成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法
【課題】試料に含まれる複数成分のばらつきや温度等の環境因子の擾乱を除外でき、測定対象の成分濃度を高精度に同定することを可能にする成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本成分濃度分析装置は、波長可変な２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する音波を検出し、前記音波から前記２つの光毎のスペクトルデータを取得する光音響信号検出手段と、光音響信号検出手段が取得した前記２つの光毎のスペクトルデータの差分を計算し、前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を測定する演算手段と、を備える。
【解決手段】本成分濃度分析装置は、波長可変な２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する音波を検出し、前記音波から前記２つの光毎のスペクトルデータを取得する光音響信号検出手段と、光音響信号検出手段が取得した前記２つの光毎のスペクトルデータの差分を計算し、前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を測定する演算手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の成分濃度を光音響法で測定する成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高齢化が進み、成人病の患者数の増大に対する対応が大きな社会的な課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となるので、血液を採取しない非侵襲な成分濃度分析装置が注目されている。現在までに開発された非侵襲な成分濃度分析装置としては、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば、血糖値の場合はグルコース分子に吸収され、局所的に加熱して熱膨張を起こして生体内から発生する音波を観測する、光音響法が注目されている。
【０００３】
従来の光音響装置の光源には、パルス、および連続波（ＣＷ）が用いられる。図１は光パルスを電磁波として用いた従来の成分濃度分析装置である（例えば、非特許文献１を参照。）。本例では試料として血液成分の血糖、すなわちグルコースを測定対象としている。図１において、駆動回路６０４はパルス状の励起電流をパルス光源６１７に供給し、パルス光源６１７はサブマイクロ秒の持続時間を有する光パルスを発生し、発生した光パルスは試料６１０に照射される。光パルスは試料６１０の内部にパルス状の光音響信号と呼ばれる音波を発生させ、発生した音波は音波検出器６１３により検出され、さらに音圧に比例した電気信号に変換される。電気信号は増幅器６１５で増幅され波形観測器６２１で平均化され、記録器６３０に電気信号のピーク振幅を記録する。異なる濃度におけるピーク振幅を計測した検量線から、試料６１０の成分濃度を測定する。
【０００４】
光パルスの光音響励起によって発生する音圧は試料の吸光度に比例する。このため、温度や水体積分率の変動などの水の影響で音圧変動し、検量線の切片がシフトする可能性がある。検量線の切片がシフトした場合、成分濃度算定に誤差が生じるという課題があった。
【０００５】
上記課題を解決するために、複数波長を用いることが容易なＣＷ法における２波長差分方式の成分濃度分析装置も知られている（例えば、特許文献１を参照。）。図２はＣＷ法を用いた従来の成分濃度分析装置である。第１の光源６０１は、駆動回路６０４により、発振器６０３に同期して強度変調されている。一方、第２の光源６０２は、駆動回路６０４により、発振器６０３に同期して強度変調されている。更に、第２の光源６０２の駆動回路６０４には、発振器６０３の出力が遅延調整器６０５を介して給電される。その結果、第２の光源６０２は、第１の光源６０１に対して、位相（周波数）が、逆相に変調されるように構成されている。第１の光源６０１及び第２の光源６０２の出力光は、光合波器６１６により重畳され、１本の光束として、試料６１０に照射される。試料６１０内で発生された光音響信号は、音波検出器６１３により検出され、音圧に比例した電気信号に変換される。電気信号の振幅が、発振器６０３に同期した波形観測器６２１によって計測され、記録器６３０に記録される。図２の成分濃度分析装置は、２つの波長の測定結果について差分をとること（差分検出）で、水のみの影響による音圧変動を相殺することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｋ．Ｍ．Ｑｕａｎ， Ｇ．Ｂ．Ｃｈｒｉｓｔｉｓｏｎ， Ｈ．Ａ．ＭａｃＫｅｎｚｉｅ ａｎｄ Ｐ．Ｈｏｄｇｓｏｎ， “Ｇｌｕｃｏｓｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｂｙ ａ ｐｕｌｓｅｄ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ： ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｇｅｌａｔｉｎ−ｂａｓｅｄ ｔｉｓｓｕｅ ｐｈａｎｔｏｍ，” Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ．，３８（１９９３），ｐｐ１９１１−１９２２．
【特許文献１】特開２００６−３２６２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
血糖値の算出は、２つの波長間の差分光音響信号を２つのうちの一方の光音響信号で規格化した規格化差分光音響信号、グルコースのモル濃度当たりの吸光度、及び水の吸光度で計算される。通常、水の吸光度を水分１００％と仮定して計算しているが、体中の水分量（水体積分率）は環境要因（気温、湿度）や水分摂取量に伴い、±１０％程度変動することが知られている。このため、グルコース定量精度も±１０％程度の変動が予測され、環境要因等の変動がグルコース検出精度に大きく影響するという課題があった。
【０００８】
さらに、実用的な精度を得るために、グルコースの特異吸収である近赤外波長域の光を測定に用いるが、この領域の光は、水への吸収が生理範囲のグルコースへの吸収に比べ１０００倍と大きい。このため、試料中の水体積分率の変動がグルコース検出精度に大きく影響するという課題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、試料の水体積分率が変化する条件下においても、試料の測定対象成分の濃度を高精度に測定できる成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法は、試料の測定対象成分の濃度と試料の水体積分率を測定し、測定対象成分の濃度を水体積分率で補正することとした。
【００１１】
具体的には、本発明に係る成分濃度分析装置は、互いに異なる波長且つ互いに水の吸光度が等しくなる波長の２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記光音響信号から前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を演算する濃度演算手段と、前記光音響信号を検出する際に前記試料の水体積分率を測定する水体積分率測定手段と、前記濃度演算手段で演算した前記測定対象成分の濃度を前記水体積分率測定手段で測定した前記水体積分率で補正する補正手段と、を備える。
【００１２】
本発明に係る成分濃度分析方法は、互いに異なる波長且つ互いに水の吸光度が等しくなる波長の２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記光音響信号から前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を演算するとともに、前記光音響信号を検出する際に前記試料の水体積分率を光学的に測定し、前記測定対象成分の濃度を前記水体積分率で補正する。
【００１３】
試料の測定対象成分の濃度を測定するとともに、試料の水体積分率を測定し、試料の測定対象成分の濃度を試料の水体積分率で補正することで、試料内の水体積分率が変化したとしても試料の測定対象成分の濃度を正確に測定することができる。
【００１４】
従って、本発明は、試料の水体積分率が変化する条件下においても、試料の測定対象成分の濃度を高精度に測定できる成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法を提供することができる。
【００１５】
本発明に係る成分濃度分析装置の前記水体積分率測定手段は、前記混合光に含まれる少なくとも一方の光について前記試料に照射前の光強度と前記試料を透過後の光強度との比率を用いて前記水体積分率を測定することとしてもよい。
【００１６】
本発明に係る成分濃度分析方法は、前記混合光に含まれる少なくとも一方の光について前記試料に照射前の光強度と前記試料を透過後の光強度との比率を用いて前記水体積分率を測定することとしてもよい。
【００１７】
本水体積分率測定手段及び本水体積分率測定方法は、透過又は内部で反射した混合光を利用して水体積分率を測定する。本水体積分率測定手段及び本水体積分率測定方法は、試料の内部の水体積分率を測定することができる。
【００１８】
本発明に係る成分濃度分析装置の前記水体積分率測定手段は、前記混合光に含まれる一方の光と同位相で、且つ前記混合光に含まれるいずれの光とも波長が異なる水体積分率測定用光を前記試料に照射し、前記水体積分率測定用光で前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記混合光に含まれる一方の光に基づく光音響信号との比率を用いて前記水体積分率を測定することとしてもよい。
【００１９】
本発明に係る成分濃度分析方法は、前記混合光に含まれる一方の光と同位相で、且つ前記混合光に含まれるいずれの光とも波長が異なる水体積分率測定用光を前記試料に照射し、前記水体積分率測定用光で前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記混合光に含まれる一方の光に基づく光音響信号との比率を用いて前記水体積分率を測定することとしてもよい。
【００２０】
補正精度を高めるためには、光音響効果で音源分布が生じている対象領域中の水体積分率を求めることが必要である。本水体積分率測定手段及び本水体積分率測定方法は、水体積分率測定用光を用いている。水体積分率測定用光で発生した光音響信号を使い水体積分率を産出しているため、光音響効果で音源分布が生じている対象領域中の水体積分率を求めることができる。従って、本成分濃度分析装置及び本成分濃度分析方法は、試料の測定対象成分の濃度をより高精度に測定できる。
【００２１】
本発明に係る成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法の前記水体積分率測定用光は、水の吸光度が最大となる波長とすることができる。試料の水体積分率を測定精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、試料の水体積分率が変化する条件下においても、試料の測定対象成分の濃度を高精度に測定できる成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の成分濃度分析装置を説明するブロック図である。
【図２】従来の成分濃度分析装置を説明するブロック図である。
【図３】水とグルコースの吸光度スペクトルの模式図である。
【図４】グルコース水溶液の差吸光度スペクトルの模式図である。
【図５】本発明に係る成分濃度分析装置を説明するブロック図である。
【図６】本発明に係る成分濃度分析装置を説明するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。また、以下の説明では測定対象成分をグルコースとして説明するが、測定対象成分がグルコース以外の成分であっても同様に測定できる。
【００２５】
（成分濃度の算出）
円筒セル中の縦モードのみを考慮した音圧式（横モードカットオフ周波数ωｃｕｔｏｆｆ以下）は、Ｎａｖｉｅｒ−Ｓｔａｋｅｓ方程式の固有値を解くことで求めることができる。ｎ次縦モードにおける音圧Ｓnは以下のように表せる。
【数１】
【数２】
ここで、Ｐ０は光源パワー、ｊは虚数、ωは音波周波数、ωｎはｎ次の共振周波数、Ｑｎはｎ次の共振モードのＱ値、νは音速、Ｌは共振器長、αは吸収係数、ρは密度、βは熱膨張率、Ｃpは比熱である。
【００２６】
２つの波長で発生する光音響信号Ｓ１，Ｓ２とすれば、
【数３】
ここで、Ｖは水の体積分率、Ｍはグルコースモル濃度、αｇ１，αｇ２はモル濃度当たりの吸光度、αｗ１，αｗ２は水の吸光度であり、Ｃは検出器の感度や光音響信号測定対象と検出器の音響的接触状態などの検出測定系のシステムによって決まるパラメータである。また、Ｋは次式である。
【数４】
【００２７】
式（３），（４）の連立方程式をグルコースモル濃度Ｍについて解けば、
【数５】
となる。ここで、Ｓｎｏｒｍは規格化差分光音響信号であり、（Ｓ２−Ｓ１）／Ｓ１を表す。
【００２８】
図３は、水とグルコースの吸光度スペクトルの模式図である。図３に示すような水の吸光度がαｗ１＝αｗ２となる２つの波長λ１，λ２を選択し、グルコースの吸光度が小さいためにαｇ１＋αｇ２＝αｗ１なる近似を用いている。図４は、グルコース水溶液の差吸光度スペクトルの模式図である。図４に示すように、２つの波長でのαｇ１，αｇ２は等しくないため、水からの信号のみが差分によって打ち消される。
【００２９】
ここで、体積分率をＶ％とすれば、生体中ではおよそ８０％とされているが、環境要因（気温、湿度）や水分摂取量に伴い、±１０％程度変動する。そのため、グルコース定量精度も式（５）に従い、算定値Ｍにおよそ±１０％程度の誤差が予測され、医療機器基準が±１５％であることを鑑みれば無視できない誤差である。従って、水体積分率の補正をすることが必要となる。
【００３０】
角質や表皮層の水分計測は、アトピー性皮膚炎をもたらすドライスキン、皮膚ガン、化粧品や薬効、美容などの分野で重要であり、様々な皮膚水分量測定がある。例えば、伝導率や誘電率の計測から皮膚水分量を計測する静電容量方式も知られている。水体積分率を補正するための測定対象の水体積分率の測定は、このような公知の水分量測定方法を利用してもよい。
【００３１】
なお、静電容量方式で測定できる水体積分率は、角質層３０〜４０μｍ程度の厚さである。光音響法による皮膚内の光到達深度が真皮層を超えて数ｍｍに及ぶ場合には、次に説明する、可視光や近赤外光の光透過分光法や光拡散反射分光法、あるいは水体積分率測定用光使用法で測定対象の水体積分率を測定する。
【００３２】
（光透過分光法、光拡散反射分光法）
試料への入射光をＩ０、試料内部で反射あるいは透過して試料外部に出射する出射光をＩとした場合、入射光Ｉ０と出射光Ｉの比は、ダランベールの法則より光路長Ｌと仮定して、
【数６】
となる。以上から、Ｖについて求めると、
【数７】
となる。
【００３３】
光路長Ｌは、皮膚の多成分（メラニンなど）や多重散乱の影響で変動する。しかし、例えば、耳朶を挟むように透過型の光センサを装着し透過光を測定した場合には、光路中に散乱への影響が大きい顕著な血管が存在しないこと、及び、グルコースの吸収する１．６μｍの波長帯域で水が支配的な吸収成分であることから、上述の影響は小さく、水の吸収量から水体積分率Ｖを正確に測定することできる。
【００３４】
（水体積分率測定用光使用法）
より補正精度を高めるためには、光音響効果で音源分布が生じている対象領域中の水体積分率Ｖを求めることが必要となる。すなわち、光音響法でグルコースを測定する光波長を用いて水体積分率Ｖを求めることが最も正確な測定方法である。以下で説明する水体積分率Ｖの測定手段は、試料の測定対象成分の濃度を測定するための光の他に水体積分率Ｖを測定するための光を用いる。この光で光音響効果を起こすとともに透過した光強度を測定することで光音響効果で音源分布が生じている対象領域中の吸光度を知ることができる。
【００３５】
光吸収長に比べ、音波の波長が十分長い場合、光音響信号は吸光度の変化、即ち体積分率Ｖやグルコースモル濃度Ｍに依存しない。例えば，ＯＨ−吸収バンドの極大吸収の波長λ３（１．４６μｍ）における光音響信号Ｓ３とすると、水の吸光度αｗ３＝１．２ｍｍ−１となり、およそ１ｍｍ（＝αｗ３−１）で光パワーの９０％は吸収され、同サイズの音源分布が生成する。
【００３６】
ここで、音波波長が１ｍｍ以上、例えば３ｍｍ程度であるとすれば、発生する光音響効果の音源分布が波長に比べ十分小さい。即ち、（ω／ν）＜＜αｗ３と見なせるため、式（２）のＦ(Ｌ，α)のαに対する変化が非常に小さく無視できる。従って、光音響信号Ｓ３はほぼ光吸収パワーを測定することに等しくなり、次のように書くことができる。
【数８】
ここで、Ｋ３は式（３），（４）と同様のシステムパラメータであるが、吸収係数で決定される音源形状が他の２波長と大きく異なるために、前述のＫとは値が異なる。
【００３７】
例えば，λ３での音源深さは１ｍｍであり、λ１，λ２での音源深さは５ｍｍである。次に、光音響信号Ｓ１と光音響信号Ｓ３の比をとることによって、水の体積分率Ｖを以下のように求めることができる。
【数９】
ここで、αｗ１＋αｇ１＝αｗ１なる近似を用いている。上式を用いて、グルコース算定式は、次のように、
【数１０】
となる．ここで、初期的に既知のグルコース濃度によって、Ｋ３を決定し、その後は、Ｋ３を用いて式（８）に従ってグルコースモル濃度Ｍを算出する。
【００３８】
以上の説明のように、水の吸収が大きい光波長で発生する光音響信号を用いることで、対象測定物の水分の体積分率を補正する精度を高めることができる。
【００３９】
（第１実施形態）
図５は、本実施形態の成分濃度分析装置を説明するブロック図である。本成分濃度分析装置は、互いに異なる波長且つ互いに水の吸光度が等しくなる波長の２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記光音響信号から前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を演算する濃度演算手段と、前記光音響信号を検出する際に前記試料の水体積分率を測定する水体積分率測定手段と、前記濃度演算手段で演算した前記測定対象成分の濃度を前記水体積分率測定手段で測定した前記水体積分率で補正する補正手段と、を備える。
【００４０】
まず、濃度演算手段について説明する。濃度演算手段は、第１波長の光を出射する第１光源１０１と、第２波長の光を出射する第２の光源１０２と、第１光源１０１及び第２光源１０２から出射された２つの光を混合した混合光を試料１１０に照射する光合波器１１６と、混合光の照射で試料１１０内で発生した音波（光音響信号）を検出する音波検出器１１３と、を有する。さらに、濃度演算手段は、光源駆動器（１１１、１１２）、遅延調整器１０５、発振器１０７、前置増幅器１１５、位相検波器１２１、及び記録器１３０を有する。
【００４１】
光源駆動器１１１は、発振器１０７に同期して第１光源１０１から出力される第１波長の光を強度変調する。一方、光源駆動器１１２は、同じく発振器１０７に同期して第２光源１０２から出力される第２波長の光を強度変調する。遅延調整器１０５は、発振器１０７の出力を１８０度移相するように調整して光源駆動器１１１に給電する。この結果、第１光源１０１からの第１波長の光は、第２光源１０２からの第２波長の光に対して、周波数位相が逆相になるように変調される。
【００４２】
第１光源１０１からの第１波長の光及び第２光源１０２からの第２波長の光は、光合波器１１６により混合され、１の光束の混合光として、試料１１０に照射される。音波検出器１１３は試料１１０内で発生した光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換して出力する。前置増幅器１１５はこの電気信号を増幅する。位相検波器１２１は、この電気信号を発振器１０７から参照信号線１０６を介して入力される発振信号を用いて第１波長の光の光音響による信号と第２波長の光の光音響による信号とに分けて同期検波する。記録器１３０は、位相検波器１２１が出力する第１波長の光の光音響による信号と第２波長の光の光音響による信号との差分を計算し、グルコースモル濃度Ｍを記録する。
【００４３】
ここでは、３つの水体積分率測定手段について説明する。まず、１つ目の水体積分率測定手段は、前述のように公知の水体積分率を測定する手段（不図示）が成分濃度分析装置に組み込まれており、これで水体積分率Ｖを取得してもよい。
【００４４】
２つ目の水体積分率測定手段は光透過分光法である。本水体積分率測定手段は、混合光に含まれる少なくとも一方の光について試料１１０に照射前の光強度Ｉ０と試料１１０を透過後の光強度Ｉとの比率を用いて水体積分率Ｖを測定する。この水体積分率測定手段は、試料１１０を透過した混合光を検出する光検出器１２２と記録器１３０を有する。試料１１０に照射前の光強度Ｉ０は、各光源（１０１、１０２）が内蔵するフォトディテクタの値を利用することができる。また、光合波器１１７の出力を光検出器（不図示）で測定してもよい。
【００４５】
記録器１３０は、試料１１０を透過した第１光源からの第１波長の光又は第２光源からの第２波長の光を光検出器１２２が検出した信号も光透過信号として記録する。水体積分率測定手段は、試料１１０が収められた試料室の厚さを光路長Ｌとし、式（７）に基づいて、水体積分率Ｖを求める。補正手段は、取得された水体積分率Ｖを式（５）に代入し、濃度演算手段が演算したグルコース濃度Ｍを補正する。なお、図５では光透過分光法の水体積分率測定手段を説明したが、試料１１０の内部で反射する光を利用する光拡散反射分光法の水体積分率測定手段でも同様に水体積分率Ｖを求めることができる。
【００４６】
３つ目の水体積分率測定手段は水体積分率測定用光使用法である。本水体積分率測定手段は、混合光に含まれる一方の光と同位相で、且つ混合光に含まれるいずれの光とも波長が異なる水体積分率測定用光を試料１１０に照射し、水体積分率測定用光で試料１１０から発生する光音響信号を検出し、混合光に含まれる一方の光に基づく光音響信号との比率を用いて水体積分率Ｖを測定する。この水体積分率測定手段は、第３波長の光を出力する第３光源１０３、及び混合光に第３波長の光をさらに混合する光混合器１１７を有する。さらに、水体積分率測定手段は、音波検出器１１３、前置増幅器１１５及び位相検波器１２１を有する。第３光源１０３は、光源駆動器１１１と接続しており、第３波長の光は周波数位相が第１波長の光と同相になるように強度変調される。音波検出器１１３は第３波長の光で発生した光音響信号も検出し、記録機１３０はこれを記録する。
【００４７】
補正手段は記録器１３０である。１つ目及び２つ目の水体積分率測定手段で水体積分率Ｖを得た場合、補正手段はこれを式（５）に代入し、濃度演算手段が演算したグルコース濃度Ｍを補正する。一方、３つ目の水体積分率測定手段で水体積分率Ｖを得た場合、補正手段は既知のグルコース濃度によるＫ３の導出を経て、補正式（１０）により、グルコース濃度Ｍを補正する。
【００４８】
本成分濃度分析装置では、３つの水体積分率測定手段があることを説明したが、水体積分率測定手段はいずれか１つだけでもよく、３つのうち２つでもよい。例えば、成分濃度分析装置が光透過分光法と水体積分率測定用光使用法の水体積分率測定手段を備える場合、それぞれの水体積分率測定手段で測定した水体積分率で補正した２つのグルコース濃度のうち、数日間に亘って記録した複数のグルコース濃度に対する標準誤差範囲と比較し、異常値を示さない値を選択してもよい。
【００４９】
（第２実施形態）
図６は、本実施形態の成分濃度分析装置を説明するブロック図である。第１光源１０１及び第２光源１０２の光出力は、光ファイバを介して光合波器１１６に結合される。また、第３光源１０３の光出力及び光合波器１１６の光出力は、光ファイバを介して光合波器１１７に結合される。光源駆動器（１１１、１１２）は、第１光源１０１、第２光源１０２および第３光源１０３の駆動電流を発振器１０７であるファンクションジェネレータからの駆動電圧（周波数３８０ｋＨｚ）に同期させる。遅延調整器１０５は、第１光源１０１の駆動電流を第２光源１０２の駆動電流に対して１８０度遅延するように調整する。その結果、第２光源１０２からの光は、第１光源１０１からの光に対して、周波数位相が逆相に変調される。
【００５０】
第１光源１０１、第２光源１０２および第３光源１０３は、例えば、半導体レーザである。第１光源１０１の半導体レーザの波長は１．６１μｍであり、第２光源１０２の半導体レーザの波長は１．４０μｍ、第３光源１０３の半導体レーザの波長は１．４６μｍとした。半導体レーザは内部にフォトディテクタを内蔵しており、光出力をモニターしつつ注入電流を制御し、異なる波長での光パワーを一定に保つ。平均光パワーの設定は５ｍＷ程度とした。なお、グルコースの吸収バンドはブロードであるため、光源の線幅は広くてもよく、例えば、広帯域光源からの広帯域光を波長可変フィルタによって波長選択を行う方式をとってもよい。
【００５１】
光合波器１１７の光出力から光ファイバを介して光コリメータ２０５へ接続し、試料フォルダ２０１内の試料室へガラス窓２０６を介してコリメート光を出射した。すなわち、図６の成分濃度分析装置は、第１光源１０１、第２光源１０２及び第３光源１０３の出力光を混合し、１本の光束の混合光として試料１１０へ照射できる。さらに、成分濃度分析装置は、試料１１０へ混合光を照射する際に、光コリメータ２０５を用いて、光ビーム径を直径２ｍｍ程度のガウシアンプロファイルを持つビームへと変換する。試料フォルダ２０１や試料１１０は照射光エネルギーがほぼ吸収される吸収長以上の光路長が得られるサイズであることが好ましい。図６の試料１１０は光軸方向の長さが１０ｍｍである。この時に試料フォルダ２０１を透過した光強度は入射光強度の１％程度である。また、不要な多重光反射による雑音を防ぐために、ガラス窓２０６には反射防止膜を形成しておくことが好ましく、上記波長帯で１％以下の反射率となるようにした。
【００５２】
は、試料フォルダ２０１に搭載した圧電素子である音波検出器１１３は、試料１１０内で発生した光音響信号を検出する。音波検出器１１３は共振特性を利用した狭帯域型の圧電素子を用い、感度が高い共振周波数と駆動周波数とを一致させた。具体的には、音波検出器１１３の共振周波数を試料フォルダ２０１の音響共鳴特性による音波増幅から、縦モードの共鳴ピークに設定した。音波検出器１１３の受音面にはより受音効率を高めるために、水と圧電素子との両者の音響インピーダンスが整合するように中間層２０７（シリコーンゴム）を設けた。
【００５３】
音波検出器１１３は検出した音圧に比例した電気信号を出力する。前置増幅器１１５はこの電気信号を増幅する。発振器１０７に同期した位相検波器１２１は、この電気信号の振幅を計測した。位相検波器１２１の積分時間は３秒である。音波検出器１１３が出力する電気信号は、例えば波長１．３８μｍで、１．５６ｍＶ、２つの波長の差分信号は３２μＶと記録器１３０に記録された。両者の比を求めると０．０２となり、異なるグルコース濃度（０〜２ｇ／ｄＬ、１００ｍｇ／ｄＬ間隔）に対して検量用データを用いた処理することで、補正前のグルコース成分濃度が１５０ｍｇ／ｄＬと算出された。
【００５４】
次に第１光源１０１の光が試料１１０を透過した光を光検出器１２２で検出した。試料１１０中のグルコース濃度を採取によって測定して、１３０ｍｇ／ｄＬと算定され、測定した光パワーから初期的に求まった水体積分率は０．７である。モニター開始後に所定毎に測定した光パワーから逐次補正を行った。例えば、水の体積分率は０．７５と算定され、１１３ｍｇ／ｄＬと補正された。次に、第３光源の光によって発生した音波は、１．６５ｍＶと検出された。試料中のグルコース濃度を採取によって測定して、１３０ｍｇ／ｄＬと算定され、それから初期的に求まったＫ３は０．２であり、水の体積分率は０．８２と推定された。モニター開始後に所定毎に測定した光音響信号から、Ｋ３の初期値を用いて逐次補正を行った。例えば、水体積分率は０．８５と算定され、１２７ｍｇ／ｄＬと補正された。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法は、液体中の成分濃度を測定する分野、例えば果実の糖度測定に適用することができる。また、本発明に係る成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法は、日常の健康管理や美容上のチェックに利用することができる。また、人間ばかりでなく、動物についても健康管理に利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０１：第１光源
１０２：第２光源
１０３：第３光源
１０５：遅延調整器
１０６：参照信号線
１０７：発振器
１０８：鏡
１１０：試料
１１１、１１２：光源駆動器
１１３：音波検出器
１１５：前置増幅器
１１６、１１７：光号波器
１２１：位相検波器
１２２：光検出器
１３０：記録器
２０１：試料フォルダ
２０５：光コリメータ
２０６：ガラス窓
２０７：中間層
６０１：第１光源
６０２：第２光源
６０３：発振器
６０４：駆動回路
６０５：遅延調整器
６０６：参照信号線
６１０：試料
６１１：較正試料
６１３：音波検出器
６１５：前記増幅器
６１６：光合波器
６１７：パルス光源
６２１：波形観測器
６３０：記録器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の成分濃度を光音響法で測定する成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高齢化が進み、成人病の患者数の増大に対する対応が大きな社会的な課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となるので、血液を採取しない非侵襲な成分濃度分析装置が注目されている。現在までに開発された非侵襲な成分濃度分析装置としては、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば、血糖値の場合はグルコース分子に吸収され、局所的に加熱して熱膨張を起こして生体内から発生する音波を観測する、光音響法が注目されている。
【０００３】
従来の光音響装置の光源には、パルス、および連続波（ＣＷ）が用いられる。図１は光パルスを電磁波として用いた従来の成分濃度分析装置である（例えば、非特許文献１を参照。）。本例では試料として血液成分の血糖、すなわちグルコースを測定対象としている。図１において、駆動回路６０４はパルス状の励起電流をパルス光源６１７に供給し、パルス光源６１７はサブマイクロ秒の持続時間を有する光パルスを発生し、発生した光パルスは試料６１０に照射される。光パルスは試料６１０の内部にパルス状の光音響信号と呼ばれる音波を発生させ、発生した音波は音波検出器６１３により検出され、さらに音圧に比例した電気信号に変換される。電気信号は増幅器６１５で増幅され波形観測器６２１で平均化され、記録器６３０に電気信号のピーク振幅を記録する。異なる濃度におけるピーク振幅を計測した検量線から、試料６１０の成分濃度を測定する。
【０００４】
光パルスの光音響励起によって発生する音圧は試料の吸光度に比例する。このため、温度や水体積分率の変動などの水の影響で音圧変動し、検量線の切片がシフトする可能性がある。検量線の切片がシフトした場合、成分濃度算定に誤差が生じるという課題があった。
【０００５】
上記課題を解決するために、複数波長を用いることが容易なＣＷ法における２波長差分方式の成分濃度分析装置も知られている（例えば、特許文献１を参照。）。図２はＣＷ法を用いた従来の成分濃度分析装置である。第１の光源６０１は、駆動回路６０４により、発振器６０３に同期して強度変調されている。一方、第２の光源６０２は、駆動回路６０４により、発振器６０３に同期して強度変調されている。更に、第２の光源６０２の駆動回路６０４には、発振器６０３の出力が遅延調整器６０５を介して給電される。その結果、第２の光源６０２は、第１の光源６０１に対して、位相（周波数）が、逆相に変調されるように構成されている。第１の光源６０１及び第２の光源６０２の出力光は、光合波器６１６により重畳され、１本の光束として、試料６１０に照射される。試料６１０内で発生された光音響信号は、音波検出器６１３により検出され、音圧に比例した電気信号に変換される。電気信号の振幅が、発振器６０３に同期した波形観測器６２１によって計測され、記録器６３０に記録される。図２の成分濃度分析装置は、２つの波長の測定結果について差分をとること（差分検出）で、水のみの影響による音圧変動を相殺することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｋ．Ｍ．Ｑｕａｎ， Ｇ．Ｂ．Ｃｈｒｉｓｔｉｓｏｎ， Ｈ．Ａ．ＭａｃＫｅｎｚｉｅ ａｎｄ Ｐ．Ｈｏｄｇｓｏｎ， “Ｇｌｕｃｏｓｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｂｙ ａ ｐｕｌｓｅｄ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ： ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｇｅｌａｔｉｎ−ｂａｓｅｄ ｔｉｓｓｕｅ ｐｈａｎｔｏｍ，” Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ．，３８（１９９３），ｐｐ１９１１−１９２２．
【特許文献１】特開２００６−３２６２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
血糖値の算出は、２つの波長間の差分光音響信号を２つのうちの一方の光音響信号で規格化した規格化差分光音響信号、グルコースのモル濃度当たりの吸光度、及び水の吸光度で計算される。通常、水の吸光度を水分１００％と仮定して計算しているが、体中の水分量（水体積分率）は環境要因（気温、湿度）や水分摂取量に伴い、±１０％程度変動することが知られている。このため、グルコース定量精度も±１０％程度の変動が予測され、環境要因等の変動がグルコース検出精度に大きく影響するという課題があった。
【０００８】
さらに、実用的な精度を得るために、グルコースの特異吸収である近赤外波長域の光を測定に用いるが、この領域の光は、水への吸収が生理範囲のグルコースへの吸収に比べ１０００倍と大きい。このため、試料中の水体積分率の変動がグルコース検出精度に大きく影響するという課題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、試料の水体積分率が変化する条件下においても、試料の測定対象成分の濃度を高精度に測定できる成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法は、試料の測定対象成分の濃度と試料の水体積分率を測定し、測定対象成分の濃度を水体積分率で補正することとした。
【００１１】
具体的には、本発明に係る成分濃度分析装置は、互いに異なる波長且つ互いに水の吸光度が等しくなる波長の２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記光音響信号から前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を演算する濃度演算手段と、前記光音響信号を検出する際に前記試料の水体積分率を測定する水体積分率測定手段と、前記濃度演算手段で演算した前記測定対象成分の濃度を前記水体積分率測定手段で測定した前記水体積分率で補正する補正手段と、を備える。
【００１２】
本発明に係る成分濃度分析方法は、互いに異なる波長且つ互いに水の吸光度が等しくなる波長の２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記光音響信号から前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を演算するとともに、前記光音響信号を検出する際に前記試料の水体積分率を光学的に測定し、前記測定対象成分の濃度を前記水体積分率で補正する。
【００１３】
試料の測定対象成分の濃度を測定するとともに、試料の水体積分率を測定し、試料の測定対象成分の濃度を試料の水体積分率で補正することで、試料内の水体積分率が変化したとしても試料の測定対象成分の濃度を正確に測定することができる。
【００１４】
従って、本発明は、試料の水体積分率が変化する条件下においても、試料の測定対象成分の濃度を高精度に測定できる成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法を提供することができる。
【００１５】
本発明に係る成分濃度分析装置の前記水体積分率測定手段は、前記混合光に含まれる少なくとも一方の光について前記試料に照射前の光強度と前記試料を透過後の光強度との比率を用いて前記水体積分率を測定することとしてもよい。
【００１６】
本発明に係る成分濃度分析方法は、前記混合光に含まれる少なくとも一方の光について前記試料に照射前の光強度と前記試料を透過後の光強度との比率を用いて前記水体積分率を測定することとしてもよい。
【００１７】
本水体積分率測定手段及び本水体積分率測定方法は、透過又は内部で反射した混合光を利用して水体積分率を測定する。本水体積分率測定手段及び本水体積分率測定方法は、試料の内部の水体積分率を測定することができる。
【００１８】
本発明に係る成分濃度分析装置の前記水体積分率測定手段は、前記混合光に含まれる一方の光と同位相で、且つ前記混合光に含まれるいずれの光とも波長が異なる水体積分率測定用光を前記試料に照射し、前記水体積分率測定用光で前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記混合光に含まれる一方の光に基づく光音響信号との比率を用いて前記水体積分率を測定することとしてもよい。
【００１９】
本発明に係る成分濃度分析方法は、前記混合光に含まれる一方の光と同位相で、且つ前記混合光に含まれるいずれの光とも波長が異なる水体積分率測定用光を前記試料に照射し、前記水体積分率測定用光で前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記混合光に含まれる一方の光に基づく光音響信号との比率を用いて前記水体積分率を測定することとしてもよい。
【００２０】
補正精度を高めるためには、光音響効果で音源分布が生じている対象領域中の水体積分率を求めることが必要である。本水体積分率測定手段及び本水体積分率測定方法は、水体積分率測定用光を用いている。水体積分率測定用光で発生した光音響信号を使い水体積分率を産出しているため、光音響効果で音源分布が生じている対象領域中の水体積分率を求めることができる。従って、本成分濃度分析装置及び本成分濃度分析方法は、試料の測定対象成分の濃度をより高精度に測定できる。
【００２１】
本発明に係る成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法の前記水体積分率測定用光は、水の吸光度が最大となる波長とすることができる。試料の水体積分率を測定精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、試料の水体積分率が変化する条件下においても、試料の測定対象成分の濃度を高精度に測定できる成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の成分濃度分析装置を説明するブロック図である。
【図２】従来の成分濃度分析装置を説明するブロック図である。
【図３】水とグルコースの吸光度スペクトルの模式図である。
【図４】グルコース水溶液の差吸光度スペクトルの模式図である。
【図５】本発明に係る成分濃度分析装置を説明するブロック図である。
【図６】本発明に係る成分濃度分析装置を説明するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。また、以下の説明では測定対象成分をグルコースとして説明するが、測定対象成分がグルコース以外の成分であっても同様に測定できる。
【００２５】
（成分濃度の算出）
円筒セル中の縦モードのみを考慮した音圧式（横モードカットオフ周波数ωｃｕｔｏｆｆ以下）は、Ｎａｖｉｅｒ−Ｓｔａｋｅｓ方程式の固有値を解くことで求めることができる。ｎ次縦モードにおける音圧Ｓnは以下のように表せる。
【数１】
【数２】
ここで、Ｐ０は光源パワー、ｊは虚数、ωは音波周波数、ωｎはｎ次の共振周波数、Ｑｎはｎ次の共振モードのＱ値、νは音速、Ｌは共振器長、αは吸収係数、ρは密度、βは熱膨張率、Ｃpは比熱である。
【００２６】
２つの波長で発生する光音響信号Ｓ１，Ｓ２とすれば、
【数３】
ここで、Ｖは水の体積分率、Ｍはグルコースモル濃度、αｇ１，αｇ２はモル濃度当たりの吸光度、αｗ１，αｗ２は水の吸光度であり、Ｃは検出器の感度や光音響信号測定対象と検出器の音響的接触状態などの検出測定系のシステムによって決まるパラメータである。また、Ｋは次式である。
【数４】
【００２７】
式（３），（４）の連立方程式をグルコースモル濃度Ｍについて解けば、
【数５】
となる。ここで、Ｓｎｏｒｍは規格化差分光音響信号であり、（Ｓ２−Ｓ１）／Ｓ１を表す。
【００２８】
図３は、水とグルコースの吸光度スペクトルの模式図である。図３に示すような水の吸光度がαｗ１＝αｗ２となる２つの波長λ１，λ２を選択し、グルコースの吸光度が小さいためにαｇ１＋αｇ２＝αｗ１なる近似を用いている。図４は、グルコース水溶液の差吸光度スペクトルの模式図である。図４に示すように、２つの波長でのαｇ１，αｇ２は等しくないため、水からの信号のみが差分によって打ち消される。
【００２９】
ここで、体積分率をＶ％とすれば、生体中ではおよそ８０％とされているが、環境要因（気温、湿度）や水分摂取量に伴い、±１０％程度変動する。そのため、グルコース定量精度も式（５）に従い、算定値Ｍにおよそ±１０％程度の誤差が予測され、医療機器基準が±１５％であることを鑑みれば無視できない誤差である。従って、水体積分率の補正をすることが必要となる。
【００３０】
角質や表皮層の水分計測は、アトピー性皮膚炎をもたらすドライスキン、皮膚ガン、化粧品や薬効、美容などの分野で重要であり、様々な皮膚水分量測定がある。例えば、伝導率や誘電率の計測から皮膚水分量を計測する静電容量方式も知られている。水体積分率を補正するための測定対象の水体積分率の測定は、このような公知の水分量測定方法を利用してもよい。
【００３１】
なお、静電容量方式で測定できる水体積分率は、角質層３０〜４０μｍ程度の厚さである。光音響法による皮膚内の光到達深度が真皮層を超えて数ｍｍに及ぶ場合には、次に説明する、可視光や近赤外光の光透過分光法や光拡散反射分光法、あるいは水体積分率測定用光使用法で測定対象の水体積分率を測定する。
【００３２】
（光透過分光法、光拡散反射分光法）
試料への入射光をＩ０、試料内部で反射あるいは透過して試料外部に出射する出射光をＩとした場合、入射光Ｉ０と出射光Ｉの比は、ダランベールの法則より光路長Ｌと仮定して、
【数６】
となる。以上から、Ｖについて求めると、
【数７】
となる。
【００３３】
光路長Ｌは、皮膚の多成分（メラニンなど）や多重散乱の影響で変動する。しかし、例えば、耳朶を挟むように透過型の光センサを装着し透過光を測定した場合には、光路中に散乱への影響が大きい顕著な血管が存在しないこと、及び、グルコースの吸収する１．６μｍの波長帯域で水が支配的な吸収成分であることから、上述の影響は小さく、水の吸収量から水体積分率Ｖを正確に測定することできる。
【００３４】
（水体積分率測定用光使用法）
より補正精度を高めるためには、光音響効果で音源分布が生じている対象領域中の水体積分率Ｖを求めることが必要となる。すなわち、光音響法でグルコースを測定する光波長を用いて水体積分率Ｖを求めることが最も正確な測定方法である。以下で説明する水体積分率Ｖの測定手段は、試料の測定対象成分の濃度を測定するための光の他に水体積分率Ｖを測定するための光を用いる。この光で光音響効果を起こすとともに透過した光強度を測定することで光音響効果で音源分布が生じている対象領域中の吸光度を知ることができる。
【００３５】
光吸収長に比べ、音波の波長が十分長い場合、光音響信号は吸光度の変化、即ち体積分率Ｖやグルコースモル濃度Ｍに依存しない。例えば，ＯＨ−吸収バンドの極大吸収の波長λ３（１．４６μｍ）における光音響信号Ｓ３とすると、水の吸光度αｗ３＝１．２ｍｍ−１となり、およそ１ｍｍ（＝αｗ３−１）で光パワーの９０％は吸収され、同サイズの音源分布が生成する。
【００３６】
ここで、音波波長が１ｍｍ以上、例えば３ｍｍ程度であるとすれば、発生する光音響効果の音源分布が波長に比べ十分小さい。即ち、（ω／ν）＜＜αｗ３と見なせるため、式（２）のＦ(Ｌ，α)のαに対する変化が非常に小さく無視できる。従って、光音響信号Ｓ３はほぼ光吸収パワーを測定することに等しくなり、次のように書くことができる。
【数８】
ここで、Ｋ３は式（３），（４）と同様のシステムパラメータであるが、吸収係数で決定される音源形状が他の２波長と大きく異なるために、前述のＫとは値が異なる。
【００３７】
例えば，λ３での音源深さは１ｍｍであり、λ１，λ２での音源深さは５ｍｍである。次に、光音響信号Ｓ１と光音響信号Ｓ３の比をとることによって、水の体積分率Ｖを以下のように求めることができる。
【数９】
ここで、αｗ１＋αｇ１＝αｗ１なる近似を用いている。上式を用いて、グルコース算定式は、次のように、
【数１０】
となる．ここで、初期的に既知のグルコース濃度によって、Ｋ３を決定し、その後は、Ｋ３を用いて式（８）に従ってグルコースモル濃度Ｍを算出する。
【００３８】
以上の説明のように、水の吸収が大きい光波長で発生する光音響信号を用いることで、対象測定物の水分の体積分率を補正する精度を高めることができる。
【００３９】
（第１実施形態）
図５は、本実施形態の成分濃度分析装置を説明するブロック図である。本成分濃度分析装置は、互いに異なる波長且つ互いに水の吸光度が等しくなる波長の２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記光音響信号から前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を演算する濃度演算手段と、前記光音響信号を検出する際に前記試料の水体積分率を測定する水体積分率測定手段と、前記濃度演算手段で演算した前記測定対象成分の濃度を前記水体積分率測定手段で測定した前記水体積分率で補正する補正手段と、を備える。
【００４０】
まず、濃度演算手段について説明する。濃度演算手段は、第１波長の光を出射する第１光源１０１と、第２波長の光を出射する第２の光源１０２と、第１光源１０１及び第２光源１０２から出射された２つの光を混合した混合光を試料１１０に照射する光合波器１１６と、混合光の照射で試料１１０内で発生した音波（光音響信号）を検出する音波検出器１１３と、を有する。さらに、濃度演算手段は、光源駆動器（１１１、１１２）、遅延調整器１０５、発振器１０７、前置増幅器１１５、位相検波器１２１、及び記録器１３０を有する。
【００４１】
光源駆動器１１１は、発振器１０７に同期して第１光源１０１から出力される第１波長の光を強度変調する。一方、光源駆動器１１２は、同じく発振器１０７に同期して第２光源１０２から出力される第２波長の光を強度変調する。遅延調整器１０５は、発振器１０７の出力を１８０度移相するように調整して光源駆動器１１１に給電する。この結果、第１光源１０１からの第１波長の光は、第２光源１０２からの第２波長の光に対して、周波数位相が逆相になるように変調される。
【００４２】
第１光源１０１からの第１波長の光及び第２光源１０２からの第２波長の光は、光合波器１１６により混合され、１の光束の混合光として、試料１１０に照射される。音波検出器１１３は試料１１０内で発生した光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換して出力する。前置増幅器１１５はこの電気信号を増幅する。位相検波器１２１は、この電気信号を発振器１０７から参照信号線１０６を介して入力される発振信号を用いて第１波長の光の光音響による信号と第２波長の光の光音響による信号とに分けて同期検波する。記録器１３０は、位相検波器１２１が出力する第１波長の光の光音響による信号と第２波長の光の光音響による信号との差分を計算し、グルコースモル濃度Ｍを記録する。
【００４３】
ここでは、３つの水体積分率測定手段について説明する。まず、１つ目の水体積分率測定手段は、前述のように公知の水体積分率を測定する手段（不図示）が成分濃度分析装置に組み込まれており、これで水体積分率Ｖを取得してもよい。
【００４４】
２つ目の水体積分率測定手段は光透過分光法である。本水体積分率測定手段は、混合光に含まれる少なくとも一方の光について試料１１０に照射前の光強度Ｉ０と試料１１０を透過後の光強度Ｉとの比率を用いて水体積分率Ｖを測定する。この水体積分率測定手段は、試料１１０を透過した混合光を検出する光検出器１２２と記録器１３０を有する。試料１１０に照射前の光強度Ｉ０は、各光源（１０１、１０２）が内蔵するフォトディテクタの値を利用することができる。また、光合波器１１７の出力を光検出器（不図示）で測定してもよい。
【００４５】
記録器１３０は、試料１１０を透過した第１光源からの第１波長の光又は第２光源からの第２波長の光を光検出器１２２が検出した信号も光透過信号として記録する。水体積分率測定手段は、試料１１０が収められた試料室の厚さを光路長Ｌとし、式（７）に基づいて、水体積分率Ｖを求める。補正手段は、取得された水体積分率Ｖを式（５）に代入し、濃度演算手段が演算したグルコース濃度Ｍを補正する。なお、図５では光透過分光法の水体積分率測定手段を説明したが、試料１１０の内部で反射する光を利用する光拡散反射分光法の水体積分率測定手段でも同様に水体積分率Ｖを求めることができる。
【００４６】
３つ目の水体積分率測定手段は水体積分率測定用光使用法である。本水体積分率測定手段は、混合光に含まれる一方の光と同位相で、且つ混合光に含まれるいずれの光とも波長が異なる水体積分率測定用光を試料１１０に照射し、水体積分率測定用光で試料１１０から発生する光音響信号を検出し、混合光に含まれる一方の光に基づく光音響信号との比率を用いて水体積分率Ｖを測定する。この水体積分率測定手段は、第３波長の光を出力する第３光源１０３、及び混合光に第３波長の光をさらに混合する光混合器１１７を有する。さらに、水体積分率測定手段は、音波検出器１１３、前置増幅器１１５及び位相検波器１２１を有する。第３光源１０３は、光源駆動器１１１と接続しており、第３波長の光は周波数位相が第１波長の光と同相になるように強度変調される。音波検出器１１３は第３波長の光で発生した光音響信号も検出し、記録機１３０はこれを記録する。
【００４７】
補正手段は記録器１３０である。１つ目及び２つ目の水体積分率測定手段で水体積分率Ｖを得た場合、補正手段はこれを式（５）に代入し、濃度演算手段が演算したグルコース濃度Ｍを補正する。一方、３つ目の水体積分率測定手段で水体積分率Ｖを得た場合、補正手段は既知のグルコース濃度によるＫ３の導出を経て、補正式（１０）により、グルコース濃度Ｍを補正する。
【００４８】
本成分濃度分析装置では、３つの水体積分率測定手段があることを説明したが、水体積分率測定手段はいずれか１つだけでもよく、３つのうち２つでもよい。例えば、成分濃度分析装置が光透過分光法と水体積分率測定用光使用法の水体積分率測定手段を備える場合、それぞれの水体積分率測定手段で測定した水体積分率で補正した２つのグルコース濃度のうち、数日間に亘って記録した複数のグルコース濃度に対する標準誤差範囲と比較し、異常値を示さない値を選択してもよい。
【００４９】
（第２実施形態）
図６は、本実施形態の成分濃度分析装置を説明するブロック図である。第１光源１０１及び第２光源１０２の光出力は、光ファイバを介して光合波器１１６に結合される。また、第３光源１０３の光出力及び光合波器１１６の光出力は、光ファイバを介して光合波器１１７に結合される。光源駆動器（１１１、１１２）は、第１光源１０１、第２光源１０２および第３光源１０３の駆動電流を発振器１０７であるファンクションジェネレータからの駆動電圧（周波数３８０ｋＨｚ）に同期させる。遅延調整器１０５は、第１光源１０１の駆動電流を第２光源１０２の駆動電流に対して１８０度遅延するように調整する。その結果、第２光源１０２からの光は、第１光源１０１からの光に対して、周波数位相が逆相に変調される。
【００５０】
第１光源１０１、第２光源１０２および第３光源１０３は、例えば、半導体レーザである。第１光源１０１の半導体レーザの波長は１．６１μｍであり、第２光源１０２の半導体レーザの波長は１．４０μｍ、第３光源１０３の半導体レーザの波長は１．４６μｍとした。半導体レーザは内部にフォトディテクタを内蔵しており、光出力をモニターしつつ注入電流を制御し、異なる波長での光パワーを一定に保つ。平均光パワーの設定は５ｍＷ程度とした。なお、グルコースの吸収バンドはブロードであるため、光源の線幅は広くてもよく、例えば、広帯域光源からの広帯域光を波長可変フィルタによって波長選択を行う方式をとってもよい。
【００５１】
光合波器１１７の光出力から光ファイバを介して光コリメータ２０５へ接続し、試料フォルダ２０１内の試料室へガラス窓２０６を介してコリメート光を出射した。すなわち、図６の成分濃度分析装置は、第１光源１０１、第２光源１０２及び第３光源１０３の出力光を混合し、１本の光束の混合光として試料１１０へ照射できる。さらに、成分濃度分析装置は、試料１１０へ混合光を照射する際に、光コリメータ２０５を用いて、光ビーム径を直径２ｍｍ程度のガウシアンプロファイルを持つビームへと変換する。試料フォルダ２０１や試料１１０は照射光エネルギーがほぼ吸収される吸収長以上の光路長が得られるサイズであることが好ましい。図６の試料１１０は光軸方向の長さが１０ｍｍである。この時に試料フォルダ２０１を透過した光強度は入射光強度の１％程度である。また、不要な多重光反射による雑音を防ぐために、ガラス窓２０６には反射防止膜を形成しておくことが好ましく、上記波長帯で１％以下の反射率となるようにした。
【００５２】
は、試料フォルダ２０１に搭載した圧電素子である音波検出器１１３は、試料１１０内で発生した光音響信号を検出する。音波検出器１１３は共振特性を利用した狭帯域型の圧電素子を用い、感度が高い共振周波数と駆動周波数とを一致させた。具体的には、音波検出器１１３の共振周波数を試料フォルダ２０１の音響共鳴特性による音波増幅から、縦モードの共鳴ピークに設定した。音波検出器１１３の受音面にはより受音効率を高めるために、水と圧電素子との両者の音響インピーダンスが整合するように中間層２０７（シリコーンゴム）を設けた。
【００５３】
音波検出器１１３は検出した音圧に比例した電気信号を出力する。前置増幅器１１５はこの電気信号を増幅する。発振器１０７に同期した位相検波器１２１は、この電気信号の振幅を計測した。位相検波器１２１の積分時間は３秒である。音波検出器１１３が出力する電気信号は、例えば波長１．３８μｍで、１．５６ｍＶ、２つの波長の差分信号は３２μＶと記録器１３０に記録された。両者の比を求めると０．０２となり、異なるグルコース濃度（０〜２ｇ／ｄＬ、１００ｍｇ／ｄＬ間隔）に対して検量用データを用いた処理することで、補正前のグルコース成分濃度が１５０ｍｇ／ｄＬと算出された。
【００５４】
次に第１光源１０１の光が試料１１０を透過した光を光検出器１２２で検出した。試料１１０中のグルコース濃度を採取によって測定して、１３０ｍｇ／ｄＬと算定され、測定した光パワーから初期的に求まった水体積分率は０．７である。モニター開始後に所定毎に測定した光パワーから逐次補正を行った。例えば、水の体積分率は０．７５と算定され、１１３ｍｇ／ｄＬと補正された。次に、第３光源の光によって発生した音波は、１．６５ｍＶと検出された。試料中のグルコース濃度を採取によって測定して、１３０ｍｇ／ｄＬと算定され、それから初期的に求まったＫ３は０．２であり、水の体積分率は０．８２と推定された。モニター開始後に所定毎に測定した光音響信号から、Ｋ３の初期値を用いて逐次補正を行った。例えば、水体積分率は０．８５と算定され、１２７ｍｇ／ｄＬと補正された。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明に係る成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法は、液体中の成分濃度を測定する分野、例えば果実の糖度測定に適用することができる。また、本発明に係る成分濃度分析装置及び成分濃度分析方法は、日常の健康管理や美容上のチェックに利用することができる。また、人間ばかりでなく、動物についても健康管理に利用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１０１：第１光源
１０２：第２光源
１０３：第３光源
１０５：遅延調整器
１０６：参照信号線
１０７：発振器
１０８：鏡
１１０：試料
１１１、１１２：光源駆動器
１１３：音波検出器
１１５：前置増幅器
１１６、１１７：光号波器
１２１：位相検波器
１２２：光検出器
１３０：記録器
２０１：試料フォルダ
２０５：光コリメータ
２０６：ガラス窓
２０７：中間層
６０１：第１光源
６０２：第２光源
６０３：発振器
６０４：駆動回路
６０５：遅延調整器
６０６：参照信号線
６１０：試料
６１１：較正試料
６１３：音波検出器
６１５：前記増幅器
６１６：光合波器
６１７：パルス光源
６２１：波形観測器
６３０：記録器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる波長且つ互いに水の吸光度が等しくなる波長の２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記光音響信号から前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を演算する濃度演算手段と、
前記光音響信号を検出する際に前記試料の水体積分率を測定する水体積分率測定手段と、
前記濃度演算手段で演算した前記測定対象成分の濃度を前記水体積分率測定手段で測定した前記水体積分率で補正する補正手段と、
を備える成分濃度分析装置。
【請求項２】
前記水体積分率測定手段は、
前記混合光に含まれる少なくとも一方の光について前記試料に照射前の光強度と前記試料を透過後の光強度との比率を用いて前記水体積分率を測定することを特徴とする請求項１に記載の成分濃度分析装置。
【請求項３】
前記水体積分率測定手段は、
前記混合光に含まれる一方の光と同位相で、且つ前記混合光に含まれるいずれの光とも波長が異なる水体積分率測定用光を前記試料に照射し、前記水体積分率測定用光で前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記混合光に含まれる一方の光に基づく光音響信号との比率を用いて前記水体積分率を測定することを特徴とする請求項１に記載の成分濃度分析装置。
【請求項４】
前記水体積分率測定用光は、水の吸光度が最大となる波長であることを特徴とする請求項３に記載の成分濃度分析装置。
【請求項５】
互いに異なる波長且つ互いに水の吸光度が等しくなる波長の２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記光音響信号から前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を演算するとともに、
前記光音響信号を検出する際に前記試料の水体積分率を光学的に測定し、前記測定対象成分の濃度を前記水体積分率で補正する成分濃度分析方法。
【請求項６】
前記混合光に含まれる少なくとも一方の光について前記試料に照射前の光強度と前記試料を透過後の光強度との比率を用いて前記水体積分率を測定することを特徴とする請求項５に記載の成分濃度分析方法。
【請求項７】
前記混合光に含まれる一方の光と同位相で、且つ前記混合光に含まれるいずれの光とも波長が異なる水体積分率測定用光を前記試料に照射し、前記水体積分率測定用光で前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記混合光に含まれる一方の光に基づく光音響信号との比率を用いて前記水体積分率を測定することを特徴とする請求項５に記載の成分濃度分析方法。
【請求項８】
前記水体積分率測定用光は、水の吸光度が最大となる波長であることを特徴とする請求項７に記載の成分濃度分析方法。
【請求項１】
互いに異なる波長且つ互いに水の吸光度が等しくなる波長の２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記光音響信号から前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を演算する濃度演算手段と、
前記光音響信号を検出する際に前記試料の水体積分率を測定する水体積分率測定手段と、
前記濃度演算手段で演算した前記測定対象成分の濃度を前記水体積分率測定手段で測定した前記水体積分率で補正する補正手段と、
を備える成分濃度分析装置。
【請求項２】
前記水体積分率測定手段は、
前記混合光に含まれる少なくとも一方の光について前記試料に照射前の光強度と前記試料を透過後の光強度との比率を用いて前記水体積分率を測定することを特徴とする請求項１に記載の成分濃度分析装置。
【請求項３】
前記水体積分率測定手段は、
前記混合光に含まれる一方の光と同位相で、且つ前記混合光に含まれるいずれの光とも波長が異なる水体積分率測定用光を前記試料に照射し、前記水体積分率測定用光で前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記混合光に含まれる一方の光に基づく光音響信号との比率を用いて前記水体積分率を測定することを特徴とする請求項１に記載の成分濃度分析装置。
【請求項４】
前記水体積分率測定用光は、水の吸光度が最大となる波長であることを特徴とする請求項３に記載の成分濃度分析装置。
【請求項５】
互いに異なる波長且つ互いに水の吸光度が等しくなる波長の２つの光を逆位相の同一周波数の信号でそれぞれ強度変調して混合した混合光を生成し、前記混合光を試料に照射して前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記光音響信号から前記試料に含まれる測定対象成分の濃度を演算するとともに、
前記光音響信号を検出する際に前記試料の水体積分率を光学的に測定し、前記測定対象成分の濃度を前記水体積分率で補正する成分濃度分析方法。
【請求項６】
前記混合光に含まれる少なくとも一方の光について前記試料に照射前の光強度と前記試料を透過後の光強度との比率を用いて前記水体積分率を測定することを特徴とする請求項５に記載の成分濃度分析方法。
【請求項７】
前記混合光に含まれる一方の光と同位相で、且つ前記混合光に含まれるいずれの光とも波長が異なる水体積分率測定用光を前記試料に照射し、前記水体積分率測定用光で前記試料から発生する光音響信号を検出し、前記混合光に含まれる一方の光に基づく光音響信号との比率を用いて前記水体積分率を測定することを特徴とする請求項５に記載の成分濃度分析方法。
【請求項８】
前記水体積分率測定用光は、水の吸光度が最大となる波長であることを特徴とする請求項７に記載の成分濃度分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２８１７４７（Ｐ２０１０−２８１７４７Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３６５９０（Ｐ２００９−１３６５９０）
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月５日（２００９．６．５）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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