JP4412667B2 - Component concentration measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、人間又は動物の被検体の非侵襲な成分濃度測定装置に関する。 The present invention relates to a noninvasive component concentration measurement apparatus for a human or animal subject.
高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。血糖値などの検査においては血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となるので、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。現在までに開発された非侵襲な成分濃度測定装置としては、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば、血糖値の場合はグルコース分子に吸収され、局所的に加熱して熱膨張を起こして生体内から発生する音波を観測する、光音響法が注目されている。 With the aging of society, dealing with adult diseases is becoming a major issue. In blood glucose level and other tests, blood collection is necessary, which places a heavy burden on the patient. Therefore, a non-invasive component concentration measurement apparatus that does not collect blood has attracted attention. As a non-invasive component concentration measuring device that has been developed so far, the skin is irradiated with electromagnetic waves and absorbed by blood molecules to be measured, for example, glucose molecules in the case of blood glucose levels, and heated locally. A photoacoustic method that observes a sound wave generated from a living body due to thermal expansion has attracted attention.
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、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるに至っていない。 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, so that a sufficient effect has not been achieved in measuring blood glucose levels in the living body.
図8および図9は、従来例として、光音響法による従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示す図である。図8は光パルスを電磁波として用いた第一の従来例である(例えば、非特許文献1参照。)。本例では血液成分として血糖、すなわちグルコースを測定対象としている。図8において、駆動回路604はパルス状の励起電流をパルス光源616に供給し、パルス光源616はサブマイクロ秒の持続時間を有する光パルスを発生し、発生した光パルスは被検体610に照射される。光パルスは被検体610の内部にパルス状の光音響信号と呼ばれる音波を発生させ、発生した音波は超音波検出器613により検出され、さらに音圧に比例した電気信号に変換される。
FIG. 8 and FIG. 9 are diagrams showing a configuration example of a conventional blood component concentration measuring apparatus using a photoacoustic method as a conventional example. FIG. 8 shows a first conventional example in which a light pulse is used as an electromagnetic wave (see, for example, Non-Patent Document 1). In this example, blood glucose, that is, glucose is the measurement target as the blood component. In FIG. 8, a
変換された電気信号の波形は波形観測器620により観測される。この波形観測器620は上記励起電流に同期した信号によりトリガされ、変換された電気信号は波形観測器620の管面上の一定位置に表示され、変換された電気信号は積算・平均して測定することができる。このようにして得られた電気信号の振幅を解析して、被検体610の内部の血糖値、すなわちグルコースの量が測定される。図8に示す例の場合はサブマイクロ秒のパルス幅の光パルスを最大1kHzの繰り返しで発生し、1024個の光パルスを平均して、前記電気信号を測定しているが十分な精度が得られていない。
The waveform of the converted electric signal is observed by the
そこで、より精度を高める目的で、連続的に強度変調した光源を用いる第二の従来例が開示されている。図9に第二の従来例の装置の構成を示す(例えば、特許文献1参照。)。本例も血糖を主な測定対象として、異なる波長の複数の光源を用いて、高精度化を試みている。説明の煩雑さを避けるために、図9により光源の数が2の場合の動作を説明する。図9において、異なる波長の光源、即ち、第1の光源601及び第2の光源605は、それぞれ駆動回路604及び駆動回路608により駆動され、連続光を出力する。
Therefore, a second conventional example using a light source that is continuously intensity-modulated has been disclosed for the purpose of improving accuracy. FIG. 9 shows a configuration of a second conventional apparatus (see, for example, Patent Document 1). In this example as well, blood sugar is the main measurement target, and high accuracy is attempted using a plurality of light sources having different wavelengths. In order to avoid complicated explanation, the operation when the number of light sources is 2 will be described with reference to FIG. In FIG. 9, light sources having different wavelengths, that is, a
第1の光源601及び第2の光源605が出力する光は、モータ618により駆動され一定回転数で回転するチョッパ板617により断続される。ここでチョッパ板617は不透明な材質により形成され、モータ618の軸を中心とする第1の光源601及び第2の光源605の光が通過する円周上に、互いに素な個数の開口部が形成されている。
Light output from the
上記の構成により、第1の光源601及び第2の光源605の各々が出力する光は互いに素な変調周波数f1、及び変調周波数f2で強度変調された後、合波器609により合波され、1の光束として被検体610に照射される。
With the above-described configuration, the light output from each of the
被検体610の内部には第1の光源601の光により周波数f1の光音響信号が発生し、第2の光源605の光により周波数f2の光音響信号が発生し、これらの光音響信号は、音響センサ619により検出され、音圧に比例した電気信号に変換され、その周波数スペクトルが、周波数解析器621により観測される。本例においては、複数の光源の波長は全てグルコースの吸収波長に設定されており、各波長に対応する光音響信号の強度は、血液中に含まれるグルコースの量に対応した電気信号として測定される。
The inside of the
ここで、予め光音響信号の測定値の強度と別途採血した血液によりグルコースの含有量を測定した値との関係を記憶しておいて、前記光音響信号の測定値からグルコースの量を測定している。
しかし、上述の従来例においては以下のような課題がある。即ち、人体で発生した光音響信号である音波を音波検出器で効率よく検出するため、音波の波面を球面波ではなく平面波にする必要がある。そのため、光の照射面積が大きいほど検出距離を遠くしなければならず、音波検出器と音波の発生源との距離や照射面積に制約が生じる。例えば、生体の指先を被検体とした場合には、検出距離も短いため、照射面積を小さくする必要がある。 However, the above-described conventional example has the following problems. That is, in order to efficiently detect a sound wave, which is a photoacoustic signal generated in a human body, with a sound wave detector, it is necessary to change the wave front of the sound wave to a plane wave instead of a spherical wave. For this reason, the detection distance must be increased as the light irradiation area increases, and the distance and irradiation area between the sound wave detector and the sound wave generation source are limited. For example, when a biological fingertip is used as a subject, the detection distance is short, and thus the irradiation area needs to be reduced.
一方、生体の皮膚上に照射可能なレーザ出力の限界値がJIS規格で定められているため、照射点で生じさせることができる光音響信号の大きさにも限界がある。ここで、JISC6802によると、皮膚に対して非可視赤外光(波長が0.8μm以上)を連続照射する場合、1mm2当たり1mWが最大許容量となる。 On the other hand, since the limit value of the laser output that can be irradiated on the skin of a living body is defined by the JIS standard, the size of the photoacoustic signal that can be generated at the irradiation point is also limited. Here, according to JISC6802, when invisible infrared light (wavelength of 0.8 μm or more) is continuously irradiated to the skin, 1 mW per 1 mm 2 is the maximum allowable amount.
従って、上述の従来例では、生体の光の被照射部位によっては、発生させた光音響信号が微弱とならざるを得ず、雑音の影響を受け易くなってしまうという課題があった。 Therefore, in the above-described conventional example, the generated photoacoustic signal is inevitably weak depending on the portion of the living body irradiated with light, and there is a problem that it is easily affected by noise.
上記の課題を解決するために、本発明は、測定対象の成分の吸光度特性から設定した異なる2波長の光を合波し、さらに複数に分岐して出射することにより、音波の発生源を分散させて被検体への負担を軽減させると共に、音波の総量を大きくすることで雑音の影響を少なくして成分濃度を正確に測定する成分濃度測定装置である。ここで、被検体とは測定対象の人間や動物である。 In order to solve the above problems, the present invention disperses the sound wave generation source by combining light of two different wavelengths set based on the absorbance characteristics of the component to be measured, and further splitting and emitting the light. This is a component concentration measuring device that reduces the burden on the subject and increases the total amount of sound waves to reduce the influence of noise and accurately measure the component concentration. Here, the subject is a human or animal to be measured.
初めに、本発明の成分濃度測定装置の基本原理を、一例として、被検体の成分濃度を測定する場合について説明する。 First, the basic principle of the component concentration measuring apparatus of the present invention will be described as an example in the case of measuring the component concentration of a subject.
本発明では、異なる2波長の光の中の、第一の光の波長を、例えば被検体の測定対象の成分による吸光度が被検体の大部分を占める水による吸光度と顕著に異なる波長に設定し、第二の光の波長を水が第一の光の波長におけるのと合い等しい吸光度を示す波長に設定する。上記の波長の設定方法を、血液中のグルコースの濃度を測定する場合を例として図1により説明する。 In the present invention, the wavelength of the first light among the two different wavelengths of light is set to a wavelength that is significantly different from the absorbance due to water, for example, where the absorbance due to the measurement target component of the subject occupies most of the subject. The wavelength of the second light is set to a wavelength that exhibits an absorbance equal to that of water at the wavelength of the first light. The above-described wavelength setting method will be described with reference to FIG. 1, taking as an example the case of measuring the concentration of glucose in blood.
図1は常温における水とグルコース水溶液の吸光度特性を示す。図1において、縦軸は吸光度を示し、横軸は光の波長を示している。また、図1において、実線は水の吸光度特性を示し、破線はグルコース水溶液の吸光度特性を示している。図1に示す波長λ1はグルコースによる吸光度が水による吸光度と顕著に異なる波長であり、波長λ2は、水がλ1における吸光度と合い等しい吸光度を示す波長である。従って、例えば、第一の光の波長をλ1と設定し、第二の光の波長をλ2と設定することができる。 FIG. 1 shows the absorbance characteristics of water and an aqueous glucose solution at room temperature. In FIG. 1, the vertical axis indicates the absorbance, and the horizontal axis indicates the wavelength of light. In FIG. 1, the solid line indicates the absorbance characteristic of water, and the broken line indicates the absorbance characteristic of the glucose aqueous solution. The wavelength λ 1 shown in FIG. 1 is a wavelength at which the absorbance due to glucose is significantly different from the absorbance due to water, and the wavelength λ 2 is a wavelength at which water has the same absorbance as that at λ 1 . Thus, for example, the wavelength of the first light can be set to λ 1 and the wavelength of the second light can be set to λ 2 .
以下の説明においては、一例として、第一の光の波長を測定対象の成分による吸光度が水による吸光度と顕著に異なる波長λ1に設定し、第二の光の波長を水が第一の光の波長λ1におけるのと合い等しい吸光度を示す波長λ2に設定した場合を説明する。 In the following description, as an example, the wavelength of the first light is set to a wavelength λ 1 where the absorbance of the component to be measured is significantly different from the absorbance of water, and the wavelength of the second light is set to the first light. The case where the wavelength λ 2 is set to be equal to that at the wavelength λ 1 will be described.
上記のように設定した異なる2波長の光の各々を、同一周波数で逆位相の信号により強度変調してパルス状の光として出射し、出射された異なる2波長の光が被検体の成分に吸収されて発生する音波を検出して、検出した音波の大きさから、被検体の測定対象の成分の濃度を測定する。上記のように強度変調された異なる2波長の光を出射した場合、第一の光を測定対象の成分と水の両方が吸収して被検体から発生する第一の音波と、第二の光を被検体の大部分を占める水が吸収して被検体から発生する第二の音波とは、周波数が等しくかつ逆位相である。従って、第一の音波と第二の音波は被検体内で重畳し、音波の差として、第一の音波の中の測定対象の成分が吸収して被検体から発生する音波の大きさのみが残留する。そこで、残留した音波により、第一の光を測定対象の成分が吸収して被検体から発生する音波のみを測定することができる。上記の測定においては、測定対象の成分と水の両方が吸収して発生する音波と水が吸収して発生する音波を個別に測定して差を演算するよりも、測定対象の成分が吸収して被検体から発生する音波を正確に測定することができる。 Each of the two different wavelengths of light set as described above is intensity-modulated with a signal of the opposite phase at the same frequency and emitted as pulsed light, and the emitted two different wavelengths of light are absorbed by the component of the subject. Then, the generated sound wave is detected, and the concentration of the component to be measured of the subject is measured from the magnitude of the detected sound wave. When light of two different wavelengths whose intensity is modulated as described above is emitted, the first sound wave generated from the subject by the absorption of the first light by both the component to be measured and water, and the second light The second sound wave generated from the subject by absorbing water occupying most of the subject has the same frequency and an opposite phase. Therefore, the first sound wave and the second sound wave are superimposed in the subject, and only the magnitude of the sound wave generated from the subject due to absorption of the component to be measured in the first sound wave is obtained as the difference between the sound waves. Remains. Therefore, only the sound wave generated from the subject by the first light component being absorbed by the component to be measured can be measured by the remaining sound wave. In the above measurement, the measurement target component absorbs rather than the difference between the sound wave generated by the absorption of both the measurement target component and water and the sound wave generated by the water absorption. Thus, the sound wave generated from the subject can be accurately measured.
さらに、被検体と音波検出素子との接触状態などの音波測定系の誤差の要因を除いて、高精度に測定する方法を以下に説明する。波長λ1の光及び波長λ2の光の各々に対する、被検体の大部分を占める水の吸収係数をα1 (w)及びα2 (w)として、被検体の測定対象の成分のモル吸収係数をα1 (g)及びα2 (g)とすれば、波長λ1の光及び波長λ2の光の各々により被検体から発生する音波の大きさs1及びs2を含む連立方程式は数式(1)で表される。 Furthermore, a method for measuring with high accuracy, excluding the cause of errors in the sound wave measurement system such as the contact state between the subject and the sound wave detection element, will be described below. For each of the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 , the absorption coefficient of water occupying most of the subject is α 1 (w) and α 2 (w) , and the molar absorption of the component to be measured of the subject If the coefficients are α 1 (g) and α 2 (g) , the simultaneous equations including the magnitudes s 1 and s 2 of sound waves generated from the subject by the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 are It is expressed by Equation (1).
上記の、数式(1)を解いて、被検体の測定対象の成分濃度Mを求めることができる。ここで、Cは制御あるいは予想困難な係数、すなわち、被検体と音波検出素子の結合状態、音波検出素子の感度、被検体において光により音波が発生される位置と音波検出素子との間の距離、被検体の比熱及び熱膨張係数、被検体の内部の音波の速度、波長λ1の光及び波長λ2の光の変調周波数、水の吸収係数及び被検体の成分のモル吸収係数、などに依存する未知定数である。さらに数式(1)でCを消去すると次の数式(2)が得られる。 By solving the above equation (1), the component concentration M of the subject to be measured can be obtained. Here, C is a coefficient that is difficult to control or predict, that is, the coupling state between the subject and the sound wave detection element, the sensitivity of the sound wave detection element, and the distance between the position where the sound wave is generated by light in the subject and the sound wave detection element. , specific heat and thermal expansion coefficient of the object, the speed of the internal wave of the subject, the wavelength lambda 1 of light and the wavelength lambda 2 of the light modulation frequencies, the molar absorption coefficient of the component of the absorption coefficient and the subject of water, etc. It depends on the unknown constant. Further, when C is eliminated by Expression (1), the following Expression (2) is obtained.
ここで、波長λ1の光及び波長λ2の光の各々に対する、被検体の大部分を占める水の吸収係数α1 (w)及びα2 (w)が等しくなるように選択されているので、α1 (w)=α2 (w)が成立し、さらに、s1≒s2であることを用いれば、成分濃度Mは数式(3)で表される。 Here, the absorption coefficients α 1 (w) and α 2 (w) of water occupying most of the subject for each of the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 are selected to be equal. , Α 1 (w) = α 2 (w) is satisfied, and the fact that s 1 ≈s 2 is used, the component concentration M is expressed by Equation (3).
上記の数式(3)に、既知の係数として、α1 (w)、α1 (g)及びα2 (g)を代入し、さらに、波長λ1の光及び波長λ2の光の各々により被検体から発生する音波の大きさs1及びs2を測定して代入することにより、被検体の成分濃度Mを算出することができる。上記の数式(3)においては、2つの音波の大きさs1及びs2を個別に測定するよりも、それらの差s1−s2を測定して、別に測定した音波の大きさs2で除する方が、被検体の成分濃度を高精度に測定することができる。 Substituting α 1 (w) , α 1 (g), and α 2 (g) as known coefficients into the above equation (3), and further by the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 , respectively. The component concentration M of the subject can be calculated by measuring and substituting the magnitudes s 1 and s 2 of the sound waves generated from the subject. In the above mathematical formula (3), rather than measuring the two sound wave sizes s 1 and s 2 individually, the difference s 1 -s 2 is measured and the sound wave size s 2 measured separately is measured. The component concentration of the subject can be measured with high accuracy.
そこで、本発明の成分濃度測定装置においては、まず、波長λ1の光及び波長λ2の光を、互いに逆位相の変調信号により強度変調して、1の光束に合波して出射することにより、被検体から発生する音波の大きさs1及び音波の大きさs2が相互に重畳して生じる音波の差(s1−s2)を測定する。次に、波長λ2の光を出射して、被検体から発生する音波の大きさs2を測定する。上記のように測定した(s1−s2)とs2により、(s1−s2)÷s2を演算することにより、数式(3)により、被検体の測定対象の成分濃度を高精度に測定することができる。 Therefore, in the component concentration measurement apparatus of the present invention, first, the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 are intensity-modulated by modulation signals having opposite phases to each other, and are combined into one light beam and emitted. Thus, the difference (s 1 −s 2 ) between the sound waves generated by superimposing the sound wave magnitude s 1 and the sound wave magnitude s 2 generated from the subject is measured. Next, light of wavelength λ 2 is emitted, and the magnitude s 2 of the sound wave generated from the subject is measured. By calculating (s 1 −s 2 ) ÷ s 2 from (s 1 −s 2 ) and s 2 measured as described above, the component concentration of the measurement target of the subject is increased by Equation (3). It can be measured with high accuracy.
以上が本発明の成分濃度測定装置の基本原理である。 The above is the basic principle of the component concentration measuring apparatus of the present invention.
次に本発明による課題を解決するための具体的手段について説明する。本発明は、異なる2波長の光を発生して出力する光発生手段と、前記光発生手段からの2波長の光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する光変調手段と、前記光変調手段からの2波長の光を合波して出力する光合波手段と、前記光合波手段により合波され出力される光を複数に分岐して出射する光出射手段と、前記光出射手段により分岐され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、を備えたことを特徴とする成分濃度測定装置である。 Next, specific means for solving the problems according to the present invention will be described. According to the present invention, light generating means for generating and outputting light of two different wavelengths, and each of the two wavelengths of light from the light generating means are electrically intensity-modulated with a signal of the same phase and opposite phase and output. A light modulating means; a light combining means for combining and outputting two wavelengths of light from the light modulating means; and a light emitting means for branching and emitting the light combined and output by the light combining means. And a sound wave detecting means for detecting sound waves generated by a plurality of lights branched and emitted by the light emitting means at positions substantially equidistant from the respective irradiated portions irradiated with the plurality of lights. This is a component concentration measuring apparatus.
本発明では、光変調手段は、光発生手段で発生させた互いに波長の異なる第一の光及び第二の光の各々を同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調し出力する。そして、光合波手段は、光変調手段からの2波長の光を合波して出力する。さらに、光出射手段は、光合波手段により合波された光を複数に分岐させて出射する。また、音波検出手段は、上記のように光出射手段から出射された第一の光及び第二の光により被検体で発生する音波を光の被照射部位から略等距離の位置で検出する。ここで、音波検出手段により検出される音波は前述の第一の光により発生する第一の音波と第二の光により発生する第二の音波の差の音波である。 In the present invention, the light modulation means electrically modulates and outputs the first light and the second light having different wavelengths generated by the light generation means with signals having the same frequency and opposite phase. The optical multiplexing unit combines the two wavelengths of light from the optical modulation unit and outputs the combined light. Further, the light emitting means divides the light combined by the light combining means into a plurality of light and outputs the light. The sound wave detecting means detects the sound wave generated in the subject by the first light and the second light emitted from the light emitting means as described above at a position approximately equidistant from the light irradiated portion. Here, the sound wave detected by the sound wave detecting means is a difference sound wave between the first sound wave generated by the first light and the second sound wave generated by the second light.
このように、2波長の光を合波し分岐して出射することにより、光強度が複数に分散するため、1箇所に光が集中して照射されることがないので、照射する光の総量を大きくすることができる。さらに、被照射部位から略等距離の位置で音波を検出することにより、音波の位相が揃う位置で音波を検出できるため、検出した音波の大きさを複数の被照射部位からの音波の総和として検出することができる。そのため、各被照射部位からの音波の誤差を平均化することができる。従って、本発明の成分濃度測定装置は、被検体への負担が少なく且つ被検体で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。 In this way, light of two wavelengths is combined, branched, and emitted, so that the light intensity is dispersed into a plurality of portions, so that the light is not concentrated and irradiated at one place, so the total amount of light to be irradiated Can be increased. Furthermore, by detecting the sound wave at a position approximately equidistant from the irradiated site, it is possible to detect the sound wave at a position where the phases of the sound waves are aligned, so the magnitude of the detected sound wave is the sum of the sound waves from multiple irradiated sites. Can be detected. Therefore, the error of the sound wave from each irradiated part can be averaged. Therefore, the component concentration measuring apparatus of the present invention can accurately measure the component concentration of the measurement target with less burden on the subject and less influence of noise on sound waves generated in the subject.
音波検出手段は、被検体で発生した音波を前述の測定原理で説明した(s1−s2)として測定する。 The sound wave detecting means measures the sound wave generated in the subject as (s 1 -s 2 ) described in the above measurement principle.
また、本発明は、異なる2波長の光を1組として前記異なる2波長の光のそれぞれと同一波長の2波長の光を複数組発生して出力する光発生手段と、前記光発生手段からの複数の組の各組の2波長の光のそれぞれを前記各組について同一周波数で逆位相の信号により前記複数の組について同相で電気的に強度変調して出力する光変調手段と、前記光変調手段からの複数の組の各組の2波長の光を前記各組について合波して出射する光出射手段と、前記光出射手段により前記複数の組の各組の2波長の光について合波され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、を備えたことを特徴とする成分濃度測定装置である。 According to another aspect of the present invention, there is provided light generating means for generating and outputting a plurality of sets of two wavelengths of light having the same wavelength as each of the two different wavelengths of light, with a set of two different wavelengths of light, and from the light generating means Light modulating means for electrically modulating the intensity of each of the plurality of sets of two wavelengths in the same phase for the plurality of sets by a signal having the same frequency and opposite phase for each set, and the light modulation; Light emitting means for combining and emitting the two-wavelength light of each of the plurality of sets from the means, and combining the two-wavelength light of each of the plurality of sets by the light emitting means And a sound wave detecting means for detecting sound waves generated by the plurality of emitted light at substantially equidistant positions from respective irradiated portions irradiated with the plurality of lights. Device.
本発明では、光発生手段は、互いに波長の異なる第一の光及び第二の光を1組として複数組発生させる。ここで、各組の第一の光は、それぞれ同一の波長であり、各組の第二の光は、それぞれ同一の波長を有している。そして、光変調手段は、光発生手段で発生させた各組の第一の光及び第二の光の各々を同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する。そして、光出射手段は、光変調手段から出力された各組の2波長の光を各組で合波して出射する。また、音波検出手段は、上記のように光出射手段から出射された第一の光及び第二の光により被検体で発生する音波を光の被照射部位から略等距離の位置で検出する。ここで、音波検出手段により検出される音波は前述の第一の光により発生する第一の音波と第二の光により発生する第二の音波の差の音波である。 In the present invention, the light generating means generates a plurality of sets of first light and second light having different wavelengths. Here, the first light of each set has the same wavelength, and the second light of each set has the same wavelength. The light modulation means electrically modulates the intensity of each of the first light and the second light generated by the light generation means with signals having the same frequency and opposite phase, and outputs the result. The light emitting means multiplexes and emits each set of two-wavelength light output from the light modulating means. The sound wave detecting means detects the sound wave generated in the subject by the first light and the second light emitted from the light emitting means as described above at a position approximately equidistant from the light irradiated portion. Here, the sound wave detected by the sound wave detecting means is a difference sound wave between the first sound wave generated by the first light and the second sound wave generated by the second light.
このように、各組の2波長の光を合波しそれぞれ出射することにより、光強度を複数に分散させることができるため、1箇所に光が集中して照射されることがないので、照射する光の総量を大きくすることができる。さらに、被照射部位から略等距離の位置で音波を検出することにより、音波の位相が揃う位置で音波を検出できるため、検出した音波の大きさを複数の被照射部位からの音波の総和として検出することができる。そのため、各被照射部位からの音波の誤差を平均化することができる。従って、本発明の成分濃度測定装置は、被検体への負担が少なく且つ被検体で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。 In this way, by combining and emitting each set of two wavelengths of light, the light intensity can be dispersed into a plurality of light, so that the light does not concentrate and irradiate in one place. The total amount of light to be generated can be increased. Furthermore, by detecting the sound wave at a position approximately equidistant from the irradiated site, it is possible to detect the sound wave at a position where the phases of the sound waves are aligned, so the magnitude of the detected sound wave is the sum of the sound waves from multiple irradiated sites. Can be detected. Therefore, the error of the sound wave from each irradiated part can be averaged. Therefore, the component concentration measuring apparatus of the present invention can accurately measure the component concentration of the measurement target with less burden on the subject and less influence of noise on sound waves generated in the subject.
音波検出手段は、被検体で発生した音波を前述の測定原理で説明した(s1−s2)として測定する。 The sound wave detecting means measures the sound wave generated in the subject as (s 1 -s 2 ) described in the above measurement principle.
本発明の成分濃度測定装置において、前記光変調手段は、前記複数の組の各組についての前記同一周波数で逆位相の信号のそれぞれを遅延させて前記2波長の光を強度変調することができることが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus of the present invention, the light modulation means can modulate the intensity of the light of the two wavelengths by delaying each of the signals having the opposite phase at the same frequency for each of the plurality of sets. Is desirable.
光変調手段により、光を強度変調する前段で予め第一及び第二の光の変調信号をそれぞれ遅延させることができることで、電気配線による物理的な遅延量を調整して音波検出手段での音波の位相を揃えることができる。そのため、被検体で発生する音波の音波検出手段に同相で到達する精度が向上し、音波の総和による信号増加を図ることができる。 Since the light modulation means can delay the modulated signals of the first and second lights in advance before the light intensity is modulated, the physical delay amount due to the electrical wiring is adjusted and the sound wave in the sound wave detection means is adjusted. Can be aligned. Therefore, the accuracy of reaching the sound wave detecting means of the sound wave generated in the subject in phase is improved, and the signal can be increased by the sum of the sound waves.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光出射手段は、前記複数の光のビームの並びが前記複数の光の出射方向に垂直な面に対し前記音波検出手段の前記音波の検出位置を中心とした円周上に分布して配置されるように前記複数の光を出射することが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus of the present invention, the light emitting means may be configured to set the sound wave detection position of the sound wave detecting means with respect to a plane in which the plurality of light beams are arranged perpendicular to the light emitting direction. It is desirable that the plurality of lights be emitted so as to be distributed on a center circle.
複数の光のビームの並びを音波の検出位置を中心とした円周上に分布させることにより、音波検出手段を円の中心を貫く直線のいずれかに配置すれば各被照射部位からの音波の検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心を貫く直線方向の音波検出手段による音波の検出位置のずれを許容して、正確に測定対象とする成分濃度を測定することができる。また、複数の光のビームの並びを音波の検出位置を中心とした円周上に分布させることにより、それに従って光の被照射部位を円周上に分布させることができるため、光の被照射面の起伏と被照射部位から音波検出手段までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出手段での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。 By distributing the array of multiple light beams on the circumference centered on the detection position of the sound wave, if the sound wave detection means is arranged on one of the straight lines passing through the center of the circle, the sound wave from each irradiated site The detection distance can be made equal. Therefore, it is possible to accurately measure the component concentration to be measured while allowing the deviation of the detection position of the sound wave by the sound wave detection means in the linear direction passing through the center of the circle. In addition, by distributing an array of a plurality of light beams on the circumference centered on the detection position of the sound wave, it is possible to distribute the light irradiated site on the circumference accordingly, so that the light irradiation is performed. It is possible to average the influence of the surface undulation and the difference in acoustic transmission between the irradiated site and the sound wave detecting means. Therefore, the state of the sound wave detection by the sound wave detection means can be kept substantially constant, the measurement error of the component concentration can be reduced, and the component concentration of the measurement object can be accurately measured.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光出射手段は、複数の前記被照射部位の並びが前記複数の光の出射方向に垂直な面に対し前記音波検出手段の前記音波の検出位置を中心とした円周上に分布して配置されるように前記複数の光を出射することが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, the light emitting unit may be configured to set the detection position of the sound wave of the sound wave detecting unit with respect to a plane in which the plurality of irradiated portions are arranged perpendicular to the light emitting direction. It is desirable that the plurality of lights be emitted so as to be distributed on a center circle.
光の被照射部位を円周上に分布させることにより、音波検出手段を円の中心を貫く直線上のいずれかに配置すれば各被照射部位からの音波の検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心を貫く直線方向の音波検出手段による音波の検出位置のずれを許容して、正確に測定対象とする成分濃度を測定することができる。また、光の被照射部位を円周上に分布させることにより、光の被照射面の起伏と被照射部位から音波検出手段までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出手段での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。 By distributing the light irradiated parts on the circumference, if the sound wave detecting means is arranged on any one of the straight lines passing through the center of the circle, the detection distance of the sound wave from each irradiated part can be made equal. it can. Therefore, it is possible to accurately measure the component concentration to be measured while allowing the deviation of the detection position of the sound wave by the sound wave detection means in the linear direction passing through the center of the circle. Further, by distributing the light irradiated portion on the circumference, it is possible to average the influence of the undulation of the light irradiated surface and the difference in acoustic transmission between the irradiated portion and the sound wave detecting means. Therefore, the state of the sound wave detection by the sound wave detection means can be kept substantially constant, the measurement error of the component concentration can be reduced, and the component concentration of the measurement object can be accurately measured.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記2波長の光の波長を、測定対象とする成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい2波長の光の波長に設定することが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, the light generating means may use the two-wavelength light having a wavelength difference between the two wavelengths that is greater than a difference in absorption exhibited by water. It is desirable to set the wavelength to.
2波長の光の波長を測定対象とする成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい2波長の光の波長とすることにより、水による吸収の影響を少なくして成分濃度測定の測定精度を良くすることができる。 Measuring the concentration of components by reducing the influence of water absorption by setting the wavelength of two wavelengths of light to be two wavelengths, where the difference in absorption exhibited by the component to be measured is greater than the difference in absorption exhibited by water Measurement accuracy can be improved.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記2波長の光のうち一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を水が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定することが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, the light generating means sets the wavelength of one of the two wavelengths to a wavelength at which the component to be measured exhibits characteristic absorption, and the other light. Is preferably set to a wavelength at which water exhibits absorption equal to that of the one light.
2波長の光のうち所定の1波の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の1波長の光の波長を水が前記所定の1波の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長とすることにより、水による吸収の影響を少なくして成分濃度測定の測定精度を良くすることができる。 Among the two wavelengths of light, a predetermined one wavelength is set to a wavelength at which the component to be measured exhibits characteristic absorption, and the other one wavelength of light is set to the wavelength of the predetermined one wave. By setting the wavelength to the same absorption as the wavelength, the influence of water absorption can be reduced and the measurement accuracy of the component concentration measurement can be improved.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記2波長の光のうち一方の光の波長を測定対象とする成分以外の成分が吸収を呈さない波長に設定することが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus of the present invention, it is desirable that the light generating means sets the wavelength of one of the two wavelengths of light so that a component other than the component to be measured does not exhibit absorption. .
2波長の光の波長を測定対象とする成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい2波長の光の波長とすることにより、さらにそれ以外の成分の吸収の影響を少なくして成分濃度の測定精度を向上させることができる。 The effect of the absorption of the other components is obtained by setting the wavelength of the two wavelengths to the wavelength of the two wavelengths of light that is larger than the difference in the absorption of the other components. And the measurement accuracy of the component concentration can be improved.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記測定対象とする成分がグルコース又はコレステロールであることが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus of the present invention, it is desirable that the component to be measured is glucose or cholesterol.
グルコース又はコレステロールの濃度を測定する場合には、グルコース又はコレステロールの特徴的な吸収を示す波長を照射することによって、精度よく測定することができる。 When measuring the concentration of glucose or cholesterol, it can be measured with high accuracy by irradiating with a wavelength exhibiting the characteristic absorption of glucose or cholesterol.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記光変調手段からの2波長の光を1の光束に合波し水に照射して発生する音波の圧力が零になるように前記2波長の光の各々の相対的な強度を調整することが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus of the present invention, the light generating means may combine the two wavelengths of light from the light modulating means into one light beam and irradiate the water with zero pressure of the sound wave generated. It is desirable to adjust the relative intensity of each of the two wavelengths of light.
異なる2波長の光を被検体に照射して発生する音波の圧力は、前述のように1波長の光が被検体内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、他方の光が被検体内の大部分を占める水のみが発生する音波の圧力の差となって検出されるので、この差の値が零となるように異なる2波長の光の相対的な強度を校正して成分濃度の測定精度を向上させることができる。 The pressure of the sound wave generated by irradiating the subject with light of two different wavelengths corresponds to the total absorption in the state where the component to be measured and the water of one wavelength generated in the subject are mixed with water as described above. Since it is detected as a difference between the pressure of the sound wave and the pressure of the sound wave generated only by the water in which the other light occupies most of the subject, light of two wavelengths different so that the value of this difference becomes zero It is possible to improve the measurement accuracy of the component concentration by calibrating the relative intensity of the.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光変調手段は、前記2波長の光により発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus of the present invention, it is desirable that the light modulating means modulates at the same frequency as a resonance frequency related to detection of sound waves generated by the two wavelengths of light.
本発明においては、異なる2波長の光の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被検体内に発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、音波の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された異なる2波長の光に対する音波を測定し、これらの測定値から、一定に保ち難い多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被検体内に発生する音波を検出することができる。 In the present invention, the measurement value of the sound wave is obtained by modulating the modulation frequency for electrically intensity-modulating each of the two different wavelengths of light at the same frequency as the resonance frequency related to the detection of the sound wave generated in the subject. Measures sound waves for light of two different wavelengths selected in consideration of the non-linearity related to the absorption coefficient, and eliminates the influence of many parameters that are difficult to keep constant from these measured values. Sound waves generated inside can be detected.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記光発生手段及び前記光変調手段は、2の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus of the present invention, it is preferable that the light generating means and the light modulating means directly modulate each of the two semiconductor laser light sources with rectangular wave signals having the same frequency and opposite phases.
本発明においては、2の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することにより、異なる2波長の光を発生し同時に変調することが可能であり、装置構成を簡略化できる。 In the present invention, by directly modulating each of the two semiconductor laser light sources with rectangular wave signals having the same frequency and opposite phases, light of two different wavelengths can be generated and simultaneously modulated. It can be simplified.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記音波検出手段は、前記変調周波数に同期する同期検波により音波を検出することが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus of the present invention, it is preferable that the sound wave detecting means detects sound waves by synchronous detection synchronized with the modulation frequency.
音波を変調周波数に同期した同期検波により検出することにより、音波を高精度に検出することができる。 By detecting the sound wave by synchronous detection synchronized with the modulation frequency, the sound wave can be detected with high accuracy.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記音波検出手段により検出される音波の圧力から成分濃度を算定する成分濃度算出手段をさらに備えることが望ましい。 In the component concentration measuring apparatus of the present invention, it is desirable to further include a component concentration calculating means for calculating the component concentration from the pressure of the sound wave detected by the sound wave detecting means.
本発明では、成分濃度測定装置が成分濃度算出手段をさらに有することにより、予め用意した被検体で発生する音波と測定対象とする成分濃度との関係を示す理論値、あるいは実験値を記憶し、被検体で発生した音波を検出した値から測定対象の成分濃度を算定する。 In the present invention, the component concentration measuring device further includes a component concentration calculating means, thereby storing a theoretical value or an experimental value indicating a relationship between a sound wave generated in a sample prepared in advance and a component concentration to be measured, The component concentration of the measurement object is calculated from the value of the sound wave generated in the subject.
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記成分濃度算出手段は、前記光変調手段からの2波長の光により発生する音波の圧力を、前記2波長の光のうち1波長の光を零としたときに発生する音波の圧力で除算することが望ましい。 Further, in the component concentration measuring apparatus of the present invention, the component concentration calculating means sets the pressure of the sound wave generated by the two wavelengths of light from the light modulating means to zero the one wavelength of the two wavelengths of light. It is desirable to divide by the pressure of the sound wave that is generated.
本発明では、光出射手段が出射した2波長の光により被検体から発生する音波の大きさ(s1−s2)及び光出射手段から出射した1波長の光により被検体から発生する音波の大きさs2を、音波強度測定手段により測定した結果から、前述の測定原理に従って(s1−s2)÷s2の演算を実行して、測定対象の成分濃度を算出することができる。従って、本発明の成分濃度測定装置は、被検体の測定対象の成分濃度を、簡易な構成で正確に測定することができる。 In the present invention, the magnitude (s 1 -s 2 ) of the sound wave generated from the subject by the two-wavelength light emitted from the light emitting means and the sound wave generated from the subject by the one-wavelength light emitted from the light emitting means. From the result of measuring the magnitude s 2 by the sound wave intensity measuring means, the component concentration of the measurement target can be calculated by executing the calculation of (s 1 −s 2 ) ÷ s 2 in accordance with the measurement principle described above. Therefore, the component concentration measuring apparatus of the present invention can accurately measure the component concentration of the subject to be measured with a simple configuration.
本発明の成分濃度測定装置は、被検体への負担が少なく且つ被検体で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。 The component concentration measuring apparatus of the present invention can accurately measure the component concentration of the measurement target with less burden on the subject and less influence of noise on sound waves generated in the subject.
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
以下の実施形態は、本発明の構成の例であり、被検体としての人体の指により成分濃度を測定する場合の実施の形態であるが、本発明は以下の実施の形態に制限されるものではない。また、以下においては、被検体を被測定物に置き換えれば被測定物の成分濃度を測定する場合の実施の形態とすることができる。また、各実施形態に係る成分濃度測定装置の構成を示す図2から図4において、電源、あるいは全体の動作を制御する制御部などの通常の技術により実現できる部分は図示していない。 The following embodiment is an example of the configuration of the present invention, and is an embodiment in the case where a component concentration is measured by a finger of a human body as a subject, but the present invention is limited to the following embodiment is not. In the following, an embodiment in which the concentration of a component of a measurement object is measured can be obtained by replacing the object with the measurement object. Also, in FIGS. 2 to 4 showing the configuration of the component concentration measuring apparatus according to each embodiment, portions that can be realized by a normal technique such as a power source or a control unit that controls the overall operation are not shown.
(第1実施形態)
本実施形態に係る成分濃度測定装置について説明する。本実施形態に係る成分濃度測定装置は、異なる2波長の光を発生して出力する光発生手段と、前記光発生手段からの2波長の光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する光変調手段と、前記光変調手段からの2波長の光を合波して出力する光合波手段と、前記光合波手段により合波され出力される光を複数に分岐して出射する光出射手段と、前記光出射手段により分岐され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、を備える。さらに、本実施形態の成分濃度測定装置は被検体の成分濃度算出手段を備えることが好ましい。
(First embodiment)
A component concentration measuring apparatus according to this embodiment will be described. The component concentration measuring apparatus according to the present embodiment electrically generates light of two different wavelengths and outputs the light, and the two wavelengths of light from the light generating means are electrically output by signals of the same frequency and opposite phase. A light modulating means for intensity-modulating and outputting light, a light combining means for combining and outputting light of two wavelengths from the light modulating means, and a light output by being combined by the light combining means and splitting into a plurality of lights And a sound wave for detecting a sound wave generated by a plurality of lights branched and emitted by the light emitting means at a position approximately equidistant from each irradiated portion irradiated with the plurality of lights. Detecting means. Furthermore, it is preferable that the component concentration measuring apparatus of the present embodiment includes a component concentration calculating unit of the subject.
図2に、本実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図を示す。 FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of a component concentration measuring apparatus according to the present embodiment.
本実施形態に係る成分濃度測定装置10は、光発生手段及び光変調手段の一部としての発振器101、駆動回路102、180°移相回路104、駆動回路105、第1の光源103及び第2の光源106、光合波手段としての合波部107、光出射手段としての光分岐部108、音波検出手段の一部としての音波検出部111、フィルタ112及び位相検波増幅部113、成分濃度算出手段としての成分濃度算出部114を有する。また、本実施形態では、被検体2で発生する音波の伝達効率を高めるため音響整合物質110を被検体2と音波検出部111との間に設けることとした。
The component
発振器101は、第1の光源103及び第2の光源106から出力される2波長の光を強度変調するための変調信号を出力する。180°移相回路104は発振器101からの変調信号のうち一方を反転して出力する。
The
駆動回路102は、発振器101からの変調信号を基に第1の光源103を駆動させる。また、駆動回路105は、180°移相回路104で反転された変調信号を基に第2の光源106を駆動させる。第1の光源103は、異なる2波長の光のいずれか一方を駆動回路102からの信号により強度変調して出力し、第2の光源106は、他方の光を駆動回路105からの信号により強度変調して出力する。これにより、異なる2波長の光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力することができる。
The
ここで、第1の光源103及び第2の光源106は、例えば半導体レーザを適用することができ、2波長の光の波長を測定対象とする成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい2波長の光の波長とする。また、第1の光源103および第2の光源106の各々の波長は、一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を水が一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定することもできる。さらに、2波長の光の波長を測定対象とする成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい2波長の光の波長とすることもできる。これにより、水や測定対象とする成分以外の成分による吸収の影響を少なくして成分濃度測定の測定精度を良くすることができる。ここで、測定対象とする成分をグルコース又はコレステロールとした場合には、グルコース又はコレステロールの特徴的な吸収を示す波長を照射することによって、グルコース又はコレステロールの濃度を精度よく測定することができる。第1の光源103及び第2の光源106としての半導体レーザは、ヒーター又はペルチェ素子により加熱又は冷却することにより発生する光の波長を変化させることができる。
Here, for example, a semiconductor laser can be applied to the first
また、駆動回路102、105は、第1の光源103及び第2の光源106からの2波長の光を1の光束に合波し水に照射して発生する音波の圧力が零になるように2波長の光の各々の相対的な強度を調整することが望ましい。異なる2波長の光を被検体に照射して発生する音波の圧力は、前述のように前記1波の光が被検体内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、他の1波の光が被検体内の大部分を占める水のみが発生する音波の圧力の差となって検出されるので、この差の値が零となるように異なる2波長の光の相対的な強度を校正して成分濃度の測定精度を向上させることができる。
In addition, the
また、駆動回路102、105は、第1の光源103及び第2の光源106からの2波長の光により発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することが望ましい。
In addition, it is desirable that the
異なる2波長の光の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被検体内に発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、音波の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された異なる2波長の光に対する音波を測定し、これらの測定値から、一定に保ち難い多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被検体内に発生する音波を検出することができる。 By modulating the modulation frequency for electrically modulating the intensity of each of the two different wavelengths of light at the same frequency as the resonance frequency for detecting the sound wave generated in the subject, it is related to the absorption coefficient in the measurement value of the sound wave. Measure sound waves for light of two different wavelengths selected in consideration of nonlinearity, eliminate the influence of many parameters that are difficult to keep constant from these measured values, and generate sound waves in the subject with high accuracy Can be detected.
また、本実施形態では、発振器101から矩形波信号を出力することとし、2の半導体レーザ光源である第1の光源103及び第2の光源106の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調する。このように、2の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することにより、異なる2波長の光を発生し同時に変調することが可能であり、装置構成を簡略化できる。
In the present embodiment, a rectangular wave signal is output from the
合波部107は、第1の光源103からの光と第2の光源106からの光とを例えばハーフミラーにより合波して光分岐部108に向けて出射する。
The
光分岐部108は、合波部107からの光を複数に分岐させて変調光120を出射する。光分岐部108としては、例えば、ファイバカップラや空孔を空けた金属板やPLC(平面光波回路)を適用することができる。ここで、ファイバカップラの光ファイバの並びを光ファイバのコア中心線方向に垂直な面に対し円周上に配置することにより、又は金属板の空孔を金属板面に対して円周上に配置することにより、又はPLCの光導波路を変調光120の出射方向に垂直な面に対して円周上に配置することにより、光分岐部108は、複数の光のビームとしての変調光120の並びが光の出射方向に垂直な面に対し音波検出部111の音波の検出位置を中心とした円周上に分布して配置するように、光を出射させることができる。なお、光分岐部108として空孔を空けた金属板を適用する場合は、ビーム径を広げた平行光を空孔を含む大きさに広げて金属板に照射する。なお、光分岐部108から出射される光により被検体2の表面上に形成される被照射部位については、後述する。
The optical branching
音波検出部111は、光の被照射部位から略等距離の位置に配置され、光分岐部108から出射された光により被検体2で発生する音波を音響整合物質110を介して検出し、音波の振幅に比例した電気信号を出力する。フィルタ112は、音波検出部111からの電気信号から高周波ノイズを除去して出力する。位相検波増幅部113は、フィルタからの電気信号を発振器101からの変調信号により同期検波し、音圧に比例する電気信号を出力する。このように、音波を変調周波数に同期した同期検波により検出することで、音波を高精度に検出することができる。
The sound
成分濃度算出部114は、異なる時間に出射された2波長の光及び1波長の光による音波の大きさをそれぞれ記憶しておき、予め用意した前述の数式(3)から成分濃度を算出する。このように、成分濃度算出部114を有することにより、前述の測定原理に従って(s1−s2)÷s2の演算を実行して、測定対象の成分濃度を算出することができる。従って、本実施形態の成分濃度測定装置は、被検体の測定対象の成分濃度を、簡易な構成で正確に測定することができる。
The component
ここで、光分岐部108から出射された光による生体の被照射部位の配置、及び被照射部位と音波検出部との位置関係について説明する。
Here, the arrangement of the irradiated region of the living body by the light emitted from the
図5は、光分岐部から出射される光により形成される被照射部位の配置と音波検出部の配置を示した概略図である。図5において(1)は被検体の上面図を示し、(2)は(1)のA−A´面による断面図を示す。(1)及び(2)は、被検体の被照射部位を含む一部分のみを示している。なお、図5では、変調光120i(i=aからh)による被照射部位を被照射部位121iとして解釈するものとする。 FIG. 5 is a schematic view showing the arrangement of irradiated portions formed by light emitted from the light branching section and the arrangement of the sound wave detecting sections. In FIG. 5, (1) shows a top view of the subject, and (2) shows a cross-sectional view taken along the AA ′ plane of (1). (1) and (2) show only a part including the irradiated part of the subject. In FIG. 5, the portion irradiated with the modulated light 120i (i = a to h) is interpreted as the portion to be irradiated 121i.
前述のように図2に示す光分岐部108から複数の光のビームとしての変調光120の並びが光の出射方向に垂直な面に対し音波検出部111の音波の検出位置を中心5とした円周上に分布して配置するように、光を出射すると、図5(1)に示すように、複数の被照射部位121aから121hを音波検出部111を中心5とした円周上に配置させることができる。本実施形態では、光分岐部108で光を8分岐することとしたため、8個の被照射部位121aから121hが被検体2上に形成される。また、音波検出部111を被照射部位121aから121hの配置された円の中心5とするため、図5(2)に示す各被照射部位121aから121hからの音波130aから130hの伝搬距離を略同一とすることができる。
As described above, the detection position of the sound wave of the sound
このように、合波した2波長の光を光分岐部108で分岐して出射することにより、被照射部位を複数にして光強度を分散することができるため、1箇所に光が集中して照射されることがないので、照射する光の総量を大きくすることができる。さらに、被照射部位121aから121hから略等距離に配置した音波検出部111で音波を検出することにより、音波130aから130hの位相が揃う位置で音波130aから130hを検出できるため、検出した音波の大きさを複数の被照射部位121aから121hからの音波130aから130hの総和として検出することができる。そのため、各被照射部位121aから121hからの音波130aから130hの誤差を平均化することができる。従って、図2に示す本実施形態の成分濃度測定装置10は、被検体2への負担が少なく且つ被検体2で発生する音波130aから130hへの雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。
In this way, by splitting the combined two-wavelength light at the
また、複数の光のビームとしての変調光120aから120hの並びを音波の検出位置を中心5とした円周上に分布させることにより、音波検出部111を円の中心5を貫く直線のいずれかに配置すれば被照射部位121aから121hから音波検出部111までの音波130aから130hの検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心5を貫く直線方向の音波検出部111による音波130aから130hの検出位置のずれを許容して、正確に測定対象の成分濃度を測定することができる。また、複数の光のビームとしての変調光120aから120hの並びを音波の検出位置を中心5とした円周上に分布させることにより、それに従って光の被照射部位121aから121hを円周上に分布させることができる。そのため、光の被照射面の起伏と被照射部位121aから121hから音波検出部111までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出部111での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。
Also, by distributing an array of modulated light 120a to 120h as a plurality of light beams on a circumference with the sound wave detection position as the
また、被検体2の表面の形状に合わせて、光分岐部108としてファイバカップラの光ファイバの配置や空孔を空けた金属板の金属板上での空孔の配置を調整して、図5(1)に示すように複数の被照射部位121aから121hの並びが複数の変調光120aから120hの出射方向に垂直な面に対し音波検出部111の音波の検出位置を中心5とした円周上に分布して配置されるように複数の変調光120aから120hを出射することが望ましい。光の被照射部位121aから121hを円周上に分布させることにより、音波検出部111を円の中心5を貫く直線のいずれかに配置すれば被照射部位121aから121hから音波検出部111までの音波130aから130hの検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心5を貫く直線方向の音波検出部111による音波130aから130hの検出位置のずれを許容して、正確に測定対象の成分濃度を測定することができる。また、光の被照射部位121aから121hを円周上に分布させることにより、光の被照射面の起伏と被照射部位121aから121hから音波検出部111までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出部111での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。
Further, in accordance with the shape of the surface of the subject 2, the arrangement of the optical fiber of the fiber coupler as the optical branching
また、さらに複数の光のビームとしての変調光120の数を増加させることにより、被照射部位の数を増加させることができる。ここで、図6に、被照射部位の数を限りなく増加させたときの被照射部位の形状の概略図を示す。
Further, by increasing the number of modulated
変調光120の数を増加させて図5に示す被照射部位121aから121hの数を8個より増加させると、被照射部位全体の形状は、円環状に近づいていく。そして被照射部位の数を限りなく増加させると、被照射部位の全体の形状は、図6の被照射部位120kのように、円環状となる。被照射部位120kのように円環状とすると、図5に示す被照射部位121aから121hの配置された円の半径が同じ条件で、被照射部位全体の面積が最大となるため、被照射部位からの音波の総量を最大とすることができる。ここで、被照射部位120kのように円環状とするには、例えば、前述の複数の空孔を空けた金属板において、複数の空孔に代えて円環状の空孔を空けることにより実現できる。
When the number of modulated light 120 is increased and the number of
次に、本実施形態に係る成分濃度測定装置10の成分濃度測定の動作を図2及び図5を参照して説明する。
Next, the component concentration measurement operation of the component
成分濃度測定装置10は、混合光出射手順として、以下の動作を行なう。
The component
まず、駆動回路102は、発振器101からの変調信号に同期して第1の光源103を駆動する信号を出力する。また、駆動回路105は、180°移相回路104を介した変調信号に同期して第2の光源106を駆動させる信号を出力する。ここで、駆動回路102から出力される信号と駆動回路105から出力される信号とは、互いに反転している。第1の光源103は、発生する光の波長を、例えば測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長λ1に設定し、設定した波長の光を駆動回路102からの信号により電気的に強度変調して出力する。また、第2の光源106は、水が一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長λ2に設定し、設定した波長の光を駆動回路105からの信号により電気的に強度変調して出力する。ここで、駆動回路102から出力される信号と駆動回路105から出力される信号とが互いに反転しているため、第1の光源103から出射される第1の光と第2の光源106から出射される第2の光とは交互に出射されることとなる。
First, the
合波部107は、第1の光源103から受信する第1の光及び第2の光源106から受信する第2の光を合波して出射する。そして、光分岐部108は、合波部107からの光を複数に分岐させて被検体2に向けて変調光120を出射する。
The
次に、成分濃度測定装置10は、音波強度検出手順として、以下の動作を行なう。
Next, the component
音波検出部111は、光分岐部108から出射された第1の光により被検体2から第1の音波が発生し、第2の光により被検体2から前記第2の音波が発生し重畳して、第1の音波と第2の音波の差の音波として、図5に示す被検体2の各被照射部位121aから121hからの音波130aから130hの総和として音波(s1−s2)を音響整合物質110を介して検出し、図2に示す成分濃度算出部114は、音波検出部111により検出された音波(s1−s2)の大きさを記憶する。
The sound
次に、成分濃度測定装置10は、単一音波強度測定手順として、以下の動作を行なう。第1の光源103は、第1の光の発生を停止し、第2の光源106が波長λ2の第2の光を発生し、駆動回路105からの信号により電気的に強度変調して出力し、光分岐部108から変調光120を出射する。音波検出部111は、被検体2の各被照射部位121aから121hからの音波130aから130hの総和として音波s2を検出し、成分濃度算出部114は、音波s2の大きさを記憶する。
Next, the component
次に、成分濃度測定装置10は、成分濃度算出手順として、以下の動作をおこなう。成分濃度算出部114は、音波検出部111から取得した(s1−s2)及びs2から、前述の測定原理に従って数式(3)により成分濃度を算出する。
Next, the component
本実施形態に係る成分濃度測定装置10は、光分岐部108により合波した光を分岐して複数の光を出射するので、以上の手順により成分濃度を測定して、被検体2への負担が少なく且つ被検体2で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。
Since the component
(第2実施形態)
第2実施形態に係る成分濃度測定装置について説明する。
(Second Embodiment)
A component concentration measuring apparatus according to the second embodiment will be described.
図3に本実施の形態の成分濃度測定装置の概略構成図を示す。図3において、第1実施形態と同様の構成部分については構成要素番号を同一とした。 FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of the component concentration measuring apparatus according to the present embodiment. In FIG. 3, the same component numbers are used for the same components as in the first embodiment.
本実施形態に係る成分濃度測定装置11は、第1の半導体レーザ光源801と第2の半導体レーザ光源805の出力する光のパワーを等しく調整する手段として、校正用検体811を導入した形態である。また、本実施形態の成分濃度測定装置11は、図2により説明した第1実施形態に係る成分濃度測定装置10における第1の光源103、第2の光源106及び光分岐部108の光発生手段、光変調手段及び光出射手段に異なる点を有している。
The component concentration measuring apparatus 11 according to the present embodiment has a configuration in which a
本実施形態の成分濃度測定装置11の上記以外の部分は、図2に示す第1実施形態に係る成分濃度測定装置10と同様であるので、ここでは本実施形態に係る成分濃度測定装置11について、第1実施形態の成分濃度測定装置10と異なる部分について説明する。また、本実施形態に係る成分濃度測定装置11の測定原理は第1実施形態に係る成分濃度測定装置10と同様であるため、本実施形態に係る成分濃度測定装置11の説明に適宜図5を参照する。
Since the other parts of the component concentration measuring apparatus 11 of the present embodiment are the same as those of the component
本実施形態に係る成分濃度測定装置11は、光発生手段及び光変調手段の一部としての第1の半導体レーザ光源801、第2の半導体レーザ光源805、レンズ802、レンズ806、光合波手段の一部としての合波部107、レンズ815、光出射手段としてのファイバカップラ812、ファイバコリメータ813及びガラス板814を有する。
The component concentration measurement apparatus 11 according to this embodiment includes a first semiconductor
本実施形態において第1の半導体レーザ光源801、第2の半導体レーザ光源805は、光の波長をそれぞれ波長1608nm及び1381nmに設定し、光強度CW光12mWの光を発振器101の周波数450kHzで互いに逆位相の強度変調光として出射する。
In the present embodiment, the first semiconductor
合波部107は、第1の半導体レーザ光源801から出射されレンズ802を介して集光された光及び第2の半導体レーザ光源805から出射されレンズ806を介して集光された光の2波長の光を合波して出力する。
The combining
ファイバカップラ812は、レンズ815により光ファイバに結合された光を等パワーに4分岐させ出力する。分岐させた各ファイバの先端にファイバコリメータ813が接続され、ファイバコリメータ813は、ファイバカップラ812からの光を1mm径の平行光ビームに変換しガラス板814を介して出射する。なお、光を等パワー、ビーム径に分割する方法に限定するものではなく、第1実施形態で説明したように、例えば、径を大きく広げた平行ビームを等間隔に空孔を空けた金属板に透過させても同様に分割することができる。また、光の分岐数に関しても、得られる音響周波数特性から最適値が調整されるもので、4に限定しない。ここで、本実施形態では、被検体2の光の被照射面に対して反対側に設置された音波検出部111の受音面を直径16mmとしており、その受音面の中心5から半径4mmの円周上に図5に示す被照射部位が90度間隔で配置されるように、被検体2の直上にあるファイバコリメータ813の位置を調整した。
The
ここで、本実施形態では、光照射位置にある音源と音波検出部111の間に骨が介在しないように、指の腹に向けてファイバコリメータ813からの光を出射する。さらに、指の表面の凹凸によって、各被照射部位である音源と受音面からの距離が変化することを避けるために、ガラス板814を被検体2の被照射面に押し付けることとする。ガラス板814の押し付けには、押し付け面の指表皮で血液が虚血することを避けるために、被照射部位となる位置に空孔を用意し、被照射部位が直接ガラスに接触しないようにし、接触部は被照射部位の周囲に限定した。また、音波検出部111の表面には、指との間に空泡が散在しないように、ジェルを塗布することとする。
Here, in this embodiment, the light from the
また、音波検出部111の受音面において各被照射部位からの音波が平面波になるように被照射部位である音源と受音面の距離が遠距離音場となるように指の位置を調整する。本実施形態の場合、被検体2としての指の厚みは15mm程度であったため、遠距離音場となる距離を15mm程度とする。なお、この値は、音波検出部111及び被照射部位である音源サイズに依存するもので、必ずしもこの値に限定されるものではない。
In addition, the position of the finger is adjusted so that the distance between the sound source that is the irradiated part and the sound receiving surface is a long-distance sound field so that the sound wave from each irradiated part becomes a plane wave on the sound receiving surface of the sound
成分濃度測定装置11の構成を上記の構成とし、波長1381nmの光のみを第2の半導体レーザ光源805から出射し、光の照射位置、照射パワー等の各種パラメータの調整を行った。音波検出部111の中心5(図5)を光の出射位置との距離、及び発振器101での変調周波数を操作し、音波の大きさが最大となる値に調整する。また、各被照射部位である音源の位置によって、音波検出部111までの音響伝達経路・特性がランダムに異なるため、音波検出部111上でこれらの信号が加算された結果、各共振ピークが鈍化する。
The component concentration measuring apparatus 11 is configured as described above, and only light having a wavelength of 1381 nm is emitted from the second semiconductor
ここで、共振ピークの鈍化について説明する。図7は発振器の変調周波数に対する音波強度の変化を示した図である。図7において、実線は光を分岐させない場合(分岐数1)の音波強度を示し、点線は前述のファイバカップラでの光の分岐数を4とした場合の音波強度を示す。 Here, the blunting of the resonance peak will be described. FIG. 7 is a diagram showing a change in sound intensity with respect to the modulation frequency of the oscillator. In FIG. 7, the solid line indicates the sound wave intensity when the light is not branched (the number of branches is 1), and the dotted line indicates the sound wave intensity when the light branch number in the above-described fiber coupler is 4.
図7に示すように、光の分岐数を4とした場合には、分岐数1とした場合に比べ共振ピークが鈍化することがわかる。また、周波数特性のリプルは部分的に3dB以下に平坦とすることが可能である。また、被検体2としての指よりも被照射部位である音源と音波検出部111の距離が長くなる手の平では、共振ピークの強度が比較して弱まり、より平坦度は増加することが分かった。
As shown in FIG. 7, it can be seen that when the number of branches of light is 4, the resonance peak becomes duller than when the number of branches is 1. Moreover, the ripple of the frequency characteristic can be partially flattened to 3 dB or less. It was also found that the intensity of the resonance peak is weakened and the flatness is increased more in the palm where the distance between the sound source that is the irradiation site and the sound
以上の調整手順の後に、図3の被検体2としての指を固定する。音波検出部111からの信号は、位相検波増幅部113の一部である前置増幅器で増幅された後に、ロックインアンプで位相検波しており、指示値は1.65mVであった。指の音響伝達特性の変化(音響インピーダンス、微弱な体動によるずれ)に伴う信号変化の多くは、周波数領域のシフトにより発生するため、周波数特性の平坦化によって抑制され、20分間の測定時間において、信号の変化率は1%以下であった。
After the above adjustment procedure, the finger as the subject 2 in FIG. 3 is fixed. The signal from the sound
次に、被検体2の代わりに、水を充填したシリコンゴム製のセルである校正用検体811を配置し、また、波長1.60μmの光を第1の半導体レーザ光源801から追加して出射し、光パワーの調整を行い、ロックインアンプの信号値を、およそ0.5μVとした。再び、校正用検体811に換えて被検体2としての指を配置し、信号を観測したところ、ロックインアンプの指示値は、およそ4μVであった。また、水のみの吸収を呈する光波長1.38μmの光のみでの指示値は1.72mVであり、信号値の除算を行い、対象成分であるグルコースと水の吸光度比を掛けることによりグルコース成分濃度が算定され、145mg/dlと求まった。
Next, in place of the subject 2, a
(第3実施形態)
第3実施形態に係る成分濃度測定装置について説明する。本実施形態に係る成分濃度測定装置は、異なる2波長の光を1組として前記異なる波長の2波長のそれぞれと同一波長の2波長の光を複数組発生して出力する光発生手段と、前記光発生手段からの複数の組の各組の2波長の光のそれぞれを前記各組について同一周波数で逆位相の信号により前記複数の組について同相で電気的に強度変調して出力する光変調手段と、前記光変調手段からの複数の組の各組の2波長の光を前記各組について合波して出射する光出射手段と、前記光出射手段により前記複数の組の各組の2波長の光について合波され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、を備える。さらに、本実施形態の成分濃度測定装置は被検体の成分濃度算出手段を備えることが好ましい。
(Third embodiment)
A component concentration measuring apparatus according to the third embodiment will be described. The component concentration measuring apparatus according to the present embodiment includes a light generating means for generating and outputting a plurality of sets of two wavelengths of light having the same wavelength as each of the two wavelengths of different wavelengths, with a set of lights having different two wavelengths as a set, Optical modulation means for outputting each of the two-wavelength light of each of the plurality of sets from the light generating means by electrically modulating the intensity of the plurality of sets in phase with the same frequency and opposite phase signals for each set. And a light emitting means for combining and emitting light of two sets of each of the plurality of sets from the light modulation means, and two wavelengths of each of the plurality of sets by the light emitting means. Sound wave detecting means for detecting sound waves generated by a plurality of light beams that are combined and emitted at a position approximately equidistant from each irradiated site irradiated with the plurality of light beams. Furthermore, it is preferable that the component concentration measuring apparatus of the present embodiment includes a component concentration calculating unit of the subject.
図4に本実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図を示す。図4において、第1実施形態と同様の構成部分については構成要素番号を同一とし、また、同じ構成要素が2つ以上あるときは各構成要素の番号にそれぞれ英語符号を付した。 FIG. 4 shows a schematic configuration diagram of a component concentration measuring apparatus according to the present embodiment. In FIG. 4, the same constituent elements as those in the first embodiment are given the same constituent element numbers, and when there are two or more identical constituent elements, the English numerals are assigned to the constituent element numbers.
本実施形態に係る成分濃度測定装置12は、図2に示す第1実施形態の成分濃度測定装置10のように光を光分岐部108により分岐させる代わりに、複数の光源を有することとした場合である。
The component
本実施形態の成分濃度測定装置12の上記以外の部分は、図2に示す第1実施形態に係る成分濃度測定装置10と同様であるので、ここでは本実施形態に係る成分濃度測定装置12について、第1実施形態の成分濃度測定装置10と異なる部分について説明する。また、本実施形態に係る成分濃度測定装置12の測定原理は第1実施形態に係る成分濃度測定装置10と同様であるため、本実施形態に係る成分濃度測定装置12の説明に適宜図5を参照する。
Since the other parts of the component
本実施形態に係る成分濃度測定装置12は、光発生手段及び光変調手段の一部としての発振器101、180°移相回路104、多チャンネル駆動回路115a、115b、第1の光源103a、103b及び第2の光源106a、106b、光合波手段としての合波部107a、107b、光出射手段としての光ファイバ118a、118b及び光照射器117、音波検出手段としての音波検出部111、を有する。さらに、本実施形態に係る成分濃度測定装置12は、光変調手段の一部として、第1の光源103b及び第2の光源106bからの光を強度変調するための同一周波数で逆位相の信号をそれぞれ遅延させる遅延発生器116a、116bを有する。
The component
本実施形態では、第1の光源103a及び第2の光源106aで1組とし、第1の光源103b及び第2の光源106bで1組とする。第1の光源103a及び第2の光源106aから出力された異なる2波長の光は、合波部107aにより合波され、光ファイバ118aに向けて出力される。一方、第1の光源103b及び第2の光源106bから出力された異なる2波長の光は、合波部107bにより合波され、光ファイバ118bに向けて出力される。ここで、第1の光源103a、103bの光の波長は互いに同一とし、第2の光源106a、106bの光の波長は互いに同一とする。
In this embodiment, the
本実施形態では、第1の光源103a、第2の光源106a及び第1の光源103b、第2の光源106bの2組の2波長の光を設けたが、組数が図5で説明した被照射部位の数と一致するため、2組に限らず、音波検出部111で検出する音波の大きさに合わせて多数組み設けることとしてもよい。即ち、被照射部位を増加させるほど音波の大きさが大きくなるため、各被照射部位における光強度を弱めることができる。
In the present embodiment, two sets of two-wavelength light, the
多チャンネル駆動回路115aは、第2の光源106a、106bをそれぞれ駆動させる信号を発振器101からの変調信号に同期して出力する。また、多チャンネル駆動回路115bは、第1の光源103a、103bをそれぞれ駆動させる信号を発振器101からの変調信号に同期して出力する。
The
遅延発生器116aは、多チャンネル駆動回路115aから出力される信号のうち第2の光源106bを駆動させる信号を所定時間遅延させる。また、遅延発生器116bは、多チャンネル駆動回路115bから出力される信号のうち第1の光源103bを駆動させる信号を所定時間遅延させる。
The
このように、遅延発生器116a、116bを設けて、光を強度変調する前段で予め第1及び第2の光の変調信号をそれぞれ遅延させることができることで、電気配線による物理的な遅延量を調整して音波検出部111での音波の位相を揃えることができる。そのため、被検体2で発生する音波の音波検出部111に同相で到達する精度が向上し、音波の総和による信号増加を図ることができる。ここで、本実施形態では、第1の光源103b、第2の光源106bへの信号を遅延させることとしたが、第1の光源103a、第2の光源106aへの信号を遅延させる遅延発生器をさらに設けることとしてもよい。さらに複雑な遅延処理を行なうことができる。また、本実施形態では、第1及び第2の光を強度変調する変調信号をそれぞれ遅延させるものとして遅延発生器116a、116bを設けることとしたが、遅延発生器116a、116bに代えてパルス遅延調整器を適用することとしてもよい。パルス遅延調整器は、パルス遅延調整器内に設けた内部クロック周波数でパルス信号である変調信号のパルス時間を計測し、指定した遅延時間に対応したパルスを再出力する装置である。
As described above, the
ここで、遅延発生器116a、116bでの遅延量は、電気系の遅延差、光系での遅延差、被検体内での音波の速度の違い(骨や肉では音速が異なる)によって変わるため、被照射部位である音源と音波検出部111との物理的距離だけでは決定できない。そのため、遅延発生器116a、116bは、予め遅延量を調整しておく。例えば、第1の光源103b及び第2の光源106bの組の光のみを出射し、遅延発生器116a、116bの遅延量を片方ずつ遅延させて、当該光による音波の大きさが増加する方向に遅延調整を行なう。
Here, the amount of delay in the
光照射器117は、例えば前述したファイバカップラを適用して、光ファイバ118a、118bに入射する光をそれぞれ被検体2に向けて変調光120として出射する。ここで、光照射器117は、第1実施形態において図5を参照して説明したのと同様に、被検体2に向けて出射される複数の光のビームとしての変調光120の並びが光の出射方向に垂直な面に対し音波検出部111の検出位置を中心5とした円周上に分布して配置されるように複数の変調光120を出射することが望ましい。複数の光のビームとしての変調光120の並びを音波の検出位置を図5に示す中心5とした円周上に分布させることにより、音波検出部111を円の中心5を貫く直線のいずれかに配置すれば各被照射部位から音波検出部111までの音波の検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心5を貫く直線方向の音波検出部111による音波の検出位置のずれを許容して、正確に測定対象の成分濃度を測定することができる。また、複数の光のビームとしての変調光120の並びを音波の検出位置を図5に示す中心5とした円周上に分布させることにより、それに従って光の被照射部位を円周上に分布させることができる。そのため、光の被照射面の起伏と被照射部位から音波検出部111までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出部111での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。
The light irradiator 117 applies the above-described fiber coupler, for example, and emits light incident on the
また、被検体2の表面の形状に合わせて、光照射器117としてファイバカップラの光ファイバの配置や空孔を空けた金属板の金属板上での空孔の配置を調整して、図5(1)に示すように複数の被照射部位の並びが複数の変調光120の出射方向に垂直な面に対し音波検出部111の音波の検出位置を中心5とした円周上に分布して配置されるように前記複数の光を出射することが望ましい。光の被照射部位を円周上に分布させることにより、音波検出部111を円の中心5を貫く直線のいずれかに配置すれば各被照射部位から音波検出部111までの音波の検出距離を等距離とすることができる。そのため、円の中心5を貫く直線方向の音波検出部111による音波の検出位置のずれを許容して、正確に測定対象の成分濃度を測定することができる。また、光の被照射部位を円周上に分布させることにより、光の被照射面の起伏と被照射部位から音波検出部111までの間の音響伝達の違いによる影響を平均化することができる。そのため、音波検出部111での音波検出の状態を略一定に保つことができ成分濃度の測定誤差を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。
Further, according to the shape of the surface of the subject 2, the arrangement of the optical fiber of the fiber coupler as the light irradiator 117 and the arrangement of the holes on the metal plate of the metal plate with the holes formed are adjusted, as shown in FIG. As shown in (1), the arrangement of a plurality of irradiated portions is distributed on a circumference centering on the detection position of the sound wave of the sound
音波検出部111は、第1実施形態で説明したように、光の被照射部位から略等距離の位置に配置され、合波部107から出射された光により被検体2で発生する音波を音響整合物質110を介して検出し、音波の振幅に比例した電気信号を出力する。
As described in the first embodiment, the sound
このように、第1の光源103a、第2の光源106a及び第1の光源103b、第2の光源106bの各組の2波長の光を合波部107a、107bで合波しそれぞれ出射することにより、光強度を複数に分散させることができるため、1箇所に光が集中して照射されることがないので、照射する光の総量を大きくすることができる。さらに、被照射部位から略等距離の位置で音波を検出することにより、音波の位相が揃う位置で音波を検出できるため、検出した音波の大きさを複数の被照射部位からの音波の総和として検出することができる。そのため、各被照射部位からの音波の誤差を平均化することができる。従って、本実施形態の成分濃度測定装置12は、被検体2への負担が少なく且つ被検体2で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。
In this way, the two wavelengths of light of each set of the
次に、本実施形態に係る成分濃度測定装置12の成分濃度測定の動作を図4を参照して説明する。
Next, the component concentration measurement operation of the component
成分濃度測定装置12は、混合光出射手順として、以下の動作を行なう。
The component
まず、多チャンネル駆動回路115bは、発振器101からの変調信号に同期して第1の光源103a、第1の光源103bを駆動する信号を出力する。また、多チャンネル駆動回路115aは、180°移相回路104を介した変調信号に同期して第2の光源106a、第2の光源106bを駆動させる信号を出力する。ここで、多チャンネル駆動回路115aから出力される信号と多チャンネル駆動回路115bから出力される信号とは、互いに反転している。第1の光源103aは、発生する光の波長を、例えば測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長λ1に設定し、設定した波長の光を多チャンネル駆動回路115bからの信号により電気的に強度変調して出力する。また、第2の光源106aは、水が一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長λ2に設定し、設定した波長の光を多チャンネル駆動回路115aからの信号により電気的に強度変調して出力する。ここで、多チャンネル駆動回路115aから出力される信号と多チャンネル駆動回路115bから出力される信号とを互いに反転させているため、第1の光源103aから出射される第1の光と第2の光源106aから出射される第2の光とは交互に出射されることとなる。一方、第1の光源103bは、発生する光の波長を、第1の光源103aと同一の波長λ1に設定し、設定した波長の光を多チャンネル駆動回路115bからの信号により電気的に強度変調して出力する。また、第2の光源106bは、第2の光源106aと同一の波長λ2に設定し、設定した波長の光を多チャンネル駆動回路115aからの信号により電気的に強度変調して出力する。
First, the
合波部107aは、第1の光源103aから受信する第1の光及び第2の光源106aから受信する第2の光を合波して出射する。一方、合波部107bは、第1の光源103bから受信する第1の光及び第2の光源106bから受信する第2の光を合波して出射する。そして、光照射器117は、合波部107a、107bからの光をそれぞれ被検体2に向けて変調光120として出射する。
The
次に、成分濃度測定装置12は、音波強度検出手順としての以下の動作を行なう。
Next, the component
音波検出部111は、光照射器117から出射された第1の光により被検体2から第1の音波が発生し、第2の光により被検体2から前記第2の音波が発生し重畳して、第1の音波と第2の音波の差の音波として、被検体2の各被照射部位からの音波の総和として音波(s1−s2)を音響整合物質110を介して検出し、成分濃度算出部114は、音波検出部111により検出された音波(s1−s2)の大きさを記憶する。
The sound
次に、成分濃度測定装置12は、単一音波強度測定手順として、以下の動作を行なう。第1の光源103a、103bは、第1の光の発生を停止し、第2の光源106a、106bが波長λ2の第2の光を発生し、多チャンネル駆動回路115a、115bからの信号により電気的に強度変調して出力し、光照射器117から変調光120を出射する。音波検出部111は、被検体2の各被照射部位からの音波の総和として音波s2を検出し、成分濃度算出部114は、音波s2の大きさを記憶する。
Next, the component
次に、成分濃度測定装置12は、成分濃度算出手順として、以下の動作をおこなう。成分濃度算出部114は、音波検出部111から取得した(s1−s2)及びs2から、前述の測定原理に従って数式(3)により成分濃度を算出する。
Next, the component
本実施形態に係る成分濃度測定装置12は、光照射器117から複数の光を出射するので、以上の手順により成分濃度を測定して、被検体2への負担が少なく且つ被検体2で発生する音波への雑音による影響を少なくして、測定対象の成分濃度を正確に測定することができる。
Since the component
本発明の成分濃度測定装置は、日常の健康管理や美容上のチェックに利用することができる。また、人間ばかりでなく、動物についても健康管理に利用することができる。 The component concentration measuring apparatus of the present invention can be used for daily health management and cosmetic check. Moreover, not only humans but also animals can be used for health management.
また、本発明の成分濃度測定装置は、人間や動物だけではなく、液体中の成分濃度を測定する分野、例えば果実の糖度測定にも適用することができる。 In addition, the component concentration measuring apparatus of the present invention can be applied not only to humans and animals but also to the field of measuring component concentrations in liquids, for example, sugar content measurement of fruits.
2:被検体
5:中心
10:成分濃度測定装置
11:成分濃度測定装置
12:成分濃度測定装置
101:発振器
102:駆動回路
103:第1の光源
103a,b:第1の光源
104:180°移相回路
105:駆動回路
106:第2の光源
106a,b:第2の光源
107:合波部
107a,b:合波部
108:光分岐部
110:音響整合物質
111:音波検出部
112:フィルタ
113:位相検波増幅部
114:成分濃度算出部
115a,b:多チャンネル駆動回路
116a,b:遅延発生器
117:光照射器
118a,b:光ファイバ
120:変調光
120a−h:変調光
121a−h:被照射部位
121k:被照射部位
130a−h:音波
601:第1の光源
604:駆動回路
605:第2の光源
608:駆動回路
609:合波器
610:被検体
613:超音波検出器
616:パルス光源
617:チョッパ板
618:モータ
619:音響センサ
620:波形観測器
621:周波数解析器
801:第1の半導体レーザ光源
802:レンズ
805:第2の半導体レーザ光源
806:レンズ
807:180°移相回路
811:校正用検体
812:ファイバカップラ
813:ファイバコリメータ
814:ガラス板
815:レンズ
2: Subject 5: Center 10: Component concentration measuring device 11: Component concentration measuring device 12: Component concentration measuring device 101: Oscillator 102: Drive circuit 103: First light source 103a, b: First light source 104: 180 ° Phase shift circuit 105: drive circuit 106: second light source 106a, b: second light source 107: multiplexing unit 107a, b: multiplexing unit 108: light branching unit 110: acoustic matching substance 111: sound wave detection unit 112: Filter 113: Phase detection amplification unit 114: Component concentration calculation unit 115a, b: Multi-channel drive circuit 116a, b: Delay generator 117: Light irradiator 118a, b: Optical fiber 120: Modulated light 120a-h: Modulated light 121a -H: irradiated portion 121k: irradiated portion 130a-h: sound wave 601: first light source 604: drive circuit 605: second light source 608: drive circuit 609: multiplexer 61 : Subject 613: ultrasonic detector 616: pulse light source 617: chopper plate 618: motor 619: acoustic sensor 620: waveform observer 621: frequency analyzer 801: first semiconductor laser light source 802: lens 805: second Semiconductor laser light source 806: lens 807: 180 ° phase shift circuit 811: calibration sample 812: fiber coupler 813: fiber collimator 814: glass plate 815: lens
Claims (15)
前記光発生手段からの2波長の光のそれぞれを同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する光変調手段と、
前記光変調手段からの2波長の光を合波して出力する光合波手段と、
前記光合波手段により合波され出力される光を複数に分岐して出射する光出射手段と、
前記光出射手段により分岐され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、
を備えたことを特徴とする成分濃度測定装置。 Light generating means for generating and outputting light of two different wavelengths;
Light modulating means for electrically modulating the intensity of each of the two wavelengths of light from the light generating means with a signal of the opposite phase at the same frequency; and
Optical multiplexing means for multiplexing and outputting two-wavelength light from the optical modulation means;
A light emitting means for branching the light output by the light combining means and outputting the light;
A sound wave detecting means for detecting sound waves generated by a plurality of lights branched and emitted by the light emitting means at positions substantially equidistant from respective irradiated portions irradiated with the plurality of lights;
A component concentration measuring apparatus comprising:
前記光発生手段からの複数の組の各組の2波長の光のそれぞれを前記各組について同一周波数で逆位相の信号により前記複数の組について同相で電気的に強度変調して出力する光変調手段と、
前記光変調手段からの複数の組の各組の2波長の光を前記各組について合波して出射する光出射手段と、
前記光出射手段により前記複数の組の各組の2波長の光について合波され出射される複数の光により発生する音波を前記複数の光の照射されるそれぞれの被照射部位から略等距離の位置で検出する音波検出手段と、
を備えたことを特徴とする成分濃度測定装置。 Light generating means for generating and outputting a plurality of sets of two wavelengths of light having the same wavelength as each of the two different wavelengths of light, with two different wavelengths of light as a set;
Optical modulation that outputs each of the two-wavelength light of each of the plurality of sets from the light generating means by electrically modulating the intensity of the plurality of sets in phase with the same frequency and opposite phase signals for each set Means,
A light emitting means for combining and emitting the two-wavelength light of each set of the plurality of sets from the light modulation means;
Sound waves generated by a plurality of light beams that are combined and emitted from the two-wavelength light of each of the plurality of sets by the light emitting means are approximately equidistant from each irradiated site irradiated with the plurality of light beams. A sound wave detection means for detecting the position;
A component concentration measuring apparatus comprising:
The component concentration calculation means divides the pressure of the sound wave generated by the light of two wavelengths from the light modulation means by the pressure of the sound wave generated when the light of one wavelength out of the two wavelengths of light is zero. The component concentration measuring apparatus according to claim 14.
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