(57)【要約】【課題】測定精度が低下せずに、装置構成が小型化の生体成分情報測定装置を提供すること。【解決手段】試料容器１０４には血液や培養細胞などの測定対象１０５が収容されている。生体成分情報測定装置１００は、光源１０１の光を回転回折格子１１０を用いて分光して測定対象１０５に入射させる。これにより、分光光学系の部品点数及び所要スペースを削減できる。この結果、測定精度を低下させずに、特に分光光学系を小型化できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光を透過して出射する測定対象を配置する測定対象配置部と、
前記測定対象からの透過光を受光する受光素子と、
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーと、前記ＭＥＭＳミラーのミラー面に形成された回折格子とを有し、前記光源から前記測定対象までの光学経路、或いは、前記測定対象から前記受光素子までの光学経路に設けられ、前記光源からの光を分光して前記測定対象に入射させ、或いは、前記測定対象からの透過光を分光して前記受光素子に入射させる回転回折格子と、
を具備する生体成分情報測定装置。
【請求項２】
前記回転回折格子を、前記ミラー面に対して垂直方向に振動させることにより、前記受光素子により得られる信号にチョッパー信号を重畳する、
請求項１に記載の生体成分情報測定装置。
【請求項３】
前記光源をパルス駆動することにより、前記受光素子により得られる信号にチョッパー信号を重畳する、
請求項１に記載の生体成分情報測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いて血液成分などの生体成分情報を測定する生体成分情報測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、近赤外線を検体（人体）に照射し、検体からの反射光を分析することで、血液成分を測定する装置がある。この種の装置は、例えば特許文献１〜４に開示されている。
【０００３】
この種の装置は、一般に、光源からの光を測定対象に導く第１の光学系と、測定対象から反射される光を導く第２の光学系と、第２の光学系により導かれた反射光を分光する分光光学系と、分光された光を受光する受光素子と、キャリブレーション用のリファレンス信号を得るためのリファレンス信号用光学系と、を有する。
【０００４】
また、サンプルを分析用セルに入れ、それを分光することにより生体成分を分析する手法も広く用いられている。代表的な例としては株式会社島津製作所の紫外可視光近赤外分光光度計シリーズ、株式会社日立ハイテクノロジーズの分光光度計シリーズがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−８７９１３号公報
【特許文献２】特開２００２−６５４６５号公報
【特許文献３】特開２００７−２５９９６７号公報
【特許文献４】特開２０１２−１９１９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述したような従来の生体成分情報測定装置においては、主要部品の受光素子がアレイ型センサにより構成されていることもあり、小型化や低コスト化の点で未だ不十分であった。
【０００７】
本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、測定精度を低下させずに、装置構成を小型化し得る生体成分情報測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の生体成分情報測定装置の一つの態様は、
光源と、
前記光源からの光を透過して出射する測定対象を配置する測定対象配置部と、
前記測定対象からの透過光を受光する受光素子と、
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーと、前記ＭＥＭＳミラーのミラー面に形成された回折格子とを有し、前記光源から前記測定対象までの光学経路、或いは、前記測定対象から前記受光素子までの光学経路に設けられ、前記光源からの光を分光して前記測定対象に入射させ、或いは、前記測定対象からの透過光を分光して前記受光素子に入射させる回転回折格子と、
を具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、測定精度を低下させずに、装置構成を小型化し得る生体成分情報測定装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係る生体成分情報測定装置の全体構成を示す概略図
【図２】回転回折格子の回折動作の説明に供する図
【図３】回転回折格子が設けられたＭＥＭＳデバイスの外観構成を示す平面図
【図４】回転回折格子の回転位置が同じで、ミラー面と垂直な方向に回転回折格子の位置を変えた場合の、フォトディテクター（ＰＤ）によって測定される信号の大きさの変化を示す図
【図５】ロックインアンプ検波の説明に供する図
【図６】他の実施の形態による生体成分情報測定装置の全体構成を示す概略図
【図７】より具現化した生体成分情報測定装置の構成を示す斜視図
【図８】実施の形態の回転回折格子のスペクトルを示す図
【図９】光源をパルス駆動したときの光源出力を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態に係る生体成分情報測定装置１００の全体構成を示す概略図である。
【００１３】
生体成分情報測定装置１００は、光源１０１からの光を光学系１０２を介して回転回折格子１１０に入射させる。光源１０１は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、ハロゲンランプ又はキセノンランプによって構成されている。回転回折格子１１０は、図中の矢印ａで示すように回転する。回転回折格子１１０の入射面はミラー面とされており、入射した光を反射する。つまり、回転回折格子１１０は、ミラー面への入射角が変化するように回転する。回転回折格子１１０は、回転角度に応じた波長の光をスリット１０３の方向に反射することにより、入射光を分光する。
【００１４】
回転回折格子１１０によって分光された光は、試料容器１０４に入射する。試料容器１０４は、石英やガラス等の透明な容器であり、内部に測定対象１０５である血液や培養細胞などを収容している。試料容器１０４及びその内部の測定対象１０５を透過した光は、光学系１０６を介してＰＤ１０７に入る。ＰＤ１０７による光電変換により得られた受光信号は、アナログディジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換）１０８を介して演算装置１２０に出力される。演算装置１２０は、解析プログラムを有する、パーソナルコンピュータやスマートフォンなどの装置であり、解析プログラムを実行することにより、受光信号から血液成分などの生体成分情報を求める。なお、生体成分情報測定装置１００の全光学系は、ケース１０９内に収容されている。
【００１５】
図２は、回転回折格子１１０の回折動作の説明に供する図である。なお図２は、光学系１０６を省略して示してある。回転回折格子１１０は、図２Ａに示すような回転位置にあるときに、スリット１０３の方向に入射光のλ１成分を反射することにより、試料容器１０４にλ１成分を入射させる。また、回転回折格子１１０は、図２Ｂに示すような回転位置にあるときに、スリット１０３の方向に入射光のλ２成分を反射することにより、試料容器１０４にλ２成分を入射させる。さらに、図２Ｃに示すような回転位置にあるときに、スリット１０３の方向に入射光のλ３成分を反射することにより、試料容器１０４にλ３成分を入射させる。このように、回転回折格子１１０は、回転角度に応じた波長の光を出射することにより、入射光を分光するようになっている。
【００１６】
本実施の形態では、回転回折格子１１０を用いて分光を行うようにしたことにより、固定型の回折格子を用いる場合と比較して、フォトディテクター（ＰＤ）１０７として、アレイセンサーではなく、単一の受光面からなる受光素子を用いることができるようになる。この結果、構成の簡単なフォトディテクター１０７を用いることができるので、その分だけ低コスト化できる。また、固定型の回折格子を用いる場合と比較して、回折格子とフォトディテクター１０７との間に分光のためのスペースを配する必要がないので、その分だけ装置を小型化できる。
【００１７】
ここで、本実施の形態の回転回折格子１１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の可動部分がミラー面とされ、このミラー面に回折格子が形成されている。すなわち、回転回折格子１１０は、ＭＥＭＳミラーのミラー面にグレーティングが形成されている。
【００１８】
図３は、回転回折格子１１０が設けられたＭＥＭＳデバイス２００の外観構成を示す平面図である。ＭＥＭＳデバイス２００は、駆動回路やアクチュエーターなどから構成される駆動部２０１と、回転回折格子１１０と、固定フレーム２０２、可動フレーム２０３、梁部２０４、２０５と、を有する。駆動部２０１は、回転回折格子１１０を駆動する機能に加えて、固定フレーム２０２を有しており回転回折格子１１０の基台としての役割をもっている。梁部２０４は、２つの梁２０４ａ、２０４ｂから構成されている。この２つの梁２０４ａ、２０４ｂは、可動フレーム２０３の対向する２つの縁部と固定フレーム２０２とを架け渡すように設けられている。これにより、可動フレーム２０３は、梁２０４ａ、２０４ｂによって固定フレーム２０２に懸架された状態となっている。また梁部２０５は、２つの梁２０５ａ、２０５ｂから構成されている。この２つの梁２０５ａ、２０５ｂは、回転回折格子１１０の対向する２つの縁部と可動フレーム２０３とを架け渡すように設けられている。これにより、回転回折格子１１０は、梁２０５ａ、２０５ｂによって可動フレーム２０３に懸架された状態となっている。
【００１９】
回転回折格子１１０は、駆動部２０１によって梁２０４ａ、２０４ｂが駆動されることにより回転する。具体的には、駆動部２０１によって梁２０４ａ、２０４ｂの左右が互い違いに紙面表裏方向に変化されることにより、回転回折格子１１０が所定の角度範囲内で回転駆動される。因みに、回転回折格子１１０は、１〜１００［Ｈｚ］の回転速度で回転駆動される。ただし、回転速度はこれに限らない。回転速度は、演算装置１２０の演算速度などに応じて選定すればよい。回転回折格子１１０を駆動させるための駆動方式としては、圧電方式、静電方式、電磁駆動方式などを用いることができる。
【００２０】
回転回折格子１１０の表面は、ミラー面となっており、さらにミラー面には回折格子１１１が形成されている。回折格子１１１は、梁２０４ａ、２０４ｂの回転軸と平行するように形成されている。本実施の形態の場合、回折格子１１１のピッチは、０．１〜４［μｍ］である。また、回折格子１１１の深さは、０．０１〜４［μｍ］である。これにより、回転回折格子１１０は、回転により、近赤外線を良好に分光できるようになる。近赤外線以外の光を用いて測定を行う場合には、その光に応じて回折格子１１１のピッチ及び又は深さを選択すればよい。
【００２１】
さらに、本実施の形態の場合、図４に示すように、回転回折格子１１０をミラー面と垂直な方向にも駆動するようになっている。なお図４は、試料容器１０４及び光学系１０６を省略して示してある。具体的には、駆動部２０１によって梁２０５ａ、２０５ｂが同時に同じ紙面表裏方向に撓むことにより、回転回折格子１１０がミラー面と垂直な方向に駆動される。例えば、ミラー面と垂直な方向に数１０［ＫＨｚ］で高周波単振動させる。図４Ａ及び図４Ｂは、回転回折格子１１０の回転位置が同じで、ミラー面と垂直な方向に回転回折格子１１０の位置を変えた場合の、ＰＤ１０７によって測定される信号の大きさの変化を示す図である。回転位置が同じでも、ミラー面と垂直な方向の位置を変えると、スリット１０３を通過する光量が変わるので、ＰＤ１０７に入射する光量が図４Ａ、図４Ｂに示すように変化する。これにより、測定信号にチョッパー信号を重畳させることができ、ロックインアンプ検波を行うことでノイズ成分を除去できるようになる。この結果、Ｓ／Ｎが向上した信号を得ることができ、分析精度が向上する。なお、回転回折格子１１０は、梁２０５ａ、２０５ｂが駆動されることにより回転するようにしてもよい。具体的には、梁２０５ａ、２０５ｂが同じ方向にねじれることにより、回転回折格子１１０が所定の角度範囲内で回転駆動される。
【００２２】
図５は、ロックインアンプ検波の説明に供する図である。図５Ａはノイズのない理想的な分光スペクトルを示す。現実の測定信号には、図５Ｂに示すように様々な周波数のノイズが重畳される。図５Ｃは、回転回折格子１１０をミラー面と垂直な方向に周波数ｆ０で高周波単振動させたときの分光スペクトルを示す。図５Ｃのように、測定信号には周波数ｆ０のチョッパー信号が重畳される。図５Ｄはロックインアンプ検波後の測定信号を示す。周波数ｆ０の信号のみを直流信号として取り出すことができる（図５Ｃ中のＡ、Ｂ）。これにより、ｆ０以外の周波数の信号はノイズとして除去される。
【００２３】
このように、本実施の形態では、回転回折格子１１０を回転させることにより測定光を分光するとともに、回転回折格子１１０をミラー面と垂直な方向に高周波単振動させることにより測定信号のＳ／Ｎを改善する。換言すると、回転回折格子１１０を、回転方向と、ミラー面に垂直な方向に、２軸駆動する。
【００２４】
試料容器１０４には、回転回折格子１１０の回転に応じて分光された、λ１成分の光、λ２成分の光、λ３成分の光が順次入射する。順次入射した、λ１成分の光、λ２成分の光、λ３成分の光は、試料容器１０４内の測定対象１０５によって変調された後に試料容器１０４から出射する。因みに、λ１成分の光、λ２成分の光、λ３成分の光は、測定対象１０５を通過することで、成分毎にそれぞれ異なる変調を受ける。よって、各波長成分の変調の受け方を演算装置１２０で分析することで、測定対象１０５の生体成分を分析することができる。
【００２５】
以上の構成によれば、透過型の生体成分情報測定装置に、ＭＥＭＳミラーとこのＭＥＭＳミラーのミラー面に形成された回折格子１１１とを有する回転回折格子１１０を用いたので、分光光学系を小型化でき、その結果、測定精度を低下させずに、装置構成が小型化である透過型の生体成分情報測定装置１００を実現できる。
【００２６】
なお、図１では、ＭＥＭＳミラーとＭＥＭＳミラーのミラー面に形成された回折格子１１１とを有する回転回折格子１１０を、光源１０１から測定対象１０５までの光学経路に配置して、回転回折格子１１０が光源１０１からの光を分光して測定対象１０５に入射させる場合について述べたが、本発明の配置はこれに限らず、例えば図６のような配置を採用することもできる。図６の生体成分情報測定装置３００は、回転回折格子１１０が測定対象１０５から受光素子（ＰＤ）１０７までの光学経路に設けられ、回転回折格子１１０が測定対象１０５からの透過光を分光して受光素子（ＰＤ）１０７に入射させるようになっている。
【００２７】
図１及び図６では、本実施の形態による生体成分情報測定装置の概略を示した。図７は、図１の生体成分情報測定装置１００をさらに具現化した構成を示す。図７は、生体成分情報測定装置１００の斜視図である。
【００２８】
図７の生体成分情報測定装置１００は、ケース１０９内で、仕切板１３１によって、光学系１０２、回転回折格子（回転回折格子ユニット）１１０と、反射ミラー１３２、試料容器１０４、光学系１０６、ＰＤ１０７とが分けられている。
【００２９】
これにより、全光学系を２列に配列できるのでバランスの良い配置を実現できる。また、全光学系を２列にしたことにより、小型化を実現しつつ、回転回折格子１１０から測定対象までの光路長を長くして分光性能を向上させることができるようになる。
【００３０】
光源（光源ユニット）１０１から出射された光は、光学系１０２を介して回転回折格子１１０に入射する。光学系１０２としては、例えばコリメート系が考えられる。回転回折格子１１０によって分光された光は、仕切板１３１の開口１３３を介して反射ミラー１３２に入射する。反射ミラー１３２によって反射された光は、試料容器１０４内を通過した後にスリット１０３及び光学系１０６を介してＰＤ１０７に入射する。なお、図７の場合には、スリット１０３が試料容器１０４からの光の出射側に配置されているが、スリット１０３は図１に示したように試料容器１０４への光の入射側に配置されていてもよい。回路基板１３４にはＡＤ変換回路１０８等の回路が設けられている。また回路基板１３４には演算装置１２０（図１）へと繋がる出力ケーブル１３５が接続されている。
【００３１】
図７の具現化した生体成分情報測定装置１００は、例えば長手方向が１０ｃｍで幅方向が５ｃｍ程度に小型化することができる。
【００３２】
図８は、実施の形態で説明した回転回折格子１１０によって中心波長１．４５μｍのＬＥＤ光を分光したときのスペクトルを計算した結果を示す。図８から、ラインセンサを使用して分光した場合と同様のスペクトルを得ることができることが分かった。因みに、計算条件は、光源１０１−回転回折格子１１０−ＰＤ１０７のなす角度が５０°であり、回折格子１１１のグレーティングピッチが２μｍである。
【００３３】
なお、上述の実施の形態では、回転回折格子１１０をミラー面と垂直な方向に高周波単振動させることにより、測定信号にチョッパー信号を重畳する場合について述べたが、チョッパー信号の重畳のさせ方はこれに限らない。例えば、図９に示すように、光源１０１をパルス駆動することにより、チョッパー信号を重畳してもよい。ここで、パルス駆動される光源１０１の発光周期は、ロックインアンプで用いる周波数に設定すればよい。
【００３４】
また、上述の実施の形態では、測定対象１０５を所定位置に配置する測定対象配置部として試料容器１０４を用いた場合について述べたが、測定対象配置部はこれに限らない。また、測定対象１０５も血液や培養細胞など溶液に限らず、要は光を透過するものであればよい。例えば測定対象１０５は皮膚片などであってもよく、この場合、測定対象配置部はその皮膚片を保持するものである。また、測定対象配置部は、単に測定対象１０５を位置決めする空間であってもよい。
【００３５】
上述の実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、光によって生体成分を分析する生体成分情報測定装置に適用し得る。
【符号の説明】
【００３７】
１００、３００  生体成分情報測定装置
１０１  光源
１０２、１０６  光学系
１０３  スリット
１０４  試料容器
１０５  測定対象
１０７  フォトディテクター（ＰＤ）
１０８  アナログディジタル変換回路（ＡＤ回路）
１０９  ケース
１１０  回転回折格子
１１１  回折格子
１２０  演算装置
１３１  仕切板
１３２  反射ミラー
１３３  開口
１３４  回路基板
２００  ＭＥＭＳデバイス
２０１  駆動部
２０２  固定フレーム
２０３  可動フレーム
２０４、２０５  梁部
２０４ａ、２０４ｂ、２０５ａ、２０５ｂ  梁
【図１】
2016017829.tif 000003
【図２】
2016017829.tif 000004
【図３】
2016017829.tif 000005
【図４】
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【図５】
2016017829.tif 000007
【図６】
2016017829.tif 000008
【図７】
2016017829.tif 000009
【図８】
2016017829.tif 000010
【図９】
2016017829.tif 000011