JP2013106874A - 成分濃度測定方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】(M−1)個の成分の濃度Ca,Cb,Cc,・・・と温度TとからなるM個(Mは2以上の整数)の未知パラメータを有する被測定物に対して、互いに波長が異なるn個(nは(n(n−1)/2+1)>=Mを満たす整数)の光照射手段のうちの1つを用いて光を照射し、周波数シフト(FS)法により測定結果を得る第1の測定ステップ(S1)と、選択し得る2つの光照射手段の全ての組み合わせを用いて被測定物に対して光を照射し、光パワーバランスシフト(OPBS)法により測定結果を得る第2の測定ステップ(S2)と、第1の測定ステップの測定結果と第2の測定ステップの測定結果とから被測定物中の測定対象の成分の濃度を決定する濃度導出ステップ(S3)とを実行する。
【選択図】 図5
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n個の光照射手段におけるnは(n(n−1)/2+1)>Mを満たす整数である。
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光パワーバランスシフト(Optical Power Balance Shift、以下、OPBSと省略)法について最初に説明する。
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。
そこで、FS法では、測定信号の位相情報に基づいて測定信号の周波数の変化量を求め、この周波数の変化量から血液グルコース濃度の正確な測定を実行する。
(B)振幅信号を用いるために光学波長を慎重に選択し、血しょう成分を同時に検出する。
L=(nλ)/2 ・・・(7)
λ=vac/f ・・・(8)
f=(nvac)/2L ・・・(9)
式(9)より、共振周波数fは、音響信号の速度vacに比例することが分かる。
Δf/f=Δvac/vac ・・・(12)
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3は本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。
成分濃度測定装置は、レーザ光を照射する光照射手段となるレーザダイオード1−1,1−2,1−3,1−4,・・・,1−nと、レーザダイオード1−1,1−2,1−3,1−4,・・・,1−nを駆動するレーザドライバ2と、レーザダイオード1−1,1−2,1−3,1−4,・・・,1−nから放射されたレーザ光を導く光ファイバ3−1,3−2,3−3,3−4,・・・,3−nと、レーザダイオード1−1,1−2,1−3,1−4,・・・,1−nから放射されたレーザ光を合波する光カプラ4と、光カプラ4によって合波されたレーザ光を導く光ファイバ5と、被測定物13(溶媒)を収容するケースである光音響セル6と、レーザ光を透過させるガラス製の光学窓7と、光音響効果によって被測定物13から発生する光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する光音響信号検出手段となる音響センサ8と、音響センサ8から出力された電気信号を増幅する増幅器9と、参照信号を発生する関数発生器10と、増幅器9の出力信号と関数発生器10から出力された参照信号とを入力として、増幅器9の出力信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプ11と、関数発生器10およびロックインアンプ11を制御すると共に、ロックインアンプ11が検出した測定信号を処理して被測定物13中の測定対象の成分の濃度を決定するコンピュータからなる情報処理装置12とから構成される。
成分濃度測定装置は、最初にFS法による測定を行い(図5ステップS1)、続いてOPBS法による測定を行い(ステップS2)、FS法による測定結果とOPBS法による測定結果とから測定対象の成分濃度を決定する(ステップS3)。
そして、情報記録部124は、振幅測定部121が測定した振幅A1と、測定信号の位相P1(P1=P0=0)と、周波数f1とを記憶部132に記憶させる(図6ステップS110)。
初めに時刻t0の初期状態において参照レベルの決定を行うために、レーザダイオード1−1のみを動作させる。被測定物13は、光音響セル6内に導入される。レーザドライバ2から駆動電流が供給されると、レーザダイオード1−1はレーザ光を放射する。このとき、レーザドライバ2から矩形波の駆動電流が供給されることにより、レーザダイオード1−1は強度変調光を放射する。光の波長は例えば1384nmである。この強度変調光は、光ファイバ3−1によって導かれ光カプラ4を通過して、さらに光ファイバ5によって導かれ、光学窓7を通って光音響セル6内の被測定物13に照射される(図10ステップS200)。
情報処理装置12の情報記録部124は、周波数測定部127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132に記憶させる(図10ステップS203)。
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127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S209)。なお、周波数F1は参照周波数F0の近傍に位置する。
2つの光を強度変調する信号の位相を手動で変更し、図11に示す光パワーバランス−位相特性を得た。図11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11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。
人体組織には多種類の分子がある濃度レベルで存在し、かつ、時間とともに変容している。一つの組成物(ここでは、グルコース)を正確にモニタするには、それゆえ、いくつかの偏在的偏り(それらの変化がグルコース濃度測定に影響を与える組成物やパラメータ)を取り除く必要がある。さらには、ノイズや測定の不確定性などのため、その結果の一貫性や精度を見積もるためには、測定値を得るために必要な測定よりも多くの測定が必要である。
FS法による測定結果である信号レスポンスFS(λ1)は、次式のように表現できる。
FS(λ1)=KaCa+KbCb+KcCc+・・・+KtT ・・・(13)
ここで、Ka,Kb,Kc,・・・,Ktは比例係数である。
OPBS(λ1,λ2)=Qaλ1,λ2Ca+Qbλ1,λ2Cb+Qcλ1,λ2Cc
+・・・+Qtλ1,λ2T
OPBS(λ1,λ3)=Qaλ1,λ3Ca+Qbλ1,λ3Cb+Qcλ1,λ3Cc
+・・・+Qtλ1,λ3T
OPBS(λ1,λ4)=Qaλ1,λ4Ca+Qbλ1,λ4Cb+Qcλ1,λ4Cc
+・・・+Qtλ1,λ4T
・・・
OPBS(λn−1,λn)=Qaλn-1,λnCa+Qbλn-1,λnCb+Qcλn-1,λnCc+・・・+Qtλn-1,λnT ・・・(14)
Claims (8)
- (M−1)個の成分の濃度Ca,Cb,Cc,・・・と温度TとからなるM個(Mは2以上の整数)の未知パラメータを有する被測定物に対して、互いに波長が異なるn個(nは(n(n−1)/2+1)>=Mを満たす整数)の光照射手段のうちの1つの光照射手段を用いて光を照射し、周波数シフト(FS)法により測定結果を得る第1の測定ステップと、
前記n個の光照射手段の中から選択し得る2つの光照射手段の全ての組み合わせを用いて前記被測定物に対して光を照射し、光パワーバランスシフト(OPBS)法により測定結果を得る第2の測定ステップと、
前記第1の測定ステップの測定結果と前記第2の測定ステップの測定結果とから前記被測定物中の測定対象の成分の濃度を決定する濃度導出ステップとを備え、
前記濃度導出ステップは、
前記第1の測定ステップの測定結果をFS(λ1)、前記第2の測定ステップの測定結果をOPBS(λ1,λ2),OPBS(λ1,λ3),OPBS(λ1,λ4),・・・,OPBS(λn−1,λn)としたとき(λ1,λ2,λ3,λ4,・・・,λn−1,λnはn個の光照射手段から放射される光の波長)、
前記第1の測定ステップの測定結果を表現する式
FS(λ1)=KaCa+KbCb+KcCc+・・・+KtTと、
前記第2の測定ステップの測定結果を表現する式
OPBS(λ1,λ2)=Qaλ1,λ2Ca+Qbλ1,λ2Cb+Qcλ1,λ2Cc
+・・・+Qtλ1,λ2T、
OPBS(λ1,λ3)=Qaλ1,λ3Ca+Qbλ1,λ3Cb+Qcλ1,λ3Cc
+・・・+Qtλ1,λ3T、
OPBS(λ1,λ4)=Qaλ1,λ4Ca+Qbλ1,λ4Cb+Qcλ1,λ4Cc
+・・・+Qtλ1,λ4T、
・・・
OPBS(λn−1,λn)=Qaλn-1,λnCa+Qbλn-1,λnCb+Qcλn-1,λnCc+・・・+Qtλn-1,λnT
とからなる連立方程式(Ka,Kb,Kc,・・・,Kt,Qaλi,λj,Qbλi,λj,Qcλi,λj,・・・,Qtλi,λj(i,j=1〜nで、i≠j)は所定の係数)を解くことにより、前記被測定物中の成分の濃度Ca,Cb,Cc,・・・を決定す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の測定ステップは、
前記被測定物に対して光を照射する第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うち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定する第1の位相測定ステップと、
任意の時間経過後に前記被測定物に対して光を照射する第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うち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定する第2の位相測定ステップと、
この第2の位相測定ステップで測定する位相が前記第1の位相測定ステップで測定した位相と等しくなる測定信号の周波数を探索する周波数探索ステップと、
この周波数探索ステップで探索した周波数と前記基準周波数との変化量を、前記第1の測定ステップの測定結果として求める周波数変化導出ステップとを含む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、
前記第2の測定ステップは、
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3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1の変曲点を探索する第4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5の光照射ステップと、
この第5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5の光音響信号検出ステップと、
この第5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6の光照射ステップと、
この第6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6の光音響信号検出ステップと、
この第6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5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を、前記第2の測定ステップの測定結果として求める光パワー変化導出ステップとを含み、
前記n個の光照射手段の中から選択し得る2つの光照射手段の組み合わせ毎に、前記第3の光照射ステップと前記第3の光音響信号検出ステップと前記第1の周波数測定ステップと前記第3の位相測定ステップと前記第4の光照射ステップと前記第4の光音響信号検出ステップと前記第4の位相測定ステップと前記第1の光パワー測定ステップと前記第5の光照射ステップと前記第5の光音響信号検出ステップと前記第2の周波数測定ステップと前記第6の光照射ステップと前記第6の光音響信号検出ステップと前記第5の位相測定ステップと前記第2の光パワー測定ステップと前記光パワー変化導出ステップとを実施し、前記2つの光照射手段の組み合わせ毎に前記第2の測定ステップの測定結果を得ることを特徴とする成分濃度測定方法。 - 請求項1乃至3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n個の光照射手段におけるnは(n(n−1)/2+1)>Mを満たす整数であることを特徴とする成分濃度測定方法。 - (M−1)個の成分の濃度Ca,Cb,Cc,・・・と温度TとからなるM個(Mは2以上の整数)の未知パラメータを有する被測定物に対して光を照射する光照射手段と、
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、
前記被測定物に対して、互いに波長が異なるn個(nは(n(n−1)/2+1)>=Mを満たす整数)の前記光照射手段のうちの1つの光照射手段から光を照射させ、周波数シフト(FS)法により前記電気信号に基づいて測定結果を得る第1の測定手段と、
前記n個の光照射手段の中から選択し得る2つの光照射手段の全ての組み合わせを用いて前記被測定物に対して光を照射させ、光パワーバランスシフト(OPBS)法により前記電気信号に基づいて測定結果を得る第2の測定手段と、
前記第1の測定手段の測定結果と前記第2の測定手段の測定結果とから前記被測定物中の測定対象の成分の濃度を決定する濃度導出手段とを備え、
前記濃度導出手段は、
前記第1の測定手段の測定結果をFS(λ1)、前記第2の測定手段の測定結果をOPBS(λ1,λ2),OPBS(λ1,λ3),OPBS(λ1,λ4),・・・,OPBS(λn−1,λn)としたとき(λ1,λ2,λ3,λ4,・・・,λn−1,λnはn個の光照射手段から放射される光の波長)、
前記第1の測定手段の測定結果を表現する式
FS(λ1)=KaCa+KbCb+KcCc+・・・+KtTと、
前記第2の測定手段の測定結果を表現する式
OPBS(λ1,λ2)=Qaλ1,λ2Ca+Qbλ1,λ2Cb+Qcλ1,λ2Cc
+・・・+Qtλ1,λ2T、
OPBS(λ1,λ3)=Qaλ1,λ3Ca+Qbλ1,λ3Cb+Qcλ1,λ3Cc
+・・・+Qtλ1,λ3T、
OPBS(λ1,λ4)=Qaλ1,λ4Ca+Qbλ1,λ4Cb+Qcλ1,λ4Cc
+・・・+Qtλ1,λ4T、
・・・
OPBS(λn−1,λn)=Qaλn-1,λnCa+Qbλn-1,λnCb+Qcλn-1,λnCc+・・・+Qtλn-1,λnT
とからなる連立方程式(Ka,Kb,Kc,・・・,Kt,Qaλi,λj,Qbλi,λj,Qcλi,λj,・・・,Qtλi,λj(i,j=1〜nで、i≠j)は所定の係数)を解くことにより、前記被測定物中の成分の濃度Ca,Cb,Cc,・・・を決定することを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項5記載の成分濃度測定装置において、
前記第1の測定手段は、
前記電気信号に含まれる測定信号の位相を測定する第1の位相測定手段と、
任意の時間経過後の前記測定信号の周波数を探索する周波数探索手段と、
前記任意の時間経過後の前記測定信号の周波数の変化量を、前記第1の測定手段の測定結果として求める周波数変化導出手段とを備え、
前記n個の光照射手段のうちの1つの光照射手段は、第1の時刻において前記被測定物に対して光を照射すると共に、任意の時間経過後に前記被測定物に対して光を照射し、
前記第1の位相測定手段は、前記第1の時刻において得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定すると共に、前記任意の時間経過後の電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定し、
前記周波数探索手段は、前記任意の時間経過後に測定される位相が前記第1の時刻において測定された位相と等しくなる測定信号の周波数を探索し、
前記周波数変化導出手段は、前記周波数探索手段が探索した周波数と前記基準周波数との変化量を、前記第1の測定手段の測定結果として求めることを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項5または6記載の成分濃度測定装置において、
前記第2の測定手段は、
光パワーを制御する光パワー制御手段と、
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第2の位相測定手段と、
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を、前記第2の測定手段の測定結果として求める光パワー変化導出手段とを備え、
前記光照射手段は、第1の時刻において前記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、
前記第2の位相測定手段は、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、
前記光パワー変化導出手段は、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を、前記第2の測定手段の測定結果として求め、
前記n個の光照射手段の中から選択し得る2つの光照射手段の組み合わせ毎に測定を実施して測定結果を得ることを特徴とする成分濃度測定装置。 - 請求項5乃至7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n個の光照射手段におけるnは(n(n−1)/2+1)>Mを満たす整数であることを特徴とする成分濃度測定装置。
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