JP2016154585A - 成分濃度測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない測定点数で測定対象の成分の濃度を高い精度で求め、測定時間を短縮する装置を提供する。
【解決手段】レーザダイオード１−１，１−２は、異なる波長の２波の光を同一周波数で且つ異なる位相の信号により強度変調して被測定物１１に照射する。音響センサ６は、光音響効果によって被測定物１１から発生する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。情報処理装置１０は、レーザダイオード１−２から放射される光のパワーを変化させて、光のパワーとロックインアンプ９から出力される電気信号の強度とを測定し、電気信号の強度と光のパワーとの関係を数式で近似し、近似の結果に基づいて電気信号の強度が最低となる真の点における光のパワーを推定し、推定の結果に基づいて被測定物１１に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、血液中に存在するグルコース、アルブミンなどの成分の濃度を非侵襲で測定する技術に係り、特に、被測定物に照射した光により発生する音響波を検出して濃度を測定する成分濃度測定装置および測定方法に関するものである。

糖尿病患者の血糖値を連続モニターするための方法として光音響法があり、簡単にまとめると、以下のような特徴がある。
（ａ）光音響法は、連続的な血液グルコースモニタリングを提供する。
（ｂ）糖尿病患者にとって無痛で、血液サンプルを必要とせず、糖尿病患者に不快感を与えることがない。
（ｃ）他の光学的な技術と比べて、光散乱による測定精度劣化の影響が小さい。
（ｄ）光学と音響学の結合により高感度の特性を得ることができる。

光音響法には、パルス（pulse）法と連続波（continuous-wave、以下ＣＷとする）法の二つの方式がある。しかし、従来のパルス法やＣＷ法では、数回にわたる血漿中のグルコース濃度測定中に、グルコース濃度以外の他の血漿中パラメータ（例えば体温や、他の成分の濃度等）も変わる可能性が高いので、グルコース選択性が悪く、正確なグルコース濃度を得ることが難しいという問題点があった。

そこで、互いにπ（１８０°）だけ位相を異にした２つの波長の連続した矩形波により成分濃度を測定する技術として、発明者らにより光パワーバランスシフト（Optical power balance shift：ＯＰＢＳ）法が開発されている（特許文献１−３参照）。

特許文献１−３に開示されたＯＰＢＳ法では、光波長が異なり、互いに位相差がπの２つの矩形連続波形の光ビームを被測定物に対して、同一光出力口から照射する。このとき、２つの光ビームのパワーを増減させながら、光音響信号の振幅が最小な箇所の位相の変曲点を探し、この探索結果から血液中に溶解している分子濃度を求める。２つの光ビームのうち一方の光ビームのパワーＰ₁を一定にし、もう一方の光ビームのパワーＰ₂を変えながら、光音響信号強度が最低となる光パワーを探す。光音響信号強度が最低となる光パワーＰ₂の変化量より被測定物内の特定成分（例えばグルコース）の濃度の正確な測定を行う。

特開２０１４−５０５６３号公報 特開２０１３−１０６８７４号公報 特開２０１２−１７９２１２号公報

従来のＯＰＢＳ法では、光音響信号の強度が最低な点を探索するために、光ビームのパワーＰ₂を細かく変えながら光音響信号の強度の測定を行う必要があり、光ビームのパワーＰ₂を調節する精度に濃度測定の精度が制限されてしまうという問題点があった。つまり、光ビームのパワーＰ₂の測定点（光音響信号の強度の測定点）を少なくすると、濃度測定の精度が低下してしまうことになる。また、従来のＯＰＢＳ法では、光ビームのパワーＰ₂を変える度に光音響信号の強度の測定を行う必要があるため、測定時間が長くなるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、少ない測定点数で測定対象の成分の濃度を高い精度で求めることができ、測定時間を短縮することができる成分濃度測定装置および測定方法を提供することを目的とする。

本発明の成分濃度測定装置は、互いに異なる波長の複数の光を同一の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射する光照射手段と、複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光のパワーを変化させる光パワー制御手段と、光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光のパワーを測定する光パワー測定手段と、前記電気信号の強度を測定する信号強度測定手段と、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を数式で近似する近似手段と、前記近似の結果に基づいて前記電気信号の強度が最低となる真の点における光のパワーを推定する光パワー推定手段と、前記推定の結果に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例において、前記近似手段は、前記電気信号の強度が最低となった点を境として分けられる光のパワーが小さい側と大きい側の各々について、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を一次関数で近似するものであり、前記光のパワーが小さい側の一次関数式が示す直線の傾きと前記光のパワーが大きい側の一次関数式が示す直線の傾きとが、絶対値が同じで正負の符号が異なるように、一次関数近似を行うことを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例において、前記近似手段は、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を一次関数よりも高次の関数で近似することを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例において、前記近似手段は、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を放物線を描く関係と見なし、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を、前記放物線で囲まれる図形の重心の位置を用いて近似することを特徴とするものである。

また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例において、前記近似手段は、前記一次関数で近似したときに所定の精度が得られないと判断した場合に、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を一次関数よりも高次の関数で近似することを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例において、前記近似手段は、前記一次関数で近似したときに所定の精度が得られないと判断した場合に、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を放物線を描く関係と見なし、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を、前記放物線で囲まれる図形の重心の位置を用いて近似することを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例において、前記濃度導出手段は、１回目の測定時点における前記光パワー推定手段の推定結果と２回目の測定時点における前記光パワー推定手段の推定結果とに基づいて、前記測定対象の成分の濃度を導出することを特徴とするものである。

また、本発明の成分濃度測定方法は、互いに異なる波長の複数の光を同一の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射する光照射ステップと、複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光のパワーを変化させる光パワー制御ステップと、光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出ステップと、複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光のパワーを測定する光パワー測定ステップと、前記電気信号の強度を測定する信号強度測定ステップと、前記電気信号の強度と前記光パワー測定ステップで得られた光のパワーとの関係を数式で近似する近似ステップと、前記近似の結果に基づいて前記電気信号の強度が最低となる真の点における光のパワーを推定する光パワー推定ステップと、前記推定の結果に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出ステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、光照射手段と、光パワー制御手段と、光音響信号検出手段と、光パワー測定手段と、信号強度測定手段と、近似手段と、光パワー推定手段と、濃度導出手段とを設け、電気信号の強度と光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を数式で近似し、この近似の結果から電気信号の強度が最低となる真の点における光のパワーの値を推定することにより、被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出するので、光のパワーを調節する精度を上回る精度で測定対象の成分の濃度を求めることができる。その結果、本発明では、測定点数が少なくても、高い精度で測定対象の成分の濃度を求めることができ、測定時間を大幅に短縮することができる。また、本発明では、光パワー測定手段および信号強度測定手段の測定精度や、外乱から生じる電気信号の検出誤差、並びに光のパワーの調節誤差を統計的に抑えることができる。

また、本発明では、電気信号の強度と光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係をグラフに描いたときのＶ字の形状が左右（光のパワーの小さい側と大きい側）対称であると仮定し、電気信号の強度が最低となった点を境として分けられる光のパワーが小さい側と大きい側の各々について、電気信号の強度と光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を一次関数で近似することにより、近似処理を容易に行うことができる。

また、本発明では、電気信号の強度と光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を一次関数よりも高次の関数で近似することにより、より高い精度で測定対象の成分の濃度を求めることができる。

また、本発明では、電気信号の強度と光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を放物線を描く関係と見なし、電気信号の強度と光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を、放物線で囲まれる図形の重心の位置を用いて近似することにより、より高い精度で測定対象の成分の濃度を求めることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る成分濃度測定装置の情報処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る成分濃度測定装置の動作を示すフローチャートである。 測定信号の強度と光のパワーとの関係の１例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における関数近似の方法を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態における関数近似の方法を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係る成分濃度測定装置の別の動作を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態に係る成分濃度測定装置の情報処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係る成分濃度測定装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施の形態における図形近似の方法を説明する図である。 本発明の第３の実施の形態に係る成分濃度測定装置の別の動作を示すフローチャートである。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態の成分濃度測定装置は、レーザ光を放射するレーザダイオード１−１，１−２と、レーザダイオード１−１，１−２を駆動するレーザドライバ２と、レーザダイオード１−１，１−２から放射されたレーザ光を導く光ファイバ３−１，３−２と、レーザダイオード１−１，１−２から放射されたレーザ光を合波する光カプラ４と、光カプラ４によって合波されたレーザ光を導く光ファイバ５と、光音響効果によって被測定物１１から発生する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光音響信号検出手段となる音響センサ６と、音響センサ６から出力された電気信号を増幅する増幅器７と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ８と、増幅器７の出力信号とファンクションジェネレータ８から出力された参照信号とを入力として、増幅器７の出力信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプ９と、ファンクションジェネレータ８およびロックインアンプ９を制御すると共に、ロックインアンプ９が検出した測定信号を処理して特定の成分濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置１０とから構成される。

レーザダイオード１−１，１−２とレーザドライバ２とファンクションジェネレータ８とは、光照射手段を構成している。情報処理装置１０とファンクションジェネレータ８とは、光パワー制御手段を構成している。
レーザダイオード１−１，１−２の例としては、例えば分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）等がある。音響センサ６の例としては、マイクロホンがある。

図２は情報処理装置１０の構成を示すブロック図である。情報処理装置１０は、ファンクションジェネレータ８を介して光パワーを制御する光パワー制御部１０１と、レーザダイオード１−２から放射された光のパワーを測定する光パワー測定部１０２と、ロックインアンプ９から出力される測定信号の強度を測定する信号強度測定部１０３と、測定信号の強度と光パワー測定部１０２で得られた光のパワーとの関係を一次関数で近似する関数近似部１０４と、近似の結果に基づいて測定信号の強度が最低となる真の点における光のパワーを推定する光パワー推定手段と、推定の結果に基づいて被測定物１１内の特定成分（例えばグルコース）の濃度を導出する濃度導出部１０６と、情報記憶のための記憶部１０７とを有する。

次に、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作を図３のフローチャートを参照して説明する。レーザドライバ２から駆動電流が供給されると、レーザダイオード１−１，１−２はレーザ光を放射する。このとき、ファンクションジェネレータ８は、レーザダイオード１−１を駆動するための参照信号と、レーザダイオード１−２を駆動するための参照信号とを出力する。

レーザドライバ２は、ファンクションジェネレータ８から出力される２つの参照信号に応じて、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード１−１，１−２に供給することにより、レーザダイオード１−１，１−２から放射される光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する。

レーザダイオード１−１から放射される光の波長は例えば１３８４ｎｍ、レーザダイオード１−２から放射される光の波長は例えば１６１０ｎｍであり、２つのレーザダイオード１−１，１−２から放射される光の波長は異なる。ファンクションジェネレータ８から出力される２つの参照信号の周波数は同一であり、位相がπ（１８０°）だけ異なっている。したがって、本実施の形態では、互いに異なる波長の２波のレーザ光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調して２つの強度変調光を生成することになる。

まず、２つのレーザダイオード１−１，１−２を動作させる。情報処理装置１０の光パワー制御部１０１は、ファンクションジェネレータ８を制御して、レーザダイオード１−１を駆動するための参照信号の電圧Ｖ₁、レーザダイオード１−２を駆動するための参照信号の電圧Ｖ₂をそれぞれ初期値に設定することにより、レーザダイオード１−１から放射される光のパワーＰ₁、レーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を初期値に設定する（図３ステップＳ１）。

レーザダイオード１−１，１−２から放射された強度変調光は、それぞれ光ファイバ３−１，３−２によって導かれ、光カプラ４によって合波され、さらに光ファイバ５によって導かれ、被測定物１１に照射される（図３ステップＳ２）。

情報処理装置１０の光パワー測定部１０２は、レーザダイオード１−２から放射された光のパワーＰ₂を測定する（図３ステップＳ３）。光パワー測定部１０２は、ファンクションジェネレータ８から出力されている、レーザダイオード１−２の駆動用の参照信号の電圧Ｖ₂を取得する。情報処理装置１０の記憶部１０７には、参照信号の電圧Ｖ₂とレーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂との関係を示すキャリブレーションデータが予め記憶されている。キャリブレーションデータは、電圧Ｖ₂とパワーＰ₂の実測により予め求めておくことができる。光パワー測定部１０２は、このようなキャリブレーションデータを参照し、取得した参照信号の電圧Ｖ₂を、レーザダイオード１−２から放射された光のパワーＰ₂に換算する。このパワーＰ₂の値は記憶部１０７に格納される。

音響センサ６は、被測定物１１から発生する光音響信号を検出し、増幅器７は、音響センサ６から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ９は、増幅器７の出力に含まれる信号のうち、ファンクションジェネレータ８から出力される参照信号によって決まる周波数の測定信号を検出する。

情報処理装置１０の信号強度測定部１０３は、ロックインアンプ９から出力される測定信号の強度Ｓ（信号振幅）を測定する（図３ステップＳ４）。この強度Ｓの値は記憶部１０７に格納される。

予め定められた所定のパワーＰ₂の第１の範囲について測定を終えていない場合（図３ステップＳ５においてＮＯ）、情報処理装置１０の光パワー制御部１０１は、ファンクションジェネレータ８を制御して、レーザダイオード１−２を駆動するための参照信号の電圧Ｖ₂を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−２に供給される駆動電流の大きさを変化させ、レーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を変化させる（図３ステップＳ６）。このとき、レーザダイオード１−１を駆動するための参照信号の電圧Ｖ₁は一定、すなわちレーザダイオード１−１から放射される光のパワーＰ₁は初期値のまま一定である。

こうして、予め定められた所定のパワーＰ₂の第１の範囲について測定を終えるまで（ステップＳ５においてＹＥＳ）、ステップＳ３〜Ｓ６の処理が繰り返し実行される。
次に、予め定められた所定のパワーＰ₂の第１の範囲について測定を終えた後、ステップＳ４の測定において測定信号の強度Ｓが最低となった点を中心とするパワーＰ₂の第２の範囲について再測定を行う。つまり、測定信号の強度Ｓが最低となった点におけるパワーＰ₂の値をＰ_2centerとすると、Ｐ_2center±Ｐ_W（Ｐ_Wは、Ｐ_W＜Ｐ_2centerの所定幅）の範囲を第２の範囲として再測定を行う。

まず、情報処理装置１０の光パワー制御部１０１は、ファンクションジェネレータ８を制御して、レーザダイオード１−１を駆動するための参照信号の電圧Ｖ₁、レーザダイオード１−２を駆動するための参照信号の電圧Ｖ₂を設定することにより、レーザダイオード１−１から放射される光のパワーＰ₁を予め定められた一定値（上記の初期値と同じ値）にし、レーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を開始値（Ｐ_2center−Ｐ_W）にする（図３ステップＳ７）。

図３のステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１０の処理はステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４と同じである。パワーＰ₂の第２の範囲（Ｐ_2center±Ｐ_W）について測定を終えていない場合（図３ステップＳ１１においてＮＯ）、情報処理装置１０の光パワー制御部１０１は、ファンクションジェネレータ８を制御して、レーザダイオード１−２を駆動するための参照信号の電圧Ｖ₂を変化させることにより、レーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を変化させる（図３ステップＳ１２）。ただし、このときのパワーＰ₂の変化幅は例えば数ｍＷ程度であり、ステップＳ６のパワーＰ₂の変化幅よりも小さい。また、ステップＳ６と同様に、レーザダイオード１−１から放射される光のパワーＰ₁は初期値のまま一定である。

こうして、パワーＰ₂の第２の範囲（Ｐ_2center±Ｐ_W）について測定を終えるまで（ステップＳ１１においてＹＥＳ）、ステップＳ９〜Ｓ１２の処理が繰り返し実行される。
ステップＳ９〜Ｓ１２の処理による測定結果の１例を図４に示す。測定信号の強度（つまり、光音響信号の強度）Ｓと、光のパワーＰ₁，Ｐ₂との関係は次式のように表現できることが分かっている。
Ｓ∝（α₁Ｐ₁−α₂Ｐ₂） ・・・（１）

式（１）において、α₁，α₂はそれぞれ光パワーがＰ₁，Ｐ₂の光に対する被測定物の光吸収係数である。このように、測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₁，Ｐ₂との関係は、グラフに描くと、Ｖ字状の特性となる。
本実施の形態のように２回の測定を行う理由は、まず光のパワーＰ₂の第１の範囲について大まかに測定を行って目的の点（測定信号の強度Ｓが最低となる点）を含むと思われる第２の範囲を決定し、この第２の範囲について詳細に測定を行って測定信号の強度Ｓが最低となる点を探索するためである。

ただし、本実施の形態では、１回目、２回目のいずれにおいても、従来のＯＰＢＳ法よりも粗い精度（つまり、パワーＰ₂の変化幅が大きい）で測定を行うことを想定しているので、測定信号の強度Ｓが最低となる真の点を探索することは難しい。
そこで、測定信号の強度Ｓが最低となるパワーＰ₂の値を推測するためには、関数によるフィッティングが必要である。

図４に示したような測定値の組（Ｐ₂，Ｓ）を、ｎ次関数を用いて近似する方法としては、以下に示すような最小二乗法がある。
Ｓ＝ａ_nＰ₂ ⁿ＋・・・＋ａ₁Ｐ₂＋ａ₀ ・・・（２）
係数ａについては、行列の形で下式のようになる。

式（３）における^tＰ₂は行列Ｐ₂の転置行列を意味する。本実施の形態では、フィッティングに用いる関数として一次関数を用いる。
情報処理装置１０の関数近似部１０４は、ステップＳ９〜Ｓ１２の処理で得られた測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₂との関係を、最小二乗法により一次関数で近似する（図３ステップＳ１３）。このとき、関数近似部１０４は、図５に示すように、測定信号の強度Ｓが最低となった点５０を境として分けられるパワーＰ₂の小さい側と大きい側の各々について別々に一次関数近似を行う。図５のパワーＰ₂の小さい側の直線５１は式（４）で表され、パワーＰ₂の大きい側の直線５２は式（５）で表される。
Ｓ＝ａ₁Ｐ₂＋ａ₀ ・・・（４）
Ｓ＝ａ₁´Ｐ₂＋ａ₀´ ・・・（５）

ａ₁，ａ₁´は直線５１，５２の傾きを示す係数、ａ₀，ａ₀´は直線５１，５２の切片を示す係数である。本実施の形態では、上記のＶ字の形状が、測定信号の強度Ｓが最低となる真の点を通る縦軸方向の直線を中心線として、左右（パワーＰ₂の小さい側と大きい側）対称であると仮定している。関数近似部１０４は、直線５１の傾きを示す係数ａ₁と直線５２の傾きを示す係数ａ₁´とが絶対値が同じで正負の符号が異なるように、一次関数近似を行う。

本実施の形態では、測定信号の強度Ｓが最低となった点５０を境として分けられるパワーＰ₂の小さい側の測定点数とパワーＰ₂の大きい側の測定点数とが同じであることが望ましいが、第２の範囲を（Ｐ_2center±Ｐ_W）と規定することにより、パワーＰ₂の小さい側の測定点数とパワーＰ₂の大きい側の測定点数とをほぼ同じにすることができる。

情報処理装置１０の光パワー推定部１０５は、関数近似部１０４による関数近似の結果から、測定信号の強度Ｓが最低となる真の点（図５の５３）における光のパワーＰ₂の値を式（６）により推定する（図３ステップＳ１４）。光パワー推定部１０５が推定した値Ｐ₂は記憶部１０７に格納される。

本実施の形態の成分濃度測定装置は、以上のようなステップＳ１〜Ｓ１４の処理を測定開始時点と、測定開始時から任意の時間ｔ経過後の時点の２回行う。測定開始時点において光パワー推定部１０５が推定した光のパワーＰ₂をＰ₂（ｔ＝０）とし、任意の時間ｔ経過後の測定において光パワー推定部１０５が推定した光のパワーＰ₂をＰ₂（ｔ）とすると、被測定物１１内の特定成分（例えばグルコース）の濃度Ｃは次式により求めることができる。

測定開始時点と任意の時間ｔ経過後の時点の２回測定を行った後に（図３ステップＳ１５においてＹＥＳ）、情報処理装置１０の濃度導出部１０６は、パワーＰ₂（ｔ＝０），Ｐ₂（ｔ）の推定結果から式（７）により推定値ＯＰＢＳ（ｔ）を求め、この推定値ＯＰＢＳ（ｔ）から被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出する（図３ステップＳ１６）。

ＯＰＢＳ（ｔ）と特定成分の濃度Ｃとの関係は、特定成分の濃度Ｃが既知の被測定物１１を用いた実験により予め調べておくことができる。ＯＰＢＳ（ｔ）と特定成分の濃度Ｃとの関係は記憶部１０７に記憶されている。こうして、濃度導出部１０６は、記憶部１０７に記憶されている関係に基づいて、推定値ＯＰＢＳ（ｔ）から被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出することができる。

以上のように、本実施の形態では、測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₂との関係を、最小二乗法により一次関数で近似し、この一次関数近似の結果から測定信号の強度Ｓが最低となる真の点における光のパワーＰ₂の値を推定することにより、被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出するので、光のパワーＰ₂を調節する精度を上回る精度で特定成分の濃度Ｃを求めることができる。その結果、本実施の形態では、測定点数が少なくても、高い精度で濃度Ｃを求めることができ、測定時間を大幅に短縮することができる。また、本実施の形態では、光パワー測定部１０２および信号強度測定部１０３の測定精度や、外乱から生じる光音響信号強度の検出誤差、並びに光のパワーＰ₂の調節誤差を統計的に抑えることができる。

なお、測定信号の強度Ｓが最低となった点５０をパワーＰ₂の小さい側に含めるか大きい側に含めるかによって測定値の分け方が変わり、最小二乗法の推定誤差が変わる。そこで、関数近似部１０４は、測定信号の強度Ｓが最低となった点５０をパワーＰ₂の小さい側に含める場合と大きい側に含める場合の各々について関数近似を行い、関数近似式から得られる強度Ｓの値と測定で得られた強度Ｓとの値の差である残差の二乗和が小さい方の結果を、ステップＳ１３の処理の結果として採用するようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、成分濃度測定装置の構成および処理の流れは第１の実施の形態と同様であるので、図１〜図３の符号を用いて説明する。

測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₂との関係は、図４に示したように本来Ｖ字状であるにも拘わらず、照射する２波長の光パルスのデューティや位相、あるいは外乱などにより、Ｖ字の底部が曲率をもったりして、左右非対称なＶ字特性になることが多い。この場合、単純な一次関数近似では、測定信号の強度Ｓが最低となる点における光のパワーＰ₂を正確に推定することができなくなる。そこで、本実施の形態では、一次関数よりも高次の近似、具体的には二次関数近似を用いる。

図３のステップＳ１〜Ｓ１２の処理は第１の実施の形態で説明したとおりである。本実施の形態の関数近似部１０４は、ステップＳ９〜Ｓ１２の処理で得られた測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₂との関係を、最小二乗法により二次関数で近似する（図３ステップＳ１３）。測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₂との関係を近似する図６の曲線６０は次式で表される。

ａ₂，ａ₁，ａ₀は係数である。本実施の形態の光パワー推定部１０５は、関数近似部１０４による関数近似の結果から、測定信号の強度Ｓが最低となる真の点における光のパワーＰ₂の値を式（９）により推定する（図３ステップＳ１４）。光パワー推定部１０５が推定した値Ｐ₂は記憶部１０７に格納される。

図３のステップＳ１５，Ｓ１６の処理は第１の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態では、測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₂との関係を、最小二乗法により二次関数で近似し、この二次関数近似の結果から測定信号の強度Ｓが最低となる真の点における光のパワーＰ₂の値を推定することにより、被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出するので、第１の実施の形態と比較して、より高い精度で特定成分の濃度Ｃを求めることができる。

なお、図７で示すように、関数近似部１０４は、第１の実施の形態で説明した一次関数近似を最初に行い（図７ステップＳ１３）、一次関数近似で所定の精度が得られないと判断したときに（図７ステップＳ１７においてＮＯ）、本実施の形態で説明した二次関数近似を行うようにしてもよい（図７ステップＳ１８）。関数近似部１０４は、例えば残差の二乗和が所定の閾値より大きいとき、一次関数近似で所定の精度が得られないと判断すればよい。

光パワー推定部１０５は、一次関数近似で十分な精度が得られ、二次関数近似が実施されなかった場合には、測定信号の強度Ｓが最低となる真の点における光のパワーＰ₂の値を式（６）により推定し、二次関数近似が実施された場合には、パワーＰ₂の値を式（９）により推定すればよい。

また、本実施の形態では、一次関数よりも高次の近似として、二次関数近似を用いているが、これに限るものではなく、三次以上の関数近似を用いてもよいことは言うまでもない。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、成分濃度測定装置の全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。図８は本実施の形態の情報処理装置１０の構成を示すブロック図である。情報処理装置１０は、光パワー制御部１０１と、光パワー測定部１０２と、信号強度測定部１０３と、光パワー推定部１０５ａと、濃度導出部１０６と、記憶部１０７と、図形近似部１０８とを有する。

次に、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作を図９のフローチャートを参照して説明する。図９のステップＳ１〜Ｓ１２の処理は第１の実施の形態で説明したとおりである。本実施の形態の情報処理装置１０の図形近似部１０８は、ステップＳ９〜Ｓ１２の処理で得られた測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₂との関係を放物線を描く関係と見なし、測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₂との関係を、放物線で囲まれる図形の重心の位置を用いて近似する（図９ステップＳ１９）。

図１０に示すように、横軸を光のパワーＰ₂、縦軸を測定信号の強度Ｓとしたとき、測定値が描くと見なすことができる放物線７０とＳ＝Ｓ_ref（Ｓ_refは所定値）の直線７１とで囲まれる図形７２の重心７３の位置を用いると、測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₂との関係は次式のように表現される。

式（１０）におけるＰ₂は重心７３の横軸座標であるパワーＰ₂の値、Ｓ_iはステップＳ９〜Ｓ１２の処理で得られた測定信号の強度の測定値（Ｓ_i＜Ｓ_re）、Ｐ_2iはステップＳ９〜Ｓ１２の処理で得られたパワーＰ₂の測定値、Ｎは測定点数（ｉ＝１〜Ｎ）である。

本実施の形態の光パワー推定部１０５ａは、図形近似部１０８による近似の結果から、測定信号の強度Ｓが最低となる真の点における光のパワーＰ₂の値を式（１１）により推定する（図９ステップＳ２０）。光パワー推定部１０５ａが推定した値Ｐ₂は記憶部１０７に格納される。

図３のステップＳ１５，Ｓ１６の処理は第１の実施の形態で説明したとおりである。こうして、本実施の形態では、測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₂との関係を放物線を描く関係と見なし、測定信号の強度Ｓと光のパワーＰ₂との関係を、放物線で囲まれる図形の重心の位置を用いて近似し、この近似の結果から測定信号の強度Ｓが最低となる真の点における光のパワーＰ₂の値を推定することにより、被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出するので、第１の実施の形態と比較して、より高い精度で特定成分の濃度Ｃを求めることができる。

なお、情報処理装置１０に第１の実施の形態で説明した関数近似部１０４を加え、図１１で示すように、関数近似部１０４は、第１の実施の形態で説明した一次関数近似を最初に行い（図１１ステップＳ１３）、一次関数近似で所定の精度が得られないと関数近似部１０４が判断したときに（図１１ステップＳ１７においてＮＯ）、図形近似部１０８が本実施の形態で説明した図形近似を行うようにしてもよい。関数近似部１０４は、例えば残差の二乗和が所定の閾値より大きいとき、一次関数近似で所定の精度が得られないと判断すればよい。

光パワー推定部１０５ａは、一次関数近似で十分な精度が得られ、図形近似が実施されなかった場合には、測定信号の強度Ｓが最低となる真の点における光のパワーＰ₂の値を式（６）により推定し、図形近似が実施された場合には、パワーＰ₂の値を式（１１）により推定すればよい。

第１〜第３の実施の形態の情報処理装置１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１〜第３の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、血液グルコース、アルブミン等の成分の濃度をモニターする技術に適用することができる。

１−１，１−２…レーザダイオード、２…レーザドライバ、３−１，３−２，５…光ファイバ、４…光カプラ、６…音響センサ、７…増幅器、８…ファンクションジェネレータ、９…ロックインアンプ、１０…情報処理装置、１０１…光パワー制御部、１０２…光パワー測定部、１０３…信号強度測定部、１０４…関数近似部、１０５，１０５ａ…光パワー推定部、１０６…濃度導出部、１０７…記憶部、１０８…図形近似部。

Claims (8)

1. 互いに異なる波長の複数の光を同一の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射する光照射手段と、
   複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光のパワーを変化させる光パワー制御手段と、
   光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、
   複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光のパワーを測定する光パワー測定手段と、
   前記電気信号の強度を測定する信号強度測定手段と、
   前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を数式で近似する近似手段と、
   前記近似の結果に基づいて前記電気信号の強度が最低となる真の点における光のパワーを推定する光パワー推定手段と、
   前記推定の結果に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段とを備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
2. 請求項１記載の成分濃度測定装置において、
   前記近似手段は、前記電気信号の強度が最低となった点を境として分けられる光のパワーが小さい側と大きい側の各々について、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を一次関数で近似するものであり、
   前記光のパワーが小さい側の一次関数式が示す直線の傾きと前記光のパワーが大きい側の一次関数式が示す直線の傾きとが、絶対値が同じで正負の符号が異なるように、一次関数近似を行うことを特徴とする成分濃度測定装置。
3. 請求項１記載の成分濃度測定装置において、
   前記近似手段は、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を一次関数よりも高次の関数で近似することを特徴とする成分濃度測定装置。
4. 請求項１記載の成分濃度測定装置において、
   前記近似手段は、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を放物線を描く関係と見なし、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を、前記放物線で囲まれる図形の重心の位置を用いて近似することを特徴とする成分濃度測定装置。
5. 請求項２記載の成分濃度測定装置において、
   前記近似手段は、前記一次関数で近似したときに所定の精度が得られないと判断した場合に、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を一次関数よりも高次の関数で近似することを特徴とする成分濃度測定装置。
6. 請求項２記載の成分濃度測定装置において、
   前記近似手段は、前記一次関数で近似したときに所定の精度が得られないと判断した場合に、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を放物線を描く関係と見なし、前記電気信号の強度と前記光パワー測定手段で得られた光のパワーとの関係を、前記放物線で囲まれる図形の重心の位置を用いて近似することを特徴とする成分濃度測定装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   前記濃度導出手段は、１回目の測定時点における前記光パワー推定手段の推定結果と２回目の測定時点における前記光パワー推定手段の推定結果とに基づいて、前記測定対象の成分の濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定装置。
8. 互いに異なる波長の複数の光を同一の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射する光照射ステップと、
   複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光のパワーを変化させる光パワー制御ステップと、
   光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出ステップと、
   複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光のパワーを測定する光パワー測定ステップと、
   前記電気信号の強度を測定する信号強度測定ステップと、
   前記電気信号の強度と前記光パワー測定ステップで得られた光のパワーとの関係を数式で近似する近似ステップと、
   前記近似の結果に基づいて前記電気信号の強度が最低となる真の点における光のパワーを推定する光パワー推定ステップと、
   前記推定の結果に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出ステップとを含むことを特徴とする成分濃度測定方法。

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