JP2017127635A - 濃度測定モジュール、透析装置及び濃度算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体に含まれる２成分の濃度を同時に測定することのできる濃度測定モジュールを提供する。【解決手段】内部に被照射体を導入可能な筐体１を備える濃度測定モジュール７０において、筐体１の外部に設けられ筐体１の内部に出力光を入射する光源２と、光源２の出力光の波長に対して感度を有し、筐体１内から放射される光を受光する第１の受光部３と、第１の受光部３よりも長い波長に対して感度を有し、筐体１内から放射される光を受光する第２の受光部４と、を備える。第１の受光部３から出力される第１の信号と第２の受光部４から出力される第２の信号とに基づき演算部７で濃度演算を行い、第１の信号に応じた第一の成分の濃度と、第２の信号に応じた第二の成分の濃度とをそれぞれ演算する。【選択図】 図１

Description

本発明は濃度測定モジュール、透析装置及び濃度算出方法に関する。

腎不全等によって腎機能を失った患者の血液を、患者の腎臓に代わって浄化する血液処理として各種の透析治療がある。この透析治療のうち、患者の血液を体外の回路に循環させ、透析膜で隔てられ且つ別の回路にて循環させられている透析液中に、血液中の老廃物を排出させる血液透析治療において、透析液の排液中に溶け込んでいる患者から排出された老廃物を継時的にモニタリングすることで、透析の進行度合いを把握しようとする透析排液モニタが知られている。

透析排液モニタとしては、特許文献１に記載されている様に透析排液の紫外光の透過率から測定する方法が提案されている。
一方、透析医療の向上により、透析治療が長期化する患者が増え、β２ミクログロブリンが沈着することにより起こる透析アミロイドーシス等の合併症が問題となってきている。透析アミロイドーシスは、低分子タンパク質を除去することのできる高透過性能透析膜を用いることにより、症状を緩和させることができることがわかっている。しかしながら、このような高透過性能透析膜は他の物質の透過性能も高いため、例えば、体液の浸透圧の調整を行ったり、有用物質を体内で運搬したりするために必要なアルブミンも同時に漏出させてしまう。

そこで、特許文献２では１回の透析治療で起こるアルブミンの漏出量を最適化するために、患者の血液性状に関するパラメータや、血液浄化条件に関するパラメータ等のパラメータに基づいて回帰計算を行い、臨床アルブミン漏出量の予測値の算出や、目標アルブミン漏出量を得るための透析条件の算出を行っている。
このように、アルブミン漏出量は透析治療の質的向上のために必要なパラメータであるため、患者の状態に合わせて透析条件を変更することで、アルブミン漏出を低減させることが望ましい。しかし、あまり漏出量を低減させすぎると、透析量が目的の値を下回ることで、本来取り除かれなければならない老廃物の除去が不十分になる恐れがある。

このため、高透過性能透析膜を用いて適切な透析を行うためには、透析排液中の老廃物である尿素様溶質とアルブミンの濃度を同時にリアルタイムで連続モニタリングする必要がある。そのため、特許文献３のようにフィルタによりアルブミンを含む分画とアルブミンを含まない分画とに分けて透過率を測定し、その差分をアルブミン濃度として計算する方法が提案されている。

特表２００２−５１６７２２号公報 国際公開第２０１３／１４１３０９号パンフレット 特開２０１５−１４６８３７号公報

従来技術では、透析液等の流体に含まれる２成分の物質の濃度を同時に測定することは困難であった。
そこで、本発明は、流体に含まれる２成分の物質の濃度を同時に測定することの可能な濃度測定モジュール、透析装置及び濃度算出方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様に係る濃度測定モジュールは、内部に被照射体を導入可能な筐体と、前記筐体の内部に出力光を入射する光源と、前記光源の出力光の波長に対して感度を有し、前記筐体内から放射される光を受光する第１の受光部と、前記第１の受光部よりも長い波長に対して感度を有し、前記筐体内から放射される光を受光する第２の受光部と、を備えることを特徴としている。

また、本発明の一態様に係る透析装置は、上記態様の濃度測定モジュールを備えることを特徴としている。
さらに、本発明の一態様に係る濃度算出方法は、光源の出力光が照射される被照射体中に含まれる２成分の物質の濃度を算出する方法であって、前記被照射体による前記出力光の吸収量に相関のある第１の信号を取得するステップと、前記出力光による前記被照射体の励起量に相関のある前記第１の信号とは異なる第２の信号を取得するステップと、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて前記２成分の物質の濃度を算出するステップと、を備えることを特徴としている。

本発明の一態様によれば、流体に含まれる２成分の濃度を同時に測定することができる。

本発明の一実施形態に係る濃度測定モジュールの構成を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る濃度測定モジュールの構成を示す断面図である。 光源と第１の受光部とを結ぶ線分の筐体内に相当する部分の長さＸとＩｄｅｆとの関係を示す特性図の一例である。 光源と第１の受光部とを結ぶ直線の筐体１内に相当する部分の長さ毎の、尿酸濃度（ｍｇ／ｄｌ）と光源２の波長が２８０ｎｍであるときの透過率との関係を示す特性図の一例である。 本発明の一実施形態に係る透析装置の構成例を示す概念図である。 尿酸濃度と吸光係数との対応を示す特性図の一例である。 アルブミン濃度と蛍光強度との対応を表す特性図の一例である。 尿酸濃度及びアルブミン濃度を変化させた場合の、吸光係数及び蛍光強度の検出結果の一例である。 補正蛍光強度Ｆｌ ｎｏｒｍが表す直線関係を示す特性図である。

以下、本発明を実施するための一実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。また、本実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

＜濃度測定モジュール＞
本発明の一実施形態における濃度測定モジュールは、内部に被照射体を導入可能な筐体と、筐体の内部に出力光を入射する光源とを備える。さらに、筐体内から放射される光を受光する第１の受光部と第２の受光部とを備え、第１の受光部は、光源の出力光の波長に対して感度を有する。第２の受光部は、第１の受光部よりも長い波長に対して感度を有する。

光源から放射された出力光の一部は被照射体に入射され、被照射体によってその一部が吸収された後、第１の受光部に入射される。第１の受光部は光源の出力光の波長に対して感度を有するため、第１の受光部からは、光源が放射する出力光の波長に対する被照射体の透過率に応じた電気信号（以下、第１の信号という。）が発生する。したがって、この第１の信号に基づいて、被照射体中の光吸収性溶質の濃度を算出することができる。光吸収性溶質の一例として、例えば尿素様溶質の濃度を測定することができる。

さらに光源の出力光の一部は被照射体に入射され、被照射体中に含まれる蛍光物質を励起する。励起された蛍光物質は光源の出力光よりもエネルギーの低い光、すなわち光源の出力光より長い波長の光を放射する。蛍光物質から放射された光の一部は第２の受光部に入射される。第２の受光部は第１の受光部よりも長い波長に対して感度を有するため、第２の受光部からは蛍光物質が放射する光に応じた電気信号（以下、第２の信号）が発生する。したがって、この第２の信号に基づいて、被照射体中の蛍光性溶質の濃度を算出することができる。蛍光性溶質の一例としては、例えばアルブミンの濃度を測定することができる。
これにより本発明の一実施形態における濃度測定モジュールによれば、被照射体に含まれる２成分の濃度を同時に測定することができる。

＜透析装置＞
本発明の一実施形態における透析装置は、本発明の一実施形態における濃度測定モジュールを備えた透析装置である。
本発明の一実施形態における透析装置によれば、透析排液中に含まれる２成分を同時に連続的にモニタリングすることができる。

＜濃度算出方法＞
本発明の一実施形態における濃度算出方法は、光源の出力光が照射される被照射体中に含まれる２成分の物質の濃度を算出する方法であって、被照射体により吸収される、光源の出力光の吸収量に相関のある第１の信号を取得するステップと、光源の出力光による被照射体の励起量に相関のある、第１の信号とは異なる第２の信号を取得するステップと、第１の信号及び第２の信号に基づいて、２成分の物質の濃度を算出するステップと、を備える。被照射体から第１の信号及び第２の信号をそれぞれ取得することにより、被照射体に含まれる２成分の物質の濃度を同時に測定することができる。
次に本発明の一実施形態に係る濃度測定モジュールの各構成要素について説明する。

（筐体）
本発明の一実施形態における濃度測定モジュールに含まれる筐体は、内部に被照射体を導入することができるようになっている。また、筐体は、筐体の外部に設けられた光源の出力光の一部を、筐体の内部に入射することが可能な形態に形成されているか、又は筐体の内部に入射することが可能な材質からなる。また筐体は、筐体内部に入射された光源の出力光の一部が、筐体外部に設けられた第１の受光部に入射可能な形態に形成されているか、又は第１の受光部に入射可能な材質からなる。さらに筐体は、被照射体中の蛍光物質が放射する光の一部を、筐体外部に設けられた第２の受光部に入射することが可能な形態に形成されているか又は第２の受光部に入射することの可能な材質からなる。具体的には、例えば筐体の一部、すなわち、光源の出射面と対向する部分、第１の受光部の受光面と対向する部分、第２の受光部の受光面と対向する部分が、光源の出力光を透過可能な材質からなる形態が考えられる。なお第１の受光部及び第２の受光部は、必ずしも筐体外部に設けられている必要はなく、光源の出力光のうち被照射体により減衰された光又は、光源の出力光により励起した被照射体の励起光を受光することができればよく、例えば筐体内に設けられていてもよい。

光源の出力光を透過可能な材質の一例としては、ソーダガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス、水晶、サファイヤ、ダイヤモンド、スピネル、イットリウム安定化ジルコニア、ＳｉＣ等が考えられるが、特にこれらに限定されるものではなく、光源の出力光の波長によって種々の材質を利用することができる。光源の出力光が紫外光の場合には、筐体の材質として例えば石英ガラス、サファイヤを用いることが好ましい。

また筐体は、被照射体を筐体内に導入可能な被照射体流入口と、被照射体を筐体外に排出するための被照射体排出口を備えることが好ましい。被照射体流入口及び被照射体排出口の一例としては、筐体の一部に貫通孔を設けた形態が考えられる。
また筐体の内部に導入される被照射体は２成分以上の物質からなることが好ましい。被照射体が２成分以上の物質からなることで、第１の信号及び第２の信号に基づいて被照射体に含まれる２成分の濃度を測定することが可能となる。

（光源）
本発明の一実施形態における濃度測定モジュールに含まれる光源は、出力光が、被照射体に照射されるように筐体の外部又は内部に設置される。光源の出力光の波長帯は、被照射体に含まれる２成分以上の物質のうち、濃度の測定対象として設定した２つの成分のうちの一方によって吸収され、他方を励起可能な波長帯であれば特に限定されない。光源は必ずしも筐体外部に設けられている必要はなく、筐体内に設けられていてもよい。

励起光の強度を高め、第２の受光部の出力である第２の信号のＳ／Ｎ比を向上させる観点から、光源は、特に２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長帯を有することが好ましい。光源の波長帯が２００ｎｍ以下であると、被照射体の浅部で光が吸収されてしまい十分な蛍光が得られない恐れがある。光源の波長帯が３００ｎｍ以上であると、被照射体中の測定対象の一つである、タンパク質の蛍光波長とのシグナルの分離が困難になる恐れがある。

波長帯が２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の光を発光する光源の一例としては、発光素子（ＬＥＤ）の発光層のバンドギャップが例えば４．１３ｅＶ以上であるものを用いることができる。より具体的には、窒化ガリウムＧａＮ又は窒化アルミニウムガリウムＡｌＧａＮを発光層として持つｐｎ接合、ｐ−ｉ−ｎ接合、シングルヘテロ及びダブルヘテロ接合を用いた構造、又はそれらに多重量子井戸構造を導入した構造を有する光源を用いることができる。

また波長帯が２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の光を発光する光源の他の例としては、水銀ランプを用いることもできる。
また出力光を単一の波長とし、測定精度を向上させる観点から、光源がバンドパスフィルタ等の光学素子を有することも好ましい。
また不要な反射光等が第１の受光部及び第２の受光部に入射することを防ぐ観点から、光源が出力光の出射角を制限する障害物を有することも好ましい。

（第１の受光部）
本発明の一実施形態における濃度測定モジュールに含まれる第１の受光部は、光源の出力光の波長に対して感度を有するものであれば特に限定されない。ここで感度とは、入射した光を電気信号に変換する能力を意味する。つまり本発明の一実施形態における第１の受光部は、光源の出力光の波長に対応する光が入射した際に、電気信号を出力することが可能なものであればよい。

また第１の受光部は、光源の出力光のうち、筐体の内部を経て筐体の外部に放射される光を受光することが好ましい。これにより、被照射体に含まれる成分による出力光の吸収を第１の受光部で検出することができる。
また第１の受光部は、光源の出力光のうち、被照射体によって減衰する波長の光を受光することが好ましい。これにより、第１の受光部からは、被照射体に含まれる成分のうち、光源の出力光を吸収する成分の濃度に依存した信号を第１の信号として取り出すことが可能となる。

また第１の受光部は、光源の出力光のうち、被照射体に含まれる尿素様物質の一つである尿酸によって減衰する波長の光を受光してもよい。尿酸は、２８０ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度の波長の光に強い吸収を持つため、光源として、紫外光発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用することができる。またこの場合、後述のように、アルブミンは２８０ｎｍの光によって強く励起されるため、被照射体が尿素とアルブミンを含む場合には、両成分の濃度を同時、且つ、高精度に測定することができる。

第１の受光部が出力する第１の信号は、例えば、後述する演算部に出力してもよい。また光源を制御する制御部に出力し、制御部で演算処理を行っても良い。
第１の受光部としては、種々の受光素子を用いることが可能である。一例としては、フォトダイオードのような受光素子が挙げられる。この場合、光源の出力光の波長に対して感度を有するために、フォトダイオードの受光層のバンドギャップを、光源の出力光の波長のエネルギーと同じかそれより小さい半導体材料で形成することができる。より具体的には、第１の受光部として、一般的なフォトダイオードや、ｐ又はｎの片方のみの電導性の層を利用したショットキー型フォトダイオード、ＭＳＭ型フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトコンダクタのような構造を有する受光素子を用いることができるが特にこれには限定されない。

また第１の受光部に入射する光を単一の波長とし、測定精度を向上させる観点から、第１の受光部がバンドパスフィルタ等の光学素子を有することも好ましい。
また不要な反射光等が入射することを防ぐ観点から、第１の受光部が入射光の入射角を制限する障害物を有することも好ましい。

（第２の受光部）
本発明の一実施形態における濃度測定モジュールに含まれる第２の受光部は、第１の受光部よりも長い波長に対して感度を有するものであれば特に限定されない。ここで感度とは入射した光を電気信号に変換する能力を意味する。またここで、「第２の受光部は、第１の受光部よりも長い波長に」とは、第１の受光部の出力がピークとなる波長よりも第２の受光部の出力がピークとなる波長の方が長いことを意味する。

また第２の受光部は、光源の出力光のうち、筐体の内部を経て筐体の外部に放射される光を受光することが好ましい。これにより、光源の出力光による、被照射体に含まれる成分の励起を第２の受光部で検出することができる。
また第２の受光部は、光源の出力光によって励起された被照射体が放射する、出力光よりも長波長の励起光に感度を有することが好ましい。これにより、第２の受光部からは、被照射体に含まれる成分のうち、光源の出力光によって励起される成分の濃度に依存した信号を第２の信号として取り出すことができる。

また第２の受光部は、光源の出力光により被照射体に含まれるアルブミンが発する励起光を受光してもよい。アルブミンは、２８０ｎｍの波長の光によって強く励起されるため、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用することができる。またこの場合、前述のように、尿酸は２８０ｎｍの光を強く吸収するため、被照射体が尿酸とアルブミンを含む場合には、両成分の濃度を同時、且つ、高精度に測定することができる。

第２の受光部が出力する第２の信号は、例えば、後述する演算部に出力してもよい。また光源を制御する制御部に出力し、制御部で濃度検出のための演算処理を行っても良い。
第２の受光部としては、種々の受光素子を用いることが可能である。一例としては、フォトダイオードのような受光素子が挙げられる。この場合、光源の出力光の波長に対して感度を有するために、フォトダイオードの受光層のバンドギャップを、光源の出力光の波長のエネルギーと同じかそれより小さい半導体材料で形成することができる。より具体的には、一般的なフォトダイオードや、ｐ又はｎの片方のみの電導性の層を利用したショットキー型フォトダイオード、ＭＳＭ型フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトコンダクタのような構造を有する受光素子を用いることができるが特にこれには限定されない。

また第２の受光部に入射する光を単一の波長とし、測定精度を向上させる観点から、第２の受光部がバンドパスフィルタ等の光学素子を有することも好ましい。
また不要な反射光等が入射することを防ぐ観点から、第２の受光部が入射光の入射角を制限する障害物を有することも好ましい。
本発明の一実施形態における濃度測定モジュールに含まれる第２の受光部は、光源が放出し、被照射体にて蛍光発光した光を受光し、光電変換して電気信号を出力するものであればよい。

第２の受光部から出力される電気信号は、例えば、光源を制御する制御部に入力することが可能である。また、第２の受光部について、第２の受光部に入射された光に応じた信号を出力することが可能なものとするには、第２の受光部を構成する受光素子（例えば、フォトダイオード）の受光層のバンドギャップを、入射した光のエネルギーと同じかそれより小さい半導体とすればよい。具体的には、第２の受光部として、フォトダイオードや、ｐ又はｎの片方のみの電導性の層を利用したショットキー型フォトダイオード、ＭＳＭ型フォトダイオード、フォトトランジスタ、フォトコンダクタとした構造とすればよい。
また、第２の受光部と筐体との間には、必要に応じてバンドパスフィルタ等の光学素子や、出射角を制限する障害物を入れることができる。

（光源、第１の受光部及び第２の受光部の位置関係）
本発明の一実施形態における濃度測定モジュールは、第１の受光部の筐体の内部に対する視野体積をＰとし、第２の受光部の筐体の内部に対する視野体積をＱとすると、１≦Ｑ／Ｐ≦２００を満たすことが好ましい。Ｐの視野体積を小さくすることで、被照射体の吸光度が大きい場合においても、測定のために必要なシグナルを得ることができる。Ｑの視野体積を大きくすることで、第２の受光部へ入射する光子数が増え、蛍光発光を効率よく第１の受光部、第２の受光部としてのフォトダイオードに入射できるようになる。Ｑ／Ｐが１より小さいと、透過光に比して、強度の小さい蛍光を測定するために、新たな光学系、もしくは大規模な電気的な増幅機構が必要になってしまう恐れがある。Ｑ／Ｐを２００より大きくした場合は、第２の受光部が光源から遠くなりすぎ、また、光路を安定して保持するが困難な形状になってしまう恐れがある。

ここで第１の受光部の視野体積Ｐの定義を述べる。まず筐体及び第１の受光部の配置関係、筐体の材質、第１の受光部の光入射面の形状等によって第１の受光部の視野角が決定される。この視野角をもとに、第１の受光部が筐体の内部空間に対して持つ全視野領域を積算したものを視野体積Ｐとして定義する。第２の受光部の視野体積Ｑも上記と同様にして定義される。

本発明の一実施形態における濃度測定モジュールに含まれる第２の受光部は、後述の図２の筐体の断面図に示すように、光源と第１の受光部とを結ぶ線分Ａのうち、筐体内部に属する部分である線分Ａ１に対して略垂直な直線Ｂと第２の受光部の受光面の法線とが一致するように配置されることが好ましい。このように配置することによって、光源からの迷光成分によるノイズを最小限にすることができる。
またこの場合、直線Ｂは、線分Ａ１の中点Ｓを通ることが好ましい。つまり、第２の受光部の受光面の中心を通る法線が直線Ｂの一部をなすように配置されることが好ましい。この様な配置とすることによって、より蛍光発光の強い部分からの光が第２の受光部に入射されやすくなる。

またこの場合、線分Ａ１の長さをＸとすると、Ｘは１ｍｍ≦Ｘ≦１０ｍｍを満たすことが好ましい。Ｘが１ｍｍより短いと、液体のメニスカス力が大きくなり、被照射体を均一に流通させるために整流板などの追加の加工が必要になってしまう。Ｘが１０ｍｍより長いと、筐体内部での被照射体の対流を制御することが難しくなり、やはり整流板などの追加の加工が必要になってしまう。
さらに、後述の図３のグラフで示すように、Ｘは、２ｍｍ≦Ｘ≦５ｍｍを満たすことがより好ましい。Ｘが２ｍｍより短いと、透過率が大きくなりすぎ十分なシグナルが得られなくなってしまう。Ｘが５ｍｍより長いと、吸光度が大きくなりすぎる恐れがあり、透過率測定のための光源として非常に照射強度が強いものが必要になってしまう恐れがある。

また図２に示すように直線Ｂのうち、筐体内部に存在する部分の長さをＹとすると、Ｙは、２≦Ｙ／Ｘ≦５０を満たすことが好ましい。Ｙ／Ｘが２より小さいと、透過光に比して、強度の小さい蛍光を測定するために、新たな光学系、又は電気的な増幅機構が必要になってしまう恐れがある。５０より大きくした場合は、光路を直線状に保つことが困難になってしまう恐れがある。これにより、照射強度が強い条件で測定されることの多い透過光のダイナミックレンジと微弱なシグナルであることが多い蛍光のダイナミックレンジとを近づけることができ、それぞれのための光源を準備することなく、一つの光源から２つの物質の濃度を測定することができる。
またこの場合、光源、第１の受光部及び第２の受光部を含む面で筐体を断面視したとき、筐体の形状は長方形であることが好ましい。２つの平行平面が垂直に交わる長方形断面とすることで、迷光の影響を最小限にすることができる。

（演算部）
本発明の一実施形態における濃度測定モジュールは、第１の受光部及び第２の受光部の出力に基づいて、被照射体に含まれる各成分の濃度を算出する演算部をさらに備えてもよい。
濃度を算出する具体的な方法の一例としては、以下のようなものが考えられるが、特にこの算出方法には限定されない。

被照射体の吸光性物質の濃度をＣａとおくと、被照射体の吸光度はＣａに比例することから、被照射体中の吸光性物質の初期濃度をＣａ（０）、測定される被照射体に吸光性物質が含まれていない状態での第１の受光部の出力をＩ（ｂｌ）、ｔ時間後の出力をＩ（ｔ）とすると、ｔ時間後の被照射体中の吸光性物質の濃度Ｃａ（ｔ）は、以下の（１）式で算出される。なお、式（１）中のＩ（０）は濃度測定開始時の第１の受光部の出力である。
Ｃａ（ｔ）
＝Ｃａ（０）×
（ｌｏｇ１０（Ｉ（ｔ）／Ｉ（ｂｌ））／ｌｏｇ１０（Ｉ（０）／Ｉ（ｂｌ））
……（１）
このＣａ（ｔ）を常時記録することで、被照射体中の吸光性物質の濃度をリアルタイムで計算できるようになる。

また、測定される被照射体に蛍光性物質が含まれていない状態での第２の受光部の出力をＦｂ（ｂｌ）、被照射体中の蛍光性物質の初期濃度をＣｂ（０）、ｔ時間後の出力をＦｂ（ｔ）とすると、ｔ時間後の被照射体中の蛍光性物質濃度Ｃｂ（ｔ）は、以下の（２）式で算出される。なお、式（２）中のＦｂ（０）は濃度測定開始時の第２の受光部の出力である。
Ｃｂ（ｔ）
＝Ｃｂ（０）×（（Ｆｂ（ｔ）−Ｆｂ（ｂｌ））／（Ｆｂ（０）−Ｆｂ（ｂｌ）））
……（２）
このＣｂ（ｔ）とＣｂ（ｔ）の積分値とを常時記録することで、被照射体中の蛍光性物質をリアルタイムで計算することができる。

（制御部）
本発明の一実施形態における濃度測定モジュールは、光源の駆動を制御する制御部をさらに備えてもよい。制御部は光源を駆動する機能を持つ。具体的な例としてはＭＯＳトランジスタをドライブトランジスタとして用いたドライバ回路が挙げられる。具体的な光源の駆動条件としては一定の電流で駆動する定電流駆動回路を利用しても良い。また、直流の駆動電流で光源を駆動しても良いが、消費電力の観点から、パルス駆動で駆動した方が好ましい場合がある。駆動時の発熱による輻射を抑えるため、パルス駆動で駆動した方がさらに好ましい場合がある。パルス駆動の具体的なＤｕｔｙ比は５０％以下が好ましい。発熱と消費電力を抑えるため、Ｄｕｔｙ比を２５％、又は１０％以下にしても良いし、５％以下でも良い。

また制御部は、出力光がＤｕｔｙ比２０％以下の発光パルスとなるように光源を駆動してもよい。Ｄｕｔｙ比２０％以下の発光パルスを用いることで、ＬＥＤの熱による劣化や発光効率の低下を押さえながら、実質的に連続データとして計算できる濃度モニタリングを行うことができる。

＜実施形態の具体例＞
以下、図面を参照して本発明の一実施形態の具体例を説明するが、説明は本発明の一形態であり、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下に説明する各図において、同一の構成及び機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る濃度測定モジュール７０の一例を示したものである。濃度測定モジュール７０は、筐体１と、光源２と、第１の受光部３と、第２の受光部４と、被照射体流入口５と、被照射体排出口６と、を備える。

図１に示すように、筐体１は、上面視が略正方形であり、略正方形の一辺の長さよりも短い高さを有する中空の角筒形状からなる。筐体１の向かい合う一対の側面の一方に被照射体を筐体１内に導入するための被照射体流入口５が設けられ、他方に筐体１内の被照射体を筐体１外に排出するための被照射体排出口６が設けられている。また、上面視で筐体１の上面の中央部に光源２が設けられ、下面の、光源２と向かい合う位置に、第１の受光部３が設けられている。

さらに、被照射体流入口５及び被照射体排出口６が設けられた向かい合う一対の側面とは別の一対の側面の一方に、第２の受光部４が設けられている。第２の受光部４は、側面の左右方向及び上下方向共に略中央部に設けられている。
図１に示す濃度測定モジュール７０において、被照射体は被照射体流入口５から筐体１内に流入し、被照射体排出口６から排出される。連続的に流入及び排出がなされることにより、連続的に筐体１内の被照射体が置換され、筐体１内の被照射体の濃度変化を、時間的に連続してモニタリングできるようになっている。

この濃度測定モジュール７０において、光源２と第１の受光部３の受光面とは対向するように配置され、筐体１はその間に配置される。光源２から射出した光は、直線状に筐体１及び筐体１内の被照射体を通過して第１の受光部３に入射される。この間に光エネルギーが被照射体によって吸収されるため、被照射体による吸収をランベルトベールの法則にしたがって計算することで、被照射体中の光吸収性成分の濃度が求められる。光源２のエネルギーを有効に利用するためには筐体１が光源２の発光波長に対して、吸収が少ないことが望ましく、筐体１の素材として例えば石英ガラスが用いられる。

さらにこの濃度測定モジュール７０において、光源２及び第２の受光部４は、お互いの素子の、光源２の出射面の法線と第２の受光部４の受光面の法線が直交するように配置される。光源２から射出した光は、被照射体の蛍光物質を励起する。励起された蛍光物質は等方的に発光するが、光源２から入射した光よりも長波長の光を発光するため、再び蛍光物質に吸収されることはない。蛍光物質の発光強度は入射光に比して弱いため、第２の受光部４は被照射体の光源２によって照射される部分の視野体積が最大となるように配置される。すなわち第２の受光部４の受光面の法線が、光源２の素子の出射面の法線と直角を成す様に配置される。

そして、第１の受光部３及び第２の受光部４における検出信号（第１の信号、第２の信号）は演算部７に入力される。また、光源２は、制御部８によって、例えばパルス駆動、連続点灯、または間欠駆動のうちから適切な方法により駆動される。
図２は、本発明の一実施形態における濃度測定モジュール７０に含まれる光源２、第１の受光部３、及び第２の受光部４の配置の一例を示す断面図である。

図２中の長さＸ、つまり、光源２と第１の受光部３とを結ぶ直線の、筐体１内に相当する部分の長さは、濃度の測定対象である被照射体の、光源２の発光波長における吸光度に応じて決定される。被照射体中の光吸収性成分の濃度はモニタリング時間中に変化するが、対象となる被照射体中の光吸収性成分の最高濃度時の吸光係数をＥｍａｘ／ｃｍ、最低濃度時の吸光係数をＥｍｉｎ／ｃｍとすると、１０＾（−Ｅｍｉｎ×Ｘ） は透過率の最小値になり、１０＾（−Ｅｍｉｎ×Ｘ） は透過率の最大値になる。（３）式で表されるＩｄｅｆが最大となるようにＸを定める。なお、（３）式中のＸは、図２中に示す、光源２と第１の受光部３との間を結ぶ線分Ａの、筐体１内に相当する部分の長さである。また、「＾」は、べき乗を表す。つまり、
Ｉｄｅｆ＝１０＾（−Ｅｍｉｎ×Ｘ）−１０＾（−Ｅｍａｘ×Ｘ） ……（３）

このようにすることによって、必要な濃度範囲でＳ／Ｎ比を向上させることができる。尿酸は透析排液中の尿素様物質をモニタリングするための物質として用いることができるが、その濃度は実際の透析条件によって変化する。透析廃液中の尿酸は、通常は０．５ｍｇ／ｄＬ以上であり、平均的には４．０ｍｇ／ｄＬ以下であり、透析条件による変動を考慮しても８．０ｍｇ／ｄＬ以下であれば適用することができ、濃度測定を行うことができる。実際に、光源２の発光波長が２８０ｎｍであるときの、水溶液中の尿酸の吸光係数を確認したところ、０．５０／ｃｍ・（ｍｇ／ｄＬ）であった。

図１に示す本発明の一実施形態における濃度測定モジュール７０においては、光源２として２８０ｎｍの発光波長をもつＬＥＤを使用し、透析排液中の尿酸濃度を尿素様物質としてモニタリングを行うことを前提として検討した結果、長さＸは図３のようにＩｄｅｆが最高となる長さを含む２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲が好適との結論に達した。
なお、図３において、横軸は光源２と第１の受光部３とを結ぶ線分Ａのうち、筐体内部に属する部分である線分Ａ１の長さＸ、縦軸はＩｄｅｆである。図３に示すように、距離Ｉｄｅｆは、Ｘが３ｍｍであるときにピークとなり、Ｘが３ｍｍより大きくなるほど減少し、Ｘが３ｍｍより小さくなるほど減少する。

さらに、図４に示すように、同程度のＩｄｅｆにおいては、Ｘがより小さい方が、尿酸濃度と透過率との関係は直線性がより良好になる。なお、図４において、横軸は、尿酸濃度（ｍｇ／ｄｌ）を表し、縦軸は、光源２の波長が２８０ｎｍであるときの透過率を表す。また、図４において各特性線は長さＸが異なり、図４において尿酸濃度に対する透過率の値がより小さい特性線ほどＸの値が大きい。

Ｉｄｅｆと直線性とのどちらを優先させるかは、受光部の増幅性能にもよるが、Ｉｄｅｆが「０．７」を超えているのであれば、直線性が良好となる条件を優先させても良い。
一方、図２中の長さＹは前述のように、第１の受光部３の視野体積が大きくなることが望ましいので、光源２の発光の拡がりに合わせて大きくなるように設定される。筐体１の、第１の受光部３の受光面と対向する部分に、光源２の出力光を透過可能な材質からなる窓部が形成され、この窓部に第１の受光部３の円形の受光面が設けられている場合には、長さＹは、第１の受光部３用に設けられた円形の窓部の直径の１倍より大きくなるように設定される。上限については、被照射体の蛍光発光波長の吸光度によって制限されるが、第２の受光部を配置した際に光源からの距離が大きくなりすぎてしまう恐れがあるため、円形の窓部の開口部の直径の２０倍より小さいことが望ましい。

なお、上記実施形態では、第１の受光部３と第２の受光部４との２つの受光部を設け、被照射体に含まれる２つの成分の濃度を検出する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、第２の受光部４が設けられた側面と対向する面に、例えば、第２の受光部４とは異なる第３の波長の励起光に感度を有する第３の受光部を設け、光源２の出力光に励起された励起光を第３の受光部により受光し、第３の受光部の出力信号に基づき、被照射体に含まれる、第３の波長の励起光を発する成分の濃度を測定するようにしてもよい。同様の手順で、被照射体に含まれる４以上の成分の濃度を同時に測定するようにしてもよい。

次に、本発明の一実施形態のその他の例として、上述した濃度測定モジュール７０を、血液透析廃液中の老廃物濃度測定に応用した場合について説明する。
図５は、本発明の第１実施形態に係る血液透析装置７５の構成例を示す概念図である。
図５に示すように、この血液透析装置７５は、透析廃液の紫外光吸収を利用した老廃物濃度測定機能を有する装置であり、高分子多孔質膜からなる中空糸膜を備えた血液浄化器であるダイアライザ８０と、ダイアライザ８０に接続された血液回路のうち動脈側血液回路に接続されるライン８１と、ダイアライザ８０に接続された血液回路のうちの静脈側血液回路に接続されるライン８２と、ダイアライザ８０に接続された透析液ラインのうち透析液導入ライン８３と、ダイアライザ８０に接続された透析液ラインのうち透析液排出ライン８４と、透析液排出ライン８４に接続された濃度測定モジュール７０と、を備える。

ダイアライザ８０内には複数の中空糸が備えられ、中空糸内部と中空糸外部とは別の流路を形成しており、中空糸内部及び中空糸外部に含まれる液体は中空糸高分子膜を隔てて分離されている。一般的には中空糸内部が動脈側血液回路及び静脈側血液回路につながるライン８１、８２に接続され、中空糸外部が透析液導入ライン８３、透析液排出ライン８４に接続されている。血液中の老廃物は中空糸膜を経て、透析液側に拡散し、透析液排出ライン８４中に排出される。排出液中の老廃物が濃度測定モジュール７０を通る際に、透過率、蛍光発光強度が測定される。

透析治療の際には、その週の初めの透析開始前に行われる血液検査を行い、血清中の尿素窒素濃度を測ることが一般的に行われている。この濃度をＣ１（０）とおくと光源２の発光波長が２８０ｎｍ付近であるときの吸光度がＣ１（０）に比例することから、血液流通前（測定される血液が流通する前）の、透析液のみが透析液導入ライン８３、透析液排出ライン８４を満たす状態で、濃度測定モジュール７０によって濃度測定を行った場合の第１の受光部３の出力をＩｂｌ、血液流通開始直後（測定される血液の流通が開始された直後）の第１の受光部３の出力をＩ（０）、血液流通開始からｔ時間経過後の第１の受光部３の出力をＩ（ｔ）とすると、血液流通開始からｔ時間経過後の血液中の尿素窒素濃度Ｃ１（ｔ）は、次式（４）式で算出される。
Ｃ１（ｔ）
＝Ｃ１（０）×
（ｌｏｇ１０（Ｉ（ｔ）／Ｉｂｌ）／ｌｏｇ１０（Ｉ（０）／Ｉｂｌ））
……（４）

このＣ１（ｔ）を常時記録することで、透析量Ｋｔ／Ｖをリアルタイムで計算できるようになる。なお、Ｋは透析対象物質のクリアランス、ｔは時間を表し、Ｖは体液量を表す。そのため、医師の判断によって決められた透析終了点、つまり、一般的にＫｔ／Ｖが１．２以上１．８以下となる点まで透析を続けて、その時点で正確に透析終了することができるようになる。このため、必要以上の透析を行うことでかかる透析患者の負担を減ずることができるようになる。

また、測定される血液流通前の、透析液導入ライン８３及び透析液排出ライン８４に透析液のみが満たされた状態での第２の受光部４の出力をＦｂｌ、血液流通開始直後の第２の受光部４の出力をＦ（０）、血液流通開始からｔ時間経過後の第２の受光部４の出力をＦ（ｔ）とすると、血液流通開始からｔ時間後の血液中のアルブミン濃度Ｃ２（ｔ）は、以下の（５）式で算出される。
Ｃ２（ｔ）
＝Ｃ２（０）×（（Ｆ（ｔ）−Ｆｂｌ）／（Ｆ（０）−Ｆｂｌ）） ……（５）

（５）式で得られるＣ２（ｔ）と、このＣ２（ｔ）の積分値とを常時記録することで、透析中のアルブミン漏出量をリアルタイムで計算できるようになり、アルブミンの漏出量の多寡が血液検査を待つことなく把握できるようになり、医師の判断によって必要な透析条件の変更ができるようになる。このため、アルブミン漏出を一定以下に抑えながらβ２ミクログロブリンの除去量が大きくなるような透析を行うことができる。

以下に、本発明の一実施形態に係る濃度測定モジュール７０の実施例をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の実施例として、上述した濃度測定モジュール７０を、尿素様物質の濃度とアルブミンの濃度との同時測定に応用した場合について説明する。
尿素様物質としては尿酸を用いた。尿酸は透析排液中の尿素様物質をモニタリングするための物質として用いることができる。一般的な透析条件における、透析排液中の尿酸濃度の濃度変化を参考にして、試験溶液を０．５ｍｇ／ｄＬ以上８．０ｍｇ／ｄＬ以下の濃度で調整した。

アルブミンはウシ血清由来のアルブミンを使用した。アルブミンの漏出量は膜性能や透析条件によって変化するが、多くても透析１回あたり１０ｇ程度である。膜性能が低いダイアライザを用いた透析の際には、１ｇを下回る少ない漏出量となることがあるが、このような膜性能のダイアライザでアルブミン漏出量が問題となることはない。一般的なＩＶ型、Ｖ型と言われる高性能ダイアライザの透析条件から、アルブミンの濃度は０．５ｍｇ／ｄＬ以上２０．０ｍｇ／ｄＬ以下の濃度が測定できれば十分に臨床的な価値があると判断した。

溶質である尿酸、アルブミンを、ｐＨ９．１８のホウ酸緩衝液に溶かし、この水溶液を測定に用いた。
筐体としては紫外光透過性の石英ガラス製の筐体を用い、長さＸが２ｍｍ、長さＹが１０ｍｍの筐体を測定に用いた。
光源としては、２８０ｎｍに発光波長のピークを持つ深紫外光ＬＥＤを用いた。また光源の駆動はデューティー比２０％のパルスを１秒おきに発光させることにより行った。

第１の受光部としては、前記深紫外光ＬＥＤの発光波長に感度を持つＳｉＣフォトダイオードを用い、第２の受光部としては、３４０ｎｍのアルブミンの蛍光発光ピークに感度をもつＳｉフォトダイオードを用いた。
図６はアルブミンを含まない尿酸−ホウ酸緩衝液の尿酸濃度と濃度測定モジュール７０の第１の受光部３の検出シグナルから計算された吸光係数の一例を示すグラフである。尿酸の濃度に対してランベルトベールの法則にしたがった応答シグナル（第１の信号）が得られていることがわかる。

図７は尿酸を含まないアルブミン−ホウ酸緩衝液のアルブミン濃度と濃度測定モジュール７０の第２の受光部４の検出シグナル（蛍光強度Ｆｌ）の一例を示すグラフである。アルブミンの濃度にしたがった蛍光発光からの応答シグナル（第２の信号）が得られていることがわかる。ここで、蛍光強度Ｆｌは第２の受光部４から得られた電気信号を増幅した値をアナログ‐デジタル変換した値で、単位は任意単位（ａ．ｕ．）である。

図８は尿酸濃度が０．０ｍｇ／ｄＬ、１．０ｍｇ／ｄＬ、２．０ｍｇ／ｄＬ、４．０ｍｇ／ｄＬ、８．０ｍｇ／ｄＬのときに、アルブミンの濃度を８．０ｍｇ／ｄＬ、１６．０ｍｇ／ｄＬ、３２．０ｍｇ／ｄＬとしたホウ酸緩衝液水溶液を用いた場合の応答シグナル（第１の信号、第２の信号）の一例である。
蛍光強度Ｆｌは水溶液の吸収によって励起光が減少するため、実際のアルブミン濃度と蛍光強度の相関が得られなくなるが、本発明の第１の受光部３によって同時に測定される透過率Ｔ１と式（６）による補正を用いてＦｌ＿ｎｏｒｍを算出することで、良好な直線性をもつ相関関係を得ることができる。
補正蛍光強度Ｆｌ＿ｎｏｒｍ
＝蛍光強度Ｆｌ÷（０．７９７×Ｔ１＋０．２０３） ……（６）

なお、（６）式中の「０．７９７」は透過率と蛍光強度から求められる補正関数の傾きであり、「０．２０３」は透過率と蛍光強度から求められる補正関数の切片である。補正関数は尿酸−ホウ酸緩衝液において、同じアルブミン濃度で異なる尿酸濃度の溶液について、横軸を透過率、縦軸を蛍光強度として最小二乗法で近似した直線の関数であり、補正関数の係数とする際には、異なるアルブミン濃度でも使用できるように、透過率１００％の時の蛍光を１．０とした際の値に規格化して用いる。

補正された補正蛍光強度Ｆｌ ｎｏｒｍが表す直線関係を図９に示す。尿酸とアルブミンのお互いが共存している状況下でも、適切にアルブミン濃度が検出できていることがわかる。なお、図９において、横軸は補正蛍光強度Ｆｌ ｎｏｒｍ、縦軸はアルブミン濃度Ｃ_Ａｌｂ（ｍｇ／ｄＬ）である。
以上の結果から、本発明の濃度測定モジュール７０は、透析排液中に共存する、尿酸とアルブミンの濃度を実用上十分な精度で測定可能であることが確認された。

１ 筐体
２ 光源
３ 第１の受光部
４ 第２の受光部
５ 被照射体流入口
６ 被照射体排出口
７０ 濃度測定モジュール
７５ 血液透析装置
８０ ダイアライザ
８１ 動脈側血液回路に接続されるライン
８２ 静脈側血液回路に接続されるライン
８３ 透析液導入ライン
８４ 透析液排出ライン

Claims (19)

1. 内部に被照射体を導入可能な筐体と、
   前記筐体の内部に出力光を入射する光源と、
   前記光源の出力光の波長に対して感度を有し、前記筐体内から放射される光を受光する第１の受光部と、
   前記第１の受光部よりも長い波長に対して感度を有し、前記筐体内から放射される光を受光する第２の受光部と、
   を備える濃度測定モジュール。
2. 前記第１の受光部は、
   前記出力光のうち前記筐体内部を透過した光を受光し、
   前記第２の受光部は、
   前記光源の出力光により励起された前記筐体内の励起光を受光する請求項１に記載の濃度測定モジュール。
3. 前記第１の受光部は、
   前記出力光のうち前記被照射体により減衰する波長に対して感度を有し、
   前記第２の受光部は、
   前記出力光により励起された前記被照射体が放射する前記出力光よりも長波長の励起光に対して感度を有する請求項１または請求項２に記載の濃度測定モジュール。
4. 前記被照射体は、２成分以上の物質を含む請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の濃度測定モジュール。
5. 前記第１の受光部の前記筐体の内部に対する視野体積Ｐと、
   前記第２の受光部の前記筐体の内部に対する視野体積Ｑとは、
   １≦Ｑ／Ｐ≦２００
   を満たす請求項１から請求項４の何れか一項に記載の濃度測定モジュール。
6. 前記光源と前記第１の受光部とは、前記光源の出射面と前記第１の受光部の受光面とが向かい合うように配置され、
   前記光源と前記第１の受光部と前記第２の受光部とは、
   前記光源と前記第１の受光部とを通る直線のうちの前記筐体内部に相当する線分に対して、前記第２の受光部の受光面の法線とが直交する位置関係となるように配置される請求項１から請求項５の何れか一項に記載の濃度測定モジュール。
7. 前記第２の受光部の受光面の法線は、前記光源と前記第１の受光部とを通る直線のうちの前記筐体内部に相当する線分の中点を通る請求項６に記載の濃度測定モジュール。
8. 前記光源と前記第１の受光部とを通る直線のうちの前記筐体内部に相当する線分の長さＸは、１ｍｍ≦Ｘ≦１０ｍｍを満たす請求項６又は請求項７に記載の濃度測定モジュール。
9. 前記光源と前記第１の受光部とを通る直線のうちの前記筐体内部に相当する線分の長さＸは、２ｍｍ≦Ｘ≦５ｍｍを満たす請求項６から請求項８の何れか一項に記載の濃度測定モジュール。
10. 前記光源と前記第１の受光部とを通る直線のうちの前記筐体内部に相当する線分の長さＸと、前記第２の受光部の受光面の法線を含む直線のうちの前記筐体内部に相当する線分の長さＹとは、
    ２≦Ｙ／Ｘ≦５０
    を満たす請求項６から請求項９の何れか一項に記載の濃度測定モジュール。
11. 前記光源、前記第１の受光部及び前記第２の受光部を含む面で前記筐体を断面視したときの断面形状は長方形である請求項１から請求項１０の何れか一項に記載の濃度測定モジュール。
12. 前記被照射体は、尿素とアルブミンを含む請求項１から請求項１１の何れか一項に記載の濃度測定モジュール。
13. 前記第１の受光部は、
    前記出力光のうち、前記被照射体に含まれる尿素によって減衰する光の波長に対して感度を有し、
    前記第２の受光部は、
    前記出力光により前記被照射体に含まれるアルブミンが発する励起光の波長に対して感度を有する請求項１２に記載の濃度測定モジュール。
14. 前記光源は、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲の発光波長帯域を持つ発光ダイオードである請求項１から請求項１３の何れか一項に記載の濃度測定モジュール。
15. 前記第１の受光部及び前記第２の受光部の出力に基づいて、前記被照射体に含まれる成分の濃度を算出する演算部をさらに備える請求項１から請求項１４の何れか一項に記載の濃度測定モジュール。
16. 前記光源の駆動を制御する制御部をさらに備える請求項１から請求項１５の何れか一項に記載の濃度測定モジュール。
17. 前記制御部は、前記出力光がデューティー比２０％以下の発光パルスとなるように前記光源を駆動する請求項１６に記載の濃度測定モジュール。
18. 請求項１から請求項１７の何れか一項に記載の濃度測定モジュールを備える透析装置。
19. 光源の出力光が照射される被照射体中に含まれる２成分の物質の濃度を算出する方法であって、
    前記被照射体による前記出力光の吸収量に相関のある第１の信号を取得するステップと、
    前記出力光による前記被照射体の励起量に相関のある前記第１の信号とは異なる第２の信号を取得するステップと、
    前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて前記２成分の物質の濃度を算出するステップと、
    を備える濃度算出方法。

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