JP7729075B2 - Measuring equipment - Google Patents
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Description
本発明は、生体指標の測定装置に関する。 The present invention relates to a device for measuring biological indicators.
近年、世界中で糖尿病患者が増加しており、採血を伴わない非侵襲的な血糖値計測が望まれている。光を用いてセンシングする方法としては、近赤外を用いたもの、中赤外を用いたもの、ラマン分光を用いたものなど、様々な方式が提案されている。このうち、中赤外領域はグルコースの吸収が大きい指紋領域であり、近赤外領域よりも測定の感度を高めることができる。血糖値以外にも、ヘモグロビン濃度、血中脂質、血中タンパク質、血中腫瘍DNA等の生体指標が、中赤外領域で非侵襲に測定され得る。 In recent years, the number of diabetes patients has been increasing worldwide, creating a demand for non-invasive blood glucose measurement that does not require blood sampling. Various optical sensing methods have been proposed, including those using near-infrared, mid-infrared, and Raman spectroscopy. Of these, the mid-infrared region is a fingerprint region where glucose absorption is high, allowing for greater measurement sensitivity than the near-infrared region. In addition to blood glucose levels, biomarkers such as hemoglobin concentration, blood lipids, blood proteins, and blood tumor DNA can also be measured non-invasively in the mid-infrared region.
中赤外領域でグルコース濃度測定を精度良く行うために、グルコースの吸光ピークの波数1035cm-1、1080cm-1、及び1110cm-1を用いる方法が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。 In order to measure glucose concentrations accurately in the mid-infrared region, a method has been proposed that uses the wave numbers of the glucose absorption peaks of 1035 cm −1 , 1080 cm −1 , and 1110 cm −1 (see, for example, Patent Document 1).
中赤外光を用いた一般的な生体指標の計測は、食前から食後にかけての消化吸収や代謝の個人差、測定環境の相違などの影響を受け、正確かつ安定した測定が困難である。 General biometric measurements using mid-infrared light are affected by individual differences in digestion, absorption, and metabolism from before to after a meal, as well as differences in the measurement environment, making it difficult to achieve accurate and stable measurements.
本発明は、測定の安定性と正確性を向上した、非侵襲の生体指標の測定装置を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a non-invasive biomarker measurement device with improved measurement stability and accuracy.
一つの態様では、測定装置は、
中赤外領域の光源と、
前記光源から出力され測定対象物で反射された光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力に基づいて前記測定対象物の生体指標を決定する情報処理装置と、
を備え、
前記光源は、970cm-1以上、1010cm-1以下の波数から選択される第1波長の光と、950cm-1以上、990cm-1以下の波数から選択される前記第1波長と異なる第2波長の光を出射し、
前記情報処理装置は、前記第1波長の光の第1吸光度と、前記第2波長の光の第2吸光度から、前記測定対象物の生体指標を決定する。
In one aspect, the measurement device comprises:
a light source in the mid-infrared region;
a photodetector that detects light output from the light source and reflected by the object to be measured;
an information processing device that determines a biological index of the measurement object based on the output of the photodetector;
Equipped with
the light source emits light having a first wavelength selected from a wave number of 970 cm −1 or more and 1010 cm −1 or less, and light having a second wavelength different from the first wavelength selected from a wave number of 950 cm −1 or more and 990 cm −1 or less;
The information processing device determines a biomarker of the measurement object from a first absorbance of the light of the first wavelength and a second absorbance of the light of the second wavelength.
測定の安定性と正確性の向上した生体指標の非侵襲測定が実現される。 Non-invasive measurement of biomarkers with improved measurement stability and accuracy is achieved.
実施形態では、特定の波数範囲に含まれる少なくとも2つの波長を用いて、血糖値等の生体指標を測定する。赤外分光の分野では、一般的に「波数」が用いられるが、波数kは単位長あたりに含まれる波の数(1/λ)で表されるので、以下の説明では「波数」と「波長」はほぼ同義で用いられるものとする。 In this embodiment, biomarkers such as blood glucose levels are measured using at least two wavelengths within a specific wavenumber range. In the field of infrared spectroscopy, the term "wavenumber" is generally used, but since wavenumber k is expressed as the number of waves contained per unit length (1/λ), in the following explanation, "wavenumber" and "wavelength" will be used synonymously.
2以上の波長のうちの少なくとも1波長は、測定光学系により得られた測定データの正規化に用いられてもよい。正規化の波長を用いることにより、常に変動する測定状態、たとえば、測定光学素子と被測定体の測定部位との接触状態のばらつきなどを補正することができる。 At least one of the two or more wavelengths may be used to normalize the measurement data obtained by the measurement optical system. By using the normalization wavelength, it is possible to correct constantly changing measurement conditions, such as variations in the contact state between the measurement optical element and the measurement site on the object being measured.
個体差にかかわらず安定した測定結果が得られるように、2以上の波長が選択される適切な範囲を特定する。具体的には、幅広い範囲の被験者、異なる食事内容、異なる測定時間にわたって中赤外域での測定データを収取し、収集したデータと、食前から食後にかけての典型的な生体指標の推移との相関から、適切な波長範囲を求める。 An appropriate range for selecting two or more wavelengths is identified to ensure stable measurement results regardless of individual differences. Specifically, measurement data in the mid-infrared range is collected from a wide range of subjects, with different meal contents and at different measurement times, and the appropriate wavelength range is determined based on the correlation between the collected data and the changes in typical biomarkers from before to after a meal.
典型的な生体指標の推移とは、たとえば血糖値の場合、食前は血糖値が低く、食後40分で血糖値がピークになり、その後180分で食前に戻る、という一連の変化である。収集したデータと典型的な推移との相関が高くなる波長域から、測定に用いる2以上の波長を選択する。これにより、個体差にかかわらず、安定かつ正確に生体指標を非侵襲で測定することができる。 A typical transition in a biomarker, for example, blood glucose levels, is a series of changes in which blood glucose levels are low before a meal, peak 40 minutes after a meal, and then return to pre-meal levels 180 minutes later. Two or more wavelengths are selected for measurement from wavelength ranges that show a high correlation between the collected data and this typical transition. This allows for stable, accurate, non-invasive measurement of biomarkers, regardless of individual differences.
<装置構成>
図1は、実施形態の測定装置1の概略図である。測定装置1は、測定光学系10と、情報処理装置30を含む。図1では、測定光学系10と情報処理装置30の間に、データを収録するデータロガー25が配置されているが、測定光学系10で得られた測定結果を直接、情報処理装置30に入力してもよい。
<Device configuration>
Fig. 1 is a schematic diagram of a measurement device 1 according to an embodiment. The measurement device 1 includes a measurement optical system 10 and an information processing device 30. In Fig. 1, a data logger 25 for recording data is disposed between the measurement optical system 10 and the information processing device 30, but the measurement results obtained by the measurement optical system 10 may also be input directly to the information processing device 30.
測定光学系10は、光源装置11、切替器12、測定光学素子17、及び光検出器18を有する。光路の設計・配置によっては、光源装置11と測定光学素子17の間に、合分波器13、14等の光学素子を挿入してもよい。合分波器13、14として、ダイクロイックプリズム、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタ/コンバイナ等を用いてもよい。測定光学素子17の入射側と出射側の少なくとも一方に、導光部材15または16を接続してもよい。導光部材15,16としては、光ファイバ、光学ミラー等を用いることができる。測定光学系10の内部の破線は、各光源から導光部材15までの光パスを示す。 The measurement optical system 10 includes a light source device 11, a switch 12, a measurement optical element 17, and a photodetector 18. Depending on the design and arrangement of the optical path, optical elements such as multiplexers/demultiplexers 13 and 14 may be inserted between the light source device 11 and the measurement optical element 17. The multiplexers/demultiplexers 13 and 14 may be dichroic prisms, half mirrors, polarized beam splitters/combiners, etc. A light-guiding member 15 or 16 may be connected to at least one of the input and output sides of the measurement optical element 17. Optical fibers, optical mirrors, etc. may be used as the light-guiding members 15 and 16. The dashed lines within the measurement optical system 10 indicate the optical paths from each light source to the light-guiding member 15.
光源装置11は、特定の波数範囲から選択された、少なくとも2つの波長の光を出力する。特定の波数範囲は、固体差や測定状態の相違にかかわらず、生体指標が安定して測定されるように、あらかじめ決定されている。波数範囲の決定の詳細については後述する。 The light source device 11 outputs light of at least two wavelengths selected from a specific wavenumber range. The specific wavenumber range is determined in advance so that biomarkers can be measured stably regardless of individual differences or differences in measurement conditions. Details on determining the wavenumber range will be described later.
図1の例では、それぞれ異なる波長の光を出力する3つの光源111、112、113を用いているが、この例に限定されない。光源装置11として、単一の波長可変光源や、広い波長域にわたる光を出射する光源を用いてもよい。広波長域の光源として、ランプ光源、発光ダイオード(light emitting diode:LED)、スーパールミネセントダイオード(super luminescent diode:SLD)等を用いることができる。また、広波長域の赤外ランプと波長フィルタの組み合わせや、広波長域の赤外ランプと、FTIR(Fourier transform infrared spectrometer:フーリエ変換赤外分光光度計)などの分光器との組み合わせを用いても、同じように測定が可能である。 In the example shown in Figure 1, three light sources 111, 112, and 113 are used, each outputting light of a different wavelength, but this example is not limiting. A single tunable light source or a light source that emits light over a wide wavelength range may also be used as the light source device 11. Examples of wide wavelength range light sources that can be used include lamp light sources, light emitting diodes (LEDs), and super luminescent diodes (SLDs). Similar measurements can also be made using a combination of a wide wavelength range infrared lamp and a wavelength filter, or a combination of a wide wavelength range infrared lamp and a spectrometer such as an FTIR (Fourier transform infrared spectrophotometer).
広波長域の光源を用いる場合、必要に応じて、所望の波長を取り出す波長フィルタを光源装置11の出射側に設けてもよい。あるいは、光検出器18に複数の受光素子を用い、各受光素子の入射側に波長フィルタを配置してもよい。測定に用いる波長の数は、3波長に限定されず、2波長であってもよいし、4つ以上の波長を用いてもよい。個別の光源111、112、113を用いる場合に、各光源の出力光の一部をモニタして出力変動を補正してもよい。 When using a light source with a wide wavelength range, a wavelength filter that extracts the desired wavelength may be provided on the output side of the light source device 11 as needed. Alternatively, multiple light-receiving elements may be used in the photodetector 18, with a wavelength filter placed on the input side of each light-receiving element. The number of wavelengths used for measurement is not limited to three, and may be two, four, or more. When using individual light sources 111, 112, and 113, a portion of the output light from each light source may be monitored to correct for output fluctuations.
切替器12は、測定光学素子17に入射する光の波長を切り替える。図1の例では、光源111、112、113の出射側に、切替素子121、122、123がそれぞれ設けられているが、この例に限定されず、各光源のオン・オフ制御であってもよい。1つの波長可変光源の光源を用いる場合は、光源波長の選択器であってもよい。 The switch 12 switches the wavelength of the light incident on the measurement optical element 17. In the example of Figure 1, switching elements 121, 122, and 123 are provided on the output side of light sources 111, 112, and 113, respectively, but this is not limited to this example and may also control the on/off of each light source. If a single wavelength-tunable light source is used, the switch 12 may also be a selector for the light source wavelength.
測定部位に照射する光の波長が変えられる限り、切替器12の具体的な構成に制限はない。光源111、112,113から出射される光を選択的に遮断するシャッターを用いてもよいし、各光源111、112,113のオン・オフを切り替えるスイッチであってもよい。 There are no restrictions on the specific configuration of the switch 12, as long as it can change the wavelength of the light irradiated onto the measurement site. It may be a shutter that selectively blocks the light emitted from the light sources 111, 112, and 113, or a switch that turns each of the light sources 111, 112, and 113 on and off.
切替器12によって選択された波長の光は、必要に応じて合分波器13、14、または導光部材15を介して、測定光学素子17に導かれる。測定光学素子17は、被測定体との接触面171を有する。測定時に、測定光学素子17の接触面171は被測定体に押し当てられ、測定部位からの戻り光、すなわち測定部位で光吸収を受けた光をピックアップする。 Light of the wavelength selected by the switch 12 is guided to the measurement optical element 17 via the multiplexer/demultiplexer 13, 14 or light-guiding member 15 as necessary. The measurement optical element 17 has a contact surface 171 that comes into contact with the object being measured. During measurement, the contact surface 171 of the measurement optical element 17 is pressed against the object being measured, and picks up the return light from the measurement site, i.e., the light that has been optically absorbed at the measurement site.
測定光学素子17に入射した光は、測定部位と接触面171との界面で、被測定媒質の光吸収スペクトルに相当する減衰を受ける。測定光学素子17から出る減衰光は、被測定媒質の内部の情報を含んでいる。中赤外域の光を用いた非侵襲測定の場合、測定光学素子17としてATR(Attenuated Total Reflection:減衰全反射)プリズムを用いることができる。ATRプリズムは、グルコースやグリコーゲンの光吸収が観測される中赤外領域の分光に適している。 Light incident on the measurement optical element 17 is attenuated at the interface between the measurement site and the contact surface 171 by an amount corresponding to the optical absorption spectrum of the medium being measured. The attenuated light emerging from the measurement optical element 17 contains information about the interior of the medium being measured. For non-invasive measurements using light in the mid-infrared region, an ATR (Attenuated Total Reflection) prism can be used as the measurement optical element 17. An ATR prism is suitable for spectroscopy in the mid-infrared region, where the optical absorption of glucose and glycogen is observed.
ATR法は、高屈折率のATRプリズムに赤外光を入射し、プリズムと被測定媒質との界面で全反射が起きる際に現れる界の「しみ出し」を利用した測定方法である。ATRプリズムを被測定体に押し当てて測定を行うと、しみ出した界(エバネッセント場)が被測定体に吸収される。 The ATR method is a measurement method in which infrared light is incident on a high-refractive index ATR prism and utilizes the "evanescent field" that appears when total reflection occurs at the interface between the prism and the medium being measured. When the ATR prism is pressed against the object being measured and measurement is performed, the evanescent field that has been extruded is absorbed by the object being measured.
赤外光の場合、ATRプリズムから測定部位へ光がしみ出す深さはわずか数ミクロン程度であり、深さ数百ミクロン程度に存在する毛細血管まで光は到達しない。しかし、皮膚や粘膜細胞中には、血管中の血漿などの成分が組織液(間質液)としてにじみ出ていることが知られている。その組織液中に存在するグルコース等の成分を光吸収スペクトル強度または吸光度として検知することで、生体指標の測定が可能となる。 In the case of infrared light, the light penetrates from the ATR prism to the measurement site to a depth of only a few microns, and does not reach the capillaries that are located at a depth of several hundred microns. However, it is known that components such as plasma in blood vessels seep into skin and mucosal cells as tissue fluid (interstitial fluid). By detecting components such as glucose present in this tissue fluid as optical absorption spectrum intensity or absorbance, it is possible to measure biomarkers.
界のしみ出しを利用した光吸収スペクトル強度を測定するには、表皮が存在しない口腔粘膜や、表皮が薄い耳たぶや唇などを測定部位とするのが望ましい。 To measure the optical absorption spectrum intensity using the seepage of magnetic fields, it is desirable to use measurement sites such as the oral mucosa, which has no epidermis, or the earlobes or lips, which have thin epidermis.
測定光学素子17を出た光は、生体情報を含む光信号として、光検出器18で検出される。導光部材16を用いる場合は、測定光学素子17からの光信号は、導光部材16を介して光検出器18で受光されてもよい。光検出器18は、受光した光信号を電気信号に変換してデータロガー25に出力する。データロガー25に収録された情報は、情報処理装置30に供給され、データ処理を受けて、目的とする生体指標が推定される。データロガー25の機能を情報処理装置30に組み入れてもよいことは上述したとおりである。 Light emitted from the measurement optical element 17 is detected by the photodetector 18 as an optical signal containing biological information. When a light-guiding member 16 is used, the optical signal from the measurement optical element 17 may be received by the photodetector 18 via the light-guiding member 16. The photodetector 18 converts the received optical signal into an electrical signal and outputs it to the data logger 25. The information recorded in the data logger 25 is supplied to the information processing device 30, where it is processed to estimate the desired biological indicator. As mentioned above, the functionality of the data logger 25 may be incorporated into the information processing device 30.
図1のように単一の光検出器18の出力を用いる場合、切替素子121~123の切り替えタイミングと同期して光検出器18からの信号を処理することで、一つの光検出器18で複数の異なる波長における吸光度を適切に計測することができる。 When using the output of a single photodetector 18 as shown in Figure 1, the signal from the photodetector 18 can be processed in synchronization with the switching timing of the switching elements 121-123, allowing the single photodetector 18 to appropriately measure absorbance at multiple different wavelengths.
情報処理装置30は、機能ブロックとして、データ処理部31、生体指標推定部32、切替制御部33、及びタイミング制御部34を有する。データ処理部31は、光検出器18で検出された各波長の光強度から、波長ごとに被測定体の吸光度を求める。波数kでの吸光度Aは、
A(k)=-lоg10(I/I0) (1)
で表される。ここで、I0は測定光学素子17への入射光の強度、すなわち光源の出射光強度である。Iは測定光学素子17から出て光検出器18で検出された光の強度である。
The information processing device 30 has, as functional blocks, a data processing unit 31, a biological index estimation unit 32, a switching control unit 33, and a timing control unit 34. The data processing unit 31 calculates the absorbance of the measured object for each wavelength from the light intensity of each wavelength detected by the photodetector 18. The absorbance A at wave number k is expressed as follows:
A(k)=-log 10 (I/I 0 ) (1)
Here, I0 is the intensity of the light incident on the measurement optical element 17, i.e., the intensity of the light emitted from the light source. I is the intensity of the light emitted from the measurement optical element 17 and detected by the photodetector 18.
生体指標推定部32は、各波長の吸光度に基づき、後述する予測式を用いて、生体指標を推定する。切替制御部33は、測定光学系10の切替器12の動作を制御する。タイミング制御部34は、波長の切り替えに同期して、光検出器18の検出結果の記録と取り込みのタイミングを制御する。切替制御部33は、情報処理装置30の外部に設けられてもよい。その場合は、ケーブルまたは無線により外部の切替制御部と情報処理装置30が接続されて、測定光学系10に対する切替制御と情報処理装置30でのデータ取り込みのタイミングが同期されてもよい。 The biomarker estimation unit 32 estimates biomarkers based on the absorbance at each wavelength using a prediction formula described below. The switching control unit 33 controls the operation of the switch 12 in the measurement optical system 10. The timing control unit 34 controls the timing of recording and capturing the detection results of the photodetector 18 in synchronization with the wavelength switching. The switching control unit 33 may be provided external to the information processing device 30. In that case, the external switching control unit and the information processing device 30 may be connected by cable or wirelessly, and the switching control for the measurement optical system 10 and the timing of data capture in the information processing device 30 may be synchronized.
実施形態では、測定装置1に生体指標の推定に適した2以上の波長が設定されており、生体指標推定部32は、2以上の波長での吸光度に基づいて、安定かつ正確に生体指標を推定する。 In this embodiment, two or more wavelengths suitable for estimating biomarkers are set in the measurement device 1, and the biomarker estimation unit 32 stably and accurately estimates biomarkers based on the absorbance at the two or more wavelengths.
図2は、情報処理装置30Hのハードウエア構成図である。情報処理装置30Hは、図1の情報処理装置30の機能をハードウエアとして再構成したものである。情報処理装置30Hは、CPU(central processing unit:中央演算装置)301、ランダムアクセスメモリ(RAM)302、リードオンリーメモリ(ROM)303、補助記憶装置304、入力装置305、表示装置306、外部インタフェース(I/F)307、通信インタフェース(I/F)308を有し、これらはバス309によって相互に接続されている。 Figure 2 is a hardware configuration diagram of information processing device 30H. Information processing device 30H is a hardware reconfiguration of the functions of information processing device 30 in Figure 1. Information processing device 30H has a CPU (central processing unit) 301, random access memory (RAM) 302, read-only memory (ROM) 303, auxiliary storage device 304, input device 305, display device 306, external interface (I/F) 307, and communication interface (I/F) 308, which are interconnected by bus 309.
CPU301と、主記憶装置であるRAM302、及びROM303はメインバスに直接接続され、その他のデバイスは、内部インタフェースを介してメインバスに接続されていてもよい。図2では、図示を簡略化するために、各デバイスはバス309で相互接続されるとものとして描かれている。 The CPU 301 and the main memory devices RAM 302 and ROM 303 are connected directly to the main bus, and other devices may be connected to the main bus via an internal interface. In Figure 2, for simplicity, the devices are shown as being interconnected by bus 309.
図1のデータ処理部31、生体指標推定部32、切替制御部33、及びタイミング制御部34は、CPU301、RAM301、及びROM302によって実現され得る。CPU301とは別に、メモリ内蔵型のASIC(application specific integrated circuit:特定用途集積回路)やプログラマブルロジックデバイス(PLD)を設けて、切替制御部33とタイミング制御部34の機能をASICやPLDに振り分けてもよい。 The data processing unit 31, biometric estimation unit 32, switching control unit 33, and timing control unit 34 in Figure 1 can be realized by a CPU 301, RAM 301, and ROM 302. A memory-equipped ASIC (application specific integrated circuit) or programmable logic device (PLD) may be provided separately from the CPU 301, and the functions of the switching control unit 33 and timing control unit 34 may be allocated to the ASIC or PLD.
ROM303には、CPU301で実行される処理に必要なプログラム、パラメータ等が格納されている。生体指標の推定に用いられる予測式は、ROM303に保存されていてもよい。RAM302は、CPU31による演算処理のワークエリアとして用いられ得る。 ROM 303 stores programs, parameters, etc. necessary for processing executed by CPU 301. Prediction formulas used to estimate biomarkers may be stored in ROM 303. RAM 302 can be used as a work area for calculation processing by CPU 301.
データロガー25から供給されるデータや、CPU31によって推定された生体指標はROM303に記録されてもよいし、補助記憶装置304に記録されてもよい。 Data supplied from the data logger 25 and biometric indicators estimated by the CPU 31 may be recorded in the ROM 303 or in the auxiliary storage device 304.
入力装置は、タッチパネル、キーボード等のユーザインタフェースである。表示装置306は、CPU31によるデータ処理結果や推定された生体指標を表示する。外部インタフェース307は、データロガー25や、測定光学系10の光源装置11及び切替器12との接続に用いられる。通信インタフェース308は、ネットワークや外部サーバとのデータ通信に用いられる。CPU31によって推定された生体指標は、ネットワークや外部サーバを介して被測定者等に送信されてもよい。 The input device is a user interface such as a touch panel or keyboard. The display device 306 displays the results of data processing by the CPU 31 and estimated biometric indicators. The external interface 307 is used to connect to the data logger 25 and the light source device 11 and switch 12 of the measurement optical system 10. The communication interface 308 is used for data communication with a network or external server. The biometric indicators estimated by the CPU 31 may be transmitted to the subject, etc. via the network or external server.
図3、図4、及び図5は、測定光学系10の動作例を示す。図3で、光源111から出力される第1波長の光が選択されている。切替素子121~123がシャッターの場合、切替素子121が開き、切替素子122と123が閉じることで、光源111からの出射光だけが測定光学素子17に導かれる。切替素子121~123が、光源111~113のオン・オフスイッチ(または電流注入スイッチ)の場合は、光源111がオン、光源112と光源113はオフにされて、光源111から第1波長の光が出力される。 Figures 3, 4, and 5 show examples of the operation of the measurement optical system 10. In Figure 3, light of the first wavelength output from light source 111 is selected. If switching elements 121-123 are shutters, switching element 121 opens and switching elements 122 and 123 close, so that only light emitted from light source 111 is guided to measurement optical element 17. If switching elements 121-123 are on/off switches (or current injection switches) for light sources 111-113, light source 111 is turned on and light sources 112 and 113 are turned off, and light of the first wavelength is output from light source 111.
第1波長の光は、合分波器13、14、及び導光部材15を通って、測定光学素子17に入射する。上述のように、測定光学素子17は接触面171で被測定体の測定部位に押し当てられており、測定部位で減衰を受けた第1波長の光信号が、導光部材16を介して光検出器18で検出される。 Light of the first wavelength passes through the multiplexer/demultiplexer 13, 14 and the light-guiding member 15 and enters the measurement optical element 17. As described above, the contact surface 171 of the measurement optical element 17 is pressed against the measurement site of the object to be measured, and the optical signal of the first wavelength that has been attenuated at the measurement site is detected by the photodetector 18 via the light-guiding member 16.
図4で、光源112から出力される第2波長の光が選択される。切替素子121~123がシャッターの場合、切替素子122が開き、切替素子121と123が閉じることで、光源112からの出射光だけが測定光学素子17に導かれる。切替素子121~123が、光源111~113のオン・オフスイッチ(または電流注入スイッチ)の場合、光源112がオン、光源111と113はオフにされて、光源112から第2波長の光が出力される。 In Figure 4, light of the second wavelength output from light source 112 is selected. When switching elements 121-123 are shutters, switching element 122 opens and switching elements 121 and 123 close, so that only the light emitted from light source 112 is guided to measurement optical element 17. When switching elements 121-123 are on/off switches (or current injection switches) for light sources 111-113, light source 112 is turned on and light sources 111 and 113 are turned off, and light of the second wavelength is output from light source 112.
第2波長の光は、合分波器13、14、及び導光部材15を通って、測定光学素子17に入射する。測定光学素子17と被測定体の界面で減衰を受けた第2波長の光信号は、導光部材16を介して光検出器18で検出される。 The light of the second wavelength passes through the multiplexer/demultiplexer 13, 14 and the light-guiding member 15 and enters the measurement optical element 17. The optical signal of the second wavelength, which is attenuated at the interface between the measurement optical element 17 and the object being measured, is detected by the photodetector 18 via the light-guiding member 16.
図5で、光源113から出力される第3波長の光が選択される。切替素子121~123がシャッターの場合、切替素子123が開き、切替素子121と122が閉じることで、光源113からの出射光だけが測定光学素子17に導かれる。切替素子121~123が、光源111~113のオン・オフスイッチ(または電流注入スイッチ)の場合、光源113がオン、光源111と112はオフにされて、光源113から第3波長の光が出力される。 In Figure 5, light of the third wavelength output from light source 113 is selected. If switching elements 121-123 are shutters, switching element 123 opens and switching elements 121 and 122 close, so that only the light emitted from light source 113 is guided to measurement optical element 17. If switching elements 121-123 are on/off switches (or current injection switches) for light sources 111-113, light source 113 is turned on and light sources 111 and 112 are turned off, and light of the third wavelength is output from light source 113.
第3波長の光は、合分波器13、14、及び導光部材15を通って、測定光学素子17に入射する。測定光学素子17と被測定体の界面で減衰を受けた第3波長の光信号は、導光部材16を介して光検出器18で検出される。このように、各波長の光に対する被測定体の光吸収スペクトル強度が検出される。 The light of the third wavelength passes through the multiplexer/demultiplexers 13 and 14 and the light-guiding member 15 and enters the measurement optical element 17. The optical signal of the third wavelength, which is attenuated at the interface between the measurement optical element 17 and the object being measured, is detected by the photodetector 18 via the light-guiding member 16. In this way, the optical absorption spectrum intensity of the object being measured for light of each wavelength is detected.
図6は、測定装置1の制御タイミングの一例を示す図である。切替素子121、122、及び123の動作タイミングと、光検出器18への光入射タイミングを、時間軸上で示す。縦軸の値「1」は被測定体に光が照射されている状態、すなわちシャッターが開、または光源がONの状態である。値「0」は光照射のない状態、すなわちシャッターが閉、または光源がOFFの状態である。 Figure 6 is a diagram showing an example of the control timing of the measuring device 1. The operation timing of the switching elements 121, 122, and 123 and the timing of light incidence on the photodetector 18 are shown on the time axis. A value of "1" on the vertical axis indicates that light is being irradiated onto the object being measured, i.e., the shutter is open or the light source is ON. A value of "0" indicates that no light is being irradiated, i.e., the shutter is closed or the light source is OFF.
切替素子121が開、切替素子122及び123が閉のとき、光検出器18に第1波長の測定光が入射する。切替素子122が開、切替素子121及び123が閉のとき、光検出器18に第2波長の測定光が入射する。切替素子123が開、切替素子121及び122が閉のとき、光検出器18には第3波長の測定光が入射する。 When switching element 121 is open and switching elements 122 and 123 are closed, measurement light of the first wavelength is incident on photodetector 18. When switching element 122 is open and switching elements 121 and 123 are closed, measurement light of the second wavelength is incident on photodetector 18. When switching element 123 is open and switching elements 121 and 122 are closed, measurement light of the third wavelength is incident on photodetector 18.
切替素子121~123のすべてが閉のとき(図中のオフ区間)、光検出器18には測定光は入射しないが、背景光、たとえば、被測定体からの放射光や測定光学系10からの放射光は、検知され得る。 When all switching elements 121-123 are closed (off section in the figure), no measurement light is incident on the photodetector 18, but background light, such as light emitted from the object being measured or light emitted from the measurement optical system 10, can be detected.
すべての切替素子121~123が閉のときの光検出器18の検出結果を、補正値としてデータ処理部31に保存しておき、近接する時間に得られた各波長の測定結果を補正してもよい。たとえば、3つの波長の測定光のそれぞれの受光強度から、補正値を減算してもよい。この補正により、周囲温度や被測定体の温度の変化による特性変動の影響、温度変化による光検出器18の感度変動、被測定体や測定機器からの放射光の影響などを除去することができる。 The detection results of the photodetector 18 when all switching elements 121-123 are closed may be stored in the data processing unit 31 as correction values, and the measurement results for each wavelength obtained at adjacent times may be corrected. For example, the correction value may be subtracted from the received light intensity of each of the three wavelengths of measurement light. This correction can eliminate the effects of characteristic fluctuations due to changes in the ambient temperature or the temperature of the object being measured, fluctuations in the sensitivity of the photodetector 18 due to temperature changes, and the effects of radiated light from the object being measured or the measuring instrument.
1つの切替サイクル内で得られる3波長の検出結果に、必ずしも同じ補正値を適用しなくてもよい。たとえば、あるオフ区間で得られた補正値を、そのオフ区間の直前に得られた2波長の検出結果と、そのオフ区間の直後に得られた1波長の検出結果に適用してもよい。これにより、背景光の測定と補正の間の時間的なずれを低減することができる。 The same correction value does not necessarily have to be applied to the detection results of three wavelengths obtained within one switching cycle. For example, a correction value obtained during a certain off-interval may be applied to the detection results of two wavelengths obtained immediately before that off-interval and the detection result of one wavelength obtained immediately after that off-interval. This reduces the time lag between background light measurement and correction.
補正は、必ずしも3波長の測定結果を取得した後でなくてもよい。たとえば、各波長での測定の間にオフ区間を設けて、第1波長での測定→背景光の測定と補正→第2波長での測定→背景光の測定と補正→第3波長での測定→背景光の測定と補正…の順で測定と補正を繰り返してもよい。この方式では、最も近い時間に得られた補正値を用いて、各測定波長の検出値を補正することができる。 Correction does not necessarily have to be performed after obtaining the measurement results for all three wavelengths. For example, an off period can be provided between measurements at each wavelength, and measurements and corrections can be repeated in the following order: measurement at the first wavelength → measurement and correction of background light → measurement at the second wavelength → measurement and correction of background light → measurement at the third wavelength → measurement and correction of background light... With this method, the detected value for each measurement wavelength can be corrected using the correction value obtained most recently.
光検出器18の検出区間(値「1」の区間)とオフ区間(値「0」の区間)を短い間隔で切り換えることで、外乱の影響が効果的に除去される。また、測定中に、測定光学素子17と測定部位との接触状態が変化する可能性があり、得られる吸光度が変動するが、細かいサイクルでオフ区間を設けることで、接触状態等の変化による吸光度の変動を吸収して測定精度を上げることができる。 By switching the photodetector 18's detection interval (interval with value "1") and off interval (interval with value "0") at short intervals, the effects of disturbances are effectively eliminated. Furthermore, the contact state between the measurement optical element 17 and the measurement site may change during measurement, causing the absorbance to fluctuate. However, by providing off intervals at short intervals, fluctuations in absorbance due to changes in contact state, etc., can be absorbed, improving measurement accuracy.
実測に先立って、光源111、112、113のそれぞれで、出力強度を段階的に変えて測定してもよい。光源の出力強度の変化に応じて、光検出器18での受光強度の変化を確認することで、光検出器18の線形性を補正することができる。測定対象や測定環境に変化がないとみなし得るごく短時間では、光源の出力強度と光検出器18での受光強度は線形に比例するはずである。しかし、光検出器18の線形性が悪い場合、光源の出力強度と光検出器18での受光強度が線形比例からはずれる領域が生じる。その場合は、あらかじめ求められた線形領域のデータのみを使って、光検出器18の非線形性の影響を排除してもよい。 Prior to actual measurement, the output intensity of each of light sources 111, 112, and 113 may be changed in stages. The linearity of photodetector 18 can be corrected by checking the change in the light intensity received by photodetector 18 in response to changes in the light source output intensity. Over a very short period of time when no changes can be assumed to occur in the measurement object or measurement environment, the output intensity of the light source and the light intensity received by photodetector 18 should be linearly proportional. However, if the linearity of photodetector 18 is poor, a region will emerge where the output intensity of the light source and the light intensity received by photodetector 18 deviate from the linear proportionality. In this case, the effects of the nonlinearity of photodetector 18 can be eliminated by using only data from the linear region obtained in advance.
<測定に適した波長範囲の特定>
次に、生体指標の測定に用いる適切な波長範囲について説明する。実施形態では、少なくとも、以下の波長範囲から選択される波長を用いる。
(A)波数970cm-1以上、1010cm-1以下の範囲から選択される第1波長と、波数950cm-1以上、990cm-1以下の範囲から選択される第2波長。
(B)波数1130cm-1以上、1220cm-1以下の範囲から選択される2つの波長。特に、波数1156cm-1~1164cm-1の第1波長と、波数1164cm-1~1174cm-1の第2波長の組み合わせ、または、波数1134cm-1~1146cm-1の第1波長と、波数1170cm-1~1216cm-1の第2波長の組み合わせで相関が高くなる。
(C)波数1700cm-1以上、1760cm-1以下の範囲から選択される2つの波長。
<Identifying the wavelength range suitable for measurement>
Next, a description will be given of a suitable wavelength range to be used for measuring a biomarker. In the embodiment, at least a wavelength selected from the following wavelength range is used.
(A) A first wavelength selected from a wave number range of 970 cm −1 or more and 1010 cm −1 or less, and a second wavelength selected from a wave number range of 950 cm −1 or more and 990 cm −1 or less.
(B) Two wavelengths selected from the wavenumber range of 1130 cm −1 or more and 1220 cm −1 or less. In particular, a combination of a first wavelength having a wavenumber of 1156 cm −1 to 1164 cm −1 and a second wavelength having a wavenumber of 1164 cm −1 to 1174 cm −1 , or a combination of a first wavelength having a wavenumber of 1134 cm −1 to 1146 cm −1 and a second wavelength having a wavenumber of 1170 cm −1 to 1216 cm −1 , exhibits a high correlation.
(C) Two wavelengths selected from the wavenumber range of 1700 cm −1 or more and 1760 cm −1 or less.
波長範囲(A)を用いる場合、少なくとも970cm-1以上、1010cm-1以下の範囲から選択される第1波長に対する吸光度と、950cm-1以上、990cm-1以下の範囲ら選択される第2波長に対する吸光度から、生体指標が推定され得る。 When wavelength range (A) is used, a biomarker can be estimated from the absorbance for a first wavelength selected from the range of at least 970 cm −1 or more and 1010 cm −1 or less, and the absorbance for a second wavelength selected from the range of at least 950 cm −1 or more and 990 cm −1 or less.
波長範囲(B)を用いる場合、1130cm-1以上、1220cm-1以下の範囲から選択される少なくとも2つの波長に対する吸光度から、生体指標が推定され得る。波数1156cm-1~1164cm-1の第1波長の光で得られる吸光度と、波数1164cm-1~1174cm-1の第2波長の光で得られる吸光度を用いる場合、または波数1134cm-1~1146cm-1の第1波長の光で得られる吸光度と、波数1170cm-1~1216cm-1の第2波長の光で得られる吸光度を用いる場合は、推定精度が向上する。 When wavelength range (B) is used, a biomarker can be estimated from absorbances for at least two wavelengths selected from the range of 1130 cm −1 or more and 1220 cm −1 or less . When using the absorbance obtained with light of a first wavelength having a wavenumber of 1156 cm −1 to 1164 cm −1 and the absorbance obtained with light of a second wavelength having a wavenumber of 1164 cm −1 to 1174 cm −1 , or when using the absorbance obtained with light of a first wavelength having a wavenumber of 1134 cm −1 to 1146 cm −1 and the absorbance obtained with light of a second wavelength having a wavenumber of 1170 cm −1 to 1216 cm −1 , estimation accuracy is improved.
波長範囲(C)を用いる場合、1700cm-1以上、1760cm-1以下の範囲から選択される少なくとも2つの波長に対する吸光度から、生体指標が推定され得る。 When the wavelength range (C) is used, a biomarker can be estimated from absorbance at at least two wavelengths selected from the range of 1700 cm −1 or more and 1760 cm −1 or less.
必ずしも波長範囲(A)~(C)の1つだけを用いる必要はなく、波長範囲(A)~(C)を互いに組み合わせて2以上の波長を選択してもよい。これらの波長範囲の根拠を、生体指標として血糖値(グルコース)を例にとって説明する。 It is not necessary to use only one of the wavelength ranges (A) to (C); two or more wavelengths may be selected by combining wavelength ranges (A) to (C). The rationale for these wavelength ranges will be explained using blood glucose levels as an example biomarker.
実施形態では、食前から食後にかけての代謝等の個体差や、測定環境、測定状態の違いにかかわらず、安定的に、かつ正確に血糖値を測定する。まず、個体差による測定結果のばらつきを抑制するために、複数の被験者により、複数の異なる食事内容で、食前100分から食後250分までの広い時間範囲にわたって血糖値の測定結果を収集する。得られた測定結果と、典型的な血糖値の推移(食前に低く、食後40分でピークに達し、その後180分で食前に戻る)との相関を求め、相関が高くなる波長範囲を特定する。 In this embodiment, blood glucose levels are measured stably and accurately, regardless of individual differences in metabolism from before to after a meal, or differences in the measurement environment or measurement conditions. First, to reduce variability in measurement results due to individual differences, blood glucose measurement results are collected from multiple subjects with multiple different meal contents over a wide time range, from 100 minutes before a meal to 250 minutes after a meal. A correlation is then found between the obtained measurement results and a typical blood glucose level trend (low before a meal, peaking 40 minutes after a meal, then returning to pre-meal levels 180 minutes later), and the wavelength range where the correlation is high is identified.
さらに、測定光学素子17(たとえばATRプリズム)と測定部位との間の接触状態のばらつきの影響を低減するために、予測式として、
y=a×x(sense)/x(base)+b (2)
を用いる。ここで、yは光検出器18の測定結果から推定される血糖値、x(sense)はグルコースに含まれる分子に感度を持つセンス波長での吸光度、x(base)は、ATRプリズムの接触状態を正規化するベース波長での吸光度である。x(sense)とx(base)は、式(1)の吸光度A(k)に相当する。「a」と「b」は、吸光度比[x(sense)/x(base)]から血糖値値yへの感度補正を行う一次式の係数である。係数aと係数bは、装置や人の個体差によるため、データ収集、及び実際の計測の過程で学習により更新されてもよい。例としては、センス波長980cm-1、ベース波長986cm-1とした場合には、a=-1900、b=2000などの値となる。
Furthermore, in order to reduce the influence of variations in the contact state between the measurement optical element 17 (for example, an ATR prism) and the measurement site, the following prediction formula is used:
y=a×x(sense)/x(base)+b (2)
where y is the blood glucose level estimated from the measurement results of the photodetector 18, x(sense) is the absorbance at the sense wavelength sensitive to the molecules contained in glucose, and x(base) is the absorbance at the base wavelength that normalizes the contact state of the ATR prism. x(sense) and x(base) correspond to the absorbance A(k) in equation (1). "a" and "b" are coefficients of a linear equation that performs sensitivity correction from the absorbance ratio [x(sense)/x(base)] to the blood glucose level value y. Since coefficients a and b vary depending on the device and individual differences, they may be updated through learning during data collection and actual measurement. For example, when the sense wavelength is 980 cm -1 and the base wavelength is 986 cm -1 , the values are a = -1900 and b = 2000.
センス波長で測定した吸光度を、基準となるベース波長の吸光度で除算した値を用いることで、測定ごとに変動する接触状態のばらつきを補正することができる。今回は波長範囲を特定する際には、ベース波長とセンス波長は区別していないため、便宜上ベース波長とセンス波長という呼び方としているが、実際には見つけられたベース波長を、測定する対象物の吸収波長とし、センス波長を基準波長としてもよい。つまり、特定されたベース波長とセンス波長は反転しても有効である。 By dividing the absorbance measured at the sense wavelength by the absorbance at the reference base wavelength, it is possible to correct for variations in the contact condition that occur with each measurement. In this case, the base wavelength and sense wavelength are not distinguished when specifying the wavelength range, so for convenience they are referred to as the base wavelength and sense wavelength. However, in reality, the found base wavelength can be used as the absorption wavelength of the object being measured, and the sense wavelength can be used as the reference wavelength. In other words, the identified base wavelength and sense wavelength are valid even if they are reversed.
一例として、唇を測定部位として、唇の光吸収スペクトル強度を測定する。光源として、フーリエ変換赤外分光計のランプ光源を用い、波長ごとに唇の光吸収スペクトル強度を測定する。 As an example, the lips are used as the measurement site, and the light absorption spectrum intensity of the lips is measured. A lamp light source from a Fourier transform infrared spectrometer is used as the light source, and the light absorption spectrum intensity of the lips is measured for each wavelength.
上記の予測式(2)を用いて、一人1回の食事の前後を1シリーズとして、食前から食後の血糖値の典型的な推移との相関を求める。複数の被験者が、複数の異なる食事内容で、食前100分前から食後250分の間の任意のタイミングで血糖値を測定する。 Using the above prediction formula (2), we calculate the correlation with the typical change in blood glucose levels before and after a meal, with the period before and after one meal considered as one series for each person. Blood glucose levels are measured by multiple subjects at random times between 100 minutes before and 250 minutes after eating, with multiple different meal contents.
図7は、得られた1シリーズごとの決定係数をセンス波長(第1波長)とベース波長(第2波長)に対してマップした図である。横軸はベース波長、左側の縦軸はセンス波長、右側の縦軸は決定係数である。決定係数は、相関係数Rの二乗の平均値(mean)で表わされ予測精度を表わす指標となる。ここでの相関は、上述したように各人から得られた食事前後の血糖値と、典型推移との相関である。 Figure 7 shows the coefficient of determination for each series, mapped against the sense wavelength (first wavelength) and base wavelength (second wavelength). The horizontal axis is the base wavelength, the left vertical axis is the sense wavelength, and the right vertical axis is the coefficient of determination. The coefficient of determination is expressed as the mean of the square of the correlation coefficient R and is an index of prediction accuracy. As mentioned above, the correlation here is the correlation between the blood glucose levels before and after meals obtained from each individual and their typical trends.
図7のマップ図で、色が薄いほど大きな相関を表す。相関の高い領域A、B、Cをサークルで示す。領域Aは970±20cm-1(すなわち950cm-1以上、990cm-1以下)のセンス波長と、990±20cm-1(すなわち970cm-1以上、1010cm-1以下)のベース波長の組み合わせ(または、この逆の組み合わせ)である。領域Aは、上記の波長範囲(A)の根拠である。 In the map diagram of Figure 7, lighter colors indicate stronger correlation. Regions A, B, and C with high correlation are indicated by circles. Region A is a combination of a sense wavelength of 970±20 cm -1 (i.e., 950 cm -1 or more and 990 cm -1 or less) and a base wavelength of 990±20 cm -1 (i.e., 970 cm -1 or more and 1010 cm -1 or less) (or the reverse combination). Region A is the basis for the above wavelength range (A).
領域Bは、1130cm-1から1220cm-1にかけての範囲で選択される第1波長と第2波長の組み合わせである。後述するように、領域Bでは、1130cm-1から1220cm-1の範囲内に、特に相関が高くなる2つの組み合わせ領域が存在する。領域Bは、上記の波長範囲(B)の根拠である。 Region B is a combination of a first wavelength and a second wavelength selected in the range from 1130 cm −1 to 1220 cm −1 . As will be described later, in region B, there are two combination regions in the range from 1130 cm −1 to 1220 cm −1 where correlation is particularly high. Region B is the basis for the above wavelength range (B).
領域Cは、1700cm-1から1760cm-1にかけてのセンス波長と、1700cm-1から1760cm-1にかけてのベース波長の組み合わせである。領域Cは、上記の波長範囲(C)の根拠である。 Region C is a combination of a sense wavelength from 1700 cm −1 to 1760 cm −1 and a base wavelength from 1700 cm −1 to 1760 cm −1 . Region C is the basis for the wavelength range (C) above.
<領域Aでの測定>
図8は、領域Aの拡大図である。950cm-1以上、990cm-1以下の第1波長(たとえばセンス波長)の範囲で、特に980cm-1の決定係数が大きい。970cm-1以上、1010cm-1以下の第2波長(たとえばベース波長)の範囲で、特に、986cm-1の決定係数が大きい。
<Measurement in Area A>
8 is an enlarged view of region A. In the range of the first wavelength (e.g., sense wavelength) of 950 cm −1 or more and 990 cm −1 or less, the coefficient of determination is particularly large at 980 cm −1 . In the range of the second wavelength (e.g., base wavelength) of 970 cm −1 or more and 1010 cm −1 or less, the coefficient of determination is particularly large at 986 cm −1 .
複数人が、異なる食事内容で、食前100分から食後250分にかけての任意の時間に測定している場合でも、第1波長を950cm-1以上、990cm-1以下の範囲で選択し、第2波長を970cm-1以上、1010cm-1以下の範囲で選択することで、精度良く血糖値が推定され得る。 Even when multiple people have different meal contents and measure blood glucose levels at any time between 100 minutes before and 250 minutes after eating, accurate estimation of blood glucose levels can be achieved by selecting the first wavelength in the range of 950 cm −1 or more and 990 cm −1 or less and the second wavelength in the range of 970 cm −1 or more and 1010 cm −1 or less.
上記の範囲で選択された2以上の波長を用い、予測式(2)にしたがって、各波長に対する吸光度に基づいて血糖値を推定することで、食前から食後を通じて、安定かつ正確な測定が可能になる。 By using two or more wavelengths selected from the above range and estimating blood glucose levels based on the absorbance at each wavelength according to prediction formula (2), stable and accurate measurements are possible from before to after meals.
センス波長での吸光度を、基準となるベース波長の吸光度で除算した吸光度比を用いることで、測定ごとに変動するATRプリズムと唇との接触状態のばらつきを補正することができる。 By using the absorbance ratio, which is the absorbance at the sense wavelength divided by the absorbance at the reference base wavelength, it is possible to correct for variations in the contact condition between the ATR prism and the lips, which varies from measurement to measurement.
図9は、990cm-1付近のセンス波長で得られたデータを、センス波長の近傍のベース波長で正規化したときの吸光度を重ね書きしたものである。データによって正規化吸光度に差はあるが、全体としてみたときに、990cm-1付近に小さい吸光度のピークがある。このピークは、グルコースのCH2OH基による吸収ピークである。図7の決定係数マップの領域Aに示されるとおり、950cm-1以上、990cm-1以下の範囲で選択されるセンス波長と、970cm-1以上、1010cm-1以下の範囲で選択されるベース波長の組み合わせ、またはその逆の組み合わせが、グルコースの検出に適していることがわかる。 9 shows an overlay of absorbance data obtained at a sense wavelength near 990 cm −1 normalized by a base wavelength near the sense wavelength. Although the normalized absorbance varies depending on the data, when viewed overall, there is a small absorbance peak near 990 cm −1 . This peak is the absorption peak due to the CH 2 OH group of glucose. As shown in area A of the determination coefficient map in FIG. 7, it can be seen that a combination of a sense wavelength selected in the range of 950 cm −1 or more and 990 cm −1 or less and a base wavelength selected in the range of 970 cm −1 or more and 1010 cm −1 or less, or the reverse combination, is suitable for detecting glucose.
図1の測定装置1の光源装置11に、950cm-1以上、990cm-1以下の範囲で選択される第1波長と、970cm-1以上、1010cm-1以下の範囲で選択される第2波長を設定して血糖値測定を行う。これにより、個体差や測定光学素子17と測定部位の接触状態の変動にかかわらず、安定的かつ正確な非侵襲の血糖値測定が実現される。 Blood glucose levels are measured by setting a first wavelength selected from the range of 950 cm −1 or more and 990 cm −1 or less and a second wavelength selected from the range of 970 cm −1 or more and 1010 cm −1 or less in the light source device 11 of the measurement device 1 in Figure 1. This allows for stable and accurate non-invasive blood glucose level measurement regardless of individual differences or fluctuations in the contact state between the measurement optical element 17 and the measurement site.
なお、生体指標測定で用いる波長は、1つのセンス波長と1つのベース波長に限定されない。たとえば、上述したセンス波長とベース波長に加えて、第2のベース波長を、950cm-1以上、990cm-1以下の範囲、または970cm-1以上、1010cm-1以下の範囲から選択してもよい。また、上記の2つの波長に加えて、平均を取ることで測定時のノイズを減らすため、950cm-1以上、1010cm-1以下の範囲で、2つ以上の例えば、5波長や20波長程度を用いてもよい。あるいは、第2のベース波長を、領域Bまたは領域Cから選択してもよい。 The wavelengths used in biomarker measurement are not limited to one sense wavelength and one base wavelength. For example, in addition to the sense wavelength and base wavelength described above, a second base wavelength may be selected from the range of 950 cm −1 or more to 990 cm −1 or from the range of 970 cm −1 or more to 10 ...
第1のベース波長での吸光度と、第2のベース波長での吸光度の比が1となるように、吸光度をベース波長の関数として定義する。たとえば、横軸をベース波長、縦軸をベース波長の吸光度とすると、直線の傾きが1となるように、切片を求める。センス波長で得られた吸光度を、この直線式で表されるベース波長の吸光度で除算して、予測式(2)から血糖値を推定する。 The absorbance is defined as a function of the base wavelength so that the ratio of the absorbance at the first base wavelength to the absorbance at the second base wavelength is 1. For example, if the horizontal axis is the base wavelength and the vertical axis is the absorbance at the base wavelength, the intercept is found so that the slope of the line is 1. The absorbance obtained at the sense wavelength is divided by the absorbance at the base wavelength expressed by this linear equation, and the blood glucose level is estimated using prediction equation (2).
一例として、第1のベース波長として954cm-1を設定し、第2のベース波長として1202cm-1を設定し、センス波長の吸光度をベース波長の吸光度の直線式で除算してもよい。 As an example, 954 cm −1 may be set as the first base wavelength, 1202 cm −1 may be set as the second base wavelength, and the absorbance of the sense wavelength may be divided by the linear equation of the absorbance of the base wavelength.
図10は、1つのセンス波長と2つのベース波長から求めた吸光度を重ね書きした図である。2つのベース波長は、954cm-1と1202cm-1、センス波長は992cm-1に設定されている。図10に示されるように990cm-1付近のCH2OHのピークが抽出可能であり、適切な血糖値の予測が可能である。3波長を用いることで、2波長での測定よりも決定係数が高くなる。 Figure 10 is a graph showing the absorbance obtained from one sense wavelength and two base wavelengths superimposed on each other. The two base wavelengths are set to 954 cm -1 and 1202 cm -1 , and the sense wavelength is set to 992 cm -1 . As shown in Figure 10, the CH 2 OH peak near 990 cm -1 can be extracted, making it possible to accurately predict blood glucose levels. Using three wavelengths results in a higher coefficient of determination than measurement using two wavelengths.
センス波長とベース波長を特定の波長に設定する代わりに、センス波長とベース波長の少なくとも一方に、上記の波長範囲に含まれる一連の波長の平均を用いてもよい。たとえば、センス波長の吸光度として、992cm-1~994cm-1の間の波長で計測された吸光度の平均値を用いてもよい。これにより、測定ノイズを低減することができる。あるいは、特定波長のセンス波長とベース波長に加えて、所定範囲の波長の吸光度の平均値を用いてもよい。 Instead of setting the sense wavelength and base wavelength to specific wavelengths, an average of a series of wavelengths included in the above wavelength range may be used for at least one of the sense wavelength and base wavelength. For example, the average value of absorbance measured at wavelengths between 992 cm -1 and 994 cm -1 may be used as the absorbance of the sense wavelength. This makes it possible to reduce measurement noise. Alternatively, the average value of absorbance over a predetermined range of wavelengths may be used in addition to the sense wavelength and base wavelength of specific wavelengths.
第3の波長として、領域Bまたは領域Cから選択される波長を用いてもよい。たとえば、領域Aで選択されたセンス波長とベース波長での予測値に加えて、1700cm-1~1760cm-1での予測値の平均値を組み合わせて、最終的な予測値としてもよい。複数の観点からの血糖値が予測されるため、推定精度が向上する。 The third wavelength may be a wavelength selected from region B or region C. For example, the final predicted value may be obtained by combining the predicted values at the sense wavelength and base wavelength selected in region A with the average value of the predicted values at 1700 cm −1 to 1760 cm −1 . Since blood glucose levels are predicted from multiple perspectives, the estimation accuracy is improved.
<領域Bでの測定>
図11は、領域Bの拡大図である。領域Bでは、センス波長、ベース波長ともに、1130cm-1以上、1220cm-1以下の範囲で決定係数が大きい。領域Bの中でも、特に決定係数が高くなるセンス波長とベース波長の組み合わせが存在することがわかる。
<Measurement in Area B>
11 is an enlarged view of region B. In region B, the coefficient of determination is large for both the sense wavelength and the base wavelength in the range of 1130 cm −1 or more and 1220 cm −1 or less. It can be seen that even within region B, there are combinations of sense wavelength and base wavelength that result in particularly high coefficients of determination.
一つ目の組み合わせは、図11の斜め直線の近傍に位置する領域である。ベース波長とセンス波長のいずれか一方を第1波長、他方を第2波長とすると、
第1波長:1156cm-1~1164cm-1
第2波長:1164cm-1~1174cm-1
の組み合わせで決定係数が高い。図12に、この組み合わせ範囲の近傍の拡大図を示す。
The first combination is the region located near the diagonal line in Fig. 11. If one of the base wavelength and the sense wavelength is the first wavelength and the other is the second wavelength, then
First wavelength: 1156cm -1 ~ 1164cm -1
Second wavelength: 1164cm -1 ~ 1174cm -1
The coefficient of determination is high for the combination of Figure 12. An enlarged view of the vicinity of this combination range is shown in Figure 12.
2つ目の組み合わせは、図11の斜め直線の下側に延びる縦長の領域、または斜め直線の上側に延びる横長の領域である。ベース波長とセンス波長のいずれか一方を第1波長、他方を第2波長とすると、
第1波長:1134cm-1~1146cm-1
第2波長:1170cm-1~1216cm-1
の組み合わせで決定係数が高い。図13は、2つ目の組み合わせ範囲の近傍の拡大図である。図13で、1170cm-1~1216cm-1のベース波長に対し、1134cm-1~1146cm-1のセンス波長を用いることで、測定結果と血糖値の典型推移との相関が高くなる。
The second combination is a vertically elongated region extending below the diagonal line in Fig. 11 or a horizontally elongated region extending above the diagonal line. When one of the base wavelength and the sense wavelength is defined as the first wavelength and the other as the second wavelength,
First wavelength: 1134cm -1 ~ 1146cm -1
Second wavelength: 1170cm -1 ~ 1216cm -1
The coefficient of determination is high for this combination. Figure 13 is an enlarged view of the vicinity of the second combination range. In Figure 13, by using a sense wavelength of 1134 cm -1 to 1146 cm -1 for a base wavelength of 1170 cm -1 to 1216 cm -1 , the correlation between the measurement results and the typical transition of blood glucose levels is high.
複数人が、異なる食事内容で、食前100分から食後250分にかけての任意の時間に測定している場合でも、第1の組み合わせ、または第2の組み合わせからセンス波長とベース波長を選択することで、精度良く血糖値が推定され得る。 Even when multiple people, with different meal contents, are measuring their blood glucose levels at any time between 100 minutes before and 250 minutes after eating, accurate blood glucose levels can be estimated by selecting the sense wavelength and base wavelength from either the first or second combination.
領域Bから選択された2以上の波長を用い、予測式(2)にしたがって、各波長に対する吸光度に基づいて血糖値を推定することで、食前から食後を通じて、安定かつ正確な測定が可能になる。センス波長での吸光度を、基準となるベース波長の吸光度で除算した吸光度比を用いることで、測定ごとに変動するATRプリズムと唇との接触状態のばらつきを補正することができる。 By using two or more wavelengths selected from region B and estimating blood glucose levels based on the absorbance at each wavelength according to prediction formula (2), stable and accurate measurements are possible from before to after a meal. By using the absorbance ratio, which is the absorbance at the sense wavelength divided by the absorbance at the reference base wavelength, it is possible to correct for variations in the contact state between the ATR prism and the lips, which fluctuates from measurement to measurement.
図14は、1160cm-1周辺のセンス波長で得られたデータを、このセンス波長の近傍のベース波長で正規化したときの吸光度を重ね書きしたものである。データによって正規化吸光度に差はあるが、1160cm-1付近に吸光度のピークがある。このピークは、グルコースのピラノース環による吸収ピークである。図11の決定係数マップに示されるとおり、1130cm-1以上、1170cm-1以下の範囲で選択される2つの波長が、グルコースの検出に適していることがわかる。 Figure 14 shows data obtained at a sense wavelength around 1160 cm -1 overlaid with absorbance normalized by a base wavelength near this sense wavelength. Although the normalized absorbance varies depending on the data, there is an absorbance peak near 1160 cm -1 . This peak is an absorption peak due to the pyranose ring of glucose. As shown in the determination coefficient map in Figure 11, it can be seen that two wavelengths selected in the range of 1130 cm -1 or more and 1170 cm -1 or less are suitable for detecting glucose.
図1の測定装置1の光源装置11に、1130cm-1以上、1220cm-1以下の範囲で選択される第1波長と第2波長を設定して血糖値測定を行う。これにより、個体差や測定光学素子17と測定部位の接触状態の変動にかかわらず、安定的かつ正確な非侵襲の血糖値測定が実現される。 Blood glucose levels are measured by setting a first wavelength and a second wavelength selected from the range of 1130 cm −1 or more and 1220 cm −1 or less to the light source device 11 of the measurement device 1 in Figure 1. This allows stable and accurate non-invasive blood glucose level measurement to be achieved regardless of individual differences or fluctuations in the contact state between the measurement optical element 17 and the measurement site.
生体指標測定で用いる波長は、1つのセンス波長と1つのベース波長に限定されない。たとえば、1130cm-1以上、1220cm-1以下の範囲で選択されるセンス波長とベース波長に加えて、第2のベース波長を用いてもよい。第2のベース波長を、同じ1130cm-1以上、1220cm-1以下の範囲から選択してもよいし、領域A(950cm-1以上、1010cm-1以下の範囲)、あるいは領域C(1700cm-1以上、1760cm-1以下の範囲)から選択してもよい。 The wavelengths used in biomarker measurement are not limited to one sense wavelength and one base wavelength. For example, a second base wavelength may be used in addition to the sense wavelength and base wavelength selected in the range of 1130 cm −1 or more and 1220 cm −1 or less. The second base wavelength may be selected from the same range of 1130 cm −1 or more and 1220 cm −1 or less, or may be selected from region A (range of 950 cm −1 or more and 1010 cm −1 or less) or region C (range of 1700 cm −1 or more and 1760 cm −1 or less).
第2のベース波長を用いる場合、第1のベース波長での吸光度と、第2のベース波長での吸光度の比が1となるように、吸光度をベース波長の関数として定義する。横軸をベース波長、縦軸をベース波長の吸光度とすると、直線の傾きが1となるように、切片を求める。センス波長で得られた吸光度を、この直線式で表されるベース波長の吸光度で除算して、予測式(2)から血糖値を推定する。3波長を用いることで、2波長での測定よりも決定係数が高くなる。 When a second base wavelength is used, the absorbance is defined as a function of the base wavelength so that the ratio of the absorbance at the first base wavelength to the absorbance at the second base wavelength is 1. With the base wavelength on the horizontal axis and the absorbance at the base wavelength on the vertical axis, the intercept is found so that the slope of the line is 1. The absorbance obtained at the sense wavelength is divided by the absorbance at the base wavelength expressed by this linear equation, and the blood glucose level is estimated using prediction formula (2). Using three wavelengths results in a higher coefficient of determination than when measuring at two wavelengths.
センス波長とベース波長に特定の波長を設定する代わりに、センス波長とベース波長の少なくとも一方に、領域Bに含まれる一連の波長の吸光度の平均を用いてもよい。あるいは、特定の波長に設定されたセンス波長とベース波長に加えて、所定の波長範囲の吸光度の平均を用いてもよい。たとえば、センス波長とベース波長の少なくとも一方の吸光度として、あるいは、第3の吸光度として、決定係数の高い1162cm-1~1168cm-1の吸光度の平均値を用いてもよい。これにより、測定ノイズを低減することができる。複数の観点(グルコース成分)からの血糖値予測なるため、予測精度が向上する。 Instead of setting specific wavelengths as the sense wavelength and the base wavelength, the average absorbance of a series of wavelengths included in region B may be used for at least one of the sense wavelength and the base wavelength. Alternatively, in addition to the sense wavelength and the base wavelength being set to specific wavelengths, the average absorbance of a predetermined wavelength range may be used. For example, the average absorbance between 1162 cm −1 and 1168 cm −1 , which has a high coefficient of determination, may be used as the absorbance of at least one of the sense wavelength and the base wavelength, or as the third absorbance. This reduces measurement noise. Since blood glucose levels are predicted from multiple perspectives (glucose components), prediction accuracy is improved.
<領域Cでの測定>
図15は、領域Cの拡大図である。領域Cでは、センス波長、ベース波長ともに、1700cm-1以上、1760cm-1以下の範囲で決定係数が大きい。ベース波長とセンス波長のいずれか一方を第1波長、他方を第2波長とすると、
第1波長:1738±8cm-1
第2波長:1748±8cm-1
の組み合わせで、特に決定係数が高い。センス波長とベース波長の双方を、1743±8cm-1の範囲から選択してもよい。第1波長をwave1、第2波長をwave2とすると、図15の枠で囲まれた特に明るい範囲(決定係数の大きい範囲)は、
Wave2=1743cm-1-(wave1-1743cm-1)±8cm-1
と表されてもよい。
<Measurement in Area C>
15 is an enlarged view of region C. In region C, the coefficient of determination is large in the range of 1700 cm −1 or more and 1760 cm −1 or less for both the sense wavelength and the base wavelength. If one of the base wavelength and the sense wavelength is the first wavelength and the other is the second wavelength, then
First wavelength: 1738±8cm -1
Second wavelength: 1748±8cm -1
The combination of these wavelengths has a particularly high coefficient of determination. Both the sense wavelength and the base wavelength may be selected from the range of 1743±8 cm −1 . If the first wavelength is wave1 and the second wavelength is wave2, the particularly bright range enclosed by the frame in FIG. 15 (the range with a large coefficient of determination) is
Wave2=1743cm -1 - (wave1-1743cm -1 ) ±8cm -1
It may also be expressed as:
図16は、1740cm-1周辺のセンス波長で得られたデータを、このセンス波長の近傍のベース波長で正規化したときの吸光度を重ね書きした図である。1741cm-1~1744cm-1付近に吸光度のピークが観察される。1740cm-1の付近には、C=O結合によるカルボニル基などの吸収ピークがある。アセト酢酸、3-ヒドロキシ酪酸などのケトン体や、細胞室ゾルに存在するG6P、F6P、ピルビン酸、細胞内のアセチルCoA(コエンザイムA)など、細胞内のグルコース代謝に関連する物質を検出することで、血糖値濃度を回帰推定できる。 Figure 16 shows the absorbance of data obtained at a sense wavelength around 1740 cm -1 normalized to a base wavelength near this sense wavelength. An absorbance peak is observed between 1741 cm -1 and 1744 cm -1 . Around 1740 cm -1 , there is an absorption peak due to carbonyl groups resulting from C=O bonds. Blood glucose concentrations can be regressed by detecting substances related to intracellular glucose metabolism, such as ketone bodies such as acetoacetate and 3-hydroxybutyrate, G6P, F6P, and pyruvate present in the cytosol, and intracellular acetyl-CoA (coenzyme A).
領域Cから選択される波長を、領域Aから選択される波長、または領域Bから選択される波長と組み合わせてもよい。これにより、血中の多様な成分から血糖値が推定され、測定精度が向上する。 A wavelength selected from region C may be combined with a wavelength selected from region A or a wavelength selected from region B. This allows blood glucose levels to be estimated from various components in the blood, improving measurement accuracy.
ここまでは、主に2波長を用いた血糖値の推定を行ってきた。より推定精度を上げるために、グルコース水溶液の吸収スペクトルと、測定対象者の吸収スペクトルとの相互相関値をもとに血糖値を推定することが考えられる。グルコース水溶液の吸収スペクトルと、測定対象者の吸収スペクトルの相互相関が大きいということは、測定された人の吸収スペクトルにグルコースが多く含まれていることを示す。 Up to this point, we have mainly estimated blood glucose levels using two wavelengths. To further improve estimation accuracy, it is possible to estimate blood glucose levels based on the cross-correlation value between the absorption spectrum of the glucose solution and the absorption spectrum of the person being measured. A high cross-correlation between the absorption spectrum of the glucose solution and the absorption spectrum of the person being measured indicates that the absorption spectrum of the person being measured contains a large amount of glucose.
相互相関値をもとに血糖値を推定する際には、人体とATRプリズムの接触具合の差、ばらつき等を補正して、微小な変化を捉えるのが望ましい。たとえば、相互相関をとる前に、グルコース水溶液の吸収スペクトルと測定対象者の吸収スペクトルにそれぞれ前処理を施し、正規化するのが好ましい。グルコース(測定対象物質)の吸収スペクトルは、あらかじめ測定して情報処理装置30の内部または外部のメモリに保存しておいてもよい。前処理は、情報処理装置30のデータ処理部31で行ってもよい。前処理は、一例として三段階に分かれている。 When estimating blood glucose levels based on cross-correlation values, it is desirable to correct for differences and variations in the degree of contact between the human body and the ATR prism to capture minute changes. For example, before calculating the cross-correlation, it is preferable to pre-process and normalize the absorption spectrum of the glucose aqueous solution and the absorption spectrum of the person being measured. The absorption spectrum of glucose (the substance being measured) may be measured in advance and stored in internal or external memory of the information processing device 30. Pre-processing may be performed by the data processing unit 31 of the information processing device 30. As an example, pre-processing is divided into three stages.
まず、近隣の波数の吸光度の値で除算を行う。除算スペクトルの出力absorbance_d(i)は、以下の式で表される。
absorbance_d(i) =[absorbance(i)/absorbance (i-r1)]-1 (3)
ここで、absorbance(i)は波数iの吸光度であり、r1はどれだけ離れた波数で正規化を行うかを指定する値である。absorbance(i)とabsorbance (i-r1)が同じ値のときに、除算スペクトルの出力は0となる。
First, the absorbance value of the neighboring wavenumber is divided. The output of the divided spectrum, absorbance_d(i), is expressed by the following formula:
absorbance_d(i) = [absorbance(i)/absorbance (i-r1)]-1 (3)
Here, absorbance(i) is the absorbance at wavenumber i, and r1 is a value that specifies the wavenumber distance at which normalization is performed. When absorbance(i) and absorbance (i-r1) are the same value, the output of the division spectrum will be 0.
次に、除算した値に対して、微小な変化を捉えるため、近隣の波数の値を引き算する。差分スペクトルの出力absorbance_d2(i)は、以下の式で表される。
absorbance_d2(i) = absorbance_d(i) - absorbance_d(i-r2) (4)
ここで、r2はどれだけ離れた波数で引き算を行うかを指定する値である。
Next, to capture minute changes, the value of the neighboring wavenumber is subtracted from the divided value. The output of the difference spectrum, absorbance_d2(i), is expressed by the following formula:
absorbance_d2(i) = absorbance_d(i) - absorbance_d(i-r2) (4)
Here, r2 is a value that specifies how many wave numbers apart the subtraction is to be performed.
さらに、データのばらつきを抑えるため、差分スペクトルの出力に対して移動平均フィルタを適用してスムージングを行う。移動平均フィルタ適用後のスペクトルabs(i)は、以下の式で表される。
ここで、Nは移動平均フィルタの平均を取る範囲である。 Here, N is the range over which the moving average filter takes the average.
上記の前処理を行ったグルコース水溶液の吸収スペクトルをref、同様に前処理を行った測定対象者の吸収スペクトルをabsとすると、相互相関値は以下のように表される。
ここで、「corr」は相互相関値、「st」は相互相関を取る波長範囲の開始波長、「en」は相互相関を取る波長範囲の終了波長である。相互相関値「corr」を以下の式で一次変換したものが、目的とする生体指標であり、この例では血糖値の推定量「estimated_glucose」となる。
Estimated_glucose=a×(corr)+b (5)
ここで、aとbは真の血糖値のラベル情報がついたデータを用いて、フィッティングにより得られた係数である。
Here, "corr" is the cross-correlation value, "st" is the start wavelength of the wavelength range in which cross-correlation is obtained, and "en" is the end wavelength of the wavelength range in which cross-correlation is obtained. The cross-correlation value "corr" is linearly converted using the following formula to obtain the target bioindicator, which in this example is the estimated blood glucose level "estimated_glucose."
Estimated_glucose=a×(corr)+b (5)
Here, a and b are coefficients obtained by fitting using data labeled with true blood glucose levels.
上記の手法で、測定対象者の吸収スペクトルから血糖値を推定することができる。しかし、波長範囲によっては、グルコース水溶液のスペクトルに吸収のピーク、あるいはディップといった手がかりがない場合や、グルコース以外に変動する物質のピーク、あるいはディップが含まれていて推定の妨げになる場合がある。そのため、適切な波長範囲を用いることが望ましい場合がある。 The above method can be used to estimate blood glucose levels from the absorption spectrum of the subject. However, depending on the wavelength range, the spectrum of the glucose solution may not contain clues such as absorption peaks or dips, or may contain peaks or dips of fluctuating substances other than glucose, which can hinder estimation. For this reason, it may be desirable to use an appropriate wavelength range.
図17は、相互相関により推定された血糖値変化と、一般的な人の典型的な血糖値変化との相関の高い範囲を示す図である。食事後の所定時間毎に測定された測定対象者の吸収スペクトルについて、相互相関値から求めた血糖値の推定量(estimated_glucose)と、一般的な人の食後の典型的な血糖値変化との相関係数を、濃淡のインジケータで示している。縦軸は、開始波長「st」、横軸は終了波長「en」である。 Figure 17 shows the range of high correlation between blood glucose level changes estimated by cross-correlation and typical blood glucose level changes in an average person. For the absorption spectrum of the subject measured at predetermined times after a meal, the correlation coefficient between the estimated blood glucose level (estimated_glucose) calculated from the cross-correlation value and typical blood glucose level changes after a meal in an average person is shown by a shading indicator. The vertical axis represents the start wavelength "st" and the horizontal axis represents the end wavelength "en."
図17には、明らかに相関が良い範囲(明るい領域)が存在する。最も高い相関が得られるのは、st=982.5cm―1、en=997.5cm-1の組み合わせである。この波長範囲では、グルコースのCH2OH基の吸収を測定していると考えられる。この波長範囲は、上記の測定に適した波長範囲(A)の結果と一致している。波長範囲(A)において、970cm-1以上、1010cm-1以下の波数から選択される第1波長の光と、950cm-1以上、990cm-1以下の波数から選択される第2波長の光が用いられることからも、相互相関値を用いた推定で高い相関が得られることが示唆される。これらの波長範囲を用いることで、精度の良い血糖値推定が可能となる。この推定法は、人に限らず、動物の血糖値、その他の体内物質の推定にも適用され得る。 FIG. 17 clearly shows a range (bright region) where the correlation is good. The highest correlation is obtained with the combination of st = 982.5 cm −1 and en = 997.5 cm −1 . It is believed that in this wavelength range, the absorption of the CH 2 OH group of glucose is measured. This wavelength range coincides with the results of the wavelength range (A) suitable for the measurement described above. The use of light with a first wavelength selected from wavenumbers of 970 cm −1 or more and 1010 cm −1 or less, and light with a second wavelength selected from wavenumbers of 950 cm −1 or more and 990 cm −1 or less in wavelength range (A) also suggests that a high correlation can be obtained in estimation using the cross-correlation value. Using these wavelength ranges enables accurate estimation of blood glucose levels. This estimation method can be applied not only to humans, but also to the estimation of blood glucose levels of animals and other bodily substances.
以上、波長選択について血糖値計測を例にとって説明してきたが、本発明の非侵襲の測定は血糖値測定に限定されない。実施形態の波長の選択、決定等の技術思想は、タンパク質、血中腫瘍DNAなど、他の生体指標の測定にも適用することができる。 Wavelength selection has been explained above using blood glucose measurement as an example, but the non-invasive measurement of the present invention is not limited to blood glucose measurement. The technical concepts of the embodiments, such as wavelength selection and determination, can also be applied to the measurement of other biomarkers, such as proteins and tumor DNA in the blood.
2つの波長に加えて第3、あるいは第4の波長を選択する場合に、領域A、領域B、及び領域Cを相互に組み合わせてもよいことは上述したとおりである。これにより、個体差や測定環境の相違にかかわらず、安定的かつ精度よく生体指標を測定することができる。 As mentioned above, when selecting a third or fourth wavelength in addition to two wavelengths, regions A, B, and C may be combined with one another. This allows stable and accurate measurement of biomarkers regardless of individual differences or differences in the measurement environment.
1 測定装置
10 測定光学系
11 光源装置
111、112、113 光源
12 切替器
121、122、123 切替素子
13、14 合分波器
15、16 導光部材
17 測定光学素子
18 光検出器
25 データロガー
30 情報処理装置
31 データ処理部
32 生体指標推定部
33 切替制御部
34 タイミング制御部
REFERENCE SIGNS LIST 1 Measurement device 10 Measurement optical system 11 Light source device 111, 112, 113 Light source 12 Switcher 121, 122, 123 Switching element 13, 14 Multiplexer/demultiplexer 15, 16 Light guide member 17 Measurement optical element 18 Photodetector 25 Data logger 30 Information processing device 31 Data processing unit 32 Biological index estimation unit 33 Switching control unit 34 Timing control unit
Claims (8)
前記光源から出力され測定対象物で反射された光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力に基づいて前記測定対象物の血糖値を決定する情報処理装置と、
を備え、
前記光源は、970cm-1以上、1010cm-1以下の波数から選択される第1波長の光と、950cm-1以上、990cm-1以下の波数から選択される前記第1波長と異なる第2波長の光と、1700cm-1以上、1760cm-1以下、または1130cm-1以上、1220cm-1以下の波数から選択される第3波長の光を出射し、
前記情報処理装置は、前記第1波長の光の第1吸光度と、前記第2波長の光の第2吸光度と、前記第3波長の光の第3吸光度から、前記測定対象物の血糖値を決定する、
測定装置。 a light source in the mid-infrared region;
a photodetector that detects light output from the light source and reflected by the object to be measured;
an information processing device that determines the blood glucose level of the measurement object based on the output of the photodetector;
Equipped with
the light source emits light having a first wavelength selected from a wavenumber of 970 cm −1 or more and 1010 cm −1 or less, light having a second wavelength different from the first wavelength selected from a wavenumber of 950 cm −1 or more and 990 cm −1 or less, and light having a third wavelength selected from a wavenumber of 1700 cm −1 or more and 1760 cm −1 or less, or 1130 cm −1 or more and 1220 cm −1 or less,
the information processing device determines the blood glucose level of the measurement object from a first absorbance of the light of the first wavelength, a second absorbance of the light of the second wavelength, and a third absorbance of the light of the third wavelength.
Measuring equipment.
前記光源から出力され測定対象物で反射された光を検出する光検出器と、
前記光検出器の出力に基づいて前記測定対象物の血糖値を決定する情報処理装置と、
を備え、
前記光源は、1130cm-1以上、1220cm-1以下の波数から選択される互いに異なる第1波長の光と第2波長の光と、1700cm-1以上、1760cm-1以下、970cm-1以上かつ1010cm-1以下、または950cm-1以上かつ990cm-1以下の波数から選択される第3波長の光を出射し、
前記情報処理装置は、前記第1波長の光の第1吸光度と、前記第2波長の光の第2吸光度と、前記第3波長の光の第3吸光度から、前記測定対象物の血糖値を決定する、
測定装置。 a light source in the mid-infrared region;
a photodetector that detects light output from the light source and reflected by the object to be measured;
an information processing device that determines the blood glucose level of the measurement object based on the output of the photodetector;
Equipped with
the light source emits light having a first wavelength and light having a second wavelength, which are different from each other and selected from a wavenumber of 1130 cm −1 or more and 1220 cm −1 or less, and light having a third wavelength, which is selected from a wavenumber of 1700 cm −1 or more and 1760 cm −1 or less, 970 cm −1 or more and 1010 cm −1 or less, or 950 cm −1 or more and 990 cm −1 or less;
the information processing device determines the blood glucose level of the measurement object from a first absorbance of the light of the first wavelength, a second absorbance of the light of the second wavelength, and a third absorbance of the light of the third wavelength.
Measuring equipment.
前記第2波長の波数は1164cm-1以上、1174cm-1以下である
請求項2に記載の測定装置。 the wave number of the first wavelength is 1156 cm −1 or more and 1164 cm −1 or less,
3. The measuring apparatus according to claim 2, wherein the wave number of the second wavelength is not less than 1164 cm −1 and not more than 1174 cm −1 .
前記第2波長の波数は1170cm-1以上、1216cm-1以下である
請求項2に記載の測定装置。 The wave number of the first wavelength is 1134 cm −1 or more and 1146 cm −1 or less,
3. The measuring apparatus according to claim 2, wherein the wave number of the second wavelength is 1170 cm −1 or more and 1216 cm −1 or less.
請求項1~4のいずれか1項に記載の測定装置。 the information processing device estimates the blood glucose level based on a value obtained by dividing the first absorbance by the second absorbance.
The measuring device according to any one of claims 1 to 4.
請求項1~5のいずれか1項に記載の測定装置。 the information processing device determines a normalization line such that a ratio of the second absorbance to the third absorbance becomes 1, and normalizes the first absorbance using the normalization line.
The measuring device according to any one of claims 1 to 5.
をさらに有する請求項1~6のいずれか1項に記載の測定装置。 a measurement optical element disposed between the light source and the photodetector and configured to emit reflected light from the measurement object toward the photodetector;
The measuring device according to any one of claims 1 to 6 , further comprising:
請求項7に記載の測定装置。 the measurement optics is an attenuated total internal reflection prism;
8. The measuring device according to claim 7 .
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| US20040147034A1 (en) | 2001-08-14 | 2004-07-29 | Gore Jay Prabhakar | Method and apparatus for measuring a substance in a biological sample |
| WO2006011487A1 (en) | 2004-07-30 | 2006-02-02 | National University Corporation Chiba University | Method for measuring glucose concentration in blood using infrared spectroscopy and instrument employing it |
| JP2010217097A (en) | 2009-03-18 | 2010-09-30 | Photoscience:Kk | Glucose concentration measuring apparatus |
| JP2012132745A (en) | 2010-12-21 | 2012-07-12 | Photoscience:Kk | Cholesterol concentration measuring apparatus |
| JP2018199080A (en) | 2015-01-21 | 2018-12-20 | 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 | Blood substance concentration measuring device and light guide |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2934190A1 (en) * | 1979-08-23 | 1981-03-19 | Müller, Gerhard, Prof. Dr.-Ing., 7080 Aalen | METHOD AND DEVICE FOR MOLECULAR SPECTROSCOPY, ESPECIALLY FOR DETERMINING METABOLISM PRODUCTS |
| US5615672A (en) * | 1993-01-28 | 1997-04-01 | Optiscan, Inc. | Self-emission noninvasive infrared spectrophotometer with body temperature compensation |
| JP3594534B2 (en) * | 1999-04-30 | 2004-12-02 | ヘルマン ファウ、リリエンフェルトアル | Equipment for detecting substances |
-
2021
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040147034A1 (en) | 2001-08-14 | 2004-07-29 | Gore Jay Prabhakar | Method and apparatus for measuring a substance in a biological sample |
| WO2006011487A1 (en) | 2004-07-30 | 2006-02-02 | National University Corporation Chiba University | Method for measuring glucose concentration in blood using infrared spectroscopy and instrument employing it |
| JP2010217097A (en) | 2009-03-18 | 2010-09-30 | Photoscience:Kk | Glucose concentration measuring apparatus |
| JP2012132745A (en) | 2010-12-21 | 2012-07-12 | Photoscience:Kk | Cholesterol concentration measuring apparatus |
| JP2018199080A (en) | 2015-01-21 | 2018-12-20 | 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 | Blood substance concentration measuring device and light guide |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KASAHARA, R. et al.,Noninvasive glucose monitoring using mid-infrared absorption spectroscopy based on a few wavenumbers,BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS 289,2018年,Vol.9 No.1 |
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| Publication number | Publication date |
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