成分濃度測定装置
【課題】光照射で被測定物内へ進入した光の一部は透過することになる。この透過光は照射側と対向した音響検出器表面や周辺部に吸収され、これらからも光音響信号が発生する。音響検出器表面や周辺部からの光音響信号は、被測定物から発生する光音響信号の雑音となるため、被測定対象成分の測定精度に著しい影響を与えるという課題があった。そこで、透過光によって被測定物以外で生じる音響雑音を抑制し、被測定物の成分濃度を高精度に測定ができる成分濃度測定装置を提供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は、光源からの光を透過し、被測定物内で発生した光音響信号を反射する音波反射板を備えることとした。
【解決手段】本発明に係る成分濃度測定装置は、光源からの光を透過し、被測定物内で発生した光音響信号を反射する音波反射板を備えることとした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物に対して非侵襲な成分濃度測定を行う成分濃度測定装置に関する。
【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。現在までに開発された非侵襲な成分濃度測定装置としては、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分光法（以下、「光音響分光法」を「ＰＡＳ」と略記する。）が注目されている（例えば、非特許文献１及び特許文献１を参照。）。
【０００３】
図１は非特許文献１に記載されたＰＡＳによる成分濃度測定装置の概略図である。図１の血液成分濃度測定装置は光パルスを電磁波として用いている。本例では血液成分として血糖、すなわちグルコースを測定対象としている。図１の成分濃度測定装置において、駆動電源１０２はパルス状の励起電流をパルス光源１０３に供給する。パルス光源１０３はサブマイクロ秒の持続時間を有する光パルスを発生させ、該光パルスを生体被検部１０１に照射する。光パルスは生体被検部１０１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る。発生した光音響信号は超音波検出器１０４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。
【０００４】
変換された電気信号の波形は波形観測器１０５により観測される。この波形観測器１０５は上記励起電流に同期した信号によりトリガされ、変換された電気信号を画面等に表示する。また、波形観測器１０５は変換された電気信号は積算及び平均して測定することができる。このようにして得られた電気信号の振幅を解析して、生体被検部１０１の内部の血糖値、すなわちグルコースの量が測定される。図１の成分濃度測定装置はサブマイクロ秒のパルス幅の光パルスを最大１ｋＨｚの繰り返しで発生し、１０２４個の光パルスを平均している。
【０００５】
しかし、グルコースと電磁波との相互作用は小さく、また生体に安全に照射し得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至っていない。
【０００６】
そこで、測定精度を高める目的で連続的に強度変調した光源を用いる成分濃度測定装置が特許文献１に開示されている。図２は特許文献１に記載されたＰＡＳによる成分濃度測定装置の概略図である。本例も血糖を主な測定対象としている。測定精度を高めるため、異なる波長の複数の光源を用いている。説明の煩雑さを避けるために、光源の数が２の場合の動作を説明する。図２の成分濃度測定装置において、異なる波長の光源、即ち、第一の光源２０１及び第二の光源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。
【０００７】
第一の光源２０１及び第二の光源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一の光源２０１及び第二の光源２０２の光が通過する円周上に、互いに疎な個数の開口部が形成されている。
【０００８】
上記の構成により、第一の光源２０１及び第二の光源２０２の各々が出力する光は互いに疎な変調周波数ｆ１、及び変調周波数ｆ２で強度変調される。合波器２１１は強度変調されたそれぞれの光を合波し、１の光束として生体被検部１０１に照射する。
【０００９】
生体被検部１０１の内部には第一の光源２０１の光により周波数ｆ１の光音響信号が発生し、第二の光源２０２の光により周波数ｆ２の光音響信号が発生する。音響センサ２１２は、これらの光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する。その周波数スペクトルは周波数解析器２１５で観測される。本例においては、複数の光源の波長は全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。
【００１０】
ここで、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含有量を測定した値との関係を記憶しておき、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。
【特許文献１】特開平１０−０００１８９号公報
【非特許文献１】オウル大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｏｕｌｕ、Ｆｉｎｌａｎｄ）学位論文「Ｐｕｌｓｅｄ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｓ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｕｍａｎ ｂｌｏｏｄ ａｎｄ ｔｉｓｓｕｅ」（ＩＢＳ ９５１−４２−６６９０−０、ｈｔｔｐ：／／ｈｅｒｋｕｌｅｓ．ｏｕｌｕ．ｆｉ／ｉｓｂｎ９５１４２６６９００／、２００２年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
光照射で被測定物内へ進入した光はＰＡＳのために光吸収され、また散乱することにより被測定物内で減衰する。具体的には、光は被測定物に含まれる水分の吸光度から求まる減衰距離で概ね１／１０に減衰する。しかし、被測定物の試料厚が有限であることや含有水分量の大小により、光の一部は吸収や散乱されず透過することになる。この透過した漏れ光は照射側と対向した音響検出器表面や周辺部に吸収され、これらからも光音響信号が発生する。音響検出器表面や周辺部からの光音響信号は、被測定物から発生する光音響信号の雑音となるため、被測定対象成分の測定精度に著しい影響を与えるという課題があった。以下の説明で、「音響検出器表面や周辺部からの光音響信号」を「音響雑音」と略記する。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、被測定物以外の場所で漏れ光によって生じる音響雑音を抑制し、被測定物の成分濃度を高精度に測定ができる成分濃度測定装置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】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明に係る成分濃度測定装置は、光源からの光を透過し、被測定物内で発生した光音響信号を反射する音波反射板を備えることとした。
【００１４】
具体的には、本発明に係る成分濃度測定装置は、レーザ光を所定周波数の変調信号で電気的に強度変調した変調レーザ光を被測定物に向けて照射する光照射手段と、前記変調レーザ光の光軸方向にあり、前記被測定物を透過した前記変調レーザ光を透過させ、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号を反射させる音波反射板と、前記音波反射板の前記光照射手段側にあり、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号及び前記音波反射板で反射された光音響信号を前記被測定物から検出する音波強度測定手段と、を備える。
【００１５】
音波反射板が漏れ光を透過させるため、被測定物以外の場所で漏れ光によって生じる音響雑音を抑制することができる。
【００１６】
本発明に係る成分濃度測定装置は、前記光照射手段は、異なる２波長のレーザ光をそれぞれ同一周波数で逆位相の変調信号で強度変調することが好ましい。２光波の照射によって発生した音響信号の差分検出をすることができる。
【００１７】
本発明に係る成分濃度測定装置は、前記光照射手段からの前記変調レーザ光の光軸と前記音波強度測定手段が光音響信号を検出する方向の中心である集音中心軸との交点は、前記音波反射板の前記光照射手段側の表面にあり、前記変調レーザ光の光軸が前記音波反射板の前記光照射手段側の表面と成す角度は、前記音波強度測定手段の集音中心軸が前記音波反射板の前記光照射手段側の表面と成す角度と等しいことが好ましい。被測定物の音源から音響検出器までの光音響信号伝達を効率よく行うことができる。
【００１８】
本発明に係る成分濃度測定装置は、前記音波反射板の前記光照射手段側の表面に前記変調レーザ光を反射する誘電体ミラーをさらに備えることが好ましい。被測定物を透過した漏れ光を低減するため、音響雑音の発生量を低減する効果を奏する。
【００１９】
本発明に係る成分濃度測定装置は、前記音波反射板の前記光照射手段側と反対側に前記音波反射板を透過した前記変調レーザ光を吸収する光吸収体をさらに備えることが好ましい。音波反射板を透過した漏れ光を吸収し、漏れ光の多重反射などによる音響雑音の発生を抑え、測定精度を高める効果を奏する。
【００２０】
本発明に係る成分濃度測定装置の前記光吸収体と前記音波反射板とは、前記音波反射板を透過した前記変調レーザ光を透過させ、前記光吸収体で発生する光音響信号を反射するスペーサを介して接続されていることが好ましい。光吸収体で発生した光音響信号がスペーサと光吸収体との界面で効率よく反射し、被測定物へ伝搬しないため、音響雑音を低減する効果を奏する。
【００２１】
本発明に係る成分濃度測定装置の前記光吸収体と前記音波反射板とは、前記光吸収体と前記音波反射板との間に気体が入る間隙を形成する支柱で接続されることが好ましい。光吸収体で発生した光音響信号が空気と光吸収体の界面で効率よく反射し、被測定物へ伝搬しないため、音響雑音を低減する効果を奏する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、音波反射板が漏れ光を透過させるため、被測定物以外の場所で漏れ光によって生じる音響雑音を抑制し、被測定物の成分濃度を高精度に測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。また、以下においては、被測定物として人や動物の被検体の成分濃度を測定する場合の成分濃度測定装置を説明するが、被測定物はこれらに限らない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、それぞれ同一のものを示すものとする。
【００２４】
本実施形態は、レーザ光を所定周波数の変調信号で電気的に強度変調した変調レーザ光を被測定物に向けて照射する光照射手段と、前記変調レーザ光の光軸方向にあり、前記被測定物を透過した前記変調レーザ光を透過させ、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号を反射させる音波反射板と、前記音波反射板の前記光照射手段側にあり、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号及び前記音波反射板で反射された光音響信号を前記被測定物から検出する音波強度測定手段と、を備える。
【００２５】
本実施形態の基本構成例として成分濃度測定装置１のブロック図を図３に示す。成分濃度測定装置１は、光照射手段３０１、音波強度測定手段３０２、音波反射板３０３、発振器３０９及び光音響信号出力端子３１５を備える。
【００２６】
光照射手段３０１は、レーザ光を所定周波数の変調信号で電気的に強度変調した変調レーザ光Ｌを被測定物９００に向けて照射する。レーザ光は１波長でも複数の波長でもよい。光照射手段３０１は、異なる２波長のレーザ光をそれぞれ同一周波数で逆位相の変調信号で強度変調することが好ましい。成分濃度測定装置１は、２光波の照射によって発生した音響信号の差分検出をすることができ、高精度に被検出物９００の成分濃度測定をすることができる。この場合、光照射手段３０１は図３のように、第１の光源３１−１、第２の光源３１−２、駆動回路３２−１、駆動回路３２−２、遅延調整器３３、光ファイバ３４−１、光ファイバ３４−２、光合波器３５、光ファイバ３６及び光出射部３７を有する。
【００２７】
駆動回路３２−１及び駆動回路３２−２は、それぞれ第２の光源３１−１及び第２の光源３１−２に電流を供給する。発振器３０９は駆動回路３２−１及び駆動回路３２−２に電圧を供給する。発振器３０９は任意の周波数のパルス列を発生する機能を持つ。また、遅延調整器３３は第１の光源３１−１と第２の光源３１−２を逆相で駆動するために周期の半分の遅延に調整する。
【００２８】
第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２で発生した変調レーザ光は、それぞれ光伝達手段である光ファイバ３４−１及び光ファイバ３４−２によって光合波器３５の光入力端子に接続される。光合波器３５は合波した変調レーザ光Ｌを光出力端子から出力し、光伝達手段である光ファイバ３６を介して光出射部３７へ供給する。光出射部３７は被測定物９００へ変調レーザ光Ｌを出射する。光出射部３７は、光ファイバ３６の先端でもよいが、効率よく変調レーザ光Ｌを被測定物９００へ出射するため、被測定物９００の形状に合わせた直角プリズム、ファイバコリメータ又はフェルールでもよい。
【００２９】
光照射手段３０１は、第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２を制御することで、それぞれの光源からの光の波長が重畳した変調レーザ光Ｌや一方の光源からの光の波長のみからなる変調レーザ光Ｌを出射することができる。光出射部３７から出射した変調レーザ光Ｌは、被測定物９００の内部でＰＡＳによる光音響信号を発生させる。
【００３０】
音波反射板３０３は、光照射手段３０１からの変調レーザ光Ｌの光軸方向にあり、被測定物９００を透過した変調レーザ光Ｌを透過させ、変調レーザ光Ｌによって被測定物９００に発生する光音響信号を反射させる。
【００３１】
音波反射板３０３は、被測定物９００を透過する変調レーザ光Ｌを透過させ、漏れ光として空中へ放出する。音波反射板３０３は、音響反射効率が高い材料というだけでなく、音波反射板３０３自身の音響雑音の発生を抑制する必要がある。そのため、音波反射板３０３は、第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２の波長帯の光吸収が被測定物９００に比べ無視できる程度に小さいことが必要である。さらに、音波反射板３０３は、第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２の２波長の光が９０％以上透過する材質が望ましい。音波反射板３０３は、例えば、ガラス板やサファイア板である。
【００３２】
音波強度測定手段３０２は、音波検出部４１、前置増幅器４２及び位相検波増幅器４３を有する。音波強度測定手段３０２は、音波反射板３０３の光照射手段３０１側にあり、変調レーザ光Ｌによって被測定物９００に発生する光音響信号及び音波反射板３０３で反射された光音響信号を被測定物９００から検出する。
【００３３】
音波検出部４１は、被測定物９００内で発生した光音響信号を直接的に又は音波反射板３０３での反射後に検出する。音波検出部４１は検出した光音響信号を電気信号に変換する。前置増幅器４２は、音波検出部４１からの電気信号を増幅する。位相検波増幅器４３は、発振器３０９からの電気信号に基づき、前置増幅器４２からの電気信号から第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２の変調周波数と同一周波数成分の振幅及び位相を抽出し、光音響信号出力端子３１５へ出力する。発振器３０９からの電気信号を利用することで高精度に変調レーザ光Ｌによる光音響信号の測定信号を出力することができる。
【００３４】
光音響信号出力端子３１５には、２波長が重畳する変調レーザ光Ｌによる光音響信号の測定信号（ｓ１−ｓ２）と１波長のみの変調レーザ光Ｌによる光音響信号の測定信号ｓ２が出力される。以下に出力された測定信号を用いて、濃度Ｍを求める算定法を説明する。
【００３５】
ここで、第１の光源の出力する光の波長をλ１、第２の光源の出力する光の波長をλ２とする。波長λ１、λ２の各々に対して、背景の吸収係数α１（ｗ）、α２（ｗ）及び測定対象成分のモル吸収係数α１（ｇ）、α２（ｇ）を知る時、各波長で測定した測定信号ｓ１、ｓ２を含む連立方程式は数式（１）で表せる。背景の吸収係数とは、例えば、水の吸収係数である。
【数１】
【００３６】
ここで、Ｃは変化し制御或は予想困難な係数である。例えば、音響結合、超音波検出器の感度、照射部から接触部の距離ｒ、比熱、熱膨張係数、音速、変調周波数及び吸収係数にも依存する未知乗数である。ここで、二つの波長λ１とλ２を背景の吸収係数がほぼ等しい波長に設定すれば、α１（ｗ）＝α２（ｗ）であるから、数式（１）からＣを消去し、数式（２）のように濃度Ｍを導くことができる。
【数２】
【００３７】
測定信号ｓ１及び測定信号ｓ２は測定結果であり、波長λ１、λ２の各々に対する背景の吸収係数α１（ｗ）、α２（ｗ）及び対象成分のモル吸収係数α１（ｇ）、α２（ｇ）は既知の値である。従って、濃度Ｍは、測定した光音響信号及び既知値から算出できる。
【００３８】
次に、図３の成分濃度測定装置１に関して図４を用いて詳細に説明する。図４は成分濃度測定装置１の断面を示した概略図である。図４には、図３には図示していない支柱４３４、光吸収体４３５及び光変調信号入力端子４０９を示している。
【００３９】
光照射手段３０１と音波強度測定手段３０２は等しい角度で被測定物９００の境界に接し、光照射手段３０１と音波強度測定手段３０２の中心軸が音波反射板３０３の表面で交差する距離に配置する。具体的には、光照射手段３０１からの変調レーザ光Ｌの光軸と音波強度測定手段３０２が光音響信号を検出する方向の中心である集音中心軸との交点は、音波反射板３０３の光照射手段３０１側の表面にあり、変調レーザ光Ｌの光軸が音波反射板３０３の光照射手段３０１側の表面と成す角度は、音波強度測定手段３０２の集音中心軸が音波反射板３０３の光照射手段３０１側の表面と成す角度と等しい。被測定物の音源から音響検出器までの光音響信号伝達を効率よく行うことができる。
【００４０】
光吸収体４３５は、音波反射板３０３の光照射手段３０１側と反対側にあり、変調レーザ光Ｌのうち音波反射板３０３を透過した漏れ光Ｔを吸収する。音波反射板を透過した漏れ光を吸収し、漏れ光の多重反射などによる音響雑音の発生を抑え、測定精度を高める効果を奏する。光吸収体４３５は、吸音効果のある発泡性がある材質が望ましく、例えば、発泡ウレタンや黒色ゴムが挙げられる。
【００４１】
支柱４３４は、光吸収体４３５と音波反射板３０３との間に気体が入る間隙を形成するように光吸収体４３５と音波反射板３０３とを接続する。支柱４３４の材質は、例えば、金属、セラミクス又はプラスチックである。通常使用では、光吸収体４３５と音波反射板３０３との間の気体は空気である。光吸収体４３５で発生した光音響信号が空気と光吸収体の界面を高効率で反射し、被測定物９００へ伝搬しないため、音響雑音を低減する効果を奏する。
【００４２】
また、光吸収体４３５と音波反射板３０３との間は、支柱４３４ではなく、スペーサを介して接続されていてもよい。具体的には、図４の光吸収体４３５と音波反射板３０３との間にスペーサとなる固体や液体が充填されていてもよい。スペーサは、漏れ光Ｔを透過させるとともに、光吸収体４３５で発生した光音響信号を光吸収体９００との界面で効率よく反射するものが好ましい。スペーサは、例えば、シリコーンゴムやアクリル板である。
【００４３】
次に、音波反射板３０３に関して説明する。光音響信号の波長に比し音波反射板３０３の厚みが大きい場合は、被測定物９００の固有音響インピーダンスをＺ１、音波反射板３０３の固有音響インピーダンスをＺ２とすれば、反射率Ｒを数式（３）で求めることができる。
【数３】
従って、被測定物９００と音波反射板３０３の音響インピーダンスの比（Ｚ１／Ｚ２，Ｚ１＜Ｚ２の場合）が小さいほど反射効率が良い。被測定物９００が水や生体の場合、音波反射板３０３の部材として音響インピーダンスが高い金属やガラスが好適である。
【００４４】
また、光音響信号の波長λ（波数ｋ＝２π／λ）に対して音波反射板３０３の厚みが同程度以下の場合、音波反射板３０３の厚みｄとすれば、反射率Ｒは数式（４）のようになる。
【数４】
ここで、Ｚ３は空隙の音響インピーダンスである。従って、Ｚ１＜＜Ｚ２の場合、反射効率Ｒを高くするために、音波反射板３０３の厚みｄとしてｋｄがπの整数倍となるｄを避ける必要がある。
【００４５】
成分濃度測定装置１は、光照射手段３０１及び音波強度測定手段３０２と音波反射板３０３とで被測定物９００を挟み、成分濃度測定を行う。具体的には、光変調信号入力端子４０９に入力された変調信号により光照射手段３０１は、変調レーザ光Ｌを被測定物９００へ照射する。被測定物９００内部ではＰＡＳにより光音響信号Ａが発生する。光音響信号Ａは直接音波強度測定手段３０２へ向かうものもあるが、音波反射板３０３で反射されて音波強度測定手段３０２へ向かうものもある。光音響信号Ａの発生に寄与しなかった変調レーザ光Ｌは音波反射板３０３を透過して光吸収体４３５に吸収される。音波強度測定手段３０２は図３で説明したように被測定物９００の表面から光音響信号を検出して光音響信号出力端子３１５へ出力する。
【００４６】
（実施例）
次に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。図５は本実施例で用いた成分濃度測定装置２の断面図の概略である。成分濃度測定装置２は図４の成分濃度測定装置１に台１１、支柱１２、測定物固定機構１３、誘電体ミラー５１、アルミ板５２、光アタッチメント５３及び音響アタッチメント５４をさらに備える。本実施例では、被測定物９００は人体であり、成分濃度測定装置２は血液中のグルコース濃度を測定する。
【００４７】
アルミ板５２は、光照射手段３０１、音波強度測定手段３０２、光アタッチメント５３及び音響アタッチメント５４を搭載する。ここでアルミ板５２の材質はアルミ以外の金属やセラミクスでもよい。音波反射板３０３はガラス板を利用する。支柱４３４の材質はアルミである。光吸収体４３５は黒色ゴムを利用する。
【００４８】
光照射手段３０１には、第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２としてそれぞれ１．３８μｍ帯ＤＦＢ−ＬＤ及び１．６１μｍ帯ＤＦＢ−ＬＤが内蔵されている。それぞれのＬＤはペルチエ素子によって適切な温度管理がなされている。図５には記述を省略しているが、図３で説明した発振器３０９からの信号が光変調信号入力端子４０９に入力される。それぞれのＬＤからは互いに逆位相の変調レーザ光が出射される。平均光パワーは１０ｍＷ程度、変調周波数は３５０ｋＨｚに設定した。２つのＬＤからの変調レーザ光はボールレンズによって平行光にコリメートされ、図３で説明した光合波器３５によって合波される。光照射手段３０１は、合波された変調レーザ光Ｌを光出射窓から光アタッチメント５３を経由して、被測定物９００への光照射する。光アタッチメント５３はプリズムやレンズを含み、光路の変更や照射スポット径の設定を行う。本実施例では、被測定物９００の表面に対して入射角３０度、半径２ｍｍの照射スポットを形成した。
【００４９】
音波反射板３０３の光照射手段３０１側の表面に変調レーザ光Ｌを反射する誘電体ミラー５１をさらに備える。音波反射板３０３の上部には、１．３８μｍ帯と１．６１μｍ帯の光を反射する誘電体ミラー５１が蒸着されている。誘電体ミラー５１には、屈折率の異なるＳｉＯ２やＴｉＯ２を単層もしくは多層に蒸着する。被測定物を透過した漏れ光を低減するため、音響雑音の発生量を低減する効果を奏する。
【００５０】
音響アタッチメント５４は、音波強度測定手段３０２と被測定物９００との間の音響インピーダンスを整合する。音響アタッチメント５４の材質や厚みは数式（２）に基づき、被測定物と整合する材質としてシリコーンゴムとした。シリコーンゴムの厚みは１ｍｍとした。また、音波強度測定手段３０２の集音中心軸が被測定物９００の表面と成す角を３０度とした。
【００５１】
被測定物９００はアルミ板５２と音波反射板３０３としてのガラス板で挟むことで固定される。アルミ板５２やガラス板と被測定物９００の境界には空気が侵入しないように密着させるために、表面を平滑にするとよい。測定物固定機構１３は、アルミ板５２と音波反射板３０３との距離を調節するモータを内蔵する。測定物固定機構１３は、適切な圧力を制御しつつ被測定物９００を繰返し挟むことができる。測定物固定機構１３は支柱１２によって台１１に固定される。
【００５２】
図６は、従来の成分濃度測定装置で人体の血液中のグルコース濃度を測定した結果である。図７は、図５の成分濃度測定装置２で人体の血液中のグルコース濃度を測定した結果である。光音響信号は、パワーや吸光度に対して線形であるため、パワーと吸収媒質が一定の場合、波長λ１の音響信号および波長λ１とλ２を差分した音響信号（図中の破線）は周波数領域で或る一定の比を保つ。図６のように、従来の成分濃度測定装置で測定した場合、不特定の音響雑音が発生し、波長λ１の音響信号および波長λ１とλ２を差分した音響信号は一定の比例関係になかった。一方図７のように、成分濃度測定装置２で測定した場合、波長λ１の音響信号および波長λ１とλ２を差分した音響信号を３０倍を比較すると周波数領域にわたって一致し、音響雑音は混入していなかった。以上の測定結果のように、成分濃度測定装置２は、数式（２）における音響信号値ｓ１、ｓ２に不特定音響雑音が混入することなく、被測定物の成分濃度Ｍを算定することができた。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の成分濃度測定装置は、非侵襲で人間の血液成分を高精度に測定することができる。さらに、本発明の成分濃度測定装置は、液体中の成分濃度を測定することができるため、例えば果実の糖度測定にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の成分濃度検出装置の概略図である。
【図２】従来の成分濃度検出装置の概略図である。
【図３】本発明に係る成分濃度検出装置の概略図である。
【図４】本発明に係る成分濃度検出装置の概略図である。
【図５】本発明に係る成分濃度検出装置の概略図である。
【図６】成分濃度検出装置で人体の血液中のグルコース濃度を測定した結果である。
【図７】本発明に係る成分濃度検出装置で人体の血液中のグルコース濃度を測定した結果である。
【符号の説明】
【００５５】
１、２ 成分濃度検出装置
１０１ 生体被検部
１０２ 駆動電源
１０３ パルス光源
１０４ 超音波検出器
１０５ 波形観測器
２０１ 第一の光源
２０２ 第二の光源
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
１１ 台
１２ 支柱
１３ 測定物固定機構
３０１ 光照射手段
３１−１ 第１の光源
３１−２ 第２の光源
３２−１、３２−２ 駆動回路
３３ 遅延調整器
３４−１、３４−２、３６ 光ファイバ
３５ 光合波器
３７ 光出射部
３０２ 音波強度測定手段
４１ 音波検出部
４２ 前置増幅器
４３ 位相検波増幅器
３０３ 音波反射板
３０９ 発振器
３１５ 光音響信号出力端子
４０９ 光変調信号入力端子
４３４ 支柱
４３５ 光吸収体
５１ 誘電体ミラー
５２ アルミ板
５３ 光アタッチメント
５４ 音響アタッチメント
９００ 被測定物
Ｌ 変調レーザ光
Ａ 光音響信号
Ｔ 漏れ光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物に対して非侵襲な成分濃度測定を行う成分濃度測定装置に関する。
【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。現在までに開発された非侵襲な成分濃度測定装置としては、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分光法（以下、「光音響分光法」を「ＰＡＳ」と略記する。）が注目されている（例えば、非特許文献１及び特許文献１を参照。）。
【０００３】
図１は非特許文献１に記載されたＰＡＳによる成分濃度測定装置の概略図である。図１の血液成分濃度測定装置は光パルスを電磁波として用いている。本例では血液成分として血糖、すなわちグルコースを測定対象としている。図１の成分濃度測定装置において、駆動電源１０２はパルス状の励起電流をパルス光源１０３に供給する。パルス光源１０３はサブマイクロ秒の持続時間を有する光パルスを発生させ、該光パルスを生体被検部１０１に照射する。光パルスは生体被検部１０１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る。発生した光音響信号は超音波検出器１０４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。
【０００４】
変換された電気信号の波形は波形観測器１０５により観測される。この波形観測器１０５は上記励起電流に同期した信号によりトリガされ、変換された電気信号を画面等に表示する。また、波形観測器１０５は変換された電気信号は積算及び平均して測定することができる。このようにして得られた電気信号の振幅を解析して、生体被検部１０１の内部の血糖値、すなわちグルコースの量が測定される。図１の成分濃度測定装置はサブマイクロ秒のパルス幅の光パルスを最大１ｋＨｚの繰り返しで発生し、１０２４個の光パルスを平均している。
【０００５】
しかし、グルコースと電磁波との相互作用は小さく、また生体に安全に照射し得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至っていない。
【０００６】
そこで、測定精度を高める目的で連続的に強度変調した光源を用いる成分濃度測定装置が特許文献１に開示されている。図２は特許文献１に記載されたＰＡＳによる成分濃度測定装置の概略図である。本例も血糖を主な測定対象としている。測定精度を高めるため、異なる波長の複数の光源を用いている。説明の煩雑さを避けるために、光源の数が２の場合の動作を説明する。図２の成分濃度測定装置において、異なる波長の光源、即ち、第一の光源２０１及び第二の光源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。
【０００７】
第一の光源２０１及び第二の光源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一の光源２０１及び第二の光源２０２の光が通過する円周上に、互いに疎な個数の開口部が形成されている。
【０００８】
上記の構成により、第一の光源２０１及び第二の光源２０２の各々が出力する光は互いに疎な変調周波数ｆ１、及び変調周波数ｆ２で強度変調される。合波器２１１は強度変調されたそれぞれの光を合波し、１の光束として生体被検部１０１に照射する。
【０００９】
生体被検部１０１の内部には第一の光源２０１の光により周波数ｆ１の光音響信号が発生し、第二の光源２０２の光により周波数ｆ２の光音響信号が発生する。音響センサ２１２は、これらの光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する。その周波数スペクトルは周波数解析器２１５で観測される。本例においては、複数の光源の波長は全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。
【００１０】
ここで、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含有量を測定した値との関係を記憶しておき、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。
【特許文献１】特開平１０−０００１８９号公報
【非特許文献１】オウル大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｏｕｌｕ、Ｆｉｎｌａｎｄ）学位論文「Ｐｕｌｓｅｄ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｓ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｕｍａｎ ｂｌｏｏｄ ａｎｄ ｔｉｓｓｕｅ」（ＩＢＳ ９５１−４２−６６９０−０、ｈｔｔｐ：／／ｈｅｒｋｕｌｅｓ．ｏｕｌｕ．ｆｉ／ｉｓｂｎ９５１４２６６９００／、２００２年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
光照射で被測定物内へ進入した光はＰＡＳのために光吸収され、また散乱することにより被測定物内で減衰する。具体的には、光は被測定物に含まれる水分の吸光度から求まる減衰距離で概ね１／１０に減衰する。しかし、被測定物の試料厚が有限であることや含有水分量の大小により、光の一部は吸収や散乱されず透過することになる。この透過した漏れ光は照射側と対向した音響検出器表面や周辺部に吸収され、これらからも光音響信号が発生する。音響検出器表面や周辺部からの光音響信号は、被測定物から発生する光音響信号の雑音となるため、被測定対象成分の測定精度に著しい影響を与えるという課題があった。以下の説明で、「音響検出器表面や周辺部からの光音響信号」を「音響雑音」と略記する。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、被測定物以外の場所で漏れ光によって生じる音響雑音を抑制し、被測定物の成分濃度を高精度に測定ができる成分濃度測定装置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】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明に係る成分濃度測定装置は、光源からの光を透過し、被測定物内で発生した光音響信号を反射する音波反射板を備えることとした。
【００１４】
具体的には、本発明に係る成分濃度測定装置は、レーザ光を所定周波数の変調信号で電気的に強度変調した変調レーザ光を被測定物に向けて照射する光照射手段と、前記変調レーザ光の光軸方向にあり、前記被測定物を透過した前記変調レーザ光を透過させ、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号を反射させる音波反射板と、前記音波反射板の前記光照射手段側にあり、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号及び前記音波反射板で反射された光音響信号を前記被測定物から検出する音波強度測定手段と、を備える。
【００１５】
音波反射板が漏れ光を透過させるため、被測定物以外の場所で漏れ光によって生じる音響雑音を抑制することができる。
【００１６】
本発明に係る成分濃度測定装置は、前記光照射手段は、異なる２波長のレーザ光をそれぞれ同一周波数で逆位相の変調信号で強度変調することが好ましい。２光波の照射によって発生した音響信号の差分検出をすることができる。
【００１７】
本発明に係る成分濃度測定装置は、前記光照射手段からの前記変調レーザ光の光軸と前記音波強度測定手段が光音響信号を検出する方向の中心である集音中心軸との交点は、前記音波反射板の前記光照射手段側の表面にあり、前記変調レーザ光の光軸が前記音波反射板の前記光照射手段側の表面と成す角度は、前記音波強度測定手段の集音中心軸が前記音波反射板の前記光照射手段側の表面と成す角度と等しいことが好ましい。被測定物の音源から音響検出器までの光音響信号伝達を効率よく行うことができる。
【００１８】
本発明に係る成分濃度測定装置は、前記音波反射板の前記光照射手段側の表面に前記変調レーザ光を反射する誘電体ミラーをさらに備えることが好ましい。被測定物を透過した漏れ光を低減するため、音響雑音の発生量を低減する効果を奏する。
【００１９】
本発明に係る成分濃度測定装置は、前記音波反射板の前記光照射手段側と反対側に前記音波反射板を透過した前記変調レーザ光を吸収する光吸収体をさらに備えることが好ましい。音波反射板を透過した漏れ光を吸収し、漏れ光の多重反射などによる音響雑音の発生を抑え、測定精度を高める効果を奏する。
【００２０】
本発明に係る成分濃度測定装置の前記光吸収体と前記音波反射板とは、前記音波反射板を透過した前記変調レーザ光を透過させ、前記光吸収体で発生する光音響信号を反射するスペーサを介して接続されていることが好ましい。光吸収体で発生した光音響信号がスペーサと光吸収体との界面で効率よく反射し、被測定物へ伝搬しないため、音響雑音を低減する効果を奏する。
【００２１】
本発明に係る成分濃度測定装置の前記光吸収体と前記音波反射板とは、前記光吸収体と前記音波反射板との間に気体が入る間隙を形成する支柱で接続されることが好ましい。光吸収体で発生した光音響信号が空気と光吸収体の界面で効率よく反射し、被測定物へ伝搬しないため、音響雑音を低減する効果を奏する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、音波反射板が漏れ光を透過させるため、被測定物以外の場所で漏れ光によって生じる音響雑音を抑制し、被測定物の成分濃度を高精度に測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。また、以下においては、被測定物として人や動物の被検体の成分濃度を測定する場合の成分濃度測定装置を説明するが、被測定物はこれらに限らない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、それぞれ同一のものを示すものとする。
【００２４】
本実施形態は、レーザ光を所定周波数の変調信号で電気的に強度変調した変調レーザ光を被測定物に向けて照射する光照射手段と、前記変調レーザ光の光軸方向にあり、前記被測定物を透過した前記変調レーザ光を透過させ、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号を反射させる音波反射板と、前記音波反射板の前記光照射手段側にあり、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号及び前記音波反射板で反射された光音響信号を前記被測定物から検出する音波強度測定手段と、を備える。
【００２５】
本実施形態の基本構成例として成分濃度測定装置１のブロック図を図３に示す。成分濃度測定装置１は、光照射手段３０１、音波強度測定手段３０２、音波反射板３０３、発振器３０９及び光音響信号出力端子３１５を備える。
【００２６】
光照射手段３０１は、レーザ光を所定周波数の変調信号で電気的に強度変調した変調レーザ光Ｌを被測定物９００に向けて照射する。レーザ光は１波長でも複数の波長でもよい。光照射手段３０１は、異なる２波長のレーザ光をそれぞれ同一周波数で逆位相の変調信号で強度変調することが好ましい。成分濃度測定装置１は、２光波の照射によって発生した音響信号の差分検出をすることができ、高精度に被検出物９００の成分濃度測定をすることができる。この場合、光照射手段３０１は図３のように、第１の光源３１−１、第２の光源３１−２、駆動回路３２−１、駆動回路３２−２、遅延調整器３３、光ファイバ３４−１、光ファイバ３４−２、光合波器３５、光ファイバ３６及び光出射部３７を有する。
【００２７】
駆動回路３２−１及び駆動回路３２−２は、それぞれ第２の光源３１−１及び第２の光源３１−２に電流を供給する。発振器３０９は駆動回路３２−１及び駆動回路３２−２に電圧を供給する。発振器３０９は任意の周波数のパルス列を発生する機能を持つ。また、遅延調整器３３は第１の光源３１−１と第２の光源３１−２を逆相で駆動するために周期の半分の遅延に調整する。
【００２８】
第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２で発生した変調レーザ光は、それぞれ光伝達手段である光ファイバ３４−１及び光ファイバ３４−２によって光合波器３５の光入力端子に接続される。光合波器３５は合波した変調レーザ光Ｌを光出力端子から出力し、光伝達手段である光ファイバ３６を介して光出射部３７へ供給する。光出射部３７は被測定物９００へ変調レーザ光Ｌを出射する。光出射部３７は、光ファイバ３６の先端でもよいが、効率よく変調レーザ光Ｌを被測定物９００へ出射するため、被測定物９００の形状に合わせた直角プリズム、ファイバコリメータ又はフェルールでもよい。
【００２９】
光照射手段３０１は、第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２を制御することで、それぞれの光源からの光の波長が重畳した変調レーザ光Ｌや一方の光源からの光の波長のみからなる変調レーザ光Ｌを出射することができる。光出射部３７から出射した変調レーザ光Ｌは、被測定物９００の内部でＰＡＳによる光音響信号を発生させる。
【００３０】
音波反射板３０３は、光照射手段３０１からの変調レーザ光Ｌの光軸方向にあり、被測定物９００を透過した変調レーザ光Ｌを透過させ、変調レーザ光Ｌによって被測定物９００に発生する光音響信号を反射させる。
【００３１】
音波反射板３０３は、被測定物９００を透過する変調レーザ光Ｌを透過させ、漏れ光として空中へ放出する。音波反射板３０３は、音響反射効率が高い材料というだけでなく、音波反射板３０３自身の音響雑音の発生を抑制する必要がある。そのため、音波反射板３０３は、第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２の波長帯の光吸収が被測定物９００に比べ無視できる程度に小さいことが必要である。さらに、音波反射板３０３は、第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２の２波長の光が９０％以上透過する材質が望ましい。音波反射板３０３は、例えば、ガラス板やサファイア板である。
【００３２】
音波強度測定手段３０２は、音波検出部４１、前置増幅器４２及び位相検波増幅器４３を有する。音波強度測定手段３０２は、音波反射板３０３の光照射手段３０１側にあり、変調レーザ光Ｌによって被測定物９００に発生する光音響信号及び音波反射板３０３で反射された光音響信号を被測定物９００から検出する。
【００３３】
音波検出部４１は、被測定物９００内で発生した光音響信号を直接的に又は音波反射板３０３での反射後に検出する。音波検出部４１は検出した光音響信号を電気信号に変換する。前置増幅器４２は、音波検出部４１からの電気信号を増幅する。位相検波増幅器４３は、発振器３０９からの電気信号に基づき、前置増幅器４２からの電気信号から第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２の変調周波数と同一周波数成分の振幅及び位相を抽出し、光音響信号出力端子３１５へ出力する。発振器３０９からの電気信号を利用することで高精度に変調レーザ光Ｌによる光音響信号の測定信号を出力することができる。
【００３４】
光音響信号出力端子３１５には、２波長が重畳する変調レーザ光Ｌによる光音響信号の測定信号（ｓ１−ｓ２）と１波長のみの変調レーザ光Ｌによる光音響信号の測定信号ｓ２が出力される。以下に出力された測定信号を用いて、濃度Ｍを求める算定法を説明する。
【００３５】
ここで、第１の光源の出力する光の波長をλ１、第２の光源の出力する光の波長をλ２とする。波長λ１、λ２の各々に対して、背景の吸収係数α１（ｗ）、α２（ｗ）及び測定対象成分のモル吸収係数α１（ｇ）、α２（ｇ）を知る時、各波長で測定した測定信号ｓ１、ｓ２を含む連立方程式は数式（１）で表せる。背景の吸収係数とは、例えば、水の吸収係数である。
【数１】
【００３６】
ここで、Ｃは変化し制御或は予想困難な係数である。例えば、音響結合、超音波検出器の感度、照射部から接触部の距離ｒ、比熱、熱膨張係数、音速、変調周波数及び吸収係数にも依存する未知乗数である。ここで、二つの波長λ１とλ２を背景の吸収係数がほぼ等しい波長に設定すれば、α１（ｗ）＝α２（ｗ）であるから、数式（１）からＣを消去し、数式（２）のように濃度Ｍを導くことができる。
【数２】
【００３７】
測定信号ｓ１及び測定信号ｓ２は測定結果であり、波長λ１、λ２の各々に対する背景の吸収係数α１（ｗ）、α２（ｗ）及び対象成分のモル吸収係数α１（ｇ）、α２（ｇ）は既知の値である。従って、濃度Ｍは、測定した光音響信号及び既知値から算出できる。
【００３８】
次に、図３の成分濃度測定装置１に関して図４を用いて詳細に説明する。図４は成分濃度測定装置１の断面を示した概略図である。図４には、図３には図示していない支柱４３４、光吸収体４３５及び光変調信号入力端子４０９を示している。
【００３９】
光照射手段３０１と音波強度測定手段３０２は等しい角度で被測定物９００の境界に接し、光照射手段３０１と音波強度測定手段３０２の中心軸が音波反射板３０３の表面で交差する距離に配置する。具体的には、光照射手段３０１からの変調レーザ光Ｌの光軸と音波強度測定手段３０２が光音響信号を検出する方向の中心である集音中心軸との交点は、音波反射板３０３の光照射手段３０１側の表面にあり、変調レーザ光Ｌの光軸が音波反射板３０３の光照射手段３０１側の表面と成す角度は、音波強度測定手段３０２の集音中心軸が音波反射板３０３の光照射手段３０１側の表面と成す角度と等しい。被測定物の音源から音響検出器までの光音響信号伝達を効率よく行うことができる。
【００４０】
光吸収体４３５は、音波反射板３０３の光照射手段３０１側と反対側にあり、変調レーザ光Ｌのうち音波反射板３０３を透過した漏れ光Ｔを吸収する。音波反射板を透過した漏れ光を吸収し、漏れ光の多重反射などによる音響雑音の発生を抑え、測定精度を高める効果を奏する。光吸収体４３５は、吸音効果のある発泡性がある材質が望ましく、例えば、発泡ウレタンや黒色ゴムが挙げられる。
【００４１】
支柱４３４は、光吸収体４３５と音波反射板３０３との間に気体が入る間隙を形成するように光吸収体４３５と音波反射板３０３とを接続する。支柱４３４の材質は、例えば、金属、セラミクス又はプラスチックである。通常使用では、光吸収体４３５と音波反射板３０３との間の気体は空気である。光吸収体４３５で発生した光音響信号が空気と光吸収体の界面を高効率で反射し、被測定物９００へ伝搬しないため、音響雑音を低減する効果を奏する。
【００４２】
また、光吸収体４３５と音波反射板３０３との間は、支柱４３４ではなく、スペーサを介して接続されていてもよい。具体的には、図４の光吸収体４３５と音波反射板３０３との間にスペーサとなる固体や液体が充填されていてもよい。スペーサは、漏れ光Ｔを透過させるとともに、光吸収体４３５で発生した光音響信号を光吸収体９００との界面で効率よく反射するものが好ましい。スペーサは、例えば、シリコーンゴムやアクリル板である。
【００４３】
次に、音波反射板３０３に関して説明する。光音響信号の波長に比し音波反射板３０３の厚みが大きい場合は、被測定物９００の固有音響インピーダンスをＺ１、音波反射板３０３の固有音響インピーダンスをＺ２とすれば、反射率Ｒを数式（３）で求めることができる。
【数３】
従って、被測定物９００と音波反射板３０３の音響インピーダンスの比（Ｚ１／Ｚ２，Ｚ１＜Ｚ２の場合）が小さいほど反射効率が良い。被測定物９００が水や生体の場合、音波反射板３０３の部材として音響インピーダンスが高い金属やガラスが好適である。
【００４４】
また、光音響信号の波長λ（波数ｋ＝２π／λ）に対して音波反射板３０３の厚みが同程度以下の場合、音波反射板３０３の厚みｄとすれば、反射率Ｒは数式（４）のようになる。
【数４】
ここで、Ｚ３は空隙の音響インピーダンスである。従って、Ｚ１＜＜Ｚ２の場合、反射効率Ｒを高くするために、音波反射板３０３の厚みｄとしてｋｄがπの整数倍となるｄを避ける必要がある。
【００４５】
成分濃度測定装置１は、光照射手段３０１及び音波強度測定手段３０２と音波反射板３０３とで被測定物９００を挟み、成分濃度測定を行う。具体的には、光変調信号入力端子４０９に入力された変調信号により光照射手段３０１は、変調レーザ光Ｌを被測定物９００へ照射する。被測定物９００内部ではＰＡＳにより光音響信号Ａが発生する。光音響信号Ａは直接音波強度測定手段３０２へ向かうものもあるが、音波反射板３０３で反射されて音波強度測定手段３０２へ向かうものもある。光音響信号Ａの発生に寄与しなかった変調レーザ光Ｌは音波反射板３０３を透過して光吸収体４３５に吸収される。音波強度測定手段３０２は図３で説明したように被測定物９００の表面から光音響信号を検出して光音響信号出力端子３１５へ出力する。
【００４６】
（実施例）
次に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。図５は本実施例で用いた成分濃度測定装置２の断面図の概略である。成分濃度測定装置２は図４の成分濃度測定装置１に台１１、支柱１２、測定物固定機構１３、誘電体ミラー５１、アルミ板５２、光アタッチメント５３及び音響アタッチメント５４をさらに備える。本実施例では、被測定物９００は人体であり、成分濃度測定装置２は血液中のグルコース濃度を測定する。
【００４７】
アルミ板５２は、光照射手段３０１、音波強度測定手段３０２、光アタッチメント５３及び音響アタッチメント５４を搭載する。ここでアルミ板５２の材質はアルミ以外の金属やセラミクスでもよい。音波反射板３０３はガラス板を利用する。支柱４３４の材質はアルミである。光吸収体４３５は黒色ゴムを利用する。
【００４８】
光照射手段３０１には、第１の光源３１−１及び第２の光源３１−２としてそれぞれ１．３８μｍ帯ＤＦＢ−ＬＤ及び１．６１μｍ帯ＤＦＢ−ＬＤが内蔵されている。それぞれのＬＤはペルチエ素子によって適切な温度管理がなされている。図５には記述を省略しているが、図３で説明した発振器３０９からの信号が光変調信号入力端子４０９に入力される。それぞれのＬＤからは互いに逆位相の変調レーザ光が出射される。平均光パワーは１０ｍＷ程度、変調周波数は３５０ｋＨｚに設定した。２つのＬＤからの変調レーザ光はボールレンズによって平行光にコリメートされ、図３で説明した光合波器３５によって合波される。光照射手段３０１は、合波された変調レーザ光Ｌを光出射窓から光アタッチメント５３を経由して、被測定物９００への光照射する。光アタッチメント５３はプリズムやレンズを含み、光路の変更や照射スポット径の設定を行う。本実施例では、被測定物９００の表面に対して入射角３０度、半径２ｍｍの照射スポットを形成した。
【００４９】
音波反射板３０３の光照射手段３０１側の表面に変調レーザ光Ｌを反射する誘電体ミラー５１をさらに備える。音波反射板３０３の上部には、１．３８μｍ帯と１．６１μｍ帯の光を反射する誘電体ミラー５１が蒸着されている。誘電体ミラー５１には、屈折率の異なるＳｉＯ２やＴｉＯ２を単層もしくは多層に蒸着する。被測定物を透過した漏れ光を低減するため、音響雑音の発生量を低減する効果を奏する。
【００５０】
音響アタッチメント５４は、音波強度測定手段３０２と被測定物９００との間の音響インピーダンスを整合する。音響アタッチメント５４の材質や厚みは数式（２）に基づき、被測定物と整合する材質としてシリコーンゴムとした。シリコーンゴムの厚みは１ｍｍとした。また、音波強度測定手段３０２の集音中心軸が被測定物９００の表面と成す角を３０度とした。
【００５１】
被測定物９００はアルミ板５２と音波反射板３０３としてのガラス板で挟むことで固定される。アルミ板５２やガラス板と被測定物９００の境界には空気が侵入しないように密着させるために、表面を平滑にするとよい。測定物固定機構１３は、アルミ板５２と音波反射板３０３との距離を調節するモータを内蔵する。測定物固定機構１３は、適切な圧力を制御しつつ被測定物９００を繰返し挟むことができる。測定物固定機構１３は支柱１２によって台１１に固定される。
【００５２】
図６は、従来の成分濃度測定装置で人体の血液中のグルコース濃度を測定した結果である。図７は、図５の成分濃度測定装置２で人体の血液中のグルコース濃度を測定した結果である。光音響信号は、パワーや吸光度に対して線形であるため、パワーと吸収媒質が一定の場合、波長λ１の音響信号および波長λ１とλ２を差分した音響信号（図中の破線）は周波数領域で或る一定の比を保つ。図６のように、従来の成分濃度測定装置で測定した場合、不特定の音響雑音が発生し、波長λ１の音響信号および波長λ１とλ２を差分した音響信号は一定の比例関係になかった。一方図７のように、成分濃度測定装置２で測定した場合、波長λ１の音響信号および波長λ１とλ２を差分した音響信号を３０倍を比較すると周波数領域にわたって一致し、音響雑音は混入していなかった。以上の測定結果のように、成分濃度測定装置２は、数式（２）における音響信号値ｓ１、ｓ２に不特定音響雑音が混入することなく、被測定物の成分濃度Ｍを算定することができた。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明の成分濃度測定装置は、非侵襲で人間の血液成分を高精度に測定することができる。さらに、本発明の成分濃度測定装置は、液体中の成分濃度を測定することができるため、例えば果実の糖度測定にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来の成分濃度検出装置の概略図である。
【図２】従来の成分濃度検出装置の概略図である。
【図３】本発明に係る成分濃度検出装置の概略図である。
【図４】本発明に係る成分濃度検出装置の概略図である。
【図５】本発明に係る成分濃度検出装置の概略図である。
【図６】成分濃度検出装置で人体の血液中のグルコース濃度を測定した結果である。
【図７】本発明に係る成分濃度検出装置で人体の血液中のグルコース濃度を測定した結果である。
【符号の説明】
【００５５】
１、２ 成分濃度検出装置
１０１ 生体被検部
１０２ 駆動電源
１０３ パルス光源
１０４ 超音波検出器
１０５ 波形観測器
２０１ 第一の光源
２０２ 第二の光源
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
１１ 台
１２ 支柱
１３ 測定物固定機構
３０１ 光照射手段
３１−１ 第１の光源
３１−２ 第２の光源
３２−１、３２−２ 駆動回路
３３ 遅延調整器
３４−１、３４−２、３６ 光ファイバ
３５ 光合波器
３７ 光出射部
３０２ 音波強度測定手段
４１ 音波検出部
４２ 前置増幅器
４３ 位相検波増幅器
３０３ 音波反射板
３０９ 発振器
３１５ 光音響信号出力端子
４０９ 光変調信号入力端子
４３４ 支柱
４３５ 光吸収体
５１ 誘電体ミラー
５２ アルミ板
５３ 光アタッチメント
５４ 音響アタッチメント
９００ 被測定物
Ｌ 変調レーザ光
Ａ 光音響信号
Ｔ 漏れ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を所定周波数の変調信号で電気的に強度変調した変調レーザ光を被測定物に向けて照射する光照射手段と、
前記変調レーザ光の光軸方向にあり、前記被測定物を透過した前記変調レーザ光を透過させ、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号を反射させる音波反射板と、
前記音波反射板の前記光照射手段側にあり、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号及び前記音波反射板で反射された光音響信号を前記被測定物から検出する音波強度測定手段と、
を備える成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記光照射手段は、異なる２波長のレーザ光をそれぞれ同一周波数で逆位相の変調信号で強度変調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】
前記光照射手段からの前記変調レーザ光の光軸と前記音波強度測定手段が光音響信号を検出する方向の中心である集音中心軸との交点は、前記音波反射板の前記光照射手段側の表面にあり、前記変調レーザ光の光軸が前記音波反射板の前記光照射手段側の表面と成す角度は、前記音波強度測定手段の集音中心軸が前記音波反射板の前記光照射手段側の表面と成す角度と等しい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】
前記音波反射板の前記光照射手段側の表面に前記変調レーザ光を反射する誘電体ミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１から３に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
【請求項５】
前記音波反射板の前記光照射手段側と反対側に前記音波反射板を透過した前記変調レーザ光を吸収する光吸収体をさらに備えることを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
【請求項６】
前記光吸収体と前記音波反射板とは、前記音波反射板を透過した前記変調レーザ光を透過させ、前記光吸収体で発生する光音響信号を反射するスペーサを介して接続されていることを特徴とする請求項５に記載の成分濃度測定装置。
【請求項７】
前記光吸収体と前記音波反射板とは、前記光吸収体と前記音波反射板との間に気体が入る間隙を形成する支柱で接続されることを特徴とする請求項５に記載の成分濃度測定装置。
【請求項１】
レーザ光を所定周波数の変調信号で電気的に強度変調した変調レーザ光を被測定物に向けて照射する光照射手段と、
前記変調レーザ光の光軸方向にあり、前記被測定物を透過した前記変調レーザ光を透過させ、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号を反射させる音波反射板と、
前記音波反射板の前記光照射手段側にあり、前記変調レーザ光によって前記被測定物に発生する光音響信号及び前記音波反射板で反射された光音響信号を前記被測定物から検出する音波強度測定手段と、
を備える成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記光照射手段は、異なる２波長のレーザ光をそれぞれ同一周波数で逆位相の変調信号で強度変調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】
前記光照射手段からの前記変調レーザ光の光軸と前記音波強度測定手段が光音響信号を検出する方向の中心である集音中心軸との交点は、前記音波反射板の前記光照射手段側の表面にあり、前記変調レーザ光の光軸が前記音波反射板の前記光照射手段側の表面と成す角度は、前記音波強度測定手段の集音中心軸が前記音波反射板の前記光照射手段側の表面と成す角度と等しい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】
前記音波反射板の前記光照射手段側の表面に前記変調レーザ光を反射する誘電体ミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１から３に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
【請求項５】
前記音波反射板の前記光照射手段側と反対側に前記音波反射板を透過した前記変調レーザ光を吸収する光吸収体をさらに備えることを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
【請求項６】
前記光吸収体と前記音波反射板とは、前記音波反射板を透過した前記変調レーザ光を透過させ、前記光吸収体で発生する光音響信号を反射するスペーサを介して接続されていることを特徴とする請求項５に記載の成分濃度測定装置。
【請求項７】
前記光吸収体と前記音波反射板とは、前記光吸収体と前記音波反射板との間に気体が入る間隙を形成する支柱で接続されることを特徴とする請求項５に記載の成分濃度測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２３７６５５（Ｐ２００８−２３７６５５Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８３８９７（Ｐ２００７−８３８９７）
【出願日】平成１９年３月２８日（２００７．３．２８）
【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２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２８日（２００７．３．２８）
【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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