JP7153735B2 - 信号処理回路、測定装置、および信号処理方法 - Google Patents

信号処理回路、測定装置、および信号処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、信号処理回路、測定装置、および信号処理方法に関する。
近年、医療の分野において、赤外線検出器を病気の診断に利用する測定装置が開発されている。例えば、同位体の入った薬物を生体に投与した後、同位体の濃度比の変化を赤外線検出器で測定することにより、生体の代謝率を求めて病気の診断に利用する測定装置などが開発されている。
このような測定装置において、光源からの赤外光の光量を赤外線検出器で検出し、その検出結果を病気の診断に利用するには、赤外線検出器から出力される信号がある程度のＳ／Ｎ比を有する信号である必要がある。赤外線検出器から出力される信号のＳ／Ｎ比を向上させるために、赤外線検出器で検出される光量を強くすることが考えられる。しかし、赤外線検出器で検出される光量を強くするには、測定装置で測定するサンプル量を増やす必要があり被検者に負担を与えることになる。
また、赤外線検出器から出力された信号を信号処理回路で処理することで、信号のＳ／Ｎ比を向上させることが考えられる。信号処理回路として、例えば、特許文献１（特開平４－３５７４２３号公報）や特許文献２（特開２０１６－５０６７号公報）に検出器から出力された信号を増幅する増幅回路を備えた信号処理回路が開示されている。
特開平４－３５７４２３号公報 特開２０１６－５０６７号公報
しかし、特許文献１および特許文献２で開示されている信号処理回路では、増幅回路が基準電圧に対して検出器から出力された信号を増幅しているので、基準電圧に誤差生じた場合、その誤差が検出器から出力された信号に直接影響を及ぼす問題があった。また、特許文献１および特許文献２で開示されている信号処理回路では、基準電圧との差分が検出器から出力された信号のダイナミックレンジとなるので、広いダイナミックレンジの信号を得ることができない問題があった。
本発明は、検出器で得られた信号のＳ／Ｎ比を向上させることが可能で、よりダイナミックレンジの広い信号を得ることができる信号処理回路、測定装置、および信号処理方法を提供することを目的とする。
本発明のある局面によれば、赤外線検出器で検出した光量に基づく信号を処理する信号処理回路であって、赤外線検出器から出力された電流値の信号を電圧値の信号に変換する電流電圧変換回路と、電流電圧変換回路で変換した信号のうち予め定められた周波数成分の信号を通過させるフィルタ回路と、フィルタ回路を通過した通過信号の逆位相信号を生成し、通過信号と逆位相信号とを含む差動信号を出力する差動回路と、差動回路から出力された差動信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換回路と、を備え、アナログデジタル変換回路は、通過信号を前記デジタル信号に変換する分解能よりも、差動信号をデジタル信号に変換する分解能を高くする。
好ましくは、電流電圧変換回路で変換した信号を増幅する増幅回路をさらに備え、増幅回路で増幅した信号をフィルタ回路に入力する。
好ましくは、フィルタ回路と差動回路との間に信号を増幅する増幅回路をさらに備える。
好ましくは、赤外線検出器で検出した光量に基づく信号は、光変調器により正弦波状に強度を変調させた光源からの赤外光の光量を赤外線検出器で検出した信号である。
好ましくは、赤外線検出器は、光起電力素子である。
本発明のある別の局面によれば、互いに同位体の関係にある２種類の成分ガスを含む被測定ガスの成分ガスの濃度比を測定する測定装置であって、被測定ガスを格納するセルと、セルに透過させる赤外光を発する光源と、光源からの赤外光の強度を正弦波状に変調させる光変調器と、セルを透過した赤外光のうち各成分ガスに適した波長を透過させる光学フィルタと、光学フィルタを透過した透過光の光量を検出する赤外線検出器と、赤外線検出器で検出した光量に基づく信号を処理する上記に記載の信号処理回路と、信号処理回路で処理した信号から成分ガスに適した波長の吸光度を求め、成分ガスの濃度比を算出する演算回路とを備える。
好ましくは、被測定ガスに含まれる２種類の成分ガスは、二酸化炭素１３ＣＯ２と二酸化炭素１２ＣＯ２とである。
本発明のさらに別の局面によれば、赤外線検出器から出力された信号を処理する信号処理方法であって、赤外線検出器で電流値として検出された信号を、電圧値の信号に変換するステップと、電圧値に変換した信号のうち予め定められた周波数成分の信号を通過させるステップと、通過した信号の逆位相信号を生成し、通過した信号と逆位相信号とを含む差動信号をアナログデジタル変換回路に出力するステップと、アナログデジタル変換回路で、出力された差動信号をデジタル信号に変換するステップと、を備え、通過した信号をデジタル信号に変換する分解能よりも、差動信号をデジタル信号に変換する分解能を高くする。
本技術に係る信号処理回路によれば、通過信号と逆位相信号とを含む差動信号を出力する差動回路により、検出器で得られた信号のＳ／Ｎ比を向上させることができ、よりダイナミックレンジの広い信号を得ることができる。
本実施の形態に係る測定装置の構成を説明するための概略図である。 本実施の形態に係る信号処理回路の構成を説明するための概略図である。 本実施の形態に係る演算回路の構成を説明するためのブロック図である。 本実施の形態に係る信号処理回路での信号処理を説明するための図である。 本実施の形態に係る信号処理回路での信号処理方法を説明するためのフローチャートである。 本実施の形態に係る信号処理回路で処理された信号の変動量を説明するためのグラフである。 変形例に係る信号処理回路の構成を説明するための概略図である。
以下において、本実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。
（適用例）
本実施の形態に係る測定装置は、同位体の入った薬物を生体に投与した後、同位体の光吸収特性により同位体の濃度比の変化を測定して、生体の代謝率を求めて病気の診断に利用する装置を例に説明する。具体的に、胃潰瘍、胃炎の原因であると言われているヘリコバクタピロリー（ＨＰ）が被検者の胃の中に存在するか否かの診断に利用する測定装置について説明する。
被検者にＨＰが存在するか否かを診断する方法としては、様々な方法が提案されている。本実施の形態に係る測定装置では、ＨＰが持つ強いウレアーゼ活性により尿素を二酸化炭素とアンモニアとに分解する性質を利用して、被検者に投与した同位体１３Ｃでマーキングした尿素が分解されて得られる１３ＣＯ２の濃度比の変化から、ＨＰの有無の診断を行っている。
ここで、炭素には、質量数が１２のものの他、質量数が１３や１４の同位体が存在するが、これらの同位体の中で質量数が１３の同位体１３Ｃは、放射性がなく、安定して存在するため取り扱い易い。そのため、被検者に投与する尿素は、同位体１３Ｃでマーキングされ、被検者の胃の中にＨＰが存在する場合、当該ＨＰにより１３ＣＯ２とアンモニアとに分解される。分解された１３ＣＯ２は、被検者の呼気に含まれて排出されるため、被検者の呼気に含まれる１３ＣＯ２の濃度比を測定することで、ＨＰが被検者の胃の中に存在するか否かの診断が可能となる。
空気中に含まれる１３ＣＯ２と１２ＣＯ２との濃度比は、１：１００である。そのため、本実施の形態に係る測定装置は、１３ＣＯ２と１２ＣＯ２との濃度比を精度よく測定することが求められる。なお、本実施の形態に係る測定装置においては、１３ＣＯ２と１２ＣＯ２との濃度比を求める方法として赤外分光を用いており、一方のセルでの１３ＣＯ２の吸収と、他方のセルでの１２ＣＯ２の吸収とが等しくなる長短２本のセルを備えている。測定装置では、各セルに、それぞれの分析に適した波長の赤外光を当てて、透過光の光量（透過光量）を測定し、空気中の濃度比に対して被検者の呼気に含まれる濃度比の変化を求めている。なお、１３ＣＯ２と１２ＣＯ２との濃度比を求める方法については、特公昭６１－４２２１９号公報や、特公昭６１－４２２２０号公報などに開示されている。
本実施の形態に係る測定装置では、１３ＣＯ２と１２ＣＯ２との濃度比を精度よく測定するために、セルを透過し検出器で検出した透過光量に基づく信号を処理する信号処理回路を設けて、信号のＳ／Ｎ比を向上させ、よりダイナミックレンジの広い信号としている。
以下、同位体１３Ｃでマーキングしたウレア診断薬を被検者に投与した後、呼気中の１３ＣＯ２の濃度比を分光測定する場合について、図面を参照しながら詳細に説明する。まず、ウレア診断薬を投与する前の被検者の呼気をベースガスとして呼気バッグに採集する。その後、被検者にウレア診断薬を経口投与し、約２０分後、被検者の呼気をサンプルガスとして呼気バッグに採集する。
サンプルガスの呼気バッグと、ベースガスの呼気バッグとをそれぞれ測定装置の所定のノズルにセットし、１３ＣＯ２と１２ＣＯ２との濃度比を測定する。なお、ベースガスおよびサンプルガスが測定装置の被測定ガスである。
（測定装置の構成）
図１は、本実施の形態に係る測定装置１００の構成を説明するための概略図である。測定装置１００では、ベースガスの呼気バッグＢとサンプルガスの呼気バッグＳとを、それぞれノズルＮ１，Ｎ２にセットする。ノズルＮ１は、パイプ（例えば、金属パイプ）を通してフィルタＦ１およびバルブ（例えば、電磁バルブ）Ｖ２につながっている。なお、フィルタＦ１は、呼気バッグＢに含まれるベースガス以外の異物を除去するためのフィルタである。ノズルＮ２は、パイプを通してフィルタＦ２およびバルブＶ３につながっている。バルブＶ２およびバルブＶ３は、１本のパイプを通してガス注入器２１につながっている。なお、フィルタＦ２は、呼気バッグＳに含まれるサンプルガス以外の異物を除去するためのフィルタである。
ガス注入器２１につながるパイプには、バルブＶ１，Ｖ４，Ｖ５がそれぞれつながっている。バルブＶ１は、パイプを通してフィルタＦ５、およびリファレンスガス供給部３０につながっている。リファレンスガス供給部３０には、例えばソーダライム（水酸化ナトリウムと水酸化カルシウムとを混合したもの）を炭酸ガス吸収剤として用いる炭酸ガス吸収部を含んでいる。そのため、リファレンスガス供給部３０は、外部から取り込んだ空気から二酸化炭素を吸収したリファレンスガスをガス注入器２１に供給することができる。なお、フィルタＦ５は、ガス注入器２１に供給するリファレンスガスから異物を取り除く防塵フィルタである。
バルブＶ４は、パイプを通してフィルタＦ４、およびセル１１につながっている。バルブＶ５は、パイプを通してフィルタＦ３につながっている。フィルタＦ３は、空気を取り込み口に設けられており、取り込んだ空気から異物を取り除くフィルタである。フィルタＦ４は、ガス注入器２１に供給するリファレンスガス、第１被測定ガス、および第２被測定ガスから水分を取り除くドライフィルタである。
ガス注入器２１は、基台２１ａの上に、ピストン２１ｃの入ったシリンダー２１ｂが配置され、基台２１ａの下に、ピストン２１ｃと連結した移動自在なナット２１ｄ、ナット２１ｄと噛み合う送りネジ２１ｅ、および送りネジ２１ｅを回転させるパルスモータ２１ｆを備える構造である。
パルスモータ２１ｆは、図示しない駆動回路によって、正転、逆転駆動される。パルスモータ２１ｆの回転によって送りネジ２１ｅが回転すると、回転方向に応じてナット２１ｄが前後移動し、これによって、ピストン２１ｃが任意の位置に前後移動する。したがって、シリンダー２１ｂへの被測定ガスの導入と、シリンダー２１ｂからの被測定ガスの導出を自在に制御することができる。
バルブＶ４の他方は、１２ＣＯ２の吸収を測定するための第１サンプルセル１１ａにつながっている。第１サンプルセル１１ａは、セル１１の１つのセルで１２ＣＯ２の吸収を測定するため短いセルである。セル１１には、他に１３ＣＯ２の吸収を測定するための長い第２サンプルセル１１ｂおよび補助セル１１ｃが含まれている。第１サンプルセル１１ａと第２サンプルセル１１ｂとは連通しており、第１サンプルセル１１ａに導かれたガスは、そのまま第２サンプルセル１１ｂに入り、バルブＶ６を通して排気される。補助セル１１ｃには赤外線の吸収のないリファレンスガスが充填され、密閉されている。なお、補助セル１１ｃは、リファレンスガスを充填して密閉するのではなく、リファレンスガス供給部３０からリファレンスガスを導いて、一定の流速で常時流してもよい。
第１サンプルセル１１ａの容量は約０．１ｍｌ、第２サンプルセル１１ｂの容量は約３．７ｍｌである。セル１１の端面には、赤外線を透過させるサファイヤ透過窓が設けられている。また、セル１１は、パイプを通して圧力計３１とつながっている。圧力計３１は、ガス注入器２１によってセル１１内に導入されたガスの圧力を測定することができる。
セル１１の一方の端面側には、赤外光を発する光源装置Ｌ１，Ｌ２が設けられている。光源装置Ｌ１，Ｌ２には、赤外線を照射するための２つの導波管（図示せず）を備えている。光源装置Ｌ１，Ｌ２による赤外光の発生方式は、任意のものでよく、例えばセラミックスヒータ（表面温度４５０℃）等が使用可能である。また、光源装置Ｌ１，Ｌ２とセル１１との間には、赤外光を一定周期で遮断して通過させる光チョッパ２２が設けられている。光チョッパ２２は、モータ２２ａで回転させることで、セル１１に一定の周期（例えば、６００Ｈｚ）で赤外光を出射させることができる。つまり、光チョッパ２２は、光源装置Ｌ１，Ｌ２から出射した赤外光の強度を正弦波状に変調させる光変調器である。
光源装置Ｌ１から出射された赤外光は、第２サンプルセル１１ｂを通り、赤外線検出器２５ａで光量が検出される。第２サンプルセル１１ｂと赤外線検出器２５ａとの間には、波長フィルタ２４ａが設けられている。光源装置Ｌ２から出射された赤外光は、第１サンプルセル１１ａおよび補助セル１１ｃを通り、赤外線検出器２５ｂで光量が検出される。第１サンプルセル１１ａおよび補助セル１１ｃと赤外線検出器２５ｂとの間には、波長フィルタ２４ｂが設けられている。
波長フィルタ２４ａは、１３ＣＯ２の吸収を測定するため約４４１２ｎｍの波長の赤外光を通し、波長フィルタ２４ｂは、１２ＣＯ２の吸収を測定するため約４２８０ｎｍの波長の赤外線を通すように設計されている。赤外線検出器２５ａ，２５ｂは赤外光の光量を検出する素子であり、光起電力素子である。光起電力素子とは、物質に光を照射することで起電力が発生する現象（すなわち光起電力効果）を利用する素子であり、赤外光により起電力が発生する例えばＩｎＡｓＳｂ素子である。特に、ＩｎＡｓＳｂ素子であれば、ＰＮ接合を採用しているため、高速応答、高信頼性を実現することが可能である。なお、赤外線検出器２５ａ，２５ｂは、赤外光によって電気抵抗を変化する光導電素子であってもよく、例えばＰｂＳｅ素子でもよい。
赤外線検出器２５ａ，２５ｂの全体は、ヒータおよびペルチェ素子２７により一定温度に保たれている。また、測定装置１００内部の空気を換気するファン２８，２９が設けられている。さらに、測定装置１００は、赤外線検出器２５ａ，２５ｂから出力された信号を処理する信号処理回路４０を備えている。
（信号処理回路の構成）
図２は、本実施の形態に係る信号処理回路４０の構成を説明するための概略図である。信号処理回路４０は、ＩＶ変換回路（電流電圧変換回路）４１、増幅回路４２、フィルタ回路４３、差動コンバータ回路（差動回路）４４、およびＡＤ変換回路（アナログデジタル変換回路）４５を備えている。
ＩＶ変換回路４１は、赤外線検出器２５ａ，２５ｂから出力された電流値の信号を電圧値の信号に変換する回路である。赤外線検出器２５ａ，２５ｂでは、セル１１を透過した透過光の光量に応じて電流値の信号として、ＩＶ変換回路４１に出力される。ＩＶ変換回路４１では、赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した透過光量を電圧値の信号として出力する。
増幅回路４２は、ＩＶ変換回路４１で変換した信号をフィルタ回路４３や差動コンバータ回路４４で処理できる信号に増幅する。例えば、ＩＶ変換回路４１で変換した信号が０Ｖ～２．５Ｖの最大振幅の信号である場合に、増幅回路４２では、電圧値を約２倍に増幅して０Ｖ～５Ｖの最大振幅の信号とする。
光源装置Ｌ１，Ｌ２から出射された赤外光は、光チョッパ２２で正弦波状に強度が変調されるので、赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した透過光量は正弦波となる。例えば、光チョッパ２２が６００Ｈｚで光源からの光を遮光するのであれば、赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した透過光量は６００Ｈｚの正弦波となる。そのため、赤外線検出器２５ａ，２５ｂから出力される信号も６００Ｈｚの正弦波となり、増幅回路４２で増幅された信号は、最大振幅が０Ｖ～５Ｖで、周波数が６００Ｈｚの正弦波となる。フィルタ回路４３では、光チョッパ２２で変調した周波数成分（例えば６００Ｈｚ）の信号を通過させるバンドパスフィルタである。つまり、フィルタ回路４３で通過させる予め定められた周波数成分の信号とは、光チョッパ２２で変調した周波数成分（例えば６００Ｈｚ）の信号である。
差動コンバータ回路４４は、フィルタ回路４３を通過した信号（通過信号）の逆位相の信号（逆位相信号）を生成し、両信号（通過信号および逆位相信号）を含む差動信号をＡＤ変換回路４５に出力する。ＡＤ変換回路４５では、逆位相信号に対する通過信号の差が測定結果として、デジタル信号に変換する。なお、信号処理回路４０での詳しい処理については、後述する。
図１に戻って、測定装置１００は、信号処理回路４０で処理された信号に基づいてＨＰの有無の診断を行う演算回路５０を備えている。演算回路５０は、ＨＰの有無の診断を行う以外に、バルブＶ１～Ｖ６の開閉制御、パルスモータ２１ｆの駆動回路の制御などの測定装置１００の制御を行い、図示していない表示部（例えばＬＣＤ）での表示の制御を行っている。
（演算回路の構成）
図３は、本実施の形態に係る演算回路５０の構成を説明するためのブロック図である。図３を参照して、演算回路５０は、マイクロプロセッサ５１と、チップセット５２と、メインメモリ５４と、不揮発性メモリ５６と、システムタイマ５８と、表示コントローラ６０と、Ｉ／Ｏコントローラ７０とを含む。チップセット５２と他のコンポーネントとの間は、各種のバスを介してそれぞれ結合されている。
マイクロプロセッサ５１およびチップセット５２は、典型的には、汎用的なコンピュータアーキテクチャに準じて構成される。すなわち、マイクロプロセッサ５１は、チップセット５２から内部クロックに従って順次供給される命令コードを解釈して実行する。チップセット５２は、接続されている各種コンポーネントとの間で内部的なデータを遣り取りするとともに、マイクロプロセッサ５１に必要な命令コードを生成する。さらに、チップセット５２は、マイクロプロセッサ５１での演算処理の実行の結果得られたデータなどをキャッシュする機能を有する。
演算回路５０は、記憶手段として、メインメモリ５４および不揮発性メモリ５６を有する。
メインメモリ５４は、揮発性の記憶領域（ＲＡＭ）であり、演算回路５０への電源投入後にマイクロプロセッサ５１で実行されるべき各種プログラムを保持する。また、メインメモリ５４は、マイクロプロセッサ５１による各種プログラムの実行時の作業用メモリとしても使用される。このようなメインメモリ５４としては、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）といったデバイスが用いられる。
一方、不揮発性メモリ５６は、リアルタイムＯＳ（Operating System）、測定装置１００のシステムプログラム、ユーザプログラム、演算プログラム、設定パラメータといったデータを不揮発的に保持する。これらのプログラムやデータは、必要に応じて、マイクロプロセッサ５１がアクセスできるようにメインメモリ５４にコピーされる。このような不揮発性メモリ５６としては、フラッシュメモリのような半導体メモリを用いることができる。あるいは、ハードディスクドライブのような磁気記録媒体や、ＤＶＤ－ＲＡＭ（Digital Versatile Disk Random Access Memory）のような光学記録媒体などを用いることもできる。
システムタイマ５８は、一定周期ごとに割り込み信号を発生してマイクロプロセッサ５１に提供する。典型的には、ハードウェアの仕様によって、複数の異なる周期でそれぞれ割り込み信号を発生するように構成されるが、ＯＳ（Operating System）やＢＩＯＳ（Basic Input Output System）などによって、任意の周期で割り込み信号を発生するように設定することもできる。
表示コントローラ６０は、接続部６８を介して測定装置１００に設けた表示部と接続され、当該表示部を制御している。表示コントローラ６０は、メモリ制御回路６２、表示制御回路６４、およびバッファメモリ６６を備えている。
バッファメモリ６６は、表示コントローラ６０を介して表示部へ出力される表示データの送信バッファ、および、表示部（例えば、タッチパネルなど）から入力される入力データの受信バッファとして機能する。
メモリ制御回路６２は、メインメモリ５４からバッファメモリ６６への出力データの転送、および、バッファメモリ６６からメインメモリ５４への入力データの転送を行う。
表示制御回路６４は、接続される表示部との間で、バッファメモリ６６の表示データを送信する処理および入力データを受信してバッファメモリ６６に格納する処理を行う。
Ｉ／Ｏコントローラ７０は、接続部７８を介して測定装置１００に設けたバルブＶ１～Ｖ６やパルスモータ２１ｆなど制御装置や信号処理回路４０と接続され、バルブＶ１～Ｖ６やパルスモータ２１ｆなどへの制御信号の出力、信号処理回路４０からのデジタル信号の入力などを制御している。Ｉ／Ｏコントローラ７０は、メモリ制御回路７２、信号制御回路７４、およびバッファメモリ７６を備えている。
バッファメモリ７６は、Ｉ／Ｏコントローラ７０を介してバルブＶ１～Ｖ６やパルスモータ２１ｆなどへ出力される制御信号の送信バッファ、および、信号処理回路４０から入力されるデジタル信号の受信バッファとして機能する。
メモリ制御回路７２は、メインメモリ５４からバッファメモリ７６への制御信号の転送、および、バッファメモリ７６からメインメモリ５４へのデジタル信号の転送を行なう。
信号制御回路７４は、Ｉ／Ｏコントローラ７０に接続されるバルブＶ１～Ｖ６やパルスモータ２１ｆなど制御装置や信号処理回路４０との間で、バッファメモリ７６の制御信号を送信する処理およびデジタル信号を受信してバッファメモリ７６に格納する処理を行う。
（測定処理）
次に、測定装置１００での測定処理について説明する。測定装置１００では、リファレンスガス測定、ベースガス測定、リファレンスガス測定、サンプルガス測定、リファレンスガス測定・・・という手順で測定処理が行われる。なお、測定処理の間、補助セル１１ｃには、リファレンスガスが充填され、密閉されているものとする。
リファレンスガス測定では、ガス注入器２１を用いてシリンダー２１ｂ内にリファレンスガスを吸い込み、セル１１へ押し出すことで、第１サンプルセル１１ａおよび第２サンプルセル１１ｂをリファレンスガスで満たして１２ＣＯ２および１３ＣＯ２のそれぞれの透過光量を赤外線検出器２５ａ，２５ｂで測定している。リファレンスガス測定では、清浄なリファレンスガスをガス流路およびセル１１に流すので、ガス流路およびセル１１を洗浄することができる。このとき、ピストン２１ｃを前後移動させているので、シリンダー２１ｂ内も清浄なリファレンスガスで洗浄できる。
ベースガス測定では、ガス注入器２１を用いてシリンダー２１ｂ内に呼気バッグＢよりベースガスを吸い込み、セル１１へ押し出すことで、第１サンプルセル１１ａおよび第２サンプルセル１１ｂをベースガスで満たして１２ＣＯ２および１３ＣＯ２のそれぞれの透過光量を赤外線検出器２５ａ，２５ｂで測定している。
サンプルガス測定では、ガス注入器２１を用いてシリンダー２１ｂ内に呼気バッグＳよりサンプルガスを吸い込み、セル１１へ押し出すことで、第１サンプルセル１１ａおよび第２サンプルセル１１ｂをサンプルガスで満たして１２ＣＯ２および１３ＣＯ２のそれぞれの透過光量を赤外線検出器２５ａ，２５ｂで測定している。
測定装置１００では、前述したように、赤外線検出器２５ａ，２５ｂから出力された信号が信号処理回路４０で処理されて演算回路５０に出力される。そのため、測定装置１００では、サンプルガス測定などで測定される１２ＣＯ２および１３ＣＯ２のそれぞれの透過光量は、信号処理回路４０で処理された後の信号に基づいて求められる。
次に、信号処理回路４０での信号処理について詳しく説明する。図４は、本実施の形態に係る信号処理回路４０での信号処理を説明するための図である。図４（ａ）では、差動コンバータ回路４４で差動信号を生成する信号処理が図示され、図４（ｂ）では、図４（ａ）との対比で、基準信号に基づいて増幅回路で増幅する信号処理が図示されている。
図４（ａ）では、フィルタ回路４３を通過した正弦波の信号が差動コンバータ回路４４に入力されると、フィルタ回路４３を通過した信号（通過信号）の逆位相の信号（逆位相信号）を生成される。差動コンバータ回路４４では、通過信号と逆位相信号とを差動信号としてＡＤ変換回路４５に出力する。ＡＤ変換回路４５では、差動信号が入力されるので、逆位相信号に対する通過信号の差が測定結果の信号となり、当該信号をデジタル信号に変換することになる。つまり、図４（ａ）で示すように最大振幅が０Ｖ～５Ｖの通過信号と、最大振幅が０Ｖ～５Ｖの逆位相信号との差を取るため、ＡＤ変換回路４５では、最大振幅が０Ｖ～１０Ｖの信号をデジタル信号に変換することになる。
一方、図４（ｂ）では、基準電圧に対する通過信号の差を測定結果の信号として、ＡＤ変換回路４５でデジタル信号に変換する。つまり、最大振幅が０Ｖ～５Ｖの通過信号と、２．５Ｖの基準電圧との差を取るため、ＡＤ変換回路４５では、最大振幅が５Ｖの信号をデジタル信号に変換することになる。
そのため、図４（ａ）で示すように、差動コンバータ回路４４で逆位相信号に対する通過信号の差が測定結果の信号であるとした場合、図４（ｂ）で示すように、基準電圧に対する通過信号の差を測定結果の信号とした場合に比べて、測定結果の信号のダイナミックレンジが広がる。具体的に、差動コンバータ回路４４により、最大振幅が０Ｖ～５Ｖの通過信号が、最大振幅が０Ｖ～１０Ｖの信号となり、約２倍のダイナミックレンジとなっている。
また、図４（ｂ）で示すように、基準電圧に対する通過信号の差を測定結果の信号とした場合、基準電圧が誤差で変動すると、ＡＤ変換回路４５で変換するデジタル信号に直接影響を与えることになる。一方、図４（ａ）で示すように、差動コンバータ回路４４で逆位相信号に対する通過信号の差が測定結果の信号であるとした場合、たとえ基準電圧が誤差で変動しても逆位相信号と通過信号との差分を取るため、誤差がキャンセルされる。よって、差動コンバータ回路４４で差動信号を生成した場合、測定結果の信号（検出器で得られた信号）のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
図４（ｃ）では、ＡＤ変換回路４５において、差動コンバータ回路４４から出力された差動信号をデジタル信号に変換する場合に、サンプリング周波数を５７ｋＨｚ、分解能を２４ｂｉｔとしてデジタル信号に変換する。従来の増幅回路で処理した信号をデジタル信号に変換する場合、ＡＤ変換回路では、サンプリング周波数を４０ｋＨｚ、分解能を２０ｂｉｔとしてデジタル信号に変換していた。そのため、ＡＤ変換回路４５では、サンプリング周波数を５７ｋＨｚ、分解能を２４ｂｉｔとしてデジタル信号に変換することで、ＡＤ変換の際に生じていた量子化誤差を低減することができる。
特に、差動コンバータ回路４４から出力された差動信号をデジタル信号に変換する場合、ダイナミックレンジが広がるため、通過信号をデジタル信号に変換する場合に比べて分解能を高くする必要がある。具体的に、ＡＤ変換回路４５において、最大振幅が０Ｖ～５Ｖの通過信号を２０ｂｉｔの分解能でデジタル信号していた場合、最大振幅が０Ｖ～１０Ｖの信号を同等の量子化誤差でデジタル信号にするには少なくとも２１ｂｉｔの分解能でデジタル信号に変換する必要がある。
次に、信号処理回路４０での信号処理方法について、フローチャートを用いて説明する。図５は、本実施の形態に係る信号処理回路４０での信号処理方法を説明するためのフローチャートである。まず、信号処理回路４０は、ＩＶ変換回路４１において赤外線検出器２５ａ，２５ｂで電流値として検出した信号を、電圧値の信号に変換する（ステップＳ１０）。なお、赤外線検出器２５ａ，２５ｂでは、光チョッパ２２により強度を正弦波状に変調させ光源装置Ｌ１，Ｌ２からの赤外光の光量を検出している。
そして、信号処理回路４０は、フィルタ回路４３において、ステップＳ１０で電圧値に変換した信号のうち特定の周波数成分の信号を通過させる（ステップＳ２０）。特定の周波数成分（予め定められた周波数成分）とは、光チョッパ２２で変調した周波数成分（例えば、６００Ｈｚ）である。
さらに、信号処理回路４０は、差動コンバータ回路４４において、フィルタ回路４３を通過した通過信号の逆位相信号を生成し、通過信号と逆位相信号とを含む差動信号をＡＤ変換回路４５に出力する（ステップＳ３０）。
そして、信号処理回路４０は、ＡＤ変換回路４５において、ステップＳ３０の差動信号をデジタル信号に変換する（ステップＳ４０）。その後、信号処理回路４０は、信号処理への信号の入力があるか否かを判断する（ステップＳ５０）。信号処理への信号の入力がない場合（ステップＳ５０でＮＯ）、信号処理回路４０は、信号処理を終了する。一方、信号処理への信号の入力がある場合（ステップＳ５０でＹＥＳ）、信号処理回路４０は、処理をステップＳ１０に戻す。
次に、信号処理回路４０により、測定結果の信号（検出器で得られた信号）のＳ／Ｎ比が向上した結果を示す。図６は、本実施の形態に係る信号処理回路４０で処理された信号の変動量を説明するためのグラフである。図６に示すグラフでは、横軸に時間、縦軸に光量変動量がそれぞれ設定され、赤外線検出器２５ａ，２５ｂで測定し信号処理回路４０で処理された光量の変動が示されている。なお。光量変動量は、ＡＤ変換したカウント値で示してある。
図６に示すグラフにおいて、波形Ｉは、一定の強度の赤外光を光源装置Ｌ１，Ｌ２から出射して、６００秒間、１０秒ごとに赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した透過光量に基づく信号を信号処理回路４０で処理した測定結果である。波形Ｉでは、測定された光量の前後の変動量を示しており、０「ゼロ」から約１００の間で変動量がほぼ収まっている。
一方、波形ＩＩは、一定の強度の赤外光を光源装置Ｌ１，Ｌ２から出射して、６００秒間、１０秒ごとに赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した透過光量に基づく信号を従来の増幅回路で処理した測定結果である。波形ＩＩでは、測定された光量の前後の変動量を示しており、０「ゼロ」から約５００の間まで変動量でばらついており、波形Ｉに比べて変動量が大きくなっている。
波形Ｉにおける光量変動の標準偏差は、８９であるが、波形ＩＩにおける光量変動の標準偏差は、３８７である。そのため、波形Ｉでは、波形ＩＩに比べ光量変動の標準偏差が約１／３以下になっていることが分かる。このように、波形Ｉのように、赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した透過光量に基づく信号を信号処理回路４０で処理した場合、測定結果の信号のＳ／Ｎ比が向上するので光量の変動量が小さくなる。逆に、波形ＩＩのように、赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した透過光量に基づく信号を従来の増幅回路で処理した場合、測定結果の信号のＳ／Ｎ比が悪いため光量の変動量が大きくなる。
本実施の形態に係る測定装置１００では、赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した透過光量に基づく信号を信号処理回路４０で処理して測定結果とするので、サンプルガス測定などで透過光量を高いＳ／Ｎ比で測定することができる。そのため、測定装置１００では、ガスを測定する際に必要となるサンプル量を減らす（例えば、半分にする）ことができ、測定に必要な時間を短縮することができる。
演算回路５０は、リファレンスガス測定で測定したリファレンスガスの透過光量と、ベースガス測定で測定したベースガスの透過光量とに基づいて、ベースガスにおけるＣＯ２の吸光度を求める。リファレンスガス測定およびベースガス測定では、１２ＣＯ２および１３ＣＯ２それぞれの透過光量を測定しているので、演算回路５０は、１２ＣＯ２および１３ＣＯ２それぞれのベースガスの吸光度を求めることができる。ここで、ベースガスのＣＯ２の吸光度Ａｂｓは、Ａｂｓ＝－ｌｏｇ［ベースガスの透過光量／リファレンスガスの透過光量］で求められる。
同様に、演算回路５０は、リファレンスガス測定で測定したリファレンスガスの透過光量と、サンプルガス測定で測定したサンプルガスの透過光量とに基づいて、サンプルガスにおけるＣＯ２の吸光度を求める。リファレンスガス測定およびサンプルガス測定では、１２ＣＯ２および１３ＣＯ２それぞれの透過光量を測定しているので、演算回路５０は、１２ＣＯ２および１３ＣＯ２それぞれのサンプルガスの吸光度を求めることができる。ここで、サンプルガスのＣＯ２の吸光度Ａｂｓは、Ａｂｓ＝－ｌｏｇ［サンプルガスの透過光量／リファレンスガスの透過光量］で求められる。
なお、演算回路５０は、ＣＯ２の吸光度を求める場合に、ベースガス測定またはサンプルガス測定の前後で測定したリファレンスガスの透過光量の光量平均値をとることで、測定時のドリフトの影響を相殺することができる。
次に、演算回路５０では、検量線を用いて、求めたＣＯ２の吸光度からＣＯ２の濃度を算出する。検量線は、ＣＯ２濃度の分かっている被測定ガスに対してＣＯ２の吸光度を測定した結果をプロットし、最小自乗法を用いて求めた曲線である。検量線は、１２ＣＯ２および１３ＣＯ２のそれぞれに用意されている。そのため、演算回路５０では、１２ＣＯ２の検量線を用いて、ベースガスの１２ＣＯ２の吸光度からベースガスの１２ＣＯ２の濃度を求め、サンプルガスの１２ＣＯ２の吸光度からサンプルガスの１２ＣＯ２の濃度を求める。同様に、演算回路５０では、１３ＣＯ２の検量線を用いて、ベースガスの１３ＣＯ２の吸光度からベースガスの１３ＣＯ２の濃度を求め、サンプルガスの１３ＣＯ２の吸光度からサンプルガスの１３ＣＯ２の濃度を求める。
さらに、演算回路５０では、１２ＣＯ２と１３ＣＯ２との濃度比を求める。演算回路５０は、ベースガス測定での１２ＣＯ２と１３ＣＯ２との濃度比と、サンプルガス測定での１２ＣＯ２と１３ＣＯ２との濃度比とを求める。
ＨＰの有無の診断を行うため、演算回路５０では、サンプルガス測定とべースガス測定とを比較した１３ＣＯ２の濃度変化量を求める。１３ＣＯ２の濃度変化量Δ１３ＣＯ２は、Δ１３ＣＯ２＝［（サンプルガス測定での１２ＣＯ２と１３ＣＯ２との濃度比）－（ベースガス測定での１２ＣＯ２と１３ＣＯ２との濃度比）］×１０３／［ベースガス測定での１２ＣＯ２と１３ＣＯ２との濃度比］（単位：パーミル（千分率））で求められる。演算回路５０は、求めた１３ＣＯ２の濃度変化量Δ１３ＣＯ２が２．５パーミル以上であれば、ＨＰが被検者の胃の中に存在する可能性が高いとして陽性と判定する。
以上のように、本実施の形態に係る測定装置１００は、光チョッパ２２により正弦波状に強度を変調させた光源装置Ｌ１，Ｌ２からの赤外光の光量を赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出し、当該赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した光量に基づく信号を処理する信号処理回路４０を備えている。信号処理回路４０は、赤外線検出器２５ａ，２５ｂから出力された電流値の信号を電圧値の信号に変換するＩＶ変換回路４１と、ＩＶ変換回路４１で変換した信号のうち光チョッパ２２で変調した周波数成分の信号を通過させるフィルタ回路４３と、フィルタ回路４３を通過した通過信号の逆位相信号を生成し、通過信号と逆位相信号とを含む差動信号を出力する差動コンバータ回路４４とを備える。そのため、測定装置１００では、信号処理回路４０が、通過信号と逆位相信号とを含む差動信号を出力する差動コンバータ回路４４により、赤外線検出器２５ａ，２５ｂで得られた信号のＳ／Ｎ比を向上させることができ、よりダイナミックレンジの広い信号を得ることができる。
また、信号処理回路４０は、差動コンバータ回路４４から出力された差動信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路４５を備えている。信号処理回路４０では、ＡＤ変換回路４５を備えることで、演算回路５０での処理が容易なデジタル信号として演算回路５０に入力することができ、演算回路５０の処理負担を軽減することができる。もちろん、信号処理回路４０にＡＤ変換回路４５を設けずに、演算回路５０に差動コンバータ回路４４から出力された差動信号を直接入力して、演算回路５０でデジタル信号に変換するように構成してもよい。
さらに、ＡＤ変換回路４５は、通過信号をデジタル信号に変換する分解能よりも、差動信号をデジタル信号に変換する分解能を高くする。これにより、ＡＤ変換回路４５は、ダイナミックレンジが広がった差動信号に対して、量子化誤差を増加させることなくデジタル信号に変換することができる。もちろん、ＡＤ変換回路４５は、分解能を高くせずに差動信号をデジタル信号に変換してもよい。
また、信号処理回路４０は、ＩＶ変換回路４１で変換した信号を増幅する増幅回路４２を備え、増幅回路４２で増幅した信号をフィルタ回路４３に入力する。信号処理回路４０では、増幅回路４２を備えることで、赤外線検出器２５ａ，２５ｂから出力された信号をフィルタ回路４３や差動コンバータ回路４４で処理できる信号に増幅することができる。もちろん、信号処理回路４０は、ＩＶ変換回路４１で変換した信号がフィルタ回路４３や差動コンバータ回路４４で処理できる信号であれば、増幅回路４２を設けずにＩＶ変換回路４１で変換した信号をフィルタ回路４３に入力してもよい。
さらに、赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した光量に基づく信号は、光変調器により正弦波状に強度を変調させた光源装置Ｌ１，Ｌ２からの赤外光の光量を赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した信号である。ここで、光変調器は、光チョッパ２２であると説明したが、光源装置Ｌ１，Ｌ２からの赤外光の強度を正弦波状に変調させることができる装置であれば、光チョッパ２２に限定されない。
また、赤外線検出器２５ａ，２５ｂは、光起電力素子であると説明したが、赤外光の光量を検出することが可能であれば光起電力素子に限定されず、光導電素子であってもよい。
（変形例）
図２で示した信号処理回路４０では、ＩＶ変換回路４１で変換した信号を増幅する増幅回路４２を備えていると説明した。しかし、これに限定されるものではなく、信号処理回路４０は、増幅回路をＩＶ変換回路４１とフィルタ回路４３との間以外に設けてもよい。図７は、変形例に係る信号処理回路４０ａの構成を説明するための概略図である。信号処理回路４０ａは、ＩＶ変換回路（電流電圧変換回路）４１、増幅回路４２ａ、フィルタ回路４３、差動コンバータ回路（差動回路）４４、およびＡＤ変換回路（アナログデジタル変換回路）４５を備えている。なお、信号処理回路４０ａにおいて、図２で示した信号処理回路４０と同じ構成については、同じ符号を付して詳細な説明を繰返さない。
増幅回路４２ａは、フィルタ回路４３を通過した信号を差動コンバータ回路４４で処理できる信号に増幅する。例えば、フィルタ回路４３を通過した信号が０Ｖ～２．５Ｖの最大振幅の信号である場合に、増幅回路４２ａでは、電圧値を約２倍に増幅して０Ｖ～５Ｖの最大振幅の信号とする。
信号処理回路４０ａは、フィルタ回路４３と差動コンバータ回路４４との間に信号を増幅する増幅回路４２ａを備えることで、フィルタ回路４３を通過した信号を差動コンバータ回路４４で処理できる信号に増幅することができる。
なお、信号処理回路４０ａは、図２に示す信号処理回路４０で設けた増幅回路４２と組み合わせてもよい。つまり、信号処理回路４０ａは、ＩＶ変換回路４１とフィルタ回路４３との間に増幅回路４２を設け、フィルタ回路４３と差動コンバータ回路４４との間に信号を増幅する増幅回路４２ａを設けてもよい。これにより、フィルタ回路４３および差動コンバータ回路４４のそれぞれで必要となる信号に増幅することが可能となる。
本実施の形態に係る測定装置１００は、互いに同位体の関係にある２種類の成分ガスを含む被測定ガスの成分ガスの濃度比を測定する。測定装置１００は、セル（第１サンプルセル１１ａ，第２サンプルセル１１ｂ）と、光源装置Ｌ１，Ｌ２と、光チョッパ２２と、光学フィルタ（波長フィルタ２４ａ，２４ｂ）と、赤外線検出器２５ａ，２５ｂと、信号処理回路４０，４０ａと、演算回路５０とを備える。
セル（第１サンプルセル１１ａ，第２サンプルセル１１ｂ）は、被測定ガスを格納する。光源装置Ｌ１，Ｌ２は、セルに透過させる赤外光を発する。光チョッパ２２は、光源装置Ｌ１，Ｌ２からの赤外光の強度を正弦波状に変調させる。光学フィルタ（波長フィルタ２４ａ，２４ｂ）は、セルを透過した赤外光のうち各成分ガスに適した波長を透過させる。赤外線検出器２５ａ，２５ｂは、光学フィルタを透過した透過光の光量を検出する。信号処理回路４０，４０ａは、赤外線検出器２５ａ，２５ｂで検出した光量に基づく信号を処理する。演算回路５０は、信号処理回路４０，４０ａで処理した信号から成分ガスに適した波長の吸光度を求め、成分ガスの濃度比を算出する。
本実施の形態に係る測定装置１００では、前述で示した構成を備え、二酸化炭素１３ＣＯ２と二酸化炭素１２ＣＯ２を互いに同位体の関係にある２種類の成分ガスとして、被測定ガスの成分ガスの濃度比を測定する一例を説明した。しかし、測定装置１００は、前述で示した構成において、互いに同位体の関係にある２種類の成分ガスの濃度比を測定することが可能な成分ガスであれば、何れのガスであってもよい。
また、信号処理回路４０，４０ａは、二酸化炭素１３ＣＯ２と二酸化炭素１２ＣＯ２を互いに同位体の関係にある２種類の成分ガスの成分ガスの濃度比を測定する測定装置１００に設けられる一例を説明した。しかし、信号処理回路４０，４０ａは、光変調器により正弦波状に強度を変調させた光源からの赤外光の光量を赤外線検出器で検出し、当該赤外線検出器で検出した光量に基づく信号を処理することが必要な装置であれば、同じように設けることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１１ セル室、１１ａ 第１サンプルセル、１１ｂ 第２サンプルセル、１１ｃ 補助セル、２１ ガス注入器、２１ａ 基台、２１ｂ シリンダー、２１ｃ ピストン、２１ｄ ナット、２１ｅ 送りネジ、２１ｆ パルスモータ、２２ 光チョッパ、２２ａ モータ、２４ａ，２４ｂ 波長フィルタ、２５ａ，２５ｂ 赤外線検出器、２７ ペルチェ素子、２８，２９ ファン、３０ リファレンスガス供給部、３１ 圧力計、４０，４０ａ 信号処理回路、４１ ＩＶ変換回路、４５ ＡＤ変換回路、４２，４２ａ 増幅回路、４３ フィルタ回路、４４ 差動コンバータ回路、５０ 演算回路、１００ 測定装置。

Claims (8)

  1. 赤外線検出器で検出した光量に基づく信号を処理する信号処理回路であって、
    前記赤外線検出器から出力された電流値の信号を電圧値の信号に変換する電流電圧変換回路と、
    前記電流電圧変換回路で変換した信号のうち予め定められた周波数成分の信号を通過させるフィルタ回路と、
    前記フィルタ回路を通過した通過信号の逆位相信号を生成し、前記通過信号と前記逆位相信号とを含む差動信号を出力する差動回路と、
    前記差動回路から出力された前記差動信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル変換回路と、を備え、
    前記アナログデジタル変換回路は、前記通過信号を前記デジタル信号に変換する分解能よりも、前記差動信号をデジタル信号に変換する分解能を高くする、信号処理回路。
  2. 前記電流電圧変換回路で変換した信号を増幅する増幅回路をさらに備え、
    前記増幅回路で増幅した信号を前記フィルタ回路に入力する、請求項１に記載の信号処理回路。
  3. 前記フィルタ回路と前記差動回路との間に信号を増幅する増幅回路をさらに備える、請求項１に記載の信号処理回路。
  4. 前記赤外線検出器で検出した光量に基づく信号は、光変調器により正弦波状に強度を変調させた光源からの赤外光の光量を前記赤外線検出器で検出した信号である、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の信号処理回路。
  5. 前記赤外線検出器は、光起電力素子である、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の信号処理回路。
  6. 互いに同位体の関係にある２種類の成分ガスを含む被測定ガスの成分ガスの濃度比を測定する測定装置であって、
    前記被測定ガスを格納するセルと、
    前記セルに透過させる赤外光を発する光源と、
    前記光源からの赤外光の強度を正弦波状に変調させる光変調器と、
    前記セルを透過した赤外光のうち各成分ガスに適した波長を透過させる光学フィルタと、
    前記光学フィルタを透過した透過光の光量を検出する赤外線検出器と、
    前記赤外線検出器で検出した光量に基づく信号を処理する請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の信号処理回路と、
    前記信号処理回路で処理した信号から成分ガスに適した波長の吸光度を求め、成分ガスの濃度比を算出する演算回路とを備える、測定装置。
  7. 前記被測定ガスに含まれる２種類の成分ガスは、二酸化炭素１３ＣＯ２と二酸化炭素１２ＣＯ２とである、請求項６に記載の測定装置。
  8. 赤外線検出器から出力された信号を処理する信号処理方法であって、
    前記赤外線検出器で電流値として検出された信号を、電圧値の信号に変換するステップと、
    電圧値に変換した信号のうち予め定められた周波数成分の信号を通過させるステップと、
    通過した信号の逆位相信号を生成し、前記通過した信号と前記逆位相信号とを含む差動信号をアナログデジタル変換回路に出力するステップと、
    前記アナログデジタル変換回路で、出力された前記差動信号をデジタル信号に変換するステップと、を備え、
    前記通過した信号を前記デジタル信号に変換する分解能よりも、前記差動信号をデジタル信号に変換する分解能を高くする、信号処理方法。
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