JP4047904B2 - 生体情報測定用光学素子およびそれを用いた生体情報測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、生体組織を光学的に測定することによって体液中のグルコース、コレステロール、尿素およびトリグリセリド等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。

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光学測定方法が提案されている。例えば特許文献１においては、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。

上記の接触子において、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。このような構成によって、上記接触子の取り扱いが容易であり、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になるとされている。
国際公開第０１／０５８３５５号パンフレット

しかしながら、上記のような接触子を用いた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。
特許文献１記載の技術では、形成された凹部内に生体組織が入り込むように隆起させ、隆起させた部位を選択的に測定することが可能である。しかし、凹部から生体組織へ光が入射する際、凹部と生体組織の界面で、生体情報検出用接触子と生体組織の屈折率に依存して入射光が屈折して生体組織に入射する。このとき、同時に、生体組織と凹部の界面でも反射光が発生する。この反射光は、生体情報検出用接触子内において、接触子と接触子外部の界面で反射を繰り返す。

この多重反射光のなかには、接触子と接触子外部との間で全反射することでエバネッセント波が形成され、生体組織において測定することが好ましくない部分や接触子外部に存在するものに光が吸収されるものがある。
この多重反射光のなかには、反射を繰り返すうちに光検出器に入射するものがある。このようにして光検出器に入射した反射光は、本来検出される光に重畳されて誤差の原因となり、安定して生体情報を測定することが困難であった。

そこで、本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、安定かつ容易に、被検試料中の体液成分を非侵襲的に測定することができる生体情報測定用光学素子およびそれを用いた生体情報測定装置を提供することを目的とする。

上記従来の問題点を解決するために、本発明は、
第１の光入射面と、生体組織と接触する溝部が設けられた生体組織接触面と、第１の光出射面とを有し、
前記溝部は第２の光入射面と第２の光出射面とを有し、
前記第１の光入射面から入射した光を、前記第２の光出射面を通して、前記溝部によって隆起させられた生体組織に照射し、前記生体組織により吸収および／または散乱され前記第２の光入射面から入射した光を前記第１の光出射面から出射する光学素子であって、
前記生体組織接触面と対向する面の法線が、前記第２の光入射面の法線と前記第２の光出射面の法線とがなす面に交差している生体情報測定用光学素子を提供する。

また、本発明は、光源と、上記光学素子と、前記光学素子から出射された光を検出する光検出器と、前記光検出器により得られた情報を演算する演算器とを備える生体情報測定装置を提供する。

本発明によれば、溝部を有する光学素子を備えた生体情報測定装置において、光学素子内で発生した反射光の影響を緩和し、安定かつ容易に、生体組織中の標的成分の濃度を測定することができる。

本発明に係る生体情報測定用光学素子は、第１の光入射面と、生体組織と接触する溝部が設けられた生体組織接触面と、第１の光出射面とを有し、前記溝部は第２の光入射面と第２の光出射面とを有し、前記第１の光入射面から入射した光を、前記第２の光出射面を通して、前記溝部によって隆起させられた生体組織に照射し、前記生体組織により吸収および／または散乱され前記第２の光入射面から入射した光を前記第１の光出射面から出射する光学素子であって、前記生体組織接触面と対向する面の法線が、前記第２の光入射面の法線と前記第２の光出射面の法線とがなす面に交差している。
このような構成によって、溝部において発生する反射光が光検出器に入射することを防止することができ、安定かつ容易に、被検試料中の標的成分の濃度を測定することができる。

ここで、前記生体組織接触面と対向する面の法線が複数ある場合（例えば、前記生体組織接触面と対向する面が複数個ある場合や、前記生体組織接触面と対向する面が曲面の場合）には、複数の法線のうちの少なくとも１つが、前記第２の光入射面の法線と前記第２の光出射面の法線とがなす面に交差していれば、上記のような本発明の効果を得ることができる。

本発明の生体情報測定用光学素子においては、前記生体組織接触面と対向する面が凹部を有することが好ましい。
前記凹部は、その断面が略Ｖ字状であってもよく、曲面で形成されていてもよい。
また、本発明の生体情報測定用光学素子において、前記生体組織接触面と対向する面が凸部とを有していてもよい。
前記凸部が曲面で形成されていることが好ましい。
本発明の生体情報測定用光学素子において、前記生体接触面に開口部を有する流路を具備することが好ましい。
前記流路の底面が略Ｖ字型であってもよく、曲面であってもよい。

また、本発明の生体情報測定装置は、光源と、上記光学素子と、前記光学素子から出射された光を検出する光検出器と、前記光検出器により得られた情報を演算する演算器とを備える。
本発明の生体情報測定装置は、先に述べた本発明の光学素子を用いているため、上記光学素子の溝部において発生する反射光の影響を軽減でき、安定かつ容易に、被検試料中の標的成分の濃度を測定することができる。

以下において、本発明の実施形態を図面に参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。また、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。

［実施の形態１］
図１は、本発明の生体情報測定用光学素子の実施の形態１の形状を示す概略斜視図である。また、図２は、図１に示す生体情報測定用光学素子のＸ−Ｘ線断面図である。
図１および２に示すように、本実施の形態に係る生体情報測定用光学素子１００は、第１の光入射面１１、生体組織接触面１２および第１の光出射面１３を有し、生体組織接触面１２に生体組織を隆起させる溝部１２ａを有している。溝部１２ａは、第２の光出射面２００および第２の光入射面２０１を有している。また、生体組織接触面１２に対向する面（すなわち、光学素子１００の下側）には、傾斜面１７を有するＶ字型の凹部が設けられている。

ここで、図３は、図２における溝部１２ａの拡大図であり、図４は、図１におけるＹ−Ｙ線断面図である。図３に示すように溝部１２ａには光入射面と光出射面との２つの面があり、それぞれの面に法線２１および２２がある。
そして、これら２本の法線２１および２２は、図４に示すように面２３を形成する。なお、法線２１および２２が互いにねじれの位置にある場合には、それぞれの法線２１および２２の起点を合わせて面を仮定することができる。

このとき、生体組織接触面と対向する面（すなわち、光学素子１００の下側のＶ字型の凹部が有する傾斜面１７）の法線２４は、溝部１２ａの法線２１および２２が作る面２３に交差している。
なお、Ｖ字型の凹部は２つの面（傾斜面１７）を有するが、図４においては一方の面の法線についてのみ示した。Ｖ字型の凹部の２つの面の両方の法線が上記面２３に交差しているのが好ましい。

つぎに、本発明の生体情報測定用光学素子１００の機能について説明する。
光は第１の光入射面１１より生体情報測定用光学素子１００に入射する。生体情報測定用光学素子１００に入射した入射光１４は、生体組織接触面１２の溝部１２ａと生体組織（図示せず）との界面で屈折する。屈折した光は、第２の光出射面２００を通して生体組織に入射し、生体組織に入射した光は、生体組織によって吸収され、再び生体組織と溝部１２ａで屈折し、第２の光入射面２０１から生体情報測定用光学素子１００に入射する。再び生体情報測定用光学素子１００に入射した光は、第１の光出射面１３より出射光１５として生体情報測定用光学素子１００外に出射する。

ここで、溝部１２ａと生体組織との界面で光が屈折するときには、反射光が発生する。本発明に係る生体情報測定用光学素子１００において、生体組織を測定するために用いるのは出射光１５であるが、本発明において着目する反射光は、溝部１２ａと生体組織との界面で発生する反射光１６である。
通常の光学素子においては、反射光１６が再度反射して生体組織に入射し得ることから、出射光１５に影響を及ぼして測定結果に誤差を生じるのに対し、本発明においては、傾斜面１７があるため、反射光１６を生体組織に再度入射させずに側面出射光１９として外部に出すことができる。

この反射光１６は、生体組織接触面１２の対向する面に設けられたＶ字型凹部を構成する傾斜面１７によって、生体組織接触面１２に隣接する側面１８より側面出射光１９となって生体情報測定用光学素子１００外へ出射する。
このように出射された側面出射光１９は、第１の光出射面１３より出射した出射光１５とは異なり、第１の光出射面１３の先に設けられた光検出器（図示せず）には届かなくなる。

つぎに、図２を用いて、Ｖ字型凹部を構成する傾斜面１７の機能と反射光１６の方向について詳細に説明する。ただし、図２においては、簡略化のために溝部１２ａの数は少なく記載している。
生体組織接触面１２に設けられた溝部１２ａと生体組織の界面から生体情報測定用光学素子１００に再度入射し、第１の光出射面１３に向けて進行する光の波数ベクトル１１０と、第１の光出射面１３の法線ベクトル１１１とが作る面内に、第１の光入射面１１より入射した光が必ず存在する。したがって、溝部１２ａと生体組織との界面で反射した反射光１６も、通常は波数ベクトル１１０と第１の光出射面１３の法線ベクトル１１１がなす面内に必ず存在する。

この反射光１６は、生体情報測定用光学素子１００内で反射、または、条件によっては全反射を繰り返し、ついには第１の光出射面１３より出射し、第１の光出射面１３の先に設けられた光検出器によって検出され、検出された反射光１６が誤差の原因となってしまう。
これに対し、本発明に係る生体情報測定用光学素子１００においては、上述のように、傾斜面１７を設けてＶ字型凹部を構成することによって、反射光１６を傾斜面１７で反射し、最終的に側面１８より側面出射光１９として生体情報測定用光学素子１００外に出射する。

なお、上記実施の形態１においては、光学素子１００の下側の凹部を略Ｖ字型としたが、図５に示すように、略半円状の形状を有していてもよい。図５は、本発明の実施の形態１に係る光学素子の変形例を示す概略斜視図である。また、図６は、図５のＹ−Ｙ線断面図である。
図６に示すように、この場合も、生体組織接触面と対向する面（すなわち、光学素子１００の下側の半円状の凹部が有する曲面１７）の法線２４は、溝部１２ａの法線２１および２２が作る面２３に交差している。

［実施の形態２］
図７は、本発明に係る生体情報測定用光学素子の実施の形態２を示す概略斜視図である。図７に示した生体情報測定用光学素子１００は、図１および４と異なり、単一の傾斜面１７が設けられており、下側全体が生体組織接触面１２に対して斜めになっている。
このような構成によれば、図１に示したＶ字型凹部の場合と同様の効果が得られ、製造工程上は実施の形態１に比べて傾斜面１７の加工が容易であり好ましい。

ここで、図８は、図７におけるＹ−Ｙ線断面図である。本実施の形態の光学素子１００においても、図３に示した実施の形態１と同様に、溝部１２ａには第２の光入射面と第２の光出射面との２つの面があり、それぞれの面に法線２１および２２がある。そして、これら２本の法線２１および２２は、図８に示すように面２３を形成する。
このとき、生体組織接触面と対向する面（すなわち、光学素子１００の下側の傾斜面１７）の法線２４は、溝部１２ａの法線２１および２２が作る面２３に交差している。

［実施の形態３］
図９は、本発明に係る生体情報測定用光学素子の実施の形態３を示す概略斜視図である。本発明の光学素子１００において、生体組織接触面１２に対向する面は曲面であってもよい。
この場合、図９に示すように、生体組織接触面１２に対向する平面状の下側部（下面１７）に、半円柱状部材３０を接着することによって、曲面３０ａを形成することができる。ただし、機械加工やエッチング等の除去加工法を用いて、曲面３０ａを形成することも可能である。

なお、図１における傾斜面１７を有するＶ字型の凹部も、図５における曲面状の凹部も、図７における単一の傾斜面１７も、切削またはエッチング技術等の除去加工法を用いて形成することができる。
また、例えば平面状の下面に２本の三角柱状の部材を接着することでもＶ字状の凹部を形成することができる。

ここで、図１０は、図９におけるＹ−Ｙ線断面図である。本実施の形態の光学素子１００においても、図３に示した実施の形態１と同様に、溝部１２ａには第２の光入射面と第２の光出射面との２つの面があり、それぞれの面に法線２１および２２がある。そして、これら２本の法線２１および２２は、図１０に示すように面２３を形成する。
このとき、生体組織接触面と対向する面（すなわち、光学素子１００の下側の曲面３０ａの法線２４は、溝部１２ａの法線２１および２２が作る面２３に交差している。

［実施の形態４］
図１１は、本発明に係る生体情報測定用光学素子の実施の形態４を示す概略斜視図である。本発明の光学素子１００において、生体組織接触面１２には、当該生体組織接触面１２に開口部を有する流路４０が設けられていてもよい。
この流路４０は、例えば唾液、汗、水等の液体が通るためのものである。このような流路４０を有していれば、生体組織から分泌される汗、唾液等や、水を生体組織接触面１２より除去して測定誤差を防ぐために有用である。

流路４０の底面が平面状の場合、流路４０の底面で反射した反射光は、たいていは上記で説明したように生体組織接触面１２に対向する面に設けられた傾斜面１７が存在することにより、第１の光出射面１３の先に設けられた光検出器には入射しない。
しかし、反射光のなかには、流路４０の底面で反射して直接第１の光出射面１３に到達し、光検出器に検出される場合が考えられる。流路４０は、汗、唾液等の生体情報を含まない物質で満たされるため、流路４０の底面での反射光が光検出器によって検出されると誤差の原因となる。

そこで、流路４０の底面に、図１１に示したように傾斜面４０ａを設けることによって、図１を用いて説明した場合と同じ原理により、生体組織接触面１２に隣接する側面より反射光を出射させて除外し、測定に影響を与えないようにする。さらには、流路４０を加工する際、Ｖ字型のバイトを用いて加工すれば流路の底面が傾斜面を持ったＶ字型となるため、加工が容易である、このことから流路４０の底面はＶ字型であることが好ましい。
なお、流路４０の底面に傾斜面を設けているが、図１２に示すように、流路４０の底面を曲面としてもよい。図１２は、本発明の実施の形態４に係る光学素子の変形例を示す概略斜視図である。

［実施の形態５］
図１３は、本発明に係る生体情報測定装置の一実施の形態の構成を示す概略図である。図１３に示すように、本実施の形態における生体情報測定装置は、光源５１、生体情報測定用光学素子１００、光検出器５２、演算器５３、および光源５１と生体情報測定用光学素子１００との間に設けられた分光器（図示せず）から構成される。分光器としては、例えばグレーティングを用いた分光装置、フーリェ変換分光装置等を用いることができる。

つぎに、図１３を用いて生体情報測定装置の動作について説明する。
光源５１より発光された光は、生体情報測定用光学素子１００に入射する。生体情報測定用光学素子１００に入射された入射光１４は、生体組織接触面１２に接触した生体組織（図示せず）を透過・散乱し、生体情報測定用光学素子１００より出射される。生体情報測定用光学素子１００より出射された出射光１５は、光検出器５２によって検出され、演算器５３により、生体情報を算出する。

ここで、光源５１としては、生体組織内の測定対象である測定成分の吸収波長の光を発するものであればよく、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、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、タングステン灯等が挙げられる。

グルコースのように、波数１０３３ｃｍ^-1や１０８０ｃｍ^-1などの中赤外域と、１〜２．５μｍの近赤外域と、に吸収ピークがあるような物質を測定する場合、以下の光源を用いるのが好ましい。すなわち、中赤外光で測定する際には、比較的広い波長範囲をカバーすることができ１０μｍ程度の長波長領域でも良好に発光するという観点から、グローバ光源が好ましい。また、近赤外光を測定する場合には、ハロゲン光源が好ましい。もちろん、グルコースには近赤外にも吸収ピークがあるため、上記以外の光源を用いることも可能である。

また、生体情報測定用光学素子１００の材料としては、測定に利用する光の波長に応じて当該分野で公知のものを用いることができる。例えば、シリコン、ゲルマニウム、ＳｉＣ、ダイアモンド、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、溶融石英、フッ化カルシウムおよびＫｒＳ等が挙げられる。

ここで、グルコースのように、波数１０３３ｃｍ^-1や１０８０ｃｍ^-1などの中赤外域と、１〜２．５μｍの近赤外域と、に吸収ピークがあるような物質を測定する場合、以下の材料を用いるのが好ましい。すなわち、中赤外域では、約９〜１０μｍの赤外波長で透過率が高いという観点から、シリコンまたはゲルマニウムであって、ホウ素やリン等の不純物含有量が小さく、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。
一方、１〜２．５μｍの近赤外域に吸収ピークがあるような物質を測定する場合には、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く、また、フッ化カルシウム、溶融石英等であっても良い。

光検出器５２としては、当該分野で公知のものを特に限定なく用いることができ、例えば、中赤外域の場合は、ＭＣＴ検出器（水銀、テルル、カドミウムの混晶）、焦電センサ、ＤＴＧＳ検出器、サーミスタ、サーモパイル、ゴーレイセル等が挙げられる。また、近赤外域の場合は、ＰｂＳ検出器、ＩｎＳｂ検出器、ＰｂＳｅ検出器、ＩｎＧａＡｓ検出器等が挙げられる。
演算器５３としては、コンピュータを用いることが好ましい。

以上説明したように、本発明に係る生体情報測定用光学素子およびこれを用いた生体情報測定装置は、反射光に起因する測定誤差が少なく、特に医療用途での体液成分の測定に有用である。

本発明の生体情報測定用光学素子の実施の形態１の形状を示す概略斜視図である。 図１におけるＸ−Ｘ線断面図である。 図２における溝部１２ａの拡大図である。 図１におけるＹ−Ｙ線断面図である。 本発明の実施の形態１に係る光学素子の変形例を示す概略斜視図である。 図５のＹ−Ｙ線断面図である。 本発明に係る生体情報測定用光学素子の実施の形態２を示す概略斜視図である。 図７におけるＹ−Ｙ線断面図である。 本発明に係る生体情報測定用光学素子の実施の形態３を示す概略斜視図である。 図９におけるＹ−Ｙ線断面図である。 本発明に係る生体情報測定用光学素子の実施の形態４を示す概略斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る光学素子の変形例を示す概略斜視図である。 本発明に係る生体情報測定装置の一実施の形態の概略図である。

Claims (10)

1. 第１の光入射面と、生体組織と接触する溝部が設けられた生体組織接触面と、第１の光出射面とを有し、
   前記溝部は第２の光入射面と第２の光出射面とを有し、
   前記第１の光入射面から入射した光を、前記第２の光出射面を通して、前記溝部によって隆起させられた生体組織に照射し、前記生体組織により吸収および／または散乱され前記第２の光入射面から入射した光を前記第１の光出射面から出射する光学素子であって、
   前記生体組織接触面と対向する面の法線が、前記第２の光入射面の法線と前記第２の光出射面の法線とがなす面に交差している生体情報測定用光学素子。
2. 前記生体組織接触面と対向する面が凹部を有する、請求項１記載の生体情報測定用光学素子。
3. 前記凹部の断面が略Ｖ字形状である、請求項２記載の生体情報測定用光学素子。
4. 前記凹部が曲面で形成されている、請求項２記載の生体情報測定用光学素子。
5. 前記生体組織接触面と対向する面が凸部と有する、請求項１記載の生体情報測定用光学素子。
6. 前記凸部が曲面で形成されている、請求項５記載の生体情報測定用光学素子。
7. 前記生体接触面に開口部を有する流路を具備する、請求項１〜６のいずれかに記載の生体情報測定用光学素子。
8. 前記流路の底面が略Ｖ字型である、請求項７記載の生体情報測定用光学素子。
9. 前記流路の底面が曲面である、請求項７記載の生体情報測定用光学素子。
10. 光源と、請求項１〜９のいずれかに記載の光学素子と、前記光学素子から出射された光を検出する光検出器と、前記光検出器により得られた情報を演算する演算器とを備える生体情報測定装置。

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