(57)【要約】本発明は旋光性をもつ生体や組織、血液、分子などの存在やその含有量を高精度に測定でき、小型化できる旋光測定装置と、旋光性をもつ生体や組織、血液、分子などの存在やその含有量を高精度に測定できる旋光測定方法を提供することを課題とする。  課題を解決するために本発明の旋光測定装置および旋光測定方法では、リング光干渉計のループ光路の途中に非相反光学系を設け直交する円偏光モードが被測定試料を両方向に伝播するように設計し、光源波長を非相反光学素子の低損失な波長域としリング干渉計として分解能の最も高い位相変調方式光ファイバジャイロの信号処理技術を適用した。
2010100766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング干渉計のリング内に配置した左右両回り光が互いに直交する偏波状態で伝搬する非相反光学系と、前記非相反光学系の内部に配置した複屈折や旋光性を有する全血、遠心分離した血液、分子、唾液、毛髪など生体組織、細胞などの検体を置く検体載置部と、前記リングの左右両伝搬光の位相差を測定する測定部とを有し、前記光の光源の波長が１，３００ｎｍ以上でありかつ１７００ｎｍ以下であることを特徴とする旋光測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の旋光測定装置において、前記リング干渉計が全偏波面保存光ファイバおよび関連部品からなる位相変調方式の干渉計であり、前記非相反光学系以外はリングを構成する偏波面保存光ファイバの同一の固有偏光モードで左右両回り光を伝播させることを特徴とする旋光測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の旋光測定装置において、前記リング干渉計のカプラに光サーキュレータを用いたことを特徴とする旋光測定装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の旋光測定装置において、前記非相反光学系の対向結合損失が生体の吸収および散乱損失を含めおよそ４０ｄＢ以下となるようにコリメートされた空間伝搬光のビームを最適化したことを特徴とする旋光測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の旋光測定装置において、前記検体としての生体の一部を挟む前記非相反光学系の対向コリメータの検体を挟む空間伝搬部分の距離が可変であることを特徴とする旋光測定装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の旋光測定装置において、前記リング干渉計に入力する光の波長が可変であり、測定される位相の波長特性を測定しそれを数値解析することで前記検体の存在やその含有量を定性的および／または定量的に推定することができる解析部を有することを特徴とする旋光測定装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の旋光測定装置において、前記対向コリメータ内に生体の被測定部を押圧して挟む生体固定部を設けたことを特徴とする旋光測定装置。
【請求項８】
リング干渉計のリング内に配置した左右両回り光が互いに直交する偏波状態で伝搬する非相反光学系と、前記非相反光学系の内部に配置した複屈折や旋光性を有する全血、遠心分離した血液、分子、唾液、毛髪など生体組織、細胞などの検体を置く検体載置部と、前記リングの左右両伝搬光の位相差を測定する測定部とを用い、前記光の光源の波長として１，３００ｎｍ以上でありかつ１７００ｎｍ以下である光を用い、前記測定部の測定結果から前記検体の存在やその含有量を検出することを特徴とする旋光測定方法。
【請求項９】
請求項８に記載の旋光測定方法において、前記リング干渉計が全偏波面保存光ファイバおよび関連部品からなる位相変調方式の干渉計であり、前記非相反光学系以外はリングを構成する偏波面保存光ファイバの同一の固有偏光モードで左右両回り光を伝播させることを特徴とする旋光測定方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の旋光測定方法において、前記リング干渉計のカプラに光サーキュレータを用いたことを特徴とする旋光測定方法。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１項に記載の旋光測定方法において、前記非相反光学系の対向結合損失が生体の吸収および散乱損失を含めおよそ４０ｄＢ以下となるようにコリメートされた空間伝搬光のビームを最適化したことを特徴とする旋光測定方法。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１項に記載の旋光測定方法において、前記検体としての生体の一部を挟む前記非相反光学系の対向コリメータの検体を挟む空間伝搬部分の距離が可変であることを特徴とする旋光測定方法。
【請求項１３】
請求項８〜１２のいずれか１項に記載の旋光測定方法において、前記リング干渉計に入力する光の波長が可変であり、測定される位相の波長特性を測定しそれを数値解析することで前記検体の存在やその含有量を定性的および／または定量的に推定することを特徴とする旋光測定方法。
【請求項１４】
請求項８〜１３のいずれか１項に記載の旋光測定方法において、前記対向コリメータ内に生体の被測定部を押圧して挟む生体固定部を設けたことを特徴とする旋光測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は被検体の旋光特性を解析することにより旋光性を持つ生体や組織、血液、分子などの存在やその含有量を高精度に検出することができる旋光測定装置および旋光測定方法に関し、さらに具体的に言えば、人体の血液、唾液、毛髪や特定の生体組織に含まれる旋光性の物質の旋光度を高精度に測定できる旋光測定方法および旋光測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光方式の血糖値測定方法は大別すると３つある。第１の方法は、特許文献１に記載があるような、指などの生体の一部に赤外レーザ光を照射し、血管からの散乱光を分光し血液に含まれるグルコースを測定するものである。これはグルコース濃度に比例して散乱光が低減することを利用している。この方法は散乱光の光強度が温度や皮膚の水分や油成分などに依存するという問題があり広く普及していないのが実情である。
第２の方式は、非特許文献１および特許文献２などに記載されているように、グルコースに直交する偏光成分を伝搬させてその複屈折率をオープンループで計測するものである。しかしこの方法では健常者の血糖値レベルである０．１ｇ／ｄＬを長さが１０ｍｍ程度の検体（グルコース）で測定すると誤差が大きい。すなわちこの方法では例えば全血のグルコース濃度の検査で十分な透過光が得られる検体の長さが１ｍｍ以下の低侵襲の測定や無侵襲での測定は精度が大幅に不足する。
第３の方法は特許文献３に示す複屈折率測定装置で測定する方法である。この方法は本発明とおなじく干渉計のリングに非相反光学系を設け、被検体をその内部において検体の旋光度を計測するもので、その実施例に波長８００ｎｍ帯の光源が使用されている。この方法では厚さ１０ｍｍ程度の検体で健常者の血糖値レベルである０．１ｇ／ｄＬを十分な精度で測定できるが、検体の厚さが１ｍｍ以下の微量な血液や太さ０．１ｍｍの血管などの生体の無侵襲計測では十分な測定精度が得られなかった。また、光源と受光器を分離・結合する光方向性結合器で６ｄＢの挿入損失が発生していたので干渉計の光出力レベルが低いという問題があった。
【特許文献１】特開２００４−３１３５５４号公報
【特許文献２】特開２００７−０９３２８９号公報
【特許文献３】特開２００５−２７４３８０号公報（特願２００４−０８８５４４）
【非特許文献１】横田  正幸他、「鉛ガラスファイバ偏光変調器を用いたグルコースセンサー」、第３１回光波センシング技術研究会ＬＳＴ３１−８，ＰＰ．５１−５６，２００３年８月
【非特許文献２】梶岡、於保、「光ファイバジャイロの開発」、第３回光波センシング技術研究会、ＬＳＴ３−９，ＰＰ．５５−６２，１９８９年６月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明が解決しようとする課題は、従来の旋光測定装置の感度を大幅に改善した生体や組織、血液、分子などの存在やその含有量を高精度に検出することができる旋光測定装置および旋光測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
課題を解決するためになされた本発明に係わる旋光測定装置および旋光測定方法の特筆すべき特徴は、位相変調方式の全偏波面保存光ファイバジャイロのセンシングループの途中に非相反光学系を設け、検体中を左右両回り光を左右円偏光状態で伝搬させて、その位相差をＳａｇｎａｃの位相差として検出する方法において、光源の波長を初段の方向性結合器として低損失の光サーキュレータが使用でき非相反光学系のファラデー回転非相反素子の挿入損失が低い波長域に設定したことにある。
さらに具体的に例をあげて述べれば、課題を解決するためになされた本発明の例としての第１の発明（以下、発明１という）による旋光測定装置は、リング干渉計のリング内に配置した左右両回り光が互いに直交する偏波状態で伝搬する非相反光学系と、前記非相反光学系の内部に配置した複屈折や旋光性を有する全血、遠心分離した血液、分子、唾液、毛髪など生体組織、細胞などの検体を置く検体載置部と、前記リングの左右両伝搬光の位相差を測定する測定部とを有し、前記光の光源の波長が１，３００ｎｍ以上でありかつ１７００ｎｍ以下であることを特徴とする旋光測定装置である。
発明１を展開してなされた本発明の例としての第２の発明（以下、発明２という）による旋光測定装置は、発明１に記載の旋光測定装置において、前記リング干渉計が全偏波面保存光ファイバおよび関連部品からなる位相変調方式の干渉計であり、前記非相反光学系以外はリングを構成する偏波面保存光ファイバの同一の固有偏光モードで左右両回り光を伝播させることを特徴とする旋光測定装置である。
発明１と２を展開してなされた本発明の例としての第３の発明（以下、発明３という）による旋光測定装置は、発明１または２に記載の旋光測定装置において、前記リング干渉計のカプラに光サーキュレータを用いたことを特徴とする旋光測定装置である。
発明１〜３を展開してなされた本発明の例としての第４の発明（以下、発明４という）による旋光測定装置は、発明１〜３のいずれか１項に記載の旋光測定装置において、前記非相反光学系の対向結合損失が生体の吸収および散乱損失を含めおよそ４０ｄＢ以下となるようにコリメートされた空間伝搬光のビームを最適化したことを特徴とする旋光測定装置である。
発明１〜４を展開してなされた本発明の例としての第５の発明（以下、発明５という）による旋光測定装置は、発明１〜４のいずれかに記載の旋光測定装置において、前記検体としての生体の一部を挟む前記非相反光学系の対向コリメータの検体を挟む空間伝搬部分の距離が可変であることを特徴とする旋光測定装置である。
発明１〜５を展開してなされた本発明の例としての第６の発明（以下、発明６という）による旋光測定装置は、発明１〜５のいずれかに記載の旋光測定装置において、前記リング干渉計に入力する光の波長が可変であり、測定される位相の波長特性を測定しそれを数値解析することで前記検体の存在やその含有量を定性的および／または定量的に推定することができる解析部を有することを特徴とする旋光測定装置である。
発明１〜６を展開してなされた本発明の例としての第７の発明（以下、発明７という）による旋光測定装置は、発明１〜６のいずれかに記載の旋光測定装置において、前記対向コリメータ内に生体の被測定部を押圧して挟む生体固定部を設けたことを特徴とする旋光測定装置である。
課題を解決するためになされた本発明の例としての第８の発明（以下、発明８という）による旋光測定方法は、リング干渉計のリング内に配置した左右両回り光が互いに直交する偏波状態で伝搬する非相反光学系と、前記非相反光学系の内部に配置した複屈折や旋光性を有する全血、遠心分離した血液、分子、唾液、毛髪など生体組織、細胞などの検体を置く検体載置部と、前記リングの左右両伝搬光の位相差を測定する測定部とを用い、前記光の光源の波長として１，３００ｎｍ以上でありかつ１７００ｎｍ以下である光を用い、前記測定部の測定結果から前記検体の存在やその含有量を検出することを特徴とする旋光測定方法である。
発明８を展開してなされた本発明の例としての第９の発明（以下、発明９という）による旋光測定装置は、発明８に記載の旋光測定方法において、前記リング干渉計が全偏波面保存光ファイバおよび関連部品からなる位相変調方式の干渉計であり、前記非相反光学系以外はリングを構成する偏波面保存光ファイバの同一の固有偏光モードで左右両回り光を伝播させることを特徴とする旋光測定方法である。
発明８と９を展開してなされた本発明の例としての第１０の発明（以下、発明１０という）による旋光測定装置は、発明８または９に記載の旋光測定方法において、前記リング干渉計のカプラに光サーキュレータを用いたことを特徴とする旋光測定方法である。
発明８〜１０を展開してなされた本発明の例としての第１１の発明（以下、発明１１という）による旋光測定装置は、発明８〜１０のいずれかに記載の旋光測定方法において、前記非相反光学系の対向結合損失が生体の吸収および散乱損失を含めおよそ４０ｄＢ以下となるようにコリメートされた空間伝搬光のビームを最適化したことを特徴とする旋光測定方法である。
発明８〜１１を展開してなされた本発明の例としての第１２の発明（以下、発明１２という）による旋光測定装置は、発明８〜１１のいずれかに記載の旋光測定方法において、前記検体としての生体の一部を挟む前記非相反光学系の対向コリメータの検体を挟む空間伝搬部分の距離が可変であることを特徴とする旋光測定方法である。
発明８〜１２を展開してなされた本発明の例としての第１３の発明（以下、発明１３という）による旋光測定装置は、発明８〜１２のいずれかに記載の旋光測定方法において、前記リング干渉計に入力する光の波長が可変であり、測定される位相の波長特性を測定しそれを数値解析することで前記検体の存在やその含有量を定性的および／または定量的に推定することを特徴とする旋光測定方法である。
発明８〜１３を展開してなされた本発明の例としての第１４の発明（発明１４という）による旋光測定装置は、発明８〜１３のいずれか１項に記載の旋光測定方法において、前記対向コリメータ内に生体の被測定部を押圧して挟む生体固定部を設けたことを特徴とする旋光測定方法である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の第１の効果はその原理が光の干渉を利用しているので非常に高精度に旋光度を測定できることである。第２の効果は光干渉計の光源波長を検体を挿入する非相反光学系の挿入損失および光源と受光器を分離結合する方向性結合器の損失が低くなる波長域に設定したことにより受光パワーが約１，０００倍に改善され非常に微量な検体や指や耳や親指と人差し指の間のひだ部などの生体の旋光度を従来に比較して極めて高精度に測定できることである。これらの先進的な構成要件により従来より大幅に高精度な低侵襲型あるいは無侵襲型の生体用の旋光測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は本発明の実施の形態例の旋光測定装置を示す全体構成図である。
図２は本発明の実施の形態例の旋光測定装置の詳細構成図である。
図３は本発明の実施の形態例の旋光測定装置の非相反光学系の構成図である。
図４は本発明の実施の形態例における生体の旋光角測定の実験例を示す構成図である。
【符号の説明】
【０００７】
１：光源（ＡＳＥ）
２：光干渉計部
３，１１−１，１１−２：非相反光学系部
４：光ファイバジャイロ位相検出部
５：光サーキュレータ
６，１３−１，１３−２：偏光子
７：光カプラー
８：偏波面保存光ファイバ
８−１：偏波面保存ダミー光ファイバ
９：位相変調器
１０−１，１０−２：レンズ
１２：被測定試料
１３：変調信号
１４−１，１４−２：４５度ファラデー回転子
１５−１，１５−２：４分の１波長板
１６：受光器
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１から図３にて一実施の形態例を説明する。本発明の説明においては、説明の重複を避けるため、誤解なく理解できる範囲で旋光測定装置の説明で旋光測定方法の説明を兼ねたりその逆のこともある。第１図は本発明の基本構成図を示している。全体構成は、光源１、光干渉計部２、非相反光学系部３、光ファイバジャイロの信号検出部４から構成される。図２でこれらを更に詳細に説明する。光源１はいわゆるＣバンド帯のＡＳＥ光源を用いたが、要求精度が厳しくない場合にはＳＬＤも使える。光源１から発せられた光は光サーキュレータ５と偏光子６を経てカップラ７で左右両回り光に分岐される。光サーキュレータ５の部分は要求精度が厳しくないときは従来の２ｘ２方向性結合器も使える。リング干渉計の光路には偏波面保存ファイバ８を用いた。ここではコアが楕円のファイバを用いたがいわゆるコアに異方性の応力を印加した構造のファイバも使える。
時計回りに分岐された光は偏光面保存ファイバ８のループを伝播しレンズ１０−１、非相反光学系１１−１、被測定試料としての検体１２を通過し再び非相反光学系１１−２、レンズ１０−２を経由し干渉計２の位相変調器９を通過してカップラ７に戻ってくる。一方反時計回りの光ははじめに位相変調器７を通過し、上記の光路を逆向きに伝搬しカップラ７に戻る。これら左右両回り光はカップラ７で干渉し、干渉強度は偏光子６、光サーキュレータ５を介して受光器１６で電気信号に変換され光ファイバジャイロの信号検出部４によって左右両回り光の位相差を電圧として出力する。ここで用いた光ファイバジャイロは非特許文献２に記載されている干渉法に基づくものである。ループ長は１０００ｍ、位相変調器９はＰＺＴで信号検出部４から共振周波数は２０ＫＨｚの正弦波変調信号１３で変調される。非特許文献２に記載の光ファイバジャイロは、変調器を正弦波で変調し、受光部でその基本波、２倍波、４倍波成分を検出し、基本波と２倍波の振幅比の逆正接（ｔａｎ−１）で位相差を、２倍波、４倍波成分の比で変調度を一定に制御する方式である。試作したセンサ−の電気出力にはＲＳ２３２Ｃを用いたが市販の変換器でＵＳＢでも出力できる。一般に受光感度は変調度にも依存する。変調度はループを伝搬する光の伝搬時間が長いほど、すなわちループ長が長いほど大きくなる。この点においても伝搬する光の波長を１５５０ｎｍに代表されるＣバンド帯にするメリットがある。
図３は図１の非相反光学部３の詳細構成図である。この非相反光学系は対向レンズ１０−１と１０−２、偏光子１３−１と１３−２、４５度ファラデー回転素子１４−１と１４−２、４分の１波長板１５−１と１５−２から構成される。ファラデー回転素子は鉄系のガーネットで周囲に磁石が装着されている。４５度ファラデー回転素子１４−１と４分の１波長板１５−１および４５度ファラデー回転素子１４−２と４分の１波長板１５−２の相対角度は検体１２を通過する左右両回り光が直交する右回り円偏光と左回り円偏光で伝搬するように調整される。このように調整すると、検体である角度の旋光度が発生すると近似的にその２倍の位相差が発生し光ファイバジャイロの位相差検出系で測定できる。
実験では図２の検体としてセルに注入されたグルコース溶液を用いた。この場合、セルを載せるステージに１０ｍｍ×１０ｍｍや３ｍｍ×３ｍｍや１ｍｍ×１ｍｍなどのサイズのセルをはめ込む専用のジグを設けた。セルをマニュアルで単に置いただけでは測定値の再現性が得られなかった。セル固定用のジグを使うことでセルを着脱しても測定値の再現性が得られた。
ここでグルコースの旋光度とそれに必要な受光パワーの関係について考察する。健常者の血液の血糖値レベルはおよそ０．１ｇ／１００ｃｃで、旋光角度は試料長Ｌ＝１０ｍｍで約０．００５度である。このことより人体内部の太さ０．１ｍｍ程度の血管に含まれるグルコースを測定するにはその１００分の１、すなわち０．００００５度の超微小の偏光角度の変化を測定する必要がある。前述したようにこれはリング干渉計では０．０００１度の位相変化に相当する。
ここで位相変調方式の光ファイバジャイロでθ＝０．０００１度の位相変化を測定するのに必要な受信部のＳ／Ｎを考察する。
変調度が最大に設定された場合、Ｓ／Ｎは非特許文献２に示されるように、近似的に次式で表される。
Ｓ／Ｎ＝Ｓｉｎ（θ）  ＊√（Ｐｒ＊η）／√（２＊ｅ＊Ｂ）  ・・・・・（１）
ここにＰｒは受光光パワー、ｅは電子の電荷（１．６ｘ１０−１９）、Ｂは受信帯域幅（積分時間に逆比例）である。
この式に、θ＝０．０００１度，Ｐｒ＝１μＷ，Ｂ＝０．１Ｈｚ（１０秒）を代入するとＳ／Ｎ〜１０が得られる。
すなわち、これは位相差０．０００１度を十分なＳ／Ｎで測定するには受光パワーＰｒがおよそ１μＷあればよいことを意味する。
図４は本発明の旋光測定装置の生体検査への一適用例を示す。この場合の被測定対象は人差し指や親指と人差し指の間の皮膚の襞（ひだ）部１２−１である。実験はひだ部で行った。襞部は人によってその厚さはまちまちであるが約３ｍｍである。この襞部に波長８００ｎｍ帯と１５５０ｎｍ帯のコリメート光を通過させたところ大よそ１０ｄＢの損失があった。これは皮膚の吸収損失と散乱損失の総和と考えられる。８００ｎｍ帯では皮膚の散乱源による散乱損失が、１５５０ｎｍ帯では散乱損失は低いが皮膚に含まれる水分の吸収損失が主要因である。
この実験で分かったもう一つの重要な事実は、３ｍｍ程度の薄い皮膚でも通過したコリメート光はかなり散乱し明確なコリメート光が得られないということである。したがって本発明のように非相反光学系がコア径が小さいシングルモードファイバの一種である偏波面保存光ファイバの対向系で構成される場合には結合損失が非常に大きくなる。図４の測定系では、波長板１５−１，１５−２に透明のガラス板を張り付け、ひだ部を通過する光路が屈折しないように工夫した。手のひだ部に屈折率整合剤を塗布することも結合損失の低減に有効であった。結合は予め別のアライメント装置で対向コリメータ同士の結合をとった後にひだ部１２−１を波長板１５−１と１５−２の間に挿入した。
実際の医療現場で血糖値を無侵襲で測定する場合には、指やひだなどの人体の一部を、図３の非相反光学系部３の入出力ファイバ間の結合が保たれたまま、レンズ１０−１と非相反光学系部１１−１およびレンズ１０−２と非相反光学系部１１−２とがそれぞれ一体となってスプリングによる押圧などで検体１２を挟み込む機能を有するハンディーなツールを用いて本発明の効果を一層高めることができる。このような例として、請求項５に記載の光路長可変の対向コリメータデバイスを光軸調整技術を用いてつくることができる。
特許文献３に記載の従来の波長が８００ｎｍ帯の旋光測定装置の損失レベルはおおよそ以下の通りであった。
光源出力：〜２ｍＷ
光干渉計損失：〜１０ｄＢ（カップラ６ｄＢ，偏光子３ｄＢ，その外１ｄＢ）
非相反光学系損失：１３ｄＢ（２個のファラデー回転素子の損失１０ｄＢが主）
従ってこれに皮膚挿入損失１０ｄＢを加えると全体で３３ｄＢとなりこれに非相反光学系のコリメータ対向結合損失（＞３０ｄＢ）をあわせると全体で６３ｄＢとなってしまい１ｎＷ程度の受光となり太さが０．１ｍｍの血管の測定に必要な１μＷには程遠い。
これに対し本発明で実施した光源の波長を光通信で使用されている１５５０ｎｍ帯に代表されるＣバンド帯としそれに対応した光干渉系で構成する旋光測定装置の損失レベルはおおよそ以下の通りである。
光源出力：〜１００ｍＷ（ＡＳＥ）
光干渉計損失：〜５ｄＢ（光サーキュレータ１ｄＢ，偏光子３ｄＢ，その外１ｄＢ）
非相反光学系損失：２ｄＢ（２個のファラデー回転素子の損失が無視できるほど小さい）
従ってこれに皮膚挿入損失１０ｄＢを加えると全体で１７ｄＢとなる。これに非相反光学系のコリメータ対向結合損失（＞３０ｄＢ）をあわせても全体で４７ｄＢとなり、２μＷ程度の受光となり、厚さが０．１ｍｍの血管の旋光度の測定に必要な受光レベルが得られる。
以上より光干渉計の波長を８００ｎｍ帯から光通信波長帯に変えることで受光パワーが実におよそ１，０００倍に改善された。実際に図４の実験系で親指と人差し指の間の手のひだ部を通した場合と通さない場合とで、信号検出部４としての位相検出部４で検出される位相差に有為な変化が得られた。測定部位を変化させると位相差も変化した。これは光が通過する部位の旋光性の物質の量に依存するためと思われる。本発明者等の詳細な検討の結果、同一の被検者の場合について、位相差が最も大きくなる部位を測定し、従来の採血方式による血糖値測定の比較の検量モデルを作成すれば本発明の旋光解析方式で無侵襲で血糖値が推定できる可能性があることがわかった。
本発明の旋光測定装置を使用する光の波長を１５５０ｎｍ帯にして構成することで、使用する光の波長が８００ｎｍ帯の旋光測定装置に比べて受信感度をおよそ１，０００倍改善することができることより、Ｉｎ  Ｖｉｔｏｒｏ（採血）方式の測定において被検体の量を多く必要としないので非常に低侵襲にできることになる。本発明の旋光測定装置でグルコース溶液や血液、血漿、唾液や、毛髪などの旋光度を計測できる。また本発明の旋光測定装置は受光パワーが非常に大きいので受信Ｓ／Ｎが改良され、計測時間を短縮できるので、測定部位を変化させながら位相差を検出しやすくなるというメリットが得られる。
ここで本発明の旋光測定装置のその他の実施の形態例として、非相反光学系の両端の光ファイバをフォトニック結晶型の偏波面保存ファイバで構成する方法がある。フォトニック結晶型ファイバでは、その原理より、コア直径を従来の１０μｍから１５μｍに拡大することが可能であり、対向コリメータの結合損失を約３ｄＢ改善できる。
なお本発明の旋光測定装置の実施の形態例では非相反光学系のビーム径として通常の３００μｍと本発明用に試作した１ｍｍのものの二つを検討した。ビーム径が大きいと対抗コリメータの相対角度精度が厳しくなるが正しく軸調整を行えば１ｍｍ径と大きい方が結合損失が小さくできることが分かった。
本発明の旋光測定装置の波長を長波長帯にシフトすることによって受信感度が大幅に改善されたがその要因を以下に要約する。第１に鉄系ガーネットの挿入損失は物性的に１３００ｎｍ以上では非常に小さくなる。このガーネットは一般に光通信の光アイソレータや光サーキュレータに使用されている。本発明の実施の形態例では光部品が広く普及し、コスト的にも有利な１５５０ｎｍ帯を利用した。この結果、ガーネットを対向で２つ使っている非相反光学系の挿入損失が下がり、また、光ファイバジャイロの第１カプラをガーネットを使っている低損失の光サーキュレータに置き換えることができた。第２に高出力のＡＳＥ光源がつかえること、第３に１５５０ｎｍ用の偏波面保存ファイバのコアが８００ｎｍ帯用の偏波面保存ファイバのコアに比べて大きいため、非相反光学系の対向コリメータの結合損失が小さいこと、第４に変調度を大きくするためのループの光ファイバの長さを長くしても損失を低く抑えられることなどがあげられる。
本発明の旋光測定装置では太さ０．１ｍｍの血管の偏光回転に相当する０．０００１度の非常に微小な位相差を測定するために位相変調方式の光ファイバジャイロの位相検出原理を応用した。光ファイバジャイロに代表されるリング干渉計でこのような微小な位相差が測定できる理由は非相反光学系以外では双方向に伝搬する光に相反性があるということにある。すなわち温度変動や振動などのノイズの影響がキャンセルされるわけである。ファイバコイル長が１，０００ｍ、半径を３ｃｍの波長１５５０ｎｍでの光ファイバジャイロは通常０．１度／秒の角速度を十分な精度で測定できることは良く知られている。この場合のスケールファクタ（角速度に掛けあわせると位相差になる係数）はおよそ１秒となる。これは位相差に換算すると２．７ｘ１０（−５）に相当する。従って本発明で目標とする０．０００１度の位相差は十分測定できることが分かる。
本発明の旋光測定装置では複数の旋光性のある物質の分離ができない。しかし、特定波長で吸収損失がある物質が検体に含まれる場合には、光源の波長を可変しその吸収域を含んでスキャンすることで特定波長域で損失が大きな物質の影響を分離できる。波長可変光源の代わりに広帯域な光源と波長可変フィルタを用いても同等の効果が得られる。たとえば、グルコースは波長１，６００ｎｍ帯に吸収ピークがあることが知られている。請求項６に記載の実施の形態例として波長１，６００ｎｍを含んで波長をスキャンすれば本発明の旋光測定装置によって測定される位相差の波長特性を測定し数値計算を行うことでグルコースの寄与率がわかる。
本発明の旋光測定装置および旋光測定方法は、その使用する光の波長帯域を１３００ｎｍ〜１７００ｎｍにすることによって、測定感度の大幅な向上をもたらすことができるものであるが、さらに、本発明の旋光測定装置に使用するファラデー回転素子や偏波面保存ファイバならびに関連部品は光通信用で多用されているのでコスト的なメリットも享受できる。
本発明の旋光測定装置および旋光測定方法は医療現場などで生体旋光測定装置および生体旋光測定方法として用いて特に大きな効果を発揮することができる。
以上、本発明の実施の形態例を図面を用いて説明したが、本発明はこれに狭く限定されるものではなく、多くのバリエーションを可能とするものである。
【産業上の利用可能性】
【０００９】
本発明の旋光測定装置および旋光測定方法は、複屈折や旋光性を有する非測定物の状態を高精度に調べることができるもので、特に、生体や組織、血液、分子などの存在やその含有量を高精度に検出することができ、医療分野などにおいて広く利用できるものである。
特に、無侵襲で血糖値を測定できれば、第１に、採血の痛みから解放されること、第２に、採血しないので衛生的であることに加えて採血器具等を介する病気の感染が防げること、第３に、酵素を使わないので経済的であること、第４に、注射針や酵素などの廃棄物がでないこと等のメリットがある。
なお、第３のメリットは本発明の旋光測定装置および旋光測定方法の侵襲測定においてももたらされるものである。
【図１】
2010100766.tif 000003
【図２】
2010100766.tif 000004
【図３】
2010100766.tif 000005
【図４】
2010100766.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成24年3月1日(2012.3.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング干渉計のリング光路内に配置した左右両回り光が互いに直交する偏波状態で伝搬する非相反光学系と、
前記非相反光学系の内部に配置した複屈折や旋光性を有する検体を置く検体載置部と、
前記リング光路の左右両伝搬光の位相差を測定する測定部とを有し、
前記光の光源の波長が１，３００ｎｍ以上でありかつ１７００ｎｍ以下であり、前記非相反光学系は前記検体載置部を挟んで対向する対向コリメータを構成しており、前記非相反光学系の対向コリメータの入出力光ファイバ間の結合が保たれた状態で前記非相反光学系の対向コリメータの検体を挟む空間伝搬部分の距離が可変であることを特徴とする旋光測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の旋光測定装置において、
前記対向コリメータ内に検体の被測定部を押圧して挟む生体固定部を設けたことを特徴とする旋光測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の旋光測定装置において、
前記リング干渉系のカプラに光サーキュレータを用い、前記伝搬光の光源にＡＳＥ光源を用い、前記非相反光学系の対向結合損失が検体の吸収および散乱損失を含め４０ｄＢ以下となるようにコリメートされた空間伝搬光のビームを最適化したことを特徴とする旋光測定装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の旋光測定装置において、
前記非相反光学系の検体を挟む端部が波長板に透明なガラス板を取り付けた構造になっていることを特徴とする旋光測定装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の旋光測定装置において、
前記リング干渉計が全偏波面保存光ファイバおよび関連部品からなる位相変調方式の干渉計であり、前記非相反光学系以外はリング光路を構成する偏波面保存光ファイバの同一の固有偏光モードで左右両回り光を伝播させることを特徴とする旋光測定装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の旋光測定装置において、
前記リング干渉計に入力する光の波長が可変であり、測定される位相の波長特性を測定しそれを数値解析することで前記検体の存在やその含有量を定性的および／または定量的に推定することができる解析部を有することを特徴とする旋光測定装置。
【請求項７】
リング干渉計のリング光路内に配置した左右両回り光が互いに直交する偏波状態で伝搬する非相反光学系と、前記非相反光学系の内部に配置した複屈折や旋光性を有する検体を置く検体載置部と、前記リング光路の左右両伝搬光の位相差を測定する測定部とを用意する工程と、
前記検体載置部に検体を配置する工程と、
前記リング光路に前記光の光源の波長が１，３００ｎｍ以上でありかつ１７００ｎｍ以下である前記光を伝搬させる工程と、
前記測定部の測定結果から前記検体の存在やその含有量を検出する工程とを有しており、
前記非相反光学系として前記検体載置部を挟んで対向する対向コリメータを構成しており、前記非相反光学系の対向コリメータの入出力光ファイバ間の結合が保たれた状態で前記対向コリメータの検体を挟む空間伝搬部分の距離が可変であるものを用いることを特徴とする旋光測定方法。
【請求項８】
請求項７に記載の旋光測定方法において、
前記検体載置部として、前記対向コリメータ内に設けた検体の被測定部を押圧して挟む生体固定部を用いることを特徴とする旋光測定方法。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の旋光測定方法において、
前記リング干渉系のカプラに光サーキュレータを用い、前記伝搬光の光源にＡＳＥ光源を用い、前記非相反光学系の対向結合損失が検体の吸収および散乱損失を含め４０ｄＢ以下となるようにコリメートされた空間伝搬光のビームを最適化したことを特徴とする旋光測定方法。
【請求項１０】
請求項７〜請求項９のいずれか１項に記載の旋光測定方法において、
前記非相反光学系の検体を挟む端部に波長板に透明なガラス板を取り付けた構造になっている端部を用いることを特徴とする旋光測定方法。
【請求項１１】
請求項７〜請求項１０のいずれか１項に記載の旋光測定方法において、
前記リング干渉計が全偏波面保存光ファイバおよび関連部品からなる位相変調方式の干渉計であり、前記非相反光学系以外はリング光路を構成する偏波面保存光ファイバの同一の固有偏光モードで左右両回り光を伝播させるリング干渉計であることを特徴とする旋光測定方法。
【請求項１２】
請求項７〜請求項１１のいずれか１項に記載の旋光測定方法において、
前記リング干渉計に入力する前記光の光源として波長が可変である光源を用い、測定される位相の波長特性を測定しそれを数値解析することで前記検体の存在やその含有量を定性的および／または定量的に推定する工程を有することを特徴とする旋光測定方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は被検体の旋光特性を解析することにより旋光性を持つ生体や組織、血液、分子などの存在やその含有量を高精度に検出することができる旋光測定装置および旋光測定方法に関し、さらに具体的に言えば、人体の血液、唾液、毛髪や特定の生体組織に含まれる旋光性の物質の旋光度を高精度に測定できる旋光測定方法および旋光測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光方式の血糖値測定方法は大別すると３つある。第１の方法は、特許文献１に記載があるような、指などの生体の一部に赤外レーザ光を照射し、血管からの散乱光を分光し血液に含まれるグルコースを測定するものである。これはグルコース濃度に比例して散乱光が低減することを利用している。この方法は散乱光の光強度が温度や皮膚の水分や油成分などに依存するという問題があり広く普及していないのが実情である。
【０００３】
第２の方式は、非特許文献１および特許文献２などに記載されているように、グルコースに直交する偏光成分を伝搬させてその複屈折率をオープンループで計測するものである。しかしこの方法では健常者の血糖値レベルである０．１ｇ／ｄＬを長さが１０ｍｍ程度の検体（グルコース）で測定すると誤差が大きい。すなわちこの方法では例えば全血のグルコース濃度の検査で十分な透過光が得られる検体の長さが１ｍｍ以下の低侵襲の測定や無侵襲での測定は精度が大幅に不足する。
【０００４】
第３の方法は特許文献３に示す複屈折率測定装置で測定する方法である。この方法は本発明とおなじく干渉計のリングに非相反光学系を設け、被検体をその内部において検体の旋光度を計測するもので、その実施例に波長８００ｎｍ帯の光源が使用されている。
【０００５】
この方法では厚さ１０ｍｍ程度の検体で健常者の血糖値レベルである０．１ｇ／ｄＬを十分な精度で測定できるが、検体の厚さが１ｍｍ以下の微量な血液や太さ０．１ｍｍの血管などの生体の無侵襲計測では十分な測定精度が得られなかった。また、光源と受光器を分離・結合する光方向性結合器で６ｄＢの挿入損失が発生していたので干渉計の光出力レベルが低いという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３１３５５４号公報
【特許文献２】特開２００７−０９３２８９号公報
【特許文献３】特開２００５−２７４３８０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】横田  正幸他、「鉛ガラスファイバ偏光変調器を用いたグルコースセンサー」、第３１回光波センシング技術研究会ＬＳＴ３１−８，ＰＰ．５１−５６，２００３年８月
【非特許文献２】梶岡、於保、「光ファイバジャイロの開発」、第３回光波センシング技術研究会、ＬＳＴ３−９，ＰＰ．５５−６２，１９８９年６月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、従来の旋光測定装置の感度を大幅に改善した生体や組織、血液、分子などの存在やその含有量を高精度に検出することができる旋光測定装置および旋光測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
課題を解決するためになされた本発明に係わる旋光測定装置および旋光測定方法の特筆すべき特徴は、位相変調方式の全偏波面保存光ファイバジャイロのセンシングループの途中に非相反光学系を設け、検体中を左右両回り光を左右円偏光状態で伝搬させて、その位相差をＳａｇｎａｃの位相差として検出する方法において、光源の波長を初段の方向性結合器として低損失の光サーキュレータが使用でき非相反光学系のファラデー回転非相反素子の挿入損失が低い波長域に設定したことにある。
【００１０】
さらに具体的に例をあげて述べれば、課題を解決するためになされた本発明の例としての第１の発明（以下、発明１という）による旋光測定装置は、リング干渉計のリング内に配置した左右両回り光が互いに直交する偏波状態で伝搬する非相反光学系と、前記非相反光学系の内部に配置した複屈折や旋光性を有する全血、遠心分離した血液、分子、唾液、毛髪など生体組織、細胞などの検体を置く検体載置部と、前記リングの左右両伝搬光の位相差を測定する測定部とを有し、前記光の光源の波長が１，３００ｎｍ以上でありかつ１７００ｎｍ以下であることを特徴とする旋光測定装置である。
【００１１】
発明１を展開してなされた本発明の例としての第２の発明（以下、発明２という）による旋光測定装置は、発明１に記載の旋光測定装置において、前記リング干渉計が全偏波面保存光ファイバおよび関連部品からなる位相変調方式の干渉計であり、前記非相反光学系以外はリングを構成する偏波面保存光ファイバの同一の固有偏光モードで左右両回り光を伝播させることを特徴とする旋光測定装置である。
【００１２】
発明１と２を展開してなされた本発明の例としての第３の発明（以下、発明３という）による旋光測定装置は、発明１または２に記載の旋光測定装置において、前記リング干渉計のカプラに光サーキュレータを用いたことを特徴とする旋光測定装置である。
【００１３】
発明１〜３を展開してなされた本発明の例としての第４の発明（以下、発明４という）による旋光測定装置は、発明１〜３のいずれか１項に記載の旋光測定装置において、前記非相反光学系の対向結合損失が生体の吸収および散乱損失を含めおよそ４０ｄＢ以下となるようにコリメートされた空間伝搬光のビームを最適化したことを特徴とする旋光測定装置である。
【００１４】
発明１〜４を展開してなされた本発明の例としての第５の発明（以下、発明５という）による旋光測定装置は、発明１〜４のいずれかに記載の旋光測定装置において、前記検体としての生体の一部を挟む前記非相反光学系の対向コリメータの検体を挟む空間伝搬部分の距離が可変であることを特徴とする旋光測定装置である。
【００１５】
発明１〜５を展開してなされた本発明の例としての第６の発明（以下、発明６という）による旋光測定装置は、発明１〜５のいずれかに記載の旋光測定装置において、前記リング干渉計に入力する光の波長が可変であり、測定される位相の波長特性を測定しそれを数値解析することで前記検体の存在やその含有量を定性的および／または定量的に推定することができる解析部を有することを特徴とする旋光測定装置である。
【００１６】
発明１〜６を展開してなされた本発明の例としての第７の発明（以下、発明７という）による旋光測定装置は、発明１〜６のいずれかに記載の旋光測定装置において、前記対向コリメータ内に生体の被測定部を押圧して挟む生体固定部を設けたことを特徴とする旋光測定装置である。
【００１７】
課題を解決するためになされた本発明の例としての第８の発明（以下、発明８という）による旋光測定方法は、リング干渉計のリング内に配置した左右両回り光が互いに直交する偏波状態で伝搬する非相反光学系と、前記非相反光学系の内部に配置した複屈折や旋光性を有する全血、遠心分離した血液、分子、唾液、毛髪など生体組織、細胞などの検体を置く検体載置部と、前記リングの左右両伝搬光の位相差を測定する測定部とを用い、前記光の光源の波長として１，３００ｎｍ以上でありかつ１７００ｎｍ以下である光を用い、前記測定部の測定結果から前記検体の存在やその含有量を検出することを特徴とする旋光測定方法である。
【００１８】
発明８を展開してなされた本発明の例としての第９の発明（以下、発明９という）による旋光測定装置は、発明８に記載の旋光測定方法において、前記リング干渉計が全偏波面保存光ファイバおよび関連部品からなる位相変調方式の干渉計であり、前記非相反光学系以外はリングを構成する偏波面保存光ファイバの同一の固有偏光モードで左右両回り光を伝播させることを特徴とする旋光測定方法である。
【００１９】
発明８と９を展開してなされた本発明の例としての第１０の発明（以下、発明１０という）による旋光測定装置は、発明８または９に記載の旋光測定方法において、前記リング干渉計のカプラに光サーキュレータを用いたことを特徴とする旋光測定方法である。
【００２０】
発明８〜１０を展開してなされた本発明の例としての第１１の発明（以下、発明１１という）による旋光測定装置は、発明８〜１０のいずれかに記載の旋光測定方法において、前記非相反光学系の対向結合損失が生体の吸収および散乱損失を含めおよそ４０ｄＢ以下となるようにコリメートされた空間伝搬光のビームを最適化したことを特徴とする旋光測定方法である。
【００２１】
発明８〜１１を展開してなされた本発明の例としての第１２の発明（以下、発明１２という）による旋光測定装置は、発明８〜１１のいずれかに記載の旋光測定方法において、前記検体としての生体の一部を挟む前記非相反光学系の対向コリメータの検体を挟む空間伝搬部分の距離が可変であることを特徴とする旋光測定方法である。
【００２２】
発明８〜１２を展開してなされた本発明の例としての第１３の発明（以下、発明１３という）による旋光測定装置は、発明８〜１２のいずれかに記載の旋光測定方法において、前記リング干渉計に入力する光の波長が可変であり、測定される位相の波長特性を測定しそれを数値解析することで前記検体の存在やその含有量を定性的および／または定量的に推定することを特徴とする旋光測定方法である。
【００２３】
発明８〜１３を展開してなされた本発明の例としての第１４の発明（発明１４という）による旋光測定装置は、発明８〜１３のいずれか１項に記載の旋光測定方法において、前記対向コリメータ内に生体の被測定部を押圧して挟む生体固定部を設けたことを特徴とする旋光測定方法である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の第1の効果はその原理が光の干渉を利用しているので非常に高精度に旋光度を測定できることである。第２の効果は光干渉計の光源波長を検体を挿入する非相反光学系の挿入損失および光源と受光器を分離結合する方向性結合器の損失が低くなる波長域に設定したことにより受光パワーが約１，０００倍に改善され非常に微量な検体や指や耳や親指と人差し指の間のひだ部などの生体の旋光度を従来に比較して極めて高精度に測定できることである。これらの先進的な構成要件により従来より大幅に高精度な低侵襲型あるいは無侵襲型の生体用の旋光測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
図１は本発明の実施の形態例の旋光測定装置を示す全体構成図である。
図２は本発明の実施の形態例の旋光測定装置の詳細構成図である。
図３は本発明の実施の形態例の旋光測定装置の非相反光学系の構成図である。
図４は本発明の実施の形態例における生体の旋光角測定の実験例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２６】
１：光源（ＡＳＥ）
２：光干渉計部
３，１１−１，１１−２：非相反光学系部
４：光ファイバジャイロ位相検出部
５：光サーキュレータ
６，１３−１，１３−２：偏光子
７：光カプラー
８：偏波面保存光ファイバ
８−１：偏波面保存ダミー光ファイバ
９：位相変調器
１０−１，１０−２：レンズ
１２：被測定試料
１３：変調信号
１４−１，１４−２：４５度ファラデー回転子
１５−１，１５−２：４分の１波長板
１６：受光器
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１から図３にて一実施の形態例を説明する。本発明の説明においては、説明の重複を避けるため、誤解なく理解できる範囲で旋光測定装置の説明で旋光測定方法の説明を兼ねたりその逆のこともある。第１図は本発明の基本構成図を示している。全体構成は、光源１、光干渉計部２、非相反光学系部３、光ファイバジャイロの信号検出部４から構成される。図２でこれらを更に詳細に説明する。
【００２８】
光源１はいわゆるＣバンド帯のＡＳＥ光源を用いたが、要求精度が厳しくない場合にはＳＬＤも使える。光源１から発せられた光は光サーキュレータ５と偏光子６を経てカップラ７で左右両回り光に分岐される。光サーキュレータ５の部分は要求精度が厳しくないときは従来の２ｘ２方向性結合器も使える。リング干渉計の光路には偏波面保存ファイバ８を用いた。ここではコアが楕円のファイバを用いたがいわゆるコアに異方性の応力を印加した構造のファイバも使える。
【００２９】
時計回りに分岐された光は偏光面保存ファイバ８のループを伝播しレンズ１０−１、非相反光学系１１−１、被測定試料としての検体１２を通過し再び非相反光学系１１−２、レンズ１０−２を経由し干渉計２の位相変調器９を通過してカップラ７に戻ってくる。一方反時計回りの光ははじめに位相変調器７を通過し、上記の光路を逆向きに伝搬しカップラ７に戻る。
【００３０】
これら左右両回り光はカップラ７で干渉し、干渉強度は偏光子６、光サーキュレータ５を介して受光器１６で電気信号に変換され光ファイバジャイロの信号検出部４によって左右両回り光の位相差を電圧として出力する。ここで用いた光ファイバジャイロは非特許文献２に記載されている干渉法に基づくものである。ループ長は１０００ｍ、位相変調器９はＰＺＴで信号検出部４から共振周波数は２０ｋＨｚの正弦波変調信号１３で変調される。
【００３１】
非特許文献２に記載の光ファイバジャイロは、変調器を正弦波で変調し、受光部でその基本波、２倍波、４倍波成分を検出し、基本波と２倍波の振幅比の逆正接（ｔａｎ−１）で位相差を、２倍波、４倍波成分の比で変調度を一定に制御する方式である。
【００３２】
試作したセンサ−の電気出力にはＲＳ２３２Ｃを用いたが市販の変換器でＵＳＢでも出力できる。一般に受光感度は変調度にも依存する。変調度はループを伝搬する光の伝搬時間が長いほど、すなわちループ長が長いほど大きくなる。この点においても伝搬する光の波長を１５５０ｎｍに代表されるＣバンド帯にするメリットがある。
【００３３】
図３は図１の非相反光学部３の詳細構成図である。この非相反光学系は対向レンズ１０−１と１０−２、偏光子１３−１と１３−２、４５度ファラデー回転素子１４−１と１４−２、４分の１波長板１５−１と１５−２から構成される。
【００３４】
ファラデー回転素子は鉄系のガーネットで周囲に磁石が装着されている。４５度ファラデー回転素子１４−１と４分の1波長板１５−１および４５度ファラデー回転素子１４−２と４分の１波長板１５−２の相対角度は検体１２を通過する左右両回り光が直交する右回り円偏光と左回り円偏光で伝搬するように調整される。このように調整すると、検体である角度の旋光度が発生すると近似的にその２倍の位相差が発生し光ファイバジャイロの位相差検出系で測定できる。
【００３５】
実験では図２の検体としてセルに注入されたグルコース溶液を用いた。この場合、セルを載せるステージに１０ｍｍ×１０ｍｍや３ｍｍ×３ｍｍや１ｍｍ×１ｍｍなどのサイズのセルをはめ込む専用のジグを設けた。セルをマニュアルで単に置いただけでは測定値の再現性が得られなかった。セル固定用のジグを使うことでセルを着脱しても測定値の再現性が得られた。
【００３６】
ここでグルコースの旋光度とそれに必要な受光パワーの関係について考察する。健常者の血液の血糖値レベルはおよそ０．１ｇ／１００ｃｃで、旋光角度は試料長Ｌ＝１０ｍｍで約０．００５度である。このことより人体内部の太さ０．１ｍｍ程度の血管に含まれるグルコースを測定するにはその１００分の1、すなわち０．００００５度の超微小の偏光角度の変化を測定する必要がある。前述したようにこれはリング干渉計では０．０００１度の位相変化に相当する。
【００３７】
ここで位相変調方式の光ファイバジャイロでθ＝０．０００１度の位相変化を測定するのに必要な受信部のＳ／Ｎを考察する。変調度が最大に設定された場合、Ｓ／Ｎは非特許文献２に示されるように、近似的に次式で表される。
【００３８】
Ｓ／Ｎ＝Ｓｉｎ（θ） ＊ √（Ｐｒ＊η）/√(２＊e＊B)  ・・・・・（１）
ここにＰｒは受光光パワー、ｅは電子の電荷(１．６ｘ１０−１９)、Bは受信帯域幅（積分時間に逆比例）である。
【００３９】
この式に、θ＝０．０００１ 度, Ｐｒ＝１μＷ, Ｂ＝０．１Ｈｚ（１０秒）を代入するとＳ／Ｎ〜１０が得られる。
すなわち、これは位相差 ０．０００１ 度を十分なＳ／Ｎで測定するには受光パワーＰｒがおよそ１ μW あればよいことを意味する。
【００４０】
図４は本発明の旋光測定装置の生体検査への一適用例を示す。この場合の被測定対象は人差し指や親指と人差し指の間の皮膚の襞（ひだ）部１２−１である。実験はひだ部で行った。襞部は人によってその厚さはまちまちであるが約３ｍｍである。この襞部に波長８００ｎｍ帯と１５５０ｎｍ帯のコリメート光を通過させたところおおよそ１０ｄＢの損失があった。これは皮膚の吸収損失と散乱損失の総和と考えられる。８００ｎｍ帯では皮膚の散乱源による散乱損失が、１５５０ｎｍ帯では散乱損失は低いが皮膚に含まれる水分の吸収損失が主要因である。
【００４１】
この実験で分かったもう一つの重要な事実は、３ｍｍ程度の薄い皮膚でも通過したコリメート光はかなり散乱し明確なコリメート光が得られないということである。したがって本発明のように非相反光学系がコア径が小さいシングルモードファイバの一種である偏波面保存光ファイバの対向系で構成される場合には結合損失が非常に大きくなる。
【００４２】
図４の測定系では、波長板１５−１，１５−２に透明のガラス板を張り付け、ひだ部を通過する光路が屈折しないように工夫した。手のひだ部に屈折率整合剤を塗布することも結合損失の低減に有効であった。結合は予め別のアライメント装置で対向コリメータ同士の結合をとった後にひだ部１２−１を波長板１５−１と１５−２の間に挿入した。
【００４３】
実際の医療現場で血糖値を無侵襲で測定する場合には、指やひだなどの人体の一部を、図３の非相反光学系部３の入出力ファイバ間の結合が保たれたまま、レンズ１０−１と非相反光学系部１１−１およびレンズ１０−２と非相反光学系部１１−２とがそれぞれ一体となってスプリングによる押圧などで検体１２を挟み込む機能を有するハンディーなツールを用いて本発明の効果を一層高めることができる。
【００４４】
このような例として、請求項５に記載の光路長可変の対向コリメータデバイスを光軸調整技術を用いてつくることができる。
【００４５】
特許文献３に記載の従来の波長が８００ｎｍ帯の旋光測定装置の損失レベルはおおよそ以下の通りであった。
光源出力：〜２ｍＷ
光干渉計損失：〜１０ｄＢ（カップラ６ｄＢ，偏光子３ｄＢ，その外１ｄＢ）
非相反光学系損失：１３ｄＢ（２個のファラデー回転素子の損失１０ｄＢが主）
【００４６】
従ってこれに皮膚挿入損失１０ｄＢを加えると全体で３３ｄＢとなりこれに非相反光学系のコリメータ対向結合損失（３０ｄＢ）をあわせると全体で６３ｄＢとなってしまい１ｎＷ程度の受光となり太さが０．１ｍｍの血管の測定に必要な１μＷには程遠い。
【００４７】
これに対し本発明で実施した光源の波長を光通信で使用されている１５５０ｎｍ帯に代表されるＣバンド帯としそれに対応した光干渉系で構成する旋光測定装置の損失レベルはおおよそ以下の通りである。
光源出力：〜１００ｍＷ（ＡＳＥ）
光干渉計損失：〜５ｄＢ（光サーキュレータ１ｄＢ，偏光子３ｄＢ，その外１ｄＢ）
非相反光学系損失：２ｄＢ（２個のファラデー回転素子の損失が無視できるほど小さい）
【００４８】
従ってこれに皮膚挿入損失１０ｄＢを加えると全体で１７ｄＢとなる。これに非相反光学系のコリメータ対向結合損失（３０ｄＢ）をあわせても全体で４７ｄＢとなり、２μＷ程度の受光となり、厚さが０．１ｍｍの血管の旋光度の測定に必要な受光レベルが得られる。
【００４９】
以上より光干渉計の波長を８００ｎｍ帯から光通信波長帯に変えることで受光パワーが実におよそ１，０００倍に改善された。実際に図４の実験系で親指と人差し指の間の手のひだ部を通した場合と通さない場合とで、信号検出部４としての位相検出部４で検出される位相差に有為な変化が得られた。測定部位を変化させると位相差も変化した。
【００５０】
これは光が通過する部位の旋光性の物質の量に依存するためと思われる。本発明者等の詳細な検討の結果、同一の被検者の場合について、位相差が最も大きくなる部位を測定し、従来の採血方式による血糖値測定の比較の検量モデルを作成すれば本発明の旋光解析方式で無侵襲で血糖値が推定できる可能性があることがわかった。
【００５１】
本発明の旋光測定装置を使用する光の波長を１５５０ｎｍ帯にして構成することで、使用する光の波長が８００ｎｍ帯の旋光測定装置に比べて受信感度をおよそ１，０００倍改善することができることより、Ｉｎ  Ｖｉｔｏｒｏ（採血）方式の測定において被検体の量を多く必要としないので非常に低侵襲にできることになる。本発明の旋光測定装置でグルコース溶液や血液、血漿、唾液や、毛髪などの旋光度を計測できる。
【００５２】
また本発明の旋光測定装置は受光パワーが非常に大きいので受信Ｓ／Ｎが改良され、計測時間を短縮できるので、測定部位を変化させながら位相差を検出しやすくなるというメリットが得られる。
【００５３】
ここで本発明の旋光測定装置のその他の実施の形態例として、非相反光学系の両端の光ファイバをフォトニック結晶型の偏波面保存ファイバで構成する方法がある。フォトニック結晶型ファイバでは、その原理より、コア直径を従来の１０μｍから１５μｍに拡大することが可能であり、対向コリメータの結合損失を約３ｄＢ改善できる。
【００５４】
なお本発明の旋光測定装置の実施の形態例では非相反光学系のビーム径として通常の３００μｍと本発明用に試作した１ｍｍのものの二つを検討した。ビーム径が大きいと対抗コリメータの相対角度精度が厳しくなるが正しく軸調整を行えば１ｍｍ径と大きい方が結合損失が小さくできることが分かった。
【００５５】
本発明の旋光測定装置の波長を長波長帯にシフトすることによって受信感度が大幅に改善されたがその要因を以下に要約する。第１に鉄系ガーネットの挿入損失は物性的に１３００ｎｍ以上では非常に小さくなる。このガーネットは一般に光通信の光アイソレータや光サーキュレータに使用されている。本発明の実施の形態例では光部品が広く普及し、コスト的にも有利な１５５０ｎｍ帯を利用した。
【００５６】
この結果、ガーネットを対向で２つ使っている非相反光学系の挿入損失が下がり、また、光ファイバジャイロの第１カプラをガーネットを使っている低損失の光サーキュレータに置き換えることができた。第２に高出力のＡＳＥ光源が使えること、第３に１５５０ｎｍ用の偏波面保存ファイバのコアが８００ｎｍ帯用の偏波面保存ファイバのコアに比べて大きいため、非相反光学系の対向コリメータの結合損失が小さいこと、第4に変調度を大きくするためのループの光ファイバの長さを長くしても損失を低く抑えられることなどがあげられる。
【００５７】
本発明の旋光測定装置では太さ０．１ｍｍの血管の偏光回転に相当する０．０００１度の非常に微小な位相差を測定するために位相変調方式の光ファイバジャイロの位相検出原理を応用した。光ファイバジャイロに代表されるリング干渉計でこのような微小な位相差が測定できる理由は非相反光学系以外では双方向に伝搬する光に相反性があるということにある。
【００５８】
すなわち温度変動や振動などのノイズの影響がキャンセルされるわけである。ファイバコイル長が１，０００ｍ、半径を３ｃｍの波長１５５０ｎｍでの光ファイバジャイロは通常０．１度／秒の角速度を十分な精度で測定できることは良く知られている。この場合のスケールファクタ（角速度に掛けあわせると位相差になる係数）はおよそ１秒となる。これは位相差に換算すると２．７ｘ１０（−５）に相当する。従って本発明で目標とする０．０００１度の位相差は十分測定できることが分かる。
【００５９】
本発明の旋光測定装置では複数の旋光性のある物質の分離ができない。しかし、特定波長で吸収損失がある物質が検体に含まれる場合には、光源の波長を可変しその吸収域を含んでスキャンすることで特定波長域で損失が大きな物質の影響を分離できる。波長可変光源の代わりに広帯域な光源と波長可変フィルタを用いても同等の効果が得られる。
【００６０】
たとえば、グルコースは波長１，６００ｎｍ帯に吸収ピークがあることが知られている。請求項６に記載の実施の形態例として波長１，６００ｎｍを含んで波長をスキャンすれば本発明の旋光測定装置によって測定される位相差の波長特性を測定し数値計算を行うことでグルコースの寄与率がわかる。
【００６１】
本発明の旋光測定装置および旋光測定方法は、その使用する光の波長帯域を１３００ｎｍ〜１７００ｎｍにすることによって、測定感度の大幅な向上をもたらすことができるものであるが、さらに、本発明の旋光測定装置に使用するファラデー回転素子や偏波面保存ファイバならびに関連部品は光通信用で多用されているのでコスト的なメリットも享受できる。
【００６２】
本発明の旋光測定装置および旋光測定方法は医療現場などで生体旋光測定装置および生体旋光測定方法として用いて特に大きな効果を発揮することができる。
以上、本発明の実施の形態例を図面を用いて説明したが、本発明はこれに狭く限定されるものではなく、多くのバリエーションを可能とするものである。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明の旋光測定装置および旋光測定方法は、複屈折や旋光性を有する被測定物の状態を高精度に調べることができるもので、特に、生体や組織、血液、分子などの存在やその含有量を高精度に検出することができ、医療分野などにおいて広く利用できるものである。
【００６４】
特に、無侵襲で血糖値を測定できれば、第１に、採血の痛みから解放されること、第２に、採血しないので衛生的であることに加えて採血器具等を介する病気の感染が防げること、第３に、酵素を使わないので経済的であること、第４に、注射針や酵素などの廃棄物がでないこと等のメリットがある。
なお、第３のメリットは本発明の旋光測定装置および旋光測定方法の侵襲測定においてももたらされるものである。
【国際調査報告】
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