JP6606019B2 - Component concentration measuring apparatus and method - Google Patents

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Description

本発明は、成分濃度測定装置、特に、血液成分、例えばグルコースを測定対象とした測定装置に関するものである。   The present invention relates to a component concentration measuring apparatus, and more particularly to a measuring apparatus that uses a blood component such as glucose as a measurement target.

高齢化により、生活習慣病に対する対応が大きな課題になりつつあり、血液の成分に対する注目が集まっている。しかし、現在までに開発された技術は、採取したサンプルを試薬と反応させたり、専用のセンサに吸着させたりといった1つのセンサで1つの成分を検出するようになっており、マルチなセンシング技術が注目されている。そこで、電磁波を照射したときに、測定対象とする血液成分(例えば、血糖値の場合はグルコース分子)に吸収されることを利用して、透過あるいは反射した電磁波を測定する方法が行われている。   With the aging of society, dealing with lifestyle-related diseases is becoming a major issue, and attention is being focused on blood components. However, the technology developed up to now is to detect one component with one sensor, such as reacting a collected sample with a reagent or adsorbing it to a dedicated sensor. Attention has been paid. Therefore, there is a method of measuring transmitted or reflected electromagnetic waves by utilizing absorption by a blood component to be measured (for example, glucose molecules in the case of blood glucose level) when irradiated with electromagnetic waves. .

しかし、グルコースと電磁波との相互作用は小さく、また生体に安全に照射し得る電磁波の強度には制限があり、さらに生体が電磁波に対して散乱体であるために、生体の血糖値測定においては、十分な効果を挙げるに至っていない。
そこで、電磁波を照射し局所的に加熱して熱膨張を起こして発生する音波を観測する、光音響法が注目されている。
However, the interaction between glucose and electromagnetic waves is small, and there is a limit to the intensity of electromagnetic waves that can be safely irradiated to a living body. Furthermore, since living bodies are scatterers against electromagnetic waves, , Has not been effective enough.
Therefore, a photoacoustic method has been attracting attention, in which a sound wave generated by irradiating an electromagnetic wave and locally heating it to cause thermal expansion is observed.

光音響法には、パルス(pulse)法と連続波(continuous-wave、以下CWとする)法の二つの方式がある。しかし、従来のパルス法やCW法では、数回にわたる血漿中のグルコース濃度測定中に、グルコース濃度以外の他の血漿中パラメータ(例えば体温や、他の成分の濃度等)も変わる可能性が高いので、グルコース選択性が悪く、正確なグルコース濃度を得ることが難しいという問題点があった。   There are two types of photoacoustic methods: a pulse method and a continuous-wave (hereinafter referred to as CW) method. However, in the conventional pulse method and CW method, during the measurement of the glucose concentration in plasma several times, there is a high possibility that other plasma parameters other than the glucose concentration (for example, body temperature, concentration of other components, etc.) will also change. Therefore, there is a problem that glucose selectivity is poor and it is difficult to obtain an accurate glucose concentration.

そこで、CW法に属する方法として、カムー セルジュ(S.Camou)らにより光パワーバランスシフト(Optical power balance shift:OPBS)法が開発されている(特許文献1−3参照)。   Therefore, as a method belonging to the CW method, an optical power balance shift (OPPBS) method has been developed by S. Camou et al. (See Patent Documents 1-3).

このOPBS法を実施するための従来の成分濃度測定装置の構成例を図18に示す。成分濃度測定装置は、レーザ光を放射するレーザダイオード1−1,1−2と、レーザダイオード1−1,1−2を駆動するレーザドライバ2と、レーザダイオード1−1,1−2から放射されたレーザ光を導く光ファイバ3−1,3−2と、レーザダイオード1−1,1−2から放射されたレーザ光を合波する光カプラ4と、光カプラ4によって合波されたレーザ光を導く光ファイバ5と、光音響効果によって被測定物11から発生する光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する音響センサ6と、音響センサ6から出力された電気信号を増幅する増幅器7と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ8と、増幅器7の出力信号とファンクションジェネレータ8から出力された参照信号とを入力として、増幅器7の出力信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプ9と、ファンクションジェネレータ8およびロックインアンプ9を制御すると共に、ロックインアンプ9が検出した測定信号を処理して特定の成分濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置10とから構成される。   FIG. 18 shows a configuration example of a conventional component concentration measuring apparatus for carrying out this OPBS method. The component concentration measurement apparatus includes laser diodes 1-1 and 1-2 that emit laser light, a laser driver 2 that drives laser diodes 1-1 and 1-2, and laser diodes 1-1 and 1-2. Optical fibers 3-1 and 3-2 for guiding the laser light emitted, an optical coupler 4 for combining the laser light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2, and a laser combined by the optical coupler 4. An optical fiber 5 that guides light, an acoustic sensor 6 that detects a photoacoustic signal generated from the object 11 to be measured by the photoacoustic effect, and converts it into an electrical signal proportional to sound pressure, and an electrical signal output from the acoustic sensor 6 The amplifier 7 for amplifying the signal, the function generator 8 for generating a reference signal, the output signal of the amplifier 7 and the reference signal output from the function generator 8 as inputs, and the output of the amplifier 7 The lock-in amplifier 9 that detects a measurement signal of a desired frequency from the signal, the function generator 8 and the lock-in amplifier 9 are controlled, and the measurement signal detected by the lock-in amplifier 9 is processed to derive a specific component concentration. And an information processing apparatus 10 including a computer.

図18に示した成分濃度測定装置を用いた従来のOPBS法では、まずレーザドライバ2は、ファンクションジェネレータ8から出力される参照信号に応じて矩形波の駆動電流をレーザダイオード1−1(第1の光源)に供給することにより、レーザダイオード1−1から放射される光を強度変調する。レーザダイオード1−1から放射された強度変調光は、光ファイバ3−1によって導かれ、光カプラ4および光ファイバ5を介して被測定物11に照射される(図19ステップS100)。   In the conventional OPBS method using the component concentration measuring apparatus shown in FIG. 18, first, the laser driver 2 generates a rectangular wave drive current according to the reference signal output from the function generator 8 to the laser diode 1-1 (first The light emitted from the laser diode 1-1 is intensity-modulated. The intensity-modulated light emitted from the laser diode 1-1 is guided by the optical fiber 3-1, and irradiated onto the device under test 11 through the optical coupler 4 and the optical fiber 5 (step S100 in FIG. 19).

音響センサ6は、被測定物11から発生する光音響信号を検出し、増幅器7は、音響センサ8から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ9は、増幅器7の出力に含まれる信号のうち、ファンクションジェネレータ8から出力される参照信号によって決まる周波数の測定信号を検出する。   The acoustic sensor 6 detects a photoacoustic signal generated from the device under test 11, and the amplifier 7 amplifies the electrical signal output from the acoustic sensor 8. The lock-in amplifier 9 detects a measurement signal having a frequency determined by the reference signal output from the function generator 8 among the signals included in the output of the amplifier 7.

情報処理装置10は、ファンクションジェネレータ8が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を漸次変化させると共に、ロックインアンプ9が検出する測定信号の周波数(光変調周波数と同一の周波数)を漸次変化させる光変調周波数掃引を行う(図19ステップS101)。こうして、変調周波数と測定信号の振幅(音圧)との関係を取得し(図19ステップS102)、測定信号の振幅が最大の変調周波数であるピーク変調周波数を探索する(図19ステップS103)。   The information processing apparatus 10 changes the frequency of the reference signal generated by the function generator 8, thereby changing the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-1, and gradually changing the light modulation frequency. At the same time, an optical modulation frequency sweep is performed to gradually change the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 9 (the same frequency as the optical modulation frequency) (step S101 in FIG. 19). In this way, the relationship between the modulation frequency and the amplitude (sound pressure) of the measurement signal is acquired (step S102 in FIG. 19), and the peak modulation frequency that is the modulation frequency with the maximum amplitude of the measurement signal is searched (step S103 in FIG. 19).

次に、レーザダイオード1−1を再び動作させて光を出力させ(図19ステップS104)、続いてレーザダイオード1−2(第2の光源)を動作させて光を出力させる(図19ステップS105)。2つのレーザダイオード1−1,1−2から放射される光の波長は異なる。   Next, the laser diode 1-1 is operated again to output light (step S104 in FIG. 19), and then the laser diode 1-2 (second light source) is operated to output light (step S105 in FIG. 19). ). The wavelengths of light emitted from the two laser diodes 1-1 and 1-2 are different.

情報処理装置10は、ファンクションジェネレータ8が発生する2つの参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1,1−2に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を上記のピーク変調周波数に設定すると共に、ロックインアンプ9が検出する測定信号の周波数をピーク変調周波数に設定する。このとき、レーザドライバ2から、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード1−1,1−2に供給させることにより、レーザダイオード1−1,1−2から放射される光を同一周波数(ピーク変調周波数)で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する(図19ステップS106)。   The information processing apparatus 10 changes the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-2 by changing the frequency of the two reference signals generated by the function generator 8. The modulation frequency is set to the above peak modulation frequency, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 9 is set to the peak modulation frequency. At this time, light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 is supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-2 by supplying a rectangular-wave drive current of the same frequency and opposite phase. Intensity modulation is performed with signals having the same frequency (peak modulation frequency) and opposite phases (step S106 in FIG. 19).

レーザダイオード1−1,1−2から放射された強度変調光は、それぞれ光ファイバ3−1,3−2によって導かれ、光カプラ4によって合波され、さらに光ファイバ5によって導かれ、被測定物11に照射される。情報処理装置10は、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1に供給される駆動電流の大きさを所定値にすることにより、レーザダイオード1−1から放射される光の強度を固定し(図19ステップS107)、レーザドライバ2からレーザダイオード1−2に供給される駆動電流の大きさを変化させることにより、レーザダイオード1−2から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード1−2から放射される光の強度を調節する(図19ステップS108)。   The intensity-modulated lights emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 are respectively guided by the optical fibers 3-1 and 3-2, combined by the optical coupler 4, and further guided by the optical fiber 5 to be measured. The object 11 is irradiated. The information processing apparatus 10 fixes the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 by setting the magnitude of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-1 to a predetermined value (FIG. 19). Step S107), by changing the magnitude of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-2, performing a light intensity sweep that gradually changes the intensity of the light emitted from the laser diode 1-2, The intensity of light emitted from the laser diode 1-2 is adjusted so that the amplitude of the measurement signal is minimized (step S108 in FIG. 19).

そして、一定時間経過後(図19ステップS109)、再びレーザダイオード1−1,1−2を動作させ、レーザダイオード1−1から放射される光の強度を固定し(図19ステップS110)、測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード1−2から放射される光の強度を調節する(図19ステップS111)。そして、情報処理装置10は、ステップS108で得られた光強度とステップS111で得られた光強度から、光強度の変化量を計算する(図19ステップS112)。   Then, after the lapse of a certain time (step S109 in FIG. 19), the laser diodes 1-1 and 1-2 are operated again, the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 is fixed (step S110 in FIG. 19), and measurement is performed. The intensity of light emitted from the laser diode 1-2 is adjusted so that the amplitude of the signal is minimized (step S111 in FIG. 19). Then, the information processing apparatus 10 calculates the amount of change in light intensity from the light intensity obtained in step S108 and the light intensity obtained in step S111 (step S112 in FIG. 19).

このように、従来のOPBS法では、光波長が異なり位相差が180°の2つの光ビームを被測定物に対して、同一光出力口から照射し、2つの光ビームの強度を増減させながら、光音響信号の振幅が最小の箇所の位相の変曲点を探し、この結果から血液中に溶解している分子濃度を求める。具体的には、2つの光ビームのうち一方の光ビームの強度を変えながら、光音響信号の振幅が最小となる光強度を探すことで、光強度の変化量より被測定物内の特定成分(例えばグルコース)の濃度の正確な測定を行う。   As described above, in the conventional OPBS method, two light beams having different light wavelengths and a phase difference of 180 ° are irradiated to the object to be measured from the same light output port, and the intensity of the two light beams is increased or decreased. Then, the phase inflection point of the portion where the amplitude of the photoacoustic signal is minimum is searched, and the concentration of the molecule dissolved in the blood is obtained from the result. Specifically, by searching for the light intensity at which the amplitude of the photoacoustic signal is minimized while changing the intensity of one of the two light beams, the specific component in the object to be measured is determined from the amount of change in the light intensity. Make an accurate measurement of the concentration of (eg glucose).

特開2014−50563号公報JP 2014-50563 A 特開2013−106874号公報JP 2013-106874 A 特開2012−179212号公報JP 2012-179212 A

生体レベルのグルコース濃度変化は数十mg/dLオーダーであり、この濃度変化によるグルコースの光吸収係数の変化は0.001/mm・(g/L)オーダーと非常に小さい。そのため、成分濃度測定装置に求められる分解能や安定性は40dB以上と非常に厳しい。そこで、成分濃度測定装置に対する要求を緩和し、測定精度を向上させるためにグルコース濃度変化に対する測定感度を高める必要があった。   The change in glucose concentration at the biological level is on the order of several tens of mg / dL, and the change in the light absorption coefficient of glucose due to this change in concentration is as small as 0.001 / mm · (g / L). For this reason, the resolution and stability required for the component concentration measuring apparatus are extremely strict at 40 dB or more. Therefore, it has been necessary to increase the measurement sensitivity with respect to a change in glucose concentration in order to relax the requirements for the component concentration measurement device and improve the measurement accuracy.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度変化に対する測定感度を向上させることができる成分濃度測定装置および方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a component concentration measuring apparatus and method that can improve the measurement sensitivity to the concentration change of the component to be measured contained in the object to be measured. And

本発明の成分濃度測定装置は、互いに異なる波長の複数の光を同一の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射する光照射手段と、前記複数の強度変調光のうち少なくとも1つの光の強度を変化させる光強度制御手段と、前記被測定物の温度を制御する温度制御手段と、光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、前記光強度制御手段が変化させた光の強度を測定する光強度測定手段と、前記被測定物の温度が異なる2つの時点について、それぞれ前記電気信号の強度が最低となったときの前記光強度測定手段の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定手段と、この音響モード推定手段が推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるまで、前記被測定物に照射する複数の光の変調周波数および前記被測定物を収容する共振器の形状のうち少なくとも一方を変更しながら、前記光照射手段と前記光強度制御手段と前記光音響信号検出手段と前記光強度測定手段と前記音響モード推定手段とに処理を繰り返し実行させる変更手段と、前記音響モード推定手段が推定した音響モードが前記規定の音響モードとなったときの前記光強度測定手段の測定結果から得られる光強度の変化量に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段とを備え、前記光照射手段は、異なる2つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、前記音響モード推定手段は、第1の波長の光の強度を一定にして第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果と、前記温度制御手段により前記被測定物の温度を変化させた後に前記第1の波長の光の強度を一定にして前記第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定することを特徴とするものである。 The component concentration measuring apparatus according to the present invention includes a light irradiating unit that irradiates a measured object with a plurality of lights having different wavelengths by using signals having the same frequency and different phases, and irradiating the object to be measured. Light intensity control means for changing the intensity of at least one of the light, temperature control means for controlling the temperature of the object to be measured, and a photoacoustic signal generated from the object to be measured by light irradiation to detect an electrical signal photoacoustic signal detecting means for outputting a light intensity measuring means for measuring the intensity of light which the light intensity control means is varied, for two when the temperature is different in the object to be measured, the intensity of each of the electrical signal Based on the amount of change in the light intensity obtained from the measurement result of the light intensity measuring means when the value reaches the minimum and the amount of change in the light intensity obtained from a known data set, the resonance mode of the photoacoustic signal is obtained. And an acoustic mode estimation means for estimating the acoustic mode, and a plurality of lights that irradiate the object to be measured until the acoustic mode estimated by the acoustic mode estimation means becomes a prescribed acoustic mode that provides a required concentration measurement sensitivity. The light irradiation means, the light intensity control means, the photoacoustic signal detection means, the light intensity measurement means, and the sound are changed while changing at least one of the modulation frequency and the shape of the resonator that accommodates the object to be measured. Change means for causing the mode estimation means to repeatedly execute the process, and change in light intensity obtained from the measurement result of the light intensity measurement means when the acoustic mode estimated by the acoustic mode estimation means becomes the specified acoustic mode and a density deriving means for deriving the concentration of the component to be measured contained in the object to be measured based on the amount, the light irradiation means, the light of two different wavelengths Simultaneously irradiating the object to be measured, the acoustic mode estimating means changes the intensity of the light of the second wavelength while keeping the intensity of the light of the first wavelength constant, and the intensity of the electric signal becomes the minimum. The measurement result of the intensity of the second wavelength light, and the second wavelength with the intensity of the first wavelength light constant after changing the temperature of the object to be measured by the temperature control means The amount of change in the light intensity obtained from the measurement result of the intensity of the light of the second wavelength when the intensity of the electrical signal becomes the minimum by changing the intensity of the light, and obtained from a known data set The acoustic mode is estimated based on the amount of change in light intensity .

また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例において、前記被測定物に照射される複数の光は、これら複数の光の波長に対する、前記被測定物に含まれる測定対象の成分以外の成分の光吸収係数が略等しいことを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例において、前記光照射手段は、異なる波長の複数の光をそれぞれ平行光にして前記被測定物の略同一領域に同軸で照射し、異なる波長の複数の光のビーム径は略等しいことを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例は、さらに、前記被測定物を収容し、前記光音響信号を増幅するための共振器を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例において、前記共振器は、前記光照射手段から照射される光の光軸に対して略直交する面を2つ持ち、これらの面は互いに平行平面となっていることを特徴とするものである。
Moreover, in one structural example of the component concentration measuring apparatus of this invention, the some light irradiated to the said to-be-measured object is components other than the component of the measuring object contained in the to-be-measured object with respect to the wavelength of these some light Are characterized in that their light absorption coefficients are substantially equal.
Further, in one configuration example of the component concentration measuring apparatus of the present invention, the light irradiating means irradiates a plurality of lights having different wavelengths as parallel lights, coaxially irradiating substantially the same region of the object to be measured, and having different wavelengths. The plurality of light beams have substantially the same beam diameter.
Further, one configuration example of the component concentration measuring apparatus of the present invention is characterized by further comprising a resonator for accommodating the object to be measured and amplifying the photoacoustic signal.
Moreover, in one configuration example of the component concentration measuring apparatus of the present invention, the resonator has two surfaces substantially orthogonal to the optical axis of the light emitted from the light irradiation means, and these surfaces are parallel to each other. It is a flat surface.

また、本発明の成分濃度測定方法は、互いに異なる波長の複数の光を同一の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射する光照射ステップと、前記複数の強度変調光のうち少なくとも1つの光の強度を変化させる光強度制御ステップと、光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出ステップと、前記光強度制御ステップで変化させた光の強度を測定する光強度測定ステップと、前記被測定物の温度が異なる2つの時点について、それぞれ前記電気信号の強度が最低となったときの前記光強度測定ステップの測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定ステップと、この音響モード推定ステップで推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるまで、前記被測定物に照射する複数の光の変調周波数および前記被測定物を収容する共振器の形状のうち少なくとも一方を変更しながら、前記光照射ステップと前記光強度制御ステップと前記光音響信号検出ステップと前記光強度測定ステップと前記音響モード推定ステップとを繰り返し実行させる変更ステップと、前記音響モード推定ステップで推定した音響モードが前記規定の音響モードとなったときの前記光強度測定ステップの測定結果から得られる光強度の変化量に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出ステップとを含み、前記光照射ステップは、異なる2つの波長の光を前記被測定物に同時に照射するステップを含み、前記音響モード推定ステップは、第1の波長の光の強度を一定にして第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果と、温度制御手段により前記被測定物の温度を変化させた後に前記第1の波長の光の強度を一定にして前記第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定するステップを含むことを特徴とするものである。 The component concentration measurement method of the present invention includes a light irradiation step of irradiating a measured object with a plurality of lights having different wavelengths by using signals having the same frequency and different phases, and the plurality of intensity modulations. A light intensity control step for changing the intensity of at least one of the light; a photoacoustic signal detection step for detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured by light irradiation and outputting an electrical signal; and the light intensity. a light intensity measuring step of measuring the intensity of light is changed in the control step, said the two when the temperature is different of the object to be measured, the light intensity measuring step when the intensity of each of the electrical signal becomes minimum Based on the change amount of the light intensity obtained from the measurement result and the change amount of the light intensity obtained from the known data set, the acoustic mode which is the resonance mode of the photoacoustic signal is obtained. An acoustic mode estimation step for estimating a measurement mode, and modulation frequencies of a plurality of lights irradiated on the object to be measured until the acoustic mode estimated in the acoustic mode estimation step becomes a prescribed acoustic mode for obtaining a required concentration measurement sensitivity The light irradiation step, the light intensity control step, the photoacoustic signal detection step, the light intensity measurement step, and the acoustic mode estimation step while changing at least one of the shapes of the resonators that accommodate the object to be measured And the step of repeatedly executing the step, and the amount of change in light intensity obtained from the measurement result of the light intensity measurement step when the acoustic mode estimated in the acoustic mode estimation step becomes the specified acoustic mode. look containing a concentration derivation step of deriving the concentration of the component to be measured contained in the object to be measured, the light irradiation step Includes the step of simultaneously irradiating the object to be measured with light of two different wavelengths, and the acoustic mode estimating step changes the intensity of the light of the second wavelength while keeping the intensity of the light of the first wavelength constant. The measurement result of the intensity of the light of the second wavelength when the intensity of the electrical signal becomes the minimum, and the light of the first wavelength after changing the temperature of the object to be measured by the temperature control means The intensity of light obtained from the measurement result of the intensity of the light of the second wavelength when the intensity of the electric signal becomes the minimum by changing the intensity of the light of the second wavelength while keeping the intensity of the light constant. The method includes a step of estimating the acoustic mode based on a change amount and a change amount of light intensity obtained from a known data set .

本発明によれば、互いに異なる波長の複数の光を同一の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射する光照射手段と、複数の強度変調光のうち少なくとも1つの光の強度を変化させる光強度制御手段と、被測定物の温度を制御する温度制御手段と、光照射によって被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、光強度制御手段が変化させた光の強度を測定する光強度測定手段と、被測定物の温度が異なる2つの時点について、それぞれ電気信号の強度が最低となったときの光強度測定手段の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定手段と、音響モード推定手段が推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるまで、被測定物に照射する複数の光の変調周波数および被測定物を収容する共振器の形状のうち少なくとも一方を変更しながら、光照射手段と光強度制御手段と光音響信号検出手段と光強度測定手段と音響モード推定手段とに処理を繰り返し実行させる変更手段とを設けることにより、音響モードを制御することができ、被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度変化に対する測定感度を向上させることができる。 According to the present invention, the light irradiating means for irradiating the object to be measured by intensity-modulating a plurality of lights having different wavelengths with signals having the same frequency and different phases, and at least one of the plurality of intensity-modulated lights. Light intensity control means for changing the intensity of light, temperature control means for controlling the temperature of the object to be measured, and photoacoustic signal detection for detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured by light irradiation and outputting an electrical signal Light intensity measurement means for measuring the intensity of the light changed by the light intensity control means, and light intensity measurement when the intensity of the electric signal is the lowest at each of two time points at which the temperature of the object to be measured is different. An acoustic mode estimator that estimates the acoustic mode that is the resonance mode of the photoacoustic signal based on the amount of change in light intensity obtained from the measurement results of the means and the amount of change in light intensity obtained from a known data set. Until the acoustic mode estimated by the acoustic mode estimation means becomes a prescribed acoustic mode that provides the required concentration measurement sensitivity, and the modulation frequency of the plurality of lights irradiated to the object to be measured and the resonator that accommodates the object to be measured By changing at least one of the shapes while providing a changing means for repeatedly executing the light irradiating means, the light intensity controlling means, the photoacoustic signal detecting means, the light intensity measuring means, and the acoustic mode estimating means, The mode can be controlled, and the measurement sensitivity to the concentration change of the component to be measured included in the object to be measured can be improved.

また、本発明では、第1の波長の光の強度を一定にして第2の波長の光の強度を変化させて電気信号の強度が最低となったときの第2の波長の光の強度の測定結果と、温度制御手段により被測定物の温度を変化させた後に第1の波長の光の強度を一定にして第2の波長の光の強度を変化させて電気信号の強度が最低となったときの第2の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、音響モードを推定することができる。   In the present invention, the intensity of the light of the second wavelength when the intensity of the electric signal becomes the minimum by changing the intensity of the light of the second wavelength while keeping the intensity of the light of the first wavelength constant. After the measurement result and the temperature of the object to be measured are changed by the temperature control means, the intensity of the light of the first wavelength is made constant by changing the intensity of the light of the second wavelength, and the intensity of the electric signal becomes the minimum. The acoustic mode can be estimated based on the change amount of the light intensity obtained from the measurement result of the light intensity of the second wavelength at that time and the change amount of the light intensity obtained from the known data set.

また、本発明では、光照射手段が、異なる波長の複数の光をそれぞれ平行光にして被測定物の略同一領域に同軸で照射することにより、音波の干渉の影響を低減することができる。   Further, in the present invention, the light irradiating means converts a plurality of lights having different wavelengths into parallel light and irradiates substantially the same region of the object to be measured coaxially, thereby reducing the influence of the interference of the sound wave.

円筒空洞内での音波の共振モードを説明する図である。It is a figure explaining the resonance mode of the sound wave in a cylindrical cavity. 光変調周波数と音圧との関係の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the relationship between a light modulation frequency and a sound pressure. グルコース濃度の応答特性を示す図である。It is a figure which shows the response characteristic of glucose concentration. 光変調周波数と音波強度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a light modulation frequency and a sound wave intensity. 本発明の参考例に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the component concentration measuring apparatus which concerns on the reference example of this invention. 本発明の参考例に係る成分濃度測定装置の情報処理装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the information processing apparatus of the component density | concentration measuring apparatus which concerns on the reference example of this invention. 本発明の参考例に係る成分濃度測定装置の動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining operation | movement of the component concentration measuring apparatus which concerns on the reference example of this invention. 本発明の参考例における光変調周波数と音波強度との関係の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the relationship between the light modulation frequency and sound wave intensity in the reference example of this invention. 本発明の参考例における光強度変化の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the light intensity change in the reference example of this invention. 本発明の参考例における音響モードと光強度の変化量の比との関係の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the relationship between the acoustic mode in the reference example of this invention, and the ratio of the variation | change_quantity of light intensity. 本発明の参考例におけるグルコース濃度感度と音響モードとの関係の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the relationship between the glucose concentration sensitivity and acoustic mode in the reference example of this invention. 本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the component concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の情報処理装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the information processing apparatus of the component concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining operation | movement of the component concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における光強度変化の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the light intensity change in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における音響モードと光強度の変化量の比との関係の1例を示す図である。It is a figure which shows one example of the relationship between the acoustic mode in embodiment of this invention, and ratio of the variation | change_quantity of light intensity. 音波の反射率と音響インピーダンスとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the reflectance of a sound wave, and acoustic impedance. 従来の成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional component density | concentration measuring apparatus. 従来の光パワーバランスシフト法を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the conventional optical power balance shift method.

[発明の原理]
本発明では、コリメートされた光を用いることで音波の干渉の影響を低減する。被測定物の形状が自由に変更できる場合は、音波の波長の半分に対して径の方が細い円筒形状の被測定物を用いることで、コリメート光と同等の効果を得ることができる。コリメートされた光は、強度分布として以下の式(1)のように表すことができる。
[Principle of the Invention]
In the present invention, the influence of sound wave interference is reduced by using collimated light. When the shape of the object to be measured can be freely changed, an effect equivalent to that of collimated light can be obtained by using the object to be measured having a cylindrical shape whose diameter is smaller than half the wavelength of the sound wave. The collimated light can be expressed as the following expression (1) as an intensity distribution.

また、光音響効果で生じる音波の大きさSは、以下の式(2)のように表すことができる。   Moreover, the magnitude | size S of the sound wave produced by a photoacoustic effect can be represented like the following formula | equation (2).

式(1)、式(2)において、Cは定数、αは特定の波長の光に対する被測定物の光吸収係数、qは音響モード、F(α,q)は光吸収係数αと音響モードqの関数、ωは変調周波数、wは光ビーム径、zは被測定物表面からの深さ、rは光軸から放射方向の距離、Iは光強度である。
光吸収係数αは式(3)のように記述することができる。
In equations (1) and (2), C is a constant, α is the light absorption coefficient of the object to be measured for light of a specific wavelength, q is the acoustic mode, and F (α, q) is the light absorption coefficient α and the acoustic mode. A function of q, ω is a modulation frequency, w is a light beam diameter, z is a depth from the surface of the object to be measured, r is a distance in the radial direction from the optical axis, and I is a light intensity.
The light absorption coefficient α can be described as in equation (3).

式(3)において、ΔCは被測定物内の特定成分の濃度、ΔTは被測定物の温度、βは特定成分のモル吸光度、γは被測定物の温度吸光度である。なお、α0は初期状態の被測定物の光吸収係数を表している。 In Expression (3), ΔC is the concentration of the specific component in the object to be measured, ΔT is the temperature of the object to be measured, β is the molar absorbance of the specific component, and γ is the temperature absorbance of the object to be measured. Α 0 represents the light absorption coefficient of the object to be measured in the initial state.

たとえば、円筒形の共振器内においては、音響波のモードは以下のような式(4)、式(5)で与えられる。音響波のモードには、長手方向、円周方向、半径方向のモードがある。   For example, in a cylindrical resonator, the acoustic wave mode is given by the following equations (4) and (5). Acoustic wave modes include longitudinal, circumferential, and radial modes.

式(4)、式(5)において、cは被測定物内の音速、qは光軸方向の音響モード、Rは円筒の半径、Lは円筒の長さ、αm,nは被測定物壁面で径方向の音圧変化が0という境界条件を満たすn次の根である。 In equations (4) and (5), c is the speed of sound in the object to be measured, q is the acoustic mode in the optical axis direction, R is the radius of the cylinder, L is the length of the cylinder, and α m, n is the object to be measured. This is the nth-order root that satisfies the boundary condition that the change in sound pressure in the radial direction on the wall surface is zero.

被測定物を収容するケースが円筒形、すなわち光音響エネルギーが閉じ込められる空間が円筒空洞である場合の、この円筒空洞内での共振を例にとった音波の共振モードを図1に示す。ここで、Rは円筒の半径、Lは円筒の長さ、jは半径方向(Radial)のモードの番号、mは円周方向(Azimuthal)のモードの番号、qは長手方向(Longitudinal)のモードの番号である。   FIG. 1 shows a resonance mode of a sound wave taking a resonance in this cylindrical cavity as an example when the case accommodating the object to be measured is cylindrical, that is, the space in which the photoacoustic energy is confined is a cylindrical cavity. Where R is the radius of the cylinder, L is the length of the cylinder, j is the number of the radial mode, m is the number of the circumferential mode, and q is the longitudinal mode. Is the number.

変調周波数と音圧との関係を図2に示す。図2中の(101)、(200)、(102)、(300)は共振モード(jmq)を示しており、例えば(101)は半径方向のモードの番号jが1、円周方向のモードの番号mが0、長手方向のモードの番号qが1であることを示している。このように、円筒形の共振器内では、音波は様々なモードで共振し、それらが複雑に干渉し合った音波の分布が生じている。   The relationship between the modulation frequency and the sound pressure is shown in FIG. 2, (101), (200), (102), (300) indicate the resonance mode (jmq). For example, (101) is the mode number j in the radial direction, and the mode in the circumferential direction. This indicates that the number m is 0 and the mode number q in the longitudinal direction is 1. Thus, in the cylindrical resonator, the sound wave resonates in various modes, and a sound wave distribution in which they interfere with each other in a complicated manner is generated.

例えば、コリメートされた光を被測定物に照射する場合、上記のqは円筒軸方向の定在波モードに相当する(図1)。また、関数Fは、この場合、近似的に式(6)のように記述することができるため、モードごとに離散的な値をとる。   For example, when the object to be measured is irradiated with collimated light, q corresponds to the standing wave mode in the cylindrical axis direction (FIG. 1). In this case, the function F can be described approximately as shown in the equation (6), and thus takes a discrete value for each mode.

ここで、光吸収係数αi、関数Fiのiは光の波長に対応する添え字である。平行平板間の音波の共振においても、円筒内の音波の共振と同様に扱うことができる。ここで、波長が異なり、180°位相がずれた2つの光を被測定物に照射する場合に発生する音波の大きさSは、それぞれの光により生ずる音波の重ね合わせとして次のように表すことができる。 Here, the light absorption coefficient α i and i of the function F i are subscripts corresponding to the wavelength of light. The resonance of the sound wave between the parallel plates can be handled in the same manner as the resonance of the sound wave in the cylinder. Here, the magnitude S of the sound wave generated when the object to be measured is irradiated with two lights having different wavelengths and having a phase difference of 180 ° is expressed as the superposition of the sound waves generated by the respective lights as follows. Can do.

1,S2は2つの音波の大きさである。OPBS法では、音波の信号強度が最少、すなわち理想的にゼロになる状態を考えることと同等であることから、S1=S2となる。
被測定物内の特定の成分がΔCだけ濃度変化したとすると、以下の式(8)が成立する。
S 1 and S 2 are the magnitudes of two sound waves. In the OPBS method, S 1 = S 2 because it is equivalent to considering a state where the signal intensity of the sound wave is minimum, that is, ideally zero.
Assuming that a specific component in the object to be measured changes in concentration by ΔC, the following equation (8) is established.

1は第1の光の強度、I2は第2の光の強度、ΔI2は被測定物内の特定成分がΔCだけ濃度変化したときの第2の光の強度の変化量である。式(8)から、当該成分濃度変化と光強度変化の関係は式(9)、式(10)のように近似できる。 I 1 is the intensity of the first light, I 2 is the intensity of the second light, and ΔI 2 is the amount of change in the intensity of the second light when the concentration of the specific component in the object to be measured changes by ΔC. From the equation (8), the relationship between the component concentration change and the light intensity change can be approximated as in the equations (9) and (10).

式(9)、式(10)より音響モードqおよび背景光吸収が分かれば、濃度変化の感度が求められる。被測定物をほぼ水と仮定し、グルコース濃度が変化したときの応答特性の例を図3に示す。図3によれば、グルコース濃度に比例して光強度が変化していくこと、音響モードqにより測定感度が変化することが示される。また、音響モードqを利用することで、測定感度を大きく向上させることができ、グルコース水溶液系でいえば、殊に偶次の音響モードを利用する場合、0次の音響モードの場合の5倍程度の測定感度向上が期待される。   If the acoustic mode q and the background light absorption are known from the equations (9) and (10), the sensitivity of density change can be obtained. FIG. 3 shows an example of response characteristics when the measured object is almost water and the glucose concentration changes. FIG. 3 shows that the light intensity changes in proportion to the glucose concentration, and that the measurement sensitivity changes depending on the acoustic mode q. In addition, by using the acoustic mode q, the measurement sensitivity can be greatly improved. In the case of a glucose aqueous solution system, especially when the even-order acoustic mode is used, it is five times the case of the zero-order acoustic mode. A degree of measurement sensitivity improvement is expected.

式(9)を用いて測定感度を向上させる方法として、後述の参考例の方法と本発明の方法の2つについて説明する。 Two methods, the method of the reference example described later and the method of the present invention, will be described as methods for improving the measurement sensitivity using Equation (9).

参考例の方法
第1の波長の光を被測定物に照射し、光の変調周波数を任意の範囲で掃引することで図4に示すような変調周波数と音圧との関係を取得する。この図4のピークから被測定物内での音波の共振周波数を選択することができる。
[ Reference Example Method ]
The relationship between the modulation frequency and the sound pressure as shown in FIG. 4 is acquired by irradiating the object to be measured with light of the first wavelength and sweeping the modulation frequency of the light in an arbitrary range. The resonance frequency of the sound wave in the object to be measured can be selected from the peak in FIG.

次に前述のとおり、光波長が異なり位相差が180°の2つの光ビームを被測定物に対して、同一の光出力口から照射する。このときの光変調周波数は上記で選択した変調周波数である。第1の波長の光の強度を一定に固定し、第2の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第2の波長の光の強度I0を測定する。 Next, as described above, two light beams having different light wavelengths and a phase difference of 180 ° are irradiated to the object to be measured from the same light output port. The light modulation frequency at this time is the modulation frequency selected above. The intensity I 0 of the second wavelength light is measured while the intensity of the generated sound wave is minimized while the intensity of the first wavelength light is fixed and the intensity of the second wavelength light is increased or decreased.

次に、第2の波長の光を被測定物に対する光吸収係数が既知の第3の波長の光に切り替えて、上記と同様に第3の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第3の波長の光の強度I1を測定する。求めた光強度I0,I1より光強度I0に対する光強度の変化量(I1−I0)の比ΔI/Iは式(11)のようになる。 Next, by switching the light of the second wavelength to the light of the third wavelength whose light absorption coefficient for the object to be measured is known, the sound wave intensity generated while increasing or decreasing the intensity of the light of the third wavelength in the same manner as described above. Measure the intensity I 1 of the light of the third wavelength that minimizes. The ratio ΔI / I of the change amount (I 1 −I 0 ) of the light intensity with respect to the light intensity I 0 from the obtained light intensity I 0 , I 1 is expressed by the equation (11).

ここで、十分コリメートされた光を用いた場合、上式の関係は各音響モードqに対して次式で与えられる。   Here, when sufficiently collimated light is used, the relationship of the above equation is given by the following equation for each acoustic mode q.

関数Fi,光吸収係数αiのiは光の波長に対応する添え字である。F1は第1の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードqの関数、F2は第2の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードqの関数、F1’は第3の波長を用いるときの第1の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードqの関数、F2’は第3の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードqの関数、α2は第2の波長の光に対する被測定物の光吸収係数である。 The function F i and i of the light absorption coefficient α i are subscripts corresponding to the wavelength of light. F 1 is a function of light absorption coefficient α and acoustic mode q for light of the first wavelength, F 2 is a function of light absorption coefficient α and acoustic mode q for light of the second wavelength, and F 1 ′ is a third wavelength. Is a function of the light absorption coefficient α and the acoustic mode q for the first wavelength light, F 2 ′ is a function of the light absorption coefficient α and the acoustic mode q for the third wavelength light, and α 2 is the second function. It is a light absorption coefficient of the object to be measured with respect to light of a wavelength.

式(11)と式(12)を比較して、最も濃度測定感度が近しい応答を探し音響モードqを推定することができる。推定した音響モードqが、所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードであった場合、現在の光変調周波数を用いて測定を実施する。推定した音響モードqが、所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードと異なる場合は、規定の音響モードとなるまで、図4の別のピークの変調周波数に変更しながら上記手順を実施する。   By comparing the equations (11) and (12), the acoustic mode q can be estimated by searching for a response with the closest density measurement sensitivity. If the estimated acoustic mode q is a prescribed acoustic mode that provides the required concentration measurement sensitivity, measurement is performed using the current light modulation frequency. When the estimated acoustic mode q is different from the prescribed acoustic mode that provides the required concentration measurement sensitivity, the above procedure is performed while changing to the modulation frequency of another peak in FIG. 4 until the prescribed acoustic mode is obtained. .

本発明の方法
参考例の方法と同様に、第1の波長の光を被測定物に照射し、光の変調周波数を任意の範囲で掃引することで図4に示すような変調周波数と音圧との関係を取得する。この図4のピークから被測定物内での音波の共振周波数を選択することができる。
[ Method of the present invention ]
Similar to the method of the reference example, the relationship between the modulation frequency and the sound pressure as shown in FIG. 4 is obtained by irradiating the object to be measured with light of the first wavelength and sweeping the modulation frequency of the light in an arbitrary range. get. The resonance frequency of the sound wave in the object to be measured can be selected from the peak in FIG.

次に前述のとおり、光波長が異なり位相差が180°の2つの光ビームを被測定物に対して、同一光出力口から照射する。このときの変調周波数は上記で選択した変調周波数である。第1の波長の光の強度を一定に固定し、第2の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第2の波長の光の強度I0を測定する。 Next, as described above, two light beams having different light wavelengths and a phase difference of 180 ° are irradiated to the object to be measured from the same light output port. The modulation frequency at this time is the modulation frequency selected above. The intensity I 0 of the second wavelength light is measured while the intensity of the generated sound wave is minimized while the intensity of the first wavelength light is fixed and the intensity of the second wavelength light is increased or decreased.

次に、温度制御器を用いて被測定物の温度をΔTだけ変化させ、上記と同様に第2の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第2の波長の光の強度I1を測定する。求めた光強度I0,I1より光強度I0に対する光強度の変化量(I1−I0)の比ΔI/Iは式(14)のようになる。 Next, the temperature of the object to be measured is changed by ΔT using a temperature controller, and the intensity of the generated sound wave is minimized while increasing or decreasing the intensity of the second wavelength light in the same manner as described above. The light intensity I 1 is measured. The ratio ΔI / I of the change amount (I 1 −I 0 ) of the light intensity with respect to the light intensity I 0 from the obtained light intensity I 0 , I 1 is expressed by the following equation (14).

被測定物の温度変化に対する光吸収係数変化は、スペクトルデータセットより光吸収係数の温度依存性γで与えた場合、次式で温度に対する応答特性が与えられる。   When the change in the light absorption coefficient with respect to the temperature change of the object to be measured is given by the temperature dependence γ of the light absorption coefficient from the spectral data set, the response characteristic with respect to temperature is given by

γ1は第1の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α1の温度依存性、γ2は第2の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α2の温度依存性である。 γ 1 is the temperature dependence of the light absorption coefficient α 1 of the object to be measured with respect to the first wavelength light, and γ 2 is the temperature dependence of the light absorption coefficient α 2 of the object to be measured with respect to the light of the second wavelength.

式(14)と式(15)を比較して、最も濃度測定感度が近しい応答を探し音響モードqを推定することができる。推定した音響モードqが、所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードであった場合、現在の光変調周波数を用いて測定を実施する。推定した音響モードqが、所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードと異なる場合は、規定の音響モードとなるまで、図4の別のピークの変調周波数に変更しながら上記手順を実施する。   By comparing the equations (14) and (15), the acoustic mode q can be estimated by looking for a response with the closest concentration measurement sensitivity. If the estimated acoustic mode q is a prescribed acoustic mode that provides the required concentration measurement sensitivity, measurement is performed using the current light modulation frequency. When the estimated acoustic mode q is different from the prescribed acoustic mode that provides the required concentration measurement sensitivity, the above procedure is performed while changing to the modulation frequency of another peak in FIG. 4 until the prescribed acoustic mode is obtained. .

光音響法の音波共振モードを利用してグルコース水溶液のグルコース濃度測定感度を向上させる場合を例にとって下記に示す。   An example in which the glucose concentration measurement sensitivity of the aqueous glucose solution is improved using the acoustic resonance mode of the photoacoustic method will be described below.

参考例
以下、本発明の参考例について図面を参照して説明する。図5は本発明の参考例に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。本参考例の成分濃度測定装置は、レーザ光を放射するレーザダイオード1−1,1−2,1−3と、レーザダイオード1−1,1−2,1−3を駆動するレーザドライバ2と、レーザダイオード1−1,1−2,1−3から放射されたレーザ光を導く光ファイバ3−1,3−2,3−3と、レーザダイオード1−1,1−2,1−3から放射されたレーザ光を合波する光カプラ4と、光カプラ4によって合波されたレーザ光を導く光ファイバ5と、光音響効果によって被測定物11から発生する光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する光音響信号検出手段となる音響センサ6と、音響センサ6から出力された電気信号を増幅する増幅器7と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ8と、増幅器7の出力信号とファンクションジェネレータ8から出力された参照信号とを入力として、増幅器7の出力信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプ9と、レーザドライバ2とファンクションジェネレータ8とロックインアンプ9とを制御すると共に、ロックインアンプ9が検出した測定信号を処理して特定の成分濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置10とから構成される。
[ Reference example ]
Hereinafter, reference examples of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a component concentration measuring apparatus according to a reference example of the present invention. The component concentration measuring apparatus of this reference example includes laser diodes 1-1, 1-2, 1-3 that emit laser light, and a laser driver 2 that drives the laser diodes 1-1, 1-2, 1-3. , Optical fibers 3-1, 3-2 and 3-3 for guiding laser light emitted from the laser diodes 1-1, 1-2 and 1-3, and laser diodes 1-1, 1-2 and 1-3. An optical coupler 4 for combining the laser light emitted from the optical fiber 5, an optical fiber 5 for guiding the laser light combined by the optical coupler 4, and a photoacoustic signal generated from the object to be measured 11 by the photoacoustic effect; An acoustic sensor 6 serving as a photoacoustic signal detection means for converting an electrical signal proportional to the sound pressure, an amplifier 7 for amplifying the electrical signal output from the acoustic sensor 6, a function generator 8 for generating a reference signal, and an amplifier 7 Output signals and The lock-in amplifier 9 that detects a measurement signal of a desired frequency from the output signal of the amplifier 7, the laser driver 2, the function generator 8, and the lock-in amplifier 9 is controlled using the reference signal output from the motion generator 8 as an input. In addition, the information processing apparatus 10 includes a computer that processes a measurement signal detected by the lock-in amplifier 9 to derive a specific component concentration.

レーザダイオード1−1,1−2,1−3とレーザドライバ2とファンクションジェネレータ8とは、光照射手段を構成している。情報処理装置10とファンクションジェネレータ8とは、光強度制御手段を構成している。   The laser diodes 1-1, 1-2, 1-3, the laser driver 2, and the function generator 8 constitute light irradiation means. The information processing apparatus 10 and the function generator 8 constitute light intensity control means.

レーザダイオード1−1,1−2,1−3の例としては、例えば分布帰還型半導体レーザ(DFB−LD)等がある。音響センサ6の例としては、圧電センサを用いるマイクロホンがある。
なお、被測定物11は例えば円筒形の光音響セル(不図示)内に導入され、光音響セルに設けられたガラス製の光学窓を通してレーザ光が照射されるようになっている。
Examples of the laser diodes 1-1, 1-2, and 1-3 include, for example, a distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD). An example of the acoustic sensor 6 is a microphone using a piezoelectric sensor.
The object to be measured 11 is introduced into, for example, a cylindrical photoacoustic cell (not shown), and laser light is irradiated through a glass optical window provided in the photoacoustic cell.

図6は情報処理装置10の構成を示すブロック図である。情報処理装置10は、ファンクションジェネレータ8を制御するジェネレータ制御部100と、ファンクションジェネレータ8を介して光の強度を制御する光強度制御部101と、レーザダイオード1−1〜1−3から放射された光の強度を測定する光強度測定手段となる光強度測定部102と、強度を変化させる光の波長が異なる2つの時点または被測定物11の温度が異なる2つの時点について、それぞれ測定信号の強度が最低となったときの光強度の測定結果から得られる光強度の変化量を算出する光強度変化量算出部103と、強度を変化させる光の波長が異なる2つの時点または被測定物11の温度が異なる2つの時点について、それぞれ測定信号の強度が最低となったときの光強度の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定部104と、音響モード推定部104が推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるように、被測定物11に照射する複数の光の変調周波数を変更するピーク変調周波数変更部105と、被測定物11内の特定成分の濃度を導出する濃度導出部106と、情報記憶のための記憶部107とを有する。   FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of the information processing apparatus 10. The information processing apparatus 10 is radiated from the generator control unit 100 that controls the function generator 8, the light intensity control unit 101 that controls the intensity of light via the function generator 8, and the laser diodes 1-1 to 1-3. The intensity of the measurement signal at each of the light intensity measuring unit 102 serving as a light intensity measuring means for measuring the light intensity and two time points at which the wavelength of the light whose intensity is changed are different or two time points at which the temperature of the object to be measured 11 is different. Of the light intensity change amount calculation unit 103 for calculating the change amount of the light intensity obtained from the measurement result of the light intensity when the light intensity becomes the minimum, and two time points at which the wavelengths of the light whose intensity changes are different or the measurement object 11 For two time points with different temperatures, the amount of change in the light intensity obtained from the measurement result of the light intensity when the intensity of the measurement signal is the lowest, The acoustic mode estimation unit 104 that estimates the acoustic mode that is the resonance mode of the photoacoustic signal based on the amount of change in the light intensity obtained from the data set, and the acoustic mode estimated by the acoustic mode estimation unit 104 is the required concentration measurement. The peak modulation frequency changing unit 105 that changes the modulation frequency of a plurality of lights irradiated to the object to be measured 11 and the concentration of a specific component in the object to be measured 11 are derived so that the specified acoustic mode can be obtained. It has a density deriving unit 106 and a storage unit 107 for storing information.

次に、本参考例の成分濃度測定装置の動作を図7のフローチャートを参照して説明する。初めに、レーザダイオード1−1(第1の光源)のみを動作させる。レーザドライバ2から駆動電流が供給されると、レーザダイオード1−1はレーザ光(連続光)を放射する。このとき、レーザドライバ2から矩形波の駆動電流が供給されることにより、レーザダイオード1−1は強度変調光を放射する。レーザダイオード1−1から放射される光の波長(第1の波長)は例えば1382nmである。レーザダイオード1−1から放射された強度変調光は、光ファイバ3−1によって導かれ、光カプラ4および光ファイバ5を介して被測定物11に照射される(図7ステップS200)。 Next, the operation of the component concentration measuring apparatus of this reference example will be described with reference to the flowchart of FIG. First, only the laser diode 1-1 (first light source) is operated. When a drive current is supplied from the laser driver 2, the laser diode 1-1 emits laser light (continuous light). At this time, when a rectangular-wave drive current is supplied from the laser driver 2, the laser diode 1-1 emits intensity-modulated light. The wavelength (first wavelength) of the light emitted from the laser diode 1-1 is, for example, 1382 nm. The intensity-modulated light emitted from the laser diode 1-1 is guided by the optical fiber 3-1, and irradiated onto the device under test 11 through the optical coupler 4 and the optical fiber 5 (step S200 in FIG. 7).

音響センサ6は、被測定物11から発生する光音響信号を検出し、増幅器7は、音響センサ8から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ9は、増幅器7の出力に含まれる信号のうち、ファンクションジェネレータ8から出力される参照信号によって決まる周波数の測定信号を検出する。   The acoustic sensor 6 detects a photoacoustic signal generated from the device under test 11, and the amplifier 7 amplifies the electrical signal output from the acoustic sensor 8. The lock-in amplifier 9 detects a measurement signal having a frequency determined by the reference signal output from the function generator 8 among the signals included in the output of the amplifier 7.

情報処理装置10のジェネレータ制御部100は、ファンクションジェネレータ8が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を漸次変化させると共に、ロックインアンプ11が検出する測定信号の周波数(光変調周波数と同一の周波数)を漸次変化させる光変調周波数掃引を行う(図7ステップS201)。   The generator control unit 100 of the information processing apparatus 10 changes the frequency of the reference current generated by the function generator 8 to change the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-1, thereby performing optical modulation. The optical modulation frequency sweep is performed to gradually change the frequency and gradually change the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 11 (the same frequency as the optical modulation frequency) (step S201 in FIG. 7).

こうして、光変調周波数と測定信号の振幅(音圧)との関係を取得し(図7ステップS202)、測定信号の振幅が最大の光変調周波数であるピーク変調周波数を探索する(図7ステップS203)。本参考例において得られた光変調周波数と音波強度との関係を図8に示す。 Thus, the relationship between the optical modulation frequency and the amplitude (sound pressure) of the measurement signal is acquired (step S202 in FIG. 7), and the peak modulation frequency that is the optical modulation frequency with the maximum amplitude of the measurement signal is searched (step S203 in FIG. 7). ). FIG. 8 shows the relationship between the light modulation frequency and the sound wave intensity obtained in this reference example .

次に、レーザダイオード1−1を再び動作させて連続光を出力させ(図7ステップS204)、続いてレーザダイオード1−2(第2の光源)を動作させて連続光を出力させる(図7ステップS205)。レーザダイオード1−1から放射される光の波長は例えば1382nm、レーザダイオード1−2から放射される光の波長(第2の波長)は例えば1610nmであり、2つのレーザダイオード1−1,1−2から放射される光の波長は異なる。   Next, the laser diode 1-1 is operated again to output continuous light (step S204 in FIG. 7), and then the laser diode 1-2 (second light source) is operated to output continuous light (FIG. 7). Step S205). The wavelength of the light emitted from the laser diode 1-1 is, for example, 1382 nm, and the wavelength (second wavelength) of the light emitted from the laser diode 1-2 is, for example, 1610 nm. The two laser diodes 1-1, 1- The wavelengths of light emitted from the two are different.

情報処理装置10のジェネレータ制御部100は、ファンクションジェネレータ8が発生する2つの参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1,1−2に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を上記のピーク変調周波数に設定すると共に、ロックインアンプ9が検出する測定信号の周波数をピーク変調周波数に設定する。このとき、レーザドライバ2から、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード1−1,1−2に供給させることにより、レーザダイオード1−1,1−2から放射される光を同一周波数(ピーク変調周波数)で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する(図7ステップS206)。したがって、本参考例では、互いに異なる波長の2波のレーザ光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調して2つの強度変調光を生成することになる。 The generator control unit 100 of the information processing apparatus 10 changes the frequency of the two reference signals generated by the function generator 8 to change the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-2. And the optical modulation frequency is set to the peak modulation frequency, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 9 is set to the peak modulation frequency. At this time, light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 is supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-2 by supplying a rectangular-wave drive current of the same frequency and opposite phase. Intensity modulation is performed with signals having the same frequency (peak modulation frequency) and opposite phases (step S206 in FIG. 7). Therefore, in the present reference example , two intensity-modulated lights are generated by intensity-modulating two laser beams having different wavelengths with signals having the same frequency and opposite phases.

レーザダイオード1−1,1−2から放射された強度変調光は、それぞれ光ファイバ3−1,3−2によって導かれ、光カプラ4によって合波され、さらに光ファイバ5によって導かれ、被測定物11に照射される。   The intensity-modulated lights emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 are respectively guided by the optical fibers 3-1 and 3-2, combined by the optical coupler 4, and further guided by the optical fiber 5 to be measured. The object 11 is irradiated.

情報処理装置10の光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ8を制御して、レーザダイオード1−1を駆動するための参照信号の電圧を所定値に設定することにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1に供給される駆動電流の大きさを一定にし、レーザダイオード1−1から放射される光の強度を一定にする(図7ステップS207)。   The light intensity control unit 101 of the information processing apparatus 10 controls the function generator 8 to set the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-1 to a predetermined value. -1 is made constant, and the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 is made constant (step S207 in FIG. 7).

また、情報処理装置10の光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ8を制御して、レーザダイオード1−2を駆動するための参照信号の電圧を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−2に供給される駆動電流の大きさを変化させ、レーザダイオード1−2から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ9から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード1−2から放射される光の強度を調節する(図7ステップS208)。   Further, the light intensity control unit 101 of the information processing apparatus 10 controls the function generator 8 to change the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-2, so that the laser driver 2 changes the laser diode 1-. The intensity of the measurement signal output from the lock-in amplifier 9 is minimized by performing a light intensity sweep that changes the intensity of the drive current supplied to 2 and gradually changes the intensity of light emitted from the laser diode 1-2. The intensity of light emitted from the laser diode 1-2 is adjusted so as to become (step S208 in FIG. 7).

情報処理装置10の光強度測定部102は、レーザダイオード1−2から放射される光の強度を測定する。光強度測定部102は、ファンクションジェネレータ8から出力されている、レーザダイオード1−2の駆動用の参照信号の電圧を取得する。情報処理装置10の記憶部107には、参照信号の電圧とレーザダイオード1−2から放射される光の強度との関係を示すキャリブレーションデータが予め記憶されている。キャリブレーションデータは、電圧と強度の実測により予め求めておくことができる。光強度測定部102は、このようなキャリブレーションデータを参照し、取得した参照信号の電圧を、レーザダイオード1−2から放射された光の強度に換算する。光強度測定部102は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード1−2から放射される光の強度I0を記憶部107に格納する(図7ステップS209)。 The light intensity measurement unit 102 of the information processing apparatus 10 measures the intensity of light emitted from the laser diode 1-2. The light intensity measurement unit 102 acquires the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-2 output from the function generator 8. The storage unit 107 of the information processing apparatus 10 stores in advance calibration data indicating the relationship between the voltage of the reference signal and the intensity of light emitted from the laser diode 1-2. Calibration data can be obtained in advance by actual measurement of voltage and intensity. The light intensity measurement unit 102 refers to such calibration data, and converts the voltage of the acquired reference signal into the intensity of light emitted from the laser diode 1-2. The light intensity measurement unit 102 stores the intensity I 0 of the light emitted from the laser diode 1-2 when the amplitude of the measurement signal is minimum in the storage unit 107 (step S209 in FIG. 7).

次に、レーザダイオード1−2の動作を停止させて、レーザダイオード1−3(第3の光源)を動作させて連続光を出力させる(図7ステップS210)。レーザダイオード1−3から放射される光の波長(第3の波長)は例えば1650nmであり、2つのレーザダイオード1−1,1−3から放射される光の波長は異なる。   Next, the operation of the laser diode 1-2 is stopped, and the laser diode 1-3 (third light source) is operated to output continuous light (step S210 in FIG. 7). The wavelength of light emitted from the laser diode 1-3 (third wavelength) is, for example, 1650 nm, and the wavelengths of light emitted from the two laser diodes 1-1 and 1-3 are different.

情報処理装置10のジェネレータ制御部100は、ファンクションジェネレータ8が発生する2つの参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1,1−3に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を上記のピーク変調周波数に設定すると共に、ロックインアンプ9が検出する測定信号の周波数をピーク変調周波数に設定する。このとき、レーザドライバ2から、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード1−1,1−3に供給させることにより、レーザダイオード1−1,1−3から放射される光を同一周波数(ピーク変調周波数)で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する(図7ステップS211)。   The generator control unit 100 of the information processing apparatus 10 changes the frequency of the two reference signals generated by the function generator 8 to change the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-3. And the optical modulation frequency is set to the peak modulation frequency, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 9 is set to the peak modulation frequency. At this time, light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-3 is supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-3 by supplying a rectangular-wave drive current having the same frequency and opposite phase. Intensity modulation is performed using signals having the same frequency (peak modulation frequency) and opposite phases (step S211 in FIG. 7).

情報処理装置10の光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ8を制御して、レーザダイオード1−3を駆動するための参照信号の電圧を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−3に供給される駆動電流の大きさを変化させ、レーザダイオード1−3から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ9から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード1−3から放射される光の強度を調節する(図7ステップS212)。上記のとおり、レーザダイオード1−1から放射される光の強度は一定である。   The light intensity control unit 101 of the information processing apparatus 10 controls the function generator 8 to change the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-3 to change the laser driver 2 to the laser diode 1-3. The intensity of the measurement signal output from the lock-in amplifier 9 is minimized by changing the magnitude of the supplied drive current and performing a light intensity sweep that gradually changes the intensity of the light emitted from the laser diode 1-3. In this way, the intensity of light emitted from the laser diode 1-3 is adjusted (step S212 in FIG. 7). As described above, the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 is constant.

情報処理装置10の光強度測定部102は、レーザダイオード1−3から放射される光の強度を測定する。光強度測定部102は、ファンクションジェネレータ8から出力されている、レーザダイオード1−3の駆動用の参照信号の電圧を取得する。上記と同様に、情報処理装置10の記憶部107には、参照信号の電圧とレーザダイオード1−3から放射される光の強度との関係を示すキャリブレーションデータが予め記憶されている。光強度測定部102は、このようなキャリブレーションデータを参照し、取得した参照信号の電圧を、レーザダイオード1−3から放射された光の強度に換算する。光強度測定部102は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード1−3から放射される光の強度I1を記憶部107に格納する(図7ステップS213)。 The light intensity measurement unit 102 of the information processing apparatus 10 measures the intensity of light emitted from the laser diode 1-3. The light intensity measurement unit 102 acquires the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-3 output from the function generator 8. Similarly to the above, the storage unit 107 of the information processing apparatus 10 stores in advance calibration data indicating the relationship between the voltage of the reference signal and the intensity of light emitted from the laser diode 1-3. The light intensity measurement unit 102 refers to such calibration data, and converts the voltage of the acquired reference signal into the intensity of light emitted from the laser diode 1-3. The light intensity measurement unit 102 stores the intensity I 1 of the light emitted from the laser diode 1-3 when the amplitude of the measurement signal is minimum in the storage unit 107 (step S213 in FIG. 7).

情報処理装置10の光強度変化量算出部103は、ステップS209,S213で求めた光強度I0,I1より光強度I0に対する光強度の変化量ΔI=(I1−I0)の比ΔI/Iを、式(11)により計算する(図7ステップS214)。本参考例における光強度の変化量の比ΔI/Iの例を図9に示す。 The light intensity change amount calculation unit 103 of the information processing apparatus 10 compares the light intensity change amount ΔI = (I 1 −I 0 ) with respect to the light intensity I 0 based on the light intensities I 0 and I 1 obtained in steps S209 and S213. ΔI / I is calculated by equation (11) (step S214 in FIG. 7). An example of the light intensity change ratio ΔI / I in this reference example is shown in FIG.

次に、情報処理装置10の音響モード推定部104は、表1のような所定のデータセットを用いて、光強度の変化量の比ΔI2/I2を式(12)、式(13)により音響モードq毎に計算する(図7ステップS215)。データセットは、第1、第2、第3の波長と、これらの波長の光に対する特定成分(例えばグルコース)の光吸収係数との関係を表すものである。 Next, the acoustic mode estimation unit 104 of the information processing apparatus 10 uses the predetermined data set as shown in Table 1 to calculate the light intensity change amount ratio ΔI 2 / I 2 using the equations (12) and (13). Is calculated for each acoustic mode q (step S215 in FIG. 7). The data set represents the relationship between the first, second, and third wavelengths and the light absorption coefficient of a specific component (for example, glucose) with respect to light of these wavelengths.

関数F1は第1の波長の光に関する光吸収係数α1=0.30/mmと音響モードqから計算することができ、関数F2は第2の波長の光に関する光吸収係数α2=0.28/mmと音響モードqから計算することができる。Δα2は光吸収係数α1に対する光吸収係数α2の変化量である。被測定物11の長さLは既知の値である。 The function F 1 can be calculated from the light absorption coefficient α 1 = 0.30 / mm for the first wavelength light and the acoustic mode q, and the function F 2 is the light absorption coefficient α 2 = for the second wavelength light. It can be calculated from 0.28 / mm and the acoustic mode q. Δα 2 is a change amount of the light absorption coefficient α 2 with respect to the light absorption coefficient α 1 . The length L of the DUT 11 is a known value.

ステップS215の計算の結果から、図10に示すような音響モードqと光強度の変化量の比ΔI2/I2との関係が得られる。情報処理装置10の音響モード推定部104は、ステップS214で計算された光強度の変化量の比ΔI/Iと、ステップS215で計算した光強度の変化量の比ΔI2/I2とが等しくなる音響モードqの値を、今回のピーク変調周波数での音響モードの値として決定する(図7ステップS216)。 From the result of the calculation in step S215, the relationship between the acoustic mode q and the light intensity change ratio ΔI 2 / I 2 as shown in FIG. 10 is obtained. The acoustic mode estimation unit 104 of the information processing apparatus 10 has the light intensity change ratio ΔI / I calculated in step S214 equal to the light intensity change ratio ΔI 2 / I 2 calculated in step S215. The value of the acoustic mode q is determined as the value of the acoustic mode at the current peak modulation frequency (step S216 in FIG. 7).

情報処理装置10のピーク変調周波数変更部105は、音響モード推定部104が推定した音響モードqが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードqでなかった場合(図7ステップS217においてNO)、ステップS203の処理に戻り、ステップS202で取得した光変調周波数と測定信号の振幅との関係において、測定信号の振幅が最大の光変調周波数であるピーク変調周波数のうち、直前の音響モード決定処理(ステップS203〜S216)で選択したピーク変調周波数と別のピーク変調周波数をジェネレータ制御部100に選択させる。こうして、音響モード推定部104が推定した音響モードqが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードqとなるまで、ピーク変調周波数を変更しながらステップS203〜S217の処理が繰り返し実行される。   When the acoustic mode q estimated by the acoustic mode estimation unit 104 is not the prescribed acoustic mode q that provides the required concentration measurement sensitivity (NO in step S217 in FIG. 7), the peak modulation frequency changing unit 105 of the information processing apparatus 10 Returning to the process of step S203, in the relationship between the optical modulation frequency acquired in step S202 and the amplitude of the measurement signal, the acoustic mode determination process immediately before the peak modulation frequency that is the optical modulation frequency with the maximum amplitude of the measurement signal. The generator control unit 100 is made to select a peak modulation frequency different from the peak modulation frequency selected in (Steps S203 to S216). In this way, the processing of steps S203 to S217 is repeatedly executed while changing the peak modulation frequency until the acoustic mode q estimated by the acoustic mode estimation unit 104 becomes the prescribed acoustic mode q that provides the required concentration measurement sensitivity.

ここで、被測定物11内の特定成分(本参考例の例ではグルコース)の濃度測定感度Gと音響モードqとの既知の関係が図11のような関係であった場合、上記の所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとは、例えば最大の濃度測定感度Gが得られる音響モードqのことを言う(図11の例ではq=2)。 Here, when the known relationship between the concentration measurement sensitivity G of the specific component (glucose in the example of the present reference example ) in the DUT 11 and the acoustic mode q is as shown in FIG. The prescribed acoustic mode in which the density measurement sensitivity is obtained refers to, for example, the acoustic mode q in which the maximum density measurement sensitivity G is obtained (q = 2 in the example of FIG. 11).

音響モード推定部104が推定した音響モードqが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードqとなったとき(ステップS217においてYES)、情報処理装置10の濃度導出部106は、直前のステップS214の処理で計算された光強度の変化量の比ΔI/Iに基づいて、測定開始時から任意の時間経過後の時点における被測定物11内の特定成分の濃度の変化量ΔC[%]を計算する(図7ステップS218)。   When the acoustic mode q estimated by the acoustic mode estimation unit 104 becomes the prescribed acoustic mode q that provides the required concentration measurement sensitivity (YES in step S217), the concentration deriving unit 106 of the information processing apparatus 10 performs the previous step. Based on the ratio ΔI / I of the change amount of the light intensity calculated in the process of S214, the change amount ΔC [%] of the concentration of the specific component in the DUT 11 at an arbitrary time after the start of measurement. Is calculated (step S218 in FIG. 7).

このとき、濃度導出部106は、規定の音響モードqのときの濃度測定感度Gqに対する音響モードq=0のときの濃度測定感度G0の比G0/Gqを補正係数Aとして決定し、この補正係数Aと直前のステップS214の処理で計算された光強度の変化量の比ΔI/Iに基づいて、被測定物11内の特定成分の濃度の変化量ΔC[%]を式(17)により計算する。例えば規定の音響モードqがq=2であるとすれば、音響モードq=2のときの濃度測定感度Gqは音響モードq=0のときの濃度測定感度G0より約5倍大きいので、補正係数A=1/5と求めることができる。   At this time, the concentration deriving unit 106 determines the ratio G0 / Gq of the density measurement sensitivity G0 when the acoustic mode q = 0 to the density measurement sensitivity Gq when the specified acoustic mode q is the correction coefficient A, and this correction coefficient Based on the ratio ΔI / I of the change amount of the light intensity calculated in the process of A and the immediately preceding step S214, the change amount ΔC [%] of the concentration of the specific component in the DUT 11 is calculated by the equation (17). To do. For example, if the specified acoustic mode q is q = 2, the density measurement sensitivity Gq when the acoustic mode q = 2 is approximately five times larger than the density measurement sensitivity G0 when the acoustic mode q = 0. A = 1/5.

最後に、濃度導出部106は、ステップS218で計算した特定成分の濃度の変化量ΔC[%]と特定成分の既知の参照濃度とから、任意の時間経過後の時点における特定成分の濃度を計算する(図7ステップS219)。なお、参照濃度は、被測定物11に対して標準的な血糖測定法を実施することにより得ることができる。標準的な血糖測定法を実施するには、血糖測定器の本体に、グルコースセンサーを差し込み、針を専用の機械(または本体)にセットして、指などから採血し、グルコースセンサーに血を吸収させる。標準的な血糖測定法は、既知濃度のグルコース液を標準校正液として機械動作確認用に用いる。初期動作時に機械が正常に動いているかを確認したり、血糖値が異常値にあるか(正常に機械が動作しているか)を確認したりするときに用いる。このような標準的な血糖測定法を、測定開始時の例えばピーク変調周波数の選択時に実施しておけばよい。   Finally, the concentration deriving unit 106 calculates the concentration of the specific component at an arbitrary time point after the elapse of an arbitrary time from the change amount ΔC [%] of the concentration of the specific component calculated in step S218 and the known reference concentration of the specific component. (Step S219 in FIG. 7). The reference concentration can be obtained by performing a standard blood glucose measurement method on the object to be measured 11. To perform a standard blood glucose measurement method, insert a glucose sensor into the body of the blood glucose meter, set the needle on a dedicated machine (or body), collect blood from a finger, etc., and absorb the blood into the glucose sensor. Let A standard blood glucose measurement method uses a known concentration of glucose solution as a standard calibration solution for machine operation confirmation. It is used to check whether the machine is operating normally during initial operation, or to check whether the blood glucose level is abnormal (ie, whether the machine is operating normally). Such a standard blood glucose measurement method may be performed at the time of starting measurement, for example, when selecting a peak modulation frequency.

以上のようにして、本参考例では、被測定物11に含まれる特定成分の濃度変化に対する測定感度を向上させることができる。 As described above, in this reference example, it is possible to improve the measurement sensitivity with respect to the concentration change of the specific component contained in the DUT 11.

実施の形態
次に、本発明の実施の形態について説明する。図12は本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図であり、図5と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の成分濃度測定装置は、レーザダイオード1−1,1−2と、レーザドライバ2と、光ファイバ3−1,3−2と、光カプラ4と、光ファイバ5と、音響センサ6と、増幅器7と、ファンクションジェネレータ8と、ロックインアンプ9と、情報処理装置10aと、被測定物11の温度を変化させる温度制御器12とから構成される。
[ Embodiment ]
Next, an embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of the component concentration measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. The same components as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals. The component concentration measuring apparatus according to the present embodiment includes laser diodes 1-1 and 1-2, a laser driver 2, optical fibers 3-1 and 3-2, an optical coupler 4, an optical fiber 5, and an acoustic sensor. 6, an amplifier 7, a function generator 8, a lock-in amplifier 9, an information processing device 10 a, and a temperature controller 12 that changes the temperature of the DUT 11.

図13は本実施の形態の情報処理装置10aの構成を示すブロック図である。情報処理装置10aは、ジェネレータ制御部100と、光強度制御部101と、光強度測定部102と、光強度変化量算出部103と、音響モード推定部104と、ピーク変調周波数変更部105と、濃度導出部106と、記憶部107と、被測定物11の温度を制御する温度制御部108とを有する。   FIG. 13 is a block diagram showing the configuration of the information processing apparatus 10a of this embodiment. The information processing apparatus 10a includes a generator control unit 100, a light intensity control unit 101, a light intensity measurement unit 102, a light intensity change amount calculation unit 103, an acoustic mode estimation unit 104, a peak modulation frequency change unit 105, The concentration derivation unit 106, the storage unit 107, and the temperature control unit 108 that controls the temperature of the DUT 11 are provided.

次に、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作を図14のフローチャートを参照して説明する。初めに、レーザダイオード1−1(第1の光源)のみを動作させる。レーザドライバ2から駆動電流が供給されると、レーザダイオード1−1はレーザ光(連続光)を放射する。このとき、レーザドライバ2から矩形波の駆動電流が供給されることにより、レーザダイオード1−1は強度変調光を放射する。参考例と同様に、レーザダイオード1−1から放射される光の波長(第1の波長)は例えば1382nmである。レーザダイオード1−1から放射された強度変調光は、光ファイバ3−1によって導かれ、光カプラ4および光ファイバ5を介して被測定物11に照射される(図14ステップS300)。 Next, the operation of the component concentration measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, only the laser diode 1-1 (first light source) is operated. When a drive current is supplied from the laser driver 2, the laser diode 1-1 emits laser light (continuous light). At this time, when a rectangular-wave drive current is supplied from the laser driver 2, the laser diode 1-1 emits intensity-modulated light. Similar to the reference example , the wavelength (first wavelength) of light emitted from the laser diode 1-1 is, for example, 1382 nm. The intensity-modulated light emitted from the laser diode 1-1 is guided by the optical fiber 3-1, and irradiated onto the device under test 11 through the optical coupler 4 and the optical fiber 5 (step S300 in FIG. 14).

音響センサ6は、被測定物11から発生する光音響信号を検出し、増幅器7は、音響センサ8から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ9は、増幅器7の出力に含まれる信号のうち、ファンクションジェネレータ8から出力される参照信号によって決まる周波数の測定信号を検出する。   The acoustic sensor 6 detects a photoacoustic signal generated from the device under test 11, and the amplifier 7 amplifies the electrical signal output from the acoustic sensor 8. The lock-in amplifier 9 detects a measurement signal having a frequency determined by the reference signal output from the function generator 8 among the signals included in the output of the amplifier 7.

情報処理装置10aのジェネレータ制御部100は、ファンクションジェネレータ8が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を漸次変化させると共に、ロックインアンプ11が検出する測定信号の周波数を漸次変化させる光変調周波数掃引を行う(図14ステップS301)。こうして、光変調周波数と測定信号の振幅(音圧)との関係を取得し(図14ステップS302)、測定信号の振幅が最大の光変調周波数であるピーク変調周波数を探索する(図14ステップS303)。   The generator control unit 100 of the information processing apparatus 10a changes the frequency of the reference current generated by the function generator 8 to change the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-1, thereby performing optical modulation. The optical modulation frequency sweep is performed to gradually change the frequency and gradually change the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 11 (step S301 in FIG. 14). Thus, the relationship between the light modulation frequency and the amplitude (sound pressure) of the measurement signal is acquired (step S302 in FIG. 14), and the peak modulation frequency that is the light modulation frequency with the maximum amplitude of the measurement signal is searched (step S303 in FIG. 14). ).

次に、レーザダイオード1−1を再び動作させて連続光を出力させ(図14ステップS304)、続いてレーザダイオード1−2(第2の光源)を動作させて連続光を出力させる(図14ステップS305)。レーザダイオード1−1から放射される光の波長は例えば1382nm、レーザダイオード1−2から放射される光の波長(第2の波長)は例えば1610nmである。   Next, the laser diode 1-1 is operated again to output continuous light (step S304 in FIG. 14), and then the laser diode 1-2 (second light source) is operated to output continuous light (FIG. 14). Step S305). The wavelength of the light emitted from the laser diode 1-1 is, for example, 1382 nm, and the wavelength of the light emitted from the laser diode 1-2 (second wavelength) is, for example, 1610 nm.

情報処理装置10aのジェネレータ制御部100は、ファンクションジェネレータ8が発生する2つの参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1,1−2に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を上記のピーク変調周波数に設定すると共に、ロックインアンプ9が検出する測定信号の周波数をピーク変調周波数に設定する。このとき、レーザドライバ2から、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード1−1,1−2に供給させることにより、レーザダイオード1−1,1−2から放射される光を同一周波数(ピーク変調周波数)で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する(図14ステップS306)。   The generator control unit 100 of the information processing apparatus 10a changes the frequency of the two reference signals generated by the function generator 8 to thereby change the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-2. And the optical modulation frequency is set to the peak modulation frequency, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 9 is set to the peak modulation frequency. At this time, light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 is supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-2 by supplying a rectangular-wave drive current of the same frequency and opposite phase. Intensity modulation is performed with signals having the same frequency (peak modulation frequency) and opposite phases (step S306 in FIG. 14).

レーザダイオード1−1,1−2から放射された強度変調光は、それぞれ光ファイバ3−1,3−2によって導かれ、光カプラ4によって合波され、さらに光ファイバ5によって導かれ、被測定物11に照射される。   The intensity-modulated lights emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 are respectively guided by the optical fibers 3-1 and 3-2, combined by the optical coupler 4, and further guided by the optical fiber 5 to be measured. The object 11 is irradiated.

情報処理装置10aの光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ8を制御して、レーザダイオード1−1を駆動するための参照信号の電圧を所定値に設定することにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1に供給される駆動電流の大きさを一定にし、レーザダイオード1−1から放射される光の強度を一定にする(図14ステップS307)。   The light intensity control unit 101 of the information processing apparatus 10a controls the function generator 8 to set the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-1 to a predetermined value, so that the laser driver 1 sends the laser diode 1 to the laser diode 1. -1 is made constant, and the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 is made constant (step S307 in FIG. 14).

また、光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ8を制御して、レーザダイオード1−2を駆動するための参照信号の電圧を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−2に供給される駆動電流の大きさを変化させ、レーザダイオード1−2から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ9から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード1−2から放射される光の強度を調節する(図14ステップS308)。   Further, the light intensity controller 101 is supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-2 by controlling the function generator 8 to change the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-2. The intensity of the measurement signal output from the lock-in amplifier 9 is minimized by performing a light intensity sweep that changes the magnitude of the drive current and gradually changes the intensity of the light emitted from the laser diode 1-2. The intensity of light emitted from the diode 1-2 is adjusted (step S308 in FIG. 14).

情報処理装置10aの光強度測定部102は、参考例と同様に、レーザダイオード1−2から放射される光の強度を測定する。そして、光強度測定部102は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード1−2から放射される光の強度I0を記憶部107に格納する(図14ステップS309)。 The light intensity measurement unit 102 of the information processing apparatus 10a measures the intensity of light emitted from the laser diode 1-2, as in the reference example . Then, the light intensity measurement unit 102 stores the intensity I 0 of the light emitted from the laser diode 1-2 when the amplitude of the measurement signal is minimum in the storage unit 107 (step S309 in FIG. 14).

次に、情報処理装置10aの温度制御部108は、温度制御器12を制御して被測定物11の温度をΔT(例えば1℃)だけ上げる(図14ステップS310)。   Next, the temperature control unit 108 of the information processing apparatus 10a controls the temperature controller 12 to increase the temperature of the DUT 11 by ΔT (for example, 1 ° C.) (step S310 in FIG. 14).

情報処理装置10aの光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ8を制御して、レーザダイオード1−2を駆動するための参照信号の電圧を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−2に供給される駆動電流の大きさを変化させ、レーザダイオード1−2から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ9から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード1−2から放射される光の強度を調節する(図14ステップS311)。上記のとおり、レーザダイオード1−1から放射される光の強度は一定である。   The light intensity control unit 101 of the information processing apparatus 10a controls the function generator 8 to change the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-2, thereby changing the laser driver 2 to the laser diode 1-2. The intensity of the measurement signal output from the lock-in amplifier 9 is minimized by changing the magnitude of the supplied drive current and performing a light intensity sweep that gradually changes the intensity of the light emitted from the laser diode 1-2. In this way, the intensity of the light emitted from the laser diode 1-2 is adjusted (step S311 in FIG. 14). As described above, the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 is constant.

情報処理装置10aの光強度測定部102は、レーザダイオード1−2から放射される光の強度をステップS309と同様に測定する。そして、光強度測定部102は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード1−2から放射される光の強度I1を記憶部107に格納する(図14ステップS312)。 The light intensity measurement unit 102 of the information processing apparatus 10a measures the intensity of light emitted from the laser diode 1-2 in the same manner as in step S309. Then, the light intensity measurement unit 102 stores the intensity I 1 of the light emitted from the laser diode 1-2 when the amplitude of the measurement signal is minimum in the storage unit 107 (step S312 in FIG. 14).

情報処理装置10aの光強度変化量算出部103は、ステップS309,S312で求めた光強度I0,I1より光強度I0に対する光強度の変化量ΔI=(I1−I0)の比ΔI/Iを、式(14)により計算する(図14ステップS313)。被測定物11の温度を1℃上げた場合の温度変化前後の光強度の変化量の比ΔI/Iを図15に示す。 The light intensity change amount calculation unit 103 of the information processing apparatus 10a calculates the ratio of the light intensity change amount ΔI = (I 1 −I 0 ) to the light intensity I 0 from the light intensities I 0 and I 1 obtained in steps S309 and S312. ΔI / I is calculated by equation (14) (step S313 in FIG. 14). FIG. 15 shows the ratio ΔI / I of the change amount of the light intensity before and after the temperature change when the temperature of the DUT 11 is increased by 1 ° C.

次に、情報処理装置10aの音響モード推定部104は、表2のような所定のデータセットを用いて、光強度の変化量の比ΔI2/I2を式(15)、式(16)により音響モードq毎に計算する(図14ステップS314)。データセットは、第1、第2、第3の波長と、これらの波長の光に対する特定成分(例えばグルコース)の光吸収係数と、これら光吸収係数の温度依存性との関係を表すものである。 Next, the acoustic mode estimation unit 104 of the information processing apparatus 10a uses the predetermined data set as shown in Table 2 to calculate the light intensity change amount ratio ΔI 2 / I 2 using the equations (15) and (16). Is calculated for each acoustic mode q (step S314 in FIG. 14). The data set represents the relationship between the first, second, and third wavelengths, the light absorption coefficient of a specific component (for example, glucose) with respect to light of these wavelengths, and the temperature dependence of these light absorption coefficients. .

γ1は第1の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α1の温度依存性(温度吸光度)、γ2は第2の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α2の温度依存性である。関数F1は第1の波長の光に関する光吸収係数α1=0.30/mmと音響モードqから計算することができ、関数F2は第2の波長の光に関する光吸収係数α2=0.28/mmと音響モードqから計算することができる。被測定物11の長さLは既知の値である。 γ 1 is the temperature dependence of the light absorption coefficient α 1 of the object to be measured for the first wavelength light (temperature absorbance), and γ 2 is the temperature dependence of the light absorption coefficient α 2 of the object to be measured for the second wavelength light. It is sex. The function F 1 can be calculated from the light absorption coefficient α 1 = 0.30 / mm for the first wavelength light and the acoustic mode q, and the function F 2 is the light absorption coefficient α 2 = for the second wavelength light. It can be calculated from 0.28 / mm and the acoustic mode q. The length L of the DUT 11 is a known value.

ステップS314の計算の結果から、図16に示すような音響モードqと光強度の変化量の比ΔI2/I2との関係が得られる。情報処理装置10aの音響モード推定部104は、ステップS313で計算された光強度の変化量の比ΔI/Iと、ステップS314で計算した光強度の変化量の比ΔI2/I2とが等しくなる音響モードqの値を、今回のピーク変調周波数での音響モードの値として決定する(図14ステップS315)。 The relationship between the acoustic mode q and the light intensity change ratio ΔI 2 / I 2 as shown in FIG. 16 is obtained from the calculation result of step S314. The acoustic mode estimation unit 104 of the information processing apparatus 10a has the light intensity change ratio ΔI / I calculated in step S313 equal to the light intensity change ratio ΔI 2 / I 2 calculated in step S314. The value of the acoustic mode q is determined as the value of the acoustic mode at the current peak modulation frequency (step S315 in FIG. 14).

情報処理装置10aのピーク変調周波数変更部105は、音響モード推定部104が推定した音響モードqが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードqでなかった場合(図14ステップS316においてNO)、ステップS303の処理に戻り、ステップS302で取得した光変調周波数と測定信号の振幅との関係において、測定信号の振幅が最大の光変調周波数であるピーク変調周波数のうち、直前の音響モード決定処理(ステップS303〜S315)で選択したピーク変調周波数と別のピーク変調周波数をジェネレータ制御部100に選択させる。こうして、音響モード推定部104が推定した音響モードqが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードqとなるまで、ピーク変調周波数を変更しながらステップS303〜S316の処理が繰り返し実行される。   When the acoustic mode q estimated by the acoustic mode estimation unit 104 is not the prescribed acoustic mode q that provides the required concentration measurement sensitivity (NO in step S316 in FIG. 14), the peak modulation frequency changing unit 105 of the information processing device 10a Returning to the process of step S303, in the relationship between the optical modulation frequency acquired in step S302 and the amplitude of the measurement signal, the acoustic mode determination process immediately before the peak modulation frequency that is the optical modulation frequency with the maximum amplitude of the measurement signal. The generator control unit 100 is made to select a peak modulation frequency different from the peak modulation frequency selected in (Steps S303 to S315). In this way, the processing of steps S303 to S316 is repeatedly executed while changing the peak modulation frequency until the acoustic mode q estimated by the acoustic mode estimation unit 104 becomes the prescribed acoustic mode q that provides the required concentration measurement sensitivity.

音響モード推定部104が推定した音響モードqが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードqとなったとき(ステップS316においてYES)、情報処理装置10aの濃度導出部106は、直前のステップS313の処理で計算された光強度の変化量の比ΔI/Iに基づいて、測定開始時から任意の時間経過後の時点における被測定物11内の特定成分の濃度の変化量ΔC[%]を計算する(図14ステップS317)。このとき、濃度導出部106は、規定の音響モードqのときの濃度測定感度Gqに対する音響モードq=0のときの濃度測定感度G0の比G0/Gqを補正係数Aとして決定し、この補正係数Aと直前のステップS313の処理で計算された光強度の変化量の比ΔI/Iに基づいて、被測定物11内の特定成分の濃度の変化量ΔC[%]を式(17)により計算する。   When the acoustic mode q estimated by the acoustic mode estimation unit 104 becomes the prescribed acoustic mode q that provides the required concentration measurement sensitivity (YES in step S316), the concentration deriving unit 106 of the information processing device 10a performs the previous step. Based on the ratio ΔI / I of the change amount of the light intensity calculated in the process of S313, the change amount ΔC [%] of the concentration of the specific component in the measurement object 11 at an arbitrary time point after the start of measurement. Is calculated (step S317 in FIG. 14). At this time, the concentration deriving unit 106 determines the ratio G0 / Gq of the density measurement sensitivity G0 when the acoustic mode q = 0 to the density measurement sensitivity Gq when the specified acoustic mode q is the correction coefficient A, and this correction coefficient Based on the ratio ΔI / I of the change amount of the light intensity calculated in the process of A and the immediately preceding step S313, the change amount ΔC [%] of the concentration of the specific component in the DUT 11 is calculated by the equation (17). To do.

最後に、濃度導出部106は、ステップS317で計算した特定成分の濃度の変化量ΔC[%]と特定成分の既知の参照濃度とから、任意の時間経過後の時点における特定成分の濃度を計算する(図14ステップS318)。
こうして、本実施の形態では、上記の参考例と同様の効果を得ることができる。
Finally, the concentration deriving unit 106 calculates the concentration of the specific component at an arbitrary time point after the elapse of an arbitrary time from the change amount ΔC [%] of the concentration of the specific component calculated in step S317 and the known reference concentration of the specific component. (Step S318 in FIG. 14).
Thus, in the present embodiment, the same effect as the above-described reference example can be obtained.

音波の反射伝搬は、音響インピーダンスを用いて評価することができ、例えば異種材料界面における反射率Rおよび透過率Tは下式で表すことができる。   The reflected propagation of sound waves can be evaluated using acoustic impedance. For example, the reflectance R and transmittance T at the interface between different materials can be expressed by the following equations.

1は第1の材料の音響インピーダンス、Z2は第1の材料と接する第2の材料の音響インピーダンスである。音響インピーダンスZは式(20)で表すことができる。 Z 1 is the acoustic impedance of the first material, and Z 2 is the acoustic impedance of the second material in contact with the first material. The acoustic impedance Z can be expressed by Expression (20).

ρは材料の密度、Cは材料内での音速である。音響インピーダンスの差によって、反射、透過する音波が決定される。図17に音波の反射率と音響インピーダンスとの関係を示す。被測定物11と共振器材料界面との反射率が0.8以上であることが共振器(被測定物11を収容する光音響セル)として機能することの必要条件である。この条件を満たす材料として、たとえばガラスや鉄や銅をはじめとした各種金属がある。照射する光により生じる音波の周波数は、式(21)のように記述することができる。共振器は、照射される光の光軸に対して略直交する面を2つ持ち、これらの2つの面は互いに平行平面となっていることが好ましい。   ρ is the density of the material, and C is the speed of sound within the material. The sound wave to be reflected and transmitted is determined by the difference in acoustic impedance. FIG. 17 shows the relationship between sound wave reflectance and acoustic impedance. A reflectance between the DUT 11 and the resonator material interface being 0.8 or more is a necessary condition for functioning as a resonator (a photoacoustic cell accommodating the DUT 11). Examples of materials that satisfy this condition include various metals such as glass, iron, and copper. The frequency of the sound wave generated by the irradiating light can be described as in Expression (21). It is preferable that the resonator has two planes substantially orthogonal to the optical axis of the irradiated light, and these two planes are parallel to each other.

λは音波の波長、Cは被測定物11内での音速、fは光の変調周波数である。本発明の光音響を用いた測定方法においては、光の変調周波数を100kHz−1MHzとした場合、この時の音波の波長は1mm弱から12mmとなる。たとえば、軸方向2次のモードを得るためには、共振長はおよそ波長程度に設定する必要がある。   λ is the wavelength of the sound wave, C is the speed of sound in the DUT 11, and f is the modulation frequency of the light. In the measurement method using the photoacoustic of the present invention, when the modulation frequency of light is 100 kHz-1 MHz, the wavelength of the sound wave at this time is less than 1 mm to 12 mm. For example, in order to obtain a secondary mode in the axial direction, the resonance length needs to be set to about the wavelength.

なお、参考例および実施の形態において、被測定物11に照射される複数の光は、これら複数の光の波長に対する、被測定物11に含まれる測定対象の成分以外の成分の光吸収係数が略等しいことが好ましい。 In the reference example and the embodiment , the plurality of lights irradiated on the object to be measured 11 have light absorption coefficients of components other than the component to be measured included in the object to be measured 11 with respect to the wavelengths of the plurality of lights. It is preferable that they are substantially equal.

また、参考例および実施の形態において、異なる波長の複数の光を光学系(不図示)によりそれぞれ平行光にして被測定物11の略同一領域に同軸で照射することが好ましい。また、このとき異なる波長の複数の光のビーム径は略等しいことが好ましい。 Further, in the reference example and the embodiment , it is preferable that a plurality of light beams having different wavelengths are converted into parallel light beams by an optical system (not shown) and irradiated on the substantially same region of the DUT 11 coaxially. At this time, it is preferable that the beam diameters of a plurality of lights having different wavelengths are substantially equal.

また、参考例および実施の形態では、変更手段としてピーク変調周波数変更部105を設け、音響モード推定部104が推定した音響モードqが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードqとなるようにピーク変調周波数を変更しているが、これに限るものではなく、被測定物11を収容する共振器の形状を測定中に変更可能な機構を変更手段として設け、音響モード推定部104が推定した音響モードqが規定の音響モードqとなるように共振器の形状(つまり、被測定物11の形状)を変更してもよい。この場合は、ピーク変調周波数を一定とし、音響モード推定部104が推定した音響モードqが規定の音響モードqとなるまで、共振器の形状を変更しながらステップS204〜S217(S304〜S316の)の処理を繰り返し実行すればよい。また、音響モード推定部104が推定した音響モードqが規定の音響モードqとなるようにピーク変調周波数と共振器の形状の両方を変更してもよい。 Further, in the reference example and the embodiment , the peak modulation frequency changing unit 105 is provided as the changing unit so that the acoustic mode q estimated by the acoustic mode estimating unit 104 becomes the prescribed acoustic mode q that provides the required concentration measurement sensitivity. However, the present invention is not limited to this, and a mechanism that can change the shape of the resonator that accommodates the DUT 11 during measurement is provided as a changing means, and the acoustic mode estimation unit 104 estimates the frequency. The shape of the resonator (that is, the shape of the DUT 11) may be changed so that the acoustic mode q that has been obtained becomes the specified acoustic mode q. In this case, steps S204 to S217 (in S304 to S316) are performed while changing the shape of the resonator until the peak modulation frequency is constant and the acoustic mode q estimated by the acoustic mode estimation unit 104 becomes the specified acoustic mode q. The above process may be repeated. Further, both the peak modulation frequency and the shape of the resonator may be changed so that the acoustic mode q estimated by the acoustic mode estimation unit 104 becomes the prescribed acoustic mode q.

参考例および実施の形態の情報処理装置10,10aは、例えばCPU(Central Processing Unit)、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。CPUは、記憶装置に格納されたプログラムに従って参考例および実施の形態で説明した処理を実行する。 The information processing apparatuses 10 and 10a according to the reference example and the embodiment can be realized by, for example, a computer having a CPU (Central Processing Unit), a storage device, and an interface, and a program for controlling these hardware resources. The CPU executes the processing described in the reference example and the embodiment in accordance with a program stored in the storage device.

本発明は、血液グルコース、アルブミン等の成分の濃度をモニターする技術に適用することができる。   The present invention can be applied to a technique for monitoring the concentration of components such as blood glucose and albumin.

1−1〜1−3…レーザダイオード、2…レーザドライバ、3−1〜3−3,5…光ファイバ、4…光カプラ、6…音響センサ、7…増幅器、8…ファンクションジェネレータ、9…ロックインアンプ、10,10a…情報処理装置、11…被測定物、12…温度制御器、100…ジェネレータ制御部、101…光強度制御部、102…光強度測定部、103…光強度変化量算出部、104…音響モード推定部、105…ピーク変調周波数変更部、106…濃度導出部、107…記憶部、108…温度制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-1 to 1-3 ... Laser diode, 2 ... Laser driver, 3-1 to 3-3, 5 ... Optical fiber, 4 ... Optical coupler, 6 ... Acoustic sensor, 7 ... Amplifier, 8 ... Function generator, 9 ... Lock-in amplifier, 10, 10a ... Information processing device, 11 ... Object to be measured, 12 ... Temperature controller, 100 ... Generator control unit, 101 ... Light intensity control unit, 102 ... Light intensity measurement unit, 103 ... Light intensity change amount Calculation unit 104 ... acoustic mode estimation unit 105 ... peak modulation frequency changing unit 106 ... concentration deriving unit 107 ... storage unit 108 ... temperature control unit

Claims (6)

互いに異なる波長の複数の光を同一の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射する光照射手段と、
前記複数の強度変調光のうち少なくとも1つの光の強度を変化させる光強度制御手段と、
前記被測定物の温度を制御する温度制御手段と、
光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、
前記光強度制御手段が変化させた光の強度を測定する光強度測定手段と、
前記被測定物の温度が異なる2つの時点について、それぞれ前記電気信号の強度が最低となったときの前記光強度測定手段の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定手段と、
この音響モード推定手段が推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるまで、前記被測定物に照射する複数の光の変調周波数および前記被測定物を収容する共振器の形状のうち少なくとも一方を変更しながら、前記光照射手段と前記光強度制御手段と前記光音響信号検出手段と前記光強度測定手段と前記音響モード推定手段とに処理を繰り返し実行させる変更手段と、
前記音響モード推定手段が推定した音響モードが前記規定の音響モードとなったときの前記光強度測定手段の測定結果から得られる光強度の変化量に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段とを備え
前記光照射手段は、異なる2つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、
前記音響モード推定手段は、第1の波長の光の強度を一定にして第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果と、前記温度制御手段により前記被測定物の温度を変化させた後に前記第1の波長の光の強度を一定にして前記第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定することを特徴とする成分濃度測定装置。
A light irradiation means for irradiating the object to be measured by modulating the intensity of a plurality of lights having different wavelengths with signals of the same frequency and different phases,
Light intensity control means for changing the intensity of at least one of the plurality of intensity-modulated lights;
Temperature control means for controlling the temperature of the object to be measured;
Photoacoustic signal detection means for detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured by light irradiation and outputting an electrical signal; and
A light intensity measuring means for measuring the intensity of the light changed by the light intensity control means;
From two points in time at which the temperature of the object to be measured is different, the amount of change in light intensity obtained from the measurement result of the light intensity measuring means when the intensity of the electrical signal is the lowest, and a known data set. Acoustic mode estimation means for estimating an acoustic mode that is a resonance mode of the photoacoustic signal based on the amount of change in light intensity;
A resonator that accommodates the modulation frequencies of a plurality of lights that irradiate the measurement object and the measurement object until the acoustic mode estimated by the acoustic mode estimation means becomes a specified acoustic mode that provides the required concentration measurement sensitivity. Changing means for causing the light irradiation means, the light intensity control means, the photoacoustic signal detection means, the light intensity measurement means, and the acoustic mode estimation means to repeatedly execute processing while changing at least one of the shapes of ,
Based on the amount of change in light intensity obtained from the measurement result of the light intensity measurement means when the acoustic mode estimated by the acoustic mode estimation means becomes the specified acoustic mode, A concentration deriving means for deriving the concentration of the component ,
The light irradiating means simultaneously irradiates the object to be measured with light of two different wavelengths,
The acoustic mode estimation means changes the intensity of the light of the second wavelength while keeping the intensity of the light of the first wavelength constant, so that the light of the second wavelength when the intensity of the electrical signal becomes the minimum And the intensity of the light of the first wavelength is made constant after changing the temperature of the object to be measured by the temperature control means, and the intensity of the light of the second wavelength is changed. Based on the change amount of the light intensity obtained from the measurement result of the light intensity of the second wavelength when the intensity of the electric signal is the lowest, and the change amount of the light intensity obtained from the known data set, A component concentration measuring apparatus for estimating the acoustic mode .
請求項記載の成分濃度測定装置において、
前記被測定物に照射される複数の光は、これら複数の光の波長に対する、前記被測定物に含まれる測定対象の成分以外の成分の光吸収係数が略等しいことを特徴とする成分濃度測定装置。
In the component concentration measuring apparatus according to claim 1 ,
The plurality of lights irradiated on the object to be measured have a component concentration measurement characterized in that light absorption coefficients of components other than the component to be measured included in the object to be measured are substantially equal to the wavelengths of the plurality of lights. apparatus.
請求項1または2記載の成分濃度測定装置において、
前記光照射手段は、異なる波長の複数の光をそれぞれ平行光にして前記被測定物の略同一領域に同軸で照射し、
異なる波長の複数の光のビーム径は略等しいことを特徴とする成分濃度測定装置。
The component concentration measuring apparatus according to claim 1 or 2 ,
The light irradiating means coaxially irradiates substantially the same region of the object to be measured with each of a plurality of lights having different wavelengths as parallel light,
A component concentration measuring apparatus, wherein the beam diameters of a plurality of lights having different wavelengths are substantially equal.
請求項1乃至のいずれか1項に記載の成分濃度測定装置において、
さらに、前記被測定物を収容し、前記光音響信号を増幅するための共振器を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
In the component concentration measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3 ,
Furthermore, a component concentration measuring apparatus comprising a resonator for accommodating the object to be measured and amplifying the photoacoustic signal.
請求項記載の成分濃度測定装置において、
前記共振器は、前記光照射手段から照射される光の光軸に対して略直交する面を2つ持ち、これらの面は互いに平行平面となっていることを特徴とする成分濃度測定装置。
In the component concentration measuring apparatus according to claim 4 ,
The resonator has two surfaces substantially perpendicular to the optical axis of the light emitted from the light irradiation means, and these surfaces are parallel to each other.
互いに異なる波長の複数の光を同一の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射する光照射ステップと、
前記複数の強度変調光のうち少なくとも1つの光の強度を変化させる光強度制御ステップと、
光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出ステップと、
前記光強度制御ステップで変化させた光の強度を測定する光強度測定ステップと、
前記被測定物の温度が異なる2つの時点について、それぞれ前記電気信号の強度が最低となったときの前記光強度測定ステップの測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定ステップと、
この音響モード推定ステップで推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるまで、前記被測定物に照射する複数の光の変調周波数および前記被測定物を収容する共振器の形状のうち少なくとも一方を変更しながら、前記光照射ステップと前記光強度制御ステップと前記光音響信号検出ステップと前記光強度測定ステップと前記音響モード推定ステップとを繰り返し実行させる変更ステップと、
前記音響モード推定ステップで推定した音響モードが前記規定の音響モードとなったときの前記光強度測定ステップの測定結果から得られる光強度の変化量に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出ステップとを含み、
前記光照射ステップは、異なる2つの波長の光を前記被測定物に同時に照射するステップを含み、
前記音響モード推定ステップは、第1の波長の光の強度を一定にして第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果と、温度制御手段により前記被測定物の温度を変化させた後に前記第1の波長の光の強度を一定にして前記第2の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第2の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定するステップを含むことを特徴とする成分濃度測定方法。
A light irradiating step of irradiating the object to be measured with intensity modulation of a plurality of lights having different wavelengths with signals of the same frequency and different phases;
A light intensity control step of changing the intensity of at least one of the plurality of intensity-modulated lights;
A photoacoustic signal detection step for detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured by light irradiation and outputting an electrical signal;
A light intensity measurement step for measuring the intensity of the light changed in the light intensity control step;
From two points in time at which the temperature of the object to be measured is different, the amount of change in light intensity obtained from the measurement result of the light intensity measurement step when the intensity of the electrical signal is the lowest, and the data obtained from a known data set An acoustic mode estimation step for estimating an acoustic mode that is a resonance mode of the photoacoustic signal, based on the amount of change in the light intensity;
Resonators that accommodate modulation frequencies of a plurality of lights that irradiate the measurement object and the measurement object until the acoustic mode estimated in the acoustic mode estimation step becomes a specified acoustic mode that provides a required concentration measurement sensitivity. A change step of repeatedly executing the light irradiation step, the light intensity control step, the photoacoustic signal detection step, the light intensity measurement step, and the acoustic mode estimation step while changing at least one of the shapes of:
Based on the amount of change in light intensity obtained from the measurement result of the light intensity measurement step when the acoustic mode estimated in the acoustic mode estimation step becomes the specified acoustic mode, the measurement target included in the object to be measured only contains a concentration deriving step to derive the concentration of the component,
The light irradiation step includes a step of simultaneously irradiating the object to be measured with light of two different wavelengths,
In the acoustic mode estimation step, the light of the second wavelength when the intensity of the electric signal becomes the minimum by changing the intensity of the light of the second wavelength while keeping the intensity of the light of the first wavelength constant. The intensity measurement result and the temperature of the object to be measured by the temperature control means are changed, and then the intensity of the light of the first wavelength is made constant while changing the intensity of the light of the second wavelength. Based on the amount of change in the light intensity obtained from the measurement result of the intensity of the light of the second wavelength when the signal intensity is minimum, and the amount of change in the light intensity obtained from a known data set, A component concentration measurement method comprising the step of estimating an acoustic mode .
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