JP2018171178A - Constituent concentration measuring device and method - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To compensate for acoustic mode dependency of concentration measurement sensitivity to a constituent to be measured.SOLUTION: Two of laser diodes 1-1 to 1-3 perform intensity modulation of light of two waves having different wavelengths by signals having the same frequency and different phases and perform irradiation. A photoacoustic cell 13 becomes a resonator for amplifying a photoacoustic signal generated from an object 12 to be measured. An acoustic sensor 7 detects a photoacoustic signal. An information processor 11 estimates an acoustic mode, based on the amount of change in light intensity obtained from a measurement result of the light intensity when the strength of a measurement signal is minimized in each case of two cases in which the wavelength of light for changing intensity differs, and based on the amount of change in light intensity obtained from a data set, and determines a correction coefficient of concentration measurement sensitivity to a constituent to be measured, based on the acoustic mode, and a known relationship between the concentration measurement sensitivity to a constituent to be measured included in the object 12 to be measured and the acoustic mode.SELECTED DRAWING: Figure 3

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。   The present invention relates to a component concentration measuring apparatus, and more particularly to a measuring apparatus that uses a blood component such as glucose as a measurement target.

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。   With the aging of society, dealing with lifestyle-related diseases is becoming a major issue, and attention is being paid to blood components. However, the technology that has been developed so far is to detect one component with a single sensor, such as reacting a collected sample with a reagent or adsorbing it to a dedicated sensor. Attention has been paid. Therefore, there is a method of measuring transmitted or reflected electromagnetic waves by utilizing absorption by a blood component to be measured (for example, glucose molecules in the case of blood glucose level) when irradiated with electromagnetic waves. .

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。
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. Furthermore, since living bodies are scatterers against electromagnetic waves, , Has not been effective enough.
Therefore, a photoacoustic method has been attracting attention, in which a sound wave generated by irradiating an electromagnetic wave and locally heating it to cause thermal expansion is observed.

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。   There are two types of photoacoustic methods: a pulse method and a continuous-wave (hereinafter referred to as CW) method. However, in the conventional pulse method and CW method, during the measurement of the glucose concentration in plasma several times, there is a high possibility that other plasma parameters other than the glucose concentration (for example, body temperature, concentration of other components, etc.) will also change. Therefore, there is a problem that glucose selectivity is poor and it is difficult to obtain an accurate glucose concentration.

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(特許文献1−3参照)、また長沼(K.Naganuma)らにより規格化法が開発されている(特許文献4参照)。   Therefore, as a method belonging to the CW method, an optical power balance shift (OPPBS) method was developed by S. Camou et al. (See Patent Documents 1-3), and Naganuma (K. Naganuma) Has developed a standardization method (see Patent Document 4).

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合波器4と、光合波器4によって合波されたレーザ光を導く光ファイバ5と、光ファイバ5によって導かれる光を平行光にして被測定物12に照射するコリメータ6と、光音響効果によって被測定物12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7と、音響センサ7から出力された電気信号を増幅する増幅器8と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ9と、増幅器8の出力信号とファンクションジェネレータ9から出力された参照信号とを入力として、増幅器8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10と、ファンクションジェネレータ9およびロックインアンプ10を制御すると共に、ロックインアンプ10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11とから構成される。   A configuration example of a conventional component concentration measuring apparatus for carrying out the OPBS method is shown in FIG. The component concentration measurement apparatus includes laser diodes 1-1 and 1-2 that emit laser light, a laser driver 2 that drives laser diodes 1-1 and 1-2, and laser diodes 1-1 and 1-2. Optical fibers 3-1 and 3-2 that guide the emitted laser light, an optical multiplexer 4 that combines the laser beams emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2, and an optical multiplexer 4. An optical fiber 5 that guides the laser beam, a collimator 6 that irradiates the object 12 with the light guided by the optical fiber 5 as parallel light, and a photoacoustic signal generated from the object 12 to be detected by the photoacoustic effect. The acoustic sensor 7 that converts the electrical signal proportional to the sound pressure, the amplifier 8 that amplifies the electrical signal output from the acoustic sensor 7, the function generator 9 that generates the reference signal, and the output signal of the amplifier 8 And a reference signal output from the function generator 9, and a lock-in amplifier 10 for detecting a measurement signal having a desired frequency from the output signal of the amplifier 8, and the function generator 9 and the lock-in amplifier 10 are controlled and locked. The information processing apparatus 11 includes a computer that processes a measurement signal detected by the in-amplifier 10 to derive a specific component concentration.

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9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、光合波器4と光ファイバ5とコリメータ6とを介して被測定物12に照射される(図19ステップS100)。   In the conventional OPBS method using the component concentration measuring apparatus shown in FIG. 18, first, the laser driver 2 generates a rectangular wave drive current according to the reference signal output from the function generator 9 to the laser diode 1-1 (first The light emitted from the laser diode 1-1 is intensity-modulated. The intensity-modulated light radiated from the laser diode 1-1 is guided by the optical fiber 3-1, and is irradiated to the object to be measured 12 through the optical multiplexer 4, the optical fiber 5, and the collimator 6 (step in FIG. 19). S100).

音響センサ7は、被測定物12から発生する光音響信号を検出し、増幅器8は、音響センサ7から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ10は、増幅器8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9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。   The acoustic sensor 7 detects a photoacoustic signal generated from the device under test 12, and the amplifier 8 amplifies the electrical signal output from the acoustic sensor 7. The lock-in amplifier 10 detects a measurement signal having a frequency determined by the reference signal output from the function generator 9 among the signals included in the output of the amplifier 8.

情報処理装置11は、ファンクションジェネレータ9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10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)。   The information processing device 11 changes the frequency of the reference signal generated by the function generator 9, thereby changing the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-1 and gradually changing the light modulation frequency. At the same time, an optical modulation frequency sweep is performed to gradually change the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 10 (the same frequency as the optical modulation frequency) (step S101 in FIG. 19). In this way, the relationship between the modulation frequency and the amplitude (sound pressure) of the measurement signal is acquired (step S102 in FIG. 19), and the peak modulation frequency that is the modulation frequency with the maximum amplitude of the measurement signal is searched (step S103 in FIG. 19).

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。   Next, the laser diode 1-1 is operated again to output light (step S104 in FIG. 19), and then the laser diode 1-2 (second light source) is operated to output light (step S105 in FIG. 19). ). The wavelengths of light emitted from the two laser diodes 1-1 and 1-2 are different.

情報処理装置11は、ファンクションジェネレータ9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10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波形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)。   The information processing apparatus 11 changes the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-2 by changing the frequency of the two reference signals generated by the function generator 9. The modulation frequency is set to the above peak modulation frequency, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 10 is set to the peak modulation frequency. At this time, the laser driver 2 supplies the laser diodes 1-1 and 1-2 with drive currents having the same frequency and an opposite phase, so that the light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 is the same. Intensity modulation is performed with signals having opposite phases at the frequency (peak modulation frequency) (step S106 in FIG. 19).

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、光合波器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、コリメータ6によって平行光に変換された後に被測定物12に照射される。情報処理装置11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)。   The intensity-modulated lights emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 are respectively guided by the optical fibers 3-1 and 3-2, multiplexed by the optical multiplexer 4, and further guided by the optical fiber 5, and the collimator. After being converted into parallel light by 6, the object to be measured 12 is irradiated. The information processing apparatus 11 fixes the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 by setting the magnitude of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-1 to a predetermined value (FIG. 19). Step S107), by changing the magnitude of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-2, performing a light intensity sweep that gradually changes the intensity of the light emitted from the laser diode 1-2, The intensity of light emitted from the laser diode 1-2 is adjusted so that the amplitude of the measurement signal is minimized (step S108 in FIG. 19).

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11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)。   Then, after the lapse of a certain time (step S109 in FIG. 19), the laser diodes 1-1 and 1-2 are operated again, the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 is fixed (step S110 in FIG. 19), and measurement is performed. The intensity of light emitted from the laser diode 1-2 is adjusted so that the amplitude of the signal is minimized (step S111 in FIG. 19). Then, the information processing apparatus 11 calculates the amount of change in light intensity from the light intensity obtained in step S108 and the light intensity obtained in step S111 (step S112 in FIG. 19).

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。   As described above, in the conventional OPBS method, two light beams having different light wavelengths and a phase difference of 180 ° are irradiated to the object to be measured from the same light output port, and the intensity of the two light beams is increased or decreased. Then, the phase inflection point of the portion where the amplitude of the photoacoustic signal is minimum is searched, and the concentration of the molecule dissolved in the blood is obtained from the result. Specifically, by searching for the light intensity at which the amplitude of the photoacoustic signal is minimized while changing the intensity of one of the two light beams, the specific component in the object to be measured is determined from the amount of change in the light intensity. Make an accurate measurement of the concentration of (eg glucose).

図20に、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。   FIG. 20 shows a resonance mode of a sound wave taking resonance in this cylindrical cavity as an example when the case for accommodating the object to be measured is cylindrical, that is, the space in which the photoacoustic energy is confined is a cylindrical cavity. Where R is the radius of the cylinder, L is the length of the cylinder, j is the number of the radial mode, m is the number of the circumferential mode, and q is the longitudinal mode. Is the number.

変調周波数と音圧との関係を図21に示す。図21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。   FIG. 21 shows the relationship between the modulation frequency and the sound pressure. In FIG. 21, (101), (200), (102), (300) indicate the resonance mode (jmq). For example, (101) is the radial mode number j, and the circumferential mode. This indicates that the number m is 0 and the mode number q in the longitudinal direction is 1. In this manner, in the cylindrical resonator, the sound wave resonates in various modes, and a sound wave distribution in which they interfere with each other in a complicated manner is generated.

CW光を用いた従来の光音響法においては、光の照射により生じる音波の分布と定在波の音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、被測定物に含まれる対象の成分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。   In the conventional photoacoustic method using CW light, there is a problem that the measurement value greatly changes due to the distribution of the sound wave generated by the light irradiation and the interference of the sound wave of the standing wave. That is, there is a problem that the slope of the calibration curve of the concentration of the target component contained in the object to be measured changes on the order of several times.

特開2014−50563号公報JP 2014-50563 A 特開2013−106874号公報JP 2013-106874 A 特開2012−179212号公報JP 2012-179212 A 米国特許第8332006号明細書US Patent No. 8332006

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に対する濃度測定感度の音響モード依存性を補償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。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides a component concentration measuring apparatus and method that can compensate the acoustic mode dependence of the concentration measuring sensitivity for the component to be measured included in the object to be measured. For the purpose.

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部と、前記光照射部によって照射される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部と、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増幅する共振器と、この共振器によって増幅された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部と、前記光強度制御部が変化させた光の強度を測定する光強度測定部と、強度を変化させる光の波長が異なる2つの場合または前記被測定物の温度が異なる2つの場合について、それぞれの場合で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部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部と、この音響モード推定部が推定した音響モードと、前記被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、前記測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する補正係数決定部と、前記光強度測定部の測定結果から得られる光強度の変化量と前記補正係数に基づいて前記測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出部とを備えることを特徴とするものである。   The component concentration measuring apparatus according to the present invention includes a light irradiating unit that irradiates a measured object with a plurality of lights having different wavelengths with the same frequency and different phase signals, and irradiates the object to be measured. A light intensity controller that changes the intensity of at least one of the plurality of intensity-modulated light, a resonator that amplifies a photoacoustic signal generated from the object to be measured by light irradiation, and the resonator amplified by the resonator The photoacoustic signal detection unit that detects the photoacoustic signal and outputs an electrical signal, the light intensity measurement unit that measures the intensity of the light changed by the light intensity control unit, and the wavelength of the light whose intensity is changed are different 2 Change in the light intensity obtained from the measurement result of the light intensity measurement unit when the intensity of the electrical signal is the lowest in each case for two cases or two cases where the temperatures of the measured objects are different An acoustic mode estimation unit that estimates an acoustic mode that is a resonance mode of the photoacoustic signal based on a change amount of light intensity obtained from a known data set, an acoustic mode estimated by the acoustic mode estimation unit, and A correction coefficient determination unit that determines a correction coefficient of the concentration measurement sensitivity for the measurement target component based on a known relationship between the concentration measurement sensitivity for the measurement target component included in the object to be measured and the acoustic mode; and the light intensity And a concentration deriving unit for deriving the concentration of the component to be measured based on the amount of change in light intensity obtained from the measurement result of the measuring unit and the correction coefficient.

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、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部は、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構成例において、前記被測定物の温度を制御する温度制御部をさらに備え、前記光照射部は、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部は、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、前記温度制御部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。
Moreover, in one structural example of the component concentration measuring apparatus of this invention, the said light irradiation part irradiates the said to-be-measured object light of two different wavelengths simultaneously, and the said acoustic mode estimation part is light of 1st wavelength. The measurement result of the light intensity of the second wavelength when the intensity of the electric signal becomes the minimum by changing the intensity of the light of the second wavelength while keeping the intensity of The intensity of light obtained from the measurement result of the intensity of the light of the third wavelength when the intensity of the electric signal is minimized by changing the intensity of the light of the third wavelength while keeping the intensity of light constant. The acoustic mode is estimated based on the amount of change and the amount of change in light intensity obtained from a known data set.
Moreover, in one structural example of the component concentration measuring apparatus of this invention, it further has the temperature control part which controls the temperature of the said to-be-measured object, The said light irradiation part simultaneously has the light of two different wavelengths to the to-be-measured object. And the acoustic mode estimation unit changes the intensity of the light of the second wavelength while keeping the intensity of the light of the first wavelength constant, and the intensity of the electric signal becomes the minimum. The measurement result of the light intensity of the wavelength and the intensity of the light of the second wavelength are changed with the intensity of the light of the first wavelength constant after changing the temperature of the object to be measured by the temperature control unit. The change amount of the light intensity obtained from the measurement result of the light intensity of the second wavelength when the intensity of the electric signal becomes the minimum, and the change amount of the light intensity obtained from the known data set. The acoustic mode is estimated based on .

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、共振器長が可変であり、前記共振器長を制御する共振器長制御部をさらに備え、前記光照射部は、異なる2つの波長の光を前記被測定物に同時に照射する前に、前記第1の波長の光のみを前記被測定物に照射し、前記共振器長制御部は、前記第1の波長の光のみを前記被測定物に照射したときに得られる前記電気信号の強度が最大となるように前記共振器長を設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、前記光照射部は、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構成例において、前記共振器は、前記光照射部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。
Further, in one configuration example of the component concentration measuring apparatus of the present invention, the resonator has a variable resonator length, and further includes a resonator length control unit that controls the resonator length, and the light irradiation unit includes: Before simultaneously irradiating the object to be measured with light of two different wavelengths, the object to be measured is irradiated with only the light of the first wavelength, and the resonator length control unit is configured to emit light of the first wavelength. The resonator length is set so that the intensity of the electric signal obtained when the object to be measured is irradiated only on the object is maximized.
Moreover, in one structural example of the component concentration measuring apparatus of this invention, the some light irradiated to the said to-be-measured object is components other than the component of the measuring object contained in the to-be-measured object with respect to the wavelength of these some light Are characterized in that their light absorption coefficients are substantially equal.
Moreover, in one structural example of the component concentration measuring apparatus of this invention, the said light irradiation part irradiates the substantially same area | region of the said to-be-measured object coaxially by making several light of a different wavelength into parallel light, respectively, The plurality of light beams have substantially the same beam diameter.
Moreover, in one structural example of the component concentration measuring apparatus of this invention, the said resonator has two surfaces substantially orthogonal to the optical axis of the light irradiated from the said light irradiation part, and these surfaces are mutually parallel. It is a flat surface.

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第1のステップと、前記被測定物に照射する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第2のステップと、光照射によって前記被測定物から発生し共振器によって増幅された光音響信号を検出して電気信号を出力する第3のステップと、前記第2のステップで変化させた光の強度を測定する第4のステップと、強度を変化させる光の波長が異なる2つの場合または前記被測定物の温度が異なる2つの場合について、それぞれの場合で前記電気信号の強度が最低となったときの前記第4の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第5のステップと、この第5のステップで推定した音響モードと、前記被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、前記測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する第6のステップと、前記第4のステップの測定結果から得られる光強度の変化量と前記補正係数に基づいて前記測定対象の成分の濃度を導出する第7のステップとを含むことを特徴とするものである。   The component concentration measuring method according to the present invention includes a first step of irradiating a device under test with a plurality of light beams having different wavelengths, each having an intensity modulated with signals having the same frequency and different phase, and the device under test. A second step of changing the intensity of at least one of a plurality of intensity-modulated lights irradiated to the light, and detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured by the light irradiation and amplified by a resonator to detect an electric signal The third step of outputting the light, the fourth step of measuring the intensity of the light changed in the second step, and two cases where the wavelengths of the light changing the intensity are different, or the temperature of the object to be measured is For two different cases, the amount of change in light intensity obtained from the measurement result of the fourth step when the intensity of the electrical signal is the lowest in each case, and a known data set A fifth step of estimating an acoustic mode, which is a resonance mode of the photoacoustic signal, based on the amount of change in the light intensity, the acoustic mode estimated in the fifth step, and a measurement included in the object to be measured Based on the known relationship between the concentration measurement sensitivity for the target component and the acoustic mode, a sixth step for determining a correction coefficient for the concentration measurement sensitivity for the target component and the measurement result obtained in the fourth step. And a seventh step of deriving the concentration of the component to be measured based on the amount of change in light intensity and the correction coefficient.

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し、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、光照射によって被測定物から発生する光音響信号を共振器で増幅して光音響信号検出部で検出し、強度を変化させる光の波長が異なる2つの場合または被測定物の温度が異なる2つの場合について、それぞれの場合で電気信号の強度が最低となったときの光強度測定部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音響モードを推定し、この音響モードと、被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定し、光強度測定部の測定結果から得られる光強度の変化量と補正係数に基づいて測定対象の成分の濃度を導出することにより、被測定物内の測定対象の成分に対する濃度測定感度の、音響モードによる変化を補償することができ、測定感度を向上させることができる。   According to the present invention, a plurality of lights having different wavelengths are modulated in intensity by signals having the same frequency and different phases, and the object to be measured is irradiated, and the intensity of at least one of the plurality of intensity-modulated lights is set. The photoacoustic signal generated from the object to be measured by light irradiation is amplified by the resonator and detected by the photoacoustic signal detector, and the temperature of the object to be measured is different in two cases where the wavelengths of the light whose intensity changes are different. For two different cases, the amount of change in light intensity obtained from the measurement result of the light intensity measurement unit when the intensity of the electric signal is the lowest in each case, and the amount of change in light intensity obtained from a known data set Based on a known relationship between the acoustic mode and the concentration measurement sensitivity and acoustic mode for the component to be measured contained in the object to be measured. By determining the correction factor for the measurement sensitivity and deriving the concentration of the component to be measured based on the amount of change in the light intensity obtained from the measurement result of the light intensity measurement unit and the correction factor, the measurement target in the measurement object is measured. It is possible to compensate for the change in the concentration measurement sensitivity with respect to the component due to the acoustic mode, and to improve the measurement sensitivity.

図1は、グルコース濃度の応答特性を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing response characteristics of glucose concentration. 図2は、共振器長と音波強度の関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the resonator length and the sound wave intensity. 図3は、本発明の第1の実施例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。FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the component concentration measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第1の実施例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。FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the information processing apparatus of the component concentration measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図5は、本発明の第1の実施例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。FIG. 5 is a flowchart for explaining the operation of the component concentration measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第1の実施例における共振器長と音波強度との関係の1例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of the relationship between the resonator length and the sound wave intensity in the first embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第1の実施例における光強度変化の例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of light intensity change in the first embodiment of the present invention. 図8は、本発明の第1の実施例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。FIG. 8 is a diagram showing an example of the relationship between the acoustic mode and the ratio of the change in light intensity in the first embodiment of the present invention. 図9は、本発明の第1の実施例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。FIG. 9 is a diagram showing an example of the relationship between the glucose concentration sensitivity and the acoustic mode in the first embodiment of the present invention. 図10は、本発明の第1の実施例に係る成分濃度測定装置の別の構成を示すブロック図である。FIG. 10 is a block diagram showing another configuration of the component concentration measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図11は、本発明の第2の実施例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。FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the component concentration measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. 図12は、本発明の第2の実施例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。FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of the information processing apparatus of the component concentration measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. 図13は、本発明の第2の実施例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。FIG. 13 is a flowchart for explaining the operation of the component concentration measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. 図14は、本発明の第2の実施例における光強度変化の例を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing an example of light intensity change in the second embodiment of the present invention. 図15は、本発明の第2の実施例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。FIG. 15 is a diagram showing an example of the relationship between the acoustic mode and the ratio of the change in light intensity in the second embodiment of the present invention. 図16は、本発明の第2の実施例に係る成分濃度測定装置の別の構成を示すブロック図である。FIG. 16 is a block diagram showing another configuration of the component concentration measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. 図17は、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。FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the reflectance of sound waves and the acoustic impedance. 図18は、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。FIG. 18 is a block diagram showing a configuration of a conventional component concentration measuring apparatus. 図19は、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。FIG. 19 is a flowchart for explaining a conventional optical power balance shift method. 図20は、円筒空洞内での音波の共振モードを説明する図である。FIG. 20 is a diagram for explaining a resonance mode of a sound wave in a cylindrical cavity. 図21は、変調周波数と音圧との関係の1例を示す図である。FIG. 21 is a diagram illustrating an example of the relationship between the modulation frequency and the sound pressure.

[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。
[Principle of the Invention]
In the present invention, the influence of sound wave interference is reduced by using collimated light. When the shape of the object to be measured can be freely changed, an effect equivalent to that of collimated light can be obtained by using the object to be measured having a cylindrical shape whose diameter is smaller than half the wavelength of the sound wave. The collimated light can be expressed as the following expression (1) as an intensity distribution.

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。   Moreover, the magnitude | size S of the sound wave produced by a photoacoustic effect can be represented like the following formula | equation (2).

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。
In equations (1) and (2), C is a constant, α is the light absorption coefficient of the object to be measured for light of a specific wavelength, q is the acoustic mode, and F (α, q) is the light absorption coefficient α and the acoustic mode. A function of q, ω is a modulation frequency, w is a light beam diameter, z is a depth from the surface of the object to be measured, r is a distance in the radial direction from the optical axis, and I is a light intensity.
The light absorption coefficient α can be described as in equation (3).

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。 In Expression (3), ΔC is the concentration of the specific component in the object to be measured, ΔT is the temperature of the object to be measured, β is the molar absorbance of the specific component, and γ is the temperature absorbance of the object to be measured. Α 0 represents the light absorption coefficient of the object to be measured in the initial state.

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。   For example, in a cylindrical resonator, the acoustic wave mode is given by the following equations (4) and (5). Acoustic wave modes include longitudinal, circumferential, and radial modes.

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、αm,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。 In equations (4) and (5), c is the speed of sound in the object to be measured, q is the acoustic mode in the optical axis direction, R is the radius of the cylinder, L is the length of the cylinder, and α m, n is the object to be measured. This is the nth-order root that satisfies the boundary condition that the change in sound pressure in the radial direction on the wall surface is zero.

例えば、コリメートされた光を被測定物に照射する場合、qは円筒軸方向の定在波モードに相当する(図20)。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。   For example, when the object to be measured is irradiated with collimated light, q corresponds to the standing wave mode in the cylindrical axis direction (FIG. 20). In this case, the function F can be described approximately as shown in the equation (6), and thus takes a discrete value for each mode.

光吸収係数αi、関数Fi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。 The light absorption coefficient α i and i of the function F i are subscripts corresponding to the wavelength of light. The resonance of the sound wave between the parallel plates can be handled in the same manner as the resonance of the sound wave in the cylinder. Here, the magnitude S of the sound wave generated when the object to be measured is irradiated with two lights having different wavelengths and having a phase difference of 180 ° is expressed as the superposition of the sound waves generated by the respective lights as follows. Can do.

1,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。
S 1 and S 2 are the magnitudes of two sound waves. In the OPBS method, S 1 = S 2 because it is equivalent to considering a state where the signal intensity of the sound wave is minimum, that is, ideally zero.
Assuming that a specific component in the object to be measured changes in concentration by ΔC, the following equation (8) is established.

1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。 I 1 is the intensity of the first light, I 2 is the intensity of the second light, and ΔI 2 is the amount of change in the intensity of the second light when the concentration of the specific component in the object to be measured changes by ΔC. From the equation (8), the relationship between the component concentration change and the light intensity change can be approximated as in the equations (9) and (10).

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1に示す。図1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により感度が変化することが示される。また、音響モードqが変化すると、感度が大きく変化してしまうことが分かる。   If the acoustic mode q and the background light absorption are known from the equations (9) and (10), the sensitivity of density change can be obtained. FIG. 1 shows an example of response characteristics when the measurement object is almost water and the glucose concentration changes. FIG. 1 shows that the light intensity changes in proportion to the glucose concentration and that the sensitivity changes depending on the acoustic mode q. It can also be seen that the sensitivity changes greatly when the acoustic mode q changes.

そこで、音響モードの補正を行う必要がある。この補正は、測定に用いる波長の光とは別の第3の波長の光あるいは温度に対する吸収スペクトルのデータセットを用意し、実測データに対する数値的補正を行うことで実現することができる。式(9)、式(10)および既知の吸収係数差を用いて音波の共振モードの干渉誤差を補正する本発明の方法を2つ説明する。   Therefore, it is necessary to correct the acoustic mode. This correction can be realized by preparing a data set of an absorption spectrum with respect to light having a third wavelength different from the light having a wavelength used for measurement or temperature, and performing numerical correction on actually measured data. Two methods of the present invention for correcting the interference error of the resonance mode of the sound wave using the equations (9) and (10) and the known absorption coefficient difference will be described.

[第1の補正方法]
第1の波長の光を被測定物に照射し、共振器長Lを任意の範囲で掃引することで図2に示すような共振器長Lと音圧との関係を取得する。この図2のピークから被測定物内での音波の共振器長Lを選択することができる。
[First correction method]
By irradiating the object to be measured with light of the first wavelength and sweeping the resonator length L in an arbitrary range, the relationship between the resonator length L and the sound pressure as shown in FIG. 2 is acquired. The resonator length L of the sound wave in the object to be measured can be selected from the peak of FIG.

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。このときの共振器長は上記で選択した共振器長L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。 Next, as described above, two light beams having different light wavelengths and a phase difference of 180 ° are irradiated to the object to be measured from the same light output port. The resonator length at this time is the resonator length L selected above. The intensity I 0 of the second wavelength light is measured while the intensity of the generated sound wave is minimized while the intensity of the first wavelength light is fixed and the intensity of the second wavelength light is increased or decreased.

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。 Next, the sound wave generated while switching the light of the second wavelength to the light of the third wavelength whose light absorption coefficient for the object to be measured is known and increasing or decreasing the intensity of the light of the third wavelength in the same manner as described above. The intensity I 1 of the light of the third wavelength at which the intensity is minimized is measured. The ratio ΔI / I of the change amount (I 1 −I 0 ) of the light intensity with respect to the light intensity I 0 from the obtained light intensity I 0 , I 1 is expressed by the equation (11).

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。   Here, when sufficiently collimated light is used, the relationship of the above equation is given by the following equation for each acoustic mode q.

関数Fi,光吸収係数αi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。 The function F i and i of the light absorption coefficient α i are subscripts corresponding to the wavelength of light. F 1 is a function of light absorption coefficient α and acoustic mode q for light of the first wavelength, F 2 is a function of light absorption coefficient α and acoustic mode q for light of the second wavelength, and F 1 ′ is a third wavelength. Is a function of the light absorption coefficient α and the acoustic mode q for the first wavelength light, F 2 ′ is a function of the light absorption coefficient α and the acoustic mode q for the third wavelength light, and α 2 is the second function. It is a light absorption coefficient of the object to be measured with respect to light of a wavelength.

よって、式(11)と式(12)の応答を比較し、最も濃度測定感度が近しい応答を探し音響モードqを求めることができる。音響モードqを用いて式(9)より現在の共振器長Lにおける濃度測定感度Gqが推測できる。この濃度測定感度Gqを音響モードq=0のときの濃度測定感度G0と同じになるように定数係数Aを決定すると、補償された濃度との関係は次式で表される。   Therefore, the acoustic mode q can be obtained by comparing the responses of the equations (11) and (12) and searching for the response with the closest density measurement sensitivity. Using the acoustic mode q, the concentration measurement sensitivity Gq at the current resonator length L can be estimated from the equation (9). When the constant coefficient A is determined so that the density measurement sensitivity Gq is the same as the density measurement sensitivity G0 when the acoustic mode q = 0, the relationship with the compensated density is expressed by the following equation.

[第2の補正方法]
第1の補正方法と同様に、第1の波長の光を被測定物に照射し、共振器長Lを任意の範囲で掃引することで図2に示すような共振器長Lと音圧との関係を取得する。この図2のピークから被測定物内での音波の共振器長Lを選択することができる。
[Second correction method]
Similar to the first correction method, the light having the first wavelength is irradiated onto the object to be measured, and the resonator length L and the sound pressure as shown in FIG. Get the relationship. The resonator length L of the sound wave in the object to be measured can be selected from the peak of FIG.

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。このときの共振器長は上記で選択した共振器長L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。 Next, as described above, two light beams having different light wavelengths and a phase difference of 180 ° are irradiated to the object to be measured from the same light output port. The resonator length at this time is the resonator length L selected above. The intensity I 0 of the second wavelength light is measured while the intensity of the generated sound wave is minimized while the intensity of the first wavelength light is fixed and the intensity of the second wavelength light is increased or decreased.

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(15)のようになる。 Next, the temperature of the object to be measured is changed by ΔT using a temperature controller, and the intensity of the generated sound wave is minimized while increasing or decreasing the intensity of the second wavelength light in the same manner as described above. The light intensity I 1 is measured. The ratio ΔI / I of the change amount (I 1 −I 0 ) of the light intensity with respect to the light intensity I 0 from the obtained light intensities I 0 and I 1 is expressed by the following equation (15).

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。   When the change in the light absorption coefficient with respect to the temperature change of the object to be measured is given by the temperature dependence γ of the light absorption coefficient from the spectral data set, the response characteristic with respect to temperature is given by

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。 γ 1 is the temperature dependence of the light absorption coefficient α 1 of the object to be measured with respect to the first wavelength light, and γ 2 is the temperature dependence of the light absorption coefficient α 2 of the object to be measured with respect to the light of the second wavelength.

よって、式(15)と式(16)の応答を比較し、最も感度が近しい応答を探し音響モードqを求めることができる。音響モードqを用いて式(9)より現在の共振器長Lにおける濃度測定感度Gqが推測できる。この濃度測定感度Gqを音響モードq=0のときの濃度測定感度G0と同じになるように定数係数Aを決定すると、補償された濃度との関係は次式で表される。   Therefore, the acoustic mode q can be obtained by comparing the responses of the equations (15) and (16) and searching for the response with the closest sensitivity. Using the acoustic mode q, the concentration measurement sensitivity Gq at the current resonator length L can be estimated from the equation (9). When the constant coefficient A is determined so that the density measurement sensitivity Gq is the same as the density measurement sensitivity G0 when the acoustic mode q = 0, the relationship with the compensated density is expressed by the following equation.

光音響法の音波共振モードの補償方法についてグルコース水溶液の場合を例にとって下記に示す。   A method for compensating the acoustic resonance mode of the photoacoustic method will be described below using a glucose aqueous solution as an example.

[第1の実施例]
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は本発明の第1の実施例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。本実施例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合波器4と、光合波器4によって合波されたレーザ光を導く光ファイバ5と、光ファイバ5によって導かれる光を平行光にして被測定物12に照射するコリメータ6と、光音響効果によって被測定物12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部となる音響センサ7と、音響センサ7から出力された電気信号を増幅する増幅器8と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ9と、増幅器8の出力信号とファンクションジェネレータ9から出力された参照信号とを入力として、増幅器8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10と、レーザドライバ2とファンクションジェネレータ9とロックインアンプ10とを制御すると共に、ロックインアンプ10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11と、被測定物12を収容し、光音響信号を増幅する共振器となる光音響セル13とから構成される。
[First embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the component concentration measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. The component concentration measuring apparatus of the present embodiment includes a laser diode 1-1, 1-2, 1-3 that emits laser light, and a laser driver 2 that drives the laser diode 1-1, 1-2, 1-3. , Optical fibers 3-1, 3-2 and 3-3 for guiding laser light emitted from the laser diodes 1-1, 1-2 and 1-3, and laser diodes 1-1, 1-2 and 1-3. An optical multiplexer 4 that combines the laser light emitted from the optical fiber 5, an optical fiber 5 that guides the laser light combined by the optical multiplexer 4, and parallel light that is guided by the optical fiber 5. A photoacoustic signal detector that detects a photoacoustic signal generated from the object to be measured 12 by the photoacoustic effect and converts it into an electrical signal proportional to the sound pressure, and an acoustic sensor 7. Amplifier that amplifies the electrical signal output from And a function generator 9 for generating a reference signal, and a lock-in amplifier for detecting a measurement signal of a desired frequency from the output signal of the amplifier 8 with the output signal of the amplifier 8 and the reference signal output from the function generator 9 as inputs. 10, an information processing apparatus 11 including a computer that controls the laser driver 2, the function generator 9, and the lock-in amplifier 10, and processes a measurement signal detected by the lock-in amplifier 10 to derive a specific component concentration; It comprises a photoacoustic cell 13 that houses a device under test 12 and serves as a resonator that amplifies a photoacoustic signal.

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9と光ファイバ3−1,3−2,3−3,5と光合波器4とコリメータ6とは、光照射部を構成している。情報処理装置11とファンクションジェネレータ9とは、光強度制御部を構成している。   The laser diodes 1-1, 1-2, 1-3, the laser driver 2, the function generator 9, the optical fibers 3-1, 3-2, 3-3, 5, the optical multiplexer 4 and the collimator 6 are irradiated with light. Part. The information processing apparatus 11 and the function generator 9 constitute a light intensity control unit.

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7の例としては、圧電センサを用いるマイクロホンがある。
本実施例では、被測定物12は例えば円筒形の光音響セル13内に導入され、光音響セル13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。
Examples of the laser diodes 1-1, 1-2, and 1-3 include, for example, a distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD). As an example of the acoustic sensor 7, there is a microphone using a piezoelectric sensor.
In the present embodiment, the object to be measured 12 is introduced into, for example, a cylindrical photoacoustic cell 13, and laser light is irradiated through a glass optical window provided in the photoacoustic cell 13.

図4は情報処理装置11の構成を示すブロック図である。情報処理装置11は、ファンクションジェネレータ9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9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部102と、強度を変化させる光の波長が異なる2つの場合または被測定物12の温度が異なる2つの場合について、それぞれの場合で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つの場合または被測定物12の温度が異なる2つの場合について、それぞれの場合で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と、被測定物12に含まれる特定成分(例えばグルコース)に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、特定成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する補正係数決定部105と、被測定物12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、共振器長を制御する共振器長制御部108とを有する。   FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the information processing apparatus 11. The information processing apparatus 11 is radiated from the generator control unit 100 that controls the function generator 9, the light intensity control unit 101 that controls the intensity of light via the function generator 9, and the laser diodes 1-1 to 1-3. The intensity of the measurement signal is the lowest in each case for the light intensity measuring unit 102 that measures the intensity of the light and the two cases where the wavelengths of the light that changes the intensity are different or two cases where the temperatures of the measured object 12 are different. The light intensity change amount calculation unit 103 that calculates the change amount of the light intensity obtained from the measurement result of the light intensity when the light intensity changes, and the temperature of the object to be measured 12 is different in two cases where the wavelengths of the light that changes the intensity are different. For the two cases, the amount of change in the light intensity obtained from the measurement result of the light intensity when the intensity of the measurement signal is the lowest in each case, and the known The acoustic mode estimation unit 104 that estimates the acoustic mode that is the resonance mode of the photoacoustic signal based on the amount of change in light intensity obtained from the data set, the acoustic mode estimated by the acoustic mode estimation unit 104, and the object to be measured 12 A correction coefficient determination unit 105 that determines a correction coefficient of the concentration measurement sensitivity for the specific component based on a known relationship between the concentration measurement sensitivity for the specific component (for example, glucose) and the acoustic mode; It has a concentration deriving unit 106 for deriving component concentrations, a storage unit 107 for storing information, and a resonator length control unit 108 for controlling the resonator length.

次に、本実施例の成分濃度測定装置の動作を図5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、光合波器4と光ファイバ5とコリメータ6とを介して被測定物12に照射される(図5ステップS200)。   Next, the operation of the component concentration measuring apparatus of the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, only the laser diode 1-1 (first light source) is operated. When a drive current is supplied from the laser driver 2, the laser diode 1-1 emits laser light (continuous light). At this time, when a drive current is supplied from the laser driver 2, the laser diode 1-1 emits intensity-modulated light. The wavelength (first wavelength) of the light emitted from the laser diode 1-1 is, for example, 1382 nm. The intensity-modulated light radiated from the laser diode 1-1 is guided by the optical fiber 3-1, and is irradiated to the object to be measured 12 through the optical multiplexer 4, the optical fiber 5, and the collimator 6 (step in FIG. 5). S200).

このとき、情報処理装置11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9が発生する参照信号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、光変調周波数を特定の周波数に設定すると共に、ロックインアンプ10が検出する測定信号の周波数を光変調周波数と同一の値に設定する。   At this time, the generator control unit 100 of the information processing apparatus 11 changes the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-1 by changing the reference signal generated by the function generator 9, thereby The modulation frequency is set to a specific frequency, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 10 is set to the same value as the optical modulation frequency.

音響センサ7は、被測定物12から発生する光音響信号を検出し、増幅器8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10は、増幅器8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9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。   The acoustic sensor 7 detects a photoacoustic signal generated from the device under test 12, and the amplifier 8 amplifies the electrical signal output from the acoustic sensor 8. The lock-in amplifier 10 detects a measurement signal having a frequency determined by the reference signal output from the function generator 9 among the signals included in the output of the amplifier 8.

情報処理装置11の共振器長制御部108は、共振器の2つの平行平面(ミラー)間の距離である共振器長Lを所定の範囲で漸次変化させる共振器長掃引を行う(図5ステップS201)。   The resonator length control unit 108 of the information processing apparatus 11 performs a resonator length sweep that gradually changes the resonator length L, which is the distance between two parallel planes (mirrors) of the resonator, within a predetermined range (step in FIG. 5). S201).

共振器長Lの掃引方法としては、例えば2とおりの方法が考えられる。本実施例のように、被測定物12が光音響セル13に収容され、コリメータ6と音響センサ7とが光音響セル13に取り付けられている場合には、光音響セル13のサイズを変化させることで、共振器長Lを変化させることが可能である。このためには、2つの平行平面、すなわちコリメータ6が固定されている面と音響センサ7が固定されている面のうち少なくとも一方を移動させることが可能な光音響セル13と、共振器長制御部108からの指示に応じて光音響セル13の2つの平行平面のうち少なくとも一方を移動させる駆動機構(不図示)とが必要となる。   As a method for sweeping the resonator length L, for example, two methods are conceivable. As in the present embodiment, when the DUT 12 is accommodated in the photoacoustic cell 13 and the collimator 6 and the acoustic sensor 7 are attached to the photoacoustic cell 13, the size of the photoacoustic cell 13 is changed. Thus, the resonator length L can be changed. For this purpose, a photoacoustic cell 13 capable of moving at least one of two parallel planes, that is, a surface on which the collimator 6 is fixed and a surface on which the acoustic sensor 7 is fixed, and resonator length control A drive mechanism (not shown) that moves at least one of the two parallel planes of the photoacoustic cell 13 in accordance with an instruction from the unit 108 is required.

また、共振器長Lの別の掃引方法としては、被測定物12が変形可能な固形物で、光音響セル13が無い場合に対応する方法である。コリメータ6が固定された第1の平板(ミラー)と、音響センサ7が固定された第2の平板(ミラー)とで被測定物12を挟むようにして保持する場合、第1の平板および第2の平板のうち少なくとも一方を移動させることで、被測定物12を変形させると同時に、共振器長Lを変化させることが可能である。このためには、共振器長制御部108からの指示に応じて第1の平板および第2の平板のうち少なくとも一方を移動させる駆動機構(不図示)が必要となる。   As another method for sweeping the resonator length L, there is a method corresponding to the case where the DUT 12 is a deformable solid and the photoacoustic cell 13 is not provided. When the object 12 is held between the first flat plate (mirror) to which the collimator 6 is fixed and the second flat plate (mirror) to which the acoustic sensor 7 is fixed, the first flat plate and the second flat plate are held. By moving at least one of the flat plates, it is possible to change the resonator length L at the same time that the DUT 12 is deformed. For this purpose, a drive mechanism (not shown) that moves at least one of the first flat plate and the second flat plate in accordance with an instruction from the resonator length control unit 108 is required.

こうして、共振器長掃引を行うことにより、共振器長Lと測定信号の振幅(音圧)との関係を取得し(図5ステップS202)、測定信号の振幅が最大となる共振器長Lであるピーク共振器長を探索する(図5ステップS203)。本実施例において得られた共振器長Lと音波強度との関係を図6に示す。   In this way, by performing the resonator length sweep, the relationship between the resonator length L and the amplitude (sound pressure) of the measurement signal is obtained (step S202 in FIG. 5), and the resonator length L at which the amplitude of the measurement signal is maximum is obtained. A certain peak resonator length is searched (step S203 in FIG. 5). FIG. 6 shows the relationship between the resonator length L and the sound wave intensity obtained in this example.

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5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5ステップS205)。このとき、共振器長制御部108は、共振器長Lを上記のピーク共振器長に設定する。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。   Next, the laser diode 1-1 is operated again to output continuous light (step S204 in FIG. 5), and then the laser diode 1-2 (second light source) is operated to output continuous light (FIG. 5). Step S205). At this time, the resonator length control unit 108 sets the resonator length L to the peak resonator length. The wavelength of the light emitted from the laser diode 1-1 is, for example, 1382 nm, and the wavelength (second wavelength) of the light emitted from the laser diode 1-2 is, for example, 1610 nm. The two laser diodes 1-1, 1- The wavelengths of light emitted from the two are different.

情報処理装置11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9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特定の周波数に設定すると共に、ロックインアンプ10が検出する測定信号の周波数を光変調周波数と同一の値に設定する。レーザドライバ2から、同一周波数で逆位相の波形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の特定周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する(図5ステップS206)。したがって、本実施例では、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。   The generator control unit 100 of the information processing device 11 changes the frequency of the two reference signals generated by the function generator 9 to change the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-2. And the optical modulation frequency is set to the above specific frequency, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 10 is set to the same value as the optical modulation frequency. By supplying drive currents having the same frequency and opposite phases from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-2, the light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 is supplied to the same specific frequency. Then, intensity modulation is performed with the signals of opposite phases (step S206 in FIG. 5). Therefore, in this embodiment, two intensity-modulated lights are generated by intensity-modulating two laser beams having different wavelengths with signals having the same frequency and opposite phases.

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、光合波器4によって合波され、さらに光ファイバ5とコリメータ6とを介して被測定物12に照射される。   The intensity-modulated lights emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 are respectively guided by the optical fibers 3-1 and 3-2, and are combined by the optical multiplexer 4, and the optical fiber 5 and the collimator 6 are further connected. The object to be measured 12 is irradiated through.

情報処理装置11の光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ9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5ステップS207)。   The light intensity control unit 101 of the information processing apparatus 11 controls the function generator 9 to set the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-1 to a predetermined value, so that the laser driver 1 transmits the laser diode 1 to the laser diode 1. -1 is made constant, and the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 is made constant (step S207 in FIG. 5).

また、情報処理装置11の光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ9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10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5ステップS208)。   Further, the light intensity control unit 101 of the information processing apparatus 11 controls the function generator 9 to change the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-2, so that the laser driver 1 outputs the laser diode 1-. The intensity of the measurement signal output from the lock-in amplifier 10 is minimized by performing a light intensity sweep that changes the intensity of the drive current supplied to 2 and gradually changes the intensity of the light emitted from the laser diode 1-2. The intensity of light emitted from the laser diode 1-2 is adjusted so as to become (step S208 in FIG. 5).

情報処理装置11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9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11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5ステップS209)。 The light intensity measurement unit 102 of the information processing apparatus 11 measures the intensity of light emitted from the laser diode 1-2. The light intensity measurement unit 102 acquires the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-2 output from the function generator 9. The storage unit 107 of the information processing apparatus 11 stores in advance calibration data indicating the relationship between the voltage of the reference signal and the intensity of light emitted from the laser diode 1-2. Calibration data can be obtained in advance by actual measurement of voltage and intensity. The light intensity measurement unit 102 refers to such calibration data, and converts the voltage of the acquired reference signal into the intensity of light emitted from the laser diode 1-2. The light intensity measurement unit 102 stores the intensity I 0 of the light emitted from the laser diode 1-2 when the amplitude of the measurement signal is minimum in the storage unit 107 (step S209 in FIG. 5).

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5ステップS210)。共振器長制御部108は、共振器長Lを上記のピーク共振器長に設定する。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。   Next, the operation of the laser diode 1-2 is stopped, and the laser diode 1-3 (third light source) is operated to output continuous light (step S210 in FIG. 5). The resonator length control unit 108 sets the resonator length L to the above-described peak resonator length. The wavelength of light emitted from the laser diode 1-3 (third wavelength) is, for example, 1650 nm, and the wavelengths of light emitted from the two laser diodes 1-1 and 1-3 are different.

情報処理装置11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9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特定の周波数に設定すると共に、ロックインアンプ10が検出する測定信号の周波数を光変調周波数と同一の値に設定する。レーザドライバ2から、同一周波数で逆位相の波形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の特定周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する(図5ステップS211)。   The generator control unit 100 of the information processing device 11 changes the frequency of the two reference signals generated by the function generator 9 to change the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-3. And the optical modulation frequency is set to the above specific frequency, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 10 is set to the same value as the optical modulation frequency. By supplying drive currents having the same frequency and an opposite phase waveform from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-3, the light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-3 has the same specific frequency. Then, intensity modulation is performed with the signals of opposite phases (step S211 in FIG. 5).

情報処理装置11の光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ9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10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5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。   The light intensity control unit 101 of the information processing apparatus 11 controls the function generator 9 to change the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-3 to change the laser driver 2 to the laser diode 1-3. The intensity of the measurement signal output from the lock-in amplifier 10 is minimized by performing a light intensity sweep that changes the magnitude of the supplied drive current and gradually changes the intensity of the light emitted from the laser diode 1-3. In this way, the intensity of light emitted from the laser diode 1-3 is adjusted (step S212 in FIG. 5). As described above, the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 is constant.

情報処理装置11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9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11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5ステップS213)。 The light intensity measurement unit 102 of the information processing apparatus 11 measures the intensity of light emitted from the laser diode 1-3. The light intensity measurement unit 102 acquires the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-3 output from the function generator 9. Similarly to the above, the storage unit 107 of the information processing apparatus 11 stores in advance calibration data indicating the relationship between the voltage of the reference signal and the intensity of light emitted from the laser diode 1-3. The light intensity measurement unit 102 refers to such calibration data, and converts the voltage of the acquired reference signal into the intensity of light emitted from the laser diode 1-3. The light intensity measurement unit 102 stores the intensity I 1 of the light emitted from the laser diode 1-3 when the amplitude of the measurement signal is minimum in the storage unit 107 (step S213 in FIG. 5).

情報処理装置11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5ステップS214)。 The light intensity change amount calculation unit 103 of the information processing apparatus 11 calculates the ratio of the light intensity change amount ΔI = (I 1 −I 0 ) with respect to the light intensity I 0 from the light intensities I 0 and I 1 obtained in steps S209 and S213. ΔI / I is calculated by equation (11) (step S214 in FIG. 5).

レーザダイオード1−3から放射される第3の波長の光に対する被測定物12の光吸収係数がレーザダイオード1−2から放射される第2の波長の光に対する被測定物12の光吸収係数よりも0.02/mm大きい場合の光強度の変化量の比ΔI/Iを図7に示す。図7によると、ΔI/I=4.7%という結果が得られる。   The light absorption coefficient of the device under test 12 for the third wavelength light emitted from the laser diode 1-3 is based on the light absorption coefficient of the device under test 12 for the second wavelength light emitted from the laser diode 1-2. FIG. 7 shows the ratio ΔI / I of the change amount of the light intensity when 0.02 / mm is larger. According to FIG. 7, the result ΔI / I = 4.7% is obtained.

次に、情報処理装置11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5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。 Next, the acoustic mode estimation unit 104 of the information processing apparatus 11 uses a predetermined data set as shown in Table 1 to calculate the light intensity change amount ratio ΔI 2 / I 2 using the equations (12) and (13). Is calculated for each acoustic mode q (step S215 in FIG. 5). The data set represents the relationship between the first, second, and third wavelengths and the light absorption coefficient of a specific component (for example, glucose) with respect to light of these wavelengths.

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。上記のとおり共振器長Lは既知のピーク共振器長に設定されている。 The function F 1 can be calculated from the light absorption coefficient α 1 = 0.30 / mm for the first wavelength light and the acoustic mode q, and the function F 2 is the light absorption coefficient α 2 = for the second wavelength light. It can be calculated from 0.28 / mm and the acoustic mode q. Δα 2 is a change amount of the light absorption coefficient α 2 with respect to the light absorption coefficient α 1 . As described above, the resonator length L is set to a known peak resonator length.

ステップS215の計算の結果から、図8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11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、今回の共振器長での音響モードの値として決定する(図5ステップS216)。本実施例の例では、q=2であることが推測できる。 The relationship between the acoustic mode q and the light intensity change ratio ΔI 2 / I 2 as shown in FIG. 8 is obtained from the calculation result of step S215. The acoustic mode estimation unit 104 of the information processing apparatus 11 has the light intensity change ratio ΔI / I calculated in step S214 equal to the light intensity change ratio ΔI 2 / I 2 calculated in step S215. The value of the acoustic mode q is determined as the value of the acoustic mode at the current resonator length (step S216 in FIG. 5). In the example of this embodiment, it can be estimated that q = 2.

情報処理装置11の補正係数決定部105は、音響モード推定部104が推定した音響モードqの値に対応する、被測定物12内の特定成分(本実施例の例ではグルコース)の濃度の測定感度Gqを、濃度測定感度と音響モードqとの既知の関係(図9)から求め、この濃度測定感度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として決定する(図5ステップS217)。   The correction coefficient determination unit 105 of the information processing apparatus 11 measures the concentration of a specific component (glucose in the example of the present embodiment) in the DUT 12 corresponding to the value of the acoustic mode q estimated by the acoustic mode estimation unit 104. The sensitivity Gq is obtained from the known relationship between the density measurement sensitivity and the acoustic mode q (FIG. 9), and the ratio G0 / Gq of the density measurement sensitivity G0 when the acoustic mode q = 0 with respect to the density measurement sensitivity Gq is the correction coefficient A. (Step S217 in FIG. 5).

図9によると、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、補正係数決定部105は、補正係数A=1/5と求めることができる。   According to FIG. 9, the density measurement sensitivity Gq when the acoustic mode q = 2 is approximately five times larger than the density measurement sensitivity G0 when the acoustic mode q = 0, so that the correction coefficient determination unit 105 performs the correction coefficient A = 1 / 5 can be obtained.

情報処理装置11の濃度導出部106は、ステップS214で計算された光強度の変化量の比ΔI/I(音響モードq=2のときの光強度の変化量の比ΔI2/I2)と、補正係数決定部105が決定した補正係数Aとから、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12内の特定成分の濃度の変化量ΔC[%]を式(14)により計算する(図5ステップS218)。 The concentration deriving unit 106 of the information processing apparatus 11 calculates the light intensity change ratio ΔI / I (the light intensity change ratio ΔI 2 / I 2 when the acoustic mode q = 2) calculated in step S214. Based on the correction coefficient A determined by the correction coefficient determination unit 105, the amount of change ΔC [%] of the concentration of the specific component in the device under test 12 at an arbitrary time after the start of measurement is expressed by equation (14). Calculation is performed (step S218 in FIG. 5).

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5ステップS219)。なお、参照濃度は、被測定物12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共振器長の選択時に実施しておけばよい。   Finally, the concentration deriving unit 106 calculates the concentration of the specific component at an arbitrary time point after the elapse of an arbitrary time from the change amount ΔC [%] of the concentration of the specific component calculated in step S218 and the known reference concentration of the specific component. (Step S219 in FIG. 5). The reference concentration can be obtained by performing a standard blood glucose measurement method on the object 12 to be measured. To perform a standard blood glucose measurement method, insert a glucose sensor into the body of the blood glucose meter, set the needle on a dedicated machine (or body), collect blood from a finger, etc., and absorb the blood into the glucose sensor. Let A standard blood glucose measurement method uses a known concentration of glucose solution as a standard calibration solution for machine operation confirmation. It is used to check whether the machine is operating normally during initial operation, or to check whether the blood glucose level is abnormal (ie, whether the machine is operating normally). Such a standard blood glucose measurement method may be performed at the time of starting measurement, for example, when selecting the peak resonator length.

以上のようにして、本実施例では、被測定物12内の特定成分に対する濃度測定感度の、音響モードによる変化を補償することができ、測定感度を向上させることができる。   As described above, in this embodiment, it is possible to compensate for the change in the density measurement sensitivity with respect to the specific component in the DUT 12 due to the acoustic mode, and to improve the measurement sensitivity.

なお、音波の波長は、照射する光の変調周波数に依存して次式で決まる。   The wavelength of the sound wave is determined by the following equation depending on the modulation frequency of the irradiated light.

fは光の変調周波数、vは音速、λは音の波長である。被測定物12が波長λよりも薄く音響モードqが定義できない場合、図10に示すように、被測定物12と音響センサ7との間に音響整合層14を設けることで解決できる。被測定物12が生体の場合、音響整合層14の例としてはゴムや超音波診断用のゲルなどがある。音響整合層14は、厚さが可変であることが好ましい。   f is the modulation frequency of light, v is the speed of sound, and λ is the wavelength of sound. If the device under test 12 is thinner than the wavelength λ and the acoustic mode q cannot be defined, it can be solved by providing an acoustic matching layer 14 between the device under test 12 and the acoustic sensor 7 as shown in FIG. When the DUT 12 is a living body, examples of the acoustic matching layer 14 include rubber and a gel for ultrasonic diagnosis. The acoustic matching layer 14 is preferably variable in thickness.

[第2の実施例]
次に、本発明の第2の実施例について説明する。図11は本発明の第2の実施例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3と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例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、光合波器4と、光ファイバ5と、コリメータ6と、音響センサ7と、増幅器8と、ファンクションジェネレータ9と、ロックインアンプ10と、情報処理装置11aと、被測定物12の温度を変化させる温度制御器15とから構成される。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the component concentration measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. The same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals. The component concentration measuring apparatus according to the present embodiment includes laser diodes 1-1 and 1-2, a laser driver 2, optical fibers 3-1 and 3-2, an optical multiplexer 4, an optical fiber 5, and a collimator 6. And an acoustic sensor 7, an amplifier 8, a function generator 9, a lock-in amplifier 10, an information processing device 11 a, and a temperature controller 15 that changes the temperature of the device under test 12.

図12は本実施例の情報処理装置11aの構成を示すブロック図である。情報処理装置11a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、補正係数決定部105と、濃度導出部106と、記憶部107と、共振器長制御部108と、被測定物12の温度を制御する温度制御部109とを有する。   FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of the information processing apparatus 11a of this embodiment. The information processing apparatus 11a includes a generator control unit 100, a light intensity control unit 101, a light intensity measurement unit 102, a light intensity change amount calculation unit 103, an acoustic mode estimation unit 104, a correction coefficient determination unit 105, a concentration It has a derivation unit 106, a storage unit 107, a resonator length control unit 108, and a temperature control unit 109 that controls the temperature of the DUT 12.

次に、本実施例の成分濃度測定装置の動作を図13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の実施例と同様に、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、光合波器4と光ファイバ5とコリメータ6とを介して被測定物12に照射される(図13ステップS300)。第1の実施例と同様に、情報処理装置11のジェネレータ制御部100は、光変調周波数を特定の周波数に設定すると共に、ロックインアンプ10が検出する測定信号の周波数を光変調周波数と同一の値に設定する。   Next, the operation of the component concentration measuring apparatus of the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. First, only the laser diode 1-1 (first light source) is operated. When a drive current is supplied from the laser driver 2, the laser diode 1-1 emits laser light (continuous light). At this time, when a drive current is supplied from the laser driver 2, the laser diode 1-1 emits intensity-modulated light. Similar to the first embodiment, the wavelength of light emitted from the laser diode 1-1 (first wavelength) is, for example, 1382 nm. The intensity-modulated light radiated from the laser diode 1-1 is guided by the optical fiber 3-1, and is irradiated to the object to be measured 12 through the optical multiplexer 4, the optical fiber 5, and the collimator 6 (step in FIG. 13). S300). Similarly to the first embodiment, the generator control unit 100 of the information processing apparatus 11 sets the optical modulation frequency to a specific frequency, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 10 is the same as the optical modulation frequency. Set to value.

音響センサ7は、被測定物12から発生する光音響信号を検出し、増幅器8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10は、増幅器8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9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。   The acoustic sensor 7 detects a photoacoustic signal generated from the device under test 12, and the amplifier 8 amplifies the electrical signal output from the acoustic sensor 8. The lock-in amplifier 10 detects a measurement signal having a frequency determined by the reference signal output from the function generator 9 among the signals included in the output of the amplifier 8.

第1の実施例と同様に、情報処理装置11aの共振器長制御部108は、共振器長Lを所定の範囲で漸次変化させる共振器長掃引を行う(図13ステップS301)。こうして、共振器長掃引を行うことにより、共振器長Lと測定信号の振幅(音圧)との関係を取得し(図13ステップS302)、測定信号の振幅が最大となる共振器長Lであるピーク共振器長を探索する(図13ステップS303)。   Similar to the first embodiment, the resonator length control unit 108 of the information processing apparatus 11a performs a resonator length sweep that gradually changes the resonator length L within a predetermined range (step S301 in FIG. 13). Thus, by performing the resonator length sweep, the relationship between the resonator length L and the amplitude (sound pressure) of the measurement signal is acquired (step S302 in FIG. 13), and the resonator length L at which the amplitude of the measurement signal is maximum is obtained. A certain peak resonator length is searched (step S303 in FIG. 13).

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13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13ステップS305)。このとき、共振器長制御部108は、共振器長Lを上記のピーク共振器長に設定する。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。   Next, the laser diode 1-1 is operated again to output continuous light (FIG. 13, step S304), and then the laser diode 1-2 (second light source) is operated to output continuous light (FIG. 13). Step S305). At this time, the resonator length control unit 108 sets the resonator length L to the peak resonator length. The wavelength of the light emitted from the laser diode 1-1 is, for example, 1382 nm, and the wavelength (second wavelength) of the light emitted from the laser diode 1-2 is, for example, 1610 nm. The two laser diodes 1-1, 1- The wavelengths of light emitted from the two are different.

情報処理装置11a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9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特定の周波数に設定すると共に、ロックインアンプ10が検出する測定信号の周波数を光変調周波数と同一の値に設定する。レーザドライバ2から、同一周波数で逆位相の波形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の特定周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する(図13ステップS306)。   The generator control unit 100 of the information processing device 11a changes the frequency of the two reference signals generated by the function generator 9, thereby changing the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-2. And the optical modulation frequency is set to the above specific frequency, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 10 is set to the same value as the optical modulation frequency. By supplying drive currents having the same frequency and opposite phases from the laser driver 2 to the laser diodes 1-1 and 1-2, the light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 is supplied to the same specific frequency. Then, the intensity is modulated by the signals having opposite phases (step S306 in FIG. 13).

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、光合波器4によって合波され、さらに光ファイバ5とコリメータ6とを介して被測定物12に照射される。   The intensity-modulated lights emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 are respectively guided by the optical fibers 3-1 and 3-2, and are combined by the optical multiplexer 4, and the optical fiber 5 and the collimator 6 are further connected. The object to be measured 12 is irradiated through.

情報処理装置11aの光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ9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13ステップS307)。   The light intensity control unit 101 of the information processing apparatus 11a controls the function generator 9 to set the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-1 to a predetermined value. -1 is made constant, and the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 is made constant (step S307 in FIG. 13).

また、光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ9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10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13ステップS308)。   Further, the light intensity controller 101 is supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-2 by controlling the function generator 9 to change the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-2. The intensity of the measurement signal output from the lock-in amplifier 10 is minimized by performing a light intensity sweep that changes the magnitude of the drive current and gradually changes the intensity of the light emitted from the laser diode 1-2. The intensity of light emitted from the diode 1-2 is adjusted (step S308 in FIG. 13).

情報処理装置11aの光強度測定部102は、第1の実施例と同様に、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13ステップS309)。 The light intensity measurement unit 102 of the information processing apparatus 11a measures the intensity of light emitted from the laser diode 1-2, as in the first embodiment. Then, the light intensity measurement unit 102 stores the intensity I 0 of the light emitted from the laser diode 1-2 when the amplitude of the measurement signal is minimum in the storage unit 107 (step S309 in FIG. 13).

次に、情報処理装置11aの温度制御部109は、温度制御器15を制御して被測定物12の温度をΔT(例えば1℃)だけ上げる(図13ステップS310)。   Next, the temperature controller 109 of the information processing apparatus 11a controls the temperature controller 15 to increase the temperature of the DUT 12 by ΔT (for example, 1 ° C.) (step S310 in FIG. 13).

情報処理装置11aの光強度制御部101は、ファンクションジェネレータ9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10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13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。   The light intensity control unit 101 of the information processing apparatus 11a controls the function generator 9 to change the voltage of the reference signal for driving the laser diode 1-2, thereby changing the laser driver 2 to the laser diode 1-2. The intensity of the measurement signal output from the lock-in amplifier 10 is minimized by changing the magnitude of the supplied drive current and performing a light intensity sweep that gradually changes the intensity of the light emitted from the laser diode 1-2. In this way, the intensity of the light emitted from the laser diode 1-2 is adjusted (step S311 in FIG. 13). As described above, the intensity of light emitted from the laser diode 1-1 is constant.

情報処理装置11a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13ステップS312)。 The light intensity measurement unit 102 of the information processing apparatus 11a measures the intensity of light emitted from the laser diode 1-2 in the same manner as in step S309. Then, the light intensity measurement unit 102 stores the intensity I 1 of the light emitted from the laser diode 1-2 when the amplitude of the measurement signal is minimum in the storage unit 107 (step S312 in FIG. 13).

情報処理装置11a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(15)により計算する(図13ステップS313)。被測定物12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14に示す。図14によると、ΔI/I=1.8%という結果が得られる。 The light intensity change amount calculation unit 103 of the information processing apparatus 11a calculates the ratio of the light intensity change amount ΔI = (I 1 −I 0 ) to the light intensity I 0 from the light intensities I 0 and I 1 obtained in steps S309 and S312. ΔI / I is calculated by equation (15) (step S313 in FIG. 13). FIG. 14 shows the ratio ΔI / I of the amount of change in light intensity before and after the temperature change when the temperature of the DUT 12 is raised by 1 ° C. According to FIG. 14, a result of ΔI / I = 1.8% is obtained.

次に、情報処理装置11a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(16)、式(17)により音響モードq毎に計算する(図13ステップS314)。データセットは、第1、第2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。 Next, the acoustic mode estimation unit 104 of the information processing apparatus 11a uses the predetermined data set as shown in Table 2 to calculate the light intensity change amount ratio ΔI 2 / I 2 using Equations (16) and (17). Is calculated for each acoustic mode q (step S314 in FIG. 13). The data set represents the relationship between the first and second wavelengths, the light absorption coefficient of a specific component (for example, glucose) with respect to light of these wavelengths, and the temperature dependence of these light absorption coefficients.

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。上記のとおり共振器長Lは既知のピーク共振器長に設定されている。 γ 1 is the temperature dependence of the light absorption coefficient α 1 of the object to be measured for the first wavelength light (temperature absorbance), and γ 2 is the temperature dependence of the light absorption coefficient α 2 of the object to be measured for the second wavelength light. It is sex. The function F 1 can be calculated from the light absorption coefficient α 1 = 0.30 / mm for the first wavelength light and the acoustic mode q, and the function F 2 is the light absorption coefficient α 2 = for the second wavelength light. It can be calculated from 0.28 / mm and the acoustic mode q. As described above, the resonator length L is set to a known peak resonator length.

ステップS314の計算の結果から、図15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11a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、今回の共振器長での音響モードの値として決定する(図13ステップS315)。本実施例の例では、q=1であることが推測できる。 From the result of the calculation in step S314, the relationship between the acoustic mode q and the light intensity change ratio ΔI 2 / I 2 as shown in FIG. 15 is obtained. The acoustic mode estimation unit 104 of the information processing apparatus 11a has the light intensity change ratio ΔI / I calculated in step S313 equal to the light intensity change ratio ΔI 2 / I 2 calculated in step S314. The value of the acoustic mode q is determined as the value of the acoustic mode at the current resonator length (step S315 in FIG. 13). In the example of this embodiment, it can be estimated that q = 1.

情報処理装置11aの補正係数決定部105は、音響モード推定部104が推定した音響モードqの値に対応する、被測定物12内の特定成分(本実施例の例ではグルコース)の濃度の測定感度Gqを、濃度測定感度と音響モードqとの既知の関係(図9)から求め、この濃度測定感度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として決定する(図13ステップS316)。   The correction coefficient determination unit 105 of the information processing apparatus 11a measures the concentration of a specific component (glucose in the example of the present embodiment) in the DUT 12 corresponding to the value of the acoustic mode q estimated by the acoustic mode estimation unit 104. The sensitivity Gq is obtained from the known relationship between the density measurement sensitivity and the acoustic mode q (FIG. 9), and the ratio G0 / Gq of the density measurement sensitivity G0 when the acoustic mode q = 0 with respect to the density measurement sensitivity Gq is the correction coefficient A. (Step S316 in FIG. 13).

図9によると、音響モードq=1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3倍大きいので、補正係数決定部105は、補正係数A=1/3と求めることができる。   According to FIG. 9, since the density measurement sensitivity Gq when the acoustic mode q = 1 is approximately three times larger than the density measurement sensitivity G0 when the acoustic mode q = 0, the correction coefficient determination unit 105 determines that the correction coefficient A = 1 / 3 can be obtained.

情報処理装置11aの濃度導出部106は、ステップS313で計算された光強度の変化量の比ΔI/I(音響モードq=1のときの光強度の変化量の比ΔI2/I2)と、補正係数決定部105が決定した補正係数Aとから、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12内の特定成分の濃度の変化量ΔC[%]を式(18)により計算する(図13ステップS317)。 The concentration deriving unit 106 of the information processing apparatus 11a calculates the light intensity change amount ratio ΔI / I (the light intensity change amount ratio ΔI 2 / I 2 when the acoustic mode q = 1) calculated in step S313. Based on the correction coefficient A determined by the correction coefficient determination unit 105, the change amount ΔC [%] of the concentration of the specific component in the DUT 12 at an arbitrary time after the start of measurement is expressed by the equation (18). Calculation is performed (step S317 in FIG. 13).

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13ステップS318)。
こうして、本実施例では、上記の第1の実施例と同様の効果を得ることができる。
Finally, the concentration deriving unit 106 calculates the concentration of the specific component at an arbitrary time point after the elapse of an arbitrary time from the change amount ΔC [%] of the concentration of the specific component calculated in step S317 and the known reference concentration of the specific component. (Step S318 in FIG. 13).
Thus, in this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

第1の実施例で説明したように、本実施例においても、被測定物12と音響センサ7との間に音響整合層14を設けるようにしてもよい(図16)。   As described in the first embodiment, also in this embodiment, the acoustic matching layer 14 may be provided between the DUT 12 and the acoustic sensor 7 (FIG. 16).

なお、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。   The reflected propagation of sound waves can be evaluated using acoustic impedance. For example, the reflectance R and transmittance T at the interface between different materials can be expressed by the following equations.

1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(22)で表すことができる。 Z 1 is the acoustic impedance of the first material, and Z 2 is the acoustic impedance of the second material in contact with the first material. The acoustic impedance Z can be expressed by Equation (22).

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12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。この条件を満たす共振器の材料として、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。共振器を構成する光音響セル13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。あるいは、共振器を構成する第1、第2の平板は、照射される光の光軸に対して略直交するように配置され、これらの2つの平板は互いに平行となっていることが好ましい。   ρ is the density of the material, and C is the speed of sound within the material. The sound wave to be reflected and transmitted is determined by the difference in acoustic impedance. FIG. 17 shows the relationship between sound wave reflectance and acoustic impedance. A reflectance of 0.8 or more between the DUT 12 and the resonator material interface is a necessary condition for functioning as a resonator. As a material for the resonator satisfying this condition, there are various metals such as glass, iron and copper. The photoacoustic cell 13 constituting the resonator preferably has two surfaces substantially orthogonal to the optical axis of the irradiated light, and these two surfaces are preferably parallel to each other. Or it is preferable that the 1st, 2nd flat plate which comprises a resonator is arrange | positioned so as to be substantially orthogonal to the optical axis of the irradiated light, and these two flat plates are mutually parallel.

なお、第1、第2の実施例において、被測定物12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12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。   In the first and second embodiments, the plurality of lights irradiated on the object to be measured 12 is light absorption of components other than the component to be measured included in the object to be measured 12 with respect to the wavelengths of the plurality of lights. It is preferable that the coefficients are substantially equal.

また、第1、第2の実施例では、異なる波長の複数の光をコリメータ6によりそれぞれ平行光にして被測定物12の略同一領域に同軸で照射するが、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。   Further, in the first and second embodiments, a plurality of lights having different wavelengths are converted into parallel lights by the collimator 6 and irradiated on substantially the same region of the object 12 to be measured coaxially. The diameters are preferably substantially equal.

第1、第2の実施例の情報処理装置11,11a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。このようなコンピュータにおいて、本発明の成分濃度測定方法を実現させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、CD−ROM、DVD−ROM、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供され、記憶装置に格納される。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の実施例で説明した処理を実行する。   The information processing apparatuses 11 and 11a of the first and second embodiments can be realized by, for example, a computer having a CPU (Central Processing Unit), a storage device, and an interface, and a program for controlling these hardware resources. In such a computer, the program for realizing the component concentration measurement method of the present invention is provided in a state of being recorded on a recording medium such as a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, or a memory card, and stored in a storage device. Stored. The CPU executes the processing described in the first and second embodiments according to the program stored in the storage device.

本発明は、例えば血液グルコース、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。   The present invention can be applied to a technique for monitoring the concentration of components such as blood glucose and albumin.

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…光合波器、6…コリメータ、7…音響センサ、8…増幅器、9…ファンクションジェネレータ、10…ロックインアンプ、11…情報処理装置、12…被測定物、13…光音響セル、14…音響整合層、15…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…補正係数決定部、106…濃度導出部、107…記憶部、108…共振器長制御部、109…温度制御部。    DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-1 to 1-3 ... Laser diode, 2 ... Laser driver, 3-1 to 3-3, 5 ... Optical fiber, 4 ... Optical multiplexer, 6 ... Collimator, 7 ... Acoustic sensor, 8 ... Amplifier, 9 ... Function generator, 10 ... Lock-in amplifier, 11 ... Information processing device, 12 ... Device under test, 13 ... Photoacoustic cell, 14 ... Acoustic matching layer, 15 ... Temperature controller, 100 ... Generator controller, 101 ... Light intensity control , 102 ... Light intensity measurement unit, 103 ... Light intensity change amount calculation unit, 104 ... Acoustic mode estimation unit, 105 ... Correction coefficient determination unit, 106 ... Concentration derivation unit, 107 ... Storage unit, 108 ... Resonator length control unit 109 temperature control unit.

Claims (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部と、
前記光照射部によって照射される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部と、
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増幅する共振器と、
この共振器によって増幅された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部と、
前記光強度制御部が変化させた光の強度を測定する光強度測定部と、
強度を変化させる光の波長が異なる2つの場合または前記被測定物の温度が異なる2つの場合について、それぞれの場合で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部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部と、
この音響モード推定部が推定した音響モードと、前記被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、前記測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する補正係数決定部と、
前記光強度測定部の測定結果から得られる光強度の変化量と前記補正係数に基づいて前記測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出部とを備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
A light irradiating unit that irradiates an object to be measured by modulating the intensity of a plurality of lights having different wavelengths with signals having the same frequency and different phases; and
A light intensity control unit that changes the intensity of at least one of the plurality of intensity-modulated lights irradiated by the light irradiation unit;
A resonator for amplifying a photoacoustic signal generated from the object to be measured by light irradiation;
A photoacoustic signal detector that detects the photoacoustic signal amplified by the resonator and outputs an electrical signal; and
A light intensity measurement unit that measures the intensity of light changed by the light intensity control unit;
Measurement results of the light intensity measurement unit when the intensity of the electric signal is the lowest in each case for two cases where the wavelengths of light whose intensity is changed are different or two cases where the temperature of the object to be measured is different. An acoustic mode estimation unit that estimates an acoustic mode that is a resonance mode of the photoacoustic signal, based on a variation in light intensity obtained from a variation in light intensity obtained from a known data set;
Based on the known relationship between the acoustic mode estimated by the acoustic mode estimation unit, the concentration measurement sensitivity for the measurement target component included in the object to be measured, and the acoustic mode, the correction of the concentration measurement sensitivity for the measurement target component is performed. A correction coefficient determination unit for determining a coefficient;
A component concentration measuring apparatus comprising: a concentration deriving unit that derives a concentration of a component to be measured based on a change amount of light intensity obtained from a measurement result of the light intensity measuring unit and the correction coefficient.
請求項1記載の成分濃度測定装置において、
前記光照射部は、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部は、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。
In the component concentration measuring apparatus according to claim 1,
The light irradiation unit simultaneously irradiates the object to be measured with light of two different wavelengths,
The acoustic mode estimation unit changes the intensity of light of the second wavelength while keeping the intensity of light of the first wavelength constant, so that the light of the second wavelength when the intensity of the electrical signal becomes the minimum And the third wavelength when the intensity of the electric signal becomes the minimum by changing the intensity of the light of the third wavelength while keeping the intensity of the light of the first wavelength constant. A component concentration measuring apparatus that estimates the acoustic mode based on a change amount of light intensity obtained from a measurement result of light intensity and a change amount of light intensity obtained from a known data set.
請求項1記載の成分濃度測定装置において、
前記被測定物の温度を制御する温度制御部をさらに備え、
前記光照射部は、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部は、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、前記温度制御部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。
In the component concentration measuring apparatus according to claim 1,
A temperature control unit for controlling the temperature of the object to be measured;
The light irradiation unit simultaneously irradiates the object to be measured with light of two different wavelengths,
The acoustic mode estimation unit changes the intensity of light of the second wavelength while keeping the intensity of light of the first wavelength constant, so that the light of the second wavelength when the intensity of the electrical signal becomes the minimum And the intensity of the light of the first wavelength is made constant after changing the temperature of the object to be measured by the temperature controller and the intensity of the light of the second wavelength is changed. Based on the change amount of the light intensity obtained from the measurement result of the light intensity of the second wavelength when the intensity of the electric signal is the lowest, and the change amount of the light intensity obtained from the known data set, A component concentration measuring apparatus for estimating the acoustic mode.
請求項2または3記載の成分濃度測定装置において、
前記共振器は、共振器長が可変であり、
前記共振器長を制御する共振器長制御部をさらに備え、
前記光照射部は、異なる2つの波長の光を前記被測定物に同時に照射する前に、前記第1の波長の光のみを前記被測定物に照射し、
前記共振器長制御部は、前記第1の波長の光のみを前記被測定物に照射したときに得られる前記電気信号の強度が最大となるように前記共振器長を設定することを特徴とする成分濃度測定装置。
The component concentration measuring apparatus according to claim 2 or 3,
The resonator has a variable resonator length,
A resonator length controller for controlling the resonator length;
The light irradiation unit irradiates the object to be measured only with light of the first wavelength before simultaneously irradiating the object to be measured with light of two different wavelengths,
The resonator length control unit sets the resonator length so that the intensity of the electric signal obtained when the object to be measured is irradiated with only light of the first wavelength is maximized. Component concentration measuring device.
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。
In the component concentration measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The plurality of lights irradiated on the object to be measured have a component concentration measurement characterized in that light absorption coefficients of components other than the component to be measured included in the object to be measured are substantially equal to the wavelengths of the plurality of lights. apparatus.
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、
前記光照射部は、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。
In the component concentration measuring apparatus according to any one of claims 1 to 5,
The light irradiating unit coaxially irradiates substantially the same region of the object to be measured with each of a plurality of lights having different wavelengths as parallel light,
A component concentration measuring apparatus, wherein the beam diameters of a plurality of lights having different wavelengths are substantially equal.
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、
前記共振器は、前記光照射部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。
In the component concentration measuring apparatus according to any one of claims 1 to 6,
The resonator has two surfaces substantially orthogonal to the optical axis of light emitted from the light irradiation unit, and these surfaces are parallel to each other.
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第1のステップと、
前記被測定物に照射する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第2のステップと、
光照射によって前記被測定物から発生し共振器によって増幅された光音響信号を検出して電気信号を出力する第3のステップと、
前記第2のステップで変化させた光の強度を測定する第4のステップと、
強度を変化させる光の波長が異なる2つの場合または前記被測定物の温度が異なる2つの場合について、それぞれの場合で前記電気信号の強度が最低となったときの前記第4の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第5のステップと、
この第5のステップで推定した音響モードと、前記被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、前記測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する第6のステップと、
前記第4のステップの測定結果から得られる光強度の変化量と前記補正係数に基づいて前記測定対象の成分の濃度を導出する第7のステップとを含むことを特徴とする成分濃度測定方法。
A first step of irradiating an object to be measured after intensity-modulating a plurality of lights having different wavelengths with signals having the same frequency and different phases;
A second step of changing the intensity of at least one of a plurality of intensity-modulated lights irradiated to the object to be measured;
A third step of detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured by light irradiation and amplified by a resonator and outputting an electrical signal;
A fourth step of measuring the intensity of the light changed in the second step;
The measurement result of the fourth step when the intensity of the electric signal is the lowest in each case for two cases where the wavelengths of light whose intensity changes are different or two cases where the temperature of the object to be measured is different. A fifth step of estimating an acoustic mode, which is a resonance mode of the photoacoustic signal, based on the amount of change in light intensity obtained from the above and the amount of change in light intensity obtained from a known data set;
Based on the known relationship between the acoustic mode estimated in the fifth step, the concentration measurement sensitivity for the measurement target component included in the object to be measured, and the acoustic mode, the concentration measurement sensitivity correction for the measurement target component is performed. A sixth step of determining coefficients;
A component concentration measuring method comprising: a seventh step of deriving the concentration of the component to be measured based on the amount of change in light intensity obtained from the measurement result of the fourth step and the correction coefficient.
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