JPH07501884A - 近赤外定量分析のための発光ダイオード高調波長の使用 - 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】 近赤外定量分析のための発光 ダイオード高調波長の使用 光用Ω背恩 意朶上の赳里分野 本出願は、１９８９年１月１９日出願の米国特許出願筒２９８．９０４号（現米 国特許第５．０２８．７８７号）の一部継続出願である、１９９０年６月２７日 出願の米国特許出願筒５４４，５８０号（現米国特許第５．０６８．２２９号） の一部継続出願である。本発明は、小麦中のタンパク質量の測定や被検者の血液 中のグルコース量測定等のサンプル中の構成成分を無侵襲で定量分析するための 器具と方法に係り、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）の高調波長を利用する新規な 近赤外定量分析測定器具に関する。

菫旦技街Ω説酉 ＬＥＤや赤外発光ダイオード（ＩＲＥＤ）を近赤外測定用のエネルギー源として 使用する技術は、よ（知られている。例えばカン１−リーエレベータにおける小 麦や大麦中のタンパク質・湿分の測定には、Ｉ　ＲＥＤをエネルギー源として用 いる、何千台というＴＲＥＢＯＲ−９０／ＸＬ小麦・大麦テスタが使用されてい る。同様に、医療機関、ヘルスクラブ、スポーツ施設では、体脂肪を測定するの に、Ｉ　ＲＥＤを用いるＦｔＪＴＲＥＸ−５０００身体成分測定具が１万台以上 使用されている。また、今日では、血中糖度測定のような血液の化学組成分析を 行う無侵襲近赤外定量分析器具として、Ｌ　Ｅ　ＤとＩ　ＲＥＤを組合せたもの も使用されている。

しかし、ＬＥＤやＩＲＥＤを用いる今日の測定具には、約１１００ｎｍ以下の波 長しか使うことができないという制限がある。この制限は、主に市販の安価なＬ 　Ｅ　ＤやＩＲＥＤから放射される波長は、最も長いものでも約９５０ｎｍであ ることに起因している。ＩＲＥＤの芋出力バンド幅の外側に狭い透過バンド幅を もつフィルタを配置しても、典型的なＩ　ＲＥＤでは、１１０５０ｎを越える波 長をｆｌｌ用する測定手段とはならない。

１０００〜１７００ｎｍの波長を有するＩ　ＲＥＤも市販されているが、このよ うなエネルギー源はきわめて高価であり、また価格に反して出力は非常に低い。

例えば、Ｕ　Ｄ　Ｔ　５ｅｎｓｏｒ社のＩＲ−１３００型は、波長１３００ｎｍ の光エネルギーを放射できるが、出力はわずか２０マイクロワットで、しかも価 格は３０ドルを越える。他方、典型的なＬＥＤは、その約１０００倍の出力のエ ネルギーを放射でき、価格も０．３０ドル未満である。

図１に示すように、１２００〜１８００ｎｍにかけてのスペクトルは、定量分析 を行う上できわめて重要である。これは、脂肪、デンプンおよびタンパク質のい くつかの吸収ピークが、この領域において支配的な水の吸収と重畳しないからで ある。例えば、］、２００ｎｍにおいては、比較的強い脂肪の吸収帯（バンド） があるが、この波長においては水の吸収による干渉はない。しかし、他のスペク トル領域においては、水による赤外線エネルギーの吸収が、脂肪、デンプンおよ びクンバク質のような他の有機成分の赤外エネルギー吸収に重畳している。した がって。

このような低波長領域で有機成分を定量分析しようどしても、水の吸収による干 渉によって、正確な測定は困難である。

！；！１２は、低波長領域で水の赤外エネルギー吸収が他の有機成分の吸収とか なり重畳する様子を示したものである。これとは対間的に、１２００　ｎ　ｍ　 Ｊ３よび１６００から１８０Ｏｒ＋ｍにかりては、水の吸収はぼとんどないため 、タンパク質、脂肪／油類２デンプン等他の成分の測定にとっては、この波長領 域はきわめて魅力的である。。

例えば、米国特許第５，０２８，７８７号は、６００〜１ｌ１００ｎのスペクト ル領域のエネルギーを使用した近赤外・無侵襲の血中糖度測定方法を教示してい る。しかし、このスペクトル領域におＣ−＋る有機成分の吸収は１２００ｎｍに おける吸収より弱い。したがって、水を含む物質における有機成分を測定すると 、しばしば水よる大きな干渉を受ける。このため、現在のところ血中糖度測定は 、６００〜１ｌ１００ｎのスペクトル領域において行った方が実際的ではあるが 、そのような測定は１２００ｎｍないし１６００〜１８００ｎｍで行う測定に比 べて複雑になるのは避けられない。

このため、１２００〜１８００ｎｍ領域の有利なエネルギーを放射する安価な固 体エネルギー源を備えた近赤外定量測定具に対する要望が高まっている。

Ｘ唄９里又 本発明による、サンプル中の構成成分を測定する近赤外定量分析具は、近赤外エ ネルギーをサンプル中の物質に明射する、近赤外エネルギー源を含む導入手段を 具備する。このエネルギー源は、ピーク波長と高調波長の放射を行う。本発明の 測定具は、さらに選択した高調波長領域を除く全波長領域において近赤外エネル ギーのフィルタリングを行うフィルタ手段を備える。またこの測定具は、サンプ ルから射出するエネルギーを測定する検出手段、および検出手段によって生成さ れる電気信号を、サンプル中に存在する成分を指示する信号に変換・処理する処 理手段も利用する。

本発明のもう一つの態様による血糖値測定用の近赤外定量分析具は、被検者の身 体の一部位における血液に近赤外エネルギーを導入する導入手段を具備する。こ の測定具は、さらに導入手段の一高調波長領域を除く全波長領域において近赤外 エネルギーのフィルタリングを行うフィルタ手段を備える。またこの測定具は、 被検者から射出するエネルギーを測定する検出手段、および検出されたエネルギ ーに対応する電気信号を、被検者の血糖値を指示する信号に変換する処理手段も 利用する。

Ａ血の皿里望説朋 図１は、１２００〜１６００ｎｍ領域における水、デンプン、脂肪およびタンパ ク質の近赤外エネルギー吸収スベク１ヘルを示す、波長に対して光強度の対数値 （Ｌｏｇｌｌ／Ｉ）］をブロツ１−シたグラフである。

図２は、９００〜Ｉ０５０ｎｍ領域における、水の近赤外エネルギー吸収ピーク が脂肪とタンパク質の吸収ピークに重畳する様子を示す、波長に対して光強度の 対数（Ｌｏｇ　（１／Ｉ）　）値をプロットしたグラフである。

図３は、公知のＩ　ＲＥＤのエネルギースペクトルを示すグラフである図４は、 公知のＩＲＥＤの基本（中心）波長と高調波長を示すグラフである。

図５は、本発明の一態様による近赤外定量分析具を示す側面図である好ましい態 様の詳細な脱Ｂ 本発明の近赤外定量測定具は、市販の安価なＬＥＤから放射される高調波長を分 離して、１２００〜１８００ｎｍ領域のエネルギーを効果的に利用する。通常の ＬＥＤは、かなり狭い単出力バンド幅の中心波長エネルギーを放射するように設 計されている。例えば、図３は、スタンレー電気■（東京、日本）製造の典型的 なＬＥＤ　（部品番号ＭＡＡ３３６８５）のスペクトルを示すが、このスペクト ルは、中心波長が約６００ｎｍで単出力バンド幅は３５ｎｍである。このような ＬＥＤは多くの製品に使用されており、価格も非常に安い（通常０．３０ドル未 Ｔ＠）。

これらのＬＥＤは、近赤外領域で高調波も放射する。例えば図４は、前述の図３ で説明したｒＭＡＡＪ型ＬＥＤの、精密スペクトロフォトメータ（例えばＣａｒ ｙ−１４スベクＩ〜ロフ才１−メータ）で測定したスペクトルを示す。図４によ れば、ＭＡＡ型ＬＥＤの中心波長は約６０８ｎｍで、図３に示した中心波長６０ ４ｎｍとほぼ等しい。図４はまた、安価な部品から放射されるエネルギーに、単 出力バンド幅が約１８０ｎｍで約１２００ｎｍにピークを有するものがあること を示している。図３と図４は、標準的なスタンレーｒＭＡＡＪ型のＩ−Ｅ　Ｄは 約６０４ｎｍの通常の可視光だけでなく１２００ｎｍ領域の近赤外エネルギーも 放射することを示している。

１２００ｎｍ領域のエネルギー強度は、６０４ｎｍ領域におけるピークエネルギ ーの約５％しかない。この値は決して大きいものではないが、１．２００ｎｍの エネルギーを出力する特別仕様のＩＲＥＩ）に比べれば大きい。しかも、１２０ ０ｎｍにおける単出力バンド幅が広いため（例えば］、８０ｎｍＪ、多種類ある ＭＡＡ型ＬＥＤは、それぞれの光学フィルタを透過するバンド幅は狭（でも、そ のいずれかの種類を使うかまたは多数の光学フィルタを備えてＬＥＤ光の道筋に 配置される「フィルタホイール」を使えば、種々のＹｌｌ定波長を得ることがで きる。

各Ｉ　ＲＥＤスペクトルのバンド幅は、米国特許第４，２８６，３２７号にある ように、単出力ハンド幅の内側と外側に相当する適当な透過バンド幅を有する光 学フィルタを複数使用することによって調整できる。

次に本発明による近赤外分析具を、体の一部位における血液分析物、例えば血糖 値を測定する、軽量の、手で持てる分析具１ｏを示す図５を参照して説明する。

この分析具１０は、被検体の身体の一部位における血液に近赤外エネルギーを導 入する導入手段を備える。導入手段は、上述の基本波長と高調波長のエネルギー を放射する、スタンレーｒＭＡＡ」型Ｌ　Ｅ　Ｄのような、少なくとも１個の標 準的で安価なＬＥＤを含む。

図５に示す二つのＬＥＤ１６と１７は、上部フランジ１１内に配置さね、各ＬＥ Ｄ１６．１７は不透明な光陽壁１９によって互いに光学的に隔離される。

−に１部フランジ１１はシャフト１２を介して下部フランジ１５と回動可能に取 り付けられ、スプリング１４はこれらフランジ１１と１５を閉止位置に維持する よう働く。光学検出器】８は、下部フランジ１５のＬＥｌ）１６．］、７とは反 対側に取り付けられる。検出器１８は、光学的に透明であるかまたは可視光を排 除して近赤外光のみを透過さける材料でできた光学ウィンドー２１の後部に配置 される。フィンガーストップ２３は、被検体の指を適正な位置に保持するのを助 ける。各フランジ１１゜１５には、室内光が分析具に入射するのを防止するため 、光シールドバリア１４（図５では破線で示す）を備え付ける。

フィルタ手段は、ＬＥＤ１６．１７と被検体の身体の一部の間に設置され、導入 手段から放射されるエネルギーを選択的にフィルタリングし、またＬ　Ｅ　Ｄの 選択した高調波長領域のエネルギーのみを透過させる。

フィルタ手段は、選択した波長領域のエネルギーだけを透過させるものならば、 どのようなフィルタあるいはフィルタ糸でもよい。例えば、図５に示したフィル タ２６と２７は、ＬＥＤＩＧ、１７がら放射されたエネルギーの内、高調波長領 Ｉ′Ｐｉｌｉ（すなわち約１２００ｎｍ）のものを通ず、透過バンド幅の狭いフ ィルタである。伯の透過バンド幅の狭い適当なフィルタも用いることができる。

本発明による近赤外定量分析具ＩＯの操作は、次の通りである。被検体の指を分 析具１０のフランジ１１と１５の間に差し込む、１．ＥＤ１６と１７から放射さ れた光エネルギーに透過バンド幅の狭いフィルタ２６と２７でフィルタリングを 施し、ついで被検者の指を透過させ、光学検出器１８で検出する。検出器１８は 、例えば硫化鉛（ＰｂＳ）の検出器のような、近赤外波長領域のエネルギーを検 出できる適当なものを選択する。インジウム−砒素（ＩｎＡｓ）検出器も使用す ることができる。

検出器１８によって生成される電気信号は、接続線２９を介してコン；−ローラ ／プロセッサ装置３０に送られる。このコントローラ／プロセッサ装置３０では 、米国特許第５．０２８．７８７号に記載されたような適当なアルゴリズムを用 いて信号を増幅、データ処理し、読み出し装置に表示する。本発明で使用する波 長領域においては、水の干渉が少ないため、先の米国特許第５．０２８．７８７ 号に記載されたようなアルゴリズムは、回帰項をほとんど持たずに使用できる。

回帰項のほとんどないアルゴリズムを用いれば、測定具を簡単かつ安価なものに できる。また、電位差計５０は、患者の指の厚さを測定するのにも利用すること ができる。

次に、本発明のもう一つの態様による近赤外分析具を、図６を参照して説明する 。図６は、小麦中におけるタンパク質のような、サンプル中の成分を測定する近 赤外分析具３０を示す。分析具３０は、サンプル中に近赤外エネルギーを導入す る導入手段を備える。図６においては、小麦サンプルは、容器手段３６中に保持 されている。導入手段は、上述の基本波長と高調波長のエネルギーを放射する、 スタンレーｒＭＡＡｊ型１、、　Ｅ　Ｄのような、少なくとも１個の標準的で安 価なＬＥＤを含む。例えば図６に示す二つの１．、、　Ｅ　Ｄ　３４は、不透明 な光陽壁３５によって互いに光学的に隔離される。図６に示したような特別な態 様においては、マイクロプロセッサ４２は、米国特許第４，２８６，３２７号に 記載されているように、一時点においては１個のＬＥＤだけを点灯させ、ついで 順にすべてのＬＥＤを自動的に点灯させるようにプログラムを組む。

フィルタ手段は、ＬＥＤ３４とサンプルの間に配置され、導入手段から放射され るエネルギーを選択的にフィルタリングし、またＬＥＤの選択した高調波長領域 のエネルギーのみを透過させる。例えばフィルタ３８は、Ｌ　Ｅ　Ｉ）　３４か ら放射されたエネルギーの内、高調波長領域（すなわち約１２００ｎｍ）のもの を通ず、透過バンド幅の狭いフィルタである。フィルタ手段は、選択し７た波長 領域以外の波長の透過を阻止するものならば、どのようなものも用いることがで きる。フィルタ手段はＬＥＤから放射された高調波波長エネルギーのうち選択し たものはどのようなものも透過させる。

サンプルを透過したエネルギーは、上述の図５で説明したような適当な検出手段 で検出される。検出手段で生成された電気信号は、増幅器３９とログ増幅器４０ で増幅され、Ａ／Ｄ　（アナログ／ディジタル）コンバータ４１によってディジ タル化される。ディジタル化された信号は、マイクロプロセッサ４２に送られ、 先の米国特許第５．０２８．７８７号に記載されたような適当なアルゴリズムを 用いてデータ処理される。サンプル中の成分の（Ｓ度は、読み出し装置４４に表 示される。　本発明は上述の好ましい態様に即して説明したが、これに限定され るものではない。当業者にとっては、続く請求の範囲内において種々の変形が可 能であろう。例えば、措置外の部位、例えば手首に測定を施せばばより正確な分 析か可能であろう。サンプル成分の濃度を算出するアルゴリズムは、公知の近赤 外分析波ｉ＋ｔｉｉによって種々のものを採用することかできる。

ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ 亀　Ｕ　棚　７Ｂ３ 脂　噺　塙　馴 ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、６ フロントベージの続き （８１）指定回　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、ＥＳ、ＦＲ，ＧＢ、ＧＲ，ＩＥ、ＩＴ、ＬＵ、ＭＣ，ＮＬ、ＳＥ）、０Ａ （ＢＦ、ＢＪ、ＣＦ、ＣＧ、ＣＩ、　６〜丁、　、ＧＡ、ＧＮ、ＭＬ、ＭＲ，Ｓ Ｎ、ＴＤ、ＴＧ）、　ＡＵ、　ＢＢ、　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　Ｃ３，ＦＩ、　 ＨＵ。

Ｊ　Ｐ、　ＫＰ、　ＫＲ，ＬＫ、　ＭＧ、　ＭＮ、　Ｎｉ〜Ｖ、　Ｎｏ、ＰＬ、 　Ｒ○、　ＲＵ、　ＳＤ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．サンプル中の成分を無侵襲で測定する近赤外定量分析具であって、（ａ）サ ンプル中に近赤外エネルギーを導入する、ピーク波長と高調波長の近赤外エネル ギーを放射する近赤外エネルギー源を含む導入手段と（ｂ）前記ピーク波長の近 赤外エネルギーにフィルタリングを施し、前記高調波長の内選択したものだけを 透過させるフィルタ手段と、（ｃ）前記サンプルから射出する近赤外エネルギー を検出する検出手段と、 （ｄ）前記検出手段により生成された電気信号をサンプル中の成分量を指示する 信号に処理する処理手段を具備する近赤外定量分析具。 ２．前記近赤外エネルギー源は発光ダイオード（ＬＥＤ）または赤外発光ダイオ ード（ＩＲＥＤ）である請求の範囲第１項記載の近赤外定量分析具。 ３．前記近赤外エネルギー源のピーク波長は約６０４ｎｍである請求の範囲第１ 項記載の近赤外定量分析具。 ４．前記近赤外エネルギー源は約１２００ｎｍの高調波長を有する請求の範囲第 ３項記載の近赤外定量分析具。 ５．前記フィルタ手段は約１２００ｎｍのエネルギーだけを透過させる請求の範 囲第１項記載の近赤外定量分析具。 ６．被検体の身体の一部位における血液分析物を無侵襲で測定する近赤外定量分 析具であって、 （ａ）前記被検体の身体部位に近赤外エネルギーを導入する、ピーク波長と高調 波長の近赤外エネルギーを放射する近赤外エネルギー源を含む導入手段と、 （ｂ）前記ピーク波長の近赤外エネルギーにフィルタリングを施し、前記高調波 長の内選択したものだけを透過させるフィルタ手段と、（ｃ）前記前記被検体の 身体部位から射出する近赤外エネルギーを検出する検出手段と、 （ｄ）前記検出手段により生成された電気信号を前記被検体の身体部位中の血液 分析物量を指示する信号に処理する処理手段を具備する近赤外定量分析具。 ７．前記血液分析物は、前記被検体の身体部位における血液中のグルコース温度 である請求の範囲第６項記載の近赤外定量分析具。 ８．前記近赤外エネルギー源は発光ダイオード（ＬＥＤ）または赤外発光ダイオ ード（ＩＲＥＤ）である請求の範囲第６項記載の近赤外定量分析具。 ９一前記近赤外エネルギー源のピーク波長は約６０４ｎｍである請求の範囲第６ 項記載の近赤外定量分析具。 １０．前記近赤外エネルギー源は約１２００ｎｍの高調波長を有する請求の範囲 第９項記載の近赤外定量分析具。 １１．前記フィルタ手段は約１２００ｎｍのエネルギーだけを透過させる請求の 範囲第６項記載の近赤外定量分析具。 １２．サンプル中の成分を無侵襲で測定する近赤外定量分析方法であって、 （ａ）ピーク波長と高調波長の近赤外エネルギーを放射する近赤外エネルギー源 から、サンプル中に近赤外エネルギーを導入する工程と、（ｂ）前記ピーク波長 の近赤外エネルギーにフィルタリングを施し、前記高調波長の内選択したものだ けを透過させる工程と、（ｃ）前記サンプルから射出する近赤外エネルギーを検 出する工程と、（ｄ）前記検出手段により生成された電気信号をサンプル中の成 分量を指示する信号に処理する工程を含む近赤外定量分析方法。 １３．前記近赤外エネルギー源のピーク波長は約６０４ｎｍである請求の範囲第 １２項記載の無侵襲定量分析方法。 １４．前記近赤外エネルギー源は約１２００ｎｍの高調波長を有する請求の範囲 第１３項記載の無侵襲定量分析方法。