生物体信息测量用光学元件和使用了该生物体信息测量用光学元件的生物体信息测量装置
技术领域
本发明涉及一种通过将生物体组织进行光学测量而非侵入性地 测量体液中的葡萄糖、胆固醇、尿素和甘油三酸酯所使用光学元件、 以及使用了所述光学元件的生物体信息测量装置。
背景技术
现有技术提出了使用光学测量装置来测量生物体或溶液中的特 定成分的各种测量方法。例如，在专利文献1中，提出了一种生物 体信息检测用的接触元件，所述接触元件包括：具有与生物体组织 相邻接的凹部的邻接单元、通过所述凹部内的一部分出射检测光的 检测光出射单元、在所述凹部内的其它部分设置并入射所述检测光 的检测光入射单元，所述邻接元件由具有折射率比所述生物体组织 的折射率高的材料构成。
对于所述接触元件，检测光在所述邻接单元和所述生物体组织相 邻接的状态下，通过放置在所述凹部的所述生物体组织之后，入射 到所述检测光线入射单元中。通过这样的构成，容易处理所述接触 元件，对生物体组织的损伤小，可以容易并且高精度地测量生物体 信息。
专利文献1：国际公开第01/058355号小册子
发明内容
但是，采用了上述接触元件的现有光学测量方法和光学测量装置 具有以下的问题点：
在专利文献1记载的技术中，在形成的凹部内置入生物体组织而 使之隆起，并可以选择性地测量所隆起的部位。但是，从凹部向生 物体组织入射光的时候，在凹部和生物体组织的界面上，依赖于生 物体信息检测用接触元件和生物体组织的折射率，入射光发生折射 而入射到生物体组织。此时，同时在生物体组织和凹部的界面也产 生反射光。所述反射光在生物体信息检测用接触元件内，在接触元 件和接触元件外部的界面上反复反射。
在所述多重反射光中，通过在接触元件与外部之间发生全反射而 形成易消失的波，并且光被不适于测量的生物体组织的部分、或者 存在于接触元件外部的物体所吸收。
在所述多重反射光中，在反复反射的过程中入射到光检测器。这 样入射到光检测器的反射光，与本来检测的光发生重叠，成为误差 的产生原因，因而难于稳定地测量生物体信息。
发明内容
因此，本发明考虑到上述情形，其目的在于提供一种可以稳定且 容易地非侵入性地测量被测量材料中的体液成分的生物体信息测量 用光学元件、以及使用了所述生物体信息测量用光学元件的生物体 信息测量装置。
为了解决上述问题，本发明提供一种生物体信息测量用光学元 件，所述光学元件具有第一光入射面、设置了与生物体组织接触的 生物体组织接触面、和第一光出射面，
所述沟部具有第二光入射面和第二光出射面，
从所述第一光入射面入射的光，通过所述第二光出射面，照射到通 过所述沟部隆起的生物体组织，通过所述生物体组织吸收和/或散射，并 将从所述第二光入射面入射的光从所述第一光出射面出射，其中
所述生物体组织接触面的相对面的法线，与由所述第二光入射面的 法线和所述第二光出射面的法线所形成的面交叉。
此外，本发明还提供一种生物体信息测量装置，所述测量装置具 有光源、所述光学元件、检测从所述光学元件出射的光线的光检测 器、以及对通过所述光检测器获得的信息进行运算的运算器。
根据本发明，在包括具有沟部的光学元件的生物体信息测量装置 中，缓和了在光学元件内产生的反射光的影响，可以稳定且容易地 测量生物体组织中的目标成分的浓度。
附图说明
图1是示出本发明的生物体信息测量用光学元件的实施例1的形 状的概要立体图。
图2是图1中X-X线的截面图。
图3是图2中沟部12a的扩大图。
图4是图1中Y-Y线的截面图。
图5是示出涉及本发明实施例1的光学元件的变形例的概要立体 图。
图6是图5的Y-Y线的截面图。
图7是本发明的生物体信息测量用光学元件的实施例2的概要立 体图。
图8是图7中Y-Y线的截面图。
图9是本发明的生物体信息测量用光学元件的实施例3的概要立 体图。
图10是图9中Y-Y线的截面图。
图11是本发明的生物体信息测量用光学元件的实施例4的概要 立体图。
图12是示出涉及本发明实施例4的光学元件的变形例的概要立 体图。
图13是涉及本发明的生物体信息测量装置的一个实施例的概要 图。
具体实施方式
本发明涉及的生物体信息测量用光学元件，具有第一光入射面、 设置了与生物体组织接触的沟部的生物体组织接触面、和第一光出 射面，所述沟部具有第二光入射面和第二光出射面，从所述第一光 入射面入射的光，通过所述第二光出射面，照射到通过所述沟部隆 起的生物体组织，将通过所述生物体组织吸收和/或散射的从所述第 二光入射面入射的光从所述第一光出射面出射，其中所述生物体组 织接触面的相对面的法线，与由所述第二光入射面的法线和所述第 二光出射面的法线所形成的面交叉。
通过采用这样的构成，可以防止在沟部中产生的反射光入射到光 检测器中，并能够稳定且容易地测量被测量样品中的目标成分的浓 度。
这样，在上述生物体组织接触面的相对面的法线有多个的情形 (例如，与上述生物体组织接触面的相对面为多个的情形、或与上 述生物体组织接触面的相对面为曲面的情形)中，只要多个法线中 至少有一条与上述第二光入射面和上述第二光出射面的法线形成的 面交叉，就可以得到上述本发明的效果。
对于本发明的生物体信息测量用光学元件，优选与上述生物体组 织接触面的相对面具有凹部。
上述的凹部，其截面可以是大致V字形，也可以形成为曲面。
此外，对于本发明的生物体信息测量用光学元件，与上述生物体 组织接触面的相对面也可以具有凸部。
优选上述的凹部由曲面形成。
对于本发明的生物体信息测量用光学元件，优选上述生物体接触 面包含具有开口部的流道。
上述流道的底面既可以是大致V字形，也可以是曲面。
此外，本发明的生物体信息测量装置，具有光源、所述光学元件、 检测从所述光学元件出射的光线的光检测器、和运算通过所述光检 测器获得的信息的运算器。
本发明的生物体信息测量装置，由于采用了上述本发明的光学元 件，所以减轻了在所述光学元件的沟部产生的反射光的影响，可以 稳定且容易地测量被测样品中的目标成分的浓度。
下面，参考附图详细说明本发明的实施例，但是本发明并不仅限 于此。此外，在下面的说明中，相同或者相近的部分采用相同的符 号，省略重复的说明。
实施例1
图1是示出本发明的生物体信息测量用光学元件的实施例1的形 状的概要立体图。此外，图2是图1示出的生物体信息测量用光学 元件的X-X’线的截面图。
如图1和图2所示，涉及本实施例的生物体信息测量用光学元件 100，具有第一光入射面11、生物体组织接触面12和第一光出射面 13，在生物体组织接触面12上具有使生物体组织隆起的沟部12a。 沟部12具有第二光出射面200和第二光入射面201。此外，在与生 物体组织检测面12相对的面(即光学元件100的下侧)上，设置了 具有倾斜面17的V字形的凹部。
这里，图3是在图2中沟部12a的放大图，图4是图1中Y-Y’ 线的截面图。如图3所示，在沟部12a中，具有光入射面和光出射 面2个面，在各自的面上具有法线21和22。
这样，如图4所示，这2根法线21和22形成面23。此外，当 法线21和22位于相互扭转的位置时，可以结合各自的法线21和22 的起点而假定面。
此时，与生物体组织接触面的相对面(即光学元件100下侧的V 字形凹部所具有的倾斜面17)的法线24，与沟部12a的法线21和 22形成的面23交叉。
此外，V字形的凹部具有2个面(倾斜面17)。图4中仅示出了 一个面的法线。优选V字形凹部的2个面的2个法线都与所述面23 交叉。
此后，对本发明的生物体信息测量用光学元件100的功能进行说 明。
光线通过第一光入射面11入射到生物体信息测量用光学元件 100。入射到生物体信息测量用光学元件100的入射光14，在生物体 组织接触面12的沟部12a和生物体组织(未图示)的界面上发生折 射。折射的光线通过第二光出射面200入射到生物体组织内，入射 到生物体组织内的光线，通过生物体组织被吸收，再一次在生物体 组织和沟部12a上发生折射，并从第二光入射面201入射到生物体 信息测量用光学元件100。再次入射到生物体信息测量用光学元件 100的光线，通过第一光出射面13，作为出射光15向生物体信息测 量用光学元件100之外出射。
这样，当光线在沟部12a和生物体组织的界面发生折射时，产生 反射光。对于本发明涉及的生物体信息测量用光学元件100，测量生 物体组织所使用的是出射光15，但是本发明所述的反射光是在沟部 12a和生物体组织的界面上产生的反射光16。
在通常的光学元件中，由于反射光16再次反射而入射到生物体 组织内，因而对出射光15产生影响并对测量结果产生误差，与此相 比，在本发明中，由于具有倾斜面17，反射光16可以不再次入射到 生物体组织内而作为侧面出射光19出射到外部。
所述反射光16，通过构成在生物体组织接触面12的相对面上设 置的V字形凹部的倾斜面17，从与生物体组织接触面12相邻的侧面 18作为侧面出射光19向生物体组织测量用光学元件100之外出射。
这样出射的侧面出射光19，与通过第一光出射面13出射的出射 光15不同，不到达在第一光出射面13的前端设置的光检测器(未 图示)。
然后，使用图2，详细说明构成V字形凹部的倾斜面17的功能 和反射光16的方向。但是，在图2中，为了简单起见，减少了沟部 12a的数量。
光线从设置于生物体组织检测面12的沟部12a和生物体组织的 界面再次入射到光学元件100，在向第一光出射面13行进的光的波 数矢量110和第一光出射面13的法线矢量111形成的面内，必然存 在通过第一光入射面11入射的光线。但是，在沟部12a和生物体组 织的界面上反射的反射光16也必然存在于通常由波数矢量110和第 一光出射面的法线矢量111所形成的面内。
所述反射光16，在生物体信息测量用光学元件100内反射，或 者在某些条件下反复进行全反射，最终从第一光出射面13出射，通 过在第一光出射面13的前端设置的光检测器进行检测，被检测的反 射光16成为产生误差的原因。
对于这一问题，在本发明涉及的生物体信息测量用光学元件100 中，如上所述，通过构成设置了倾斜面17的V字形凹部，使反射光 16在倾斜面17上反射，并最终从侧面18作为侧面出射光19向生物 体信息测量用光学元件100外出射。
此外，在上述实施例1中，光学元件100下侧的凹部为大致V 字形，但是如图5所示，也可以具有大致半圆形的形状。图5是示 出本发明实施例1涉及的光学元件的变形例的概要立体图。此外， 图6为图5的Y-Y线的截面图。
如图6所示，在这种情形下，生物体组织接触面的相对面(即光 学元件100下侧的半圆形的凹部所具有的曲面17)的法线24，与沟 部12a的法线21和22所形成的面23交叉。
实施例2
图7是示出本发明涉及的生物体信息测量用光学元件的实施例2 的概要立体图。图7中所示出的生物体信息测量用光学元件100，与 图1和图4不同，设置了单一的倾斜面17，下侧整体倾斜于生物体 组织接触面12。
根据这样的构成，可以获得与图1示出的V字形凹部的情形同样 的效果，在制造工序上与实施例1相比倾斜面17的加工较容易，所 以更理想。
这里，图8是图7中Y-Y线的截面图。在本实施例的光学元件 100中，也与在图3中示出的实施例1相同，在沟部12a中具有第二 光入射面和第二光出射面2个面，在各自的面内具有法线21和22。 这样，这两根法线21和22，如图8所示形成面23。
此时，生物体组织接触面的相对面(即光学元件100下侧的倾斜 面17)的法线24，与沟部12a的法线21和22形成的面23交叉。
实施例3
图9是示出本发明涉及的生物体信息测量用光学元件的实施例3 的概要立体图。在本发明的光学元件100中，生物体组织接触面的 相对面也可以是曲面。
在此情形，如图9所示，在生物体组织接触面12相对的平面形 状的下侧部(下表面17)，通过粘接半圆形部件30，可以形成曲面 30a。但是，也可以使用机械加工或蚀刻等除去加工法形成曲面30a。
此外，图1中的具有倾斜面17的V字形的凹部、图5中的曲面 形状的凹部、图7中单一的倾斜面17，都可以使用切削或蚀刻技术 等除去加工法来形成。
此外，也可以通过例如在平面形状的下表面上粘接两个三角柱形 的部件而形成V字形的凹部。
这里，图10是图9中Y-Y线的截面图。在本实施例的光学元件 100中，与图3中示出的实施例1相同，沟部12a也具有第二光入射 面和第二光出射面两个面，在各自的面内具有法线21和22。这样， 如图10所示，这两个法线21和22形成面23。
此时，生物体组织接触面的相对面(即光学元件下侧的曲面 30a)的法线24，与沟部12a的法线21和22形成的面23交叉。
实施例4
图11是示出本发明涉及的生物体信息测量用光学元件的实施例 4的概要立体图。在本发明的光学元件100中，可以在生物体组织接 触面12上设置在所述生物体组织接触面12上具有开口部的流道 40。
所述流道40，是用于使例如唾液、汗、水等液体通过的通道。 如果具有这样的流道40，就可以从生物体组织接触面12除去自生物 体组织分泌的汗、唾液等或水，这对防止测量误差有益。
当流道40的底面为平面形状时，在流道40的底面反射的的反射 光，大体如上所述，由于存在设置于生物体组织接触面12的相对面 上的倾斜面17，故不会入射到设置于第一光出射面13的前端的光检 测器。
但是，在反射光中，可以考虑到在流道40的底面发生反射而直 接到达第一光出射面13并被光检测器检测的情形。由于流道40充 满了汗、唾液等未包含生物体信息的物质，故如果流道40底面的反 射光被光检测器检测，就会导致误差产生。
因而，在流道40的底面上，通过设置图11示出的倾斜面40a， 与用图1说明的情形相同的原理，从与生物体组织接触面12相邻的 侧面使反射光出射并将其除去，使之不影响测量。而且，在加工流 道40时，如果使用V字形切割工具进行加工，由于流道的底面为具 有倾斜面的V字形，故容易加工。因此优选流道40的底面为V字形
此外，尽管在流道40的底面设置了倾斜面，但是如图12所示， 流道40的底面也可以是曲面。图12是示出本发明实施例4涉及的 光学元件的变形例的概要立体图。
实施例5
图13是示出本发明涉及的生物体信息测量装置的一个实施例的 构成的概要图。如图13所示，本实施例涉及的生物体信息测量装置， 由光源51、生物体信息测量用光学元件100、光检测器52、运算器 53、和设置在光源51和生物体信息测量用光学元件100之间的分光 器(未图示)构成。作为分光器，可以使用例如使用了光栅的分光 装置、傅立叶变换分光装置等。
下面，使用图13说明生物体信息测量装置的动作。
由光源51发出的光，入射到生物体信息测量用光学元件100。 入射到生物体信息测量用光学元件100的入射光14，透过并散射与 生物体组织接触面12相接触的生物体组织(未图示)，并从生物体 信息测量用光学元件100出射。从生物体信息测量用光学元件100 出射的出射光15，由光检测器52进行检测，并通过运算器53计算 出生物体信息。
这里，作为光源51，只要发出生物体组织内的测量对象，即测 量成分的吸收波长的光就可以，例如发光二极管(LED)、卤素光源、 半导体激光器、将SiC烧结为棒状的碳硅棒光源、C02激光器、钨灯 等。
当要测量如葡萄糖那样的在波数为1033cm-1或者1080cm-1等中红 外区、以及在1～2.5μm的近红外区具有吸收峰的物质时，优选使用 下列光源：即在用中红外光测量时，从可以覆盖较宽的波长范围并 且在10μm左右的长波长范围也可以良好发光的观点来看，优选碳硅 棒光源。此外，在测量近红外光的情形，优选卤素光源。当然，由 于葡萄糖在近红外也具有吸收峰，所以也可以使用上述之外的光 源。
此外，作为生物体信息测量用光学元件100的材料，可以根据用 于测量的光的波长而使用本领域公知的物质。例如，硅、锗、SiC、 钻石、ZnSe、ZnS、熔融的石英、氟化钙、和KrS等。
这里，当测量如葡萄糖那样的波数为1033cm-1或者080cm-1等中 红外区、以及在1～2.5μm的近红外区具有吸收峰的物质时，优选采 用下列材料：即在中红外区，从约9～10μm的红外波长透过率高的 观点，优选硼或磷等的杂质含量小、电阻率在100Ωcm以上的硅或 锗，电阻率在1500Ωcm以上更佳。
另一方面，当测量在1～2.5μm的近红外区具有吸收峰的物质时 优选优选电阻率在100Ωcm以上的硅，电阻率在1500Ωcm以上更佳。 此外，氟化钙、熔融石英等亦可。
作为光检测器52，可以不受特别限制地使用所述领域的公知技 术，例如，在中红外区，可以列举出MCT检测器(水银、碲、钙的 混合晶体)、焦热电传感器、DTGS检测器、电热调节器、温差电堆、 和高莱盒(Golay cell)等。此外，在近红外区，可以列举出PbS检 测器、InSb检测器、PbSe检测器、InGaAs检测器等。
作为运算器53，优选采用计算机。
如上述说明，本发明涉及的生物体信息测量用光学元件和使用了 所述生物体信息测量用光学元件的生物体信息测量装置，减少由于 反射光引起的测量误差，特别适用于医疗用途的体液成分的测量。