JP2006275710A - Concentration measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は尿中に含まれる成分の測定、特にグルコース濃度を高精度に測定する技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for measuring components contained in urine, particularly for measuring glucose concentration with high accuracy.
尿中の成分を測定することは健康を管理する上で有用なことはよく知られている。特に尿中グルコース濃度の測定は年々増え続ける糖尿病の指標となるので重要である。尿中のグルコース濃度、すなわち尿糖を判別する方法としては試験紙を用いた方法が一般的である。試験紙には通常、酵素を用いてはいるが、使い捨てのものであるため、特にメンテナンス等は必要でない。しかし、この方式は第一に尿に触れる可能性が大きいため不衛生的であり、また、一度紙コップなどで尿を採取してから試験紙を浸すなど、作業も面倒である。また、試験紙法自体が定性的に判断するものであるため、定量的な測定はできないという問題点も挙げられる。 It is well known that measuring components in urine is useful in managing health. In particular, measurement of urinary glucose concentration is important because it is an indicator of diabetes that is increasing year by year. As a method for discriminating the glucose concentration in urine, that is, urine sugar, a method using a test paper is generally used. Usually, an enzyme is used for the test paper, but since it is disposable, no maintenance or the like is required. However, this method is unsanitary because it has a high possibility of touching urine, and the work is troublesome, such as collecting urine once with a paper cup and then immersing the test paper. Moreover, since the test paper method itself is qualitatively judged, there is a problem that quantitative measurement cannot be performed.
代表的な定量的方法としてGOD(グルコースオキシダーゼ)法などの酵素を用いたケミカルセンサーが知られている。上記の方法は選択透過膜を塗布した電極上にGODを固着させた酵素膜を設ける構成となっている。尿に接触させると以下の反応が起こる。
C6H12O6→C6H10O6+H2O2・・・(1)
H2O2→H2O+1/2O2+e-・・・(2)
C6H12O6はグルコース、C6H10O6はグルコン酸
しかしながら、尿中酸素量が限られるので(1)の反応は所定の濃度で飽和する。このため、尿の希釈やセンサーの接触時間を制限する必要がある。
As a typical quantitative method, a chemical sensor using an enzyme such as GOD (glucose oxidase) method is known. In the above method, an enzyme membrane having GOD fixed thereon is provided on an electrode coated with a selectively permeable membrane. The following reactions occur when in contact with urine:
C6H12O6 → C6H10O6 + H2O2 (1)
H2O2 → H2O + 1 / 2O2 + e -... (2)
C6H12O6 is glucose and C6H10O6 is gluconic acid. However, since the amount of oxygen in urine is limited, the reaction (1) is saturated at a predetermined concentration. For this reason, it is necessary to limit urine dilution and sensor contact time.
図6は従来の発明による尿糖測定装置の模式図を示す。図中、筐体47はケミカルセンサー45を保持し、導管46に接続されている。導管46は採取した尿を通液させてケミカルセンサー45に接触させる。制御手段41は参照導線42、作用導線43および対極配線44の電気信号より尿糖の濃度を測定する。ケミカルセンサー45は上述のGOD法によるものである。測定時には導管46から所定時間尿が通液されて、ケミカルセンサー45に接触し、制御手段43により演算されて尿と尿糖濃度を測定した後、導管46から通液されて排出される。
FIG. 6 shows a schematic diagram of a urine sugar measuring apparatus according to the conventional invention. In the figure, a
図7は特許文献1に基づくケミカルセンサー45の接触時間を2秒とすることにより測定範囲を広める効果を表す。図中、横軸はグルコース濃度を示し縦軸はセンサーの出力(電流)を示す。相関曲線7は従来通りに尿に充分接触させた場合のグルコース濃度とセンサー出力の相関を示し、相関曲線8は2秒間のみ尿に接触させた場合のグルコース濃度とセンサー出力の相関を示す。相関曲線52はおよそ150mg/dl付近で平衡状態となり、それ以上の濃度での測定は困難となる。これに対して、相関曲線53は約800mg/dl付近まで良好な濃度依存性を示す。すなわち、接触時間を制限することによって測定範囲を広げることが出来る。
FIG. 7 shows the effect of widening the measurement range by setting the contact time of the
一方、光学的に尿糖の濃度を測定することもできる。旋光度を用いた光学的方式においては、直接試料に触れることなく測定することが可能であり、センサー部に汚れが付着することもないため、特に部品の交換や消耗品等を必要とせず、長い期間において測定が可能である。 On the other hand, the concentration of urine sugar can also be measured optically. In the optical method using optical rotation, it is possible to measure without touching the sample directly, and dirt does not adhere to the sensor part, so there is no need for parts replacement or consumables, Measurement is possible over a long period.
旋光度より試料内の旋光性物質の濃度を求める方法の原理は式1に基づく。
θ=1/100×[α]λ T×c×L (式1)
ここで、θは旋光度であり、一般に右旋光方向を+、左旋光方向を−とする。[α]λ Tは光線の波長がλ、温度がTの場合の旋光性物質の比旋光度であり、物質固有の係数である。また、cは試料中の旋光性物質の濃度、Lは試料の光路長である。式1において、前述のように比旋光度[α]λ Tは濃度測定前に既知の係数であり、試料の光路長Lも同様に既知の値であるため、試料に光線を通したときの旋光度θを測定することにより、試料中の旋光性物質の濃度cを求めることが出来る。
The principle of the method for obtaining the concentration of the optically rotatory substance in the sample from the optical rotation is based on Equation 1.
θ = 1/100 × [α] λ T × c × L (Formula 1)
Here, θ is the optical rotation, and generally the right optical rotation direction is + and the left optical rotation direction is −. [α] λ T is the specific rotation of the optical rotatory material when the wavelength of the light beam is λ and the temperature is T, and is a coefficient specific to the material. C is the concentration of the optical rotatory substance in the sample, and L is the optical path length of the sample. In Equation 1, as described above, the specific rotation [α] λ T is a known coefficient before the concentration measurement, and the optical path length L of the sample is also a known value. By measuring the optical rotation angle θ, the concentration c of the optical rotatory substance in the sample can be obtained.
詳細システム構造について特許文献2に基づいて図7を用いて説明する。尿は測定容器55に溜まり、光学系51にて旋光度測定が以下のごとく行われる。測定容器55は光を透過させるように窓部をガラスで構成した容器である。レーザダイオード21から出射した光束は、レンズ22でコリメートされ、平行光となり、偏光子23Aにより、垂直方向から45°傾斜した方向に振動する直線偏光になる。次に、液晶素子31により水平方向もしくは垂直方向の偏光成分が位相変調される。液晶素子31は、水平方向もしくは垂直方向に液晶分子長軸が揃ったホモジニアス配向の液晶素子であり、電圧印加により液晶分子が立ち、分子長軸方向の屈折率が変化し、位相変調を行う事ができる。
ここで、液晶素子31により一方の偏光成分のみに位相変調を加えると、直交する偏光成分同士で干渉させる事になる。
A detailed system structure will be described with reference to FIG. Urine is collected in the
Here, if phase modulation is applied to only one polarization component by the
次に、透過光はハーフミラー24により反射光と直進光に分岐され、直進光は、水平軸と垂直軸が45°傾斜した4分の1波長板26Aに入射し、水平・垂直方向の振動成分をそれぞれ反対方向に回転する円偏光成分に変換する事ができる。さらに、直進光は尿の測定容器55に入射し、尿の旋光度に伴った右回り円偏光と左回り円偏光間で±θの位相差が与えられる。さらに、4分の1波長板26Aと光軸が一致もしくは直交する4分の1波長板26Bを透過し、左右回りの円偏光が、それぞれ水平もしくは垂直方向に直交する偏光成分に変換される。
Next, the transmitted light is branched into reflected light and straight light by the
水平もしくは垂直方向から45°傾斜した偏光子23Bを透過する事により、上述の直交する偏光成分間の干渉信号が得られ、一方の光速が位相変調されているためビート信号が得られ、フォトダイオード29Aにより電気信号に変換される。フォトダイオード29Bより得られるビート信号は、試料の旋光度の影響は受けておらず、フォトダイオード29A、29Bの信号間の位相差により、尿の旋光度が検出されることによって濃度を求める事ができる。
By transmitting the
制御信号回路52は信号線53を介して液晶駆動信号により液晶素子31を制御する。また、制御信号回路52はフォトダイオード29Aからの信号を信号線56を介して受けるとともに、フォトダイオード29Bからの信号を信号線54を介して受けて、それらの信号を基に演算されて糖濃度が算出される。
The
上述した濃度測定手段の1つであるケミカルセンサーにおいては測定範囲は充分とは言えず、極端な接触時間の短縮や希釈は測定精度の低下を招く。また、旋光度による測定においてはケミカルセンサーに比べて測定誤差が大きい。
そこで、本発明では上述した問題点を解決し、誤差のない尿中の成分濃度を広範囲に測定する濃度測定装置の構造を提供することを目的とする。
In the chemical sensor which is one of the concentration measuring means described above, the measurement range is not sufficient, and extreme shortening of the contact time or dilution causes a decrease in measurement accuracy. In addition, the measurement error in the measurement based on the optical rotation is larger than that of the chemical sensor.
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a structure of a concentration measuring apparatus that measures a wide range of component concentrations in urine without error.
これらの課題を解決するために本発明による濃度測定装置は、下記に記載の手段を採用する。 In order to solve these problems, the concentration measuring apparatus according to the present invention employs the following means.
本発明の濃度測定装置は、定量的に所定の成分を測定する手段を備える濃度測定装置であって、定量的に所定の成分を測定する手段としてケミカルセンサーと光学式センサーを備え、所定の濃度を境に2つの濃度領域に分け、第1の濃度領域においてはケミカルセンサーを使用した測定手段による測定結果を濃度測定結果とし、第2の濃度領域においては光学式センサーを使用した測定手段による測定結果を濃度測定結果とすることを特徴とする。 The concentration measuring device of the present invention is a concentration measuring device comprising a means for quantitatively measuring a predetermined component, comprising a chemical sensor and an optical sensor as means for quantitatively measuring the predetermined component, and having a predetermined concentration In the first concentration region, the measurement result by the measuring means using the chemical sensor is used as the concentration measurement result, and in the second concentration region, the measurement is performed by the measuring means using the optical sensor. The result is a density measurement result.
さらには、所定の成分を測定手段が尿成分測定手段であり、第1の濃度領域は所定の濃度より低い濃度領域であることは有効である。また、ケミカルセンサーおよび光学式センサーを使用した測定手段による測定値が第1の濃度領域であった場合はケミカルセンサーを使用した測定手段による測定結果を濃度測定結果とし、第2の濃度領域であった場合は光学式センサーを使用した測定手段による測定結果を濃度測定結果とすることが好ましい。さらには、ケミカルセンサーは、光学式センサー内に備えられた測定容器内部に有し、光路を妨げない位置に備えられることも好ましい。 Further, it is effective that the measurement means for measuring the predetermined component is the urine component measurement means, and the first concentration region is a concentration region lower than the predetermined concentration. In addition, when the measurement value obtained by the measurement means using the chemical sensor and the optical sensor is in the first concentration region, the measurement result obtained by the measurement means using the chemical sensor is set as the concentration measurement result, and the second concentration region is obtained. In this case, it is preferable that the measurement result by the measuring means using an optical sensor is used as the concentration measurement result. Furthermore, it is also preferable that the chemical sensor is provided in a measurement container provided in the optical sensor and provided at a position that does not obstruct the optical path.
(作用)
従来の尿糖計は酵素を用いた手段によって濃度測定を行うのが通常である。この手段の課題は尿中酸素量の限界によって反応が所定以上の量は起こらずに出力が頭打ちとなる(飽和する)ことである。すなわち、測定範囲が制限される。このため、尿の希釈やセンサーの接触時間の短縮によって測定範囲を広げようとしている。しかしながら、試験紙は2000mg/dl程度までは定性的に測定可能になっており、上記の工夫だけでは困難な測定範囲である。また、無理な尿の希釈や測定時間の短縮は精度に低下につながり、希釈するための機構は複雑になる。
(Function)
A conventional urine sugar meter usually measures the concentration by means using an enzyme. The problem with this means is that the output reaches a peak (saturates) without a reaction exceeding a predetermined amount due to the limit of the amount of oxygen in urine. That is, the measurement range is limited. For this reason, the measurement range is being expanded by diluting urine or shortening the contact time of the sensor. However, the test paper can be qualitatively measured up to about 2000 mg / dl, which is a difficult measurement range only by the above-mentioned device. Moreover, excessive dilution of urine and shortening of measurement time lead to a decrease in accuracy, and the mechanism for dilution becomes complicated.
図5は本発明の考え方を示すための尿糖測定濃度と実際の濃度との相関を示す。図中、曲線3はケミカルセンサー(酵素式)による測定の相関を示す。曲線1は光学測定による上限誤差の測定相関を示し、曲線2は光学測定による下限誤差の測定相関を示す。すなわ
ち、光学測定による測定は曲線1と曲線2の誤差範囲で行う。なお、酵素法による誤差範囲は小さいので図示しない。ここで、曲線2は800mg/dlで飽和して相関が悪くなる。本発明は濃度領域4(0mg/dlから600mg/dl未満)では酵素式測定によって測定(曲線3)し、濃度領域5(600mg/dl以上から2000mg/dl以下)では光学式測定によって測定(曲線1、曲線2)する。
FIG. 5 shows the correlation between the measured urine sugar concentration and the actual concentration for illustrating the concept of the present invention. In the figure,
すなわち、本発明においては、高濃度領域でも測定可能な旋光計の特長を生かし、測定部に酵素センサーと旋光計を備えておき、酵素センサーが測定困難な高濃度領域では旋光計での測定結果を有効とする。このことにより、低濃度領域においては精度の良い(精度±1mg/dl)酵素センサーを用い、高濃度領域では旋光計(±10mg/dl)を使うので、広範囲な測定を精度良く行える。例えば、100mg/dlの低濃度範囲では±1mg/dl(誤差範囲±1%)の精度となるのに対して、1000mg/dlの高濃度では±10mg/dl(誤差範囲±1%)の精度となり、同程度の誤差範囲となる。 That is, in the present invention, taking advantage of the polarimeter capable of measuring even in a high concentration region, the measurement unit is equipped with an enzyme sensor and a polarimeter, and in the high concentration region where the enzyme sensor is difficult to measure, the measurement result with the polarimeter Is valid. As a result, a high-precision (accuracy ± 1 mg / dl) enzyme sensor is used in the low concentration region and a polarimeter (± 10 mg / dl) is used in the high-concentration region. For example, the accuracy is ± 1 mg / dl (error range ± 1%) in the low concentration range of 100 mg / dl, whereas the accuracy is ± 10 mg / dl (error range ± 1%) in the high concentration of 1000 mg / dl. Thus, the error range is comparable.
以上の説明のように、本発明の濃度測定装置においては、下記に記載する効果を有する。尿を希釈したり測定時間を制限することなく広い測定範囲をカバーできる。また、緩衝
液が不要なことより、ユーザーの煩わしさが軽減されると共に経費がかからない。また、緩衝液を貯蔵するためのスペースは不要となり、濃度測定装置全体の小型化が可能となるので、例えば便座中に備えることも可能となる。
As described above, the concentration measuring device of the present invention has the effects described below. A wide measurement range can be covered without diluting urine or limiting the measurement time. Further, since the buffer solution is unnecessary, the user's troublesomeness is reduced and the cost is not increased. In addition, a space for storing the buffer solution is not necessary, and the entire concentration measuring device can be downsized. For example, it can be provided in the toilet seat.
以下、図面を用いて本発明を利用した濃度測定装置の最適な実施形態を説明する。
(第一の実施形態)
図1は本発明の第一の実施形態の例である。
Hereinafter, an optimum embodiment of a concentration measuring apparatus using the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is an example of the first embodiment of the present invention.
図1は本発明による濃度測定装置の模式図を示す。図中、導管20はバルブ18に接続される方向とバルブ75に接続される方向に二股に分かれる。バルブ18を開くことによって導管16を介して尿を筐体17へ導入し、バルブ75を開くことによって導管19を介して尿を測定容器71へ導入する。測定容器71は光路78を透過させるように窓部をガラスで構成した容器である。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a concentration measuring apparatus according to the present invention. In the figure, the
筐体17はケミカルセンサー15を保持し、導管16に接続されている。導管16は採取した尿を通液させケミカルセンサー15に接触させる。ケミカルセンサー制御手段11は参照導線12、作用導線13および対極配線14からの電気信号を処理して濃度を求め、結果を信号線群77を介して総合制御手段76に送る。
The
光学系72は測定容器71内部の旋光成分濃度に伴う信号が接続線群74を介して光学制御手段75に送信される。光学制御手段75は光学系72からの信号を処理して濃度を求め、結果を信号線群89を介して総合制御手段76に送る。
In the
総合制御手段76はケミカルセンサー制御手段11からの結果を信号線群77を介して受け、光学制御手段72からの結果を信号線群89を介してうけてどちらかの結果を決定する。また、総合制御手段76は測定全体のシステムの制御も行う。
The overall control means 76 receives the result from the chemical sensor control means 11 via the
図2は総合制御手段76のシステムフローチャートを示す。測定を開始(実行ステップ91)すると、実行ステップ92によりバルブ18を開き、バルブ15を閉じて尿を導管16に通液させる。次に、実行ステップ93により酵素測定法による尿糖濃度を測定する。次に、判断ステップ94により上記結果が600mg/dl以上かどうかを判定する。上記結果が600mg/dl未満であれば、実行ステップ95により上記結果を尿糖値とし、測定を終了する。上記結果が600mg/dl以上であれば、実行ステップ96によりバルブ18を閉じてバルブ75を開き導管19に尿を通液する。次に、実行ステップ97により測定容器71に溜まった尿糖濃度を光学系72を使って光学制御手段75によって測定し、実行ステップ98により上記結果を尿糖値とし、測定を終了する。すなわち、測定結果として600mg/dl未満の濃度の場合は酵素式により測定した値とし、600mg/dl以上の場合は光学式により測定された値とする。
FIG. 2 shows a system flowchart of the comprehensive control means 76. When measurement is started (execution step 91),
(第二の実施形態)
図3は本発明の第二の実施形態の例である。
(Second embodiment)
FIG. 3 shows an example of the second embodiment of the present invention.
導管39は測定容器81に接続され、尿を測定容器81へ通液する。測定容器81は光路80を透過させるように窓部をガラスで構成した容器である。測定容器81の内部にはケミカルセンサー35を光路80を避ける位置に保持し、内部に溜められた旋光成分濃度を光学系83およびセンサー35によって測定する事が可能である。導管50は測定容器81に接続され、尿を測定容器81から排出する。
The
ケミカルセンサー制御手段38は参照導線32、作用導線33および対極配線34から
の電気信号を処理して濃度を求め、結果を信号線群87を介して総合制御手段86に送る。光学系82は測定容器81内部の旋光成分濃度に伴う信号が接続線群84を介して光学制御手段85に送信される。光学制御手段85は光学系82からの信号を処理して濃度を求め、結果を信号線群90を介して総合制御手段86に送る。
The chemical sensor control means 38 processes the electrical signals from the
総合制御手段86はケミカルセンサー制御手段38からの結果を信号線群87を介して受け、光学制御手段85からの結果を信号線群90を介してうけてどちらかの結果を決定する。また、総合制御手段86は測定全体のシステムの制御も行う。
The comprehensive control means 86 receives the result from the chemical sensor control means 38 via the
図4は総合制御手段86のシステムフローチャートを示す。測定を開始(実行ステップ61)すると、実行ステップ62により尿を導管16に通液させる。次に、実行ステップ63により酵素測定法による尿糖濃度を測定するとともに、光学制御手段85によって測定する。次に、実行ステップ64により尿が排出された後、判断ステップ65により尿糖濃度が600mg/dl以上かどうかを判定する。ケミカルセンサー制御手段38による結果が600mg/dl未満であれば、実行ステップ66によりケミカルセンサー制御手段38による測定結果を尿糖値として測定を終了する。上記結果が600mg/dl以上であれば、実行ステップ67により光学制御手段85によって測定した結果を尿糖値として測定を終了する。すなわち、測定結果として600mg/dl未満の濃度の場合は酵素式により測定した値とし、600mg/dl以上の場合は光学式により測定された値とする。
FIG. 4 shows a system flowchart of the comprehensive control means 86. When the measurement is started (execution step 61), the urine is passed through the
本実施の形態においては尿糖について述べたが、尿糖に限るものではなくアスコルビン酸や乳酸などの他成分についても同様であり、尿中成分に限らない。それに判ってケミカルセンサーの種類も異なる。光学測定の旋光測定に限らず、光吸収なども同様に使用可能である。また、所定の濃度をケミカルセンサーが濃度に比例する限界の800mg/dlよりやや小さい600mg/dlとしたが、これに限るものではない。さらには、所定濃度の測定手段としてケミカルセンサーとしたが、光学式センサーでも良い。 Although urine sugar has been described in the present embodiment, it is not limited to urine sugar, but is the same for other components such as ascorbic acid and lactic acid, and is not limited to urine components. The type of chemical sensor is also different. Not only optical rotation measurement but also optical absorption can be used in the same manner. Further, although the predetermined concentration is 600 mg / dl which is slightly smaller than the limit of 800 mg / dl which is proportional to the concentration of the chemical sensor, it is not limited to this. Furthermore, although a chemical sensor is used as the measuring means for the predetermined concentration, an optical sensor may be used.
11 ケミカルセンサー制御回路
15 酵素センサー
18 バルブ
71 測定容器
72 光学系
76 総合制御回路
74 信号線群
92 実行ステップ
94 判断ステップ
11 Chemical
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