WO2015111207A1 - 流体濃度測定装置 - Google Patents

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fluid
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light receiving
conduit
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PCT/JP2014/051626
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Inventor
佐野　嘉彦
証英 原田
Original Assignee
ニプロ株式会社
原田電子工業株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • 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 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 device 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 part in which the optical path length of the light passing through the processing liquid is different is provided in each measuring body, and the optical path length corresponding to the properties of the processing liquid is provided.
  • the light from the light source is supplied to the light transmission part, and the light transmitted through the processing liquid in the light transmission part is received by the photodetector and the intensity of the light is examined. From the intensity of the light, the Lambert-Beer law is used. Based on this, the concentration of the treatment liquid is obtained.
  • the conventional device is applied to measure 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, light is transmitted to the optical path crossing the light-transmitting conduit.
  • a light-transmitting conduit such as a resin tube or a glass tube
  • the inner diameter may change due to the deformation. Therefore, it is very difficult to measure the concentration of blood, chemicals, etc. in such a case, and it has been practically impossible to measure the concentration.
  • the inventor of the present application transmits light from three light emitting elements 1 each consisting of an LED (light emitting diode) or LD (laser diode) to a resin tube 2 as a light transmissive conduit.
  • the light is received by three light receiving elements 3 including photodiodes, phototransistors, and the like that cross each other at three equal intervals (light receiving intervals L N ) and oppose each other in the diameter direction of the three light emitting elements 1 and the resin tube 2.
  • the light intensity at each location is obtained, and the light intensity and fluid concentration are determined from the distance of the geometrical light path LP between the three light emitting elements 1 and the light receiving elements 3 in combination.
  • the concentration of the fluid flowing in the resin tube 2 can be determined within a certain range of error by the combination of one light emitting element 1 and two light receiving elements 3.
  • line sensors have been known in recent years as electronic components having light receiving elements.
  • a line sensor a large number of light receiving elements are arranged in a straight line at equal intervals and the sensitivity of these light receiving elements is high. They are adjusted to be the same.
  • the present invention advantageously solves the problems of the conventional fluid concentration measuring device by using a line sensor, and the fluid concentration measuring device of the present invention has a light-transmitting tube wall.
  • a light source that supplies light into the conduit from at least one light supply location on the surface of the conduit;
  • the light supply point is formed by a plurality of light receiving elements that are located on the opposite side of the diameter direction of the pipe line with respect to the light supply point and are linearly arranged at equal intervals in the extending direction of the pipe line.
  • a line sensor that outputs Fluid concentration output means for obtaining and outputting the concentration of the fluid based on the Lambert-Beer law from the intensity of light received by each of the light receiving elements of the line sensor and the interval between the light receiving elements; It is characterized by comprising.
  • the light source when measuring the concentration of the fluid flowing in the pipe line having a light-transmitting tube wall such as a resin tube, the light source is at least on the surface of the pipe line.
  • Light is supplied into the pipeline from one light supply location, and the line sensors are located on the opposite side of the diameter direction of the pipeline with respect to the light supply location and are equal to each other in the extending direction of the pipeline.
  • a large number (for example, 32 or more) of light receiving elements having the same sensitivity (that is, adjusted to the same sensitivity to each other) arranged at intervals are supplied from the light supply point into the pipe line, and within the wall of the pipe line and The light that has passed through the fluid in the pipe line is received, and a signal indicating the intensity of the light received by each of the light receiving elements is output.
  • the light received by each light receiving element Degrees and Lambert from their distance of many light-receiving elements - obtains and outputs the density of the fluid based on Beer's Law.
  • the light receiving sensitivities of a large number of light receiving elements are substantially the same as each other in advance, and it is not necessary to make adjustments to align the sensitivities. Since the optical axis of the light emitting element substantially coincides with any one of the many light receiving elements, the measurement error due to variations in light receiving sensitivity or optical axis deviation is substantially reduced. However, it is possible to measure the concentration of fluid such as blood and chemicals flowing through a pipe line having a light transmissive tube wall such as a resin tube with high accuracy.
  • the light source supplies light into the conduit from a plurality of light supply locations on the surface of the conduit
  • the fluid concentration output means includes the plurality of fluid concentration output means.
  • the fluid concentration output means uses the light receiving element having the highest received light intensity among the plurality of light receiving elements as a light receiving element whose optical axis coincides with the light supply location.
  • the concentration of the fluid flowing in the pipe line may be obtained based on the Lambert-Beer law, and in this way, the error due to the deviation of the optical axis is substantially eliminated from the calculation based on the Lambert-Beer law.
  • the concentration of the fluid flowing in the pipe line can be obtained with high accuracy.
  • the light source supplies light having different wavelengths from the plurality of light supply locations on the surface of the conduit into the conduit
  • the fluid concentration output means includes:
  • the Lambert-Beer law is obtained by correlating the relationship between the light intensity of each wavelength and the fluid concentration from the plurality of light supply locations and the geometric positional relationship between the light receiving elements whose optical axes coincide with each other. It is also possible to obtain the concentration of fluid flowing in the pipeline based on the above, and in this way, using multiple types of light having different wavelengths, multiple types flowing in the pipeline from calculations based on the Lambert-Beer law The concentration of the fluid can be determined.
  • the fluid concentration output means includes a distribution pattern of light intensity received by the multiple light receiving elements in a predetermined range of the line sensor or an area of a region surrounded by the distribution pattern. May be obtained and output by comparing the light intensity distribution pattern obtained and stored in advance or the area of the region surrounded by the distribution pattern, and if such a distribution pattern is used, The fluid concentration can be easily obtained and output in a short time from the intensity of the light received by a large number of light receiving elements.
  • the line sensor 4 having a large number of light receiving elements 3 arranged in a straight line reaches the large number of light receiving elements 3, the large number of light receiving elements 3 receive the light that has reached the line sensor 4, and the line sensor 4
  • Each of the light receiving elements 3 outputs a signal indicating the intensity of light received.
  • the fluid concentration output means obtains the concentration of the fluid based on the Lambert-Beer law from the intensity of the light received by each of the light receiving elements 3 of the line sensor 4 and the interval between the light receiving elements 3. Output.
  • FIGS. the optical path from the light supply portion shown in) to the light receiving element can be set in any light reception interval (pitch) L N.
  • a plurality of light-emitting elements 1 and a plurality of light-receiving elements 3 are opposed to each other in the diameter direction with a resin tube 2 serving as a pipe interposed between the light-emitting elements 1 and the light-receiving elements 3.
  • the line sensor 4 has a large number of light receiving elements 3, the light receiving element 3 receives light. For example, when the maximum intensity level is large, the light receiving interval L N is increased to reduce the measurement error, and when the maximum intensity level is small, the light receiving interval L N is decreased to increase the measurement sensitivity. Etc. can be performed.
  • the intensity of the light output from the many light receiving elements 3 of the line sensor 4 is shown in FIG. 4 when there is one light supply location due to the diffusion of light in the walls of the pipes and in the fluid in the pipes.
  • the distribution pattern P has one mountain shape, and when there are two light supply locations, the distribution patterns P1 and P2 have two mountain shapes as shown in FIG.
  • the horizontal axis of these distribution patterns indicates the position of the light receiving element 3 on the line sensor 4, and the vertical axis indicates the intensity of light output from the light receiving element 3. Therefore, the optical axis of the light receiving element 3 having the maximum light intensity is positioned substantially coincident with the optical axis of the light emitting element 1 orthogonal to the extending direction of the duct. From the output signal of the light receiving element 3 whose optical axes substantially coincide with each other, it is possible to perform highly accurate concentration measurement using an optical path orthogonal to the extending direction of the pipe.
  • the area of the region S surrounded by the distribution pattern P in the predetermined range is compared with the shape or area of the distribution pattern P for each of a plurality of types of fluid concentrations acquired and recorded in advance. By complementing, the fluid concentration may be obtained.
  • the line sensor 4 when the line sensor 4 is opposed to a plurality of light emitting elements 1 having different wavelengths of light emitted from each other, the position of the light receiving element 3 whose optical axis coincides with each light emitting element 1 is estimated. As a result, the light intensity distribution patterns P1 and P2 at the respective wavelengths can be obtained, so that information from the light absorption patterns at the respective wavelengths of the fluid to be measured can also be obtained.
  • FIG. 6 is a configuration diagram showing a blood concentration measuring apparatus that can be used to measure a blood volume (BV) during artificial dialysis or the like as an example of the fluid concentration measuring apparatus of the above embodiment.
  • This blood concentration measuring apparatus outputs two light emitting elements 1 each composed of, for example, a light emitting diode (LED), a large number of light receiving elements 3 each composed of, for example, a phototransistor, and signals of these light receiving elements 3 sequentially with time.
  • a line sensor 4 having a large number of charge coupled devices (CCDs) (not shown) is arranged in a tube holder 5 that detachably holds a resin tube 2 serving as a conduit so as to face the resin tube 2 in the diameter direction.
  • the two light emitting elements 1 and the many light receiving elements 3 of the line sensor 4 are each aligned in the extending direction of the resin tube 2.
  • the tube holder 5 is formed with a through hole 5a in the diameter direction at each position of the two light emitting elements 1, and the light emitted by the light emitting elements 1 is transmitted from the through hole 5a at a predetermined light supply location.
  • the tube holder 5 can be supplied to the resin tube 2, and the tube holder 5 is formed with an elongated hole 5 b in the axial direction through which the line sensor 4 penetrates at a position facing the two light emitting elements 1 in the diameter direction.
  • one of the two light emitting elements 1 emits light having a wavelength of 660 nm, and the other emits light having a wavelength of 805 nm.
  • FIG. 7 shows the wavelength of light and oxygenated hemoglobin HbO 2 of arterial blood and As shown in the relationship with the absorption characteristics of venous blood deoxygenated hemoglobin Hb, light with a wavelength of 660 nm has the most different light absorption characteristics between oxygenated hemoglobin HbO 2 and deoxygenated hemoglobin Hb, and light with a wavelength of 805 nm The light absorption characteristics of oxygenated hemoglobin HbO 2 and deoxygenated hemoglobin Hb are almost the same.
  • the concentrations of both oxygenated hemoglobin HbO 2 and deoxygenated hemoglobin Hb can be measured together, and light having a wavelength of 660 nm is emitted.
  • the concentration of oxygenated hemoglobin HbO 2 can be selectively measured, and the concentration of deoxygenated hemoglobin Hb can also be measured from the measurement results.
  • the line sensor 4 has, for example, 128 light receiving elements 3 at 8 ⁇ pitch, and these light receiving elements 3 are adjusted in advance so that the light receiving sensitivities are equal to each other, and the level according to the intensity of the received light.
  • the CCD outputs these electrical signals, and the CCD arranges these electrical signals over time and outputs them as analog output signals.
  • the two LED drivers 6 cause the two light emitting elements 1 to emit light
  • the line sensor driver 7 reads the analog output signals of the many light receiving elements 3 arranged over time from the line sensor 4.
  • the analog data is output to the analog-digital converter (A / D) 8, and the A / D 8 converts the analog data into digital data and outputs it to the central processing unit (CPU) 9.
  • the CPU 9 uses, for example, two light receiving elements whose optical axes coincide with the two light emitting elements 1 among the many light receiving elements 3 of the line sensor 4 from the digital data output from the A / D 8.
  • Intensity of light received by each of the plurality of light receiving elements 3 at a predetermined position including 3 is obtained, for example, from the intensity of the received light and the length of the optical path LP from the light emitting element 1 to the light receiving element 3
  • Beer's law for example, a plurality of relational expressions are obtained with the wall thickness, inner diameter, etc.
  • the concentration of blood BD flowing in the resin tube 2 as shown by the arrows in the figure Is output.
  • a specific calculation method based on the Lambert-Beer law is described in detail in, for example, the specifications of PCT / JP2013 / 54664 international application and PCT / JP2013 / 61486 international application previously filed by the present applicant. Are listed. Therefore, the CPU 9 functions as fluid concentration output means.
  • the CPU 9 also sends a control signal to the two LED drivers 6 to cause the two light emitting elements 1 to emit light sequentially. For example, when the output signal level of the light receiving element 3 is lower than a predetermined value, the light emitted from the light emitting element 1 The light emitting element 1 is adjusted so that the intensity level of the light emitted from the light emitting element 1 is lowered when the output signal level of the light receiving element 3 is higher than a predetermined value. Output signal level suitable for concentration measurement.
  • the light receiving sensitivities of the large number of light receiving elements 3 are made substantially the same with each other in advance, and there is no need to adjust their sensitivity, and the light receiving elements 3 Are arranged in the extending direction of the resin tube 2, so that the optical axis of one of the many light receiving elements 3 and the light emitting element 1 substantially coincide with each other. Therefore, the concentration of blood flowing in the resin tube 2 can be measured with high accuracy.
  • the two light emitting elements 1 emit light into the resin tube 2 from the two light supply locations on the surface of the resin tube 2 corresponding to the position of the through hole 5a.
  • the CPU 9 correlates the relationship between the light intensity and the blood concentration from the two light supply locations and the geometrical positional relationship of the light receiving element 3 whose optical axis coincides with them. -Since the concentration of blood flowing in the resin tube 2 is obtained based on the Beer's law, the influence of the inner diameter and wall thickness of the resin tube 2 is removed from the calculation based on the Lambert-Beer's law, and the fluid flowing in the resin tube 2 is removed. The concentration can be determined.
  • the CPU 9 receives the light receiving element 3 having the highest intensity of received light among the many light receiving elements 3 of the line sensor 4 and whose optical axis coincides with the light supply location. Since the concentration of blood flowing in the resin tube 2 is obtained based on the Lambert-Beer law, the error due to the deviation of the optical axis is substantially eliminated from the calculation based on the Lambert-Beer law. The concentration of blood flowing through can be obtained with high accuracy.
  • the two light emitting elements 1 supply light having different wavelengths from the two light supply locations on the surface of the resin tube 2 into the resin tube 2, and the CPU 9
  • the Lambert-Beer law is established by correlating the relationship between the light intensity of each wavelength and the blood concentration from the light supply locations and the geometric positional relationship of the light receiving elements 3 whose optical axes coincide with each other. Based on the calculation based on the Lambert-Beer law using two types of light having different wavelengths, the concentration of two types of blood components flowing in the resin tube 2 is obtained. Can do.
  • the present invention has been described based on the illustrated examples, the present invention is not limited to the above-described examples, and can be appropriately changed within the scope of the claims.
  • the line sensor 4 the number of the light receiving elements 3 is 128 (128 pixels) and the interval pitch (pixel pitch) of the light receiving elements 3 is 8 ⁇ m.
  • the line sensor 4 is not limited to this, and the number of the light receiving elements 3 is, for example, 64 As described above, if they are aligned in a length of several mm to several centimeters with a pitch of 4 ⁇ m or more, for example, they can be suitably used for the fluid concentration measuring apparatus of the present invention.
  • a plurality of line sensors 4 may be arranged in parallel in the extending direction of the pipeline, or may be substituted by a two-dimensional photosensor having a large number of pixels aligned at least in the extending direction of the pipeline. In this case, it is possible to cope with the deviation of the optical axis in the circumferential direction or tangential direction of the pipe.
  • the CPU 9 performs a calculation process based on the intensity of light output from the light receiving element 3 to obtain a blood concentration and outputs it, but instead of this, the line sensor 4 A plurality of types of distribution patterns P of the intensity of light output from the light receiving element 3 in a predetermined range or areas of the region S surrounded by the distribution pattern P in the predetermined range are acquired in advance and stored in the memory or the like. Compared with the shape or area of the distribution pattern P for each of the fluid concentrations, and if they do not match, the fluid concentration may be obtained by interpolating between the data. In this way, a large number of light receiving elements 3 can easily obtain and output the concentration of the fluid in a short time from the intensity of the received light.
  • the light is supplied in two light supply locations and the light is received by the line sensor 4 and the intensity
  • the light may be supplied by the line sensor 4 and the light intensity may be obtained by the line sensor 4 and the fluid concentration may be obtained from the light intensity.
  • the light may be supplied at three or more light supply locations. Then, the light may be received by the line sensor 4 to obtain the light intensity, and the fluid concentration may be obtained with higher accuracy from the light intensity.
  • the light receiving sensitivities of a large number of light receiving elements are substantially the same as each other in advance, and it is not necessary to adjust the sensitivity to be uniform. Since the optical axis of the light emitting element substantially coincides with any one of the many light receiving elements, the measurement error due to variations in light receiving sensitivity or optical axis deviation is substantially reduced. However, it is possible to measure the concentration of fluid such as blood and chemicals flowing through a pipe line having a light transmissive tube wall such as a resin tube with high accuracy.

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Abstract

【課題】受光素子の感度のばらつきや光軸のずれに起因する測定誤差をなくして、光透過性の管壁を持つ管路内を流れる流体の濃度を高精度に測定できるようにすることにある。 【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装置において、前記管路の表面上の少なくとも１箇所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とともにその管路の延在方向に互いに等間隔に微細な間隔で直線状に並んだ互いに同一感度の多数の受光素子により、前記光供給箇所から前記管路内に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、それら多数の受光素子がそれぞれ受光した光の強度を示す信号を出力するラインセンサと、前記ラインセンサの多数の受光素子がそれぞれ受光した光の強度およびそれら多数の受光素子の間隔からランベルト－ベールの法則に基づき流体の濃度を求めて出力する流体濃度出力手段と、を具えるものである。

Description

流体濃度測定装置
　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
　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、図１に示すように、各々ＬＥＤ（発光ダイオード）あるいはＬＤ（レーザーダイオード）等からなる３つの発光素子１からの光りを光透過性の管路としての樹脂チューブ２に互いに等間隔（受光間隔ＬＮ）の３個所で横切らせ、３つの発光素子１と樹脂チューブ２の直径方向にそれぞれ対向するフォトダイオードやフォトトランジスタ等からなる３つの受光素子３でそれぞれ受光して各箇所での光の強度を求め、それら３つずつの発光素子１および受光素子３の複数種類の組合せにおいてそれらの間の幾何学的な光路ＬＰの距離からそれぞれ光の強度と流体の濃度との関係を求め、それらを相互に関係付けることで、ランベルト－ベールの法則に基づく計算から樹脂チューブ２の内径や壁厚の影響を除去し、樹脂チューブ２内を流れる流体の濃度を求め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）.
　そしてこの流体濃度測定装置では、管路としての樹脂チューブ２が限定されてその内径や壁厚が一定であると考えられる場合に、図２（ａ）に示す、左端の光供給箇所の正面の受光素子およびすぐ隣の受光素子で受光する場合の光路ＬＰや、図２（ｂ）に示す、左端の光供給箇所の正面のすぐ隣の受光素子およびさらに隣の受光素子で受光する場合の光路ＬＰを設定することで、１つの発光素子１と２つの受光素子３との組み合わせにより、樹脂チューブ２内を流れる流体の濃度をある程度の誤差の範囲内で求めることができる。
　しかしながらこの先に提案した流体濃度測定装置では、３つの受光素子３の受光感度が互いに異なっている場合に測定誤差が生じ、それらを揃える調整も困難であり、また、発光素子１と受光素子３との光軸が管路の延在方向にずれていても測定誤差が生じることから、計算精度をさらに高めるには未だ改良の余地があることが判明した。
　一方、受光素子を有する電子部品としては近年、ラインセンサが知られており、ラインセンサでは、多数の受光素子が互いに等間隔に微細な間隔で直線状に並ぶとともに、それらの受光素子の感度が互いに同一になるように調整されている。
　この発明は上述の点に鑑みて、ラインセンサを用い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、
　前記管路の表面上の少なくとも１箇所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とともにその管路の延在方向に互いに等間隔に直線状に並んだ互いに同一感度の多数の受光素子により、前記光供給箇所から前記管路内に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、それら多数の受光素子がそれぞれ受光した光の強度を示す信号を出力するラインセンサと、
　前記ラインセンサの多数の受光素子がそれぞれ受光した光の強度およびそれら多数の受光素子の間隔からランベルト－ベールの法則に基づき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、樹脂チューブ等の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際に、光源が、前記管路の表面上の少なくとも１箇所の光供給箇所から前記管路内に光を供給し、ラインセンサが、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とともにその管路の延在方向に互いに等間隔に並んだ互いに同一感度の（すなわち互いに同一感度に調整された）多数（例えば３２個以上）の受光素子により、前記光供給箇所から前記管路内に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、それら多数の受光素子がそれぞれ受光した光の強度を示す信号を出力し、流体濃度出力手段が、前記ラインセンサの多数の受光素子がそれぞれ受光した光の強度およびそれら多数の受光素子の間隔からランベルト－ベールの法則に基づき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、多数の受光素子の受光感度があらかじめ互いに実質的に同一にされていて、それらの感度を揃える調整の必要もなく、また、受光素子が管路の延在方向に多数並ぶため、それら多数の受光素子のうちの何れかと発光素子とで光軸が実質的に一致するので、受光感度のばらつきや光軸のずれに起因する測定誤差を実質的になくして、樹脂チューブ等の光透過性の管壁を持つ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測定装置においては、前記光源は、前記管路の表面上の複数箇所の光供給箇所から前記管路内に光を供給し、前記流体濃度出力手段は、それら複数の光供給箇所およびそれらと光軸が一致する受光素子の幾何学的位置関係から光の強度と流体の濃度との関係を相互に関係付けることで、ランベルト－ベールの法則に基づき管路内を流れる流体の濃度を求めるものとしてもよく、このようにすれば、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し、管路内を流れる流体の濃度を求めることができる。
　また、この発明の流体濃度測定装置においては、前記流体濃度出力手段は、前記多数の受光素子のうち受光した光の強度が最も高いものを前記光供給箇所と光軸が一致する受光素子として、ランベルト－ベールの法則に基づき管路内を流れる流体の濃度を求めるものとしてもよく、このようにすれば、ランベルト－ベールの法則に基づく計算から光軸のずれによる誤差を実質的に除去して、管路内を流れる流体の濃度を高精度に求めることができる。
　さらに、この発明の流体濃度測定装置においては、前記光源は、前記管路の表面上の複数箇所の光供給箇所から互いに波長の異なる光を前記管路内に供給し、前記流体濃度出力手段は、それら複数の光供給箇所およびそれらと光軸が一致する受光素子の幾何学的位置関係から前記各波長の光の強度と流体の濃度との関係を相互に関連付けることで、ランベルト－ベールの法則に基づき管路内を流れる流体の濃度を求めるものとしてもよく、このようにすれば、互いに波長の異なる複数種類の光を用いてランベルト－ベールの法則に基づく計算から管路内を流れる複数種類の流体の濃度を求めることができる。
　そして、この発明の流体濃度の測定装置においては、前記流体濃度出力手段は、前記ラインセンサの所定範囲の前記多数の受光素子が受光した光の強度の分布パターンまたはその分布パターンが囲む領域の面積を、あらかじめ求めて記憶している光の強度の分布パターンまたはその分布パターンが囲む領域の面積と比較することで、流体の濃度を求めて出力するものでもよく、このような分布パターンを用いれば、多数の受光素子が受光した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。
本発明者が先に提案した流体濃度測定装置の光路設定を模式的に示す説明図である。 （ａ）は、上記流体濃度測定装置が左端の光供給箇所の正面の受光素子およびすぐ隣の受光素子で受光する場合の光路を示す説明図、（ｂ）は、上記流体濃度測定装置が左端の光供給箇所の正面のすぐ隣の受光素子およびさらに隣の受光素子で受光する場合の光路を示す説明図である。 本発明の流体濃度測定装置の一実施形態の原理を示す説明図である。 上記実施形態の流体濃度測定装置において１つの光供給箇所からラインセンサの多数の受光素子がそれぞれ受光した光の強度の分布パターン例を示す説明図である。 上記実施形態の流体濃度測定装置において２つの光供給箇所からラインセンサの多数の受光素子がそれぞれ受光した光の強度の分布パターン例を示す説明図である。 上記実施形態の流体濃度測定装置の一実施例を示す構成図である。 光の波長と動脈血の酸素化ヘモグロビンおよび静脈血の脱酸素化ヘモグロビンの吸光特性との関係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３は、本発明の流体濃度測定装置の一実施形態の原理を示す説明図である。本実施形態では図示のように、光源としての発光素子１からの光を、例えば管路の外表面の１箇所の光供給箇所から管路内に供給すると、その光は管路の壁内および管路内の流体内を通過するとともにその通過の際に拡散して、上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とともにその管路の延在方向に互いに等間隔に直線状に並んだ多数の受光素子３を有するラインセンサ４の、それら多数の受光素子３に到達し、それら多数の受光素子３がその到達した光を受光し、ラインセンサ４が、それら多数の受光素子３がそれぞれ受光した光の強度を示す信号を出力する。そして、流体濃度出力手段が、そのラインセンサ４の多数の受光素子３がそれぞれ受光した光の強度およびそれら多数の受光素子３間の間隔から、ランベルト－ベールの法則に基づき流体の濃度を求めて出力する。
　ここで、ラインセンサ４の多数の受光素子３は、あらかじめ互いに同一感度に調整されているので、受光素子３間の感度のばらつきに起因する濃度測定誤差は実質上生じない。また、ラインセンサ４の多数の受光素子３のそれぞれの間隔は、一定であってあらかじめ知られているので、それらのうちの任意の受光素子３を用いることで、図２（ａ），（ｂ）に示すような光供給箇所から受光素子までの光路を任意の受光間隔（ピッチ）ＬＮで設定できる。図１や図２に示すように複数の発光素子１と複数の受光素子３とを管路としての樹脂チューブ２を挟んでその直径方向にそれぞれ対向させて各発光素子１から複数の受光素子３への光路ＬＰを設定する場合、発光強度や受光感度によって受光間隔ＬＮを適宜に設定する必要があるが、ラインセンサ４は多数の受光素子３を有しているので、受光素子３が受光する光の強度に応じて、例えば、最大強度レベルが大きい場合は受光間隔ＬＮを大きくして測定誤差を小さくし、最大強度レベルが小さい場合は受光間隔ＬＮを小さくして測定感度を高める等の処理を行うことができる。
　そして、ラインセンサ４の多数の受光素子３が出力する光の強度は、管路の壁内および管路内の流体内での光の拡散により、光供給箇所が１つの場合は図４に示すように１つの山形の分布パターンＰに、また光供給箇所が２つの場合は図５に示すように２つの山形の分布パターンＰ１，Ｐ２になる。なお、これらの分布パターンの横軸はラインセンサ４上の受光素子３の位置、縦軸は受光素子３が出力する光の強度を示している。従って、光の強度が最大の受光素子３の光軸が、管路の延在方向と直交する発光素子１の光軸と実質的に一致して位置していることになり、その発光素子１と光軸が実質的に一致する受光素子３の出力信号から、管路の延在方向と直交する光路を用いて高精度の濃度測定を行うことができる。
　また、ラインセンサ４の延在方向の、例えば発光素子１と光軸が実質的に一致する受光素子３の位置を中心とする所定範囲での、受光した光の強度についての分布パターンＰの形状あるいは、その所定範囲の分布パターンＰで囲まれる領域Ｓの面積を、あらかじめ取得して記録してある複数種類の流体濃度のそれぞれについての分布パターンＰの形状あるいは面積と比較し、一致しない場合は補完することで、流体濃度を求めるようにしてもよい。
　さらに、図５に示すように、互いに発光する光の波長が異なる複数の発光素子１にラインセンサ４を対向させる場合は、それぞれの発光素子１と光軸が一致する受光素子３の位置を推定でき、ひいてはそれぞれの波長での光の強度の分布パターンＰ１，Ｐ２を求めることができるので、測定対象の流体の、それぞれの波長での吸光パターンからの情報を得ることもできる。
　図６は、上記実施形態の流体濃度測定装置の一実施例としての、人工透析等の際にブラッドボリューム（ＢＶ）を計測するのに用い得る血液濃度測定装置を示す構成図である。この血液濃度測定装置は、各々例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる２つの発光素子１と、各々例えばフォトトランジスタからなる多数の受光素子３およびそれらの受光素子３の信号を経時的に並べて順次に出力する図示しない多数の例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）を有するラインセンサ４とを、管路としての樹脂チューブ２を着脱可能に挟持するチューブホルダ５に、樹脂チューブ２の直径方向に対向させて配置し、２つの発光素子１と、ラインセンサ４の多数の受光素子３とが各々、樹脂チューブ２の延在方向に整列するようにする。
　ここで、チューブホルダ５には、２つの発光素子１の各々の位置で直径方向の貫通孔５ａを形成して、それらの発光素子１が発光した光を所定の光供給箇所で貫通孔５ａからチューブホルダ５内の樹脂チューブ２に供給可能とし、また、チューブホルダ５には、２つの発光素子１と直径方向に対向する位置にラインセンサ４が貫通する長孔５ｂを軸線方向に形成して、その長孔５ｂからチューブホルダ５内にラインセンサ４を露出させることにより、チューブホルダ５内の樹脂チューブ２からそこを通過した光をラインセンサ４に供給可能とする。
　またここで、２つ発光素子１の一方は波長が６６０ｎｍの光を発光し、他方は波長が８０５ｎｍの光を発光するものとされ、図７に光の波長と動脈血の酸素化ヘモグロビンＨｂＯ２および静脈血の脱酸素化ヘモグロビンＨｂの吸光特性との関係を示すように、波長が６６０ｎｍの光は酸素化ヘモグロビンＨｂＯ２と脱酸素化ヘモグロビンＨｂとの吸光特性が最も異なり、波長が８０５ｎｍの光は酸素化ヘモグロビンＨｂＯ２と脱酸素化ヘモグロビンＨｂとの吸光特性がほぼ同一となっている。
　従って、波長が８０５ｎｍの光を発光する発光素子１を用いることで酸素化ヘモグロビンＨｂＯ２と脱酸素化ヘモグロビンＨｂとの両方の濃度を一緒に測定することができ、波長が６６０ｎｍの光を発光する発光素子１を用いることで酸素化ヘモグロビンＨｂＯ２の濃度を選択的に測定することができ、それらの測定結果から脱酸素化ヘモグロビンＨｂの濃度も測定することができる。
　また、ラインセンサ４は、例えば１２８個の受光素子３を８μピッチで有し、それらの受光素子３は、あらかじめ受光感度が互いに等しくなるように調整されて、受光した光の強度に応じたレベルの電気信号を出力し、ＣＣＤは、それらの電気信号を経時的に並べてアナログ出力信号として出力する。
　そしてこの実施例では、二つのＬＥＤドライバ６が、二つの発光素子１をそれぞれ発光作動させ、ラインセンサドライバ７が、ラインセンサ４から多数の受光素子３の経時的に並んだアナログ出力信号を読み出してアナログデータとしてアナログ－デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）８に出力し、Ａ／Ｄ８が、そのアナログデータをデジタルデータに変換して中央処理ユニット（ＣＰＵ）９に出力する。
　ＣＰＵ９は、図示しないメモリにあらかじめ記憶したプログラムに基づき、Ａ／Ｄ８の出力するデジタルデータからラインセンサ４の多数の受光素子３のうち例えば二つの発光素子１と光軸が一致する二つの受光素子３を含む所定の位置の複数の受光素子３が各々受光した光の強度を求め、例えば、それら受光した光の強度と、発光素子１から受光素子３までの光路ＬＰの長さとから、ランベルト－ベールの法則に基づき、例えば樹脂チューブ２の壁厚と内径等を未知数として複数の関係式を求め、それらを連立させることで、図中矢印で示すように樹脂チューブ２内を流れる血液ＢＤの濃度を求めて出力する。なお、ランベルト－ベールの法則に基づく具体的な計算方法については、例えば本願出願人が先に出願したＰＣＴ／ＪＰ２０１３／５４６６４号国際出願やＰＣＴ／ＪＰ２０１３／６１４８６号国際出願の明細書中に詳細に記載されている。従ってＣＰＵ９は、流体濃度出力手段として機能する。
　ＣＰＵ９はまた、二つのＬＥＤドライバ６に制御信号を送り、２つの発光素子１を順次に発光させるとともに、例えば受光素子３の出力信号レベルが所定値より低い場合には発光素子１が発光する光の強度レベルを高め、受光素子３の出力信号レベルが所定値より高い場合には発光素子１が発光する光の強度レベルを低めるというように発光素子１の発光強度を調節して、受光素子３の出力信号レベルを濃度測定に適したものとする。
　従って、この実施例の血液濃度測定装置によれば、多数の受光素子３の受光感度があらかじめ互いに実質的に同一にされていて、それらの感度を揃える調整の必要もなく、また、受光素子３が樹脂チューブ２の延在方向に多数並ぶため、それら多数の受光素子３のうちの何れかと発光素子１とで光軸が実質的に一致するので、受光感度のばらつきや光軸のずれに起因する測定誤差を実質的になくして、樹脂チューブ２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。
　また、この実施例の血液濃度測定装置によれば、二つの発光素子１が、貫通孔５ａの位置に対応する樹脂チューブ２の表面上の２箇所の光供給箇所から樹脂チューブ２内に光を供給し、ＣＰＵ９が、それら２箇所の光供給箇所およびそれらと光軸が一致する受光素子３の幾何学的位置関係から光の強度と血液の濃度との関係を相互に関係付けることで、ランベルト－ベールの法則に基づき樹脂チューブ２内を流れる血液の濃度を求めるので、ランベルト－ベールの法則に基づく計算から樹脂チューブ２の内径や壁厚の影響を除去し、樹脂チューブ２内を流れる流体の濃度を求めることができる。
　しかも、この実施例の血液濃度測定装置によれば、ＣＰＵ９は、ラインセンサ４の多数の受光素子３のうち受光した光の強度が最も高いものを光供給箇所と光軸が一致する受光素子３として、ランベルト－ベールの法則に基づき、樹脂チューブ２内を流れる血液の濃度を求めるので、ランベルト－ベールの法則に基づく計算から光軸のずれによる誤差を実質的に除去して、樹脂チューブ２内を流れる血液の濃度を高精度に求めることができる。
　さらに、この実施例の血液濃度測定装置によれば、二つの発光素子１が樹脂チューブ２の表面上の２箇所の光供給箇所から互いに波長の異なる光を樹脂チューブ２内に供給し、ＣＰＵ９は、それらの光供給箇所およびそれらと光軸が一致する受光素子３の幾何学的位置関係から各波長の光の強度と血液の濃度との関係を相互に関連付けることで、ランベルト－ベールの法則に基づき樹脂チューブ２内を流れる血液の濃度を求めるので、互いに波長の異なる２種類の光を用いてランベルト－ベールの法則に基づく計算から樹脂チューブ２内を流れる２種類の血液成分の濃度を求めることができる。
　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装置では、ラインセンサ４として受光素子３が１２８個（１２８画素）で受光素子３の間隔ピッチ（画素ピッチ）が８μｍのものを用いたが、ラインセンサ４はこれに限られず、受光素子３の数が例えば６４個以上で、それらが例えば４μｍ以上のピッチで数ｍｍ～数ｃｍの長さに整列していれば、本発明の流体濃度測定装置に好適に用いることができる。またラインセンサ４は複数本並列にして管路の延在方向に配置し、あるいは少なくとも管路の延在方向に整列する多数の画素を有する２次元光センサで代用してもよく、このようにすれば、管路の周方向あるいは接線方向の光軸のずれにも対応することができる。
　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、８０５ｎｍ付近の波長の光を用いているが、これに代えて例えば５９０ｎｍあるいは８８０ｎｍ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。
　さらに、上記実施例の装置では、ＣＰＵ９が、受光素子３が出力する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、ラインセンサ４の所定範囲の受光素子３が出力する光の強度の複数種類の分布パターンＰあるいはその所定範囲の分布パターンＰで囲まれる領域Ｓの面積を、あらかじめ取得して上記メモリ等に記憶してある複数種類の流体濃度のそれぞれについての分布パターンＰの形状あるいは面積と比較し、一致しない場合はデータ間を補完することで、流体濃度を求めるようにしてもよく、このようにすれば、多数の受光素子３が受光した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。
　そして、上記実施例の装置では、２箇所の光供給箇所で光を供給し、その光をラインセンサ４で受光して光の強度を求めているが、これに代えて１箇所の光供給箇所で光を供給し、その光をラインセンサ４で受光して光の強度を求め、その光の強度から流体の濃度を求めるようにしてもよく、あるいは３箇所以上の光供給箇所で光を供給し、その光をラインセンサ４で受光して光の強度を求め、その光の強度から流体濃度をより高精度に求めるようにしてもよい。
　かくしてこの発明の流体濃度測定装置法によれば、多数の受光素子の受光感度があらかじめ互いに実質的に同一にされていて、それらの感度を揃える調整の必要もなく、また、受光素子が管路の延在方向に多数並ぶため、それら多数の受光素子のうちの何れかと発光素子とで光軸が実質的に一致するので、受光感度のばらつきや光軸のずれに起因する測定誤差を実質的になくして、樹脂チューブ等の光透過性の管壁を持つ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　発光素子
　２　樹脂チューブ
　３　受光素子
　４　ラインセンサ
　５　チューブホルダ
　５ａ　貫通孔
　５ｂ　長孔
　６　ＬＥＤドライバ
　７　ラインセンサドライバ
　８　アナログ－デジタルコンバータ（Ａ／Ｄ）
　９　中央処理ユニット（ＣＰＵ）
　ＢＤ　血液
　ＬＮ　受光間隔
　ＬＰ　光路
　Ｐ，Ｐ１，Ｐ２　分布パターン
　Ｓ　領域

Claims (5)

  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装置において、
    　前記管路の表面上の少なくとも１箇所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とともにその管路の延在方向に互いに等間隔に微細な間隔で直線状に並んだ互いに同一感度の多数の受光素子により、前記光供給箇所から前記管路内に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、それら多数の受光素子がそれぞれ受光した光の強度を示す信号を出力するラインセンサと、
    　前記ラインセンサの多数の受光素子がそれぞれ受光した光の強度およびそれら多数の受光素子の間隔からランベルト－ベールの法則に基づき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. 　前記光源は、前記管路の表面上の複数箇所の光供給箇所から前記管路内に光を供給し、
    　前記流体濃度出力手段は、それら複数の光供給箇所およびそれらと光軸が一致する受光素子の幾何学的位置関係から光の強度と流体の濃度との関係を相互に関係付けることで、ランベルト－ベールの法則に基づき管路内を流れる流体の濃度を求めて出力す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. 　前記流体濃度出力手段は、前記多数の受光素子のうち受光した光の強度が最も高いものを前記光供給箇所と光軸が一致する受光素子として、ランベルト－ベールの法則に基づき管路内を流れる流体の濃度を求めて出力す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. 　前記光源は、前記管路の表面上の複数箇所の光供給箇所から互いに波長の異なる光を前記管路内に供給し、
    　前記流体濃度出力手段は、それら複数の光供給箇所およびそれらと光軸が一致する受光素子の幾何学的位置関係から前記各波長の光の強度と流体の濃度との関係を相互に関係付けることで、ランベルト－ベールの法則に基づき管路内を流れる流体の濃度を求めて出力することを特徴とする、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。
  5. 　前記流体濃度出力手段は、前記ラインセンサの所定範囲の前記多数の受光素子が受光した光の強度の分布パターンまたはその分布パターンが囲む領域の面積を、あらかじめ求めて記憶している光の強度の分布パターンまたはその分布パターンが囲む領域の面積と比較することで、流体の濃度を求めて出力することを特徴とする、請求項１から４までの何れか１項記載の流体濃度測定装置。
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