It’s an increasingly common sight in hospitals around the world: a nurse measures our height, weight, blood pressure, and attaches a glowing plastic clip to our finger. Suddenly, a digital screen reads out the oxygen level in our bloodstream. How did that happen? How can a plastic clip learn something about our blood… without a blood sample?
世界中の病院で当たり前に なりつつある光景があります それは 看護婦が患者の身長 体重 血圧を測るとともに プラスチックでてきた 光る クリップを指にはめる光景です 突然 デジタル画面に血中の 酸素濃度が表示されます どうやって 測ったのでしょうか? プラスチックのクリップが どのようにして血液の情報を得るのでしょうか 採血もしていないのに…
Here’s the trick: our bodies are translucent, meaning they don’t completely block and reflect light. Rather, they allow some light to actually pass through our skin, muscles, and blood vessels. Don’t believe it? Hold a flashlight to your thumb.
その仕組みはこうです 私たちの体は 半透明 ― つまり 光を完全に遮断し 反射するのではありません むしろ 多少の光は 皮膚 筋肉 血管を通り抜けます 信じられませんか? 親指に懐中電灯を 当ててみてください 光を使って体内を 調べることが可能なのです
Light, it turns out, can help probe the insides of our bodies.
医療用の指クリップを 思い出してみてください
Consider that medical fingerclip— it’s called a pulse oximeter. When you inhale, your lungs transfer oxygen into hemoglobin molecules, and the pulse oximeter measures the ratio of oxygenated to oxygen-free hemoglobin. It does this by using a tiny red LED light on one side of the fingerclip, and a small light detector on the other.
パルスオキシメーター(酸素濃度計) というものです 息を吸うと肺の酸素は ヘモグロビン分子の中に運ばれます パルスオキシメーターはヘモグロビンのうち 酸化されたものの割合を測ります 指クリップの片側から 微小な赤い光が出て 反対側にある光検知器で 測定されます LED(発光ダイオード)が 指に照らされると
When the LED shines into your finger, oxygen-free hemoglobin in your blood vessels absorbs the red light more strongly than its oxygenated counterpart. So the amount of light that makes it out the other side depends on the concentration ratio of the two types of hemoglobin.
血管内の酸素と結合しているヘモグロビンより 酸素と結合していないヘモグロビンの方が より強く赤い光を 吸収します したがって 反対側まで 光が届くかは これら2種類のヘモグロビンの 濃度比によります ところが どの2人の患者を比べても 指の血管の太さは異なります
But any two patients will have different-sized blood vessels in their fingers. For one patient, a saturation reading of ninety-five percent corresponds to a healthy oxygen level, but for another with smaller arteries, the same reading could dangerously misrepresent the actual oxygen level.
ある患者に対し 健常な値である 95パーセントの酸素飽和度を示す ― 測定値が得られても 危険なことに 同じ測定値が 細い動脈の患者に対しては 実際の酸素濃度を示していないかもしれません この点は2本目の赤外線波長 LEDによって補われます
This can be accounted for with a second infrared wavelength LED. Light comes in a vast spectrum of wavelengths, and infrared light lies just beyond the visible colors. All molecules, including hemoglobin, absorb light at different efficiencies across this spectrum. So contrasting the absorbance of red to infrared light provides a chemical fingerprint to eliminate the blood vessel size effect.
入射する光のスペクトルは 幅広い波長域をもっており 赤外線は可視光域のすぐ外側にあります ヘモグロビンを含む 全ての分子は スペクトルの各波長において 異なる吸収率を示すので 赤い光と赤外線の 吸収率を比べることにより 血管の太さによる影響を排除した 化学的な指紋情報を提供します 現在では 医療用センサー産業が出現し 精密な化学的指紋装置を開発しており
Today, an emerging medical sensor industry is exploring all-new degrees of precision chemical fingerprinting, using tiny light-manipulating devices no larger than a tenth of a millimeter. This microscopic technology, called integrated photonics, is made from wires of silicon that guide light— like water in a pipe— to redirect, reshape, even temporarily trap it.
0.1ミリ以下の 極小の光操作デバイスを用いています この微視的な技術は 集積フォトニクスといい 光の進路を導くシリコンワイヤーで できており まるでパイプを通る 水のように 光の向きや波形を変え 一時的に閉じ込めさえします リング共振器は円形の シリコンワイヤーでてきており
A ring resonator device, which is a circular wire of silicon, is a light trapper that enhances chemical fingerprinting. When placed close to a silicon wire, a ring siphons off and temporarily stores only certain waves of light— those whose periodic wavelength fits a whole number of times along the ring’s circumference. It’s the same effect at work when we pluck guitar strings. Only certain vibrating patterns dominate a string of a particular length, to give a fundamental note and its overtones.
光を閉じ込め 化学的指紋の 信号を強めます シリコンワイヤーの すぐ側におくと リングは特定の光を吸収し 一時的に閉じ込めます それは 波長を整数倍すると 円周長と一致するような光です これはギターの弦を 弾くのと同じ効果で 特定の長さの弦に対し あるパターンで振動し 基音やその倍音が 出るのと同じです リング共振器の 当初の設計目的は
Ring resonators were originally designed to efficiently route different wavelengths of light— each a channel of digital data— in fiber optics communication networks. But some day this kind of data traffic routing may be adapted for miniature chemical fingerprinting labs, on chips the size of a penny. These future labs-on-a-chip may easily, rapidly, and non-invasively detect a host of illnesses, by analyzing human saliva or sweat in a doctor’s office or the convenience of our homes.
光通信網において デジタルデータの 個々のチャンネルに対応する 異なる波長の光の 経路制御を 効率的に行うことでした いつしかこのような データ通信の経路制御技術が 極小の化学的指紋検査室 として応用され 1セント硬貨サイズのチップ上に 載せられるかもしれません この未来の「チップ上の検査室」は 容易に敏速に そして非侵襲的に多くの病気を 特定することができます 診察室や便利なことに家で 人の唾液や汗などを分析するのです 人の唾液は特に
Human saliva in particular mirrors the composition of our bodies’ proteins and hormones, and can give early-warning signals for certain cancers and infectious and autoimmune diseases. To accurately identify an illness, labs-on-a-chip may rely on several methods, including chemical fingerprinting, to sift through the large mix of trace substances in a sample of spit.
人体のタンパク質やホルモンの 成分を反映するので ある種の癌や感染症 自己免疫疾患などを 早い段階で警告 することができます 病気を的確に 特定するために 「チップ上の検査室」は 化学的指紋を含む いくつかの方法により 唾のサンプル中にある 無数の 微量物質をふるいにかけます 唾液の中には同一の波長の光を吸収する 様々な生体分子がありますが
Various biomolecules in saliva absorb light at the same wavelength— but each has a distinct chemical fingerprint. In a lab-on-a-chip, after the light passes through a saliva sample, a host of fine-tuned rings may each siphon off a slightly different wavelength of light and send it to a partner light detector. Together, this bank of detectors will resolve the cumulative chemical fingerprint of the sample. From this information, a tiny on-chip computer, containing a library of chemical fingerprints for different molecules, may figure out their relative concentrations, and help diagnose a specific illness.
それぞれに特徴的な 化学的指紋があります チップ上の検査室では光が 唾液サンプルを通過した後 多くの微調整されたリングが 波長の少しづつ異なる 光を吸収し 対となる光検知器へと 送ります 幾層にも重なった 検知器のおかげで サンプル中の混合した 化学的指紋情報を個々に識別できます この情報をチップ上の 極小コンピューターにある 異なる分子の化学的指紋の データベースと照らし合わせ 相対的な濃度を 割り出し 特定の病気を 診断します
From globe-trotting communications to labs-on-a-chip, humankind has repurposed light to both carry and extract information. Its ability to illuminate continues to astonish us with new discoveries.
世界を駆け巡る通信から チップ上の検査室に至るまで 情報を送信したり抽出するなど 人類は光の異なる使い方を見出しました 光の「照らす力」を使った新しい発明は 私たちを驚かせ続けることでしょう