JP2013053864A

JP2013053864A - 水分量測定方法及び水分量測定装置

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Publication number: JP2013053864A
Application number: JP2011190537A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Nishida; 和弘西田; Kazuhiko Amano; 和彦天野; Koichi Shimizu; 孝一清水
Original assignee: Hokkaido University NUC; Seiko Epson Corp
Current assignee: Hokkaido University NUC; Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: JP5849539B2

Abstract

【課題】溶液に含まれる水（溶液）以外の物質（溶質）による光の吸収の影響を除外し、高精度に水分量の測定が可能な水分量測定装置を提供する。
【解決手段】温度Ｔ１における吸収係数、温度Ｔ２における吸収係数、超純水の１℃あたりの吸収係数の変化を示すグラフを参照して、水分量（体積分率）、溶質濃度を求める。
【選択図】図４

Description

本発明は、水分量を非侵襲的にかつ精度良く定量する水分量測定方法及び水分量測定装置に関するものである。

従来、水分量を非侵襲的に定量する水分量測定方法として、例えば、測定対象物の含水量により赤外線吸収が変化する測定光の赤外線と、測定対象物の含水量により赤外線吸収がほとんど変化しない参照光の赤外線とを、それぞれ測定対象物に照射する。そして、測定対象物からの各赤外線の反射光量に基づいて、例えば吸光度を求め、この吸光度を水分量に換算することにより測定対象物の水分量を測定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−１７６９８９号公報

しかしながら、測定対象物の構成成分のうち、赤外線を吸収する物質は水だけとは限らず、水以外の他の成分が測定対象物に含まれている場合、他の成分によっても照射した赤外線が吸収されてしまい測定誤差が大きくなるという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、測定対象物に水以外の成分が含まれていても、水分量だけを精度良く測定することが可能な水分量測定装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態は、以下の水分量測定方法及び水分量測定装置を採用した。
すなわち、本発明の水分量測定方法は、被測定物に含まれる水分量を測定する水分量測定方法であって、
第一の温度の前記被測定物に向けて所定の波長の光を照射し、前記被測定物の第一の吸収係数を測定する工程と、第二の温度の前記被測定物に向けて所定の波長の光を照射し、前記被測定物の第二の吸収係数を測定する工程と、予め測定された、水の温度変化に応じた吸収係数の変化量に基づいて、前記第一の吸収係数と前記第二の吸収係数から、前記被測定物の水分量を算出する工程と、を備えたことを特徴とする。

また、前記被測定物を前記第一の温度に調節する工程と、前記被測定物を前記第二の温度に調節する工程と、を更に備えたことを特徴とする。
また、前記被測定物に向けて照射する光の波長は、１４１０±２０ｎｍ、または１４６０〜１５３０ｎｍであることを特徴とする。

本発明の水分量測定装置は、前記各項記載の水分量測定方法を用いて、被測定物の水分量を測定することを特徴とする。
また、前記被測定物を前記第一の温度および前記第二の温度に調節する温度調節手段を更に備えたことを特徴とする。

また、前記被測定物の温度を検出する温度センサーを更に備えたことを特徴とする。

本発明の水分量測定装置の構成を示す概略ブロック図である。水分量測定装置を構成する測定端末の一例を示す斜視図である。人の皮膚組織の断面を示す模式図である。本発明の水分量測定装置が水分量を測定する動作を示すフローチャートである。水の吸収係数と温度との関係を示すグラフである。本発明の水分量測定装置が水分量を測定する動作を示す別な実施形態のフローチャートである。

本発明の水分量測定装置及び水分量測定方法を実施するための形態について説明する。
本発明では、水分量測定装置の観測対象として人の手のひらの皮膚に含まれる水分量を測定する場合を例に取り説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態の水分量測定装置の構成を示す概略ブロック図である。
この水分量測定装置１００は、第一の溶質を溶解させた溶液中の水分量を、吸光光度法によって正確に測定可能なものであり、演算部１０１、記憶部１０２、表示部１０３、計測光強度取得部（測定部）１０４と、照射部１０５および受光部１０６からなる光ユニット１０７と、温度調節手段１０８および温度センサー１０９からなる温度ユニット１１１とを備えている。このうち、光ユニット１０７と温度ユニット１１１とから測定端末１１０が構成される。

この水分量測定装置１００は、例えば、皮膚（観測対象）に存在する体液（試料：溶液）を構成する成分のうち、溶質を除いた水分量とを測定（定量）することができる。

計測光強度取得部（測定部）１０４は、第一の試料、即ち、皮膚（観測対象）の吸収係数（μ_ａ（λ））を測定する。

光源である照射部（光源）１０５は、皮膚（観測対象）に向けて所定の波長の光を照射する。こうした照射部（光源）１０５は、例えば、レーザー光源から構成されればよい。照射部１０５は、例えば、水の吸収係数の温度変動が大きい波長、１４１０±２０ｎｍ、または１４６０〜１５３０ｎｍの光源であれば良い。

温度調節手段１０８は、例えば、測定対象を加温するヒータープレート、あるいは測定対象を加温、冷却できるペルチェ素子などから構成されていればよい。また、温度センサー１０９は測定対象の表面温度を検出する放射温度センサーや半導体温度センサーなどから構成されていればよい。

図２に水分量測定装置を構成する測定端末の一例を示す。
図２に示す測定端末１１０は、例えば全体がシャワーヘッド状の小型の測定端末であり、測定者が把持部１２１を保持し、略円形の測定面１１０ａを被測定対象、例えば人体の腕部や顔面に押し当てて測定を行う。
測定面１１０ａには、照射部１０５および受光部１０６と、温度調節手段１０８および温度センサー１０９とが露呈されている。
こうした測定端末１１０のを人体の腕部や顔面に押し当て、体液中の溶質濃度、水分量（溶媒濃度）を測定する。

演算部１０１は、水（溶媒）の吸収係数（μ_ａｗ（λ, Ｔ））、および観測対象の吸収係数（μ_ａ（λ））に基づいて、溶媒の体積分率（Ｖ_ｗ）即ち水分量を算出する。こうした演算部１０１は、例えば、ＣＰＵ、メモリーなどから構成されていればよい。また、受光部１０６は、例えば、光が皮膚によって後方散乱した光を受光すればよい。

ここで、水分量の観測対象の一例である人の皮膚組織の構造について説明する。
図３は、人の皮膚組織の断面を示す模式図であり、皮膚３１は、表皮層３２と、真皮層（任意の層）３３と、皮下組織３４の３層により構成されている。
表皮層３２は、最も外側にある厚み０．２ｍｍ〜０．３ｍｍの薄い層で、概ね水を６０％程度、蛋白質、脂質等を含有する層であり、角質層、顆粒層、有棘層、底層等を含む。

真皮層３３は、表皮層３２下に形成される厚み０．５ｍｍ〜２ｍｍの層で、概ね水を６０％程度、蛋白質、脂質を含有する層であり、この真皮層３３内には神経、毛根、皮脂腺、汗腺、毛包、血管、リンパ管等が存在する。
皮下組織３４は、真皮層３３下に形成される厚み１〜３ｍｍの層で、大部分が概ね脂質を９０％以上含み、残部が測定対象となる水（水分）からなる皮下脂肪でできている。

水分量測定装置１００を用いた水分量の測定方法としては、例えば、照射部（光源）１０５及び受光部１０６を所定の入出射間距離Ｗをおいて皮膚３１の表面に密着させ、この密着状態で照射部１０５から皮膚３１の表面に光を照射し、この光が皮膚３１内の組織により反射され、この反射光が照射部１０５及び受光部１０６に向かって散乱する光（後方散乱した光）を受光部１０６で検出する。

次に、水分量測定装置１００の動作、即ち、本発明の水分量測定方法を説明する。
水分量測定装置１００は、水分量を測定する前に、予め、水の吸収係数の温度特性と皮膚内を伝搬する光の光路長を算出し、記憶部１０２に記憶させておく。水の吸収係数の温度特性は、予め測定しておくか、既存のデータを利用すればよい（Ｓ６）。また、光路長は、モンテカルロシミュレーション等によって算出することができる。

図４は、水分量測定装置を用いて水分量、および溶質濃度を測定する際の動作を示すフローチャートである。
まず、ユーザー（被測定者）は、水分量測定装置１００の測定端末１１０を手首等の皮膚に当て、測定開始スイッチ（図示せず）の押下等により水分量測定装置１００を動作させる。水分量測定装置１００は、まず、測定面１１０ａに接した皮膚を温度調節手段１０８によって第一の測定温度Ｔ１になるように加温、または冷却する（Ｓ１）。

温度センサー１０９によって皮膚の表面温度を測定し続け、測定温度Ｔ１に達したら、照射部１０５は、皮膚３１に向けて、波長λの光を照射する。波長λは、例えば、１４１０±２０ｎｍ、または１４６０〜１５３０ｎｍである。被測定物の水分量を算出する誤差を低減するため吸収係数差が±0.01を超える範囲の波長を用いることが望ましい。

測定時に照射される光は、１種類の波長λ_１の光、また２波長以上の光を順次照射する構成であればよい。
照射部１０５が光を照射すると、受光部１０６は、照射部１０５から照射され皮膚３１によって後方散乱された光を受光（測定）する（Ｓ２）。

次いで、受光部１０６が受光を完了すると、記憶部１０２が記憶する波長の光路長情報から、皮膚の光路長を取得する。また演算部１０１は、皮膚の吸収係数を算出すればよい。

温度Ｔ１での吸収係数を測定したら、今度は測定面１１０ａに接した皮膚を温度調節手段１０８によって第二の測定温度Ｔ２になるように加温、または冷却する（Ｓ３）。

温度センサー１０９によって皮膚の表面温度を測定し続け、測定温度Ｔ２に達したら、照射部１０５は、皮膚３１に向けて、波長λの光を照射する。

測定時に照射される光は、１種類の波長λ_１の光、また２波長以上の光を順次照射する構成であればよい。
照射部１０５が光を照射すると、受光部１０６は、照射部１０５から照射され皮膚３１によって後方散乱された光を受光（測定）する（Ｓ４）。

次いで、これら温度Ｔ１における吸収係数、温度Ｔ２における吸収係数、および図５に示す超純水の１℃あたりの吸収係数の変化を示すグラフを参照して、水分量（体積分率）、溶質濃度を求める（Ｓ５）。

なお、図５に示す超純水の１℃あたりの吸収係数の変化は、予め測定しておくか、既存のデータを利用すればよい（Ｓ６）。

例えば、溶液（体液相当の溶液）として水と１種類の溶質の場合、吸収係数と水および溶質の体積分率との関係は式（１）で表される。

但し、数１において
μ_ａ（λ,Ｔ）：測定対象の吸収係数
μ_ａｇ（λ）：波長λにおける溶質の吸収係数
μ_ａｗ（λ,Ｔ）：波長λ、温度Ｔにおける水の吸収係数
Ｖ_ｇ：溶質の体積分率
Ｖ_ｗ：水の体積分率
こうした式（１）に基づいて、２つの温度（Ｔ１，Ｔ２）から水の体積分率（水分量）、溶質の体積分率との関係は式（２）で表される。なお、この式（１）において、μ_ａｇ（λ）（波長λにおける溶質の吸収係数）は極めて小さい値のため、実質的に温度変化はしないものと見なして式（２）を導き出した。

但し、数２において
Ｔ１：第一の測定温度
Ｔ２：第二の測定温度
μ_ａ（λ,Ｔ_１）：測定対象の温度Ｔ１における吸収係数
μ_ａ（λ,Ｔ_２）：測定対象の温度Ｔ２における吸収係数
μ_ａｗ（λ,Ｔ_１）：波長λ、温度Ｔ１における水の吸収係数
μ_ａｗ（λ,Ｔ_２）：波長λ、温度Ｔ２における水の吸収係数
Ｖ_ｇ：溶質の体積分率
Ｖ_ｗ：水の体積分率
（∂／∂Ｔ）μ_ａｗ（λ）：水の１℃あたりの吸収係数の変化

超純水の１℃あたりの吸収係数の変化を加味した式（２）に工程Ｓ１，Ｓ２でそれぞれ得られた温度Ｔ１における吸収係数、および温度Ｔ２における吸収係数を適用することによって、水の体積分率（水分量）と溶質の体積分率とを算出する。
そして、得られた水の体積分率（水分量）を水分量測定装置１００の表示部１０３、例えばモニター画面やプリンターに出力すればよい（Ｓ７）。

なお、上述した実施形態では、１種類の溶質の吸収係数を適用しているが、水以外の含まれる溶質全体の特性、即ち含まれる溶質全体の吸収係数を適用しても良い。

［第２の実施形態］
図６は、水分量測定装置を用いて水分量、および溶質濃度を測定する別な実施形態のフローチャートである。
まず、ユーザー（被測定者）は、水分量測定装置１００の測定端末１１０を手首等の皮膚に当て、測定開始スイッチ（図示せず）の押下等により水分量測定装置１００を動作させる。水分量測定装置１００は、温度センサー１０９によって皮膚の表面温度（Ｔ１）を測定してから、皮膚３１に向けて、波長λの光を照射する。波長λは、例えば、１４１０±２０ｎｍ、または１４６０〜１５３０ｎｍである。被測定物の水分量を算出する誤差を低減するため吸収係数差が±０．０１を超える範囲の波長を用いることが望ましい

測定時に照射される光は、１種類の波長λの光、また２波長以上の光を順次照射する構成であればよい。
照射部１０５が光を照射すると、受光部１０６は、照射部１０５から照射され皮膚３１によって後方散乱された光を受光（測定）する（Ｓ１０）。

次いで、受光部１０６が受光を完了すると、記憶部１０２が記憶する波長の光路長情報から、皮膚の光路長を取得する。また演算部１０１は、温度Ｔ１における皮膚の吸収係数を算出すればよい。

温度Ｔ１での吸収係数を測定したら、測定対象の温度がＴ１からＴ２に自然変化するまで一定時間経過させる（Ｓ１１）。

再び水分量測定装置１００は、温度センサー１０９によって皮膚の表面温度（Ｔ２）を測定してから、皮膚３１に向けて、波長λの光を照射する。

測定時に照射される光は、１種類の波長λの光、また２波長以上の光を順次照射する構成であればよい。
照射部１０５が光を照射すると、受光部１０６は、照射部１０５から照射され皮膚３１によって後方散乱された光を受光（測定）する（Ｓ１２）。

次いで、受光部１０６が受光を完了すると、記憶部１０２が記憶する波長の光路長情報から、皮膚の光路長を取得する。また演算部１０１は、温度Ｔ２における皮膚の吸収係数を算出すればよい。

次いで、これら温度Ｔ１における吸収係数、温度Ｔ２における吸収係数、および図５に示す超純水の１℃あたりの吸収係数の変化を示すグラフを参照して、水分量（体積分率）、溶質濃度を求める（Ｓ１３）。

なお、図５に示す超純水の１℃あたりの吸収係数の変化は、予め測定しておくか、既存のデータを利用すればよい（Ｓ１４）。

例えば、溶液（体液相当の溶液）として水と１種類の溶質の場合、吸収係数と水および溶質の体積分率との関係は式（３）で表される。

但し、数３において
μ_ａ（λ,Ｔ）：測定対象の吸収係数
μ_ａｇ（λ）：波長λにおける溶質の吸収係数
μ_ａｗ（λ,Ｔ）：波長λ、温度Ｔにおける水の吸収係数
Ｖ_ｇ：溶質の体積分率
Ｖ_ｗ：水の体積分率
こうした式（３）に基づいて、２つの温度（Ｔ１，Ｔ２）から水の体積分率（水分量）、溶質の体積分率との関係は式（４）で表される。なお、この式（３）において、μ_ａｇ（λ）（波長λにおける溶質の吸収係数）は極めて小さい値のため、実質的に温度変化はしないものと見なして式（４）を導き出した。

但し、数４において
Ｔ１：第一の測定温度
Ｔ２：第二の測定温度
μ_ａ（λ,Ｔ_１）：測定対象の温度Ｔ１における吸収係数
μ_ａ（λ,Ｔ_２）：測定対象の温度Ｔ２における吸収係数
μ_ａｗ（λ,Ｔ_１）：波長λ、温度Ｔ１における水の吸収係数
μ_ａｗ（λ,Ｔ_２）：波長λ、温度Ｔ２における水の吸収係数
Ｖ_ｇ：溶質の体積分率
Ｖ_ｗ：水の体積分率
（∂／∂Ｔ）μ_ａｗ（λ）：水の１℃あたりの吸収係数の変化

超純水の１℃あたりの吸収係数の変化を加味した式（４）に工程Ｓ１，Ｓ２でそれぞれ得られた温度Ｔ１における吸収係数、および温度Ｔ２における吸収係数を適用することによって、水の体積分率（水分量）と溶質の体積分率とを算出する。
そして、得られた水の体積分率（水分量）を水分量測定装置１００の表示部１０３、例えばモニター画面やプリンターに出力すればよい（Ｓ１５）。

なお、この実施形態においても、１種類の溶質の吸収係数を適用しているが、水以外の含まれる溶質全体の特性、即ち含まれる溶質全体の吸収係数を適用しても良い。

以上のように、本発明によれば、複数の温度の測定対象の吸収係数をそれぞれ測定することによって、溶液（被測定対象）に含まれる水（溶液）以外の物質（溶質）による光の吸収の影響を除外し、高精度に水分量の測定が可能になる。

３１…皮膚（観測対象）、１００…水分量測定装置（濃度定量装置）、１０２…記憶部、１０３…表示部、１０４…計測光強度取得部、１０５…照射部（光源）、１０６…受光部、１０８…温度調節手段、１０９…温度センサー。

Claims

被測定物に含まれる水分量を測定する水分量測定方法であって、
第一の温度の前記被測定物に向けて所定の波長の光を照射し、前記被測定物の第一の吸収係数を測定する工程と、
第二の温度の前記被測定物に向けて所定の波長の光を照射し、前記被測定物の第二の吸収係数を測定する工程と、
予め測定された、水の温度変化に応じた吸収係数の変化量に基づいて、前記第一の吸収係数と前記第二の吸収係数から、前記被測定物の水分量を算出する工程と、
を備えたことを特徴とする水分量測定方法。
前記被測定物を前記第一の温度に調節する工程と、前記被測定物を前記第二の温度に調節する工程と、を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の水分量測定方法。
前記被測定物に向けて照射する光の波長は、１４１０±２０ｎｍ、または１４６０〜１５３０ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載の水分量測定方法。
請求項１ないし３何れか１項記載の水分量測定方法を用いて、被測定物の水分量を測定することを特徴とする水分量測定装置。
前記被測定物を前記第一の温度および前記第二の温度に調節する温度調節手段を更に備えたことを特徴とする請求項４記載の水分量測定装置。
前記被測定物の温度を検出する温度センサーを更に備えたことを特徴とする請求項４または５記載の水分量測定装置。