JPS6312940A - 光ファイバ装置及びその装置によるパラメ−タの測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光ファイバ装置に関し、減衰することなく出
力放射線信号７送る放射線伝達結合部を備えるところの
放射線感知部に電磁放射線を伝えかつ当該放射線感知部
からの出力放射線を受信するための装置に関する。

また、Ｘ発明は、上記装置を用いることにより上記出力
放射線の相関的要素である所定のパラメータビがり定す
る方法に関する。

（従来の技術） 液体中における所定のパラメータの測定は、特に生物学
の分野において切望されている。例えば、血液中のＰＨ
レベル及び酸素、二酸化炭素といったガスの濃度の測定
は、外科手術後における外科処置及び集中的着設の入院
に際して重要である。

また、従来、生理学上のパラメータ測定のための装置が
種々提案されている。

米国特許第４００３７０７号は、例えば血液等の標本の
ガス濃度及びｐＨ値を測定するための方法と異項乞開示
している０そして、この方法と装置は、光伝達性のケー
ブル端部に感度のよい透過性の散乱膜によって気密に被
覆されあるいは当該散乱膜に埋め込まれた螢光性指示剤
を使用する。意義のある測定がなされるまでに、伝達さ
れた放射線及び上記指示剤から放射された放射線ア、反
射器、ビームスプリッタ−及び増幅器などの様々なフィ
ルタ一部品や光部品？通過させなければならない。

米国特許第４０４１９３２号は、看者の皮膚の小部分を
被う角質の組織層を取り去って形成した皮膚窓に気密に
取り付けられた密封したチャンバーに集められた気体又
は液体の濃度を測定することによって血液成分の測定す
る方法を開示している。

この密封したチャンバーにおける測定は、とりわけ螢光
指示剤から放射された光の強度変化を測定することにな
される。

米国特許第４２００１１０号と第４４７６８７０号は、
光ファイバｐＨプローブに接続されたｐＨ感知剤の使用
を開示する。いずれの特許においても、染料表示剤が感
度のよい透過性被覆膜に包まれている。

米国特許第４５４８９０７号は、分析すべき標本に露出
するために分岐した光ファイバー　チャネルの一端に固
定された膜で保持した発螢光団を有してなる螢光性光セ
ンサ乞開示する。

ｐＨ測定に感度のよい、かつｐｃＯ２測定に有用な多（
の螢光性指示剤が当業界において知られている。有用な
螢光指示剤の例は、上述した特許及びジョージ・ガイル
バルトによって書かれた６実用的螢光体”（１９７３）
の５９９〜６００ページに開示されている。

（本発明が解決しようとする問題点） 螢光指示剤？用いたセンサ装置は、生理学上の媒体にお
ける生体外又は生体内の成分測定に利用される。生体外
の測定においては、その装置の大きさはそれほど問題で
はないが、生体内測定にとって装置の大きさは啄めて重
要である。そして、生理学上の媒体、例えば血液の生体
内での成分測定にオ６いて、センサ装置特にカテーテル
型装置の小型化の要請が高まっている。しかしながら、
それら装置の小型化、特にセンサそれ自身の小型化は、
表示剤から放射される信号の強さ乞減衰させてしまう。

このことは、当該信号の検出及び測定にとって問題とな
る。これらの問題は、検出装置が放射された信号乞分離
しかつ測定するためにフィルター、ビームスプリンター
、反射器のような多数の部品χ必要とする場合はど悪化
する。上記各部品が放射された信号の強さを減衰させ、
測定すべき信号の連続的損失を引き起こす。その結果、
装置の部品が増えれば増えるほど、最終信号の強度が弱
（なるのである。

（問題点！解決するだめの手段） 以下に述べる本発明に従って伝達光ファイバ及び放射さ
れた放射線の受信光ファイバ７接続すれハ、従来用いて
いたフィルター、ビームスプリッタ−１反射器等の光部
品７用いる必要がなくなり、放射線感知剤、特に上述し
た文献に開示された種類の螢光表示剤から放射された信
号乞ほぼ減衰することなく適切な検出器に受信させるこ
とができることか見出された０ 本発明の装置によってもたらされる付加的光部品の必要
性の削除によって、センサ装置を信号強度を減衰させる
ことな〈従来の装置より大幅に小型化することが可能と
なる。

本発明によれば、電岐的放射線を放射線感知剤に伝達し
、制御された比率で上記放射線感知剤から出力された放
射線ケ受けると共に、肖該出力放射線ン放射線再伝達手
段、放射線変換手段及び放射線表示手段、再伝達手段に
伝える光ファイバ装置において、基端部と末端部を有す
る被覆された第１の光ファイパン備え、上記第１の光フ
ァイバの基端部に源放射線が入力され、上記末端部が基
端部と末端部を有する被覆された第２の光ファイバの露
出した中間部分に接触する露出した先端を有し、上記先
端と上記第２の光ファイバ間の接触部が放射線伝達の結
合部Ｚ形成し、上記第２の光ファイバの基端部が上記放
射線再伝達手段、放射線変換手段、放射線表示手段及び
放射線再伝達手段に接続され、かつ上記第２の光フフイ
バの末端部に放射線感知体が取付けられ、上記結合部が
不透明でかつ放射線を反射し５る筒部内に保持される構
成の光ファイバ装置ン提供する。

ま１こ、本発明は、放射線感知剤からの出力放射線の相
関的要素である所定のパラメータ乞測定する方法におい
て、放射線源から、基端部と末端部を有する被覆された
第２の光ファイバの露出した中間部分に接触する末端部
と基端部を有する被覆された第１の光ファイバＺ備える
装置に電磁的放射線ケ伝達し、上記接触部分が不透明の
放射線反射筒部内に保持された放射線χ伝達しうる結合
部Ｚ形成し、上記放射線乞上記第１の光ファイバの基端
部を通して装置に入力し、かつ上記第１の光ファイバに
そって上記結合部を通して上記第２の光ファイバの末端
部側に伝達し、放射線の大部分乞直接上記第２の光ファ
イバに通さず反射筒部によって第２の光ファイバ内に反
射させ、放射線ン第２の光ファイバの末端に取付けられ
た放射線感知剤に当てることによって上記放射線感知剤
に」１１定丁べきパラメータ乞決定する特性を有する信
号ケ生じさせ、かつ上記信号乞減衰することなく第２の
光ファイバを通してその基端部に送り、これにより第２
の光ファイバの基端部に接続された放射線検出器によっ
て所望のパラメータ測定を行う測定方法乞提供する。

不発明の装置において、放射線伝達の結合部における第
１の光ファイバに対する第２の光ファイバの配置によっ
て、上記放射線感知剤からの出力放射線が第２の光ファ
イバの末端に接続されると共に、減衰することなく第２
の光ファイバを通して伝達されかつ上記結合部を介して
上肥測定手段、変換手段、表示手段及び再伝達手段に伝
達される。

さらに好ましい態様は、第１の光ファイバの露出した先
端と第２の光ファイバの露出した中間部分と接触部分が
、ほぼ平行となっている。

さらに好ましい実施例においては、第２の光ファイバと
接触する露出端部の表面が予め平坦にみがかれている。

また、上記結合部は、放射線乞２つの部分に分離させる
。第１に、放射線の少ない部分が第２の光ファイバの基
端部及び検出器に送られ、第２に多くの部分が第２の光
ファイバの末端部及び放射線感知部に送られる。これは
、放射線の第１の部分と出力放射又は放射信号との比率
乞測定することによって入力放射線の補正７行うのに都
合のよい手段である。

本発明の装置に用いられる光ファイバは、所定の波長の
電磁的放射線７伝えるのに適切な材料で成形される。好
ましい実施例では、第１及び第２の光ファイバが溶解し
たシリカによって成形され、かつ被覆がシリコンによっ
て成形されるＯＭ解したシリカは、紫外線の伝達のため
に特に適してぃろ０ 上記第１のファイバ及び第２の光ファイバが、単一のフ
ァイバ繊維又は複数のファイバ束ニより構成される。好
ましくは、第２の光ファイバの露出部分が、少なくとも
一本のファイバの直径と等しい長さｔ有している。

不発明の装置の放射線伝達結合部に設けられた上記不透
明の放射線反射筒部は、効果的に２つの働き７丁石。即
ち、上記結合部から逃げる放射線７反射して第２の光フ
ァイバ内に戻すと共に、外部から放射線が装置に入り込
むのビ妨ぐ働き乞する。このように、上記筒部は、内部
における反射部として機能するのみならず、外部の放射
線に対しては不伝導体として機態するのである。この２
つの目的ン達成するため、上記筒部が内層と外層を有し
てなり、かつ内層は内側面が反射性材料で仮覆された金
属ホイル又は金属性のフィルムにより形成され、外層は
熱収縮性の不透明の非金属材料により形成されろ。

好ましくは、上記内層の金属ホイルがアルミニウムホイ
ルよりなり、反射性材料が硫酸ハＩＪウムよりなる。

また、結合効果を高めるため、結合ゲルの層が反射性材
料のフィルム上に設けられている。

上記結合ゲルとしては、光ファイバの材料とほぼ同じ屈
折率７有するこの分野で標準的な材料が用いられる。

筒部の外層として用いられろ熟成、縮性で不透明の非金
属材料としては、周囲の放射線に対して不伝導でかつ結
合部の囲りに放射線感知部乞形肺するため熱収縮するも
のであればどのような材料でモヨい。好ましい材料とし
ては、ポリ塩化ビニルのような不透明のプラスチックが
ある。完全な放射線密封部７形成するため、外層は内部
の反射層を越えて延びかつ各光ファイバの被覆部分χ包
んでいる。

本発明の装置は、特に放射線感知部の出方放射線の関数
である所定のパラメータを測定する方法に用いられる。

その方法の好ましい実施例では、測定されるパラメータ
が液体中の物質の濃度であり、上記放射線感知部が上記
物質の存在によって放射する放射線が変化する螢光性表
示剤よりなる。

その測定方法の典型的例としては血液中における二酸化
炭素濃度の測定がある。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面ン参照して詳細に説
明する。

図面に示されている好適な実施例は、露出端部２ビ有す
る被覆された第１の光コアイノ（１を備えてなる。上記
光ファイバ１のコアは、溶解したシリカによって成形さ
れ、被覆３は光子伝導性のシリコンによって成形されて
いる。

上記第１の光ファイバ１の露出端部２は、上記第１の光
ファイバ１と同じ材質で成形された被覆された第２の光
ファイバ５の露出した中間部分４とほぼ平行に接してい
る。

上記端部２と第２の光ファイバ５との接触部分は、不透
明体に囲まれた光乞伝達可能な結合部を形ｆｉｙ、スる
０ここで、不透明体とは、符号６によって断面で示され
るアルミニウムホイルからなる内層６と、熱収縮性の不
透明の非金属材料例えばポリ塩化ビニルからなる外層７
とで構成される光を反射しうる筒部であるＱ上記不透明
の熱収縮性を有する筒部の最大内径は、直径約４００μ
ｍの溶解したシリカよりなる標準的な光ファイバ７用い
た場合、約０．０１インチ（０，０２５順）である。上
記外層７は、内層６乞越えて延びている。そして、内層
６と光ファイバの被覆３上で熱収縮２施され、結合部の
囲りに光を通さないシール部Ｚ形戊している０ アルミニウムホイル６の内面、即ち光ファイバの結合部
に面する内面は、光反射性の材料例えば硫酸バリウムよ
りなる膜によって被われている０屈折率を整合する光結
合ゲル、例えばンリコンゲルの層が、反射材料よりなる
上記膜の一面に施されている。この層は、反射、層と露
出した光ファイバ間の空間８を満たしている。

第２の光ファイバ５の適宜露出させた末端には、少量の
螢光性の指示剤９が付けられている０この螢光性指示剤
９は、光源（図示せず）から＄１の光ファイバを通して
送られる光１０例えばレーザによって励起される光感細
部を構ｒｉ５ｊ、ｊる。

液体中のある物質の濃度を測定する場合の上記装置の操
作（図示せず）において、上記励起した光は上記指示剤
に一定の波長の螢光発光を生じさせる。この放射された
螢光性の光は、検出すべき物質の状態によって変化する
。そして、実験中の液体内の上記物質濃度の測定は、実
質上減衰することなく上記第２のファイバを通って検出
手段（図示せず）に伝達される放射された光１１の強さ
乞検出することによってなされる。

次の実例は、不発明とその方法乞説明する。

実例１ 本実例は本発明による好適な装置の準備７示す。

溶解したシリカにより成形されシリコンで被覆された直
径４００μｍの第１の光ファイバの端部は、その被覆が
約１ｃＩｒＬはど取り除かれている。また、その光ファ
イバの端面ばペヘラーの光コアイノくみかき器によって
平１こんにみかかれている０さらに、上記露出端部は、
残った被覆とみがき砂乞取り去るためにアセトンで洗浄
されている０被覆された第２の光ファイバの中間部分か
ら約ＩＣ７！Ｌはど被覆が取り除かれている０この被覆
の除去によって溶解したシリカより成形されたコアが露
出している０このコアも残った被３ｙｘ取り去るために
アセトンで洗浄されている。

アルミニウムホイルの細片は、ほぼ６“×６′×０．０
０４５”の寸法に切断されている。このホイルの表面は
、工業用に利用されるホワイトノ（リウム硫酸塩よりな
る反射膜で被覆して低い熱のもとで乾燥させである。

上記乾燥させた細片からほぼビＸ０．５″　　の被覆さ
れたホイルの小片が切断されている。

上記反射膜上に光結合ゲルの薄い層が設けられている。

第１の光ファイバのみがかれた露出端部は、第２の光フ
ァイバの露出部分と接触させて実質的に平行に導かれて
いる０この結合部は、第２の光ファイバの被覆部分に接
続することによって所定位置に保持されている。

上記準備したホイルは、内側に光反射面を有する１８針
金ゲージの上記筒部上に小型のシリンダのように丸めら
れている。そして、このシリンダは、第２の光ファイバ
の末端までスライドされ、２本の光ファイバの結合部上
に位置させである。

また、上記ホイルの端部ンぴったり重ね合わせろために
、内径約０．１’（２，５４問）で長さ約　Ｊ／（２５
，４ｒＢ）の熱収縮性の不透明ポリ塩化ビニルからなる
筒部ン、第２の光ファイバの末端までスライドさせかつ
反射ホイル上に位置させている。その後、上記管に熱暑
加えて上記ホイル上で収縮させ、それによって上記接合
部を周囲からの光に対して密封しである。この熱収縮性
の外層を設けることの付加的な利点は、上記光ファイノ
（ヲ所定位置に保持することに加えて上記接合部乞機械
的に強くすることにあるＱ 実　　例　　２ 不実例は、不発明による装置！酸素ガスセンサとして用
いた場合について説明する０ ３３７ｒＬｒＩＬの波長をもつほぼ単色の光乞放射する
窒素ガスレーザが、実例１で示した装置における第１の
光ファイバの基端部に接続されろＯ酸素の螢光指示剤と
して知られている少量のピレン酪酸が、装置の第２の光
ファイバ末端部に取付けられている０ 適切な光検出器が、装置の第２の光ファイバ基端部に接
続され、かつ放射光の強さから酸素ガスの製置変化を読
取るための目盛が取付けられている０ ピレン酪酸が上記光源によって励起されると、波長３９
ｆ１ｍの螢光ケ発する０放射された光の強さは、酸素に
よって減衰され、そしてその放射光の減少によって酸素
濃度の測定がなされるものである。

不発明の装置ｌ用いて行った実験の結果７以下に示す。

０　　　１３７．６０　　　　　　　　　１．０７　　
　　９４．９５　　　　　　　　　１．４５２１　　　
　６２．９７　　　　　　　　　２．１９１００　　　
２１．６５　　　　　　　　　６．３６上記結果は、本
発明の装置によって高精度の光分析が得られることを示
していると共に、酸素濃度の正確な測定が行える能力が
あることｔ示している。

実　　例　　３ 本実例は、液状媒体中の二酸化炭素センサとして不発明
の装置７用いた場合ヶ示している。

実例２に示した方法と同様の方法で、３３７ｎｍの波長
を持つほぼ単色の光を発する望累ガスレーザが、実例１
に示した装置の第１の光ファイバＣ基端部に結合されて
いるＯ ｐＨ指示剤として仰られている少量のカルボ宅シルメチ
ルアンベリフエロン（ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｕｍｂ
ｅｌｌｉｆｅｒｏｎｅ　）が、装置の第２の光ファイノ
末端に取付けられている。この指示剤は、５ｒｒＬＭの
重炭酸ナトリウム（ｓｏｄｉｕｍ　ｂｉｃａｒｂｏｌａ
ｔｅ　）を含む水成のゲルによって被覆され、かつ二酸
イ１炭素からなる透過性のシリコン部材中に保持さｔて
いる。この結果、装置は上述した放射源によ７励起によ
って波長４６０ｒＬｍ　（１）螢光性放射ｍｙ；ｔ−放
ρすると共に、二酸化炭素センサとして動作する。

適切な放射線検出器が、装置の第２の光ファノバ基端部
に接続され、かつ放射された放射線のり・さかも脱イオ
ンされた液体中の二酸化炭素濃度シ変化を読取るための
目盛が取付けられている。

上記センサを脱イオンされた液体中に浸して行った実験
の結果を以下に示ｉ。

〉 ０　　　　　９９．２９　　　　　　　１．０７　　　
　　８３．６３　　　　　　　１．１９１００　　　　
４５．６５　　　　　　　２．１８実例２の場合と同様
に、上記結果は、本発明の装置によって高精度の光分析
が得られることを示していると共に、液状媒体中におけ
る二酸化炭素センサの正確な測定が行える能力があるこ
とを示しし　　　ているＱ ）　　　本発明の装置は従来の光センサに比べ多くの利
寸　　点を与える０それらの利点Ｙ以下に示す。

１）検出器に入力放射線及び出力放射線を伝える［　　
のに２本の光ファイパン用いることにより、分枝＠℃・
のためのビームスプリッタ−７不要としかつそれ）　　
によって装置が簡単化する０ ２）入力放射線を結合部で２つの部分に分離する。

一方の量の少ない放射線が、放射線検出器に送られ、目
盛を決めるのに役立つ。また、他方の量の多い放射線が
、螢光指示剤の励起のため第２の光ファイバの末端部に
送られる。

３）少ない量の放射線と螢光放射信号との比率７求める
ことにより、螢光測定の補正がなされる。

４）結合部での放射線の減衰がほとんどないため、検出
器への信号ケ増強することができる０５）付加的部品を
不要とすることにより、（１）　　信号強度の損失がほ
ぼなくなり、（２）センサ装置の良好な小型が図られる
。

（発明の効果） 以上述べたように不発明の装置によれば、ビームスプリ
ッタ−等の付加的部品が不要となることから、信号の損
失ｔなく丁ことができると共に、装置の小型が達成され
る効果が得られる。

また、本発明の測定方法によれば、放射線感知剤からの
出力放射線の関数となるパラメータの測定において、極
めて高精度の正確な測定がなされる効果が得られるっ

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例に係る光ファイバ装置の一部乞切
欠いた状態の略側面図であるＯｌ：第１の光ファイバ　
　２：露出端部３：被覆　　　　　　　　４：中間部分
５：第２の光ファイバ　　６：内層 ７：外層　　　　　　　８；空間 ９：螢光表示剤

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）電磁的放射線を放射線感知剤に伝達し、制御され
   た比率で上記放射線感知剤から出力された放射線を受け
   ると共に、当該出力放射線を放射線測定手段、放射線変
   換手段及び放射線表示手段、再伝達手段に伝える光ファ
   イバ装置において、基端部と末端部を有する被覆された
   第１の光ファイバを備え、上記第１の光ファイバの基端
   部に源放射線が入力され、上記末端部が基端部と末端部
   を有する被覆された第２の光ファイバの露出した中間部
   分に接触する露出した先端を有し、上記先端と上記第２
   の光ファイバ間の接触部が放射線伝達の結合部を形成し
   、上記第２の光ファイバの基端部が上記放射線測定手段
   、放射線変換手段、放射線表示手段及び放射線再伝達手
   段に接続され、かつ上記第２の光ファイバの末端部に放
   射線感知体が取付けられ、上記結合部が不透明でかつ放
   射線を反射しうる筒部内に保持されることを特徴とする
   光ファイバ装置。
2. （２）第１の光ファイバの露出した先端と第２の光ファ
   イバの露出した中間部分と接触部分が、ほぼ平行となつ
   ていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光フ
   ァイバ装置。
3. （３）第１及び第２の光ファイバが溶解したシリカによ
   つて成形され、かつ被覆がシリコンによつて成形される
   ことを特徴とする請求の範囲第１又は第２項に記載の光
   ファイバ装置。
4. （４）上記筒部が内層と外層を有してなり、かつ内層は
   内側面が反射性材料で被覆された金属ホイル又は金属性
   のフィルムにより形成され、外層は熱収縮性の不透明の
   非金属材料により形成されることを特徴とする第１項乃
   至第３項のうちのいずれか１項に記載の光ファイバ装置
   。
5. （５）上記金属ホイルがアルミニウムホイルよりなり、
   上記反射性材料が硫酸バリウムよりなり、結合ゲルの層
   が上記反射性材料よりなるフィルム上に設けられている
   ことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の光ファイバ
   装置。
6. （６）上記放射線感知剤からの出力放射線が第２の光フ
   ァイバの末端に接続されると共に、減衰することなく第
   ２の光ファイバを通して伝達されかつ上記結合部を介し
   て上肥測定手段、変換手段、表示手段及び再伝達手段に
   伝達されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第５
   項のうちのいずれか１項に記載の光ファイバ装置。
7. （７）上記第１のファイバ及び第２の光ファイバが、単
   一のファイバ繊維又は複数のファイバ束により構成され
   ることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第６項のうち
   のいずれか１項に記載の光ファイバ装置。
8. （８）放射線感知剤からの出力放射線の相関的要素であ
   る所定のパラメータを測定する方法において、放射線源
   から、基端部と末端部を有する被覆された第２の光ファ
   イバの露出した中間部分に接触する末端部と基端部を有
   する被覆された第１の光ファイバを備える装置に電磁的
   放射線を伝達し、上記接触部分が不透明の放射線反射筒
   部内に保持された放射線を伝達しうる結合部を形成し、
   上記放射線を上記第１の光ファイバの基端部を通して装
   置に入力し、かつ上記第１の光ファイバにそつて上記結
   合部を通して上記第２の光ファイバの末端部側に伝達し
   、放射線の大部分を直接上記第２の光ファイバに通さず
   反射筒部によつて第２の光ファイバ内に反射させ、放射
   線を第２の光ファイバの末端に取付けられた放射線感知
   剤に当てることによつて上記放射線感知剤に測定すべき
   パラメータを決定する特性を有する信号を生じさせ、か
   つ上記信号を減衰することなく第２の光ファイバを通し
   てその基端部に送り、これにより第２の光ファイバの基
   端部に接続された放射線検出器によつて所望のパラメー
   タ測定を行うことを特徴とするパラメータの測定方法。
9. （９）測定される上記パラメータが液体中の物質の濃度
   であり、かつ上記放射線感知部が上記物質の存在によつ
   て放射する放射線が変化する螢光性表示剤よりなること
   を特徴とする請求の範囲第８項に記載のパラメータの測
   定方法。