JP6503230B2 - 透過光強度測定ユニット - Google Patents

Description

この発明は、光透過性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ランベルト−ベールの法則に基づいて測定する流体濃度測定装置に用いられ、その管路を横切る透過光の強度を測定する透過光強度測定ユニットに関するものである。

上述の如き管壁を持つ管路としては、例えば光透過性でかつ変形可能なチューブ壁を持つ樹脂チューブが広く知られ、その樹脂チューブ内を流れる血液等の流体の濃度を測定す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、この流体濃度測定装置は、樹脂チューブの表面上の給光箇所からその樹脂チューブ内に光を供給する光源と、給光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給光箇所から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血液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、を有する透過光測定ユニットを具えている。

さらに上記流体濃度測定装置は、給光個所と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各光路距離をおいて給光箇所からの光を受光箇所で受光する場合の光の強度と血液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、受光箇所での光の強度から樹脂チューブ内の血液の濃度を求めて出力する流体濃度出力手段と、を具えている。

国際公開２０１４−１７０９８５号公報

ところで、上記従来の流体濃度測定装置について研究を進めた結果、本発明者は以下の点を見出した。すなわち、上記従来の流体濃度測定装置では、透過光強度測定ユニットにおける、管路の表面上の給光箇所と光源との間や管路の表面上の受光箇所と受光素子との間で、光が散乱等のために減衰してしまい、光源から樹脂チューブを透過して受光素子に至る光の光量が充分に得られないという不都合があり、測定精度をさらに高めるには透過光強度測定ユニットに改良の余地があることが判明した。

それゆえこの発明は、上述の点に鑑みて、光源から管路を透過して受光素子に至る光の光量を充分に得られるようにすることで従来の透過光強度測定ユニットひいては流体濃度測定装置の課題を有利に解決することを目的とするものである。

上記課題を解決するこの発明の透過光強度測定ユニットは、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流体濃度測定装置に用いられるものであって、
前記管路の表面上の給光箇所から前記管路内に光を供給する光源と、
前記給光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、前記給光箇所から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、
前記光源と前記給光箇所との間の光路上および、前記受光素子と前記受光箇所との間の光路上に配置されて前記管壁に当接し、前記管壁の弾性変形により前記管壁に密接する透光部材と、
を具え、
前記透光部材は、前記管壁に当接する凸曲面を有する凸レンズであることを特徴とするものである。

かかるこの発明の透過光強度測定ユニットにあっては、光源と給光箇所との間の光路および、受光素子と受光箇所との間の光路の少なくとも一方に配置された透光部材が管壁に密接するので、それら管壁と透光部材との間に実質的に空気層が介在せず、また、その透光部材の当接部分で管壁の表面の微小な傷や凹凸が潰れて管壁表面が滑らかになる。

従って、この発明の透過光強度測定ユニットによれば、管壁と透光部材との間での空気層や管壁表面の凹凸等による光の散乱や吸収がほとんどもしくは全くなくなるので、散乱や吸収による光の減衰を減らすことができ、光源から管路を透過して受光素子に至る光の光量を充分に得ることができる。

しかも、この発明の透過光強度測定ユニットによれば、前記透光部材は、前記管壁に当接する凸曲面を有する凸レンズであるので、透光部材で光を集束させて透光部材と管壁との間で光を効率的に通過させることができる。

なお、この発明の透過光強度測定ユニットにおいては、前記凸レンズは、ボールレンズであると、透光部材の、特に管壁に当接する部分に光を集束させて透光部材と管壁との間で光をより効率的に通過させることができるので、好ましい。

（ａ），（ｂ）は、この発明の透過光強度測定ユニットの一実施形態を示す正面図および（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 （ａ）は、上記実施形態の透過光強度測定ユニットにおけるボールレンズの集光状態を示す説明図、（ｂ）は、この発明の透過光強度測定ユニットの他の一実施形態における半球レンズの集光状態を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１（ａ）は、この発明の透過光強度測定ユニットの一実施形態を示す正面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

この実施形態の透過光強度測定ユニットは、光透過性かつ変形可能な管壁としてのチューブ壁を持つ管路としての樹脂チューブ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流体濃度測定装置に用いられ、その管路を横切る透過光の強度を測定するもので、上述の如き管路としては例えば、光透過性かつ変形可能なチューブ壁を持つ樹脂チューブが周知であり、また、その様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流体濃度測定装置としては、例えば本願出願人が先に特許文献１で開示した、樹脂チューブ内を流れる血液の濃度をランベルト−ベールの法則に基づいて測定する流体濃度測定装置が知られている。

上記流体濃度測定装置に用いられるこの実施形態の透過光強度測定ユニットは、長手方向中央部に上向きに開口したＵ字状の切欠き部１ａを有するチューブホルダー１と、そのチューブホルダー１に切欠き部１ａを挟んで互いに対向するように設けられた発光ユニット２および受光ユニット３と、を具えており、チューブホルダー１は、切欠き部１ａ内に樹脂チューブ４を、チューブホルダー１を横切る向きで保持することができる。

発光ユニット２は、チューブホルダー１の切欠き部１ａ内に保持された樹脂チューブ４の表面上の給光箇所Ｓから樹脂チューブ４内に光を供給する光源として、電気を供給されて発光する例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいはレーザーダイオード等の発光素子５を有し、また受光ユニット３は、給光箇所Ｓに対し樹脂チューブ４の直径方向の反対側に位置する受光箇所Ｒで、給光箇所Ｓからその樹脂チューブ４の管壁としてのチューブ壁４ａ内およびその樹脂チューブ４内を流れる血液内を横切って通過して来た光を受光してその光の強度を示す電気信号を出力する例えばフォトダイオードやフォトトランジスタ等の受光素子６を有している。

発光ユニット２はさらに、発光素子５と給光箇所Ｓとの間の光路上に配置されて樹脂チューブ４のチューブ壁４ａの給光箇所Ｓに当接し、その給光箇所Ｓでチューブ壁４ａを弾性的に凹ませてチューブ壁４ａに密接する、透光部材としてのボールレンズ７を具え、受光ユニット３も同様に、受光素子６と受光箇所Ｒとの間の光路上に配置されて樹脂チューブ４のチューブ壁４ａの受光箇所Ｒに当接し、その受光箇所Ｒでチューブ壁４ａを弾性的に凹ませてチューブ壁４ａに密接する、透光部材としてのボールレンズ７を具えている。

図２（ａ）は、上記実施形態の透過光強度測定ユニットにおける発光ユニット２側のボールレンズ７の集光状態を代表として示す説明図であり、ここでは図示しない発光素子５から出た概略平行光線の光Ｌは、ボールレンズ７内に入ってある程度集光されて細くなった状態で給光箇所Ｓを通り、樹脂チューブ４のチューブ壁４ａ内に供給されてさらに集光される。そして受光ユニット３側でも、樹脂チューブ４のチューブ壁４ａ内から受光箇所Ｒを通ってボールレンズ７に入った光が、ボールレンズ７内である程度集光され、概略平行光線となってボールレンズ７を出て受光素子６に入る。

そしてこの実施形態の透過光強度測定ユニットにあっては、発光素子５と給光箇所Ｓとの間の光路および、受光素子６と受光箇所Ｒとの間の光路の両方の光路上に配置されたボールレンズ７がチューブ壁４ａに密接するので、それらチューブ壁４ａとボールレンズ７との間に実質的に空気層が介在せず、また、そのボールレンズ７の当接部分でチューブ壁４ａの表面の微小な傷や凹凸が潰れてチューブ壁表面が滑らかになる。

従って、この実施形態の透過光強度測定ユニットによれば、チューブ壁４ａとボールレンズ７との間での空気層やチューブ壁表面の凹凸等による光の散乱や吸収がほとんどもしくは全くなくなるので、散乱や吸収による光の減衰を減らすことができ、発光素子５から樹脂チューブ４を透過して受光素子６に至る光の光量を充分に得ることができる。

しかも、この実施形態の透過光強度測定ユニットによれば、透光部材は、チューブ壁４ａに当接する凸曲面を有する凸レンズの一種のボールレンズ７であるので、透光部材の、特にチューブ壁４ａの給光箇所Ｓおよび受光箇所Ｒに当接する部分に光を集束させて、光をより効率的に管壁に通すことができる。

かかる実施形態の透過光強度測定ユニットで、発光ユニット２側のボールレンズ７と受光ユニット３側のボールレンズ７との間隔を異ならせたものを２つ、例えば特許文献１の図１（ａ）記載の流体濃度測定装置に用いれば、特許文献１の明細書に記載されているように、発光素子ドライバー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５から発光された光は、二つの透過光強度測定ユニットの発光ユニット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４の、発光ユニット２に近い側のチューブ壁４ａと、その樹脂チューブ４の内部を流れる血液と、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４ａと、を透過し、互いに異なる距離の光路を経て、二つの受光ユニット３内の受光素子６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６が、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。

そして二つの受光ユニット３内の受光素子６の出力信号はそれぞれ、例えばアンプで増幅され、ローパスフィルタ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）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）に入力される。ＣＰＵは、発光素子ドライバーの作動を制御して、好ましくは二つの透過光強度測定ユニットの発光ユニット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６の出力信号から既知のように、ランベルト−ベールの法則に基づき各光路距離をおいて給光箇所Ｓからの光を受光箇所Ｒで受光する場合の光の強度と血液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、何れかの受光素子６の出力信号から樹脂チューブ４内の血液の濃度を求め、その濃度データを示す信号を出力する。

従って、上述した実施形態の透過光強度測定ユニットを用いた流体濃度測定装置によれば、発光素子５から樹脂チューブ４を透過して受光素子６に至る光の光量を充分に得ることができるので、血液濃度の測定精度を従来よりもさらに高めることができる。

図２（ｂ）は、この発明の透過光強度測定ユニットの他の一実施形態における半球レンズの集光状態を示す説明図であり、この実施形態の透過光強度測定ユニットでは、発光ユニット２および受光ユニット３の透光部材として、先の実施形態におけるボールレンズ７に代えて半球レンズ８が用いられ、それらの半球レンズ８の球面側が給光箇所Ｓおよび受光箇所Ｒに当接し、それら給光箇所Ｓおよび受光箇所Ｒでチューブ壁４ａを弾性的に凹ませてチューブ壁４ａに密接する。

この実施形態の透過光強度測定ユニットによっても、先の実施形態ほどではないが、発光素子５から樹脂チューブ４を透過して受光素子６に至る光の光量を充分に得ることができる。

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、例えば上記実施形態では透光部材としてのボールレンズ７や半球レンズ８を発光ユニット２および受光ユニット３の両方に設けているが、何れか一方、特に発光ユニット２側のみに設けるようにしても良い。そしてその場合に受光ユニット３側の透光部材は、平坦な面で樹脂チューブ４のチューブ壁４ａに当接するものでも良い。

また、上記実施形態の透過光強度測定ユニットを用いた上記例の流体濃度測定装置では、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、上記例の流体濃度測定装置では、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透過光強度測定ユニットによれば、管壁と透光部材との間での空気層や管壁表面の凹凸等による光の散乱や吸収がほとんどもしくは全くなくなるので、散乱や吸収による光の減衰を減らすことができ、光源から管路を透過して受光素子に至る光の光量を充分に得ることができる。

１ チューブホルダー
１ａ 切欠き部
２ 発光ユニット
３ 受光ユニット
４ 樹脂チューブ
４ａ チューブ壁
５ 発光素子
６ 受光素子
７ ボールレンズ
８ 半球レンズ
Ｌ 光

Claims (3)

1. 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流体濃度測定装置に用いられる透過光強度測定ユニットにおいて、
   前記管路の表面上の給光箇所から前記管路内に光を供給する光源と、
   前記給光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、前記給光箇所から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、
   前記光源と前記給光箇所との間の光路上および、前記受光素子と前記受光箇所との間の光路上に配置されて前記管壁に当接し、前記管壁の弾性変形により前記管壁に分離可能に密接する透光部材と、
   を具え、
   前記透光部材は、前記管壁に当接する凸曲面を有する凸レンズであることを特徴とする透過光強度測定ユニット。
2. 前記凸レンズは、ボールレンズであることを特徴とする、請求項１記載の透過光強度測定ユニット。
3. 前記光透過性でかつ変形可能な管壁を持つ管路は、樹脂チューブであることを特徴とする、請求項１または２記載の透過光強度測定ユニット。

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