JP2009136323A - Component concentration measuring apparatus - Google Patents

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Yuichi Okabe
勇一 岡部
Takuro Tajima
卓郎 田島
Kazunori Naganuma
和則 長沼
Katsuyoshi Hayashi
勝義 林
Junichi Shimada
純一 嶋田
Tsuneyuki Haga
恒之 芳賀
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize the intensity of the light emitted from a light emitting means even if the light emitting means vibrates because the intensity of sonic waves generated in a measured object depends also on the intensity of the light to be applied to the measured object though the concentration of a target component is measured based on the intensity of sonic waves generated in the measured object, and the concentration of the target component can not be accurately measured if the intensity of the light applied to the measured object varies. <P>SOLUTION: The component concentration measuring apparatus 235 related to this invention is characterized by an unnecessary mode eliminating means 237 for eliminating an unnecessary mode of an optical fiber 236 for guiding light to an irradiation head 112. By eliminating the unnecessary mode of the optical fiber 236, the intensity of the light emitted from the irradiation head 112 can be stabilized even if the bending state of the optical fiber 236 varies. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、非侵襲な成分濃度測定装置、特に、非侵襲に血液成分としてグルコースを測定対象として、その濃度、即ち血糖値の非侵襲な測定装置に関する。   The present invention relates to a non-invasive component concentration measuring apparatus, and more particularly to a non-invasive measuring apparatus for measuring the concentration, that is, a blood glucose level, of glucose as a blood component in a non-invasive manner.

非侵襲な成分濃度の測定方法として、現在までに、経皮的な電磁波の照射、または、輻射の観測に基づく様々の方法が試行されてきている。これらは何れも、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が有する特定の波長の電磁波との相互作用、すなわち吸収、または散乱を利用している。   To date, various methods based on transcutaneous electromagnetic wave irradiation or radiation observation have been tried as noninvasive component concentration measurement methods. All of these utilize the interaction with an electromagnetic wave of a specific wavelength that a blood molecule of interest has, for example, glucose molecules in the case of blood glucose level, that is, absorption or scattering.

しかし、グルコースと電磁波との相互作用は小さく、また生体に安全に照射し得る電磁波の強度には制限があり、さらに生体が電磁波に対して散乱体であるために、生体の血糖値測定においては、十分な効果を挙げるに至っていない。   However, the interaction between glucose and electromagnetic waves is small, and there is a limit to the intensity of electromagnetic waves that can be safely irradiated to a living body. Furthermore, since living bodies are scatterers against electromagnetic waves, , Has not been effective enough.

上記のグルコースと電磁波との相互作用を利用する従来の技術の中で、電磁波を生体へ照射して生体内に発生する音波を観測する、光音響法が注目されている。   Among the conventional techniques using the interaction between glucose and electromagnetic waves, a photoacoustic method for observing sound waves generated in a living body by irradiating the living body with electromagnetic waves has attracted attention.

光音響法とは生体にある量の電磁波を照射した場合、電磁波は生体に含有される分子に吸収され、電磁波を照射した部分を局所的に加熱して熱膨張を起こし音波を発生させるが、この音波の圧力は電磁波を吸収する分子の量に依存するので、音波の圧力を測定することにより、生体内の分子の量を測定する方法である。また、光音響法の中でも、光を照射した局部的な領域において熱が発生し、その熱が拡散することなく熱膨張を惹起し、それにより発生し伝搬する音波を利用する方法を直接光音響法と呼ぶ。   The photoacoustic method is that when a living body is irradiated with a certain amount of electromagnetic waves, the electromagnetic waves are absorbed by the molecules contained in the living body, and the portion irradiated with the electromagnetic waves is locally heated to cause thermal expansion and generate sound waves. Since the pressure of this sound wave depends on the amount of molecules that absorb electromagnetic waves, it is a method of measuring the amount of molecules in the living body by measuring the pressure of sound waves. Moreover, among the photoacoustic methods, heat is generated in a local area irradiated with light, and thermal expansion is caused without diffusion of the heat. Call the law.

音波は生体内を伝搬する圧力波であり、電磁波に比べ散乱しにくいという特質があり、上記の光音響法は生体の血液成分測定において注目すべき手法である(例えば、非特許文献1参照。)。図12は、従来例として、光音響法による従来の成分濃度測定装置の構成例を示す図である。光パルスを電磁波として用いている。また、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。駆動電源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、前記光パルスは生体被検部610に照射される。前記光パルスは生体被検部610内にパルス状の光音響信号と呼ばれる音波を発生させ、光音響信号は超音波検出器613により検出され、光音響信号は音圧に比例した電気信号に変換される。   A sound wave is a pressure wave propagating in a living body and has a characteristic that it is less likely to scatter than an electromagnetic wave. ). FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional component concentration measuring apparatus using a photoacoustic method as a conventional example. Light pulses are used as electromagnetic waves. In this example, blood sugar, that is, glucose is used as a measurement target as a blood component. The driving power source 604 supplies a pulsed excitation current to the pulse light source 616, and the pulse light source 616 generates a light pulse having a sub-microsecond duration, and the light pulse is irradiated to the living body test part 610. The light pulse generates a sound wave called a pulsed photoacoustic signal in the living body test part 610, the photoacoustic signal is detected by the ultrasonic detector 613, and the photoacoustic signal is converted into an electric signal proportional to the sound pressure. Is done.

前記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、前記音圧に比例し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、信号を積算・平均して測定することができる。   The waveform of the electrical signal is observed by a waveform observer 620. This waveform observer 620 is triggered by a signal synchronized with the excitation current, and an electrical signal proportional to the sound pressure is displayed at a fixed position on the tube surface of the waveform observer 620, and the signals are integrated and averaged for measurement. be able to.

このようにして得られた前記音圧に比例した電気信号の振幅を解析して、生体被検部610内の血糖値、すなわちグルコースの量が測定される。図12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の繰り返しで発生させ、1024発の光パルスを平均して、前記音圧に比例した電気信号としているが十分な精度が得られていない。   By analyzing the amplitude of the electrical signal proportional to the sound pressure thus obtained, the blood glucose level in the living body test part 610, that is, the amount of glucose is measured. In the case of the example shown in FIG. 12, a light pulse having a sub-microsecond pulse width is repeatedly generated at a maximum of 1 kHz, and the 1024 light pulses are averaged to obtain an electric signal proportional to the sound pressure. Is not obtained.

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発明が開示されている(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。また、より精度を高める目的で、接触温度計を用いて溶媒の吸光度の温度依存性を補正する発明が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。   Therefore, an invention using a light source that is continuously intensity-modulated for the purpose of improving accuracy is disclosed (for example, see 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 addition, for the purpose of improving accuracy, an invention for correcting the temperature dependence of the absorbance of a solvent using a contact thermometer is disclosed (for example, see Patent Document 2).

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2の従来例が開示されている。図13に第2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。   Therefore, a second conventional example using a light source that is continuously intensity-modulated has been disclosed for the purpose of improving accuracy. FIG. 13 shows the configuration of a second conventional apparatus (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.

説明の煩雑さを避けるために、図13により光源の数が2の場合の動作を説明する。図13において、異なる波長の光源、即ち、第1の光源601および第2の光源605は、それぞれ駆動電源604および駆動電源608により駆動され、連続光を出力する。   In order to avoid complicated explanation, the operation when the number of light sources is 2 will be described with reference to FIG. In FIG. 13, light sources having different wavelengths, that is, a first light source 601 and a second light source 605 are driven by a driving power source 604 and a driving power source 608, respectively, and output continuous light.

第1の光源601および第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の軸を中心とする円周に第1の光源601および第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。   The light output from the first light source 601 and the second light source 605 is intermittently driven by a chopper plate 617 that is driven by a motor 618 and rotates at a constant rotational speed. Here, the chopper plate 617 is formed of an opaque material, and the chopper plate 617 has a relatively small number on the circumference on which the light of the first light source 601 and the second light source 605 passes on the circumference around the axis of the motor 618. An opening is formed.

上記の構成により、第1の光源601および第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、および変調周波数fで強度変調された後、合波器609により合波され、1つの光束として生体被検部610に照射される。 With the above-described configuration, the light output from each of the first light source 601 and the second light source 605 is intensity-modulated at a relatively simple modulation frequency f 1 and modulation frequency f 2 , and then multiplexed by the multiplexer 609. Then, the living body test part 610 is irradiated as one light beam.

生体被検部610内には第1の光源601の光により周波数f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。 The living body test region 610 photoacoustic signal of frequency f 1 is generated by the light of the first light source 601, the photoacoustic signal having the frequency f 2 is generated by the light of the second light source 605, these photoacoustic The signal is detected by the acoustic sensor 619 and converted into an electric signal proportional to the sound pressure, and the frequency spectrum is observed by the frequency analyzer 621.

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。   In this example, the wavelengths of the plurality of light sources are all set to the absorption wavelength of glucose, and the intensity of the photoacoustic signal corresponding to each wavelength is measured as an electrical signal corresponding to the amount of glucose contained in the blood. The

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。   Here, the relationship between the intensity of the measured value of the photoacoustic signal and the value obtained by measuring the glucose content by separately collected blood is stored in advance, and the amount of glucose is measured from the measured value of the photoacoustic signal. ing.

成分濃度を測定するための照射光を被測定物に照射する場合、光ファイバを用いて被測定物の表面まで導き、光出射手段を被測定物の表面に密着させる。被測定物の表面が柔らかい場合、光出射手段の位置を一定とするのは困難である。光出射手段の位置が変動すれば、光出射手段に直結されている光ファイバは振動する。   When irradiating the object to be measured with irradiation light for measuring the component concentration, the optical fiber is used to guide the surface of the object to be measured to bring the light emitting means into close contact with the surface of the object to be measured. When the surface of the object to be measured is soft, it is difficult to keep the position of the light emitting means constant. If the position of the light emitting means varies, the optical fiber directly connected to the light emitting means vibrates.

光ファイバは、光ファイバの湾曲状態によって光の波長及び光強度が不安定になることが知られている。光ファイバが振動すれば、光出射手段の出射する強度変調光の強度が光ファイバの振動によって変動する。被測定物の表面が柔らかい場合、光出射手段の出射する強度変調光の強度が変動する場合がある。
特開平10−189号公報 WO 2005/107592 A1 オウル大学(University of Oulu、Finland)学位論文「Pulse photoacoustic techniques and glucose determination in human blood and tissue」(IBS 951−42−6690−0、http://herkules.oulu.fi/isbn9514266900/、2002年)
It is known that the optical wavelength and light intensity of an optical fiber become unstable due to the bending state of the optical fiber. When the optical fiber vibrates, the intensity of the intensity-modulated light emitted from the light emitting means varies due to the vibration of the optical fiber. When the surface of the object to be measured is soft, the intensity of the intensity-modulated light emitted from the light emitting means may vary.
JP-A-10-189 WO 2005/107592 A1 University of Oulu (University of Oulu, Finland) thesis “Pulse photoacoustic techniques and glucodesistion in human blood and tissue” (IBS 951-42-6690-0, 2001/95.

光音響法では、被測定物で発生した音波の強度によって対象成分の濃度を測定する。被測定物で発生した音波の強度は、被測定物に照射する光の強度にも依存する。被測定物に照射する光の強度が変動すれば、対象成分の濃度を正確に測定することはできない。   In the photoacoustic method, the concentration of the target component is measured based on the intensity of sound waves generated from the object to be measured. The intensity of the sound wave generated by the object to be measured also depends on the intensity of light applied to the object to be measured. If the intensity of light applied to the object to be measured varies, the concentration of the target component cannot be measured accurately.

そこで、本発明は、光出射手段が振動する場合であっても、光出射手段から出射される光強度を安定させることを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to stabilize the light intensity emitted from the light emitting means even when the light emitting means vibrates.

本発明に係る成分濃度測定装置は、光出射手段へ光を導く光ファイバの不要モードを除去することを特徴とする。光ファイバの不要モードは、光ファイバの湾曲状態によって、光ファイバから出射する光の強度を変動させる。光ファイバの不要モードを除去することで、光ファイバの湾曲状態が変動した場合でも、光出射手段から出射する光の強度を安定させることができる。   The component concentration measuring apparatus according to the present invention is characterized by removing an unnecessary mode of the optical fiber that guides light to the light emitting means. The unnecessary mode of the optical fiber varies the intensity of light emitted from the optical fiber depending on the bending state of the optical fiber. By removing the unnecessary mode of the optical fiber, the intensity of light emitted from the light emitting means can be stabilized even when the bending state of the optical fiber changes.

本発明に係る成分濃度測定装置は、液体に対象成分が混合されてなる溶液における前記液体の呈する吸収が相等しい異なる波長の光を発生して出力する2つの測定用光発生手段と、前記測定用光発生手段の一方からの光を予め定められた一定周波数で強度変調して出力し、かつ、前記測定用光発生手段の一方からの光と前記測定用光発生手段の他方からの光を前記一定周波数で互いに逆相に強度変調して出力する光変調手段と、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光を出力し、かつ、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光と前記測定用光発生手段の他方からの光の強度変調光とを合成して測定用合成光を出力する測定用光合成手段と、前記測定用光合成手段の出力する前記強度変調光及び前記測定用合成光を、前記溶液に向けて出射する光出射手段と、前記光出射手段の出射する前記強度変調光によって前記溶液から発生する規格化用音波、及び、前記光出射手段の出射する前記測定用合成光によって前記溶液から発生する測定用音波を検出する音波検出手段と、前記測定用光合成手段の出力する前記強度変調光及び前記測定用合成光を、前記光出射手段へ導く光ファイバと、前記光ファイバの途中に設けられ、前記光ファイバの不要モードを除去する不要モード除去手段と、を備えることを特徴とする。   The component concentration measuring apparatus according to the present invention comprises two measuring light generating means for generating and outputting light of different wavelengths with the same absorption of the liquid in a solution in which the target component is mixed with the liquid, and the measurement The light from one of the measurement light generation means is intensity-modulated at a predetermined frequency and output, and the light from one of the measurement light generation means and the light from the other of the measurement light generation means are output. A light modulation means for outputting an intensity modulated in phase opposite to each other at the constant frequency; and a light intensity modulated light from one of the measurement light generation means; and from one of the measurement light generation means A light combining means for measuring the light intensity modulated light and the light intensity modulating light from the other of the light generating means for measurement to output the combined light for measurement; and the intensity modulation output from the light combining means for measurement Light and the synthetic light for measurement, The solution by means of a light emitting means that emits toward the liquid, a normalization sound wave generated from the solution by the intensity-modulated light emitted from the light emitting means, and the synthetic light for measurement emitted from the light emitting means A sound wave detection means for detecting a measurement sound wave generated from the optical fiber, an optical fiber for guiding the intensity-modulated light and the measurement composite light output from the measurement light combining means to the light emitting means, and a middle part of the optical fiber. And an unnecessary mode removing means for removing an unnecessary mode of the optical fiber.

不要モード除去手段が、光出射手段の振動によって生じる光の変動を抑える。光出射手段が振動する場合であっても、光出射手段の出射する光の強度は安定する。光出射手段が振動する場合であっても、安定した対象成分の濃度を測定することができる。   The unnecessary mode removing unit suppresses light fluctuation caused by the vibration of the light emitting unit. Even when the light emitting means vibrates, the intensity of the light emitted from the light emitting means is stabilized. Even when the light emitting means vibrates, a stable concentration of the target component can be measured.

本発明に係る成分濃度測定装置では、前記不要モード除去手段は、予め定められた曲率半径で前記光ファイバを曲げる1つ以上の支柱を備えることが好ましい。
予め定められた曲率半径は、光ファイバの不要モードを除去する曲率半径である。光ファイバを支柱の曲率半径で曲げることで、光ファイバの不要モードを除去することができる。
In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that the unnecessary mode removing unit includes one or more struts that bend the optical fiber with a predetermined radius of curvature.
The predetermined radius of curvature is a radius of curvature that eliminates an unnecessary mode of the optical fiber. By bending the optical fiber with the curvature radius of the support column, unnecessary modes of the optical fiber can be removed.

本発明に係る成分濃度測定装置では、前記支柱は、前記曲率半径を半径とする円柱又は円筒であり、前記不要モード除去手段は、前記支柱に前記光ファイバが巻きつけられたものであることが好ましい。
不要モードを除去する曲率半径で光ファイバを曲げることができる。支柱が1つであるので、簡易な構成で不要モードを除去することができる。
In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, the support column may be a cylinder or a cylinder having the radius of curvature as the radius, and the unnecessary mode removing unit may be one in which the optical fiber is wound around the support column. preferable.
The optical fiber can be bent with a radius of curvature that eliminates unwanted modes. Since there is one support column, the unnecessary mode can be removed with a simple configuration.

本発明に係る成分濃度測定装置では、前記支柱は、前記曲率半径を半径とする2本の円柱又は円筒であり、前記不要モード除去手段は、前記支柱に前記光ファイバが8の字状に巻きつけられたものであることが好ましい。
不要モードを除去する曲率半径で光ファイバを曲げることができる。光ファイバを捻ることなく巻きつけることができる。
In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, the support column is two cylinders or cylinders having the radius of curvature as the radius, and the unnecessary mode removing unit is configured such that the optical fiber is wound around the support in an 8-shape. It is preferable that it is attached.
The optical fiber can be bent with a radius of curvature that eliminates unwanted modes. The optical fiber can be wound without twisting.

本発明に係る成分濃度測定装置では、前記光ファイバが、シングルモード光ファイバであり、前記曲率半径が、シングルモード光ファイバのクラッドモードを除去する曲率半径であることが好ましい。
シングルモード光ファイバのクラッドモードを除去することで、不要モードを除去することができる。
In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that the optical fiber is a single mode optical fiber, and the radius of curvature is a radius of curvature for removing a cladding mode of the single mode optical fiber.
By removing the cladding mode of the single mode optical fiber, the unnecessary mode can be removed.

本発明に係る成分濃度測定装置では、前記光ファイバが、マルチモード光ファイバであり、前記曲率半径が、マルチモード光ファイバのクラッドモード及び高次モードを除去する曲率半径であることが好ましい。
マルチモード光ファイバのクラッドモード及び高次モードを除去することで、不要モードを除去することができる。光ファイバがマルチモード光ファイバであることで、不要モードを安価で除去することができる。また、光ファイバがマルチモード光ファイバであることで、ビーム径を大きくすることができる。
In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, it is preferable that the optical fiber is a multimode optical fiber, and the radius of curvature is a radius of curvature that removes a cladding mode and a higher-order mode of the multimode optical fiber.
By removing the cladding mode and the higher order mode of the multimode optical fiber, the unnecessary mode can be removed. Since the optical fiber is a multimode optical fiber, unnecessary modes can be removed at low cost. Further, since the optical fiber is a multimode optical fiber, the beam diameter can be increased.

本発明に係る成分濃度測定装置では、
前記液体が水であり、
前記対象成分がグルコース又はコレステロールであり、
前記溶液が血液であることが好ましい。
本発明により、上記の成分濃度測定装置を血液成分濃度測定装置に適用することができる。これにより、生体被検部が振動した場合であっても、光出射手段からの光の強度を安定させることができる。
In the component concentration measuring apparatus according to the present invention,
The liquid is water;
The target component is glucose or cholesterol,
It is preferable that the solution is blood.
According to the present invention, the above-described component concentration measuring apparatus can be applied to a blood component concentration measuring apparatus. Thereby, even if it is a case where a biological test part vibrates, the intensity | strength of the light from a light-projection means can be stabilized.

本発明によれば、光出射手段へ光を導く光ファイバの不要モードを除去することができる。光ファイバの不要モードを除去することで、被測定物が振動した場合であっても、光出射手段からの光の強度を安定させることができる。また、光ファイバを振動や湾曲に対して過度に保護する必要がないので、成分濃度測定装置の構成を簡易にすることができる。   According to the present invention, an unnecessary mode of an optical fiber that guides light to a light emitting means can be removed. By removing the unnecessary mode of the optical fiber, the intensity of light from the light emitting means can be stabilized even when the object to be measured vibrates. In addition, since it is not necessary to protect the optical fiber excessively against vibration and bending, the configuration of the component concentration measuring device can be simplified.

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。   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.

以下の実施の形態では、成分濃度測定装置を、血液成分濃度測定装置として説明する。本実施形態において説明する生体被検部を被測定物に、血液を溶液に、水を液体に、グルコース又はコレステロールを対象成分に、それぞれ置き換えれば、成分濃度測定装置として実施することができる。例えば、溶液には、血液に限らず、リンパ液や涙等の生体を構成する溶液が含まれる。そして、対象成分には、グルコース又はコレステロールに限らず、例えば「リンパ液成分」や「涙成分」等の生体を構成する溶液中の成分も含まれる。このように測定対象に応じて種々の成分を測定できる。   In the following embodiments, the component concentration measuring device will be described as a blood component concentration measuring device. If the living body test portion described in the present embodiment is replaced with a measurement object, blood is replaced with a solution, water is replaced with a liquid, and glucose or cholesterol is replaced with a target component, the component concentration measuring device can be implemented. For example, the solution includes not only blood but also a solution constituting a living body such as lymph and tears. The target component is not limited to glucose or cholesterol, but also includes components in the solution constituting the living body, such as “lymph component” and “tear component”. Thus, various components can be measured according to the measurement object.

また、以下の実施形態や実施例の構成において、生体被検部に代えて果物をおけば、果実糖度計として機能する。これは、果実の甘さ成分である蔗糖や果糖は、血糖成分であるグルコースと類似の波長に吸収を有するからである、このように本実施形態の精神を逸脱しない範囲で、本実施形態に係る測定装置を様々の対象に適用できることは言うまで無い。   Moreover, in the structure of the following embodiment and an Example, if it replaces with a biological test part and a fruit is put, it will function as a fruit sugar content meter. This is because sucrose and fructose, which are the sweetness components of fruits, have absorption at a wavelength similar to that of glucose, which is a blood sugar component. Thus, in the range not departing from the spirit of the present embodiment, It goes without saying that such a measuring apparatus can be applied to various objects.

(第1実施形態)
本実施形態に係る血液成分濃度測定装置は、異なる波長の2波の光を発生する測定用光発生手段と、該異なる波長の2波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する光変調手段と、強度変調された該異なる波長の2波の光を1つの光束に合波し生体に向けて出射する光出射手段と、出射された光により生体内に発生する音波を検出する音波検出手段と、検出された音波の圧力から生体内の血液成分濃度を算定する血液成分濃度算定手段と、を備えた血液成分濃度測定装置である。なお、本実施形態に係る血液成分濃度算定手段は、本実施形態において適用する他、後に説明する実施形態においても適用することができる。
(First embodiment)
The blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment is configured such that the measurement light generating means for generating two light beams having different wavelengths and the two light beams having different wavelengths are electrically transmitted by signals having the same frequency and opposite phases. Light modulating means for intensity-modulating the light, light emitting means for combining the intensity-modulated two light beams of different wavelengths into one light beam, and emitting the light toward the living body, and generated in the living body by the emitted light A blood component concentration measuring device comprising: a sound wave detecting means for detecting a sound wave; and a blood component concentration calculating means for calculating a blood component concentration in the living body from the pressure of the detected sound wave. The blood component concentration calculating means according to the present embodiment can be applied not only to the present embodiment but also to embodiments described later.

さらに、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置においては、前記測定用光発生手段は、1波の光の波長を血液成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他の1波の光の波長を水が前記1波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。   Furthermore, in the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the measurement light generating means sets the wavelength of one wave of light to a wavelength at which the blood component exhibits characteristic absorption, and the other one wave of light. Can be set to a wavelength at which water exhibits absorption equal to that of the one-wave light.

図1を参照して、本実施形態に係る構成について説明する。図1は、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置の基本構成を示している。図1において、測定用光発生手段の一部としての第1の光源101は、光変調手段の一部としての駆動回路104により、光変調手段の一部としての発振器103に同期して強度変調されている。   With reference to FIG. 1, the configuration according to the present embodiment will be described. FIG. 1 shows a basic configuration of a blood component concentration measuring apparatus according to this embodiment. In FIG. 1, the first light source 101 as a part of the measuring light generating means is intensity-modulated by a drive circuit 104 as a part of the light modulating means in synchronization with the oscillator 103 as a part of the light modulating means. Has been.

一方、測定用光発生手段の一部としての第2の光源105は、光変調手段の一部としての駆動回路108により、同じく上記発振器103に同期して強度変調されている。但し、駆動回路108には、発振器103の出力が、光変調手段の一部としての180°移相回路107を経て給電され、その結果、第2の光源105は、上記第1の光源101に対して、180°位相が変化した信号により強度変調されるように構成されている。   On the other hand, the second light source 105 as a part of the measuring light generating means is intensity-modulated in synchronism with the oscillator 103 by a driving circuit 108 as a part of the light modulating means. However, the output of the oscillator 103 is fed to the drive circuit 108 via the 180 ° phase shift circuit 107 as a part of the light modulation means. As a result, the second light source 105 is supplied to the first light source 101. On the other hand, the intensity is modulated by a signal whose phase is changed by 180 °.

ここで、図1に示す第1の光源101および第2の光源105の各々の波長は、1波の光の波長を血液成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他の1波の光の波長を水が前記1波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。   Here, the wavelength of each of the first light source 101 and the second light source 105 shown in FIG. 1 is set such that the wavelength of one wave of light has a characteristic absorption of blood components, and the other one wave The wavelength of light is set to a wavelength at which water exhibits absorption equivalent to that at the wavelength of the one wave of light.

第1の光源101および第2の光源105は各々異なる波長の光を出力し、各々の出力する光は、光出射手段としての合波器109により合波され、1本の光束として、被検体としての生体被検部110に照射される。照射された第1の光源101および第2の光源105の各々が出力する光により生体被検部110内に発生される音波、すなわち光音響信号は、音波検出手段の一部としての超音波検出器113により検出され、光音響信号の音圧に比例した電気信号に変換される。前記電気信号は、上記発振器103に同期した音波検出手段の一部としての位相検波増幅器114により同期検波され、音圧に比例する電気信号が出力端子115に出力される。   The first light source 101 and the second light source 105 each output light having different wavelengths, and each output light is combined by a multiplexer 109 serving as a light emitting unit, and is subjected to a test as a light beam. It irradiates to living body test part 110 as. The sound wave generated in the living body test part 110 by the light output from each of the irradiated first light source 101 and the second light source 105, that is, the photoacoustic signal, is detected by ultrasonic waves as a part of the sound wave detecting means. And is converted into an electric signal proportional to the sound pressure of the photoacoustic signal. The electrical signal is synchronously detected by a phase detection amplifier 114 as a part of sound wave detection means synchronized with the oscillator 103, and an electrical signal proportional to the sound pressure is output to the output terminal 115.

ここで、出力端子115に出力される信号の強度は第1の光源101および第2の光源105の各々が出力する光が生体被検部110内の成分により吸収された量に比例するので、前記信号の強度は生体被検部110内の成分の量に比例する。従って、出力端子115に出力される前記信号の強度の測定値から、血液成分濃度算定手段(図示せず)が生体被検部110内の血液中の測定対象の成分の量を算定する。   Here, the intensity of the signal output to the output terminal 115 is proportional to the amount of light output from each of the first light source 101 and the second light source 105 absorbed by the components in the living body test portion 110. The intensity of the signal is proportional to the amount of components in the living body test part 110. Therefore, a blood component concentration calculating means (not shown) calculates the amount of the component to be measured in the blood in the living body test part 110 from the measured value of the intensity of the signal output to the output terminal 115.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置は第1の光源101および第2の光源105の出力する異なる波長の2波の光を同一周期、すなわち同一周波数の信号で強度変調しているので、超音波検出器113の周波数特性の不均一の影響を受けない特徴があり、この点が既存技術より優れている点である。   Since the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment modulates the intensity of two light beams of different wavelengths output from the first light source 101 and the second light source 105 with signals having the same period, that is, the same frequency, There is a characteristic that the frequency characteristic of the sound wave detector 113 is not affected by the nonuniformity, and this point is superior to the existing technology.

以上説明したように本実施形態に係る血液成分濃度測定装置は高精度に血液成分を測定することができる。   As described above, the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment can measure blood components with high accuracy.

本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置において、前記光変調手段は生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手段とすることもできる。異なる波長の2波の光の各々を生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、生体内に発生する音波を高感度に検出できる。   In the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the light modulating unit may be a unit that modulates at the same frequency as a resonance frequency related to detection of a sound wave generated in a living body. By modulating each of the two light beams having different wavelengths at the same frequency as the resonance frequency related to the detection of the sound wave generated in the living body, the sound wave generated in the living body can be detected with high sensitivity.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置において、前記血液成分濃度算定手段は、前記異なる波長の2波の光を生体に照射して発生する音波の圧力を、前記2波の光のうち1波の光を零としたときに発生する音波の圧力で除算する手段とすることもできる。このような除算により、高精度に血液成分濃度を測定することができる。   In the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the blood component concentration calculating means determines the pressure of the sound wave generated by irradiating the living body with the two waves of light having the different wavelengths, one of the two waves of light. It is also possible to divide by the pressure of the sound wave generated when the light of zero is zero. By such division, the blood component concentration can be measured with high accuracy.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置において、前記測定用光発生手段は、強度変調された前記異なる波長の2波の光を1つ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異なる波長の2波の光の各々の相対的な強度を調整する手段とすることもできる。   In the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the measurement light generating means combines the two light beams of different wavelengths, which have been intensity-modulated, into one light beam and irradiates water with the pressure of the sound wave generated. It is possible to adjust the relative intensity of each of the two light beams having different wavelengths so that becomes zero.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置において、例えば、図1において、生体被検部110に代えて校正用の水に、前述の血液成分濃度の測定と同様に、第1の光源101および第2の光源105の出力する光を1つの光束に合波した光を照射し、超音波検出器113が検出する光音響信号が零になるように、第1の光源101および第2の光源105の出力する光の相対的な強度を調節する場合である。   In the blood component concentration measurement apparatus according to the present embodiment, for example, in FIG. 1, the first light source 101 and the first light source 101 and The first light source 101 and the second light source 105 are irradiated such that the light output from the second light source 105 is combined with one light beam so that the photoacoustic signal detected by the ultrasonic detector 113 becomes zero. This is a case in which the relative intensity of the light output from is adjusted.

上記のように第1の光源101および第2の光源105の光の強度を調節する場合、第1の光源101および第2の光源105の光の相対的な強度を容易に等しく調整することができるので、容易に、高精度に血液成分濃度を測定することができる。   When the light intensities of the first light source 101 and the second light source 105 are adjusted as described above, the relative intensities of the light from the first light source 101 and the second light source 105 can be easily adjusted equally. Therefore, the blood component concentration can be easily measured with high accuracy.

本実施形態に係る血液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して同期検波により検出する手段とすることもできる。本実施形態に係る血液成分濃度測定装置は、例えば、第1の光源101および第2の光源105の出力する光の各々に対応する光音響信号が超音波検出器113により検出され電気信号に変換された信号を、位相検波増幅器114において第1の光源101および第2の光源105の出力する光の各々を強度変調する信号に同期して、同期検波により検出する例である。位相検波増幅器114において第1の光源101および第2の光源105の出力する光の各々に対応する光音響信号の検出精度が向上し、いっそう高精度に光音響信号を測定することができる。   In the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the sound wave detecting means may be a means for detecting by synchronous detection in synchronization with the modulation frequency. In the blood component concentration measurement apparatus according to the present embodiment, for example, a photoacoustic signal corresponding to each of the light output from the first light source 101 and the second light source 105 is detected by the ultrasonic detector 113 and converted into an electrical signal. This is an example in which the detected signal is detected by synchronous detection in synchronization with a signal for intensity-modulating each of the light output from the first light source 101 and the second light source 105 in the phase detection amplifier 114. In the phase detection amplifier 114, the detection accuracy of the photoacoustic signal corresponding to each of the lights output from the first light source 101 and the second light source 105 is improved, and the photoacoustic signal can be measured with higher accuracy.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置において、前記測定用光発生手段及び前記光変調手段は、2つ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手段とすることができる。2つ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装置構成とすることにより、装置構成が簡略化できる。   In the blood component concentration measuring apparatus according to this embodiment, the measurement light generating means and the light modulating means are means for directly modulating each of the two semiconductor laser light sources with rectangular wave signals having the same frequency and opposite phases. be able to. By adopting an apparatus configuration in which each of the two semiconductor laser light sources is directly modulated by rectangular wave signals having the same frequency and opposite phases, the apparatus configuration can be simplified.

次に本実施形態に係る血液成分濃度測定装置の基本となる技術の詳細を説明する。   Next, the details of the technology that is the basis of the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment will be described.

図1を参照して本実施形態に係る血液成分濃度測定装置構成を説明する。図1に示す本実施形態に係る血液成分濃度測定装置は、第1の光源101、第2の光源105、駆動回路104、駆動回路108、180°移相回路107、合波器109、超音波検出器113、位相検波増幅器114、出力端子115、発振器103により構成される。   With reference to FIG. 1, the structure of the blood component concentration measuring apparatus according to this embodiment will be described. The blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment shown in FIG. 1 includes a first light source 101, a second light source 105, a drive circuit 104, a drive circuit 108, a 180 ° phase shift circuit 107, a multiplexer 109, and an ultrasonic wave. It comprises a detector 113, a phase detection amplifier 114, an output terminal 115, and an oscillator 103.

発振器103は、信号線により駆動回路104、180°移相回路107、位相検波増幅器114とそれぞれ接続され、駆動回路104、180°移相回路107、位相検波増幅器114のそれぞれに信号を送信する。   The oscillator 103 is connected to the drive circuit 104, the 180 ° phase shift circuit 107, and the phase detection amplifier 114 by signal lines, and transmits signals to the drive circuit 104, the 180 ° phase shift circuit 107, and the phase detection amplifier 114, respectively.

駆動回路104は、発振器103から送信された信号を受信し、信号線により接続されている第1の光源101へ駆動電力を供給し、第1の光源101を発光させる。   The driving circuit 104 receives a signal transmitted from the oscillator 103, supplies driving power to the first light source 101 connected by the signal line, and causes the first light source 101 to emit light.

180°移相回路107は、発振器103から送信された信号を受信して、前記受信した信号に180°の位相変化を与えた信号を、信号線により接続されている駆動回路108へ送信する。   The 180 ° phase shift circuit 107 receives the signal transmitted from the oscillator 103, and transmits a signal obtained by giving a phase change of 180 ° to the received signal to the drive circuit 108 connected by the signal line.

駆動回路108は、180°移相回路107から送信された信号を受信し、信号線により接続されている第2の光源105へ駆動電力を供給し、第2の光源105を発光させる。   The drive circuit 108 receives the signal transmitted from the 180 ° phase shift circuit 107, supplies drive power to the second light source 105 connected by the signal line, and causes the second light source 105 to emit light.

第1の光源101および第2の光源105の各々は、互いに異なる波長の光を出力し、各々が出力した光を光波伝送手段により合波器109へ導く。   Each of the first light source 101 and the second light source 105 outputs light having different wavelengths, and guides the light output from the light source to the multiplexer 109 by the light wave transmission means.

第1の光源101の出力した光と第2の光源105の出力した光は、合波器109に入力され、合波されて、1つの光束として生体被検部110の所定の位置へ照射され、生体被検部110内に音波、すなわち光音響信号を発生させる。   The light output from the first light source 101 and the light output from the second light source 105 are input to the combiner 109, combined, and applied to a predetermined position of the living body test unit 110 as one light beam. A sound wave, that is, a photoacoustic signal is generated in the living body test part 110.

超音波検出器113は、生体被検部110の光音響信号を検出し、電気信号に変換して、信号線により接続されている位相検波増幅器114へ送信する。   The ultrasonic detector 113 detects the photoacoustic signal of the living body test part 110, converts it into an electrical signal, and transmits it to the phase detection amplifier 114 connected by a signal line.

位相検波増幅器114は、発振器103から送信される同期検波に必要な同期信号を受信するとともに、超音波検出器113から送信されてくる光音響信号に比例する電気信号を受信し、同期検波ならびに増幅、濾波を行なって、出力端子115へ光音響信号に比例する電気信号を出力する。   The phase detection amplifier 114 receives a synchronization signal necessary for synchronous detection transmitted from the oscillator 103 and also receives an electrical signal proportional to the photoacoustic signal transmitted from the ultrasonic detector 113 to perform synchronous detection and amplification. Then, filtering is performed, and an electric signal proportional to the photoacoustic signal is output to the output terminal 115.

第1の光源101は、発振器103の発振周波数に同期して強度変調された光を出力する。一方、第2の光源105は、発振器103の発振周波数で、かつ180°移相回路107により180°の位相変化を受けた信号に同期して強度変調された光を出力する。   The first light source 101 outputs light whose intensity is modulated in synchronization with the oscillation frequency of the oscillator 103. On the other hand, the second light source 105 outputs light whose intensity is modulated in synchronization with a signal having the oscillation frequency of the oscillator 103 and a phase change of 180 ° by the 180 ° phase shift circuit 107.

上記のように、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置においては第1の光源101の出力した光と第2の光源105の出力した光は、同一の周波数の信号により強度変調されているので、従来技術において、複数の周波数の信号により強度変調している場合に問題となる測定系の周波数特性の不均一性の影響は存在しない。   As described above, in the blood component concentration measurement apparatus according to the present embodiment, the light output from the first light source 101 and the light output from the second light source 105 are intensity-modulated by signals of the same frequency. In the prior art, there is no influence of non-uniformity in the frequency characteristics of the measurement system, which is a problem when intensity modulation is performed with signals of a plurality of frequencies.

一方、従来技術において問題となる光音響信号の測定値に存在する非線形的な吸収係数依存性は、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置においては等しい吸収係数を与える複数の波長の光を用いて測定することにより解決できることを、以下に説明する。   On the other hand, the nonlinear absorption coefficient dependency existing in the measurement value of the photoacoustic signal, which is a problem in the prior art, uses light of a plurality of wavelengths that give the same absorption coefficient in the blood component concentration measurement apparatus according to this embodiment. What can be solved by measuring in this way will be described below.

波長λおよび波長λの各々光に対して、背景の吸収係数α (b)、α (b)及び測定対象とする血液成分のモル吸収α (0)、α (0)が既知の場合、各波長における光音響信号の測定値sおよびsを含む連立方程式は、次の数式(1)のように表される。

Figure 2009136323
数式(1)を解いて未知の血液成分濃度Mを求める。ここで、Cは、変化し制御或は予想困難な係数、即ち、音響的な結合状態、超音波検出器の感度、前記照射部と前記検出部の間の距離(以下rと定義する)、比熱、熱膨張係数、音速、変調周波数、更に、吸収係数にも依存する未知乗数である。 Background light absorption coefficients α 1 (b) , α 2 (b) and molar absorption α 1 (0) , α 2 (0) of the blood component to be measured for light of wavelength λ 1 and wavelength λ 2 , respectively. Is known, the simultaneous equations including the measured values s 1 and s 2 of the photoacoustic signals at the respective wavelengths are expressed as the following formula (1).
Figure 2009136323
Equation (1) is solved to determine an unknown blood component concentration M. Here, C is a coefficient that changes and is difficult to control or predict, that is, acoustic coupling state, sensitivity of the ultrasonic detector, distance between the irradiation unit and the detection unit (hereinafter, defined as r), It is an unknown multiplier that also depends on specific heat, thermal expansion coefficient, sound speed, modulation frequency, and absorption coefficient.

数式(1)の1行目と2行目のCに差異が生ずるならば、それは、照射光に関係する量、即ち、吸収係数による差異以外にはあり得ない。ここで、数式(1)の各行の括弧の中、即ち吸収係数が互いに等しくなるように、波長λおよび波長λの組合せを選べば、吸収係数が等しくなり、1行目と2行目のCは等しい。しかしこれを厳密に行なうと、波長λおよび波長λの組合せが、未知の血液成分濃度Mに依存することになるため、不便である。 If there is a difference between C in the first row and the second row of Equation (1), it can be other than the amount related to the irradiation light, that is, the difference due to the absorption coefficient. Here, if the combination of the wavelength λ 1 and the wavelength λ 2 is selected in parentheses in each row of the formula (1), that is, the absorption coefficients are equal to each other, the absorption coefficients become the same, and the first and second lines Are equal. However, strictly doing this is inconvenient because the combination of wavelengths λ 1 and λ 2 will depend on the unknown blood component concentration M.

ここで、数式(1)の吸収係数(各行括弧中)に占める比率は、背景(α (b)、i=1、2)の方が、血液成分濃度Mを含む項(Mα (0))よりも著しく大きい。そこで、各行の吸収係数を正確に等しくする代わりに、背景、α (b)の吸収係数を等しくすれば十分である。即ち、異なる波長λおよび波長λの2波の光は、各々における背景の吸収係数、α (b)、α (b)が互いに等しくなるように選べば良い。このように1行目と2行目のCを等値できれば、それを未知定数として消去し、測定対象の血液成分濃度Mは数式(2)で表される。

Figure 2009136323
数式(2)の後段の変形にはs≒sという性質を用いている。 Here, as for the ratio of the absorption coefficient (in each parenthesis) of the formula (1), the background (α i (b) , i = 1, 2) has a term (Mα i (0 ) ) Is significantly larger than. Thus, it is sufficient to make the absorption coefficients of the background, α i (b) equal, instead of making the absorption coefficients of each row exactly equal. That is, the two light beams having different wavelengths λ 1 and λ 2 may be selected so that the background absorption coefficients α 1 (b) and α 2 (b) are equal to each other. Thus, if C in the first and second lines can be equal, it is erased as an unknown constant, and the blood component concentration M to be measured is expressed by Equation (2).
Figure 2009136323
The property of s 1 ≈s 2 is used for the subsequent deformation of Equation (2).

ここで、数式(2)を見ると、分母に波長λおよび波長λにおける測定対象の血液成分の吸収係数の差が現れている。この差が大きい方が、光音響信号の差信号s−sが大きく、その測定が容易となる。この差を最大とするには、測定対象の成分の吸収係数α (0)が極大となる波長を波長λに選び、かつ、α (0)=0、即ち、測定対象の成分が吸収特性を示さない波長に波長λを選ぶのが良い。ここで、前の条件から、この第2の波長λは、α (b)=α (b)、即ち、背景の吸収係数が第1の波長λの吸収係数に等しくなければならない。 Here, looking at Equation (2), the difference in the absorption coefficient of the blood component to be measured at the wavelengths λ 1 and λ 2 appears in the denominator. When the difference is larger, the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal is larger, and the measurement becomes easier. In order to maximize this difference, the wavelength at which the absorption coefficient α 1 (0) of the component to be measured is maximized is selected as the wavelength λ 1 and α 2 (0) = 0, that is, the component to be measured is It is preferable to select the wavelength λ 2 as a wavelength that does not show the absorption characteristics. Here, from the previous condition, this second wavelength λ 2 must be α 2 (b) = α 1 (b) , ie the background absorption coefficient must be equal to the absorption coefficient of the first wavelength λ 1. .

さらに、数式(2)において、光音響信号sは、光音響信号sとの差s−sの形でのみ登場している。今、測定対象の成分としてグルコースを例にとると、上述したように、2つの光音響信号sおよび光音響信号sの強度には、0.1%以下の差異しかない。 Furthermore, in Equation (2), the photoacoustic signal s 1 appears only in the form of a difference s 1 -s 2 from the photoacoustic signal s 2 . Now, taking as an example the glucose as a component to be measured, as described above, the two intensities of the photoacoustic signal s 1 and the photoacoustic signal s 2, only less than 0.1% difference.

しかし、数式(2)の分母の光音響信号sには5%程度の精度があれば十分である。従って、2つの光音響信号sおよび光音響信号sを逐次個別に測定するよりも、それらの差s−sを測定しこの測定値を、個別に測定した光音響信号sで除する方が、格段に容易に精度が保てる。従って、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置においては、2つの波長λおよび波長λの光を、互いに逆相に強度変調して照射することにより、生体内で光音響信号sおよび光音響信号sが相互に重畳されて生じる光音響信号の差信号s−sを測定する。 However, it is sufficient that the photoacoustic signal s 2 in the denominator of the formula (2) has an accuracy of about 5%. Therefore, rather than sequentially measuring the two photoacoustic signals s 1 and the photoacoustic signal s 2 , the difference s 1 -s 2 between them is measured, and this measured value is determined by the individually measured photoacoustic signal s 2 . It is much easier to maintain accuracy. Therefore, in the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the light of the two wavelengths λ 1 and λ 2 is irradiated with intensity modulated in opposite phases to each other, so that the photoacoustic signal s 1 and A difference signal s 1 -s 2 between the photoacoustic signals generated by superimposing the photoacoustic signals s 2 is measured.

以上説明したように、血液成分濃度を測定する場合、異なる特定の波長の2波の光を用いて、前記異なる特定の波長の2波の光が生体内に発生する光音響信号を各々個別に測定するよりも、前記光音響信号の差信号を測定し、さらに、所定の一方の光音響信号を零として、他方の光音響信号を測定して、これらを数式(2)により演算して、容易に血液成分濃度を測定できることが分かる。   As described above, when measuring blood component concentrations, using two waves of different specific wavelengths, the photoacoustic signals generated by the two waves of different specific wavelengths in the living body are individually provided. Rather than measuring, the difference signal of the photoacoustic signal is measured, and further, the predetermined one photoacoustic signal is set to zero, the other photoacoustic signal is measured, and these are calculated by Equation (2), It can be seen that the blood component concentration can be easily measured.

次に、光照射によって発生する音圧について、図2を参照して説明する。図2は本実施形態に係る基礎となる直接光音響法の説明図であり、図2には直接光音響法における観測点の配置が、音源分布のモデルと伴に、示されている。図2において照射光201は、生体に垂直に入射し、その結果、上述したように、光が照射される部分の表面近傍に音源202が生成される。   Next, sound pressure generated by light irradiation will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram of the basic direct photoacoustic method according to the present embodiment, and FIG. 2 shows the arrangement of observation points in the direct photoacoustic method together with a sound source distribution model. In FIG. 2, the irradiation light 201 enters the living body perpendicularly, and as a result, as described above, the sound source 202 is generated near the surface of the portion irradiated with the light.

音源202から出て生体内(簡単のために音波について一様とする)を伝搬する音波について、照射光の延長線上にあり、音源から距離rだけ離れた観測点203で、その音圧p(r)を観測する。   A sound wave propagating from the sound source 202 and propagating through the living body (for the sake of simplicity, the sound wave is uniform) is on the extension line of the irradiated light and is at the observation point 203 at a distance r from the sound source at its sound pressure p ( r) is observed.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置において使用する波長1μm以長の光に対しては、生体は、背景(水)による強い吸収を受けるために、音源202は光の照射される部分の表面に局在し、その結果、発生する音波は球面波と見なせる。   For light with a wavelength of 1 μm or longer used in the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the living body receives strong absorption by the background (water), so the sound source 202 is the surface of the portion irradiated with light. As a result, the generated sound wave can be regarded as a spherical wave.

図2に示す音波伝搬を記述する波動方程式は、流体力学の方程式から求められる。即ち、連続の式とNavier Stokes方程式を、密度変化、圧力変化、及び流速変化が微小な場合として、各々を線形とし、これらと流体(水)における圧力と密度の関係を記述する状態方程式を連立して解くことにより求められる。ここで、前記状態方程式は、温度をパラメータとして含み、熱源Qが存在する時の温度変化は、前記状態方程式を介して取り込まれる。   The wave equation describing the sound wave propagation shown in FIG. 2 is obtained from an equation of fluid dynamics. That is, the continuous equation and the Navier Stokes equation are assumed to be linear when the density change, the pressure change, and the flow velocity change are very small, and the state equations describing the relationship between the pressure and density in the fluid (water) are combined. It is calculated by solving. Here, the state equation includes temperature as a parameter, and a temperature change when the heat source Q is present is taken in via the state equation.

熱伝導を無視する時、微小な圧力変化pは、次の非斉次のHelmholtz方程式により記述される。

Figure 2009136323
ここで、cは音速、βは熱膨張係数、Cは定圧比熱である。 When neglecting heat conduction, the small pressure change p is described by the following inhomogeneous Helmholtz equation.
Figure 2009136323
Here, c is the speed of sound, β is the thermal expansion coefficient, and C p is the constant pressure specific heat.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置の場合、一定周期Tで強度変調された光を照射し、該一定周期Tに同期した音圧変化を検出するので、変調周波数をf=1/T、また変調角周波数をω=2πfとおく時、全ての量について、時間依存性exp(−iωt)を持つ量のみに注目すればよい。その結果、時間微分は−iωとの積になる。   In the case of the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, light whose intensity is modulated at a constant period T is irradiated and a change in sound pressure synchronized with the constant period T is detected, so that the modulation frequency is f = 1 / T, When the modulation angular frequency is set to ω = 2πf, it is only necessary to pay attention to only the amount having time dependency exp (−iωt) for all the amounts. As a result, the time derivative is a product of -iω.

また熱源Qは、照射光吸収に続く非発光緩和に起因するため、吸収係数αに比例し、またその分布は、媒質中での照射光(散乱光が生ずればそれも含めた)の空間分布に等しくなる。即ち、各点での光強度をIと書くと、Q=αIである。以上により、定常的な直接光音響法に関わる基本方程式は次の数式(4)のように表される。

Figure 2009136323
ここで、音波の波数k=ω/c=2πλ(λは音波の波長)を導入した。 Further, since the heat source Q is caused by non-emission relaxation following irradiation light absorption, the heat source Q is proportional to the absorption coefficient α, and its distribution is a space of irradiation light (including scattered light if it is generated) in the medium. Equal to the distribution. That is, if the light intensity at each point is written as I, Q = αI. As described above, the basic equation relating to the steady direct photoacoustic method is expressed as the following equation (4).
Figure 2009136323
Here, the wave number k = ω / c = 2πλ (λ is the wavelength of the sound wave) was introduced.

数式(4)のp(r→∞)→0の境界条件の下での解は、十分遠方(r)α−1)において、次の数式(5)のように表される。

Figure 2009136323
The solution of the mathematical formula (4) under the boundary condition of p (r → ∞) → 0 is expressed as the following mathematical formula (5) in a sufficiently far distance (r) α −1 ).
Figure 2009136323

今、若干の光分布について数式(5)により、観測される音圧を計算する。先ず、光分布のモデルA204としては、強度が動径r’に対して、e−αr’で減衰する半球状の分布を考える。これは、著しく散乱が大きく、照射光が入射するや否や、全方位に散乱される場合に対応する。 Now, the observed sound pressure is calculated for some light distribution by Equation (5). First, as the light distribution model A204, a hemispherical distribution in which the intensity is attenuated by e −αr ′ with respect to the radius r ′. This corresponds to a case where the scattering is remarkably large and as soon as the irradiation light enters, the light is scattered in all directions.

これに対して、散乱が零である場合が、図2におけるモデルB205、およびモデルC206であり、各々半径wのガウス型のビームと一様円形ビームを入射した場合に相当している。これら各モデルの光強度分布は、図2中に示されている。 On the other hand, the case where the scattering is zero is the model B205 and the model C206 in FIG. 2, which corresponds to the case where a Gaussian beam and a uniform circular beam having a radius w 0 are respectively incident. The light intensity distribution of each of these models is shown in FIG.

今、既に用いた条件r≫α−1に加えて、r≫w0、および、N≡w /(rλ)≪1(モデルA204についてのNは、wに代えてα−1を用いて定義する)が成り立つ時、数式(5)による計算結果は、以下のようにまとめられる。

Figure 2009136323
ここで、Pは照射光の全パワーであり、またF(ξ)は、
Figure 2009136323
と計算される。音源の分布の情報は、この形状関数F(kα―1)に集約される。前記形状関数のグラフを、図3に示した。 Now, in addition to the condition r >> α −1 already used, r >> w 0 and N≡w 0 2 / (rλ) << 1 (N in the model A204 is changed to α −1 instead of w 0. The result of calculation according to Equation (5) is summarized as follows.
Figure 2009136323
Here, P 0 is the total power of the irradiation light, and F (ξ) is
Figure 2009136323
Is calculated. Information on the distribution of the sound sources is collected in this shape function F (kα −1 ). A graph of the shape function is shown in FIG.

以上の結果によると、ξ=kα―1が小さい時、即ち、音波の波長が吸収長に比べて非常に長い場合(λ)α−1)には、光音響信号は、吸収係数の情報を何ら含まない。その理由は、ξ≪1で、F(ξ)≒ξであって、αF(ξ)≒kに帰してしまうからである。従って、音波の波長が吸収長に比べて非常に長い場合、すなわち変調周波数が低すぎる場合は光音響法によって血液成分濃度の測定はできないことが分かる。 According to the above results, when ξ = kα− 1 is small, that is, when the wavelength of the sound wave is very long compared to the absorption length (λ) α −1 ), the photoacoustic signal indicates the information on the absorption coefficient. Does not include anything. The reason is that when ξ << 1, F (ξ) ≈ξ and αF (ξ) ≈k. Therefore, it is understood that the blood component concentration cannot be measured by the photoacoustic method when the wavelength of the sound wave is very long compared to the absorption length, that is, when the modulation frequency is too low.

従って、生体に対して行なう直接光音響法においては、ξ≒1、すなわちf≒αc/(2π)以上に変調周波数を設定すべきであり、照射光の波長が1.6μm近傍の場合は変調周波数fを150kHz以上、あるいは照射光の波長が2.1μm近傍の場合は変調周波数fを0.6MHz以上とする必要がある。   Therefore, in the direct photoacoustic method performed on a living body, the modulation frequency should be set to ξ≈1, that is, f≈αc / (2π) or more, and the modulation is performed when the wavelength of the irradiation light is around 1.6 μm. When the frequency f is 150 kHz or more, or when the wavelength of irradiation light is near 2.1 μm, the modulation frequency f needs to be 0.6 MHz or more.

次に、モデルB205、およびモデルC206の結果に差異がないことから、光軸に垂直方向の光強度分布が、信号に影響しないことが分かる。但し、この簡単化が許されるのは、上記N=w /(rλ)≪1が成り立つ場合に限られる。このNはフレネル数と呼ばれる量であり、観測点から音源を見込む際、視線に垂直方向の音源の拡がりに因って、音源の各点からの音波の寄与に生じる位相の変化幅を表している。フレネル数Nが、1に比べて十分小さければ、視線に垂直方向に音源が拡がりを持たないのと等価となる。 Next, since there is no difference in the results of model B205 and model C206, it can be seen that the light intensity distribution in the direction perpendicular to the optical axis does not affect the signal. However, this simplification is allowed only when N = w 0 2 / (rλ) << 1 holds. This N is an amount called Fresnel number. When looking at the sound source from the observation point, N represents the width of the phase change caused by the sound wave from each point of the sound source due to the spread of the sound source in the direction perpendicular to the line of sight. Yes. If the Fresnel number N is sufficiently smaller than 1, it is equivalent to that the sound source does not spread in the direction perpendicular to the line of sight.

その結果、照射光201のビーム径wが、光音響信号に影響を与えないという、極めて都合の良い性質が生ずるのである。その理由は以下の2つである。 As a result, the beam diameter w 0 of the irradiation light 201 has a very advantageous property that it does not affect the photoacoustic signal. There are two reasons for this.

その1は、生体における散乱の影響の抑制である。上記モデルA204は、散乱が大きい極限の場合を想定しているが、生体における散乱は実際、これ程は甚だしくはない。一般に散乱現象は散乱係数μと異方性gによって特徴付けられる。ここで、後者は、散乱角θの余弦の平均値<cosθ>であり、生体、特に皮膚における値として、概略0.9が報告されている(例えば、Applied Optics誌、32巻、1993年、435−447頁、参照)。即ち、実際の生体における散乱は、小角散乱<θ>≒26°が主である。 The first is suppression of the influence of scattering in the living body. The model A204 assumes an extreme case where scattering is large, but scattering in a living body is actually not so great. In general, the scattering phenomenon is characterized by a scattering coefficient μ s and anisotropy g. Here, the latter is the average value <cos θ> of the cosine of the scattering angle θ, and a value of approximately 0.9 has been reported as a value in a living body, particularly skin (for example, Applied Optics, 32, 1993, Pp. 435-447). That is, the scattering in an actual living body is mainly small-angle scattering <θ> ≈26 °.

今、単位長さの伝搬中に入射光束から散乱によって光が減少してゆく割合は、還元散乱係数μ´s=μ(1−g)で与えられ、この値は光の波長1μm以長に対して、概略1mm−1と実測されている。この値は、単位長さの伝搬中に、入射光束から吸収によって光が減少してゆく割合である吸収係数αの値(光の波長1.6μm前後で0.6mm−1、2.1μm前後で2.4mm−1)と同程度の大きさである。 Now, the rate at which light is reduced by scattering from an incident light beam during propagation of unit length is given by the reduced scattering coefficient μ ′ s = μ s (1−g), which is longer than the wavelength of light 1 μm. On the other hand, it is actually measured as approximately 1 mm −1 . This value is the value of the absorption coefficient α which is the rate at which light is reduced by absorption from the incident light beam during propagation of the unit length (0.6 mm −1 and around 2.1 μm at a light wavelength of around 1.6 μm). And 2.4 mm −1 ).

即ち、今、生体において照射光201は、吸収長α―1の間に高々2回の散乱を受けるのみであり、しかも散乱角は小さい。この結果、生体内部の光分布(入射光束と散乱光の和)は、深さとともに序々にビーム径が拡って行き、あたかもピンの頭のような形となる。このような光分布の実測例も報告されている(Applied Optics誌、40巻、2001年、5770−5777頁、参照)。この時、深さzの面内における光分布の総量は、依然、exp(−αz)に従って減衰することが期待される。これは、少回の散乱が、小散乱角で起こる故である。 That is, now, in the living body, the irradiation light 201 is only subjected to scattering at most twice during the absorption length α −1 , and the scattering angle is small. As a result, the light distribution inside the living body (the sum of incident light flux and scattered light) gradually increases in beam diameter with depth, and looks like a pin head. An actual measurement example of such a light distribution has also been reported (see Applied Optics, 40, 2001, pages 5770-5777). At this time, the total amount of light distribution in the plane of depth z is still expected to attenuate according to exp (−αz). This is because a small number of scattering occurs at a small scattering angle.

従って、光音響信号が照射光201のビーム径に全然依らない場合、各深さでの光分布のビーム径自体は問題にならず、各深さ面内でのその総量のみが形状関数F(ξ)に影響し得る。これが、exp(−αz)であれば、結果的に、散乱のないモデルB205、およびモデルC206の場合に異ならず、よって形状関数への散乱の影響が無いことが予想されるのである。   Therefore, when the photoacoustic signal does not depend on the beam diameter of the irradiation light 201 at all, the beam diameter of the light distribution at each depth does not matter, and only the total amount in each depth plane is the shape function F ( ξ) can be affected. If this is exp (−αz), it is expected that the model B205 and the model C206 without scattering result in no influence of scattering on the shape function.

2つの波長λ1、および波長λの光照射において、該形状関数を等値することは、本実施形態における方法の骨子である。従って、2つの波長λ1、および波長λにおける散乱に相違があるのは、非常に望ましくない。現実には、光の波長1.3μm以長に対して、皮膚における散乱の波長依存性の実測報告は未だ無いが、血液については、一定の還元散乱係数μ´が報告されている(Journal of Biomedical Optics誌、4巻、1999年、36−46頁、参照)。 It is the essence of the method in the present embodiment that the shape function is equivalent in the light irradiation of the two wavelengths λ 1 and λ 2 . Therefore, it is highly undesirable that there is a difference in scattering at the two wavelengths λ 1 and λ 2 . Actually, there is no actual measurement report on the wavelength dependence of scattering in the skin for light wavelengths of 1.3 μm or longer, but a constant reduced scattering coefficient μ ′ s has been reported for blood (Journal). of Biomedical Optics, Vol. 4, 1999, pp. 36-46).

従って、例えば、形状関数への若干の散乱の影響があったとしても、その波長依存性は小さく、実害に及ばない可能性はある。さらに、ここで示したように、フレネル数を小さく設定すれば、形状関数への散乱の影響自体を抑止できる。それ故、散乱の波長依存性如何に関わらず、形状関数の等値は正当化され、本実施形態における装置が高い信頼性を持つことが分かる。   Therefore, for example, even if there is a slight scattering effect on the shape function, its wavelength dependence is small, and there is a possibility that it will not cause any real harm. Further, as shown here, if the Fresnel number is set small, the influence of scattering on the shape function itself can be suppressed. Therefore, regardless of the wavelength dependence of scattering, the equality of the shape function is justified, and it can be seen that the apparatus in this embodiment has high reliability.

その2は、変調周波数の最適化が可能になる事である。人体に対する光の照射には、照射部位と波長、照射時間などに依存する光強度の許容限度がある。フレネル数Nが小さい範囲で、ビーム径wを拡大すれば、光強度の限度を越えずに、照射光の全パワーPを高め、光音響信号を増大できる。 The second is that the modulation frequency can be optimized. The light irradiation on the human body has an allowable limit of light intensity depending on the irradiation site, wavelength, irradiation time, and the like. If the beam diameter w 0 is increased in a range where the Fresnel number N is small, the total power P 0 of the irradiation light can be increased and the photoacoustic signal can be increased without exceeding the light intensity limit.

ここで、照射強度の限度をImaxと書くと、P=πw maxであり、フレネル数Nは、全パワーPによって、N=f/(πcr)(P/Imax)と表される。距離rは、生体被検部110の厚みによって決まる量(例えば、指頭では10mm、手首では40mm程度)であることを考慮すると、Nを一定に留めて、k、即ち、変調周波数f(∝k)を高める場合、全パワーPを減らさざるを得ない。ところが、形状関数の大きさ|F(kα−1)|は、kに比例して増えないので、検出される音波は減少する。従って、高過ぎる変調周波数も、また望ましくないことが分かる。 Here, if the limit of irradiation intensity is written as I max , P 0 = πw 0 2 I max , and the Fresnel number N depends on the total power P 0 , N = f / (πcr) (P 0 / I max ) It is expressed. Considering that the distance r is an amount determined by the thickness of the living body test part 110 (for example, about 10 mm for the fingertip and about 40 mm for the wrist), N is kept constant and k, that is, the modulation frequency f (∝k If you raise the), forced to reduce the total power P 0. However, since the magnitude of the shape function | F (kα −1 ) | does not increase in proportion to k, the detected sound wave decreases. Thus, it can be seen that too high a modulation frequency is also undesirable.

数式(6)の与える音圧振幅pを、NとImaxを用いて、書き直すと次のようになる。

Figure 2009136323
ここで、音圧上界psupは以下の数式(9)となる。
Figure 2009136323
数式(8)で、|F(ξ)|/ξは、ξについて単調に減少する関数であり、信号振幅のみの観点では、低い変調周波数が有利となる。 The sound pressure amplitude p a given by the equation (6), with N and I max, rewritten becomes as follows.
Figure 2009136323
Here, the sound pressure upper bound p sup is expressed by the following formula (9).
Figure 2009136323
In Equation (8), | F (ξ) | / ξ is a function that decreases monotonously with respect to ξ, and a low modulation frequency is advantageous from the viewpoint of only the signal amplitude.

今の場合、数式(8)のαに関わる変化率、∂p/∂α=−(psupN/α)ξd(|F(ξ)|/ξ)/dξを最大とするξ=kα―1が、最適の変調周波数を与える。このようなξは、モデルA204で2.49、モデルB205、およびモデルC206では21/2であり、その様なξにおける|F(ξ)|/ξの値は、各々、0.620、1/31/2と算出される。即ち、信号の強度と吸収係数αへの感度の相反する要求の妥協点として、最適の変調周波数が存する。 In this case, the rate of change related to α in Equation (8), ∂p a / ∂α = − (p sup N / α) ξd (| F (ξ) | / ξ) / dξ is maximized ξ = kα -1 gives the optimum modulation frequency. Such xi] is model A204 in 2.49, model B205, and an on Model C206 2 1/2, in such ξ | F (ξ) | values of / xi], respectively, 0.620, It is calculated as 1/3 1/2 . That is, the optimum modulation frequency exists as a compromise between the conflicting requirements of the signal strength and the sensitivity to the absorption coefficient α.

上述したように、現実の生体における光分布はモデルB205、およびモデルC206に近いと考えられるので、最適な変調周波数は、2πf=1.41cαであり、その時、f→0における最大値psupNに対し、57.7%の信号振幅が期待される。 As described above, since the light distribution in an actual living body is considered to be close to the model B205 and the model C206, the optimum modulation frequency is 2πf = 1.41cα, and at that time, the maximum value p sup N at f → 0. On the other hand, a signal amplitude of 57.7% is expected.

次に、図4を参照して、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置の原理を説明する。図1に示す第1の光源101は発振器103に同期して強度変調され、第1の光源101の出力する光は図4の上段に、第1の光源(λ)の光211として示す波形となる。 Next, the principle of the blood component concentration measuring apparatus according to this embodiment will be described with reference to FIG. The first light source 101 shown in FIG. 1 is intensity-modulated in synchronization with the oscillator 103, and the light output from the first light source 101 has a waveform shown as light 211 of the first light source (λ 1 ) in the upper part of FIG. It becomes.

一方、図1に示す第2の光源105は、同じく発振器103に同期して強度変調される。ここで、発振器103の送信する信号は180°移相回路107により180°の位相推移を与えられるので、第2の光源105の出力する光は第1の光源101の出力する光に対して逆位相な信号により強度変調され、図4の下段に、第2の光源(λ)の光212として示す波形となる。 On the other hand, the intensity of the second light source 105 shown in FIG. Here, since the signal transmitted from the oscillator 103 is given a phase shift of 180 ° by the 180 ° phase shift circuit 107, the light output from the second light source 105 is opposite to the light output from the first light source 101. The intensity is modulated by the phase signal, and the waveform shown as the light 212 of the second light source (λ 2 ) is shown in the lower part of FIG.

ここで図4においては、第1の光源101および第2の光源105を強度変調する信号は周期が1μ秒、即ち、変調周波数fが1MHzであり、かつ、占有率50%の信号の場合について示している。   Here, in FIG. 4, the signal for intensity-modulating the first light source 101 and the second light source 105 is a signal having a period of 1 μsec, that is, a modulation frequency f of 1 MHz and an occupation ratio of 50%. Show.

ここで、数式(4)では、照射光201に正弦波的変化を仮定し、図4においては、矩形波の光を照射する場合を示しているが、このことは次の理由により矛盾しない。   Here, in Equation (4), a sinusoidal change is assumed for the irradiation light 201, and FIG. 4 shows a case where rectangular wave light is irradiated, but this is consistent with the following reason.

すなわち、数式(3)は線形であり、異なる周波数の成分は互いに独立のものとして扱える。また音波の振幅が大きくなると、Navier Stokes方程式自体の持つ非線形性の影響を受けるが、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置における光音響信号の場合は、発生する音波は微弱であり線形の数式(3)が適用できる。また、矩形波は奇数次の高調波成分を含むが、そのうちの基本周期の正弦波成分の振幅を、数式(4)のIに読みかえれば良い。光源は、正弦波形状よりも矩形波形状に強度変調する方が容易であり、かつ、矩形波は同振幅の正弦波に比べて、4/π=1.27倍の基本周期正弦波成分を含み、効率は若干良い。   That is, Equation (3) is linear, and components of different frequencies can be handled as being independent of each other. In addition, when the amplitude of the sound wave increases, it is affected by the nonlinearity of the Navier Stokes equation itself. However, in the case of the photoacoustic signal in the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the generated sound wave is weak and is a linear formula. (3) is applicable. In addition, the rectangular wave includes odd-order harmonic components, but the amplitude of the sine wave component of the basic period may be read as I in Equation (4). The light source is easier to modulate the intensity into a rectangular wave shape than the sine wave shape, and the rectangular wave has a fundamental period sine wave component that is 4 / π = 1.27 times that of a sine wave of the same amplitude. The efficiency is slightly better.

第1の光源101および第2の光源105の各々が出力する異なる波長の2波の光は、合波器109により合波され、生体被検部110に照射される。ここで、前記異なる波長の2波の光の各々は、独立に数式(6)で表される音圧を発生するものと考えることができる。   The two light beams having different wavelengths output from the first light source 101 and the second light source 105 are combined by the multiplexer 109 and applied to the living body test unit 110. Here, each of the two light beams having different wavelengths can be considered to independently generate the sound pressure expressed by the equation (6).

ここで、音波が線形に重畳されることは、数式(3)の線形性より既に明らかである。さらに、前記異なる波長の2波の光の各々は吸収が飽和する程には強くないので、前記異なる波長の2波の光の各々による発熱Qも線形に重畳される。ここで、吸収が飽和した場合であっても、吸収が不均一な拡がりを持ち、前記異なる波長の2波の光の波長の間隔が均一幅よりも広ければ、依然、発熱の線形な重畳は成立する。ここで、前記異なる波長の2波の光に対して共通に吸収が生じる水に対して、こうした条件もよく満されている。   Here, it is clear from the linearity of Equation (3) that sound waves are linearly superimposed. Further, since each of the two light beams having different wavelengths is not so strong that the absorption is saturated, the heat generation Q by each of the two light beams having different wavelengths is also linearly superimposed. Here, even when the absorption is saturated, if the absorption has a non-uniform spread and the wavelength interval between the two light beams having different wavelengths is wider than the uniform width, the linear superposition of the heat generation still remains. To establish. Here, such conditions are well satisfied for water in which absorption is common to the two light beams having different wavelengths.

以上のように、前記異なる波長の2波の光により、各々互いに独立に数式(6)で表される音圧の光音響信号が発生され、これらを重畳した音圧が、超音波検出器113により検出される。従って、上記のように重畳された音圧は次の数式により表される。

Figure 2009136323
ここで、αF(kα ―1)(i=1、2)が差の形で重畳されているのは、前記異なる波長の2波の光の各々の入射光が互いに逆相で強度変調された結果である。これを、超音波検出器113により検出し変換して得られる電気信号の中の基本周期の正弦波成分の波形を図6に実線で示す。図6に実線で示す信号の振幅(rms値)が、発振器103に同期した位相検波増幅器114によって測定され、図6にVとして示す信号として、出力端子115に出力される。 As described above, the photoacoustic signals having the sound pressures represented by the mathematical formula (6) are generated independently from each other by the two light beams having different wavelengths, and the sound pressure obtained by superimposing these signals is the ultrasonic detector 113. Is detected. Therefore, the sound pressure superimposed as described above is expressed by the following mathematical formula.
Figure 2009136323
Here, α i F (kα i −1 ) (i = 1, 2) is superimposed in the form of a difference because the incident lights of the two light beams having different wavelengths are in opposite phases and intensities. This is a modulated result. The waveform of the sine wave component of the fundamental period in the electrical signal obtained by detecting and converting this with the ultrasonic detector 113 is shown by a solid line in FIG. Amplitude (rms value) of the signal shown by the solid line in FIG. 6 is measured by the phase detector amplifier 114 which is synchronized with the oscillator 103, as a signal shown in FIG. 6 as V d, is outputted to the output terminal 115.

数式(10)と数式(1)により、上記未知定数Cは次の数式により表される。

Figure 2009136323
次に、数式(2)により、測定対象とする血液成分濃度の算出の原理を説明する。既に、第1の光源101および第2の光源105の各々が出力する光に対応する光音響信号の差信号s−sが得られているので、次に光音響信号sを測定すれば、数式(2)から、測定対象の血液成分濃度Mを算出できる。 The unknown constant C is expressed by the following mathematical formula using the mathematical formula (10) and the mathematical formula (1).
Figure 2009136323
Next, the principle of calculating the blood component concentration to be measured will be described using Equation (2). Since the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal corresponding to the light output from each of the first light source 101 and the second light source 105 has already been obtained, the photoacoustic signal s 2 is measured next. For example, the blood component concentration M to be measured can be calculated from Equation (2).

そこで、図5に示す第2の光源(λ)の光212のみを照射した状態で、光音響信号を測定する。即ち、図5に示すように、第2の光源105の出力する光の波形を保ったまま、第1の光源101の出力を零とする。これは、図1に示す第1の光源101の出力する光を、機械的なシャッターで遮る、または駆動回路104の出力を第1の光源101の発振閾値以下に下げる等の手段により実現できる。 Therefore, the photoacoustic signal is measured in a state where only the light 212 of the second light source (λ 2 ) shown in FIG. 5 is irradiated. That is, as shown in FIG. 5, the output of the first light source 101 is set to zero while maintaining the waveform of the light output from the second light source 105. This can be realized by means such as blocking the light output from the first light source 101 shown in FIG. 1 with a mechanical shutter, or lowering the output of the drive circuit 104 below the oscillation threshold value of the first light source 101.

上記の状態で測定される光音響信号の値を、超音波検出器113により検出し、電気信号に変換すると、基本周期正弦波成分として図6に破線により示す波形が得られる。また、図6に破線により示す波形のrms振幅値は、前述の方法と同様に位相検波増幅器114によって測定され、図6にVとして示す信号として、出力端子115に出力される。 When the value of the photoacoustic signal measured in the above state is detected by the ultrasonic detector 113 and converted into an electric signal, a waveform indicated by a broken line in FIG. 6 is obtained as a fundamental periodic sine wave component. Further, it rms amplitude value of the waveform shown by the broken line in FIG. 6 is measured by the phase sensitive amplifier 114 similarly to the method described above, as the signal shown in FIG. 6 as V r, is output to the output terminal 115.

ここで光音響信号sは、光音響信号の差信号s−sに対して、逆相となる。また、光音響信号sは、前記光音響信号の差信号s−sに比べて、桁違いに大きい。例えば、健常者の血糖値測定の場合、1000倍以上である。従って、光音響信号sと光音響信号の差信号s−sの2つの測定の間に、位相検波増幅器114の感度及び時定数の切替えを行なう。 Here, the photoacoustic signal s 2 has a phase opposite to the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal. Further, the photoacoustic signal s 2 is orders of magnitude larger than the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal. For example, it is 1000 times or more in the case of blood glucose level measurement of a healthy person. Therefore, the sensitivity and time constant of the phase detection amplifier 114 are switched between the two measurements of the photoacoustic signal s 2 and the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal.

上記の測定により、2つの測定値Vd、を得れば、それらの各々を、数式(2)中のs−s、sのそれぞれに代入して、測定対象とする血液成分濃度Mを算出する。 If two measurement values V d and V r are obtained by the above measurement, each of them is substituted into each of s 1 -s 2 and s 2 in the formula (2), and blood to be measured The component concentration M is calculated.

ここで、測定値の比V/Vから、血液成分濃度Mへの変換には、比吸光度α (0)/α (b)(α (0)が非零の場合、更にα (0)/α (b))を必要とする。 Here, for conversion from the ratio V d / V r of the measured values to the blood component concentration M, if the specific absorbance α 1 (0) / α 1 (b)2 (0) is non-zero, α 2 (0) / α 1 (b) ) is required.

図7に、上記の比吸光度の値および、前述のように背景の吸収係数を等しくする2つの測定する波長λおよび波長λの選定方法を示す。 FIG. 7 shows a method for selecting the two wavelengths λ 1 and λ 2 to be measured so that the specific absorbance value and the background absorption coefficient are equal as described above.

図7は、血糖値の測定の場合について、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置における第1の光源101と第2の光源105のそれぞれの波長の選択法を示す図である。   FIG. 7 is a diagram illustrating a wavelength selection method for each of the first light source 101 and the second light source 105 in the blood component concentration measurement apparatus according to the present embodiment in the case of measuring a blood glucose level.

図7は、光波長1.2μmから2.5μmにわたって、水及びグルコース水溶液(濃度1.0M)の吸光度(OD)を示している。吸光度ODは吸収係数αとの間に、α=ODln10の関係がある。図7の右側の縦軸に吸収係数αの目盛を示す。   FIG. 7 shows the absorbance (OD) of water and an aqueous glucose solution (concentration: 1.0 M) over a light wavelength range of 1.2 μm to 2.5 μm. The absorbance OD has a relationship of α = ODln10 with the absorption coefficient α. The vertical axis on the right side of FIG.

図7において、グルコース分子による吸収は、僅かに1.6μm近傍と2.1μm近傍に認められるが、グルコース分子による吸収は水に比べて、非常に小さい。   In FIG. 7, the absorption by the glucose molecules is observed only in the vicinity of 1.6 μm and in the vicinity of 2.1 μm, but the absorption by the glucose molecules is much smaller than that of water.

水とグルコースの吸光度の差を図8の上側に示し、これを更に、水の吸光度で除した比吸光度を図8の下側に示す。   The difference in absorbance between water and glucose is shown on the upper side of FIG. 8, and the specific absorbance obtained by dividing this by the absorbance of water is shown on the lower side of FIG.

図8に示す比吸光度によると、グルコース分子による吸収の明瞭な極大は、1608nmと2126nmに認められる。ここで、一例として、グルコース分子による吸収波長として、第1の光源101の波長λを1608nm(比吸光度は、0.114M−1)に設定する。これを、図8中に〇付きの縦実線で示した。 According to the specific absorbance shown in FIG. 8, a clear maximum of absorption by glucose molecules is observed at 1608 nm and 2126 nm. Here, as an example, the wavelength λ 1 of the first light source 101 is set to 1608 nm (specific absorbance is 0.114 M −1 ) as the absorption wavelength by glucose molecules. This is indicated by a vertical solid line with a circle in FIG.

ここで、波長1608nmにおける背景(水)の吸収係数α (b)は、図7から、0.608mm−1と読み取れる。そこで、α (b)=α (b)となる波長λは、同じく図7の水の吸収スペクトルから波長1381nm、あるいは波長1743nmである。これらの第2の光源105の波長λの候補の各々について、図8の比吸光度のスペクトルによって、α (0)の値を点検する。その結果、波長1381nmにおいては比吸光度が零であるが、一方、波長1743nmはグルコース分子の吸収帯にあり、比吸光度が0.0601M−1である。吸光度差α (0)−α (0)は、出来るだけ大きい方が測定が容易であるので、上記の場合、第2の光源105の波長λとして、1381nmを選定する。 Here, the absorption coefficient α 1 (b) of the background (water) at the wavelength of 1608 nm can be read as 0.608 mm −1 from FIG. Therefore, the wavelength λ 2 where α 2 (b) = α 1 (b) is the wavelength 1381 nm or the wavelength 1743 nm from the water absorption spectrum of FIG. For each of the candidates for the wavelength λ 2 of the second light source 105, the value of α 2 (0) is checked by the spectrum of the specific absorbance shown in FIG. As a result, the specific absorbance is zero at the wavelength of 1381 nm, while the wavelength of 1743 nm is in the absorption band of glucose molecules, and the specific absorbance is 0.0601M- 1 . Since it is easier to measure the absorbance difference α 1 (0) −α 2 (0) as much as possible, 1381 nm is selected as the wavelength λ 2 of the second light source 105 in the above case.

長波長側の吸収帯において、2126nmを第1の光源101の波長λ(比吸光度は0.0890M−1)に設定する場合、前述と同様の方法により、水分子が波長2126nmにおける吸収係数α (b)=2.361mm−1と等しい吸収係数を示す波長として、1837nm、あるいは2294nmがあり、これらの何れもがグルコースの吸収を外れている(図8中に縦点線で示した)ので、第2の光源105の波長λとしては1837nm、あるいは2294nmのいずれを選定しても良い。 When 2126 nm is set to the wavelength λ 1 (specific absorbance is 0.0890 M −1 ) of the first light source 101 in the absorption band on the long wavelength side, the absorption coefficient α at a wavelength of 2126 nm is determined by the same method as described above. 1 (b) = 2.361 mm −1 as a wavelength showing an absorption coefficient equal to 1837 nm or 2294 nm, both of which deviate from glucose absorption (indicated by a vertical dotted line in FIG. 8). As the wavelength λ 2 of the second light source 105, either 1837 nm or 2294 nm may be selected.

(第2実施形態)
図9は、本実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図である。本実施形態に係る成分濃度測定装置235は、合波器109の出力する光を照射ヘッド112へ導く光ファイバ236と、光ファイバ236の不要モードを除去する不要モード除去手段237と、を備えることを特徴とする。以下、具体的に説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a component concentration measuring apparatus according to the present embodiment. The component concentration measuring apparatus 235 according to this embodiment includes an optical fiber 236 that guides the light output from the multiplexer 109 to the irradiation head 112, and an unnecessary mode removing unit 237 that removes an unnecessary mode of the optical fiber 236. It is characterized by. This will be specifically described below.

図9に示す成分濃度測定装置235は、生体被検部110で発生する光音響信号を検出するための構成を備える。例えば、成分濃度測定装置235は、測定用光発生手段としての第1の光源101及び第2の光源105と、光変調手段としての第1の光源101、第2の光源105、駆動回路104、駆動回路108、180°移相回路107及び発振器103と、測定用光合成手段としての合波器109と、光出射手段としての照射ヘッド112と、音波検出手段としての超音波検出器113と、を備える。さらに、成分濃度測定装置235は、レンズ139、140、音響結合器142、位相検波増幅器114、出力端子115を備えていてもよい。以上の生体被検部110で発生する光音響信号を検出するための構成及び動作については、第1実施形態と同様である。   The component concentration measuring apparatus 235 shown in FIG. 9 has a configuration for detecting a photoacoustic signal generated in the living body test unit 110. For example, the component concentration measuring device 235 includes a first light source 101 and a second light source 105 as measurement light generation means, a first light source 101 as a light modulation means, a second light source 105, a drive circuit 104, A drive circuit 108, a 180 ° phase shift circuit 107 and an oscillator 103, a multiplexer 109 as a measuring light combining means, an irradiation head 112 as a light emitting means, and an ultrasonic detector 113 as a sound wave detecting means. Prepare. Further, the component concentration measuring device 235 may include lenses 139 and 140, an acoustic coupler 142, a phase detection amplifier 114, and an output terminal 115. About the structure and operation | movement for detecting the photoacoustic signal which generate | occur | produces in the above-mentioned living body test part 110, it is the same as that of 1st Embodiment.

成分濃度測定装置235では、さらに、生体被検部110が振動した場合であっても、照射ヘッド112からの光の強度を安定させる光ファイバ236及び不要モード除去手段237を備える。以下、光ファイバ236及び不要モード除去手段237の構成及び動作について説明する。なお、本実施形態では、測定用光発生手段の一方を第1の光源101、測定用光発生手段の他方を第2の光源105として説明する。測定用光発生手段の一方を第2の光源105、測定用光発生手段の他方を第1の光源101としてもよい。   The component concentration measuring apparatus 235 further includes an optical fiber 236 and an unnecessary mode removing unit 237 that stabilize the intensity of light from the irradiation head 112 even when the living body test part 110 vibrates. Hereinafter, configurations and operations of the optical fiber 236 and the unnecessary mode removing unit 237 will be described. In the present embodiment, one of the measurement light generation means is described as the first light source 101 and the other of the measurement light generation means is described as the second light source 105. One of the measurement light generation means may be the second light source 105 and the other of the measurement light generation means may be the first light source 101.

光ファイバ236は、合波器109の出力する強度変調光及び測定用合成光を照射ヘッド112へ導く。光ファイバ236を備えることで、第1の光源101及び第2の光源105を振動させることなく、生体被検部110に強度変調光及び測定用合成光を照射することができる。光ファイバ236は、シングルモード光ファイバであってもよいし、マルチモード光ファイバであってもよい。また、柔軟性が高いプラスチック光ファイバであってもよい。   The optical fiber 236 guides the intensity-modulated light and the measurement combined light output from the multiplexer 109 to the irradiation head 112. By providing the optical fiber 236, the living body test part 110 can be irradiated with intensity-modulated light and measurement combined light without causing the first light source 101 and the second light source 105 to vibrate. The optical fiber 236 may be a single mode optical fiber or a multimode optical fiber. Further, a plastic optical fiber having high flexibility may be used.

なお、第1の光源101及び第2の光源105を照射ヘッドまで光ファイバで導き、照射ヘッド112で合波する場合は、光ファイバ236は、第1の光源101及び第2の光源105と照射ヘッド112との間に備わる光ファイバとなる。   When the first light source 101 and the second light source 105 are guided to the irradiation head by an optical fiber and combined by the irradiation head 112, the optical fiber 236 is irradiated with the first light source 101 and the second light source 105. An optical fiber provided between the head 112 and the head 112 is obtained.

不要モード除去手段237は、光ファイバ236の途中に設けられ、光ファイバ236の不要モードを除去する。不要モード除去手段237は、合波器109の出力する光を通過させる間に、合波器109の出力する光から不要モードの光を除去する。合波器109の出力する強度変調光及び測定用合成光は、不要モード除去手段237を通過後、定常モードとなる。   The unnecessary mode removing unit 237 is provided in the middle of the optical fiber 236 and removes the unnecessary mode of the optical fiber 236. The unnecessary mode removing unit 237 removes unnecessary mode light from the light output from the multiplexer 109 while passing the light output from the multiplexer 109. The intensity-modulated light and the measurement combined light output from the multiplexer 109 enter the steady mode after passing through the unnecessary mode removing means 237.

不要モード除去手段237は、例えば、予め定められた曲率半径で光ファイバ236を曲げる1つ以上の支柱を備える。予め定められた曲率半径は、光ファイバ236の不要モードを除去する曲率半径である。光ファイバ236を予め定められた曲率半径で曲げることで、光ファイバの不要モードを除去することができる。   The unnecessary mode removing unit 237 includes, for example, one or more struts that bend the optical fiber 236 with a predetermined radius of curvature. The predetermined radius of curvature is a radius of curvature that eliminates unnecessary modes of the optical fiber 236. By bending the optical fiber 236 with a predetermined radius of curvature, unnecessary modes of the optical fiber can be removed.

予め定められた曲率半径は、光ファイバ236の性質や伝搬する光の性質によって異なる。例えば、光ファイバ236がシングルモード光ファイバの場合、予め定められた曲率半径は、シングルモード光ファイバのクラッドモードを除去する曲率半径である。また、光ファイバ236がマルチモード光ファイバの場合、予め定められた曲率半径は、マルチモード光ファイバのクラッドモード及び高次モードを除去する曲率半径である。光ファイバ236の不要モードを除去する曲率半径は、光ファイバ236を曲げたときの不要モードの検出によって求めることができる。   The predetermined radius of curvature varies depending on the properties of the optical fiber 236 and the propagating light. For example, when the optical fiber 236 is a single mode optical fiber, the predetermined radius of curvature is a radius of curvature that removes the cladding mode of the single mode optical fiber. When the optical fiber 236 is a multimode optical fiber, the predetermined radius of curvature is a radius of curvature that removes the cladding mode and higher-order modes of the multimode optical fiber. The radius of curvature for removing the unnecessary mode of the optical fiber 236 can be obtained by detecting the unnecessary mode when the optical fiber 236 is bent.

図10は、不要モード除去手段の第1例を示す模式図である。不要モード除去手段の第1例は、予め定められた曲率半径Rで光ファイバ236を曲げる1つの支柱238aを備える。支柱238aは、円柱又は円筒である。不要モード除去手段の第1例では、支柱238aに光ファイバ236が巻きつけられている。支柱238aの半径Rが光ファイバ236の不要モードを除去する曲率半径であるので、光ファイバ236の不要モードを除去することができる。また、支柱238aが1つであるので、構成を簡易にすることができる。   FIG. 10 is a schematic diagram showing a first example of unnecessary mode removing means. The first example of the unnecessary mode removing means includes a single column 238a that bends the optical fiber 236 with a predetermined radius of curvature R. The support 238a is a column or a cylinder. In the first example of the unnecessary mode removing unit, the optical fiber 236 is wound around the support 238a. Since the radius R of the support column 238a is a radius of curvature for removing the unnecessary mode of the optical fiber 236, the unnecessary mode of the optical fiber 236 can be removed. In addition, since the number of the support columns 238a is one, the configuration can be simplified.

図11は、不要モード除去手段の第2例を示す模式図である。不要モード除去手段の第2例は、予め定められた曲率半径Rで光ファイバ236を曲げる2つの支柱238b及び238cを備える。支柱238b及び238cは、円柱又は円筒である。不要モード除去手段の第2例では、支柱238b及び238cに光ファイバ236が8の字状に巻きつけられている。支柱238b及び238cの半径Rが光ファイバ236の不要モードを除去する曲率半径であるので、光ファイバ236の不要モードを除去することができる。また、光ファイバ236を捻らずに巻きつけることができる。   FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a second example of the unnecessary mode removing unit. The second example of the unnecessary mode removing unit includes two columns 238b and 238c that bend the optical fiber 236 with a predetermined radius of curvature R. The support columns 238b and 238c are columns or cylinders. In the second example of the unnecessary mode removing means, the optical fiber 236 is wound around the support columns 238b and 238c in the shape of figure 8. Since the radius R of the support columns 238b and 238c is a radius of curvature for removing the unnecessary mode of the optical fiber 236, the unnecessary mode of the optical fiber 236 can be removed. Further, the optical fiber 236 can be wound without being twisted.

規格化用音波の検出について説明する。この場合、第2の光源105は強度変調光を出射しない。第1の光源101は、駆動回路104の駆動を受けて、強度変調光を出力する。レンズ139は、第1の光源101からの強度変調光を合波器109に入射させる。合波器109は、第1の光源101からの強度変調光を照射ヘッド112へ導く。そして、照射ヘッド112は、第1の光源101からの強度変調光を生体被検部110に向けて出射する。超音波検出器113は、生体被検部110に存在する血液で発生した規格化用音波を検出する。   The detection of the normalization sound wave will be described. In this case, the second light source 105 does not emit intensity modulated light. The first light source 101 is driven by the drive circuit 104 and outputs intensity-modulated light. The lens 139 causes the intensity-modulated light from the first light source 101 to enter the multiplexer 109. The multiplexer 109 guides the intensity modulated light from the first light source 101 to the irradiation head 112. The irradiation head 112 emits the intensity-modulated light from the first light source 101 toward the living body test unit 110. The ultrasonic detector 113 detects normalization sound waves generated in the blood existing in the living body test part 110.

測定化用音波の検出について説明する。第1の光源101は、駆動回路104の駆動を受けて、強度変調光を出力する。レンズ139は、第1の光源101からの強度変調光を合波器109に入射させる。第2の光源105は、駆動回路108の駆動を受けて、強度変調光を出力する。レンズ140は、第2の光源105からの強度変調光を合波器109に入射させる。合波器109は、第1の光源101からの強度変調光及び第2の光源105からの強度変調光を合波する。そして、照射ヘッド112は、合波器109の合波する第1の光源101からの強度変調光及び第2の光源105からの強度変調光を合成した測定用合成光を生体被検部110に向けて出射する。超音波検出器113は、生体被検部110に存在する血液で発生した測定用音波を検出する。   The detection of sound waves for measurement will be described. The first light source 101 is driven by the drive circuit 104 and outputs intensity-modulated light. The lens 139 causes the intensity-modulated light from the first light source 101 to enter the multiplexer 109. The second light source 105 is driven by the drive circuit 108 and outputs intensity modulated light. The lens 140 causes the intensity-modulated light from the second light source 105 to enter the multiplexer 109. The multiplexer 109 multiplexes the intensity modulated light from the first light source 101 and the intensity modulated light from the second light source 105. Then, the irradiation head 112 supplies the measurement combined light, which combines the intensity-modulated light from the first light source 101 combined by the multiplexer 109 and the intensity-modulated light from the second light source 105, to the living body test unit 110. Exit toward. The ultrasonic detector 113 detects sound waves for measurement generated in blood existing in the living body test part 110.

ここで、規格化用音波及び測定用音波の検出において、不要モード除去手段237が不要モードを除去する。このため、生体被検部110が移動したり、生体被検部110が振動したり、生体被検部110の表面が振動したりした場合であっても、照射ヘッド112から出射される強度変調光及び測定用合成光の強度を安定させることができる。   Here, in the detection of the normalization sound wave and the measurement sound wave, the unnecessary mode removing unit 237 removes the unnecessary mode. For this reason, even if the living body test unit 110 moves, the living body test unit 110 vibrates, or the surface of the living body test unit 110 vibrates, the intensity modulation emitted from the irradiation head 112 is modulated. The intensity of the light and the synthetic light for measurement can be stabilized.

位相検波増幅器114は、超音波検出器113の検出する規格化用音波の光音響信号に比例する電気信号を出力端子115に出力する。規格化用音波及び測定用音波の光音響信号に比例する電気信号を解析することで、対象成分であるグルコースの濃度を測定することができる。照射ヘッド112から出射される強度変調光及び測定用合成光の強度が安定しているので、対象成分であるグルコースの濃度を安定させることができる。   The phase detection amplifier 114 outputs an electric signal proportional to the photoacoustic signal of the normalization sound wave detected by the ultrasonic detector 113 to the output terminal 115. By analyzing the electrical signal proportional to the photoacoustic signal of the normalization sound wave and the measurement sound wave, the concentration of glucose as the target component can be measured. Since the intensity of the intensity-modulated light and measurement synthetic light emitted from the irradiation head 112 are stable, the concentration of glucose as the target component can be stabilized.

本実施形態に係る成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法は、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適用することができる。   The component concentration measuring apparatus and the component concentration measuring apparatus control method according to the present embodiment can be applied to the field of measuring the component concentration in a liquid, for example, sugar content measurement of fruits.

1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の構成を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structure of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 生体内の音源分布の説明図である。It is explanatory drawing of the sound source distribution in a biological body. 生体内の音源分布に係る形状関数の説明図である。It is explanatory drawing of the shape function which concerns on the sound source distribution in a biological body. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の光音響信号を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the photoacoustic signal of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の光音響信号を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the photoacoustic signal of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の光音響信号を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the photoacoustic signal of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 水およびグルコースの光吸収特性と使用する光波長を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the light absorption characteristic of water and glucose, and the light wavelength to be used. 水およびグルコースの光吸収特性を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the light absorption characteristic of water and glucose. 第2実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the component concentration measuring apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 不要モード除去手段の第1例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 1st example of an unnecessary mode removal means. 不要モード除去手段の第2例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the 2nd example of an unnecessary mode removal means. 従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structural example of the conventional blood component concentration measuring apparatus. 従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structural example of the conventional blood component concentration measuring apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

101 第1の光源
103 発振器
104 駆動回路
105 第2の光源
107 180°移相回路
108 駆動回路
109 合波器
110 生体被検部
112 照射ヘッド
113 超音波検出器
114 位相検波増幅器
115 出力端子
139 レンズ
140 レンズ
142 音響結合器
201 照射光
202 音源
203 観測点
204 モデルA
205 モデルB
206 モデルC
211 第1の光源(λ1)の光
212 第2の光源(λ2)の光
235 成分濃度測定装置
236 光ファイバ
237 不要モード除去手段
238a、238b、238c 支柱
601 第1の光源
604 駆動電源
605 第2の光源
608 駆動電源
609 合波器
610 生体被検部
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 1st light source 103 Oscillator 104 Drive circuit 105 2nd light source 107 180 degree phase shift circuit 108 Drive circuit 109 Multiplexer 110 Living body test part 112 Irradiation head 113 Ultrasonic detector 114 Phase detection amplifier 115 Output terminal 139 Lens 140 Lens 142 Acoustic coupler 201 Irradiation light 202 Sound source 203 Observation point 204 Model A
205 Model B
206 Model C
211 Light of the first light source (λ1) 212 Light of the second light source (λ2) 235 Component concentration measuring device 236 Optical fiber 237 Unnecessary mode removing means 238a, 238b, 238c Post 601 First light source 604 Drive power source 605 Second Light source 608 drive power source 609 multiplexer 610 living body test part 613 ultrasonic detector 616 pulse light source 617 chopper plate 618 motor 619 acoustic sensor 620 waveform observer 621 frequency analyzer

Claims (7)

液体に対象成分が混合されてなる溶液における前記液体の呈する吸収が相等しい異なる波長の光を発生して出力する2つの測定用光発生手段と、
前記測定用光発生手段の一方からの光を予め定められた一定周波数で強度変調して出力し、かつ、前記測定用光発生手段の一方からの光と前記測定用光発生手段の他方からの光を前記一定周波数で互いに逆相に強度変調して出力する光変調手段と、
前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光を出力し、かつ、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光と前記測定用光発生手段の他方からの光の強度変調光とを合成して測定用合成光を出力する測定用光合成手段と、
前記測定用光合成手段の出力する前記強度変調光及び前記測定用合成光を、前記溶液に向けて出射する光出射手段と、
前記光出射手段の出射する前記強度変調光によって前記溶液から発生する規格化用音波、及び、前記光出射手段の出射する前記測定用合成光によって前記溶液から発生する測定用音波を検出する音波検出手段と、
前記測定用光合成手段の出力する前記強度変調光及び前記測定用合成光を、前記光出射手段へ導く光ファイバと、
前記光ファイバの途中に設けられ、前記光ファイバの不要モードを除去する不要モード除去手段と、
を備える成分濃度測定装置。
Two measuring light generating means for generating and outputting light of different wavelengths with the same absorption of the liquid in a solution in which the target component is mixed with the liquid;
The light from one of the measurement light generation means is intensity-modulated at a predetermined constant frequency and output, and the light from one of the measurement light generation means and the other of the measurement light generation means A light modulation means for intensity-modulating and outputting light in opposite phases to each other at the constant frequency;
Outputs intensity-modulated light of light from one of the measurement light generation means, and intensity of light from one of the measurement light generation means and intensity of light from the other of the measurement light generation means A measuring light combining means for combining the modulated light and outputting a measuring combined light;
A light emitting means for emitting the intensity-modulated light output from the measuring light combining means and the measuring combined light toward the solution;
Sound wave detection for detecting a normalization sound wave generated from the solution by the intensity-modulated light emitted from the light emitting unit and a measurement sound wave generated from the solution by the synthetic light for measurement emitted from the light output unit Means,
An optical fiber that guides the intensity-modulated light output from the measurement light combining means and the measurement combined light to the light emitting means;
Unnecessary mode removing means provided in the middle of the optical fiber to remove unnecessary modes of the optical fiber;
A component concentration measuring device.
前記不要モード除去手段は、予め定められた曲率半径で前記光ファイバを曲げる1つ以上の支柱を備える
ことを特徴とする請求項1に記載の成分濃度測定装置。
The component concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the unnecessary mode removing unit includes one or more struts that bend the optical fiber with a predetermined radius of curvature.
前記支柱は、前記曲率半径を半径とする円柱又は円筒であり、
前記不要モード除去手段は、前記支柱に前記光ファイバが巻きつけられたものである
ことを特徴とする請求項2に記載の成分濃度測定装置。
The support column is a cylinder or a cylinder having the radius of curvature as a radius,
The component concentration measuring apparatus according to claim 2, wherein the unnecessary mode removing means is one in which the optical fiber is wound around the support column.
前記支柱は、前記曲率半径を半径とする2本の円柱又は円筒であり、
前記不要モード除去手段は、前記支柱に前記光ファイバが8の字状に巻きつけられたものである
ことを特徴とする請求項2に記載の成分濃度測定装置。
The support column is two columns or cylinders having the radius of curvature as a radius,
The component concentration measuring apparatus according to claim 2, wherein the unnecessary mode removing unit is configured such that the optical fiber is wound in a figure 8 shape around the support column.
前記光ファイバが、シングルモード光ファイバであり、
前記曲率半径が、シングルモード光ファイバのクラッドモードを除去する曲率半径である
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。
The optical fiber is a single mode optical fiber;
The component concentration measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the radius of curvature is a radius of curvature for removing a cladding mode of a single mode optical fiber.
前記光ファイバが、マルチモード光ファイバであり、
前記曲率半径が、マルチモード光ファイバのクラッドモード及び高次モードを除去する曲率半径である
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。
The optical fiber is a multimode optical fiber;
5. The component concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the radius of curvature is a radius of curvature for removing a cladding mode and a higher-order mode of a multimode optical fiber.
前記液体が水であり、
前記対象成分がグルコース又はコレステロールであり、
前記溶液が血液である
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。
The liquid is water;
The target component is glucose or cholesterol,
The component concentration measuring device according to any one of claims 1 to 6, wherein the solution is blood.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013008447A1 (en) * 2011-07-14 2013-01-17 パナソニック株式会社 Analysis device and analysis method
JPWO2021095230A1 (en) * 2019-11-15 2021-05-20

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61233706A (en) * 1985-04-09 1986-10-18 Fujikura Ltd Optical branch bundle
JPS6430284A (en) * 1987-07-27 1989-02-01 Fujitsu Ltd External resonator type semiconductor laser
JPH03144337A (en) * 1989-10-31 1991-06-19 Showa Electric Wire & Cable Co Ltd Measuring method for characteristic of optical fiber
JP2003194695A (en) * 2001-12-26 2003-07-09 Jasco Corp Probe for near field optical microscope
WO2005107592A1 (en) * 2004-05-06 2005-11-17 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Component concentration measuring device and method of controlling component concentration measuring device
JP2006038647A (en) * 2004-07-27 2006-02-09 Sumitomo Electric Ind Ltd Optical time domain reflector measuring method

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61233706A (en) * 1985-04-09 1986-10-18 Fujikura Ltd Optical branch bundle
JPS6430284A (en) * 1987-07-27 1989-02-01 Fujitsu Ltd External resonator type semiconductor laser
JPH03144337A (en) * 1989-10-31 1991-06-19 Showa Electric Wire & Cable Co Ltd Measuring method for characteristic of optical fiber
JP2003194695A (en) * 2001-12-26 2003-07-09 Jasco Corp Probe for near field optical microscope
WO2005107592A1 (en) * 2004-05-06 2005-11-17 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Component concentration measuring device and method of controlling component concentration measuring device
JP2006038647A (en) * 2004-07-27 2006-02-09 Sumitomo Electric Ind Ltd Optical time domain reflector measuring method

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013008447A1 (en) * 2011-07-14 2013-01-17 パナソニック株式会社 Analysis device and analysis method
JPWO2021095230A1 (en) * 2019-11-15 2021-05-20
WO2021095230A1 (en) * 2019-11-15 2021-05-20 日本電信電話株式会社 Photoacoustic analysis method and device
JP7215594B2 (en) 2019-11-15 2023-01-31 日本電信電話株式会社 Photoacoustic analysis method and apparatus

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