JP5407868B2 - 微小開口形成装置およびそれを用いる体液収集システム - Google Patents
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Description
本発明は、生体表面にレーザ光を照射して微小開口を形成して、細胞間質液や血液などの体液を採取するために用いられる微小開口形成装置およびそれを用いる体液収集システムに関する。
生体からの体液採取には、最も一般的なものとして注射針による血液採取があるが、患者の不安や苦痛、さらに注射針に付着した細菌等による感染という問題があった。また、たとえば術後の経過を見るために、グルコース濃度（血糖値）を３０分や１時間毎にモニタリングする場合のように、連続採取となると、そのたび毎に体に注射針を刺す必要があり、皮膚が硬くなったりして、患者への負担は過大であった。
そこで、そのような負担を軽減するために、血液ではなく、細胞間質液を採取するという方法が近年注目を集めている。これは、血管が通っている真皮層に届かない深さの微小開口を穿設して、そこから滲み出してくる細胞間質液は、血球等がないことを除けば、血液とほぼ同じ成分を有するので、血液検査の代替になり、しかも穿設時の痛みがない（少ない）ためである。
そこで、特許文献１では、前記細胞間質液を採取し、センサで計量するための装置で、微小開口作成のためにレーザ光を用いている。こうして、微小開口の形成にレーザ光を用いることで、開口自体が小さく、生体に触れないことから、低侵襲に処置でき、また感染防止や、とがったものを体に刺すという患者の不安を和らげるという観点からも、針を用いる従来の方法と比較して、格段の効果が得られている。
しかしながら、上述のとおり、開口は微小であるので、１つの開口では間質液の吸引量が少なく、吸引時間が長いという問題がある。そこで、特許文献２では、図１４や図１５で示すように、単一のレーザダイオード５１からの発散するビーム光５２をレンズ５３で集光した後、生体表面５４との間に介在した光学部材５５や５６によって、光軸５７から曲げるとともに、前記光学部材５５や５６を光軸５７回りに回転させることで複数の微小開口を作成している。
米国特許第６５３０９１５号明細書
米国特許第６９５１４１１号明細書
上述の従来技術では、照射位置、すなわち生体表面５４が光学部材５５，５６から遠去かる程、曲げられているビーム光５２の照射位置は、参照符号Ｗ１からＷ２で示すように、光軸５７から遠去かる。したがって、前記光学部材５５，５６の等回転角度間隔でビーム光２を照射しても、生体表面までの距離によって、微小開口の間隔が変化してしまうという問題がある。このため、前記微小開口の間隔が大きくなると、該微小開口の作成後に生体表面４に被せられて間質液の吸引を行うチャンバ内に該微小開口が収まりきらず、また間隔が小さくなると、滲出してくる細胞間質液が少なくなる。
本発明の目的は、複数形成される微小開口間の間隔を常に一定に保つことができる微小開口形成装置およびそれを用いる体液収集システムを提供することである。
本発明の微小開口形成装置は、生体の表面にレーザ光を照射して微小開口を形成するための装置において、前記レーザ光が透過する材料から成り、入射される前記レーザ光の光軸に対して入射面または射出面の少なくとも一方が傾斜して設けられることで、入射された前記レーザ光を、入射される前記レーザ光の光軸と平行であって、所定距離シフトされた光軸上で射出させるシフト手段と、前記シフト手段を、当該シフト手段に入射される前記レーザ光の光軸回りに回転させることで複数の前記微小開口を前記生体の表面に作成する回転手段とを含むことを特徴とする。
上記の構成によれば、細胞間質液の採取などのために、生体表面にレーザ光を照射して微小開口を形成するための装置において、単一のレーザ光源からのレーザ光を複数箇所に照射して生体表面に複数の前記微小開口を作成するにあたって、単に光学部材を光路に介在して前記レーザ光のビームを曲げ、その光学部材を回転手段で回転させるのではなく、前記レーザ光が透過する材料から成り、入射面または射出面の少なくとも一方が前記レーザ光の光軸に対して傾斜して設けられることで、入射した前記レーザ光を光軸と平行シフトして射出するシフト手段を設け、そのシフト手段を前記回転手段で光軸回りに回転させる。
したがって、均等な回転角度間隔でレーザ光を照射することで、シフト手段の中心から生体表面までの距離に変化が生じても、複数形成される前記微小開口間の間隔を常に一定に保つことができる。これによって、前記細胞間質液の採取の場合には、微小開口間の間隔を適度に保ち、一定量の採取を行うことができる。
また、本発明の微小開口形成装置は、前記シフト手段の少なくとも一方の面が、曲面であることを特徴とする。
上記の構成によれば、前記シフト手段の少なくとも一方の面が、シリンドリカル面等の適切に設計された曲面であることで、デフォーカスに対する非点収差を抑制または無くすことができる。
好ましくは、前記シフト手段の少なくとも一方の面が球面であることを特徴とする。
また好ましくは、前記シフト手段の少なくとも一方の面がアナモルフィック面であることを特徴とする。
さらにまた好ましくは、前記シフト手段の少なくとも一方の面がシリンドリカル面であることを特徴とする。
その場合、前記シフト手段の傾きの方向とシリンドリカル面の曲率の方向とは直交していることを特徴とする。
上記の構成によれば、前記シフト手段の一方の面がシリンドリカル面である場合、かまぼこ状またはその反転形状となるシフト手段が、傾いている面に対して直交方向の軸が前記光軸に対して傾斜して設けられる場合、該シフト手段にその直交方向の軸方向にずれが生じても、屈折に変化は生じない。
したがって、前記シフト手段の少なくとも一方の面をシリンドリカル面で形成し、上記のように配置することで、前記シフト手段の前記方向に対する位置ずれに対して、前記微小開口間の間隔を一定に保持することができる。
またその場合、前記シフト手段の入射面が曲面で射出面が平面であることを特徴とする。
上記の構成によれば、前記曲面が射出面近くに形成されると、収差の影響が生じ易い。
したがって、前記光軸のシフトを行う曲面を入射面に設けることで、そのような収差の影響を小さくすることができる。
さらにまた、本発明の微小開口形成装置は、前記生体表面に光吸収体を配置し、該光吸収体に前記レーザ光を吸収させて、その熱で生体に開口を形成することを特徴とする。
上記の構成によれば、生体に直接レーザ光を照射するよりも、カーボンブラックシートなどのレーザ光の吸収の良好な光吸収体を用いることで、所望の深さの微小開口を、小さなレーザパワーで形成することができるとともに、小さな径に形成でき、患者の負担を軽減することもできる。また、皮膚に吸収され難い波長のレーザ源も使用可能であるので、高出力で、比較的安価に入手できる光ディスク用の半導体レーザを用いることもできる。
また、本発明の微小開口形成装置では、レーザ光源はレーザダイオードであり、前記シフト手段との間に、集光レンズを有することを特徴とする。
上記の構成によれば、小型で安価であり、電池で駆動可能なので、持ち運び可能な微小開口形成装置を実現するレーザ光源として半導体レーザを用いると、そのレーザダイオードの光は発散するので、集光レンズを設ける。
したがって、小型で安価な微小開口形成装置を実現することができる。
さらにまた、本発明の体液収集システムは、前記の微小開口形成装置と、底面が開放して前記微小開口形成後の生体表面に密着設置され、前記体液の採取空間を形成するチャンバと、前記チャンバ内を減圧するとともに、滲出した体液を吸引する吸引手段とを備える体液収集装置とを含むことを特徴とする。
上記の構成によれば、微小開口の形成から、滲出した体液の吸引までを行うことができる体液収集システムを実現することができる。
本発明の微小開口形成装置は、以上のように、細胞間質液の採取などのために、生体表面にレーザ光を照射して微小開口を形成するための装置において、単一のレーザ光源からのレーザ光を複数箇所に照射して生体表面に複数の前記微小開口を作成するにあたって、単に光学部材を光路に介在して前記レーザ光のビームを曲げ、その光学部材を回転手段で回転させるのではなく、前記レーザ光が透過する材料から成り、入射面または射出面の少なくとも一方が前記レーザ光の光軸に対して傾斜して設けられることで、入射した前記レーザ光を光軸と平行にシフトして射出するシフト手段を設け、そのシフト手段を前記回転手段で光軸回りに回転させる。
それゆえ、均等な回転角度間隔でレーザ光を照射することで、シフト手段の中心から生体表面までの距離に変化が生じても、複数形成される前記微小開口間の間隔を常に一定に保つことができる。これによって、前記細胞間質液の採取の場合には、微小開口間の間隔を適度に保ち、一定量の採取を行うことができる。
さらにまた、本発明の体液収集システムは、以上のように、前記の微小開口形成装置を用い、底面が開放して前記微小開口形成後の生体表面に密着設置され、前記体液の採取空間を形成するチャンバと、前記チャンバ内を減圧するとともに、滲出した体液を吸引する吸引手段とを備える体液収集装置をさらに設ける。
それゆえ、微小開口の形成から、滲出した体液の吸引までを行うことができる体液収集システムを実現することができる。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 微小開口形成装置
２ 生体表面
２ａ 微小開口
３ チャンバ
４ 体液収集装置
５ 輸液管
６ 負圧装置
７ センサ
８ 液体採取容器
１１ レーザ光
１２ レーザダイオード
１３，１３ｂ，１３ｃ 集光レンズ
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ シフト板
１６ 光軸
１７ 回転機構
１８ 駆動回路基板
１９ 筐体
２０，２１ カバーガラス
２３，２３ｃ 集光レンズ
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１９ 筐体
２０，２１ カバーガラス
２３，２３ｃ 集光レンズ
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の第１の形態に係る体液収集システムに用いられる微小開口形成装置１の構造を示す断面図である。この微小開口形成装置１は、レーザ光１１を発生するレーザダイオード１２と、そのレーザダイオード１２からの発散するレーザ光１１を集光する集光レンズ１３と、後述するシフト板１５と、前記シフト板１５を光軸１６回りに回転させる回転機構１７と、前記レーザダイオード１２を駆動する駆動回路基板１８と、それらを収納して所定の位置で保持する筐体１９とを備えて構成される。
図１は、本発明の実施の第１の形態に係る体液収集システムに用いられる微小開口形成装置１の構造を示す断面図である。この微小開口形成装置１は、レーザ光１１を発生するレーザダイオード１２と、そのレーザダイオード１２からの発散するレーザ光１１を集光する集光レンズ１３と、後述するシフト板１５と、前記シフト板１５を光軸１６回りに回転させる回転機構１７と、前記レーザダイオード１２を駆動する駆動回路基板１８と、それらを収納して所定の位置で保持する筐体１９とを備えて構成される。
前記レーザダイオード１２は、たとえばＤＶＤ用の６６０ｎｍのレーザ光を発生する。したがって、高出力のものであっても比較的安価に入手できるので好ましい。また、電池で駆動可能なので、持ち運び可能な微小開口形成装置１を実現することができる。
しかしながら、半導体レーザは一般に発散する特性を有しているので、前記微小開口を形成するために、前記集光レンズ１３が介在されている。また、前記の波長は、皮膚には吸収されるが、その吸収率は比較的小さいので、生体表面（たとえば、腕や腰）２には、直接レーザ光を照射するよりも、図示しない光吸収体を配置して、それに照射することが好ましい。前記光吸収体には、カーボンブラックを混ぜた樹脂フィルムなどを用いることができ、その片面には生体表面２への貼付け用の接着剤が塗布され、たとえば大きさは直径１ｃｍ程度、厚みは１００μｍ程度である。
そして、前記駆動回路基板１８には、前記レーザダイオード１２の駆動回路や全体の制御回路および操作部や電源などが実装されており、該駆動回路基板１８によって、レーザダイオード１２は、たとえば５０ｍｓｅｃの周期でｏｎ／ｏｆｆを繰返すパルスで、１０パルス程度駆動され、生体表面２には、直径１００μｍ、深さ１００μｍ程度の微小開口２ａが形成される。前記樹脂フィルムの吸収係数等にもよるが、パルスで照射することで、一度に長時間照射する場合に比べて、径を広げずに深さ方向に掘り進むことができる。このようなレーザ光１１の吸収の良好な光吸収体を用いることで、所望の深さの微小開口２ａを、小さなレーザパワーで形成することができるとともに、小さな径に形成でき、患者の負担を軽減することもできる。
前記微小開口２ａの直径および深さは、角質および表皮のみを除去する程度で、たとえば５μｌ／ｈ程度の細胞間質液を滲み出させることができる。一方、パルス数を増やし、深さが１５０μｍを超えると真皮に到達し、毛細血管から血液を採取することができる。しかしながらその場合、神経があるので、痛みを感じる可能性がある。逆にパルス数を減らし、深さが５０μｍ未満であると、角質のみの除去となり、細胞間質液が滲み出すのに必要な表皮の除去が行えない。したがって、前記細胞間質液の採取には、微小開口２ａの深さは、５０〜１５０μｍが好ましく、前記１００μｍが最も好ましい。直径は深さと同程度であれば、充分な滲み出しが期待でき、あまり大きすぎると目視ではっきりと孔が見えてしまうので、患者にとって低侵襲とはいえない。
図２は、前記微小開口２ａが形成された後に使用され、前記微小開口形成装置１とともに体液収集システムを構成する体液収集装置４の構成を示す図である。この体液収集装置４は、手術後の患者の血中グルコース濃度（血糖値）を、たとえば３０分や１時間という決められた時間間隔で細胞間質液を採取することでモニタリングを行うものである。他にも、アルコール濃度の測定などにも使用することができる。
この体液収集装置４は、大略的に、底面が開放して前記患者の生体表面２にテープ止めなどで密着設置されるチャンバ３と、前記チャンバ３に連なる輸液管５と、前記輸液管５を介して前記チャンバ３内を減圧する負圧装置６と、前記負圧装置６によって吸引された細胞間質液中の前記血中グルコース濃度を測定するセンサ７と、前記センサ７を通過した細胞間質液を貯留する液体採取容器８とを備えて構成される。
前記チャンバ３は、楕円体の殻が長径方向で半分に分割された形状を有する透明樹脂から成り、たとえば直径２ｃｍ、高さは１ｃｍで、内部は前記体液の採取空間を形成するために空洞で、底面は前記のように開放して前記生体表面２に臨む。
吸引手段である前記負圧装置６は、吸引を行うポンプに、電源、その制御回路、駆動回路および操作部等を備えて構成されるが、詳細は省略する。この負圧装置６は、採取時に要求される負圧を、前記操作部からの操作に応答して適宜発生してもよく、或いはチャンバ３内や、輸液管５内に設けた圧力センサの検出結果に応答して、適宜要求される負圧を維持するようにしてもよい。
注目すべきは、前記微小開口形成装置１では、前記集光レンズ１３と生体表面２との間には、前記レーザ光１１が透過する材料から成り、入射面または射出面の少なくとも一方（図１では両面）が前記レーザ光１１の光軸１６に対して傾斜して設けられることで、たとえば中心（光軸１６上）に入射した前記レーザ光１１を前記中心から距離Ｗ０だけシフトさせ、かつ光軸１６と平行に射出するシフト手段である前記シフト板１５が介在されるとともに、そのシフト板１５が回転手段である前記回転機構１７によって光軸１６回りに回転されることで、複数の前記微小開口２ａを前記生体表面２に作成可能となっていることである。前記回転機構１７は、駆動回路基板１８によって制御され、均等な回転角度間隔で順次変位駆動され、各回転角度位置で前述のようにしてレーザ光１１の照射が行われる。したがって、たとえば１２０°毎で３箇所、９０°毎で４箇所の微小開口の形成が行われる。
たとえば、前記シフト板１５は、ＢＫ７から成り、前記光軸１６の垂直面１４からθ＝２５°傾斜して配置される。そして、たとえば１ｍｍ程度の直径の円周上に４つ（正方形）の微小開口を作成する場合、前記ＢＫ７による屈折率１．５、厚さ３．５ｍｍ程度の平行平板を前記θ＝２５°傾けると、Ｗ０＝０．５５ｍｍ程度のシフトが得られるので、円周上に均等に９０°回転毎に作成すると、図３で示すように、８００μｍ程度の正方形の頂点の位置に前記微小開口２ａを作成できることになる。表１には、図３で示すように、８００μｍの正方形の頂点位置に微小開口２ａを作成するためのＷ０＝０．５６ｍｍのシフト量を得るにあたって、前記屈折率１．５程度の板（ＢＫ７）を用いた場合に、板の厚さと必要な傾きθとの関係を示す。
このように細胞間質液の採取などのために、生体表面２にレーザ光１１を照射して微小開口を形成するための装置１において、単一のレーザダイオード１２からのレーザ光１１を複数箇所に照射して生体表面２に複数の前記微小開口２ａを作成するにあたって、単に光学部材を光路に介在して前記レーザ光１１のビームを曲げ、その光学部材を回転機構１７で回転させるのではなく、図１で示すように、たとえば中心（光軸１６上）に入射した前記レーザ光１１を前記中心からシフトさせ、かつ参照符号１６’で示すように光軸１６と平行に射出するシフト板１５を設け、そのシフト板１５を前記回転機構１７で光軸１６回りに回転させることで、該シフト板１５から生体表面２までの距離に変化が生じても、光軸１６からその微小開口までの間隔Ｗ０を常に一定に保つことができる。これによって、図３で示すように、所定の円周上に均等な間隔で複数形成される前記微小開口間２ａの間隔Ｌを常に一定に保つことができ、前記細胞間質液を採取するにあたって、微小開口２ａ間の間隔がチャンバ３からはみ出したり、近付き過ぎたりすることなく、常に適度に保ち、一定量の採取を行うことができる。
［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の第２の形態に係る微小開口形成装置１ａの光学系を詳しく説明するための図である。この微小開口形成装置１ａは、前述の微小開口形成装置１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。この微小開口形成装置１ａでの微小開口２ａの形成後には、前述の図２で示す体液収集装置４を用いて、間質液の採取を行うことができる。この微小開口形成装置１ａでは、光学系が、前述の微小開口形成装置１と異なるだけである。図４において、光軸１６方向をＺ軸とし、それに垂直かつ紙面内の方向をＹ軸とし、紙面垂直方向をＸ軸とする。以下、光学系の図では、同様の座標軸を用いるものとする。
図４は、本発明の実施の第２の形態に係る微小開口形成装置１ａの光学系を詳しく説明するための図である。この微小開口形成装置１ａは、前述の微小開口形成装置１に類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。この微小開口形成装置１ａでの微小開口２ａの形成後には、前述の図２で示す体液収集装置４を用いて、間質液の採取を行うことができる。この微小開口形成装置１ａでは、光学系が、前述の微小開口形成装置１と異なるだけである。図４において、光軸１６方向をＺ軸とし、それに垂直かつ紙面内の方向をＹ軸とし、紙面垂直方向をＸ軸とする。以下、光学系の図では、同様の座標軸を用いるものとする。
前述の微小開口形成装置１では、シフト板１５は平行平板である。この場合、レーザ光１１が傾いた平行平板を透過することになり、傾いた方向とそれに直交する方向とで焦点位置が異なると言ういわゆる非点収差が発生してしまい、集光状態を変化させてしまう。具体的には、縦方向の焦点位置では横長の集光状態、横方向では縦長の集光状態になり、その中間では円形に近付くが、スポットの大きさが大きく、全体を通して集光状態はあまり良くない。つまり、デフォーカスによって集光状態が異なるので、前記微小開口２ａの間隔は変化しなくても、微小開口２ａの形が変化してしまうとともに、そもそも集光点のエネルギー不足によって、必要な大きさの微小開口２ａを作成できない可能性が生じる。
図５は、前記ＢＫ７から成る３ｍｍの板を、θ＝３０°傾けたときのスポットダイアグラム（集光状態）をデフォーカス１００μｍ毎に表示したものである。左から順に、−２０μｍ、−１００μｍ、±０μｍ（ベスト位置）、＋１００μｍ、＋２００μｍのデフォーカス位置でのスポット形状を表している。図の右のスケールは、１００μｍである。以下、スポットダイアグラムの図では、同様のスケールを用いるものとする。ここで、光軸１６方向に、レーザ光１１の進む方向をデフォーカスのプラス、反対方向をマイナスとしている。図５を参照して、ベスト位置の前寄りでは縦長の、後ろ寄りでは横長になっており、その大きさも１００μｍ弱とかなり大きいことが理解される。さらに、ベスト位置でもかなりの点像の広がりになってしまっているので、良好な集光位置が得られず、前述のように良好な微小開口の作成が困難である可能性のあることが理解される。
そこで注目すべきは、本実施の形態の微小開口形成装置１ａでは、シフト板１５ａが、平板ではなく、少なくとも一方（図４では集光レンズ１３側）を、非点収差を補償する曲面にすることで、前記デフォーカスに対する非点収差を抑制または無くし、常に同じような微小開口を作成可能となっていることである。
一般に、前記非点収差を解消するためには、シリンドリカルレンズ等の方向によって焦点位置が異なる特性を有する光学素子を光学系に配置すればよい。しかしながら、たとえば集光レンズ１３やその直後にそういった光学素子を配置した場合は、シフト板１５の或る方向においては良好な収差補正特性を有するが、他の方向には逆に悪化するような働きを有してしまう。このため、本実施の形態では、前記非点収差を低減する光学素子がシフト板１５と一体で回転するように、シフト板１５ａ自体をシリンドリカルレンズとする。これによって、単一のレーザダイオード１２からのレーザ光１１によって複数の微小開口を形成するシフト手段と、それによる非点収差を低減する光学素子とを１部品で構成することもできる。
下記には、本実施の形態の光学系の詳しいデータを記載する。図４と下記データとでは、対応位置を参照符号Ｐに添数字を付して示している。以下の実施の形態も共通に、曲率半径や間隔（厚み）などの単位は、ｍｍである。なお、この詳しい光学系には、レーザダイオード１２は、カバーガラス２１を通してレーザ光１１を放射し、また生体表面２上にもカバーガラス２０が設けられている。このカバーガラス２０を生体表面２に押し当てることで、柔らかい生体表面であっても、レーザ光１１が集光するピントのずれを小さくすることができる。したがって、本実施の形態の光学系は、光源（レーザダイオード１２）から順に、平板のレーザカバーガラス２１、両凸の集光レンズ１３、光軸１６に対してシリンドリカル面を光源側にして、曲率を紙面垂直方向のＸ方向に有するシフト板１５ａおよび平板のカバーガラス２０から成る。
位置 部材 Ｙ曲率半径 Ｘ曲率半径 間隔 材料 傾き 円錐係数
Ｐ１ レーザダイオード Infinity Infinity 0.30 ０
Ｐ２ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.30 ＢＫ７ ０
Ｐ３ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.42 ０
Ｐ11 集光レンズ 5.047 5.047 4.00 ＢＫ７ ０
Ｐ12 集光レンズ −1.474 −1.474 3.00 −0.720
Ｐ13 シリンダレンズ Infinity −206.7 3.00 ＢＫ７ 28.5 ０
Ｐ14 シリンダレンズ Infinity Infinity 0.00 ０
Ｐ15 ダミー面 Infinity Infinity 6.76 −28.5 ０
Ｐ16 カバーガラス Infinity Infinity 3.30 ＢＫ７ ０
Ｐ17 カバーガラス Infinity Infinity 0.00 ０
Ｐ４ 焦点 Infinity Infinity ０
このような光学系によるスポットダイアグラム（集光状態）を、前述の図５と同様に示したものを図６に示す。これらの図を比較して、前記縦長および横長の長さが抑制されるとともに、スポットが円に近付き、ベスト位置から多少デフォーカスしても、すなわち生体表面２の高さが多少ばらついても、良好な集光状態が得られ、デフォーカス特性が劇的に改善していることが理解される。こうして、非点収差を補償し、常に同じような微小開口を作成することができる。
位置 部材 Ｙ曲率半径 Ｘ曲率半径 間隔 材料 傾き 円錐係数
Ｐ１ レーザダイオード Infinity Infinity 0.30 ０
Ｐ２ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.30 ＢＫ７ ０
Ｐ３ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.42 ０
Ｐ11 集光レンズ 5.047 5.047 4.00 ＢＫ７ ０
Ｐ12 集光レンズ −1.474 −1.474 3.00 −0.720
Ｐ13 シリンダレンズ Infinity −206.7 3.00 ＢＫ７ 28.5 ０
Ｐ14 シリンダレンズ Infinity Infinity 0.00 ０
Ｐ15 ダミー面 Infinity Infinity 6.76 −28.5 ０
Ｐ16 カバーガラス Infinity Infinity 3.30 ＢＫ７ ０
Ｐ17 カバーガラス Infinity Infinity 0.00 ０
Ｐ４ 焦点 Infinity Infinity ０
このような光学系によるスポットダイアグラム（集光状態）を、前述の図５と同様に示したものを図６に示す。これらの図を比較して、前記縦長および横長の長さが抑制されるとともに、スポットが円に近付き、ベスト位置から多少デフォーカスしても、すなわち生体表面２の高さが多少ばらついても、良好な集光状態が得られ、デフォーカス特性が劇的に改善していることが理解される。こうして、非点収差を補償し、常に同じような微小開口を作成することができる。
また、シフト板１５ａにおいて、シリンドリカル面を入射面に設け、射出面を平面とすることで、曲面が射出面近くに形成されると、収差の影響が生じ易いのに対して、そのような収差の影響を小さくすることもできる。
［実施の形態３］
図７は、本発明の実施の第３の形態に係る微小開口形成装置１ｂの光学系を詳しく説明するための図である。この微小開口形成装置１ｂは、前述の微小開口形成装置１ａに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態の微小開口形成装置１ｂでは、非球面の集光レンズ１３ｂとシリンドリカルレンズから成るシフト板１５ｂとの間に、平凹レンズから成るもう１つの集光レンズ２３が介在されていることである。これによって、レンズバックを長くすることができ、前記回転機構１７を挿入し易くなっている。下記には、上述と同様に、本実施の形態の光学系の詳しいデータを記載する。したがって、本実施の形態の光学系は、光源（レーザダイオード１２）から順に、平板のレーザカバーガラス２１、両凸の集光レンズ１３ｂ、平凹の集光レンズ２３および光軸１６に対してシリンドリカル面を光源側にして、曲率を紙面垂直方向のＸ方向に有するシフト板１５ｂから成る。図７と下記のデータとでも、対応位置を参照符号Ｐに添数字を付して示している。
位置 部材 Ｙ曲率半径 Ｘ曲率半径 間隔 材料 傾き 円錐係数
Ｐ１ レーザダイオード Infinity Infinity 0.30 ０
Ｐ２ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.30 ＢＫ７ ０
Ｐ３ レーザカバーガラス Infinity Infinity 1.93 ０
Ｐ21 集光レンズ 22.939 22.939 2.00 ＢＫ７ ０
Ｐ22 集光レンズ −1.475 −1.475 4.82 −0.809
Ｐ23 集光レンズ(凹) Infinity Infinity 1.50 ＳＦ11 ０
Ｐ24 集光レンズ(凹) 14.200 14.200 3.00 ０
Ｐ25 シリンダレンズ Infinity −39.1 3.00 ＢＫ７ ２５ ０
Ｐ26 シリンダレンズ Infinity Infinity 0.00 ０
Ｐ27 ダミー面 Infinity Infinity 2.38 −２５ ０
Ｐ４ 焦点 Infinity Infinity ０
このような光学系によるスポットダイアグラム（集光状態）を、前述の図６と同様に示したものを図８に示す。これらの図を比較して、前記縦長および横長の長さが抑制されるとともに、スポットが円に近付き、ベスト位置から多少デフォーカスしても、すなわち生体表面２の高さが多少ばらついても、良好な集光状態が得られ、デフォーカス特性が劇的に改善していることが理解される。こうして、非点収差を補償し、常に同じような微小開口を作成することができる。
図７は、本発明の実施の第３の形態に係る微小開口形成装置１ｂの光学系を詳しく説明するための図である。この微小開口形成装置１ｂは、前述の微小開口形成装置１ａに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態の微小開口形成装置１ｂでは、非球面の集光レンズ１３ｂとシリンドリカルレンズから成るシフト板１５ｂとの間に、平凹レンズから成るもう１つの集光レンズ２３が介在されていることである。これによって、レンズバックを長くすることができ、前記回転機構１７を挿入し易くなっている。下記には、上述と同様に、本実施の形態の光学系の詳しいデータを記載する。したがって、本実施の形態の光学系は、光源（レーザダイオード１２）から順に、平板のレーザカバーガラス２１、両凸の集光レンズ１３ｂ、平凹の集光レンズ２３および光軸１６に対してシリンドリカル面を光源側にして、曲率を紙面垂直方向のＸ方向に有するシフト板１５ｂから成る。図７と下記のデータとでも、対応位置を参照符号Ｐに添数字を付して示している。
位置 部材 Ｙ曲率半径 Ｘ曲率半径 間隔 材料 傾き 円錐係数
Ｐ１ レーザダイオード Infinity Infinity 0.30 ０
Ｐ２ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.30 ＢＫ７ ０
Ｐ３ レーザカバーガラス Infinity Infinity 1.93 ０
Ｐ21 集光レンズ 22.939 22.939 2.00 ＢＫ７ ０
Ｐ22 集光レンズ −1.475 −1.475 4.82 −0.809
Ｐ23 集光レンズ(凹) Infinity Infinity 1.50 ＳＦ11 ０
Ｐ24 集光レンズ(凹) 14.200 14.200 3.00 ０
Ｐ25 シリンダレンズ Infinity −39.1 3.00 ＢＫ７ ２５ ０
Ｐ26 シリンダレンズ Infinity Infinity 0.00 ０
Ｐ27 ダミー面 Infinity Infinity 2.38 −２５ ０
Ｐ４ 焦点 Infinity Infinity ０
このような光学系によるスポットダイアグラム（集光状態）を、前述の図６と同様に示したものを図８に示す。これらの図を比較して、前記縦長および横長の長さが抑制されるとともに、スポットが円に近付き、ベスト位置から多少デフォーカスしても、すなわち生体表面２の高さが多少ばらついても、良好な集光状態が得られ、デフォーカス特性が劇的に改善していることが理解される。こうして、非点収差を補償し、常に同じような微小開口を作成することができる。
［実施の形態４］
図９は、本発明の実施の第４の形態に係る微小開口形成装置１ｃの光学系を詳しく説明するための図である。この微小開口形成装置１ｃも、前述の微小開口形成装置１ａ，１ｂに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態の微小開口形成装置１ｃでは、シフト板１５ｃに、球面レンズが用いられるとともに、集光レンズ２３ｃに両面凹のレンズが用いられることである。下記には、上述と同様に、本実施の形態の光学系の詳しいデータを記載する。したがって、本実施の形態の光学系は、光源（レーザダイオード１２）から順に、平板のレーザカバーガラス２１、両凸の集光レンズ１３ｃ、両凹の集光レンズ２３ｃおよび光源側に凸の前記球面レンズから成るシフト板１５ｃから成る。図９と下記のデータとでも、対応位置を参照符号Ｐに添数字を付して示している。
位置 部材 Ｙ曲率半径 Ｘ曲率半径 間隔 材料 傾き 円錐係数
Ｐ１ レーザダイオード Infinity Infinity 0.30 ０
Ｐ２ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.30 ＢＫ７ ０
Ｐ３ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.55 ０
Ｐ31 集光レンズ 6.260 6.260 2.00 ＢＫ７ ０
Ｐ32 集光レンズ −0.916 −0.916 2.00 −0.806
Ｐ33 集光レンズ(凹) −9.700 −9.700 1.50 ＳＦ11 ０
Ｐ34 集光レンズ(凹) 9.700 9.700 1.27 ０
Ｐ35 球面レンズ 25.8 25.8 5.30 ＢＫ７ １０ ０
Ｐ36 球面レンズ Infinity Infinity 0.00 ０
Ｐ37 ダミー面 Infinity Infinity 5.00 −１０ ０
Ｐ４ 焦点 Infinity Infinity ０
このような光学系によるスポットダイアグラム（集光状態）を、前述の図６および図８と同様に示したものを図１０に示す。球面レンズを用いることで、シリンドリカルレンズよりも製造し易く、安価にできるとともに、残存のコマ収差がないので、スポットがより円に近付いていることが理解される。
図９は、本発明の実施の第４の形態に係る微小開口形成装置１ｃの光学系を詳しく説明するための図である。この微小開口形成装置１ｃも、前述の微小開口形成装置１ａ，１ｂに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態の微小開口形成装置１ｃでは、シフト板１５ｃに、球面レンズが用いられるとともに、集光レンズ２３ｃに両面凹のレンズが用いられることである。下記には、上述と同様に、本実施の形態の光学系の詳しいデータを記載する。したがって、本実施の形態の光学系は、光源（レーザダイオード１２）から順に、平板のレーザカバーガラス２１、両凸の集光レンズ１３ｃ、両凹の集光レンズ２３ｃおよび光源側に凸の前記球面レンズから成るシフト板１５ｃから成る。図９と下記のデータとでも、対応位置を参照符号Ｐに添数字を付して示している。
位置 部材 Ｙ曲率半径 Ｘ曲率半径 間隔 材料 傾き 円錐係数
Ｐ１ レーザダイオード Infinity Infinity 0.30 ０
Ｐ２ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.30 ＢＫ７ ０
Ｐ３ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.55 ０
Ｐ31 集光レンズ 6.260 6.260 2.00 ＢＫ７ ０
Ｐ32 集光レンズ −0.916 −0.916 2.00 −0.806
Ｐ33 集光レンズ(凹) −9.700 −9.700 1.50 ＳＦ11 ０
Ｐ34 集光レンズ(凹) 9.700 9.700 1.27 ０
Ｐ35 球面レンズ 25.8 25.8 5.30 ＢＫ７ １０ ０
Ｐ36 球面レンズ Infinity Infinity 0.00 ０
Ｐ37 ダミー面 Infinity Infinity 5.00 −１０ ０
Ｐ４ 焦点 Infinity Infinity ０
このような光学系によるスポットダイアグラム（集光状態）を、前述の図６および図８と同様に示したものを図１０に示す。球面レンズを用いることで、シリンドリカルレンズよりも製造し易く、安価にできるとともに、残存のコマ収差がないので、スポットがより円に近付いていることが理解される。
［実施の形態５］
図１１は、本発明の実施の第５の形態に係る微小開口形成装置１ｄの光学系を詳しく説明するための図である。この微小開口形成装置１ｄも、前述の微小開口形成装置１ｃに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態の微小開口形成装置１ｄでは、前述の微小開口形成装置１ｃにおけるシフト板１５ｃに代えて、アナモルフィックレンズから成るシフト板１５ｄが用いられることである。下記には、上述と同様に、本実施の形態の光学系の詳しいデータを記載する。したがって、本実施の形態の光学系は、光源（レーザダイオード１２）から順に、平板のレーザカバーガラス２１、両凸の集光レンズ１３ｃ、両凹の集光レンズ２３ｃおよび光源側に凸の前記アナモルフィックレンズから成るシフト板１５ｄから成る。図１１と下記のデータとでも、対応位置を参照符号Ｐに添数字を付して示している。
位置 部材 Ｙ曲率半径 Ｘ曲率半径 間隔 材料 傾き 円錐係数
Ｐ１ レーザダイオード Infinity Infinity 0.30 ０
Ｐ２ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.30 ＢＫ７ ０
Ｐ３ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.55 ０
Ｐ41 集光レンズ 6.260 6.260 2.00 ＢＫ７ ０
Ｐ42 集光レンズ −0.916 −0.916 2.00 −0.806
Ｐ43 集光レンズ(凹) −9.700 −9.700 1.50 ＳＦ11 ０
Ｐ44 集光レンズ(凹) 9.700 9.700 1.27 ０
Ｐ45 アナモルフィックレンズ 6.344 5.816 5.30 ＢＫ７ ２５ −12.04(Y)
−9.66(X)
Ｐ46 アナモルフィックレンズ Infinity Infinity 0.00 ０
Ｐ47 ダミー面 Infinity Infinity 5.00 −２５ ０
Ｐ４ 焦点 Infinity Infinity ０
このような光学系によるスポットダイアグラム（集光状態）を、前述の図６、図８および図１０と同様に示したものを図１２に示す。アナモルフィックレンズを用いることで、球面レンズと違って、ｘ方向とｙ方向との曲率半径を自由に選択できるので、シフト板１５ｄの位置や曲率半径を任意に設定することができ、設計の自由度（レンズ間隔や焦点距離の配置）を高くすることができるとともに、シリンドリカル面で残存していた若干のコマ収差を補正できることで集光特性をさらに向上できるという効果を得ることができる。
図１１は、本発明の実施の第５の形態に係る微小開口形成装置１ｄの光学系を詳しく説明するための図である。この微小開口形成装置１ｄも、前述の微小開口形成装置１ｃに類似し、対応する部分には同一の参照符号を付して示し、その説明を省略する。注目すべきは、本実施の形態の微小開口形成装置１ｄでは、前述の微小開口形成装置１ｃにおけるシフト板１５ｃに代えて、アナモルフィックレンズから成るシフト板１５ｄが用いられることである。下記には、上述と同様に、本実施の形態の光学系の詳しいデータを記載する。したがって、本実施の形態の光学系は、光源（レーザダイオード１２）から順に、平板のレーザカバーガラス２１、両凸の集光レンズ１３ｃ、両凹の集光レンズ２３ｃおよび光源側に凸の前記アナモルフィックレンズから成るシフト板１５ｄから成る。図１１と下記のデータとでも、対応位置を参照符号Ｐに添数字を付して示している。
位置 部材 Ｙ曲率半径 Ｘ曲率半径 間隔 材料 傾き 円錐係数
Ｐ１ レーザダイオード Infinity Infinity 0.30 ０
Ｐ２ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.30 ＢＫ７ ０
Ｐ３ レーザカバーガラス Infinity Infinity 0.55 ０
Ｐ41 集光レンズ 6.260 6.260 2.00 ＢＫ７ ０
Ｐ42 集光レンズ −0.916 −0.916 2.00 −0.806
Ｐ43 集光レンズ(凹) −9.700 −9.700 1.50 ＳＦ11 ０
Ｐ44 集光レンズ(凹) 9.700 9.700 1.27 ０
Ｐ45 アナモルフィックレンズ 6.344 5.816 5.30 ＢＫ７ ２５ −12.04(Y)
−9.66(X)
Ｐ46 アナモルフィックレンズ Infinity Infinity 0.00 ０
Ｐ47 ダミー面 Infinity Infinity 5.00 −２５ ０
Ｐ４ 焦点 Infinity Infinity ０
このような光学系によるスポットダイアグラム（集光状態）を、前述の図６、図８および図１０と同様に示したものを図１２に示す。アナモルフィックレンズを用いることで、球面レンズと違って、ｘ方向とｙ方向との曲率半径を自由に選択できるので、シフト板１５ｄの位置や曲率半径を任意に設定することができ、設計の自由度（レンズ間隔や焦点距離の配置）を高くすることができるとともに、シリンドリカル面で残存していた若干のコマ収差を補正できることで集光特性をさらに向上できるという効果を得ることができる。
上述の実施の形態では、シフト手段として、平行平板以外に、シリンドリカルレンズ、球面レンズおよびアナモルフィックレンズが用いられたけれども、それらに限ったものでもなく、適切に設計された曲面であればよい。他には、非球面や自由曲面等である。適切な設計とは、バック位置と非点収差の量とに応じた非対称パワーを発生させる面を配置することであり、光学設計ツール等で求めることができる。特に、傾き方向にパワーのない面や小さい面が好ましい。その理由は、傾き方向にパワーを有していると、傾き方向の面頂点が主光線に一致している場合はよいが、平行偏心でずれた場合は、その分だけ楔効果が発生し、収差の発生と光線の傾きとが発生するためである。これにより、収差によって集光特性が悪化したり、デフォーカスにより微小開口２ａの間隔が幾分変化したりするので、その影響のないようにするためには傾き方向のパワーはその直交方向よりも小さいことが好ましい。
そこで、たとえばシリンドリカルレンズの場合、図１３（ａ）で示すように、傾いている面Ｒに対して平行方向の軸Ｈが前記光軸１６に対して傾斜して設けられる場合、該シリンドリカルレンズにその平行方向の軸Ｈ方向にずれが生じると、前記楔効果によって屈折が変化してしまうのに対して、図１３（ｂ）で示すように、傾いている面Ｒに対して直交方向の軸Ｖが前記光軸１６に対して傾斜して設けられる場合、該シリンドリカルレンズにその直交方向の軸Ｖ方向にずれが生じても、屈折に変化は生じず、好適である。
Claims (10)
- 生体の表面にレーザ光を照射して微小開口を形成するための装置において、
前記レーザ光が透過する材料から成り、入射される前記レーザ光の光軸に対して入射面または射出面の少なくとも一方が傾斜して設けられることで、入射された前記レーザ光を、入射される前記レーザ光の光軸と平行であって、所定距離シフトされた光軸上で射出させるシフト手段と、
前記シフト手段を、当該シフト手段に入射される前記レーザ光の光軸回りに回転させることで複数の前記微小開口を前記生体の表面に作成する回転手段とを含むことを特徴とする微小開口形成装置。 - 前記シフト手段の少なくとも一方の面が、曲面であることを特徴とする請求項１に記載の微小開口形成装置。
- 前記シフト手段の少なくとも一方の面が球面であることを特徴とする請求項２に記載の微小開口形成装置。
- 前記シフト手段の少なくとも一方の面がアナモルフィック面であることを特徴とする請求項２に記載の微小開口形成装置。
- 前記シフト手段の少なくとも一方の面がシリンドリカル面であることを特徴とする請求項２に記載の微小開口形成装置。
- 前記シフト手段の傾きの方向とシリンドリカル面の曲率の方向とは直交していることを特徴とする請求項５に記載の微小開口形成装置。
- 前記シフト手段の入射面が曲面で射出面が平面であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の微小開口形成装置。
- 前記生体の表面に光吸収体を配置し、該光吸収体に前記レーザ光を吸収させて、その熱で前記生体に開口を形成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の微小開口形成装置。
- 前記レーザ光のレーザ光源はレーザダイオードであり、前記シフト手段と前記レーザダイオードとの間に、集光レンズを有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の微小開口形成装置。
- 請求項１〜９のいずれか１項に記載の微小開口形成装置と、
底面が開放されたチェンバであって、前記微小開口が形成された前記生体の表面に前記開放された底面が密着設置され、前記生体の体液の採取空間を形成するチャンバと、前記チャンバ内を減圧するとともに、前記微小開口から滲出した体液を吸引する吸引手段とを備える体液収集装置とを含むことを特徴とする体液収集システム。
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Patent Citations (4)
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