DE112021006826T5

DE112021006826T5 - Messgerät für eine biologische komponente und verfahren zur messung einer biologischen komponenten

Info

Publication number: DE112021006826T5
Application number: DE112021006826.1T
Authority: DE
Inventors: Shusaku Hayashi; Koichi Akiyama; Yuki Tsuda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-03-23
Filing date: 2021-03-23
Publication date: 2023-11-02
Also published as: JPWO2022201301A1; CN117043580A; WO2022201301A1; US20240151636A1; JP6956930B1

Abstract

In einem Messgerät für eine biologische Komponente (100) gemäß der vorliegenden Erfindung moduliert eine Modulationseinheit (11) das von einer Anregungslichtquelle (1) emittierte Anregungslicht in der Intensität, und das intensitätsmodulierte Anregungslicht trifft auf ein optisches Medium (3). Die Modulationseinheit (11) ist so konfiguriert, dass sie eine Vielzahl von Modulationsfrequenzen in der Reihenfolge von einer niedrigen Frequenz zu einer hohen Frequenz schaltet. Die Vielzahl der Modulationsfrequenzen beinhaltet eine erste Frequenz und eine zweite Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz. Ein Lichtpositionsdetektor (4) erfasst eine Position des Untersuchungslichts , wenn die Probe (5) mit Anregungslicht bestrahlt wird, das mit der ersten Frequenz intensitätsmoduliert ist, und eine Position des Untersuchungslichts , wenn die Probe mit Anregungslicht bestrahlt wird, das mit der zweiten Frequenz intensitätsmoduliert ist. Die Erfassungseinheit für eine biologische Komponente (9) misst eine biologische Komponente der Probe (5) basierend auf der Position des Anregungslichts bei der ersten Frequenz und der Position des Anregungslichts bei der zweiten Frequenz.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messgerät für eine biologische Komponente und ein Verfahren zur Messung einer biologischen Komponenten.
STAND DER TECHNIK
Die Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2017-519 214 A 1 (PTL 1) beschreibt ein nicht-invasives Analysesystem, das ein optisches Medium, eine Infrarotlichtquelle, eine Untersuchungslichtquelle und eine Photodiode aufweist. Konkret wird eine biologische Probe auf einer Oberfläche des optischen Mediums platziert. Die Infrarotlichtquelle sendet Infrarotlicht aus. Das Infrarotlicht läuft durch das optische Medium und beleuchtet die biologische Probe. Das Infrarotlicht wird von der biologischen Probe absorbiert, so dass die biologische Probe warm wird. Die Höhe der Absorptionswärme der biologischen Probe variiert in einer Weise, die von der Menge oder Konzentration einer biologischen Komponente abhängt, die in der Probe oder auf der Oberfläche der Probe vorhanden ist.
Die Untersuchungslichtquelle emittiert Untersuchungslicht in Richtung des optischen Mediums, das sichtbares Licht ist. Das Untersuchungslicht wird an einer Grenzfläche zwischen dem optischen Medium und der biologischen Probe intern total reflektiert, um aus dem optischen Medium auszutreten. Die Absorptionswärme der biologischen Probe überträgt sich auf das optische Medium und verändert den Brechungsindex des optischen Mediums. Die Änderung des Brechungsindex des optischen Mediums wirkt sich auf die interne Totalreflexion des Untersuchungslichts an der Grenzfläche zwischen dem optischen Medium und der biologischen Probe aus, so dass sich die Laufrichtung des Untersuchungslichts, das aus dem optischen Medium austritt, ändert. Die Photodiode detektiert eine Änderung der Laufrichtung des Untersuchungslichts. Die Menge oder Konzentration einer biologischen Komponente wird auf der Grundlage der von der Photodiode erfassten Änderung der Laufrichtung des Untersuchungslichts gemessen. Handelt es sich bei der Probe beispielsweise um die Haut eines Patienten, wird der Blutzuckerspiegel des Patienten als biologische Komponente gemessen.
STAND DER TECHNIK
PTL 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2017-519 214 A
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
In dem in PTL 1 beschriebenen nichtinvasiven Analysesystem ist ein optischer Zerhacker (Chopper) zwischen der Infrarotlichtquelle und dem optischen Medium angeordnet. Das von der Infrarotlichtquelle emittierte Infrarotlicht (Dauerlicht) wird durch den optischen Zerhacker intensitätsmoduliert, und die biologische Probe wird mit dem Infrarotlicht bestrahlt. Die biologische Probe wird mit gepulstem Licht bestrahlt, das in dem Zyklus ein- und ausgeschaltet wird, der einer Zerhackungsfrequenz des optischen Zerhackers entspricht.
In PTL 1 wird die biologische Probe mit dem infraroten Licht bestrahlt, dessen Intensität mit einer anderen Anpassungsfrequenz moduliert ist. Die Einstellfrequenz der hohen Frequenz führt zu einem Absorptionsprozess in einem Bereich näher an der Oberfläche der biologischen Probe, während die Einstellfrequenz der niedrigen Frequenz zu einem Absorptionsprozess in einer tieferen Schicht der biologischen Probe führt. Das nichtinvasive Analysesystem ist so konfiguriert, dass es verschiedene Schichten der Haut des Patienten auf der Grundlage der Änderung der Laufrichtung des Untersuchungslichts analysiert, die bei jeder der verschiedenen Einstellfrequenzen erfasst wird.
In dem obigen nichtinvasiven Analysesystem muss die biologische Probe, um die biologische Komponente genau zu messen, an einer optimalen Position angeordnet sein, an der die Absorptionswärme der biologischen Probe stabil und effizient an das optische Medium übertragen wird. Dementsprechend wird zu Beginn der Messung die Position der biologischen Probe auf der Oberfläche des optischen Mediums eingestellt. Bei der Positionsanpassung der biologischen Probe wird eine Änderung der Laufrichtung des Untersuchungslichts mit einer Fotodiode detektiert, während die biologische Probe mit dem infraroten Licht bestrahlt wird, dessen Intensität mit einer vorgegebenen Frequenz moduliert ist. Da jedoch die Absorptionswärme der biologischen Probe mit zunehmender Einstellfrequenz kleiner wird, wird die Absorptionswärme der biologischen Probe nicht ausreichend auf das optische Medium übertragen, und es wird schwierig zu bestimmen, ob die Position der biologischen Probe optimal ist. Infolgedessen besteht die Möglichkeit, dass sich die Messgenauigkeit verschlechtert.
Darüber hinaus besteht in der Konfiguration, in der der optische Zerhacker für die Intensitätsmodulation des Infrarotlichts wie nach PTL 1 verwendet wird, das Problem, dass die Anpassung der Modulationsfrequenz in dem Fall, in dem die Modulationsfrequenz von einer hohen Frequenz auf eine niedrige Frequenz geändert wird, mehr Zeit in Anspruch nimmt als in dem Fall, in dem die Modulationsfrequenz aufgrund der Struktur des optischen Zerhackers von einer niedrigen Frequenz auf eine hohe Frequenz geändert wird.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die oben genannten Probleme zu lösen, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Messgerät für eine biologische Komponente und ein Messverfahren für eine biologische Komponente aufzuzeigen, das in der Lage ist, die biologische Komponente mit hoher Genauigkeit und hoher Effizienz zu messen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Ein Messgerät für eine biologische Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet Folgendes: ein optisches Medium mit einer Probenplatzierungsfläche; eine Anregungslichtquelle zum Aussenden von Anregungslicht, das in dem optischen Medium in Richtung einer auf der Probenplatzierungsfläche platzierten Probe läuft; eine Untersuchungslichtquelle zum Aussenden des Untersuchungslichts , das in dem optischen Medium läuft; einen Lichtpositionsdetektor zum Erfassen einer Position des von dem optischen Medium ausgesandten Untersuchungslichts; eine Erfassungseinheit für eine biologische Komponente, die mit dem Lichtpositionsdetektor verbunden ist; und eine Modulationseinheit zum Modulieren der Intensität des Anregungslichts und um das Anregungslichts auf das optische Medium fallen zu lassen. In der Draufsicht auf die Probenplatzierungsfläche überlappt ein optischer Pfad des Untersuchungslichts im optischen Medium einen Bereich der mit dem Anregungslicht bestrahlten Probenplatzierungsfläche. Die Modulationseinheit ist so konfiguriert, dass sie eine Vielzahl von Modulationsfrequenzen in der Reihenfolge von einer niedrigen Frequenz zu einer hohen Frequenz schaltet. Die Vielzahl der Modulationsfrequenzen beinhaltet eine erste Frequenz und eine zweite Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz. Der Lichtpositionsdetektor erfasst die Position des Untersuchungslichts, wenn die Probe mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, das mit der ersten Frequenz intensitätsmoduliert ist. Der Lichtpositionsdetektor erfasst die Position des Untersuchungslichts, wenn die Probe mit dem Anregungslicht intensitätsmoduliert mit der zweiten Frequenz bestrahlt wird. Die Erfassungseinheit für eine biologische Komponente misst eine biologische Komponente der Probe auf der Grundlage der Position des Untersuchungslichts bei der ersten Frequenz und der Position des Untersuchungslichts bei der zweiten Frequenz.
Ein Verfahren zur Messung einer biologischen Komponente gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Messung einer biologischen Komponente einer Probe. Das Verfahren zur Messung der biologischen Komponente beinhaltet Folgendes: Einstellen einer Modulationsfrequenz bei der Intensitätsmodulation von Anregungslicht auf eine erste Frequenz; Erfassen einer Position des Untersuchungslichts , das von einem optischen Medium emittiert wird, während das Anregungslicht in dem optischen Medium läuft und die Probe, die auf einer Probenplatzierungsfläche des optischen Mediums platziert ist, mit dem Anregungslicht bestrahlt, das mit der ersten Frequenz intensitätsmoduliert ist; Ändern der Modulationsfrequenz bei der Intensitätsmodulation von der ersten Frequenz auf eine zweite Frequenz, die höher als die erste Frequenz ist; Erfassen der Position des Untersuchungslichts, das von dem optischen Medium emittiert wird, während das Untersuchungslicht in dem optischen Medium läuft und das Anregungslicht intensitätsmoduliert mit der zweiten Frequenz in Richtung der Probe emittiert wird, die auf der Probenplatzierungsfläche des optischen Mediums platziert ist; und Messen der biologischen Komponente der Probe basierend auf der Position des Untersuchungslichts bei der ersten Frequenz und der Position des Untersuchungslichts bei der zweiten Frequenz.
Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung können das Messgerät für eine biologische Komponente und das Messverfahren für eine biologische Komponente bereitgestellt werden, die in der Lage sind, die biologische Komponente mit hoher Genauigkeit und hoher Effizienz zu messen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Betrags der Verschiebung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Grundkonzept des Messverfahrens für eine biologische Komponente der ersten Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren zur Messung biologischer Komponenten der ersten Ausführungsform zeigt;
4 ist eine Ansicht, die das Verfahren zur Messung biologischer Komponenten in der ersten Ausführungsform zeigt, und
5 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Betrags der Verschiebung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird im Folgenden eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. In den Zeichnungen wird der gleiche oder ein entsprechender Teil mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und die Beschreibung wird im Prinzip nicht wiederholt.
Ausführungsform 1
1 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Betrags der Verschiebung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt. Ein Messgerät für eine biologische Komponente 100 der ersten Ausführungsform ist eine Vorrichtung, die nicht-invasiv eine biologische Komponente einer Probe 5 misst.
Wie in 1 dargestellt, beinhaltet das Messgerät für eine biologische Komponente 100 der ersten Ausführungsform eine Anregungslichtquelle 1, eine Untersuchungslichtquelle 2, ein optisches Medium 3, einen Lichtpositionsdetektor 4, eine Erfassungseinheit für eine biologische Komponente 9, eine Aufzeichnungseinheit 10, einen optischen Zerhacker 11, einen Lock-in-Verstärker 12, einen Oszillator 13 und eine Stromversorgung 14.
Das optische Medium 3 beinhaltet eine erste Oberfläche 31, eine zweite Oberfläche 32, die sich auf der gegenüberliegenden Seite der ersten Oberfläche 31 befindet, eine dritte Oberfläche 33, die die erste Oberfläche 31 und die zweite Oberfläche 32 verbindet, und eine vierte Oberfläche 34, die die erste Oberfläche 31 und die zweite Oberfläche 32 verbindet und sich auf der gegenüberliegenden Seite der dritten Oberfläche 33 befindet.
Die erste Oberfläche 31 des optischen Mediums 3 ist eine Einfallsfläche des Anregungslichts 6, das von der Anregungslichtquelle 1 emittiert wird. Die zweite Oberfläche 32 ist eine Probenplatzierungsfläche. Eine Probe 5 wird auf der zweiten Oberfläche 32 platziert und ist in Kontakt mit der zweiten Oberfläche 32. Die Probe 5 ist beispielsweise die Haut oder Körperflüssigkeit eines Patienten. Wenn eine Flüssigkeit gemessen werden soll, ist die Probe 5 eine Flüssigkeit, die sich in einem transparenten Probenhalter befindet. Die dritte Fläche 33 ist eine Auftrefffläche des Untersuchungslichts 7, das von der Untersuchungslichtquelle 2 ausgestrahlt wird. Die Normalenrichtung der dritten Fläche 33 ist gegenüber der Einfallsrichtung des Untersuchungslichts 7 geneigt. Die vierte Fläche 34 ist eine Emissionsfläche des Untersuchungslichts 7. Die vierte Fläche 34 ist in Bezug auf die Emissionsrichtung des Untersuchungslichts 7 geneigt. Das optische Medium 3 kann beispielsweise ein Prisma mit totaler innerer Reflexion (TIR-Prisma) sein.
Das optische Medium 3 ist für das Anregungslicht 6 transparent. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet die Tatsache, dass das optische Medium 3 für Anregungslicht 6 transparent ist, dass die Lichtdurchlässigkeit des optischen Mediums 3 in Bezug auf das Anregungslicht 6 größer oder gleich 25% ist. Die Lichtdurchlässigkeit des optischen Mediums 3 in Bezug auf Anregungslicht 6 kann größer oder gleich 50%, größer oder gleich 75% oder größer oder gleich 90% sein.
Das optische Medium 3 ist für Untersuchungslicht 7 transparent. In der vorliegenden Beschreibung bedeutet die Tatsache, dass das optische Medium 3 für Untersuchungslicht 7 transparent ist, dass die Lichtdurchlässigkeit des optischen Mediums 3 in Bezug auf das Untersuchungslicht 7 größer oder gleich 50%, größer oder gleich 75% oder größer oder gleich 90% sein kann.
Das optische Medium 3 wird aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als oder gleich 15,0 W/(m*K) gebildet. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials des optischen Mediums 3 kann weniger als oder gleich 10,0 W/(m*K), weniger als oder gleich 5,0 W/(m*K), weniger als oder gleich 3,0 W/(m*K), weniger als oder gleich 2,0 W/(m*K) oder weniger als oder gleich 1,0 W/(m*K) betragen. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials des optischen Mediums 3 ist größer oder gleich dem 0,5-fachen der Wärmeleitfähigkeit der Probe 5. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials des optischen Mediums 3 kann größer oder gleich dem 0,75-fachen der Wärmeleitfähigkeit der Probe 5 sein, kann größer oder gleich der Wärmeleitfähigkeit der Probe 5 sein, kann größer oder gleich der 1,5-fachen Wärmeleitfähigkeit der Probe 5 sein, oder kann größer oder gleich der 2,0-fachen Wärmeleitfähigkeit der Probe 5 sein.
Das optische Medium 3 wird aus Chalkogenidglas gebildet. Beispielsweise enthält das Chalkogenidglas mehr als oder gleich 2 Mol-% und weniger als oder gleich 22 Mol-% Germanium (Ge), mehr als oder gleich 6 Mol-% und weniger als oder gleich 34 Mol-% mindestens eines Elements, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Antimon (Sb) und Wismut (Bi) besteht, mehr als oder gleich 1 Mol-% und weniger als oder gleich 20 Mol-% Zinn (Sn) und mehr als oder gleich 58 Mol-% und weniger als oder gleich 70 Mol-% mindestens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Schwefel (S), Selen (Se) und Tellur (Te) besteht. Das Chalkogenidglas hat eine Wärmeleitfähigkeit von 0,36 W/(m*K).
Die Anregungslichtquelle 1 empfängt Versorgungsstrom von der Stromversorgung 14 und sendet Anregungslicht 6 in Richtung der Probe 5, die auf der Probenplatzierungsfläche (zweite Fläche 32) platziert ist. Das Anregungslicht 6 wird von der Anregungslichtquelle 1 abgestrahlt und trifft von der ersten Fläche 31 auf das optische Medium 3. Das Anregungslicht 6 läuft durch das optische Medium 3 und tritt von der zweiten Oberfläche 32 in die Probe 5 ein. Das Anregungslicht 6 wird von einer biologischen Komponente absorbiert, die sich in der Probe 5 oder auf einer Oberfläche 51 der Probe 5 befindet. Wenn beispielsweise der Blutzuckerspiegel eines Patienten mit dem Messgerät für eine biologische Komponente 100 gemessen wird, handelt es sich bei der biologischen Komponente um Glukose, die sich in einer interstitiellen Flüssigkeit in der Epidermis befindet. Die Absorption des Anregungslichts 6 durch die biologische Komponente erzeugt Absorptionswärme in der Probe 5. Die Absorptionswärme der Probe 5 wird auf das optische Medium 3 übertragen. Wenn ein Temperaturgradientenbereich in dem optischen Medium 3 erzeugt wird, wird ein Brechungsindex-Gradientenbereich 8 in dem optischen Medium 3 erzeugt.
Die Wellenlänge des Anregungslichts 6 wird entsprechend der Absorptionswellenlänge der biologischen Komponente bestimmt, die sich in der Probe 5 oder auf der Oberfläche 51 der Probe 5 befindet. Die Wellenlänge des Anregungslichts 6 kann länger sein als die Wellenlänge des Untersuchungslichts 7. Beispielsweise ist die Wellenlänge des Anregungslichts 6 größer oder gleich 6,0 µm. Die Wellenlänge des Anregungslichts 6 kann größer als oder gleich 8,0 µm sein. Beispielsweise ist die Wellenlänge des Anregungslichts 6 kleiner oder gleich 13,0 µm. Die Wellenlänge des Anregungslichts 6 kann kleiner als oder gleich 11,0 µm sein. Das Anregungslicht 6 kann Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen sein. Wenn beispielsweise der Blutzuckerspiegel des Patienten mit dem Messgerät für eine biologische Komponente 100 gemessen wird, fällt die Wellenlänge des Anregungslichts 6 in einen Wellenlängenbereich, der eine Wellenlänge des Fingerabdruckspektrums von Glukose beinhaltet (z. B. ein Wellenlängenbereich von größer oder gleich 8,5 µm bis kleiner oder gleich 10 µm). Die Anregungslichtquelle 1 ist beispielsweise ein Quantenkaskadenlaser, der breitbandiges Infrarotlicht emittieren kann. In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass das Anregungslicht 6 Licht mit drei Wellenlängen λ1, λ2, λ3 ist. Das Licht mit den Wellenlängen λ1, λ2 wird von einer biologischen Komponente absorbiert, die sich in der Probe 5 oder auf der Oberfläche 51 der Probe 5 befindet. Das Licht mit der Wellenlänge λ3 wird von der biologischen Komponente nicht absorbiert, wird aber als Referenzlicht verwendet.
Die Untersuchungslichtquelle 2 sendet Untersuchungslicht 7 aus. Das Untersuchungslicht 7 fällt von der dritten Oberfläche 33 des optischen Mediums 3 auf das optische Medium 3. Das Untersuchungslicht 7 wird an der dritten Oberfläche 33 gebrochen und läuft durch das optische Medium 3 in Richtung der Grenzfläche zwischen dem optischen Medium 3 (zweite Oberfläche 32) und der Probe 5. In der Draufsicht auf die Probenplatzierungsfläche (zweite Fläche 32) überschneidet sich der optische Pfad des Untersuchungslichts 7 im optischen Medium 3 mit einem Bereich der Probenplatzierungsfläche (zweite Fläche 32), der mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird. Das Untersuchungslicht 7 wird an der Grenzfläche zwischen optischem Medium 3 (zweite Oberfläche 32) und Probe 5 vollständig intern reflektiert. Während das Untersuchungslicht 7 durch das optische Medium 3 läuft, durchläuft das Untersuchungslicht 7 den Brechungsindex-Gradientenbereich 8, der im optischen Medium 3 durch die Absorptionswärme der Probe 5 erzeugt wird. Das Untersuchungslicht 7 wird durch den Brechungsindex-Gradientenbereich 8 gebrochen, und die Laufrichtung des Untersuchungslichts 7 ändert sich entsprechend. Das Untersuchungslicht 7 (erstes Emissions-Untersuchungslicht 7a und zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b) wird von der vierten Oberfläche 34 des optischen Mediums 3 emittiert.
Zum Beispiel ist die Wellenlänge des Untersuchungslichts 7 größer oder gleich 1100 nm. Die Wellenlänge des Untersuchungslichts 7 kann größer als oder gleich 1300 nm sein. Beispielsweise ist die Wellenlänge des Untersuchungslichts 7 kleiner oder gleich 1700 nm. Dementsprechend kann ein kostengünstiger Halbleiterlaser zur Verwendung in der optischen Kommunikation, wie z. B. ein Halbleiterlaser auf InGaAsP-Basis oder ein Halbleiterlaser auf InGaNAs-Basis, als Untersuchungslichtquelle 2 verwendet werden. Außerdem ist das Untersuchungslicht 7 kein sichtbares Licht, so dass die Gefahr einer Schädigung der menschlichen Augen durch das Untersuchungslicht 7 verringert werden kann. Die Leistung des Untersuchungslichts 7 ist beispielsweise kleiner oder gleich 5 mW. Dadurch kann das Risiko einer Schädigung der menschlichen Augen durch das Untersuchungslicht 7 verringert werden.
Der Lichtpositionsdetektor 4 detektiert die Position des Untersuchungslichts 7, das vom optischen Medium 3 ausgesendet wird. 1 zeigt eine erste Position 71a des Untersuchungslichts (erstes emittiertes Untersuchungslicht 7a), wenn die Probe 5 nicht mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird, und eine zweite Position 71b des Untersuchungslichts (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b), wenn die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird.
In einem Zustand, in dem die Probe 5 nicht mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird (im Folgenden auch als „Referenzzustand“ bezeichnet), wird in der Probe 5 keine Absorptionswärme erzeugt. Dementsprechend wird im optischen Medium 3 kein Temperaturgradientenbereich erzeugt, und der Brechungsindex-Gradientenbereich 8 wird im optischen Medium 3 nicht erzeugt. Folglich wird, wie durch eine durchgezogene Linie in der Abbildung angedeutet, das Untersuchungslicht 7 (erstes Emissions-Untersuchungslicht 7a) im optischen Medium 3 von der vierten Oberfläche 34 des optischen Mediums 3 emittiert, ohne im Brechungsindex-Gradientenbereich 8 gebrochen zu werden. Die erste Position 71a des Untersuchungslichts (erstes Emissions-Untersuchungslicht 7a) ist die Position des Untersuchungslichts 7 im Referenzzustand und entspricht der „Referenzposition“.
Der Lichtpositionsdetektor 4 erfasst die zweite Position 71b des Untersuchungslichts (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b), wenn die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird. In dem Zustand, in dem die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird, wird der Brechungsindex-Gradientenbereich 8 im optischen Medium 3 wie oben beschrieben erzeugt. Daher wird, wie durch eine gestrichelte Linie in der Abbildung angedeutet, das Untersuchungslicht (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b) durch den Brechungsindex-Gradientenbereich 8 im optischen Medium 3 gebrochen und von der vierten Oberfläche 34 des optischen Mediums 3 emittiert. Die zweite Position 71b des Untersuchungslichts 7 (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b) ist eine Position des Untersuchungslichts 7, die vom Lichtpositionsdetektor 4 erfasst wird, wenn die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird. Wenn die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird, verschiebt sich die Position des vom Lichtpositionsdetektor 4 erfassten Untersuchungslichts 7 von der ersten Position 71a (Referenzposition) zur zweiten Position 71b.
Der Lichtpositionsdetektor 4 gibt ein Signal aus, das sich auf die zweite Position 71b des Anregungslichts 7 bezieht (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b), wenn die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird. Der Lichtpositionsdetektor 4 ist zum Beispiel eine Fotodiode oder ein Halbleiter-Positionsdetektorelement.
Die Erfassungseinheit für eine biologische Komponente 9 ist an den Lichtpositionsdetektor 4 angeschlossen. Die Erfassungseinheit für eine biologische Komponente 9 erfasst einen Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7, welcher der Abstand zwischen der ersten Position 71a (Referenzposition) und der zweiten Position 71b ist, und erhält die Menge oder Konzentration der biologischen Komponente in der Probe 5 oder auf der Oberfläche 51 der Probe 5 aus dem erfassten Betrag der Verschiebung δ. Die Erfassungseinheit 10 zeichnet die Menge oder Konzentration der biologischen Komponente auf, die durch die Erfassungseinheit für eine biologische Komponente 9 ermittelt wurde. Zum Beispiel sind die Erfassungseinheit für eine biologische Komponente 9 und die Aufzeichnungseinheit 10 eine der Funktionen, die in einer Recheneinheit implementiert sind.
Ein optischer Zerhacker 11 ist im optischen Pfad des Anregungslichts 6 angeordnet. Der optische Zerhacker 11 zerhackt das Anregungslicht 6 (Dauerlicht), das von der Anregungslichtquelle 1 mit einer beliebigen Frequenz ausgesendet wird. Das Anregungslicht 6 wird zum intermittierenden Licht (Impulslicht), das in dem Zyklus ein- und ausgeschaltet wird, der der Zerhackungsfrequenz (Frequenz, mit der das Licht ein- und ausgeschaltet wird) des optischen Zerhackers 11 entspricht, und auf ein optisches Medium 3 trifft. Der optische Zerhacker 11 entspricht einem Beispiel für eine „Modulationseinheit“, die die Intensität des Anregungslichts 6 moduliert. Die Zerhackungsfrequenz des optischen Zerhackers 11 entspricht einem Beispiel für die „Modulationsfrequenz“, die die Intensität des Anregungslichts 6 moduliert.
Eine bekannte Konfiguration kann als optischer Zerhacker 11 verwendet werden. Beispielsweise beinhaltet der optische Zerhacker 11 eine Drehscheibe, in der eine Öffnung, die das Anregungslicht 6 durchlässt, und ein lichtabschirmender Teil, der das Anregungslicht 6 blockiert, in Umfangsrichtung angeordnet sind, sowie einen Motor, der die Drehscheibe dreht. Wenn die Drehscheibe periodisch durch den Motor gedreht wird, kann geschaltet werden, ob die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt werden soll. Das heißt, das Anregungslicht 6 unterliegt einer Intensitätsmodulation mit der Zerhackungsfrequenz des optischen Zerhackers 11. Die Zerhackungsfrequenz des Anregungslichts 6 wird durch die Drehgeschwindigkeit der rotierenden Scheibe bestimmt.
Der Oszillator 13 ist mit dem optischen Zerhacker 11 und dem Lock-in-Verstärker 12 verbunden. Der Oszillator 13 stellt die Zerhackungsfrequenz (Modulationsfrequenz) des optischen Zerhackers 11 ein. Der Oszillator 13 erzeugt ein Steuersignal für die Zerhackersteuerung des Anregungslichts 6 und gibt das erzeugte Steuersignal an den optischen Zerhacker 11 und den Lock-in-Verstärker 12 weiter. Das Steuersignal enthält die Zerhackungsfrequenz des optischen Zerhackers 11.
Der Lock-in-Verstärker 12 ist mit dem Oszillator 13 und dem Lichtpositionsdetektor 4 verbunden. Der Lock-in-Verstärker 12 verstärkt selektiv ein mit der Zerhackungsfrequenz (Modulationsfrequenz) des optischen Zerhackers 11 synchronisiertes Signal unter den Signalen, die sich auf die Position des Untersuchungslichts 7 beziehen, das vom Lichtpositionsdetektor 4 auf der Grundlage des vom Oszillator 13 gegebenen Steuersignals ausgegeben wird.
Insbesondere gibt der Lock-in-Verstärker 12 das Signal aus, das durch Verstärken der Differenz zwischen der Position des Untersuchungslichts 7 in einer Ein-Periode eines Zerhackungszyklus des optischen Zerhackers 11 und der Position des Untersuchungslichts 7 in einer Aus-Periode des Zerhackungszyklus erhalten wird.
Die Ein-Periode des Zerhackungszyklus entspricht einer Periode, in der Anregungslicht 6 emittiert wird. Daher entspricht die Position des Untersuchungslichts 7 während der Ein-Periode der zweiten Position 71b. Die Aus-Periode des Zerhackungszyklus entspricht einer Periode, in der das Anregungslicht 6 nicht ausgesendet wird. Dementsprechend entspricht die Position des Untersuchungslichts 7 in der Aus-Periode der ersten Position 71a (Referenzposition). Der Lock-in-Verstärker 12 erzeugt auf der Grundlage des Ausgangssignals des Lichtpositionsdetektors 4 das auf den Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 bezogene Signal, das dem Abstand zwischen der ersten Position 71a (Referenzposition) und der zweiten Position 71b entspricht.
Das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers 12 wird durch Entfernen des Rauschens erhalten, das in dem Signal enthalten ist, das sich auf die vom Lichtpositionsdetektor 4 ausgegebene Position des Untersuchungslichts 7 bezieht. Dies ermöglicht es dem Messgerät für eine biologische Komponente 100, die biologische Komponente mit verbesserter Genauigkeit zu messen.
Die Betriebsfrequenzen des optischen Zerhackers 11 und des Lock-in-Verstärkers 12 können synchronisiert werden, indem der optische Zerhacker 11 und der Lock-in-Verstärker 12 direkt miteinander verbunden werden, ohne den Oszillator 13 zu verwenden und Signale miteinander auszutauschen.
Ein Messverfahren für eine biologische Komponente unter Verwendung des Messgerätes für eine biologische Komponente 100 nach 1 wird im Folgenden beschrieben.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Grundkonzept des Messverfahrens für eine biologische Komponente der ersten Ausführungsform zeigt.
Das Verfahren zur Messung biologischer Komponenten nach der ersten Ausführungsform beinhaltet den Schritt (S 1) der Einstellung der Position der Probe 5 auf der Probenplatzierungsfläche (zweite Fläche 32), während die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird. Und zwar weil die Probe 5 an einer optimalen Position angeordnet werden muss, an der die Absorptionswärme der Probe 5 stabil und effizient auf das optische Medium 3 übertragen wird, um die biologische Komponente der Probe 5 genau zu messen. Insbesondere wenn es sich bei der Probe 5 um den Finger eines Patienten handelt und dieser winzige Unebenheiten, wie z.B. einen Fingerabdruck, auf der Oberfläche des Fingers aufweist, muss die Position der Probe 5 auch unter dem Gesichtspunkt der Sicherung des Anpressdrucks der Probe 5 auf das optische Medium 3 angepasst werden.
Im Schritt (S 1) wird die Position der Probe 5 in Bezug auf Anregungslicht 6 und Untersuchungslicht 7 in Laufrichtung des Untersuchungslichts 7 mit Hilfe des Lichtpositionsdetektors 4 eingestellt, während die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird.
Wie oben beschrieben, wird das Anregungslicht 6, mit dem die Probe 5 bestrahlt wird, von der biologischen Komponente in der Probe 5 oder auf der Oberfläche 51 der Probe 5 absorbiert. Die Absorption des Anregungslichts 6 durch die biologische Komponente erzeugt Absorptionswärme in der Probe 5. Wenn die Absorptionswärme der Probe 5 an das optische Medium 3 weitergeleitet wird, entsteht im optischen Medium 3 ein Temperaturgradientenbereich. Dementsprechend wird im optischen Medium 3 ein Brechungsindex-Gradientenbereich 8 erzeugt. Das Untersuchungslicht 7 wird durch den Brechungsindex-Gradientenbereich 8 gebrochen und aus dem optischen Medium 3 emittiert.
Der Lichtpositionsdetektor 4 detektiert die zweite Position 71b des Untersuchungslichts 7 (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b). Wenn die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird, verschiebt sich die vom Lichtpositionsdetektor 4 erfasste Position des Untersuchungslichts 7 von der ersten Position 71a (Referenzposition) zur zweiten Position 71b. Der Lock-in-Verstärker 12 erzeugt auf der Grundlage des Ausgangssignals des Lichtpositionsdetektors 4 das auf den Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 bezogene Signal, das dem Abstand zwischen der ersten Position 71a (Referenzposition) und der zweiten Position 71b entspricht.
Im Schritt (S1) wird ein Vorgang zur Erfassung des Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 auf der Grundlage des Ausgangssignals des Lock-in-Verstärkers 12 wiederholt ausgeführt, während die Position der Probe 5 entlang der Laufrichtung des Untersuchungslichts 7 geändert wird, wodurch die Position gesucht wird, an welcher der Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 maximiert ist. Als Ergebnis dieser Suche wird die Position, an der der Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 maximiert ist, als die Position der Probe 5 bestimmt.
Das Verfahren zur Messung biologischer Komponenten der ersten Ausführungsform beinhaltet den Schritt (S2) der Erfassung des Betrags der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 unter Verwendung des Lichtpositionsdetektors 4, während die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird. Im Schritt (S2) wird die auf die optimale Position eingestellte Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt. Das Untersuchungslicht 7 wird durch den im optischen Medium 3 erzeugten Brechungsindex-Gradientenbereich 8 gebrochen und aus dem optischen Medium 3 emittiert. Der Lichtpositionsdetektor 4 detektiert die zweite Position 71b des Untersuchungslichts 7 (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b). Der Lock-in-Verstärker 12 erzeugt auf der Grundlage des Ausgangssignals des Lichtpositionsdetektors 4 das auf den Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 bezogene Signal, das dem Abstand zwischen der Referenzposition und der zweiten Position 71b entspricht. Der Prozess von Schritt (S2) kann kontinuierlich mit dem Prozess von Schritt (S1) durchgeführt werden.
Das Verfahren zur Messung der biologischen Komponente der ersten Ausführungsform beinhaltet den Schritt (S3) des Erhalts der Menge oder Konzentration der biologischen Komponente, die in der Probe 5 oder auf der Oberfläche 51 der Probe 5 vorhanden ist, basierend auf dem Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7. Beispielsweise speichert die Erfassungseinheit 10 eine Datentabelle, in der die Art der biologischen Komponente, der Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 und die Menge oder Konzentration der biologischen Komponente einander zugeordnet sind. Die Erfassungseinheit für eine biologische Komponente 9 bezieht sich auf die in der Aufzeichnungseinheit 10 gespeicherte Datentabelle, um die Menge oder Konzentration der biologischen Komponente zu erhalten, die dem Typ der biologischen Komponente und dem Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 entspricht.
Im Messgerät für eine biologische Komponente 100 der ersten Ausführungsform wird die Intensität des Anregungslichts 6 durch den optischen Zerhacker 11 moduliert, und die Probe 5 wird mit dem Anregungslicht 6 bestrahlt. Das Anregungslicht 6 ist intermittierendes Licht (Impulslicht), das in dem Zyklus ein- und ausgeschaltet wird, der der Modulationsfrequenz (der Zerhackungsfrequenz des optischen Zerhackers 11) entspricht. Die Bestrahlungszeit pro Zyklus des Anregungslichts 6 ändert sich je nach Modulationsfrequenz. Je niedriger die Modulationsfrequenz ist, desto länger ist die Bestrahlungszeit pro Zyklus.
Andererseits ändert sich die Eindringtiefe des Anregungslichts 6 in die Probe 5 mit der Bestrahlungszeit pro Zyklus. Insbesondere wird die Eindringtiefe des Anregungslichts 6 tiefer, je länger die Bestrahlungszeit ist. Je niedriger die Modulationsfrequenz, desto länger die Bestrahlungszeit pro Zyklus, so dass die Eindringtiefe des Anregungslichts 6 in die Probe 5 tiefer wird.
Wenn es sich bei der Probe 5 beispielsweise um die Haut eines Patienten handelt, besteht die Probe 5 aus einem epidermalen Gewebe, einem dermalen Gewebe, das in einer unteren Schicht des epidermalen Gewebes vorhanden ist, und einem subkutanen Gewebe, das in einer unteren Schicht des dermalen Gewebes vorhanden ist. Das epidermale Gewebe enthält Keratin als Hauptbestandteil, das dermale Gewebe enthält interstitielle Flüssigkeit und Zellen als Bestandteile, und das subkutane Gewebe enthält Fett als Hauptbestandteil.
Wenn die Modulationsfrequenz hoch ist, ist die Bestrahlungszeit pro Zyklus kurz, so dass die Eindringtiefe des Anregungslichts 6 in die Probe 5 gering wird. Dementsprechend sind die durch die Messung gewonnenen Informationen hauptsächlich Informationen über das Epidermisgewebe.
Wenn die Modulationsfrequenz hingegen niedrig ist, weil die Bestrahlungszeit pro Zyklus lang ist, wird die Eindringtiefe des Anregungslichts 6 in die Probe 5 tiefer. Dementsprechend sind die durch die Messung gewonnenen Informationen solche Informationen, die durch die Synthese der Informationen über das epidermale Gewebe und die Informationen über das dermale Gewebe gewonnen werden. Wenn die Modulationsfrequenz abnimmt, wird die Bestrahlungszeit pro Zyklus länger, und die Eindringtiefe des Anregungslichts 6 wird tiefer, so dass der Anteil der Informationen über das dermale Gewebe, die in den durch die Messung erhaltenen Informationen enthalten sind, zunimmt.
Wenn der Blutzuckerspiegel des Patienten mit dem Messgerät für eine biologische Komponente 100 gemessen wird, weil die biologische Komponente ein Zucker ist, der in der interstitiellen Gewebeflüssigkeit im dermalen Gewebe vorhanden ist, muss die Information über das dermale Gewebe erfasst werden. Wie oben beschrieben, schließt die durch die Messung erhaltene Information jedoch die Information über das Epidermisgewebe ein, und die Information über das Epidermisgewebe kann in Bezug auf die Information über das dermale Gewebe verrauscht sein.
Dementsprechend wird in dem biologischen Komponentenmessverfahren der ersten Ausführungsform die Intensitätsmodulation des Anregungslichts 6 für jede Modulationsfrequenz durch Umschalten einer Vielzahl von Modulationsfrequenzen durchgeführt. Dann werden die Informationen über das dermale Gewebe, die für die Messung des Blutzuckerspiegels erforderlich sind, auf der Grundlage einer Vielzahl von Informationen gewonnen, die der Vielzahl von Modulationsfrequenzen entsprechen.
3 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren zur Messung biologischer Komponenten der ersten Ausführungsform zeigt. 4 ist eine Ansicht, die das Verfahren zur Messung biologischer Komponenten der ersten Ausführungsform zeigt.
Wie in 2 beschrieben, wird zunächst der Schritt (S 1) der Einstellung der Position der Probe 5 auf der Probenplatzierungsfläche (zweite Fläche 32) durchgeführt, während die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird.
Schritt (S 1) beinhaltet einen Schritt der Einstellung der Zerhackungsfrequenz (Modulationsfrequenz) des optischen Zerhackers 11 mit einer ersten Frequenz f1 unter Verwendung des Oszillators 13 (S11). Der Oszillator 13 erzeugt ein Steuersignal auf der Grundlage der eingestellten Zerhackungsfrequenz (erste Frequenz f1) und gibt das erzeugte Steuersignal an den optischen Zerhacker 11 und den Lock-in-Verstärker 12. Das Anregungslicht 6 unterliegt der Intensitätsmodulation mit der Zerhackungsfrequenz (erste Frequenz f1) des optischen Zerhackers 11.
Schritt (S 1) beinhaltet einen Schritt (S 12) der Einstellung der Position der Probe 5 unter Verwendung des Lichtpositionsdetektors 4, während die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird, das mit der ersten Frequenz f1 intensitätsmoduliert ist. 4(A) ist eine Ansicht, die den optischen Pfad des Untersuchungslichts 7 (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b) zeigt, wenn die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird, das mit der ersten Frequenz f1 intensitätsmoduliert ist.
Wie in 4(A) dargestellt, wird das mit der ersten Frequenz f1 intensitätsmodulierte Anregungslicht 6 von der biologischen Komponente in der Probe 5 oder auf der Oberfläche 51 der Probe 5 absorbiert. Wenn die Absorptionswärme der Probe 5 an das optische Medium 3 geleitet wird, wird im optischen Medium 3 ein Brechungsindex-Gradientenbereich 8 erzeugt. Das Untersuchungslicht 7 wird durch den Brechungsindex-Gradientenbereich 8 gebrochen und aus dem optischen Medium 3 emittiert. Der Lichtpositionsdetektor 4 detektiert die zweite Position 71b des Untersuchungslichts 7 (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b). Der Lock-in-Verstärker 12 erzeugt auf der Grundlage des Ausgangssignals des Lichtpositionsdetektors 4 das auf den Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 bezogene Signal, das dem Abstand zwischen der ersten Position 71a (Referenzposition) und der zweiten Position 71b entspricht.
Im Schritt (S 12) wird die Position der Probe 5 entlang der Laufrichtung des Untersuchungslichts 7 verändert, während das mit der ersten Frequenz f1 intensitätsmodulierte Anregungslicht emittiert wird, und der Vorgang der Erfassung des Betrags der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 auf der Grundlage des Ausgangssignals des Lock-in-Verstärkers 12 wird wiederholt ausgeführt, so dass die Position gesucht wird, an der den Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 maximiert ist. Als Ergebnis dieser Suche wird die Position, an der der Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 maximiert ist, als Position der Probe 5 bestimmt.
Nachdem die Position der Probe 5 in Schritt (S 1) eingestellt wurde, wird Schritt (S2) der Detektion des Betrags der Verschiebung δ1 des Untersuchungslichts 7 unter Verwendung des Lichtpositionsdetektors 4 durchgeführt, während die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird.
Schritt (S2) beinhaltet einen Schritt (S21) der Detektion des Betrags der Verschiebung δ1 des Untersuchungslichts 7 unter Verwendung des Lichtpositionsdetektors 4, während die Probe 5 mit Anregungslicht 6 intensitätsmoduliert mit der ersten Frequenz f1 bestrahlt wird. Das heißt, im Schritt (S21) wird die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt, das mit der ersten Frequenz f1 intensitätsmoduliert ist, die mit der für die Positionseinstellung der Probe 5 verwendeten Zerhackungsfrequenz gleich ist. Der Lock-in-Verstärker 12 erzeugt das auf den Betrag der Verschiebung δ1 des Untersuchungslichts 7 bezogene Signal, wenn die Probe 5 mit dem mit der ersten Frequenz f1 intensitätsmodulierten Anregungslicht 6 bestrahlt wird, basierend auf dem Ausgangssignal des Lichtpositionsdetektors 4.
Der Betrag der Verschiebung δ1 des Untersuchungslichts 7 ist der Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7, wenn die Probe 5 mit Anregungslicht 6 intensitätsmoduliert mit der ersten Frequenz f1 bestrahlt wird. Betrag der Verschiebung δ1 des Untersuchungslichts 7 entspricht der Information über die Menge oder Konzentration der biologischen Komponente in Probe 5 oder auf Oberfläche 51 der Probe 5. Der Betrag der Verschiebung δ1 des Untersuchungslichts 7 wird in der Aufzeichnungseinheit 10 gespeichert.
Schritt (S2) beinhaltet einen Schritt (S22) der Einstellung der Zerhackungsfrequenz (Modulationsfrequenz) des optischen Zerhackers 11 auf eine zweite Frequenz f2 unter Verwendung des Oszillators 13. Die zweite Frequenz f2 ist höher als die erste Frequenz f1 (f2 > f1). Der Oszillator 13 erzeugt das Steuersignal auf der Grundlage der eingestellten Zerhackungsfrequenz (zweite Frequenz f2) und gibt das erzeugte Steuersignal an den optischen Zerhacker 11 und den Lock-in-Verstärker 12 weiter. Das Anregungslicht 6 unterliegt der Intensitätsmodulation mit der Zerhackungsfrequenz (zweite Frequenz f2) des optischen Zerhackers 11.
Der Schritt (S2) beinhaltet einen Schritt (S23) des Erfassens des Betrag der Verschiebung δ2 des Untersuchungslichts 7 unter Verwendung des Lichtpositionsdetektors 4, während die Probe 5 mit dem Anregungslicht 6 intensitätsmoduliert mit der zweiten Frequenz f2 bestrahlt wird. 4(B) ist eine Ansicht, die den optischen Pfad des Untersuchungslichts 7 (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b) zeigt, wenn die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird, das mit der zweiten Frequenz f2 intensitätsmoduliert ist.
Wie in 4(B) dargestellt, wird das mit der zweiten Frequenz f2 intensitätsmodulierte Anregungslicht 6 von der biologischen Komponente in der Probe 5 oder auf der Oberfläche 51 der Probe 5 absorbiert. Die Absorption des Anregungslichts 6 durch den biologischen Bestandteil erzeugt Absorptionswärme in der Probe 5. Wenn die Absorptionswärme der Probe 5 an das optische Medium 3 weitergeleitet wird, wird im optischen Medium 3 ein Brechungsindex-Gradientenbereich 8 erzeugt. Das Untersuchungslicht 7 (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b) wird durch den Brechungsindex-Gradientenbereich 8 gebrochen und aus dem optischen Medium 3 emittiert. Der Lichtpositionsdetektor 4 detektiert die zweite Position 71b des Untersuchungslichts 7 (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b). Der Lock-in-Verstärker 12 erzeugt das auf den Betrag der Verschiebung δ2 des Untersuchungslichts 7 bezogene Signal auf der Grundlage des Ausgangssignals des Lichtpositionsdetektors 4.
Der Betrag der Verschiebung δ2 des Untersuchungslichts 7 ist der Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7, wenn die Probe 5 mit dem Anregungslicht 6, intensitätsmoduliert mit der zweiten Frequenz f2, bestrahlt wird. Der Betrag der Verschiebung δ2 des Untersuchungslichts 7 entspricht der Information über die Menge oder Konzentration der biologischen Komponente in der Probe 5 oder auf der Oberfläche 51 der Probe 5. Den Betrag der Verschiebung δ2 des Untersuchungslichts 7 wird in der Aufzeichnungseinheit 10 gespeichert.
Schritt (S2) beinhaltet einen Schritt (S24) der Einstellung der Zerhackungsfrequenz (Modulationsfrequenz) des optischen Zerhackers 11 auf eine dritte Frequenz f3 unter Verwendung des Oszillators 13. Die dritte Frequenz f3 ist höher als die zweite Frequenz f2 (f3 > f2). Der Oszillator 13 erzeugt das Steuersignal auf der Grundlage der eingestellten Zerhackungsfrequenz (dritte Frequenz f3) und gibt das erzeugte Steuersignal an den optischen Zerhacker 11 und den Lock-in-Verstärker 12 weiter. Das Anregungslicht 6 unterliegt der Intensitätsmodulation mit der Zerhackungsfrequenz (dritte Frequenz f3) des optischen Zerhackers 11.
Der Schritt (S2) beinhaltet einen Schritt (S25) des Erfassens eines Betrags der Verschiebung δ3 des Untersuchungslichts 7 unter Verwendung des Lichtpositionsdetektors 4, während die Probe 5 mit Anregungslicht 6, intensitätsmoduliert mit der dritten Frequenz f3, bestrahlt wird.
Das mit der dritten Frequenz f3 intensitätsmodulierte Anregungslicht 6 wird von der biologischen Komponente in der Probe 5 oder auf der Oberfläche 51 der Probe 5 absorbiert. Die Absorption des Anregungslichts 6 durch den biologischen Bestandteil erzeugt Absorptionswärme in der Probe 5. Wenn die Absorptionswärme der Probe 5 an das optische Medium 3 weitergeleitet wird, wird im optischen Medium 3 ein Brechungsindex-Gradientenbereich 8 erzeugt. Das Untersuchungslicht 7 (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b) wird durch den Brechungsindex-Gradientenbereich 8 gebrochen und aus dem optischen Medium 3 emittiert. Der Lichtpositionsdetektor 4 detektiert die zweite Position 71b des Untersuchungslichts 7 (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b). Der Lock-in-Verstärker 12 erzeugt auf der Grundlage des Ausgangssignals des Lichtpositionsdetektors 4 das Signal für den Betrag der Verschiebung δ3 des Untersuchungslichts 7.
Der Betrag der Verschiebung δ3 des Untersuchungslichts 7 ist der Betrag der Verschiebung δ, wenn die Probe 5 mit Anregungslicht 6 intensitätsmoduliert mit der dritte Frequenz f3 bestrahlt wird. Der Betrag der Verschiebung δ3 des Untersuchungslichts 7 entspricht der Information über die Menge oder Konzentration der biologischen Komponente in Probe 5 oder auf Oberfläche 51 der Probe 5. Der Betrag der Verschiebung δ3 des Untersuchungslichts 7 wird in der Aufzeichnungseinheit 10 gespeichert.
Anschließend wird der Schritt (S3) zur Ermittlung der Menge oder Konzentration der biologischen Komponente in der Probe 5 oder auf der Oberfläche 51 der Probe 5 aus den in den Schritten S21, S23, S25 erhaltenen Beträgen der Verschiebungen 81, 82, 83 des Untersuchungslichts 7 durchgeführt. In diesem Schritt (S3) bezieht sich die Erfassungseinheit für eine biologische Komponente 9 auf die in der Aufzeichnungseinheit 10 gespeicherte Datentabelle, um die Menge oder Konzentration der biologischen Komponente zu erhalten, die dem Typ der biologischen Komponente und den Beträgen der Verschiebungen δ1, δ2, δ3 des Untersuchungslichts 7 entspricht.
Wie in 3 dargestellt, wird bei dem Messverfahren für eine biologische Komponente der ersten Ausführungsform die Modulationsfrequenz (die Zerhackungsfrequenz des optischen Zerhackers 11) auf eine Vielzahl von Frequenzen (erste Frequenz f1, zweite Frequenz f2 und dritte Frequenz f3) umgeschaltet, die zweite Position 71b des Untersuchungslichts 7 (zweites Emissions-Untersuchungslicht 7b) wird erfasst, während die Probe 5 mit Anregungslicht 6 jeder Modulationsfrequenz bestrahlt wird, und die Beträge der Verschiebung δ1, δ2, δ3 der Vielzahl von Teilen des Untersuchungslichts 7 wird erhalten. Die Anzahl der Modulationsfrequenzen ist nicht auf drei beschränkt und kann zwei oder mehr als oder gleich vier betragen.
Wie oben beschrieben, ist die Eindringtiefe des Anregungslichts 6 in Bezug auf die Probe 5 unterschiedlich, da die Bestrahlungszeit des Anregungslichts 6 pro Zyklus durch Änderung der Modulationsfrequenz unterschiedlich ist. Im Beispiel von 4 ist die Eindringtiefe des Anregungslichts 6 in die Probe 5 tiefer, weil die erste Frequenz f1 niedriger ist als die zweite Frequenz f2. Da die in der Probe 5 erzeugte Absorptionswärme mit zunehmender Eindringtiefe des Anregungslichts 6 zunimmt, steigt auch der im optischen Medium 3 erzeugte Brechungsindex-Gradientenbereich 8. Infolgedessen wird der Betrag der Verschiebung δ1 des Untersuchungslichts 7 größer als der Betrag der Verschiebung δ2 des Untersuchungslichts 7.
Wenn es sich bei der Probe 5 um die Haut eines Patienten handelt, wird der Betrag der Verschiebung δ1 (erste Information) des Untersuchungslichts 7 durch eine Messung erhalten, bei der die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird, das mit der ersten Frequenz f1 intensitätsmoduliert ist. Die erste Information ist eine Information, in der die Information über das epidermale Gewebe und die Information über das dermale Gewebe synthetisiert werden. Darüber hinaus wird den Betrag der Verschiebung δ2 (zweite Information) des Untersuchungslichts 7 durch eine Messung erhalten, bei der die Probe 5 mit Anregungslicht 6 bestrahlt wird, das mit einer zweiten Frequenz f2, die niedriger als die erste Frequenz f1 ist, intensitätsmoduliert wird. Die zweite Information enthält eine Vielzahl von Informationen über das Epidermisgewebe. In Schritt S3 kann die Information über das dermale Gewebe durch Entfernen der zweiten Information aus der ersten Information gewonnen werden. Zum Beispiel werden die Zuckermenge, die dem Betrag der Verschiebung δ1 entspricht, und die Zuckermenge, die dem Betrag der Verschiebung δ2 entspricht, durch Bezugnahme auf die in der Aufzeichnungseinheit 10 gespeicherte Datentabelle ermittelt. Dann kann die Information über das dermale Gewebe durch Subtraktion der dem Betrag der Verschiebung δ2 entsprechenden Zuckermenge von der dem Betrag der Verschiebung δ1 entsprechenden Zuckermenge oder durch Division der beiden Zuckermengen erhalten werden.
Darüber hinaus werden bei dem Messverfahren für eine biologische Komponente der ersten Ausführungsform die mehreren Modulationsfrequenzen in der Reihenfolge von der niedrigen Frequenz zur hohen Frequenz geändert. Im Beispiel von 3 werden die drei Modulationsfrequenzen in der Reihenfolge der ersten Frequenz f1, der zweiten Frequenz f2 und der dritten Frequenz f3 geändert. Wie in 1 dargestellt, besteht in der Konfiguration, in der der optische Zerhacker 11 verwendet wird, um die Intensität des Anregungslichts 6 zu modulieren, das Problem, dass die Einstellung der Zerhackungsfrequenz mehr Zeit in Anspruch nimmt, wenn die Zerhackungsfrequenz von der hohen Frequenz auf die niedrige Frequenz geändert wird, als wenn die Zerhackungsfrequenz von der niedrigen Frequenz auf die hohe Frequenz geändert wird, was auf die Struktur eines Motors oder dergleichen im optischen Zerhacker 11 zurückzuführen ist. In einem Beispiel dauert es etwa mehrere Sekunden, um die Zerhackungsfrequenz von der niedrigen Frequenz auf die hohe Frequenz zu ändern, während es etwa mehrere 10 Sekunden dauert, um die Zerhackungsfrequenz von der hohen Frequenz auf die niedrige Frequenz zu ändern. In der ersten Ausführungsform wird die Modulationsfrequenz in der Reihenfolge von der niedrigen Frequenz zur hohen Frequenz geändert, so dass die Modulationsfrequenz schnell geändert werden kann. Dadurch kann die Effizienz der Messung der biologischen Komponente verbessert werden.
Um die biologische Komponente genau messen zu können, muss die Probe 5 außerdem an einer optimalen Position angeordnet werden, an der die Absorptionswärme der Probe 5 stabil und effizient auf das optische Medium 3 übertragen wird. Dementsprechend wird zu Beginn der Messung der Schritt (S1) der Einstellung der Position der Probe 5 auf der zweiten Oberfläche 32 (Probenplatzierungsoberfläche) des optischen Mediums 3 durchgeführt.
Bei der Positionseinstellung der Probe 5 wird der Betrag der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 unter Verwendung des Lichtpositionsdetektors 4 ermittelt, während die Probe 5 mit dem Anregungslicht 6 bestrahlt wird, das mit einer vorgegebenen Frequenz intensitätsmoduliert ist. Die optimale Position der Probe 5 auf der Probenplatzierungsfläche wird bestimmt, indem die Position gesucht wird, an der der Betrag der Verschiebung δ maximal ist. Da die Absorptionswärme der Probe 5 mit zunehmender Modulationsfrequenz kleiner wird, wird die Absorptionswärme der Probe 5 nicht ausreichend auf das optische Medium 3 übertragen, so dass es schwierig wird, die optimale Position der Probe 5 zu bestimmen. Infolgedessen besteht die Möglichkeit, dass die Messgenauigkeit beeinträchtigt wird.
Bei dem Verfahren zur Messung einer biologischen Komponente der ersten beispielhaften Ausführungsform wird zu Beginn der Messung das Anregungslicht 6 mit der niedrigen Modulationsfrequenz (erste Frequenz f1 im Beispiel von 3) intensitätsmoduliert, wodurch die Absorptionswärme der Probe 5 erhöht werden kann. Dementsprechend lässt sich anhand des Betrags der Verschiebung δ des Untersuchungslichts 7 leicht feststellen, ob die Position der Probe 5 optimal ist. Wenn die Probe 5 an der optimalen Position angeordnet ist, kann die Messgenauigkeit verbessert werden.
Ausführungsform 2
5 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration eines Messgeräts für eine biologische Komponente gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Das Messgerät für eine biologische Komponente 100 der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Messgerät für eine biologische Komponente 100 in 1 dadurch, dass ein Modulator 15 anstelle des optischen Zerhackers 11 und Oszillator 13 vorgesehen ist.
Der Modulator 15 ist mit der Stromversorgung 14 und dem Lock-in-Verstärker 12 verbunden. Der Modulator 15 erzeugt ein intermittierendes Signal (Impulssignal), das in dem der eingestellten Modulationsfrequenz entsprechenden Zyklus ein- und ausgeschaltet wird. Die Stromversorgung 14 steuert die Stromzufuhr und die Unterbrechung der Anregungslichtquelle 1 entsprechend dem vom Modulator 15 gelieferten Ausgangssignal. Insbesondere versorgt die Stromversorgung 14 die Anregungslichtquelle 1 während der Einschaltperiode des Ausgangssignals des Modulators 15 mit Strom und unterbricht die Stromzufuhr zur Anregungslichtquelle 1 während der Ausschaltperiode des Ausgangssignals. Die Anregungslichtquelle 1 erzeugt das intermittierende Licht (Impulslicht) in dem Zyklus, der der Modulationsfrequenz entspricht, durch die von der Stromversorgung 14 intermittierend gelieferte Leistung.
An den Modulator 15 wird zum Beispiel ein Signalgenerator angeschlossen. Der Modulator 15 ist jedoch nicht auf einen Signalgenerator beschränkt, sondern kann jede beliebige Vorrichtung sein, die ein elektrisches Signal modulieren kann. Obwohl die Konfiguration, in der die Stromversorgung 14 den Strom oder die Spannung entsprechend dem Ausgangssignal des Modulators 15 moduliert an die Anregungslichtquelle 1 liefert, beispielhaft dargestellt wurde, können die Stromversorgung 14 und der Modulator 15 unter Verwendung einer Stromversorgung mit Modulationsfunktion integriert werden.
Der Lock-in-Verstärker 12 verstärkt selektiv das mit der Modulationsfrequenz synchronisierte Signal unter den vom Lichtpositionsdetektor 4 ausgegebenen Signalen, die sich auf die Position des Untersuchungslichts 7 beziehen, basierend auf dem vom Modulator 15 ausgegebenen Signal. Dies ermöglicht es, das Rauschen zu entfernen, das in dem vom Lichtpositionsdetektor 4 ausgegebenen Signal bezüglich der Position des Untersuchungslichts 7 enthalten ist. Somit kann, ähnlich wie beim Messgerät für eine biologische Komponente 100 der ersten Ausführungsform, die biologische Komponente mit verbesserter Genauigkeit gemessen werden.
Da das Messgerät für eine biologische Komponente 100 in 1 einen optischen Zerhacker 11 und dessen Treibermechanismus beinhaltet, besteht das Problem, dass das Messgerät für eine biologische Komponente 100 sehr groß wird und einen großen Bauraum einnimmt.
Gemäß dem Messgerät für eine biologische Komponente 100 der zweiten Ausführungsform ist es aufgrund der Konfiguration, in der das Ausgangssignal der Stromversorgung 14 an die Anregungslichtquelle 1 moduliert wird, nicht erforderlich, dass ein optischer Zerhacker 11 zwischen der Anregungslichtquelle 1 und dem optischen Medium 3 vorgesehen wird. Hierdurch können eine Miniaturisierung und Platzersparnis des Messgerätes für eine biologische Komponente 100 realisiert werden.
Es sollte berücksichtigt werden, dass die beschriebenen Ausführungsformen in jeder Hinsicht ein Beispiel und nicht einschränkend sind. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird nicht durch die obige Beschreibung, sondern durch die Ansprüche definiert, und es ist beabsichtigt, dass alle Modifikationen im Sinne und Umfang der Ansprüche und ihrer Äquivalente in der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Bezugszeichenliste

1: Anregungslichtquelle
2: Untersuchungslichtquelle
3: optisches Medium
4: Lichtpositionsdetektor
5: Probe
6: Anregungslicht
7: Untersuchungslicht
71a: erste Position
71b: zweite Position
8: Brechungsindex-Gradientenbereich
9: Erfassungseinheit für eine biologische Komponente
10: Aufzeichnungseinheit
11: optischer Zerhacker
12: Lock-in-Verstärker
13: Oszillator
14: Stromversorgung
15: Modulator
100: Messgerät für eine biologische Komponente
δ: Betrag der Verschiebung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017519214 A [0002, 0004]

Claims

Messgerät für eine biologische Komponente, das Folgendes aufweist: ein optisches Medium, das eine Probenplatzierungsfläche enthält; eine Anregungslichtquelle zum Aussenden von Anregungslicht, das in dem optischen Medium in Richtung einer auf der Probenplatzierungsfläche platzierten Probe läuft; eine Untersuchungslichtquelle zum Aussenden von Untersuchungslicht, das in dem optischen Medium läuft; einen Lichtpositionsdetektor zum Erfassen einer Position des vom optischen Medium ausgesandten Untersuchungslichts; eine Erfassungseinheit für eine biologische Komponente, die mit dem Lichtpositionsdetektor verbunden ist; und eine Modulationseinheit, um die Intensität des Anregungslichts zu modulieren und das Anregungslicht auf das optische Medium auftreffen zu lassen, wobei - in Draufsicht auf die Probenplatzierungsfläche ein optischer Pfad des Untersuchungslichts in dem optischen Medium einen Bereich der Probenplatzierungsfläche überlappt, der mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, - die Modulationseinheit so konfiguriert ist, dass sie eine Vielzahl von Modulationsfrequenzen in der Reihenfolge von einer niedrigen Frequenz zu einer hohen Frequenz schaltet, und die Vielzahl von Modulationsfrequenzen eine erste Frequenz und eine zweite Frequenz, die höher als die erste Frequenz ist, beinhaltet, - der Lichtpositionsdetektor eine Position des Untersuchungslichts erfasst, wenn die Probe mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, das mit der ersten Frequenz intensitätsmoduliert ist, und eine Position des Untersuchungslichts erfasst, wenn die Probe mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, das mit der zweiten Frequenz intensitätsmoduliert ist, und - die Erfassungseinheit für eine biologische Komponente eine biologische Komponente der Probe basierend auf der Position des Anregungslichts bei der ersten Frequenz und der Position des Anregungslichts bei der zweiten Frequenz misst.
Messgerät für eine biologische Komponente nach Anspruch 1, wobei die Modulationseinheit einen optischen Zerhacker beinhaltet, der in einem optischen Pfad des Anregungslichts angeordnet ist, und das Messgerät für eine biologische Komponente ferner Folgendes aufweist: - einen Lock-in-Verstärker, der mit dem optischen Zerhacker und dem Lichtpositionsdetektor verbunden ist; und - einen Oszillator zum Einstellen der Betriebsfrequenzen des optischen Zerhackers und des Lock-in-Verstärkers.
Messgerät für eine biologische Komponente nach Anspruch 1, wobei die Modulationseinheit einen Modulator zum Modulieren eines Ausgangssignals einer Stromversorgung für die Anregungslichtquelle enthält, und das Messgerät für eine biologische Komponente ferner einen Lock-in-Verstärker beinhaltet, der mit dem Modulator und dem Lichtpositionsdetektor verbunden ist.
Messgerät für eine biologische Komponente nach Anspruch 2 oder 3, - wobei der Lock-in-Verstärker ein auf einen Betrag der Verschiebung des Untersuchungslichts bezogenes Signal erzeugt, wobei der Betrag der Verschiebung ein Abstand zwischen einer ersten Position des Untersuchungslichts, wenn die Probe nicht mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, und einer zweiten Position des Untersuchungslichts ist, wenn die Probe mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, und - wobei die Erfassungseinheit für eine biologische Komponente die biologische Komponente der Probe basierend auf einem ersten Betrag der Verschiebung des Untersuchungslichts, der ein Abstand zwischen der ersten Position und der zweiten Position bei der ersten Frequenz ist, und einem zweiten Betrag der Verschiebung des Untersuchungslichts misst, der ein Abstand zwischen der ersten Position und der zweiten Position bei der zweiten Frequenz ist.
Verfahren zur Messung einer biologischen Komponente zum Messen einer biologischen Komponente einer Probe, wobei das Verfahren zur Messung einer biologischen Komponente Folgendes beinhaltet: - Einstellen einer Modulationsfrequenz einer Intensitätsmodulation des Anregungslichts auf eine erste Frequenz; - Erfassen einer Position eines Untersuchungslichts, das von einem optischen Medium emittiert wird, während das Untersuchungslicht in dem optischen Medium läuft, und - Bestrahlen der Probe, die auf einer Probenplatzierungsfläche des optischen Mediums platziert ist, mit dem Anregungslicht, das mit der ersten Frequenz intensitätsmoduliert ist; - Ändern der Modulationsfrequenz der Intensitätsmodulation von der ersten Frequenz auf eine zweite Frequenz, die höher als die erste Frequenz ist; - Erfassen der Position des vom optischen Medium emittierten Untersuchungslichts, während das Untersuchungslicht emittiert wird und im optischen Medium läuft, und das mit der zweiten Frequenz intensitätsmodulierte Anregungslicht in Richtung der auf der Probenplatzierungsfläche des optischen Mediums platzierten Probe emittiert wird; und - Messen der biologischen Komponente der Probe basierend auf der Position des Untersuchungslichts bei der ersten Frequenz und der Position des Untersuchungslichts bei der zweiten Frequenz.
Verfahren zur Messung einer biologischen Komponente nach Anspruch 5, das ferner das Einstellen einer Position der Probe auf der Probenplatzierungsfläche beinhaltet, während das Untersuchungslicht ausgestrahlt wird und im optischen Medium läuft und die auf der Probenplatzierungsfläche des optischen Mediums platzierte Probe mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, das mit der ersten Frequenz intensitätsmoduliert wird.
Verfahren zur Messung einer biologischen Komponente nach Anspruch 5 oder 6, das ferner Folgendes aufweist: - Erfassen eines ersten Betrags der Verschiebung des Untersuchungslichts, wobei der erste Betrag der Verschiebung ein Abstand zwischen einer ersten Position des Untersuchungslichts, wenn die Probe nicht mit dem Anregungslicht bestrahlt wird, und einer zweiten Position des Untersuchungslichts ist, wenn die Probe mit dem mit der ersten Frequenz intensitätsmodulierten Anregungslicht bestrahlt wird; - Erfassen eines zweiten Betrags der Verschiebung des Untersuchungslichts, wobei der zweite Betrag der Verschiebung des Untersuchungslichts ein Abstand zwischen der ersten Position und der zweiten Position des Untersuchungslichts ist, wenn die Probe mit dem mit der zweiten Frequenz intensitätsmodulierten Anregungslicht bestrahlt wird; und - Messen der biologischen Komponente der Probe basierend auf dem ersten Betrag der Verschiebung des Untersuchungslichts und dem zweiten Betrag der Verschiebung des Untersuchungslichts.