JP2018079125A - 成分濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体に含まれる測定対象の成分の濃度の測定精度に対する光音響波の干渉の影響を低減する。【解決手段】成分濃度測定装置は、１つ以上の波長の光を被検体１０に照射する光照射部２と、光照射によって被検体１０の内部で発生する光音響波を検出する音波取得部３と、音波取得部３で検出した光音響波の強度および周波数の少なくとも一方に基づいて、被検体１０に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する信号処理部４とを備える。音波取得部３は、光照射によって被検体１０の内部で発生する光音響波のうち、所定の方向に放射される光音響波を選択的に検出する。【選択図】 図１

Description

本発明は、被検体に含まれる特定の成分の濃度を非侵襲で測定する技術に係り、特に、被検体に照射した光により発生する光音響波を検出して濃度を測定する成分濃度測定装置に関するものである。

光あるいは電磁波を利用した非侵襲的な生体測定方法が注目されている。中でも光音響法は、光の生体内での複雑な散乱や吸収の影響を低減させることが期待されている。光音響法は、所要の光（例えば、可視光、近赤外光又は中間赤外光の波長帯域）を被検体に照射し、照射部を局所的に加熱して熱膨張を起こした際に発生する音波を観測する。具体的には、被検体内の吸収物質が吸収する光の量に応じて生じる弾性波（光音響波）を検出して、その吸収物質の濃度を定量的に測定する。吸収物質としては、グルコース（血糖値）などがある。

しかし、従来の光音響法では、グルコースと電磁波との相互作用が小さいために信号ノイズ比の確保が難しく、生体に安全に照射し得る電磁波の強度に制限があるために生体の血糖値測定において十分な効果を挙げるに至っていないという問題点があった（特許文献１参照）。

以下、従来の光音響法の問題点について具体的に説明する。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ことが知られている。しかし、パルス法では、光をパルスで照射するため、光エネルギの安定化に課題があった。

一方、特許文献１に開示されたような連続光を用いた光音響法においても、パルス法の場合と同様に、光が被験体内に侵入したときに、空間的に広がりを持つ音源（音源分布）が形成される。図１２（Ａ）は、連続光を用いた光音響法において、被検体に光を照射したときに生じる光音響波の放射角度による音圧特性を示す図である。ここでは、図１２（Ｂ）に示すように、被検体に照射される光の光軸方向を光音響波の放射角度９０°方向とし、被検体に光を照射する光照射部の光出射端面１００に平行な方向を光音響波の放射角度０°方向とする。

図１２（Ａ）に示す放射パターンから分かるように、被検体に光を照射すると、いくつかの光音響波の波面が形成される。そして、放射角度毎の音圧が異なることから分かるように、各々の光音響波の波面は、音源分布との干渉のため、被検体内の吸収物質の濃度によって変化する吸光度に対する感度が異なる。

図１３は、被検体内の吸収物質の吸光度が基準吸光度であるときに得られる光音響波の理想の音圧と同被検体から得られる放射角度９０°方向の光音響波の音圧との差分音圧の、光照射部からの距離による変化を示す図である。光音響波同士の干渉は、光音響波の波面により大きく異なる。

また、図１３に示すように、この光音響波同士の干渉は、音源からの距離（光出射端面と音波取得面との距離）によっても異なる。このようにＣＷ光を用いた従来の光音響法においては、光音響波の干渉によって測定値が大きく変わってしまうという問題があった。すなわち、被検体に含まれる対象の吸収物質の濃度の検量線の傾きが数倍のオーダーで変わってしまうという問題があった。被検体が生体の測定の場合、音源からの距離を自由かつ安定に管理することは困難であり、上記の音源分布による干渉を排除することが必要である。

特開２０１４−５０５６３号公報

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、被検体に含まれる測定対象の物質の濃度の測定精度に対する光音響波の干渉の影響を低減す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、１つ以上の波長の光を被検体に照射する光照射部と、光照射によって前記被検体の内部で発生する光音響波を検出する音波取得部と、この音波取得部で検出した光音響波の強度および周波数の少なくとも一方に基づいて、前記被検体に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する信号処理部とを備え、前記音波取得部は、光照射によって前記被検体の内部で発生する光音響波のうち、所定の方向に放射される光音響波を選択的に検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装置の１構成例において、前記被検体に照射される光の光軸と前記音波取得部の光音響波取得面とが略平行で、前記音波取得部は、前記光軸に対して所定の方向に放射される光音響波を選択的に検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装置の１構成例において、前記被検体に照射される光の光軸と前記音波取得部の光音響波取得面とが略直交し、前記音波取得部は、前記光軸に対して所定の方向に放射される光音響波を選択的に検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装置の１構成例において、前記光照射部は、前記１つ以上の波長の光を前記被検体に集光して照射する光学系を備え、前記被検体に照射される光のスポット径は、光音響波の波長以下であ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、前記所定の方向に放射される光音響波を前記音波取得部の方向に反射する音波反射部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構成例は、さらに、前記被検体に照射される光と光軸近傍の放射角度方向の光音響波とを吸収する吸音・吸光体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、前記音波取得部は、光照射によって前記被検体の内部の異なる位置で発生した光音響波が前記音波取得部の光音響波取得面において略等位相となる位置に配置され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、前記被検体に照射される光の光軸方向を光音響波の放射角度９０°方向、前記光照射部の光出射端面に平行な方向を光音響波の放射角度０°方向としたとき、前記所定の方向は、放射角度１５°±５°の方向である。

本発明によれば、１つ以上の波長の光を被検体に照射する光照射部と、光照射によって被検体の内部で発生する光音響波を検出する音波取得部と、音波取得部で検出した光音響波の強度および周波数の少なくとも一方に基づいて、被検体に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する信号処理部とを設け、音波取得部が、光照射によって被検体の内部で発生する光音響波のうち、所定の方向に放射される光音響波を選択的に検出することにより、光音響波の干渉の影響を抑えることができ、被検体に含まれる測定対象の成分の濃度を高い精度で測定することができる。

また、本発明では、１つ以上の波長の光を被検体に集光して照射する光学系を設け、被検体に照射する光のスポット径を、光音響波の波長以下とすることにより、光音響波の干渉の影響をさらに低減することができる。

また、本発明では、所定の方向に放射される光音響波を音波取得部の方向に反射する音波反射部を設けることにより、所望の光音響波を効率良く集音することができる。

また、本発明では、被検体に照射される光と光軸近傍の放射角度方向の光音響波とを吸収する吸音・吸光体を設けることにより、光音響波の干渉の影響をさらに低減することができる。

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。 被検体内の吸収物質の吸光度が基準吸光度であるときに得られる光音響波の理想の音圧と同被検体から得られる放射角度１０°方向の光音響波の音圧との差分音圧の、光照射部からの距離による変化を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る成分濃度測定装置の具体的な構成例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光照射部と音波取得部の配置を示す側面図および断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る成分濃度測定装置の光照射部と音波取得部の配置を示す側面図および断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る成分濃度測定装置の光照射部と音波取得部の配置を示す側面図および音波取得部の光音響波取得面を示す平面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る成分濃度測定装置の光照射部と音波取得部の配置を示す側面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る成分濃度測定装置の光照射部と音波取得部の配置を示す側面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る成分濃度測定装置の光照射部と音波取得部の配置を示す側面図である。 本発明の第７の実施の形態に係る成分濃度測定装置の光照射部と音波取得部の配置を示す側面図および断面図である。 本発明の第８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。 光音響波の放射角度による音圧特性を示す図である。 被検体内の吸収物質の吸光度が基準吸光度であるときに得られる光音響波の理想の音圧と同被検体から得られる放射角度９０°方向の光音響波の音圧との差分音圧の、光照射部からの距離による変化を示す図である。

［発明の原理］
図１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が、この図１を用いて本発明の原理について説明する。本発明では、図１に示すように光照射部２から平行光化されたガウスビームを被験体１０に照射する。この入射光に起因する、被検体１０内の音源分布から伝搬する光音響波は、大きく分けて３つの波面の光音響波に分類される。

第１の光音響波は、７０°程度の放射角度を有する光音響波、すなわち光軸方向に近い放射角度方向に進む光音響波である。被検体１０への光の侵入によって空間的に広がりを持つ音源分布が形成されるため、これらの音源分布内で生成される光音響波間に位相差が生じる。したがって、光軸方向に近い放射角度方向に進む光音響波の干渉波は、被検体１０への光の侵入深さに依存した音源分布内の光音響波間の位相差により、受音位置の影響を最も受け易い。

第２の光音響波は、７０°から３０°程度の放射角度方向に進む光音響波であり、光照射部２の光出射端からの反射の影響が含まれる光音響波である。この方向に進む光音響波の干渉波も、被検体への光の侵入深さに依存した音源分布内の光音響波間の位相差により、受音位置の影響を受け易い。

第３の光音響波は、１０°程度の放射角度方向に進む光音響波である。図２は、被検体内の吸収物質の吸光度が基準吸光度であるときに得られる光音響波の理想の音圧と同被検体から得られる放射角度１０°方向の光音響波の音圧との差分音圧の、光照射部からの距離による変化を示す図である。１０°程度の放射角度方向に進む光音響波は、音源分布内の光音響波間の位相差の影響が最も少ない。

上記のとおり、被検体１０への光の侵入によって空間的に広がりを持つ音源分布が形成されるが、放射角度１０°方向の光音響波の場合、被検体１０内の位置が異なる各音源と受音位置との距離の、音源毎の差が比較的小さくなる。このため、１０°程度の放射角度方向に進む光音響波は、図２に示すように感度の大きな変化がない。また図１２（Ａ）に示したように信号強度が最も高くなる。
本発明では、この第３の光音響波を用いて被検体に含まれる測定対象の成分の濃度を測定することで安定した成分濃度測定を実現する。

［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１に示したように、本実施の形態の成分濃度測定装置は、１つ以上の波長の光を生成する光生成部１と、光生成部１で生成された平行光化されたガウスビームを被検体１０に照射する光照射部２と、光照射によって被検体１０の内部で発生する光音響波を検出して電気信号に変換する音波取得部３と、音波取得部３での検出結果から得られる信号強度または信号周波数の少なくとも一方に基づいて、被検体１０に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する信号処理部４とから構成される。

発明者らは、ＣＷ法に属する光音響法として、周波数シフト（frequency shift：ＦＳ）法、および光パワーバランスシフト（Optical power balance shift：ＯＰＢＳ）法の２つを提案した。

まず、ＦＳ法について説明する。血液中のグルコースなどの成分の濃度変化に応じ、ＣＷ法の測定により得られる測定信号の位相情報は、濃度変化に応じて周波数軸に沿ってシフトする。時間の経過と共に血液中のグルコース濃度が減少した場合には、位相情報は低周波側へとシフトし、グルコース濃度が増加した場合には、位相情報は高周波側へとシフトする。このように、測定信号の位相情報は周波数シフトだけを受ける。ＦＳ法では、上述した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中の特定成分の濃度の測定を行う（特許文献１、特開２０１２−０２６８５２号公報）。

一方、ＯＰＢＳ法では、光波長が異なり、互いに位相差がπの２つの矩形連続波形の光ビームを被検体に対して、同一光出力口から照射する。このとき、２つの光ビームのパワーを増減させながら、光音響波の振幅が最小な箇所の位相の変曲点を探し、この探索結果から血液中に溶解している分子濃度を求める。２つの光ビームのうち一方の光ビームのパワーＰ₁を一定にし、もう一方の光ビームのパワーＰ₂を変えながら、光音響波の強度が最低となる光パワーを探す。光音響波の強度が最低となる光パワーＰ₂の変化量より被検体内の特定成分の濃度の測定を行う（特許文献１、特開２０１２−１７９２１２号公報、特開２０１３−１０６８７４号公報、特開２０１６−１５４５８４号公報、特開２０１６−１５４５８５号公報、特開２０１６−１７１９０８号公報）。

また、特許文献１には、ＯＰＢＳ法とＦＳ法とを組み合わせた方法が開示されている。本発明は、ＦＳ法、ＯＰＢＳ法、ＯＰＢＳ法とＦＳ法の組み合わせのいずれの方法にも適用可能である。

図３は本実施の形態の成分濃度測定装置の具体的な構成例を示すブロック図である。光生成部１は、１つの波長の光を放射するレーザダイオード、または互いに異なる波長の複数の光を放射する複数のレーザダイオードと、この１乃至複数のレーザダイオードからの連続光をそれぞれ平行光化する光学系（不図示）と、１乃至複数のレーザダイオードからの光を正弦波、矩形波あるいは台形波で強度変調する変調手段と、変調周波数を制御する周波数制御手段と、１乃至複数のレーザダイオードからの光の強度を制御する強度制御手段とを含む。

図３の例では、複数のレーザダイオード（例えば分布帰還型半導体レーザ）１１−１，１１−２を有する場合について記載している。光の波長は、被検体１０に含まれる測定対象の成分の濃度を高精度に測定できるように適宜選択すればよい。具体的には、測定対象の成分に特有の吸収スペクトルを有する波長に設定すればよい。

ＯＰＢＳ法やＦＳ法が開示された上記の文献で明らかなように、変調手段と周波数制御手段と強度制御手段とは、レーザドライバ１２と、ファンクションジェネレータ１３と、情報処理装置１４とから構成される。

レーザダイオード１１−１，１１−２から放射されるレーザ光を強度変調する場合、レーザドライバ１２は、ファンクションジェネレータ１３から出力される参照信号に応じて、正弦波、矩形波あるいは台形波の駆動電流をレーザダイオード１１−１，１１−２に供給する。

また、光変調周波数を変化させる場合、ファンクションジェネレータ１３から出力され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１２からレーザダイオード１１−１，１１−２に供給される駆動電流の周波数を変化させる。また、光の強度を変化させる場合、レーザドライバ１２からレーザダイオード１１−１，１１−２に供給される駆動電流の大きさを変化させる。

光照射部２は、レーザダイオード１１−１，１１−２から放射された光を導く光ファイバ２０−１，２０−２と、レーザダイオード１１−１，１１−２から放射された光を合波する光カプラ２１と、光カプラ２１によって合波された光を導き、被検体１０へ照射する光ファイバ２２とから構成される。光ファイバ２２の被検体１０側の端面が、光照射部２の光出射端となる。レーザダイオードが１つの場合には、光カプラ２１は不要であることは言うまでもない。

また、光カプラ２１を使用せずに、複数のレーザダイオード１１−１，１１−２から放射された光を導く複数の光ファイバ２０−１，２０−２の出射端を近接配置するようにしてもよい。この場合、ＯＰＢＳ法が実施可能な条件として、被検体１０に照射される２波の光が互いに重なる領域の体積が所定値（例えば８０％）以上となるように設定することが望ましい（特開２０１６−１７１９０８号公報）。

音波取得部３の例としては、圧電センサを用いるマイクロホンがある。信号処理部４は、音波取得部３から出力された電気信号を増幅する増幅器４０と、増幅器４０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１３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ロックインアンプ４１と、ファンクションジェネレータ１３およびロックインアンプ４１を制御すると共に、被検体１０に含まれる測定対象の成分の濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置１４とから構成される。

情報処理装置１４は、ロックインアンプ４１が検出した測定信号の強度または周波数の少なくとも一方に基づいて、被検体１０に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する。この情報処理装置１４の処理については、ＯＰＢＳ法やＦＳ法が開示された上記の文献で説明されている周知の処理であるので、詳細な説明は省略する。

次に、本実施の形態の特徴的な構成について説明する。図４（Ａ）は光照射部２と音波取得部３の配置を示す側面図、図４（Ｂ）は光照射部２と音波取得部３の配置を示す断面図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）では、被検体１０内の光と音波を模式的に表している。音源分布の形状は光ビーム径と被検体１０に含まれる物質の光吸収係数により定まり、有限のサイズを持つ。全ての音源分布内位置から伝搬する光音響波を等位相で受音することは困難であるが、出来る限り等位相となるように配置することが望ましい。例えば、光軸に対して所定の角度の位置に音波取得部３を配置する。

本実施の形態では、上記の第３の光音響波を検出するため、光照射部２の光出射端面２００と音波取得部３の光音響波取得面３００とが略直交（被検体１０に照射される光の光軸と光音響波取得面３００とが略平行）するように音波取得部３を配置する。図１２（Ｂ）で説明したとおり、被検体１０に照射される光の光軸方向を光音響波の放射角度９０°方向とし、光照射部２の光出射端面２００に平行な方向を光音響波の放射角度０°方向とする。

本実施の形態では、具体的には、放射角度１５°±５°以内の光音響波を受音できるように音波取得部３を配置する。光照射部２の光出射端面２００と音波取得部３の光音響波取得面３００との間に１０ｍｍ程度の距離があるとすると、音波取得部３の光音響波取得面３００の面外方向の厚さあるいは径は、２ｍｍ以内である。音波取得部３の光音響波取得面３００は、受音する光音響波の波面に合わせた曲面（光照射部２側から見て凹状の面）であることが望ましく、その曲率は受音する光音響波の波面の曲率と同等程度であることが望ましい。

なお、図４（Ａ）、図４（Ｂ）では、被検体１０に照射される光の光軸と光音響波取得面３００とが平行な例を記載しているが、検出したい光音響波の波面と正対するように、音波取得部３の光音響波取得面３００を１５°±５°程度傾けるようにしてもよい（光出射端面２００と光音響波取得面３００とのなす角が７５°±５°）。すなわち、光軸と光音響波取得面３００とが完全な平行でなく、略平行であってもよい。

以上のように、本実施の形態では、所定の放射角度方向（放射角度１５°±５°）の光音響波を音波取得部３で検出することにより、光音響波の干渉の影響を抑えることができ、被検体１０（生体）に含まれる特定成分（例えばグルコース）の濃度を高い精度で測定することができる。

［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。本実施の形態においても、成分濃度測定装置の全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。図５（Ａ）は本実施の形態の成分濃度測定装置の光照射部２と音波取得部３の配置を示す側面図、図５（Ｂ）は光照射部２と音波取得部３の配置を示す断面図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）と同様に、図５（Ａ）、図５（Ｂ）では、被検体１０内の光と音波を模式的に表している。

本実施の形態は、第１の実施の形態の構成に加えて、音波取得部３の光音響波取得面３００と対向するように音波反射部５を追加したものである。具体的には、放射角度１５°±５°以内の光音響波を受音して音波取得部３の方向に反射するように音波反射部５を配置する。

音波取得部３は、その光音響波取得面３００が音波反射部５の焦点に位置するように配置される。音波反射部５の音波反射面の形状としては、例えば光照射部２側から見て凹状の楕円球面がある。音波反射部５の材料としては、例えば金属あるいは空気がある。ただし、空気を用いる場合には、例えばポリマー等で形成した中空の部材内に空気を封入する必要がある。光照射部２と音波取得部３以外の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。

こうして、本実施の形態では、放射角度１５°±５°以内の光音響波を音波反射部５で受けて音波取得部３の方向に反射させることにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、成分濃度測定装置の全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。図６（Ａ）は本実施の形態の成分濃度測定装置の光照射部２と音波取得部３の配置を示す側面図、図６（Ｂ）は音波取得部３の光音響波取得面３００を光照射部２側から見た平面図である。

本実施の形態では、光照射部２の光出射端面２００と音波取得部３の光音響波取得面３００とが平行（被検体１０に照射される光の光軸と光音響波取得面３００とが直交）になるように音波取得部３を配置する。音波取得部３の光音響波取得面３００は、放射角度１５°±５°以内の光音響波を受音できるように、光照射部２から見たときに光音響波を受音可能な領域が平面視円環状の形状となっている（図６（Ｂ））。

被検体１０を人の耳たぶといった薄い部分と仮定すると、被検体１０の厚さは３ｍｍ程度である。この場合、音波取得部３の光音響波取得面３００の受音可能な領域は、内径８ｍｍ以上、外径１７ｍｍ以内となる。他の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。

こうして、本実施の形態では、音波取得部３の光音響波取得面３００の形状を、放射角度１５°±５°以内の光音響波を検出する形状とすることにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、成分濃度測定装置の全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。図７は本実施の形態の成分濃度測定装置の光照射部２と音波取得部３の配置を示す側面図である。

本実施の形態では、光照射部２の光出射端面２００と音波取得部３の光音響波取得面３００とが平行（被検体１０に照射される光の光軸と光音響波取得面３００とが直交）になるように音波取得部３を配置する。また、本実施の形態では、光照射部２から照射され被検体１０を透過した光と放射角度１５°±５°よりも光軸寄りの放射角度方向（放射角度９０°付近）の光音響波とを吸収する吸音・吸光体６を配置する。吸音・吸光体６を配置することで光音響波の干渉を低減することが可能である。吸音・吸光体６の材料としては、ゴム等がある。

さらに、本実施の形態では、放射角度１５°±５°以内の光音響波を反射する音波反射部５ａを設け、音波反射部５ａによって反射された光音響波が集音する位置に音波取得部３を配置している。音波反射部５ａの音波反射面の形状としては、例えば光照射部２側から見て凹状の楕円球面がある。音波反射部５ａの材料としては、例えば金属あるいは空気がある。第２の実施の形態で説明したとおり、空気を用いる場合には、例えばポリマー等で形成した中空の部材内に空気を封入する必要がある。

被検体１０および吸音・吸光体６と、音波取得部３および音波反射部５ａとの間の空間には、光音響波が通過する音波伝搬層７が充填される。音波伝搬層７の材料としては、例えば水あるいはポリマーがある。ただし、水を用いる場合には、例えばポリマー等で形成した中空の部材内に水を封入する必要がある。他の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。

こうして、本実施の形態では、放射角度１５°±５°以内の光音響波を音波反射部５ａで受けて音波取得部３の方向に反射させると共に、それ以外の放射角度方向の光音響波と光とを吸音・吸光体６で吸収することにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、成分濃度測定装置の全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。図８は本実施の形態の成分濃度測定装置の光照射部２と音波取得部３の配置を示す側面図である。

本実施の形態では、光照射部２の光出射端面２００と音波取得部３の光音響波取得面３００とが平行（被検体１０に照射される光の光軸と光音響波取得面３００とが直交）になるように音波取得部３を配置しているが、各々に独立な光音響波取得面３００を有する複数の音波取得部３を設けている。

これら複数の音波取得部３の全てを使用する必要はなく、所定の放射角度方向（放射角度１５°±５°）の光音響波を受音する音波取得部３のみを使用すればよい。複数の音波取得部３を使用する場合には、これら複数の音波取得部３の出力信号を混合して図３に示したロックインアンプ４１に与えるようにすればよい。他の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。

こうして、本実施の形態では、複数の音波取得部３を配置して、所望の放射角度方向の光音響波を検出することにより、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、図８では、被検体１０に照射される光の光軸と光音響波取得面３００とが直交する例を記載しているが、検出したい光音響波の波面と正対するように、光音響波取得面３００を傾けるようにしてもよい。すなわち、光軸と光音響波取得面３００とが完全な直交でなく、略直交であってもよい。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、成分濃度測定装置の全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。図９は本実施の形態の成分濃度測定装置の光照射部２と音波取得部３の配置を示す側面図である。

本実施の形態では、光照射部２の光出射端面２００と音波取得部３の光音響波取得面３００とが直交（被検体１０に照射される光の光軸と光音響波取得面３００とが平行）するように音波取得部３を配置しているが、各々に独立な光音響波取得面３００を有する複数の音波取得部３を設けている。これら複数の音波取得部３の全てを使用する必要はなく、第５の実施の形態と同様に、所望の放射角度方向（放射角度１５°±５°）の光音響波を受音する音波取得部３のみを使用すればよい。他の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。

なお、図９では、被検体１０に照射される光の光軸と光音響波取得面３００とが平行な例を記載しているが、検出したい光音響波の波面と正対するように、光音響波取得面３００を傾けるようにしてもよい。すなわち、光軸と光音響波取得面３００とが完全な平行でなく、略平行であってもよい。

［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、成分濃度測定装置の全体の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。図１０（Ａ）は本実施の形態の成分濃度測定装置の光照射部２と音波取得部３の配置を示す側面図、図１０（Ｂ）は光照射部２と音波取得部３の配置を示す断面図である。

本実施の形態では、光照射部２の光出射端面２００と音波取得部３の光音響波取得面３００とが直交（被検体１０に照射される光の光軸と光音響波取得面３００とが平行）するように音波取得部３を配置しているが、同一波長の光について複数の光照射部２を設けるようにしている。したがって、レーザダイオードから放射される光を複数の光照射部２へ分波する光分波器が必要となる。

第１の実施の形態で説明したとおり、光生成部１内の光源として、互いに異なる波長の複数の光を放射する複数のレーザダイオードを用いる場合には、各光照射部２がそれぞれ複数の波長の光を放射することになる。

本実施の形態のように、複数の光照射部２を用いる場合、各光照射部２から照射されるい光によって生じた光音響波が重なり、合成音響波が音波取得部３によって検出される。図１０（Ｂ）に示すように、放射角度１５°±５°以内の合成音響波を受音できるように音波取得部３を配置する。光照射部２と音波取得部３以外の構成は第１の実施の形態で説明したとおりである。

こうして、本実施の形態では、複数の光照射部２を設けることにより、被検体１０内の複数箇所に光を照射することができる。その結果、本実施の形態では、被検体１０内の複数箇所の状態を反映した特定成分（例えばグルコース）の平均的な濃度を測定することができる。

［第８の実施の形態］
第１〜第７の実施の形態において、図１１に示すように、光照射部２の構成として光学系２３を設け、複数のレーザダイオード１１−１，１１−２から放射された光を導く複数の光ファイバ２０−１，２０−２からの光を集光して被検体１０に照射するようにしてもよい。このような光学系２３の例としては、１枚乃至は複数枚のレンズからなる光学系がある。

光学系２３を用いることにより、平行光のビーム幅を狭めて被検体１０に照射することが可能となる。また、光生成部１内の光源として、互いに異なる波長の複数の光を放射する複数のレーザダイオードを用いる場合には、複数の波長の光をより近接させて被検体１０に照射することができる。被検体１０に照射される光のスポット径は、光音響波の波長以下であることが好ましい。

こうして、本実施の形態では、１つ以上の波長の光を集光して被検体１０に照射することにより、光音響波の干渉の影響をさらに低減することができる。

本発明は、被検体に含まれる血液グルコース、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…光生成部、２…光照射部、３…音波取得部、４…信号処理部、５，５ａ…音波反射部、６…吸音・吸光体、７…音波伝搬層、１０…被検体、１１−１，１１−２…レーザダイオード、１２…レーザドライバ、１３…ファンクションジェネレータ、１４…情報処理装置、２０−１，２０−２，２２…光ファイバ、２１…光カプラ、２３…光学系、４０…増幅器、４１…ロックインアンプ。

Claims (8)

1. １つ以上の波長の光を被検体に照射する光照射部と、
   光照射によって前記被検体の内部で発生する光音響波を検出する音波取得部と、
   この音波取得部で検出した光音響波の強度および周波数の少なくとも一方に基づいて、前記被検体に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する信号処理部とを備え、
   前記音波取得部は、光照射によって前記被検体の内部で発生する光音響波のうち、所定の方向に放射される光音響波を選択的に検出す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、
   前記被検体に照射される光の光軸と前記音波取得部の光音響波取得面とが略平行で、
   前記音波取得部は、前記光軸に対して所定の方向に放射される光音響波を選択的に検出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、
   前記被検体に照射される光の光軸と前記音波取得部の光音響波取得面とが略直交し、
   前記音波取得部は、前記光軸に対して所定の方向に放射される光音響波を選択的に検出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、
   前記光照射部は、前記１つ以上の波長の光を前記被検体に集光して照射する光学系を備え、
   前記被検体に照射される光のスポット径は、光音響波の波長以下である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、
   さらに、前記所定の方向に放射される光音響波を前記音波取得部の方向に反射する音波反射部を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
6. 請求項５記載の成分濃度測定装置において、
   さらに、前記被検体に照射される光と光軸近傍の放射角度方向の光音響波とを吸収する吸音・吸光体を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   前記音波取得部は、光照射によって前記被検体の内部の異なる位置で発生した光音響波が音波取得部の光音響波取得面において略等位相となる位置に配置されることを特徴とする成分濃度測定装置。
8. 請求項１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、
   前記被検体に照射される光の光軸方向を光音響波の放射角度９０°方向、前記光照射部の光出射端面に平行な方向を光音響波の放射角度０°方向としたとき、前記所定の方向は、放射角度１５°±５°の方向であることを特徴とする成分濃度測定装置。