JP2017217203A - 成分濃度測定装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度変化に対する測定感度を向上させる。【解決手段】レーザダイオード１−１〜１−３のうちの２つは、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照射する。音響センサ６は、被測定物１１から発生する光音響信号を検出する。情報処理装置１０は、強度を変化させる光の波長が異なる２つの時点について、それぞれ測定信号の強度が最低となったときの光強度の測定結果から得られる光強度の変化量と、データセットから得られる光強度の変化量に基づいて、音響モードを推定し、推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるまで、被測定物１１に照射する複数の光の変調周波数および被測定物１１を収容する共振器の形状のうち少なくとも一方を変更しながら、処理を繰り返し実行する。【選択図】 図５

Description

本発明は、成分濃度測定装置、特に、血液成分、例えばグルコースを測定対象とした測定装置に関するものである。

高齢化により、生活習慣病に対する対応が大きな課題になりつつあり、血液の成分に対する注目が集まっている。しかし、現在までに開発された技術は、採取したサンプルを試薬と反応させたり、専用のセンサに吸着させたりといった１つのセンサで１つの成分を検出するようになっており、マルチなセンシング技術が注目されている。そこで、電磁波を照射したときに、測定対象とする血液成分（例えば、血糖値の場合はグルコース分子）に吸収されることを利用して、透過あるいは反射した電磁波を測定する方法が行われている。

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。
そこで、電磁波を照射し局所的に加熱して熱膨張を起こして発生する音波を観測する、光音響法が注目されている。

光音響法には、パルス（pulse）法と連続波（continuous-wave、以下ＣＷとする）法の二つの方式がある。しかし、従来のパルス法やＣＷ法では、数回にわたる血漿中のグルコース濃度測定中に、グルコース濃度以外の他の血漿中パラメータ（例えば体温や、他の成分の濃度等）も変わる可能性が高いので、グルコース選択性が悪く、正確なグルコース濃度を得ることが難しいという問題点があった。

そこで、ＣＷ法に属する方法として、カムー セルジュ（S.Camou）らにより光パワーバランスシフト（Optical power balance shift：ＯＰＢＳ）法が開発されている（特許文献１−３参照）。

このＯＰＢＳ法を実施するための従来の成分濃度測定装置の構成例を図１８に示す。成分濃度測定装置は、レーザ光を放射するレーザダイオード１−１，１−２と、レーザダイオード１−１，１−２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から放射されたレーザ光を導く光ファイバ３−１，３−２と、レーザダイオード１−１，１−２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、光音響効果によって被測定物１１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音響センサ６と、音響センサ６から出力された電気信号を増幅する増幅器７と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ８と、増幅器７の出力信号とファンクションジェネレータ８から出力された参照信号とを入力として、増幅器７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９と、ファンクションジェネレータ８およびロックインアンプ９を制御すると共に、ロックインアンプ９が検出した測定信号を処理して特定の成分濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置１０とから構成される。

図１８に示した成分濃度測定装置を用いた従来のＯＰＢＳ法では、まずレーザドライバ２は、ファンクションジェネレータ８から出力される参照信号に応じて矩形波の駆動電流をレーザダイオード１−１（第１の光源）に供給することにより、レーザダイオード１−１から放射される光を強度変調する。レーザダイオード１−１から放射された強度変調光は、光ファイバ３−１によって導かれ、光カプラ４および光ファイバ５を介して被測定物１１に照射される（図１９ステップＳ１００）。

音響センサ６は、被測定物１１から発生する光音響信号を検出し、増幅器７は、音響センサ８から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ９は、増幅器７の出力に含まれる信号のうち、ファンクションジェネレータ８から出力される参照信号によって決まる周波数の測定信号を検出する。

情報処理装置１０は、ファンクションジェネレータ８が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を漸次変化させると共に、ロックインアンプ９が検出する測定信号の周波数（光変調周波数と同一の周波数）を漸次変化させる光変調周波数掃引を行う（図１９ステップＳ１０１）。こうして、変調周波数と測定信号の振幅（音圧）との関係を取得し（図１９ステップＳ１０２）、測定信号の振幅が最大の変調周波数であるピーク変調周波数を探索する（図１９ステップＳ１０３）。

次に、レーザダイオード１−１を再び動作させて光を出力させ（図１９ステップＳ１０４）、続いてレーザダイオード１−２（第２の光源）を動作させて光を出力させる（図１９ステップＳ１０５）。２つのレーザダイオード１−１，１−２から放射される光の波長は異なる。

情報処理装置１０は、ファンクションジェネレータ８が発生する２つの参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１，１−２に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を上記のピーク変調周波数に設定すると共に、ロックインアンプ９が検出する測定信号の周波数をピーク変調周波数に設定する。このとき、レーザドライバ２から、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード１−１，１−２に供給させることにより、レーザダイオード１−１，１−２から放射される光を同一周波数（ピーク変調周波数）で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する（図１９ステップＳ１０６）。

レーザダイオード１−１，１−２から放射された強度変調光は、それぞれ光ファイバ３−１，３−２によって導かれ、光カプラ４によって合波され、さらに光ファイバ５によって導かれ、被測定物１１に照射される。情報処理装置１０は、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１に供給される駆動電流の大きさを所定値にすることにより、レーザダイオード１−１から放射される光の強度を固定し（図１９ステップＳ１０７）、レーザドライバ２からレーザダイオード１−２に供給される駆動電流の大きさを変化させることにより、レーザダイオード１−２から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−２から放射される光の強度を調節する（図１９ステップＳ１０８）。

そして、一定時間経過後（図１９ステップＳ１０９）、再びレーザダイオード１−１，１−２を動作させ、レーザダイオード１−１から放射される光の強度を固定し（図１９ステップＳ１１０）、測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−２から放射される光の強度を調節する（図１９ステップＳ１１１）。そして、情報処理装置１０は、ステップＳ１０８で得られた光強度とステップＳ１１１で得られた光強度から、光強度の変化量を計算する（図１９ステップＳ１１２）。

このように、従来のＯＰＢＳ法では、光波長が異なり位相差が１８０°の２つの光ビームを被測定物に対して、同一光出力口から照射し、２つの光ビームの強度を増減させながら、光音響信号の振幅が最小の箇所の位相の変曲点を探し、この結果から血液中に溶解している分子濃度を求める。具体的には、２つの光ビームのうち一方の光ビームの強度を変えながら、光音響信号の振幅が最小となる光強度を探すことで、光強度の変化量より被測定物内の特定成分（例えばグルコース）の濃度の正確な測定を行う。

特開２０１４−５０５６３号公報 特開２０１３−１０６８７４号公報 特開２０１２−１７９２１２号公報

生体レベルのグルコース濃度変化は数十ｍｇ／ｄＬオーダーであり、この濃度変化によるグルコースの光吸収係数の変化は０．００１／ｍｍ・（ｇ／Ｌ）オーダーと非常に小さい。そのため、成分濃度測定装置に求められる分解能や安定性は４０ｄＢ以上と非常に厳しい。そこで、成分濃度測定装置に対する要求を緩和し、測定精度を向上させるためにグルコース濃度変化に対する測定感度を高める必要があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度変化に対する測定感度を向上させることができる成分濃度測定装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の成分濃度測定装置は、互いに異なる波長の複数の光を同一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被測定物に照射する光照射手段と、前記複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光の強度を変化させる光強度制御手段と、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、前記光強度制御手段が変化させた光の強度を測定する光強度測定手段と、強度を変化させる光の波長が異なる２つの時点または前記被測定物の温度が異なる２つの時点について、それぞれ前記電気信号の強度が最低となったときの前記光強度測定手段の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定手段と、この音響モード推定手段が推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるまで、前記被測定物に照射する複数の光の変調周波数および前記被測定物を収容する共振器の形状のうち少なくとも一方を変更しながら、前記光照射手段と前記光強度制御手段と前記光音響信号検出手段と前記光強度測定手段と前記音響モード推定手段とに処理を繰り返し実行させる変更手段と、前記音響モード推定手段が推定した音響モードが前記規定の音響モードとなったときの前記光強度測定手段の測定結果から得られる光強度の変化量に基づいて前記被測定物に含まれる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装置の１構成例において、前記光照射手段は、異なる２つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、前記音響モード推定手段は、第１の波長の光の強度を一定にして第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果と、前記第１の波長の光の強度を一定にして第３の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第３の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定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装置の１構成例は、さらに、前記被測定物の温度を制御する温度制御手段を備え、前記光照射手段は、異なる２つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、前記音響モード推定手段は、第１の波長の光の強度を一定にして第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果と、前記温度制御手段により前記被測定物の温度を変化させた後に前記第１の波長の光の強度を一定にして前記第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定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装置の１構成例において、前記被測定物に照射される複数の光は、これら複数の光の波長に対する、前記被測定物に含まれる測定対象の成分以外の成分の光吸収係数が略等しい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装置の１構成例において、前記光照射手段は、異なる波長の複数の光をそれぞれ平行光にして前記被測定物の略同一領域に同軸で照射し、異なる波長の複数の光のビーム径は略等しい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装置の１構成例は、さらに、前記被測定物を収容し、前記光音響信号を増幅するための共振器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装置の１構成例において、前記共振器は、前記光照射手段から照射される光の光軸に対して略直交する面を２つ持ち、これらの面は互いに平行平面となってい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は、互いに異なる波長の複数の光を同一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被測定物に照射する光照射ステップと、前記複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光の強度を変化させる光強度制御ステップと、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ステップと、前記光強度制御ステップで変化させた光の強度を測定する光強度測定ステップと、強度を変化させる光の波長が異なる２つの時点または前記被測定物の温度が異なる２つの時点について、それぞれ前記電気信号の強度が最低となったときの前記光強度測定ステップの測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定ステップと、この音響モード推定ステップで推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるまで、前記被測定物に照射する複数の光の変調周波数および前記被測定物を収容する共振器の形状のうち少なくとも一方を変更しながら、前記光照射ステップと前記光強度制御ステップと前記光音響信号検出ステップと前記光強度測定ステップと前記音響モード推定ステップとを繰り返し実行させる変更ステップと、前記音響モード推定ステップで推定した音響モードが前記規定の音響モードとなったときの前記光強度測定ステップの測定結果から得られる光強度の変化量に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出ステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、互いに異なる波長の複数の光を同一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被測定物に照射する光照射手段と、複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光の強度を変化させる光強度制御手段と、光照射によって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、光強度制御手段が変化させた光の強度を測定する光強度測定手段と、強度を変化させる光の波長が異なる２つの時点または被測定物の温度が異なる２つの時点について、それぞれ電気信号の強度が最低となったときの光強度測定手段の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定手段と、音響モード推定手段が推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるまで、被測定物に照射する複数の光の変調周波数および被測定物を収容する共振器の形状のうち少なくとも一方を変更しながら、光照射手段と光強度制御手段と光音響信号検出手段と光強度測定手段と音響モード推定手段とに処理を繰り返し実行させる変更手段とを設けることにより、音響モードを制御することができ、被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度変化に対する測定感度を向上させることができる。

また、本発明では、第１の波長の光の強度を一定にして第２の波長の光の強度を変化させて電気信号の強度が最低となったときの第２の波長の光の強度の測定結果と、第１の波長の光の強度を一定にして第３の波長の光の強度を変化させて電気信号の強度が最低となったときの第３の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、音響モードを推定することができる。

また、本発明では、第１の波長の光の強度を一定にして第２の波長の光の強度を変化させて電気信号の強度が最低となったときの第２の波長の光の強度の測定結果と、温度制御手段により被測定物の温度を変化させた後に第１の波長の光の強度を一定にして第２の波長の光の強度を変化させて電気信号の強度が最低となったときの第２の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、音響モードを推定することができる。

また、本発明では、光照射手段が、異なる波長の複数の光をそれぞれ平行光にして被測定物の略同一領域に同軸で照射することにより、音波の干渉の影響を低減することができる。

円筒空洞内での音波の共振モードを説明する図である。 光変調周波数と音圧との関係の１例を示す図である。 グルコース濃度の応答特性を示す図である。 光変調周波数と音波強度の関係を示す図である。 本発明の第１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。 本発明の第１の実施の形態に係る成分濃度測定装置の情報処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係る成分濃度測定装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態における光変調周波数と音波強度との関係の１例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における光強度変化の例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における音響モードと光強度の変化量の比との関係の１例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるグルコース濃度感度と音響モードとの関係の１例を示す図である。 本発明の第２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。 本発明の第２の実施の形態に係る成分濃度測定装置の情報処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る成分濃度測定装置の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態における光強度変化の例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における音響モードと光強度の変化量の比との関係の１例を示す図である。 音波の反射率と音響インピーダンスとの関係を示す図である。 従来の成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。 従来の光パワーバランスシフト法を説明するフローチャートである。

［発明の原理］
本発明では、コリメートされた光を用いることで音波の干渉の影響を低減する。被測定物の形状が自由に変更できる場合は、音波の波長の半分に対して径の方が細い円筒形状の被測定物を用いることで、コリメート光と同等の効果を得ることができる。コリメートされた光は、強度分布として以下の式（１）のように表すことができる。

また、光音響効果で生じる音波の大きさＳは、以下の式（２）のように表すことができる。

式（１）、式（２）において、Ｃは定数、αは特定の波長の光に対する被測定物の光吸収係数、ｑは音響モード、Ｆ（α，ｑ）は光吸収係数αと音響モードｑの関数、ωは変調周波数、ｗは光ビーム径、ｚは被測定物表面からの深さ、ｒは光軸から放射方向の距離、Ｉは光強度である。
光吸収係数αは式（３）のように記述することができる。

式（３）において、ΔＣは被測定物内の特定成分の濃度、ΔＴは被測定物の温度、βは特定成分のモル吸光度、γは被測定物の温度吸光度である。なお、α₀は初期状態の被測定物の光吸収係数を表している。

たとえば、円筒形の共振器内においては、音響波のモードは以下のような式（４）、式（５）で与えられる。音響波のモードには、長手方向、円周方向、半径方向のモードがある。

式（４）、式（５）において、ｃは被測定物内の音速、ｑは光軸方向の音響モード、Ｒは円筒の半径、Ｌは円筒の長さ、α_m,nは被測定物壁面で径方向の音圧変化が０という境界条件を満たすｎ次の根である。

被測定物を収容するケースが円筒形、すなわち光音響エネルギーが閉じ込められる空間が円筒空洞である場合の、この円筒空洞内での共振を例にとった音波の共振モードを図１に示す。ここで、Ｒは円筒の半径、Ｌは円筒の長さ、ｊは半径方向（Radial）のモードの番号、ｍは円周方向（Azimuthal）のモードの番号、ｑは長手方向（Longitudinal）のモードの番号である。

変調周波数と音圧との関係を図２に示す。図２中の（１０１）、（２００）、（１０２）、（３００）は共振モード（ｊｍｑ）を示しており、例えば（１０１）は半径方向のモードの番号ｊが１、円周方向のモードの番号ｍが０、長手方向のモードの番号ｑが１であることを示している。このように、円筒形の共振器内では、音波は様々なモードで共振し、それらが複雑に干渉し合った音波の分布が生じている。

例えば、コリメートされた光を被測定物に照射する場合、上記のｑは円筒軸方向の定在波モードに相当する（図１）。また、関数Ｆは、この場合、近似的に式（６）のように記述することができるため、モードごとに離散的な値をとる。

ここで、光吸収係数α_i、関数Ｆ_iのｉは光の波長に対応する添え字である。平行平板間の音波の共振においても、円筒内の音波の共振と同様に扱うことができる。ここで、波長が異なり、１８０°位相がずれた２つの光を被測定物に照射する場合に発生する音波の大きさＳは、それぞれの光により生ずる音波の重ね合わせとして次のように表すことができる。

Ｓ₁，Ｓ₂は２つの音波の大きさである。ＯＰＢＳ法では、音波の信号強度が最少、すなわち理想的にゼロになる状態を考えることと同等であることから、Ｓ₁＝Ｓ₂となる。
被測定物内の特定の成分がΔＣだけ濃度変化したとすると、以下の式（８）が成立する。

Ｉ₁は第１の光の強度、Ｉ₂は第２の光の強度、ΔＩ₂は被測定物内の特定成分がΔＣだけ濃度変化したときの第２の光の強度の変化量である。式（８）から、当該成分濃度変化と光強度変化の関係は式（９）、式（１０）のように近似できる。

式（９）、式（１０）より音響モードｑおよび背景光吸収が分かれば、濃度変化の感度が求められる。被測定物をほぼ水と仮定し、グルコース濃度が変化したときの応答特性の例を図３に示す。図３によれば、グルコース濃度に比例して光強度が変化していくこと、音響モードｑにより測定感度が変化することが示される。また、音響モードｑを利用することで、測定感度を大きく向上させることができ、グルコース水溶液系でいえば、殊に偶次の音響モードを利用する場合、０次の音響モードの場合の５倍程度の測定感度向上が期待される。

式（９）を用いて測定感度を向上させる本発明の方法を２つ説明する。

［第１の方法］
第１の波長の光を被測定物に照射し、光の変調周波数を任意の範囲で掃引することで図４に示すような変調周波数と音圧との関係を取得する。この図４のピークから被測定物内での音波の共振周波数を選択することができる。

次に前述のとおり、光波長が異なり位相差が１８０°の２つの光ビームを被測定物に対して、同一の光出力口から照射する。このときの光変調周波数は上記で選択した変調周波数である。第１の波長の光の強度を一定に固定し、第２の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第２の波長の光の強度Ｉ₀を測定する。

次に、第２の波長の光を被測定物に対する光吸収係数が既知の第３の波長の光に切り替えて、上記と同様に第３の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第３の波長の光の強度Ｉ₁を測定する。求めた光強度Ｉ₀，Ｉ₁より光強度Ｉ₀に対する光強度の変化量（Ｉ₁−Ｉ₀）の比ΔＩ／Ｉは式（１１）のようになる。

ここで、十分コリメートされた光を用いた場合、上式の関係は各音響モードｑに対して次式で与えられる。

関数Ｆ_i，光吸収係数α_iのｉは光の波長に対応する添え字である。Ｆ₁は第１の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードｑの関数、Ｆ₂は第２の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードｑの関数、Ｆ₁’は第３の波長を用いるときの第１の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードｑの関数、Ｆ₂’は第３の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードｑの関数、α₂は第２の波長の光に対する被測定物の光吸収係数である。

式（１１）と式（１２）を比較して、最も濃度測定感度が近しい応答を探し音響モードｑを推定することができる。推定した音響モードｑが、所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードであった場合、現在の光変調周波数を用いて測定を実施する。推定した音響モードｑが、所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードと異なる場合は、規定の音響モードとなるまで、図４の別のピークの変調周波数に変更しながら上記手順を実施する。

［第２の方法］
第１の方法と同様に、第１の波長の光を被測定物に照射し、光の変調周波数を任意の範囲で掃引することで図４に示すような変調周波数と音圧との関係を取得する。この図４のピークから被測定物内での音波の共振周波数を選択することができる。

次に前述のとおり、光波長が異なり位相差が１８０°の２つの光ビームを被測定物に対して、同一光出力口から照射する。このときの変調周波数は上記で選択した変調周波数である。第１の波長の光の強度を一定に固定し、第２の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第２の波長の光の強度Ｉ₀を測定する。

次に、温度制御器を用いて被測定物の温度をΔＴだけ変化させ、上記と同様に第２の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第２の波長の光の強度Ｉ₁を測定する。求めた光強度Ｉ₀，Ｉ₁より光強度Ｉ₀に対する光強度の変化量（Ｉ₁−Ｉ₀）の比ΔＩ／Ｉは式（１４）のようになる。

被測定物の温度変化に対する光吸収係数変化は、スペクトルデータセットより光吸収係数の温度依存性γで与えた場合、次式で温度に対する応答特性が与えられる。

γ₁は第１の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α₁の温度依存性、γ₂は第２の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α₂の温度依存性である。

式（１４）と式（１５）を比較して、最も濃度測定感度が近しい応答を探し音響モードｑを推定することができる。推定した音響モードｑが、所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードであった場合、現在の光変調周波数を用いて測定を実施する。推定した音響モードｑが、所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードと異なる場合は、規定の音響モードとなるまで、図４の別のピークの変調周波数に変更しながら上記手順を実施する。

光音響法の音波共振モードを利用してグルコース水溶液のグルコース濃度測定感度を向上させる場合を例にとって下記に示す。

［第１の実施の形態］
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５は本発明の第１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。本実施の形態の成分濃度測定装置は、レーザ光を放射するレーザダイオード１−１，１−２，１−３と、レーザダイオード１−１，１−２，１−３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と、レーザダイオード１−１，１−２，１−３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、光音響効果によって被測定物１１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６と、音響センサ６から出力された電気信号を増幅する増幅器７と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ８と、増幅器７の出力信号とファンクションジェネレータ８から出力された参照信号とを入力として、増幅器７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９と、レーザドライバ２とファンクションジェネレータ８とロックインアンプ９とを制御すると共に、ロックインアンプ９が検出した測定信号を処理して特定の成分濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置１０とから構成される。

レーザダイオード１−１，１−２，１−３とレーザドライバ２とファンクションジェネレータ８とは、光照射手段を構成している。情報処理装置１０とファンクションジェネレータ８とは、光強度制御手段を構成している。

レーザダイオード１−１，１−２，１−３の例としては、例えば分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）等がある。音響センサ６の例としては、圧電センサを用いるマイクロホンがある。
なお、被測定物１１は例えば円筒形の光音響セル（不図示）内に導入され、光音響セルに設けられたガラス製の光学窓を通してレーザ光が照射されるようになっている。

図６は情報処理装置１０の構成を示すブロック図である。情報処理装置１０は、ファンクションジェネレータ８を制御するジェネレータ制御部１００と、ファンクションジェネレータ８を介して光の強度を制御する光強度制御部１０１と、レーザダイオード１−１〜１−３から放射された光の強度を測定する光強度測定手段となる光強度測定部１０２と、強度を変化させる光の波長が異なる２つの時点または被測定物１１の温度が異なる２つの時点について、それぞれ測定信号の強度が最低となったときの光強度の測定結果から得られる光強度の変化量を算出する光強度変化量算出部１０３と、強度を変化させる光の波長が異なる２つの時点または被測定物１１の温度が異なる２つの時点について、それぞれ測定信号の強度が最低となったときの光強度の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定部１０４と、音響モード推定部１０４が推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるように、被測定物１１に照射する複数の光の変調周波数を変更するピーク変調周波数変更部１０５と、被測定物１１内の特定成分の濃度を導出する濃度導出部１０６と、情報記憶のための記憶部１０７とを有する。

次に、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作を図７のフローチャートを参照して説明する。初めに、レーザダイオード１−１（第１の光源）のみを動作させる。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（連続光）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。レーザダイオード１−１から放射される光の波長（第１の波長）は例えば１３８２ｎｍである。レーザダイオード１−１から放射された強度変調光は、光ファイバ３−１によって導かれ、光カプラ４および光ファイバ５を介して被測定物１１に照射される（図７ステップＳ２００）。

音響センサ６は、被測定物１１から発生する光音響信号を検出し、増幅器７は、音響センサ８から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ９は、増幅器７の出力に含まれる信号のうち、ファンクションジェネレータ８から出力される参照信号によって決まる周波数の測定信号を検出する。

情報処理装置１０のジェネレータ制御部１００は、ファンクションジェネレータ８が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を漸次変化させると共に、ロックインアンプ１１が検出する測定信号の周波数（光変調周波数と同一の周波数）を漸次変化させる光変調周波数掃引を行う（図７ステップＳ２０１）。

こうして、光変調周波数と測定信号の振幅（音圧）との関係を取得し（図７ステップＳ２０２）、測定信号の振幅が最大の光変調周波数であるピーク変調周波数を探索する（図７ステップＳ２０３）。本実施の形態において得られた光変調周波数と音波強度との関係を図８に示す。

次に、レーザダイオード１−１を再び動作させて連続光を出力させ（図７ステップＳ２０４）、続いてレーザダイオード１−２（第２の光源）を動作させて連続光を出力させる（図７ステップＳ２０５）。レーザダイオード１−１から放射される光の波長は例えば１３８２ｎｍ、レーザダイオード１−２から放射される光の波長（第２の波長）は例えば１６１０ｎｍであり、２つのレーザダイオード１−１，１−２から放射される光の波長は異なる。

情報処理装置１０のジェネレータ制御部１００は、ファンクションジェネレータ８が発生する２つの参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１，１−２に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を上記のピーク変調周波数に設定すると共に、ロックインアンプ９が検出する測定信号の周波数をピーク変調周波数に設定する。このとき、レーザドライバ２から、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード１−１，１−２に供給させることにより、レーザダイオード１−１，１−２から放射される光を同一周波数（ピーク変調周波数）で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する（図７ステップＳ２０６）。したがって、本実施の形態では、互いに異なる波長の２波のレーザ光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調して２つの強度変調光を生成することになる。

レーザダイオード１−１，１−２から放射された強度変調光は、それぞれ光ファイバ３−１，３−２によって導かれ、光カプラ４によって合波され、さらに光ファイバ５によって導かれ、被測定物１１に照射される。

情報処理装置１０の光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ８を制御して、レーザダイオード１−１を駆動するための参照信号の電圧を所定値に設定することにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１に供給される駆動電流の大きさを一定にし、レーザダイオード１−１から放射される光の強度を一定にする（図７ステップＳ２０７）。

また、情報処理装置１０の光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ８を制御して、レーザダイオード１−２を駆動するための参照信号の電圧を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−２に供給される駆動電流の大きさを変化させ、レーザダイオード１−２から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ９から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−２から放射される光の強度を調節する（図７ステップＳ２０８）。

情報処理装置１０の光強度測定部１０２は、レーザダイオード１−２から放射される光の強度を測定する。光強度測定部１０２は、ファンクションジェネレータ８から出力されている、レーザダイオード１−２の駆動用の参照信号の電圧を取得する。情報処理装置１０の記憶部１０７には、参照信号の電圧とレーザダイオード１−２から放射される光の強度との関係を示すキャリブレーションデータが予め記憶されている。キャリブレーションデータは、電圧と強度の実測により予め求めておくことができる。光強度測定部１０２は、このようなキャリブレーションデータを参照し、取得した参照信号の電圧を、レーザダイオード１−２から放射された光の強度に換算する。光強度測定部１０２は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード１−２から放射される光の強度Ｉ₀を記憶部１０７に格納する（図７ステップＳ２０９）。

次に、レーザダイオード１−２の動作を停止させて、レーザダイオード１−３（第３の光源）を動作させて連続光を出力させる（図７ステップＳ２１０）。レーザダイオード１−３から放射される光の波長（第３の波長）は例えば１６５０ｎｍであり、２つのレーザダイオード１−１，１−３から放射される光の波長は異なる。

情報処理装置１０のジェネレータ制御部１００は、ファンクションジェネレータ８が発生する２つの参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１，１−３に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を上記のピーク変調周波数に設定すると共に、ロックインアンプ９が検出する測定信号の周波数をピーク変調周波数に設定する。このとき、レーザドライバ２から、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード１−１，１−３に供給させることにより、レーザダイオード１−１，１−３から放射される光を同一周波数（ピーク変調周波数）で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する（図７ステップＳ２１１）。

情報処理装置１０の光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ８を制御して、レーザダイオード１−３を駆動するための参照信号の電圧を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−３に供給される駆動電流の大きさを変化させ、レーザダイオード１−３から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ９から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−３から放射される光の強度を調節する（図７ステップＳ２１２）。上記のとおり、レーザダイオード１−１から放射される光の強度は一定である。

情報処理装置１０の光強度測定部１０２は、レーザダイオード１−３から放射される光の強度を測定する。光強度測定部１０２は、ファンクションジェネレータ８から出力されている、レーザダイオード１−３の駆動用の参照信号の電圧を取得する。上記と同様に、情報処理装置１０の記憶部１０７には、参照信号の電圧とレーザダイオード１−３から放射される光の強度との関係を示すキャリブレーションデータが予め記憶されている。光強度測定部１０２は、このようなキャリブレーションデータを参照し、取得した参照信号の電圧を、レーザダイオード１−３から放射された光の強度に換算する。光強度測定部１０２は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード１−３から放射される光の強度Ｉ₁を記憶部１０７に格納する（図７ステップＳ２１３）。

情報処理装置１０の光強度変化量算出部１０３は、ステップＳ２０９，Ｓ２１３で求めた光強度Ｉ₀，Ｉ₁より光強度Ｉ₀に対する光強度の変化量ΔＩ＝（Ｉ₁−Ｉ₀）の比ΔＩ／Ｉを、式（１１）により計算する（図７ステップＳ２１４）。本実施の形態における光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉの例を図９に示す。

次に、情報処理装置１０の音響モード推定部１０４は、表１のような所定のデータセットを用いて、光強度の変化量の比ΔＩ₂／Ｉ₂を式（１２）、式（１３）により音響モードｑ毎に計算する（図７ステップＳ２１５）。データセットは、第１、第２、第３の波長と、これらの波長の光に対する特定成分（例えばグルコース）の光吸収係数との関係を表すものである。

関数Ｆ₁は第１の波長の光に関する光吸収係数α₁＝０．３０／ｍｍと音響モードｑから計算することができ、関数Ｆ₂は第２の波長の光に関する光吸収係数α₂＝０．２８／ｍｍと音響モードｑから計算することができる。Δα₂は光吸収係数α₁に対する光吸収係数α₂の変化量である。被測定物１１の長さＬは既知の値である。

ステップＳ２１５の計算の結果から、図１０に示すような音響モードｑと光強度の変化量の比ΔＩ₂／Ｉ₂との関係が得られる。情報処理装置１０の音響モード推定部１０４は、ステップＳ２１４で計算された光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉと、ステップＳ２１５で計算した光強度の変化量の比ΔＩ₂／Ｉ₂とが等しくなる音響モードｑの値を、今回のピーク変調周波数での音響モードの値として決定する（図７ステップＳ２１６）。

情報処理装置１０のピーク変調周波数変更部１０５は、音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードｑでなかった場合（図７ステップＳ２１７においてＮＯ）、ステップＳ２０３の処理に戻り、ステップＳ２０２で取得した光変調周波数と測定信号の振幅との関係において、測定信号の振幅が最大の光変調周波数であるピーク変調周波数のうち、直前の音響モード決定処理（ステップＳ２０３〜Ｓ２１６）で選択したピーク変調周波数と別のピーク変調周波数をジェネレータ制御部１００に選択させる。こうして、音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードｑとなるまで、ピーク変調周波数を変更しながらステップＳ２０３〜Ｓ２１７の処理が繰り返し実行される。

ここで、被測定物１１内の特定成分（本実施の形態の例ではグルコース）の濃度測定感度Ｇと音響モードｑとの既知の関係が図１１のような関係であった場合、上記の所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとは、例えば最大の濃度測定感度Ｇが得られる音響モードｑのことを言う（図１１の例ではｑ＝２）。

音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードｑとなったとき（ステップＳ２１７においてＹＥＳ）、情報処理装置１０の濃度導出部１０６は、直前のステップＳ２１４の処理で計算された光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉに基づいて、測定開始時から任意の時間経過後の時点における被測定物１１内の特定成分の濃度の変化量ΔＣ［％］を計算する（図７ステップＳ２１８）。

このとき、濃度導出部１０６は、規定の音響モードｑのときの濃度測定感度Ｇｑに対する音響モードｑ＝０のときの濃度測定感度Ｇ０の比Ｇ０／Ｇｑを補正係数Ａとして決定し、この補正係数Ａと直前のステップＳ２１４の処理で計算された光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉに基づいて、被測定物１１内の特定成分の濃度の変化量ΔＣ［％］を式（１７）により計算する。例えば規定の音響モードｑがｑ＝２であるとすれば、音響モードｑ＝２のときの濃度測定感度Ｇｑは音響モードｑ＝０のときの濃度測定感度Ｇ０より約５倍大きいので、補正係数Ａ＝１／５と求めることができる。

最後に、濃度導出部１０６は、ステップＳ２１８で計算した特定成分の濃度の変化量ΔＣ［％］と特定成分の既知の参照濃度とから、任意の時間経過後の時点における特定成分の濃度を計算する（図７ステップＳ２１９）。なお、参照濃度は、被測定物１１に対して標準的な血糖測定法を実施することにより得ることができる。標準的な血糖測定法を実施するには、血糖測定器の本体に、グルコースセンサーを差し込み、針を専用の機械（または本体）にセットして、指などから採血し、グルコースセンサーに血を吸収させる。標準的な血糖測定法は、既知濃度のグルコース液を標準校正液として機械動作確認用に用いる。初期動作時に機械が正常に動いているかを確認したり、血糖値が異常値にあるか（正常に機械が動作しているか）を確認したりするときに用いる。このような標準的な血糖測定法を、測定開始時の例えばピーク変調周波数の選択時に実施しておけばよい。

以上のようにして、本実施の形態では、被測定物１１に含まれる特定成分の濃度変化に対する測定感度を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図１２は本発明の第２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り、図５と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の成分濃度測定装置は、レーザダイオード１−１，１−２と、レーザドライバ２と、光ファイバ３−１，３−２と、光カプラ４と、光ファイバ５と、音響センサ６と、増幅器７と、ファンクションジェネレータ８と、ロックインアンプ９と、情報処理装置１０ａと、被測定物１１の温度を変化させる温度制御器１２とから構成される。

図１３は本実施の形態の情報処理装置１０ａの構成を示すブロック図である。情報処理装置１０ａは、ジェネレータ制御部１００と、光強度制御部１０１と、光強度測定部１０２と、光強度変化量算出部１０３と、音響モード推定部１０４と、ピーク変調周波数変更部１０５と、濃度導出部１０６と、記憶部１０７と、被測定物１１の温度を制御する温度制御部１０８とを有する。

次に、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作を図１４のフローチャートを参照して説明する。初めに、レーザダイオード１−１（第１の光源）のみを動作させる。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（連続光）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。第１の実施の形態と同様に、レーザダイオード１−１から放射される光の波長（第１の波長）は例えば１３８２ｎｍである。レーザダイオード１−１から放射された強度変調光は、光ファイバ３−１によって導かれ、光カプラ４および光ファイバ５を介して被測定物１１に照射される（図１４ステップＳ３００）。

音響センサ６は、被測定物１１から発生する光音響信号を検出し、増幅器７は、音響センサ８から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ９は、増幅器７の出力に含まれる信号のうち、ファンクションジェネレータ８から出力される参照信号によって決まる周波数の測定信号を検出する。

情報処理装置１０ａのジェネレータ制御部１００は、ファンクションジェネレータ８が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を漸次変化させると共に、ロックインアンプ１１が検出する測定信号の周波数を漸次変化させる光変調周波数掃引を行う（図１４ステップＳ３０１）。こうして、光変調周波数と測定信号の振幅（音圧）との関係を取得し（図１４ステップＳ３０２）、測定信号の振幅が最大の光変調周波数であるピーク変調周波数を探索する（図１４ステップＳ３０３）。

次に、レーザダイオード１−１を再び動作させて連続光を出力させ（図１４ステップＳ３０４）、続いてレーザダイオード１−２（第２の光源）を動作させて連続光を出力させる（図１４ステップＳ３０５）。レーザダイオード１−１から放射される光の波長は例えば１３８２ｎｍ、レーザダイオード１−２から放射される光の波長（第２の波長）は例えば１６１０ｎｍである。

情報処理装置１０ａのジェネレータ制御部１００は、ファンクションジェネレータ８が発生する２つの参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１，１−２に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を上記のピーク変調周波数に設定すると共に、ロックインアンプ９が検出する測定信号の周波数をピーク変調周波数に設定する。このとき、レーザドライバ２から、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード１−１，１−２に供給させることにより、レーザダイオード１−１，１−２から放射される光を同一周波数（ピーク変調周波数）で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する（図１４ステップＳ３０６）。

レーザダイオード１−１，１−２から放射された強度変調光は、それぞれ光ファイバ３−１，３−２によって導かれ、光カプラ４によって合波され、さらに光ファイバ５によって導かれ、被測定物１１に照射される。

情報処理装置１０ａの光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ８を制御して、レーザダイオード１−１を駆動するための参照信号の電圧を所定値に設定することにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１に供給される駆動電流の大きさを一定にし、レーザダイオード１−１から放射される光の強度を一定にする（図１４ステップＳ３０７）。

また、光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ８を制御して、レーザダイオード１−２を駆動するための参照信号の電圧を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−２に供給される駆動電流の大きさを変化させ、レーザダイオード１−２から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ９から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−２から放射される光の強度を調節する（図１４ステップＳ３０８）。

情報処理装置１０ａの光強度測定部１０２は、第１の実施の形態と同様に、レーザダイオード１−２から放射される光の強度を測定する。そして、光強度測定部１０２は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード１−２から放射される光の強度Ｉ₀を記憶部１０７に格納する（図１４ステップＳ３０９）。

次に、情報処理装置１０ａの温度制御部１０８は、温度制御器１２を制御して被測定物１１の温度をΔＴ（例えば１℃）だけ上げる（図１４ステップＳ３１０）。

情報処理装置１０ａの光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ８を制御して、レーザダイオード１−２を駆動するための参照信号の電圧を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−２に供給される駆動電流の大きさを変化させ、レーザダイオード１−２から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ９から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−２から放射される光の強度を調節する（図１４ステップＳ３１１）。上記のとおり、レーザダイオード１−１から放射される光の強度は一定である。

情報処理装置１０ａの光強度測定部１０２は、レーザダイオード１−２から放射される光の強度をステップＳ３０９と同様に測定する。そして、光強度測定部１０２は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード１−２から放射される光の強度Ｉ₁を記憶部１０７に格納する（図１４ステップＳ３１２）。

情報処理装置１０ａの光強度変化量算出部１０３は、ステップＳ３０９，Ｓ３１２で求めた光強度Ｉ₀，Ｉ₁より光強度Ｉ₀に対する光強度の変化量ΔＩ＝（Ｉ₁−Ｉ₀）の比ΔＩ／Ｉを、式（１４）により計算する（図１４ステップＳ３１３）。被測定物１１の温度を１℃上げた場合の温度変化前後の光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉを図１５に示す。

次に、情報処理装置１０ａの音響モード推定部１０４は、表２のような所定のデータセットを用いて、光強度の変化量の比ΔＩ₂／Ｉ₂を式（１５）、式（１６）により音響モードｑ毎に計算する（図１４ステップＳ３１４）。データセットは、第１、第２、第３の波長と、これらの波長の光に対する特定成分（例えばグルコース）の光吸収係数と、これら光吸収係数の温度依存性との関係を表すものである。

γ₁は第１の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α₁の温度依存性（温度吸光度）、γ₂は第２の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α₂の温度依存性である。関数Ｆ₁は第１の波長の光に関する光吸収係数α₁＝０．３０／ｍｍと音響モードｑから計算することができ、関数Ｆ₂は第２の波長の光に関する光吸収係数α₂＝０．２８／ｍｍと音響モードｑから計算することができる。被測定物１１の長さＬは既知の値である。

ステップＳ３１４の計算の結果から、図１６に示すような音響モードｑと光強度の変化量の比ΔＩ₂／Ｉ₂との関係が得られる。情報処理装置１０ａの音響モード推定部１０４は、ステップＳ３１３で計算された光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉと、ステップＳ３１４で計算した光強度の変化量の比ΔＩ₂／Ｉ₂とが等しくなる音響モードｑの値を、今回のピーク変調周波数での音響モードの値として決定する（図１４ステップＳ３１５）。

情報処理装置１０ａのピーク変調周波数変更部１０５は、音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードｑでなかった場合（図１４ステップＳ３１６においてＮＯ）、ステップＳ３０３の処理に戻り、ステップＳ３０２で取得した光変調周波数と測定信号の振幅との関係において、測定信号の振幅が最大の光変調周波数であるピーク変調周波数のうち、直前の音響モード決定処理（ステップＳ３０３〜Ｓ３１５）で選択したピーク変調周波数と別のピーク変調周波数をジェネレータ制御部１００に選択させる。こうして、音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードｑとなるまで、ピーク変調周波数を変更しながらステップＳ３０３〜Ｓ３１６の処理が繰り返し実行される。

音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードｑとなったとき（ステップＳ３１６においてＹＥＳ）、情報処理装置１０ａの濃度導出部１０６は、直前のステップＳ３１３の処理で計算された光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉに基づいて、測定開始時から任意の時間経過後の時点における被測定物１１内の特定成分の濃度の変化量ΔＣ［％］を計算する（図１４ステップＳ３１７）。このとき、濃度導出部１０６は、規定の音響モードｑのときの濃度測定感度Ｇｑに対する音響モードｑ＝０のときの濃度測定感度Ｇ０の比Ｇ０／Ｇｑを補正係数Ａとして決定し、この補正係数Ａと直前のステップＳ３１３の処理で計算された光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉに基づいて、被測定物１１内の特定成分の濃度の変化量ΔＣ［％］を式（１７）により計算する。

最後に、濃度導出部１０６は、ステップＳ３１７で計算した特定成分の濃度の変化量ΔＣ［％］と特定成分の既知の参照濃度とから、任意の時間経過後の時点における特定成分の濃度を計算する（図１４ステップＳ３１８）。
こうして、本実施の形態では、上記の第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

音波の反射伝搬は、音響インピーダンスを用いて評価することができ、例えば異種材料界面における反射率Ｒおよび透過率Ｔは下式で表すことができる。

Ｚ₁は第１の材料の音響インピーダンス、Ｚ₂は第１の材料と接する第２の材料の音響インピーダンスである。音響インピーダンスＺは式（２０）で表すことができる。

ρは材料の密度、Ｃは材料内での音速である。音響インピーダンスの差によって、反射、透過する音波が決定される。図１７に音波の反射率と音響インピーダンスとの関係を示す。被測定物１１と共振器材料界面との反射率が０．８以上であることが共振器（被測定物１１を収容する光音響セル）として機能することの必要条件である。この条件を満たす材料として、たとえばガラスや鉄や銅をはじめとした各種金属がある。照射する光により生じる音波の周波数は、式（２１）のように記述することができる。共振器は、照射される光の光軸に対して略直交する面を２つ持ち、これらの２つの面は互いに平行平面となっていることが好ましい。

λは音波の波長、Ｃは被測定物１１内での音速、ｆは光の変調周波数である。本発明の光音響を用いた測定方法においては、光の変調周波数を１００ｋＨｚ−１ＭＨｚとした場合、この時の音波の波長は１ｍｍ弱から１２ｍｍとなる。たとえば、軸方向２次のモードを得るためには、共振長はおよそ波長程度に設定する必要がある。

なお、第１、第２の実施の形態において、被測定物１１に照射される複数の光は、これら複数の光の波長に対する、被測定物１１に含まれる測定対象の成分以外の成分の光吸収係数が略等しいことが好ましい。

また、第１、第２の実施の形態において、異なる波長の複数の光を光学系（不図示）によりそれぞれ平行光にして被測定物１１の略同一領域に同軸で照射することが好ましい。また、このとき異なる波長の複数の光のビーム径は略等しいことが好ましい。

また、第１、第２の実施の形態では、変更手段としてピーク変調周波数変更部１０５を設け、音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードｑとなるようにピーク変調周波数を変更しているが、これに限るものではなく、被測定物１１を収容する共振器の形状を測定中に変更可能な機構を変更手段として設け、音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑが規定の音響モードｑとなるように共振器の形状（つまり、被測定物１１の形状）を変更してもよい。この場合は、ピーク変調周波数を一定とし、音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑが規定の音響モードｑとなるまで、共振器の形状を変更しながらステップＳ２０４〜Ｓ２１７（Ｓ３０４〜Ｓ３１６の）の処理を繰り返し実行すればよい。また、音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑが規定の音響モードｑとなるようにピーク変調周波数と共振器の形状の両方を変更してもよい。

第１、第２の実施の形態の情報処理装置１０，１０ａは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、血液グルコース、アルブミン等の成分の濃度をモニターする技術に適用することができる。

１−１〜１−３…レーザダイオード、２…レーザドライバ、３−１〜３−３，５…光ファイバ、４…光カプラ、６…音響センサ、７…増幅器、８…ファンクションジェネレータ、９…ロックインアンプ、１０，１０ａ…情報処理装置、１１…被測定物、１２…温度制御器、１００…ジェネレータ制御部、１０１…光強度制御部、１０２…光強度測定部、１０３…光強度変化量算出部、１０４…音響モード推定部、１０５…ピーク変調周波数変更部、１０６…濃度導出部、１０７…記憶部、１０８…温度制御部。

Claims (8)

1. 互いに異なる波長の複数の光を同一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被測定物に照射する光照射手段と、
   前記複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光の強度を変化させる光強度制御手段と、
   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、
   前記光強度制御手段が変化させた光の強度を測定する光強度測定手段と、
   強度を変化させる光の波長が異なる２つの時点または前記被測定物の温度が異なる２つの時点について、それぞれ前記電気信号の強度が最低となったときの前記光強度測定手段の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定手段と、
   この音響モード推定手段が推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるまで、前記被測定物に照射する複数の光の変調周波数および前記被測定物を収容する共振器の形状のうち少なくとも一方を変更しながら、前記光照射手段と前記光強度制御手段と前記光音響信号検出手段と前記光強度測定手段と前記音響モード推定手段とに処理を繰り返し実行させる変更手段と、
   前記音響モード推定手段が推定した音響モードが前記規定の音響モードとなったときの前記光強度測定手段の測定結果から得られる光強度の変化量に基づいて前記被測定物に含まれる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ることを特徴とする成分濃度測定装置。
2. 請求項１記載の成分濃度測定装置において、
   前記光照射手段は、異なる２つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、
   前記音響モード推定手段は、第１の波長の光の強度を一定にして第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果と、前記第１の波長の光の強度を一定にして第３の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第３の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定することを特徴とする成分濃度測定装置。
3. 請求項１記載の成分濃度測定装置において、
   さらに、前記被測定物の温度を制御する温度制御手段を備え、
   前記光照射手段は、異なる２つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、
   前記音響モード推定手段は、第１の波長の光の強度を一定にして第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果と、前記温度制御手段により前記被測定物の温度を変化させた後に前記第１の波長の光の強度を一定にして前記第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定することを特徴とする成分濃度測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   前記被測定物に照射される複数の光は、これら複数の光の波長に対する、前記被測定物に含まれる測定対象の成分以外の成分の光吸収係数が略等しいことを特徴とする成分濃度測定装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   前記光照射手段は、異なる波長の複数の光をそれぞれ平行光にして前記被測定物の略同一領域に同軸で照射し、
   異なる波長の複数の光のビーム径は略等しいことを特徴とする成分濃度測定装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   さらに、前記被測定物を収容し、前記光音響信号を増幅するための共振器を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
7. 請求項６記載の成分濃度測定装置において、
   前記共振器は、前記光照射手段から照射される光の光軸に対して略直交する面を２つ持ち、これらの面は互いに平行平面となっていることを特徴とする成分濃度測定装置。
8. 互いに異なる波長の複数の光を同一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被測定物に照射する光照射ステップと、
   前記複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光の強度を変化させる光強度制御ステップと、
   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ステップと、
   前記光強度制御ステップで変化させた光の強度を測定する光強度測定ステップと、
   強度を変化させる光の波長が異なる２つの時点または前記被測定物の温度が異なる２つの時点について、それぞれ前記電気信号の強度が最低となったときの前記光強度測定ステップの測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定ステップと、
   この音響モード推定ステップで推定した音響モードが所要の濃度測定感度が得られる規定の音響モードとなるまで、前記被測定物に照射する複数の光の変調周波数および前記被測定物を収容する共振器の形状のうち少なくとも一方を変更しながら、前記光照射ステップと前記光強度制御ステップと前記光音響信号検出ステップと前記光強度測定ステップと前記音響モード推定ステップとを繰り返し実行させる変更ステップと、
   前記音響モード推定ステップで推定した音響モードが前記規定の音響モードとなったときの前記光強度測定ステップの測定結果から得られる光強度の変化量に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度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。