JP6246793B2 - 流体濃度測定装置 - Google Patents

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Description

この発明は、光透過性かつ変形可能な管路内を流れる流体の濃度をランベルト−ベールの法則に基づいて測定する装置に関するものである。
従来の流体濃度測定装置としては、例えば特許文献１記載のものが知られており、ここにおける測定方法および測定装置は、半導体ウエハを洗浄処理する流体としての処理液の濃度を測定するもので、処理液供給配管の途中に測定体を複数設け、各測定体内に、処理液中を通過する光の光路長さを異ならせた光透過部を設け、処理液の性質に応じた光路長さの光透過部に光源からの光を供給し、その光透過部において処理液中を透過した光を光検出器で受光してその光の強度を調べ、その光の強度からランベルト−ベールの法則に基づいて処理液の濃度を求めている。
特開平１０−３２５７９７号公報
ところで、上記従来の流体濃度測定装置では、各光透過部における光路長さが厳密に判明しており、それゆえあらかじめ光路長さが設定された計算式を用いて流体の濃度を容易に求めることができる。その一方で、例えば樹脂チューブ等の光透過性でかつ変形可能な管路内を流れる血液や薬液等の流体の濃度が測定できると、医療等の分野において極めて役立つであろうということが予想される。
しかしながら上記従来の装置を、樹脂チューブやガラス管等の光透過性の管路内を流れる血液や薬液等の流体の濃度測定に適用しようとすると、光透過性の管路を横切る光路に光を通過させる必要があるが、光路長さとなる管路の内径も管路の壁厚さも実測が困難であり、特に管路が変形可能な樹脂チューブの場合はその変形によって内径が変化する可能性があり、それゆえこのような場合の血液や薬液等の濃度の測定は極めて困難で、従来は実質上その測定ができなかった。
このため本願発明者は、同じ光源からの光りを光透過性の管路に複数個所で横切らせてそれぞれの箇所で光の強度を求めることで、ランベルト−ベールの法則に基づく計算から管路の内径や壁厚の影響を除去する流体濃度測定装置を先に提案している（ＰＣＴ／ＪＰ２０１３／５４６６４号国際出願）が、この測定装置では計算上管壁内の光路の設定を各受光箇所で管壁と直角に設定しており、その一方、実際の光路は管壁内を斜めに横切るものとなり、しかも、屈折率の相違によってその傾斜角が異なったものとなるため、計算精度をさらに高めるには改良の余地があることが判明した。
この発明は上述の点に鑑みて、光供給箇所に対し受光箇所を管路の直径方向の反対側に固定配置して光路を管路の延在方向に対し直角に維持することで、従来の流体濃度測定装置の課題を有利に解決するものであり、この発明の流体濃度測定装置は、光透過性でかつ変形可能な管壁を持つ管路内を流れる流体の濃度を測定する装置において、
前記管路の表面上の光供給箇所から前記管路内に光を供給する光源と、
前記光供給箇所に対しその管路の直径方向の反対側に位置する受光箇所で、前記供給されてその管路の壁内およびその管路内の流体内を通過して来た光を受光してその光の強度を示す信号を出力する受光素子と、
前記光供給個所と前記受光箇所との間の光路距離を複数設定する光路距離設定手段と、
それら複数の光路距離のそれぞれにおける前記受光箇所での光の強度からランベルト−ベールの法則に基づき、前記各光路距離をおいて前記光供給箇所からの光を前記受光箇所で受光する場合の光の強度と流体の濃度との関係を示す複数の関係式を求め、それら複数の光路距離での関係式に基づいて、前記受光箇所での光の強度から流体の濃度を求めて出力する流体濃度出力手段と、
を具えることを特徴とするものである。
かかるこの発明の流体濃度測定装置にあっては、光透過性でかつ直径方向に圧縮変形可能な連続的な円筒状のチューブ壁を持って延在する樹脂チューブ内を流れる測定対象流体の濃度を測定する装置において、光源が前記樹脂チューブの表面上の光供給箇所から前記樹脂チューブ内に光を供給し、受光素子が前記光供給箇所に対しその樹脂チューブの直径方向の反対側に位置する受光箇所で、前記供給されてその樹脂チューブのチューブ壁内およびその樹脂チューブ内の測定対象流体内をその樹脂チューブの延在方向と直角に通過して来た光を受光してその光の強度を示す信号を出力し、光路距離設定手段が前記光供給個所と前記受光箇所との間の光路距離を、各々前記樹脂チューブを互いに対向する凸曲面間に挟んで前記直径方向に圧縮変形させた状態で複数設定し、そして流体濃度出力手段が、同一の前記測定対象流体についてのそれら複数の光路距離のそれぞれにおける前記受光箇所での光の強度からランベルト−ベールの法則に基づき、前記各光路距離をおいて前記光供給箇所からの光を前記受光箇所で受光する場合の光の強度と前記測定対象流体の濃度との関係を示す複数の関係式を求め、それら複数の光路距離での関係式に基づいて、前記受光箇所での光の強度から前記測定対象流体の濃度を求めて出力する。
従って、この発明の流体濃度測定装置によれば、樹脂チューブをその延在方向に対し斜めに横切る光路を経た光を測定しないので、光透過性でかつ直径方向に圧縮変形可能な連続的な円筒状のチューブ壁を持って延在する通常の樹脂チューブ内を流れる血液や薬液等の測定対象流体の濃度を高精度に測定することができる。
なお、この発明の流体濃度測定装置においては、前記光路距離設定手段は、間隔が一定の前記光供給個所と前記受光箇所との対をその間隔を互いに異ならせて複数対有し、それらの光供給個所と受光箇所との複数対を用いることで光路距離を複数設定するものであっても良く、このようにすれば、光路距離を変更せずに光路距離を複数設定できるので、測定時間を短縮することができる。
また、この発明の流体濃度測定装置においては、前記光路距離設定手段は、同じ前記光供給個所と前記受光箇所との間隔を変化させてそれらの間の光路距離を複数設定するものであっても良く、このようにすれば、複数の光路距離を任意に設定できるので、流体濃度の変化に容易に対応することができ、また、光源や受光素子に同じものを用いるので、光源や受光素子の相違による測定誤差をなくすこともできる。
さらに、この発明の流体濃度測定装置においては、前記光路距離設定手段は、間隔が互いに異なる前記光供給個所と前記受光箇所との対を複数対有し、それらの光供給個所と受光箇所との対の一つは、同じ前記給光個所と前記受光箇所との間隔を変化させてそれらの間の光路距離を変更するものであっても良く、このようにすれば、光路距離を変更する対を用いることで光路距離を任意に設定できるので、流体濃度の変化に容易に対応することができ、一旦関係式が判明したら光路距離固定の対を用いることで測定時間を短縮でき、実質的にリアルタイムで連続的に測定を行うことができる。
そして、この発明の流体濃度の測定装置においては、前記流体濃度出力手段は、あらかじめ求めて記憶した、前記複数の光路距離のそれぞれにおける受光箇所での光の強度と前記測定対象流体の濃度との関係を示すテーブルを用いて、前記受光箇所での光の強度から前記測定対象流体の濃度を求めて出力するものでも良く、このようなテーブルを用いれば、受光箇所での光の強度から短時間で容易に測定対象流体の濃度を求めて出力することができる。
（ａ）〜（ｃ）は、この発明の流体濃度測定装置の三種類の実施例の外観をそれぞれ模式的に示す説明図である。 上記三種類の実施例の流体濃度測定装置の電気的構成を纏めて示すブロック線図である。 上記各実施例における符号の説明を図１（ｃ）の実施例の流体濃度測定装置の原理とともに示す説明図である。 上記図１（ａ）の実施例の流体濃度測定装置の原理を示す説明図である。 上記図１（ｂ）の実施例の流体濃度測定装置の原理を示す説明図である。 上記図１（ｂ）の実施例の流体濃度測定装置の構成例を蓋を閉じた状態で示す説明図である。 上記図１（ｂ）の実施例の流体濃度測定装置の構成例を蓋を開いた状態で示す説明図である。 上記図１（ｂ）の実施例の流体濃度測定装置の構成例の内部の発光ユニットと受光ユニットとの対を示す説明図である。 上記図１（ｂ）の実施例の流体濃度測定装置の構成例の内部の発光ユニットと受光ユニットとの相対移動を案内するガイド機構を一部切り欠いて示す説明図である。 上記図１（ｂ）の実施例の流体濃度測定装置の構成例の内部の発光ユニットと受光ユニットとの相対間隔を変更するモーター駆動のクランク機構を示す説明図である。 上記図１（ｂ）の実施例の流体濃度測定装置の構成例の内部の発光ユニットと受光ユニットとの相対間隔を変更するカム板とクランク機構との連結状態を示す説明図である。 上記図１（ｂ）の実施例の流体濃度測定装置の構成例の内部の発光ユニットと受光ユニットとの相対間隔を変更するカム板の構成を示す説明図である。
以下、本発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１〜５は、この発明の流体濃度測定装置の三種類の実施例における流体濃度の測定原理および計算方法を示す説明図である。
すなわち、図１（ａ）〜（ｃ）は、この発明の流体濃度測定装置の三種類の実施例の外観をそれぞれ模式的に示す説明図であり、図１（ａ）〜（ｃ）に示す三種類の実施例の装置は各々、光透過性でかつ変形可能な管壁を持つ管路としての、実質的に透明でかつ直径方向に圧縮変形可能な連続的な円筒状のチューブ壁を持って延在する樹脂チューブ内を流れる、測定対象流体としての血液の濃度を測定するものである。ここで、図１（ａ）に示す流体濃度測定装置は、ケース１の中央部に図では左右方向へ延在する溝１ａ内に通された図示しない樹脂チューブを互いに対向する凸曲面としての部分円柱状面間に挟んで直径方向に圧縮変形させるようにケース１の溝１ａの側壁部に向かい合わせに固定された発光ユニット２と受光ユニット３との対である発光受光ユニット対４を二対具え、これらの発光受光ユニット対４として、発光ユニット２と受光ユニット３との間の光路距離が所定の近距離Ｓの図では右側の近距離ユニット対４Ｓと、発光ユニット２と受光ユニット３との間の光路距離が所定の遠距離Ｌの図では左側の遠距離ユニット対４Ｌとの二種類を設定している。従ってこの二対の発光受光ユニット対４が光路距離設定手段として機能する。なお、二対の発光受光ユニット対４は互いに隣接していなくても良く、測定に影響が殆どない程度に互いに離間していると好ましい。二対の発光受光ユニット対４が互いに隣接している場合には、一方の発光受光ユニット対４で測定を行っている間は他方の発光受光ユニット対４での測定を行わないようにしても良い。
また、図１（ｂ）に示す流体濃度測定装置は、ケース１の中央部に図では左右方向へ延在する溝１ａ内に通された図示しない樹脂チューブを間に挟んで直径方向に圧縮変形させるようにケース１の溝１ａの両側壁部に向かい合わせに配置されて図中矢印で示すように互いの接近および離間方向に移動可能にケース１に支持された発光ユニット２と受光ユニット３との対である発光受光ユニット対４Ｍを一対具え、さらに、その発光受光ユニット対４Ｍの発光ユニット２と受光ユニット３とを互いの接近および離間方向すなわち樹脂チューブの直径方向へ相対移動させてそれらの発光ユニット２と受光ユニット３との間の光路距離を変更する図示しない光路距離変更機構を具えている。従ってこの光路距離変更機構が光路距離設定手段として機能する。
そして図１（ｃ）に示す流体濃度測定装置は、図１（ａ）に示す装置の半部と図１（ｂ）に示す装置とを組み合わせたもので、ケース１の中央部に図では左右方向へ延在する溝１ａ内に通された図示しない樹脂チューブを間に挟んで直径方向に圧縮変形させるようにケース１の溝１ａの側壁部に向かい合わせに固定された発光ユニット２と受光ユニット３との対である発光受光ユニット対４として近距離ユニット対４Ｓまたは遠距離ユニット対４Ｌを一対具えるとともに、その樹脂チューブを間に挟んで直径方向に圧縮変形させるようにケース１の溝１ａの側壁部に向かい合わせに配置されて図中矢印で示すように互いの接近および離間方向に移動可能にケース１に支持された発光ユニット２と受光ユニット３との対である発光受光ユニット対４Ｍを一対具え、さらに、その発光受光ユニット対４Ｍの発光ユニット２と受光ユニット３とを互いの接近および離間方向すなわち樹脂チューブの直径方向へ相対移動させてそれらの発光ユニット２と受光ユニット３との間の光路距離を変更する図示しない光路距離変更機構を具えている。従ってこの光路距離変更機構と距離を固定された発光受光ユニット対４とが光路距離設定手段として機能する。
ここで、発光ユニット２は、光源としての発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいはレーザーダイオード等の、電気を供給されて発光する発光素子を内蔵して、その発光素子からの光を樹脂チューブの表面上に位置する光供給箇所から樹脂チューブ内に供給する。また、受光ユニット３は、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の、光を受光して電気を発生させる受光素子を内蔵して、発光ユニット２から供給され樹脂チューブ内を透過してきた光を受光してその光の強度に応じた電気信号を出力する。これら発光ユニット２および受光ユニット３は、動脈血の酸素化ヘモグロビンと静脈血の脱酸素化ヘモグロビンとの両方の吸光率がほぼ等しい光として５９０ｎｍ付近の波長の光を発光および受光している。
図２は、上記三種類の実施例の流体濃度測定装置の電気的構成を纏めて示すブロック線図であり、図１（ａ）に示す装置では、図２に示す第１のユニット対４と第２のユニット対４との一方が近距離ユニット対４Ｓで、他方が遠距離ユニット対４Ｌであり、それらのユニット対４の光路距離は固定であるので、後述するモータードライバー１６とモーター１７と光路距離変更機構１８とは具えていない。
図１（ａ）に示す装置では、発光素子ドライバー１１によりそれぞれ駆動された二つの発光ユニット２内の発光素子から発光された光は、二対のユニット対４の発光ユニット２と受光ユニット３との間に挟まれて直径方向に圧縮変形された一本の樹脂チューブＴＢの、発光ユニット２に近い側のチューブ壁と、その樹脂チューブＴＢの内部を流れる血液ＢＤと、発光ユニット２から遠い側（反対側）すなわち受光ユニット３に近い側のチューブ壁とを透過し、互いに異なる固定距離の光路を経て、二つの受光ユニット３内の受光素子にそれぞれ受光され、二つの受光ユニット３内の受光素子は、受光した光の強度に応じたレベルの電気信号をそれぞれ出力する。
二つの受光ユニット３内の受光素子の出力信号はそれぞれ、アンプ１２で増幅され、ローパスフィルタ１３で高周波のノイズ成分を除去され、アナログ−デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）１４でアナログ信号からデジタル信号に変換されて、中央処理ユニット（ＣＰＵ）１５に入力される。ＣＰＵ１５は、発光素子ドライバー１１の作動を制御して、好ましくは二対のユニット対４の発光ユニット２を選択的に発光させて相互の干渉を回避するとともに、それぞれの光路距離での受光素子の出力信号から後述の如くして、樹脂チューブＴＢ内の血液ＢＤの濃度を求め、その濃度データを示す信号を出力する。従ってＣＰＵ１５は流体濃度出力手段として機能する。
図１（ｂ）に示す装置では、図２に示す第１のユニット対４が、ケース１の溝１ａの側壁部に向かい合わせに配置されて互いの接近および離間方向に移動可能にケース１に支持された発光ユニット２と受光ユニット３との対である発光受光ユニット対４Ｍであり、第２のユニット対４は具えていないので、その第２のユニット対４の受光ユニット３の受光素子からの出力信号を処理してＣＰＵ１５に送るアンプ１２とローパスフィルタ１３とＡ／Ｄ１４とも具えていず、代わりに第１のユニット対４のために、図２に示すモータードライバー１６とモーター１７と光路距離変更機構１８とを具えている。
流体濃度出力手段として機能するＣＰＵ１５はまた、モータードライバー１６に制御信号を送り、モータードライバー１６はその制御信号に応じてモーター１７に駆動電流を送り、モーター１７はその駆動電流に応じて光路距離変更機構１８を作動させ、光路距離変更機構１８は第１のユニット対４の発光ユニット２と受光ユニット３との間の光路距離を所定の遠距離Ｌと所定の近距離Ｓとの間で変化させるように、発光ユニット２と受光ユニット３とを互いの接近および離間方向に移動させる。このような光路距離変更機構１８としては、例えばカムを用いて発光ユニット２と受光ユニット３との少なくとも一方、好ましくは両方を同時に他方に対する接近および離間方向に移動させる後述のカム機構の他、右ねじの雄ねじと左ねじの雄ねじとを両端部に持つ駆動軸を回転させてそれらの雄ねじに螺合する雌ねじをそれぞれ持つ発光ユニット２と受光ユニット３とを同時に他方に対する接近および離間方向に移動させるねじ機構等、任意の機構を用いることができる。
図１（ｃ）に示す装置では、図２に示す第１のユニット対４が、ケース１の溝１ａの側壁部に向かい合わせに配置されて互いの接近および離間方向に移動可能にケース１に支持された発光ユニット２と受光ユニット３との対である発光受光ユニット対４Ｍであり、図２に示す第２のユニット対４が、何れも光路距離固定の近距離ユニット対４Ｓまたは遠距離ユニット対４Ｌである。
図３は、上記各実施例における符号の説明を図１（ｃ）の実施例の流体濃
Figure 0006246793
また、樹脂チューブの受光ユニット３に近い側のチューブ壁の吸光係数をＡεＣ１、樹脂チューブの受光ユニット３に近い側のチューブ壁の吸光係数をＡεＣ２、樹脂チューブ内の血液の吸光係数をεＨ、濃度をＣＨとし、光路距離が遠距離Ｌの場合は、発光ユニット２から樹脂チューブの発光ユニット２に近い側のチューブ壁への入光強度をＡＩｉ、そのチューブ壁からの出光強度をＡＩＬ１、血液からの出光強度をＡＩＬ２、樹脂チューブの受光ユニット３に近い側のチューブ壁から受光ユニット３への出光強度をＡＩＬＯ、受光ユニット３に繋がるアンプＡのゲインをＧＡ、そのアンプＡの出力をＲＡＩＬＯとし、その一方、光路距離が近距離Ｓの場合は、発光ユニット２から樹脂チューブの発光ユニット２に近い側のチューブ壁への入光強度をＡＩｉ、そのチューブ壁からの出光強度をＡＩＳ１、血液からの出光強度をＡＩＳ２、樹脂チューブの受光ユニット３に近い側のチューブ壁から受光ユニット３への出光強度をＡＩＳＯ、受光ユニット３に繋がるアンプＡのゲインをＧＡ、そのアンプＡの出力をＲＡＩＳＯとする。なお、吸光係数ε Ｈ も、濃度Ｃ Ｈ も、何れも樹脂チューブ内の同一血液のものなので、光路距離が遠距離Ｌの場合と近距離Ｓの場合とで同一の値とする。
さらに、光路距離（光路長）が近距離Ｓの固定式の発光受光ユニット対（
Figure 0006246793
すなわちこれらの符号は、例えば入光強度ＡＩｉ，ＢＩｉのＡ，Ｂは二つのセンサの区別（光路長固定センサが二つの場合はそれらの区別、光路長可変センサと光路長固定センサの場合はそれらの区別）を示し、Ｉは光強度を示し、ｉは入力を示す。出光強度ＡＩＬＯ，ＢＩＳＯのＡ，Ｂは二つのセンサの区別を示し、Ｉは光強度を示し、Ｌは遠距離、Ｓは近距離を示し、Ｏは出力を示す。光強度ＡＩＬ１，ＢＩＳ２のＡ，Ｂは二つのセンサの区別を示し、Ｉは光強度を示し、Ｌは遠距離、Ｓは近距離を示し、１，２はその光強度が得られる位置を示す。またチューブ壁の吸光係数ＡεＣ１，ＢεＣ２のＡ，Ｂは二つのセンサの区別を示し、εは吸光係数を示し、Ｃ１は発光ユニット２に近い側のチューブ壁、Ｃ２は受光ユニット３に近い側のチューブ壁を示す。そしてチューブ壁厚さＡlＣ１，ＢlＣ２のＡ，Ｂは二つのセンサの区別を示し、lはチューブ壁厚さを示し、Ｃ１は発光ユニット２に近い側のチューブ壁、Ｃ２は受光ユニット３に近い側のチューブ壁を示し、チューブ壁間距離ＡＬＬ，ＢＬＳのＡ，Ｂは二つのセンサの区別を示し、最初のＬはチューブ壁間距離を示し、後のＬは遠距離、Ｓは近距離を示す。さらにゲインＧＡ，ＧＢのＧは受光素子の感度を含めたアンプ増幅率、Ａ，Ｂは二つのセンサの区別を示し、アンプ出力ＲＡＩＳＯ，ＲＢＩＳＯのＲは実測値であることを示す。
図４は、図１（ａ）に示す実施例の流体濃度測定装置の作動原理を示しており、この実施例の装置では、固定光路長Ｌの光路と固定光路長Ｓの光路との二種類の光路があり、ここでは、これら二種類の光路上のチューブ壁厚さ、チューブ壁組成、入光強度、アンプ増幅率が全て異なる可能性があると考える。
先ず固定光路長ＬのセンサＡについて考えると、ランベルトベールの式より、
Figure 0006246793
 となる。
（１）式〜（４）式より、
Figure 0006246793
 となる。
また、固定光路長ＳのセンサＢについて考えると、同様に、
Figure 0006246793
 となる。
（６）式〜（９）式より、
Figure 0006246793
 となる。
（５）式を（１０）式で割ると、
Figure 0006246793
 従って、
Figure 0006246793
ＡＬＬ−ＢＬＳ＝ＤＬとして両辺の対数をとると、
Figure 0006246793
 となる。
ここで、右辺については３項目のεＨ・ＣＨ・ＤＬ以外は定数となるのでそれらをＫとおくと、上記の式は、
Figure 0006246793
 で表される。
よって、樹脂チューブ内の血液濃度ＣＨは、
Figure 0006246793
 で求められる。
但し、
Figure 0006246793
である。
なお、センサＡ，Ｂ間はこの実施例の装置では１ｃｍ程度のため、チューブ壁吸光係数ＡεＣ１，ＡεＣ２，ＢεＣ１，ＢεＣ２は互いに等しく、チューブ壁厚さＡlＣ１，ＡlＣ２，ＢlＣ１，ＢlＣ２も互いに等しいものと見做すと、
Figure 0006246793
 とすることができる。
また、この実施例の装置では、ＤＬは例えば０．５ｍｍに設定することができる。
（１１）式におけるＫは、入力光強度差、増幅率差、チューブ壁厚差およびチューブ壁組成差の全てを含む値であることから、一旦外部から別途求めた正確な血液濃度ＣＨの値を入れてＫを算出すればこの装置の測定出力を正しい値に補正できることを示している。
図５は、図１（ｂ）に示す実施例の流体濃度測定装置の作動原理を示しており、この実施例の装置では、可変光路長の一つの光路があり、この一つの光路上で二種類の光路長Ｌ，Ｓを光路距離変更機構１８により機械的に作り出すので、チューブ壁厚さ、チューブ壁組成、入光強度、アンプ増幅率が全く同じであって光路長のみ異なる二種類の条件でデータを測定できる。それゆえ、測定間のメンテナンスなしに高精度の濃度測定値を得ることができる。
先ず光路長Ｌとした場合について考えると、ランベルトベールの式より、
Figure 0006246793
 となる。
（１２）式〜（１５）式より、
Figure 0006246793
 となる。
また、光路長Ｓとした場合について考えると、同様に、
Figure 0006246793
 となる。
（６）式〜（９）式より、
Figure 0006246793
 となる。
（１６）式を（２１）式で割ると、
Figure 0006246793
 従って、
Figure 0006246793
ＡＬＬ−ＡＬＳ＝ＤＬとして両辺の対数をとると、
Figure 0006246793
 となる。
よって、樹脂チューブ内の血液濃度ＣＨは、
Figure 0006246793
 で求められる。
この（２２）式は、光路距離Ｌと光路距離Ｓとを切り替えて測定することで得られるアンプ出力ＲＡＩＬＯ，ＲＡＩＳＯから血液濃度ＣＨが得られ、入力光強度差やチューブ壁組成差の影響を受けないことを示している。但し、測定の度ごとに光路長の切替えを行う必要がある。
図３は、前述のように、図１（ｃ）に示す実施例の流体濃度測定装置の作動原理を示しており、この実施例の装置は、図２では左側に示す、樹脂チューブ内に光路距離ＬおよびＳの光路を設定する１対の可変光路長の第１のユニット対４Ｍ（光路長可変センサ（Ａ））と、図２では右側に示す、樹脂チューブ内に光路距離ＬまたはＳの光路を設定する１対の固定光路長の第２のユニット対４Ｌまたは４Ｓ（光路長固定センサ（Ｂ））とを具え、さらに第１のユニット対４Ｍの発光ユニット２と受光ユニット３との間の距離を変化させて上記光路距離ＬおよびＳの光路を設定するために、図１（ｂ）に示す実施例の装置と同様、モータードライバー１６とモーター１７と光路距離変更機構１８とを具えている。
そしてこの図１（ｃ）に示す実施例の流体濃度測定装置は、先ずステップＳ１で、可変光路長の第１のユニット対４Ｍにより光路距離ＬおよびＳの光路を設定し、樹脂チューブ内のチューブ壁間距離以外は同じ条件によって高精度測定を行って補正データを求めた後、ステップＳ２で、第２のユニット対が遠距離Ｌの光路長ユニット４Ｌの場合は第１のユニット対４Ｍの光路長を近距離Ｓに固定し、第２のユニット対が近距離Ｓの光路長ユニット４Ｓの場合は第１のユニット対４Ｍの光路長を遠距離Ｌに固定して図１（ａ）に示す装置と同様に構成し、先に求めた補正データを用いて引続く測定を行う。この図１（ｃ）に示す実施例の装置によれば、測定の度ごとに光路長を二種類に切り替える必要がなく、また装置内部で補正データを得ることができるので、高精度の測定を連続的に行うことができる。
すなわち、上記ステップＳ１では、図１（ｂ）に示す実施例の装置と同様の構成であるから、第１のユニット対４Ｍの二種類の光路長での測定値から（２２）式で血液濃度ＣＨが得られる。
Figure 0006246793
 また、上記ステップＳ２では、図１（ａ）に示す実施例の装置と同様の構成であるから、例えば光路長Ｌの第１のユニット対４Ｍの測定値と光路長Ｓの第２のユニット対４Ｓの測定値とから（１１）式で血液濃度ＣＨが得られる。
Figure 0006246793
これらの式を連立させると、
Figure 0006246793
 よって、
Figure 0006246793
となり、これにより補正係数Ｋを求めてステップＳ２での測定に用いることができる。
図６は、上記図１（ｂ）の実施例の流体濃度測定装置のより具体的な構成例を蓋を閉じた状態で示す説明図、また図７は、その構成例の流体濃度測定装置を蓋を開いた状態で示す説明図であり、この構成例の装置は、ヒンジで蓋１ｂを開閉可能とされ、その蓋１ｂを開いた状態で中央部に図では斜め左右方向に延在する溝１ａを有するケース１を具えるとともに、そのケース１の溝１ａの両側壁部に向かい合わせに配置されて互いの接近および離間方向に移動可能にケース１に支持された発光ユニット２と受光ユニット３との対である発光受光ユニット対４Ｍ（図６，７では受光ユニット３のみを示す）を一対具えている。
図８は、構成例の流体濃度測定装置の内部の発光ユニット２と受光ユニット３との対を示す説明図、また図９は、その構成例の流体濃度測定装置の内部の発光ユニット２と受光ユニット３との相対移動を案内するガイド機構を一部切り欠いて示す説明図であり、ここでは発光ユニット２と受光ユニット３との対を覆うとともに溝１ａを形成するケース１のデッキ部分を省略して示している。このケース１の内部に固定されるベース板２１には、図９に示すように二本のガイドロッド２２が固定され、発光ユニット２と受光ユニット３とは互いに向かい合った状態でこれらのガイドロッド２２に各々摺動自在に嵌合して、互いの接近および離間方向すなわち樹脂チューブの直径方向へ相対移動することができる。そしてこのベース板２１の下には、そのベース板２１の下面に沿ってガイドロッド２２の延在方向と直交する溝１ａの延在方向に摺動可能にカム板２３が配置されている。
図１０は、上記構成例の流体濃度測定装置の内部の発光ユニットと受光ユニットとの相対間隔を変更するモーター駆動のクランク機構を示す説明図、また図１１は、その構成例の流体濃度測定装置の内部のカム板とクランク機構との連結状態を示す説明図、そして図１２は、その構成例の流体濃度測定装置のカム板の構成を示す説明図である。図１０に裏側から見た状態で示すように、ケース１の内部に収容固定される減速機付サーボモーターからなるモーター１７の出力軸にはクランクアーム２４の基部が固定され、このクランクアーム２４の先端部が図１１に示すようにリンク部材２５を介して上記のカム板２３の一端部に連結されて、ケース１の溝１ａの延在方向へカム板２３を進退移動させるクランク機構が構成されている。
図１２は、上記構成例の流体濃度測定装置の内部の発光ユニットと受光ユニットとの相対間隔を変更するカム板の構成を示す説明図であり、ここにおけるカム板２３は、カム板２３の図では上下に位置する両側部付近にて互いに向き合う向きで対をなす二対のカム面２３ａ，２３ｂと、カム板２３の中央部で図では左右方向へ延在するガイド孔２３ｃとを有し、一方の対をなすカム面２３ａの間の距離は、他方の対をなすカム面２３ｂの間の距離よりも僅かに広くされ、それらの距離の差は、遠い方のチューブ壁間距離ＡＬＬと近い方のチューブ壁間距離ＡＬＳとの差ＤＬに対応している。
そしてカム板２３の各側部付近カム面２３ａ，２３ｂは曲面によって互いに滑らかに繋がっており、これら二対のカム面２３ａ，２３ｂに、発光ユニット２と受光ユニット３とのそれぞれの下端部に突設されたカムフォロワ部２ａ，３ａの突曲面がそれぞれ対向して、カム面２３ａ，２３ｂに摺接している。なお、発光ユニット２と受光ユニット３との間には図示しない圧縮スプリングが介挿されており、この圧縮スプリングが発光ユニット２と受光ユニット３とを互いに離間する方向へ常時附勢して、カムフォロワ部２ａ，３ａの突曲面とカム面２３ａ，２３ｂとの摺接を維持し、これらによってカム機構が構成されている。
また、カム板２３の中央部のガイド孔２３ｃには、ベース板２１の下面から突出した突条２１ａが摺動自在に嵌合しており、これによりケース１の溝１ａの延在方向へのカム板２３の移動を案内するガイド機構が構成されており、これらクランク機構とカム機構とガイド機構とによって、発光ユニット２と受光ユニット３との間の光路距離を遠い方の距離と近い方の距離との間で変更する光路距離変更機構２６が構成されている。
かかる構成例の流体濃度測定装置にあっては、モーター１７がクランクアーム２４を所定の位置まで回動させると、リンク部材２５がカム板２３をケース１の溝１ａの延在方向へ、発光ユニット２と受光ユニット３とのそれぞれの下端部に突設されたカムフォロワ部２ａ，３ａの突曲面がカム面２３ａまたはカム面２３ｂに当接する位置まで進退移動させて、発光ユニット２と受光ユニット３との間の光路距離を遠い方の所定距離または近い方の所定距離に設定する。従ってこの構成例によれば、図１（ｂ）に示す実施例の流体濃度測定装置の機構部分を構成し、高精度の血液濃度測定を行うことができる。
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得るものであり、例えば上記実施例の装置では、ＣＰＵ１５が受光ユニット３での光の強度に基づき演算処理を行って血液濃度を求め、それを出力しているが、これに代えて、あらかじめ求めて記憶した、前記複数の光路距離のそれぞれにおける受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示すテーブルを用いて、前記受光箇所での光の強度から流体の濃度を求めて出力するようにしても良い。
また、上記実施例の装置では、動脈血の酸素化ヘモグロビンと静脈血の脱酸素化ヘモグロビンとの両方の吸光率がほぼ等しい光として、５９０ｎｍ付近の波長の光を用いているが、これに代えて、例えば５２０ｎｍ，５５０ｎｍ，５７０ｎｍあるいは８０５ｎｍ付近の波長の光を用いても良い。
さらに、上記実施例の装置では、液体としての血液の濃度を測定したが、これに代えて、他の液体の濃度測定に用いることもでき、その場合には光源から供給する光として、その液体による吸収率が高い波長の光を選択すると、管壁の厚さ等に応じて受光箇所での光の強度に差異が出易いので好ましい。
そして、上記実施例の装置では、二種類の光路距離において光供給箇所で光を供給し、その光を受光箇所で受光して光の強度を求めているが、これに代えて、三種類以上の光路距離を設定してそれぞれ受光箇所で光の強度を求めてもよく、このようにすれば、得られた結果を平均化する等により測定精度をより高めることができる。
かくしてこの発明の流体濃度測定装置によれば、樹脂チューブをその延在方向に対し斜めに横切る光路を経た光を測定しないので、光透過性でかつ直径方向に圧縮変形可能な連続的な円筒状のチューブ壁を持って延在する通常の樹脂チューブ内を流れる血液や薬液等の測定対象流体の濃度を高精度に測定することができる。
１ ケース
１ａ 溝
１ｂ 蓋
２ 発光ユニット
２ａ，３ａ カムフォロワ部
３ 受光ユニット
４ 発光受光ユニット対
４Ｌ 遠距離発光受光ユニット対
４Ｍ 光路長可変発光受光ユニット対
４Ｓ 近距離発光受光ユニット対
１１ 発光素子ドライバー
１２ アンプ
１３ ローパスフィルタ
１４ アナログ−デジタルコンバータ
１５ ＣＰＵ
１６ モータードライバー
１７ モーター
１８ 光路距離変更機構
２１ ベース板
２１ａ 突条
２２ ガイドロッド
２３ カム板
２３ａ，２３ｂ カム面
２３ｃ ガイド孔
２４ クランクアーム
２５ リンク部材
２６ 光路距離変更機構
ＴＢ 樹脂チューブ
ＢＤ 血液

Claims (4)

  1. 光透過性でかつ直径方向に圧縮変形可能な連続的な円筒状のチューブ壁を持って延在する樹脂チューブ内を流れる測定対象流体の濃度を測定する装置において、
    前記樹脂チューブの表面上の光供給箇所から前記樹脂チューブ内に光を供給する光源と、
    前記光供給箇所に対しその樹脂チューブの直径方向の反対側に位置する受光箇所で、前記供給されてその樹脂チューブのチューブ壁内およびその樹脂チューブ内の前記測定対象流体内を通過して来た光を受光してその光の強度を示す信号を出力する受光素子と、
    前記光供給個所と前記受光箇所との間の光路距離を、各々前記樹脂チューブを互いに対向する凸曲面間に挟んで前記直径方向に圧縮変形させた状態で複数設定する光路距離設定手段と、
    同一の前記測定対象流体についてのそれら複数の光路距離のそれぞれにおける前記受光箇所での光の強度からランベルト−ベールの法則に基づき、前記各光路距離をおいて前記光供給箇所からの光を前記受光箇所で受光する場合の光の強度と前記測定対象流体の濃度との関係を示す複数の関係式を求め、それら複数の光路距離での関係式に基づいて、前記受光箇所での光の強度から前記測定対象流体の濃度を求めて出力する流体濃度出力手段と、
    を具えることを特徴とする流体濃度測定装置。
  2. 前記光路距離設定手段は、間隔が一定の前記光供給個所と前記受光箇所との対をその間隔を互いに異ならせて複数対有し、それらの光供給個所と受光箇所との複数対を用いることで光路距離を複数設定するものであることを特徴とする、請求項１記載の流体濃度測定装置。
  3. 前記光路距離設定手段は、同じ前記光供給個所と前記受光箇所との間隔を変化させてそれらの間の光路距離を複数設定するものであることを特徴とする、請求項１または２記載の流体濃度測定装置。
  4. 前記流体濃度出力手段は、あらかじめ求めて記憶した、前記複数の光路距離のそれぞれにおける受光箇所での光の強度と前記測定対象流体の濃度との関係を示すテーブルを用いて、前記受光箇所での光の強度から前記測定対象流体の濃度を求めて出力するものである、請求項１から３までの何れか１項記載の流体濃度測定装置。
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