JP5360718B2 - 血中グルコース濃度情報の取得方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体における血中グルコース濃度情報の取得方法に関する。詳しくは、生体の表層組織の表面に近赤外光を照射して表層組織から拡散反射した光（拡散反射光）を分光手段を介して受光して、分光分析によって血中グルコースの濃度情報を取得する方法に関する。

従来より、血中グルコース濃度の測定は、通常、指先を穿刺して実際に採血し、この血液を分析することにより血液中に含まれるグルコースの濃度（以下、単に血中グルコース濃度という）を測定することにより行われている。しかし、穿刺には痛みを伴うため、短い間隔で血中グルコース濃度をモニタする必要のある患者に対して、１日に何回も測定を強要するのは困難な状況にある。

一方、このような欠点を有する上記侵襲型（侵入型）の測定に代えて、近赤外分光分析法を用いた、痛み等を伴わない非侵襲型（非侵入型）の測定方法が提案されている。

ここで、近赤外分光分析法とは、近赤外光を物質に照射し、透過あるいは反射した光のスペクトルより分析を行う手法であり、農業分野をはじめ様々な分野で利用されている。特に最近では、生体分野において非侵襲型の分析手法として注目されている。この近赤外分光分析法は、エネルギーの低い電磁波を用いるので試料を損傷することがなく、固体、液体、気体など様々な状態の試料に適用することが可能である。また、赤外光に比べて近赤外光では水の吸収強度が弱くなるので、水溶液での分析に適するなどの利点を有しており、血中グルコース濃度等の生体情報の定量・定性分析を非侵襲で行うことが可能である。

しかし、近赤外光を用いる場合、吸収シグナルはグルコースの高調波を扱うために赤外光に比べて非常に微弱である上、バンドの帰属が明確でないという欠点を有しており、このために近赤外分光分析にはその定量・定性のためにいわゆるケモメトリクスと称される手法が用いられている。これは、多変量解析手法や統計的解析手法を用いて化学分析を行う手法で、コンピュータの発達とともに発展し、最近の近赤外分光分析では主成分分析あるいはＰＬＳ回帰分析といった多変量解析手法を用いて行われることが多い。

ところで、人間の皮膚組織構造は、角質層を含む表皮層（表皮組織）、真皮層（真皮組織）、皮下組織層（皮下組織）の三層で構成される。真皮層には毛細血管、リンパ、神経組織が発達している。皮下組織層は主に脂肪組織で構成される。グルコースは水溶性のため脂肪組織中には存在しにくい。また、表皮層には毛細血管が発達していないため、血液で輸送されるグルコースが到達しにくい。そのため、血糖値の測定を皮膚の近赤外吸収スペクトル測定を用いて行うためには、真皮層の近赤外吸収スペクトルを測定する必要がある。

ここで、特許文献１には、「生体の表層組織表面に光を照射して表層組織からの反射光を分光手段を介して受光して分光分析によって生体情報を得るにあたり、生体の表層組織表面に照射する光として直線偏光の光を用いるとともに、偏光角可変とした偏光板を介して上記反射光の受光を行ってスペクトル分布を求め、該偏光角が異なるスペクトル分布に基づいて上記表層組織への上記光の到達深度を解析し、この解析結果に応じて上記偏光板の偏光角を設定して分光分析のための光を受光することを特徴とする光学的生体情報測定方法。」が記載されており、発明の効果として「本発明に係る光学的生体情報測定方法は、偏光角が異なるスペクトル分布に基づいて表層組織への光の到達深度を解析するものであり、この解析結果から適切な深度からの反射光（透過光）を得られる偏光角に偏光板をセットした状態で分光分析することから、求める深度からの反射光を基にした生体情報の測定を行うことができる。しかも、生体に対しては単に光の照射と反射光の受光を行うだけで人体に対して非接触で構成することができ、接触圧等の影響を受けることがない。」とある。

特開２００７−３１３２８６号公報（請求項１、発明の効果）

しかし、上記従来の光学的生体情報測定（取得）方法では、非侵襲で血中グルコース濃度情報を得ることができるものの、感度の面で改善する必要があった。

本発明は、上述の事柄に留意してなされたものであって、非侵襲で且つ感度よく血中グルコース濃度情報を取得する方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の血中グルコース濃度情報の取得方法は、交流用ハロゲンランプからの発光を回転自在に設置された半波長板に透過させ、この半波長板を透過した透過光を直線偏光とした後、この直線偏光の光を被照射面である生体の表層組織の表面に対してＳ偏光の光で、かつ入射角が概ね４５°になるように照射し、生体の表層組織からの拡散反射光のうちＰ偏光の光を取り出して分光分析して血中グルコース濃度情報を得る、血中グルコース濃度情報の取得方法であって、生体の表層組織の表面に照射されるＳ偏光の光がグルコース吸収帯（グルコース吸収波長帯）で最大強度となるように、半波長板の回転角度を予め設定しておくことを特徴とする。
ここで、交流用ハロゲンランプからの発光を２０〜３０ｍｍ^２の面積ビームとしたものを半波長板に透過させることが好ましい。また、半波長板は、概ね１５００ｎｍに中心を置くものを用いることが好ましい。

この血中グルコース濃度情報の取得方法は、ハロゲンランプのなかでも水の吸収帯に対する発光光度が強く、またグルコース吸収帯の発光光度も強い交流用のハロゲンランプを光源に用いているため、直流用ハロゲンランプを用いた場合と比較して感度が向上する。
また、交流用ハロゲンランプからの発光を直線偏光（Ｓ偏光）とするため、グルコース吸収帯の偏光による損失を抑えることができ、より感度が向上する。
さらに、Ｓ偏光の光を生体の表層組織の表面に照射するため、構造的に皮膚表面と平行成分からなる表層組織から屈折率の変化を受けにくくＰ偏光を用いた場合よりも散乱が少なくなり、より感度が向上する。
加えて、入射角が概ね４５°であるため、表層組織の深い部分（真皮層）まで光が潜って戻ることにより、より感度が向上する。
さらに加えて、表層組織からの反射光のうちＰ偏光を取り出して、表面または表面浅部から反射された光を除いて分光分析することにより、皮膚から深い部分（真皮層）の情報を選択的に取り込むことができ、より感度が向上する。
またさらに加えて、生体の表層組織の表面に照射されるＳ偏光の光が、グルコース吸収帯（域）で最大強度となるように前記半波長板の回転角度を予め設定しておくことで、より感度が向上する。
なお、交流用ハロゲンランプからの発光を、ファイバ出射光でなく、２０〜３０ｍｍ^２のの面積ビームとすることで、グルコース量の積分効果により、感度が向上する。

生体の表層組織が、手の甲の表層組織である、血中グルコース濃度情報の取得方法とすることが好ましい。

この血中グルコース濃度情報の取得方法は、表面が凸面で滑らかであり血管が近い手の甲の表層組織の表面にＳ偏光の光を照射するため、掌や手首内側で測定するよりも設置誤差や異なる時刻におけるデータ変動が少なく感度が向上する。

分光分析では、主成分分析を用い、この主成分分析で得られた第三主成分に基づいて血中グルコース濃度情報を得る、血中グルコース濃度情報の取得方法とすることも好ましい。

この血中グルコース濃度情報の取得方法は、主成分分析で得られた第三主成分に基づいて血中グルコース濃度情報を得ることによって、血中グルコース濃度の実測値とよく相関する情報を得ることができる。

このとき、主成分分析は、概ね９００〜１７００ｎｍの波長帯を用いて行う、血中グルコース濃度情報の取得方法とすることが好ましい。

この血中グルコース濃度情報の取得方法は、水のクラスタの間にグルコース分子が入り込んで近赤外吸収スペクトルがシフトする現象も取り込んで評価するため、従来よりも安定して血中グルコース濃度情報を得ることができる。また感度もより向上する。従来の主成分分析では、グルコースの高調波吸収帯である概ね１５００ ｎｍ〜１７００ｎｍの波長帯を用いて行われていた。

本発明により、非侵襲で且つ感度よく血中グルコース濃度情報を取得する方法を提供することができる。

血中グルコース濃度情報の取得方法に用いる測定装置を示す図である。 食前後の主成分分析結果を示すグラフである。 各主成分負荷量の食後時間変化を示すグラフである。 採血血糖値と第３主成分の類似性を示すグラフである。

以下、本発明の血中グルコース濃度情報の取得方法を例示説明する。本発明は、生体の表層組織の表面に近赤外光を照射して表層組織からの反射光を分光手段を介して受光して分光分析によって血中グルコースの濃度情報を取得する方法を前提とする。そして、光源の交流用ハロゲンランプの発光は、１５００ｎｍ付近で偏光方向の違いによって２倍程度強度が異なる。これを補正するため半波長板の回転により偏光強度分布を変える。さらに透過光を偏光子で直線偏光とした後、被照射面である生体の表層組織の表面に対してＳ偏光の光で、かつ入射角が概ね４５°になるように生体の表層組織の表面に照射し、前記表層組織からの拡散反射光のうちＰ偏光の光を取り出して分光分析して血中グルコース濃度情報を得るのである。そして、予め、生体の表層組織の表面に照射されるＳ偏光の光がグルコース吸収帯で最大強度となるように半波長板の回転角度を設定しておく、血中グルコース濃度情報の取得方法である。

また、以下の実施形態はあくまで本発明を例示説明するものであって、本発明は、以下の具体的な実施形態に限定されるものではない。

まず、近赤外光を発生するための光源として交流用ハロゲンランプを用いた。これは、交流用ハロゲンランプは、水の吸収帯における発光や、グルコース吸収帯（概ね１５００ ｎｍ〜１７００ｎｍ）における発光が直流用のものと比較して強いことによる。本実施形態では、１１０Ｗの交流用ハロゲンランプを用いた。

この交流用ハロゲンランプをファンで冷却しながら発光させ近赤外光を得た。得られた近赤外光は、発光部の中心部を選択するため２５ｍｍ^２（５ｍｍ×５ｍｍ）の面積ビームとした。一般に、ビーム径が大きいほどグルコース量の積分効果によって感度が高くなる。

次に、交流用ハロゲンランプからの発光（面積ビーム）を回転自在に設置された半波長板に透過させて透過光を得た。ここで、測定に先立っては、詳細は後述するように、生体の表層組織の表面に照射されるＳ偏光の光の強度がグルコース吸収帯（概ね１５００ ｎｍ〜１７００ｎｍ）において最大となるように、半波長板の回転角度を予め設定しておくことになる。

次に、半波長板を透過した透過光を、グラントムソンプリズム（偏光子）を用いて直線偏光の光とした。

そして、この直線偏光の光を、被照射面である生体（被検体）の表層組織の表面に対してＳ偏光の光で、かつ入射角θが概ね４５°になるように、生体の表層組織の表面に照射するのである。これは、皮膚に平行な成分が多いという表皮の構造を意識したものであり、Ｓ偏光の光を用いることでケラチン繊維の影響を受けにくくなりＰ偏光を用いた場合よりも散乱が少なくなることによって、より感度が向上する。なお、入射角は、入射光線と法線のなす角度を指す。

ここで、既に触れたように、測定に先立ち、グルコース吸収帯（概ね１５００ ｎｍ〜１７００ｎｍ）の偏光による損失を抑えて強度を高めるため、上記面積ビームを１５００ｎｍに中心を置く半波長板（λ/２ plate）を用いてグルコース吸収帯で後述するＳ偏光の光の強度が最大となるように、半波長板の回転角度を予め設定しておく。

即ち、交流用ハロゲンランプの出射光は、偏光方向によって強度が２倍程度変わるため、半波長板（動作波長１５００ｎｍ）を回転させると、それに応じて、半波長板を透過した透過光の偏光面も回転し、その結果、Ｓ偏光の光の強度分布が変化する。そこで、測定に先立ち、グルコース吸収帯でＳ偏光の光の強度が最大となるように、半波長板の回転角度を設定して半波長板を透過した透過光の偏光面を回転させておくのである。必然的に９００〜１３００ｎｍの波長帯の照射発光強度は緩やかに抑えられる。

具体的には、血中グルコース濃度情報の取得に先立ち、半波長板を、その中心を通る法線ベクトルを軸として回転させながらＳ偏光の光の強度を測定し、このＳ偏光の光がグルコース吸収帯（域）で最大強度となるような回転角度に半波長板を設定しておいた。
換言すれば、予め半波長板を回転させながら、生体（被検体）の表層組織の表面に照射されるＳ偏光の光の強度を測定しておき、この測定結果に基づいて、Ｓ偏光の光がグルコース吸収帯（域）で最も大きなピークが得られるような回転角度に半波長板を設定しておいたのである。

半波長板の回転角度を設定した後、まず最初に、Ｓ偏光の光を被検体（後述するように、手の甲）の前面に置かれたガラス板に照射し、反射光を分光器に取り込みバックグラウンド光として記憶した。

次に、ガラス板を取り除き、Ｓ偏光の光を、入射角θが４５°になるように被検体の表層組織の表面に照射した。これにより、ケラチン繊維の影響を受けにくくなって表層組織の深い部分（真皮層）まで光が潜って戻ることにより感度が向上する。また検出光学系に反射光が後方入射しにくくなる。

ここで、皮膚細胞の屈折率は概ね１．３７であるので、表面の乱反射を入れても反射光は５％程度であり、残りの９５％程度は皮膚内に進入する。入射光は最初に皮膚の角質層に入る。角質層は偏平層約１０層からなりケラチン繊維で満たされている。表面付近で散乱される光はあまり偏光せずＳ偏光の光として反射される。

皮膚の角質層に入射した光は、表皮の顆粒層及び有棘層に到達する。ここの組織は５〜１０層の有棘細胞で表面に近いほど偏平になる。このように構造的に皮膚表面に平行成分であるので、Ｓ偏光は屈折率の変化を受けにくくＰ偏光より散乱が少ないと考えられる。

Ｓ偏光の光は、手の甲に照射した。これにより、表面が凸面で滑らかであり血管が近い手の甲の表層組織の表面にＳ偏光の光を照射するため、掌や手首内側で測定するよりも異なる時刻におけるデータ変動が少なく感度が向上する。

そして、光の平均的な進入深さはモンテカルロシュミュレーションによって０．５〜１ｍｍであることが分かっており、表皮の平均厚み０．２ｍｍの組織から散乱を受けながらも５０％以上の光が真皮層内に到達進入する。真皮と表皮の境には乳頭層があり、毛細血管やリンパ管が入り組んで細胞に栄養分を供給している。真皮の概ね７０％はゼラチン質の膠原繊維で、その内部に水を閉じこめ、細胞間液には血中と同程度のグルコースが遊離浮遊しているものと考えられる。光はグルコースに吸収されながら繊維細胞に散乱され概ね３０〜４０％は表面に戻される。平均散乱回数は３０回以上で、散乱課程を経て偏光はほぼランダムになる。即ち、入射深さが浅い部位からの光は偏光成分に元の成分が多く、深く進んで多重反射を受けるとランダムになる。

以上の解析に基づき、本発明では、組織からの反射光のうちＰ偏光を取り出して分光器にかけて分光分析した。これによって、表面または表面浅部から反射された光が除かれ、細胞内で多重散乱された光のみを分光分析することができるため皮膚から深い部分（真皮層）の情報を選択的に取り込むことができ、より感度が向上するのである。

本実施形態では、分光器からのデータは概ね９００〜１７００ｎｍの波長帯を５１２点分割したもので、前４点後４点の重み付きローパスフィルタで平滑化した後、一般的な主成分分析を行った。

ここで、グルコースの高調波吸収帯である概ね１５００ ｎｍ〜１７００ｎｍの波長帯を用いずに、概ね９００〜１７００ｎｍの波長帯を用いている理由を以下に説明する。

通常、水は水素結合により水分子４個位から１万個位の大小のクラスターを形成して浮遊しており、その間にグルコース分子が入ると水分子の結合が変わってクラスターが変化し近赤外吸収スペクトルを変化させることになる。一般に水分子のクラスターサイズが小さくなれば、水スペクトルは短波長側にシフトする。換言すれば、このシフトした波長域においてもグルコース情報が含まれているのである。

即ち、グルコース自体の吸収以外に水のスペクトルの変化も用いるために、波長９００ ｎｍ〜１７００ ｎｍ 間のスペクトル変化プロファイル全てを使ってグルコース量を回帰しているのであり、グルコーススペクトルと体内の水スペクトルの吸収変化を主成分回帰（主成分分析）で見ているのである。これによって、従来よりも安定して血中グルコース濃度情報を得ることができる。また感度もより向上する。

なお、主成分分析とは、多数の変量によって構成された測定データに対して、それらの情報量をできるだけ損なわず、かつ、情報をより把握し易くするために合成変量（主成分）を求めて解析する統計的手法である。生体光計測装置の複数チャンネルのヘモグロビン信号について、主成分分析を施して主成分を求める手法については、例えば特開２００５−１４３６０９号公報等に詳細に記載され、広く知られた手法であるので、ここでは詳細な分析手法については説明を省略する。

但し、本実施形態では、この主成分分析で得られた第三主成分に基づいて血中グルコース濃度情報を得る。これによって、血中グルコース濃度の実測値とよく相関する情報を得ることができる。

以上述べた方法によって、実際に、生体の手の甲による近赤外分光分析と採血による血糖値測定を行い比較した。測定は平成２０年１１月７日、食事前２０分から直前まで１０分毎、食後１時間は５分毎、１時間〜２時間は１０分毎、採血は２０分間隔で行った。測る度に鏡を用いて光源照射光強度と皮膚の温度を非接触温度計で測定した。被験者は血糖値が境界領域の男性（６２歳）である。

図２は２２個の分光吸収データの主成分分析を行って各成分のスコア値を描いたグラフであり、図３は各主成分負荷量の負荷係数（重み）を求めて食後時間変化を示したグラフである。また、図４は採血血糖値と第３主成分の類似性（相関性）を示すグラフである。図３及び図４に示すように、第三主成分は、第一主成分や第二主成分と比較して、採血血糖値と良好な相関を示していることがわかる。

以上、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、当該技術分野における熟練者等により、本出願の願書に添付された特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変更及び修正が可能である。

Claims (4)

1. 交流用ハロゲンランプからの発光を回転自在に設置された半波長板に透過させ、この半波長板を透過した透過光を直線偏光とした後、この直線偏光の光を被照射面である生体の表層組織の表面に対してＳ偏光の光で、かつ入射角が概ね４５°になるように照射し、生体の表層組織からの拡散反射光のうちＰ偏光の光を取り出して分光分析して血中グルコース濃度情報を得る、血中グルコース濃度情報の取得方法であって、
   前記表層組織の表面に照射される前記Ｓ偏光の光がグルコース吸収帯で最大強度となるように、前記半波長板の回転角度を予め設定しておく、血中グルコース濃度情報の取得方法。
   
2. 生体の表層組織が、手の甲の表層組織である、
   請求項１記載の血中グルコース濃度情報の取得方法。
   
3. 分光分析では、主成分分析を用い、
   この主成分分析で得られた第三主成分に基づいて、
   血中グルコース濃度情報を得る、
   請求項１又は２記載の血中グルコース濃度情報の取得方法。
   
4. 主成分分析は、
   概ね９００〜１７００ｎｍの波長帯を用いて行う、
   請求項３記載の血中グルコース濃度情報の取得方法。