JPWO2019064559A1 - 計測装置、計測方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体 - Google Patents

計測装置、計測方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体 Download PDF

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Abstract

計測装置は、流体に光を照射する照射部(100)と、流体によって散乱された散乱光の前方散乱成分を受光する第1受光部(210)と、散乱光の後方散乱成分を受光する第2受光部(220)と、散乱光の側方散乱成分を受光する第3受光部(230)と、第1受光部、第2受光部及び第3受光部の受光信号に基づいて得られる、流体に関する流体情報を出力する出力部(400)とを備える。この計測装置によれば、散乱光の前方散乱成分、後方散乱成分及び側方散乱成分が利用されるため、正確な流体情報を出力することができる。

Description

本発明は、流体に関する情報を計測可能な計測装置、計測方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体の技術分野に関する。
この種の装置として、流体に光を照射すると共に散乱光を受光して、流体に関する情報を計測するものが知られている。流体においては、照射された光が複数方向に散乱する。これらの散乱光を別々に検出すれば、夫々の特性を利用して流体に関する情報を計測することが可能とされている(例えば、特許文献1を参照)。
特許第4451567号
散乱光には、前方散乱光及び後方散乱光だけでなく、側方散乱光(即ち、流体の表層において、光軸に対してほぼ垂直方向に散乱する光)が含まれる。しかしながら、この側方散乱光を利用して流体に関する情報を計測する方法については、改善の余地が十分に残されている。例えば、特許文献1に記載されている技術では、流体の成分が変わることにより、各散乱成分の関係性も変化する。よって、成分の異なる流体を計測しようとすると計測精度が大きく低下してしまうという技術的問題点がある。
本発明が解決しようとする課題には上記のようなものが一例として挙げられる。本発明は、側方散乱光を利用して流体に関する情報を計測することが可能な計測装置、計測方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体を提供することを課題とする。
上記課題を解決するための第1の計測装置は、流体に光を照射する照射部と、前記流体によって散乱された散乱光の前方散乱成分を受光する第1受光部と、前記散乱光の後方散乱成分を受光する第2受光部と、前記散乱光の側方散乱成分を受光する第3受光部と、前記第1受光部、前記第2受光部及び前記第3受光部の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力部とを備える。
上記課題を解決するための第2の計測装置は、流体に光を照射する照射部と、前記流体によって散乱された散乱光のうち、前記流体の内部を通過した第1成分を受光する第1受光部と、前記散乱光のうち、前記流体の表層で前記照射部が位置する第1方向に散乱された第2成分を受光する第2受光部と、前記散乱光のうち、前記流体の表層で前記第1方向とは異なる第2方向に散乱された第3成分を受光する第3受光部と、前記第1受光部、前記第2受光部及び前記第3受光部の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力部とを備える。
上記課題を解決するための計測方法は、流体に光を照射する照射工程と、前記流体によって散乱された散乱光の前方散乱成分を受光する第1受光工程と、前記散乱光の後方散乱成分を受光する第2受光工程と、前記散乱光の側方散乱成分を受光する第3受光工程と、前記第1受光工程、前記第2受光工程及び前記第3受光工程の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力工程とを備える。
上記課題を解決するためのコンピュータプログラムは、流体に光を照射する照射工程と、前記流体によって散乱された散乱光の前方散乱成分を受光する第1受光工程と、前記散乱光の後方散乱成分を受光する第2受光工程と、前記散乱光の側方散乱成分を受光する第3受光工程と、前記第1受光工程、前記第2受光工程及び前記第3受光工程の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力工程とをコンピュータに実行させる。
上記課題を解決するための記憶媒体は、上述したコンピュータプログラムを記憶している。
第1実施例に係る計測装置の構成を示す平面図である。 照射光の複数の散乱成分と各受光部の配置位置とを示す断面図(その1)である。 照射光の複数の散乱成分と各受光部の配置位置とを示す断面図(その2)である。 透過光量と側方散乱光量との関係を示すグラフである。 透過光量と後方散乱光量との関係を示すグラフである。 透過光量と側方散乱光量及び後方散乱光の和との関係を示すグラフである。 第2実施例に係る計測装置の構成を示す平面図である。
<1>
本実施形態に係る第1の計測装置は、流体に光を照射する照射部と、前記流体によって散乱された散乱光の前方散乱成分を受光する第1受光部と、前記散乱光の後方散乱成分を受光する第2受光部と、前記散乱光の側方散乱成分を受光する第3受光部と、前記第1受光部、前記第2受光部及び前記第3受光部の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力部とを備える。
本実施形態に係る第1の計測装置によれば、その動作時には、例えばチューブ内部を流れる流体に対して照射部から光が照射される。照射部から照射された光は、流体において散乱され散乱光となる。
散乱光は、相異なる位置に配置された複数の受光部において夫々受光される。具体的には、散乱光の前方散乱成分が第1受光部に受光され、散乱光の後方散乱成分が第2受光部に受光され、散乱光の側方散乱成分が第3受光部に受光される。第1受光部、第2受光部及び第3受光部の受光信号からは、流体に関する流体情報が取得され、出力部から出力される。
本実施形態では、上述したように少なくとも3つの散乱成分(即ち、前方散乱成分、後方散乱成分及び側方散乱成分)を用いて流体情報を取得するため、1つ又は2つの散乱成分だけに基づいて流体情報を取得する場合と比較して、正確な流体情報を出力することができる。
また、本実施形態における流体の一例は、血液であるが、血液以外の任意の流体(例えば、インク、油、汚水、調味料等)の計測にも適用可能である。
また、本実施形態における流体情報の一例は、流体の濃度に関する情報であってもよい。より具体的には、流体情報は、血液中に占める血球の体積の割合を示す数値(所謂ヘマトクリット値)に関する情報であってもよい。
<2>
本実施形態に係る計測装置の一態様では、前記出力部は、前記後方散乱成分と前記側方散乱成分との和、及び前記前方散乱成分に基づいて得られる、前記流体情報を出力する。
本願発明者の研究するところによれば、後方散乱成分と側方散乱成分の和と、前方散乱成分との間に、ある一定の関係があることが判明している。よって、後方散乱成分と側方散乱成分の和、及び前方散乱成分を用いれば、より容易に正確な流体情報を出力することが可能である。
<3>
本実施形態に係る計測装置の他の態様では、前記照射部は、照射する光の光軸が、前記流体の流れる方向に対して斜めになるように配置されている。
この態様によれば、流体の流れる方向に対して斜め光が照射されるため、側方散乱成分を受光する第3受光部の配置が容易となる。また、ドップラー信号の検出も容易となる。
<4>
上述した光軸が斜めになるように照射部が配置される態様では、前記照射部は、照射する光の光軸が、前記流体の流れる方向に対して45度近傍以外の角度となるように配置されていてもよい。
仮に、流体の流れる方向に対して45度近傍の角度で光が照射されると、側方散乱光を受光する第3受光部に後方散乱成分を含む強い散乱光が入射してしまい、側方散乱成分を適切に受光することができなくなってしまう。45度近傍以外の角度で光を照射すれば、上述した不都合を回避することができる。
<5>
本実施形態に係る計測装置の他の態様では、前記照射部は、第1照射部及び第2照射部を含み、前記第1受光部は、前記第1照射部の散乱光の前方散乱成分を受光し、前記第2受光部は、前記第1照射部の散乱光の後方散乱成分を受光し、前記第3受光部は、前記第2照射部の散乱光の側方散乱成分を受光する。
この態様によれば、前方散乱成分及び後方散乱成分を発生させるための第1照射部と、側方散乱成分を発生させるための第2照射部とが別々に設けられる。よって、照射部が単一のものである場合と比較すると、夫々の散乱成分に適した条件での計測が可能となる。
<6>
本実施形態に係る第2の計測装置は、流体に光を照射する照射部と、前記流体によって散乱された散乱光のうち、前記流体の内部を通過した第1成分を受光する第1受光部と、前記散乱光のうち、前記流体の表層で前記照射部が位置する第1方向に散乱された第2成分を受光する第2受光部と、前記散乱光のうち、前記流体の表層で前記第1方向とは異なる第2方向に散乱された第3成分を受光する第3受光部と、前記第1受光部、前記第2受光部及び前記第3受光部の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力部とを備える。
本実施形態に係る第2の計測装置によれば、流体の内部を通過した第1成分が第1受光部に受光され、流体の表層で照射部が位置する第1方向に散乱された第2成分が第2受光部に受光され、流体の表層で第1方向とは異なる第2方向に散乱された第3成分が第3受光部に受光される。第1受光部、第2受光部及び第3受光部の受光信号からは、流体に関する流体情報が取得され、出力部から出力される。
本実施形態では、上述したように少なくとも3つの散乱成分(即ち、第1成分、第2成分及び第3成分)を用いて流体情報を取得するため、1つ又は2つの散乱成分だけに基づいて流体情報を取得する場合と比較して、正確な流体情報を出力することができる。
<7>
本実施形態に係る計測方法は、流体に光を照射する照射工程と、前記流体によって散乱された散乱光の前方散乱成分を受光する第1受光工程と、前記散乱光の後方散乱成分を受光する第2受光工程と、前記散乱光の側方散乱成分を受光する第3受光工程と、前記第1受光工程、前記第2受光工程及び前記第3受光工程の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力工程とを備える。
本実施形態に係る計測方法によれば、上述した計測装置と同様に、少なくとも3つの散乱成分を用いて流体情報を取得するため、1つ又は2つの散乱成分だけに基づいて流体情報を取得する場合と比較して、正確な流体情報を出力することができる。
<8>
本実施形態に係るコンピュータプログラムは、流体に光を照射する照射工程と、前記流体によって散乱された散乱光の前方散乱成分を受光する第1受光工程と、前記散乱光の後方散乱成分を受光する第2受光工程と、前記散乱光の側方散乱成分を受光する第3受光工程と、前記第1受光工程、前記第2受光工程及び前記第3受光工程の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力工程とをコンピュータに実行させる。
本実施形態に係るコンピュータプログラムによれば、上述した計測方法と同様の工程をコンピュータに実行させることができるため、正確な流体情報を出力することができる。
<9>
本実施形態に係る記憶媒体は、上述したコンピュータプログラムを記憶している。
本実施形態に係る記憶媒体によれば、記憶したコンピュータプログラムをコンピュータに実行させることができるため、正確な流体情報を出力することができる。
本実施形態に係る計測装置、計測方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体の作用及び他の利得については、以下に示す実施例において、より詳細に説明する。
以下では、図面を参照して計測装置の実施例について詳細に説明する。なお、以下では、計測装置が、人工透析装置の血液回路を構成するチューブ内を流れる血液の濃度(ヘマトクリット値)を計測する装置に適用される場合を例にとり説明を進める。
<第1実施例>
まず、第1実施例に係る計測装置の構成について、図1を参照して説明する。図1は、第1実施例に係る計測装置の構成を示す平面図である。
図1に示すように、本実施例に係る計測装置は、チューブ300内を流れる血液に対して光を照射することで、血液のヘマトクリット値を計測する装置として構成されている。計測装置は、照射部100、第1受光部210、第2受光部220、第3受光部230、及び血液情報処理部400を備えて構成されている。
照射部100は、例えばレーザ光源として構成されており、チューブ300内を流れる血液に対して光を照射する。照射部100は、照射する光の光軸が、血液の流れる方向(図中の流軸)に対してθ1の角度になるように配置されている。θ1は、90度近傍及び45度近傍以外の角度である。なお、θ1が90度近傍になるのを避ける理由は、後述する第3受光部230の配置を容易とするためである。また、θ1が45度になるのを避ける理由は、後述する第3受光部230に後方散乱成分を含む強い散乱光が入射してしまうのを防止するためである。
第1受光部210は、チューブ300内部を流れる血液で散乱された光のうち、血液を通過した成分(即ち、前方散乱成分)を受光可能な位置に配置されている。具体的には、第1受光部210は、チューブ300から見て、照射部100とは反対側の位置に配置されている。第1受光部210は、受光した前方散乱成分に応じた信号を血液情報処理部400に出力する。
第2受光部220は、チューブ300内部を流れる血液で散乱された光のうち、照射部100が位置する方向に散乱された成分(即ち、後方散乱成分)を受光可能な位置に配置されている。具体的には、第2受光部220は、照射部100に極めて近い位置に配置されている。第2受光部220は、受光した後方散乱成分に応じた信号を血液情報処理部400に出力する。
第3受光部230は、チューブ300内部を流れる血液で散乱された光のうち、照射部100が位置する方向とは異なる方向に散乱された成分(即ち、側方散乱成分)を受光可能な位置に配置されている。具体的には、第3受光部230は、照射部100から照射される光の光軸とθ2の角度をなす方向に配置されている。θ2は、90度近傍の値である。
血液情報処理部400は、第1受光部210、第2受光部220及び第3受光部230から入力される受光信号に基づいて、血液情報(ここでは、血液のヘマトクリット値)を演算し出力する。血液情報の演算方法については、後に詳述する。
なお、説明の便宜上、図1では各受光部の位置関係を平面的に図示しているが、各受光部は3次元的に配置されてもよい。以下では、第1受光部210、第2受光部220及び第3受光部230の3次元的配置について、図2及び図3を参照して説明する。図2は、照射光の複数の散乱成分と各受光部の配置位置とを示す側面図(その1)である。図3は、照射光の複数の散乱成分と各受光部の配置位置とを示す断面図(その2)である。
図2及び図3の座標軸は、図1の座標軸に夫々対応している。即ち、図2は、図の左側から右側へと血液が流れる方向での断面図である。一方、図3は、図の奥側から図の手前側に血液が流れる方向での断面図である。
図2及び図3に示すように、散乱光の各種成分(即ち、前方散乱光成分、後方散乱光成分、及び側方散乱光成分)の各々は、散乱箇所(具体的には、血液の表層部分)から3次元的に放射状に広がる。このため、第1受光部210、第2受光部220及び第3受光部230の各々を、図2及び図3に示すように3次元的に配置した場合であっても、各受光部は好適に散乱成分を受光することができる。3次元的な配置が可能なことで、各受光部の配置レイアウトの自由度が向上する。
続いて、各散乱成分の関係とそれに起因する問題点について、図4及び図5を参照して説明する。図4は、透過光量と側方散乱光量との関係を示すグラフである。図5は、透過光量と後方散乱光量との関係を示すグラフである。
図4に示すように、第1受光部210が受光した光量(以下、適宜「透過光量」と称する)と、第3受光部230が受光した光量(以下、適宜「側方散乱光量」と称する)との関係は、血液中の血漿中のタンパク濃度が濃い場合と薄い場合とで変化する。具体的には、血漿中のタンパク濃度が変化すると、透過光量の対数(Log透過光量)と側方散乱光量との関係が直線的に変化する。ただし、この時の直線の傾きは、血液の種類によって違う。図を見ても分かるように、血液Aと血液Bとでは直線の傾きが明らかに異なる。
図5に示すように、第1受光部210が受光した光量(即ち、透過光量)と、第2受光部220が受光した光量(以下、適宜「後方散乱光量」と称する)との関係も、血液中の血漿中のタンパク濃度が濃い場合と薄い場合とで変化する。具体的には、血漿中のタンパク濃度が変化すると、透過光量の対数(Log透過光量)と後方散乱光量との関係が直線的に変化する。ただし、この時の直線の傾きも、血液の種類によって違う。図を見ても分かるように、血液Aと血液Bとでは直線の傾きが明らかに異なる。
図4及び図5の結果は、透過光量及び側方散乱光量、あるいは透過光量及び後方散乱光量からでは、正確にヘマトクリット値が計測できないことを意味している。本実施例に係る計測装置は、このような問題を解決するために、3種類の散乱光成分を利用してヘマトクリット値を算出する。
続いて、第1実施例に係る計測装置によるヘマトクリット値の導出方法について、図6を参照して説明する。図6は、透過光量と側方散乱光量及び後方散乱光の和(側方散乱光量及び後方散乱光の平均値)との関係を示すグラフである。
図6に示すように、本願発明者の研究するところによれば、透過光量と、側方散乱光量及び後方散乱光量の和と間に一定の関係があることが判明している。具体的には、透過光量をL1、側方散乱光量をL2、後方散乱光量をL3とすると、以下の関係が成立する。
α×L2+β×L3∝LogL1 :(α×β≠0)
なお、α及びβは所定のゲイン係数である。
以上の結果、透過光量、側方散乱光量及び後方散乱光量を夫々計測すれば、上記関係を利用してヘマトクリット値を演算できる。なお、ヘマトクリット値は、所定の数式を利用して演算してもよいし、図6に示すようなマップを予め用意しておいて決定してもよい。
例えば、透過光量(即ち、LogL1)がAの時、側方散乱光量及び後方散乱光量の和(即ち、(α×L2+β×L3)/2)がaであれば、ヘマトクリット値はHct=50であると決定できる。一方、透過光量(即ち、LogL1)がAの時、側方散乱光量及び後方散乱光量の和(即ち、(α×L2+β×L3)/2)がbであれば、ヘマトクリット値はHct=40であると決定できる。
以上説明したように、第1実施例に係る計測装置によれば、透過光量(即ち、散乱光の前方散乱成分)、側方散乱光量(即ち、散乱光の側方散乱成分)及び後方散乱光量(即ち、散乱光の後方散乱成分)を夫々計測することで、正確なヘマトクリット値を演算することができる。
<第2実施例>
次に、第2実施例に係る計測装置について、図7を参照して説明する。図7は、第2実施例に係る計測装置の構成を示す平面図である。
なお、第2実施例は、上述した第1実施例と比較して一部の構成が異なるのみであり、その他の部分については概ね同様である。このため、以下では第1実施例と異なる部分についてのみ詳細に説明し、重複する部分については適宜説明を省略するものとする。
図7に示すように、第2実施例に係る計測装置は、2つの照射部(具体的には、第1照射部110及び第2照射部120)を備えて構成されている。
第1照射部110は、透過光量及び後方散乱光量を計測するための光を照射する。このため、前方散乱成分を受光する第1受光部210は、チューブ300から見て第1照射部110と反対側に配置され、後方散乱成分を受光する第2受光部220は、第1照射部110の極めて近くに配置される。
第2照射部120は、側方散乱光量を計測するための光を照射する。このため、第2照射部120は、照射する光の光軸が、血液の流れる方向(即ち、流軸)に対してθ1の角度をなすように配置されている。また、第3受光部230は、第2照射部120が照射する光の光軸とθ2の角度をなす方向に配置される。
第2実施例に係る計測装置によれば、2つの照射部を備えているため、各散乱成分に応じた計測条件を実現できる。具体的には、側方散乱光量を計測するための第2照射部120の光軸を斜めにする一方で、第1照射部110が照射する光が流軸に対してほぼ垂直に入射するように配置することで、第1照射部110の光軸が斜めになる場合と比較して透過光の散乱範囲を狭め、第1検出部210の小型化を図ることができる。
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う計測装置、計測方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
100 照射部
110 第1照射部
120 第2照射部
210 第1受光部
220 第2受光部
230 第3受光部
300 チューブ
400 血液情報処理部

Claims (9)

  1. 流体に光を照射する照射部と、
    前記流体によって散乱された散乱光の前方散乱成分を受光する第1受光部と、
    前記散乱光の後方散乱成分を受光する第2受光部と、
    前記散乱光の側方散乱成分を受光する第3受光部と、
    前記第1受光部、前記第2受光部及び前記第3受光部の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力部と
    を備えることを特徴とする計測装置。
  2. 前記出力部は、前記後方散乱成分と前記側方散乱成分との和、及び前記前方散乱成分に基づいて得られる、前記流体情報を出力することを特徴とする請求項1に記載の計測装置。
  3. 前記照射部は、照射する光の光軸が、前記流体の流れる方向に対して斜めになるように配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の計測装置。
  4. 前記照射部は、照射する光の光軸が、前記流体の流れる方向に対して45度近傍以外の角度となるように配置されていることを特徴とする請求項3に記載の計測装置。
  5. 前記照射部は、第1照射部及び第2照射部を含み、
    前記第1受光部は、前記第1照射部の散乱光の前方散乱成分を受光し、
    前記第2受光部は、前記第1照射部の散乱光の後方散乱成分を受光し、
    前記第3受光部は、前記第2照射部の散乱光の側方散乱成分を受光する
    ことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の計測装置。
  6. 流体に光を照射する照射部と、
    前記流体によって散乱された散乱光のうち、前記流体の内部を通過した第1成分を受光する第1受光部と、
    前記散乱光のうち、前記流体の表層で前記照射部が位置する第1方向に散乱された第2成分を受光する第2受光部と、
    前記散乱光のうち、前記流体の表層で前記第1方向とは異なる第2方向に散乱された第3成分を受光する第3受光部と、
    前記第1受光部、前記第2受光部及び前記第3受光部の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力部と
    を備えることを特徴とする計測装置。
  7. 流体に光を照射する照射工程と、
    前記流体によって散乱された散乱光の前方散乱成分を受光する第1受光工程と、
    前記散乱光の後方散乱成分を受光する第2受光工程と、
    前記散乱光の側方散乱成分を受光する第3受光工程と、
    前記第1受光工程、前記第2受光工程及び前記第3受光工程の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力工程と
    を備えることを特徴とする計測方法。
  8. 流体に光を照射する照射工程と、
    前記流体によって散乱された散乱光の前方散乱成分を受光する第1受光工程と、
    前記散乱光の後方散乱成分を受光する第2受光工程と、
    前記散乱光の側方散乱成分を受光する第3受光工程と、
    前記第1受光工程、前記第2受光工程及び前記第3受光工程の受光信号に基づいて得られる、前記流体に関する流体情報を出力する出力工程と
    をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
  9. 請求項8に記載のコンピュータプログラムを記憶していることを特徴とする記憶媒体。
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