JP3836086B2

JP3836086B2 - Optical component measuring device

Info

Publication number: JP3836086B2
Application number: JP2003131215A
Authority: JP
Inventors: 智也村上; 幸宏赤堀; 守田村
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 2002-05-09
Filing date: 2003-05-09
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2023-05-09
Also published as: JP2004024856A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、生体内の血糖値等の測定を、血液を採取したりプローブを生体内に進入させたりすることなく行うことのできる光学的成分測定装置に関し、詳しくは、プローブの押し付け条件にかかわりなく正確な測定結果を得ることのできる光学的成分測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、生体内の血液中の血糖値を測定するには、生体から血液を採取して、その血液試料中の糖（例えば、グルコース等）の濃度を直接測定することが最も一般的であった。しかし、生体から血液を採取するには、生体に針を刺す必要があるため、血液を採取される側にとっても、痛みや不安が伴うという問題点があった。また、１日に４回程度採血する場合もあり、生体の血液採取部位に傷跡が残ったり硬化したりすることもある。したがって、できれば血液を採取することなく測定できることが望ましい。
【０００３】
このため、生体を傷付けることなく血糖値の測定を行う測定器の実現が待ち望まれていた。これを実現するものとして、光を生体に照射して生体内で散乱された散乱光を測定することにより、生体内の化学成分の定量および定性分析を行う測定装置がある。これは、図１に示すようなプローブ１０により測定を行うものである。測定を行うためのプローブ１０は、プローブ本体１に２本の光ファイバを所定距離だけ隔てて保持したものである。２本の光ファイバは、照射用光ファイバ２と受光用光ファイバ３である。このプローブ１０を、生体表面に押し付けて測定を行う。
【０００４】
照射用光ファイバ２には、光源からの所定の波長域（例えば、近赤外光）の光がプローブ１０の他端側から入射されており、この光が照射用光ファイバ２内を伝送されて、プローブ１０側の先端部から生体表面を通して生体内に照射される。この照射光は、生体組織により散乱され、散乱光の一部が受光用光ファイバ３の先端部に入射する。このとき、生体組織内での散乱回数が数回程度であると、それぞれの散乱における散乱角度は光の波長に依存するので、散乱して受光用光ファイバ３の先端部に戻ってきた光の入射角度に対する強度分布も波長に依存することになる。
【０００５】
生体組織により散乱され受光用光ファイバ３に入射された光は、受光用光ファイバ３の他端から射出され、分光器により分光されて複数の受光素子を有する検出器によって光のスペクトルを測定される。このように、生体組織内で散乱された光のスペクトルを測定することにより、生体組織すなわち血液中に含まれる化学成分の定量分析等が可能となる。このような測定装置により、生体表面からある程度の距離（例えば、数ｍｍ程度）にある組織内の化学成分の分析が可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光学的測定装置は、生体を傷付けることなく血糖値等の測定が行えるという利点があるが、生体へのプローブ１０の押し付け条件によって測定結果が大幅に異なり、均一な測定結果を得ることが難しいという問題点がある。すなわち、プローブ１０の押し付け条件、特に押し付け角度によって、得られる受光スペクトルが変化してしまう。これを、図２から図５により説明する。
【０００７】
図２（ａ）は、入射光２１が粒子や気泡等の散乱粒子２０によって散乱され、進行方向が変化させられて散乱光２２として進む様子を示している。ここでは、光の散乱角αを、図示のように散乱前の光の進行方向に対して散乱後の光の進行方向のなす角度とする。同じ大きさの散乱粒子による散乱においては、散乱角αに対する光の強度分布は図２（ｂ）のようになる。ここで、赤、黄、緑は、光の波長を表しており、波長は赤＞黄＞緑である。すなわち、長波長の光の方が散乱されにくく、散乱角が０度に近い範囲に強度分布が集中する。また、短波長の光の方が散乱されやすく、散乱角の大きい範囲にまで強度分布が分散する。
【０００８】
図３（ａ）は、測定対象によって１〜数回散乱された光が、入射光２３として受光用光ファイバ３に入射する様子を示している。ここでは、入射光２３の入射角βを、図示のように受光用光ファイバ３の軸方向に対して光の進行方向のなす角度とする。なお、入射角βの基準となる受光用光ファイバ３の軸方向は、受光用光ファイバ３が正規角度で配置されている場合の軸方向とする。
【０００９】
図３（ｂ）は、一般的な測定対象によって散乱された光が受光用光ファイバ３に入射する際の、入射角βに対する光の強度分布を示す図である。入射角βが０度の入射光は、１〜数回の散乱により散乱角の累積が１８０度となる光である。したがって、散乱されにくい長波長側の光（赤）では強度が小さく、散乱されやすい短波長側の光（黄）の方が相対的に強度が大きい。また、入射角βに対する光の強度分布も波長によって異なるものとなる。
【００１０】
図４は、入射角βに対する光の強度分布を詳しく示す図である。赤と黄の波長の光の強度分布がこの図のようになっている場合に、受光用光ファイバ３の角度が正規角度からずれたときの測定スペクトルの変化を考える。入射光が受光用光ファイバ３にガイドされ出力端まで伝送されるためには、入射光の入射角βが所定の角度範囲内にある必要がある。受光用光ファイバ３が正規角度（例えば、測定対象の表面に対して垂直）で置かれている場合には、図４の垂直な実線で示すように、入射角βが−ｂ＜β＜ｂの角度範囲の入射光が受光可能となる。
【００１１】
これに対して、受光用光ファイバ３の角度が正規角度から角度ｃだけ傾いた場合には、図４の垂直な二点鎖線で示すように、入射角βが−ｂ＋ｃ＜β＜ｂ＋ｃの角度範囲の入射光が受光可能となる。このように、受光可能な入射角が正規角度の場合からずれてしまうので、入射角に対する光の強度分布により、受光される光の強度も変化する。また、光の強度分布が波長に依存して異なるので、受光される光の強度も波長に依存した変化を被ることになる。
【００１２】
図４に示すような入射光の強度分布の場合には、受光用光ファイバ３の角度がずれると、赤の光も黄の光も受光量が増加するが、赤の光の増加率の方が大きくなっている。このように、入射光の強度分布が波長によって異なる場合には、受光量の変化も波長によって異なることになる。
【００１３】
図５は、プローブの角度による吸光度スペクトルの変化の一例を示す図である。図５のグラフの横軸は光の波長を表し、縦軸は受光された光の強度から求められた吸光度を表す。実線で示す曲線が、受光用光ファイバ３が正規角度の場合の吸光度を表す。そして、二点鎖線で示す曲線が、受光用光ファイバ３の角度が正規角度からずれた場合の吸光度を表す。正規角度からずれた場合、長波長側では受光量が増加し、吸光度としては数値が減少する。この吸光度スペクトルの例では、短波長側では逆に吸光度の数値が増加している。
【００１４】
以上のような理由により、プローブ１０の押し付け角度によって、得られる受光スペクトルが変化してしまい、また、その受光スペクトルの変化は光の波長によって異なるものとなってしまう。このように、測定したスペクトルの変化が波長によって異なると、そのスペクトルによって求めた各成分の濃度等に大きな誤差を生じてしまう。
【００１５】
このように、従来の光学的測定装置は、プローブ１０の押し付け条件、特に押し付け角度に対する依存性が強く、押し付け条件によって測定結果がばらついてしまうという問題点があった。このため、従来の測定装置では、測定点または測定回数を増やして、それらの測定値の平均値を計算する等により、測定条件による測定値のばらつきをなくすようにしていた。ただ、測定点や測定回数を増やすと、測定時間も増加してしまうという問題点があり、また、測定値の平均値を算出するための構成が必要となるという問題点もある。
【００１６】
そこで、本発明は、生体を傷付けることなく生体内の血糖値等の測定を行うことのできる光学的成分測定装置、特に、プローブの押し付け条件にかかわりなく正確な測定結果を得ることのできる光学的成分測定装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光学的成分測定装置は、光源からの光を伝送し、光を先端部から測定対象に照射する照射用光ファイバと、前記照射用光ファイバの先端部の近傍位置に配置され、前記照射用光ファイバから照射される光を散乱する散乱体と、前記照射用光ファイバから照射され前記測定対象によって散乱された光を先端部から受光する受光用光ファイバと、前記照射用光ファイバの先端部と前記受光用光ファイバの先端部とを保持し、前記散乱体を支持するプローブ本体と、前記受光用光ファイバによって受光された光のスペクトルを検出するスペクトル検出部とを有する。そして、前記散乱体の散乱係数と前記散乱体の厚さの積が、５〜２５の範囲内である。
【００１８】
また、上記の光学的成分測定装置において、前記散乱体は、前記受光用光ファイバの先端部の近傍位置にも配置されており、前記受光用光ファイバに入射される光を散乱するものであることが好ましい。
【００１９】
また、上記の光学的成分測定装置において、前記測定対象によって散乱された光を集光し、前記受光用光ファイバの先端部の近傍位置に配置された前記散乱体に入射するための集光レンズを有することが好ましい。
【００２０】
また、本発明の光学的成分測定装置は、光源からの光を伝送し、光を先端部から測定対象に照射する照射用光ファイバと、前記照射用光ファイバから照射され前記測定対象によって散乱された光を先端部から受光する受光用光ファイバと、前記受光用光ファイバの先端部の近傍位置に配置され、前記受光用光ファイバに入射する光を散乱する散乱体と、前記照射用光ファイバの先端部と前記受光用光ファイバの先端部とを保持し、前記散乱体を支持するプローブ本体と、前記受光用光ファイバによって受光された光のスペクトルを検出するスペクトル検出部とを有する。そして、前記散乱体の散乱係数と前記散乱体の厚さの積が、５〜２５の範囲内である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図６は、本発明の光学的成分測定装置のプローブ１１を示す断面図である。プローブ１１は、プローブ本体１に照射用光ファイバ２と受光用光ファイバ３の２本の光ファイバを所定距離だけ隔てて保持したものである。また、照射用光ファイバ２および受光用光ファイバ３の先端部近傍には、光を散乱するための散乱体４が配置されている。散乱体４はプローブ本体１に支持されている。
【００２４】
なお、図６では照射用光ファイバ２と受光用光ファイバ３とが平行に配置されて保持されているが、必ずしも平行に保持するわけではなく、照射用光ファイバ２からの照射され散乱された光が効率よく受光用光ファイバ３に入射されるように、両者の位置および角度が設定される。また、ここでは照射用光ファイバ２と受光用光ファイバ３としてそれぞれ１本の光ファイバを使用した例を示しているが、いずれか一方または両方を複数本の光ファイバによって構成してもよい。
【００２５】
このプローブ１１を、生体表面に押し付けて測定を行う。照射用光ファイバ２には、光源からの所定の波長域の光（近赤外光、例えば、グルコースの測定においては波長１０００〜２５００ｎｍの光が使用される。）がプローブ１１とは反対側の光ファイバ端部から入射されており、この光が照射用光ファイバ２内を伝送されて、プローブ１１側の先端部から照射される。照射用光ファイバ２から照射された光は、散乱体４によって散乱され、照射方向が分散されて全方向に均等に照射されるようになる。なお、散乱体４としては、透明体の表面に微細な凹凸を形成したものや、透明体の内部に微細粒子を分散させたもの等が使用でき、測定に使用する波長域の光を効率よく散乱するものとする。
【００２６】
なお、散乱体４の散乱の強さが弱すぎると光の散乱量が減少して効果が薄れるし、散乱体４の散乱の強さが強すぎても受光される光の強度が小さくなりすぎて測定には適さなくなる。散乱体４の散乱度合いとしては、散乱体４の厚さ（照射用光ファイバ２の軸方向の厚さ）が５ｍｍの場合、散乱体４の散乱係数が１〜１００［ｃｍ^-1］の範囲内であることが望ましい。特に、散乱体４の散乱係数が１０〜５０［ｃｍ^-1］の範囲内が最適である。これは、コンピュータによる光散乱のシミュレーションによって得た結果である。
【００２７】
また、散乱体４の散乱度合いは、散乱体４の散乱係数と散乱体４の厚さとの積で表されるため、散乱体４の厚さを１／２としたときには散乱体４の散乱係数を２倍とすればほぼ同じ散乱度合いとなる。すなわち、散乱体４の散乱係数と散乱体４の厚さとの積が０．５〜５０［無次元数］の範囲内であることが望ましい。特に、この積を５〜２５［無次元数］の範囲内とすれば最適である。
【００２８】
散乱体の散乱係数と散乱体の厚さの積を上記のような範囲内とすることにより、受光用光ファイバに入射する入射光の入射角に対する強度分布が十分に平坦化されるとともに、測定に適する受光量を得ることができる。このため、高精度で信頼性の高い測定結果を得ることができる。ただし、プローブ１１の構造上、散乱体４の厚さは１０ｍｍ以下（例えば、５ｍｍ程度）であることが望ましい。
【００２９】
散乱体４により分散された光は、生体表面を通して生体内に照射される。この照射光は、さらに生体組織により散乱され、その散乱光の一部が散乱体４を通って受光用光ファイバ３の先端部に入射する。このように、生体への照射光は、２度にわたって、散乱体４によって照射方向が分散されるので、プローブ１１を生体に押し付ける角度が、正規の角度からずれていたとしても、その角度ずれにはあまり依存することなく、ほぼ一定のスペクトルの光が受光用光ファイバ３に入射することになる。
【００３０】
なお、このプローブ１１では、照射用光ファイバ２と受光用光ファイバ３の両方の先端部近傍に散乱体４を配置しているが、照射用光ファイバ２の先端部近傍のみに散乱体４を配置するようにしてもよい。特に、受光用光ファイバ３の受光量が小さい場合には、散乱体４を照射用光ファイバ２側にだけ配置することが好ましい。また、散乱体４を受光用光ファイバ３の先端部近傍のみに配置してもよい。この場合には、受光用光ファイバ３に入射される光が散乱されて入射方向が均一化され入射角に対する強度分布が平坦化される。
【００３１】
図７は、受光用光ファイバ３に入射する入射光の入射角に対する強度分布が理想的に平坦となった場合の強度分布を示す図である。入射光の強度分布が図示のように平坦であれば、受光用光ファイバ３の角度が正規角度からずれても、受光される光の強度は変化しないことになる。
【００３２】
受光用光ファイバ３が正規角度で置かれている場合、図７の垂直な実線で示すように、入射角βが−ｂ＜β＜ｂの角度範囲の入射光が受光可能となる。受光用光ファイバ３の角度が正規角度から角度ｃだけ傾いた場合には、図７の垂直な二点鎖線で示すように、入射角βが−ｂ＋ｃ＜β＜ｂ＋ｃの角度範囲の入射光が受光可能となる。しかし、入射光の入射角に対する強度分布が平坦であるため、いずれの場合でも受光用光ファイバ３によって受光される光の強度は同じになる。したがって、受光用光ファイバ３の角度が正規角度からずれても、光の受光量は変化しない。
【００３３】
本発明のプローブ１１のように、照射用光ファイバ２と受光用光ファイバ３の一方または両方の先端部近傍に散乱体４を配置した場合には、受光用光ファイバ３に入射する入射光の入射角に対する強度分布が平坦化されて、図７に示すような平坦な強度分布に近付く。したがって、散乱体４により全体的な受光量は減少するが、プローブ１１の押し付け角度がずれた場合の受光量の変化は少なくなり、吸光度スペクトルの変化も少なくなる。
【００３４】
このように、照射用光ファイバ２と受光用光ファイバ３の一方または両方の先端部近傍に散乱体４を配置することにより、プローブ１１の押し付け角度に依存せずに、ほぼ一定の吸光度のスペクトルを得ることができる。また、照射用光ファイバ２と受光用光ファイバ３の両方の先端部近傍に散乱体４を配置すれば、受光用光ファイバ３に入射する入射光の入射角に対する強度分布がさらによく平坦化され、測定スペクトルの押し付け角度に対する依存性もさらに小さくなる。
【００３５】
図８は、本発明におけるプローブの他の形態を示す断面図である。このプローブ１２では、照射用光ファイバ２と受光用光ファイバ３の両方の先端部近傍に散乱体４，４ａを配置している。しかし、これにより受光用光ファイバ３の受光量が減少する。この受光量の減少によって、感度が低下することを防止するために、受光用光ファイバ３側の散乱体４ａの前方に集光レンズ５を配置したものである。集光レンズ５は、プローブ本体１に支持されている。集光レンズ５によって集光された光が散乱体４ａを通して受光用光ファイバ３に入射するので、受光量が増大して感度低下を防止することができる。
【００３６】
図９は、本発明の光学的成分測定装置の測定時の状態を示す図である。プローブ１１を生体に押し付けて血糖値等の測定を行う。照射用光ファイバ２のプローブ１１とは反対側の端部からは、光源６から発光された所定の波長域（例えば、グルコースの測定においては波長１０００〜２５００ｎｍ）の光が入射されており、この光が照射用光ファイバ２内を伝送されて、プローブ１１側の先端部から生体に照射される。
【００３７】
この照射光はさらに生体組織により散乱され、生体内の化学成分により一部が吸収されて、受光用光ファイバ３の先端部に入射する。受光用光ファイバ３に入射した光は、プローブ１１とは反対側の光ファイバ端部から出射され、検出器７によりそのスペクトルが検出される。検出されたスペクトルから血糖値等の算出が行われ、図示しない表示装置にその値が表示される。なお、ここではプローブ１１を使用しているが、プローブ１２も同様に使用することができる。
【００３８】
以上のように、本発明の光学的成分測定装置によれば、プローブの押し付け条件にかかわらず、ほぼ一定の測定結果を得ることができる。このため、単一の測定により信頼性の高い測定結果が得ることができ、測定時間も短縮できる。さらに、測定条件に対する依存性が少ないため、測定作業自体も熟練者を必要とせずに、誰にでも容易に測定が行える。また、本発明により、生体を全く傷付けることなく生体内の化学成分の測定を行うことができる。
【００３９】
なお、本発明は、照射用光ファイバの先端部の近傍位置に散乱体を配置したものであるが、ここで言う散乱体とは、光を効率よく散乱させるための何らかの構成を有するものであればよく、種々の形態のものが使用可能である。例えば、アクリル樹脂中にラテックス粒子を均一に分散させ固化させたもの、ガラス等の透明材料の表面を粗面化したもの等が使用できる。また、基盤となる透明材料は測定に使用する波長域の光を透過しやすい材料（吸収の少ない材料）であることが好ましく、これらの散乱体が測定に使用する波長域の光を効率よく散乱するものであることが好ましい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したように構成されているので、以下のような効果を奏する。
【００４１】
照射用光ファイバの先端部の近傍位置に散乱体を配置するようにしたので、プローブの押し付け角度にかかわらず、ほぼ一定の測定結果を得ることができる。このため、単一の測定により信頼性の高い測定結果が得ることができ、測定時間も短縮できる。さらに、測定条件に対する依存性が少ないため、測定作業自体も熟練者を必要とせずに、誰にでも容易に測定が行える。また、生体を全く傷付けることなく生体内の化学成分の測定を行うことができる。
【００４２】
受光用光ファイバの先端部の近傍位置にも散乱体を配置した場合には、測定結果の測定条件に対する依存性をさらに少なくすることができる。
【００４３】
受光用光ファイバ側に配置された散乱体の前方に集光レンズを配置するようにしたので、受光用光ファイバの受光量が増大して測定装置の感度低下を防止することができる。
【００４４】
受光用光ファイバの先端部の近傍位置に散乱体を配置するようにしたので、プローブの押し付け角度にかかわらず、ほぼ一定の測定結果を得ることができる。このため、単一の測定により信頼性の高い測定結果が得ることができ、測定時間も短縮できる。さらに、測定条件に対する依存性が少ないため、測定作業自体も熟練者を必要とせずに、誰にでも容易に測定が行える。また、生体を全く傷付けることなく生体内の化学成分の測定を行うことができる。
【００４５】
散乱体の散乱係数と散乱体の厚さの積を０．５〜５０の範囲内としたので、受光用光ファイバに入射する入射光の入射角に対する強度分布が十分に平坦化されるとともに、測定に適する受光量を得ることができる。このため、高精度で信頼性の高い測定結果が得ることができ、測定時間も短縮できる。
【００４６】
散乱体の散乱係数と散乱体の厚さの積を５〜２５の範囲内としたので、受光用光ファイバに入射する入射光の入射角に対する強度分布がさらに平坦化されるとともに、測定に適する受光量を得ることができる。このため、高精度で信頼性の高い測定結果が得ることができ、測定時間も短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、従来の光学的成分測定装置のプローブを示す断面図である。
【図２】図２は、光の散乱を説明するための図である。
【図３】図３は、受光用光ファイバに入射する光を説明するための図である。
【図４】図４は、プローブの角度ずれによる受光用光ファイバの受光量の変化を説明するための図である。
【図５】図５は、プローブの角度ずれによる吸光度スペクトルの変化を示す図である。
【図６】図６は、本発明の光学的成分測定装置のプローブを示す断面図である。
【図７】図７は、受光用光ファイバに入射する入射光の入射角に対する強度分布が理想的に平坦化された場合を示す図である。
【図８】図８は、本発明のプローブの他の形態を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の光学的成分測定装置の測定時の状態を示す図である。
【符号の説明】
１…プローブ本体
２…照射用光ファイバ
３…受光用光ファイバ
４，４ａ…散乱体
５…集光レンズ
６…光源
７…検出器
１０，１１，１２…プローブ
２０…散乱粒子
２１…入射光
２２…散乱光
２３…入射光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical component measuring apparatus capable of measuring blood glucose level and the like in a living body without collecting blood or allowing the probe to enter the living body, and more particularly, relates to the pressing condition of the probe. The present invention relates to an optical component measuring apparatus that can obtain accurate measurement results without any problem.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to measure the blood sugar level in the blood in a living body, it has been most common to collect blood from the living body and directly measure the concentration of sugar (for example, glucose) in the blood sample. . However, in order to collect blood from a living body, it is necessary to pierce the living body with a needle, and thus there is a problem that the blood collecting side is accompanied by pain and anxiety. In addition, blood may be collected about 4 times a day, and scars may remain or harden at the blood collection site of the living body. Therefore, it is desirable to be able to measure without collecting blood if possible.
[0003]
For this reason, the realization of a measuring instrument that measures blood glucose level without damaging the living body has been awaited. As a means for realizing this, there is a measuring apparatus that performs quantitative and qualitative analysis of chemical components in a living body by irradiating the living body with light and measuring scattered light scattered in the living body. In this case, measurement is performed using a probe 10 as shown in FIG. A probe 10 for measurement is obtained by holding two optical fibers at a predetermined distance from a probe main body 1. The two optical fibers are an irradiation optical fiber 2 and a light receiving optical fiber 3. Measurement is performed by pressing the probe 10 against the living body surface.
[0004]
Light in a predetermined wavelength region (for example, near infrared light) from a light source is incident on the irradiation optical fiber 2 from the other end side of the probe 10, and this light is transmitted through the irradiation optical fiber 2. Then, the living body is irradiated from the tip on the probe 10 side through the living body surface. The irradiation light is scattered by the living tissue, and a part of the scattered light is incident on the tip of the light receiving optical fiber 3. At this time, if the number of scattering in the living tissue is about several times, the scattering angle in each scattering depends on the wavelength of the light, so that the light scattered and returned to the tip of the optical fiber 3 for light reception The intensity distribution with respect to the incident angle also depends on the wavelength.
[0005]
The light scattered by the living tissue and incident on the light receiving optical fiber 3 is emitted from the other end of the light receiving optical fiber 3, is dispersed by the spectroscope, and the spectrum of the light is measured by a detector having a plurality of light receiving elements. The Thus, by measuring the spectrum of light scattered in the living tissue, quantitative analysis of chemical components contained in the living tissue, that is, blood can be performed. With such a measuring apparatus, it is possible to analyze a chemical component in a tissue at a certain distance from the surface of the living body (for example, about several mm).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional optical measurement apparatus has an advantage that blood glucose level and the like can be measured without damaging the living body. However, the measurement result varies greatly depending on the pressing condition of the probe 10 against the living body, and a uniform measurement result can be obtained. There is a problem that it is difficult. That is, the received light spectrum changes depending on the pressing condition of the probe 10, particularly the pressing angle. This will be described with reference to FIGS.
[0007]
FIG. 2A shows a state in which the incident light 21 is scattered by the scattering particles 20 such as particles and bubbles, and the traveling direction is changed to advance as the scattered light 22. Here, the light scattering angle α is an angle formed by the traveling direction of the light after scattering with respect to the traveling direction of the light before scattering as shown in the figure. In the case of scattering by scattering particles of the same size, the light intensity distribution with respect to the scattering angle α is as shown in FIG. Here, red, yellow, and green represent the wavelengths of light, and the wavelengths are red>yellow> green. That is, long-wavelength light is less likely to be scattered, and the intensity distribution is concentrated in a range where the scattering angle is close to 0 degrees. Further, light having a short wavelength is more easily scattered, and the intensity distribution is dispersed to a range where the scattering angle is large.
[0008]
FIG. 3A shows a state in which light scattered by the measurement object one to several times enters the light receiving optical fiber 3 as incident light 23. Here, the incident angle β of the incident light 23 is an angle formed by the light traveling direction with respect to the axial direction of the light receiving optical fiber 3 as shown in the figure. The axial direction of the light receiving optical fiber 3 that serves as a reference for the incident angle β is the axial direction when the light receiving optical fiber 3 is arranged at a normal angle.
[0009]
FIG. 3B is a diagram showing the light intensity distribution with respect to the incident angle β when light scattered by a general measurement object enters the light receiving optical fiber 3. Incident light having an incident angle β of 0 degrees is light that has a cumulative scattering angle of 180 degrees due to scattering once to several times. Therefore, the intensity of the light on the long wavelength side (red) that is less likely to be scattered is lower, and the intensity of the light on the short wavelength side (yellow) that is more likely to be scattered is relatively higher. Further, the light intensity distribution with respect to the incident angle β also varies depending on the wavelength.
[0010]
FIG. 4 is a diagram showing in detail the light intensity distribution with respect to the incident angle β. Consider the change in the measurement spectrum when the angle of the light receiving optical fiber 3 deviates from the normal angle when the intensity distribution of light of red and yellow wavelengths is as shown in this figure. In order for the incident light to be guided to the light receiving optical fiber 3 and transmitted to the output end, the incident angle β of the incident light needs to be within a predetermined angle range. When the light receiving optical fiber 3 is placed at a normal angle (for example, perpendicular to the surface of the object to be measured), the incident angle β is −b <β <b, as indicated by a vertical solid line in FIG. Incident light in the angle range can be received.
[0011]
On the other hand, when the angle of the light receiving optical fiber 3 is inclined by an angle c from the normal angle, the incident angle β is an angle of −b + c <β <b + c as shown by a vertical two-dot chain line in FIG. Incident light in a range can be received. As described above, since the incident angle at which light can be received is deviated from the normal angle, the intensity of the received light also changes depending on the intensity distribution of the light with respect to the incident angle. Further, since the light intensity distribution differs depending on the wavelength, the intensity of the received light also undergoes a change depending on the wavelength.
[0012]
In the case of the incident light intensity distribution as shown in FIG. 4, when the angle of the light receiving optical fiber 3 is shifted, the amount of received light increases for both red light and yellow light. Is getting bigger. Thus, when the intensity distribution of incident light varies depending on the wavelength, the change in the amount of received light also varies depending on the wavelength.
[0013]
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a change in absorbance spectrum depending on the angle of the probe. The horizontal axis of the graph in FIG. 5 represents the wavelength of light, and the vertical axis represents the absorbance obtained from the intensity of the received light. A curve indicated by a solid line represents the absorbance when the light receiving optical fiber 3 is at a normal angle. And the curve shown with a dashed-two dotted line represents the light absorbency when the angle of the optical fiber 3 for light reception has shifted | deviated from the normal angle. When deviating from the normal angle, the amount of received light increases on the long wavelength side, and the numerical value decreases as the absorbance. In this example of the absorbance spectrum, the value of absorbance increases on the short wavelength side.
[0014]
For the reasons described above, the obtained light reception spectrum changes depending on the pressing angle of the probe 10, and the change in the light reception spectrum differs depending on the wavelength of light. As described above, when the change in the measured spectrum differs depending on the wavelength, a large error occurs in the concentration of each component obtained from the spectrum.
[0015]
As described above, the conventional optical measuring apparatus has a problem that the dependence on the pressing condition of the probe 10, particularly the pressing angle, is strong, and the measurement result varies depending on the pressing condition. For this reason, in the conventional measuring apparatus, the variation in the measured value due to the measurement conditions is eliminated by increasing the number of measurement points or the number of measurements and calculating the average value of the measured values. However, when the number of measurement points and the number of measurements is increased, there is a problem that the measurement time increases, and there is a problem that a configuration for calculating the average value of the measurement values is required.
[0016]
Therefore, the present invention provides an optical component measuring apparatus that can measure blood glucose level and the like in a living body without damaging the living body, in particular, an optical component that can obtain an accurate measurement result regardless of the pressing condition of the probe. It aims at providing a component measuring device.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical component measuring apparatus according to the present invention includes an irradiation optical fiber that transmits light from a light source and irradiates a measurement target from the tip, and a tip of the irradiation optical fiber. A scatterer that is disposed in the vicinity of the scatterer and scatters light emitted from the irradiation optical fiber, and a light receiving optical fiber that receives light emitted from the irradiation optical fiber and scattered by the measurement object from a tip portion A probe body that holds the tip of the irradiation optical fiber and the tip of the light receiving optical fiber, supports the scatterer, and a spectrum for detecting a spectrum of light received by the light receiving optical fiber And a detection unit. And the product of the scattering coefficient of the said scatterer and the thickness of the said scatterer exists in the range of 5-25 .
[0018]
In the optical component measuring apparatus, the scatterer is also disposed near the tip of the light receiving optical fiber and scatters light incident on the light receiving optical fiber. It is preferable.
[0019]
Further, in the above optical component measuring apparatus, the condensing lens for condensing the light scattered by the measurement object and entering the scatterer disposed in the vicinity of the tip of the light receiving optical fiber It is preferable to have.
[0020]
The optical component measurement apparatus of the present invention includes an irradiation optical fiber that transmits light from a light source and irradiates the measurement target with light from a tip portion, and is irradiated from the irradiation optical fiber and scattered by the measurement target. A light receiving optical fiber for receiving the received light from the tip, a scatterer disposed near the tip of the light receiving optical fiber and scattering light incident on the light receiving optical fiber, and the irradiation optical fiber And a probe main body that supports the scatterer, and a spectrum detector that detects a spectrum of light received by the light-receiving optical fiber. And the product of the scattering coefficient of the said scatterer and the thickness of the said scatterer exists in the range of 5-25 .
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the probe 11 of the optical component measuring apparatus of the present invention. The probe 11 is obtained by holding two optical fibers of an irradiation optical fiber 2 and a light receiving optical fiber 3 at a predetermined distance from the probe body 1. Further, a scatterer 4 for scattering light is disposed in the vicinity of the distal ends of the irradiation optical fiber 2 and the light receiving optical fiber 3. The scatterer 4 is supported by the probe body 1.
[0024]
In FIG. 6, the irradiation optical fiber 2 and the light receiving optical fiber 3 are arranged and held in parallel, but are not necessarily held in parallel, and are irradiated and scattered from the irradiation optical fiber 2. Both positions and angles are set so that light is efficiently incident on the light receiving optical fiber 3. Further, here, an example is shown in which one optical fiber is used as each of the irradiation optical fiber 2 and the light receiving optical fiber 3, but either one or both may be constituted by a plurality of optical fibers.
[0025]
Measurement is performed by pressing the probe 11 against the surface of the living body. In the irradiation optical fiber 2, light in a predetermined wavelength range from a light source (near infrared light, for example, light having a wavelength of 1000 to 2500 nm is used in measuring glucose) is opposite to the probe 11. The light is incident from the end of the optical fiber, and this light is transmitted through the irradiation optical fiber 2 and irradiated from the tip on the probe 11 side. The light irradiated from the irradiation optical fiber 2 is scattered by the scatterer 4, the irradiation direction is dispersed, and the light is irradiated uniformly in all directions. In addition, as the scatterer 4, a material in which fine irregularities are formed on the surface of the transparent body, a material in which fine particles are dispersed inside the transparent body, and the like can be used, and light in the wavelength region used for measurement is efficiently used. It shall be scattered.
[0026]
It should be noted that if the scattering intensity of the scatterer 4 is too weak, the amount of light scattering decreases and the effect is reduced. Even if the scattering intensity of the scatterer 4 is too strong, the intensity of received light becomes too small. This makes it unsuitable for measurement. As the degree of scattering of the scatterer 4, when the thickness of the scatterer 4 (thickness in the axial direction of the irradiation optical fiber 2) is 5 mm, the scattering coefficient of the scatterer 4 is in the range of ¹ to 100 [cm ⁻¹ ]. It is desirable to be within. In particular, the scattering coefficient of the scatterer 4 is optimally within a range of 10 to 50 [cm ⁻¹ ]. This is a result obtained by simulation of light scattering by a computer.
[0027]
Further, since the degree of scattering of the scatterer 4 is represented by the product of the scattering coefficient of the scatterer 4 and the thickness of the scatterer 4, the scattering coefficient of the scatterer 4 when the thickness of the scatterer 4 is halved. If x is doubled, almost the same degree of scattering is obtained. That is, it is desirable that the product of the scattering coefficient of the scatterer 4 and the thickness of the scatterer 4 is in the range of 0.5 to 50 [dimensionless number]. In particular, it is optimal if this product is in the range of 5 to 25 [dimensional number].
[0028]
By making the product of the scattering coefficient of the scatterer and the thickness of the scatterer within the above range, the intensity distribution with respect to the incident angle of the incident light incident on the light receiving optical fiber is sufficiently flattened and measured. Can be obtained. For this reason, a highly accurate and reliable measurement result can be obtained. However, the thickness of the scatterer 4 is desirably 10 mm or less (for example, about 5 mm) due to the structure of the probe 11.
[0029]
The light dispersed by the scatterer 4 is irradiated into the living body through the surface of the living body. This irradiated light is further scattered by the living tissue, and a part of the scattered light passes through the scatterer 4 and enters the tip of the light receiving optical fiber 3. As described above, the irradiation direction of the irradiation light to the living body is dispersed by the scatterer 4 twice. Therefore, even if the angle at which the probe 11 is pressed against the living body is deviated from the normal angle, the angle shifts. The light having a substantially constant spectrum is incident on the light receiving optical fiber 3 without much dependency.
[0030]
In this probe 11, the scatterer 4 is disposed in the vicinity of the distal ends of both the irradiation optical fiber 2 and the light receiving optical fiber 3, but the scatterer 4 is disposed only in the vicinity of the distal end of the irradiation optical fiber 2. It may be arranged. In particular, when the amount of light received by the light receiving optical fiber 3 is small, it is preferable to dispose the scatterer 4 only on the irradiation optical fiber 2 side. Further, the scatterer 4 may be disposed only in the vicinity of the tip of the light receiving optical fiber 3. In this case, the light incident on the light receiving optical fiber 3 is scattered, the incident direction is made uniform, and the intensity distribution with respect to the incident angle is flattened.
[0031]
FIG. 7 is a diagram showing the intensity distribution when the intensity distribution with respect to the incident angle of the incident light incident on the light receiving optical fiber 3 is ideally flat. If the intensity distribution of incident light is flat as shown in the figure, the intensity of the received light will not change even if the angle of the light receiving optical fiber 3 deviates from the normal angle.
[0032]
When the light receiving optical fiber 3 is placed at a normal angle, as shown by a vertical solid line in FIG. 7, incident light having an incident angle β in the range of −b <β <b can be received. When the angle of the light receiving optical fiber 3 is inclined from the normal angle by the angle c, as shown by a vertical two-dot chain line in FIG. 7, incident light having an incident angle β in the angle range of −b + c <β <b + c is obtained. Light can be received. However, since the intensity distribution with respect to the incident angle of the incident light is flat, the intensity of the light received by the light receiving optical fiber 3 is the same in any case. Therefore, even if the angle of the light receiving optical fiber 3 deviates from the normal angle, the amount of received light does not change.
[0033]
When the scatterer 4 is disposed near the tip of one or both of the irradiation optical fiber 2 and the light receiving optical fiber 3 as in the probe 11 of the present invention, the incident light incident on the light receiving optical fiber 3 The intensity distribution with respect to the incident angle is flattened and approaches a flat intensity distribution as shown in FIG. Therefore, although the total amount of received light is reduced by the scatterer 4, the change in the amount of received light when the pressing angle of the probe 11 is shifted is reduced, and the change in the absorbance spectrum is also reduced.
[0034]
As described above, by arranging the scatterer 4 in the vicinity of the tip of one or both of the irradiation optical fiber 2 and the light receiving optical fiber 3, the spectrum of the substantially constant absorbance can be obtained without depending on the pressing angle of the probe 11. Can be obtained. Further, if the scatterer 4 is disposed in the vicinity of the distal ends of both the irradiation optical fiber 2 and the light receiving optical fiber 3, the intensity distribution with respect to the incident angle of the incident light incident on the light receiving optical fiber 3 is further flattened. In addition, the dependence of the measured spectrum on the pressing angle is further reduced.
[0035]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing another embodiment of the probe according to the present invention. In the probe 12, the scatterers 4 and 4 a are disposed in the vicinity of the distal ends of both the irradiation optical fiber 2 and the light receiving optical fiber 3. However, this reduces the amount of light received by the light receiving optical fiber 3. In order to prevent the sensitivity from decreasing due to the decrease in the amount of received light, the condenser lens 5 is disposed in front of the scatterer 4a on the light receiving optical fiber 3 side. The condenser lens 5 is supported by the probe main body 1. Since the light condensed by the condensing lens 5 enters the light receiving optical fiber 3 through the scatterer 4a, the amount of received light can be increased to prevent the sensitivity from being lowered.
[0036]
FIG. 9 is a diagram showing a state at the time of measurement by the optical component measuring apparatus of the present invention. The probe 11 is pressed against the living body to measure blood glucose level and the like. From the end of the irradiation optical fiber 2 opposite to the probe 11, light in a predetermined wavelength range (for example, a wavelength of 1000 to 2500 nm in the measurement of glucose) emitted from the light source 6 is incident. Light is transmitted through the irradiation optical fiber 2 and irradiated to the living body from the distal end portion on the probe 11 side.
[0037]
This irradiation light is further scattered by the living tissue, partly absorbed by the chemical components in the living body, and incident on the tip of the light receiving optical fiber 3. The light incident on the light receiving optical fiber 3 is emitted from the end of the optical fiber opposite to the probe 11, and its spectrum is detected by the detector 7. The blood sugar level and the like are calculated from the detected spectrum, and the value is displayed on a display device (not shown). Although the probe 11 is used here, the probe 12 can be used similarly.
[0038]
As described above, according to the optical component measurement apparatus of the present invention, a substantially constant measurement result can be obtained regardless of the pressing condition of the probe. For this reason, a highly reliable measurement result can be obtained by a single measurement, and the measurement time can be shortened. Furthermore, since there is little dependence on the measurement conditions, measurement work itself can be easily performed by anyone without requiring an expert. In addition, according to the present invention, the chemical components in the living body can be measured without damaging the living body at all.
[0039]
In the present invention, a scatterer is disposed in the vicinity of the tip of the irradiation optical fiber. However, the scatterer referred to here has any configuration for efficiently scattering light. Various forms can be used. For example, those obtained by uniformly dispersing and solidifying latex particles in an acrylic resin, and those obtained by roughening the surface of a transparent material such as glass can be used. The transparent material used as the base is preferably a material that easily transmits light in the wavelength range used for measurement (a material with low absorption), and these scatterers efficiently scatter light in the wavelength range used for measurement. It is preferable that
[0040]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
[0041]
Since the scatterer is arranged in the vicinity of the tip of the irradiation optical fiber, almost constant measurement results can be obtained regardless of the pressing angle of the probe. For this reason, a highly reliable measurement result can be obtained by a single measurement, and the measurement time can be shortened. Furthermore, since there is little dependence on the measurement conditions, measurement work itself can be easily performed by anyone without requiring an expert. In addition, chemical components in the living body can be measured without damaging the living body at all.
[0042]
When a scatterer is also arranged in the vicinity of the tip of the light receiving optical fiber, the dependence of the measurement result on the measurement conditions can be further reduced.
[0043]
Since the condensing lens is arranged in front of the scatterer arranged on the light receiving optical fiber side, the amount of light received by the light receiving optical fiber is increased, and the sensitivity of the measuring apparatus can be prevented from being lowered.
[0044]
Since the scatterer is arranged in the vicinity of the tip of the light receiving optical fiber, a substantially constant measurement result can be obtained regardless of the pressing angle of the probe. For this reason, a highly reliable measurement result can be obtained by a single measurement, and the measurement time can be shortened. Furthermore, since there is little dependence on the measurement conditions, measurement work itself can be easily performed by anyone without requiring an expert. In addition, chemical components in the living body can be measured without damaging the living body at all.
[0045]
Since the product of the scattering coefficient of the scatterer and the thickness of the scatterer is within the range of 0.5 to 50, the intensity distribution with respect to the incident angle of the incident light incident on the light receiving optical fiber is sufficiently flattened, The amount of received light suitable for measurement can be obtained. For this reason, a highly accurate and reliable measurement result can be obtained, and the measurement time can be shortened.
[0046]
Since the product of the scattering coefficient of the scatterer and the thickness of the scatterer is in the range of 5 to 25, the intensity distribution with respect to the incident angle of the incident light incident on the light receiving optical fiber is further flattened and suitable for measurement. The amount of received light can be obtained. For this reason, a highly accurate and reliable measurement result can be obtained, and the measurement time can be shortened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a probe of a conventional optical component measuring apparatus.
FIG. 2 is a diagram for explaining light scattering;
FIG. 3 is a diagram for explaining light incident on a light receiving optical fiber;
FIG. 4 is a diagram for explaining a change in the amount of light received by a light receiving optical fiber due to an angle deviation of a probe.
FIG. 5 is a diagram showing a change in absorbance spectrum due to an angle deviation of a probe.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a probe of the optical component measurement apparatus of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a case where an intensity distribution with respect to an incident angle of incident light incident on a light receiving optical fiber is ideally flattened.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing another embodiment of the probe of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a state at the time of measurement by the optical component measurement apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Probe main body 2 ... Irradiation optical fiber 3 ... Light receiving optical fiber 4, 4a ... Scattering body 5 ... Condensing lens 6 ... Light source 7 ... Detector 10, 11, 12 ... Probe 20 ... Scattering particle 21 ... Incident light 22 ... scattered light 23 ... incident light

Claims

An optical fiber for irradiation (2) for transmitting light from the light source (6) and irradiating the measurement object from the tip with light;
A scatterer (4) that is disposed in the vicinity of the tip of the irradiation optical fiber (2) and that scatters light irradiated from the irradiation optical fiber (2);
A light receiving optical fiber (3) that receives light emitted from the irradiation optical fiber (2) and scattered by the measurement object from a tip portion;
A probe body (1) that holds the tip of the irradiation optical fiber (2) and the tip of the light receiving optical fiber (3) and supports the scatterer (4);
A spectrum detector (7) for detecting a spectrum of light received by the light receiving optical fiber (3);
The optical component measuring device in which the product of the scattering coefficient of the scatterer (4) and the thickness of the scatterer (4) is in the range of 5-25 .

The optical component measurement apparatus according to claim 1,
The scatterer (4) is also disposed near the tip of the light receiving optical fiber (3) and scatters light incident on the light receiving optical fiber (3). Component measuring device.

The optical component measuring device according to claim 2,
Condensing lens (5) for condensing the light scattered by the measurement object and entering the scatterer (4) disposed in the vicinity of the tip of the light receiving optical fiber (3) Optical component measuring device.

An optical fiber for irradiation (2) for transmitting light from the light source (6) and irradiating the measurement object from the tip with light;
A light receiving optical fiber (3) that receives light emitted from the irradiation optical fiber (2) and scattered by the measurement object from a tip portion;
A scatterer (4) disposed near the tip of the light receiving optical fiber (3) and scattering light incident on the light receiving optical fiber (3);
A probe body (1) that holds the tip of the irradiation optical fiber (2) and the tip of the light receiving optical fiber (3) and supports the scatterer (4);
A spectrum detector (7) for detecting a spectrum of light received by the light receiving optical fiber (3);
The optical component measuring device in which the product of the scattering coefficient of the scatterer (4) and the thickness of the scatterer (4) is in the range of 5-25 .