JP2007144103A - Biological component concentration measuring device - Google Patents
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Abstract
【課題】鼓膜からの放射光を十分に計測することが可能であり、生体情報の測定精度を向上させることができる、生体成分濃度測定装置を提供する。
【解決手段】耳孔内に挿入する挿入プローブ104と、前記挿入プローブ104の先端部に設けられ、鼓膜から放射された赤外光が入射する入射面を有する光路変更素子105と、前記赤外光を波長毎に分光する分光素子と、前記分光素子により分光された前記赤外光を検出する赤外線検出器と、前記赤外線検出器の出力を生体成分濃度に換算する生体成分濃度演算部とを備え、前記光路変更素子105は、前記赤外光が前記挿入プローブ104内を通るように前記赤外光の光路を変更する。
【選択図】図1A biological component concentration measuring apparatus capable of sufficiently measuring emitted light from the eardrum and capable of improving the measurement accuracy of biological information.
An insertion probe 104 to be inserted into an ear canal, an optical path changing element 105 provided at a distal end portion of the insertion probe 104 and having an incident surface on which infrared light emitted from the eardrum is incident, and the infrared light For each wavelength, an infrared detector for detecting the infrared light dispersed by the spectroscopic element, and a biological component concentration calculation unit for converting the output of the infrared detector into a biological component concentration The optical path changing element 105 changes the optical path of the infrared light so that the infrared light passes through the insertion probe 104.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、採血を行なわずに非侵襲的に、生体成分の濃度、例えばグルコース濃度を測定する生体成分濃度測定装置に関するものである。 The present invention relates to a biological component concentration measuring apparatus that non-invasively measures a concentration of a biological component, for example, a glucose concentration, without collecting blood.
従来、生体情報測定装置として、鼓膜からの放射光を計測して、グルコース濃度を算出する非侵襲血糖計が提案されている(例えば、特許文献1、2または3参照)。例えば、特許文献1には、外耳道に収まる程度の大きさの鏡を備え、その鏡を通して、近赤外線や熱線を鼓膜に照射するとともに、鼓膜において反射された光を検出し、検出結果からグルコース濃度を算出する非侵襲血糖計が開示されている。また、特許文献2には、耳孔内に挿入されるプローブを備え、鼓膜や外耳道を冷却した状態で、内耳より発生して鼓膜から放射された赤外線を、プローブを通して検出し、検出された赤外線を分光分析することによりグルコース濃度を得る非侵襲血糖計が開示されている。また、特許文献3には、耳孔内に挿入される反射鏡を備え、その反射鏡を用いて鼓膜からの放射光を検出し、検出された放射光を分光分析することによりグルコース濃度を得る非侵襲血糖計が開示されている。
しかし、前記従来の構成では、外耳道の奥で外耳道が屈曲しているために、その奥に存在する鼓膜からの放射光を十分に検出するのが困難であるという問題を有していた。 However, the conventional configuration has a problem that it is difficult to sufficiently detect the emitted light from the eardrum existing behind the ear canal because the ear canal is bent behind the ear canal.
本発明は、前記従来の問題点に鑑み、鼓膜からの放射光を十分に計測することが可能であり、生体成分濃度の測定精度を向上させることができる生体成分濃度測定装置を提供することを目的とする。 In view of the above-described conventional problems, the present invention provides a biological component concentration measuring apparatus that can sufficiently measure the emitted light from the eardrum and can improve the measurement accuracy of the biological component concentration. Objective.
前記従来の課題を解決するために、本発明の生体成分濃度測定装置は、耳孔内に挿入する挿入プローブと、前記挿入プローブの先端部に設けられ、鼓膜から放射された赤外光が入射する入射面を有する光路変更素子と、前記赤外光を波長毎に分光する分光素子と、前記分光素子により分光された前記赤外光を検出する赤外線検出器と、前記赤外線検出器の出力を生体成分濃度に換算する生体成分濃度演算部とを備え、前記光路変更素子は、前記赤外光が前記挿入プローブ内を通るように前記赤外光の光路を変更する。 In order to solve the above-described conventional problems, the biological component concentration measuring apparatus of the present invention is provided with an insertion probe to be inserted into the ear canal and an infrared light emitted from the eardrum, which is provided at the distal end of the insertion probe. An optical path changing element having an incident surface, a spectroscopic element that divides the infrared light for each wavelength, an infrared detector that detects the infrared light dispersed by the spectroscopic element, and an output of the infrared detector A biological component concentration calculation unit that converts the concentration into a component concentration, and the optical path changing element changes an optical path of the infrared light so that the infrared light passes through the insertion probe.
本発明の生体成分濃度測定装置によれば、鼓膜からの放射光を十分に計測することが可能であり、生体成分濃度の測定精度を向上させることができる。 According to the biological component concentration measuring apparatus of the present invention, it is possible to sufficiently measure the emitted light from the eardrum and improve the measurement accuracy of the biological component concentration.
本発明の生体成分濃度測定装置は、耳孔内に挿入する挿入プローブと、前記挿入プローブの先端部に設けられ、鼓膜から放射された赤外光が入射する入射面を有する光路変更素子と、前記赤外光を波長毎に分光する分光素子と、前記分光素子により分光された前記赤外光を検出する赤外線検出器と、前記赤外線検出器の出力を生体成分濃度に換算する生体成分濃度演算部とを備え、前記光路変更素子は、前記赤外光が前記挿入プローブ内を通るように前記赤外光の光路を変更する。 The biological component concentration measuring apparatus of the present invention includes an insertion probe that is inserted into an ear canal, an optical path changing element that is provided at a distal end portion of the insertion probe and has an incident surface on which infrared light emitted from the eardrum is incident, A spectroscopic element that splits infrared light into each wavelength, an infrared detector that detects the infrared light split by the spectroscopic element, and a biocomponent concentration calculation unit that converts the output of the infrared detector into a biocomponent concentration The optical path changing element changes the optical path of the infrared light so that the infrared light passes through the insertion probe.
この構成により、鼓膜から放射された赤外光は、光路変更素子により挿入プローブ内を通るように光路が変更されるため、光路変更素子がない場合に比べて、より多くの赤外光が赤外線検出器に到達するようになるため、鼓膜から放射された赤外光を十分に計測することが可能となり、生体成分濃度の測定精度を向上させることができる。 With this configuration, since the optical path of infrared light emitted from the eardrum is changed by the optical path changing element so as to pass through the insertion probe, more infrared light is transmitted by infrared rays than when no optical path changing element is provided. Since it reaches the detector, the infrared light emitted from the eardrum can be sufficiently measured, and the measurement accuracy of the biological component concentration can be improved.
前記光路変更素子は、空気よりも高い屈折率を有し、前記入射面において前記赤外光を屈折させることにより、前記赤外光が前記挿入プローブ内を通るように前記赤外光の光路を変更してもよい。 The optical path changing element has a refractive index higher than that of air, and refracts the infrared light at the incident surface, thereby changing the optical path of the infrared light so that the infrared light passes through the insertion probe. It may be changed.
この場合、光路変更素子の材質としては、ZnSe、ダイアモンド、AgClBr等の赤外領域で透明な材質を用いることができる。 In this case, as the material of the optical path changing element, a material transparent in the infrared region, such as ZnSe, diamond, AgClBr, can be used.
ここで、鼓膜から放射された赤外光が光路変更素子内に入射する入射面と光路変更素子から出射する出射面とは、互いに平行ではなく、両面のなす角度θが0度より大きいことが好ましい。 Here, the incident surface on which the infrared light emitted from the eardrum enters the optical path changing element and the outgoing surface from which the optical path changing element exits are not parallel to each other, and the angle θ formed by both surfaces may be greater than 0 degrees. preferable.
光路変更素子は、複数の入射面を有することが好ましい。このようにすると、入射面が1つである光路変更素子と比較して容積が小さくなるため、生体成分濃度測定装置を低コスト化することができる。 The optical path changing element preferably has a plurality of incident surfaces. In this case, since the volume is reduced as compared with the optical path changing element having one incident surface, the cost of the biological component concentration measuring apparatus can be reduced.
また、前記光路変更素子は、反射面をさらに有し、前記入射面から入射した前記赤外光が前記反射面において反射することにより、前記赤外光が前記挿入プロ−ブを通るように前記赤外光の光路を変更してもよい。 The optical path changing element further includes a reflecting surface, and the infrared light incident from the incident surface is reflected by the reflecting surface, so that the infrared light passes through the insertion probe. The optical path of infrared light may be changed.
この場合、光路変更素子の材質としては、樹脂成形がしやすく、赤外領域と可視領域で透明な材質が好ましく、例えばポリカーボネイト、ポリプロピレン、ポリエチレン等を用いることができる。 In this case, as the material of the optical path changing element, resin molding is easy and a transparent material in the infrared region and the visible region is preferable. For example, polycarbonate, polypropylene, polyethylene, or the like can be used.
ここで、光路変更素子は、断面が三角形または台形の突起物を有し、その突起物の片面に赤外光を反射させるため反射鏡を設けることが好ましい。反射鏡は、光路変更素子を樹脂形成により作製した後、金やアルミニウム等の材料をコ−ティングすることに形成することができる。 Here, it is preferable that the optical path changing element has a projection having a triangular or trapezoidal cross section, and a reflecting mirror is provided on one side of the projection to reflect infrared light. The reflecting mirror can be formed by coating a material such as gold or aluminum after the optical path changing element is formed by resin formation.
本発明の生体成分濃度測定装置は、光路変更素子を保持する支持部をさらに備え、前記支持部を挿入プローブの先端部に装着することにより、光路変更素子が挿入プローブの先端部に配置されることが好ましい。このようにすると、光路変更素子を挿入プローブの先端部に容易に配置することができる。 The biological component concentration measuring apparatus of the present invention further includes a support portion that holds the optical path changing element, and the optical path changing element is arranged at the distal end portion of the insertion probe by attaching the support portion to the distal end portion of the insertion probe. It is preferable. If it does in this way, an optical path changing element can be easily arranged at the tip part of an insertion probe.
光路変更素子と保持台とは一体構造であることが好ましい。このようにすると、部品点数が削減されるので、量産上有用である。 It is preferable that the optical path changing element and the holding base have an integral structure. In this way, the number of parts is reduced, which is useful for mass production.
赤外線検出器としては、赤外領域の波長の光を検出できるものであればよく、例えば、焦電センサ、サーモパイル、ボロメータ、HgCdTe(MCT)検出器、ゴーレイセル等を用いることができる。 The infrared detector is not particularly limited as long as it can detect light having a wavelength in the infrared region. For example, a pyroelectric sensor, a thermopile, a bolometer, an HgCdTe (MCT) detector, a Golay cell, or the like can be used.
生体成分濃度演算部としては、例えば、CPU(Central Processing Unit)等のマイクロコンピュータを用いることができる。 As the biological component concentration calculation unit, for example, a microcomputer such as a CPU (Central Processing Unit) can be used.
挿入プローブとしては、赤外線を導くことのできるものであればよく、例えば、中空管や、赤外線を伝送する光ファイバ等を用いることができる。中空管を用いる場合、中空管の内表面に金の層を有することが好ましい。この金の層は、中空管の内面に金メッキを施したり、金を蒸着したりすることにより形成することができる。 The insertion probe may be any probe that can guide infrared rays. For example, a hollow tube or an optical fiber that transmits infrared rays can be used. When using a hollow tube, it is preferable to have a gold layer on the inner surface of the hollow tube. This gold layer can be formed by performing gold plating on the inner surface of the hollow tube or by depositing gold.
光ファイバを用いる場合は、可視光から中赤外領域の赤外波長まで透明な材質であることが好ましい。このような材質としては、例えば、AgCl−AgBr固溶体が挙げられる。光ファイバを用いる場合は、複数の光ファイバを束ねて、各光ファイバの端末部分を接着して研磨加工したバンドルファイバを用いることが好ましい。このようにすると、光ファイバの本数が多くなるため、鼓膜を撮像素子で撮像する際に、光ファイバの本数に対応した解像度で鼓膜を撮像することができる。 When an optical fiber is used, it is preferably a transparent material from visible light to infrared wavelengths in the mid-infrared region. An example of such a material is an AgCl-AgBr solid solution. When using an optical fiber, it is preferable to use a bundle fiber obtained by bundling a plurality of optical fibers and bonding and polishing the end portions of the optical fibers. In this case, since the number of optical fibers is increased, the eardrum can be imaged with a resolution corresponding to the number of optical fibers when the eardrum is imaged by the imaging device.
また、本発明の生体成分濃度測定装置は、耳孔内を照らすための光を出射する光源と、前記光源から出射し、前記耳孔内において反射した前記光を撮像する撮像素子と、前記撮像素子により得られた撮像情報の中から、鼓膜の撮像情報を検出する撮像情報検出部と、前記撮像情報検出部により検出された前記鼓膜の撮像情報に基づき、前記鼓膜から放射された赤外光が選択的に透過するように光路を制御する光路制御素子とを備えていてもよい。 The biological component concentration measuring apparatus according to the present invention includes a light source that emits light for illuminating the inside of the ear canal, an image sensor that images the light emitted from the light source and reflected in the ear canal, and the image sensor. From the obtained imaging information, an imaging information detection unit that detects imaging information of the eardrum, and infrared light emitted from the eardrum is selected based on the imaging information of the eardrum detected by the imaging information detection unit And an optical path control element that controls the optical path so as to transmit light.
この構成により、鼓膜から放射した赤外光が光路制御素子を透過して赤外線検出器に到達し、外耳道から放射した赤外光は光路制御素子により遮断され赤外線検出器に到達しなくなるので、外耳道の影響を取り除くことができ、高精度の測定を行うことができる。 With this configuration, infrared light emitted from the eardrum passes through the optical path control element and reaches the infrared detector, and infrared light emitted from the ear canal is blocked by the optical path control element and does not reach the infrared detector. Can be removed, and highly accurate measurement can be performed.
光源としては、例えば、赤色レーザ等の可視光レーザや、白色LED等を用いることができる。この中で、白色LEDはハロゲンランプに比べ、発光させた時に発生する発生熱が少ないので、鼓膜や外耳道の温度に与える影響が少ないため好ましい。 As the light source, for example, a visible light laser such as a red laser, a white LED, or the like can be used. Among these, a white LED is preferable because it generates less heat when it emits light than a halogen lamp, and thus has little influence on the temperature of the eardrum or ear canal.
撮像素子としては、例えば、CMOSやCCD等の画像素子を用いることができる。 As the image pickup element, for example, an image element such as a CMOS or a CCD can be used.
光路制御素子としては、液晶シャッターや機械式シャッター等を用いることができる。液晶シャッターとしては、例えば、TFTを備え、TFT(Thin Film Transistor)を用いて制御することにより、特定領域の赤外光を透過させたり、遮光したりすることができるものであることが好ましい。 As the optical path control element, a liquid crystal shutter, a mechanical shutter, or the like can be used. As the liquid crystal shutter, for example, it is preferable that the liquid crystal shutter includes a TFT, and can control infrared light in a specific region or can be shielded by controlling using a TFT (Thin Film Transistor).
機械式シャッターとしては、例えば、微小鏡面(マイクロミラー)が平面に配列されたデジタルミラーデバイス(以下、DMDと略称する)を用いることができる。DMDは、公知のMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて作製することができる。各マイクロミラーは、鏡面下部に設けた電極を駆動することによりONとOFFの二つの状態に制御することができる。マイクロミラーがONのときは、鼓膜から放射された赤外光を反射して赤外線検出器に向けて投射し、OFFのときは、赤外光をDMD内部に設けられた吸収体に向けて反射し、赤外線検出器に向けては投射されない。したがって、各マイクロミラーを個別に駆動することにより、微小領域ごとに赤外光の投射を制御することができる。 As the mechanical shutter, for example, a digital mirror device (hereinafter abbreviated as DMD) in which micro mirror surfaces (micro mirrors) are arranged in a plane can be used. The DMD can be manufactured using a known MEMS (Micro Electro Mechanical System) technique. Each micromirror can be controlled to two states, ON and OFF, by driving an electrode provided in the lower part of the mirror surface. When the micromirror is ON, the infrared light emitted from the eardrum is reflected and projected toward the infrared detector. When the micromirror is OFF, the infrared light is reflected toward the absorber provided inside the DMD. However, it is not projected toward the infrared detector. Therefore, by individually driving each micromirror, it is possible to control the projection of infrared light for each minute region.
撮像情報検出部としては、例えば、CPU(Central Processing Unit)等のマイクロコンピュータを用いることができる。 As the imaging information detection unit, for example, a microcomputer such as a CPU (Central Processing Unit) can be used.
撮像情報検出部が、撮像素子により得られた撮像情報の中から鼓膜の撮像情報を検出する方法としては、撮像素子により得られた撮像情報の画像処理を行い、鼓膜と外耳道の色の差を利用することにより鼓膜の画像を認識する方法が挙げられる。 As a method for the imaging information detection unit to detect imaging information of the eardrum from imaging information obtained by the imaging device, image processing of the imaging information obtained by the imaging device is performed, and a color difference between the eardrum and the ear canal is calculated. A method for recognizing an image of the eardrum by using it is mentioned.
本発明の生体成分濃度測定装置は、前記耳孔内において反射した前記光及び前記鼓膜から放射した前記赤外光のうち、一方を透過させ、他方を反射させる光分割素子をさらに備えていてもよい。 The biological component concentration measuring apparatus of the present invention may further include a light splitting element that transmits one of the light reflected in the ear canal and the infrared light emitted from the eardrum and reflects the other. .
ここで、前記赤外線検出器と前記光分割素子との間に前記分光素子が配置されていてもよい。 Here, the spectroscopic element may be arranged between the infrared detector and the light splitting element.
本発明において、光分割素子としては、例えば、可視光及び赤外光のうち、一方を透過させ、他方を反射させる機能を有するハーフミラーを用いることができる。可視光を反射して、赤外線を透過するようにする場合、ハーフミラーの材質としては、例えば、ZnSe、CaF2、Si、Ge等を用いることができる。また、赤外線に対して透明な樹脂上に、膜厚数nmのアルミニウムや金からなる層を設けたものを用いてもよい。赤外線に対して透明な樹脂としては、例えば、ポリカーボネイトが挙げられる。 In the present invention, as the light splitting element, for example, a half mirror having a function of transmitting one of visible light and infrared light and reflecting the other can be used. In the case of reflecting visible light and transmitting infrared light, for example, ZnSe, CaF 2 , Si, Ge, or the like can be used as the material of the half mirror. Moreover, you may use what provided the layer which consists of aluminum and gold | metal | money of several nanometers thickness on resin transparent with respect to infrared rays. Examples of the resin that is transparent to infrared rays include polycarbonate.
分光素子としては、赤外線を波長別に分けることのできるものであればよく、例えば、特定の波長領域の赤外線を透過させる光学フィルタ、マイケルソン干渉計、回折格子等を用いることができる。 Any spectroscopic element may be used as long as it can divide infrared rays by wavelength. For example, an optical filter that transmits infrared rays in a specific wavelength region, a Michelson interferometer, a diffraction grating, or the like can be used.
前記撮像情報検出部は、前記撮像素子により得られた前記撮像情報における前記鼓膜の前記撮像情報の割合を算出し、前記生体成分濃度演算部は、前記割合を用いて前記赤外線検出器の出力を補正することが好ましい。生体から放射される赤外光の強度は、赤外光が放射される部分の面積に依存する。したがって、撮像素子により撮像された鼓膜の面積がばらついた場合であっても、この補正により測定結果のばらつきが低減され、より高精度の測定が可能となる。 The imaging information detection unit calculates a ratio of the imaging information of the eardrum in the imaging information obtained by the imaging element, and the biological component concentration calculation unit uses the ratio to output the output of the infrared detector. It is preferable to correct. The intensity of infrared light emitted from a living body depends on the area of the portion where infrared light is emitted. Therefore, even when the area of the eardrum imaged by the image sensor varies, this correction reduces the variation in the measurement result and enables more accurate measurement.
本発明の生体成分濃度測定装置は、前記割合が閾値以下であった場合に警告を出力する警告出力部をさらに備えることが好ましい。この構成により、生体成分濃度測定装置の位置が不適切であることを使用者に通知することができる。 The biological component concentration measuring apparatus of the present invention preferably further includes a warning output unit that outputs a warning when the ratio is equal to or less than a threshold value. With this configuration, it is possible to notify the user that the position of the biological component concentration measuring device is inappropriate.
ここで、警告出力部としては、警告を表示するディスプレイ、警告を音声で出力するスピーカー、警告音を発生するブザー等が挙げられる。 Here, examples of the warning output unit include a display that displays a warning, a speaker that outputs a warning by voice, and a buzzer that generates a warning sound.
本発明の生体成分濃度測定装置は、前記撮像素子により前記鼓膜の撮像情報が検出されたときに音声を出力する音声出力部をさらに備えていてもよい。ここで、前記音声出力部は、前記撮像素子により撮像された前記鼓膜の面積の大きさに応じて、前記音声の周波数または強度を変化させることが好ましい。 The biological component concentration measuring apparatus of the present invention may further include an audio output unit that outputs audio when imaging information of the eardrum is detected by the imaging element. Here, it is preferable that the sound output unit changes the frequency or intensity of the sound in accordance with the size of the area of the eardrum imaged by the image sensor.
本発明の生体成分濃度測定装置は、赤外線検出器の出力信号と生体成分濃度との相関を示す相関データを格納する記憶部、生体成分濃度演算部により換算された生体成分の濃度を表示する表示部、及び生体成分濃度測定装置が動作するための電力を供給する電源をさらに備えていてもよい。 The biological component concentration measuring apparatus of the present invention includes a storage unit that stores correlation data indicating the correlation between the output signal of the infrared detector and the biological component concentration, and a display that displays the concentration of the biological component converted by the biological component concentration calculation unit. And a power source for supplying power for operating the biological component concentration measuring apparatus.
生体成分濃度演算部は、記憶部から上記相関データを読み出し、これを参照することにより、赤外線検出器の出力信号を生体成分の濃度に変換してもよい。 The biological component concentration calculation unit may convert the output signal of the infrared detector into the concentration of the biological component by reading the correlation data from the storage unit and referring to the correlation data.
赤外線検出器の出力信号と生体成分濃度との相関を示す相関データは、例えば、既知の生体成分濃度(例えば、血糖値)を有する患者について赤外線検出器の出力信号を測定し、得られた赤外線検出器の出力信号と生体成分の濃度との相関を解析することにより取得することができる。 The correlation data indicating the correlation between the output signal of the infrared detector and the biological component concentration is obtained by measuring the output signal of the infrared detector for a patient having a known biological component concentration (for example, blood glucose level), for example. It can be obtained by analyzing the correlation between the output signal of the detector and the concentration of the biological component.
本発明において、記憶部としては、例えば、RAM、ROM等のメモリを用いることができる。 In the present invention, for example, a memory such as a RAM or a ROM can be used as the storage unit.
表示部としては、例えば、液晶等のディスプレイを用いることができる。 As the display unit, for example, a display such as a liquid crystal can be used.
電源としては、例えば、電池等を用いることができる。 As the power source, for example, a battery or the like can be used.
本発明の生体成分濃度測定装置により測定する生体成分の濃度としては、グルコース濃度(血糖値)、ヘモグロビン濃度、コレステロール濃度、中性脂肪濃度等が挙げられる。 Examples of the biological component concentration measured by the biological component concentration measuring apparatus of the present invention include glucose concentration (blood glucose level), hemoglobin concentration, cholesterol concentration, and neutral fat concentration.
生体から放射される赤外光を測定することにより、生体情報、例えば、血糖値を測定することができる。生体からの赤外放射光の放射エネルギーWは以下の数式で表される。 By measuring infrared light emitted from a living body, biological information, for example, blood glucose level can be measured. Radiant energy W of infrared radiation from a living body is expressed by the following mathematical formula.
ここで、
W:生体からの赤外放射光の放射エネルギー、
ε(λ):波長λにおける生体の放射率、
W0(λ、T):波長λ、温度Tにおける黒体放射強度密度、
h:プランク定数(h=6.625×10−34(W・S2))、
c:光速(c=2.998×1010(cm/s))、
λ1、λ2:生体からの赤外放射光の波長(μm)、
T:生体の温度(K)、
S:検出面積(cm2)
k:ボルツマン定数、
である。
here,
W: radiant energy of infrared radiation from a living body,
ε (λ): emissivity of a living body at wavelength λ,
W 0 (λ, T): wavelength λ, blackbody radiation intensity density at temperature T,
h: Planck's constant (h = 6.625 × 10 −34 (W · S 2 )),
c: speed of light (c = 2.998 × 10 10 (cm / s)),
λ 1 , λ 2 : wavelength of infrared radiation from the living body (μm),
T: temperature of living body (K),
S: Detection area (cm 2 )
k: Boltzmann constant,
It is.
(数1)からわかるように、検出面積Sが一定の場合、生体からの赤外放射光の放射エネルギーWは波長λにおける生体の放射率ε(λ)に依存する。放射におけるキルヒホッフの法則から、同じ温度、波長における放射率と吸収率は等しい。 As can be seen from (Equation 1), when the detection area S is constant, the radiation energy W of the infrared radiation from the living body depends on the emissivity ε (λ) of the living body at the wavelength λ. From Kirchhoff's law of radiation, the emissivity and absorptivity at the same temperature and wavelength are the same.
ここで、
α(λ):波長λにおける生体の吸収率、
である。
here,
α (λ): Absorption rate of living body at wavelength λ,
It is.
したがって、放射率を考える際には、吸収率を考えればよいことがわかる。エネルギー保存則から、吸収率、透過率及び反射率には、以下の関係が成り立つ。 Therefore, it can be seen that the absorptance should be considered when considering the emissivity. From the law of conservation of energy, the following relationship holds for the absorptance, transmittance, and reflectance.
ここで、
r(λ):波長λにおける生体の反射率
t(λ):波長λにおける生体の透過率
したがって、放射率は、透過率及び反射率を用いて、
here,
r (λ): Biological reflectance at wavelength λ t (λ): Biological transmittance at wavelength λ Therefore, emissivity is calculated using transmittance and reflectance.
と表される。 It is expressed.
透過率は、入射光量と測定対象物体を透過してきたときの透過光量の比で表される。入射光量と測定対象物体を透過してきたときの透過光量は、ランベルト−ベールの法則で示される。 The transmittance is represented by the ratio between the incident light amount and the transmitted light amount when it passes through the measurement object. The amount of incident light and the amount of light transmitted through the object to be measured are expressed by the Lambert-Beer law.
ここで、
It:透過光量、
I0:入射光量、
d:生体の厚み、
k(λ):波長λにおける生体の消衰係数、
である。生体の消衰係数は、生体による光の吸収を表す係数である。
here,
I t: the amount of transmitted light,
I 0 : incident light quantity,
d: thickness of the living body,
k (λ): extinction coefficient of living body at wavelength λ,
It is. The extinction coefficient of a living body is a coefficient representing light absorption by the living body.
したがって、透過率は、 Therefore, the transmittance is
と表される。 It is expressed.
次に反射率について説明する。反射率は、全方向に対する平均反射率を算出する必要があるが、ここでは、簡単のため、垂直入射に対する反射率で考える。垂直入射に対する反射率は、空気の屈折率を1として、 Next, the reflectance will be described. As the reflectance, it is necessary to calculate an average reflectance in all directions, but here, for simplicity, the reflectance with respect to normal incidence is considered. The reflectivity for normal incidence is 1 for the refractive index of air.
と表される。 It is expressed.
ここで、
n(λ):波長λにおける生体の屈折率、
である。
here,
n (λ): refractive index of the living body at wavelength λ,
It is.
以上から、放射率は、 From the above, the emissivity is
と表される。 It is expressed.
生体中の成分の濃度が変化すると、生体の屈折率及び消衰係数が変化する。反射率は、通常、赤外領域において約0.03程度と小さく、かつ(数8)からわかるように、屈折率及び消衰係数にはあまり依存しない。したがって、生体中の成分の濃度の変化により、屈折率及び消衰係数が変化しても、反射率の変化は小さい。 When the concentration of the component in the living body changes, the refractive index and extinction coefficient of the living body change. The reflectance is usually as small as about 0.03 in the infrared region, and, as can be seen from (Equation 8), does not depend much on the refractive index and the extinction coefficient. Therefore, even if the refractive index and extinction coefficient change due to changes in the concentration of components in the living body, the change in reflectance is small.
一方、透過率は、(数7)からわかるように、消衰係数に大きく依存する。したがって、生体中の成分の濃度の変化により生体の消衰係数、すなわち生体による光の吸収の度合いが変化すると、透過率が変化する。 On the other hand, the transmittance greatly depends on the extinction coefficient, as can be seen from (Equation 7). Therefore, the transmittance changes when the extinction coefficient of the living body, that is, the degree of light absorption by the living body, changes due to the change in the concentration of the components in the living body.
以上のことから、生体からの赤外放射光の放射エネルギーは、生体中の成分の濃度に依存することがわかる。したがって、生体からの赤外放射光の放射エネルギー強度から生体中の成分の濃度を求めることができる。 From the above, it can be seen that the radiant energy of infrared radiation from a living body depends on the concentration of components in the living body. Therefore, the concentration of the component in the living body can be obtained from the radiant energy intensity of the infrared radiation from the living body.
また、(数7)からわかるように、透過率は生体の厚みに依存する。生体の厚みが薄いほど、生体の消衰係数の変化に対する透過率の変化の度合いが大きくなるため、生体中の成分の濃度変化を検出しやすくなる。鼓膜は、厚みが約60〜100μmと薄いため、赤外放射光を用いた生体中の成分の濃度測定に適している。 Further, as can be seen from (Equation 7), the transmittance depends on the thickness of the living body. The thinner the living body is, the greater the degree of change in the transmittance with respect to the change in the extinction coefficient of the living body, making it easier to detect changes in the concentration of components in the living body. Since the eardrum is as thin as about 60 to 100 μm, it is suitable for measuring the concentration of components in the living body using infrared radiation.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る生体成分濃度測定装置100の外観を示す斜視図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a biological component
生体成分濃度測定装置100は、本体102と、本体102の側面に設けられた挿入プローブ104と、挿入プローブ104の先端部に設けられた光路変更素子105を備えている。光路変更素子105は筒状である支持部107の内部に固定されている。支持部107における広い方の開口部を挿入プローブ104の先端部と嵌め合わせることにより、支持部107が挿入プローブ104の先端に取付けられている。光路変更素子105の材質としては、例えば、ZnSe、ダイヤモンド、AgClBr等の赤外領域と可視領域で透明な材質が好ましい。
The biological component
本体102には、生体成分の濃度の測定結果を表示するためのディスプレイ114、生体成分濃度測定装置100の電源をON/OFFするための電源スイッチ101、及び測定を開始するための測定開始スイッチ103が設けられている。
The
ここで、ディスプレイ114は本発明における表示部に相当する。
Here, the
次に、生体成分濃度測定装置100の本体内部の構成について、図2及び図3を用いて説明する。図2は、実施の形態1に係る生体成分濃度測定装置100の構成を示す図であり、図3は、実施の形態1に係る生体成分濃度測定装置100における光学フィルタホイール106を示す斜視図である。
Next, the internal structure of the main body of the biological component
生体成分濃度測定装置100の本体内部には、チョッパー118、液晶シャッター120、光学フィルタホイール106、赤外線検出器108、前置増幅器130、帯域フィルタ132、同期復調器134、ローパスフィルタ136、アナログ/デジタルコンバータ(以下、A/Dコンバータと略称する)138、マイクロコンピュータ110、メモリ112、ディスプレイ114、電源116、光源140、第1のハーフミラー142、第2のハーフミラー144、集光レンズ146、撮像素子148、アクチュエータ150、レンズ枠152、位置センサ154、タイマー156、及びブザー158を備えている。
Inside the main body of the biological component
ここで、マイクロコンピュータ110は本発明における撮像情報検出部及び生体成分濃度演算部に相当する。
Here, the
電源116は、マイクロコンピュータ110にACまたはDC電力を供給する。電源116として電池を用いることが好ましい。
The
チョッパー118は、鼓膜202から放射し、光路変更素子105により光路が変更された後、挿入プローブ104内に入射し、挿入プローブ104により本体102内に導かれた後、第2のハーフミラー144を透過した赤外光をチョッピングして、赤外光を高周波数の赤外線信号に変換する機能を有する。チョッパー118の動作は、マイクロコンピュータ110からの制御信号に基づき制御される。
The
チョッパー118によりチョッピングされた赤外光は、光学フィルタホイール106に到達する。
The infrared light chopped by the
光学フィルタホイール106は、図3に示すように、第1の光学フィルタ122及び第2の光学フィルタ124がリング123にはめ込まれている。図3に示す例では、ともに半円状である第1の光学フィルタ122及び第2の光学フィルタ124がリング123にはめ込まれることにより円盤状の部材が構成されており、その円盤状の部材の中央部にシャフト125が設けられている。このシャフト125を図3の矢印のように回転させることにより、チョッパー118によりチョッピングされた赤外光の通過する光学フィルタを、第1の光学フィルタ122と第2の光学フィルタ124との間で切り替えることができる。シャフト125の回転は、マイクロコンピュータ110からの制御信号により制御される。シャフト125の回転は、チョッパー118の回転と同期させ、チョッパー118が閉じている間にシャフト125を180度回転させるように制御することが好ましい。このようにすると、次にチョッパー118が開いたときに、チョッパー118によりチョッピングされた赤外光の通過する光学フィルタを別の光学フィルタに切り替えることができる。光学フィルタホイール106は、本発明における分光素子に相当する。
As shown in FIG. 3, the
光学フィルタの作製方法としては、公知の技術を特に限定することなく利用できるが、例えば、真空蒸着法を用いることができる。光学フィルタは、SiまたはGeを基板として、真空蒸着法を用いてZnS、MgF2、PbTe等を基板上に積層することにより作製することができる。 As a method for producing the optical filter, a known technique can be used without any particular limitation. For example, a vacuum deposition method can be used. The optical filter can be manufactured by stacking ZnS, MgF 2 , PbTe, or the like on the substrate by vacuum deposition using Si or Ge as the substrate.
ここで、基板上に積層する各層の膜厚、積層する順序、積層回数等を調節して、積層された薄膜内における光の干渉を制御することにより、所望の波長特性を持つ光学フィルタを作製することができる。 Here, an optical filter having a desired wavelength characteristic is manufactured by controlling the light interference in the laminated thin film by adjusting the film thickness of each layer laminated on the substrate, the order of lamination, the number of laminations, and the like. can do.
第1の光学フィルタ122または第2の光学フィルタ124を透過した赤外光は、検出領域126を備える赤外線検出器108に到達する。赤外線検出器108に到達した赤外光は、検出領域126に入射し、入射した赤外光の強度に対応した電気信号に変換される。
The infrared light transmitted through the first
赤外線検出器108から出力された電気信号は、前置増幅器130によって増幅される。増幅された電気信号は、帯域フィルタ132によってチョッピング周波数を中心周波数とする周波数帯域以外の信号が取り除かれる。これにより、熱雑音等の統計的揺らぎに起因するノイズを最小化することができる。
The electrical signal output from the
帯域フィルタ132によって濾過された電気信号は、同期復調器134によってチョッパー118のチョッピング周波数と帯域フィルタ132によって濾過された電気信号を同期させ、積分することにより、DC信号に復調される。
The electric signal filtered by the
同期復調器134によって復調された電気信号は、ローパスフィルタ136によって低周波数帯域の信号が取り除かれる。これにより、さらにノイズを取り除くことができる。
The low-frequency band signal is removed from the electrical signal demodulated by the
ローパスフィルタ136によって濾過された電気信号は、A/Dコンバータ138によってデジタル信号に変換された後、マイクロコンピュータ110に入力される。ここで、各光学フィルタに対応する赤外検出器108からの電気信号は、シャフト125の制御信号をトリガーとして用いることで、どの光学フィルタを透過した赤外光に対応する電気信号であるのかを識別することができる。シャフト125の制御信号をマイクロコンピュータが出力してから、次のシャフト制御信号を出力するまでの間が、同じ光学フィルタに対応する電気信号となる。各光学フィルタに対応する電気信号を、それぞれメモリ112上で積算した後平均値を算出することにより、さらにノイズは低減されるため、測定の積算を行うことが好ましい。
The electrical signal filtered by the low-
メモリ112には、第1の光学フィルタ122を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第2の光学フィルタ124を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と生体成分の濃度との相関を示す相関データが格納されている。マイクロコンピュータ110は、メモリ112からこの相関データを読み出し、この相関データを参照して、メモリ112に蓄積されたデジタル信号から算出された単位時間当たりのデジタル信号を、生体成分の濃度に換算する。メモリ112は、本発明の記憶部に相当する。
In the
マイクロコンピュータ110において換算された生体成分の濃度は、ディスプレイ114に出力され、表示される。
The concentration of the biological component converted in the
第1の光学フィルタ122は、例えば、測定対象である生体成分によって吸収される波長を含む波長帯域(以下、測定用波長帯域と略称する)の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する。一方、第2の光学フィルタ124は、第1の光学フィルタ122とは異なるスペクトル特性を有する。第2の光学フィルタ124は、例えば、測定対象である生体成分による吸収がなく、かつ対象成分の測定を妨害するような他の生体成分による吸収のある波長を含む波長帯域(以下、参照用波長帯域と略称する)の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する。ここで、このような他の生体成分としては、測定対象である生体成分以外で、生体中における成分量の多いものを選択すればよい。
The first
例えば、グルコースは、9.6μm付近に吸収ピークを有する赤外吸収スペクトルを示す。そこで、測定対象である生体成分がグルコースの場合は、第1の光学フィルタ122が、9.6μmを含む波長帯域の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有することが好ましい。
For example, glucose shows an infrared absorption spectrum having an absorption peak near 9.6 μm. Therefore, when the biological component to be measured is glucose, it is preferable that the first
一方、生体中に多く含まれるタンパク質は8.5マイクロメートル付近の赤外光を吸収し、グルコースは8.5μm付近の赤外光は吸収しない。そこで、第2の光学フィルタ124が、8.5μmを含む波長帯域の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有することが好ましい。
On the other hand, proteins that are abundant in the living body absorb infrared light around 8.5 micrometers, and glucose does not absorb infrared light around 8.5 μm. Therefore, it is preferable that the second
メモリ112に格納されている、第1の光学フィルタ122を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第2の光学フィルタ324を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と生体成分の濃度との相関を示す相関データは、例えば、以下の手順によって取得することができる。
The electrical signal corresponding to the intensity of the infrared light transmitted through the first
まず、既知の生体成分濃度(例えば、血糖値)を有する患者について、鼓膜から放射される赤外光を測定する。このとき、第1の光学フィルタ122が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、第2の光学フィルタ124が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号とを求める。この測定を、異なる生体成分濃度を有する複数の患者について行うことにより、第1の光学フィルタ122が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号及び第2の光学フィルタ124が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度とからなるデータの組を得ることができる。
First, infrared light emitted from the eardrum is measured for a patient having a known biological component concentration (for example, blood glucose level). At this time, an electrical signal corresponding to the intensity of infrared light in the wavelength band transmitted by the first
次に、このようにして取得したデータの組を解析して相関データを求める。例えば、第1の光学フィルタ122が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、第2の光学フィルタ124が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度とについて、PLS(Partial Least Squares Regression)法などの重回帰分析法やニューラルネットワーク法などを用いて多変量解析を行うことにより、第1の光学フィルタ122が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号及び第2の光学フィルタ124が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、それらに対応する生体成分濃度との相関を示す関数を求めることができる。
Next, the data set thus obtained is analyzed to obtain correlation data. For example, an electrical signal corresponding to the intensity of infrared light in the wavelength band transmitted by the first
また、第1の光学フィルタ122が測定用波長帯域の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有し、第2の光学フィルタ124が参照用波長帯域の赤外光を透過させるようなスペクトル特性を有する場合、第1の光学フィルタ122が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号と、第1の光学フィルタ324が透過させる波長帯域における赤外光の強度に対応する電気信号との差を求め、その差とそれに対応する生体成分濃度との相関を示す相関データを求めてもよい。例えば、最小二乗法等の直線回帰分析を行うことにより求めることができる。
The first
次に、鼓膜202を撮像するための構成について説明する。
Next, a configuration for imaging the
光源140は、鼓膜202を照明するための可視光を出射する。光源140から出射され、第1のハーフミラー142により反射された可視光は、第2のハーフミラー144により反射された後、挿入プローブ104を通って外耳道204内に導かれ、鼓膜202を照明する。
The
光源140としては、例えば、赤色レーザ等の可視光レーザや、白色LED等を用いることができる。この中で、白色LEDはハロゲンランプに比べ、発光させた時に発生する発生熱が少ないので、鼓膜202や外耳道204の温度に与える影響が少ないため好ましい。
As the
第1のハーフミラー142は、可視光の一部を反射し、残りを透過させる機能を有する。
The
第2のハーフミラー144は、可視光を反射して、赤外光を透過する。第2のハーフミラー144の材料としては、赤外線を吸収せず、透過し、可視光を反射する材料が好ましい。第2のハーフミラー144の材質としては、例えば、ZnSe、CaF2、Si、Ge等を用いることができる。また、赤外線に対して透明な樹脂上に、膜厚数nmのアルミニウムや金からなる層を設けたものを用いてもよい。赤外線に対して透明な樹脂としては、例えば、ポリカーボネイト、ポリプロピレン、ポリエチレンが挙げられる。ここで、第2のハーフミラー144は本発明における光分割素子に相当する。
The
一方、鼓膜202から外耳道204を通って挿入プローブ104内に入射した可視光は、第2のハーフミラー144により反射され、一部は第1のハーフミラー142を透過する。第1のハーフミラー142を透過した可視光は、レンズ枠152により保持されている集光レンズ146により集光され、撮像素子148に到達する。
On the other hand, visible light that has entered the
撮像素子148としては、例えば、CMOSやCCD等の画像素子を用いる。
As the
生体成分濃度測定装置100は、撮像素子148から鼓膜202まで距離を検出して、レンズ枠152に保持された集光レンズ146を駆動し、撮像素子148上に正しく光学像を結像させるための機構を備える。
The biological component
アクチュエータ150は、マイクロコンピュータ110からの制御信号によって駆動され、集光レンズ146を光軸の方向(図2中の矢印の方向)に移動させることができる。このとき、集光レンズ146の位置を位置センサ154が検出し、マイクロコンピュータ110に出力する。
The
一方、マイクロコンピュータ110は、撮像素子148の中央部付近の合焦エリア内に含まれる画素からの出力信号について、バンドパスフィルタにより信号の高域成分を抽出し、抽出された成分の大小からコントラスト量を検出する。マイクロコンピュータ110は、このコントラスト量が最大となる位置に集光レンズ146が移動するように、アクチュエータ150を制御する。
On the other hand, the
このようにして、鼓膜202までの距離が変化しても、撮像素子148上に鼓膜202の光学像が正しく結像することができる。この機構では、鼓膜202までの距離を直接測定しているわけではないが、集光レンズ146の位置情報から間接的に鼓膜202までの距離を測距していることになる。
In this way, even if the distance to the
アクチュエータ150及び位置センサ154としては、公知のビデオカメラやデジタルスチルカメラに搭載されているオートフォーカス装置において用いられているものと同様のものを用いることができる。例えば、アクチュエータ150としては、レンズ枠152に設けたコイルと、本体102側に固定されたヨーク、及びこのヨークに取付けられた駆動用マグネットとから構成することができる。レンズ枠152を、2本のガイドポールによって光軸方向に移動可能に支持しておき、レンズ枠152に設けたコイルに電流が供給されると、ヨークと駆動用マグネットとで形成される磁気回路中にあるコイルに対して、光軸方向の磁気推進力が生じ、レンズ枠152が光軸方向に移動する。推進力の正負の方向は、コイルに供給される電流の向きによって制御することができる。
As the
位置センサ154としては、例えば、一定ピッチで着磁され、レンズ枠152に取付けられたセンサマグネットと、本体102側に固定された磁気抵抗センサ(以下、MRセンサと略称する)とから構成することができる。本体102側に固定されたMRセンサにより、レンズ枠152に取付けられたセンサマグネットの位置を検出することにより、集光レンズ146の位置を検出することができる。
The
次に、撮像素子148により撮影された画像の中から、鼓膜202の位置を認識する方法について説明する。
Next, a method for recognizing the position of the
図4は、撮像素子148を用いて、耳孔200内を観察した時の画像を示すイメージ図である。外耳道の形状には個人差があるが、屈曲している場合が多い。図4は、外耳道が屈曲している人の鼓膜を撮像した場合の例を示す。画像の左側が鼓膜202であり、右側に見えるのは外耳道204である。鼓膜202の見える位置や大きさは、個人によっても異なるが、挿入プローブ104の挿入位置によっても変わる。
FIG. 4 is an image diagram showing an image when the inside of the
外耳道の色は肌色であり、鼓膜の色は白色または無色透明である。この外耳道と鼓膜との色の差を撮像情報検出部で認識することにより、両者を区別して認識することができる。撮像素子148で得られた画像情報をマイクロコンピュータ110において画像処理を行うことにより画像情報の中から鼓膜202の領域を抽出する。画像処理としては、例えば、以下に示す、閾値処理とラベリング処理による領域抽出技術を用いることができる。
The ear canal color is skin color, and the eardrum color is white or colorless and transparent. By recognizing the color difference between the ear canal and the eardrum by the imaging information detection unit, the two can be distinguished and recognized. The image information obtained by the
まず、画像情報について閾値処理を行う。画像の各画素は、RGB値を持っており、このRGB値の平均値が各画素における明るさとなる。画素の明るさについて一定の基準値(閾値)を設定し、各画素の明るさを閾値により黒色と白色の2つの値に変換する処理を行う。例えば、画素の明るさが設定された閾値以上であれば、その画素に対して白色を設定し、それ以外の場合は画素に対して黒色を設定する。鼓膜202に対応する部分の画素は、外耳道204に対応する部分の画素よりも明るいため、閾値を、鼓膜に対応する部分の画素の明るさと外耳道に対応する部分の画素の明るさとの間に設定すると、上記の処理により、鼓膜202に対応する部分の画素が白色に設定され、外耳道204に対応する部分の画素が黒色に設定される。
First, threshold processing is performed on image information. Each pixel of the image has an RGB value, and the average value of the RGB values is the brightness of each pixel. A constant reference value (threshold value) is set for the brightness of the pixel, and the process of converting the brightness of each pixel into two values of black and white by the threshold value is performed. For example, if the brightness of the pixel is equal to or higher than the set threshold, white is set for the pixel, and black is set for the pixel in other cases. Since the pixel of the portion corresponding to the
次に、上記の閾値処理を行った画像情報に対して、ラベリング処理を行う。例えば、閾値処理された画像情報内の全画素を走査して、白色に設定された画素に対して、同じラベルを属性として付加する。 Next, a labeling process is performed on the image information subjected to the above threshold process. For example, all pixels in the threshold-processed image information are scanned, and the same label is added as an attribute to the pixels set to white.
以上の処理により、ラベルが付加された画素に該当する領域を鼓膜202として認識することができる。撮像された画像内における鼓膜202の領域の割合は、全画素数に対する、ラベルが付加された画素数の割合を、マイクロコンピュータ110により演算することにより求めることができる。
Through the above processing, the region corresponding to the pixel to which the label is added can be recognized as the
液晶シャッター120は、複数の液晶セルがマトリクス状に配列された構造を有しており、各液晶セルに印加する電圧によって、各液晶セルを、光が透過する状態や光を遮断する状態に個別に制御することができる。マイクロコンピュータ110は、上記の画像処理によって撮像素子148が撮像した画像情報の中から鼓膜202に対応する画像を認識すると、液晶シャッター120の各液晶セルに印加する電圧を制御して、鼓膜202からの赤外光が入射する液晶セルを光が透過する状態に設定し、鼓膜202以外からの赤外光が入射する液晶セルを、光を遮断する状態に設定する。
The
これにより、鼓膜202から放射された赤外光が、選択的に赤外線検出器108に入射するようにすることができる。ここで、液晶シャッター120は本発明における光路制御素子に相当する。
Thereby, the infrared light emitted from the
次に、本実施の形態における生体成分濃度測定装置100の動作について説明する。
Next, the operation of the biological component
まず、使用者が生体成分濃度測定装置100の電源スイッチ101を押すと、本体102内の電源がONとなり、生体成分濃度測定装置100は測定準備状態となる。
First, when the user presses the
次に、使用者が本体102を持って、挿入プローブ104を耳孔200内に挿入する。挿入プローブ104は、挿入プローブ104の先端部分から本体102との接続部分に向かって径が太くなるような円錐形状の中空管であるため、挿入プローブ104の外径が耳孔200の内径と等しくなる位置以上は挿入プローブ104が挿入されない構造になっている。このとき、図2に示すように、挿入プローブ104の先端部に配置された光路変更素子105が外耳道204の屈曲部近傍に位置するように、挿入プローブ104及び光路変更素子105のサイズが設定されていることが好ましい。
Next, the user holds the
次に、挿入プローブ104の外径が耳孔200の内径と等しくなる位置で生体成分濃度測定装置100を保持した状態で、使用者が生体成分濃度測定装置100の測定開始スイッチ103を押すと、本体102内の光源140がONとなり、撮像素子148による撮像を開始する。
Next, when the user presses the
次に、上記の方法により、撮像素子148により撮影された画像の中から、鼓膜202の位置を認識するステップが行われる。画像認識の結果、マイクロコンピュータ110が、撮像素子148により撮影された画像において、鼓膜202に相当する画像がないと判断した場合は、挿入プローブ104の挿入方向が鼓膜202からずれている旨のメッセージをディスプレイ114に表示したり、ブザー158を鳴らしたり、スピーカー(図示せず)から音声で出力したりすることにより、エラーであることを使用者に通知する。ここで、マイクロコンピュータ110により演算された、撮像された画像内における鼓膜の領域の割合が閾値以下である場合に、使用者にエラーであると通知するようにしてもよい。鼓膜202の位置が認識できないことを表すエラーが通知されると、使用者は生体成分濃度測定装置100を動かして、挿入プローブ104の挿入方向を調整すればよい。
Next, the step of recognizing the position of the
ここで、ディスプレイ114、ブザー158及びスピーカーは、それぞれ本発明における警告出力部に相当する。
Here, the
画像認識の結果、マイクロコンピュータ110が、撮像素子148により撮影された画像において、鼓膜202の位置を認識することができたと判断すると、鼓膜202の位置を認識することができた旨のメッセージをディスプレイ114に表示したり、ブザー158を鳴らしたり、スピーカー(図示せず)から音声で出力したりすることにより使用者に通知する。鼓膜202の位置が認識されると、自動的に、鼓膜202から放射される赤外線の測定が開始される。鼓膜202の位置が認識されたことを使用者に通知することにより、使用者は、測定が開始されたことを把握することができるので、生体成分濃度測定装置100を動かさず、静止させればよいと認識することができる。
When the
ここで、スピーカーは本発明における音声出力部に相当する。 Here, the speaker corresponds to an audio output unit in the present invention.
マイクロコンピュータ110が、撮像素子148により撮影された画像において、鼓膜202の位置を認識することができたと判断すると、液晶シャッター120の各液晶セルに印加する電圧を制御して、鼓膜202からの赤外光が入射する液晶セルを光が透過する状態に設定し、鼓膜202以外からの赤外光が入射する液晶セルを、光を遮断する状態に設定する。さらに、マイクロコンピュータ110がチョッパー118の動作を開始させることにより、鼓膜202から放射される赤外光の測定が開始される。
When the
赤外光の測定が開始された後も、撮像素子148により撮影された画像における鼓膜の位置を認識するための処理は継続して行っている。測定中に、使用者が挿入プローブ104を耳孔200から外に取り出してしまったり、挿入プローブ104の向きを大きく動かしてしまったりした場合には、マイクロコンピュータ110が、撮像素子148により撮影された画像において鼓膜202に相当する画像がないと判断することにより、使用者の誤操作を検知する。この検知に伴い、マイクロコンピュータ110は、挿入プローブ104の挿入方向が鼓膜202からずれている旨のメッセージをディスプレイ114に表示したり、ブザー158を鳴らしたり、スピーカー(図示せず)から音声で出力したりすることにより、エラーであることを使用者に通知する。さらに、マイクロコンピュータ110は、チョッパー118を制御して、光学フィルタホイール106に到達する赤外光を遮断することにより、自動的に測定を停止させる。ここで、マイクロコンピュータ110により演算された、撮像された画像内における鼓膜の領域の割合が閾値以下である場合に、使用者にエラーであると通知するようにしてもよい。
Even after the measurement of infrared light is started, the process for recognizing the position of the eardrum in the image photographed by the
鼓膜202の位置が認識できないことを表すエラーが通知されると、使用者は生体成分濃度測定装置100を動かして、挿入プローブ104を耳孔200内に再度挿入したり、挿入プローブ104の挿入方向を調整したりした後、測定開始スイッチ103を押すことにより、再度測定が開始される。
When an error indicating that the position of the
マイクロコンピュータ110は、タイマー156からの計時信号により、測定開始から一定時間経過したと判断すると、チョッパー118を制御して、光学フィルタホイール106に到達する赤外光を遮断する。これにより、自動的に測定が終了する。このとき、マイクロコンピュータ110はディスプレイ114やブザー158を制御して、測定が終了した旨のメッセージをディスプレイ114に表示したり、ブザー158を鳴らしたり、スピーカー(図示せず)から音声で出力したりすることにより、使用者に測定が終了したことを通知する。これにより使用者は測定が終了したことを確認することができるため、挿入プローブ104を耳孔200の外に取り出す。
When the
A/Dコンバータ138から出力された電気信号は、上記の方法により求められた、撮像された画像内における鼓膜の領域の割合を用いて、マイクロコンピュータ110により補正される。マイクロコンピュータ110は、メモリ112から、第1の光学フィルタ122を透過した赤外光の強度に対応する電気信号及び第2の光学フィルタ124を透過した赤外光の強度に対応する電気信号と生体成分の濃度との相関を示す相関データを読み出し、この相関データを参照して、補正後の電気信号を生体成分の濃度に換算する。求められた生体成分の濃度は、ディスプレイ114に表示される。
The electric signal output from the A /
撮像された画像内における鼓膜の領域の割合による電気信号の補正方法は、メモリ112に格納されている相関データにおける電気信号の内容によって選択することができる。例えば、メモリ112に格納されている相関データにおける電気信号が、単位面積当たりの信号であれば、撮像された画像内における鼓膜の領域の割合を用いて、測定された電気信号を単位面積当たりの信号に補正すればよい。このようにして、測定された信号を、測定された赤外光が放射された鼓膜の面積によって補正することができる。
The method of correcting the electrical signal based on the proportion of the eardrum region in the captured image can be selected according to the content of the electrical signal in the correlation data stored in the
次に、図5を用いて、光路変更素子105について更に詳細に説明する。図5は、本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置における光路変更素子の断面図である。なお、図5において、矢印は赤外光の光路を示す。光路変更素子105の材質としてZnSeを用いた例について説明する。
Next, the optical
本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置の光路変更素子105は、鼓膜202から放射された赤外光の入射する入射面502と、赤外光が出射する出射面504とに垂直な断面が台形形状を有している。すなわち、入射面502と出射面504とが平行ではなく、両面のなす角度が0度より大きい。
The optical
ZnSeの屈折率は約2.4であるので、屈折率が1である空気との屈折率差によって、空気からZnSe内に光が入射するときに、空気とZnSeとの界面、すなわち入射面502において光が屈折する。この屈折角度はスネルの法則により、以下の関係式(数10)に従う。ただし、n1は空気の屈折率、n2はZnSeの屈折率、θ1は入射角、θ2は屈折角である。
Since the refractive index of ZnSe is about 2.4, when light enters the ZnSe from the air due to the difference in refractive index from air having a refractive index of 1, the interface between air and ZnSe, that is, the
一般に、外耳道204にある骨性部の屈曲部のカ−ブは平均で約56度、後頭部に向かって屈曲している。従って、鼓膜202から放射された赤外光の光路が挿入プロ−ブ104内を通るように、光路変更素子105を用いて光路を約56度屈折させることが好ましい。すなわち、図5における角度θ3が約56度となるように、入射面502と出射面504とのなす角度(図5における斜面の角度)θを設定することが好ましい。
In general, the curve of the bent portion of the bony portion in the external
図5からわかるように、入射角θ1は屈折角θ2とθ3との和に等しく、θは屈折角θ2に等しい。これらの関係から式(数10)を用いて計算すると、入射面502と出射面504とのなす角度θを約24度に設定すればよいことがわかる。
As can be seen from FIG. 5, the incident angle θ 1 is equal to the sum of the refraction angles θ 2 and θ 3, and θ is equal to the refraction angle θ 2 . From these relationships, calculation using the formula (Equation 10) shows that the angle θ formed by the
図6は、光路変更素子105を、挿入プローブ104の先端部に装着した状態を示す断面図である。光路変更素子105は支持部107により保持されており、これを挿入プロ−ブ104の先端部に嵌め込むことにより、容易に装着することができる。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state where the optical
本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置100によると、鼓膜202から放射された赤外光は、光路変更素子105の入射面502に入射するときに屈折することにより、挿入プローブ104内を直進するように光路が変更される。したがって、本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置100によると、光路変更素子105がない場合に比べて、より多くの赤外光が赤外線検出器108に到達するようになるため、鼓膜202から放射された赤外光を十分に計測することが可能となり、生体成分濃度の測定精度を向上させることができる。
According to the biological component
また、本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置100によると、鼓膜202以外から放射された赤外光を液晶シャッター120を用いて遮断することより、鼓膜202から放射された赤外光を選択的に測定することができるので、外耳道204の影響を取り除くことができ、さらに高精度の測定を行うことができる。また、測定された信号を、測定された赤外光が放射された鼓膜の面積によって補正することにより、測定精度をさらに向上させることができる。
Moreover, according to the biological component
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態は、光路変更素子の形状が実施の形態1と異なる。それ以外の生体成分濃度測定装置の構成及び動作は実施の形態1と同様であり、説明を省略する。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the shape of the optical path changing element is different from that of the first embodiment. Other configurations and operations of the biological component concentration measuring apparatus are the same as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
図7は、本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置における光路変更素子の断面図である。なお、図7において、矢印は赤外光の光路を示す。 FIG. 7 is a cross-sectional view of the optical path changing element in the biological component concentration measuring apparatus according to the present embodiment. In FIG. 7, arrows indicate the optical path of infrared light.
本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置の光路変更素子700は、複数の入射面702を有している。このようにすると、実施の形態1における光路変更素子105と比較して容積が小さくなるため、生体成分濃度測定装置を低コスト化することができる。
The optical
本実施の形態における光路変更素子700は、例えばZnSeを加工することにより作製することができる。ZnSeの屈折率を約2.4とすると、入射面702と出射面704とのなす角度(斜面角度)を約24度とすればよい。
The optical
図8は、光路変更素子700を、挿入プローブ104の先端部に装着した状態を示す断面図である。光路変更素子700は支持部706により保持されており、これを挿入プロ−ブ104の先端部に嵌め込むことにより、容易に装着することができる。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state where the optical
本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置によれば、実施の形態1と同様に、光路変更素子700がない場合に比べて、より多くの赤外光が赤外線検出器108に到達するようになるため、鼓膜202から放射された赤外光を十分に計測することが可能となり、生体成分濃度の測定精度を向上させることができる。
According to the biological component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, as in the first embodiment, more infrared light reaches the
なお、以上の実施の形態において、光路変更素子が、別の部材である支持部に保持されている例を示したが、これに限らず、光路変更素子と支持部とを一体的に作製することにより1つの部材としてもよい。このようにすると、部品点数が削減されるので、量産上有用である。 In the above embodiment, the example in which the optical path changing element is held by the support portion which is a separate member has been shown. It is good also as one member. In this way, the number of parts is reduced, which is useful for mass production.
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置は、光路変更素子状が反射面を有している点及び支持部を備えていない点で、実施の形態1及び2と異なる。それ以外の生体成分濃度測定装置の構成及び動作は実施の形態1と同様であり、説明を省略する。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The biological component concentration measuring apparatus according to the present embodiment is different from the first and second embodiments in that the optical path changing element has a reflecting surface and does not include a support portion. Other configurations and operations of the biological component concentration measuring apparatus are the same as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置における光路変更素子800について図9を用いて説明する。図9(a)は光路変更素子800の断面図で、図9(b)は右側面図である。なお、図9において、矢印は赤外光の光路を示す。
The optical
光路変更素子800は、一方の面に凹部808を有する円板形状をしており、他方の面上に、断面が三角形である5本の突起物が互いに平行に形成されている。各突起物の一方の面が入射面802、他方の面が反射面806、凹部808の底面が出射面804として機能し、鼓膜202から放射された赤外光は、入射面802から入射し、反射面806で反射することにより光路が変更され、出射面804から挿入プローブ104内に向けて出射する。反射面806における赤外光の反射率を高くするために、反射面806上に反射鏡が設けられていることが好ましい。
The optical
光路変換素子800の外径は、人の外耳道の内径よりも細ければよく、3mm〜8mm程度に設定する。各突起物の幅は、10μm〜3mm程度に設定する。
The outer diameter of the optical
実施の形態1と同様に、光路変更素子800を用いて光路を約56度屈折させるためには、突起物の断面における三角形の頂角を56度に設定すればよい。また、突起物の断面における三角形の頂角を、使用者の外耳道204の屈曲度合いに合わせて個人毎に最適化してもよい。
Similarly to the first embodiment, in order to refract the optical path by about 56 degrees using the optical
光路変更素子800の材料としては、赤外領域で透明なものが好ましく、例えば、ポリカーボネイト、ポリプロピレン、ポリエチレン等を用いることができる。また、複数の材料を組み合わせて形成してもよい。例えば、外周部に強度の高いポリカーボネイトを用い、赤外光の通過する部分にポリエチレンを用いてもよい。光路変更素子800は、金型を用いた公知の樹脂成形技術により作製することができる。
The material for the optical
反射面806上に形成する反射鏡の材料としては、赤外光を反射し、毒性の無いものであれば特に限定なく用いることができる。例えば、反射鏡806は、光路変更素子800を樹脂形成により作製した後、金やアルミニウム等の材料をコ−ティングすることで形成することができる。
As a material for the reflecting mirror formed on the reflecting
図9では突起物を5本形成した例について記載しているが、突起物の本数は特に限定されず、1本であってもよい。突起物の断面形状は台形形状であってもよい。 Although FIG. 9 illustrates an example in which five protrusions are formed, the number of protrusions is not particularly limited, and may be one. The cross-sectional shape of the protrusion may be a trapezoidal shape.
図10は、光路変更素子800を、挿入プローブ104の先端部に装着した状態を示す断面図である。光路変更素子800の凹部808を挿入プロ−ブ104の先端部に嵌め込むことにより、光路変更素子800を挿入プローブ104の先端部に容易に装着することができる。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a state where the optical
次に、光路変更素子800に反射鏡を形成する方法について図11を用いて説明する。図11は、光路変更素子800に反射鏡を形成する際に用いる真空蒸着機900の構造を示す断面図である。
Next, a method of forming a reflecting mirror on the optical
樹脂形成により作製した光路変更素子800を、突起物の片面(反射面806)が下に向くように、真空蒸着機900のベルジャー901内に設けられたホルダー902に設置し、ベルジャー901内を真空ポンプ905により減圧状態にする。
The optical
次に、金やアルミニウム等の金属を充填したるつぼ903に、電子銃904から発生させた電子線を照射することより、るつぼ903内の金属を溶融及び蒸発させ、光路変更素子800の突起物の反射面806上に反射鏡を成膜する。
Next, by irradiating a
本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置によれば、実施の形態1と同様に、光路変更素子800がない場合に比べて、より多くの赤外光が赤外線検出器108に到達するようになるため、鼓膜202から放射された赤外光を十分に計測することが可能となり、生体成分濃度の測定精度を向上させることができる。
According to the biological component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, as in the first embodiment, more infrared light reaches the
また、本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置によると、複数の反射面を設けることにより、実施の形態1における光路変更素子105と比較して容積が小さくなるため、生体成分濃度測定装置を低コスト化することができる。また、ZnSeやダイヤモンドに比べて安価であり加工の容易な樹脂を用いることができるので、生体成分濃度測定装置をさらに低コスト化することができる。
Further, according to the biological component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the volume is reduced by providing a plurality of reflecting surfaces as compared with the optical
(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置は、挿入プローブが屈曲部を有する点、及び挿入プローブの内部に反射鏡を備える点で、実施の形態1と異なる。それ以外の生体成分濃度測定装置の構成及び動作は実施の形態1と同様であり、説明を省略する。
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The biological component concentration measurement apparatus according to the present embodiment is different from the first embodiment in that the insertion probe has a bent portion and a reflection mirror is provided inside the insertion probe. Other configurations and operations of the biological component concentration measuring apparatus are the same as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置における挿入プローブ950及び光路変更素子970について図12を用いて説明する。図12は、本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置における挿入プローブ950を耳孔200内に挿入した状態を示す断面図である。なお、図12において、矢印は赤外光の光路を示す。
The
挿入プローブ950は屈曲部960を有しており、屈曲部960において、外耳道204に沿うように屈曲している。挿入プローブ950の内面上であって、屈曲部960と鼓膜202側の開口部との間に、反射鏡990が設けられている。挿入プローブ950の先端部には、支持部980により支持された光路変更素子970が装着されている。
The
鼓膜202から放射された赤外光は、光路変更素子970において一度光路が変更されて挿入プローブ950内に入射した後、挿入プローブ950内に設けられた反射鏡990において反射されることにより、再度光路が変更され、挿入プローブ104内を直進する。
The infrared light emitted from the
本実施の形態に係る生体成分濃度測定装置によれば、実施の形態1と同様に、光路変更素子970がない場合に比べて、より多くの赤外光が赤外線検出器108に到達するようになるため、鼓膜202から放射された赤外光を十分に計測することが可能となり、生体成分濃度の測定精度を向上させることができる。実施の形態1に係る生体成分濃度測定装置と比べると、光路変更素子970だけでなく、挿入プローブ950内に設けられた反射鏡990によっても光路を変更することができるため、より大きく光路を変更することができる。そのため、特に外耳道が大きく屈曲している人に使用する場合に有用である。
According to the biological component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, as in the first embodiment, more infrared light reaches the
本発明は、非侵襲的な生体成分濃度の測定、例えば、血液を採取することなくグルコ−ス濃度を測定する際に有用である。 The present invention is useful for non-invasive measurement of biological component concentration, for example, measuring glucose concentration without collecting blood.
100 生体成分濃度測定装置
101 電源スイッチ
102 本体
103 測定開始スイッチ
104,950 挿入プローブ
105,700,800,970 光路変更素子
106 光学フィルタホイール
107,706,980 支持部
108 赤外線検出器
110 マイクロコンピュータ
112 メモリ
114 ディスプレイ
116 電源
118 チョッパー
120 液晶シャッター
122 第1の光学フィルタ
123 リング
124 第2の光学フィルタ
125 シャフト
126 検出領域
130 前置増幅器
132 帯域フィルタ
134 同期復調器
136 ローパスフィルタ
138 A/Dコンバータ
140 光源
142 第1のハーフミラー
144 第2のハーフミラー
146 集光レンズ
148 撮像素子
150 アクチュエータ
152 レンズ枠
154 位置センサ
156 タイマー
158 ブザー
200 耳孔
202 鼓膜
204 外耳道
502,702,802 入射面
504,704,804 出射面
806 反射面
808 凹部
900 真空蒸着機
901 ベルジャー
902 ホルダー
903 るつぼ
904 電子銃
905 真空ポンプ
960 屈曲部
990 反射鏡
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記挿入プローブの先端部に設けられ、鼓膜から放射された赤外光が入射する入射面を有する光路変更素子と、
前記赤外光を波長毎に分光する分光素子と、
前記分光素子により分光された前記赤外光を検出する赤外線検出器と、
前記赤外線検出器の出力を生体成分濃度に換算する生体成分濃度演算部とを備え、
前記光路変更素子は、前記赤外光が前記挿入プローブ内を通るように前記赤外光の光路を変更する生体成分濃度測定装置。 An insertion probe for insertion into the ear canal;
An optical path changing element provided at the distal end of the insertion probe and having an incident surface on which infrared light emitted from the eardrum is incident;
A spectroscopic element for dispersing the infrared light for each wavelength;
An infrared detector for detecting the infrared light dispersed by the spectroscopic element;
A biological component concentration calculator that converts the output of the infrared detector into a biological component concentration;
The biological component concentration measuring device, wherein the optical path changing element changes an optical path of the infrared light so that the infrared light passes through the insertion probe.
空気よりも高い屈折率を有し、
前記入射面において前記赤外光を屈折させることにより、前記赤外光が前記挿入プローブ内を通るように前記赤外光の光路を変更する、請求項1記載の生体成分濃度測定装置。 The optical path changing element is
Has a higher refractive index than air,
The biological component concentration measurement apparatus according to claim 1, wherein an optical path of the infrared light is changed so that the infrared light passes through the insertion probe by refracting the infrared light on the incident surface.
反射面をさらに有し、
前記入射面から入射した前記赤外光が前記反射面において反射することにより、前記赤外光が前記挿入プロ−ブを通るように前記赤外光の光路を変更する、請求項1記載の生体成分濃度測定装置。 The optical path changing element is
A reflective surface;
The living body according to claim 1, wherein the infrared light incident from the incident surface is reflected by the reflecting surface to change the optical path of the infrared light so that the infrared light passes through the insertion probe. Component concentration measuring device.
前記挿入プローブの内面上であって、前記屈曲部と前記先端部との間に設けられた反射鏡をさらに備え、
前記光路変更素子を通って前記挿入プローブ内に入射した前記赤外光が前記反射鏡において反射されることにより、前記赤外光が前記挿入プローブ内を通るように前記赤外光の光路が変更される、請求項1記載の生体成分濃度測定装置。 The insertion probe has a bent portion;
A reflection mirror provided on the inner surface of the insertion probe and provided between the bent portion and the tip portion;
The infrared light that has entered the insertion probe through the optical path changing element is reflected by the reflecting mirror, so that the optical path of the infrared light is changed so that the infrared light passes through the insertion probe. The biological component concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein
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