JP2007178187A - 液体検出用光ファイバセンサ及び光ファイバ式液体検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人工透析では、送血針の一部が抜け、血液が漏れて事故を起こすことがあるため、漏血を検出するための大掛かりでないセンサが望まれている。
【解決手段】 本発明では、光ファイバ１の端部を保持固定したフェルール３の外側に、フェルールの前方に収容空間部が形成されるように筒体５を装着すると共に、収容空間部に、繊維集合体６の一部分６ａを挿入して光ファイバの端面と接触させ、繊維集合体の残りの部分６ｂを筒体の外部に配置した液体検出用光ファイバセンサを提案するものである。
【選択図】 図４

Description

本発明は液体検出用光ファイバセンサ及び光ファイバ式液体検出装置に関するものである。

例えば、人工透析においては、透析装置の半透膜に生じたピンホール等により、血液が透析液中に漏出したことを検出するための漏血センサを設置している。例えば、特許文献１は、血液に対する吸収率が異なる２つのピーク波長を有する光により発光素子を別々に発光させ、透析液を透過させて受光素子により受光し、前記透析液に対する２つの波長の光の透過量を変換した電圧レベルを比較することにより、透析液中の漏血状態を検知する漏血検出器が記載されている。このように発光素子と受光素子により透析液への血液の漏出を検出する漏血検出器は特許文献２にも記載されている。

また人工透析においては、送血針の一部が抜け、その側面等に設けられている穴から血液が漏れて事故を起こすことがあるため、針を刺した皮膚の部分の近傍に漏血を検出するためのセンサを設置するのが望ましい。

このような漏血の検出に関連する技術としては、人の皮膚から血管に刺した針に、薬液注入装置から圧力の加わった薬液を供給して注入する際の薬液漏出検出技術がある。

例えば特許文献３には、針を刺した皮膚の部分に粘着剤により貼り付けるように構成したパッチに複数の電極を設け、これらの電極間における人体組織のインピーダンスの変化を検出して薬液の漏出を検出する装置が記載されている。
特開平４−３５７９６１号公報 特開平６−３２７７６６号公報 米国特許第５，９６４，７０３号明細書

以上の従来技術では次に示すような課題がある。
１．特許文献１又は特許文献２の漏血検出技術は、発光素子と受光素子の間を透過する光の透過量によって漏血を検出するものであるので、針を刺した皮膚の部分からの漏血の検出に適用するのは困難である。即ち、この漏血検出技術では、発光素子と受光素子の間に、光が邪魔されずに透過し、しかも漏出した血液が光を遮る空間が必要であるところ、このような空間を針の穿刺した部分に形成するのは困難であると共に、仮にこのような空間が形成されたとしても、発光素子と受光素子を針を刺した皮膚の部分に取り付けなければならないので大掛かりに成ってしまう。
２．また特許文献３の漏血検出技術では、微少とはいっても皮膚に電流を流すことにおいて、人に違和感を感じさせ易い。
本発明は以上の課題を解決することを目的とするものである。

即ち，上述した課題を解決するために，本発明では，光ファイバの端部を保持固定したフェルールの外側に、フェルールの前方に収容空間部が形成されるように筒体を装着すると共に、収容空間部に、繊維集合体の一部分を挿入して光ファイバの端面と接触させ、繊維集合体の残りの部分を筒体の外部に配置した構成の液体検出用光ファイバセンサを提案する。

また本発明では、光ファイバの端部を保持固定したフェルールの外側に、フェルールの前方に収容空間部が形成されるように筒体を装着すると共に、収容空間部に、繊維集合体の一部分を挿入して光ファイバの端面と接触させ、繊維集合体の残りの部分を筒体の外部に配置すると共に、収容空間部の外部に配置された繊維集合体の部分を被覆材として大きく構成した液体検出用光ファイバセンサを提案する。

そして本発明では、以上の構成において、繊維集合体は、天然繊維と化学繊維を、単独又は組み合わせて構成することを提案する。

また本発明では、以上の構成において、繊維集合体は、主として繊維間の毛細管現象による吸水性を高めた構成とすることを提案する。そして本発明では、このような構成の例として、繊維集合体を構成する繊維は、自体の吸水性は天然繊維よりも小さい化学繊維を極細として毛細管現象による吸水性を高めることを提案する。

また本発明では、発光手段と、受光強度測定手段と、それらの手段と入出力用光ファイバ間に配置した方向性結合手段とから液体検出装置本体を構成し、入出力用光ファイバに上述した光ファイバセンサを接続して構成した光ファイバ式液体検出装置を提案する。

そして本発明では、上記の光ファイバ式液体検出装置において、方向性結合手段は、ファイバカップラにより構成することを提案する。

請求項１に記載の光ファイバセンサでは、収容空間部の外部に配置された繊維集合体の部分を、皮膚から血管に刺した針の近傍に位置させた後、従来と同様に脱脂綿やガーゼ等の被覆材で覆って固定し、光ファイバセンサの光ファイバを、光コネクタにより液体検出装置本体の入出力用光ファイバに接続して使用する。

以上の使用状態において、針からの漏血がない場合には、液体検出装置本体から入出力用光ファイバを経て光ファイバセンサの光ファイバのコアを伝搬してきた光は、コアの端面において、端面に接する空気との屈折率（例えばコアの屈折率：1.46、空気の屈折率：1.0）の差により、対応する反射率で反射して液体検出装置本体に戻り、反射光の強度が測定される。

この状態において皮膚から血管に刺した針から血液が漏出すると、漏出した血液は収容空間部の外部に配置された繊維集合体の部分に吸収されて繊維集合体を拡散し、収容空間部内の部分を経て光ファイバのコアの端面に接する。

血液の屈折率は空気よりも高く、例えば血漿成分の９０％を占める水の屈折率は1.3であるためコアの端面における光の反射率が低下し、よって、コアの端面で反射して液体検出装置本体で測定される反射光の強度が低下する。従って、この反射光の強度の低下により、針からの漏血を検出することができる。

請求項２に記載の光ファイバセンサでは、収容空間部の外部に配置された繊維集合体の部分を被覆材として大きく構成しているため、脱脂綿やガーゼ等の被覆材による被覆を省略することができる。

本発明の光ファイバセンサに使用する繊維集合体は、上述した動作に示すように、吸水性と拡散性が良好であれば、繊維自体及びその集合形態を適宜に構成することができる。

この場合、繊維集合体は、主として繊維間の毛細管現象による吸水性を高めた構成とすれば、漏出した血液を効率的にコアの表面に至らせることができ、漏血の検出感度を向上することができる。

次に本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る光ファイバセンサの第１の実施の形態の構成要素を示すもので、また図２は光ファイバセンサを示すものである。また図３は図２の光ファイバセンサを用いた液体検出装置の全体構成を示すものである。
符号１は光ファイバであり、２はその被覆である。符号３は光ファイバ１の端部を保持固定したフェルールであり、その外側には、フェルール３
の前方に収容空間部４が形成されるように筒体５を装着している。符号６は繊維集合体であり、この一部分６ａを図２に示すように収容空間部４に挿入して、その先端を光ファイバ１の端面と接触させると共に、残りの部分６ｂは筒体５の外部に配置している。

ここで、繊維集合体６は、液体、例えば水分を吸収して拡散させることにより、収容空間部４外の部分６において吸収した水分を拡散して、収容空間部４内の部分６ａに効率的に移送することを目的とするもので、このような目的を達成するものであれば、適宜の構成を採用することができる。

例えば繊維集合体６を構成する繊維としては、綿、麻やパルプ等の天然繊維やポリエステル、ナイロン、ポリプロピレン、アクリル、レーヨン等の化学繊維を、単独で、又は組み合わせて使用することができる。

またこのように繊維を集合させて構成した繊維集合体６の構成も、脱脂綿等のような綿状の構成、不織布等の布状、スライバー状等の構成とすることができる。

繊維集合体６は例えば脱脂綿を利用することができ、この場合、綿繊維は、自体に吸水性を有するため、水の拡散性は化学繊維と比較して小さいが、実用上十分な拡散性を有しており、本発明における繊維集合体６を構成する繊維として適している。

一方、繊維集合体６を構成する繊維は、自体の吸水性が小さい化学繊維を使用して、拡散性を向上することができる。例えば、自体の吸水性が小さい化学繊維を使用し、この繊維を、例えば５μｍ程度の極細に形成して、主として繊維間の毛細管現象による吸水性を高めた構成とすれば、吸水性と拡散性に優れた繊維集合体６を構成することができる。

次に図３において、符号７は液体検出装置本体であり、この液体検出装置本体７は、レーザーダイオード等の発光手段８と、ホトダイオード等を要素とする受光強度測定手段９と入出力用光ファイバ１０と、方向性結合手段としてのファイバカップラ１１とを主要な構成要素としている。このファイバカップラは分岐比を１：１としている。符号１２ａは入出力用光ファイバ１０に接続した光コネクタであり、光ファイバセンサ側の光ファイバ１に接続した光コネクタ１２ｂによって接続を行う構成としている。尚、光ファイバセンサ側の光ファイバ１は、比較的短く形成し、液体検出装置本体７のコネクタ１２ａとは、延長用光ファイバを介して接続するように構成することもできる。

以上の構成において、使用においては、図４に示すように、収容空間部の外部に配置された繊維集合体６の部分６ｂを、皮膚から血管１３（図では便宜上、皮膚を省略して血管のみを模式的に示している。）に刺した針１４の近傍に位置させた後、従来と同様に脱脂綿やガーゼ等の被覆材１６で覆って固定し、光ファイバセンサの光ファイバ１を、光コネクタ１２ｂ，１２ａにより液体検出装置本体７の入出力用光ファイバ１０に接続して使用する。

以上の構成において、光ファイバ１のコアを伝搬してきた光が、その端面において反射する反射率Ｒと、受光強度測定手段９における反射光の受光強度ＰRは次の式で示される。
反射率Ｒ＝｛（ｎ_g−ｎ₀）²／（ｎ_g＋ｎ₀）²｝×100 （％）
受光強度Ｐ_R＝｛(Ｐ₀／2)×Ｒ／100｝／2
但し、ｎ_g：光ファイバのコアの屈折率、ｎ₀：コアの端面と接する媒質の屈折率、Ｐ₀：発光手段から送光される光の強度である。

そこで光ファイバセンサのコアの端面に媒質として、空気、水及び屈折率を光ファイバのコアの屈折率に整合させた液の３種類を接触させて、反射率Ｒと受光強度Ｐ_Rの理論値を求めると共に、受光強度を測定した結果は下表に示すとおりである。但し、受光強度の測定は、光ファイバの端面を研磨したものと、クリーバ切断を行ったものの２種類に付き行い、発光手段８から送光され光の強度Ｐ0は1135μＷである。またコアの屈折率は1.46である。

屈折率 反射率 受光強度 測定値（μＷ）
ｎ0 Ｒ（％） ＰR（μＷ） 端面研磨 クリーバ切断
空気 1.0 3.50 9.92 9.05 8.45
水 1.3 0.34 0.95 0.63 0.59
整合液 1.45 0.001 0.003 0.02 0.01

以上の理論計算及び測定結果から、光ファイバのコアの端面に接する媒質が空気と水の場合には、受光強度測定手段により測定する反射光の強度が１桁以上異なるので、これらの媒質を十分に識別可能であることが分かる。

以上の使用状態において、針１４からの漏血がない場合には、液体検出装置本体７から入出力用光ファイバ１０を経て光ファイバセンサの光ファイバ１のコアを伝搬してきた光は、コアの端面において、端面に接する空気との屈折率の差により、上述した表に示されるように、反射率Ｒで反射して液体検出装置本体７に戻り、受光強度測定手段９により反射光の強度が測定される。

この状態において皮膚に刺した針１４から血液が漏出すると、漏出した血液は収容空間部の外部に配置された繊維集合体６の部分６ｂに吸収されて繊維集合体６を拡散し、収容空間部内の部分６ａを経て光ファイバ１のコアの端面に接する。

血液の屈折率は空気よりも高く、例えば血漿成分の９０％を占める水の屈折率は上表に示すように、1.3であるためコアの端面における光の反射率が低下し、よって、コアの端面で反射して液体検出装置本体７で測定される反射光の強度が低下する。上述したとおり、この強度の低下は一桁以上の低下であるため、確実に水分の存在、即ち血液の存在を検出することができ、こうして針１４からの漏血を確実に検出することができる。

次に図５、図６は本発明の第２の実施の形態を示すもので、この実施の形態は、収容空間部の外部に配置された繊維集合体６の部分６ｂを、被覆材として大きく構成し、その一部が筒体５やフェルール３を覆うようにしたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様であるので、対応する要素に同一の符号を伏して重複する説明は省略する。

この第２の実施の形態では、図７に示すように、脱脂綿やガーゼ等の被覆材による被覆を省略することができるため便利である。

尚、この第２の実施の形態では、収容空間部の内部に配置された繊維集合体６の部分６ａ及びその近傍の部分６ｂの吸水性及び拡散性を、他の部分と比較してより良好に構成すれば、漏出した血液を効果的に繊維集合体６の部分６ａを経てコアの端面に至らせることができる。

次に図８は本発明の第３の実施の形態を示すもので、この実施の形態は、第２の実施の形態と同様に、外部に配置された繊維集合体６の部分６ｂを、被覆材として大きく構成したものであるが、この部分６ｂは第２の実施の形態とは異なり筒体５やフェルール３を覆わないようにしたものである。その他の構成は第２の実施の形態と同様であるので、対応する構成要素に同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

以上、本発明の光ファイバセンサ及びそれを用いた液体検出装置を、透析等における針からの漏血を検出する装置に適用した場合につき説明したが、本発明の光ファイバセンサ及びそれを用いた液体検出装置は、その他の用途における水やその他の液体の検出に用いることができるものである。

本発明の光ファイバセンサ及びそれを用いた液体検出装置は、以上のとおりであるので，以下に示すような特徴を有し，産業上の利用可能性が大である。
１．光ファイバセンサは、光ファイバのコアの端面における光の反射を利用するものであるので、発光素子と受光素子の対を必要とせず、従って大掛かりと成らず人の腕等に容易に取り付けて使用することができる。
２．繊維集合体により、光ファイバセンサの外部からコアの端面まで液体を良好に移動させることができるので、液体の検出を感度良く、確実に行うことができる。
３．皮膚等に電流を流さないので、使用する人に違和感を感じさせない。
４．また本発明の光ファイバセンサは非常に安価に構成することができるので、１回のみの使用で廃棄しても経済的に負担とならない。

本発明に係る光ファイバセンサの第１の実施の形態の構成要素を示す模式的断面図である。 本発明に係る光ファイバセンサの第１の実施の形態を示す模式的断面図である。 図２の光ファイバセンサを用いた液体検出装置の全体構成を示す模式的説明図である。 第１の実施の形態の光ファイバセンサの使用状態の模式的断面図である。 本発明に係る光ファイバセンサの第２の実施の形態を示す模式的断面図である。 本発明に係る光ファイバセンサの第２の実施の形態を示す模式的平面図である。 第２の実施の形態の光ファイバセンサの使用状態の模式的断面図である。 本発明に係る光ファイバセンサの第３の実施の形態を示す模式的平面図である。

符号の説明

１ 光ファイバ
２ 被覆
３ フェルール
４ 収容空間部
５ 筒体
６ 繊維集合体
６ａ 収容空間部内の部分
６ｂ 収容空間部外の部分
７ 液体検出装置本体
８ 発光手段
９ 受光強度測定手段
１０ 入出力用光ファイバ
１１ 方向性結合手段（ファイバカップラ）
１２ａ，１２ 光コネクタ
１３ 血管
１４ 針
１５ 穴
１６ 脱脂綿等の被覆材

Claims (7)

1. 光ファイバの端部を保持固定したフェルールの外側に、フェルールの前方に収容空間部が形成されるように筒体を装着すると共に、収容空間部に、繊維集合体の一部分を挿入して光ファイバの端面と接触させ、繊維集合体の残りの部分を筒体の外部に配置したことを特徴とする液体検出用光ファイバセンサ。
2. 光ファイバの端部を保持固定したフェルールの外側に、フェルールの前方に収容空間部が形成されるように筒体を装着すると共に、収容空間部に、繊維集合体の一部分を挿入して光ファイバの端面と接触させ、繊維集合体の残りの部分を筒体の外部に配置すると共に、収容空間部の外部に配置された繊維集合体の部分を被覆材として大きく構成したことを特徴とする液体検出用光ファイバセンサ。
3. 繊維集合体は、天然繊維と化学繊維を、単独又は組み合わせて構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の液体検出用光ファイバセンサ。
4. 繊維集合体は、主として繊維間の毛細管現象による吸水性を高めた構成としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体検出用光ファイバセンサ。
5. 繊維集合体を構成する繊維は、自体の吸水性は天然繊維よりも小さい化学繊維を極細として毛細管現象による吸水性を高めたことを特徴とする請求項４に記載の液体検出用光ファイバセンサ。
6. 発光手段と、受光強度測定手段と、それらの手段と入出力用光ファイバ間に配置した方向性結合手段とから液体検出装置本体を構成し、入出力用光ファイバに請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバセンサを接続して構成したことを特徴とする光ファイバ式液体検出装置。
7. 方向性結合手段は、ファイバカップラにより構成したことを特徴とする請求項６に記載の光ファイバ式液体検出装置。
   

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