JP4945415B2 - Component concentration measuring apparatus and component concentration measuring apparatus control method - Google Patents

Component concentration measuring apparatus and component concentration measuring apparatus control method Download PDF

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Description

本発明は、非侵襲な成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法、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、即ち血糖値の非侵襲な測定装置および測定方法に関する。   The present invention relates to a non-invasive component concentration measuring device and a component concentration measuring device control method, and more particularly, to a non-invasive measuring device and measuring method for non-invasive measurement of glucose concentration as a blood component, that is, a blood glucose level.

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。   To date, various methods based on transcutaneous electromagnetic wave irradiation or radiation observation have been tried as noninvasive component concentration measurement methods. All of these utilize the interaction with an electromagnetic wave of a specific wavelength that a blood molecule of interest has, for example, glucose molecules in the case of blood glucose level, that is, absorption or scattering.

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。   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. Furthermore, since living bodies are scatterers against electromagnetic waves, , Has not been effective enough.

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。   Among the conventional techniques using the interaction between glucose and electromagnetic waves, a photoacoustic method for observing sound waves generated in a living body by irradiating the living body with electromagnetic waves has attracted attention.

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。   The photoacoustic method is that when a living body is irradiated with a certain amount of electromagnetic waves, the electromagnetic waves are absorbed by the molecules contained in the living body, and the portion irradiated with the electromagnetic waves is locally heated to cause thermal expansion and generate sound waves. Since the pressure of this sound wave depends on the amount of molecules that absorb electromagnetic waves, it is a method of measuring the amount of molecules in the living body by measuring the pressure of sound waves. Moreover, among the photoacoustic methods, heat is generated in a local area irradiated with light, and thermal expansion is caused without diffusion of the heat. Call the law.

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。)。図22は、従来例として、光音響法による従来の成分濃度測定装置の構成例を示す図である。光パルスを電磁波として用いている。また、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。駆動電源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、前記光パルスは生体被検部610に照射される。前記光パルスは生体被検部610内にパルス状の光音響信号と呼ばれる音波を発生させ、光音響信号は超音波検出器613により検出され、光音響信号は音圧に比例した電気信号に変換される。   A sound wave is a pressure wave propagating in a living body and has a characteristic that it is less likely to scatter than an electromagnetic wave. ). FIG. 22 is a diagram showing a configuration example of a conventional component concentration measuring apparatus using a photoacoustic method as a conventional example. Light pulses are used as electromagnetic waves. In this example, blood sugar, that is, glucose is used as a measurement target as a blood component. The driving power source 604 supplies a pulsed excitation current to the pulse light source 616, and the pulse light source 616 generates a light pulse having a sub-microsecond duration, and the light pulse is irradiated to the living body test part 610. The light pulse generates a sound wave called a pulsed photoacoustic signal in the living body test part 610, the photoacoustic signal is detected by the ultrasonic detector 613, and the photoacoustic signal is converted into an electric signal proportional to the sound pressure. Is done.

前記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、前記音圧に比例した電気信号は波形観測器620の画面上の一定位置に表示され、信号を積算・平均して測定することができる。   The waveform of the electrical signal is observed by a waveform observer 620. The waveform monitor 620 is triggered by a signal synchronized with the excitation current, and an electrical signal proportional to the sound pressure is displayed at a fixed position on the screen of the waveform monitor 620, and the signals are integrated and averaged for measurement. Can do.

このようにして得られた前記音圧に比例した電気信号の振幅を解析して、生体被検部610内の血糖値、すなわちグルコースの量が測定される。図22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の繰り返しで発生させ、1024発の光パルスを平均して、前記音圧に比例した電気信号としているが十分な精度が得られていない。   By analyzing the amplitude of the electrical signal proportional to the sound pressure thus obtained, the blood glucose level in the living body test part 610, that is, the amount of glucose is measured. In the case of the example shown in FIG. 22, light pulses having a sub-microsecond pulse width are repeatedly generated at a maximum of 1 kHz, and 1024 light pulses are averaged to obtain an electric signal proportional to the sound pressure. Is not obtained.

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2の従来例が開示されている(例えば、特許文献1及び2参照。)。図23に第2の従来例の装置の構成を示す。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。   Therefore, a second conventional example using a light source that is continuously intensity-modulated is disclosed for the purpose of improving accuracy (see, for example, Patent Documents 1 and 2). FIG. 23 shows the configuration of the second conventional apparatus. 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.

説明の煩雑さを避けるために、図23により光源の数が2つの場合の動作を説明する。図23において、異なる波長の光源、即ち、第1の光源601および第2の光源605は、それぞれ駆動電源604および駆動電源608により駆動され、連続光を出力する。   In order to avoid complicated explanation, the operation when the number of light sources is two will be described with reference to FIG. In FIG. 23, light sources having different wavelengths, that is, a first light source 601 and a second light source 605 are driven by a driving power source 604 and a driving power source 608, respectively, and output continuous light.

第1の光源601および第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の軸を中心とする円周に第1の光源601および第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。   The light output from the first light source 601 and the second light source 605 is intermittently driven by a chopper plate 617 that is driven by a motor 618 and rotates at a constant rotational speed. Here, the chopper plate 617 is formed of an opaque material, and the chopper plate 617 has a relatively small number on the circumference on which the light of the first light source 601 and the second light source 605 passes on the circumference around the axis of the motor 618. An opening is formed.

上記の構成により、第1の光源601および第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f、および変調周波数fで強度変調された後、合波器609により合波され、1つの光束として生体被検部610に照射される。 With the above-described configuration, the light output from each of the first light source 601 and the second light source 605 is intensity-modulated at a relatively simple modulation frequency f 1 and modulation frequency f 2 , and then multiplexed by the multiplexer 609. Then, the living body test part 610 is irradiated as one light beam.

生体被検部610内には第1の光源601の光により周波数fの光音響信号が発生し、第2の光源605の光により周波数f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。 The living body test region 610 photoacoustic signal of frequency f 1 is generated by the light of the first light source 601, the photoacoustic signal having the frequency f 2 is generated by the light of the second light source 605, these photoacoustic The signal is detected by the acoustic sensor 619 and converted into an electric signal proportional to the sound pressure, and the frequency spectrum is observed by the frequency analyzer 621.

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。   In this example, the wavelengths of the plurality of light sources are all set to the absorption wavelength of glucose, and the intensity of the photoacoustic signal corresponding to each wavelength is measured as an electrical signal corresponding to the amount of glucose contained in the blood. 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。
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)
Here, the relationship between the intensity of the measured value of the photoacoustic signal and the value obtained by measuring the glucose content by separately collected blood is stored in advance, and the amount of glucose is measured from the measured value of the photoacoustic signal. ing.
JP-A-10-189 WO 2005/107592 A1 University of Oulu (University of Oulu, Finland) thesis “Pulse photoacoustic techniques and glucodesistion in human blood and tissue” (IBS 951-42-6690-0, 2001/95.

液体に対象成分が混合されてなる溶液の光の吸収は、溶液の温度によって変化する場合がある。このため、光音響法を用いた成分濃度の測定途中に被測定物の温度が変化すれば、血液成分濃度を正確に測定することはできない。   The light absorption of a solution obtained by mixing a target component with a liquid may vary depending on the temperature of the solution. For this reason, if the temperature of the measurement object changes during the measurement of the component concentration using the photoacoustic method, the blood component concentration cannot be measured accurately.

強度変調光が照射されると、強度変調光の照射されている光照射点の温度が徐々に上昇する場合がある。この温度の上昇は避けられないので、光照射点の温度を監視することが考えられる。しかし、光照射点の温度を、光を遮ることなく温度計により監視することは困難である。よしんばそれを成し得たとしても、温度計では急激な温度変化を検出することはできない。   When the intensity-modulated light is irradiated, the temperature of the light irradiation point where the intensity-modulated light is irradiated may gradually increase. Since this increase in temperature is inevitable, it is conceivable to monitor the temperature of the light irradiation point. However, it is difficult to monitor the temperature of the light irradiation point with a thermometer without blocking the light. Even if it can be achieved, a thermometer cannot detect a rapid temperature change.

また、人体などの表面が柔らかな被測定物である場合、また、被測定物が動く場合、強度変調光を吸収させる測定部位の位置がずれることがある。例えば伸縮しやすい表皮の下に強度変調光を吸収させる血管が存在する場合、皮膚を介して強度変調光を照射している血管の位置は、被検者の姿勢で急激に変わってしまう。   Further, when the surface of a human body or the like is a soft object to be measured, or when the object to be measured moves, the position of the measurement site that absorbs the intensity-modulated light may shift. For example, when there is a blood vessel that absorbs intensity-modulated light under the epidermis that easily stretches, the position of the blood vessel that is irradiating the intensity-modulated light through the skin changes rapidly depending on the posture of the subject.

強度変調光を吸収させる測定部位からずれると、強度変調光の吸収量は極端に変化する。また、強度変調光を吸収させる測定部位内であっても、光照射点からずれると温度が急激に下がる。このため、強度変調光を吸収させる測定部位からずれると、血液成分濃度を正確に測定することはできない。   If it deviates from the measurement site where the intensity modulated light is absorbed, the amount of absorption of the intensity modulated light changes extremely. Further, even within the measurement site that absorbs the intensity-modulated light, the temperature rapidly decreases when it deviates from the light irradiation point. For this reason, if it deviates from the measurement site that absorbs the intensity-modulated light, the blood component concentration cannot be measured accurately.

そこで、本発明は、強度変調光を吸収させる測定部位の位置がずれたことを、温度計によらずに監視することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to monitor the shift of the position of a measurement site that absorbs intensity-modulated light without using a thermometer.

温度変化による強度変調光の吸光度の変化は、溶液中に含まれる液体で顕著である。そこで、液体の光の吸収の変化を検出するための校正用光発生手段を備えることを特徴とする。液体の光の吸収の変化を検出することで、温度計によらずに溶液の温度変化を監視することができる。   The change in the absorbance of the intensity-modulated light due to the temperature change is remarkable in the liquid contained in the solution. In view of this, a calibration light generating means for detecting a change in light absorption of the liquid is provided. By detecting the change in light absorption of the liquid, the temperature change of the solution can be monitored without using a thermometer.

本発明に係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前記液体の呈する吸収が等しい異なる波長の光を発生して出力する2つの測定用光発生手段と、
前記対象成分の呈する吸収が前記測定用光発生手段の一方と等しい波長の光を発生して出力する校正用光発生手段と、
前記測定用光発生手段の一方からの光を予め定められた一定周波数で強度変調して出力し、かつ、前記測定用光発生手段の一方からの光と前記測定用光発生手段の他方及び前記校正用光発生手段からの光とのそれぞれを、前記一定周波数で互いに逆相に強度変調して出力する光変調手段と、
前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光と前記測定用光発生手段の他方からの光の強度変調光を合成した測定用合成光、及び、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光及び前記校正用光発生手段からの光の強度変調光を合成した校正用合成光を前記溶液に向けて出射する光出射手段と、
前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光によって前記溶液から発生する規格化用音波、前記光出射手段の出射する測定用合成光によって前記溶液から発生する測定用音波、及び、前記光出射手段の出射する校正用合成光によって前記溶液から発生する校正用音波を検出する音波検出手段と、
前記音波検出手段の検出した前記測定用音波に基づいて、前記対象成分の濃度を算出する濃度算出手段と、
を備え
前記音波検出手段の検出した前記規格化用音波及び前記校正用音波に基づいて前記液体の温度変化を検出することを特徴とする。
The component concentration measuring apparatus according to the present invention is:
Two measuring light generating means for generating and outputting light having different wavelengths with the same absorption of the liquid in a solution in which the target component is mixed with the liquid;
Calibration light generating means for generating and outputting light having a wavelength equal to that of one of the measurement light generating means, the absorption exhibited by the target component;
The light from one of the measurement light generation means is intensity-modulated at a predetermined frequency and output, and the light from one of the measurement light generation means, the other of the measurement light generation means, and the Each of the light from the calibration light generating means, the light modulating means for outputting the intensity modulated in the opposite phase with each other at the constant frequency; and
The intensity modulated light of the light from one of the measurement light generating means, the intensity modulated light of the light from one of the measurement light generating means, and the intensity modulated light of the light from the other of the measurement light generating means are synthesized. Synthetic light for measurement, and light for intensity modulation from one of the light generation means for measurement and light for intensity calibration from the light generation means for calibration are emitted toward the solution. Light emitting means for
Normalized sound wave generated from the solution by intensity-modulated light from one of the measurement light generation means, measurement sound wave generated from the solution by the measurement synthetic light emitted from the light emission means, and A sound wave detecting means for detecting a calibration sound wave generated from the solution by the calibration synthetic light emitted by the light emitting means;
A concentration calculating means for calculating the concentration of the target component based on the measurement sound wave detected by the sound wave detecting means;
Equipped with a,
It characterized that you detect the temperature change of the liquid based on the detected normalized sound wave and said calibration wave the acoustic wave detection means.

校正用光発生手段を備え、校正用合成光を被測定物に照射することで、対象成分の濃度影響を受けていない音波を測定する。校正用合成光によって発生した音波の強度変化を観測することで、溶液中の液体での吸光度に急激な変化があったか否かを監視することができる。   A calibration light generating means is provided, and the target object is irradiated with calibration synthetic light to measure sound waves that are not affected by the concentration of the target component. By observing a change in the intensity of the sound wave generated by the calibration composite light, it is possible to monitor whether or not there is a sudden change in the absorbance of the liquid in the solution.

本発明に係る成分濃度測定装置では、前記音波検出手段の検出した前記校正用音波の強度と前記規格化用音波の強度との比が予め定められた範囲内にあるか否かを判定して、前記溶液における前記液体の温度変化が許容範囲であるか否かを判定する校正用音波判定手段をさらに備える校正用音波判定手段
をさらに備えることが好ましい。
校正用音波判定手段をさらに備えることで、溶液の温度変化が許容範囲内であることを確認することができる。これにより、成分濃度の測定精度を維持することができる。
In constituent concentration measuring apparatus according to the present invention, it is determined whether within the ratio of the detected intensity with the intensity of the sound wave for normalization of the calibration sound wave of the acoustic wave detection means is a predetermined It is preferable to further include a calibration sound wave determination unit that further includes a calibration sound wave determination unit that determines whether or not the temperature change of the liquid in the solution is within an allowable range .
By further providing the calibration sound wave determination means, it can be confirmed that the temperature change of the solution is within an allowable range. Thereby, the measurement accuracy of the component concentration can be maintained.

本発明に係る成分濃度測定装置では、前記校正用音波判定手段が前記範囲外であることを判定すると、温度変化があった旨を出力する出力手段をさらに備え、前記出力手段が温度変化があった旨を出力すると、前記濃度算出手段は、前記対象成分の濃度の算出を停止することが好ましい。
閾値外判定手段をさらに備えることで、溶液に急激な温度変化があったことを判定することができる。出力手段が溶液に温度変化があったことを被検者に通知するので、成分濃度を測定しなおすなどして成分濃度を正確に測定することができる。
The component concentration measuring apparatus according to the present invention further comprises output means for outputting a change in temperature when the calibration sound wave determination means is determined to be outside the range, and the output means has a temperature change. When the message is output, it is preferable that the concentration calculation unit stops calculating the concentration of the target component .
By further providing an out-of-threshold determination means, it can be determined that there has been a sudden temperature change in the solution. Since the output means notifies the subject that the temperature has changed in the solution, the component concentration can be accurately measured by re-measuring the component concentration.

本発明に係る成分濃度測定装置では、前記音波検出手段の検出した前記校正用音波の強度と前記規格化用音波の強度との比の変化量に基づいて、前記液体の温度変化を算出する温度算出手段をさらに備えることが好ましい。
温度算出手段をさらに備えることで、急激な温度変化であっても液体の温度を算出することができる。液体の温度を算出することで、液体の吸収係数の温度による寄与を補正することができる。
In the component concentration measurement apparatus according to the present invention, the temperature at which the temperature change of the liquid is calculated based on the amount of change in the ratio between the intensity of the calibration sound wave detected by the sound wave detection means and the intensity of the normalization sound wave. It is preferable to further include a calculation unit.
By further providing the temperature calculating means, the temperature of the liquid can be calculated even if the temperature changes suddenly. By calculating the temperature of the liquid, the contribution of the liquid absorption coefficient due to the temperature can be corrected.

本発明に係る成分濃度測定装置では、前記温度算出手段の算出する温度変化及び前記溶液及び前記対象成分の吸光度の温度に対する変化率に基づいて、前記濃度算出手段の算出する前記対象成分の濃度を補正する濃度補正手段
をさらに備えることが好ましい。
濃度補正手段をさらに備えることで、濃度補正手段が、対象成分の濃度を、温度算出手段の算出した算出した温度で補正する。これにより、対象成分の濃度への温度の寄与を、自動で補正することができる。
In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, the concentration of the target component calculated by the concentration calculating unit is calculated based on the temperature change calculated by the temperature calculating unit and the change rate of the absorbance of the solution and the target component with respect to the temperature. It is preferable to further include density correction means for correcting.
By further providing the density correction means, the density correction means corrects the density of the target component with the calculated temperature calculated by the temperature calculation means. Thereby, the contribution of the temperature to the concentration of the target component can be automatically corrected.

本発明に係る成分濃度測定装置では、
前記液体が水であり、
前記対象成分がグルコース又はコレステロールであり、
前記溶液が血液である
ことが好ましい。
本発明により、生体被検部の温度の影響の少ない血液中のグルコース又はコレステロールの濃度を、非侵襲で測定することができる。
In the component concentration measuring apparatus according to the present invention,
The liquid is water;
The target component is glucose or cholesterol,
It is preferable that the solution is blood.
According to the present invention, it is possible to non-invasively measure the concentration of glucose or cholesterol in blood that is less affected by the temperature of the living body test part.

本発明に係る成分濃度測定装置制御方法は、
液体に対象成分が混合されてなる溶液における前記液体の呈する吸収が相等しい異なる波長の光を発生して出力する2つの測定用光発生手段と、校正用光発生手段と、光変調手段と、光出射手段と、音波検出手段と、濃度算出手段と、を制御する制御回路を備える成分濃度測定装置の制御方法であって、
前記制御回路が、前記測定用光発生手段の一方に光を出力させ、前記光変調手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光を予め定められた一定周波数で強度変調して出力させ、前記光出射手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光を、前記溶液に向けて出射させ、前記音波検出手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光によって前記溶液から発生する規格化用音波を検出させる規格化用音波検出手順と、
前記規格化用音波検出手順の前、後又は同時に、前記制御回路が、前記2つの測定用光発生手段に光を出力させ、前記光変調手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光と前記測定用光発生手段の他方からの光を前記一定周波数で互いに逆相に強度変調して出力させ、前記光出射手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光と前記測定用光発生手段の他方からの光の強度変調光とを合成した測定用合成光を前記溶液に向けて出射させ、前記音波検出手段に、前記光出射手段の出射する測定用合成光によって前記溶液から発生する測定用音波を検出させる測定用音波検出手順と、
前記測定用音波検出手順の前、後又は同時に、前記制御回路が、前記校正用光発生手段に、前記対象成分の呈する吸収が前記測定用光発生手段の一方と等しい波長の光を発生して出力させ、前記光変調手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光を予め定められた一定周波数で強度変調して出力させ、前記測定用光発生手段の一方からの光と前記校正用光発生手段からの光を、前記一定周波数で互いに逆相に強度変調して出力させ、前記光出射手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光を前記溶液に向けて出射させ、かつ、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光及び前記校正用光発生手段からの光の強度変調光を合成した校正用合成光を前記溶液に向けて出射させ、前記音波検出手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光によって前記溶液から発生する規格化用音波、及び、前記光出射手段の出射する校正用合成光によって前記溶液から発生する校正用音波を検出させ、前記音波検出手段の検出した前記規格化用音波及び前記校正用音波に基づいて前記液体の温度変化を検出する、温度変化検出手順と、
前記測定用音波検出手順の後に、前記制御回路が、前記濃度算出手段に、前記音波検出手段の検出した前記測定用音波に基づいて、前記対象成分の濃度を算出させる濃度算出手順と、
を有することを特徴とする。
The component concentration measuring device control method according to the present invention is:
Two measuring light generating means for generating and outputting light having different wavelengths with the same absorption of the liquid in a solution in which the target component is mixed with the liquid, a calibration light generating means, a light modulating means, A control method for a component concentration measuring apparatus comprising a control circuit for controlling light emitting means, sound wave detecting means, and concentration calculating means,
The control circuit causes one of the measurement light generation means to output light, and causes the light modulation means to output the light from one of the measurement light generation means after intensity modulation at a predetermined constant frequency. The light emitting means emits intensity-modulated light from one of the measurement light generation means toward the solution, and the sound wave detection means emits light from one of the measurement light generation means. A normalization sound wave detection procedure for detecting a normalization sound wave generated from the solution by intensity-modulated light;
Before, after or simultaneously with the normalization sound wave detection procedure, the control circuit causes the two measurement light generation means to output light, and causes the light modulation means to emit light from one of the measurement light generation means. And the light from the other of the measurement light generating means are modulated in intensity with the constant frequency in opposite phases to each other and output to the light emitting means, and the intensity modulated light of the light from one of the measurement light generating means and The measurement combined light combined with the intensity-modulated light from the other of the measurement light generation means is emitted toward the solution, and the sound wave detection means is caused by the measurement combined light emitted from the light emission means. A measurement sound wave detection procedure for detecting a measurement sound wave generated from the solution;
Before, after or simultaneously with the measurement sound wave detection procedure, the control circuit generates light having the same wavelength as the one of the measurement light generation means in the calibration light generation means. And output the light from one of the measurement light generating means by intensity modulation at a predetermined constant frequency and output the light from one of the measurement light generating means and the calibration light. Light from the light generating means is intensity-modulated in phase opposite to each other at the constant frequency and output, and the light emitting means directs intensity-modulated light from one of the measurement light generating means to the solution. And radiating the combined light for calibration obtained by synthesizing the intensity-modulated light of the light from one of the measurement light generation means and the intensity-modulated light of the light from the calibration light generation means toward the solution, The measuring light generating means is connected to the sound wave detecting means. Sonic for normalization generated from the solution by the intensity-modulated light of the light from one of, and, by calibration synthetic light emission of the light emitting means to detect a calibration waves generated from the solution, the acoustic wave detection means A temperature change detection procedure for detecting a temperature change of the liquid based on the normalized sound wave and the calibration sound wave detected by
After the measurement sound wave detection procedure, the control circuit causes the concentration calculation unit to calculate the concentration of the target component based on the measurement sound wave detected by the sound wave detection unit;
It is characterized by having.

校正用光発生手段を備え、校正用合成光を被測定物に照射することで、対象成分の濃度影響を受けていない音波を測定する。校正用合成光によって発生した音波の強度変化を観測することで、溶液中の液体での吸光度に急激な変化があったか否かを監視することができる。   A calibration light generating means is provided, and the target object is irradiated with calibration synthetic light to measure sound waves that are not affected by the concentration of the target component. By observing a change in the intensity of the sound wave generated by the calibration composite light, it is possible to monitor whether or not there is a sudden change in the absorbance of the liquid in the solution.

本発明に係る成分濃度測定装置制御方法では、
前記成分濃度測定装置は校正用音波判定手段をさらに備え、
前記制御回路が、さらに、前記校正用音波判定手段に、前記音波検出手段の検出した前記校正用音波の強度と前記規格化用音波の強度との比が予め定められた範囲内にあるか否かであることを判定させ、前記溶液における前記液体の温度変化が許容範囲であるか否かを判定させる校正用音波判定手順を、前記温度変化検出手順の後に有する
ことが好ましい。
校正用音波判定手段をさらに備えることで、溶液の温度変化が許容範囲内であることを確認することができる。これにより、成分濃度の測定精度を維持することができる。
In the component concentration measuring device control method according to the present invention,
The component concentration measuring device further includes a sonic wave determination means for calibration,
The control circuit further determines whether or not the calibration sound wave determination means has a ratio between the intensity of the calibration sound wave detected by the sound wave detection means and the intensity of the normalization sound wave within a predetermined range. It is preferable that a calibration sound wave determination procedure for determining whether or not the temperature change of the liquid in the solution is within an allowable range is included after the temperature change detection procedure.
By further providing the calibration sound wave determination means, it can be confirmed that the temperature change of the solution is within an allowable range. Thereby, the measurement accuracy of the component concentration can be maintained.

本発明に係る成分濃度測定装置制御方法では、
前記成分濃度測定装置は出力手段をさらに備え、
前記校正用音波判定手段が前記範囲外であることを判定すると、前記制御回路が、さらに、前記出力手段に、温度変化があった旨を出力させる出力手順を、前記校正用音波判定手順の後に有し、
前記濃度算出手順において、前記出力手段が温度変化があった旨を出力すると、前記濃度算出手段は、前記対象成分の濃度の算出を停止する
ことが好ましい。
閾値外判定手段をさらに備えることで、溶液に急激な温度変化があったことを判定することができる。出力手段が溶液に温度変化があったことを被検者に通知するので、成分濃度を測定しなおすなどして成分濃度を正確に測定することができる。
In the component concentration measuring device control method according to the present invention,
The component concentration measuring device further comprises output means,
When it is determined that the calibration sound wave determination means is out of the range, the control circuit further outputs an output procedure to the effect that the output means has a temperature change after the calibration sound wave determination procedure. Yes, and
In the concentration calculation procedure, it is preferable that when the output unit outputs that the temperature has changed, the concentration calculation unit stops calculating the concentration of the target component .
By further providing an out-of-threshold determination means, it can be determined that there has been a sudden temperature change in the solution. Since the output means notifies the subject that the temperature has changed in the solution, the component concentration can be accurately measured by re-measuring the component concentration.

本発明に係る成分濃度測定装置制御方法では、
前記成分濃度測定装置は温度算出手段をさらに備え、
前記制御回路が、さらに、前記温度算出手段に、前記音波検出手段の検出した前記校正用音波の強度と前記規格化用音波の強度との比の変化量に基づいて、前記液体の温度変化を算出させる温度算出手順を、前記温度変化検出手順の後に有する
ことが好ましい。
温度算出手段をさらに備えることで、急激な温度変化であっても液体の温度を算出することができる。液体の温度を算出することで、液体の吸収係数の温度による寄与を補正することができる。
In the component concentration measuring device control method according to the present invention,
The component concentration measuring device further includes a temperature calculating means,
The control circuit further causes the temperature calculation means to change the temperature of the liquid based on the amount of change in the ratio between the intensity of the calibration sound wave detected by the sound wave detection means and the intensity of the normalization sound wave. It is preferable to have a temperature calculation procedure for calculation after the temperature change detection procedure.
By further providing the temperature calculating means, the temperature of the liquid can be calculated even if the temperature changes suddenly. By calculating the temperature of the liquid, the contribution of the liquid absorption coefficient due to the temperature can be corrected.

本発明に係る成分濃度測定装置制御方法では、
前記成分濃度測定装置は濃度補正手段をさらに備え、
前記制御回路が、さらに、前記濃度補正手段に、前記温度算出手段の算出する温度変化及び前記溶液及び前記対象成分の吸光度の温度に対する変化率に基づいて、前記濃度算出手段の算出する前記対象成分の濃度を補正させる濃度補正手順を、前記濃度算出手順及び前記温度変化検出手順の後に有する
ことが好ましい。
濃度補正手段をさらに備えることで、濃度補正手段が、対象成分の濃度を、温度算出手段の算出した算出した温度で補正する。これにより、対象成分の濃度への温度の寄与を、自動で補正することができる。
In the component concentration measuring device control method according to the present invention,
The component concentration measurement apparatus further includes a concentration correction unit,
The control circuit further causes the concentration correction unit to calculate the target component calculated by the concentration calculation unit based on a temperature change calculated by the temperature calculation unit and a change rate of the absorbance of the solution and the target component with respect to temperature. It is preferable to have a density correction procedure for correcting the density after the density calculation procedure and the temperature change detection procedure .
By further providing the density correction means, the density correction means corrects the density of the target component with the calculated temperature calculated by the temperature calculation means. Thereby, the contribution of the temperature to the concentration of the target component can be automatically corrected.

本発明に係る成分濃度測定装置制御方法では、
前記液体が水であり、
前記対象成分がグルコース又はコレステロールであり、
前記溶液が血液である
ことが好ましい。
本発明により、生体被検部の温度の影響の少ない血液中のグルコース又はコレステロールの濃度を、非侵襲で測定することができる。
In the component concentration measuring device control method according to the present invention,
The liquid is water;
The target component is glucose or cholesterol,
It is preferable that the solution is blood.
According to the present invention, it is possible to non-invasively measure the concentration of glucose or cholesterol in blood that is less affected by the temperature of the living body test part.

本発明によれば、液体の光の吸収の変化を検出することで、温度計によらずに溶液の温度変化を監視することができる。   According to the present invention, it is possible to monitor a temperature change of a solution without using a thermometer by detecting a change in light absorption of a liquid.

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。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiment described below is an example of the configuration of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment.

以下の実施の形態では、成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法を、血液成分濃度測定装置又は血液成分濃度測定装置制御方法として説明する。本実施形態において説明する生体被検部を被測定物に、血液を溶液に、水を液体に、グルコース又はコレステロールを対象成分に、それぞれ置き換えれば、液体成分濃度測定装置又は液体成分濃度測定装置制御方法として実施することができる。例えば、溶液には、血液に限らず、リンパ液や涙等の生体を構成する溶液が含まれる。そして、対象成分には、グルコース又はコレステロールに限らず、例えば「リンパ液成分」や「涙成分」等の生体を構成する溶液中の成分も含まれる。このように測定対象に応じて種々の成分を測定できる。   In the following embodiments, a component concentration measuring device and a component concentration measuring device control method will be described as a blood component concentration measuring device or a blood component concentration measuring device control method. If the living body test part described in the present embodiment is replaced with a measurement object, blood is replaced with a solution, water is replaced with a liquid, and glucose or cholesterol is replaced with a target component, a liquid component concentration measuring device or a liquid component concentration measuring device control is provided. It can be implemented as a method. For example, the solution includes not only blood but also a solution constituting a living body such as lymph and tears. The target component is not limited to glucose or cholesterol, but also includes components in the solution constituting the living body, such as “lymph component” and “tear component”. Thus, various components can be measured according to the measurement object.

また、以下の実施形態や実施例の構成において、生体被検部に代えて果物をおけば、果実糖度計として機能する。これは、果実の甘さ成分である蔗糖や果糖は、血糖成分であるグルコースと類似の波長に吸収を有するからである、このように本実施形態の精神を逸脱しない範囲で、本実施形態に係る測定装置及び測定装置制御方法を様々の対象に適用できることは言うまで無い。   Moreover, in the structure of the following embodiment and an Example, if it replaces with a biological test part and a fruit is put, it will function as a fruit sugar content meter. This is because sucrose and fructose, which are the sweetness components of fruits, have absorption at a wavelength similar to that of glucose, which is a blood sugar component. Thus, in the range not departing from the spirit of the present embodiment, It goes without saying that the measuring apparatus and the measuring apparatus control method can be applied to various objects.

(第1実施形態)
本実施形態に係る血液成分濃度測定装置は、異なる波長の2波の光を発生する光発生手段と、該異なる波長の2波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する光変調手段と、強度変調された該異なる波長の2波の光を1つの光束に合波し生体に向けて出射する光出射手段と、出射された光により生体内に発生する音波を検出する音波検出手段と、検出された音波の圧力から生体内の血液成分濃度を算定する血液成分濃度算定手段と、を備えた血液成分濃度測定装置である。なお、本実施形態に係る血液成分濃度算定手段は、本実施形態において適用する他、後に説明する実施形態においても適用することができる。
(First embodiment)
The blood component concentration measurement apparatus according to the present embodiment includes a light generating unit that generates two light beams having different wavelengths, and an electrical intensity of each of the two light beams having different wavelengths by signals having the same frequency and opposite phases. Light modulating means for modulating, light emitting means for combining two light beams of different wavelengths, which have been intensity-modulated, into one light beam and emitting the light toward a living body; and a sound wave generated in the living body by the emitted light. A blood component concentration measuring device comprising: a sound wave detecting means for detecting; and a blood component concentration calculating means for calculating a blood component concentration in the living body from the pressure of the detected sound wave. The blood component concentration calculating means according to the present embodiment can be applied not only to the present embodiment but also to embodiments described later.

さらに、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置においては、前記光発生手段は、1波の光の波長を血液成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他の1波の光の波長を水が前記1波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。   Furthermore, in the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the light generating means sets the wavelength of one wave of light to a wavelength at which the blood component exhibits characteristic absorption, and the wavelength of the other one wave of light. Can also be set to a wavelength at which water exhibits absorption equal to that of the one-wave light wavelength.

図1を参照して、本実施形態に係る構成について説明する。図1は、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置の基本構成を示している。図1において、光発生手段の一部としての第1の光源101は、光変調手段の一部としての駆動回路104により、光変調手段の一部としての発振器103に同期して強度変調されている。   With reference to FIG. 1, the configuration according to the present embodiment will be described. FIG. 1 shows a basic configuration of a blood component concentration measuring apparatus according to this embodiment. In FIG. 1, a first light source 101 as a part of light generation means is intensity-modulated by a drive circuit 104 as a part of light modulation means in synchronization with an oscillator 103 as a part of light modulation means. Yes.

一方、光発生手段の一部としての第2の光源105は、光変調手段の一部としての駆動回路108により、同じく上記発振器103に同期して強度変調されている。但し、駆動回路108には、発振器103の出力が、光変調手段の一部としての180°移相回路107を経て給電され、その結果、第2の光源105は、上記第1の光源101に対して、180°位相が変化した信号により強度変調されるように構成されている。   On the other hand, the second light source 105 as a part of the light generating means is intensity-modulated in synchronism with the oscillator 103 by a drive circuit 108 as a part of the light modulating means. However, the output of the oscillator 103 is fed to the drive circuit 108 via the 180 ° phase shift circuit 107 as a part of the light modulation means. As a result, the second light source 105 is supplied to the first light source 101. On the other hand, the intensity is modulated by a signal whose phase is changed by 180 °.

ここで、図1に示す第1の光源101および第2の光源105の各々の波長は、1波の光の波長を血液成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他の1波の光の波長を水が前記1波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。   Here, the wavelength of each of the first light source 101 and the second light source 105 shown in FIG. 1 is set such that the wavelength of one wave of light has a characteristic absorption of blood components, and the other one wave The wavelength of light is set to a wavelength at which water exhibits absorption equivalent to that at the wavelength of the one wave of light.

第1の光源101および第2の光源105は各々異なる波長の光を出力し、各々の出力する光は、光出射手段としての合波器109により合波され、1つの光束として、被検体としての生体被検部110に照射される。照射された第1の光源101および第2の光源105の各々が出力する光により生体被検部110内に発生される音波、すなわち光音響信号は、音波検出手段の一部としての超音波検出器113により検出され、光音響信号の音圧に比例した電気信号に変換される。前記電気信号は、上記発振器103に同期した音波検出手段の一部としての位相検波増幅器114により同期検波され、音圧に比例する電気信号が出力端子115に出力される。   The first light source 101 and the second light source 105 each output light having different wavelengths, and each output light is combined by a combiner 109 serving as a light emitting unit, and as a light beam as a subject. The living body test part 110 is irradiated. The sound wave generated in the living body test part 110 by the light output from each of the irradiated first light source 101 and the second light source 105, that is, the photoacoustic signal, is detected by ultrasonic waves as a part of the sound wave detecting means. And is converted into an electric signal proportional to the sound pressure of the photoacoustic signal. The electrical signal is synchronously detected by a phase detection amplifier 114 as a part of sound wave detection means synchronized with the oscillator 103, and an electrical signal proportional to the sound pressure is output to the output terminal 115.

ここで、出力端子115に出力される信号の強度は第1の光源101および第2の光源105の各々が出力する光が生体被検部110内の成分により吸収された量に比例するので、前記信号の強度は生体被検部110内の成分の量に比例する。従って、出力端子115に出力される前記信号の強度の測定値から、血液成分濃度算定手段(図示せず)が生体被検部110内の血液中の測定対象の成分の量を算定する。   Here, the intensity of the signal output to the output terminal 115 is proportional to the amount of light output from each of the first light source 101 and the second light source 105 absorbed by the components in the living body test portion 110. The intensity of the signal is proportional to the amount of components in the living body test part 110. Therefore, a blood component concentration calculating means (not shown) calculates the amount of the component to be measured in the blood in the living body test part 110 from the measured value of the intensity of the signal output to the output terminal 115.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置は第1の光源101および第2の光源105の出力する異なる波長の2波の光を同一周期、すなわち同一周波数の信号で強度変調しているので、超音波検出器113の周波数特性の不均一の影響を受けない特徴があり、この点が既存技術より優れている点である。   Since the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment modulates the intensity of two light beams of different wavelengths output from the first light source 101 and the second light source 105 with signals having the same period, that is, the same frequency, There is a characteristic that the frequency characteristic of the sound wave detector 113 is not affected by the nonuniformity, and this point is superior to the existing technology.

以上説明したように本実施形態に係る血液成分濃度測定装置は高精度に血液成分を測定することができる。   As described above, the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment can measure blood components with high accuracy.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置制御方法は、光発生手段が、異なる波長の2波の光を発生する光発生手順と、光変調手段が、前記光発生手順において発生させた異なる波長の2波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する光変調手順と、光出射手段が、前記光変調手順において強度変調された異なる波長の2波の光を1つの光束に合波し生体に向けて出射する光出射手順と、音波検出手段が、前記光出射手順において照射された光により生体内に発生する音波を検出する音波検出手順と、検出された音波の圧力から生体内の血液成分濃度を算定する血液成分濃度算定手順と、を順に含む血液成分濃度測定装置制御方法である。   The blood component concentration measurement apparatus control method according to the present embodiment includes a light generation procedure in which the light generation unit generates two light beams having different wavelengths, and a light modulation unit that has different wavelengths generated in the light generation procedure. An optical modulation procedure for electrically modulating the intensity of each of the two light waves with a signal having the same frequency and an opposite phase, and the light emitting means includes two light beams of different wavelengths that are intensity-modulated in the optical modulation procedure. A light emitting procedure for combining the luminous flux and emitting the light toward the living body; a sound wave detecting means for detecting a sound wave generated in the living body by the light emitted in the light emitting procedure; and A blood component concentration measuring device control method that sequentially includes a blood component concentration calculating procedure for calculating a blood component concentration in a living body from pressure.

さらに、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置制御方法においては、前記光発生手順は、1波の光の波長を血液成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他の1波の光の波長を水が前記1波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して異なる波長の2波の光を発生する血液成分濃度測定装置制御方法とすることもできる。   Furthermore, in the blood component concentration measuring device control method according to the present embodiment, the light generation procedure sets the wavelength of one wave of light to a wavelength at which the blood component exhibits characteristic absorption, and another one wave of light. Is set to a wavelength at which water exhibits absorption equal to that at the wavelength of the one wave of light, and a blood component concentration measuring device control method for generating two waves of different wavelengths can be obtained.

ここで、異なる波長の2波の光の各々を電気的に強度変調する方法としては、異なる波長の2波の光を発生し、その後に異なる波長の2波の光のそれぞれを同一周波数で位相が180°異なる信号により変調器を用いて電気的に強度変調する方法でもよく、図1に示す例の場合のように駆動回路104および駆動回路108がそれぞれ第1の光源101および第2の光源105を発光させると同時に強度変調する直接変調法でもよい。   Here, as a method for electrically intensity-modulating each of the two light beams having different wavelengths, two light beams having different wavelengths are generated, and then each of the two light beams having different wavelengths is phased at the same frequency. Alternatively, a method may be used in which the intensity is electrically modulated using a modulator using signals that differ by 180 °, and the drive circuit 104 and the drive circuit 108 are the first light source 101 and the second light source, respectively, as in the example shown in FIG. A direct modulation method in which the intensity is modulated at the same time as causing the light to emit light 105 may be used.

次に、上記の手順により強度変調された前記波長の異なる波長の2波の光の各々を、例えば図1に示す合波器109により1つの光束に合波し生体に照射し、照射された前記波長の異なる波長の2波の光の各々により生体内に発生する音波、すなわち光音響信号を例えば図1に示す超音波検出器113により検出し電気信号に変換し、前記電気信号をさらに例えば図1に示す位相検波増幅器114により同期検波し、光音響信号に比例する電気信号を出力端子115に出力する。次に、血液成分濃度算定手順において、音波検出手順で検出された音波の圧力から生体内の血液成分濃度を算定する。   Next, each of the two light beams having different wavelengths whose intensity is modulated by the above procedure is combined into one light beam by, for example, a combiner 109 shown in FIG. A sound wave generated in the living body by each of the two light beams having different wavelengths, that is, a photoacoustic signal, is detected by, for example, an ultrasonic detector 113 shown in FIG. The phase detection amplifier 114 shown in FIG. 1 performs synchronous detection, and an electric signal proportional to the photoacoustic signal is output to the output terminal 115. Next, in the blood component concentration calculation procedure, the blood component concentration in the living body is calculated from the pressure of the sound wave detected in the sound wave detection procedure.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置制御方法は、第1の光源101および第2の光源105の出力する異なる波長の2波の光を同一周期、すなわち同一周波数の信号で強度変調しているので、音波を検出する測定系の周波数特性の不均一の影響を受けない特徴があり、この点が既存技術より優れている点である。   In the blood component concentration measuring apparatus control method according to the present embodiment, the intensity of two light beams having different wavelengths output from the first light source 101 and the second light source 105 is modulated with signals having the same period, that is, the same frequency. Therefore, there is a feature that it is not affected by non-uniformity in the frequency characteristics of the measurement system that detects sound waves, which is superior to existing technologies.

以上説明したように本実施形態に係る血液成分濃度測定装置制御方法は高精度に血液成分を測定することができる。   As described above, the blood component concentration measuring apparatus control method according to the present embodiment can measure blood components with high accuracy.

本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置において、前記光変調手段は生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手段とすることもできる。異なる波長の2波の光の各々を生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、生体内に発生する音波を高感度に検出できる。   In the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the light modulating unit may be a unit that modulates at the same frequency as a resonance frequency related to detection of a sound wave generated in a living body. By modulating each of the two light beams having different wavelengths at the same frequency as the resonance frequency related to the detection of the sound wave generated in the living body, the sound wave generated in the living body can be detected with high sensitivity.

本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置制御方法において、前記光変調手順は生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手順とすることもできる。異なる波長の2波の光の各々を生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、生体内に発生する音波を高感度に検出できる。   In the blood component concentration measuring apparatus control method according to the present embodiment, the light modulation procedure may be a procedure of modulating at the same frequency as the resonance frequency related to detection of sound waves generated in the living body. By modulating each of the two light beams having different wavelengths at the same frequency as the resonance frequency related to the detection of the sound wave generated in the living body, the sound wave generated in the living body can be detected with high sensitivity.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置において、前記血液成分濃度算定手段は、前記異なる波長の2波の光を生体に照射して発生する音波の圧力を、前記2波の光のうち1波の光を零としたときに発生する音波の圧力で除算する手段とすることもできる。このような除算により、高精度に血液成分濃度を測定することができる。   In the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the blood component concentration calculating means determines the pressure of the sound wave generated by irradiating the living body with the two waves of light having the different wavelengths, one of the two waves of light. It is also possible to divide by the pressure of the sound wave generated when the light of zero is zero. By such division, the blood component concentration can be measured with high accuracy.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置制御方法において、前記検血液成分濃度算定手順は、前記2波の光を生体に照射して発生する音波の圧力を、前記2波の光のうち1波の光を零としたときに発生する音波の圧力により除算する手順とすることもできる。このような除算により、高精度に血液成分濃度を測定することができる。   In the blood component concentration measurement device control method according to the present embodiment, the blood sample concentration calculation procedure includes the step of calculating the pressure of a sound wave generated by irradiating a living body with the two waves of light, and one wave of the two waves of light. It is also possible to divide by the pressure of the sound wave generated when the light of zero is zero. By such division, the blood component concentration can be measured with high accuracy.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、強度変調された前記異なる波長の2波の光を1つ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異なる波長の2波の光の各々の相対的な強度を調整する手段とすることもできる。   In the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the light generating means combines the intensity-modulated two light beams having different wavelengths into one light beam and irradiates water with zero pressure of the sound wave generated. It is also possible to use a means for adjusting the relative intensity of each of the two light beams having different wavelengths.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置において、例えば、図1において、生体被検部110に代えて校正用の水に、前述の血液成分濃度の測定と同様に、第1の光源101および第2の光源105の出力する光を1つの光束に合波した光を照射し、超音波検出器113が検出する光音響信号が零になるように、第1の光源101および第2の光源105の出力する光の相対的な強度を調節する場合である。   In the blood component concentration measurement apparatus according to the present embodiment, for example, in FIG. 1, the first light source 101 and the first light source 101 and The first light source 101 and the second light source 105 are irradiated such that the light output from the second light source 105 is combined with one light beam so that the photoacoustic signal detected by the ultrasonic detector 113 becomes zero. This is a case in which the relative intensity of the light output from is adjusted.

上記のように第1の光源101および第2の光源105の光の強度を調節する場合、第1の光源101および第2の光源105の光の相対的な強度を容易に等しく調整することができるので、容易に、高精度に血液成分濃度を測定することができる。   When the light intensities of the first light source 101 and the second light source 105 are adjusted as described above, the relative intensities of the light from the first light source 101 and the second light source 105 can be easily adjusted equally. Therefore, the blood component concentration can be easily measured with high accuracy.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置制御方法において、前記光変調手順と前記光出射手順との間に、前記強度変調された異なる波長の2波の光を1つの光束に合波し水に向けて出射して発生する音波の圧力が零になるように前記2波の光の各々の相対的な強度を調整する強度調整手順を、さらに含む血液成分濃度測定装置制御方法とすることもできる。   In the blood component concentration measuring apparatus control method according to the present embodiment, the two light beams having different wavelengths, which have been modulated in intensity, are combined into one light beam between the light modulation procedure and the light emission procedure to form water. The blood component concentration measuring device control method may further include an intensity adjustment procedure for adjusting the relative intensity of each of the two waves of light so that the pressure of the sound wave emitted by being emitted toward zero becomes zero. .

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置制御方法は、例えば、強度変調された異なる波長の2波の光を1つの光束に合波する手順の後に、前記異なる波長の2波の光を1つの光束に合波し水に向けて出射して発生する音波の圧力が零になるように前記2波の光の相対的な強度を調整することにより、前述の第1の光源101および第2の光源105の出力する光の相対的な強度を容易に等しく調整することができるので、容易に、高精度に血液成分を測定できる。   The blood component concentration measuring apparatus control method according to the present embodiment, for example, after the procedure of combining two light beams of different wavelengths whose intensity is modulated into one light beam, the two light beams of different wavelengths are combined into one light beam. The first light source 101 and the second light source described above are adjusted by adjusting the relative intensities of the two light beams so that the pressure of the sound wave generated by being combined with the light flux and emitted toward the water becomes zero. Since the relative intensity of the light output from the light source 105 can be easily adjusted equally, blood components can be easily measured with high accuracy.

本実施形態に係る血液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して同期検波により検出する手段とすることもできる。本実施形態に係る血液成分濃度測定装置は、例えば、第1の光源101および第2の光源105の出力する光の各々に対応する光音響信号が超音波検出器113により検出され電気信号に変換された信号を、位相検波増幅器114において第1の光源101および第2の光源105の出力する光の各々を強度変調する信号に同期して、同期検波により検出する例である。位相検波増幅器114において第1の光源101および第2の光源105の出力する光の各々に対応する光音響信号の検出精度が向上し、いっそう高精度に光音響信号を測定することができる。   In the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the sound wave detecting means may be a means for detecting by synchronous detection in synchronization with the modulation frequency. In the blood component concentration measurement apparatus according to the present embodiment, for example, a photoacoustic signal corresponding to each of the light output from the first light source 101 and the second light source 105 is detected by the ultrasonic detector 113 and converted into an electrical signal. This is an example in which the detected signal is detected by synchronous detection in synchronization with a signal for intensity-modulating each of the light output from the first light source 101 and the second light source 105 in the phase detection amplifier 114. In the phase detection amplifier 114, the detection accuracy of the photoacoustic signal corresponding to each of the lights output from the first light source 101 and the second light source 105 is improved, and the photoacoustic signal can be measured with higher accuracy.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順は、前記変調周波数に同期して、同期検波により検出する手順とすることもできる。本実施形態に係る血液成分濃度測定装置制御方法において、例えば、前記異なる波長の2波の光の各々に対応する光音響信号を、前記異なる波長の2波の光の各々を強度変調する信号に同期して、同期検波により検出する場合である。第1の光源101および第2の光源105の出力する光の各々に対応する光音響信号の検出精度が向上し、一層高精度に光音響信号を測定することができる。   In the blood component concentration measuring apparatus control method according to the present embodiment, the sound wave detection procedure may be a procedure of detecting by synchronous detection in synchronization with the modulation frequency. In the blood component concentration measuring device control method according to the present embodiment, for example, the photoacoustic signal corresponding to each of the two light beams having different wavelengths is converted into a signal for intensity-modulating each of the two light beams having different wavelengths. This is a case of detecting by synchronous detection in synchronization. The detection accuracy of the photoacoustic signal corresponding to each of the light output from the first light source 101 and the second light source 105 is improved, and the photoacoustic signal can be measured with higher accuracy.

本実施形態に係る血液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つ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手段とすることができる。2つ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装置構成とすることにより、装置構成が簡略化できる。   In the blood component concentration measuring apparatus according to this embodiment, the light generating means and the light modulating means may be means for directly modulating each of the two semiconductor laser light sources with rectangular wave signals having the same frequency and opposite phases. it can. By adopting an apparatus configuration in which each of the two semiconductor laser light sources is directly modulated by rectangular wave signals having the same frequency and opposite phases, the apparatus configuration can be simplified.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置制御方法において、前記光発生手順及び前記光変調手順は、2つ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手順とすることができる。2つ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手順とすることにより、手順が簡略化できる。   In the blood component concentration measurement device control method according to the present embodiment, the light generation procedure and the light modulation procedure are procedures for directly modulating each of the two semiconductor laser light sources with rectangular wave signals having the same frequency and opposite phases. be able to. The procedure can be simplified by adopting a procedure in which each of the two semiconductor laser light sources is directly modulated by rectangular wave signals having the same frequency and opposite phases.

次に本実施形態に係る血液成分濃度測定装置及び血液成分濃度測定装置制御方法の基本となる技術の詳細を説明する。   Next, details of the technology that is the basis of the blood component concentration measuring apparatus and the blood component concentration measuring apparatus control method according to the present embodiment will be described.

図1を参照して本実施形態に係る血液成分濃度測定装置構成を説明する。図1に示す本実施形態に係る血液成分濃度測定装置は、第1の光源101、第2の光源105、駆動回路104、駆動回路108、180°移相回路107、合波器109、超音波検出器113、位相検波増幅器114、出力端子115、発振器103により構成される。   With reference to FIG. 1, the structure of the blood component concentration measuring apparatus according to this embodiment will be described. The blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment shown in FIG. 1 includes a first light source 101, a second light source 105, a drive circuit 104, a drive circuit 108, a 180 ° phase shift circuit 107, a multiplexer 109, and an ultrasonic wave. It comprises a detector 113, a phase detection amplifier 114, an output terminal 115, and an oscillator 103.

発振器103は、信号線により駆動回路104、180°移相回路107、位相検波増幅器114とそれぞれ接続され、駆動回路104、180°移相回路107、位相検波増幅器114のそれぞれに信号を送信する。   The oscillator 103 is connected to the drive circuit 104, the 180 ° phase shift circuit 107, and the phase detection amplifier 114 by signal lines, and transmits signals to the drive circuit 104, the 180 ° phase shift circuit 107, and the phase detection amplifier 114, respectively.

駆動回路104は、発振器103から送信された信号を受信し、信号線により接続されている第1の光源101へ駆動電力を供給し、第1の光源101を発光させる。   The driving circuit 104 receives a signal transmitted from the oscillator 103, supplies driving power to the first light source 101 connected by the signal line, and causes the first light source 101 to emit light.

180°移相回路107は、発振器103から送信された信号を受信して、前記受信した信号に180°の位相変化を与えた信号を、信号線により接続されている駆動回路108へ送信する。   The 180 ° phase shift circuit 107 receives the signal transmitted from the oscillator 103, and transmits a signal obtained by giving a phase change of 180 ° to the received signal to the drive circuit 108 connected by the signal line.

駆動回路108は、180°移相回路107から送信された信号を受信し、信号線により接続されている第2の光源105へ駆動電力を供給し、第2の光源105を発光させる。   The drive circuit 108 receives the signal transmitted from the 180 ° phase shift circuit 107, supplies drive power to the second light source 105 connected by the signal line, and causes the second light source 105 to emit light.

第1の光源101および第2の光源105の各々は、互いに異なる波長の光を出力し、各々が出力した光を光波伝送手段により合波器109へ導く。   Each of the first light source 101 and the second light source 105 outputs light having different wavelengths, and guides the light output from the light source to the multiplexer 109 by the light wave transmission means.

第1の光源101の出力した光と第2の光源105の出力した光は、合波器109に入力され、合波されて、1つの光束として生体被検部110の所定の位置へ照射され、生体被検部110内に音波、すなわち光音響信号を発生させる。   The light output from the first light source 101 and the light output from the second light source 105 are input to the combiner 109, combined, and applied to a predetermined position of the living body test unit 110 as one light beam. A sound wave, that is, a photoacoustic signal is generated in the living body test part 110.

超音波検出器113は、生体被検部110の光音響信号を検出し、電気信号に変換して、信号線により接続されている位相検波増幅器114へ送信する。   The ultrasonic detector 113 detects the photoacoustic signal of the living body test part 110, converts it into an electrical signal, and transmits it to the phase detection amplifier 114 connected by a signal line.

位相検波増幅器114は、発振器103から送信される同期検波に必要な同期信号を受信するとともに、超音波検出器113から送信されてくる光音響信号に比例する電気信号を受信し、同期検波ならびに増幅、濾波を行って、出力端子115へ光音響信号に比例する電気信号を出力する。   The phase detection amplifier 114 receives a synchronization signal necessary for synchronous detection transmitted from the oscillator 103 and also receives an electrical signal proportional to the photoacoustic signal transmitted from the ultrasonic detector 113 to perform synchronous detection and amplification. Then, filtering is performed and an electric signal proportional to the photoacoustic signal is output to the output terminal 115.

第1の光源101は、発振器103の発振周波数に同期して強度変調された光を出力する。一方、第2の光源105は、発振器103の発振周波数で、かつ180°移相回路107により180°の位相変化を受けた信号に同期して強度変調された光を出力する。   The first light source 101 outputs light whose intensity is modulated in synchronization with the oscillation frequency of the oscillator 103. On the other hand, the second light source 105 outputs light whose intensity is modulated in synchronization with a signal having the oscillation frequency of the oscillator 103 and a phase change of 180 ° by the 180 ° phase shift circuit 107.

上記のように、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置においては第1の光源101の出力した光と第2の光源105の出力した光は、同一の周波数の信号により強度変調されているので、従来技術において、複数の周波数の信号により強度変調している場合に問題となる測定系の周波数特性の不均一性の影響は存在しない。   As described above, in the blood component concentration measurement apparatus according to the present embodiment, the light output from the first light source 101 and the light output from the second light source 105 are intensity-modulated by signals of the same frequency. In the prior art, there is no influence of non-uniformity in the frequency characteristics of the measurement system, which is a problem when intensity modulation is performed with signals of a plurality of frequencies.

一方、従来技術において問題となる光音響信号の測定値に存在する非線形的な吸収係数依存性は、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置においては等しい吸収係数を与える複数の波長の光を用いて測定することにより解決できることを、以下に説明する。   On the other hand, the nonlinear absorption coefficient dependency existing in the measurement value of the photoacoustic signal, which is a problem in the prior art, uses light of a plurality of wavelengths that give the same absorption coefficient in the blood component concentration measurement apparatus according to this embodiment. What can be solved by measuring in this way will be described below.

波長λおよび波長λの各々光に対して、背景の吸収係数α (b)、α (b)及び測定対象とする血液成分のモル吸収α (0)、α (0)が既知の場合、各波長における光音響信号の測定値sおよびsを含む連立方程式は、次の数式(1)のように表される。

Figure 0004945415
数式(1)を解いて未知の血液成分濃度Mを求める。ここで、Cは、変化し制御或は予想困難な係数、即ち、音響的な結合状態、超音波検出器の感度、前記照射部と前記検出部の間の距離(以下rと定義する)、比熱、熱膨張係数、音速、変調周波数、更に、吸収係数にも依存する未知乗数である。 Background light absorption coefficients α 1 (b) , α 2 (b) and molar absorption α 1 (0) , α 2 (0) of the blood component to be measured for light of wavelength λ 1 and wavelength λ 2 , respectively. Is known, the simultaneous equations including the measured values s 1 and s 2 of the photoacoustic signals at the respective wavelengths are expressed as the following formula (1).
Figure 0004945415
Equation (1) is solved to determine an unknown blood component concentration M. Here, C is a coefficient that changes and is difficult to control or predict, that is, acoustic coupling state, sensitivity of the ultrasonic detector, distance between the irradiation unit and the detection unit (hereinafter, defined as r), It is an unknown multiplier that also depends on specific heat, thermal expansion coefficient, sound speed, modulation frequency, and absorption coefficient.

数式(1)の1行目と2行目のCに差異が生ずるならば、それは、照射光に関係する量、即ち、吸収係数による差異以外にはあり得ない。ここで、数式(1)の各行の括弧の中、即ち吸収係数が互いに等しくなるように、波長λおよび波長λの組合せを選べば、吸収係数が等しくなり、1行目と2行目のCは等しい。しかしこれを厳密に行うと、波長λおよび波長λの組合せが、未知の血液成分濃度Mに依存することになるため、不便である。 If there is a difference between C in the first row and the second row of Equation (1), it can be other than the amount related to the irradiation light, that is, the difference due to the absorption coefficient. Here, if the combination of the wavelength λ 1 and the wavelength λ 2 is selected in parentheses in each row of the formula (1), that is, the absorption coefficients are equal to each other, the absorption coefficients become the same, and the first and second lines Are equal. However, strictly doing this is inconvenient because the combination of wavelength λ 1 and wavelength λ 2 will depend on the unknown blood component concentration M.

ここで、数式(1)の吸収係数(各行括弧中)に占める比率は、背景(α (b)、i=1、2)の方が、血液成分濃度Mを含む項(Mα (0))よりも著しく大きい。そこで、各行の吸収係数を正確に等しくする代わりに、背景、α (b)の吸収係数を等しくすれば十分である。即ち、異なる波長λおよび波長λの2波の光は、各々における背景の吸収係数、α (b)、α (b)が互いに等しくなるように選べば良い。このように1行目と2行目のCを等値できれば、それを未知定数として消去し、測定対象の血液成分濃度Mは数式(2)で表される。

Figure 0004945415
数式(2)の後段の変形にはs≒sという性質を用いている。 Here, as for the ratio of the absorption coefficient (in each parenthesis) of the formula (1), the background (α i (b) , i = 1, 2) has a term (Mα i (0 ) ) Is significantly larger than. Thus, it is sufficient to make the absorption coefficients of the background, α i (b) equal, instead of making the absorption coefficients of each row exactly equal. That is, the two light beams having different wavelengths λ 1 and λ 2 may be selected so that the background absorption coefficients α 1 (b) and α 2 (b) are equal to each other. Thus, if C in the first and second lines can be equal, it is erased as an unknown constant, and the blood component concentration M to be measured is expressed by Equation (2).
Figure 0004945415
The property of s 1 ≈s 2 is used for the subsequent deformation of Equation (2).

ここで、数式(2)を見ると、分母に波長λおよび波長λにおける測定対象の血液成分の吸収係数の差が現れている。この差が大きい方が、光音響信号の差信号s−sが大きく、その測定が容易となる。この差を最大とするには、測定対象の成分の吸収係数α (0)が極大となる波長を波長λに選び、かつ、α (0)=0、即ち、測定対象の成分が吸収特性を示さない波長に波長λを選ぶのが良い。ここで、前の条件から、この第2の波長λは、α (b)=α (b)、即ち、背景の吸収係数が第1の波長λの吸収係数に等しくなければならない。 Here, looking at Equation (2), the difference in the absorption coefficient of the blood component to be measured at the wavelengths λ 1 and λ 2 appears in the denominator. When the difference is larger, the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal is larger, and the measurement becomes easier. In order to maximize this difference, the wavelength at which the absorption coefficient α 1 (0) of the component to be measured is maximized is selected as the wavelength λ 1 and α 2 (0) = 0, that is, the component to be measured is It is preferable to select the wavelength λ 2 as a wavelength that does not show the absorption characteristics. Here, from the previous condition, this second wavelength λ 2 must be α 2 (b) = α 1 (b) , ie the background absorption coefficient must be equal to the absorption coefficient of the first wavelength λ 1. .

さらに、数式(2)において、光音響信号sは、光音響信号sとの差s−sの形でのみ登場している。今、測定対象の成分としてグルコースを例にとると、上述したように、2つの光音響信号sおよび光音響信号sの強度には、0.1%以下の差異しかない。 Furthermore, in Equation (2), the photoacoustic signal s 1 appears only in the form of a difference s 1 -s 2 from the photoacoustic signal s 2 . Now, taking as an example the glucose as a component to be measured, as described above, the two intensities of the photoacoustic signal s 1 and the photoacoustic signal s 2, only less than 0.1% difference.

しかし、数式(2)の分母の光音響信号sには5%程度の精度があれば十分である。従って、2つの光音響信号sおよび光音響信号sを逐次個別に測定するよりも、それらの差s−sを測定しこの測定値を、個別に測定した光音響信号sで除する方が、格段に容易に精度が保てる。従って、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置においては、2つの波長λおよび波長λの光を、互いに逆相に強度変調して照射することにより、生体内で光音響信号sおよび光音響信号sが相互に重畳されて生じる光音響信号の差信号s−sを測定する。 However, it is sufficient that the photoacoustic signal s 2 in the denominator of the formula (2) has an accuracy of about 5%. Therefore, rather than sequentially measuring the two photoacoustic signals s 1 and the photoacoustic signal s 2 , the difference s 1 -s 2 between them is measured, and this measured value is determined by the individually measured photoacoustic signal s 2 . It is much easier to maintain accuracy. Therefore, in the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the light of the two wavelengths λ 1 and λ 2 is irradiated with intensity modulated in opposite phases to each other, so that the photoacoustic signal s 1 and A difference signal s 1 -s 2 between the photoacoustic signals generated by superimposing the photoacoustic signals s 2 is measured.

以上説明したように、血液成分濃度を測定する場合、異なる特定の波長の2波の光を用いて、前記異なる特定の波長の2波の光が生体内に発生する光音響信号を各々個別に測定するよりも、前記光音響信号の差信号を測定し、さらに、所定の一方の光音響信号を零として、他方の光音響信号を測定して、これらを数式(2)により演算して、容易に血液成分濃度を測定できることが分かる。   As described above, when measuring blood component concentrations, using two waves of different specific wavelengths, the photoacoustic signals generated by the two waves of different specific wavelengths in the living body are individually provided. Rather than measuring, the difference signal of the photoacoustic signal is measured, and further, the predetermined one photoacoustic signal is set to zero, the other photoacoustic signal is measured, and these are calculated by Equation (2), It can be seen that the blood component concentration can be easily measured.

次に、光照射によって発生する音圧について、図2を参照して説明する。図2は本実施形態に係る基礎となる直接光音響法の説明図であり、図2には直接光音響法における観測点の配置が、音源分布のモデルと伴に、示されている。図2において照射光201は、生体に垂直に入射し、その結果、上述したように、光が照射される部分の表面近傍に音源202が生成される。   Next, sound pressure generated by light irradiation will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram of the basic direct photoacoustic method according to the present embodiment, and FIG. 2 shows the arrangement of observation points in the direct photoacoustic method together with a sound source distribution model. In FIG. 2, the irradiation light 201 enters the living body perpendicularly, and as a result, as described above, the sound source 202 is generated near the surface of the portion irradiated with the light.

音源202から出て生体内(簡単のために音波について一様とする)を伝搬する音波について、照射光201の延長線上にあり、音源から距離rだけ離れた観測点203で、その音圧p(r)を観測する。   For a sound wave that travels out of the sound source 202 and propagates through the living body (for simplicity, the sound wave is uniform), the sound pressure p is at an observation point 203 that is on the extension line of the irradiation light 201 and is separated from the sound source by a distance r. Observe (r).

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置において使用する波長1μm以長の光に対しては、生体は、背景(水)による強い吸収を受けるために、音源202は光の照射される部分の表面に局在し、その結果、発生する音波は球面波と見なせる。   For light with a wavelength of 1 μm or longer used in the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the living body receives strong absorption by the background (water), so the sound source 202 is the surface of the portion irradiated with light. As a result, the generated sound wave can be regarded as a spherical wave.

図2に示す音波伝搬を記述する波動方程式は、流体力学の方程式から求められる。即ち、連続の式とNavier Stokes方程式を、密度変化、圧力変化、及び流速変化が微小な場合として、各々を線形とし、これらと流体(水)における圧力と密度の関係を記述する状態方程式を連立して解くことにより求められる。ここで、前記状態方程式は、温度をパラメータとして含み、熱源Qが存在する時の温度変化は、前記状態方程式を介して取り込まれる。   The wave equation describing the sound wave propagation shown in FIG. 2 is obtained from an equation of fluid dynamics. That is, the continuous equation and the Navier Stokes equation are assumed to be linear when the density change, the pressure change, and the flow velocity change are very small, and the state equations describing the relationship between the pressure and density in the fluid (water) are combined. It is calculated by solving. Here, the state equation includes temperature as a parameter, and a temperature change when the heat source Q is present is taken in via the state equation.

熱伝導を無視する時、微小な圧力変化pは、次の非斉次のHelmholtz方程式により記述される。

Figure 0004945415
ここで、cは音速、βは熱膨張係数、Cは定圧比熱である。 When neglecting heat conduction, the small pressure change p is described by the following inhomogeneous Helmholtz equation.
Figure 0004945415
Here, c is the speed of sound, β is the thermal expansion coefficient, and C p is the constant pressure specific heat.

本実施形態に係る血液成分濃度測定装置の場合、一定周期Tで強度変調された光を照射し、該一定周期Tに同期した音圧変化を検出するので、変調周波数をf=1/T、また変調角周波数をω=2πfとおく時、全ての量について、時間依存性exp(−iωt)を持つ量のみに注目すればよい。その結果、時間微分は−iωとの積になる。   In the case of the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, light whose intensity is modulated at a constant period T is irradiated and a change in sound pressure synchronized with the constant period T is detected, so that the modulation frequency is f = 1 / T, When the modulation angular frequency is set to ω = 2πf, it is only necessary to pay attention to only the amount having time dependency exp (−iωt) for all the amounts. As a result, the time derivative is a product of -iω.

また熱源Qは、照射光201吸収に続く非発光緩和に起因するため、吸収係数αに比例し、またその分布は、媒質中での照射光201(散乱光が生ずればそれも含めた)の空間分布に等しくなる。即ち、各点での光強度をIと書くと、Q=αIである。以上により、定常的な直接光音響法に関わる基本方程式は次の数式(4)のように表される。

Figure 0004945415
ここで、音波の波数k=ω/c=2πλ(λは音波の波長)を導入した。 Further, since the heat source Q is caused by non-emission relaxation following absorption of the irradiation light 201, the heat source Q is proportional to the absorption coefficient α, and the distribution thereof is irradiation light 201 in the medium (including scattered light if it is generated). Equal to the spatial distribution of. That is, if the light intensity at each point is written as I, Q = αI. As described above, the basic equation relating to the steady direct photoacoustic method is expressed as the following equation (4).
Figure 0004945415
Here, the wave number k = ω / c = 2πλ (λ is the wavelength of the sound wave) was introduced.

数式(4)のp(r→∞)→0の境界条件の下での解は、十分遠方(r)α−1)において、次の数式(5)のように表される。

Figure 0004945415
The solution of the mathematical formula (4) under the boundary condition of p (r → ∞) → 0 is expressed as the following mathematical formula (5) in a sufficiently far distance (r) α −1 ).
Figure 0004945415

今、若干の光分布について数式(5)により、観測される音圧を計算する。先ず、光分布のモデルA204としては、強度が動径r´に対して、e−αr´で減衰する半球状の分布を考える。これは、著しく散乱が大きく、照射光201が入射するや否や、全方位に散乱される場合に対応する。 Now, the observed sound pressure is calculated for some light distribution by Equation (5). First, as the light distribution model A204, a hemispherical distribution in which the intensity is attenuated by e− αr ′ with respect to the radius r ′. This corresponds to the case where the scattering is extremely large and the irradiation light 201 is scattered in all directions as soon as it is incident.

これに対して、散乱が零である場合が、図2におけるモデルB205、およびモデルC206であり、各々半径wのガウス型のビームと一様円形ビームを入射した場合に相当している。これら各モデルの光強度分布は、図2中に示されている。 On the other hand, the case where the scattering is zero is the model B205 and the model C206 in FIG. 2, which corresponds to the case where a Gaussian beam and a uniform circular beam having a radius w 0 are respectively incident. The light intensity distribution of each of these models is shown in FIG.

今、既に用いた条件r≫α−1に加えて、r≫w0、および、N≡w /(rλ)≪1(モデルA204についてのNは、wに代えてα−1を用いて定義する)が成り立つ時、数式(5)による計算結果は、以下のようにまとめられる。

Figure 0004945415
ここで、Pは照射光201の全パワーであり、またF(ξ)は、
Figure 0004945415
と計算される。音源の分布の情報は、この形状関数F(kα―1)に集約される。前記形状関数のグラフを、図3に示した。 Now, in addition to the condition r >> α −1 already used, r >> w 0 and N≡w 0 2 / (rλ) << 1 (N in the model A204 is changed to α −1 instead of w 0. The result of calculation according to Equation (5) is summarized as follows.
Figure 0004945415
Here, P 0 is the total power of the irradiation light 201, and F (ξ) is
Figure 0004945415
Is calculated. Information on the distribution of the sound sources is collected in this shape function F (kα −1 ). A graph of the shape function is shown in FIG.

以上の結果によると、ξ=kα―1が小さい時、即ち、音波の波長が吸収長に比べて非常に長い場合(λ)α−1)には、光音響信号は、吸収係数の情報を何ら含まない。その理由は、ξ≪1で、F(ξ)≒ξであって、αF(ξ)≒kに帰してしまうからである。従って、音波の波長が吸収長に比べて非常に長い場合、すなわち変調周波数が低すぎる場合は光音響法によって血液成分濃度の測定はできないことが分かる。 According to the above results, when ξ = kα− 1 is small, that is, when the wavelength of the sound wave is very long compared to the absorption length (λ) α −1 ), the photoacoustic signal indicates the information on the absorption coefficient. Does not include anything. The reason is that when ξ << 1, F (ξ) ≈ξ and αF (ξ) ≈k. Therefore, it is understood that the blood component concentration cannot be measured by the photoacoustic method when the wavelength of the sound wave is very long compared to the absorption length, that is, when the modulation frequency is too low.

従って、生体に対して行う直接光音響法においては、ξ≒1、すなわちf≒αc/(2π)以上に変調周波数を設定すべきであり、照射光の波長が1.6μm近傍の場合は変調周波数fを150kHz以上、あるいは照射光の波長が2.1μm近傍の場合は変調周波数fを0.6MHz以上とする必要がある。   Therefore, in the direct photoacoustic method performed on the living body, the modulation frequency should be set to ξ≈1, that is, f≈αc / (2π) or more, and the modulation is performed when the wavelength of the irradiation light is near 1.6 μm. When the frequency f is 150 kHz or more, or when the wavelength of irradiation light is near 2.1 μm, the modulation frequency f needs to be 0.6 MHz or more.

次に、モデルB205、およびモデルC206の結果に差異がないことから、光軸に垂直方向の光強度分布が、信号に影響しないことが分かる。但し、この簡単化が許されるのは、上記N=w /(rλ)≪1が成り立つ場合に限られる。このNはフレネル数と呼ばれる量であり、観測点から音源を見込む際、視線に垂直方向の音源の拡がりに因って、音源の各点からの音波の寄与に生じる位相の変化幅を表している。フレネル数Nが、1に比べて十分小さければ、視線に垂直方向に音源が拡がりを持たないのと等価となる。 Next, since there is no difference in the results of model B205 and model C206, it can be seen that the light intensity distribution in the direction perpendicular to the optical axis does not affect the signal. However, this simplification is allowed only when N = w 0 2 / (rλ) << 1 holds. This N is an amount called Fresnel number. When looking at the sound source from the observation point, N represents the width of the phase change caused by the sound wave from each point of the sound source due to the spread of the sound source in the direction perpendicular to the line of sight. Yes. If the Fresnel number N is sufficiently smaller than 1, it is equivalent to that the sound source does not spread in the direction perpendicular to the line of sight.

その結果、照射光201のビーム径wが、光音響信号に影響を与えないという、極めて都合の良い性質が生ずるのである。その理由は以下の2つである。 As a result, the beam diameter w 0 of the irradiation light 201 has a very advantageous property that it does not affect the photoacoustic signal. There are two reasons for this.

その1は、生体における散乱の影響の抑制である。上記モデルA204は、散乱が大きい極限の場合を想定しているが、生体における散乱は実際、これ程は甚だしくはない。一般に散乱現象は散乱係数μと異方性gによって特徴付けられる。ここで、後者は、散乱角θの余弦の平均値<cosθ>であり、生体、特に皮膚における値として、概略0.9が報告されている(例えば、Applied Optics誌、32巻、1993年、435−447頁、参照)。即ち、実際の生体における散乱は、小角散乱<θ>≒26°が主である。 The first is suppression of the influence of scattering in the living body. The model A204 assumes an extreme case where scattering is large, but scattering in a living body is actually not so great. In general, the scattering phenomenon is characterized by a scattering coefficient μ s and anisotropy g. Here, the latter is the average value <cos θ> of the cosine of the scattering angle θ, and a value of approximately 0.9 has been reported as a value in a living body, particularly skin (for example, Applied Optics, 32, 1993, Pp. 435-447). That is, the scattering in an actual living body is mainly small-angle scattering <θ> ≈26 °.

今、単位長さの伝搬中に入射光束から散乱によって光が減少してゆく割合は、還元散乱係数μ´s=μ(1−g)で与えられ、この値は光の波長1μm以長に対して、概略1mm−1と実測されている。(非特許文献3参照)。この値は、単位長さの伝搬中に、入射光束から吸収によって光が減少してゆく割合である吸収係数αの値(光の波長1.6μm前後で0.6mm−1、2.1μm前後で2.4mm−1)と同程度の大きさである。 Now, the rate at which light is reduced by scattering from an incident light beam during propagation of unit length is given by the reduced scattering coefficient μ ′ s = μ s (1−g), which is longer than the wavelength of light 1 μm. On the other hand, it is actually measured as approximately 1 mm −1 . (Refer nonpatent literature 3). This value is the value of the absorption coefficient α which is the rate at which light is reduced by absorption from the incident light beam during propagation of the unit length (0.6 mm −1 and around 2.1 μm at a light wavelength of around 1.6 μm). And 2.4 mm −1 ).

即ち、今、生体において照射光201は、吸収長α―1の間に高々2回の散乱を受けるのみであり、しかも散乱角は小さい。この結果、生体内部の光分布(入射光束と散乱光の和)は、深さとともに序々にビーム径が拡って行き、あたかもピンの頭のような形となる。このような光分布の実測例も報告されている(Applied Optics誌、40巻、2001年、5770−5777頁、参照)。この時、深さzの面内における光分布の総量は、依然、exp(−αz)に従って減衰することが期待される。これは、少回の散乱が、小散乱角で起こる故である。 That is, now, in the living body, the irradiation light 201 is only subjected to scattering at most twice during the absorption length α −1 , and the scattering angle is small. As a result, the light distribution inside the living body (the sum of incident light flux and scattered light) gradually increases in beam diameter with depth, and looks like a pin head. An actual measurement example of such a light distribution has also been reported (see Applied Optics, 40, 2001, pages 5770-5777). At this time, the total amount of light distribution in the plane of depth z is still expected to attenuate according to exp (−αz). This is because a small number of scattering occurs at a small scattering angle.

従って、光音響信号が照射光201のビーム径に依らない場合、各深さでの光分布のビーム径自体は問題にならず、各深さ面内でのその総量のみが形状関数F(ξ)に影響し得る。これが、exp(−αz)であれば、結果的に、散乱のないモデルB205、およびモデルC206の場合に異ならず、よって形状関数への散乱の影響が無いことが予想されるのである。   Therefore, when the photoacoustic signal does not depend on the beam diameter of the irradiation light 201, the beam diameter itself of the light distribution at each depth does not matter, and only the total amount in each depth plane is the shape function F (ξ ) May be affected. If this is exp (−αz), as a result, it is expected that there is no influence of scattering on the shape function, as it does not differ in the case of model B205 and model C206 without scattering.

2つの波長λ1、および波長λの光照射において、該形状関数を等値することは、本実施形態における方法の骨子である。従って、2つの波長λ1、および波長λにおける散乱に相違があるのは、非常に望ましくない。現実には、光の波長1.3μm以長に対して、皮膚における散乱の波長依存性の実測報告は未だ無いが、血液については、一定の還元散乱係数μ´が報告されている(Journal of Biomedical Optics誌、4巻、1999年、36−46頁、参照)。 It is the essence of the method in the present embodiment that the shape function is equivalent in the light irradiation of the two wavelengths λ 1 and λ 2 . Therefore, it is highly undesirable that there is a difference in scattering at the two wavelengths λ 1 and λ 2 . Actually, there is no actual measurement report on the wavelength dependence of scattering in the skin for light wavelengths of 1.3 μm or longer, but a constant reduced scattering coefficient μ ′ s has been reported for blood (Journal). of Biomedical Optics, Vol. 4, 1999, pp. 36-46).

従って、例えば、形状関数への若干の散乱の影響があったとしても、その波長依存性は小さく、実害に及ばない可能性はある。さらに、ここで示したように、フレネル数を小さく設定すれば、形状関数への散乱の影響自体を抑止できる。それ故、散乱の波長依存性如何に関わらず、形状関数の等値は正当化され、本実施形態における方法が高い信頼性を持つことが分かる。   Therefore, for example, even if there is a slight scattering effect on the shape function, its wavelength dependence is small, and there is a possibility that it will not cause any real harm. Further, as shown here, if the Fresnel number is set small, the influence of scattering on the shape function itself can be suppressed. Therefore, regardless of the wavelength dependence of scattering, the equivalence of the shape function is justified, and it can be seen that the method in this embodiment has high reliability.

その2は、変調周波数の最適化が可能になる事である。人体に対する光の照射には、照射部位と波長、照射時間などに依存する光強度の許容限度がある。フレネル数Nが小さい範囲で、ビーム径wを拡大すれば、光強度の限度を越えずに、照射光の全パワーPを高め、光音響信号を増大できる。 The second is that the modulation frequency can be optimized. The light irradiation on the human body has an allowable limit of light intensity depending on the irradiation site, wavelength, irradiation time, and the like. If the beam diameter w 0 is increased in a range where the Fresnel number N is small, the total power P 0 of the irradiation light can be increased and the photoacoustic signal can be increased without exceeding the light intensity limit.

ここで、照射強度の限度をImaxと書くと、P=πw maxであり、フレネル数Nは、全パワーPによって、N=f/(πcr)(P/Imax)と表される。距離rは、生体被検部110の厚みによって決まる量(例えば、指頭では10mm、手首では40mm程度)であることを考慮すると、Nを一定に留めて、k、即ち、変調周波数f(∝k)を高める場合、全パワーPを減らさざるを得ない。ところが、形状関数の大きさ|F(kα−1)|は、kに比例して増えないので、検出される音波は減少する。従って、高過ぎる変調周波数も、また望ましくないことが分かる。 Here, if the limit of irradiation intensity is written as I max , P 0 = πw 0 2 I max , and the Fresnel number N depends on the total power P 0 , N = f / (πcr) (P 0 / I max ) It is expressed. Considering that the distance r is an amount determined by the thickness of the living body test part 110 (for example, about 10 mm for the fingertip and about 40 mm for the wrist), N is kept constant and k, that is, the modulation frequency f (∝k If you raise the), forced to reduce the total power P 0. However, since the magnitude of the shape function | F (kα −1 ) | does not increase in proportion to k, the detected sound wave decreases. Thus, it can be seen that too high a modulation frequency is also undesirable.

数式(6)の与える音圧振幅pを、NとImaxを用いて、書き直すと次のようになる。

Figure 0004945415
ここで、音圧上界psupは以下の数式(9)となる。
Figure 0004945415
数式(8)で、|F(ξ)|/ξは、ξについて単調に減少する関数であり、信号振幅のみの観点では、低い変調周波数が有利となる。 The sound pressure amplitude p a given by the equation (6), with N and I max, rewritten becomes as follows.
Figure 0004945415
Here, the sound pressure upper bound p sup is expressed by the following formula (9).
Figure 0004945415
In Equation (8), | F (ξ) | / ξ is a function that decreases monotonously with respect to ξ, and a low modulation frequency is advantageous from the viewpoint of only the signal amplitude.

今の場合、数式(8)のαに関わる変化率、∂p/∂α=−(psupN/α)ξd(|F(ξ)|/ξ)/dξを最大とするξ=kα―1が、最適の変調周波数を与える。このようなξは、モデルA204で2.49、モデルB205、およびモデルC206では21/2であり、その様なξにおける|F(ξ)|/ξの値は、各々、0.620、1/31/2と算出される。即ち、信号の強度と吸収係数αへの感度の相反する要求の妥協点として、最適の変調周波数が存する。 In this case, the rate of change related to α in Equation (8), ∂p a / ∂α = − (p sup N / α) ξd (| F (ξ) | / ξ) / dξ is maximized ξ = kα -1 gives the optimum modulation frequency. Such xi] is model A204 in 2.49, model B205, and an on Model C206 2 1/2, in such ξ | F (ξ) | values of / xi], respectively, 0.620, It is calculated as 1/3 1/2 . That is, the optimum modulation frequency exists as a compromise between the conflicting requirements of the signal strength and the sensitivity to the absorption coefficient α.

上述したように、現実の生体における光分布はモデルB205、およびモデルC206に近いと考えられるので、最適な変調周波数は、2πf=1.41cαであり、その時、f→0における最大値psupNに対し、57.7%の信号振幅が期待される。 As described above, since the light distribution in an actual living body is considered to be close to the model B205 and the model C206, the optimum modulation frequency is 2πf = 1.41cα, and at that time, the maximum value p sup N at f → 0. On the other hand, a signal amplitude of 57.7% is expected.

次に、図3を参照して、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置の原理を説明する。図1に示す第1の光源101は発振器103に同期して強度変調され、第1の光源101の出力する光は図4の上段に、第1の光源(λ)の光211として示す波形となる。 Next, the principle of the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The first light source 101 shown in FIG. 1 is intensity-modulated in synchronization with the oscillator 103, and the light output from the first light source 101 has a waveform shown as light 211 of the first light source (λ 1 ) in the upper part of FIG. It becomes.

一方、図1に示す第2の光源105は、同じく発振器103に同期して強度変調される。ここで、発振器103の送信する信号は180°移相回路107により180°の位相推移を与えられるので、第2の光源105の出力する光は第1の光源101の出力する光に対して逆位相な信号により強度変調され、図5の下段に、第2の光源(λ)の光212として示す波形となる。 On the other hand, the intensity of the second light source 105 shown in FIG. Here, since the signal transmitted from the oscillator 103 is given a phase shift of 180 ° by the 180 ° phase shift circuit 107, the light output from the second light source 105 is opposite to the light output from the first light source 101. The intensity is modulated by the phase signal, and the waveform shown as the light 212 of the second light source (λ 2 ) is shown in the lower part of FIG.

ここで図3においては、第1の光源101および第2の光源105を強度変調する信号は周期が1μ秒、即ち、変調周波数fが1MHzであり、かつ、占有率50%の信号の場合について示している。   Here, in FIG. 3, the signal for intensity-modulating the first light source 101 and the second light source 105 is a signal having a period of 1 μsec, that is, a modulation frequency f of 1 MHz and an occupation ratio of 50%. Show.

ここで、数式(4)では、照射光201に正弦波的変化を仮定し、図3においては、矩形波の光を照射する場合を示しているが、このことは次の理由により矛盾しない。   Here, in Equation (4), a sinusoidal change is assumed for the irradiation light 201, and FIG. 3 shows the case of irradiation with rectangular wave light, but this is consistent with the following reason.

すなわち、数式(3)は線形であり、異なる周波数の成分は互いに独立のものとして扱える。また音波の振幅が大きくなると、Navier Stokes方程式自体の持つ非線形性の影響を受けるが、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置における光音響信号の場合は、発生する音波は微弱であり線形の数式(3)が適用できる。また、矩形波は奇数次の高調波成分を含むが、そのうちの基本周期の正弦波成分の振幅を、数式(4)のIに読みかえれば良い。光源は、正弦波形状よりも矩形波形状に強度変調する方が容易であり、かつ、矩形波は同振幅の正弦波に比べて、4/π=1.27倍の基本周期正弦波成分を含み、効率は若干良い。   That is, Equation (3) is linear, and components of different frequencies can be handled as being independent of each other. In addition, when the amplitude of the sound wave increases, it is affected by the nonlinearity of the Navier Stokes equation itself. However, in the case of the photoacoustic signal in the blood component concentration measuring apparatus according to the present embodiment, the generated sound wave is weak and is a linear formula. (3) is applicable. In addition, the rectangular wave includes odd-order harmonic components, but the amplitude of the sine wave component of the basic period may be read as I in Equation (4). The light source is easier to modulate the intensity into a rectangular wave shape than the sine wave shape, and the rectangular wave has a fundamental period sine wave component that is 4 / π = 1.27 times that of a sine wave of the same amplitude. The efficiency is slightly better.

第1の光源101および第2の光源105の各々が出力する異なる波長の2波の光は、合波器109により合波され、生体被検部110に照射される。ここで、前記異なる波長の2波の光の各々は、独立に数式(6)で表される音圧を発生するものと考えることができる。   The two light beams having different wavelengths output from the first light source 101 and the second light source 105 are combined by the multiplexer 109 and applied to the living body test unit 110. Here, each of the two light beams having different wavelengths can be considered to independently generate the sound pressure expressed by the equation (6).

ここで、音波が線形に重畳されることは、数式(3)の線形性より既に明らかである。さらに、前記異なる波長の2波の光の各々は吸収が飽和する程には強くないので、前記異なる波長の2波の光の各々による発熱Qも線形に重畳される。ここで、吸収が飽和した場合であっても、吸収が不均一な拡がりを持ち、前記異なる波長の2波の光の波長の間隔が均一幅よりも広ければ、依然、発熱の線形な重畳は成立する。ここで、前記異なる波長の2波の光に対して共通に吸収が生じる水に対して、こうした条件もよく満されている。   Here, it is clear from the linearity of Equation (3) that sound waves are linearly superimposed. Further, since each of the two light beams having different wavelengths is not so strong that the absorption is saturated, the heat generation Q by each of the two light beams having different wavelengths is also linearly superimposed. Here, even when the absorption is saturated, if the absorption has a non-uniform spread and the wavelength interval between the two light beams having different wavelengths is wider than the uniform width, the linear superposition of the heat generation still remains. To establish. Here, such a condition is well satisfied for water in which absorption is common to the two light beams having different wavelengths.

以上のように、前記異なる波長の2波の光により、各々互いに独立に数式(6)で表される音圧の光音響信号が発生され、これらを重畳した音圧が、超音波検出器113により検出される。従って、上記のように重畳された音圧は次の数式により表される。

Figure 0004945415
ここで、αF(kα ―1)(i=1、2)が差の形で重畳されているのは、前記異なる波長の2波の光の各々の入射光が互いに逆相で強度変調された結果である。これを、超音波検出器113により検出し変換して得られる電気信号の中の基本周期の正弦波成分の波形を図6に実線で示す。図6に実線で示す信号の振幅(rms値)が、発振器103に同期した位相検波増幅器114によって測定され、図6にVとして示す信号として、出力端子115に出力される。 As described above, the photoacoustic signals having the sound pressures represented by the mathematical formula (6) are generated independently from each other by the two light beams having different wavelengths, and the sound pressure obtained by superimposing these signals is the ultrasonic detector 113. Is detected. Therefore, the sound pressure superimposed as described above is expressed by the following mathematical formula.
Figure 0004945415
Here, α i F (kα i −1 ) (i = 1, 2) is superimposed in the form of a difference because the incident lights of the two light beams having different wavelengths are in opposite phases and intensities. This is a modulated result. The waveform of the sine wave component of the fundamental period in the electrical signal obtained by detecting and converting this with the ultrasonic detector 113 is shown by a solid line in FIG. Amplitude (rms value) of the signal shown by the solid line in FIG. 6 is measured by the phase detector amplifier 114 which is synchronized with the oscillator 103, as a signal shown in FIG. 6 as V d, is outputted to the output terminal 115.

数式(10)と数式(1)により、上記未知定数Cは次の数式により表される。

Figure 0004945415
次に、数式(2)により、測定対象とする血液成分濃度の算出の原理を説明する。既に、第1の光源101および第2の光源105の各々が出力する光に対応する光音響信号の差信号s−sが得られているので、次に光音響信号sを測定すれば、数式(2)から、測定対象の血液成分濃度Mを算出できる。 The unknown constant C is expressed by the following mathematical formula using the mathematical formula (10) and the mathematical formula (1).
Figure 0004945415
Next, the principle of calculating the blood component concentration to be measured will be described using Equation (2). Since the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal corresponding to the light output from each of the first light source 101 and the second light source 105 has already been obtained, the photoacoustic signal s 2 is measured next. For example, the blood component concentration M to be measured can be calculated from Equation (2).

そこで、図5に示す第2の光源(λ)の光212のみを照射した状態で、光音響信号を測定する。即ち、図5に示すように、第2の光源105の出力する光の波形を保ったまま、第1の光源101の出力を零とする。これは、図1に示す第1の光源101の出力する光を、機械的なシャッターで遮る、または駆動回路104の出力を第1の光源101の発振閾値以下に下げる等の手段により実現できる。 Therefore, the photoacoustic signal is measured in a state where only the light 212 of the second light source (λ 2 ) shown in FIG. 5 is irradiated. That is, as shown in FIG. 5, the output of the first light source 101 is set to zero while maintaining the waveform of the light output from the second light source 105. This can be realized by means such as blocking the light output from the first light source 101 shown in FIG. 1 with a mechanical shutter, or lowering the output of the drive circuit 104 below the oscillation threshold value of the first light source 101.

上記の状態で測定される光音響信号の値を、超音波検出器113により検出し、電気信号に変換すると、基本周期正弦波成分として図6に破線により示す波形が得られる。また、図6に破線により示す波形のrms振幅値は、前述の方法と同様に位相検波増幅器114によって測定され、図6にVとして示す信号として、出力端子115に出力される。 When the value of the photoacoustic signal measured in the above state is detected by the ultrasonic detector 113 and converted into an electric signal, a waveform indicated by a broken line in FIG. 6 is obtained as a fundamental periodic sine wave component. Further, it rms amplitude value of the waveform shown by the broken line in FIG. 6 is measured by the phase sensitive amplifier 114 similarly to the method described above, as the signal shown in FIG. 6 as V r, is output to the output terminal 115.

ここで光音響信号sは、光音響信号の差信号s−sに対して、逆相となる。また、光音響信号sは、前記光音響信号の差信号s−sに比べて、桁違いに大きい。例えば、健常者の血糖値測定の場合、1000倍以上である。従って、光音響信号sと光音響信号の差信号s−sの2つの測定の間に、位相検波増幅器114の感度及び時定数の切替を行う。 Here, the photoacoustic signal s 2 has a phase opposite to the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal. Further, the photoacoustic signal s 2 is orders of magnitude larger than the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal. For example, it is 1000 times or more in the case of blood glucose level measurement of a healthy person. Therefore, the sensitivity and time constant of the phase detection amplifier 114 are switched between the two measurements of the photoacoustic signal s 2 and the difference signal s 1 -s 2 between the photoacoustic signals.

上記の測定により、2つの測定値Vd、を得れば、それらの各々を、数式(2)中のs−s、sのそれぞれに代入して、測定対象とする血液成分濃度Mを算出する。 If two measurement values V d and V r are obtained by the above measurement, each of them is substituted into each of s 1 -s 2 and s 2 in the formula (2), and blood to be measured The component concentration M is calculated.

ここで、測定値の比V/Vから、血液成分濃度Mへの変換には、比吸光度α (0)/α (b)(α (0)が非零の場合、更にα (0)/α (b))を必要とする。 Here, for conversion from the ratio V d / V r of the measured values to the blood component concentration M, if the specific absorbance α 1 (0) / α 1 (b)2 (0) is non-zero, α 2 (0) / α 1 (b) ) is required.

図7に、上記の比吸光度の値および、前述のように背景の吸収係数を等しくする2つの測定する波長λおよび波長λの選定方法を示す。 FIG. 7 shows a method for selecting the two wavelengths λ 1 and λ 2 to be measured so that the specific absorbance value and the background absorption coefficient are equal as described above.

図4は、血糖値の測定の場合について、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置における第1の光源101と第2の光源105のそれぞれの波長の選択法を示す図である。   FIG. 4 is a diagram illustrating a wavelength selection method for each of the first light source 101 and the second light source 105 in the blood component concentration measurement apparatus according to the present embodiment in the case of measuring a blood glucose level.

図7は、光波長1.2μmから2.5μmにわたって、水及びグルコース水溶液(濃度1.0M)の吸光度(OD)を示している。吸光度ODは吸収係数αとの間に、α=ODln10の関係がある。図7の右側の縦軸に吸収係数αの目盛を示す。   FIG. 7 shows the absorbance (OD) of water and an aqueous glucose solution (concentration: 1.0 M) over a light wavelength of 1.2 μm to 2.5 μm. The absorbance OD has a relationship of α = ODln10 with the absorption coefficient α. The vertical axis on the right side of FIG.

図7において、グルコース分子による吸収は、僅かに1.6μm近傍と2.1μm近傍に認められるが、グルコース分子による吸収は水に比べて、非常に小さい。   In FIG. 7, the absorption by the glucose molecules is observed only in the vicinity of 1.6 μm and in the vicinity of 2.1 μm, but the absorption by the glucose molecules is much smaller than that of water.

水とグルコースの吸光度の差を図8の上側に示し、これを更に、水の吸光度で除した比吸光度を図8の下側に示す。   The difference in absorbance between water and glucose is shown on the upper side of FIG. 8, and the specific absorbance obtained by dividing this by the absorbance of water is shown on the lower side of FIG.

図8に示す比吸光度によると、グルコース分子による吸収の明瞭な極大は、1608nmと2126nmに認められる。ここで、一例として、グルコース分子による吸収波長として、第1の光源101の波長λを1608nm(比吸光度は、0.114M−1)に設定する。これを、図8中に〇付きの縦実線で示した。 According to the specific absorbance shown in FIG. 8, a clear maximum of absorption by glucose molecules is observed at 1608 nm and 2126 nm. Here, as an example, the wavelength λ 1 of the first light source 101 is set to 1608 nm (specific absorbance is 0.114 M −1 ) as the absorption wavelength by glucose molecules. This is indicated by a vertical solid line with a circle in FIG.

ここで、波長1608nmにおける背景(水)の吸収係数α (b)は、図7から、0.608mm−1と読み取れる。そこで、α (b)=α (b)となる波長λは、同じく図7の水の吸収スペクトルから波長1381nm、あるいは波長1743nmである。これらの第2の光源105の波長λの候補の各々について、図8の比吸光度のスペクトルによって、α (0)の値を点検する。その結果、波長1381nmにおいては比吸光度が零であるが、一方、波長1743nmはグルコース分子の吸収帯にあり、比吸光度が0.0601M−1である。吸光度差α (0)−α (0)は、出来るだけ大きい方が測定が容易であるので、上記の場合、第2の光源105の波長λとして、1381nmを選定する。 Here, the absorption coefficient α 1 (b) of the background (water) at the wavelength of 1608 nm can be read as 0.608 mm −1 from FIG. Therefore, the wavelength λ 2 where α 2 (b) = α 1 (b) is the wavelength 1381 nm or the wavelength 1743 nm from the water absorption spectrum of FIG. For each of the candidates for the wavelength λ 2 of the second light source 105, the value of α 2 (0) is checked by the spectrum of the specific absorbance shown in FIG. As a result, the specific absorbance is zero at the wavelength of 1381 nm, while the wavelength of 1743 nm is in the absorption band of glucose molecules, and the specific absorbance is 0.0601M- 1 . Since it is easier to measure the absorbance difference α 1 (0) −α 2 (0) as much as possible, 1381 nm is selected as the wavelength λ 2 of the second light source 105 in the above case.

長波長側の吸収帯において、2126nmを第1の光源101の波長λ(比吸光度は0.0890M−1)に設定する場合、前述と同様の方法により、水分子が波長2126nmにおける吸収係数α (b)=2.361mm−1と等しい吸収係数を示す波長として、1837nm、あるいは2294nmがあり、これらの何れもがグルコースの吸収を外れている(図8中に縦点線で示した)ので、第2の光源105の波長λとしては1837nm、あるいは2294nmのいずれを選定しても良い。
(実施例)
When 2126 nm is set to the wavelength λ 1 (specific absorbance is 0.0890 M −1 ) of the first light source 101 in the absorption band on the long wavelength side, the absorption coefficient α at a wavelength of 2126 nm is determined by the same method as described above. 1 (b) = 2.361 mm −1 as a wavelength showing an absorption coefficient equal to 1837 nm or 2294 nm, both of which deviate from glucose absorption (indicated by a vertical dotted line in FIG. 8). As the wavelength λ 2 of the second light source 105, either 1837 nm or 2294 nm may be selected.
(Example)

ここで、第1実施形態における具体的な実施例について説明する。   Here, specific examples in the first embodiment will be described.

(第1実施例(その1))
図1に示す実施形態に係る血液成分濃度測定装置において、第1の光源101および第2の光源105として、レーザ光源を用いることも有効である。レーザ光源の選定に当たっては、先ず必要な出力パワーレベルの見積りが必要である。
(First embodiment (part 1))
In the blood component concentration measuring apparatus according to the embodiment shown in FIG. 1, it is also effective to use laser light sources as the first light source 101 and the second light source 105. In selecting a laser light source, it is first necessary to estimate the required output power level.

人体に対する光の照射には、光強度の許容限度があり、一般に、50%の個体に障害が発生する強度の1/10が、最大許容量としてJIS C6802に制定されており、JIS C6802によると、皮膚に対する非可視赤外光(波長0.8μm以上)の連続照射においては、1mm当り1mWが最大許容量である。 There is an allowable limit of light intensity in the irradiation of light to the human body. Generally, 1/10 of the intensity at which 50% of individuals are damaged is established in JIS C6802 as the maximum allowable amount. According to JIS C6802, In continuous irradiation of non-visible infrared light (wavelength of 0.8 μm or more) to the skin, 1 mW per mm 2 is the maximum allowable amount.

第1実施例においては、測定対象の血液成分を血糖とし、照射する光の波長を1.6μm帯として、前述した原理により変調周波数fを150kHz以上とする。ここで、生体被検部110内に発生する光音響信号の波長λ=c/fは10mm以下となる。生体被検部110を指頭とすれば、光が照射される照射部と、超音波検出器113が生体被検部110に接触する検出部までの距離rは10mmとなり、フレネル数N=w /(rλ)を0.1とするビーム径wは、w ≦10mmと計算される。これに、πを乗じて照射する光のビーム面積を計算し、さらに上記最大許容量を積算して、照射できる最大の光パワーを計算すると、31mWとなる。 In the first embodiment, the blood component to be measured is blood glucose, the wavelength of light to be irradiated is 1.6 μm band, and the modulation frequency f is 150 kHz or more according to the principle described above. Here, the wavelength λ = c / f of the photoacoustic signal generated in the living body test part 110 is 10 mm or less. If the living body test unit 110 is a fingertip, the distance r between the irradiation unit irradiated with light and the detection unit where the ultrasonic detector 113 contacts the living body test unit 110 is 10 mm, and the Fresnel number N = w 0. The beam diameter w 0 where 2 / (rλ) is 0.1 is calculated as w 0 2 ≦ 10 mm 2 . Multiplying this by π to calculate the beam area of the light to be irradiated, further adding the above-mentioned maximum allowable amount, and calculating the maximum light power that can be irradiated, it is 31 mW.

ここで、照射する光を2.1μm帯とする場合は、同様に計算して最大パワーは8mWとなり、この光出力は半導体レーザによって十分供給可能である。   Here, when the irradiation light is in the 2.1 μm band, the maximum power is calculated in the same manner to be 8 mW, and this light output can be sufficiently supplied by the semiconductor laser.

半導体レーザは小型で長寿命であり、また注入電流を変調することにより、強度変調が容易に行えるという利点も有するので、本実施例において、第1の光源101および第2の光源105としては、半導体レーザを用いる。   Since the semiconductor laser is small and has a long lifetime, and also has an advantage that the intensity can be easily modulated by modulating the injection current, in this embodiment, the first light source 101 and the second light source 105 are: A semiconductor laser is used.

図9に第1実施例に係る血液成分濃度測定装置の構成例を示す。図9に示す本実施例に係る血液成分濃度測定装置の第1実施例の構成は、照射光方向に伝搬した音波を検出する前方伝搬型であり、図1に示す血液成分濃度測定装置の基本構成と類似の構成であり、図1に示す第1の光源101、第2の光源105、駆動回路104、駆動回路108、180°移相回路107、合波器109、超音波検出器113、位相検波増幅器114、出力端子115、発振器103のそれぞれは、図9に示す第1の半導体レーザ光源501およびレンズ502、第2の半導体レーザ光源505およびレンズ506、駆動電流源504、駆動電流源508、180°移相回路507、合波器509、超音波検出器513および音響結合器512、位相検波増幅器514、出力端子515、発振器503のそれぞれに対応し、それぞれ同様の機能を有している。   FIG. 9 shows a configuration example of the blood component concentration measuring apparatus according to the first embodiment. The configuration of the first embodiment of the blood component concentration measuring apparatus according to this embodiment shown in FIG. 9 is a forward propagation type that detects a sound wave propagated in the direction of irradiation light, and the basic of the blood component concentration measuring apparatus shown in FIG. The first light source 101, the second light source 105, the drive circuit 104, the drive circuit 108, the 180 ° phase shift circuit 107, the multiplexer 109, the ultrasonic detector 113, shown in FIG. Each of the phase detection amplifier 114, the output terminal 115, and the oscillator 103 includes a first semiconductor laser light source 501 and a lens 502, a second semiconductor laser light source 505 and a lens 506, a drive current source 504, and a drive current source 508 shown in FIG. , 180 ° phase shift circuit 507, multiplexer 509, ultrasonic detector 513 and acoustic coupler 512, phase detection amplifier 514, output terminal 515, and oscillator 503, respectively. , Each has the same function.

ただし、図9に示す第1の半導体レーザ光源501および第2の半導体レーザ光源505の出力する光は各々、レンズ502およびレンズ506により、並行光束に収束され、各々の平行光束は合波器509により合波されて、1つの光束として生体被検部510に照射される。また、図9に示す音響結合器512は超音波検出器513と生体被検部510との間に備えられ、超音波検出器513と生体被検部510との間の光音響信号の伝達効率を高める機能を有している。   However, the lights output from the first semiconductor laser light source 501 and the second semiconductor laser light source 505 shown in FIG. 9 are converged into parallel light beams by the lens 502 and the lens 506, respectively. Are combined and applied to the living body test portion 510 as one light beam. Further, the acoustic coupler 512 shown in FIG. 9 is provided between the ultrasonic detector 513 and the living body test unit 510, and the photoacoustic signal transmission efficiency between the ultrasonic detector 513 and the living body test unit 510. It has a function to improve.

また、図9には校正用検体511も示されているが、校正用検体511の機能は後述する。   FIG. 9 also shows a calibration sample 511, but the function of the calibration sample 511 will be described later.

第1の半導体レーザ光源501は駆動電流源504により発振器503に同期して強度変調され、その出力光はレンズ502により平行光束に集光され、合波器509へ入力され、また第2の半導体レーザ光源505は駆動電流源508により発振器503に同期して強度変調され、その出力光はレンズ506により平行光束に集光され、合波器509へ入力される。ここで、駆動電流源508には、発振器503の出力が180°移相回路507を経由して送信されるので第2の半導体レーザ光源505の出力する光は、第1の半導体レーザ光源501の出力する光に対して、逆位相の信号により強度変調されている。   The first semiconductor laser light source 501 is intensity-modulated by the drive current source 504 in synchronization with the oscillator 503, and its output light is condensed into a parallel light flux by the lens 502 and input to the multiplexer 509, and also the second semiconductor. The laser light source 505 is intensity-modulated by the drive current source 508 in synchronization with the oscillator 503, and the output light is condensed into a parallel light beam by the lens 506 and input to the multiplexer 509. Here, since the output of the oscillator 503 is transmitted to the drive current source 508 via the 180 ° phase shift circuit 507, the light output from the second semiconductor laser light source 505 is from the first semiconductor laser light source 501. The intensity of the output light is modulated by an antiphase signal.

合波器509に入力される第1の半導体レーザ光源501および第2の半導体レーザ光源505の各々が出力する光は合波され、1つの光束として生体被検部510に照射される。   The light output from each of the first semiconductor laser light source 501 and the second semiconductor laser light source 505 input to the multiplexer 509 is combined and applied to the living body test portion 510 as one light beam.

生体被検部510に照射された光は生体被検部510内に光音響信号を発生し、発生した光音響信号は音響結合器512を経て、超音波検出器513により検出され、光音響信号の音圧に比例した電気信号に変換される。   The light irradiated on the living body test unit 510 generates a photoacoustic signal in the living body test unit 510, and the generated photoacoustic signal is detected by the ultrasonic detector 513 via the acoustic coupler 512, and the photoacoustic signal It is converted into an electric signal proportional to the sound pressure.

超音波検出器513により検出され、光音響信号の音圧に比例した電気信号に変換された信号は、発振器503に同期した位相検波増幅器514によって、同期検波ならびに増幅、濾波され、出力端子515に出力される。   The signal detected by the ultrasonic detector 513 and converted into an electric signal proportional to the sound pressure of the photoacoustic signal is synchronously detected, amplified and filtered by the phase detection amplifier 514 synchronized with the oscillator 503, and output to the output terminal 515. Is output.

ここで、前述のように、第1の半導体レーザ光源501の波長は1608nmに設定し、第2の半導体レーザ光源505の波長は1381nmに設定されている。また、発振器503の発振周波数、即ち、変調周波数fは、ξ=kα (b)=21/2となるように、207kHzに設定されている。 Here, as described above, the wavelength of the first semiconductor laser light source 501 is set to 1608 nm, and the wavelength of the second semiconductor laser light source 505 is set to 1381 nm. Further, the oscillation frequency of the oscillator 503, that is, the modulation frequency f is set to 207 kHz so that ξ = kα 1 (b) = .

また、第1の半導体レーザ光源501の光出力は5.0mWであり、第2の半導体レーザ光源505の出力光も5.0mWである。   The light output of the first semiconductor laser light source 501 is 5.0 mW, and the output light of the second semiconductor laser light source 505 is 5.0 mW.

生体被検部510に照射される光のビーム径は、前記照射部から前記検出部までの距離rを10mmとして、フレネル数Nが0.1となるようにw=2.7mmと設定されている。 The beam diameter of the light irradiated on the living body test unit 510 is set to w 0 = 2.7 mm so that the distance r from the irradiation unit to the detection unit is 10 mm and the Fresnel number N is 0.1. ing.

上記の状態において、第1の半導体レーザ光源501と第2の半導体レーザ光源505の出力が合波された光の生体被検部510の皮膚への照射強度は0.44mW/mmであり、最大許容値を2倍以上下回る安全なレベルである。しかし、これは目に対しては危険なレベルであるので、測定中、または生体被検部510が置かれていない際に音響結合器512から反射または散乱した光が、直接目に入らないように、合波器509および生体被検部510に遮光フード(図9には示していない)を設置することが不可欠である。 In the above state, the irradiation intensity of the light of the combined light of the outputs of the first semiconductor laser light source 501 and the second semiconductor laser light source 505 to the skin of the living body test portion 510 is 0.44 mW / mm 2 , It is a safe level that is more than twice the maximum allowable value. However, since this is a dangerous level for the eyes, light reflected or scattered from the acoustic coupler 512 during measurement or when the living body test part 510 is not placed does not directly enter the eyes. In addition, it is indispensable to install a light shielding hood (not shown in FIG. 9) in the multiplexer 509 and the living body test portion 510.

超音波検出器513はFET(電界効果トランジスタ)増幅器を内蔵する周波数平坦型電歪素子(PZT)であり、また、音響結合器512は音響整合用ジェルである。   The ultrasonic detector 513 is a frequency flat type electrostrictive element (PZT) incorporating a FET (field effect transistor) amplifier, and the acoustic coupler 512 is an acoustic matching gel.

上記の構成において、先ず、第1の半導体レーザ光源501の光出力を零として、図9に示すように第2の半導体レーザ光源505の出力する光のみを照射した場合、時定数を0.1秒に設定した位相検波増幅器514の出力端子515には、光音響信号sに対応する電気信号として、V=20μVの電圧が得られた。 In the above configuration, first, when the light output of the first semiconductor laser light source 501 is set to zero and only the light output from the second semiconductor laser light source 505 is irradiated as shown in FIG. A voltage of V r = 20 μV was obtained as an electrical signal corresponding to the photoacoustic signal s 2 at the output terminal 515 of the phase detection amplifier 514 set to seconds.

ここで、位相検波増幅器514における発振器503から送信される同期信号と、光音響信号が超音波検出器513により検出され電気信号に変換された信号との位相差θは、生体被検部510の光が照射される前記照射部と音響結合器512と接触する前記接触部の間の距離rと、変調周波数fによって変化するため、測定の度に最適の位相差の探索が必要であるが、位相差の探索は信号振幅が大きい光音響信号sの測定により実施するのが有効である。 Here, the phase difference θ between the synchronization signal transmitted from the oscillator 503 in the phase detection amplifier 514 and the signal obtained by detecting the photoacoustic signal by the ultrasonic detector 513 and converted into an electrical signal is the phase difference θ of the living body test unit 510. Since the distance r between the irradiation unit irradiated with light and the contact unit contacting the acoustic coupler 512 and the modulation frequency f change, it is necessary to search for an optimum phase difference for each measurement. The search for the phase difference is effectively performed by measuring the photoacoustic signal s 2 having a large signal amplitude.

ここで、2位相型の位相検波増幅器514の場合は、常に自動的に位相差θを求める能力があり、手動で位相差の探索を行う必要はない。すなわち、未知の位相と振幅を測定できるR−θモードにより光音響信号sを測定し位相と振幅を求め、この位相の測定値を用いて、位相が既知の場合にノイズ抑圧比が3dB改善した状態で振幅を測定できるX測定モードにより、前述の光音響信号の差信号s−sの測定を行う。 Here, in the case of the two-phase type phase detection amplifier 514, there is always the ability to automatically obtain the phase difference θ, and it is not necessary to manually search for the phase difference. That is, the photoacoustic signal s 2 is measured by the R-θ mode capable of measuring the unknown phase and amplitude, the phase and amplitude are obtained, and the noise suppression ratio is improved by 3 dB when the phase is known by using the measured value of this phase. The difference signal s 1 -s 2 of the above-described photoacoustic signal is measured by the X measurement mode in which the amplitude can be measured in the above state.

次に、第1の半導体レーザ光源501を発光させると出力端子515に光音響信号の差信号s−sに対応する電気信号として、V=7.7nV(位相が反転するので、直接の測定値は−7.7nVとなる)を得た。続いて、再度、第1の半導体レーザ光源501の光出力を零として、位相検波増幅器514の感度と時定数を元に戻して、光音響信号sの測定を行い、V=22μVが得られた。これら前後2回のVの平均により、Vの値は21μVとなった。 Next, when the first semiconductor laser light source 501 is caused to emit light, an electric signal corresponding to the photoacoustic signal difference signal s 1 -s 2 is output to the output terminal 515 as V d = 7.7 nV (since the phase is inverted, The measured value was −7.7 nV). Subsequently, again, the optical output of the first semiconductor laser light source 501 is set to zero, the sensitivity and time constant of the phase detection amplifier 514 are restored, the photoacoustic signal s 2 is measured, and V r = 22 μV is obtained. It was. The average of the front and rear two V r, the value of V r became 21MyuV.

上記のように、光音響信号の差信号s−sの測定の前後に、光音響信号sに対応する信号すなわちVの測定を2回行うのが望ましい。 As described above, it is desirable to measure the signal corresponding to the photoacoustic signal s 2 , that is, V r twice, before and after the measurement of the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal.

上記の手順によって、差信号s−sの測定中に、被験者の指先の押圧力の変化による前記距離rの変化、および、光照射による局所的な温度変化等に由来する前記未知乗数Cのドリフトを補正することができる。 By the above procedure, during measurement of the difference signal s 1 -s 2 , the unknown multiplier C derived from a change in the distance r due to a change in the pressing force of the subject's fingertip, a local temperature change due to light irradiation, and the like. Drift can be corrected.

上記の測定値と、波長1608nmにおける比吸光度値0.114M−1と数式(2)により、グルコース濃度Mは3.2mM(58mg/dl)と求まった。 The glucose concentration M was determined to be 3.2 mM (58 mg / dl) based on the above measured value, the specific absorbance value 0.114 M −1 at the wavelength of 1608 nm, and the mathematical formula (2).

水についての値、C=1(cal/g・deg)=4.18×10(J/kg・K)、β=300ppm/deg、c=1.51×10(m/s)を用いると、Imax=1mW/mmに対して、音圧上界psupとして0.17Paが得られる。これに、フレネル数N=0.1と、ξ=21/2に伴う減衰1/31/2、および、実照射パワー比0.22を乗じ、予想される音圧振幅は、2.1mPaである。 Value for water, C p = 1 (cal / g · deg) = 4.18 × 10 3 (J / kg · K), β = 300 ppm / deg, c = 1.51 × 10 3 (m / s) When I max = 1 mW / mm 2 , 0.17 Pa is obtained as the sound pressure upper bound p sup . Thereto, the Fresnel number N = 0.1, ξ = 2 1/2 to involve decay 1/3 1/2 and, multiplied by the actual irradiation power ratio 0.22, the expected sound pressure amplitude is 2. 1 mPa.s.

これに対し、超音波検出器513の公称感度は、66mV/Paであって、出力端子515の出力電圧は140μVとなることが予測されたが、実測した光音響信号sの値がその1/7に留まったと理由は、音響結合器512の不完全性と考えられる。 On the other hand, the nominal sensitivity of the ultrasonic detector 513 is 66 mV / Pa and the output voltage of the output terminal 515 is predicted to be 140 μV, but the measured value of the photoacoustic signal s 2 is 1 The reason for staying at / 7 is considered to be an imperfection of the acoustic coupler 512.

(第1実施例(その2))
本実施例においては、音響的な結合状態の改良を目的として、音響結合器512を共鳴型とするために厚さ6.6mmのアクリル板を、超音波検出器513と同じ径10mmφに成形した。音響結合器512の一方の面は真空グリースを介して超音波検出器513に装着し、他の面は音響整合用ジェルを介して生体被検部510と接触している。
(First embodiment (part 2))
In this embodiment, for the purpose of improving the acoustic coupling state, an acrylic plate having a thickness of 6.6 mm is formed to have the same diameter as the ultrasonic detector 513 and 10 mmφ in order to make the acoustic coupler 512 resonant. . One surface of the acoustic coupler 512 is attached to the ultrasonic detector 513 via vacuum grease, and the other surface is in contact with the living body test portion 510 via an acoustic matching gel.

上記の構成により前述と同様の手順で2回測定した結果、光音響信号s信号の測定値は150μV、及び153μVであり、また、光音響信号の差信号s−sの測定値は59nVであった。上記の測定で位相検波増幅器514の時定数は3秒である。これらの測定値から、グルコース濃度Mが3.4mM(61mg/dl)と求まった。 As a result of measuring twice in the same procedure as described above with the above configuration, the measured values of the photoacoustic signal s 2 signal are 150 μV and 153 μV, and the measured value of the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal is It was 59 nV. In the above measurement, the time constant of the phase detection amplifier 514 is 3 seconds. From these measured values, the glucose concentration M was determined to be 3.4 mM (61 mg / dl).

(第1実施例(その3))
上記の第1実施例(その2)においては、音響結合器512の共鳴周波数と変調周波数fが完全には一致していない。そこで本実施例においては、前段の光音響信号sの測定時に、先ず、発振器503の周波数を、数%の範囲で掃引し、2位相型の位相検波増幅器514を、前記R−θモードで動作させ、信号出力端子515の出力が最大となる様に、変調周波数fを設定することにより、音響結合器512の共鳴周波数と変調周波数fを完全に一致させる。
(First embodiment (part 3))
In the first embodiment (part 2), the resonance frequency of the acoustic coupler 512 and the modulation frequency f do not completely match. Therefore, in this embodiment, when measuring the photoacoustic signal s 2 in the previous stage, first, the frequency of the oscillator 503 is swept within a range of several percent, and the two-phase type phase detection amplifier 514 is operated in the R-θ mode. By operating and setting the modulation frequency f so that the output of the signal output terminal 515 is maximized, the resonance frequency of the acoustic coupler 512 and the modulation frequency f are completely matched.

上記以外は前記の実施例と同様の手順により、2回の測定による光音響信号sとして、600μV及び、604μVを得た。また光音響信号の差信号s−sの測定値は、0.25μVであった。この場合、位相検波増幅器514の時定数は1秒である。
以上の測定値から、グルコース濃度Mが3.6mM(65mg/dl)と求まった。
Except for the above, 600 μV and 604 μV were obtained as the photoacoustic signal s 2 by two measurements by the same procedure as in the previous example. The measured value of the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal was 0.25 μV. In this case, the time constant of the phase detection amplifier 514 is 1 second.
From the above measured values, the glucose concentration M was determined to be 3.6 mM (65 mg / dl).

上記の、第1実施例(その1)、第1実施例(その2)、第1実施例(その3)においては超音波検出器513として周波数平坦型の電歪素子(PZT)を使用しているが、通常型の電歪素子(PZT)の場合でも、出力端子515に得られる信号の振幅が最大となる変調周波数fを探索することにより、共鳴特性を利用した増感測定を実施可能であり、小型化、低価格化に有効である。   In the first embodiment (part 1), the first embodiment (part 2), and the first embodiment (part 3), a frequency flat type electrostrictive element (PZT) is used as the ultrasonic detector 513. However, even in the case of a normal type electrostrictive element (PZT), it is possible to carry out sensitization measurement using resonance characteristics by searching for a modulation frequency f that maximizes the amplitude of the signal obtained at the output terminal 515. It is effective for downsizing and cost reduction.

(第1実施例(その4))
本実施例は、第1の半導体レーザ光源501と第2の半導体レーザ光源505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511を導入する場合である。
(First embodiment (part 4))
In this embodiment, a calibration sample 511 is introduced as means for adjusting the powers of light output from the first semiconductor laser light source 501 and the second semiconductor laser light source 505 to be equal.

校正用検体511の構成としては、水を封入したガラス容器あるいは生体内における散乱を模擬する例えば、ラテックス粒子などの散乱体を分散させた水を封入する。   As a configuration of the calibration specimen 511, water in which a scatterer such as latex particles is dispersed is sealed so as to simulate scattering in a glass container in which water is sealed or in a living body.

ここで、校正用検体511の光を照射する面(図9中上面)のガラスの波長λおよび波長λに対する透過率の均等性を確保するためには、校正用検体511上面に、照射ビームが通る径のパイプ状の縁を設け、面に直接触れるのを防止するか、又は校正用検体511の使用の前に、所定の用品および手順によるクリーニングを行うことが有効である。 Here, in order to ensure the uniformity of the transmittance with respect to the wavelength λ 1 and the wavelength λ 2 of the glass (upper surface in FIG. 9) of the calibration sample 511, the upper surface of the calibration sample 511 is irradiated. It is effective to provide a pipe-shaped edge with a diameter through which the beam passes to prevent direct contact with the surface, or to perform cleaning by a predetermined product and procedure before using the calibration sample 511.

上記のような校正用検体511を、生体被検部510の代わりに装着して行う校正手順は、以下の通りである。   The calibration procedure performed by mounting the calibration sample 511 as described above instead of the living body test portion 510 is as follows.

先ず、第1の半導体レーザ光源501の光出力を零にして、図9に示すように、第2の半導体レーザ光源505の出力する光のみを照射する。ここで、2位相型の位相検波増幅器514を、前記R−θモードにて動作させ、この時の位相θを求めて固定する。共鳴型の超音波検出による場合は、この段階で前述と同様に音響結合器512の共鳴周波数と変調周波数fを一致させるために最適な変調周波数fの探索を行う。   First, the light output of the first semiconductor laser light source 501 is set to zero, and only the light output from the second semiconductor laser light source 505 is irradiated as shown in FIG. Here, the two-phase type phase detection amplifier 514 is operated in the R-θ mode, and the phase θ at this time is obtained and fixed. In the case of resonance type ultrasonic detection, the optimum modulation frequency f is searched at this stage in order to make the resonance frequency of the acoustic coupler 512 coincide with the modulation frequency f in the same manner as described above.

さらに、第1の半導体レーザ光源501の出力する光を増加させつつ、位相検波増幅器514の出力端子515に出力される信号が減少するのを観察し、出力端子515に出力される信号が減少するのにあわせて、位相検波増幅器514の感度と時定数を切替、出力端子515に得られる出力が零になった時点で、第1の半導体レーザ光源501の光出力を固定する。   Furthermore, while increasing the light output from the first semiconductor laser light source 501, it is observed that the signal output to the output terminal 515 of the phase detection amplifier 514 decreases, and the signal output to the output terminal 515 decreases. At the same time, the sensitivity and time constant of the phase detection amplifier 514 are switched, and when the output obtained at the output terminal 515 becomes zero, the optical output of the first semiconductor laser light source 501 is fixed.

上記の手順により校正用検体511を使用して、第1の半導体レーザ光源501の出力する光と第2の半導体レーザ光源505の出力する光の相対的な強度が互いに等しく、かつ逆位相の信号により強度変調されている状態に校正することができる。   Using the calibration sample 511 according to the above procedure, the relative intensities of the light output from the first semiconductor laser light source 501 and the light output from the second semiconductor laser light source 505 are equal and opposite in phase. Can be calibrated to a state in which the intensity is modulated.

校正用検体511を、生体被検部510の代わりに装着した状態で、本実施例に係る血液成分測定器の電源を入れる使用法を制定し、以上のシーケンスを、電源投入時のPOST(Power On Self Test)として実行することもできる。   With the calibration sample 511 mounted in place of the living body test portion 510, the usage method of turning on the blood component measuring instrument according to the present embodiment was established, and the above sequence was determined as POST (Power On Self Test).

(第2実施例(その1))
第2実施例は照射光201に向かって逆行する方向に伝搬する音波を検出する後方伝搬型である。第2実施例の構成は図10に示すように、図9に示す血液成分濃度測定装置の第1実施例の構成において、音響結合器512が合波器509と生体被検部510の間に設置され、音響結合器512の一方の面は生体被検部510に接し、音響結合器512の他方の面から合波器509により合波された光が入射され、この入射光は音響結合器512を通過して、生体被検部510に照射されるように変更したものである。ここで、超音波検出器513は、音響結合器512へ前記合波光が入射される側に設置される。
(Second embodiment (part 1))
The second embodiment is a backward propagation type that detects sound waves propagating in a direction reverse to the irradiation light 201. As shown in FIG. 10, the configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment of the blood component concentration measuring apparatus shown in FIG. 9, but the acoustic coupler 512 is located between the multiplexer 509 and the living body test portion 510. One surface of the acoustic coupler 512 is in contact with the living body test portion 510, and light combined by the multiplexer 509 is incident from the other surface of the acoustic coupler 512, and this incident light is input to the acoustic coupler It is changed so as to pass through 512 and irradiate the living body test portion 510. Here, the ultrasonic detector 513 is installed on the side where the combined light is incident on the acoustic coupler 512.

また、第2実施例に係る血液成分濃度測定装置の動作が前記第1の実施例と異なるのは、図10に示すように、合波器509から出力される光が音響結合器512を通過して、生体被検部510に照射され、生体被検部510内で発生した光音響信号は、再び音響結合器512を伝搬し、超音波検出器513により検出される点である。   Further, the operation of the blood component concentration measuring apparatus according to the second embodiment is different from that of the first embodiment, as shown in FIG. 10, the light output from the multiplexer 509 passes through the acoustic coupler 512. Then, the photoacoustic signal emitted to the living body test portion 510 and generated in the living body test portion 510 is propagated again through the acoustic coupler 512 and detected by the ultrasonic detector 513.

上記の構成において、音響結合器512は、照射光201が通過するので、光吸収が小さく、かつ、音響インピーダンスは、生体(水)に近いことが望ましい。   In the above configuration, since the irradiation light 201 passes through the acoustic coupler 512, it is desirable that the light absorption is small and the acoustic impedance is close to that of the living body (water).

本実施例においては光吸収の少ない石英ガラスにより音響結合器512が形成されている。石英ガラスの音響インピーダンスは、水の8倍であり、発生した音圧の約1/5のみが、石英ガラス中の伝搬波となり、超音波検出器513により観測される。従って、感度の点で不利となるので、音響結合器512自体に共鳴特性を持たせて、増感を図ることが必須である。即ち、石英ガラスの厚さ(図でガラス中の光束の伝搬長に当たる)は200kHzの変調周波数fに対する音波の波長λ=27.85mmの概略半波長の値となる14mmに設定されている。   In the present embodiment, the acoustic coupler 512 is made of quartz glass with little light absorption. The acoustic impedance of quartz glass is eight times that of water, and only about 1/5 of the generated sound pressure becomes a propagation wave in the quartz glass and is observed by the ultrasonic detector 513. Therefore, since it is disadvantageous in terms of sensitivity, it is essential that the acoustic coupler 512 itself has resonance characteristics to increase the sensitivity. That is, the thickness of the quartz glass (corresponding to the propagation length of the light beam in the glass in the figure) is set to 14 mm, which is a value of an approximate half wavelength of the wavelength λ of 27.85 mm with respect to the modulation frequency f of 200 kHz.

石英ガラス中の音波は、生体被検部510から遠方では球面波と見なせるので、ここでは、超音波検出器513は入射光束と、150°の角をなす方角に設置されている。(入射光束の通過する穴のある超音波検出器を用いれば、完全に後方の180°方向に置くことも可能である。)   Since the sound wave in the quartz glass can be regarded as a spherical wave at a distance from the living body test portion 510, the ultrasonic detector 513 is installed in a direction that forms an angle of 150 ° with the incident light beam. (If an ultrasonic detector having a hole through which an incident light beam passes is used, it can be placed in the rear 180 ° direction completely.)

本実施例の構成においては、生体被検部510において光が照射される照射部と、音響結合器512において光音響信号が超音波検出器513により検出される検出部の間の距離rは、音響結合器512の大きさで決定される一定値(今の場合r=14mm)に固定される。   In the configuration of the present embodiment, the distance r between the irradiation unit irradiated with light in the living body test unit 510 and the detection unit in which the photoacoustic signal is detected by the ultrasonic detector 513 in the acoustic coupler 512 is: It is fixed to a constant value (r = 14 mm in this case) determined by the size of the acoustic coupler 512.

ここで、第1の半導体レーザ光源501、第2の半導体レーザ光源505、及び超音波検出器513は、上記第1実施例と同様である。さらに、安全対策のために、音響結合器512上に何も載っていない時には、光の照射が行われないように、検体感知スイッチ(図10では省略)を配備する。   Here, the first semiconductor laser light source 501, the second semiconductor laser light source 505, and the ultrasonic detector 513 are the same as those in the first embodiment. Further, as a safety measure, a sample detection switch (not shown in FIG. 10) is provided so that light is not irradiated when nothing is placed on the acoustic coupler 512.

上記第1実施例と同様に、前段の光音響信号sの測定時に発振器503の周波数を掃引し、音響結合器512の共鳴周波数に一致する変調周波数fを探索する。さらに、上記第1実施例と同様の手順により、2回の測定により光音響信号sとして、200μV及び、206μVを得た。また、光音響信号の差信号s−sとしては、位相検波増幅器514の時定数を1秒として、79nVが測定された。これらの測定値から、グルコース濃度Mが3.4mM(61mg/dl)と求まった。 Similarly to the first embodiment, the frequency of the oscillator 503 is swept when the photoacoustic signal s 2 in the previous stage is measured, and a modulation frequency f that matches the resonance frequency of the acoustic coupler 512 is searched. Furthermore, 200 μV and 206 μV were obtained as the photoacoustic signal s 2 by two measurements according to the same procedure as in the first example. As the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal, 79 nV was measured with the time constant of the phase detection amplifier 514 as 1 second. From these measured values, the glucose concentration M was determined to be 3.4 mM (61 mg / dl).

(第2実施例(その2))
本実施例においては、音響結合器512が低密度ポリエチレンにより形成されている。低密度ポリエチレンは、音響インピーダンスが、水に対して18%しか異ならず、音波の結合には非常に優れる(圧力損失9%未満)。しかしながら、若干の光の吸収が存在し、また、軟らか過ぎるのも難点である。但し、柔軟性により生体との密着が良く、音響整合用ジェル等の補填剤を要さない点では、優れている。ここでより剛性に富む高密度ポリエチレンは、光を透過しないため適当でない。
(Second embodiment (part 2))
In this embodiment, the acoustic coupler 512 is made of low density polyethylene. Low density polyethylene has an acoustic impedance that differs only by 18% with respect to water and is very good at sonic coupling (less than 9% pressure loss). However, there is some light absorption and it is difficult to be too soft. However, it is excellent in that the close contact with the living body is good due to flexibility, and no filler such as an acoustic matching gel is required. Here, high-density polyethylene with higher rigidity is not suitable because it does not transmit light.

本実施例においては、音響結合器512の厚さは200kHzの変調周波数fに対する音波の波長に概略等しい10mmであり、前記照射部と前記検出部の距離rも10mmの固定値となる。   In this embodiment, the thickness of the acoustic coupler 512 is 10 mm, which is substantially equal to the wavelength of the sound wave with respect to the modulation frequency f of 200 kHz, and the distance r between the irradiation unit and the detection unit is also a fixed value of 10 mm.

第2実施例(その1)と同様に2回の測定により光音響信号sとして、300μV及び、289μVを得た。また光音響信号の差信号s−sとしては、位相検波増幅器514の時定数を1秒として、117nVが測定され、これらの測定値から、グルコース濃度Mが3.5mM(63mg/dl)と求まった。 Similar to the second example (part 1), 300 μV and 289 μV were obtained as the photoacoustic signal s 2 by two measurements. As the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal, 117 nV is measured with the time constant of the phase detection amplifier 514 as 1 second, and the glucose concentration M is 3.5 mM (63 mg / dl) from these measured values. I asked.

ここで、低密度ポリエチレンの圧力損失が低いにもかかわらず、測定信号が増大しないのは生体被検部510の押圧により音響結合器512が変形し、寸法が不安定となり共鳴による感度向上が不十分なためである。   Here, although the pressure loss of the low density polyethylene is low, the measurement signal does not increase because the acoustic coupler 512 is deformed by the pressing of the living body test portion 510, the dimensions become unstable, and the sensitivity improvement due to resonance is not improved. This is enough.

(第2実施例(その3))
本実施例は、第2実施例(その2)において、前述の校正用検体511による校正手段を導入した場合である。この場合、校正用検体511において、水または、散乱体を含む水を封入する容器の材料は、音響結合器512の材料と同一である。
(Second embodiment (part 3))
This embodiment is a case where the calibration means using the calibration sample 511 is introduced in the second embodiment (part 2). In this case, in the calibration sample 511, the material of the container that encloses water or water containing scatterers is the same as the material of the acoustic coupler 512.

ここで光が照射される面は、校正用検体511の図10に示す音響結合器512に接する面であり、長期にわたる清澄性を確保するために、校正用検体511の使用前に、所定の用品と手順によるクリーニングを実施する。   Here, the surface irradiated with light is a surface in contact with the acoustic coupler 512 shown in FIG. 10 of the calibration specimen 511. In order to ensure long-term clarity, a predetermined specimen is used before the calibration specimen 511 is used. Carry out cleaning with supplies and procedures.

上記の校正用検体511を、生体被検部510の代わりに装着して行う校正手順等は、上記、第1実施例(その4)と同様である。   The calibration procedure performed by mounting the calibration sample 511 in place of the biological specimen 510 is the same as in the first embodiment (part 4).

(第3実施例)
第1実施例、第2実施例においては、血中グルコース濃度、即ち、血糖値についての例を示した。しかしながら、血液を構成する成分としては、グルコースのほかにコレステロールを始めとする脂質、蛋白質、無機成分など多くの成分が含まれている。第3実施例では、第1実施形態に係る血液成分濃度測定装置及び血液成分濃度測定装置制御方法をコレステロールに対して適用した例について示す。なお、本実施例における血液成分濃度測定装置及び血液成分濃度測定装置制御方法は、後に説明する実施形態においても同様に適用することができる。
(Third embodiment)
In the first embodiment and the second embodiment, an example of blood glucose concentration, that is, blood glucose level is shown. However, as components constituting blood, in addition to glucose, many components such as cholesterol, lipids, proteins and inorganic components are included. The third example shows an example in which the blood component concentration measuring device and the blood component concentration measuring device control method according to the first embodiment are applied to cholesterol. In addition, the blood component concentration measuring apparatus and the blood component concentration measuring apparatus control method in the present embodiment can be similarly applied to the embodiments described later.

図11に波長1200nmから2500nmにわたって、水の吸光度を示す。図12には1600nmから2600nmにわたるコレステロールの吸光度を示す。図12に示すスペクトルによると、コレステロール分子による吸収の明瞭な極大は、2310nmに認められる。   FIG. 11 shows the absorbance of water over a wavelength range of 1200 nm to 2500 nm. FIG. 12 shows the absorbance of cholesterol ranging from 1600 nm to 2600 nm. According to the spectrum shown in FIG. 12, a clear maximum of absorption by cholesterol molecules is observed at 2310 nm.

ここで、波長2310nmにおける背景(水)の吸収係数α (b)は、図11から1.19mm−1と読み取れる。そこで、α (b)=α (b)となる波長λは、図11の水の吸収スペクトルから波長2120nm又は波長1880nmである。これらの第2の光源105の波長λの候補の各々について、図12の吸収スペクトルによって、α (b)の値を確認する。その結果、コレステロール分子は、波長2120nmでの吸収に比較して、波長1880nmでの吸収が大きいことが分かる。吸光度差α (0)−α (0)は、出来るだけ大きい方が測定容易であるので、上記の場合、第2の光源の波長として2120nmを選定する。以上の結果、第1の光源の波長を2310nmとし、第2の光源の波長を2120nmとして測定を行った。 Here, the absorption coefficient α 1 (b) of the background (water) at the wavelength of 2310 nm can be read as 1.19 mm −1 from FIG. Therefore, the wavelength λ 2 at which α 2 (b) = α 1 (b) is the wavelength 2120 nm or the wavelength 1880 nm from the water absorption spectrum of FIG. For each of the candidates for the wavelength λ 2 of the second light source 105, the value of α 2 (b) is confirmed by the absorption spectrum of FIG. As a result, it can be seen that cholesterol molecules have a large absorption at a wavelength of 1880 nm as compared to absorption at a wavelength of 2120 nm. Since it is easier to measure the absorbance difference α 1 (0) −α 2 (0) as much as possible, 2120 nm is selected as the wavelength of the second light source in the above case. As a result, the measurement was performed by setting the wavelength of the first light source to 2310 nm and the wavelength of the second light source to 2120 nm.

図13に第3実施例に係る血液成分濃度測定装置の構成を示す。図13に示す血液成分濃度測定装置の第3実施例の構成は、照射光の方向に伝搬した光音響信号を検出する前方伝搬型であり、図1に示す血液成分濃度測定装置の基本構成と類似の構成である。   FIG. 13 shows the configuration of a blood component concentration measuring apparatus according to the third embodiment. The configuration of the third embodiment of the blood component concentration measuring apparatus shown in FIG. 13 is a forward propagation type that detects a photoacoustic signal propagated in the direction of irradiation light, and the basic configuration of the blood component concentration measuring apparatus shown in FIG. It is a similar configuration.

即ち、図13に示す第1の半導体レーザ光源801及びレンズ802、第2の半導体レーザ光源805及びレンズ806、駆動電流源804、駆動電流源808、180°移相回路807、合波器809、超音波検出器813及び音響結合器812、位相検波増幅器814、出力端子815並びに発振器803は、図1に示す第1の光源101、第2の光源105、駆動回路104、駆動回路108、180°移相回路107、合波器109、超音波検出器113、位相検波増幅器114、出力端子115及び発振器103とそれぞれ同様の機能を有している。   That is, the first semiconductor laser light source 801 and the lens 802, the second semiconductor laser light source 805 and the lens 806, the drive current source 804, the drive current source 808, the 180 ° phase shift circuit 807, the multiplexer 809 shown in FIG. The ultrasonic detector 813, the acoustic coupler 812, the phase detection amplifier 814, the output terminal 815, and the oscillator 803 are the first light source 101, the second light source 105, the drive circuit 104, the drive circuit 108, 180 ° shown in FIG. The phase shift circuit 107, the multiplexer 109, the ultrasonic detector 113, the phase detection amplifier 114, the output terminal 115, and the oscillator 103 have the same functions.

第1の半導体レーザ光源801は、駆動電流源804により発振器803に同期して強度変調され、その出力光はレンズ802により平行光束に集光され、合波器809に入力される。第2の半導体レーザ光源805も、駆動電流源808により発振器803に同期して強度変調され、その出力光はレンズ806により平行光束に集光され、合波器809に入力される。   The first semiconductor laser light source 801 is intensity-modulated by the drive current source 804 in synchronization with the oscillator 803, and the output light is condensed into a parallel light flux by the lens 802 and input to the multiplexer 809. The intensity of the second semiconductor laser light source 805 is also modulated in synchronization with the oscillator 803 by the drive current source 808, and the output light is condensed into a parallel light flux by the lens 806 and input to the multiplexer 809.

ここで、駆動電流源808には、発振器803の出力が180°移相回路807を経由して送信されるので、第2の半導体レーザ光源805の出力する光は、第1の半導体レーザ光源801の出力する光に対して、逆位相の信号で強度変調されることになる。   Here, since the output of the oscillator 803 is transmitted to the drive current source 808 via the 180 ° phase shift circuit 807, the light output from the second semiconductor laser light source 805 is the first semiconductor laser light source 801. The intensity of the output light is modulated with an antiphase signal.

合波器809に入力される第1の半導体レーザ光源801及び第2の半導体レーザ光源805の各々が出力する光が合波され、1つの光束として被検体としての生体被検部810に照射される。   The light output from each of the first semiconductor laser light source 801 and the second semiconductor laser light source 805 input to the multiplexer 809 is combined and applied to the living body test unit 810 as the subject as one light beam. The

生体被検部810に照射された光は生体被検部810内に光音響信号を発生させる。発生した光音響信号は、音響結合器812を経て超音波検出器813により検出される。超音波検出器813では、光音響信号の音圧に比例した電気信号に変換される。   The light applied to the living body test unit 810 generates a photoacoustic signal in the living body test unit 810. The generated photoacoustic signal is detected by the ultrasonic detector 813 through the acoustic coupler 812. The ultrasonic detector 813 converts the photoacoustic signal into an electric signal proportional to the sound pressure.

電気信号に変換された信号は、発振器803に同期した位相検波増幅器814によって、同期検波増幅され、濾波された後に、出力端子815に出力される。   The signal converted into the electric signal is synchronously detected and amplified by the phase detection amplifier 814 synchronized with the oscillator 803, filtered, and then output to the output terminal 815.

第1の半導体レーザ光源801の波長は2310nmに設定され、第2の半導体レーザ光源805の波長は2120nmに設定されている。また、発振器803の発振周波数、即ち、変調周波数fは、ξ=kα (b)=21/2となるように、207kHzに設定されている。 The wavelength of the first semiconductor laser light source 801 is set to 2310 nm, and the wavelength of the second semiconductor laser light source 805 is set to 2120 nm. Further, the oscillation frequency of the oscillator 803, that is, the modulation frequency f is set to 207 kHz so that ξ = kα 1 (b) = 2 1/2 .

第1の半導体レーザ光源801の光出力は5mW、第2の半導体レーザ光源805の光出力も5mWである。   The light output of the first semiconductor laser light source 801 is 5 mW, and the light output of the second semiconductor laser light source 805 is also 5 mW.

生体被検部810に照射される光のビーム径は、生体被検部810の照射部から検出部までの距離rを10mmとして、フレネル数Nが0.1となるようにw=2.7mmと設定されている。 Beam diameter of the light irradiated to the living body test region 810, as 10mm the distance r to the detection portion from the irradiation portion of the living body test region 810, w 0 = 2 as the Fresnel number N becomes 0.1. It is set to 7 mm.

上記の状態において、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の出力が合波された光の生体被検部810の皮膚への照射強度は、0.44mW/mmであり、最大許容値の2分の1以下の安全なレベルである。しかし、外部への漏洩を考慮して合波器809及び生体被検部810を覆う遮光フード(不図示)を設置することが好ましい。 In the above state, the irradiation intensity of the light of the combined output of the first semiconductor laser light source 801 and the second semiconductor laser light source 805 to the skin of the living body test part 810 is 0.44 mW / mm 2 . This is a safe level that is less than half of the maximum allowable value. However, it is preferable to install a light shielding hood (not shown) that covers the multiplexer 809 and the living body test part 810 in consideration of leakage to the outside.

超音波検出器813は、電界効果トランジスタ(FET)増幅器を内蔵する周波数平坦型電歪素子(PZT)である。音響結合器812として音響整合用ジェルを用いた。   The ultrasonic detector 813 is a frequency flat type electrostrictive element (PZT) incorporating a field effect transistor (FET) amplifier. An acoustic matching gel was used as the acoustic coupler 812.

上記の構成の図13において、まず、第1の半導体レーザ光源801の光出力を零として第2の半導体レーザ光源805の出力光のみを照射した場合、時定数を0.1秒に設定した位相検波増幅器814の出力端子815には、光音響信号sに対応する電気信号として、Vr=40μVの電圧が得られた。 In FIG. 13 having the above-described configuration, first, when the light output of the first semiconductor laser light source 801 is set to zero and only the output light of the second semiconductor laser light source 805 is irradiated, the phase in which the time constant is set to 0.1 second is used. A voltage of Vr = 40 μV was obtained as an electrical signal corresponding to the photoacoustic signal s 2 at the output terminal 815 of the detection amplifier 814.

位相検波増幅器814に入力される発振器803からの同期信号と、超音波検出器813により検出され電気信号に変換された信号との位相差θは、光が照射される生体被検部810の照射部と音響結合器812と接触する生体被検部810の接触部との間の距離r、及び変調周波数fによって変化するため、測定の度に最適な位相調整が必要である。このような位相調整には、信号振幅の大きい光音響信号sを位相基準として測定することによって実施するのが有効である。 The phase difference θ between the synchronization signal from the oscillator 803 input to the phase detection amplifier 814 and the signal detected by the ultrasonic detector 813 and converted into an electrical signal is the irradiation of the living body test part 810 irradiated with light. Therefore, an optimum phase adjustment is required for each measurement because it varies depending on the distance r between the contact portion and the contact portion of the living body test portion 810 that contacts the acoustic coupler 812 and the modulation frequency f. Such phase adjustment, it is effective to implement by measuring a large photoacoustic signal s 2 of the signal amplitude as a phase reference.

位相検波増幅器814が2位相型である場合は、常に自動的に位相差θを追尾する機能を持たせることができ、この機能を利用すると位相差を自動調整することができる。つまり、未知の位相と振幅を測定するR−θモードにすると、光音響信号sの位相と振幅を測定し、この位相を用いて、位相が既知の場合にノイズ抑圧比が3dB改善した状態で振幅を測定できるX測定モードにより、前述の光音響信号の差信号s−sの測定を行う。 When the phase detection amplifier 814 is a two-phase type, it is possible to always have a function of automatically tracking the phase difference θ, and by using this function, the phase difference can be automatically adjusted. That is, when the R-θ mode is used to measure the unknown phase and amplitude, the phase and amplitude of the photoacoustic signal s 2 are measured, and the noise suppression ratio is improved by 3 dB when the phase is known using this phase. The above-described photoacoustic signal difference signal s 1 -s 2 is measured in the X measurement mode in which the amplitude can be measured with

次に、第1の半導体レーザ光源801を発光させると、出力端子815には、光音響信号の差信号s−sに対応する電気信号Vdとして約10nVの出力を得た。続いて、再度、第1の半導体レーザ光源801の光出力を零として、位相検波増幅器814の感度と時定数を元に戻して、光音響信号sの測定を行ったところ、Vr=42μVの出力が得られた。これら前後2回のVrの平均により、Vr=41μVとなった。 Next, when the first semiconductor laser light source 801 was caused to emit light, an output of about 10 nV was obtained at the output terminal 815 as the electric signal Vd corresponding to the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal. Subsequently, again, the optical output of the first semiconductor laser light source 801 was set to zero, the sensitivity and time constant of the phase detection amplifier 814 were restored, and the photoacoustic signal s 2 was measured. As a result, Vr = 42 μV. Output was obtained. The average of Vr of these two times before and after was Vr = 41 μV.

上記のように、光音響信号の差信号s−sの測定の前後に、光音響信号sに対応する信号であるVrの測定を2回行うのが望ましい。上記の手順によって、差信号s−sの測定中に、被験者の指先の押圧力の変化による距離rの変動、及び光照射による局所的な温度変化等に由来する未知乗数Cのドリフトを補正することができた。 As described above, before and after the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal measurement, the measurement of Vr is a signal corresponding to the photoacoustic signal s 2 is performed twice desirable. According to the above procedure, during measurement of the difference signal s 1 -s 2 , the drift of the unknown multiplier C derived from the variation in the distance r due to the change in the pressing force of the fingertip of the subject and the local temperature change due to light irradiation, etc. I was able to correct it.

上記の測定系を用い、生体被検部におけるコレステロール由来の光音響信号を超音波検出器により測定したところ、光音響信号の差信号s−sとして数百nVの出力値を得ることができた。 When the photoacoustic signal derived from cholesterol in the living body test part is measured by an ultrasonic detector using the above measurement system, an output value of several hundred nV can be obtained as the difference signal s 1 -s 2 of the photoacoustic signal. did it.

ここでは、生体の血液成分濃度測定装置及び生体の血液成分濃度測定装置制御方法について説明したが、生体に代えて液体を対象とした場合も同様である。即ち、本実施例に係る液体成分濃度測定装置および液体成分濃度測定装置制御方法は、上記本実施形態の基礎となる直接光音響法の説明と、数式(2)に示した成分濃度算出方法から容易に知られる通り、生体以外の測定対象に対しても実施できる。この場合、一般に液体に対しては等しい吸収係数を有し、対象物質に対し吸収係数が異なる2つの波長を用いれば、液体の吸収に掩蔽されることなく、液体中の成分の検出が行える。さらに、前述の実施形態や実施例の構成において、生体被検部に代えて果物をおけば、果実糖度計として機能する。これは、果実の甘さ成分である蔗糖や果糖は、血糖成分であるグルコースと類似の波長に吸収を有するからである、このように本実施形態の精神を逸脱しない範囲で、本実施形態に係る測定装置及び測定装置制御方法を様々の対象に適用できることは言うまで無い。   Here, the blood component concentration measuring device of the living body and the method for controlling the blood component concentration measuring device of the living body have been described, but the same applies to a case where liquid is used instead of the living body. In other words, the liquid component concentration measuring apparatus and the liquid component concentration measuring apparatus control method according to the present embodiment are based on the description of the direct photoacoustic method that is the basis of the above-described embodiment and the component concentration calculating method shown in Equation (2). As is easily known, it can be performed on a measurement object other than a living body. In this case, in general, when two wavelengths having the same absorption coefficient for the liquid and different absorption coefficients for the target substance are used, the components in the liquid can be detected without being covered by the absorption of the liquid. Furthermore, in the configuration of the above-described embodiment or example, if a fruit is used instead of the living body test part, it functions as a fruit sugar content meter. This is because sucrose and fructose, which are the sweetness components of fruits, have absorption at a wavelength similar to that of glucose, which is a blood sugar component. Thus, in the range not departing from the spirit of the present embodiment, It goes without saying that the measuring apparatus and the measuring apparatus control method can be applied to various objects.

(第4実施例)
図14に第4実施例に係る血液成分濃度測定装置の構成を示す。第4実施例は、第1実施例(その1)から(その4)で説明した血液成分濃度測定装置に接触温度計138をさらに導入した場合である。
(Fourth embodiment)
FIG. 14 shows the configuration of a blood component concentration measuring apparatus according to the fourth embodiment. The fourth embodiment is a case where a contact thermometer 138 is further introduced into the blood component concentration measuring apparatus described in the first embodiment (part 1) to (part 4).

図14で示した構成において第1の光源101の波長を、1608nmに設定し、一方、第2の光源105の波長は、1381nmに設定したが、これら波長値は、図7に示した水温39℃における水の吸光度に基づいている。この基準温度39℃は、体温としては平熱よりも高い値であり、また厳密には被験者の体温すなわち生体被検部110の温度に応じて、上記レーザ光源の波長の設定を変える必要がある。何故ならば、水の光吸収特性は水温に依存して変化するからである。   In the configuration shown in FIG. 14, the wavelength of the first light source 101 is set to 1608 nm, while the wavelength of the second light source 105 is set to 1381 nm. These wavelength values are equal to the water temperature 39 shown in FIG. Based on the absorbance of water at ° C. The reference temperature of 39 ° C. is a value higher than the normal temperature as the body temperature, and strictly speaking, it is necessary to change the wavelength setting of the laser light source in accordance with the body temperature of the subject, that is, the temperature of the living body test part 110. This is because the light absorption characteristics of water change depending on the water temperature.

かかる水温に依存する水の吸光度を、図14に示す。図15は、水温をパラメータとし、25℃から55℃まで5℃刻みの水温について、波長1450nm近傍に極大を持つ水の吸収バンドの吸光度を示している。図14に徴するに、水の吸収バンドは水温の上昇とともに、短波長方向にシフトし、それに伴い、短波長側の吸収は増大する一方、長波長側の吸収は減少する。   The water absorbance depending on the water temperature is shown in FIG. FIG. 15 shows the absorbance of an absorption band of water having a maximum in the vicinity of a wavelength of 1450 nm for a water temperature in increments of 5 ° C. from 25 ° C. to 55 ° C. using the water temperature as a parameter. As shown in FIG. 14, the water absorption band shifts in the short wavelength direction as the water temperature increases, and accordingly, the absorption on the short wavelength side increases while the absorption on the long wavelength side decreases.

かかる性質を詳細に見るために、一定の波長における水の吸光度の温度変化を示すと、図16を得る。長波長側の上記第1の光源101の波長1608nmにおいて、水の吸光度は温度に対し1.366×10−3mm−1/℃の割合で減少している。一方、短波長側の上記第2の光源105の波長1381nmにおいては、水の吸光度は1.596×10−3mm−1/℃の割合で増加する。 In order to see this property in detail, FIG. 16 is obtained when the temperature change of the absorbance of water at a certain wavelength is shown. At the wavelength of 1608 nm of the first light source 101 on the long wavelength side, the absorbance of water decreases at a rate of 1.366 × 10 −3 mm −1 / ° C. with respect to the temperature. On the other hand, at a wavelength of 1381 nm of the second light source 105 on the short wavelength side, the absorbance of water increases at a rate of 1.596 × 10 −3 mm −1 / ° C.

この結果、上記2波長間の吸光度の差は2.962×10−3mm−1/℃、比吸光度では1.001×10−2/℃の割合で、温度に対して減少する。この変化率に、1608nmにおけるグルコースの比吸光度値0.114M−1を用いると、体温の上記基準温度からの偏差1/℃当たり、グルコース濃度Mにして87.78mM(1581mg/dl)の過小評価が生ずることが分かる。 As a result, the difference in absorbance between the two wavelengths decreases with respect to the temperature at a rate of 2.962 × 10 −3 mm −1 / ° C. and the specific absorbance at 1.001 × 10 −2 / ° C. When the specific absorbance value 0.114 M −1 of glucose at 1608 nm is used for this rate of change, the glucose concentration M is underestimated as 87.78 mM (1581 mg / dl) per 1 / ° C. of deviation from the reference temperature of the body temperature. It turns out that occurs.

この誤差への対策として、生体被検部110の光照射側に、接触温度計138を設置し、光照射部近傍の局所的体温を計測し、この測温値から上記基準温度を減じた温度差に上記補正係数1581mg/dl/℃を乗じた値を、上数式(2)によるグルコース濃度Mの算定値に加算する。接触温度計138を光照射側に設置する理由は、上記補正に関与するのは、光の吸収が生ずる生体被検部110の照射側表面の温度だからである。これを例えば、超音波検出器113側に接触する側の生体表面の温度で代用したとすると、超音波検出器113との不可避の熱接触により変化を蒙った体表温度を用いることになり、大きな誤差を招く虞がある。   As a countermeasure against this error, a contact thermometer 138 is installed on the light irradiation side of the living body test part 110, the local body temperature in the vicinity of the light irradiation part is measured, and the temperature obtained by subtracting the reference temperature from this temperature measurement value. A value obtained by multiplying the difference by the correction coefficient 1581 mg / dl / ° C. is added to the calculated value of the glucose concentration M according to the above equation (2). The reason for installing the contact thermometer 138 on the light irradiation side is that the reason for the correction is the temperature of the irradiation side surface of the living body test part 110 where light absorption occurs. For example, if the temperature of the living body surface on the side in contact with the ultrasonic detector 113 is substituted, the body surface temperature that has undergone a change due to inevitable thermal contact with the ultrasonic detector 113 will be used. There is a risk of causing a large error.

また、図17に示す血液成分濃度測定装置において校正用検体を用いる場合、前記表面体温計測に基づく補正は、以下のように行えば良い。図18に、図17に示す血液成分濃度測定装置にさらに校正用検体141を適用した実施例を示す。   In addition, when a calibration sample is used in the blood component concentration measurement apparatus shown in FIG. 17, the correction based on the surface body temperature measurement may be performed as follows. FIG. 18 shows an embodiment in which a calibration sample 141 is further applied to the blood component concentration measuring apparatus shown in FIG.

校正用検体141内の液温を計測する温度計143を、校正用検体141に装着する。上記手順において、出力端子115からの光音響信号出力が零になり、駆動回路104の出力を固定した時点での、温度計143の読みを校正温度として記録する。爾後の生体被検部110に対する測定においては、前記実施例に示した補正算法の基準温度の代わりに該校正温度を用いて、補正を行う。すなわち、接触温度計138により、光照射部近傍の局所的体温を計測し、この測温値から上記校正温度を減じた温度差に前記補正係数1581mg/dl/℃を乗じた値を、上数式(2)によるグルコース濃度Mの算定値に加算すればよい。   A thermometer 143 that measures the liquid temperature in the calibration sample 141 is attached to the calibration sample 141. In the above procedure, the reading of the thermometer 143 at the time when the output of the photoacoustic signal from the output terminal 115 becomes zero and the output of the drive circuit 104 is fixed is recorded as the calibration temperature. In the measurement for the living body test part 110 after the dredging, correction is performed using the calibration temperature instead of the reference temperature of the correction algorithm shown in the embodiment. That is, the local thermometer near the light irradiation part is measured by the contact thermometer 138, and the value obtained by multiplying the temperature difference obtained by subtracting the calibration temperature from the temperature measurement value by the correction coefficient 1581 mg / dl / ° C. What is necessary is just to add to the calculated value of the glucose concentration M by (2).

校正用検体141に、液温を一定に保つ恒温手段(図18では省略)を設置する場合、生体被検部110に対する測定時に、校正用検体141に設置した温度計143および生体被検部110の接触温度計138を同時に動作させ、その読みの差から上記温度差を求めることもできる。特にこの場合、温度計143および接触温度計138を同種の温度計とすれば、例えばブリッジ回路を用いて、両者の出力値の差を高精度に読み取る平衡構成ができる。かかる平衡構成では、温度計143および接触温度計138に絶対温度の確度が要求されないので、サーミスタの如き簡易な測温体を用いて実施することができる。   When a constant temperature means (not shown in FIG. 18) for keeping the liquid temperature constant is installed in the calibration sample 141, the thermometer 143 and the living body test unit 110 installed in the calibration sample 141 are measured at the time of measuring the living body test unit 110. It is also possible to simultaneously operate the contact thermometer 138 and obtain the temperature difference from the difference in reading. In particular, in this case, if the thermometer 143 and the contact thermometer 138 are the same type of thermometer, an equilibrium configuration can be obtained in which the difference between the output values of the two is read with high accuracy using, for example, a bridge circuit. In such a balanced configuration, the accuracy of the absolute temperature is not required for the thermometer 143 and the contact thermometer 138, and therefore, it can be implemented using a simple temperature sensor such as a thermistor.

(第5実施例)
図19に第5実施例に係る血液成分濃度測定装置の構成を示す。第5実施例は、第2実施例(その1)から(その3)で説明した血液成分濃度測定装置に接触温度計138をさらに導入した場合である。
(5th Example)
FIG. 19 shows the configuration of a blood component concentration measuring apparatus according to the fifth embodiment. The fifth embodiment is a case where a contact thermometer 138 is further introduced into the blood component concentration measuring apparatus described in the second embodiment (part 1) to (part 3).

本実施例においては、前記表面体温計測に基づく補正のための接触温度計138は、音響結合器142の生体被検部110に接する面に埋め込むのが良い。この場合、望ましくは、音響結合器142の音響インピーダンスに近似する音響インピーダンスを持つ接触温度計138を用いるのが良い。これは、接触温度計138によって、音響結合器142内の超音波の伝搬が乱されることを抑制するためである。爾後、接触温度計138により計測した表面体温値に基づく補正は、第4実施例と同一の算法によって行う。また、校正用検体141を、生体被検部110の代わりに装着して行う校正手順、また接触温度計138による表面体温計測に基づく補正等も、上記、第4実施例に準じて行えばよい。   In the present embodiment, the contact thermometer 138 for correction based on the surface body temperature measurement is preferably embedded in the surface of the acoustic coupler 142 that contacts the living body test part 110. In this case, it is desirable to use a contact thermometer 138 having an acoustic impedance approximate to the acoustic impedance of the acoustic coupler 142. This is for suppressing the propagation of the ultrasonic wave in the acoustic coupler 142 from being disturbed by the contact thermometer 138. Thereafter, the correction based on the surface body temperature value measured by the contact thermometer 138 is performed by the same calculation method as in the fourth embodiment. Further, a calibration procedure performed by mounting the calibration sample 141 in place of the biological specimen 110, correction based on surface body temperature measurement by the contact thermometer 138, and the like may be performed in accordance with the fourth embodiment. .

(第2実施形態)
図20は、本実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図である。本実施形態に係る成分濃度測定装置は、グルコースなどの対象成分の濃度影響を受けていない音波を測定することを特徴とする。このため、第1実施形態で説明した構成に、さらに、校正用光発生手段としての第3の光源106を備えることを特徴とする。以下、具体的に説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 20 is a schematic configuration diagram of a component concentration measuring apparatus according to the present embodiment. The component concentration measuring apparatus according to the present embodiment measures a sound wave that is not affected by the concentration of a target component such as glucose. Therefore, the configuration described in the first embodiment is further provided with a third light source 106 as calibration light generating means. This will be specifically described below.

図20に示す成分濃度測定装置150は、測定用光発生手段としての第1の光源101及び第2の光源105と、校正用光発生手段としての第3の光源106と、発振器103と、光変調手段としての駆動回路104及び108と、180°移相回路107と、光合波手段としての合波器109a及び109bと、光出射手段としての照射ヘッド112と、音波検出手段としての超音波検出器113と、を備える。本実施形態では、さらに、光源切替145と、位相検波増幅器114と、出力端子115と、レンズ139、140、144と、音響整合手段としての音響結合器142と、計算機129と、校正用検体141a、141bを備える例について説明する。   A component concentration measuring apparatus 150 shown in FIG. 20 includes a first light source 101 and a second light source 105 as measurement light generating means, a third light source 106 as calibration light generating means, an oscillator 103, and a light source. Drive circuits 104 and 108 as modulation means, 180 ° phase shift circuit 107, multiplexers 109a and 109b as optical multiplexing means, irradiation head 112 as light emitting means, and ultrasonic detection as acoustic wave detection means And a container 113. In the present embodiment, the light source switching 145, the phase detection amplifier 114, the output terminal 115, the lenses 139, 140, 144, the acoustic coupler 142 as acoustic matching means, the calculator 129, and the calibration sample 141a are further provided. , 141b will be described.

本実施形態に係る成分濃度測定装置制御方法は、図20に示す成分濃度測定装置150に備わる制御回路(不図示)が、成分濃度測定装置150の構成要素に、規格化用音波検出手順と、測定用音波検出手順と、を行わせる。規格化用音波検出手順では、成分濃度測定装置150に備わる制御回路が、第1の光源101、発振器103、駆動回路104、照射ヘッド112、超音波検出器113のそれぞれを機能させる。測定用音波検出手順では、成分濃度測定装置150に備わる制御回路が、第1の光源101、第2の光源105、発振器103、駆動回路104及び108、180°移相回路107、照射ヘッド112及び超音波検出器113のそれぞれを機能させる。   In the component concentration measuring device control method according to the present embodiment, a control circuit (not shown) provided in the component concentration measuring device 150 shown in FIG. And a measurement sound wave detection procedure. In the standardized sound wave detection procedure, the control circuit included in the component concentration measurement device 150 causes the first light source 101, the oscillator 103, the drive circuit 104, the irradiation head 112, and the ultrasonic detector 113 to function. In the measurement sound wave detection procedure, the control circuit included in the component concentration measurement device 150 includes the first light source 101, the second light source 105, the oscillator 103, the drive circuits 104 and 108, the 180 ° phase shift circuit 107, the irradiation head 112, and the like. Each of the ultrasonic detectors 113 is caused to function.

本実施形態に係る成分濃度測定装置制御方法は、さらに、温度変化測定手順を有することを特徴とする。温度変化測定手順では、成分濃度測定装置150に備わる制御回路が、第1の光源101、第3の光源106、発振器103、駆動回路104及び108、180°移相回路107、照射ヘッド112及び超音波検出器113のそれぞれを機能させる。   The component concentration measurement apparatus control method according to the present embodiment further includes a temperature change measurement procedure. In the temperature change measurement procedure, the control circuit included in the component concentration measurement apparatus 150 includes the first light source 101, the third light source 106, the oscillator 103, the drive circuits 104 and 108, the 180 ° phase shift circuit 107, the irradiation head 112, and the super head. Each of the sound wave detectors 113 is caused to function.

本実施形態に係る成分濃度測定装置制御方法では、さらに、成分濃度測定装置150に備わる制御回路(不図示)が、校正用音波判定手段151、温度算出手段152、出力手段153、濃度算出手段154、及び、濃度補正手段155のそれぞれを機能させることが好ましい。   In the component concentration measurement device control method according to the present embodiment, a control circuit (not shown) provided in the component concentration measurement device 150 further includes a calibration sound wave determination unit 151, a temperature calculation unit 152, an output unit 153, and a concentration calculation unit 154. It is preferable to cause each of the density correction means 155 to function.

本実施形態では、測定用光発生手段の一方を第1の光源101、測定用光発生手段の他方を第2の光源105、校正用光発生手段を第3の光源106として説明する。第1の光源101及び第2の光源105は、2つの測定用光発生手段を構成する。第1の光源101及び第2の光源105は、水などの液体に対象成分であるグルコースが混合されてなる血液における水の呈する吸収が等しい異なる波長の光を発生して出力する。第3の光源106は、対象成分であるグルコースの呈する吸収が測定用光発生手段の一方、例えば第1の光源101、と等しい波長の光を発生して出力する。   In the present embodiment, one of the measurement light generation means is described as the first light source 101, the other of the measurement light generation means is described as the second light source 105, and the calibration light generation means is described as the third light source 106. The first light source 101 and the second light source 105 constitute two measurement light generating means. The first light source 101 and the second light source 105 generate and output light having different wavelengths with equal absorption of water in blood obtained by mixing glucose as a target component with a liquid such as water. The third light source 106 generates and outputs light having the same wavelength as that of the light source for measurement, for example, the first light source 101, which is absorbed by glucose as a target component.

図21は、第1の光源、第2の光源及び第3の光源の出力波長の一例であり、(a)は水とグルコース水溶液の吸光度及び吸光係数を示し、(b)はグルコースの吸光度と水の吸光度を比較した吸光度差及び吸光度比を示す。λは第1の光源の出力する波長、λは第2の光源の出力する波長、λは第3の光源の出力する波長である。図21(a)に示すように、波長λ及び波長λの水での吸光度は等しい。波長λの水での吸光度は、波長λ及び波長λの水での吸光度とは異なる。一方、図21(b)に示すように、波長λ及び波長λ3のグルコースでの吸光度は略等しい。波長λのグルコースでの吸光度は、波長λ及び波長λ3のグルコースでの吸光度とは異なる。第3の光源は、グルコースの濃度の影響を受けていない吸光度を測定するために用いられる。さらに、第2の光源の出力する波長λのグルコースでの比吸光度は、ゼロであることが好ましい。 FIG. 21 is an example of output wavelengths of the first light source, the second light source, and the third light source. (A) shows the absorbance and extinction coefficient of water and an aqueous glucose solution, and (b) shows the absorbance of glucose. The difference in absorbance and the absorbance ratio comparing the absorbance of water are shown. λ 1 is a wavelength output from the first light source, λ 2 is a wavelength output from the second light source, and λ 3 is a wavelength output from the third light source. As shown in FIG. 21 (a), the absorbance of water in the wavelength lambda 1 and wavelength lambda 2 are equal. The absorbance in water with wavelength λ 3 is different from the absorbance in water with wavelengths λ 1 and λ 2 . On the other hand, as shown in FIG. 21 (b), the absorbance of glucose wavelength lambda 1 and wavelength lambda 3 are substantially equal. The absorbance of glucose at wavelength λ 2 is different from the absorbance of glucose at wavelengths λ 1 and λ 3 . The third light source is used to measure the absorbance that is not affected by the glucose concentration. Furthermore, it is preferable that the specific absorbance of glucose of wavelength λ 2 output from the second light source is zero.

ここで、図20に示す第1の光源101及び第2の光源105の相対的な出力パワーの設定例について説明する。第1の光源101及び第2の光源105の出力パワーは、校正用検体141aを用いて設定する。校正用検体141aは、液体に対象成分が混合されてなる溶液における液体の呈する吸収の基準として用いられる検体である。溶液が血液の場合、校正用検体141aは、血液中の液体成分に近い物質、例えば水である。第1の光源101及び第2の光源105を互いに逆相で強度変調し、校正用検体141aに照射し、校正用検体141aで発生した音波の強度を測定する。第1の光源101及び第2の光源105の出射する光の相対的なパワーが等しければ、校正用検体141aで発生した音波の強度はゼロとなる。このため、校正用検体141aで発生した音波の強度がゼロとなるように、第1の光源101に対する第2の光源105の相対パワーをずらせば、第1の光源101及び第2の光源105の相対的な出力パワーの設定を行うことができる。   Here, a setting example of the relative output power of the first light source 101 and the second light source 105 illustrated in FIG. 20 will be described. The output powers of the first light source 101 and the second light source 105 are set using the calibration sample 141a. The calibration sample 141a is a sample used as a reference for absorption exhibited by a liquid in a solution obtained by mixing a target component with a liquid. When the solution is blood, the calibration sample 141a is a substance close to a liquid component in blood, for example, water. The first light source 101 and the second light source 105 are intensity-modulated in opposite phases, irradiated to the calibration sample 141a, and the intensity of the sound wave generated in the calibration sample 141a is measured. If the relative powers of the light emitted from the first light source 101 and the second light source 105 are equal, the intensity of the sound wave generated by the calibration sample 141a is zero. For this reason, if the relative power of the second light source 105 with respect to the first light source 101 is shifted so that the intensity of the sound wave generated by the calibration sample 141 a becomes zero, the first light source 101 and the second light source 105 can be changed. The relative output power can be set.

また、第1の光源101及び第3の光源106の相対的な出力パワーの設定例について説明する。第1の光源101及び第3の光源106の相対パワーは、校正用検体141bを用いて設定する。校正用検体141b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呈する吸収の基準として用いられる検体である。対象成分がグルコースの場合、校正用検体141bは、水の含有率の少ないグルコース、例えばブドウ糖の結晶である。第1の光源101及び第3の光源106を互いに逆相で強度変調し、校正用検体141bに照射し、校正用検体141bで発生した音波の強度を測定する。第1の光源101及び第3の光源106の出射する光の相対的なパワーが等しければ、校正用検体141bで発生した音波の強度はゼロとなる。このため、校正用検体141bで発生した音波の強度がゼロとなるように、第3の光源106の相対パワーをずらせば、第1の光源101及び第3の光源106の相対的な出力パワーの設定を行うことができる。   An example of setting the relative output power of the first light source 101 and the third light source 106 will be described. The relative powers of the first light source 101 and the third light source 106 are set using the calibration sample 141b. The calibration sample 141b is a sample used as a reference for absorption exhibited by the target component in a solution obtained by mixing the target component with a liquid. When the target component is glucose, the calibration sample 141b is glucose with a low water content, for example, a crystal of glucose. The first light source 101 and the third light source 106 are intensity-modulated in opposite phases, irradiated to the calibration sample 141b, and the intensity of the sound wave generated by the calibration sample 141b is measured. If the relative powers of the light emitted from the first light source 101 and the third light source 106 are equal, the intensity of the sound wave generated by the calibration sample 141b becomes zero. Therefore, if the relative power of the third light source 106 is shifted so that the intensity of the sound wave generated in the calibration sample 141b becomes zero, the relative output powers of the first light source 101 and the third light source 106 can be reduced. Settings can be made.

駆動回路104及び108は、第1の光源101からの光と第2の光源105及び第3の光源106からの光とのそれぞれを、発振器103の発振する一定周波数で互いに逆相に強度変調して出力する。例えば、駆動回路104は、第1の光源101からの光を、発振器103の発振する予め定められた一定周波数で強度変調して出力する。駆動回路108及び180°移相回路107は、第2の光源105からの光を、発振器103の発振する予め定められた一定周波数で、第1の光源101からの光とは互いに逆相に強度変調して出力する。また、駆動回路108及び180°移相回路107は、第3の光源106からの光を、発振器103の発振する予め定められた一定周波数で、第1の光源101からの光とは互いに逆相に強度変調して出力する。   The drive circuits 104 and 108 intensity-modulate the light from the first light source 101 and the light from the second light source 105 and the third light source 106 in opposite phases with each other at a constant frequency oscillated by the oscillator 103. Output. For example, the drive circuit 104 modulates the intensity of the light from the first light source 101 at a predetermined frequency that is oscillated by the oscillator 103 and outputs the modulated light. The drive circuit 108 and the 180 ° phase shift circuit 107 have the intensity of the light from the second light source 105 at a predetermined constant frequency oscillated by the oscillator 103 and in the opposite phase to the light from the first light source 101. Modulate and output. In addition, the drive circuit 108 and the 180 ° phase shift circuit 107 are configured so that the light from the third light source 106 is in a phase that is opposite to the light from the first light source 101 at a predetermined constant frequency that the oscillator 103 oscillates. Output with intensity modulation.

照射ヘッド112は、光出射手段として、第1の光源101からの強度変調光、測定用合成光及び校正用合成光を生体被検部110に向けて出射する。これによって、第1の光源101からの光の強度変調光、測定用合成光又は校正用合成光を生体被検部110に存在する血液に照射する。ここで、測定用合成光は、第1の光源101からの光の強度変調光と第2の光源105からの光の強度変調光を合成した光である。   The irradiation head 112 emits the intensity-modulated light, the measurement combined light, and the calibration combined light from the first light source 101 toward the living body test unit 110 as light emitting means. As a result, the intensity-modulated light of the light from the first light source 101, the synthetic light for measurement, or the synthetic light for calibration is irradiated onto the blood existing in the living body test part 110. Here, the combined light for measurement is light obtained by combining the intensity-modulated light of the light from the first light source 101 and the intensity-modulated light of the light from the second light source 105.

第1の光源101からの光の強度変調光を生体被検部110に向けて出射する場合、光源切替145は、駆動回路108を開放する。すなわち駆動回路108は、第1の光源101及び第3の光源106のいずれとも接続されない。レンズ139は、第1の光源101からの強度変調光を合波器109bに入射させる。合波器109bは、第1の光源101からの強度変調光を照射ヘッド112へ導く。そして、照射ヘッド112は、第1の光源101からの強度変調光を生体被検部110に向けて出射する。   When the intensity-modulated light of the light from the first light source 101 is emitted toward the living body test unit 110, the light source switching 145 opens the drive circuit. That is, the drive circuit 108 is not connected to either the first light source 101 or the third light source 106. The lens 139 causes the intensity-modulated light from the first light source 101 to enter the multiplexer 109b. The multiplexer 109 b guides the intensity modulated light from the first light source 101 to the irradiation head 112. The irradiation head 112 emits the intensity-modulated light from the first light source 101 toward the living body test unit 110.

測定用合成光を生体被検部110に向けて出射する場合、光源切替145は、駆動回路108と第2の光源105を接続する。レンズ140は、第2の光源105からの強度変調光を合波器109aに入射させる。合波器109aは、第2の光源105からの強度変調光を合波器109bに入射させる。レンズ139は、第1の光源101からの強度変調光を合波器109bに入射させる。合波器109bは、第1の光源101からの強度変調光及び第2の光源105からの強度変調光を合波する。そして、照射ヘッド112は、合波器109bの合波する第1の光源101からの強度変調光及び第2の光源105からの強度変調光を合成した測定用合成光を生体被検部110に向けて出射する。   When the synthetic light for measurement is emitted toward the living body test unit 110, the light source switch 145 connects the drive circuit 108 and the second light source 105. The lens 140 causes the intensity-modulated light from the second light source 105 to enter the multiplexer 109a. The multiplexer 109a causes the intensity-modulated light from the second light source 105 to enter the multiplexer 109b. The lens 139 causes the intensity-modulated light from the first light source 101 to enter the multiplexer 109b. The multiplexer 109 b multiplexes the intensity-modulated light from the first light source 101 and the intensity-modulated light from the second light source 105. Then, the irradiation head 112 supplies the measurement combined light, which combines the intensity-modulated light from the first light source 101 and the intensity-modulated light from the second light source 105, combined by the multiplexer 109b to the living body test unit 110. Exit toward.

校正用合成光を生体被検部110に向けて出射する場合、光源切替145は、駆動回路108と第3の光源106を接続する。レンズ144は、第3の光源106からの強度変調光を合波器109aに入射させる。合波器109aは、第3の光源106からの強度変調光を合波器109bに入射させる。レンズ139は、第1の光源101からの強度変調光を合波器109bに入射させる。合波器109bは、第1の光源101からの強度変調光及び第3の光源106からの強度変調光を合波する。そして、照射ヘッド112は、合波器109bの合波する第1の光源101からの強度変調光及び第3の光源106からの強度変調光を合成した校正用合成光を生体被検部110に向けて出射する。   When the calibration composite light is emitted toward the living body test unit 110, the light source switch 145 connects the drive circuit 108 and the third light source 106. The lens 144 causes the intensity-modulated light from the third light source 106 to enter the multiplexer 109a. The multiplexer 109a causes the intensity-modulated light from the third light source 106 to enter the multiplexer 109b. The lens 139 causes the intensity-modulated light from the first light source 101 to enter the multiplexer 109b. The multiplexer 109 b multiplexes the intensity modulated light from the first light source 101 and the intensity modulated light from the third light source 106. The irradiation head 112 then applies the combined light for calibration, which combines the intensity-modulated light from the first light source 101 and the intensity-modulated light from the third light source 106 that are combined by the multiplexer 109b, to the living body test unit 110. Exit toward.

超音波検出器113は、音波検出手段として、規格化用音波、測定用音波及び校正用音波を検出する。規格化用音波は、第1の光源101からの光の強度変調光によって生体被検部110に存在する血液から発生する音波である。測定用音波は、照射ヘッド112の出射する測定用合成光によって血液から発生する音波である。ここで、測定用合成光は血液中の液体の呈する吸収が等しいので、測定用音波は、対象成分であるグルコースでの吸収の差を反映している。校正用音波は、照射ヘッド112の出射する校正用合成光によって血液から発生する音波である。ここで、校正用合成光は血液中の対象成分であるグルコースの呈する吸収が等しいので、校正用音波は、血液中の液体での吸収の差を反映している。なお、超音波検出器113は、超音波検出器表面での音波の反射を防ぐため、音響整合手段としての音響結合器142を介して規格化用音波、測定用音波及び校正用音波を検出することが好ましい。   The ultrasonic detector 113 detects normalization sound waves, measurement sound waves, and calibration sound waves as sound wave detection means. The normalization sound wave is a sound wave generated from the blood existing in the living body test part 110 by the intensity-modulated light of the light from the first light source 101. The measurement sound wave is a sound wave generated from blood by the measurement combined light emitted from the irradiation head 112. Here, since the synthetic light for measurement exhibits the same absorption of the liquid in blood, the acoustic wave for measurement reflects the difference in absorption with glucose as the target component. The calibration sound wave is a sound wave generated from blood by the calibration synthesized light emitted from the irradiation head 112. Here, since the calibration synthetic light has the same absorption exhibited by glucose, which is the target component in blood, the calibration acoustic wave reflects the difference in absorption of the liquid in blood. The ultrasonic detector 113 detects normalization sound waves, measurement sound waves, and calibration sound waves via an acoustic coupler 142 as an acoustic matching means in order to prevent reflection of sound waves on the surface of the ultrasonic detector. It is preferable.

第3の光源106を備えることで、校正用合成光を生体被検部110に照射することで、グルコースなどの対象成分の濃度の影響を受けていない音波を測定することができる。校正用合成光によって発生した音波の強度変化を観測することで、溶液中の水などの液体での吸光度に急激な変化があったか否かを監視することができる。   By providing the third light source 106, it is possible to measure sound waves that are not affected by the concentration of the target component such as glucose by irradiating the living body test part 110 with the calibration composite light. By observing changes in the intensity of sound waves generated by the calibration synthetic light, it is possible to monitor whether or not there has been a sudden change in the absorbance of a liquid such as water in the solution.

位相検波増幅器114は、規格化用音波、測定用音波及び校正用音波の各光音響信号に比例する電気信号を出力端子115に出力する。出力端子115は、計算機129に、規格化用音波、測定用音波及び校正用音波の各光音響信号に比例する電気信号を入力する。計算機129は、入力された規格化用音波、測定用音波及び校正用音波の各光音響信号に比例する電気信号に対し、種々の処理を行う。例えば、計算機129は、第1の光源101、第2の光源105、第3の光源106、発振器103、駆動回路104及び108、180°移相回路107、照射ヘッド112及び超音波検出器113を制御する制御回路(不図示)を備える。本実施形態では、計算機129が、校正用音波判定手段151と、温度算出手段152と、出力手段153と、濃度算出手段154と、濃度補正手段155と、を備える例について説明する。   The phase detection amplifier 114 outputs an electrical signal proportional to each photoacoustic signal of the normalization sound wave, the measurement sound wave, and the calibration sound wave to the output terminal 115. The output terminal 115 inputs an electrical signal proportional to the photoacoustic signals of the normalization sound wave, the measurement sound wave, and the calibration sound wave to the computer 129. The computer 129 performs various processes on the electrical signals proportional to the input photoacoustic signals of the normalization sound wave, the measurement sound wave, and the calibration sound wave. For example, the computer 129 includes a first light source 101, a second light source 105, a third light source 106, an oscillator 103, driving circuits 104 and 108, a 180 ° phase shift circuit 107, an irradiation head 112, and an ultrasonic detector 113. A control circuit (not shown) for controlling is provided. In the present embodiment, an example in which the computer 129 includes a calibration sound wave determination unit 151, a temperature calculation unit 152, an output unit 153, a concentration calculation unit 154, and a concentration correction unit 155 will be described.

校正用音波判定手段151は、超音波検出器113の検出した校正用音波の強度と規格化用音波の強度との比が予め定められた範囲内にあるか否かを判定する。校正用音波の強度と規格化用音波の強度との比は、例えば、校正用音波の強度を規格化用音波の強度で除した値である。グルコース水溶液の呈する吸光度は、水の温度の影響を大きく受ける。グルコースの濃度の影響を排除したグルコース水溶液の呈する吸光度の差を検出することで、グルコース水溶液における水の温度変化が許容範囲内であることを確認することができる。このため、予め定められた範囲は、水の温度変化が許容範囲内であると認められる範囲であることが好ましい。   The calibration sound wave determination unit 151 determines whether the ratio between the intensity of the calibration sound wave detected by the ultrasonic detector 113 and the intensity of the normalization sound wave is within a predetermined range. The ratio between the intensity of the calibration sound wave and the intensity of the normalization sound wave is, for example, a value obtained by dividing the intensity of the calibration sound wave by the intensity of the normalization sound wave. The absorbance exhibited by the aqueous glucose solution is greatly affected by the temperature of the water. By detecting the difference in absorbance exhibited by the aqueous glucose solution excluding the influence of the glucose concentration, it is possible to confirm that the temperature change of the water in the aqueous glucose solution is within an allowable range. For this reason, it is preferable that the predetermined range is a range in which the temperature change of water is recognized as being within the allowable range.

校正用音波判定手段151が、超音波検出器113の検出した校正用音波の強度と規格化用音波の強度との比が予め定められた範囲内にあると判定した場合、濃度算出手段154はグルコースの濃度を算出することが好ましい。この場合、濃度補正手段155は、濃度算出手段154の算出する濃度を補正せずに出力手段153に出力することができる。   When the calibration sound wave determination unit 151 determines that the ratio between the intensity of the calibration sound wave detected by the ultrasonic detector 113 and the intensity of the normalization sound wave is within a predetermined range, the concentration calculation unit 154 It is preferable to calculate the concentration of glucose. In this case, the density correction unit 155 can output the density calculated by the density calculation unit 154 to the output unit 153 without correcting it.

校正用音波判定手段151が、超音波検出器113の検出した校正用音波の強度と規格化用音波の強度との比が予め定められた範囲外にあると判定した場合、温度変化があった旨を出力手段153に出力することが好ましい。このとき、濃度算出手段154はグルコースの濃度を算出しないことが好ましい。   If the calibration sound wave determination unit 151 determines that the ratio between the intensity of the calibration sound wave detected by the ultrasonic detector 113 and the intensity of the normalization sound wave is outside the predetermined range, there is a temperature change. It is preferable to output a message to the output means 153. At this time, it is preferable that the concentration calculation means 154 does not calculate the glucose concentration.

出力手段153は、校正用音波判定手段151が範囲外であることを判定すると、温度変化があった旨を出力する。出力手段153は、グルコースの濃度を測定しなおす旨を表示してもよい。出力手段153が血液の成分濃度を正常に測定できていないことを被検者に通知することができる。一方、校正用音波判定手段151が範囲内であることを判定すると、温度変化がない旨を出力してもよい。また、出力手段153は、濃度算出手段154の算出する濃度を表示してもよい。   When the output unit 153 determines that the calibration sound wave determination unit 151 is out of the range, the output unit 153 outputs that the temperature has changed. The output unit 153 may display that the glucose concentration is measured again. The output means 153 can notify the subject that the blood component concentration cannot be measured normally. On the other hand, if the calibration sound wave determination means 151 determines that it is within the range, it may output that there is no temperature change. The output unit 153 may display the density calculated by the density calculation unit 154.

温度算出手段152は、超音波検出器113の検出した校正用音波の強度に基づいて温度を算出する。グルコースの濃度の影響を排除したグルコース水溶液の呈する吸光度の差を検出することで、グルコース水溶液における水の温度変化を算出することができる。濃度算出手段154は、超音波検出器113の検出した測定用音波に基づいて、グルコースの濃度を算出する。濃度補正手段155は、温度算出手段152の算出する温度に基づいて、濃度算出手段154の算出するグルコースの濃度を補正する。以下、温度算出手段152、濃度算出手段154及び濃度補正手段155の算出方法について、具体的に説明する。   The temperature calculation unit 152 calculates the temperature based on the intensity of the calibration sound wave detected by the ultrasonic detector 113. By detecting the difference in absorbance exhibited by the aqueous glucose solution excluding the influence of the glucose concentration, the temperature change of the water in the aqueous glucose solution can be calculated. The concentration calculation means 154 calculates the glucose concentration based on the measurement sound wave detected by the ultrasonic detector 113. The concentration correction unit 155 corrects the glucose concentration calculated by the concentration calculation unit 154 based on the temperature calculated by the temperature calculation unit 152. Hereinafter, the calculation method of the temperature calculation unit 152, the concentration calculation unit 154, and the concentration correction unit 155 will be specifically described.

図14は、水の吸光度の変化の一例を表すグラフである。水の吸光度が25℃以上55℃の5℃刻みで温度推移した場合の、波長ごとの吸光度の変化を示す。水の温度が上がるにつれて、波長ごとの吸光度が短波長側にシフトしているのがわかる。このとき、水の温度変化ΔTは以下の式で表される。

Figure 0004945415
ここで、α (b)は、第i(i=1〜3)番目の波長λにおける液体の吸光度である。例えば、α (b)は、第1の光源101の出力する波長λにおける水の吸光度である。α (b)は、第3の光源106の出力する波長λにおける水の吸光度である。dα (b)/dTは、第i(i=1〜3)番目の波長λにおける液体の吸光度の温度に対する変化率である。例えば、α (b)/dTは、第1の光源101の出力する波長λにおける水の吸光度の温度に対する変化率である。α (b)/dTは、第2の光源105の出力する波長λにおける水の吸光度の温度に対する変化率である。α (b)/dTは、第3の光源106の出力する波長λにおける水の吸光度の温度に対する変化率である。また、Sは、規格化用音波の強度である。D13は、校正用音波の強度である。D13/Sは校正用音波D13と規格化用音波Sの比の、初期値を表す。 FIG. 14 is a graph showing an example of a change in the absorbance of water. The change of the light absorbency for every wavelength when the light absorbency of water changes temperature in 5 degreeC increments of 25 degreeC or more and 55 degreeC is shown. It can be seen that the absorbance at each wavelength shifts to the short wavelength side as the temperature of the water rises. At this time, the temperature change ΔT of water is expressed by the following equation.
Figure 0004945415
Here, α i (b) is the absorbance of the liquid at the i- th (i = 1 to 3) wavelength λ i . For example, α 1 (b) is the absorbance of water at the wavelength λ 1 output from the first light source 101. α 3 (b) is the absorbance of water at the wavelength λ 3 output from the third light source 106. dα i (b) / dT is the rate of change of the absorbance of the liquid at the i- th (i = 1 to 3) wavelength λ i with respect to temperature. For example, α 1 (b) / dT is the rate of change of the absorbance of water at the wavelength λ 1 output from the first light source 101 with respect to temperature. α 2 (b) / dT is the rate of change of the absorbance of water at the wavelength λ 2 output from the second light source 105 with respect to temperature. α 3 (b) / dT is the rate of change of the absorbance of water at the wavelength λ 3 output from the third light source 106 with respect to temperature. Further, S 1 is the intensity of the sound wave for normalization. D 13 is the intensity of the calibration sound wave. D 13 / S 1 | 0 represents the initial value of the ratio between the calibration sound wave D 13 and the normalization sound wave S 1 .

対象成分が決まれば第3の光源の波長λが決まる。第3の光源の波長λにおける液体、例えば水の吸光度と、波長λにおける液体例えば水の吸光度の温度に対する変化率を取得すれば、超音波検出器の検出した校正用音波の強度変化を測定することで、血液すなわち溶液の変化した温度を測定することができる。 If the target component is determined, the wavelength λ 3 of the third light source is determined. If the rate of change of the absorbance of the liquid, eg, water, at the wavelength λ 3 of the third light source and the absorbance of the liquid, eg, water, at the wavelength λ 3 with respect to the temperature is acquired, the intensity change of the calibration sound wave detected by the ultrasonic detector can be obtained. By measuring, the changed temperature of the blood, that is, the solution can be measured.

また、対象成分、例えばグルコースの濃度Mは、水の温度変化ΔTを用いて、以下の式で表される。

Figure 0004945415
ここで、α (0)は、第i(i=1〜3)番目の波長λにおける対象成分の単位量あたりの吸光度である。例えば、α (0)は、第1の光源101の出力する波長λにおけるグルコースの単位量あたりの吸光度である。α (0)は、第2の光源105の出力する波長λにおけるグルコースの単位量あたりの吸光度である。また、D12は、測定用音波の強度である。 In addition, the concentration M of the target component, for example, glucose, is expressed by the following equation using the temperature change ΔT of water.
Figure 0004945415
Here, α i (0) is the absorbance per unit amount of the target component at the i- th (i = 1 to 3) wavelength λ i . For example, α 1 (0) is the absorbance per unit amount of glucose at the wavelength λ 1 output from the first light source 101. α 2 (0) is the absorbance per unit amount of glucose at the wavelength λ 2 output from the second light source 105. Further, D 12 is the intensity of the measuring sound wave.

よって、対象成分、例えばグルコースの濃度Mは以下の式で表される。

Figure 0004945415
Therefore, the concentration M of the target component, for example, glucose is represented by the following formula.
Figure 0004945415

超音波検出器の検出した校正用音波の強度変化と、超音波検出器の検出した測定用音波から、溶液すなわち血液の温度変化を補正した対象成分の濃度を測定することができる。   From the intensity change of the calibration sound wave detected by the ultrasonic detector and the measurement sound wave detected by the ultrasonic detector, the concentration of the target component corrected for the temperature change of the solution, that is, blood can be measured.

本実施形態に係る液体成分濃度測定装置及び液体成分濃度測定装置制御方法は、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。   The liquid component concentration measuring apparatus and the liquid component concentration measuring apparatus control method according to the present embodiment can be applied to the field of measuring the component concentration in a liquid, for example, sugar content measurement of fruits.

1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の構成を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structure of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 生体内の音源分布の説明図である。It is explanatory drawing of the sound source distribution in a biological body. 生体内の音源分布に係る形状関数の説明図である。It is explanatory drawing of the shape function which concerns on the sound source distribution in a biological body. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の光音響信号を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the photoacoustic signal of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の光音響信号を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the photoacoustic signal of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の光音響信号を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the photoacoustic signal of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 水およびグルコースの光吸収特性と使用する光波長を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the light absorption characteristic of water and glucose, and the light wavelength to be used. 水およびグルコースの光吸収特性を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the light absorption characteristic of water and glucose. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の構成例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structural example of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の構成例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structural example of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 水の光吸収特性を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the light absorption characteristic of water. コレステロールの光吸収特性を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the light absorption characteristic of cholesterol. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の構成例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structural example of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 1実施形態に係る血液成分濃度の算出原理の説明図である。It is explanatory drawing of the calculation principle of the blood component density | concentration which concerns on 1 embodiment. 超音波検出器の感度特性の説明図である。It is explanatory drawing of the sensitivity characteristic of an ultrasonic detector. 1実施形態に係る血液成分濃度の算出原理の説明図である。It is explanatory drawing of the calculation principle of the blood component density | concentration which concerns on 1 embodiment. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の構成を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structure of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の実施例を示した図である。It is the figure which showed the Example of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 1実施形態に係る血液成分濃度測定装置の実施例を示した図である。It is the figure which showed the Example of the blood component concentration measuring apparatus which concerns on 1 embodiment. 2実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the component concentration measuring apparatus which concerns on 2 embodiment. 第1の光源、第2の光源及び第3の光源の出力波長の一例であり、(a)は水とグルコース水溶液の吸光度及び吸光係数を示し、(b)はグルコースの吸光度と水の吸光度を比較した吸光度差及び吸光度比を示す。It is an example of the output wavelength of a 1st light source, a 2nd light source, and a 3rd light source, (a) shows the light absorbency and extinction coefficient of water and glucose aqueous solution, (b) shows the light absorbency of glucose, and the light absorbency of water. Comparison of absorbance difference and absorbance ratio are shown. 従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structural example of the conventional blood component concentration measuring apparatus. 従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed the structural example of the conventional blood component concentration measuring apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

101 第1の光源
103 発振器
104 駆動回路
105 第2の光源
106 第3の光源
107 180°移相回路
108 駆動回路
109、109a、109b 合波器
110 生体被検部
112 照射ヘッド
113 超音波検出器
114 位相検波増幅器
115 出力端子
129 計算機
138 接触温度計
139 レンズ
140 レンズ
141、141a、141b 校正用検体
142 音響結合器(音響整合手段)
143 温度計
144 レンズ
145 光源切替
150 成分濃度測定装置
151 校正用音波判定手段
152 温度算出手段
153 出力手段
154 濃度算出手段
155 濃度補正手段
201 照射光
202 音源
203 観測点
204 モデルA
205 モデルB
206 モデルC
211 第1の光源(λ1)の光
212 第2の光源(λ2)の光
501 第1の半導体レーザ光源
502 レンズ
503 発振器
504 駆動電流源
505 第2の半導体レーザ光源
506 レンズ
507 180°移相回路
508 駆動電流源
509 合波器
510 生体被検部
511 校正用検体
512 音響結合器
513 超音波検出器
514 位相検波増幅器
515 出力端子
601 第1の光源
604 駆動電源
605 第2の光源
608 駆動電源
609 合波器
610 生体被検部
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
803 発振器
804 駆動電流源
805 第2の半導体レーザ光源
806 レンズ
807 180°移相回路
808 駆動電流源
809 合波器
810 生体被検部
811 校正用検体
812 音響結合器
813 超音波検出器
814 位相検波増幅器
815 出力端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 1st light source 103 Oscillator 104 Drive circuit 105 2nd light source 106 3rd light source 107 180 degree phase shift circuit 108 Drive circuit 109, 109a, 109b Multiplexer 110 Living body test part 112 Irradiation head 113 Ultrasonic detector 114 Phase detection amplifier 115 Output terminal 129 Computer 138 Contact thermometer 139 Lens 140 Lens 141, 141a, 141b Calibration sample 142 Acoustic coupler (acoustic matching means)
143 Thermometer 144 Lens 145 Light source switching 150 Component concentration measurement device 151 Calibration sound wave determination means 152 Temperature calculation means 153 Output means 154 Concentration calculation means 155 Concentration correction means 201 Irradiation light 202 Sound source 203 Observation point 204 Model A
205 Model B
206 Model C
211 Light of the first light source (λ1) 212 Light of the second light source (λ2) 501 First semiconductor laser light source 502 Lens 503 Oscillator 504 Drive current source 505 Second semiconductor laser light source 506 Lens 507 180 ° phase shift circuit 508 Drive current source 509 multiplexer 510 living body test part 511 calibration sample 512 acoustic coupler 513 ultrasonic detector 514 phase detection amplifier 515 output terminal 601 first light source 604 drive power source 605 second light source 608 drive power source 609 Multiplexer 610 Living body test part 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 803 Oscillator 804 Drive current source 805 Second Semiconductor laser light source 806 Ren 807 180 ° phase shift circuit 808 drive current source 809 multiplexer 810 biological test unit 811 calibration sample 812 acoustic coupler 813 ultrasonic detector 814 phase sensitive amplifier 815 output terminal

Claims (12)

液体に対象成分が混合されてなる溶液における前記液体の呈する吸収が等しい異なる波長の光を発生して出力する2つの測定用光発生手段と、
前記対象成分の呈する吸収が前記測定用光発生手段の一方と等しい波長の光を発生して出力する校正用光発生手段と、
前記測定用光発生手段の一方からの光を予め定められた一定周波数で強度変調して出力し、かつ、前記測定用光発生手段の一方からの光と前記測定用光発生手段の他方及び前記校正用光発生手段からの光とのそれぞれを、前記一定周波数で互いに逆相に強度変調して出力する光変調手段と、
前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光と前記測定用光発生手段の他方からの光の強度変調光を合成した測定用合成光、及び、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光及び前記校正用光発生手段からの光の強度変調光を合成した校正用合成光を前記溶液に向けて出射する光出射手段と、
前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光によって前記溶液から発生する規格化用音波、前記光出射手段の出射する測定用合成光によって前記溶液から発生する測定用音波、及び、前記光出射手段の出射する校正用合成光によって前記溶液から発生する校正用音波を検出する音波検出手段と、
前記音波検出手段の検出した前記測定用音波に基づいて、前記対象成分の濃度を算出する濃度算出手段と、
を備え
前記音波検出手段の検出した前記規格化用音波及び前記校正用音波に基づいて前記液体の温度変化を検出する
ことを特徴とする成分濃度測定装置。
Two measuring light generating means for generating and outputting light having different wavelengths with the same absorption of the liquid in a solution in which the target component is mixed with the liquid;
Calibration light generating means for generating and outputting light having a wavelength equal to that of one of the measurement light generating means, the absorption exhibited by the target component;
The light from one of the measurement light generation means is intensity-modulated at a predetermined frequency and output, and the light from one of the measurement light generation means, the other of the measurement light generation means, and the Each of the light from the calibration light generating means, the light modulating means for outputting the intensity modulated in the opposite phase with each other at the constant frequency; and
The intensity modulated light of the light from one of the measurement light generating means, the intensity modulated light of the light from one of the measurement light generating means, and the intensity modulated light of the light from the other of the measurement light generating means are synthesized. Synthetic light for measurement, and light for intensity modulation from one of the light generation means for measurement and light for intensity calibration from the light generation means for calibration are emitted toward the solution. Light emitting means for
Normalized sound wave generated from the solution by intensity-modulated light from one of the measurement light generation means, measurement sound wave generated from the solution by the measurement synthetic light emitted from the light emission means, and A sound wave detecting means for detecting a calibration sound wave generated from the solution by the calibration synthetic light emitted by the light emitting means;
A concentration calculating means for calculating the concentration of the target component based on the measurement sound wave detected by the sound wave detecting means;
Equipped with a,
A component concentration measuring apparatus for detecting a temperature change of the liquid based on the normalization sound wave and the calibration sound wave detected by the sound wave detecting means .
前記音波検出手段の検出した前記校正用音波の強度と前記規格化用音波の強度との比が予め定められた範囲内にあるか否かを判定して、前記溶液における前記液体の温度変化が許容範囲であるか否かを判定する校正用音波判定手段をさらに備え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。 It is determined whether the ratio between the intensity of the calibration sound wave detected by the sound wave detection means and the intensity of the normalization sound wave is within a predetermined range, and the temperature change of the liquid in the solution is determined. The component concentration measuring apparatus according to claim 1, further comprising a calibration sound wave determination unit that determines whether or not the allowable range is satisfied. 前記校正用音波判定手段が前記範囲外であることを判定すると、温度変化があった旨を出力する出力手段
をさらに備え
前記出力手段が温度変化があった旨を出力すると、前記濃度算出手段は、前記対象成分の濃度の算出を停止する
とを特徴とする請求項2に記載の成分濃度測定装置。
When the calibration sound wave determination means determines that it is out of the range, it further comprises an output means for outputting a change in temperature ,
When the output means outputs that the temperature has changed, the concentration calculation means stops calculating the concentration of the target component
Constituent concentration measuring apparatus according to claim 2, wherein the this.
前記音波検出手段の検出した前記校正用音波の強度と前記規格化用音波の強度との比の変化量に基づいて、前記液体の温度変化を算出する温度算出手段
をさらに備え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。
The apparatus further comprises temperature calculation means for calculating a temperature change of the liquid based on a change amount of a ratio between the intensity of the calibration sound wave detected by the sound wave detection means and the intensity of the normalization sound wave. The component concentration measuring apparatus according to claim 1.
前記温度算出手段の算出する温度変化及び前記溶液及び前記対象成分の吸光度の温度に対する変化率に基づいて、前記濃度算出手段の算出する前記対象成分の濃度を補正する濃度補正手段
をさらに備えることを特徴とする請求項4に記載の成分濃度測定装置。
Concentration correction means for correcting the concentration of the target component calculated by the concentration calculation means based on the temperature change calculated by the temperature calculation means and the rate of change of the absorbance of the solution and the target component with respect to temperature. The component concentration measuring apparatus according to claim 4, characterized in that:
前記液体が水であり、
前記対象成分がグルコース又はコレステロールであり、
前記溶液が血液である
ことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
The liquid is water;
The target component is glucose or cholesterol,
The component concentration measuring device according to claim 1, wherein the solution is blood.
液体に対象成分が混合されてなる溶液における前記液体の呈する吸収が相等しい異なる波長の光を発生して出力する2つの測定用光発生手段と、校正用光発生手段と、光変調手段と、光出射手段と、音波検出手段と、濃度算出手段と、を制御する制御回路を備える成分濃度測定装置の制御方法であって、
前記制御回路が、前記測定用光発生手段の一方に光を出力させ、前記光変調手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光を予め定められた一定周波数で強度変調して出力させ、前記光出射手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光を、前記溶液に向けて出射させ、前記音波検出手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光によって前記溶液から発生する規格化用音波を検出させる規格化用音波検出手順と、
前記規格化用音波検出手順の前、後又は同時に、前記制御回路が、前記2つの測定用光発生手段に光を出力させ、前記光変調手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光と前記測定用光発生手段の他方からの光を前記一定周波数で互いに逆相に強度変調して出力させ、前記光出射手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光と前記測定用光発生手段の他方からの光の強度変調光とを合成した測定用合成光を前記溶液に向けて出射させ、前記音波検出手段に、前記光出射手段の出射する測定用合成光によって前記溶液から発生する測定用音波を検出させる測定用音波検出手順と、
前記測定用音波検出手順の前、後又は同時に、前記制御回路が、前記校正用光発生手段に、前記対象成分の呈する吸収が前記測定用光発生手段の一方と等しい波長の光を発生して出力させ、前記光変調手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光を予め定められた一定周波数で強度変調して出力させ、前記測定用光発生手段の一方からの光と前記校正用光発生手段からの光を、前記一定周波数で互いに逆相に強度変調して出力させ、前記光出射手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光を前記溶液に向けて出射させ、かつ、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光及び前記校正用光発生手段からの光の強度変調光を合成した校正用合成光を前記溶液に向けて出射させ、前記音波検出手段に、前記測定用光発生手段の一方からの光の強度変調光によって前記溶液から発生する規格化用音波、及び、前記光出射手段の出射する校正用合成光によって前記溶液から発生する校正用音波を検出させ、前記音波検出手段の検出した前記規格化用音波及び前記校正用音波に基づいて前記液体の温度変化を検出する、温度変化検出手順と、
前記測定用音波検出手順の後に、前記制御回路が、前記濃度算出手段に、前記音波検出手段の検出した前記測定用音波に基づいて、前記対象成分の濃度を算出させる濃度算出手順と、
を有することを特徴とする成分濃度測定装置制御方法。
Two measuring light generating means for generating and outputting light having different wavelengths with the same absorption of the liquid in a solution in which the target component is mixed with the liquid, a calibration light generating means, a light modulating means, A control method for a component concentration measuring apparatus comprising a control circuit for controlling light emitting means, sound wave detecting means, and concentration calculating means,
The control circuit causes one of the measurement light generation means to output light, and causes the light modulation means to output the light from one of the measurement light generation means after intensity modulation at a predetermined constant frequency. The light emitting means emits intensity-modulated light from one of the measurement light generation means toward the solution, and the sound wave detection means emits light from one of the measurement light generation means. A normalization sound wave detection procedure for detecting a normalization sound wave generated from the solution by intensity-modulated light;
Before, after or simultaneously with the normalization sound wave detection procedure, the control circuit causes the two measurement light generation means to output light, and causes the light modulation means to emit light from one of the measurement light generation means. And the light from the other of the measurement light generating means are modulated in intensity with the constant frequency in opposite phases to each other and output to the light emitting means, and the intensity modulated light of the light from one of the measurement light generating means and The measurement combined light combined with the intensity-modulated light from the other of the measurement light generation means is emitted toward the solution, and the sound wave detection means is caused by the measurement combined light emitted from the light emission means. A measurement sound wave detection procedure for detecting a measurement sound wave generated from the solution;
Before, after or simultaneously with the measurement sound wave detection procedure, the control circuit generates light having the same wavelength as the one of the measurement light generation means in the calibration light generation means. And output the light from one of the measurement light generating means by intensity modulation at a predetermined constant frequency and output the light from one of the measurement light generating means and the calibration light. Light from the light generating means is intensity-modulated in phase opposite to each other at the constant frequency and output, and the light emitting means directs intensity-modulated light from one of the measurement light generating means to the solution. And radiating the combined light for calibration obtained by synthesizing the intensity-modulated light of the light from one of the measurement light generation means and the intensity-modulated light of the light from the calibration light generation means toward the solution, The measuring light generating means is connected to the sound wave detecting means. Sonic for normalization generated from the solution by the intensity-modulated light of the light from one of, and, by calibration synthetic light emission of the light emitting means to detect a calibration waves generated from the solution, the acoustic wave detection means A temperature change detection procedure for detecting a temperature change of the liquid based on the normalized sound wave and the calibration sound wave detected by
After the measurement sound wave detection procedure, the control circuit causes the concentration calculation unit to calculate the concentration of the target component based on the measurement sound wave detected by the sound wave detection unit;
A method for controlling a component concentration measuring apparatus, comprising:
前記成分濃度測定装置は校正用音波判定手段をさらに備え、
前記制御回路が、さらに、前記校正用音波判定手段に、前記音波検出手段の検出した前記校正用音波の強度と前記規格化用音波の強度との比が予め定められた範囲内にあるか否かであることを判定させ、前記溶液における前記液体の温度変化が許容範囲であるか否かを判定させる校正用音波判定手順を、前記温度変化検出手順の後に有する
ことを特徴とする請求項7に記載の成分濃度測定装置制御方法。
The component concentration measuring device further includes a sonic wave determination means for calibration,
The control circuit further determines whether or not the calibration sound wave determination means has a ratio between the intensity of the calibration sound wave detected by the sound wave detection means and the intensity of the normalization sound wave within a predetermined range. 8. A calibration sound wave determination procedure for determining whether or not a temperature change of the liquid in the solution is within an allowable range is provided after the temperature change detection procedure. 2. The component concentration measuring device control method according to 1.
前記成分濃度測定装置は出力手段をさらに備え、
前記校正用音波判定手段が前記範囲外であることを判定すると、前記制御回路が、さらに、前記出力手段に、温度変化があった旨を出力させる出力手順を、前記校正用音波判定手順の後に有し、
前記濃度算出手順において、前記出力手段が温度変化があった旨を出力すると、前記濃度算出手段は、前記対象成分の濃度の算出を停止する
ことを特徴とする請求項8に記載の成分濃度測定装置制御方法。
The component concentration measuring device further comprises output means,
When it is determined that the calibration sound wave determination means is out of the range, the control circuit further outputs an output procedure to the effect that the output means has a temperature change after the calibration sound wave determination procedure. Yes, and
9. The component concentration measurement according to claim 8, wherein, in the concentration calculation procedure, when the output unit outputs that the temperature has changed, the concentration calculation unit stops calculating the concentration of the target component. Device control method.
前記成分濃度測定装置は温度算出手段をさらに備え、
前記制御回路が、さらに、前記温度算出手段に、前記音波検出手段の検出した前記校正用音波の強度と前記規格化用音波の強度との比の変化量に基づいて、前記液体の温度変化を算出させる温度算出手順を、前記温度変化検出手順の後に有する
ことを特徴とする請求項7に記載の成分濃度測定装置制御方法。
The component concentration measuring device further includes a temperature calculating means,
The control circuit further causes the temperature calculation means to change the temperature of the liquid based on the amount of change in the ratio between the intensity of the calibration sound wave detected by the sound wave detection means and the intensity of the normalization sound wave. The component concentration measurement device control method according to claim 7, further comprising: a temperature calculation procedure to be calculated after the temperature change detection procedure.
前記成分濃度測定装置は濃度補正手段をさらに備え、
前記制御回路が、さらに、前記濃度補正手段に、前記温度算出手段の算出する温度変化及び前記溶液及び前記対象成分の吸光度の温度に対する変化率に基づいて、前記濃度算出手段の算出する前記対象成分の濃度を補正させる濃度補正手順を、前記濃度算出手順及び前記温度変化検出手順の後に有する
ことを特徴とする請求項10に記載の成分濃度測定装置制御方法。
The component concentration measurement apparatus further includes a concentration correction unit,
The control circuit further causes the concentration correction unit to calculate the target component calculated by the concentration calculation unit based on a temperature change calculated by the temperature calculation unit and a change rate of the absorbance of the solution and the target component with respect to temperature. The component concentration measurement apparatus control method according to claim 10, further comprising: a concentration correction procedure for correcting the concentration of the component concentration after the concentration calculation procedure and the temperature change detection procedure .
前記液体が水であり、
前記対象成分がグルコース又はコレステロールであり、
前記溶液が血液であることを特徴とする請求項7から11のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
The liquid is water;
The target component is glucose or cholesterol,
The component concentration measuring device control method according to claim 7, wherein the solution is blood.
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