WO2018078728A1

WO2018078728A1 - 流体測定装置

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Publication number: WO2018078728A1
Application number: PCT/JP2016/081625
Authority: WO
Inventors: 立石　潔; 渉小野寺; 敦也伊藤; 村上　智也; 麻華里縣; 玄紀安達
Original assignee: パイオニア株式会社; 日機装株式会社
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-05-03
Also published as: EP3534122A1; EP3534122A4; US20190277875A1; US11486892B2; CN109863372B; JPWO2018078728A1; EP3534122B1; CN109863372A; JP6777756B2

Abstract

流体測定装置は、流体（２００）に光を照射する照射部（１２０）と、流体によって散乱された光を受光する受光部（１３１）と、受光部の受光信号に基づいて、流体の逆流を検出する検出部（３１０）と、検出部の検出結果と受光部の受光信号とに基づいて、流体の流量又は流速を示す推定流体情報を算出する算出部（３２０）とを備える。これにより、流体に一時的な逆流が発生した場合でも、流体の速度を正確に測定することが可能である。

Description

流体測定装置

　本発明は、光を照射して流体に関する情報を測定する流体測定装置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、流体の濃度や流量及び流速等を測定するものが知られている。例えば特許文献１では、人工透析装置を流れる血液に光を照射して、血液の濃度（ヘマトクリット値）や血流量を測定する技術が開示されている。

特許第５５８６４７６号公報

　人工透析装置において、患者から採取された血液はポンプの力でチューブ内を流れる。しかしながら、ポンプの特性上、チューブ内において血液が一時的に逆流してしまうことがあり、その結果、光を利用した測定が正確に行えなくなるおそれがある。

　上述した特許文献１では、血液の逆流に関して何ら記載されていない。このため、仮に血液の逆流が生じた場合、血液の濃度や血流量を正確に測定できないという技術的問題点が生ずる。

　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、流体に関する情報を正確に測定可能な流体測定装置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の流体測定装置は、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光を受光する受光部と、前記受光部の受光信号に基づいて、前記流体の逆流を検出する検出部と、前記検出部の検出結果と前記受光部の受光信号とに基づいて、前記流体の流量又は流速を示す推定流体情報を算出する算出部とを備える。

　上記課題を解決するための第２の流体測定装置は、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光を受光する受光部と、前記受光部の受光信号が示す受光強度の変化量が所定値以上であることを検出する検出部と、前記検出部の検出結果と前記受光部の受光信号とに基づいて、前記流体の流量又は流速を示す推定流体情報を算出する算出部とを備える。

第１実施例に係る流体測定装置の全体構成を示す概略構成図である。第１受光素子及び第１Ｉ－Ｖ変換器の構成を示す回路図である。第１実施例に係る逆流検出部の構成を示すブロック図である。第１実施例に係る補正処理部の構成を示すブロック図である。周波数解析部の構成を示すブロック図である。周波数ｆとパワースペクトルＰ（ｆ）との関係を示すグラフである。流量Ｑと平均周波数ｆｍとの関係を示すグラフである。光量に関する各信号の時間的な変動の一例を示すグラフである。比較例に係る流量の推定誤差を示すグラフである。第１実施例に係る流量の推定誤差を示すグラフである。第２実施例に係る補正処理部の構成を示すブロック図である。第３実施例に係る流体測定装置の全体構成を示す概略構成図である。第４実施例に係る逆流検出部の構成を示すブロック図である。逆流検出に関する時間幅の制限方法を示すグラフである。

　＜１＞
　本実施形態に係る第１の流体測定装置は、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光を受光する受光部と、前記受光部の受光信号に基づいて、前記流体の逆流を検出する検出部と、前記検出部の検出結果と前記受光部の受光信号とに基づいて、前記流体の流量又は流速を示す推定流体情報を算出する算出部とを備える。

　本実施形態に係る第１の流体測定装置の動作時には、照射部から流体に向けて光が照射される。なお、照射される光は、例えばレーザ光であり、ファブリペロー型（ＦＰ）レーザ光源や分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ光源を用いて照射される。また、流体の具体例としては血液等が挙げられるが、照射部からの光を照射可能な状態で流れているものであれば測定対象となり得る。

　照射部から照射された光は、流体において散乱（透過又は反射）された後に、受光部において受光される。受光部は、例えばフォトダイオードとして構成されており、光の強度を検出して、受光信号（即ち、受光した光の強度を示す信号）を出力可能に構成されている。

　流体において散乱された光は、流体の状態に応じて強度が変化している。よって、受光部において受光された光が有する情報を利用すれば、流体に関する情報（例えば、流量や流速等）を測定することができる。

　本実施形態では特に、検出部において流体の逆流が検出可能となっている。なお、ここでの「逆流」とは、流体が本来とは異なる方向に流れることを意味しており、一時的或いは部分的なものも含まれる。検出部は、受光部から出力される受光信号に基づいて、流体の逆流を検出する。

　流体の逆流に関する検出結果は、受光部から出力される受光信号と共に、流体の流量又は流速を示す推定流体情報を算出するために用いられる。推定流体情報を算出する算出部は、例えば流体に逆流が生じているか否か、及び受光信号が示す光のパワースペクトルに基づいて、流体の流量又は流速を推定する。

　ここで仮に、流体の逆流に関する情報が検出されていないとすると、推定流体情報を正確に算出することが難しくなる。本願発明者の研究するところによれば、流体に逆流が発生すると、流体からの散乱光の強度が一時的に大きく変動することが判明している。このため、受光信号のみに基づいて流体の流量又は流速を推定しようとすると、逆流発生時に誤った流量又は流速が推定されてしまう。

　しかるに本実施形態では、上述したように、検出部の検出結果と受光部の受光信号とに基づいて推定流体情報が算出される。即ち、流体の流量又は流速は、逆流の発生を考慮した上で推定される。従って、本実施形態に係る流体測定装置によれば、流体の流量又は流速を正確に推定することが可能である。

　＜２＞
　本実施形態に係る流体測定装置の一態様では、前記検出部は、前記受光信号が示す受光強度の変化量が所定値以上である場合に、前記流体の逆流を検出する。

　この態様によれば、受光強度の変化量と所定値とを比較することにより、流体の逆流を好適に検出することが可能である。なお「所定値」は、流体が逆流した場合の受光強度の変化量に対応して設定される値であり、理論的、実験的、あるいは経験的に求められ、予め設定されている。

　＜３＞
　本実施形態に係る流体測定装置の他の態様では、前記受光信号に基づいて、平均周波数信号を出力する解析部を更に備え、前記算出部は、（ｉ）前記流体の逆流が検出された逆流期間以外の他の期間では、前記平均周波数信号に基づいて前記推定流体情報を算出し、（ｉｉ）前記逆流期間では、前記平均周波数信号を補正した補正平均周波数信号に基づいて前記推定流体情報を算出する。

　この態様によれば、逆流期間以外の他の期間では、平均周波数信号に基づいて推定流体情報が算出されるが、逆流期間においては、平均周波数信号を補正した補正平均周波数信号に基づいて推定流体情報が算出される。

　すでに説明したように、逆流期間においては、散乱光の強度が一時的に大きく変動するため、受光信号から求められる平均周波数信号をそのまま利用して流量又は流速を推定しても、正確な値とはならない可能性がある。これに対し、逆流期間において補正平均周波数信号を利用するようにすれば、逆流に起因した受光強度の変動の影響を抑制し、正確な流量又は流速を推定することが可能である。

　＜４＞
　上述した逆流期間において補正平均周波数信号を利用する態様では、前記補正平均周波数信号は、前記平均周波数信号に所定係数を乗じた信号であってもよい。

　本願発明者の研究するところによれば、逆流が発生している場合の平均周波数信号は、規定レベル（例えばゼロ）を中心線として、折り返したような波形になることが判明している。このため、平均周波数信号に所定係数を乗じて補正平均周波数信号を生成すれば、逆流の影響を抑制し、正確に流量又は流速を推定することが可能である。

　なお、ここでの「所定係数」は、逆流発生時の平均周波数信号を真の値に近づけるために設定される値であり、例えば－１以上且つ１未満のゼロを含む値として設定される（－１≦所定係数Ｋ＜１）。所定係数が“－１”である場合には、補正平均周波数信号は、平均周波数信号の極性を反転させた信号として生成される。

　あるいは補正平均周波数信号は、直近の規定区間における平均周波数信号の平均値であってもよい。

　＜５＞
　本実施形態に係る流体測定装置の他の態様では、前記受光信号に基づいて、平均周波数信号を出力する解析部を更に備え、前記算出部は、前記平均周波数信号に基づいて第１流体情報を算出すると共に、前記第１流体情報を補正して第２流体情報を算出し、（ｉ）前記流体の逆流が検出された逆流期間以外の他の期間では、前記第１流体情報を前記推定流体情報として出力し、（ｉｉ）前記逆流期間では、前記第２流体情報を前記推定流体情報として出力する。

　この態様によれば、まず受光信号から求められた平均周波数信号に基づいて第１流体情報を算出され、更にその第１流体情報を補正することで第２流体情報が算出される。即ち、逆流が発生しているか否かによらず、２種類の流体情報がそれぞれ算出される。

　第１流体情報及び第２流体情報が算出されると、逆流の発生が検出される。そして、逆流期間以外の他の期間では、第１流体情報（即ち、平均周波数信号に基づいて算出された流体情報）が推定流体情報として出力される。一方で、逆流期間においては、第２流体情報（即ち、第１流体情報を補正した流体情報）が推定流体情報として出力される。

　このように、逆流期間において補正した第２流体情報を出力するようにすれば、逆流に起因した受光強度の変動の影響を抑制し、正確な推定流体情報を出力することが可能である。

　＜６＞
　上述した第１流体情報及び第２流体情報を選択的に出力する態様では、前記第２流体情報は、前記第１流体情報の極性を反転させた情報であってもよい。

　本願発明者の研究するところによれば、逆流が発生している場合の平均周波数信号は、規定レベル（例えばゼロ）を中心線として、折り返したような波形になることが判明している。よって、逆流時の平均周波数信号から算出される流体情報は、極性が判定した状態で算出されてしまう。

　これに対し、平均周波数信号の極性を反転させて補正平均周波数信号を生成すれば、逆流の影響を抑制し、正確に流量又は流速を推定することが可能である。

　また、「補正平均周波数信号＜補正前の平均周波数信号」の関係を満足するべく、補正前の平均周波数信号に対して、ゼロを含む所定係数Ｋ（例えば、－１≦Ｋ＜１）を乗じて補正平均周波数信号を生成すれば、より効果的に逆流の影響を抑制することが可能となる。なお、負の値として設定された所定係数Ｋによって平均周波数信号の極性を反転させた場合には、極性を反転させた第２流体情報を生成する必要はなくなる。

　＜７＞
　本実施形態に係る流体測定装置の他の態様では、過去の前記推定流体情報を平均化して、平均流体情報を算出する平均算出部と、前記平均流体情報が示す前記流体の流量又は流速が大きいほど、前記流体の逆流が検出された逆流期間を短く制限する制限部とを更に備える。

　本願発明者の研究するところによれば、平均流体情報が示す流体の流量又は流速が大きいほど、逆流の検出精度に誤差が生じ、逆流が発生していない場合にも逆流が検出されてしまう可能性が高くなることが判明している。

　この態様によれば、平均流体情報が示す流体の流量又は流速が大きいほど、逆流期間が短くなるように制限される（言い換えれば、逆流が検出され難くなる）ため、平均流体情報が示す流体の流量又は流速が大きい場合であっても、正確に逆流を検出することが可能である。

　＜８＞
　上述した所定値を用いて逆流を検出する態様では、過去の前記推定流体情報を平均化して、平均流体情報を算出する平均算出部と、前記平均流体情報が示す前記流体の流量又は流速が大きいほど、前記所定値を高く変更する変更部とを更に備えてもよい。

　この場合、平均流体情報が示す流体の流量又は流速が大きいほど、所定が高く変更され、逆流が検出され難くなる。従って、平均流体情報が示す流体の流量又は流速が大きい場合であっても、正確に逆流を検出することが可能である。

　＜９＞
　本実施形態に係る流体測定装置の他の態様では、前記受光部は、第１受光素子及び第２受光素子を有しており、前記検出部は、前記第１受光素子から出力される第１受光信号に基づいて、前記流体の逆流を検出し、前記算出部は、前記検出部の検出結果と前記第２受光素子から出力される第２受光信号とに基づいて、前記推定流体情報を算出する。

　この態様によれば、逆流を検出するための第１受光信号と、推定流体情報を算出するための第２受光信号が、互いに異なる受光素子（第１受光素子及び第２受光素子）で受光されるため、それぞれの信号に対して好適な処理を施すことができ、結果としてＳ／Ｎ比（Signal-Noise Ratio）を向上させることが可能である。

　＜１０＞
　本実施形態に係る第２の流体測定装置は、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光を受光する受光部と、前記受光部の受光信号が示す受光強度の変化量が所定値以上であることを検出する検出部と、前記検出部の検出結果と前記受光部の受光信号とに基づいて、前記流体の流量又は流速を示す推定流体情報を算出する算出部とを備える。

　本実施形態に係る第２の流体測定装置によれば、受光部の受光信号が示す受光強度の変化量が所定値以上であることが検出され、その検出結果に基づいて推定流体情報が算出される。受光強度の変化量が所定値以上である場合、受光信号に基づいて正確な流量又は流速を推定することが難しくなる。このため、受光強度の変化量が所定値以上であることを検出できれば、流体の流量又は流速の推定精度が悪化してしまうことを抑制できる。

　従って、本実施形態に係る第２の流体測定装置によれば、上述した第１の流体測定装置と同様に、流体の流量又は流速を正確に推定することが可能である。なお、本実施形態に係る第２の流体測定装置においても、上述した第１の流体測定装置における各種態様と同様の各種態様を採ることが可能である。

　本実施形態に係る流体測定装置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、図面を参照して流体測定装置の実施例について詳細に説明する。

　＜第１実施例＞
　第１実施例に係る流体測定装置について、図１から図１０を参照して説明する。なお、以下では、流体測定装置が血流量を測定する装置として構成される場合を例にとり説明を進める。

　＜全体構成＞
　先ず、図１を参照して、本実施例に係る流体測定装置の全体構成について説明する。ここに図１は、第１実施例に係る流体測定装置の全体構成を示す概略構成図である。

　図１において、本実施例に係る流体測定装置は、レーザ駆動部１１０と、半導体レーザ１２０と、第１受光素子１３１と、第１Ｉ－Ｖ変換器１４１と、ＬＰＦ増幅器１５１と、ＢＰＦ増幅器１５２と、第１Ａ／Ｄ変換器１６１及び第２Ａ／Ｄ変換器１６２と、逆流補正流量推定部３００とを備えて構成されている。

　レーザ駆動部１１０は、半導体レーザ１２０を駆動するための電流を発生する。

　半導体レーザ１２０は、「照射部」の一具体例であり、レーザ駆動部１１０において発生された駆動電流に応じたレーザ光を、被測定対象２００（例えば、血流等）に対して照射する。

　第１受光素子１３１は、「受光部」の一具体例であり、半導体レーザ１２０から照射されたレーザ光のうち、血液２００で散乱された散乱光（主に、後方散乱光を含む反射光）を受光する。第１受光素子１３１は、受光した反射光の強度に応じて検出電流を出力する。

　第１Ｉ－Ｖ変換器１４１は、第１受光素子１３１から出力された検出電流を電圧に変換して、検出電圧を出力する。

　ＬＰＦ増幅器１５１は、入力された検出電圧からノイズを含む不要な成分である高周波数成分を除去すると共に、増幅して散乱ＤＣ信号として出力する。一方で、ＢＰＦ増幅器１５２は、入力された検出電圧からノイズを含む不要な成分である高周波数成分と低周波成分をそれぞれ除去すると共に、増幅して散乱ＡＣ信号として出力する。

　第１Ａ／Ｄ変換器１６１は、散乱ＤＣ信号を量子化し、散乱ＤＣ光量ＲＤＣとして逆流補正流量推定部３００に出力する。第２Ａ／Ｄ変換器１６２は、散乱ＡＣ信号を量子化し、散乱ＡＣ光量ＲＡＣとして逆流補正流量推定部３００に出力する。

　逆流補正流量推定部３００は、逆流検出部３１０及び補正処理部３２０を備えている。逆流補正流量推定部３００は、入力された散乱ＤＣ光量ＲＤＣの時間変化を利用して、被測定対象２００の逆流を検出する。また、逆流補正流量推定部３００は、入力された散乱ＡＣ光量ＲＡＣを周波数解析することにより平均周波数を得て、平均周波数から被測定対象２００の流量を推定する。逆流補正流量推定部３００において算出された推定流量Ｑは、外部装置（例えば、ディスプレイ等）に出力される。

　＜各部の構成と動作＞
　次に、図２から図８を参照して、流体測定装置の各部の構成及び動作について詳細に説明する。

　＜受光素子及びＩ－Ｖ変換器＞
　図２を参照して、受光素子及びＩ－Ｖ変換器の構成及び動作について説明する。ここに図２は、第１受光素子及び第１Ｉ－Ｖ変換器の構成を示す回路図である。

　図２に示すように、被測定対象２００からの散乱光のうち、主に後方散乱光を含む反射光は、第１受光素子１３１で検出される。

　第１受光素子１３１は、半導体によるフォトディテクタを含んで構成されている。フォトディテクタのアノードは基準電位となるグランド電位に接続される。一方、フォトディテクタのカソードは演算増幅器Ａｍｐの反転端子に接続される。演算増幅器Ａｍｐの非転端子は、基準電位となるグランド電位に接続される。

　演算増幅器Ａｍｐの反転端子と出力端子の間には、帰還抵抗Ｒｆが接続されている。演算増幅器Ａｍｐと帰還抵抗Ｒｆにより、所謂トランスインピーダンスアンプが構成される。トランスインピーダンスアンプの電流電圧変換作用により、検出電流は検出電圧に変換される。

　＜逆流検出部＞
　図３を参照して、逆流検出部の構成及び動作について説明する。ここに図３は、第１実施例に係る逆流検出部の構成を示すブロック図である。

　図３に示すように、逆流検出部３１０は、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）３１１、閾値生成部３１２及び比較部３１３を備えて構成されている。逆流検出部３１０は、「検出部」の一具体例である。

　逆流検出部３１に入力された散乱ＤＣ光量ＲＤＣは、ＬＰＦ３１１により平均化され、ＲＤＣＬｐが取得される。ＲＤＣＬｐは閾値生成部３１２に出力される。

　閾値生成部３１２では、入力された過去の散乱ＤＣ光量平均値ＲＤＣＬｐに所定の係数（例えば０．９）を乗算され、閾値Ｔｈｌｄが生成される。閾値Ｔｈｌｄは「所定値」の一具体例であり、散乱ＤＣ光量ＲＤＣの急激な変化を検出するための値として生成される。

　比較部３１３には、ＬＰＦ３１１を通していない散乱ＤＣ光量ＲＤＣと、閾値Ｔｈｌｄとが入力される。比較部３１３では、散乱ＤＣ光量ＲＤＣと閾値Ｔｈｌｄとの大小比較により、散乱ＤＣ光量ＲＤＣの急激な低下が検出される。散乱ＤＣ光量ＲＤＣの急激な低下が検出された場合、逆流が生じていると判定され、比較部３１３からは逆流検出フラグＲｖｓＦ＝１が出力される。一方で、散乱ＤＣ光量ＲＤＣの急激な低下が検出されない場合（即ち、散乱ＤＣ光量ＲＤＣの時間変化が穏やかであり変化が少ない場合）、逆流は生じていないと判定され、比較部３１３からは逆流検出フラグＲｖｓＦ＝０が出力される。

　逆流検出部３１０の、検出結果である逆流検出フラグＲｖｓＦは、補正処理部３２０の制御入力に入力される。

　＜補正処理部＞
　図４を参照して、補正処理部の構成及び動作について説明する。ここに図４は、第１実施例に係る補正処理部の構成を示すブロック図である。

　図４に示すように、補正処理部３２０は、周波数解析部３２１、極性判定部３２２、選択部３２３、ＬＰＦ３２４及び流量換算部３２５を備えて構成されている。補正処理部３２０は、「算出部」の一具体例である。

　補正処理部３２０に入力された散乱ＡＣ光量ＲＡＣは、周波数解析部３２１により周波数解析される。周波数解析部は、解析結果を平均周波数ｆｍとして出力する。平均周波数ｆｍは極性反転部３２２及び選択部３３３に入力される。

　極性反転部３２２は、平均周波数の極性を反転する。具体的には、正極性である平均周波数を負極性として、反転平均周波数ｆｍＮを出力する。反転平均周波数ｆｍＮは選択部３２３に出力される。

　選択部は、逆流検出部で検出された逆流フラグＲｖｓＦに応じて、平均周波数ｆｍ又は極性反転したｆｍＮのいずれかを補正平均周波数ｆｍＣとして選択出力する。

　具体的には、逆流フラグＲｖｓＦ＝１の場合、逆流が生じているとして、極性反転したｆｍＮを選択出力する。一方、逆流フラグＲｖｓＦ＝０の場合、逆流が生じていないとして、極性反転していないｆｍを選択出力する。

　補正平均周波数ｆｍＣは、ＬＰＦ３２４により入力され平均化される。ＬＰＦの出力であるｆｍＬｐは、流量換算部３２５にて流量に換算され、推定流量Ｑとして出力される。

　なお、極性判定部３２２は、単に平均周波数ｆｍに“－１”を乗じて極性を反転させるだけの処理を行っているが、このような処理に代えて、平均周波数ｆｍに所定係数Ｋを乗ずる処理を行ってもよい。即ち、ｆｍＮ＝Ｋ×ｆｍであってもよい。ここでの所定係数Ｋは、－１≦Ｋ＜１の範囲で選択可能である。

　＜周波数解析部＞
　図５を参照して、周波数解析部の構成及び動作について説明する。ここに図５は、周波数解析部の構成を示すブロック図である。

　図５に示すように、周波数解析部３２１は、バッファ４０１、ハニング窓処理部４０２、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）処理部４０３、複素共役部４０４、１次モーメント積算部４０５、積算部４０６、除算部４０７を備えて構成されている。周波数解析部３２１は、「平均算出部」の一具体例である。

　散乱ＡＣ光量ＲＡＣデータは、バッファ４０１により蓄積される。バッファ４０１に蓄積されたｎポイントのデータ列は、ハニング窓処理部４０２により窓関数が乗算され、ＦＦＴ処理部４０３によりｎポイントのＦＦＴが実行される。

　ＦＦＴ処理部４０３が出力した解析結果は、複素共役部４０４にてパワースペクトル化され、パワースペクトルＰ（ｆ）が出力される。パワースペクトルＰ（ｆ）は、１次モーメント積算部４０５において、周波数ベクトルが乗算されると共に積算され、１次モーメント１ｓｔＭが出力される。また、パワースペクトルＰ（ｆ）は、積算部４０６において積算され、積算値Ｐｓが出力される。１次モーメント１ｓｔＭは、除算部４０７において積算値Ｐｓにより除算され、平均周波数ｆｍが出力される。

　＜流量算出方法＞
　ここで図６及び図７を参照して、推定流量Ｑを算出する方法について、より具体的に説明する。ここに図６は、周波数ｆとパワースペクトルＰ（ｆ）との関係を示すグラフである。また図７は、流量Ｑと平均周波数ｆｍとの関係を示すグラフである。

　被測定対象２００の移動速度である流速が高い場合、散乱したレーザ光の周波数は光ドップラシフト作用により高くなる。一方、被測定対象２００の流路（例えば、透明チューブ）は固定されており、移動していない。このため、透明チューブにより散乱されたレーザ光はドップラシフト受けず、周波数はシフトしない。

　これらの両散乱光は、レーザ光の可干渉性により第１受光素子１３１上で干渉する。その結果、第１受光素子１３１は、被測定対象２００の移動速度である流速に応じた光ビート信号を受光する。散乱ＡＣ光量ＲＡＣは、この光ビート信号を増幅し、量子化した信号である。従って、散乱ＡＣ光量ＲＡＣを周波数解析することにより、パワースペクトルＰ（ｆ）を得て、パワースペクトルＰ（ｆ）から被測定対象２００の移動速度に応じた流量が推定できる。本実施例は、いわゆるレーザフローメトリ法による流量推定装置を構成している。

　図６に示すように、光ビート信号のパワースペクトルＰ（ｆ）は、被測定対象２００の移動速度に応じて変化する。具体的には、移動速度の遅い低流速時のパワースペクトルＰ（ｆ）は、より低い周波数に集中する。低流速時のパワースペクトルＰ（ｆ）を、Ｐ１（ｆ）として点線で示す。逆に、移動速度の速い高流速時のパワースペクトルは、より高い周波数に集中する。高流速時のパワースペクトルＰ（ｆ）を、Ｐ２（ｆ）として実線で示す。

　図を見ても分かるように、低周波領域ではＰ１（ｆ）＞Ｐ２（ｆ）となり、高周波領域ではＰ２（ｆ）＞Ｐ２（ｆ）となる。周波数解析により、低流速時のパワ－スペクトルＰ１（ｆ）の平均周波数ｆｍ１と、高流速時のパワ－スペクトルＰ２（ｆ）の平均周波数ｆｍ２とを演算して比較すると、ｆｍ1＜ｆｍ2が成立している。

　図７に示すように、流量Ｑが増加すると平均周波数ｆｍは高くなる。この関係を利用すれば、周波数解析によって求めた平均周波数ｆｍから、推定流量Ｑを算出することができる。

　＜逆流検出と補正処理の具体例＞
　次に、図８を参照して、逆流検出部３１０による逆流検出と、補正処理部３２０による補正処理について、より具体的に説明する。ここに図８は、光量に関する各信号の時間的な変動の一例を示すグラフである。

　本実施例に係る被測定対象２００である血液は、チューブポンプ（図示せず）の動力によってチューブ内を流れている。チューブポンプは、複数のローラが回転によりチューブをしごくことで、チューブ内の流体を移送するが、ポンプの構造上、回転に同期して脈動が生じる。この脈動により、血液の逆流が生じる場合がある。具体的には、流体は逆流と順流を繰り返し、総合的には順方向に移送されるが、回転に同期して、短時間ではあるが逆流により逆方向に移動している区間がある。逆流が生じている場合、ポンプの脈動により生じた流体濃度における粗密波が、密から疎に変化して、散乱光、例えば後方散乱光である反射光量が急激に低下すると考えられる。

　図８において、区間Ａでは、散乱ＤＣ光量ＲＤＣが閾値Ｔｈｌｄを超えて急激に低下しており、逆流が生じていると考えられる。このため、区間Ａでは、平均周波数ｆｍの極性を反転させたｆｍＮが、補正平均周波数ｆｍＣとして出力されている。

　一方、区間Ｂでは、散乱ＤＣ光量ＲＤＣの時間変化は穏やかであり、流れは安定した密状態であると考えられ、逆流は生じていないと考えられる。このため、区間Ｂでは、平均周波数ｆｍが、そのまま補正平均周波数ｆｍＣとして出力されている。

　図を見ても分かるように、区間Ａにおいて反転平均周波数ｆｍＮを出力することで、逆流に起因する影響を解消することができる。

　＜第１実施例の効果＞
　次に、図９及び図１０を参照して、第１実施例に係る流体測定装置によって得られる技術的効果について説明する。ここに図９は、比較例に係る流量の推定誤差を示すグラフである。また図１０は、第１実施例に係る流量の推定誤差を示すグラフである。

　既に説明したように、被測定対象２００に逆流が生じた場合、推定流量Ｑに誤差が生じてしまうおそれがある。特に、人工透析装置においては、脱血用の針径が細く、ポンプの回転数が高く、設定流量が高い場合、逆流量が増加し、推定誤差がより拡大することを実験により確認している。

　図９に示すように、本実施例のように逆流を検出して平均周波数ｆｍの補正を行わないとすると、逆流の発生に起因して推定流量Ｑの推定誤差が大きくなってしまう。

　これに対し本実施例では、逆流を検出した場合に、平均周波数ｆｍを反転平均周波数ｆｍＮに置き換える処理を実行している。この結果、補正平均周波数ｆｍＣは、逆流が生じている区間においても、波形が正常となる（例えば、図８等を参照）。

　図１０に示すように、逆流を検出して平均周波数ｆｍの補正を実施した場合、流量推定の推定誤差は小さくなり良好な特性を示す。

　以上説明したように、第１実施例に係る流体測定装置によれば、流体に一時的な逆流が発生した場合でも、流量Ｑを正確に推定することが可能である。

　＜第２実施例＞
　次に、第２実施例に係る流体測定装置について、図１１を参照して説明する。ここに図１１は、第２実施例に係る補正処理部の構成を示すブロック図である。

　なお、第２実施例は、上述した第１実施例と比べて補正処理部の構成及び動作が異なるのみであり、その他の部分については第１実施例と概ね同様である。このため、以下では、既に説明した第１実施例と異なる部分について詳細に説明し、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１１に示すように、第２実施例に係る補正処理部３２０ｂは、周波数解析部３２１ｂ、極性反転部３２２ｂ、選択部３２３ｂ、ＬＰＦ３２４ｂ、及び流量換算部３２５ｂを備えて構成されている。第２実施例では特に、流量換算部３２５ｂが極性反転部３２２ｂや選択部３２３ｂよりも前段に設けられており、周波数解析部３２１ｂから出力される平均周波数ｆｍは流量換算部３２５ｂに入力される。

　流量換算部３２５ｂは、流量中間値Ｑｃを算出し、極性反転部３２２ｂ及び選択部３２３ｂにそれぞれ出力する。なお、流量換算部３２５ｂは、第１実施例の流量換算部３２５が推定流量Ｑを算出するのと同様の方法で、流量中間値Ｑｃを算出する。

　選択部３２３ｂには、流量中間値Ｑｃと、極性反転部３２２ｂで極性が反転された反転流量中間値ＱｃＮとがそれぞれ入力される。また選択部３２３ｂには、逆流検出部３１０から出力された逆流検出フラグＲｖｓＦが入力されており、この逆流検出フラグＲｖｓＦに応じて、流量中間値Ｑｃ又は流量中間値ＱｃＮを選択的に出力する。

　具体的には、選択部３２３ｂは、逆流フラグＲｖｓＦ＝１が入力される逆流期間では流量中間値ＱｃＮを出力する。一方で、選択部３２３ｂは、逆流フラグＲｖｓＦ＝０が入力される逆流が発生していない期間では流量中間値Ｑｃを出力する。

　選択部３２３ｂから出力された流量中間値Ｑｃ又は流量中間値ＱｃＮは、ＬＰＦ３２４ｂにおいて平均化されることで、選択制御時の不連続性が除去され、最終推定流量Ｑとして出力される。

　以上説明したように、第２実施例に係る流体測定装置では、第１実施例のように平均周波数ｆｍを補正するのではなく、平均周波数ｆｍから算出された推定流量に対する補正が実行される。この場合でも、第１実施例と同様に、逆流の発生による影響を抑制でき、被測定対象２００の流速を正確に推定することが可能である。

　＜第３実施例＞
　次に、第３実施例に係る流体測定装置について、図１２を参照して説明する。ここに図１２は、第３実施例に係る流体測定装置の全体構成を示す概略構成図である。

　なお、第３実施例は、上述した第１及び第２実施例と比べて受光素子周辺の一部の構成及び動作が異なるのみであり、その他の部分については第１及び第２実施例と概ね同様である。このため、以下では、既に説明した第１及び第２実施例と異なる部分について詳細に説明し、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１２に示すように、第３実施例に係る流体測定装置では、被測定対象からの反射光を受光する素子として、第１受光素子１３１だけでなく第２受光素子１３２が備えられている。即ち、第３実施例は２つの受光素子を備えている。

　第１受光素子１３１から出力される検出電流は、第１Ｉ－Ｖ変換器１４１で検出電圧に変換され、ＬＰＦ増幅器１５１に入力される。一方で、第２受光素子１３２から出力される検出電流は、第２Ｉ－Ｖ変換器１４２で検出電圧に変換され、ＢＰＦ増幅器１５２に入力される。このように、第３実施例では、散乱ＤＣ信号を得るための第１受光素子１３１と、散乱ＡＣ信号を得るための第２受光素子１３２が別々に設けられている。

　第３実施例では、散乱ＡＣ信号を得るための回路が、散乱ＤＣ信号を得るための回路とは別に構成されることになるため、散乱ＡＣ信号に含まれ得るＤＣ成分（例えば電源ノイズやハム信号等）を好適に除去することが可能となる。なお、ＤＣ成分を除去するには、例えば２つのフォトダイオードを逆向きに接続してＤＣ成分を相殺するような回路を採用することができる。

　以上説明したように、第３実施例に係る流体測定装置では、散乱ＡＣ信号から好適にＤＣ成分を除去できるため、第１実施例と比べてＳ／Ｎ比を向上させることが可能である。

　＜第４実施例＞
　次に、第４実施例に係る流体測定装置について、図１３及び図１４を参照して説明する。ここに図１３は第４実施例に係る逆流検出部の構成を示すブロック図である。また図１４は、逆流検出に関する時間幅の制限方法を示すグラフである。

　なお、第４実施例は、上述した第１から第３実施例と比べて逆流検出部の構成及び動作が異なるのみであり、その他の部分については第１から第３実施例と概ね同様である。このため、以下では、既に説明した第１から第３実施例と異なる部分について詳細に説明し、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１３に示すように、第４実施例に係る逆流検出部３１０ｂは、第１実施例に係る逆流検出部３１０の構成（図３参照）に加えて、ＬＰＦ３１４及び時間幅制限部３１５を備えて構成されている。なお、ＬＰＦ３１４は、「平均算出部」の一具体例であり、時間幅制限部３１５は、「制限部」の一具体例である。

　第４実施例に係る逆流検出部３１０ｂでは、比較部３１３の出力がそのまま逆流検出フラグＲｖｓＦとしては出力されず、時間幅制限部３１５に入力される。また、時間幅制限部３１５には、ＬＰＦ３１４において過去の推定流量Ｑが平均化された平均推定流量ＱＬｐも入力される。

　時間幅制限部３１５は、平均推定流量ＱＬｐに応じて比較部３１３から出力されるパルス幅を制限し、逆流検出フラグＲｖｓＦとして出力している。具体的には、平均推定流量ＱＬｐが高い場合、ポンプの回転周波数が高く逆流期間は比較的短時間になると推測できるため、逆流期間の幅を比較的短くする（言い換えれば、制限量を大きくする）。逆に、平均推定流量ＱＬｐが低い場合、ポンプの回転周波数が低く逆流期間は比較的長時間になると推測できるため、逆流期間の幅を比較的長くする（言い換えれば、制限量を小さくする）。

　なお、上述したように逆流期間の幅を直接制限することに代えて、閾値Ｔｈｌｄを変更することでも同様の効果が得られる。具体的には、平均推定流量ＱＬｐが高い場合、閾値Ｔｈｌｄを低く設定すれば、逆流が生じていると検出され難くなり、結果として逆流期間の幅が比較的短くなるように制限される。一方、平均推定流量ＱＬｐが低い場合、閾値Ｔｈｌｄを高く設定すれば、逆流が生じていると検出され易くなり、結果として逆流期間の幅は比較的長くなるように制限される。

　図１４に示すように、逆流期間の幅を制限することで、補正平均周波数ｆｍＣの波形がスムースな波形となる。具体的には、図８に示したような逆流期間の幅の制限をしない場合と比較して、逆流期間と、逆流していない期間との境界がより滑らかになっている。これは、流量補正の過補正が解消された結果であると考えられる。

　なお、図に示す例では、逆流期間の後ろ側だけを短く制限しているが、逆流期間の前側を短く制限するようにしてもよい。ただし、本願発明者の研究するところによれば、逆流期間の後ろ側を制限する方が、前側を制限するよりも効果が高いことが判明している。

　以上説明したように、第４実施例に係る流体測定装置では、過去の推定流量Ｑに応じて逆流期間の幅を制限することで、より正確に流量を推定することが可能である。

　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流体測定装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

　１１０　レーザ駆動部
　１２０　半導体レーザ
　１３１　第１受光素子
　１３２　第２受光素子
　１４１　第１Ｉ－Ｖ変換器
　１４２　第２Ｉ－Ｖ変換器
　１５１　ＬＰＦ増幅器
　１５２　ＢＰＦ増幅器
　１６１　第１Ａ／Ｄ変換器
　１６２　第２Ａ／Ｄ変換器
　２００　被測定対象
　３００　逆流補正流量推定部
　３１０　逆流検出部
　３２０　補正処理部

Claims

　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光を受光する受光部と、
　前記受光部の受光信号に基づいて、前記流体の逆流を検出する検出部と、
　前記検出部の検出結果と前記受光部の受光信号とに基づいて、前記流体の流量又は流速を示す推定流体情報を算出する算出部と
　を備えることを特徴とする流体測定装置。
　前記検出部は、前記受光信号が示す受光強度の変化量が所定値以上である場合に、前記流体の逆流を検出することを特徴とする請求項１に記載の流体測定装置。
　前記受光信号に基づいて、平均周波数信号を出力する解析部を更に備え、
　前記算出部は、（ｉ）前記流体の逆流が検出された逆流期間以外の他の期間では、前記平均周波数信号に基づいて前記推定流体情報を算出し、（ｉｉ）前記逆流期間では、前記平均周波数信号を補正した補正平均周波数信号に基づいて前記推定流体情報を算出する
　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体測定装置。
　前記補正平均周波数信号は、前記平均周波数信号に所定係数を乗じた信号であることを特徴とする請求項３に記載の流体測定装置。
　前記受光信号に基づいて、平均周波数信号を出力する解析部を更に備え、
　前記算出部は、前記平均周波数信号に基づいて第１流体情報を算出すると共に、前記第１流体情報を補正して第２流体情報を算出し、（ｉ）前記流体の逆流が検出された逆流期間以外の他の期間では、前記第１流体情報を前記推定流体情報として出力し、（ｉｉ）前記逆流期間では、前記第２流体情報を前記推定流体情報として出力する
　ことを特徴とする請求項１又は２に記載の流体測定装置。
　前記第２流体情報は、前記第１流体情報の極性を反転させた情報であることを特徴とする請求項５に記載の流体測定装置。
　過去の前記推定流体情報を平均化して、平均流体情報を算出する平均算出部と、
　前記平均流体情報が示す前記流体の流量又は流速が大きいほど、前記流体の逆流が検出された逆流期間を短く制限する制限部と
　を更に備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の流体測定装置。
　過去の前記推定流体情報を平均化して、平均流体情報を算出する平均算出部と、
　前記平均流体情報が示す前記流体の流量又は流速が大きいほど、前記所定値を高く変更する変更部と
　を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の流体測定装置。
　前記受光部は、第１受光素子及び第２受光素子を有しており、
　前記検出部は、前記第１受光素子から出力される第１受光信号に基づいて、前記流体の逆流を検出し、
　前記算出部は、前記検出部の検出結果と前記第２受光素子から出力される第２受光信号とに基づいて、前記推定流体情報を算出する
　ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の流体測定装置。
　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光を受光する受光部と、
　前記受光部の受光信号が示す受光強度の変化量が所定値以上であることを検出する検出部と、
　前記検出部の検出結果と前記受光部の受光信号とに基づいて、前記流体の流量又は流速を示す推定流体情報を算出する算出部と
　を備えることを特徴とする流体測定装置。