(57)【要約】【課題】  本発明が解決しようとする主な課題は、従来実用化されていなかった生体の無侵襲血糖値推定装置を提供することにある。【解決手段】  光ファイバジャイロのループの中に生体やＥＢＣのごとき検体を配置し、検体を透過する左右円偏光の位相差を光ファイバジャイロで測定するシステムにおいて、リングと光源の間に偏光を直交に切り替える装置を配置しループを伝搬するＰＭＦの固有偏光モードをＰ偏光とＳ偏光に切り替えることによって検体へ左右から入射する光の屈折角の違いによる光路差による位相誤差を除去できる方法を提案したことにある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバジャイロ（以下、ＦＯＧという）のリング光路に偏波面保存光ファイバ（以下、ＰＭＦという）を用いたＦＯＧの前記リング光路の中に検体部を配置し前記検体部を両方向に透過する光の位相差を測定する測定系において，前記ＦＯＧのループファイバを伝搬する信号光を前記ＰＭＦの固有偏光モード、すなわちＰ偏光とＳ偏光のいずれかのモードに切り替える直交偏光モード切替え装置を前記ＦＯＧのループと前記ＦＯＧの光源との間に配置し、前記ＦＯＧのループをＰ偏光が伝搬するときのＦＯＧの出力とＳ偏光が伝搬するときのＦＯＧの出力の差を計測することで前記検体部内の検体を両方向に伝搬する光の位相差を計測することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位相差測定装置において、前記検体部の検体が対向するコリメータの間に配置され、検体に両方向から入射するＰ偏光（またはＳ偏光）の偏光面を４５度回転させる光学系（以下、旋光光学系という）を有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の位相差測定装置において、前記検体部の検体が対向するコリメータの間に配置され、検体に両方向から入射するＰ偏光（またはＳ偏光）を右円偏光（または左円偏光）に変換する光学系（以下、偏光変換光学系という）を有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置。
【請求項４】
請求項３項に記載の位相差計測装置において、前記検体部の両端に配置される偏光変換光学系が４５度ファラデー回転素子と４分の１波長板からなることを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の位相差計測装置において、直交偏光モード切替え装置が４５度方位の２分の１波長板を挿抜する方式であることを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の位相差計測装置において、直交偏光切り替え装置の光学系が液晶に所定の電圧を印加して入射偏光を直交する偏光に切り替える方式であることを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置。
【請求項７】
請求項１と請求項３〜６のうちのいずれか１項に記載の位相差計測装置において、検体が空気または純水の場合の直交偏光切り替え時のＦＯＧ出力と、検体が生体やグルコースや呼気凝縮液（以下、ＥＢＣという）などの旋光媒質の場合の直交偏光切り替え時のＦＯＧ出力の合計４個のＦＯＧ出力の演算によって検体の旋光度を測定することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の位相差計測装置において、電気的に所定の周期で直交偏光切り替えを行いその周期と同期したＦＯＧ出力を測定しいわゆるロックインアンプによって検体の偏波モード分散（ＰＭＤという）や旋光度を測定することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置。
【請求項９】
光ファイバジャイロ（以下、ＦＯＧという）の偏波面保存光ファイバ（以下、ＰＭＦという）を用いた前記リング光路の中に検体部を配置し前記検体部を両方向に透過する光の位相差を測定する測定方法において，前記測定方法が、前記ＦＯＧのループファイバを伝搬する信号光を前記ＰＭＦの固有偏光モード、すなわちＰ偏光とＳ偏光のいずれかのモードに切り替える直交偏光モード切替え装置を前記ＦＯＧのループと前記ＦＯＧの光源の間に配置するステップと、前記ＦＯＧのループをＰ偏光が伝搬するときのＦＯＧの出力とＳ偏光が伝搬するときのＦＯＧの出力の差を計測することで前記検体部内の検体を両方向に伝搬する光の位相差を計測するステップを有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の位相差測定方法において、前記検体部の検体を対向するコリメータの間に配置するステップと、検体に両方向から入射するＰ偏光（またはＳ偏光）の偏光面を４５度回転させる光学系（以下、旋光光学系という）を用いるステップとをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の位相差測定方法において、前記検体部の検体が対向するコリメータの間に配置するステップと、検体に両方向から入射するＰ偏光（またはＳ偏光）を右円偏光（または左円偏光）に変換する光学系（以下、偏光変換光学系という）を用いるステップとをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法。
【請求項１２】
請求項１１項に記載の位相差計測方法において、前記検体部の両端に配置される偏光変換光学系に４５度ファラデー回転素子と４分の１波長板を用いるステップをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法。
【請求項１３】
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の位相差計測方法において、直交偏光モード切替え装置に４５度方位の２分の１波長板を挿抜する方式を用いるステップをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法。
【請求項１４】
請求項９〜１１のいずれか１項に記載の位相差計測方法において、直交偏光切り替え装置の光学系に液晶に所定の電圧を印加して入射偏光を直交する偏光に切り替える方式を用いるステップをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法。
【請求項１５】
請求項９と請求項１１〜１４のうちのいずれか１項に記載の位相差計測方法において、検体が空気または純水の場合の直交偏光切り替え時のＦＯＧ出力と、検体が生体やグルコースや呼気凝縮液（ＥＢＣという）などの旋光媒質の場合の直交偏光切り替え時のＦＯＧ出力の合計４個のＦＯＧ出力の演算によって検体の旋光度を測定するステップをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法。
【請求項１６】
請求項９〜１５のいずれか１項に記載の位相差計測方法において、電気的に所定の周期で直交偏光切り替えを行いその周期と同期したＦＯＧ出力を測定しいわゆるロックインアンプによって検体の偏波モード分散（ＰＭＤという）や旋光度を測定するステップをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、光通信用の光ファイバやデバイスの複屈折率、すなわち、偏波モード分散（以下、ＰＭＤという）やブドウ糖のような液体や生体などの旋光物質の旋光度を測定する装置及び測定方法に関する。特に、呼気凝縮液（以下、ＥＢＣという）や生体の間質液に含まれるグルコース、あるいはブドウ糖やフルクトースなどの糖質、また唾液、涙などの液体の旋光度を測定することができ、生体から採血することなしに、被検者の血糖値を高い精度で推定できる旋光度測定装置及び測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  血液中のグルコース濃度の測定方法として実用化されているのは、採血した血液を電気化学的に測定するものである。しかし、この方法は採血に伴ういくつかの問題点がある。すなわち、採血による痛みや、採血針や消毒面の廃棄、採血針や試薬などの消耗品のコストがかかることなどである。このため、これまで非侵襲血糖値推定方法が開発されてきたがまだ実用化されたものはない。【０００３】  発明者はこれまで特許文献１に記載されている複屈折率測定装置で生体や呼気凝縮液（以下、ＥＢＣという）の旋光度を測定することで血糖値を推定する方法を試してきた。この方法は、干渉計のリング光路に対向する非相反光学系を設け、検体をその内部に配置し、検体の旋光特性を計測するものである。しかし、検体が生体の場合には、検体の厚さが１〜２ｍｍなので、被検者が健常者の場合には、生体を透過する光の旋光度は０．００１度以下となるため、非常に高精度な旋光度測定技術が必要になる。一方、検体がセルに入ったＥＢＣの場合には、含まれるグルコースが血漿に含まれるグルコースの約５％であるため、セル長を数１０ｍｍと長くしても、やはり０．００１度以下の測定精度が必要となる。ＥＢＣ中のグルコースと血液中のグルコースの濃度の比率は非特許文献２に詳しい。【０００４】  一般に、研磨したガラスの表面でも光の波長の数１０分の１のオーダーの凹凸があることは衆知のことである。従って、検体がセルに入ったＥＢＣの場合を考えると、前記対向する円偏光変換光学系からセルに光を入射させる場合に、セル内面のガラスとＥＢＣの境界面の不均一性によって、検体を左右に伝搬する右円偏光と左円偏光が前記境界面で屈折するため、左右両周り光の間に光路差が発生し、本来測定したい検体の旋光度と区別がつかない位相差が発生するという問題点があった。検体が生体の場合も生体を把持するガラス板と生体の界面の不均一性によって同種の誤差が生じていた。【０００５】  これをキャンセルする方法として特許文献２に記載された光ファイバジャイロ（以下、ＦＯＧという）のループの中の対向する円偏光変換光学系の両端から入射する左右円偏光の方位を直交に切り替える方法が提案されている。また、特許文献３に記載されたように、あらかじめ純水をセルに入れておき、それにＥＢＣを滴下し、旋光度の時間変化を測定するいわゆるセル内希釈方法が提案されている。【０００６】  しかし、特許文献２に記載の同文献の図３に示されている方法では、検体を左右に伝搬する偏光を左右円偏光に切り替えるための直交偏光切り替え装置がＦＯＧのループの中に２つ（１対）必要であった。この方法は、直交偏光切り替え装置が２台必要であるというコストの問題と、２台の直交偏光切り替え装置の特性が等しくないとＦＯＧの出力が変動するという問題があった。なお、同文献の図３では直交偏光切り替え装置が１台のように見えるが、実際は光の透過点が２か所あるので２台必要である。【０００７】  また、特許文献３に記載のセル内で希釈する方法では、被検者を増やすとＥＢＣに含まれるたんぱく質などの不純物体がセル端面に付着し、正しく旋光度を測定できないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４５５６４６３号公報
【特許文献２】特開２０１５−２２５０３０号公報
【特許文献３】特開２０１５−２２５０２１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】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
【非特許文献２】Ｅｍｍａ  Ｈ．Ｂａｋｅｒ，他“Ｈｙｐｅｒｇｌｙｃｅｍｉａ  ａｎｄ  ｃｙｓｔｉｃ  ｆｉｂｒｏｓｉｓ  ａｌｔｅｒ  ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ  ｆｌｕｉｄ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ  ｅｓｔｉｍａｔｅｄ  ｂｙ  ｂｒｅａｔｈ  ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ”Ｊ  Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓｉｏｌ，２００７  Ｍａｙ；１０２（５），１９６９−７５
【非特許文献３】Ｈａｍｉｌｔｏｎ，Ｍａｒｋ，ＩＩ“Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｉｎｇ  ｔｈｅ  ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ｉｎ  ｅｘｈａｌｅｄ  ｂｒｅａｔｈ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ  ｔｏ  ｂｌｏｏｄ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ”米国Ｐｕｒｄｕｅ大学学位論文、ページ数：９５、出版年：２０１４、学位授与日：２０１４、
【非特許文献４】Ａｒｕｎ  Ｐａｍｉｄｉｐａｎｉ，“Ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ  ａ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ  ｂｅｔｗｅｅｎ  ｔｈｅ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｅｘｈａｌｅｄ  ｂｒｅａｔｈ  ｃｏｎｄｅｎｓａｔｅｓ  ａｎｄ  ｂｌｏｏｄ”米国Ｐｕｒｄｕｅ大学学位論文，２０１０，１１９ｐａｇｅｓ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  本発明が解決しようとする課題は、非常に高精度な旋光計を提供することおよび従来実用化されていなかった、非侵襲血糖値計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  前記課題を解決するためになされた本発明に係る生体や呼気凝縮液（以下、ＥＢＣという）などのＰＭＤや旋光度の測定装置や方法の特徴は、ＦＯＧのリング干渉計の中に生体やＥＢＣの如き検体（以下、試料という）を配置し、試料を透過する左右円偏光の位相差をＦＯＧで測定するシステムにおいてＦＯＧの光源とリング光路の間に直交偏光切り替え装置を配置し、ＦＯＧのリング光路を伝搬するＰＭＦの固有偏光モードを直交する一方又は他方の偏光モードに切り替える方法を考案したことにある。
以下、本発明を詳細に説明する。【００１２】  課題を解決するためになされた本発明の第１の発明（以下、発明１という）は、光ファイバジャイロ（以下、ＦＯＧという）のリング光路に偏波面保存光ファイバ（以下、ＰＭＦという）を用いたＦＯＧの前記リング光路の中に検体部を配置し前記検体部を両方向に透過する光の位相差を測定する測定系において，前記ＦＯＧのループファイバを伝搬する信号光を前記ＰＭＦの固有偏光モード、すなわちＰ偏光とＳ偏光のいずれかのモードに切り替える直交偏光モード切替え装置を前記ＦＯＧのループと前記ＦＯＧの光源との間に配置し、前記ＦＯＧのループをＰ偏光が伝搬するときのＦＯＧの出力とＳ偏光が伝搬するときのＦＯＧの出力の差を計測することで前記検体部内の検体を両方向に伝搬する光の位相差を計測することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置である。【００１３】  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）は、発明１に記載の位相差測定装置において、前記検体部の検体が対向するコリメータの間に配置され、検体に両方向から入射するＰ偏光（またはＳ偏光）の偏光面を４５度回転させる光学系（以下、旋光光学系という）を有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置である。【００１４】  発明１、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）は、発明１、２に記載の位相差測定装置において、前記検体部の検体が対向するコリメータの間に配置され、検体に両方向から入射するＰ偏光（またはＳ偏光）を右円偏光（または左円偏光）に変換する光学系（以下、偏光変換光学系という）を有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置である。【００１５】  発明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）は、発明３に記載の位相差計測装置において、前記検体部の両端に配置される偏光変換光学系が４５度ファラデー回転素子と４分の１波長板からなることを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置である。【００１６】  発明１から発明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）は、発明１〜４のいずれかに記載の位相差計測装置において、直交偏光モード切替え装置が４５度方位の２分の１波長板を挿抜する方式であることを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置である。【００１７】  発明１〜３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）は、発明１〜３のいずれかに記載の位相差計測装置において、直交偏光切り替え装置の光学系が液晶に所定の電圧を印加して入射偏光を直交する偏光に切り替える方式であることを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置である。【００１８】  発明１，３〜６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）は、発明１と請求項３〜６のいずれかに記載の位相差計測装置において、検体が空気または純水の場合の直交偏光切り替え時のＦＯＧ出力と、検体が生体やグルコースや呼気凝縮液（以下、ＥＢＣという）などの旋光媒質の場合の直交偏光切り替え時のＦ���Ｇ出力の合計４個のＦＯＧ出力の演算によって検体の旋光度を測定することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置である。【００１９】  発明１〜７を展開して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）は、発明１〜７のいずれかに記載の位相差計測装置において、電気的に所定の周期で直交偏光切り替えを行いその周期と同期したＦＯＧ出力を測定しいわゆるロックインアンプによって検体の偏波モード分散（ＰＭＤという）や旋光度を測定することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測装置である。【００２０】  課題を解決するためになされた本発明の第９の発明（以下、発明９という）は、ＦＯＧのＰＭＦを用いた前記リング光路の中に検体部を配置し、前記検体部を両方向に透過する光の位相差を測定する測定方法において，前記測定方法が、前記ＦＯＧのループファイバを伝搬する信号光を前記ＰＭＦの固有偏光モード、すなわちＰ偏光とＳ偏光のいずれかのモードに切り替える直交偏光モード切替え装置を前記ＦＯＧのループと前記ＦＯＧの光源の間に配置するステップと、前記ＦＯＧのループをＰ偏光が伝搬するときのＦＯＧの出力とＳ偏光が伝搬するときのＦＯＧの出力の差を計測することで前記検体部内の検体を両方向に伝搬する光の位相差を計測するステップを有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法である。【００２１】  発明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）は、発明９に記載の位相差測定方法において、前記検体部の検体を対向するコリメータの間に配置するステップと、検体に両方向から入射するＰ偏光（またはＳ偏光）の偏光面を４５度回転させる旋光光学系を用いるステップとをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法である。【００２２】  発明９，１０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）は、発明９，１０に記載の位相差測定方法において、前記検体部の検体が対向するコリメータの間に配置するステップと、検体に両方向から入射するＰ偏光（またはＳ偏光）を右円偏光（または左円偏光）に変換する光学系（以下、偏光変換光学系という）を用いるステップとをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法である。【００２３】  発明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）は、発明１１に記載の位相差計測方法において、前記検体部の両端に配置される偏光変換光学系に４５度ファラデー回転素子と４分の１波長板を用いるステップをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法である。【００２４】  発明９〜１２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）は、発明９〜１２のいずれかに記載の位相差計測方法において、直交偏光モード切替え装置に４５度方位の２分の１波長板を挿抜する方式を用いるステップをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法である。【００２５】  発明９〜１１を展開してなされた本発明の例としての第１４の発明（以下、発明��４という）は、発明９〜１１のいずれかに記載の位相差計測方法において、直交偏光切り替え装置の光学系に液晶に所定の電圧を印加して入射偏光を直交する偏光に切り替える方式を用いるステップをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法である。【００２６】  発明９，１１〜１４を展開してなされた本発明の例としての第１５の発明（以下、発明１５という）は、発明９と請求項１１〜１４のいずれかに記載の位相差計測方法において、検体が空気または純水の場合の直交偏光切り替え時のＦＯＧ出力と、検体が生体やグルコースやＥＢＣなどの旋光媒質の場合の直交偏光切り替え時のＦＯＧ出力の合計４個のＦＯＧ出力の演算によって検体の旋光度を測定するステップをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法である。【００２７】  発明９〜１５を展開してなされた本発明の例としての第１６の発明（以下、発明１６という）は、発明９〜１５のいずれかに記載の位相差計測方法において、電気的に所定の周期で直交偏光切り替えを行いその周期と同期したＦＯＧ出力を測定しいわゆるロックインアンプによってＰＭＤや旋光度を測定するステップをさらに有することを特徴とする光ファイバジャイロ方式光干渉型位相差計測方法である。
【発明の効果】
【００２８】  本発明の位相差計測装置と位相差計測方法は、採血しないで旋光度に関係した生体の血糖値を推定できるので、第１に、針による採血に伴う煩わしさや苦痛がないこと、第２に、採血針の廃棄処理が不要で衛生的であること、第３に、採血の時に使用していたグルコースと反応する試薬が不要なので、年間１０万円以上のランニングコストが不要になり、経済的であること、第４に、簡単に測定でき、かつ、血糖値モニターが１日何回でも可能で、糖尿病患者、その予備軍、健常者の健康管理などに使えるなど、大きな効果を発揮するものである。そして、本発明の位相差計測装置、位相差計測方法が一般家庭で使用されれば、現在世界的に増加している糖尿病患者数を減らすことができ、その治療に必要な費用を大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態例としての直交偏光切り替え方式光干渉計の基本構成図である。
【図２】本発明直交偏光切り替え装置によってＦＯＧループを伝搬する偏光モードの説明図である。
【図３】従来の直交偏光切り替え方式の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態例としての円偏光変換光学系の詳細構成図である。
【図５】本発明の実施の形態例としての直交偏光切り替え装置の構成図の一例である。
【図６】セル内面が研磨のみの場合で試料が純水の場合のＦＯＧ出力の時間特性を示す実験データである。
【図７】セル内面が研磨のみの場合の純水をセルに入れ替えた時のＦＯＧ出力のバイアスのばらつきを示す実験データである。
【図８】セル内面が親水コーティングの場合の純水をセルに入れ替えた時のＦＯＧ出力のバイアスのばらつきを示す実験データである。
【図９】セル内面が撥水コーティングの場合の試料が純水の場合のＦＯＧ出力の時間特性を示す実験データである。
【図１０】被検者１のＥＢＣをあらかじめセル入れられた純水に滴下した場合のＦＯＧ出力の時間特性
【図１１】被検者２のＥＢＣをあらかじめセル入れられた純水に滴下した場合のＦＯＧ出力の時間特性
【図１２】被検者３のＥＢＣをあらかじめセル入れられた純水に滴下した場合のＦＯＧ出力の時間特性
【図１３】被検者４のＥＢＣをあらかじめセル入れられた純水に滴下した場合のＦＯＧ出力の時間特性
【図１４】従来法によるＥＢＣの旋光度と簡易血糖計で測定した血糖値の実験的関係
【発明を実施するための形態】
【００３０】  以下、図面を参照して本発明の実施の形態例について説明する。なお、説明に用いる各図は本発明の実施の形態例を理解できる程度に各構成成分の寸法、形状、配置関係などを概略的に示してある。そして本発明の説明の都合上、部分的に拡大率を変えて図示する場合もあり、本発明の実施の形態例の説明に用いる図は、必ずしも実施例などの実物や記述と相似形でない場合もある。また、各図において、同様な構成成分については同一の符号を付けて示し、重複する説明を省略することもある。また、本発明の説明では、位相計測装置の説明で位相計測方法の説明を兼ねる場合があり、その逆のこともある。
【００３１】  図１は本発明の実施の形態例としての直交偏光切り替え方式光干渉計の基本構成図である。すなわち図１は光通信用の光ファイバや光部品の複屈折率およびグルコース、ＥＢＣ等の糖質の液体の旋光度を測定するための直交偏光切り替え方式光干渉計の基本構成図である。
【００３２】  ＳＬＤなどのブロードバンド光源１から出射されたレーザ光は、第１の光ファイバ方向性結合器、すなわち２ｘ２カプラ２−１、光ファイバ型偏光子３、直交偏光切り替え装置４を伝搬し、第２の２ｘ２カプラ２−２によってリング光路を光ファイバ５−１の方向から光ファイバ５−２の方向への時計回りに伝搬する光と光ファイバ５−２の方向から光ファイバ５−１の方向への反時計回りに伝搬する光に分岐される。ここで光源は波長が１５５０ｎｍ帯のＳＬＤを用いた。光ファイバは１５５０ｎｍ帯用ＰＭＦで、カプラは全て１５５０ｎｍ帯用ＰＭＦから構成される。なお第１の方向性結合器２−１は光サーキュレータに置き換えてもよい。ただし、光サーキュレータを用いる場合、アイソレーションの優れた２ステージ型を用いることが好ましい。なお使用するＦＯＧの光源波長は１５５０ｎｍのほかに７８０ｎｍも使用できる。
【００３３】  このように分岐された光は、前記リング光路の第２のカプラの近傍に配置された光位相変調器６を介して変調される。前記分岐された光は、光ファイバ５−１，５−２を含むループ光路の中央近傍に配置された検体部７を両方向に伝搬し、再び前記第２のカプラで合成され、前記直交偏光切り替え装置４、前記偏光子３、前記第１のカプラまたは光サーキュレータ２−１を介して受光器８、信号処理回路９に導かれ、前記リング光路を両方向に伝搬する信号光の位相差を前記位相変調信号１０に同期した信号として抽出される。なお図１で直交偏光切り替え装置４と検体部７がない通常のＦＯＧは非特許文献１に記載されている、いわゆるオープンループ方式位相変調型である。
【００３４】  図２は本発明の直交偏光切り替え装置によってＦＯＧループを伝搬する偏光モードの説明図である。一般のＰＭＦでは直交する固有偏光モードがあり、これらの２つのモード（一般にＰ偏光とＳ偏光と呼ばれる）の特性は等しいので伝送にはどちらを用いてもよい。言い換えれば光干渉計の特性は図２−１のようにＰ偏光を使っても図２−２のようにＳ偏光を使ってもほとんど差はない。図中、矢印は偏光の方向を示す。なお、特許文献１に記載の円偏光変換光学系には対向するコリメータ光学系に偏光子が使われているが、本発明の図１や図２の基本図の検体部には偏光子が使用されていない。その理由は特定方位の偏光子を配置すると、直交する偏光モードのいずれか１つのモードしか伝搬できないからである。
【００３５】  図３は特許文献２に記載されている従来の直交偏光切り替え方式の構成図である。図３からわかるように、直交偏光切り替え装置４−１がループの内部に２台配置（図では１台のように見えるが実際は２カ所に切り替え装置が必要）されている。本発明においては直交偏光切り替え装置は１台でよい。また、図３の光学系では２カ所の切り替え部の性能が等しくないと干渉計の出力が安定しないという問題があった。
【００３６】  図４は本発明の実施の形態例としての円偏光変換光学系の詳細構成図である。図４で左側の光ファイバ５−１から検体部７に入射した直線偏光（Ｐ偏光とする）はファラデー素子１２−１で方位が４５度回転され４分の１波長板１４−１で右回り円偏光（ＲＣＰ）に変換される。同様に、右側の光ファイバ５−２から検体部７に入射したＰ偏光はファラデー素子１２−２と４分の１波長板１４−２によって左回り円偏光（ＬＣＰ）に変換されるように波長板の主軸方位を設定している。符号１３−１，１３−２はマグネットである。
【００３７】  セルを挟んで対向する円偏光変換光学系において、ループ内ＰＭＦ５−１から４分の１波長板１４−１，１４−２を透過した光は２分の１波長板を透過したことと等価であるため、波長板１４−２、その後段のファラデー素子１２−２を透過し、ＰＭＦ５−２に入射する光の偏光はＰＭＦ５−１と同じ偏光モードとなる。すなわち検体部７にＰ偏光（またはＳ偏光）で入射した光はＰ偏光（またはＳ偏光）で出射する。直交偏光切り替え装置でループに入射する偏光をＰ偏光からＳ偏光に切り替えると偏光変換光学系の構成は同じなので今度はＰＭＦ５−１と５−２から入射したＳ偏光はそれぞれ左円偏光（ＬＣＰ）と右円偏光（ＲＣＰ）となる。
【００３８】  ここで重要なことは、Ｐ偏光で入射したときの検体１７の旋光性によるＦＯＧ出力の位相がθの場合には、Ｓ偏光で入射したときの検体１７の旋光性によるＦＯＧ出力の位相はマイナスθとなることである。すなわちＰ偏光入射時のＦＯＧ出力からＳ偏光入射時のＦＯＧ出力を差し引くと２倍のθが測定できることになる。なお、図４に記載の左右両周り光２０−１，２０−２は、セル内面と検体液との境界の状態でミクロにみると屈折角度が異なる。図４ではそれらを誇張して、符号２０−１と２０−２のように図示してある。
【００３９】  図５は本発明の実施の形態例としての直交偏光切り替え装置１８の一例の構成図である。すなわち左右のＰＭＦ５の先端部に配置された対向コリメータの間に４５度方位の２分の１波長板１９−２（１９−１）を配置しそれを挿抜する方式である。あるいは配置した２分の１波長板の方位を４５度方位に回転させてもよい。これは例えば（株）オプトクエストのカートリッジシリーズとして製品化されている。本発明の実施例としての直交偏光切り替え装置のもう一つの実施例としては英国のＰｈｏｅｎｉｘ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社の製品で液晶に所定の電圧をかけて入射偏光の方位を９０度変化させるデバイスがある。これも市販されている。
【００４０】  次に直交偏光切り替え装置を使わない従来の方法、すなわちＰ偏光かＳ偏光かのいずれかを使う場合のＦＯＧ出力特性について説明する。図６はセル内面が研磨のみの場合で試料が純水の場合のＦＯＧ出力の時間特性を示す実験データである。基準値からのずれ、すなわちバイアスは０．０００２度程度であり非常に安定している。
【００４１】  図７はセル内面が研磨のみの場合で純水をセルに入れ替えた時のＦＯＧ出力のバイアスのばらつきを示す実験データである。試料が純水の場合には旋光性がないので純水をセルに入れ替えても本来はＦＯＧ出力は同じ値になるはずである。しかし実際には図７のように１０回の入れ替え実験で最大０．００２度のばらつきがあった。
【００４２】  この原因はガラス製のセル内面と純水の境界面のなじみ方によって境界面で光が屈折し、図４に示す左右両回り光２０−１，２０−２の間に光路差が発生したためではないかと考え、セルに親水コーティングを施して実験を繰り返した。使用した親水コーティングは自動車用に市販されているものを用いた。図８はセル内面が親水コーティングの場合の純水をセルに入れ替えた時のＦＯＧ出力のバイアスのばらつきを示す実験データである。図７と比較すると親水コーティングの効果は非常に大きいことがわかる。すなわち図３と図４に示す旋光度測定装置においてはセル１６の端面と検体の液体１７の界面の状態が位相誤差になることが推測された。
【００４３】  このことをさらに裏付ける目的で今度はセルに撥水コーティングを施した。使用した撥水コーティングは自動車用に市販されているものを用いた。図９はセル内面が撥水コーティングの場合で試料が純水の場合のＦＯＧ出力の時間特性を示す実験データである。図６のセル内面が研磨のみの場合のＦＯＧ出力に比べて変動が非常に大きいことがわかる。以上により、図６から図９までの一連の実験データよりわかることは、セル内面と液体の境界面の状態でＦＯＧ出力がばらつく、すなわち試料を透過する左右両回り光に光路差が発生しＦＯＧ出力が変化するということが明らかになった。
【００４４】  以上の結果を考慮し、以下の実験では特許文献３に記載のいわゆるセル内希釈法、すなわちセルに予め純水を入れておき、同量のＥＢＣを滴下し、その時のＦＯＧ出力の変化から試料の旋光度を測定する実験を行った。図１０から図１２は被検者１から被検者３のＥＢＣを純水に滴下した場合のＦＯＧ出力の時間特性である。図１０と図１２はＥＢＣを滴下後からのデータであるが図１１は滴下後１分から２分の間のデータである。グラフの下方がプラスの旋光（グルコースと同じ）を表す。この場合のセルは親水コーティングを施されている。この場合にはＥＢＣが純水の中で希釈されていることが判る。実験に使用したセルは長さが５０ｍｍなので図１０のデータの測定値であるー０．００１４度はＥＢＣに約１１ｍｇ／ｄＬのグルコースが含まれていることを示す。ここで１００ｍｇ／ｄＬのグルコースを同量の純水に注入して半分の濃度に希釈する場合の位相変化は０．０１２５度となる計算式を用いた。図１０〜図１２の被検者は全員健常者でありデータは同様の傾向を示した。
【００４５】  図１３は被検者４のＥＢＣをあらかじめセルに入れられた純水に滴下した場合のＦＯＧ出力の時間特性である。図１３は図１０〜図１２に比べて変動が非常に大きいことがわかる。発明者の実験では、被検者が増えてくると突如図１３のような不安定なデータになる場合があることがわかった。セルをたんぱく質洗浄液で洗浄するとまた図１０〜図１２のようなデータが得られたことより、発明者は図１３のばらつきの原因はＥＢＣに含まれる不純物がセル端面に付着し左右両回り光の間に光路差を発生させたものと推測した。
【００４６】  図１４は従来法によるＥＢＣの旋光度と簡易血糖計で測定した血糖値の実験的関係である。図１４の破線は非特許文献２に記載のあるＥＢＣと血液中のグルコースの濃度の比が５：１００、すなわち５％のラインである。図１４のデータはＥＢＣの旋光度と血糖値は相関があるがばらつきが大きくこの実験データではＥＢＣの旋光度から血糖値を正確に推測することはできなかった。その原因は、セルに親水コーティングを施しても実験を繰り返すことによってＥＢＣの不純物がセル端面に付着し、セルへの入射光線が屈折するため、左右両回り光に光路差が発生したためと判断できる。
【００４７】  次に本発明の直交偏光切り替え方式によって上記のような入射光線の屈折による光路差の影響が除去できることを理論的に説明する。図２―１に示すように、Ｐ偏光を使用した時のジャイロ出力は次の（１）式で表される。
ΘＰ＝（セルの旋光度による位相φＲ）＋（ジャイロバイアスφＰＢ）＋（セルと液体の界面不均一による光路差による位相差φＥ）・・・（１）
【００４８】  次に図２―２のように、Ｓ偏光に切り替えたときのジャイロ出力は同様に（２）式となる。
ΘＳ＝（セルの旋光度による位相ーφＲ）＋（ジャイロバイアスφＳＢ）＋（セルと液体の界面不均一による光路差による位相差φＥ）・・・（２）
従って、これらを差し引くと（３）式となる。
ΘＰーΘＳ＝２  φＲ＋（φＰＢーφＳＢ）・・・・・（３）
但しφＰＢとφＳＢはそれぞれＰ偏光、Ｓ偏光を使ったときのレンズ他の光学系の左右両回り光の位相差である。
【００４９】  φＰＢとφＳＢは予め液体を入れてないかあるいは純水の時のような旋光性がない試料でジャイロのＰ偏光出力とＳ偏光出力の差に等しいので、あらかじめ測定しておいて（３）式から差し引けば２φＲが求められることになる。
【００５０】  ここで（３）式が導かれる重要な理屈として「セルに垂直に入射した光の屈折角は偏光に依存しない」ということが挙げられる。すなわちセルの左側から右円偏光が入射、右側から左円偏光が入射した時の左右両回り光の光路差は、セルの左側から左円偏光が入射、右側から右円偏光が入射した時と変わらないという理屈に基づいている。
【００５１】  従って、検体が純水（あるいは空間）の時のＦＯＧのループの伝搬光にＰ偏光を使ったときとＳ偏光を使った時のＦＯＧの出力と、検体がグルコースやＥＢＣの場合のＦＯＧのループの伝搬光にＰ偏光を使ったときとＳ偏光を使った時のＦＯＧの出力の合計４個のデータを測定することによって検体の旋光度の２倍に相当する位相差が演算で求められることがわかる。
【００５２】  一般に、ＦＯＧはループを伝搬する両方向の光の位相差を計測する測定装置であり、一方、ＰＭＤや旋光度はその定義によりそれぞれ検体を両方向に伝搬する直交偏光および左右円偏光の位相差であるので、ＦＯＧの位相を計測することでＰＭＤや旋光度が測定できる。上記は検体の旋光度を求める場合の説明であるが、図４の円偏光変換光学系で４分の１波長板を除くことによって検体の複屈折率（ＰＭＤ）の２倍が求められることがわかる。
【００５３】  最後に実験に使用したＥＢＣ採取方法について説明する。発明者は１ｃｍｘ１ｃｍ角のペルティエ素子にストローで息を吹きかけ毎分０．１５ｍＬ（１５０μＬ／分）のＥＢＣを採取した。セルサイズがφ０．５ｍｍ×５０ｍｍの場合の容積は約１０μＬであるので、入射光をレンズ１５−１，１５−２でコリメートするとビームウエストはセル直径φ０．５ｍｍよりかなり小さいので計算上は数呼吸のＥＢＣの採取で旋光度が測定できることになる。このように採取したＥＢＣをセルに液送できれば数呼吸のＥＢＣの採取と、上記直交偏光切り替えによる４個のＦＯＧ出力（旋光度）の測定によって血糖値が推定できることがわかる。このようにしてセル端面とＥＢＣ境界面の状態に依存せず検体の旋光度が測定できるようになった結果、図１４に見られるばらついたデータは少なくなりＥＢＣの旋光度から精度よく血糖値が推定できるようになって。
【００５４】  本発明は以上説明した例に狭く限定されるものではなく、本発明の前記の如き技術思想に則って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】
【００５５】  以上説明したように、本発明によって、これまで実現されていなかった無侵襲の血糖値の推定が可能になる。その結果、糖尿病患者は１日に数回の採血の苦痛と煩わしさから解放される。また、本発明から導かれる血糖値測定器を予防保全的に活用することにより現在世界的に増加している糖尿病患者数を減らすことができ、その治療に必要な費用を大幅に低減することができる。【００５６】  本発明により高精度なＰＭＤ測定装置や旋光度測定装置が実現できる。ＰＭＤは超高速光通信用の光ファイバや部品の評価に適用できる。また、旋光度測定装置は無侵襲の血糖値測定装置に応用でき、医療機器や健康機器などとして広く用いることができ、本発明は介護を含め健康機器分野、医療機器分野などの発展に大きく寄与することができるものである。
【符号の説明】
【００５７】  １：光源（ＳＬＤ，ＡＳＥ）
２−１，２−２：方向性結合器またはサーキュレータ
３：ファイバ型偏光子
４、４−１：直交偏光切り替え装置
５−１，５−２：ループ内ＰＭＦ
６：位相変調器
７：検体部
８：受光素子
９：信号処理回路
１０：位相変調信号
１１−１，１１−２：光ファイバフェルール
１２−１，１２−２：ファラデー素子
１３−１，１３−２：マグネット
１４−１，１４−２：４分の１波長板
１５−１，１５−２：レンズ
１６：セル
１７：検体液
１８：直交偏光切り替え装置
１９−１，１９−２：２分の１波長板
２０−１，２０−２：検体を伝搬する左右両回り光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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