JP4751271B2 - Photoacoustic analysis method and photoacoustic analysis apparatus for measuring the concentration of an analyte in a specimen tissue - Google Patents

Photoacoustic analysis method and photoacoustic analysis apparatus for measuring the concentration of an analyte in a specimen tissue Download PDF

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本発明は、光音響相互作用を用いた、被検体対象組織内の被分析物の濃度測定のための非侵襲光測定のための方法及び装置である。より詳細には、本発明は、光音響信号の生成、伝播および検出への組織特性の影響を補償する方法であり、したがって、組織内の被分析物の定量分析につながる。   The present invention is a method and apparatus for non-invasive light measurement for measuring the concentration of an analyte in a subject tissue using photoacoustic interaction. More particularly, the present invention is a method that compensates for the effects of tissue properties on the generation, propagation and detection of photoacoustic signals, thus leading to quantitative analysis of analytes in the tissue.

光音響測定は、近赤外線光の組織との相互作用の代替検出技術である。光音響分光法は、液体や気体の弱い吸光度を検出するために用いられる(非特許文献1参照)。組織は近赤外線レーザー光のパルスによって、レーザー励起の領域に吸収帯を有する分子に吸収される波長で励起される。引き続いた光学吸収は媒質に微小で局所的な加熱を生起させる。温度の上昇は急激な熱膨張を引き起こし、それは、測定セルの表面上または皮膚表面に配置されたハイドロホン、圧電素子、またはポリフッ化ビニリデン(PVDF)膜などの超音波トランスデューサにより検出できる超音波圧力波を生成する。   Photoacoustic measurement is an alternative detection technique for the interaction of near-infrared light with tissue. Photoacoustic spectroscopy is used to detect weak absorbance of a liquid or gas (see Non-Patent Document 1). The tissue is excited by a pulse of near-infrared laser light at a wavelength that is absorbed by molecules having an absorption band in the region of laser excitation. Subsequent optical absorption causes minute local heating in the medium. The rise in temperature causes rapid thermal expansion, which can be detected by an ultrasonic transducer such as a hydrophone, piezoelectric element, or polyvinylidene fluoride (PVDF) film placed on the surface of the measurement cell or on the skin surface. Generate a wave.

光パルスの圧力(超音波)パルスへの変換は、光音響効果によりもたらされる。光の波長の関数としての測定された超音波パルスの強度のスペクトル分布の研究は、光音響分光法である。オレフスキーら(Oraevsky et al)は、学術誌論文(非特許文献2)にて、光音響分光法の理論について論じた。この技術に関する彼らの要旨は、組織を照射して生成した圧力は、以下の式のごとく媒質の吸光係数に関連していることを示した。   The conversion of light pulses into pressure (ultrasound) pulses is effected by the photoacoustic effect. A study of the spectral distribution of the intensity of the measured ultrasonic pulse as a function of the wavelength of light is photoacoustic spectroscopy. Oraevsky et al discussed the theory of photoacoustic spectroscopy in an academic paper (Non-Patent Document 2). Their gist on this technique showed that the pressure generated by irradiating the tissue is related to the extinction coefficient of the medium as follows:

ΔP=[(βv)/C]μ.E (1)
この式は3つの項として表すことができる。
バルク媒質熱応答項(吸光係数)=[(βv)/C
吸光体の特性項=cm−1で表されるμ
源エネルギー・フルエンス項=cm当りのジュール数で表されるE
但し、
は、cm当りのジュール数で表されるレーザー・フルエンスであり、
μは媒質内の吸光種の吸光係数であり、
βは媒質または組織の熱膨張係数であり、(°K−1
vは媒質または組織内の音速であり、
は一定圧力下での媒質の比熱である。
ΔP = [(βv 2 ) / C p ] μ a . E 0 (1)
This equation can be expressed as three terms.
Bulk medium thermal response term (absorption coefficient) = [(βv 2 ) / C p ]
Absorber characteristic term = μ a expressed in cm −1
Source energy fluence term = E 0 expressed in joules per cm 2
However,
E 0 is the laser fluence expressed in joules per cm 2 ,
μ a is the extinction coefficient of the absorbing species in the medium,
β is the thermal expansion coefficient of the medium or tissue, and (° K −1 )
v is the speed of sound in the medium or tissue,
C p is the specific heat of the medium under a constant pressure.

圧力波が媒質を横断した後に超音波トランスデューサによってパルス振幅として計測される光音響信号は、以下のように表される。   The photoacoustic signal measured as the pulse amplitude by the ultrasonic transducer after the pressure wave has traversed the medium is expressed as follows.

PA=ΔP・RTDΛS (2)
但し、
PAは、光音響相互作用の結果として作り出された超音波のパルス振幅であり、
ΔPは、光音響相互作用の結果としての媒質内の圧力変化であり、
Rはレーザーパルス幅に依存する応力緩和因子であり、
Tは、インターフェースを介した音響伝達であり、
Dは、媒質または組織内の音響回折パターンであり、
Λは、媒質または組織=e−αd内の音波の減衰であり、αは媒質または組織内の吸光体の音響減衰係数であり、dは音パルスが移動する距離であり、
Sは、超音波検出器の応答である。
PA = ΔP · RTDΛS (2)
However,
PA is the ultrasonic pulse amplitude created as a result of photoacoustic interaction;
ΔP is the pressure change in the medium as a result of the photoacoustic interaction;
R is a stress relaxation factor that depends on the laser pulse width,
T is the acoustic transmission through the interface,
D is the acoustic diffraction pattern in the medium or tissue,
Λ is the attenuation of the sound wave in the medium or tissue = e −αd , α is the acoustic attenuation coefficient of the absorber in the medium or tissue, and d is the distance traveled by the sound pulse,
S is the response of the ultrasonic detector.

式(1)から式(2)に代入すると以下となる。
PA=RTDΛS.[(βv)/C]μ.E (3)
従来の研究は、(PA/E)の値を被分析物の濃度(すなわち、その吸光係数μ)と相関させるが、それは、この測定された超音波パルスの全振幅が、対象元素種の吸光の結果として生成すると想定している。光音響信号の振幅変化のすべてが、媒質に添加された溶質の吸光係数μの寄与(contribution)によるものというわけではない。媒質への溶質の添加は、その媒質の内部熱弾性特性および媒質中での超音波伝播に実際影響する。従って、グルコースの非侵襲測定の場合は、発生した超音波パルス振幅は媒質内の被分析物の吸光係数μに依存し、また、式(3)内の別のパラメータにも依存する。
Substituting from equation (1) to equation (2) yields:
PA = RTDΛS. [(Βv 2 ) / C p ] μ a . E 0 (3)
Conventional studies correlate the value of (PA / E 0 ) with the analyte concentration (ie, its extinction coefficient μ a ), which indicates that the total amplitude of this measured ultrasound pulse is It is assumed that it is generated as a result of light absorption. All of the photoacoustic signal amplitude change does not mean that contributed by the absorption coefficient mu a solute was added to the medium (contribution). The addition of a solute to a medium actually affects the internal thermoelastic properties of the medium and the propagation of ultrasonic waves in the medium. Thus, in the case of non-invasive measurement of glucose, the generated ultrasonic pulse amplitude depends on the extinction coefficient μ a of the analyte in the medium, and also depends on another parameter in equation (3).

媒質内の光音響から得られる測定された超音波パルスの振幅は、3つのパラメータ、すなわち、媒質の熱膨張係数β、媒質内の音速v、および定圧での媒質の比熱Cに対する被分析物の濃度の影響に依存している。所与の溶液または組織で、グルコース濃度の上昇とともに音速vが増加する傍ら、溶液または組織のCは減少してβが影響を受ける。グルコース吸光波長でレーザーパルスが溶液を励起すると、得られる超音波パルスの振幅の変化は、μ、v、Cおよびβの変化によるものである。これらの3つのパラメータの相乗効果は、濃度の関数として光音響信号を増加させるが、それは濃度と光音響信号の間の関係をやや複雑にする。 The amplitude of the measured ultrasonic pulse obtained from the photoacoustic in the medium is the analyte for three parameters: the thermal expansion coefficient β of the medium, the speed of sound v in the medium, and the specific heat C p of the medium at a constant pressure. Depends on the concentration effect. In a given solution or tissue, beside the sound velocity v with increasing glucose concentration increases, C p of the solution or tissue decreased β is affected. When the laser pulse excites the solution at the glucose absorption wavelength, the resulting change in the amplitude of the ultrasonic pulse is due to changes in μ a , v, C p and β. The synergistic effect of these three parameters increases the photoacoustic signal as a function of concentration, which slightly complicates the relationship between concentration and photoacoustic signal.

v、Cおよびβの値は、組織の充填度(Packing)、組織の寸法(指または耳たぶのサイズなどの)、たこ(calluses)の存在や表面の凹凸といった被検体部位の表面特性に依存する。v、Cおよびβすべてが温度と圧力によって変化するため、組織の熱弾性特性は、そこに印加される圧力およびその温度に依存する。 The values of v, C p and β depend on the surface characteristics of the subject site such as tissue packing (packing), tissue dimensions (such as finger or earlobe size), presence of calluses and surface irregularities. To do. Since v, C p and β all vary with temperature and pressure, the thermoelastic properties of the tissue depend on the pressure applied thereto and the temperature.

計測された信号は、超音波パルスが生成した後の、その伝播に作用する因子に依存し、また、検出器の能力に依存する。このように、計測された信号は、応力緩和因子(R)、インターフェースを介した音響電圧(T)、組織内の音響回折パターン(D)、組織内の音波減衰(Λ)、および超音波検出器の応答(S)に依存する。パラメータR、TおよびSは機器の設定に依存する。パラメータDおよびLは人によって異なり、溶質濃度にも依存性がある。これらの3つの因子は人によって異なり、実験設定ごとに差が出るので、組織内の被分析物の濃度の直接測定を不可能にし、被分析物濃度の相対変化の監視のみを可能にする。   The measured signal depends on factors that affect the propagation of the ultrasonic pulse after it is generated, and also depends on the ability of the detector. Thus, the measured signals are the stress relaxation factor (R), the acoustic voltage (T) through the interface, the acoustic diffraction pattern in the tissue (D), the acoustic attenuation in the tissue (Λ), and the ultrasonic detection Depends on the response (S) of the vessel. The parameters R, T and S depend on the device settings. Parameters D and L vary from person to person and depend on the solute concentration. These three factors vary from person to person and vary from experiment to experiment, making direct measurement of the analyte concentration in the tissue impossible and only monitoring the relative change in analyte concentration.

トランスデューサ信号の振幅は、吸光種の濃度に関連した信号成分、および、生成ポイントから検出器までの超音波の生成と伝播への、媒質(組織)の影響に関連した信号成分の合成物である。   The amplitude of the transducer signal is a composite of the signal component related to the concentration of the absorbing species and the signal component related to the influence of the medium (tissue) on the generation and propagation of ultrasound from the generation point to the detector. .

パルス光音響(PA)技法は、A.A.カラブトフとA.A.オラエフスキー(A. A. Karabutov,A. A. Oraevsky)による本(非特許文献3)に論評されている。PA検出器は、励起された組織内の全ての被サンプリング容量内で生成した信号を全て収集し、シリコンまたはガリウムヒ素検出器の動作スペクトル域より長い波長で生成した信号を検出するので、光音響測定は近赤外検出法よりも検出感度において幾分優位にある。したがって、組織内の被分析物の測定のために光音響効果を利用することが重要である。しかし、組織内の被分析物を定量化する試みは、分子吸収の影響を、検出された超音波信号の生成と伝播に対するバルク熱弾性の影響から分離することができないことによって妨げられている。したがって、検出された超音波パルス振幅の生成と伝播への組織の内部特性の影響を分離する、あるいは補償することを可能にする方法が、光音響分光法を用いた組織内の被分析物の非侵襲測定のために決定的に重要である。   Pulsed photoacoustic (PA) techniques are described in A.D. A. Kalabtov and A. A. It is reviewed in a book by A. A. Karabutov, A. A. Oraevsky (Non-Patent Document 3). The PA detector collects all the signals generated in all the sampled volumes in the excited tissue and detects the signals generated at wavelengths longer than the operating spectral range of the silicon or gallium arsenide detector. Measurement is somewhat superior in detection sensitivity over near infrared detection methods. Therefore, it is important to use the photoacoustic effect for measuring the analyte in the tissue. However, attempts to quantify analytes in tissue are hampered by the inability to separate the effects of molecular absorption from the effects of bulk thermoelasticity on the generation and propagation of detected ultrasound signals. Therefore, a method that allows to separate or compensate for the effects of tissue internal properties on the generation and propagation of detected ultrasound pulse amplitudes is a method of analyzing analytes in tissue using photoacoustic spectroscopy. It is critical for non-invasive measurements.

ローゼンワイグ(Roscenwaig)の米国特許(特許文献1)は、物質の分析のための光音響測定の使用を提案したが、ヒト組織内の被分析物の測定のためにそれを使用することは開示していない。   The Rosecenwaig US patent (US Pat. No. 5,697,075) proposed the use of photoacoustic measurements for the analysis of substances, but does not disclose its use for the measurement of analytes in human tissue. Not.

ダウリング(Dowling)は、公開された欧州特許出願(特許文献2)で、グルコースなどの血液分析測定のために光音響分光法を使用することを提案しているが、組織内のグルコース濃度を算出するための、超音波伝播に対する被検体部位の内部特性の影響を補償する方法は一切論じておらず提案もしていない。   Dowling is a published European patent application (Patent Document 2) that proposes to use photoacoustic spectroscopy for blood analysis measurements of glucose, etc., but calculates the glucose concentration in the tissue. There is no discussion or suggestion of a method for compensating for the influence of the internal characteristics of the subject site on ultrasonic propagation.

パテルおよびタム(PAtel and Tam)の米国特許(特許文献3)は、ナノ秒のレーザーパルスを用いて固体内に光音響効果を励起したが、それをヒト組織内の被分析物の測定のために使用することは開示していない。   Patel and Tam, US Pat. No. 6,037,099, used nanosecond laser pulses to excite the photoacoustic effect in solids for the measurement of analytes in human tissue. Is not disclosed.

カロ(Caro)の、米国特許(特許文献4および5)は、生体内での血液成分の測定に光音響測定を吸光と組み合わせて用いることを提案した。カロは、グルコースの濃度を算出するために、組織内での超音波の生成と伝播に対する内部特性の影響を補償する方法は一切提案していない。   Caro's US patents (Patent Documents 4 and 5) have proposed using photoacoustic measurements in combination with light absorption to measure blood components in vivo. Caro has not proposed any way to compensate for the effects of internal properties on the generation and propagation of ultrasound within the tissue in order to calculate the concentration of glucose.

マッケンジーら(McKenzie,et.)の国際特許公開(特許文献6)および米国特許(特許文献7)は、高音響エネルギーの方向に信号を計測する方法を述べた。マッケンジーらは、組織内でのグルコースの濃度を算出するための、組織内での超音波の生成と伝播に対する組織の熱弾性の影響を補償する方法は一切開示も教授もしていない。   McKenzie et al. (Patent Document 6) and US Patent (Patent Document 7) described a method for measuring a signal in the direction of high acoustic energy. Mackenzie et al. Do not disclose or teach any method to compensate for the effects of tissue thermoelasticity on the generation and propagation of ultrasound in tissue to calculate the concentration of glucose in the tissue.

チャウ(Chou)の米国特許(特許文献8)は、プローブを用いて光音響信号を検出する方法を述べており、その方法は測定セル、参照セル、ウィンドウおよび差動マイクロフォンを含む。励起波長は1580〜1850nmおよび2050〜2340nmの範囲である。チャウは、組織内でのグルコースの濃度を算出するための、組織内での超音波の生成と伝播に対する組織熱弾性の影響を補償する方法は一切開示も教授もしていない。   The Chou U.S. Pat. No. 6,057,836 describes a method for detecting a photoacoustic signal using a probe, which includes a measurement cell, a reference cell, a window and a differential microphone. The excitation wavelengths are in the range of 1580-1850 nm and 2050-2340 nm. Chow does not disclose or teach any method to compensate for the effects of tissue thermoelasticity on the generation and propagation of ultrasound within the tissue to calculate the concentration of glucose in the tissue.

オラエフスキーとカラブトフの米国特許(特許文献9)は、パルス光音響法を開示しており、そこでパルス形状の分析が散乱係数に関する情報を与え、それは後にグルコースと相関される。オラエフスキーらは、組織内でのグルコースの濃度を算出するための、組織内での超音波の生成と伝播に対する組織の熱弾性の影響を補償する方法は一切開示も教授もしていない。   Olaevsky and Karabtov (US Pat. No. 6,057,097) disclose a pulsed photoacoustic method where pulse shape analysis gives information about the scattering coefficient, which is later correlated with glucose. Olaevsky et al. Do not disclose or teach any method for compensating for the effects of tissue thermoelasticity on the generation and propagation of ultrasound in tissue to calculate the concentration of glucose in the tissue.

このように、従来の光音響分光法は、ヒト組織内のグルコースの非侵襲測定のための実行可能な方法または実用的な装置を提供できなかった。それは、従来の方法が、組織の内部熱弾性特性の、ヒト組織内での超音波の生成と伝播に対する寄与の影響を軽視していたからである。従来の方法は、この、測定された信号におけるヒト組織内の超音波の生成と伝播に対する、ひいては測定されたヒト組織内のグルコース濃度に対する、組織の内部熱弾性特性の寄与の影響を補償する手段について論じていない。   Thus, conventional photoacoustic spectroscopy has failed to provide a viable method or practical device for non-invasive measurement of glucose in human tissue. This is because conventional methods neglected the contribution of tissue internal thermoelastic properties to the generation and propagation of ultrasound in human tissue. Conventional methods compensate for this influence of the contribution of the tissue's internal thermoelastic properties on the generation and propagation of ultrasound in human tissue in the measured signal, and thus on the measured glucose concentration in human tissue. Is not discussed.

エプスタインら(Eppstein et al)の米国特許(特許文献11)は、連続的なレーザーパルスと、皮膚に接触させた導熱性吸光染料の使用を伴った、被分析物の濃度を監視するためのヒト皮膚のマイクロ穿孔(microporation)方法を開示した。レーザーと強度吸光染料との相互作用により発生した熱は、角質層を腐食して皮膚に穴を空けた。次に、空けられた穴から間質液が採取された。特許文献11の方法は、体液の試料採取を包含し、非侵襲光音響測定法については記述していない。ジャックら(Jacques et al)の米国特許(特許文献12)は、血液を化学分析用に採集するための、パルス・レーザーによるヒトの角質層の制御式除去方法を記述している。エプスタインとジャックによるパルス・レーザーの使用は、角質層を破壊せずに非侵襲方式でグルコースを測定するために組織内に光音響波を生成する目的ではなく、ヒト組織から体液サンプルを抽出する目的のものであった。
米国特許第3,948,345号明細書 欧州特許出願公開第0282234A1号明細書 米国特許第4,303,343号明細書 米国特許第5,348,002号 米国特許第5,348,003号 国際公開第98/38904号パンフレット 米国特許第6,403,944号明細書 米国特許第5,941,821号明細書 米国特許第6,405,069号明細書 米国特許第6,846,288号明細書 米国特許第5,885,211号明細書 米国特許第4,775,361号明細書 A.C.タム(A. C. Tam)による総論、「光音響感知技術の応用」(Appiication of photoacoustic sensing techniques)、現代物理学概説(Reviews of Modern Physics)、1986年第58巻第2号、p381−431 オレフスキーら(Oraevsky et al)、「レーザー誘起された過渡応力の時間分解検出による組織の光学特性の計測」(Measurement of tissue opticalproperties by time−resolved detection of laser−induced transient stress)、応用光学(applied optics)、1997年第36巻、p.402−415 A.A.カラブトフとA.A.オラエフスキー(A. A. Karabutov,A. A. Oraevsky)、「組織内の光学エネルギー分布測定のための光音響プロファイルの時間分解」(Time−resolved detection of optoacoustic profiles for measurement of optical energy distribution in tissues)、光学生物医学診断ハンドブック(Handbook of Optical Biomedical Diagnostics)、Valery V. Tuchin, Ed., SPIE Press, Billingham, WA, USA, 2002年、第10章、p585−646
Epstein et al., US Pat. No. 6,057,049, describes a human for monitoring the concentration of an analyte with continuous laser pulses and the use of a thermally conductive light absorbing dye in contact with the skin. A method for microporation of the skin has been disclosed. The heat generated by the interaction between the laser and the intensity absorbing dye corroded the stratum corneum and opened a hole in the skin. Next, interstitial fluid was collected from the drilled holes. The method of Patent Document 11 includes sampling of a body fluid and does not describe a non-invasive photoacoustic measurement method. Jacques et al., US Pat. No. 6,057,086, describes a controlled removal of the human stratum corneum with a pulsed laser to collect blood for chemical analysis. The use of a pulsed laser by Epstein and Jack is not intended to generate a photoacoustic wave in tissue to measure glucose in a non-invasive manner without destroying the stratum corneum, but to extract a fluid sample from human tissue It was a thing.
US Pat. No. 3,948,345 European Patent Application No. 0822234A1 US Pat. No. 4,303,343 US Pat. No. 5,348,002 US Pat. No. 5,348,003 International Publication No. 98/38904 Pamphlet US Pat. No. 6,403,944 US Pat. No. 5,941,821 US Pat. No. 6,405,069 US Pat. No. 6,846,288 US Pat. No. 5,885,211 U.S. Pat. No. 4,775,361 A. C. General Review by A. C. Tam, “Application of photoacoustic sensing techniques”, Review of Modern Physics (Reviews of Modern Physics), Vol. 58, No. 2, 1986, p3831-4 Orevsky et al., “Measurement of tissue optical properties by time-resolved detection-induced in- duced-in- duced-in- duced-in- duced-in- duced-in- duced-induced-optics-induced-induced-optics-induced-optical-induced-optics-induced-induced-optical-induced-optics-induced-optical-induced-optics-induced-optics-induced-optical-induced optics), 1997, volume 36, p. 402-415 A. A. Kalabtov and A. A. Olaevsky (A. A. Karabutov, A. A. Oraevsky), “Time-resolved detection of opto-stressed measures of measurement”. Handbook of Optical Biomedical Diagnostics, Valery V. Tuchin, Ed. , SPIE Press, Billingham, WA, USA, 2002, Chapter 10, p585-646.

本発明の目的は、被検体内対象組織で発生し伝播してきた超音波パルスに対して、対象組織内の被分析物濃度の非侵襲測定に対するバルク組織特性の影響を補償する光音響分析方法及び装置を提供する。   An object of the present invention is to provide a photoacoustic analysis method that compensates for the influence of bulk tissue characteristics on non-invasive measurement of an analyte concentration in a target tissue with respect to an ultrasonic pulse generated and propagated in the target tissue in the subject, and Providing the device.

本発明のある局面において光音響分析方法は、信号に対する組織特性の変動の影響からの、および、組織の内部熱弾性特性に対する、対象被分析物またはその他の組織構成要素の影響からの、信号振幅に対する寄与なしで、被分析物の濃度と相関されることができる、正規化した信号に帰着する。本方法は、超音波の生成、伝播および伝播と検出に対する、組織とトランスデューサの影響の矯正も行う。
本発明の他の局面は、組織構成要素による短時間レーザーパルスの吸収によって誘起される超音波信号の生成と伝播への、可変な組織特性の影響を補償する方法である。
本発明の方法によれば、光音響信号は被検体部位に関して2つの相異なる条件下で生成し検出される。
a)ヘモグロビン、水、脂肪およびグルコースなどの被検体部位内にある自然吸光体を、この自然発生的な吸収分子に特有の波長で励起し、この吸収事象から得られる超音波パルスを検出する。
b)被検体部位の組織に結合されており周知の吸光度を有した外部吸光体を、ステップ(a)で用いたのと同じ温度、圧力および同じ波長で励起し、その外部吸光体の存在下でのこの吸収事象から得られる超音波パルスを検出する。
これら2つの信号および外部吸光体の光学特性を用いて、吸光係数、ひいてはヒト組織内の対象被分析物の濃度を割り出す。外部吸光体という用語は、媒質に付加された物質または生体系に強力に結合された別の物質を指す。それは、対象分子よりもずっと高い吸光係数で光を吸収し、その吸収は、対照被分析物の吸光の方式と同様に経時変化しない。
自然な状態での被検体部位内での光音響(PA)信号の励起と、生成して伝播された超音波信号の計測は、ヘモグロビン、水、グルコースまたは他の所望の被分析物の近赤外スペクトル吸収帯内の1つまたは複数の波長でのレーザーパルスを用いて被検体部位を照射することによって達成される。超音波信号は、組織内の自然吸光体(μ項)による光吸収によって光音響信号に対応する。それは、βおよびCの変化による、組織の内部熱弾性特性の、パルス生成に対する影響による寄与も有する。その信号は、組織(Tissue)の機械的および音響伝播特性(v,DおよびΛ)に関する溶質の影響、インターフェースの影響および超音波検出器の応答からの寄与をも有する。
In one aspect of the present invention, the photoacoustic analysis method includes signal amplitudes from the effects of variations in tissue properties on the signal and from the effects of the target analyte or other tissue components on the internal thermoelastic properties of the tissue. Results in a normalized signal that can be correlated with the concentration of the analyte without a contribution to. The method also corrects tissue and transducer effects on ultrasound generation, propagation, and propagation and detection.
Another aspect of the present invention is a method for compensating for the effect of variable tissue properties on the generation and propagation of ultrasound signals induced by absorption of short-time laser pulses by tissue components.
According to the method of the present invention, the photoacoustic signal is generated and detected under two different conditions with respect to the subject site.
a) A natural light absorber in the region of the subject such as hemoglobin, water, fat and glucose is excited at a wavelength specific to this naturally occurring absorption molecule, and an ultrasonic pulse obtained from this absorption event is detected.
b) An external absorber having a known absorbance that is bound to the tissue of the subject site is excited at the same temperature, pressure, and wavelength as used in step (a), and in the presence of the external absorber. The ultrasonic pulse resulting from this absorption event at is detected.
Using these two signals and the optical properties of the external absorber, the extinction coefficient and thus the concentration of the analyte of interest in the human tissue is determined. The term external absorber refers to a substance added to a medium or another substance that is strongly bound to a biological system. It absorbs light with a much higher extinction coefficient than the molecule of interest, and its absorption does not change over time, as does the method of extinction of the control analyte.
The excitation of the photoacoustic (PA) signal within the subject site in the natural state and the measurement of the generated and propagated ultrasound signal is near-red in hemoglobin, water, glucose or other desired analytes. This is accomplished by irradiating the subject site with laser pulses at one or more wavelengths within the outer spectral absorption band. Ultrasound signal corresponds to the photoacoustic signal by the light absorption by the natural absorption of the tissue (mu a term). It also has a contribution due to the influence on the pulse generation of the internal thermoelastic properties of the tissue due to changes in β and C p . The signal also has contributions from solute effects, interface effects and ultrasonic detector responses on the mechanical and acoustic propagation properties (v, D and Λ) of tissue.

本発明の一態様は、ヒト組織内のグルコースなどの被分析物の測定のための方法であって、a.ヒト組織内に、被検体部位を近赤外線短時間レーザーパルスで照射することによって超音波パルスを生成するステップと、b.各励起波長に付随した超音波パルスとして得られる第1の信号を検出するステップと、c.該組織外部のレーザー源と組織の間の光学経路に吸光物質を付加して、前記吸光物質内に超音波パルスが生成して前記組織内へと前記超音波検出器まで伝播するような形にして、同じレーザー波長とエネルギーを用いて同じ組織に超音波パルスを生成するステップと、d.該外部吸光物質の存在下で得られた第2の信号を、各波長で生成した超音波として検出するステップと、e.各照射波長において、ステップ(b)で生成したパルスの強度の、ステップ(d)で生成したパルスの強度に対する割合を算出するステップと、f.ステップ(e)において割り出された信号強度の割合と、外部吸光物質の所定の光学特性から組織内の被分析物の吸光係数を算出するステップと、g.ステップ(f)で算出された吸光係数と、光音響励起波長での被分析物のモル吸光係数から、被分析物の濃度を算出するステップと、を備えた方法である。
本発明の他の局面では、被検体部位の対象組織内の被分析物を測定して得られた信号に対する前記組織の内部特性の影響を補償する光音響分析方法において、前記被検体部位にレーザー源からの近赤外線レーザーパルスを照射することによって前記対象組織に超音波パルスを発生させるステップ(a)と、前記被検体部位近傍に配置された超音波検出器を用いて前記超音波パルスを検出して第1の信号を発生するステップ(b)と、前記超音波パルスが吸光物質内で発生して前記組織を伝播して前記超音波検出器で検出されるように前記レーザー源と前記被検体部位との間に前記吸光物質を配置している期間に、前記ステップ(b)とレーザー波長とエネルギーとが同じレーザーパルスを用いて前記対象組織内に超音波パルスを発生させるステップ(c)と、前記吸光物質で発生した超音波パルスを検出して第2の信号を発生するステップ(d)と、前記ステップ(b)で発生した第1の信号と前記ステップ(d)で発生した第2の信号と比を各レーザー波長ごとに算出するステップ(e)と、前記被分析物の吸光係数を、前記ステップ(e)で算出した比と、前記吸光物質の所定の光学特性とから算出するステップ(f)と、前記ステップ(f)で算出された吸光係数から前記被分析物の濃度を算出し、光音響励起波長における前記被分析物のモル吸光係数を算出するステップ(g)とを備える。
One aspect of the invention is a method for the measurement of an analyte such as glucose in human tissue comprising the steps of: a. Generating an ultrasonic pulse by irradiating a subject site with a near-infrared short-time laser pulse in human tissue; b. Detecting a first signal obtained as an ultrasonic pulse associated with each excitation wavelength; c. A light absorbing material is added to the optical path between the laser source outside the tissue and the tissue so that an ultrasonic pulse is generated in the light absorbing material and propagates into the tissue to the ultrasonic detector. Generating ultrasonic pulses in the same tissue using the same laser wavelength and energy; d. Detecting a second signal obtained in the presence of the external light-absorbing substance as an ultrasonic wave generated at each wavelength; e. Calculating a ratio of the intensity of the pulse generated in step (b) to the intensity of the pulse generated in step (d) at each irradiation wavelength; f. Calculating the extinction coefficient of the analyte in the tissue from the ratio of the signal intensity determined in step (e) and the predetermined optical properties of the external light-absorbing substance; g. Calculating the concentration of the analyte from the extinction coefficient calculated in step (f) and the molar extinction coefficient of the analyte at the photoacoustic excitation wavelength.
In another aspect of the present invention, in the photoacoustic analysis method for compensating for the influence of the internal characteristics of the tissue on the signal obtained by measuring the analyte in the target tissue of the subject site, a laser is applied to the subject site. (A) generating an ultrasonic pulse in the target tissue by irradiating a near-infrared laser pulse from a source, and detecting the ultrasonic pulse using an ultrasonic detector disposed in the vicinity of the subject site Generating a first signal in step (b), and generating the first pulse in the light-absorbing material to propagate through the tissue and be detected by the ultrasonic detector. During the period in which the light-absorbing substance is disposed between the specimen site and the step (b), a laser pulse is generated in the target tissue using a laser pulse having the same laser wavelength and energy. (C), a step (d) of detecting an ultrasonic pulse generated in the light-absorbing substance and generating a second signal, a first signal generated in the step (b), and the step (d) (E) calculating the second signal and the ratio generated for each laser wavelength, the extinction coefficient of the analyte, the ratio calculated in step (e), and a predetermined value of the light-absorbing substance. Step (f) calculated from the optical characteristics, and the concentration of the analyte is calculated from the absorption coefficient calculated in the step (f), and the molar absorption coefficient of the analyte at the photoacoustic excitation wavelength is calculated. Step (g).

本発明によれば、光音響測定において、超音波パルスの振幅に対して、被検体組織内の被分析物濃度の非侵襲測定に対するバルク組織特性の影響を補償することができる。   According to the present invention, in the photoacoustic measurement, the influence of the bulk tissue characteristic on the noninvasive measurement of the analyte concentration in the subject tissue can be compensated for the amplitude of the ultrasonic pulse.

本発明の実施形態は、ヒト組織内での超音波パルスの生成および伝播に対する被検体部位の内部特性の寄与(contribution)の影響の、組織内に光音響効果によって誘起された超音波信号の振幅に対する影響を補償する手段を提供する。得られる正規化した信号を用いて、ヒト組織内の被分析物の濃度を測定する。   Embodiments of the present invention provide for the amplitude of an ultrasound signal induced by photoacoustic effects in tissue of the influence of the internal characteristics of the subject site on the generation and propagation of ultrasound pulses in human tissue. Provides a means to compensate for the effects on. The resulting normalized signal is used to measure the concentration of the analyte in human tissue.

本発明の実施形態の補償方法は、被分析物の濃度変化が、組織の内部特性、具体的にはβ、C、DおよびΛ、に与える影響からの、信号振幅に対する寄与なしで、被分析物濃度と相関させることができる光音響信号に帰結する。本方法は、さらに、超音波パルス(R、D、Λ、TおよびS)の伝播および検出への、組織とトランスデューサの影響を矯正する。 The compensation method of an embodiment of the present invention allows the analyte concentration to be measured without any contribution to the signal amplitude from the effect on the tissue internal properties, specifically β, C p , D and Λ. The result is a photoacoustic signal that can be correlated with the analyte concentration. The method further corrects tissue and transducer effects on the propagation and detection of ultrasound pulses (R, D, Λ, T and S).

本発明の実施形態は、光音響効果によって生成され、被検体部位を貫通して伝播する超音波信号への、可変な組織の内部特性の影響を補償する方法である。本方法は、ヒト組織内の被分析物の非侵襲測定を可能にする。   Embodiments of the present invention are methods for compensating for the effects of variable tissue internal properties on ultrasound signals generated by photoacoustic effects and propagating through a subject site. The method allows non-invasive measurement of analytes in human tissue.

本発明の実施形態の方法によれば、光音響信号は被検体部位に関して2つの相異なる条件下で生成し検出される。
a)ヘモグロビン、水、脂肪およびグルコースなどの被検体部位内にある自然吸光体を、この自然発生的吸光分子に特有の波長で励起し、この吸光事象から得られる超音波パルスを検出する。
b)被検体部位の組織に結合されており周知の光学濃度を有した人体の外部の吸光物質を、前のステップで用いたのと同じ温度と圧力および同じ波長で励起し、その外部吸光体の存在下で生起するこの吸収事象から得られる超音波パルスを検出する。
According to the method of the embodiment of the present invention, the photoacoustic signal is generated and detected under two different conditions with respect to the subject site.
a) Spontaneous light absorbers such as hemoglobin, water, fat and glucose are excited at a wavelength specific to the spontaneously absorbing molecule, and an ultrasonic pulse obtained from the light absorption event is detected.
b) A light-absorbing substance external to the human body that is bound to the tissue of the subject site and has a known optical density is excited at the same temperature and pressure and the same wavelength as used in the previous step, and the external light-absorbing material The ultrasonic pulse resulting from this absorption event occurring in the presence of is detected.

人体内の自然吸光体から、および被検体部位外部の吸光物質からの2つの信号を、該外部吸光体の光学特性と併せて用いて、ヒト組織内のこれらの被分析物の吸光係数を測定する。被分析物の濃度は、吸光係数(absorption coefficient)を光音響励起波長での被分析物の吸光係数(extinction coefficient)で割ることによって算出される。本発明の実施形態の方法を説明したフローチャートが図1に示されている。   Measure the extinction coefficient of these analytes in human tissue using two signals from the natural light absorber in the human body and from the light-absorbing material outside the specimen site, together with the optical properties of the external light absorber To do. The concentration of the analyte is calculated by dividing the absorption coefficient by the extinction coefficient of the analyte at the photoacoustic excitation wavelength. A flowchart illustrating the method of an embodiment of the present invention is shown in FIG.

人体内での光音響信号の励起、および被検体部位において自然の状態で生成した超音波信号の計測は、ヘモグロビン、水、グルコースまたは他の所望の被分析物の近赤外スペクトル吸収帯内に規定された波長でのレーザーパルスによって被検体部位を照射することによって達成される。超音波信号は、組織内の自然吸光体による光吸収の結果として生成した光音響信号に対応する。その信号はさらに、超音波パルスの生成と伝播への、組織の内部特性の影響からの寄与を受ける。さらに、信号はβ、C、v、DおよびΛといった、組織における熱弾性特性に対する被分析物の影響からの寄与を受ける。 The excitation of the photoacoustic signal in the human body and the measurement of the ultrasound signal generated naturally at the specimen site is within the near-infrared spectral absorption band of hemoglobin, water, glucose or other desired analyte. This is accomplished by irradiating the subject site with a laser pulse at a defined wavelength. The ultrasound signal corresponds to a photoacoustic signal generated as a result of light absorption by the natural light absorber in the tissue. The signal further receives contributions from the influence of tissue internal properties on the generation and propagation of ultrasound pulses. In addition, the signal receives contributions from the analyte's influence on the thermoelastic properties in the tissue, such as β, C p , v, D and Λ.

組織内に見出された自然吸収分子の励起から得られる測定された超音波パルスの強度は、以下のステップを備える。
a.自然発生的分子はレーザーパルスからの光を吸収する。
b.組織内に圧力波(超音波パルス)が生成し、組織の塊を貫通して検出器へと伝播する。
c.組織の内部特性が、得られる超音波パルスの生成と伝播に影響する。
d.検出器は超音波パルスを電気信号に変換し、その強度は収集効率とトランスデューサの感度に依存する。
被検体部位の外部にあり、組織と接触させられた吸光物質の励起から得られる、計測された超音波パルスの強度は、以下のステップを備える。
a.組織に結合された外部吸光物質は、その高い吸光度値(光学濃度)のために、レーザーパルスからの光の大部分を吸収する。
b.圧力波(超音波パルス)が、組織との界面での外部吸光層に生成し、組織の塊を貫通して検出器へと伝播する。
c.組織の内部特性が、得られる超音波パルスの生成と伝播に影響する。
d.検出器は超音波パルスを電圧信号に変換し、その強度は収集効率とトランスデューサの感度に依存する。
The intensity of the measured ultrasonic pulse obtained from excitation of the naturally absorbed molecules found in the tissue comprises the following steps.
a. Naturally occurring molecules absorb light from laser pulses.
b. Pressure waves (ultrasonic pulses) are generated in the tissue and propagate through the tissue mass to the detector.
c. The internal properties of the tissue affect the generation and propagation of the resulting ultrasonic pulse.
d. The detector converts the ultrasonic pulse into an electrical signal whose intensity depends on the collection efficiency and the sensitivity of the transducer.
The intensity of the measured ultrasonic pulse obtained from excitation of the light-absorbing substance that is outside the subject site and brought into contact with the tissue comprises the following steps.
a. The external extinction material bound to the tissue absorbs most of the light from the laser pulse due to its high absorbance value (optical density).
b. A pressure wave (ultrasonic pulse) is generated in the external absorption layer at the interface with the tissue and propagates through the tissue mass to the detector.
c. The internal properties of the tissue affect the generation and propagation of the resulting ultrasonic pulse.
d. The detector converts the ultrasonic pulse into a voltage signal whose intensity depends on the collection efficiency and the sensitivity of the transducer.

被検体部位の外部にある吸光物質は、例えば励起に用いられる全波長において1.0を超えるような周知の高い光学濃度を有した物質(すなわち、光強度を90%を越えて吸収する)である。レーザーパルスが、被検体部位に結合された外部吸光体に作用するとき、超音波パルスが生成して被検体部位の組織に伝播する。組織に結合された外部吸光体の光音響励起から得られる超音波パルスが次いで計測される。組織内の自然発生的吸光分子の励起からの信号と、自然吸光体の存在下での信号を用いて、ヒト組織内のグルコース、ヘモグロビン、水および脂質などの、被分析物の濃度を算出する。   The light-absorbing substance outside the subject site is a substance having a known high optical density that exceeds 1.0, for example, at all wavelengths used for excitation (that is, it absorbs light intensity exceeding 90%). is there. When the laser pulse acts on the external light absorber coupled to the subject site, an ultrasonic pulse is generated and propagates to the tissue at the subject site. The ultrasonic pulse resulting from the photoacoustic excitation of the external absorber bound to the tissue is then measured. Calculate the concentration of analytes such as glucose, hemoglobin, water, and lipids in human tissue using the signal from the excitation of spontaneously absorbing molecules in the tissue and the signal in the presence of the natural absorber .

超音波の反射を最低限にし、検出器の皮膚への正しい結合が本発明の実施形態の方法において用いられることを確実にするために、超音波イメージングで用いられる方法がいくつかある。従って、皮膚と検出器との間に高効率の結合を達成するために、超音波結合ジェルが塗布されることができる。高効率の結合を達成するために、皮膚と外部吸光体との間に塗布されることもできる。   There are several methods used in ultrasound imaging to minimize ultrasound reflection and ensure that the correct coupling of the detector to the skin is used in the method of the present embodiment. Thus, an ultrasonic coupling gel can be applied to achieve a highly efficient coupling between the skin and the detector. It can also be applied between the skin and an external absorber to achieve a highly efficient bond.

光源によるサンプルの照射と光音響信号の生成は、従来の機器と同様なデバイスによって達成されることができる。光音響信号の生成と検出のための装置構成例が図2Aに示されている。   The illumination of the sample by the light source and the generation of the photoacoustic signal can be achieved by a device similar to a conventional instrument. An example of a device configuration for generating and detecting a photoacoustic signal is shown in FIG. 2A.

機器(10)は、光源モジュール(11)、体部インターフェースモジュール(25)、および検出エレクトロニクスモジュール(40)を備える。光源モジュール(11)は、電源(12)およびレーザー源(15〜18)を備える。レーザー源(15〜18)には石英光ファイバー(20〜23)がそれぞれ接続される。それらのファイバー(20〜23)は、光をサンプル(28)に集束させる集光レンズ(27)を収容したレンズ・ハウジング(26)の終端に接続される。圧電検出器(32)が、レンズの反対側に、ビームと伝送配置になって整列してホルダー(34)上に搭載されている。反射配置の場合は、検出器(32)および集光光学素子はサンプルと同じ側にあることになる。垂直配置では、検出器(32)および集光光学素子は互いに直角になる。他の角度での他の配置をも設計することができる。検出器の位置を変えて垂直配置(照射ビームに対して直角に)にすることも可能である。検出器(32)は、機構(35)を介して、周知の重みの付加により、または周知の重みの下で組織の移動を制御することにより、サンプルまたは被検体部位と密着して保たれる。   The device (10) comprises a light source module (11), a body part interface module (25), and a detection electronics module (40). The light source module (11) includes a power source (12) and laser sources (15-18). Quartz optical fibers (20-23) are connected to the laser sources (15-18), respectively. These fibers (20-23) are connected to the end of a lens housing (26) that contains a condenser lens (27) that focuses the light onto the sample (28). A piezoelectric detector (32) is mounted on the holder (34) on the opposite side of the lens in alignment with the beam in transmission arrangement. In the case of a reflective arrangement, the detector (32) and the collection optics will be on the same side as the sample. In the vertical arrangement, the detector (32) and the collection optics are at right angles to each other. Other arrangements at other angles can also be designed. It is also possible to change the position of the detector to a vertical arrangement (perpendicular to the illumination beam). The detector (32) is kept in intimate contact with the sample or subject site via the mechanism (35) by adding known weights or by controlling the movement of the tissue under known weights. .

検出電子回路・モジュール(40)は遮断コネクタ(41)と、増幅器(42)と、デジタルストレージスコープ(43)と、制御PC(44)とを備える。PC(44)は信号線(46)によってスコープ(43)に接続され、信号線(48)によって光源モジュール11の電源(12)に接続されている。電源(12)は信号線(50)によってスコープ(43)にも接続されている。   The detection electronics / module (40) includes a disconnect connector (41), an amplifier (42), a digital storage scope (43), and a control PC (44). The PC (44) is connected to the scope (43) by a signal line (46), and is connected to the power source (12) of the light source module 11 by a signal line (48). The power source (12) is also connected to the scope (43) by a signal line (50).

本実施形態では、検出器(32)として、国際公開第2004/1042382A1号パンフレットに記載された超音波トランスデューサを用いる。このトランスデューサは反射モードで用いられ、その場合逆伝播した超音波パルスが検出される。チタン酸鉛を含有した単結晶の形状の圧電デバイスは、一般式Pb[(B1,B2)1−x Ti]Oで表され、端数x=0.5〜0.55であり、B1はZn、Mg、Ni、Sc、InおよびYbから選択される元素を表し、B2はニオブ、Nbおよびタンタル、Taから選択される1元素を表す。これらのPZNTトランスデューサとして知られる結晶性トランスデューサは、近赤外光を通し、超音波を検出することができる。それゆえPZNT結晶が、光励起の窓口かつ光パルスによって生成した超音波の検出器として用いられる。 In this embodiment, an ultrasonic transducer described in International Publication No. 2004 / 1042382A1 pamphlet is used as the detector (32). This transducer is used in reflection mode, in which case a back-propagated ultrasonic pulse is detected. The piezoelectric device in the form of a single crystal containing lead titanate is represented by the general formula Pb [(B1, B2) 1-x Ti x ] O 3 and has a fraction x = 0.5 to 0.55, and B1 Represents an element selected from Zn, Mg, Ni, Sc, In and Yb, and B2 represents one element selected from niobium, Nb, tantalum and Ta. These crystalline transducers known as PZNT transducers can pass near infrared light and detect ultrasound. Therefore, the PZNT crystal is used as a window for light excitation and as a detector for ultrasonic waves generated by light pulses.

別の実施形態では、PZNT結晶が、ヒトの皮膚の音響伝播特性に一致する音響伝播特性を有したポリマーフィルムで被覆される。   In another embodiment, PZNT crystals are coated with a polymer film having acoustic propagation properties that match those of human skin.

他の装置構成例が図2Bに示されている。機器は、光源モジュール(100)、体部インターフェースモジュール(110)、および検出エレクトロニクスモジュール(120)を備える。光源モジュール(100)は、電源(103)およびランプ等の光源(102)を備える。光源(102)には石英光ファイバー(104)が接続される。ファイバー(104)は、光をサンプル(113)に集束させる集光レンズ(112)を収容したレンズ・ハウジング(111)の終端に接続される。圧電検出器(114)が、レンズの反対側に、ビームと伝送配置になって整列してホルダー(115)上に搭載されている。反射配置の場合は、検出器(114)および集光光学素子はサンプルと同じ側にあることになる。垂直配置では、検出器(114)および集光光学素子は互いに直角になる。他の角度での他の配置をも設計することができる。検出器の位置を変えて垂直配置(照射ビームに対して直角に)にすることも可能である。検出器(114)は、機構(116)を介して、周知の重みの付加により、または周知の重みの下で組織の移動を制御することにより、サンプルまたは被検体部位と密着して保たれる。   Another device configuration example is shown in FIG. 2B. The instrument comprises a light source module (100), a body part interface module (110), and a detection electronics module (120). The light source module (100) includes a power source (103) and a light source (102) such as a lamp. A quartz optical fiber (104) is connected to the light source (102). The fiber (104) is connected to the end of a lens housing (111) containing a condenser lens (112) that focuses the light onto the sample (113). A piezoelectric detector (114) is mounted on the holder (115) in line with the beam in transmission arrangement on the opposite side of the lens. In the reflective arrangement, the detector (114) and the collection optics will be on the same side as the sample. In the vertical arrangement, the detector (114) and the collection optics are at right angles to each other. Other arrangements at other angles can also be designed. It is also possible to change the position of the detector to a vertical arrangement (perpendicular to the illumination beam). The detector (114) is kept in intimate contact with the sample or subject site via the mechanism (116) by adding known weights or by controlling tissue movement under known weights. .

検出電子回路・モジュール(120)は遮断コネクタ(117)と、増幅器(121)と、デジタルストレージスコープ(123)と、制御PC(125)とを備える。PCは信号線(124)によってスコープ(123)に接続され、信号線(126)によって光源モジュール(100)の電源(103)に接続されている。電源(103)は信号線(127)によってスコープ(123)にも接続されている。   The detection electronic circuit module (120) includes a disconnect connector (117), an amplifier (121), a digital storage scope (123), and a control PC (125). The PC is connected to the scope (123) by the signal line (124), and is connected to the power source (103) of the light source module (100) by the signal line (126). The power source (103) is also connected to the scope (123) by a signal line (127).

生体内実験のため、サンプルは、石英セル内に配置されるが、それは1μmの金の層で被覆されたPZNT超音波検出器に一つの側を接触させている。図3は、媒質に添加されて905nm、1459nm、1550nmおよび1649nmで照射されたグルコースの、濃度の関数としての光音響信号を示す。グルコースに対する1459nm、1550nmおよび1649nmでの信号のプロットから、3本の線図が得られた。1459nmは水の吸光波長であり、1550nmと1649nmはグルコースの波長である。グルコース水溶液が905nm以下で励起された場合は、グルコース濃度に対する光音響信号の検出できる依存性は皆無であった。   For in vivo experiments, the sample is placed in a quartz cell, which contacts one side to a PZNT ultrasound detector coated with a 1 μm gold layer. FIG. 3 shows the photoacoustic signal as a function of concentration of glucose added to the medium and irradiated at 905 nm, 1459 nm, 1550 nm and 1649 nm. Three plots were obtained from plots of signals at 1459 nm, 1550 nm and 1649 nm for glucose. 1459 nm is the absorption wavelength of water, and 1550 nm and 1649 nm are the wavelengths of glucose. When the aqueous glucose solution was excited at 905 nm or less, there was no dependency that the photoacoustic signal could be detected on the glucose concentration.

図3は、905nmでのPA信号(光音響信号)には勾配がゼロであり、その実験で用いられた濃度(0−20g/dL)ではPA信号が皆無であったということを示している。1459nmでは線として適合することができるPA信号が存在し、PA(mv)at1459nm=11.366[グルコースg/dL]+7.7661,R=0.9757であった。1550nmと1649nmで励起された場合は、直線として適合することができる、より弱いPA信号があり、PA(mv)at1550nm=5.1247[グルコースg/dL]+5.0825、R=0.9569、および、PA(mv)at1649nm=5.2031[グルコースg/dL]+9.3373、R=0.9224であった。1459nmでのグルコース濃度に対するPA信号の線形勾配は、1550nmおよび1649nmにおけるグルコース吸光波長の線形勾配の二倍であった。 FIG. 3 shows that the PA signal (photoacoustic signal) at 905 nm has zero slope and that there was no PA signal at the concentration (0-20 g / dL) used in the experiment. . There was a PA signal that could fit as a line at 1459 nm, PA (mv) at 1459 nm = 11.366 [glucose g / dL] +7.7661, R 2 = 0.9757. When excited at 1550 nm and 1649 nm, there is a weaker PA signal that can fit as a straight line, PA (mv) at 1550 nm = 5.1247 [glucose g / dL] +5.0825, R 2 = 0.9569 And PA (mv) at 1649 nm = 5.2031 [glucose g / dL] + 9.3373, R 2 = 0.9224. The linear slope of the PA signal versus glucose concentration at 1459 nm was twice the linear slope of the glucose absorbance wavelength at 1550 nm and 1649 nm.

水吸光波長の1459nmで励起された光音響信号の挙動は予期せぬものであった。グルコース濃度の上昇とともにパルス振幅が増加した。それは、超音波パルスの生成を後に伴う1459nmでの吸光プロセスは、グルコース濃度が増えると強度が増加するということを示した。光音響信号がグルコース分子による吸光によるものだとすれば、溶液の超音波パルス振幅と赤外吸光スペクトルが一致するか、または、少なくとも光音響信号の変化と平行に変化するはずである。   The behavior of the photoacoustic signal excited at the water absorption wavelength of 1459 nm was unexpected. The pulse amplitude increased with increasing glucose concentration. It has been shown that the absorption process at 1459 nm, followed by the generation of ultrasound pulses, increases in intensity as the glucose concentration increases. If the photoacoustic signal is due to absorption by glucose molecules, the ultrasonic pulse amplitude and infrared absorption spectrum of the solution should match, or at least change in parallel with the change in the photoacoustic signal.

図4は、グルコース溶液の赤外線吸光スペクトル(1mmセルで、ブルーカー(Bruker)FT−IR分光計で実施)を示す。1459nmでの光吸収はグルコースの濃度上昇とともに減少し、それは図3で示したグルコース濃度の関数としてのPA信号挙動と全く対照的である。水吸収帯でのグルコースの吸光度の減少は当技術分野で周知であり、グルコース分子による水分子の置換に起因する。   FIG. 4 shows an infrared absorption spectrum (performed on a Bruker FT-IR spectrometer in a 1 mm cell) of a glucose solution. Light absorption at 1459 nm decreases with increasing glucose concentration, which is in stark contrast to the PA signal behavior as a function of glucose concentration shown in FIG. The decrease in glucose absorbance in the water absorption band is well known in the art and is due to the replacement of water molecules with glucose molecules.

1459nmで励起された光音響信号と、1459nm前後のグルコース水溶液の近赤外吸収信号との間には相違がある。これらのグラフでは、グルコース水溶液の光音響信号と吸水波長はグルコース濃度に依存するということが明白である。その依存性の1つの解釈としては、水が1459nm光子を吸収して、光音響信号が生成し、次いで、特にグルコース濃度の、溶液の内部特性に対する影響で、媒質により変調されたということである。これらの溶液の内部特性は、それがセルを通して検出器へと伝播されるとき、式(3)におけるβ、v、C、DおよびΛの値を含む。こうして従来技術の光音響分光法は、グルコース濃度などの被分析物濃度などが媒質の内部熱弾性特性に対して及ぼす影響が、光音響信号の強度に対して果たす役割を軽視している。 There is a difference between the photoacoustic signal excited at 1459 nm and the near-infrared absorption signal of the aqueous glucose solution around 1459 nm. In these graphs, it is clear that the photoacoustic signal and the water absorption wavelength of the aqueous glucose solution depend on the glucose concentration. One interpretation of that dependence is that water absorbs 1459 nm photons and a photoacoustic signal is generated, which is then modulated by the medium, particularly due to the effect of glucose concentration on the internal properties of the solution. . The internal properties of these solutions include the values of β, v, C p , D and Λ in equation (3) as it propagates through the cell to the detector. Thus, the photoacoustic spectroscopy of the prior art neglects the role that the influence of the analyte concentration such as glucose concentration on the internal thermoelastic characteristics of the medium plays on the intensity of the photoacoustic signal.

媒質の内部熱弾性特性ひいては光音響信号の振幅に対する、グルコースなどの添加溶質濃度の影響の別の例が図5に示されている。905nmでcm当り2単位の光学濃度を有する固定量の近赤外吸光染料を含有した0.9%塩化ナトリウム溶液でグルコース濃度が調整された。4つの線形応答プロットが得られた。最強の光音響信号は905nmでの励起で得られ、そこではグルコースも水も目立つ吸光度がなく、近赤外吸光染料アシッドブラック2(ニュージャージー州アクロース・オーガニックス(Acrose Organics)製で、ペンシルバニア州ピッツバーグ、フィッシャー・サイエンティフィック(Fischer Scientific)供給の水溶性ニグロシン)は905nmで大きな吸光度値を示した。   Another example of the effect of added solute concentration, such as glucose, on the internal thermoelastic properties of the medium and thus the amplitude of the photoacoustic signal is shown in FIG. The glucose concentration was adjusted with a 0.9% sodium chloride solution containing a fixed amount of near infrared absorbing dye having an optical density of 2 units per cm at 905 nm. Four linear response plots were obtained. The strongest photoacoustic signal is obtained upon excitation at 905 nm, where there is no noticeable absorbance of either glucose or water, and the near-infrared absorbing dye Acid Black 2 (Acrose Organics, NJ, Pittsburgh, PA) , Fischer Scientific supplied water-soluble nigrosine) showed a large absorbance value at 905 nm.

図5におけるPA信号強度は、図3に示した純水の場合と比べると、外部吸光体ニグロシン染料の存在下では6倍に増えた。グルコース濃度の関数としての905nmでの超音波パルス振幅は、図3の純水でゼロ応答だったのに比べて最高の応答を示した。対グルコース濃度のPA信号は、一次方程式、PA(mv)at905nm=79.246[G g/dL]+44.144に適合する。勾配はグルコース1グラムにつき79mvであった(r=0.997)。水の波長1459nmでのパルス振幅は、PA(mv)at1459nm=16.3[G g/dL]+44.144、R=0.965であり、勾配は図3の水の場合の勾配と近かった。グルコース波長の1550nmおよび1649nmでのパルス振幅は、PA(mv)=5.6[G g/dL]+5.4,r2=0.92であり、染料を含まない水溶液の場合と同様であった。グルコースまたは水によるPA信号は、905nmにその最大吸光度を有する高吸光ニグロシン染料の存在によって影響を受けなかった。ニグロシン染料吸光波長での強い光音響信号は、添加された外部吸光体、この例の場合はニグロシン、が光を吸収して光音響パルスを生成し、それが、溶液の内部熱弾性特性、すなわち、式(1)および(2)のβ、vおよびCの値、に対するグルコース濃度の影響によって変調されたということを改めて示唆している。このように従来技術の光音響分光法研究は、媒質の内部熱弾性特性に対して、グルコースまたは他の溶質の影響が果たす役割を軽視していた。従来技術の光音響分光法は、グルコース濃度の、組織の熱弾性特性に対する、ひいては検出される超音波パルス振幅の強度に対する影響を考慮することはなく、光音響信号を、グルコース分子などの溶質分子による光吸収に起因するものとしていた。 The PA signal intensity in FIG. 5 increased 6 times in the presence of the external light absorber nigrosine dye as compared with the case of pure water shown in FIG. The ultrasonic pulse amplitude at 905 nm as a function of glucose concentration showed the best response compared to zero response with pure water in FIG. The PA signal of glucose concentration fits a linear equation, PA (mv) at 905 nm = 79.246 [G g / dL] +44.144. The gradient was 79 mV per gram of glucose (r 2 = 0.997). The pulse amplitude of water at a wavelength of 1459 nm is PA (mv) at 1459 nm = 16.3 [G g / dL] +44.144, R 2 = 0.965, and the slope is close to the slope for water in FIG. It was. The pulse amplitudes at 1550 nm and 1649 nm of the glucose wavelength were PA (mv) = 5.6 [G g / dL] +5.4, r2 = 0.92, which was the same as in the case of the aqueous solution containing no dye. . The PA signal with glucose or water was unaffected by the presence of a highly absorbing nigrosine dye having its maximum absorbance at 905 nm. The strong photoacoustic signal at the nigrosine dye absorption wavelength is due to the added external absorber, in this case nigrosine, absorbing light to produce a photoacoustic pulse, which is the internal thermoelastic property of the solution, i.e. It again suggests that it was modulated by the effect of glucose concentration on the values of β, v and C p in equations (1) and (2). Thus, prior art photoacoustic spectroscopy studies have neglected the role played by the influence of glucose or other solutes on the internal thermoelastic properties of the medium. Prior art photoacoustic spectroscopy does not take into account the effect of glucose concentration on the thermoelastic properties of the tissue, and thus on the intensity of the detected ultrasonic pulse amplitude, and converts the photoacoustic signal to solute molecules such as glucose molecules. It was supposed to be due to light absorption by.

第3の例が図5に示されている。犬の血液から作られて、可変な濃度のグルコースを含有した0.9%の塩化ナトリウム溶液に懸濁された固定赤血球の懸濁液の光音響信号が、グルコース濃度に対してプロットされている。905nmでグルコース濃度の関数としてプロットされた光音響信号は、グルコース1グラム当り17.3mVの線形最小二乗に適合する勾配を示した(r=0.995)。水の波長1459nmでの光音響信号は、グルコース1グラム当り18.5mVの勾配を示し(r=0.994)、グルコース波長の1550nmおよび1649nmでの光音響信号は、グルコース1グラム当り約5.9mVという同じ勾配を示した(r=0.904)。ヘモグロビン吸光波長905nmでの強い光音響信号は、グルコース水溶液系に添加されると、固定赤血球が外部吸光体として働いたということを再び示している。固定赤血球は光を吸収して光音響信号を生成し、それが、溶液の内部熱弾性特性、すなわち、式(3)のβ、v、C、DおよびΛの値、に対するグルコース濃度の影響によって変調された。 A third example is shown in FIG. The photoacoustic signal of a suspension of fixed red blood cells made from dog blood and suspended in 0.9% sodium chloride solution containing a variable concentration of glucose is plotted against the glucose concentration. . The photoacoustic signal plotted as a function of glucose concentration at 905 nm showed a slope that fits a linear least square of 17.3 mV per gram of glucose (r 2 = 0.995). The photoacoustic signal at a wavelength of 1459 nm for water shows a slope of 18.5 mV per gram of glucose (r 2 = 0.994), and the photoacoustic signal at the glucose wavelengths of 1550 nm and 1649 nm is about 5 per gram of glucose. It showed the same gradient of .9 mV (r 2 = 0.904). The strong photoacoustic signal at the hemoglobin absorption wavelength of 905 nm again shows that the fixed red blood cells acted as external absorbers when added to the glucose aqueous system. Fixed erythrocytes absorb light and generate a photoacoustic signal, which influences the glucose concentration on the internal thermoelastic properties of the solution, ie, the values of β, v, C p , D and Λ in equation (3). Modulated by.

犬の固定赤血球の1:50懸濁液を用いて同じ実験を繰り返し、図6Bに示すPA信号を得た。一次方程式は、
PA(mv)at905nm=16.3[Gg/dL]+14.747,R=0.983
PA(mv)at1459nm=19.641[Gg/dL]+7.7765,R=0.995
PA(mv)at1550nm=5.616[Gg/dL]−3.07,R=0.977
PA(mv)at1649nm=7.283[Gg/dL]+4.205,R=0.965
1459nm、1550nmおよび1649nmでの勾配の強度は、図6Aの犬の固定赤血球の1:100希釈物の場合、図5のニグロシン染料の場合、および図3に示した純水の場合と同様であった。905nmで励起され犬の固定赤血球の1:50懸濁液を含有したグルコースのPA信号は、図6Aの犬の固定赤血球の1:100希釈物の場合よりも低い勾配を有した。より高濃度の懸濁液による光散乱が、この波長のPA信号に影響を与えた可能性がある。
The same experiment was repeated using a 1:50 suspension of canine fixed erythrocytes to obtain the PA signal shown in FIG. 6B. The linear equation is
PA (mv) at 905 nm = 16.3 [Gg / dL] +14.747, R 2 = 0.983
PA (mv) at 1459 nm = 19.641 [Gg / dL] +7.7765, R 2 = 0.995
PA (mv) at 1550 nm = 5.616 [Gg / dL] −3.07, R 2 = 0.977
PA (mv) at 1649 nm = 7.283 [Gg / dL] + 4.205, R 2 = 0.965
The gradient intensities at 1459 nm, 1550 nm and 1649 nm were similar to the 1: 100 dilution of canine fixed erythrocytes of FIG. 6A, the nigrosine dye of FIG. 5 and the pure water shown in FIG. It was. The glucose PA signal excited at 905 nm and containing a 1:50 suspension of canine fixed red blood cells had a lower slope than that of the 1: 100 dilution of the dog fixed red blood cells of FIG. 6A. Light scattering by the higher concentration suspension may have affected the PA signal at this wavelength.

このように、グルコース測定のための従来技術の光音響分光法は、媒質(組織)の内部熱弾性特性に対する、グルコースまたはその他の溶質の影響が果たす役割を軽視していた。従来の方法は、後に検出される光音響信号を生成するエネルギー吸収体としてのグルコースの影響を、媒質または組織の内部熱弾性特性の改質剤としてのグルコースの役割から分離していない。従来技術では、媒質の熱弾性特性ひいては測定された信号の改質に対する、グルコースまたは他の対象被分析物の寄与を矯正する試みがなされていない。従来技術は、計測された信号に対する、バルク組織特性の影響を矯正する方法を論じていない。   Thus, prior art photoacoustic spectroscopy for glucose measurement has neglected the role played by the influence of glucose or other solutes on the internal thermoelastic properties of the medium (tissue). Conventional methods do not separate the influence of glucose as an energy absorber that generates photoacoustic signals that are detected later from the role of glucose as a modifier of the internal thermoelastic properties of the medium or tissue. The prior art does not attempt to correct the contribution of glucose or other analytes of interest to the thermoelastic properties of the medium and thus to the modification of the measured signal. The prior art does not discuss how to correct the effect of bulk tissue properties on the measured signal.

従来技術は、ニグロシン染料添加の場合、または、ヘモグロビンを含有した犬の固定赤血球の場合に示した如くの、媒質の内部熱弾性特性に対する溶質の影響の測定における、外部または添加された吸光体の使用について論じていない。   The prior art describes the use of external or added absorbers in the measurement of the effect of solutes on the internal thermoelastic properties of the medium as shown with nigrosine dye addition or with dog fixed erythrocytes containing hemoglobin. Does not discuss use.

従来技術は、媒質の外部に吸光体を加えたことの結果として生成した超音波パルスの振幅を変更するにあたっての媒質構成要素の役割についても論じていない。別の吸光体(システムに付加された)によって生成したパルスの振幅の変更は、905nmのレーザーパルスによってグルコース濃度の関数として励起されたニグロシン染料からの光音響信号間の線形関係の場合で示されている。別の例は、グルコース濃度の増加に伴う、水の光音響信号の増加である。媒質の熱弾性特性に対する溶質の影響の第3の例は、固定赤血球の光音響信号と添加されたグルコースの濃度の間の線形関係である。   The prior art also does not discuss the role of medium components in changing the amplitude of ultrasonic pulses generated as a result of adding a light absorber outside the medium. The change in the amplitude of the pulse produced by another absorber (added to the system) is shown in the case of a linear relationship between the photoacoustic signals from the nigrosine dye excited as a function of glucose concentration by the 905 nm laser pulse. ing. Another example is an increase in the photoacoustic signal of water with increasing glucose concentration. A third example of the effect of the solute on the thermoelastic properties of the medium is a linear relationship between the photoacoustic signal of fixed red blood cells and the concentration of added glucose.

上記に論じた生体内の実験では、外部吸光体が媒質に添加された。被検体部位への生体内光音響実験の場合は、外部吸光体は、皮膚に塗布される染料、皮膚と接触させられる周知の光学濃度(OD)を有したフィルム、または、検出器として励起の窓口として用いられるPZNT結晶のポリマーコーティングに配合された染料、または他の同様な吸光物質の形態であってよい。この場合PZNTトランスデューサが反射モードで用いられ、そこで逆伝播した超音波パルスが検出される。   In the in vivo experiments discussed above, an external absorber was added to the medium. In the case of in vivo photoacoustic experiments on the subject site, the external absorber is a dye applied to the skin, a film with a known optical density (OD) that is brought into contact with the skin, or excited as a detector. It may be in the form of a dye incorporated into a polymer coating of PZNT crystals used as a window, or other similar light absorbing material. In this case, a PZNT transducer is used in the reflection mode, where the backpropagated ultrasonic pulse is detected.

本発明の実施形態の外部吸光体は対象波長での周知の高い光学濃度を有している。この光学濃度は、光パルスの光音響信号を励起する能力を消さずに信号に影響を与えるのに十分なほど大きくなければならない。例えば、励起に用いられる全波長で、0.5から1.0の間である。光学濃度1.0で、添加された物質は入射光強度の90%より多くを吸収する。外部吸光体は2.0より高い光学濃度を有している(すなわち、光強度の99%を超えて吸収する)。レーザーパルスが被検体部位の組織に結合された外部吸光体に作用するとき、超音波パルスがその被検体部位に伝播する。組織内の自然吸収化合物と、外部吸光体の、生成した光音響信号に対する寄与の比較が表1に示されている。

Figure 0004751271
The external absorber of the embodiment of the present invention has a known high optical density at the target wavelength. This optical density must be large enough to affect the signal without losing its ability to excite the photoacoustic signal of the light pulse. For example, between 0.5 and 1.0 at all wavelengths used for excitation. At an optical density of 1.0, the added material absorbs more than 90% of the incident light intensity. The external absorber has an optical density higher than 2.0 (ie, absorbs over 99% of the light intensity). When the laser pulse acts on an external light absorber coupled to the tissue at the subject site, the ultrasonic pulse propagates to the subject site. A comparison of the contribution of the natural absorption compound in the tissue and the external absorber to the generated photoacoustic signal is shown in Table 1.
Figure 0004751271

光音響信号は2つの異なる配置で検出されることができる。第1の配置は、励起光ビームと検出器が被検体部位の逆の側にある、インラインまたは透過配置である。ビームと検出器はインラインでも、または、直接の光が検出器に作用する可能性を避けるためにオフラインであってもよい。別の配置は、励起光ビームと検出器の両方が被検体部位の同じ表面上にある反射配置である。この配置は光音響イメージングに用いられる。イメージングと分析用途でのPZNT検出器の使用は、国際公開第2004/042382号パンフレットに開示されている。   The photoacoustic signal can be detected in two different arrangements. The first arrangement is an in-line or transmission arrangement in which the excitation light beam and detector are on opposite sides of the subject site. The beam and detector may be in-line or off-line to avoid the possibility of direct light acting on the detector. Another arrangement is a reflective arrangement where both the excitation light beam and the detector are on the same surface of the subject site. This arrangement is used for photoacoustic imaging. The use of PZNT detectors for imaging and analytical applications is disclosed in WO 2004/042382.

外部に付加された吸光体は中性濃度フィルター(銀粒子を含有したラッテン(Wratten)ゼラチンフィルターなど)、露光され現像された写真フィルムまたはX線フィルム、高吸光係数近赤外吸収染料で被覆されたフィルム、カーボンブラック粒子被覆フィルム、染料、着色ポリマー粒子および同様のものであってよい。外部吸光体は、単結晶圧電トランスデューサ(PZNT)のポリマーコーティング材料に含有されていてもよい。その場合PZNTトランスデューサは反射モードで用いられ、逆伝播した超音波パルスが検出される。   Externally added absorbers are coated with neutral density filters (such as Wratten gelatin filters containing silver particles), exposed and developed photographic or X-ray films, high extinction coefficient near infrared absorbing dyes. Films, carbon black particle coated films, dyes, colored polymer particles and the like. The external light absorber may be contained in the polymer coating material of the single crystal piezoelectric transducer (PZNT). In that case, the PZNT transducer is used in a reflective mode to detect backpropagated ultrasonic pulses.

外部付加吸光体はレーザーパルスのエネルギーの大部分を効率よく吸収し、それを、被検体部位の中に伝播して検出器に到達し組織の内部特性、被検体部位の寸法、およびその表面の特徴に関する信号を与える超音波エネルギーに変換する。組織の内部特性、被検体部位の寸法、およびその表面の特徴ならびにその被検体部位に埋設された異質な構造は、光パルスから超音波パルスへの効率よい変換条件下で生成した超音波パルスの振幅に影響を及ぼす。全光エネルギーが外部吸収層に吸収され、それ故同じ実験条件下で計測される同じ被検体部位に関して伝播信号が一定となることが好ましい。   The external additional absorber efficiently absorbs most of the energy of the laser pulse and propagates into the subject site to reach the detector, where the internal characteristics of the tissue, the size of the subject site, and the surface Convert to ultrasonic energy that gives a signal about features. The internal characteristics of the tissue, the dimensions of the specimen site, and the surface characteristics, as well as the extraneous structure embedded in the specimen site, are the characteristics of the ultrasound pulse generated under efficient conversion conditions from light pulses to ultrasound pulses. Affects amplitude. It is preferred that the total light energy is absorbed by the outer absorption layer and therefore the propagation signal is constant for the same subject site measured under the same experimental conditions.

(PA)NAは、ヘモグロビン、水またはグルコースなどの、被検体部位内の自然発生的な吸収分子による光吸収による光音響信号である。(PA)NAは以下で表されることができる。 (PA) NA is a photoacoustic signal due to light absorption by naturally occurring absorbing molecules in the subject site, such as hemoglobin, water or glucose. (PA) NA can be expressed as:

(PA)NA=RTDΛS.[(βv)/Cbulk(μNA (4)
但し、(μNAは、ヘモグロビン、水またはグルコースなどの、対象被分析物の光吸収を表す項であり、式(4)の(μNAは、この被分析物の濃度の変化の、吸光プロセスおよび光音響信号生成に対する影響を表す。((βv)/Cbulkとして表される式(4)の第二項は、媒質の内部熱弾性特性を表し、RTDΛSの積は組織内の音響伝播を表す。
(PA) NA = RTDΛS. [(Βv 2 ) / C p ] bulka ) NA E 0 (4)
However, (μ a ) NA is a term representing the light absorption of the target analyte, such as hemoglobin, water or glucose, and (μ a ) NA in formula (4) is a change in the concentration of this analyte. Represents the effect of the on the light absorption process and photoacoustic signal generation. The second term of equation (4), expressed as ((βv 2 ) / C p ) bulk , represents the internal thermoelastic properties of the medium, and the RTDΛS product represents the acoustic propagation within the tissue.

測定の必要がある被分析物よりもODすなわち吸光係数が高い外部吸光体を付加すると、得られる信号は式5によって表される。(PA)EAは、付加された外部吸光体の存在下で生成する光音響信号である。それは以下のように表される。 When an external absorber is added that has an OD or extinction coefficient higher than the analyte that needs to be measured, the resulting signal is expressed by Equation 5. (PA) EA is a photoacoustic signal generated in the presence of an added external absorber. It is expressed as follows:

(PA)EA=RTDΛS[(βv)/Cbulk(μEA.E (5)
但し、(μEAは付加された外部吸光体の光吸収を表す項である。それは意図的に高い吸光度を有し、したがって、この被分析物の濃度の、組織内の吸光プロセスおよび光音響信号の生成に対する影響とは別個のものである。式(4)および(5)の、RTDΛSおよび[(βv)/Cbulkとして表された別の項は、組織内の音響伝播と組織の内部熱弾性特性を表し、自然吸光体の場合と同様である。
(PA) EA = RTDΛS [(βv 2 ) / C p ] bulka ) EA . E 0 (5)
However, (μ a ) EA is a term representing the light absorption of the added external light absorber. It has a deliberately high absorbance and is therefore distinct from the effect of this analyte concentration on the absorption process in the tissue and the generation of photoacoustic signals. Another term, expressed as RTDΛS and [(βv 2 ) / C p ] bulk in equations (4) and (5), represents the acoustic propagation in the tissue and the internal thermoelastic properties of the tissue, Same as the case.

照射エネルギー、吸光、圧縮波の生成および超音波パルスの検出に関する従来技術の光音響信号の式は、完全な効率での、光の組織への結合、および生成した圧縮波の組織界面への結合、ひいては検出器への結合を想定している。より説明的な式では、式(4)および(5)に倍数因子γを導入してこれらの結合効率を勘案するべきであるが、それは以下の式をもたらす。   Prior art photoacoustic signal formulas for irradiation energy, absorption, compression wave generation and ultrasonic pulse detection are coupled with full efficiency to the tissue and the generated compression wave to the tissue interface. As a result, the coupling to the detector is assumed. In a more descriptive equation, a multiple factor γ should be introduced into equations (4) and (5) to take into account their coupling efficiency, which results in the following equation:

(PA)NAγNARTDΛS[(βv)/Cbulk](μNA.E (6)
および、
(PA)EAγEARTDΛS[(βv)/Cbulk](μEA.E (7)
但し、γNAおよびγEAは2つの光音響測定の結合効率項である。
(PA) NA = γNA RTDΛS [(βv 2 ) / C p ) bulk ] (μ a ) NA . E 0 (6)
and,
(PA) EA = γEA RTDΛS [(βv 2 ) / C p ] bulk ] (μ a ) EA . E 0 (7)
Where γNA and γEA are the coupling efficiency terms of the two photoacoustic measurements.

本発明の実施形態の方法の重要な態様は外部吸光体である。その目的は、皮膚に照射される光強度を減衰することではなく、以下の特性に基づいて光強度を吸収し、音響信号に変換することである。   An important aspect of the method of embodiments of the present invention is the external absorber. The purpose is not to attenuate the light intensity applied to the skin, but to absorb the light intensity based on the following characteristics and convert it into an acoustic signal.

1)外部吸光体は、測定対象の被分析物よりもずっと高い吸光係数を有している。
2)外部吸光体は極めて薄く、皮膚上の染料層は数マイクロメートルの厚みといったところである。外部吸光体の別の形態は吸光体を上に有した薄膜である。その膜と吸光体の厚みは100μm程度である。
3)外部吸光体は組織、この場合は皮膚に効率よく結合されており、その結合は超音波と、伝熱ジェルまたは接着剤の使用によって影響されている。
4)外部吸光体はそれ自体には内部特性がない。そのかわり、それは光を吸収して熱に変換し、それが、結合先の組織内への圧力波の生成につながる。
5)組織への機械的応力の伝達が、得られる超音波パルスの伝播を、組織の内部特性に制御させる。
1) The external absorber has a much higher extinction coefficient than the analyte to be measured.
2) The external absorber is extremely thin, and the dye layer on the skin is several micrometers thick. Another form of external light absorber is a thin film having a light absorber on top. The thickness of the film and the light absorber is about 100 μm.
3) The external absorber is efficiently bound to the tissue, in this case the skin, and the binding is affected by the use of ultrasound and heat transfer gels or adhesives.
4) The external absorber itself has no internal characteristics. Instead, it absorbs light and converts it to heat, which leads to the generation of pressure waves in the tissue to which it is attached.
5) Transmission of mechanical stress to the tissue causes the propagation of the resulting ultrasonic pulse to be controlled by the internal characteristics of the tissue.

このように、式(7)の項[(βv)/Cbulk]および項R、DおよびΛは、式(6)の同じバルク組織特性に関する。組織に結合された外部吸光体内での光音響信号の励起および組織への機械的応力の伝達は、吸光体層または皮膚に熱融解によって穴を開けることのないような低エネルギーのレーザーパルスで実行される。皮膚上への強い吸光体およびレーザーパルスの使用が皮膚に穴を開けることは、エプスタインらにより米国特許第5885211号明細書にて記述された。このように本発明の実施形態の目的は、皮膚へのダメージ、角質層の除去、あるいは皮膚に穴が開くこと、を防止しながら組織内に光音響信号を励起することである。 Thus, the term [(βv 2 ) / C p ) bulk ] and the terms R, D, and Λ in equation (7) relate to the same bulk texture properties in equation (6). Excitation of the photoacoustic signal and transmission of mechanical stress to the tissue in an external absorber coupled to the tissue is performed with a low energy laser pulse that does not pierce the absorber layer or skin by thermal melting. Is done. The use of strong absorbers and laser pulses on the skin to puncture the skin was described by Epstein et al. In US Pat. No. 5,858,211. Thus, an object of embodiments of the present invention is to excite photoacoustic signals in tissue while preventing damage to the skin, removal of the stratum corneum, or opening of holes in the skin.

次に各波長(PA)NAおよび(PA)EAで生成した2つの計測信号を用い、自然状態のPAを、外部吸光体が付加された場合の光音響信号の強度で割って、割合(PA)NA/(PA)EAを算出した。得られた割合は、組織内の吸収種(ヘモグロビン、水およびグルコース)から生成した正規化した信号の、より高い吸光度で生成されて超音波エネルギーへと変換される信号に対する割合である。各波長における、光音響(自然状態)の、光音響(外部吸光体)に対する割合は、以下に示す演算でさらに用いられる。 Next, using the two measurement signals generated at each wavelength (PA) NA and (PA) EA , the PA in the natural state is divided by the intensity of the photoacoustic signal when an external absorber is added, and the ratio (PA ) NA / (PA) EA was calculated. The resulting ratio is the ratio of the normalized signal generated from the absorbing species in the tissue (hemoglobin, water and glucose) to the signal generated at a higher absorbance and converted to ultrasound energy. The ratio of the photoacoustic (natural state) to the photoacoustic (external light absorber) at each wavelength is further used in the calculation shown below.

式(6)を式(7)で割ると、
[(PA)NA/(PA)EA]=(γNAγEA).[(μNA/(μEA] (8)
所与の機器と実験条件での式(8)の結合効率は以下のように表すことができる。
Γ=(γNAγEA) (9)
γNAγEA)と外部吸光体としての吸光係数を代入すると、
(μEA=2.303[(OD/l)EA (10)
サンプルに付加した、またはサンプル表面に塗布した染料を使用した場合、外部吸光体の吸収係は式10aで表されることができる。
(μEA=2.303εNANA (10a)
式(10)における光学パラメータODは、同じ波長λにおける付加した外部吸光体の光学濃度であり、lは自然吸光体の厚みである。式(9)におけるこれらの表現を置換すると式(11)となる。
[(PA)NA/(PA)EAλ=Γ[(μNA/2.303[(OD/l)EAλ (11)
式(11)を用いて自然吸光体(μNAの吸光係数を求めることができ、この場合自然吸光体は、水、グルコース、ヘモグロビン、その他同等物を含む分子代謝産物のグループのうちの1つである。自然吸光体は、組織内でのその濃度を追跡するために重要な、化学療法薬または光療法薬またはその他の分野の薬であってよい。
Dividing equation (6) by equation (7) gives
[(PA) NA / (PA ) EA] = (γNA / γEA). [(Μ a ) NA / (μ a ) EA ] (8)
The coupling efficiency of equation (8) for a given instrument and experimental condition can be expressed as:
Γ = ( γNA / γEA ) (9)
Substituting ( γNA / γEA ) and extinction coefficient as an external absorber,
a ) EA = 2.303 [(OD / l) EA (10)
When a dye added to the sample or applied to the sample surface is used, the absorption coefficient of the external light absorber can be expressed by Equation 10a.
a ) EA = 2.303ε NA C NA (10a)
The optical parameter OD in the equation (10) is the optical density of the added external absorber at the same wavelength λ, and l is the thickness of the natural absorber. Substituting these expressions in equation (9) yields equation (11).
[(PA) NA / (PA ) EA] λ = Γ [(μ a) NA /2.303[(OD/l) EA] λ (11)
Equation (11) can be used to determine the extinction coefficient of the natural light absorber (μ a ) NA , where the natural light absorber is selected from the group of molecular metabolites including water, glucose, hemoglobin, and other equivalents. One. The natural light absorber may be a chemotherapeutic or phototherapeutic or other field drug that is important for tracking its concentration in the tissue.

自然吸光体の吸光係数を以下のように表す。
(μNA=2.303εNANA (12)
εNAは、波長λでの自然発生被分析物のモル吸光係数(molar extinction coefficient)(またはモル吸光係数(molar absorption coefficient))であり、CNAは自然吸光体のモル濃度であり、以下の式へと導かれる。
[(PA)NA/(PA)EAλ=Γ.[2.303εNANA/2.303[(OD/l)EAλ (13)
すると、自然発生的な吸光体、つまり組織内の対照被分析物のモル濃度は、以下で表されることになる。
NA=Γ−1.[(PA)NA/(PA)EAλ.[(OD/l)EA εNAλ (14)
なお、「 」は「A」の上部に「〜」が配置されることを表す表記である。この式は、組織内の自然発生的な吸光体(水、ヘモグロビン、グルコースまたは同等物といった)の絶対モル濃度を表す。組織内の自然発生的な被分析物のモル濃度は以下に関連して表現される。
a.自然発生的な吸光体による光音響信号
b.付加された外部吸光体の存在下での光音響信号
c.付加された外部吸光体の光学濃度
d.付加された吸収層の厚み
e.同じ波長における自然発生的な吸光体の吸光係数
濃度は、リットル当りのモルから、組織内のグルコースのmg/dL、ヘモグロビンのg/dL、または水の%といった慣例的な臨床濃度単位へと変更されてよい。本発明の実施形態の方法は、図1のフローチャートに示す。
The extinction coefficient of the natural light absorber is expressed as follows.
a ) NA = 2.303ε NA C NA (12)
ε NA is the molar extinction coefficient (or molar absorption coefficient) of the naturally occurring analyte at wavelength λ, and C NA is the molar concentration of the natural absorber, Guided to the formula.
[(PA) NA / (PA) EA ] λ = Γ. [2.33ε NA C NA /2.303 [(OD / l) EA ] λ (13)
The spontaneous absorber, i.e., the molar concentration of the control analyte in the tissue, will then be expressed as:
C NA = Γ −1 . [(PA) NA / (PA) EA ] λ . [(OD / l) EA ~ / ε NA] λ (14)
Incidentally, "A ~" is a notation indicating that is disposed "~" on top of "A". This equation represents the absolute molar concentration of a naturally occurring absorber (such as water, hemoglobin, glucose or the like) in the tissue. The spontaneous analyte molar concentration in the tissue is expressed in relation to:
a. Photoacoustic signal from a naturally occurring absorber
b. Photoacoustic signal in the presence of an added external absorber
c. Optical density of added external absorber
d. The thickness of the added absorption layer
e. The extinction coefficient of spontaneous absorbers at the same wavelength The concentration is changed from moles per liter to conventional clinical concentration units such as mg / dL of glucose, g / dL of hemoglobin, or% of water in the tissue. May be. The method of the embodiment of the present invention is shown in the flowchart of FIG.

自然発生的な吸光体を励起する場合の第1の計測γNAの結合効率が、外部吸光体を励起する場合の第2の計測γEAと同じであれば、式14の結合効率項Γは、Γ=(γNA/γEA)=1であるということが導き出され、式(14)は以下に簡略化される。 If the coupling efficiency of the first measurement γNA when exciting the naturally occurring absorber is the same as the second measurement γEA when exciting the external absorber, the coupling efficiency term Γ of Equation 14 is Γ = (Γ NA / γ EA ) = 1, and Equation (14) is simplified below.

NA=[(PA)NA/(PA)EAλ.[(OD/l)EA /εNAλ (15)
結合効率項Γは、被検体部位への計測デバイスの圧力、超音波検出器の収集効率、レーザー光源および光学素子の照射効率を組み込んでいる。圧力の制御、再配置のバリエーションおよび他の実験パラメータは、式(15)へと導かれる条件を達成するために極めて厳重である。別法として結合効率パラメータΓは、自然発生的な被分析物CNAの濃度を測定するために実験的に測定される。
C NA = [(PA) NA / (PA) EA ] λ . [(OD / l) EA ~ / ε NA] λ (15)
The coupling efficiency term Γ incorporates the pressure of the measurement device on the subject site, the collection efficiency of the ultrasonic detector, the irradiation efficiency of the laser light source and the optical element. Pressure control, relocation variations, and other experimental parameters are extremely stringent to achieve the conditions that lead to equation (15). Alternatively, the binding efficiency parameter Γ is experimentally measured to determine the concentration of the naturally occurring analyte CNA .

本発明の実施形態は、ヒト組織内のグルコースの測定方法であり、以下のステップを備える。
a.近赤外短時間レーザーパルスで被検体部位を照射することによりヒト組織内に超音波を生成する。
b.各波長において得られた超音波パルスとしての第1の信号を検出する。
c.同じレーザー波長とエネルギーを用いるとともに、組織の外部のレーザー源と組織の間に、組織に強固に結合させて吸光物質を挿入し、前記吸光物質内に超音波パルスが生成して前記組織を貫通して超音波検出器まで伝播するような形で、同じ組織内に超音波パルスを生成する。
d.前記外部吸光物質の存在下で得られた第2の信号を、各前記波長で生成した超音波パルスとして検出する。
e.各照射波長において、ステップ(b)で生成したパルスの強度の、ステップ(d)で生成したパルスの強度に対する割合を算出する。
f.前記組織内のグルコースの吸光係数を、ステップ(e)で求めた前記信号の強度の割合と、前記外部吸光物質の所定の光学特性から算出する。
g.ステップ(f)で算出された吸光係数からグルコースの濃度を算出し、該光音響励起波長における被分析物のモル吸光係数を算出する。
An embodiment of the present invention is a method for measuring glucose in human tissue, and includes the following steps.
a. Ultrasound is generated in human tissue by irradiating a subject site with a near-infrared short-time laser pulse.
b. A first signal as an ultrasonic pulse obtained at each wavelength is detected.
c. The same laser wavelength and energy are used, and a light-absorbing material is inserted between the laser source outside the tissue and the tissue, and the light-absorbing material is inserted into the tissue, and an ultrasonic pulse is generated in the light-absorbing material to penetrate the tissue Then, an ultrasonic pulse is generated in the same tissue so as to propagate to the ultrasonic detector.
d. The second signal obtained in the presence of the external light-absorbing substance is detected as an ultrasonic pulse generated at each wavelength.
e. At each irradiation wavelength, the ratio of the intensity of the pulse generated in step (b) to the intensity of the pulse generated in step (d) is calculated.
f. The extinction coefficient of glucose in the tissue is calculated from the ratio of the intensity of the signal obtained in step (e) and the predetermined optical characteristics of the external light-absorbing substance.
g. The concentration of glucose is calculated from the extinction coefficient calculated in step (f), and the molar extinction coefficient of the analyte at the photoacoustic excitation wavelength is calculated.

本発明の実施形態の光音響分析方法によるグルコースの非侵襲測定の場合、1660nmなどの、グルコースの吸光度がより高い近赤外波長が、励起波長として用いられる。式(14)に値を代入すると以下となる。   In the case of noninvasive measurement of glucose by the photoacoustic analysis method of the embodiment of the present invention, a near-infrared wavelength with higher glucose absorbance, such as 1660 nm, is used as the excitation wavelength. Substituting a value into equation (14) yields:

glucose=Γ−1.[(PA)NA/(PA)EA@1660nm[(OD/l)EA /εglucose@1660nm (16)
食物負荷試験または経口ブドウ糖負荷試験といった異なる血液グルコース濃度で一連の光音響計測が実行された。Cglucose対[(PA)NA/(PA)EA@1660nmがプロットされて、そのプロットの勾配はΓ―1と同じであると算出された。
C glucose = Γ −1 . [(PA) NA / (PA ) EA] @ 1660nm [(OD / l) EA ~ / ε glucose] @ 1660nm (16)
A series of photoacoustic measurements were performed at different blood glucose concentrations, such as a food tolerance test or an oral glucose tolerance test. C glucose vs. [(PA) NA / (PA) EA ] @ 1660nm was plotted and the slope of the plot was calculated to be the same as Γ- 1 .

本発明の実施形態の方法の別の態様は、人体内のグルコースの測定方法であるが、外部吸光体も、少なくとも1つの波長においてはグルコースよりも高い吸光係数を有した、人体内の自然発生的な分子である。人体内の水も外部吸光体として用いられることができる。この場合少なくとも2つのレーザー波長が使われ、そのうち1つは水の近赤外吸収帯での波長であり、第2の波長は、近赤外領域にあるグルコースの倍音や結合音の吸収帯の波長である。   Another aspect of the method of embodiments of the present invention is a method for measuring glucose in the human body, but the external absorber also has a higher extinction coefficient than glucose at at least one wavelength, and is naturally occurring in the human body. Molecule. Water in the human body can also be used as an external light absorber. In this case, at least two laser wavelengths are used, one of which is in the near-infrared absorption band of water, and the second is the overtone of glucose in the near-infrared region or the absorption band of the combined sound. Is the wavelength.

本発明の実施形態の方法の別の態様は、水を外部吸光体として用い、少なくとも2つのレーザー励起波長を用いてヒト組織内のグルコースを測定する光音響法である。同一の測定で複数波長の計測を実行することにより、CglucoseとΓを測定するための1つの方法である。この実験では、自然吸光体(グルコース)のPA信号および外部吸光体(水)のPA信号が(少なくとも)2つの波長で測定される。1つの波長は、例えば1660nmの、グルコース吸光波長に選択される。第2の波長は1250nm、1400nm、1450nm、1459nmといったように水吸光波長で選択される。すると式(14)は以下のように書かれる。 Another aspect of the method of embodiments of the present invention is a photoacoustic method that uses water as an external absorber and measures glucose in human tissue using at least two laser excitation wavelengths. This is one method for measuring C glucose and Γ by performing multiple wavelength measurements with the same measurement. In this experiment, the PA signal of the natural absorber (glucose) and the PA signal of the external absorber (water) are measured (at least) at two wavelengths. One wavelength is selected for the glucose absorption wavelength, for example 1660 nm. The second wavelength is selected as the water absorption wavelength, such as 1250 nm, 1400 nm, 1450 nm, 1459 nm. Then, equation (14) is written as follows.

glucose=Γ−1.[(PA)NA/(PA)EA@1660nm[(OD/l)EA/εglucose@1660nm (16)
water=Γ−1.[(PA)NA/(PA)EA@1450nm[(OD/l)EA/εwater@1450nm (17)
正常な人体内で維持されている厳密な電解質バランスによって、組織の水含有量はゆっくりと変動していて恒常的であると考えられ、例外は、脱水症、浮腫、腎不全などである。水分は恒常的であり、組織重量の約70%であると想定することが可能である。したがって組織内の水の濃度はリットル当たり0.70x55=38.5モルとなる。式(17)に代入すると2つの式(18)と(19)となる。
C glucose = Γ −1 . [(PA) NA / (PA ) EA] @ 1660nm [(OD / l) EA / ε glucose] @ 1660nm (16)
C water = Γ −1 . [(PA) NA / (PA) EA ] @ 1450 nm [(OD / l) EA / ε water ] @ 1450 nm (17)
Due to the strict electrolyte balance maintained in the normal human body, the water content of the tissue is considered to be slowly changing and constant, with the exceptions of dehydration, edema, renal failure and so on. It can be assumed that the moisture is constant and about 70% of the tissue weight. Therefore, the concentration of water in the tissue is 0.70 × 55 = 38.5 mol per liter. Substituting into equation (17) results in two equations (18) and (19).

38.5=Γ−1.[(PA)NA/(PA)EA@1450nm[(OD/l)EA/εwater@1450nm (18)
Γ−1=0.2579[(PA)NA/(PA)EA@1450nm[(OD/l)EA/εwater@1450nm (19)
そして結果的に、
glucose={0.2579[(PA)NA/(PA)EA@1450nm[(OD/l)EA/εwater@1450nm−1x{[(PA)NA/(PA)EA@1660nm[(OD/l)EA/εglucolse@1660nm} (20)
glucose=38.5{[(PA)EA/(PA)NA@1450nm[(PA)NA/(PA)EA@1660nm}x[εwater@1450nm/εglucolse@1660nm]x[(OD/l)EA@1660nm/(OD/l)EA@1450nm (21)
glucose=38.5[(PA)NA@1660nm/(PA)NA@1450nm][(PA)EA@1450nm/(PA)EA@1660nm]x[εwater@1450nm/εglucolse@1660nm]x[(OD/l)EA@1660nm/(OD/l)EA@1450nm] (22)
自然吸光体(グルコース)に関する光音響信号の振幅の強度[(PA)NA@1660/(PA)NA@1450]、一波長でのグルコースのモル吸光係数の値、別の波長での水の吸光係数の値、および2つの波長での外部吸光体(水)の光学濃度から組織内のグルコース濃度が算出される。式(22)は、脱水症のない被検体で、浮腫、腎不全もない場合に適用される。
38.5 = Γ −1 . [(PA) NA / (PA) EA ] @ 1450 nm [(OD / l) EA / ε water ] @ 1450 nm (18)
Γ −1 = 0.2579 [(PA) NA / (PA) EA ] @ 1450 nm [(OD / l) EA / ε water ] @ 1450 nm (19)
And as a result,
C glucose = {0.2579 [(PA ) NA / (PA) EA] @ 1450nm [(OD / l) EA / ε water] @ 1450nm} -1 x {[(PA) NA / (PA) EA] @ 1660 nm [(OD / l) EA / ε glucose ] @ 1660 nm } (20)
C glucose = 38.5 {[(PA) EA / (PA) NA ] @ 1450nm [(PA) NA / (PA) EA ] @ 1660nm } x [ε water @ 1450nm / εglucolose @ 1660nm ] x [(OD / L) EA @ 1660nm / (OD / l) EA @ 1450nm (21)
C glucose = 38.5 [(PA) NA @ 1660nm / (PA) NA @ 1450nm ] [(PA) EA @ 1450nm / (PA) EA @ 1660nm ] x [ εwater @ 1450nm / εglucocolse @ 1660nm ] x [ (OD / l) EA @ 1660nm / (OD / l) EA @ 1450nm ] (22)
Intensity of photoacoustic signal amplitude for natural light absorber (glucose) [(PA) NA @ 1660 / (PA) NA @ 1450 ], value of molar extinction coefficient of glucose at one wavelength, absorption of water at another wavelength The glucose concentration in the tissue is calculated from the value of the coefficient and the optical density of the external absorber (water) at two wavelengths. Expression (22) is applied to a subject without dehydration and without edema or renal failure.

本発明の実施形態の別の態様は、6つの光音響信号を3つの波長で用いて組織内のグルコース濃度を測定する方法である。これらの計測のうち3つは、標準状態の組織に、水励起波長とグルコース励起波長での信号を得るために実行される。他の3つの計測は、前述したように組織と接している外部吸光物質の存在下で実行される。水励起波長を含む複数の波長と外部吸光体を使用することは、人体の定常的な水分に関する推定なしにグルコースのNIR測定を可能にする。この場合、脱水症または浮腫が存在してもグルコースの測定が可能になり得る。   Another aspect of embodiments of the present invention is a method for measuring glucose concentration in tissue using six photoacoustic signals at three wavelengths. Three of these measurements are performed to obtain signals at the water and glucose excitation wavelengths in the standard tissue. The other three measurements are performed in the presence of an external light absorbing material in contact with the tissue as described above. Using multiple wavelengths, including the water excitation wavelength, and an external absorber allows for NIR measurement of glucose without any estimation of the body's steady moisture. In this case, it may be possible to measure glucose even in the presence of dehydration or edema.

こうして、組織内のグルコース濃度の非侵襲測定では、組織の水分に関する或る種の推定をせずに、計測は(少なくとも)3つの波長で実行されなければならない。これらの波長の1つは、水がかなりのNIR吸収度を有する波長である。想定できる1つの波長選択スキームは、グルコースには1550nmと1660nmの波長を選択し、水には1450nmの波長を選択することである。すると式(14)は式(23)(24)および(25)として書かれる。   Thus, in a non-invasive measurement of glucose concentration in a tissue, the measurement must be performed at (at least) three wavelengths without making some kind of estimation of tissue moisture. One of these wavelengths is the wavelength at which water has significant NIR absorbance. One wavelength selection scheme that can be envisioned is to select wavelengths of 1550 nm and 1660 nm for glucose and 1450 nm for water. Then, equation (14) is written as equations (23), (24) and (25).

glucose=Γ−1.[(PA)NA/(PA)EA@1550nm[(OD/l)EA/εglucose@1550nm (23)
glucose=Γ−1.[(PA)NA/(PA)EA@1660nm[(OD/l)EA/εglucose@1660nm (24)
glucose=Γ−1.[(PA)NA/(PA)EA@1450nm[(OD/l)EA/εwater@1450nm (25)
これらの式を同時に解くと、組織内のグルコースのモル濃度Cglucoseが得られる。この場合1つの外部吸光体が用いられ、超音波パルス振幅は3つの近赤外波長で測定される。これらの波長のうち2つがグルコース吸光波長であり、3つ目のものが近赤外水吸収帯内にある。εwaterとεglucoseの値は、組織の温度と同温度(37℃)の水性媒質で、例えばフーリエ変換NIR機器を用いた独立した近赤外計測から測定される。
C glucose = Γ −1 . [(PA) NA / (PA) EA ] @ 1550nm [(OD / l) EA / εglucose ] @ 1550nm (23)
C glucose = Γ −1 . [(PA) NA / (PA ) EA] @ 1660nm [(OD / l) EA / ε glucose] @ 1660nm (24)
C glucose = Γ −1 . [(PA) NA / (PA) EA ] @ 1450 nm [(OD / l) EA / ε water ] @ 1450 nm (25)
Solving these equations simultaneously yields the glucose glucose concentration C glucose in the tissue. In this case, one external absorber is used and the ultrasonic pulse amplitude is measured at three near infrared wavelengths. Two of these wavelengths are glucose absorption wavelengths and the third is in the near infrared water absorption band. The values of ε water and ε glucose are measured from independent near-infrared measurements using, for example, a Fourier transform NIR instrument in an aqueous medium at the same temperature (37 ° C.) as the tissue temperature.

別案として、超音波パルス振幅は、2つの水吸光波長と1つのグルコース吸光波長で測定されて以下の形式の式(11)の変形をもたらす。   Alternatively, the ultrasonic pulse amplitude is measured at two water absorption wavelengths and one glucose absorption wavelength, resulting in a variation of equation (11) of the form

water=Γ−1.[(PA)NA/(PA)EA@λ1water[(OD/l)EA/εwater@λ1water (26)
water=Γ−1.[(PA)NA/(PA)EA@λ2water[(OD/l)EA/εwater@λ2water (27)
glucose=Γ−1.[(PA)NA/(PA)EA@λglucose[(OD/l)EA/εGlucose@λglucose (28)
これら3つの式は、グルコースのモル濃度Cglucoseと水のモル濃度Cwaterに関して解かれる。水のモル濃度は、組織の水和状態を査定するために用いられることができる。試験的計測は、外部吸光体のOD値が1つと、3つのレーザー照射波長での2段式実験である。
C water = Γ −1 . [(PA) NA / (PA ) EA] @ λ1water [(OD / l) EA / ε water] @ λ1water (26)
C water = Γ −1 . [(PA) NA / (PA ) EA] @ λ2water [(OD / l) EA / ε water] @ λ2water (27)
C glucose = Γ −1 . [(PA) NA / (PA ) EA] @ λglucose [(OD / l) EA / ε Glucose] @ λglucose (28)
These three equations are solved in terms of the molar concentration of glucose C glucose and the molar concentration of water C water . The molar concentration of water can be used to assess the hydration state of the tissue. The experimental measurement is a two-stage experiment with one OD value of the external absorber and three laser irradiation wavelengths.

したがって、本発明の別の実施形態は、組織の水和状態と、同組織内のグルコース濃度の測定のための光音響分析方法である。試験的計測は、外部吸光体の光学濃度(OD)値が1つと、3つのレーザー照射波長での2段式実験である。   Accordingly, another embodiment of the present invention is a photoacoustic analysis method for measuring tissue hydration and glucose concentration in the tissue. The experimental measurement is a two-stage experiment with one optical density (OD) value of the external absorber and three laser irradiation wavelengths.

本発明のもう1つの実施形態は、組織内のグルコースの測定のための光音響分析方法である。組織内のCglucoseの測定のためのこの方法は、外部吸光体2つの光学濃度の値と、2つの照射波長の使用を伴う。この方法では、3つの光音響計測が実行される。 Another embodiment of the invention is a photoacoustic analysis method for measurement of glucose in tissue. This method for measurement of C glucose in tissue involves the use of two optical density values of the external absorber and two illumination wavelengths. In this method, three photoacoustic measurements are performed.

ステップ(1)光路に外部吸光体が一切ない自然状態での超音波パルス振幅計測は、グルコース波長および水波長での(PA)NAをもたらす。 Step (1) Ultrasonic pulse amplitude measurement in the natural state with no external absorber in the optical path results in (PA) NA at glucose and water wavelengths.

ステップ(2)cm当りの光学濃度が(OD/l)EA1である外部吸光体層が光源と被検体部位の間に挿入され、第2の超音波パルス振幅計測が2つの波長で実行され、グルコースと水の波長での(PA)EA1を得た。 Step (2) An external absorber layer whose optical density per cm is (OD / l) EA1 is inserted between the light source and the subject site, and the second ultrasonic pulse amplitude measurement is performed at two wavelengths, (PA) EA1 at the wavelength of glucose and water was obtained.

ステップ(3)cm当りの光学濃度が異なる(OD/l)EA1である第2層の外部吸光体が光源と組織の間に挿入され、第3の超音波パルス振幅計測が2つの波長で実行され、グルコースと水の波長での(PA)EA2を得た。以下の3つの式(29)、(30)および(31)が生成し、解かれてグルコースのモル濃度、Cglucoseを得た。 Step (3) Optical density per cm is different (OD / l) The second layer external absorber of EA1 is inserted between the light source and the tissue, and the third ultrasonic pulse amplitude measurement is performed at two wavelengths And obtained (PA) EA2 at the wavelength of glucose and water. The following three formulas (29), (30), and (31) were generated and solved to obtain the molar concentration of glucose , C glucose .

glucose=Γ−1[(PA)NA/(PA)EA1]@λglucose[(OD/l)EA1/εglucose@λglucose (29)
glucose=Γ−1[(PA)NA/(PA)EA2]@λglucose[(OD/l)EA2/εglucose@λglucose (30)
water=Γ−1[(PA)NA/(PA)EA1]@λwater[(OD/l)EA1/εwater@λwater (31)
式を解いて組織内のグルコースのモル濃度を割り出した。同じ手順を適用し、照射波長の適切な使用と、外部吸光体にとって適切なモル吸光係数と光学濃度を挿入することによって、組織内のヘモグロビン、脂質または水のモル濃度を測定することが可能である。水とヘモグロビンの測定は、患者の水和状態と貧血状態を、同患者の血糖状態とともに査定するのに役立つ。これら3つのパラメータの測定は、例えば糖尿病を患っている間容易に貧血または脱水症になりがちである高齢な患者の診療のために重要である。こうして本発明の実施形態の方法は、自らの糖尿病に加えて脱水状態または貧血を進行させる危険があるこれらの患者の健康状態のより高度な追跡を提供する。
C glucose = Γ -1 [(PA ) NA / (PA) EA1] @ λglucose [(OD / l) EA1 / ε glucose] @ λglucose (29)
C glucose = Γ -1 [(PA ) NA / (PA) EA2] @ λglucose [(OD / l) EA2 / ε glucose] @ λglucose (30)
C water = Γ −1 [(PA) NA / (PA) EA1 ] @ λwater [(OD / l) EA1 / ε water ] @ λwater (31)
The formula was solved to determine the molar concentration of glucose in the tissue. Applying the same procedure, it is possible to measure the molar concentration of hemoglobin, lipid or water in the tissue by inserting the appropriate use of the irradiation wavelength and the appropriate molar extinction coefficient and optical density for the external absorber. is there. Water and hemoglobin measurements help assess a patient's hydration and anemia status along with the patient's blood glucose status. Measurement of these three parameters is important, for example, for the treatment of elderly patients who tend to easily become anemic or dehydrated while suffering from diabetes. Thus, the methods of embodiments of the present invention provide a more advanced follow-up of the health status of these patients who are at risk of developing dehydration or anemia in addition to their own diabetes.

本発明の実施形態すべてにおいて、
1.レーザー波長のうち少なくとも1つは、被分析物に特有の波長である。
2.波長のうち少なくとも1つは、水に特有の波長である。
3.レーザーパルス継続時間は10−9〜10−6秒であるべきである。
4.検出器は、圧電性結晶(PZT、鉛、ジルコニウム、タンタル結晶)、ハイドロホンまたはポリフッ化ビニリデン(PVDF)膜である。
5.検出器は、圧電性結晶(PZNT、鉛、ジルコニウム、ヌイビウム(nuibium)、タンタル結晶)である。
6.検出器は、組織の音響インピーダンス特性と一致させるためにポリマー層で被覆されている。
7.外部吸光体は、分散カーボンブラック粒子などの高吸光係数吸光物質で被覆された膜である。
8.外部吸光体は、分散高濃度分散吸光染料などの高吸光係数吸光物質で被覆された膜である。
9.外部吸光体は、分散吸光染料などの高吸光係数吸光物質で被覆された膜である。
10.外部吸光体は、分散着色高分子材料などの高吸光係数吸光物質で被覆された膜である。
In all embodiments of the invention,
1. At least one of the laser wavelengths is a wavelength specific to the analyte.
2. At least one of the wavelengths is a wavelength characteristic of water.
3. The laser pulse duration should be between 10 −9 and 10 −6 seconds.
4). The detector is a piezoelectric crystal (PZT, lead, zirconium, tantalum crystal), hydrophone or polyvinylidene fluoride (PVDF) film.
5. The detector is a piezoelectric crystal (PZNT, lead, zirconium, nubium, tantalum crystal).
6). The detector is coated with a polymer layer to match the acoustic impedance characteristics of the tissue.
7). The external light absorber is a film coated with a light absorption coefficient light-absorbing substance such as dispersed carbon black particles.
8). The external light absorber is a film coated with a light absorption coefficient light-absorbing substance such as a dispersed high-concentration dispersive light-absorbing dye.
9. The external light absorber is a film coated with a light absorption coefficient light-absorbing substance such as a dispersive light-absorbing dye.
10. The external light absorber is a film coated with a light absorption material having a high extinction coefficient such as a dispersion-colored polymer material.

以下の本発明の実施形態を詳細に説明する。
(第1実施形態) 外部吸光体アシッドブラック2の存在下でのグルコース水溶液の光音響応答
図1に説明した機器セットを用いて本発明の実施形態の方法を試験した。生体外実験として、サンプルは、ポリマー層で被覆されたPZNT超音波検出器にその一面を接触させた石英セルに入れられた。透過配置にある検出器にレーザービームが直接作用することを防止するため、1μm厚みの金フィルムが配置された。グルコース溶液(0−20g/dL)が調整された。グルコース溶液は、そのねじ込み口金を介して2つの連結テフロン(登録商標)管(Teflon(登録商標) Tube)を有する遠心分離機水薬瓶に入れられた。水薬瓶は一定温度の水経路に配置され、1CMの石英フローセル(quartz flow cell)とペリスタルティック・ポンプ(peristaltic pump)に結合された。計測中サンプルは循環された。図3は、905nm、1459nm、1550nmおよび1649nmで照射され、媒質に添加されたグルコースの濃度の関数としての光音響信号を示す。1459nm、1550nmおよび1649nmでのグルコースに対する信号のプロットから3つの線を得た。1459nmは水の吸光波長であり、1550nmおよび1649nmはグルコースの吸光波長である。グルコース水溶液が905nm以下で励起された場合は、検出できる光音響信号はなかった。
The following embodiments of the present invention will be described in detail.
First Embodiment Photoacoustic Response of Aqueous Glucose Solution in the Presence of External Absorber Acid Black 2 The method of the embodiment of the present invention was tested using the instrument set described in FIG. As an in vitro experiment, the sample was placed in a quartz cell with one side in contact with a PZNT ultrasonic detector coated with a polymer layer. A 1 μm thick gold film was placed to prevent the laser beam from acting directly on the detector in the transmissive arrangement. A glucose solution (0-20 g / dL) was prepared. The glucose solution was placed through the screw cap into a centrifuge vial with two connected Teflon® tubes (Teflon® Tube). The vial was placed in a constant temperature water path and was connected to a 1CM quartz flow cell and a peristaltic pump. The sample was circulated during the measurement. FIG. 3 shows the photoacoustic signal as a function of the concentration of glucose irradiated at 905 nm, 1459 nm, 1550 nm and 1649 nm and added to the medium. Three lines were obtained from plots of the signal for glucose at 1459 nm, 1550 nm and 1649 nm. 1459 nm is the absorption wavelength of water, and 1550 nm and 1649 nm are the absorption wavelengths of glucose. When the aqueous glucose solution was excited below 905 nm, there was no photoacoustic signal detectable.

グルコースの濃度変化から得られる光音響信号に対する、付加された外部吸光体の影響について調べた。固定量の近赤外吸収染料を含有した0.9%塩化ナトリウム溶液で、異なるグルコース濃度の溶液を調製した。近赤外吸収染料はアシッドブラック2(ニュージャージー州アクロース・オーガニックス(Acrose Organics)製、ペンシルバニア州ピッツバーグ、フィッシャー・サイエンティフィック(Fischer Scientific)供給の水溶性ニグロシン)であった。全溶液は、905nmで吸光係数μ=2.0CM−1(905nmでcm当り2単位の光学濃度)を有した。サンプルは、純水溶液の場合のように、1cmの石英フローセルで循環された。 The effect of the added external absorber on the photoacoustic signal obtained from the change in glucose concentration was examined. Solutions with different glucose concentrations were prepared with 0.9% sodium chloride solution containing a fixed amount of near infrared absorbing dye. The near infrared absorbing dye was Acid Black 2 (water-soluble nigrosine from Acrose Organics, NJ, supplied by Fisher Scientific, Pittsburgh, PA). All solutions had an extinction coefficient μ a = 2.0 CM −1 at 905 nm (2 units optical density per cm at 905 nm). The sample was circulated in a 1 cm quartz flow cell as in the case of a pure aqueous solution.

PA信号は905nm、1459nm、1550nmおよび1649nmで記録された。図5に示すように、4つの線形応答プロットがグルコース濃度の関数として得られた。グルコース濃度と線形に関連する最強の光音響信号は、905nmでの励起から得られ、そこではグルコースも水も、感知できる吸光度を有していない。それは、外部吸光体のニグロシン染料が、2.0CM−1のμ値を有した波長である。染料が光を吸収し、ニグロシン染料励起によるPA信号振幅が、内部熱弾性特性に対するグルコースの線形の関係により変調されたということが明白である。図5に示すように、グルコース濃度の変化に対する応答の強度は、グルコース溶液に加えられた外部吸光体の励起波長において最高となり、グルコースの吸光波長で最低となった。このように外部吸光体の使用は、水系媒質におけるグルコース濃度変化に対する光音響信号の感度を増強する。 PA signals were recorded at 905 nm, 1459 nm, 1550 nm and 1649 nm. As shown in FIG. 5, four linear response plots were obtained as a function of glucose concentration. The strongest photoacoustic signal linearly related to glucose concentration is obtained from excitation at 905 nm, where neither glucose nor water has appreciable absorbance. It nigrosine dyes of the external light-absorbing body, a wavelength having a mu a value of 2.0 cm -1. It is clear that the dye absorbed light and that the PA signal amplitude due to nigrosine dye excitation was modulated by the linear relationship of glucose to the internal thermoelastic properties. As shown in FIG. 5, the intensity of response to changes in glucose concentration was highest at the excitation wavelength of the external absorber added to the glucose solution and lowest at the glucose absorption wavelength. Thus, the use of an external light absorber enhances the sensitivity of the photoacoustic signal to changes in glucose concentration in the aqueous medium.

(第2実施形態) 外部吸光体として犬の固定赤血球の存在下でのグルコース水溶液の光音響応答
水系媒質内のグルコース濃度変化から得られる光音響信号に対する、ヒト血液のスペクトルを模倣する付加外部吸光体の影響について調べた。
Second Embodiment Photoacoustic Response of Aqueous Glucose Solution in the Presence of Dog Fixed Red Blood Cells as External Absorber Additional External Absorption that Mimics Human Blood Spectrum for Photoacoustic Signal Obtained from Glucose Concentration Change in Aqueous Medium I examined the effects of the body.

犬の固定赤血球の1:100希釈を含有した0.9%塩化ナトリウム溶液で、異なるグルコース濃度の溶液を調製した。ここでは新鮮な犬の赤血球で試験したが、赤血球に対するグルコースの浸透圧効果のためデータには再現性がなかった。顕微鏡精査では、高いグルコース濃度においては赤血球の収縮と異形が見られた。犬の赤血球はグルタルアルデヒド溶液を用いて固定され、紡がれ洗浄された。固定赤血球はヘモグロビンを収容した高分子嚢であり、時間経過とともに特性が変化することがない。添加した赤血球内のヘモグロビンは、システムに添加された外部吸光体として働く。   Solutions with different glucose concentrations were prepared in 0.9% sodium chloride solution containing a 1: 100 dilution of canine fixed erythrocytes. Here, fresh dog red blood cells were tested, but the data were not reproducible due to the osmotic effect of glucose on red blood cells. Microscopic examination showed red blood cell contraction and malformation at high glucose concentrations. Dog erythrocytes were fixed using a glutaraldehyde solution, spun and washed. Fixed erythrocytes are polymer sac containing hemoglobin, and their characteristics do not change over time. The hemoglobin in the added red blood cell serves as an external absorber added to the system.

PA信号は905nm、1459nm、1550nmおよび1649nmで記録された。図6Aに示すように、4つの線形応答プロットが、グルコース溶液内の犬の固定赤血球の1:100懸濁液に関して示されているグルコース濃度の関数として得られた。グルコース濃度と線形に関連する最強の光音響信号は、905nmでの励起から得られ、そこはグルコースも水も、感知できる吸光度を有していない。それは、外部吸光体である固定赤血球のヘモグロビンが光を吸収した波長である。ヘモグロビンが905nmで光を吸収し、ヘモグロビン励起によるPA信号振幅が、内部熱弾性特性へのグルコースの線形の関係により変調されたということが明白である。図6Aに示すように、グルコース濃度の変化に対する応答の強度は、グルコース溶液に加えられた外部吸光体の励起波長において最高となり、グルコースの吸光波長で最低となった。このように組織内のヒト血液を模倣する外部吸光体の使用は、水系媒質におけるグルコース濃度変化に対する光音響信号の感度を増強する。   PA signals were recorded at 905 nm, 1459 nm, 1550 nm and 1649 nm. As shown in FIG. 6A, four linear response plots were obtained as a function of the glucose concentration shown for a 1: 100 suspension of canine fixed red blood cells in glucose solution. The strongest photoacoustic signal linearly related to glucose concentration is obtained from excitation at 905 nm, where neither glucose nor water has appreciable absorbance. It is the wavelength at which hemoglobin of fixed erythrocytes, which is an external absorber, has absorbed light. It is clear that hemoglobin absorbs light at 905 nm and that the PA signal amplitude due to hemoglobin excitation was modulated by the linear relationship of glucose to internal thermoelastic properties. As shown in FIG. 6A, the intensity of response to changes in glucose concentration was highest at the excitation wavelength of the external absorber added to the glucose solution, and lowest at the absorption wavelength of glucose. Thus, the use of an external light absorber that mimics human blood in the tissue enhances the sensitivity of the photoacoustic signal to changes in glucose concentration in the aqueous medium.

外部吸光体として犬の固定赤血球の1:50懸濁液を使用した実験を繰り返した。グルコース濃度の関数としての光音響信号の挙動は、1:100懸濁液の場合と同様であった。905nm波長は純水の場合、すなわちゼロ、よりも高かったが、1:100懸濁液の場合よりも少なかった。より高濃度な固定赤血球による散乱は信号に影響した。PA信号への散乱の影響は当技術分野で報告されている。そのデータを図6Bに示す。   The experiment was repeated using a 1:50 suspension of canine fixed erythrocytes as the external absorber. The behavior of the photoacoustic signal as a function of glucose concentration was similar to the 1: 100 suspension. The 905 nm wavelength was higher for pure water, ie, zero, but less than for the 1: 100 suspension. Scattering by higher concentrations of fixed red blood cells affected the signal. The effect of scattering on the PA signal has been reported in the art. The data is shown in FIG. 6B.

(第3実施形態) 外部吸光体として黒色高分子フィルムを加えた前と後の、被検体部位の光音響応答
被検体部位に生成する光音響信号への添加外部吸光体の影響を調べるため、図2Aにします光音響分析システムを用いた。905nm、1459nm、1550nmおよび1649nmの4パルスの固体レーザーである。各レーザーからの光は、光ファイバーによってレンズ・ハウジングに届けられた。レンズはレーザーパルスをヒトの指に集束した。
(Third Embodiment) Photoacoustic response of the subject site before and after adding the black polymer film as the external absorber In order to investigate the effect of the added external absorber on the photoacoustic signal generated in the subject site, The photoacoustic analysis system shown in FIG. 2A was used. It is a four-pulse solid laser of 905 nm, 1459 nm, 1550 nm and 1649 nm. The light from each laser was delivered to the lens housing by optical fiber. The lens focused the laser pulse on the human finger.

被検体は、光学素子テーブルに手を載せ、その指をレンズハウジング(26)とPZNT検出器(32)の間に置いて実験室スツールに座った。検出器は、東芝メディカルシステムズ株式会社(日本、東京)で製造されたPZNT単結晶検出器で、検出器と皮膚の間の超音波結合損失を最低限にするためにインピーダンス適合ポリマーフィルムで被覆されたものである。検出器と接する指の側に超音波結合ジェルが塗布された。PZNT検出器からの信号は増幅されてテクトロニクス(Tektronix)社のデジタルストレージスコープにルーティングされた。レーザー・トリガーはラボビュー(LabView)ソフトウェアを用いたパーソナルコンピュータによって制御された。レーザー・トリガー・モジュールからのトリガー・パルスは、デジタルストレージスコープによるデータ取得を始動した。圧力過渡信号、すなわち検出された超音波信号の時間発展が記録された。各光音響励起波長でのデータから2つのパラメータが抽出された。第1に、レーザー・トリガー・パルスと圧力過渡信号の第1のピークの間の遅延時間である。この時間は、サンプルの厚みとその不透明度次第で5μsから15μsまでの幅がある。第2のパラメータは、第1の記録パルスの最高から最低までの振幅である。   The subject placed his hand on the optical element table and placed his finger between the lens housing (26) and the PZNT detector (32) and sat on the laboratory stool. The detector is a PZNT single crystal detector manufactured by Toshiba Medical Systems Co., Ltd. (Tokyo, Japan), coated with an impedance compatible polymer film to minimize ultrasonic coupling loss between the detector and the skin. It is a thing. An ultrasonic coupling gel was applied to the side of the finger in contact with the detector. The signal from the PZNT detector was amplified and routed to a Tektronix digital storage scope. The laser trigger was controlled by a personal computer using LabView software. The trigger pulse from the laser trigger module triggered data acquisition by the digital storage scope. The time evolution of the pressure transient signal, ie the detected ultrasound signal, was recorded. Two parameters were extracted from the data at each photoacoustic excitation wavelength. First, the delay time between the laser trigger pulse and the first peak of the pressure transient signal. This time varies from 5 μs to 15 μs depending on the thickness of the sample and its opacity. The second parameter is the amplitude from the highest to the lowest recording pulse.

図7A、図7B、図7C、図7Dは、それぞれ905nm、1459nm、1550nmおよび1649nmで励起されたヒトの指から生成したPA信号を示す。図7A、図7B、図7C、図7Dまでの4つのグラフの実線は、自然状態での指の励起で生成した信号を表す。パルスの振幅は、励起の波長によって350mVから800mVまでの幅があった。   7A, 7B, 7C and 7D show PA signals generated from human fingers excited at 905 nm, 1459 nm, 1550 nm and 1649 nm, respectively. The solid lines of the four graphs up to FIGS. 7A, 7B, 7C, and 7D represent signals generated by finger excitation in the natural state. The amplitude of the pulse varied from 350 mV to 800 mV depending on the excitation wavelength.

次に、外部吸収フィルムがレンズと指の間に付加された。外部吸光体は、微小なカーボンブラックを拡散させた80μm厚みのポリエチレン・テレフタレート(PET)フィルムである。接着剤内のカーボン含有量は2%のアセチレン・ブラックであった。アセチレン・ブラック被覆フィルムの吸光スペクトルが近赤外FTIR機器(ブルーカーのエキノクス(Bruker, Equinox)55/S分光計)で実行された。外部吸光体の4つの励起波長での光学濃度は、905nmで4.12、1459nmで3.2、1550nmで3.12および1649nmで3.04であった。   Next, an external absorbent film was applied between the lens and the finger. The external absorber is an 80 μm thick polyethylene terephthalate (PET) film in which minute carbon black is diffused. The carbon content in the adhesive was 2% acetylene black. The absorption spectrum of the acetylene black coated film was performed on a near infrared FTIR instrument (Bruker, Equinox 55 / S spectrometer). The optical densities of the external absorbers at the four excitation wavelengths were 4.12 at 905 nm, 3.2 at 1459 nm, 3.12 at 1550 nm, and 3.04 at 1649 nm.

PETフィルム(外部吸光体)の小片が切り取られ、ポリマーの裏紙が剥離され、次いで、皮膚への効率良い結合を達成するため、その接着剤側が皮膚に触れるフィルムが皮膚に押し付けられた。指の、検出器と接触する側に超音波結合ジェルが塗布された。指はレンズホルダーと検出器の間に、レンズホルダーがフィルムを圧迫し、検出器が指の反対側の皮膚を圧迫するように置かれた。皮膚に印加されたレンズ・ハウジングと検出器の間の応力は200gであった。   A small piece of PET film (external light absorber) was cut off, the polymer backing was peeled, and then the film whose adhesive side touched the skin was pressed against the skin to achieve efficient bonding to the skin. An ultrasonic coupling gel was applied to the side of the finger that contacted the detector. The finger was placed between the lens holder and the detector so that the lens holder pressed the film and the detector pressed the skin on the opposite side of the finger. The stress between the lens housing and the detector applied to the skin was 200 g.

図7A、図7B、図7C、図7Dまでの4つのグラフの実線は、指と、外部吸光体としてアセチレン・ブラックを持つ付加PETフィルムの励起により生成した信号を表す。光音響信号は905nm、1459nm、1550nmおよび1649nmで励起された。パルスの振幅は、光音響信号の励起の波長によって560mVから4700mVまでの幅があった。重要な観測結果は、すべての波長における光音響信号振幅の増加である。この実施形態における被検者の指に関して、外部吸光体の添加によって光音響信号は次の増強を見た。905nm励起での信号は600mVから4700mVに増加、1459nm励起の信号は800mVから1700mVに増加、1550nm励起の信号は350mVから560mVに増加、そして1649nm励起の信号は350mVから660mVへと増加した。PA信号の振幅の最高の増加は、外部吸光体が最高の吸光度を有する905nmにおいて得られた。この実験の結果は、ヒトの指の皮膚への吸光フィルムの結合、および光音響信号の生成が可能であることを示唆している。増強された信号は、ヒトの指の皮膚に結合された高光学濃度外部吸光体による光の吸収と、指の組織内に超音波が生成してそれが指を介して伝達され、超音波結合ジェルによって指の反対側に結合された圧電検出器によって検出されたことによる。   The solid lines in the four graphs up to FIGS. 7A, 7B, 7C, and 7D represent signals generated by excitation of the finger and an additional PET film having acetylene black as an external absorber. The photoacoustic signal was excited at 905 nm, 1459 nm, 1550 nm and 1649 nm. The amplitude of the pulse varied from 560 mV to 4700 mV depending on the excitation wavelength of the photoacoustic signal. An important observation is the increase in photoacoustic signal amplitude at all wavelengths. Regarding the subject's finger in this embodiment, the photoacoustic signal saw the following enhancement by the addition of an external absorber. The signal at 905 nm excitation increased from 600 mV to 4700 mV, the signal at 1459 nm excitation increased from 800 mV to 1700 mV, the signal at 1550 nm excitation increased from 350 mV to 560 mV, and the signal at 1649 nm excitation increased from 350 mV to 660 mV. The highest increase in the amplitude of the PA signal was obtained at 905 nm where the external absorber has the highest absorbance. The results of this experiment suggest that it is possible to bind the light-absorbing film to the skin of a human finger and generate a photoacoustic signal. The enhanced signal is absorbed by light with a high optical density external absorber that is coupled to the skin of the human finger, and ultrasound is generated in the finger tissue and transmitted through the finger. This is due to being detected by a piezoelectric detector coupled to the opposite side of the finger by a gel.

外部吸光体の存在下でのPA信号の挙動は、グルコース水溶液での生体外の実験の場合と同じであった。当業者は、信号強度、種々の波長における吸光体およびグルコースの吸光係数、本発明の実施形態の詳細な説明で説明した式を用いて、人体内でグルコースの濃度測定またはグルコースの濃度の変化を測定することができる。当業者は、線形最小二乗以外のデータ約分ルーチンまたは高度なデータ処理方法を用いて自然の吸収計測および外部吸光体の存在下での計測から得られた信号を、本発明の真髄から解離することなく処理することができる。   The behavior of the PA signal in the presence of an external absorber was the same as in an in vitro experiment with an aqueous glucose solution. Those skilled in the art can measure glucose concentration or change glucose concentration in the human body using signal intensity, extinction coefficient of absorber and glucose at various wavelengths, and the equations described in the detailed description of embodiments of the present invention. Can be measured. Those skilled in the art will dissociate the signal obtained from natural absorption measurements and measurements in the presence of external absorbers from the essence of the present invention using data reduction routines other than linear least squares or advanced data processing methods. Can be processed without any problems.

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

本発明の実施形態の方法を示したフローチャートを示す。2 shows a flow chart illustrating a method of an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態の方法で使用する光音響分析システムの構成例を示す。The structural example of the photoacoustic analysis system used with the method of embodiment of this invention is shown. 本発明の実施形態の方法で使用する光音響分析システムの他の構成例を示す。The other example of a structure of the photoacoustic analysis system used with the method of embodiment of this invention is shown. 本実施形態において、1cmの石英セル内のグルコース溶液から生成した光音響信号を示す。In this embodiment, the photoacoustic signal produced | generated from the glucose solution in a 1 cm quartz cell is shown. 本実施形態において、1459nm、1550nmおよび1649nmでのグルコース水溶液の赤外線吸光度を示す。In the present embodiment, infrared absorbance of an aqueous glucose solution at 1459 nm, 1550 nm, and 1649 nm is shown. 本実施形態において、アシッドブラック2染料という周知の添付吸光体(905nmで2.0光学濃度単位)の存在下でのグルコースの種々の濃度のPA信号を示す。In this embodiment, PA signals of various concentrations of glucose are shown in the presence of the well-known attached absorber (acid optical 2 dye at 905 nm, 2.0 optical density units). 本実施形態において、周知の添付吸光体として2%の犬の固定血球(905nmで2.0光学濃度単位)を1:100の希釈濃度の塩水存在下でのグルコースの種々の濃度のPA信号を示す。In this embodiment, 2% dog fixed blood cells (2.0 optical density units at 905 nm) are used as well-known attached absorbers, and PA signals of various concentrations of glucose in the presence of 1: 100 dilution of saline. Show. 本実施形態において、周知の添付吸光体、2%の犬の固定血球(905nmで2.0光学濃度単位)を1:50の希釈濃度の塩水存在下でのグルコースの種々の濃度のPA信号を示す。In this embodiment, the well-known attached light absorber, 2% canine fixed blood cells (2.0 optical density units at 905 nm), PA signals of various concentrations of glucose in the presence of 1:50 dilution of saline. Show. 905nmで励起されたヒトの指から生成した光音響信号を示す(実線)。破線は、付加された外部吸光体である、吸光体として炭素粒子を有するポリエチレン・テレフタレート(PET)フィルムでの信号である。905nmでのフィルムのODは4.2であった。A photoacoustic signal generated from a human finger excited at 905 nm is shown (solid line). A broken line is a signal in a polyethylene terephthalate (PET) film having carbon particles as a light absorber, which is an added external light absorber. The OD of the film at 905 nm was 4.2. 1459nmで励起されたヒトの指から生成した光音響信号を示す(実線)。破線は、添加された外部吸光体である、吸光体として炭素粒子を有するPETフィルムでの信号である。1459nmでのフィルムのODは3.2であった。A photoacoustic signal generated from a human finger excited at 1459 nm is shown (solid line). A broken line is a signal in a PET film having carbon particles as a light absorber, which is an added external light absorber. The OD of the film at 1459 nm was 3.2. 1550nmで励起されたヒトの指から生成した光音響信号を示す(実線)。破線は、添加された外部吸光体である、吸光体として炭素粒子を有するPETフィルムでの信号である。1550nmでのフィルムのODは3.12であった。A photoacoustic signal generated from a human finger excited at 1550 nm is shown (solid line). A broken line is a signal in a PET film having carbon particles as a light absorber, which is an added external light absorber. The OD of the film at 1550 nm was 3.12. 1649nmで励起されたヒトの指から生成した光音響信号を示す(実線)。破線は、添加された外部吸光体である、吸光体として炭素粒子を有するPETフィルムでの信号である。1649nmでのフィルムのODは3.04であった。A photoacoustic signal generated from a human finger excited at 1649 nm is shown (solid line). A broken line is a signal in a PET film having carbon particles as a light absorber, which is an added external light absorber. The OD of the film at 1649 nm was 3.04.

符号の説明Explanation of symbols

10…機器、11…光源モジュール、12…電源、15、16、17、18…レーザー源、20、21、22、23…石英光ファイバー、25…体部インターフェースモジュール、28…サンプル、27…集光レンズ、26…レンズ・ハウジング、32…圧電検出器、34…ホルダー、35…機構、40…検出電子回路・モジュール、41…遮断コネクタ、42…増幅器、43…デジタルストレージスコープ、44…制御PC、46…信号線、48…信号線、50…信号線。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Apparatus, 11 ... Light source module, 12 ... Power supply, 15, 16, 17, 18 ... Laser source, 20, 21, 22, 23 ... Quartz optical fiber, 25 ... Body part interface module, 28 ... Sample, 27 ... Condensing Lens, 26 ... Lens housing, 32 ... Piezoelectric detector, 34 ... Holder, 35 ... Mechanism, 40 ... Detection electronics / module, 41 ... Disconnection connector, 42 ... Amplifier, 43 ... Digital storage scope, 44 ... Control PC, 46 ... signal line, 48 ... signal line, 50 ... signal line.

Claims (19)

被検体部位の対象組織内の被分析物を測定して得られた信号に対する前記組織の内部特性の影響を補償する光音響分析方法において、
前記被検体部位にレーザー源からの近赤外線レーザーパルスを照射することによって前記対象組織に超音波パルスを発生させるステップ(a)と、
前記被検体部位近傍に配置された超音波検出器を用いて前記超音波パルスを検出して第1の信号を発生するステップ(b)と、
前記超音波パルスが吸光物質内で発生して前記組織を伝播して前記超音波検出器で検出されるように前記レーザー源と前記被検体部位との間に前記吸光物質を配置している期間に、前記ステップ(b)とレーザー波長とエネルギーとが同じレーザーパルスを用いて前記対象組織内に超音波パルスを発生させるステップ(c)と、
前記吸光物質で発生した超音波パルスを検出して第2の信号を発生するステップ(d)と、
前記ステップ(b)で発生した第1の信号と前記ステップ(d)で発生した第2の信号との比を各レーザー波長ごとに算出するステップ(e)と、
前記被分析物の吸光係数を、前記ステップ(e)で算出した比と、前記吸光物質の所定の光学特性とから算出するステップ(f)と、
前記ステップ(f)で算出された吸光係数から前記被分析物の濃度を算出し、光音響励起波長における前記被分析物のモル吸光係数を算出するステップ(g)とを備える光音響分析方法。
In the photoacoustic analysis method for compensating for the influence of the internal characteristics of the tissue on the signal obtained by measuring the analyte in the target tissue of the subject site,
Generating an ultrasonic pulse in the target tissue by irradiating the subject site with a near-infrared laser pulse from a laser source; and
(B) detecting the ultrasonic pulse using an ultrasonic detector disposed in the vicinity of the subject site and generating a first signal;
A period in which the light-absorbing material is disposed between the laser source and the subject site so that the ultrasonic pulse is generated in the light-absorbing material, propagates through the tissue, and is detected by the ultrasonic detector. And (c) generating an ultrasonic pulse in the target tissue using a laser pulse having the same laser wavelength and energy as in step (b),
Detecting an ultrasonic pulse generated by the light-absorbing material and generating a second signal (d);
Calculating the ratio of the first signal generated in step (b) and the second signal generated in step (d) for each laser wavelength;
A step (f) of calculating an extinction coefficient of the analyte from the ratio calculated in the step (e) and a predetermined optical characteristic of the light-absorbing substance;
A photoacoustic analysis method comprising: (g) calculating a concentration of the analyte from the extinction coefficient calculated in the step (f), and calculating a molar extinction coefficient of the analyte at a photoacoustic excitation wavelength.
前記被分析物がグルコースである請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the analyte is glucose. 前記被分析物が組織液である請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the analyte is tissue fluid. 前記被分析物がヘモグロビンである請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the analyte is hemoglobin. 前記被分析物が体脂肪である請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the analyte is body fat. 前記被分析物が化学療法造影剤または診断造影剤である請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the analyte is a chemotherapeutic contrast agent or a diagnostic contrast agent. 前記レーザー波長のうち少なくとも1つはグルコースに特有の波長である請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein at least one of the laser wavelengths is a wavelength characteristic of glucose. 前記レーザー波長のうち少なくとも1つは水に特有の波長である請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein at least one of the laser wavelengths is a wavelength characteristic of water. 前記レーザーパルスは数1x10−9秒から1x10−6秒までの継続時間を有している請求項1記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the laser pulse has a duration from several 1 × 10 −9 seconds to 1 × 10 −6 seconds. 前記検出器は、圧電性結晶(PZT、鉛、ジルコニウム、タンタル結晶)、ニオブ酸リチウム結晶、ハイドロホンまたはポリフッ化ビニリデン(PVDF)膜のうち1つである請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the detector is one of a piezoelectric crystal (PZT, lead, zirconium, tantalum crystal), a lithium niobate crystal, a hydrophone, or a polyvinylidene fluoride (PVDF) film. 前記検出器は、圧電性結晶(PZNT、鉛、ジルコニウム、ヌイビウム(nuibium)、タンタル結晶)であり得る請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the detector can be a piezoelectric crystal (PZNT, lead, zirconium, nubium, tantalum crystal). 前記検出器は、チタン酸鉛を含有する単結晶の形状をした圧電性結晶であり、一般式Pb[(B1,B2)1−x Ti]Oで表されることができ、端数x=0.5〜0.55であり、B1はZn、Mg、Ni、Sc、InおよびYbから選択される元素を表し、B2はニオブ、Nbおよびタンタル、Taから選択される1元素を表す請求項11記載の方法。 The detector is a piezoelectric crystal in the form of a single crystal containing lead titanate, which can be represented by the general formula Pb [(B1, B2) 1-x Ti x ] O 3 and has a fraction x = 0.5 to 0.55, B1 represents an element selected from Zn, Mg, Ni, Sc, In and Yb, and B2 represents one element selected from niobium, Nb, tantalum and Ta Item 12. The method according to Item 11. 前記検出器は、組織の音響インピーダンス特性と一致させるためにポリマー層で被覆されている請求項1記載の方法。   The method of claim 1, wherein the detector is coated with a polymer layer to match the acoustic impedance characteristics of the tissue. 前記外部付加吸光体は、分散カーボンブラック粒子を含む高吸光係数の吸光物質で被覆された膜である請求項1記載の方法。   2. The method according to claim 1, wherein the external additional absorber is a film coated with a light absorbing material having a high extinction coefficient including dispersed carbon black particles. 前記外部吸光体は、高濃度分散吸光染料を含む高吸光係数の吸光物質で被覆された膜である請求項1記載の方法。   2. The method according to claim 1, wherein the external absorber is a film coated with a light-absorbing substance having a high extinction coefficient including a high-concentration dispersive light-absorbing dye. 前記被検体部位には計測プローブによって所定圧力が印加される請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein a predetermined pressure is applied to the subject region by a measurement probe. 被検体組織内のグルコース測定により得られた信号に対する組織の内部特性の影響を補償するための光音響分析方法において、
前記被検体の対象部位をレーザー源からの近赤外線レーザーパルスで照射することによって超音波パルスを発生させ、各波長で得られた第1の超音波パルスを超音波検出器で検出するステップ(a)と、
前記超音波パルスが吸光物質内で発生して前記組織を伝播して前記超音波検出器で検出されるように前記レーザー源と前記被検体部位との間に前記吸光物質を配置している期間に、前記ステップ(a)とレーザー波長とエネルギーとが同じレーザーパルスを用いて前記対象組織内に第2の超音波パルスを発生させるステップ(b)と、
前記ステップ(a)で発生させた前記第1の超音波パルスと、前記ステップ(b)で発生させた前記第2の超音波パルスとの強度比を各照射波長ごとに算出して、前記ステップ(a)で発生させた前記第1の超音波パルスの測定値に対して前記被検体部位のバルク組織特性の影響を補償することにより、正規化した被分析物関連光音響信号を発生するステップ(c)と、
前記超音波パルスの強度比と、2つの波長におけるグルコースの吸光係数値と、別の波長における水の吸光係数値と、前記3つの波長における外部吸光体の吸光度値とを用いて前記組織内のグルコース濃度を算出するステップとを備える光音響分析方法。
In the photoacoustic analysis method for compensating the influence of the internal characteristics of the tissue on the signal obtained by measuring glucose in the subject tissue,
A step of generating an ultrasonic pulse by irradiating a target site of the subject with a near-infrared laser pulse from a laser source , and detecting a first ultrasonic pulse obtained at each wavelength with an ultrasonic detector (a )When,
A period in which the light-absorbing material is disposed between the laser source and the subject site so that the ultrasonic pulse is generated in the light-absorbing material, propagates through the tissue, and is detected by the ultrasonic detector. And (b) generating a second ultrasonic pulse in the target tissue using a laser pulse having the same laser wavelength and energy as in step (a),
An intensity ratio between the first ultrasonic pulse generated in the step (a) and the second ultrasonic pulse generated in the step (b) is calculated for each irradiation wavelength, and the step Generating a normalized analyte-related photoacoustic signal by compensating for the influence of the bulk tissue property of the subject site on the measurement value of the first ultrasonic pulse generated in (a) (C),
Using the intensity ratio of the ultrasonic pulse, the absorption coefficient value of glucose at two wavelengths, the absorption coefficient value of water at another wavelength, and the absorbance value of the external absorber at the three wavelengths, A photoacoustic analysis method comprising: calculating a glucose concentration.
被検体組織内のグルコースを含む被分析物を測定して得られた信号に対する組織の内部特性の影響を補償するための光音響分析方法であって、
前記被検体部位内に、前記被検体部位をレーザー源からの近赤外線レーザーパルスで照射して各レーザー波長ごとに第1の超音波パルスを発生させるステップ(a)と、
前記超音波パルスが吸光物質内で発生して前記組織を伝播して超音波検出器で検出されるように前記レーザー源と前記被検体部位との間に前記吸光物質を配置している期間に、前記ステップ(a)とレーザー波長とエネルギーとが同じレーザーパルスを用いて前記対象組織内に第2の超音波パルスを発生させるステップ(b)と、
前記ステップ(a)で発生させた第1の超音波パルスと、前記ステップ(b)で発生させた第2の超音波パルスとの強度比を算出して、前記ステップ(a)で発生させた第1の超音波パルスの計測値を前記被検体部位のバルク組織特性の影響で補償して、正規化した被分析物関連光音響信号を発生するステップ(c)と、
前記超音波パルスの強度比と、1つの波長におけるグルコースの吸光係数値と、別の2つの波長における水の吸光係数値と、前記3つの波長における外部吸光体の吸光度値とを用いて前記組織内のグルコース濃度を算出するステップ(d)とを備える光音響分析方法。
A photoacoustic analysis method for compensating an influence of an internal characteristic of a tissue on a signal obtained by measuring an analyte including glucose in a subject tissue,
Irradiating the subject site with a near infrared laser pulse from a laser source in the subject site to generate a first ultrasonic pulse for each laser wavelength; and
Wherein during a period when the have a light absorbing material disposed between the subject region and the laser source so ultrasonic pulse is detected by the ultrasonic detector and propagates the tissue occurred within the light absorbing material Generating a second ultrasonic pulse in the target tissue using a laser pulse having the same laser wavelength and energy as in step (a);
The intensity ratio between the first ultrasonic pulse generated in step (a) and the second ultrasonic pulse generated in step (b) was calculated and generated in step (a). (C) generating a normalized analyte-related photoacoustic signal by compensating the measured value of the first ultrasonic pulse with the influence of the bulk tissue characteristic of the subject site;
Using the intensity ratio of the ultrasonic pulse, the absorption coefficient value of glucose at one wavelength, the absorption coefficient value of water at two other wavelengths, and the absorbance value of an external absorber at the three wavelengths, the tissue A photoacoustic analysis method comprising the step (d) of calculating a glucose concentration in the inside.
被検体の対象組織内の被分析物を非侵襲で測定する光音響分析装置であって、
複数の波長でレーザーパルスを発生する手段と、
前記レーザーパルスを前記対象組織に照射する手段と、
前記レーザーパルスにより励起された前記対象組織からの光音響信号を検出する手段と、
前記レーザーパルスの照射部分と前記対象組織との間に外部吸光体を配置する手段と、
複数の光音響信号の強度比を生成する手段と、
前記光音響信号の強度比と、前記対象組織内の被分析物の光学パラメータと、前記外部吸光体の光学パラメータとから、前記被分析物の濃度を算出する演算手段とを具備する光音響分析装置。
A photoacoustic analyzer that non-invasively measures an analyte in a target tissue of a subject,
Means for generating laser pulses at multiple wavelengths;
Means for irradiating the target tissue with the laser pulse;
Means for detecting a photoacoustic signal from the target tissue excited by the laser pulse;
Means for disposing an external absorber between the irradiated portion of the laser pulse and the target tissue;
Means for generating an intensity ratio of a plurality of photoacoustic signals;
A photoacoustic analysis comprising an arithmetic means for calculating the concentration of the analyte from the intensity ratio of the photoacoustic signal, the optical parameter of the analyte in the target tissue, and the optical parameter of the external absorber. apparatus.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5849539B2 (en) * 2011-09-01 2016-01-27 セイコーエプソン株式会社 Moisture content measuring method and moisture content measuring device
JP2013056100A (en) * 2011-09-09 2013-03-28 Canon Inc Photoacoustic matching material
CN103592225B (en) * 2013-10-31 2016-08-17 中国科学院南京土壤研究所 Soil infrared photoacoustic spectra Quick testing instrument and soil physico-chemical property assay method thereof
CN105953957B (en) * 2016-04-29 2018-08-24 重庆大学 A kind of dodecahedron three-dimensional stress meter based on quantum dot
CN105806526A (en) * 2016-04-29 2016-07-27 重庆大学 Quantum dot stress gage
CN105928645B (en) * 2016-04-29 2018-10-19 重庆大学 A kind of three-dimensional stress meter based on quantum dot
JP6832218B2 (en) * 2017-04-13 2021-02-24 日本電信電話株式会社 In-vivo information transmission system and transmitter
JP6730963B2 (en) * 2017-07-10 2020-07-29 日本電信電話株式会社 Component concentration measuring device and analysis method
WO2019222505A1 (en) * 2018-05-16 2019-11-21 Purdue Research Foundation Intravascular photoacoustic tomography apparatus and method thereof
CN114486870B (en) * 2021-12-26 2023-05-26 重庆医科大学 Nanometer enzyme functionalized paper-based sensor for rapid blood glucose detection and detection method thereof

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6190021A (en) * 1984-10-11 1986-05-08 Japan Spectroscopic Co Fourier transform opto-acoustic spectral device
JPH09145683A (en) * 1995-11-24 1997-06-06 Hitachi Ltd Method and equipment for optoacoustic analysis
JPH09251004A (en) * 1996-03-15 1997-09-22 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd Method and device for optical-acoustic analyzing
JP3500259B2 (en) * 1996-12-02 2004-02-23 花王株式会社 Photoacoustic signal measuring device
EP1048265A1 (en) * 1999-04-30 2000-11-02 V.Lilienfeld-Toal, Hermann, Prof. Dr. med. Apparatus and method for detecting a substance
JP4234393B2 (en) * 2002-10-31 2009-03-04 株式会社東芝 Biological information measuring device
EP1585440A1 (en) * 2003-01-13 2005-10-19 Glucon Inc. Photoacoustic assay method and apparatus
EP1743576B1 (en) * 2004-05-06 2018-01-24 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Component concentration measuring device and method of controlling component concentration measuring device

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