JP2007259918A - 成分濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一定の距離を有する円周上で光音響信号を検出するので、超音波検出部に到達する光音響信号の音圧が小さく、従来の生体画像化装置は、光音響信号の検出精度が低下する課題がある。
【解決手段】成分濃度測定装置は、被検体から放射される光音響信号で共振する共振器と被検体から放射される光音響信号を反射する楕円体状の反射部とを備える。成分濃度測定装置は、容器の内部に被検体と略等しい音響インピーダンスを有する液体を充填し、共振器の半径が液体中を伝搬する光音響信号の半波長の整数倍とする。
【選択図】図１

Description

本願発明は、非侵襲的な生体の成分濃度測定装置、特に、生体内の血液成分としてヘモグロビンの分布又は濃度情報を測定する成分濃度測定装置に関する。

高齢化の進展にともなって、成人の循環器などの疾病への対応が社会的に大きな課題となっている。特に血液の循環に関する情報は健康維持、疾病の診断上重要な情報になるものとして注目されている。

図１２及び図１３を用いて、従来の生体画像化装置について説明する（例えば、非特許文献１を参照。）。図１２は、生体画像化装置１００の断面図である。図１２には、被検体１０１、水槽１１１、水１１２、パルス光源１２１、凹面ミラー１２２、レンズ１２３、超音波検出部１２４、信号処理部１２５及びステップモータ１２８を図示している。

図１３は、生体画像化装置１００の上面図である。図１３には、被検体１０１、水槽１１１、水１１２、超音波検出部１２４及び回転軌道１３０を図示している。

水槽１１１は、水１１２が充填される。被測定物１０１は、水１１２の中に沈められる。被測定物１０１は、パルス光源１２１で出力されたパルス状の光が凹面ミラー１２２及びレンズ１２３を介して照射される。例えば、被測定物１０１としては、呼吸器が装着されたラットをあげることができる。

被測定物１０１は、照射されたパルス状の光を被測定物１０１の内部で吸収し、パルス状の光音響信号と呼ばれる超音波が発生する。超音波検出部１２４は、ステップモータ１２８で被測定物１０１を中心とした回転軌道１３０を移動しながら光音響信号を検出し、光音響信号を音圧に比例した電気信号に変換する。信号処理部１２５は、超音波検出部１２４から入力された電気信号を元に、被測定物１０１の測定対象の成分濃度を算出する。

"Ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅ ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｉｎ ｖｉｖｏ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｉｎ．" Ｘｕｅｄｉｎｇ Ｗａｎｇ他、Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．２１，Ｎｕｍｂｅｒ ７，Ｊｕｌｙ ２００３．

しかし、一定の距離を有する回転軌道１３０で光音響信号を検出するので、超音波検出部１２４に到達する光音響信号の音圧が小さく、生体画像化装置１００は、光音響信号の検出精度が低下する課題がある。

本願発明は、前記課題を解決する為になされたもので、光音響信号の検出精度が高い成分濃度測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、被検体から放射される光音響信号で共振する共振器と被検体から放射される光音響信号を反射する楕円体面状の反射部とを備える成分濃度測定装置である。

具体的に、本願第１の発明は、光を発生させる光発生部と、前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が楕円体面状である反射部と、前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、前記反射部の第１の焦点に配置される超音波検出部と、少なくとも前記共振器、前記反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して前記反射部の第２の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、前記共振器は、前記反射部の前記第２の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記反射部の内部に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置である。

楕円体面とは、長軸を中心として楕円を回転させた中空構造の形状である。

前記共振器が前記被検体から放射される前記光音響信号で共振し、前記共振器が前記被検体を囲むように配置されることで、前記被検体から放射される前記光音響信号は、振幅が増幅する。また、前記反射部の少なくとも一部が楕円体面状であることで、前記第２の焦点に配置する前記被検体から放射される前記光音響信号は、前記反射部の第１の焦点に効率よく反射される。よって、前記反射部の第１の焦点に配置された前記超音波検出部は、検出精度が高くなる。従って、光音響信号の検出精度が高い成分濃度測定装置を提供することができる。

上記目的を達成するために、本願第２の発明は、被検体から放射される光音響信号で共振する共振器と被検体から放射される光音響信号を反射する楕円筒状の反射部とを備える成分濃度測定装置である。

具体的に、本願第２の発明は、光を発生させる光発生部と、前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が楕円筒状である反射部と、前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、前記反射部の第１の焦点に配置される超音波検出部と、少なくとも前記共振器、前記反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して前記反射部の第２の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、前記共振器は、前記反射部の前記第２の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記反射部の内部に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置である。

楕円筒とは、最小面積となる断面が楕円形となる筒である。

前記共振器が前記被検体から放射される前記光音響信号で共振し、前記共振器が前記被検体を囲むように配置されることで、前記被検体から放射される前記光音響信号は、振幅が増幅する。また、前記反射部の少なくとも一部が楕円筒状であることで、前記第２の焦点に配置する前記被検体から放射される前記光音響信号は、前記反射部の第１の焦点に効率よく反射される。よって、前記反射部の第１の焦点に配置された前記超音波検出部は、検出精度が高くなる。従って、光音響信号の検出精度が高い成分濃度測定装置を提供することができる。

上記目的を達成するために、本願第３の発明は、被検体から放射される光音響信号で共振する共振器と被検体から放射される光音響信号を反射し、それぞれの焦点を通る軸が一致するように内面が対向する２個の回転放物面状の反射部を備える成分濃度測定装置である。

具体的に、本願第３の発明は、光を発生させる光発生部と、前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が回転放物面状であり、それぞれの焦点を通る軸が一致するように内面が対向する２個の反射部と、前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、一方の前記反射部の焦点に配置される超音波検出部と、少なくとも前記共振器、前記２個の反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して他方の前記反射部の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、前記共振器は、前記他方の反射部の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記他方の反射部の前記内面の側に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置である。

前記共振器が前記被検体から放射される前記光音響信号で共振し、前記共振器が前記被検体を囲むように配置されることで、前記被検体から放射される前記光音響信号は、振幅が増幅する。また、前記反射部の少なくとも一部が回転放物面状であり、前記２個の反射部の前記内面がそれぞれの焦点を通る軸を一致させるように対向することで、前記他方の反射部の焦点に配置する前記被検体から放射される前記光音響信号は、前記一方の反射部に効率よく反射される。さらに、前記２個の反射部を離すことで、前記超音波検出部は、ノイズを低減することができる。よって、前記一方の反射部の焦点に配置された前記超音波検出部は、検出精度が高くなる。従って、光音響信号の検出精度が高い成分濃度測定装置を提供することができる。

上記目的を達成するために、本願第４の発明は、被検体から放射される光音響信号で共振する共振器と被検体から放射される光音響信号を反射し、それぞれの焦点を通る軸が一致するように内面が対向する２個の放物湾曲板状の反射部を備える成分濃度測定装置である。

具体的に、本願第４の発明は、光を発生させる光発生部と、前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が放物湾曲板状であり、それぞれの焦点を通る軸が一致するように内面が対向する２個の反射部と、前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、一方の前記反射部の焦点に配置される超音波検出部と、少なくとも前記共振器、前記２個の反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して他方の前記反射部の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、前記共振器は、前記他方の反射部の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記他方の反射部の前記内面の側に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置である。

放物湾曲板とは、横切る断面が放物線となる板である。

前記共振器が前記被検体から放射される前記光音響信号で共振し、前記共振器が前記被検体を囲むように配置されることで、前記被検体から放射される前記光音響信号は、振幅が増幅する。また、前記反射部の少なくとも一部が放物湾曲板状であり、前記２個の反射部の前記内面がそれぞれの焦点を通る軸を一致させるように対向することで、前記他方の反射部の焦点に配置する前記被検体から放射される前記光音響信号は、前記一方の反射部に効率よく反射される。さらに、前記２個の反射部を離すことで、前記超音波検出部は、ノイズを低減することができる。よって、前記一方の反射部に配置された前記超音波検出部は、検出精度が高くなる。従って、光音響信号の検出精度が高い成分濃度測定装置を提供することができる。

本願各発明において、前記容器は、内部に前記被検体と略等しい音響インピーダンスを有する液体が充填され、前記共振器は、半径が前記液体中を伝搬する前記光音響信号の波長のｋ／２倍であることが好ましい（ｋは、１以上の整数。）。

前記液体の音響インピーダンスと前記被検体の音響インピーダンスとが略等しいことで、前記光音響信号は、低減しにくくなる。また、前記共振器の前記半径が前記液体中を伝搬する前記光音響信号の波長のｋ／２倍であることで、前記光音響信号は、振幅がより増幅する。よって、前記超音波検出部は、前記光音響信号の検出精度がより高くなる。従って、光音響信号の検出精度がより高い成分濃度測定装置を提供することができる。

本願各発明において、高音響インピーダンス層は、前記高音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｍ／４倍の厚さであり、低音響インピーダンス層は、前記低音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｎ／４倍の厚さであり、前記反射部は、少なくとも一部が前記高音響インピーダンス層と前記低音響インピーダンス層とが交互に積層されることが好ましい（ｍ及びｎは、１以上の奇数。）。

２つの層の音響インピーダンスを比較し、音響インピーダンスが高い方を前記高音響インピーダンス層とし、音響インピーダンスが低い方を前記低音響インピーダンス層とする。

少なくとも一部が所定の厚さの前記高音響インピーダンス層及び前記低音響インピーダンス層であることで、前記反射部は、反射率をより高くすることができる。よって、前記超音波検出部は、前記光音響信号の検出精度がより高くなる。従って、光音響信号の検出精度がより高い成分濃度測定装置を提供することができる。

本願各発明において、高音響インピーダンス層は、前記高音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｐ／４倍の厚さであり、低音響インピーダンス層は、前記低音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｑ／４倍の厚さであり、前記共振器は、少なくとも一部が前記高音響インピーダンス層と前記低音響インピーダンス層とが交互に積層されることが好ましい（ｐ及びｑは、１以上の奇数。）。

少なくとも一部が所定の厚さの前記高音響インピーダンス層及び前記低音響インピーダンス層であることで、前記共振器は、反射率をより高くすることができる。よって、前記超音波検出部は、前記光音響信号の検出精度がより高くなる。従って、光音響信号の検出精度がより高い成分濃度測定装置を提供することができる。

本願発明は、光音響信号の検出精度が高い成分濃度測定装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、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。

（実施の形態１）
本願第１の実施形態は、光を発生させる光発生部と、前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が楕円体面状である反射部と、前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、前記反射部の第１の焦点に配置される超音波検出部と、少なくとも前記共振器、前記反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して前記反射部の第２の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、前記共振器は、前記反射部の前記第２の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記反射部の内部に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置である。

図１及び図２を用いて本願第１の実施形態に係る成分濃度測定装置１０について説明する。図１は、成分濃度測定装置１０の概略図である。図１には、光発生部２１、光パルス変調部２２、光照射部２３、共振器２４、支柱２４ａ、反射部２５、超音波検出部２６、容器２７、挿入口２７ａ、窓部２７ｂ、光ファイバ２８、支持体２９、前置増幅器３０、信号処理部３１及び被検体９０を図示している。

図２は、成分濃度測定装置１０を上面から見た透視図である。図２には、共振器２４、反射部２５、超音波検出部２６、容器２７、窓部２７ｂ、パルス光４１、光音響信号４２及び被検体９０を図示している。なお、パルス光４１は、光照射部２３から被検体９０に照射される光であり、光音響信号４２は、パルス光４１により被検体９０の内部で発生するものである。また、被検体９０は、人体の指である。

成分濃度測定装置１０の構成について説明する。光発生部２１は、光を発生させる。光発生部２１は、光信号伝達手段を介して光パルス変調部２２に接続してもよい。例えば、光発生部２１としては、例えば、ランプ、半導体レーザ、固体レーザ、発光ダイオードなどの発光素子をあげることができる。また、光信号伝達手段としては、光ファイバ又は光導波路をあげることができ、以下の説明においても同様である。

後述する理由により、成分濃度測定装置１０は、容器２７の内部に被検体９０と略同じ音響インピーダンスを有する液体を充填することが好ましい。例えば、被検体９０の音響インピーダンスは、水の音響インピーダンスと略等しい。よって、容器２７の内部に水を充填する場合、光発生部２１は、水が特徴的な吸収を示さずに血液が吸収を呈する波長であり、かつ、レーザや発光素子等で発光できる波長の光を発生することが好ましい。例えば、波長８００ｎｍでは水の吸収係数はおよそ０．０２３ｃｍ^−１であり、血液の吸収係数はおよそ１．０ｃｍ^−１であり、上記の条件に合致する。

光パルス変調部２２は、光発生部２１が発生させる光をパルス変調してパルス光４１を出力する。光パルス変調部２２は、光信号伝達手段を介して光照射部２３に接続してもよい。例えば、光パルス変調部２２としては、光発生部２１から供給される光を電気的あるいは電気光学的に変調する方式がある。

パルス光４１を被検体９０に照射して、被検体９０による吸収を適切に光音響信号４２に反映させるためには、パルス光４１のパルス幅は、１０ナノ秒以下が好ましく、パルス光４１の繰り返し周波数は、測定時間を短縮するために１キロヘルツ以上であることが好ましい。

また、半導体レーザを直接変調すると、光発生部２１と光パルス変調部２２とを一体化することができる。例えば、直接変調すると、半導体レーザは、１０ナノ秒以下のパルス幅のパルス光４１を発生することができる。さらに、ＱスイッチＹＡＧレーザは、上記と同様のパルス光４１を発生することができる。

光照射部２３は、光パルス変調部２２が出力するパルス光４１を被検体９０に照射する。光照射部２３は、光ファイバ２８の一方の端部に接続してもよい。例えば、光照射部２３は、ガラス、プラスチックのその他のパルス光４１に対して透明な素材であってもよい。また、容器２７の内部に被検体９０と略同じ音響インピーダンスを有する液体を充填し、光照射部２３が上記の液体に接する場合、光照射部２３は、上記の液体と化学的に反応しない素材であってもよい。例えば、容器２７の内部に水を充填する場合、光照射部２３は、石英ガラス、光学ガラス、サファイアガラスであってもよい。

光ファイバ２８の他方の端部は、後述する容器２７の窓部２７ｂの外側の面に接続してもよい。すると、光発生部２１及び光パルス変調部２２の配置場所の自由度を大きくすることができる。また、光ファイバ２８を省いて、光照射部２３は、窓部２７ｂの外側の面に接続してもよい。あるいは、窓部２７ｂを取り除いて、光照射部２３は、容器２７及び反射部２５の内部に設けてもよい。

共振器２４は、パルス光４１により被検体９０から放射される光音響信号４２で共振する。共振器２４は、半球面状であってもよい。また、共振器２４は、支柱２４ａを介して反射部２５に固定されてもよい。なお、共振器２４は、後述するように、楕円筒状や球状であってもよい。

反射部２５は、パルス光４１により被検体９０から放射される光音響信号４２を反射する。反射部２５は、容器２７の内部に配置してもよく、容器２７の内面からなるものであってもよい。また、容器２７の内部に被検体９０と略同じ音響インピーダンスを有する液体を充填する場合、反射部２５は、光音響信号４２に対して反射率が高く、上記の液体と化学的に反応しない安定した素材であってもよい。例えば、容器２７の内部に水を充填する場合、反射部２５の素材としては、ステンレスやアルミをあげることができる。

反射部２５は、楕円体面状であることで、２個の焦点を有する。以後、上記２個の焦点の一方を第１の焦点、他方を第２の焦点とする。なお、いずれの焦点を、第１の焦点としてもよい。

容器２７は、少なくとも共振器２４、反射部２５及び超音波検出部２６を搭載する。また、容器２７は、被検体９０を第２の焦点に配置する為の挿入口２７ａを上面の一部に設け、側面に窓部２７ｂを設けてもよい。例えば、容器２７の素材としては、エポキシ樹脂に酸化チタンや酸化タングステンなどの金属酸化物の粉末を含むものをあげることができる。窓部２７ｂを設けることで、容器２７は、内面の凹凸が減少し、光音響信号４２の不要な反射を低減することができる。

支持体２９は、内部に信号伝達手段を配置する空間を有し、容器２７の上面から反射部２５及び容器２７を貫通して設けてもよい。また、後述する超音波検出部２６が反射部２５の第１の焦点に配置されるように、支持体２９を、設けてもよい。例えば、支持体２９の素材としては、光音響信号４２を反射しない容器２７と同様の素材をあげることができる。

超音波検出部２６は、反射部２５で反射される光音響信号４２を検出する。超音波検出部２６は、支持体２９の端部に設けられ、反射部２５の第１の焦点に配置され、支持体２９の中を貫通する信号伝達手段を介して前置増幅器３０に接続してもよい。例えば、超音波検出部２６としては、圧電効果又は電歪効果を利用したセラミックマイクロフォン、セラミック超音波センサ等、電磁誘導を利用したダイナミックマイクロフォン、リボンマイクロフォン等、静電効果を利用したコンデンサーマイクロフォン等、磁歪効果を利用した磁歪振動子等又は光反射・回折効果を利用した光マイクロフォン等をあげることができる。さらに、圧電効果を利用する場合としてはＰＺＴの結晶又はＰＶＤＦの結晶等により構成してもよい。また、信号伝達手段としては、銅ケーブルをあげることができ、以下の説明においても同様である。

例えば、容器２７の内部に水を充填する場合、超音波検出部２６が水中を伝わる光音響信号４２を検出するので、超音波検出部２６としては、ニードロハイドロフォン等の水中マイクロフォンをあげることができる。また、超音波検出部２６の表面には、水との音響インピーダンス整合のために、シリコンゴムの整合層を設けてもよい。

前置増幅器３０は、超音波検出部２６から送信される光音響信号４２を検出した信号を受信し、光音響信号４２を増幅してから信号処理部３１に送信してもよい。前置増幅器３０は、信号伝達手段を介して信号処理部３１に接続してもよい。

信号処理部３１は、前置増幅器３０から送信された光音響信号４２を検出した信号をもとに、被検体９０の測定対象とする成分の濃度を演算してもよい。また、信号処理部３１は、上記の演算結果を表示する手段、被検体９０の内部における測定対象の成分の濃度分布を画像化する手段や上記の演算結果等を記録する手段を有してもよい。

例えば、成分濃度測定装置１０は、容器２７の上面に挿入口２７ａから侵入するノイズを低減するための吸音材を配置してもよい。

例えば、容器２７の内部に水を充填する場合、成分濃度測定装置１０は、容器２７の内部に水の温度を検出する温度検出手段及び水の温度を調整することができる温度調整手段を有してもよい（図１及び図２には図示していない。）。

成分濃度測定装置１０の光音響信号の検出精度が高い点について説明する。まず、パルス光４１は、被検体９０に照射される。被検体９０に照射されたパルス光４１は、被検体９０の内部に吸収される。パルス光４１を吸収した被検体９０は、光音響信号４２を全方向へ放射する。光音響信号４２で共振器２４が共振することで、被検体９０から放射された光音響信号４２は、振幅が増幅する。また、反射部２５の少なくとも一部が楕円体面状であることで、反射部２５は、振幅が増幅した光音響信号４２を第１の焦点に配置された超音波検出部２６に効率よく反射する。超音波検出部２６は、振幅が増幅した光音響信号４２を検出した信号を前置増幅器３０に送信する。上記のように、前置増幅器３０が増大した光音響信号４２をもとに、信号処理部３１は、被検体９０の測定対象とする成分の濃度を演算する。上記のように、光音響信号４２の振幅が増幅し、反射部２５が光音響信号４２を超音波検出部２６に効率よく反射することで、超音波検出部２６は、検出精度が高くなる。従って、光音響信号の検出精度が高い成分濃度測定装置を提供することができる。

本願第１の実施形態において、前記容器は、内部に前記被検体と略等しい音響インピーダンスを有する液体が充填され、前記共振器は、半径が前記液体中を伝搬する前記光音響信号の波長のｋ／２倍であることが好ましい（ｋは、１以上の整数。）。

図３（ａ）は、球状の共振器２４の上面から見た拡大図である。図３（ｂ）は、球状の共振器２４の側面から見た拡大図である。図３（ａ）及び図３（ｂ）には、共振器２４を図示している。また、共振器２４の半径をｒと図示している。

容器２７は、内部に被検体９０と略等しい音響インピーダンスを有する液体を充填することが好ましい。上記のように、人体の指である被検体９０と略等しい音響インピーダンスを有する液体として、水をあげることができる。水の音響インピーダンスと被検体９０の音響インピーダンスとが略等しいことで、光音響信号４２は、被検体９０から水へ効率よく伝達し、低減しにくくなる。

共振器２４は、半径が液体中を伝搬する光音響信号４２の波長のｋ／２倍であることが好ましい。例えば、大気中において、パルス光４１を照射すると被検体９０が１６０５キロヘルツの周波数の光音響信号４２を放射する場合、水中における上記の光音響信号４２は、波長が２．４７ミリメートルとなる。例えば、ｋを１０として、共振器２４の半径ｒを１２．３５ミリメートルとしてもよい。すると、共振器２４がより強く共振し、光音響信号４２は、振幅がより増幅する。よって、超音波検出部２６は、前記光音響信号の検出精度がより高くなる。従って、光音響信号の検出精度がより高い成分濃度測定装置を提供することができる。

本願第１の実施形態において、高音響インピーダンス層は、前記高音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｍ／４倍の厚さであり、低音響インピーダンス層は、前記低音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｎ／４倍の厚さであり、前記反射部は、少なくとも一部が前記高音響インピーダンス層と前記低音響インピーダンス層とが交互に積層されることが好ましい（ｍ及びｎは、１以上の奇数。）。

図４は、反射部２５の断面の拡大図である。図４には、高音響インピーダンス層３３、低音響インピーダンス層３４を図示している。

高音響インピーダンス層３３の素材が金属であれば、低音響インピーダンス層３４の素材は、ガラス又はプラスチックであってもよい。また、高音響インピーダンス層３３の素材が金属又はガラスであれば、低音響インピーダンス層３４の素材は、プラスチックであってもよい。高音響インピーダンス層３３と低音響インピーダンス層３４との音響インピーダンスの差や加工性を考慮すると、高音響インピーダンス層３３の素材を金属とし、低音響インピーダンス層３４の素材をプラスチックとすることが好ましい。例えば、高音響インピーダンス層３３として１７．３×１０^６Ｎｓ／ｍ^３の音響インピーダンスを有するアルミニウム（Ａｌ）、低音響インピーダンス層３４として６．７×１０^６Ｎｓ／ｍ^３の音響インピーダンスを有するエポキシをあげることができる。

高音響インピーダンス層３３の厚さａは、高音響インピーダンス層３３の内部を伝搬する光音響信号４２の波長のｍ／４倍とすることが好ましい。また、低音響インピーダンス層３４の厚さｂは、低音響インピーダンス層３４の内部を伝搬する光音響信号４２の波長のｎ／４倍とすることが好ましい（ｍ及びｎは、１以上の奇数。）。例えば、高音響インピーダンス層３３がアルミニウムであり、低音響インピーダンス層３４がエポキシであるとする。大気中において、被検体９０がパルス光４１を照射すると１６０５キロヘルツの周波数の光音響信号４２を放射する場合、アルミニウム中における光音響信号４２の波長が４．００ミリメートルとなり、エポキシ中における光音響信号４２の波長が１．５５ミリメートルとなる。そこで、ｍを１として、高音響インピーダンス層３３の厚さａを１．００ミリメートルとし、ｎを１として、低音響インピーダンス層３４の厚さｂを０．３９ミリメートルとしてもよい。なお、ｍとｎとは、同じ値にする必要はない。

少なくとも一部が所定の厚さの高音響インピーダンス層３３及び低音響インピーダンス層３４であることで、反射部２５は、反射率をより高くすることができる。よって、超音波検出部２６は、光音響信号４２の検出精度がより高くなる。従って、光音響信号の検出精度がより高い成分濃度測定装置を提供することができる。なお、以後の本願各実施形態において、反射部２５の少なくとも一部を所定の厚さの高音響インピーダンス層３３及び低音響インピーダンス層３４とする効果は同様であり、上記の説明は省略する。

なお、所定の厚さの高音響インピーダンス層３３及び低音響インピーダンス層３４の反射率は、下記数（１）から数（３）より求めることができる。

ここで、Ｒは反射率、ｐは密度、Ｎは反射の次数、ｚ_ｌは外界物質（例えば、水や空気。）の音響インピーダンス密度、ｚ_Ｈは高音響インピーダンス層３３の音響インピーダンス密度、ｚ_Ｌは低音響インピーダンス層３４の音響インピーダンス密度、ｚ_Ｓは基板物質（例えば、反射部２５の材料。）の音響インピーダンス密度、ｈ_Ｈは高音響インピーダンス層３３の膜厚、ｈ_Ｌは低音響インピーダンス層３４の膜厚及びλ_０は光音響信号４２の波長である。

本願第１の実施形態において、高音響インピーダンス層は、前記高音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｐ／４倍の厚さであり、低音響インピーダンス層は、前記低音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｑ／４倍の厚さであり、前記共振器は、少なくとも一部が前記高音響インピーダンス層と前記低音響インピーダンス層とが交互に積層されることが好ましい（ｐ及びｑは、１以上の奇数。）。

上記と同様に、共振器２４の少なくとも一部は、所定の厚さの高音響インピーダンス層３３及び低音響インピーダンス層３４とすることが好ましい。すると、共振器２４は、反射率をより高くすることができる。よって、超音波検出部２６は、光音響信号４２の検出精度がより高くなる。従って、光音響信号の検出精度がより高い成分濃度測定装置を提供することができる。なお、以後の本願各実施形態において、共振器２４の少なくとも一部を所定の厚さの高音響インピーダンス層３３及び低音響インピーダンス層３４とする効果は同様であり、上記の説明は省略する。また、ｐとｑとは、同じ値にする必要はない。

（実施の形態２）
本願第２の実施形態は、光を発生させる光発生部と、前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が楕円筒状である反射部と、前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、前記反射部の第１の焦点に配置される超音波検出部と、少なくとも前記共振器、前記反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して前記反射部の第２の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、前記共振器は、前記反射部の前記第２の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記反射部の内部に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置である。

図５及び図６を用いて本願第２の実施形態に係る成分濃度測定装置１１について説明する。図５は、成分濃度測定装置１１の概略図である。図５には、光発生部２１、光パルス変調部２２、光照射部２３、共振器２４、反射部２５、超音波検出部２６、容器２７、挿入口２７ａ、窓部２７ｂ、光ファイバ２８、支持体２９、信号処理部３１、前置増幅器３０、パルス光４１、光音響信号４２及び被検体９０を図示している。

図６は、成分濃度測定装置１１を上面から見た透視図である。図６には、共振器２４、反射部２５、超音波検出部２６、容器２７、窓部２７ｂ、パルス光４１、光音響信号４２及び被検体９０を図示している。なお、成分濃度測定装置１１について、図１及び図２を用いて説明した成分濃度測定装置１０と異なる部分について説明する。また、被検体９０は、人体の指である。

共振器２４は、円筒状であってもよい。また、共振器２４は、一方の端部が反射部２５に固定されてもよい。

反射部２５は、楕円筒状であることで、焦点の集合である２本の仮想線を有する。以後、いずれかの仮想線上の任意の点を第１の焦点、他方の仮想線上の任意の点を第２の焦点とする。

成分濃度測定装置１１の光音響信号の検出精度が高い点について説明する。図１及び図２の成分濃度測定装置１０と同様に、成分濃度測定装置１１では、パルス光４１を被検体９０に照射し、被検体９０が光音響信号４２を全方向へ放射し、光音響信号４２で共振器２４が共振する。すると、光音響信号４２は、振幅が増幅する。また、反射部２５の少なくとも一部が楕円筒状であることで、反射部２５は、振幅が増幅した光音響信号４２を第１の焦点に配置された超音波検出部２６に効率よく反射する。図１及び図２の成分濃度測定装置１０と同様に、光音響信号４２の振幅が増幅し、反射部２５が光音響信号４２を超音波検出部２６に効率よく反射することで、超音波検出部２６は、検出精度が高くなる。従って、光音響信号の検出精度が高い成分濃度測定装置を提供することができる。

本願第２の実施形態において、前記容器は、内部に前記被検体と略等しい音響インピーダンスを有する液体が充填され、前記共振器は、半径が前記液体中を伝搬する前記光音響信号の波長のｋ／２倍であることが好ましい（ｋは、１以上の整数。）。

図７（ａ）は、円筒状の共振器２４の上面から見た拡大図である。図７（ｂ）は、円筒状の共振器２４の側面の側から見た拡大図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）には、共振器２４を図示している。また、共振器２４の半径をｒと図示している。

上記と同様に、容器２７は、内部に被検体９０と略等しい音響インピーダンスを有する液体を充填することが好ましい。また、共振器２４は、半径が液体中を伝搬する光音響信号４２の波長のｋ／２倍であることが好ましい（ｋは、１以上の整数。）。すると、共振器２４がより強く共振し、光音響信号４２は、振幅がより増幅する。よって、超音波検出部２６は、前記光音響信号の検出精度がより高くなる。従って、光音響信号の検出精度がより高い成分濃度測定装置を提供することができる。なお、以後の本願各実施形態において、容器２７の内部に上記の液体を充填し、共振器２４の半径ｒが液体中を伝搬する光音響信号４２の波長のｋ／２倍とする効果は同様であり、上記の説明は省略する。

（実施の形態３）
本願第３の実施形態は、光を発生させる光発生部と、前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が回転放物面状であり、それぞれの焦点を通る軸が一致するように内面が対向する２個の反射部と、前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、一方の前記反射部の焦点に配置される超音波検出部と、少なくとも前記共振器、前記２個の反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して他方の前記反射部の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、前記共振器は、前記他方の反射部の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記他方の反射部の前記内面の側に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置である。

図８及び図９を用いて本願第３の実施形態に係る成分濃度測定装置１２について説明する。図８は、成分濃度測定装置１２の概略図である。図８には、光発生部２１、光パルス変調部２２、光照射部２３、共振器２４、支柱２４ａ、反射部２５、超音波検出部２６、容器２７、挿入口２７ａ、窓部２７ｂ、光ファイバ２８、支持体２９、前置増幅器３０、信号処理部３１、パルス光４１、光音響信号４２及び被検体９０を図示している。

図９は、成分濃度測定装置１２を上側の面から見た透視図である。図９には、共振器２４、反射部２５、超音波検出部２６、容器２７、窓部２７ｂ、パルス光４１、光音響信号４２及び被検体９０を図示している。また、被検体９０は、ラット等の小動物である。なお、成分濃度測定装置１２について、図１及び図２を用いて説明した成分濃度測定装置１０と異なる部分について説明する。

反射部２５は、少なくとも一部が回転放物面状である。また、反射部２５は、それぞれの焦点を通る軸が一致し、かつ、内面が対向するように容器２７の両側面に固定する。少なくとも一部が回転放物面状であることで、反射部２５は、１個の焦点を有する。なお、２個の反射部２５のうち、いずれの反射部２５の焦点に超音波検出器２６を配置してもよく、残りの反射部２５の焦点に被検体９０を配置してもよい。

共振器２４は、球体であってもよい。例えば、共振器２４は、気密を保つことができ、開閉できる扉を介して被検体９０を内部に収容してもよい。すると、容器２７の内部にラット等である被検体９０と略等しい音響インピーダンスを有する液体を充填しても、被検体９０は、一定時間、共振器２４の内部で呼吸することができる。

容器２７は、超音波検出器２６が配置された反射分２５と他方の反射部２５の焦点に被検体９０を配置する挿入口２７ａを設けてもよい。容器２７は、挿入口２７ａを開閉する扉部２７ｃを有してもよい。被検体９０を共振器２４に収容するときに、扉部２７ｃを開き、被検体９０を共振器２４に収容したら、扉部２７ｃを閉じてもよい。扉部２７ｃを閉じることで、成分濃度測定装置１２は、容器２７の上面に挿入口２７ａから侵入するノイズを低減することができる。

成分濃度測定装置１２の光音響信号の検出精度が高い点について説明する。図１及び図２の成分濃度測定装置１０と同様に、パルス光４１を被検体９０に照射し、被検体９０が光音響信号４２を全方向へ放射し、共振器２４が共振する。すると、光音響信号４２は、振幅が増幅する。反射部２５の少なくとも一部が回転放物面状であり、それぞれの焦点を通る軸を一致させるように内面が対向することで、一方の反射部２５は、振幅が増幅した光音響信号４２を他方の反射部２５の焦点に配置された超音波検出部２６に効率よく反射する。図１及び図２の成分濃度測定装置１０と同様に、光音響信号４２の振幅が増幅し、反射部２５が光音響信号４２を超音波検出部２６に効率よく反射することで、超音波検出部２６は、検出精度が高くなる。従って、光音響信号の検出精度が高い成分濃度測定装置を提供することができる。

（実施の形態４）
本願第４の実施形態は、光を発生させる光発生部と、前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が放物湾曲板状であり、それぞれの焦点を通る軸が一致するように内面が対向する２個の反射部と、前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、一方の前記反射部の焦点に配置される超音波検出部と、少なくとも前記共振器、前記２個の反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して他方の前記反射部の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、前記共振器は、前記他方の反射部の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記他方の反射部の前記内面の側に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置である。

図１０及び図１１を用いて本願第４の実施形態に係る成分濃度測定装置１３について説明する。図１０は、成分濃度測定装置１３の概略図である。図１０には、光発生部２１、光パルス変調部２２、光照射部２３、共振器２４、反射部２５、超音波検出部２６、容器２７、挿入口２７ａ、窓部２７ｂ、光ファイバ２８、支持体２９、前置増幅器３０、信号処理部３１、パルス光４１、光音響信号４２及び被検体９０を図示している。

図１１は、成分濃度測定装置１３を上側の面から見た透視図である。図１１には、共振器２４、反射部２５、超音波検出部２６、容器２７、窓部２７ｂ、パルス光４１、光音響信号４２及び被検体９０を図示している。また、被検体９０は、人体の指である。なお、成分濃度測定装置１３について、図８及び図９を用いて説明した成分濃度測定装置１２と異なる部分について説明する。

反射部２５は、少なくとも一部が放物湾曲板状である。また、反射部２５は、それぞれの焦点を通る軸が一致し、かつ、内面が対向するように容器２７の両側面に固定する。少なくとも一部が放物湾曲板状であることで、反射部２５は、１個の焦点を有する。なお、２個の反射部２５のうち、いずれの反射部２５の焦点に超音波検出器２６を配置してもよく、残りの反射部２５の焦点に被検体９０を配置してもよい。

共振器２４は、図５及び図６と同様な円筒状であってもよい。

成分濃度測定装置１３の光音響信号の検出精度が高い点について説明する。図８及び図９の成分濃度測定装置１２と同様に、パルス光４１を被検体９０に照射し、被検体９０が光音響信号４２を全方向へ放射し、共振器２４が共振する。すると、光音響信号４２は、振幅が増幅する。また、反射部２５の少なくとも一部が放物湾曲板状であり、それぞれの焦点を通る軸を一致させるように内面が対向することで、一方の反射部２５は、振幅が増幅した光音響信号４２を他方の反射部２５の焦点に配置された超音波検出部２６に効率よく反射する。図８及び図９の成分濃度測定装置１２と同様に、光音響信号４２の振幅が増幅し、反射部２５が光音響信号４２を超音波検出部２６に効率よく反射することで、超音波検出部２６は、検出精度が高くなる。従って、光音響信号の検出精度が高い成分濃度測定装置を提供することができる。

本発明の成分濃度測定装置は、医療診断に用いられるだけでなく、日常の健康管理や美容上の診断に利用することができる。

本願第１の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 図１の成分濃度測定装置を上面から見た透視図である。 図１の共振器の上面及び側面から見た拡大図である。 反射部の断面の拡大図である。 本願第２の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 図５の成分濃度測定装置を上面から見た透視図である。 図５の共振器の上面及び側面から見た拡大図である。 本願第３の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 図８の成分濃度測定装置を上面から見た透視図である。 本願第４の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図である。 図１０の成分濃度測定装置を上面から見た透視図である。 従来の生体画像化装置の断面図である。 従来の生体画像化装置の上面図である。

１０、１１、１２、１３ 成分濃度測定装置
２１ 光発生部
２２ 光パルス変調部
２３ 光照射部
２４ 共振器
２４ａ 支柱
２５ 反射部
２６ 超音波検出部
２７ 容器
２７ａ 挿入口
２７ｂ 窓部
２７ｃ 扉部
２８ 光ファイバ
２９ 支持体
３０ 前置増幅器
３１ 信号処理部
３３ 高音響インピーダンス層
３４ 低音響インピーダンス層
４１ パルス光
４２ 光音響信号
９０ 被検体
１００ 生体画像化装置
１０１ 被検体
１１１ 水槽
１１２ 水
１２１ パルス光源
１２２ 凹面ミラー
１２３ レンズ
１２４ 超音波検出部
１２５ 信号処理部
１２８ ステップモータ
１３０ 回転軌道

Claims (7)

1. 光を発生させる光発生部と、
   前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、
   前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、
   前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、
   前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が楕円体面状である反射部と、
   前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、前記反射部の第１の焦点に配置される超音波検出部と、
   少なくとも前記共振器、前記反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して前記反射部の第２の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、
   前記共振器は、前記反射部の前記第２の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記反射部の内部に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置。
2. 光を発生させる光発生部と、
   前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、
   前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、
   前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、
   前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が楕円筒状である反射部と、
   前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、前記反射部の第１の焦点に配置される超音波検出部と、
   少なくとも前記共振器、前記反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して前記反射部の第２の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、
   前記共振器は、前記反射部の前記第２の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記反射部の内部に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置。
3. 光を発生させる光発生部と、
   前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、
   前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、
   前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、
   前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が回転放物面状であり、それぞれの焦点を通る軸が一致するように内面が対向する２個の反射部と、
   前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、一方の前記反射部の焦点に配置される超音波検出部と、
   少なくとも前記共振器、前記２個の反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して他方の前記反射部の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、
   前記共振器は、前記他方の反射部の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記他方の反射部の前記内面の側に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置。
4. 光を発生させる光発生部と、
   前記光発生部が発生させる前記光をパルス変調してパルス光を出力する光パルス変調部と、
   前記光パルス変調部が出力する前記パルス光を被検体に照射する光照射部と、
   前記パルス光により前記被検体から放射される光音響信号で共振する球状又は円筒状の共振器と、
   前記被検体から放射される前記光音響信号を反射し、少なくとも一部が放物湾曲板状であり、それぞれの焦点を通る軸が一致するように内面が対向する２個の反射部と、
   前記反射部が反射する又は前記被検体から放射される前記光音響信号を検出し、一方の前記反射部の焦点に配置される超音波検出部と、
   少なくとも前記共振器、前記２個の反射部及び前記超音波検出部を搭載し、前記被検体を挿入して他方の前記反射部の焦点に配置するための挿入口を有する容器と、を備える成分濃度測定装置であって、
   前記共振器は、前記他方の反射部の焦点に配置する前記被検体を囲むように前記他方の反射部の前記内面の側に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置。
5. 前記容器は、内部に前記被検体と略等しい音響インピーダンスを有する液体が充填され、前記共振器は、半径が前記液体中を伝搬する前記光音響信号の波長のｋ／２倍であ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（ｋは、１以上の整数。）。
6. 高音響インピーダンス層は、前記高音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｍ／４倍の厚さであり、低音響インピーダンス層は、前記低音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｎ／４倍の厚さであり、前記反射部は、少なくとも一部が前記高音響インピーダンス層と前記低音響インピーダンス層とが交互に積層され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（ｍ及びｎは、１以上の奇数。）。
7. 高音響インピーダンス層は、前記高音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｐ／４倍の厚さであり、低音響インピーダンス層は、前記低音響インピーダンス層の内部を伝搬する前記光音響信号の波長のｑ／４倍の厚さであり、前記共振器は、少なくとも一部が前記高音響インピーダンス層と前記低音響インピーダンス層とが交互に積層されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の成分濃度測定装置（ｐ及びｑは、１以上の奇数。）。
   

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