特開 2023-138121 測定装置、血糖値測定装置、および測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023138121

(43)【公開日】2023-09-29

(54)【発明の名称】測定装置、血糖値測定装置、および測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/552 20140101AFI20230922BHJP

   A61B 5/1455 20060101ALI20230922BHJP

【ＦＩ】

G01N21/552

A61B5/1455

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022044641

(22)【出願日】2022-03-18

(71)【出願人】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】大場 義浩

(72)【発明者】

【氏名】笠原 亮介

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 俊英

(72)【発明者】

【氏名】細野 信人

【テーマコード（参考）】

2G059

4C038

【Ｆターム（参考）】

2G059AA05

2G059BB04

2G059BB08

2G059BB12

2G059BB13

2G059CC16

2G059EE01

2G059HH01

2G059JJ12

2G059MM01

4C038KK10

4C038KL05

4C038KL07

4C038KY04

4C038KY11

(57)【要約】

【課題】測定信頼性に優れた測定装置を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様に係る測定装置は、被測定物が接触する全反射面を有する全反射プリズムと、７［μｍ］以上１２［μｍ］以下の波長を含む光を前記全反射面に入射させる光源部と、前記全反射面で反射された前記光の光強度を検出する検出部と、を備え、 １０［μｍ］の波長の光に対する前記全反射プリズムの基材の屈折率をｎ１とし、１０［μｍ］の波長の光に対する前記被測定物の屈折率ｎ２を１．３２または１．４４とすると、前記光源部からの光束の中心の入射角度θｃは、式（１）を満たす。
【数１】

【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定物が接触する全反射面を有する全反射プリズムと、
７［μｍ］以上１２［μｍ］以下の波長を含む光を前記全反射面に入射させる光源部と、
前記全反射面で反射された前記光の光強度を検出する検出部と、を備え、
１０［μｍ］の波長の光に対する前記全反射プリズムの基材の屈折率をｎ１とし、１０［μｍ］の波長の光に対する前記被測定物の屈折率ｎ２を１．３２または１．４４とすると、前記光源部からの光束の中心の入射角度θｃは、式（１）を満たす、測定装置。

【数1】

【請求項2】

前記基材の屈折率ｎ１は、１．３２以上１．９１以下であり、式（１－１）を満たす、請求項１の測定装置。
４３．９＜θｃ＜９０．０［度］ ・・・（１－１）

【請求項3】

前記基材の屈折率ｎ１は、１．３２以上１．５７以下であり、式（１－２）を満たす、請求項１の測定装置。
６７．０＜θｃ＜９０．０［度］ ・・・（１－２）

【請求項4】

被測定物が接触する全反射面を有する全反射プリズムと、
７［μｍ］以上１２［μｍ］以下の波長を含む光を前記全反射面に入射させる光源部と、
前記全反射面で反射された前記光の光強度を検出する検出部と、を備え、
１０［μｍ］の波長の光に対する前記全反射プリズムの基材の屈折率ｎ１は、１．３２より大きく１．９１以下である、測定装置。

【請求項5】

前記基材の屈折率ｎ１は、１．３２より大きく１．５７以下である、請求項４に記載の測定装置。

【請求項6】

前記基材は、塩化ナトリウムを含む、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の測定装置。

【請求項7】

前記基材は、前記基材の表面を被覆する被覆層を備える、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の測定装置。

【請求項8】

前記被覆層は、酸化アルミニウムを含む、請求項７に記載の測定装置。

【請求項9】

前記全反射プリズムは、内部において前記光を複数回全反射する、請求項１から請求項８のいずれかに記載の測定装置。

【請求項10】

前記全反射プリズムは、前記全反射面における前記光の入射光線および反射光線を含む面である入射面に交差する方向へ前記光を反射する交差反射面を備える、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の測定装置。

【請求項11】

前記被測定物は生体である、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の測定装置。

【請求項12】

前記検出部により検出された前記光強度に基づき、前記被測定物における吸光度に関する情報である吸光度情報を出力する第１出力部と、
前記第１出力部からの前記吸光度情報に基づき、生体に関する情報である生体情報を出力する第２出力部と、をさらに備える、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の測定装置。

【請求項13】

前記生体情報は、前記生体に含まれる組成に関する情報である組成情報を含み、
前記組成情報は、グルコース、皮膚組織、コラーゲンおよび脂質の少なくとも１つに関する情報を含む、請求項１２に記載の測定装置。

【請求項14】

請求項１２または請求項１３に記載の測定装置を備える血糖値測定装置であって、
前記生体情報は、前記生体に含まれる血液の血糖値に関する情報を含む、血糖値測定装置。

【請求項15】

全反射面を有する全反射プリズムを備える測定装置による測定方法であって、前記測定装置が、
光源部により、被測定物が接触する前記全反射面に７［μｍ］以上１２［μｍ］以下の波長を含む光を入射させ、
検出部により、前記全反射面で反射された前記光の光強度を検出し、
第１出力部により、前記検出部によって検出された前記光強度に基づき、前記被測定物における吸光度に関する情報である吸光度情報を出力し、
第２出力部により、前記吸光度情報に基づき、生体に関する情報である生体情報を出力し、
前記全反射プリズムの基材の前記光に対する屈折率をｎ１とし、前記被測定物の屈折率ｎ２を１．３２または１．４４とすると、前記光源部からの光束の中心の入射角度θｃは、式（１）を満たす、測定方法。

【数1】

【請求項16】

全反射面を有する全反射プリズムを備える測定装置による測定方法であって、前記測定装置が、
光源部により、被測定物が接触する前記全反射面に７［μｍ］以上１２［μｍ］以下の波長を含む光を入射させ、
検出部により、前記全反射面で反射された前記光の光強度を検出し、
第１出力部により、前記検出部によって検出された前記光強度に基づき、前記被測定物における吸光度に関する情報である吸光度情報を出力し、
第２出力部により、前記吸光度情報に基づき、生体に関する情報である生体情報を出力し、
１０［μｍ］の波長の光に対する前記全反射プリズムの基材の屈折率ｎ１は、１．３２より大きく１．９１以下である、測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、測定装置、血糖値測定装置、および測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

１０［μｍ］程度の波長を含む中赤外領域の光を用いて測定を行う測定装置が知られている。このような測定装置は、生体における血糖値の測定等において使用される。世界中で糖尿病患者が増加している昨今、血糖値の測定装置等では、採血を伴わない非侵襲的なものへのニーズが高まっている。

【0003】

中赤外光を用いる測定装置には、中赤外領域等の特定波長領域において全反射減衰（ＡＴＲ：Attenuated Total Reflection）法により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（１０３５［ｃｍ^－１］、１０８０［ｃｍ^－１］、１１１０［ｃｍ^－１］）を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の測定装置では、測定信頼性に優れたものが求められる。

【0005】

本発明は、測定信頼性に優れた測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様に係る測定装置は、被測定物が接触する全反射面を有する全反射プリズムと、７［μｍ］以上１２［μｍ］以下の波長を含む光を前記全反射面に入射させる光源部と、前記全反射面で反射された前記光の光強度を検出する検出部と、を備え、 １０［μｍ］の波長の光に対する前記全反射プリズムの基材の屈折率をｎ１とし、１０［μｍ］の波長の光に対する前記被測定物の屈折率ｎ２を１．３２または１．４４とすると、前記光源部からの光束の中心の入射角度θｃは、式（１）を満たす。

【数1】

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、測定信頼性に優れた測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】潜り込み深さと入射角度との関係の第１例の図である。

【図2】潜り込み深さと入射角度との関係の第２例の図である。

【図3】臨界角法により屈折率を測定する構成を例示する図である。

【図4】潜り込み深さと入射角度との関係の第３例の図である。

【図5】第１実施形態に係る測定装置の構成を例示する図である。

【図6】全反射プリズムの唇への接触例を示す図である。

【図7】第１実施形態に係る処理部の機能構成例のブロック図である。

【図8】第１実施形態に係る潜り込み深さと入射角度との関係の第１例の図である。

【図9】第１実施形態に係る潜り込み深さと入射角度との関係の第２例の図である。

【図10】第１実施形態に係る潜り込み深さと入射角度との関係の第３例の図である。

【図11】被測定物が指である場合を例示する図である。

【図12】全反射プリズム内部において光を複数回全反射させる構成例の図である。

【図13】第２実施形態に係る測定装置の構成を例示する図である。

【図14】第２実施形態に係る測定装置の全反射プリズムを示す正面図である。

【図15】第２実施形態に係る測定装置の全反射プリズムを示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。なお、以下に示す形態は、本実施形態の技術思想を具現化するための測定装置を例示するものであって、以下に限定するものではない。また、実施形態に記載されている構成部の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさ、位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。

【0010】

以下、ＡＴＲ法により測定した吸光度に基づき、生体情報としての血糖値を測定する測定装置を一例として実施形態を説明する。

【0011】

＜実施形態における用語の説明＞
（中赤外領域）
中赤外領域とは、２［μｍ］から１４［μｍ］まで程度の波長領域をいう。
（ＡＴＲ法）
ＡＴＲ法とは、被測定物に接触して配置された全反射プリズムにおいて全反射が起きる際に、全反射面からしみ出したエバネッセント波を利用して被測定物の吸収スペクトル情報を取得する手法をいう。
（吸光度）
吸光度とは、光が物体を通過した際に光強度がどの程度低下するかを示す無次元量をいう。実施形態では、ＡＴＲ法により、全反射面からしみ出したエバネッセント波の生体による減衰が吸光度として測定される。
（血糖値）
血糖値とは、血液中に含まれるブドウ糖（グルコース）の濃度をいう。
（波数）
波長λ［μｍ］と波数ｋ［ｃｍ^－１］の関係は、ｋ＝１００００／λである。

【0012】

＜被測定物の屈折率の測定について＞
まず、ＡＴＲ法を用いた測定において、被測定物の中赤外領域における屈折率を明らかにすることの必要性、並びに、被測定物の中赤外領域における屈折率の測定方法および結果について説明する。ここでの被測定物は、唇や指などの生体である。

【0013】

潜り込み深さｄｐは、次の式（６）のように定義される。潜り込み深さｄｐとは、全反射プリズムの全反射面からしみ出したエバネッセント波が全反射面に接触する被測定物の内部に潜り込む深さをいう。潜り込み深さｄｐは、被測定物の内部に潜り込んだエバネッセント波の光強度が１／ｅに低下するまでの深さに対応する。

【数6】

式（６）において、θは全反射面への光の入射角度を表す。λは該光に含まれる波長を表す。πは円周率を表す。ｎ１は全反射プリズムの基材の屈折率を表す。ｎ２は被測定物の屈折率を表す。なお、以降で示す屈折率ｎ１およびｎ２は、１０［μｍ］の波長を含む光に対する屈折率を指すものとする。

【0014】

全反射プリズムの基材がゲルマニウム（Ｇｅ）を含む場合、並びに全反射プリズムの基材が硫化亜鉛（ＺｎＳ）を含む場合、のそれぞれの潜り込み深さｄｐと入射角度θとの関係は、式（６）に従うと図１のようになる。図１は、屈折率ｎ２を従来の推定値である１．４００とした場合の潜り込み深さｄｐと入射角度θとの関係を示す図である。図１において、破線のグラフ１１は屈折率ｎ１がゲルマニウム（Ｇｅ）の４．００の場合、実線のグラフ１２は屈折率ｎ１が硫化亜鉛（ＺｎＳ）の２．２０の場合をそれぞれ示している。

【0015】

唇や指等の生体の表面にはグルコースを含有しないとされる角質層が存在する。角質層の厚さは、部位によって異なるが、唇であれば２［μｍ］以上４［μｍ］以下程度、指であれば１０［μｍ］以上２０［μｍ］以下程度である。角質層よりも深い生体内の領域において吸光度を測定できるように、潜り込み深さｄｐは、角質層の厚さに対応する深さよりも深いことが望ましい。しかしながら従来は、１０[μｍ]の波長を含む光に対する被測定物の屈折率ｎ２は明らかではなく、最適な入射角度θｃが不明であった。このため、角質層の厚さに対応する深さよりも深い潜り込み深さｄｐにおいて、ＡＴＲ法を用いた測定を行うことが困難であった。

【0016】

図２は、潜り込み深さｄｐと入射角度θとの関係の第２例を示す図である。図２は、全反射プリズムの基材の屈折率ｎ１を２．２０とし、被測定物の屈折率ｎ２を変化させた場合の潜り込み深さｄｐを表している。各グラフは、入射角度θの最小値が小さい側から大きい側の順に、屈折率ｎ２が１．２０、１．２５、１．３０、１．３５、１．４０、１．４５および１．５０の各場合の潜り込み深さｄｐと入射角度θとの関係を示している。例えば入射角度θが４０．０［度］である場合には、潜り込み深さｄｐは、被測定物の屈折率ｎ２に応じて、約２［μｍ］から約７［μｍ］まで変化する。

【0017】

次式により定義される臨界角θ０に入射角度θが近づくほど、潜り込み深さｄｐは深くなる。
θ０＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）

【0018】

しかしながら、入射角度θが臨界角θ０よりも小さくなると、全反射面に入射する光が全反射されず、全反射プリズムを透過したのち被測定物に吸収されるため、ＡＴＲ法による測定ができなくなる。このため、屈折率ｎ２が明らかでない被測定物をＡＴＲ法により測定する場合には、潜り込み深さｄｐを最大化する入射角度θを明らかにすることが必要となる。

【0019】

一方、測定の信頼性を高めるためには、全反射プリズムの基材の屈折率ｎ１を被測定物の屈折率ｎ２に近くすることが好ましい。中赤外領域の光に対する生体の屈折率は、従来、正確な値は明らかになっていないが、およそ１．２０から１．５０の範囲であると予測される。屈折率ｎ１が４．０であるゲルマニウム（Ｇｅ）、および屈折率ｎ１が２．２０である硫化亜鉛（ＺｎＳ）は、上記の１．２０から１．５０の範囲にある被測定物の屈折率ｎ２に対して差が大きい。

【0020】

発明者は、臨界角法を用いて、１０［μｍ］の波長を含む光に対する唇の屈折率が１．３２であり、指の屈折率が１．４４であることを明らかにした。図３は、臨界角法により屈折率を測定する構成を例示する図である。

【0021】

図３において、臨界角法を用いて屈折率を測定する構成は、第１回転ステージ３１、分布帰還型量子カスケードレーザ（ＤＦＢ－ＱＣＬ：Distributed Feedback Quantum Cascade Laser）３２、ＬＤ（Laser Diode）３３、光路切替ミラー３４、第２回転ステージ３５、並進ステージ３６、折り返しミラー３７、開口３８、プリズム３９、放物面ミラー対４０およびサーモパイルセンサ５０等を含む。Ｓは被測定物である。

【0022】

分布帰還型量子カスケードレーザ３２は、波数１０５０［ｃｍ^－１］の光を射出する光源である。分布帰還型量子カスケードレーザ３２から射出された光は、折り返しミラー３７により、開口３８側に反射され、開口３８を通ってプリズム３９に入射する。プリズム３９に入射した光は、被測定物Ｓが接触している面で反射された後、プリズム３９から出射し、放物面ミラー対４０によりサーモパイルセンサ５０上に集光する。サーモパイルセンサ５０は、集光された光の光量に関する情報である光量情報を出力する。

【0023】

プリズム３９の屈折率ｎ１が被測定物Ｓの屈折率ｎ２よりも高い場合には、入射角度θが臨界角θ０に達するまで、プリズム３９内に入射した光はプリズム３９内において全反射する。このため、屈折率ｎ１が既知であるプリズム３９を用い、被測定物Ｓがプリズム３９に接触した状態において臨界角θ０を求めることにより、被測定物Ｓの未知の屈折率ｎ２を測定できる。従来、中赤外領域における被測定物Ｓの屈折率ｎ２を明らかにした報告はなく、今回初めて中赤外領域における被測定物Ｓの屈折率ｎ２を明らかにした。

【0024】

＜被測定物の屈折率に近い全反射プリズムの基材について＞
実施形態では、被測定物との屈折率差が小さい全反射プリズムの基材について鋭意検討した。まず、基材の屈折率ｎ１が異なる複数の全反射プリズムを用いて、屈折率ｎ２の被測定物に対する入射角度θと潜り込み深さｄｐとの関係を比較した。

【0025】

表１は、全反射プリズムの屈折率ｎ１と被測定物の屈折率ｎ２との様々な組合せにおける潜り込み深さｄｐと入射角度θとの関係の一例を示す表である。

【表1】

【0026】

図３の構成を用いて測定した生体の唇の屈折率は、１．２８～１．３６程度、指の屈折率は１．４４２～１．４４６程度であった。表１の計算では、波長λを１０［μｍ］とし、被測定物の屈折率ｎ２を１．３２または１．４４とした。

【0027】

表１より、プリズムの屈折率ｎ１が被測定物の屈折率ｎ２に近いほど、臨界角θ０近傍での潜り込み深さｄｐが大きくなり、且つ、潜り込み深さｄｐの大きい角度範囲が広くなることがわかった。例えば、屈折率ｎ１が１．９１、屈折率ｎ２が１．３２である例２の場合には、臨界角θ０（４３．７［度］）以上でθ０＋１０．０［度］以下においてｄｐ≧２［μｍ］となった。また、屈折率ｎ２が１．３２である場合に、硫化亜鉛（ＺｎＳ）を基材に含む従来の全反射プリズムを用いた場合よりも大きな潜り込み深さｄｐが得られ、２［μｍ］程度の測定できない深さ領域よりも深い潜り込み深さｄｐを得られることが分かった。

【0028】

屈折率ｎ１が１．５１、屈折率ｎ２が１．３２である例１の場合には、入射角度θが臨界角θ０（６０．９［度］）以上でθ０＋１０．０［度］以下においてｄｐ≧２［μｍ］となった。且つ、入射角度θが臨界角θ０以上でθ０＋５．０［度］以下においてｄｐ≧４［μｍ］となった。例えば屈折率ｎ２が１．３２である場合に、２［μｍ］程度の測定できない深さ領域よりも深い潜り込み深さｄｐを得られることが分かった。

【0029】

屈折率ｎ１が１．５７、屈折率ｎ２が１．４４である例５の場合には、入射角度θが臨界角θ０（６７．０［度］）以上でθ０＋０．８［度］以下においてｄｐ≧１０［μｍ］となった。例えば屈折率ｎ２が１．４４である場合に、１０［μｍ］程度の測定できない深さ領域よりも深い潜り込み深さｄｐを得られることが分かった。

【0030】

屈折率ｎ１が１．５３、屈折率ｎ２が１．４４である例４の場合には、入射角度θが臨界角θ０（７０．８［度］）以上でθ０＋１．０［度］以下においてｄｐ≧１０［μｍ］となった。例えば屈折率ｎ２が１．４４である場合に、１０［μｍ］程度の測定できない深さ領域よりも深い潜り込み深さｄｐを得られることが分かった。

【0031】

表１の結果に基づき、生体への安全性と中赤外領域での透過率の観点から、発明者は全反射プリズムの基材として塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を含むものを決定した。塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）の中赤外領域における屈折率は１．４９程度である。なお、屈折率ｎ１と屈折率ｎ２が非常に近い値になると、臨界角θ０が９０［度］に近づき、９０［度］に極めて近い角度でしか潜り込みが得られなくなってしまう問題がある。また、屈折率ｎ２には多少の個人差があるため、屈折率ｎ１が屈折率ｎ２よりも小さくなってしまうおそれもある。このことから、プリズムの屈折率ｎ１と被測定物の屈折率ｎ２の間にはある程度の差があることが好ましい。この観点でも、１．４９という屈折率を有するＮａＣｌは、生体を被測定物とする全反射プリズムの基材として好適である。

【0032】

以上のように、本実施形態では、被測定物Ｓの屈折率ｎ２が１．３２または１．４４であることを明らかにした。また、全反射面への入射角度θが臨界角θ０に近いほど被測定物Ｓへの潜り込み深さｄｐが大きくなることから、光源部からの光束の中心の全反射面への入射角度θｃは、次の式（１）を満たすことが好ましい。

【数1】

【0033】

また、本実施形態では、１０［μｍ］の波長の光に対する被測定物Ｓの屈折率ｎ２が１．３２、１０［μｍ］の波長の光が入射角度θで全反射面に入射すると仮定したとき、屈折率ｎ１が次の式（２）および式（３）を満たすことが好ましい。

【数2】

【数3】

また、本実施形態では、１０［μｍ］の波長の光に対する被測定物Ｓの屈折率ｎ２が１．３２、１０［μｍ］の波長の光が入射角度θで全反射面に入射すると仮定したとき、屈折率ｎ１が次の式（２）および式（３）を満たすことが好ましい。

【数2A】

【数3A】

【0034】

また、本実施形態では、１０［μｍ］の波長の光に対する被測定物Ｓの屈折率ｎ２が１．４４、１０［μｍ］の波長の光が入射角度θで全反射面に入射すると仮定したとき、屈折率ｎ１が次の式（４）および式（５）を満たすことが好ましい。

【数4】

【数5】

【0035】

また、本実施形態では、全反射プリズムの基材の屈折率ｎ１が、１．３２より大きく１．９１以下であることが好ましく、１．３２より大きく１．５７以下であることがより好ましい。上記の屈折率ｎ１とすることで、被測定物Ｓの内部への潜り込み深さｄｐを深くすることができ、且つ、潜り込み深さｄｐの大きい角度範囲を広くすることができる。また、血糖値測定において、グルコースの吸収が大きくし、測定感度を高める観点では、光の波長は、７［μｍ］以上１２［μｍ］以下であることが好ましい。

【0036】

図４は、潜り込み深さｄｐと入射角度θとの関係の第３例を示す図である。図４は、全反射プリズムの基材の屈折率ｎ１を塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）の１．４９とし、被測定物の屈折率ｎ２を変化させた場合における潜り込み深さｄｐを表している。各グラフは、入射角度θの最小値が小さい側から大きい側の順に、屈折率ｎ２が１．２０、１．２５、１．３０、１．３５、１．４０、１．４５の各場合の潜り込み深さｄｐと入射角度θとの関係を示している。

【0037】

図４に示すように、屈折率ｎ２がいずれの場合にも入射角度θが臨界角θ０に近づくにつれ、潜り込み深さｄｐは深くなった。また、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を含む基材を用いると、図１に示したゲルマニウム（Ｇｅ）や硫化亜鉛（ＺｎＳ）等の屈折率が高い基材を用いた場合と比較して、入射角度範囲ｄθ１およびｄθ２がそれぞれ深くなった。入射角度範囲ｄθ１は、屈折率ｎ２が１．４０である場合に、潜り込み深さｄｐが２［μｍ］以上となる入射角度θの範囲を示す。入射角度範囲ｄθ２は、屈折率ｎ２が１．４０である場合に、潜り込み深さｄｐが１０［μｍ］以上である入射角度θの範囲を示す。入射角度範囲ｄθ１およびｄθ２が深くなることは、所望の潜り込み深さｄｐを確保するための入射角度θの許容範囲が広いことを意味している。

【0038】

９［μｍ］から１０［μｍ］程度の中赤外領域の光源としては、連続したスペクトルを含む多波長光源が用いられることが多い。一般的に、多波長光源は拡散性を有する非平行光を射出する。全反射面への入射角度θの許容範囲が広いことにより、広がりを有する非平行光を射出する多波長光源であっても、被測定物の内部に潜り込む光の光量を増加させることができる。

【0039】

例えば、全反射面への光の入射角度θの許容範囲が狭いと、入射角度θを狙いの角度に調整するためのアパーチャやレンズ等の光学素子を設ける必要がある。入射角度θの許容範囲が広いことにより、光学素子を用いずに許容範囲内の入射角度により全反射面に容易に光を入射させることができる。また、光学素子を用いて光の入射角度を調整する場合、入射角度θの許容範囲が狭いとアライメントのわずかなずれにより光量損失が大きくなる。入射角度θの許容範囲が広いことにより、光学素子を用いて光の入射角度を調整する場合にも、光量損失を抑制してＡＴＲ法による測定を行うことができる。

【0040】

以上のように、微弱光であるエバネッセント波であっても、入射角度θの許容範囲を広げることにより、容易に光量を確保できる。これにより測定のＳＮ比（Signal／noise）比を向上させ、測定信頼性に優れた測定装置を提供できる。また、光量の増加により、簡易な光検出器を使用可能となるため、測定装置の低コスト化、小型化、軽量化等においても有利となる。

【0041】

以下、実施形態に係る測定装置の詳細を説明する。

【0042】

［第１実施形態］
＜測定装置１００の構成例＞
図５および図６を参照して、第１実施形態に係る測定装置１００の構成について説明する。図５は、測定装置１００の構成を例示する図である。図６は、全反射プリズム２の唇への接触例を示す図である。唇は被測定物Ｓに対応する。測定装置１００は血糖値測定装置の一例である。

【0043】

図５に示すように、測定装置１００は、多波長光源１と、全反射プリズム２と、検出部３と、処理部４と、表示部５と、を備える。測定装置１００は、多波長光源１から射出された光Ｌを光ファイバ１０により全反射プリズム２に導光する。多波長光源１は、７［μｍ］以上１２［μｍ］以下の波長を含む光を前記全反射面に光束の中心の入射角度θｃで入射させる光源部の一例である。なお、測定装置１００は、光ファイバ１０以外の導光手段を備えてもよい。

【0044】

全反射プリズム２は、光入射部２１と、被測定物Ｓが接触する全反射面２２と、光出射部２３と、を有する。光入射部２１から入射した光Ｌは、全反射面２２に入射し、全反射面２２により全反射されつつ、全反射面２２の外側、すなわち被測定物Ｓ側にエバネッセント波を生じさせる。

【0045】

エバネッセント波は、全反射面２２に接触する被測定物Ｓの内部に潜り込み、被測定物の吸光スペクトルに応じた光減衰を受ける。全反射面２２により全反射されつつ、エバネッセント波の光減衰を受けた光Ｌは、光出射部２３を通って全反射プリズム２の外部に出射され、検出部３により受光される。なお、全反射プリズム２と検出部３との間に、光Ｌを導光するための光ファイバがさらに設けられていてもよい。

【0046】

検出部３は、全反射面２２で反射された光Ｌの光強度を検出する。検出部３は、受光した光強度Ｄに応じた電気信号を処理部４に出力する。処理部４は、検出部３による光強度Ｄに基づき、被測定物Ｓにおける吸光度に関する情報である吸光度情報を演算により取得する。また、処理部４は、該吸光度情報に基づいて血糖値に関する情報である血糖値情報ｕを演算により取得し、この血糖値情報ｕを表示部５に出力する。

【0047】

表示部５は、処理部４から入力した血糖値情報ｕを表示する。なお、処理部４は、表示部５の他、血糖値情報ｕの記憶部や血糖値情報ｕの送信部に血糖値情報ｕを出力することもできる。

【0048】

全反射プリズム２は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を含んで構成される。図６に示すように、光入射部２１を通って入射した光Ｌは、全反射面２２において１回全反射する。ここでは、光Ｌの光束の中心の全反射面２２への入射角度θｃは、臨界角θ０（６２．８［度］）よりもわずかに大きい６３．０［度］である。射出される光束の中心の入射角度θｃは、臨界角θ０からθ０＋５．０［度］の範囲内にあることが好ましい。ただし、光束の中心から外れた領域でも十分な光量を得られる場合には、入射角度θｃが臨界角θ０からθ０＋５．０［度］の範囲外にあっても、測定を行うことは可能である。測定装置１００は、被測定物Ｓとしての上唇の内側が全反射面２２に接触した状態において測定を行うことができる。

【0049】

＜処理部４の機能構成例＞
図７は、処理部４の機能構成を例示するブロック図である。処理部４は、入力部４１と、第１出力部４２と、第２出力部４３と、を備える。処理部４は、これら各機能を電気回路で実現する他、これら各機能の少なくとも一部をソフトウェア（CPU：Central Processinng Unit）により実現してもよい。また処理部４は、複数の回路または複数のソフトウェアによってこれらの機能を実現することもできる。

【0050】

第１出力部４２は、検出部３により検出された光強度Ｄに応じた電気信号を、入力部４１を介して入力し、光強度Ｄに基づき、吸光度情報ｑを出力する。例えば、検出部３は波長ごとに光強度Ｄを処理部４に出力し、第１出力部４２は波長ごとの光強度Ｄに基づいて演算により取得した吸光度情報ｑを出力できる。

【0051】

第２出力部４３は、第１出力部４２からの吸光度情報ｑに基づき、血糖値情報ｕを出力する。例えば、第２出力部４３、吸光度情報ｑを解析することにより取得される血糖値情報ｕを表示部５に出力できる。

【0052】

なお、第２出力部４３は、血糖値情報ｕに限らず、生体情報を出力することもできる。例えば生体情報は、生体に含まれる組成に関する情報である組成情報を含み、この組成情報は、グルコース、皮膚組織、コラーゲンおよび脂質の少なくとも１つに関する情報を含むものである。

【0053】

＜第１実施形態に係る深さｄｐと入射角度θとの関係＞
図８から図１０は、第１実施形態に係る潜り込み深さｄｐと入射角度θとの関係を例示する図である。図８は第１例、図９は第２例、図１０は第３例をそれぞれ示している。

【0054】

図８は、屈折率ｎ１が１．４９０であり、屈折率ｎ２が１．３２および１．４４である場合の潜り込み深さｄｐと入射角度θとの関係を示している。図８における屈折率ｎ１は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を含む全反射プリズム２の基材の屈折率である。破線のグラフ８１は屈折率ｎ２が１．３２である唇の場合、実線のグラフ８２は屈折率ｎ２が１．４４である指の場合をそれぞれ示している。グラフ８３は、屈折率ｎ２が１．３２の場合の臨界角θ０である６２．８［度］を表している。グラフ８４は、屈折率ｎ２が１．４４の場合の臨界角θ０である７５．９［度］を表している。

【0055】

潜り込み深さｄｐは、臨界角θ０からのずれに応じて急速に減少するため、臨界角θ０から５．０［度］以下のずれの範囲内の入射角度θｃで光Ｌを照射することが好ましい。このため、ここでは６３．０［度］としている。

【0056】

図９は、屈折率ｎ１が２．２０であり、屈折率ｎ２が１．３２および１．４４である場合の潜り込み深さｄｐと入射角度θとの関係を示している。図９における屈折率ｎ１は、硫化亜鉛（ＺｎＳ）を含む全反射プリズム２の基材の屈折率である。

【0057】

破線のグラフ９１は屈折率ｎ２が１．３２である唇の場合、実線のグラフ９２は屈折率ｎ２が１．４４である指の場合をそれぞれ示している。グラフ９３は、屈折率ｎ２が１．３２の場合の臨界角θ０である３７．０［度］を表している。グラフ９４は、屈折率ｎ２が１．４４の場合の臨界角θ０である４１．１［度］を表している。光源部からの光束の中心の入射角度θｃは、唇を測定する場合には３７．０［度］、指を測定する場合には４２．０［度］等にすることができる。

【0058】

図１０は、屈折率ｎ１が４．００であり、屈折率ｎ２が１．３２および１．４４である場合の潜り込み深さｄｐと入射角度θとの関係を示している。図１０における屈折率ｎ１は、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含む全反射プリズム２の基材の屈折率である。

【0059】

破線のグラフ１０１は屈折率ｎ２が１．３２である唇の場合、実線のグラフ１０２は屈折率ｎ２が１．４４である指の場合をそれぞれ示している。グラフ１０３は、屈折率ｎ２が１．３２の場合の臨界角θ０である１９．３［度］を表している。グラフ１０４は、屈折率ｎ２が１．４４の場合の臨界角θ０である２１．２［度］を表している。光源部からの光束の中心の入射角度θｃは、唇を測定する場合には２０．０［度］、指を測定する場合には２２．０［度］等にすることができる。

【0060】

図１１は、被測定物Ｓが指である場合を例示する図である。図１１に示すように、光入射部２１を通って入射した光Ｌは、全反射面２２において１回全反射する。ここでは、光Ｌの光束の中心の全反射面２２への入射角度θｃは、臨界角θ０よりもわずかに小さい７６．０［度］である。測定装置１００は、被測定物Ｓとしての指の腹が全反射面２２に接触した状態において測定を行うことができる。

【0061】

ＡＴＲ法では、被測定物Ｓにおける吸光成分が希薄であること等により、十分な測定感度が得られない場合には、全反射プリズム２の内部において光を複数回全反射させることにより測定感度を向上させることもできる。

【0062】

図１２は、全反射プリズム２の内部において光を複数回全反射させる構成を例示する図である。例えば全反射プリズム２の厚みを薄くすること等により、光の反射回数を増やすことができる。図１２の例では、全反射面２２において光は２回全反射している。全反射回数が増えるほど吸光量が増えるため、図１２の例では、１回全反射させる場合と比較して測定の信頼性が高めることができる。

【0063】

［第２実施形態］
第２実施形態に係る測定装置について説明する。なお、第１実施形態と同じ構成部には同じ符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

【0064】

図１３から図１５を参照して、第２実施形態に係る測定装置１００ａの構成について説明する。図１３は、測定装置１００ａの構成を例示する図であり、図１３（ａ）は上面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のXIIIB－XIIIB断面図である。図１４および図１５は、測定装置１００ａが備える全反射プリズム２ａを示す図である。図１４は正面図、図１５は側面図である。

【0065】

図１３から図１５に示すように、測定装置１００ａは、全反射プリズム２ａを備える。全反射プリズム２ａは、全反射面２２ａにおける光Ｌの入射光線Ｌ１および反射光線Ｌ２を含む面である入射面１４０に交差する方向へ光Ｌを反射する交差反射面２６を備える。本実施形態では、全反射プリズム２ａは、交差反射面２６－１、２６－２、２６－３、２６－４、２６－５および２６－６を含む複数の交差反射面２６を備える。

【0066】

図１４および図１５に示すように、光入射部２１ａから入射した光Ｌは第１反射面２４、全反射面２２ａおよび第２反射面２５により、この順でそれぞれ反射された後、交差反射面２６－１により入射面１４０に交差する方向へ反射される。入射面１４０に交差する方向は、ここではＹ軸を示す矢印が向く方向であるＹ軸正方向である。

【0067】

交差反射面２６－１により反射された光Ｌは、交差反射面２６－２、第１反射面２４、全反射面２２ａ、第２反射面２５、交差反射面２６－３、交差反射面２６－４、第１反射面２４、全反射面２２ａ、第２反射面２５、交差反射面２６－５、交差反射面２６－６、第１反射面２４、全反射面２２ａ、第２反射面２５により、この順でそれぞれ反射される。その後、光出射部２３ａから出射される。ここでは、光Ｌは、全反射面２２ａにより４回全反射される。

【0068】

光入射部２１ａに入射した光Ｌが、入射した方向と平行であって、且つ反対方向へ反射されて出射されるという観点では、全反射プリズム２ａは、リトロリフレクタ（再帰反射）構造を備えるということもできる。

【0069】

全反射プリズムの基材として塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を用いると、全反射面により光Ｌを全反射させるための入射角度θは、ゲルマニウム（Ｇｅ）等を用いる場合と比較して大きくなる。このため、ゲルマニウム（Ｇｅ）等を用いる場合と比較して、測定感度を上げるために増加させる全反射回数が制限される。

【0070】

測定装置１００ａは、全反射プリズム２ａを備えることにより、光源部からの光束の中心の入射角度θｃを大きくする場合にも全反射面２２ａによる全反射回数を増やし、測定装置１００ａによる測定感度を向上させることができる。

【0071】

図１４および図１５では、被測定物Ｓが指である場合を示したが、被測定物Ｓが唇である場合にも同様の効果が得られる。また図１４および図１５において、交差反射面２６は、全反射プリズム２ａに入射する光Ｌに対して４５［度］傾斜しているが、これに限定されるものではない。全反射プリズム２ａに入射する光Ｌに対する交差反射面２６の傾斜角度は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を基材に含む全反射プリズム２ａの空気（屈折率１．０）に対する臨界角である約４２［度］よりも、入射角度が小さくなる傾斜角度であればよい。

【0072】

［その他の好適な実施形態］
全反射プリズムの基材に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を含むと、全反射プリズムが潮解する場合がある。潮解とは、物質が空気中の水を吸収して水溶液となる現象をいう。基材に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を含む全反射プリズムは、潮解により変形または変質するため、従来、通常の温湿度環境下では使用が困難だった。通常の温湿度環境とは、温度が１７［度］以上２８［度］以下、相対湿度が４０［％］以上７０［％］以下である温湿度環境をいう。

【0073】

本実施形態では、潮解による変形または変質を防ぐために、基材に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を含む全反射プリズムの表面を被覆する被覆層を備えてもよい。例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２０３）を含む厚みが５５０［ｎｍ］程度の被覆層を、原子層堆積成膜技術を用いて全反射プリズムの表面に成膜することにより、被覆層を形成できる。

【0074】

原子層堆積技術は、気相の連続的な化学反応を利用した薄膜形成技術である。原子層堆積技術により原子層レベルで膜厚と材質のコントロールができ、極めて薄く緻密な成膜が可能となる。酸化アルミニウム（Ａｌ２０３）は、比較的低温での成膜も可能である。塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）は、熱耐性が低く脆い材料であるため、原子層堆積成膜技術を用いた成膜方法が適している。

【0075】

実施形態に係る測定装置は、表面に被覆層を備える全反射プリズムを用いることにより、通常の温湿度環境下において、基材に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を含む全反射プリズムを使用できる。また、全反射プリズムが被覆層を備えると、洗浄に伴う潮解を防ぐこともできる。このため、測定後に全反射プリズムを洗浄しつつ、全反射プリズムを繰り返し使用可能となる。測定ごとに全反射プリズムを使い捨てする必要がないため、コスト面において有利である。さらに測定ごとに全反射プリズムの取り外しと取り付けの作業を行う必要もないため、効率的に測定を行うことができる。

【0076】

以上、実施形態について説明してきたが、本発明は、具体的に開示された上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

【0077】

また、実施形態は、測定方法を含む。例えば、測定方法は、光源部により、被測定物が接触する全反射面に１０μｍの波長を含む光を入射角度θｃで入射させ、検出部により、前記全反射面で反射された前記光の光強度を検出し、第１出力部により、前記検出部によって検出された前記光強度に基づき、前記被検体における吸光度に関する情報である吸光度情報を出力し、第２出力部により、前記吸光度情報に基づき、生体に関する情報である生体情報を出力し、前記光に対する前記全反射プリズムの基材の屈折率をｎ１とし、前記被測定物の屈折率ｎ２を１．３２または１．４４とすると、前記入射角度θｃは、上述した式（１）により表される。このような測定方法により、上述した測定装置１００と同様の効果を得ることができる。

【0078】

また、上記で説明した実施形態の各機能は、一又は複数の処理回路によって実現することが可能である。ここで、本明細書における「処理回路」とは、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、上記で説明した各機能を実行するよう設計されたASIC(Application Specific Integrated Circuit)、DSP（digital signal processor）、FPGA（field programmable gate array）や従来の回路モジュール等のデバイスを含むものとする。

【符号の説明】

【0079】

１ 多波長光源（光源部の一例）
２、２ａ 全反射プリズム
２１、２１ａ 光入射部
２２、２２ａ 全反射面
２３、２３ａ 光出射部
２４ 第１反射面
２５ 第２反射面
２６、２６－１～２６－６ 交差反射面
３ 検出部
４ 処理部
４１ 入力部
４２ 第１出力部
４３ 第２出力部
５ 表示部
１０ 光ファイバ
１１～１２、８１～８４、９１～９４、１０１～１０４ グラフ
３１ 第１回転ステージ
３２ 分布帰還型量子カスケードレーザ
３３ ＬＤ
３４ 光路切替ミラー
３５ 第２回転ステージ
３６ 並進ステージ
３７ 折り返しミラー
３８ 開口
３９ プリズム
４０ 放物面ミラー対
５０ サーモパイルセンサ５０
１４０ 入射面
ｄｐ 潜り込み深さ
ｄθ１、ｄθ２ 入射角度範囲
Ｌ 光
Ｄ 光強度
ｎ１、ｎ２ 屈折率
Ｓ 被測定物
ｕ 血糖値情報
θｃ 入射角度
θ０ 臨界角
λ 波長

【先行技術文献】

【特許文献】

【0080】

【特許文献1】特開２０１９－３７７５２号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】