CN106471354A - 生物体成分信息测定装置 - Google Patents

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Abstract

一种不降低测定精度且装置结构小型化的生物体成分信息测定装置。在生物体成分信息测定装置(100)中，在试样容器(104)中收纳有血液、培养细胞、尿等测定对象(105)，使用旋转衍射光栅(110)对光源(101)的光进行分光并使其入射到测定对象(105)。由此，能够减少分光光学系统的部件个数以及所需空间。其结果，能够不降低测定精度，特别是使分光光学系统小型化。

Description

生物体成分信息测定装置
技术领域
本发明涉及利用光测定血液成分、尿中的成分等生物体成分信息的生物体成分信息测定装置。
背景技术
以往，存在通过将近红外线照射到检体(人体)并分析来自检体的反射光，来测定血液成分的装置。这种装置是例如日本专利文献1～4所公开的。
这种装置，一般地具有：将来自光源的光向测定对象引导的第一光学系统、引导从测定对象反射的光的第二光学系统、对由第二光学系统所引导的反射光进行分光的分光光学系统、接收分光后的光的受光元件、以及用于获得校准用参考信号(基准信号)的参考信号用光学系统。
另外，将样本放入分析用单元，通过对其进行分光来分析生物体成分的方法也被广泛使用。作为代表例，有株式会社岛津制作所的紫外可见光近红外分光光度计系列、株式会社日立高新技术的分光光度计系列。
另外，以往，例如在日本专利文献5等中公开了利用光测定尿中成分的方法。日本专利文献5所公开的方法是对尿试样照射可见光或近红外线，对于对应了要测定的各尿中成分的波长的吸光度进行测定，同时将各尿中成分进行定量。
这种利用光测定尿中成分的方法，与试剂法、试纸法、化学发光法等其他方法进行比较，具有不必使用作为消耗品的试剂、试纸等，并且不需要复杂的步骤等优点。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-87913号公报
专利文献2：日本特开2002-65465号公报
专利文献3：日本特开2007-259967号公报
专利文献4：日本特开2012-191969号公报
专利文献5：日本特开平7-294519号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，日本专利文献1-4所公开的以往的生物体成分信息测定装置中，存在由阵列型传感器所组成的作为主要部件的受光元件，在小型化、低成本化方面还存在不足。
此外，在日本专利文献5所公开的方法中，通过设置多个光源(参照日本专利文献5的图2)或者分光部(参照日本专利文献5的图5)，来获得向尿样照射的照射光。然而，当设置多个光源时，相应地使结构变得复杂，存在限制装置的小型化的缺点。另外，在设置分光部的情况下，作为分光部的结构要素需要多个滤波器，存在限制装置的小型化以及低成本化的缺点。本发明考虑了以上问题，提供一种能够不降低测定精度地使装置结构小型化的生物体成分信息测定装置。
用于解决课题的手段
本发明的生物体成分信息测定装置的一种实施方式是，具有：光源；对将来自所述光源的光进行透过而射出的测定对象进行配置的测定对象配置部；接收来自所述测定对象的透过光的受光元件；设置在从所述光源到所述测定对象的光学路径中或者从所述测定对象到所述受光元件的光学路径中的、对来自所述光源的光进行分光并使其入射到所述测定对象或对来自所述测定对象的透过光进行分光并使其入射到所述受光元件的旋转衍射光栅。
发明的效果
根据本发明，能够实现能够不降低测定精度地使装置结构小型化的生物体成分测定装置。
另外，例如，在能够不需要试剂、试纸地对尿中成分进行定性、定量的基础上使装置小型化，因此能够不选择场所地简易地进行尿检查。其结果，能够掌握每天的肾功能或肝功能，有助于维持健康。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的生物体成分信息测定装置的整体结构的概要图。
图2A、图2B、图2C是用于说明旋转衍射光栅的衍射动作的图。
图3是表示设置有旋转衍射光栅的MEMS设备的外观结构的平面图。
图4A、图4B是表示在旋转衍射光栅的旋转位置相同且将旋转衍射光栅的位置变为了与镜面垂直的方向的情况下的、由光电探测器(PD)所测定的信号的大小的变化的图。
图5A、图5B、图5C、图5D是用于说明锁定放大器检波的图。
图6是表示另一实施方式所涉及的生物体成分信息测定装置的整体结构的概要图。
图7是表示更加具体的生物体成分信息测定装置的结构的透视图。
图8是表示实施方式的旋转衍射光栅的光谱的图。
图9是表示对光源进行脉冲驱动时的光源输出图。
图10是表示又一个实施方式所涉及的生物体成分信息测定装置的整体结构的概要图。
图11是用于说明实施方式所涉及的生物体成分信息测定装置的使用例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对于本发明的实施方式进行详细地说明。
图1是表示实施方式所涉及的生物体成分信息测定装置100的整体结构的概要图。
生物体成分信息测定装置100使来自光源101的光经由光学系统102而入射到旋转衍射光栅110中。光源101由LED(Light Emitting Diode，发光二极管)、卤素灯或氙气灯而构成。旋转衍射光栅110以图中的箭头a所示的方式进行旋转。设旋转衍射光栅110的入射面为镜面，对所入射的光进行反射。也就是说，旋转衍射光栅110以向镜面的入射角发生变化的方式而进行旋转。旋转衍射光栅110通过将对应于旋转角度的波长的光向狭缝103的方向进行反射，来对入射光进行分光。
通过旋转衍射光栅110被分光后的光入射到试样容器104中。试样容器104是石英、玻璃等透明的容器，内部收纳有作为测定对象105的血液、培养细胞、尿等。透过了试样容器104以及其内部的测定对象105的光经由光学系统106而进入PD107中。通过PD107所进行的光电转换而获得的受光信号经由模拟数字转换电路(A/D转换)108而输出到运算装置120中。运算装置120是具有解析程序的个人计算机、智能手机等装置，通过执行解析程序，从受光信号中获得血液成分、尿中成分等生物体成分信息。此外，生物体成分信息测定装置100的整个光学系统都被收纳在箱体109中。
例如在测定尿中成分时，运算装置120根据针对每个波长而检测的信号计算透过光谱以及吸收光谱，通过进行该光谱分析来进行包含葡萄糖、肌酸酐、胆红素、尿素氮、白蛋白、酮体、氯化钠、潜血、亚硝酸盐、尿胆素原等的尿中成分的定性和定量。该光谱分析的方法能够使用例如日本专利文献5等中所公开的已知的方法，在此省略详细的说明。
图2是用于说明旋转衍射光栅110的旋转动作的说明图。此外图2是省略了光学系统106而进行显示的图。旋转衍射光栅110通过在如图2A所示的旋转位置时向狭缝103的方向反射入射光的λ1成分，使λ1成分入射到试样容器104中。另外，旋转衍射光栅110通过在如图2B所示的旋转位置时向狭缝103的方向反射入射光的λ2成分，使λ2成分入射到试样容器104中。进一步，通过在处于如图2C所示的旋转位置时向狭缝103的方向反射入射光的λ3成分，使λ3成分入射到试样容器104中。这样，旋转衍射光栅110通过射出对应于旋转角度的波长的光，对入射光进行分光。
在本实施方式中，通过使用旋转衍射光栅110进行分光，与使用固定型的衍射光栅的情况相比较，作为光电探测器(PD)107，能够使用由单一的受光面构成的受光元件，而非阵列传感器。其结果，能够使用结构简单的光电探测器107，因此能够相应地降低成本。另外，与使用固定型的衍射光栅相比较，由于不需要在衍射光栅与光电探测器107之间配置用于分光的空间，因此相应地能够使装置小型化。
在这里，在本实施方式的旋转衍射光栅110中，可以设MEMS(Micro ElectroMechanical Systems，微电子机械系统)的可动部分为镜面，并在该镜面上形成衍射光栅。也就是说，旋转衍射光栅110在MEMS镜(反射镜)的镜面上形成栅格(grating)。
图3是表示设置有旋转衍射光栅110的MEMS设备200的外观结构的平面图。MEMS设备200具有由驱动电路或促动器(actuator)等所构成的驱动部201、旋转衍射光栅110、固定框架202、可动框架203、梁部204、205。驱动部201除了具有驱动旋转衍射光栅110的功能之外，还具有具备固定框架202并作为旋转衍射光栅110的基台的作用。梁部204由两个梁204a、204b所构成。这2个梁204a、204b被设置为在可动框架203的相对的2个边缘部与固定框架202之间架设连接。由此，可动框架203成为通过梁204a、204b被悬挂在固定框架202上的状态。另外，梁部205由2个梁205a、205b所构成。这2个梁205a、205b被设置为在旋转衍射光栅110的相对的2个边缘与可动框架203之间架设连接。由此，旋转衍射光栅110成为通过梁205a、205b被悬挂在可动框架203上的状态。
旋转衍射光栅110通过由驱动部201驱动梁204a、204b，来进行旋转。具体地，通过由驱动部201使梁204a、204b的左右彼此不同地向纸张正反面(正面背面)方向变化，在预定的角度范围内旋转驱动旋转衍射光栅110。顺便说明，以1～100[Hz]的旋转速度来旋转驱动旋转衍射光栅110。但是，旋转速度不限定于此。旋转速度按照运算装置120的运算速度等选定即可。作为用于驱动旋转衍射光栅110的驱动方式，能够使用压电方式、静电方式、电磁驱动方式等。
旋转衍射光栅110的表面为镜面，进而在镜面上形成衍射光栅111。衍射光栅111被形成为与梁204a、204b的旋转轴平行。在本实施方式中，衍射光栅111的间距为0.1～4[μm]。另外，衍射光栅111的深度为0.01～4[μm]。由此，旋转衍射光栅110能够通过旋转而更好地对近红外线进行分光。在使用近红外线以外的光进行测定时，根据该光来选择衍射光栅111的间距以及或者深度即可。
在本实施方式中，如图4所示，还在与镜面垂直的方向上驱动旋转衍射光栅110。此外图4是省略了试样容器104以及光学系统106而进行显示的图。具体地，通过由驱动部201使梁205a、205b同时向相同的纸张正反面方向发生挠曲(弯曲)，在与镜面垂直的方向上驱动旋转衍射光栅110。例如，在与镜面垂直的方向以几十[KHz]进行高频简谐振动。图4A以及图4B是表示在旋转衍射光栅110的旋转位置相同且将旋转衍射光栅的位置变为与镜面垂直的方向后的、由PD107所测定的信号的大小的变化的图。即使旋转位置相同，当改变与镜面垂直的方向的位置时，则通过狭缝103的光量发生变化，因此入射到PD107中的光量如图4A、图4B所示那样变化。由此，能够在测定信号上叠加斩波信号，并能够通过进行锁定放大器检波而除去噪音成分。其结果，能够获得S/N改善后的信号，并提高分析精度。此外，也可以通过驱动梁205a、205b，来使旋转衍射光栅110旋转。具体地，通过梁205a、205b在相同方向上扭转，在预定的角度范围内旋转驱动旋转衍射光栅110。
图5是用于说明锁定放大器检波的说明图。图5A表示无噪音的理想的分光光谱。在实际的测定信号中，叠加有如图5B所示的各种频率的噪音。图5C表示使旋转衍射光栅110在与镜面垂直的方向上以频率f0进行高频简谐振动时的分光光谱。如图5C所示，测定信号中叠加有频率f0的斩波信号。图5D表示锁定放大器检波后的测定信号。能够仅将频率f0的信号作为直流信号取出(图5C中的A、B)。由此，f0以外的频率的信号作为噪音被消除。
像这样，在本实施方式中，通过使旋转衍射光栅110旋转来对测定光进行分光，并且通过使旋转衍射光栅110在与镜面垂直的方向进行高频简谐振动来改善测定信号的S/N。换言之，在旋转方向和与镜面垂直的方向对旋转衍射光栅110进行2轴驱动。
在试样容器104中，依次入射对应于旋转衍射光栅110的旋转而被分光后的λ1成分的光、λ2成分的光、λ3成分的光。依次入射的λ1成分的光、λ2成分的光、λ3成分的光在由试样容器104内的测定对象105调制后从试样容器104射出。顺便说明，λ1成分的光、λ2成分的光、λ3成分的光通过穿过测定对象105，按照成分接受各自不同的调制。因此，通过由运算装置120分析各波长成分的调制的接受方法，能够分析测定对象105的生物体成分。
根据以上结构，通过使用旋转衍射光栅110进行分光，能够使分光光学系统小型化，其结果，能够实现不降低测定精度地使装置结构小型化的生物体成分信息测定装置100。
另外，如果使用该生物体信息测定装置100测定尿中成分，能够不需要试剂、试纸即可进行尿中成分的定性、定量，并且还能够使装置小型化，因此能够不选择场合地简易地进行尿检查。其结果，能够掌握每天的肾功能或肝功能，有助于维持健康。顺便说明，本发明的生物体信息测定装置能够适用于可便携的手提型以及坐便器安装型这两种。
此外，在图1中描述了，将具有MEMS反射镜以及在MEMS反射镜的镜面上形成的衍射光栅111的旋转衍射光栅110，配置在从光源101到测定对象105的光学路径中，旋转衍射光栅110对来自光源101的光进行分光而使其入射到测定对象105中的情况，但是本发明的配置并不限定于此，也可以采用例如如图6所示的配置。在图6的生物体成分信息测定装置300中，旋转衍射光栅110设置在从测定对象105到受光元件(PD)107的光学路径中，旋转衍射光栅110对来自测定对象105的透过光进行分光并使其入射到受光元件(PD)107中。
在图1以及图6中，表示了本实施方式所涉及的生物体成分信息测定装置的概要。图7是表示进一步使图1的生物体成分信息测定装置100的结构具体化的透视图。图7是生物体成分信息测定装置100的透视图。
在图7的生物体成分信息测定装置100中，在箱体109内通过分隔板131而分割为光学系统102、旋转衍射光栅(旋转衍射光栅单元)110、反射镜132、试样容器104、光学系统106、PD107。
由此，能够将整个光学系统排列为2排，因此能够实现平衡的良好配置。另外，通过将整个光学系统设置为2排，实现小型化的同时能够延长从旋转衍射光栅110到测定对象的光路长度，而提高分光性能。
从光源(光源单元)101射出的光经由光学系统102而入射到旋转衍射光栅110中。作为光学系统102可以考虑例如准直系统。由旋转衍射光栅110分光后的光经由分隔板131的开口133而入射到反射镜132。被反射镜132反射后的光穿过试样容器104后经由狭缝103以及光学系统106而入射到PD107中。此外，在图7的情况下，狭缝103被配置在光从试样容器104射出的射出侧，但是狭缝103也可以如图1所示那样被配置在光向试样容器104入射的入射侧。在电路基板134中设置有AD转换电路108等电路。另外在电路基板134上连接有与运算装置120(图1)相连的输出电缆135。
图7的具体的生物体成分信息测定装置100能够小型化至例如长度方向为10cm且宽度方向为5cm的程度。
图8表示计算由实施方式中说明的旋转衍射光栅110对中心波长1.45μm的LED光进行分光时的光谱而得的结果。从图8可知，能够获得与使用线传感器进行分光时同样的光谱。顺便说明，计算条件是光源101-旋转衍射光栅110-PD107所形成的角度为50°、衍射光栅111的栅格间距为2μm。
此外，在上述实施方式中，对于通过使旋转衍射光栅110在与镜面垂直的方向进行高频简谐振动，而在测定信号上叠加斩波信号的情况进行了描述，但是使斩波信号的叠加方法不限定于此。例如，如图9所示，也可以通过对光源101进行脉冲驱动来叠加断续信号。在这里，对于被脉冲驱动的光源101的发光周期，设定为在锁定放大器中使用的频率即可。
另外，在上述实施方式中，对于使用试样容器104作为将测定对象105配置在预定位置的测定对象配置部的情况进行了描述，但是测定对象配置部不限定于此。另外，测定对象105也不限定于血液、培养细胞、尿等溶液，只要是透过光的即可。例如测定对象105可以是一块皮肤等，这种情况下，测定对象配置部保持该皮肤块。另外，测定对象配置部也可以单纯地是定位测定对象105的空间。
进一步，本发明的生物体信息测定装置也可以由如图10所示的配置来实现。在与图1以及图6的对应部分付与相同符号进行表示的图10中，生物体信息测定装置400将来自光源101的光经由狭缝401而入射到准直镜402。准直镜402将光源光设为平行光，射出到旋转衍射光栅110中。与上述实施方式同样地由旋转衍射光栅110分光后的光入射到试样容器104中，并透过试样容器104内的测定对象(一部分被吸收)。透过光由聚光镜403聚光后，经由狭缝404而入射到PD107中。此外、试样容器104可以配置在准直镜402与旋转衍射光栅110之间。另外，PD107、各光学部件不限定于1个也可以是多个。准直镜402以及聚光镜403还可以是透镜系统。
进一步，在上述实施方式中，对于设旋转衍射光栅110为具有MEMS镜和在MEMS镜的镜面上形成的衍射光栅的结构的情况进行了描述，但是不限定于此。旋转衍射光栅110也可以是具有电磁驱动方式的镜(反射镜)和在电磁驱动方式的镜的镜面上形成的衍射光栅的结构。然后，如果与上述实施方式同样地旋转驱动电磁驱动方式的镜的镜面来进行分光，则能够获得与上述实施方式同样的效果。
旋转衍射光栅110不限定于反射型(镜型)的衍射光栅，也可以使用透过型的衍射光栅。总之，是能够由衍射光栅对应于旋转而进行分光的结构即可。
图11是表示生物体信息测定装置100(300、400)的使用例的图。在坐便器501内的前部设置采尿部502，并且在坐便器501外设置生物体信息测定装置100(300、400)。此外，坐便器501内的采尿部502的位置不限定于此，只要是能够采尿的位置即可。在采尿部502收集的尿被输送到生物体信息测定装置100(300、400)的试样容器104内，以储存的状态或流动的状态由生物体信息测定装置100(300、400)测定尿成分。在由生物体信息测定装置100(300、400)测定尿成分时，试样容器104内的尿返回至坐便器501内。根据本发明，能够实现小型的生物体信息测定装置100(300、400)，因此能够在不妨碍坐便器501的使用者的空间中配置生物体信息测定装置100(300、400)。
上述实施方式只是示出了实施本发明的具体的一个例子，不能根据这些局限地解释本发明的技术范围。也就是说，本发明不限定于其主旨、或其主要的特征，能够以各种形式实施。
于2014年7月8日提出的日本专利申请2014-140395的日本申请以及于2015年1月28日提出的日本专利申请2015-014302的日本申请中各自包含的说明书、附图以及摘要的公开内容全部引用到本申请中。
工业上的可利用性
本发明能够应用于通过光来分析生物体成分的生物体成分信息测定装置。
符号说明
100、300、400 生物体成分信息测定装置、
101 光源、
102、106 光学系统、
103、401、404 狭缝、
104 试样容器、
105 测定对象、
107 光电探测器(PD)、
108 模拟数字转换电路(AD转换)、
109 箱体、
110 旋转衍射光栅、
111 衍射光栅、
120 运算装置、
131 分隔板、
132 反射镜、
133 开口、
134 电路基板、
200 MEMS设备、
201 驱动部、
202 固定框架、
203 可动框架、
204、205 梁部、
204a、204b、205a、205b 梁、
402 准直镜、
403 聚光镜。

Claims (6)

1.一种生物体成分信息测定装置，其特征在于，具有：
光源；
测定对象配置部，其配置将来自所述光源的光透过而射出的测定对象；
受光元件，其接收来自所述测定对象的透过光；以及
旋转衍射光栅，其设置在从所述光源到所述测定对象的光学路径、或者从所述测定对象到所述受光元件的光学路径中，对来自所述光源的光进行分光并使其入射到所述测定对象、或对来自所述测定对象的透过光进行分光并使其入射到所述受光元件。
2.根据权利要求1所述的生物体成分信息测定装置，其特征在于，
所述旋转衍射光栅具有MEMS(微电子机械系统)镜和在所述MEMS镜的镜面上形成的衍射光栅。
3.根据权利要求2所述的生物体成分信息测定装置，其特征在于，
所述旋转衍射光栅以改变向所述镜面的入射角的方式进行旋转，并且在垂直于所述镜面的方向上振动。
4.根据权利要求3所述的生物体成分信息测定装置，其特征在于，
通过使所述旋转衍射光栅在垂直于所述镜面的方向上振动，在由所述受光元件得到的信号上叠加斩波信号。
5.根据权利要求1所述的生物体成分信息测定装置，其特征在于，
所述旋转衍射光栅具有电磁驱动方式的镜和在所述电磁驱动方式的镜的镜面上形成的衍射光栅。
6.根据权利要求1所述的生物体成分信息测定装置，其特征在于，
所述测定对象是尿。
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