JP2008267919A - Component concentration measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、人間、動物又は果実等の被測定物の非侵襲な成分濃度測定装置に関する。 The present invention relates to a non-invasive component concentration measurement apparatus for an object to be measured such as a human being, an animal, or a fruit.
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血液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血液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響波を観測する、光音響法が注目されている。 With the aging of society, dealing with adult diseases is becoming a major issue. In blood glucose level testing, blood collection is necessary, which is a heavy burden on the patient. Therefore, a non-invasive blood component concentration measurement apparatus that does not collect blood has attracted attention. As a non-invasive blood component concentration measuring device developed so far, the skin is irradiated with electromagnetic waves, and the blood component to be measured, for example, in the case of blood glucose level, is absorbed by glucose molecules and heated locally. The photoacoustic method, which observes acoustic waves generated from the living body due to thermal expansion, has attracted attention.
しかし、光音響法による血液成分濃度測定装置は、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う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ない。 However, the photoacoustic blood component concentration measurement apparatus has a small interaction between glucose and electromagnetic waves, and there is a limit to the intensity of electromagnetic waves that can be safely irradiated to the living body. It has not been effective.
図5は、光音響法による従来の血液成分濃度測定装置の構成例である。図5に示す血液成分濃度測定装置80は、筺体85が、駆動回路81、音響波検出器82、パルス光源83及び波形観測器84を格納する(例えば、非特許文献1を参照。)。開口部86は、筺体85に形成され、被測定物99が挿入される。駆動回路81はパルス状の励起電流をパルス光源83に提供し、パルス光源83はサブマイクロ秒の持続時間を有する光パルスを発生させる。パルス光源83によって発生された光パルスは、被測定物99に照射される。光パルスは被測定物99の内部にパルス状の超音波と呼ばれる音響波を発生させる。発生した音響波は、音響波検出器82によって検出され、更に音圧に比例した電気信号に変換される。
FIG. 5 is a configuration example of a conventional blood component concentration measuring apparatus using a photoacoustic method. In the blood component
変換された電気信号の波形は波形観測器84により観測される。波形観測器84は上記励起電流に同期した信号によりトリガーされ、変換された電気信号は波形観測器84の管面上の一定位置に表示される。変換された電気信号は、積算及び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、被測定物99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5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。
The waveform of the converted electric signal is observed by the
図6は、第2の従来例の成分濃度測定装置の構成例を示す図である(例えば、特許文献1を参照。)。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。図6において、励起光源92aは、駆動回路91aにより、発振器95に同期して強度変調されている。また、励起光源92bは、駆動回路91bにより、発振器95に同期して強度変調されている。ここで、駆動回路91bには、発振器95の出力が180°位相器94を経て、給電され、その結果、励起光源92bは、励起光源92aに対して逆相に変調されるように構成されている。2つの励起光源92a,92bの出力光は、合波器96により合波され、1の光束として被測定物99に照射される。
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of a component concentration measuring apparatus according to a second conventional example (see, for example, Patent Document 1). In this example as well, blood sugar is the main measurement target, and high accuracy is attempted using a plurality of light sources having different wavelengths. In FIG. 6, the
被測定物99で発生した超音波は、超音波検出器93により検出され、音圧に比例した電気信号に変換される。電気信号の振幅が、発振器95に同期した位相検波増幅器97によって計測され、超音波出力として得られる。本例においては、励起光源92a,92bの出力光の波長は、水の吸収波長とグルコースの吸収波長であり、かつ、水の吸収係数が等しい。2つの超音波の差分からグルコースの量を推定することで、被測定物99内での背景ノイズとなる水から生じる超音波を除去している。
測定装置は、温度、電磁ノイズ、その他の機器部品の不安定要因により測定値の信頼性が変化する可能性を持っている。このため、一般的な測定装置は装置自身の信頼性を確保するため、測定値の信頼性が変化しない何らかの指標を持っている。成分濃度測定装置は、連続測定、かつ、絶対値の測定を想定している。連続測定を行う上では、測定値の相対値の測定は可能である。また、絶対値の測定を行うためには、測定値が変化しないゼロ点を示す指標が必要であり、この指標により測定値の校正を行う必要がある。 The measurement device has a possibility that the reliability of the measurement value may change due to temperature, electromagnetic noise, and other instability factors of equipment parts. For this reason, a general measuring apparatus has some index that does not change the reliability of the measurement value in order to ensure the reliability of the apparatus itself. The component concentration measuring device assumes continuous measurement and absolute value measurement. In performing continuous measurement, it is possible to measure relative values of measured values. In order to measure the absolute value, an index indicating a zero point at which the measured value does not change is required, and the measured value needs to be calibrated using this index.
第2の従来例の成分濃度測定装置では、水を封入したガラス容器或いは被測定物内における散乱を模擬するラテックス粒子等の散乱体を分散させた水を封入したガラス容器を標準試料として用いている。測定を行う前に超音波検出器に標準試料を接触させ、そのときの測定値を標準値、例えば、グルコース濃度なら0mg/dlに対応させることで成分濃度測定装置の校正を行っている。 In the component concentration measuring apparatus of the second conventional example, a glass container enclosing water or a glass container enclosing water in which scatterers such as latex particles simulating scattering in the object to be measured are encapsulated is used as a standard sample. Yes. Before the measurement, the standard sample is brought into contact with the ultrasonic detector, and the measured value at that time is made to correspond to the standard value, for example, 0 mg / dl for the glucose concentration, thereby calibrating the component concentration measuring apparatus.
測定誤差の原因としては、被測定物や標準試料の温度変化等の測定環境、外部からの音響ノイズや電磁ノイズ等の背景ノイズが例示できる。 Examples of the cause of the measurement error include a measurement environment such as a temperature change of an object to be measured or a standard sample, and background noise such as external acoustic noise or electromagnetic noise.
図7に、励起光の波長と水の吸収度の関係について示した。温度変化により水の吸収スペクトルが変化すると、超音波の強度が変化する。前述の第2の従来例の成分濃度測定装置では、装置校正のために2波の超音波をバランスさせることが必要である。図8に、標準試料について、一定温度で2波の超音波がバランスしているときの信号強度の経時測定結果を示した。また、図9に、標準試料について、温度変化した際の信号強度の経時測定結果を示した。図8,9に示すように、温度変化に伴う超音波の強度変化は、2波の超音波のバランスを崩してしまう。このため、正確な測定を行う際、被測定物及び標準試料の正確な温度を測定し、それらの温度差を元に温度補正を行う必要があった。 FIG. 7 shows the relationship between the wavelength of excitation light and the absorbance of water. When the water absorption spectrum changes due to temperature change, the intensity of the ultrasonic wave changes. In the component concentration measuring apparatus of the second conventional example described above, it is necessary to balance two ultrasonic waves for apparatus calibration. FIG. 8 shows the measurement results of signal intensity over time for a standard sample when two waves of ultrasonic waves are balanced at a constant temperature. FIG. 9 shows the measurement results of signal intensity over time for the standard sample when the temperature changes. As shown in FIGS. 8 and 9, the intensity change of the ultrasonic wave accompanying the temperature change breaks the balance of the two ultrasonic waves. Therefore, when performing an accurate measurement, it is necessary to measure the accurate temperatures of the object to be measured and the standard sample, and to perform temperature correction based on the temperature difference between them.
また、第2の従来例の成分濃度測定装置では、標準試料について測定した後、被測定物を測定する。このとき、標準試料と被測定物の測定の時間差で測定環境が変化することが予想される。測定環境の変化は、高精度な温度測定において不安定要素となる。さらに、標準試料と被測定物の測定の時間差で背景ノイズが変化することが予想される。信号対雑音比(SN比)1000以上の高精度な測定を行う場合、背景ノイズを除去する必要がある。 In the component concentration measuring apparatus of the second conventional example, the measurement object is measured after measuring the standard sample. At this time, it is expected that the measurement environment changes due to the time difference between the measurement of the standard sample and the object to be measured. Changes in the measurement environment become unstable factors in highly accurate temperature measurement. Furthermore, the background noise is expected to change due to the time difference between the measurement of the standard sample and the object to be measured. When performing highly accurate measurement with a signal-to-noise ratio (SN ratio) of 1000 or more, it is necessary to remove background noise.
本発明は、測定誤差を少なくし、測定精度を高くできる成分濃度測定装置を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a component concentration measuring apparatus that can reduce measurement errors and increase measurement accuracy.
上記の課題を解決するために、本発明に係る成分濃度測定装置は、差動増幅器を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a component concentration measuring apparatus according to the present invention includes a differential amplifier.
具体的には、本発明に係る成分濃度測定装置は、校正に用いる標準試料と、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被測定物及び前記標準試料に照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被測定物及び前記標準試料からの超音波を検出して電気信号として出力する複数の音波検出手段と、前記複数の音波検出手段からの前記電気信号を差動増幅する差動増幅器と、を備える。 Specifically, the component concentration measuring apparatus according to the present invention irradiates the measurement object and the standard sample with a standard sample used for calibration and a modulated laser beam obtained by electrically modulating the intensity of the laser beam with a modulation signal having a constant frequency. Irradiating means, a plurality of sound wave detecting means for detecting ultrasonic waves from the object to be measured and the standard sample generated by the irradiated modulated laser light and outputting them as electric signals, and the plurality of sound wave detecting means And a differential amplifier for differentially amplifying the electrical signal from.
上記の成分濃度測定装置は、前記差動増幅器が前記電気信号を差動増幅することで背景ノイズの影響を低減でき、測定誤差を少なくし、測定精度を高くすることができる。 In the component concentration measuring apparatus, the differential amplifier can differentially amplify the electric signal to reduce the influence of background noise, reduce measurement errors, and increase measurement accuracy.
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記標準試料は、前記被測定物が接触可能な位置に配置されていることが好ましい。 In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that the standard sample is disposed at a position where the object to be measured can contact.
上記の成分濃度測定装置は、前記標準試料と前記被測定物の温度を近づけることができ、測定誤差をより低減することができる。 The component concentration measuring apparatus can bring the temperature of the standard sample and the object to be measured close to each other, and can further reduce measurement errors.
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記被測定物を押圧する押圧手段と、前記標準試料に前記変調レーザ光を照射する際、前記被測定物に照射される前記変調レーザ光を遮蔽するシャッターと、をさらに備えることが好ましい。 In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, a pressing unit that presses the object to be measured, and a shutter that shields the modulated laser light irradiated to the object to be measured when the modulated laser light is irradiated to the standard sample. It is preferable to further comprise.
上記の成分濃度測定装置は、前記押圧手段により前記標準試料と前記被測定物の境界面の音響インピーダンスを一定に保つことができ、測定誤差をより低減することができる。 In the component concentration measuring apparatus, the acoustic impedance of the boundary surface between the standard sample and the object to be measured can be kept constant by the pressing means, and the measurement error can be further reduced.
本発明に係る成分濃度測定装置では、少なくとも前記標準試料及び前記複数の音波検出手段に接触しているヒートシンクをさらに備えることが好ましい。 The component concentration measuring apparatus according to the present invention preferably further includes a heat sink in contact with at least the standard sample and the plurality of sound wave detecting means.
上記の成分濃度測定装置は、前記標準試料及び前記複数の音波検出手段の温度変化を低減でき、測定誤差をより低減することができる。 The component concentration measuring apparatus can reduce temperature changes of the standard sample and the plurality of sound wave detecting means, and can further reduce measurement errors.
本発明に係る成分濃度測定装置では、少なくとも前記標準試料及び前記複数の音波検出手段が、背景ノイズから遮蔽されていることが好ましい。 In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that at least the standard sample and the plurality of sound wave detecting means are shielded from background noise.
上記の成分濃度測定装置は、背景ノイズの影響を低減でき、測定誤差をより低減することができる。 The above-described component concentration measuring apparatus can reduce the influence of background noise and can further reduce measurement errors.
本発明に係る成分濃度測定装置では、少なくとも前記標準試料及び前記複数の音波検出手段が、断熱されていることが好ましい。 In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that at least the standard sample and the plurality of sound wave detecting means are insulated.
上記の成分濃度測定装置は、測定環境の変化の影響を低減でき、測定誤差をより低減することができる。 The component concentration measuring apparatus can reduce the influence of changes in the measurement environment and can further reduce measurement errors.
本発明は、測定誤差を少なくし、測定精度を高くできる成分濃度測定装置を提供することができる。 The present invention can provide a component concentration measuring apparatus that can reduce measurement errors and increase measurement accuracy.
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、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、各実施形態に係る成分濃度測定装置の構成を示す図において、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。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiment described below is an example of the configuration of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment. Further, in the diagram showing the configuration of the component concentration measuring apparatus according to each embodiment, a portion that can be realized by a normal technique such as a power source or a control unit that controls the entire operation is not shown.
図1に、本実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図を示した。本実施形態に係る成分濃度測定装置100は、校正に用いる標準試料98と、レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被測定物99及び標準試料98に照射する光照射手段110と、照射された変調レーザ光により発生する被測定物99及び標準試料98からの超音波を検出して電気信号として出力する複数の音波検出手段120,121と、複数の音波検出手段120,121からの電気信号を差動増幅する差動増幅器130と、を備える。さらに、図1には、光照射手段110として駆動回路111、励起光源112及び光分岐器113、並びに、シャッター140を示した。
FIG. 1 shows a schematic diagram of a component concentration measuring apparatus according to this embodiment. The component
励起光源112としては、例えば、分布帰還型半導体レーザ(DFB−LD)等の半導体レーザがある。また、励起光源112は、ヒーター又はペルチェ素子で加熱又は冷却することにより出力するレーザ光の波長を変化できることが好ましい。
An example of the
駆動回路111は、例えば、励起光源112に接続され、励起光源112に電力を供給する。また、駆動回路111は、一定周波数、例えば、500kHzの周波数で励起光源112が出力するレーザ光を変調する。駆動回路111で変調された変調レーザ光は、光分岐器113で分岐され、被測定物99及び標準試料98に照射される。
For example, the
光分岐器113としては、例えば、励起光源112からの変調レーザ光を等分するハーフミラー、光平面回路(PLC)、光カプラがある。光分岐器113が励起光源112からの変調レーザ光を被測定物99及び標準試料98に分岐することから、成分濃度測定装置100は、被測定物99及び標準試料98を移動させることなく、被測定物99及び標準試料98に変調レーザ光を照射することができる。
Examples of the optical branching
ここで、成分濃度測定装置100は、光ファイバ(不図示)に変調レーザ光を伝搬させることが好ましく、光ファイバの先端に形成された出射口(不図示)を標準試料98の外壁面に密着させることがより好ましい。標準試料98の変調レーザ光被照射位置(不図示)が外部に触れることなく、従来必要とされていたクリーニングを不要とすることができる。
Here, the component
シャッター140としては、例えば、被測定物99に照射される変調レーザ光を遮蔽する微小板がある。
As the
被測定物99は、照射された変調レーザ光により変調周波数に応じた超音波が発生する。音波検出手段120は、被測定物99で発生する超音波を検出する。また、標準試料98は、照射された変調レーザ光により変調周波数に応じた超音波が発生する。音波検出手段121は、標準試料98で発生する超音波を検出する。成分濃度測定装置100は、標準試料98を2以上備えても良く、この場合、音波検出手段121を標準試料98と同数備えても良い。
The object to be measured 99 generates ultrasonic waves according to the modulation frequency by the irradiated modulated laser light. The sound wave detection means 120 detects the ultrasonic wave generated by the
標準試料98と被測定物99を離して配置すると、標準試料98と被測定物99が受ける背景ノイズの影響や測定環境が異なり、校正の精度が低下し、測定誤差の原因となる。このため、本実施形態に係る成分濃度測定装置100では、標準試料98は、被測定物99が接触可能な位置に配置されていることが好ましい。さらに、音波検出手段121と標準試料98は、被測定物99が接触可能な位置に配置されていることがより好ましい。これによって、成分濃度測定装置100は、標準試料98と被測定物99の温度を近づけることができ、また、標準試料98と被測定物99が受ける背景ノイズの影響が略等しくなり、測定誤差をより低減することができる。
If the
ここで、標準試料98と音波検出手段121は、接着剤で固定しても良い。標準試料98と音波検出手段121の音響インピーダンスが整合し、校正精度がより高くなる。また、標準試料98と音波検出手段121を一体化しても良い(不図示)。
Here, the
標準試料98と音波検出手段121の音響インピーダンスを整合させるため、上記の接着剤は、標準試料98と音波検出手段121の受音面の間の音響インピーダンスを有することが好ましい。上記の接着剤は、例えば、高分子母材を含むものである。高分子母材としては、例えば、ゴム、天然高分子化合物、合成高分子化合物がある。ここで、高分子とは、分子量が非常に大きい分子である。ゴムとしては、例えば、天然ゴム、合成ゴム等の弾性を有するゴムがある。天然高分子化合物としては、例えば、ゼラチン、ケラチン等のタンパク質、セルロース、デンプン等の多糖物質がある。また、合成高分子化合物としては、例えば、可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等の合成繊維、合成ゴムがある。ここで、可塑性樹脂は、ガラス転移温度又は融点まで加熱することによって軟化し、目的の形状に成形できることが好ましい。ここで、軟化とは、無定形物質が柔らかくなるものであり、例えば、加熱により粘性度が1〜10Ns/mになるものである。また、高分子母材は、加熱により融解することが好ましい。このような高分子母材としては、例えば、付加重合による鎖式構造のものを用いることができる。
In order to match the acoustic impedance of the
上記の可塑性樹脂としては、例えば、アクリル樹脂(PMMA)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン、ポリスチレン(PS)、ポリ酢酸ビニル、フッ素樹脂、テフロン(登録商標)R−ポリテトラフルオロエチレン(PEFE)、ABS樹脂、AS樹脂等の汎用プラスチックがある。また、上記の可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、ポリカーボネイト(PC)、変性ポリフェニレンエーテル(m−PPE,変性PPE)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、グラスファイバー強化ポリエチレンテレフタレート(GF−PET)、環状ポリオレフィン(COP)等の汎用エンプラがある。さらに、上記の可塑性樹脂としては、例えば、スーパーエンプラ、ポリエチレンスルフィド(PPS)、ポリスルホン(PSF)、ポリエーテルスルホン(PES)、非晶ポリアリレート(PAR)、液晶ポリエステル(LCP)、ポリエーテルケトン(PEEK)、ポリイミド(PI)等の汎用エンプラもある。 Examples of the plastic resin include acrylic resin (PMMA), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride, polystyrene (PS), polyvinyl acetate, fluororesin, Teflon ( There are general-purpose plastics such as (registered trademark) R-polytetrafluoroethylene (PEFE), ABS resin and AS resin. Examples of the plastic resin include polyamide (PA), polyacetal (POM), polycarbonate (PC), modified polyphenylene ether (m-PPE, modified PPE), polybutylene terephthalate (PBT), and glass fiber reinforced polyethylene terephthalate. There are general-purpose engineering plastics such as (GF-PET) and cyclic polyolefin (COP). Furthermore, examples of the plastic resin include super engineering plastics, polyethylene sulfide (PPS), polysulfone (PSF), polyethersulfone (PES), amorphous polyarylate (PAR), liquid crystal polyester (LCP), polyetherketone ( There are also general-purpose engineering plastics such as PEEK and polyimide (PI).
上記の熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂(ポリウレタン)、ケイ素樹脂(シリコーン)、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル、アルキド樹脂、尿素樹脂(ユリア樹脂)、メラミン樹脂、イオノマーがある。 Examples of the thermosetting resin include epoxy resin, urethane resin (polyurethane), silicon resin (silicone), phenol resin, unsaturated polyester, alkyd resin, urea resin (urea resin), melamine resin, and ionomer.
上記の光硬化性樹脂としては、例えば、光カチオン重合性化合物及び光カチオン重合開始剤を含有するものがある。光カチオン重合性化合物としては、例えば、分子内に少なくとも1個のエポキシ基、オキセタニル基、水酸基、ビニルエーテル基、エピスルフィド基、エチレンイミン基等の光カチオン重合性官能基を有する化合物がある。また、光カチオン重合度が高く、少ない光量で効率的に光硬化が進行することから、光硬化性樹脂として、分子内に少なくとも1個のエポキシ基を有する化合物を用いることが好ましい。これらの光カチオン重合性化合物の性状(分子量)は、特に制限されず、モノマー、オリゴマー、ポリマーのいずれであっても良い。また、これらの光カチオン重合性化合物は、単独で用いても良く、2種類以上を併用しても良い。さらに、高分子母材として、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、タンパク質、ゴム又はこれらの複合材を用いても良い。 As said photocurable resin, there exists a thing containing a photocationic polymerizable compound and a photocationic polymerization initiator, for example. Examples of the photocationically polymerizable compound include compounds having at least one photocationically polymerizable functional group such as an epoxy group, oxetanyl group, hydroxyl group, vinyl ether group, episulfide group, and ethyleneimine group in the molecule. In addition, since the photocuring degree of polymerization is high and photocuring proceeds efficiently with a small amount of light, it is preferable to use a compound having at least one epoxy group in the molecule as the photocurable resin. The property (molecular weight) of these photocationically polymerizable compounds is not particularly limited, and may be any of a monomer, an oligomer, and a polymer. Moreover, these photocationic polymerizable compounds may be used independently and may use 2 or more types together. Further, as the polymer base material, for example, an epoxy resin, a urethane resin, a silicone resin, an acrylic resin, protein, rubber, or a composite material thereof may be used.
被測定物99としては、人体又は人体の一部、例えば、指や耳がある。被測定物99が指や耳であれば、成分濃度測定装置100は、血液中のグルコースやコルステロールの濃度を測定できる。また、被測定物99としては、例えば、実験用ラット、みかん等の果実、人体又は実験用ラットから採取した採取物もある。被測定物99が果実であれば、成分濃度測定装置100は、果実の糖度、すなわち、果実の甘さを測定できる。
The object to be measured 99 includes a human body or a part of the human body, for example, a finger or an ear. If the measured
標準試料98としては、例えば、被測定物99と等価な吸光度、電熱特性及び音響特性を示すように調合した生体等価物質を封入したものがある。測定対象の成分が血液中のグルコースであれば、標準試料98としては、例えば、水溶液又は水分を含んだ軟化ゲル状の試料を封入したガラスセル、血液成分量を検査済みの血液又は血清を封入したガラスセルがある成分濃度測定装置100では、被測定物99の測定対象とする成分に応じた標準試料とすることにより、成分濃度測定装置100の校正を行うことができる。
As the
差動増幅器130は、例えば、音波検出手段120,121からの電気信号を差動増幅し、差動増幅器130に接続された位相検波器(不図示)に電気信号を出力する。成分濃度測定装置100は、この電気信号の強度に基づいて測定対象となる成分濃度を算出し、ディスプレイやプリンタ等の出力手段に出力しても良い。ここで、音波検出手段120から差動増幅器130までの配線の距離と、音波検出手段121から差動増幅器130までの配線の距離が略等しくすることが好ましい(不図示)。
For example, the
成分濃度測定装置100を用いた成分濃度の測定の手順の一例を示す。まず、被測定物99の成分濃度の測定を行うにあたり、成分濃度測定装置100の校正を行う。標準試料98は、被測定物99に接触しており、標準試料98と被測定物99の温度が略等しくなっている。校正時、すなわち、標準試料98に変調レーザ光を照射する際、シャッター140は、被測定物99に照射される変調レーザ光を遮蔽する。ここで、シャッター140は、校正時、変調レーザ光の強度が予め設定された所定値以下で安定したときに開放しても良い。変調レーザ光は、被測定物99に対して等吸収を示す2波長の光を含んでおり、それぞれの光は、逆位相の変調を受けている。変調レーザ光は、光分岐器130を経て、標準試料98に照射される。標準試料98では、それぞれの変調レーザ光に含まれる2波長の光により、逆位相の2波の超音波が発生する。ここでは、成分濃度測定装置100は、この2波の超音波が重なり合って打ち消しあうように変調レーザ光を調整し、校正する。
An example of the procedure of measuring the component concentration using the component
次に、被測定物99の成分濃度の測定を行う。成分濃度の測定時、すなわち、被測定物99に変調レーザ光を照射する際、シャッター140は、被測定物99に照射される変調レーザ光を遮蔽しないように開放する。変調レーザ光は、光分岐器130を経て2分岐される。2分岐された変調レーザ光の一方は、開放されたシャッター140を経て、被測定物99に照射される。また、2分岐された変調レーザ光の他方は、標準試料98に照射される。
Next, the component concentration of the
標準試料98からの電気信号は、校正されているため、背景ノイズのみとなる。被測定物99からの電気信号は、被測定物99に含まれる測定対象の成分の電気信号と背景ノイズが含まれる。ここで、背景ノイズは、主に音響ノイズと電磁ノイズである。これら背景ノイズの波長は、2個の音波検出手段120,121同士の距離に比べて十分長いと考えられる。被測定物99及び標準試料98からの電気信号が差動増幅器130に入力される。被測定物99及び標準試料98からの電気信号に含まれる背景ノイズは同位相であるため、差動増幅器130が、被測定物99及び標準試料98からの電気信号を差動増幅することで、背景ノイズを除去することができる。以上のように、成分濃度測定装置100は、環境温度による不安定性及び背景ノイズの影響を低減でき、測定誤差を少なくし、測定精度を高くすることができる。
Since the electrical signal from the
図2に、本実施形態に係る成分濃度測定装置の第1形態の概略図を示した。本実施形態に係る成分濃度測定装置100では、少なくとも標準試料98及び音波検出手段120,121に接触しているヒートシンク160をさらに備えることが好ましい。さらに、被測定物99がヒートシンク160に接触可能な配置であることがより好ましい。ヒートシンク160としては、比熱が低く、熱伝導率の高い材料、例えば、金、銀、銅、パラジウム、白金、鉄、アルミニウム、チタン、錫、亜鉛、ニッケル、タングステン、イリジウム等の単体金属又はステンレス、黄銅、青銅、炭素鋼、ジェラルミン等の合金の筐体がある。また、ヒートシンク160は、一部のみ比熱が低く、かつ、熱伝導率の高い材料で形成し、他の部分をガラス、石英、アルミナ等のセラミックス、エポキシ、アクリル、ウレタン等の有機高分子材料、又は、天然ゴム、木材等の天然構造材で形成しても良い。図2では、ヒートシンク160が、標準試料98、音波検出手段120,121、コリメータ150を収容し、被測定物99を挿抜可能であっても良い。以上のように、成分濃度測定装置100は、標準試料98及び複数の音波検出手段120,121の温度変化を低減でき、測定誤差をより低減することができる。
FIG. 2 shows a schematic diagram of the first embodiment of the component concentration measuring apparatus according to the present embodiment. The component
また、ヒートシンク160が背景ノイズを遮蔽することで、本実施形態に係る成分濃度測定装置100では、標準試料98及び複数の音波検出手段120,121が、背景ノイズから遮蔽されていることが好ましく、被測定物99も背景ノイズが遮蔽されることがより好ましい。これによって、成分濃度測定装置100は、外部で発生した電磁波によって音波検出手段120,121が飽和する事態を防止できる。以上のように、成分濃度測定装置100は、背景ノイズの影響を低減でき、測定誤差をより低減することができる。
Further, since the heat sink 160 shields background noise, in the component
ヒートシンク160を断熱構造とすることで、本実施形態に係る成分濃度測定装置100では、少なくとも標準試料98及び複数の音波検出手段120,121が、断熱されていることが好ましく、被測定物99も断熱されることがより好ましい。例えば、ヒートシンク160の内壁面にウレタン、エポキシ等の断熱材を装着することで、ヒートシンク160を断熱構造とすることができる。
In the component
以下、従来の従来の血液成分濃度測定装置と比較して、成分濃度測定装置100を断熱することによる利点を説明する。光音響波は水の光吸収度に依存しており、信号対雑音比(SN比)1000以上の高精度な測定では、温度変化の影響によって光音響波の強度が大きく変化する。従来の血液成分濃度測定装置では、被検体99と標準試料98の温度変動が同期していないため、例えば、血液中のグルコース濃度を測定する場合、グルコースが全く含まれない水の温度変化による温度相関を予め求めておく。そして、被検体99及び標準試料98の温度を正確に測定し、測定した温度と上記の温度相関に基づいて、グルコース量に無関係な温度の補正を行う。また、従来の血液成分濃度測定装置では、2波の変調レーザ光のバランスが取れた状態において、標準試料98からの超音波には背景ノイズが含まれ、被検体99からの超音波にはグルコースからの信号、背景ノイズ及び被検体99と標準試料98の温度差による温度誤差が含まれる。このため、標準試料98からの超音波のうち、被検体99と標準試料98の温度差による温度誤差を補正している。しかし、上記の温度相関、並びに、被検体99及び標準試料98の温度を正確に求めることが難しく、従来の血液成分濃度測定は、この補正を必ずしも正確に行えていなかった。
Hereinafter, advantages of insulating the component
一方、成分濃度測定装置100は、ヒートシンク160によって標準試料98と被検体99の温度変動が略等しくなっており、被検体99からの超音波に被検体99と標準試料98の温度差による温度誤差が含まれない利点がある。このため、成分濃度測定装置100は、被検体99と標準試料98の温度差による温度誤差を補正する必要はない。また、成分濃度測定装置100は、略同時に被検体99と標準試料98の測定を行うことができ、被検体99と標準試料98の測定時間差による温度誤差を無視できる利点もある。さらに、成分濃度測定装置100は、ヒートシンク160により外部の急激な温度変化の影響を低減できる利点もある。以上のように、成分濃度測定装置100は、温度に依存する測定誤差をより低減することができる。
On the other hand, in the component
図3は、本実施形態に係る成分濃度測定装置の第2形態の概略図であり、(a)が正面図であり、(b)が背面図である。図3(a)に示すように、標準試料98の上部と被測定物99の下部が接触する。また、図4は、図3(a)の断面図であり、(a)が図3(a)のA−A’であり、(b)が図3(a)のB−B’である。本実施形態に係る成分濃度測定装置100では、被測定物99を押圧する押圧手段170と、標準試料98に変調レーザ光を照射する際、被測定物99に照射される変調レーザ光を遮蔽するシャッター140と、をさらに備えることが好ましい。押圧手段170は、断面の形状がコの字状になるように折り曲げられて対向する押圧面が形成され、押圧面により被測定物99を押圧することができる。また、押圧手段170の材料を単体金属又は合金とすることで、押圧手段170をヒートシンクとして機能させることができる。押圧手段170は、正面側に2個のコリメータ150が埋め込まれ、背面側に音波検出手段120,121が埋め込まれる。押圧手段170は、音波検出手段121とコリメータ150で挟むように標準試料98を押圧する。これによって、成分濃度測定装置100は、押圧手段170により標準試料98と被測定物99の境界面の音響インピーダンスを一定に保つことができ、測定誤差をより低減することができる。
FIG. 3 is a schematic diagram of a second embodiment of the component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, where (a) is a front view and (b) is a rear view. As shown in FIG. 3A, the upper part of the
本発明に係る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、本発明に係る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。 The component concentration measuring apparatus according to the present invention can be used for daily health management and cosmetic check. Moreover, not only humans but also animals can be used for health management. Moreover, the component concentration measuring apparatus according to the present invention can be applied not only to humans and animals but also to the field of measuring component concentrations in liquids, for example, sugar content measurement of fruits.
80 血液成分濃度測定装置
81 駆動回路
82 音響波検出器
83 パルス光源
84 波形観測器
85 筐体
86 開口部
90 成分濃度測定装置
91a,91b 駆動回路
92a,92b 励起光源
93 超音波検出器
94 180°位相器
95 発信器
96 合波器
97 位相検波増幅器
98 標準試料
99 被測定物
100 成分濃度測定装置
110 光照射手段
111 駆動回路
112 励起光源
113 光分岐器
120,121 音波検出手段
130 差動増幅器
140 シャッター
150 コリメータ
160 ヒートシンク
170 押圧手段
80 Blood component concentration measurement device 81
Claims (6)
レーザ光を一定周波数の変調信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被測定物及び前記標準試料に照射する光照射手段と、
照射された前記変調レーザ光により発生する前記被測定物及び前記標準試料からの超音波を検出して電気信号として出力する複数の音波検出手段と、
前記複数の音波検出手段からの前記電気信号を差動増幅する差動増幅器と、
を備える成分濃度測定装置。 A standard sample used for calibration, and
A light irradiating means for irradiating the object to be measured and the standard sample with modulated laser light obtained by electrically modulating the intensity of the laser light with a modulation signal having a constant frequency;
A plurality of sound wave detection means for detecting ultrasonic waves from the object to be measured and the standard sample generated by the irradiated modulated laser light and outputting them as electric signals;
A differential amplifier for differentially amplifying the electrical signals from the plurality of sound wave detection means;
A component concentration measuring device.
前記標準試料に前記変調レーザ光を照射する際、前記被測定物に照射される前記変調レーザ光を遮蔽するシャッターと、
をさらに備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の成分濃度測定装置。 Pressing means for pressing the object to be measured;
A shutter that shields the modulated laser light applied to the object to be measured when the standard laser is irradiated with the modulated laser light;
The component concentration measuring apparatus according to claim 1, further comprising:
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