JP2008157809A - Laser output control device and optical measuring unit - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ出力制御装置および光学測定ユニットに係り、特に小型化、高精度化を実現したレーザ出力制御装置および光学測定ユニットに関する。 The present invention relates to a laser output control device and an optical measurement unit, and more particularly, to a laser output control device and an optical measurement unit that achieve miniaturization and high accuracy.
被測定部位の内部の糖度を検出する方法として、侵襲法と非侵襲法がある。 There are invasive methods and non-invasive methods as methods for detecting the sugar content inside the measurement site.
糖度検出の一例として生体内の血糖値の測定方法についていえば、採血法(侵襲法)と無採血法(非侵襲法)である。採血法は、採血した血液を通常はグルコース酸化酵素法により、簡便法としては試薬と反応させ、その反応色から比色を用いて血糖値を求める方法が行われている。無採血法は、さまざまな手法が報告されているが、例えば光学的に測定する方法が知られている。 As an example of detecting the sugar content, a blood collection method (invasive method) and a non-blood collection method (non-invasive method) are methods for measuring a blood glucose level in a living body. As a blood sampling method, a method is generally used in which the collected blood is reacted with a reagent usually by glucose oxidase method, and a blood glucose level is obtained from the reaction color using a colorimetric method. Various methods have been reported for the bloodless method, and for example, a method for optical measurement is known.
血糖値を光学式に測定する方法は、非測定者にとっては最も負荷が少なく、また利便性も高いため、期待されている。光学式な血糖値の測定では、グルコースによる光の吸収(吸光率)を測定に基づいて行われることが一般的である。しかしながら、吸光率から血糖値を測定することは、測定対象であるグルコースの吸光率の低さや、分析に使用される波長の関係からも感度が低く非常に困難とされる。その測定を改善する方法として、スペクトル分析およびその2次微分処理による統計的手法に基づいた測定方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 The method of optically measuring the blood glucose level is expected because it has the least load and high convenience for non-measurers. In the measurement of an optical blood glucose level, light absorption (absorption rate) by glucose is generally performed based on the measurement. However, it is very difficult to measure the blood sugar level from the absorbance because the sensitivity is low because of the low absorbance of glucose as a measurement target and the wavelength used for analysis. As a method for improving the measurement, a measurement method based on a statistical method based on spectrum analysis and second-order differential processing has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
また、赤外光分析により血糖値を求める際の環境条件変化などに対処する校正を高精度に行い、無侵襲血糖値測定の測定精度を向上させることを目的とした血糖値測定における校正用参照体ならびにこれを用いた血糖値測定方法及び血糖値測定装置というものが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
しかしながら、これらの2次微分処理による方法は、その処理過程において、言わば定性分析量といわれるものとなる。そのため、定量的分析量とするために、参照されるべき測定物(参照体)が必要となり、その参照体の測定結果と、被測定物での測定値と比較(演算)することで、最終的な定量値として求めることが可能となる。 However, these secondary differential processing methods are called qualitative analysis amounts in the process. Therefore, in order to obtain a quantitative analysis amount, a measurement object (reference object) to be referred to is necessary. By comparing (calculating) the measurement result of the reference object and the measurement value of the object to be measured, As a quantitative value, it can be obtained.
例えば、参照体と被測定物とを同時に測定し、その測定結果から定量分析を行う方法がある。 For example, there is a method in which a reference object and an object to be measured are measured simultaneously, and quantitative analysis is performed from the measurement results.
この方法においては、ハロゲンランプ等の光源ら出射されたビームは、熱遮蔽版、ピンホール、およびレンズを介してファイバにより被測定部位まで導光される。被測定物に照射されたビームの透過光をミラーにて集光し、受光部にて吸光率として信号処理される。また、同一時系列にて、参照体も測定し、受光部にて検知した透過光を基準の吸光率として被測定物の実測値を補正する(何れも図示せず)。 In this method, a beam emitted from a light source such as a halogen lamp is guided to a measurement site by a fiber through a heat shielding plate, a pinhole, and a lens. The transmitted light of the beam irradiated to the object to be measured is collected by a mirror, and signal processing is performed as an absorptivity at the light receiving unit. In addition, the reference body is also measured in the same time series, and the actual measurement value of the object to be measured is corrected using the transmitted light detected by the light receiving unit as the standard absorbance (none of which is shown).
この方法では、同一時系列にて参照体と被測定物とを測定することで、測定誤差を最小に抑えることが可能になっている。しかしながら、このような方法では、測定系に参照体(例えば所定の容積の純水)を配置する必要があり、測定装置そのものが大型化する傾向にある。 In this method, it is possible to minimize the measurement error by measuring the reference object and the object to be measured in the same time series. However, in such a method, it is necessary to arrange a reference body (for example, a predetermined volume of pure water) in the measurement system, and the measurement apparatus itself tends to be enlarged.
また、このような参照体が測定装置内に存在しないような構成の場合には、実際の被測定物を測定する以前に、参照体(純水)にて同じ測定を行い、その測定結果を内部にて基準データとして使用する方法が考えられる。しかしながら、この場合、同一時系列的に測定していないため、誤差要因が大きくなる。 In addition, in the case where such a reference object does not exist in the measuring apparatus, the same measurement is performed with the reference object (pure water) before measuring the actual object to be measured, and the measurement result is obtained. A method of using it internally as reference data is conceivable. However, in this case, since the measurement is not performed in the same time series, the error factor becomes large.
また、一般的にスペクトル分析による方法は、その光源として、広域且つ、平坦なスペクトル特性をもつ光源である必要がある。しかしながら、実際には、広域な特性を持つ光源は皆無といえ、上記の方法で測定する場合には、スペクトルでの光量の均一性を保つことが必要である。 In general, a method based on spectral analysis needs to be a light source having a broad and flat spectral characteristic as a light source. However, in reality, there are no light sources having a wide range of characteristics, and when measuring by the above method, it is necessary to maintain the uniformity of the light quantity in the spectrum.
いずれにせよ、参照体を同時または測定前に測定することは手間を有する行為であり、装置の大型化や、測定時間の増加を伴う問題があった。また、吸光率は、被測定物に照射した出力対受光した出力であるため、参照体にてスペクトルの特性を平坦に補正したとしても、光源の出力を均一にすることが望ましい。 In any case, measuring the reference object at the same time or before the measurement is an tedious action, and there are problems associated with an increase in the size of the apparatus and an increase in measurement time. Further, since the extinction coefficient is the output irradiated to the object to be measured versus the received light, it is desirable to make the output of the light source uniform even if the spectral characteristics are corrected flat by the reference body.
上記に限らず、光学式に被測定部位内部の特定成分を測定する場合、所謂、分光分析またはスペクトル分析(Fourier Transform Infrared Spectrometer:FTIR)などと統計的な手法を用いた方法が提案されているが、定性分析のためには、参照体での測定が必要となる。また、光源の不均一性を補正する意味でも参照体の測定が必要である。また、スペクトル分析に使用する分光器は、ある程度の光路長を確保する必要があり、測定装置の小型化には限界がある。また、FTIR分析装置による方法も、光路およびミラーなどの可動部の存在から小型化は不可能といえ、これらを用いた装置の小型化が進まない問題があった。 In addition to the above, when a specific component inside a measurement site is optically measured, a method using a so-called spectroscopic analysis or spectral analysis (FTIR) or a statistical method has been proposed. However, for qualitative analysis, measurement with a reference material is required. In addition, it is necessary to measure the reference body in order to correct the non-uniformity of the light source. In addition, a spectroscope used for spectrum analysis needs to secure a certain optical path length, and there is a limit to downsizing the measuring apparatus. Also, the method using the FTIR analyzer cannot be miniaturized because of the presence of movable parts such as an optical path and a mirror, and there is a problem that miniaturization of the apparatus using these does not progress.
本発明は、上記した点に鑑み、測定精度が向上可能なレーザ出力制御装置および光学測定ユニットを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the laser output control apparatus and optical measurement unit which can improve a measurement precision in view of an above-described point.
本発明は上述した諸々の事情に鑑み成されたもので、第1に、光源から出射される複数の異なる出射波長の近赤外レーザ光の出力を制御するレーザ出力制御装置であって、前記光源から出射される前記近赤外レーザ光の一部を受光する光検出器と、該光検出器の受光結果により前記近赤外レーザ光の出力を一定に制御する第1レーザ出力制御回路と、前記出射波長により光の吸収量が異なる補正板と、該補正板に前記近赤外レーザ光の一部を透過させた際の前記吸収量に基づき前記光源から出射される前記近赤外レーザ光の出力を補正する第2レーザ出力制御回路と、を具備することにより解決するものである。 The present invention has been made in view of the various circumstances described above. First, a laser output control device that controls the output of near-infrared laser beams having a plurality of different emission wavelengths emitted from a light source, A photodetector that receives a part of the near-infrared laser light emitted from a light source, and a first laser output control circuit that controls the output of the near-infrared laser light to be constant according to a light reception result of the photodetector; A correction plate having a different amount of light absorption depending on the emission wavelength, and the near-infrared laser emitted from the light source based on the absorption amount when a part of the near-infrared laser light is transmitted through the correction plate. This is solved by providing a second laser output control circuit for correcting the output of light.
第2に、光学的に被測定部位における糖分を測定する光学測定ユニットであって、前記被測定部位に対して出射波長がそれぞれ第1波長、第2波長および第3波長の近赤外レーザ光を個別に出力する光源と、前記近赤外レーザ光の一部を受光する光検出器とを有する発光部と、前記被測定部位で反射した前記近赤外レーザ光の反射光をそれぞれ検出する受光部と、前記光検出器の受光結果により前記近赤外レーザ光の出力を一定に保持する第1レーザ出力制御回路と、前記出射波長により光の吸収量が異なる補正板と、該補正板に前記近赤外レーザ光の一部を透過させた際の前記吸収量に基づき前記近赤外レーザ光の出力を補正する第2レーザ出力制御回路と、を具備することにより解決するものである。 Second, an optical measurement unit that optically measures the sugar content at the site to be measured, and the near-infrared laser light having emission wavelengths of the first wavelength, the second wavelength, and the third wavelength, respectively, with respect to the site to be measured Each of which detects a reflected light of the near-infrared laser light reflected from the measurement site, and a light-emitting unit having a light source that individually outputs a light source, a light detector that receives a part of the near-infrared laser light A light receiving unit; a first laser output control circuit that holds the output of the near infrared laser light constant according to a light reception result of the photodetector; a correction plate having a different amount of light absorption depending on the emission wavelength; and the correction plate And a second laser output control circuit that corrects the output of the near-infrared laser beam based on the amount of absorption when a part of the near-infrared laser beam is transmitted. .
本発明によれば、例えば非侵襲で小型の光学測定ユニットに好適に用いられるレーザ出力駆動装置(レーザ出力制御装置)において、測定精度が向上するようなレーザ出力を行うことができる。 According to the present invention, for example, in a laser output driving device (laser output control device) suitably used for a non-invasive and small optical measurement unit, it is possible to perform laser output that improves measurement accuracy.
第1に、第1レーザ出力制御回路にてレーザ出力を一定に保ち、更に純水と同等の光の吸収特性を有する補正板に近赤外レーザ光の一部を透過させ、第2レーザ出力制御回路にて水の吸光率に基づく波長の変動量を補正信号として、第1レーザ出力制御回路にてレーザ出力を一定にするべく生成された信号に負加算する。このレーザ光を用いて、被測定物を測定することにより、その測定値として、自動的に純水による光の吸収量で補正された値が得られる。従って、光学測定ユニットに採用した場合に、測定精度を向上させることができる。 First, the laser output is kept constant by the first laser output control circuit, and a part of the near-infrared laser light is transmitted through a correction plate having light absorption characteristics equivalent to that of pure water. The control circuit adds the wavelength variation based on the light absorption rate of the water as a correction signal, and negatively adds it to the signal generated by the first laser output control circuit to make the laser output constant. By measuring an object to be measured using this laser light, a value automatically corrected by the amount of light absorbed by pure water is obtained as the measured value. Therefore, measurement accuracy can be improved when employed in an optical measurement unit.
本発明では、補正板として小型の石膏ボードを採用し、補正板をレーザ出力制御装置に保持して、補正板の光の吸収量に基づきハードウエア的にレーザ出力を制御するものである。従って、例えば所定の容積の純水を参照体として測定系に保持し、参照体に基づき測定値をソフトウエア的に補正する従来構造と比較して装置の小型化が実現する。従って、本発明のレーザ出力制御装置(/レーザ出力制御回路/レーザ出力制御回路部)を光学測定ユニットに採用した場合に小型化が実現する。また照射するレーザ光として3つの単一波長を利用するので、スペクトル分析手法と比較して、装置の小型化、測定時間の短縮が図られる。また、同一時間系列にて測定するため、誤差要因を少なくすることができ、光学測定ユニットの高精度化も実現する。 In the present invention, a small gypsum board is used as the correction plate, the correction plate is held in a laser output control device, and the laser output is controlled by hardware based on the amount of light absorbed by the correction plate. Therefore, for example, the apparatus can be reduced in size as compared with the conventional structure in which pure water having a predetermined volume is held in the measurement system as a reference body and the measurement value is corrected by software based on the reference body. Therefore, when the laser output control device (/ laser output control circuit / laser output control circuit unit) of the present invention is employed in the optical measurement unit, the size can be reduced. Further, since three single wavelengths are used as the laser light to be irradiated, the apparatus can be downsized and the measurement time can be shortened as compared with the spectrum analysis method. In addition, since the measurement is performed in the same time series, the error factor can be reduced, and high accuracy of the optical measurement unit can be realized.
第2に、純水の吸光率にてレーザ出力を自動的に補正することができるレーザ出力駆動部(/レーザ出力制御回路/装置)を備えた光学測定ユニットを実現できる。光学測定ユニットは、3つの波長のレーザ光について吸光率を求め、これらの2次微分値により変化量として演算を行うため、スペクトル分析法等を用いることなく糖分を算出でき、これによっても装置の小型化が実現する。また被測定部位での吸光率は、純水の吸光率によって出力が補正されたレーザ光にて測定されるため、実測値が直接糖分の吸光率として利用できる。更に、2次微分値を用いるため、揺らぎ(Fluctuation)等の変動を吸収することができるので、測定誤差を小さくできる。 Second, it is possible to realize an optical measurement unit including a laser output driving unit (/ laser output control circuit / device) that can automatically correct the laser output based on the absorbance of pure water. The optical measurement unit calculates the absorptance of the laser light of three wavelengths and performs the calculation as the amount of change based on these secondary differential values. Therefore, the sugar content can be calculated without using a spectral analysis method or the like. Miniaturization is realized. Further, since the absorbance at the site to be measured is measured with laser light whose output is corrected by the absorbance of pure water, the actual measurement value can be directly used as the absorbance of the sugar content. Furthermore, since the secondary differential value is used, fluctuations such as fluctuation can be absorbed, so that the measurement error can be reduced.
尚、本発明の光学測定ユニットは、例えば血糖値測定装置や、果物の果糖測定装置等に採用して好適であり、小型で非侵襲のため被測定者(被測定物)にかかる負担を軽減し、さらに測定精度を向上させることができる。 The optical measurement unit of the present invention is suitable for use in, for example, a blood glucose level measurement device, a fruit fructose measurement device, and the like, and is small and non-invasive, thus reducing the burden on the subject (measurement object). In addition, the measurement accuracy can be further improved.
以下、本発明の実施形態の一例を、図1から図7を参照して詳細に説明する。まず、図1および図2を参照し、本発明の第1の実施形態として、レーザ出力制御装置について説明する。 Hereinafter, an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 7. First, a laser output control device will be described as a first embodiment of the present invention with reference to FIGS. 1 and 2.
図1は、本実施形態のレーザ出力制御装置の構成の概略を示す回路ブロック図である。 FIG. 1 is a circuit block diagram showing an outline of the configuration of the laser output control apparatus of the present embodiment.
本実施形態のレーザ出力制御装置10は、光源111と、光検出器112と、第1レーザ出力制御回路31と、第2レーザ出力制御回路32と、補正板33とを有する。また光源111から複数の異なる出射波長の近赤外レーザ光が出力される。複数の異なる出射波長の近赤外レーザ光は、例えば被測定物の成分を定量的に測定するために用いられる。具体的に説明すると、レーザ出力制御装置10は、例えば非侵襲で生体の被測定部位における糖分を測定する光学測定ユニットに装備されて用いられることが好適であるが、これについては後述する。
The laser
光源111は、それぞれ異なる波長の近赤外レーザ光(以下レーザ光)21を個別に出力する複数の半導体レーザダイオードLDである。ここでは一例としてそれぞれ第1波長λ1、第2波長λ2および第3波長λ3のレーザ光21を個別に出力する3つの半導体レーザダイオードLDが設けられたレーザ出力制御装置10を例に説明するが、半導体レーザダイオードLDの数は、例えば単数でも複数でもよく、3つに限られない。
The
光検出器112は、光源111から出射されるレーザ光21の一部を受光する例えばフォトダイオード(以下第1光検出器112)である。第1光検出器112は、光源111の後方に出射されるレーザ光21の一部を検出するバックモニタ用の光検出器である。
The
第1レーザ出力制御回路31は、第1差動増幅器311および基準電圧設定回路312を備え、第1光検出器112の受光結果によりそれぞれの波長におけるレーザ光21の出力が一定になるように、レーザ駆動回路63の制御信号を出力する。
The first laser
補正板33は、第1波長λ1、第2波長λ2、第3波長λ3のそれぞれのレーザ光21に対して異なる吸収量(以下吸光率)を有し、且つ補正板33自体が純水と同等の吸光率特性を有するものであり、例えば石膏ボードまたは石英板である。
The
第2レーザ出力制御回路32は、第2差動増幅器321と他の光検出器(以下第2光検出器)322とを有する。第2光検出器322は、補正板33を透過したレーザ光21を受光し、補正板33によるレーザ光21の吸収量(吸光率)に基づく信号と、第1レーザ出力制御回路31が出力したレーザ駆動回路63の制御信号を第2差動増幅器321により負加算し、これによりレーザ駆動回路63を制御し、光源111から出射されるレーザ光21の出力を補正する。
The second laser
光源111から出力されたレーザ光21の一部は、第1光検出器112により受光される。第1レーザ出力制御回路31は、第1光検出器112の受光量に基づく受光電圧と、基準電圧設定回路312で発生させる基準電圧との差分を、第1差動増幅器311にて演算する。第1レーザ出力制御回路31のループでは、複数の波長(第1波長λ1、第2波長λ2、第3波長λ3)においてレーザ出力を一定に保つべく、レーザドライバ63の制御信号が生成される。
Part of the
同時に、光源111から出力されたレーザ光21の一部は、ハーフミラー15にて分割される。分割されたレーザ光21は、補正板33を透過して、第2光検出器322で受光される。この受光された光量によって、補正板33に吸収されたことによるレーザ光21の吸収量、すなわちレーザ光21の純水による吸光率を検出することができる。レーザ光21の補正板33(純水)による吸光率は波長により異なる。つまり、第2レーザ出力制御回路32のループでは、第1波長λ1、第2波長λ2、第3波長λ3によって吸光率が異なるため、その変化に応じた補正信号でレーザドライバ63を制御することでレーザ出力が変化することになる。
At the same time, part of the
図2は、第1レーザ出力制御回路31と、第2レーザ出力制御回路32とを説明するための図である。図2(A)が、レーザ光21の波長に対する補正板33の吸光率特性を示す図であり、図2(B)が、レーザ光21の波長に対するレーザ出力を示す図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining the first laser
補正板33にレーザ光が照射されたときに、補正板33の各波長における吸光率が図2(A)に示す特性として示された場合、最終的なレーザ出力は、図2(B)に示すように制御される。
When the
図2(B)では、破線が、第1レーザ出力駆動回路31により制御された各波長における一定の出力を示しており、実線が、第1レーザ出力駆動回路31と第2レーザ出力駆動回路32とにより補正された最終的なレーザ出力を示している。つまり、実線は、補正板33(水)を透過させることによるレーザ光21の変化量を補正したレーザ出力を示している。
In FIG. 2B, a broken line indicates a constant output at each wavelength controlled by the first laser
このレーザ光21を用いて、被測定物(被測定部位)の特定成分を測定する場合、被測定物に照射するレーザ光21の出力が一定と考えるなら、被測定物を透過または反射して受光した光量そのものが、被測定物における吸光率となる。そこで、補正板33の波長による吸光率が、被測定物の測定分子が含まれていない状態での吸光特性になるもの(純水)を選択して、補正板33の吸光率によるレーザ出力の変化量を補正した状態で、被測定物にレーザ光21を照射することにより、その受光量はそのまま被測定物における吸光率とすることができる。
When using this
従来では、測定したい特定成分の他に他の成分(例えば水分など)が含まれていた場合、測定装置内に実測値を補正するための参照体を保持する必要があった。また、参照体を保持しない場合には、測定時に別途参照体にて吸光率の測定をする工程が必要となり、全体的な測定時間及び、手間が掛かる問題があった。しかし、本実施形態によれば、結果的に絶対値的な吸光率を自動的に求めることができる。 Conventionally, when other components (for example, moisture) are included in addition to a specific component to be measured, it is necessary to hold a reference body for correcting an actual measurement value in the measurement device. Moreover, when not holding a reference body, the process of measuring an absorptivity with a reference body separately was needed at the time of a measurement, and there existed a problem which took the whole measurement time and time. However, according to the present embodiment, as a result, an absolute absorbance can be automatically obtained.
また、本実施形態によれば、参照体を測定する必要もなく、測定系を小型化する事が可能となり、また、同一時系列的にデータを測定するため、誤差要因を低減することができる。 In addition, according to the present embodiment, it is not necessary to measure the reference body, the measurement system can be downsized, and the data is measured in the same time series, so that the error factor can be reduced. .
次に、図3から図7を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
第2の実施形態は、単一の3つの波長の近赤外レーザを用いてこれらのグルコースによる吸光率をそれぞれ測定し、測定された3つの吸光率の2次微分値によりグルコース濃度を演算する光学測定ユニット1である。光学測定ユニット1は、例えば血糖値測定装置100に用いることが好適であるので、以下この場合を例に説明する。
In the second embodiment, the absorbance of each glucose is measured using a single three-wavelength near-infrared laser, and the glucose concentration is calculated from the second derivative of the measured three absorbances. This is an
また、光学測定ユニット1は、第1の実施形態の如きレーザ出力制御部を有しているのであるが、まず本実施形態の光学測定ユニット1を用いた血糖値の測定の原理について、図3から図6を参照して説明する。
The
図3は、本実施形態の光学測定ユニット1が装備された血糖値測定装置100の一例を示す図であり、図3(A)が外観図、図3(B)が図3(A)のa−a線断面図、図3(C)(D)が内部の平面図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of a blood glucose
図3(A)(B)の如く、血糖値測定装置100の外部筐体8の一主面に、例えば電源スイッチ4、測定開始・停止ボタン5、表示部2等が設けられている。外部筐体8の上部に、被測定部位との接触部となるアタッチメント3が設けられている。アタッチメント3は、光学測定ユニット1と連続して設けられる。本実施形態の一例として示されるアタッチメント3は、光学測定ユニット1内の発光部から出力される光、および受光部で受光する光が外部に漏れないような形状(例えば筒状)および材質であり、光学測定ユニット1の外部筐体の一部を構成する。
As shown in FIGS. 3A and 3B, for example, a
図3(C)の如く、光学測定ユニット1は、発光部、受光部(ここでは共に不図示)および制御部6を有する。制御部6は、例えばプリント基板上に集積化された半導体集積回路により構成され、演算処理部を有する。
As shown in FIG. 3C, the
また図3(D)の如く、光学測定装置100の内部構造において、表示部2は、制御部6の一部である表示ドライバに接続される。表示部2は、例えばLCD(Liquid Crystal Display)パネル、有機EL(Electronic Luminescent)表示パネル等であり、血糖値やその他測定情報(例えば測定エラーの通知、日時等)が測定者に認識可能に表示されるものであればよい。また制御部6に接続する電源部7が設けられる。電源は、ACアダプターによる充電や電池、またはこれらの併用等である。
3D, in the internal structure of the
図4は、血糖値が測定される被測定部位25を示す概要図である。図4(A)は、血糖値測定装置100と被測定部位25とを示す図であり、図4(B)は、被測定部位25の断面概要図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the
図4(A)の如く、腕または手首内側に血糖値測定装置100のアタッチメント3を密着させて血糖値の測定を行う。腕または手首内側などの被測定部位25に血糖値測定装置100のアタッチメント3を当てて血糖値の測定を行うときに、図4(B)の如く、被測定部位25として生体の真皮層252を利用する。生体の表皮251の下層(内部)に真皮層252があり、その下層に皮下組織253が存在する。
As shown in FIG. 4A, the blood glucose level is measured by attaching the
本実施形態では、光学測定ユニット1から出射されたレーザ光21を真皮層252にて拡散反射させる。具体的に説明すると、表皮251から入射したレーザ光21が真皮層252で拡散反射する照射角度θで、レーザ光21が発光部から出力される。
In the present embodiment, the
血糖値を測定するには、血中グルコース濃度を検出するのが効率的である。また、血糖値を非侵襲(無採血)で測定する場合、人体に対して透過性を有する波長帯の光を使用することになるが、グルコースの場合、近赤外帯光のいくつかのスペクトルに対して吸光特性を有することが知られている。従来の光学的な血糖値測定装置を用いて血糖値の測定を行うときには、血管に近赤外線を透過させて、グルコースによる吸収率を検出することで血糖値を測定していた。 In order to measure the blood glucose level, it is efficient to detect the blood glucose concentration. In addition, when measuring blood sugar levels non-invasively (without blood sampling), light in a wavelength band that is transparent to the human body is used. In the case of glucose, some spectra of near-infrared light are used. It is known to have light absorption characteristics. When measuring a blood glucose level using a conventional optical blood glucose level measuring device, the blood glucose level is measured by transmitting near-infrared rays through the blood vessel and detecting the absorption rate by glucose.
しかしながら、血中にはグルコース以外にも様々な物質が存在する上、グルコースの吸光率は非常に小さいものである。特に透過光の場合、血中成分であるヘモグロビンの影響を強く受けてその光量が変化し、結果的に血糖値を正確に測定できない問題がある。 However, in addition to glucose, there are various substances in the blood, and the absorbance of glucose is very small. In particular, in the case of transmitted light, there is a problem that the blood glucose level cannot be accurately measured as a result of the strong influence of hemoglobin, which is a component in blood, to change the amount of light.
そこで、本実施形態では、血中成分(ヘモグロビン)の影響を受けないようにさせるために、真皮層252のグルコースを測定することとした。真皮層252は生体外部(表皮251)から比較的浅い位置にあるため、レーザ光21のビームの絞り角(例:レンズ開口数NAを適切な値に設定する)や照射角度を適宜選択することにより、血糖値の算出に十分な反射光を得ることができる。また、反射光による測定は、光が皮下組織253を透過しないため、グルコース以外の成分による測定誤差も回避できることから、透過光を利用する場合よりも有利である。
Therefore, in the present embodiment, glucose in the
図5は、光学測定ユニット1を示す図であり、図5(A)が上面図、図5(B)が図5(A)のb−b線断面図である。
5A and 5B are diagrams illustrating the
光学測定ユニット1は、発光部11と受光部12とを有する。発光部11は、ここではいずれも不図示の光源と、光源から出力されるレーザ光21の一部を受光する光検出器(以下第1光検出器)と、集光レンズ11aとを備える。光源は、被測定部位に対して出射波長がそれぞれ第1波長λ1、第2波長λ2および第3波長λ3の近赤外レーザ光を個別に出力する半導体レーザダイオードLDである。レーザ光21は、レンズ開口数NAの集光レンズ11aで集光され、小さいスポットで被測定部位に照射される(図5(A))。尚、図5(B)の如く、光学測定ユニット1の発光部11側に集光レンズ11aが2枚設けられているが、集光レンズ11aの数は、この数に限られない。
The
ここで、第1波長λ1、第2波長λ2、第3波長λ3は、それぞれ近傍の波長の近赤外光であり、この順で波長が長くなる(λ1<λ2<λ3)。また第3波長λ3は、純水による吸光率が非常に大きくほぼ純水による吸光のみが測定できる波長であり、第2波長λ2は、グルコースによる吸光率が大きい波長であり、第1波長λ1は、グルコースによる吸光率が小さい波長である。これらの波長を選択する理由は後述する。 Here, the first wavelength λ1, the second wavelength λ2, and the third wavelength λ3 are near-infrared lights having wavelengths in the vicinity, and the wavelengths become longer in this order (λ1 <λ2 <λ3). The third wavelength λ3 is a wavelength at which the absorbance by pure water is very large and only the absorbance by pure water can be measured, the second wavelength λ2 is a wavelength at which the absorbance by glucose is large, and the first wavelength λ1 is , The wavelength at which the absorbance due to glucose is small. The reason for selecting these wavelengths will be described later.
受光部12は、光検出器(例えばフォトダイオード)PDおよび集光レンズ12aを有し、被測定部位25で反射されたレーザ光21の反射光22をレンズ開口数NA’の集光レンズ12aによりそれぞれ集光し、光検出器PDで検出する。
The
なお、受光部12に反射光22をできる限り多く集光させることが望ましいので、受光部12におけるスポット径は、発光部11に比べて大きく設定される(図5(A))。
Since it is desirable to collect as much reflected light 22 as possible on the
発光部11および受光部12は、遮光板17を介して隣接して配置される。例えば図5(B)の如く、発光部11と受光部12とは、同一筐体(本実施形態ではアタッチメント3の一部)内に配置され、中央に遮光板17が配置されている。遮光板17は、少なくともアタッチメント3の外周と略同一の高さに設けられる。被測定部位25にアタッチメント3を当接させ、被測定部位25にレーザ光21を照射させた場合、レーザ光21の一部は表皮251で反射する。このような直接反射光が受光部12に到達することを防止するために、遮光板17を設ける。遮光板17により、発光部11および受光部12がそれぞれ分離された空間に配置される。
The
遮光板17は、例えば、表面が黒色状であり、近赤外を透過、反射させないで吸収する素材である。
The
より詳細に説明すると、例えば、表面に塗装が施された金属板、具体的には、表面に黒色系の起毛状の塗装物が施された金属板などが挙げられる。また、遮光板17として、例えば、アクリル、ポリカーボネート樹脂からなる群から選ばれる少なくとも一種以上の樹脂を含有する樹脂材が用いられて形成された樹脂板などが挙げられる。その場合、遮光性を向上させるために、樹脂材内に、カーボン繊維、グラファイトからなる群から選ばれる少なくとも一種以上の黒色系充填材などが含有された樹脂板を用いるとよい。また、遮光板17として、例えば、黒色系偏光板が用いられてもよい。その場合、偏光板として、例えばガラスを基材とした基板が用いられることが好ましい。また、遮光板17として、例えば、石材などが用いられてもよい。
More specifically, for example, a metal plate whose surface is coated, specifically, a metal plate whose surface is coated with a black brushed painted material may be mentioned. Examples of the
また、レーザ光21は、戻り光の影響を受けるが、遮光板17によりその影響を低減できる。従って、レーザ光21を安定して発振させることができ、測定ノイズの低減が図られる。
The
さらに、受光部12も遮光板17によって区切られた空間で使用されることで、電気的ノイズの影響を受けにくくすることができる。
Furthermore, since the
遮光板17は、接触検知センサとして機能させてもよい。具体的に説明すると、遮光板17は、垂直方向に移動可能な可動式であり、非測定時に周囲のアタッチメント3より突出する。一方、測定時にアタッチメント3を被測定部位25に当接させた場合は、遮光板17は、有る程度のテンションで被測定部位25に接触すると共に光学測定ユニット1内部に押下され、遮光板17下方のスイッチ18を作用させる。つまり、このスイッチ18によって、アタッチメント3が正常に被測定部位に接触したことを検出し、光学測定装置100に正常な状態で(外光を遮蔽した状態で)測定処理を開始させることができる。
The
また、遮光板17を接触検知センサとして機能させ、正常な接触を検知したのちに測定装置を動作させる場合には、遮光板17は、アタッチメント3より低い位置に設けられても良い。例えば、アタッチメント3側を可動式とし、遮光板17の上端に被接触部位との接触センサを設け、遮光板17内の配線を介してスイッチ18と接続する。所定のテンションで被測定部位25に接触させることにより、アタッチメント3が押下され、遮光板17とアタッチメント3の周壁部との高さが略同等となる。この状態で遮光板17の上部の接触センサが接触を検知し、測定装置を動作させるスイッチ18が導通すれば、外光を遮蔽した状態で測定装置を動作させることができる。
Further, when the
さらに、遮光板17の上端に接触センサを設ける場合は、遮光板17およびアタッチメント3の周壁部の高さを同一とし、いずれも固定式としてもよい。
Further, when a contact sensor is provided at the upper end of the
外光の侵入を避けるため、アタッチメント3も遮光性を有する材質が選択される。さらに、発光部11からのレーザスポットは非常に微小であり、また受光部12のレーザスポットも大きいとはいえ、拡散反射光の広がりで例えば1mm程度(フォトダイオード面で例えば0.1mm〜0.5mm程度)である。測定精度を向上させるためには外光の侵入を避けることが望ましく、レーザ光21および反射光22が通過するのに十分な開口部を確保すれば、アタッチメント3の上面は、側面から隙間無く連続し、可能な限り内部を覆う形状とさせることが好ましい。
In order to avoid the intrusion of external light, the
また、光学測定ユニット1は、温度検出部(例えば温度センサ)を有してもよい。温度センサは、測定部位25の温度(またはそれに加えて外気温)を測定するものである。グルコースの吸光特性は温度によって変化する。そこで温度センサによって血糖値の測定前に温度を測定し、その測定結果からレーザ光21の波長を微小な範囲で補正する。具体的には、レーザ光21は、電流または温度により発振波長が変化する特性を有するので、予め測定したグルコースの吸光特性の温度依存性に基づき、レーザ光21の温度または駆動電流を制御する。例えばレーザ光21の駆動電流で制御する場合には、レーザ駆動量を算出して、レーザドライバにフィードバックさせる。これにより、第1波長λ1〜第3波長λ3は、被測定部位25の温度に応じてそれぞれ本実施形態の波長の条件を満たす範囲で最も効率の良い波長が選択され、例えば数nm程度シフトされる。これにより正確な血糖値が測定可能となる。
Moreover, the
発光部11から出射されるレーザ光21は、適切なレンズ開口数NAによってビームが絞られ、被測定部位25(真皮層252)に対して角度θで照射される。この角度θは、遮光板17の垂直方向(紙面上下)の中心線とレーザ光21の光軸とで成す角であり、真皮層252のグルコース濃度の測定に最も適切な角度に設定され、照射されたビームのフォーカス点の位置設定は、真皮層252のグルコースからの反射光(拡散反射光)を最も効率良く得られる位置に焦点が合せられて行われる。
The
ここで、フォーカス点は、表皮251の表面から所定の深さDにて結ばれ、グルコース測定に適した真皮層252内の一点として結ばれる。深さDは、表皮251の表面からどれくらいの深さにフォーカス点が結ばれるかを示す数値とされる。また、フォーカス点は、遮光板1の板厚の略中心部から所定の距離Wほど離された一点として結ばれる。距離Wは、表皮251の表面から真皮層252内に向けた深さD位置において、遮光板17の板厚の中心部または端部からどれくらいフォーカス点が離間しているかを示す数値とされる。
Here, the focus point is connected at a predetermined depth D from the surface of the
レーザ光21のビームを所定の角度θで入射させる他の理由として、レーザの発振点になるべく反射光22が戻らないようにすることが挙げられる。
Another reason for making the
これに対し、受光部12側のレーザ光の角度θ’は、反射光22が効率よく取得される角度θ’となる。角度θ’は、遮光板17の垂直方向の中心線と反射光22の光軸とで成す角であり、フォーカス点は、それぞれ、表皮251からの深さD’、遮光板17の板厚の略中心部または端部からの距離W’に結ばれる。
On the other hand, the angle θ ′ of the laser light on the
拡散反射されたビームは、基本的にあらゆる層からの反射光とされるため、角度θ’、フォーカス点D’、W’およびレンズ開口数NA’によって、真皮層252からの反射光を選択的に集光するように、受光部12の位置や角度等が設定される。
Since the diffusely reflected beam is basically reflected light from all layers, the reflected light from the
なお、この光学測定ユニット1は一例である。図示は省略するが、発光部11および受光部12の構成として、例えばそれぞれミラーを設け、ミラーにて集光するものであってもよい。上記の如く、集光レンズ11a、12aで集光する場合は、レンズの透過率によって光量が減衰する。ミラーで集光することで、光量の減衰は抑えられ、また焦点距離によっては、ミラーで反射させた方が設計が容易になる場合がある。
The
本実施形態の光学測定ユニット1は、分光分析装置やFTIR分析装置などで要求される光路長や、ミラーなどの可動部が不要である。また上述のようにミラーを採用した場合でも、稼働させる必要はなく小型化を維持できる。また単一波長のレーザの反射光を受光するので、回折格子などにより分光する必要が無く、受光側のものは、例えば、レンズと光検出器のみで構成できる。従って、光学測定装置100の小型化、軽量化が実現し、携帯性を大幅に向上させることができる。そのサイズは、例えば手のひらに収まり、片手での携帯および操作が十分可能な程度である。
The
次に、図6を参照して本実施形態の光学測定ユニット1を用いた血糖値測定の原理について説明する。図6の横軸がレーザ出射波長λであり、縦軸が吸光率Iである。
Next, the principle of blood glucose level measurement using the
本実施形態では、血糖値(グルコース)の測定にレーザ光21を使用する。レーザ光21のスペクトルは非常に狭く、ほぼ単一波長光である。そして、少なくとも3つの異なる波長(λ1、λ2、λ3)のレーザ光を個別に照射させて各波長に対する吸光率I(第1吸光率I1、第2吸光率I2、第3吸光率I3)を測定し、3波長に対応した3つの吸光率からこれらの2次微分値を求める。
In the present embodiment, the
吸光率Iは、発光部から照射されたレーザ光の照射量と、真皮層で反射された反射光の受光量とで求めることができる。吸光率Iについて詳しく説明すると、被測定部位に入射される波長λの光の強度をL0(λ)とし、受光した波長λの反射光の強度をL(λ)とすると、被測定部位25の吸光率I(λ)は、ln(L(λ)/L0(λ))で求められる(尚、入射光が一定の場合には、受光強度そのものが吸光率と等価である。)。
The absorptance I can be obtained from the irradiation amount of the laser light irradiated from the light emitting unit and the received light amount of the reflected light reflected from the dermis layer. The light absorption rate I will be described in detail. If the intensity of the light having the wavelength λ incident on the measurement site is L0 (λ) and the intensity of the reflected light having the received wavelength λ is L (λ), the
しかしながら、既述の如く、グルコースによる吸光率は非常に小さく、また血糖値は100mg/dl程度のグルコース濃度であるため、実際の血糖値が変動したのか、測定誤差であるのかの違いが分からない場合がある。 However, as described above, the absorbance due to glucose is very small, and the blood glucose level is about 100 mg / dl. Therefore, it is not known whether the actual blood glucose level fluctuates or is a measurement error. There is a case.
そこで、2次微分値を利用する。本実施形態の2次微分値とは、グルコースによる光吸収が光の波長により変動することを利用し、この波長による変動ができるだけ大きく現れる波長域を含む近接した3つの波長を選択して、吸光率Iと波長λとの2次導関数の微分係数に相当する値として定義されるものである。 Therefore, a secondary differential value is used. The second-order differential value of the present embodiment uses the fact that light absorption by glucose varies depending on the wavelength of light, and selects three adjacent wavelengths including a wavelength region where the variation due to this wavelength appears as large as possible. It is defined as a value corresponding to the derivative of the second derivative of the rate I and the wavelength λ.
3点のデータの2次微分値を求めることは、波長λ1、λ2、λ3の3点のデータから、中心点(2番目のデータ:λ2)に至るデータの変化量を求めることになる。つまり、中心波長λ2の吸光率(第2吸光率I2)を頂点として周りの2点(λ1、λ3)の吸光率(第1吸光率I1、第3吸光率I3)からの変化量として求めることになるため、照射光量対受光量の実測値で算出するより、演算の感度を向上させることができる。 Obtaining the second order differential value of the three points of data means obtaining the amount of change in data from the three points of wavelengths λ1, λ2, and λ3 to the center point (second data: λ2). That is, the amount of change from the absorbance at the two surrounding points (λ1, λ3) (first absorbance I1, third absorbance I3) with the absorbance at the center wavelength λ2 (second absorbance I2) as the apex. Therefore, the calculation sensitivity can be improved as compared with the calculation based on the actual measurement value of the irradiation light amount versus the received light amount.
また、2次微分値は変化量として求められるため、揺らぎ(fluctuation)のような変動を吸収することが可能となる。従って、スペクトル分析法で血糖値測定を行った場合と同様な結果が得られる。 In addition, since the secondary differential value is obtained as a change amount, it is possible to absorb fluctuations such as fluctuations (fluctuation). Therefore, the same result as that obtained when the blood glucose level is measured by the spectrum analysis method can be obtained.
更に、本実施形態では、グルコースの吸光スペクトルのみ測定し、不要なスペクトルの測定をしないため、測定時間を短縮することが可能となる。 Furthermore, in the present embodiment, only the absorption spectrum of glucose is measured and unnecessary spectrum is not measured, so that the measurement time can be shortened.
吸光率を求める手順について説明すると、まず、第1波長λ1にてレーザを駆動させ、被測定部位に第1波長λ1のレーザ光を照射させて反射光から第1吸光率I1を測定する。次に、第2波長λ2にてレーザを駆動させ、被測定部位に第2波長λ2のレーザ光を照射させて反射光から第2吸光率I2を測定する。第3波長λ3についても同様に第3吸光率I3を測定する。第3波長λ3にてレーザを駆動させ、被測定部位に第3波長λ3のレーザ光を照射させて反射光から第3吸光率I3を測定する。ここでレーザの発光出力が一定であれば、第1吸光率I1、第2吸光率I2、第3吸光率I3から、これらの2次微分値は離散的な微分処理として計算できる。 The procedure for obtaining the absorptance will be described. First, the laser is driven at the first wavelength λ1, the laser beam having the first wavelength λ1 is irradiated to the measurement site, and the first absorptance I1 is measured from the reflected light. Next, the laser is driven at the second wavelength λ2, the laser beam having the second wavelength λ2 is irradiated to the measurement site, and the second absorbance I2 is measured from the reflected light. Similarly, the third absorbance I3 is measured for the third wavelength λ3. The laser is driven at the third wavelength λ3, the laser beam having the third wavelength λ3 is irradiated to the measurement site, and the third absorbance I3 is measured from the reflected light. Here, if the light emission output of the laser is constant, these secondary differential values can be calculated as discrete differential processing from the first extinction coefficient I1, the second extinction coefficient I2, and the third extinction coefficient I3.
既述の如く、グルコースの場合は、近赤外帯光に対し、幾つかのスペクトルに対して吸光特性を有する。また純水の場合、2000nm付近の波長に対して非常に強い吸収があることがわかっている。 As described above, glucose has absorption characteristics for several spectra with respect to near-infrared light. In the case of pure water, it has been found that there is very strong absorption for wavelengths near 2000 nm.
図6においては、参考として、予め測定された純水のスペクトル分光曲線を実線で、また予め測定された純水とグルコースとの混合液のスペクトル分光曲線を破線で示した。 In FIG. 6, the spectrum spectrum curve of pure water measured in advance is indicated by a solid line and the spectrum spectrum curve of a mixture of pure water and glucose measured in advance is indicated by a broken line as a reference.
これらの分光曲線により、実線より破線の吸光率Iが大きい波長は、グルコースの吸光率が高い波長であると言える。 From these spectral curves, it can be said that a wavelength having a larger light absorption rate I than a solid line is a wavelength at which the light absorption rate of glucose is high.
波長λが2000nm付近では、純水による吸収が非常に大きく、また、実線と破線とが重畳しているため、この波長帯では、純水以外に吸光を示す分子、物質が殆どなく、純水による吸光のみが測定できる。また、この波長帯での吸光率が非常に高いことから、他の分子、物質の吸光があったとしても、相対的に非常に小さくなり、無視することが可能となる。 When the wavelength λ is around 2000 nm, the absorption by pure water is very large, and the solid line and the broken line are superimposed. Therefore, in this wavelength band, there are almost no molecules or substances that absorb light other than pure water. Only the absorbance due to can be measured. In addition, since the extinction coefficient in this wavelength band is very high, even if there is absorption of other molecules and substances, it becomes relatively very small and can be ignored.
本実施形態では、純水による吸光率が最も高くなる2000nmに最も近い波長で、グルコースによる吸光率が高くなる波長をレーザの発振波長の略中心、すなわち第2波長λ2とする。一例として第2波長λ2は、1870nmである。そしてその前後(λ1、λ3)の波長、すなわち図6に示す第1波長λ1、第3波長λは、以下の通り選択する。 In the present embodiment, the wavelength closest to 2000 nm at which the absorbance by pure water is the highest and the wavelength at which the absorbance by glucose is increased is the approximate center of the laser oscillation wavelength, that is, the second wavelength λ2. As an example, the second wavelength λ2 is 1870 nm. The wavelengths before and after (λ1, λ3), that is, the first wavelength λ1 and the third wavelength λ shown in FIG. 6 are selected as follows.
第3波長λ3は、この純水による吸光が高い領域で、且つグルコースの吸光がなく、第2波長λ2から離れた波長とする。また、第1波長λ1は、第2波長λ2よりも下方の波長であり、ほぼグルコースによる吸光がない波長を選択する。 The third wavelength λ3 is a wavelength away from the second wavelength λ2 in a region where the light absorption by pure water is high and no light absorption of glucose. The first wavelength λ1 is a wavelength lower than the second wavelength λ2, and a wavelength that does not absorb light by glucose is selected.
ここで、第1波長λ1、第2波長λ2、第3波長λ3にて実測された吸光率を、それぞれ第1吸光率I1、第2吸光率I2、第3吸光率I3とすると、その系列Sは、以下の通りである。 Here, assuming that the absorbance measured at the first wavelength λ1, the second wavelength λ2, and the third wavelength λ3 are the first absorbance I1, the second absorbance I2, and the third absorbance I3, respectively, the series S Is as follows.
S={I1,I2,I3} S = {I1, I2, I3}
そして、これらの離散的な微分処理による2次微分値iは、以下の式で表わされる。 And the secondary differential value i by these discrete differential processes is expressed by the following equation.
i=Δ2S/(Δ2Λ)=2×I2−(I1+I3) i = Δ 2 S / (Δ 2 Λ) = 2 × I 2 − (I 1 + I 3)
2次微分値iの値は、変化量に相当するものである。そのため、どこからの変化量かを特定する基準値が必要となり、この基準値により定量的な数値を求めることになる。この基準値が、各波長における第1吸光率I1、第2吸光率I2、第3吸光率I3である。そして、これらをパラメータとする血糖値変換関数によって、血糖値を求める。 The value of the secondary differential value i corresponds to the amount of change. For this reason, a reference value for identifying the amount of change is required, and a quantitative numerical value is obtained from this reference value. The reference values are the first absorbance I1, the second absorbance I2, and the third absorbance I3 at each wavelength. And a blood glucose level is calculated | required with the blood glucose level conversion function which uses these as a parameter.
ここで、被測定部位25は、グルコース以外の成分(例えば水分)を含んでいるので、既知の方法にてレーザ光21を照射および反射させても、グルコース自体の吸光率を測定していることにはならない。つまり、上記の微分処理を行う以前に、水を含むことによる差分をソフトウエア的に補正する演算処理等が必要となる。
Here, since the site to be measured 25 contains a component (for example, moisture) other than glucose, the absorbance of glucose itself is measured even when the
しかしながら、本実施形態では、レーザ出力制御部にて、第1波長λ1、第2波長λ2、第3波長λ3のレーザ光21がそれぞれ補正板(純水)33に吸収された値を求め、これに基づく補正値信号をレーザドライバにフィードバックすることにより、ハードウエア的にレーザ出力を補正する。
However, in the present embodiment, the laser output control unit obtains values obtained by absorbing the
従って、最終的に被測定部位25に照射される第1波長λ1、第2波長λ2、第3波長λ3のレーザ光21は、水の吸収量(吸光率)による差分が補正されて出力されているため、これらで実測し、得られた第1吸光率I1、第2吸光率I2、第3吸光率I3は、グルコース自体の吸光率として、直接的に微分処理に用いることができる。
Therefore, the
図7は、光学測定ユニット1の概略を示す回路ブロック図の一例である。
FIG. 7 is an example of a circuit block diagram illustrating an outline of the
光学測定ユニット1は、光源111と、第1光検出器112とを有する発光部11と、受光部12と、レーザ出力制御部10と、制御部6とを有し、レーザ出力制御部10は、第1レーザ出力制御回路31と、第2レーザ出力制御回路32と、補正板33とを有する。また、光学測定ユニット1の各種制御を司る制御部6は、DSP(Digital signal processor)61、A/D変換回路62、レーザドライバ63、演算処理部65などを有する。また、図示は省略するが、制御部6は、測定結果等のデータを表示部に出力するための表示ドライバや、他の制御に必要な所望の回路等も有する。
The
尚、レーザ出力制御部10の基本的な構成は、第1の実施形態のレーザ出力制御装置と同様であり、同一構成要素は同一符号で示す。
Note that the basic configuration of the laser
発光部11は、光源111と第1光検出器112とを有する。光源111は、例えばレーザダイオードLDであり、発光部11内に3つ設けられて被測定部位25に対して出射波長がそれぞれ第1波長λ1、第2波長λ2および第3波長λ3のレーザ光21を個別に出力する。また第1光検出器112は、レーザ光21の一部を受光する。
The
発光部11から出射されたレーザ光21は、ハーフミラー15により分割され、一部が被測定部位25にて反射し、他の一部が補正板33を透過する。
The
受光部12は、例えばInGaAs(インジウム・ガリウム・砒素)フォトダイオード等の光検出器PDを有し、被測定部位25で反射したレーザ光21の反射光をそれぞれの波長毎に吸光率(第1吸光率I1、第2吸光率I2、第3吸光率I3)として検出する。
The
補正板33は、出射波長により吸光率が異なり、且つ純水と同等の吸光特性を有する材料よりなり、例えば石膏ボード、石英板などである。補正板33を透過したレーザ光21は、第2レーザ出力制御回路32の他の光検出器(第2光検出器)322により検出される。
The
第1レーザ出力制御回路31は、第1差動増幅器311および第1フロントモニタダイオード(Front Monitor Diode:以下FMD)313および基準電圧設定回路312を備え、第1光検出器112の受光結果によりそれぞれの波長におけるレーザ光21の出力が一定になるように、レーザ駆動回路63を制御する制御信号を生成する。
The first laser
第1光検出器112で受光されるレーザ光21(例えば第1波長λ1)の光量は、受光電流として不図示の電流−電圧変換回路により電圧信号(受光電圧)に変換された後に、第1FMD313を介して第1差動増幅器311に入力される。第1差動増幅器311は、受光電圧と基準電圧設定回路312から発生される基準電圧との差に応じた差分電圧(第1差分電圧)を発生する。第1レーザ出力制御回路31は、光源111を構成するそれぞれのダイオードLDのレーザ出力を一定光量に制御するべく、この第1差分電圧を出力する。
The light quantity of the laser beam 21 (for example, the first wavelength λ1) received by the
第2レーザ出力制御回路32は、第2差動増幅器321、第2光検出器322および第2FMD323を備え、補正板33を透過したレーザ光21を第2光検出器322で検出し、補正板33による吸収量に基づきレーザ光21の出力を補正する補正信号を生成する。また、第2差動増幅器321において、第1レーザ出力制御回路31から出力された第1差分電圧と補正信号(電圧)とを負加算し、これによりレーザドライバ63を制御する。
The second laser
また、第2レーザ出力制御回路32は、補正板33を透過したいずれか1つの出射波長におけるレーザ光21の吸光率を基準とし、第2FMD323において他の出射波長における吸光率との差分を演算し、他の出射波長のレーザ光の出力を補正する。
Further, the second laser
以下、一例として基準となる波長を第1波長とし、より具体的に説明する。 Hereinafter, the reference wavelength will be described as a first wavelength as an example, and will be described more specifically.
本実施形態では、レーザ出力制御部10内に補正板33を配置する事で、レーザ波長を変えると、その波長における純水の吸光度に応じて最終的な出力光(被測定物に照射される光)を補正できる。すなわち各波長にて出力し、被測定物(例えばグルコース)での吸光率を測定した場合、その時点で波長の違いによる純水における吸光度の差が補正されたものになっている。この測定値について直接、2次微分処理を実施することによりグルコースによる吸光率の変化量つまり、グルコース濃度を測定できるものである。
In the present embodiment, by arranging the
第2レーザ出力回路32は、初回のみ、第2レーザ出力回路32の第2FMD323の接続を遮断するなどし、第1波長λ1に対し、補正板33による吸光率(第1参照吸光率)Ir1が第2レーザ出力制御回路32内に保持されるようにする。
The second
第2レーザ出力制御回路32は、第1参照吸光率Ir1に基づいて、第2FMD323にて、第2差分電圧を発生させる。第2差分電圧は、順次受光される3つの波長において、基準となる第1波長λ1の第1吸光率I1と他の波長(第2波長λ2、第3波長λ3)との吸光率(第2参照吸光率I2、第3参照吸光率I3)との差を、電圧に変換したものであり、初回における第1波長λ1のレーザ光21の場合は、第1参照吸光率Ir1を電圧変換した値である。
The second laser
第2差分電圧は、第2差動増幅器321にて、第1レーザ出力制御回路31が出力した第1差分電圧と負加算され、レーザダイオードLDを駆動する駆動信号として出力される。
The second differential voltage is negatively added to the first differential voltage output from the first laser
この信号は、第1レーザ出力制御回路31で生成された第1波長λ1のレーザ光21の出力を常に一定に保持するための信号に、第2レーザ出力制御回路32で生成され、第1波長λ1のレーザ光21が補正板33に吸収されたことによる変動量に基づく補正信号を負加算した補正信号である。この補正信号でレーザドライバ63を制御することにより、所定の出力でレーザダイオードLDから出射された第1波長λ1のレーザ光21は、補正板33を透過したレーザ光21により、次回の第1波長λ1の出力が補正される。
This signal is generated by the second laser
つまり、補正板33として純水と同等の吸光率特性を有するもの(例えば石膏ボード)を選択することにより、純水の吸光率によって補正した出力でレーザ光21を出射することができる。
That is, by selecting a
被測定部位25は、グルコース以外の成分(例えば水分)が含まれているため、従来の方法でレーザ光を照射して反射させた光を受光すると、グルコース以外の成分(水)も含まれた測定値となる。
Since the
しかしながら、本実施形態では、純水の吸光率で補正した出力でレーザ光21を被測定部位25に照射する。つまり最終的に被測定部位25に照射される第1波長λ1、第2波長λ2、第3波長λ3のレーザ光21は、水の吸光率による差分が補正されて出力されているため、被測定部位25で反射して受光部12で受光された光量に基づく測定値(第1吸光率I1、第2吸光率I2、第3吸光率I3)は、グルコース自体の吸光率として、直接的に微分処理に用いることができる。
However, in the present embodiment, the
また、レーザ光21の出力と同一時系列にて、その時の水の吸光率によってレーザ出力を補正するので、外気温、湿度等の状況に応じた補正も可能である。
Further, since the laser output is corrected by the water absorptivity at that time in the same time series as the output of the
次に、第1波長λ1の後に出力される例えば第2波長λ2のレーザ光21が、補正板33を透過すると、第2レーザ出力制御回路32は、第2光検知器322で受光した受光量(第2参照吸光率Ir2)を、受光電圧に変換する。
Next, for example, when the
第2レーザ出力制御回路32は、保持されている第1参照吸光率Ir1と第2参照吸光率Ir2に基づく受光電圧の差分を第2FMDにて演算し、第2差分電圧を発生させる。
The second laser
また、第2波長λ2のレーザ光21の一部は、第1レーザ出力制御回路31にて一定値を維持するべく第1差分電圧が発生されており、第2差動増幅器321にて、第1差分電圧および第2差分電圧が負加算され、レーザダイオードLDを駆動する駆動信号としてレーザドライバ63に出力される。これにより次回出力される第2波長λ2のレーザ出力が補正される。
In addition, a first differential voltage is generated in part of the
第3波長λ3のレーザ光21についても同様であり、第1波長λ1のレーザ光を基準に第1参照吸光率Ir1と第3参照吸光率Ir3の差分が演算され、第3波長λ3のレーザ光21を一定にするべく発生された第1差分電圧と、純水の吸光率による補正を行うための第2差分電圧とが負加算され、レーザドライバ63に出力される。これにより次回出力される第3波長λ3のレーザ出力が補正される。
The same applies to the
このようにして、第1波長λ1、第2波長λ2、第3波長λ3のレーザ光21の出力とその補正が所定の時間繰り返される。
In this manner, the output of the
尚、各波長のレーザ光21の出力順はここに記載したものに限らず、また基準とする波長も上記のものに限らない。
Note that the output order of the
レーザ光21は、被測定部位25に所定の照射角度およびビームの絞り角(例:レンズ開口数NAを適切な値に設定する)で照射される。
The
受光部12は、被測定部位25の真皮層252からの反射光22を受光(第1吸光率I1、第2吸光率I2、第3吸光率I3)し、電気信号に変換する。電気信号は、受光した光の強度に比例し、増幅器14により増幅され、制御部6のA/D変換器62に出力される。
The
このように、本実施形態では、補正板33として、純水と同じ吸光特性を示すものが選択されている。その結果、波長に応じて、補正板33の吸光率に従ったレーザ出力が得られる。この補正されたレーザ出力で、レーザ光21を被測定部位25に照射しその時の反射光を受光する。この時、受光する光量は純水の吸光率によって補正されているので、受光量そのもの(第1吸光率I1、第2吸光率I2、第3吸光率I3)が、絶対的なグルコースの吸光率として求められる。
As described above, in the present embodiment, the
レーザ光21は、各波長が順次切り換えて出力されるので、その時々の吸光率をサンプリングする。制御部6は、演算処理部65によりA/D変換回路62から出力された第1吸光率I1、第2吸光率I2、第3吸光率I3に基づく信号により、微分処理を行い、2次微分値を演算して、これらをパラメータとする血糖値変換関数によって、血糖値を求める。
Since the
この光学測定ユニット1によれば、従来のような補正板を測定系に持たなくてすむため、全体的に小型化が可能である。また、同一時間系列にて測定するため、誤差要因を少なくすることができるため、結果的に精度よく、血糖値を計測する光学測定ユニット1が実現する。
According to the
また、本実施形態の光学測定ユニット1は、レーザ出力制御部10において、ハードウエア的に、レーザ出力を補正するものである。ソフトウエア的に、演算で補正する場合には、レーザダイオードLD等の出力のばらつきを吸収するために、生産上で、そのばらつき状態を測定しその値を記録したり、出力などが同じ値となるように調整したりするなどの行為が必要になる。
The
これに対して、ハードウエア的に自動的にレーザ出力が調整されれば、ばらつきの状態を事前に測定したり、調整したりするといった手間を省くことができる。 On the other hand, if the laser output is automatically adjusted by hardware, it is possible to save the trouble of measuring or adjusting the state of variation in advance.
以上、血糖値を測定するための光学測定ユニット1を例に説明したが、これに限らず、例えば果物の果糖を検出する光学測定ユニットでも同様に実施でき、同様の効果が得られる。
The
1 光学測定ユニット
2 表示部
3 アタッチメント
4 電源スイッチ
5 測定開始・停止ボタン
6 制御部
7 電源部
8 外部筐体
10 レーザ出力制御装置(レーザ出力制御部)
11 発光部
11a 集光レンズ
12 受光部
12a 集光レンズ
14 増幅器
17 遮光板
18 スイッチ
21 レーザ光
22 反射光
25 被測定部位
31 第1レーザ出力制御回路
32 第2レーザ出力制御回路
33 補正板
61 DSP
62 A/D変換回路
63 レーザドライバ(レーザ駆動回路)
65 演算処理部
100 血糖値測定装置
111 光源
112 第1光検出器(光検出器)
251 表皮
252 真皮層
253 皮下組織
311 第1差動増幅器
312 基準電圧設定回路
313 第1FMD
321 第2差動増幅器
322 第2光検出器(他の光検出器)
323 第2FMD
λ1 第1波長
λ2 第2波長
λ3 第3波長
I1 第1吸光率
I2 第2吸光率
I3 第3吸光率
i 2次微分値
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
62 A /
65
251
321 second
323 2nd FMD
λ1 first wavelength λ2 second wavelength λ3 third wavelength I1 first absorbance I2 second absorbance I3 third absorbance i second derivative
Claims (10)
前記光源から出射される前記近赤外レーザ光の一部を受光する光検出器と、
該光検出器の受光結果により前記近赤外レーザ光の出力を一定に制御する第1レーザ出力制御回路と、
前記出射波長により光の吸収量が異なる補正板と、
該補正板に前記近赤外レーザ光の一部を透過させた際の前記吸収量に基づき前記光源から出射される前記近赤外レーザ光の出力を補正する第2レーザ出力制御回路と、
を具備することを特徴とするレーザ出力制御装置。 A laser output control device that controls the output of near-infrared laser light having a plurality of different emission wavelengths emitted from a light source,
A photodetector for receiving a part of the near-infrared laser light emitted from the light source;
A first laser output control circuit for controlling the output of the near-infrared laser light to be constant according to a light reception result of the photodetector;
A correction plate having a different amount of light absorption depending on the emission wavelength;
A second laser output control circuit for correcting the output of the near infrared laser light emitted from the light source based on the amount of absorption when a part of the near infrared laser light is transmitted through the correction plate;
A laser output control device comprising:
前記被測定部位に対して出射波長がそれぞれ第1波長、第2波長および第3波長の近赤外レーザ光を個別に出力する光源と、前記近赤外レーザ光の一部を受光する光検出器とを有する発光部と、
前記被測定部位で反射した前記近赤外レーザ光の反射光をそれぞれ検出する受光部と、
前記光検出器の受光結果により前記近赤外レーザ光の出力を一定に保持する第1レーザ出力制御回路と、
前記出射波長により光の吸収量が異なる補正板と、
該補正板に前記近赤外レーザ光の一部を透過させた際の前記吸収量に基づき前記近赤外レーザ光の出力を補正する第2レーザ出力制御回路と、
を具備することを特徴とする光学測定ユニット。 An optical measurement unit that optically measures the sugar content at a measurement site,
A light source that individually outputs near-infrared laser light having an emission wavelength of the first wavelength, the second wavelength, and the third wavelength, respectively, and light detection that receives a part of the near-infrared laser light. A light-emitting unit having a device;
A light receiving unit for detecting the reflected light of the near-infrared laser beam reflected by the measurement site;
A first laser output control circuit that holds the output of the near-infrared laser light constant according to a light reception result of the photodetector;
A correction plate having a different amount of light absorption depending on the emission wavelength;
A second laser output control circuit that corrects the output of the near infrared laser light based on the amount of absorption when a part of the near infrared laser light is transmitted through the correction plate;
An optical measurement unit comprising:
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