部がビームスプリッタ手段により光路変換された光源から出射されたレーザ光を参照光として測定し、分析手段が反射光または参照光のスペクトルを測定して生体の内部組織を分析する点である。

（構成の説明）
図１において本発明に係る生体成分測定装置は、主に、生体の内部組織に投光する光源の一例である赤外光を出力する波長可変レーザあるいは固定波長レーザなどのレーザダイオード１と、レーザダイオード１からのレーザ光を平行光とするための平行光手段の一例であるコリメータレンズなどのレンズ２と、レーザダイオード１から出射されレンズ２により平行光とされたレーザ光の一部および生体の内部組織により反射された反射光をそれぞれ光路変換させるビームスプリッタ手段の一例であるプリズム３と、プリズム３により光路変換された光源から出射されたレーザ光を参照光として測定する参照光測定部４と、プリズム３により光路変換された生体の内部組織により反射される反射光を測定する反射光測定部５と、プリズム３を透過した透過光を集光して生体の内部組織に照射し、生体の内部組織からの反射光を平行光としてプリズム３に出射する対物レンズを含むレンズ系の一例である対物レンズ６と、反射光または参照光のスペクトルを測定して生体の内部組織を分析する分析手段７とから構成される。

また、特に図示しないが、本発明の生体成分測定装置では、載置台が設けられ、載置台上に被験者の腕などの生体が載置されるようになっている。たとえば、載置台に被験者の腕が載置され、その被験者の腕などの生体の上方にレーザダイオード１が備えられる構成となる。

なお、本発明の生体成分測定装置のレーザダイオードは、波長可変レーザであってもよいし、波長可変レーザの代わりに出射するレーザ光の波長が異なる複数のレーザを切り換えて用いるように構成することも可能である。

参照光測定部４は、プリズム３により光路変換されたレーザダイオード１から出射されたレーザ光の一部（プリズム３でもれ出てくる光）を集光する第１の集光手段の一例であるレンズ４１と、レンズ４１の光軸上に設けられ、レンズ４１により集光された参照光を通過させる第１のピンホール４２と、光電子増倍管やフォトダイオード、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などで構成され第１のピンホール４２を通過した参照光を受光して光量に応じたデータ信号を出力する受光素子４３と、受光素子４３と電気的に接続され受光素子４３からの出力信号を受信し、この出力信号に基づきＡＤ変換（アナログデジタル変換）するＡＤ変換手段４４と、から構成される。

反射光測定部５は、プリズム３により光路変換された反射光を集光する第２の集光手段の一例であるレンズ５１と、レンズ５１の光軸上に設けられ、レンズ５１により集光された反射光を通過させる第２のピンホール５２と、光電子増倍管やフォトダイオード、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などで構成され第２のピンホール５２を通過した反射光を受光して光量に応じたデータ信号を出力する受光素子５３と、受光素子５３と電気的に接続され受光素子５３からの出力信号を受信し、この出力信号に基づきＡＤ変換するＡＤ変換手段５４と、から構成される。

なお、第１・第２のピンホール４２、５２は、図示しない絞りを設けることや、径が異なる複数のピンホールを設けてそれらを切り替え可能に構成することなどにより、通過する反射光の光量を調整できるように構成することも可能である。

分析手段７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＲＯＭ（ReＡＤ Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力インターフェースなどがバスに接続されて構成されるコンピュータなどで構成されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されているデータ解析用のプログラムなどの各種プログラムを読み出してＲＡＭに適宜展開して各種処理を実行するようになっている。

分析手段７は、ＡＤ変換手段４４、５４からの各出力信号に基づき、参照光・反射光の光量変化を測定する。また分析手段７は、ＡＤ変換手段４４から得られた参照光の波長ごとの光量変化に基づいて、ＡＤ変換手段５４から得られた生体の内部組織の反射光の波長ごとの光量変化を補正して生体の内部組織の吸収による減衰量を算出し、この吸光度スペクトルに基づき生体の内部組織に含まれる成分を分析する。

具体的には、分析手段７にあらかじめ記憶されている吸光度スペクトルと生体の内部組織の各種成分との相関関係を表す関係式（検量線）に生体の内部組織からの反射光から算出された吸光度を代入し、生体の内部組織に係る各種成分を測定・分析する。

（動作説明）
このような構成で、本発明の生体成分測定装置は、以下の動作（１−１）〜（１−１２）と（２−１）〜（２−６）とを行う。

（１−１）
レーザダイオード１がレーザ光を出射する。
なお、レーザダイオード１が波長可変レーザであれば出射するレーザ光の波長を変化させたりして以下（１−１）〜（１−１２）、（２−１）〜（２−６）の動作をあらかじめ定められたスケジュールやタイミングなどにしたがって断続的に行い、反射光・参照光を測定し続けるものでもよい。
（１−２）
レーザダイオード１からのレーザ光はレンズ２により平行光とされてプリズム３に入射する。

ここで、プリズム３に入射した平行光は、プリズム３を透過して生体に照射される光とプリズム３により反射などにより光路変換・変更されて参照光測定部４へ出射される一部の光とに分けられる。
プリズム３を透過した光に関する動作を（１−３）以降に記載すると共に、プリズム３により光路変換・変更されて参照光測定部４へ出射される一部に関する動作を（２−１）に記載する。

（１−３）
プリズム３に入射した平行光は、プリズム３を透過して対物レンズ６に入射する。
（１−４）
対物レンズ６は、入射した平行光を集光・集束し生体（生体の内部組織）に照射する。
（１−５）
対物レンズ６は、生体の内部組織により反射された反射光を平行光としてプリズム３に照射する。
なお、反射光は生体の内部組織の吸収を受け、レーザダイオード１から投光された光のうち特定の波長の光が減衰するものである。

（１−６）
プリズム３は、入射した反射光を反射し、光路変換させてレンズ５１に入射させる。
（１−７）
レンズ５１は、プリズム３からの反射光を集光してピンポール５２に入射させる。レンズ５１は、プリズム３からの反射光をピンホール５２の位置で集束してピンホール５２を通過させる位置に配置される。

（１−８）
ピンホール５２に集光された反射光は、ピンホール５２を通過して受光素子５３に入射する。
（１−９）
受光素子５３は、第１のピンホール５１を通過した反射光を受光して光量に応じたデータ信号を出力する。

（１−１０）
ＡＤ変換手段５４は、受光素子５３からの出力信号に基づきＡＤ変換して、分析手段７に受光素子５３が受光した反射光の光量に応じたデータ信号を出力する。
（１−１１）
分析手段７は、ＡＤ変換手段５４からの反射光の光強度を示すデータ信号を受信すると反射光のスペクトルを検出する。
（１−１２）
分析手段７は、後述の（２−６）で得られる参照光の波長ごとの光量変化に基づいて（１−１１）で得られた生体の内部組織の反射光の波長ごとの光量変化を補正して、生体の内部組織の吸収による減衰量を算出し、この吸光度スペクトルに基づき生体の内部組織に含まれる成分を分析する。

具体的には、分析手段７にあらかじめ記憶されている吸光度スペクトルと生体の内部組織の各種成分との相関関係を表す関係式（検量線）に、生体の内部組織からの反射光から算出された吸光度を代入することにより、生体の内部組織に係る各種成分を測定・分析する。

また、分析手段７は上述の光学系で異なる波長（たとえば、目的物質の吸収波長と吸収の少ない波長）における散乱、反射光を測定し、生体の内部組織のある成分（たとえばグルコース）による吸収に係る相関関係式（検量線）を用いて成分分析（たとえば血糖値測定）を行う。

なお、分析手段７と生体との距離が離れている場合、反射光は光ファイバなどの第１の導光手段（図示せず）を介して受光素子５３からＡＤ変換手段５４に導光されるため、導光手段の材質や長さなどによる影響や、周囲温度変化などの環境による影響を受ける。
そのため、参照光を受光素子４３からＡＤ変換手段５４に導光するための第２の導光手段（図示せず）の引き回しを反射光の第１の導光手段の引き回し経路と同じようにすることで、参照光も測定光と同程度の影響を受けるようにするものでもよい。

参照光は、生体の内部組織による吸収の影響がないため、第２の導光手段の設置状況や周囲環境による影響のみを受けている。したがって、分析手段７は、参照光の波長ごとの光量変化に基づいて、生体の内部組織による反射後の測定光の波長ごとの光量変化を補正することにより生体の内部組織の吸収による減衰量を算出でき、この吸光度スペクトルに基づき生体の内部組織に含まれる成分を分析できる。

（２−１）
プリズム３により光路変換・変更されて参照光測定部４へ出射される一部の光は、参照光測定部４のレンズ４１に入射する。
本発明の生体成分測定装置は、この光を参照光として生体成分分析に用いる。参照光は、分析手段７が生体の内部組織により反射された反射光が生体の内部組織による反射前の光からどの程度減衰しているかを検出する比較対象として用いられるものである。
（２−２）
レンズ４１は、入射した光を集光・集束してピンホール４２に入射させる。レンズ４１は、プリズム３からの光をピンホール４２の位置で集束してピンホール４２を通過させる位置に配置される。

（２−３）
ピンホール４２に集光された参照光は、ピンホール４２を通過して受光素子４３に入射する。
（２−４）
受光素子４３は、ピンホール４２を通過した参照光を受光して光量に応じたデータ信号を出力する。
（２−５）
ＡＤ変換手段４４は、受光素子４３からの出力信号に基づきＡＤ変換して、分析手段７に受光素子４３が受光した参照光の光量に応じたデータ信号を出力する。
（２−６）
分析手段７は、ＡＤ変換手段４４からの参照光の光強度を示すデータ信号を受信すると参照光のスペクトルを検出する。

なお、本発明の生体成分測定装置は、たとえばレーザダイオード１が波長可変レーザであれば出射するレーザ光の波長を変化させて上述（１−１）〜（１−１２）、（２−１）〜（２−６）の動作をあらかじめ定められたスケジュールやタイミングなどにしたがって断続的に行い、反射光・参照光を測定し続ける。

この結果、本発明の生体成分測定装置は、光源から出射されたレーザ光の一部および生体の内部組織により反射された反射光をそれぞれ光路変換させるビームスプリッタ手段と、ビームスプリッタ手段により光路変換された光源から出射されたレーザ光を参照光として測定する参照光測定部と、反射光または参照光のスペクトルを測定して生体の内部組織を分析する分析手段と、を備えることにより、従来よりも比較的正確で安定した生体内物質の定量を行うことができる。

また、本発明の生体成分測定装置はレーザ光、共焦点系を用いているため、分光を行うために照射した光について、生体で内の散乱した光をほぼすべて受光し、信号処理に用いることができる点でも有効である。

（ｘ、ｙ、ｚ軸方向の位置調整についての説明）
ここで、本発明の生体成分測定装置は、レンズ系を深さ方向（ｚ軸方向）に動かすことができ、これで対象物内の焦点位置を可変できるものでもよい。また、本発明の生体成分測定装置は、ｘ軸、ｙ軸方向にスキャンできる機構を持ち、これにより生体内（皮膚組織内）の３次元情報を得ることができるものでもよい。

たとえば、本発明の生体成分測定装置は、上述の対物レンズ６などから構成される共焦点光学系と生体とを相対的に３次元的に移動させる図示しない移動駆動機構が設けられており、移動駆動機構の駆動により生体に対して共焦点光学系の焦点位置を相対的に３次元的に移動させて、生体の内部組織の３次元的なデータを得ることができるような構成であってもよい。

具体的には、本実施形態では、作業者が分析手段７を構成するコンピュータを操作することで移動駆動機構を作動させることができるようになっており、移動駆動機構４の作動により、共焦点光学系のうち、レーザダイオード１、レンズ２、プリズム３、対物レンズ６、レンズ５１、ピンホール５２、受光素子５３などが、図示しない載置台上に載置された生体に対して一体的に３次元方向、すなわちｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向にμｍ（マイクロメータ）レベルで微小移動されるようになっている。

ここで、ｘ軸方向およびｙ軸方向は、生体の表皮面に略平行な平面内の互いに直交する方向であり、以下、ｘ軸方向およびｙ軸方向をあわせて生体の表皮面に平行な平面方向または単に平面方向という。また、ｚ軸方向は、ｘ軸方向およびｙ軸方向に直交し、生体の表皮面からの深さを表す方向であり、以下、生体の表皮面からの深さ方向または単に深さ方向という。

つまり、本実施形態では、移動駆動機構は、分析手段７を構成するコンピュータにおける作業者のキーボードなどの操作に基づくＣＰＵからの指示に応じて、共焦点光学系の上記各部材をｘ軸方向やｙ軸方向すなわち生体の表皮面に平行な平面方向に微小量ずつ移動させることで、共焦点光学系の対物レンズ６の焦点位置Ｆを生体の内部組織中で平面方向に２次元的にスキャンさせることができるようになっている。

また、移動駆動機構は、作業者の操作に基づくＣＰＵからの指示に応じて、共焦点光学系の上記各部材をｚ軸方向すなわち深さ方向に微小量ずつ移動させることで、共焦点光学系の対物レンズ６の焦点位置Ｆを深さ方向に微小量ずつ移動させることができるようになっている。

そして、これにより、焦点位置Ｆの平面方向の２次元スキャンを生体内で深さを変えて行うことで、生体の内部組織の３次元的にデータを得ることができるようになっている。

このような構成で、本発明の生体成分測定装置は、次のような動作を行い、レンズ系を深さ方向（ｚ軸方向）、ｘ、ｙ軸方向に位置調整して、これにより生体内（皮膚組織内）の３次元情報を取得する。

以下の動作説明では、生体成分測定装置により被験者のたとえば腕などの真皮組織にレーザ光を照射し、その反射光を受光素子で受光して得られるデータに基づいてその被験者の血液中のグルコースによるレーザ光の吸光度を測定して血液内の血糖値の定量を行う場合について、本発明の動作説明の一例として説明する。

たとえば、本発明の生体成分測定装置では、生体の内部組織のうち、図示しない真皮組織ａ１のグルコース濃度のデータを３次元的に収集し、真皮組織ａ２中に存在する毛細血管の位置を特定して、その毛細血管の位置におけるグルコース濃度を血液中のグルコース濃度すなわち血糖値として測定する。

そのために、まず、共焦点光学系２をｚ軸方向、すなわち生体の表皮面からの深さ方向に移動させながら、生体における真皮組織ａ２の位置を特定する。

生体の皮膚組織を構成する表皮組織ａ１、真皮組織ａ２および皮下組織ａ３は、グルコースなどに特定されない全成分による吸光度、すなわちグルコースや水、脂肪などにより吸収される分を含む全吸光度が照射されるレーザ光の波長に応じてそれぞれの組織で異なるという特性を有する。たとえば、レーザ光の波長が１４５０ｎｍである場合には、真皮組織ａ２の吸光度が表皮組織ａ１や皮下組織ａ３の吸光度より格段に大きい。また、実際の観測においても、レーザ光の波長を適宜選択すると、表皮組織ａ１、真皮組織ａ２、皮下組織ａ３でレーザ光の吸光度が比較的明確に変化することが観測される。

そこで、本発明の生体成分測定装置では、図示しない移動駆動機構を作動させて、対物レンズ６の焦点位置Ｆが表皮面に近い位置に集束されるように位置調整を行った後、共焦点光学系をＺ軸方向に微小移動させて焦点位置Ｆを深さ方向に微小量ずつ移動させながら各位置でレーザ光の全成分による吸光度を測定する。そして、吸光度が大きく増加した位置で焦点位置Ｆが表皮組織ａ１から真皮組織ａ２に移行し、さらに共焦点光学系をｚ軸方向に移動させて、吸光度が大きく減少した位置で焦点位置Ｆが真皮組織ａ２から皮下組織ａ３に移行したと判断して、真皮組織ａ２の深さ方向の位置の範囲を特定する。

なお、真皮組織ａ２の深さ方向の位置の特定においては、本実施形態のように全成分による吸光度を用いる代わりに、前述したグルコース濃度の変化で特定することも可能である。前述したように、角質層を含み毛細血管があまり発達していない表皮組織ａ１や、主に脂肪組織で構成される皮下組織ａ３に比べ、真皮組織ａ２は組織内に毛細血管が発達していてグルコース濃度が高い。そのため、グルコース濃度が高い深さ方向の範囲を真皮組織ａ２の深さ方向の位置の範囲として特定することができる。

続いて、真皮組織ａ２であると判断された深さ方向の範囲内で、共焦点光学系２をｘ軸方向およびｙ軸方向に移動させ、対物レンズ６の焦点位置Ｆを生体の表皮面に平行な平面方向に微小量ずつ移動させて真皮組織ａ２中で２次元スキャンさせながら、その各位置でグルコース濃度を測定する。すると、各位置におけるグルコース濃度を２次元的にマッピングした場合、たとえば図中に斜線を付して示された部分のように、グルコース濃度が周囲より高い部分が検出される。

この２次元スキャンによるマッピングを、焦点位置Ｆを深さ方向（ｚ軸方向）に微小移動させながら行うと、グルコース濃度の３次元分布を得ることができる。

前述したように、グルコースは毛細血管から組織内に高い浸透性を有するとはいえ、真皮組織ａ２中における濃度より毛細血管中の濃度の方が高いから、グルコース濃度が周囲より高く線状に検出された部分は、真皮組織ａ２中の毛細血管であると判別することができる。

本実施形態では、このように周囲よりもグルコース濃度が高く線状に検出された部分を真皮組織ａ２中の毛細血管であるとしてその位置を特定し、その毛細血管の位置におけるグルコース濃度を毛細血管内を流れる血液中の血糖値として測定するようになっている。

本実施形態では、上記のように、グルコースや水、脂肪などの全成分による吸光度やグルコース濃度により真皮組織ａ２の深さ方向の位置の範囲を特定し、グルコース濃度に基づいて真皮組織ａ２中の毛細血管の位置を特定することができる。このようにして毛細血管の位置が特定できれば、その位置における他の成分の濃度などを測定することで、血液中のグルコース以外の成分の濃度などの測定を行うことが可能となる。

その際、このようにしてグルコース以外の成分の濃度などを測定する場合には、前述したグルコースの場合と同様に、たとえばその成分による吸収が大きい波長領域内で波長を種々変化させて得られるデータ信号に基づいて算出されるその成分による吸光度を重み付け加算するための各重み付け定数と、重み付け加算された吸光度とその成分とを対応付ける検量線をあらかじめ作成し、ＲＯＭに記憶させておくことが必要となる。

また、真皮組織ａ２における毛細血管以外の組織部分の位置を特定することもできるから、上記と同様の手法により、真皮組織ａ２の毛細血管以外の組織部分における種々の生体成分の濃度などの測定を行うことが可能となる。さらには、本実施形態では、表皮組織ａ１、真皮組織ａ２および皮下組織ａ３の位置をそれぞれ区別して特定して測定を行うことができるため、それぞれの組織における種々の生体成分を的確に区別してその濃度などの測定を行うことが可能となる。

以上のように、本実施形態に係る生体成分測定装置によれば、異なる波長のレーザ光を用いた共焦点光学系により、生体の内部組織においてその深さ方向や平面方向の位置を特定して生体成分の測定を行うことが可能となる。そのため、たとえば真皮組織ａ２における生体成分の測定を行う場合などのように、生体の内部組織を構成する各部位の厚み、すなわち表皮組織ａ１や真皮組織ａ２などの厚みなどに個人差がある場合であっても、各部位の吸光度の違いなどを利用して、目的とする部位の深さ方向の位置範囲を特定できるので、確実に目的とする部位を特定し、その部位における生体成分の測定を行うことが可能となる。

＜実施例２＞
なお、本発明の生体成分測定装置は、実施例１で説明したような構成のほか、レーザダイオード１から出射されるレーザ光を生体に出射するための光と参照光として利用するための光とに分岐して、反射光または参照光のスペクトルを測定して生体の内部組織を分析し従来よりも比較的正確で安定した生体内物質の定量を行うことができるものとするものでもよい。
また、参照光測定部４の構成は、分析手段７が参照光を測定できるものであればどのような構成であってもよい。

図２はこのような本発明の生体成分測定装置の他の一実施例の構成図であり、図１と共通する部分については適宜省略して説明する。

図２において、参照光測定部４は、レーザダイオード１から出射される光を分岐する分岐手段４５と、レーザダイオード１から出射される光を参照光として受光し光量に応じたデータ信号を出力する受光素子４３と、受光素子４３と電気的に接続され受光素子４３からの出力信号を受信し、この出力信号に基づきＡＤ変換するＡＤ変換手段４４とから構成される。

この場合、本発明の生体成分測定装置では、以下の動作を行う。
（１）レーザダイオード１はレーザ光を出射する。
（２）レーザダイオード１から出射される光は、分岐手段４５によりレーザダイオード１から出射されるレーザ光を「生体に出射するための光」と「参照光として利用するための光」とに分岐される。
（３）参照光測定部４は、分岐手段４５により分岐された一方の光である参照光の光量に応じたデータ信号を変換して出力する。
（４）反射光測定部５は、分岐手段により分岐された他方の光であって生体によって反射される反射光の光量に応じたデータ信号をＡＤ変換して出力する。
（５）分析手段７は、実施例１の動作と同様に参照光の波長ごとの光量変化に基づいて生体の内部組織の反射光の波長ごとの光量変化を補正することにより生体の内部組織の吸収による減衰量を算出し、この吸光度スペクトルに基づき生体の内部組織に含まれる成分を分析する。

この結果、本発明の生体成分測定装置は、光源から出射されたレーザ光を分岐する分岐手段と、反射光または分岐手段により分岐されたレーザ光である参照光のスペクトルを測定して生体の内部組織を分析する分析手段とを備えることにより、従来よりも比較的正確で安定した生体内物質の定量を行うことができる。

＜実施例３＞
なお、本発明の生体成分測定装置は、実施例１、２で説明したような構成のほか、レーザダイオード１からのレーザ光の一部を透過しレーザダイオード１から出射されたレーザ光の他の部分を光路変換するプリズムなどの第１のビームスプリッタ手段とから構成される参照光測定部と、第１のビームスプリッタ手段を透過して入射するレーザ光の一部を光路変換しレーザ光の他の部分を透過して生体の内部組織により反射された反射光を光路変換するプリズムなどの第２のビームスプリッタ手段とから構成される反射光測定部とから構成されるものでもよい。

図３はこのような本発明の生体成分測定装置の他の一実施例の構成図であり、図１と共通する部分については適宜省略して説明する。

図３において、本発明の生体成分測定装置は、生体の内部組織に投光する光源の一例である赤外光を出力する波長可変レーザあるいは固定波長レーザなどのレーザダイオード１と、レーザダイオード１からのレーザ光を平行光とするための平行光手段の一例であるコリメータレンズなどのレンズ２と、参照光測定部４と、反射光測定部５と、分析手段７とから構成される。

実施例３における生体成分測定装置の参照光測定部４は、レンズ２を介して入射するレーザダイオード１からのレーザ光の一部を透過しレーザダイオード１から出射されたレーザ光の他の部分を光路変換する第１のビームスプリッタ手段４６と、第１のビームスプリッタ手段４６からのレーザ光を集光する第１の集光手段の一例であるレンズ４１と、レンズ４１の光軸上に設けられ、レンズ４１により集光された反射光を通過させる第１のピンホール４２と、レーザダイオード１から出射される光を参照光として受光し光量に応じたデータ信号を出力する受光素子４３と、受光素子４３と電気的に接続され受光素子４３からの出力信号を受信し、この出力信号に基づきＡＤ変換するＡＤ変換手段４４とから構成される。

実施例３における生体成分測定装置の反射光測定部５は、第１のビームスプリッタ手段４６からの入射光を一部および生体の内部組織により反射された反射光をそれぞれ光路変換させる第２のビームスプリッタ手段５６と、第２のビームスプリッタ手段５６から入射される生体の内部組織により反射された反射光を集光する第１の集光手段の一例であるレンズ５１と、レンズ５１の光軸上に設けられ、レンズ５１により集光された反射光を通過させる第１のピンホール５２と、レーザダイオード１から出射される光を参照光として受光し光量に応じたデータ信号を出力する受光素子５３と、受光素子５３と電気的に接続され受光素子５３からの出力信号を受信し、この出力信号に基づきＡＤ変換するＡＤ変換手段５４とから構成される。

この場合、本発明の生体成分測定装置では、以下の動作を行う。
（１）レーザダイオード１はレーザ光を出射する。
（２）レーザダイオード１から出射されるレーザ光の一部は第１のビームスプリッタ手段４６を透過して反射光測定部５の第２のビームスプリッタ手段５６に入射し、レーザダイオード１から出射されたレーザ光の他の部分が第１のビームスプリッタ手段４６により光路変換されて参照光測定部４のレンズ４１に入射する。
（３）参照光測定部４は、分岐手段により分岐された一方の光である参照光の光量に応じたデータ信号をアナログデジタル変換して出力する。
（４）反射光測定部５は、分岐手段により分岐された他方の光であって生体によって反射される反射光の光量に応じたデータ信号をアナログデジタル変換して出力する。
（５）分析手段７は、実施例１の動作と同様に参照光の波長ごとの光量変化に基づいて生体の内部組織の反射光の波長ごとの光量変化を補正して、生体の内部組織の吸収による減衰量を算出でき、この吸光度スペクトルに基づき生体の内部組織に含まれる成分を分析する。

なお、本実施例の生体成分測定装置は、第１・第２のビームスプリッタ手段の間に第２のビームスプリッタ５６を透過して第１のビームスプリッタ４６に入射する反射光をあらかじめ定められたタイミングで遮断するフィルタや非反射板などにより構成され、たとえば回転ターレット機構などにより構成される遮断手段を具備するものであってもよい。

この場合、たとえば分析手段７を構成するコンピュータは、この遮断手段を制御し、図示しない記憶手段に格納されているあらかじめ定められたタイミングまたはあらかじめ定められた測定間隔で、第２のビームスプリッタ５６を透過して第１のビームスプリッタ４６に入射する反射光を遮断する。
一方、分析手段７を構成するコンピュータは、この遮断手段を制御してあらかじめ定められたタイミングで第１のビームスプリッタ手段を透過したレーザ光を第２のビームスプリッタ手段に入射させる。
こうすれば、本実施例の生体成分測定装置は、第２のビームスプリッタ５６を透過した反射光を含んでいないレーザダイオード１からの参照光に基づいて生体成分測定を行える点で有効である。

この結果、本発明の生体成分測定装置は、レーザ光の一部を透過し光源から出射されたレーザ光の他の部分を光路変換する第１のビームスプリッタ手段と、第１のビームスプリッタ手段を透過して入射するレーザ光の一部を光路変換しレーザ光の他の部分を透過して生体の内部組織により反射された反射光を光路変換する第２のビームスプリッタ手段と、反射光または第１のビームスプリッタにより光路変換された参照光のスペクトルを測定して生体の内部組織を分析する分析手段とを備えることにより、従来よりも比較的正確で安定した生体内物質の定量を行うことができる。

上記各実施例において、レーザーダイオード１から被測定対象に照射される光強度を所定の値に維持するように、レーザーダイオード１を自動出力制御ループ８で駆動することにより、安定した測定が行える。

図４は、このような構成を前述図１の実施例に適用した例を示す構成図である。図４の実施例では、レーザーダイオード１の出力光の一部を光ファイバ８１を介して被測定対象の表面に照射させてその反射光を第２の受光素子８２で検出し、この第２の受光素子８２の出力信号を光源駆動手段８３に与えてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。

これにより、レーザーダイオード１の温度変化および空間強度変動に起因する出力光強度を抑制でき、安定した成分測定結果が得られる。

また、第２の受光素子８２の出力信号をＡＤ変換手段８４を介して分析手段７に加え、受光素子５３の出力信号を第２の受光素子８２の出力信号で除算して規格化することにより、レーザーダイオード１の出力変動分や被測定対象の表面反射による変動分を補償できる。

図５は、図４のレーザーダイオード１として、その出力光をモニタする図示しない第３の受光素子が内蔵されたものを用いた実施例を示す構成図である。第３の受光素子の出力信号も光源駆動手段８３に入力され、レーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。

また、第３の受光素子の出力信号もＡＤ変換手段１１を介して分析手段７に入力され、受光素子５３の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算して規格化する。これにより、分析手段７は、２つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード１の出力変動分や被測定対象の表面反射による変動分を高精度に補償する。

図６は、図５の実施例において、受光素子４３の出力信号も光源駆動手段８３に入力するようにしたものである。受光素子４３は、レーザーダイオード１の出力光の空間変動分を検出するものであり、レーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。

また、ＡＤ変換手段４４を介して分析手段７に入力される受光素子４３の出力信号も、受光素子５３の出力信号を除算して規格化する。これにより、分析手段７は、３つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード１の出力変動分と空間変動分および被測定対象の表面反射による変動分をさらに精度よく補償する。

図７は図６の実施例から、光ファイバ８１と第２の受光素子８２およびＡＤ変換手段８４からなる信号系統を省いたものである。図７の構成によれば、光源駆動手段８３は、第３の受光素子と受光素子４３の出力信号に基づいてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。そして分析手段７は、受光素子５３の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算した規格化信号と受光素子５３の出力信号を受光素子４３の出力信号で除算した規格化信号に基づき、レーザーダイオード１の出力変動分および空間変動分を精度よく補償する。

なお、図５および図６の実施例ではレーザーダイオード１としてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用いているが、装置に求められる補償精度に応じて、図４のように第３の受光素子が内蔵されていないものを用いてもよい。

また、図２および図３の実施例においても、ＡＤ変換手段４４を介して分析手段７に入力される受光素子４３の出力信号で受光素子５３の出力信号を除算して規格化することにより、レーザーダイオード１の出力変動分や被測定対象の表面反射による変動分を精度よく補償できる。

＜その他の実施例＞
なお、本発明に係る生体成分測定装置は、共焦点光学系を用いた生体の内部組織（たとえば人体・動物の血管中血液や組織中の組織液に含まれる各種物質（血液中の血糖値などの成分の濃度など）など）の成分の測定を行う生体成分測定装置に係る技術全般に適用可能とするものである。

以上説明したように、本発明の生体成分測定装置では、光源の出力光を別途受光（参照光）し、生体内散乱光と参照光の強度を演算することで誤差を低減して生体内物質の定量を行うことができる点で有効である。

＜付記項１＞
前記反射光測定部は、
前記レーザから出射されたレーザ光を集光して前記被測定対象に光照射する対物レンズと、
前記ビームスプリッタ手段により光路変換された反射光を集光する第２の集光手段と、
前記レンズ系により集光された反射光を通過させる第２のピンホールと、
前記ピンホールを通過した反射光を受光して光量に応じたデータ信号を出力する第２の受光素子と、
前記データ信号をＡＤ変換して前記分析手段に出力する第２のＡＤ変換手段と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載の生体成分測定装置。

１ 光源
２ レンズ
３ プリズム（ビームスプリッタ手段
４ 参照光測定部
４１ レンズ
４２ ピンホール
４３ 受光素子
４４ ＡＤ変換手段
４５ 分岐手段
４６ 第１のビームスプリッタ手段
５ 反射光測定部
５１ レンズ
５２ ピンホール
５３ 受光素子
５４ ＡＤ変換手段
５６ 第２のビームスプリッタ手段
６ 対物レンズ
７ 分析手段
８ 自動出力制御ループ
８１ 光ファイバ
８２ 受光素子
８３ 光源駆動手段
８４ ＡＤ変換手段

Claims (10)

1. 光源から出射される２波長以上の波長の各レーザ光が被測定対象である生体の内部組織により反射される各反射光を測定して前記生体の内部組織の成分の測定を行う生体成分測定装置において、
   前記光源から出射されたレーザ光の一部および前記生体の内部組織により反射された反射光をそれぞれ光路変換させるビームスプリッタ手段と、
   該ビームスプリッタ手段により光路変換された前記光源から出射されたレーザ光を参照光として測定する参照光測定部と、
   前記ビームスプリッタ手段により光路変換された前記生体の内部組織により反射される反射光を測定する反射光測定部と、
   前記反射光または前記参照光のスペクトルを測定して前記生体の内部組織を分析する分析手段と、
   前記光源の出力光を被測定対象表面に照射する光ファイバと、
   この光ファイバの照射に基づく被測定対象表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
   この第２の受光素子の検出信号に基づき前記光源の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する光源駆動回路、
   を備えることを特徴とする生体成分測定装置。
2. 前記分析手段は、前記第２の受光素子の検出信号で前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記被測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項１に記載の生体成分測定装置。
3. 前記光源としてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
   前記光源駆動回路は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記光源の出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の生体成分測定装置。
4. 前記光源としてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
   前記データ解析部は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかで前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記被測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の生体成分測定装置。
5. 前記光源としてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
   前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号で前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算した第１の規格化信号と、前記第３の受光素子の検出信号で前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算した第２の規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記被測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の生体成分測定装置。
6. 前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および参照光の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記光源の出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれかに記載の生体成分測定装置。
7. 前記データ解析部は、
   前記第２の受光素子と第３の受光素子および参照光の検出信号の少なくともいずれかで前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記被測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の生体成分測定装置。
8. 前記データ解析部は、
   前記第２の受光素子と第３の受光素子および参照光の検出信号のそれぞれで前記被測定対象の内部組織により反射された反射光の検出信号を除算した規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記被測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の生体成分測定装置。
9. 前記参照光測定部は、
   前記ビームスプリッタ手段が光路変換した前記反射光を集光する集光手段と、
   前記集光手段により集束された前記反射光を通過させるピンホールと、
   前記ピンホールを通過した前記反射光を受光して光量に応じたデータ信号を出力する第１の受光素子と、
   前記データ信号をＡＤ変換して前記分析手段に出力するＡＤ変換手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の生体成分測定装置。
10. 前記反射光測定部と前記生体とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を備え、
    前記移動駆動機構により前記反射光測定部と前記生体とを相対的に３次元的に移動させることで前記生体に対して前記反射光測定部の焦点位置を相対的に３次元的に移動させて、前記生体の内部組織の３次元的なデータを得ることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の生体成分測定装置。

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