成分測定装置
【課題】測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる成分測定装置を実現すること。
【解決手段】共焦点光学系を介してレーザー光を測定対象の内部組織に照射し、前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する受光素子から出力されるデータに基づき前記測定対象の成分の測定を行うように構成された成分測定装置において、前記受光素子は、少なくとも中心領域の受光体とその外周領域の受光体が電気的に分離するように設けられたことを特徴とするもの。
【解決手段】共焦点光学系を介してレーザー光を測定対象の内部組織に照射し、前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する受光素子から出力されるデータに基づき前記測定対象の成分の測定を行うように構成された成分測定装置において、前記受光素子は、少なくとも中心領域の受光体とその外周領域の受光体が電気的に分離するように設けられたことを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成分測定装置に関し、詳しくは、レーザー光で成分の濃度などを測定する成分測定装置の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、たとえば血液中の血糖値などの成分の濃度などを測定する場合には、注射器で人体から血液を採取したり、指先や耳たぶを穿刺したりして、血液を実際に採取して血液中のグルコース濃度をすることが多い。
【０００３】
一般に、血糖値は、食事の前後や運動後などの測定条件によって大きく変化することから、正確な血糖値データを得るためには頻繁に測定しなければならないが、その都度採血して直接分析する従来の方法は、被験者に与える苦痛も大きいという問題がある。
【０００４】
そこで、出願人は、このように生体を侵襲して血液を採取せずに、生体にレーザー光を照射してその生体からの反射光を検出し、レーザー光が生体により吸収された度合（吸光度）に基づいて目的の成分（たとえば血液中のグルコース）の濃度などを測定する共焦点光学系を用いた生体成分測定装置を出願している（特許文献１参照）。
【０００５】
図１５は、特許文献１に記載されている生体成分測定装置の構成図である。
図１５において、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光は、コリメートレンズ２で平行光に整形され、コリメートレンズ２の光軸に対してほぼ４５°の傾斜を有する状態で配置されたハーフミラー３に入射される。なお、レーザーダイオード１としては、たとえばグルコースの吸収が比較的大きい１６００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できる可変波長レーザーを用いる。
【０００６】
ハーフミラー３を透過した平行光は、対物レンズ４により集光されて生体ＬＢの内部組織に照射される。生体ＬＢの内部組織で反射されたレーザー光は、再び対物レンズ４に入射されて平行光に整形され、ハーフミラー３に入射されてほぼ９０°の方向に反射するように光路変換される。
【０００７】
ハーフミラー３で光路変換されて反射されたレーザー光は、レンズ５により集光されてピンホール６に入射される。ピンホール６を通過したレーザー光は、受光素子７に入射されて電気信号に変換される。
【０００８】
受光素子７は、受光したレーザー光の光量に応じて強さや大きさが増減する電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。Ａ／Ｄ変換器８は、受光素子７から入力される電気信号をデジタルデータに変換し、データ解析部９に入力する。
【０００９】
データ解析部９は、波長の異なる２波長以上の各レーザー光が生体ＬＢに照射されたときに受光素子７から変換出力される複数の電気信号に基づいて生体ＬＢの成分の定量解析を行う。
【００１０】
具体的には、血糖値すなわち血液内のグルコース濃度の定量を行う場合、データ解析部９にはあらかじめ測定された血液内のグルコース濃度とレーザー光の吸光度との検量線が記憶されていて、データ解析部９は、この検量線に基づいて生体ＬＢの血液内のグルコース濃度の定量を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−３０１９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、このような従来の生体成分測定装置における測定位置は、生体内について必ずしも測定者が希望する測定位置ではなく、測定位置近傍に存在する血管中血液、組織中組織液に関する情報などをすべて積算した形で血糖値に代表される生体内物質の定量を行うものであり、的確に測定者が希望する測定位置に近い位置で測定が行える成分測定装置が望まれていた。
【００１３】
本発明は、このような問題点を解決するものであり、その目的は、的確に測定者が希望する測定位置に近い位置で測定が行える成分測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
共焦点光学系を介してレーザー光を測定対象の内部組織に照射し、前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する受光素子から出力されるデータに基づき前記測定対象の成分の測定を行うデータ解析部を有する成分測定装置において、
前記受光素子は、少なくとも中心領域の受光体とその外周領域の受光体が電気的に分離するように設けられたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項２は、請求項１記載の成分測定装置において、
前記測定対象の内部組織により反射された反射光の焦点位置に、ピンホールを有する受光素子が設けられたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３は、請求項１または請求項２記載の成分測定装置において、
前記レーザーは、波長可変光源であることを特徴とする。
【００１７】
請求項４は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項５は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記測定対象の成分は、血液内のグルコースであり、
前記データ解析部は、前記受光素子から出力されるデータに基づいて前記測定対象の内部組織中の前記グルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度の定量を行い、血糖値を測定することを特徴とする。
【００１９】
請求項６は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記レーザーから出射されるレーザー光の光束を拡大する手段を設けたことを特徴とする。
【００２０】
請求項７は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
この第２の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路、
を設けたことを特徴とする。
【００２１】
請求項８は、請求項７記載の成分測定装置において、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００２２】
請求項９は、請求項７に記載の成分測定装置において、
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする。
【００２３】
請求項１０は、請求項７に記載の成分測定装置において、
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００２４】
請求項１１は、請求項７記載の成分測定装置において、
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第１の規格化信号と、前記第３の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第２の規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００２５】
請求項１２は、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記レーザー光の光路に設けられたハーフミラーで反射された反射光を検出する第４の受光素子を設け、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする。
【００２６】
請求項１３は、請求項１２に記載の成分測定装置において、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００２７】
請求項１４は、請求項１２に記載の成分測定装置において、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号のそれぞれで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００２８】
請求項１５は、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記レーザー駆動回路は、前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号に含まれる散乱光成分に基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする。
【００２９】
請求項１６は、請求項１５に記載の成分測定装置において、
前記データ解析部は、
前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子全体の検出信号をこの受光素子の検出信号に含まれる散乱光成分に基づき除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００３０】
このように構成することにより、測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明で用いる受光素子の具体例を示す構成図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図４】本発明で用いるピンホール付きの受光素子の具体例を示す構成図である。
【図５】本発明で用いる受光素子の他の具体例を示す構成図である。
【図６】本発明で用いる受光素子の他の具体例を示す構成図である。
【図７】本発明で用いる受光素子の他の具体例を示す構成図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図９】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１０】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１１】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１２】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１３】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１４】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１５】従来の生体成分測定装置の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成図であり、図１５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１の装置と図１５の装置の相違点は、受光素子７の構造を工夫していることと、受光素子７の出力信号をマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力していることにある。
【００３３】
図１において、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光は、コリメートレンズ２で平行光に整形され、コリメートレンズ２の光軸に対してほぼ４５°の傾斜を有する状態で配置されたハーフミラー３に入射される。なお、レーザーダイオード１としては、たとえばグルコースの吸収が比較的大きい１５００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できる可変波長レーザーを用いる。１個のレーザーダイオードで１５００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できない場合には、複数のレーザーダイオードを組み合わせて用いればよい。
【００３４】
ハーフミラー３を透過した平行光は、対物レンズ４により集光されて生体ＬＢの内部組織に照射される。生体ＬＢの内部組織で反射されたレーザー光は、再び対物レンズ４に入射されて平行光に整形され、ハーフミラー３に入射されてほぼ９０°の方向に反射するように光路変換される。
【００３５】
ハーフミラー３で光路変換されて反射されたレーザー光は、レンズ５により集光され、ピンホール６を介して複数の受光体で構成された受光素子７に入射されて電気信号に変換される。なお、ピンホール６は、受光素子７に入射されるレーザー光の状態によっては省略してもよい。
【００３６】
受光素子７は、受光したレーザー光の光量に応じて強さや大きさが増減する電気信号に変換し、複数の受光体の出力信号をマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力する。Ａ／Ｄ変換器８は、受光素子７の複数の受光体から入力される電気信号をデジタルデータに変換し、データ解析部９に入力する。
【００３７】
データ解析部９は、従来と同様に、波長の異なる２波長以上の各レーザー光が生体ＬＢに照射されたときに受光素子７の各受光体から変換出力される複数の電気信号に基づいて生体ＬＢの成分の定量解析を行う。
【００３８】
図２は、図１で用いる受光素子７の具体例を示す構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００３９】
図２において、受光素子７の受光面には、（Ａ）に示すように、中心領域の受光体ＰＤ１とその外周領域の受光体ＰＤ２とが電気的に分離するように設けられている。
【００４０】
（Ａ）に示す受光素子７の断面形態としては、（Ｂ）に示すように基板上にＮ型拡散層とＰ型拡散層が積層された受光体パターンが物理的に分離されたもの、（Ｃ）に示すように基板上の全面に形成されたＮ型拡散層上にＰ型拡散層が物理的に分離されたもの、（Ｄ）に示すようにＮ型拡散基板の表面近傍にＰ型拡散層が分離して形成されたものなどが考えられる。
【００４１】
図２のように、中心領域の受光体ＰＤ１とその外周領域の受光体ＰＤ２とが電気的に分離するように設けられた受光素子７を用いることにより、受光素子７の各受光体ＰＤ１、ＰＤ２はレンズ５により集光された結像パターンに応じた光量を検出する。
【００４２】
すなわち、図２に示すような受光素子７を用いることにより、中心領域の受光体ＰＤ１は対物レンズ４の焦点位置からの散乱光のみを受光でき、その外周領域の受光体ＰＤ２は対物レンズ４の焦点位置以外から散乱された光を受光できる。
【００４３】
データ解析部９は、前述のように、波長の異なる２波長以上の各レーザー光が生体ＬＢに照射されたときに受光素子７の各受光体ＰＤ１、ＰＤ２から変換出力される複数の電気信号に基づいて生体ＬＢの成分の定量解析を行う。
【００４４】
これにより、測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる。
【００４５】
図３は本発明の他の実施例を示す構成図であり、図１のレンズ５の焦点位置にピンホール付きの受光素子１２を設けたものである。
【００４６】
この受光素子１２の検出信号もマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力されてデジタルデータに変換され、Ａ／Ｄ変換器８で変換されたデジタルデータはデータ解析部９に入力されて各種生体情報のデータ解析処理に用いられる。
【００４７】
図４は、図３で用いるピンホール付きの受光素子１２の具体例を示す構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ（Ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【００４８】
図４において、受光素子７の受光面の中心部には、（Ａ）に示すようにピンホールＰＨが設けられ、その外周領域全面には受光体ＰＤが設けられている。
【００４９】
（Ａ）に示す受光素子７の断面形態としては、（Ｂ）に示すように基板上にＮ型拡散層とＰ型拡散層が積層された受光体ＰＤの中心部にピンホールＰＨが設けられたもの、（Ｃ）に示すようにＮ型拡散基板の表面近傍にＰ型拡散層が形成された受光体ＰＤの中心部にピンホールＰＨが設けられたものなどが考えられる。
【００５０】
このようなピンホール付きの受光素子１２を用いることにより、ピンホールを通過しない対物レンズ４の焦点位置以外に散乱された光を受光することができ、受光素子７の検出信号とともにマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力してデジタルデータに変換し、変換されたデジタルデータをデータ解析部９に入力してデータ解析処理を行うことにより、受光素子７の検出信号のみでは得られない各種生体情報のデータ解析結果が期待できる。
【００５１】
図５は、図１や図３で用いる受光素子７の他の具体例を示す構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ（Ａ）のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【００５２】
図５において、受光素子７の受光面には、（Ａ）に示すように、同心円状に複数の受光体が設けられている。ここで、本実施例では４個の受光体ＰＤ１〜ＰＤ４が設けられた例を示しているが、同心円状の受光体パターンの個数およびピッチはこの実施例に限るものではなく、半導体製造プロセスや装置に要求される解析処理能力などを勘案して適切な仕様が選定される。
【００５３】
（Ａ）に示す受光素子７の断面形態としては、（Ｂ）に示すように基板上にＮ型拡散層とＰ型拡散層が積層された受光体パターンが物理的に同心円状に分離されたもの、（Ｃ）に示すように基板上の全面に形成されたＮ型拡散層上にＰ型拡散層が同心円状に積層されて受光体パターンとして形成されたもの、（Ｄ）に示すようにＮ型拡散基板の表面近傍にＰ型拡散層が同心円状に形成されたものなどが考えられる。
【００５４】
図５のように、同心円状に複数の受光体ＰＤ１〜ＰＤ４が設けられた受光素子７を用いることにより、受光素子７の各受光体ＰＤ１〜ＰＤ４はレンズ５により集光された結像パターンに応じた光量を検出する。
【００５５】
すなわち、図５に示すような受光素子７を用いることにより、受光素子７が共焦点結像位置になくても、同心円状の各受光体ＰＤ１〜ＰＤ４の信号強度を測定して信号強度が大きい受光体ＰＤ１の信号を積算することで、目的とする対物レンズ４の焦点位置からの散乱信号のみを検出できる。
【００５６】
なお、共焦点位置以外の散乱信号は、信号が大きく取れている受光体ＰＤ１よりさらに外周に位置する受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の信号として得られ、これらは皮膚の表面情報や他の生体情報として、解析アルゴリズムなどで活用できる。
【００５７】
図６も、図１や図３で用いる受光素子７の他の具体例を示す構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ（Ａ）のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。
【００５８】
図６において、受光素子７の受光面には、（Ａ）に示すように、全面にわたってマトリクス状に複数の受光体が設けられている。
【００５９】
（Ａ）に示す受光素子７の断面形態としては、（Ｂ）に示すように基板上に形成されたＮ型拡散層とＰ型拡散層の積層パターンがマトリクス状に設けられたもの、（Ｃ）に示すように基板上の全面に形成されたＮ型拡散層上にＰ型拡散層パターンがマトリクス状に設けられたもの、（Ｄ）に示すようにＮ型拡散基板の表面近傍にＰ型拡散層がマトリクス状に設けられたものなどが考えられる。
【００６０】
図６に示すような受光素子７を用いることにより、受光素子７が共焦点結像位置になくてさらに光学系に収差があっても、検出信号の大きい受光体の信号を選択して積算することで、目的とする対物レンズ４の焦点位置からの散乱信号のみを検出できる。そして、共焦点位置以外の散乱信号は、検出信号が大きく取れている受光体以外の受光体の信号として得られ、これらは皮膚の表面情報や他の生体情報として、解析アルゴリズムなどで利用できる。
【００６１】
図７も、図１や図３で用いる受光素子７の他の具体例を示す構成図であり、図６における受光体の縦方向の配列パターンを横方向に１／２ピッチずつずらしたものである。このように配列された受光素子７を用いることにより、図３の場合には隣接する受光体間に規則的な格子状のマトリクスパターンとして存在する光信号検出に対する不感帯の影響を分散軽減できる。
【００６２】
このように構成することにより、図１５の従来構成に比べて光学部品間の光軸合わせなど、組立調整を簡略化できる。
【００６３】
図８も、本発明の他の実施例を示す構成図であり、図１の構成におけるレーザーダイオード１から出力されるレーザー光の光束を、平凸レンズ１１で拡大したものである。
【００６４】
これにより、図１よりも光路長を短くでき、光路長を短くできる分だけ小型化が図れる。受光素子７としては、図２、図５〜図７に示すいずれでも用いることができ、受光素子７の構造に応じたデータ解析処理アルゴリズムを用いればよい。
【００６５】
また、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光を平行光に整形することなく対物レンズ４で集光して生体内における測定位置に照射するので、生体ＬＢ内における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる。
【００６６】
図９も、本発明の他の実施例を示す構成図である。図９において、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光の光束は平凸レンズ１１で拡大され、受光素子７の前段の対物レンズ４の焦点位置にはピンホールを有する受光素子１２が設けられている。
【００６７】
この受光素子１２の検出信号もマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力されてデジタルデータに変換され、Ａ／Ｄ変換器８で変換されたデジタルデータはデータ解析部９に入力されて各種生体情報のデータ解析処理に用いられる。図９においても、受光素子７としては、図２、図５〜図７に示すいずれでも用いることができ、受光素子７の構造に応じたデータ解析処理アルゴリズムを用いればよい。
【００６８】
また、図１よりも光路長を短くでき、光路長を短くできる分だけ小型化が図れる。
【００６９】
そして、ピンホール付きの受光素子１２を用いることにより、前述のように、ピンホールを通過しない対物レンズ４の焦点位置以外に散乱された光を受光することができ、受光素子７の検出信号とともにマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力してデジタルデータに変換し、変換されたデジタルデータをデータ解析部９に入力してデータ解析処理を行うことにより、受光素子７の検出信号のみでは得られない各種生体情報のデータ解析結果が期待できる。
【００７０】
上記各実施例において、レーザーダイオード１から測定対象に照射される光強度を所定の値に維持するように、レーザーダイオード１を自動出力制御ループで駆動することにより、安定した測定が行える。
【００７１】
図１０は、このような構成を前述図１の実施例に適用した例を示す構成図である。図１０の実施例では、レーザーダイオード１の出力光の一部を光ファイバ１３を介して測定対象である生体ＬＢの表面に照射させてその反射光を第２の受光素子１４で検出し、この第２の受光素子１４の出力信号をレーザーダイオード駆動回路１５に与えてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。
【００７２】
これにより、レーザーダイオード１の温度変化および空間強度変動に起因する出力光強度変化を抑制でき、安定した成分測定結果が得られる。
【００７３】
また、第２の受光素子１４の出力信号をＡ／Ｄ変換器１６を介してデータ解析部９に加え、第１の受光素子７の出力信号を第２の受光素子１４の出力信号で除算して規格化することにより、レーザーダイオード１の出力変動分や測定対象ＬＢの表面反射による変動分を補償できる。
【００７４】
図１１は、図１０のレーザーダイオード１として、その出力光をモニタする図示しない第３の受光素子が内蔵されたものを用いた実施例を示す構成図である。第３の受光素子の出力信号もレーザーダイオード駆動回路１５に入力され、レーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。
【００７５】
また、第３の受光素子の出力信号もＡ／Ｄ変換器１７を介してデータ解析部９に入力され、第１の受光素子７の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算して規格化する。これにより、データ解析部９は、２つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード１の出力変動分や測定対象ＬＢの表面反射による変動分を高精度に補償する。
【００７６】
図１２は、図１１の実施例に、さらにハーフミラー３で反射された反射光を検出する第４の受光素子１８と、この第４の受光素子１８の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１９を追加したものである。第４の受光素子１８は、レーザーダイオード１の出力光の空間変動分を検出する。第４の受光素子１８の出力信号もレーザーダイオード駆動回路１５に入力され、レーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。
【００７７】
また、第４の受光素子１８の出力信号もＡ／Ｄ変換器１９を介してデータ解析部９に入力され、第１の受光素子７の出力信号を第４の受光素子１８の出力信号で除算して規格化する。これにより、データ解析部９は、３つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード１の出力変動分と空間変動分および測定対象ＬＢの表面反射による変動分をさらに精度よく補償する。
【００７８】
図１３は図１２の実施例から、光ファイバ１３と第２の受光素子１４およびＡ／Ｄ変換器１６からなる信号系統を省いたものである。図１３の構成によれば、レーザーダイオード駆動回路１５は、第３の受光素子と第４の受光素子１８の出力信号に基づいてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。そしてデータ解析部９は、第１の受光素子７の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算した規格化信号と第１の受光素子７の出力信号を第４の受光素子１８の出力信号で除算した規格化信号に基づき、レーザーダイオード１の出力変動分および空間変動分を精度よく補償する。
【００７９】
図１４は、図１３の実施例からさらに第４の受光素子１８およびＡ／Ｄ変換器１９からなる信号系統を省くとともに、マルチプレクサ１０からＡ／Ｄ変換器８に入力される信号を分岐してレーザーダイオード駆動回路１５にも入力するようにしたものである。レーザーダイオード駆動回路１５には、マルチプレクサ１０を介して、第１の受光素子７の出力信号のうち、信号が大きく取れている共焦点位置の受光体ＰＤ１よりさらに外周の共焦点位置以外に位置して散乱光を検出する受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号が入力される。これら受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号は皮膚の表面情報や他の生体情報を含むものであり、測定対象ＬＢの表面反射による変動分を精度よく補償できる。
【００８０】
図１４の構成によれば、レーザーダイオード駆動回路１５は、第３の受光素子と第１の受光素子７の受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号に基づいてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。そしてデータ解析部９は、第１の受光素子７全体の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算した規格化信号と第１の受光素子７全体の出力信号を第１の受光素子７の受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号で除算した規格化信号に基づき、レーザーダイオード１の出力変動分および空間変動分を精度よく補償する。
【００８１】
なお、図１１〜図１４の実施例ではレーザーダイオード１としてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用いているが、装置に求められる補償精度に応じて、図６のように第３の受光素子が内蔵されていないものを用いてもよい。
【００８２】
これら図９〜図１４の構成は、図１に示す実施例にのみ適用できるものではなく、図８に示すように、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光の光束を平凸レンズ１１で拡大するように構成された実施例にも適用できるものであるが、図８の実施例に適用した構成図は省略する。
【００８３】
なお、上記各実施例では、対物レンズ４として固定焦点レンズを用いる例を示したが、可変焦点レンズを用いてもよい。可変焦点レンズとしては、たとえばレンズ状に形成された空間に液晶が封入され、印加電圧を調整して見かけ上の液晶の屈折率を変化させるように構成された液晶レンズを用いることができる。液晶レンズによれば、同じレンズ形状でありながら、構成材料の屈折率が変化することにより、焦点距離が変化することになる。
【００８４】
このような可変焦点レンズを対物レンズ４として用いることにより、対物レンズ４の位置を光軸方向に移動させずに可変焦点レンズに対する印加電圧を調整することで、生体ＬＢの組織内における深さ方向の測定位置を任意に設定でき、レンズ移動機構が簡略化できる。
【００８５】
上記各実施例では、光源として可変波長レーザーを用いる例を説明したが、測定成分が特定されている場合には、単波長レーザーであってもよい。
【００８６】
上記各実施例では、人体の血液中の血糖値を測定する例について説明したが、血糖値以外の血液成分や組織液成分の定量測定にも有効である。
【００８７】
上記各実施例において、共焦点光学系と測定対象との相対位置を相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を設けることにより、測定対象内部の成分に関する３次元情報を得ることができる。
【００８８】
また、測定対象は人体に限るものではなく、動物や植物などの内部物質の定量測定にも有効である。
【００８９】
また、測定対象は生体に限るものではなく、農産物、水産物、食品、有機材料などの構造、組成の非破壊検査、化学物質の定量測定にも有効である。
【００９０】
以上説明したように、本発明によれば、的確に測定者が希望する測定位置に近い位置で測定が行える成分測定装置を実現することができ、人体の血液中の血糖値をはじめとする各種の成分測定に好適である。
【符号の説明】
【００９１】
１ レーザーダイオード
２ コリメートレンズ
３ ハーフミラー
４ 対物レンズ
５ 集光レンズ
６ ピンホール
７、１４、１８ 受光素子
８、１６、１７、１９ Ａ／Ｄ変換器
９ データ解析部
１０ マルチプレクサ
１１ 平凸レンズ
１２ ピンホール付き受光素子
１３ 光ファイバ
１５ レーザーダイオード駆動回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成分測定装置に関し、詳しくは、レーザー光で成分の濃度などを測定する成分測定装置の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、たとえば血液中の血糖値などの成分の濃度などを測定する場合には、注射器で人体から血液を採取したり、指先や耳たぶを穿刺したりして、血液を実際に採取して血液中のグルコース濃度をすることが多い。
【０００３】
一般に、血糖値は、食事の前後や運動後などの測定条件によって大きく変化することから、正確な血糖値データを得るためには頻繁に測定しなければならないが、その都度採血して直接分析する従来の方法は、被験者に与える苦痛も大きいという問題がある。
【０００４】
そこで、出願人は、このように生体を侵襲して血液を採取せずに、生体にレーザー光を照射してその生体からの反射光を検出し、レーザー光が生体により吸収された度合（吸光度）に基づいて目的の成分（たとえば血液中のグルコース）の濃度などを測定する共焦点光学系を用いた生体成分測定装置を出願している（特許文献１参照）。
【０００５】
図１５は、特許文献１に記載されている生体成分測定装置の構成図である。
図１５において、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光は、コリメートレンズ２で平行光に整形され、コリメートレンズ２の光軸に対してほぼ４５°の傾斜を有する状態で配置されたハーフミラー３に入射される。なお、レーザーダイオード１としては、たとえばグルコースの吸収が比較的大きい１６００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できる可変波長レーザーを用いる。
【０００６】
ハーフミラー３を透過した平行光は、対物レンズ４により集光されて生体ＬＢの内部組織に照射される。生体ＬＢの内部組織で反射されたレーザー光は、再び対物レンズ４に入射されて平行光に整形され、ハーフミラー３に入射されてほぼ９０°の方向に反射するように光路変換される。
【０００７】
ハーフミラー３で光路変換されて反射されたレーザー光は、レンズ５により集光されてピンホール６に入射される。ピンホール６を通過したレーザー光は、受光素子７に入射されて電気信号に変換される。
【０００８】
受光素子７は、受光したレーザー光の光量に応じて強さや大きさが増減する電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器８に入力する。Ａ／Ｄ変換器８は、受光素子７から入力される電気信号をデジタルデータに変換し、データ解析部９に入力する。
【０００９】
データ解析部９は、波長の異なる２波長以上の各レーザー光が生体ＬＢに照射されたときに受光素子７から変換出力される複数の電気信号に基づいて生体ＬＢの成分の定量解析を行う。
【００１０】
具体的には、血糖値すなわち血液内のグルコース濃度の定量を行う場合、データ解析部９にはあらかじめ測定された血液内のグルコース濃度とレーザー光の吸光度との検量線が記憶されていて、データ解析部９は、この検量線に基づいて生体ＬＢの血液内のグルコース濃度の定量を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−３０１９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、このような従来の生体成分測定装置における測定位置は、生体内について必ずしも測定者が希望する測定位置ではなく、測定位置近傍に存在する血管中血液、組織中組織液に関する情報などをすべて積算した形で血糖値に代表される生体内物質の定量を行うものであり、的確に測定者が希望する測定位置に近い位置で測定が行える成分測定装置が望まれていた。
【００１３】
本発明は、このような問題点を解決するものであり、その目的は、的確に測定者が希望する測定位置に近い位置で測定が行える成分測定装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
共焦点光学系を介してレーザー光を測定対象の内部組織に照射し、前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する受光素子から出力されるデータに基づき前記測定対象の成分の測定を行うデータ解析部を有する成分測定装置において、
前記受光素子は、少なくとも中心領域の受光体とその外周領域の受光体が電気的に分離するように設けられたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項２は、請求項１記載の成分測定装置において、
前記測定対象の内部組織により反射された反射光の焦点位置に、ピンホールを有する受光素子が設けられたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３は、請求項１または請求項２記載の成分測定装置において、
前記レーザーは、波長可変光源であることを特徴とする。
【００１７】
請求項４は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を設けたことを特徴とする。
【００１８】
請求項５は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記測定対象の成分は、血液内のグルコースであり、
前記データ解析部は、前記受光素子から出力されるデータに基づいて前記測定対象の内部組織中の前記グルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度の定量を行い、血糖値を測定することを特徴とする。
【００１９】
請求項６は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記レーザーから出射されるレーザー光の光束を拡大する手段を設けたことを特徴とする。
【００２０】
請求項７は、請求項１から請求項６のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
この第２の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路、
を設けたことを特徴とする。
【００２１】
請求項８は、請求項７記載の成分測定装置において、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００２２】
請求項９は、請求項７に記載の成分測定装置において、
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする。
【００２３】
請求項１０は、請求項７に記載の成分測定装置において、
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００２４】
請求項１１は、請求項７記載の成分測定装置において、
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第１の規格化信号と、前記第３の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第２の規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００２５】
請求項１２は、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記レーザー光の光路に設けられたハーフミラーで反射された反射光を検出する第４の受光素子を設け、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする。
【００２６】
請求項１３は、請求項１２に記載の成分測定装置において、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００２７】
請求項１４は、請求項１２に記載の成分測定装置において、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号のそれぞれで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００２８】
請求項１５は、請求項１から請求項１１のいずれかに記載の成分測定装置において、
前記レーザー駆動回路は、前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号に含まれる散乱光成分に基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする。
【００２９】
請求項１６は、請求項１５に記載の成分測定装置において、
前記データ解析部は、
前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子全体の検出信号をこの受光素子の検出信号に含まれる散乱光成分に基づき除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする。
【００３０】
このように構成することにより、測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明で用いる受光素子の具体例を示す構成図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図４】本発明で用いるピンホール付きの受光素子の具体例を示す構成図である。
【図５】本発明で用いる受光素子の他の具体例を示す構成図である。
【図６】本発明で用いる受光素子の他の具体例を示す構成図である。
【図７】本発明で用いる受光素子の他の具体例を示す構成図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図９】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１０】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１１】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１２】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１３】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１４】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図１５】従来の生体成分測定装置の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成図であり、図１５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１の装置と図１５の装置の相違点は、受光素子７の構造を工夫していることと、受光素子７の出力信号をマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力していることにある。
【００３３】
図１において、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光は、コリメートレンズ２で平行光に整形され、コリメートレンズ２の光軸に対してほぼ４５°の傾斜を有する状態で配置されたハーフミラー３に入射される。なお、レーザーダイオード１としては、たとえばグルコースの吸収が比較的大きい１５００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できる可変波長レーザーを用いる。１個のレーザーダイオードで１５００ｎｍ〜１７００ｎｍの波長領域のレーザー光を出力できない場合には、複数のレーザーダイオードを組み合わせて用いればよい。
【００３４】
ハーフミラー３を透過した平行光は、対物レンズ４により集光されて生体ＬＢの内部組織に照射される。生体ＬＢの内部組織で反射されたレーザー光は、再び対物レンズ４に入射されて平行光に整形され、ハーフミラー３に入射されてほぼ９０°の方向に反射するように光路変換される。
【００３５】
ハーフミラー３で光路変換されて反射されたレーザー光は、レンズ５により集光され、ピンホール６を介して複数の受光体で構成された受光素子７に入射されて電気信号に変換される。なお、ピンホール６は、受光素子７に入射されるレーザー光の状態によっては省略してもよい。
【００３６】
受光素子７は、受光したレーザー光の光量に応じて強さや大きさが増減する電気信号に変換し、複数の受光体の出力信号をマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力する。Ａ／Ｄ変換器８は、受光素子７の複数の受光体から入力される電気信号をデジタルデータに変換し、データ解析部９に入力する。
【００３７】
データ解析部９は、従来と同様に、波長の異なる２波長以上の各レーザー光が生体ＬＢに照射されたときに受光素子７の各受光体から変換出力される複数の電気信号に基づいて生体ＬＢの成分の定量解析を行う。
【００３８】
図２は、図１で用いる受光素子７の具体例を示す構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【００３９】
図２において、受光素子７の受光面には、（Ａ）に示すように、中心領域の受光体ＰＤ１とその外周領域の受光体ＰＤ２とが電気的に分離するように設けられている。
【００４０】
（Ａ）に示す受光素子７の断面形態としては、（Ｂ）に示すように基板上にＮ型拡散層とＰ型拡散層が積層された受光体パターンが物理的に分離されたもの、（Ｃ）に示すように基板上の全面に形成されたＮ型拡散層上にＰ型拡散層が物理的に分離されたもの、（Ｄ）に示すようにＮ型拡散基板の表面近傍にＰ型拡散層が分離して形成されたものなどが考えられる。
【００４１】
図２のように、中心領域の受光体ＰＤ１とその外周領域の受光体ＰＤ２とが電気的に分離するように設けられた受光素子７を用いることにより、受光素子７の各受光体ＰＤ１、ＰＤ２はレンズ５により集光された結像パターンに応じた光量を検出する。
【００４２】
すなわち、図２に示すような受光素子７を用いることにより、中心領域の受光体ＰＤ１は対物レンズ４の焦点位置からの散乱光のみを受光でき、その外周領域の受光体ＰＤ２は対物レンズ４の焦点位置以外から散乱された光を受光できる。
【００４３】
データ解析部９は、前述のように、波長の異なる２波長以上の各レーザー光が生体ＬＢに照射されたときに受光素子７の各受光体ＰＤ１、ＰＤ２から変換出力される複数の電気信号に基づいて生体ＬＢの成分の定量解析を行う。
【００４４】
これにより、測定対象における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる。
【００４５】
図３は本発明の他の実施例を示す構成図であり、図１のレンズ５の焦点位置にピンホール付きの受光素子１２を設けたものである。
【００４６】
この受光素子１２の検出信号もマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力されてデジタルデータに変換され、Ａ／Ｄ変換器８で変換されたデジタルデータはデータ解析部９に入力されて各種生体情報のデータ解析処理に用いられる。
【００４７】
図４は、図３で用いるピンホール付きの受光素子１２の具体例を示す構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ（Ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図である。
【００４８】
図４において、受光素子７の受光面の中心部には、（Ａ）に示すようにピンホールＰＨが設けられ、その外周領域全面には受光体ＰＤが設けられている。
【００４９】
（Ａ）に示す受光素子７の断面形態としては、（Ｂ）に示すように基板上にＮ型拡散層とＰ型拡散層が積層された受光体ＰＤの中心部にピンホールＰＨが設けられたもの、（Ｃ）に示すようにＮ型拡散基板の表面近傍にＰ型拡散層が形成された受光体ＰＤの中心部にピンホールＰＨが設けられたものなどが考えられる。
【００５０】
このようなピンホール付きの受光素子１２を用いることにより、ピンホールを通過しない対物レンズ４の焦点位置以外に散乱された光を受光することができ、受光素子７の検出信号とともにマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力してデジタルデータに変換し、変換されたデジタルデータをデータ解析部９に入力してデータ解析処理を行うことにより、受光素子７の検出信号のみでは得られない各種生体情報のデータ解析結果が期待できる。
【００５１】
図５は、図１や図３で用いる受光素子７の他の具体例を示す構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ（Ａ）のＣ−Ｃ’線に沿った断面図である。
【００５２】
図５において、受光素子７の受光面には、（Ａ）に示すように、同心円状に複数の受光体が設けられている。ここで、本実施例では４個の受光体ＰＤ１〜ＰＤ４が設けられた例を示しているが、同心円状の受光体パターンの個数およびピッチはこの実施例に限るものではなく、半導体製造プロセスや装置に要求される解析処理能力などを勘案して適切な仕様が選定される。
【００５３】
（Ａ）に示す受光素子７の断面形態としては、（Ｂ）に示すように基板上にＮ型拡散層とＰ型拡散層が積層された受光体パターンが物理的に同心円状に分離されたもの、（Ｃ）に示すように基板上の全面に形成されたＮ型拡散層上にＰ型拡散層が同心円状に積層されて受光体パターンとして形成されたもの、（Ｄ）に示すようにＮ型拡散基板の表面近傍にＰ型拡散層が同心円状に形成されたものなどが考えられる。
【００５４】
図５のように、同心円状に複数の受光体ＰＤ１〜ＰＤ４が設けられた受光素子７を用いることにより、受光素子７の各受光体ＰＤ１〜ＰＤ４はレンズ５により集光された結像パターンに応じた光量を検出する。
【００５５】
すなわち、図５に示すような受光素子７を用いることにより、受光素子７が共焦点結像位置になくても、同心円状の各受光体ＰＤ１〜ＰＤ４の信号強度を測定して信号強度が大きい受光体ＰＤ１の信号を積算することで、目的とする対物レンズ４の焦点位置からの散乱信号のみを検出できる。
【００５６】
なお、共焦点位置以外の散乱信号は、信号が大きく取れている受光体ＰＤ１よりさらに外周に位置する受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の信号として得られ、これらは皮膚の表面情報や他の生体情報として、解析アルゴリズムなどで活用できる。
【００５７】
図６も、図１や図３で用いる受光素子７の他の具体例を示す構成図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）〜（Ｄ）はそれぞれ（Ａ）のＤ−Ｄ’線に沿った断面図である。
【００５８】
図６において、受光素子７の受光面には、（Ａ）に示すように、全面にわたってマトリクス状に複数の受光体が設けられている。
【００５９】
（Ａ）に示す受光素子７の断面形態としては、（Ｂ）に示すように基板上に形成されたＮ型拡散層とＰ型拡散層の積層パターンがマトリクス状に設けられたもの、（Ｃ）に示すように基板上の全面に形成されたＮ型拡散層上にＰ型拡散層パターンがマトリクス状に設けられたもの、（Ｄ）に示すようにＮ型拡散基板の表面近傍にＰ型拡散層がマトリクス状に設けられたものなどが考えられる。
【００６０】
図６に示すような受光素子７を用いることにより、受光素子７が共焦点結像位置になくてさらに光学系に収差があっても、検出信号の大きい受光体の信号を選択して積算することで、目的とする対物レンズ４の焦点位置からの散乱信号のみを検出できる。そして、共焦点位置以外の散乱信号は、検出信号が大きく取れている受光体以外の受光体の信号として得られ、これらは皮膚の表面情報や他の生体情報として、解析アルゴリズムなどで利用できる。
【００６１】
図７も、図１や図３で用いる受光素子７の他の具体例を示す構成図であり、図６における受光体の縦方向の配列パターンを横方向に１／２ピッチずつずらしたものである。このように配列された受光素子７を用いることにより、図３の場合には隣接する受光体間に規則的な格子状のマトリクスパターンとして存在する光信号検出に対する不感帯の影響を分散軽減できる。
【００６２】
このように構成することにより、図１５の従来構成に比べて光学部品間の光軸合わせなど、組立調整を簡略化できる。
【００６３】
図８も、本発明の他の実施例を示す構成図であり、図１の構成におけるレーザーダイオード１から出力されるレーザー光の光束を、平凸レンズ１１で拡大したものである。
【００６４】
これにより、図１よりも光路長を短くでき、光路長を短くできる分だけ小型化が図れる。受光素子７としては、図２、図５〜図７に示すいずれでも用いることができ、受光素子７の構造に応じたデータ解析処理アルゴリズムを用いればよい。
【００６５】
また、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光を平行光に整形することなく対物レンズ４で集光して生体内における測定位置に照射するので、生体ＬＢ内における所望の測定位置の測定データを的確に取り込むことができる。
【００６６】
図９も、本発明の他の実施例を示す構成図である。図９において、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光の光束は平凸レンズ１１で拡大され、受光素子７の前段の対物レンズ４の焦点位置にはピンホールを有する受光素子１２が設けられている。
【００６７】
この受光素子１２の検出信号もマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力されてデジタルデータに変換され、Ａ／Ｄ変換器８で変換されたデジタルデータはデータ解析部９に入力されて各種生体情報のデータ解析処理に用いられる。図９においても、受光素子７としては、図２、図５〜図７に示すいずれでも用いることができ、受光素子７の構造に応じたデータ解析処理アルゴリズムを用いればよい。
【００６８】
また、図１よりも光路長を短くでき、光路長を短くできる分だけ小型化が図れる。
【００６９】
そして、ピンホール付きの受光素子１２を用いることにより、前述のように、ピンホールを通過しない対物レンズ４の焦点位置以外に散乱された光を受光することができ、受光素子７の検出信号とともにマルチプレクサ１０を介してＡ／Ｄ変換器８に入力してデジタルデータに変換し、変換されたデジタルデータをデータ解析部９に入力してデータ解析処理を行うことにより、受光素子７の検出信号のみでは得られない各種生体情報のデータ解析結果が期待できる。
【００７０】
上記各実施例において、レーザーダイオード１から測定対象に照射される光強度を所定の値に維持するように、レーザーダイオード１を自動出力制御ループで駆動することにより、安定した測定が行える。
【００７１】
図１０は、このような構成を前述図１の実施例に適用した例を示す構成図である。図１０の実施例では、レーザーダイオード１の出力光の一部を光ファイバ１３を介して測定対象である生体ＬＢの表面に照射させてその反射光を第２の受光素子１４で検出し、この第２の受光素子１４の出力信号をレーザーダイオード駆動回路１５に与えてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。
【００７２】
これにより、レーザーダイオード１の温度変化および空間強度変動に起因する出力光強度変化を抑制でき、安定した成分測定結果が得られる。
【００７３】
また、第２の受光素子１４の出力信号をＡ／Ｄ変換器１６を介してデータ解析部９に加え、第１の受光素子７の出力信号を第２の受光素子１４の出力信号で除算して規格化することにより、レーザーダイオード１の出力変動分や測定対象ＬＢの表面反射による変動分を補償できる。
【００７４】
図１１は、図１０のレーザーダイオード１として、その出力光をモニタする図示しない第３の受光素子が内蔵されたものを用いた実施例を示す構成図である。第３の受光素子の出力信号もレーザーダイオード駆動回路１５に入力され、レーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。
【００７５】
また、第３の受光素子の出力信号もＡ／Ｄ変換器１７を介してデータ解析部９に入力され、第１の受光素子７の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算して規格化する。これにより、データ解析部９は、２つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード１の出力変動分や測定対象ＬＢの表面反射による変動分を高精度に補償する。
【００７６】
図１２は、図１１の実施例に、さらにハーフミラー３で反射された反射光を検出する第４の受光素子１８と、この第４の受光素子１８の出力信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１９を追加したものである。第４の受光素子１８は、レーザーダイオード１の出力光の空間変動分を検出する。第４の受光素子１８の出力信号もレーザーダイオード駆動回路１５に入力され、レーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。
【００７７】
また、第４の受光素子１８の出力信号もＡ／Ｄ変換器１９を介してデータ解析部９に入力され、第１の受光素子７の出力信号を第４の受光素子１８の出力信号で除算して規格化する。これにより、データ解析部９は、３つの規格化信号を線形結合して多変量解析により結合係数を求め、これらの値に基づきレーザーダイオード１の出力変動分と空間変動分および測定対象ＬＢの表面反射による変動分をさらに精度よく補償する。
【００７８】
図１３は図１２の実施例から、光ファイバ１３と第２の受光素子１４およびＡ／Ｄ変換器１６からなる信号系統を省いたものである。図１３の構成によれば、レーザーダイオード駆動回路１５は、第３の受光素子と第４の受光素子１８の出力信号に基づいてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。そしてデータ解析部９は、第１の受光素子７の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算した規格化信号と第１の受光素子７の出力信号を第４の受光素子１８の出力信号で除算した規格化信号に基づき、レーザーダイオード１の出力変動分および空間変動分を精度よく補償する。
【００７９】
図１４は、図１３の実施例からさらに第４の受光素子１８およびＡ／Ｄ変換器１９からなる信号系統を省くとともに、マルチプレクサ１０からＡ／Ｄ変換器８に入力される信号を分岐してレーザーダイオード駆動回路１５にも入力するようにしたものである。レーザーダイオード駆動回路１５には、マルチプレクサ１０を介して、第１の受光素子７の出力信号のうち、信号が大きく取れている共焦点位置の受光体ＰＤ１よりさらに外周の共焦点位置以外に位置して散乱光を検出する受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号が入力される。これら受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号は皮膚の表面情報や他の生体情報を含むものであり、測定対象ＬＢの表面反射による変動分を精度よく補償できる。
【００８０】
図１４の構成によれば、レーザーダイオード駆動回路１５は、第３の受光素子と第１の受光素子７の受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号に基づいてレーザーダイオード１の出力光強度を所定の値に維持するように駆動する。そしてデータ解析部９は、第１の受光素子７全体の出力信号を第３の受光素子の出力信号で除算した規格化信号と第１の受光素子７全体の出力信号を第１の受光素子７の受光体ＰＤ２〜ＰＤ４の出力信号で除算した規格化信号に基づき、レーザーダイオード１の出力変動分および空間変動分を精度よく補償する。
【００８１】
なお、図１１〜図１４の実施例ではレーザーダイオード１としてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用いているが、装置に求められる補償精度に応じて、図６のように第３の受光素子が内蔵されていないものを用いてもよい。
【００８２】
これら図９〜図１４の構成は、図１に示す実施例にのみ適用できるものではなく、図８に示すように、レーザーダイオード１から出力されるレーザー光の光束を平凸レンズ１１で拡大するように構成された実施例にも適用できるものであるが、図８の実施例に適用した構成図は省略する。
【００８３】
なお、上記各実施例では、対物レンズ４として固定焦点レンズを用いる例を示したが、可変焦点レンズを用いてもよい。可変焦点レンズとしては、たとえばレンズ状に形成された空間に液晶が封入され、印加電圧を調整して見かけ上の液晶の屈折率を変化させるように構成された液晶レンズを用いることができる。液晶レンズによれば、同じレンズ形状でありながら、構成材料の屈折率が変化することにより、焦点距離が変化することになる。
【００８４】
このような可変焦点レンズを対物レンズ４として用いることにより、対物レンズ４の位置を光軸方向に移動させずに可変焦点レンズに対する印加電圧を調整することで、生体ＬＢの組織内における深さ方向の測定位置を任意に設定でき、レンズ移動機構が簡略化できる。
【００８５】
上記各実施例では、光源として可変波長レーザーを用いる例を説明したが、測定成分が特定されている場合には、単波長レーザーであってもよい。
【００８６】
上記各実施例では、人体の血液中の血糖値を測定する例について説明したが、血糖値以外の血液成分や組織液成分の定量測定にも有効である。
【００８７】
上記各実施例において、共焦点光学系と測定対象との相対位置を相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を設けることにより、測定対象内部の成分に関する３次元情報を得ることができる。
【００８８】
また、測定対象は人体に限るものではなく、動物や植物などの内部物質の定量測定にも有効である。
【００８９】
また、測定対象は生体に限るものではなく、農産物、水産物、食品、有機材料などの構造、組成の非破壊検査、化学物質の定量測定にも有効である。
【００９０】
以上説明したように、本発明によれば、的確に測定者が希望する測定位置に近い位置で測定が行える成分測定装置を実現することができ、人体の血液中の血糖値をはじめとする各種の成分測定に好適である。
【符号の説明】
【００９１】
１ レーザーダイオード
２ コリメートレンズ
３ ハーフミラー
４ 対物レンズ
５ 集光レンズ
６ ピンホール
７、１４、１８ 受光素子
８、１６、１７、１９ Ａ／Ｄ変換器
９ データ解析部
１０ マルチプレクサ
１１ 平凸レンズ
１２ ピンホール付き受光素子
１３ 光ファイバ
１５ レーザーダイオード駆動回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共焦点光学系を介してレーザー光を測定対象の内部組織に照射し、前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する受光素子から出力されるデータに基づき前記測定対象の成分の測定を行うデータ解析部を有する成分測定装置において、
前記受光素子は、少なくとも中心領域の受光体とその外周領域の受光体が電気的に分離するように設けられたことを特徴とする成分測定装置。
【請求項２】
前記測定対象の内部組織により反射された反射光の焦点位置に、ピンホールを有する受光素子が設けられたことを特徴とする請求項１記載の成分測定装置。
【請求項３】
前記レーザーは、波長可変光源であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成分測定装置。
【請求項４】
前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項５】
前記測定対象の成分は、血液内のグルコースであり、
前記データ解析部は、前記受光素子から出力されるデータに基づいて前記測定対象の内部組織中の前記グルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度の定量を行い、血糖値を測定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項６】
前記レーザーから出射されるレーザー光の光束を拡大する手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項７】
前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
この第２の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路、
を設けたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項８】
前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項７記載の成分測定装置。
【請求項９】
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする請求項７記載の成分測定装置。
【請求項１０】
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項７に記載の成分測定装置。
【請求項１１】
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第１の規格化信号と、前記第３の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第２の規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項７に記載の成分測定装置。
【請求項１２】
前記レーザー光の光路に設けられたハーフミラーで反射された反射光を検出する第４の受光素子を設け、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項１３】
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項１２に記載の成分測定装置。
【請求項１４】
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号のそれぞれで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項１２に記載の成分測定装置。
【請求項１５】
前記レーザー駆動回路は、前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号に含まれる散乱光成分に基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項１６】
前記データ解析部は、
前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子全体の検出信号をこの受光素子の検出信号に含まれる散乱光成分に基づき除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項１５に記載の成分測定装置。
【請求項１】
共焦点光学系を介してレーザー光を測定対象の内部組織に照射し、前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する受光素子から出力されるデータに基づき前記測定対象の成分の測定を行うデータ解析部を有する成分測定装置において、
前記受光素子は、少なくとも中心領域の受光体とその外周領域の受光体が電気的に分離するように設けられたことを特徴とする成分測定装置。
【請求項２】
前記測定対象の内部組織により反射された反射光の焦点位置に、ピンホールを有する受光素子が設けられたことを特徴とする請求項１記載の成分測定装置。
【請求項３】
前記レーザーは、波長可変光源であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の成分測定装置。
【請求項４】
前記共焦点光学系と前記測定対象とを相対的に３次元的に移動させる移動駆動機構を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項５】
前記測定対象の成分は、血液内のグルコースであり、
前記データ解析部は、前記受光素子から出力されるデータに基づいて前記測定対象の内部組織中の前記グルコースによる吸光度を測定して前記グルコースの濃度の定量を行い、血糖値を測定することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項６】
前記レーザーから出射されるレーザー光の光束を拡大する手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項７】
前記レーザーの出力光を測定対象表面に照射する光ファイバと、
この光ファイバの照射に基づく測定対象の表面における反射光を検出する第２の受光素子と、
この第２の受光素子の検出信号に基づき前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動するレーザー駆動回路、
を設けたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項８】
前記データ解析部は、前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づいて前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項７記載の成分測定装置。
【請求項９】
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする請求項７記載の成分測定装置。
【請求項１０】
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、前記第２の受光素子および第３の受光素子の検出信号の少なくともいずれかで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項７に記載の成分測定装置。
【請求項１１】
前記レーザーとしてその出力光をモニタする第３の受光素子が内蔵されたものを用い、
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第１の規格化信号と、前記第３の受光素子の検出信号で前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した第２の規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項７に記載の成分測定装置。
【請求項１２】
前記レーザー光の光路に設けられたハーフミラーで反射された反射光を検出する第４の受光素子を設け、
前記レーザー駆動回路は、前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかに基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項１３】
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号の少なくともいずれかで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項１２に記載の成分測定装置。
【請求項１４】
前記データ解析部は、
前記第２の受光素子と第３の受光素子および第４の受光素子の検出信号のそれぞれで前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号を除算した規格化信号を線形結合したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項１２に記載の成分測定装置。
【請求項１５】
前記レーザー駆動回路は、前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子の検出信号に含まれる散乱光成分に基づき、前記レーザーの出力光強度を所定の値に維持するように駆動することを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の成分測定装置。
【請求項１６】
前記データ解析部は、
前記測定対象の内部組織により反射された反射光を前記共焦点光学系を介して検出する前記受光素子全体の検出信号をこの受光素子の検出信号に含まれる散乱光成分に基づき除算して規格化したデータに基づき、前記測定対象の成分の測定を行うことを特徴とする請求項１５に記載の成分測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−２３０６６３（Ｐ２０１０−２３０６６３Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４７７１８（Ｐ２０１０−４７７１８）
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月４日（２０１０．３．４）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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