JP2004510127A - 光音響式材料解析 - Google Patents
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Abstract
持続時間、周波数、数およびパワーを様々に変更可能な等間隔の短パルスを含む光パルス列を用いる共鳴型光音響分光法(RPAS)による、媒質内に含まれる対象成分濃度を決定するための方法および装置を開示する。この光波長を、対象成分に吸収されるように選択する。照射すると、媒質の比較的薄い層内で吸収された光により、熱拡散長を特徴とする音響振動が生成される。パルス列に含まれる光短パルスの繰り返し周波数を、薄膜として見なすことのできる媒質の薄い層が有する固有音響振動周波数と等しくなるように選択する。こうして、その音響振動を共鳴させる。共鳴振動の振幅および周波数を測定して、対象成分の濃度を決定する。この方法および装置は、血液成分のモニタ、特にグルコースのモニタに適する。
Description
【0001】
(発明の分野)
本発明は概して、電気光学に関し、特に、光音響式材料解析に関する。
(発明の背景)
吸収分光法および発光分光法、ラマン分光法、偏光および反射率変化測定などの従来の材料解析方法は、ヒトの組織などの混濁媒質には、基準光ビームが大きく広範に散乱してしまうため、あまり適切ではない。別法として、他の材料解析技法では光音響分光法を用いており、この方法は、レーザ・ビームを使用して試料を急速に加熱することにより、圧電結晶、マイクロホン、光ファイバ・センサ、レーザ干渉計や回折センサなどの高感度超音波検出器で測定可能である音響圧力波を発生させるものである。
【0002】
レーザの照射波長を、解析する媒質内に含まれている対象成分に吸収されるように選択する。これにより、媒質のレーザ励起を利用して、レーザを同調させながら音響応答およびスペクトルを生成させる。血液およびヒト組織中のグルコース試験に光音響分光法を用いると、従来の分光法よりも高い感度が得られる。光音響信号と血糖レベルとの間に明確な相関関係があることは、健康な患者および糖尿病患者の双方の人差し指で実証されてきた。
【0003】
光音響技術を利用した非侵襲性血糖測定に対する従来技術による方法および装置は米国特許第5,941,821号および同第6,049,728号に記載されている。これらの特許では、励起源が、分析物の吸収特性に対応する波長で電磁エネルギーを提供する。電磁エネルギーを照射すると、測定される試料の比較的薄い層内で、熱拡散長により特徴付けられる音響エネルギーが生成される。その音響出力は、一方の端部に測定セルが配置され、もう一方の端部に基準セルが配置された差分マイクロホンで検出される。検出された音響信号に基づいて、プロセッサが測定物質濃度を決定する。血流内のグルコースの濃度を決定するために、励起源を、好ましくは、約1520〜1850nmおよび約2050〜2340nmのスペクトル範囲であるグルコース吸収帯域に同調させて、強力な光音響出力を誘導する。これらの波長範囲では、水による吸収率は比較的低く、グルコースによる吸収率は比較的高い。したがって、上述した波長範囲では、組織に比較的高い割合で水が含まれていても、電磁放射は十分な深さまで組織内に浸透して正確な測定を行うことができる。水の吸収率に関係なく、グルコースの電磁照射吸収により生成される音響信号が、水により生成される音響信号に消されてしまうことはない。グルコースは光学的にエネルギーを吸収して、温度上昇を誘導し、空気内に間接的に音響出力を生成する。したがって、その光音響強度は、グルコース濃度にほぼ直線的に比例する。
【0004】
残念ながら、従来の光音響式材料解析技術は、音響振動性能を考慮せずにエネルギーを媒質に適用することを教示しているため、比較的高いレーザ・パワーが必要であるという点で不利である。このため、これまでの技術ではエネルギーが不充分であり、得られる感度レベルが不適切である。
【0005】
(発明の概要)
本発明の主な目的は、媒質内に含まれる対象成分濃度の決定に適する、材料解析用共鳴型光音響分光法(RPAS)に対する新規な方法および装置を提供することである。この方法は、対象成分を有する媒質の表面に、持続時間、周波数、数およびパワーが変更可能な等間隔の短パルスを含む光パルス列を照射するステップを含む。光短パルスの周波数として、共鳴型光音響励起モード用に、媒質内の固有音響振動周波数と等しいものを選択する。光パルスの波長は、対象成分により光が吸収された後、媒質の試験領域内で断熱温度が上昇することにより、媒質内に音響共鳴振動が励起されるように選択する。
【0006】
本発明のもう1つの目的は、ヒト組織のような媒質内に含まれる対象成分濃度を決定するための新規な方法および装置を提供することである。パルス化されたレーザ・ビームが、薄膜として見なすことのできる皮膚の真皮あるいは表皮領域内に音響振動を生成する。この膜は、膜の弾性定数とその厚さおよび面積とにより変化する固有の音響振動周波数を有している。本発明によれば、パルス列内の光短パルスの繰り返し周波数が、この膜の固有振動周波数と一致すれば、音響振動の共鳴が得られる。ヒト組織内の対象成分は所定波長を有する光を吸収するため、音響共鳴振動の振幅および周波数は、ヒト組織内に含まれるその対象成分濃度により変化する。この濃度は、媒質内で励起された音響共鳴振動に対する検出器の電気信号に応答して決定される。本発明は、ヒト組織内の血液成分の測定、特にグルコースの測定に適している。
【0007】
本発明のさらなる目的は、本明細書で開示するRPASに基づき、血糖値の非侵襲モニタに適する、材料解析用の新規Qスイッチ・レーザ装置の新規タイプを提供することである。このレーザ装置は、好ましくは、着色したLiF結晶を使用する、不安定型共振器および受動Qスイッチ(PQS)を備える固体レーザである。PQSの透過度は、結晶の長さと直線的に変化し、持続時間、周波数、数およびパワーが変更可能である等間隔の短パルスを発振するパルス列を出力する。PQSをレーザ・キャビティの光学軸に垂直な位置に移動することにより、レーザ照射の周波数およびエネルギーを最適化することができる。
【0008】
添付の図面と併せて詳述する以下の説明により、本発明を、より完全に理解および評価できるであろう。
(好適な実施形態の詳細な説明)
ここで、図1を参照する。この図は、本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である電子光学装置の簡略ブロック図である。電子光学装置10は、レーザ・ビーム26を標的12の所望部分に向くように、レーザ・ビーム26を標的12に送出するためのものである。電子光学装置10は、好ましくは、通常半導体レーザあるいは固体レーザであり、電源16から電力供給される放熱体14を含む。放熱体14は、好ましくは、持続時間、周波数、数およびパワーが様々に変更可能な短距離の短レーザパルスを与えるパルス列を出力する。レーザ・ビーム26は、好ましくは、通常光ファイバであり、レーザ・ビーム26を標的に注入するために用いられる光学導波管18を通過する。放熱体14の周期的なパルスの電磁放射が標的12を励起すると、音響振動28が生成される。
【0009】
通常マイクロホンあるいは光ファイバセンサである音響検出器20が、標的12からの音響振動28を検出する。ロックイン増幅器(図示せず)を任意に用いて、検出器20からの電気信号を増強してもよい。プロセッサ22は、好ましくは、以下に詳述する技法により、グルコースなどの、標的12内に含まれる対象成分の濃度を算出する。プロセッサ22は、適したプロセッサあるいはマイクロプロセッサのいずれでもよく、これにより、信号対雑音比を向上させるために、抽出した音響信号の時間的周波数応答を解析する従来の周波数領域解析技法を実施してよい。従来の時間式スペクトル解析技法を用いて、検出限界および正確さを改善するために、観察される光音響スペクトルを推定してもよい。好ましくは電子インターフェース24を設けて、検出器20からの音響信号出力レベルに応答して持続時間、周波数、数およびパワーが変更可能な等間隔の短パルスを含むパルス列光ビームを発生させるように、放熱体14および電源16の動作を制御する。
【0010】
次に、図2を参照する。この図は、本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である、図1の装置の実施状態を示す簡略断面図である。図2を実施するに当たり、図1の装置を、好ましくは、レーザ・ビーム26が導波管18により音響セル30の内部に注入されるように配置する。音響セル30は、好ましくはABSプラスチック材料である、適した材料であればいずれで製造してもよい。音響セル30は、音響振動28を標的試験領域32から空気を介して音響検出器20まで伝播する。音響セル30は、好ましくは、音響検出器20および凸レンズ34に対する筐体として機能する。音響セル30は、ヒトの皮膚などの標的12のうち、標的試験領域32の表面上に配置されるように設計されており、レーザ光がその試験領域に当たるように開口部33を有する。凸レンズ34は、レーザ・ビーム26の焦点を標的試験領域32の平面上に合わせる役割を果たす。こうして、音響検出器20が、音響セル30内の標的試験領域32から音響振動28を検出する。
【0011】
試験する対象成分がグルコースで、標的がヒトの皮膚である場合、グルコースがレーザ・ビーム26の光エネルギーを光学的に吸収すると、標的試験領域32の断熱温度が上昇し、音響振動28が間接的に空気内に生成される。音響波のスペクトルは、組織内の細胞を取り囲んでいる組織間液(ISF)に含まれるグルコース濃度により変わるものである。ISF内のグルコース・レベルは、血液内のグルコース・レベルより約10%低い。
【0012】
音響波を発生する皮膚の真皮あるいは表皮領域を、薄い膜として見なすことができる。この膜は、膜の厚さ、その弾性定数および、開口部33の面積に等しい膜表面の面積によって変化する固有の振動周波数を有する。
【0013】
本発明によれば、音響振動を発生させる光パルスの繰り返し周波数が膜の振動周波数と一致すれば、この振動は共鳴する。こうした状況下において、振動の振幅は何度も増加し、信号対雑音比も上昇するため、試験感度が高くなる。
【0014】
次に、図3を参照する。この図は、本発明の好適な一実施形態により、短モノパルスによりレーザが励起された媒質の音響振動を示す簡略グラフである。図3のグラフにおいて、短レーザパルス40の持続時間τが標的膜の振動42の周期T0より大幅に短いと、振動は減衰していく。この場合、膜の偏位は、
【0015】
【数1】
U(t)=Ae −δtsin(ωt−φ) (方程式1)
であり、式中、Aは一次振幅、δは減衰係数、ωは角周波数、φは主要相である。
【0016】
光音響作用が働いている間、吸収されたレーザ光パルスにより断熱温度が上昇するため、圧力が蓄積されて、音響衝撃波が表面に伝播する。媒質の吸収係数および局所的なフルエンス率、ならびに熱物理特性の結果、生成される光音響信号の振幅が決定される。したがって、吸収される前に散乱する光子の光路は関係ない。好ましくは超音波変換を利用して、表面の音響振動を検出する。
【0017】
圧力として表される光音響信号を、熱弾性膨脹係数β、光学吸収係数μ、および吸収された光子の分布H(z)から、以下の式のように決定する。
【0018】
【数2】
P(z)=β2H(z)μ/Cp (方程式2)
このとき、zは深さであり、Cpは、媒質の定圧時の熱容量である。
【0019】
ベールの法則によれば、光学吸収係数は、したがって光音響信号は、試験している媒質内に含まれる対象成分の濃度に比例する。
方程式2は、媒質の膨脹に比較して加熱処理がより瞬間的であるために、瞬間応力が生成される場合にのみ、厳密に言えば有効である。一時的応力の制限には、レーザ・パルスの持続時間を、光の媒質内部までの伝播時間より大幅に短くしなければならない。持続時間が数ナノ秒であるレーザ・パルスが、ヒト組織内に音響振動を励起する光源として理想的である。
【0020】
次に、図4を参照する。この図は、本発明の好適な一実施形態によるパルス列のレーザ励起により生じた共鳴曲線を示す簡略グラフである。図4に示すように、パルス列に含まれる短パルスの周波数ωは、減衰係数δが異なっていても媒質の振動周波数ω0に等しい。したがって、図4から、望ましい共鳴条件が以下の方程式として表してもよいことがわかる。
【0021】
【数3】
δ/ω0<0.1 (方程式3)
次に、図5を参照する。この図は、本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である、Qスイッチ固体レーザのキャビティを示す簡略ブロック図である。図5に示すレーザ・キャビティを、図1の放熱体14の一部とすることができる。このレーザ・キャビティは、好ましくは端部凸面鏡50および平坦な出力ミラー52で形成された、不安定型光共振器を含む。
【0022】
光学的能動媒質54を、好ましくはミラー50とミラー52との間のキャビティ内に配置する。非侵襲性血糖値試験に対する光学媒質は、好ましくはErガラスあるいはCo:Mgf2である。別の光学媒質の例として、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4、Nd:SGGM、Cr−Nd:GSGG、Nd−ガラスなどのネオジム含有媒質が挙げられるが、これらに限定されるものではない。光学的に作動する固体レーザ媒質54を、ロッド形状あるいはスラブ形状の結晶やガラスにすることができる。フラッシュ・アーク・ランプや半導体レーザ・アレイを、能動媒質54のオプティカル・ポンピングに用いてもよい。
【0023】
レーザ・キャビティはまた、好ましくは、光学的能動媒質54と出力ミラー52との間に配置される能動あるいは受動Qスイッチ媒質56を含む。受動Qスイッチ媒質56が能動型であれば、音響光変調器を使用することができる。受動Qスイッチ媒質56が受動型(PQS)である場合、これを、好ましくは、様々な材料よりも高いレーザ・エネルギーに耐えられるLiF:F2 −結晶で製造する。このようなPQSには、Nd含有レーザ能動媒質と併用した場合、電子光学あるいは音響光学スイッチにはないいくつかの利点がある。例えば、PQSは外部の電気エネルギーを必要としない。また、有機染料よりも熱光学安定性、変調効率および緊密性が高く、低コストである。この変調効率は、YAG:Cr4 +結晶の場合よりも高い。LiF結晶はまた、受動型Qスイッチ・アレキサンドライト・レーザ能動媒質および受動型Qスイッチ・ルビー・レーザ能動媒質に有用な色中心を有する。
【0024】
PQSの透過度が結晶長さと直線的に変化するのであれば、PQS56をキャビティの光学軸に垂直な位置に移動して、Qスイッチ周波数およびエネルギーを最適化することができる。したがって、PQSを、パルス列を放射する新規タイプの固体レーザとすることができる。このパルス列は、好ましくは、持続時間が10ns〜500nsの間で可変であり、列内の短パルス数が1〜1000パルスの間で可変であり、周波数が最大1MHzであり、放射パワーが最大1MWである等間隔の短パルスからなる。
【0025】
不安定なキャビティが凸面鏡50と協働することにより、単一モードで、空間的な明るさが高く、開きが小さく、可干渉性が高いビームを取り込むことができる。凸面鏡50の曲率半径およびそのキャビティ内の位置が、ビーム品質を決定する。
【0026】
高ビーム品質は、キャビティ内部の加熱により、能動媒質54内で誘発された熱レンズの補正の結果、実現できるものである。この場合、能動媒質54内の熱レンズと凸面鏡50とが、以下の方程式を満たす望遠鏡を形成する。
【0027】
【数4】
F=R+C+h (方程式4)
このとき、Fは、能動媒質54内で誘発された熱レンズの焦点距離であり、Rは、凸面鏡50の曲率半径であり、Cは凸面鏡50と能動媒質54正面との間の距離であり、h=l/2nは、能動媒質54正面と熱レンズの主平面との間の距離であり、lは、能動媒質54の長さであり、nは、能動媒質54の屈折率である。
【0028】
材料解析に用いるレーザの有効性は、光の振幅分布、動作モード、基本パルス幅、パルス内瞬時パワー、波長、微調整、およびこれらその他のビーム・パラメータが変更可能かという点で、ビームの特性に大きく依存している。増幅能動媒質58および光学変換器60を、好ましくは、光学キャビティ内で出力ミラー52を超えた位置に設けて、レーザの出力性能を向上させる。光学変換器60は、能動媒質54の放射波長を別の波長に変換する役割を果たし、これにより、KTP、BBQおよびLBOなどの様々な非線形結晶を用いて、2倍高調波発生を実現することができる。
【0029】
光学変換器60は、染料を含浸させたポリマー製ロッドあるいはスラブでよく、好ましくは、緑の2倍高調波を赤あるいは橙(すなわち、より長い波長)の放射に変換するように動作可能である。また、光学変換器60に、放射の異なる波長を分離するダイクロイック・ミラーを含めることができる。他の種類の光学変換器として、上述した2倍高調波放射によりポンピングされると、要求されたより長い波長の放射を提供することのできる、Ti:サファイア、アレクサンドライト、およびルビーなどの様々なレーザ能動媒質が挙げられる。
【0030】
Nd:YAGレーザを用いる場合、好ましくは、これを1064nmあるいは1320nmの波長を放射するように配置する。ここで、Co:MgF2結晶を光学変換器60として用いて、1320nmの波長をポンピングすることにより、放射を1750〜2500nmのスペクトルに同調させることができる。
【0031】
従来の技法にしたがい、他の非線形結晶を用いて、それぞれ青および紫外線領域の第3および第4高調波を提供する、あるいは光学パラメータ式振動(OPO)を提供することができる。
【0032】
したがって、266nmと5μmとの間の高効率波長変換は、放射が単一モードで行われ、その空間的明るさが高く、開きが少ないことにより、実現される。
本明細書に開示した方法および装置について、具体的なハードウェアやソフトウェアに言及して説明したかどうか定かではないが、当業者であれば、必要に応じて、大層な実験をせずとも、従来の技法を用いて、実施すべき本発明の実施形態のいずれかを省くために市販のハードウェアおよびソフトウェアを容易に適合させるのに十分な説明をしてきた。
【0033】
以上、本発明をいくつかの具体的な実施形態に関して説明してきたが、この説明は、全体として本発明を例示するためのものであり、本発明を開示の実施形態に限定するものと解釈すべきではない。当業者であれば、本明細書では具体的に示していないが本発明の趣旨および範囲に含まれる様々な変更を思いつくであろうことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である電子光学装置を示す簡略ブロック図である。
【図2】
本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である、図1の装置の実施状態を示す簡略断面図である。
【図3】
本発明の好適な一実施形態にしたがって短モノパルスによりレーザが励起された媒質の音響振動を示す簡略グラフである。
【図4】
本発明の好適な一実施形態によるパルス列レーザ励起により生じた共鳴曲線を示す簡略グラフである。
【図5】
本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である、Qスイッチ固体レーザのキャビティを示す簡略ブロック図である。
(発明の分野)
本発明は概して、電気光学に関し、特に、光音響式材料解析に関する。
(発明の背景)
吸収分光法および発光分光法、ラマン分光法、偏光および反射率変化測定などの従来の材料解析方法は、ヒトの組織などの混濁媒質には、基準光ビームが大きく広範に散乱してしまうため、あまり適切ではない。別法として、他の材料解析技法では光音響分光法を用いており、この方法は、レーザ・ビームを使用して試料を急速に加熱することにより、圧電結晶、マイクロホン、光ファイバ・センサ、レーザ干渉計や回折センサなどの高感度超音波検出器で測定可能である音響圧力波を発生させるものである。
【0002】
レーザの照射波長を、解析する媒質内に含まれている対象成分に吸収されるように選択する。これにより、媒質のレーザ励起を利用して、レーザを同調させながら音響応答およびスペクトルを生成させる。血液およびヒト組織中のグルコース試験に光音響分光法を用いると、従来の分光法よりも高い感度が得られる。光音響信号と血糖レベルとの間に明確な相関関係があることは、健康な患者および糖尿病患者の双方の人差し指で実証されてきた。
【0003】
光音響技術を利用した非侵襲性血糖測定に対する従来技術による方法および装置は米国特許第5,941,821号および同第6,049,728号に記載されている。これらの特許では、励起源が、分析物の吸収特性に対応する波長で電磁エネルギーを提供する。電磁エネルギーを照射すると、測定される試料の比較的薄い層内で、熱拡散長により特徴付けられる音響エネルギーが生成される。その音響出力は、一方の端部に測定セルが配置され、もう一方の端部に基準セルが配置された差分マイクロホンで検出される。検出された音響信号に基づいて、プロセッサが測定物質濃度を決定する。血流内のグルコースの濃度を決定するために、励起源を、好ましくは、約1520〜1850nmおよび約2050〜2340nmのスペクトル範囲であるグルコース吸収帯域に同調させて、強力な光音響出力を誘導する。これらの波長範囲では、水による吸収率は比較的低く、グルコースによる吸収率は比較的高い。したがって、上述した波長範囲では、組織に比較的高い割合で水が含まれていても、電磁放射は十分な深さまで組織内に浸透して正確な測定を行うことができる。水の吸収率に関係なく、グルコースの電磁照射吸収により生成される音響信号が、水により生成される音響信号に消されてしまうことはない。グルコースは光学的にエネルギーを吸収して、温度上昇を誘導し、空気内に間接的に音響出力を生成する。したがって、その光音響強度は、グルコース濃度にほぼ直線的に比例する。
【0004】
残念ながら、従来の光音響式材料解析技術は、音響振動性能を考慮せずにエネルギーを媒質に適用することを教示しているため、比較的高いレーザ・パワーが必要であるという点で不利である。このため、これまでの技術ではエネルギーが不充分であり、得られる感度レベルが不適切である。
【0005】
(発明の概要)
本発明の主な目的は、媒質内に含まれる対象成分濃度の決定に適する、材料解析用共鳴型光音響分光法(RPAS)に対する新規な方法および装置を提供することである。この方法は、対象成分を有する媒質の表面に、持続時間、周波数、数およびパワーが変更可能な等間隔の短パルスを含む光パルス列を照射するステップを含む。光短パルスの周波数として、共鳴型光音響励起モード用に、媒質内の固有音響振動周波数と等しいものを選択する。光パルスの波長は、対象成分により光が吸収された後、媒質の試験領域内で断熱温度が上昇することにより、媒質内に音響共鳴振動が励起されるように選択する。
【0006】
本発明のもう1つの目的は、ヒト組織のような媒質内に含まれる対象成分濃度を決定するための新規な方法および装置を提供することである。パルス化されたレーザ・ビームが、薄膜として見なすことのできる皮膚の真皮あるいは表皮領域内に音響振動を生成する。この膜は、膜の弾性定数とその厚さおよび面積とにより変化する固有の音響振動周波数を有している。本発明によれば、パルス列内の光短パルスの繰り返し周波数が、この膜の固有振動周波数と一致すれば、音響振動の共鳴が得られる。ヒト組織内の対象成分は所定波長を有する光を吸収するため、音響共鳴振動の振幅および周波数は、ヒト組織内に含まれるその対象成分濃度により変化する。この濃度は、媒質内で励起された音響共鳴振動に対する検出器の電気信号に応答して決定される。本発明は、ヒト組織内の血液成分の測定、特にグルコースの測定に適している。
【0007】
本発明のさらなる目的は、本明細書で開示するRPASに基づき、血糖値の非侵襲モニタに適する、材料解析用の新規Qスイッチ・レーザ装置の新規タイプを提供することである。このレーザ装置は、好ましくは、着色したLiF結晶を使用する、不安定型共振器および受動Qスイッチ(PQS)を備える固体レーザである。PQSの透過度は、結晶の長さと直線的に変化し、持続時間、周波数、数およびパワーが変更可能である等間隔の短パルスを発振するパルス列を出力する。PQSをレーザ・キャビティの光学軸に垂直な位置に移動することにより、レーザ照射の周波数およびエネルギーを最適化することができる。
【0008】
添付の図面と併せて詳述する以下の説明により、本発明を、より完全に理解および評価できるであろう。
(好適な実施形態の詳細な説明)
ここで、図1を参照する。この図は、本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である電子光学装置の簡略ブロック図である。電子光学装置10は、レーザ・ビーム26を標的12の所望部分に向くように、レーザ・ビーム26を標的12に送出するためのものである。電子光学装置10は、好ましくは、通常半導体レーザあるいは固体レーザであり、電源16から電力供給される放熱体14を含む。放熱体14は、好ましくは、持続時間、周波数、数およびパワーが様々に変更可能な短距離の短レーザパルスを与えるパルス列を出力する。レーザ・ビーム26は、好ましくは、通常光ファイバであり、レーザ・ビーム26を標的に注入するために用いられる光学導波管18を通過する。放熱体14の周期的なパルスの電磁放射が標的12を励起すると、音響振動28が生成される。
【0009】
通常マイクロホンあるいは光ファイバセンサである音響検出器20が、標的12からの音響振動28を検出する。ロックイン増幅器(図示せず)を任意に用いて、検出器20からの電気信号を増強してもよい。プロセッサ22は、好ましくは、以下に詳述する技法により、グルコースなどの、標的12内に含まれる対象成分の濃度を算出する。プロセッサ22は、適したプロセッサあるいはマイクロプロセッサのいずれでもよく、これにより、信号対雑音比を向上させるために、抽出した音響信号の時間的周波数応答を解析する従来の周波数領域解析技法を実施してよい。従来の時間式スペクトル解析技法を用いて、検出限界および正確さを改善するために、観察される光音響スペクトルを推定してもよい。好ましくは電子インターフェース24を設けて、検出器20からの音響信号出力レベルに応答して持続時間、周波数、数およびパワーが変更可能な等間隔の短パルスを含むパルス列光ビームを発生させるように、放熱体14および電源16の動作を制御する。
【0010】
次に、図2を参照する。この図は、本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である、図1の装置の実施状態を示す簡略断面図である。図2を実施するに当たり、図1の装置を、好ましくは、レーザ・ビーム26が導波管18により音響セル30の内部に注入されるように配置する。音響セル30は、好ましくはABSプラスチック材料である、適した材料であればいずれで製造してもよい。音響セル30は、音響振動28を標的試験領域32から空気を介して音響検出器20まで伝播する。音響セル30は、好ましくは、音響検出器20および凸レンズ34に対する筐体として機能する。音響セル30は、ヒトの皮膚などの標的12のうち、標的試験領域32の表面上に配置されるように設計されており、レーザ光がその試験領域に当たるように開口部33を有する。凸レンズ34は、レーザ・ビーム26の焦点を標的試験領域32の平面上に合わせる役割を果たす。こうして、音響検出器20が、音響セル30内の標的試験領域32から音響振動28を検出する。
【0011】
試験する対象成分がグルコースで、標的がヒトの皮膚である場合、グルコースがレーザ・ビーム26の光エネルギーを光学的に吸収すると、標的試験領域32の断熱温度が上昇し、音響振動28が間接的に空気内に生成される。音響波のスペクトルは、組織内の細胞を取り囲んでいる組織間液(ISF)に含まれるグルコース濃度により変わるものである。ISF内のグルコース・レベルは、血液内のグルコース・レベルより約10%低い。
【0012】
音響波を発生する皮膚の真皮あるいは表皮領域を、薄い膜として見なすことができる。この膜は、膜の厚さ、その弾性定数および、開口部33の面積に等しい膜表面の面積によって変化する固有の振動周波数を有する。
【0013】
本発明によれば、音響振動を発生させる光パルスの繰り返し周波数が膜の振動周波数と一致すれば、この振動は共鳴する。こうした状況下において、振動の振幅は何度も増加し、信号対雑音比も上昇するため、試験感度が高くなる。
【0014】
次に、図3を参照する。この図は、本発明の好適な一実施形態により、短モノパルスによりレーザが励起された媒質の音響振動を示す簡略グラフである。図3のグラフにおいて、短レーザパルス40の持続時間τが標的膜の振動42の周期T0より大幅に短いと、振動は減衰していく。この場合、膜の偏位は、
【0015】
【数1】
U(t)=Ae −δtsin(ωt−φ) (方程式1)
であり、式中、Aは一次振幅、δは減衰係数、ωは角周波数、φは主要相である。
【0016】
光音響作用が働いている間、吸収されたレーザ光パルスにより断熱温度が上昇するため、圧力が蓄積されて、音響衝撃波が表面に伝播する。媒質の吸収係数および局所的なフルエンス率、ならびに熱物理特性の結果、生成される光音響信号の振幅が決定される。したがって、吸収される前に散乱する光子の光路は関係ない。好ましくは超音波変換を利用して、表面の音響振動を検出する。
【0017】
圧力として表される光音響信号を、熱弾性膨脹係数β、光学吸収係数μ、および吸収された光子の分布H(z)から、以下の式のように決定する。
【0018】
【数2】
P(z)=β2H(z)μ/Cp (方程式2)
このとき、zは深さであり、Cpは、媒質の定圧時の熱容量である。
【0019】
ベールの法則によれば、光学吸収係数は、したがって光音響信号は、試験している媒質内に含まれる対象成分の濃度に比例する。
方程式2は、媒質の膨脹に比較して加熱処理がより瞬間的であるために、瞬間応力が生成される場合にのみ、厳密に言えば有効である。一時的応力の制限には、レーザ・パルスの持続時間を、光の媒質内部までの伝播時間より大幅に短くしなければならない。持続時間が数ナノ秒であるレーザ・パルスが、ヒト組織内に音響振動を励起する光源として理想的である。
【0020】
次に、図4を参照する。この図は、本発明の好適な一実施形態によるパルス列のレーザ励起により生じた共鳴曲線を示す簡略グラフである。図4に示すように、パルス列に含まれる短パルスの周波数ωは、減衰係数δが異なっていても媒質の振動周波数ω0に等しい。したがって、図4から、望ましい共鳴条件が以下の方程式として表してもよいことがわかる。
【0021】
【数3】
δ/ω0<0.1 (方程式3)
次に、図5を参照する。この図は、本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である、Qスイッチ固体レーザのキャビティを示す簡略ブロック図である。図5に示すレーザ・キャビティを、図1の放熱体14の一部とすることができる。このレーザ・キャビティは、好ましくは端部凸面鏡50および平坦な出力ミラー52で形成された、不安定型光共振器を含む。
【0022】
光学的能動媒質54を、好ましくはミラー50とミラー52との間のキャビティ内に配置する。非侵襲性血糖値試験に対する光学媒質は、好ましくはErガラスあるいはCo:Mgf2である。別の光学媒質の例として、Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4、Nd:SGGM、Cr−Nd:GSGG、Nd−ガラスなどのネオジム含有媒質が挙げられるが、これらに限定されるものではない。光学的に作動する固体レーザ媒質54を、ロッド形状あるいはスラブ形状の結晶やガラスにすることができる。フラッシュ・アーク・ランプや半導体レーザ・アレイを、能動媒質54のオプティカル・ポンピングに用いてもよい。
【0023】
レーザ・キャビティはまた、好ましくは、光学的能動媒質54と出力ミラー52との間に配置される能動あるいは受動Qスイッチ媒質56を含む。受動Qスイッチ媒質56が能動型であれば、音響光変調器を使用することができる。受動Qスイッチ媒質56が受動型(PQS)である場合、これを、好ましくは、様々な材料よりも高いレーザ・エネルギーに耐えられるLiF:F2 −結晶で製造する。このようなPQSには、Nd含有レーザ能動媒質と併用した場合、電子光学あるいは音響光学スイッチにはないいくつかの利点がある。例えば、PQSは外部の電気エネルギーを必要としない。また、有機染料よりも熱光学安定性、変調効率および緊密性が高く、低コストである。この変調効率は、YAG:Cr4 +結晶の場合よりも高い。LiF結晶はまた、受動型Qスイッチ・アレキサンドライト・レーザ能動媒質および受動型Qスイッチ・ルビー・レーザ能動媒質に有用な色中心を有する。
【0024】
PQSの透過度が結晶長さと直線的に変化するのであれば、PQS56をキャビティの光学軸に垂直な位置に移動して、Qスイッチ周波数およびエネルギーを最適化することができる。したがって、PQSを、パルス列を放射する新規タイプの固体レーザとすることができる。このパルス列は、好ましくは、持続時間が10ns〜500nsの間で可変であり、列内の短パルス数が1〜1000パルスの間で可変であり、周波数が最大1MHzであり、放射パワーが最大1MWである等間隔の短パルスからなる。
【0025】
不安定なキャビティが凸面鏡50と協働することにより、単一モードで、空間的な明るさが高く、開きが小さく、可干渉性が高いビームを取り込むことができる。凸面鏡50の曲率半径およびそのキャビティ内の位置が、ビーム品質を決定する。
【0026】
高ビーム品質は、キャビティ内部の加熱により、能動媒質54内で誘発された熱レンズの補正の結果、実現できるものである。この場合、能動媒質54内の熱レンズと凸面鏡50とが、以下の方程式を満たす望遠鏡を形成する。
【0027】
【数4】
F=R+C+h (方程式4)
このとき、Fは、能動媒質54内で誘発された熱レンズの焦点距離であり、Rは、凸面鏡50の曲率半径であり、Cは凸面鏡50と能動媒質54正面との間の距離であり、h=l/2nは、能動媒質54正面と熱レンズの主平面との間の距離であり、lは、能動媒質54の長さであり、nは、能動媒質54の屈折率である。
【0028】
材料解析に用いるレーザの有効性は、光の振幅分布、動作モード、基本パルス幅、パルス内瞬時パワー、波長、微調整、およびこれらその他のビーム・パラメータが変更可能かという点で、ビームの特性に大きく依存している。増幅能動媒質58および光学変換器60を、好ましくは、光学キャビティ内で出力ミラー52を超えた位置に設けて、レーザの出力性能を向上させる。光学変換器60は、能動媒質54の放射波長を別の波長に変換する役割を果たし、これにより、KTP、BBQおよびLBOなどの様々な非線形結晶を用いて、2倍高調波発生を実現することができる。
【0029】
光学変換器60は、染料を含浸させたポリマー製ロッドあるいはスラブでよく、好ましくは、緑の2倍高調波を赤あるいは橙(すなわち、より長い波長)の放射に変換するように動作可能である。また、光学変換器60に、放射の異なる波長を分離するダイクロイック・ミラーを含めることができる。他の種類の光学変換器として、上述した2倍高調波放射によりポンピングされると、要求されたより長い波長の放射を提供することのできる、Ti:サファイア、アレクサンドライト、およびルビーなどの様々なレーザ能動媒質が挙げられる。
【0030】
Nd:YAGレーザを用いる場合、好ましくは、これを1064nmあるいは1320nmの波長を放射するように配置する。ここで、Co:MgF2結晶を光学変換器60として用いて、1320nmの波長をポンピングすることにより、放射を1750〜2500nmのスペクトルに同調させることができる。
【0031】
従来の技法にしたがい、他の非線形結晶を用いて、それぞれ青および紫外線領域の第3および第4高調波を提供する、あるいは光学パラメータ式振動(OPO)を提供することができる。
【0032】
したがって、266nmと5μmとの間の高効率波長変換は、放射が単一モードで行われ、その空間的明るさが高く、開きが少ないことにより、実現される。
本明細書に開示した方法および装置について、具体的なハードウェアやソフトウェアに言及して説明したかどうか定かではないが、当業者であれば、必要に応じて、大層な実験をせずとも、従来の技法を用いて、実施すべき本発明の実施形態のいずれかを省くために市販のハードウェアおよびソフトウェアを容易に適合させるのに十分な説明をしてきた。
【0033】
以上、本発明をいくつかの具体的な実施形態に関して説明してきたが、この説明は、全体として本発明を例示するためのものであり、本発明を開示の実施形態に限定するものと解釈すべきではない。当業者であれば、本明細書では具体的に示していないが本発明の趣旨および範囲に含まれる様々な変更を思いつくであろうことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である電子光学装置を示す簡略ブロック図である。
【図2】
本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である、図1の装置の実施状態を示す簡略断面図である。
【図3】
本発明の好適な一実施形態にしたがって短モノパルスによりレーザが励起された媒質の音響振動を示す簡略グラフである。
【図4】
本発明の好適な一実施形態によるパルス列レーザ励起により生じた共鳴曲線を示す簡略グラフである。
【図5】
本発明の好適な一実施形態により構成され、動作可能である、Qスイッチ固体レーザのキャビティを示す簡略ブロック図である。
Claims (23)
- 媒質内に含まれる対象成分の濃度を決定する装置であって、
前記媒質内で音響共鳴振動を励起させるために、周波数、持続時間、数および出力パワーが変更可能な等間隔の短パルスを含む光パルス列を放出するように動作可能な少なくとも1つの光源と、
前記音響共鳴振動を検出し、前記音響共鳴振動の振幅および共振周波数を表す電気信号を生成する検出器と、
前記電気信号に応答して、前記成分の前記濃度を決定するプロセッサと、
を含む装置。 - 前記成分により光が吸収された後、前記媒質内の試験領域内で断熱温度が上昇することにより、前記媒質内で前記音響共鳴振動を励起させるように、前記光源が、所定の波長で前記光短パルスを放出するように動作可能である、請求項1に記載の装置。
- 前記光源が、パルス・レーザである、請求項1に記載の装置。
- 前記光源が、ネオジム含有媒質によるレーザである、請求項1に記載の装置。
- 前記光源が、非侵襲性血糖値モニタ用のエルビウム・ドープ・ファイバによるレーザである、請求項1に記載の装置。
- 前記光源が、半導体レーザあるいは閃光ランプによりポンピングされる、Erガラス・ロッド型あるいはスラブ型レーザである、請求項1に記載の装置。
- 前記光源が、Co:MgF2可変波長レーザである、請求項1に記載の装置。
- 前記光源の光共振器内に配置されたQスイッチをさらに含む、前記請求項のいずれかに記載の装置。
- 前記Qスイッチが、色中心を含むLiF結晶である、請求項8に記載の装置。
- 前記Qスイッチが、持続時間、周波数、数およびパワーの変更可能な等間隔の短パルスを与えるパルス列を出力する、請求項8または9に記載の装置。
- 前記光源の前記波長を変換するための光学変換器をさらに含む、前記請求項のいずれかに記載の装置。
- 前記光源が、可変波長半導体レーザである、請求項1に記載の装置。
- 前記レーザの出力性能を高めるため、光ファイバ増幅器をさらに含む、請求項12に記載の装置。
- 前記光源が、ファイバ結合半導体レーザ・アレイである、請求項1に記載の装置。
- 前記音響共鳴振動に対する前記検出器がマイクロホンである、請求項1に記載の装置。
- 前記媒質の表面を包囲するように適合された測定音響セルをさらに含み、これにより、前記セルに包囲された前記領域内の前記表面に、前記光源からの光が到達するようになっている、請求項1に記載の装置。
- 前記測定音響セルが、前記マイクロホンによる前記音響共鳴振動の検出に適している、請求項16に記載の装置。
- 前記音響共鳴振動に対する前記検出器が、圧電結晶である、請求項1に記載の装置。
- 前記音響共鳴振動に対する前記検出器が、光ファイバ・センサである、請求項1に記載の装置。
- 前記音響共鳴振動に対する前記検出器が、レーザ干渉計である、請求項1に記載の装置。
- 媒質内に含まれる対象成分の濃度を決定する方法であって、
前記媒質内に音響共鳴振動を励起させるのに十分な、持続時間、周波数、数およびパワーが変更可能な等間隔の短パルスを含む光パルス列を、前記対象成分を有する前記媒質の表面に照射するステップと、
前記音響共鳴振動を検出するステップと、
前記音響共鳴振動の振幅および共振周波数を表す電気信号を生成するステップと、
前記電気信号に応答して、前記媒質内の前記対象成分の前記濃度を決定するステップと、
を含む方法。 - 前記照射ステップが、前記対象成分により光が吸収され、前記媒質内の試験領域において断熱温度が上昇することにより、前記媒質内で前記音響共鳴振動を励起させるように、所定の波長を有する光ビームを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記波長を、前記媒質内で前記音響共鳴振動を励起させるのに十分な前記対象成分の吸収帯域に同調させるステップをさらに含む、請求項22に記載の方法。
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