JP5552819B2 - 濃度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は濃度測定装置に関し、例えばヘモグロビン濃度を測定する場合に好適なものである。

従来、被験部位に対して所定帯域の光を照射し、該被験部位から反射した光を分析することによって、生体の特定成分の濃度を非侵襲的に測定する装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。

この装置では、測定対象である生体成分によって吸収される波長の光を照射する第１の光源と、該測定対象である生体成分に吸収されず測定対象よりも生体中に多い成分量をもつ成分に吸収される波長の光を照射する第２の光源とが用意される。

そして、第１の光源に対応する波長の散乱光強度と、第２の光源に対応する波長の散乱光強度と、それらに対応する生体成分濃度との重回帰分析法によって、測定対象である生体成分濃度が求められる。

特開２００９−２７３８１９公報

ところで上記第１及び第２の光源は、小型化等の観点ではレーザーに比べてＬＥＤ(Light Emitting Diode)が望ましい。しかしながらＬＥＤを適用した場合、該ＬＥＤから照射される光の強度は中心波長においてピークを示すが、該中心波長に近い波長もある一定の強度を呈する。つまり、ＬＥＤから照射される光の波長は、単一波長ではなく、ある程度の波長幅を有する。

したがって、測定対象である生体成分以外の成分における吸収特性も反映され、測定対象である生体成分濃度の信頼性が乏しくなる。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、測定精度を向上し得る濃度測定装置を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明は、濃度測定装置であって、測定すべき物質である測定物質の種類数Ｎ（ただしＮは１以上の自然数）以上の互いに異なる中心波長となる光を、該中心波長ごとに順次照射する複数の発光ダイオードと、発光ダイオードから照射され人体を透過する光の透過率を中心波長ごとに算出する透過率算出手段と、測定物質それぞれの単位光路長あたりの濃度である単位長濃度をそれぞれ変数とし、測定物質それぞれの単位長濃度に該測定物質の吸光係数を乗じた値の和により透過率を表した方程式を中心波長ごとに生成して、生成した複数の方程式を多元連立方程式として解くことにより測定物質それぞれの単位長濃度を算出する濃度算出手段とを有し、発光ダイオードのうち基準とすべき基準発光ダイオードは、他の発光ダイオードに比べて、測定物質のうち特定の特定測定物質についての波長に対する透過率の変動幅が大きく現れる波長を中心波長とし、該中心波長における強度の半値となる波長間の直線距離が、他の発光ダイオードに比べて狭く設定される。

本発明では、互いに異なる中心波長となる光を順次照射するため、人体内を通過する光の吸収スペクトルを離散的にとった透過率が得られ、測定物質ごとに単位長濃度に吸光係数を乗じた値を加算して該透過率を表した方程式を中心波長ごとに生成し、これらを連立させて解く。したがって、単に、測定物質が吸収ピークを示す波長の光の透過率を得る場合に比べて、複数の単位長濃度を正確に算出することが可能となる。
また本発明では、基準中心波長の光を照射する発光ダイオードにおける強度の半値となる波長間の直線距離を、他の中心波長の光を照射する発光ダイオードに比べて狭くした。
したがって、複数の物質が反映する透過率を高い分解能で得ることができ、この結果、測定物質の単位光路長あたりの濃度を正確に算出することが可能となる。

濃度測定装置の構成を示す概略図である。 人体表皮での反射の説明に供する概略図である。 測定部の構成を示す概略図である。 吸光係数算出モードでのＣＰＵの機能的構成を示す概略図である。 色サンプル例を示す写真である。 吸光係数算出モードでの演算結果処理の推移の説明に供するグラフである。 濃度測定モードでのＣＰＵの機能的構成を示す概略図である。 濃度測定モードでの演算結果処理の推移の説明に供するグラフである。 濃度表示画面例を示す概略図である。 ＬＥＤの波長特性の説明に供する概略図である。 人体表皮の吸収スペクトルを示すグラフである。 照射光の波長幅に応じた測定値の誤差を示すグラフである。

以下、発明を実施するための形態について説明する。なお、説明は以下の順序とする。
＜１．実施の形態＞
［１−１．濃度測定装置の構成］
［１−２．測定部の構成］
［１−３．吸光係数算出モード］
［１−４．濃度測定モード］
［１−５．測定精度向上対策］
［１−６．効果等］
＜２．他の実施の形態＞

＜１．実施の形態＞
［１−１．濃度測定装置の構成］
図１において、本一実施の形態による濃度測定装置１を示す。この濃度測定装置１は、照射部１０、受光部２０及び測定部３０によって構成される。

照射部１０には、互いに異なる波長を中心波長とする光を照射する５つの発光ダイオード（以下、これをＬＥＤとも呼ぶ）が光源として含まれる。照射部１０は、これら光源から照射される光を、照射面ＩＦに対して斜めとなる入射方向から照射する。

この実施の形態では、濃度を測定すべき物質の１つとして糖化ヘモグロビンが選択される。この糖化ヘモグロビンと、その他のヘモグロビン（酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビン）との吸光係数の差異を顕著に示す波長が、５８０[ｎｍ]又はその近傍の数波長にあることが本発明者らにより確認された。したがって、照射部１０における５つのＬＥＤのなかの１つのＬＥＤの中心波長は５８０[ｎｍ]とされ、他のＬＥＤの中心波長は５８０[ｎｍ]の前後である５００[ｎｍ] ，５４０[ｎｍ] ，６２０[ｎｍ] ，６６０[ｎｍ]とされる。

可視域の光を照射面ＩＦに対して斜めから照射した場合、図２に示すように、人体表面を入射して表皮（扁平上皮）の基底層と真皮層との界面で正反射し、該人体表皮（基底層と人体表面との間）を透過して人体表面から出射する。

受光部２０は、この基底層と真皮層との界面から人体表面を透過する光（以下、これを表皮透過光とも呼ぶ）を受光し、当該受光結果を測定部３０に送出する。

測定部３０ではランベルト・ベールの法則が用いられる。ランベルト・ベールの法則は、吸光度をＡとし、単位光路長あたりの濃度[ｍｏｌ／Ｌ・ｃｍ]（以下、単位長濃度と呼ぶ）をｃｌとし、モル吸光係数（以下、単に吸光係数と呼ぶ）をεとすると、次式

Ａ＝ε・ｃｌ ……（１）

として表される。

吸光度Ａは、透過率をｔとすると、次式

Ａ＝ｌｏｇ（１／ｔ） ……（２）

のように透過率ｔの常用対数で表すことができるので、（１）式と（２）式から、次式

ｌｏｇ（１／ｔ）＝ε・ｃｌ ……（３）

の関係が成立する。

測定部３０は、物質の吸光係数を算出するモード（以下、これを吸光係数算出モードとも呼ぶ）と、物質の濃度を測定するモード（以下、これを濃度測定モードとも呼ぶ）とを有する。

測定部３０は、吸光係数算出モードを実行した場合、（３）式を用いて物質の吸光係数を算出し、該吸光係数を登録するようになっている。

一方、測定部３０は、濃度測定モードを実行した場合、吸光係数算出モードで算出した吸光係数と、（３）式とを用いて、糖化ヘモグロビンを含む複数の物質の濃度を算出する。そして測定部３０は、これら濃度を記憶し、当該濃度の推移を必要に応じて提示するようになっている。

［１−２．測定部の構成］
測定部３０は、図３に示すように、制御を司るＣＰＵ(Central Processing Unit)４１に対して各種ハードウェアを接続することにより構成される。

具体的にはＲＯＭ(Read Only Memory)４２、ＣＰＵ４１のワークメモリとなるＲＡＭ(Random Access Memory)４３、ユーザの操作に応じた命令を入力する操作入力部４４、インターフェイス部４５、表示部４６及び記憶部４７がバス４８を介して接続される。

ＲＯＭ４２には、吸光係数算出モードを実行するためのプログラム（以下、これを係数算出プログラムとも呼ぶ）と、濃度測定モードを実行するためのプログラム（以下、これを濃度測定プログラムとも呼ぶ）が格納される。インターフェイス部４５は、専用伝送路を介して照射部１０及び受光部２０と接続され、有線又は無線の伝送路を介して他の装置と接続可能とされる。

表示部４６には、液晶ディスプレイ又はＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等が適用される。また記憶部４７には、ＨＤ（Hard Disk）に代表される磁気ディスクもしくは半導体メモリ又は光ディスク等が適用される。ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリやＣＦ（Compact Flash）メモリ等のようにリムーバブルメモリ（可搬型メモリ）が適用されてもよい。

ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４２に格納される複数のプログラムのうち、操作入力部４４から与えられる命令に対応するプログラムをＲＡＭ４３に展開し、該展開したプログラムにしたがってインターフェイス部４５、表示部４６又は記憶部４７を適宜制御する。

［１−３．吸光係数算出モード］
ＣＰＵ４１は、操作入力部４４から吸光係数を算出すべき命令に対応する係数算出プログラムをＲＡＭ４３に展開した場合、図４に示すように、物質決定部５１、駆動制御部５２、反射率算出部５３、単位長濃度差取得部５４及び吸光係数算出部５５として機能する。

物質決定部５１は、予め設定され又は操作入力部４４から測定対象として指定される物質を、吸光係数を算出すべき物質として決定する。吸光係数を算出すべき物質として、この実施の形態では、３種のヘモグロビン（酸化ヘモグロビン，還元ヘモグロビン，糖化ヘモグロビン）が測定対象として指定され、メラニンが設定される。

駆動制御部５２は、照射部１０に対して５つのＬＥＤを所定の照射期間ごとに順次するよう駆動させ、受光部２０に対して該照射期間に受光される光をデータとして取得するよう駆動させる。

反射率算出部５３は、吸光係数を算出すべきとして決定した物質に対応付けられる色サンプル（以下、対象色サンプルとも呼ぶ）と、該色サンプルの基準となる色サンプル（以下、基準色サンプルとも呼ぶ）における反射率を算出する。

基準色サンプル及び対象色サンプルは、例えば図５に示すように、色と、物質の名称や番号等の識別子との対照表として用意される。対象色サンプルは、吸光係数を算出すべき物質の単位長濃度を、基準色サンプルに対して差をもたせたときに呈する色のサンプルとされる。

なお、以下では、酸化ヘモグロビンと基準色サンプルとの間の単位長濃度差に対応する対象色サンプルはＯｘｙＨｂ色サンプルと呼び、還元ヘモグロビンと基準色サンプルとの間の単位長濃度差に対応する対象色サンプルはＨｂ色サンプルと呼ぶ。また、糖化ヘモグロビンと基準色サンプルとの間の単位長濃度差に対応する対象色サンプルはＨｂＡ１ｃ色サンプルと呼び、メラニンと基準色サンプルとの間の単位長濃度差に対応する対象色サンプルはメラニン色サンプルと呼ぶ。

ここで、反射率の具体的な取得手法を一例として挙げる。第１段階として、反射率算出部５３は、基準色サンプル，ＯｘｙＨｂ色サンプル，Ｈｂ色サンプル，ＨｂＡ１ｃ色サンプル，メラニン色サンプルのうち取得対象とすべき色サンプルを決定する。

第２段階として、反射率算出部５３は、照射部１０の照射面ＩＦに対して取得対象の色サンプルを配すべきことを例えば表示部４６等を用いて通知し、受光部２０での受光結果の取得を開始する。

第３段階として、反射率算出部５３は、照射光量に対する受光量の比（色サンプルの反射率）を、ＬＥＤの照射期間を単位として算出する（図６（Ａ））。

このようにして基準色サンプル，ＯｘｙＨｂ色サンプル，Ｈｂ色サンプル，ＨｂＡ１ｃ色サンプル，メラニン色サンプルにおけるすべてのスペクトルが取得されるまで、第１段階から第３段階の処理が行われる。ちなみに図７では、便宜上、メラニン色サンプルの一部については略している。

単位長濃度取得部５４は、物質決定部５１で決定された物質に対応付けられる色サンプル（ＯｘｙＨｂ色サンプル，Ｈｂ色サンプル，ＨｂＡ１ｃ色サンプル，メラニン色サンプル）における基準色サンプルとの間の単位長濃度差を取得する。

基準色サンプルとの間の単位長濃度差は、（３）式の右辺における「ｃｌ」に相当する。当該単位長濃度差の具体的な取得手法には、例えば、操作入力部４４から、物質決定部５１で決定された物質に対応付けられる色サンプルにおける基準色サンプルとの間の単位長濃度差を入力させる手法がある。

別例として、物質と単位長濃度差の対照データベースを保持するサーバーにアクセスし、物質決定部５１で決定された物質に対応付けられる色サンプルにおける基準色サンプルとの間の単位長濃度差をダウンロードする手法がある。

また、記憶部４７に対して物質と単位長濃度差の対照データベースを記憶させ、該記憶部４７から、物質決定部５１で決定された物質に対応付けられる色サンプルにおける基準色サンプルとの間の単位長濃度差を読み出す手法がある。

ただし、基準色サンプルとの間の単位長濃度差の取得手法はこれら例示した手法に限定されるものではなく、該例示した手法以外の手法を幅広く採用することができる。

吸光係数算出部５５は、吸光係数を算出すべきとして決定した物質に対応付けられる全ての色サンプルの反射率が取得され、当該色サンプルにおける基準色サンプルとの間の単位長濃度差が取得された場合、これらを用いて吸光係数を算出する。

ここで、吸光係数の具体的な算出手法を一例として挙げる。第１段階として、吸光係数算出部５５は、５つの波長（照射部１０における５つのＬＥＤの中心波長）における反射率それぞれの逆数の対数を算出する（図６（Ｂ））。この反射率の逆数の対数は、（３）式の左辺における「ｌｏｇ（１／ｔ）」に相当する。

第２段階として、吸光係数算出部５５は、基準色サンプルにおける５つの波長に対する反射率の逆数の対数と、ＯｘｙＨｂ色サンプル、Ｈｂ色サンプル、ＨｂＡ１ｃ色サンプル及びメラニン色サンプルにおける５つの波長に対する反射率の逆数の対数との差を算出する（図６（Ｃ））。

第３段階として、吸光係数算出部５５は、当該差と、単位長濃度取得部５４で取得された基準色サンプルとの間の単位長濃度差とを（３）式に代入し演算する。この結果、図６（Ｄ）に示すように、物質決定部５１で決定された酸化ヘモグロビン，還元ヘモグロビン，糖化ヘモグロビン，メラニンの吸光係数が算出される。

吸光係数算出部５５は、酸化ヘモグロビン，還元ヘモグロビン，糖化ヘモグロビン，メラニンの吸光係数を算出した場合、これら吸光係数を記憶部４７に登録し記録する。

［１−４．濃度測定モード］
一方、ＣＰＵ４１は、操作入力部４４から濃度を測定すべき命令に対応する濃度測定プログラムをＲＡＭ４３に展開した場合、図７に示すように、駆動制御部５２、透過率取得部６１、吸光係数読出部６２、表皮透過特性分析部６３、濃度算出部６４及びグラフ提示部６５として機能する。

駆動制御部５２は、上述したように、照射部１０に対して５つのＬＥＤを所定の照射期間ごとに順次するよう駆動させ、受光部２０に対して該照射期間に受光される光をデータとして取得するよう駆動させる。

透過率取得部６１は、照射部１０の照射面ＩＦに配される人体表皮（基底層と人体表面との間の層）を透過する光（図２参照）の透過率を取得する。

ここで、透過率の具体的な取得手法を一例として挙げる。第１段階として、透過率取得部６１は、照射部１０の照射面ＩＦに対して生体部位を配すべきことを例えば表示部４６等を用いて通知し、受光部２０での受光結果の取得が開始される。照射面ＩＦに配すべき生体部位は、この実施の形態では指の指腹面とされる。

受光部２０には、照射部１０における各ＬＥＤに対応する表皮透過光が、当該ＬＥＤの照射期間ごとに入射する。

第２段階として、透過率取得部６１は、照射光量に対する受光量の比（表皮透過光率）を、ＬＥＤの照射期間を単位として算出する（図８（Ａ））。

吸光係数読出部６２は、吸光係数算出モードにより登録されたメラニン，還元ヘモグロビン，酸化ヘモグロビン，糖化ヘモグロビンの吸光係数を記憶部４７から読み出す（図８（Ｂ）〜（Ｅ））。

表皮透過特性分析部６３は、透過光率算出部６１によって取得された表皮透過光率と、吸光係数読出部６２によって読み出された吸光係数とを用いて、吸光係数算出モードにおいて吸光係数が算出された物質の単位長濃度と、基底層と真皮層との界面での反射率とを算出する。

人体表皮では、測定対象として指定される３種のヘモグロビンの単位長濃度よりも大きい単位長濃度となるメラニンが介在する。また人体表皮では、照射部１０から照射される可視光は基底層と真皮層との界面に至るまでに反射してしまうものである。具体的には、図２に示したように、人体表面での反射や、人体表皮での乱反射がある。このため、表皮透過光（基底層と真皮層との界面を正反射して人体表皮を透過する光）には、基底層と真皮層との界面での反射率（以下、これを人体内界面反射率とも呼ぶ）が大きく関与する。

したがって、表皮透過特性分析部６３では、測定対象として指定される３種のヘモグロビンの単位長濃度のほかに、該ヘモグロビンの単位長濃度よりも大きいメラニンの単位長濃度と、基底層と真皮層との界面での反射率とが算出対象とされる。

具体的には、人体表皮の吸光度をＬｏｇＳとし、メラニンの単位長吸光係数をＭｎとし、還元ヘモグロビンの単位長吸光係数をＨｂとし、酸化ヘモグロビンの単位長吸光係数をＨｂＯ２とし、糖化ヘモグロビンの単位長吸光係数をＨｂＡ１ｃとし、人体内界面反射率をＤとすると、（３）式は、次式

Ｍｎ・ε１＋Ｈｂ・ε２＋ＨｂＯ２・ε３＋ＨｂＡ１ｃ・ε４＋Ｄ
＝−ＬｏｇＳ……（４）

となる。

したがって、表皮透過特性分析部６３は、（４）式に対して、透過光率算出部６１によって取得された表皮透過光率と、吸光係数読出部６２によって読み出された吸光係数とを波長ごとに代入し、図８（Ｆ）に示すように、５元連立方程式を生成する。

そして表皮透過特性分析部６３は、この５元連立方程式を解くことで、吸光係数算出モードにおいて吸光係数が算出された物質の単位長濃度と、基底層と真皮層との界面での反射率とを算出するようになっている。

ちなみに図８（Ｆ）に示す５元連立方程式では、メラニンの単位長吸光係数Ｍｎは１．４７Ｅ−５[ｍｏｌ／Ｌ・ｃｍ]、還元ヘモグロビンの単位長吸光係数Ｈｂは１．４７Ｅ−５[ｍｏｌ／Ｌ・ｃｍ]となる。また、酸化ヘモグロビンの単位長吸光係数ＨｂＯ２は２．５２Ｅ−５[ｍｏｌ／Ｌ・ｃｍ]、糖化ヘモグロビンの単位長吸光係数ＨｂＡ１ｃは０．１８Ｅ−５[ｍｏｌ／Ｌ・ｃｍ]、人体内界面反射率Ｄは０．３となる。

濃度算出部６４は、表皮透過特性分析部６３によって算出される物質の単位長濃度を用いて、吸光係数算出モードにおいて算出対象として決定される物質（メラニン，酸化ヘモグロビン，還元ヘモグロビン，糖化ヘモグロビン）の濃度を算出する。

具体的には、メラニンの単位長濃度と、例えば人体における基底層と人体表面との距離の中間の平均とを用いて、当該メラニンの濃度が算出される。

一方、３種のヘモグロビンの単位長濃度と、例えば人体における基底層と人体表面との間の距離の平均とを用いて、当該ヘモグロビンの濃度が算出される。ちなみに、人体表皮ではヘモグロビンを包含する毛細血管が基底層の近傍にあり、該基底層は人体表面からおおよそ一定である。

濃度算出部６４は、メラニン，酸化ヘモグロビン，還元ヘモグロビン，糖化ヘモグロビンの濃度をそれぞれ算出した場合、これら濃度を、算出した時点の日時と対応付けて記憶部４７に記憶する。

グラフ提示部６５は、濃度算出部６４によって濃度が算出された場合、又は操作入力部４４から濃度を提示すべき命令があった場合、記憶部４７に記憶される濃度と、該濃度に対応付けられる日付とを用いて例えば図９（Ａ）〜（Ｄ）に示す表示画面を表示部４６に表示する。

この表示画面には、縦軸を画面中央において濃度とし横軸を日時とするグラフ（以下、これを濃度推移グラフと呼ぶ）ＰＧＦが種別ごとに表示され、当該濃度推移グラフＰＧＦには、正常とすべき範囲の上限と下限とが示されるとともに、濃度の動向がプロットされる。

また、濃度における全体の動向状態に対するコメントＣＭが濃度推移グラフＰＧＦの直上に付され、該濃度の動向を示すプロットが正常とすべき範囲を上回っている又は下回っている場合には、そのプロット位置に対して異常であることを示す警告マークＷＭが付される。

このようにグラフ提示部６５は、生体表皮における複数の物質に対する濃度の動向を対応する正常範囲と併せて濃度推移グラフＰＧＦとして表示し、かつ正常範囲外のプロット位置に警告マークＷＭを付すとともに、全体の動向状態をコメントＣＭとして付す。

従って、ユーザは、濃度推移グラフＰＧＦ、警告マークＷＭ及びコメントＣＭから自身の生体表皮に含まれる物質濃度の変化、良悪、測定頻度等を一見して直感的に把握することができる。

［１−５．測定精度向上対策］
この実施の形態では、測定物質である３種のヘモグロビン（糖化ヘモグロビン，酸化ヘモグロビン，還元ヘモグロビン）に対する単位長濃度を正確に得るための対策が、照射部１０におけるＬＥＤに対して講じられている。

具体的には、糖化ヘモグロビンとその他のヘモグロビンとの吸光係数の差異を顕著に示す波長（５８０[ｎｍ]又はその近傍の数波長）を中心波長とするＬＥＤに対する、該中心波長における強度の半値となる波長間の直線距離（以下、これを波長幅とも呼ぶ）Ｗ（図１０）が、他のＬＥＤに比べて狭く設定される。

より具体的には、５８０[ｎｍ]を中心波長とするＬＥＤに対する波長幅Ｗが１０[ｎｍ]以下とされ、他のＬＥＤに対する波長幅Ｗが２０−４０[ｎｍ]とされる。

ところで、人体の基底層と真皮層との界面から人体表面を透過する可視光（表皮透過光）の吸収スペクトルは、図１１に示すように、他の波長域に比べて急峻に変化する波長域ＡＲとなり、該波長域には、糖化ヘモグロビンとその他のヘモグロビンとの吸光係数の差異を顕著に示す波長（５８０[ｎｍ]又はその近傍の数波長）が含まれる。

したがって、中心波長をピークとする波長幅が広い光がＬＥＤから照射されると、該光には糖化ヘモグロビン以外の物質の吸収特性も反映され、この結果、測定部３０での測定誤差が生じる。

しかも、糖化ヘモグロビンは、酸化ヘモグロビン又は還元ヘモグロビンに比べて血中における含有量が少ないことが知られている。具体的には、ヘモグロビンのおおむね４〜５[％]である。よって、測定部３０での糖化ヘモグロビンに対する測定誤差は他の物質に比べて大きくなる。

ここで、実験結果として、ＬＥＤから照射される光の波長幅に応じた測定値の誤差を下記に示す。

これら表から明らかなように、５８０[ｎｍ]を中心波長とするＬＥＤにおける波長幅が１０[ｎｍ]から２０[ｎｍ]に広がると、糖化ヘモグロビンの単位長濃度のみならず、酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンの単位長濃度までもが大幅に変動する。殊に、血中における糖化ヘモグロビンの含有量が酸化ヘモグロビン又は還元ヘモグロビンに比べて少ないこともあり、該糖化ヘモグロビンの単位長濃度は、１０[ｎｍ]から２０[ｎｍ]に広がると測定不能となる。

これに対し、５８０[ｎｍ]以外の波長（５００[ｎｍ]，５４０[ｎｍ]，６２０[ｎｍ]，６６０[ｎｍ]）を中心波長とするＬＥＤにおける波長幅が１０[ｎｍ]から２０[ｎｍ]に広がっても、各種ヘモグロビンの単位長濃度の変動幅は比較的小さくおおむね同等となる。

このように、糖化ヘモグロビンの吸収特性を示す波長を中心波長とするＬＥＤにおける波長幅Ｗを、他のＬＥＤに比べて狭く設定することで、３種のヘモグロビン（糖化ヘモグロビン，酸化ヘモグロビン，還元ヘモグロビン）の単位長濃度が正確に測定可能となる。

［１−６．効果等］
以上の構成において、濃度測定装置１は、５つのＬＥＤから、互いに異なる中心波長となる光を順次照射する。そして濃度測定装置１は、これら光の表皮透過率をそれぞれ算出し（図８（Ａ））、該表皮透過率を用いて、複数の物質の単位長濃度を算出する（図８（Ｆ））。

この濃度測定装置１では、５つのＬＥＤが用いられるため、人体内を通過する光の吸収スペクトルを離散的にとった透過率が得られる。したがって濃度測定装置１は、単に、測定物質が吸収ピークを示す波長の光の透過率を得る場合に比べて、複数の物質の単位長濃度を正確に算出することができる。

５つのＬＥＤのなかで基準となるＬＥＤの中心波長は、図１１に示したように、可視光の吸収スペクトルにおいて他の波長域に比べて急峻に変化する波長域ＡＲに含まれる。またこの中心波長における強度の半値となる波長間の直線距離は、図１０に示したように、他のＬＥＤに比べて狭く設定される。

したがって濃度測定装置１は、表１及び表２からも分かるように、人体表皮におけるヘモグロビンの分解能を高めることができ、この結果、測定物質の単位長濃度をより正確に算出することができる。

なお、この実施の形態における単位長濃度の算出対象の１つとして糖化ヘモグロビンが採用される。図１１に示した波長域ＡＲでの変化には糖化ヘモグロビンの吸収特性が関与し、その他のヘモグロビンとの吸光係数の差異を顕著に示す波長が５８０[ｎｍ] 又はその近傍の数波長であることが、本発明者らにより確認されている。

この５８０[ｎｍ]を中心波長とするＬＥＤが基準のＬＥＤとされるため、酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンに比べて血中における含有量がおおむね４〜５[％]となる糖化ヘモグロビンを鋭敏に捉えることができる。

ところで、濃度測定装置１は、測定物質の単位長濃度と、人体表皮において測定対象の含有量程度以上となる物質の単位長濃度と、可視光が人体内において正反射する界面とを解として連立方程式を生成し、測定物質の単位長濃度を算出するようになっている。

具体的には、ユーザの表皮透過光のスペクトルと、３種のヘモグロビン及びそれらヘモグロビンの単位長濃度と同程度以上となるメラニンのモル吸光係数とを用いて、解とすべき数に対応する波長ごとに、ランベルト・ベールの法則に適合する（図９（Ｇ））。

測定対象として指定される３種のヘモグロビンの単位長濃度を解として連立方程式が生成するのではなく、当該測定対象に他の要素も加えた連立方程式が生成される。具体的には、測定対象の単位長濃度のみならず、人体表皮での測定対象の含有量程度以上となるメラニンの単位長濃度と、人体表皮を透過する光として大きく関与する人体内界面反射率（基底層と真皮層との界面での反射率）とが算出対象とされる。

したがって測定部３０は、人体表皮での測定対象の単位長濃度をより一段と正確に算出することができる。

糖化ヘモグロビンは、上述したように、一般に酸化ヘモグロビン又は還元ヘモグロビンに比べて血中における含有量が少ない。具体的には、ヘモグロビンのおおむね４〜５[％]である。

図１１に示したように、可視光の吸収スペクトルにおいて他の波長域に比べて急峻に変化する波長域ＡＲが存在するが、この変化には主に糖化ヘモグロビンの吸収特性が関与し、その中心波長は５８０[ｎｍ]となる。

したがって、測定対象に他の要素も加えて連立方程式を生成しても、５８０[ｎｍ]を基準とする吸収スペクトルに反映される波長から離れるほど、算出すべき糖化ヘモグロビンの単位長濃度の正確性が低減することになる。

しかしながらこの実施の形態では、着目すべき波長（連立方程式に適合すべき各値の波長）は、５８０[ｎｍ]を基準としてその前後の波長が選択されるため、糖化ヘモグロビンの吸収特性を最も鋭敏に捉えることができ、この結果、単位長濃度を正確に算出できる。

またこの測定部３０は、測定物質と、人体表皮での測定対象の含有量程度以上となる物質に対応する色サンプルでの反射率から、連立方程式で用いるべき測定物質及びその含有量程度以上となる物質のモル吸光係数を算出する。

したがってこの測定部３０は、人体表皮中の単位長濃度が算出可能となる測定物質と、その含有量程度以上となる物質との種類を、色サンプルから簡易に増やすことができる。

＜２．他の実施の形態＞
上述の実施の形態では５つのＬＥＤが採用された。しかしながらＬＥＤの数は５つに限定されるものではない。互いに異なる中心波長となる光を照射する２以上のＬＥＤであればいくつでもよい。

上述の実施の形態では、入射光量に対する、人体内の界面で反射し人体表面から出射する光量の比が算出対象された。しかしながら、入射光量に対する、入射面に正対する面から出射する光量の比が算出対象とされてもよい。つまり、人体内を反射する光を用いて人体表皮透過率を算出する形態に代えて、人体を透過する光を用いて人体表皮透過率を算出する形態が採用されてもよいということである。ただし、この形態が採用される場合、（４）式における人体内界面反射率Ｄは省略される。

上述の実施の形態では、基準とすべき発光ダイオードの中心波長が５８０[ｎｍ]とされた。しかしながらこの波長に限定されるものではない。例えば、入射面又は人体内界面と、出射面との間において糖化ヘモグロビンよりも含有量が少ない物質（例えばビリルビン）等を測定物質の１つとする場合、該ビリルビンとその他ヘモグロビンとの吸光係数の差異を顕著に示す波長となり、他の測定物質の吸収ピークも現れる波長とすることができる。

要は、透過率の変動幅が他の発光ダイオードに比べて大きく現れる波長を中心波長とするＬＥＤが基準とすべきＬＥＤとされればよい。

上述の実施の形態では、測定すべきとして指定される測定物質が３種のヘモグロビン（酸化ヘモグロビン，還元ヘモグロビン，糖化ヘモグロビン）とされた。しかしながら測定物質の種類はヘモグロビンに限定されるものではない。例えばコラーゲンやビリルビン等のように、人体内の様々な成分を測定物質とすることができる。

ちなみに、３種のヘモグロビンのすべてを測定物質とすることが必須の条件となるものではない。例えば、糖化ヘモグロビンのみを測定対象とした場合、該糖化ヘモグロビンの人体表皮での含有量程度以上となる物質として、酸化ヘモグロビン，還元ヘモグロビン，メラニンが設定される。別例として、還元ヘモグロビン，糖化ヘモグロビンを測定対象とした場合、該糖化ヘモグロビンの人体表皮での含有量程度以上となる物質として、酸化ヘモグロビン，メラニンが設定される。

要は、ＬＥＤから照射される光の人体内での光路において、測定対象として指定される物質での含有量程度以上となる物質を加えるようにすれば、人体内の様々な成分を測定物質とすることができる。

なお、測定対象として指定される物質での含有量程度以上となる物質は、上述の実施の形態では予め設定された。しかしながら、測定対象として指定される測定物質の種類に応じて、当該層での測定物質の含有量程度以上となる物質の数と、種類と、着目すべき波長の全部又は一部を決定するようにしてもよい。

例えば、ＬＥＤから照射される光の波長と、該波長の光が人体内で正反射する界面と人体表面との層と、該層での物質の含有量と、該層での物質の吸収特性とをデータベースとして記憶部４７に保持しておく。このようにすれば、測定対象として指定される測定物質の種類に応じて、当該層での測定物質の含有量程度以上となる物質の数と種類と着目すべき波長の全部又は一部を決定することができる。したがって、測定対象として指定される物質での含有量程度以上となる物質が確実に選択されることになる結果、該対象として指定される物質の単位長濃度の測定精度を向上することができる。

上述の実施の形態では、照射部１０が照射する光の波長域が可視光域とされた。しかしながら照射すべき光の波長域は可視光域に限定されるものではない。近赤外光域（７８０[ｎｍ]〜３[μｍ]）が適用されてもよい。

近赤外光域を適用した場合、当該近赤外光は主に人体表皮を透過し、真皮と脂肪層との界面で反射して人体表面から出射する。また近赤外光は、真皮に介在する血管に含まれるヘモグロビンに特に吸収される性質を有する。したがって、ヘモグロビンの単位長濃度をより一段と正確に取得可能となる。

なお、（４）式における人体内界面反射率Ｄは、既に述べたように真皮と脂肪層との界面での反射率となる。また真皮には、コラーゲンが多く含まれ、パッチニ小体等の受容体や脂肪細胞の細胞成分が含まれるので、当該コラーゲン又は脂肪の吸光係数及び単位長濃度も含めて算出することも可能である。

上述の実施の形態では、単位長濃度から濃度が算出され、該濃度の動向が必要に応じて提示されたが、濃度を算出することが必須の条件となるものではない。すなわち、単位長濃度自体を記憶部４７に記憶し、該単位長濃度の動向を提示するようにしてもよい。

上述の実施の形態では、吸光係数算出モードと、濃度測定モードとを実行する濃度測定装置１が適用された。しかしながら、吸光係数算出モードだけを実行する濃度測定装置と、濃度測定モードだけを実行する濃度測定装置とを、ローカルエリアネットワークやインターネット等の有線又は無線の通信媒体を通じて接続可能とするシステムが適用されてもよい。

本発明は、遺伝子実験、医薬の創製又は患者の経過観察などのバイオ産業上において利用することができる。

１……濃度測定装置、１０……照射部、２０……受光部、３０……測定部、４１……ＣＰＵ、４２……ＲＯＭ、４３……ＲＡＭ、４４……操作入力部、４５……インターフェイス部、４６……表示部、４７……記憶部、５１……物質決定部、５２……駆動制御部、５３……反射率算出部、５４……単位長濃度差取得部、５５……吸光係数算出部、６１……透過率取得部、６２……吸光係数読出部、６３……表皮透過特性分析部、６４……濃度算出部、６５……グラフ提示部。

Claims (7)

1. 測定すべき物質である測定物質の種類数Ｎ（ただしＮは１以上の自然数）以上の互いに異なる中心波長となる光を、該中心波長ごとに順次照射する複数の発光ダイオードと、
   上記発光ダイオードから照射され人体を透過する光の透過率を上記中心波長ごとに算出する透過率算出手段と、
   上記測定物質それぞれの単位光路長あたりの濃度である単位長濃度をそれぞれ変数とし、上記測定物質それぞれの上記単位長濃度に該測定物質の吸光係数を乗じた値の和により上記透過率を表した方程式を上記中心波長ごとに生成して、生成した複数の方程式を多元連立方程式として解くことにより上記測定物質それぞれの単位長濃度を算出する濃度算出手段と
   を有し、
   上記発光ダイオードのうち基準とすべき基準発光ダイオードは、他の発光ダイオードに比べて、上記測定物質のうち特定の特定測定物質についての波長に対する透過率の変動幅が大きく現れる波長を中心波長とし、
   該中心波長における強度の半値となる波長間の直線距離が、上記他の発光ダイオードに比べて狭く設定される
   濃度測定装置。
2. 上記濃度算出手段は、上記測定物質それぞれの単位濃度長を変数とすることに加えて、人体内での基底層と真皮層との界面での反射率を定数とし、
   上記方程式は、上記測定物質それぞれの上記単位長濃度に該測定物質の吸光係数を乗じた値の和に上記定数を加算して上記透過率を表し、
   上記中心波長の数は、Ｎ＋１以上である
   請求項１に記載の濃度測定装置。
3. 上記測定物質の１は、人体表皮に介在するメラニンである
   請求項１に記載の濃度測定装置。
4. 上記基準発光ダイオードの中心波長は、
   上記人体表面に対して斜めから入射する光が人体内において正反射する界面と、人体表面との間の層における吸収スペクトルのうち、他の波長域に比べて変動幅が大きい波長域に含まれる
   請求項１に記載の濃度測定装置。
5. 上記吸収スペクトルは、可視光域の吸収スペクトルである
   請求項４に記載の濃度測定装置。
6. 上記基準発光ダイオードが照射する光の中心波長は、糖化ヘモグロビンが、酸化ヘモグロビン及び還元ヘモグロビンの吸光係数との差異を示す幅が他の波長に比べて大きい波長である
   請求項４に記載の濃度測定装置。
7. 上記基準発光ダイオードが照射する光の中心波長は、５８０[ｎｍ]又はその近傍の波長である
   請求項４に記載の濃度測定装置。