WO2014050162A1 - 流体濃度の測定方法および測定装置 - Google Patents

流体濃度の測定方法および測定装置 Download PDF

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intensity
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佐野　嘉彦
証英 原田
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ニプロ株式会社
原田電子工業株式会社
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for measuring the concentration of a fluid flowing in a light-transmitting pipe line based on the Lambert-Beer law.
  • the measuring method and measuring apparatus measure the concentration of a processing liquid as a fluid for cleaning a semiconductor wafer.
  • a plurality of measuring bodies are provided in the middle of the processing liquid supply pipe, and a light transmitting portion in which the optical path length of the light passing through the processing liquid is different is provided in each measuring body, according to the properties of the processing liquid.
  • the light from the light source is supplied to the light transmission part of the optical path length, the light transmitted through the processing liquid in the light transmission part is received by the photodetector, the intensity of the light is examined, and the Lambert- The concentration of the processing solution is obtained based on Beer's law.
  • the optical path length in each light transmitting portion is strictly known, and therefore the fluid concentration is determined using a calculation formula in which the optical path length is set in advance. It can be easily obtained.
  • a fluid such as blood or a chemical flowing in a light-transmitting conduit such as a resin tube or a glass tube, it is expected that it will be extremely useful in the field of medicine or the like. .
  • the fluid concentration measuring method of the present invention is a tube having a light transmissive tube wall.
  • the fluid concentration measuring method of the present invention is a tube having a light transmissive tube wall.
  • the light intensity and fluid when the light from each of the plurality of light supply locations is received at the plurality of light receiving locations are obtained at the plurality of light receiving locations, respectively.
  • the light at the plurality of light receiving locations does not include the tube wall thickness.
  • a relational expression indicating a relation between intensity and fluid concentration is obtained, and based on the relational expression, the fluid concentration is obtained from the light intensity at the plurality of light receiving locations and output.
  • the fluid concentration measuring device is a device for measuring the concentration of a fluid flowing in a pipe line having a light-transmitting tube wall.
  • a light source that supplies light into the conduit at light supply locations located at a plurality of locations on the surface of the conduit arranged adjacent to each other along the extending direction of the conduit;
  • Each of the light receiving locations on the surface of the pipeline located on the opposite side of the diameter direction of the pipeline with respect to those light supply locations, respectively, is supplied in the wall of the pipeline and in the pipeline
  • a light receiving element that receives light passing through the fluid and outputs a signal indicating the intensity of the light; Based on the Lambert-Beer law from the light intensity at these light receiving locations, the light intensity and fluid when the light from each of the plurality of light supply locations is received at the plurality of light receiving locations, respectively.
  • the fluid concentration measuring method of the present invention when measuring the concentration of a fluid such as blood or a chemical solution flowing in a light-transmitting conduit such as a resin tube or a glass tube, in the extending direction of the conduit.
  • a light source supplies light into the pipeline at two or more light supply locations on the surface of the pipeline that are lined up adjacent to each other, and the diameter direction of the pipeline with respect to the light supply locations Receiving light that has been supplied and passed through the inside of the pipe and the fluid flowing in the pipe at two or more light receiving places on the surface of the pipe located on the opposite side Then, based on the Lambert-Beer law from the light intensity at these light receiving locations, the light from each of the plurality of light supply locations is received at each of the plurality of light receiving locations.
  • the relationship between the light intensity and the fluid concentration And calculating the relationship between the light intensity and the fluid concentration at the plurality of light receiving locations without including the tube wall thickness. Since the fluid concentration is calculated from the light intensity at the plurality of light receiving locations based on the relationship and output, the tube wall thickness is unknown or changes. However, it is possible to measure the concentration of fluid such as blood and chemicals flowing through the pipe line with high accuracy.
  • the fluid concentration measuring device of the present invention in the device for measuring the concentration of the fluid flowing in the light-transmitting conduit such as a resin tube or a glass tube, adjacent to each other along the extending direction of the conduit
  • the light source supplies light into the pipes at two or more light supply points on the surface of the pipes arranged side by side, and the opposite side in the diameter direction of the pipes with respect to those light supply points
  • Each of the light receiving elements at a plurality of light receiving points on the surface of the pipe located at the position receives the light that has been supplied and passed through the wall of the pipe and the fluid in the pipe.
  • a signal indicating the intensity of the light is output, and the fluid concentration output means outputs light from each of the plurality of light supply points based on the Lambert-Beer law from the light intensity at the light receiving points.
  • the plurality of locations not including the tube wall thickness obtained by obtaining a plurality of relational expressions indicating the relationship between the light intensity and the fluid concentration when Based on the relational expression indicating the relationship between the light intensity at the light receiving location and the fluid concentration, the fluid concentration is obtained from the light intensity at the plurality of light receiving locations and output. Even if it is unknown or has changed, the concentration of fluid such as blood and chemicals flowing in the pipeline can be measured with high accuracy.
  • the fluid concentration output means is obtained and stored in advance using a relational expression indicating the relationship between the light intensity and the fluid concentration at the plurality of light receiving locations.
  • a relational expression indicating the relationship between the light intensity and the fluid concentration at the plurality of light receiving locations.
  • the fluid concentration may be obtained and output from the light intensity at the plurality of light receiving locations, By using such a table, it is possible to easily obtain and output the fluid concentration in a short time from the light intensity at a plurality of light receiving points.
  • the fluid concentration output means is previously obtained by an experiment based on a relational expression indicating a relationship between the light intensity and the fluid concentration at the plurality of light receiving portions.
  • the concentration of the fluid is obtained from the light intensity at the plurality of light receiving locations and output. Even if such a table is used, the concentration of the fluid can be easily obtained and output in a short time from the intensity of light at a plurality of light receiving locations.
  • FIGS. 1 to 18 are explanatory views sequentially showing measurement and calculation procedures in one embodiment of the fluid concentration measuring method of the present invention.
  • the fluid concentration measurement method of this embodiment measures the concentration of blood as a fluid flowing in a substantially transparent resin tube as a conduit having a light transmissive tube wall.
  • light output from three light emitting diodes KA, KB, and KC serving as light sources is arranged at three locations on the surface of the resin tube arranged adjacent to each other along the extending direction of the resin tube.
  • the tube wall on the side near the light emitting diodes of the resin tube, the blood in the resin tube, and the tube wall on the far side (opposite side) from the light emitting diodes.
  • three light sensors SA, SB at three light receiving points on the surface of the resin tube located on the opposite side of the diameter direction of the resin tube with respect to those light supply points. Shall reach and C, the path reaching the light sensor, the most light intensity is considered strong portion, three light emitting diodes KA as a light source, KB, the light output from each of KC, Consider a model that follows each path.
  • the extinction coefficient of blood in the resin tube is ⁇ H
  • the concentration is CH
  • the distance between the sensors is set as sensor SA-SB and SB-SC: LN
  • sensor SA-SC LF
  • the inner diameter of the resin tube is PA2-PA3: DA
  • PB2-PB3 DB
  • PC2-PC3 DC.
  • subscript H indicates that it is related to the correction
  • subscript G indicates that it relates to the optical path to the light receiving location directly below the light supply location
  • subscript N is close to the location immediately below the light supply location
  • subscript F indicates that the light path is directed to the light receiving point far from the light supply point (the same applies hereinafter).
  • LF and LN are fixed values
  • IAF, IAG, IBG, ICF, ICG, IAN, IBN (A), IBN (C), and ICN are measured values. Consists of only fixed values.
  • the blood concentration (hemat (red blood cell) concentration) CH is obtained, but the calculation is complicated, and in the actual blood, it depends on the red blood cells. Because of the light scattering, it is necessary to apply the modified Lambert-Beer law to the Lambert-Beer law, which is applied to a medium with light scattering. However, since the calculation becomes more complicated, the measurement method of this embodiment takes into account the simplification of processing and the case where the concentration is directly obtained by an embedded CPU (central processing unit) having no mathematical function command. Then, a conversion table between the actual blood concentration CH and the blood concentration CH value using the value of each term including the light intensity measurement value of the above formula as an index is created in advance and stored in the memory.
  • the blood concentration CH is calculated from the values using the known fixed values such as the conversion table and the value of the blood extinction coefficient ⁇ H corresponding to the emission wavelengths of the light emitting diodes KA, KB, KC.
  • the value may be read and output.
  • FIG. 19 is a block diagram showing an embodiment of the fluid concentration measuring apparatus of the present invention that can implement the measuring method of the above embodiment.
  • the fluid concentration measuring apparatus of this embodiment is a light transmissive tube.
  • Light having a wavelength of, for example, a wavelength near 590 nm is approximately equal in both the oxygenated hemoglobin of arterial blood and the deoxygenated hemoglobin of venous blood in the resin tube T at three light supply locations on the surface of T.
  • Three light emitting diodes 1 (KA, KB, KC in FIG.
  • each light sequentially output from the three light emitting diodes 1 is connected to the tube wall of the resin tube T near the light emitting diodes 1 and the resin tube T.
  • Microcomputers that have passed through the blood in the tube and the tube walls on the far side (opposite side) from the light-emitting diodes 1 and arrived at the three photosensors 2, respectively, and the output signals of the three photosensors 2 have been input 3 obtains the value of the blood concentration CH by a simple calculation using the conversion table and the fixed value described above, and displays it on the display device 4. Therefore, the microcomputer 3 and the display device 4 correspond to fluid concentration output means.
  • the intensity of the light emitted by each of the three light emitting diodes 1 is adjusted as appropriate so that the output signals of the three photosensors 2 have an appropriate level.
  • an optical sensor for monitoring is added to each light emitting diode 1 so that the output signals of the three optical sensors 2 are appropriate and stable, and these are also connected to the microcomputer 3,
  • the intensity of light emitted from each of the three light emitting diodes 1 may be feedback controlled by the microcomputer 3.
  • the microcomputer 3 calculates the light intensity indicated by the output signals of the three photosensors 2 at the three light receiving points based on the Lambert-Beer law. For each of the three light supply locations, three relational expressions showing the relationship between the light intensity and the blood concentration when receiving light from the three light receiving locations are obtained. A relational expression showing the relationship between the light intensity and the blood concentration at the three light receiving points, not including the wall thickness of the resin tube T as the tube wall thickness, obtained by making the light supply points simultaneous. Based on the light intensity at the three light receiving locations, the blood concentration is obtained and displayed on the display device 4. Therefore, even if the wall thickness and light emission intensity of the resin tube T are unknown or changed, Resin h It can measure the concentration of the blood flowing in over Bed T with high accuracy.
  • the microcomputer 3 uses the relational expression indicating the relationship between the light intensity and the fluid concentration at the three light receiving locations stored in the memory in advance. Using a table indicating the relationship between the light intensity at three light receiving locations and the blood concentration obtained separately, the blood concentration is determined from the light intensity at the three light receiving locations and output from the display device 4. Therefore, the blood concentration can be easily obtained and output in a short time from the light intensity at the three light receiving points.
  • this invention is not limited to the above-mentioned example, It can change suitably within the description range of a claim,
  • blood concentration is obtained from the light intensity at three light receiving locations and output.
  • the blood concentration is calculated from the light intensity and output using a relational expression showing the relationship between the light intensity and the blood concentration at the three light receiving points.
  • the modified Lambert-Beer law considering light scattering is applied as the Lambert-Beer law, and the relationship between the light intensity and blood concentration at the three light-receiving points is applied. For the relation Good.
  • the microcomputer as the fluid concentration output means is based on the relationship.
  • 3 is a table showing the relationship between the light intensity at the plurality of light receiving points and the actual fluid concentration, which is obtained and stored in advance by experiments, and the fluid intensity is calculated from the light intensity at the plurality of light receiving points.
  • the density may be obtained and output.
  • light having a wavelength of about 590 nm is used as light having substantially the same absorbance as that of both oxygenated hemoglobin of arterial blood and deoxygenated hemoglobin of venous blood.
  • light having a wavelength in the vicinity of 520 nm, 550 nm, 570 nm, or 805 nm may be used.
  • a light emitting diode is used as a light source.
  • a laser diode may be used, and a resin tube is used as a conduit.
  • a glass tube may be used as the conduit, and in the method and apparatus of the above embodiment, the concentration of blood as a liquid is measured, but instead, it can be used for measuring the concentration of other liquids.
  • the concentration of blood as a liquid is measured, but instead, it can be used for measuring the concentration of other liquids.
  • the light intensity at the three light receiving points is likely to be different depending on the thickness of the tube wall. Therefore, it is preferable.
  • light is sequentially supplied from the three light supply locations so that the light from the three light supply locations is not mixed, and the light from each of the light supply locations is received at three locations.
  • the light intensity is obtained by receiving light at each location, but instead of this, for example, the light from three light supply locations is modulated at different frequencies, and the lights are supplied simultaneously.
  • the light received at each light receiving location may be filtered at those frequencies (modulation lock-in method) so that the intensity of the light from each light supply location is separated and processed.
  • light is supplied at three light supply locations, and light from each light supply location is received at each of the three light receiving locations to determine the light intensity.
  • light is supplied at two or four or more light supply locations, and light from each light supply location is received at two or four or more light receiving locations corresponding to each light supply location.
  • the light intensity may be obtained, and when there are two light supply points and two light receiving points, the wall thickness of the pipe line can be determined, so that an error due to the installation of a pipe line such as a resin tube is absorbed. Can do.
  • the wall thickness and inner diameter of the pipe line are known, so that the blood concentration to be examined can be obtained as in the above embodiment.
  • the measurement accuracy can be further enhanced by averaging the obtained results.
  • the fluid concentration measuring method of the present invention when measuring the concentration of fluid such as blood or chemicals flowing in a light-transmitting conduit such as a resin tube or a glass tube, in the extending direction of the conduit.
  • a light source supplies light into the pipeline at two or more light supply locations on the surface of the pipeline that are lined up adjacent to each other, and the diameter direction of the pipeline with respect to the light supply locations Receiving light that has been supplied and passed through the inside of the pipe and the fluid flowing in the pipe at two or more light receiving places on the surface of the pipe located on the opposite side Then, based on the Lambert-Beer law from the light intensity at these light receiving locations, the light from each of the plurality of light supply locations is received at each of the plurality of light receiving locations.
  • the light intensity and fluid concentration at the light receiving places at the plurality of places without including the tube wall thickness Since the fluid concentration is calculated from the light intensity at the plurality of light receiving locations based on the relationship and output, the tube wall thickness is unknown or changes. However, it is possible to measure the concentration of fluid such as blood and chemicals flowing through the pipe line with high accuracy.
  • the fluid concentration measuring device of the present invention in the device for measuring the concentration of the fluid flowing in the light-transmitting conduit such as a resin tube or a glass tube, adjacent to each other along the extending direction of the conduit
  • the light source supplies light into the pipes at two or more light supply points on the surface of the pipes arranged side by side, and the opposite side in the diameter direction of the pipes with respect to those light supply points
  • Each of the light receiving elements at a plurality of light receiving points on the surface of the pipe located at the position receives the light that has been supplied and passed through the wall of the pipe and the fluid in the pipe.
  • a signal indicating the intensity of the light is output, and the fluid concentration output means outputs light from each of the plurality of light supply points based on the Lambert-Beer law from the light intensity at the light receiving points.
  • the plurality of locations not including the tube wall thickness obtained by obtaining a plurality of relational expressions indicating the relationship between the light intensity and the fluid concentration when Based on the relational expression indicating the relationship between the light intensity at the light receiving location and the fluid concentration, the fluid concentration is obtained from the light intensity at the plurality of light receiving locations and output. Even if it is unknown or has changed, the concentration of fluid such as blood and chemicals flowing in the pipeline can be measured with high accuracy.

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Abstract

【課題】管路の壁厚さや発光強度等が不明であったり変化したりしても、管路内を流れる血液や薬液等の流体の濃度を高精度に測定することにある。 【解決手段】光透過性の管壁を持つ管路内を流れる流体の濃度を測定するに際し、その管路の延在方向に沿って互いに隣接して並ぶ前記管路の表面上の複数箇所の光供給箇所で前記間炉内に光源から光を供給し、それらの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前記管路の表面上の複数箇所の受光箇所でそれぞれ、前記供給されてその管路の壁内および管路内を流れる流体内を通過して来た光を受光して光の強度を求め、それらの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、複数箇所の光供給箇所の各々についてそこからの光を複数箇所の受光箇所でそれぞれ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、それらの関係式を複数箇所の光供給箇所について連立させることにより、管壁厚さを含まずに複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式を求め、その関係式に基づいて複数箇所の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ことを特徴とするものである。

Description

流体濃度の測定方法および測定装置
　この発明は、光透過性の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方法および装置に関するものである。
　従来の流体濃度の測定方法および測定装置としては、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計測するもので、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の測定方法および測定装置では、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方法および装置を、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、光路長さの一部となる管路の壁厚さ（管壁厚さ）は実測が困難であり、特に管路が樹脂チューブの場合は変形によって壁厚さ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。
　この発明は、上述の点に鑑みて従来の流体濃度の測定方法および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の測定方法は、光透過性の管壁を持つ管路内を流れる流体の濃度を測定するに際し、
　その管路の延在方向に沿って互いに隣接して並ぶ前記管路の表面上の複数箇所の光供給箇所で前記管路内に光源から光を供給し、
　それらの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前記管路の表面上の複数箇所の受光箇所でそれぞれ、前記供給されてその管路の壁内および管路内を流れる流体内を通過して来た光を受光して光の強度を求め、
　それらの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、前記複数箇所の光供給箇所の各々についてそこからの光を前記複数箇所の受光箇所でそれぞれ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、それらの関係式を前記複数箇所の光供給箇所について連立させることにより、管壁厚さを含まずに前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式を求め、その関係式に基づいて前記複数箇所の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ことを特徴とするものである。
　また、この発明の流体濃度の測定装置は、光透過性の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、
　前記管路の延在方向に沿って互いに隣接して並ぶ前記管路の表面上の複数箇所に位置する光供給箇所で前記管路内に光を供給する光源と、
　それらの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前記管路の表面上の複数箇所の受光箇所でそれぞれ、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、
　それらの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、前記複数箇所の光供給箇所の各々についてそこからの光を前記複数箇所の受光箇所でそれぞれ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もとめ、それらを前記複数箇所の光供給箇所について連立させることにより求めた、管壁厚さを含まずに前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式に基づいて、前記複数箇所の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の測定方法によれば、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を測定するに際し、その管路の延在方向に沿って互いに隣接して並ぶ前記管路の表面上の２以上の複数箇所の光供給箇所で光源が前記管路内に光を供給し、それらの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前記管路の表面上の２以上の複数箇所の受光箇所でそれぞれ、前記供給されてその管路の壁内および管路内を流れる流体内を通過して来た光を受光して光の強度を求め、それらの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、前記複数箇所の光供給箇所の各々についてそこからの光を前記複数箇所の受光箇所でそれぞれ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、それらの関係式を前記複数箇所の光供給箇所について連立させることにより、管壁厚さを含まずに前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式を求め、その関係式に基づいて前記複数箇所の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ので、管壁厚さが不明であったり変化したりしても、管路内を流れる血液や薬液等の流体の濃度を高精度に測定することができる。
　そしてこの発明の流体濃度の測定装置によれば、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流体の濃度を測定する装置において、前記管路の延在方向に沿って互いに隣接して並ぶ前記管路の表面上の２以上の複数箇所に位置する光供給箇所で光源が前記管路内に光を供給し、それらの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前記管路の表面上の複数箇所の受光箇所でそれぞれ受光素子が、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し、そして流体濃度出力手段が、それらの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、前記複数箇所の光供給箇所の各々についてそこからの光を前記複数箇所の受光箇所でそれぞれ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もとめ、それらを前記複数箇所の光供給箇所について連立させることにより求めた、管壁厚さを含まずに前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式に基づいて、前記複数箇所の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ので、管壁厚さが不明であったり変化したりしても、管路内を流れる血液や薬液等の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の測定装置においては、前記流体濃度出力手段は、前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式を用いてあらかじめ求めて記憶した、前記複数箇所の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、前記複数箇所の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ものでも良く、このようなテーブルを用いれば、複数箇所の受光箇所での光の強度から短時間で容易に流体の濃度を求めて出力することができる。
　また、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、前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式に基づき、あらかじめ実験により求めて記憶した、前記複数箇所の受光箇所での光の強度と実際の流体の濃度との関係を示すテーブルを用いて、前記複数箇所の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ものでも良く、このようなテーブルを用いても、複数箇所の受光箇所での光の強度から短時間で容易に流体の濃度を求めて出力することができる。
この発明の流体濃度の測定方法の一実施例を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 この発明の流体濃度の測定方法の一実施例を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 上記実施例の流体濃度の測定方法を示す説明図である。 この発明の流体濃度の測定装置の一実施例を示す構成図である。
　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１～１８は、この発明の流体濃度の測定方法の一実施例における測定および計算手順を順次に示す説明図である。
　この実施例の流体濃度の測定方法は、光透過性の管壁を持つ管路としての実質的に透明な樹脂チューブ内を流れる、流体としての血液の濃度を測定するものであり、ここでは、図１に示すように、光源としての３つの発光ダイオードＫＡ，ＫＢ，ＫＣからそれぞれ出力された光が、樹脂チューブの延在方向に沿って互いに隣接して並ぶその樹脂チューブの表面上の３箇所に位置する光供給箇所で樹脂チューブ内に供給され、樹脂チューブのそれらの発光ダイオードに近い側のチューブ壁と、樹脂チューブ内の血液と、それらの発光ダイオードから遠い側（反対側）のチューブ壁とを通過して、それらの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樹脂チューブの表面上の３箇所の受光箇所で３つの光センサＳＡ，ＳＢ，ＳＣに到達するものとし、光センサに到達する経路は、最も光強度が強い部分を考え、光源としての３つの発光ダイオードＫＡ，ＫＢ，ＫＣからそれぞれ出力された光は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 の経路をそれぞれ進むものとするモデルを考える。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 とし、
　樹脂チューブ内の血液の吸光係数をεＨ、濃度をＣＨとし、
　センサ間距離を、センサＳＡ－ＳＢ間およびＳＢ－ＳＣ間：ＬＮ、センサＳＡ－ＳＣ間：ＬＦと設定し、
　樹脂チューブの内径を、ＰＡ２－ＰＡ３：ＤＡ、ＰＢ２－ＰＢ３：ＤＢ、ＰＣ２－ＰＣ３：ＤＣとする。
　次に、図３に示すように、発光ダイオードＫＡのみが発光した場合を考える。ＰＡ１，ＰＡ２，ＰＡ３，ＰＡ４，ＰＣ３，ＰＣ４の各点を通過するときの光の強さをそれぞれＩＡ１，ＩＡ２，ＩＡ３，ＩＡＧ，ＩＡＣ３，ＩＡＦとすると、ランベルト－ベールの法則により、図４に示すように、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 となる。
　(2)式を(1)式で割ると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 となる。
　同様に、図５に示すように、発光ダイオードＫＣのみが発光した場合を考えると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007
　次に、(3)式×(4)式を考えると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　対数をとると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　従って、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　
となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011
　(3)式および(4)式を求めたのと同様にして、図６に示す、
　ＰＡ１－ＰＡ２－ＰＡ３－ＰＡ４
　ＰＡ１－ＰＡ２－ＰＢ３－ＰＢ４
　ＰＢ１－ＰＢ２－ＰＢ３－ＰＢ４
　ＰＢ１－ＰＢ２－ＰＡ３－ＰＡ４
の４本の光路に対し、図７および図８に示すように各点を通過するときの光強度ＩＡ１，ＩＡ２，ＩＡ３，ＩＡＧ，ＩＡＢ３，ＩＡＮ，ＩＢ１，ＩＢ２，ＩＢ３，ＩＢＧ，ＩＢＡ３，ＩＢＮをランベルト－ベールの法則により求めると、ＩＡＧは(1)と同じであるので、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013
　(6)式および(7)式より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　同様に、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000016
　次に、(8)式×(9)式を考えると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　対数をとると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 　従って、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 となる。
　次に、樹脂チューブの３箇所の内径ＤＡ，ＤＢ，ＤＣの補正を行う。
　ＩＡＧ（図３参照）とＩＣＧ（図５参照）、ＩＡＦ（図３参照）とＩＣＦ（図５参照）が異なる値をとるのは、ＤＡ≠ＤＣであることによるので、図９に示すように、ＤＡ－ΔｄＦ＝ＤｘＦ＝ＤＣ＋ΔｄＦとなる内径ＤｘＦを考え、図１０に示すように、光路長にあわせてＩＡＧ，ＩＣＦ，ＩＡＦ，ＩＣＧをそれぞれ補正し、ＩＨＡＧＦ，ＩＨＣＦ，ＩＨＡＦ，ＩＨＣＧとする（ＤｘＦとΔｄＦとを用いて表す）と、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 となる。
　なお、添え字Ｈは補正後に関するものであることを示し、添え字Ｇは光供給箇所の真下の受光箇所への光路に関するものであることを示し、添え字Ｎは光供給箇所の真下から近い方の受光箇所への傾斜した光路に関するものであることを示し、添え字Ｆは光供給箇所の真下から遠い方の受光箇所への傾斜した光路に関するものであることを示す（以下でも同様）。
　上記の値を用いて(5)式を内径ＤｘＦに対し当てはめると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
　ここで、ＩＨＡＦ×ＩＨＣＦ、ＩＨＡＧＦ×ＩＨＣＧをそれぞれ求めると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　同様に、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
　よって、(11)式に(12)式と(13)式を代入すると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
 となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000025
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
 と同等といえる。
　よって、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
 が成立する。
　また、図１１，１２および図１３，１４を参照して上述したと同様に補正を行うと、内径ＤｘＮＡとＤｘＮＣとに対し、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
 が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000029
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000030
 また、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000031
　ΔｄＮは微少量であるため０とすると、上記の三つの式から近似的に、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000032
 とおけるので、上記(18)式に上記(16)式および(17)式を代入して、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000033
となる。
　なお、管路内径Ｄ＝４ｍｍ、ＬＮ＝２ｍｍ、Δｄ＝０．０２５ｍｍの場合を考えると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000034
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000035
　ここで、図１７の直角三角形ＡＢＣを考え、点Ａ－Ｂ間の距離をＤｘとすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000036
 　また、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000037
　(20)式および(21)式より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000038
　(20)式および(22)式より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000039
 となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000040
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000041
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000042
となる。
　また、(19)式から
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000043
　ここで、(22)式、(23)式、(26)式の構成を考えると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000044
 となって、ＬＦ，ＬＮは固定値であり、ＩＡＦ，ＩＡＧ，ＩＢＧ，ＩＣＦ，ＩＣＧ，ＩＡＮ，ＩＢＮ(A)，ＩＢＮ(C)，ＩＣＮは測定値であるから、これらの式は測定値および固定値のみで構成される。
　逆に、上記測定値はＤｘによって異なることになるので、図１８に示すように、ＤｘをＤｃ（代表管路内径）に正規化するための補正乗数αを求めると、下記のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000045
 　従って、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000046
 　これをαの２次方程式として根の公式でαを求めると、補正乗数αは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000047
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000048
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000049
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000050
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000051
　但し、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000052
である。
　上記の(27)式に上記の各固定値と各測定値とを当てはめると、血液濃度（ヘマト（赤血球）濃度）ＣＨが求められるが、計算が複雑であること、および実際の血液では赤血球による光の散乱があるため、ランベルト－ベールの法則を拡張して光の散乱のある媒体に適用したモディファイド・ランベルト－ベールの法則を適用する必要があり、この場合にも当然に厳密な計算は可能であるが、計算がさらに複雑になることから、この実施例の測定方法では、処理の単純化および、数学関数コマンドを持たない組み込みＣＰＵ（中央処理ユニット）で直接濃度を求める場合等を考慮して、実際の血液濃度ＣＨと、上記式の光強度測定値を含む各項の値を指標とする血液濃度ＣＨの値との間の変換テーブルをあらかじめ作成してメモリ内に記憶しておき、光強度測定値が得られたらそれらの値から変換テーブルおよび発光ダイオードＫＡ，ＫＢ，ＫＣの発光波長に対応する血液吸光係数εＨの値等の上記既知の固定値を用いて血液濃度ＣＨの値を読み出し、それを出力するようにしてもよい。
　図１９は、上記実施例の測定方法を実施し得る、この発明の流体濃度の測定装置の一実施例を示す構成図であり、この実施例の流体濃度の測定装置は、光透過性の管壁を持つ管路としての実質的に透明な樹脂チューブ内を流れる、流体としての血液の濃度を測定する装置であって、樹脂チューブＴの延在方向に沿って互いに隣接して並ぶその樹脂チューブＴの表面上の３箇所に位置する光供給箇所で樹脂チューブ内Ｔに、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例えば５９０ｎｍ付近の波長の光を供給する光源としての３つの発光ダイオード１（図１のＫＡ，ＫＢ，ＫＣ）と、それらの発光ダイオード１との間に樹脂チューブＴを配置されてそれらの発光ダイオード１にそれぞれ対向し、上記供給されてその樹脂チューブＴの壁内およびその樹脂チューブＴ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しての３つの光センサ２（図１のＳＡ，ＳＢ，ＳＣ）と、それら３つの光センサ２の出力信号を入力される通常のマイクロコンピュータ３と、そのマイクロコンピュータ３の出力信号を画面表示するディスプレイ装置４と、を具えている。
　かかる実施例の流体濃度の測定装置にあっては、３つの発光ダイオード１から例えば順次に出力された各光が、樹脂チューブＴのそれらの発光ダイオード１に近い側のチューブ壁と、樹脂チューブＴ内の血液と、それらの発光ダイオード１から遠い側（反対側）のチューブ壁とを通過して３つの光センサ２にそれぞれ到達し、それら３つの光センサ２の出力信号を入力されたマイクロコンピュータ３が、上述の変換テーブルおよび固定値を用いた簡単な演算により血液濃度ＣＨの値を求め、それをディスプレイ装置４で表示する。それゆえマイクロコンピュータ３とディスプレイ装置４とは流体濃度出力手段に相当する。なお、この実施例では、３つの光センサ２の出力信号が適度なレベルになるように、３つの発光ダイオード１がそれぞれ発光する光の強度を適宜調節するが、この３つの発光ダイオード１をマイクロコンピュータ３に接続するとともに、３つの光センサ２の出力信号が適度なものかつ安定したものになるようにモニタリング用の光センサを各発光ダイオード１に増設してこれらもマイクロコンピュータ３に接続し、３つの発光ダイオード１がそれぞれ発光する光の強度をマイクロコンピュータ３でフィードバック制御するようにしても良い。
　従って、この実施例の流体濃度の測定装置によれば、マイクロコンピュータ３が、それら３箇所の受光箇所での３つの光センサ２の出力信号が示す光の強度から、ランベルト－ベールの法則に基づき、３箇所の光供給箇所の各々についてそこからの光を３箇所の受光箇所でそれぞれ受光する場合の光の強度と血液の濃度との関係を示す３つの関係式をもとめ、それらを３箇所の光供給箇所について連立させることにより求めた、管壁厚さとしての樹脂チューブＴの壁厚さを含まずに３箇所の受光箇所での光の強度と血液の濃度との関係を示す関係式に基づいて、３箇所の受光箇所での光の強度から血液の濃度を求めてディスプレイ装置４で表示出力するので、樹脂チューブＴの壁厚さや発光強度が不明であったり変化したりしても、樹脂チューブＴ内を流れる血液の濃度を高精度に測定することができる。
　しかも、この実施例の流体濃度の測定装置によれば、マイクロコンピュータ３は、メモリに記憶した、３箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式を用いてあらかじめ別途求めた、３箇所の受光箇所での光の強度と血液の濃度との関係を示すテーブルを用いて、３箇所の受光箇所での光の強度から血液の濃度を求めてディスプレイ装置４で出力するので、３箇所の受光箇所での光の強度から短時間で容易に血液の濃度を求めて出力することができる。
　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、例えば上記実施例の方法および装置では、３箇所の受光箇所での光の強度と血液の濃度との関係を示すテーブルを用いて、３箇所の受光箇所での光の強度から血液の濃度を求めて出力しているが、これに代えて、ランベルト－ベールの法則に基づき、３箇所の受光箇所での光の強度と血液の濃度との関係を示す関係式を用いて光の強度から血液の濃度を演算により求めて出力するようにしても良く、その場合に、ランベルト－ベールの法則として、光の散乱を考慮したモディファイド・ランベルト－ベールの法則を適用して３箇所の受光箇所での光の強度と血液の濃度との関係を示す関係式を求めても良い。
　また、上記３箇所の受光箇所での光の強度と血液の濃度とに上記関係式に基づく有意な関係があることが判明しているので、その関係に基づき、流体濃度出力手段としてのマイクロコンピュータ３が、あらかじめ実験により求めて記憶した、複数箇所の受光箇所での光の強度と実際の流体の濃度との関係を示すテーブルを用いて、それら複数箇所の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。さらに、上記実施例の方法および装置では、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、上記実施例の方法および装置では、光源として発光ダイオードを用いたが、これに代えて、例えばレーザーダイオードを用いても良く、また、管路として樹脂チューブを用いたが、これに代えて、管路としてガラス管を用いても良く、そして、上記実施例の方法および装置では、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３箇所の受光箇所での光の強度に差異が出易いので好ましい。
　さらに、上記実施例の方法および装置では、３箇所の光供給箇所からの光が混ざらないようにそれらの光供給箇所から順次に光を供給し、各光供給箇所からの光を３箇所の受光箇所でそれぞれ受光して光の強度を求めているが、これに代えて、例えば３箇所の光供給箇所からの光に互いに異なる周波数の変調をかけてそれらの光を同時に供給し、３箇所の受光箇所でそれぞれ受光した光をそれらの周波数でフィルタリングすること（変調ロックイン方式）で、各光供給箇所からの光の強度を分別して処理するようにしても良い。
　そして、上記実施例の方法および装置では、３箇所の光供給箇所で光を供給し、各光供給箇所からの光を３箇所の受光箇所でそれぞれ受光して光の強度を求めているが、これに代えて、２箇所または４箇所以上の光供給箇所で光を供給し、各光供給箇所からの光を各光供給箇所に対応する２箇所または４箇所以上の受光箇所でそれぞれ受光して光の強度を求めてもよく、光供給箇所および受光箇所がそれぞれ２箇所の場合には、管路の壁厚さが判明するので、例えば樹脂チューブ等の管路の装着による誤差を吸収することができる。また光供給箇所および受光箇所がそれぞれ３箇所の場合には、管路の壁厚さおよび内径が判明するので、上記実施例の如くして検査対象の血液濃度を求めることができる。そして光供給箇所および受光箇所がそれぞれ４箇所以上の場合には、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の測定方法によれば、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を測定するに際し、その管路の延在方向に沿って互いに隣接して並ぶ前記管路の表面上の２以上の複数箇所の光供給箇所で光源が前記管路内に光を供給し、それらの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前記管路の表面上の２以上の複数箇所の受光箇所でそれぞれ、前記供給されてその管路の壁内および管路内を流れる流体内を通過して来た光を受光して光の強度を求め、それらの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、前記複数箇所の光供給箇所の各々についてそこからの光を前記複数箇所の受光箇所でそれぞれ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、それらの関係式を前記複数箇所の光供給箇所について連立させることにより、管壁厚さを含まずに前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式を求め、その関係式に基づいて前記複数箇所の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ので、管壁厚さが不明であったり変化したりしても、管路内を流れる血液や薬液等の流体の濃度を高精度に測定することができる。
　そしてこの発明の流体濃度の測定装置によれば、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流体の濃度を測定する装置において、前記管路の延在方向に沿って互いに隣接して並ぶ前記管路の表面上の２以上の複数箇所に位置する光供給箇所で光源が前記管路内に光を供給し、それらの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前記管路の表面上の複数箇所の受光箇所でそれぞれ受光素子が、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し、そして流体濃度出力手段が、それらの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、前記複数箇所の光供給箇所の各々についてそこからの光を前記複数箇所の受光箇所でそれぞれ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もとめ、それらを前記複数箇所の光供給箇所について連立させることにより求めた、管壁厚さを含まずに前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式に基づいて、前記複数箇所の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ので、管壁厚さが不明であったり変化したりしても、管路内を流れる血液や薬液等の流体の濃度を高精度に測定することができる。
　１　発光ダイオード
　２　光センサ
　３　マイクロコンピュータ
　４　ディスプレイ装置
　Ｔ　樹脂チューブ

Claims (4)

  1. 　光透過性の管壁を持つ管路内を流れる流体の濃度を測定するに際し、
    　その管路の延在方向に沿って互いに隣接して並ぶ前記管路の表面上の複数箇所の光供給箇所で前記管路内に光源から光を供給し、
    　それらの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前記管路の表面上の複数箇所の受光箇所でそれぞれ、前記供給されてその管路の壁内および管路内を流れる流体内を通過して来た光を受光して光の強度を求め、
    　それらの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、前記複数箇所の光供給箇所の各々についてそこからの光を前記複数箇所の受光箇所でそれぞれ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、それらの関係式を前記複数箇所の光供給箇所について連立させることにより、管壁厚さを含まずに前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式を求め、その関係式に基づいて前記複数箇所の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ことを特徴とする流体濃度の測定方法。
  2. 　光透過性の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、
    　前記管路の延在方向に沿って互いに隣接して並ぶ前記管路の表面上の複数箇所に位置する光供給箇所で前記管路内に光を供給する光源と、
    　それらの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前記管路の表面上の複数箇所の受光箇所でそれぞれ、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、
    　それらの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、前記複数箇所の光供給箇所の各々についてそこからの光を前記複数箇所の受光箇所でそれぞれ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もとめ、それらの関係式を前記複数箇所の光供給箇所について連立させることにより求めた、管壁厚さを含まずに前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式に基づいて、前記複数箇所の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流体濃度の測定装置。
  3. 　前記流体濃度出力手段は、前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式を用いてあらかじめ求めて記憶した、前記複数箇所の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、前記複数箇所の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ものである、請求項２記載の流体濃度の測定装置。
  4. 　前記流体濃度出力手段は、前記複数箇所の受光箇所での光の強度と流体の濃度との関係を示す関係式に基づき、あらかじめ実験により求めて記憶した、前記複数箇所の受光箇所での光の強度と実際の流体の濃度との関係を示すテーブルを用いて、前記複数箇所の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ものである、請求項２記載の流体濃度の測定装置。
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