JP4779522B2 - 成分検査方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は成分検査方法およびその装置に関し、詳しくは被測定物に光を照射して対象成分の濃度を検出する成分検査方法およびその装置に関する。

従来、被測定物の成分検査方法として、測定すべき対象成分を含んだ被測定物に、上記対象成分に吸収される波長の光を照射して光音響効果を生じさせることで、被測定物中における対象成分の濃度を測定することが行われている。
このような成分検査方法として、血液中に含まれるグルコース量を測定するため、該グルコースに吸収される波長の光を患者の手首に照射し、上記光音響効果によって生じた光音響信号を音響検出器によって集音し、上記グルコースの濃度を測定する方法が知られている。（特許文献１）
特開平６−３１７５６６号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、光音響効果によって発生した光音響信号を音響検出器で集音する場合、測定時における周囲の雑音や、被測定物と音響検出器との間に介在する空気の存在により、集音が正しく行えない場合があり、測定にばらつきが生じて正確な濃度を測定することができないといった問題が生じてしまう。
このような問題に鑑み、本発明は周囲の雑音等には関係なく高精度に被測定物中の対象成分の濃度を測定することの可能な成分検査方法およびその装置を提供するものである。

すなわち、請求項１に記載の成分検査方法は、測定すべき対象成分を含んだ被測定物に、上記対象成分に吸収される波長の光を照射して光音響効果による音響振動を生じさせ、
該音響振動の作用する作用時間を計測し、当該作用時間に基づいて被測定物中における対象成分の濃度を求める成分検査方法であって、
上記被測定物と、励起光により励起されて上記対象成分に吸収される波長の光を発光するレーザ媒質とを、該レーザ媒質が発光した光を増幅してレーザ光を出力する共振器内に位置させ、
レーザ媒質が発光した上記光を上記被測定物に照射させることで上記光音響効果による音響振動を生じさせ、
当該音響振動によって共振器からレーザ光の出力が停止される出力停止時間を、上記作用時間とすることを特徴としている。

さらに請求項４に記載の成分検査装置は、励起光を照射する発光手段と、上記励起光により励起されて被測定物に含まれる対象成分に吸収される波長の光を発光するレーザ媒質と、レーザ媒質が発光した光を増幅してレーザ光を出力する共振器と、上記レーザ光を受光する受光手段と、受光手段の受光信号からレーザ光の出力停止時間を計測する計測手段とを備え、
上記共振器内に上記被測定物を位置させた状態で、レーザ媒質を発光させて被測定物に光音響効果による音響振動を生じさせ、計測手段は該音響振動による共振器からのレーザ光の出力停止時間を計測し、当該出力停止時間に基づいて、被測定物中における対象成分の濃度を求めることを特徴としている。

上記請求項１における成分検査方法によれば、上記特許文献１のように光音響信号を集音しなくとも、光音響効果によって発生した音響振動の作用時間を計測することで、正確に対象成分の濃度の測定を行うことが可能となり、その際レーザ光を受光して出力停止時間を計測することにより、光学的に検出できるので、周囲の環境によらずに正確な測定を行うことが可能である。

また請求項４の成分検査装置によれば、レーザ光を受光して出力停止時間を計測することにより、光学的に検出できるので、周囲の環境によらずに正確な測定を行うことが可能である。

以下図示実施例について本発明を説明すると、図１は被測定物としての被験者の血液中に含まれる、対象成分としてのグルコースの濃度を測定する成分検査装置１となっている。
この成分検査装置１は、被験者の指２を左右から挟むように設けられた１対の保持部材３，４と、図示左方の保持部材３に設けられて励起光を照射する発光手段としての発光素子５と、該励起光により励起されて発光するレーザ媒質６と、図示右方の保持部材４に設けられて上記レーザ光を受光する受光手段としての受光素子７と、上記保持部材３、４にわたって形成されると共に、レーザ媒質６が発光した光を増幅してレーザ光を出力する共振器８とを備え、被験者の指２とレーザ媒質６とを上記共振器８内に位置させるようになっている。
また、成分検査装置１は制御手段１１によって制御され、この制御手段１１は、発光素子５を制御する調光手段１２と、受光素子７から入力した受光信号を基にレーザ光の出力停止時間を計測する計測手段１３とを備え、さらに制御手段１１には測定結果等を示す表示手段１４が接続されている。

上記保持部材３，４はその内部に上記共振器８が構成される空間が形成されており、図示しない固定手段によって指２を挟んだ状態を維持できるようになっている。指２を挟んで相互に向かい合う面は、凹部３ａ，４ａとして外光の入射を防ぐよう形成されており、また指２の接触する位置には透明なガラス板３ｂ、４ｂが設けられている。なお、図１の指２内には、模式的に血管２ａを示している。
発光素子５は、いわゆるフォトダイオードであり、本実施例では波長が０．９４μｍの励起光を発光するとともに、上記調光手段１２により励起光の強度とその発光時間を制御するようになっている。
レーザ媒質６は、ＹＡＧ結晶を母体結晶としてＹｂイオンを添加したＹｂ：ＹＡＧ結晶からなり、該レーザ媒質６が発光素子５の照射した励起光により励起されると、励起光の強度に応じた強度にて、グルコースに吸収されやすい、１．０５〜１．０３μｍの波長域の光を放出するようになっている。
上記共振器８は、上記保持部材３内の空間に設けられた反射鏡１５と、保持部材４内の空間に設けられた出力鏡１６とを備え、これらによって構成されている。これら反射鏡１５と出力鏡１６との間に指２およびレーザ媒質６が位置するようになっており、レーザ媒質６で発光された光が指２に照射されるようになっている。
上記反射鏡１５は、上記レーザ媒質６の図示左側の表面に施されたコーティングミラーであり、該反射鏡１５は、発光素子５で発光された励起光の波長域の光を透過させ、上記レーザ媒質６が励起されて発光された波長域の光を出力鏡１６に向けて反射させるようになっている。
上記出力鏡１６は、レーザ媒質６の発光した光が所定強度となるまで該光を上記反射鏡１５に向けて反射させて増幅させるようになっており、所定強度に達した光を透過させて、レーザ光として上記受光素子７に出力するようになっている。また、この出力鏡１６は集光レンズになっており、上記レーザ光は受光素子７に向けて集光されるようになっている。
受光素子７は、いわゆるフォトセンサであり、出力鏡１６で出力されたレーザ光を受光すると、該レーザ光を電圧信号に変換して、上記計測手段１３に入力するようになっている。
計測手段１３は、受光素子７より入力された受光信号から、レーザ光の受光の有無を検出して、出力停止時間Ｔを計測し、制御手段１１は当該出力停止時間Ｔから血液中のグルコースの濃度を求めるようになっている。
また制御手段１１には、従来公知のパーソナルコンピュータ等を利用することができ、上記表示手段１４に求めたグルコースの濃度を表示させるほか、各種の測定結果を表示させることが可能となっている。
そして上記調光手段１２は、励起光の強度や発光時間を調節し、本実施例では図２に示すように、発光素子５に発光させる励起光の強度を第１強度まで急激に上昇させ、その後、徐々に第２強度まで下降させて、この第２強度で所定時間維持するように発光素子５の発光を制御している。
これにより、レーザ媒質６では、上記第１強度の励起光により該第１強度に見合った第１強度の光を発光して指２に照射し、これにより指２を透過した光が血管２ａ内を流れる血液中のグルコースに吸収され、光音響効果を生じさせる。
また、レーザ媒質６は上記第２強度の励起光により第２強度に見合った第２強度の光を発光して指２に照射するが、これはごくわずかな光音響効果しか生じることがないように設定されている。

次に、本発明による光音響効果を利用した成分検査方法について説明する。
まず光音響効果とは、物質に光が吸収されることで物質から音波が発生する現象をいい、この光音響効果によって物質から音響振動が発生する。そして物質への光の吸収量が多いほど、発生する音響振動の強度が高くなる事が知られている。
そして測定すべき対象成分を含んだ被測定物に対象成分に吸収される波長の光を照射し、上記光音響効果を生じさせれば、この光音響効果により生じた音響振動の強度を測定することで、被測定物中の対象成分の濃度を求めることが可能となる。
具体的に説明すると、図３（ａ）、（ｂ）は対象成分の濃度の異なる被測定物に光を照射して、上記光音響効果による音響振動を発生させた様子を示したものであり、図３（ａ）のほうが、被測定物中の対象成分の濃度が高いことを示している。
このように、上記音響振動の強度を測定すれば対象成分の濃度を測定することができるが、被測定物内で発生した音響振動の強度を測定するには、周囲の雑音や被測定物と測定器との間に介在する空気等を十分に排除しなければならず、精度良く測定することが困難であるといった問題がある。
そこで本実施例では、音響振動の強度そのものを測定せず、音響振動の作用する作用時間を計測し、当該作用時間に基づいて被測定物質の対象成分の濃度を求めるようにしている。
これは図３（ａ）、（ｂ）に示すように、光音響効果の発生時における音響振動の強度が高いほど（Ａ＞Ｂ）、音響振動が減衰して消滅するまでの作用時間が長くなり、この作用時間の長さと対象成分の濃度の相関関係を予め求めておき、この作用時間を計測することで、被測定物中における対象成分の濃度を求めるようにしている。

そして本実施例では、上記成分検査装置１を用いることで、上記作用時間の測定を行い、対象成分としてのグルコースの濃度を求めるようになっている。
最初に、上記保持部材３、４の間に指２を位置させる。これにより共振器８を構成する反射鏡１５と出力鏡１６との間に被測定物として指２並びに血液が位置するようになる。
この状態で、調光手段１２により発光素子５を制御し、図２に示すように励起光を第１強度まで急激に上昇させて発光させ、反射鏡１５を透過させてレーザ媒質６に照射し、レーザ媒質６を励起させる。
励起されてレーザ媒質６が発光した光は、励起光の第１強度に見合った第１強度を有しており、この光は反射鏡１５と出力鏡１６の間で反射を繰り返しながらレーザ媒質６を通過することで増幅され、その強度が所定強度に達した時点で出力鏡１６を透過してレーザ光として共振器８から出力される。
このとき、共振器８内の指２をレーザ媒質６が発光する第１強度の光が通過するので、その光の一部は共振器８からのレーザ光として出力されるものの、一部の光は血液中のグルコースに吸収されて指２内で光音響効果を発生させる。
光音響効果によって発生した音響振動は、共振器８内で反射を繰り返す光を曲げて光の直進性を阻害するので、光は散乱されて強度が損失され、反射鏡１５と出力鏡１６の間を往復させて増幅させることができず、結果として共振器８からのレーザ光の出力が停止される。

一方、調光手段１３は発光素子５により励起光を上記第１強度で発光した後、上記第２強度まで徐々に低下させた状態で照射させて、これに伴ってレーザ媒質６が発光する光の強度を、第２強度の励起光に見合った第２強度にまで低下させている。
このレーザ媒質６が発光する第２強度の光は、対象成分に吸収されるが音響振動を発生させない、もしくは、発生させても共振器８からのレーザ光の出力に影響を及ぼすことのない程度の強度で選定されており、上記第１強度の光による、音響振動が減衰して消滅するとすぐに、第２強度のレーザ媒質６が発光した光が共振器８で増幅され、レーザ光として出力されて受光素子７に受光される。
図４（ａ）（ｂ）は、この状況を示しており、この図４（ａ）（ｂ）はそれぞれ上記図３（ａ）（ｂ）の音響振動の強度のグラフに対応している。そして計測手段１３はレーザ媒質６による第１強度の光によって共振器８から出力されたレーザ光が受光素子７に受光された後、このレーザ光が光音響効果によって出力されなくなった時から、第２強度の光によって再び出力されて受光素子７に受光されるまでを、出力停止時間Ｔとして計測する。
上述したように、グルコースによる光の吸収量が多いほど、すなわちグルコース濃度が高く血液中のグルコース量が多いほど、音響振動の作用時間は長くなり、上記出力停止時間Ｔも長くなることから、制御手段１１は、この出力停止時間Ｔに基づき、所定の比例式に代入して、または所定の相関関係を示す表から導くことで、血液中のグルコース濃度を求めて表示手段１４に表示させる。
なお、調光手段１２は、血液中の最小グルコース量を想定して、音響振動がレーザ光の出力に影響しない程度に減衰されるまでに、第２強度でレーザ媒質６を発光させるように発光素子５による励起光の発光を制御するようにしている。

以上のように、光音響効果によって発生する音響振動の強度は、血液中のグルコース量が多くて光の吸収量が多いほど高くなり、この強度が高いほど音響振動の作用時間が長くなる。
レーザ光を出力する共振器８内で該音響振動が発生すると、レーザ光の出力は停止されるので、出力されるレーザ光を受光して出力の有無を検出し、出力停止時間Ｔを計測することで、光学的に被測定物中の対象成分の濃度を求めることが可能となる。

なお、グルコース以外の血液成分やその他の被測定物に含まれる対象成分の濃度を測定することが可能であり、この場合、レーザ媒質が発光する光の波長を、目的とする対象成分に吸収されやすい波長に選定する。
また、上記実施例では第１、第２強度の順でレーザ媒質を発光させているが、予め第２強度の光を発光させておき、その途中で瞬間的に第１強度の光を発光させて被測定物に照射させるようにしてもよい。
さらに他の方法として、レーザ媒質で第２強度の光を発光させる代わりに、対象成分に吸収されない波長域の光を発光する異なるレーザ媒質を共振器内に別途設けて、上記第２強度の光を発光させる場合と同じタイミングで発光させて、レーザ光を出力させるようにしても良い。

本実施例における成分検査装置１の構成図。 発光素子による励起光の強度の推移を示す図。 光音響効果による音響振動の強度を示す図。 発振器からのレーザ光の出力状態を示す図。

符号の説明

１ 成分検査装置 ２ 指
５ 発光素子 ６ レーザ媒質
７ 受光素子 ８ 共振器
１２ 調光手段 １３ 計測手段
１５ 反射鏡 １６ 出力鏡

Claims (5)

1. 測定すべき対象成分を含んだ被測定物に、上記対象成分に吸収される波長の光を照射して光音響効果による音響振動を生じさせ、
   該音響振動の作用する作用時間を計測し、当該作用時間に基づいて被測定物中における対象成分の濃度を求める成分検査方法であって、
   上記被測定物と、励起光により励起されて上記対象成分に吸収される波長の光を発光するレーザ媒質とを、該レーザ媒質が発光した光を増幅してレーザ光を出力する共振器内に位置させ、
   レーザ媒質が発光した上記光を上記被測定物に照射させることで上記光音響効果による音響振動を生じさせ、
   当該音響振動によって共振器からレーザ光の出力が停止される出力停止時間を、上記作用時間とすることを特徴とする成分検査方法。
2. 上記光音響効果による音響振動が作用している間に、音響振動を発生させない光を共振器内で発光させることを特徴とする請求項１に記載の成分検査方法。
3. 上記被測定物が血液であり、対象成分をグルコースとすることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の成分検査方法。
4. 励起光を照射する発光手段と、上記励起光により励起されて被測定物に含まれる対象成分に吸収される波長の光を発光するレーザ媒質と、レーザ媒質が発光した光を増幅してレーザ光を出力する共振器と、上記レーザ光を受光する受光手段と、受光手段の受光信号からレーザ光の出力停止時間を計測する計測手段とを備え、
   上記共振器内に上記被測定物を位置させた状態で、レーザ媒質を発光させて被測定物に光音響効果による音響振動を生じさせ、計測手段は該音響振動による共振器からのレーザ光の出力停止時間を計測し、当該出力停止時間に基づいて、被測定物中における対象成分の濃度を求めることを特徴とする成分検査装置。
5. 上記発光手段を制御する調光手段を備え、
   調光手段が発光手段の励起光の発光を制御して、レーザ媒質に音響振動を発生させる第１強度の光を発光させ、その後、音響振動を発生させない第２強度の光を発光させることを特徴とする請求項４に記載の成分検査装置。

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