CN103096792B - 生物体状态量测定装置 - Google Patents

Abstract

与电路元件的特性值的随时间的变动无关地始终得到正确的测定值。提供一种生物体状态量测定装置(1)，其具有：检测部(2、3)，其从生物体或取自该生物体的生物体样本(A)中检测出表示生物体的状态的信息，并且将检测出的信息作为电流而输出；电流电压转换电路(4)，其将从该检测部(2、3)输出的电流转换为电压；二重积分型的AD转换电路(5)，其具有基于从上述电流电压转换电路(4)输出的电压(Vsig)被充电后放电的积分电容(53)以及测量该积分电容(53)的充电时间和放电时间的计数器(55)，将通过该计数器(55)测量出的充电时间和放电时间转换为数字量并输出；以及信息处理部(55)，其根据从该AD转换电路(5)输出的数字量来计算生物体的状态量。

Description

生物体状态量测定装置

技术领域

本发明涉及一种生物体状态量测定装置。

背景技术

以往，在向生物体内注入胰岛素的装置中，已知一种测定生物体内的葡萄糖水平并根据所得到的测定值控制胰岛素的注入量的装置(例如参照专利文献1)。通过具备积分电路的AD转换器将测定出的葡萄糖水平的模拟信号转换为数字信号后进行处理。

专利文献1：日本专利第3683856号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，构成积分电路的电容、电阻等电路元件由于使用时间、环境等而静电容量、电阻值等特性值随着时间发生变化。此时，在专利文献1的情况下，存在以下问题：导致积分电路的输出随着电路元件的特性值的变化而发生变动，难以得到正确的测定值。

本发明是鉴于上述的问题而完成的，其目的在于提供一种与电路元件的特性值的随时间的变动无关地能够始终得到正确的测定值的生物体状态量测定装置。

用于解决问题的方案

为了达到上述目的，本发明提供以下的方案。

本发明提供一种生物体状态量测定装置，该生物体状态量测定装置具备：检测部，其从生物体或取自该生物体的生物体样本中检测出表示上述生物体的状态的信息，并且将检测出的信息作为电流而输出；电流电压转换电路，其将从上述检测部输出的电流转换为电压；二重积分型的AD转换电路，其具有基于从上述电流电压转换电路输出的电压被充电后放电的积分电容以及测量该积分电容的充电时间和放电时间的计数器，将通过该计数器测量出的充电时间和放电时间转换为数字量并输出；以及信息处理部，其根据从上述AD转换电路输出的数字量来计算上述生物体的状态量。

根据本发明，由检测部输出的电流通过电流电压转换电路(IV转换电路)被转换为电压，基于从电流转换电路输出的电压，积分电容被充电后放电。在此，积分电容的放电时间相对于充电时间的比依赖于来自IV转换电路的输出电压、即从检测部输出的电流。因而，信息处理部能够根据由计数器测量出的充电时间和放电时间的数字量来计算生物体的状态量。

在该情况下，在二重积分型的AD转换电路中，积分电容的充电和放电经由共同的路径进行，因此，即使该路径内的电路元件的特性值变化，只要来自电流电压转换电路的输出电压相同，则放电时间相对于充电时间的比固定。即，即使电路元件的特性值随着时间变化，也能够与该变化无关地始终得到稳定的状态量的测定值。

在第一方式所涉及的生物体状态量测定装置中，上述电流电压转换电路根据第一基准电压将从上述检测部输出的电流转换为电压，上述二重积分型的AD转换电路根据与上述第一基准电压不同的第二基准电压来使上述积分电容放电。

在第二方式所涉及的生物体状态量测定装置中，上述AD转换电路根据第一基准电压进行动作，上述电流电压转换电路根据与上述第一基准电压不同的第三基准电压将从上述检测部输出的电流转换为电压，在上述电流电压转换电路相对于上述第三基准电压输出负的电压的情况下，上述第三基准电压被设定为比上述第一基准电压高，在上述电流电压转换电路相对于上述第三基准电压输出正的电压的情况下，上述第三基准电压被设定为比上述第一基准电压低。

通过这样，在从检测部输出的电流中包含因来自生物体的信息所产生的电流以外的偏移电流的情况下，能够抑制因该偏移电流引起的IV转换电路的输出电压的绝对值的增加。其结果，积分电容的放电时间缩短，因此，计数器对放电时间的测量时间缩短，能够抑制消耗电力的增加。

另外，在本发明的第三形式所涉及的生物体状态量测定装置中，上述检测部具备：照明光源，其向上述生物体或上述生物体样本照射照明光；以及光电二极管，其接受被上述生物体或上述生物体样本反射的上述照明光的反射光、或透过了上述生物体或上述生物体样本的上述照明光的透过光，并作为电流而输出。

通过这样，能够根据反射光或透过光的强度来测定包含在生物体或生物体样本中的生物体分子的浓度等状态量。

另外，在本发明的第四方式所涉及的生物体状态量测定装置中，上述检测部具备至少两个电极，该电极与上述生物体或上述生物体样本接触，检测流过上述生物体或上述生物体样本的电流。

通过这样，能够根据流过生物体或生物体样本的电流的大小、其变化来测定心率等状态量。

另外，在本发明的第五方式所涉及的生物体状态量测定装置中，上述检测部具备：激励光源，其向上述生物体或上述生物体样本照射用于激励该生物体或该生物体样本所承载的荧光物质的激励光；以及光电二极管，其接受来自上述荧光物质的荧光并作为电流而输出。

通过这样，能够根据荧光强度来测定包含在生物体或生物体样本中的生物体分子的浓度等状态量。

发明的效果

根据本发明，起到以下效果：能够与电路元件的特性值的随时间的变动无关地始终得到正确的测定值。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式所涉及的生物体状态量测定装置的整体结构图。

图2是说明图1的生物体状态量测定装置的动作的时序图。

图3是本发明的第二实施方式所涉及的生物体状态量测定装置的整体结构图。

图4是说明光电二极管的偏移电流的图表。

图5是说明在图1的生物体状态量测定装置的结构中在光电二极管的输出电流中存在偏移电流时的积分电容的动作的时序图。

图6是说明图3的生物体状态量测定装置的动作的时序图。

图7是表示作为检测部的变形例而具备一对电极的结构的图。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，参照图1和图2说明本发明的第一实施方式所涉及的生物体状态量测定装置1。

如图1所示，本实施方式所涉及的生物体状态量测定装置1具备：发光二极管(LED、检测部、照明光源)2，其向生物体或取自该生物体的生物体样本(以下称为生物体等。)A照射照明光L；光电二极管(PD、检测部)3，其检测来自生物体等A的信号光L’；电流电压转换电路(IV转换电路)4，其将来自该PD3的信号电流Isig转换为信号电压Vsig；以及二重积分型的AD转换电路5，其根据来自该IV转换电路4的信号电压Vsig来计算生物体的状态量。

LED2向从例如作为生物体等A的被验者中提取的血液、体液照射照明光L。或者，也可以向存在于被验者的体内的生物体样本A直接照射照明光L。

PD3接受照明光L透过生物体等A而得到的透过光或被生物体等A反射的反射光作为信号光L’。PD3输出大小与所接受的信号光L’的光量成比例的信号电流Isig。

通过PD3检测出的信号光L’例如包含表示血液中的葡萄糖值、血液中的氧饱和度、脉搏等的生物体的状态量的信息。具体地说，在血液中反射的信号光L’与血液中的葡萄糖浓度、氧饱和度成比例，因此，能够根据信号光L’的强度测定血液中的葡萄糖值、氧饱和度。或者，透过指尖后过来的信号光L’的强度与指尖内的血管的收缩和扩张同步地变化，因此，能够根据信号光L’的时间变化来测定心率。

IV转换电路4具备：电流电压转换运算放大器(以下称为IV运算放大器。)41；以及转换电阻42，其连接在该IV运算放大器41的输出端子与反转输入端子(以下称为-输入端子。)之间。来自PD3的信号电流Isig流入转换电阻42。IV运算放大器41在单电源下使用，其非反转输入端子(以下称为+输入端子。)被施加通过第一基准电压电路61生成的第一基准电压Vref1。在本实施方式中，将第一基准电压Vref1设为1.25V。IV转换电路4在被输入来自PD3的信号电流Isig时，输出信号电压Vsig=1.25V-Isig×Riv。在此，Riv是转换电阻42的电阻值。

AD转换电路5具备积分电阻51、积分运算放大器52、积分电容53、比较器54以及MCU(微控制器单元)55。

积分电阻51经由开关SW2与IV运算放大器41的输出端子连接，被输入来自IV转换电路4的信号电压Vsig。

积分运算放大器52与IV运算放大器41同样地，其+输入端子被施加第一基准电压Vref1。

积分电容53连接在积分运算放大器52的-输入端子与输出端子之间。通过使开关SW1成为接通状态，积分电容53的初始状态下的充电电压Vc成为第一基准电压Vref1。接着，在开关SW1、SW3的断开状态下开关SW2成为接通状态而从IV转换电路4输入信号电压Vsig时，通过信号电压Vsig与第一基准电压Vref1的差电压，积分电容53通过积分运算放大器52被充电，生成充电电压Vc。

接着，积分电容53在充电后，通过在开关SW1、SW2为断开状态下开关SW3成为接通状态，将所充电的充电电压Vc放电至第二基准电压电路62。在本实施方式中，将第二基准电压电路62生成的第二基准电压Vref2设为3.0V。之后，通过开关SW1成为接通状态，积分电容53将充电电压Vc复位为第一基准电压Vref1。

比较器54与IV运算放大器41同样地，其+输入端子被施加第一基准电压Vref1。由此，在从积分运算放大器52输出比第一基准电压Vref1大的积分电压Vc时，即，在积分电容53的充电过程中和从积分电容53的放电开始到其充电电压Vc下降到第一基准电压Vref1为止的期间，来自比较器54的输出电压Vcomp成为低电平(Low)，除此以外时，来自比较器54的输出电压Vcomp成为高电平(High)。

在比较器54的后级设置有NOT(逻辑非)电路71。在比较器54的输出电压Vcomp为高电平(High)时，从NOT电路71输出低电平(Low)的数字信号。另一方面，在来自比较器54的输出电压Vcomp为低电平(Low)时，从NOT电路71输出高电平(High)的数字信号。将NOT电路71的输出设为Vcompinv。

MCU55内置有未图示的CPU(中央处理装置)、存储装置、计时器以及计数器，而且具有输入部和输出部。MCU将记录有处理步骤的程序存储于存储装置，通过由CPU读出程序并执行，进行从输出部输出信号、通过计数器测量时间、对输入到输入部的信号进行运算等的后述的控制、处理。

输出部具有充电输出端子(charge)55a、放电输出端子(dicharge)55b以及复位输出端子(reset)55c。输入部具有充电时间输入端子(countN1)55d和放电时间输入端子(countN2)55e。充电输出端子55a向开关SW2输出用于设为接通状态的接通指令信号，放电输出端子55b向开关SW3输出用于设为接通状态的接通指令信号，复位输出端子55c向开关SW1输出用于设为接通状态的接通指令信号。

另外，充电输出端子55a在输出接通指令信号的同时，向充电时间输入端子55d输出用于测量积分电容53的充电时间的充电时间测量指令信号。由此，计数器通过对从时钟以固定周期输出的时钟信号的数量进行计数来测量积分电容53的充电时间计数数N1。在此，对于积分电容53的充电时间，预先将规定的值设定到MCU55中，但通过对积分电容53实际充电的充电时间计数数N1进行计数并用于运算，能够进一步正确地测定状态量。

放电用输入端子55b在输出接通指令信号的同时，向放电时间输入端子55e输出用于测量放电时间计数数N2的放电时间测量指令信号。如果来自NOT电路71的输出电压Vcompinv为高电平(High)，则所输出的放电时间测量指令信号通过设置在放电时间输入端子55e的前级的AND(逻辑与)电路72输入至放电时间输入端子55e。由此，计数器对从积分电容53的放电开始到其充电电压Vc下降到第一基准电压Vref1为止的放电时间计数数N2进行测量。

MCU55根据由计数器测量出的充电时间计数数N1和放电时间计数数N2，通过下式(1)，计算出IV转换电路4的信号电压Vsig。

Vsig=(Vref2-Vref1)×N2/N1     …(1)

进而，MCU55根据计算出的信号电压Vsig，通过下式(2)，计算出PD3的信号电流Isig。

Isig=Vsig/Riv     …(2)

MCU55例如基于存储在存储装置中的PD3的信号电流Isig的值与生物体的状态量的函数，根据通过式(2)得到的信号电流Isig计算出生物体的状态量，将计算出的状态量显示在未图示的显示装置等。

此外，如下导出式(1)。

在积分电容53充电时，充电电压Vc、施加电压Vsig、充电时间计数数N1具有下式(3)的关系。在此，Rint是积分电阻51的电阻值，Cint是积分电容53的静电容量值，T是时钟的周期。

[数1]

$\mathrm{Vc}=\left(\frac{1}{\mathrm{RintCint}}\right)*\∫\mathrm{Vsigdt}+1.25=\left(\frac{1}{\mathrm{RintCint}}\right)*N1*T*\mathrm{Vsig}+1.25...\left(3\right)$

另一方面，在积分电容53放电时，充电电压Vc、施加电压Vref2-Vref1、放电时间计数数N2具有下式(4)的关系。

[数2]

$\mathrm{Vc}=\left(\frac{1}{\mathrm{RintCint}}\right)*\∫(\mathrm{Vref}2-\mathrm{Vref}1)\mathrm{dt}+1.25$

$=\left(\frac{1}{\mathrm{RintCint}}\right)*N2*T*(\mathrm{Vref}2-\mathrm{Vref}1)+1.25...\left(4\right)$

在此，根据式(3)和式(4)的左边相等，导出式(1)。

以下参照图2的时序图，说明这样构成的生物体状态量测定装置1的动作和作用。

本实施方式所涉及的生物体状态量测定装置1在LED2不发光、即不测定生物体的状态量的状态(t＜t0)下，开关SW1为接通状态，积分电容53的充电电压Vc处于复位状态。

生物体状态量测定装置1在使LED2发光时(t=t0)，使开关SW1成为断开状态，使开关SW2成为接通状态，在充电时间计数数N1的期间内通过积分电容53对来自PD3的信号电压Vsig进行积分，测量充电时间计数数N1(t0≤t≤t0+N1)。生物体状态量测定装置1在对信号电压Vsig进行积分后(t=t0+N1)，使开关SW3成为接通状态来从积分电容53放电，对积分后的信号电压Vsig的放电时间计数数N2进行测量(t0+N1≤t≤t0+N1+N2)。

充电时间计数数N1与放电时间计数数N2之比与来自IV转换电路4的信号电压Vsig、即通过PD3检测出的来自生物体等A的信号光L’的光量成正比。因而，生物体状态量测定装置1能够根据所测定出的充电时间计数数N1、放电时间计数数N2以及已知的各电路元件的特性值，来计算出生物体的状态量。另外，通过以时间对信号电压Vsig进行积分，能够对包含在信号电压Vsig中的噪声进行平滑化，能够去除因噪声引起的测定误差。

在该情况下，根据本实施方式，如式(1)和式(2)所示那样，计算出的PD3的信号电流Isig的值不依赖于积分电阻51的电阻值Rint和积分电容53的静电容量值Cint。这是因为，在二重积分型的AD转换电路5中，使用共同的积分电容53和积分电阻51，针对信号电压Vsig进行充电和放电。因而，即使电阻值Rint、静电容量值Cint变化，由于以相同的时间常数进行充电和放电，因此，针对信号电压Vsig，充电时间计数数N1与放电时间计数数N2之比的值也被唯一地确定。由此，具有以下的优点：即使由于使用时间、外界的环境等而积分电阻51、积分电容53的特性值随着时间变化，也能够始终得到正确的状态量的测定值。

(第二实施方式)

接着，以下参照图3~图6，说明本发明的第二实施方式所涉及的生物体状态量测定装置1。

此外，在本实施方式中，主要说明与上述的第一实施方式的不同点，对于与第一实施方式共同的结构附加相同的符号并省略说明。

如图3所示，本实施方式所涉及的生物体状态量测定装置1向积分运算放大器52和IV运算放大器41施加互不相同的基准电压Vref1、Vref3，在这一点上与第一实施方式不同。

积分运算放大器52与第一实施方式同样地，其+输入端子被施加第一基准电压Vref1。

对于IV运算放大器41，其+输入端子被施加用下式(5)表示的第三基准电压Vref3。

Vref3=Vref1+Riv×Ioff    …(5)

在此，Ioff是通过直接光Ldir而产生的来自PD3的输出电流(以下称为偏移电流Ioff。)，其中，该直接光Ldir是来自LED2的照明光L的一部分不照射到生物体等A而直接入射到PD3的光。即，在由于PD3和LED2的配置等而处于PD3检测出来自LED2的直接光Ldir的状况的情况下，在不存在生物体等A的条件下也从PD3输出一定量的偏移电流Ioff。此时，如图4所示，PD3的全部输出电流Isum为来自生物体等A的应该测定的信号光L’所引起的信号电流Isig与偏移电流Ioff之和。偏移电流Ioff的值例如能够使用在没有生物体等A的照明对象的条件下使LED2发光时所测定出的PD3的输出电流值。

在第一实施方式所涉及的生物体状态量测定装置1的结构中，在PD3中存在偏移电流Ioff的情况下，如图5中用虚线所示的那样，即使在未测定生物体等A的状态下，只要LED2点亮，则通过从IV转换电路4输出的偏移电压Voff=Riv×Ioff，积分电容53的充电电压Vc也上升。其结果，在测定了生物体等A时，如图5中用实线所示那样，积分电容52的放电时间计数数N2增大与因偏移电压Voff引起的充电电压Vc的上升相当的量(图5的toff)。

这样，由于放电时间计数数N2的测量时间变长，因此存在消耗电力不必要地增大的问题。另外，考虑到偏移电压Voff，必须选择特性值Cint、Rint大的元件作为积分电容52和积分电阻51，因此，存在以下问题等：噪声增大，或电路元件51、52的尺寸变大，装置1整体变大。

与此相对，根据本实施方式所涉及的生物体状态量测定装置1的结构，通过向IV运算放大器41施加第三基准电压Vref3，如图6所示那样，从IV转换电路4输出去除了偏移电压Voff后的电压。由此，具有以下的优点：积分电容53的放电时间计数数N2只成为与测定状态量所需的信号电压Vsig相当的量，能够防止消耗电力的增大。

(其它实施方式)

在上述第一实施方式和第二实施方式中，也可以使PD3与IV运算放大器41的连接相反，设为从转换电阻42引入信号电流Isig的方向。在该情况下，来自IV转换电路4的信号电压Vsig相对于基准电压Vref1、Vref3成为正。另外，在第二实施方式中，基准电压Vref3如下。

Vref3=Vref1-Riv×Ioff    …(5)’

另外，在第一实施方式和第二实施方式中，在单电源下使用IV运算放大器41来施加基准电压Vref1、Vref3，但也可以取而代之地，在双电源下使用，使基准电压Vref1、Vref3中的任意一个为零。

另外，在第一实施方式和第二实施方式中，也可以代替LED2而具备照射荧光物质的激励光的激励光源，通过PD3检测来自预先使生物体等A承载的荧光物质的荧光。

通过这样，例如预先通过荧光物质来标识生物体样本中的生物体分子，由此能够测定生物体分子的浓度作为生物体的状态量。

另外，在第一实施方式和第二实施方式中，使用LED2和PD3作为检测部，但也可以使用两个以上的电极来代替它。例如，如图7所示，将正负的一对电极8配置为与生物体等A接触的状态，通过恒流电路81使固定电流流过电极8之间。输入阻抗低的缓冲器82接受此时产生的电极8之间的电位。在此，在电极8之间产生的电位根据生物体等A的阻抗而变化。来自缓冲器82的输出作为输出电压Vsig而输入到AD转换电路5。

通过这样，能够测定阻抗作为生物体的状态量。

另外，在第一实施方式和第二实施方式中，作为生物体的状态量，还能够测定氨基酸浓度、胃肠激素浓度、其它激素浓度、血液的pH、血液中的葡萄糖浓度、组织间液中的葡萄糖浓度等。

附图标记说明

1：生物体状态量测定装置；2：发光二极管(检测部、照明光源)；3：光电二极管(检测部)；4：电流电压转换电路；5：AD转换电路；8：电极(检测部)；41：电流电压转换运算放大器；42：转换电阻；51：积分电阻；52：积分运算放大器；53：积分电容；54：比较器；55：微控制器单元(计数器、信息处理部)；55a~55c：输入端子；55d、55e：输出端子；61、62、63：基准电压电路；71：NOT电路；72：AND电路；81：恒流电路；82：缓冲器；A：生物体或生物体样本。

Claims (6)

1.一种生物体状态量测定装置，具备：

检测部，其从生物体或取自该生物体的生物体样本中检测出表示上述生物体的状态的信息，并且将检测出的信息作为电流而输出；

电流电压转换电路，其将从上述检测部输出的电流转换为电压；

二重积分型的AD转换电路，其具有基于从上述电流电压转换电路输出的电压被充电后放电的积分电容以及测量该积分电容的充电时间和放电时间的计数器，将通过该计数器测量出的充电时间和放电时间转换为数字量并输出；以及

信息处理部，其根据从上述AD转换电路输出的上述数字量来计算上述生物体的状态量。

2.根据权利要求1所述的生物体状态量测定装置，其特征在于，

上述电流电压转换电路根据第一基准电压将从上述检测部输出的电流转换为电压，

上述二重积分型的AD转换电路根据与上述第一基准电压不同的第二基准电压来使上述积分电容放电。

3.根据权利要求1所述的生物体状态量测定装置，其特征在于，

上述二重积分型的AD转换电路根据第一基准电压进行动作，

上述电流电压转换电路根据与上述第一基准电压不同的第三基准电压将从上述检测部输出的电流转换为电压，

在上述电流电压转换电路相对于上述第三基准电压输出负的电压的情况下，上述第三基准电压被设定为比上述第一基准电压高，

在上述电流电压转换电路相对于上述第三基准电压输出正的电压的情况下，上述第三基准电压被设定为比上述第一基准电压低。

4.根据权利要求1~3中的任意一项所述的生物体状态量测定装置，其特征在于，

上述检测部具备：

照明光源，其向上述生物体或上述生物体样本照射照明光；以及

光电二极管，其接受被上述生物体或上述生物体样本反射的上述照明光的反射光、或透过了上述生物体或上述生物体样本的上述照明光的透过光，并作为电流而输出。

5.根据权利要求1~3中的任意一项所述的生物体状态量测定装置，其特征在于，

上述检测部具备至少两个电极，该电极与上述生物体或上述生物体样本接触，检测流过上述生物体或上述生物体样本的电流。

6.根据权利要求1~3中的任意一项所述的生物体状态量测定装置，其特征在于，

上述检测部具备：

激励光源，其向上述生物体或上述生物体样本照射用于激励该生物体或该生物体样本所承载的荧光物质的激励光；以及

光电二极管，其接受来自上述荧光物质的荧光并作为电流而输出。