JP2018013417A - Component concentration measuring device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光音響法を用いた被測定物における対象成分の成分濃度測定装置および成分濃度測定方法に関し、特に、被測定物を人間又は動物とした非侵襲な成分濃度測定装置および成分濃度測定方法に関する。 The present invention relates to a component concentration measuring apparatus and component concentration measuring method for a target component in a measured object using a photoacoustic method, and in particular, a non-invasive component concentration measuring apparatus and a component concentration measuring method in which the measured object is a human or an animal. Regarding the method.
高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。特に、血糖値などの検査においては、血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となる。このため、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。 With the aging of society, dealing with adult diseases is becoming a major issue. In particular, in blood glucose level tests and the like, blood collection is necessary, which is a heavy burden on the patient. For this reason, a non-invasive component concentration measuring apparatus that does not collect blood has attracted attention.
非侵襲な成分濃度測定装置として、光音響法が提案されている。光音響法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば、グルコース分子に電磁波を吸収させ、グルコース分子からの熱の放射によって局所的に熱膨張を起こし、熱膨張によって生体内から発生した音波を観測する。しかし、グルコースと電磁波の相互作用は小さく、また生体に安全に照射しうる電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるにいたっていない。 A photoacoustic method has been proposed as a noninvasive component concentration measuring apparatus. The photoacoustic method irradiates the skin with electromagnetic waves, causes the blood component to be measured, for example, glucose molecules to absorb the electromagnetic waves, and causes local thermal expansion due to the radiation of heat from the glucose molecules, resulting in thermal expansion. Observe sound waves generated from the body. 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.
図11は、従来の光音響法を用いた成分濃度測定装置200の構成例である(例えば、特許文献1参照)。この成分濃度測定装置200では、連続的に強度変調した光源を用い、背景成分および対象成分が混合されてなる溶液(被測定物)における対象成分の濃度を測定する。
FIG. 11 is a configuration example of a component
図11において、201は第1の光源、202は第2の光源、203は第1の駆動回路、204は第2の駆動回路、205は発振器、206は遅延調整器、207は光合波器、208は光ファイバ、209は光出射部、210は被測定物(対象成分210Gと背景成分210Wとが混合された溶液)、211は音波検出器(音響センサ)、212は増幅器、213は波形観測器、214は記録計である。
In FIG. 11, 201 is a first light source, 202 is a second light source, 203 is a first drive circuit, 204 is a second drive circuit, 205 is an oscillator, 206 is a delay adjuster, 207 is an optical multiplexer, 208 is an optical fiber, 209 is a light emitting part, 210 is an object to be measured (a solution in which the
この成分濃度測定装置200において、第1の光源201は、波長λ1の測定光を発生する。第2の光源202は、波長λ2の参照光を発生する。発振器205は、第1の光源201および第2の光源202から出力される光を強度変調するための変調信号を出力する。遅延調整器206は、発振器205からの変調信号のうち一方を反転して出力する。
In the component
第1の駆動回路203は第1の光源201を駆動する。第2の駆動回路204は、遅延調整器206で反転された変調信号を基に第2の光源202を駆動する。第1の光源201は、第1の駆動回路203からの信号により波長λ1の測定光を強度変調して出力する。第2の光源202は、第2の駆動回路204からの信号により波長λ2の参照光を強度変調して出力する。これにより、第1の光源201および第2の光源202から、同一周波数で互いに逆位相の信号により電気的に強度変調された異なる波長λ1およびλ2の光が出力される。
The
第1の光源201からの波長λ1の光と第2の光源202からの波長λ2の光とは光合波器207により合波され、光ファイバ208により光出射部209へ導かれる。光出射部209は、光合波器207より合波された光(測定用合成光)を被測定物210に向けて出射する。この光合波器207からの測定用合成光を受けて被測定物210は音波を発生する。
The light of
音波検出器211は、被測定物210から発生する音波を検出し、音圧に比例した強さの電気信号(光音響信号)に変換する。この変換された光音響信号は、増幅器212で増幅された後、波形観測器213に送られる。波形観測器213は、音波検出器211から増幅器212を介して送られてくる光音響信号を観測し、その観測結果を記録計214へ送る。記録計214は、波形観測器213から送られてくる光音響信号の観測結果に基づいて、被測定物210における対象成分210Gの濃度を算出する。
The
この成分濃度測定装置200において、2つの波長λ1およびλ2は、対象成分210Gの呈する吸収の差が、背景成分210Wの呈する吸収の差よりも大きい波長とする。また、波長λ1は、対象成分210Gが特徴的な吸収を呈する波長に設定する。波長λ2は、対象成分210Gが特徴的な吸収を呈さない波長に設定する。なお、波長λ1およびλ2は、対象成分210Gの呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい2波長であってもよい。これにより、水や測定対象とする成分以外の成分による吸収の影響を少なくして、成分濃度測定装置200の測定精度をよくすることができる。
In this component
また、この成分濃度測定装置200では、2つの波長λ1およびλ2の各々を電気的に強度変調する周波数を、被測定物210で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とすることにより、音波の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された2波長の光に対する音波を測定し、2波長差分の音波から一方の波長の音波を規格化することで、一定に保ちがたい多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被測定物210内に発生する音波を検出することができる。
Further, in this component
この成分濃度測定装置200において、波形観測器213は、波長λ1の光によって発生した光音響信号の強さをA1、波長λ2の光によって発生した光音響信号の強さをA2とした場合、この光音響信号A1とA2との差分値(A1−A2)を計測する(図12:ステップS301)。そして、第1の光源201または第2の光源202からの光によって発生する光音響信号Anを計測し(ステップS302)、この計測した光音響信号A1とA2との差分値(A1−A2)と光音響信号Anを光音響信号の観測結果として記録計214へ送る。この例では、第2の光源201からの波長λ2の光によって発生する光音響信号A2を光音響信号Anとして計測する。
In this component
なお、定電圧電流源(図示せず)が第1の駆動回路203および第2駆動回路204に電圧を供給するとき、測定用合成光(λ1+λ2)が被測定物210に照射されるので、この測定用合成光によって発生した測定用音波を検出することで、光音響信号A1とA2との差分値(A1−A2)を波形観測器213により観測できる。また、定電圧電流源が第1の駆動回路203に電圧を供給せず、定電圧電流源が第2の駆動回路204にのみ電圧を供給するとき、参照光が被測定物210に照射されるので、参照光によって発生した規格化用音波を検出することで、光音響信号Anを波形観測器213により観測できる。
Note that when a constant voltage current source (not shown) supplies a voltage to the
記録計214は、光音響信号A1とA2との差分値(A1−A2)をAnで除算し、比例乗数Cを規格化し、対象成分210Gの吸光度α(α=C・(A1−A2))を算出する(ステップS303)。そして、この算出した対象成分210Gの吸光度αと対象成分210Gの既知のモル吸光度αgとから、対象成分210Gのモル濃度M(M=α/αg)を算出する(ステップS304)。これにより、対象成分210Gを血液中のグルコースとした場合、血液中のグルコースのモル濃度Mを測定することができる。
The
この成分濃度測定装置200において、第1の光源201からの光の波長λ1は1608nmとされ、第2の光源202からの光の波長λ2は1380nmとされている。この2つの波長λ1(1608nm),λ2(1380nm)は、図13に水の吸光度温度依存性のグラフを示すように、それぞれの波長で水の吸光度スペクトルは温度依存係数が正負の傾向を示す。
In the component
このような水の吸光度が温度依存性を有する波長の光を用いる場合、温度変化による吸光度変化Δαwに対して、温度を直接計測して既知の吸光度スペクトルからΔαwを求めるか、若しくは光の吸収量変化から温度変化ΔTを推定して既知の吸光度スペクトルからΔαwを求める。この場合、α=M・αg+Δαwと記述できる。従って、モル濃度MはM=(Δα−Δαw)/αgとして求めることができる。 When using light having a wavelength at which the absorbance of water has temperature dependence, the temperature is directly measured for the absorbance change Δαw due to temperature change, or Δαw is obtained from a known absorbance spectrum, or the amount of light absorption The temperature change ΔT is estimated from the change, and Δαw is obtained from the known absorbance spectrum. In this case, it can be described as α = M · αg + Δαw. Therefore, the molar concentration M can be obtained as M = (Δα−Δαw) / αg.
しかしながら、上述した従来の成分濃度測定装置では、対象成分(グルコース)の温度変化の推定精度が十分でなく、背景成分(水)の吸光度の温度依存性により対象成分の濃度の測定精度が低下する。また、吸光度変化による音源分布の変化に対する光音響信号の傾き(比例乗数)は、キャビティにおける共鳴モードによって吸光度αに強く依存するため、比例乗数の規格化が困難である。このような理由から、従来の成分濃度測定装置では、測定される対象成分の濃度に誤差が生ずるという課題があった。 However, in the above-described conventional component concentration measuring apparatus, the estimation accuracy of the temperature change of the target component (glucose) is not sufficient, and the measurement accuracy of the concentration of the target component is lowered due to the temperature dependence of the absorbance of the background component (water). . In addition, since the inclination (proportional multiplier) of the photoacoustic signal with respect to the change in the sound source distribution due to the change in absorbance strongly depends on the absorbance α depending on the resonance mode in the cavity, it is difficult to standardize the proportional multiplier. For this reason, the conventional component concentration measuring apparatus has a problem that an error occurs in the concentration of the target component to be measured.
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、対象成分の濃度の測定精度を向上させることができる成分濃度測定装置および成分濃度測定方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a component concentration measuring apparatus and a component concentration measuring method capable of improving the measurement accuracy of the concentration of the target component. There is.
このような目的を達成するために本発明は、被測定物(110)に対して光を照射し、この照射した光によって発生する被測定物(110)からの音波を光音響信号として計測し、この計測した光音響信号の強さから被測定物(110)における対象成分(110G)の濃度を測定する成分濃度測定装置(100)において、パワーが等しく設定された第1の光源(101)および第2の光源(102)からの光によって発生する被測定物(110)からの光音響信号の強さに基づいて被測定物(110)の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数として算出する比例乗数算出手段(114−1)と、被測定物(110)からの光音響信号の強さが等しくなるようにパワーが調整された第1の光源(101)および第2の光源(102)から同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された光を被測定物(110)に対して同時に照射させる駆動手段(103〜104)と、駆動手段(103〜104)によって照射された光によって発生する被測定物(110)からの光音響信号を取得する光音響信号取得手段(113−1)と、比例乗数算出手段(114−1)によって算出された比例乗数と光音響信号取得手段(113−1)によって取得された光音響信号の強さとから対象成分(110G)の吸光度を算出し、予め既知の値として求められている対象成分(110G)のモル吸光度を用いて、対象成分(110G)のモル濃度を算出するモル濃度算出手段(114−2)とを備え、第1の光源(101)の光の波長をλ1、第2の光源(102)の光の波長をλ2とした場合、第1の光源(101)の光の波長λ1は、対象成分(110G)が特徴的な吸収を呈する波長に設定され、第2の光源(102)の光の波長λ2は、対象成分(110G)が特徴的な吸収を呈さない波長に設定され、第1の光源(101)の光の波長λ1と第2の光源(102)の光の波長λ2とは、被測定物(110)における背景成分の温度依存性が相等しい波長に設定されていることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the present invention irradiates the object to be measured (110) with light, and measures a sound wave from the object to be measured (110) generated by the irradiated light as a photoacoustic signal. In the component concentration measuring apparatus (100) for measuring the concentration of the target component (110G) in the object to be measured (110) from the intensity of the measured photoacoustic signal, the first light source (101) having the same power is set. The slope of the photoacoustic signal with respect to the absorbance of the object to be measured (110) is calculated as a proportional multiplier based on the intensity of the photoacoustic signal from the object to be measured (110) generated by the light from the second light source (102). Proportional multiplier calculating means (114-1) and the first light source (101) and the second light source (102) whose powers are adjusted so that the intensity of the photoacoustic signal from the device under test (110) is equal. ) Driving means (103 to 104) for simultaneously irradiating the object to be measured (110) with light whose intensity is modulated by signals of the opposite phase at the same frequency, and light irradiated by the driving means (103 to 104) The photoacoustic signal acquisition means (113-1) for acquiring the photoacoustic signal from the generated object (110) to be generated, the proportional multiplier calculated by the proportional multiplier calculation means (114-1), and the photoacoustic signal acquisition means ( 113-1) calculates the absorbance of the target component (110G) from the intensity of the photoacoustic signal acquired in step 113-1), and uses the molar absorbance of the target component (110G) obtained as a known value in advance. 110G) and a molar concentration calculation means (114-2) for calculating the molar concentration of the first light source (101), and the wavelength of the light from the second light source (102) as λ2. In this case, the wavelength λ1 of the light from the first light source (101) is set to a wavelength at which the target component (110G) exhibits characteristic absorption, and the wavelength λ2 of the light from the second light source (102) is (110G) is set to a wavelength that does not exhibit characteristic absorption, and the wavelength λ1 of the light from the first light source (101) and the wavelength λ2 of the light from the second light source (102) are the measured object (110) The temperature dependence of the background component in is set to the same wavelength.
この発明において、第1の光源(101)の光の波長λ1は、対象成分(110G)が特徴的な吸収を呈する波長に設定され、第2の光源(102)の光の波長λ2は、対象成分(110G)が特徴的な吸収を呈さない波長に設定され、第1の光源(101)の光の波長λ1と第2の光源(102)の光の波長λ2とは、被測定物(110)における背景成分(110W)の温度依存性が相等しい波長に設定される。例えば、第1の光源(101)の光の波長λ1は1608nmとされ、第2の光源(102)の光の波長λ2は1312nmとされる。これにより、波長λ1の光によって発生した光音響信号と波長λ2の光によって発生した光音響信号との差分値を計測した場合、背景成分(110W)の吸光度の温度依存性がキャンセルされ、温度変動による対象成分(110G)の濃度の測定精度の低下が抑えられる。 In this invention, the wavelength λ1 of the light from the first light source (101) is set to a wavelength at which the target component (110G) exhibits characteristic absorption, and the wavelength λ2 of the light from the second light source (102) is The wavelength at which the component (110G) does not exhibit characteristic absorption is set, and the wavelength λ1 of the light from the first light source (101) and the wavelength λ2 of the light from the second light source (102) are the measured object (110 The temperature dependence of the background component (110 W) in () is set to the same wavelength. For example, the wavelength λ1 of the light from the first light source (101) is 1608 nm, and the wavelength λ2 of the light from the second light source (102) is 1312 nm. As a result, when the difference value between the photoacoustic signal generated by the light of wavelength λ1 and the photoacoustic signal generated by the light of wavelength λ2 is measured, the temperature dependency of the absorbance of the background component (110 W) is canceled, and the temperature fluctuation A decrease in the measurement accuracy of the concentration of the target component (110G) due to is suppressed.
また、本発明では、パワーが等しく設定された第1の光源(101)および第2の光源(102)からの光によって発生する被測定物(110)からの光音響信号(A1,A2)を取得し、この取得した光音響信号(A1,A2)の強さに基づいて被測定物(110)の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数として算出する。すなわち、本発明では、比例乗数を規格化するのではなく、パワーが等しく設定された第1の光源(101)および第2の光源(102)からの光を被測定物(110)に照射し、これによって発生する被測定物(110)からの光音響信号(A1,A2)から被測定物(110)の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数として直接的に求める。これにより、吸光度変化による音源分布の変化に対する光音響信号の比例乗数として実値に近い比例乗数が得られ、この実値に近い比例乗数を用いて対象成分(110G)のモル濃度が算出されるものとなり、対象成分の濃度の測定精度が向上するものとなる。 In the present invention, the photoacoustic signals (A1, A2) from the object to be measured (110) generated by the light from the first light source (101) and the second light source (102) having the same power are used. Based on the acquired intensity of the photoacoustic signal (A1, A2), the inclination of the photoacoustic signal with respect to the absorbance of the object to be measured (110) is calculated as a proportional multiplier. That is, in the present invention, instead of normalizing the proportional multiplier, the light to be measured (110) is irradiated with light from the first light source (101) and the second light source (102) having the same power. Then, the slope of the photoacoustic signal with respect to the absorbance of the measured object (110) is directly obtained as a proportional multiplier from the photoacoustic signal (A1, A2) generated from the measured object (110). As a result, a proportional multiplier close to the actual value is obtained as the proportional multiplier of the photoacoustic signal with respect to the change in the sound source distribution due to the change in absorbance, and the molar concentration of the target component (110G) is calculated using the proportional multiplier close to the actual value. Thus, the measurement accuracy of the concentration of the target component is improved.
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。 In the above description, as an example, constituent elements on the drawing corresponding to the constituent elements of the invention are indicated by reference numerals with parentheses.
以上説明したことにより、本発明によれば、背景成分の吸光度の温度依存性をキャンセルするとともに、吸光度変化による音源分布の変化に対する光音響信号の比例乗数として実値に近い比例乗数を得るようにして、対象成分の濃度の測定精度を向上させることができるようになる。 As described above, according to the present invention, the temperature dependency of the absorbance of the background component is canceled, and a proportional multiplier close to the actual value is obtained as the proportional multiplier of the photoacoustic signal with respect to the change in the sound source distribution due to the change in absorbance. Thus, the measurement accuracy of the concentration of the target component can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
〔実施の形態1〕
図1は、本発明の実施の形態1に係る成分濃度測定装置100の基本構成を示す図である。この成分濃度測定装置100の構成は、水の吸光度の温度依存性をキャンセルするとともに、吸光度変化による音源分布の変化に対する光音響信号の比例乗数の校正を行うものである。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a component
図1において、101は第1の光源、102は第2の光源、103は第1の駆動回路、104は第2の駆動回路、105は発振器、106は遅延調整器、107は光合波器、108は光ファイバ、109は光出射部、110は被測定物(対象成分110Gと背景成分110Wとが混合された溶液)、111は音波検出器(音響センサ)、112は増幅器、113は波形観測器、114は記録計である。
In FIG. 1, 101 is a first light source, 102 is a second light source, 103 is a first drive circuit, 104 is a second drive circuit, 105 is an oscillator, 106 is a delay adjuster, 107 is an optical multiplexer,
この成分濃度測定装置100において、第1の光源101および第2の光源102には、連続的に強度変調した光源を用いている。例えば、半導体レーザの1種であるDFB(Distributed Feedback)半導体レーザを用いることができる。この場合、レーザ出力は10mW程度、レーザ強度安定性は連続光モードにて約0.1%/hである。第1の光源101を波長可変レーザとして用いる場合に、温度調整により発振周波数を変化させる方法や外部共振器を用いる方法などがある。光源101,102には固体レーザも用いることができる。固体レーザから所定の波長を取り出すときには、プリズムや回折格子等の分散素子を用いる。
In the component
この成分濃度測定装置100において、第1の光源101は、波長λ1の測定光を発生する。第2の光源102は、波長λ2の参照光を発生する。発振器105は、第1の光源101および第2の光源102から出力される光を強度変調するための変調信号を出力する。遅延調整器106は、発振器105からの変調信号のうち一方を反転して出力する。
In the component
第1の駆動回路103は第1の光源101を駆動する。第2の駆動回路104は、遅延調整器106で反転された変調信号を基に第2の光源102を駆動する。第1の光源101は、第1の駆動回路103からの信号により波長λ1の測定光を強度変調して出力する。第2の光源102は、第2の駆動回路104からの信号により波長λ2の参照光を強度変調して出力する。これにより、第1の光源101および第2の光源102から、同一周波数で互いに逆位相の信号により電気的に強度変調された異なる波長λ1およびλ2の光が出力される。
The
第1の光源101からの波長λ1の光と第2の光源102からの波長λ2の光とは光合波器107により合波され、光ファイバ108により光出射部109へ導かれる。光出射部109は、光合波器107より合波された光(測定用合成光)を被測定物110に向けて出射する。なお、被測定物110の形状に合わせて、光ファイバ108の先端に直角プリズム、ファイバコリメータ又はフェルールを接着してもよい。この光合波器107から照射される測定用合成光によって被測定物110は音波を発生する。
The light of
音波検出器111は、被測定物110から発生する音波を検出し、音圧に比例した強さの電気信号(光音響信号)に変換する。例えば、音波検出器111にはマイクロフォンや圧電素子を用いることができる。この変換された光音響信号は、増幅器112で増幅された後、波形観測器113に送られる。波形観測器113は、音波検出器211から増幅器112を介して送られてくる光音響信号を観測し、その観測結果を記録計114へ送る。記録計114は、波形観測器113から送られてくる光音響信号の観測結果に基づいて、被測定物110における対象成分110Gの濃度を算出する。
The
この成分濃度測定装置100において、波形観測器113は、波長λ1の光によって発生した光音響信号をA1、波長λ2の光によって発生した光音響信号をA2とした場合、この光音響信号A1とA2との差分値(A1−A2)を計測するが、この波形観測器113に加え、位相検波増幅器(図示せず)によって検波増幅し、光音響信号の振幅(A)、位相(φ)を観測するようにしてもよい。
In this component
記録器114は、水の吸光度スペクトルや生体内成分の吸光度スペクトル、異なる濃度における対象成分の吸光度スペクトルのデータベースを有しており、取得した光音響信号の強さから対象成分の濃度を演算する機能を有している。
The
図2に、グルコース水溶液の吸光度スペクトル(点線で示す特性曲線I)および水の吸光度スペクトル(実線で示す特性曲線II)を示す。例えば、被測定物110が生体であり、対象成分110Gが血液中のグルコースであれば、背景成分110Wの呈する吸収は、水の呈する吸収とすることができる。
FIG. 2 shows the absorbance spectrum of the aqueous glucose solution (characteristic curve I indicated by a dotted line) and the absorbance spectrum of water (characteristic curve II indicated by a solid line). For example, if the
従来の成分濃度測定装置200(図11)では、第1の光源201の出力する光の波長λ1が1608nm(λ10)とされ、第2の光源202の出力する光の波長λ2が1380nm(λ20)とされていた。この波長λ10,λ20は、背景成分の呈する吸収が相等しい異なる波長である。なお、図中、波長λ11,λ21の対も背景成分の呈する吸収が相等しい異なる波長である。この図では、波長λ10,λ20の背景成分の吸光度をα20、波長λ11,λ21の背景成分の吸光度をα21として示している。音波検出器111で変換される光音響信号の強さは、吸光度と比例関係にあり、図3に示すように、波長λ20と波長λ21に対応する光音響信号A20とA21とはある傾きC’で関係づけられる。
In the conventional component concentration measuring apparatus 200 (FIG. 11), the wavelength λ1 of light output from the first
図4に、グルコース水溶液の吸光度スペクトルから水の吸光度スペクトルを差し引いた差分スペクトル(グルコース差分吸収スペクトル)を示す。図4には、グルコースの濃度が1g/dLの場合と2g/dLの場合のグルコース差分吸収スペクトルを示している。このグルコース差分吸収スペクトルにおいて、変動が激しい領域を除く安定した領域のスペクトルにおいて、1600nmと2150nmの近傍にピークが存在する。 FIG. 4 shows a differential spectrum (glucose differential absorption spectrum) obtained by subtracting the absorbance spectrum of water from the absorbance spectrum of the aqueous glucose solution. FIG. 4 shows the glucose differential absorption spectrum when the glucose concentration is 1 g / dL and 2 g / dL. In this glucose differential absorption spectrum, peaks exist in the vicinity of 1600 nm and 2150 nm in the spectrum of a stable region excluding a region where the fluctuation is severe.
図5に、水の吸光度スペクトルの温度依存性(吸光度の変化(実線で示す特性曲線III)及び吸光度の変化率%(点線で示す特性曲線IV))を示す。同図において、横軸は波長、左縦軸は温度1℃当たりの吸光度変化、右縦軸は温度1℃当たりの吸光度変化率を示している。被測定物110において、背景成分110Wの変動が生じることは不可避であり、対象成分110Gの濃度の測定精度を低下する要因となる。
FIG. 5 shows the temperature dependence of the absorbance spectrum of water (absorbance change (characteristic curve III shown by a solid line) and absorbance change rate% (characteristic curve IV shown by a dotted line)). In the figure, the horizontal axis represents wavelength, the left vertical axis represents absorbance change per 1 ° C., and the right vertical axis represents absorbance change rate per 1 ° C. temperature. In the object to be measured 110, it is inevitable that the
本実施の形態では、第1の光源101の出力する光の波長λ1および第2の光源102の出力する光の波長λ2を、背景成分110Wの温度依存の吸光度変化率が相等しい異なる波長とする。図5では、この背景成分110Wの温度依存の吸光度変化率が相等しい異なる波長として、1608nmmと1312nmを例示している。これにより、波長λ1の光によって発生した光音響信号A1と波長λ2の光によって発生した光音響信号A2との差分値(A1−A2)を計測した場合、背景成分110Wの温度依存の吸光度変化がキャンセルされるものとなる。
In the present embodiment, the wavelength λ1 of light output from the first
また、本実施の形態において、第1の光源101および第2の光源102のうちの少なくとも1つは、対象成分110Gの呈する吸収が極大となる波長であることが好ましい。例えば、被測定物110が生体であり、対象成分110Gが血液中のグルコースであれば、図4に示したグルコース差分吸収スペクトルに示すように、第1の光源101は、グルコースの呈する吸収が極大となる波長である波長1600nm又は2150nmであることが好ましい。この場合、第1の光源101の出力する連続光が波長λ1の測定光となり、第2の光源102の出力する連続光が波長λ2の参照光となる。
In the present embodiment, it is preferable that at least one of the first
以上のことから、本実施の形態では、第1の光源101の光の波長λ1を1608nmに設定し、第2の光源102の光の波長λ2を1312nmに設定する。すなわち、第1の光源101の光の波長λ1を対象成分110Gが特徴的な吸収を呈する波長に設定し、第2の光源102の光の波長λ2を対象成分110Gが特徴的な吸収を呈さない波長に設定し、第1の光源101の光の波長λ1と第2の光源102の光の波長λ2とを、被測定物110における背景成分110Wの温度依存性性による吸光度変化率が相等しい波長に設定する。
From the above, in this embodiment, the wavelength λ1 of the light from the first
吸光度αと光音響信号Aとは比例乗数Cにより比例関係にある。被測定物110に照射する光パワーをIとすれば、A=C・α・I=C’・αと表される。ここで、光パワーを含む比例乗数C’(C’=C・I)は、変化し制御又は予想が困難な係数である。例えば、図1における、音波検出器111と被測定物110との音響結合、音波検出器111の感度、光出射部109と被測定物110の間の距離、被測定物110の比熱、被測定物110の熱膨張係数、被測定物110での音速、発振器105の発振周波数、さらに、吸光度αにも依存する未知数である。光音響信号の振幅及び位相は、被測定物110内での音響共振により、キャビティサイズや被測定物110の内部構造に依存する。そのため、それらの変動により光音響信号の振幅及び位相が変化し、測定される対象成分の濃度に誤差が生ずる原因となる。
The absorbance α and the photoacoustic signal A are in a proportional relationship by a proportional multiplier C. Assuming that the optical power applied to the
このため、従来の成分濃度測定装置200(図11)では、所定の波長により取得した光音響信号により比例乗数Cを規格化することにより影響を排除する方法を採っている。しかし、この成分濃度測定装置200では、比例乗数Cが吸光度αに依存しないことを前提としており、共鳴モードにより吸光度αに強く依存する場合、比例乗数Cの規格化が困難となる。そこで、本実施の形態の成分濃度測定装置100では、吸光度の相異なる2波長を利用して光音響信号を検出および記録し、吸光度αに対する光音響信号の傾きC’を直接的に求める。
For this reason, the conventional component concentration measuring apparatus 200 (FIG. 11) employs a method of eliminating the influence by normalizing the proportional multiplier C using a photoacoustic signal acquired at a predetermined wavelength. However, in this component
具体的には、パワーを等しく設定した第1の光源101および第2の光源102を用い、第1の光源101から波長λ1(1608nm)の光を被測定物110に照射して光音響信号A1を計測し、第2の光源102から波長λ2(1312nm)の光を被測定物110に照射して光音響信号A2を計測し(図6:ステップS101)、この計測した光音響信号A1,A2と既知の吸光度α1,α2(予め分光器等により計測した既知の吸光度スペクトルの値)とから吸光度αに対する光音響信号の傾きC’を求める(ステップS102、図7参照)。この吸光度αに対する光音響信号の傾きC’の取得は、測定前に1回行ってもよく、また測定毎に行ってもよい。
Specifically, using the first
次に、第1の光源101からの波長λ1(1608nm)の光によって発生する被測定物110からの光音響信号A1と、第2の光源102からの波長λ2(1312nm)の光によって発生する被測定物110からの光音響信号A2とが等しくなるように、すなわち光音響信号A1と光音響信号A2との差が概ねゼロとなるように、第2の光源102のパワーを調整する(ステップS103)。パワー調整時に、第1の光源101及び第2の光源102を同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調してもよい。
Next, the photoacoustic signal A1 from the
なお、この例では、第2の光源102のパワーを調整するものとしたが、第1の光源101のパワーを調整するようにしてもよく、第1の光源101と第2の光源102の両方のパワーを調整するようにしてもよい。また、光パワーIはフォトディテクターにより記録して後に校正するか、フォトディテクターの出力電圧をモニタして光源の出力を制御してもよい。
In this example, the power of the second
続いて、同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された第1の光源101からの光(波長λ1(1608nm)の光)と第2の光源102からの光(波長λ2(1312nm)の光)とを被測定物110に対して同時に照射し、被測定物110における対象成分110Gの濃度に比例した強さの光音響信号(A1−A2)を計測する(ステップS104)。この計測された光音響信号(A1−A2)を光音響信号Adとする。周波数としては例えば400kHzであり、信号検出に用いる音響センサの感度が高い周波数を用いても良い。
Subsequently, the light from the first light source 101 (light having the wavelength λ1 (1608 nm)) and the light from the second light source 102 (light having the wavelength λ2 (1312 nm)), which are intensity-modulated by signals of the opposite phase at the same frequency. ) Are simultaneously irradiated onto the
そして、この光音響信号AdとステップS102で算出した比例乗数C’とから、対象成分110Gの吸光度αをα=Ad/C’として算出する(ステップS105)。この算出された吸光度αは対象成分110Gのモル濃度Mとモル吸光度αgの積に対応する。そこで、この算出された対象成分110Gの吸光度αと対象成分210Gの既知のモル吸光度αg(予め分光器等により求めた既知の値)とから、対象成分110Gのモル濃度M(M=α/αg)を算出する(ステップS106)。なお、このモル濃度はステップS103からの相対値となる。
Then, from the photoacoustic signal Ad and the proportional multiplier C ′ calculated in step S102, the absorbance α of the
図6に示したフローチャートに示した処理において、ステップS101での第1の光源101と第2の光源102のパワーを等しくしての光音響信号の計測およびステップS104での第1の光源101と第2の光源102を用いての光音響信号の差分値の計測は波形観測器113における光音響信号取得部113−1で行われる。この光音響信号取得部113−1が本発明でいう光音響信号取得手段に相当する。
In the processing shown in the flowchart shown in FIG. 6, the photoacoustic signal is measured with the powers of the first
また、図6に示したフローチャートに示した処理において、ステップS102での光音響信号の比例乗数C’の算出は、記録計114における比例乗数算出部114−1で行われ、ステップS105での対象成分110Gの吸光度αの算出およびステップS106での対象成分110Gのモル濃度Mの算出は記録計114におけるモル濃度算出部114−2で行われる。この比例乗数算出部114−1およびモル濃度算出部114−2が本発明でいう比例乗数算出手段およびモル濃度算出手段に相当する。
In the processing shown in the flowchart of FIG. 6, the calculation of the proportional multiplier C ′ of the photoacoustic signal in step S102 is performed by the proportional multiplier calculation unit 114-1 in the
また、図6に示したフローチャートに示した処理において、ステップS104では、第1の光源101および第2の光源102から同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された波長λ1およびλ2の光を被測定物110に対して同時に照射させるが、これは第1の駆動回路103、第2の駆動回路104、発振器105および遅延調整器106を用いて行われ、この構成が本発明でいう駆動手段に相当する。
In the process shown in the flowchart of FIG. 6, in step S104, the light of wavelengths λ1 and λ2 that has been intensity-modulated from the first
また、この成分濃度測定装置100において、波形観測器113や記録計114は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。
In the component
〔実施の形態2〕
図8は、本発明の実施の形態2に係る成分濃度測定装置100’の基本構成を示す図である。同図において、図1と同一符号は図1を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。
[Embodiment 2]
FIG. 8 is a diagram showing a basic configuration of a component
実施の形態2の成分濃度測定装置100’では、発振器105の周波数fが可変となっており、この点で実施の形態1の成分濃度測定装置100とは異なっている。図9に図6に示したフローチャートに対応するフローチャートを示す。
In the component
この成分濃度測定装置100’において、波形観測器113は、発振器105の周波数fを掃引しつつ、吸光度αと光音響信号Aとの関係を計測し(図10参照)、比例乗数C’が最大となる周波数fを求め、発振器105に対して設定する(ステップS201〜S204)。この処理は、波形観測器113における周波数決定部113−2で行われる。この周波数決定部113−2が本発明でいう周波数を求める手段に相当する。図9に示したフローチャートにおいて、ステップS205以降の処理は、図6に示したフローチャートにおけるステップS103以降の処理と同じであるので、その説明は省略する。
In the component
この実施形態2では、小さい吸光度変化に対しても大きい振幅変化が得られ、感度が向上し対象成分の濃度の測定限界を下げることができる。実施の形態2においても、実施の形態1と同様、吸光度αに対する光音響信号の比例乗数C’の取得は、測定前に1回行ってもよく、また測定毎に行ってもよい。 In the second embodiment, a large amplitude change can be obtained even with a small change in absorbance, the sensitivity can be improved, and the measurement limit of the concentration of the target component can be lowered. Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the acquisition of the proportional multiplier C ′ of the photoacoustic signal with respect to the absorbance α may be performed once before the measurement or may be performed every measurement.
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
[Extension of the embodiment]
The present invention has been described above with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the technical idea of the present invention.
本発明は、人間又は動物に存在する溶液の非侵襲な成分濃度測定装置、および、人間又は動物から採取した溶液の成分濃度測定装置に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a noninvasive component concentration measuring device for a solution existing in a human or an animal and a component concentration measuring device for a solution collected from a human or an animal.
100,100’…成分濃度測定装置、101…第1の光源、102…第2の光源、103…第1の駆動回路、104…第2の駆動回路、105…発振器、106…遅延調整器、107…光合波器、108…光ファイバ、109…光出射部、110…被測定物、110G…対象成分、110W…背景成分、111…音波検出器(音響センサ)、112…増幅器、113…波形観測器、113−1…光音響信号取得部、113−2…周波数決定部、114…記録計、114−1…比例乗数算出部、114−2…モル濃度算出部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,100 '... Component density | concentration measuring apparatus, 101 ... 1st light source, 102 ... 2nd light source, 103 ... 1st drive circuit, 104 ... 2nd drive circuit, 105 ... Oscillator, 106 ... Delay adjuster, DESCRIPTION OF
Claims (6)
パワーが等しく設定された第1の光源および第2の光源からの光によって発生する前記被測定物からの光音響信号の強さに基づいて前記被測定物の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数として算出する比例乗数算出手段と、
前記被測定物からの光音響信号の強さが等しくなるようにパワーが調整された前記第1の光源および第2の光源から同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された光を前記被測定物に対して同時に照射させる駆動手段と、
前記駆動手段によって照射された光によって発生する前記被測定物からの光音響信号を取得する光音響信号取得手段と、
前記比例乗数算出手段によって算出された比例乗数と前記光音響信号取得手段によって取得された光音響信号の強さとから前記対象成分の吸光度を算出し、予め既知の値として求められている前記対象成分のモル吸光度を用いて、前記対象成分のモル濃度を算出するモル濃度算出手段とを備え、
前記第1の光源の光の波長をλ1、前記第2の光源の光の波長をλ2とした場合、
前記第1の光源の光の波長λ1は、
前記対象成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定され、
前記第2の光源の光の波長λ2は、
前記対象成分が特徴的な吸収を呈さない波長に設定され、
前記第1の光源の光の波長λ1と前記第2の光源の光の波長λ2とは、
前記被測定物における背景成分の温度依存性が相等しい波長に設定されている
ことを特徴とする成分濃度測定装置。 The object to be measured is irradiated with light, the sound wave from the object to be measured generated by the irradiated light is measured as a photoacoustic signal, and the target component in the object to be measured is determined from the intensity of the measured photoacoustic signal. In a component concentration measuring apparatus for measuring the concentration of
The slope of the photoacoustic signal is proportional to the absorbance of the object to be measured based on the intensity of the photoacoustic signal from the object to be measured that is generated by the light from the first light source and the second light source set to have the same power. A proportional multiplier calculating means for calculating as a multiplier;
The first and second light sources, whose powers are adjusted so that the intensities of the photoacoustic signals from the object to be measured are equal, are light whose intensity is modulated by signals having the same frequency and opposite phases. Driving means for simultaneously irradiating the object to be measured;
Photoacoustic signal acquisition means for acquiring a photoacoustic signal from the object to be measured generated by light irradiated by the driving means;
The absorbance of the target component is calculated from the proportional multiplier calculated by the proportional multiplier calculation means and the intensity of the photoacoustic signal acquired by the photoacoustic signal acquisition means, and the target component obtained in advance as a known value A molar concentration calculating means for calculating the molar concentration of the target component using the molar absorbance of
When the wavelength of the light of the first light source is λ1, and the wavelength of the light of the second light source is λ2,
The wavelength λ1 of the light from the first light source is
The target component is set to a wavelength exhibiting characteristic absorption;
The wavelength λ2 of the light from the second light source is
The target component is set to a wavelength that does not exhibit characteristic absorption,
The wavelength λ1 of the light from the first light source and the wavelength λ2 of the light from the second light source are:
The component concentration measuring apparatus, wherein the temperature dependence of the background component in the object to be measured is set to the same wavelength.
前記比例乗数算出手段は、
前記被測定物の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数C’として算出し、
前記光音響信号取得手段は、
前記被測定物からの光音響信号を前記被測定物における対象成分の濃度に比例した強さの光音響信号Adとして取得し、
前記モル濃度算出手段は、
前記比例乗数算出手段によって算出された比例乗数C’と前記光音響信号取得手段によって取得された光音響信号Adとから前記対象成分の吸光度をα=Ad/C’として算出し、前記既知の値として求められている対象成分のモル吸光度をαgとし、前記対象成分のモル濃度をM=α/αgとして算出する
ことを特徴とする成分濃度測定装置。 In the component concentration measuring apparatus according to claim 1,
The proportional multiplier calculating means includes
Calculating the slope of the photoacoustic signal with respect to the absorbance of the object to be measured as a proportional multiplier C ′;
The photoacoustic signal acquisition means includes
Obtaining a photoacoustic signal from the object to be measured as a photoacoustic signal Ad having an intensity proportional to the concentration of the target component in the object to be measured;
The molar concentration calculating means includes
The absorbance of the target component is calculated as α = Ad / C ′ from the proportional multiplier C ′ calculated by the proportional multiplier calculation means and the photoacoustic signal Ad acquired by the photoacoustic signal acquisition means, and the known value A molar concentration of the target component calculated as follows is calculated as αg, and a molar concentration of the target component is calculated as M = α / αg.
前記第1の光源および第2の光源からの光を強度変調する信号の周波数を変えて、前記被測定物の吸光度と前記被測定物からの光音響信号の強さとの関係を計測し、前記比例乗数算出手段で算出される比例乗数が最大となる周波数を求める手段をさらに備える
ことを特徴とする成分濃度測定装置。 In the component concentration measuring apparatus according to claim 1 or 2,
Measuring the relationship between the absorbance of the object to be measured and the intensity of the photoacoustic signal from the object to be measured by changing the frequency of the signal for intensity-modulating the light from the first light source and the second light source; A component concentration measuring device further comprising means for obtaining a frequency at which the proportional multiplier calculated by the proportional multiplier calculating means is maximized.
パワーが等しく設定された第1の光源および第2の光源からの光によって発生する前記被測定物からの光音響信号の強さに基づいて前記被測定物の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数として算出する第1ステップと、
前記被測定物からの光音響信号の強さが等しくなるようにパワーが調整された前記第1の光源および第2の光源から同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された光を前記被測定物に対して同時に照射させる第2ステップと、
前記第2ステップによって照射された光によって発生する前記被測定物からの光音響信号を取得する第3ステップと、
前記第1ステップによって算出された比例乗数と前記第3ステップによって取得された光音響信号の強さとから前記対象成分の吸光度を算出し、予め既知の値として求められている前記対象成分のモル吸光度を用いて、前記対象成分のモル濃度を算出する第4ステップとを備え、
前記第1の光源の光の波長をλ1、前記第2の光源の光の波長をλ2とした場合、
前記第1の光源の光の波長λ1は、
前記対象成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定され、
前記第2の光源の光の波長λ2は、
前記対象成分が特徴的な吸収を呈さない波長に設定され、
前記第1の光源の光の波長λ1と前記第2の光源の光の波長λ2とは、
前記被測定物における背景成分の温度依存性が相等しい波長に設定されている
ことを特徴とする成分濃度測定方法。 The object to be measured is irradiated with light, the sound wave from the object to be measured generated by the irradiated light is measured as a photoacoustic signal, and the target component in the object to be measured is determined from the intensity of the measured photoacoustic signal. In the component concentration measurement method for measuring the concentration of
The slope of the photoacoustic signal is proportional to the absorbance of the object to be measured based on the intensity of the photoacoustic signal from the object to be measured that is generated by the light from the first light source and the second light source set to have the same power. A first step of calculating as a multiplier;
The first and second light sources, whose powers are adjusted so that the intensities of the photoacoustic signals from the object to be measured are equal, are light whose intensity is modulated by signals having the same frequency and opposite phases. A second step of simultaneously irradiating the measurement object;
A third step of acquiring a photoacoustic signal from the object to be measured generated by the light irradiated in the second step;
The absorbance of the target component is calculated from the proportional multiplier calculated in the first step and the intensity of the photoacoustic signal acquired in the third step, and the molar absorbance of the target component obtained in advance as a known value. And a fourth step of calculating the molar concentration of the target component using
When the wavelength of the light of the first light source is λ1, and the wavelength of the light of the second light source is λ2,
The wavelength λ1 of the light from the first light source is
The target component is set to a wavelength exhibiting characteristic absorption;
The wavelength λ2 of the light from the second light source is
The target component is set to a wavelength that does not exhibit characteristic absorption,
The wavelength λ1 of the light from the first light source and the wavelength λ2 of the light from the second light source are:
The component concentration measurement method, wherein the temperature dependence of the background component in the object to be measured is set to the same wavelength.
前記第1ステップは、
前記被測定物の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数C’として算出し、
前記第3ステップは、
前記被測定物からの光音響信号を前記被測定物における対象成分の濃度に比例した強さの光音響信号Adとして取得し、
前記第4ステップは、
前記第1ステップによって算出された比例乗数C’と前記第3ステップによって取得された光音響信号Adとから前記対象成分の吸光度をα=Ad/C’として算出し、前記既知の値として求められている対象成分のモル吸光度をαgとし、前記対象成分のモル濃度をM=α/αgとして算出する
ことを特徴とする成分濃度測定方法。 In the component concentration measuring method according to claim 4,
The first step includes
Calculating the slope of the photoacoustic signal with respect to the absorbance of the object to be measured as a proportional multiplier C ′;
The third step includes
Obtaining a photoacoustic signal from the object to be measured as a photoacoustic signal Ad having an intensity proportional to the concentration of the target component in the object to be measured;
The fourth step includes
The absorbance of the target component is calculated as α = Ad / C ′ from the proportional multiplier C ′ calculated in the first step and the photoacoustic signal Ad acquired in the third step, and is obtained as the known value. And calculating the molar concentration of the target component as M = α / αg.
前記第1の光源および第2の光源からの光を強度変調する信号の周波数を変えて、前記被測定物の吸光度と前記被測定物からの光音響信号の強さとの関係を計測し、前記第1ステップで算出される比例乗数が最大となる周波数を求めるステップをさらに備える
ことを特徴とする成分濃度測定方法。 In the component concentration measuring method according to claim 4 or 5,
Measuring the relationship between the absorbance of the object to be measured and the intensity of the photoacoustic signal from the object to be measured by changing the frequency of the signal for intensity-modulating the light from the first light source and the second light source; A component concentration measuring method, further comprising: obtaining a frequency at which the proportional multiplier calculated in the first step is maximized.
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