JP5078004B2 - 分光計測装置及び分光計測方法 - Google Patents
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Description
本発明は、生体組織、特には血糖値や脂質などの血液成分を無侵襲で計測する分光計測装置及び分光計測方法に関する。
例えば糖尿病は血糖値の管理が重要であり、血糖計を用いた血糖値の測定を日常的に行う必要がある。また、糖尿病はその前兆として血中インスリン濃度が高くなることから、血中インスリン濃度の計測・管理が糖尿病予防に効果的であるといわれている。インスリン濃度の上昇傾向を検知できれば、食事療法等で糖尿病の発症を未然に防ぐことができる。
一方、「ドロドロ血」と呼ばれる高脂血症は、食事の欧米化、偏食によって野菜や魚の摂食量が減少していること、間食による過度な糖分の摂取が行われていること等を背景に患者数が増加している疾病である。現在では日本人の４人に１人が高脂血症であるといわれ、日本の小学生の１０人に１人が高脂血症の可能性があるといわれている。高脂血症は動脈硬化の原因の一つであり、放置すると心筋梗塞や脳梗塞を引き起こす。このため、高脂血症の指標となる血中コレステロール値や中性脂肪値は健康診断や人間ドック等の検査対象とされている。
このように糖尿病や高脂血症等の様々な病気において、血液成分の日常的な管理は病気の予防及び治療の両面から重要となる。しかしながら、現在の血液成分計測技術では、微量ながら血液を採取しなければならず、苦痛を伴う。これに加えて、採血部位の消毒や消耗品の処理などの煩わしい作業が必要となる。このため、特に予防目的で血液成分を計測するための採血を日常的に行うことは敬遠される。また、高脂血症の予防には小学生の時期における食生活改善などが重要であるといわれており、小学生にとっても無侵襲的に血液成分を計測する方法の開発が強く望まれる。
このような背景から、手のひらや指をセンサーにかざすだけで無侵襲的に血糖値や脂質値などの血液成分を計測する方法の開発が従来より行われている(特許文献１、２参照）。
例えば、１μm付近の波長の近赤外光は皮膚透過性が高いことから、このような近赤外光を用いた血糖値センサーに関する研究が進められている。近赤外域の光学系構築には、可視光対応の光学部品を用いることができるため、比較的安価な計測装置を実現できる可能性がある。実際、血糖値サンプルであるグルコース溶液の微小な濃度変化を、近赤外領域の分光特性から計測できることが確認されている。
しかし、実用化に必要な血糖値計測精度を満たすには、以下の技術課題が残されており製品化には至っていない。
特開平5-176917号公報
特開2005-106592号公報
例えば、１μm付近の波長の近赤外光は皮膚透過性が高いことから、このような近赤外光を用いた血糖値センサーに関する研究が進められている。近赤外域の光学系構築には、可視光対応の光学部品を用いることができるため、比較的安価な計測装置を実現できる可能性がある。実際、血糖値サンプルであるグルコース溶液の微小な濃度変化を、近赤外領域の分光特性から計測できることが確認されている。
しかし、実用化に必要な血糖値計測精度を満たすには、以下の技術課題が残されており製品化には至っていない。
即ち、従来の分光技術では、検出プローブの先端の面積などで決まる測定領域内において検出された全ての光の平均的な分光特性を計測してしまう。測定領域内には計測対象である血管だけではなく、測定対象外の細胞などの生体成分が含まれている。このため、血管領域内の微小な血糖値変化を高感度に検出することができない。また、血管内を流れる血液には、血糖であるグルコースが溶融した液体である血漿だけではなく赤血球や白血球などの細胞成分も含まれている。従って、より高感度に血糖値を計測するためには、血管領域を特定して分光計測するだけではなく、血管領域における血漿成分の分光特性を分離して選択的に検出しなくてはならない。
本発明が解決しようとする課題は、生体成分を無侵襲で精度良く計測することができる分光計測装置及びその方法を提供することである。
本発明が解決しようとする課題は、生体成分を無侵襲で精度良く計測することができる分光計測装置及びその方法を提供することである。
上記課題を解決するために成された本発明に係る分光計測装置は、
a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられる光を分離面上に第１及び第２の光に分離した状態で導く分離光学系と、
b) 前記分離光学系を透過した第１及び第２の光をほぼ同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記干渉像の光強度を検出する検出部と、
d) 前記分離光学系から前記結像光学系に向かう第１及び第２の光の相対的な光学光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
e) 前記分離面のうち前記第１及び第２の光のうちの一方が導かれる領域の近傍に配置される、前記分離光学系から前記結像光学系に向かう第１及び第２の光に相対的な強度変化を与える減光フィルタと、
f) 前記光路長差伸縮手段によって光学光路長差を伸縮させることにより前記検出部で検出される光強度変化に基づき、前記被測定物の各測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
g) 前記第１及び第２の光の相対的な強度が異なる複数の状態で前記処理部がそれぞれ取得したスペクトルを、前記第１及び第２の光の相対的な強度に応じて演算処理し、前記第１及び第２の光の少なくとも一方の分光特性を計測する演算処理部と、
を備えることを特徴とする。
a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられる光を分離面上に第１及び第２の光に分離した状態で導く分離光学系と、
b) 前記分離光学系を透過した第１及び第２の光をほぼ同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
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を備えることを特徴とする。
この場合、前記分離光学系は、被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられる散乱光と前記各測定点からほぼ一定の方向に向かって発せられる透過光を分離面上に分離した状態で導く構成とすることができる。
また、前記分離光学系は、第１及び第２の光をそれぞれ第１及び第２反射面に分離して導くように構成し、前記光路長差伸縮手段は、前記第１及び第２反射面を相対的に移動させるように構成しても良い。
更に本発明の分光計測方法は、
a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられる光を第１及び第２の光として分離光学系によって分離面上に分離した状態で導き、
b) 前記第１及び第２の光の光学光路長差を伸縮させつつ前記第１の光と前記第２の光を結像光学系によってほぼ同一点に導いて干渉像を形成させ、
c) 前記干渉像の光強度変化に基づき前記被測定物の各測定点のインターフェログラムを求め、
d) 前記インターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得し、
e) 前記分離面のうち前記第１及び第２の光のうちの一方が導かれる領域の近傍に配置される減光フィルタによって、前記分離光学系から前記結像光学系に向かう前記第１の光及び前記第２の光に相対的な強度変化を与え、これにより得られる前記第１及び第２の光の相対的な強度が異なる複数の状態で取得した各スペクトルを、前記第１及び第２の光の相対的な強度に応じて演算処理し、前記第１の光及び前記第２の光の少なくとも一方の分光特性を計測することを特徴とする。
a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられる光を第１及び第２の光として分離光学系によって分離面上に分離した状態で導き、
b) 前記第１及び第２の光の光学光路長差を伸縮させつつ前記第１の光と前記第２の光を結像光学系によってほぼ同一点に導いて干渉像を形成させ、
c) 前記干渉像の光強度変化に基づき前記被測定物の各測定点のインターフェログラムを求め、
d) 前記インターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得し、
e) 前記分離面のうち前記第１及び第２の光のうちの一方が導かれる領域の近傍に配置される減光フィルタによって、前記分離光学系から前記結像光学系に向かう前記第１の光及び前記第２の光に相対的な強度変化を与え、これにより得られる前記第１及び第２の光の相対的な強度が異なる複数の状態で取得した各スペクトルを、前記第１及び第２の光の相対的な強度に応じて演算処理し、前記第１の光及び前記第２の光の少なくとも一方の分光特性を計測することを特徴とする。
本発明に係る分光計測装置及び分光計測方法は、結像光学系を用いたものであり、生体内に光学的散乱体と光学的透過体が存在することに着目してなされた。被測定物である生体からは光学的散乱体に起因する散乱光、光学的透過体に起因する透過光が放出される。本発明は、これら散乱光及び透過光を分離光学系で分離し、干渉現象を利用して被測定物のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得している。ここで、「分離光学系」の用語は、各輝点からの光を単純に分離するものとして、光学的に光を波長毎に分離する「分光光学系」と区別して用いている。
更に、散乱光と透過光との間に相対的な強度変化を与える減光フィルタを配置し、散乱光と透過光の相対的な強度が異なる複数の状態で取得したスペクトルをその相対的な強度に応じて演算処理することにより散乱光或いは透過光の分光特性を計測している。
例えば、血糖値計測の場合は、測定対象である血糖(グルコース)が光学的に透過体である血漿中に存在することから、血漿の分光特性をヘモグロビンなどの光学的散乱体から分離して計測する。これにより、血漿中の血糖値の微少変化を高感度に検出することができる。
例えば、血糖値計測の場合は、測定対象である血糖(グルコース)が光学的に透過体である血漿中に存在することから、血漿の分光特性をヘモグロビンなどの光学的散乱体から分離して計測する。これにより、血漿中の血糖値の微少変化を高感度に検出することができる。
本発明は、合焦面内の２次元分光計測手法であることから、生体膜の深さ方向を限定した２次元分光像を取得することができる。従って、例えば、拡散の影響を受け難い皮膚表層に深さ方向を限定して近赤外２次元像を取得し、二値化処理することにより静脈パターンを認識すれば、生体膜表層の血管領域の近赤外２次元分光像をより明瞭に取得できる。また、血管領域を空間的に限定して分光特性を計測できることから感度の高い血糖値計測が可能となる。
更に、近赤外光を用いたマンモグラフィによる生体膜内部の計測分野においても、拡散の影響を比較的受けていない透過光成分と、散乱光成分の分離分光計測が可能となるため、腫瘍等の発見に寄与することが可能となる。また、本発明は結像光学系であることから高い空間解像度を得ることが容易であり、微小な腫瘍の発見も可能となる。
物体に光を照射すると、反射、屈折、散乱、蛍光など様々な光学現象に起因して物体光が生成される。これらの生成された光により物体を光学的にモデル化すると、理想的な点光源である輝点の集合体と見なすことができる。照明方式や物体光を生成する光学現象により指向性は異なるが、理想的な点光源である１つの輝点からは、放射状に光線が射出される。このように光学的に物体を構成している輝点群を、レンズを用いて結像面上に再構成して光学的に共役な輝点群を像として形成するのが結像光学系であり、本発明はこの結像光学系を用いている。
本発明では、物体を光学的に構成する各輝点から生じる物体光を透過光と散乱光の光線群に分離し、これら光線群同士の干渉現象によって検出器の結像面に形成される干渉光強度（結像強度）を検出する。２つの光線群の相対的な光路長差を変化させると、両光線群を構成する種々の波長の光線の干渉光強度は、その波長の長さに応じて周期的に変化することから、干渉光強度変化、即ちインターフェログラムを取得することができる。このインターフェログラムをフーリエ変換することにより波長ごとの相対強度である分光特性(スペクトル)を取得することができる。
また、透過光及び散乱光の相対的な強度を異ならせて分光特性を取得し、演算処理すれば、透過光及び散乱光の分光特性を分離測定することができる。
例えば、血液成分のうち血漿は光学的に透過体であり、白血球や赤血球、血小板は光学的に散乱体である。従って、血漿を白血球、赤血球、血小板とは分離して分光計測することにより血漿中に含まれる血糖値の微少変化を高精度に検出することができるため、本発明の技術を用いることにより高精度な無侵襲の血糖値センサーを開発できる。特に可視光学部品を用いることにより、比較的安価な血糖値センサを提供できる。
例えば、血液成分のうち血漿は光学的に透過体であり、白血球や赤血球、血小板は光学的に散乱体である。従って、血漿を白血球、赤血球、血小板とは分離して分光計測することにより血漿中に含まれる血糖値の微少変化を高精度に検出することができるため、本発明の技術を用いることにより高精度な無侵襲の血糖値センサーを開発できる。特に可視光学部品を用いることにより、比較的安価な血糖値センサを提供できる。
更に、物体を構成する各輝点から生じる物体光が入射する対物レンズの合焦位置を走査可能に構成すれば、物体の三次元画像を取得することができる。従って、手のひらや指等の２次元あるいは３次元の近赤外分光像を計測し、画像処理の技術などにより血管領域を抽出すれば、血管領域のみの分光特性を選択して成分解析を行うことができる。
以下、本発明を分光計測装置である血糖値センサーに適用した第１実施例について図１〜図１０を参照しながら説明する。
図１は本実施例に係る血糖値センサー１を用いた血糖値の測定処理の概略的なフローを示している。本実施例の血糖値センサー１では、皮膚の透過性が良い波長が１μm付近の近赤外光を被検者の手のひらに照射して２次元の近赤外分光像を取得し(ステップ１)、この２次元分光像から血管領域を選択(ステップ２)した後、血管領域の分光特性を取得して血糖値を測定する(ステップ３)無侵襲血糖値測定装置である。
図１は本実施例に係る血糖値センサー１を用いた血糖値の測定処理の概略的なフローを示している。本実施例の血糖値センサー１では、皮膚の透過性が良い波長が１μm付近の近赤外光を被検者の手のひらに照射して２次元の近赤外分光像を取得し(ステップ１)、この２次元分光像から血管領域を選択(ステップ２)した後、血管領域の分光特性を取得して血糖値を測定する(ステップ３)無侵襲血糖値測定装置である。
静脈は他の生体組織とは近赤外光の吸収率が異なることから、可視光カメラからなる検出器を用いて撮影した近赤外像では静脈パターン(血管領域）が影となる２次元濃淡画像を取得することができる。この場合、生体膜による拡散の影響を受けるため、検出器から離れた反対側の皮膚領域の血管像や生体膜中心部の例えば骨などの影は観察画像上ではぼやけてしまい判別できないが、検出器に近い側の皮膚表面近傍の血管像は、生体膜内の拡散の影響をあまり受けない。このため、明瞭な影絵である２次元濃淡画像として観察することができる。
そこで、本実施例では、皮膚表面近傍に深さ方向を限定して近赤外２次元像を取得し、二値化処理等の画像処理技術を用いることにより静脈パターンを認識している。静脈パターンが認識できれば血管領域の分光特性を選択することができるため、精度良く血糖値を測定することができる。画像処理技術は周知の技術であるため詳しい説明は省略し、血糖値の測定に関係する構成を中心に以下、説明する。
そこで、本実施例では、皮膚表面近傍に深さ方向を限定して近赤外２次元像を取得し、二値化処理等の画像処理技術を用いることにより静脈パターンを認識している。静脈パターンが認識できれば血管領域の分光特性を選択することができるため、精度良く血糖値を測定することができる。画像処理技術は周知の技術であるため詳しい説明は省略し、血糖値の測定に関係する構成を中心に以下、説明する。
図２は本実施例の血糖値センサー１の概略的なシステム構成図である。光源５から出射した近赤外光は、ハーフミラー８により図中下方に反射され、対物レンズ１２により平行光束となり平行光線化されて手のひらＳを照射する。
手のひらＳに照射された近赤外光は皮膚を透過し、生体内において様々な光学現象に起因した反射光、散乱光を生成する。これらの生成された光により手のひらＳを光学的にモデル化すると、理想的な点光源である輝点の集合体とみなすことができる。そして、手のひらＳの１輝点から多様な方向に向かって放射状に生じる反射光や散乱光等の光線群（「物体光」ともいう）は、対物レンズ１２に入射し、平行光束へ変換される。
前記対物レンズ１２は、レンズ駆動機構１３によって光軸方向に移動可能に構成されている。レンズ駆動機構１３は、対物レンズ１２の合焦位置を走査するためのもので、例えばピエゾ素子により構成することができる。
前記対物レンズ１２は、レンズ駆動機構１３によって光軸方向に移動可能に構成されている。レンズ駆動機構１３は、対物レンズ１２の合焦位置を走査するためのもので、例えばピエゾ素子により構成することができる。
なお、対物レンズ１２を透過した後の光束は完全な平行光束である必要はない。後述するように、１つの輝点から生じた光線群を２分割あるいはそれ以上に分割できる程度に広げることができればよい。ただし、平行光束でない場合は、後述の位相シフト量に応じて生じる位相差量に誤差を生じ易い。従って、より高い分光計測精度を得るためにはできるだけ平行光束とすることが望ましい。
対物レンズ１２を透過してきた平行光束は位相シフター１４に到達する。位相シフター１４は、例えば図３に示すように、矩形板状の固定ミラー部１５、その中央の円孔部１５ａに挿入された円柱状の可動ミラー部１６、可動ミラー部１６を保持する保持部１７、保持部１７を移動する駆動ステージ１８を備えて構成されている。固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の表面は光学的に平坦で且つ血糖値センサー１が計測対象とする光の波長帯域を反射可能な光学鏡面となっている。
以下の説明では、位相シフター１４に到達した光束のうち固定ミラー部１５の反射面に到達して反射される光束を固定光線群、可動ミラー部１６の反射面に到達して反射される光束を可動光線群ともいう。
以下の説明では、位相シフター１４に到達した光束のうち固定ミラー部１５の反射面に到達して反射される光束を固定光線群、可動ミラー部１６の反射面に到達して反射される光束を可動光線群ともいう。
また、固定ミラー部１５の表面近傍には減光フィルタ２６が配置されている。図５に示すように、減光フィルタ２６は固定ミラー部１５とほぼ同じ矩形板状で、その中央に円孔部２６ａを有している。つまり、固定ミラー部１５の表面近傍に配置された減光フィルタ２６は固定ミラー部１５の表面のみを覆うように構成されている。減光フィルタ２６は駆動機構２７によって固定ミラー部１５の近傍に配置された状態と取り除いた状態（非配置状態）とに切り換えられるようになっている。減光フィルタ２６の機能については後述する。
駆動ステージ１８は、例えば静電容量センサーを具備する圧電素子から構成されており、制御部２０からの制御信号を受けて保持部を矢印Ａ方向に移動する。これにより、可動ミラー部１６は光の波長に応じた精度で矢印Ａ方向に移動し、固定ミラー部１５に対する可動ミラー部１６の相対位置が変化する(図４参照）。分光計測能力にもよるが、例えば可視光領域では１０nm程度の高精度な位置制御が必要となる。
また、位相シフター１４は、対物レンズ１２からの平行光束の光軸に対して固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の反射面が４５度傾くように配置されている。駆動ステージ１８は、可動ミラー部１６の反射面の光軸に対する傾きを４５度に維持した状態で当該可動ミラー部１６を移動する。このような構成により、可動ミラー部１６の光軸方向の移動量は、駆動ステージ１８の移動量の１／√２となる。また、固定光線群と可動光線群の２光束間の相対的な位相変化を与える光路長差は、可動ミラー部１６の光軸方向の移動量の２倍となる。
このように固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６を斜めに配置すれば、光線を分岐するためのビームスプリッタが不要となるため、物体光の利用効率を高くすることができる。また、可動ミラー部１６を傾けたことにより、駆動ステージ１８の移動量に対する可動ミラー部１６の光軸方向の移動量が小さくなるため、ステージ移動誤差の分光計測精度への劣化の影響を小さくできる。
位相シフター１４に到達し、固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の反射面で反射された固定光線群及び可動光線群は、それぞれ結像レンズ２２により収束されて検出部２４の結像面に入る。検出部２４は例えば二次元ＣＣＤカメラから構成されている。固定ミラー部１５の反射面と可動ミラー部１６の反射面は、検出部２４の結像面で２つの光線群の集光位置がずれない程度の精度で平行に構成されている。
次に血糖値センサー１の光学的作用について説明する。
手のひらＳの血管領域から発せられた光線群は、対物レンズ１２を経て位相シフター１４の固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の表面に到達する。
皮膚を透過した近赤外光は、様々な生体成分によって反射され、再び手のひらＳの表面を経て対物レンズ１２に入射する。このとき、図６に示すように血液成分には光学的透過体である液体の血漿と、光学的散乱体である細胞成分（白血球、赤血球、血小板）が含まれるため、血管領域からは透過体を透過した透過光成分と散乱体によって散乱された散乱光成分が放出される。
手のひらＳの血管領域から発せられた光線群は、対物レンズ１２を経て位相シフター１４の固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の表面に到達する。
皮膚を透過した近赤外光は、様々な生体成分によって反射され、再び手のひらＳの表面を経て対物レンズ１２に入射する。このとき、図６に示すように血液成分には光学的透過体である液体の血漿と、光学的散乱体である細胞成分（白血球、赤血球、血小板）が含まれるため、血管領域からは透過体を透過した透過光成分と散乱体によって散乱された散乱光成分が放出される。
透過光成分は平行光束として対物レンズ１２に到達し、散乱光成分は様々な方向に広がりながら対物レンズ１２に到達する。このため、透過光は位相シフター１４の可動ミラー部１６の反射面中央に集光し、散乱光は平行光束となって位相シフターの可動ミラー部及び固定ミラー部の表面全体に至る(図７(ａ)及び（ｃ）参照)。つまり、透過光成分と散乱光成分とが分離して固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の表面に到達する。なお、本実施例では可動ミラー部１６の反射面中央が対物レンズ１２の後側焦点面であるフーリエ変換面となるように設定されている。
固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の表面に到達した透過光成分及び散乱光成分は、固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の表面で反射され、固定光線群及び可動光線群として結像レンズ２２に入射し、検出部２４の結像面において干渉像を形成する。このとき、手のひらＳの血管領域から発せられる光線群には様々な波長の光が含まれる（且つ各波長の光の初期位相が必ずしも揃っていない）ことから、可動ミラー部１６を移動させて固定光線群と可動光線群との光路長差を変化させることにより、図８（ａ）に示すようなインターフェログラムと呼ばれる結像強度変化（干渉光強度変化）の波形が得られる。図８（ａ）は検出部２４の一つの画素におけるインターフェログラムである。なお、図８（ａ）において、横軸は可動ミラー部１６の移動に伴う固定光線群と可動光線群間の光路長差を、縦軸は結像面上の一点における結像強度を示す。
このインターフェログラムをフーリエ変換することにより、手のひらＳの血管領域の一輝点から発せられた光の波長毎の相対強度である分光特性を取得することができる（図８（ｂ）参照）。検出部２４の全ての画素において分光特性を得ることができれば、手のひらＳの血管領域の２次元分光計測が可能となる。
ここで、インターフェログラムの生成原理について説明する。
まず、測定波長が単一波長の光の場合の光路長差と干渉光強度との関係について図９(ａ）〜(c)を参照しながら説明する。図９において、横軸は可動ミラー部１６の移動に伴う固定光線群と可動光線群間の相対的な光路長差を示し、縦軸は、検出部２４の一つの画素における結像強度を示している。
まず、測定波長が単一波長の光の場合の光路長差と干渉光強度との関係について図９(ａ）〜(c)を参照しながら説明する。図９において、横軸は可動ミラー部１６の移動に伴う固定光線群と可動光線群間の相対的な光路長差を示し、縦軸は、検出部２４の一つの画素における結像強度を示している。
図９(a)〜(c)は波長の長さが異なる３種類の単色光（λａ＞λｂ＞λｃ）の光路長差と干渉光強度との関係を示している。図９の中央付近に示す位相シフト原点（図中、一点鎖線で示す）は、図４(b)に示す可動ミラー部１６の反射面が固定ミラー部１５の反射面と一致している状態をいう。可動ミラー部１６と固定ミラー部１５の反射面が一致しているときは、固定光線群と可動光線群に相対的な位相差が生じていない。つまり、これら２光線群の光線は結像面において位相が揃って到達するため、互いに強め合う。このため、結像面には明るい輝点が形成され、結像強度が大きくなる。
これに対して、可動ミラー部１６を図４(b)に示す位置から移動して固定光線群と可動光線群との間に相対的な光路長差を生じさせると、この光路長差が半波長（λ/2)の奇数倍になった時点で弱め合う干渉条件となるため結像強度は小さくなる。また、光路長差が１波長の整数倍になると、２光束間の干渉条件が強め合う状態となり、結像強度が大きくなる。
従って、可動ミラー部１６を図４(a)から（b)を経て(c)の状態へと移動させて光路長差を順次変化させていくと、２光束間の干渉現象による結像強度は周期的に変化することになる。この結像強度変化の周期は、図９(a)〜(c)に示すように、波長が長い光の場合は長く、波長が短い光の場合は短くなる。
従って、可動ミラー部１６を図４(a)から（b)を経て(c)の状態へと移動させて光路長差を順次変化させていくと、２光束間の干渉現象による結像強度は周期的に変化することになる。この結像強度変化の周期は、図９(a)〜(c)に示すように、波長が長い光の場合は長く、波長が短い光の場合は短くなる。
多波長の光を測定する分光計測装置では、多様な長さの波長の干渉光強度変化が足し合わされた輝度値変化として検出されることになる。これが図８(a)に示すインターフェログラムである。固定光線群と可動光線群の相対的な光路長差が無い位相シフト原点では、波長に依存せずに２光束は強め合うため、多波長の強度変化を足し合わせた測定値においても高い結像強度となる。しかし、光路長差が大きくなると、各波長の強度変化の周期が合わないため、多波長の強度変化を足し合わせても結像強度は大きくならない。このため、インターフェログラムは、光路長差が大きくなるに従い徐々に輝度値が小さくなっていく結像強度変化が観察される。このようにインターフェログラムは、単一波長の単周期結像強度変化が足し合わされた波形であることから、この波形データをフーリエ変換することにより波長ごとの強度値である分光特性を取得することができる。
ところで、得られた分光特性には血漿、赤血球、白血球、血小板等、全ての血液成分の分光特性が含まれる。血糖であるグルコースは血漿に溶融しており、血糖値を精度良く測定するためには、血漿の分光特性のみを分離して測定する必要がある。そこで、本実施例では、位相シフター１４の固定ミラー部１５の表面近傍に着脱可能に減光フィルタ２６を配置している。そして、減光フィルタ２６の配置状態及び非配置状態における分光特性をそれぞれ取得し、これら分光特性と減光フィルタ２６の減光率から血漿成分の分光特性を演算により求めるようにしている。
ここで、減光フィルタ２６の有無による分光特性の違いについて説明する。
固定ミラー部１５の反射面近傍に減光フィルタ２６を配置すると、図７（ｂ）に示すように散乱光成分の光量が減少する。このため、取得される分光特性は、減光フィルタ２６の非配置状態で取得された分光特性に比べて、透過光成分である血漿の分光特性が相対的に強調されたものとなる(図１０(ａ)及び（ｂ）参照)。
固定ミラー部１５の反射面近傍に減光フィルタ２６を配置すると、図７（ｂ）に示すように散乱光成分の光量が減少する。このため、取得される分光特性は、減光フィルタ２６の非配置状態で取得された分光特性に比べて、透過光成分である血漿の分光特性が相対的に強調されたものとなる(図１０(ａ)及び（ｂ）参照)。
そこで、この２種類の分光特性の計測結果を減光フィルタ２６の減光率に応じて演算処理をする。具体的には、減光フィルタ２６を配置した場合の波長λにおける相対強度の計測値をｆ(λ)とし、減光フィルタ２６を配置しない場合の波長λにおける相対強度の計測値をｇ(λ)とする。減光フィルタ２６の減光率をk％とし、求めたい透過光成分及び散乱光の相対強度をそれぞれａ(λ)、ｂ(λ)とすると、計測値であるｆ(λ)とｇ(λ)は、以下のような式で表される。
ｆ(λ)＝ａ(λ)＋ｂ(λ)×k／１００ ・・・（１）
ｇ(λ)＝ａ(λ)＋ｂ(λ) ・・・（２）
式（１）及び式（２）より、ａ(λ)とｂ(λ)は以下の式で表される。
ｂ(λ)＝（ｇ(λ)−ｆ(λ)）／（１−k／１００）・・・（３）
ａ(λ)＝ｇ(λ)−ｂ（λ） ・・・（４）
ｆ(λ)＝ａ(λ)＋ｂ(λ)×k／１００ ・・・（１）
ｇ(λ)＝ａ(λ)＋ｂ(λ) ・・・（２）
式（１）及び式（２）より、ａ(λ)とｂ(λ)は以下の式で表される。
ｂ(λ)＝（ｇ(λ)−ｆ(λ)）／（１−k／１００）・・・（３）
ａ(λ)＝ｇ(λ)−ｂ（λ） ・・・（４）
従って、各波長について測定値ｆ(λ)、ｇ(λ)を式（３）、（４）に代入して計算すれば、透過光成分（血漿）及び散乱光(赤血球、白血球、血小板等）の分光特性を得ることができる(図１０（ｃ）及び（ｄ）参照）。
そして、予め制御部２０に記憶された血糖値が既知である血漿成分の分光特性データと、取得した透過光成分の分光特性データとの比較から血糖値を求めることができる。
このように、本実施例の血糖値センサー１によれば、血管領域内における血漿成分のみを抽出して分光特性を計測できることから、高感度な血糖値センサーを実現できる。
そして、予め制御部２０に記憶された血糖値が既知である血漿成分の分光特性データと、取得した透過光成分の分光特性データとの比較から血糖値を求めることができる。
このように、本実施例の血糖値センサー１によれば、血管領域内における血漿成分のみを抽出して分光特性を計測できることから、高感度な血糖値センサーを実現できる。
また、結像理論によれば、対物レンズ１２の合焦位置から生じる光線群のみが結像面において位相が揃い干渉像としての結像画像を取得することが可能である。つまり、合焦位置以外から生じる光は鮮明なインターフェログラムの形成に寄与しない。このため、上記血糖値センサー１では、生体膜の深さ方向を限定した２次元の分光特性を取得することができる。
更に、レンズ駆動機構１３により対物レンズ１２を光軸方向に移動させて合焦位置を走査すれば、血糖値の３次元の分光特性を計測することが可能となる。しかも、各合焦位置における２次元分光像は一時に取得できるため手ぶれの影響を無くすことができる。なお、合焦位置の走査時における手ぶれの影響は、パターンマッチングにより容易に修正できる。従って、高精度の２次元及び３次元分光特性を取得できる。
また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、例えば次のような変形が可能である。
位相シフター１４を構成する可動ミラー部１６は円柱である必要はなく、角柱など製造の容易な形状に加工すればよい。
位相シフター１４を構成する可動ミラー部１６は円柱である必要はなく、角柱など製造の容易な形状に加工すればよい。
上記実施例では、対物レンズ１２から結像レンズ２２に向かう光線群を２つに分割し、一方の光学光路長を伸縮するようにしたが、両光線群の相対的な光学光路長差を伸縮させることができれば、両光線群の光学光路長を伸縮させる構成でも良い。
上記実施例では、散乱光の光路に減光フィルタを配置した状態と配置しない状態に切り換えることにより散乱光と透過光との間に相対的な強度変化を与えたが、散乱光及び透過光の間に相対的な強度変化を与えることができれば、両方の光路に減光フィルタを配置していても良い。また、減光率可変のフィルタを用いることも可能である。
上記実施例では、散乱光の光路に減光フィルタを配置した状態と配置しない状態に切り換えることにより散乱光と透過光との間に相対的な強度変化を与えたが、散乱光及び透過光の間に相対的な強度変化を与えることができれば、両方の光路に減光フィルタを配置していても良い。また、減光率可変のフィルタを用いることも可能である。
更に、減光率１００％の減光フィルタを設置してもよい。例えば、フーリエ変換面中心に集光している透過光を主に透過させる場合は、透過光の集光径とほぼ同じ穴径のピンホールを設置すれば良い。ただし、この場合は結像画像にテクスチャが形成されないため、血管領域画像を求めることはできない。また、ピンホールの穴径を大きめにして、散乱光成分が多少透過するようにすれば、結像画像のテクスチャを多少明瞭にすることができるが、この場合は透過光と散乱光の完全な分離分光計測はできない。
これに対して、散乱光成分を主に透過させて、いわゆる暗視野観察すれば、散乱光成分を主に検出することができる。暗視野観察は、照明光学系を対物レンズ外から照射する斜方照明にすることでも実現可能である。
これに対して、散乱光成分を主に透過させて、いわゆる暗視野観察すれば、散乱光成分を主に検出することができる。暗視野観察は、照明光学系を対物レンズ外から照射する斜方照明にすることでも実現可能である。
本発明は、分離光学系で分離された光の一方と他方の間に相対的な強度変化を与えることにより分光特性を分離測定するところに特徴を有している。従って、分散光と透過光に分離する場合に限らず、被測定物の各測定点から発せられる光を空間的に二分割することができれば良い。
対物レンズ１２ではなく被測定物Ｓを移動させることにより対物レンズ１２の合焦面を走査するようにしても良い。
位相シフター１４の固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の反射面と光軸との角度は４５度でなくても良い。但し、この場合は、光軸と可動ミラー部１６の移動方向の角度誤差によって分光特性が劣化する可能性が大きい。これは、静電容量センサー付ピエゾステージの光軸方向への移動量が分光精度に重要な意味を持つからである。光軸方向への移動量が、可動光線群に与える位相シフト量となり、この位相シフト量が分光計測に必要なパラメータとなる。
位相シフター１４の固定ミラー部１５及び可動ミラー部１６の反射面と光軸との角度は４５度でなくても良い。但し、この場合は、光軸と可動ミラー部１６の移動方向の角度誤差によって分光特性が劣化する可能性が大きい。これは、静電容量センサー付ピエゾステージの光軸方向への移動量が分光精度に重要な意味を持つからである。光軸方向への移動量が、可動光線群に与える位相シフト量となり、この位相シフト量が分光計測に必要なパラメータとなる。
被測定物から放出され対物レンズを透過した光が一点に合焦するように対物レンズと被測定物の位置関係を設定すれば、分割光学系及び結像光学系を一つのレンズで構成することも可能である。
また、測定対象となる光が紫外光や長波長光の場合には、反射型光学系により分割光学系、結像光学系を構成すると良い。
更に、実際の光学系では、調整誤差によって可動ミラー部１６の設置角度がずれる場合がある。この角度のずれ量が、分光特性上問題となる場合は、水銀ランプなど既知の輝線スペクトルを有する光源を用いて分光特性を計測するなどにより位相シフターと光軸との傾き量の校正を行うことができる。
本発明は血糖値の他の血液成分、例えばインスリンやコレステロール、中性脂肪等の分光計計測装置や、血液成分以外の生体膜内部の分光計測装置にも適用できる。
また、測定対象となる光が紫外光や長波長光の場合には、反射型光学系により分割光学系、結像光学系を構成すると良い。
更に、実際の光学系では、調整誤差によって可動ミラー部１６の設置角度がずれる場合がある。この角度のずれ量が、分光特性上問題となる場合は、水銀ランプなど既知の輝線スペクトルを有する光源を用いて分光特性を計測するなどにより位相シフターと光軸との傾き量の校正を行うことができる。
本発明は血糖値の他の血液成分、例えばインスリンやコレステロール、中性脂肪等の分光計計測装置や、血液成分以外の生体膜内部の分光計測装置にも適用できる。
１…血糖値センサー
５…光源
８…ハーフミラー
１２…対物レンズ
１３…レンズ駆動機構
１４…位相シフター
１５…固定ミラー部
１６…可動ミラー部
１８…駆動ステージ
２０…制御部
２２…結像レンズ
２４…検出部
２６…減光フィルタ
５…光源
８…ハーフミラー
１２…対物レンズ
１３…レンズ駆動機構
１４…位相シフター
１５…固定ミラー部
１６…可動ミラー部
１８…駆動ステージ
２０…制御部
２２…結像レンズ
２４…検出部
２６…減光フィルタ
Claims (8)
- a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられる光を分離面上に第１及び第２の光に分離した状態で導く分離光学系と、
b) 前記分離光学系を透過した第１及び第２の光をほぼ同一点に導き干渉像を形成する結像光学系と、
c) 前記干渉像の光強度を検出する検出部と、
d) 前記分離光学系から前記結像光学系に向かう第１及び第２の光の相対的な光学光路長差を伸縮する光路長差伸縮手段と、
e) 前記分離面のうち前記第１及び第２の光のうちの一方が導かれる領域の近傍に配置される、前記分離光学系から前記結像光学系に向かう第１及び第２の光に相対的な強度変化を与える減光フィルタと、
f) 前記光路長差伸縮手段によって光学光路長差を伸縮させることにより前記検出部で検出される光強度変化に基づき、前記被測定物の各測定点のインターフェログラムを求め、このインターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得する処理部と、
g) 前記第１及び第２の光の相対的な強度が異なる複数の状態で前記処理部がそれぞれ取得したスペクトルを、前記第１及び第２の光の相対的な強度に応じて演算処理し、前記第１及び第２の光の少なくとも一方の分光特性を計測する演算処理部と、
を備えることを特徴とする分光計測装置。 - 前記分離光学系は、被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられる散乱光と前記各測定点からほぼ一定の方向に向かって発せられる透過光を前記分離面上に分離した状態で導くことを特徴とする請求項１に記載の分光計測装置。
- 前記分離光学系の光学レンズの後側焦点位置であるフーリエ変換面付近に前記分離面が位置することを特徴とする請求項２記載の分光計測装置。
- 前記分離面が、第１反射面及び第２反射面から構成され、
前記分離光学系は、第１及び第２の光をそれぞれ前記第１反射面及び前記第２反射面に分離して導くように構成され、
前記光路長差伸縮手段は、前記第１及び第２反射面を相対的に移動させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の分光計測装置。 - 第１及び第２反射面は、それぞれ分離光学系を透過した光束の光軸に対して４５°傾いた状態で配置されていることを特徴とする請求項４に記載の分光計測装置。
- 処理部は、被測定物のうち分離光学系の合焦位置に位置する測定点から発せられた光のスペクトルを求めることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の分光計測装置。
- 被測定物に対する分離光学系の合焦位置を相対的に変更する合焦位置変更手段を備えることを特徴とする請求項６に記載の分光計測装置。
- a) 被測定物の各測定点から多様な方向に向かって発せられる光を第１及び第２の光として分離光学系によって分離面上に分離した状態で導き、
b) 前記第１及び第２の光の光学光路長差を伸縮させつつ前記第１の光と前記第２の光を結像光学系によってほぼ同一点に導いて干渉像を形成させ、
c) 前記干渉像の光強度変化に基づき前記被測定物の各測定点のインターフェログラムを求め、
d) 前記インターフェログラムをフーリエ変換することによりスペクトルを取得し、
e) 前記分離面のうち前記第１及び第２の光のうちの一方が導かれる領域の近傍に配置される減光フィルタによって、前記分離光学系から前記結像光学系に向かう前記第１の光及び前記第２の光に相対的な強度変化を与え、これにより得られる前記第１及び第２の光の相対的な強度が異なる複数の状態で取得した各スペクトルを、前記第１及び第２の光の相対的な強度に応じて演算処理し、前記第１の光及び前記第２の光の少なくとも一方の分光特性を計測する分光計測方法。
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