JP2019193690A

JP2019193690A - 成分濃度測定装置

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Publication number: JP2019193690A
Application number: JP2018088063A
Authority: JP
Inventors: 雄次郎田中; Yujiro Tanaka; 昌人中村; Masato Nakamura; 大地松永; Daichi Matsunaga; 倫子瀬山; Michiko Seyama
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-05-01
Filing date: 2018-05-01
Publication date: 2019-11-07
Anticipated expiration: 2038-05-01
Also published as: WO2019211993A1; US20210177267A1; JP6845182B2

Abstract

【課題】光音響法による測定における十分な測定感度が、小型化した装置においてもＳ／Ｎを低下させることなく得られるようにする。【解決手段】測定対象の物質が吸収する波長のパルス状のビーム光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、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波と光パルスの立ち下がりで発生する光音響波とが干渉しないパルス幅で、パルス状のビーム光１２１を照射する。【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（非特許文献１，非特許文献２，非特許文献３参照）。

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

P. P. Pai et al., "A Photoacoustics based Continuous Non-Invasive Blood Glucose Monitoring System", Medical Measurements and Applications Proceedings, vol. 15278142, pp. 1-5, 2015. J. Laufer et al., "In vitro measurements of absolute blood oxygen saturation using pulsed near-infrared photoacoustic spectroscopy: accuracy and resolution", Physics in Medicine and Biology, vol. 50, pp. 4409-4428, \\\\. H. A. MacKenzie et al., "Advances in Photoacoustic Noninvasive Glucose Testing", Clinical Chemistry, vol. 45, Issue 9, pp. 1587-1595, 1999.

ところで、上述した光音響法による測定により、連続的な血液中のグルコース濃度の測定を行うためには、装置の小型化が重要となる。一方、十分な測定感度を得るためには、可能な範囲で高エネルギーの光を照射し、大きな音波を得ることが重要となる。しかしながら、高エネルギーの光照射のためには、大きな光源などが必要となり、小型化を阻害している。ここで、光音響法による測定では、パルス状のビーム光を測定部位に照射しているが、このパルス幅を大きくすることで、小型化をする中で照射される光エネルギーを大きくすることが考えられる。

しかしながら、パルス幅を広げて光エネルギーを大きくして測定をした場合、光強度の変化に対して、光音響波の強度が線形に変化しない問題が発生した。このような状態では、正確な測定が実施できない。

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、光音響法による測定における十分な測定感度が、小型化した装置においても測定精度を低下させることなく得られるようにすることを目的とする。

本発明に係る成分濃度測定装置は、測定対象の物質が吸収する波長のパルス状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、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波と光パルスの立ち下がりで発生する光音響波とが干渉しないパルス幅で、パルス状のビーム光を照射する。

上記成分濃度測定装置において、光照射部は、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波が継続する時間のパルス幅で、パルス状のビーム光を照射すればよい。

上記成分濃度測定装置において、物質はグルコースであり、光照射部は、グルコースが吸収する波長のビーム光を照射する。この場合、光照射部は、０．０２秒以上のパルス幅のビーム光を照射すればよい。

以上説明したように、本発明によれば、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波と光パルスの立ち下がりで発生する光音響波とが干渉しないパルス幅で、パルス状のビーム光を照射するようにしたので、光音響法による測定における十分な測定感度が、小型化した装置においてもＳ／Ｎを低下させることなく得られ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、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波と光パルスの立ち下がりで発生する光音響波と干渉した場合（ａ）および干渉しない場合（ｂ）の光音響波の状態を示す特性図である。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。

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、測定対象の物質が吸収する波長のパルス状のビーム光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。ビーム光１２１は、ビーム径が１００μｍ程度である。

ここで、実施の形態では、光照射部１０１は、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波と光パルスの立ち下がりで発生する光音響波とが干渉しないパルス幅で、パルス状のビーム光１２１を照射する。例えば、光照射部１０１は、光パルスの立ち上がり（または立ち下がり）で発生する光音響波が継続する時間のパルス幅で、パルス状のビーム光を照射する。

例えば、測定対象の物質が血中のグルコースの場合、光照射部１０１は、グルコースが吸収する波長のビーム光１２１を生成する光源部１０３と、光源が生成したビーム光１２１を設定したパルス幅のパルス光とするパルス制御部１０４とを備える。グルコースは１．６μｍ近傍および２．１μｍ近傍の光の波長帯において吸収特性を示す（特許文献１参照）。パルス制御部１０４により、上述したパルス状のビーム光１２１とする。グルコースが測定対象物質の場合、光照射部１０１（パルス制御部１０４）は、０．０２秒以上のパルス幅のビーム光１２１を照射する。

ここで、この種の測定において、発明者らは、照射するビーム光のパルス幅を広げて光エネルギーを大きくして測定をした場合、光強度の変化に対して、光音響波の強度が線形に変化しない現象を発見した。この現象について、発明者らが鋭意に検討した結果、測定における光パルスの照射により、光パルスの立ち上がりと立ち下がりの両者で音響波が生じ、パルス幅によっては、これら音響波同士が干渉し、照射した光の強度に線形に対応する光音響強度が測定できないことを見いだした。

上述した知見に基づいた発明者らの専心の研究により、照射するビーム光のパルス幅を、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波と光パルスの立ち下がりで発生する光音響波とが干渉しない範囲とすることで、光音響信号の精度低下が抑制できるという本発明に至った。この条件の下、ビーム光のパルス幅を広げることで、測定精度を低下させることなく、照射するビーム光のエネルギーをより高めて十分な測定感度を得ることが可能となる。

例えば、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波と光パルスの立ち下がりで発生する光音響波とが干渉すると、図２の（ａ）に示すように光音響波が測定される。この状態では、波形のピークが、正しく成分の濃度に対応しているとは限らない。これに対し、パルス幅を適宜に設定し、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波と光パルスの立ち下がりで発生する光音響波とが干渉しない状態とすると、図２の（ａ）に示すように、各々のピークが明確に出現する光音響波が測定される。この状態であれば、波形のピークが、正しく成分の濃度に対応しているものとなり、正確な測定が可能となる。

例えば、グルコースなどを測定対象とする場合、吸収波長は近赤外領域（１１００−１８００ｎｍ）となる。この場合、ビーム光の照射によって生じる（光パルスの立ち上がりで発生する）光音響波は、０．０２ｓ程度継続する。従って、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波と光パルスの立ち下がりで発生する光音響波との干渉を避けるためには、０．０２ｓ以上のパルス幅でビーム光を照射すればよい。

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の光ビームとしてパルス制御部１０４に入射する。光ビームが入射されたパルス制御部１０４では、入射した光ビームを所定のパルス幅のパルス光として測定部位１５１に照射する。このようにしてパルス状の光ビームが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）。

以上に説明したように、本発明によれば、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波と光パルスの立ち下がりで発生する光音響波とが干渉しないパルス幅で、パルス状のビーム光を照射するようにしたので、光音響法による測定における十分な測定感度が、小型化した装置においてもＳ／Ｎを低下させることなく得られるようになる。

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…パルス制御部、１２１…ビーム光、１５１…測定部位。

Claims

測定対象の物質が吸収する波長のパルス状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、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波と光パルスの立ち下がりで発生する光音響波とが干渉しないパルス幅で、パルス状の前記ビーム光を照射する
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、光パルスの立ち上がりで発生する光音響波が継続する時間のパルス幅で、パルス状の前記ビーム光を照射する
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、
前記物質はグルコースであり、
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照射することを特徴とする成分濃度測定装置。
請求項３記載の成分濃度測定装置において、
前記光照射部は、０．０２秒以上のパルス幅の前記ビーム光を照射する
ことを特徴とする成分濃度測定装置。