JPH0581253B2

JPH0581253B2 -

Info

Publication number: JPH0581253B2
Application number: JP2286941A
Authority: JP
Inventors: Gencho Yana; Ingyoku Kin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-10-28
Filing date: 1990-10-24
Publication date: 1993-11-12
Also published as: US5267152A; CA2028261A1; JPH03146032A; CN1051297A; HU213438B; HU906914D0; HUT58145A; CN1025410C; RU2122208C1; DE69033104T2; JP2588468Y2; ATE179874T1; EP0426358A1; JPH10181U; DE69033104D1; CA2028261C; EP0426358B1

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は血糖濃度測定装置に係り、特に従来
の測定装置のように注射器やメス等の器具を用い
て採血してから血糖濃度を測定するのではなく、
ノン・インベイシブ方法（Non−Invasive
Technique）を用いて採血等による生体の損傷を
伴わずに、単に本装置の測定部分（Port）を血
管の見える人体の適当な部分、例えば手首の内側
に当てることにより、血糖濃度の測定を可能にし
た生体を損なわない血糖濃度測定装置に関する。

〔発明の概要〕

通常、糖尿病等の患者は一日に２回ないし８回
程度、平均すると４回程度は注射器等により血液
を採取し、その後、例えば酵素法（Enzymatic
Method）を利用した携帯用血糖濃度測定機器に
より血液中の糖濃度を測定している。

現在、前記測定機器を用いて行なう検査及び測
定においては、１回の検査及び測定毎に使い捨て
の注射器や検査紙等が必らず１セツトは使用され
ている。従来の測定機器を用いる検査及び測定
は、機器の本体だけでも高価であるばかりでな
く、注射器や検査紙等の測定補助器具の購入費用
だけでも年間を通して計算すると多大な経費を要
している。

このような問題を解消するため多くの研究が進
められてきた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、血糖を測定する時に注射器・
試験紙等の器具を用いることなく血糖濃度測定用
の装置の測定部を単に皮膚に当てることにより、
手軽でかつ人体に悪影響を与えることなく血糖濃
度を測定することのできる、生体を損なわない血
糖濃度測定装置を提供することにある。

〔発明の構成〕

上記目的を達成するため、この発明による生体
を損なわない血糖濃度測定装置は、電源スイツチ
を介して所定電圧を供給する電源と、この電源に
より所定波長の光を発生させる光源と、この光源
からの光線を所定の平行光線に制御する光学系
と、光学系を介して供給された光線を被測定部位
に照射し反射されてきた光を集束させる集束部
と、集束部が集束した光を検出する検出部と、検
出部からの出力をアナログ信号からデイジタル信
号に変換した測定値を基準値と比較して演算処理
して血糖値を算出する演算処理部と、を備えた生
体を損なわない血糖濃度測定装置を、以下のよう
に構成したものである。

少なくとも１つの発光素子よりなり接合部を備
えると共に前記電源から電流により異なる出力波
長の光を発生させる前記光源としてのレーザダイ
オードと；前記電源からの出力に基づいて電圧の
安定した出力を前記光源としてのレーザダイオー
ドに供給するダイオード用の電源調節器と；温度
変化の影響を受け易い前記レーザダイオードの接
合部に対して所定の割合で電流値を変化させるよ
うに制御する温度調節器と；前記電源調節器を制
御するために前記演算処理部より出力されるデイ
ジタル制御信号をアナログ制御信号に変換させる
Ｄ／Ａ変換器と；前記レーザダイオードから放出
された光を測定目的に応じて分離・結合させて平
行光線となるように光学的に調節する光学系と；
前記光学系により調節された光を被測定部位であ
る被測定者の皮膚に照射すると共に、血管内の血
液中の血糖分子の倍振動及び組み合わせ振動によ
り散乱されて反射した光を集束する集光部と；前
記集光部により集束された光子を電気的なアナロ
グ測定値信号に変換した後、この信号を増幅して
出力する検出器と；前記電気的なアナログ測定値
をデイジタル測定値に変換するＡ／Ｄ変換器と；
前記基準値としての検定曲線を記憶するメモリ
と；変換された前記デイジタル測定値と前記メモ
リに記憶された検定曲線とを比較して血液中の血
糖濃度を算出すると共に、前記Ｄ／Ａ変換器を介
して前記電源調節器及び温度調節器に制御信号を
出力してレーザダイオードの発光光線を制御する
前記演算処理部としてのマイクロコンピユータ
と；そして、前記マイクロコンピユータにより演
算・算出された血糖濃度を表示するデイジタルデ
イスプレイと；を具備すると共に、装置全体を携
帯可能な寸法及び形状に小型化して形成したもの
である。

（作用）この発明は、近赤外線拡散反射レーザー分光法
（Near−Infrared Radiation Diffuse−
Reflection Laser Spectroscopy）に基づいて、
人体に悪影響を与えない周波数を有する電子輻射
線を血管に照射し、血糖濃度を測定するようにし
たものであり、皮膚の表面から測定部位の血管ま
でを通過し得る波長を有する電子輻射線を用いて
いる。この皮膚から血管までは、“ウオーターウ
インドウ（Water Window）”と呼ばれている
が、これは人体の結合組織の大部分が水分
（H₂O）より構成されているため名付けられたも
のである。この“ウオーターウインドウ”を通過
できる電子輻射線の波長は3μｍ〜5μｍの範囲内
に部分的に散在していることが知られている。と
ころで、最近本願発明者らが調査・研究した結果
によれば、人体に有害でない適切なエネルギーを
持つ電子輻射線を皮膚に照射したときに“ウオー
ターウインドウ”を通過して血管まで到達できる
波長は1.3μｍ〜1.9μｍの範囲にあるということが
判明した。

従つて、本発明では半導体（ダイオード）レー
ザを使用して1.3μｍ〜1.9μｍの範囲、とりわけ
1.4μｍ〜1.8μｍの範囲の波長を有する電子輻射線
を利用している。この電子輻射線を照射したとき
に皮膚を通過して血管に到達する電子輻射線は、
血液の成分と相互作用し、血液の成分を成す分子
の固有の特性等により吸収されて散乱・反射され
る。従つて、本発明においては複雑な分子等に基
づく血液の不均一性（heterogeneity）により吸
収されて散乱・反射される光を本発明の目的に合
致するように設計された集光部（integrating
sphere−積分球）により集束し、この集束された
光子（hν）を検出部により電気的なアナログ測
定値に変換させた後、ワンチツプのマイクロコン
ピユータに供給し、このマイクロコンピユータに
供給し、このマイクロコンピユーターにより適切
な検定方法を用いて血糖値を計算・算出して血糖
濃度を測定できるようにしている。

尚、本発明において、近赤外線（Near
Infrared Radiation）の一般な特性は国際純粋化
学・応用化学連合会（IUPAC；International
Union of Pure and Applied Chemistry）によ
り定義された内容に準じている。即ち、その周波
数（sec^-1）は10¹³〜3.75×10¹⁴Hzであり、そのエ
ネルギーは0.951〜35.8（Kcal／mol）、0.412〜
1.55eVであり、波長は0.8〜30μｍである。さらに
本発明は分子の振動、回転、並進運動による近赤
外線分光法において、血糖分子の振動運動に対す
る物理化学的な原理に基づいて、倍振動
（Overtonevibration）と組合わせ振動
（Combination vibration）を用いており、特に
倍振動が主に利用されている。

一方、本発明による他の分析方法においては、
分光法における重要な測定値の処理と測定しよう
とする寸法（血糖濃度）等の計算処理のため、多
重線形回帰分析（multiple linear regression
analysis）と多変量分布分析（multivariate
analysis）等のような数学的な方法に基づいて本
発明の目的に合致するように本発明者らにより改
良された方法を用いてデータ処理・算出してい
る。

本発明によれば、検査方法が簡便であり誰でも
手軽に使用することができ、経費が少なくて済む
等の長所を持つ血糖濃度測定装置を提供できるこ
とになる。例えば、患者が外出や旅行をする時、
常時携帯することを必要としていた使い捨ての注
射器や試験紙等を携帯しなくて済むことになる。
さらに、上述したような採血等の検査を行なう為
の場所を捜さなくても済むようになる。さらにま
た、長期間にわたり検査及び測定を継続して行な
う場合には注射により人体の特定部分、例えば下
摶部等に変形が生じてしまい人体を害するという
問題点があつたが、これも克服することができ
る。

本発明による生体を損なわない（ノン・インベ
イシブ）血糖濃度測定装置は直径が例えば0.5〜
５mmの範囲内、望ましくは２mm以下の測定部を、
例えば手首の内側等の皮膚上の血管が見える所定
部位に当接することにより、短時間内（例えば60
秒以内、望ましくは40秒以内）に血糖濃度を測定
できるので、従来のように不便で、なおかつ多大
の費用を必要とする使い捨ての注射器・試験紙等
の消耗器具を不要にすることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細
に説明する。

第１図は本発明による血糖濃度の測定装置のブ
ロツク構成図を示し、第２図は第１図に示された
血糖濃度の測定装置を詳細に示した回路図であ
る。図において、電源スイツチ１がオンされる
と、電源としての図示されないバツテリからワン
チツプで構成されたマイクロコンピユータ（以
下、マイコンという。）２に電圧が供給される。
これと同時に、前記電源はデイジタルデイスプレ
イ３、レーザダイオード用の電源調節器４、及び
検出部７にも供給され、必要に応じて光学系６等
にも供給される。この電源としてのバツテリは一
般には4.5V〜9Vのものが使用され、最も好まし
いのは充電用の6Vのものである。

この状態でスタート／リセツトスイツチ８がオ
ンされると、前記マイコン２は前記電源調節器４
に制御信号を供給し、これにより電源調節器４は
レーザダイオード５に電源を供給し始める。この
電源の供給開始により次第に増加した電流が臨界
電流（threshold current；約20ｍＡ）を越える
とレーザダイオード５が発光する。このときの電
流値は、現在の技術水準においてはレーザダイオ
ードの特性により安定した電圧と所定の温度のも
とで約20〜200ｍＡが適当な値であり、この電流
範囲の間で徐々に電流を上げて、予め定められた
電流値に達したときに測定に必要な波長を有する
光が放出されることになる。例えば、1.3μｍ〜
1.9μｍの範囲内の波長を有する光が用いられる
が、この中でも特に、1.4μｍ〜1.8μｍの波長を有
する光が主として有用である。光源として用いら
れる前記レーザーダイオード５は１個でも良い
が、通常複数個例えば30個程度で構成され、その
全てが同一波長の光を放出するようにしても良い
し、また、夫々が異なる波長の光を放出するよう
にしても良い。

前記レーザダイオード５はいわゆる半導体レー
ザを生成するものであり、この半導体レーザの発
振波長域は、およそ0.33μｍ〜32μｍにわたつてい
る。ダイイオードレーザの場合、0.57μｍより短
波長側では実用性に適するものが開発されていな
い。半導体レーザにおいて発振波長の同調を行な
うには一般に、(a)材料の禁制帯幅の変化と、(b)材
料の屈折率の変化を利用する２つの方法があり、
前者は帯域同調に、後者は微細同調に主として用
いられている。後者の微細同調を行なう方法は屈
折率が圧力・磁界・温度等に依存しているため、
これらを制御することにより共振器の長さを等価
的に変化させて共振モードの周波数を変移させ
る。ダイオードレーザの場合、励起電流により
pn接合部に温度変化が生じ電流増加に伴い所定
の割合で発振周波数が低い方にシフトすることが
ある。温度調節器１３は、レーザダイオード５の
接合部分の温度変化に起因する上述のような影響
を除去するために、接合部の温度の調節を行なう
ものである。この温度調節は、レーザダイオード
５のチツプの外部から電流変化に伴う温度変化を
検出し、所望のチツプ温度になるように熱源を作
用させることにより行なわれる。

複数個の前記レーザダイオード５から放出され
た光は同時または順次に発光するが、同時発光の
場合、例えばフーリエ変換を用いて必要な波長を
分離する。

前記レーザダイオード５よりなる光源から放出
された光は光学系６に達し、測定目的に合致する
平行光となるように分離・結合等の光学的調整が
行われる。この光学的な調整により一つ又は複数
の方向に光軸に調整された光線は、例えば積分球
より成る集光部９に供給され、これを通過して被
測定者の皮膚に順次に照射される。集光部９は積
分球とも呼ばれるようにほぼ球形の形状を有して
いる。

ここで、光線の照射箇所を明確にするために被
測定者の皮膚上に照射範囲を示す基準ポートを予
め準備しておいても良いが、照射箇所がはつきり
している場合には基準ポートを設けることなく直
接皮膚に照射しても良い。この光線は被測定者の
皮膚を透過して血管内の血液にまで至り、血液に
吸収されずに散乱・反射された光は再び集光部９
により集束されから、検出部７により検出され
る。なお、散乱・反射された光を集束する集光部
９の大きさは直径が2.56cm以下に形成されてお
り、望ましくは1.28cm以下、更に最も望ましいの
は0.64cm以下となるように形成されたものであ
る。前記したように検出された測定値はアナログ
値を有する電気的な計数値であり、これは検出部
７に接続された一般的な前段増幅器により増幅さ
れた後、Ａ／Ｄ変換器１１に転送され、デイジタ
ル測定値に変換される。

前記Ａ／Ｄ変換器１１によりデイジタル値に変
換された測定信号は、前記マイコン２に供給さ
れ、このマイコン２により内蔵メモリに予め記憶
されている基準（検定曲線）値と比較されて血糖
濃度が計算・算出され、この結果がデイジタルデ
イスプレイ３に表示される。

上記血糖濃度測定機器は、全体の大きさ（横・
縦・高さ）が170×80×25mm以下となるように形
成されており、さらに150×75×22mm以下が適当
であり、また130×70×20mm以下に形成されるの
が最も好ましい。

一方、前記検出部７としてはポートダイオード
により構成することが望ましいが、現在の技術水
準では特に前段増幅器が接続されたゲルマニウム
検出器（Ce detector）により実施するのが最も
望ましい。

また前記光学系６は、例えば直径0.5〜５mm以
下（最も好ましいのは直径２mm以下）の構成部品
により形成され、光を集光・拡散させて平行光線
を形成する。平行光線の形成は、周知のコリメー
タレンズ等を用いて行なつてもよい。

なお、本実施例では集光部９が球形に形成され
て場合についてのみ説明したが、本発明はこれに
限定されず、例えば断面が楕円形、半楕円形また
は他の図形となる三次元の立体形状に集光部９を
形成することもできる。

さらに、本発明の血糖濃度測定装置は小型・軽
量のものであるためマイコン２及びレーザダイオ
ード５等の本体と集光部９及び検出部７等の測定
部分（port）とを一体的に形成しておいても十分
にその操作性を発揮できるが、本体と測定部分と
を２つの部分に分離して形成しても良い。分離さ
れている場合には、レーザダイオード５からの光
を被測定者の前記測定部分まで伝達するために、
光フアイバ等の光伝送手段を用いている。この光
伝送手段の繊維の距離は、100〜1000mmであり、
この中間の500mm程度が一般には適当であるが、
最も適当な距離は300mmである。

なお、本実施例においてはＤ／Ａ変換器１０及
びＡ／Ｄ変換器１１がワンチツプマイコン２と分
離された場合についてのみ説明したが、本発明は
これに限定されず、Ｄ／Ａ変換器１０及びＡ／Ｄ
変換器１１がマイコン２に含まれた専用チツプを
用いても良い。

なお、上述部分では測定値を比較する基準値と
しての検定曲線を内蔵メモリに格納しておくもの
として説明したが、本実施例はマイコン２の動作
を補助するためRAM１２₁とEPROM１２₂から
なる補助回路１２を用いて必要な情報の記憶・読
出しを行なうようにしても良い。

また、本実施例では血糖濃度の測定についての
み説明したが、本発明はこれに限らず、例えばコ
レステロール濃度あるいはアルコール濃度の測定
にも適用することができる。

上記構成に係るこの発明の一実施例による動作
は以下の各段階を経て行われる、電源スイツチ１
を利用してバツテリから電源を要するマイクロコ
ン２とデジタルデイスプレイ３、レーザダイオー
ド用電源調節器４、検出部７及び必要によつて光
学系６等にそれぞれ電源を供給する段階。

スタート／リセツトスイツチ８を用いてマイコ
ン２によりレーザダイオード用電源調節器４及び
温度調節器１３がレーザダイオード５に安定した
電圧と温度で電流を漸増的に印加して測定に必要
な波長を放出するように制御する段階。

これと関連してマイクロコンピユータ２とレー
ザダイオード用電源調節器４との間に設けられた
Ｄ／Ａ変換器１０によりデイジタル制御信号を電
気的な制御信号に変換させる段階。

レーザダイオード５がレーザダイオード用電源
調節器４の制御により測定に必要な波長の光を放
射する段階。

前記レーザダイオード５から放射された光を光
学系６により目的に合うように平行にするかある
いは光学的に調節及び分離または結合させる段
階。

この光学的に調節された光を集光部９を通じて
血糖濃度を測定しようとする被測定者の血管が見
える皮膚に照射する段階。

皮膚を通過して血管まで到達され血液により吸
収、散乱、反射された光を集光部９を通じて集束
する段階。

前記集光部９により集束された光子を検出部７
により検出して電気的なアナログ測定値に変換
し、検出部７に設けられた前段増幅部で増幅した
後、Ａ／Ｄ変換器１１に転送する段階。

前記Ａ／Ｄ変換器１１を用いて前記電気的なア
ナログ測定値をデイジタル測定値に変換した後、
このデイジタル測定値をマイコン２に転送する段
階。

前記マイコン２内のメモリ領域に記憶されてい
る検定曲線と前記Ａ／Ｄ変換器１１により変換さ
れたデイジタル測定値を比較して血液中の血糖濃
度を計算、算出する段階。

この様に算出された血糖濃度をデイジタルデイ
スプレー３に表示する段階。

また、血糖濃度の測定方法は、近赤外線拡散反
射レーザー分光法に基づき、分子の振動、回転、
並進運動による近赤外線分光法で血糖分子の振動
運動に対する物理化学的原理に基づき、その中で
も倍振動と組合振動を利用し、特に倍振動を利用
するようになつたことをも特徴としている。

さらに、血糖濃度の測定方法は、前記マイコン
２内のメモリ領域に記憶されている検定曲線と前
記Ａ／Ｄ変換器１１により変換されたデジタル測
定値を比較して血糖濃度を計算、算出する段階で
多重線形回帰分析と多変量分布分析などの数学的
な方法を使用するようになつたことも特徴として
いる。

前述したように、血糖濃度測定装置の本体と前
記測定部との間を光繊維を用いて分離する場合に
は、その分離される距離は100〜1000mmであり、
適当には500mm、最も適当には300mmである。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によるノ
ン・インベイシブ血糖濃度の測定方法およびその
装置によれば、注射針のような器具を使用して血
液を採る必要もなく単に本装置の測定部分
（port）を血管の見える人体の適当な部分、例え
ば手首の内側に当てることにより血糖濃度を測定
できるようになつているため、簡便なおかつ身体
部位の変異などのような人体への有害さが無く、
従来の１回用注射器が要らなくなり、下級装備に
よる費用が殆どかからなくなる等の長所を有して
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による血糖濃度の測定装置のブ
ロツク構成図、第２図は第１図に示された血糖濃
度の測定装置を詳細に示した回路ブロツク図であ
る。１……電源スイツチ、２……ワンチツプマイク
ロコンピユータ、３……デジタルデイスプレイ、
４……レーザダイオード用電源調節器、５……レ
ーザダイオード、６……光学系、７……検出部、
８……スタート／リセツトスイツチ、９……集光
部、１０……Ｄ／Ａ変換器、１１……Ａ／Ｄ変換
器、１２……補助回路、１２₁……RAM、１２₂
……EPROM、１３……温度調節器。

Claims

【特許請求の範囲】１電源スイツチを介して所定電圧を供給する電
源と、この電源により所定波長の光を発生させる
光源と、この光源からの光線を所定の平行光線に
制御する光学系と、光学系を介して供給された光
線を被測定部位に照射し反射されてきた光を集束
させる集光部と、集光部が集束した光を検出する
検出部と、検出部からの出力をアナログ信号から
デイジタル信号に変換した測定値を基準値と比較
して演算処理して血糖値を算出する演算処理部
と、を備えた生体を損なわない血糖濃度測定装置
において、少なくとも１つの発光素子より成り、かつ接合
部を備えると共に前記電源からの電流により異な
る出力波長の光を発生させる前記光源としてのレ
ーザダイオードと；前記電源からの出力に基づいて電圧の安定した
出力を前記光源としてのレーザダイオードに供給
するダイオード用の電源調節器と；温度変化の影響を受易い前記レーザダイオード
の接合部に対して所定の割合で電流値を変化させ
るようにこのダイオードが封止されたチツプの温
度を制御する温度調節器と；前記電源調節器を制御するために前記演算処理
部より出力されるデイジタル制御信号をアナログ
制御信号に変換させるＤ／Ａ変換器と；前記レーザーダイオードから放出された光を測
定目的に応じて分離・結合させて平行光線となる
ように光学的に調節する光学系と；前記光学系により調節された光を被測定部位で
ある被測定者の皮膚に照射すると共に、血管内の
血液中の血糖分子の倍振動及び組み合わせ振動に
より散乱されて反射した光を集束する集光部と；前記集光部により集束された光子を電気的なア
ナログ測定値信号に変換した後、この信号を増幅
して出力する検出器と；前記電気的なアナログ測定値をデイジタル測定
値に変換するＡ／Ｄ変換器と；前記基準値としての検定曲線を記憶するメモリ
と；変換された前記デイジタル測定値と前記メモリ
に記憶された検定曲線とを比較して血液中の血糖
濃度を算出すると共に、前記Ｄ／Ａ変換器を介し
て前記電源調節器及び温度調節器に制御信号を出
力してレーザダイオードの発光光線を制御する前
記演算処理部としてのマイクロコンピユータと；
そして、前記マイクロコンピユータにより演算・算出さ
れた血糖濃度を表示するデイジタルデイスプレイ
と；を具備すると共に、装置全体を携帯可能な寸法及び形状に小型化し
て形成したことを特徴とする生体を損なわない血
糖濃度の測定装置。２前記レーザーダイオードから放射される電子
輻射線の波長が、1.4μｍ〜1.8μｍであり、この波
長の光が被測定者の皮膚を介して順次に血液に照
射されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
に記載の生体を損なわない血糖濃度測定装置。３前記集光部は、直径が2.56mm以下のほぼ球形
に形成された積分球より成り、かつ、全体の寸法
が横150mm、縦75mm、及び高さ22mm以下に形成さ
れたことを特徴とする特許請求の範囲第１項項記
載の生体を損なわない血糖濃度測定装置。４この血糖濃度測定装置の本体と、前記光学
系、集光部及び検出部より成る測定部とを分離し
て構成すると共に、前記本体及び前記測定部殿間
を光フアイバにより接続したことを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の生体を損なわない血糖
濃度測定装置。５前記集光部により集束された前記光子を検出
する検出部は、ポートダイオードを用いると共に
前段増幅器を備えたたゲルマニウム検出器より構
成され、前記Ｄ／Ａ変換器及びＡ／Ｄ変換器は、
前記マイクコンピユータから分離されて同一基板
上に実装され、かつ、前記電源としては4.5V〜
9Vの充電用バツテリより構成されていること特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載の生体を損
なわない血糖濃度の測定装置。