JP2016188778A - Component concentration analysis device and component concentration analysis method - Google Patents
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Abstract
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
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
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
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
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.
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
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
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.
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.
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
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
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
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 /
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
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
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
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
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 /
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
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
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
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
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
[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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
[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
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
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
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
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
[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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (7)
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).
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.
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. .
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). .
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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