JP4901707B2 - 成分濃度測定用試料 - Google Patents

Description

本発明は、非侵襲な成分濃度測定装置に用いられる成分濃度測定用試料、特に、非侵襲に血液成分としてグルコースを測定対象として、その濃度、即ち血糖値を非侵襲で測定するための成分濃度測定用試料に関する。

非侵襲な成分濃度の測定方法として、現在までに、経皮的な電磁波の照射、または、輻射の観測に基づく様々の方法が試行されてきている。これらは何れも、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が有する特定の波長の電磁波との相互作用、すなわち吸収、または散乱を利用している。

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、さらに生体が電磁波に対して散乱体であるために、生体の血糖値測定においては、十分な効果を挙げるに至っていない。

上記のグルコースと電磁波との相互作用を利用する従来の技術の中で、電磁波を生体へ照射して生体内に発生する音波を観測する、光音響法が注目されている。

光音響法とは生体にある量の電磁波を照射した場合、電磁波は生体に含有される分子に吸収され、電磁波を照射した部分を局所的に加熱して熱膨張を起こし音波を発生させるが、この音波の圧力は電磁波を吸収する分子の量に依存するので、音波の圧力を測定することにより、生体内の分子の量を測定する方法である。また、光音響法の中でも、光を照射した局部的な領域において熱が発生し、その熱が拡散することなく熱膨張を惹起し、それにより発生し伝搬する音波を利用する方法を直接光音響法と呼ぶ。

音波は生体内を伝搬する圧力波であり、電磁波に比べ散乱しにくいという特質があり、上記の光音響法は生体の血液成分測定において注目すべき手法である（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、光音響法を用いた生体の血液成分測定においては、まだ十分な精度が得られていない。

そこで、光音響法を用いた生体の血液成分測定における精度を高める目的で、異なる波長の複数の光源を用いた測定が試みられている（例えば、特許文献１及び２参照。）。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。

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濃度を測定している。
特開平１０−１８９号公報 ＷＯ ２００５／１０７５９２ Ａ１ オウル大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｏｕｌｕ、Ｆｉｎｌａｎｄ）学位論文「Ｐｕｌｓｅ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｕｍａｎ ｂｌｏｏｄ ａｎｄ ｔｉｓｓｕｅ」（ＩＢＳ ９５１−４２−６６９０−０、ｈｔｔｐ：／／ｈｅｒｋｕｌｅｓ．ｏｕｌｕ．ｆｉ／ｉｓｂｎ９５１４２６６９００／、２００２年）

しかし、光音響信号の測定値が、予め測定した値との関係と異なる問題が生じていた。血液に含まれる水の吸光度が温度の影響を受けやすいために、血液の温度によって水の吸光度が変動するからである。この問題を解決するために、水の吸光度を別途測定することが考えられる。

図５は、水の吸光度を測定するための成分濃度測定用試料の一例であり、（ａ）は概観図、（ｂ）は縦断面の概略図を示す。吸光度を測定するための光吸収試料１１は、遮光性容器１２にて密閉されている。光吸収試料１１が吸光度を測定する水である。遮光性容器１２には、遮光性容器１２内の光吸収試料１１に光を入射するための入射窓１３が設けられる。しかし、入射窓１３には、入射窓１３の位置ごとにおける厚み偏差がある。さらに、入射窓１３の厚み偏差は、光の波長や成分濃度測定用試料の温度によっても生じる。入射窓１３の厚み偏差によって透過光強度が安定しないために、光吸収試料１１の吸光度を正確に測定できていない場合があることを、発明者らは発見した。

図６は、成分濃度測定用試料を用いた吸光度の測定結果の一例である。光吸収試料１１として水を用いている。図６は、厚み偏差に対する吸光度を表している。図６では、厚み偏差は、一定の厚みを真値とした厚み誤差となっている。また、吸光度は、光吸収試料１１の吸光度を直接測定するのではなく、２つの波長の光を入射した差分音響信号となっている。ここで、２つの波長の光は、光吸収試料１１たる水の呈する吸収が相等しい異なる波長の光である。２つの波長の光が水で吸収されることによって発生した差分音響信号を測定するため、２つの波長の光の強度はあらかじめ等しくしてある。この場合、入射窓に厚み偏差がなければ、差分音響信号は検出されず、差分音響信号の信号変化はゼロとなる。しかし、成分濃度測定用試料を用いた吸光度の測定の結果、０．１μｍの入射窓の厚み偏差に対し、差分音響信号の信号変化が３％を超えることがわかった。

そこで、本発明は、吸光度を測定するための成分濃度測定用試料において、透過光強度に対する入射窓の厚み偏差の影響を低減し、光吸収試料に入射する光を安定させることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る成分濃度測定用試料は、透過光強度に対する入射窓の厚み偏差の影響を低減する入射窓を備えることを特徴とする。入射窓の厚み偏差を低減するので、光吸収試料に入射する光を安定させることができる。

具体的には、本発明に係る成分濃度測定用試料は、特定波長の光に対して特定の吸光度を有する、光音響法に用いられる光吸収試料と、前記光吸収試料を密閉する遮光性容器と、前記特定波長の光を透過し、前記遮光性容器の外から前記遮光性容器内の前記光吸収試料に入射させる入射窓と、を備え、前記入射窓は、前記特定波長の光の入射面にビーム径を広げるレンズが設けられていることを特徴とする。

入射窓からの反射光に干渉縞が１本以上現れる場合、入射窓からの透過光にも干渉縞が現れている。入射窓からの透過光に干渉縞が１本以上現れる径の光を透過させることで、透過光強度に対する入射窓の厚み偏差の影響を低減することができる。そのため、本発明に係る成分濃度測定用試料は、光吸収試料に入射する光を安定させることができる。

また、本発明に係る成分濃度測定用試料は、特定波長の光に対して特定の吸光度を有する、光音響法に用いられる光吸収試料と、前記光吸収試料を密閉する遮光性容器と、前記特定波長の光を透過し、前記遮光性容器の外から前記遮光性容器内の前記光吸収試料に入射させる入射窓と、を備え、前記入射窓は、前記特定波長の光の入射面にビーム径を広げるレンズが設けられ、前記入射窓にウエッジが設けられていることを特徴とする。

入射窓にはウエッジが設けられているので、透過光強度に対する入射窓の厚み偏差の影響を低減することができる。そのため、本発明に係る成分濃度測定用試料は、光吸収試料に入射する光を安定させることができる。

また、本発明に係る成分濃度測定用試料は、特定波長の光に対して特定の吸光度を有する、光音響法に用いられる光吸収試料と、前記光吸収試料を密閉する遮光性容器と、前記特定波長の光を透過し、前記遮光性容器の外から前記遮光性容器内の前記光吸収試料に入射させる入射窓と、を備え、前記入射窓は、前記特定波長の光の入射面にビーム径を広げるレンズが設けられ、前記入射窓の少なくとも一方の面に、前記入射窓における前記特定波長の光の多重反射を減少させる反射防止膜が設けられていることを特徴とする。

入射窓に反射防止膜が設けられているので、入射窓での多重反射を低減することができる。入射窓での多重反射が低減すれば、透過光強度に対する入射窓の厚み偏差の影響も低減する。そのため、本発明に係る成分濃度測定用試料は、光吸収試料に入射する光を安定させることができる。

また、本発明に係る成分濃度測定用試料は、特定波長の光に対して特定の吸光度を有する、光音響法に用いられる光吸収試料と、前記光吸収試料を密閉する遮光性容器と、前記特定波長の光を透過し、前記遮光性容器の外から前記遮光性容器内の前記光吸収試料に入射させる入射窓と、を備え、前記入射窓は、前記特定波長の光の入射面にビーム径を広げるレンズが設けられ、前記入射窓が、傾けて配置されていることを特徴とする。

特定波長の光によって発生する多重反射の反射光同士が重ならない場合、特定波長の光によって発生する多重反射の透過光同士が重なっていない。多重反射の透過光同士が重ならない角度で入射窓が傾けられているので、透過光強度に対する入射窓の厚み偏差の影響を低減することができる。そのため、本発明に係る成分濃度測定用試料は、光吸収試料に入射する光を安定させることができる。

本発明によれば、本発明に係る成分濃度測定用試料は、透過光強度に対する入射窓の厚み偏差の影響を低減することができる。そのため、本発明に係る成分濃度測定用試料は、光吸収試料に入射する光を安定させ、光吸収試料の吸光度を正確に測定することができる。

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。

（実施形態１）
図１は、本実施形態に係る成分濃度測定用試料の模式図であり、（ａ）は特定波長の光のビーム径が小さい場合、（ｂ）は特定波長の光のビーム径が大きい場合を示す。成分濃度測定用試料９１は、光吸収試料１１と、遮光性容器１２と、入射窓１４と、を備える。成分濃度測定用試料９１は、例えば、光音響法を用いた成分濃度測定装置に用いられる試料である。成分濃度測定装置は、液体に対象成分が混合されてなる溶液における対象成分の濃度を測定する装置である。例えば、溶液が血液であれば、成分濃度測定装置９１は、グルコースやコレステロールなどの血液成分の濃度を測定する。

光吸収試料１１は、特定波長の光２０に対して特定の吸光度を有する。特定波長の光２０は、成分濃度測定装置に用いられる波長の光である。特定の吸光度は、溶液のうちの液体又は対象成分の吸光度と等しい吸光度である。光吸収試料１１は、例えば、成分濃度測定装置が血糖値を測定する血液成分濃度測定装置の場合、液体の吸光度と等しい吸光度を有する水、又は、対象成分の吸光度と等しい吸光度を有するブドウ糖の結晶である。特に、光吸収試料１１は、血液と等温にした水を用いることが好ましい。温度による血液成分の濃度誤差を補正することができる。

遮光性容器１２は、光吸収試料１１を密閉する。遮光性容器１２の一部に入射窓１４を設置するための開口部が設けられている場合、開口部は入射窓１４にて密閉される。遮光性容器１２は、光吸収試料１１によって腐食しにくいものが好ましい。腐食しにくいものは、光吸収試料１１が水であればステンレスなどの金属又は合成樹脂である。遮光性容器１２の内壁面には、光吸収試料１１の吸光度を検出するための音波検出手段、透過窓又は光検出手段が設けられることが好ましい。

入射窓１４は、特定波長の光２０を透過し、特定波長の光２０を遮光性容器１２の外から遮光性容器１２内の光吸収試料１１に入射させる。入射窓１４は、特定波長の光２０に対して透明な材質であることが好ましい。特定波長の光２０が赤外光であれば、入射窓１４の材質は、例えば、ガラス、石英又はサファイアである。

入射窓１４は、特定波長の光２０が垂直入射した際の入射窓１４からの反射光に干渉縞が１本以上現れる入射窓１４の径２３を有することが好ましい。入射窓１４の厚み偏差は、入射窓１４の面積が広くなれば小さくなる。このため、特定波長の光２０を、図１（ａ）に示すような小さなビーム径ではなく、図１（ｂ）に示すような入射面２１から出射される反射光に干渉縞が１本以上現れる大きさのビーム径とすることで、入射窓１４からの透過光強度に対する入射窓１４の厚み偏差の影響を小さくすることができる。特定波長の光２０のビーム径を大きくするために、入射面２１にビーム径を広げるためのレンズを設けてもよい。

（実施形態２）
図２は、本実施形態に係る成分濃度測定用試料の概略構成図である。成分濃度測定用試料９２は、光吸収試料１１と、遮光性容器１２と、入射窓１５と、を備える。光吸収試料１１及び遮光性容器１２については、実施形態１で説明した光吸収試料１１及び遮光性容器１２と同様である。

入射窓１５は、特定波長の光２０を透過し、特定波長の光２０を遮光性容器１２の外から遮光性容器１２内の光吸収試料１１に入射させる。本機能については、実施形態１で説明した入射窓１４と共通する。

さらに、入射窓１５には、入射面２１に対して透過面２２が傾斜しているウエッジが設けられている。入射面２１に対して透過面２２が傾斜しているので、入射窓１５からの透過光強度に対する入射窓１５の厚み偏差の影響小さくすることができる。

ここで、ウエッジ角２４は、入射窓１５に特定波長の光２０が垂直入射した際に、入射窓１５からの反射光に干渉縞が１本以上現れる角度であることが好ましい。入射窓１５からの反射光に干渉縞が現れる場合、入射窓１５からの透過光にも干渉縞が現れている。入射窓１５からの透過光に干渉縞が１本以上現れていれば、入射窓１５で多重反射が発生した場合であっても、透過光強度に対する入射窓１５の厚み偏差の影響を低減することができる。そのため、成分濃度測定用試料９２は、光吸収試料１１に入射する光を安定させることができる。

なお、成分濃度測定用試料９２においてウエッジ角に制限がある場合には、さらに、実施形態１で説明した入射窓１４を組み合わせてもよい。

（実施形態３）
図３は、本実施形態に係る成分濃度測定用試料の概略構成図である。成分濃度測定用試料９３は、光吸収試料１１と、遮光性容器１２と、入射窓１６と、を備える。光吸収試料１１及び遮光性容器１２については、実施形態１で説明した光吸収試料１１及び遮光性容器１２と同様である。

入射窓１６は、特定波長の光２０を透過し、遮光性容器１２の外から遮光性容器１２内の光吸収試料１１に入射させる。本機能については、実施形態１で説明した入射窓１４と共通する。

さらに、入射窓１６では、入射窓１６の入射面２１及び透過面２２のうちの少なくとも一方の面に、入射窓１６における特定波長の光２０の多重反射を減少させる反射防止膜２５が設けられている。反射防止膜２５は、例えば、誘電体多層膜などの、光学干渉を利用して反射光強度を低減させるＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜である。

反射防止膜２５が透過面２２に設けられる場合、反射防止膜２５は、入射面２１から入射した光の透過面２２での反射を低減する。反射防止膜２５が入射面２１に設けられる場合、反射防止膜２５は、透過面２２で反射された光の入射面２１での反射を低減する。反射防止膜２５が入射面２１及び透過面２２に設けられる場合、反射防止膜２５は、入射面２１から入射した光の透過面２２での反射、透過面２２で反射された光の入射面２１での反射、及び、入射面２１で反射された光の透過面２２での反射を低減する。反射防止膜２５が入射面２１及び透過面２２の少なくとも一方の面での反射を低減するので、入射窓１６での多重反射を低減することができる。入射窓１６での多重反射が低減すれば、透過光強度に対する入射窓１６の厚み偏差の影響も低減する。そのため、成分濃度測定用試料９３は、光吸収試料１１に入射する光を安定させることができる。

なお、成分濃度測定用試料９３において、さらに透過光強度に対する入射窓１６の厚み偏差の影響も低減したい場合には、実施形態１で説明した入射窓１４、又は、実施形態２で説明した入射窓１５を組み合わせてもよい。
（実施形態４）
図４は、本実施形態に係る成分濃度測定用試料の概略構成図である。成分濃度測定用試料９４は、光吸収試料１１と、遮光性容器１２と、入射窓１７と、を備える。光吸収試料１１及び遮光性容器１２については、実施形態１で説明した光吸収試料１１及び遮光性容器１２と同様である。

入射窓１７は、特定波長の光２０を透過し、遮光性容器１２の外から遮光性容器１２内の光吸収試料１１に入射させる。本機能については、実施形態１で説明した入射窓１４と共通する。

入射窓１７は、特定波長の光２０によって発生する多重反射の反射光同士が重ならない角度で傾けられている。ここで、「反射光同士」とは、反射面２１から大気中へ出射されている反射光である。また、入射窓１７の傾きの角度２７は、例えば、遮光性容器１２の底面２６に対する透過面２２の角度である。また、入射窓１７の傾きの角度２７は、入射窓１７に対する特定波長の光２０の入射方向の角度であってもよい。特定波長の光２０によって発生する多重反射の反射光同士が重ならないので、透過面２２から出射する透過光同士も重なっていない。入射窓１７からの透過光同士が重ならない場合、特定波長の光２０を一定強度で入射窓１７に入射すれば、当該一定強度で定まる強度で入射窓１７から透過させることができる。入射窓１７からの透過光強度を均一にすることができるので、透過光強度に対する入射窓１７の厚み偏差の影響を低減することができる。そのため、成分濃度測定用試料９４は、光吸収試料１１に入射する光を安定させることができる。

なお、成分濃度測定用試料９４において、入射窓１７の傾きの角度２７に制限がある場合は、実施形態１で説明した入射窓１４、又は、実施形態２で説明した入射窓１５、又は、実施形態３で説明した入射窓１６をさらに組み合わせてもよい。

本実施形態に係る成分濃度測定用試料は、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適用することができる。

実施形態１に係る成分濃度測定用試料の模式図であり、（ａ）は特定波長の光のビーム径が小さい場合、（ｂ）は特定波長の光のビーム径が大きい場合を示す。 実施形態２に係る成分濃度測定用試料の概略構成図である。 実施形態３に係る成分濃度測定用試料の概略構成図である。 実施形態４に係る成分濃度測定用試料の概略構成図である。 水の吸光度を測定するための成分濃度測定用試料の一例であり、（ａ）は概観図、（ｂ）は縦断面の概略図を示す。 成分濃度測定用試料を用いた吸光度の測定結果の一例である。

符号の説明

１１ 光吸収試料
１２ 遮光性容器
１３、１４、１５、１６、１７ 入射窓
２０ 特定波長の光
２１ 入射面
２２ 透過面
２３ 入射窓の径
２４ ウエッジ角
２５ 反射防止膜
２６ 遮光性容器の底面
２７ 入射窓の傾きの角度
９０、９１、９２、９３、９４ 成分濃度測定用試料

Claims (4)

1. 特定波長の光に対して特定の吸光度を有する、光音響法に用いられる光吸収試料と、
   前記光吸収試料を密閉する遮光性容器と、
   前記特定波長の光を透過し、前記遮光性容器の外から前記遮光性容器内の前記光吸収試料に入射させる入射窓と、を備え、
   前記入射窓は、前記特定波長の光の入射面にビーム径を広げるレンズが設けられていることを特徴とする成分濃度測定用試料。
2. 特定波長の光に対して特定の吸光度を有する、光音響法に用いられる光吸収試料と、
   前記光吸収試料を密閉する遮光性容器と、
   前記特定波長の光を透過し、前記遮光性容器の外から前記遮光性容器内の前記光吸収試料に入射させる入射窓と、を備え、
   前記入射窓は、前記特定波長の光の入射面にビーム径を広げるレンズが設けられ、
   前記入射窓にウエッジが設けられていることを特徴とする成分濃度測定用試料。
3. 特定波長の光に対して特定の吸光度を有する、光音響法に用いられる光吸収試料と、
   前記光吸収試料を密閉する遮光性容器と、
   前記特定波長の光を透過し、前記遮光性容器の外から前記遮光性容器内の前記光吸収試料に入射させる入射窓と、を備え、
   前記入射窓は、前記特定波長の光の入射面にビーム径を広げるレンズが設けられ、
   前記入射窓の少なくとも一方の面に、前記入射窓における前記特定波長の光の多重反射を減少させる反射防止膜が設けられていることを特徴とする成分濃度測定用試料。
4. 特定波長の光に対して特定の吸光度を有する、光音響法に用いられる光吸収試料と、
   前記光吸収試料を密閉する遮光性容器と、
   前記特定波長の光を透過し、前記遮光性容器の外から前記遮光性容器内の前記光吸収試料に入射させる入射窓と、を備え、
   前記入射窓は、前記特定波長の光の入射面にビーム径を広げるレンズが設けられ、
   前記入射窓が、傾けて配置されていることを特徴とする成分濃度測定用試料。

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