成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法
【課題】本発明は、安定駆動モードでの使用を可能にし、１８０°移相器を用いずに背景成分から発生する光音響信号を差分除去することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る成分濃度測定装置９１は、波長の異なる連続光を出力する第１の光源１０及び第２の光源１１と、第１の光源１０及び第２の光源１１からの連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する光スイッチ１５と、光スイッチ１５から出力された第１の光源１０及び第２の光源１１からの光によって被測定物１０１から発生する測定用音波を検出する音波検出部１７と、を備えることを特徴とする。
【解決手段】本発明に係る成分濃度測定装置９１は、波長の異なる連続光を出力する第１の光源１０及び第２の光源１１と、第１の光源１０及び第２の光源１１からの連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する光スイッチ１５と、光スイッチ１５から出力された第１の光源１０及び第２の光源１１からの光によって被測定物１０１から発生する測定用音波を検出する音波検出部１７と、を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響法を用いた対象成分の成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法に関し、特に、被測定物を人間又は動物とした非侵襲な成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢化が進み、成人病に対する対応が大き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測定装置が注目されている。
【０００３】
非侵襲な成分濃度測定装置として、光音響法が提案されている。光音響法は、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、グルコース分子に電磁波を吸収させ、グルコース分子からの熱の放射によって局所的に熱膨張を起こし、熱膨張によって生体内から発生した音波を観測する。しかし、グルコースと電磁波の相互作用は小さく、また生体に安全に照射しうる電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるにいたっていない。
【０００４】
図４及び図５は、従来の光音響法による成分濃度測定装置を示す構成例である。背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における対象成分の濃度を測定する。
【０００５】
図４に示す第１の従来例は、異なる波長の２つの光源を用い、連続的に強度変調することで高精度化を試みている。異なる波長の光源、即ち第１の光源２０１及び第２の光源２０２はそれぞれ駆動電源２０３及び駆動電源２０４により駆動され、連続光を出力する。
【０００６】
第１の光源２０１及び第２の光源２０２が出力する光は、モータ２１４により駆動され一定回転数で回転するチョッパ板２１３により断続される。ここでチョッパ板２１３は不透明な材質により形成され、モータ２１４の軸を中心とする第１の光源２０１及び第２の光源２０２の光が通過する円周上に、互いに素な個数の開口部が形成されている。
【０００７】
上記構成により、第１の光源２０１及び第２の光源２０２の各々が出力する光は互いに素な変調周波数ｆ１及び変調周波数ｆ２で強度変調された後、合波器２１１により合波され、１の光束として被測定物１０１に照射される。
【０００８】
被測定物１０１の内部には、第１の光源２０１の光により変調周波数ｆ１の光音響信号が発生し、第２の光源２０２の光により変調周波数ｆ２の光音響信号が発生し、これらの光音響信号は、音響センサ２１２により検出され、音圧に比例した電気信号に変換され、その周波数スペクトルが、周波数解析器２１５により観測される。
【０００９】
２つの光源の波長はすべてグルコースの吸収波長に設定されており、各波長に対応する光音響信号の強度は、血液中に含まれるグルコースの量に対応した電気信号として測定される。予め光音響信号の測定値の強度と別途採血した血液によりグルコースの濃度を測定した値との関係を記憶しておいて、前記光音響信号の測定値からグルコースの量を測定している。
【００１０】
図５に示す第２の従来例でも、連続的に強度変調した光源を用いている。第１の光源１１０は、波長λ１の測定光を発生する。第２の光源１１１は、波長λ２の参照光を発生する。発振器１１４は、第１の光源１１０及び第２の光源１１１から出力される光を強度変調するための変調信号を出力する。１８０°移相器１１３は、発振器１１４からの変調信号のうち一方を反転して出力する。駆動回路１１２ａは第１の光源１１０を駆動させる。駆動回路１１２ｂは、１８０°移相器１１３で反転された変調信号を基に第２の光源１１１を駆動させる。第１の光源１１０は、駆動回路１１２ａからの信号により波長λ１の測定光を強度変調して出力する。第２の光源１１１は、駆動回路１１２ｂからの信号により波長λ２の参照光を強度変調して出力する。これにより、異なる２波長λ１及びλ２光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する。
【００１１】
ここで、２つの波長λ１及び波長λ２は、対象成分の呈する吸収の差が、背景成分の呈する吸収の差よりも大きい波長である。また、波長λ１は、対象成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定する。波長λ１及び波長λ２は、対象成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい２波長であってもよい。これにより、水や測定対象とする成分以外の成分による吸収の影響を少なくして成分濃度測定装置の測定精度をよくすることができる。
【００１２】
２つの波長λ１及び波長λ２の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被測定物で発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、音波の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された２波長の光に対する音波を測定し、これらの測定値から、一定に保ちがたい多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被測定物内に発生する音波を検出することができる。
【００１３】
２つの波長λ１及び波長λ２の光により被測定物１０１の内部で光音響信号が発生し、これらの光音響信号は、音響センサ１１７により検出され、音圧に比例した電気信号に変換され、位相検波増幅器１１９によって観測される。２波長に対応する光音響信号の強度の差は、血液中に含まれるグルコースの量に対応した電気信号として測定される。
【特許文献１】特開平１０−１８９号公報
【特許文献２】特開２００７−８９６６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記のように、従来の成分濃度測定装置は、ある変調周波数で強度変調する必要があった。光音響法に用いる光源として一般的なＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザを用いた場合、レーザ強度安定性は連続光モードにて約０．１％／ｈである。従来技術では、ＤＦＢレーザをある周波数で駆動電流によって電気的に変調する必要があり、強度安定性は約０．１％／ｈに低下する。このため、安定して駆動できるモードでは使用できない場合があった。
【００１５】
また、２つの光源を逆相に設定する１８０°移相器の遅延安定度は約数ｎｓであり、光音響信号の差分信号がドリフトする場合があった。このため、逆相に設定する１８０°移相器１１３の遅延に起因して、背景成分から発生する光音響信号が差分除去できない場合があった。
【００１６】
そこで、本発明は、安定駆動モードでの使用を可能にし、１８０°移相器を用いずに背景成分から発生する光音響信号を差分除去することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明に係る成分濃度測定装置は、波長の異なる連続光を出力する複数の光源と、前記複数の光源からの連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する光スイッチと、前記光スイッチから出力された前記複数の光源からの光によって被測定物から発生する測定用音波を検出する音波検出部と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
各光源が連続光を出力するので、安定駆動モードでの使用を可能にする。また、光スイッチが各光源からの連続光を一定周波数で交互に出力することで、連続する２つの波長の光を同一周波数かつ逆相で合成された測定用合成光を同一の出力端子から出力することができる。これにより、背景成分から発生する光音響信号を、音波検出部で検出する測定用音波から、１８０°移相器を用いずに差分除去することができる。
【００１９】
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記複数の光源は、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における前記背景成分の呈する吸収が相等しい異なる波長を出力することをことが好ましい。
背景成分の呈する吸収が相等しいので、測定用合成光によって被測定物から発生する測定用音波から、背景成分から発生する光音響信号を差分除去した差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）を得ることができる。
【００２０】
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記複数の光源の少なくとも１つは、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における前記対象成分の呈する吸収が極大となる波長であることが好ましい。
対象成分の呈する吸収が極大であることで、対象成分から発生する音波の測定効率を高めることができる。
【００２１】
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記音波検出部の検出した測定用音波を、前記光スイッチの出力する前記一定周波数の整数倍成分の位相と同期するように検波する位相同期検波手段をさらに備えることが好ましい。
測定用音波の検波を光スイッチにおける一定周波数と位相同期検波することで、測定用音波以外の雑音を排除することができる。
【００２２】
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記被測定物の温度を検出する温度検出部をさらに備えることが好ましい。
被測定物の温度から、その温度における背景成分や対象成分の吸光度を用いることができる。これにより、吸光度の温度依存性の影響を排除した対象成分の濃度を測定することができる。
【００２３】
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記音波検出部の検出した測定用音波の振幅を、前記温度検出部の検出した温度に基づいて補正する温度補正部をさらに備えることが好ましい。
温度補正部をさらに備えることで、測定用音波における被測定物の温度による影響を除去することができる。
【００２４】
上記課題を解決するために、本発明に係る成分濃度測定方法は、複数の光源が、波長の異なる連続光を出力する光出力ステップと、光スイッチが、前記光出力ステップで出力した連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する光スイッチステップと、音波検出部が、前記光スイッチステップで出力された前記複数の光源からの光によって被測定物から発生する測定用音波を検出する音波検出ステップと、を順に有することを特徴とする。
【００２５】
光出力ステップにおいて、各光源が連続光を出力するので、安定駆動モードでの使用を可能にする。また、光スイッチステップにおいて、光スイッチが各光源からの連続光を一定周波数で交互に出力することで、連続する２つの波長の光を同一周波数かつ逆相で合成された測定用合成光を同一の出力端子から出力することができる。これにより、背景成分から発生する光音響信号を、音波検出ステップで検出した測定用音波から、１８０°移相器を用いずに差分除去することができる。
【００２６】
本発明に係る成分濃度測定方法では、前記音波検出ステップの前若しくは後又は前記音波検出ステップと同時に、温度検出部が、前記被測定物の温度を検出する温度検出ステップをさらに有することが好ましい。
温度検出ステップをさらに有することで、被測定物の温度から、その温度における背景成分や対象成分の吸光度を用いることができる。これにより、吸光度の温度依存性の影響を排除した対象成分の濃度を測定することができる。
【００２７】
本発明に係る成分濃度測定方法では、前記音波検出ステップの前若しくは後又は前記音波検出ステップと同時に、前記被測定物の温度を検出する温度検出ステップと、前記音波検出ステップの後に、前記音波検出ステップで検出した測定用音波の振幅を、前記被測定物の温度に基づいて補正する温度補正ステップをさらに有することが好ましい。
温度補正ステップをさらに有することで、測定用音波における被測定物の温度による影響を除去することができる。これにより、被測定物の温度の影響を受けない差分光音響信号を得ることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、本発明に係る成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法は、安定駆動モードでの使用を可能にし、１８０°移相器を用いずに背景成分から発生する光音響信号を差分除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
【００３０】
図１は、本実施形態に係る成分濃度測定装置の構成概略図である。成分濃度測定装置９１は、光音響法を用いて、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における対象成分の濃度を測定するための構成を備える。例えば、成分濃度測定装置９１は、第１の光源１０と、第２の光源１１と、第１の光源１０の駆動回路１２ａと、第２の光源１１の駆動回路１２ｂと、駆動回路１２ａ及び１２ｂに電圧を供給する定電圧電流源１３と、光スイッチ１５と、光スイッチ１５に一定周波数のクロック信号を入力する発振器１４と、光スイッチ１５からの出力光を被測定物１０１に向けて出射する光出射部１６と、被測定物１０１から発生する音波を検出する音波検出部１７と、音波検出部１７の検出した音波を増幅する前置増幅器１８と、前置増幅器１８の増幅した音波を位相検波する位相検波増幅器１９と、位相検波増幅器１９の検波した光音響信号を出力する光音響信号出力端子２０とを備える。
【００３１】
第１の光源１０及び第２の光源１１は、波長の異なる連続光を出力する。連続光を出力することで、安定駆動モードでの第１の光源１０及び第２の光源１１の使用が可能になる。連続光を出力する光源は、例えば、色素レーザ、チタンサファイアレーザ又はＥｒドープファイバレーザ等のレーザ光源、又は、白色光源である。連続光の光強度を安定化させるため、第１の光源１０及び第２の光源１１が発生する光の一部を受光するフォトデテクタ（不図示）を設けることが好ましい。フォトデテクタ（不図示）の受光する光の強度を定電圧電流源１３や駆動回路１２ａ及び１２ｂにフィードバックすることで、光強度を安定化することができる。
【００３２】
第１の光源１０の出力する光の波長λ１及び第２の光源１１の出力する光の波長λ２は、背景成分の呈する吸収が相等しい異なる波長である。例えば、被測定物１０１が生体であり、対象成分が血液中のグルコースであれば、背景成分の呈する吸収は、水の呈する吸収とすることができる。
【００３３】
そして、第１の光源１０及び第２の光源１１のうちの少なくとも１つは、対象成分の呈する吸収が極大となる波長であることが好ましい。例えば、被測定物１０１が生体であり、対象成分が血液中のグルコースであれば、第１の光源１０は、グルコースの呈する吸収が極大となる波長である波長１６００ｎｍ又は２１００ｎｍであることが好ましい。この場合、第１の光源１０の出力する連続光が波長λ１の測定光となり、第２の光源１１の出力する連続光が波長λ２の参照光となる。
【００３４】
第１の光源１０及び第２の光源１１から出力する連続光の波長を上記波長に設定するため、レーザ光源であれば、特定波長の光を発生するレーザ媒体、温度又は駆動電流を選択する。また、白色光源のように発生する光の波長帯域が広い光源であれば、バンドパスフィルタなどの波長可変フィルタを用いて出力光をフィルタリングする。
【００３５】
発振器１４は、任意の周波数のパルス列を発生する機能をもち、一定周波数のクロック信号を出力する。光スイッチ１５は、クロック信号により駆動され、第１の光源１０及び第２の光源１１を発振器１４からの一定周波数で切り替える。
【００３６】
光スイッチ１５は、第１の光源１０及び第２の光源１１からの連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する。ここで、一定周波数は、発振器１４から入力される。例えば、光スイッチ１５は、入力端子を２個、出力端子を１個備え、第１の光源１０からの波長λ１の測定光と、第２の光源１１からの波長λ２の参照光が、光伝達手段である光ファイバを介して入力される。そして、音響光学変調器（ＡＯＭ）又は電気光学変調器（ＥＯＭ）を用い、発振器１４からのクロック信号に従って、入力端子の接続を切り替える。こうすることで、測定光と参照光を一定周波数かつ逆相で混合した測定用合成光を出力端子から出力することができる。これにより、１８０°移相器を用いずに背景成分から発生する光音響信号を差分除去することができる。光スイッチ１５としては、ＡＯＭ又はＥＯＭのなかでも導波路型又はバルク結晶型を用いることができる。また、ＡＯＭ又はＥＯＭに限らず、ファイバ型、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、マッハツェンダー型、ＴＯ（Ｔｈｅｒｏｍｏ−Ｏｐｔｅｃ）型も光スイッチ１５として用いることができる。
【００３７】
図２は、光スイッチと光音響信号の関係の一例を示す説明図であり、（ａ）は発振器からのクロック信号、（ｂ）は第１の光源１０からの測定光及びその光音響信号、（ｃ）は第２の光源１１からの参照光及びその光音響信号を示す。図２（ｂ）において、破線は測定光、実線は測定光によって発生する光音響信号ｓ１を表す。図２（ｃ）において、破線は参照光、実線は参照光によって発生する光音響信号ｓ２を表す。クロック信号に従って光スイッチから出力された測定光と参照光は、同一周波数かつ逆相の測定用合成光となっている。このため、測定光と参照光を合成した測定用合成光を被測定物に照射することで、背景成分によって発生した光音響信号を差分除去した差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）を測定することができる。
【００３８】
図１に示す光スイッチ１５の出力端子から出力された測定用合成光は、光伝達手段である光ファイバを介して光出射部１６に入力される。光出射部１６は、光スイッチ１５の出力した光を被測定物１０１に向けて出射する。被測定物１６の形状に合わせて、光ファイバの先端に直角プリズム、ファイバコリメータ又はフィルールを接着してもよい。例えば、温度伝導窓２１が被測定物１０１の形状に沿って湾曲した支持体の場合、直角プリズムの形状を当該湾曲形状に合わせる。
【００３９】
図１に示す音波検出部１７は、第１の光源１０及び第２の光源１１からの光によって被測定物１０１から発生する音波を検出する。定電圧電流源１３が駆動回路１２ａ及び１２ｂに電圧を供給するとき、測定用合成光が被測定物１０１に照射されるので、測定用合成光によって発生した測定用音波を検出することで差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）が測定できる。定電圧電流源１３が駆動回路１２ａに電圧を供給せず、定電圧電流源１３が駆動回路１２ｂにのみ電圧を供給するとき、参照光が被測定物１０１に照射されるので、参照光によって発生した規格化用音波を検出することで光音響信号ｓ２が測定できる。
【００４０】
位相検波増幅器１９は、位相同期検波手段としての機能を備える。例えば、位相検波増幅器１９には発振器１４から一定周波数のクロック信号が入力され、クロック信号の位相と同期するように音波検出部１７の検出した音波を検波する。測定用音波は光スイッチ１５の切り替え周波数の１／２の周波数で発生するので、光スイッチ１５の切り替え周波数と共通のクロック信号の位相と同期させることで、測定用音波以外の雑音を排除することができる。
【００４１】
成分濃度測定装置９１は、さらに、被測定物１０１の温度を検出することが好ましい。被測定物１０１の温度から、背景成分や対象成分の吸光度の温度シフト量を見積もることができる。この場合、被測定物１０１の温度を伝導する温度伝導窓２１と、温度伝導窓２１の温度を検出する温度検出部２２と、温度検出部２２の検出した温度を出力する温度信号出力端子２３とを備える。そして、温度検出部２２が温度伝導窓２１を介して検出した被測定物１０１の温度を温度信号出力端子２３から出力する。
【００４２】
成分濃度測定装置９１は、さらに、対象成分の濃度を、被測定物１０１の温度に基づいて補正することが好ましい。対象成分の測定濃度における吸光度の温度シフトによる影響を排除することができる。この場合、音波検出部１７の後段、例えば、位相検波増幅器１９の後段に温度補正部（不図示）を設ける。温度補正部（不図示）は、温度に対応した背景成分や対象成分の補正曲線を予め格納しており、温度信号出力端子２３の出力した被測定物１０１の温度に対応する背景成分や対象成分の補正値を読み出す。そして、読み出した補正値を用いて、位相検波増幅器１９の出力する測定用音波を補正する。これにより、対象成分の測定濃度における吸光度の温度シフトによる影響を排除した差分光音響信号を光音響信号出力端子２０から出力することができる。なお、上記補正は、温度補正部（不図示）が行ってもよいし、人が行ってもよい。
【００４３】
本実施形態に係る成分濃度測定方法について、図１を用いて説明する。本実施形態に係る成分濃度測定方法は、光出力ステップと、光スイッチステップと、音波検出ステップと、を順に有する。成分濃度測定方法では、温度検出ステップ及び温度補正ステップをさらに有することが好ましい。温度検出ステップは、音波検出ステップの前若しくは後又は音波検出ステップと同時に行う。温度補正ステップは、音波検出ステップ及び温度検出ステップの後に行う。
【００４４】
光出力ステップでは、第１の光源１０及び第２の光源１１が、波長の異なる連続光を出力する。例えば、第１の光源１０は波長λ１の測定光を出力する。第２の光源１１は波長λ２の参照光を出力する。測定光と参照光は、光ファイバによって光スイッチ１５の入力端子に入力される。
【００４５】
光スイッチステップでは、光スイッチ１５が、光出力ステップで出力した連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する。例えば、発振器１４が、予め定められた一定周波数のクロック信号を、光スイッチ１５に入力する。光スイッチ１５は、クロック信号に従って入力端子との接続を切り替える。光スイッチ１５の出力端子は、測定光と参照光を一定周波数で交互に出力する。これにより、測定光と参照光を一定周波数かつ逆相で混合した測定用合成光が光スイッチ１５から出力される。
【００４６】
光スイッチ１５からの測定用合成光は、光伝達手段である光ファイバによって被測定物１０１への光出射部１６へ伝達される。光出射部１６からの光は温度伝導窓２１を通して、被測定物１０１に到達する。被測定物１０１に存在する溶液に含まれる背景成分及び対象成分によって、測定用合成光は吸収される。背景成分及び対象成分が測定用合成光を吸収することで、光音響効果によって測定用音波が発生する。
【００４７】
音波検出ステップでは、音波検出部１７が、光スイッチステップで出力された第１の光源１０及び第２の光源１１からの光によって被測定物１０１から発生する測定用音波を検出する。音波検出部１７によって電気信号に変換された音波信号は、前置増幅器１８において増幅され、位相検波増幅器１９に入力される。位相検波増幅器１９は、発振器１４からのクロック信号の位相と同期するように振幅及び位相が抽出し、差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）を光音響信号出力端子２０へ出力する。
【００４８】
以上の動作によって、第１の光源１０の出力する波長λ１の測定光と第２の光源１１の出力する波長λ２の参照光を用いて測定用合成光を生成し、測定用合成光を被測定物１０１に照射し、測定用合成光によって被測定物１０１で発生した測定用音波から差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）を測定することができる。
【００４９】
また、第１の光源１０への電源を停止し、第２の光源１１のみを駆動させれば、第２の光源１１から出力された参照光のみが被測定物１０１に照射され、規格化用音波が音波測定部１７で検出される。そして、規格化用音波から得られた光音響信号ｓ２が光音響信号出力端子２０へ出力される。このとき、光スイッチ１５は、測定用音波の時と同一定周波数のクロック信号で出力光を切り替えれば、測定用音波と同一周波数の規格化用音波が測定できる。
【００５０】
光音響信号出力端子２０から出力された差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）及び光音響信号ｓ２を用いることで、背景成分から発生する光音響信号を差分除去した測定精度の高い対象成分の濃度を測定することができる。
【００５１】
本実施形態に係る成分濃度測定方法が温度検出ステップをさらに有する場合、温度検出ステップでは、温度検出部２２が、被測定物１０１の温度を検出する。例えば、被測定物１０１において光熱変換によって発生した熱は、温度伝導窓２１を伝導して温度検出部２２によって温度が検出される。そして、温度検出部２２の検出した温度は、温度信号出力端子２３へ出力される。温度信号出力端子２３から出力される被測定物１０１の温度を用いて、測定光及び参照光から発生した差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）及び光音響信号ｓ２の温度シフトを補正することができる。補正は、温度補正部（不図示）やその他の演算装置を用いて行う。演算装置は、成分濃度測定装置９１外であってもよい。
【００５２】
本実施形態に係る成分濃度測定方法が温度補正ステップをさらに有する場合、温度補正ステップでは、温度補正部（不図示）が、音波検出ステップで検出した測定用音波の振幅を、被測定物１０１の温度に基づいて補正する。例えば、温度に対応した背景成分や対象成分の補正曲線を光出力ステップの前に予め格納しておく。そして、温度補正ステップにおいて、音波検出ステップで音波検出部１７から出力した測定用音波と、温度検出ステップで温度信号出力端子２３から出力した被測定物１０１の温度を取得する。取得した被測定物１０１の温度から、測定用音波の振幅を補正する。温度補正ステップは、測定用音波だけでなく、参照光によって発生した規格化用音波についても行うことが好ましい。温度補正ステップを行うことで、対象成分の測定濃度における吸光度の温度シフトによる影響を排除した差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）及び光音響信号ｓ２を光音響信号出力端子２０から出力することができる。なお、温度補正ステップは、温度補正部（不図示）が行うだけでなく、人が行ってもよい。
【００５３】
なお、本実施形態では、複数の光源が２個である場合について説明したが、３個以上であってもよい。例えば複数の光源が３個の場合、各光源の出力波長において背景成分の呈する吸収が相等しければ、各波長を組み合わせた複数種類の差分光音響信号を測定することができる。複数の光源を３個以上とすることで、より多くの波長における対象成分や背景成分の吸光度を測定することができ、対象成分の測定精度を高めることができる。また、複数の光源が４個以上である場合、吸光度の異なる複数種類の差分光音響信号を測定することができる。
【００５４】
次に、図３を用いて本実施形態における第１の光源１０の出力する波長λ１及び第２の光源１１の出力する波長λ２の設定例について説明する。図３は、溶液の吸光度の一例であり、（ａ）はグルコース水溶液の吸光度及び吸収係数、（ｂ）は水に対するグルコースの吸光度差及び比吸光度を示す。以下、溶液をグルコース水溶液、対象成分をグルコースとして、グルコース水溶液におけるグルコース濃度を定量分析する際の波長設定について例示する。
【００５５】
まず、図３（ｂ）に示すグルコース水溶液から水を差分した差分スペクトルから、対象成分であるグルコースの吸収が最大となる波長を第１の光源の波長λ１とする。水溶液では主たる背景吸収となる成分は水であるため、背景吸収から発生する音波を差分することにより除去するためには、第２の光源の波長λ２を、図３（ａ）に示す水の吸収スペクトルから、波長λ１と等しい吸光度を呈する波長とすればよい。
【００５６】
次に、図１に示す光音響信号出力端子２０から出力される差分光音響信号（ｓ１―ｓ２）及び光音響信号ｓ２を用いて、対象成分であるグルコースの濃度Ｍを測定する方法について説明する。
波長λ１及び波長λ２の各々に対して、背景成分の吸収係数α１（ｂ）、α２（ｂ）及び対象成分のモル吸収係数α１（０）、α２（０）を知るとき、波長λ１での光音響信号ｓ１及び波長λ２での光音響信号ｓ２を含む連立方程式は、次の数式（１）のように表される。
【数１】
ここで、Ｃは、変化し制御又は予想が困難な係数である。例えば、図１における、音響結合、音波検出部１７の感度、光出射部１６と被測定物１０１の間の距離（以下ｒと定義する）、被測定物１０１の比熱、被測定物１０１の熱膨張係数、被測定物１０１での音速、発振器１４の発振周波数、さらに、吸収係数に依存する未知数である。
【００５７】
数式（１）から係数Ｃを消去すると、次の数式（２）のように表され、光音響信号ｓ１及びｓ２、対象成分のモル吸収係数α１（０）、α２（０）並びに背景成分の吸収係数α１（ｂ）より対象成分の濃度Ｍを求めることができる。
【数２】
ここで、数式（２）の後段の変形にはｓ１≒ｓ２という性質を用いている。
【００５８】
以上より、対象成分のモル吸収係数α１（０）、α２（０）は既知であることから、光音響信号出力端子２０から出力される差分光音響信号（ｓ１―ｓ２）及び光音響信号ｓ２を測定することで、対象成分であるグルコースの濃度Ｍを測定することができる。本実施形態では、第１の光源１０及び第２の光源１１が連続光を出力するので、出力強度の安定性を維持することができる。さらに、差分光音響信号（ｓ１―ｓ２）及び光音響信号ｓ２の測定時間差を小さくすることで、数式（２）に基づく濃度Ｍの算出誤差をさらに小さくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
人間又は動物に存在する溶液の非侵襲な成分濃度測定装置、及び、人間又は動物から採取した溶液の成分濃度測定装置に関する。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本実施形態に係る成分濃度測定装置の構成概略図である。
【図２】光スイッチと光音響信号の関係の一例を示す説明図であり、（ａ）は発振器からのクロック信号、（ｂ）は第１の光源からの測定光及びその光音響信号、（ｃ）は第２の光源からの参照光及びその光音響信号を示す。
【図３】溶液の吸光度の一例であり、（ａ）はグルコース水溶液の吸光度及び吸収係数、（ｂ）は水に対するグルコースの吸光度差及び比吸光度を示す。
【図４】従来の光音響法による第１の成分濃度測定装置を示す構成例である。
【図５】従来の光音響法による第２の成分濃度測定装置を示す構成例である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 第１の光源
１１ 第２の光源
１２ａ、１２ｂ 駆動回路
１３ 定電圧電流源
１４ 発振器
１５ 光スイッチ
１６ 光出射部
１７ 音波検出部
１８ 前置増幅器
１９ 位相検波増幅器
２０ 光音響信号出力端子
２１ 温度伝導窓
２２ 温度検出部
２３ 温度信号出力端子
９１ 成分濃度測定装置
１０１ 被測定物
１１０ 第１の光源
１１１ 第２の光源
１１２ａ、１１２ｂ 駆動回路
１１３ １８０°移相器
１１４ 発振器
１１５ 光分岐
１１７ 音響センサ
１１９ 位相検波増幅器
２０１ 第１の光源
２０２ 第２の光源
２０３、２０４ 駆動電源
２１１ 合波器
２１２ 音響センサ
２１３ チョッパ板
２１４ モータ
２１５ 周波数解析器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響法を用いた対象成分の成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法に関し、特に、被測定物を人間又は動物とした非侵襲な成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢化が進み、成人病に対する対応が大き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測定装置が注目されている。
【０００３】
非侵襲な成分濃度測定装置として、光音響法が提案されている。光音響法は、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、グルコース分子に電磁波を吸収させ、グルコース分子からの熱の放射によって局所的に熱膨張を起こし、熱膨張によって生体内から発生した音波を観測する。しかし、グルコースと電磁波の相互作用は小さく、また生体に安全に照射しうる電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるにいたっていない。
【０００４】
図４及び図５は、従来の光音響法による成分濃度測定装置を示す構成例である。背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における対象成分の濃度を測定する。
【０００５】
図４に示す第１の従来例は、異なる波長の２つの光源を用い、連続的に強度変調することで高精度化を試みている。異なる波長の光源、即ち第１の光源２０１及び第２の光源２０２はそれぞれ駆動電源２０３及び駆動電源２０４により駆動され、連続光を出力する。
【０００６】
第１の光源２０１及び第２の光源２０２が出力する光は、モータ２１４により駆動され一定回転数で回転するチョッパ板２１３により断続される。ここでチョッパ板２１３は不透明な材質により形成され、モータ２１４の軸を中心とする第１の光源２０１及び第２の光源２０２の光が通過する円周上に、互いに素な個数の開口部が形成されている。
【０００７】
上記構成により、第１の光源２０１及び第２の光源２０２の各々が出力する光は互いに素な変調周波数ｆ１及び変調周波数ｆ２で強度変調された後、合波器２１１により合波され、１の光束として被測定物１０１に照射される。
【０００８】
被測定物１０１の内部には、第１の光源２０１の光により変調周波数ｆ１の光音響信号が発生し、第２の光源２０２の光により変調周波数ｆ２の光音響信号が発生し、これらの光音響信号は、音響センサ２１２により検出され、音圧に比例した電気信号に変換され、その周波数スペクトルが、周波数解析器２１５により観測される。
【０００９】
２つの光源の波長はすべてグルコースの吸収波長に設定されており、各波長に対応する光音響信号の強度は、血液中に含まれるグルコースの量に対応した電気信号として測定される。予め光音響信号の測定値の強度と別途採血した血液によりグルコースの濃度を測定した値との関係を記憶しておいて、前記光音響信号の測定値からグルコースの量を測定している。
【００１０】
図５に示す第２の従来例でも、連続的に強度変調した光源を用いている。第１の光源１１０は、波長λ１の測定光を発生する。第２の光源１１１は、波長λ２の参照光を発生する。発振器１１４は、第１の光源１１０及び第２の光源１１１から出力される光を強度変調するための変調信号を出力する。１８０°移相器１１３は、発振器１１４からの変調信号のうち一方を反転して出力する。駆動回路１１２ａは第１の光源１１０を駆動させる。駆動回路１１２ｂは、１８０°移相器１１３で反転された変調信号を基に第２の光源１１１を駆動させる。第１の光源１１０は、駆動回路１１２ａからの信号により波長λ１の測定光を強度変調して出力する。第２の光源１１１は、駆動回路１１２ｂからの信号により波長λ２の参照光を強度変調して出力する。これにより、異なる２波長λ１及びλ２光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する。
【００１１】
ここで、２つの波長λ１及び波長λ２は、対象成分の呈する吸収の差が、背景成分の呈する吸収の差よりも大きい波長である。また、波長λ１は、対象成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定する。波長λ１及び波長λ２は、対象成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい２波長であってもよい。これにより、水や測定対象とする成分以外の成分による吸収の影響を少なくして成分濃度測定装置の測定精度をよくすることができる。
【００１２】
２つの波長λ１及び波長λ２の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被測定物で発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、音波の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された２波長の光に対する音波を測定し、これらの測定値から、一定に保ちがたい多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被測定物内に発生する音波を検出することができる。
【００１３】
２つの波長λ１及び波長λ２の光により被測定物１０１の内部で光音響信号が発生し、これらの光音響信号は、音響センサ１１７により検出され、音圧に比例した電気信号に変換され、位相検波増幅器１１９によって観測される。２波長に対応する光音響信号の強度の差は、血液中に含まれるグルコースの量に対応した電気信号として測定される。
【特許文献１】特開平１０−１８９号公報
【特許文献２】特開２００７−８９６６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記のように、従来の成分濃度測定装置は、ある変調周波数で強度変調する必要があった。光音響法に用いる光源として一般的なＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザを用いた場合、レーザ強度安定性は連続光モードにて約０．１％／ｈである。従来技術では、ＤＦＢレーザをある周波数で駆動電流によって電気的に変調する必要があり、強度安定性は約０．１％／ｈに低下する。このため、安定して駆動できるモードでは使用できない場合があった。
【００１５】
また、２つの光源を逆相に設定する１８０°移相器の遅延安定度は約数ｎｓであり、光音響信号の差分信号がドリフトする場合があった。このため、逆相に設定する１８０°移相器１１３の遅延に起因して、背景成分から発生する光音響信号が差分除去できない場合があった。
【００１６】
そこで、本発明は、安定駆動モードでの使用を可能にし、１８０°移相器を用いずに背景成分から発生する光音響信号を差分除去することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明に係る成分濃度測定装置は、波長の異なる連続光を出力する複数の光源と、前記複数の光源からの連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する光スイッチと、前記光スイッチから出力された前記複数の光源からの光によって被測定物から発生する測定用音波を検出する音波検出部と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
各光源が連続光を出力するので、安定駆動モードでの使用を可能にする。また、光スイッチが各光源からの連続光を一定周波数で交互に出力することで、連続する２つの波長の光を同一周波数かつ逆相で合成された測定用合成光を同一の出力端子から出力することができる。これにより、背景成分から発生する光音響信号を、音波検出部で検出する測定用音波から、１８０°移相器を用いずに差分除去することができる。
【００１９】
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記複数の光源は、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における前記背景成分の呈する吸収が相等しい異なる波長を出力することをことが好ましい。
背景成分の呈する吸収が相等しいので、測定用合成光によって被測定物から発生する測定用音波から、背景成分から発生する光音響信号を差分除去した差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）を得ることができる。
【００２０】
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記複数の光源の少なくとも１つは、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における前記対象成分の呈する吸収が極大となる波長であることが好ましい。
対象成分の呈する吸収が極大であることで、対象成分から発生する音波の測定効率を高めることができる。
【００２１】
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記音波検出部の検出した測定用音波を、前記光スイッチの出力する前記一定周波数の整数倍成分の位相と同期するように検波する位相同期検波手段をさらに備えることが好ましい。
測定用音波の検波を光スイッチにおける一定周波数と位相同期検波することで、測定用音波以外の雑音を排除することができる。
【００２２】
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記被測定物の温度を検出する温度検出部をさらに備えることが好ましい。
被測定物の温度から、その温度における背景成分や対象成分の吸光度を用いることができる。これにより、吸光度の温度依存性の影響を排除した対象成分の濃度を測定することができる。
【００２３】
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記音波検出部の検出した測定用音波の振幅を、前記温度検出部の検出した温度に基づいて補正する温度補正部をさらに備えることが好ましい。
温度補正部をさらに備えることで、測定用音波における被測定物の温度による影響を除去することができる。
【００２４】
上記課題を解決するために、本発明に係る成分濃度測定方法は、複数の光源が、波長の異なる連続光を出力する光出力ステップと、光スイッチが、前記光出力ステップで出力した連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する光スイッチステップと、音波検出部が、前記光スイッチステップで出力された前記複数の光源からの光によって被測定物から発生する測定用音波を検出する音波検出ステップと、を順に有することを特徴とする。
【００２５】
光出力ステップにおいて、各光源が連続光を出力するので、安定駆動モードでの使用を可能にする。また、光スイッチステップにおいて、光スイッチが各光源からの連続光を一定周波数で交互に出力することで、連続する２つの波長の光を同一周波数かつ逆相で合成された測定用合成光を同一の出力端子から出力することができる。これにより、背景成分から発生する光音響信号を、音波検出ステップで検出した測定用音波から、１８０°移相器を用いずに差分除去することができる。
【００２６】
本発明に係る成分濃度測定方法では、前記音波検出ステップの前若しくは後又は前記音波検出ステップと同時に、温度検出部が、前記被測定物の温度を検出する温度検出ステップをさらに有することが好ましい。
温度検出ステップをさらに有することで、被測定物の温度から、その温度における背景成分や対象成分の吸光度を用いることができる。これにより、吸光度の温度依存性の影響を排除した対象成分の濃度を測定することができる。
【００２７】
本発明に係る成分濃度測定方法では、前記音波検出ステップの前若しくは後又は前記音波検出ステップと同時に、前記被測定物の温度を検出する温度検出ステップと、前記音波検出ステップの後に、前記音波検出ステップで検出した測定用音波の振幅を、前記被測定物の温度に基づいて補正する温度補正ステップをさらに有することが好ましい。
温度補正ステップをさらに有することで、測定用音波における被測定物の温度による影響を除去することができる。これにより、被測定物の温度の影響を受けない差分光音響信号を得ることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、本発明に係る成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法は、安定駆動モードでの使用を可能にし、１８０°移相器を用いずに背景成分から発生する光音響信号を差分除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
【００３０】
図１は、本実施形態に係る成分濃度測定装置の構成概略図である。成分濃度測定装置９１は、光音響法を用いて、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における対象成分の濃度を測定するための構成を備える。例えば、成分濃度測定装置９１は、第１の光源１０と、第２の光源１１と、第１の光源１０の駆動回路１２ａと、第２の光源１１の駆動回路１２ｂと、駆動回路１２ａ及び１２ｂに電圧を供給する定電圧電流源１３と、光スイッチ１５と、光スイッチ１５に一定周波数のクロック信号を入力する発振器１４と、光スイッチ１５からの出力光を被測定物１０１に向けて出射する光出射部１６と、被測定物１０１から発生する音波を検出する音波検出部１７と、音波検出部１７の検出した音波を増幅する前置増幅器１８と、前置増幅器１８の増幅した音波を位相検波する位相検波増幅器１９と、位相検波増幅器１９の検波した光音響信号を出力する光音響信号出力端子２０とを備える。
【００３１】
第１の光源１０及び第２の光源１１は、波長の異なる連続光を出力する。連続光を出力することで、安定駆動モードでの第１の光源１０及び第２の光源１１の使用が可能になる。連続光を出力する光源は、例えば、色素レーザ、チタンサファイアレーザ又はＥｒドープファイバレーザ等のレーザ光源、又は、白色光源である。連続光の光強度を安定化させるため、第１の光源１０及び第２の光源１１が発生する光の一部を受光するフォトデテクタ（不図示）を設けることが好ましい。フォトデテクタ（不図示）の受光する光の強度を定電圧電流源１３や駆動回路１２ａ及び１２ｂにフィードバックすることで、光強度を安定化することができる。
【００３２】
第１の光源１０の出力する光の波長λ１及び第２の光源１１の出力する光の波長λ２は、背景成分の呈する吸収が相等しい異なる波長である。例えば、被測定物１０１が生体であり、対象成分が血液中のグルコースであれば、背景成分の呈する吸収は、水の呈する吸収とすることができる。
【００３３】
そして、第１の光源１０及び第２の光源１１のうちの少なくとも１つは、対象成分の呈する吸収が極大となる波長であることが好ましい。例えば、被測定物１０１が生体であり、対象成分が血液中のグルコースであれば、第１の光源１０は、グルコースの呈する吸収が極大となる波長である波長１６００ｎｍ又は２１００ｎｍであることが好ましい。この場合、第１の光源１０の出力する連続光が波長λ１の測定光となり、第２の光源１１の出力する連続光が波長λ２の参照光となる。
【００３４】
第１の光源１０及び第２の光源１１から出力する連続光の波長を上記波長に設定するため、レーザ光源であれば、特定波長の光を発生するレーザ媒体、温度又は駆動電流を選択する。また、白色光源のように発生する光の波長帯域が広い光源であれば、バンドパスフィルタなどの波長可変フィルタを用いて出力光をフィルタリングする。
【００３５】
発振器１４は、任意の周波数のパルス列を発生する機能をもち、一定周波数のクロック信号を出力する。光スイッチ１５は、クロック信号により駆動され、第１の光源１０及び第２の光源１１を発振器１４からの一定周波数で切り替える。
【００３６】
光スイッチ１５は、第１の光源１０及び第２の光源１１からの連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する。ここで、一定周波数は、発振器１４から入力される。例えば、光スイッチ１５は、入力端子を２個、出力端子を１個備え、第１の光源１０からの波長λ１の測定光と、第２の光源１１からの波長λ２の参照光が、光伝達手段である光ファイバを介して入力される。そして、音響光学変調器（ＡＯＭ）又は電気光学変調器（ＥＯＭ）を用い、発振器１４からのクロック信号に従って、入力端子の接続を切り替える。こうすることで、測定光と参照光を一定周波数かつ逆相で混合した測定用合成光を出力端子から出力することができる。これにより、１８０°移相器を用いずに背景成分から発生する光音響信号を差分除去することができる。光スイッチ１５としては、ＡＯＭ又はＥＯＭのなかでも導波路型又はバルク結晶型を用いることができる。また、ＡＯＭ又はＥＯＭに限らず、ファイバ型、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、マッハツェンダー型、ＴＯ（Ｔｈｅｒｏｍｏ−Ｏｐｔｅｃ）型も光スイッチ１５として用いることができる。
【００３７】
図２は、光スイッチと光音響信号の関係の一例を示す説明図であり、（ａ）は発振器からのクロック信号、（ｂ）は第１の光源１０からの測定光及びその光音響信号、（ｃ）は第２の光源１１からの参照光及びその光音響信号を示す。図２（ｂ）において、破線は測定光、実線は測定光によって発生する光音響信号ｓ１を表す。図２（ｃ）において、破線は参照光、実線は参照光によって発生する光音響信号ｓ２を表す。クロック信号に従って光スイッチから出力された測定光と参照光は、同一周波数かつ逆相の測定用合成光となっている。このため、測定光と参照光を合成した測定用合成光を被測定物に照射することで、背景成分によって発生した光音響信号を差分除去した差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）を測定することができる。
【００３８】
図１に示す光スイッチ１５の出力端子から出力された測定用合成光は、光伝達手段である光ファイバを介して光出射部１６に入力される。光出射部１６は、光スイッチ１５の出力した光を被測定物１０１に向けて出射する。被測定物１６の形状に合わせて、光ファイバの先端に直角プリズム、ファイバコリメータ又はフィルールを接着してもよい。例えば、温度伝導窓２１が被測定物１０１の形状に沿って湾曲した支持体の場合、直角プリズムの形状を当該湾曲形状に合わせる。
【００３９】
図１に示す音波検出部１７は、第１の光源１０及び第２の光源１１からの光によって被測定物１０１から発生する音波を検出する。定電圧電流源１３が駆動回路１２ａ及び１２ｂに電圧を供給するとき、測定用合成光が被測定物１０１に照射されるので、測定用合成光によって発生した測定用音波を検出することで差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）が測定できる。定電圧電流源１３が駆動回路１２ａに電圧を供給せず、定電圧電流源１３が駆動回路１２ｂにのみ電圧を供給するとき、参照光が被測定物１０１に照射されるので、参照光によって発生した規格化用音波を検出することで光音響信号ｓ２が測定できる。
【００４０】
位相検波増幅器１９は、位相同期検波手段としての機能を備える。例えば、位相検波増幅器１９には発振器１４から一定周波数のクロック信号が入力され、クロック信号の位相と同期するように音波検出部１７の検出した音波を検波する。測定用音波は光スイッチ１５の切り替え周波数の１／２の周波数で発生するので、光スイッチ１５の切り替え周波数と共通のクロック信号の位相と同期させることで、測定用音波以外の雑音を排除することができる。
【００４１】
成分濃度測定装置９１は、さらに、被測定物１０１の温度を検出することが好ましい。被測定物１０１の温度から、背景成分や対象成分の吸光度の温度シフト量を見積もることができる。この場合、被測定物１０１の温度を伝導する温度伝導窓２１と、温度伝導窓２１の温度を検出する温度検出部２２と、温度検出部２２の検出した温度を出力する温度信号出力端子２３とを備える。そして、温度検出部２２が温度伝導窓２１を介して検出した被測定物１０１の温度を温度信号出力端子２３から出力する。
【００４２】
成分濃度測定装置９１は、さらに、対象成分の濃度を、被測定物１０１の温度に基づいて補正することが好ましい。対象成分の測定濃度における吸光度の温度シフトによる影響を排除することができる。この場合、音波検出部１７の後段、例えば、位相検波増幅器１９の後段に温度補正部（不図示）を設ける。温度補正部（不図示）は、温度に対応した背景成分や対象成分の補正曲線を予め格納しており、温度信号出力端子２３の出力した被測定物１０１の温度に対応する背景成分や対象成分の補正値を読み出す。そして、読み出した補正値を用いて、位相検波増幅器１９の出力する測定用音波を補正する。これにより、対象成分の測定濃度における吸光度の温度シフトによる影響を排除した差分光音響信号を光音響信号出力端子２０から出力することができる。なお、上記補正は、温度補正部（不図示）が行ってもよいし、人が行ってもよい。
【００４３】
本実施形態に係る成分濃度測定方法について、図１を用いて説明する。本実施形態に係る成分濃度測定方法は、光出力ステップと、光スイッチステップと、音波検出ステップと、を順に有する。成分濃度測定方法では、温度検出ステップ及び温度補正ステップをさらに有することが好ましい。温度検出ステップは、音波検出ステップの前若しくは後又は音波検出ステップと同時に行う。温度補正ステップは、音波検出ステップ及び温度検出ステップの後に行う。
【００４４】
光出力ステップでは、第１の光源１０及び第２の光源１１が、波長の異なる連続光を出力する。例えば、第１の光源１０は波長λ１の測定光を出力する。第２の光源１１は波長λ２の参照光を出力する。測定光と参照光は、光ファイバによって光スイッチ１５の入力端子に入力される。
【００４５】
光スイッチステップでは、光スイッチ１５が、光出力ステップで出力した連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する。例えば、発振器１４が、予め定められた一定周波数のクロック信号を、光スイッチ１５に入力する。光スイッチ１５は、クロック信号に従って入力端子との接続を切り替える。光スイッチ１５の出力端子は、測定光と参照光を一定周波数で交互に出力する。これにより、測定光と参照光を一定周波数かつ逆相で混合した測定用合成光が光スイッチ１５から出力される。
【００４６】
光スイッチ１５からの測定用合成光は、光伝達手段である光ファイバによって被測定物１０１への光出射部１６へ伝達される。光出射部１６からの光は温度伝導窓２１を通して、被測定物１０１に到達する。被測定物１０１に存在する溶液に含まれる背景成分及び対象成分によって、測定用合成光は吸収される。背景成分及び対象成分が測定用合成光を吸収することで、光音響効果によって測定用音波が発生する。
【００４７】
音波検出ステップでは、音波検出部１７が、光スイッチステップで出力された第１の光源１０及び第２の光源１１からの光によって被測定物１０１から発生する測定用音波を検出する。音波検出部１７によって電気信号に変換された音波信号は、前置増幅器１８において増幅され、位相検波増幅器１９に入力される。位相検波増幅器１９は、発振器１４からのクロック信号の位相と同期するように振幅及び位相が抽出し、差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）を光音響信号出力端子２０へ出力する。
【００４８】
以上の動作によって、第１の光源１０の出力する波長λ１の測定光と第２の光源１１の出力する波長λ２の参照光を用いて測定用合成光を生成し、測定用合成光を被測定物１０１に照射し、測定用合成光によって被測定物１０１で発生した測定用音波から差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）を測定することができる。
【００４９】
また、第１の光源１０への電源を停止し、第２の光源１１のみを駆動させれば、第２の光源１１から出力された参照光のみが被測定物１０１に照射され、規格化用音波が音波測定部１７で検出される。そして、規格化用音波から得られた光音響信号ｓ２が光音響信号出力端子２０へ出力される。このとき、光スイッチ１５は、測定用音波の時と同一定周波数のクロック信号で出力光を切り替えれば、測定用音波と同一周波数の規格化用音波が測定できる。
【００５０】
光音響信号出力端子２０から出力された差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）及び光音響信号ｓ２を用いることで、背景成分から発生する光音響信号を差分除去した測定精度の高い対象成分の濃度を測定することができる。
【００５１】
本実施形態に係る成分濃度測定方法が温度検出ステップをさらに有する場合、温度検出ステップでは、温度検出部２２が、被測定物１０１の温度を検出する。例えば、被測定物１０１において光熱変換によって発生した熱は、温度伝導窓２１を伝導して温度検出部２２によって温度が検出される。そして、温度検出部２２の検出した温度は、温度信号出力端子２３へ出力される。温度信号出力端子２３から出力される被測定物１０１の温度を用いて、測定光及び参照光から発生した差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）及び光音響信号ｓ２の温度シフトを補正することができる。補正は、温度補正部（不図示）やその他の演算装置を用いて行う。演算装置は、成分濃度測定装置９１外であってもよい。
【００５２】
本実施形態に係る成分濃度測定方法が温度補正ステップをさらに有する場合、温度補正ステップでは、温度補正部（不図示）が、音波検出ステップで検出した測定用音波の振幅を、被測定物１０１の温度に基づいて補正する。例えば、温度に対応した背景成分や対象成分の補正曲線を光出力ステップの前に予め格納しておく。そして、温度補正ステップにおいて、音波検出ステップで音波検出部１７から出力した測定用音波と、温度検出ステップで温度信号出力端子２３から出力した被測定物１０１の温度を取得する。取得した被測定物１０１の温度から、測定用音波の振幅を補正する。温度補正ステップは、測定用音波だけでなく、参照光によって発生した規格化用音波についても行うことが好ましい。温度補正ステップを行うことで、対象成分の測定濃度における吸光度の温度シフトによる影響を排除した差分光音響信号（ｓ１−ｓ２）及び光音響信号ｓ２を光音響信号出力端子２０から出力することができる。なお、温度補正ステップは、温度補正部（不図示）が行うだけでなく、人が行ってもよい。
【００５３】
なお、本実施形態では、複数の光源が２個である場合について説明したが、３個以上であってもよい。例えば複数の光源が３個の場合、各光源の出力波長において背景成分の呈する吸収が相等しければ、各波長を組み合わせた複数種類の差分光音響信号を測定することができる。複数の光源を３個以上とすることで、より多くの波長における対象成分や背景成分の吸光度を測定することができ、対象成分の測定精度を高めることができる。また、複数の光源が４個以上である場合、吸光度の異なる複数種類の差分光音響信号を測定することができる。
【００５４】
次に、図３を用いて本実施形態における第１の光源１０の出力する波長λ１及び第２の光源１１の出力する波長λ２の設定例について説明する。図３は、溶液の吸光度の一例であり、（ａ）はグルコース水溶液の吸光度及び吸収係数、（ｂ）は水に対するグルコースの吸光度差及び比吸光度を示す。以下、溶液をグルコース水溶液、対象成分をグルコースとして、グルコース水溶液におけるグルコース濃度を定量分析する際の波長設定について例示する。
【００５５】
まず、図３（ｂ）に示すグルコース水溶液から水を差分した差分スペクトルから、対象成分であるグルコースの吸収が最大となる波長を第１の光源の波長λ１とする。水溶液では主たる背景吸収となる成分は水であるため、背景吸収から発生する音波を差分することにより除去するためには、第２の光源の波長λ２を、図３（ａ）に示す水の吸収スペクトルから、波長λ１と等しい吸光度を呈する波長とすればよい。
【００５６】
次に、図１に示す光音響信号出力端子２０から出力される差分光音響信号（ｓ１―ｓ２）及び光音響信号ｓ２を用いて、対象成分であるグルコースの濃度Ｍを測定する方法について説明する。
波長λ１及び波長λ２の各々に対して、背景成分の吸収係数α１（ｂ）、α２（ｂ）及び対象成分のモル吸収係数α１（０）、α２（０）を知るとき、波長λ１での光音響信号ｓ１及び波長λ２での光音響信号ｓ２を含む連立方程式は、次の数式（１）のように表される。
【数１】
ここで、Ｃは、変化し制御又は予想が困難な係数である。例えば、図１における、音響結合、音波検出部１７の感度、光出射部１６と被測定物１０１の間の距離（以下ｒと定義する）、被測定物１０１の比熱、被測定物１０１の熱膨張係数、被測定物１０１での音速、発振器１４の発振周波数、さらに、吸収係数に依存する未知数である。
【００５７】
数式（１）から係数Ｃを消去すると、次の数式（２）のように表され、光音響信号ｓ１及びｓ２、対象成分のモル吸収係数α１（０）、α２（０）並びに背景成分の吸収係数α１（ｂ）より対象成分の濃度Ｍを求めることができる。
【数２】
ここで、数式（２）の後段の変形にはｓ１≒ｓ２という性質を用いている。
【００５８】
以上より、対象成分のモル吸収係数α１（０）、α２（０）は既知であることから、光音響信号出力端子２０から出力される差分光音響信号（ｓ１―ｓ２）及び光音響信号ｓ２を測定することで、対象成分であるグルコースの濃度Ｍを測定することができる。本実施形態では、第１の光源１０及び第２の光源１１が連続光を出力するので、出力強度の安定性を維持することができる。さらに、差分光音響信号（ｓ１―ｓ２）及び光音響信号ｓ２の測定時間差を小さくすることで、数式（２）に基づく濃度Ｍの算出誤差をさらに小さくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
人間又は動物に存在する溶液の非侵襲な成分濃度測定装置、及び、人間又は動物から採取した溶液の成分濃度測定装置に関する。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本実施形態に係る成分濃度測定装置の構成概略図である。
【図２】光スイッチと光音響信号の関係の一例を示す説明図であり、（ａ）は発振器からのクロック信号、（ｂ）は第１の光源からの測定光及びその光音響信号、（ｃ）は第２の光源からの参照光及びその光音響信号を示す。
【図３】溶液の吸光度の一例であり、（ａ）はグルコース水溶液の吸光度及び吸収係数、（ｂ）は水に対するグルコースの吸光度差及び比吸光度を示す。
【図４】従来の光音響法による第１の成分濃度測定装置を示す構成例である。
【図５】従来の光音響法による第２の成分濃度測定装置を示す構成例である。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 第１の光源
１１ 第２の光源
１２ａ、１２ｂ 駆動回路
１３ 定電圧電流源
１４ 発振器
１５ 光スイッチ
１６ 光出射部
１７ 音波検出部
１８ 前置増幅器
１９ 位相検波増幅器
２０ 光音響信号出力端子
２１ 温度伝導窓
２２ 温度検出部
２３ 温度信号出力端子
９１ 成分濃度測定装置
１０１ 被測定物
１１０ 第１の光源
１１１ 第２の光源
１１２ａ、１１２ｂ 駆動回路
１１３ １８０°移相器
１１４ 発振器
１１５ 光分岐
１１７ 音響センサ
１１９ 位相検波増幅器
２０１ 第１の光源
２０２ 第２の光源
２０３、２０４ 駆動電源
２１１ 合波器
２１２ 音響センサ
２１３ チョッパ板
２１４ モータ
２１５ 周波数解析器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なる連続光を出力する複数の光源と、
前記複数の光源からの連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する光スイッチと、
前記光スイッチから出力された前記複数の光源からの光によって被測定物から発生する測定用音波を検出する音波検出部と、を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記複数の光源は、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における前記背景成分の呈する吸収が相等しい異なる波長を出力することを特徴とする請求項１に記載の成分濃度測定装置。
【請求項３】
前記複数の光源の少なくとも１つは、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における前記対象成分の呈する吸収が極大となる波長であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成分濃度測定装置。
【請求項４】
前記音波検出部の検出した測定用音波を、前記光スイッチの出力する前記一定周波数の整数倍成分の位相と同期するように検波する位相同期検波手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
【請求項５】
前記被測定物の温度を検出する温度検出部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
【請求項６】
前記音波検出部の検出した測定用音波の振幅を、前記温度検出部の検出した温度に基づいて補正する温度補正部をさらに備えることを特徴とする５に記載の成分濃度測定装置。
【請求項７】
複数の光源が、波長の異なる連続光を出力する光出力ステップと、
光スイッチが、前記光出力ステップで出力した連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する光スイッチステップと、
音波検出部が、前記光スイッチステップで出力された前記複数の光源からの光によって被測定物から発生する測定用音波を検出する音波検出ステップと、を有することを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項８】
前記音波検出ステップの前若しくは後又は前記音波検出ステップと同時に、温度検出部が、前記被測定物の温度を検出する温度検出ステップをさらに有することを特徴とする請求項７に記載の成分濃度測定方法。
【請求項９】
前記音波検出ステップ及び前記温度検出ステップの後に、温度補正部が、前記音波検出ステップで検出した測定用音波の振幅を、前記被測定物の温度に基づいて補正する温度補正ステップをさらに有することを特徴とする請求項８に記載の成分濃度測定方法。
【請求項１】
波長の異なる連続光を出力する複数の光源と、
前記複数の光源からの連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する光スイッチと、
前記光スイッチから出力された前記複数の光源からの光によって被測定物から発生する測定用音波を検出する音波検出部と、を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記複数の光源は、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における前記背景成分の呈する吸収が相等しい異なる波長を出力することを特徴とする請求項１に記載の成分濃度測定装置。
【請求項３】
前記複数の光源の少なくとも１つは、背景成分及び対象成分が混合されてなる溶液における前記対象成分の呈する吸収が極大となる波長であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成分濃度測定装置。
【請求項４】
前記音波検出部の検出した測定用音波を、前記光スイッチの出力する前記一定周波数の整数倍成分の位相と同期するように検波する位相同期検波手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
【請求項５】
前記被測定物の温度を検出する温度検出部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
【請求項６】
前記音波検出部の検出した測定用音波の振幅を、前記温度検出部の検出した温度に基づいて補正する温度補正部をさらに備えることを特徴とする５に記載の成分濃度測定装置。
【請求項７】
複数の光源が、波長の異なる連続光を出力する光出力ステップと、
光スイッチが、前記光出力ステップで出力した連続光を、順に、予め定められた一定周波数で同一の出力端子から出力する光スイッチステップと、
音波検出部が、前記光スイッチステップで出力された前記複数の光源からの光によって被測定物から発生する測定用音波を検出する音波検出ステップと、を有することを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項８】
前記音波検出ステップの前若しくは後又は前記音波検出ステップと同時に、温度検出部が、前記被測定物の温度を検出する温度検出ステップをさらに有することを特徴とする請求項７に記載の成分濃度測定方法。
【請求項９】
前記音波検出ステップ及び前記温度検出ステップの後に、温度補正部が、前記音波検出ステップで検出した測定用音波の振幅を、前記被測定物の温度に基づいて補正する温度補正ステップをさらに有することを特徴とする請求項８に記載の成分濃度測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２１９８００（Ｐ２００９−２１９８００Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７０２５９（Ｐ２００８−７０２５９）
【出願日】平成２０年３月１８日（２００８．３．１８）
【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２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１８日（２００８．３．１８）
【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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