JP5477058B2 - Component measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、成分測定装置に関し、詳しくは、レーザー光で成分の濃度などを測定する成分測定装置の改善に関する。 The present invention relates to a component measuring apparatus, and more particularly to an improvement of a component measuring apparatus that measures the concentration of a component with laser light.
従来から、たとえば血液中の血糖値などの成分の濃度などを測定する場合には、注射器で人体から血液を採取したり、指先や耳たぶを穿刺したりして、血液を実際に採取して血液中のグルコース濃度をすることが多い。 Conventionally, for example, when measuring the concentration of blood sugar or other components in blood, blood is collected from a human body with a syringe or punctured with a fingertip or earlobe, and blood is actually collected to obtain blood. Often the concentration of glucose in the medium.
一般に、血糖値は、食事の前後や運動後などの測定条件によって大きく変化することから、正確な血糖値データを得るためには頻繁に測定しなければならないが、その都度採血して直接分析する従来の方法は、被験者に与える苦痛も大きいという問題がある。 In general, blood glucose levels vary greatly depending on measurement conditions such as before and after meals and after exercise. Therefore, blood glucose levels must be measured frequently in order to obtain accurate blood glucose level data. The conventional method has a problem that the pain given to the subject is great.
そこで、出願人は、このように生体を侵襲して血液を採取せずに、生体にレーザー光を照射してその生体からの反射光を検出し、レーザー光が生体により吸収された度合(吸光度)に基づいて目的の成分(たとえば血液中のグルコース)の濃度などを測定する共焦点光学系を用いた生体成分測定装置を出願している(特許文献1参照)。 Therefore, the applicant does not invade the living body and collect blood, but irradiates the living body with laser light to detect reflected light from the living body, and the degree to which the laser light is absorbed by the living body (absorbance). ), A biological component measuring apparatus using a confocal optical system that measures the concentration of a target component (for example, glucose in blood) has been filed (see Patent Document 1).
図6は、特許文献1に記載されている生体成分測定装置の構成図である。
図6において、レーザーダイオード1から出力されるレーザー光は、コリメートレンズ2で平行光に整形され、コリメートレンズ2の光軸に対してほぼ45°の傾斜を有する状態で配置されたハーフミラー3に入射される。なお、レーザーダイオード1としては、たとえばグルコースの吸収が比較的大きい1600nm〜1700nmの波長領域のレーザー光を出力できる可変波長レーザーを用いる。
FIG. 6 is a configuration diagram of the biological component measuring apparatus described in Patent Document 1.
In FIG. 6, the laser light output from the laser diode 1 is shaped into parallel light by the
ハーフミラー3を透過した平行光は、対物レンズ4により集光されて生体LBの内部組織に照射される。生体LBの内部組織で反射されたレーザー光は、再び対物レンズ4に入射されて平行光に整形され、ハーフミラー3に入射されてほぼ90°の方向に反射するように光路変換される。
The parallel light transmitted through the
ハーフミラー3で光路変換されて反射されたレーザー光は、レンズ5により集光されてピンホール6に入射される。ピンホール6を通過したレーザー光は、受光素子7に入射されて電気信号に変換される。ここで、レーザーダイオード1と対物レンズ4とピンホール6と受光素子7は、共焦点光学系を構成している。
The laser light reflected by the optical path change by the
受光素子7は、受光したレーザー光の光量に応じて強さや大きさが増減する電気信号に変換し、A/D変換器8に入力する。A/D変換器8は、受光素子7から入力される電気信号をデジタルデータに変換し、データ解析部9に入力する。
The light receiving
データ解析部9は、波長の異なる2波長以上の各レーザー光が生体LBに照射されたときに受光素子7から変換出力される複数の電気信号に基づいて生体LBの成分の定量解析を行う。
The
具体的には、血糖値すなわち血液内のグルコース濃度の定量を行う場合、データ解析部9にはあらかじめ測定された血液内のグルコース濃度とレーザー光の吸光度との検量線が記憶されていて、データ解析部9は、この検量線に基づいて生体LBの血液内のグルコース濃度の定量を行う。
Specifically, when quantifying the blood sugar level, that is, the glucose concentration in the blood, the
しかし、このような従来の生体成分測定装置は、装置の照射系および受光系を構成する各種光学部品を取り付けるのにあたり、最適の光学条件になるようにあらかじめ設計された所定の空間光路を形成する位置関係で配置しなければならず、組立調整作業時の自由度が制限されることから作業効率が低下するとともに、小型化が図りにくいという問題がある。 However, such a conventional biological component measuring apparatus forms a predetermined spatial light path designed in advance so as to be in an optimum optical condition when attaching various optical components constituting the irradiation system and the light receiving system of the apparatus. Since they must be arranged in a positional relationship and the degree of freedom during assembly and adjustment work is limited, there are problems that work efficiency is reduced and miniaturization is difficult to achieve.
本発明は、このような問題点を解決するものであり、その目的は、各種光学部品の組立調整作業時の自由度が高く、小型化が容易な成分測定装置を実現することにある。 The present invention solves such problems, and an object of the present invention is to realize a component measuring apparatus that has a high degree of freedom in assembling and adjusting various optical components and can be easily miniaturized.
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項1記載の発明は、
対物レンズを含む共焦点光学系を介してレーザーの出力光を測定対象の内部組織に照射し、前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する第1の受光素子から出力されるデータに基づき前記測定対象の成分の測定を行うデータ解析部を有する成分測定装置において、
波長可変光源よりなる前記レーザーと、
少なくとも中心領域の受光体とその外周領域の受光体が電気的に分離するように設けられた前記第1の受光素子と、
前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に3次元的に移動させる移動駆動機構と、
前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第2の受光素子と、
この第2の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路とを具備し、
前記光ファイバの少なくとも一端には屈折率分布型レンズが設けられ、
前記データ解析部は、前記第2の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記第1の受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことにより前記測定対象の表面反射による変動分を補償する
ことを特徴とする。
In order to achieve such a problem, the invention according to claim 1 of the present invention is:
A laser output light is applied to the internal tissue of the measurement target via a confocal optical system including an objective lens, and the reflected light reflected by the internal tissue of the measurement target is detected via the confocal optical system . In the component measuring apparatus having a data analysis unit that measures the component to be measured based on the data output from the light receiving element of
The laser comprising a wavelength tunable light source;
The first light receiving element provided so that at least the light receiver in the central region and the light receiver in the outer peripheral region are electrically separated;
A movement drive mechanism for moving the confocal optical system and the measurement object relatively three-dimensionally;
An optical fiber for irradiating the measurement target surface with the output light of the laser;
A second light receiving element for detecting reflected light on the surface of the measurement object based on irradiation of the optical fiber;
A laser driving circuit for driving the laser so that the output light intensity of the laser is maintained at a predetermined value based on a detection signal of the second light receiving element;
At least one end of the optical fiber is provided with a gradient index lens,
The data analysis unit divides the detection signal of the first light receiving element that detects the reflected light reflected by the internal tissue of the measurement target by the detection signal of the second light receiving element through the confocal optical system. The variation due to the surface reflection of the measurement object is compensated by measuring the component of the measurement object based on the normalized data .
請求項2は、請求項1記載の成分測定装置において、
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第3の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、
前記第2の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第1の規格化信号と、前記第3の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第2の規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
Using a built-in third light receiving element for monitoring the output light as the laser,
The data analysis unit
A first normalized signal obtained by dividing the detection signal of the light receiving element that detects the reflected light reflected by the internal tissue of the measurement target by the detection signal of the second light receiving element through the confocal optical system; A second normalized signal obtained by dividing the detection signal of the light receiving element that detects the reflected light reflected by the internal tissue of the measurement target by the detection signal of the third light receiving element through the confocal optical system is linear. The component to be measured is measured based on the combined data .
このように構成することにより、各光学部品の取付位置を比較的自由に変更することができ、成分測定装置全体の小型化が図れる。 With this configuration, the mounting position of each optical component can be changed relatively freely, and the entire component measuring apparatus can be downsized.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図1は本発明の一実施例を示す構成図であり、図6と共通する部分には同一の符号を付けている。図1の装置と図6の装置の相違点は、図1の装置ではハーフミラー3周辺以外の空間光路を光ファイバに置き換えていることにある。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to portions common to FIG. The difference between the apparatus of FIG. 1 and the apparatus of FIG. 6 is that in the apparatus of FIG. 1, the spatial optical path other than the periphery of the
図1において、レーザーダイオード1から出射されるレーザー光は屈折率分布型レンズ10に入射され、屈折率分布型レンズ10を介して光ファイバ11の一端に結合入射される。
In FIG. 1, laser light emitted from a laser diode 1 is incident on a
光ファイバ11で伝送された平行光はファイバ11の他端に接続された屈折率分布型レンズ12に入射され、一旦集光光に変換された後再び平行光に整形されてハーフミラー3に入射される。
The parallel light transmitted through the
ハーフミラー3を通過した平行光は屈折率分布型レンズ13に入射され、一旦集光光に変換された後再び平行光に整形されて光ファイバ14の一端に入射される。
The parallel light that has passed through the
光ファイバ14で伝送された平行光はファイバ14の他端に接続された屈折率分布型レンズ15に入射され、一旦集光光に変換された後再び平行光に整形されて対物レンズ4に入射される。
The parallel light transmitted through the
対物レンズ4は平行光を集光して生体LBの内部組織に照射する。生体LBの内部組織で反射された平行光は、再び対物レンズ4に入射されて平行光に整形され、屈折率分布型レンズ15→光ファイバ14→屈折率分布型レンズ13の光経路を経て再びハーフミラー3に入射され、ほぼ90°の方向に反射するように光路変換される。
The
ハーフミラー3で光路変換されて反射された平行光は屈折率分布型レンズ16に入射されて集光され、ピンホール6に入射される。ピンホール6を通過した集光光は、光ファイバ17の一端に入射される。
The parallel light that has been subjected to optical path conversion by the
光ファイバ17で伝送された平行光はファイバ17の他端に接続された屈折率分布型レンズ18に入射され、一旦平行光に変換された後再び集光光に整形されて受光素子7に入射され、電気信号に変換される。
The parallel light transmitted through the
受光素子7は、受光したレーザー集光光の光量に応じて強さや大きさが増減する電気信号に変換し、A/D変換器8に入力する。A/D変換器8は、受光素子7から入力される電気信号をデジタルデータに変換し、データ解析部9に入力する。ここで、レーザーダイオード1と対物レンズ4とピンホール6と受光素子7は、共焦点光学系を構成している。
The
データ解析部9は、従来と同様に、波長の異なる2波長以上の各レーザー光が生体LBに照射されたときに受光素子7から変換出力される複数の電気信号に基づいて生体LBの成分の定量解析を行う。
As in the conventional case, the
このような構成において、装置の光路に着目すると、ハーフミラー3の周辺部分のみが空間光路で構成されて他の大部分は光ファイバで構成されるので、装置を構成するレーザーダイオード1、対物レンズ4、受光素子7などの各光学部品のハーフミラー3に対する取付位置を比較的自由に変更することができ、構造的な位置の設計自由度が保たれる。
In such a configuration, paying attention to the optical path of the apparatus, only the peripheral part of the
これにより、各種光学部品の組立調整作業時の自由度が高くなり、装置の筐体内におけるハーフミラー3に対するレーザーダイオード1、対物レンズ4、受光素子7などの各光学部品の取付位置を適切に選定することにより装置構成部品の実装密度を高めることができ、成分測定装置全体の小型化が図れる。
As a result, the degree of freedom in assembling and adjusting various optical components is increased, and the mounting positions of the optical components such as the laser diode 1, the
上記実施例において、レーザーダイオード1から測定対象に照射される光強度を所定の値に維持するようにレーザーダイオード1を自動出力制御ループで駆動することにより、安定した測定が行える。 In the above embodiment, stable measurement can be performed by driving the laser diode 1 with an automatic output control loop so as to maintain the light intensity irradiated from the laser diode 1 to the measurement target at a predetermined value.
図2は、このような構成を前述図1の実施例に適用した例を示す構成図である。図2の実施例では、レーザーダイオード1の出力光の一部を光ファイバ19を介して測定対象である生体LBの表面に照射させてその反射光を第2の受光素子20で検出し、この第2の受光素子20の出力信号をレーザーダイオード駆動回路21に与えてレーザーダイオード1の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。
FIG. 2 is a block diagram showing an example in which such a configuration is applied to the embodiment of FIG. In the embodiment of FIG. 2, a part of the output light of the laser diode 1 is irradiated onto the surface of the living body LB to be measured via the
これにより、レーザーダイオード1の温度変化および空間強度変動に起因する出力光強度変化を抑制でき、安定した成分測定結果が得られる。 Thereby, the output light intensity change resulting from the temperature change and spatial intensity fluctuation of the laser diode 1 can be suppressed, and a stable component measurement result can be obtained.
また、第2の受光素子20の出力信号をA/D変換器22を介してデータ解析部9に加え、第1の受光素子7の出力信号を第2の受光素子20の出力信号で除算して規格化することにより、レーザーダイオード1の出力変動分や測定対象LBの表面反射による変動分を補償できる。
Further, the output signal of the second
図3は、図2のレーザーダイオード1として、その出力光をモニタする図示しない第3の受光素子が内蔵されたものを用いた実施例を示す構成図である。第3の受光素子の出力信号もレーザーダイオード駆動回路21に入力され、レーザーダイオード1の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment in which the laser diode 1 shown in FIG. 2 is incorporated with a third light receiving element (not shown) for monitoring the output light. The output signal of the third light receiving element is also input to the laser
また、第3の受光素子の出力信号もA/D変換器23を介してデータ解析部9に入力され、第1の受光素子7の出力信号を第3の受光素子の出力信号で除算して規格化する。これにより、データ解析部9は、2つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード1の出力変動分や測定対象LBの表面反射による変動分を高精度に補償する。
The output signal of the third light receiving element is also input to the
図4は、図3の実施例の屈折率分布型レンズ15と対物レンズ4との間の光路に光軸に対してほぼ45°の傾斜を有する状態で配置されたハーフミラー23と、その反射光を検出する第4の受光素子24と、この第4の受光素子24の出力信号をデジタル信号に変換するA/D変換器25を追加したものである。
FIG. 4 shows a
このように構成することにより、第4の受光素子24は、ハーフミラー23までの光路におけるレーザーダイオード1の出力光の空間変動分を検出する。第4の受光素子24の出力信号もレーザーダイオード駆動回路21に入力され、レーザーダイオード1の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。
With this configuration, the fourth
また、第4の受光素子24の出力信号もA/D変換器25を介してデータ解析部9に入力され、第1の受光素子7の出力信号を第4の受光素子24の出力信号で除算して規格化する。これにより、データ解析部9は、3つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード1の出力変動分と空間変動分および測定対象LBの表面反射による変動分をさらに精度よく補償する。
The output signal of the fourth
図5は図4の実施例から、光ファイバ19と第2の受光素子20およびA/D変換器22からなる信号系統を省いたものである。図5の構成によれば、レーザーダイオード駆動回路21は、第3の受光素子と第4の受光素子24の出力信号に基づいてレーザーダイオード1の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。そしてデータ解析部9は、第1の受光素子7の出力信号を第3の受光素子の出力信号で除算した規格化信号と第1の受光素子7の出力信号を第4の受光素子24の出力信号で除算した規格化信号に基づき、レーザーダイオード1の出力変動分および空間変動分を精度よく補償する。
FIG. 5 is obtained by omitting the signal system including the
なお、上記実施例では、レーザーダイオード1と対物レンズ4と受光素子7のそれぞれの光路を光ファイバで構成する例を説明したが、これらの光路のうち小型化に大きく寄与する部分や空間光路では構造的に不安定な一部の光路部分だけを選択的に光ファイバで構成するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, an example in which the optical paths of the laser diode 1, the
また、上記実施例では、光源として可変波長レーザーを用いる例を説明したが、測定成分が特定されている場合には、単波長レーザーであってもよい。 Moreover, although the example which uses a variable wavelength laser as a light source was demonstrated in the said Example, when a measurement component is specified, a single wavelength laser may be sufficient.
また、上記実施例では、人体の血液中の血糖値を測定する例について説明したが、血糖値以外の血液成分や組織液成分の定量測定にも有効である。 Moreover, although the example which measures the blood glucose level in the blood of a human body was demonstrated in the said Example, it is effective also for the quantitative measurement of blood components other than a blood glucose level, or a tissue fluid component.
また、測定対象は人体に限るものではなく、動物や植物などの内部物質の定量測定にも有効である。 In addition, the measurement target is not limited to the human body, and is effective for quantitative measurement of internal substances such as animals and plants.
また、測定対象は生体に限るものではなく、農産物、水産物、食品、有機材料などの構造、組成の非破壊検査、化学物質の定量測定にも有効である。 In addition, the measurement target is not limited to a living body, but is also effective for nondestructive inspection of structures and compositions of agricultural products, marine products, food, organic materials, and quantitative measurement of chemical substances.
以上説明したように、本発明によれば、各種光学部品の組立調整作業時の自由度が高く、小型化が容易な成分測定装置を実現することができ、人体の血液中の血糖値をはじめとする各種の成分測定に好適である。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize a component measuring apparatus that has a high degree of freedom during assembly and adjustment of various optical components and can be easily miniaturized, including blood sugar levels in human blood. It is suitable for various component measurements.
1 レーザーダイオード
3、23 ハーフミラー
4 対物レンズ
6 ピンホール
7、20、24 受光素子
8、22、23、25 A/D変換器
9 データ解析部
10、12、13、15、16、18 屈折率分布型レンズ
11、14、17、19 光ファイバ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
波長可変光源よりなる前記レーザーと、
少なくとも中心領域の受光体とその外周領域の受光体が電気的に分離するように設けられた前記第1の受光素子と、
前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に3次元的に移動させる移動駆動機構と、
前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第2の受光素子と、
この第2の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路とを具備し、
前記光ファイバの少なくとも一端には屈折率分布型レンズが設けられ、
前記データ解析部は、前記第2の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記第1の受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことにより前記測定対象の表面反射による変動分を補償する
ことを特徴とする成分測定装置。 A laser output light is applied to the internal tissue of the measurement target via a confocal optical system including an objective lens, and the reflected light reflected by the internal tissue of the measurement target is detected via the confocal optical system. In the component measuring apparatus having a data analysis unit that measures the component to be measured based on the data output from the light receiving element of
The laser comprising a wavelength tunable light source;
The first light receiving element provided so that at least the light receiver in the central region and the light receiver in the outer peripheral region are electrically separated;
A movement drive mechanism for moving the confocal optical system and the measurement object relatively three-dimensionally;
An optical fiber for irradiating the measurement target surface with the output light of the laser;
A second light receiving element for detecting reflected light on the surface of the measurement object based on irradiation of the optical fiber;
A laser driving circuit for driving the laser so that the output light intensity of the laser is maintained at a predetermined value based on a detection signal of the second light receiving element;
At least one end of the optical fiber is provided with a gradient index lens,
The data analysis unit divides the detection signal of the first light receiving element that detects the reflected light reflected by the internal tissue of the measurement target by the detection signal of the second light receiving element through the confocal optical system. Then, the component measurement apparatus compensates for the variation due to the surface reflection of the measurement object by measuring the component of the measurement object based on the normalized data.
前記データ解析部は、
前記第2の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第1の規格化信号と、前記第3の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第2の規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項1に記載の成分測定装置。 Using a built-in third light receiving element for monitoring the output light as the laser,
The data analysis unit
A first normalized signal obtained by dividing the detection signal of the light receiving element that detects the reflected light reflected by the internal tissue of the measurement target by the detection signal of the second light receiving element through the confocal optical system; A second normalized signal obtained by dividing the detection signal of the light receiving element that detects the reflected light reflected by the internal tissue of the measurement target by the detection signal of the third light receiving element through the confocal optical system is linear. The component measuring apparatus according to claim 1 , wherein the component to be measured is measured based on the combined data .
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