JP2018175481A - Optical measurement device for eyeball - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、眼球の光計測装置に関する。 The present invention relates to a light measurement device for eyeballs.
特許文献1には、直線偏光の近赤外光を偏光状態変調切り換え器によって偏光状態を周期的に切り換え、血糖測定部位に照射し、その透過光を上記切り換え周波数によって同期検波して透過光中の上記直線偏光成分のみを選択的に検出することにより、生体組織による散乱光成分を分離除去して、準直進光成分の血糖による吸収係数の測定を可能とし、それによって、血糖濃度以外の因子よる血糖測定値のばらつきを低減させた血糖測定を可能とする偏光状態利用散乱光成分分離除去法による血糖測定法が記載されている。
In
特許文献2には、血液中のグルコース濃度を、生体の光に対する散乱係数のグルコース濃度依存性を利用し、プローブ入射光の偏光状態を保存している成分のみを透過光中から選択的に検出することによって、高い精度で測定する血糖測定法が記載されている。
In
ところで、被計測者の眼球の前眼房に光を照射し、前眼房を透過した光を受光することで前眼房内の眼房水に関する光計測を行う場合、偏光の特性を利用した光計測を行うと光学系が複雑になるとともに、光計測装置が高価になる。 By the way, when light is irradiated to the anterior chamber of the eyeball of the person to be measured and the light transmitted through the anterior chamber is received to measure light related to aqueous humor in the anterior chamber, the characteristic of polarization is used. When light measurement is performed, the optical system becomes complicated and the light measurement apparatus becomes expensive.
そこで、本発明では、偏光の特性を利用した場合に比べて、簡素な光学系の眼球の光計測装置を提供することを目的とする。 So, in this invention, it aims at providing the light measurement device of the eyeball of an optical system simpler than the case where the characteristic of polarization is used.
請求項1に記載の発明は、被計測者の眼球に前眼房を横切るように光を出射する光出射手段と、前記前眼房を透過した透過光を受光する受光手段と、前記受光手段により受光された前記透過光の強度に基づいて、前記前眼房の眼房水に含まれる物質の濃度を算出する算出手段とを備える眼球の光計測装置である。
請求項2に記載の発明は、前記光出射手段は、出射する光を生成する光源と、前記光源から前記前眼房に向かう光路に設けられた、偏光を解消する偏光解消素子とを備えることを特徴とする請求項1に記載の眼球の光計測装置である。
請求項3に記載の発明は、前記受光手段は、前記透過光の強度を電気信号に変換する受光素子と、前記透過光が前記受光素子に向かう光路に設けられたピンホールとを備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の眼球の光計測装置である。
請求項4に記載の発明は、前記眼球の角膜で反射される光を受光する他の受光手段を備え、前記算出手段は、前記眼球に照射される光の強度から前記角膜で反射される光の強度を差し引いた強度を前記前眼房に入射する入射光の強度とすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の眼球の光計測装置である。
請求項5に記載の発明は、前記光出射手段が出射する光を予め定められた周波数で変調し、前記透過光の強度を前記周波数により同期検波して計測する計測手段を備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の眼球の光計測装置である。
請求項6に記載の発明は、前記光出射手段が出射する光を分割し、分割された一方の光を前記前眼房に向けて照射させる分割手段と、前記分割手段で分割された他方の光の強度を測定する測定手段と、前記計測手段は、前記測定手段により測定された他方の光の強度を参照して、前記透過光の強度を計測することを特徴とする請求項5に記載の眼球の光計測装置である。
請求項7に記載の発明は、前記光出射手段が出射する光を分割し、分割された一方の光を前記前眼房に向けて照射させる分割手段と、前記分割手段で分割された他方の光の強度を測定する測定手段と、前記測定手段により測定された他方の光の強度に基づいて、前記光出射手段が出射する光の強度を制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の眼球の光計測装置である。
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
The invention according to
請求項1の発明によれば、偏光の特性を利用した場合に比べて、光学系を簡素にできる。
請求項2の発明によれば、偏光解消素子を用いない場合に比べて、計測における偏光の影響が抑制される。
請求項3の発明によれば、ピンホールを用いない場合に比べて、回り込み光の影響が抑制される。
請求項4の発明によれば、角膜で反射される反射光を差し引かない場合に比べて、計測精度が向上する。
請求項5の発明によれば、同期検波を用いない場合に比べて、計測におけるS/N比が改善する。
請求項6の発明によれば、分割した光を参照しない場合に比べて、計測に用いる信号の位相制御が容易になる。
請求項7の発明によれば、分割した光により強度を制御しない場合に比べて、計測される出力信号の変動が抑制される。
According to the first aspect of the present invention, the optical system can be simplified as compared to the case of utilizing the polarization characteristic.
According to the second aspect of the present invention, the influence of polarization in measurement is suppressed as compared to the case where the depolarization element is not used.
According to the third aspect of the invention, the influence of the wraparound light is suppressed as compared to the case where no pinhole is used.
According to the invention of
According to the invention of
According to the sixth aspect of the present invention, phase control of the signal used for measurement is facilitated compared to the case where the divided light is not referred to.
According to the invention of
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、添付図面では、眼球と光路との関係を明らかにするため、眼球を他の部材(後述する光学系など)より大きく記載している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the attached drawings, in order to clarify the relationship between the eyeball and the optical path, the eyeball is described larger than other members (such as an optical system described later).
(眼房水中のグルコース濃度を測定する背景)
まず、眼房水中のグルコース濃度を測定する背景について説明する。
インスリン治療を必要とする1型糖尿病患者、2型糖尿病患者(被計測者)には、自己血糖測定が推奨されている。自己血糖測定では、血糖コントロールを精緻に行うために、家庭などにおいて被計測者自身で自己の血糖値を測定する。
現在流通している自己血糖測定器は、指先などを注射針で穿刺し、微量の血液を採取して、血液中のグルコース濃度を測定する。自己血糖測定は、毎食後や就寝前等での測定が推奨されることが多く、一日に1回から数回行うことが求められる。特に、強化インスリン治療では、さらに多数回の測定が必要とされている。
このため、穿刺式の自己血糖測定器を用いた侵襲式の血糖値測定法は、血液を採取する時(採血時)の痛みによる苦痛から、被計測者の自己血糖測定に対するインセンティブ低下を招きやすい。このため、効率的な糖尿病治療が困難となる場合がある。
(Background to measure glucose concentration in aqueous humor)
First, the background for measuring the glucose concentration in the aqueous humor will be described.
Self-glycemia measurement is recommended for patients with
Currently circulating self-blood glucose measuring devices pierce a finger tip or the like with an injection needle, collect a small amount of blood, and measure the glucose concentration in the blood. Self-blood glucose measurement is often recommended after every meal or before going to bed, and is required to be performed once to several times a day. In particular, in the case of intensified insulin treatment, many more measurements are required.
For this reason, the invasive blood glucose level measuring method using a puncture type autologous blood glucose measuring device is likely to cause a decrease in the incentive for the subject's self blood glucose measurement due to pain due to pain when collecting blood (at the time of blood collection) . For this reason, effective diabetes treatment may be difficult.
そこで、穿刺などの侵襲式の血糖値測定法に代わる、穿刺を必要としない非侵襲式の血糖値測定法の開発が進められている。
非侵襲式の血糖値測定法として、近赤外分光法、光音響分光法、旋光性を利用する方法などが検討されている。なお、これらの方法では、グルコース濃度から血糖値を推測する。
近赤外分光法や光音響分光法は、指の血管内の血液における光吸収スペクトルや音響振動を検出する。しかし、血液中には赤血球、白血球などの細胞物質が存在する。このため、光散乱の影響を大きく受ける。さらに、血管内の血液の他に周囲の組織の影響も受ける。よって、これらの方法は、タンパク質、アミノ酸等、莫大な数の物質が関与する信号からグルコース濃度に関する信号を検出することを必要とし、信号の分離が難しい。
Therefore, development of non-invasive blood glucose level measuring methods which do not require puncture is being promoted in place of invasive blood glucose level measuring methods such as puncture.
As non-invasive blood sugar level measurement methods, methods using near infrared spectroscopy, photoacoustic spectroscopy, optical rotatory power, etc. have been studied. In these methods, the blood glucose level is estimated from the glucose concentration.
Near infrared spectroscopy and photoacoustic spectroscopy detect light absorption spectra and acoustic vibrations in blood in the blood vessels of the finger. However, there are cellular substances such as red blood cells and white blood cells in the blood. For this reason, it is greatly affected by light scattering. In addition to blood in blood vessels, it is also affected by surrounding tissues. Thus, these methods require that signals related to glucose concentration be detected from signals involving a large number of substances, such as proteins, amino acids, etc., and the separation of the signals is difficult.
一方、前眼房における眼房水は、血清とほぼ同じ成分であって、タンパク質、グルコース、アスコルビン酸等を含んでいる。しかし、眼房水は、血液と異なり、赤血球、白血球などの細胞物質を含まず、光散乱の影響が小さい。よって、眼房水は、グルコース濃度の光学的な測定に適している。 On the other hand, aqueous humor in the anterior chamber is almost the same component as serum, and contains protein, glucose, ascorbic acid and the like. However, aqueous humor, unlike blood, does not contain cellular substances such as red blood cells and white blood cells, and the effect of light scattering is small. Thus, aqueous humor is suitable for the optical measurement of glucose concentration.
よって、この眼房水から、グルコースなどの物質の濃度を光学的に計測しうる。
なお、眼房水は、グルコースを輸送するための組織液であることから、眼房水のグルコース濃度は、血液中のグルコース濃度と相関すると考えられている。そして、ウサギを用いた測定において、血液から眼房水へのグルコースの輸送にかかる時間(輸送遅延時間)は、10分以内であると報告されている。
以上説明したように、眼房水のグルコース濃度を計測すると、血液中のグルコース濃度が求められる。
Therefore, the concentration of a substance such as glucose can be optically measured from the aqueous humor.
Since the aqueous humor is a tissue fluid for transporting glucose, it is considered that the glucose concentration in aqueous humor correlates with the glucose concentration in blood. And, in the measurement using a rabbit, it is reported that the time taken for the transport of glucose from blood to the aqueous humor (transport delay time) is within 10 minutes.
As described above, when the glucose concentration in the aqueous humor is measured, the glucose concentration in the blood can be determined.
さて、眼房水に含まれるグルコースなどの物質の濃度を光学的に計測する手法において、ビーム状の光(光ビーム)を前眼房に照射する際に設定されうる光路は以下の2つある。
1つは、眼球に対して垂直に近い角度、すなわち前後方向に沿って光を入射させ、角膜と眼房水との界面又は眼房水と水晶体との界面で光を反射させ、反射した光を受光する光路である。もう1つは、眼球に対して平行に近い角度で光を入射させ、前眼房を横切るように透過(通過)した光を受光する光路である(後述する図1を参照)。
Now, in the method of optically measuring the concentration of a substance such as glucose contained in the aqueous humor, there are the following two optical paths that can be set when irradiating a beam-like light (light beam) to the anterior chamber .
One is that light is incident at an angle close to perpendicular to the eye, that is, along the anteroposterior direction, and light is reflected at the interface between the cornea and the aqueous humor or at the interface between the aqueous humor and the lens Light path to receive light. The other is an optical path which causes light to be incident at an angle close to parallel to the eyeball and receives light transmitted (passed) across the anterior chamber (see FIG. 1 described later).
前者の光路、すなわち、眼球に対して垂直に近い角度で光を入射させる光路は、網膜など意図しない部位に光が達するおそれがある。特に、光源にコヒーレント性が高く、エネルギ密度が高いレーザを用いる場合、網膜に光が直接照射されると、光が照射される時間の長さによっては網膜に悪影響を与える可能性がある。 In the former light path, that is, the light path in which light is incident at an angle close to perpendicular to the eye, light may reach an unintended site such as the retina. In particular, when using a laser with high coherence and high energy density for the light source, direct irradiation of the retina with light may adversely affect the retina depending on the length of time the light is irradiated.
これに対し、後者の光路、すなわち、眼球に対して平行に近い角度で光を入射させ、前眼房を横切るように透過させる光路では、本来的に光が網膜など眼球内の意図しない部位に光が直接到達することが抑制される。
そして、前眼房を透過した透過光の強度の変化や、前眼房に含まれる物質による光学的な作用は、光路長に依存するため光路長が長いほど大きい。よって、前眼房を横切るように光を透過させると、光路長が長く設定されてよい。
On the other hand, in the latter light path, that is, the light path in which light is made incident at an angle close to parallel to the eye and transmitted so as to cross the anterior chamber, light is inherently transmitted to unintended parts of the eye such as the retina. Direct arrival of light is suppressed.
The change in the intensity of the transmitted light transmitted through the anterior chamber and the optical action of the substance contained in the anterior chamber depend on the optical path length, and the larger the optical path length, the larger the change. Therefore, when light is transmitted across the anterior chamber, the optical path length may be set long.
以上のことから、ここでは、前眼房を横切るように光を透過させる光路を採用している。
眼房水中のグルコースの濃度は、以下に説明するように、前眼房を透過した透過光の強度から計測する。
以下では、眼房水中のグルコースの濃度の計測を例にして説明するが、ここで説明する眼球の光計測装置は、眼房水中の蛋白(総蛋白)などの濃度の測定にも適用しうる。
ここでは、グルコースや総蛋白など、眼球の眼房水に含まれる物質の濃度を光学的に計測することを眼球の光計測又は光計測と表記する。
From the above, in this case, an optical path for transmitting light so as to cross the anterior chamber is adopted.
The concentration of glucose in the aqueous humor is measured from the intensity of the transmitted light transmitted through the anterior chamber, as described below.
In the following, measurement of the concentration of glucose in aqueous humor will be described as an example, but the light measurement device for eyeball described here can be applied to measurement of concentration of protein (total protein) in aqueous humor .
Here, optically measuring the concentration of a substance contained in the aqueous humor of the eye such as glucose and total protein is referred to as light measurement or light measurement of the eye.
[第1の実施の形態]
図1は、第1の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1の構成の一例を示す図である。図1には、上側から見た眼球10(上下方向における断面図)を合わせて示している。なお、眼球10は、左目である。そして、顔の内側(鼻側)と外側(耳側)とを示す内外方向、顔の前側と後側と示す前後方向、顔の上側と下側とを示す上下方向を矢印などで示している。
また、図1では、光(入射光31など)の符号に付した[ ]内に光の強度(I0など)を表記している。光の強度とは、単位時間当たりの放射エネルギをいう。
First Embodiment
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of the
Further, in FIG. 1, the light intensity (such as I 0 ) is indicated in [] attached to the sign of the light (incident light 31 or the like). The light intensity refers to radiant energy per unit time.
この眼球の光計測装置1(以下では、光計測装置1と表記することがある。)は、光学系20、算出部40及び制御部50を備える。
光学系20は、被計測者(被験者)の眼球(被検眼)10における前眼房13に向けて光を出射(照射)するとともに、前眼房13を横切るように透過した光を受光する。
算出部40は、光学系20に接続されて、眼房水に含まれる物質の濃度を算出する。
制御部50は、光学系20及び算出部40を制御する。
算出部40は、算出手段の一例、制御部50は、制御手段の一例である。
The
The
The
The
The
光計測装置1は、前眼房13(眼房水)を透過した透過光の強度から、眼房水に含まれる物質の濃度を計測する。
The
まず、眼球10の構造について説明をする。
図1に示すように、眼球10は、ほぼ球体であって、中央にガラス体11がある。なお、図1では、眼球10の後側半分の記載を省略している。そして、レンズの役割をする水晶体12が、ガラス体11の一部に埋め込まれている。水晶体12の前側には、前眼房13があり、さらにその前側に前眼房13を覆うように角膜14がある。前眼房13及び角膜14は、球体から凸状に飛び出している。
水晶体12の周辺部は虹彩17に囲まれ、その中心が瞳孔15である。水晶体12に接する部分を除いて、ガラス体11は、網膜16で覆われている。そして、網膜16は、強膜18で覆われている。すなわち、眼球10は、外側が角膜14及び強膜18で覆われている。
First, the structure of the
As shown in FIG. 1, the
The periphery of the
前眼房13は、角膜14と水晶体12とで囲まれた領域である。この前眼房13は、正面から見た形状が円形である。そして、前眼房13は、眼房水で満たされている。
The
次に、光学系20について説明する。
図1に示す光学系20は、眼球10の前眼房13に向けて光を照射する発光部20Aと、前眼房13を透過した光(透過光)を受光する受光部20Bとを備える。
Next, the
The
発光部20Aは、光源21を備える。光源21は、眼球10の前眼房13に向けて出射する光を生成する。光源21が出射する光は、眼球10の前眼房13に入射する入射光31である。
光源21は、レーザのような波長幅が狭い光源である。なお、光源21は、発光ダイオード(LED)やランプのような波長幅が広い光源であってもよい。また、光源21は、互いに異なる波長の光を出射するように、レーザやLED、ランプを複数備えていてもよい。
The
The
受光部20Bは、受光素子27を備える。受光素子27は、例えば、シリコンフォトダイオードなどである。受光素子27は、眼球10の前眼房13を透過した透過光32の強度を電気信号に変換する。
発光部20Aは、光出射手段の一例、受光部20Bは、受光手段の一例である。
The
The
発光部20Aの光源21は、図1に示すように、眼球10の前眼房13に向けて照射され、前眼房13に入射する入射光31を出射する。入射光31は、光源21側の角膜14の表面の一部から入射して、前眼房13を横切るように進む。そして、受光部20B側の角膜14の表面の一部から透過光32となって出射し、受光部20Bの受光素子27に入射する。つまり、光源21は、眼球10の前眼房13の一部を通過するような、前眼房13に比べて径の小さいビーム状の光(光ビーム)を出射する。
なお、光源21は、制御部50からの光源制御信号により、出射する光の波長、出射する光の強度、光の出射/停止などが制御される。
As shown in FIG. 1, the
The
ここでは、入射光31は、光源21が出射する光であり、眼球10の前眼房13に向けて照射される光である。
眼球10の前眼房13に入射する入射光31は、強度I0、前眼房13を透過した透過光32は、強度Itである。
Here, the
The
算出部40は、CPU(中央演算処理装置)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、ROM(読み出し専用メモリ)、HDD(ハードディスクドライブ)、I/Oポート(入出力ポート)などを備えたコンピュータとして構成され、ソフトウェアにより動作するものであってもよい。また、算出部40は、アナログ電子回路などのハードウェアで構成されていてもよい。そして、算出部40は、受光部20Bの受光素子27から電気信号を受信して処理し、眼房水に含まれる物質の濃度を算出する。
The
制御部50は、算出部40と同様に、CPU、RAM、ROM、HDD、I/Oポート(入出力ポート)などを備えたコンピュータとして構成され、ソフトウェアにより動作するものであってもよい。また、制御部50は、アナログ電子回路などのハードウェアで構成されたものでもよい。そして、制御部50は、後述するように、光学系20、算出部40を制御する。
なお、算出部40と制御部50とを分けることなく、一体として構成してもよい。
Similar to the
The
(溶液における溶質の濃度と透過光の強度との関係)
図2は、溶液中における溶質の濃度と透過光の強度との関係を模式的に示す図である。
ここでは、溶液に入射する入射光(図1の入射光31に対応)を強度I0とし、溶液を透過した透過光(図1の透過光32に対応)を強度Itとする。そして、横軸は、溶質の濃度(%)、縦軸は、10×log(It/I0)である。
溶液に含まれる溶質の濃度が高くなると、10×log(It/I0)は低下する。
この関係は、ランバート・ベール則(後述する式(3)の右辺参照)としてよく知られている。ランバート・ベール則は、透過光の強度Itが溶質の濃度が高くなると低下する要因を、溶液中の溶質による吸収又は散乱によって説明する式である。
(Relationship between concentration of solute in solution and intensity of transmitted light)
FIG. 2 is a view schematically showing the relationship between the concentration of the solute in the solution and the intensity of the transmitted light.
Here, incident light (corresponding to incident light 31 in FIG. 1) incident on the solution has intensity I 0, and transmitted light (corresponding to transmitted light 32 in FIG. 1) transmitted through the solution is intensity I t . The horizontal axis is the concentration (%) of the solute, and the vertical axis is 10 × log (I t / I 0 ).
As the concentration of the solute contained in the solution increases, 10 × log (I t / I 0 ) decreases.
This relationship is well known as the Lambert-Beil rule (see the right side of equation (3) described later). Lambert-Beer law, the factors intensity I t of the transmitted light is reduced and the concentration of the solute increases, an equation describing the absorption or scattering by the solute in the solution.
しかし、指の血管内など、皮膚の下(皮下)の血管に流れる血液を計測対象とする場合、溶質である血漿の濃度は、7%前後である。そして、血液中には赤血球、白血球などの細胞物質が存在するため、光散乱の影響を大きく受ける。さらに、血管内の血液の他に皮膚などの周囲の組織の影響も受ける。これらにより、回り込み光が重畳し、7%前後において、αで示すような溶質の濃度に対する変化が得られにくく、βで示すように溶質の濃度に対してほとんど変化しないことが分かっている。
すなわち、皮膚の下(皮下)の血管に流れる血漿を対象にした場合には、グルコースなどの濃度は、透過光の強度Itからは求めづらい。
However, when blood flowing into blood vessels under the skin (subcutaneously) such as in blood vessels of a finger is to be measured, the concentration of plasma which is a solute is around 7%. And, since there are cellular substances such as red blood cells and white blood cells in the blood, they are greatly affected by light scattering. In addition to blood in blood vessels, it is also affected by surrounding tissue such as skin. From these, it is known that the wraparound light is superimposed, and it is difficult to obtain a change to the concentration of the solute as indicated by α at around 7%, and hardly changes to the concentration of the solute as indicated by β.
That is, when the target plasma flowing through the blood vessels under the skin (subcutaneous), the concentration of such glucose difficult determined from the intensity I t of the transmitted light.
これに対し、眼房水では、溶質(眼房水に含まれる物質)の濃度は、0.03%近傍である。よって、図2から分かるように、この濃度の近傍では、10×log(It/I0)が溶質(眼房水に含まれる物質)の濃度によって変化しうる。
よって、前眼房13の眼房水を対象とした場合には、グルコースの濃度などの眼房水に含まれる物質の濃度は、透過光32の強度Itの計測によって求められやすい。
なお、It/I0における入射光31の強度I0の計測については、後述する。
On the other hand, in the aqueous humor, the concentration of the solute (a substance contained in the aqueous humor) is around 0.03%. Therefore, as can be seen from FIG. 2, in the vicinity of this concentration, 10 × log (I t / I 0 ) may change depending on the concentration of the solute (a substance contained in the aqueous humor).
Therefore, when intended for aqueous humor of the
The measurement of the intensity I 0 of the incident light 31 at I t / I 0 will be described later.
(眼房水に含まれる物質の濃度を算出する方法)
前眼房13に入射する入射光31の強度I0と、前眼房13を透過した透過光32の強度Itとは、式(1)で表されることが知られている。ここで、Kは、浮遊粒子のサイズ、波長に依存した定数、dは、光が透過する長さ(サンプル長)、Cpは、浮遊粒子の濃度(%)、npは、浮遊粒子の屈折率、ngは、グルコース溶液の屈折率である。なお、眼房水に含まれる浮遊粒子は、主に蛋白(総蛋白)である。
式(1)は、拡張ランバート・ベール則と呼ばれる。
(Method to calculate the concentration of substances contained in aqueous humor)
It is known that the intensity I 0 of the incident light 31 incident on the
Equation (1) is called the extended Lambert-Beil rule.
なお、式(2)に示すように、式(1)の{ }内の一部を、散乱係数μ(%−1・cm−1)に置き換えると、式(1)は、式(3)に示すように、ランバート・ベール則になる。 In addition, as shown in the equation (2), when a part of {} in the equation (1) is replaced with the scattering coefficient μ (% −1 · cm −1 ), the equation (1) can be expressed by the equation (3) As shown in, it becomes Lambert-Bale law.
また、グルコース溶液の屈折率ngは、グルコースの濃度Cgと式(4)に示す関係にあることが知られている。 The refractive index n g of glucose solution, it is known that a relationship shown in the concentration C g and expressions glucose (4).
よって、定数K、サンプル長d、浮遊粒子の濃度Cp及び浮遊粒子の屈折率npが既知の固定値(変化しない値)であれば、入射光31の強度I0に対する透過光32の強度Itの比(It/I0)を計測することで、式(1)により散乱係数μが求められる。そして、式(2)により、散乱係数μからグルコース溶液の屈折率ngが求められる。さらに、式(3)により、グルコース溶液の屈折率ngから、グルコースの濃度Cgが求められる。
すなわち、1型糖尿病患者、2型糖尿病患者など、グルコースの濃度Cgの変化が浮遊粒子の濃度Cpの変化に比べて大きい場合には、前眼房13の眼房水は、グルコースの濃度Cgが変化するグルコース溶液であると仮定しうる。よって、前眼房13の眼房水により、グルコースの濃度Cgが計測される。このとき、浮遊粒子の濃度Cp及び浮遊粒子の屈折率npは、固定値(変化しない値)であるとみなせる。
Therefore, if the constant K, the sample length d, the concentration C p of the suspended particles, and the refractive index n p of the suspended particles are known fixed values (values that do not change), the intensity of the transmitted light 32 relative to the intensity I 0 of the
That is, when the change in glucose concentration C g is larger than the change in suspended particle concentration C p , such as in
また、定数K、サンプル長d、浮遊粒子の屈折率np及びグルコースの濃度Cgが既知の固定値(変化しない値)であれば、入射光31の強度I0に対する透過光32の強度Itの比(It/I0)を計測することで、式(3)によりグルコースの濃度Cgからグルコース溶液の屈折率ngが求められ、式(1)により、散乱係数μからグルコースの屈折率ngが求められる。さらに、式(3)により、浮遊粒子の濃度Cpが求められる。浮遊粒子は、前述したように、総蛋白である。
すなわち、グルコースの濃度Cgの変化に比べて浮遊粒子(例えば総蛋白)の濃度Cpの変化が大きい病気の患者に対しては、前眼房13の眼房水により、浮遊粒子(例えば総蛋白)の濃度Cpが計測される。このとき、浮遊粒子の濃度Cp及び浮遊粒子の屈折率npは、変化しない値であるとみなせる。このとき、グルコースの濃度Cgは、固定値(変化しない値)であるとみなせる。
If the constant K, the sample length d, the refractive index n p of suspended particles, and the concentration C g of glucose are known fixed values (values that do not change), the intensity I of the transmitted light 32 relative to the intensity I 0 of the
That is, for the concentration C p ill patients a large change in the suspended particles as compared to changes in the concentration C g glucose (e.g. total protein), the aqueous humor of the
入射光31の強度I0と透過光32の強度Itとの比(It/I0)を計測することにより、式(1)を用いて、グルコースの濃度Cgや浮遊粒子(総蛋白)の濃度Cpが求められる。
By measuring the ratio (I t / I 0 ) of the intensity I 0 of the incident light 31 to the intensity I t of the transmitted
以上説明したように、前眼房13の眼房水を対象にすることにより、入射光31の強度I0に対する透過光32の強度Itの比(It/I0)を計測することにより、眼房水に含まれる物質の濃度が算出される。この場合、光源21と受光素子27とを用いて、前眼房13に入射する入射光31の強度I0と、前眼房13を透過した透過光32の強度Itとを計測すればよい。
As described above, by targeting the aqueous humor of the
つまり、図1に示すように、光源21と受光素子27とを、入射光31から透過光32に至る光路が眼球10の前眼房13を横切って透過するように対向させる。そして、眼球10をこの光路に挿入しない状態において、光源21から出射される光の強度(入射光31の強度I0となる)を受光素子27により計測する。次に、光路に眼球10の前眼房13を挿入して、前眼房13の眼房水を透過した透過光32の強度Itを受光素子27により計測する。
なお、上記の入射光31の強度I0の計測と透過光32の強度Itの計測との順序を逆にしてもよい。
That is, as shown in FIG. 1, the
The order of the measurement of the intensity I 0 of the
なお、入射光31の強度I0の変化の程度が無視しうる場合であって、計測ごとの相対値を求める場合には、入射光31の強度I0を計測することを要しない。この場合であって、後述する校正計測を行う場合には、入射光31の強度I0を計測することなく、透過光32の強度Itのみを求めてもよい。
ただし、入射光31の強度I0が計測ごとに変動する場合には、計測ごとに入射光31の強度I0を計測し、入射光31の強度I0に対する透過光32の強度Itの比(It/I0)によって、グルコースの濃度などの眼房水に含まれる物質の濃度を求めればよい。
In the case where the degree of change in the intensity I 0 of the incident light 31 can be ignored, and it is not necessary to measure the intensity I 0 of the
However, when the intensity I 0 of
第1の実施の形態における光計測装置1では、光の強度を計測するので、偏波を用いて計測する場合に使用する偏光子、検光子などの光学素子を必要としない。すなわち、光計測装置1を構成する光学系が簡素になる。また、光計測装置1は、偏波を用いて計測する場合における偏波に関連する複雑な光学系の調整を要しない。
In the
なお、グルコースの濃度Cgを算出する場合に、既知の固定値(変化しない値)とした定数K、サンプル長d、浮遊粒子の濃度Cp及び浮遊粒子の屈折率npは、被計測者間で差(個人差)がある。このため、初回の計測の際に校正計測を行って設定すればよい。また、定期的に校正計測を実施して、校正計測毎に数値の変更(書き換え)を行ってもよい。
また、浮遊粒子(総蛋白)の濃度Cpを算出する場合に、既知の固定値(変化しない値)とした定数K、サンプル長d、浮遊粒子の屈折率np及びグルコースの濃度Cgについても同様である。
When the concentration C g of glucose is calculated, the constant K, sample length d, concentration C p of suspended particles, and refractive index n p of suspended particles, which are known fixed values (values that do not change), are There are differences (individual differences). Therefore, calibration measurement may be performed and set at the time of the first measurement. Also, calibration measurement may be performed periodically to change (rewrite) a numerical value for each calibration measurement.
Also, when calculating the concentration C p of suspended particles (total protein), a known fixed value (no change value) and the constant K, the sample length d, the concentration C g in the refractive index n p and glucose suspended particulate The same is true.
校正計測は、例えばグルコースの濃度Cgを算出する場合、光計測装置1により計測された眼房水中のグルコースの濃度Cgと、血液を採取することにより計測された血液中のグルコースの濃度とを対比することで行える。
なお、血液を採取することにより計測された血液中のグルコースの濃度が分かることで、光計測装置1により計測される眼房水中のグルコースの濃度Cgは、絶対値でなくともよく、相対値であればよい。血液を採取することにより計測された血液中のグルコースの濃度により、この相対値を校正すればよい。
Calibration measurement, for example, when calculating the concentration C g glucose, and the concentration C g of glucose aqueous humor which is measured by the
Incidentally, the blood that can be seen the concentration of glucose in the measured blood by taking the concentration C g in the aqueous humor of glucose measured by the
[第2の実施の形態]
図3は、第2の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1の構成の一例を示す図である。
光計測装置1は、図1に示した第1の実施の形態が適用される光計測装置1の光学系20における受光素子27と算出部40との間に、ロックインアンプ60をさらに備える。そして、ロックインアンプ60は、制御部50と接続されている。
ロックインアンプ60は、計測手段の一例である。
図1に示した第1の実施の形態と同様の部分は、同じ符号を付して説明を省略する。
Second Embodiment
FIG. 3 is a view showing an example of the configuration of the
The
The lock-in
The same parts as those of the first embodiment shown in FIG.
制御部50は、光学系20における発光部20Aの光源21の制御において、光源制御信号に加えて、予め定められた周波数の変調信号を送信する。つまり、光源21から出射される光(入射光31)の強度を、変調信号に基づいて変動させる。そして、制御部50は、ロックインアンプ60に変調信号と同じ周波数による参照信号(方形波)を送信する。
これにより、ロックインアンプ60は、参照信号に同期させて、光学系20の受光素子27からの電気信号から、透過光32の強度Itに関する信号を取り出す。すなわち、ロックインアンプ60は、同期検波により、透過光32の強度Itを計測する。
The
Thus, the lock-in
このようにすることで、信号対雑音比(S/N比)が向上する。
つまり、受光素子27には、透過光32以外に、周囲から回り込んでくる不要な光(雑音)が入射する。しかし、ロックインアンプ60を用いることにより、透過光32の強度Itに関する信号が、受光素子27に入射する不要な光(雑音)に埋もれていても、透過光32の強度Itが計測される。
なお、入射光31の強度I0を計測する場合も同様にすればよい。
By doing this, the signal to noise ratio (S / N ratio) is improved.
That is, in addition to the transmitted
The same may be applied to the case of measuring the intensity I 0 of the
[第3の実施の形態]
図4は、第3の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1の構成の一例を示す図である。
光計測装置1は、図3に示した第2の実施の形態が適用される光計測装置1の光学系20における受光部20Bにピンホール28を備える。第2の実施の形態と同様の部分は、同じ符号を付して説明を省略する。
Third Embodiment
FIG. 4 is a view showing an example of the configuration of the
The
ピンホール28は、中心に光が通過する穴(ピンホール)が設けられた光学部品である。そして、ピンホール28は、受光素子27に近づけて設けられるとともに、ピンホール28の中心の穴(ピンホール)を、透過光32が通過するように設定されている。つまり、ピンホール28は、透過光32が受光素子27に向かう光路に設けられている。
The
このようにすることで、受光素子27の周囲から回り込む不要な光(雑音)が受光素子27に入射することが抑制される。よって、眼房水に含まれる物質の濃度の計測精度が向上する。
なお、入射光31の強度I0を計測する場合も同様にすればよい。
By doing this, it is possible to suppress the incidence of unnecessary light (noise) entering the
The same may be applied to the case of measuring the intensity I 0 of the
ここでは、図3に示した第2の実施の形態が適用される光計測装置1に、ピンホール28を設けたが、図1に示した第1の実施の形態が適用される光計測装置1に、ピンホール28を設けてもよい。
Here, although the
[第4の実施の形態]
図5は、第4の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1の構成の一例を示す図である。
光計測装置1は、図3に示す第2の実施の形態が適用される光計測装置1の光学系20における発光部20Aに、光源21が出射する出射光33を分割するビームスプリッタ22と、ビームスプリッタ22が分割した参照光34を受光する受光素子23とを備える。受光素子23は、ロックインアンプ60に接続されている。
そして、ピンホール28を備えない。
第3の実施の形態と同様の部分は、同じ符号を付して説明を省略する。
なお、ビームスプリッタ22は、分割手段の一例、受光素子23は、測定手段の一例である。
Fourth Embodiment
FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of the
The
And, the
The same parts as those of the third embodiment are given the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
The
なお、制御部50は、ロックインアンプ60に接続されていなくてもよい。つまり、制御部50は、ロックインアンプ60に参照信号を送信しなくてもよい。
The
ロックインアンプ60では、計測信号と参照信号との位相を合わせることが求められる。このため、第2の実施の形態では、制御部50は、発光部20Aの光源21から出射される光を変調する信号と同じ周波数の参照信号を生成して、ロックインアンプ60に送信した。
これに対して、第4の実施の形態では、受光部20Bの受光素子23は、ビームスプリッタ22で分割された参照光34の強度を測定する。そして、参照光34の強度に対する信号(参照光信号)をロックインアンプ60に送信する。これにより、受光部20Bの受光素子27で計測される信号と参照光信号との間の位相差の発生がより抑制される。
The lock-in
On the other hand, in the fourth embodiment, the
ここでは、発光部20Aの光源21が出射する出射光33を強度Ieとする場合、ビームスプリッタ22は、それぞれが強度Ie/2の二つの光に分割する。分割された一方の光は、前眼房13に向かう入射光31である。入射光31の強度I0は、Ie/2である。分割された他方の光は、参照光34として受光素子23に向かう。そして、受光素子23が受光した参照光34に対する電気信号(参照光信号)は、ロックインアンプ60に入力する。参照光34は、強度Ie/2である。
ここでは、入射光31は、眼球10の前眼房13に入射する光であるとともに、眼球10の前眼房13に照射される光でもある。
Here, when the emitted light 33 emitted from the
Here, the
ビームスプリッタ22は、一つの光を複数(ここでは、二つ)の光に分割するものである。ビームスプリッタ22は、例えば、光学薄膜を介して二つの直角プリズムの斜面同士を接合したキューブ型のビームスプリッタであってもよく、一方の面に、光学薄膜や薄い金属膜を設けたプレート型のハーフミラーであってもよい。ビームスプリッタ22は、偏光依存性が少ないものがよい。
ここでは、ビームスプリッタ22は、出射光33を強度が等しい二つの光に分割するとしたが、強度は等しくなくてもよい。
以上の悦明では、ビームスプリッタ22による吸収を無視している。
The
Here, the
In the above description, the absorption by the
ロックインアンプ60は、二つのPSD(フェーズデテクタ)を備える。一方のPSDは、受光部20Bの受光素子27から、透過光32の強度Itに関する信号が入力される。他方のPSDは、発光部20Aの受光素子23からの参照光信号を90°位相をずらした信号が入力される。そして、二つのPSDの出力を乗算することで、透過光32と参照信号との位相を合わせることを要することなく、透過光32の振幅(強度It)と、透過光32の信号と参照光信号との位相差とが求められる。
なお、入射光31の強度I0を計測する場合も同様にすればよい。
The lock-in
The same may be applied to the case of measuring the intensity I 0 of the
[第5の実施の形態]
図6は、第5の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1の構成の一例を示す図である。
第5の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1は、図5に示した第4の実施の形態が適用される光計測装置1と同様に、光学系20における発光部20Aに光源21が出射する出射光33を二つの光に分割するビームスプリッタ22と、ビームスプリッタ22が分割した他方の光を参照光34として受光する受光素子23とを備える。
なお、受光素子23は、制御部50に接続されている。
図5に示した第4の実施の形態と同様の部分は、同じ符号を付して説明を省略する。
Fifth Embodiment
FIG. 6 is a view showing an example of the configuration of the
Similar to the
The
The same parts as those of the fourth embodiment shown in FIG.
受光素子23は、ビームスプリッタ22で分割された参照光34の強度を測定する。
ここでも、光源21が出射する出射光33を強度Ieとする場合、ビームスプリッタ22は、それぞれが強度Ie/2の二つの光に分割する。分割された一方の光は、前眼房13に向かう入射光31である。入射光31の強度I0は、Ie/2である。分割された他方の光は、参照光34として受光素子23に向かう。そして、受光素子23が受光した参照光34に対する電気信号(参照光信号)は、制御部50に入力する。参照光34は、強度Ie/2である。
The
Also here, when the emitted light 33 emitted from the
制御部50は、光学系20における発光部20Aの光源21の制御において、光源制御信号及び変調信号に加えて、強度調整信号を送信する。強度調整信号は、受光素子23に受光された参照光34の強度Ie/2を計測し、光源21から出射される出射光33の強度Ieの変動が抑制されるように、光源21を制御する。すなわち、制御部50は、受光素子23により計測した参照光34の強度Ie/2を監視し、参照光34の強度Ie/2を参照して、フィードバックにより光源21から出射される出射光33の強度Ieを制御する。
The
このようにして、光源21から出射される出射光33の強度Ieの変動が抑制されることで、前眼房13の眼房水に含まれる物質の濃度の計測精度が向上する。
Thus, the measurement accuracy of the concentration of the substance contained in the aqueous humor of the
[第6実施の形態]
図7は、第6の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1の構成の一例を示す図である。
光計測装置1は、図5に示した第4の実施の形態が適用される光計測装置1の光学系20における発光部20Aに受光素子24をさらに備える。受光素子24は、眼球10の前眼房13に向かう光の内、角膜14で反射された光を受光する位置に設けられている。そして、受光素子24は、算出部40に接続されている。
第4の実施の形態と同様の部分は、同じ符号を付して説明を省略する。
受光素子24は、他の受光手段の一例である。
Sixth Embodiment
FIG. 7 is a view showing an example of the configuration of the
The
The same parts as in the fourth embodiment are assigned the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted.
The light receiving element 24 is an example of another light receiving unit.
これまで説明した実施の形態では、眼球10の前眼房13に向かって進む光(前眼房13に入射する直前の光)を、入射光31とした。しかし、前眼房13の表面の角膜14の表面で反射する光が存在する。このため、前眼房13に実際に入射する光の強度は、眼球10の前眼房13に向かって進む光の強度より弱くなる。
そこで、第6の実施の形態が適用される光計測装置1では、前眼房13の表面の角膜14の表面で反射する光を入射光31から除いている。
In the embodiment described above, the light traveling toward the
Therefore, in the
前述したように、前眼房13及び角膜14は、眼球10の外形である球体から凸状に飛び出している。前眼房13を横切るように光を透過させようとすると、角膜14の表面に斜めに光が入射する。よって、角膜14の表面で反射する光の方向は、予め予測される。これにより、角膜14の表面で反射する反射光を受光する受光素子24を設ける位置を設定しやすい。
As described above, the
ここでも、光源21が出射する出射光33を強度Ieとする場合、ビームスプリッタ22は、それぞれが強度Ie/2の二つの光に分割する。分割された一方の光は、前眼房13に照射される照射光35である。照射光35の強度は、Ie/2である。分割された他方の光は、参照光34として受光素子23に向かう。そして、受光素子23が受光した参照光34に対する電気信号(参照光信号)は、ロックインアンプ60に入力する。参照光34は、強度Ie/2である。
角膜14の表面で反射され、受光素子24が受光する反射光36を強度Irとする。すると、実際に前眼房13に入射する入射光31の強度I0は、(Ie/2−Ir)となる。
よって、算出部40は、入射光31の強度I0を(Ie/2−Ir)として、前眼房13の眼房水に含まれる物質の濃度を算出することで、濃度の計測精度が向上する。
Also here, when the emitted light 33 emitted from the
The reflected light 36 reflected by the surface of the
Therefore, the
なお、受光素子24を設けて、角膜14の表面で反射する光の強度Irを求めて、入射光31の強度I0を補正する方法を、他の実施の形態に適用してもよい。
Note that the method of correcting the intensity I 0 of the
[第7の実施の形態]
図8は、第7の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1の構成の一例を示す図である。
光計測装置1は、図7に示した第6の実施の形態が適用される光計測装置1の光学系20における発光部20Aの光源21とビームスプリッタ22との間に、偏光解消素子25を備える。つまり、偏光解消素子25は、光源21から前眼房13に向かう光路(出射光33の光路)に設けられている。
偏光解消素子25は、光源21が出射する出射光33の偏光状態を解消し、眼球10の前眼房13に偏光が入射することを抑制する。
Seventh Embodiment
FIG. 8 is a view showing an example of the configuration of the
The
The
発光部20Aの光源21からの出射光33が偏光であると、透過光32の強度Itが、角膜14の複屈折や眼房水に含まれる光学活性物質の円偏光吸収性により影響を受けるおそれがある。そこで、偏光解消素子25を設けて、光源21からの出射光33の偏光状態を解消するようにしている。
When the emitted light 33 from the
偏光解消素子25は、例えば、偏光をランダム化して空間的に多様な偏光状態となった疑似ランダム偏光に変換するデポラライザや、光拡散による拡散デポラライザなどである。
なお、偏光解消素子25は、眼球10の前眼房13の表面に偏光が入射することによる影響が抑制されればよく、偏光の解消が不完全であってもよい。
The depolarizing
In the
なお、偏光解消素子25は、他の実施の形態に適用してもよい。なお、ビームスプリッタ22を備えない場合(第1の実施の形態から第3の実施の形態)は、光源21と眼球10の前眼房13との間に、偏光解消素子25を設ければよい。
The
上記では種々の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態を組み合わせて構成してもよい。
また、本開示は上記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。
Although various embodiments have been described above, these embodiments may be combined and configured.
Further, the present disclosure is not limited to the above embodiment at all, and can be implemented in various forms without departing from the scope of the present disclosure.
1…光計測装置、10…眼球、11…ガラス体、12…水晶体、13…前眼房、14…角膜、15…瞳孔、16…網膜、17…虹彩、18…強膜、20…光学系、20A…発光部、20B…受光部、21…光源、22…ビームスプリッタ、23、24、27…受光素子、28…ピンホール、31…入射光、32…透過光、33…出射光、30…算出部、34…参照光、35…照射光、36…反射光、40…算出部、50…制御部、μ…散乱係数、Cg…グルコースの濃度
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記前眼房を透過した透過光を受光する受光手段と、
前記受光手段により受光された前記透過光の強度に基づいて、前記前眼房の眼房水に含まれる物質の濃度を算出する算出手段と
を備える眼球の光計測装置。 A light emitting means for emitting light so as to cross the anterior chamber of the subject's eyeball;
Light receiving means for receiving the transmitted light transmitted through the anterior chamber;
And a calculating unit configured to calculate the concentration of a substance contained in the aqueous humor of the anterior chamber based on the intensity of the transmitted light received by the light receiving unit.
出射する光を生成する光源と、
前記光源から前記前眼房に向かう光路に設けられた、偏光を解消する偏光解消素子と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の眼球の光計測装置。 The light emitting means is
A light source that generates light to be emitted;
The light measurement device for the eye according to claim 1, further comprising: a depolarization element for depolarization provided in an optical path from the light source toward the anterior chamber.
前記透過光の強度を電気信号に変換する受光素子と、
前記透過光が前記受光素子に向かう光路に設けられたピンホールと
を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の眼球の光計測装置。 The light receiving means is
A light receiving element that converts the intensity of the transmitted light into an electrical signal;
The light measurement device for the eye according to claim 1 or 2, further comprising: a pinhole provided in an optical path toward the light receiving element in which the transmitted light is directed.
前記算出手段は、前記眼球に照射される光の強度から前記角膜で反射される光の強度を差し引いた強度を前記前眼房に入射する入射光の強度とすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の眼球の光計測装置。 And other light receiving means for receiving light reflected by the cornea of the eyeball,
The calculation means is characterized in that the intensity obtained by subtracting the intensity of the light reflected by the cornea from the intensity of the light irradiated to the eyeball is the intensity of the incident light entering the anterior chamber. The light measurement device for an eye according to any one of items 1 to 3.
前記透過光の強度を前記周波数により同期検波して計測する計測手段を備える
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の眼球の光計測装置。 The light emitting means modulates the light emitted by the light emitting means at a predetermined frequency,
The light measurement device for the eye according to any one of claims 1 to 4, further comprising a measurement unit that synchronously detects the intensity of the transmitted light according to the frequency and measures the intensity.
前記分割手段で分割された他方の光の強度を測定する測定手段と、
前記計測手段は、前記測定手段により測定された他方の光の強度を参照して、前記透過光の強度を計測することを特徴とする請求項5に記載の眼球の光計測装置。 A dividing unit that divides the light emitted from the light emitting unit and emits one of the divided lights toward the anterior chamber;
Measuring means for measuring the intensity of the other light split by the splitting means;
The apparatus according to claim 5, wherein the measuring unit measures the intensity of the transmitted light with reference to the intensity of the other light measured by the measuring unit.
前記分割手段で分割された他方の光の強度を測定する測定手段と、
前記測定手段により測定された他方の光の強度に基づいて、前記光出射手段が出射する光の強度を制御する制御手段と
を備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の眼球の光計測装置。 A dividing unit that divides the light emitted from the light emitting unit and emits one of the divided lights toward the anterior chamber;
Measuring means for measuring the intensity of the other light split by the splitting means;
The control means for controlling the intensity of the light emitted by the light emitting means based on the intensity of the other light measured by the measuring means is provided, according to any one of claims 1 to 4, The light measurement device of the eyeball as described.
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Cited By (1)
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