JPH07509317A - 近赤外測定器での定量的測定を可能にする合成スペクトルを生じさせるための方法および手段 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 近赤外測定器での定量的測定を可能にする合成スペクトルを生しさせるための方 法および手段 本発明は近赤外定ｌ測定器における改良、詳しくはこのような装置のための合成 スペクトルを生じさせる方法および手段に関する。

近赤外定量測定器は約２０年間利用されている。これらの測定器は精度が高く、 また多くの異なる種類の材料中の化学成分の測定に使用しやすいことが証明され ている。例えば、近赤外測定器は一般に小麦および大麦のタンパク質を測定する ため穀物産業において、食品中の種々の有機成分を測定するため食品産業におい て、製品中の化学成分を測定するため化学プロセス産業において、そして体内の 脂肪百分率のような項目を非侵入的に測定するため医療分野において使用される 。

３つの一般的なタイプの近赤外測定器がある０反射率型測定器は通常１１００〜 ２５００ｎｍで測定して、ばらつきのない表面を有し、測定対象の製品の片側だ けに接近する必要のある材料の正確な測定値を与える。透過率型測定器は６００ 〜１ｌ１００ｎで操作することができ、また測定製品の両側に接近できるならば 試料を調製することなく殆んどのタイプの製品を測定することができる。第３の タイプの近赤外測定器番よ通常６００〜１ｌ１００ｎで操作する相互作用型であ る。このタイプの測定器において、光エネルギーは製品の本体に向けられ、少し 離れた本体の同し側で内部反射光が測定される。

上記のタイプの近赤外測定器の何れかにおいて、分離したフィルターの使用また は全走査測定器の使用が知られている。フイルター型アプローチの使用例は米国 特許第４，２８６，３２７号に示されてｌ／）る。

多くの適用において、分離フィルターまたは全走査測定器は同様の正確度を与え る。しかしながら、典型的な分離フィルター型測定器が十分な情報を与えない場 合も幾つかある。例えば、部分最小自乗法または主成分分析のような高等数学的 処理が施される場合である。このようなアプローチにおいて、必要な較正係数を 与えるために多数の波長が必要である。

全走査測定器の主要な欠点の１つはこれらが分離フィルター測定器より相当高価 なことである。したがって分離フィルター測定器が全走査測定器と同じ感度およ び融通性を与えることのできる技術を開発することが望まれている。このような アプローチの１つは米国特許第４，６２７．００８号に記載されており、曲線補 間法の使用が分離フィルター測定器から合成スペクトルの展開を可能にする。

しかしながら、非常に希薄な成分の測定、例えば低コストのポータプル測定器を 用いた血流中のグルコース濃度の非役人的測定においては、多くの波長でスペク トルの正確な知識が要求される。当該技術分野において、有意な定量測定器を提 供するためこのようなスペクトルを生じさせることが必要である。

米国特許第４，２８６，３２７号はそれぞれその前に分離した狭い帯域通過フィ ルターを有するＩ　ＲＥＤ群を連続的に発光させることができ、それにより有意 な光学情報を生じさせることを教示している。このような特許において、分離し た狭い帯域通過フィルターは測定する各波長について必要である。しかしながら 、幅広いスペクトル情報が要求される低コストのポータプル測定器の場合、必要 な数の狭い帯域通過フィルターを備えることは本質的に実行不可能になる。低コ ストの必要性を伴うサイズ制限はこのようなアプローチを排除する。

例えば、研究の結果から幾つかの個体において６４０〜１１０００ｎの波長の組 合せを使用することにより血中グルコースの正確な測定が達成されうろことがわ かった。これらの研究はまた、体の構成は人により異なるため別々の個体につい てそれぞれ異なった組合せの波長が必要であることを示した。例えば、コレステ ロールまたはグルコースが測定対象である場合、これらの成分は体内に存在する 水、脂肪およびタンパク質に比べて非常に微小量であるため、多数の波長を使用 しないで測定することは困難である。したがって、当該技術分野において、低コ ストのポータプルで単純な測定器を提供し、さらに幅広い母集団で使用できるよ うに６４０〜］０００ｎｍのＩｎｍ毎の波長を測定器に備えさせる必要がある。

本発明は曲線補間測定器に利用することができ、複チップＩＲＥＤを使用するこ とにより単一のＩＲＥＤから２つの波長を与え、また単一のｌ　ＲＥＤと共に三 帯域通過フィルターを使用することにより多数の出力を与える、定量的近赤外測 定器に使用される合成スペクトルを生じさせるための方法および手段を提供する 。したがって、非常に狭い許容差の２つの波長を単一のＩ　ＲＥＤから生じさせ ることができる。

Ｉ　ＲＥＤ技術を使用する正確な定量的測定のために必要な波長の数を調べるた めに、様々な人々の実際のスペクトルに対して米国特許第４゜６３７．００８号 により教示された曲線アプローチを使用して合成スペクトルを生じさせる正確度 の相互作用研究を行った。例えば、６４０〜１１０００ｎの波長において、スペ クトルの適当な位置にある１２のばらばらの波長はある“実スペクトル”を他の “実スペクトル”と比較した場合と同等の正確度である合成スペクトルを生じさ せることができることがわかった（“実スペクトル”は高品質の走査分光光度計 から得られるスペクトルとして定義される）。

典型的な人々において、次の１２の波長が合成スペクトルを生じさせるだめの基 盤を与えることがわかった（これらの波長はそれぞれ約２±ｎｍの幾らか合理的 な許容差を可能にする）。これらの波長を次の表に示す。

１　６４０　＋ｖ　７　８７８　ｎｍ ＩＡ−Ｃから４Ａ−Ｃまでの図はそれぞれ広範囲の人種、体の構成および性別に わたる４つの異なる個体からのスペクトルを含む。各図は上記の１２の波長を利 用する曲線技術を使用して生しさせた合成スペクトルと“′実データ゛、すなわ ち拡大スケールで示されるｌｎｍ間隔毎に走査分光光度計により実際に測定され たデータとの重なりを示す。図ＩＡ〜Ｃから４Ａ−Ｃまでのこれらの曲線のそれ ぞれにおいて、゛°実データ“と合成スペクトルの相関平方項（ＲｘＲ）が標準 誤差と共に与えられる。見てわかるように、合成スペクトルは実スペクトルと比 べて非常に正確である。

ＩＡ−Ｃから４Ａ−Ｃまでの図はまた、“実スペクトル対実スペクトル”として 示される、はぼ同し時間（それぞれ数分以内で測定された）における同じ個体の 、他の実スペクトルと重ねられたある実スペクトルの平方されたＲおよび標！！ ！誤差を示す（これらの図は重なっている実スペクトルの曲線を示していないこ とに注目されたい）。ＬＡ−Ｃから４Ａ−Ｃまでの図に示されているように、合 成スペクトルと実スペクトルの正確度の値は２つの実スペクトル間の正確度の値 と酷似している。さらに、既知の血中グルコース値に対する回帰分析を本発明の 合成スペクトル分析と共に行ったところ、実スペクトルを使用するこのような分 析と本質的に同じ正確度を与えた。

本発明を実施するための低コストの方法を図５Ａおよび５Ｂに示す。

これらの図のそれぞれにおいて、単ダイオード中で２つの発光チップ１２および １４を使用する発光ダイオード１０が示される。チップは当該技術分野で知られ ているようなリード線１６を通して交互に電圧をかけることができる。例えば、 動力の供給の仕方に応じて赤色と緑色の光を与える単ダイオードは市場で入手す ることができる０図５Ａおよび５Ｂにおいて、単ダイオード１０は２つのチップ １２および１４を含有する。チップ１４は上記の表１のＡ群の波長領域でエネル ギーを与え、そしてチップ１２はＢ群の波長領域でエネルギーを与える。

このことはさらに、スタンレー電気有限会社の°゛光学電子部品データブック１ ９８８″から引用される図６Ａおよび６Ｂを参照することにより理解が深まる。

これらの図において、ＬＥＤおよびＩＲＥＤの典型的なスペクトルが示される。

例えば、上記の表１の番号６の波長および番号１２の波長は単一のＩ　ＲＥＤ　 １０中で２つのチップ１２および１４、すなわちチップＡＮおよびＤＮを使用し て生じさせることができる。したがって、表１の番号６の波長についての波長領 域はチップＤＮ、すなわちチップ１４からのものであり、また番号１２の波長は ＡＮの特性を示す千ノブ、すなわちチップ１２からのものである。

対応するチップが図６Ａおよび６Ｂから選択されることを除けば、上記の表１と 同し波長を下記の表２に示す。どのようにＩＲＥＤに電力が供給されるかに応じ て、すなわちチップ１２またはチップ１４の何れに電圧がかけられ、波長１２ま たは波長６の何れのエネルギーが照射されるかに応して異なるように記載される 。

１　６４０ｎｍＡＲまたはＢＲ７８７８ｎａ　ＣＮまたはＤＮ２　６８８　ＢＲ またはＰＲ８９１６ＣＮまたはＢＮ３　６９Ｂ　ＰＲ９９４６ＡＮまたはＢＮ４ 　７５４　ＰＲ１０９６４ＡＮまたはＣＮ５　８０４　ＰｌｉまたはＯＮ　１１ 　９７４　ＡＮ６　８４０　ＤＮ型　１２　１０００　＾Ｎ型図５Ａにはまた、 ２つの通過帯域を有する帯域通過フィルター２０が示される。他方、図２Ｂには 分離した光学帯域フィルター２２および２４が示されており、フィルター２２は 例えば上表の番号６の波長についての通過帯域を有し、そして光学フィルター２ ４は上表の番号１２の波長についての通過帯域を有する。図５Ａの帯域通過フィ ルター２０は例えば図７Ｂに示されるような２つの帯域を通過することができる 。換言すれば、図７Ａは図５Ｂのフィルター２４である典型的な狭い帯域通過フ ィ、ルターのスペクトルを示す。図７Ｂは２つの異なる帯域、例えば８４０およ び１１０００ｎを光が通過することのできる特定の狭い三帯域通過フィルターの 透過率を示す。

図５Ａの複チップＩＲＥＤが図７Ｂに示されるような２つの通過帯域を有する単 フィルターで使用される場合、またＩ　ＲＥＤの第１チツプが発光させられる場 合、番号６の波長が得られる。そのチップの電気が切られ、第２チツプに電力が 供給されると、上表の番号１２の波長の光が発せられる。

本発明の実施において、それぞれ１２個のＩ　ＲＥＤと組合せられた１に必要な のは６個のＩ　ＲＥＤおよび６個のフィルターだけである。したがって、部品の 数が半分に減らされ、またこのことはコストが半分に減少されると共に信鯨性が 有意に増大することを意味する。さらに、本発明はスペースに対する要求条件を 縮小し、またこのようなことはポータプルでポケットサイズの測定器にとって不 可欠なことである。

本発明の他の態様によれば、本発明を実施するための低コストの装置が図８Ａお よび８Ｂに示される。これらの図面のそれぞれにおいて、単ダイオード中で３つ の発光チップ３３．３４および３５を使用する発光ダイオード３０が示される。

これらのチップは当該技術分野で知られているようなリード線３１を通して交互 に電圧がかけられ、例えば上記の表１に示されているような波長の光を発する。

図８Ａにはまた３つの帯域、すなわち図７Ｂのスペクトルと実質的に類似した対 象の波長を通過することのできる３つの通過帯域を有する帯域通過フィルター３ ２が示される。図８Ｂにおいて、図７Ａのスペクトルと類似した対象の波長を通 過させるために３個の分離した光学帯域通過フィルター３６．３７および３８が 使用される。

本発明の実施において、それぞれ１２個のＩ　ＲＥＤと組合せられた１２個の光 学フィルターが通常与えるものと同一のデータをもたらすために必要なのは４個 のＩ　ＲＥＤおよび４個のフィルターだけである。したがって、部品の数が有意 に減らされ、またこのことはコストの低下と共に信鯨性の有意な増大を意味する 。

本発明の他の態様において、スペクトル中に位置するばらばらの波長から約６０ ０〜約１ｌ１００ｎの波長を使用する“実スペクトル”と同じ正確度で合成スペ クトルを生じさせることができる。上記の波長の他に、本発明に従って正確な合 成スペクトルを生しさせるために約１０２３〜約１１０８０ｎの波長を使用する ことができる。

本発明のさらに他の態様において、スペクトルの適当な位置にある１４のばらば らの波長から約６００〜約１ｌ１００ｎの波長の°゛実スペクトル”と同じ正確 度で生じさせることができる。次の１４の波長は合成スペクトルを生じさせるた めの基盤を与える（これらの波長はそれぞれ約±２ｎｍの幾らか合理的な許容差 を可能にする）。これらの波長を次の表に示す。

１　６０４　ｎｍ　８　８３３　ｎ＠ ２　６５８　９　、　８６０ 本発明を実施するための低コストの方法および装置は図５Ａおよび５Ｂに関して 上記で開示されたものと本質的に同しである。この態様において、上記のような 適切な波長を生じさせるため７個の復チップＴＲＥＤが使用される。また、図５ Ａおよび５Ｂに開示されたような２つの通過帯域を有する単一帯域通過フィルタ ー、または２個の帯域通過フィルターが使用されうる。表３に記載の適切な波長 を生じさせるために使用されうるｒＲＥＤの例を下記の表４に示す。

１　スタンレー　ＭＡＡ３３６８５　６０４　ｎｍ２　ギルウェー　Ｅ−１６９ ６５８ ３ファンタム　Ｔｌ−７４６７０２ ４ファンタム　Ｔｌ−７４６７２３ ５ファンタム　Ｔｌ−７４６７４６ ６スタンレー　ＤＮ　３０６　７８６ ７　スタンレー　ＤＮ　３０６　８１０８　スタンレー　ＤＮ　３０６　８３３ ９　スタンレー　ＤＮ　３０６　８６０１０　スタンレー　ＤＮ　３０６　８７ ７１１　スタンレー　ＣＮ　３０６　９１０１２　スタンレー　八Ｎ　３０６　 ９３２１３　スタンレー　八Ｎ　３０６　９５３１４　スタンレー　ＡＮ　３０ ６　９９０本発明の実施において、それぞれ１２個のＩ　ＲＥＤと組合せられた １２個の光学フィルターが通常与えるものと同一のデータをもたらすために必要 なのは７個のＩＲＥＤおよび７個のフィルターだけである。したがって、部品の 数が有意に減らされ、またこのことはコストの低下と共に信幀性の有意な増大を 意味する。

本発明はこの特定の態様ではなく、添付クレームの範囲によってのみ制限される 。例えば、本発明は合成スペクトルを生しさせるため１２または１４０波長（お よびそれぞれ６個または７個の複チップＩＲＥＤ）を使用することに制限されな い。

本発明はとりわけ、定量的測定を可能にする合成スペクトルを生しさせるための 測定器における複チップまたは他の多チップＴＲＥＤの使用を包含する。

図面の簡単な説明 図１Ａ：第１個体の血中グルコース値のスペクトル。

図１ＢおよびｌＣ：図１Ａのスペクトルの拡大図。

図２Ａ：第２個体の血中グルコース値のスペクトル。

図２Ｂおよび２Ｃ：図２Ａのスペクトルの拡大図。

図３Ａ：第３個体の血中グルコース値のスペクトル。

図３Ｂおよび３Ｃ：図３Ａのスペクトルの拡大図。

図４Ａ：第４個体の血中グルコース値のスペクトル。

図４Ｂおよび４Ｃ：図４Ａのスペクトルの拡大図。

図５Ａおよび５Ｂ＝光学帯域通過フィルターを有するＩ　ＲＥＤの異なる配置を 示す複チップＩＲＥＤの略図。

図６Ａおよび６Ｂ：発光ダイオード（ＬＥＤ）および赤外発光ダイオード（ＩＲ ＥＤ）の両方の典型的なスペクトル。

図７Ａ：典型的な狭い帯域通過フィルターのスペクトル。

図７８；２つの異なる帯域の特定の狭い帯域通過フィルターのスペクトル。

図８Ａおよび８Ｂ：３つのチップを有し、光学帯域通過フィルターを有するＩＲ ＥＤの異なる配置を示すＩ　ＲＥＤの略図。

ＦＩＧ、　ＩＡ ＦＩＧ、ＩＢ ＦＩＧ、２Ｂ ＦＩＧ、３Ｂ ＦＩＧ、４Ｂ ＦＩＧ、５４ ＦｆＧ、５Ｂ ＦＩＧ、　８Ａ ＦＩＧ、８Ｂ フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＰＴ、ＳＥ） 、０Ａ（ＢＦ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、　ＣＩ、　ＣＭ、　ＧＡ、　ＧＮ、　ＭＬ、 　ＭＲ，ＮＥ、　ＳＮ。

ＴＤ、　ＴＧ）、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＣＺ。

Ｆ　Ｉ、　ＨＵ、ＪＰ、　ＫＰ、　ＫＲ，ＬＫ、　ＭＧ、　ＭＮ、　ＭＷ、Ｎｏ 、ＮＺ、ＰＬ、ＲＯ，ＲＵ、ＳＤ、ＳＫ、ＵＡ

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．（ａ）患者の体内に存在する血液に近赤外エネルギーを導入するための近赤 外エネルギー源であって、少なくとも２つのチップを有する少なくとも１つの赤 外発光ダイオードからなり、そして少なくとも２つの異なる波長を生じさせる前 記近赤外エネルギー源からなる導入手段；（ｂ）体内から発生する近赤外エネル ギーを検出するための検出手段；および （ｃ）前記検出手段からの信号に基づく曲線補間により合成スペクトルを算出す るための処理手段を包含する、患者の体内に存在する血液の非侵入的測定のため の近赤外定置分析用測定器。
2. ２．少なくとも２つのチップを有する少なくとも１つの前記赤外発光ダイオード は２つの異なる波長を通過させるためのフィルター手段と組合せて使用される請 求の範囲第１項記載の近赤外分析用測定器。
3. ３．前記フィルター手段は２つの通過帯域を有する単フィルターである請求の範 囲第２項記載の近赤外分析用測定器。
4. ４．前記フィルター手段はそれぞれ１つの通過帯域を有する分離したフィルター からなる請求の範囲第２項記載の近赤外分析用測定器。
5. ５．少なくとも２つのチップを有する少なくとも１つの前記赤外発光ダイオード は６つの赤外発光ダイオードからなる請求の範囲第１項記載の近赤外分析用測定 器。
6. ６．（ａ）患者の体内に存在する血液に近赤外エネルギーを導入するための近赤 外エネルギー源であって、それぞれ少なくとも２つのチップを有する６つの赤外 発光ダイオードからなり、そして前記２つのチップがそれぞれ異なる波長を生じ させる前記近赤外エネルギー源からなる導入手段； （ｂ）体内から発生する近赤外エネルギーを検出し、そして前記６つの赤外発光 ダイオードの２つのチップのそれぞれからの異なる波長に基づく信号を発生させ るための検出手段；および（ｃ）前記検出手段からの発生した信号に基づく曲線 補間により合成スペクトルを算出するための処理手段を包含する、患者の体内に 存在する血液の非侵入的測定のための近赤外定量分析用測定器。
7. ７．（ａ）患者の体内に存在する血液に近赤外エネルギーを導入するための近赤 外エネルギー源であって、それぞれ少なくとも２つのチップを有する７つの赤外 発光ダイオードからなり、そして前記２つのチップがそれぞれ異なる波長を生じ させる前記近赤外エネルギー源からなる導入手段； （ｂ）体内から発生する近赤外エネルギーを検出し、そして前記７つの赤外発光 ダイオードの２つのチップのそれぞれからの異なる波長に基づく信号を発生させ るための検出手段；および（ｃ）前記検出手段から発生した信号に基づく曲線補 間により合成スペクトルを算出するための処理手段を包含する、患者の体内に存 在する血液の非侵入的測定のための近赤外定量分析用測定器。
8. ８．少なくとも２つのチップを有する７つの前記赤外発光ダイオードのそれぞれ は２つの異なる波長を通過させるためのフィルター手段と組合せて使用される請 求の範囲第７項記載の近赤外分析用測定器。
9. ９．前記フィルター手段は２つの通過帯域を有する単フィルターである請求の範 囲第８項記載の近赤外分析用測定器。
10. １０．前記フィルター手段はそれぞれ１つの通過帯域を有する分離したフィルタ ーからなる請求の範囲第８項記載の近赤外分所用測定器。
11. １１．前記７つの赤外発光ダイオードは約６００ｎｍから約１１００ｎｍまでの 所定の波長でエネルギーを発する請求の範囲第７項記載の近赤外分析用測定器。
12. １２．（ａ）患者の体内に存在する血液に近赤外エネルギーを導入するための近 赤外エネルギー源であって、３つのチップを有する少なくとも１つの赤外発光ダ イオードからなり、そして少なくとも３つの異なる波長を生じさせる前記近赤外 エネルギー源からなる導入手段；（ｂ）体内から発生する近赤外エネルギーを検 出するための検出手段；および （ｃ）前記検出手段からの信号に基づく曲線補間により合成スペクトルを算出す るための処理手段を包含する、患者の体内に存在する血液の非侵入的測定のため の近赤外定量分析用測定器。