JP2007089662A - 成分濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の成分濃度測定装置は、被検体への負担が少なく且つ被検体で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る成分濃度測定装置は、異なる２波長の光を発生して出力する光発生手段と、前記光発生手段からの２波長の光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する光変調手段と、前記光変調手段からの２波長の光を合波して出力する光合波手段と、前記光合波手段により合波され出力される光を複数に分岐して出射する光出射手段と、前記光出射手段により分岐され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、人間又は動物の被検体の非侵襲な成分濃度測定装置に関する。

高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となるので、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。現在までに開発された非侵襲な成分濃度測定装置としては、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば、血糖値の場合はグルコース分子に吸収され、局所的に加熱して熱膨張を起こして生体内から発生する音波を観測する、光音響法が注目されている。

しかし、グルコースと電磁波との相互作用は小さく、また生体に安全に照射し得る電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるに至っていない。

図８および図９は、従来例として、光音響法による従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示す図である。図８は光パルスを電磁波として用いた第一の従来例である（例えば、非特許文献１参照。）。本例では血液成分として血糖、すなわちグルコースを測定対象としている。図８において、駆動回路６０４はパルス状の励起電流をパルス光源６１６に供給し、パルス光源６１６はサブマイクロ秒の持続時間を有する光パルスを発生し、発生した光パルスは被検体６１０に照射される。光パルスは被検体６１０の内部にパルス状の光音響信号と呼ばれる音波を発生させ、発生した音波は超音波検出器６１３により検出され、さらに音圧に比例した電気信号に変換される。

変換された電気信号の波形は波形観測器６２０により観測される。この波形観測器６２０は上記励起電流に同期した信号によりトリガされ、変換された電気信号は波形観測器６２０の管面上の一定位置に表示され、変換された電気信号は積算・平均して測定することができる。このようにして得られた電気信号の振幅を解析して、被検体６１０の内部の血糖値、すなわちグルコースの量が測定される。図８に示す例の場合はサブマイクロ秒のパルス幅の光パルスを最大１ｋＨｚの繰り返しで発生し、１０２４個の光パルスを平均して、前記電気信号を測定しているが十分な精度が得られていない。

そこで、より精度を高める目的で、連続的に強度変調した光源を用いる第二の従来例が開示されている。図９に第二の従来例の装置の構成を示す（例えば、特許文献１参照。）。本例も血糖を主な測定対象として、異なる波長の複数の光源を用いて、高精度化を試みている。説明の煩雑さを避けるために、図９により光源の数が２の場合の動作を説明する。図９において、異なる波長の光源、即ち、第１の光源６０１及び第２の光源６０５は、それぞれ駆動回路６０４及び駆動回路６０８により駆動され、連続光を出力する。

第１の光源６０１及び第２の光源６０５が出力する光は、モータ６１８により駆動され一定回転数で回転するチョッパ板６１７により断続される。ここでチョッパ板６１７は不透明な材質により形成され、モータ６１８の軸を中心とする第１の光源６０１及び第２の光源６０５の光が通過する円周上に、互いに素な個数の開口部が形成されている。

上記の構成により、第１の光源６０１及び第２の光源６０５の各々が出力する光は互いに素な変調周波数ｆ_１、及び変調周波数ｆ_２で強度変調された後、合波器６０９により合波され、１の光束として被検体６１０に照射される。

被検体６１０の内部には第１の光源６０１の光により周波数ｆ_１の光音響信号が発生し、第２の光源６０５の光により周波数ｆ_２の光音響信号が発生し、これらの光音響信号は、音響センサ６１９により検出され、音圧に比例した電気信号に変換され、その周波数スペクトルが、周波数解析器６２１により観測される。本例においては、複数の光源の波長は全てグルコースの吸収波長に設定されており、各波長に対応する光音響信号の強度は、血液中に含まれるグルコースの量に対応した電気信号として測定される。

ここで、予め光音響信号の測定値の強度と別途採血した血液によりグルコースの含有量を測定した値との関係を記憶しておいて、前記光音響信号の測定値からグルコースの量を測定している。
特開平１０−１８９号公報 オウル大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｏｕｌｕ、Ｆｉｎｌａｎｄ）学位論文「Ｐｕｌｓｅ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｓ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｕｍａｎ ｂｌｏｏｄ ａｎｄ ｔｉｓｓｕｅ」（ＩＢＳ ９５１−４２−６６９０−０、ｈｔｔｐ：／／ｈｅｒｋｕｌｅｓ．ｏｕｌｕ．ｆｉ／ｉｓｂｎ９５１４２６６９００／、２００２年）

しかし、上述の従来例においては以下のような課題がある。即ち、人体で発生した光音響信号である音波を音波検出器で効率よく検出するため、音波の波面を球面波ではなく平面波にする必要がある。そのため、光の照射面積が大きいほど検出距離を遠くしなければならず、音波検出器と音波の発生源との距離や照射面積に制約が生じる。例えば、生体の指先を被検体とした場合には、検出距離も短いため、照射面積を小さくする必要がある。

一方、生体の皮膚上に照射可能なレーザ出力の限界値がＪＩＳ規格で定められているため、照射点で生じさせることができる光音響信号の大きさにも限界がある。ここで、ＪＩＳＣ６８０２によると、皮膚に対して非可視赤外光（波長が０．８μｍ以上）を連続照射する場合、１ｍｍ^２当たり１ｍＷが最大許容量となる。

従って、上述の従来例では、生体の光の被照射部位によっては、発生させた光音響信号が微弱とならざるを得ず、雑音の影響を受け易くなってしまうという課題があった。

上記の課題を解決するために、本発明は、測定対象の成分の吸光度特性から設定した異なる２波長の光を合波し、さらに複数に分岐して出射することにより、音波の発生源を分散させて被検体への負担を軽減させると共に、音波の総量を大きくすることで雑音の影響を少なくして成分濃度を正確に測定する成分濃度測定装置である。ここで、被検体とは測定対象の人間や動物である。

初めに、本発明の成分濃度測定装置の基本原理を、一例として、被検体の成分濃度を測定する場合について説明する。

本発明では、異なる２波長の光の中の、第一の光の波長を、例えば被検体の測定対象の成分による吸光度が被検体の大部分を占める水による吸光度と顕著に異なる波長に設定し、第二の光の波長を水が第一の光の波長におけるのと合い等しい吸光度を示す波長に設定する。上記の波長の設定方法を、血液中のグルコースの濃度を測定する場合を例として図１により説明する。

図１は常温における水とグルコース水溶液の吸光度特性を示す。図１において、縦軸は吸光度を示し、横軸は光の波長を示している。また、図１において、実線は水の吸光度特性を示し、破線はグルコース水溶液の吸光度特性を示している。図１に示す波長λ_１はグルコースによる吸光度が水による吸光度と顕著に異なる波長であり、波長λ_２は、水がλ_１における吸光度と合い等しい吸光度を示す波長である。従って、例えば、第一の光の波長をλ_１と設定し、第二の光の波長をλ_２と設定することができる。

以下の説明においては、一例として、第一の光の波長を測定対象の成分による吸光度が水による吸光度と顕著に異なる波長λ_１に設定し、第二の光の波長を水が第一の光の波長λ_１におけるのと合い等しい吸光度を示す波長λ_２に設定した場合を説明する。

上記のように設定した異なる２波長の光の各々を、同一周波数で逆位相の信号により強度変調してパルス状の光として出射し、出射された異なる２波長の光が被検体の成分に吸収されて発生する音波を検出して、検出した音波の大きさから、被検体の測定対象の成分の濃度を測定する。上記のように強度変調された異なる２波長の光を出射した場合、第一の光を測定対象の成分と水の両方が吸収して被検体から発生する第一の音波と、第二の光を被検体の大部分を占める水が吸収して被検体から発生する第二の音波とは、周波数が等しくかつ逆位相である。従って、第一の音波と第二の音波は被検体内で重畳し、音波の差として、第一の音波の中の測定対象の成分が吸収して被検体から発生する音波の大きさのみが残留する。そこで、残留した音波により、第一の光を測定対象の成分が吸収して被検体から発生する音波のみを測定することができる。上記の測定においては、測定対象の成分と水の両方が吸収して発生する音波と水が吸収して発生する音波を個別に測定して差を演算するよりも、測定対象の成分が吸収して被検体から発生する音波を正確に測定することができる。

さらに、被検体と音波検出素子との接触状態などの音波測定系の誤差の要因を除いて、高精度に測定する方法を以下に説明する。波長λ_１の光及び波長λ_２の光の各々に対する、被検体の大部分を占める水の吸収係数をα_１ ^（ｗ）及びα_２ ^（ｗ）として、被検体の測定対象の成分のモル吸収係数をα_１ ^（ｇ）及びα_２ ^（ｇ）とすれば、波長λ_１の光及び波長λ_２の光の各々により被検体から発生する音波の大きさｓ_１及びｓ_２を含む連立方程式は数式（１）で表される。

上記の、数式（１）を解いて、被検体の測定対象の成分濃度Ｍを求めることができる。ここで、Ｃは制御あるいは予想困難な係数、すなわち、被検体と音波検出素子の結合状態、音波検出素子の感度、被検体において光により音波が発生される位置と音波検出素子との間の距離、被検体の比熱及び熱膨張係数、被検体の内部の音波の速度、波長λ_１の光及び波長λ_２の光の変調周波数、水の吸収係数及び被検体の成分のモル吸収係数、などに依存する未知定数である。さらに数式（１）でＣを消去すると次の数式（２）が得られる。

ここで、波長λ_１の光及び波長λ_２の光の各々に対する、被検体の大部分を占める水の吸収係数α_１ ^（ｗ）及びα_２ ^（ｗ）が等しくなるように選択されているので、α_１ ^（ｗ）＝α_２ ^（ｗ）が成立し、さらに、ｓ_１≒ｓ_２であることを用いれば、成分濃度Ｍは数式（３）で表される。

上記の数式（３）に、既知の係数として、α_１ ^（ｗ）、α_１ ^（ｇ）及びα_２ ^（ｇ）を代入し、さらに、波長λ_１の光及び波長λ_２の光の各々により被検体から発生する音波の大きさｓ_１及びｓ_２を測定して代入することにより、被検体の成分濃度Ｍを算出することができる。上記の数式（３）においては、２つの音波の大きさｓ_１及びｓ_２を個別に測定するよりも、それらの差ｓ_１−ｓ_２を測定して、別に測定した音波の大きさｓ_２で除する方が、被検体の成分濃度を高精度に測定することができる。

そこで、本発明の成分濃度測定装置においては、まず、波長λ_１の光及び波長λ_２の光を、互いに逆位相の変調信号により強度変調して、１の光束に合波して出射することにより、被検体から発生する音波の大きさｓ_１及び音波の大きさｓ_２が相互に重畳して生じる音波の差（ｓ_１−ｓ_２）を測定する。次に、波長λ_２の光を出射して、被検体から発生する音波の大きさｓ_２を測定する。上記のように測定した（ｓ_１−ｓ_２）とｓ_２により、（ｓ_１−ｓ_２）÷ｓ_２を演算することにより、数式（３）により、被検体の測定対象の成分濃度を高精度に測定することができる。

以上が本発明の成分濃度測定装置の基本原理である。

次に本発明による課題を解決するための具体的手段について説明する。本発明は、異なる２波長の光を発生して出力する光発生手段と、前記光発生手段からの２波長の光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する光変調手段と、前記光変調手段からの２波長の光を合波して出力する光合波手段と、前記光合波手段により合波され出力される光を複数に分岐して出射する光出射手段と、前記光出射手段により分岐され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、を備えたことを特徴とする成分濃度測定装置である。

本発明では、光変調手段は、光発生手段で発生させた互いに波長の異なる第一の光及び第二の光の各々を同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調し出力する。そして、光合波手段は、光変調手段からの２波長の光を合波して出力する。さらに、光出射手段は、光合波手段により合波された光を複数に分岐させて出射する。また、音波検出手段は、上記のように光出射手段から出射された第一の光及び第二の光により被検体で発生する音波を光の被照射部位から略等距離の位置で検出する。ここで、音波検出手段により検出される音波は前述の第一の光により発生する第一の音波と第二の光により発生する第二の音波の差の音波である。

このように、２波長の光を合波し分岐して出射することにより、光強度が複数に分散するため、１箇所に光が集中して照射されることがないので、照射する光の総量を大きくすることができる。さらに、被照射部位から略等距離の位置で音波を検出することにより、音波の位相が揃う位置で音波を検出できるため、検出した音波の大きさを複数の被照射部位からの音波の総和として検出することができる。そのため、各被照射部位からの音波の誤差を平均化することができる。従って、本発明の成分濃度測定装置は、被検体への負担が少なく且つ被検体で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

音波検出手段は、被検体で発生した音波を前述の測定原理で説明した（ｓ_１−ｓ_２）として測定する。

また、本発明は、異なる２波長の光を１組として前記異なる２波長の光のそれぞれと同一波長の２波長の光を複数組発生して出力する光発生手段と、前記光発生手段からの複数の組の各組の２波長の光のそれぞれを前記各組について同一周波数で逆位相の信号により前記複数の組について同相で電気的に強度変調して出力する光変調手段と、前記光変調手段からの複数の組の各組の２波長の光を前記各組について合波して出射する光出射手段と、前記光出射手段により前記複数の組の各組の２波長の光について合波され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、を備えたことを特徴とする成分濃度測定装置である。

本発明では、光発生手段は、互いに波長の異なる第一の光及び第二の光を１組として複数組発生させる。ここで、各組の第一の光は、それぞれ同一の波長であり、各組の第二の光は、それぞれ同一の波長を有している。そして、光変調手段は、光発生手段で発生させた各組の第一の光及び第二の光の各々を同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する。そして、光出射手段は、光変調手段から出力された各組の２波長の光を各組で合波して出射する。また、音波検出手段は、上記のように光出射手段から出射された第一の光及び第二の光により被検体で発生する音波を光の被照射部位から略等距離の位置で検出する。ここで、音波検出手段により検出される音波は前述の第一の光により発生する第一の音波と第二の光により発生する第二の音波の差の音波である。

このように、各組の２波長の光を合波しそれぞれ出射することにより、光強度を複数に分散させることができるため、１箇所に光が集中して照射されることがないので、照射する光の総量を大きくすることができる。さらに、被照射部位から略等距離の位置で音波を検出することにより、音波の位相が揃う位置で音波を検出できるため、検出した音波の大きさを複数の被照射部位からの音波の総和として検出することができる。そのため、各被照射部位からの音波の誤差を平均化することができる。従って、本発明の成分濃度測定装置は、被検体への負担が少なく且つ被検体で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

音波検出手段は、被検体で発生した音波を前述の測定原理で説明した（ｓ_１−ｓ_２）として測定する。

本発明の成分濃度測定装置において、前記光変調手段は、前記複数の組の各組についての前記同一周波数で逆位相の信号のそれぞれを遅延させて前記２波長の光を強度変調することができることが望ましい。

光変調手段により、光を強度変調する前段で予め第一及び第二の光の変調信号をそれぞれ遅延させることができることで、電気配線による物理的な遅延量を調整して音波検出手段での音波の位相を揃えることができる。そのため、被検体で発生する音波の音波検出手段に同相で到達する精度が向上し、音波の総和による信号増加を図ることができる。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光出射手段は、前記複数の光のビームの並びが前記複数の光の出射方向に垂直な面に対し前記音波検出手段の前記音波の検出位置を中心とした円周上に分布して配置されるように前記複数の光を出射することが望ましい。

複数の光のビームの並びを音波の検出位置を中心とした円周上に分布させることにより、音波検出手段を円の中心を貫く直線のいずれかに配置すれば各被照射部位からの音波の検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心を貫く直線方向の音波検出手段による音波の検出位置のずれを許容して、正確に測定対象とする成分濃度を測定することができる。また、複数の光のビームの並びを音波の検出位置を中心とした円周上に分布させることにより、それに従って光の被照射部位を円周上に分布させることができるため、光の被照射面の起伏と被照射部位から音波検出手段までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出手段での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光出射手段は、複数の前記被照射部位の並びが前記複数の光の出射方向に垂直な面に対し前記音波検出手段の前記音波の検出位置を中心とした円周上に分布して配置されるように前記複数の光を出射することが望ましい。

光の被照射部位を円周上に分布させることにより、音波検出手段を円の中心を貫く直線上のいずれかに配置すれば各被照射部位からの音波の検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心を貫く直線方向の音波検出手段による音波の検出位置のずれを許容して、正確に測定対象とする成分濃度を測定することができる。また、光の被照射部位を円周上に分布させることにより、光の被照射面の起伏と被照射部位から音波検出手段までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出手段での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記２波長の光の波長を、測定対象とする成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい２波長の光の波長に設定することが望ましい。

２波長の光の波長を測定対象とする成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい２波長の光の波長とすることにより、水による吸収の影響を少なくして成分濃度測定の測定精度を良くすることができる。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記２波長の光のうち一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を水が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定することが望ましい。

２波長の光のうち所定の１波の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の１波長の光の波長を水が前記所定の１波の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長とすることにより、水による吸収の影響を少なくして成分濃度測定の測定精度を良くすることができる。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記２波長の光のうち一方の光の波長を測定対象とする成分以外の成分が吸収を呈さない波長に設定することが望ましい。

２波長の光の波長を測定対象とする成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい２波長の光の波長とすることにより、さらにそれ以外の成分の吸収の影響を少なくして成分濃度の測定精度を向上させることができる。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記測定対象とする成分がグルコース又はコレステロールであることが望ましい。

グルコース又はコレステロールの濃度を測定する場合には、グルコース又はコレステロールの特徴的な吸収を示す波長を照射することによって、精度よく測定することができる。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記光変調手段からの２波長の光を１の光束に合波し水に照射して発生する音波の圧力が零になるように前記２波長の光の各々の相対的な強度を調整することが望ましい。

異なる２波長の光を被検体に照射して発生する音波の圧力は、前述のように１波長の光が被検体内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、他方の光が被検体内の大部分を占める水のみが発生する音波の圧力の差となって検出されるので、この差の値が零となるように異なる２波長の光の相対的な強度を校正して成分濃度の測定精度を向上させることができる。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光変調手段は、前記２波長の光により発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することが望ましい。

本発明においては、異なる２波長の光の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被検体内に発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、音波の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された異なる２波長の光に対する音波を測定し、これらの測定値から、一定に保ち難い多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被検体内に発生する音波を検出することができる。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光発生手段及び前記光変調手段は、２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することが望ましい。

本発明においては、２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することにより、異なる２波長の光を発生し同時に変調することが可能であり、装置構成を簡略化できる。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記音波検出手段は、前記変調周波数に同期する同期検波により音波を検出することが望ましい。

音波を変調周波数に同期した同期検波により検出することにより、音波を高精度に検出することができる。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記音波検出手段により検出される音波の圧力から成分濃度を算定する成分濃度算出手段をさらに備えることが望ましい。

本発明では、成分濃度測定装置が成分濃度算出手段をさらに有することにより、予め用意した被検体で発生する音波と測定対象とする成分濃度との関係を示す理論値、あるいは実験値を記憶し、被検体で発生した音波を検出した値から測定対象の成分濃度を算定する。

また、本発明の成分濃度測定装置において、前記成分濃度算出手段は、前記光変調手段からの２波長の光により発生する音波の圧力を、前記２波長の光のうち１波長の光を零としたときに発生する音波の圧力で除算することが望ましい。

本発明では、光出射手段が出射した２波長の光により被検体から発生する音波の大きさ（ｓ_１−ｓ_２）及び光出射手段から出射した１波長の光により被検体から発生する音波の大きさｓ_２を、音波強度測定手段により測定した結果から、前述の測定原理に従って（ｓ_１−ｓ_２）÷ｓ_２の演算を実行して、測定対象の成分濃度を算出することができる。従って、本発明の成分濃度測定装置は、被検体の測定対象の成分濃度を、簡易な構成で正確に測定することができる。

本発明の成分濃度測定装置は、被検体への負担が少なく且つ被検体で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

以下の実施形態は、本発明の構成の例であり、被検体としての人体の指により成分濃度を測定する場合の実施の形態であるが、本発明は以下の実施の形態に制限されるものではない。また、以下においては、被検体を被測定物に置き換えれば被測定物の成分濃度を測定する場合の実施の形態とすることができる。また、各実施形態に係る成分濃度測定装置の構成を示す図２から図４において、電源、あるいは全体の動作を制御する制御部などの通常の技術により実現できる部分は図示していない。

（第１実施形態）
本実施形態に係る成分濃度測定装置について説明する。本実施形態に係る成分濃度測定装置は、異なる２波長の光を発生して出力する光発生手段と、前記光発生手段からの２波長の光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する光変調手段と、前記光変調手段からの２波長の光を合波して出力する光合波手段と、前記光合波手段により合波され出力される光を複数に分岐して出射する光出射手段と、前記光出射手段により分岐され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、を備える。さらに、本実施形態の成分濃度測定装置は被検体の成分濃度算出手段を備えることが好ましい。

図２に、本実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図を示す。

本実施形態に係る成分濃度測定装置１０は、光発生手段及び光変調手段の一部としての発振器１０１、駆動回路１０２、１８０°移相回路１０４、駆動回路１０５、第１の光源１０３及び第２の光源１０６、光合波手段としての合波部１０７、光出射手段としての光分岐部１０８、音波検出手段の一部としての音波検出部１１１、フィルタ１１２及び位相検波増幅部１１３、成分濃度算出手段としての成分濃度算出部１１４を有する。また、本実施形態では、被検体２で発生する音波の伝達効率を高めるため音響整合物質１１０を被検体２と音波検出部１１１との間に設けることとした。

発振器１０１は、第１の光源１０３及び第２の光源１０６から出力される２波長の光を強度変調するための変調信号を出力する。１８０°移相回路１０４は発振器１０１からの変調信号のうち一方を反転して出力する。

駆動回路１０２は、発振器１０１からの変調信号を基に第１の光源１０３を駆動させる。また、駆動回路１０５は、１８０°移相回路１０４で反転された変調信号を基に第２の光源１０６を駆動させる。第１の光源１０３は、異なる２波長の光のいずれか一方を駆動回路１０２からの信号により強度変調して出力し、第２の光源１０６は、他方の光を駆動回路１０５からの信号により強度変調して出力する。これにより、異なる２波長の光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力することができる。

ここで、第１の光源１０３及び第２の光源１０６は、例えば半導体レーザを適用することができ、２波長の光の波長を測定対象とする成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい２波長の光の波長とする。また、第１の光源１０３および第２の光源１０６の各々の波長は、一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を水が一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定することもできる。さらに、２波長の光の波長を測定対象とする成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい２波長の光の波長とすることもできる。これにより、水や測定対象とする成分以外の成分による吸収の影響を少なくして成分濃度測定の測定精度を良くすることができる。ここで、測定対象とする成分をグルコース又はコレステロールとした場合には、グルコース又はコレステロールの特徴的な吸収を示す波長を照射することによって、グルコース又はコレステロールの濃度を精度よく測定することができる。第１の光源１０３及び第２の光源１０６としての半導体レーザは、ヒーター又はペルチェ素子により加熱又は冷却することにより発生する光の波長を変化させることができる。

また、駆動回路１０２、１０５は、第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの２波長の光を１の光束に合波し水に照射して発生する音波の圧力が零になるように２波長の光の各々の相対的な強度を調整することが望ましい。異なる２波長の光を被検体に照射して発生する音波の圧力は、前述のように前記１波の光が被検体内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、他の１波の光が被検体内の大部分を占める水のみが発生する音波の圧力の差となって検出されるので、この差の値が零となるように異なる２波長の光の相対的な強度を校正して成分濃度の測定精度を向上させることができる。

また、駆動回路１０２、１０５は、第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの２波長の光により発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することが望ましい。

異なる２波長の光の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被検体内に発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、音波の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された異なる２波長の光に対する音波を測定し、これらの測定値から、一定に保ち難い多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被検体内に発生する音波を検出することができる。

また、本実施形態では、発振器１０１から矩形波信号を出力することとし、２の半導体レーザ光源である第１の光源１０３及び第２の光源１０６の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調する。このように、２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することにより、異なる２波長の光を発生し同時に変調することが可能であり、装置構成を簡略化できる。

合波部１０７は、第１の光源１０３からの光と第２の光源１０６からの光とを例えばハーフミラーにより合波して光分岐部１０８に向けて出射する。

光分岐部１０８は、合波部１０７からの光を複数に分岐させて変調光１２０を出射する。光分岐部１０８としては、例えば、ファイバカップラや空孔を空けた金属板やＰＬＣ（平面光波回路）を適用することができる。ここで、ファイバカップラの光ファイバの並びを光ファイバのコア中心線方向に垂直な面に対し円周上に配置することにより、又は金属板の空孔を金属板面に対して円周上に配置することにより、又はＰＬＣの光導波路を変調光１２０の出射方向に垂直な面に対して円周上に配置することにより、光分岐部１０８は、複数の光のビームとしての変調光１２０の並びが光の出射方向に垂直な面に対し音波検出部１１１の音波の検出位置を中心とした円周上に分布して配置するように、光を出射させることができる。なお、光分岐部１０８として空孔を空けた金属板を適用する場合は、ビーム径を広げた平行光を空孔を含む大きさに広げて金属板に照射する。なお、光分岐部１０８から出射される光により被検体２の表面上に形成される被照射部位については、後述する。

音波検出部１１１は、光の被照射部位から略等距離の位置に配置され、光分岐部１０８から出射された光により被検体２で発生する音波を音響整合物質１１０を介して検出し、音波の振幅に比例した電気信号を出力する。フィルタ１１２は、音波検出部１１１からの電気信号から高周波ノイズを除去して出力する。位相検波増幅部１１３は、フィルタからの電気信号を発振器１０１からの変調信号により同期検波し、音圧に比例する電気信号を出力する。このように、音波を変調周波数に同期した同期検波により検出することで、音波を高精度に検出することができる。

成分濃度算出部１１４は、異なる時間に出射された２波長の光及び１波長の光による音波の大きさをそれぞれ記憶しておき、予め用意した前述の数式（３）から成分濃度を算出する。このように、成分濃度算出部１１４を有することにより、前述の測定原理に従って（ｓ_１−ｓ_２）÷ｓ_２の演算を実行して、測定対象の成分濃度を算出することができる。従って、本実施形態の成分濃度測定装置は、被検体の測定対象の成分濃度を、簡易な構成で正確に測定することができる。

ここで、光分岐部１０８から出射された光による生体の被照射部位の配置、及び被照射部位と音波検出部との位置関係について説明する。

図５は、光分岐部から出射される光により形成される被照射部位の配置と音波検出部の配置を示した概略図である。図５において（１）は被検体の上面図を示し、（２）は（１）のＡ−Ａ´面による断面図を示す。（１）及び（２）は、被検体の被照射部位を含む一部分のみを示している。なお、図５では、変調光１２０ｉ（ｉ＝ａからｈ）による被照射部位を被照射部位１２１ｉとして解釈するものとする。

前述のように図２に示す光分岐部１０８から複数の光のビームとしての変調光１２０の並びが光の出射方向に垂直な面に対し音波検出部１１１の音波の検出位置を中心５とした円周上に分布して配置するように、光を出射すると、図５（１）に示すように、複数の被照射部位１２１ａから１２１ｈを音波検出部１１１を中心５とした円周上に配置させることができる。本実施形態では、光分岐部１０８で光を８分岐することとしたため、８個の被照射部位１２１ａから１２１ｈが被検体２上に形成される。また、音波検出部１１１を被照射部位１２１ａから１２１ｈの配置された円の中心５とするため、図５（２）に示す各被照射部位１２１ａから１２１ｈからの音波１３０ａから１３０ｈの伝搬距離を略同一とすることができる。

このように、合波した２波長の光を光分岐部１０８で分岐して出射することにより、被照射部位を複数にして光強度を分散することができるため、１箇所に光が集中して照射されることがないので、照射する光の総量を大きくすることができる。さらに、被照射部位１２１ａから１２１ｈから略等距離に配置した音波検出部１１１で音波を検出することにより、音波１３０ａから１３０ｈの位相が揃う位置で音波１３０ａから１３０ｈを検出できるため、検出した音波の大きさを複数の被照射部位１２１ａから１２１ｈからの音波１３０ａから１３０ｈの総和として検出することができる。そのため、各被照射部位１２１ａから１２１ｈからの音波１３０ａから１３０ｈの誤差を平均化することができる。従って、図２に示す本実施形態の成分濃度測定装置１０は、被検体２への負担が少なく且つ被検体２で発生する音波１３０ａから１３０ｈへの雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

また、複数の光のビームとしての変調光１２０ａから１２０ｈの並びを音波の検出位置を中心５とした円周上に分布させることにより、音波検出部１１１を円の中心５を貫く直線のいずれかに配置すれば被照射部位１２１ａから１２１ｈから音波検出部１１１までの音波１３０ａから１３０ｈの検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心５を貫く直線方向の音波検出部１１１による音波１３０ａから１３０ｈの検出位置のずれを許容して、正確に測定対象の成分濃度を測定することができる。また、複数の光のビームとしての変調光１２０ａから１２０ｈの並びを音波の検出位置を中心５とした円周上に分布させることにより、それに従って光の被照射部位１２１ａから１２１ｈを円周上に分布させることができる。そのため、光の被照射面の起伏と被照射部位１２１ａから１２１ｈから音波検出部１１１までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出部１１１での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

また、被検体２の表面の形状に合わせて、光分岐部１０８としてファイバカップラの光ファイバの配置や空孔を空けた金属板の金属板上での空孔の配置を調整して、図５（１）に示すように複数の被照射部位１２１ａから１２１ｈの並びが複数の変調光１２０ａから１２０ｈの出射方向に垂直な面に対し音波検出部１１１の音波の検出位置を中心５とした円周上に分布して配置されるように複数の変調光１２０ａから１２０ｈを出射することが望ましい。光の被照射部位１２１ａから１２１ｈを円周上に分布させることにより、音波検出部１１１を円の中心５を貫く直線のいずれかに配置すれば被照射部位１２１ａから１２１ｈから音波検出部１１１までの音波１３０ａから１３０ｈの検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心５を貫く直線方向の音波検出部１１１による音波１３０ａから１３０ｈの検出位置のずれを許容して、正確に測定対象の成分濃度を測定することができる。また、光の被照射部位１２１ａから１２１ｈを円周上に分布させることにより、光の被照射面の起伏と被照射部位１２１ａから１２１ｈから音波検出部１１１までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出部１１１での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

また、さらに複数の光のビームとしての変調光１２０の数を増加させることにより、被照射部位の数を増加させることができる。ここで、図６に、被照射部位の数を限りなく増加させたときの被照射部位の形状の概略図を示す。

変調光１２０の数を増加させて図５に示す被照射部位１２１ａから１２１ｈの数を８個より増加させると、被照射部位全体の形状は、円環状に近づいていく。そして被照射部位の数を限りなく増加させると、被照射部位の全体の形状は、図６の被照射部位１２０ｋのように、円環状となる。被照射部位１２０ｋのように円環状とすると、図５に示す被照射部位１２１ａから１２１ｈの配置された円の半径が同じ条件で、被照射部位全体の面積が最大となるため、被照射部位からの音波の総量を最大とすることができる。ここで、被照射部位１２０ｋのように円環状とするには、例えば、前述の複数の空孔を空けた金属板において、複数の空孔に代えて円環状の空孔を空けることにより実現できる。

次に、本実施形態に係る成分濃度測定装置１０の成分濃度測定の動作を図２及び図５を参照して説明する。

成分濃度測定装置１０は、混合光出射手順として、以下の動作を行なう。

まず、駆動回路１０２は、発振器１０１からの変調信号に同期して第１の光源１０３を駆動する信号を出力する。また、駆動回路１０５は、１８０°移相回路１０４を介した変調信号に同期して第２の光源１０６を駆動させる信号を出力する。ここで、駆動回路１０２から出力される信号と駆動回路１０５から出力される信号とは、互いに反転している。第１の光源１０３は、発生する光の波長を、例えば測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長λ_１に設定し、設定した波長の光を駆動回路１０２からの信号により電気的に強度変調して出力する。また、第２の光源１０６は、水が一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長λ_２に設定し、設定した波長の光を駆動回路１０５からの信号により電気的に強度変調して出力する。ここで、駆動回路１０２から出力される信号と駆動回路１０５から出力される信号とが互いに反転しているため、第１の光源１０３から出射される第１の光と第２の光源１０６から出射される第２の光とは交互に出射されることとなる。

合波部１０７は、第１の光源１０３から受信する第１の光及び第２の光源１０６から受信する第２の光を合波して出射する。そして、光分岐部１０８は、合波部１０７からの光を複数に分岐させて被検体２に向けて変調光１２０を出射する。

次に、成分濃度測定装置１０は、音波強度検出手順として、以下の動作を行なう。

音波検出部１１１は、光分岐部１０８から出射された第１の光により被検体２から第１の音波が発生し、第２の光により被検体２から前記第２の音波が発生し重畳して、第１の音波と第２の音波の差の音波として、図５に示す被検体２の各被照射部位１２１ａから１２１ｈからの音波１３０ａから１３０ｈの総和として音波（ｓ_１−ｓ_２）を音響整合物質１１０を介して検出し、図２に示す成分濃度算出部１１４は、音波検出部１１１により検出された音波（ｓ_１−ｓ_２）の大きさを記憶する。

次に、成分濃度測定装置１０は、単一音波強度測定手順として、以下の動作を行なう。第１の光源１０３は、第１の光の発生を停止し、第２の光源１０６が波長λ_２の第２の光を発生し、駆動回路１０５からの信号により電気的に強度変調して出力し、光分岐部１０８から変調光１２０を出射する。音波検出部１１１は、被検体２の各被照射部位１２１ａから１２１ｈからの音波１３０ａから１３０ｈの総和として音波ｓ_２を検出し、成分濃度算出部１１４は、音波ｓ_２の大きさを記憶する。

次に、成分濃度測定装置１０は、成分濃度算出手順として、以下の動作をおこなう。成分濃度算出部１１４は、音波検出部１１１から取得した（ｓ_１−ｓ_２）及びｓ_２から、前述の測定原理に従って数式（３）により成分濃度を算出する。

本実施形態に係る成分濃度測定装置１０は、光分岐部１０８により合波した光を分岐して複数の光を出射するので、以上の手順により成分濃度を測定して、被検体２への負担が少なく且つ被検体２で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る成分濃度測定装置について説明する。

図３に本実施の形態の成分濃度測定装置の概略構成図を示す。図３において、第１実施形態と同様の構成部分については構成要素番号を同一とした。

本実施形態に係る成分濃度測定装置１１は、第１の半導体レーザ光源８０１と第２の半導体レーザ光源８０５の出力する光のパワーを等しく調整する手段として、校正用検体８１１を導入した形態である。また、本実施形態の成分濃度測定装置１１は、図２により説明した第１実施形態に係る成分濃度測定装置１０における第１の光源１０３、第２の光源１０６及び光分岐部１０８の光発生手段、光変調手段及び光出射手段に異なる点を有している。

本実施形態の成分濃度測定装置１１の上記以外の部分は、図２に示す第１実施形態に係る成分濃度測定装置１０と同様であるので、ここでは本実施形態に係る成分濃度測定装置１１について、第１実施形態の成分濃度測定装置１０と異なる部分について説明する。また、本実施形態に係る成分濃度測定装置１１の測定原理は第１実施形態に係る成分濃度測定装置１０と同様であるため、本実施形態に係る成分濃度測定装置１１の説明に適宜図５を参照する。

本実施形態に係る成分濃度測定装置１１は、光発生手段及び光変調手段の一部としての第１の半導体レーザ光源８０１、第２の半導体レーザ光源８０５、レンズ８０２、レンズ８０６、光合波手段の一部としての合波部１０７、レンズ８１５、光出射手段としてのファイバカップラ８１２、ファイバコリメータ８１３及びガラス板８１４を有する。

本実施形態において第１の半導体レーザ光源８０１、第２の半導体レーザ光源８０５は、光の波長をそれぞれ波長１６０８ｎｍ及び１３８１ｎｍに設定し、光強度ＣＷ光１２ｍＷの光を発振器１０１の周波数４５０ｋＨｚで互いに逆位相の強度変調光として出射する。

合波部１０７は、第１の半導体レーザ光源８０１から出射されレンズ８０２を介して集光された光及び第２の半導体レーザ光源８０５から出射されレンズ８０６を介して集光された光の２波長の光を合波して出力する。

ファイバカップラ８１２は、レンズ８１５により光ファイバに結合された光を等パワーに４分岐させ出力する。分岐させた各ファイバの先端にファイバコリメータ８１３が接続され、ファイバコリメータ８１３は、ファイバカップラ８１２からの光を１ｍｍ径の平行光ビームに変換しガラス板８１４を介して出射する。なお、光を等パワー、ビーム径に分割する方法に限定するものではなく、第１実施形態で説明したように、例えば、径を大きく広げた平行ビームを等間隔に空孔を空けた金属板に透過させても同様に分割することができる。また、光の分岐数に関しても、得られる音響周波数特性から最適値が調整されるもので、４に限定しない。ここで、本実施形態では、被検体２の光の被照射面に対して反対側に設置された音波検出部１１１の受音面を直径１６ｍｍとしており、その受音面の中心５から半径４ｍｍの円周上に図５に示す被照射部位が９０度間隔で配置されるように、被検体２の直上にあるファイバコリメータ８１３の位置を調整した。

ここで、本実施形態では、光照射位置にある音源と音波検出部１１１の間に骨が介在しないように、指の腹に向けてファイバコリメータ８１３からの光を出射する。さらに、指の表面の凹凸によって、各被照射部位である音源と受音面からの距離が変化することを避けるために、ガラス板８１４を被検体２の被照射面に押し付けることとする。ガラス板８１４の押し付けには、押し付け面の指表皮で血液が虚血することを避けるために、被照射部位となる位置に空孔を用意し、被照射部位が直接ガラスに接触しないようにし、接触部は被照射部位の周囲に限定した。また、音波検出部１１１の表面には、指との間に空泡が散在しないように、ジェルを塗布することとする。

また、音波検出部１１１の受音面において各被照射部位からの音波が平面波になるように被照射部位である音源と受音面の距離が遠距離音場となるように指の位置を調整する。本実施形態の場合、被検体２としての指の厚みは１５ｍｍ程度であったため、遠距離音場となる距離を１５ｍｍ程度とする。なお、この値は、音波検出部１１１及び被照射部位である音源サイズに依存するもので、必ずしもこの値に限定されるものではない。

成分濃度測定装置１１の構成を上記の構成とし、波長１３８１ｎｍの光のみを第２の半導体レーザ光源８０５から出射し、光の照射位置、照射パワー等の各種パラメータの調整を行った。音波検出部１１１の中心５（図５）を光の出射位置との距離、及び発振器１０１での変調周波数を操作し、音波の大きさが最大となる値に調整する。また、各被照射部位である音源の位置によって、音波検出部１１１までの音響伝達経路・特性がランダムに異なるため、音波検出部１１１上でこれらの信号が加算された結果、各共振ピークが鈍化する。

ここで、共振ピークの鈍化について説明する。図７は発振器の変調周波数に対する音波強度の変化を示した図である。図７において、実線は光を分岐させない場合（分岐数１）の音波強度を示し、点線は前述のファイバカップラでの光の分岐数を４とした場合の音波強度を示す。

図７に示すように、光の分岐数を４とした場合には、分岐数１とした場合に比べ共振ピークが鈍化することがわかる。また、周波数特性のリプルは部分的に３ｄＢ以下に平坦とすることが可能である。また、被検体２としての指よりも被照射部位である音源と音波検出部１１１の距離が長くなる手の平では、共振ピークの強度が比較して弱まり、より平坦度は増加することが分かった。

以上の調整手順の後に、図３の被検体２としての指を固定する。音波検出部１１１からの信号は、位相検波増幅部１１３の一部である前置増幅器で増幅された後に、ロックインアンプで位相検波しており、指示値は１．６５ｍＶであった。指の音響伝達特性の変化（音響インピーダンス、微弱な体動によるずれ）に伴う信号変化の多くは、周波数領域のシフトにより発生するため、周波数特性の平坦化によって抑制され、２０分間の測定時間において、信号の変化率は１％以下であった。

次に、被検体２の代わりに、水を充填したシリコンゴム製のセルである校正用検体８１１を配置し、また、波長１．６０μｍの光を第１の半導体レーザ光源８０１から追加して出射し、光パワーの調整を行い、ロックインアンプの信号値を、およそ０．５μＶとした。再び、校正用検体８１１に換えて被検体２としての指を配置し、信号を観測したところ、ロックインアンプの指示値は、およそ４μＶであった。また、水のみの吸収を呈する光波長１．３８μｍの光のみでの指示値は１．７２ｍＶであり、信号値の除算を行い、対象成分であるグルコースと水の吸光度比を掛けることによりグルコース成分濃度が算定され、１４５ｍｇ／ｄｌと求まった。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る成分濃度測定装置について説明する。本実施形態に係る成分濃度測定装置は、異なる２波長の光を１組として前記異なる波長の２波長のそれぞれと同一波長の２波長の光を複数組発生して出力する光発生手段と、前記光発生手段からの複数の組の各組の２波長の光のそれぞれを前記各組について同一周波数で逆位相の信号により前記複数の組について同相で電気的に強度変調して出力する光変調手段と、前記光変調手段からの複数の組の各組の２波長の光を前記各組について合波して出射する光出射手段と、前記光出射手段により前記複数の組の各組の２波長の光について合波され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、を備える。さらに、本実施形態の成分濃度測定装置は被検体の成分濃度算出手段を備えることが好ましい。

図４に本実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図を示す。図４において、第１実施形態と同様の構成部分については構成要素番号を同一とし、また、同じ構成要素が２つ以上あるときは各構成要素の番号にそれぞれ英語符号を付した。

本実施形態に係る成分濃度測定装置１２は、図２に示す第１実施形態の成分濃度測定装置１０のように光を光分岐部１０８により分岐させる代わりに、複数の光源を有することとした場合である。

本実施形態の成分濃度測定装置１２の上記以外の部分は、図２に示す第１実施形態に係る成分濃度測定装置１０と同様であるので、ここでは本実施形態に係る成分濃度測定装置１２について、第１実施形態の成分濃度測定装置１０と異なる部分について説明する。また、本実施形態に係る成分濃度測定装置１２の測定原理は第１実施形態に係る成分濃度測定装置１０と同様であるため、本実施形態に係る成分濃度測定装置１２の説明に適宜図５を参照する。

本実施形態に係る成分濃度測定装置１２は、光発生手段及び光変調手段の一部としての発振器１０１、１８０°移相回路１０４、多チャンネル駆動回路１１５ａ、１１５ｂ、第１の光源１０３ａ、１０３ｂ及び第２の光源１０６ａ、１０６ｂ、光合波手段としての合波部１０７ａ、１０７ｂ、光出射手段としての光ファイバ１１８ａ、１１８ｂ及び光照射器１１７、音波検出手段としての音波検出部１１１、を有する。さらに、本実施形態に係る成分濃度測定装置１２は、光変調手段の一部として、第１の光源１０３ｂ及び第２の光源１０６ｂからの光を強度変調するための同一周波数で逆位相の信号をそれぞれ遅延させる遅延発生器１１６ａ、１１６ｂを有する。

本実施形態では、第１の光源１０３ａ及び第２の光源１０６ａで１組とし、第１の光源１０３ｂ及び第２の光源１０６ｂで１組とする。第１の光源１０３ａ及び第２の光源１０６ａから出力された異なる２波長の光は、合波部１０７ａにより合波され、光ファイバ１１８ａに向けて出力される。一方、第１の光源１０３ｂ及び第２の光源１０６ｂから出力された異なる２波長の光は、合波部１０７ｂにより合波され、光ファイバ１１８ｂに向けて出力される。ここで、第１の光源１０３ａ、１０３ｂの光の波長は互いに同一とし、第２の光源１０６ａ、１０６ｂの光の波長は互いに同一とする。

本実施形態では、第１の光源１０３ａ、第２の光源１０６ａ及び第１の光源１０３ｂ、第２の光源１０６ｂの２組の２波長の光を設けたが、組数が図５で説明した被照射部位の数と一致するため、２組に限らず、音波検出部１１１で検出する音波の大きさに合わせて多数組み設けることとしてもよい。即ち、被照射部位を増加させるほど音波の大きさが大きくなるため、各被照射部位における光強度を弱めることができる。

多チャンネル駆動回路１１５ａは、第２の光源１０６ａ、１０６ｂをそれぞれ駆動させる信号を発振器１０１からの変調信号に同期して出力する。また、多チャンネル駆動回路１１５ｂは、第１の光源１０３ａ、１０３ｂをそれぞれ駆動させる信号を発振器１０１からの変調信号に同期して出力する。

遅延発生器１１６ａは、多チャンネル駆動回路１１５ａから出力される信号のうち第２の光源１０６ｂを駆動させる信号を所定時間遅延させる。また、遅延発生器１１６ｂは、多チャンネル駆動回路１１５ｂから出力される信号のうち第１の光源１０３ｂを駆動させる信号を所定時間遅延させる。

このように、遅延発生器１１６ａ、１１６ｂを設けて、光を強度変調する前段で予め第１及び第２の光の変調信号をそれぞれ遅延させることができることで、電気配線による物理的な遅延量を調整して音波検出部１１１での音波の位相を揃えることができる。そのため、被検体２で発生する音波の音波検出部１１１に同相で到達する精度が向上し、音波の総和による信号増加を図ることができる。ここで、本実施形態では、第１の光源１０３ｂ、第２の光源１０６ｂへの信号を遅延させることとしたが、第１の光源１０３ａ、第２の光源１０６ａへの信号を遅延させる遅延発生器をさらに設けることとしてもよい。さらに複雑な遅延処理を行なうことができる。また、本実施形態では、第１及び第２の光を強度変調する変調信号をそれぞれ遅延させるものとして遅延発生器１１６ａ、１１６ｂを設けることとしたが、遅延発生器１１６ａ、１１６ｂに代えてパルス遅延調整器を適用することとしてもよい。パルス遅延調整器は、パルス遅延調整器内に設けた内部クロック周波数でパルス信号である変調信号のパルス時間を計測し、指定した遅延時間に対応したパルスを再出力する装置である。

ここで、遅延発生器１１６ａ、１１６ｂでの遅延量は、電気系の遅延差、光系での遅延差、被検体内での音波の速度の違い（骨や肉では音速が異なる）によって変わるため、被照射部位である音源と音波検出部１１１との物理的距離だけでは決定できない。そのため、遅延発生器１１６ａ、１１６ｂは、予め遅延量を調整しておく。例えば、第１の光源１０３ｂ及び第２の光源１０６ｂの組の光のみを出射し、遅延発生器１１６ａ、１１６ｂの遅延量を片方ずつ遅延させて、当該光による音波の大きさが増加する方向に遅延調整を行なう。

光照射器１１７は、例えば前述したファイバカップラを適用して、光ファイバ１１８ａ、１１８ｂに入射する光をそれぞれ被検体２に向けて変調光１２０として出射する。ここで、光照射器１１７は、第１実施形態において図５を参照して説明したのと同様に、被検体２に向けて出射される複数の光のビームとしての変調光１２０の並びが光の出射方向に垂直な面に対し音波検出部１１１の検出位置を中心５とした円周上に分布して配置されるように複数の変調光１２０を出射することが望ましい。複数の光のビームとしての変調光１２０の並びを音波の検出位置を図５に示す中心５とした円周上に分布させることにより、音波検出部１１１を円の中心５を貫く直線のいずれかに配置すれば各被照射部位から音波検出部１１１までの音波の検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心５を貫く直線方向の音波検出部１１１による音波の検出位置のずれを許容して、正確に測定対象の成分濃度を測定することができる。また、複数の光のビームとしての変調光１２０の並びを音波の検出位置を図５に示す中心５とした円周上に分布させることにより、それに従って光の被照射部位を円周上に分布させることができる。そのため、光の被照射面の起伏と被照射部位から音波検出部１１１までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出部１１１での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

また、被検体２の表面の形状に合わせて、光照射器１１７としてファイバカップラの光ファイバの配置や空孔を空けた金属板の金属板上での空孔の配置を調整して、図５（１）に示すように複数の被照射部位の並びが複数の変調光１２０の出射方向に垂直な面に対し音波検出部１１１の音波の検出位置を中心５とした円周上に分布して配置されるように前記複数の光を出射することが望ましい。光の被照射部位を円周上に分布させることにより、音波検出部１１１を円の中心５を貫く直線のいずれかに配置すれば各被照射部位から音波検出部１１１までの音波の検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心５を貫く直線方向の音波検出部１１１による音波の検出位置のずれを許容して、正確に測定対象の成分濃度を測定することができる。また、光の被照射部位を円周上に分布させることにより、光の被照射面の起伏と被照射部位から音波検出部１１１までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出部１１１での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

音波検出部１１１は、第１実施形態で説明したように、光の被照射部位から略等距離の位置に配置され、合波部１０７から出射された光により被検体２で発生する音波を音響整合物質１１０を介して検出し、音波の振幅に比例した電気信号を出力する。

このように、第１の光源１０３ａ、第２の光源１０６ａ及び第１の光源１０３ｂ、第２の光源１０６ｂの各組の２波長の光を合波部１０７ａ、１０７ｂで合波しそれぞれ出射することにより、光強度を複数に分散させることができるため、１箇所に光が集中して照射されることがないので、照射する光の総量を大きくすることができる。さらに、被照射部位から略等距離の位置で音波を検出することにより、音波の位相が揃う位置で音波を検出できるため、検出した音波の大きさを複数の被照射部位からの音波の総和として検出することができる。そのため、各被照射部位からの音波の誤差を平均化することができる。従って、本実施形態の成分濃度測定装置１２は、被検体２への負担が少なく且つ被検体２で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

次に、本実施形態に係る成分濃度測定装置１２の成分濃度測定の動作を図４を参照して説明する。

成分濃度測定装置１２は、混合光出射手順として、以下の動作を行なう。

まず、多チャンネル駆動回路１１５ｂは、発振器１０１からの変調信号に同期して第１の光源１０３ａ、第１の光源１０３ｂを駆動する信号を出力する。また、多チャンネル駆動回路１１５ａは、１８０°移相回路１０４を介した変調信号に同期して第２の光源１０６ａ、第２の光源１０６ｂを駆動させる信号を出力する。ここで、多チャンネル駆動回路１１５ａから出力される信号と多チャンネル駆動回路１１５ｂから出力される信号とは、互いに反転している。第１の光源１０３ａは、発生する光の波長を、例えば測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長λ_１に設定し、設定した波長の光を多チャンネル駆動回路１１５ｂからの信号により電気的に強度変調して出力する。また、第２の光源１０６ａは、水が一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長λ_２に設定し、設定した波長の光を多チャンネル駆動回路１１５ａからの信号により電気的に強度変調して出力する。ここで、多チャンネル駆動回路１１５ａから出力される信号と多チャンネル駆動回路１１５ｂから出力される信号とを互いに反転させているため、第１の光源１０３ａから出射される第１の光と第２の光源１０６ａから出射される第２の光とは交互に出射されることとなる。一方、第１の光源１０３ｂは、発生する光の波長を、第１の光源１０３ａと同一の波長λ_１に設定し、設定した波長の光を多チャンネル駆動回路１１５ｂからの信号により電気的に強度変調して出力する。また、第２の光源１０６ｂは、第２の光源１０６ａと同一の波長λ_２に設定し、設定した波長の光を多チャンネル駆動回路１１５ａからの信号により電気的に強度変調して出力する。

合波部１０７ａは、第１の光源１０３ａから受信する第１の光及び第２の光源１０６ａから受信する第２の光を合波して出射する。一方、合波部１０７ｂは、第１の光源１０３ｂから受信する第１の光及び第２の光源１０６ｂから受信する第２の光を合波して出射する。そして、光照射器１１７は、合波部１０７ａ、１０７ｂからの光をそれぞれ被検体２に向けて変調光１２０として出射する。

次に、成分濃度測定装置１２は、音波強度検出手順としての以下の動作を行なう。

音波検出部１１１は、光照射器１１７から出射された第１の光により被検体２から第１の音波が発生し、第２の光により被検体２から前記第２の音波が発生し重畳して、第１の音波と第２の音波の差の音波として、被検体２の各被照射部位からの音波の総和として音波（ｓ_１−ｓ_２）を音響整合物質１１０を介して検出し、成分濃度算出部１１４は、音波検出部１１１により検出された音波（ｓ_１−ｓ_２）の大きさを記憶する。

次に、成分濃度測定装置１２は、単一音波強度測定手順として、以下の動作を行なう。第１の光源１０３ａ、１０３ｂは、第１の光の発生を停止し、第２の光源１０６ａ、１０６ｂが波長λ_２の第２の光を発生し、多チャンネル駆動回路１１５ａ、１１５ｂからの信号により電気的に強度変調して出力し、光照射器１１７から変調光１２０を出射する。音波検出部１１１は、被検体２の各被照射部位からの音波の総和として音波ｓ_２を検出し、成分濃度算出部１１４は、音波ｓ_２の大きさを記憶する。

次に、成分濃度測定装置１２は、成分濃度算出手順として、以下の動作をおこなう。成分濃度算出部１１４は、音波検出部１１１から取得した（ｓ_１−ｓ_２）及びｓ_２から、前述の測定原理に従って数式（３）により成分濃度を算出する。

本実施形態に係る成分濃度測定装置１２は、光照射器１１７から複数の光を出射するので、以上の手順により成分濃度を測定して、被検体２への負担が少なく且つ被検体２で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。

本発明の成分濃度測定装置は、日常の健康管理や美容上のチェックに利用することができる。また、人間ばかりでなく、動物についても健康管理に利用することができる。

また、本発明の成分濃度測定装置は、人間や動物だけではなく、液体中の成分濃度を測定する分野、例えば果実の糖度測定にも適用することができる。

常温における水とグルコース水溶液の吸光度特性を示した図である。 １実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図である。 １実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図である。 １実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図である。 光分岐部から出射される光により形成される被照射部位の配置と音波検出部の配置を示した概略図である。 被照射部位の数を限りなく増加させたときの被照射部位の形状を示した概略図である。 発振器の変調周波数に対する音波強度の変化を示した図である。 従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示す図である。 従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示す図である。

符号の説明

２：被検体
５：中心
１０：成分濃度測定装置
１１：成分濃度測定装置
１２：成分濃度測定装置
１０１：発振器
１０２：駆動回路
１０３：第１の光源
１０３ａ，ｂ：第１の光源
１０４：１８０°移相回路
１０５：駆動回路
１０６：第２の光源
１０６ａ，ｂ：第２の光源
１０７：合波部
１０７ａ，ｂ：合波部
１０８：光分岐部
１１０：音響整合物質
１１１：音波検出部
１１２：フィルタ
１１３：位相検波増幅部
１１４：成分濃度算出部
１１５ａ，ｂ：多チャンネル駆動回路
１１６ａ，ｂ：遅延発生器
１１７：光照射器
１１８ａ，ｂ：光ファイバ
１２０：変調光
１２０ａ−ｈ：変調光
１２１ａ−ｈ：被照射部位
１２１ｋ：被照射部位
１３０ａ−ｈ：音波
６０１：第１の光源
６０４：駆動回路
６０５：第２の光源
６０８：駆動回路
６０９：合波器
６１０：被検体
６１３：超音波検出器
６１６：パルス光源
６１７：チョッパ板
６１８：モータ
６１９：音響センサ
６２０：波形観測器
６２１：周波数解析器
８０１：第１の半導体レーザ光源
８０２：レンズ
８０５：第２の半導体レーザ光源
８０６：レンズ
８０７：１８０°移相回路
８１１：校正用検体
８１２：ファイバカップラ
８１３：ファイバコリメータ
８１４：ガラス板
８１５：レンズ

Claims (15)

1. 異なる２波長の光を発生して出力する光発生手段と、
   前記光発生手段からの２波長の光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する光変調手段と、
   前記光変調手段からの２波長の光を合波して出力する光合波手段と、
   前記光合波手段により合波され出力される光を複数に分岐して出射する光出射手段と、
   前記光出射手段により分岐され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、
   を備えたことを特徴とする成分濃度測定装置。
2. 異なる２波長の光を１組として前記異なる２波長の光のそれぞれと同一波長の２波長の光を複数組発生して出力する光発生手段と、
   前記光発生手段からの複数の組の各組の２波長の光のそれぞれを前記各組について同一周波数で逆位相の信号により前記複数の組について同相で電気的に強度変調して出力する光変調手段と、
   前記光変調手段からの複数の組の各組の２波長の光を前記各組について合波して出射する光出射手段と、
   前記光出射手段により前記複数の組の各組の２波長の光について合波され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、
   を備えたことを特徴とする成分濃度測定装置。
3. 前記光変調手段は、前記複数の組の各組についての前記同一周波数で逆位相の信号のそれぞれを遅延させて前記２波長の光を強度変調することができることを特徴とする請求項２に記載の成分濃度測定装置。
4. 前記光出射手段は、前記複数の光のビームの並びが前記複数の光の出射方向に垂直な面に対し前記音波検出手段の前記音波の検出位置を中心とした円周上に分布して配置されるように前記複数の光を出射することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
5. 前記光出射手段は、複数の前記被照射部位の並びが前記複数の光の出射方向に垂直な面に対し前記音波検出手段の前記音波の検出位置を中心とした円周上に分布して配置されるように前記複数の光を出射することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
6. 前記光発生手段は、前記２波長の光の波長を、測定対象とする成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい２波長の光の波長に設定することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
7. 前記光発生手段は、前記２波長の光のうち一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を水が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
8. 前記光発生手段は、前記２波長の光のうち一方の光の波長を測定対象とする成分以外の成分が吸収を呈さない波長に設定することを特徴とする請求項６又は７に記載の成分濃度測定装置。
9. 前記測定対象とする成分がグルコース又はコレステロールであることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
10. 前記光発生手段は、前記光変調手段からの２波長の光を１の光束に合波し水に照射して発生する音波の圧力が零になるように前記２波長の光の各々の相対的な強度を調整することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
11. 前記光変調手段は、前記２波長の光により発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することを特長とする請求項１から１０のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
12. 前記光発生手段及び前記光変調手段は、２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
13. 前記音波検出手段は、前記変調周波数に同期する同期検波により音波を検出することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
14. 前記音波検出手段により検出される音波の圧力から成分濃度を算定する成分濃度算出手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の血液濃度測定装置。
15. 前記成分濃度算出手段は、前記光変調手段からの２波長の光により発生する音波の圧力を、前記２波長の光のうち１波長の光を零としたときに発生する音波の圧力で除算することを特徴とする請求項１４に記載の成分濃度測定装置。
    

Images