特許 7425436 血液中成分濃度測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-23

(45)【発行日】2024-01-31

(54)【発明の名称】血液中成分濃度測定装置

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/1455 20060101AFI20240124BHJP

   G01N 21/3577 20140101ALI20240124BHJP

【ＦＩ】

A61B5/1455

G01N21/3577

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2019203020

(22)【出願日】2019-11-08

(65)【公開番号】P2021074258

(43)【公開日】2021-05-20

【審査請求日】2022-11-04

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】599048638

【氏名又は名称】ＣＢＣ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100156199

【弁理士】

【氏名又は名称】神崎 真

(74)【代理人】

【識別番号】100090169

【弁理士】

【氏名又は名称】松浦 孝

(74)【代理人】

【識別番号】100074147

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 崇

(74)【代理人】

【識別番号】100124497

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 洋樹

(72)【発明者】

【氏名】古川 祐光

(72)【発明者】

【氏名】渡部 愛理

(72)【発明者】

【氏名】中村 新一

(72)【発明者】

【氏名】相澤 弘明

【審査官】佐々木 創太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０１８４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２８９８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０５６７０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６０２６３１４（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｂ ５／１４５５

Ｇ０１Ｎ ２１／００ － ２１／０１

２１／１７ － ２１／６１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

４種類の波長光を生体の所定部位へ向けて射出する４波長光射出手段と、
前記生体の所定部位を透過した４種類の波長光を受光する受光手段と、
前記受光手段が受光した光信号に基づいて前記４波長の受光強度情報を得る受光強度情報取得手段と、
前記４波長の受光強度情報に基づき前記４波長に対応する吸光度の時間変化値を求める吸光度時間変化値取得手段と、
吸光度時間変化値から血液中の所定成分を求める校正データが記憶された校正データテーブルと、
前記校正データテーブルの校正データを用いて前記吸光度時間変化値取得手段により取得された吸光度の時間変化値から血液中の所定成分濃度を求める成分濃度取得手段と、
を具備し、
前記４波長として、血液中の測定対象成分の吸収波長として１６２０－１６８０ｎｍ、前記測定対象成分に影響する血液中成分として脂質の吸収波長１１７０－１２３０ｎｍ、水の吸収波長として１４２０－１４８０ｎｍ、前記測定対象成分、前記血液中成分、前記水およびその他の生体成分に影響されない波長として１０２０－１１８０ｎｍを選択することを特徴とする血液中成分濃度測定装置。

【請求項2】

前記吸光度時間変化値取得手段は、一定時間間隔で受光強度情報取得手段が取得した連続する複数の受光強度情報に基づき前記４波長に対応する吸光度の時間変化値を求めることを特徴とする請求項１に記載の血液中成分濃度測定装置。

【請求項3】

前記吸光度時間変化値取得手段は、一定時間間隔で受光強度情報取得手段が取得した連続する１回以上の取得の受光強度情報に基づき前記４波長に対応する吸光度の時間変化値を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の血液中成分濃度測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、血液中成分濃度測定装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、外乱要因の考慮を行うことで精度よくグルコース濃度の定量分析を行うグルコース濃度の定量装置が開示されている。この装置は、生体組織あるいは体液を透過あるいは拡散反射した近赤外光を検出手段で検出して得られる信号を基にグルコース濃度の回帰分析を行う演算手段を備える。この演算手段は、分子の第１倍音が観察できるとともに水の吸収の影響が比較的小さい１４８０ｎｍから１８８０ｎｍの波長領域内における第１の波長域と第２の波長域と第３の波長域の少なくとも３つの隣接域内の各波長を連続的に測定して得られる連続スペクトル信号を説明変量とし、グルコース濃度を目的変量として定量を行うものである。

【0003】

第１の波長域は、グルコース分子のＯＨ基由来の吸収を測定するための１５５０ｎｍから１６５０ｎｍであり、第２の波長域は、生体成分のＮＨ基由来の吸収を測定するための１４８０ｎｍから１５５０ｎｍであり、第３の波長域は、生体成分のＣＨ基由来の吸収を測定するための１６５０ｎｍから１８８０ｎｍである。

【0004】

特許文献２には、広範囲の波長の光の生体中における減衰の情報を同時に同一箇所で測定できる高精度な無侵襲生化学計測装置が開示されている。具体的には、４光源から出射された光は、４個のレンズを介して４つの光ファイバに導入され、合波素子によって合波されて一本の光ファイバに導入される。更に、レンズを介して生体試料の同一ポイントに照射され、光検出器によって検出される。

【0005】

光検出器の出力電流は電流電圧変換回路によって電圧信号に変換され、アナログ・デジタルコンバーターによりデジタル信号に変換される。信号処理装置は光源駆動回路を制御し、各波長毎の生体試料による減光度を計算し、生体中の酸素飽和度、血流量、グルコース濃度を計算する。

【0006】

更に、特許文献３には、採血を要せずして血中ビリルビン濃度を正確に測定することができる装置が開示されている。具体的には、第１発光手段と第２発光手段と第３発光手段と第４発光手段とを備え、これらの発光手段から光を測定部位に向けて発する。第１発光手段は、血液中の還元ヘモグロビン、酸化ヘモグロビン及びビリルビンに吸収される波長を有する。第２発光手段は、血液中の還元ヘモグロビン、酸化ヘモグロビン及びビリルビンのうち少なくとも還元ヘモグロビンに吸収される波長を有する。

【0007】

また、第３発光手段は、血液中の還元ヘモグロビン、酸化ヘモグロビン及びビリルビンのうち少なくとも酸化ヘモグロビンに吸収される波長を有する。第４発光手段は、血液中の還元ヘモグロビン、酸化ヘモグロビン、及びビリルビンには吸収されず水にのみ吸収される波長を有する。また、この装置は、上記の発光手段から発せられ、測定部位を透過した光を受けて電気信号に変換する受光手段と、この受光手段の出力信号に基づき、上記第１の光、第２の光、第３の光、及び第４の光の透過量にそれぞれ対応する信号を作成する信号作成手段とを具備する。更に、この信号作成手段において第１の時刻で作成された各信号と上記第１の時刻と異なる第２の時刻で作成された各信号とに基づき血中ビリルビン濃度を演算する演算手段とを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０１０－６６２８０号公報

【文献】特開平１０－２１６１１２号公報

【文献】特開平４－３３２５３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上記特許文献１の発明では、光源は近赤外光であり、広い波長範囲の光を発する光源を必要としなくなる利点を有するものの、各波長領域の的確な測定を求められる。

【0010】

また、特許文献２の発明は、多変量解析法を適用してグルコース濃度を求めるものであるが、酸素飽和度、血流量、グルコース濃度を得ており、グルコース濃度のみを求めるものではない。

【0011】

更に、特許文献３の発明では、３元連立一次方程式を用いてＣ（Ｈｂ）：血中Ｈｂ（還元ヘモグロビン）濃度、Ｃ（ＨｂＯ２）：血中ＨｂＯ２（酸化ヘモグロビン）濃度、Ｃ（Ｂｉｌ）：血中ビリルビン濃度を求めるものであり、１つの測定対象値を得るものではない。

【0012】

本実施形態は、測定時間を短縮化し、精度良く血液中の所定成分濃度を測定することが可能な血液中成分濃度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】

【0013】

本実施形態は、４種類の波長光を生体の所定部位へ向けて射出する４波長光射出手段と、前記生体の所定部位を透過した４種類の波長光を受光する受光手段と、前記受光手段が受光した光信号に基づいて前記４波長の受光強度情報を得る受光強度情報取得手段と、前記４波長の受光強度情報に基づき前記４波長に対応する吸光度の時間変化値を求める吸光度時間変化値取得手段と、吸光度時間変化値から血液中の所定成分を求める校正データが記憶された校正データテーブルと、前記校正データテーブルの校正データを用いて前記吸光度時間変化値取得手段により取得された吸光度の時間変化値から血液中の所定成分濃度を求める成分濃度取得手段と、を具備し、前記４波長としては、血液中の測定対象成分の吸収波長として１６２０－１６８０ｎｍ、前記測定対象成分に影響する血液中成分として脂質の吸収波長１１７０－１２３０ｎｍ、水の吸収波長として１４２０－１４８０ｎｍ、前記測定対象成分、前記血液中成分、前記水およびその他の生体成分に影響されない波長として１０２０－１１８０ｎｍを選択することを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る血液中成分濃度測定装置の構成図。

【図2】本発明の実施形態に係る血液中成分濃度測定装置のコンピュータ部分の構成図。

【図3】本発明の実施形態に係る血液中成分濃度測定装置のコンピュータ部分の外部記憶装置に記憶されている手段の構成図。

【図4】本発明の実施形態に係る血液中成分濃度測定装置に備えられる校正データテーブルの内容の一例を示す図。

【図5】本発明の実施形態に係る血液中成分濃度測定装置の動作を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下添付図面を参照して、本発明に係る血液中成分濃度測定装置の実施形態を説明する。各図において、同一の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。図１には、本発明の実施形態に係る血液中成分濃度測定装置の構成図が示されている。本実施形態では、４波長光射出手段として４つのＬＥＤ１１、１２、１３、１４を用いる。

【0016】

ＬＥＤ１１、１２、１３、１４は異なる４波長光が生体の所定部位としての指先１５へ向けて射出される。上記４波長としては、血液中の測定対象成分の吸収波長、上記測定対象成分に影響する血液中成分の吸収波長、水の吸収波長、上記測定対象成分、上記測定対象成分に影響する血液中成分、上記水およびその他の生体成分に影響されない波長を選択することができる。

【0017】

本実施形態では、測定対象成分濃度として、血糖値を測定するものとする。このため、４波長としては、血液中の上記測定対象成分である糖分の吸収波長として１６２０－１６８０ｎｍ、上記測定対象成分に影響する血液中成分として脂質の吸収波長１１７０－１２３０ｎｍ、上記水の吸収波長として１４２０－１４８０ｎｍ、上記測定対象成分である糖に影響する血液中成分として脂質に吸収される例１１７０－１２３０ｎｍ、上記水およびその他の生体成分に影響されない波長として１０２０－１１８０ｎｍを選択することができる。

【0018】

上記波長をＬＥＤ１１、１２、１３、１４に対応させると、ＬＥＤ１１から射出される光の波長は何にも吸収されることのない例えば１０２０－１１８０ｎｍを採用することができ、また、ＬＥＤ１２から射出される光の波長は脂質に吸収される例えば１１７０－１２３０ｎｍを採用することができる。ＬＥＤ１３から射出される光の波長は水に吸収される例えば１４２０－１４８０ｎｍを採用することができ、ＬＥＤ１４から射出される光の波長は糖分に吸収される例えば１６２０－１６８０ｎｍを採用することができる。

【0019】

ＬＥＤ１１、１２、１３、１４はドライバ１６に接続されており、例えばパーソナルコンピュータなどのコンピュータ１００の制御により動作するドライバ１６により駆動されて光を射出する。

【0020】

指先１５を透過した光は受光手段であるセンサ（光センサ）１７により受光される。受光手段は、上記生体の所定部位を透過した４種類の波長光を受光するものである。センサ１７は、コンピュータ１００に接続されており、センサ１７が検出した光信号はコンピュータ１００に取り込まれる。

【0021】

図２には、本実施形態に係る血液中成分濃度測定装置である血糖値測定装置（以下、単に血糖値測定装置という。）のコンピュータ１００部分の構成を示す。コンピュータ１００は、ＣＰＵ１１０を中心に構成されており、主メモリ１１１にプログラムやデータ等を読み込んで処理を実行する。ＣＰＵ１１０には、バス１１２を介して外部記憶インタフェース１１３、入力インタフェース１１４、表示インタフェース１１５、データ出力インタフェース１１６、データ入力インタフェース１１７が接続されている。

【0022】

外部記憶インタフェース１１３には、ＣＰＵ１１０が読み込んで血糖値測定装置として処理行うためのプログラムや各種データが記憶された外部記憶装置１２３が接続されている。入力インタフェース１１４には、キーボード等の入力装置１２４やマウス等のポインティングデバイス１２２が接続されている。表示インタフェース１１５には、ＬＥＤディスプレイなどの表示装置１２５が接続されており、必要な画像やキャラクタ等の表示がなされる。表示インタフェース１１５は、広く出力装置インタフェースとすることができ、プリンタ等の出力装置を表示装置１２５に加えて接続できるものであっても良い。

【0023】

データ出力インタフェース１１６には、先に説明したドライバ１６が接続されており、ＣＰＵからの駆動データに応じてデータ出力インタフェース１１６からドライバ１６へ駆動制御信号が送られ、ドライバ１６へこの信号に応じてＬＥＤ１１、１２、１３、１４の内の所要のものを所要時間発光させる。データ入力インタフェース１１７には、センサ１７が接続されており、センサ１７の出力信号を取り込むと共にＡＤ変換して受光強度情報（データ）としてＣＰＵ１１０へ送るものである。このため、データ入力インタフェース１１７は、受光手段であるセンサ１７が受光した光信号に基づいて上記４波長の受光強度情報を得る受光強度情報取得手段として機能する。

【0024】

外部記憶装置１２３には、先に説明したように、ＣＰＵ１１０が読み込んで血糖値測定装置として処理行うためのプログラムや各種データが記憶されている。具体的には、図３に示されるように、プログラムにより実現される吸光度時間変化値取得手段２０１、校正データテーブル２０２、プログラムにより実現される血糖値取得手段（一般的には、成分濃度取得手段）２０３が備えられている。吸光度時間変化値取得手段２０１は、受光強度情報取得手段であるデータ入力インタフェース１１７が取得した上記４波長の受光強度情報に基づき上記４波長に対応する吸光度の時間変化値を求めるものである。

【0025】

校正データテーブル２０２は、吸光度時間変化値から血糖値を求める校正データが記憶されているものである。具体的には、図４に示されるように、吸光度時間変化値Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、・・・に対して校正データａ、ｂ、ｃ、ｄ、・・・の数値（アルファベットは数値）が対応付けられたテーブルである。

【0026】

校正データテーブル２０２は、当初はある程度多数の人について本実施形態の手法で血液データを得ると共に侵襲的な手法を含めた公知の手法で得られた血糖値とに基づき作成した校正データを格納してスタートする。その後、本実施形態の手法で得られた血糖値と侵襲的な手法を含めた公知の手法で得られた血糖値とに基づき、例えば統計解析や機械学習等の手法により校正データを更新して精度の高いものとすることができる。

【0027】

血糖値取得手段２０３は、上記校正データテーブル２０２の校正データを用いて上記吸光度時間変化値取得手段２０１により取得された吸光度の時間変化値から血糖値を求めるものである。上記吸光度時間変化値取得手段２０１が吸光度の時間変化値を、例えばａｂａとして取得した場合には、図３の校正データテーブル２０２から校正データ値ＢＢを取り出し、取得されている吸光度の時間変化値ａｂａに対し校正データ値ＢＢを用いた所定の演算（加算や乗算や除算など）を行って血糖値を求める。

【0028】

上記のようにして求められた血糖値は、ＣＰＵ１１０によって、表示データへ変換され、表示インタフェース１１５へ送られるようにすることができる。これを受けた表示インタフェース１１５は、表示装置１２５を制御して血糖値の表示を表示装置１２５において行うことができる。

【0029】

以上のように構成された血糖値測定装置は、図５に示すフローチャートに従って動作を行うので、このフローチャートにより動作説明を行う。動作がスタートとなると、ＣＰＵ１１０がドライバ１６を制御し、４つのＬＥＤ１１～１４を駆動して４波長光を射出する（Ｓ１１）。ここで４つのＬＥＤ１１～１４は順に所定時間駆動され、所定時間単位で４つの波長λ１、λ２、λ３、λ４の光が指先１５へ向けて射出される。

【0030】

本実施形態では、４波長の吸光度を用いて血糖値を求める。その手法としては、多変量解析をはじめとする統計解析を用いることができるが、本発明は、これに限定されず、例えば機械学習を用いても良い。統計解析による手法としては、例えば以下に示すようにすることが考えられる。上記ステップＳ１１に続いて、指先１５を透過した光をセンサ１７によって受光し、受光強度情報ａｉ、ｂｉ、ｃｉ、ｄｉを取得する（Ｓ１２）。受光強度情報ａｉ、ｂｉ、ｃｉ、ｄｉに基づき４波長に対応する吸光度の時間変化値である血液データ＝η１＋η２＋η３＋η４を求める（Ｓ１３）。

【0031】

本実施形態では、各波長について少なくとも脈拍１回以上の測定を行うものとする。例えば、波長を次のようにλ１nm→λ２nm→λ３nm→λ４nmと切り替えて測定すると、ここまでで４波長それぞれの測定点が１点プロットとなる。次に、波長をλ１nm→λ２nm→λ３nm→λ４nmと切り替えて測定すると、ここまでで４波長の測定点が２点プロットとなる。次に、波長をλ１nm→λ２nm→λ３nm→λ４nmと切り替えて測定すると、ここまでで４波長の測定点が３点プロットとなる。以下同様に測定を行い、所望数（例えば、２０）点のプロットを得る。

【0032】

上記の所望数のプロットをつなぐことにより、各波長λ１、λ２、λ３、λ４において脈拍の山ができる。この脈拍の山が１つ以上（例えば、５０山でも１００山でも、各波長において統一した数の山）できるまで測定を行い、これを１セットの時系列データとする。このような１セットの時系列データを食事前に得て、次の１セットの時系列データを食事後に得て、次の１セットの時系列データを食後所定時間（例えば、３時間）において得て、・・・以下同様に更に長いタイムスケールで時系列データを得る。

【0033】

ωλｊ（ｊ＝１～４）を波長λｊにおける重み係数とするとき、次の式（１）の中間パラメータｐＡ、ｐＢ、ｐＣ、ｐＤについて特異値分解を用いて求め、求めた中間パラメータｐＡ、ｐＢ、ｐＣ、ｐＤに基づき吸光度時間変化値を求める。

【0034】

【数1】

【0035】

上記式（１）は、次の式（２）と等価である。

【数2】

【0036】

上記式（２）における中間パラメータについては、先に説明した時系列データの中の、ある時刻ｔ１における時系列データに対応するものが、次の式（３）であり、

【数3】

先に説明した時系列データの中で時刻ｔ１より後の時刻ｔ２において測定された時系列データに対応するものが、次の式（４）であり、

【数4】

ｔ１、ｔ２、・・・については、例えば、時刻ｔ１は食事前の時刻、ｔ２は食事直後の時刻などに対応するものである。
以下同様に、１セットの時系列データから中間パラメータの式を作成することができる。

【0037】

上記において検出した受光強度情報ａｉ、ｂｉ、ｃｉ、ｄｉは、ノイズを含むために、脈拍１回以上の測定を行うことができる。そして、測定を２回以上とすると式（１）の行列は対角行列とならない。そこで、本実施形態では、中間パラメータｐＡ、ｐＢ、ｐＣ、ｐＤについて特異値分解を用いて求める。中間パラメータｐＡ、ｐＢ、ｐＣ、ｐＤの値か最長になるように最適解を繰り返し求める処理を、４回以上の測定の毎に行うものとすることができる。この動作は、吸光度時間変化値取得手段２０１が行うものとする。

【0038】

更に、吸光度時間変化値取得手段２０１は、吸光度時間変化値が血液データとして、血液データ＝η１＋η２＋η３＋η４であるとき、未定乗数χ１、χ２、χ３、χ４とし、次の式（５）に対し、ラグランジュ未定乗数法によりη１、η２、η３、η４を求める。

【0039】

【数5】

【0040】

以上のように血液データ＝η１＋η２＋η３＋η４が求まると、校正データテーブル２０２の校正データを用いて血糖値を求め表示装置１２５から出力する（Ｓ１４）。

【0041】

このようにして得られた血糖値と校正データとは、校正データテーブル２０２へフィードバックされて校正データの精度が上昇される。このように実際に指先を透過した光信号から受光強度情報ａｉ、ｂｉ、ｃｉ、ｄｉを取得し、校正データを使用した演算により血糖値を求めるために、だれが測定しても脈波成分に起因する吸光度の大きさを反映させてて適切に血糖値を測定することが可能である。

【0042】

なお、本実施形態では、ＬＥＤの発光の制御、透過光の受光後の受光強度情報ａｉ、ｂｉ、ｃｉ、ｄｉの取得、更には、血液データの取得、更には、校正データを用いた血糖値の算出を１つのコンピュータで行ったが、それぞれを別のコンピュータや制御装置で行うようにしても良いし、いくつかの動作をグループ分けして２台乃至３台のコンピュータに分散させても良い。この場合に、血液データの取得、更には、校正データを用いた血糖値の算出を１つのコンピュータを遠方に配置して、ＬＥＤの発光の制御、透過光の受光後の受光強度情報ａｉ、ｂｉ、ｃｉ、ｄｉの取得を複数地点において行うこともできる。このようなシステムとすると、数多くの人のデータを１地点のコンピュータに集中させて校正データの更新を適切に行うことができる。

【0043】

以上の実施形態においては、「血液中の所定成分濃度」として血糖値を求める血糖値測定装置について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、血中脂質濃度や血中コレステロール濃度なども測定できることが期待される。

【0044】

また、上記以上の説明においては、コンピュータ１００をパーソナルコンピュータなどとしたが、本実施形態に係る血液中成分濃度測定装置を専用の装置とし、コンピュータ１００を専用のＣＰＵとして構成しても良い。この場合、主メモリ１１１に、血糖値測定装置として処理行うための必要なプログラムやデータを記憶するようにしても良い。

【0045】

更に、ネットワークに本実施形態に係る血液中成分濃度測定装置により測定した結果に基づき正常・異常や警戒レベルを判定する判定装置を設け、本実施形態に係る血液中成分濃度測定装置により測定した結果をネットワークを介して上記判定装置へ送り、判定結果を返送するようにしても良い。勿論、判定装置ではなく、判定結果を記憶する記憶装置を設け、医師がネットワークを用いて記憶装置へアクセスして判定を行い、判定結果を記憶装置へ記憶し、これを本実施形態に係る血液中成分濃度測定装置が取り込み、表示等を行うようにしても良い。

【符号の説明】

【0046】

１１～１４ ＬＥＤ
１５ 指先
１６ ドライバ
１７ センサ
１００ コンピュータ
１１１ 主メモリ
１１２ バス
１１３ 外部記憶インタフェース
１１４ 入力インタフェース
１１５ 表示インタフェース
１１６ データ出力インタフェース
１１７ データ入力インタフェース
１２２ ポインティングデバイス
１２３ 外部記憶装置
１２４ 入力装置
１２５ 表示装置
２０１ 吸光度時間変化値取得手段
２０２ 校正データテーブル
２０３ 血糖値取得手段（成分濃度取得手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】