JP2013088137A - 散乱係数測定装置およびこれを備える濃度測定装置並びにその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化を図りつつ、標本の散乱係数を測定することができる散乱係数測定装置を提供する。
【解決手段】標本Ａ面に対して光を斜めに射出する導光部１０と、標本Ａ面において光の入射点を中心として射出方向に複数配列され、標本Ａ面からの散乱光の強度をそれぞれ検出する受光素子２０と、受光素子２０により検出された標本Ａからの散乱光の強度の分布から、標本Ａの散乱係数を算出するＣＰＵ３０とを備える散乱係数測定装置１を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、散乱係数測定装置およびこれを備える濃度測定装置並びにその方法に関するものである。

従来、例えば光散乱体である生体を被検体とし、その散乱係数を測定する散乱係数測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、この散乱係数測定装置では、被検体の散乱係数から血糖値を算出している。

特開２００９−８５７１２号公報

ここで、このような散乱係数測定装置を用いて血糖値を測定する場合には、血糖値変化により間質液の屈折率が変化し、それに伴い散乱係数が変化する。この散乱係数の変化をＯＣＴの信号変化として捉え、血糖値測定を行う。
しかしながら、特許文献１に開示されている散乱係数測定装置では、干渉計が必要なため、装置が大型になり、小型の測定装置を実現できないという不都合がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、装置の小型化を図りつつ、標本の散乱係数を測定することができる散乱係数測定装置およびこれを備える濃度測定装置並びにその方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、標本面に対して光を斜めに射出する導光部と、前記標本面において光の入射点を中心として射出方向に複数配列され、前記標本面からの散乱光の強度をそれぞれ検出する受光素子と、前記受光素子により検出された前記標本からの散乱光の強度分布から、前記標本の散乱係数を算出する算出部とを備える散乱係数測定装置である。

本発明の第１の態様によれば、導光部から標本面に対して光が斜めに射出されると、該標本面において光の入射点を中心として射出方向に複数配列された受光素子により、標本からの散乱光の強度がそれぞれ検出される。そして、算出部により、受光素子により検出された散乱光の強度分布から、標本の散乱係数を算出することができる。
上記のように、本発明の第１の態様によれば、導光部、受光素子、および算出部により標本の散乱係数を算出することができ、装置の小型化を図ることができる。

上記態様において、前記算出部が、以下の式に基づいて前記標本の散乱係数を算出することとしてもよい。
μ_ｓ＝｛（ｎ_ｉｓｉｎα_ｉ／ｎ_ｔｘ_ｓ）−μ_ａ｝／（１−ｇ）
ここで、
α_ｉ：前記標本への入射角
α_ｔ：前記標本の屈折角
ｎ_ｉ：前記標本の屈折率
ｎ_ｔ：前記導光部と前記標本との間の入射側媒質の屈折率
ｘ_ｓ：前記標本表面に投影された見かけの輝点の移動距離
μ_ｓ：前記標本の散乱係数
μ_ａ：前記標本の吸収係数
ｇ：前記標本の異方性

このようにすることで、標本の屈折率ｎ_ｉ、標本の屈折率ｎ_ｔ、標本への入射角α_ｉ、標本の吸収係数μ_ａ、および標本の異方性ｇを事前に測定し、標本表面に投影された見かけの輝点の移動距離ｘ_ｓを受光素子により検出することによって、標本の散乱係数μ_ｓを算出することができる。

上記態様において、前記導光部に入射させる光の波長を調節する波長調節部を備えることとしてもよい。
このように構成することで、導光部に入射させる光の波長を波長調節部により調節しながら、波長毎の標本の散乱係数を算出することができ、標本の散乱係数の測定精度を向上することができる。

本発明の第２の態様は、上記の散乱係数測定装置と、前記標本からの散乱光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定部と、前記スペクトル測定部により測定された波長スペクトルおよび前記算出部により算出された前記標本の散乱係数から、前記標本の濃度を多変量解析により演算する演算部とを備える濃度測定装置である。

本発明の第２の態様によれば、散乱係数測定装置により標本の散乱係数を算出するとともに、スペクトル測定部により標本からの散乱光の波長スペクトルを測定することができる。そして、このように算出された波長スペクトルおよび標本の散乱係数から、演算部により標本の濃度を多変量解析により演算することができる。このように標本の濃度を演算することで、単純に標本の散乱係数から濃度を演算する場合に比べて、その測定精度を向上することができる。

本発明の第３の態様は、標本面に対して光を斜めに射出する導光ステップと、前記標本面における光の入射点を中心とした射出方向の複数点において、前記標本からの散乱光の強度をそれぞれ検出する散乱光検出ステップと、前記散乱光検出ステップにより検出された前記標本からの散乱光の強度分布から、前記標本の散乱係数を算出する算出ステップとを含む散乱係数測定方法である。

本発明の第４の態様は、上記の散乱係数測定方法と、前記標本からの散乱光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、前記スペクトル測定ステップにより測定された波長スペクトルおよび前記算出ステップにより算出された前記標本の散乱係数から、前記標本の濃度を多変量解析により演算する演算ステップとを含む濃度測定方法である。

本発明によれば、装置の小型化を図りつつ、標本の散乱係数を測定することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係る散乱係数測定装置および第２の実施形態に係る濃度測定装置の全体構成図である。 標本上にレーザ光が入射する状態を示す斜視図である。 図１の散乱係数測定装置の部分拡大図である。 図１の散乱係数測定装置の部分拡大図である。 散乱係数の測定原理を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る濃度測定装置により実行される処理を示すブロック図である。 第１の変形例に係る濃度測定装置の全体構成図である。 第２の変形例に係る濃度測定装置の要部の部分拡大図である。 第３の変形例に係る濃度測定装置の要部の部分拡大図である。 第４の変形例に係る濃度測定装置の要部の部分拡大図である。 第５の変形例に係る濃度測定装置の要部の部分拡大図である。

［第１の実施形態］
以下に、本発明の第１の実施形態に係る散乱係数測定装置１について、図１から図５を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る散乱係数測定装置１は、図１に示されるように、波長可変レーザ２５と、レンズＬ１と、導光部１０と、レンズＬ２，Ｌ３と、受光素子２０と、導光部材２１と、ＣＰＵ（算出部）３０と、モニタ３１と、制御装置３８を備えている。

波長可変レーザ２５は、レーザ光の波長を調節可能なレーザ光源であり、後述する制御装置３８からの指令に基づいて、レーザ光の波長を選択して射出するようになっている。
波長可変レーザ２５の射出光軸上には、波長可変レーザ２５からのレーザ光を導光部１０の入射端面１１に集光するレンズＬ１と、レンズＬ１により集光されたレーザ光を導く導光部１０とが配置されている。

導光部１０は、例えば光ファイバであり、図３に示すように、入射端面１１から入射させたレーザ光を、内側面により内面反射させて入射端面１１とは他端側に配置された出射端面１２まで導いて、出射端面１２から標本Ａに向けて射出するようになっている。また、導光部１０の射出光軸は、標本面Ａに対して斜めに配置されている。なお、標本Ａへの入射角は、例えば３０°以上とする。

導光部１０の射出光軸上には、レンズＬ２，Ｌ３が配置されている。レンズＬ２，Ｌ３は、導光部１０から射出されたレーザ光の光束径を小さくするとともに、レーザ光を平行光にするようになっている。

標本Ａ面上には、図２に示すように、導光部１０からのレーザ光が入射する入射位置Ｐを中心として、その散乱光を測定するための測定ポイントが２次元的に複数配列されている。

各測定ポイントには、図４に示すように、標本Ａからの散乱光を導光する導光部材２１ａ〜２１ｄがそれぞれ接続されている。導光部材２１ａ〜２１ｄは、各測定ポイントからの散乱光を導くようになっている。
なお、図４においては、作図の都合上、複数の導光部材２１ａ〜２１ｄおよび受光素子２０ａ〜２０ｄが紙面に沿う方向にのみ配置されている例を示しているが、紙面に直交する方向に複数配置されていることとしてもよい。

導光部材２１ａ〜２１ｄには、受光素子２０ａ〜２０ｄがそれぞれ接続されている。受光素子２０ａ〜２０ｄは、導光部材２１ａ〜２１ｄにより導かれた各測定ポイントにおける標本Ａからの散乱光の強度を検出するようになっている。
なお、以降では、導光部材２１ａ〜２１ｄを区別しない場合には単に「導光部材２１」と表記する。同様に、受光素子２０ａ〜２０ｄを区別しない場合には単に「受光素子２０」と表記する。

ＣＰＵ３０は、受光素子２０により検出された標本Ａからの散乱光の強度分布から、標本Ａの散乱係数を算出するようになっている。具体的な標本Ａの散乱係数の算出方法については後述する。

モニタ３１は、ＣＰＵ３０より算出された標本Ａの散乱係数や、波長可変レーザ２５により選択されたレーザ光の波長等の情報を表示するようになっている。
制御装置３８は、ＣＰＵ３０からの指令に基づいて波長可変レーザ２５を動作させて、波長可変レーザ２５から射出するレーザ光の波長を制御するようになっている。

ここで、本実施形態に係る散乱係数測定装置１による標本Ａの散乱係数の測定原理について以下に説明する。
図５に示すように、標本Ａ面上に対して斜めにレーザ光を入射させると、レーザ光は標本Ａ内に潜ってから反射されるため、その散乱反射光の強度分布は、レーザ光の入射方向にずれた形となる。

なお、図５において、縦軸は散乱反射光の強度（光量）、横軸はレーザ光の入射方向の座標（レーザ光の入射位置を中心とした座標）を表わしている。符号Ｐは標本Ａ面上におけるレーザ光の入射位置、符号Ｍは散乱反射光の強度分布、符号Ｃは散乱反射光の強度分布Ｍの中心線、符号ｘ_ｓはレーザ光の入射位置Ｐと散乱反射光の強度分布の中心線Ｃとのズレ量、すなわち標本Ａ表面に投影された見かけの輝点の移動距離を示している。

標本Ａ表面に投影された見かけの輝点の移動距離ｘ_ｓは、標本Ａへの入射角α_ｔ、標本Ａの換算散乱係数μ_ｓ’および吸収係数μ_ａの関数として以下の式で表される（例えばＶ、L．V．Wang and H．−I Wu（2007），Biomedical Optics：Principles and Imaging，Wiley−Interscience，pp140参照）。
ｘ_ｓ＝ｓｉｎα_ｔ／（μ_ｓ’＋μ_ａ）・・・（１）

標本Ａへの入射角α_ｉは、標本Ａの屈折角α_ｔ、導光部１０と標本Ａとの間の入射側媒質（本実施形態では空気）の屈折率ｎ_ｔ、標本Ａの屈折率ｎ_ｉと以下の関係がある。
ｓｉｎα_ｉ／ｓｉｎα_ｔ＝ｎ_ｔ／ｎ_ｉ・・・（２）

ここで、標本Ａの換算散乱係数μ_ｓ’は、標本Ａの散乱係数μ_ｓおよび異方性ｇを用いて以下のように定義される。
μ_ｓ’＝μ_ｓ（１−ｇ）・・・（３）

上記の（１）〜（３）より、以下の式が導かれる。
μ_ｓ＝｛（ｎ_ｉｓｉｎα_ｉ／ｎ_ｔｘ_ｓ）−μ_ａ｝／（１−ｇ）・・・（４）
したがって、標本Ａの屈折率ｎ_ｉ、導光部１０と標本Ａとの間の入射側媒質の屈折率ｎ_ｔ、標本Ａへの入射角α_ｉ、標本Ａの吸収係数μ_ａおよび異方性ｇは事前に測定することができ、本実施形態に係る散乱係数測定装置１により見かけの輝点の移動距離ｘ_ｓが求まるので、標本Ａの散乱係数μ_ｓを算出することができる。

以上のように、本実施形態に係る散乱係数測定装置１によれば、導光部１０から標本Ａ面に対してレーザ光を斜めに射出することで、標本Ａ面においてレーザ光の入射点を中心として射出方向に複数配列された受光素子２０により、標本Ａからの散乱光の強度がそれぞれ検出される。そして、ＣＰＵ３０により、受光素子２０により検出された散乱光の強度分布から、標本Ａの散乱係数を算出することができる。
上記のように、本発明の第１の態様によれば、導光部１０、受光素子２０、およびＣＰＵ３０により標本Ａの散乱係数を算出することができ、装置の小型化を図ることができる。

また、導光部１０に入射させるレーザ光の波長を調節可能な波長可変レーザ２５を備えることで、導光部１０に入射させるレーザ光の波長を調節しながら、波長毎の標本Ａの散乱係数を算出することができ、標本Ａの散乱係数の測定精度を向上することができる。導光部１０には、調節する波長範囲の広さに応じて、マルチモードファイバもしくはシングルモードファイバを用いればよい。

なお、本実施形態において、レーザ光の波長を調節可能な波長可変レーザ２５を備えることとして説明したが、これに代えて、広帯域な光を射出する白色光源と、該白色光源からの光のうち特定波長の光を選択的に透過させる波長調節装置とを備えることとしてもよい。この場合には、導光させたい光の波長帯域に応じてマルチモードファイバもしくはシングルモードファイバを用いれば良い。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、主に図１および図６を参照して説明する。本実施形態においては、前述の第１の実施形態に係る散乱係数測定装置１を、例えば血糖値等を測定する濃度測定装置に適用した例について説明する。以下、本実施形態の濃度測定装置２について、第１の実施形態に係る散乱係数測定装置１と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。

本実施形態に係る濃度測定装置２は、図１に示すように、第１の実施形態に係る散乱係数測定装置１と同様の構成を有している。本実施形態において、受光素子２０は、前述の第１の実施形態と同様の機能に加えて、標本Ａ面からの散乱光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定部としての機能も有している。また、ＣＰＵ３０は、前述の第１の実施形態と同様の機能に加えて、標本Ａの濃度を演算する演算部としての機能も有している。

受光素子２０は、波長可変レーザ２５により選択的に射出されたレーザ光の波長毎に、標本Ａからの散乱光の強度を検出するようになっている。これにより、受光素子２０は、標本Ａからの散乱光の波長スペクトルを測定するようになっている。

ここで、標本Ａにおける全反射の現象では、導光部１０からのレーザ光は標本Ａ内に少しだけ潜り込んで反射されるので、標本Ａに吸収があるとこの影響を受けて反射光のエネルギーが減少する。したがって、レーザ光の波長を種々変えることにより、あるいは反射光を分光することにより、標本Ａからの散乱光のスペクトルが得られる。これは減衰全反射法（ＡＴＲ：attenuated total reflection）と呼ばれるスペクトル測定法である。

本実施形態に係る濃度測定装置２において、ＣＰＵ３０は、受光素子２０により測定された標本Ａからの散乱光の波長スペクトルと、前述の第１の実施形態に記載に方法により測定した標本Ａの散乱係数とから、標本Ａの濃度を多変量解析により演算するようになっている。

上記演算における情報処理の流れは図６に示すようになる。本実施形態に係る濃度測定装置２によれば、アルコール類、糖類、脂肪酸、ポリマーなど広範囲な溶質の濃度測定が可能であるが、ここでは血糖値測定を例に説明する。減衰全反射法によるスペクトル測定値と屈折率測定値はＰＬＳ法などの回帰分析手法を含む演算処理を経て血糖値として最終的な値を得る。

以上のように、本実施形態に係る濃度測定装置２によれば、前述の実施形態に係る散乱係数測定装置１により標本Ａの散乱係数を算出するとともに、受光素子２０により標本Ａからの散乱光の波長スペクトルを測定することができる。そして、このように算出された波長スペクトルおよび標本Ａの散乱係数から、ＣＰＵ３０により標本Ａの濃度を多変量解析により演算することができる。このように標本Ａの濃度を演算することで、単純に標本Ａの散乱係数から濃度を演算する場合に比べて、その測定精度を向上することができる。

［第１の変形例］
なお、第２の実施形態に係る濃度測定装置２の第１の変形例として、図７に示すように、導光部材２１を設けずに、標本Ａ面上に受光ユニット２６，２７を直接配置することとしてもよい。この場合には、レーザ光を標本Ａに射出する射出ユニット１４の前後（レーザ光の射出方向）に受光ユニット２６，２７をそれぞれ配置する。

受光ユニット２６，２７は、例えばＩｎＳｂセンサであり、標本Ａの表面上において２次元方向に複数の受光素子が配列されている。
なお、図７において、導光部１０と射出ユニット１４との接続部には射出端１６が設けられ、射出端１６の射出光軸上には射出端１６からのレーザ光をレンズＬ２，Ｌ３に向けて反射するミラー１５が設けられている。

上記構成を有する本変形例の濃度測定装置３によれば、導光部材２１による標本Ａからの散乱光の光量の低下を防止することができ、標本Ａからの散乱光の検出精度を向上することができる。

［第２の変形例］
また、第２の実施形態に係る濃度測定装置２の第２の変形例として、図８に示すように、受光ユニット２６，２７が、複数の受光素子をレーザ光の射出方向に１列のみ配列されていることとしてもよい。
上記構成を有する本変形例の濃度測定装置によれば、装置の小型化を図るとともに、その製造コストを低減することができる。

［第３の変形例］
また、第２の実施形態に係る濃度測定装置２の第３の変形例として、図９に示すように、受光ユニット２６，２７が、それぞれ１つの受光素子をレーザ光の射出方向に配列することとしてもよい。
上記構成を有する本変形例の濃度測定装置によれば、さらに装置の小型化を図るとともに、その製造コストを低減することができる。

なお、この場合において、例えば第１の変形例の濃度測定装置３による測定データを、図示しないメモリにバックデータとして有していることにより、このバックデータと受光素子により検出した標本Ａからの散乱光の強度とから、散乱光の強度分布を推定することができる。このようにすることで、受光ユニット２６，２７として１つの受光素子を用いた場合でも、標本Ａからの散乱係数の測定精度を向上することができる。

［第４の変形例］
また、第２の実施形態に係る濃度測定装置２の第４の変形例として、図１０に示すように、波長可変レーザ２５に代えて、それぞれ異なる波長で発光する単色ＬＥＤ２５ａ〜２５ｃを複数並べることとしてもよい。ＬＥＤ２５ａ〜２５ｃのうちのどれを発光させるかをＣＰＵ３０により制御する。これにより、発光波長の選択が可能である。
上記構成を有する本変形例の濃度測定装置によれば、高輝度な単色ＬＥＤを用いることができ、標本Ａからの散乱光の検出精度を向上することができる。また、照明光学系を単純化して装置の小型化を図るとともに、その製造コストを低減することができる。

［第５の変形例］
また、第２の実施形態に係る濃度測定装置２の第５の変形例として、図１１に示すように、ブロードな波長帯域を有する光源を用いるとともに、受光ユニット２６，２７として、例えばＰｂＳｅラインセンサ等の高い波長分解能を有するセンサを採用することとしてもよい。この場合において、受光ユニット２６，２７は、複数の受光素子がレーザ光の射出方向に１列配列されており、受光素子によって検出する波長が異なる。

上記構成を有する本変形例の濃度測定装置によれば、照明光学系の波長制御のために必要な要素を少なくすることができ、照明光学系を単純化して装置の小型化を図るとともに、その製造コストを低減することができる。

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記の各実施形態および各変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよい。

Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３ レンズ
Ａ 標本
１ 散乱係数測定装置
２，３ 濃度測定装置
１０ 導光部
１１ 入射端面
１２ 出射端面
２０ 受光素子
２１ 導光部材
２５ 波長可変レーザ（波長調節部）
２６，２７ 受光ユニット
３０ ＣＰＵ（算出部、演算部）
３１ モニタ
３８ 制御装置

Claims (6)

1. 標本面に対して光を斜めに射出する導光部と、
   前記標本面において光の入射点を中心として射出方向に複数配列され、前記標本面からの散乱光の強度をそれぞれ検出する受光素子と、
   前記受光素子により検出された前記標本からの散乱光の強度分布から、前記標本の散乱係数を算出する算出部とを備える散乱係数測定装置。
2. 前記算出部が、以下の式に基づいて前記標本の散乱係数を算出する請求項１に記載の散乱係数測定装置。
   μ_ｓ＝｛（ｎ_ｉｓｉｎα_ｉ／ｎ_ｔｘ_ｓ）−μ_ａ｝／（１−ｇ）
   ここで、
   α_ｉ：前記標本への入射角
   α_ｔ：前記標本の屈折角
   ｎ_ｉ：前記標本の屈折率
   ｎ_ｔ：前記導光部と前記標本との間の入射側媒質の屈折率
   ｘ_ｓ：前記標本表面に投影された見かけの輝点の移動距離
   μ_ｓ：前記標本の散乱係数
   μ_ａ：前記標本の吸収係数
   ｇ：前記標本の異方性
3. 前記導光部に入射させる光の波長を調節する波長調節部を備える請求項１または請求項２に記載の散乱係数測定装置。
4. 請求項３に記載の散乱係数測定装置と、
   前記標本からの散乱光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定部と、
   前記スペクトル測定部により測定された波長スペクトルおよび前記算出部により算出された前記標本の散乱係数から、前記標本の濃度を多変量解析により演算する演算部とを備える濃度測定装置。
5. 標本面に対して光を斜めに射出する導光ステップと、
   前記標本面における光の入射点を中心とした射出方向の複数点において、前記標本からの散乱光の強度をそれぞれ検出する散乱光検出ステップと、
   前記散乱光検出ステップにより検出された前記標本からの散乱光の強度分布から、前記標本の散乱係数を算出する算出ステップとを含む散乱係数測定方法。
6. 請求項５に記載の散乱係数測定方法と、
   前記標本からの散乱光の波長スペクトルを測定するスペクトル測定ステップと、
   前記スペクトル測定ステップにより測定された波長スペクトルおよび前記算出ステップにより算出された前記標本の散乱係数から、前記標本の濃度を多変量解析により演算する演算ステップとを含む濃度測定方法。

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