JP2019181009A

JP2019181009A - 成分濃度測定装置

Info

Publication number: JP2019181009A
Application number: JP2018078215A
Authority: JP
Inventors: 克裕味戸; Katsuhiro Ajito; 倫子瀬山; Michiko Seyama; 大地松永; Daichi Matsunaga; 昌人中村; Masato Nakamura; 雄次郎田中; Yujiro Tanaka
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-04-16
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2019-10-24
Also published as: US20210121105A1; WO2019203029A1; US11911150B2

Abstract

【課題】光音響法による人体内のグルコースの測定における温度上昇による測定精度の低下を抑制する。【解決手段】グルコースが吸収する波長のビーム光１２１を測定部位１５１に照射する光照射部１０１と、光照射部１０１から出射されたビーム光１２１を照射した測定部位１５１から発生する光音響信号を検出する検出部１０２とを備える。光照射部１０１は、ビーム光１２１を２次元的に走査して測定部位１５１に照射する。ビーム光１２１を、ラスター走査して測定部位１５１に照射する。例えば、ビーム光１２１は、ビーム径が１００μｍ程度であり、１００μｍ／１０ｍｓ程度の走査速度で走査する。【選択図】図１

Description

本発明は、非侵襲にグルコースの濃度を測定する成分濃度測定装置に関する。

糖尿病患者に対するインスリンの投与量の決定や、糖尿病の予防などの観点より、血糖値を把握（測定）することが重要となる。血糖値は、血液中のグルコースの濃度であり、この種の成分濃度の測定方法として、光音響法がよく知られている（特許文献１参照）。

生体にある量の光（電磁波）を照射した場合、照射した光は生体に含有される分子に吸収される。このため、光が照射された部分における測定対象の分子は、局所的に加熱されて膨張を起こし、音波を発生する。この音波の圧力は、光を吸収する分子の量に依存する。光音響法は、この音波を測定することにより、生体内の分子の量を測定する方法である。音波は生体内を伝搬する圧力波であり、電磁波に比べ散乱しにくいという特質があり、光音響法は生体の血液成分の測定に適しているものといえる。

光音響法による測定によれば、連続的な血液中のグルコース濃度の監視が可能となる。また、光音響法の測定は、血液サンプルを必要とせず、測定対象者に不快感を与えることがない。

特開２０１０−１０４８５８号公報

しかしながら、光音響法による人体内のグルコースの測定では、測定部位に光を照射しているため、測定対象の分子に限らず、光が照射されている部位の皮膚などの組織の温度上昇も招くことになる。このため、連続した測定の場合、測定対象のグルコースの存在している箇所（周辺の組織）の基準となる温度も上昇し、測定の精度を低下させるという問題がある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光音響法による人体内のグルコースの測定における温度上昇による測定精度の低下の抑制を目的とする。

本発明に係る成分濃度測定装置は、グルコースが吸収する波長のビーム光を測定部位に照射する光照射部と、光照射部から出射されたビーム光を照射した測定部位から発生する光音響信号を検出する検出部とを備え、光照射部は、ビーム光を２次元的に走査して測定部位に照射する。

上記成分濃度測定装置において、光照射部は、ビーム光をラスター走査して測定部位に照射すればよい。

上記成分濃度測定装置において、光照射部は、検出部の検出範囲においてビーム光を走査して測定部位に照射すればよい。

上記成分濃度測定装置において、光照射部は、設定されている時間の間隔でビーム光を間欠的に走査してもよい。

上記成分濃度測定装置において、光照射部は、グルコースが吸収する波長のビーム光を生成する光源部と、光源部が生成したビーム光を走査する走査部とを備える。

上記成分濃度測定装置において、光源部が生成したビーム光の中心部を取り出すビーム成形部をさらに備えるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、光照射部が、ビーム光を２次元的に走査して測定部位に照射するので、光音響法による人体内のグルコースの測定における温度上昇による測定精度の低下が抑制できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における成分濃度測定装置の構成を示す構成図である。図２は、ビーム光１２１の走査状態を説明するための平面図である。図３は、本発明の実施の形態における成分濃度測定装置のより詳細な構成を示す構成図である。図４は、本発明の実施の形態における他の成分濃度測定装置の構成を示す構成図である。図５は、ビーム光１２１の走査状態を説明するための平面図である。

以下、本発明の実施の形態おける成分濃度測定装置について図１を参照して説明する。この成分濃度測定装置は、グルコースが吸収する波長のビーム光１２１を測定部位１５１に照射する光照射部１０１と、光照射部１０１から出射されたビーム光１２１を照射した測定部位１５１から発生する光音響信号を検出する検出部１０２とを備える。

ここで、本発明においては、光照射部１０１は、ビーム光１２１を２次元的に走査して測定部位１５１に照射する。例えば、図２に示すように、ビーム光１２１を、ラスター走査して測定部位１５１に照射する。例えば、ビーム光１２１は、ビーム径が１００μｍ程度である。また、１００μｍ／１０ｍｓ程度の走査速度で走査する。例えば、光照射部１０１は、検出部１０２の検出範囲において、ビーム光１２１を走査して測定部位１５１に照射する。例えば、１辺１ｍｍの正方形の領域を走査する。測定部位１５１は、例えば、指や、耳たぶなどの人体の一部である。

例えば、光照射部１０１は、グルコースが吸収する波長のビーム光を生成する光源部１０３と、光源が生成したビーム光を走査する走査部１０４とを備え、走査部１０４により、上述したビーム光１２１の走査を行う。走査部１０４は、例えば、カルバノミラーによりビーム光１２１の走査を行う。また、走査部１０４は、例えば、よく知られたＭＥＭＳミラーを用いてビーム光１２１の走査を行う。

このようにビーム光１２１を走査して照射するので、組織の温度上昇が抑制できる。よく知られているように、ビーム光１２１の照射による測定対象の熱膨張による音波の発生に比較し、組織の温度上昇は遅い。従って、ビーム光１２１を走査することで、皮膚など組織の温度が上昇する前にビーム光１２１を異なる箇所に移動させれば、測定対象のグルコースが存在している周囲の組織の温度上昇が抑制できる。この結果、実施の形態によれば、光音響法による人体内のグルコースの測定における温度上昇による測定精度の低下が抑制できるようになる。

ここで、成分濃度測定装置について、図３を用いてより詳細に説明する。成分濃度測定装置は、第１光源２０１、第２光源２０２、駆動回路２０３、駆動回路２０４、位相回路２０５、合波器２０６、検出器２０７、位相検波増幅器２０８、発振器２０９を備える。第１光源２０１、第２光源２０２、駆動回路２０３、駆動回路２０４、位相回路２０５、合波器２０６により光源部１０３が構成される。また、検出器２０７、位相検波増幅器２０８により、検出部１０２が構成される。

発振器２０９は、信号線により駆動回路２０３、位相回路２０５、位相検波増幅器２０８にそれぞれ接続される。発振器２０９は、駆動回路２０３、位相回路２０５、位相検波増幅器２０８のそれぞれに信号を送信する。

駆動回路２０３は、発振器２０９から送信された信号を受信し、信号線により接続されている第１光源２０１へ駆動電力を供給し、第１光源２０１を発光させる。第１光源２０１は、例えば、半導体レーザである。

位相回路２０５は、発振器２０９から送信された信号を受信し、受信した信号に１８０°の位相変化を与えた信号を、信号線により接続されている駆動回路２０４へ送信する。

駆動回路２０４は、位相回路２０５から送信された信号を受信し、信号線により接続されている第２光源２０２へ駆動電力を供給し、第２光源２０２を発光させる。第２光源２０２は、例えば、半導体レーザである。

第１光源２０１および第２光源２０２の各々は、互いに異なる波長の光を出力し、各々が出力した光を光波伝送手段により合波器２０６へ導く。第１光源２０１および第２光源２０２の各々の波長は、一方の光の波長をグルコースが吸収する波長に設定し、他方の光の波長を、水が吸収をする波長に設定する。また、両者の吸収の程度が等しくなるように、各々の波長を設定する。

第１光源２０１の出力した光と第２光源２０２の出力した光は、合波器２０６において合波されて、１の光ビームとして走査部１０４に入射する。光ビームが入射された走査部１０４では、入射した光ビームを走査して測定部位１５１に照射する。このようにして光ビームが走査されて照射された測定部位１５１では、この内部で光音響信号を発生させる。

検出器２０７は、測定部位１５１で発生した光音響信号を検出し、電気信号に変換して、信号線により接続されている位相検波増幅器２０８へ送信する。位相検波増幅器２０８は、発振器２０９から送信される同期検波に必要な同期信号を受信するとともに、検出器２０７から送信されてくる光音響信号に比例する電気信号を受信し、同期検波、増幅、濾波を行って、光音響信号に比例する電気信号を出力する。

第１光源２０１は、発振器２０９の発振周波数に同期して強度変調された光を出力する。一方、第２光源２０２は、発振器２０９の発振周波数で、かつ位相回路２０５により１８０°の位相変化を受けた信号に同期して強度変調された光を出力する。

ここで、位相検波増幅器２０８より出力される信号の強度は、第１光源２０１および第２光源２０２の各々が出力する光が、測定部位１５１内の成分（グルコース、水）により吸収された量に比例するので、信号の強度は測定部位１５１内の成分の量に比例する。このように出力される信号の強度の測定値から、成分濃度導出部（図示せず）が、測定部位１５１内の血液中の測定対象（グルコース）の成分の量を求める。

上記のように、第１光源２０１の出力した光と第２光源２０２の出力した光は、同一の周波数の信号により強度変調されているので、複数の周波数の信号により強度変調している場合に問題となる測定系の周波数特性の不均一性の影響は存在しない。

一方、光音響法による測定において問題となる光音響信号の測定値に存在する非線形的な吸収係数依存性は、上述したように等しい吸収係数を与える複数の波長の光を用いて測定することにより解決できる（特許文献１参照）。

ところで、図４に示すように、光源部１０３が生成したビーム光の中心部を取り出すビーム成形部１０５を備えて光照射部１０１ａとしてもよい。ビーム成形部１０５により成形された光ビームが、走査部１０４により走査される。

よく知られているように、レーザ光によるビーム光は、断面における光強度が正規分布しており、中心部の光強度が高い状態となっている。このようなビーム光の場合、例えば、ピンホールを通すことなどによりビーム形状を成型し、かつ、ビーム径を例えば、１００μｍ程度に広げる。これにより、ビーム光における断面方向における光強度が均一となり、かつ、単位面積あたりの光強度が減少する。これにより、ビーム光が照射された局所的な組織の温度上昇がより抑制できるようになる。

また、図５に示すように、走査しているビーム光１２１を、間欠的に照射するようにしてもよい。例えば、１００μｍ／１０ｍｓ程度で走査し、１０ｍｓごとに、ビーム光１２１の照射をオンオフする。これにより、周辺組織の温度上昇がより抑制できるようになる。

以上に説明したように、本発明によれば、光照射部が、ビーム光を２次元的に走査して測定部位に照射するので、光音響法による人体内のグルコースの測定における温度上昇による測定精度の低下が抑制できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…光照射部、１０２…検出部、１０３…光源部、１０４…走査部、１２１…ビーム光、１５１…測定部位。

Claims

グルコースが吸収する波長のビーム光を測定部位に照射する光照射部と、
前記光照射部から出射された前記ビーム光を照射した前記測定部位から発生する光音響信号を検出する検出部と
を備え、
前記光照射部は、前記ビーム光を２次元的に走査して前記測定部位に照射する
ことを特徴とする成分濃度測定装置。
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、前記ビーム光をラスター走査して前記測定部位に照射する
ことを特徴とする成分濃度測定装置。
請求項１または２記載の成分濃度測定装置において、
前記光照射部は、前記検出部の検出範囲において前記ビーム光を走査して前記測定部位に照射することを特徴とする成分濃度測定装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
前記光照射部は、設定されている時間の間隔で前記ビーム光を間欠的に走査すること特徴とする成分濃度測定装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
前記光照射部は、
グルコースが吸収する波長の前記ビーム光を生成する光源部と、
前記光源部が生成した前記ビーム光を走査する走査部と
を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
請求項５記載の成分濃度測定装置において、
前記光源部が生成した前記ビーム光の中心部を取り出すビーム成形部を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。