JP2010230662A

JP2010230662A - 成分測定装置

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Publication number: JP2010230662A
Application number: JP2010047716A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Tezuka; 信一郎手塚; Hitoshi Hara; 仁原
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: US8547535B2; JP4935914B2; US20110216308A1

Abstract

【課題】組立調整が比較的容易で、測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる成分測定装置を実現すること。
【解決手段】レーザー光を出射するレーザーと、前記レーザーから出射されたレーザー光を平行光に整形することなく集光して測定対象の内部組織に照射する対物レンズと、前記測定対象の内部組織により反射され前記対物レンズにより屈折された反射光を光路変換するハーフミラーと、前記ハーフミラーにより光路変換された反射光が通過するピンホールと、前記ピンホールを通過した反射光を受光する受光素子と、前記受光素子から出力されるデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うデータ解析部、とで構成されたことを特徴とする成分測定装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、成分測定装置に関し、詳しくは、レーザー光で成分の濃度などを測定する成分測定装置の改善に関する。

従来から、たとえば血液中の血糖値などの成分の濃度などを測定する場合には、注射器で人体から血液を採取したり、指先や耳たぶを穿刺したりして、血液を実際に採取して血液中のグルコース濃度をすることが多い。

一般に、血糖値は、食事の前後や運動後などの測定条件によって大きく変化することから、正確な血糖値データを得るためには頻繁に測定しなければならないが、その都度採血して直接分析する従来の方法は、被験者に与える苦痛も大きいという問題がある。

そこで、出願人は、このように生体を侵襲して血液を採取せずに、生体にレーザー光を照射してその生体からの反射光を検出し、レーザー光が生体により吸収された度合（吸光度）に基づいて目的の成分（たとえば血液中のグルコース）の濃度などを測定する共焦点光学系を用いた生体成分測定装置を出願している（特許文献１参照）。

図１０は、特許文献１に記載されている生体成分測定装置の構成図である。
図１０において、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光は、コリメートレンズ２で平行光に整形され、コリメートレンズ２の光軸に対してほぼ４５°の傾斜を有する状態で配置されたハーフミラー３に入射される。なお、レーザーダイオード１としては、たとえばグルコースの吸収が比較的大きい１６００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できる可変波長レーザーを用いる。

ハーフミラー３を透過した平行光は、対物レンズ４により集光されて生体ＬＢの内部組織に照射される。生体ＬＢの内部組織で反射されたレーザー光は、再び対物レンズ４に入射されて平行光に整形され、ハーフミラー３に入射されてほぼ９０°の方向に反射するように光路変換される。

ハーフミラー３で光路変換されて反射されたレーザー光は、レンズ５により集光されてピンホール６に入射される。ピンホール６を通過したレーザー光は、受光素子７に入射されて電気信号に変換される。

受光素子７は、受光したレーザー光の光量に応じて強さや大きさが増減する電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。Ａ／Ｄ変換器８は、受光素子７から入力される電気信号をデジタルデータに変換し、データ解析部９に入力する。

データ解析部９は、波長の異なる２波長以上の各レーザー光が生体ＬＢに照射されたときに受光素子７から変換出力される複数の電気信号に基づいて生体ＬＢの成分の定量解析を行う。

具体的には、血糖値すなわち血液内のグルコース濃度の定量を行う場合、データ解析部９にはあらかじめ測定された血液内のグルコース濃度とレーザー光の吸光度との検量線が記憶されていて、データ解析部９は、この検量線に基づいて生体ＬＢの血液内のグルコース濃度の定量を行う。

特開２００８−３０１９４４号公報

しかし、このような従来の生体成分測定装置は、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光をコリメートレンズ２で平行光に整形してからハーフミラー３に入射し、ハーフミラー３を透過したレーザー光を対物レンズ４により集光して生体ＬＢの内部組織に照射するように構成されているので、光学部品間の光軸合わせなど、組立調整にかなりの作業工数がかかってしまうという問題がある。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、その目的は、組立調整が比較的容易で、測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる成分測定装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
レーザー光を出射するレーザーと、
前記レーザーから出射されたレーザー光を平行光に整形することなく集光して測定対象の内部組織に照射する対物レンズと、
前記測定対象の内部組織により反射され前記対物レンズにより屈折された反射光を光路変換するハーフミラーと、
前記ハーフミラーにより光路変換された反射光が通過するピンホールと、
前記ピンホールを通過した反射光を受光する受光素子と、
前記受光素子から出力されるデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うデータ解析部、
とで構成されたことを特徴とする成分測定装置である。

請求項２は、請求項１記載の成分測定装置において、
前記レーザーは、波長可変光源であることを特徴とする。

請求項３は、請求項１または請求項２記載の成分測定装置において、
前記レーザーと対物レンズとピンホールと受光素子は、共焦点光学系を構成することを特徴とする。

請求項４は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を設けたことを特徴とする。

請求項５は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記測定対象の成分は、血液内のグルコースであり、
前記データ解析部は、前記受光素子から出力されるデータに基づいて前記測定対象の内部組織中の前記グルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度の定量を行い、血糖値を測定することを特徴とする。

請求項６は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記レーザーから出射されるレーザー光の光束を拡大する手段を設けたことを特徴とする。

請求項７は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
この第２の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路、
を設けたことを特徴とする。

請求項８は、請求項７記載の成分測定装置において、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号でピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。

請求項９は、請求項７に記載の成分測定装置において、
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする。

請求項１０は、請求項７に記載の成分測定装置において、
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかでピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。

請求項１１は、請求項７記載の成分測定装置において、
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子の検出信号でピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算した第１の規格化信号と、前記第３の受光素子の検出信号でピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算した第２の規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。

請求項１２は、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記ハーフミラーで反射された反射光を検出する第４の受光素子を設け、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする。

請求項１３は、請求項１２に記載の成分測定装置において、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかでピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。

請求項１４は、請求項１２に記載の成分測定装置において、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号のそれぞれでピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算した規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。

このように構成することにより、組立調整が比較的容易で、測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる。

本発明の一実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。従来の生体成分測定装置の一例を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成図であり、図１０と共通する部分には同一の符号を付けている。図１の装置と図１０の装置の相違点は、レーザーの出力光を平行光に整形することなく対物レンズで集光して測定対象としての生体の内部組織に照射していることにある。

図１において、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光は、レーザーダイオード１の光軸に対してほぼ４５°の傾斜を有する状態で配置されたハーフミラー３に入射される。なお、レーザーダイオード１としては、たとえばグルコースの吸収が比較的大きい１５００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できる可変波長レーザーを用いる。１個のレーザーダイオードで１５００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できない場合には、複数のレーザーダイオードを組み合わせて用いればよい。ハーフミラー３を透過したレーザー光は、対物レンズ４で集光されて生体ＬＢの内部組織に照射される。これらレーザーダイオード１とハーフミラー３と対物レンズ４は、生体ＬＢの内部組織を照射する照射系を構成するものであり、これらの光軸が生体ＬＢと正対するように配置されている。

生体ＬＢの内部組織で反射されたレーザー光は、再び対物レンズ４を介してハーフミラー３に入射され、ほぼ９０°の方向に反射するように光路変換される。ハーフミラー３で反射されて光路変換されたレーザー光は、レンズを介することなく直接ピンホール６に入射される。ピンホール６を通過したレーザー光は、受光素子７に入射されて電気信号に変換される。

受光素子７は、受光したレーザー光の光量に応じて強さや大きさが増減する電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。Ａ／Ｄ変換器８は、受光素子７から入力される電気信号をデジタルデータに変換し、データ解析部９に入力する。これらピンホール６と受光素子７は受光系を構成するものであり、その光軸が照射系の光軸と直交する方向に配置されている。なお、これらレーザーダイオード１と対物レンズ４とピンホール６と受光素子７は、共焦点光学系を構成している。

このように構成することにより、図６の装置におけるレンズ２と５が不要になり、図６に比べて光学部品間の光軸合わせなど、組立調整を簡略化できる。

また、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光を平行光に整形することなく対物レンズ４で集光して生体内における測定位置に照射するので、生体ＬＢ内における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる。

図２は、本発明の他の実施例を示す構成図である。図２の実施例は、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光の光束を、平凸レンズ１０で拡大したものである。これにより、図１よりも光路長を短くでき、光路長を短くできる分だけ小型化が図れる。

図３も、本発明の他の実施例を示す構成図である。図３の実施例は、生体ＬＢと正対するようにピンホール６と受光素子７よりなる受光系を配置し、この受光系の光軸と直交する方向にレーザーダイオード１を配置したものである。これにより、図１と同様な成分測定が行える。

なお、図３の構成においても、図２と同様な平凸レンズ１０を、レーザーダイオード１の前面および受光素子７側のピンホール６とハーフミラー３との間に設けることによりレーザー光の光束を拡大できて光路長を短くでき、装置の小型化が図れる。

図４も、本発明の他の実施例を示す構成図である。図４の実施例では、対物レンズ４は光軸Ａの方向に沿って移動可能に構成されている。これにより、生体ＬＢ内での結像位置を深さ方向に移動させることができる。

なお、対物レンズ４の移動に合わせて、ピンホール６を光軸Ｂの方向に沿って移動させ、受光素子７を光軸Ｃの方向に沿って移動させるようにしてもよい。

また、図４の構成において、これら照射系と受光系で構成される成分測定装置と生体ＬＢを、相対的にＸ軸およびＹ軸方向に移動させる機構を組み込むことにより、生体ＬＢ内の３次元情報を得ることができる。

また、図４の実施例では対物レンズ４を光軸Ａの方向に沿って移動可能に構成しているが、対物レンズ４は固定としてレーザーダイオード１を光軸Ｄの方向に沿って移動可能とし、ピンホール６と受光素子７をレーザーダイオード１の移動と同期してそれぞれの光軸方向Ｂ、Ｃに移動させるようにしてもよい。

図５も、本発明の他の実施例を示す構成図である。図５の実施例では、図２のように構成された成分測定装置をユニットとして構成し、これら複数ｎ個のユニットをアレイ化して一体化したものである。各測定ユニットをアレイ構造にすることにより、それぞれ異なる波長で生体ＬＢ内の異なる焦点位置の信号を一括で取得できる。なお、各受光素子７の出力信号はマルチプレクサ１１を介して共通のＡ／Ｄ変換器８に入力されてデジタルデータに変換されるが、より高速処理が必要な場合には受光素子それぞれに専用のＡ／Ｄ変換器を設けてもよい。

上記各実施例において、レーザーダイオード１から測定対象に照射される光強度を所定の値に維持するように、レーザーダイオード１を自動出力制御ループで駆動することにより、安定した測定が行える。

図６は、このような構成を前述図１の実施例に適用した例を示す構成図である。図６の実施例では、レーザーダイオード１の出力光の一部を光ファイバ１２を介して測定対象である生体ＬＢの表面に照射させてその反射光を第２の受光素子１３で検出し、この第２の受光素子１３の出力信号をレーザーダイオード駆動回路１４に与えてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。

これにより、レーザーダイオード１の温度変化および空間強度変動に起因する出力光強度変化を抑制でき、安定した成分測定結果が得られる。

また、第２の受光素子１３の出力信号をＡ／Ｄ変換器１５を介してデータ解析部９に加え、第１の受光素子７の出力信号を第２の受光素子１３の出力信号で除算して規格化することにより、レーザーダイオード１の出力変動分や測定対象ＬＢの表面反射による変動分を補償できる。

図７は、図６のレーザーダイオード１として、その出力光をモニタする図示しない第３の受光素子が内蔵されたものを用いた実施例を示す構成図である。第３の受光素子の出力信号もレーザーダイオード駆動回路１４に入力され、レーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。

また、第３の受光素子の出力信号もＡ／Ｄ変換器１６を介してデータ解析部９に入力され、第１の受光素子７の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算して規格化する。これにより、データ解析部９は、２つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード１の出力変動分や測定対象ＬＢの表面反射による変動分を高精度に補償する。

図８は、図７の実施例に、さらにハーフミラー３で反射された反射光を検出する第４の受光素子１７と、この第４の受光素子１７の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１８を追加したものである。第４の受光素子１７は、レーザーダイオード１の出力光の空間変動分を検出する。第４の受光素子１７の出力信号もレーザーダイオード駆動回路１４に入力され、レーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。

また、第４の受光素子１７の出力信号もＡ／Ｄ変換器１８を介してデータ解析部９に入力され、第１の受光素子７の出力信号を第４の受光素子１７の出力信号で除算して規格化する。これにより、データ解析部９は、３つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード１の出力変動分と空間変動分および測定対象ＬＢの表面反射による変動分をさらに精度よく補償する。

図９は図８の実施例から、光ファイバ１２と第２の受光素子１３およびＡ／Ｄ変換器１５からなる信号系統を省いたものである。図９の構成によれば、レーザーダイオード駆動回路１４は、第３の受光素子と第４の受光素子１７の出力信号に基づいてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。そしてデータ解析部９は、第１の受光素子７の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算した規格化信号と第１の受光素子７の出力信号を第４の受光素子１７の出力信号で除算した規格化信号に基づき、レーザーダイオード１の出力変動分および空間変動分を精度よく補償する。

なお、図８および図９の実施例ではレーザーダイオード１としてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用いているが、装置に求められる補償精度に応じて、図６のように第３の受光素子が内蔵されていないものを用いてもよい。

これら図６〜図９の構成は、図１に示す実施例にのみ適用できるものではなく、図２〜図５に示す実施例にも適用できるものである。

上記各実施例では、対物レンズ４として固定焦点レンズを用いる例を示したが、可変焦点レンズを用いてもよい。可変焦点レンズとしては、たとえばレンズ状に形成された空間に液晶が封入され、印加電圧を調整して見かけ上の液晶の屈折率を変化させるように構成された液晶レンズを用いることができる。液晶レンズによれば、同じレンズ形状でありながら、構成材料の屈折率が変化することにより、焦点距離が変化することになる。

このような可変焦点レンズを対物レンズ４として用いることにより、対物レンズ４の位置を光軸方向に移動させずに可変焦点レンズに対する印加電圧を調整することで、生体ＬＢの組織内における深さ方向の測定位置を任意に設定でき、レンズ移動機構が簡略化できる。

上記各実施例では、光源として可変波長レーザーを用いる例を説明したが、測定成分が特定されている場合には、単波長レーザーであってもよい。

上記各実施例では、人体の血液中の血糖値を測定する例について説明したが、血糖値以外の血液成分や組織液成分の定量測定にも有効である。

また、測定対象は人体に限るものではなく、動物や植物などの内部物質の定量測定にも有効である。

また、測定対象は生体に限るものではなく、農産物、水産物、食品、有機材料などの構造、組成の非破壊検査、化学物質の定量測定にも有効である。

以上説明したように、本発明によれば、組立調整が比較的容易で、測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる成分測定装置を実現することができ、人体の血液中の血糖値をはじめとする各種の成分測定に好適である。

１レーザーダイオード
３ハーフミラー
４対物レンズ
６ピンホール
７、１３、１７受光素子
８、１５、１６、１８Ａ／Ｄ変換器
９データ解析部
１０平凸レンズ
１１マルチプレクサ
１２光ファイバ
１４レーザーダイオード駆動回路

Claims

レーザー光を出射するレーザーと、
前記レーザーから出射されたレーザー光を平行光に整形することなく集光して測定対象の内部組織に照射する対物レンズと、
前記測定対象の内部組織により反射され前記対物レンズにより屈折された反射光を光路変換するハーフミラーと、
前記ハーフミラーにより光路変換された反射光が通過するピンホールと、
前記ピンホールを通過した反射光を受光する受光素子と、
前記受光素子から出力されるデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うデータ解析部、
とで構成されたことを特徴とする成分測定装置。
前記レーザーは、波長可変光源であることを特徴とする請求項１記載の成分測定装置。
前記レーザーと対物レンズとピンホールと受光素子は、共焦点光学系を構成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成分測定装置。
前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の成分測定装置。
前記測定対象の成分は、血液内のグルコースであり、
前記データ解析部は、前記受光素子から出力されるデータに基づいて前記測定対象の内部組織中の前記グルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度の定量を行い、血糖値を測定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の成分測定装置。
前記レーザーから出射されるレーザー光の光束を拡大する手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の成分測定装置。
前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
この第２の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路、
を設けたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の成分測定装置。
前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号でピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項７記載の成分測定装置。
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする請求項７記載の成分測定装置。
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかでピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項７に記載の成分測定装置。
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子の検出信号でピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算した第１の規格化信号と、前記第３の受光素子の検出信号でピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算した第２の規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項７に記載の成分測定装置。
前記ハーフミラーで反射された反射光を検出する第４の受光素子を設け、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の成分測定装置。
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかでピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項１２に記載の成分測定装置。
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号のそれぞれでピンホールを通過した反射光を受光する前記受光素子の検出信号を除算した規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項１２に記載の成分測定装置。