JP2005512039A

JP2005512039A - 温度を測定する方法及び装置

Info

Publication number: JP2005512039A
Application number: JP2003549852A
Authority: JP
Inventors: ペサハ・ベニー
Original assignee: グルコンインク
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2005-04-28
Also published as: WO2003048704A1; EP1456614A4; AU2002353454A1; EP1456614A1

Abstract

水（３２）の吸収係数を測定することによって、水の温度を決定すること。少なくとも一つの波長（３０）において、第一の物質の吸収係数の測定値を取得すること、及び吸収係数の測定値及び少なくとも一つの波長における温度の関数としての吸収係数の既知の値を使用して温度を決定すること、からなる第一の物質の温度を決定するための方法を提供する。

Description

関連出願

この出願は、その開示内容が参照によりここに組み込まれる、２００１年１１月１５日に提出の米国仮出願である６０／３３１４０８の、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ１１９（ｅ）に基づく利益を請求する。

本発明は、温度を決定するための、特に材料の複素誘電率の測定から材料の温度を決定するための方法及び装置に関する。

温度測定が、広い範囲の作業及び処理に必要とされており、数多くの種類の装置が、異なる用途、温度範囲、環境状態、に対する温度測定のために使用されている。通常は、材料の温度を測定するための非侵襲性の装置により、材料の表面での又は付近での、材料の温度が測定される。一般的に、材料の内部温度を測定することは、材料の内部領域に侵入して接触すること及び内部領域の温度を測定することを必要とする。温度を簡便且つ正確に測定するために、新しい代替方法及び装置が必要とされている。

水による光の吸収は温度の関数であり且つ水の光吸収スペクトルの形状は温度の関数であることが、一般的に良く知られている。例えば、参照としてその開示が本明細書に組み込まれたＵＳ６１１５６７３は、２５００ｎｍ、１９５０ｎｍ、１４５０ｎｍに中心がある水の吸収スペクトルのピークがどのように赤外分光法（IR spectroscopy）に影響を与えるか、且つピークの中心の位置及びピークの大きさがどのように温度によって変化するかについて議論している。本特許は、赤外分光付近で吸収スペクトルの温度依存性が“大きく減衰する（greatly hinders）”ことに注目している。

しかしながら、一方、水の吸収スペクトルは温度に依存することが知られているが、材料が含む水の吸収スペクトルを測定することによって、水を含む材料の温度を決定できることは世の中に知られていないと思われる。一般的に材料の吸収スペクトルは、材料の多くの成分に依存するので、材料の温度を決定するために材料に含まれる水のような一つの成分の吸収測定値を使用することは実用的にはなっていない。

本発明のある実施の態様は、水の吸収係数を測定することによって水の温度を決定することに関する。本発明の実施形態によれば、吸収係数は少なくとも一つの波長で測定され、測定された吸収係数及び少なくとも一つの波長における既知の温度依存性が水の温度を決定するために使用される。

本発明のある実施の態様は、流体の吸収係数の測定から水を含む流体の温度を決定することに関する。

本発明の実施形態によれば、少なくとも一つの波長は、水の吸収スペクトルがピークを有するスペクトルの、以下に“水のピーク領域”と称される領域内にある波長である。発明者は、水のピーク領域において、スペクトルの振幅のような水の吸収スペクトルの特性曲線及びそこのピークの位置は、比較的温度に敏感な関数であることを言及している。本発明の実施形態によれば、少なくとも一つの水のピーク波長における水の吸収スペクトルの測定値が、少なくとも一つのそのような温度での水の吸収スペクトルの敏感な特性曲線を決定するために、使用される。特性曲線の既知の温度依存性及び吸収係数の測定値から決定された特性曲線の値は、本発明の実施形態によれば、水の温度を決定するために使用される。

例えば血液などの水を含む多くの流体に関して、水のスペクトルのピーク領域における水の吸収スペクトルは流体の吸収スペクトルに支配されるので、水のピーク領域における流体の吸収スペクトルは、実質的に水の吸収スペクトルに等しい。そのような流体に関して、水のピーク領域における流体の水以外の成分は、実質的に流体の吸収スペクトルに影響を与えない。本発明の実施形態によれば、水のピーク領域内の少なくとも一つの波長での流体の吸収係数の測定値は、水の吸収スペクトルの温度に敏感な特性曲線の値を決定するために使用される。そのように決定された値及び温度に敏感な特性曲線の既知の温度依存性は、流体の温度を決定するのに使用される。

本発明の実施形態による第一の物質の温度を決定するための方法は、少なくとも一つの波長において、第一の物質の吸収係数の測定値を取得すること、及び吸収係数の測定値及び少なくとも一つの波長における温度の関数としての吸収係数の既知の値を使用して温度を決定すること、からなる。

少なくとも一つの波長は、一つの波長でもよい。選択的には、少なくとも一つの波長は、複数の波長である。

温度を決定することが、異なる一定温度に対して第一の物質の吸収係数が波長依存することを、複数のカーブのそれぞれが示しているものにおいて、その複数のカーブのどの特定のカーブが係数の測定値にベストフィットするか決定すること、及び物質の温度を特定のカーブの一定温度として決定すること、を含んでもよい。

特定のベストフィットカーブを決定することは、係数の測定値から吸収スペクトルがピークを有する波長を決定すること、及びどの複数のカーブが実質的に同じ波長においてピークを有するか決定することからなる。

本発明の実施形態によれば、第一の物質は第二の物質の成分であり、少なくとも一つの波長において吸収係数の測定値を取得することは、第二の物質の吸収係数が実質的に第一の物質の吸収係数に等しい少なくとも一つの波長における第二の物質の吸収係数の測定値を取得することである。

本発明の実施形態によれば、第一の物質は第二の物質の成分であり、及び少なくとも一つの波長における第一の物質の吸収係数の測定値を取得する方法は、第一の物質及び材料のその他の成分が実質的に温度に依存しなく、又は弱く依存するのみである複数の波長において、第二の物質の吸収係数の第一の測定値を取得すること、取得された第一の測定値から第一の物質及び材料のその他の成分の濃度を決定すること、第一の物質の吸収係数が温度依存する少なくとも一つの波長において、第二の物質の吸収係数の第二の測定値を取得すること、第二の測定値及び決定された濃度から第一の物質の吸収係数を決定すること、からなる。

本発明の実施形態によれば、第二の物質の波長及び吸収スペクトルの温度依存性の示す形状が、第一の物質の吸収スペクトルのものと実質的に同じである第二の物質の吸収スペクトルの波長領域内の複数の波長において、第二の物質の吸収係数の測定値を取得すること、及び吸収係数の測定値及び複数の波長における温度の関数としての第一の物質の吸収係数の既知の値を使用して、温度を決定することからなる。

温度を決定することは、異なる一定温度に対して第一の物質の吸収係数が波長依存することを、複数のカーブそれぞれが示す箇所で、前記複数のカーブの中のどの特定のカーブが係数の測定値にベストフィットするか決定すること、及び第一の物質の温度を特定のカーブの一定温度であるものとして決定することからなる。

選択的もしくは付加的には、吸収係数の測定値は、水の吸収係数がピークを有する波長又は波長付近で取得される。

本発明の実施形態によれば、第二の物質は、生体組織である。第二の物質は、血液でもよい。

本発明の実施形態によれば、吸収係数の測定値を取得することは、光音響効果を使用した測定値を取得することからなる。吸収係数の測定値を取得することは、位置の関数としての測定値を取得することからなる。温度を決定することは、位置の関数としての温度を決定することからなる。本発明の実施形態によれば、第一の物質は水である。吸収係数の測定値は、水の吸収係数がピークを有する波長又は波長付近で取得されてもよい。選択的もしくは付加的には、吸収係数の測定値は、吸収係数がピークに達する波長に跨った、少なくとも二つの波長において取得される。方法は、実質的に吸収係数がピークに達する波長での、少なくとも一つの吸収係数の測定値を取得することを含む。

本発明の非限定的実施形態の例が、ここに添付した図面に関連して以下に説明されている。図面において、１以上の図面に現れる同一の構造、要素又は部分は、それらが現れる全ての図面において一般に、同じ符号が付されている。図面に示されている部品及び特徴の寸法は、説明の便利さと明瞭さのために選択されたもので必ずしも実寸で示されているものではない。図面は、以下に列挙されている。

図１は、波長の関数としての水の吸収係数、即ち３８．２℃の温度における水の吸収スペクトルをグラフ化したグラフ２０を示す。領域、即ち、吸収スペクトルがピークを有する水のスペクトルのピーク領域などは、角括弧２２，２４，及び２６で示される。グラフ２０のデータは、上記で参照された米国特許６１１５６７３の図５ａのグラフから引用されている。

図２は、３８．２℃の水の吸収スペクトルに対するカーブ３２のセットによって、異なる温度における水の吸収スペクトルがグラフ化されたグラフ３０を示す。グラフ３０のデータは、米国特許６１１５６７３の図５ｂから引用されている。３８．２℃での吸収係数に対する、各異なる温度における波長の関数としての吸収係数の値は、温度によって印が付けられたカーブ３２によって示される。グラフ３０の横軸に沿った各波長において、カーブ３２によって示されるグラフの縦軸の値は、カーブに付けられた温度における水の吸収係数と３８．２℃の水の吸収係数との差である。３８．２℃のカーブ３２は、このように縦軸の値が０で、横軸に平行な直線である。

カーブ３２は、異なる温度における水の吸収スペクトル間の差を明確に示す。本発明の実施形態によれば、これらの差は水の温度を決定するために使用される。

例えば、本発明の実施形態によれば、温度が決定されるべきサンプル水の吸収係数は、水のスペクトルのピーク領域内で複数の異なる波長において測定される。ベストフィットカーブ（best-fit curve）は、既知の方法を使用した測定のために決定される。ベストフィットカーブは、ベストフィットカーブに最も似ている既知のカーブを決定するために、異なる温度に対する水のピーク領域内における水の吸収スペクトルを線描する（delineate）既知の各カーブと、既知の方法を使用して比較される。ベストフィットカーブに最も似ている既知のカーブ３２に対応する温度が、サンプル水の温度として決定される。本発明の実施形態によれば、一つの波長におけるサンプル水の吸収係数の測定値は、サンプル水の温度を決定するために使用される。

図３は、本発明の実施形態による、サンプル水の温度の決定に使用されるサンプル水として取得された、シュミレートされた吸収係数の測定値をグラフで示している。

図３は、グラフ３０に示されたカーブ３２に追加があることを除いては、グラフ３０と同じグラフ３１を示し、またグラフ３１は、水のピーク領域２２内の複数の異なる波長での第一のサンプル水のシュミレートされた吸収係数の測定値と３８．２℃の水の吸収係数との差を示す。×印３６は、差の値を示す。値３６を通る破線で示された概略のベストフィットカーブ３８は、３９．２℃の温度の水の吸収スペクトル（図示されず）に最も類似している。第一のサンプル水の温度は、本発明の実施形態により、このようにして３９．２℃と決定された。

２０５０ｎｍ及び３８．２℃の水の吸収係数に対する水のピーク範囲２４で、２０５０ｎｍの波長において得られた第二のサンプル水のシュミレートされた吸収係数の測定値は、サークルクロス（circled cross）４０で示される。例示された方法によれば、サークルクロス４０は、４０．４℃における水の吸収スペクトルを描くカーブ３２上にある。第二のサンプル水の温度はこのようにして決定され、本発明の実施形態によれば、４０．４℃に等しくなる。

水を含むいくつかの流体に関して、以下“同形の領域（isomorphic regions）”と呼ばれるいくつかのスペクトル領域において、所定の波長における流体の吸収係数は、所定の波長における水の吸収係数に実質的に等しい。本発明の実施形態によれば、そのような流体の温度は、スペクトルが同形の領域内の少なくとも一つの波長での、流体の吸収係数の測定値から決定される。少なくとも一つの波長における流体の吸収係数の測定値は、その波長において流体に含まれる水の吸収係数の値を提供するものとみなされる。流体内に含まれる水の温度及びそれによる流体の温度を決定するために、上記で記載された方法と同様の方法を用いて、所定の水の吸収係数の値が使用される。

水の吸収スペクトルが流体の吸収スペクトルを支配する、水を含むいくつかの流体については、水の吸収係数の支配が十分ではなく、流体の吸収係数の測定値を、水の吸収係数の測定値とみなし得る。結果として、流体の吸収係数の測定値は、流体内の水の温度及びそれによる流体の温度の決定に直接は使用できない。

そのようなケースに関しては、本発明の実施形態によれば、流体の吸収係数の測定値は、望ましくは実質的に水及び別の成分の吸収係数が温度に依存しない又は温度に弱く依存する複数の適当な波長において、取得される。その測定値は、水及び流体の他の成分の分析に使用される。吸収係数の測定値から流体の成分を分析する方法は、既に知られていて、例えば参照として本明細書に組み込まれたＶ．クラフトによる米国特許５４５２７１６、米国特許６１１５６７３及び上記で参照されたＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＩＬ０１／００７４０に記載されている

分析及びその吸収スペクトルの温度依存性から決定された、水の濃度及びその他の成分の濃度は、適切な波長における流体の吸収係数の測定値から水の吸収係数の値を抽出するのに使用される。本発明の実施形態によれば、水の“抽出された”吸収係数は、水及び流体の温度を決定するために上記で記載されたものと同様の方法を用いて使用される。

温度を決定するための吸収係数の測定値は、本発明の実施形態によれば、いくつかの既知の様々な方法を使用して取得される。本発明の実施形態によれば、吸収係数の測定値は、米国仮出願６０／３２７２８８、又は参照として本明細書に組み込まれているＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＩＬ０１／００７４０に記載されている方法を使用して取得される。

ＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＩＬ０１／００７４０には、特に、材料の吸収係数を決定するために光音響法を使用することが記載されている。そのような光音響法は、材料内の位置の関数として材料の吸収係数を決定するために使用される。例えば、参照として本明細書に組み込まれているＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＩＬ０１／００７４０及び米国特許５８４００２３には、組織領域の３次元画像を生成するために光音響効果を使用することが記載されている。本発明の実施形態によれば、光音響技術を使用して決定された、位置の関数としての水の吸収係数の値は、水内の位置の関数としての水の温度を決定するために使用される。

水の吸収係数を測定する光音響法は、吸収係数が大きく（例えば１４５０ｎｍ又は１９５０ｎｍでの水の吸収ピークにおいて）、且つ容積を通過する透過光の量が少ないため透過による水のサンプル容積の吸収係数の測定値は信頼できない、という状況で使用すると便利であることに留意すべきである。光音響効果により生成された信号は、吸収係数が増加するにつれて増加する。

本発明の実施形態によれば、上記に記載された温度を決定する方法は、血液の温度を決定するために使用される。

上記に記載された本発明の実施形態による温度を決定する方法は、水及び水を含む流体を使用することに限定されない。本分野の当業者が想定するであろう方法及び変化形は、物質の吸収スペクトルが適切に温度に依存する別の物質に適用可能である。

本出願の明細書と請求項において、 “備える（comprise）”、“含む（include）”、“有する（have）”の各動詞およびその活用形は、各動詞の一つあるいは複数の目的語が、必ずしも部材（members）、構成物（components）、要素（elements）、もしくは単数あるいは複数の動詞の主語の部分（parts）を完全に列挙したものではない。

実施形態の詳細な記述を用いて本発明を説明してきたが、これらの記載は、例証として提供されているものであり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。記載された実施形態は、様々な特徴を備えるが、発明の全ての実施形態でそれらの特徴全てが必要な訳ではない。本発明のいくつかの実施形態は、いくつかの特徴のみ、または特徴のいくつかの可能な組合せを利用する。当業者は、記述された実施形態の変形および記述された実施形態において指摘された特徴の組合せとは別の組み合わせを有する本発明の実施態様を思いつくであろう。本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定される。

図１は、３８．２℃の水の既知の吸収スペクトルのグラフを示す。図２は、３８．２℃の水の吸収スペクトルに対して、異なる温度における水の吸収スペクトルがグラフ化されたグラフを示す。図３は、本発明の実施形態による、水の温度を決定するために使用される水のシュミレートされた吸収係数の測定値のグラフを示す。

Claims

少なくとも一つの波長において、
第一の物質の吸収係数の測定値を取得すること、及び
吸収係数の測定値及び前記少なくとも一つの波長における温度の関数としての吸収係数の既知の値を使用して温度を決定すること、
からなる第一の物質の温度を決定するための方法。
前記少なくとも一つの波長は、一つの波長である、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第一の物質は、水である、
ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記少なくとも一つの波長は、複数の波長である、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
温度を決定することが、
異なる一定温度に対して第一の物質の吸収係数が波長依存することを、複数のカーブのそれぞれが示しているものにおいて、その複数のカーブのどの特定のカーブが係数の測定値にベストフィットするか決定すること、及び物質の温度を特定のカーブの一定温度として決定すること、
からなる請求項４に記載の方法。
特定のベストフィットカーブを決定することは、係数の測定値から吸収スペクトルがピークを有する波長を決定すること、及びどの複数のカーブが実質的に同じ波長においてピークを有するか決定すること、
からなる請求項５に記載の方法。
前記第一の物質は水である、
ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
吸収係数の測定値は、水の吸収係数がピークを有する波長又は波長付近で取得される、
ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
吸収係数の測定値は、吸収係数がピークに達する波長に跨った、少なくとも二つの波長において取得される、
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記第一の物質は水である、
ことを特徴とする請求項１，４又は５のいずれかに記載の方法。
第一の物質は第二の物質の成分であり、及び少なくとも一つの波長において吸収係数の測定値を取得することは、第二の物質の吸収係数が実質的に第一の物質の吸収係数に等しい少なくとも一つの波長における第二の物質の吸収係数の測定値を取得すること、
である請求項１から９のいずれかに記載の方法。
前記第二の物質の温度として前記第一の物質の温度の測定値を使用することからなる、
請求項１１に記載の方法。
前記第二の物質は、生体組織である、
ことを特徴とする請求項１２のいずれかに記載の方法。
前記第二の物質は、血液である、
ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
第一の物質は第二の物質の成分であり、及び少なくとも一つの波長における第一の物質の吸収係数の測定値を取得する方法であって、
第一の物質及び材料のその他の成分が実質的に温度に依存しない、又は弱く依存するのみである複数の波長において、第二の物質の吸収係数の第一の測定値を取得すること、
取得された第一の測定値から第一の物質及び材料のその他の成分の濃度を決定すること、
第一の物質の吸収係数が温度依存する少なくとも一つの波長において、第二の物質の吸収係数の第二の測定値を取得すること、
第二の測定値及び決定された濃度から第一の物質の吸収係数を決定すること、
からなる請求項１から９のいずれかに記載の方法。
前記第二の物質の温度として前記第一の物質の温度の測定値を使用することからなる、
請求項１５に記載の方法。
前記第二の物質は、生体組織である、
ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
前記第二の物質は、血液である、
ことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
第二の物質の波長及び吸収スペクトルの温度依存性の示す形状が、第一の物質の吸収スペクトルのものと実質的に同じである、第二の物質の吸収スペクトルの波長領域内の複数の波長において、第二の物質の吸収係数の測定値を取得すること、及び
吸収係数の測定値及び複数の波長における温度の関数としての第一の物質の吸収係数の既知の値を使用して、温度を決定すること、
からなる第二の物質に含まれる第一の物質の温度を決定する方法。
温度を決定することが、
異なる一定温度に対して第一の物質の吸収係数が波長依存することを、複数のカーブのそれぞれが示しているものにおいて、その複数のカーブのどの特定のカーブが係数の測定値にベストフィットするか決定すること、及び第一の物質の温度を特定のカーブの一定温度として決定すること、
からなる請求項１９に記載の方法。
特定のベストフィットカーブを決定することは、係数の測定値から吸収スペクトルがピークを有する波長を決定すること、及びどの複数のカーブが実質的に同じ波長においてピークを有するか決定すること、
からなる請求項２０に記載の方法。
前記第一の物質は水である、
ことを特徴とする請求項１９から２１のいずれかに記載の方法。
吸収係数の測定値は、水の吸収係数がピークを有する波長又は波長付近で取得される、
ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
吸収係数の測定値は、吸収係数がピークに達する波長に跨った、少なくとも二つの波長において取得される、
ことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
前記第二の物質の温度として前記第一の物質の温度の測定値を使用することからなる、
ことを特徴とする請求項１９から２１のいずれかに記載の方法。
前記第二の物質は、生体組織である、
ことを特徴とする請求項２５のいずれかに記載の方法。
前記第二の物質は、血液である、
ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
前記第二の物質の温度として水の温度の測定値を使用することからなる、
請求項２２に記載の方法。
前記第二の物質は、生体組織である、
ことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
前記第二の物質は、血液である、
ことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
吸収係数の測定値を取得することは、光音響効果を使用した測定値を取得することからなる、
請求項１から９又は１９から２１のいずれかに記載の方法。
吸収係数の測定値を取得することは、位置の関数としての測定値を取得することからなる、
請求項３１に記載の方法。
温度を決定することは、位置の関数としての温度を決定することからなる、
請求項３２に記載の方法。