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JPWO1995005120A1 - Non-invasive blood glucose level measurement method and measuring device - Google Patents

Non-invasive blood glucose level measurement method and measuring device

Info

Publication number
JPWO1995005120A1
JPWO1995005120A1 JP7-506854A JP50685495A JPWO1995005120A1 JP WO1995005120 A1 JPWO1995005120 A1 JP WO1995005120A1 JP 50685495 A JP50685495 A JP 50685495A JP WO1995005120 A1 JPWO1995005120 A1 JP WO1995005120A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
wavelength
light
intensity
blood glucose
detecting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP7-506854A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
小足 克衛
南 茂夫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kurashiki Spinning Co Ltd
Original Assignee
Kurashiki Spinning Co Ltd
Filing date
Publication date
Application filed by Kurashiki Spinning Co Ltd filed Critical Kurashiki Spinning Co Ltd
Publication of JPWO1995005120A1 publication Critical patent/JPWO1995005120A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。 (57) [Abstract] This publication contains application data prior to electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 血糖値の無侵襲測定方法およびその測定装置技術分野 この発明は、分光学的な手法を用いて血糖値を無侵襲状態で測定する血糖値の無 侵襲測定法およびその測定装置に関し、より詳しくは、光の波長変調と強度変調 とを組み合わせて糖尿病の疑いのある患者の血流もしくは生体組織におけるグル コースを無侵襲で測定するための血糖値の無侵襲測定方法およびその測定装置に 関するものである。[Detailed Description of the Invention] Technical Field: Non-invasive Blood Glucose Measurement Method and Device This invention relates to a non-invasive blood glucose measurement method and device that uses spectroscopic techniques to measure blood glucose levels non-invasively. More specifically, it relates to a non-invasive blood glucose measurement method and device that combines wavelength modulation and intensity modulation of light to non-invasively measure glucose in the bloodstream or biological tissues of patients suspected of having diabetes.

背景技術 分光学的な手法を用いて、生体内または生体外におけるグルコース濃度を測定す るための方法や装置としては、従来より、種々のものが提案されている。BACKGROUND ART Various methods and devices have been proposed for measuring glucose concentrations in vivo or ex vivo using spectroscopic techniques.

たとえば、国際出願第W○81100622号には、CO2レーザ光を照射光源 として用い、体液におけるグルコースの赤外線吸収を測定する方法とその装置が 開示されており、これによれば、異なった波長λ1とλ、のちとで、透過と反射 、すなわち、後方散乱効果による漿液ないし尿の吸収スペクトルを測定している 。この際、波長λ2は、測定すべき物質(たとえばグルコース)の特有な吸収波 長とし、また、波長λ1は、測定すべき物質の濃度とはおよそ無関係に吸収され る波長としている。この波長λ。For example, International Application No. WO81100622 discloses a method and apparatus for measuring the infrared absorption of glucose in body fluids using a CO2 laser beam as an irradiation light source. According to this method, the absorption spectrum of serum or urine is measured using two wavelengths, λ1 and λ2, through transmission and reflection, i.e., the backscattering effect. In this case, wavelength λ2 is the characteristic absorption wavelength of the substance to be measured (e.g., glucose), and wavelength λ1 is the wavelength at which absorption occurs virtually independently of the concentration of the substance to be measured. This wavelength λ.

とλ2とにおける吸収値の比をめることにより、測定データが得られるのである が、測定すべき物質の吸収帯域は、波長λ1では940ないし950cm′+( 10,64ないし10.54μm) 、波長λ2では1090ないし1095c m” (9,17ないし9.13μm)である。Measurement data is obtained by taking the ratio of the absorption values at λ1 and λ2. The absorption band of the substance being measured is 940 to 950 cm' (10.64 to 10.54 μm) at wavelength λ1 and 1090 to 1095 cm' (9.17 to 9.13 μm) at wavelength λ2.

また、スイス国特許第CH−612271号には、サンプルにおける生物学的物 質、あるいは、減衰全反射(ATR)プリズムを用いて皮膚を介して生物学的物 質を検出する無侵襲的検査方法が開示されている。この方法では、分析すべきサ ンプル(たとえば口唇が、または舌)にウェーブガイド(ATRプリズム)を直 接あてがい、赤外線を導光している。ウェーブガイドの屈折率はサンプルの媒体 (光学的な表面薄層)の屈折率よりも大きく、赤外線は全反射路に沿ってその中 を通過し、それにより赤外線が上記表面薄層と相互作用するようになっているが 、この相互作用は、反射部位における漏れ減衰光成分が関与している(「ホルモ ン・アンド・メタポリツク・リサーチズJ (Hormone & Metab olicRes、)の補追版Ser (1979)30ないし35頁参照)グル コースが吸収しやすい所定の赤外線波長を使うと、ATRプリズム中を伝播する 光線が、光学的表面薄層におけるグルコース濃度に応じて減衰することから、こ の減衰量を確認するとともに、これを以てグルコース検出データに処理している 。Swiss Patent No. CH-612271 also discloses a non-invasive testing method for detecting biological substances in a sample or through the skin using an attenuated total reflection (ATR) prism. In this method, a waveguide (ATR prism) is placed directly on the sample to be analyzed (e.g., lips or tongue) and infrared light is guided through it. The refractive index of the waveguide is greater than that of the sample medium (the optical skin layer), and infrared light passes through it along a total internal reflection path, thereby interacting with the skin layer. This interaction involves a leakage attenuation component at the reflection site (see J. Hormones & Metabolic Res., Supplement, Ser. (1979), pp. 30-35). At a specific infrared wavelength that is readily absorbed by glucose, the light propagating through the ATR prism is attenuated according to the glucose concentration in the optical skin layer. This attenuation is then determined and processed to generate glucose detection data.

米国特許第3958560号に開示されているものも、無侵襲式検出装置であっ て、患者の眼中におけるグルコースを検出するようになっている。U.S. Pat. No. 3,958,560 also discloses a non-invasive detection device for detecting glucose in a patient's eye.

詳述すれば、この米国特許に開示されている装置は、角膜の一方側から赤外線を 照射する光源と、反対側で透過光量を検出する検出子とを含む、コンタクトレン ズ形のセンサ装置で構成されている。そこで、測定部位に赤外線を照射すると、 照射赤外線は角膜と眼房水とを透過して検出子に達する。検出子は透過光量を電 気信号に変換した後、遠隔受信機に供給するが、受信機の次段の読取り装置が、 患者の眼球におけるグルコースの濃度を、照射赤外線が眼球を通過した時の特定 の変化の関数として出力する。Specifically, the device disclosed in this U.S. patent consists of a contact lens-type sensor device including a light source that irradiates infrared light from one side of the cornea and a detector that detects the amount of transmitted light on the opposite side. When infrared light is irradiated onto the measurement site, the irradiated infrared light passes through the cornea and aqueous humor and reaches the detector. The detector converts the transmitted light into an electrical signal and supplies it to a remote receiver. A subsequent reader at the receiver outputs the glucose concentration in the patient's eye as a function of the specific changes that occur as the irradiated infrared light passes through the eye.

英国特許出願第2035575号には、血流に近い患者の部分における物質、す なわち、Co2、酸素、ないしグルコースを調べる検出装置が開示されている。British Patent Application No. 2035575 discloses a detection device for determining substances, namely CO2, oxygen, and glucose, in a portion of a patient proximate to the bloodstream.

この検出波!は、患者の体中、すなわち皮下組織から後方散乱ないし反射してき た減衰光を検出する受光手段とで構成されていることを特徴とするもので、照射 光として、紫外線または赤外線を用いている。This detector is characterized by comprising a light-receiving means for detecting attenuated light backscattered or reflected from the patient's body, i.e., from the subcutaneous tissue, and uses ultraviolet or infrared light as the irradiating light.

一方、以上に述べた検出手法と類似する手法を用いて、血液の流れや、酸化ヘモ グロビン、あるいは還元オキシヘモグロビンなどの生体活性パラメータや成分を 測定、もしくはモニタするものとしては、以下のようなものがある。On the other hand, the following devices use similar detection techniques to measure or monitor blood flow and bioactive parameters and components such as oxygenated hemoglobin or reduced oxyhemoglobin:

すなわち、米国特許第3638640号には、血液および生体組織における酸素 やその他の物質を測定する方法と装置が開示されている。この米国特許にかかる 装置は、照射光源と患者の体に配置する検出器とからなり、検出器を患者の耳に 配置した場合には、耳を透過する先の強度を、また、前額部にあてがった場合で は、血液と皮下組織を通過した後にそこから反射してくる光の強度を測定してい る。照射光としては可視光線の赤色部の波長から近赤外線の波長の範囲にあるも の、すなわち、660nm、715nm、805nmのものが使われている。こ の方法において同時に用いる波長の数は、検査部位に存在する各物質(求める物 質も含めて)に対して、それぞれ特有な少なくとも1つの波長の合計に1を加え た数に等しい。U.S. Patent No. 3,638,640 discloses a method and apparatus for measuring oxygen and other substances in blood and biological tissues. The apparatus comprises an illuminating light source and a detector placed on the patient's body. When placed at the patient's ear, the detector measures the intensity of light passing through the ear. When placed on the forehead, the detector measures the intensity of light reflected from the blood and subcutaneous tissue. The illuminating light ranges from the red portion of the visible spectrum to the near-infrared wavelengths, i.e., 660 nm, 715 nm, and 805 nm. The number of wavelengths used simultaneously in this method is equal to the sum of at least one wavelength specific to each substance (including the substance of interest) present in the test site, plus one.

種々の波長における吸収作用から検出して得た信号を適当に電子回路で処理する ことにより、測定すべき物質の濃度にかかわる定量データが、検出器の変動、照 射強度や方向、角度などのズレ、検査部位における血液流量の変動などの測定条 件の変動に影響されることなく得られるようになっている。By appropriately processing the signals obtained from the absorption of various wavelengths using electronic circuits, quantitative data relating to the concentration of the substance being measured can be obtained without being affected by variations in the detector, variations in the intensity, direction, or angle of the radiation, or variations in blood flow at the test site.

また、英国特許出願第2075668号には、たとえばヘモグロビンやサイトク ロームの酸化還元作用の変化もしくは、脳、心臓、腎臓などの器官における血液 流量の変動など、生体器官の代謝機能を生体内で、しがも、非破壊状態で測定し 、かつ、モニタする分光光度装置が開示されている。British Patent Application No. 2075668 discloses a spectrophotometric device for measuring and monitoring in vivo, yet non-destructively, metabolic functions of living organs, such as changes in the redox activity of hemoglobin or cytochrome, or fluctuations in blood flow in organs such as the brain, heart, or kidneys.

この分光光度装置を用いて測定するに当たっては、700ないし1300nmの 波長範囲にある照射光を用いているが、これは、皮下数ミリの深さまで照射光が 生体組織に浸透するのに有効なものである。This spectrophotometric device uses irradiating light in the wavelength range of 700 to 1300 nm, which is effective in penetrating biological tissue to a depth of several millimeters below the skin surface.

よって、この英国特許出願の第14図には、反射率測定を行う装置であって、生 体に対してあてがったウェーブガイド(光フアイバー束)に光を導光する光源で 構成されたものが図示されている。ウェーブガイドを生体に対してあてがうに当 たっては皮膚表面に対して斜め方向から照射光が照射されるとともに、方向性の ある照射光が皮膚を介して体内に浸透し、その後、光源よりいくらか距離のある 分析すべき組織から反射もしくは後方散乱されるようにする。その時、一部のエ ネルギは吸収されて、皮膚上におかれているとともに、光源とは離されている第 1検出器に入射する。また、光源と同時に第2検出器が設けられており、この第 2検出器は後方照射基準信号を検出するようになっていて、第1検出器からの分 析信号と第2検出器からの基準信号とは演算回路に出力され、この演算回路の出 力をもってめている分析情報に関するデータを得るようになっている。Thus, Figure 14 of this British patent application illustrates a reflectance measurement device comprising a light source directing light into a waveguide (fiber optic bundle) applied to the living body. The waveguide is applied to the living body so that the radiation is directed obliquely toward the skin surface, and the directional radiation penetrates through the skin and into the body, where it is reflected or backscattered from the tissue to be analyzed some distance from the light source. A portion of the energy is absorbed and incident on a first detector, which is placed on the skin but spaced from the light source. A second detector is provided in conjunction with the light source, and this second detector detects a backscattered reference signal. The analytical signal from the first detector and the reference signal from the second detector are output to a calculation circuit, the output of which provides data related to the analytical information.

ところで、以上のような近赤外分光法を用いたグルコース濃度等の測定において 、近赤外分光器により得られるスペクトルデータの質は、近赤外分光器を構成す るハードウェアの性能によってほぼ決まってしまう。現在、最高の性能を有する 近赤外分光器の信号対雑音S/N比は、10’ないし106の程度である。これ に対し、単純にスペクトルの絶対強度そのものを測定する従来の手法では、たと えば血液中の生理学的なグルコース濃度である100mg/dLを分光学的に実 用精度で測定するためには、スペクトル信号のS/N比は105ないし106の 程度必要であり、分光器で測定できる限界に近い。In measuring glucose concentration and other concentrations using near-infrared spectroscopy, the quality of the spectral data obtained by the near-infrared spectrometer is largely determined by the performance of the hardware that makes up the spectrometer. Currently, the highest-performance near-infrared spectrometers have a signal-to-noise (S/N) ratio of approximately 10' to 10'. In contrast, with conventional methods that simply measure the absolute intensity of the spectrum, a spectral signal S/N ratio of approximately 10' to 10' is required to measure, for example, a physiological blood glucose concentration of 100 mg/dL with practical accuracy, which is close to the limit of what a spectrometer can measure.

このため、分光学的な手法を用いた糖度やグルコース等の濃度測定法は、一般に 、試薬を用いてこれらのものの濃度を分析する化学分析法と比較すると、測定感 度、精度、確度並びに安定性が劣るばかりでなく、高いSZN比を有する性能の 高い近赤外分光器は構成が複雑で高価であるといった問題があった。For this reason, spectroscopic methods for measuring sugar content, glucose, and other concentrations generally suffer from inferior measurement sensitivity, precision, accuracy, and stability compared to chemical analytical methods that use reagents to analyze the concentrations of these substances. Furthermore, high-performance near-infrared spectrometers with high SZN ratios are complex and expensive.

ところで、従来の近赤外分光法のように、単純にスペクトルの絶対強度そのもの を測定するのではなく、もし、生理学的なグルコース濃度である100mg/d Lからのグルコース1度の変化量を測定する参照法が可能で、その変化量を2な いし3桁の精度で測定できれば、たとえば糖尿病の疑いのある患者の血糖値が標 準値からどれだけ変化しているかを知ることができ、患者の血糖値の管理等に有 利に適用することができることになる。However, rather than simply measuring the absolute intensity of the spectrum as in conventional near-infrared spectroscopy, if a reference method were possible that measured the one-degree change in glucose from the physiological glucose concentration of 100 mg/dL, and if that change could be measured with two- or three-digit accuracy, it would be possible to determine, for example, how much the blood glucose level of a patient suspected of having diabetes has changed from the standard value, which could be useful for managing the patient's blood glucose level.

本発明の目的は、波長変調と強度変調を組み合わせた変調手法を用いて糖尿病の 疑いのある患者の血糖値の標準値からの変化量を、患者の個人差等に関係なく無 侵襲で簡単かつ確実に測定することができる血糖値の測定方法を提供することで ある。The objective of the present invention is to provide a method for measuring blood glucose levels that uses a modulation technique that combines wavelength modulation and intensity modulation to non-invasively, easily, and reliably measure the deviation from the standard blood glucose level of a patient suspected of having diabetes, regardless of individual patient differences.

本発明のいま一つの目的は、波長変調手段と強度変調手段を備えた簡単な構成に より、糖尿病の疑いのある患者の血糖値の標準値からの変化量を、患者の個人差 等に関係なく無侵襲で簡単かつ確実に測定することができるコンパクトで安価な 血糖値の測定装置を提供することである。Another object of the present invention is to provide a compact, inexpensive blood glucose measuring device that, with a simple configuration equipped with wavelength modulation means and intensity modulation means, can non-invasively, easily, and reliably measure the deviation from the standard blood glucose level of a patient suspected of having diabetes, regardless of individual patient differences.

発明の開示 本発明は、光を波長変調するとともに複数の強度に強度変調し、この波長変調お よび強度変調された光を血糖値を測定すべき検査部位に照射し、上記強度変調を 受けた光の各々について、上記検査部位からの透過光もしくは反射光の強度およ び上記検査部位への入射光の強度を検出して両者の比率を検出し、この比率の上 記波長変調による波長の変化に対する変化率を検出してこの変化率に基づいて上 記検査部位におけるグルコースの吸収スペクトルの微分スペクトルをそれぞれ取 り出し、これら微分スペクトルに基づいて測定部位の血糖値を検出することを特 徴とする。DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention features a method for wavelength-modulating light and intensity-modulating it to multiple intensities, irradiating the test site where blood glucose levels are to be measured with this wavelength- and intensity-modulated light, detecting the intensity of the transmitted or reflected light from the test site and the intensity of the light incident on the test site for each of the intensity-modulated light beams, determining the ratio between the two, detecting the rate of change in this ratio relative to the wavelength change caused by the wavelength modulation, and extracting a derivative spectrum of the glucose absorption spectrum at the test site based on this rate of change. Blood glucose levels at the measurement site are then detected based on these derivative spectra.

これにより、注目波長λを中心として狭い変調幅Δλで波長変調されるとともに 強度変調された光が検査部位に照射され、検査部位への入射光の強度変調により 、皮膚への浸透深さが変わり、血液成分を含む体液の存在する部位のグルコース 濃度に関係する情報が取り出されるとともに、血液成分を含む体液の存在する部 位のグルコースの吸収スペクトルの微分スペクトルによる定量が行われるので、 患者の個人差に関係なく、グルコース濃度を簡単かつ確実に検出することができ る。This allows the test site to be irradiated with light that is wavelength-modulated over a narrow modulation width Δλ centered around the wavelength of interest λ and intensity-modulated. The intensity modulation of the incident light at the test site changes the penetration depth into the skin, extracting information related to the glucose concentration in the area where bodily fluids containing blood components are present. Quantification is also performed using the differential absorption spectrum of glucose in the area where bodily fluids containing blood components are present, allowing for easy and reliable detection of glucose concentrations regardless of individual patient differences.

上記微分スペクトルは、好ましくは、上記波長変調の繰り返しに応じて積算平均 される。The differential spectrum is preferably integrated and averaged in response to the repetition of the wavelength modulation.

このように、微分スペクトルを積算平均すれば、雑音成分はこの積算回数の平方 根に比例して低減できるので、信号対雑音(S/N)比が向上する。In this way, by integrating and averaging the differential spectrum, the noise component can be reduced in proportion to the square root of the number of integrations, thereby improving the signal-to-noise (S/N) ratio.

本発明はまた、波長変調された光を発生する波長変調光発生手段と、この波長変 調光発生手段からの波長変調された光の強度を複数の強度に強度変調する強度変 調手段と、この強度変調手段から入射する波長変調および強度変調された光の光 路を分離するビームスプリッタ手段と、このビームスプリッタ手段で分離された 一つの光路を通過し血糖値を検査すべき検査部位に入射して透過もしくは反射し た光を集める集光手段と、この集光手段で集めた光の強度を検出する第1光検出 手段と、上記ビームスプリッタで分離されたいま一つの光路を通過する光の強度 を検出する第2光検出手段と、上記第1光検出手段の出力と第2光検出手段の出 力との比率を検出する比率検出手段と、この比率検出手段から上記比率に対応す る比率信号が入力し、この比率信号の上記波長変調による波長変化に対する変化 率を検出して上記検査部位におけるグルコースの吸収スペクトルの微分スペクト ル信号を検出する微分スペクトル信号検出手段と、上記強度変調を受けた複数の 強度の光の各々について、上記微分スペクトル信号検出手段により検出された上 記微分スペクトル信号に基づいて測定部位の血糖値を演算する演算手段とを備え たことを特徴とする。The present invention also includes wavelength-modulated light generating means for generating wavelength-modulated light, intensity modulation means for intensity-modulating the intensity of the wavelength-modulated light from the wavelength-modulated light generating means to a plurality of intensities, beam splitter means for separating the optical paths of the wavelength-modulated and intensity-modulated light incident from the intensity modulation means, light collecting means for collecting light that passes through one optical path separated by the beam splitter means and is incident on a test site where blood glucose level is to be tested and is transmitted through or reflected from the test site, first light detecting means for detecting the intensity of the light collected by the light collecting means, and first light detecting means for detecting the intensity of light that passes through the other optical path separated by the beam splitter. The apparatus is characterized by comprising: second light detecting means; ratio detecting means for detecting the ratio between the output of the first light detecting means and the output of the second light detecting means; differential spectral signal detecting means for receiving a ratio signal corresponding to the ratio from the ratio detecting means and detecting a rate of change of the ratio signal relative to a wavelength change due to the wavelength modulation to detect a differential spectral signal of the absorption spectrum of glucose at the test site; and calculating means for calculating the blood glucose level at the measurement site based on the differential spectral signal detected by the differential spectral signal detecting means for each of the intensity-modulated light beams of multiple intensities.

このように、波長変調光発生手段を備えて光を波長変調するとともに、波長変調 された光を強度変調して検査部位に入射し、グルコースの吸光度スペクトルの微 分スペクトルを検出しているので、高品質の微分データがコンピュータ処理を必 要とせず、リアルタイムで得ることができ、また、広い波長域走査する一般の分 光器に比べて繰り返し走査速度が速く、短時間測光により、光学系のドリフトの 影響のないグルコース濃度の測定データを得ることができる。In this way, the wavelength-modulated light generating means is provided to modulate the wavelength of light, and the wavelength-modulated light is then intensity-modulated and incident on the test site to detect the derivative spectrum of the glucose absorbance spectrum. This allows high-quality derivative data to be obtained in real time without the need for computer processing. Furthermore, the repetitive scanning speed is faster than that of general spectrometers that scan a wide wavelength range, and glucose concentration measurement data can be obtained by short-time photometry without being affected by optical system drift.

上記波長変調光発生手段は、好ましくは、波長可変半導体レーザである。The wavelength-modulated light generating means is preferably a wavelength-tunable semiconductor laser.

これによれば、波長可変半導体レーザとして、光フアイバ通信用途で開発されて いる半導体レーザを採用できることから、波長可変半導体レーザの特徴を効果的 かつ最大限に引き出すことができ、測定光の波長変調のための手段の構成がきわ めて簡単になり、構成が簡単でコンパクトな血糖値の無侵襲測定装置を得ること ができる。This allows the use of a semiconductor laser developed for optical fiber communications as the tunable semiconductor laser, effectively maximizing the benefits of the tunable semiconductor laser. This significantly simplifies the configuration of the means for modulating the wavelength of the measurement light, resulting in a simple, compact, non-invasive blood glucose measurement device.

図面の簡単な説明 第1図は、単峰スペクトルとその一次微分スベクトルおよび二次微分スペクトル の説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is an illustration of a unimodal spectrum and its first and second derivative spectra.

第2図は、波長変調分光法による微分スペクトルの生成の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the generation of a derivative spectrum by wavelength modulation spectroscopy.

第3図は、グルコース水溶液の吸光度スペクトルである。FIG. 3 shows the absorbance spectrum of an aqueous glucose solution.

第4図は、第3図の一次微分スベクトルである。FIG. 4 shows the first derivative spectrum of FIG.

第5図は、基準の水に対する差吸光度スペクトルである。FIG. 5 shows the difference absorbance spectrum relative to the water standard.

第6図は、差−次微分スペクトルである。FIG. 6 shows the differential derivative spectrum.

第7図は、差−次微分スペクトルである。FIG. 7 shows the differential derivative spectrum.

第8図は、差−次微分スペクトルである。FIG. 8 shows the differential derivative spectrum.

第9図は、差−次微分スペクトルである。FIG. 9 shows the differential derivative spectrum.

第10図は、グルコース濃度と一次微分吸光度との関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between glucose concentration and first derivative absorbance.

第11図は、皮膚の構造とその光学特性の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of the structure of the skin and its optical properties.

第12図は、入射光強度と光浸透深さの説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram of the incident light intensity and the light penetration depth.

第13図は、本発明にかかる血糖値の無侵襲測定装置の一実施例のブロック図で ある。FIG. 13 is a block diagram of one embodiment of a non-invasive blood glucose measuring device according to the present invention.

発明を実施するための最良の形態 本発明をより詳細に説明するために、添付の図面にしたがってこれを説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In order to explain the present invention in more detail, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

以下では、本発明の理解に必要な微分分光法および微分スペクトルを得るための 波長変調法について、次の[1]および[2]の各項においてそれぞれ説明する 。また、−次微分スペクトル、グルコース定量のための検証および最適波長の選 択および皮膚の拡散反射スペクトルと強度変調分光法について、[3]、[4] および[5コの各項においてそれぞれ説明する。さらに、血糖値の無侵襲測定装 置の構成については、[6]において説明する。Below, derivative spectroscopy and wavelength modulation methods for obtaining derivative spectra, which are necessary for understanding this invention, are described in sections [1] and [2], respectively. Furthermore, first-order derivative spectra, validation and optimal wavelength selection for glucose quantification, skin diffuse reflectance spectra, and intensity modulation spectroscopy are described in sections [3], [4], and [5], respectively. Furthermore, the configuration of a noninvasive blood glucose measurement device is described in section [6].

[1]微分分光法 波長変調法は、微分スペクトルを得るために一般に用いられている。この波長変 調法については、≠イー・シー・オツノ・−バ(T、C,O”Haver)によ り、クリニカル・ケミストリ(C1inical Chemistry)の第2 5巻第9号、1979年の第1548頁ないし第1553頁に「ポテンシャル・ クリニカル・アプリケーションズ・オブ・プリバチイブ・アンド・ウェーブレン グス・モジュレーション・スペクトロメトリ (Potential C11n ical Applications of Derivative and  Wavelength−M。[1] Derivative Spectroscopy Wavelength modulation is commonly used to obtain derivative spectra. This wavelength modulation method is described by E.C. Otsuno-Haver in "Potential Clinical Applications of Derivative and Wavelength Modulation Spectrometry" in Clinical Chemistry, Vol. 25, No. 9, 1979, pp. 1548-1553.

dulation Spectrometry)Jに紹介されている。波長変調 分光法の概念と微分分光法の概念とは密接に関係している。それらは、波長に対 する強度または吸光度の変化の測定に基づいている。Wavelength Modulation Spectroscopy The concepts of spectroscopy and derivative spectroscopy are closely related. They are based on measuring the change in intensity or absorbance with wavelength.

まず、微分分光法について説明する。微分分光法とは、強度または吸光度スペク トルを、波長に対して一次微分または高次微分して波長に対してプロットするこ とである。微分分光法の目的とするところは、(a)ベースラインのシフトの補 正、矯正、(b)微小なスペクトルの特徴の検出能力の向上、にある。First, we will explain derivative spectroscopy. Derivative spectroscopy involves plotting the intensity or absorbance spectrum versus wavelength, taking its first or higher derivative with respect to wavelength. The goals of derivative spectroscopy are (a) to correct for baseline shifts and (b) to improve the ability to detect subtle spectral features.

第1図に、単峰スペクトルとその一次微分、二次微分スペクトルを示す。FIG. 1 shows a unimodal spectrum and its first and second derivative spectra.

原スペクトルのピーク最大点P−8は、−次微分ではゼロクロス点Palに、ま た、二次微分では中央ピーク点Peに対応する。−次微分スペクトルのピーク最 大点P 4vaml、最小点P−11は、原スペクトルの最大勾配点P、1゜P lにそれぞれ対応し、また、二次微分のゼロクロス点PO2,PO3にそれぞれ 対応する。The peak maximum point P-8 of the original spectrum corresponds to the zero-crossing point P a1 in the negative derivative and the central peak point P e in the second derivative. The peak maximum point P 4 v a1 and minimum point P-11 of the negative derivative spectrum correspond to the maximum slope points P and 1°P l of the original spectrum, respectively, and also correspond to the zero-crossing points PO2 and PO3 of the second derivative, respectively.

微分スペクトルを得るには、次のような種々の手法がある。There are various methods for obtaining a derivative spectrum, including the following:

まず第1に、スペクトルデータがデジタル値でコンピュータ処理が可能であれば 、微分スペクトルは、ソフトウェア的手法により数値微分で計算できる。First, if the spectral data is digital and computer-processable, the derivative spectrum can be calculated by numerical differentiation using software techniques.

第2に、微分スペクトルは、定速度走査のスペクトルの時間微分をとることによ り、ハードウェア的な手法を用いてリアルタイムで収集できる。Second, derivative spectra can be acquired in real time using hardware techniques by taking the time derivative of the spectrum at a constant scan rate.

これは、波長走査レートdλ/diが一定であれば、次の第1式からも明らかな ように、波長に関する強度Iの微分d 1/dλは、時間tに関する強度Iの微 分dl/diに比例することに基づいている。This is based on the fact that, if the wavelength scanning rate dλ/di is constant, the derivative of intensity I with respect to wavelength, dl/dλ, is proportional to the derivative of intensity I with respect to time, dl/di, as can be seen from the following equation:

すなわち、電気微分器を用いることにより、次の第1式%式%(1) の演算を行なうことができる。That is, by using an electrical differentiator, the following calculation can be performed:

第3に、微分スペクトルは、以下に説明する波長変調法により得ることができる 。Third, the derivative spectrum can be obtained by the wavelength modulation method described below.

波長変調法は、第2図に示すように特定の波長λiを中心として狭い変調幅Δλ で周期的に変調した光をサンプルに照射し、その透過光または反射光をディテク タで検出する。その出力信号からリップルまたは交流成分を分離、または電気的 に測定する。変調幅Δλがそのスペクトルのバンド 。In the wavelength modulation method, light periodically modulated with a narrow modulation width Δλ centered around a specific wavelength λi is irradiated onto a sample, and the transmitted or reflected light is detected by a detector. The ripple or AC component is isolated from the output signal or measured electrically. The modulation width Δλ represents the spectral band.

幅よりも十分少さいときは、変調周波数点での光電信号の交流成分は、変調波長 幅内において、スペクトルの勾配に比例した振幅をもつ交流信号、すなわち微分 スペクトルDを生成する。When the modulation frequency is sufficiently smaller than the modulation wavelength, the AC component of the photoelectric signal at the modulation frequency generates an AC signal, or differential spectrum D, whose amplitude is proportional to the slope of the spectrum within the modulation wavelength width.

上に述べた波長変調の手法には、 (a)モノクロメータのスリット、ミラー、回折格子、プリズムを振動させる、 (b)モノクロメータ内の光ビームに振動ミラーまたは回転屈折ミラーを挿入す る、 (C)波長連続可変型フィルタを使用する、(d)干渉フィルタを振動またはテ イルテイングさせる、(e)ファプリーペロ(Fabry−Perot)干渉計 を振動させる、等の手法がある。The wavelength modulation techniques mentioned above include (a) vibrating the monochromator slit, mirror, diffraction grating, or prism, (b) inserting a vibrating or rotating refractive mirror into the light beam inside the monochromator, (c) using a continuously variable wavelength filter, (d) vibrating or tailing an interference filter, and (e) vibrating a Fabry-Perot interferometer.

また、波長変調の手法として、 (f)連続肢長可変型半導体レーザを使用する、ことも考えられる。Another possible wavelength modulation technique is to use a continuously variable length semiconductor laser.

半導体レーザの外部に反射型の回折格子を設は回折格子の角度を制御して発振波 長を変える方法は、従来から知られている。この方法では、狭スペクトル線幅と 同時に波長変化が可能である。連続変化でなく縦モード間のジャンプが起こって もよい場合は装置化は単純である。A method of varying the oscillation wavelength by controlling the angle of a reflective diffraction grating installed externally to a semiconductor laser is well known. This method allows for wavelength variation while narrowing the spectral linewidth. Implementation is simple when jumps between longitudinal modes are acceptable rather than continuous variation.

発振波長を連続的に変化させるためには、さらに狭帯域幅で同調波長に同期する シングルモードフィルタを加えれば任意に設定した全ての波長でンングルモード 発振する。これらは、外部共振型チューナプル半導体レーザと呼ばれる。To continuously change the lasing wavelength, a single-mode filter that synchronizes with the tuning wavelength over an even narrower bandwidth can be added, allowing single-mode oscillation at any wavelength. These lasers are called external cavity tunable semiconductor lasers.

また、「日経エレクトロニクス」の1987年6月15日号(No、423)第 149頁ないし第161頁には、コーヒレント光通信用途に開発されている波長 可変半導体レーザが記載されている。この文献には、たとえば、分布型ブラッグ 反射型単一モードレーザを基礎として3電極構造で波長を制御する半導体レーザ が記載されており、同一の縦モードを保って滑らかに連続的に波長を変える波長 範囲は、3.1nmのものが実現されていることが記載され、また、縦モードが 途中で変わってもよければ、波長範囲は約5nmである。Furthermore, the June 15, 1987 issue of Nikkei Electronics (No. 423), pages 149-161, describes a wavelength-tunable semiconductor laser being developed for coherent optical communications. This publication describes, for example, a semiconductor laser based on a distributed Bragg reflector single-mode laser that controls wavelength using a three-electrode structure. It also describes a wavelength range of 3.1 nm that smoothly and continuously changes wavelength while maintaining the same longitudinal mode. Furthermore, if longitudinal mode changes are acceptable, the wavelength range is approximately 5 nm.

[2]微分スペクトルを得るための波長変調性波長変調法において、変調幅Δλ (=λ2−λ1)がスペクトルのバンド幅よりも十分少さいときには、変調周波 数点での光電信号の交流成分ΔI(= ] 2−1 +)は、変調波長幅内にお いて、スペクトルの勾配に比例した振幅をもつ交流信号ΔI/Δλ、すなわち次 の第2式で表される微分スペクトルDを生成する。交流信号の振幅のみを取り出 すことは適当な電気系でリアルタイムにできる。[2] Wavelength Modulation for Obtaining a Derivative Spectrum In wavelength modulation, when the modulation width Δλ (= λ2 - λ1) is sufficiently smaller than the spectral bandwidth, the AC component ΔI (= ]2-1 +) of the photoelectric signal at the modulation frequency generates an AC signal ΔI/Δλ with an amplitude proportional to the spectral slope within the modulation wavelength width, i.e., a differential spectrum D, expressed by the following second equation. Extracting only the amplitude of the AC signal can be done in real time using an appropriate electrical system.

D=ΔI/Δλ=12 1+/λ2−λ、 ・・・ (2)一般に、低濃度のグ ルコースの測定では、直流成分は交流成分に比べて大きい。このように意味をも たない大きい値を有する直流成分をカットできることは、後述する血糖値の測定 装置において使用されるA/D変換器のダイナミックレンジを有効かつ効率的に 利用できるメリットがある。また、その後の数理処理においても有利である。D = ΔI/Δλ = 12 1 + /λ2 - λ, ... (2) Generally, when measuring low concentrations of glucose, the DC component is larger than the AC component. Removing this meaningless DC component has the advantage of effectively and efficiently utilizing the dynamic range of the A/D converter used in blood glucose measurement devices, as described below. This also has advantages in subsequent mathematical processing.

波長変調法は、狭い変調幅Δλで周期的に前後に走査することから、広い波長域 走査する一般の分光器に比べて、高速に繰り返し走査できる。したがって、積算 平均操作が容易である。そして、雑音成分は、積算回数の平方根に比例して低減 できるので、積算回数を大きく取ることにより、信号対雑音(S/N)比を向上 できる。また、短時間測光は、分光器の光学系のドリフトを抑制する効果が大き い。Wavelength modulation involves periodic scanning back and forth with a narrow modulation width Δλ, allowing for faster, repeated scanning than conventional spectrometers, which scan a wide wavelength range. This facilitates integration and averaging. Furthermore, noise components are reduced in proportion to the square root of the number of integrations, so increasing the number of integrations can improve the signal-to-noise (S/N) ratio. Furthermore, short-time photometry is highly effective in suppressing drift in the spectrometer's optical system.

波長変調法では、波長域は狭いΔλに限定されるが、波長変調法を使用すれば、 高品質の微分スペクトルがコンピュータ処理を必要とせず、リアルタイムで得ら れる利点がある。このことから、波長変調法は、特性の十分わかったサンプルの ルーチン的な分析、たとえば、品質管理や臨床分析への応用に適している。Although wavelength modulation is limited to a narrow Δλ range, it offers the advantage of obtaining high-quality derivative spectra in real time without requiring computer processing. This makes wavelength modulation suitable for routine analysis of well-characterized samples, such as in quality control and clinical analysis.

これに対し、デジタル値の原スペクトルを数値微分演算する場合には、強度11 そのものの数値精度と品質が問題になる。In contrast, when performing numerical differentiation on the digital original spectrum, the numerical accuracy and quality of the intensity itself become an issue.

微分操作は高周波ノイズを高くするので、質の悪いスペクトルを微分演算すると S/N比が著しく低下する。Differentiation increases high-frequency noise, so differentiating a poor-quality spectrum significantly reduces the signal-to-noise ratio.

また、低濃度のサンプル測定において、原スペクトルの強度Iiそのものの数値 精度と有効桁数が大きくなれば、目的とする成分の微分スペクトルの有意味の変 化は得られない。すなわち、S/N比はかなり大きくなければならない。Furthermore, in measuring low-concentration samples, if the numerical precision and number of significant digits of the intensity Ii of the raw spectrum itself are large, meaningful changes in the derivative spectrum of the target component will not be obtained. In other words, the signal-to-noise ratio must be quite large.

[3]−次微分スペクトルからグルコース定量のための検証微分スペクトルは、 スペクトルデータがデジタル値であれば、数値微分で計算できる。そこで、フー リエ変換分光器で得た吸光度スペクトルを数値微分して一次微分スベクトルをめ 、波長変調法によるグルコース濃度の定量性を検証した。[3] Verification of glucose quantification from first-order derivative spectra. If the spectral data is digital, the derivative spectrum can be calculated by numerical differentiation. Therefore, we numerically differentiated the absorbance spectrum obtained with a Fourier transform spectrometer to obtain a first-order derivative spectrum, and verified the quantitative ability of the wavelength modulation method to quantify glucose concentration.

サンプルとしては、水、グルコース水溶液1000mg/dL、3000mg/ dL、5000mg/dLを使用した。The samples used were water and aqueous glucose solutions of 1000 mg/dL, 3000 mg/dL, and 5000 mg/dL.

吸光度スペクトル同士、−次微分スペクトル同士の比較では、サンプル間の変化 を詳細に観察することは困難であるため、基準の水に対する変化量、すなわち差 吸光度スペクトルと差−次微分スペクトルを計算し、その差を視覚的に観察でき るようにした。微分操作は、長波長側から短波長側、に向かって、行った。Because it is difficult to observe detailed changes between samples by comparing absorbance spectra or first-order derivative spectra, we calculated the change relative to the reference water, i.e., the difference absorbance spectrum and the difference first-order derivative spectrum, so that the differences could be visually observed. The differentiation was performed from the long wavelength side to the short wavelength side.

まず、水の吸収ピーク1.43μmと、1.93μmの中間に存在するグルコー ス吸収帯について考察する。第3図に吸光度スペクトルを、また、第4図にその 一次微分スベクトルをそれぞれ示す。さらに、第5図に差吸収スペクトルを示す 。この第5図の差吸光度スペクトルにおいて、1.55ないし1.85μmにグ ルコースの吸収が観測される。また、1.35μmないし1.45μmには8字 特性が観測される。これは、水の吸収ピーク1.43μmのシフトに起因するも ので、水和現象に由来する。波長変調の中心波長としては、干渉を受けないゼロ クロス点またはその近傍の波長域145ないし1.58μm1千渉の影響が少な くかつ吸収帯の勾配の急な波長域の1.6ないし1.67μmと1.75ないし 1.85μmから中心周波数を選択することができる。First, consider the glucose absorption band located between the water absorption peak at 1.43 μm and 1.93 μm. Figure 3 shows the absorbance spectrum, and Figure 4 shows its first-derivative spectrum. Figure 5 shows the difference absorption spectrum. In the difference absorbance spectrum in Figure 5, glucose absorption is observed between 1.55 and 1.85 μm. Furthermore, an eight-figure characteristic is observed between 1.35 and 1.45 μm. This is due to a shift in the water absorption peak at 1.43 μm, which is caused by hydration. The center wavelength of the wavelength modulation can be selected from the wavelength ranges of 1.6 to 1.67 μm and 1.75 to 1.85 μm, which are at or near the zero-crossing point where interference is not present and where the absorption band slope is steep and the effect of interference is minimal.

第6図に示す差−次微分スペクトルから分かるように、−次微分スペクトルから グルコース濃度が定量できることは明らかであり、波長1.555μmにおける 一次微分吸光度とグルコース濃度との関係を第10図に示す。As can be seen from the differential first-order derivative spectrum shown in Figure 6, it is clear that glucose concentration can be quantified from the first-order derivative spectrum. Figure 10 shows the relationship between first-order derivative absorbance at a wavelength of 1.555 μm and glucose concentration.

ところで、1.5μm帯の波長域は、光フアイバー通信用途で開発されている波 長可変半導体レーザを流用できることから装置化しやすい。波長可変半導体レー ザを波長変調法に適用すれば、波長可変半導体レーザの特徴を効果的かつ最大限 に引き出せる。The 1.5 μm wavelength band is easy to implement because it can utilize wavelength-tunable semiconductor lasers developed for fiber optic communications. By applying wavelength modulation to wavelength-tunable semiconductor lasers, the characteristics of wavelength-tunable semiconductor lasers can be effectively and fully utilized.

水の吸収ピーク1.93μm以上では、21μm、2. 27μm、2゜33μ mに、グルコースの吸収帯があり、この吸収ピーク前後の勾配に注目する。第7 図に示す差微分スペクトルかられかるように、2.06ないし2.1μm。Above the water absorption peak of 1.93 μm, there are absorption bands for glucose at 21 μm, 2.27 μm, and 2.33 μm. Note the slopes around these absorption peaks. As can be seen from the differential spectrum shown in Figure 7, the peaks are between 2.06 and 2.1 μm.

2.1ないし2.24μm。2.1 to 2.24 μm.

2.24ないし2.27μm。2.24 to 2.27 μm.

2.27ないし23μm。2.27 to 23 μm.

2.3ないし2.32μm。2.3 to 2.32 μm.

2.32ないし2.38μm から選択することができる。Can be selected from 2.32 to 2.38 μm.

同様にして、水の吸収ピーク0.96μmと1.15μmの間では、1゜06μ mにグルコースのブロードな吸収バンドがある。第8図に示す差微分スペクトル かられかるように、1.07ないし1125μm、1. 00ないし1.05μ mから選択することができる。Similarly, between the absorption peaks of water at 0.96 μm and 1.15 μm, there is a broad absorption band of glucose at 1.06 μm. As can be seen from the differential spectrum shown in Figure 8, the absorption band can be selected from 1.07 to 1125 μm or 1.00 to 1.05 μm.

同様にして、水の吸収ピーク1.15μmと1.43μmの間では、1゜25μ mにグルコースのブロードな吸収バンドがある。第9図に示す差微分スペクトル から分かるように、1.28ないし1.36μm、1. 18ないし1.23μ mから選択することができる。Similarly, between the absorption peaks of water at 1.15 μm and 1.43 μm, there is a broad absorption band of glucose at 1.25 μm. As can be seen from the differential spectrum shown in Figure 9, the absorption bands can be selected from 1.28 to 1.36 μm and 1.18 to 1.23 μm.

[4]最適波長の選択 ところで、皮膚は、第11図に示すように、外側から順に、角質層1゜表皮2. および真皮3からなり、深さ方向に異方な構造を有している。そして血液成分を 含む体液の存在する部位(capillary bed)4のグルコース濃度を 、皮膚の上から拡散反射法を用いて経皮測定するためには、使用する波長は重要 であり、測定法と不可分のものである。[4] Selection of Optimal Wavelength As shown in Figure 11, the skin consists of the stratum corneum 1, epidermis 2, and dermis 3, from the outside in, and has an anisotropic structure in the depth direction. To transcutaneously measure the glucose concentration in the capillary bed 4, where body fluids containing blood components are present, using the diffuse reflectance method from above the skin, the wavelength used is important and is an integral part of the measurement method.

近赤外波長域において、中赤外光に近い長波長領域と可視光に近い単波長領域を 相対的に比較すると次の通りである。In the near-infrared wavelength range, the long wavelength region close to mid-infrared light and the short wavelength region close to visible light can be compared relative to one another as follows:

長波長領域では、光は生体組織に存在する水の吸収を受けて生体(皮膚)の深部 まで浸透しにく(、光散乱の影響が少ないので散乱減衰しにくい。In the long wavelength range, light is absorbed by water present in biological tissues and therefore does not penetrate deep into the body (skin), and is less susceptible to scattering and attenuation due to the small effect of light scattering.

また、グルコースの吸収帯の吸光係数が大きいのでパス長はより短くてもよい。Furthermore, since the absorption coefficient of the glucose absorption band is large, the path length may be shorter.

すなわち、光浸透深さは相対的に小さくてもよい。That is, the light penetration depth may be relatively small.

可視光に近い短波長帯領域では、光は水の吸収を受けにくく、皮膚深部まで到達 しやすい。しかし光は散乱の影響を受けやすく散乱減衰しやすい。In the short wavelength range close to visible light, light is less absorbed by water and can easily penetrate deep into the skin. However, light is easily scattered and attenuated.

また、グルコースの吸収帯の吸収係数は小さいので、測定感度を上げるためには パス長が長くなければならない。Furthermore, since the absorption coefficient of the glucose absorption band is small, a long path length is required to increase the measurement sensitivity.

このように、最適波長の選択には、関連する多(の因子がある。最適なグルコー スの測定波長は、既に説明した選択波長帯の中から、また、グルコースの特性吸 収係数、光の皮膚への浸透深さから、さらには、実用的な観点から、コーヒレン ト光ファイバー通信用途の波長可変半導体レーザが流用できることから、1.4 5ないし1.58μmから選ぶのが好ましい。Thus, the selection of the optimal wavelength involves many factors. The optimal wavelength for measuring glucose is preferably selected from the wavelength ranges already discussed, taking into account the characteristic absorption coefficient of glucose, the depth of light penetration into the skin, and, from a practical standpoint, the range of 1.45 to 1.58 μm, since tunable semiconductor lasers for coherent fiber optic communication applications can be used.

[5コ皮膚の拡散反射スペクトルと強度変調分光法既に述べたように、波長変調 法を使用すれば、高品質の微分データがコンピュータ処理を必要とせずリアルタ イムに得られる。微分データは、いわば1点のデータであり、実用的な観点から は、データが正規化されていること、各種の変動要因、たとえば、サンプル温度 の変化や成分の干渉などが自動的に補償されていることが重要である。本発明で は、波長変調法に光強度変調法を組み合わせ、これらの変動要因を自動的に補償 する。[5 Skin Diffuse Reflectance Spectroscopy and Intensity Modulation Spectroscopy] As mentioned above, wavelength modulation allows high-quality differential data to be obtained in real time without the need for computer processing. Differential data is essentially single-point data, and from a practical standpoint, it is important that the data be normalized and that various variables, such as sample temperature changes and component interference, be automatically compensated for. In this invention, wavelength modulation is combined with light intensity modulation to automatically compensate for these variables.

皮膚の拡散反射スペクトルは、皮膚内部で吸収と散乱を繰り返して、再び皮膚表 面に出てきた微弱な拡散反射光を積分球で集光し、ディテクタで検出した信号を もとにしている。皮膚の深さ方向の異方な構造に関連して、第11図に示すよう に、 (a)入射光5の皮膚表面での正反射光7のスペクトル成分、(b)入射光5の 皮膚表面近傍のグルコースを含まない角質層1、表面組織からの拡散反射光8の スペクトル成分、(C)入射光5の血液成分を含む体液の存在する部位4からの 拡散反射光9のスペクトル成分、 (d)入射光5のさらに深部組織への透過光6のスペクトル成分、などが混在し たものである。そして、一般的にいえば、皮膚表面に近い部位のスペクトル成分 の寄与が大きく、血液成分を含む体液の存在する部位4のスペクトル成分の寄与 は小さい。これが通常の拡散反射スペクトルである。The diffuse reflectance spectrum of skin is based on the signal detected by a detector after weak diffusely reflected light that has been repeatedly absorbed and scattered within the skin and then re-emerges at the skin surface, which is collected by an integrating sphere. In relation to the anisotropic structure of skin in the depth direction, as shown in Figure 11, it is a mixture of (a) the spectral component of specularly reflected light 7 of incident light 5 at the skin surface; (b) the spectral component of diffusely reflected light 8 of incident light 5 from the glucose-free stratum corneum 1 near the skin surface and from the surface tissue; (c) the spectral component of diffusely reflected light 9 of incident light 5 from areas 4 containing blood-containing body fluids; and (d) the spectral component of transmitted light 6 of incident light 5 into deeper tissues. Generally speaking, the contribution of spectral components near the skin surface is large, while the contribution of spectral components from areas 4 containing blood-containing body fluids is small. This is a typical diffuse reflectance spectrum.

血液成分を含む体液の存在する部位4のグルコース濃度に注目すると、上記(a )および(b)のスペクトル成分を取り除いたスペクトルに対して定量解析する ことができれば、グルコース濃度をより精度よく測定できることは明らかである 。When focusing on the glucose concentration at site 4, where body fluids containing blood components are present, it is clear that glucose concentration can be measured more accurately if quantitative analysis can be performed on a spectrum from which the spectral components (a) and (b) above have been removed.

これを実現する手法の一つとして、本願の発明者等は、日本特許出願特願昭62 −290821号および米国特許第4.883,9.)3号において、つぎのよ うな光強度f:Il法を提案した。As one method for achieving this, the inventors of the present application proposed the following light intensity f:Il method in Japanese Patent Application No. 62-290821 and U.S. Patent No. 4,883,933.

皮膚への光浸透深さを入射光強度を変えることにより確保する。すなわち、第1 2図に示すように、入射光強度がより強ければ、弱い場合にくらべて、より深部 の情報が含まれている。検出限界の浸透深さがblの適当に弱い入射光強度ro tでの浸透深さす、7.からの拡散反射光強度!□を測光し、その比率を次の第 3式により演算し正規化する。The light penetration depth into the skin is ensured by varying the incident light intensity. That is, as shown in Figure 12, a stronger incident light intensity contains information from deeper areas than a weaker incident light intensity. The detection limit penetration depth is bl, and the penetration depth at a suitably weak incident light intensity rot is 7. The diffuse reflected light intensity from □ is measured, and the ratio is calculated and normalized using the following equation 3:

A+=]Og(1++/1.) ”・ (3)この第3式は、皮膚表面近傍のみ のスペクトル情報をもつ。A+ = ]0g(1++/1.)" (3) This third equation contains spectral information only near the skin surface.

次に、浸透深さがb2のInよりも強い入射光強度1112での浸透深さb27 2からの拡散反射強度1t2を測光し、その比率を次の第4式により演算し正規 化する。Next, the diffuse reflection intensity 1t2 from penetration depth b272 at incident light intensity 1112, which is stronger than In at penetration depth b2, is measured, and the ratio is calculated and normalized using the following equation (4):

Az=lOg (loz/In2) −(4)この第4式は、より深部のスペク トル情報を含んでいる。そして両者の差ΔAを計算する。Az = lOg (lOz/In2) - (4) This fourth equation contains the deeper spectral information. Then, we calculate the difference ΔA between the two.

ΔA=A、−A、=log (loz/Lx)−1ag (Lt/I、+)・・ ・ (5) 上記第5式は、正規化基準として、測定対象とする人のグルコースを含まない皮 膚表面近傍組織のスペクトルが基準にとられているとみることができる。このこ とは、見方をかえれば、人種、性別、年令など個人差の影響を受けないことを意 味する。ΔA = A, -A, = log(l/Lx) - 1ag(Lt/I, +)... (5) Equation 5 above can be considered to normalize the spectrum of the glucose-free tissue near the skin surface of the subject. This means that the spectrum is not affected by individual differences such as race, gender, and age.

入射光強度の変調は、後述するように、たとえば減衰比の異なるアッテネータを 搭載した回転ディスクで切り替えることにより行うことができる。The intensity of the incident light can be modulated, for example, by switching between attenuators with different attenuation ratios using a rotating disk, as will be described later.

入射光強度の変調の1サイクルごとに強度の比率演算で正規化するとともに、吸 光度の差演算を行う。そして、多サイクルにわたって積算平均化処理を行えばS /N比を向上させることができる。For each cycle of modulation of the incident light intensity, normalization is performed by calculating the ratio of the intensities, and the difference in absorbance is calculated. Then, by performing an averaging process over multiple cycles, the S/N ratio can be improved.

グルコース濃度の真なるサンプルに対して、この差演算値と化学的な分析手法で 得られた参照濃度値を用いて回帰式を作成する。この回帰式を用いて未知サンプ ルのグルコースを定量する。A regression equation is created using this difference calculation and the reference concentration obtained by chemical analysis for authentic samples of glucose concentration. This regression equation is then used to quantify the glucose in unknown samples.

なお、以上ではスペクトル強度Iを用いて、入射光強度変調法のアルゴリズムを 説明したが、回帰手法を用いると、微分強度についても定量性があることが知ら れている。そこで、本実施例では、波長変調法でめた一次微分値D=ΔA/Δλ を用いるために、第3式、第4式、第5式の吸光度値AをΔA/Δλに置き換え 、後述する第8式、第9式および第10式の演算を行う。While the incident light intensity modulation algorithm has been described above using the spectral intensity I, it is known that the derivative intensity can also be quantitatively determined using a regression method. Therefore, in this example, to use the first derivative D = ΔA/Δλ calculated using the wavelength modulation method, the absorbance value A in Equations 3, 4, and 5 is replaced with ΔA/Δλ, and the calculations of Equations 8, 9, and 10, described below, are performed.

[6]血糖値の無侵襲測定装置 血糖値の無侵襲測定装置の構成を、第13図に示す。[6] Non-invasive Blood Glucose Measurement Device The configuration of a non-invasive blood glucose measurement device is shown in Figure 13.

上記血糖値の無侵襲測定装置は、波長可変半導体レーザ11、この波長可変半導 体レーザ11からの波長変調されたレーザ光の強度を周期的に変化させるアッテ ネータ12、このアッテネータ12から入射する波長変調および強度変調された レーザ光の光路13を光路13aと13bに分離するビームスプリッタ14、お よびこのビームスプリッタ14で分離された一つの光路1,3aを通過し血糖値 を検査すべき皮膚16の検査部位17に入射して透過もしくは反射したレーザ光 を集める積分球18を備える。The noninvasive blood glucose measurement device includes a tunable semiconductor laser 11, an attenuator 12 that periodically varies the intensity of the wavelength-modulated laser light from the tunable semiconductor laser 11, a beam splitter 14 that splits optical path 13 of the wavelength-modulated and intensity-modulated laser light incident from attenuator 12 into optical paths 13a and 13b, and an integrating sphere 18 that collects the laser light that passes through one of the optical paths 13a split by beam splitter 14, enters an examination site 17 on skin 16 where the blood glucose level is to be examined, and is transmitted through or reflected from the optical path 13a.

上記血糖値の無侵襲測定装置はまた、上記積分球18で集光されたレーザ光の強 度を検出する第1検知器21、上記ビームスプリッタ14を透過したレーザ光Φ 強度を検出する第2検知器22、上記第1検知器21の出力を増幅する増幅器2 3、上記第2検知器22の出力を増幅する増幅器24、これら両地幅器23.2 4の出力の比率の対数値を出力する対数比率増幅器25、この対数比率増4i’ Pr 2 、i)5の出力の波長変化に対する変化率から上記検査部位17にお けるグルコースの吸収スペクトルの微分スペクトル信号を検出するロックイン増 幅器26、およびこのロックイン増幅器26により検出された上記微分スペクト ル信号をA/D変換し、デジタル値に変換された上記微分スペクトル信号を処理 して上記測定部位の血糖値を演算する、マイクロプロセッサ等により構成される 演算処理装置27を備える。The noninvasive blood glucose measurement device also includes a first detector 21 that detects the intensity of the laser light focused by the integrating sphere 18, a second detector 22 that detects the intensity of the laser light Φ transmitted through the beam splitter 14, an amplifier 23 that amplifies the output of the first detector 21, an amplifier 24 that amplifies the output of the second detector 22, a logarithmic ratio amplifier 25 that outputs the logarithmic ratio of the outputs of the first and second detectors 23 and 24, a lock-in amplifier 26 that detects a differential spectral signal of the glucose absorption spectrum at the test site 17 from the rate of change of the output of the logarithmic ratio amplifier 4i' Pr2,i5 with respect to wavelength change, and a processing unit 27, comprised of a microprocessor or the like, that A/D converts the differential spectral signal detected by the lock-in amplifier 26 and processes the converted digital value to calculate the blood glucose level at the measurement site.

上記波長可変半導体レーザ11は、中心波長λ11波長変調幅Δλに調整および 制御された波長変調されたレーザ光は、アッテネータ12にて強度変調を受けた 後、ビームスプリッタ14で2つのビームに分離される。The wavelength-modulated laser light from the wavelength-tunable semiconductor laser 11, which has been adjusted and controlled to have a center wavelength λ11 and a wavelength modulation width Δλ, is intensity-modulated by an attenuator 12 and then split into two beams by a beam splitter 14.

上記ビームスプリッタ14を透過するレーザ光L2は入射光強度をモニタするた めのもので、第2検知器22で電気信号1゜に変換される。他方のレーザ光L+ は、血糖値を検査する上記検査部位17に入射する。この検査部位17からの拡 散反射光は、積分球18で集光された後、第1検知器21で電気信号1.に変換 される。Laser light L2 passing through the beam splitter 14 is used to monitor the incident light intensity and is converted into an electrical signal L by a second detector 22. The other laser light L+ is incident on the test site 17, which tests the blood glucose level. The diffused reflected light from this test site 17 is collected by an integrating sphere 18 and then converted into an electrical signal L by a first detector 21.

上記電気信号IsおよびI、は、増幅器23および増幅器24にてそれぞれ増幅 された後、対数比率増幅器25に入力する。この対数比率増幅器25は、次の第 6式であられされる正規化された吸光度信号A=l og (Io/Is) ・ ・・ (6)を出力する。The electrical signals Is and I are amplified by amplifiers 23 and 24, respectively, and then input to logarithmic ratio amplifier 25. Logarithmic ratio amplifier 25 outputs a normalized absorbance signal A = log (Io/Is) (6), which is expressed by the following equation (6).

なお、上記吸光度信号Aは、上記電気信号1.およびIoが、第1検知器21お よび第2検知器22により、同じレーザ光がビームスプリッタ14で分離された レーザ光を同時測光した値であるので測定の確度が高く、かつ、ドリフトの影響 を受けない。The absorbance signal A is highly accurate and not subject to drift because the electrical signals I and Io are measured simultaneously by the first detector 21 and the second detector 22 using the same laser light split by the beam splitter 14.

その後、ロックイン増幅器25で、次の第7式に示すような交流信号の振幅のみ を取り出す。Then, the lock-in amplifier 25 extracts only the amplitude of the AC signal as shown in the following equation 7:

D=ΔA/Δλ ・・・ (7) 交流成分は、波長変調の中心波長点における、サンプルのスペクトルの勾配に比 例した信号である。D = ΔA/Δλ (7) The AC component is a signal proportional to the slope of the sample spectrum at the center wavelength of the wavelength modulation.

アッテネータ12は、既に述べたように、皮膚16の検査部位17への光浸透深 さを変えるために入射光強度を変調させるもので、減衰比の異なる2組のアッテ ネータユニット12a、12bまたはそれ以上のアッテネータユニットを回転デ ィスク12cで切り替える構成を有する。この入射光強度変調により、血液成分 を含む体液の存在する部位のグルコース濃度をより精度よく測定することができ る。As already mentioned, the attenuator 12 modulates the intensity of incident light to change the depth of light penetration into the test site 17 of the skin 16, and is configured to switch between two sets of attenuator units 12a, 12b or more sets of attenuator units with different attenuation ratios using a rotating disk 12c. This modulation of the intensity of incident light enables more accurate measurement of the glucose concentration in areas where body fluids containing blood components are present.

ロックイン増幅器26は、アッテネータ12による入射光強度1alに対して、 次の第8式であられされる交流信号、D、=△At/Δλ ・・・ (8) を出力する。The lock-in amplifier 26 outputs an AC signal, D, given by the following equation (8), for an incident light intensity of 1 al from the attenuator 12: D = ΔAt/Δλ (8)

また、上記ロックイン増幅器26は、アッテネータ12による入射光強度162 に対して、次の第9式であられされる交流信号、D2=ΔA4/Δλ ・・・  (9) を出力する。Furthermore, the lock-in amplifier 26 outputs an AC signal, D2 = ΔA4/Δλ (9), calculated using the following equation (9) in response to the incident light intensity 162 from the attenuator 12.

演算処理装置27は、上記交流信号D1およびD2をA/D変換し、上記交流信 号り、とDlの入射光強度の変調の1サイクルごとに、次の第10式であられさ れる差演算を行う。The arithmetic processing unit 27 performs A/D conversion on the AC signals D1 and D2, and performs a difference calculation according to the following equation (10) for each cycle of the modulation of the incident light intensity of the AC signals D1 and D2.

ΔD = D 2− D + = ΔA z/ △λ−ΔA+/Δλ−(10) 上記演算処理装置27は、予めめられて図示しないメモリに記憶された回帰式の データを用い、上記第10式により得られた値から、検査部位のグルコース濃度 を検出する。ΔD = D 2 - D + = ΔA z / Δλ - ΔA + / Δλ - (10) The arithmetic processing unit 27 uses the regression equation data stored in advance in a memory (not shown) to determine the glucose concentration at the test site from the value obtained by Equation 10.

上記グルコース濃度の測定に際して、アッテネータ12のアッテネータユニット 12aと12bとの交互切替の多サイクルの積算平均化処理を行えばS/?’J 比が向上する。When measuring the glucose concentration, performing multi-cycle integration averaging by alternating between attenuator units 12a and 12b of attenuator 12 improves the S/J ratio.

また、入射光強度を少なくとも3段階以上にわたって強度変調すれば、グルコー スの定量に最適な入射光強度域も分かり、最適なアッテネータ12の選択や手法 をさらに精密化できる。従来の拡散反射法で較正に使用する標準拡散板も不要に なる。Furthermore, by modulating the incident light intensity over at least three levels, the optimal incident light intensity range for glucose quantification can be determined, allowing for more precise selection of the optimal attenuator 12 and method. This also eliminates the need for a standard diffuser plate, which is used for calibration in conventional diffuse reflectance methods.

さらに、検査部位17に浸透した光がサンプルの底部から洩れない、いわゆる無 限サンプル厚みの条件を満足していれば、透過法と異なり検査部位の厚み情報は 不要である。Furthermore, unlike the transmission method, if the condition of infinite sample thickness is satisfied, i.e., the light that penetrates the inspection area 17 does not leak out from the bottom of the sample, then information about the thickness of the inspection area is not required.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 1.光を波長変調するとともに複数の強度に強度変調し、この波長変調および強 度変調された光を血糖値を測定すべき検査部位に照射し、上記強度変調を受けた 光の各々について、上記検査部位からの透過光もしくは反射光の強度および上記 検査部位への入射光の強度を検出して両者の比率を検出し、この比率の上記波長 変調による波長の変化に対する変化率を検出してこの変化率に基づいて上記検査 部位におけるグルコースの吸収スペクトルの微分スペクトルをそれぞれ取り出し 、これら微分スペクトルに基づいて測定部位の血糖値を検出することを特徴とす る血糖値の無侵襲測定方法。1. A method for non-invasively measuring blood glucose levels, comprising: wavelength-modulating light and intensity-modulating it to multiple intensities; irradiating the test site where blood glucose levels are to be measured with this wavelength- and intensity-modulated light; detecting the intensity of the transmitted or reflected light from the test site and the intensity of the light incident on the test site for each of the intensity-modulated light beams; determining the ratio of the two; detecting the rate of change of this ratio relative to the change in wavelength due to the wavelength modulation; extracting a derivative spectrum of the glucose absorption spectrum at the test site based on this rate of change; and detecting the blood glucose level at the measurement site based on these derivative spectra. 2.上記微分スペクトルを上記波長変調の繰り返しに応じて積算平均することを 特徴とする請求の範囲第1項記載の血糖値の無侵襲測定方法。2. The method for non-invasively measuring blood glucose levels according to claim 1, wherein the differential spectrum is integrated and averaged in response to the repetition of the wavelength modulation. 3.波長変調された光を発生する波長変調光発生手段と、この波長変調光発生手 段からの波長変調された光の強度を複数の強度に強度変調する強度変調手段と、 この強度変調手段から入射する波長変調および強度変調された光の光路を分離す るビームスプリッタ手段と、このビームスプリッタ手段で分離された一つの光路 を通過し血糖値を検査すべき検査部位に入射して透過もしくは反射した光を集め る集光手段と、この集光手段で集めた光の強度を検出する第1光検出手段と、上 記ビームスプリッタで分離されたいま一つの光路を通過する光の強度を検出する 第2光検出手段と、上記第1光検出手段の出力と第2光検出手段の出力との比率 を検出する比率検出手段と、この比率検出手段から上記比率に対応する比率信号 が入力し、この比率信号の上記波長変調による波長変化に対する変化率を検出し て上記検査部位におけるグルコースの吸収スペクトルの微分スペクトル信号を検 出する微分スペクトル信号検出手段と、上記強度変調を受けた複数の強度の光の 各々について、上記微分スペクトル信号検出手段により検出された上記微分スペ クトル信号に基づいて測定部位の血糖値を演算する演算手段とを備えたことを特 徴とする血糖値の無侵襲測定装置。3. A wavelength-modulated light generating means for generating wavelength-modulated light, an intensity modulation means for intensity-modulating the intensity of the wavelength-modulated light from the wavelength-modulated light generating means to a plurality of intensities, a beam splitter means for separating the optical paths of the wavelength-modulated and intensity-modulated light incident from the intensity modulation means, a light collecting means for collecting light that passes through one optical path separated by the beam splitter means, enters the test site where blood glucose level is to be tested, and is transmitted or reflected, a first light detecting means for detecting the intensity of the light collected by the light collecting means, and a second light detecting means for detecting the intensity of light passing through the other optical path separated by the beam splitter. A non-invasive blood glucose measurement device comprising: a ratio detection means for detecting the ratio between the output of the first light detection means and the output of the second light detection means; a differential spectrum signal detection means for receiving a ratio signal corresponding to the ratio from the ratio detection means and detecting the rate of change of the ratio signal relative to the wavelength change due to the wavelength modulation to detect a differential spectrum signal of the glucose absorption spectrum at the test site; and a calculation means for calculating the blood glucose level at the measurement site based on the differential spectrum signal detected by the differential spectrum signal detection means for each of the intensity-modulated light beams of multiple intensities. 4.上記波長変調光発生手段が波長可変半導体レーザであることを特徴とする請 求の範囲第3項記載の血糖値の無侵襲測定装置。4. The non-invasive blood glucose measuring device according to claim 3, wherein the wavelength-modulated light generating means is a tunable semiconductor laser.
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