JP4490385B2

JP4490385B2 - 成分濃度測定装置

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Publication number: JP4490385B2
Application number: JP2006085619A
Authority: JP
Inventors: 孝規清倉; 卓郎田島; 勇一岡部; 和則長沼; 純一嶋田; 真司美野; 博輿水
Original assignee: NTT Advanced Technology Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Advanced Technology Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP2007259914A

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。

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超音波を観測する光音響分光法（以下、「光音響分光法」を「ＰＡＳ」と略記する。）が注目されている。

図１４は光パルスを電磁波として用いたＰＡＳによる従来の血液の成分濃度測定装置の構成例を示す図である（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１４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。被検体６１０の内部の各成分はそれぞれ光音響効果を生ずる固有の光の波長を有しており、照射した光パルスの光の波長で光音響効果を生ずる被検体６１０の内部の成分の濃度に応じた強度の超音波が発生する。図１４の血液の成分濃度測定装置はグルコースの濃度を測定するため、パルス光源６１６はグルコースが光音響効果を発生させる光の波長の光パルスを照射する。発生した超音波は被検体６１０の表面に伝達して音響波検出器６１３で検出される。音響波検出器６１３は検出した超音波を強度に比例した振幅の電気信号に変換する。

前記電気信号の波形は波形観測器６２０で観測される。波形観測器６２０は上記励起電流に同期した信号でトリガされ、前記電気信号は画面上の一定位置に表示し、前記電気信号を積算・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の内部のグルコースの濃度が測定される。
オウル大学（ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＯｕｌｕ、Ｆｉｎｌａｎｄ）学位論文「Ｐｕｌｓｅｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃｔｅｃｈｎｉｑｕｓａｎｄｇｌｕｃｏｓｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｉｎｈｕｍａｎｂｌｏｏｄａｎｄｔｉｓｓｕｅ」（ＩＢＳ９５１−４２−６６９０−０、ｈｔｔｐ：／／ｈｅｒｋｕｌｅｓ．ｏｕｌｕ．ｆｉ／ｉｓｂｎ９５１４２６６９００／、２００２年）

被検体で発生した光音響信号である超音波を音響波検出器で効率よく検出するため、超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、音響波検出器と超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。

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規格で定められており、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、１ｍｍ^２当たり１ｍＷが最大許容量となる。そのため、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り、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り、雑音の影響を受け易くなる。

被検体と音響波検出器とを密着させて前記超音波を検出することで、前記雑音の影響を少なくすることができるが、被検体の表面形状によっては密着が困難な場合もある。例えば、指の腹、口唇、指の関節又はひじの関節のような部位は被検体の表面が外側に膨らんでおり、あご、手のひら又は耳のような部位は被検体の表面が窪んでいるため、被検体の表面と音響波検出器との接触性は悪い。従って、従来のＰＡＳを利用した成分濃度測定装置は被検体の表面形状によって正確な成分濃度測定を行うことができないという課題もあった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、被検体の表面と音響波検出器との接触性を改善し、精度よく被検体の血液成分濃度の測定ができるＰＡＳを利用した成分濃度測定装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る成分濃度測定装置は、音響波検出器の被検体との接触面の形状を被検体の表面形状に適合する形状とすることとした。

具体的には、本発明は、レーザ光を一定周波数の信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体からの超音波を検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、一端にある振動計測面の振動から超音波を検出する音響波検出器と、前記音響波検出器の前記振動計測面上に配置され、前記被検体と前記音響波検出器との音響インピーダンスを整合して前記被検体からの前記超音波を前記音響波検出器の前記振動計測面に伝達し、且つ凹面形状の前記被検体との接触面を持つ音響整合層と、を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

前記音響整合層の被検体との接触面の形状は凹面形状のため、外側に膨らんでいる形状の被検体の表面と適合する。すなわち、前記音響整合層の前記接触面と被検体の表面とは広く一様に接触するため、光音響効果による被検体内部からの超音波は被検体の表面から前記音響整合層の前記接触面へ円滑に伝搬することができる。さらに、前記音響整合層は前記被検体と前記音響波検出器との音響インピーダンスを整合するため、前記超音波を被検体の表面から前記音響波検出器へ反射や減衰を抑え効率よく伝搬することができる。

従って、本発明は、被検体の表面と音響波検出器との接触性を改善し、精度よく被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

本発明に係る成分濃度測定装置の前記音響波検出器は、前記振動計測面が凹面形状であり、前記音響整合層は、前記超音波の伝達方向の厚みが一定であってもよい。

前記音響波検出器の前記振動計測面の形状を凹面形状且つ前記音響整合層の前記超音波伝搬方向の厚みを一定とすることで、前記音響整合層の被検体との接触面の形状は凹面形状になる。ゆえに、前記音響整合層の前記接触面は外側に膨らんでいる形状の被検体の表面と適合するため、前記接触面の形状が凹面形状の成分濃度測定装置で説明した効果と同様の効果を得ることができる。さらに、前記音響整合層の厚みが一定であり、前記超音波による被検体の表面の振動は前記音響波検出器の前記振動計測面に一様に伝搬するため、前記音響波検出器は効率よく前記超音波を検出できる。

具体的には、本発明は、レーザ光を一定周波数の信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体からの超音波を検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、一端にある振動計測面の振動から超音波を検出する音響波検出器と、前記音響波検出器の前記振動計測面上に配置され、前記被検体と前記音響波検出器との音響インピーダンスを整合して前記被検体からの前記超音波を前記音響波検出器の前記振動計測面に伝達し、且つ凸面形状の前記被検体との接触面を持つ音響整合層と、を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

前記音響整合層の被検体との接触面の形状は凸面形状のため、窪んだ形状の被検体の表面と適合する。ゆえに、前記成分濃度測定装置は、前記接触面の形状が凹面形状の成分濃度測定装置で説明した効果と同様の効果を得ることができる。

本発明に係る成分濃度測定装置の前記音響波検出器は、前記振動計測面が凸面形状であり、前記音響整合層は、前記超音波の伝達方向の厚みが一定であってもよい。

前記音響波検出器の前記振動計測面の形状を凸面形状且つ前記音響整合層の前記超音波伝搬方向の厚みを一定とすることで、前記音響整合層の被検体との接触面の形状は凸面形状になるため、窪んだ形状の被検体の表面と適合する。ゆえに、前記成分濃度測定装置は、前記音響波検出器の前記振動計測面の形状を凹面形状且つ前記音響整合層の前記超音波伝搬方向の厚みを一定とした成分濃度測定装置で説明した効果と同様の効果を得ることができる。

本発明に係る成分濃度測定装置の前記音響整合層は、前記被検体からの前記超音波が伝達する方向と垂直な面における音響インピーダンス分布が外周部から中央部に向かって低くなっていてもよい。

前記音響整合層において前記超音波は音響インピーダンスが低い前記音響整合層の中央部を通過しようとするため、前記音響整合層は前記超音波の発散を防止でき、前記音響波検出器は効率よく前記超音波を検出できる。

前記音響整合層の被検体との接触面が凹面形状である本発明に係る成分濃度測定装置において、前記音響整合層は、前記被検体からの前記超音波が伝達する方向の音響インピーダンス分布が前記音響波検出器の前記振動計測面に向かって低くなっていてもよい。

前記音響整合層の被検体との接触面は凹面形状であるため、前記接触面の縁部より底部の音響インピーダンスが低くなる。ゆえに、前記音響整合層において前記超音波は前記接触面の底部である前記音響整合層の中央部を通過しようとするため、前記音響整合層は前記超音波の発散を防止でき、前記音響波検出器は効率よく前記超音波を検出できる。

前記音響整合層の厚みが一定である本発明に係る成分濃度測定装置において、前記音響波検出器は、凸起する方向を揃えて２枚の同一形状の電極板を相対させる圧電素子であって、前記電極の一つが前記音響波検出器の前記振動計測面であってもよい。

電極板の凸起する方向を揃えて相対させた圧電素子を前記音響波検出器として利用することができる。電極板の凸起する方向を前記音響整合層の前記接触面側と反対方向とすることで前記振動計測面が凹面形状となり、前記圧電素子を利用する前記成分濃度測定装置は、前記接触面の形状が凹面形状の成分濃度測定装置で説明した効果と同様の効果を得ることができる。逆に、電極板の凸起する方向を前記音響整合層の前記接触面側の方向とすることで前記振動計測面が凸面形状となり、前記圧電素子を利用する前記成分濃度測定装置は、前記接触面の形状が凸面形状の成分濃度測定装置で説明した効果と同様の効果を得ることができる。さらに、前記圧電素子の電極板間にあるいずれの箇所でも前記超音波の伝搬方向における前記電極板間の距離が等しくなり、前記圧電素子は前記超音波で容易に共振する。

本発明に係る成分濃度測定装置において、前記音響波検出器は、外側に凸起する２枚の電極板の圧電素子であって、前記電極の一つが前記音響波検出器の前記振動計測面であってもよい。

前記電極板はそれぞれ外側に凸起する形状である。すなわち、前記圧電素子内部側からは前記電極板は凹面形状となるため、前記圧電素子内に生ずる共振波は前記電極板で収束するように反射する。そのため、共振波は発散せず圧電素子内に閉じ込められ、前記圧電素子の超音波から電気信号への変換効率が向上する。

本発明は、被検体の表面と音響波検出器との接触性を改善し、精度よく被検体の血液成分濃度の測定ができる成分濃度測定装置を提供することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。

（実施の形態１）
本実施形態は、レーザ光を一定周波数の信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体からの超音波を検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、一端にある振動計測面の振動から超音波を検出する音響波検出器と、前記音響波検出器の前記振動計測面上に配置され、前記被検体と前記音響波検出器との音響インピーダンスを整合して前記被検体からの前記超音波を前記音響波検出器の前記振動計測面に伝達し、且つ凹面形状の前記被検体との接触面を持つ音響整合層と、を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０１の概略図を図１に示す。図１の成分濃度測定装置２０１は光照射手段１１及び振動検出手段１２を備える。また、図２に振動検出手段１２の斜視図を示す。図１の振動検出手段１２は図２の平面Ｈにおける断面である。なお、全ての図面において電源や配線など通常の技術で実現できる部分は省略して記載している。

光照射手段１１は光源１３及び発振器１８を含む。

発振器１８は一定の周波数の変調信号Ｅ１を出力する。例えば、前記周波数は１００ｋＨｚ以上１０ＭＨｚ以下が例示できる。

光源１３はレーザ光源と駆動回路を内蔵している。前記駆動回路は変調信号Ｅ１を基に前記レーザ光源を駆動して、前記レーザ光源から変調信号Ｅ１に基づいて強度変調した変調レーザ光Ｌ１を出力させる。前記レーザ光源は半導体レーザであることが例示できる。また、前記レーザ光源から出力されるレーザ光は、被検体９００の測定対象成分が吸収しやすい波長であることが望ましい。前記レーザ光源として半導体レーザを使用した場合、半導体レーザを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で発生する光の波長を変化させることができる。例えば、測定対象とする成分がグルコースの場合、前記レーザ光の波長は１６０８ｎｍであることが例示される。

従って、光照射手段１１は、被検体９００から離れた位置から発振器１８の変調信号Ｅ１に基づく光源１３からの変調レーザ光Ｌ１を被検体９００の表面の変調レーザ照射点Ａに向けて照射することができる。

振動検出手段１２は、図１及び図２のように音響波検出器１４及び音響整合層１７を含む。

音響波検出器１４は、一端にある振動計測面の振動から超音波を検出する。例えば、音響波検出器１４として圧電効果を有するチタン酸ジルコン酸鉛の圧電素子（以下、「チタン酸ジルコン酸鉛の圧電素子」を「ＰＺＴ」と略記する。）が例示できる。ＰＺＴは変調信号Ｅ１の周波数の振動で共振するように設計される。図１の音響波検出器１４はＰＺＴであり、誘電体２１の両端に電極板１９及び電極板２０を持つ。音響波検出器１４は電極板１９を前記振動計測面としている。

音響整合層１７は、前記音響波検出器の前記振動計測面上に配置され、前記被検体と前記音響波検出器との音響インピーダンスを整合して前記被検体からの前記超音波を前記音響波検出器の前記振動計測面に伝達し、且つ凹面形状の前記被検体との接触面を持つ。

音響整合層１７は被検体９００と音響波検出器１４との音響インピーダンスを整合することができる。被検体９００の表面の振動は音響波検出器１４へ減衰せずに伝導する。音響整合層１７の前記接触面の一般的な凹面形状としては円筒の側面の一部が例示できるが、接触する被検体の表面に応じた凹面形状とすることで被検体の表面との接触性が向上する。例えば、前記接触面の曲率半径は４ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが例示できる。

また、前記接触面内で曲率半径を一律とする必要は無く、被検体の表面形状に適合するように前記接触面の位置に応じて曲率半径を変えても良い。例えば、人体の指を被検体とする場合、人体のひじを被検体とする場合及び人体のひざを被検体とする場合の前記接触面の曲率半径はそれぞれ４ｍｍ以上２０ｍｍ以下、２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下及び３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることが例示できる。

また、前記接触面の凹面形状は被検体９００内部で光音響効果で生じた超音波の被検体９００の表面における波面と等しい形状としてもよい。前記接触面の形状を前記超音波の波面の形状と等しくすることで、前記超音波は被検体９００から前記音響整合層１７へ均一に伝導することができる。

図２のように音響整合層１７の前記接触面の反対側と音響波検出器１４の前記振動計測面、すなわち電極板１９とが隣接する。

従って、音響整合層１７の前記接触面は被検体９００の表面に密着でき、音響整合層１７は被検体９００の表面の振動を反射や減衰を抑えて音響波検出器１４の振動計測面に伝搬できるため、振動検出手段１２は被検体９００の表面の振動を効率よく検出することができる。

成分濃度測定装置２０１は以下のようにして被検体９００内の測定対象成分の濃度を測定する。振動検出手段１２の音響整合層１７の前記接触面を被検体９００の表面の所定の箇所に接触させる。前記接触面は被検体９００の表面に適合する形状であるため、音響整合層１７と被検体９００の表面は密着することができる。

光照射手段１１は被検体９００の変調レーザ照射点Ａに向けて変調レーザ光Ｌ１を照射する。変調レーザ光Ｌ１は被検体９００の内部まで到達するため、測定対象成分の光音響効果で被検体９００の内部が発振器１８から出力される電気信号の周波数で振動して超音波が発生する。測定対象成分の濃度が高いほど光音響効果が大きいため、被検体９００の測定対象成分の濃度が高い場合、発生する超音波の強度が強くなる。逆に、被検体９００の測定対象成分の濃度が低い場合、発生する超音波の強度は弱くなる。前記超音波は伝達して被検体９００の表面を振動させる。

なお、図１において変調レーザ照射点Ａを指の側面として記載しているが、変調レーザ照射点Ａは図１に示す位置に限定されるものではなく、振動検出手段１２が受ける被検体９００からの振動が最も大きくなる位置に照射することが望ましい。例えば、指の先端部、指の上面部（指の手の甲側）又は爪の表面を変調レーザ照射点Ａとしてもよい。

被検体９００の表面の振動は円滑に音響整合層１７に伝搬するため、前記超音波は音響整合層１７を通過して音響波検出器１４の前記振動計測面に伝搬する。そのため、振動検出手段１２は前記超音波を検出でき、前記超音波の強度を測定することができる。予め、測定対象成分の濃度と振動検出手段１２で検出した超音波の強度との関係のデータを取得しておくことで、成分濃度測定装置２０１は振動検出手段１２で検出した前記超音波の強度から被検体９００の測定対象成分の濃度を算出することができる。

従って、成分濃度測定装置２０１は被検体９００の表面と音響波検出器１４との接触性を改善でき、精度よく被検体９００の血液の成分濃度を測定することができる。

また、音響整合層１７の音響インピーダンスは一様ではなく、図９に示すように前記被検体からの前記超音波が伝達する方向と垂直な面における音響インピーダンス分布が外周部から中央部に向かって低くなっている、又は図１０に示すように前記被検体からの前記超音波が伝達する方向の音響インピーダンス分布が前記音響波検出器の前記振動計測面に向かって低くなっていてもよい。図９及び図１０において図１で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品又は信号を示す。音響整合層１７の音響インピーダンスを前述のような分布とすることで、前記接触面からの超音波は図９や図１０に示す超音波経路Ｄ１のように音響インピーダンスの低い中央部を通過しようとする。そのため、音響整合層１７は前記超音波の発散を防止でき、音響波検出器１４は効率よく前記振動を検出できる。

光源１３は２波長の変調レーザ光Ｌ１を出力できる構造としてもよい。具体的には、光源１３は、変調信号Ｅ１を２分岐して第一信号及び第二信号とする分岐回路と、前記分岐回路で分岐された前記第二信号を受信して位相を１８０°変換する移相回路と、互いに異なる波長のレーザ光を出力する二つのレーザ光源と、前記分岐回路からの前記第一信号及び前記移相回路からの前記第二信号に基づき前記レーザ光源をそれぞれ駆動する二つの駆動回路と、前記二つのレーザ光源からの強度変調されたレーザ光を合波して変調レーザ光Ｌ１を外部に出力する合波部と、を備える。

光源１３は異なる２波長の光をそれぞれ同一周波数で逆位相の電気信号で強度変調して合成するため、２波長の光が交互に現れる変調レーザ光Ｌ１を出力することができる。２波長の光が交互に現れる変調レーザ光Ｌ１で成分濃度を測定する基本原理を以下に説明する。

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１５により説明する。

常温における水とグルコース水溶液の吸光度特性を図１５に示す。図１５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１５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１５に示す波長λ_１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λ_２は、水がλ_１における吸光度と相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λ_１と設定し、第二の光の波長をλ_２と設定することができる。

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λ_１に設定し、第二の光の波長を水が第一の光の波長λ_１におけるのと合い等しい吸光度を示す波長λ_２に設定した場合を説明する。

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超音波を検出して、検出した超音波の大きさから、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超音波と、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超音波とは、周波数が等しくかつ逆位相である。従って、第一の超音波と第二の超音波は被検体内で重畳し、超音波の差として、第一の超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超音波のみが残留する。すなわち、残留した超音波により、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超音波のみを検出することができる。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超音波と水が吸収して発生する超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超音波を正確に検出することができる。

さらに、成分濃度測定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λ_１の光及び波長λ_２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α_１ ^（ｗ）及びα_２ ^（ｗ）として、被検体の測定対象の成分のモル吸収係数をα_１ ^（ｇ）及びα_２ ^（ｇ）とすれば、波長λ_１の光及び波長λ_２の光の各々により被検体から発生する超音波の大きさｓ_１及びｓ_２を含む連立方程式は数式（１）で表される。

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、光照射手段、被検体及び振動検出手段の位置関係、振動検出手段の感度、被検体において光により超音波が発生される位置と振動検出手段との間の距離、被検体の比熱及び熱膨張係数、被検体の内部の超音波の速度、波長λ_１の光及び波長λ_２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。

ここで、波長λ_１の光及び波長λ_２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α_１ ^（ｗ）及びα_２ ^（ｗ）が等しくなるように選択されているので、α_１ ^（ｗ）＝α_２ ^（ｗ）が成立し、さらに、ｓ_１≒ｓ_２であることを用いれば、成分濃度Ｍは数式（３）で表される。

上記の数式（３）に、既知の係数として、α_１ ^（ｗ）、α_１ ^（ｇ）及びα_２ ^（ｇ）を代入し、さらに、波長λ_１の光及び波長λ_２の光の各々により被検体から発生する超音波の大きさｓ_１及びｓ_２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つの超音波の大きさｓ_１及びｓ_２を個別に検出するよりも、それらの差ｓ_１−ｓ_２を検出して、別に検出した超音波の大きさｓ_２で除する方が、被検体の成分濃度Ｍを高精度に測定することができる。

すなわち、まず、波長λ_１の光及び波長λ_２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超音波の大きさｓ_１及び超音波の大きさｓ_２が相互に重畳して生じる超音波の差（ｓ_１−ｓ_２）を検出する。次に、波長λ_２の光を出射して、被検体から発生する超音波の大きさｓ_２を検出する。上記のように検出した（ｓ_１−ｓ_２）とｓ_２により、（ｓ_１−ｓ_２）÷ｓ_２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。

例えば、測定対象とする成分がグルコースの場合には、波長λ_１をグルコースの特徴的な吸収を示す波長である１６０８ｎｍに設定する。波長が１６０８ｎｍの光を照射した場合、グルコースだけでなく水も光を吸収している。そこで、波長λ_２を波長λ_１時に水が吸収する光量と等しい光量を吸収する波長である１３８１ｎｍに設定する。

従って、変調レーザ光Ｌ１を２波長とすることで被検体９００の測定対象成分の濃度を高精度に測定することができる。

図１の成分濃度測定装置２０１において、音響波検出器１４は発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用して被検体９００からの振動を同期検波してもよい。

被検体９００からの振動と発振器１８の変調信号Ｅ２とは周波数が等しいため、遅延回路を利用して変調信号Ｅ２を遅延させることで、音響波検出器１４は被検体９００からの振動を変調信号Ｅ２で同期検波することができる。振動検出手段１２は被検体９００からの振動を同期検波することで、ＳＮ比が向上するため、被検体９００からの振動の大きさを精度良く測定できる。

従って、成分濃度測定装置２０１は発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用して被検体９００からの振動を同期検波することで、被検体９００の測定対象成分の濃度を高精度に測定することができる。

（実施の形態２）
本実施形態は、前記音響波検出器の前記振動計測面が凹面形状であり、前記音響整合層の前記超音波の伝達方向の厚みが一定であってもよい。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０３の概略図を図３に示す。図３の成分濃度測定装置２０３は光照射手段１１及び振動検出手段３２を備える。また、図４に振動検出手段３２の斜視図を示す。図３の振動検出手段３２は図４の平面Ｈにおける断面である。なお、図３及び図４において図１及び図２で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。成分濃度測定装置２０３と図１の成分濃度測定装置２０１との違いは図１の振動検出手段１２の代替として振動検出手段３２が備えられていることである。なお、図３に示す振動検出手段３２は発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用して同期検波をしている。

振動検出手段３２は、図４のように音響波検出器３４及び音響整合層３７を含む。

音響波検出器３４は誘電体４１の両端に電極板１９及び電極板２０を持つＰＺＴであり、図１及び図２の音響波検出器１４と同様の機能及び動作である。音響波検出器３４は前記振動計測面、すなわち電極板１９が誘電体４１側に窪んだ凹面形状となっている。

音響整合層３７は、図１及び図２の音響整合層１７と同様の機能及び動作であるが、前記超音波の伝達方向の厚みが一定であることを特徴とする。

図４のように音響波検出器３４の前記振動計測面、すなわち電極板１９と音響整合層３７の厚み方向の一の面とが密着して隣接する。また、音響波検出器３４の前記振動計測面上に音響整合層３７が密着することで、音響整合層３７の厚み方向の他の面は凹面形状となり、被検体９００の表面と接触する接触面となる。前記接触面の一般的な凹面形状としては円筒の側面の一部が例示できるが、以下に説明する形状とすることで被検体の表面との接触性が向上する。

音響整合層３７の前記接触面の凹面の曲率半径が４ｍｍ以上５０ｍｍ以下となるように前記振動計測面の凹面の曲率半径を設計することが望ましい。図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように曲率半径を前記振動計測面内で一律とする必要は無く、被検体の表面形状に適合するように曲率半径を変えても良い。例えば、人体の指を被検体とする場合、人体のひじを被検体とする場合及び人体のひざを被検体とする場合、前記接触面の曲率半径がそれぞれ４ｍｍ以上２０ｍｍ以下、２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下及び３０ｍｍ以上５０ｍｍ以下となるように前記振動計測面の曲率半径を設計することが例示できる。

また、前記接触面の凹面形状が被検体９００内部の光音響効果で生じた超音波の被検体９００の表面における波面と等しい形状となるように前記振動計測面の形状を設計することが望ましい。前記接触面の形状を前記超音波の波面の形状と等しくすることで、前記超音波は被検体９００から前記音響整合層３７へ均一に伝導することができる。

従って、音響整合層３７の前記接触面は被検体９００の表面に密着でき、音響整合層３７は被検体９００の表面の振動を反射や減衰を抑えて音響波検出器３４の振動計測面に伝達できるため、振動検出手段３２は被検体９００の表面の振動を効率よく検出することができる。

成分濃度測定装置２０３は図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように被検体９００内の測定対象成分の濃度を測定することができる。さらに、音響整合層３７の厚みが一定であり、前記超音波による被検体９００の表面の振動は音響波検出器３４の前記振動計測面に一様に伝達するため、音響波検出器３４は効率よく前記超音波を検出できる。

従って、成分濃度測定装置２０３は被検体９００の表面と音響波検出器３４との接触性を改善でき、精度よく被検体９００の血液の成分濃度を測定することができる。

また、成分濃度測定装置２０３は図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように変調レーザ光Ｌ１に２波長の光を利用してもよい。

なお、成分濃度測定装置２０３における振動検出手段３２の音響波検出器３４は、凸起する方向を揃えて２枚の同一形状の電極板を相対させる圧電素子であって、前記電極の一つが前記音響波検出器の前記振動計測面であってもよい。図１１に他の形態の振動検出手段３２を示す。図１１は図４の平面Ｈにおける断面である。図１１の音響波検出器３４ａは電極板１９と電極板２０との形状が等しく、凸起する方向を揃えて相対させている。音響波検出器３４ａ内部のいずれの箇所でも電極間距離が等しくなるため、前記超音波が微弱であってもＰＺＴは容易に共振する。

従って、音響波検出器３４ａを有する振動検出手段３２を備える成分濃度測定装置２０３はさらに精度よく被検体９００の血液の成分濃度を測定することができる。

（実施の形態３）
本実施形態は、レーザ光を一定周波数の信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体からの超音波を検出する振動検出手段と、を備える成分濃度測定装置であって、前記振動検出手段は、一端にある振動計測面の振動から超音波を検出する音響波検出器と、前記音響波検出器の前記振動計測面上に配置され、前記被検体と前記音響波検出器との音響インピーダンスを整合して前記被検体からの前記超音波を前記音響波検出器の前記振動計測面に伝達し、且つ凸面形状の前記被検体との接触面を持つ音響整合層と、を有することを特徴とする成分濃度測定装置である。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０５の概略図を図５に示す。図５の成分濃度測定装置２０５は光照射手段１１及び振動検出手段５２を備える。また、図６に振動検出手段５２の斜視図を示す。図５の振動検出手段１２は図６の平面Ｈにおける断面である。なお、図５及び図６において図１及び図２で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。成分濃度測定装置２０５と図１の成分濃度測定装置２０１との違いは図１の振動検出手段１２の代替として振動検出手段５２が備えられていることである。なお、図５に示す振動検出手段５２は発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用して同期検波をしている。

振動検出手段５２は、図６のように音響波検出器１４及び音響整合層５７を含む。

音響整合層５７は、図１及び図２の音響整合層１７と同様の機能及び動作である。音響整合層５７の前記接触面の一般的な凸面形状としては円筒の側面の一部が例示できるが、接触する被検体の表面に応じた凸面形状とすることで被検体の表面との接触性が向上する。例えば、前記接触面の曲率半径は５ｍｍ以上３００ｍｍ以下であることが例示できる。

また、前記接触面内で曲率半径を一律とする必要は無く、被検体の表面形状に適合するように前記接触面の位置に応じて曲率半径を変えても良い。例えば、人体の手のひらを被検体とする場合、人体のあごを被検体とする場合及び人体の耳を被検体とする場合の前記接触面の曲率半径はそれぞれ１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下及び１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが例示できる。

また、前記接触面の凸面形状は被検体９５０内部で光音響効果で生じた超音波の被検体９５０の表面における波面と等しい形状としてもよい。前記接触面の形状を前記超音波の波面の形状と等しくすることで、前記超音波は被検体９５０から前記音響整合層５７へ均一に伝導することができる。

図６のように音響整合層５７の前記接触面の反対側と音響波検出器１４の前記振動計測面、すなわち電極板１９とが隣接する。

従って、音響整合層５７の前記接触面は被検体９５０の表面に密着でき、音響整合層５７は被検体９５０の表面の振動を反射や減衰を抑えて音響波検出器１４の振動計測面に伝達できるため、振動検出手段５２は被検体９５０の表面の振動を効率よく検出することができる。

成分濃度測定装置２０５は振動検出手段５２を備えたことで人体の手のひら、人体のあご及び人体の耳のような表面が窪んだ形状の被検体９５０と密着でき、図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように被検体９５０内の測定対象成分の濃度を測定することができる。

なお、図５において変調レーザ照射点Ａを指の付け根として記載しているが、変調レーザ照射点Ａは図５に示す位置に限定されるものではなく、例えば、手の甲を変調レーザ照射点Ａとしてもよい。

従って、成分濃度測定装置２０５は被検体９５０の表面と音響波検出器１４との接触性を改善でき、精度よく被検体９５０の血液の成分濃度を測定することができる。

また、成分濃度測定装置２０５は、図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように変調レーザ光Ｌ１に２波長の光を利用してもよい。

（実施の形態４）
本実施形態は、前記音響波検出器の前記振動計測面が凸面形状であり、前記音響整合層の前記超音波の伝達方向の厚みが一定であってもよい。

本実施形態に係る成分濃度測定装置２０７の概略図を図７に示す。図７の成分濃度測定装置２０７は光照射手段１１及び振動検出手段７２を備える。また、図８に振動検出手段７２の斜視図を示す。図７の振動検出手段７２は図８の平面Ｈにおける断面である。なお、図７及び図８において図１及び図２で使用した符号と同じ符号は同一手段、部品、信号又は光を示す。成分濃度測定装置２０７と図１の成分濃度測定装置２０１との違いは図１の振動検出手段１２の代替として振動検出手段７２が備えられていることである。なお、図７に示す振動検出手段７２は発振器１８からの変調信号Ｅ２を利用して同期検波をしている。

振動検出手段７２は、図８のように音響波検出器７４及び音響整合層７７を含む。

音響波検出器７４は誘電体８１の両端に電極板１９及び電極板２０を持つＰＺＴであり、図１及び図２の音響波検出器１４と同様の機能及び動作である。音響波検出器７４は前記振動計測面、すなわち電極板１９が外側に凸起した凸面形状となっている。

音響整合層７７は、図１及び図２の音響整合層１７と同様の機能及び動作であるが、前記超音波の伝達方向の厚みが一定であることを特徴とする。

図８のように音響波検出器７４の前記振動計測面、すなわち電極板１９と音響整合層７７の厚み方向の一の面とが密着して隣接する。また、音響波検出器７４の前記振動計測面上に音響整合層７７が密着することで、音響整合層７７の厚み方向の他の面は凸面形状となり、被検体９５０の窪んだ形状の表面と接触する接触面となる。前記接触面の一般的な凸面形状としては円筒の側面の一部が例示できるが、以下に説明する形状とすることで被検体の表面との接触性が向上する。

音響整合層７７の前記接触面の凸面の曲率半径が５ｍｍ以上３００ｍｍ以下となるように前記振動計測面の凹面の曲率半径を設計することが望ましい。図５の成分濃度測定装置２０５で説明したように曲率半径を前記振動計測面内で一律とする必要は無く、被検体の表面形状に適合するように曲率半径を変えても良い。例えば、人体の手のひらを被検体とする場合、人体のあごを被検体とする場合及び人体の耳を被検体とする場合、前記接触面の曲率半径がそれぞれ１００ｍｍ以上３００ｍｍ以下、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下及び１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下となるように前記振動計測面の曲率半径を設計することが例示できる。

また、前記接触面の凸面形状が被検体９５０内部の光音響効果で生じた超音波の被検体９５０の表面における波面と等しい形状となるように前記振動計測面の形状を設計することが望ましい。前記接触面の形状を前記超音波の波面の形状と等しくすることで、前記超音波は被検体９５０から前記音響整合層７７へ均一に伝導することができる。

従って、音響整合層７７の前記接触面は被検体９５０の表面に密着でき、音響整合層７７は被検体９５０の表面の振動を反射や減衰を抑えて音響波検出器７４の振動計測面に伝達できるため、振動検出手段７２は被検体９５０の表面の振動を効率よく検出することができる。

成分濃度測定装置２０７は図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように被検体９５０内の測定対象成分の濃度を測定することができる。さらに、音響整合層７７の厚みが一定であり、前記超音波による被検体９５０の表面の振動は音響波検出器７４の前記振動計測面に一様に伝達するため、音響波検出器７４は効率よく前記超音波を検出できる。

従って、成分濃度測定装置２０７は被検体９５０の表面と音響波検出器７４との接触性を改善でき、精度よく被検体９５０の血液の成分濃度を測定することができる。

また、成分濃度測定装置２０７は図１の成分濃度測定装置２０１で説明したように変調レーザ光Ｌ１に２波長の光を利用してもよい。

なお、成分濃度測定装置２０７における振動検出手段７２の前記音響波検出器は、凸起する方向を揃えて２枚の同一形状の電極板を相対させる圧電素子であって、前記電極の一つが前記音響波検出器の前記振動計測面であってもよい。図１２に他の形態の振動検出手段７２を示す。図１２は図８の平面Ｈにおける断面である。図１２の音響波検出器７４ａと図１１の音響波検出器３４ａとは電極板１９及び電極板２０の凸起する方向が異なる以外は同様の構成のため、音響波検出器７４ａは図１１の音響波検出器３４ａで説明した効果と同様の効果を得ることができる。

従って、音響波検出器７４ａを有する振動検出手段を備える成分濃度測定装置２０７はさらに精度よく被検体９００の血液の成分濃度を測定することができる。

成分濃度測定装置２０１、２０３、２０５、２０７における振動検出手段の前記音響波検出器は、外側に凸起する２枚の電極板の圧電素子であって、前記電極の一つが前記音響波検出器の前記振動計測面であってもよい。図１３に他の形態の音響波検出器１３４ａを示す。音響波検出器１３４ａの電極板１９及び電極板２０は外側に凸起しており、電極板１９及び電極板２０の共振波の反射面は凹面形状となる。共振波は電極板１９及び電極板２０で収束する方向に反射するため、共振波は発散せずＰＺＴ内に閉じ込められ、前記ＰＺＴの超音波から電気信号への変換効率が向上する。

従って、音響波検出器１３４ａを有する振動検出手段を備える成分濃度測定装置２０１、２０５、２０７はさらに精度よく被検体９００の血液の成分濃度を測定することができる。

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。さらに、本発明の成分濃度測定装置は、液体中の成分濃度を測定することができるため、例えば果実の糖度測定にも適用することができる。

本発明の一の実施形態に係る成分濃度測定装置２０１の概略図である。本発明の一の実施形態に係る成分濃度測定装置２０１の振動検出手段１２の斜視図である。なお、音響整合層１７の前記接触面に記載する曲線は前記接触面が窪んでいることを表現した等高線であり、前記接触面に現実に存在するものではない。本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置２０３の概略図である。本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置２０３の振動検出手段３２の斜視図である。なお、音響整合層３７の前記接触面に記載する曲線は前記接触面が窪んでいることを表現した等高線であり、前記接触面に現実に存在するものではない。本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置２０５の概略図である。本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置２０５の振動検出手段５２の斜視図である。なお、音響整合層５７の前記接触面に記載する曲線は前記接触面が凸起していることを表現した等高線であり、前記接触面に現実に存在するものではない。本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置２０７の概略図である。本発明の他の実施形態に係る成分濃度測定装置２０７の振動検出手段７２の斜視図である。なお、音響整合層７７の前記接触面に記載する曲線は前記接触面が凸起していることを表現した等高線であり、前記接触面に現実に存在するものではない。傾向のある音響インピーダンス分布の音響整合層１７を有する振動検出手段１２の断面図である。なお、音響整合層１７に記載する縦縞は音響インピーダンス分布を概念的に示したもので、現実に存在するものではない。本図において音響整合層１７の中央部より両端が縦縞の密度が高くなっており、音響整合層１７の中央部より両端の音響インピーダンスが高いことを意味している。傾向のある音響インピーダンス分布の音響整合層１７を有する振動検出手段１２の断面図である。なお、音響整合層１７に記載する横縞は音響インピーダンス分布を概念的に示したもので、現実に存在するものではない。本図において音響波検出器１４から離れるに従い音響整合層１７の横縞の密度が高くなっており、音響波検出器１４から離れるに従い音響整合層１７の音響インピーダンスが高くなることを意味している。凸起する方向を揃えて２枚の同一形状の電極板を相対させるＰＺＴを有する振動検出手段３２の断面図である。凸起する方向を揃えて２枚の同一形状の電極板を相対させるＰＺＴを有する振動検出手段７２の断面図である。外側に凸起する２枚の電極板のＰＺＴの断面図である。従来の成分濃度測定装置の構成例を示す図である。常温における水とグルコース水溶液の吸光度特性を示した図である。

符号の説明

２０１、２０３、２０５、２０７成分濃度測定装置
１１光照射手段
１２、３２、５２、７２振動検出手段
１３光源
１４、３４、３４ａ、７４、７４ａ、１３４ａ音響波検出器
１７、３７、５７、７７音響整合層
１８発振器
１９、２０電極板
２１、４１、８１、１１１、１２１、１３１誘電体
Ａ変調レーザ照射点
Ｌ１変調レーザ光
Ｅ１、Ｅ２変調信号
Ｄ１超音波経路
Ｈ平面
Ｊ平面Ｈと振動検出手段の表面との交線
９００、９５０被検体
６０４駆動回路
６１０被検体
６１３超音波検出器
６１６パルス光源
６２０波形観測器

Claims

レーザ光を一定周波数の信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、
照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体からの超音波を検出する振動検出手段と、
を備える成分濃度測定装置であって、
前記振動検出手段は、一端にある振動計測面の振動から超音波を検出する音響波検出器と、
前記音響波検出器の前記振動計測面上に配置され、前記被検体と前記音響波検出器との音響インピーダンスを整合して前記被検体からの前記超音波を前記音響波検出器の前記振動計測面に伝達し、且つ凹面形状の前記被検体との接触面を持つ音響整合層と、
を有することを特徴とする成分濃度測定装置。
前記音響波検出器は、前記振動計測面が凹面形状であり、前記音響整合層は、前記超音波の伝達方向の厚みが一定であることを特徴とする請求項１に記載の成分濃度測定装置。
レーザ光を一定周波数の信号により電気的に強度変調した変調レーザ光を被検体に向けて照射する光照射手段と、
照射された前記変調レーザ光により発生する前記被検体からの超音波を検出する振動検出手段と、
を備える成分濃度測定装置であって、
前記振動検出手段は、一端にある振動計測面の振動から超音波を検出する音響波検出器と、
前記音響波検出器の前記振動計測面上に配置され、前記被検体と前記音響波検出器との音響インピーダンスを整合して前記被検体からの前記超音波を前記音響波検出器の前記振動計測面に伝達し、且つ凸面形状の前記被検体との接触面を持つ音響整合層と、
を有することを特徴とする成分濃度測定装置。
前記音響波検出器は、前記振動計測面が凸面形状であり、前記音響整合層は、前記超音波の伝達方向の厚みが一定であることを特徴とする請求項３に記載の成分濃度測定装置。
前記音響整合層は、前記被検体からの前記超音波が伝達する方向と垂直な面における音響インピーダンス分布が外周部から中央部に向かって低くなっていることを特徴とする請求項１から４に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
前記音響整合層は、前記被検体からの前記超音波が伝達する方向の音響インピーダンス分布が前記音響波検出器の前記振動計測面に向かって低くなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成分濃度測定装置。
前記音響波検出器は、凸起する方向を揃えて２枚の同一形状の電極板を相対させる圧電素子であって、前記電極の一つが前記音響波検出器の前記振動計測面であることを特徴とする請求項２又は４に記載の成分濃度測定装置。
前記音響波検出器は、外側に凸起する２枚の電極板の圧電素子であって、前記電極の一つが前記音響波検出器の前記振動計測面であることを特徴とする請求項１、３又は４に記載の成分濃度測定装置。