JP2016188778A - Component concentration analysis device and component concentration analysis method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To find the concentration of a sample to be measured, the measurement of which is difficult.SOLUTION: Provided is a component concentration analysis device comprising: a database 1 for holding a regression coefficient spectrum regarding the concentration of a desired sample to be measured; an irradiator 21 for irradiating the sample to be measured with an infrared ray; an optical detector 22 for receiving an infrared ray having passed through the sample to be measured; a radiator 23 for radiating a millimeter wave/terahertz (THz) wave to the sample to be measured; a radio wave detector 24 for detecting a millimeter wave/terahertz (THz) wave having passed through the sample to be measured; a dielectric measurement probe 25 of coaxial type having the functions of a radiator for radiating a millimeter wave/terahertz (THz) wave to the sample to be measured and a radio wave detector for detecting a millimeter wave/terahertz (THz) wave having passed through the sample to be measured; and an arithmetic unit 3 for finding the concentration of the sample to be measured by fitting the spectra obtained from the optical detector 22, the radio wave detector 24, and the dielectric measurement probe 25 to the regression coefficient spectrum held in the database 1.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、被測定試料の濃度を求める成分濃度分析装置および成分濃度分析方法に関する。   The present invention relates to a component concentration analyzer and a component concentration analysis method for determining the concentration of a sample to be measured.

近年では、高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となるので、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。   In recent years, with the aging of society, dealing with adult diseases is becoming a major issue. In blood glucose level and other tests, blood collection is necessary, which places a heavy burden on the patient. Therefore, a non-invasive component concentration measurement apparatus that does not collect blood has attracted attention.

非侵襲な成分濃度測定装置として、分光法が提案されている。従来の非侵襲的な測定法としては、様々な周波数帯において試みられており、近赤外分光法では拡散反射法、光音響法が、中赤外分光法では全反射減衰法が試みられている(非特許文献1、2、3参照)。   Spectroscopy has been proposed as a noninvasive component concentration measuring apparatus. Conventional non-invasive measurement methods have been attempted in various frequency bands. Diffuse reflection method and photoacoustic method have been tried in near infrared spectroscopy, and total reflection attenuation method has been tried in mid infrared spectroscopy. (See Non-Patent Documents 1, 2, and 3).

分光法では、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の振幅を観測する。しかし、グルコースと電磁波の相互作用は小さく、また生体に安全に照射しうる電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるにいたっていない。   In the spectroscopic method, an electromagnetic wave is irradiated into the skin, and the electromagnetic wave is absorbed and the amplitude of the electromagnetic wave is observed in accordance with the interaction between blood components to be measured, for example, glucose molecules and water. However, the interaction between glucose and electromagnetic waves is small, and there is a limit to the intensity of electromagnetic waves that can be safely irradiated to a living body.

赤外領域には、生体成分に係る種々の吸収があるが、非侵襲的測定法においては、生体の主成分である水の背景吸収、生体組織(皮膚、血球等)の光散乱が大きな誤差要因となることが知られている。例えば、水の背景吸収はグルコースの吸収の1000倍となるため、環境温湿度の影響や発汗による組織水分量の変化が誤差要因として顕著となる。また、グルコースの吸収帯において、水のスペクトルは温度によってシフトするため、発熱の影響も誤差要因として無視できない。皮膚の光散乱係数は、皮膚構造が角質や真皮の多層構造になっていることからモデル化が難しく、個人差もあることが知られている。   In the infrared region, there are various absorptions related to biological components. However, in noninvasive measurement methods, the background absorption of water, which is the main component of the living body, and the light scattering of living tissue (skin, blood cells, etc.) are large errors. It is known to be a factor. For example, the background absorption of water is 1000 times the absorption of glucose, so the influence of environmental temperature and humidity and changes in tissue moisture due to sweating become prominent as error factors. In addition, since the water spectrum shifts with temperature in the glucose absorption band, the influence of heat generation cannot be ignored as an error factor. It is known that the light scattering coefficient of skin is difficult to model because the skin structure is a multi-layered structure of keratin and dermis, and there are individual differences.

生体は多成分系であり、生体成分の定量には、主成分分析やPLS回帰分析等の多変量解析等のケモメトリックス手法が用いられることが一般的である。   The living body is a multicomponent system, and chemometrics techniques such as multivariate analysis such as principal component analysis and PLS regression analysis are generally used for quantification of biological components.

近赤外領域では皮膚の光散乱を利用した拡散反射法により、グルコース、アルブミン、コレステロール等の血液成分や水、光散乱シミュレーションによりモデル化を行った生体光散乱係数をデータベースに、未知のスペクトルを分析する(非特許文献1参照)。しかしながら、多成分系における成分の吸収スペクトルを変数とした変数間に相関があるため、回帰分析における十分な回帰精度を得るのが難しい。   In the near-infrared region, an unknown spectrum is created using a diffuse reflection method that utilizes light scattering from the skin, blood components such as glucose, albumin, and cholesterol, water, and biological light scattering coefficients that are modeled by light scattering simulation. Analyze (see Non-Patent Document 1). However, since there is a correlation between the variables having the absorption spectrum of the component in the multicomponent system as a variable, it is difficult to obtain sufficient regression accuracy in the regression analysis.

図12は、従来の赤外分光システムを示す。   FIG. 12 shows a conventional infrared spectroscopy system.

赤外分光器101は、ブロードな近赤外領域の波長の光を発生する連続波光源を備え、マルチコアファイバ102を介して、照射部103と検出部104が接続される。照射部103は、被検体Tに光を照射し、検出部104は、生体内散乱による拡散反射した光を検出する。(非特許文献1参照)。   The infrared spectrometer 101 includes a continuous wave light source that generates light having a wavelength in a broad near-infrared region, and an irradiation unit 103 and a detection unit 104 are connected via a multi-core fiber 102. The irradiation unit 103 irradiates the subject T with light, and the detection unit 104 detects light diffusely reflected by in vivo scattering. (Refer nonpatent literature 1).

そして、アルブミン、グルコース、コレステロール等から多変量検量モデルを構築して、Partial Least Squares回帰法によりターゲット分子であるグルコースの非侵襲測定を高精度に行う。   Then, a multivariate calibration model is constructed from albumin, glucose, cholesterol, etc., and noninvasive measurement of glucose as a target molecule is performed with high accuracy by the Partial Least Squares regression method.

近赤外領域では皮膚の光散乱を利用した拡散反射法により、グルコース、アルブミン、コレステロール等の血液成分や水、光散乱シミュレーションによりモデル化を行った生体光散乱係数をデータベース105として、検量モデルを作成し、演算部106が、未知のスペクトルを分析し、表示部107に表示する(非特許文献1参照)。   In the near-infrared region, a diffusion reflection method using light scattering of the skin, blood components such as glucose, albumin, cholesterol and the like, water, and a biological light scattering coefficient modeled by light scattering simulation are used as the database 105, and a calibration model is created. The calculation unit 106 analyzes the unknown spectrum and displays it on the display unit 107 (see Non-Patent Document 1).

生体内の光散乱の影響を低減するために、光を音波に光熱変換する光音響法を用いて試みられた例もある。背景吸収を差分するために、互いに逆相に変調した2波長の光を皮膚に照射し、発生した音波を検出する構成である(特許文献1参照)。連続的に強度変調した光源を用いている。第1の光源は、波長λ1の測定光を発生する。第2の光源は、波長λ2の参照光を発生する。発振器は、第1の光源及び第2の光源から出力される光を強度変調するための変調信号を出力する。180°移相器は、発振器からの変調信号のうち一方を反転して出力する。駆動回路は第1の光源を駆動させる。   In order to reduce the influence of light scattering in a living body, there is an example that has been tried using a photoacoustic method in which light is converted into sound waves by photothermal conversion. In order to make a difference in background absorption, it is configured to irradiate the skin with light of two wavelengths modulated in opposite phases and detect a generated sound wave (see Patent Document 1). A continuously modulated light source is used. The first light source generates measurement light having a wavelength λ1. The second light source generates reference light having a wavelength λ2. The oscillator outputs a modulation signal for intensity-modulating light output from the first light source and the second light source. The 180 ° phase shifter inverts and outputs one of the modulation signals from the oscillator. The drive circuit drives the first light source.

駆動回路は、180°移相器で反転された変調信号を基に第2の光源を駆動させる。第1の光源は、駆動回路からの信号により波長λ1の測定光を強度変調して出力する。第2の光源は、駆動回路からの信号により波長λ2の参照光を強度変調して出力する。これにより、異なる2波長λ1及びλ2光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する。   The drive circuit drives the second light source based on the modulation signal inverted by the 180 ° phase shifter. The first light source modulates the intensity of the measurement light having the wavelength λ1 with a signal from the driving circuit and outputs the measurement light. The second light source modulates the intensity of the reference light having the wavelength λ2 with a signal from the driving circuit and outputs the reference light. As a result, each of the two different wavelengths λ1 and λ2 is electrically intensity-modulated with a signal having the same frequency and opposite phase, and then output.

ここで、2つの波長λ1及び波長λ2は、対象成分の呈する吸収の差が、背景成分の呈する吸収の差よりも大きい波長である。また、波長λ1は、対象成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定する。波長λ1及び波長λ2は、対象成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい2波長であってもよい。これにより、水や測定対象とする成分以外の成分による吸収の影響を少なくして成分濃度測定装置の測定精度をよくすることができる。2つの波長λ1及び波長λ2の光により被測定物の内部で光音響信号が発生し、これらの光音響信号は、音響センサにより検出され、音圧に比例した電気信号に変換され、位相検波増幅器によって観測される。2波長に対応する光音響信号の強度の差は、血液中に含まれるグルコースの量に対応した電気信号として測定される。拡散反射法と比して、光散乱の影響は低減できるものの、同様に水の背景吸収の変動により測定精度が制限される。   Here, the two wavelengths λ1 and λ2 are wavelengths in which the difference in absorption exhibited by the target component is greater than the difference in absorption exhibited by the background component. The wavelength λ1 is set to a wavelength at which the target component exhibits characteristic absorption. The wavelengths λ1 and λ2 may be two wavelengths in which the difference in absorption exhibited by the target component is greater than the difference in absorption exhibited by the other components. Thereby, the influence of absorption by components other than water and the component to be measured can be reduced, and the measurement accuracy of the component concentration measuring apparatus can be improved. A photoacoustic signal is generated inside the object to be measured by light of two wavelengths λ1 and λ2, and these photoacoustic signals are detected by an acoustic sensor and converted into an electric signal proportional to sound pressure, and a phase detection amplifier Observed by. The difference in the intensity of the photoacoustic signal corresponding to the two wavelengths is measured as an electrical signal corresponding to the amount of glucose contained in the blood. Although the influence of light scattering can be reduced as compared with the diffuse reflection method, the measurement accuracy is similarly limited by fluctuations in the background absorption of water.

中赤外領域で波長が長い分、光散乱の影響は低減するものの、水の吸収が非常に大きいため、全反射減衰法により非侵襲測定が試みられた。皮膚内への到達深度が真皮層まで到達しないことや、透過量が僅かであることが課題となり、感度が十分に得られていない(非特許文献2参照)。   Although the influence of light scattering is reduced by the longer wavelength in the mid-infrared region, the absorption of water is very large, so non-invasive measurement was attempted by the total reflection attenuation method. The problem is that the depth of penetration into the skin does not reach the dermis layer and the amount of permeation is small, and sufficient sensitivity is not obtained (see Non-Patent Document 2).

水の吸収はあるものの、波長が非常に長く光散乱が無視できる周波数帯として、マイクロ波からミリ波の周波数帯がある。従来の測定法としては、マイクロ波からミリ波帯において、ベクトルネットワークアナライザ(Vector Network Analyzer:以下VNA)に接続した同軸型プローブを用いた反射型測定による誘電分光測定がある(非特許文献3参照)。   Although there is water absorption, there is a frequency band from microwave to millimeter wave as a frequency band in which the wavelength is very long and light scattering can be ignored. As a conventional measurement method, there is dielectric spectroscopy measurement by reflection type measurement using a coaxial probe connected to a vector network analyzer (hereinafter referred to as VNA) in a microwave to millimeter wave band (see Non-Patent Document 3). ).

図13は、従来のマイクロ波・ミリ波帯誘電分光測定系を示す。図は、誘電分光法による成分濃度測定装置を示す構成例である。   FIG. 13 shows a conventional microwave / millimeter-wave dielectric spectroscopy measurement system. FIG. 1 is a configuration example showing a component concentration measuring apparatus using dielectric spectroscopy.

ここでは、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における対象成分の濃度を測定する。非特許文献3にも記載されるように同軸型プローブ201を用いて複素誘電率を測定する方法は一般的である。符号Gはグランド、符号Sは信号線である。開放端の同軸線路は液体の測定試料202に適している。開放端からは無限遠境界を前提として反射信号から複素誘電率が計算される。つまり、測定試料202に電場を印加し、VNAにより、反射係数と位相を周波数領域で測定する。また、測定試料202に立ち上がりの速いステップ状の電圧を印加し、その反射波形の時間変化から複素誘電率を求める方法もある。この際には、反射係数のかわりに透過係数を測定してもよい。この方法を時間領域反射(または透過)測定法と呼ばれる。周波数領域の測定では、反射係数/位相スペクトルを取得するために印加電界の周波数を掃引する。測定したスペクトルから複素誘電率は、次のように算出できる。   Here, the concentration of the target component in the solution in which the background component and the target component are mixed is measured. As described in Non-Patent Document 3, a method of measuring a complex dielectric constant using a coaxial probe 201 is common. Reference numeral G denotes a ground, and reference numeral S denotes a signal line. The coaxial line at the open end is suitable for the liquid measurement sample 202. From the open end, the complex permittivity is calculated from the reflected signal on the premise of an infinite boundary. That is, an electric field is applied to the measurement sample 202, and the reflection coefficient and phase are measured in the frequency domain by VNA. In addition, there is a method in which a step-like voltage that rises quickly is applied to the measurement sample 202 and the complex dielectric constant is obtained from the time change of the reflected waveform. In this case, the transmission coefficient may be measured instead of the reflection coefficient. This method is called a time domain reflection (or transmission) measurement method. In the frequency domain measurement, the frequency of the applied electric field is swept to obtain the reflection coefficient / phase spectrum. The complex dielectric constant can be calculated from the measured spectrum as follows.

Figure 2016188778
ここで、ε*は未知サンプルの複素誘電率、εi *(i=A,B,C)は較正サンプルA,B,Cの複素誘電率である。また、ρ*は複素反射係数で、測定で得られた反射係数をΓi、位相をφiとするとき、
Figure 2016188778
Here, ε * is the complex dielectric constant of the unknown sample, and ε i * (i = A, B, C) is the complex dielectric constant of the calibration samples A, B, and C. In addition, ρ * is a complex reflection coefficient. When the reflection coefficient obtained by measurement is Γ i and the phase is φ i ,

Figure 2016188778
と表される。ρiはそれぞれ較正サンプルの測定結果に対応し、ρ*は未知サンプルの測定結果を表す。
Figure 2016188778
It is expressed. ρ i corresponds to the measurement result of the calibration sample, and ρ * represents the measurement result of the unknown sample.

開放端同軸型のプローブを用いる場合の一般的な測定では、較正サンプルAとして空気中での開放端、較正サンプルBとして金属板による短絡、較正サンプルCとして誘電率が既知の純水等の溶液サンプルを用いる。また、反射型同軸プローブ以外の装置では伝送線路の通過/反射特性を計測することにより、測定試料の誘電率を測定する方法がある。   In a general measurement using an open end coaxial probe, a calibration sample A is an open end in air, a calibration sample B is a short circuit with a metal plate, a calibration sample C is a solution such as pure water having a known dielectric constant. Use a sample. In addition to the reflective coaxial probe, there is a method for measuring the dielectric constant of a measurement sample by measuring the transmission / reflection characteristics of a transmission line.

マイクロ波〜ミリ波では、水溶液の誘電緩和スペクトルから、デバイ緩和モデルの線形結合により、溶質の影響を考慮したモデル化が可能である(非特許文献4参照)。誘電緩和スペクトルの最小二乗フィッティングにより各溶質の誘電率と誘電緩和時間を求めることによっても、成分分析が可能である。   In the microwave to millimeter wave, modeling considering the influence of the solute is possible from the dielectric relaxation spectrum of the aqueous solution by linear combination of the Debye relaxation model (see Non-Patent Document 4). Component analysis is also possible by obtaining the dielectric constant and dielectric relaxation time of each solute by least square fitting of the dielectric relaxation spectrum.

また、反射型同軸プローブ以外の装置では伝送線路の通過/反射特性を計測することにより、測定試料の誘電率を測定する方法がある。非特許文献5には数G〜40GHz帯まで動作する伝送線路の伝送特性の変化により測定試料の誘電率を測定し、キャリブレーションモデルにより血中生体成分濃度を算定する方法が開示されている。   In addition to the reflective coaxial probe, there is a method for measuring the dielectric constant of a measurement sample by measuring the transmission / reflection characteristics of a transmission line. Non-Patent Document 5 discloses a method of measuring the dielectric constant of a measurement sample by changing the transmission characteristics of a transmission line operating from several G to 40 GHz, and calculating the concentration of a biological component in blood using a calibration model.

図14は、従来のミリ波帯・テラヘルツ波帯誘電分光測定系を示す。図14は、連続発振した光源を用いたホモダイン検波方式電磁波分光測定システムを示す。   FIG. 14 shows a conventional millimeter waveband / terahertz wave dielectric spectroscopy measurement system. FIG. 14 shows a homodyne detection electromagnetic wave spectroscopy measurement system using a continuously oscillating light source.

本システムは、第1連続波光源1a及び第2連続波光源1bと、第1スプリッタ2a及び第2スプリッタ2bと、第1カプラ3a及び第2カプラ3bと、光位相変調器4と、第1フォトミキサ5a及び第1フォトミキサ5aとTHzミキサとの両機能を一体化させた第3フォトミキサ5cとで主に構成されている(特許文献2、非特許文献6参照)。符号100は、測定試料、符号8はレンズである。   The system includes a first continuous wave light source 1a and a second continuous wave light source 1b, a first splitter 2a and a second splitter 2b, a first coupler 3a and a second coupler 3b, an optical phase modulator 4, and a first It is mainly composed of a photomixer 5a, a first photomixer 5a, and a third photomixer 5c in which both functions of the THz mixer are integrated (see Patent Document 2 and Non-Patent Document 6). Reference numeral 100 denotes a measurement sample, and reference numeral 8 denotes a lens.

従来の誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際には、第3フォトミキサ5cでのミキシング時における2つの光路長差が一致していることが必要である。そのため、空間を伝搬するTHz波の伝搬長や光が伝搬するファイバの長さ等を調整する。テラヘルツ波帯ではレンズや放物面鏡を用いた疑似光学系によるフリースペース法により測定対象の複素誘電率を計測することが一般的である。なおフリースペース法は非特許文献3にも記載されるようにミリ波帯でも用いられる。   In the conventional dielectric spectroscopic apparatus, when homodyne detection of electromagnetic waves, it is necessary that the two optical path length differences at the time of mixing in the third photomixer 5c match. Therefore, the propagation length of the THz wave propagating in space, the length of the fiber through which light propagates, and the like are adjusted. In the terahertz wave band, it is common to measure the complex dielectric constant of the object to be measured by the free space method using a pseudo optical system using a lens or a parabolic mirror. The free space method is also used in the millimeter wave band as described in Non-Patent Document 3.

以上のように、観測される電波の周波数に対応する信号の振幅や位相から、誘電緩和スペクトルを算定する。一般的にはCole-Cole式に基づき緩和カーブの線形結合として表現し、複素誘電率を算定する。生体成分の計測では、例えば血液中に含まれるグルコースやコレステロール等の血液成分の量に複素誘電率は相間があり、その変化に対応した電気信号(振幅、位相)として測定される。含有される複数成分の複素誘電率変化と成分濃度との相間を予め測定することによって多変量の検量モデルを構築し、計測した誘電緩和スペクトルの変化から成分濃度の検量を行う。   As described above, the dielectric relaxation spectrum is calculated from the amplitude and phase of the signal corresponding to the frequency of the observed radio wave. Generally, it is expressed as a linear combination of relaxation curves based on the Cole-Cole equation, and the complex permittivity is calculated. In the measurement of biological components, for example, the amount of blood components such as glucose and cholesterol contained in blood has a complex dielectric constant, and is measured as an electrical signal (amplitude, phase) corresponding to the change. A multivariate calibration model is constructed by measuring in advance the phase between the complex dielectric constant change and the component concentration of a plurality of components contained, and the component concentration is calibrated from the measured change in the dielectric relaxation spectrum.

マイクロ波〜テラヘルツ波帯における特徴をまとめる。マイクロ波では、生体成分と水の相互作用の緩和スペクトルに基づく誘電率変化が生じるものの、多変量分析に有用な生体成分固有の吸収スペクトルが生じない。また、ミリ波帯では、水の極大吸収ピークがあり、水の緩和スペクトルが生体成分濃度に伴い変化する。テラヘルツ波では、生体成分による水の緩和スペクトルの変化として観測され、生体成分の直接の吸収が生じない。マイクロ波〜テラヘルツ波では、水の吸収の温度依存性があるものの、皮膚の光散乱の変動が発生しないという長所があるものの、生体成分固有の吸収スペクトルが生じないため、多成分系の分離が難しい。   The characteristics in the microwave to terahertz wave band are summarized. Although microwaves cause a change in dielectric constant based on the relaxation spectrum of the interaction between the biological component and water, an absorption spectrum unique to the biological component useful for multivariate analysis does not occur. In the millimeter wave band, there is a maximum absorption peak of water, and the relaxation spectrum of water changes with the concentration of biological components. Terahertz waves are observed as changes in the relaxation spectrum of water due to biological components, and no direct absorption of biological components occurs. Microwave to terahertz waves have temperature-dependent absorption of water, but have the advantage of not causing fluctuations in light scattering of the skin. difficult.

特開2007−89662号公報JP 2007-89662 A 特開2013−32933号公報JP 2013-32933 A

Katsuhiko Maruo, Mitsuhiro Tsurugi, Mamoru Tamura, and Yukihiro Ozaki, "In Vivo Noninvasive Measurement of Blood Glucose by Near-Infrared Diffuse-Reflectance Spectroscopy," Appl. Spectrosc. 57, pp.1236-1244 (2003)Katsuhiko Maruo, Mitsuhiro Tsurugi, Mamoru Tamura, and Yukihiro Ozaki, "In Vivo Noninvasive Measurement of Blood Glucose by Near-Infrared Diffuse-Reflectance Spectroscopy," Appl. Spectrosc. 57, pp.1236-1244 (2003) H. M. Heise, Ralf Marbach, Gunter Janatsch and J. D. Kruse-Jarres "Multivariate Determination of Glucose in Whole Blood by Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy", Anal. Chem. 1989, 61, pp.2009-2015.H. M. Heise, Ralf Marbach, Gunter Janatsch and J. D. Kruse-Jarres "Multivariate Determination of Glucose in Whole Blood by Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy", Anal. Chem. 1989, 61, pp.2009-2015. Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, ”A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol.13, No.4 Aug. 2006.Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, “A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol.13, No.4 Aug. 2006. Keiichiro Shiraga, Yuichi Ogawa, Tetsuhito Suzuki, Naoshi Kondo, Akiyoshi Irisawa and Motoki Imamura "Characterization of Dielectric Responses of Human Cancer Cells in the Terahertz Region",J Infrared Milli Terahz Waves, (2014), 35:pp.493-502.Keiichiro Shiraga, Yuichi Ogawa, Tetsuhito Suzuki, Naoshi Kondo, Akiyoshi Irisawa and Motoki Imamura "Characterization of Dielectric Responses of Human Cancer Cells in the Terahertz Region", J Infrared Milli Terahz Waves, (2014), 35: pp.493-502. Maximilian Hofmann, Georg Fischer, Robert Weigel, and Dietmar Kissinger, "Microwave-Based Noninvasive Concentration Measurements for Biomedical Applications", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 61, NO. 5, pp.2195-2204,MAY 2013.Maximilian Hofmann, Georg Fischer, Robert Weigel, and Dietmar Kissinger, "Microwave-Based Noninvasive Concentration Measurements for Biomedical Applications", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 61, NO. 5, pp.2195-2204, MAY 2013. J.-Y. Kim H.-J. Song, K. Ajito, M. Yaita, and N. Kukutsu, “Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range,” IEEE Trans. THz Sci. Tech., 3, pp.158-164 (2013).J.-Y. Kim H.-J. Song, K. Ajito, M. Yaita, and N. Kukutsu, “Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range,” IEEE Trans THz Sci. Tech., 3, pp.158-164 (2013). S. Jones, J-Y Kim, T. Yamada, N. Koshoubu, H. Togo, "Ultra-Wideband Tunable Dual Mode Laser for Continuous Wave THz Generation", Journal of Lightwave Technology, (Volume:PP , Issue: 99 ) ,2014.S. Jones, JY Kim, T. Yamada, N. Koshoubu, H. Togo, "Ultra-Wideband Tunable Dual Mode Laser for Continuous Wave THz Generation", Journal of Lightwave Technology, (Volume: PP, Issue: 99), 2014 .

しかしながら、従来においては、電波、光の周波数領域において生体成分を非侵襲測定する際には、光では生体散乱の影響が大きい一方、マイクロ波〜テラヘルツ波では、生体成分固有の吸収スペクトルが生じないため、被測定成分の分離が難しく、成分濃度の定量精度が十分でないという課題があった。   However, conventionally, when non-invasive measurement of a biological component in the frequency region of radio waves and light is performed, the influence of biological scattering is large on light, whereas an absorption spectrum specific to the biological component is not generated on microwaves to terahertz waves. Therefore, there is a problem that it is difficult to separate the components to be measured and the quantification accuracy of the component concentration is not sufficient.

本発明は、測定が困難であった被測定試料の濃度を求める技術を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the technique which calculates | requires the density | concentration of the to-be-measured sample which was difficult to measure.

上記課題を解決するために、第1の本発明の成分濃度分析装置は、赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料(T)の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース(1)と、前記赤外光を被測定試料(T)に照射する照射器(21)と、前記被測定試料(T)を反射または透過した前記赤外光を受信する光検出器(22)と、前記電磁波を前記被測定試料(T)に放射する放射手段(23、25、251)と、前記被測定試料(T)を反射または透過した前記電磁波を検出する電磁波検出手段(24、25、271、239)と、前記光検出器(22)および前記電磁波検出手段(24、25、271、239)から得たスペクトルを前記データベース(1)に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料(T)の濃度を求める演算器(3)とを備えることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the component concentration analyzer of the first aspect of the present invention is a database that holds a regression coefficient spectrum for the concentration of a predetermined sample to be measured (T) in a frequency band that combines infrared light and electromagnetic waves. (1), an irradiator (21) for irradiating the sample to be measured (T) with the infrared light, and a photodetector (22) for receiving the infrared light reflected or transmitted through the sample to be measured (T). ), Radiation means (23, 25, 251) for radiating the electromagnetic wave to the measured sample (T), and electromagnetic wave detection means (24, 25) for detecting the electromagnetic wave reflected or transmitted through the measured sample (T) 25, 271, 239), and the spectrum obtained from the photodetector (22) and the electromagnetic wave detection means (24, 25, 271, 239) to the regression coefficient spectrum held in the database (1). By coating, characterized in that the and a computing unit for determining the concentration of the sample to be measured (T) (3).

第2の本発明の成分濃度分析方法は、赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料(T)の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース(1)を用いる成分濃度分析方法であって、照射器(21)が、前記赤外光を被測定試料(T)に照射し、
光検出器(22)が、前記被測定試料(T)を反射または透過した前記赤外光を受信し、放射手段(23、25、251)が、前記電磁波を前記測定試料(T)に放射し、電磁波検出手段(24、25、271、239)が、前記被測定試料(T)を反射または透過した前記電磁波を検出し、演算器(3)が、前記光検出器(22)および前記電磁波検出手段(24、25、271、239)から得たスペクトルを前記データベース(1)に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料(T)の濃度を求めることを特徴とする。
The component concentration analysis method of the second aspect of the present invention is a component concentration analysis using a database (1) that holds a regression coefficient spectrum for the concentration of a predetermined sample (T) to be measured in a frequency band that combines infrared light and electromagnetic waves. A method, wherein an irradiator (21) irradiates the sample to be measured (T) with the infrared light,
A photodetector (22) receives the infrared light reflected or transmitted through the sample to be measured (T), and a radiation means (23, 25, 251) radiates the electromagnetic wave to the measurement sample (T). The electromagnetic wave detecting means (24, 25, 271, 239) detects the electromagnetic wave reflected or transmitted through the sample to be measured (T), and the computing unit (3) is configured to detect the photodetector (22) and the Fitting the spectrum obtained from the electromagnetic wave detection means (24, 25, 271, 239) to the regression coefficient spectrum held in the database (1), the concentration of the measured sample (T) is obtained. To do.

本発明によれば、測定が困難であった生体の成分などの被測定試料の濃度を求めることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain the concentration of a sample to be measured such as a biological component that has been difficult to measure.

第1の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。The example of the component concentration analyzer which concerns on 1st Embodiment is shown. グルコース水溶液を経た電磁波と赤外線のスペクトルの一例を示す。An example of the electromagnetic wave and infrared spectrum which passed through glucose aqueous solution is shown. イオン水溶液を経た赤外線のスペクトルの一例を示す。An example of an infrared spectrum that has passed through an aqueous ionic solution is shown. アルブミン水溶液を経た電磁波と赤外線のスペクトルの一例を示す。An example of the spectrum of the electromagnetic waves and infrared rays which passed through the albumin aqueous solution is shown. 第2の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。The example of the component concentration analyzer which concerns on 2nd Embodiment is shown. 図5における符号250の箇所の詳細構造を示す。The detailed structure of the location of the code | symbol 250 in FIG. 5 is shown. 第3の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。The example of the component concentration analyzer which concerns on 3rd Embodiment is shown. 第4の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。The example of the component concentration analyzer which concerns on 4th Embodiment is shown. μ波〜ミリ波のスペクトルを用いて、グルコース水溶液の多変量解析を行った結果である。It is the result of having performed the multivariate analysis of glucose aqueous solution using the spectrum of micro wave-millimeter wave. 多変量解析により、複数成分の水溶液において、グルコース及びアルブミンの濃度検量を行った結果である。This is the result of concentration calibration of glucose and albumin in a multicomponent aqueous solution by multivariate analysis. 第5の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。The example of the component concentration analyzer which concerns on 5th Embodiment is shown. 従来の赤外分光システムを示す。1 shows a conventional infrared spectroscopy system. 従来のマイクロ波・ミリ波帯誘電分光測定系を示す。A conventional microwave / millimeter-wave dielectric spectroscopy system is shown. 従来のミリ波帯・テラヘルツ波帯誘電分光測定系を示す。A conventional millimeter-wave and terahertz-wave dielectric spectroscopy system is shown.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1の実施の形態]
図1は、第1の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows an example of a component concentration analyzer according to the first embodiment.

成分濃度分析装置は、所望の被測定試料の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース1と、赤外光を被測定試料に照射する照射器21と、被測定試料を透過した赤外光を受信する光検出器22と、ミリ波/テラヘルツ(THz)波を被測定試料に放射する放射器23と、被測定試料を透過したミリ波/テラヘルツ(THz)波を検出する電磁波検出器24と、マイクロ波/ミリ波を被測定試料に放射する放射器および被測定試料を透過したマイクロ波/ミリ波を検出する電磁波検出器の機能を有する同軸型の誘電測定プローブ25と、光検出器22、電磁波検出器24および誘電測定プローブ25から得たスペクトルをデータベース1に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、被測定試料の濃度を求める演算器3とを備える。   The component concentration analyzer includes a database 1 that holds a regression coefficient spectrum for the concentration of a desired sample to be measured, an irradiator 21 that irradiates the sample to be measured with infrared light, and infrared light that has passed through the sample to be measured. A photodetector 22 for receiving, a radiator 23 for radiating a millimeter wave / terahertz (THz) wave to the sample to be measured, an electromagnetic wave detector 24 for detecting a millimeter wave / terahertz (THz) wave transmitted through the sample to be measured; A coaxial dielectric measurement probe 25 having a function of a radiator that radiates microwaves / millimeter waves to a sample to be measured and an electromagnetic wave detector that detects microwaves / millimeter waves transmitted through the sample to be measured; By fitting the spectrum obtained from the electromagnetic wave detector 24 and the dielectric measurement probe 25 to the regression coefficient spectrum held in the database 1, the concentration of the sample to be measured is determined. And a Mel calculator 3.

被測定試料(所望の成分)を含む液体の試料が、フローセル201、202を流れ、容器210に収容される。   A liquid sample containing the sample to be measured (desired component) flows through the flow cells 201 and 202 and is stored in the container 210.

放射器23から放射されたミリ波/テラヘルツ(THz)波は、放物面鏡221で反射し、フローセル201内の試料を透過し、放物面鏡221で反射し、電磁波検出器24で受信される。つまり、放物面鏡やレンズ(図示せず)を用いた疑似光学系によるフリースペース法で測定がなされる。   The millimeter wave / terahertz (THz) wave radiated from the radiator 23 is reflected by the parabolic mirror 221, transmitted through the sample in the flow cell 201, reflected by the parabolic mirror 221, and received by the electromagnetic wave detector 24. Is done. That is, the measurement is performed by a free space method using a pseudo optical system using a parabolic mirror or a lens (not shown).

ミリ波/THz波分光装置222は、受信されたミリ波/テラヘルツ(THz)波の振幅や位相のスペクトル(周波数スペクトル)を求める。また、複素誘電率も求める。   The millimeter wave / THz wave spectrometer 222 obtains the amplitude and phase spectrum (frequency spectrum) of the received millimeter wave / terahertz (THz) wave. The complex dielectric constant is also obtained.

容器210内の試料に浸された誘電測定プローブ25は、マイクロ波/ミリ波を放射し、マイクロ波/ミリ波は、容器210内の試料において電界を形成し、誘電測定プローブ25は電界(マイクロ波/ミリ波)を受信する。   The dielectric measurement probe 25 immersed in the sample in the container 210 emits a microwave / millimeter wave, and the microwave / millimeter wave forms an electric field in the sample in the container 210, and the dielectric measurement probe 25 has an electric field (micrometer). Wave / millimeter wave).

マイクロ波/ミリ波測定装置225は、受信された電界(マイクロ波/ミリ波)の振幅や位相のスペクトル(周波数スペクトル)を求める。また、複素誘電率も求める。   The microwave / millimeter wave measurement device 225 obtains the spectrum (frequency spectrum) of the amplitude and phase of the received electric field (microwave / millimeter wave). The complex dielectric constant is also obtained.

照射器21は、例えば、広帯域の赤外線を発生させるランプであり、発生した赤外線は、フローセル202内の試料を透過し、光検出器22で受信される。光検出器22には、受信周波数帯に応じて感度のある材料が用いられる。なお、レンズを用いて、赤外線をコリメートしてもよい。   The irradiator 21 is, for example, a lamp that generates broadband infrared light, and the generated infrared light passes through the sample in the flow cell 202 and is received by the photodetector 22. A material having sensitivity according to the reception frequency band is used for the photodetector 22. Infrared rays may be collimated using a lens.

赤外分光装置227は、受信された赤外線の振幅や位相のスペクトル(周波数スペクトル)を求める。スペクトルは、試料の吸光度を反映するので、吸光度スペクトルともいう。   The infrared spectroscopic device 227 obtains the spectrum (frequency spectrum) of the received infrared amplitude and phase. Since the spectrum reflects the absorbance of the sample, it is also called an absorbance spectrum.

ミリ波/THz波分光装置222、マイクロ波/ミリ波測定装置225には、内部で広帯域な発振器を備えるベクトルネットワークアナライザ、光パルス光源を用いて電波を発生する時間分解分光器、または連続波光源を用いて電波を発生する連続波分光器のいずれかが用いられる。   The millimeter wave / THz wave spectrometer 222 and the microwave / millimeter wave measurement device 225 include a vector network analyzer having a broadband oscillator inside, a time-resolved spectrometer that generates radio waves using an optical pulse light source, or a continuous wave light source. Any of the continuous wave spectrometers that generate radio waves using the.

データベース1には、複数の被測定試料(成分)を同時に定量できるように、それぞれの濃度についての回帰係数スペクトルが保持される。つまり、データベース1は、赤外光および電磁波(マイクロ波/ミリ波/テラヘルツ(THz)波)を合わせた周波数帯域における被測定試料の濃度についての回帰係数スペクトルを保持する。   The database 1 holds a regression coefficient spectrum for each concentration so that a plurality of samples (components) to be measured can be quantified simultaneously. That is, the database 1 holds a regression coefficient spectrum for the concentration of the sample to be measured in a frequency band that combines infrared light and electromagnetic waves (microwave / millimeter wave / terahertz (THz) wave).

演算器3は、主成分分析やPLS法等のケモメトリクス処理手法を実行し、目的の被測定試料(成分)の濃度を測定し、表示器4に表示する。   The computing unit 3 executes a chemometric processing method such as principal component analysis or PLS method, measures the concentration of the target sample (component) to be measured, and displays it on the display unit 4.

例えば、生体内分子を対象とした場合、グルコースが吸収を呈する近赤外域の1600nm近傍では水、イオン、アルブミン、トリグリセリド(中性脂肪)、コレステロール等の成分も吸収が観測される。従って、測定値には、グルコース以外の、水、イオン、アルブミン、トリグリセリド(中性脂肪)、コレステロール等の濃度に応じた誤差要因が生じる。また、それらの温度依存性による定量精度への影響も無視できない。さらに生体中では、生体散乱の影響がこれらと相間して、精度に影響を与える。これらの影響を排除し、選択的にグルコースの濃度を検出することが要求される。グルコースの検出濃度は低いため、ノイズレベルが高く波数・波長領域を用いると回帰精度は低下する。   For example, when targeting in vivo molecules, absorption of water, ions, albumin, triglyceride (neutral fat), cholesterol and other components is also observed in the vicinity of 1600 nm in the near infrared region where glucose exhibits absorption. Accordingly, an error factor corresponding to the concentration of water, ions, albumin, triglyceride (neutral fat), cholesterol and the like other than glucose is generated in the measured value. In addition, the influence of the temperature dependence on the quantitative accuracy cannot be ignored. Furthermore, in the living body, the influence of living body scattering affects the accuracy. It is required to eliminate these effects and selectively detect the glucose concentration. Since the detected glucose concentration is low, the regression level decreases when the noise level is high and the wave number / wavelength region is used.

本実施の形態では、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波において、生体中の主成分で極性分子である水の誘電緩和現象とその変化、又は水と溶質との相互作用を計測する。また、赤外域では生体中の生体分子の分子振動を計測する。   In the present embodiment, the dielectric relaxation phenomenon of water, which is the main component and polar molecule in the living body, and the change thereof, or the interaction between water and the solute are measured in microwaves, millimeter waves, and terahertz waves. In the infrared region, molecular vibrations of biomolecules in the living body are measured.

図2は、グルコース水溶液を経た電磁波と赤外線のスペクトルの一例を示す。   FIG. 2 shows an example of the spectrum of electromagnetic waves and infrared rays that have passed through an aqueous glucose solution.

図2(a)は、ギガヘルツ帯での複素誘電率の虚部(lm[ε])を示すものであり、線種ごとの数値は、グルコース水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、lm[ε]が高くなる。これを吸収増加という。   FIG. 2A shows the imaginary part (lm [ε]) of the complex dielectric constant in the gigahertz band, and the numerical value for each line type indicates the concentration of the glucose aqueous solution. At a certain frequency, the higher the concentration, the higher the lm [ε]. This is called absorption increase.

図2(b)は、近赤外領域での振幅を示すものであり、線種ごとの数値は、グルコース水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、振幅が低くなる。これを吸収増加という。   FIG. 2B shows the amplitude in the near infrared region, and the numerical value for each line type indicates the concentration of the glucose aqueous solution. At a certain frequency, the higher the concentration, the lower the amplitude. This is called absorption increase.

図2(c)は、テラヘルツ帯での透過強度を示すものであり、線種ごとの数値は、グルコース水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、透過強度が高くなる。これを吸収減少という。   FIG. 2C shows the transmission intensity in the terahertz band, and the numerical value for each line type indicates the concentration of the glucose aqueous solution. At a certain frequency, the higher the concentration, the higher the transmission intensity. This is called absorption reduction.

図3は、イオン水溶液を経た赤外線のスペクトルの一例を示す。   FIG. 3 shows an example of an infrared spectrum that has passed through an aqueous ionic solution.

図3は、近赤外領域での振幅を示すものであり、線種ごとの数値は、イオン水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、振幅が高くなる。これを吸収減少という。   FIG. 3 shows the amplitude in the near-infrared region, and the numerical value for each line type indicates the concentration of the ion aqueous solution. At a certain frequency, the higher the concentration, the higher the amplitude. This is called absorption reduction.

図4は、アルブミン水溶液を経た電磁波と赤外線のスペクトルの一例を示す。   FIG. 4 shows an example of the spectrum of electromagnetic waves and infrared rays that have passed through an albumin aqueous solution.

図4(a)は、ギガヘルツ帯での複素誘電率の虚部(lm[ε])を示すものであり、線種ごとの数値は、アルブミン水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、lm[ε]が高くなる。これを吸収増加という。   FIG. 4A shows the imaginary part (lm [ε]) of the complex dielectric constant in the gigahertz band, and the numerical value for each line type indicates the concentration of the albumin aqueous solution. At a certain frequency, the higher the concentration, the higher the lm [ε]. This is called absorption increase.

図4(b)は、近赤外領域での吸光度を示すものであり、線種ごとの数値は、アルブミン水溶液の濃度を示す。ある周波数では、濃度が高いほど、吸光度が低くなる。これを吸収減少という。   FIG. 4B shows the absorbance in the near infrared region, and the numerical value for each line type indicates the concentration of the albumin aqueous solution. At a certain frequency, the higher the concentration, the lower the absorbance. This is called absorption reduction.

マイクロ波では、イオンによる低周波帯の緩和ピークが顕著であることが知られており、イオンの分析に用いることができる。一方、ミリ波帯の20GHz以上やテラヘルツ波ではその影響は軽微である。マイクロ波〜ミリ波では、溶質と水との水和状態により、分子量に応じたデバイ緩和ピークが観測可能である。グルコース水溶液では20GHz程度にデバイ緩和ピークが存在し、ミリ波ではグルコースのシフトが観測可能である。テラヘルツ帯でも水の体積分率の変化により,スペクトルの変化を計測できる。また、アルブミンは分子量が非常に大きいため、マイクロ波帯の低周波(例えば、500MHz以下)において緩和ピークを呈する。従って、高分子とグルコースとの間で選択的な定量分析の可能性がある。近赤外スペクトルにおいては、どの成分においても水の体積分率の変化や物質由来の吸収スペクトルにより吸収が変化する。   In the microwave, it is known that the relaxation peak in the low frequency band due to ions is prominent, and can be used for analysis of ions. On the other hand, in the millimeter wave band of 20 GHz or more and terahertz waves, the influence is slight. In microwave to millimeter wave, the Debye relaxation peak corresponding to the molecular weight can be observed depending on the hydration state of the solute and water. In a glucose aqueous solution, a Debye relaxation peak exists at about 20 GHz, and a shift of glucose can be observed in a millimeter wave. Even in the terahertz band, changes in the spectrum can be measured by changing the volume fraction of water. Moreover, since albumin has a very large molecular weight, it exhibits a relaxation peak at a low frequency in the microwave band (for example, 500 MHz or less). Therefore, there is a possibility of selective quantitative analysis between macromolecules and glucose. In the near-infrared spectrum, the absorption changes in any component due to a change in the volume fraction of water or an absorption spectrum derived from a substance.

マイクロ波〜テラヘルツ波は波長が近赤外波長のおよそ1000倍であり、生体内散乱をほとんど無視できるため、生体散乱を無視して測定が可能である。また、テラヘルツ帯では溶質の吸収が存在しないため、生体中の水の体積分率が他の成分と独立に計測することができる。従来の赤外で課題となっている水の体積分率の変化や温度依存性に対して、生体散乱の影響を受けずに補正が可能である。この補正の重要性は、例えば、赤外域の1600nmでは水の吸収が生理グルコース濃度の1000倍であり、温度変化0.1℃によるスペクトルシフトと同等であることから明らかである。   The microwave to terahertz wave has a wavelength of about 1000 times the near-infrared wavelength and can hardly ignore the in-vivo scattering, and thus can be measured by ignoring the in-vivo scattering. In addition, since there is no solute absorption in the terahertz band, the volume fraction of water in the living body can be measured independently of other components. It is possible to correct the change in volume fraction of water and the temperature dependence, which are problems in the conventional infrared, without being affected by biological scattering. The importance of this correction is apparent from the fact that, for example, at 1600 nm in the infrared region, water absorption is 1000 times the physiological glucose concentration, which is equivalent to a spectral shift due to a temperature change of 0.1 ° C.

データベース1に保持する回帰係数スペクトルのスペクトルデータとしては、例えば、イオン、アルブミン、トリグリセリド(中性脂肪)、コレステロール等の水溶液のそれぞれ異なる濃度や温度でのデータ、また、それらの混合液のデータを用いる。   The spectral data of the regression coefficient spectrum stored in the database 1 includes, for example, data at different concentrations and temperatures of aqueous solutions of ions, albumin, triglycerides (neutral fats), cholesterol and the like, and data of a mixture thereof. Use.

つまり、演算器3がスペクトル定量分析手法を実行するのに先立ち、予め測定された物質の物性値(温度、濃度、pH等)を参照リストとしてデータベース化し、それぞれのスペクトルから検量線を作成する。そして、それぞれの物性値における成分スペクトルの線形結合で測定スペクトルが表現されるため、それぞれの成分の回帰係数スペクトルを求めて、データベース1として予め記憶する。検量線の作成手法としてはPrincipal Component Regression (PCR)、Partial Least Squares回帰(PLS)を用いてもよい。   That is, before the computing unit 3 executes the spectral quantitative analysis technique, the physical property values (temperature, concentration, pH, etc.) of the substances measured in advance are made into a database as a reference list, and a calibration curve is created from each spectrum. And since a measurement spectrum is expressed by the linear combination of the component spectrum in each physical property value, the regression coefficient spectrum of each component is obtained and stored in advance as the database 1. As a method for creating a calibration curve, Principal Component Regression (PCR) or Partial Least Squares regression (PLS) may be used.

演算器3は、作成した回帰係数スペクトルを用いて、計測したスペクトルをフィッティングすることより、それぞれの成分の濃度を計算する。   The computing unit 3 calculates the concentration of each component by fitting the measured spectrum using the created regression coefficient spectrum.

[第2の実施の形態]
図5は、第2の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。
[Second Embodiment]
FIG. 5 shows an example of a component concentration analyzer according to the second embodiment.

成分濃度分析装置は、所望の被測定試料の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース1と、赤外光を被測定試料Tに照射する照射器21と、被測定試料Tを透過した赤外光を受信する光検出器22と、電磁波を被測定試料Tに放射する放射器23と、被測定試料Tを透過した電磁波を検出する電磁波検出器24と、所定の波長の光を発生する光源231と、光源231からの光を振幅変調する振幅変調器233と、振幅変調器233による振幅変調後の光を2分岐する光スプリッタ235と、放射器23に接続された同軸線237に挿入されたコプレーナ線路(図5では省略する)と、同軸線237に接続されたアンプ239と、光検出器22の出力信号と電磁波検出器24の出力信号とアンプ239の出力信号をロック・イン・アンプ243を介して受信し、その信号により得たスペクトルをデータベース1に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、被測定試料の濃度を求める演算器3とを備える。演算器3は、例えば、濃度を表示器4に表示する。   The component concentration analyzer includes a database 1 that holds a regression coefficient spectrum for a desired sample concentration, an irradiator 21 that irradiates the sample T with infrared light, and an infrared that passes through the sample T. A photodetector 22 that receives light, a radiator 23 that radiates electromagnetic waves to the sample T to be measured, an electromagnetic wave detector 24 that detects electromagnetic waves that have passed through the sample T to be measured, and a light source that generates light of a predetermined wavelength 231, an amplitude modulator 233 that amplitude-modulates light from the light source 231, an optical splitter 235 that splits the light after amplitude modulation by the amplitude modulator 233, and a coaxial line 237 connected to the radiator 23. The coplanar line (not shown in FIG. 5), the amplifier 239 connected to the coaxial line 237, the output signal of the photodetector 22, the output signal of the electromagnetic wave detector 24, and the output signal of the amplifier 239 are locked. It received via a down-amp 243, by fitting the spectra obtained by the signal to regression coefficient spectrum held in the database 1, and a computing unit 3 for determining the concentration of the sample. The calculator 3 displays the concentration on the display 4, for example.

照射器21は、例えば、レンズを含み、光スプリッタ235で分岐した一方の光から赤外光を発生させるようになっている。放射器23は、例えば、フォトミキサであり、光スプリッタ235で分岐した他方の光から電磁波を発生させるようになっている。放射器23は、UTC―PDを用いたフォトミキサとし、そのバイアスを変調してもよく、放射器23から放射されるテラヘルツ(THz)波をチョッパー等で振幅変調してもよい。   The irradiator 21 includes, for example, a lens, and generates infrared light from one light branched by the optical splitter 235. The radiator 23 is a photomixer, for example, and generates electromagnetic waves from the other light branched by the optical splitter 235. The radiator 23 is a photomixer using UTC-PD, and its bias may be modulated, and the terahertz (THz) wave radiated from the radiator 23 may be amplitude-modulated with a chopper or the like.

制御器241は、演算器3の制御により、光源231の波長を偏移させる。ロック・イン・アンプ243は、発振器245の発振周波数wを電圧で制御し、発振周波数wにより振幅変調器233を制御する。振幅変調器233は、例えば、制御信号により電気的に振幅変調が可能な電気光学結晶を用いたマッハツェンダ式振幅変調器である。   The controller 241 shifts the wavelength of the light source 231 under the control of the computing unit 3. The lock-in amplifier 243 controls the oscillation frequency w of the oscillator 245 with a voltage, and controls the amplitude modulator 233 with the oscillation frequency w. The amplitude modulator 233 is, for example, a Mach-Zehnder type amplitude modulator using an electro-optic crystal that can be electrically amplitude-modulated by a control signal.

マイクロ波の信号発生は、光源のスペクトル線幅が狭帯域である方が低周波数を発生に好適である。一般にDFBレーザのスペクトル線幅は500kHz程度であり、数100MHzの信号発生は可能である。   Microwave signal generation is more suitable for generating low frequencies when the spectral line width of the light source is narrow. In general, the spectral line width of a DFB laser is about 500 kHz, and a signal of several hundred MHz can be generated.

放射器23は、2つの光のビート周波数の電波を発生させ、例えば数GHz〜数THzまでの電波を発生する。   The radiator 23 generates radio waves having the beat frequency of two lights, for example, radio waves from several GHz to several THz.

光源231は、少なくとも2つの異なる周波数の光を発生させる。一方の光の波長は、制御器241の制御により可変となっている。   The light source 231 generates light of at least two different frequencies. The wavelength of one light is variable under the control of the controller 241.

この波長を線形に変化させることで、光スプリッタ235から2分岐した一方の光は、放射器23においてF2−F1の差周波ビート信号の周波数を線形に掃引(スイープ)する。   By changing the wavelength linearly, one of the two lights branched from the optical splitter 235 linearly sweeps (sweeps) the frequency of the difference frequency beat signal of F2-F1 in the radiator 23.

例えば、振幅変調器233に対し、発振器245からの単一周波数f(例えば100kHz)の信号を印加する。これにより、振幅変調器233は振幅変調を行う。   For example, a signal having a single frequency f (for example, 100 kHz) from the oscillator 245 is applied to the amplitude modulator 233. Thereby, the amplitude modulator 233 performs amplitude modulation.

電磁波検出器24は、例えば、アンテナ付きSBD(ショットキー・バリア・ダイオード)である。SBDでは、包絡線検波により周波数fの電気信号が出力される。この電気信号を同期検波して、ロック・イン・アンプ243で振幅を検出する。   The electromagnetic wave detector 24 is, for example, an SBD with an antenna (Schottky barrier diode). In SBD, an electric signal having a frequency f is output by envelope detection. The electric signal is synchronously detected, and the lock-in amplifier 243 detects the amplitude.

図6は、図5における符号250の箇所の詳細構造を示す。   FIG. 6 shows a detailed structure of a portion denoted by reference numeral 250 in FIG.

コプレーナ線路251は、セル253により被測定試料Tの位置に配置され、同軸線237とコネクタ255を介して接続される。コプレーナ線路251は、別のコネクタ255と同軸線237を介して、図5のアンプ239に接続される。例えば、1MHz〜50GHzの電磁波(マイクロ波/ミリ波)が同軸線237に導入され、コプレーナ線路251の箇所で被測定試料Tを透過し、同軸線237を通過し、アンプ239で受信される。   The coplanar line 251 is disposed at the position of the sample T to be measured by the cell 253 and is connected to the coaxial line 237 via the connector 255. The coplanar line 251 is connected to the amplifier 239 in FIG. 5 via another connector 255 and a coaxial line 237. For example, an electromagnetic wave (microwave / millimeter wave) of 1 MHz to 50 GHz is introduced into the coaxial line 237, passes through the sample T to be measured at the location of the coplanar line 251, passes through the coaxial line 237, and is received by the amplifier 239.

マイクロ波からミリ波は波長が長く、空間伝搬にはシステムサイズが大きくなるため、同軸線237により伝搬させる。同軸線237は、基板256上のコネクタ255と接続し、コプレーナ線路251を通して、伝搬する。コプレーナ線路251上には流路が形成されており、被測定試料Tが分岐され通過する。コプレーナ線路251の通過特性を測定することにより、被測定試料Tの誘電率を測定することができる。   Microwave to millimeter wave have a long wavelength, and the system size becomes large for spatial propagation. The coaxial line 237 is connected to the connector 255 on the board 256 and propagates through the coplanar line 251. A flow path is formed on the coplanar line 251, and the sample T to be measured is branched and passes. By measuring the pass characteristic of the coplanar line 251, the dielectric constant of the sample T to be measured can be measured.

基板256はセル253と熱的に接続するように配置される。シリコン,セラミックス等の熱伝導率が高い材料を基板256の材料としても良く、熱伝導性が良いペースト材料を基板256とセル253の間に塗布しても良い。このような配置により、一つの被測定試料Tを同時に測定できるため、被測定試料Tの温度制御の精度を高めることができ、精度が向上する効果がある。   The substrate 256 is disposed so as to be thermally connected to the cell 253. A material having high thermal conductivity such as silicon or ceramics may be used as the material of the substrate 256, and a paste material having good thermal conductivity may be applied between the substrate 256 and the cell 253. With such an arrangement, since one sample T can be measured simultaneously, the accuracy of temperature control of the sample T to be measured can be increased, and the accuracy is improved.

また、符号257は、照射器21から放出した赤外線と、放射器23から空間に放出した電磁波とを示すものであり、放射器23からは、例えば、50GHz〜10THzのミリ波/テラヘルツ波が放出される。赤外線と電磁波は、セル253の窓と称される開口を通過し、被測定試料Tを透過し、光検出器22と電磁波検出器24で受信される。   Reference numeral 257 indicates infrared rays emitted from the irradiator 21 and electromagnetic waves emitted from the radiator 23 to the space. The radiator 23 emits, for example, a millimeter wave / terahertz wave of 50 GHz to 10 THz. Is done. Infrared rays and electromagnetic waves pass through an opening called a window of the cell 253, pass through the sample T to be measured, and are received by the photodetector 22 and the electromagnetic wave detector 24.

このように、1つの被測定試料Tに赤外線、マイクロ波/ミリ波、ミリ波/テラヘルツ波を同時に照射する構成を採用することで、装置の小型化および高精度化が可能となる。   As described above, by adopting a configuration in which a single sample T to be measured is irradiated with infrared rays, microwaves / millimeter waves, and millimeter waves / terahertz waves at the same time, the size and accuracy of the apparatus can be reduced.

[第3の実施の形態]
図7は、第3の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。第3の実施の形態に係る成分濃度分析装置は、ホモダイン検波の装置構成を有する。データベース1と演算器3については図示省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 7 shows an example of a component concentration analyzer according to the third embodiment. The component concentration analyzer according to the third embodiment has a device configuration for homodyne detection. The database 1 and the calculator 3 are not shown.

成分濃度分析装置は、所定の波長の光を発生する連続波光源261と、連続波光源261から発生した周波数F1の光を2分岐する光スプリッタ262と、連続波光源261から発生した周波数F2の光を2分岐する光スプリッタ263と、光スプリッタ262で分岐した一方の光と光スプリッタ263で分岐した一方の光を合波するカプラ264と、光スプリッタ263で分岐した他方の光の位相を変調させる光位相変調器265と、光スプリッタ262で分岐した他方の光と光位相変調器265による位相変調後の光を合波するカプラ267と、カプラ264で合波された光を2分岐する光スプリッタ268とを備える。   The component concentration analyzer includes a continuous wave light source 261 that generates light of a predetermined wavelength, an optical splitter 262 that bifurcates light having a frequency F1 generated from the continuous wave light source 261, and a frequency F2 generated from the continuous wave light source 261. Optical splitter 263 that splits light into two, coupler 264 that combines one light split by optical splitter 262 and one light split by optical splitter 263, and the phase of the other light split by optical splitter 263 The optical phase modulator 265 to be coupled, the other light branched by the optical splitter 262 and the coupler 267 that combines the light after phase modulation by the optical phase modulator 265, and the light that splits the light multiplexed by the coupler 264 into two. A splitter 268.

照射器21は、光スプリッタ268で分岐した光から赤外光を発生させるものである。赤外線は、図示しないが、被測定試料Tを透過し、光検出器22で受信される。   The irradiator 21 generates infrared light from the light branched by the optical splitter 268. Although not shown, the infrared light passes through the sample T to be measured and is received by the photodetector 22.

放射器23は、光スプリッタ268で分岐した別の光から電磁波を発生させるものである。電磁波は、放射器23から放射され、放物面鏡221などで反射し、被測定試料Tを透過する。   The radiator 23 generates an electromagnetic wave from another light branched by the optical splitter 268. The electromagnetic wave is radiated from the radiator 23, reflected by the parabolic mirror 221 and the like, and transmitted through the sample T to be measured.

フォトダイオード269は、、光スプリッタ268で分岐した別の光から電磁波を発生させ、同軸線237に導入する。   The photodiode 269 generates an electromagnetic wave from another light branched by the optical splitter 268 and introduces the electromagnetic wave into the coaxial line 237.

第3の実施の形態では、図6と同様に、セル253を用い、照射器21からの赤外線と、放射器23からの電磁波を1つの被測定試料Tに通過させ、また、コプレーナ線路251を用いて、別の周波数の電磁波を被測定試料Tに通過させる。   In the third embodiment, similarly to FIG. 6, the cell 253 is used, the infrared rays from the irradiator 21 and the electromagnetic waves from the radiator 23 are passed through one measured sample T, and the coplanar line 251 is passed through. The electromagnetic wave of another frequency is passed through the sample T to be measured.

アンプ239は、受信した電磁波を同軸線237を介して、ロック・イン・アンプ243に出力する。   The amplifier 239 outputs the received electromagnetic wave to the lock-in amplifier 243 via the coaxial line 237.

電磁波検出器271は、フォトミキサ及びフォトミキサとTHzミキサとの両機能を一体化させたものであり、被測定試料Tを通過した電磁波をホモダイン検波する。ロック・イン・アンプ243は、電磁波検出器271からの信号を基に、発振器245の発振周波数wを電圧で制御し、発振周波数wにより光位相変調器265を制御する。   The electromagnetic wave detector 271 integrates both functions of the photomixer and the photomixer and the THz mixer, and performs homodyne detection of the electromagnetic wave that has passed through the sample T to be measured. The lock-in amplifier 243 controls the oscillation frequency w of the oscillator 245 with a voltage based on the signal from the electromagnetic wave detector 271 and controls the optical phase modulator 265 with the oscillation frequency w.

第3の実施の形態では、電磁波をホモダイン検波すべく、例えば、電気光学効果を用いた光位相変調器265で位相変調する。光位相変調器265は、制御信号により電気的に位相変調が可能な電気光学結晶を用いた位相変調器であり、発振器245からの単一周波数f(例えば40kHz)の信号を印加して、セロダイン位相変調を行い、変調周波数fと同等の周波数シフトを光に生じさせる。なお、位相変調器265の変調帯域により掃引可能な周波数が律速される。   In the third embodiment, in order to perform homodyne detection of electromagnetic waves, for example, phase modulation is performed by an optical phase modulator 265 using an electro-optic effect. The optical phase modulator 265 is a phase modulator using an electro-optic crystal that can be electrically phase-modulated by a control signal. The optical phase modulator 265 applies a signal having a single frequency f (for example, 40 kHz) from the oscillator 245 to generate serrodyne. Phase modulation is performed, and a frequency shift equivalent to the modulation frequency f is generated in the light. Note that the frequency that can be swept is limited by the modulation band of the phase modulator 265.

連続波光源261は、上記のように、少なくとも2つの異なる周波数F1、F2の光を発生し、且つ一方の周波数F2は可変可能である。   As described above, the continuous wave light source 261 generates light of at least two different frequencies F1 and F2, and one frequency F2 is variable.

光スプリッタ262、263は、入力光の光パワーを所定の比率で2つに分岐して出力する機能を有する。   The optical splitters 262 and 263 have a function of branching the optical power of the input light into two at a predetermined ratio and outputting it.

例えば、動作帯域の中心周波数は193.15THzで、光パワーの比率は50:50である。   For example, the center frequency of the operating band is 193.15 THz, and the optical power ratio is 50:50.

制御器241は、ロック・イン・アンプ243からモニタ272を経て信号を受信し、連続波光源261を制御する。   The controller 241 receives the signal from the lock-in amplifier 243 via the monitor 272 and controls the continuous wave light source 261.

制御器241により、193.125THzを、F1=193.225THz以下、F2=194.125THz以上へそれぞれを線形に変化させ、連続波光源261から出力する。   The controller 241 linearly changes 193.125 THz to F1 = 193.225 THz or less and F2 = 194.125 THz or more, and outputs it from the continuous wave light source 261.

カプラ264では、F2−F1の差周波ビート信号を線形にスイープする。   The coupler 264 linearly sweeps the F2-F1 difference frequency beat signal.

例えば、差周波数を0.6THzとするには、F1=193.125THz、F2=193.725THzとする。   For example, in order to set the difference frequency to 0.6 THz, F1 = 193.125 THz and F2 = 193.725 THz.

カプラ267は、周波数F1と周波数F2+wの光を出力する。つまり、周波数F2に対して、周波数wだけ周波数偏移させることで、差周波ビート信号の周波数を変化させ、連続したスペクトルが得ることができる。   The coupler 267 outputs light of frequency F1 and frequency F2 + w. That is, by shifting the frequency F2 by the frequency w, the frequency of the difference frequency beat signal can be changed and a continuous spectrum can be obtained.

また、光スプリッタ268を設け、例えば、F1=193.125THz、F2=193.135THzとすることで、10GHzの高周波信号をフォトダイオード269において発生させ、フォトダイオード269と接続した同軸線237により高周波の電磁波を伝搬させる。アンプ239としては、信号量に応じて低雑音アンプを用いる。このようにして、差周波ビート信号の周波数を変化させ、連続したマイクロ波〜ミリ波スペクトルが得ることができる。   Further, an optical splitter 268 is provided, for example, by setting F1 = 193.125 THz and F2 = 193.135 THz, a high frequency signal of 10 GHz is generated in the photodiode 269, and the high frequency is transmitted by the coaxial line 237 connected to the photodiode 269. Propagates electromagnetic waves. As the amplifier 239, a low noise amplifier is used according to the signal amount. In this way, a continuous microwave to millimeter wave spectrum can be obtained by changing the frequency of the difference frequency beat signal.

光スプリッタ268をスイッチとして切り替えてもよい。同軸線237は、図示しない基板上のコネクタと接続し、コプレーナ線路を通して、電磁波を伝搬する。コプレーナ線路上には流路が形成されており、被測定試料が分岐され通過する。コプレーナ線路の通過特性を測定することにより、被測定試料の誘電率を測定することができる。   The optical splitter 268 may be switched as a switch. The coaxial line 237 is connected to a connector (not shown) on the board, and propagates electromagnetic waves through the coplanar line. A flow path is formed on the coplanar line, and the sample to be measured is branched and passes. By measuring the pass characteristic of the coplanar line, the dielectric constant of the sample to be measured can be measured.

2つの異なる光波長の光は、カプラ264、267により合波された後に、それぞれ放射器23と電磁波検出器271に入力される。放射器23からは差周波ビート信号(電磁波)が放射され、電磁波を放物面鏡221で被測定試料Tに照射し、被測定試料Tを透過した電磁波は、後に電磁波検出器271に入射する。電磁波検出器271は、その電磁波と同様に周波数差がある2つの異なる光によって、ホモダイン検波を行う。   The lights having two different light wavelengths are combined by the couplers 264 and 267 and then input to the radiator 23 and the electromagnetic wave detector 271, respectively. A difference frequency beat signal (electromagnetic wave) is radiated from the radiator 23, the electromagnetic wave is irradiated to the sample T to be measured by the parabolic mirror 221, and the electromagnetic wave transmitted through the sample T to be measured later enters the electromagnetic wave detector 271. . The electromagnetic wave detector 271 performs homodyne detection using two different lights having a frequency difference similar to the electromagnetic wave.

電磁波検出器271は、ホモダイン検波により周波数fの電気信号を出力する。この電気信号を同期検波してロック・イン・アンプ243で振幅及び位相を検出する。   The electromagnetic wave detector 271 outputs an electric signal having a frequency f by homodyne detection. The electric signal is synchronously detected, and the lock-in amplifier 243 detects the amplitude and phase.

なお、電磁波をホモダイン検波する際に、電磁波検出器271のミキシング時における2つの光路長差が一致するように、光を伝搬する光ファイバの長さ等を予め調整する。   When homodyne detection of electromagnetic waves, the length of the optical fiber that propagates the light is adjusted in advance so that the two optical path length differences during mixing of the electromagnetic wave detector 271 match.

このように電気信号を同期検波してロック・イン・アンプ243で振幅及び位相を検出する。このような構成により、高いSN比を有するホモダイン検波を行うことができる。   In this way, the electrical signal is synchronously detected, and the lock-in amplifier 243 detects the amplitude and phase. With such a configuration, homodyne detection having a high S / N ratio can be performed.

放射器23としては、例えば、単一走行キャリア・フォトダイオード(UTC−PD:Uni-Travelling-Carrier Photodiode)等を利用して実現できる。   As the radiator 23, for example, a single traveling carrier photodiode (UTC-PD: Uni-Travelling-Carrier Photodiode) can be used.

また、電磁波検出器271は、アンテナ付きSBD(ショットキー・バリア・ダイオード)で構成されるTHzミキサと、アンテナ付きUTC−PDで構成されるフォトミキサとを、光ファイバとを同一パッケージに実装することで実現できる。なお、電磁波検出器271には、光伝導アンテナ(PCA:Photo-Conductive Antenna)を用いてもよい。   The electromagnetic wave detector 271 mounts an optical fiber and a THz mixer composed of an SBD (Schottky barrier diode) with an antenna and a photomixer composed of an UTC-PD with an antenna in the same package. This can be achieved. The electromagnetic wave detector 271 may be a photoconductive antenna (PCA).

[第4の実施の形態]
図8は、第4の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。データベース1と演算器3については図示省略する。
[Fourth Embodiment]
FIG. 8 shows an example of a component concentration analyzer according to the fourth embodiment. The database 1 and the calculator 3 are not shown.

第4の実施の形態では、誘電分光センサの測定系に透過型の配置をして透過信号の振幅、位相を測定する。図は、水溶液や油脂等の液体に被測定試料が含まれる場合の測定例を例示する。なお、被測定試料は固体でもよい。   In the fourth embodiment, a transmission type is arranged in the measurement system of the dielectric spectroscopic sensor, and the amplitude and phase of the transmission signal are measured. The figure exemplifies a measurement example when a sample to be measured is contained in a liquid such as an aqueous solution or oil. The sample to be measured may be a solid.

放射器23から電磁波(THz波など)をレンズなどを介して、誘電率測定用セル281に保持された被測定試料に照射し、被測定試料を透過した電磁波をレンズなどを介して、電磁波検出器24で検出する。電磁波検出器24からの信号を低雑音増幅器281を介して、ロック・イン・アンプ243で受信する。   An electromagnetic wave (THz wave or the like) is radiated from the radiator 23 to the sample to be measured held in the dielectric constant measurement cell 281 through a lens or the like, and the electromagnetic wave transmitted through the sample to be measured is detected through the lens or the like. This is detected by the device 24. A signal from the electromagnetic wave detector 24 is received by the lock-in amplifier 243 via the low noise amplifier 281.

なお、図示しないが、図5などと同様に、照射器21を用い、赤外光を被測定試料に照射する。また、光検出器22を用い、被測定試料を透過した赤外光を受信する。   Although not shown, the sample to be measured is irradiated with infrared light using the irradiator 21 as in FIG. Moreover, the infrared light which permeate | transmitted the to-be-measured sample is received using the photodetector 22. FIG.

演算器(図示せず)は、光検出器の出力信号と電磁波検出器24の出力信号をロック・イン・アンプ243を介して受信し、その信号により得たスペクトルをデータベースに保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、被測定試料の濃度を求める。   The computing unit (not shown) receives the output signal of the photodetector and the output signal of the electromagnetic wave detector 24 via the lock-in amplifier 243, and the regression coefficient stored in the database is the spectrum obtained from the signal. By fitting to the spectrum, the concentration of the sample to be measured is obtained.

図9は、μ波〜ミリ波のスペクトルを用いて、グルコース水溶液の多変量解析を行った結果であり、図10は、多変量解析により、複数成分の水溶液において、グルコース及びアルブミンの濃度検量を行った結果である。双方において、クロスバリデーションにおける自乗平均平方根誤差(RMSECV)が100mg/dL以下となった。同様に、テラヘルツ波帯や赤外域の分光スペクトルをデータベースに含めることで多変量解析の精度向上が可能である。   FIG. 9 shows the results of multivariate analysis of an aqueous glucose solution using a spectrum of μ wave to millimeter wave. FIG. 10 shows the concentration calibration of glucose and albumin in a multi-component aqueous solution by multivariate analysis. It is the result of having gone. In both cases, the root mean square error (RMSECV) in cross validation was 100 mg / dL or less. Similarly, it is possible to improve the accuracy of multivariate analysis by including the spectrum in the terahertz wave band or the infrared region in the database.

誘電率測定用セル281のサイズは、例えば、ビームサイズ以上として数ミリ×数ミリ角以上であり、厚さは試料の透過率にも依存するが、純水では0.1mm程度である。被測定試料を固定する固定治具(窓材料)は、電磁波が良く透過する高抵抗Si,Zカット水晶、HDPE、TPX、Tsurupica等を用いてもよく、測定周波数に応じて透過率の高い材料を選択する。液体用の誘電率測定用セル281はインレットとアウトレットを備えるフローセル構成としてもよい。   The size of the dielectric constant measurement cell 281 is, for example, several millimeters × several millimeters or more as the beam size or more, and the thickness depends on the transmittance of the sample, but it is about 0.1 mm in pure water. The fixing jig (window material) for fixing the sample to be measured may be a high resistance Si, Z cut crystal, HDPE, TPX, Tsurupica, etc. that transmits electromagnetic waves well, and has a high transmittance depending on the measurement frequency. Select. The liquid dielectric constant measurement cell 281 may have a flow cell configuration including an inlet and an outlet.

[第5の実施の形態]
図11は、第5の実施の形態に係る成分濃度分析装置の例を示す。データベース1と演算器3については図示省略する。
[Fifth Embodiment]
FIG. 11 shows an example of a component concentration analyzer according to the fifth embodiment. The database 1 and the calculator 3 are not shown.

図11において、人間の指291の照射領域291に被測定試料である成分が存在する。ここでは、その被測定試料が電磁波を多く吸収するとする。   In FIG. 11, a component that is a sample to be measured exists in an irradiation region 291 of a human finger 291. Here, it is assumed that the sample to be measured absorbs a lot of electromagnetic waves.

この場合、図11に示すように、シリコンを材料とするATRプリズム293上に誘電率測定用セルを配置して、反射信号の分光測定を行う。   In this case, as shown in FIG. 11, a dielectric constant measurement cell is arranged on an ATR prism 293 made of silicon, and the reflected signal is measured spectroscopically.

つまり、放射器23から電磁波(THz波など)をレンズ、ATRプリズム293を介して、照射領域291に照射し、照射領域291で反射した電磁波をATRプリズム293、レンズなどを介して、電磁波検出器24で検出する。電磁波検出器24からの信号を低雑音増幅器281を介して、ロック・イン・アンプ243で受信する。   That is, an electromagnetic wave (THz wave or the like) is radiated from the radiator 23 to the irradiation region 291 via the lens and the ATR prism 293, and the electromagnetic wave reflected by the irradiation region 291 is reflected to the electromagnetic wave detector via the ATR prism 293 and the lens. 24. A signal from the electromagnetic wave detector 24 is received by the lock-in amplifier 243 via the low noise amplifier 281.

また、赤外光源295で発生した赤外光を照射器21を用い、ATRプリズム293を介して、照射領域291に照射に照射する。また、図示しない光検出器を用い、照射領域291で反射した赤外光を受信する。   In addition, the infrared light generated by the infrared light source 295 is irradiated to the irradiation region 291 through the ATR prism 293 using the irradiator 21. Further, infrared light reflected by the irradiation region 291 is received using a photodetector (not shown).

すなわち、第4の実施の形態は、被測定試料の位置(同一位置)に電磁波と赤外光を照射する配置をとった実施形態である。   That is, the fourth embodiment is an embodiment in which an electromagnetic wave and infrared light are irradiated to the position (the same position) of the sample to be measured.

演算器(図示せず)は、光検出器の出力信号と電磁波検出器24の出力信号をロック・イン・アンプ243を介して受信し、その信号により得たスペクトルをデータベースに保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、被測定試料の濃度を求める。   The computing unit (not shown) receives the output signal of the photodetector and the output signal of the electromagnetic wave detector 24 via the lock-in amplifier 243, and the regression coefficient stored in the database is the spectrum obtained from the signal. By fitting to the spectrum, the concentration of the sample to be measured is obtained.

ATRプリズム293の材料としては、被測定試料の誘電率により適宜選択すればよいが、例えば、高抵抗Si以外には、ポリマー、石英でもよい。ATRプリズム293上に枠を設けて、人の指291を配置することで、人体の血液や組織間液中の成分分析に適用できる。   The material of the ATR prism 293 may be appropriately selected depending on the dielectric constant of the sample to be measured. For example, in addition to high resistance Si, polymer or quartz may be used. By providing a frame on the ATR prism 293 and placing a human finger 291, it can be applied to component analysis in human blood or interstitial fluid.

赤外光では吸収係数10cm−1となる波長でおよそ1mm程度、皮膚組織内に到達するとみなせ、その経路にある組織間液や血液の吸収を受ける。電磁波は例えば300GHzにおいて波長1mmと皮膚下到達深度と同程度となる。従って、ATRプリズム293のエバネッセント波による浸み出し深さが同程度とみなせる周波数を選ぶことで、同一領域の情報を選択的に得ることもできる。   Infrared light can be considered to reach the skin tissue about 1 mm at a wavelength with an absorption coefficient of 10 cm −1 and receive absorption of interstitial fluid and blood in the path. The electromagnetic wave has a wavelength of about 1 mm at 300 GHz, for example, and is about the same as the depth under the skin. Accordingly, information in the same region can be selectively obtained by selecting a frequency at which the penetration depth of the ATR prism 293 by the evanescent wave is considered to be approximately the same.

以上のように、本発明の各実施の形態に係る成分濃度分析装置によれば、マイクロ波から赤外線に渡る帯域の誘電分光分析により健康診断に必要な生体成分を非侵襲で定量化することができる。   As described above, according to the component concentration analyzer according to each embodiment of the present invention, it is possible to non-invasively quantify biological components necessary for a health check by dielectric spectroscopy analysis in a band from microwave to infrared. it can.

1 データベース
3 演算器
21 照射器
22 光検出器
23 放射器
24、271 電磁波検出器
25 誘電測定プローブ
231 光源
233 振幅変調器
235、262、263、268 光スプリッタ
237 同軸線
239 アンプ
261 連続波光源
264、267 カプラ
265 光位相変調器
269 フォトダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Database 3 Calculator 21 Irradiator 22 Photodetector 23 Radiator 24,271 Electromagnetic wave detector 25 Dielectric measurement probe 231 Light source 233 Amplitude modulator 235, 262, 263, 268 Optical splitter 237 Coaxial line 239 Amplifier 261 Continuous wave light source 264 267 Coupler 265 Optical phase modulator 269 Photodiode

Claims (7)

赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料(T)の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース(1)と、
前記赤外光を被測定試料(T)に照射する照射器(21)と、
前記被測定試料(T)を反射または透過した前記赤外光を受信する光検出器(22)と、
前記電磁波を前記被測定試料(T)に放射する放射手段(23、25、251)と、
前記被測定試料(T)を反射または透過した前記電磁波を検出する電磁波検出手段(24、25、271、239)と、
前記光検出器(22)および前記電磁波検出手段(24、25、271、239)から得たスペクトルを前記データベース(1)に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料(T)の濃度を求める演算器(3)と
を備えることを特徴とする成分濃度分析装置。
A database (1) holding a regression coefficient spectrum for the concentration of a predetermined sample to be measured (T) in a frequency band combining infrared light and electromagnetic waves;
An irradiator (21) for irradiating the sample to be measured (T) with the infrared light;
A photodetector (22) that receives the infrared light reflected or transmitted through the sample to be measured (T);
Radiation means (23, 25, 251) for radiating the electromagnetic wave to the sample to be measured (T);
Electromagnetic wave detection means (24, 25, 271, 239) for detecting the electromagnetic wave reflected or transmitted through the sample to be measured (T);
By fitting the spectrum obtained from the photodetector (22) and the electromagnetic wave detection means (24, 25, 271, 239) to the regression coefficient spectrum held in the database (1), the sample to be measured (T And a computing unit (3) for obtaining the concentration of component).
前記放射手段(23、25、251)は、
第1の周波数帯域の電磁波を発生する第1の放射手段(23)と、
第2の周波数帯域の電磁波を発生する第2の放射手段(25、251)を含み、
前記電磁波検出手段(24、25、271、239)は、
前記第1の周波数帯域の電磁波を検出する第1の電磁波検出手段(24)と、
前記第2の周波数帯域の電磁波を検出する第2の電磁波検出手段(25、239)とを含む
ことを特徴とする請求項1記載の成分濃度分析装置。
The radiating means (23, 25, 251)
First radiation means (23) for generating electromagnetic waves in a first frequency band;
Second radiating means (25, 251) for generating electromagnetic waves in a second frequency band,
The electromagnetic wave detection means (24, 25, 271, 239)
First electromagnetic wave detection means (24) for detecting electromagnetic waves in the first frequency band;
The component concentration analyzer according to claim 1, further comprising second electromagnetic wave detection means (25, 239) for detecting electromagnetic waves in the second frequency band.
光源(231)と、
前記光源(231)からの光を振幅変調する振幅変調器(233)と、
前記振幅変調器(233)による振幅変調後の光を2分岐する光スプリッタ(235)とを備え、
前記照射器(21)は、前記光スプリッタ(235)で分岐した一方の光から赤外光を発生させるものであり、
前記放射手段(23、25、251)は、前記光スプリッタ(235)で分岐した他方の光から電磁波を発生させる放射器(23)を含む
ことを特徴とする請求項1記載の成分濃度分析装置。
A light source (231);
An amplitude modulator (233) for amplitude-modulating light from the light source (231);
An optical splitter (235) for bifurcating the light after amplitude modulation by the amplitude modulator (233),
The irradiator (21) generates infrared light from one light branched by the optical splitter (235),
The component concentration analyzer according to claim 1, wherein the radiating means (23, 25, 251) includes a radiator (23) that generates an electromagnetic wave from the other light branched by the optical splitter (235). .
前記放射手段(23、25、251)は、前記被測定試料(T)の位置に配置され、前記光スプリッタ(235)で分岐した他方の光から生成された電磁波を導入する同軸線(237)を介して接続されたコプレーナ線路(251)を含み、
前記電磁波検出手段(24、25、271、239)は、前記コプレーナ線路(251)に同軸線を介して接続されたアンプ(239)を含む
ことを特徴とする請求項3記載の成分濃度分析装置。
The radiating means (23, 25, 251) is arranged at the position of the sample to be measured (T), and a coaxial line (237) for introducing an electromagnetic wave generated from the other light branched by the optical splitter (235). Including a coplanar line (251) connected via
The component concentration analyzer according to claim 3, wherein the electromagnetic wave detection means (24, 25, 271, 239) includes an amplifier (239) connected to the coplanar line (251) via a coaxial line. .
連続波光源(261)と、
前記連続波光源(261)から発生した第1の周波数(F1)の光を2分岐する第1光スプリッタ(262)と、
前記連続波光源(261)から発生した第2の周波数(F2)の光を2分岐する第2光スプリッタ(263)と、
前記第1光スプリッタ(262)で分岐した一方の光と前記第2光スプリッタ(263)で分岐した一方の光を合波する第1カプラ(264)と、
前記第2光スプリッタ(263)で分岐した他方の光の位相を変調させる光位相変調器(265)と、
前記第1光スプリッタ(262)で分岐した他方の光と前記光位相変調器(265)による位相変調後の光を合波する第2カプラ(267)と、
前記第1カプラ(264)で合波された光を分岐する第3光スプリッタ(268)とを備え、
前記照射器(21)は、前記第3光スプリッタ(268)で分岐した光から赤外光を発生させるものであり、
前記放射手段(23、25、251)は、前記第3光スプリッタ(268)で分岐した他の光から電磁波を発生させる放射器(23)を含み、
前記電磁波検出手段(24、25、271、239)は、前記第2カプラ(267)で合波された光を用いて前記電磁波をホモダイン検波する電磁波検出器(271)を含む
ことを特徴とする請求項1記載の成分濃度分析装置。
A continuous wave light source (261);
A first optical splitter (262) that splits the light of the first frequency (F1) generated from the continuous wave light source (261) into two;
A second optical splitter (263) for bifurcating light of the second frequency (F2) generated from the continuous wave light source (261);
A first coupler (264) for combining one light branched by the first optical splitter (262) and one light branched by the second optical splitter (263);
An optical phase modulator (265) for modulating the phase of the other light branched by the second optical splitter (263);
A second coupler (267) for combining the other light branched by the first optical splitter (262) and the light after phase modulation by the optical phase modulator (265);
A third optical splitter (268) for branching the light combined by the first coupler (264),
The irradiator (21) generates infrared light from the light branched by the third optical splitter (268),
The radiating means (23, 25, 251) includes a radiator (23) that generates electromagnetic waves from other light branched by the third optical splitter (268),
The electromagnetic wave detection means (24, 25, 271, 239) includes an electromagnetic wave detector (271) that performs homodyne detection of the electromagnetic wave using the light combined by the second coupler (267). The component concentration analyzer according to claim 1.
前記放射手段(23、25、251)は、前記被測定試料(T)の位置に配置され、前記第3光スプリッタ(268)で分岐した他方の光から生成された電磁波を導入する同軸線(237)に接続されたコプレーナ線路(251)を含み、
前記電磁波検出手段(24、25、271、239)は、前記コプレーナ線路に同軸線(237)を介して接続されたアンプ(239)を含む
ことを特徴とする請求項5記載の成分濃度分析装置。
The radiating means (23, 25, 251) is disposed at the position of the sample to be measured (T), and is a coaxial line for introducing an electromagnetic wave generated from the other light branched by the third optical splitter (268). 237) including a coplanar line (251),
6. The component concentration analyzer according to claim 5, wherein the electromagnetic wave detection means (24, 25, 271, 239) includes an amplifier (239) connected to the coplanar line via a coaxial line (237). .
赤外光および電磁波を合わせた周波数帯域における所定の被測定試料(T)の濃度についての回帰係数スペクトルを保持するデータベース(1)を用いる成分濃度分析方法であって、
照射器(21)が、前記赤外光を被測定試料(T)に照射し、
光検出器(22)が、前記被測定試料(T)を反射または透過した前記赤外光を受信し、
放射手段(23、25、251)が、前記電磁波を前記測定試料(T)に放射し、
電磁波検出手段(24、25、271、239)が、前記被測定試料(T)を反射または透過した前記電磁波を検出し、
演算器(3)が、前記光検出器(22)および前記電磁波検出手段(24、25、271、239)から得たスペクトルを前記データベース(1)に保持された回帰係数スペクトルにフィッティングすることにより、前記被測定試料(T)の濃度を求める
ことを特徴とする成分濃度分析方法。
A component concentration analysis method using a database (1) that holds a regression coefficient spectrum for the concentration of a predetermined sample to be measured (T) in a frequency band that combines infrared light and electromagnetic waves,
An irradiator (21) irradiates the sample to be measured (T) with the infrared light,
A photodetector (22) receives the infrared light reflected or transmitted through the sample to be measured (T);
Radiation means (23, 25, 251) radiates the electromagnetic wave to the measurement sample (T),
An electromagnetic wave detection means (24, 25, 271, 239) detects the electromagnetic wave reflected or transmitted through the measured sample (T),
The computing unit (3) fits the spectrum obtained from the photodetector (22) and the electromagnetic wave detection means (24, 25, 271, 239) to the regression coefficient spectrum held in the database (1). A concentration analysis method for determining the concentration of the sample to be measured (T).
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