JP2018505750A - 共焦点分光測定装置を介して生理的パラメータを測定するための非侵襲的方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、次のステップを備える光学測定装置によって対象物の生理学的パラメータを測定する方法に関する。光学測定装置（１，１の２）は、光学対物レンズの第１焦点が既定の表皮深さに位置するように、対象物の表皮面に対向して配置され、感光性受光部（４）が既定の表皮深さに位置する第１物体焦点からの光線を受光し、前記感光性受光部（４）によって受光された前記光線が分析され、分析結果が既知のデータと比較されて対象物の生理学的パラメータが測定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象物の生理的パラメータを測定するための方法に関する。

分光法は、生理化学的パラメータの観察、分析、定量化を可能にする非侵襲的方法である。この種の手段を人体生理学に適用することにより、非侵襲的方法で、体温、心拍数、血液中の酸素飽和度、またはビリルビンレベルなどのバイタルパラメータを測定することができる。

分光法は、皮膚表層の光学特性を測定するセンサを皮膚付近に配置することによって適用される。

しかし、分光法による生理学的パラメータ測定には、皮膚表層の不均質性が測定を悪化させる摂動を誘発するという重大な制約がある。

そこで、対象皮膚層に近接した皮膚層からの寄生放射の存在を制限するための対策が提案されてきた。例えば、国際公開第２０１１／１５１７４４号には、ブルースター角で配置した検出器を偏光と組み合わせて用いることが開示されている。また、米国特許第５３５３７９０号明細書には、数値の補正係数を用いることが開示されている。また、国際公開第２０１４／００６８２７号には、異なる表皮深さに連結するように配向・配置された光ファイバを用いることが開示されている。

本発明の目的は、向上された精度で、光学測定装置によって対象物の生理学的パラメータを測定する方法を提供することである。

この目的は、本発明の範囲において、次の方法によって実現される。光学測定装置によって適用可能な対象物の生理学的パラメータを測定する方法において、
前記光学測定装置は、
第１物体焦点と第１像焦点とを備える光学対物レンズが配置される光学軸と、
前記光学対物レンズの前記第１物体焦点からの光線だけを通過させるように、前記光学対物レンズの前記第１像焦点を中心とするピンホールを含む第１の面と、
前記ピンホールの下流側で前記第１像焦点からの前記光線を受光するための感光性受光部と、
前記感光性受光部によって受光された前記光線を分析し、既知のデータと分析結果を比較するように構成されたコントロールユニットと、を備え、
前記方法は、
前記光学対物レンズの前記第１物体焦点が既定の表皮深さに位置するように、前記光学測定装置を前記対象物の表皮面に向けて配置するステップと、
前記感光性受光部によって、前記既定の表皮深さに位置する前記第１物体焦点からの光線を受光するステップと、
前記感光性受光部によって受光された前記光線を分析し、受光した前記光線の性質から前記対象物の前記生理学的パラメータを測定するステップと、を備える。

本発明は、有利には、次の特徴を個別にまたは技術的に可能な任意の組み合わせで備えることにより完成される。

測定される生理学的パラメータは対象物の体温である。

分析される光線は、７００ｎｍ以上１ｍｍ以下の赤外線波長を有する。

既定の表皮深さは真皮または皮下組織に含まれ、好ましくは１００μｍ以上１．５ｍｍ以下の深さである。

光学対物レンズは、第２物体焦点と第２像焦点を含み、第２像焦点は第１物体焦点と一致する。

前記測定装置は、
少なくとも一つの光源と、
前記光源によって前記第２物体焦点から放射される前記光線だけを通過させるように、前記第２物体焦点を中心とするピンホールを含む第２の面と、
前記光源から放射される前記光線を前記光学対物レンズに向かって伝えるとともに、前記第１物体焦点からの前記光線を前記感光性検出部に向かって伝えるように構成された半反射鏡と、をさらに備え、
前記方法は、
前記光源から、前記既定の表皮深さに位置する前記第２像焦点に向かって光線を放射するステップと、
前記感光性受光部によって、前記光源から放射され、前記既定の表皮深さにおいて表皮で反射される前記第１物体焦点からの前記光線を受光するステップと、
前記感光性受光部によって受光された前記光線の分析によって、前記光源によって放射される前記光線の皮膚による吸収度を測定し、測定された前記吸収度から前記対象物の前記生理学的パラメータを測定するステップと、をさらに備える。

測定される前記生理学的パラメータは、皮膚のビリルビンレベルである。

光源から放射される前記光線は４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長を有する。

既定の表皮深さは皮下組織に位置し、好ましくは１ｍｍより大きい。

測定される生理学的パラメータは酸素及び一酸化炭素の血中飽和度である。

光学測定装置は２つの光源を備え、各光源はそれぞれ異なる波長の光線を放射し、一方は６２０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下の波長、他方は７８０ｎｍ以上１ｍｍ以下の波長を放射する。

既定の表皮深さは真皮または皮下組織に含まれ、好ましくは０．２ｍｍより大きい。

その他の目的、特徴、そして効果について、下記図面を参照した詳細な説明によって明らかにする。なお、図面は例示であって制限的ではない。

本発明の第１実施形態に係る方法を適用するための装置を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る方法を適用するための装置を示す図である。

本発明の第１実施形態に係る対象物の生理学的パラメータを測定するための方法は、光学測定装置１を用いることで適用される。光学測定装置１は、
第１ピンホール１１の下流側の第１像焦点からの光線を受光するための感光性受光部４と、
生物学的組織１０から放射される放射線を検出器４上に集束させるための適切な対物レンズ３と、
対物レンズ３を介して、観察対象の組織を含む焦点面Ｆと共役関係にある第１共焦点面ｃＦ１に位置する第１ピンホール１１と、を備える。

対物レンズ３は、典型的にはレンズである。対物レンズ３を介して、観察対象の組織を含む平面Ｆと、第１ピンホール１１が配置される共焦点面ｃＦ１とは共役関係にある。すなわち、第１ピンホール１１は光学対物レンズ３の第１像焦点を中心とし、観察対象の組織を含む平面Ｆに対応する光学対象レンズの第１像焦点から放射される光線だけを通過させるように構成される。したがって、共焦点面Ｆからの光子だけがピンホール１１を通過し、分光法測定に供される。Ｆに隣接する平面からの光は、ピンホールの縁によって遮断される。これにより、光学測定装置１によって、分光法的に測定される層の深さの選択が可能になる。

有利には、光学測定装置１は、感光性受光部４と第１ピンホール１１との間に位置するフィルタ１５を含み、該フィルタ１５は分析される周波数帯に属する放射線のみを通すように構成される。

さらに、光学測定装置１は、感光性受光部４によって受光された光線を分析し、既知のデータと分析結果を比較するように構成されたコントロールユニットを備える。

この方法は、
対物レンズ３の第１物体共焦点が既定の表皮深さに配置されるように、光学測定装置１を対象物の表皮面１０に向けて配置するステップと、
既定の表皮深さにおける第１物体共焦点からの光線を感光性受光部４で受光するステップと、
感光性受光部４で受光された光線を分析し、対象物について得ようとする生理学的パラメータを測定するために、既知のデータと分析結果を比較するステップと、を含む。

一実施形態では、測定される生理学的パラメータは対象物の体温である。対象物の体温は、皮膚から放射される赤外線波長７００ｎｍ以上１ｍｍ以下光放射の強さを分析することによって測定される。感光性受光器４は、赤外線波長が７００ｎｍ以上１ｍｍ以下の光線を検出するように構成される。既定の表皮深さは、真皮または皮下組織に含まれ、好ましくは、表皮面１０から１００μｍ以上１．５ｍｍ以下の深さである。より好ましくは、既定の表皮深さは表皮面１０から０．５ｍｍより大きい。

第二実施形態において、請求項１に記載の方法は、図２に示したように、測定装置１の２によって適用される。

測定装置１の２は、上述した感光性受光部４、対物レンズ３、第１ピンホール１１、及びコントロールユニットに加えて、
典型的には一または複数のレーザーまたはダイオードである少なくとも一つの光源２と、
検出器４と観察対象の組織との間に配置された半反射鏡５と、
対物レンズ３と半反射鏡４を介して、観察対象の組織を含む焦点面Ｆと共役関係にある第２共焦点面ｃＦ２に位置する第２ピンホール２１と、を備える。

光学対物レンズ３は、第２物体焦点と第２像焦点を含み、第２像焦点は第１物体焦点と一致する。

第２のピンホール２１は、第２物体焦点を中心とし、第２物体焦点から光源によって放射される光線だけを通過させるようになっている。

当然これにより、照明が焦点面Ｆに集中する。

半反射鏡５は、光源から放射された光線を光学対物レンズに向かって伝えるとともに、第１物体焦点からの光線を感光性受光部４に向かって伝えるように構成される。

したがって、焦点面Ｆからの光子だけがピンホール１１を通過し、分光法測定に供される。隣接する平面からの（ぼやけた）光は、ピンホールの縁によって遮断される。したがって、焦点面にのみ対応する鮮明な光学的断面を得ることができる。これにより、分光法的に測定される層の深さは選択可能となる。

測定装置１の２は、第１ピンホール１１と半反射鏡５の間に配置される第１偏光板１２と、第２ピンホール２１と半反射鏡５の間に配置される第２偏光板２２とをさらに備えていてもよい。両偏光板１２及び２２の偏光軸は、光源２からの光子と表皮１０の表面からの反射が検出器４に到達しないよう、垂直になっている。この通り、反射が偏光を変化させないため、偏光板２２によって偏光された光子は偏光板１２によって吸収される。対照的に、皮膚１０の光活性分子によって平面Ｆにおいて吸収され再放射された光子は、偏光が変化して、偏光板Ｆを通過する可能性がある。

この方法は、さらに、
光源２によって、既定の表皮深さの第２像焦点に向かって光線を放射するステップと、
光源から放射され、表皮で反射された第１物体焦点からの光線を既定の表皮深さで感光性受光部４によって受光するステップと、
感光性受光部４によって受光された光線の分析によって、光源から放射される光線の皮膚による吸収度を測定し、測定された吸収度を既知のデータと比較して対象物の生物学的パラメータを測定するステップと、を備える。

当然ながら、既定の表皮深さに対応する焦点面Ｆへの／からの光線の放射及び受光が制御されていれば、光源から第２ピンホールを介して焦点面Ｆに向かって放射される光線と、焦点面Ｆから第１ピンホールを介して受光部４に向かって放射される光とを比較することにより、皮膚による吸収度を測定することができる。

一実施形態では、測定される生理学的パラメータは皮膚のビリルビンレベルである。この場合において、装置１の２は少なくとも３つの光源を備え、各光源が４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の各種波長を有する放射線を放射する。また、放射される波長は、赤血球のドーパ・メラニン及びビリルビンの同定に固有の波長である。好ましくは、装置１の２は３つから７つの光源を備える。既定の表皮深さは、この場合において、真皮または皮下組織に含まれ、０．２ｍｍより大きい。

別の実施形態では、測定される生理学的パラメータは酸素及び一酸化炭素の血中飽和度である。この場合、装置１の２は２つの光源を備えており、各光源は異なる波長の放射線を放射する。第１の光源からは６２０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下の波長（赤）、第２の光源からは７８０ｎｍ以上１ｍｍ以下の波長（赤外線）が放射される。既定の表皮深さは、この場合、皮下組織に含まれ、１ｍｍより大きい。

言うまでもなく、上述した対象物の生理学的パラメータを測定するための方法は、対物レンズ３とピンホール１１、１２によって既定の表皮深さの焦点面Ｆからの光線のみを受光する限りにおいて、それにより光の寄生放射によって生じる測定誤差を大幅に減少させることができる効果を有する。

Claims (11)

1. 光学測定装置（１，１の２）によって適用可能な対象物の生理学的パラメータを測定する方法であって、
   前記光学測定装置は、
   第１物体焦点と第１像焦点を備える光学対物レンズが配置される光学軸と、
   前記光学対物レンズの前記第１物体焦点からの光線だけを通過させるように、前記光学対物レンズの前記第１像焦点を中心とするピンホール（２１）を含む第１の面と、
   前記ピンホールの下流側で前記第１像焦点からの前記光線を受光するための感光性受光部（４）と、
   前記感光性受光部（４）によって受光された前記光線を分析し、既知のデータと分析結果を比較するように構成されたコントロールユニットと、を備え、
   前記光学対物レンズ（３）の前記第１物体焦点が既定の表皮深さに位置するように、前記光学測定装置（１，１の２）を前記対象物の表皮面（１０）に向けて配置するステップと、
   前記既定の表皮深さに位置する前記第１物体焦点からの光線を、前記感光性受光部（４）によって受光するステップと、
   前記感光性受光部（４）によって受光された前記光線を分析し、受光した前記光線の性質から前記対象物の前記生理学的パラメータを測定するステップと、を備える方法。
2. 測定される前記生理学的パラメータは、対象物の体温であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記光線は７００ｎｍ以上１ｍｍ以下の赤外線波長を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記既定の表皮深さは真皮または皮下組織に含まれ、好ましくは１００μｍ以上１．５ｍｍ以下の深さであることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 前記光学対物レンズは、第２物体焦点と第２像焦点を備え、該第２像焦点は前記第１物体焦点と一致し、
   前記測定装置（１の２）は、
   少なくとも一つの光源（２）と、
   前記光源によって前記第２物体焦点から放射される前記光線だけを通過させるように、前記第２物体焦点を中心とするピンホールを含む第２の面と、
   前記光源から放射される前記光線を前記光学対物レンズに向かって伝えるとともに、前記第１物体焦点からの前記光線を前記感光性検出部（４）に向かって伝えるように構成された半反射鏡（５）と、をさらに備え、
   前記既定の表皮深さに位置する前記第２像焦点に向かって、前記光源（２）から光線を放射するステップと、
   前記光源から放射され、前記既定の表皮深さにおいて表皮で反射される前記第１物体焦点からの前記光線を、前記感光性受光部（４）によって受光するステップと、
   前記感光性受光部（４）によって受光された前記光線の分析によって、前記光源によって放射される前記光線の皮膚による吸収度を測定し、測定された前記吸収度から前記対象物の前記生理学的パラメータを測定するステップと、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 測定される前記生理学的パラメータは、皮膚のビリルビンレベルであることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記光源（２）から放射される前記光線は４００ｎｍ以上８００ｎｍ以下の波長を有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記既定の表皮深さは皮下組織に位置し、好ましくは１ｍｍより大きいことを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. 測定される前記生理学的パラメータは、酸素または一酸化炭素の血中飽和度であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
10. 前記光線はそれぞれ異なる波長の光線を放射する二つの光源から放射され、一方は６２０ｎｍ以上６８０ｎｍ以下の波長、他方は７８０ｎｍ以上１ｍｍ以下の波長を放射することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記既定の表皮深さは真皮または皮下組織に含まれ、好ましくは０．２ｍｍより大きいことを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。