JP2012179212A - 成分濃度測定方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザダイオード1−1,1−2は、異なる波長の2波の光を同一周波数で且つ異なる位相の信号により強度変調して被測定物13に照射する。レーザドライバ2は、2つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを変化させる。音響センサ8は、被測定物13から発生する光音響信号を検出する。情報処理装置12は、測定信号の位相が0となる第1の変曲点を探索し、任意の時間経過後に測定信号の位相が0となる第2の変曲点を探索し、第1、2の変曲点のそれぞれにおける2つの強度変調光の光パワーの差を測定する。情報処理装置12は、第2の変曲点における光パワーの差と第1の変曲点における光パワーの差との変化量から、任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出する。
【選択図】 図4
Description
(a)光音響法は、連続的な血液グルコース監視を提供する。
(b)糖尿病患者にとって無痛で、血液サンプルを必要とせず、糖尿病患者に不快感を与えることがない。
(c)他の光学的な技術と比べて、散乱メディアによる効率の悪化がない。
(d)光学と音響学の結合により高感度の特性を得ることができる。
また、本発明の成分濃度測定方法の1構成例において、前記濃度導出ステップは、前記光パワーの変化量と初期状態の測定対象の光吸収係数と前記任意の時間経過後の測定対象の光吸収係数変化量とから、測定対象の成分濃度の変化量を求め、この成分濃度の変化量と前記既知の成分濃度とから、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定方法の1構成例は、さらに、被測定物の光吸収スペクトル測定を行い、測定したスペクトルから前記光吸収係数と前記光吸収係数変化量を求める光吸収スペクトル測定ステップを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定方法の1構成例において、前記第1、第2の光パワー測定ステップは、2つの強度変調光を放出する2つの光照射手段の駆動電圧の差を光パワーの差として測定し、前記濃度導出ステップは、駆動電圧差と光パワーの変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記第2の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差と前記第1の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差との変化量から、光パワーの変化量を求めることを特徴とするものである。
本発明では、血液グルコース濃度を正確に測定するために、光音響信号の振幅が光吸収係数に依存する原理を利用して、光波長によりグルコース選択性が良くなる新しい成分濃度測定方法であるOptical Power Balance Shift方法(以下、OPBS方法と省略)を提案する。
その検出法のコンセプトを説明するために以下に理論式を使う。光音響信号強度Sは次式のように表すことができる。
また、2つの差分信号の設定を使った場合、光音響信号強度Sは次式のように表すことができる。
課題となるのは、定数K、熱膨張係数β、音速v、比熱Cpといったパラメータが、温度または混合物の濃度に依存するため、光音響信号強度Sをそのまま血液グルコース濃度の算出に使えないことである。このような依存性を抑えるために、特許文献1に開示された測定方法では、一方の波長の信号で規格化(Normalization)を行った。
α1P1−α2P2=0 ・・・(3)
(α1+δα1Cg)P1−(α2+δα2Cg)P2≠0 ・・・(4)
(α1+δα1Cg)(P1+δP1)−(α2+δα2Cg)P2=0 ・・・(5)
式(5)より次式が得られる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図1は近赤外スペクトルの範囲内の光波長におけるグルコース水溶液とアルブミン水溶液の吸収スペクトルを示す図である。図1における100はグルコース水溶液の吸収スペクトルを示し、101はアルブミン水溶液の吸収スペクトルを示している。図1の横軸は光波長、縦軸は相対吸収係数である。
図5は情報処理装置12の構成を示すブロック図である。情報処理装置12は、関数発生器10を制御する関数発生器制御部120と、測定信号の周波数を測定する周波数測定部121と、測定信号の位相を測定する位相測定部122と、光パワーを制御する光パワー制御部123と、測定信号の周波数と位相の情報を記録する情報記録部124と、2つの強度変調光の光パワーの差を測定する光パワー測定部125と、血液グルコース濃度を導出するグルコース濃度導出部126と、情報記憶のための記憶部127とを有する。
情報処理装置12の情報記録部124は、周波数測定部121が測定した参照周波数F0と位相測定部122が測定した参照位相P0とを記憶部127に記憶させる(図10ステップS4)。
情報処理装置12の位相測定部122は、測定信号の位相が参照位相P0となる点を探索し、情報処理装置12の周波数測定部121は、この点における周波数F1を測定する。こうして、参照位相P0に対応する周波数F1を探索する(図10ステップS11)。なお、周波数F1は参照周波数F0の近傍に位置する。
以上で、本実施の形態の成分濃度測定装置の処理が終了する。
2つの光を強度変調する信号の位相を手動で変更し、図12に示す光パワーバランス−位相特性を得た。図12の横軸は光パワーバランス、縦軸は光音響信号の位相である。ここでは、波長が1438nmの光と1610nmの光を用いている。光パワーバランスは、1438nmの光を発生するレーザダイオードのレーザ駆動電圧で表現されている。1610nmの光を発生するレーザダイオードのレーザ駆動電圧は1.4Vである。図12における400は2つの光を強度変調するそれぞれの信号の位相差が180°の場合の特性、401は位相差が180.1°の場合の特性、402は位相差が180.3°の場合の特性、403は位相差が180.8°の場合の特性、404は位相差が185.8°の場合の特性、405は位相差が195.8°の場合の特性、406は位相差が178.8°の場合の特性を示している。
Claims (10)
- 測定対象の成分の濃度が既知の被測定物に対して強度変調光を照射する第1の光照射ステップと、
この第1の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第1の光音響信号検出ステップと、
この第1の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の振幅が最大となる変調周波数を第1の周波数として測定する第1の周波数測定ステップと、
前記振幅が最大のときの電気信号の位相を参照位相として測定する第1の位相測定ステップと、
互いに異なる波長の2波の光を前記第1の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、2つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させる第2の光照射ステップと、
この第2の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第2の光音響信号検出ステップと、
この第2の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が0となる第1の変曲点を探索する第2の位相測定ステップと、
前記第1の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定する第1の光パワー測定ステップと、
任意の時間経過後に前記被測定物に対して強度変調光を照射する第3の光照射ステップと、
この第3の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第3の光音響信号検出ステップと、
この第3の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が前記参照位相となる変調周波数を第2の周波数として探索する第2の周波数測定ステップと、
互いに異なる波長の2波の光を前記第2の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、2つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させる第4の光照射ステップと、
この第4の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第4の光音響信号検出ステップと、
この第4の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が0となる第2の変曲点を探索する第3の位相測定ステップと、
前記第2の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定する第2の光パワー測定ステップと、
この第2の光パワー測定ステップで測定した光パワーの差と前記第1の光パワー測定ステップで測定した光パワーの差との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出する濃度導出ステップとを備えることを特徴とする成分濃度測定方法。 - 請求項1記載の成分濃度測定方法において、
前記第1の光パワー測定ステップは、2つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第1の変曲点における光パワーとの差を測定し、
前記第2の光パワー測定ステップは、2つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第2の変曲点における光パワーとの差を測定することを特徴とする成分濃度測定方法。 - 請求項1または2記載の成分濃度測定方法において、
前記濃度導出ステップは、前記光パワーの変化量と初期状態の測定対象の光吸収係数と前記任意の時間経過後の測定対象の光吸収係数変化量とから、測定対象の成分濃度の変化量を求め、この成分濃度の変化量と前記既知の成分濃度とから、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定方法。 - 請求項3記載の成分濃度測定方法において、
さらに、被測定物の光吸収スペクトル測定を行い、測定したスペクトルから前記光吸収係数と前記光吸収係数変化量を求める光吸収スペクトル測定ステップを備えることを特徴とする成分濃度測定方法。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の成分濃度測定方法において、
前記第1、第2の光パワー測定ステップは、2つの強度変調光を放出する2つの光照射手段の駆動電圧の差を光パワーの差として測定し、
前記濃度導出ステップは、駆動電圧差と光パワーの変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記第2の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差と前記第1の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差との変化量から、光パワーの変化量を求めることを特徴とする成分濃度測定方法。 - 被測定物に対して光を照射する光照射手段と、
光パワーを制御する光パワー制御手段と、
この光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、
前記電気信号の周波数を測定する周波数測定手段と、
前記電気信号の位相を測定する位相測定手段と、
2つの強度変調光の光パワーの差を測定する光パワー測定手段と、
任意の時間経過後の光パワーの変化量から、測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段とを備え、
前記光照射手段は、第1の時刻において測定対象の成分の濃度が既知の被測定物に対して強度変調光を照射し、第2の時刻において互いに異なる波長の2波の光を第1の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、第3の時刻において前記被測定物に対して強度変調光を照射し、第4の時刻において互いに異なる波長の2波の光を第2の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、
前記光パワー制御手段は、前記第2、第4の時刻において2つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させ、
前記周波数測定手段は、前記第1の時刻において得られた電気信号の振幅が最大となる変調周波数を前記第1の周波数として測定し、前記第3の時刻において得られた電気信号の位相が参照位相となる変調周波数を前記第2の周波数として探索し、
前記位相測定手段は、前記第1の時刻において得られた電気信号の振幅が最大のときの電気信号の位相を前記参照位相として測定し、前記第2の時刻において得られた電気信号の位相が0となる第1の変曲点を探索し、前記第4の時刻において得られた電気信号の位相が0となる第2の変曲点を探索し、
前記光パワー測定手段は、前記第2の時刻において前記第1の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定し、前記第4の時刻において前記第2の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定し、
前記濃度導出手段は、前記第4の時刻において測定された光パワーの差と前記第2の時刻において測定された光パワーの差との変化量から、前記第4の時刻における測定対象の成分濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項6記載の成分濃度測定装置において、
前記光パワー測定手段は、前記第2の時刻において2つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第1の変曲点における光パワーとの差を測定し、前記第4の時刻において2つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第2の変曲点における光パワーとの差を測定することを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項6または7記載の成分濃度測定装置において、
前記濃度導出手段は、前記光パワーの変化量と前記第1の時刻における測定対象の光吸収係数と前記第4の時刻における測定対象の光吸収係数変化量とから、測定対象の成分濃度の変化量を求め、この成分濃度の変化量と前記既知の成分濃度とから、前記第4の時刻における測定対象の成分濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項8記載の成分濃度測定装置において、
さらに、被測定物の光吸収スペクトル測定を行い、測定したスペクトルから前記光吸収係数と前記光吸収係数変化量を求める光吸収スペクトル測定手段を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項6乃至9のいずれか1項に記載の成分濃度測定装置において、
前記光パワー測定手段は、2つの強度変調光を放出する2つの光照射手段の駆動電圧の差を光パワーの差として測定し、
前記濃度導出手段は、駆動電圧差と光パワーの変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記第4の時刻において測定した駆動電圧差と前記第2の時刻において測定した駆動電圧差との変化量から、光パワーの変化量を求めることを特徴とする成分濃度測定装置。
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