JP5000736B2 - 成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法 - Google Patents

成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法 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。
非侵襲な成分濃度の測定方法として、現在までに、経皮的な電磁波の照射、または、輻射の観測に基づく様々の方法が試行されてきている。これらは何れも、対象とする血液成分、例えば、血糖値の場合はグルコース分子が有する特定の波長の電磁波との相互作用、すなわち吸収、または散乱を利用している。
しかし、グルコースと電磁波との相互作用は小さく、また生体に安全に照射し得る電磁波の強度には制限があり、さらに生体が電磁波に対して散乱体であるために、生体の血糖値測定においては、十分な効果を挙げるに至っていない。
上記のグルコースと電磁波との相互作用を利用する従来の技術の中で、電磁波を生体へ照射して生体内に発生する音波を観測する、光音響法が注目されている。
光音響法とは生体にある量の電磁波を照射した場合、電磁波は生体に含有される分子に吸収され、電磁波を照射した部分を局所的に加熱して熱膨張を起こし音波を発生させるが、この音波の圧力は電磁波を吸収する分子の量に依存するので、音波の圧力を測定することにより、生体内の分子の量を測定する方法である。また、光音響法の中でも、光を照射した局部的な領域において熱が発生し、その熱が拡散することなく熱膨張を惹起し、それにより発生し伝搬する音波を利用する方法を直接光音響法と呼ぶ。
音波は生体内を伝搬する圧力波であり、電磁波に比べ散乱しにくいという特質があり、上記の光音響法は生体の血液成分測定において注目すべき手法である。
図４９および図５０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。
図４９は光パルスを電磁波として用いた第１の従来例である（例えば、非特許文献１参照。）。本例では血液成分として血糖、すなわちグルコースを測定対象としている。図４９において、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。
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の管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。
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４９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。
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。図５０に第２の従来例の装置の構成を示す（例えば、特許文献１参照。）。本例も血糖を主な測定対象として、異なる波長の複数の光源を用いて、高精度化を試みている。
説明の煩雑さを避けるために、図５０により光源の数が２の場合の動作を説明する。図５０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。
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。
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ｆ１、および変調周波数ｆ２で強度変調された後、合波器６０９により合波され、１の光束として生体被検部６１０に照射される。
生体被検部６１０内には第１の光源６０１の光により周波数ｆ１の光音響信号が発生し、第２の光源６０５の光により周波数ｆ２の光音響信号が発生し、これらの光音響信号は、音響センサ６１９により検出され、音圧に比例した電気信号に変換され、その周波数スペクトルが、周波数解析器６２１により観測される。
本例においては、複数の光源の波長は全てグルコースの吸収波長に設定されており、各波長に対応する光音響信号の強度は、血液中に含まれるグルコースの量に対応した電気信号として測定される。
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。
一方、上記のような成分濃度測定装置は携帯して、連続的に測定することが健康管理および治療において重要であり、携帯型の成分濃度測定装置が開発されている。携帯型の成分濃度測定装置としては、以下に示す第３の従来例および第４の従来例が開示されている。
図５１に示す第３の従来例は眼鏡耳掛け部の実装例（例えば、特許文献２参照。）である。図５１において、器体５４０の生体４９９との接触面において、光源５００および音波検出器５４１の両方が埋設されている。光源５００からの照射光によって生体４９９内に発生する音波のうち後方に伝搬した部分が音波検出器５４１によって検出される構成である。
また図５２に示す第４の従来例はイヤリングへの実装例（例えば、特許文献２参照。）である。図５２において、生体４９９に両方から接触する器体５４０の一方の接触面に光源５００が埋設され、他方の接触面に音波検出器５４１が埋設されている。光源５００からの照射光によって生体４９９内に発生する音波のうち前方に伝搬した部分を音波検出器５４１によって検出する構成である。
特開平１０−１８９号公報 特開平０８−２２４２２８号公報
オウル大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｏｕｌｕ、Ｆｉｎｌａｎｄ）学位論文「Ｐｕｌｓｅ ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｓ ａｎｄ ｇｌｕｃｏｓｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｕｍａｎ ｂｌｏｏｄ ａｎｄ ｔｉｓｓｕｅ」（ＩＢＳ ９５１−４２−６６９０−０、ｈｔｔｐ：／／ｈｅｒｋｕｌｅｓ．ｏｕｌｕ．ｆｉ／ｉｓｂｎ９５１４２６６９００／、２００２年）
上述の従来例においては以下のような課題がある。第１の従来例においてはパルス光源を用いて繰り返し測定するために、測定に長い時間を必要とする課題がある。
人間や動物の体の約２／３は水であり、さらに血液の成分の８割近くを水が占め、水分子は波長１μｍ以長の光の波長帯において、顕著な吸収特性を示す。一方、グルコース分子は１．６μｍ近傍および２．１μｍ近傍の光の波長帯において吸収特性を示すが、健常者の血糖値５０〜１００ｍｇ／ｄｌ（２．８〜５．６ｍＭ）の濃度においては、水はグルコースに比べて１０００倍以上大きな吸収を有する。従って、血糖値を測定するには０．１％より高い精度の測定が必要となる。通常、血糖値測定に要求される精度は５ｍｇ／ｄｌ（０．２８ｍＭ）であり、この測定のためには、０．００３％程度の精度が必要となる。以上のように血液成分濃度の測定、特に血糖値、すなわちグルコース量の測定には、極めて高い測定精度が必要である。
上記従来例では、特定の血液成分が吸収を呈する波長が血液中の他の血液成分や非血液組織中の成分の両者で吸収を呈する場合には、発生した光音響信号にはそれらが合算されて測定される。非血液組織中において発生しうる光音響信号の誤差も同様に加算されるため、外乱の影響を受けやすい。従って、血液成分をより精度良く測定するためには、血液中において発生した光音響信号をその他の光音響信号と分離することが課題となる。
また、パルス光源の信号を繰り返し測定して平均することにより、上記の高い精度を達成しようとすると、必要な測定回数が多くなり、測定時間が長くなる。例えば、パルス光源を用いて、一パルス当り１％の精度で信号が得られたとしても、平均により０．００３％に迄精度を改善するためには、１１０，０００パルスの測定を要する。パルス光源の繰り返し周期が１ｋＨｚの場合、この測定には１１０秒を必要とする。
さらに、上記の血糖値の測定中には被験者は静止している必要があり、被験者に著しい苦痛を強いることになる。また、被検体が動物の場合、長時間にわたって静止させることは極めて困難である。光音響法の測定においては、生体被検部６１０に光を照射し、音波を発生させ、生体内を伝搬した音波を生体被検部６１０に接触した図４９に示す超音波検出器６１３または図５０に示す音響センサ６１９によって検出するが、音波の測定効率の向上のために生体被検部６１０の皮膚と超音波検出器６１３または音響センサ６１９との接触面に水分を多く含むジェルを塗布して、音響的に良好な結合を実現する必要がある。この場合、ジェルの中には生体被検部６１０から発散される水蒸気による気泡状の空気が混入し誤差の原因となる。
また、超音波検出器６１３または音響センサ６１９などの検出器と生体被検部６１０の間に相対位置の変化が生じると、音響的な結合状態が変化するので被験者は測定中静止していることが必要となる。
さらに、超音波検出器６１３または音響センサ６１９により測定される音圧は、生体被検部６１０において超音波検出器６１３または音響センサ６１９が接する検出部と、光が照射される照射部との間の距離に反比例する。しかし、前記検出部と前記照射部の距離は、生体被検部６１０の超音波検出器６１３または音響センサ６１９への押し付け方により容易に変化する。従って、前記検出部と前記照射部の間の距離を一定に保つために、生体被検部６１０は一定圧で超音波検出器６１３または音響センサ６１９と接触し、かつ静止していなければならない。
また、後述するように、生体被検部６１０の光音響信号は、比熱、熱膨張係数、音速などに依存して変化する。これらは明らかに温度（体温）によって変化する量であり（特に熱膨張係数の変化は大きく、約３％／℃にも及ぶ）、また、音速は音波の周波数によっても変化し、さらには、これら全てが、血糖値自体に依存して変化するという報告すらある。
従って、第１の従来例においては、少なくとも体温を測定し、光音響信号の測定値に補正を施す必要がある。この補正のための高精度の基礎データの収集は容易ではないが、たとえ、補正データの収集に成功したとしても、煩雑な補正の結果得られる血糖値の信頼性の保証には長期の検証を要する。
一方、第２の従来例は、複数の異なる波長に対する光音響信号を同時に測定するので音響の結合条件、前記照射部から前記検出部の距離、比熱、熱膨張係数、および音速などの変化し得る係数を、一括して未知乗数として消去し得る可能性を持っていることが、次のように説明できる。
すなわち、波長λ１および波長λ２の各々の光に対する背景（水）の吸収係数α１ （ｂ）、α２ （ｂ）及び測定対象とする血液成分（グルコース）のモル吸収係数α１ （０）、α２ （０）が既知の場合、各波長における光音響信号の測定値ｓ１およびｓ２を含む連立方程式は次のように表される。
Figure 0005000736
 数式（１）を解いて未知の血液成分濃度（血糖値）Ｍを計算する。ここで、Ｃは前述の変化し得る係数を含む未知乗数である。
数式（１）から、Ｃが未知の状態で、Ｍを計算することができる。ここで更に第３、第４の波長による測定が加わった場合、未知数の数に比べて方程式の数が過多となるが、この場合でも、最小自乗法的意味での解としてＭが得られることが知られている。
しかし、光音響信号は吸収係数に関して厳密に線形ではない。その結果、水の吸収係数が異なる波長λ１および波長λ２の各々についてなされた複数の測定の間で、未知乗数Ｃは等しくはない。
さらに、この第２の従来例においては、光音響信号は変調周波数ｆにも依存する。従って、異なる変調周波数で発生した光音響信号において、未知乗数Ｃは等しくない。
以上のように、数式（１）において１行目と２行目のＣが等しくないので、数式（１）を解いてＭを求めることは、一般には不可能である。未知乗数Ｃの吸収係数α、および変調周波数ｆに対する関数形が完全に分かっていれば、数式（１）が解ける可能性は残されるが、後述するように散乱の多寡によって、この関数形自体が変わり得ることが分かる。
このように、光音響信号は吸収係数に関して厳密に線形ではない結果、第２の従来例において、水の吸収係数が異なる波長λ１および波長λ２の各々についてなされた複数の測定には複雑な補正を必要とする。
さらに、第２の従来例においては、光音響信号は変調周波数ｆにも依存し、従って、異なる変調周波数で発生した光音響信号の測定値には一層複雑な補正が必要とされる。
また、第２の従来例には、音響センサ６１９の周波数特性の周波数ｆ１およびｆ２における不均一性という課題もある。
また、周波数特性の不均一は、以下のような現象によっても発現する。生体の被検部と周辺物質（この場合は空気）との音響インピーダンスの不整合により、音波の境界反射の発生は不可避である。この結果、検出する光音響信号は生体被検部の形状に応じた境界反射の影響を受け、光音響信号の定在波の周波数が変動するので、検出した光音響信号追うからの成分濃度算出を固体間で均一的に行うことが困難であった。
光音響法で、吸収係数αについての情報を得るためには、音波の波長は吸収長α−１×２π程度より短いことが必要である。光の波長１．６μｍ近傍の、グルコース分子の吸収帯において、水の吸収係数は、概略α＝０．６ｍｍ−１であり、従って音波の波長は１０ｍｍ以下が望ましい。ここで、水中の音速ｃは、概ね１．５ｋｍ／ｓであるので、少なくとも、１５０ｋＨｚ以上の変調周波数を用いるのが良い。光の波長２．１μｍ近傍のグルコース吸収帯においては、水の吸収係数がグルコースに比べて約４倍となるので、望ましい音波の波長は２．５ｍｍ以下、変調周波数は０．６ＭＨｚ以上となる。
第２の従来例に述べられているモータによって回転するチョッパ板６１７によるこのような高い周波数の強度変調の実用性も検討課題となるが、さらに波長１０ｍｍあるいは２．５ｍｍ以下の超音波に対しては、その波長が通常用いられる超音波検出器の素子寸法に近いために、定在波が立ち易く、平坦な周波数特性の検出器の実現が非常に困難である。ダンパー材により共鳴現象を抑圧した検出器が市販されているが、この場合でも±２ｄＢ程度の感度の不均一が残っている。
上記の検出器の感度の周波数依存性が、常に一定不変であれば、第２の従来例において、異なる変調周波数間の感度差を補正することもできるが、感度の周波数依存性は、温度によって変化し、更に検出器と生体の接触状態によっても変化する。前者はヤング率などの機械的定数の変化と熱膨張による寸法変化に起因し、また後者は弾性エネルギーの散逸の程度が接触により変化することによる共鳴のＱ値（Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ）の変動が原因である。従って、異なる変調周波数における検出器の感度差の厳密な補正は、温度計に加えて、音響的な結合状態を一定とする手段あるいは治具を必要とし、非常に困難である。
ここで、光音響信号検出器の共振特性のＱ値の変化の例を図５３に示す。図５３において、実線で示す光音響信号の検出感度特性が、生体披検部と光音響信号検出器の間の押圧力の変化により、破線で示す検出感度特性に変化することを示している。図３に示す例においては、実線で示す光音響信号の検出感度特性のピークの値は、破線で示す光音響信号の検出感度特性において約１／２に減少している。
また、次に光音響信号検出器の感度の周波数特性の変化の例を図５４に示す。図５４において、実線で示す検出器の感度の周波数特性は光音響信号検出器に生体披検部を接触させた直後の状態、すなわち光音響信号検出器は外気温、例えば２０°Ｃ程度であり、生体は体温、例えば３６°Ｃ程度であり、光音響信号検出器と生体披検部の間に１６°Ｃ程度の温度差がある状態である。
次に、図５４に破線で示す光音響信号検出器の感度の周波数特性は約１０分経過後の状態である。図５４に実線と破線で示す光音響信号検出器の感度の周波数特性のピーク値の周波数は約１０ｋＨｚ変化している。
また、検出器の共振特性を利用して、検出感度の向上を図る手法はよく知られている（例えば、沢田嗣朗編、「光音響分光法とその応用−ＰＡＳ」学会出版センター、１９８２年、参照。）が、第２の従来例においては、複数の変調周波数で測定するために共振特性を利用した感度向上が不可能である。
以上述べたように、第１又は第２に示す従来の非侵襲な血液成分濃度の測定方法には、（１）一定に保ち難い多数のパラメータが測定に介在するため、光音響信号を十分な確度で血液成分濃度に換算できない、（２）複数の波長の光に対する光音響信号の測定によっても、光音響信号に存在する吸収係数に関わる非線形性や変調周波数依存性のために、それらの光音響信号値を連立して血液成分の濃度に換算できない、（３）検出器周波数特性の補正の困難性のために、共鳴型の検出器による光音響信号検出の高感度化が困難である、（４）被検体とその周囲との境界反射、超音波検出部に掛かる圧力及び振動、超音波検出部での集音状態及び温度変化により、検出される光音響信号の精度が低下する、という解決すべき課題があった。
一方、第３の従来例において、図５１に示すように光源５００および音波検出器５４１を器体５４０が生体４９９に接する面に設置されているが、このような実装においては次のような解決すべき問題点がある。
すなわち、後述するように、本発明の装着型の成分濃度測定装置においては生体に照射する光としては１μｍより波長の長い光が適しているが、このような波長の光に対して、生体の大部分を占める水分は強い吸収を示すので、図５１の生体４９９に光源５００により光を照射した場合、グルコース分子が吸収して発生する超音波は光源５００の直下の光照射部分の表面に局在し、超音波は球面波と見なせる状態となり、図５１に示すように光源５００と並んで同一面上に設置された音波検出器５４１によっては検出困難である。
また、図５２に示す第４の従来例においては、次のような解決すべき問題がある。すなわち、図５２に示す構成において、光源５００と超音波検出器５４１の間隔をｒ、グルコース水溶液の光吸収係数をα、発生する超音波の波長をλとした場合、グルコース濃度を測定するためには、下記の数式（２）が成り立つことが必要である。
Figure 0005000736
ここで例として、生体４９９へ照射する光の波長を１．６μｍ前後のグルコースの吸収帯に設定した場合、水の吸収係数は概略α＝０．６ｍｍ−１であり、ｒは２ｍｍに比べて十分大きな例えば１０ｍｍ以上とし、また超音波の波長λとしては１０ｍｍ以下が望ましい。
また、生体４９９へ照射する光の波長を２．１μｍ前後のグルコースの吸収帯に設置した場合、水の吸収係数は前記の場合の約４倍であり、ｒは例えば２．５ｍｍ以上とし、また超音波の波長λとしては２．５ｍｍ以下が望ましい。
上記のように発生する超音波の波長λは光源５００と超音波検出器５４１の間隔、すなわち光源５００と超音波検出器５４１の間の測定対象とする生体４９９の厚さに比べて短く設定する必要がある。
ここで、図５２において、生体４９９は柔軟であるために光源５００および超音波検出器５４１を生体４９９へ押し付ける力の如何により、光源５００と超音波検出器５４１の間隔は変化する。また、光源５００の直下で発生する超音波の球面波は直接的に超音波検出器５４１へ到達する部分と生体４９９と空気の境界面で反射を繰り返して超音波検出器５４１へ到達する部分の合計となる。
超音波の波長λが生体４９９の寸法に比べて小さいため、たとえ光源５００と超音波検出器５４１との間隔を固定したとしても、生体と空気との境界面の形状の変化によって、超音波検出器５４１に達する直接波と複数の間接波との干渉条件が変化し、超音波検出器５４１により検出される超音波の量が変化する。
このように、第４の従来例においては、測定中に生体４９９の形状が微妙に変化しても超音波検出器５４１が検出する超音波の測定値に誤差を生じるという課題があった。
他方で、光音響法では、以下に説明する課題も存在する。光音響法は、検出する音波の周波数は測定対象に依存するが、生体内の血液を測定対象にすると検出する音波の周波数は数１００ｋＨｚ付近の超音波であることが望ましい。しかし、超音波はある媒質１からある媒質２との境界面に差し掛かったとき、２つの現象が生じる。１つは、境界面の透過である。もう１つは境界面での反射である。それぞれの媒質の音響インピーダンスが大きく異なると境界面で大部分が反射してしまい、透過はほとんど起こらない。このときの反射率Ｒは、媒質１の音響インピーダンスをＺ１、媒質２の音響インピーダンスをＺ２とすると、数式（３）のように表せる。
Figure 0005000736
この反射率を、人体の指を被検体とした場合について考える。図５５は、指の構成例を示す断面図である。図５５に示すように、人体の指は、骨２１３の中心に筋肉２１４があり、骨２１３の周囲を脂肪２１５が取り囲み、脂肪２１５の周囲を表皮２１６が覆っている。それぞれの音響インピーダンスを表１に示す。

Figure 0005000736
 音響インピーダンスにより骨２１３と脂肪２１５との境界面での反射率を数式（３）により計算すると６５％となる。このため骨２１３に当たった音波は大部分が反射し、散乱されてしまう。
光音響信号が骨で反射／散乱される例を図５６に示す。図５６は人体の指の断面図であり、（ａ）は光音響信号が骨で散乱する様子、（ｂ）は光音響信号が骨で減衰する様子を示す。（ａ）に示すように、指に入射された励起光２１９の光路の延長線が完全に骨２１３で遮断されているときは、光音響信号は散乱されて検出器２２０ではほとんど検出できない。（ｂ）に示すように、指に入射された励起光２１９の光路のの延長線付近に骨２１３が存在するときは、光音響信号の一部は散乱されるので、検出器２２０で検出される強度は減少する。このような反射／散乱の影響により、従来の光音響法では光音響信号の強度が測定の度に変化するという問題があった。
さらに、光音響法では、被検体を伝搬する音波を検出するので、被検体と検出器２２０とを密に接触する必要がある。接触する圧力によって被検体と検出器２２０との境界面での音波の損失は変化する。このような押圧する圧力の変化によっても、光音響信号の強度が測定の度に変化するという問題があった。
そこで、本発明は、従来技術における上記の課題を解決し、血液成分濃度を正確に測定でき、かつ共鳴型の検出器による高感度の測定も可能で、被験者に負担とならない短時間の測定が可能で、さらに、小型で生体の被検部に装着することも可能な非侵襲の成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法を提供することを目的とする。
併せて、非侵襲な成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法を提供することを目的とする。
本発明に係る成分濃度測定装置は、光を発生する光発生手段と、前記光発生手段が発生する光を変調する変調周波数を掃引する周波数掃引手段と、前記周波数掃引手段からの信号により前記光発生手段で発生した光を電気的に強度変調する光変調手段と、前記強度変調された光を被測定物に向けて出射する光出射手段と、前記照射された光により被測定物内に発生する音波を検出する音波検出手段と、前記音波検出手段が検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手段と、を備えることを特徴とする。
本発明では、周波数が所定の範囲で掃引する変調信号により光を電気的に強度変調し、強度変調された光を被測定物に照射し、照射された光により被測定物内に発生する音波である光音響信号を検出し、検出された光音響信号を積算してから被測定物内の測定対象とする成分濃度を算出する。これにより、音波検出手段の感度特性の変化を追尾して、常に感度の高い周波数で測定対象とする成分濃度を測定できる。
また、本発明に係る成分濃度測定装置は、光を発生する光発生手段と、該光発生手段の発生した光を一定周波数で電気的に強度変調する光変調手段と、該光変調手段の強度変調した強度変調光を被測定物に向けて出射する光出射手段と、前記強度変調光を出射された被測定物から放射される音波を検出する音波検出手段と、を備えた成分濃度測定装置であって、前記光出射手段と前記音波検出手段との間に前記被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質及び前記被測定物が配置可能であることを特徴とする。
本発明は、被測定物の音響インピーダンスと略等しい音響インピーダンスの環境下で光音響信号を検出することを特徴とする。一定周波数で強度変調された強度変調光を被測定物に照射し、被測定物から発生した音波である光音響信号を、前記音響整合物質を介して音波検出手段で検出して、液体に含まれる特定成分の濃度を測定する。音波検出手段は、前記音響整合物質を介して光音響信号を検出することで、被測定物とその周囲との境界反射及び被測定物と音波検出手段との接触により生じる、音波である光音響信号の反射による信号損失を低減することができる。つまり、光出射手段と音波検出手段との間に被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質及び被測定物が配置可能であることで、被測定物と音波検出手段の間に音響整合物質を配置して、被測定物とその周囲との境界における境界反射を低減することができる。
また、本発明に係る成分濃度測定装置は、光を発生する光発生手段と、該光発生手段の発生した光を一定周波数で電気的に強度変調する光変調手段と、該光変調手段の強度変調した強度変調光を被測定物に向けて出射する光出射手段と、前記強度変調光を出射された被測定物から放射される音波を検出する音波検出手段と、前記光出射手段と前記音波検出手段との間を前記被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質で充填する容器と、備えることを特徴とする。
被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質で充填する容器を備えることで、被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質で充填した容器内に被測定物を配置して、被測定物の周囲を音響整合物質で取り囲んだ環境下で被測定物からの音波である光音響信号を検出することができる。被測定物の周囲を音響整合物質で取り囲んだ環境下で光音響信号を検出することで、被測定物とその周囲との境界反射及び被測定物と音波検出手段との接触により生じる光音響信号の反射による減衰を低減することができる。
上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、異なる波長の２波の光を発生し、前記光変調手段は、同一周波数かつ互いに逆位相となる強度変調光に前記光の各々を強度変調することが望ましい。
強度変調光に、同一周波数かつ互いに逆位相となる異なる波長の２波の強度変調光を用いることにより、光音響信号の受ける水からの影響を除去することができる。
本発明に係る成分濃度測定装置は、光を発生する光発生手段と、該光発生手段の発生した光を一定周波数で電気的に強度変調する光変調手段と、該光変調手段の強度変調した強度変調光を被測定物に向けて出射する光出射手段と、音響波を出力する音響波発生器と、前記強度変調光を照射された被測定物から放射される音波及び前記音響波発生器から被測定物を透過する前記音響波を検出する音波検出手段と、を備えることを特徴とする。
本発明は、光音響法を用いて被測定物の測定対象とする成分濃度を測定する際に、励起光の照射位置の近傍すなわち光音響信号の発生源近傍に置かれた音響波発生器から発生させた超音波（ここでは音響波と呼ぶ。）を参照信号として検出して、光音響信号の発生源と音波検出手段の位置関係が最適となる配置を検出することを特徴とする。検出された最適な配置で光音響信号を検出することで、被測定物内に存在するの散乱体の影響の少ない伝搬経路で成分濃度を測定することができる。
さらに、音響波の減衰量が一定となるような、検出される音響波の信号強度が予め定められた値となる配置で光音響信号を検出すれば、その検出された配置で光音響信号を検出することで、光音響信号の発生源と音波検出手段の位置関係の変化による散乱体が光音響信号に与える影響の変化及び音波検出手段の被測定物との接触を含む不確定な要素の影響を排除した光音響信号を検出することができる。これにより、成分濃度測定装置の配置の変化に伴う多数のパラメータの影響を排除した成分濃度を測定することができる。
本発明により、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を、音響波を用いて検出することができる。これにより、最適な配置で光音響信号を検出することができる。
さらに、光音響法の測定系における被測定物と、各素子の最適な配置を行なうにあたり、それぞれの配置を調節する手段を機械化し、音波検出手段と連動させることにより、最適な配置での成分濃度測定を自動化することもできる。なお、本発明では、前述の励起光として一定周波数で変調した強度変調光を用いている。
本発明により、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を、音響波を用いて検出することができる。これにより、最適な配置で光音響信号を検出することができる。
本発明に係る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波の光を被測定物に向けて出射する光出射手段と、出射された光により被測定物内に発生する音波を検出する音波検出手段と、前記音波検出手段からの音波の振幅を検出する検波増幅手段と、を備え、前記光発生手段は、前記２波の光のうち一方の光の波長を測定対象とする液体成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定することを特徴とする。
本発明においては、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ので、異なる波長の２波の光の各々に対応する音波を、音波検出手段の周波数依存性の影響を受けることなく検出できる。
さらに、前記１波の光は被測定物内の測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する圧力の音波を発生し、一方、前記他の１波の光は被測定物の大部分を占める水のみが前記１波の光により発生する音波と同じ圧力の音波を発生するので、両者の差により、測定対象の成分のみにより発生する音波の圧力を検出する。その結果、測定対象の成分の量を測定することが可能となる。
さらに、前記１波の光が被測定物内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、前記他の１波の光が被測定物内の大部分を占める水のみの吸収に対応する音波の圧力は、周波数が等しくかつ逆位相であり、被測定物内で音波の段階で相互に重畳し、音波の圧力の差が検出される。従って、音波の圧力の差は前記１波の光が被測定物内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、前記他の１波の光が被測定物内の大部分を占める水のみの吸収に対応する音波の圧力を個別に測定して、差を演算するよりも、より高精度に測定できる。上記の点が、従来技術にない全く新しい利点である。
本発明においては、異なる波長の２波の光の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被測定物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、光音響信号の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された異なる波長の２波の光に対する光音響信号を測定し、これらの測定値から、一定に保ち難い多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被測定物内に発生する音波を検出することができる。
上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段が発生する光を変調する変調周波数を掃引する周波数掃引手段と、前記音波検出手段が検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手段と、をさらに備え、前記光変調手段は、前記周波数掃引手段からの信号により前記異なる波長の２波の光を各々逆位相で電気的に強度変調することが望ましい。
本発明においては、前記被測定物内で発生した前記光音響信号を、掃引する変調信号範囲で積算することにより、前記音波検出手段の共振周波数が変化する場合においても、前記音波検出手段の共振周波数に一致する周波数における高い感度で検出した光音響信号の値を積算するため、感度の高い共振周波数で測定することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音波検出手段は、前記周波数掃引手段が掃引する変調周波数に追尾して、出射された光により前記被測定物内に発生する音波を検出し、前記積算手段は、前記音波検出手段が高い検出感度を有する変調周波数範囲で、前記音波検出手段が検出した音波を積算することが望ましい。
本発明においては、被測定物内に発生する音波検出手段の共振周波数が変化し、光音響信号を検出する変調周波数が変化する場合、周波数掃引された変調周波数で変調し照射された光により被測定物内に発生する光音響信号を検出した結果から、検出感度が最大になる音波検出手段の共振周波数の変化を判断し、共振周波数の変化を追尾して、共振周波数の近傍で光音響信号の検出値を積算する。
また、上記成分濃度測定装置において、前記積算手段により積算された音波から前記被測定物内の測定対象とする液体成分の成分濃度を算定する液体成分濃度算定手段をさらに備えることが望ましい。
本発明では、予め用意した被測定物内に発生する光音響信号と測定対象とする成分濃度との関係を示す理論値、あるいは実験値を記憶し、被測定物内に発生した光音響信号を検出した値から測定対象の成分濃度を算定する。
また、上記成分濃度測定装置において、音響波を出力する音響波発生器をさらに備え、前記音波検出手段は、前記被測定物からの音波と共に、前記音響波発生器から前記被測定物を透過する前記音響波を検出することが望ましい。
本発明により、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を、音響波を用いて検出することができる。これにより、最適な配置で光音響信号を検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音響波発生器又は前記音波検出手段の少なくともいずれかの位置を可変する駆動手段をさらに備えることが望ましい。
本発明により、音響波の伝搬経路を変化させて、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を伝搬経路ごとに検出し、検出された最適な配置で光音響信号を検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音波検出手段で検出された音響波の強度が特定の値になるように前記駆動手段を制御する制御手段をさらに備えることが望ましい。
本発明により、検出された最適な配置での光音響信号の検出が自動化できる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記２波の光の波長を、測定対象とする液体成分の呈する吸収の差が溶媒の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定することが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記２波の光のうち一方の光の波長を測定対象とする液体成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定することが望ましい。
本発明は、上記の前記光発生手段は、前記２波の光の波長を、測定対象とする液体成分の呈する吸収の差が溶媒の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する成分濃度測定装置制御方法において、溶媒の呈する吸収の差を０とした場合である。これにより、溶媒の吸収による影響を除去することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記２波の光の波長を、測定対象とする液体成分の呈する吸収の差がそれ以外の液体成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定することが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光出射手段と前記被測定物との間に、出射する光のビームを合成する合成器を、さらに備えることが望ましい。
測定部位に光を集中させることができるため、効率的に光音響信号を発生させることができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音波検出手段からの音波の振幅を検出する検波増幅手段を、さらに備えることが望ましい。
検出した光音響信号から音波の振幅を検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、検出された音波の圧力から前記被測定物内の測定対象とする液体成分の成分濃度を算定する液体成分濃度算定手段をさらに備えることが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音波検出手段が検出した音波を変調周波数に対応して記録する記録手段をさらに備えることが望ましい。
音波検出手段が検出した光音響信号の値を、掃引された変調周波数ごとに記録する手段を備えることにより、被測定物内に発生する音波検出手段の共振周波数が変化する場合、被測定物に照射する光の変調周波数の掃引範囲が前記共振周波数の変化する範囲を含んでおり、検出した光音響信号の中から高精度に測定した値を選定して積算し平均して、正確に成分濃度を測定していることを確認することができる。
本発明に係る成分濃度測定装置は、光を発生する光発生手段と、前記光発生手段が発生する光を変調する変調周波数を掃引する周波数掃引手段と、前記周波数掃引手段からの信号により前記光発生手段で発生した光を電気的に強度変調する光変調手段と、前記強度変調された光を被検体に向けて出射する光出射手段と、前記出射された光により前記被検体内に発生する音波を検出する音波検出手段と、前記音波検出手段が検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明では、周波数が所定の範囲で掃引する変調信号により光を電気的に強度変調し、強度変調された光を被検体に照射し、照射された光により被検体内に発生する光音響信号を検出し、検出された光音響信号を積算してから被検体内の成分濃度を算出する。ここで、被検体に照射する光の波長は測定対象とする成分が吸収を呈する波長に設定する。音波検出手段の感度特性の変化を追尾して、常に感度の高い周波数で測定対象とする成分濃度を測定できる。
本発明に係る成分濃度測定装置は、光を発生する光発生手段と、該光発生手段の発生した光を一定周波数で電気的に強度変調する光変調手段と、該光変調手段の強度変調した強度変調光を被検体に向けて出射する光出射手段と、前記強度変調光を照射された前記被検体から放射される音波を検出する音波検出手段と、を備えた成分濃度測定装置であって、前記光出射手段と前記音波検出手段との間に前記被検体と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質及び前記被検体が配置可能であることを特徴とする。
本発明は、被検体の音響インピーダンスと略等しい音響インピーダンスの環境下で光音響信号を検出することを特徴とする。一定周波数で強度変調された強度変調光を被検体に照射し、被検体から発生した音波である光音響信号を、前記音響整合物質を介して音波検出手段で検出して、液体に含まれる特定成分の濃度を測定する。音波検出手段は、前記音響整合物質を介して光音響信号を検出することで、被検体とその周囲との境界反射及び被検体と音波検出手段との接触により生じる光音響信号の反射による減衰による信号損失を低減することができる。つまり、光出射手段と音波検出手段との間に被検体と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質及び被検体が配置可能であることで、被検体と音波検出手段の間に音響整合物質を配置して、被検体とその周囲との境界における境界反射を低減することができる。
本発明に係る成分濃度測定装置は、光を発生する光発生手段と、該光発生手段の発生した光を一定周波数で電気的に強度変調する光変調手段と、該光変調手段の強度変調した強度変調光を被検体に向けて出射する光出射手段と、前記強度変調光を照射された前記被検体から放射される音波を検出する音波検出手段と、前記光出射手段と前記音波検出手段との間を前記被検体と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質で充填する容器と、備えることを特徴とする。
被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質で充填する容器を備えることで、被検体と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質で充填した容器内に被検体を配置して、被検体の周囲を音響整合物質で取り囲んだ環境下で被検体からの光音響信号を検出することができる。被検体の周囲を音響整合物質で取り囲んだ環境下で光音響信号を検出することで、被検体とその周囲との境界反射及び被検体と音波検出手段との接触により生じる光音響信号の反射による減衰を低減することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記容器は、前記音響整合物質としての水で充填されることが望ましい。
被検体の音響インピーダンスは水に非常に近いので、被検体の周囲を水で取り囲んだ環境下で光音響信号を検出することで、被検体とその周囲との境界反射及び被検体と音波検出手段との接触により生じる光音響信号の反射による減衰を低減することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、異なる波長の２波の光を発生し、前記光変調手段は、同一周波数かつ互いに逆位相となる強度変調光に前記光の各々を強度変調することが望ましい。
強度変調光に、同一周波数かつ互いに逆位相となる異なる波長の２波の強度変調光を用いることにより、光音響信号の受ける水からの影響を除去することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記容器は、横断面の形状が半円形であり、前記半円形の円の略中心点の位置に前記光出射手段が配置されていることが望ましい。
容器の内壁面の横断面の形状を半円とし、円の中心点に光出射手段を配置することで、前記半円の円弧の部分に相当する容器の側面と光出射手段との距離を均一にすることができる。これにより、半円の円弧の部分に相当する容器の側面と光出射手段との距離を、光音響信号を平面波と仮定できる程度の距離にし、前記側面に音波検出手段を配置すれば、放射状に広がった光音響信号を効率よく検出することができる。このように、音波検出手段での集音状態を改善することにより、さらに光音響信号の精度を向上することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音波検出手段が前記容器の前記半円形の円弧の部分に２個以上配置されていることが望ましい。
半円の円弧の部分に相当する容器の側面に２個以上の音波検出手段を配置することにより、音波検出手段は放射状に広がった光音響信号をさらに効率よく検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記容器は、横断面の形状が楕円形であり、前記光出射手段及び前記音波検出手段が前記楕円形の略焦点の位置のそれぞれに配置されていることが望ましい。
横断面の内壁面の形状を楕円形とし、光出射手段及び音波検出手段を前記楕円形の略焦点の位置のそれぞれに配置することで、光音響信号を容器の側面で散乱させて音波検出手段に効率よく集めることができる。このように、音波検出手段での集音状態を改善することにより、さらに光音響信号の精度を向上することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記容器は、底部が２つの焦点を断面に含む半楕円球であり、前記光出射手段及び前記音波検出手段がそれぞれ略前記２つの焦点に配置されていることが望ましい。
容器の内壁面の底部を２つの焦点を断面に含む半楕円球として、光出射手段及び音波検出手段をそれぞれ２つの焦点に配置することで、光音響信号を容器の底部で散乱させて音波検出手段に効率よく集めることができる。このように、音波検出手段での集音状態を改善することにより、さらに光音響信号の精度を向上することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記容器の内壁面の少なくとも一部に反射材を含むことが望ましい。
容器の内壁面の少なくとも一部に反射材を含むことによって、光音響信号を音波検出手段に集める効率を向上することができる。これにより、音波検出手段が検出する光音響信号の精度をさらに向上することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記容器の内壁面の少なくとも一部に吸音材を含むことが望ましい。
容器の内壁面の少なくとも一部に吸音材を含むことにより、被検体の内部構造の不均一性から生じる多重反射した音波を吸収し、除去するので、被検体から放射された光音響信号を効率よく検出することができる。これにより、音波検出手段が検出する光音響信号の精度をさらに向上することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記容器の内壁面に、前記強度変調光に対して透明な出射窓をさらに有することが望ましい。
容器が強度変調光に対して透明な出射窓を備えることにより、光出射手段を容器外に配置することができるので、光出射手段の配置が容易になる。また、容器の内壁面から強度変調光を出射することができるので、容器の内壁面の凹凸がなくなり、光音響信号の反射を低減することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光出射手段は、前記容器に強度変調光を導く光ファイバを含むことが望ましい。
光出射手段が光ファイバを含むことにより、光出射手段から離れた場所に光発生手段及び光変調手段を配置し、強度変調光を被検体に照射できる位置まで導くことができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音響整合物質の温度を測定する温度計測手段と、該温度計測手段の測定した温度に応じて前記音響整合物質の温度を調節する温度調節手段と、をさらに備えることが望ましい。
温度計測手段の測定した温度に応じて音響整合物質の温度を調節する温度調節手段を備えることにより、音響整合物質及び被検体表面の温度を安定化することができる。これにより、温度変化による光音響信号の強度の擾乱を低減することができるので、光音響信号のＳ／Ｎ比を向上することができる。
本発明に係る成分濃度測定装置は、光を発生する光発生手段と、該光発生手段の発生した光を一定周波数で電気的に強度変調する光変調手段と、該光変調手段の強度変調した強度変調光を被検体に向けて出射する光出射手段と、音響波を出力する音響波発生器と、前記強度変調光を照射された前記被検体から放射される音波及び前記音響波発生器から被検体を透過する前記音響波を検出する音波検出手段と、を備えることを特徴とする。
本発明は、光音響法を用いて測定対象とする成分濃度を測定する際に、励起光の照射位置の近傍すなわち光音響信号の発生源近傍に置かれた音響波発生器から発生させた超音波（ここでは音響波と呼ぶ。）を参照信号として検出して、光音響信号の発生源と音波検出手段の位置関係が最適となる配置を検出することを特徴とする。検出された最適な配置で光音響信号を検出することで、被検体内に存在する散乱体の影響の少ない伝搬経路で成分濃度を測定することができる。
さらに、音響波の減衰量が一定となるような、検出される音響波の信号強度が予め定められた値となる配置で光音響信号を検出すれば、その検出された配置で光音響信号を検出することで、光音響信号の発生源と音波検出手段の位置関係の変化による散乱体が光音響信号に与える影響の変化及び音波検出手段の被検体との接触を含む不確定な要素の影響を排除した光音響信号を検出することができる。これにより、成分濃度測定装置の配置の変化に伴う多数のパラメータの影響を排除した成分濃度を測定することができる。
さらに、光音響法の測定系における被検体、特に生体と、各素子の最適な配置を行なうにあたり、それぞれの配置を調節する手段を機械化し、音波検出手段と連動させることにより、最適な配置での成分濃度測定を自動化することもできる。なお、本発明では、前述の励起光として一定周波数で変調した強度変調光を用いている。
本発明により、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を、音響波を用いて検出することができる。これにより、最適な配置で光音響信号を検出することができる。
本発明に係る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波の光を被検体に向けて出射する光出射手段と、出射された光により前記被検体内に発生する音波を検出する音波検出手段と、前記音波検出手段からの音波の振幅を検出する検波増幅手段と、を備え、前記光発生手段は、前記２波の光のうち一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記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を特徴とする。
本発明においては、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ので、異なる波長の２波の光の各々に対応する音波を、音波検出手段の周波数依存性の影響を受けることなく検出できる。
さらに、前記１波の光は被検体内の測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する圧力の音波を発生し、一方、前記他の１波の光は被検体の大部分を占める水のみが前記１波の光により発生する音波と同じ圧力の音波を発生するので、両者の差により、測定対象の成分のみにより発生する音波の圧力を検出する。その結果、測定対象の成分の量を測定することが可能となる。
さらに、前記１波の光が被検体内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、前記他の１波の光が被検体内の大部分を占める水のみの吸収に対応する音波の圧力は、周波数が等しくかつ逆位相であり、被検体内で音波の段階で相互に重畳し、音波の圧力の差が検出される。従って、音波の圧力の差は前記１波の光が被検体内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、前記他の１波の光が被検体内の大部分を占める水のみの吸収に対応する音波の圧力を個別に測定して、差を演算するよりも、より高精度に測定できる。上記の点が、従来技術にない全く新しい利点である。
本発明においては、異なる波長の２波の光の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被検体内に発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、光音響信号の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された異なる波長の２波の光に対する光音響信号を測定し、これらの測定値から、一定に保ち難い多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被検体内に発生する音波を検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記同一周波数の繰り返し間隔よりも長い間隔で断続的に発生させた光を前記被検体に向けて出射する第２の光出射手段をさらに備えることが望ましい。
本発明により、被検体、特に生体の組織内における測定対象とする成分での吸収による光音響信号の発生量を増加させて非侵襲にかつ正確に成分濃度を測定することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記第２の光出射手段の光の波長が測定対象とする成分と異なる成分の特徴的な吸収を呈する波長であることが望ましい。
非血液組織に比して血液組織の温度を上昇させ、血液成分の光音響信号のみを増大させることができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記第２の光出射手段の光の波長が血液中のヘモグロビンの特徴的な吸収を呈する波長であることが望ましい。
ヘモグロビンの温度を上昇させ、ヘモグロビンを含む血液からの光音響信号のみを増大させることができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記第２の光出射手段の光を発生させる間隔が、前記被検体に２℃以下の温度上昇を生じさせる間隔であることが望ましい。
被検体への影響を最小限度に抑えることができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記第２の光出射手段の光の強度が、前記被検体に２℃以下の温度上昇を生じさせる強度であることが望ましい。
被検体への影響を最小限度に抑えることができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段が発生する光を変調する変調周波数を掃引する周波数掃引手段と、前記音波検出手段が検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手段と、をさらに備え、前記光変調手段は、前記周波数掃引手段からの信号により前記異なる波長の２波の光を各々逆位相で電気的に強度変調することが望ましい。
本発明においては、前記被検体内で発生した前記光音響信号を、掃引する変調信号範囲で積算することにより、前記音波検出手段の共振周波数が変化する場合においても、前記音波検出手段の共振周波数に一致する周波数における高い感度で検出した光音響信号の値を積算するため、感度の高い共振周波数で測定することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音波検出手段は、前記周波数掃引手段が掃引する変調周波数に追尾して、出射された光により前記被検体内に発生する音波を検出し、前記積算手段は、前記音波検出手段が高い検出感度を有する変調周波数範囲で、前記音波検出手段が検出した音波を積算することが望ましい。
本発明においては、被検体内に発生する音波検出手段の共振周波数が変化し、光音響信号を検出する変調周波数が変化する場合、周波数掃引された変調周波数で変調し照射された光により被検体内に発生する光音響信号を検出した結果から、検出感度が最大になる音波検出手段の共振周波数の変化を判断し、共振周波数の変化を追尾して、共振周波数の近傍で光音響信号の検出値を積算する。
また、上記成分濃度測定装置において、前記積算手段により積算された音波から前記被検体内の測定対象とする成分の成分濃度を算定する成分濃度算定手段をさらに備えることが望ましい。
本発明では、予め用意した被検体内に発生する光音響信号と測定対象とする成分濃度との関係を示す理論値、あるいは実験値を記憶し、被検体内に発生した光音響信号を検出した値から測定対象の成分濃度を算定する。
また、上記成分濃度測定装置において、音響波を出力する音響波発生器をさらに備え、前記音波検出手段は、前記被検体からの音波と共に、前記音響波発生器から前記被検体を透過する前記音響波を検出することが望ましい。
本発明により、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を、音響波を用いて検出することができる。これにより、最適な配置で光音響信号を検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音響波発生器又は前記音波検出手段の少なくともいずれかの位置を可変する駆動手段をさらに備えることが望ましい。
本発明により、音響波の伝搬経路を変化させて、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を伝搬経路ごとに検出し、検出された最適な配置で光音響信号を検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音波検出手段で検出された音響波の強度が特定の値になるように前記駆動手段を制御する制御手段をさらに備えることが望ましい。
本発明により、検出された最適な配置での光音響信号の検出が自動化できる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光出射手段は、前記音響波発生器と連動するよう前記音響波発生器に固定されていることが望ましい。
本発明により、光出射手段が音響波発生器と連動するので、最適な音響波発生器の位置から自動的に励起用光源を移動することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、圧力が制御可能な押圧力で前記音響波発生器及び前記音波検出手段を前記被検体に押圧する押し付け手段をさらに備えることが望ましい。
本発明により、音響波発生器及び音波検出手段が被検体を押圧する圧力が可変なので、音響波発生器及び音波検出手段が被検体と接触する圧力を所定の圧力に保つことができる。これにより、被検体を押圧する圧力の影響を軽減することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音響波発生器は、前記光出射手段からの強度変調光のビームに近接して配置されていることが望ましい。
本発明により、強度変調光のビームの経路に近接する位置に音響波を出力するので、光音響信号の伝搬経路での反射／散乱をより正確に検査することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音響波発生器の一部に、前記強度変調光のビームを透過する透過窓をさらに備えることが望ましい。
本発明により、音響波発生器の上から強度変調光を被検体に照射することができる。これにより、最適な音響波発生器の位置から強度変調光を被検体に照射することができる
また、上記成分濃度測定装置において、前記音響波発生器は、出力する前記音響波の周波数及び／又は強度が可変であることが望ましい。
本発明により、音波検出手段で検出する光音響信号と周波数の等しい音響波で散乱体を検出できるので、散乱体が光音響信号に与える影響をより正確に検査することができる。また、前記音波検出手段で検出された音響波の強度に応じて音響波発生器から出力する音響波の強度を大小させることができるので、音波検出手段で検出された強度が小さい場合でも検出された強度を比較することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音響波発生器及び／又は前記光出射手段の前記被検体の接する面に、前記被検体と音響インピーダンスの略等しい音響結合部材をさらに備えることが望ましい。
本発明により、音響波発生器又は音波検出手段の少なくともいずれかが被検体と接触する面での反射／散乱を軽減することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記２波の光の波長を、測定対象とする成分の呈する吸収の差が溶媒の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定することが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記２波の光のうち一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定することが望ましい。
本発明は、上記の前記光発生手段は、前記２波の光の波長を、測定対象とする成分の呈する吸収の差が溶媒の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する成分濃度測定装置制御方法において、溶媒の呈する吸収の差を０とした場合である。これにより、溶媒の吸収による影響を除去することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記２波の光の波長の両方の波長を、測定対象とする成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定することが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記２波の光の波長を、測定対象とする血液成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定することが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記２波の光のうち一方の光の波長を測定対象とする血液成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を水が前記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が望ましい。
本発明は、上記の前記光発生手段は、前記２波の光の波長を、測定対象とする血液成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する成分濃度測定装置制御方法において、水の呈する吸収の差を０とした場合である。これにより、水の吸収による影響を除去することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、前記２波の光の波長の両方の波長を、測定対象とする血液成分の呈する吸収の差がそれ以外の血液成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定することが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光出射手段と前記被検体との間に、出射する光のビームを合成する合成器を、さらに備えることが望ましい。
測定部位に光を集中させることができるため、効率的に光音響信号を発生させることができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音波検出手段からの音波の振幅を検出する検波増幅手段を、さらに備えることが望ましい。
検出した光音響信号から音響波の振幅を検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記検波増幅手段は、同期検波増幅器であることが望ましい。
光音響信号から高感度に音響波の振幅を検出することができる。
前記光出射手段の出射する２つの光のビーム径が略等しいことが望ましい。
測定部位を一致させて、測定精度を高めることができる。
また、上記成分濃度測定装置において、検出された音波の圧力から前記被検体内の測定対象とする成分の成分濃度を算定する成分濃度算定手段をさらに備えることが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置において、前記成分濃度算定手段は、前記異なる波長の２波の光を前記被検体に出射して発生する音波の圧力を、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ことが望ましい。
前記異なる波長の２波の光を被検体に照射して発生する音波の圧力は、前述のように前記１波の光が被検体内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、前記他の１波の光が被検体内の大部分を占める水のみが発生する音波の圧力の差となって検出されるので、この差の値を、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、すなわち、前記他の１波の光が被検体内の大部分を占める水のみが発生する音波の圧力により、後述する数式（５）に従って、除算することにより、成分濃度を測定することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光変調手段は、前記被検体内に発生する音波検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することが望ましい。
本発明においては、異なる波長の２波の光の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被検体内に発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、高精度に被検体内に発生する音波を検出することができる。
また、上記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ことが望ましい。
上記の校正により、波長の異なる２波の光の相対的な強度を、各々の波長の光が被検体内の大部分を占める水の中に発生する光音響信号の強度が等しくなるように校正できるので、光音響信号の測定系全体を含む状態で、波長の異なる２波の光の相対的な強度を校正して測定精度を向上させることができる。
また、上記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音波を検出することが望ましい。
前記光音響信号を前記変調周波数に同期した同期検波により検出することにより、高精度に検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段及び前記光変調手段は、２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することが望ましい。
本発明においては、２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することにより、前記異なる波長の２波の光を発生し同時に変調することが可能であり、装置構成を簡略化できる。
また、上記成分濃度測定装置において、測定対象とする血液成分がグルコース又はコレステロールであることが望ましい。
グルコース又はコレステロールの濃度を測定する場合には、特徴的な吸収を示す波長を照射することによって、精度よく測定することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音波検出手段が検出した音波を変調周波数に対応して記録する記録手段をさらに備えることが望ましい。
音波検出手段が検出した光音響信号の値を、掃引された変調周波数ごとに記録する手段を備えることにより、被検体内に発生する音波検出手段の共振周波数が変化する場合、被検体に照射する光の変調周波数の掃引範囲が前記共振周波数の変化する範囲を含んでおり、検出した光音響信号の中から高精度に測定した値を選定して積算し平均して、正確に成分濃度を測定していることを確認することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光出射手段と前記音波検出手段とは、略対向する位置に配置されていることが望ましい。
被検体から放射される光音響信号は、光出射手段が強度変調光を出射する方向で最も大きな信号強度で検出される。光出射手段と前記音波検出手段とが略対向する位置に配置されていることによって、音波検出手段が検出する光音響信号の精度をさらに向上することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記強度変調光の光路の少なくとも一部の周囲に、前記強度変調光が前記成分濃度測定装置の外部へ漏洩することを防ぐ遮光フードをさらに備えることが望ましい。
本発明により、検査する部分以外の被検体の部分等の成分濃度測定装置の外部へ強度変調光が漏洩するのを防ぐことができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記被検体の一部を囲んで装着される環状部分の内側の前記被検体に接する部分に、少なくとも前記光出射手段及び前記音波検出手段が配置された装身手段をさらに備えることが望ましい。
上記のように、前記被検体の一部を囲んで装着される環状部分を有する前記装身部の内側に、少なくとも前記光照射部及び前記音波検出手段を配置することにより、測定中における前記被検体の動きによる前記光出射手段と前記音波検出手段との間の距離、すなわち前記光出射手段と前記音波検出手段との間の測定対象の前記被検体の一部の厚みの変化を抑制し、前記被検体内に発生する音響波の測定値を安定化し、さらに前記被検体の測定部分の周辺部分の変形を防止することにより、前記被検体の測定部分の周辺部分からの多重反射を安定化することにより、測定対象とする成分濃度を正確に測定することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光出射手段と前記音波検出手段とは、互いに前記装身手段の環状部分の略対向する位置に配置されていることが望ましい。
上記のように、前記光出射手段と前記音波検出手段とを互いに前記装身手段の環状部分の略対向する位置に配置することにより、前記光出射手段が光を照射して前記被検体内に発生する音響波を効率よく前記音波検出手段により検出し、正確に前記被検体の測定対象とする成分濃度を測定することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記音波検出手段の配置箇所を含んで、前記装身手段の環状部分の内側の被検体に接する部分の少なくとも半周にわたる部分に、前記被検体に近似する音響インピーダンスを有する緩衝材の層が配置されていることが望ましい。
上記のように、前記音波検出手段の配置箇所を含んで、前記装身手段の環状部分の内側の前記被検体に接する部分の少なくとも半周にわたる部分に前記被検体に近似する音響インピーダンスを有する緩衝材の層を配置することにより、前記被検体内に発生した音響波で前記音波検出手段に直接到達する部分は効率よく検出し、かつ前記被検体内で発生した音響波で前記被検体と前記装身手段の環状部分の内側の界面で多重反射した後に前記音波検出手段に受信され雑音となる音響波の量を減少させることにより、より正確に成分濃度を測定できる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記緩衝材の層と前記装身手段の環状部分の内側の面との間に吸音材が充填されていることが望ましい。
上記のように、前記緩衝材の層と前記装身手段の環状部分の内側の面の間に前記吸音材を充填することにより、前記被検体内に発生した音響波が前記緩衝材と前記装身手段の環状部分の内側の面の界面により反射した後に前記音波検出手段に検出され雑音となる音響波の量を減少させることにより、より正確に成分濃度を測定できる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、複数の半導体レーザ素子によって異なる波長の２波の光を発生することが望ましい。
上記のように、前記光発生手段は、複数の半導体レーザ素子によって異なる波長の２波の光を発生することにより、本発明の成分濃度測定装置は装置の大幅な小型、軽量化が可能となる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記光出射手段は、前記光発生手段の発生した光のビーム径を拡大するビーム径拡大器を備えることが望ましい。
上記のように、前記光出射手段は前記光発生手段の発生した光のビーム径を拡大するビーム径拡大器を備えることにより、前記被検体に照射する光ビームを拡大し、前記被検体に悪影響を与えることなく、比較的に強い光を照射することが可能となり、さらに正確に前記被検体の測定対象とする成分濃度を測定することができる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記装身手段が人体の手指に装着される指輪であり、かつ、前記光出射手段が前記手指の手背側に配置され、前記音波検出手段が前記手指の手掌側に配置されていることが望ましい。
上記のように、前記装身手段が人体の前記手指に装着される前記指輪であり、かつ、前記光出射手段を前記手指の手背側に配置し、前記音波検出手段を前記手指の手掌側に配置することにより、前記音波検出手段は前記手指の比較的柔らかい皮膚と容易に接触し、前記音波検出手段は前記手指内に発生する音響波を効率よく測定できるので、一層正確に、成分濃度を測定できる。さらに前記光出射手段と前記音波検出手段を指輪の内面に実装することにより、日常生活に支障なく、簡易に連続的に該人体の成分濃度を測定できる。
また、上記成分濃度測定装置において、前記装身手段が人体の腕に装着される腕輪であり、かつ、前記光出射手段が手掌側に配置され、前記音波検出手段が手背側に配置されていることが望ましい。
上記のように、前記装身手段が人体の前記腕に装着される前記腕輪であり、かつ前記光出射手段を手掌側に配置し、前記音波検出手段を手背側に配置することにより、前記音波検出手段は前記腕の比較的柔らかい皮膚と容易に接触し、前記音波検出手段は前記腕内に発生する音響波を効率よく測定できるので、一層正確に、成分濃度を測定できる。さらに前記光出射手段と前記音波検出手段を前記腕輪の内面に実装することにより、日常生活に支障なく、簡易に連続的に該人体の成分濃度を測定できる。
本発明に係る成分濃度測定装置制御方法は、光発生手段が、光を発生する光発生手順と、周波数掃引手段が、前記光発生手順で発生した光を変調する周波数を掃引する周波数掃引手順と、光変調手段が、前記周波数掃引手順で掃引した信号により前記光発生手順で発生した光を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光を被測定物に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前記被測定物内に発生する音波を検出する音波検出手順と、積算手段が、前記音波検出手順で検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手順と、を順に含むことを特徴とする。
本発明では、周波数が所定の範囲で掃引する変調信号により光を電気的に強度変調し、強度変調された光を出射し、出射された光により発生する光音響信号を検出し、検出された光音響信号を積算してから被測定物内の測定対象とする成分濃度を算出する。ここで、出射する光の波長は測定対象とする成分が吸収を呈する波長に設定する。音波検出手段の感度特性の変化を追尾して、常に感度の高い周波数で測定対象とする成分濃度を測定できる。
また、本発明に係る成分濃度測定装置制御方法は、光発生手段が、光を発生する光発生手順と、光変調手段が、前記光発生手順で発生した光を一定周波数で電気的に強度変調する光変調手順と、光出射手段が、前記光変調手順で強度変調した強度変調光を被測定物に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強度変調光により前記被測定物内に発生する音波を検出する音波検出手順と、を含む成分濃度測定装置制御方法であって、前記光出射手順及び前記音波検出手順を、被測定物と音響インピーダンスの略等しい音響整合物質の充填された容器内で行うことを特徴とする。
本発明は、被測定物の音響インピーダンスと略等しい音響インピーダンスの環境下で光音響信号を検出することを特徴とする。一定周波数で強度変調された強度変調光を出射し、出射した光により発生した音波である光音響信号を、前記音響整合物質を介して音波検出手段で検出して、被測定物に含まれる特定成分の濃度を測定する。被測定物と音響インピーダンスの略等しい音響整合物質の充填された容器内で前記光出射過程及び前記音波検出過程を行うことにより、被測定物の周囲を音響整合物質で取り囲んだ環境下で光音響信号を検出することができる。これにより、被測定物とその周囲との境界反射及び被測定物と音波検出手段との接触により生じる光音響信号の反射による減衰を低減することができる。
また、本発明に係る成分濃度測定装置制御方法は、音響波発生器が、音響波を２箇所以上の異なる位置から前記被測定物に出力し、音波検出手段が、前記音響波の強度が特定の値になる位置を検出する最適位置検出手順と、光出射手段が、前記被測定物を透過した前記音響波の強度が特定の値となった位置から一定周波数で強度変調された強度変調光を前記被測定物に出射し、前記音波検出手段が、前記被測定物から放射される音波を検出する音波検出手順と、を順に含むことを特徴とする。
本発明は、光音響法を用いて測定対象とする成分濃度を測定する際に、励起光の照射位置の近傍すなわち光音響信号の発生源近傍に置かれた音響波発生器から発生させた超音波（ここでは音響波と呼ぶ。）を参照信号として検出して、光音響信号の発生源と音波検出手段の位置関係が最適となる配置を検出することを特徴とする。検出された最適な配置で光音響信号を検出することで、励起光を散乱する散乱体の影響の少ない伝搬経路で成分濃度を測定することができる。
さらに、音響波の減衰量が一定となるような、検出される音響波の信号強度が予め定められた値となる配置で光音響信号を検出すれば、その検出された配置で光音響信号を検出することで、光音響信号の発生源と音波検出手段の位置関係の変化による散乱体が光音響信号に与える影響の変化及び音波検出手段の被測定物との接触を含む不確定な要素の影響を排除した光音響信号を検出することができる。これにより、成分濃度測定装置の配置の変化に伴う多数のパラメータの影響を排除した成分濃度を測定することができる。
さらに、光音響法の測定系における被測定物と、各素子の最適な配置を行なうにあたり、それぞれの配置を調節する手段を機械化し、音波検出手段と連動させることにより、最適な配置での成分濃度測定を自動化する。なお、本発明では、前述の励起光として一定周波数で変調した強度変調光を用いている。
本発明により、音響波の伝搬経路を変化させて、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を伝搬経路ごとに検出した後に、音波検出手段で検出された音響波の強度が特定の値になる伝搬経路を光音響信号が伝搬するように強度変調光を出射して光音響信号を検出する。これにより、最適な配置で光音響信号を検出することができる。
また、本発明に係る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波の光を被測定物に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前記被測定物内に発生する音波を検出する音波検出手順と、検波増幅手段が、前記検出した音波を、さらに検波増幅して音波の振幅を検出する検波増幅手順と、を順に含み、前記光発生手順は、前記２波のうち一方の光の波長を測定対象とする液体成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定する手順であることを特徴とする。
本発明においては、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ので、異なる波長の２波の光の各々に対応する音波を、音波検出手段の周波数依存性の影響を受けることなく検出できる。
さらに、前記１波の光は被測定物内の測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する圧力の音波を発生し、一方、前記他の１波の光は被測定物の大部分を占める水のみが前記１波の光により発生する音波と同じ圧力の音波を発生するので、両者の差により、測定対象の成分のみにより発生する音波の圧力を検出する。その結果、測定対象の成分の量を測定することが可能となる。
さらに、前記１波の光が被測定物内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、前記他の１波の光が被測定物内の大部分を占める水のみの吸収に対応する音波の圧力は、周波数が等しくかつ逆位相であり、被測定物内で音波の段階で相互に重畳し、音波の圧力の差が検出される。従って、音波の圧力の差は前記１波の光が被測定物内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、前記他の１波の光が被測定物内の大部分を占める水のみの吸収に対応する音波の圧力を個別に測定して、差を演算するよりも、より高精度に測定できる。上記の点が、従来技術にない全く新しい利点である。
本発明においては、異なる波長の２波の光の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被測定物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、光音響信号の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された異なる波長の２波の光に対する光音響信号を測定し、これらの測定値から、一定に保ち難い多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被測定物内に発生する音波を検出することができる。
上記成分濃度測定装置制御方法において、周波数掃引手段が、前記光発生手順で発生した光を変調する周波数を掃引する周波数掃引手順と、積算手段が、前記音波検出手順で検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手順と、をさらに含むことが望ましい。
本発明においては、前記被測定物内で発生した前記光音響信号を、掃引する変調信号範囲で積算することにより、前記音波検出手段の共振周波数が変化する場合においても、前記音波検出手段の共振周波数に一致する周波数における高い感度で検出した光音響信号の値を積算するため、感度の高い共振周波数で測定することができる。
上記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、前記周波数掃引手順において掃引する変調周波数に追尾して、照射された光により前記被測定物内に発生する音波を検出し、前記積算手順は、前記音波検出手順において音波の検出感度が高い変調周波数範囲で、前記音波検出手順で検出した音波を積算する手順であることが望ましい。
本発明においては、被測定物内に発生する音波検出手段の共振周波数が変化し、光音響信号を検出する変調周波数が変化する場合、周波数掃引された変調周波数で変調し出射された光により発生する光音響信号を検出した結果から、検出感度が最大になる音波検出手段の共振周波数の変化を判断し、共振周波数の変化を追尾して、共振周波数の近傍で光音響信号の検出値を積算する。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記積算手順で積算された音波から測定対象とする液体成分の成分濃度を算定する液体成分濃度算定手順をさらに含むことが望ましい。
本発明では、予め用意した被測定物内に発生する光音響信号と測定対象とする成分濃度との関係を示す理論値、あるいは実験値を記憶し、被測定物内に発生した光音響信号を検出した値から測定対象の成分濃度を算定する。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光出射手順及び前記音波検出手順を、前記被測定物と音響インピーダンスの略等しい音響整合物質の充填された容器内で行うことが望ましい。
被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質で充填する容器を備えることで、被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質で充填した容器内に被測定物を配置して、被測定物の周囲を音響整合物質で取り囲んだ環境下で被測定物からの光音響信号を検出することができる。被測定物の周囲を音響整合物質で取り囲んだ環境下で光音響信号を検出することで、被測定物とその周囲との境界反射及び被測定物と音波検出手段との接触により生じる光音響信号の反射による減衰を低減することができる。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順において、前記音波は、前記被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質を介して検出されることが望ましい。
被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質を介して光音響信号を検出することで、被測定物とその周囲との境界反射並びに音波検出手段に掛かる圧力及び振動を防ぐことができる。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光出射手順において、前記強度変調光は、前記容器の内壁面に配置され、前記強度変調光に対して透明な出射窓を介して前記被測定物に出射されることが望ましい。
容器が強度変調光に対して透明な出射窓を備えることにより、光出射手段を容器外に配置することができるので、光出射手段の配置が容易になる。また、容器の内壁面から強度変調光を出射することができるので、容器の内壁面の凹凸がなくなり、光音響信号の反射を低減することができる。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記被測定物は、前記強度変調光を照射される部分が、液状、ゾル状又はゲル状の音響整合物質で覆われていることが望ましい。
被測定物の強度変調光を照射される部分が、液状、ゾル状又はゲル状の前記音響整合物質で覆われていることによって、被測定物の周囲を音響整合物質で取り囲んだ環境下で被測定物からの光音響信号を検出することができる。
上記成分濃度測定装置制御方法において、音響波発生器が、音響波を２箇所以上の異なる位置から前記被測定物に出力し、音波検出手段が、前記被測定物を透過した前記音響波の強度が特定の値になる位置を検出する最適位置検出手順をさらに含み、前記光出射手順において、前記光出射手段が、前記音響波の強度が特定の値となった位置から光を前記被測定物に出射することが望ましい。
本発明により、音響波の伝搬経路を変化させて、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を伝搬経路ごとに検出した後に、音波検出手段で検出された音響波の強度が特定の値になる伝搬経路を光音響信号が伝搬するように強度変調光を出射して光音響信号を検出する。これにより、最適な配置で光音響信号を検出することができる。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光発生手順は、前記２波の光の波長を、測定対象とする液体成分の呈する吸収の差が溶媒の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する手順であることが望ましい。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光発生手順は、前記２波のうち一方の光の波長を測定対象とする液体成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定する手順であることが望ましい。
本発明は、上記の前記光発生手順は、前記２波の光の波長を、測定対象とする液体成分の呈する吸収の差が溶媒の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する手順を有する成分濃度測定装置制御方法において、溶媒の呈する吸収の差を０とした場合である。これにより、溶媒の吸収による影響を除去することができる。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光発生手順は、前記２波の光の波長の両方の波長を、測定対象とする液体成分の呈する吸収の差がそれ以外の液体成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する手順であることが望ましい。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光出射手段からの２つの光のビームを合成して前記被測定物に出射することが望ましい。
測定部位に光を集中させることができるため、効率的に光音響信号を発生させることができる。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記検出した音波を、さらに検波増幅して音波の振幅を検出することが望ましい。
検出した光音響信号から超音波の振幅を検出することができる。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順で検出された音波の圧力から測定対象とする液体成分の成分濃度を算定する液体成分濃度算定手順をさらに含むことが望ましい。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順のあとに、前記音波検出手順で検出した音波を変調周波数に対応して記録する記録手順をさらに含むことが望ましい。
音波検出手段が検出した光音響信号の値を、掃引された変調周波数ごとに記録する手段を備えることにより、発生する音波検出手段の共振周波数が変化する場合、出射する光の変調周波数の掃引範囲が前記共振周波数の変化する範囲を含んでおり、検出した光音響信号の中から高精度に測定した値を選定して積算し平均して、正確に測定対象とする成分濃度を測定していることを確認することができる。
上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光出射手順において、被測定物は前記強度変調光の出射面と接して配置され、前記強度変調光は前記被測定物に直接照射されることが望ましい。
被測定物を強度変調光の出射面と接するように配置し、被測定物に強度変調光を直接照射することによって、音響整合物質等での吸収による強度変調光の減衰を防ぐことができる。これにより、強度変調光を被測定物に効率よく照射することができるので、被測定物から放射される光音響信号が増加し、音波検出手段が検出する光音響信号の精度をさらに向上することができる。
また、本発明に係る成分濃度測定装置制御方法は、光発生手段が、光を発生する光発生手順と、周波数掃引手段が、前記光発生手順で発生した光を変調する周波数を掃引する周波数掃引手順と、光変調手段が、前記周波数掃引手順で掃引した信号により前記光発生手順で発生した光を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光を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出射された光により発生する音波を検出する音波検出手順と、積算手段が、前記音波検出手順で検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手順と、を順に含むことを特徴とする。
本発明では、周波数が所定の範囲で掃引する変調信号により光を電気的に強度変調し、強度変調された光を出射し、出射された光により発生する光音響信号を検出し、検出された光音響信号を積算してから被検体内の測定対象とする成分濃度を算出する。ここで、出射する光の波長は測定対象とする成分が吸収を呈する波長に設定する。音波検出手段の感度特性の変化を追尾して、常に感度の高い周波数で測定対象とする成分濃度を測定できる。
また、本発明に係る成分濃度測定装置制御方法は、光発生手段が、光を発生する光発生手順と、光変調手段が、前記光発生手順で発生した光を一定周波数で電気的に強度変調する光変調手順と、光出射手段が、前記光変調手順で強度変調した強度変調光を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強度変調光により発生する音波を検出する音波検出手順と、を含む成分濃度測定装置制御方法であって、前記光出射手順及び前記音波検出手順を、被検体と音響インピーダンスの略等しい音響整合物質の充填された容器内で行うことを特徴とする。
本発明は、被検体の音響インピーダンスと略等しい音響インピーダンスの環境下で光音響信号を検出することを特徴とする。一定周波数で強度変調された強度変調光を出射し、出射した光により発生した音波である光音響信号を、前記音響整合物質を介して音波検出手段で検出して、液体に含まれる特定成分の濃度を測定する。被検体と音響インピーダンスの略等しい音響整合物質の充填された容器内で前記光出射過程及び前記音波検出過程を行うことにより、被検体の周囲を音響整合物質で取り囲んだ環境下で光音響信号を検出することができる。これにより、被検体とその周囲との境界反射及び被検体と音波検出手段との接触により生じる光音響信号の反射による減衰を低減することができる。
また、本発明に係る成分濃度測定装置制御方法は、音響波発生器が、音響波を２箇所以上の異なる位置から出力し、音波検出手段が、被検体を透過した前記音響波の強度が特定の値になる位置を検出する最適位置検出手順と、光出射手段が、前記音響波の強度が特定の値となった位置から一定周波数で強度変調された強度変調光を出射し、前記音波検出手段が、前記強度変調光により発生する音波を検出する音波検出手順と、を順に含むことを特徴とする。
本発明は、光音響法を用いて測定対象とする成分濃度を測定する際に、励起光の照射位置の近傍すなわち光音響信号の発生源近傍に置かれた音響波発生器から発生させた超音波（ここでは音響波と呼ぶ。）を参照信号として検出して、光音響信号の発生源と音波検出手段の位置関係が最適となる配置を検出することを特徴とする。検出された最適な配置で光音響信号を検出することで、骨などの散乱体の影響の少ない伝搬経路で成分濃度を測定することができる。
さらに、音響波の減衰量が一定となるような、検出される音響波の信号強度が予め定められた値となる配置で光音響信号を検出すれば、その検出された配置で光音響信号を検出することで、光音響信号の発生源と音波検出手段の位置関係の変化による散乱体が光音響信号に与える影響の変化及び音波検出手段の被検体との接触を含む不確定な要素の影響を排除した光音響信号を検出することができる。これにより、成分濃度測定装置の配置の変化に伴う多数のパラメータの影響を排除した成分濃度を測定することができる。
さらに、光音響法の測定系における被検体、特に生体と、各素子の最適な配置を行なうにあたり、それぞれの配置を調節する手段を機械化し、音波検出手段と連動させることにより、最適な配置での成分濃度測定を自動化する。なお、本発明では、前述の励起光として一定周波数で変調した強度変調光を用いている。
本発明により、音響波の伝搬経路を変化させて、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を伝搬経路ごとに検出した後に、音波検出手段で検出された音響波の強度が特定の値になる経路を光音響信号が伝搬するように強度変調光を出射して光音響信号を検出する。これにより、最適な配置で光音響信号を検出することができる。
また、本発明に係る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波の光を被検体に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出射された光により前記被検体内に発生する音波を検出する音波検出手順と、検波増幅手段が、前記検出した音波を、さらに検波増幅して音波の振幅を検出する検波増幅手順と、を順に含み、前記光発生手順は、前記２波のうち一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定する手順であることを特徴とする。
本発明においては、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ので、異なる波長の２波の光の各々に対応する音波を、音波検出手段の周波数依存性の影響を受けることなく検出できる。
さらに、前記１波の光は被検体内の測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する圧力の音波を発生し、一方、前記他の１波の光は被検体の大部分を占める水のみが前記１波の光により発生する音波と同じ圧力の音波を発生するので、両者の差により、測定対象の成分のみにより発生する音波の圧力を検出する。その結果、測定対象の成分の量を測定することが可能となる。
さらに、前記１波の光が被検体内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、前記他の１波の光が被検体内の大部分を占める水のみの吸収に対応する音波の圧力は、周波数が等しくかつ逆位相であり、被検体内で音波の段階で相互に重畳し、音波の圧力の差が検出される。従って、音波の圧力の差は前記１波の光が被検体内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、前記他の１波の光が被検体内の大部分を占める水のみの吸収に対応する音波の圧力を個別に測定して、差を演算するよりも、より高精度に測定できる。上記の点が、従来技術にない全く新しい利点である。
本発明においては、異なる波長の２波の光の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被検体内に発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、光音響信号の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された異なる波長の２波の光に対する光音響信号を測定し、これらの測定値から、一定に保ち難い多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被検体内に発生する音波を検出することができる。
上記成分濃度測定装置制御方法において、第２の光出射手段が、前記同一周波数の繰り返し間隔よりも長い間隔で断続的に光を前記出射する第２光出射手順をさらに含み、前記音波検出手順において、前記音波検出手段が、前記光出射手順及び前記第２光出射手順において出射された光により生じる音波を検出することが望ましい。
本発明により、被検体、特に生体組織内における成分での吸収による光音響信号の発生量を増加させて非侵襲にかつ正確に成分濃度を測定することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記第２の光出射手段が測定対象とする成分と異なる成分の特徴的な吸収を呈する波長の光を出射することが望ましい。
非血液組織に比して血液組織の温度を上昇させ、血液成分の光音響信号のみを増大させることができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記第２の光出射手段が、血液中のヘモグロビンが特徴的な吸収を呈する波長の光を出射することが望ましい。
ヘモグロビンの温度を上昇させ、ヘモグロビンを含む血液からの光音響信号のみを増大させることができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記第２の光出射手段が被検体に２℃以下の温度上昇を生じさせる間隔で光を出射することが望ましい。
被検体への影響を最小限度に抑えることができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記第２の光出射手段が被検体に２℃以下の温度上昇を生じさせる強度で光を出射することが望ましい。
被検体への影響を最小限度に抑えることができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、周波数掃引手段が、前記光発生手順で発生した光を変調する周波数を掃引する周波数掃引手順と、積算手段が、前記音波検出手順で検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手順と、をさらに含むことが望ましい。
本発明においては、前記被検体内で発生した前記光音響信号を、掃引する変調信号範囲で積算することにより、前記音波検出手段の共振周波数が変化する場合においても、前記音波検出手段の共振周波数に一致する周波数における高い感度で検出した光音響信号の値を積算するため、感度の高い共振周波数で測定することができる。
また、上記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、前記周波数掃引手順において掃引する変調周波数に追尾して、出射された光により発生する音波を検出し、前記積算手順は、前記音波検出手順において音波の検出感度が高い変調周波数範囲で、前記音波検出手順で検出した音波を積算することが望ましい。
本発明においては、被検体内に発生する音波検出手段の共振周波数が変化し、光音響信号を検出する変調周波数が変化する場合、周波数掃引された変調周波数で変調し照射された光に発生する光音響信号を検出した結果から、検出感度が最大になる音波検出手段の共振周波数の変化を判断し、共振周波数の変化を追尾して、共振周波数の近傍で光音響信号の検出値を積算する。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記積算手順で積算された音波から測定対象とする成分の成分濃度を算定する成分濃度算定手順をさらに含むことが望ましい。
本発明では、予め用意した被検体内に発生する光音響信号と測定対象とする成分濃度との関係を示す理論値、あるいは実験値を記憶し、被検体内に発生した光音響信号を検出した値から測定対象の成分濃度を算定する。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光出射手順及び前記音波検出手順を、被検体と音響インピーダンスの略等しい音響整合物質の充填された容器内で行うことが望ましい。
被検体と音響インピーダンスの略等しい音響整合物質の充填された容器内で前記光出射過程及び前記音波検出過程を行うことにより、被検体の周囲を音響整合物質で取り囲んだ環境下で光音響信号を検出することができる。これにより、被検体とその周囲との境界反射及び被検体と音波検出手段との接触により生じる光音響信号の劣化を低減することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順において、前記音波は、前記被検体と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質を介して検出されることが望ましい。
被検体と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質を介して光音響信号を検出することで、被検体とその周囲との境界反射並びに音波検出手段に掛かる圧力及び振動を防ぐことができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光出射手順において、前記強度変調光は、前記容器の内壁面に配置され、前記強度変調光に対して透明な出射窓を介して出射されることが望ましい。
容器が強度変調光に対して透明な出射窓を備えることにより、光出射手段を容器外に配置することができるので、光出射手段の配置が容易になる。また、容器の内壁面から強度変調光を出射することができるので、容器の内壁面の凹凸がなくなり、光音響信号の反射を低減することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記被検体は、前記強度変調光を照射される部分が、液状、ゾル状又はゲル状の前記音響整合物質で覆われていることが望ましい。
被検体の強度変調光を照射される部分が、液状、ゾル状又はゲル状の前記音響整合物質で覆われていることによって、被検体の周囲を音響整合物質で取り囲んだ環境下で被検体からの光音響信号を検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記容器は、前記音響整合物質としての水で充填されることが望ましい。
被検体の音響インピーダンスは水に非常に近いので、被検体の周囲を水で取り囲んだ環境下で光音響信号を検出することで、被検体とその周囲との境界反射及び被検体と音波検出手段との接触により生じる光音響信号の劣化を低減することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、光出射手段が、音響波を２箇所以上の異なる位置から出力し、音波検出手段が、前記被検体を透過した前記音響波の強度が特定の値になる位置を検出する最適位置検出手順をさらに含むことが望ましい。
本発明により、音響波の伝搬経路を変化させて、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を伝搬経路ごとに検出することが可能となる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光出射手順において、前記光出射手段が、前記音響波の強度が特定の値となった位置から光を出射することが望ましい。
音波検出手段で検出された音響波の強度が特定の値になる経路を光音響信号が伝搬するように強度変調光を出射して光音響信号を検出することにより、最適な配置で光音響信号を検出することができる。また、最適位置検出手段と光出射手段とを連動させて常に最適な配置で光音響信号を検出することもできる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順において、前記光出射手段は、前記音響波発生器の一部に設けられた前記強度変調光に対して透明な透過窓を介して出射することが望ましい。
本発明により、音響波発生器の上から強度変調光を被検体に照射することができる。これにより、最適な音響波発生器の位置と略同じ位置から強度変調光を被検体に照射することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記最適位置検出手順において、前記音響波発生器は、前記強度変調光と周波数の略等しい周波数の前記音響波を出力するか、或いは、前記音波検出手段で検出される音響波の強度に応じて出力する前記音響波の強度を大小させることが望ましい。
本発明により、音波検出手段で検出する光音響信号と周波数の等しい音響波で散乱体が光音響信号に与える影響を検査することができる。また、前記音波検出手段で検出された音響波の強度に応じて音響波発生器から出力する音響波の強度を大小させることができるので、音波検出手段で検出された強度が小さい場合でも検出された強度を比較することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記最適位置検出手順において、前記音響波発生器及び前記音波検出手段は、圧力が制御可能な押圧力で前記音響波発生器及び前記音波検出手段を前記被検体に押圧して前記音響波を検出することが望ましい。
本発明により、音響波発生器及び音波検出手段が被検体を押圧する圧力が可変なので、音響波発生器及び音波検出手段が被検体と接触する圧力を所定の圧力に保つことができる。これにより、被検体を押圧する圧力の影響を軽減することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光発生手順は、前記２波の光の波長を、測定対象とする成分の呈する吸収の差が溶媒の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する手順であることが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光発生手順は、前記２波のうち一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定する手順であることが望ましい。
本発明は、上記の測定対象とする成分の呈する吸収の差が溶媒の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する手順を有する成分濃度測定装置制御方法において、溶媒の呈する吸収の差を０とした場合である。これにより、溶媒の吸収による影響を除去することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光発生手順は、前記２波の光の波長を、測定対象とする成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する手順であることが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光発生手順は、前記２波の光の波長を、測定対象とする血液成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する手順であることが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光発生手順は、前記２波のうち一方の光の波長を測定対象とする血液成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を水が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定する手順であることが望ましい。
本発明は、上記の前記光発生手順は、前記２波の光の波長を、測定対象とする血液成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する手順を有する成分濃度測定装置制御方法において、水の呈する吸収の差を０とした場合である。これにより、水の吸収による影響を除去することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光発生手順は、前記２波の光の波長を、測定対象とする血液成分の呈する吸収の差がそれ以外の血液成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する手順であることが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光出射手段からの２つの光のビームを合成して出射することが望ましい。
測定部位に光を集中させることができるため、効率的に光音響信号を発生させることができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記検出した音波を、さらに検波増幅して音波の振幅を検出することが望ましい。
検出した光音響信号から超音波の振幅を検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記検波増幅が同期検波増幅であることが望ましい。
光音響信号から高感度に超音波の振幅を検出することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光出射手段からの２つの光のビーム径を略等しくすることが望ましい。
測定部位を一致させて、測定精度を高めることができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順で検出された音波の圧力から測定対象とする成分の成分濃度を算定する成分濃度算定手順をさらに含むことが望ましい。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記成分濃度算定手順は、前記異なる波長の２波の光により発生する音波の圧力を測定し、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を測定し、前記２波の光により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であることが望ましい。
前記異なる波長の２波の光を出射して発生する音波の圧力は、前述のように前記１波の光が被検体内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、前記他の１波の光が被検体内の大部分を占める水のみが発生する音波の圧力の差となって検出されるので、この差の値を、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、すなわち、前記他の１波の光が被検体内の大部分を占める水のみが発生する音波の圧力により、後述する数式（５）に従って、除算することにより、成分濃度を測定することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光変調手順は、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であることが望ましい。
本発明においては、異なる波長の２波の光の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被検体内に発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、高精度に被検体内に発生する音波を検出することができる。
また、上記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の光束に合波し水に照射して発生する音波の圧力が零になるように前記２波の光の各々の相対的な強度を調整する強度調整手順を、さらに含むことが望ましい。
上記の校正により、波長の異なる２波の光の相対的な強度を、各々の波長の光が被検体内の大部分を占める水の中に発生する光音響信号の強度が等しくなるように校正できるので、光音響信号の測定系全体を含む状態で、波長の異なる２波の光の相対的な強度を校正して測定精度を向上させることができる。
また、上記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、同期検波により音波を検出する手順であることが望ましい。
前記光音響信号を前記変調周波数に同期した同期検波により検出することにより、高精度に検出することができる。
また、上記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であることが望ましい。
本発明においては、２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することにより、前記異なる波長の２波の光を発生し同時に変調することが可能であり、装置構成を簡略化できる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、測定対象とする血液成分がグルコース又はコレステロールであることが望ましい。
グルコース又はコレステロールの濃度を測定する場合には、特徴的な吸収を示す波長を照射することによって、精度よく測定することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順のあとに、前記音波検出手順で検出した音波を変調周波数に対応して記録する記録手順をさらに含むことが望ましい。
音波検出手段が検出した光音響信号の値を、掃引された変調周波数ごとに記録する手段を備えることにより、被検体内に発生する音波検出手段の共振周波数が変化する場合、被検体に照射する光の変調周波数の掃引範囲が前記共振周波数の変化する範囲を含んでおり、検出した光音響信号の中から高精度に測定した値を選定して積算し平均して、正確に成分濃度を測定していることを確認することができる。
また、上記成分濃度測定装置制御方法において、前記光出射手順において、被検体は前記強度変調光の出射面と接して配置されることが望ましい。
被検体を強度変調光の出射面と接するように配置し、被検体に強度変調光を直接照射することによって、音響整合物質等での吸収による強度変調光の減衰を防ぐことができる。これにより、強度変調光を被検体に効率よく照射することができるので、被検体から放射される光音響信号が増加し、音波検出手段が検出する光音響信号の精度をさらに向上することができる。
本発明の非侵襲な成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法は、強度変調された光を液体あるいは被検体に照射して発生する光音響信号を測定して、成分濃度を測定する際に、前記音波検出手段の感度が高い共振周波数が変化する周波数範囲で、前記光を強度変調する変調数周波数を掃引し、前記変調周波数が前記音波検出手段の共振周波数に合った周波数で、光音響信号を測定することにより、測定対象とする成分濃度を正確に測定することができる。
本発明の非侵襲の成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法は、同一の周波数の信号により異なる波長の２波の光を強度変調して液体あるいは被検体へ照射し、液体内あるいは被検体内に発生する光音響信号を測定するので、音波検出手段の周波数特性の不均一性の影響を受けない。さらに、変化する可能性のある前記音波検出手段の共振周波数を含む範囲で、前記光を強度変調する変調数周波数を掃引し、前記音波検出手段の共振周波数に合った周波数により光音響信号を測定するので、検出器が外的な影響を受け難く、正確な測定が可能である。
また、本発明の成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法は、被測定物又は被検体の音響インピーダンスと略等しい音響インピーダンスの環境下で光音響信号を検出するので、被検体とその周囲との境界反射及び被検体と音波検出手段との接触による光音響信号の反射による減衰を防ぐことができる。さらに、音波検出手段での集音状態及び温度変化による光音響信号の精度の低下を防ぐことができる。
本発明によれば、光音響信号の発生源と音波検出手段の位置関係が最適となる配置を検出することにより、骨などの散乱体が影響の少ない最適な配置で光音響信号を検出し、成分濃度を測定することができる。
さらに、検出される音響波の信号強度が予め定められた値となる配置で光音響信号を検出することにより、成分濃度測定装置の配置の変化に伴う多数のパラメータの影響を排除した成分濃度を測定することができる。
さらに、音波検出手段を一定の圧力で被検体に押圧することで、被検体を押圧する圧力の影響を軽減する。
したがって、光音響法において、反射／散乱の影響又は被検体を押圧する圧力の影響を軽減し、光音響信号の測定精度を向上することができる。
本発明の非侵襲な成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法は、光音響信号における吸収係数に関わる非線形性に配慮して異なる波長の２波の光の波長を選択し、それらの光に対する光音響信号を測定し、一定に保ち難い多数のパラメータの影響を排除して、測定対象とする成分濃度を正確に算定できる。
本発明の成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法は、光音響信号における吸収係数に関わる非線形性に配慮して異なる波長の２波の光の波長を選択し、それらの光に対する光音響信号を測定し、一定に保ち難い多数のパラメータの影響を排除して、成分濃度を正確に算定できる。本発明の非侵襲の成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法は、同一の周波数の信号により異なる波長の２波の光を強度変調して被検体へ照射し、被検体内に発生する光音響信号を測定するので、音波検出手段の周波数特性の不均一性の影響を受けず、さらに音波検出感度の向上に有効な共鳴型の検出器を適用でき、病弱な人間や動き回る動物に対しても短時間の測定が可能である。さらに、本発明の成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法は、照射光方向に伝搬した音波を検出する前方伝搬型、あるいは照射光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のいずれの構成も可能であり、特に後者は小型化することができる。
また、本願発明の成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法は、液体に含まれる成分を非侵襲にかつ正確に測定することができる。
本願発明の成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法は、被検体に３種の光を照射し、被検体からの光音響信号を測定することによって、被検体に含まれる成分濃度を非侵襲にかつ正確に測定することができる。特に第３の光の波長を血液のみが吸収を呈する波長に設定すれば、非血液組織からの背景信号の除去が可能である。
さらに、本発明の成分濃度測定装置は、非侵襲で、被検体の成分の濃度を測定することができる。また、被検体の寸法が側面部を含めて一定に保たれ、さらに、被検体側面からの反射波が抑制されるので、成分の濃度の安定かつ正確な測定を行うことができる。
さらに、本発明の成分濃度測定装置は、指輪型や腕輪型にすることにより、小型で密着性のある装置とすることができ、携帯しながら装着することができる。
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。 生体内の音源分布の説明図である。 生体内の音源分布に係る形状関数の説明図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 水の光吸収特性を示した説明図である。 コレステロールの光吸収特性を示した説明図である。 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。 １実施形態に係る血液成分濃度測定の実施形態を示した説明図である。 １実施形態に係る血液成分濃度測定の実施形態を示した説明図である。 １実施形態における光音響信号を示した説明図である。 １実施形態における光音響信号を示した説明図である。 １実施形態に係る血液成分濃度測定の実施例を示した説明図である。 １実施形態に係る液体成分濃度測定の実施例を示した説明図である。 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。 １実施形態に係る超音波検出器の感度特性の説明図である。 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。 １実施形態に係る血液成分濃度測定装置の一例を示す模式図である。 図２３のＤ−Ｄ’横断面図であり、血液成分濃度測定装置の第１形態を示す。 図２３のＤ−Ｄ’横断面図であり、血液成分濃度測定装置の第２形態を示す。 血液成分濃度測定装置の第４形態を示す縦断面図である。 血液成分濃度測定装置の第５形態を示す縦断面図である。 図２７のＦ−Ｆ’横断面図である。 血液成分濃度測定装置の一例を示す回路図である。 血液成分濃度測定装置の縦断面図であり、血液成分濃度測定装置を人体の指先に対して適用した例を示す。 図３０のＨ−Ｈ’横断面図である。 血液成分濃度測定装置の縦断面図であり、血液成分濃度測定装置を人体の指先に対して適用した例を示す。 図３２のＮ−Ｎ’横断面図である。 １実施形態に係る血液成分濃度測定装置の回路図である。 音響波発生器及び音波検出手段の一例を示す模式図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は音響波発生器の上面図、（ｃ）は音響波発生器の斜視図、（ｄ）は音響波発生器の下面図である。 １実施例に係る血液成分濃度測定装置の回路図である。 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。 １実施形態に係る血液成分濃度測定装置の装身部の構造の説明図である。 １実施形態に係る血液成分濃度測定装置の装身部の構造の説明図である。 １実施形態に係る血液成分濃度測定装置の装身部の構造の説明図である。 １実施形態に係る指輪型の装身部の説明図である。 １実施形態に係る指輪型の装身部の細部構造の説明図である。 １実施形態に係る指輪型の装身部の断面の説明図である。 １実施形態に係る指輪型の光発生部の説明図である。 １実施形態に係る指輪型の装身部の断面の説明図である。 １実施形態に係る腕輪型の装身部の説明図である。 １実施形態に係る腕輪型の装身部の説明図である。 １実施形態に係る腕輪型の装身部の断面の説明図である。 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。 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。 従来の血液成分濃度測定装置の説明図である。 従来の血液成分濃度測定装置の実装構造の説明図である。 超音波検出器の感度特性の説明図である。 超音波検出器の感度特性の説明図である。 指の構成例を示す断面図である。 人体の指の断面図であり、（ａ）は光音響信号が骨で散乱する様子、（ｂ）は光音響信号が骨で減衰する様子を示す。 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。 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。 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。 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。 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。
本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、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が、被検体としての生体を被測定物としての液体に、被検体としての血液を被測定物としての液体に、水を液体の溶媒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。また、被検体は、生体や血液に限らず、例えば「リンパ液」や「涙」等のものも含まれる。また、被検体として生体を適用した場合には、測定対象とする成分は、血液成分に限らず、例えば「リンパ液成分」や「涙成分」等の成分も含まれる。このように測定対象に応じて種々の成分を測定できる。
（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、後に説明する第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態及び第６実施形態においても適用することができる。
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。
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。
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。
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。
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本の光束として、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。
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。
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。
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。
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。なお、本実施形態に係る血液成分濃度算定手順は、本実施形態において適用する他、後に説明する第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態及び第６実施形態においても適用することができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。なお、なお、本実施形態において説明する光変調手段は、後に説明する第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態及び第６実施形態においても同様である。
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。
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。
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。
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。
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。なお、本実施形態において説明する光発生手段は、後に説明する第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態及び第６実施形態においても同様である。
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。
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。
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。
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。
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。なお、本実施形態において説明する音波検出手段は、後に説明する第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態及び第６実施形態においても同様である。
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場合である。
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、一層高精度に光音響信号を測定することができる。
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、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。
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。なお、本実施形態において説明する光発生手段は、後に説明する第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態及び第６実施形態においても同様である。
２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調する装置構成とすることにより、装置構成が簡略化できる。
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、前記光発生手順及び前記光変調手順は、２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調する手順とすることができる。
２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調する手順とすることにより、手順が簡略化できる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、濾波を行なって、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。
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。
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。
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。
波長λ１および波長λ２の各々光に対して、背景の吸収係数α１ （ｂ）、α２ （ｂ）及び測定対象とする血液成分のモル吸収α１ （０）、α２ （０）が既知の場合、各波長における光音響信号の測定値ｓ１およびｓ２を含む連立方程式は上記数式（１）のように表される。

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。
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λ１および波長λ２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なうと、波長λ１および波長λ２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。
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（αｉ （ｂ）、ｉ＝１、２）の方が、血液成分濃度Ｍを含む項（Ｍαｉ （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、αｉ （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λ１および波長λ２の２波の光は、各々における背景の吸収係数、α１ （ｂ）、α２ （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（４）で表される。
Figure 0005000736
 数式（４）の後段の変形にはｓ１≒ｓ２という性質を用いている。
ここで、数式（４）を見ると、分母に波長λ１および波長λ２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ｓ１−ｓ２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α１ （０）が極大となる波長を波長λ１に選び、かつ、α２ （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λ２を選ぶのが良い。ここで、前の条件から、この第２の波長λ２は、α２ （ｂ）＝α１ （ｂ）、即ち、背景の吸収係数が第１の波長λ１の吸収係数に等しくなければならない。
さらに、数式（４）において、光音響信号ｓ１は、光音響信号ｓ２との差ｓ１−ｓ２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ｓ１および光音響信号ｓ２の強度には、０．１％以下の差異しかない。
しかし、数式（４）の分母の光音響信号ｓ２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ｓ１および光音響信号ｓ２を逐次個別に測定するよりも、それらの差ｓ１−ｓ２を測定しこの測定値を、個別に測定した光音響信号ｓ２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λ１および波長λ２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ｓ１および光音響信号ｓ２が相互に重畳されて生じる光音響信号の差信号ｓ１−ｓ２を測定する。
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（４）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。
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。
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。
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。
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。
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 0005000736
 ここで、ｃは音速、βは熱膨張係数、Ｃｐは定圧比熱である。
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。
また熱源Ｑは、照射光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（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（６）のように表される。
Figure 0005000736
 ここで、音波の波数ｋ＝ω／ｃ＝２πλ（λは音波の波長）を導入した。
数式（６）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（７）のように表される。
Figure 0005000736
今、若干の光分布について数式（７）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、照射光が入射するや否や、全方位に散乱される場合に対応する。
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ｗ０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。
今、既に用いた条件ｒ≫α−１に加えて、ｒ≫ｗ０、および、Ｎ≡ｗ０ ２／（ｒλ）≪１（モデルＡについてのＮは、ｗ０に代えてα−１を用いて定義する）が成り立つ時、数式（７）による計算結果は、以下のようにまとめられる。
Figure 0005000736
 ここで、Ｐ０は照射光の全パワーであり、またＦ（ξ）は、
Figure 0005000736
 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。
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。
従って、生体に対して行な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。
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＝ｗ０ ２／（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。
その結果、照射光のビーム径ｗ０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。
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μｓ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。
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＝μｓ（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。
即ち、今、生体において照射光は、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。
従って、光音響信号が照射光のビーム径に全然依らない場合、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。
２つの波長λ１、および波長λ２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、該２つの波長λ１、および波長λ２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´ｓが報告されている（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ誌、４巻、１９９９年、３６−４６頁、参照）。
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。
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ｗ０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Ｐ０を高め、光音響信号を増大できる。
ここで、照射強度の限度をＩｍａｘと書くと、Ｐ０＝πｗ０ ２Ｉｍａｘであり、フレネル数Ｎは、全パワーＰ０によって、Ｎ＝ｆ／（πｃｒ）（Ｐ０／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Ｐ０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。
数式（８）の与える音圧振幅ｐａを、ＮとＩｍａｘを用いて、書き直すと次のようになる。
Figure 0005000736
 ここで、音圧上界ｐｓｕｐは以下の数式（１１）となる。
Figure 0005000736
 数式（１０）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。
今の場合、数式（１０）のαに関わる変化率、∂ｐａ／∂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。
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。
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（λ１）の光２１１として示す波形となる。
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（λ２）の光２１２として示す波形となる。
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。
ここで、数式（６）では、照射光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。
すなわち、数式（５）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（５）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（６）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。
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（８）で表される音圧を発生するものと考えることができる。
ここで、音波が線形に重畳されることは、数式（５）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。
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（８）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 0005000736
 ここで、αｉＦ（ｋαｉ ―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Ｖｄとして示す信号として、出力端子１１５に出力される。
数式（１２）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 0005000736
 次に、数式（４）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ｓ１−ｓ２が得られているので、次に光音響信号ｓ２を測定すれば、数式（４）から、測定対象の血液成分濃度Ｍを算出できる。
そこで、図５に示す第２の光源（λ２）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。
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Ｖｒとして示す信号として、出力端子１１５に出力される。
ここで光音響信号ｓ２は、光音響信号の差信号ｓ１−ｓ２に対して、逆相となる。また、光音響信号ｓ２は、前記光音響信号の差信号ｓ１−ｓ２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ｓ２と光音響信号の差信号ｓ１−ｓ２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えを行なう。
上記の測定により、２つの測定値Ｖｄ、Ｖｒを得れば、それらの各々を、数式（４）中のｓ１−ｓ２、ｓ２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。
ここで、測定値の比Ｖｄ／Ｖｒから、血液成分濃度Ｍへの変換には、比吸光度α１ （０）／α１ （ｂ）（α２ （０）が非零の場合、更にα２ （０）／α１ （ｂ））を必要とする。
図４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λ１および波長λ２の選定方法を示す。
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。
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。
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。
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。
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λ１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。
ここで、波長１６０８ｎｍにおける背景（水）の吸収係数α１ （ｂ）は、図７から、０．６０８ｍｍ−１と読み取れる。そこで、α２ （ｂ）＝α１ （ｂ）となる波長λ２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λ２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、α２ （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α１ （０）−α２ （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λ２として、１３８１ｎｍを選定する。
長波長側の吸収帯において、２１２６ｎｍを第１の光源１０１の波長λ１（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α１ （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λ２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）
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。
（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。
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、１ｍｍ２当り１ｍＷが最大許容量である。
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＝ｗ０ ２／（ｒλ）を０．１とするビーム径ｗ０は、ｗ０ ２≦１０ｍｍ２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。
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。
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な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。
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。
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本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。
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。
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。
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の光束として生体被検部５１０に照射される。
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。
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。
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=ｋα１ （ｂ）＝２１／２となるように、２０７ｋＨｚに設定されている。
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。
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ｗ０＝２．７ｍｍと設定されている。
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／ｍｍ２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。
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。
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ｓ２に対応する電気信号として、Ｖｒ＝２０μＶの電圧が得られた。
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ｓ２の測定により実施するのが有効である。
ここで、２位相型の位相検波増幅器の場合は、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なう必要はない。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ｓ２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ｓ１−ｓ２の測定を行なう。
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ｓ１−ｓ２に対応する電気信号として、Ｖｄ＝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ｓ２の測定を行い、Ｖｒ＝２２μＶが得られた。これら前後２回のＶｒの平均により、Ｖｒの値は２１μＶとなった。
上記のように、光音響信号の差信号ｓ１−ｓ２の測定の前後に、光音響信号ｓ２に対応する信号すなわちＶｒの測定を２回行なうのが望ましい。
上記の手順によって、差信号ｓ１−ｓ２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。
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（４）により、グルコース濃度Ｍは３．２ｍＭ（５８ｍｇ／ｄｌ）と求まった。
水についての値、Ｃｐ＝１（ｃａｌ／ｇ・ｄｅｇ）＝４．１８×１０３（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）、β＝３００ｐｐｍ／ｄｅｇ、ｃ＝１．５１×１０３（ｍ／ｓ）を用いると、Ｉｍａｘ＝１ｍＷ／ｍｍ２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。
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ｓ２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。
（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。
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ｓ２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ｓ１−ｓ２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。
（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ｓ２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。
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ｓ２として、６００μＶ及び、６０４μＶを得た。また光音響信号の差信号ｓ１−ｓ２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。
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。
（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。
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。
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λ１および波長λ２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なうことが有効である。
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なう校正手順は、以下の通りである。
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の探索を行なう。
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え、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。
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。
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。
（第２実施例（その１））
第２実施例は照射光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。
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。
上記の構成において、音響結合器５１２は、照射光が通過するので、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。
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。
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。）
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。
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。
上記第１実施例と同様に、前段の光音響信号ｓ２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ｓ２として、２００μＶ及び、２０６μＶを得た。また、光音響信号の差信号ｓ１−ｓ２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。
（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。
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。
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ｓ２として、３００μＶ及び、２８９μＶを得た。また光音響信号の差信号ｓ１−ｓ２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。
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。
（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。
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。
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なう校正手順等は、上記、第１実施例（その４）と同様である。
（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、後に説明する第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態及び第６実施形態における実施例においても同様に適用することができる。
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。
ここで、波長２３１０ｎｍにおける背景（水）の吸収係数α１ （ｂ）は、図１１から１．１９ｍｍ−１と読み取れる。そこで、α２ （ｂ）＝α１ （ｂ）となる波長λ２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λ２の候補の各々について、図１２の吸収スペクトルによって、α２ （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α１ （０）−α２ （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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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＝ｋα１ （ｂ）＝２１／２となるように、２０７ｋＨｚに設定されている。
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。
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ｗ０＝２．７ｍｍと設定されている。
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／ｍｍ２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。
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。
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ｓ２に対応する電気信号として、Ｖｒ＝４０μＶの電圧が得られた。
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ｓ２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。
２位相型の位相検波増幅器の場合は、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ｓ２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ｓ１−ｓ２の測定を行なう。
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ｓ１−ｓ２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ｓ２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。
上記のように、光音響信号の差信号ｓ１−ｓ２の測定の前後に、光音響信号ｓ２に対応する信号であるＶｒの測定を２回行なうのが望ましい。上記の手順によって、差信号ｓ１−ｓ２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。
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ｓ１−ｓ２として数百ｎＶの出力値を得ることができた。
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（４）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なえる。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。
（第４実施例）
図５８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。
図５８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。
かかる水温に依存する水の吸光度を、図５８に示す。図５４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。該図５８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。
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５９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。
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。
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(４)によるグルコース濃度Ｍの算定値に加算する。該接触温度計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、該超音波検出器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。
また、図５７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６０に、図５７に示す血液成分濃度測定装置にさらに校正用検体を適用した実施例を示す。
該校正用検体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、該温度計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(４)によるグルコース濃度Ｍの算定値に加算すればよい。
該校正用検体１４１に、液温を一定に保つ恒温手段（図６０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および該生体被検部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。
（第５実施例）
図６１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。
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、上記音響結合器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、上記音響結合器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、該接触温度計１３８によって、該音響結合器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、該接触温度計１３８により計測した表面体温値に基づく補正は、前記第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、また前記接触温度計１３８による表面体温計測に基づく補正等も、上記、第４実施例に準ずて行えばよい。
（第２実施形態）
第２実施形態に係る血液成分濃度測定装置を図１４、図１５に示す。図１４、図１５において、１００は発振器、１０１は第１の光源、１０２は駆動回路、１０３は発振器、１０５は第２の光源、１１６は駆動回路、１０６は第３の光源、１１７は駆動回路、１１８は分周器、１１９は１８０°移相器、１２０は合成器、１１１は生体被検部、１２１は超音波検出器、１２２はフィルタ、１２３は同期検波増幅器、１２４は光音響信号出力端子である。発振器１０３、駆動回路１０２及び第１の光源１０１で光出射手段としての第１の照射部を、発振器１０３、１８０°移相器１１９、駆動回路１１６及び第２の光源１０５で光出射手段としての第２の照射部を、発振器１００、駆動回路１１７及び第３の光源１０６で第２の光出射手段としての第３の照射部を構成する。超音波検出器１２１及びフィルタ１２２で音波検出手段を構成する。
図１４において、発振器１０３は、一定周波数で発振し、第１の光源１０１及び第２の光源１０５を強度変調する周波数を決定することになる。発振器１００は、断続的に発振する発振器であって、第３の光源１０６を強度変調する周期を決定することになる。発振は一定周波数で発振してもよいし、不定期な発振でもよく、前述の発振器１０３の一定周波数の繰り返し間隔よりも長い間隔で断続的に発振すれば足りる。その結果、該第３の光源１０６は、上記第１の光源１０１、第２の光源１０５に対して、発光の繰り返し間隔が長く、光音響信号が生じない程度に変調されるように構成されている。
第１の光源１０１、第２の光源１０５及び第３の光源１０６を同じ発振器で強度変調する構成としてもよい。例えば、図１５において、発振器１０３は、一定周波数で発振し、第１の光源１０１、第２の光源１０５及び第３の光源１０６を強度変調する周波数を決定することになる。発振器１０３からの信号を分周器１１８で分周することにより、第３の光源１０６は、第１の光源１０１及び第２の光源１０５を強度変調する一定の周波数の繰り返し間隔よりも長い間隔で周期的に発振することになる。
第３の光源の発振周波数の決定を除いて、図１４と図１５では同じ機能、作用を奏するため、図１４を用いて説明する。図１４において、発振器１０３からの信号は駆動回路１０２に入力され、駆動回路１０２は第１の光源１０１を駆動する。また、発振器１０３からの信号は１８０°移相器１１９に入力され、反転される。反転された信号は駆動回路１１６に入力され、駆動回路１１６は第２の光源１０５を駆動する。第１の光源１０１と第２の光源１０５とは変調周波数が同じで、互いに逆相で強度変調されることになる。
第１の光源１０１、第２の光源１０５、第３の光源１０６は各々駆動回路１０２、駆動回路１１６、駆動回路１１７に駆動され、各々所定の波長で、かつ変調された光を出力する。合成器１２０は第１の光源１０１からの光のビームと第２の光源１０５からの光のビームとを合成し、被検体としての生体被検部１１１に照射する。第３の光源１０６からの光のビームも合成する構成にすると、生体被検部１１１に光を集中させることができるため、効率的に光音響信号を発生させることができる。なお、第１の光源１０１からの光のビーム、第２の光源１０５からの光のビーム及び第３の光源１０６からの光のビームを合成することは、本実施形態において適用する他、第１実施形態、並びに後に説明する第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態及び第６実施形態においても適用することができる。
超音波検出器１２１は、生体被検部１１１に対して、合成器１２０からの合波光および第３の光源１０６の出力光が照射される面と反対側の面に接して設置される。超音波検出器１２１は、生体被検部１１１で発生した音波、すなわち光音響信号を受信し、音圧に比例した電気信号に変換し、出力する。フィルタ１２２は発振器１０３の発振周波数と同じ周波数の信号を通過させ、同期検波増幅器１２３はフィルタ１２２から入力される信号を、同期信号入力端子から入力される同期信号により同期検波し、同期検波した超音波の振幅を光音響信号出力端子１２４へ出力する。同期検波増幅することにより、光音響信号から高感度に超音波の振幅を検出することができる。なお、同期検波増幅器１２３により同期検波増幅することは、本実施形態において適用する他、第１実施形態、並びに後に説明する第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態及び第６実施形態においても適用することができる。
ここで、第１の光源１０１の出力する光の波長をλ１、第２の光源１０５の出力する光の波長をλ２、第３の光源１０６の出力する光の波長をλ３と定義する。波長λ３の光の生体への照射によって、血液密度が大きい部位にのみ吸収が生じ、光―熱変換により温度が上昇する。例えば、光ＣＴ法においては、およそ波長８００ｎｍ程度の光が用いられるが、測定においては、生体内部の温度が０．１℃程度変化することが報告されており、またこの程度の温度上昇では人体に害がないことが知られている。さて、断続的な光照射によって生ずる音圧Ｐは以下のように表せる。
Figure 0005000736
ここで、Ｉは照射光強度、βは熱膨張係数、ｃは音速、Ｃｐは比熱である。上記、パラメータの内、β、ｃのみが温度に依存する。熱膨張係数βは１℃当たり３％変化するため、０．１℃の温度変化によって、数式（１４）に従えば、光音響信号は約０．３％変化することになる。グルコースの変化量５ｍｇ／ｄＬによる光音響信号の変化が０．０１７％であるから、それに比し、２０倍の信号の変化を生じうる。波長λ３の光の同時照射による温度上昇が、血液密度の高い部位において発生した光音響信号の増加をもたらす。
次に、本実施形態による血液成分算定方法を以下に式を用いて述べる。波長λ１、λ２の各々に対して、主に水の背景による吸収係数α１ （ｂ）、α２ （ｂ）及び血液成分のモル吸収係数α１ （０）、α２ （０）を知る時、各波長における光音響信号測定値ｓ１、ｓ２を含む連立方程式、数式（１）を解いて、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、音響結合、超音波検出器の感度、照射部から接触部の距離ｒ、比熱、熱膨張係数、音速、並びに変調周波数、更に、吸収係数にも依存する未知乗数である。数式（１）において、Ｃを消去すると、数式（４）となり、光音響信号ｓ、および既知の吸収係数αより濃度Ｍを求めることができる。但し、数式（１）は、波長λ１、λ２の各々に対して、主に水の背景による吸収係数α１ （ｂ）とα２ （ｂ）がほぼ等しいことを前提にしている。また、ｓ１≒ｓ２という性質を用いている。
さて、本実施形態に係る方法では、血液部分と表皮、細胞、脂肪などの組織部分での水の音響発生量に差異があることから、数式（１）を次のように書き換える。
Figure 0005000736
ここで、Ｃｂは血液における未知係数、Ｃｔは表皮、細胞、脂肪などの組織における未知係数である。波長λ３の光の同時照射による温度変化により、血液密度の高い部位において発生した光音響信号を増幅する。この増幅率をＡとすれば、数式（１５）は、
Figure 0005000736
 と書き換えられる。
数式（１６）の両式から数式（１５）の差分をとれば、
Figure 0005000736
 となり、非血液部位である組織からの水の光音響信号を除去される。
ここで、数式（１７）において、（Ａ−１）を消去すると、
Figure 0005000736
 となり、数式（４）と同様に差分音響信号Δｓ、および既知の吸収係数αより濃度Ｍを求めることができる。但し、数式（１８）は、波長λ１、λ２の各々に対して、主に水の背景による吸収係数α１ （ｂ）とα２ （ｂ）がほぼ等しいことを前提にしている。また、Δｓ１≒Δｓ２という性質を用いている。
ここで、血液成分の分離による成分濃度算出の精度向上だけではなく、元来グルコースの存在が無視し得るほど少なく、また全体に占める光音響信号の発生量が大きい非血液組織からの背景信号が除去できる点にある。従って、従来法に比べ、組織内温度変化等が予測される背景雑音が、本方式では測定結果に影響を与えない利点を有する。
図１６は本実施形態による血液成分算定方法を示した図である。図１５を参照しつつ、本実施形態における測定手順を詳述する。前記第１の光源１０１は、発振器１０３から駆動回路１０２を介して強度変調され、図１６の上段に示すような波長λ１の第１の光源の出力波形１９４の光を出力する。一方、前記第２の光源１０５は、第１の光源１０１に同期して強度変調される。第２の光源１０５は前記１８０°移相器１１９により、上記第１の光源１０１に対して、逆相に変調される結果、図１６の中段に示すような波長λ２の第２の光源の出力波形１９５の光を出力する。上記第３の光源１０６は、発振器１０３の発振周波数が分周器１１８により分周された周波数で、かつ発振器１０３に同期して強度変調され、図１６の下段に示すような波長λ３の第３の光源の出力波形１９６の光を出力する。
図１７は本実施形態によって測定される光音響信号を示した図である。図１５を参照しつつ、本実施形態によって測定される光音響信号について説明する。波長を異にする２つの光のビームは、合成器１２０により合成され、生体被検部１１１に照射される。ここで、各光は、独立に音波を発生するものと考える。音波についての線形の重畳は、Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程式の線形性より既に保証されているからである。従って、図１７第１段に示すような第１の光源（波長λ１）による光音響信号１９７、及び図１７第２段に示すような第２の光源（波長λ２）による光音響信号１９８が発生する。更に図１７第３段に示すような第３の光源（波長λ３）による温度変化１９９が生ずるため、超音波検出器１２１に音圧として検出され、フィルタ１２２を通過した光音響信号の総和２００は図１７第４段に示すような変調を受けている。
検出された光音響信号の総和２００における第１ピーク値と第２ピーク値の差からΔｓ１：２０８が得られる。また、第１谷値と第２谷値の差からΔｓ２：２０９が得られ、数式（１７）から、成分濃度Ｍを算出できる。若しくは、温度上昇時の信号振幅はＡｓ１１−Ａｓ２に対応し、温度下降時の信号振幅はｓ１−ｓ２に対応することから、両者の差をとることで、Δｓ１―Δｓ２を得ることができる。あるいは、信号Δｓ１、Δｓ２を得るために、波長λ１またはλ２の光のみの照射下で、光音響信号を測定する方法もある。この場合、第１の光源１０１の波形を保ったまま、第２の光源１０５の出力を零とする。これは、合成器１２０の入力部の前に、第１の光源１０１若しくは第２の光源１０５の出力光を機械的なシャッターで遮る、又は、駆動回路１０２若しくは駆動回路１１６の出力を第１の光源１０１若しくは第２の光源１０５の発振閾値以下に落とすことにより実現できる。
以上説明したように、第１の光源及び第２の光源に対して、血液成分として血液のみに存在するヘモグロビンが特徴的な吸収を呈する波長を有する第３の光源を追加し、且つ光音響信号が生じない程度の変調周波数を用い、測定を行えば、血液の吸収による血液密度が高い領域における温度上昇が生じ、音速の変化から生じる光音響信号は増大する。この結果、光音響信号の変化は即ち、血液の温度変化に対応しており、血液部位で発生する光音響信号を増大させることができる。従って、生体に直接的に圧力を与えず、かつ血液部位のみに単独に温度変化を生じさせることができるため、血液部位を効果的に判別することができる。本実施形態は、このように血液部位と非血液部位の分離を非侵襲に再現できる手法である。
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、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置および血液成分濃度測定装置制御方法は、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。
（実施例）
ここで、第２実施形態における具体的な実施例について説明する。
（第１実施例）
図１８に第１実施例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構成を示す。図１８において、５２３は第１の半導体レーザ光源、５２４は駆動電流源、５２５は発振器、５２６はレンズ、５２７は第２の半導体レーザ光源、５２８は駆動電流源、５２９は１８０°移相器、５３０はレンズ、５３１は合成器、５３２は第３の半導体レーザ光源、５３３は駆動電流源、５３４は分周器、５３５はレンズ、５３６は合成器、５３７は生体被検部、５１６は音響レンズ、５１７は音響整合器、５１８は超音波検出器、５１９は高域通過フィルタ、５２０は同期検波増幅器、５２１は光音響信号出力端子、５２２は温度計測器である。
図１８において、発振器５２５は一定周波数で発振し、第１の半導体レーザ光源５２３及び第２の半導体レーザ光源５２７を強度変調する周波数を決定することになる。発振器５２５からの信号を分周器５３４で分周することにより、第３の半導体レーザ光源５３２は、第１の半導体レーザ光源５２３及び第２の半導体レーザ光源５２７を強度変調する一定の周波数の繰り返し間隔よりも長い間隔で周期的に発振することになる。
発振器５２５からの信号は駆動電流源５２４に入力され、駆動電流源５２４は第１の半導体レーザ光源５２３を駆動する。また、発振器５２５からの信号は１８０°移相器５２９に入力され、反転される。反転された信号は駆動電流源５２８に入力され、駆動電流源５２８は第２の半導体レーザ光源５２７を駆動する。第１の半導体レーザ光源５２３と第２の半導体レーザ光源５２７とは変調周波数が同じで、互いに逆相で強度変調されることになる。
第１の半導体レーザ光源５２３、第２の半導体レーザ光源５２７、第３の半導体レーザ光源５３２は各々駆動電流源５２４、駆動電流源５２８、駆動電流源５３３に駆動され、各々所定の波長で、かつ変調された光を出力する。第１の半導体レーザ光源５２３からの光はレンズ５２６でビームに変換され、第２の半導体レーザ光源５２７からの光はレンズ５３０でビームに変換され、合成器５３１で１つのビームに合成される。第３の半導体レーザ光源５３２からの光はレンズ５３５でビームに変換され、合成器５３６で合成器５３１からのビームにさらに合成される。合成されたビームは、被検体としての生体被検部５３７に照射される。なお、前述したように、第１の光源５２３からの光のビーム、第２の光源５２７からの光のビーム及び第３の半導体レーザ光源５３２からの光のビームを合成することは、本実施例において適用する他、第１実施形態、並びに後に説明する第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態及び第６実施形態においても適用することができる。
合成器５３６の出力光が照射される生体被検部５３７の近傍に温度計測器５２２が設置され、第３の半導体レーザ光源５３２の光によって生ずる生体被検部５３７の温度変化が検出され、温度計測器５２２の出力を駆動電流源５３３の制御端子に入力して、生体被検部５３７の温度変化が所望の値となるように駆動電流源５３３の駆動電流を調整する。
合成器５３６からの光のビームが照射される生体被検部５３７の面の反対側の面に接して、音響レンズ５１６、音響整合器５１７及び超音波検出器５１８が設置される。音響レンズ５１６は、生体被検部５３７の中に発生する音波すなわち光音響信号を収束し、音響整合器５１７を介して、超音波検出器５１８へ効率よく伝達する。音響整合器５１７は音響レンズ５１６と超音波検出器５１８の間の光音響信号の伝達効率を高める。超音波検出器５１８は、生体被検部５３７で発生した光音響信号を受信し、音圧に比例した電気信号に変換し、出力する。高域通過フィルタ５１９は発振器５２５の発振周波数と同じ周波数の信号を通過させ、同期検波増幅器５２０は高域通過フィルタ５１９から入力される信号を、同期信号入力端子から入力される同期信号により同期検波し、同期検波した光音響信号の振幅を光音響信号出力端子５２１へ出力する。
上記構成において第１の半導体レーザ光源５２３の波長を１３８０ｎｍとし、第２の半導体レーザ光源５２７の波長を１６０８ｎｍとし、第３の半導体レーザ光源５３２の波長を８００ｎｍとした。また、第１の半導体レーザ光源５２３および第２の半導体レーザ光源５２７は２００ｋＨｚの変調周波数で強度変調した。人体に害を及ぼさない温度上昇２℃以下である。従って、初期温度３７℃とした時の最大許容温度は３９℃である。例えば、生体内に０．１〜０．２℃の温度変調が起こるように、生体組織の熱拡散定数を考慮し、第３の半導体レーザ光源５３２の変調周波数を１００Ｈｚ以下に分周器の分周率を設定するが、所望の温度変化を生じさせる変調周波数は光源の波長およびビーム径に依存するため、温度計測器や光音響信号の強度を見つつ、光源出力等を含めた調整が必要である。但し、最も測定時間を短くするには、第３の半導体レーザ光源５３２の出力光は、第１の半導体レーザ光源５２３および第２の半導体レーザ光源５２７の出力光と同軸上に合わせ、ビーム径も同程度となるようにレンズ５３５を選択、調整することが効果的である。以上を考慮して、それぞれの光源出力は５ｍＷに設定した。レンズ５２６、レンズ５３０、レンズ５３５を調整し、ビーム径をそれぞれ３ｍｍと設定した。なお、第１の半導体レーザ光源５２３および第２の半導体レーザ光源５２７のビーム径を同程度とすることは、本実施形態において適用する他、第１実施形態、並びに後に説明する第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態及び第６実施形態においても適用することができる。
光を生体被検部５３７に照射することで生じる生体からの光音響信号は音響レンズ５１６、音響整合器５１７を介して超音波検出器５１８に到達する。超音波を超音波検出器５１８の中央部に収束させる音響レンズ５１６は、生体組織と音響インピーダンスが近い部材を用い、例えばシリコーンを用いて作製した。また、光音響整合器５１７の部材は音響レンズ５１６の部材と超音波検出器５１８の部材のほぼ中間の音響インピーダンスを有している部材、例えばアクリルを用いて作製した。超音波検出器５１８は、第１の半導体レーザ光源５２３、第２の半導体レーザ光源５２７の変調周波数と同程度の固有振動数を持つように設計された圧電素子、若しくはコンデンサマイクロフォンである。光音響信号は超音波検出器５１８で電気信号に変換され、同期検波増幅器５２０で超音波の振幅が検出される。
第１の半導体レーザ光源５２３を遮った時、即ち第２の半導体レーザ光源５２７のみの場合、同期検波増幅器５２０の出力レベルは２０μＶ程度であった。第３の半導体レーザ光源５３２を遮り、第１の半導体レーザ光源５２３および第２の半導体レーザ光源５２７を同時に照射した場合、同期検波増幅器５２０の出力レベルは５ｎＶ程度であった。更に第３の半導体レーザ光源５３２を追加し、温度変調しつつ、信号を検出した。温度上昇時の得られた同期検波増幅器５２０の出力レベルは５．３７ｎＶであった。また、温度下降時に得られた同期検波増幅器５２０の出力レベルは５．３３ｎＶであった。
両者の差から数式（１８）におけるΔｓ１−Δｓ２は４２．１ｐＶとなる。また、Δｓ２は温度上昇時の谷値と温度下降時の谷値の差を、例えば、オシロスコープ等で読むことで求まり、６０．３ｎＶであった。以上から、数式（１８）を用いて、既知の１６０８ｎｍにおける比吸光度値０．１１４Ｍ−１を用いて、グルコース濃度Ｍが３ｍＭ（５０ｍｇ／ｄＬ）と求まった。
以上の実施例において説明した血液成分濃度測定では、生体被検部５３７に対して、光を照射する面と反対側の面で光音響信号を測定する前方伝搬型である。これに対して、生体被検部５３７に対して、光を照射する面と同じ面で光音響信号を測定する後方伝搬型の構成も可能であり、動作は上記の前方伝搬型と同様である。
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、本実施形態の血液成分濃度測定装置および血液成分濃度測定装置制御方法は、生体以外の測定対象に対しても実施できる。この場合、一般に溶媒に対しては等しい吸収係数を有し、液体成分に対し吸収係数が異なる２つの波長を用いれば、溶媒の吸収に掩蔽されることなく、液体成分の検出が行える。
（第２実施例）
図１９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発明を液体成分分析に用いた実施例を示す。液体試料の例を挙げれば、糖類を添加した液状食品若しくは飲料品である。図１９において、７０１は第１の半導体レーザ光源、７０２は駆動電流源、７０３は発振器、７０４はレンズ、７０５は第２の半導体レーザ光源、７０６は駆動電流源、７０７は１８０°移相器、７０８はレンズ、７０９は合成器、７１０は第３の半導体レーザ光源、７１１は駆動電流源、７１２は分周器、７１３はレンズ、７１４は合成器、７１５は液体試料、７１６は試料セル、７１７は音響整合器、７１８は超音波検出器、７１９は高域通過フィルタ、７２０は同期検波増幅器、７２１は光音響信号出力端子、７２２は温度計測器である。
重複を避けるため、図１８に示す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実施例と異なる部分を中心に説明する。
合成器７１４により合成された合成光は液体試料７１５へ照射される。合成器７１４の出力光が照射される部分の近傍の試料セル７１６に温度計測器７２２が設置され、温度計測器７２２の出力端子は信号線により駆動電流源７１１の制御端子に接続されている。温度計測器７２２は液体試料７１５の温度を計測して、測定結果を電気信号として出力端子へ出力する機能を有する。
合成器７１４の出力光が照射される試料セル７１６の面の反対側の面に接して、音響整合器７１７が設置される。音響整合器７１７を介して、超音波検出器７１８が設置される。音響整合器７１７は試料セル７１６と超音波検出器７１８の間の光音響信号の伝達効率を高める機能を有する。
本実施例において、測定対象は脂肪分と水分が混合された食品溶液中に含まれる糖分濃度である。２種類の混合溶液の脂肪分のみに含有される糖分濃度のみを測定するため、図１９において、第１の半導体レーザ光源７０１の波長を１３８０ｎｍとし、第２の半導体レーザ光源７０５の波長を１６０８ｎｍとし、第３の半導体レーザ光源７１０の波長を脂肪分が顕著に吸収を呈する１７１０ｎｍとした。
第１の半導体レーザ光源７０１及び第２の半導体レーザ光源７０５の変調周波数を２００ｋＨｚとした。液体の熱拡散定数を考慮し、液体内に０．１〜０．２℃の温度変調が起こるように分周器７１２の分周比を設定して、第３の半導体レーザ光源７１０の変調周波数を１００Ｈｚ以下とした。実際には、所望の温度変化を生じさせる変調周波数は光源の波長及びビーム径に依存するため、温度計測器７２２の測定する温度や光音響信号の強度を見つつ、光源出力を含めた調整を行った。
測定時間を短くするには、第３の半導体レーザ光源７１０の出力光は、第１の半導体レーザ光源７０１及び第２の半導体レーザ光源７０５の出力光と同軸上に合わせ、ビーム径も同程度となるようにレンズ７１３を選択、調整することが効果的である。
以上を考慮して、第１の半導体レーザ光源７０１、第２の半導体レーザ光源７０５及び第３の半導体レーザ光源７１０の光源出力はそれぞれ１２ｍＷとした。また、レンズ７０４、レンズ７０８及びレンズ７１３を調整し、第１の半導体レーザ光源７０１、第２の半導体レーザ光源７０５及び第３の半導体レーザ光源７１０のビーム径をそれぞれ４ｍｍとした。
第１の半導体レーザ光源７０１、第２の半導体レーザ光源７０５及び第３の半導体レーザ光源７１０からの照射光を液体試料７１５に照射すると、液体試料７１５で生じる音波すなわち光音響信号は試料セル７１６、音響整合器７１７を介して超音波検出器７１８に到達する。音響整合器７１７の部材は、試料セル７１６の部材、例えばガラスと、超音波検出器７１８の部材、例えばセラミックスとの中間の音響インピーダンスを有している部材、例えばアルミニウムを用いて作製した。
試料セル７１６と音響整合器７１７との間、及び音響整合器７１７と超音波検出器７１８との間に音響整合剤を塗布し、空気層の介在による反射の影響を低減した。超音波検出器７１８は、第１の半導体レーザ光源７０１及び第２の半導体レーザ光源７０５の変調周波数と同程度の固有振動数を持つように設計された圧電素子又はコンデンサマイクロフォンである。光音響信号は超音波検出器７１８で電気信号に変換され、高域通過フィルタ７１９を通過する。このときに、２００ｋＨｚ近傍では減衰せず、１ｋＨｚで２０ｄＢ以上減衰するように遮断周波数及び時定数を設定した。
高域通過フィルタ７１９から出力した電気信号は、同期検波増幅器７２０で検出される。第１の半導体レーザ光源７０１の出力を遮ったとき、即ち、第２の半導体レーザ光源７０５のみの場合の同期検波増幅器７２０の出力は、１２０μＶ程度であった。第３の半導体レーザ光源７１０の出力を遮り、第１の半導体レーザ光源７０１及び第２の半導体レーザ光源７０５を同時に照射した場合、得られた同期検波増幅器７２０の出力は、１２ｎＶｐ−ｐ程度であった。さらに、第３の半導体レーザ光源７１０を追加し、温度変調した。温度上昇時に得られた同期検波増幅器７２０の出力は、４．３３μＶｐ−ｐであった。また、温度下降時に得られた同期検波増幅器７２０の出力は、４．３６μＶｐ−ｐであった。両者の差から数式（１８）において、Δｓ１−Δｓ２は３０ｎＶであった。
Δｓ２は温度上昇時の谷値と温度下降時の谷値の差を、例えば、オシロスコープ等で読むことにより求まる。本実施例では５．４μＶであった。
これらの結果、数式（１８）を用いて、既知の１６０８ｎｍの波長における比吸光度値０．１１４Ｍ−１を用いると、グルコース濃度Ｍは４５ｍＭ（７５０ｍｇ／ｄＬ）と求まった。
以上の実施例において説明した液体成分濃度測定では、液体試料７１５に対して、光を照射する面と反対側の面で光音響信号を測定する前方伝搬型である。これに対して、液体試料７１５に対して、光を照射する面と同じ面で光音響信号を測定する後方伝搬型の構成も可能であり、動作は上記の前方伝搬型と同様である。
前述の実施形態や実施例の構成において、液体試料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。
（第３実施形態）
本実施形態の血液成分濃度測定装置は、光を発生する光発生手段と、前記光発生手段が発生する光を変調する変調周波数を掃引する周波数掃引手段と、前記周波数掃引手段からの信号により前記光発生手段で発生した光を電気的に強度変調する光変調手段と、前記強度変調された光を液体に向けて出射する光出射手段と、前記出射された光により液体内に発生する音波、すなわち光音響信号を検出する音波検出手段と、前記音波検出手段が検出した光音響信号を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手段と、を備えた血液成分濃度測定装置である。
図２０を参照して本実施形態の血液成分濃度測定装置を説明する。図２０に示す本実施形態の血液成分濃度測定装置の構成例は光発生手段としての光源１１２、光出射手段としてのレンズ９９、変調手段としての駆動回路１０４および発振器１０３、周波数掃引手段としての制御回路１２５、音波検出手段としての音響結合器１２６、超音波検出器１２７および位相検波増幅器１２８、積算手段としての計算機１２９、を含んで構成される。
発振器１０３は信号線により駆動回路１０４、位相検波増幅器１２８、制御回路１２５とそれぞれ接続され、また発振器１０３は発振した信号を、駆動回路１０４、位相検波増幅器１２８のそれぞれに送信するとともに、制御回路１２５から発振周波数の掃引を制御する信号を受信する。
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光源１１２へ駆動電力を供給し、光源１１２を発光させ、さらに光源１１２の出力する光を発振器１０３の発振周波数に同期して強度変調する。ここで、光源１１２の出力する光の波長は生体内の測定対象の血液成分が吸収を呈する波長に設定されている。
光源１１２が出力した光はレンズ９９を通過し、生体被検部１１０の所定の位置へ照射され、生体被検部１１０の内部に光音響信号を発生させる。
超音波検出器１２７は音響結合器１２６を介して、生体被検部１１０の中に発生した前記音波を検出し、検出した前記音波の大きさに比例する電気信号に変換して、信号線で接続されている位相検波増幅器１２８へ送信する。ここで、音響結合器１２６は一方の面を生体被検部１１０に接し、他方の面を超音波検出器１２７に接し、生体被検部１１０の中に発生した前記光音響信号を効率よく超音波検出器１２７へ伝達する機能を有する。
位相検波増幅器１２８は発振器１０３から送信されて来る信号を受信し同期検波のための同期信号として、超音波検出器１２７から送信されて来る前記光音響信号の大きさに比例する電気信号を受信して、同期検波ならびに増幅、濾波し、信号線により接続されている計算機１２９へ送信する。
計算機１２９は位相検波増幅器１２８から送信されて来る前記信号を受信し、受信した前記信号を、制御回路１２５から受信する発振器１０３の掃引する発振周波数範囲で、積算し、積算した前記光音響信号の検出結果から、超音波検出器１２７の検出感度が増加する共振周波数における検出値を選択して、選択した値を積算する。ここで、計算機１２９又は図示していない外部の装置により、積算した検出値から測定対象の血液成分濃度を算定することができる。
さらに、計算機１２９は位相検波増幅器１２８から送信されて来る前記信号を受信し、受信した前記信号と、制御回路１２５から受信する発振器１０３の掃引する発振周波数から、発振器１０３の発振周波数、すなわち変調周波数の掃引の範囲が超音波検出器１２７の共振周波数の変化の範囲を含むように発振器１０３を制御するための制御信号を、信号線で接続されている制御回路１２５へ送信する。
ここで、計算機１２９は光源１１２の前記変調周波数を、図２１に示す超音波検出器の感度特性の例において、例えば、共振特性の半値幅の周波数よりも広い範囲を掃引するように、発振器１０３の発振周波数の掃引を制御する信号を制御回路１２５へ送信してもよい。また、共振特性のピーク値から数分の１、例えば２分の１になる周波数範囲で掃引するように、発振器１０３の発振周波数の掃引を制御する信号を制御回路１２５へ送信してもよい。制御回路１２５は計算機１２９から送信される制御信号に従って発振器１０３の発振周波数を制御する。
上記のように、本実施形態の血液成分濃度測定装置は超音波検出器１２７の共振特性が変化した場合でも、生体へ照射する光の変調周波数を掃引して生体内の光音響信号を検出することにより、光音響信号の検出値の中から超音波検出器１２７の共振周波数に合った状態で、高感度で検出された値を選定して、積算して、正確に血液成分濃度を測定できる。
本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は、光発生手段が、光を発生する光発生手順と、周波数掃引手段が、前記光発生手順で発生した光を変調する周波数を掃引する周波数掃引手順と、光変調手段が、前記周波数掃引手順で掃引した信号により前記光発生手順で発生した光を電気的に強度変調する光変調手順と、音波検出手段が、前記光出射手順において前記光変調手順において強度変調された光を液体に向けて出射する光出射手順と、積算手段が、出射された光により液体内に発生する音波、ずなわち光音響信号を検出する音波検出手順と、積算手段が、前記音波検出手順で検出した光音響信号を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手順と、を順に含む血液成分濃度測定装置制御方法である。
本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は、例えば、図２０に示す制御回路１２５により周波数を制御され発振周波数が掃引する発振器１０３の出力を駆動回路１０４へ送信し、掃引する周波数を受信した駆動回路１０４により、例えば半導体レーザにより構成される光源１１２を駆動して光を発生させ、さらに強度変調する。この場合、光源１１２は光を発生し、発生する光を前記掃引する周波数により強度変調することができる。ここで、光源１１２が発生する光の波長は測定対象とする血液成分が吸収を呈する波長に設定する。
上記のように、前記強度変調された光を生体へ照射して、照射された前記強度変調された光により生体内に発生する光音響信号を例えば、図２０に示す音響結合器１２６を介して超音波検出器１２７で検出し、光音響信号の大きさに比例する電気信号に変換して位相検波増幅器１２８により同期検波し増幅し濾波し、さらに所定の時間にわたり積算し平均して、計算機１２９へ送信する。
上記のように、検出された前記光音響信号は圧力に比例する電気信号として、例えば図２０に示す計算機１２９により掃引された変調周波数範囲で積算し、積算した前記光音響信号の大きさに比例する電気信号の中から、検出感度が増加する共振周波数における検出値又は周波数を選択して、選択した周波数範囲で積算して、前記血液成分濃度を算定する。
上記の方法により、生体内の光音響信号を検出する超音波検出器１２７の共振周波数が変化した場合でも、超音波検出器１２７の共振周波数に一致する周波数における光音響信号の検出値を選定し、積算して、血液成分濃度を算定できるので、正確に血液成分濃度を測定できる。
本実施形態の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、前記光発生手段が発生した光を変調する周波数を掃引する周波数掃引手段と、前記周波数掃引手段からの信号により前記異なる波長の２波の光を各々逆位相で電気的に強度変調する光変調手段と、前記強度変調された異なる波長の２波の光を１の光束に合波し液体に向けて出射する光出射手段と、前記出射された光により液体内に発生する音波、すなわち光音響信号を検出する音波検出手段と、前記音波検出手段が検出した光音響信号を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手段と、を備えた血液成分濃度測定装置である。
さらに、本実施形態の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。
図２２を参照して、本実施形態の血液成分濃度測定装置の構成について説明する。図２２に示す本実施形態の血液成分濃度測定装置は光発生手段としての第１の光源３０１および第２の光源３０２、光出射手段としての合波器３０８、変調手段としての発振器２９８、駆動回路３０３、駆動回路２９７および１８０°移相器２９９、周波数掃引手段としての制御回路３００、音波検出手段としての音響結合器３２７および超音波検出器３２８および位相検波増幅器３２９、積算手段としての計算機３３０、を含んで構成される。
発振器２９８は信号線により駆動回路３０３、１８０°移相器２９９、位相検波増幅器３２９、制御回路３００とそれぞれ接続され、また発振器２９８は発振した信号を、駆動回路３０３、１８０°移相器２９９、位相検波増幅器３２９のそれぞれに送信するとともに、制御回路３００から発振周波数の掃引を制御する信号を受信する。
駆動回路３０３は発振器２９８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３０１へ駆動電力を供給し、第１の光源３０１を発光させ、さらに第１の光源３０１の出力する光を発振器２９８の発振周波数に同期して強度変調する。
１８０°移相器２９９は発振器２９８から送信された信号を受信し、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２９７へ送信する。
駆動回路２９７は１８０°移相器２９９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３０２へ駆動電力を供給し、第２の光源３０２を発光させ、さらに第２の光源３０２の出力する光を発振器２９８の発振周波数に１８０°の位相変化を与えた信号に同期して強度変調する。従って、第１の光源３０１と第２の光源３０２の各々の出力する光は互いに逆相の信号により変調される。
ここで、図２２に示す第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々の波長は、１波の光の波長を測定対象とする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。
第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々は、上記のように互いに異なる波長の光を出力し、各々が出力した光は、第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々と光波伝送手段により接続された合波器３０８へ入力される。
第１の光源３０１の出力した光と第２の光源３０２の出力した光は、合波器３０８に入力され、合波されて、１の光束として被検体としての生体被検部３０９の所定の位置へ照射され、生体被検部３０９内に音波、すなわち光音響信号を発生させる。
超音波検出器３２８は音響結合器３２７を介して、生体被検部３０９の中に発生した前記光音響信号を検出し、検出した前記光音響信号の大きさに比例する電気信号に変換して、信号線で接続されている位相検波増幅器３２９へ送信する。
ここで、第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々の波長は、測定対象とする血液成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する。一方、上記水の呈する吸収の差を０とし、１波の光の波長を測定対照とする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。さらに、第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々の波長は、測定対象とする血液成分の呈する吸収の差がそれ以外の血液成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定することが望ましい。なお、第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々の波長を上記の値に設定することは、本実施形態に適用する他、第１実施形態、第２実施形態、及び後に説明する第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態、第６実施形態においても適用することができる。
そして、第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々が出力した光は互いに逆相に変調されているので、生体被検部３０９へ照射された第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々が出力した光を合波した光により生体被検部３０９内に発生する光音響信号は、生体被検部３０９へ照射された合波光を測定対象とする血液成分と水が吸収して発生した光音響信号と、水のみが吸収して発生した光音響信号が、光音響信号の段階で相互に重畳して、光音響信号の大きさの差として超音波検出器３２８に検出される。
音響結合器３２７は一方の面を生体被検部３０９に接し、他方の面を超音波検出器３２８に接し、生体被検部３０９の中に発生した前記光音響信号を効率よく超音波検出器３２８へ伝達する機能を有する。
位相検波増幅器３２９は発振器２９８から送信されて来る信号を受信し同期検波のための同期信号として、超音波検出器３２８から送信されて来る前記光音響信号の大きさに比例する電気信号を受信して、同期検波ならびに増幅、濾波し、信号線により接続されている計算機３３０へ送信する。
計算機３３０は位相検波増幅器３２９から送信されて来る前記信号を受信し、受信した前記信号を、制御回路３００から受信する発振器２９８の掃引する発振周波数範囲で、積算し、積算した前記光音響信号の検出結果から、超音波検出器３２８の検出感度が増加する共振周波数における検出値又は周波数を選択して、選択した範囲で積算して、前記血液成分濃度を算定する。ここで、計算機３３０又は図示していない外部の装置により、積算した検出値から測定対象の血液成分濃度を算定することができる。
さらに、計算機３３０は位相検波増幅器３２９から送信されて来る前記信号を受信し、受信した前記信号と、制御回路３００から受信する発振器２９８の掃引する発振周波数から、発振器２９８の発振周波数、すなわち変調周波数の掃引の範囲が超音波検出器３２８の共振周波数の変化の範囲を含むように発振器２９８を制御するための制御信号を、信号線で接続されている制御回路３００へ送信する。
ここで、計算機３３０は第１の光源３０１および第２の光源３０２の変調周波数を、図２１に示す超音波検出器の感度特性の例において、例えば、共振周波数特性の半値幅の周波数よりも広い範囲を掃引するように、発振器２９８の発振周波数の掃引を制御する信号を制御回路３００へ送信してもよい。共振特性のピーク値から数分の１、例えば２分の１になる周波数範囲を掃引するように、発振器２９８の発振周波数の掃引を制御する信号を制御回路３００へ送信してもよい。制御回路３００は計算機３３０から送信される制御信号に従って発振器２９８の発振周波数を制御する。
上記のように、本実施形態の血液成分濃度測定装置においては第１の光源３０１の出力した光と第２の光源３０２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。
また、上記のように、本実施形態の血液成分濃度測定装置は超音波検出器３２８の共振特性が変化した場合でも、変調周波数を掃引して生体内の光音響信号を検出することにより、光音響信号の検出値の中から超音波検出器３２８の共振周波数に合った状態で、高感度で検出された値を選定して、積算して、正確に血液成分濃度を測定できる。
本実施形態の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、周波数掃引手段が、前記光発生手順で発生した光を変調する周波数を掃引する周波数掃引手順と、光変調手段が、前記周波数掃引手順で掃引した信号により前記異なる波長の２波の光を各々逆位相で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の光束に合波し液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出射された光により液体内に発生する音波、すなわち光音響信号を検出する音波検出手順と、積算手段が、前記音波検出手順で検出した光音響信号を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手順と、を順に含む血液成分濃度測定装置制御方法である。
本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は、例えば、図２２に示す制御回路３００により周波数を制御され発振周波数が掃引する発振器２９８の出力を駆動回路３０３、および１８０°移相器２９９を介して駆動回路２９７、の各々へ送信し、掃引する周波数を受信した駆動回路３０３および駆動回路２９７により、例えば半導体レーザにより構成される第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々を駆動して光を発生させ、さらに強度変調する。この場合、第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々は光を発生し、各々が発生する光を前記掃引する周波数により強度変調することができる。
ここで、第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々の波長は、測定対象とする血液成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する。一方、上記水の呈する吸収の差を０とし、第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々の波長は、１波の光の波長を測定対象とする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。さらに、第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々の波長は、測定対象とする血液成分の呈する吸収の差がそれ以外の血液成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定することが望ましい。なお、第１の光源３０１および第２の光源３０２の各々の波長を上記の値に設定することは、本実施形態に適用する他、第１実施形態、第２実施形態、及び後に説明する、第４実施形態、第５実施形態、第６実施形態においても適用することができる。
次に、第１の光源３０１が発生した光と第２の光源３０２が発生した光を、例えば図２２に示す合波器３０８に入力し、合波して、１の光束として生体被検部３０９の所定の位置へ照射し、生体被検部３０９内に音波、すなわち光音響信号を発生させる。
上記のように、前記強度変調された光を生体へ照射して、照射された前記強度変調された光により生体内に発生する光音響信号を例えば、図２２に示す音響結合器３２７を介して超音波検出器３２８で検出し、光音響信号の大きさに比例する電気信号に変換して位相検波増幅器３２９により同期検波し増幅し濾波し、さらに所定の時間にわたり積算し平均して、計算機３３０へ送信する。
上記のように、検出された前記光音響信号は圧力に比例する電気信号として、例えば図２２に示す計算機３３０により掃引された周波数範囲で、積算し、積算した前記光音響信号の大きさに比例する電気信号の中から、検出感度が増加する共振周波数における検出値又は周波数を選択し、選択した範囲で積算して、前記血液成分濃度を算定する。
上記の方法により、生体内の光音響信号を検出する超音波検出器３２８の共振周波数が変化した場合でも、超音波検出器３２８の共振周波数に一致する周波数おける光音響信号の検出値を選定し、積算して、血液成分濃度を算定できるので、正確に血液成分濃度を測定できる。
本実施形態の血液成分濃度測定装置は、前記音波検出手段が、前記周波数掃引手段が掃引する変調周波数に追尾して、照射された光により液体内に発生する音波、すなわち光音響信号を検出し、前記積算手段が、前記音波検出手段が高い検出感度を有する変調周波数範囲で、前記音波検出手段が検出した光音響信号を積算する血液成分濃度測定装置である。
本実施形態の血液成分濃度測定装置の構成は図２０および図２２を参照して説明した前述の血液成分濃度測定装置と同様である。
本実施形態の血液成分濃度測定装置は図２０および図２２を参照して説明した前述の血液成分濃度測定装置において、変調周波数の掃引に対応して超音波検出器１２７又は超音波検出器３２８が検出する光音響信号の大きさを、位相検波増幅器１２８又は位相検波増幅器３２９の出力として、計算機１２９又は計算機３３０が追尾して監視し、超音波検出器１２７又は超音波検出器３２８の感度が増加する変調周波数を探索し、超音波検出器１２７又は超音波検出器３２８の感度が増加する変調周波数の範囲において検出する光音響信号の大きさを位相検波増幅器１２８又は位相検波増幅器３２９の出力から取得し、積算する場合である。
上記のように、本実施形態の血液成分濃度測定装置は、超音波検出器１２７および超音波検出器３２８の感度が最大になる変調周波数付近において検出する光音響信号の大きさを、位相検波増幅器１２８および位相検波増幅器３２９の出力から取得し、積算して、正確に血液成分濃度を測定できる。
本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は、前記音波検出手順が、前記周波数掃引手順において掃引する変調周波数に追尾して、照射された光により生体内に発生する音波を検出し、前記積算手順が、前記音波検出手順において光音響信号の検出感度が高い変調周波数範囲で、前記音波検出手順で検出した光音響信号を積算する血液成分濃度測定装置制御方法である。
本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は、前述の血液成分濃度測定装置制御方法において、音波検出手順では、例えば、図２０および図２２を参照して説明した前述の血液成分濃度測定装置において、変調周波数の掃引に対応して、超音波検出器１２７又は超音波検出器３２８が検出し、前記積算手順では、超音波検出器１２７又は超音波検出器３２８が検出する光音響信号の大きさを、位相検波増幅器１２８又は位相検波増幅器３２９の出力として、計算機１２９又は計算機３３０により追尾して監視し、超音波検出器１２７又は超音波検出器３２８の感度が増加する変調周波数の点を探索し、超音波検出器１２７又は超音波検出器３２８が高い検出感度を有する変調周波数範囲において検出する光音響信号の大きさを位相検波増幅器１２８又は位相検波増幅器３２９の出力から取得し、積算する場合である。
以上説明したように、本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は、強度変調周波数が掃引する光信号を生体に照射して生体内に発生する音波、すなわち光音響信号を検出し、検出した値から、超音波検出器の感度が増加する共振周波数に一致する変調周波数を探索し、超音波検出器の感度が最大となる共振周波数に一致する変調周波数付近において、光音響信号を検出することにより、正確に血液成分を測定する血液成分濃度測定装置制御方法を提供できる。
本実施形態の血液成分濃度測定装置は、前記検出された光音響信号の大きさ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をさらに備える血液成分濃度測定装置である。
本実施形態の血液成分濃度測定装置の構成は、例えば、図２０および図２２を参照して説明した前述の血液成分濃度測定装置と同様の構成として、計算機１２９又は計算機３３０に血液成分濃度算定手段としての機能を持たせた場合である。
すなわち、本実施形態の血液成分濃度測定装置は、図２０および図２２に示す前述の血液成分濃度測定装置において、計算機１２９又は計算機３３０が、位相検波増幅器１２８又は位相検波増幅器３２９から受信する信号を積算し平均したあとに、所定の算定方法に従って、血液成分濃度を算定する血液成分濃度算定手段としての機能を有する場合である。
ここで、前記所定の算定方法としては、例えば、生体内の測定対象の血液成分の量と測定対象の血液成分が吸収を呈する波長の光を生体に照射して発生する光音響信号の大きさの関係を示す数値データ、あるいは理論式から算定してもよい。
上記のように、本実施形態の血液成分濃度測定装置は血液成分濃度算定手段を備えることにより、容易に血液成分濃度を測定できる。
本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は、前記音波検出手順で検出された光音響信号の大きさ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をさらに含む血液成分濃度測定装置制御方法である。
本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は、前述の血液成分濃度測定装置制御方法の前記音波検出手順が、例えば、図２０および図２２を参照して説明した前述の血液成分濃度測定装置の、計算機１２９又は計算機３３０が、位相検波増幅器１２８又は位相検波増幅器３２９から受信する信号を積算し平均したあとに、所定の算定方法に従って、血液成分濃度を算定する血液成分濃度算定手順をさらに含む場合である。
ここで、前記所定の算定方法としては、例えば、生体内の測定対象の血液成分の量と測定対象の血液成分が吸収を呈する波長の光を生体に照射して発生する音波、すなわち光音響信号の大きさの関係を示す数値データ、あるいは理論式から算定してもよい。
上記のように、本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は血液成分濃度算定手順を含むことにより、容易に血液成分濃度を測定できる。
本実施形態の血液成分濃度測定装置は、前記音波検出手段が検出した光音響信号を掃引された変調周波数に対応して記録する記録手段をさらに備える。
本実施形態の血液成分濃度測定装置の構成は、例えば、図２０および図２２を参照して説明した前述の血液成分濃度測定装置において、計算機１２９又は計算機３３０に、記録手段としての記録器（不図示）を接続する構成とする場合である。
前記記録器は、計算機１２９又は計算機３３０が、位相検波増幅器１２８又は位相検波増幅器３２９から受信する、生体被検部１１０又は生体被検部３０９内に発生する光音響信号の大きさに比例する信号を、前述の掃引する変調周波数に対応して記録する。
前記記録器の記録により、超音波検出器１２７又は超音波検出器３２８の共振周波数が変化する場合、生体被検部１１０又は生体被検部３０９に照射する光の変調周波数の掃引範囲が、前記共振周波数の変化する範囲を含んでいるか、あるいは、超音波検出器１２７又は超音波検出器３２８が検出した光音響信号の大きさの値の中から、前記共振周波数に一致する変調周波数により高精度に測定した値を選定しているか、を確認することができる。なお、上記記録手段は、本実施形態に適用できる他、第１実施形態、第２実施形態、及び後に説明する、第４実施形態、第５実施形態、第６実施形態においても適用することができる。
上記のように、本実施形態の血液成分濃度測定装置は記録手段を備えることにより、的確に血液成分濃度を測定できる。
本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は、前記音波検出手順のあとに、前記音波検出手順で検出した光音響信号を掃引された変調周波数に対応して記録する記録手順をさらに含む血液成分濃度測定装置制御方法である。
本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は、前述の血液成分濃度測定装置制御方法の前記音波検出手順のあとに、例えば、図２０および図２２を参照して説明した前述の血液成分濃度測定装置制御方法において、計算機１２９又は計算機３３０に接続する記録器（不図示）に、計算機１２９又は計算機３３０が、位相検波増幅器１２８又は位相検波増幅器３２９から受信する信号を、掃引する発振周波数に対応して記録する記録手順をさらに含む場合である。
前記記録手順により、超音波検出器１２７又は超音波検出器３２８の共振周波数が変化する場合、生体被検部１１０又は生体被検部３０９に照射する光の変調周波数の掃引範囲が、前記共振周波数の変化する範囲を含んでいるか、あるいは、超音波検出器１２７又は超音波検出器３２８が検出した光音響信号の大きさの値の中から、前記共振周波数に一致する変調周波数により高精度に測定した値を選定しているか、を確認することができる。
上記のように、本実施形態の血液成分濃度測定装置制御方法は、前記記録手順を含むことにより、的確に血液成分濃度を測定できる。なお、上記記録手順は、本実施形態に適用できる他、第１実施形態、第２実施形態、及び後に説明する、第４実施形態、第５実施形態、第６実施形態においても適用することができる。
（第４実施形態）
図２３は、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置の一例を示す模式図である。図２３に示す血液成分濃度測定装置は、光を発生する光発生手段としての光発生部１１と、光発生部１１の発生した光を一定周波数で電気的に強度変調する光変調手段としての光変調部１２と、光変調部１２の強度変調した強度変調光１を被検体としての生体被検部９７に向けて出射する光出射手段としての光出射部１３と、強度変調光１を照射された生体被検部９７から放射される音波、すなわち光音響信号３を検出する音波検出手段としての超音波検出部１４と、を備えた血液成分濃度測定装置であって、光出射部１３と超音波検出部１４との間である内部２２に生体被検部９７と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質及び生体被検部９７が配置可能となっている。
さらに、図２３に示す血液成分濃度測定装置は、光出射部１３と超音波検出部１４との間である内部２２を生体被検部９７と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質で充填する容器２１と、容器２１の内壁面に配置された吸音材１５と、容器２１内に配置された音響整合物質の温度を測定する温度計測手段としての温度計測部１６と、容器２１の内壁面に配置された強度変調光１に対して透明な出射窓１７と、を含む。図２３は、容器２１の内部２２に音響整合物質及び生体被検部９７が配置されている様子を示しており、生体被検部９７と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質が充填された内部２２に光出射部１３と超音波検出部１４とが生体被検部９７を挟んで配置され、出射窓１７、超音波検出部１４の表面がそれぞれ音響整合物質と接している。
なお、図２３では、光出射部１３と超音波検出部１４とは、略対向する位置に配置されている例を示した。生体被検部９７から放射される光音響信号３は、光出射部１３が強度変調光１を出射する方向で最も大きな信号強度で検出される。光出射部１３と超音波検出部１４とが略対向する位置に配置されていることによって、超音波検出部１４が検出する光音響信号の精度をさらに向上することができる。なお、上記のように光出射部１３と超音波検出部１４とが略対向する位置に配置することは、本実施形態に適用できる他、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、並びに後に説明する第５実施形態及び第６実施形態においても適用することができる。
光発生部１１は、光を発生するものであり、例えば、蛍光灯、ハロゲンランプ、半導体レーザを含むレーザ、発光ダイオードを含む発光素子が例示できる。光発生部１１は、濃度を測定する成分で吸収される波長の光を発生するものが好ましく、例えばレーザや発光素子等の波長選択性のあるものが好ましい。
光変調部１２は、光発生部１１の発生した光を一定周波数で電気的に強度変調するものである。発振器、駆動回路、１８０°移相器等を含むものが例示できる。
なお、光発生部１１は、異なる波長λ１、λ２の２波の光を発生し、光変調部１２は、同一周波数かつ互いに逆位相となる強度変調光１に波長λ１、λ２の光の各々を強度変調することが好ましい。例えば、血糖値の指標としてグルコース血中濃度とし、音響整合物質を水とした場合、グルコースは１６００ｎｍで吸収を呈するため、波長λ１に１６００ｎｍ近傍の波長を選択し、波長λ２に水の吸収係数が相等しくなる波長である１４００ｎｍ近傍と、を選択すればよい。
以下に、波長λ１を血液成分の吸収する波長、波長λ２を水が波長λ１におけるのと相等しい吸収を呈する波長とした場合に測定される濃度について説明する。波長λ１、λ２に対して、水の吸収係数α１ （ｂ）、α２ （ｂ）及び血液成分のモル吸収係数α１ （０）、α２ （０）を知るとき、各波長における光音響信号の測定値ｓ１、ｓ２を含む連立方程式、数式（１）を解いて、濃度Ｍを求める。ここで、Ｃは係数であり、音響結合、超音波検出部の感度、光出射部から生体被検部までの距離、比熱、熱膨張係数、音速、変調周波数、吸収係数に依存する未知定数である。数式（１）からＣを消去すると、数式（４）となり、光音響信号ｓ１、ｓ２、及び既知の各吸収係数から濃度Ｍを求めることができる。但し、数式（４）とは、波長λ１、λ２の各々に対して、主に水による吸収係数α１ （ｂ）、α２ （ｂ）がほぼ等しいことを前提としている。また、ｓ１≒ｓ２という性質を用いている。このように、強度変調光１に、同一周波数かつ互いに逆位相となる異なる波長の２波の強度変調光を用いることにより、光音響信号の受ける水からの影響を除去することができる。
光出射部１３は、光変調部１２の強度変調した強度変調光１を出射するものである。強度変調光１を出射する部分に配置される部材であり、強度変調光１に対して透明な材質であることが好ましい。透明な材質として、ガラス、プラスチックが例示できる。音響整合物質と接触する場合は、音響整合物質と反応しない材質であることが好ましく、例えば、石英板や光学ガラス板、サファイア板がある。さらに、光出射部１３は、強度変調光１を導くことのできる光ファイバを含んでもよい。光ファイバを含むことで、光出射部１３から離れた場所に光発生部１１及び光変調部１２を配置して、強度変調光１を生体被検部９７に照射できる位置まで導くことができる。
超音波検出部１４は、音波である光音響信号３を検出するものである。例えば、クリスタルマイクロフォン、セラミックマイクロフォン、セラミック超音波センサ等の圧電効果・電歪効果を用いたもの、ダイナミックマイクロフォン、リボンマイクロフォン等の電磁誘導を用いたもの、コンデンサマイクロフォン等の静電効果を用いたもの、磁歪振動子等の磁歪を用いたものが例示できる。圧電効果を持つものには、例えばＰＺＴ又はＰＶＤＦ等の結晶を含むものが例示できる。さらに、音響整合物質を伝わる音波を検出するので、ハイドロフォン等の水中マイクであることが好ましい。さらに、表面に音響整合物質の音響インピーダンスと整合させるための層（例えば、シリコンゴム。）が形成されているものが好ましい。
温度計測部１６は、音響整合物質の温度を測定する温度計である。音響整合物質は液体、ゾル又はゲルであることが好ましいので、温度計測部１６は接触式の温度計を用いることができる。非接触式の放射温度計を用いてもよい。
さらに、図２３に示した血液成分濃度測定装置は、温度計測部１６の測定した温度に応じて音響整合物質の温度を調節する温度調節部（不図示）を備えてもよい。温度調節部としては、ヒータが例示できる。温度計測部１６の測定した温度に応じて音響整合物質の温度を調節することにより、音響整合物質及び光音響信号表面の温度を安定化することができる。例えば、温度上昇とともに音響整合物質の温度を調節することが可能である。音響整合物質及び光音響信号表面の温度を安定化により、温度変化による光音響信号３の変化を安定化し、血液成分濃度の算出の精度が増す。
図２３に示す容器２１は、内部２２に音響整合物質を充填することのできるものである。
図２３では、容器２１の内壁面に吸音材１５を含む例を示した。吸音材１５は、光音響信号３を吸収するものである。例えば、エポキシ樹脂に金属酸化物の粉末（酸化チタンや酸化タングステン）を含む材料等を用いることができる。容器２１の内壁面の少なくとも一部に吸音材１５を含むことにより、生体被検部９７の内部構造の不均一性から生じる多重反射した音波を吸収し、除去することができる。これにより、超音波検出部１４は、生体被検部９７から放射された光音響信号３を効率よく検出することができる。
また、図２３では、容器２１が出射窓１７を備える例を示した。出射窓１７は、強度変調光１に対して透明なものである。例えば、透明なガラス又はプラスチックがある。出射窓１７は、傷がつきづらいものが好ましく、例えば、石英板や光学ガラス板、サファイア板が例示できる。また、強度変調光１を吸収しない材質のものが好ましい。出射窓１７を備えることによって、光出射部１３を容器２１の内部２２の外に配置することができるので、光出射部１３の配置が容易になる。また、容器２１の内壁面から強度変調光１を出射することができるので、容器２１の内壁面の凹凸がなくなり、光音響信号３の反射を低減することができる。
音響整合物質は、生体被検部９７と略等しい音響インピーダンスを有するものである。例えば、ゴム、樹脂などの柔軟性のある固体、液体、ゾル又はゲルがある。音響整合物質は、水であってもよい。すなわち容器２１は、音響整合物質としての水で充填されてもよい。生体の音響インピーダンスは水に非常に近いので、生体被検部９７の周囲である内部２２を水で取り囲んだ環境下で光音響信号３を検出することで、生体被検部９７とその周囲である内部２２との境界反射及び生体被検部９７と超音波検出部１４との接触により生じる光音響信号３の劣化を低減することができる。
図２４は、図２３に示すＤ−Ｄ’横断面図であり、血液成分濃度測定装置の第１形態を示す。容器２１は、横断面の形状が円形となっている。容器２１の側面に、光出射部１３と超音波検出部１４とが略対向する位置に配置されている。
図２５は、図２３に示すＤ−Ｄ’横断面図であり、血液成分濃度測定装置の第２形態を示す。図２５に示す容器２１は、横断面の形状が半円形であり、前記半円形の円の略中心点の位置に光出射部１３が配置されている。さらに図２５では、容器２１の前記半円形の円弧の部分に、超音波検出部１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅが配置されている例が示されている。超音波検出部１４ａは、光出射部１３と対向する位置に配置され、超音波検出部１４ｂから１４ｅは前記円弧の部分に分散して配置されている。
図２５に示すように、容器２１の横断面の形状を半円として、円の略中心点に光出射部１３を配置することで、前記半円の円弧の部分に相当する容器の側面と光出射部１３との距離を均一にすることができる。これにより、半円の中心を含む平面上に押し当てるように生体被検部９７を設置すれば、ほぼ半円の中心で光音響信号３が発生し、放射状に広がる。ここで、超音波検出部１４ａから１４ｅと光音響信号３の発生源の距離は一定であるので、超音波検出部１４ａから１４ｅは同位相の光音響信号３を検出することができる。超音波検出部１４ａから１４ｅで検出した光音響信号３を合波すれば、光音響信号３を効率よく検出することができる。さらに、同時刻の検出信号を比較すれば、生体被検部９７内構造に起因する影響を補正することも可能になる。このように、音波検出手段での集音状態を改善することにより、さらに光音響信号の精度を向上することができる。さらに、半円の円弧の部分に相当する容器の側面に２個以上の音波検出手段を配置することにより、音波検出手段は放射状に広がった光音響信号をさらに効率よく検出することができる。
図２６は、血液成分濃度測定装置の第４形態を示す縦断面図である。図２６に示す血液成分濃度測定装置は、容器２１の内部底面が半球となっている。本形態の血液成分濃度測定装置は、Ｅ−Ｅ’断面が図２５に示した横断面である場合に用いることができる。図２６では底面に超音波検出部１４ｆが示されており、超音波検出部１４ｆは光出射部１３からの距離が超音波検出部１４ａと略等しい距離に配置されている。このように、生体被検部９７から放射状に放射された光音響信号３を、図２５に示した超音波検出部１４ａから１４ｅに加えて１４ｆを用いることで、さらに効率よく検出することができる。なお、Ｅ−Ｅ’断面は前述の図２５に限定されるものではなく、横断面の形状は、４５度、９０度、１３５度などの任意の角度の扇形にしてもよい。
血液成分濃度測定装置の第５形態について図２７及び図２８を用いて説明する。図２７は、血液成分濃度測定装置の第５形態を示す縦断面図である。図２８は、図２７のＦ−Ｆ’横断面図である。図２７及び図２８に示す血液成分濃度測定装置では、容器２１は、底部が２つの焦点を断面に含む半楕円球であり、光出射部１３及び超音波検出部１４がそれぞれ略前記２つの焦点に配置されている。容器２１の底部を２つの焦点を断面に含む半楕円球として、光出射部１３及び超音波検出部１４をそれぞれ２つの焦点の近傍に配置することで、光音響信号３を容器の底部で散乱させて超音波検出部１４に効率的に集めることができる。さらに、光音響信号３が超音波検出部１４に到達するまでの距離は変わらないので、光音響信号３は多重散乱の音波の影響を受けづらくなる。このように、音波検出手段での集音状態を改善することにより、さらに光音響信号３の精度を向上することができる。さらに容器２１は、図２７に示すように、底部の内壁面に反射材１８を含む。反射材１８は、光音響信号３を反射するものである。音響整合物質と反応しないものが好ましく、例えば、音響整合物質が水であるならば、ステンレス又はアルミ等の安定した金属が例示できる。容器２１の内壁面の少なくとも一部に反射材１８を含むことによって、光音響信号３を音波検出手段に集める効率を向上することができる。これにより、超音波検出部１４が検出する光音響信号３の精度をさらに向上することができる。
なお、血液成分濃度測定装置の第５形態では底面について説明したが、図２８に示すように、容器２１は、横断面の形状が楕円形であり、光出射部１３及び超音波検出部１４が楕円形の略焦点の位置のそれぞれに配置されていてもよい。横断面の内壁面の形状を楕円形とし、光出射部１３及び超音波検出部１４を前記楕円形の略焦点の位置のそれぞれに配置することで、光音響信号３を容器２１の内壁面の側面で散乱させて超音波検出部１４に効率よく集めることができる。このように、超音波検出部１４での集音状態を改善することにより、さらに光音響信号３の精度を向上することができる。
以上説明したように、容器２１を備えることで、生体被検部９７と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質で充填した容器２１の内部２２に生体被検部９７を配置して、生体被検部９７の周囲である内部２２を音響整合物質で取り囲んだ環境下で生体被検部９７からの光音響信号３を検出することができる。生体被検部９７の周囲である内部２２を音響整合物質で取り囲んだ環境下で光音響信号３を検出することで、生体被検部９７とその周囲である内部２２との境界反射及び生体被検部９７と超音波検出部１４との接触により生じる光音響信号３の劣化を低減することができる。
なお、生体被検部９７は、人間の生体である。図２３から図２８の例では指での例を示したが、生体のどの部分でもよい。例えば、手や腕でもよい。
さらに、生体被検部９７は、動物、鳥、或いは、果実又は野菜等の植物のいずれの被測定物でもよい。被測定物は、流動物の流れる管や、液体、ゾル又はゲルを内蔵するボトルやタンク等の容器を含む。例えば被測定物が果実であれば、果実の糖度を非侵襲で測定することができる。
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、光発生手段が、光を発生する光発生手順と、前記光発生手順で発生した光を一定周波数で電気的に強度変調する光変調手順と、光変調手段が、前記光変調手順で強度変調した強度変調光１を生体被検部９７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強度変調光１を照射された生体被検部９７から放射される音波、すなわち光音響信号３を検出する音波検出手順と、を含む血液成分濃度測定装置制御方法であって、前記光出射手順及び前記音波検出手順を、生体被検部９７と音響インピーダンスの略等しい音響整合物質の充填された容器２１内で行うことを特徴とする。
このように、光出射部１３と超音波検出部１４との間に生体被検部９７と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質及び生体被検部９７が配置可能であることで、生体被検部９７と超音波検出部１４の間に音響整合物質を配置して、生体被検部９７とその周囲である内部２２との境界における境界反射を低減することができる。
また、前記光出射手順において、前述したように、光発生部１１は、異なる波長λ１、λ２の２波の光を発生し、前記光変調手順において、光変調部１２は、同一周波数かつ互いに逆位相となる強度変調光１に波長λ１、λ２の光の各々を強度変調することが好ましい。
さらに、前述で説明した図２３から図２８に示したように、前記光出射手順において、生体被検部９７は強度変調光１の出射面と接して配置され、強度変調光１は生体被検部９７に直接照射されることが好ましい。出射面は、図２３から図２８では出射窓１７となっているが、出射窓１７を含まない場合は光出射部１３が出射面となる。生体被検部９７を強度変調光１の出射面と接するように配置し、生体被検部９７に強度変調光１を直接照射することによって、音響整合物質等での吸収による強度変調光１の劣化を防ぐことができる。これにより、強度変調光１を生体被検部９７に効率よく照射することができるので、生体被検部９７から放射される光音響信号３の強度が上がり、超音波検出部１４が検出する光音響信号３の精度をさらに向上することができる。なお、上記のように生体被検部９７を強度変調光１の出射面と接するように配置することは、本実施形態に適用できる他、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態及び後に説明する、第５実施形態、第６実施形態においても適用することができる。
さらに、前述で説明した図２３から図２８に示したように、前記音波検出手順において、光音響信号３は、生体被検部９７と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質を介して検出されることが好ましい。図２３から図２８では、容器２１の内部２２に充填された音響整合物質を介して検出する例を示したが、生体被検部９７と超音波検出部１４との間に配置されたシリコンゴムなどの個体であってもよい。生体被検部９７と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質を介して光音響信号３を検出することで、生体被検部９７とその周囲である内部２２との境界反射並びに超音波検出部１４に掛かる圧力及び振動を防ぐことができる。
さらに、前述で説明した図２３から図２８に示したように、前記光出射手順において、強度変調光１は、容器２１の内壁面に配置され、強度変調光１に対して透明な出射窓１７を介して生体被検部９７に照射されることが好ましい。容器２１が強度変調光１に対して透明な出射窓１７を備えることにより、光出射部１３を容器２１外に配置することができるので、光出射部１３の配置が容易になる。また、容器２１の内壁面から強度変調光１を出射することができるので、容器２１の内壁面の凹凸がなくなり、光音響信号３の反射を低減することができる。
さらに、前述で説明した図２３から図２８に示したように、生体被検部９７は、前記強度変調光１を照射される部分が、液状、ゾル状又はゲル状の前記音響整合物質で覆われていることが好ましい。生体被検部９７の強度変調光１を照射される部分が、液状、ゾル状又はゲル状の音響整合物質で覆われていることによって、生体被検部９７の周囲である内部２２を音響整合物質で取り囲んだ環境下で生体被検部９７からの光音響信号３を検出することができる。
（実施例）
ここで、第４実施形態における具体的な実施例について説明する。
（第１実施例）
光発生手段が異なる波長の２波の光を発生し、光変調手段が同一周波数かつ互いに逆位相となる強度変調光に前記２波の光の各々を強度変調する場合の実施例について図２９を用いて説明する。図２９は、血液成分濃度測定装置の一例を示す回路図である。発振器５１は一定周波数で駆動回路５３ａ及び５３ｂを駆動する。発振器５１と駆動回路５３ｂとの間には１８０°移相器５２が配置されており、駆動回路５３ｂは駆動回路５３ａと逆位相で駆動される。光発生部１１ａと１１ｂは異なる波長の光を発生する。駆動回路５３ａは、光発生部１１ａの発生した光を強度変調し、強度変調光１ａを出力する。駆動回路５３ｂは、光発生部１１ｂの発生した光を強度変調し、強度変調光１ｂを出力する。これにより、波長が異なり、同一周波数かつ互いに逆位相となる強度変調光１ａと１ｂを発生することができる。この例では、発振器５１、駆動回路５３ａ、５３ｂ及び１８０°移相器５２が、図２３に示す光変調部１２に相当する。
さらに、合波器５５で強度変調光１ａ及び１ｂは合波され、強度変調光１として光出射部１３から出力される。光出射部１３から出射された強度変調光１は、生体被検部９７に照射され、生体被検部９７で放射した光音響信号３を超音波検出部１４で検出する。超音波検出部１４で検出された光音響信号３は、フィルタ５７で光音響信号３が抽出され、位相検波増幅器５８で増幅後、光音響信号出力端子５９から出力される。
（第２実施例）
前述の図２５及び図２６に示した第４形態の血液成分濃度測定装置の実施例について図３０及び図３１を用いて説明する。図３０は、血液成分濃度測定装置の縦断面図であり、血液成分濃度測定装置を人体の指先に対して適用した例を示す。図３１は、Ｈ−Ｈ’横断面図である。図３０及び図３１において、生体被検部９７を挿入する筒型の容器２１の内部２２は、水で満たされており、容器２１の内壁には出射窓１７及び超音波検出部１４が内蔵され、光源チップ３９ｂと超音波検出部１４に電力を供給する電源３１と、超音波検出部１４の出力信号を増幅する位相検波増幅器３２と、血液成分濃度を算出する信号処理器３３と、台座外部に備えた表示機（不図示）に表示するための表示処理部３４とが容器の台座内に装備されている。超音波検出部１４と信号処理器３３とは接続ケーブル３５により接続される。容器２１の内壁には温度調整部３６が設置されており、容器２１の内部２２と接するようにヒータ３７と温度計測部１６が容器２１に内蔵されている。
筒型の容器２１の底部は半径５ｃｍの４分割した球状にした。容器２１の内壁に内蔵した超音波検出部１４においては、超音波検出部１４と検出した光音響信号３を増幅する前置増幅器３８を設置した。超音波検出部１４には、圧電効果を持つ結晶を用いたＰＺＴやＰＶＤＦを用いる。超音波検出部１４の表面は、水と音響インピーダンスを整合させるために整合層が形成されている。超音波検出部１４の整合層には、経皮医療具でよく用いられるシリコンゴムなどを用いることで、表面での反射を９％に減らすことができた。
また、水を満たした容器２１の内壁には整合層と容器２１の材料との境界での反射を低減するために、超音波検出部１４の表面以外の容器２１の内壁には吸音材１５を充填する。このような反射を防止する吸音材としては、エポキシ樹脂に金属酸化物の粉末（酸化チタンや酸化タングステン）を含む材料等を用いるのも有効である。図２３に示す、光出射部１３においては、光源チップ３９ａ及び３９ｂ及びレンズ４０ａ及び４０ｂを用いて、２波の波長の光を発生し、偏光ビームスプリッタ４１を用いて、２波の波長の光を合波し、指先部にコリメート光を、出射窓１７を介して照射する。光源チップ３９ａ及び３９ｂには半導体レーザを用いることが、価格、サイズ、チップ寿命の面で有効である。２つの波長は、光源チップ３９ａを１３８０ｎｍとし、光源チップ３９ｂを１６０８ｎｍとした。
レンズ４０ａ及び４０ｂを用いて、光源チップ３９ａ及び３９ｂからの強度変調光１ａ、１ｂをコリメートし、光源チップ３９ａとレンズ４０ａの距離及びレンズ材質・曲率及び光源チップ３９ｂとレンズ４０ｂの距離及びレンズ材質・曲率を調整することで、強度変調光１ａ、１ｂを光音響計測に適したビーム径に調整することができる。本例の場合は、２つの直径を５．０ｍｍとした。出射窓１７には、２つの波長が吸収を呈さず、傷がつきづらい材質が最適であり、例えば、石英板や光学ガラス板、サファイア板を用いた。生体被検部９７と接する出射窓１７の縁部には、圧電材料を用いた感圧素子が内蔵され、出射窓１７に掛かる圧力を感知し、光源チップ３９ａ及び３９ｂに給電を開始するようにした。
温度調整部３６においては、ヒータ３７を容器２１の内壁に内蔵し、温度計測部１６で測定した温度と容器２１の内部２２の音響整合物質の温度の設定値との違いをモニターしつつ、ヒータ３７の電流を調整する。音響整合物質の温度の設定値には、生体の体温に近い温度３６℃とした。容器２１の内壁には、熱伝導率の高い金属（銅、アルミ）の金属層（不図示）を設け、ヒータ３７と金属層を接触させることで、効率よく音響整合物質の温度が制御できる。
（第３実施例）
前述の図２７及び図２８に示した第５形態の血液成分濃度測定装置の実施例について図３２及び図３３を用いて説明する。図３２は、血液成分濃度測定装置の縦断面図であり、血液成分濃度測定装置を人体の指先に対して適用した例を示す。図３３は、図３２のＮ−Ｎ’横断面図である。筒状の容器の底部は長軸１００ｍｍ、短軸５０ｍｍの半楕円球形となっている。光源チップ３９ａ及び３９ｂからの強度変調光１ａ、１ｂをレンズ４０ａ又は４０ｂ、並びにビームスプリッタ４１を介して光ファイバ４２に導く。光ファイバ４２に入射した強度変調光１は、光ファイバ４２内を通じて出射窓１７に導かれ、容器２１の内部２２に出射される。出射窓１７から出射した強度変調光１が、生体被検部９７に照射される。
光ファイバ４２の端面にレンズ４０ａ又は４０ｂを置き、両者の距離から強度変調光１ａ及び１ｂの照射ビーム径を調整し、２波の強度変調光１の直径を５．０ｍｍとした。また、照射する強度変調光１のパワーは４ｍＷとなるように、光源チップ３９ａ及び３９ｂの駆動電流を調整し、発振器（不図示）により２００ｋＨｚに強度変調した。出射窓１７の位置は、出射窓１７と音響整合物質としての水との界面が楕円の焦点の位置になるように設置し、即ち、測定時には出射窓１７と生体被検部９７との界面を楕円の焦点の位置とした。超音波検出部１４には、水との音響整合をした市販のハイドロフォンを用い、生体被検部９７の照射部と異なる楕円の焦点の位置に設置した。超音波検出部１４は、ニードルハイドロフォンを採用して位置を微調整し、光音響信号が最大になる位置に設置した。
出射窓１７と水平面上の内壁面とそれ以下の底面には、効率よく光音響信号３の反射をするために反射材１８を充填した。反射材１８には、水と化学的に反応しない安定した金属（ステンレス、アルミ）を用いた。それ以外の内壁面には、吸音材１５を充填し、多重反射の影響を低減した。
（第５実施形態）
図３４は、本実施形態に係る血液成分濃度測定装置の回路図である。図３４に示す血液成分濃度測定装置は、一定周波数で強度変調された強度変調光１を出射する光発生手段、光変調手段及び光出射手段としての励起用光源２３と、音響波２を出力する音響波発生器２４と、強度変調光１を照射された被検体としての生体被検部９７から放射される音波、すなわち光音響信号３及び音響波発生器２４から生体被検部９７を透過する音響波２を検出する音波検出手段としての音響波検出器２５と、を備える。さらに図３４では、音響波検出器２５で検出された音響波２の出力信号４から音響波２の信号強度を比較し、音響波２の強度が特定の値になるように制御信号５を出力して駆動部２７を制御する制御部２６と、制御信号５により励起用光源２３、音響波発生器２４及び音響波検出器２５の位置を可変する駆動部２７と、音響波発生器２４及び音響波検出器２５の生体被検部９７の接する面に、生体被検部９７と音響インピーダンスの略等しい音響結合部材２８を含む。
さらに図３４では、音響波発生器２４の中央部に励起用光源２３からの強度変調光１を透過させる透過窓２９を有し、この透過窓２９によって強度変調光１を透過させている例を示した。音響波発生器２４は、励起用光源２３からの強度変調光１のビームに近接して配置されていることが好ましい。励起用光源２３からの強度変調光１のビームに近接して音響波発生器２４を配置することで、光音響信号３の伝搬経路での反射／散乱を更に正確に検査することができる。また、生体被検部９７に近接する位置で、生体被検部９７に対して音響波２を発生させることが好ましい。光音響信号３は強度変調光１を入射された生体被検部９７の表皮近傍で発生するので、光音響信号３の伝搬経路での反射／散乱を更に正確に検査することができる。また、生体被検部９７に近接する位置で音響波２を発生させることにより、効率的に音響波２を生体被検部９７に伝搬することができる。
図３４に示す励起用光源２３は、一定周波数で強度変調された強度変調光１を出射するものである。さらに励起用光源２３は、濃度を測定する測定対象の吸収波長で出射するものであり、例えば測定対象がグルコースの場合は１６０８ｎｍとなる。特定の波長で発光する光源素子からの光を、発振器、駆動回路、１８０°移相器等を用いて一定周波数で強度変調するものでもよい。特定の波長で発光する光源素子としては、例えば、気体レーザ、固体レーザ、半導体レーザを含む各種レーザ、発光ダイオードがある。さらに、強度変調光１の光路の少なくとも一部の周囲に、強度変調光１が血液成分濃度測定装置の外部へ漏洩することを防ぐ遮光フードをさらに備えてもよい。遮光フードをさらに備えることにより、検査する部分以外の生体被検部９７の部分を含む血液成分濃度測定装置の外部へ強度変調光１が漏洩するのを防ぐことができる。なお、上記遮光フードは、本実施形態に適用する他、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、及び、後に説明する第６実施形態においても同様に適用することができる。
ここで、励起用光源２３は、音響波発生器２４と連動するよう音響波発生器２４に固定されていてもよい。例えば、励起用光源２３は音響波発生器２４と一体化されていてもよい。励起用光源２３が音響波発生器２４と連動するので、測定に適した位置に自動的に励起用光源２３を移動することができる。なお、本実施形態では、励起用光源２３は、１つの光を出射する形態を示しているが、異なる波長λ１、λ２の２波の光を発生し、同一周波数かつ互いに逆位相となる強度変調光を出射することもできる。第１実施形態から第４実施形態で説明したように、強度変調光１として同一周波数かつ互いに逆位相となる異なる波長の２波の強度変調光を用いることにより、光音響信号の受ける水からの影響を除去することができる。
図３４に示す音響波発生器２４は、超音波である音響波２を発生して出力するものである。音響波発生器２４の発生する超音波の周波数は、生体被検部９７で発生する光音響信号３の周波数を発生するものである。例えば、略２００ｋＨｚの周波数の音響波を発生するものでもよい。
さらに音響波発生器２４は、出力する音響波２の周波数及び／又は強度が可変であることが好ましい。出力する音響波２の周波数が可変であれば、生体被検部９７が変化して、発生する周波数が変化した光音響信号３の周波数を音響波発生器２４から出力することができる。また、出力する音響波２の強度が可変であれば、音響波検出器２５で検出された音響波２の強度に応じて音響波発生器２４から出力する音響波２の強度を大小させることができるので、音響波検出器２５で検出された強度が小さい場合でも検出された強度を比較することができる。
図３５は、音響波発生器２４及び音響波検出器２５の一例を示す模式図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は音響波発生器の上面図、（ｃ）は音響波発生器の斜視図、（ｄ）は音響波発生器の下面図である。（ａ）では、音響結合部材２８の配置された音響波発生器２４及び音響結合部材２８の配置された音響波検出器２５で生体被検部９７を挟持した様子を示している。（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に示すように、音響波発生器２４の一部に、強度変調光のビームを透過する透過窓２９をさらに備えてもよい。透過窓２９は、貫通した空孔としてもよい。また、生体被検部９７と接する面に、強度変調光に対して透明な部材が配置されていてもよい。透明な部材は、音響結合部材２８であってもよい。このように、透過窓２９をさらに備えることで、励起用光源と生体被検部９７との間に音響波発生器２４を配置して、音響波発生器２４の上から強度変調光を生体被検部９７に照射することができる。これにより、測定に適した音響波を出力した位置と略同じ位置に強度変調光を照射できるので、音響波で確認した測定に適した伝搬経路で光音響信号が伝搬するように強度変調光を生体被検部９７に照射することができる。
図３４に示す音響波検出器２５は、超音波である音響波２及び光音響信号３を検出するものである。光音響信号３を検出して、音響波２及び光音響信号３の音圧に比例する電気信号を出力信号４として出力するものを含む。音響波検出器２５は、例えば、クリスタルマイクロフォン、セラミックマイクロフォン、セラミック超音波センサ等の圧電効果・電歪効果を用いたもの、ダイナミックマイクロフォン、リボンマイクロフォン等の電磁誘導を用いたもの、コンデンサマイクロフォン等の静電効果を用いたもの、磁歪振動子等の磁歪を用いたものが例示できる。圧電効果を持つものには、例えば周波数平坦型電歪素子（ＺＴ）又はＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等の結晶を含むものが例示できる。音響波検出器２５は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）増幅器を内蔵するＰＺＴを用いてもよい。
図３４に示す音響結合部材２８は、生体被検部９７と音響インピーダンスの略等しい部材である。例えば、ゴム、樹脂等の柔軟性のある固体、液体、ゾル又はゲルがある。前記音響波発生器２４又は前記音響波検出器２５の少なくともいずれかの生体被検部９７の接する面に配置されていることが好ましく、音響結合部材２８が配置されていることで生体被検部と接触する面での反射／散乱を軽減することができる。
図３４に示す駆動部２７は、音響波発生器２４又は音響波検出器２５の少なくともいずれかの位置を可変するものである。例えば、励起用光源２３と音響波発生器２４は、励起用光源２３の光軸と音響波発生器２４の透過窓２９が一致するように構造物で固定され、両者は互いの位置を保ちながら生体被検部９７の周囲を回転するものでもよい。このような円周上を移動可能なものでもよい。さらに前記円周の距離が可変のものであってもよい。また、生体被検部９７に接する面上を移動可能なものであってもよい。また、３次元方向に移動可能なものであってもよい。なお、図３４では、具体的な駆動部２７の駆動機構は省略した。
駆動部２７は、音響波検出器２５が固定されており、音響波発生器２４が移動可能なものでもよい。また、音響波発生器２４が固定されており、音響波検出器２５が移動可能なものでもよい。また、音響波発生器２４及び音響波検出器２５が移動可能なものでもよい。さらに、駆動部２７は、励起用光源２３が移動可能なものでもよい。また、励起用光源２３を音響波発生器２４に連動させて移動させるものでもよい。励起用光源２３が音響波発生器２４と連動するので、測定に適した位置に自動的に励起用光源２３を移動することができる。さらに、駆動部２７は、制御部２６からの指示により動作するものでもよい。
このような駆動部２７を備えることにより、駆動部２７で音響波発生器２４を移動させて、生体被検部９７内の部位ごとの散乱体の影響を、音響波２を用いて検査できる。これにより、光音響信号３の伝搬経路での光音響信号３の透過性を推定できる。さらに、励起用光源２３と音響波発生器２４を連動させて移動することによって、生体被検部９７への強度変調光１の照射角又は照射位置の少なくともいずれかを変え、その都度音響波検出器２５に到達する音響波発生器２４からの音響波２が特定の値となるようにモニターをし、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を伝搬経路ごとに検出し、検出された最適な配置で光音響信号を検出することができる。
図３４に示す制御部２６は、音響波検出器２５で検出された音響波２の強度が特定の値になるように駆動部２７を制御するものである。例えば、音響波検出器２５から出力されかつ音響波２の音圧に比例する信号強度を有する出力信号４の信号強度から音響波２の強度が特定の値になる位置を判断して、制御信号５を駆動部２７へ出力するものである。特定の値は、例えば音響波検出器２５で検出された音響波２のうちの最大の値である。最大の値とすることで、最も反射／散乱の少ない配置で光音響信号３を検出することができる。また、特定の値は、測定前に予め決められた値であってもよい。予め決められた値とすることで、一定の強度の音響波２を出力し、予め決められた強度で音響波２が検出されるような伝搬経路を走査して、その伝搬経路で光音響信号３を検出すれば、反射／散乱の影響の略等しい光音響信号３を検出することができる。これにより、検出された最適な配置での光音響信号３の検出が自動化できる。
信号強度の比較は、例えば２つ以上の信号強度を比較する比較回路を用いることができる。比較する出力信号４は、平滑化回路を用いて直流信号に変換された電気信号であってもよい。さらに、連続して検出された２つの信号強度を比較して、より信号強度の大きい方向へ移動させる微小振動法を用いて駆動部を制御してもよい。
なお、制御信号５は、励起用光源２３、音響波検出器２５のいずれを移動させるものでもよい。励起用光源２３と音響波発生器２４とが一体化されている場合は、制御信号５は、音響波発生器２４を移動するものであってもよい。また、励起用光源２３、音響波発生器２４及び音響波検出器２５を移動させるものであってもよい。このように、音響波検出器２５で検出された音響波２の強度が特定の値になるように駆動部２７を制御することによって、最適な伝搬経路で光音響信号３を検出することが自動で可能になる。
血液成分濃度測定装置の動作について図３４を用いて説明する。まず、指等の生体被検部９７を音響波発生器２４と音響波検出器２５との間に挿入した後、駆動部２７で音響波発生器２４と音響波検出器２５を生体被検部９７に接触させる。次いで、音響波発生器２４から音響波２を発生させて出力する。出力された音響波２は、音響波発生器２４に配置された音響結合部材２８、生体被検部９７及び音響波検出器２５に配置された音響結合部材２８を透過して、音響波検出器２５で検出される。検出された音響波２は、音圧に比例した電気信号として音響波検出器２５に含まれる位相検波増幅器（不図示）で信号の積算、平均化処理がされ、出力信号４が出力される。制御部２６は、この出力信号４を駆動部２７で設定された第１の状態での参照信号として取得する。次に、駆動部２７によって生体被検部９７への出力位置を変えた第２の状態を制御部２６で設定し、第１の状態と同様の測定をする。このようにして、制御部２６は、出力位置ごとの参照信号を取得する。所定の回数又は範囲の音響波２を検出したところで音響波発生器２４の動作を停止する。
制御部２６は、参照信号を検出するたびに強度を比較し、特定の値の強度が得られた位置を特定する。ここで、特定の値は、音響波検出器２５で検出された音響波２のうちの最大の値とする。制御部２６は、特定の値の強度が得られた位置で検出できるような制御信号５を駆動部２７に出力する。駆動部２７は、励起用光源２３、音響波発生器２４及び音響波検出器２５を特定の値の強度が得られた位置で検出できるような位置に移動させる。励起用光源２３は、移動された位置から強度変調光１を出射する。強度変調光１は、透過窓２９を透過し、生体被検部９７に照射される。生体被検部９７で発生した光音響信号３を音響波検出器２５が検出する。検出された光音響信号３は、前述の音響波２と同じようにして音響波検出器２５から出力信号４として出力される。なお、駆動部２７は、音響波発生器２４から出力する音響波２の出力位置でなく、生体被検部９７への出力角度を可変してもよい。上記動作により光音響信号３を検出することにより、反射／散乱の影響の最も少ない配置で光音響信号３を検出することができる。
さらに、本血液成分濃度測定装置の他の動作について図３４を用いて説明する。まず、指等の生体被検部９７を音響波発生器２４と音響波検出器２５との間に挿入した後、駆動部２７で音響波発生器２４と音響波検出器２５を生体被検部９７に接触させる。次いで、音響波発生器２４から音響波２を発生させる。この音響波２は、音響波発生器２４に配置された音響結合部材２８、生体被検部９７及び音響波検出器２５に配置された音響結合部材２８を透過して、音響波検出器２５で検出される。検出された音響波２は、音圧に比例した電気信号として音響波検出器２５に含まれる位相検波増幅器（不図示）で信号の積算、平均化処理がされ、出力信号４が出力される。制御部２６は、この出力信号４を駆動部２７で設定された第１の状態での参照信号として取得する。
次に、音響波発生器２４の動作を停止し、励起用光源２３から出射して透過窓２９を透過した強度変調光１を生体被検部９７に照射する。音響波検出器２５で検出された光音響信号３は、前述の音響波２と同じようにして音響波検出器２５から出力信号４として、出力される。この光音響信号３からの出力信号４が、第１の状態での実際信号となる。ここで、生体被検部９７に対する音響波発生器２４と音響波検出器２５の設定が完了した後の、参照信号と実際信号の取得は電子的に瞬時に行なわれるため、体動などによる生体被検部９７の位置変化はほとんど生じない。
さらに、駆動部２７によって生体被検部９７への照射角度、照射位置を変えた第２の状態を制御部２６で設定し、第１の状態と同様の測定をする。なお、第１と第２の状態のみを例示したが、３以上の状態で上記測定を行なってもよい。このようにして逐次測定し、参照信号が特定の値となる状態に対応する実際信号を測定値として利用することができる。ここで、特定の値は測定前に予め決められた値であってもよい。予め決められた信号強度の音響波２が検出された状態に対応する実際信号を測定値として利用することにより、反射／散乱の影響の略等しい光音響信号３を検出することができる。したがって、血液成分濃度測定装置の配置の変化に伴う多数のパラメータの影響を排除した血液成分濃度を測定することができる。
本実施形態に係る血液成分濃度測定装置制御方法は、音響波発生器２４が、音響波２を２箇所以上の異なる位置から被検体としての生体被検部９７に出力し、音波検出手段としての音響波検出器２５が、生体被検部９７を透過した音響波２の強度が特定の値になる位置を検出する最適位置検出手順と、光発生手段、光変調手段及び光出射手段としての励起用光源２３が、音響波２の強度が特定の値となった位置から一定周波数で強度変調された強度変調光を生体被検部９７に入射し、音響波検出器２５が、生体被検部９７から放射される光音響信号３を検出する光音響信号検出手順と、を順に含む。
音響波２の伝搬経路を変化させて、反射／散乱する散乱体が光音響信号に与える影響を伝搬経路ごとに検出した後に、音響波検出器２５で検出された音響波２の強度が特定の値になる経路を光音響信号３が伝搬するように強度変調光１を生体被検部９７に照射して光音響信号３を検出する。これにより、最適な配置で光音響信号を検出することができる。
さらに、前記最適位置検出手順において、音響波発生器２４は、音響波２を生体被検部９７の表面に出力することが好ましい。これにより、発生した音響波２を生体被検部９７に効率的に伝搬することができる。
さらに、前記光音響信号検出手順において、励起用光源２３は、音響波発生器２４の一部に設けられた、強度変調光１に対して透明な透過窓を介して生体被検部９７に照射することが好ましい。励起用光源２３は、音響波発生器２４の上から強度変調光１を生体被検部９７に照射することができる。これにより、最適な音響波２の検出された音響波発生器２４の位置と略同じ位置から強度変調光１を生体被検部９７に照射することができる。
また、前記光出射手順において、前述したように、励起用光源２３は、異なる波長λ１、λ２の２波の光を発生し、同一周波数かつ互いに逆位相となる強度変調光１に波長λ１、λ２の光の各々を強度変調して出射することが好ましい。
さらに、前記最適位置検出手順において、音響波発生器２４は、強度変調光１と周波数の略等しい周波数の音響波２を出力することが好ましい。検出する光音響信号３と周波数の等しい音響波２で散乱体を検出できるので、散乱体が光音響信号３に与える影響をより正確に検査することができる。
さらに、前記最適位置検出手順において、音響波発生器２４は、音響波検出器２５で検出される音響波２の強度に応じて出力する音響波２の強度を大小させることが好ましい。音響波検出器２５で検出された音響波２の強度に応じて音響波発生器２４から出力する音響波２の強度を大小させることができるので、音響波検出器２５で検出された強度が小さい場合でも検出された強度を比較することができる。
さらに、前記最適位置検出手順において、音響波発生器２４及び音響波検出器２５は、圧力が制御可能な押圧力で音響波発生器２４及び音響波検出器２５を生体被検部９７に押圧して音響波２を検出することが好ましい。音響波発生器２４及び音響波検出器２５が生体被検部９７を押圧する圧力が可変なので、音響波発生器２４及び音響波検出器２５が生体被検部９７と接触する圧力を所定の圧力に保つことができる。これにより、生体被検部９７を押圧する圧力の影響を軽減することができる。
なお、図３４で示す血液成分濃度測定装置の回路図は、圧力が制御可能な押圧力で前記音響波発生器及び前記音響波検出器を前記生体被検部に押圧する押し付け手段（不図示）を含んでもよい。押し付け手段は、例えば、前記音響波発生器及び前記音響波検出器が両端に固定されたコの字形のアームを用いることができる。アームが前記音響波発生器及び前記音響波検出器の距離を可変して、音響波発生器及び音響波検出器が生体被検部を押圧する圧力を可変することができる。これにより、音響波発生器及び音響波検出器が生体被検部と接触する圧力を所定の圧力に保つことができる。
また、生体被検部９７は、図３４では人体の指としたが、動物、鳥、或いは、果実又は野菜等の植物のいずれの被測定物でもよい。被測定物は、流動物の流れる管や、液体、ゾル又はゲルを内蔵するボトルやタンク等の容器を含む。例えば被測定物が果実であれば、果実の糖度を非侵襲で測定することができる。
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、光音響信号の発生源と音響波検出器の位置関係が最適となる配置を検出することにより、骨などの散乱体が影響の少ない最適な配置で光音響信号を検出し、血液成分濃度を測定することができる。さらに、検出される音響波の信号強度が予め定められた値となる配置で光音響信号を検出することにより、血液成分濃度測定装置の配置の変化に伴う多数のパラメータの影響を排除した血液成分濃度を測定することができる。
（実施例）
ここで、第５実施形態における具体的な実施例について説明する。
（第１実施例）
本発明に係る血液成分濃度測定装置の実施例について図３６を参照して説明する。図３６は、本実施例に係る血液成分濃度測定装置の回路図である。音響波発生器４０４は発振器４０３に接続されている。音響波発生器４０４には、被検体４０５の上部から強度変調光１を照射するのに十分な大きさの空孔４１０が出射窓として空いている。音響波発生器４０４は発振器４０３の発振周波数に伴い、音響波２を発生する。音響波２は被検体４０５を通過し、音響結合部材４０６を経て音響波検出器４０７により検出され、音圧に比例した出力信号４に変換される。出力信号４の波形は位相検波増幅器４０８で観測され、出力端子４０９に出力される。この位相検波増幅器４０８は発振器４０３の周波数に同期した信号によりトリガーされ、出力信号４は位相検波増幅器４０８により信号を積算・平均して測定することができる。音響波検出器４０７の配置、被検体４０５との押し付け圧力を変えながら、音響波発生器４０４から発生する音響波２の検出を行なう。このように検出された音響波２の信号強度を逐次測定し、特定の値の強度になる位置に音響波検出器４０７を固定する。各素子を生体内の反射／散乱の影響を避けた最適な配置を実現する。
一方、発振器４０３は駆動電源４０２も接続されている。駆動電源４０２は発振器４０３の発振周波数に伴った矩形状の励起電流を半導体レーザ素子４０１に供給する。
各素子の配置の校正を行った後、半導体レーザ素子４０１に発振器４０３の周波数で強度変調を行なって強度変調光１を発生させる。強度変調光１は音響波発生器４０４の中心に空いている空孔４１０より被検体４０５に照射される。強度変調光１は被検体４０５内に光音響信号３を発生させる。光音響信号３は音響結合部材４０６を経て音響波検出器４０７により検出され、音圧に比例した出力信号４に変換される。出力信号４の波形は位相検波増幅器４０８により観測される。この位相検波増幅器４０８は発振器４０３の周波数に同期した信号によりトリガーされ、音圧に比例した出力信号４は位相検波増幅器４０８により積算・平均して測定することができる。測定した信号は出力端子４０９から外部へと出力される。
上記構成において、音響波発生器４０４は直径が３０ｍｍ程度の大きさで、中心に半径１０ｍｍの大きさの空孔を有している。音響波発生器は被検体４０５に超音波ジェルを介して密着している。発生する音響波２は２００ｋＨｚであり、発振器４０３により制御されている。
音響波検出器４０７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、また音響結合部材４０６は超音波ジェルを用いた。上記の構成において、時定数を０．１秒に設定した位相検波増幅器４０８の出力端子４０９には、音響波２に対応する出力信号４としてＶｒ＝１〜１５ｍＶの信号強度が得られた。このため最適な配置としてＶｒ＝１５ｍＶを検出した位置に固定した。
一方、半導体レーザ素子４０１の波長は、１６０８ｎｍに設定されている。この波長はグルコースの吸収波長に対応している。強度変調光１が強度変調される変調周波数は２００ｋＨｚに設定されており、出力は５．０ｍＷである。
被検体４０５に照射される光のビーム径は、ビームの照射されている被検体４０５の位置から音響波検出器４０７までの距離を１０ｍｍとして、フレネル数が０．１となるように２．７ｍｍと設定されている。
上記の状態において、半導体レーザ素子４０１の出力光の皮膚への照射強度は０．２２ｍＷ／ｍｍ２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、測定中、又は被検体４０５が置かれていない際に音響結合部材４０６から反射又は散乱した光が、外部に漏洩しないように、被検体４０５の配置されている位置に遮光フード（不図示）を設置するとよい。
音響波検出器４０７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、音響結合部材４０６には超音波ジェルを用いた。上記の構成において、半導体レーザ素子４０１の出力する強度変調光１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４０８の出力端子４０９には、光音響信号３に対応する出力信号４としてＶｒ＝２０μＶの信号強度が得られた。
以上のように光音響測定を行なう前に、音響波発生器４０４により発生させた音響波２を参照信号として用い配置の校正を行い、その後、半導体レーザ素子４０１により光音響信号３の音圧に比例した出力信号４を測定し、被検体４０５内のグルコースの吸収に対応する光音響信号３の測定を行なった。
（第２実施例）
図３６を参照して説明する。音響波発生器は、発振器に接続されている。音響波発生器４０４には、被検体４０５の上部から励起光を照射するのに十分な大きさの空孔が中心に空いている。
音響波発生器４０４は発振器４０３の発振周波数に伴い、音響波２を発生する。音響波２は被検体４０５を通過し、音響結合部材４０６を経て音響波検出器４０７により検出され、音圧に比例した出力信号４に変換される。出力信号４の波形は位相検波増幅器４０８により信号を積算・平均して測定することができる。ここで音響波検出器４０７の配置、被検体４０５との押し付け圧力を変えながら、音響波発生器４０４からの発生する音響波２の検出を行なう。このように検出出力強度を逐次測定し、特定の値の強度になる位置に音響波検出器４０７を固定する。各素子を生体内の反射／散乱の影響を避けて最適な配置を実現する。
一方、駆動電源４０２は発振器４０３も接続されている。駆動電源４０２は区形状の励起電流を半導体レーザ素子４０１に供給する。
各素子の配置の校正を行った後、半導体レーザ素子４０１に発振器４０３の周波数で強度変調を行なって強度変調光１を発生させる。強度変調光１は音響波発生器４０４の中心に空いている空孔４１０より被検体４０５照射される。強度変調光１は被検体４０５内に光音響信号３を発生させる。光音響信号３は音響結合部材４０６を経て音響波検出器４０７により検出され、音圧に比例した出力信号４に変換される。出力信号４の波形は位相検波増幅器４０８により観測される。この位相検波増幅器４０８は発振器４０３の周波数に同期した信号によりトリガーされ、音圧に比例した出力信号４は位相検波増幅器４０８により積算・平均して測定することができる。測定した出力信号４は出力端子４０９により外部へと出力される。
上記構成において、音響波発生器４０４は直径が３０ｍｍ程度の大きさで、中心に半径１０ｍｍの大きさの空孔４１０を有している。音響波発生器４０４は被検体４０５に超音波ジェルを介して密着している。発生する音響波２は２００ｋＨｚであり、発振器４０３により制御されている。
音響波検出器４０７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、また音響結合部材４０６は超音波ジェルを用いた。上記の構成において、時定数を０．１秒に設定した位相検波増幅器４０８の出力端子４０９には、音響波２に対応する出力信号４としてＶｒ＝１〜１５ｍＶの信号強度が得られた。このため最適な配置としてＶｒ＝１５ｍＶを検出した位置に固定した。
一方、半導体レーザ素子４０１の波長は、１６０８ｎｍに設定されている。この波長はグルコースの吸収波長に対応している。強度変調周波数は２００ｋＨｚに設定されており、出力は５．０ｍＷである。
被検体４０５に照射される強度変調光１のビーム径は、ビームの照射されている被検体４０５の位置から音響波検出器４０７までの距離を１０ｍｍとして、フレネル数が０．１となるように２．７ｍｍと設定されている。
上記の状態において、半導体レーザ素子４０１の出力光の被検体４０５の皮膚への照射強度は０．２２ｍＷ／ｍｍ２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、測定中、又は被検体４０５が置かれていない際に音響結合部材４０６から反射又は散乱した光が、外部に漏洩しないように、被検体４０５に遮光フード（不図示）を設置するとよい。
音響波検出器４０７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、音響結合部材４０６は超音波ジェルを用いた。上記の構成において、半導体レーザ素子４０１の出力する強度変調光１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４０８の出力端子４０９には、光音響信号３に対応する出力信号４としてＶｒ＝２０μＶの信号強度が得られた。
上記測定を行なった後、一度測定装置を外し、再度同様の測定を行なった。まず音響波検出器４０７の配置、被検体４０５との押し付け圧力を変えながら、音響波発生器４０４から発生する音響波２の検出を行なう。時定数を０．１秒に設定した位相検波増幅器４０８の出力端子４０９には、音響波２に対応する出力信号４として、Ｖｒ＝１〜１５ｍＶの信号強度が得られた。このため最適な配置としてＶｒ＝１５ｍＶを検出した位置に固定した。
次に、上記の固定した位置において、半導体レーザ素子４０１により発生した光音響信号３を位相検波増幅器４０８により測定したところ、Ｖｒ＝２０μＶの信号強度が得られた。
以上のように、再測定を行なう際に、音響波発生器４０４により発生させた音響波２を参照信号として用い配置の校正を行なうことで、光音響信号３の測定に対して、再現性よく測定を行なうことができる。
（第６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、前記異なる波長の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、前記強度変調された異なる波長の２波の光を１の光束に合波し生体に向けて出射する光出射手段と、前記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、少なくとも前記光出射手段及び前記音波検出手段を搭載し、生体の一部を囲んで装着される環状部分を有する装身手段と、を備えた血液成分濃度測定装置であって、前記光出射手段及び前記音波検出手段は、それぞれ前記装身手段の環状部分の内側の生体に接する部分に配置されていることを特徴とする血液成分濃度測定装置である。本実施形態に係る装身手段は、前述の第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、及び第５実施形態に係る血液成分濃度測定装置においても適用することができる。
特に、本実施形態に係る前記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が有効である。
図３７を参照して、本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置における測定系の基本構成について説明する。図３７は、本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置における測定系の基本構成を示している。ここで、図３７には後述する実装に関わる部分、および電源などの通常の技術により実現できる部分は表示していない。
図３７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。
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。
ここで、図３７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。
ここで、一例として、測定対象とする血液成分をグルコース、すなわち血糖値の測定の場合、第１の光源１０１の波長（λ１）を１６０８ｎｍ、第２の光源１０５の波長λ２を１３８１ｎｍと設定するのが有効である。さらに長波長の波長帯の場合は、第１の光源１０１の波長（λ１）を２１２６ｎｍ、第２の光源１０５の波長（λ２）を１８３７ｎｍあるいは２２９４ｎｍと設定するのも有効である。図７に第１の光源１０１の波長（λ１）と第２の光源１０５の波長（λ２）の関係を示す。
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本の光束として、生体被検部１１０に向けて出射される。出射された第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。
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。
本実施形態に係る前記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。
さらに、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光変調手段とすることも有効である。
上記のように、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。
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。
波長λ１および波長λ２の各々光に対して、背景の吸収係数α１ （ｂ）、α２ （ｂ）及び測定対象とする血液成分のモル吸収α１ （０）、α２ （０）が既知の場合、各波長における光音響信号の測定値ｓ１およびｓ２を含む連立方程式は数式（１）で表される。
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、前記光出射手段と前記音波検出手段の間の距離（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。
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λ１および波長λ２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λ１および波長λ２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。
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（αｉ （ｂ）、ｉ＝１、２）の方が、血液成分濃度Ｍを含む項（Ｍαｉ （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、αｉ （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λ１および波長λ２の２波の光は、各々における背景の吸収係数、α１ （ｂ）、α２ （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（４）で表される。数式（４）の後段の変形にはｓ１≒ｓ２という性質を用いている。
ここで、数式（４）を見ると、分母に波長λ１および波長λ２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ｓ１−ｓ２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α１ （０）が極大となる波長を波長λ１に選び、かつ、α２ （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λ２を選ぶのが良い。ここで、前の条件から、この第２の波長λ２は、α２ （ｂ）＝α１ （ｂ）、即ち、背景の吸収係数が第１の波長λ１の吸収係数に等しくなければならない。
さらに、数式（４）において、光音響信号ｓ１は、光音響信号ｓ２との差ｓ１−ｓ２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ｓ１および光音響信号ｓ２の強度には、０．１％以下の差異しかない。
しかし、数式（４）の分母の光音響信号ｓ２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ｓ１および光音響信号ｓ２を逐次個別に測定するよりも、それらの差ｓ１−ｓ２を測定しこの測定値を、個別に測定した光音響信号ｓ２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λ１および波長λ２の光を、互いに逆相に強度変調して出射することにより、生体内で光音響信号ｓ１および光音響信号ｓ２が相互に重畳されて生じる光音響信号の差信号ｓ１−ｓ２を測定する。
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（４）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。
次に、本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置の実装構造について説明する。本実施形態に係る血液成分濃度測定装置の装身手段の構成を図３８に示す。図３８に示す装身手段としての装身部１３０において、被検体としての生体１３１を囲む環状の形状を有する環状支持体１３２の内側には少なくとも光出射手段としての光照射部１３３および音波検出手段としての超音波検出部１３５が搭載されている。図３８において、光照射部１３３および超音波検出部１３５は、環状支持体１３２の内側の生体１３１に接する面に搭載され、光照射部１３３の光照射部分と超音波検出部１３５の超音波受信部分は生体１３１を挟んで対向する位置に搭載される。
上記のような構造の装身部１３０は、生体１３１を確実に保持し、生体１３１の動きおよび形の変化を最小限にとどめる効果を有し、光照射部１３３と超音波検出部１３５の間の生体１３１の厚さを一定に保ち、かつ、超音波検出部１３５の周辺の生体１３１の形の変化も抑制し、超音波検出部１３５の周辺の生体１３１からの超音波の反射の変化を減少させるので、血液成分濃度を正確に測定できる。
上記のように光照射部１３３と超音波検出部１３５は装身部１３０の環状部分の略対向する位置に配置することにより、光照射部１３３が照射した光により生体１３１内に発生した超音波は超音波検出部１３５により効率よく検出される。
本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置において、前記音波検出手段の配置箇所を含んで、前記装身手段の環状部分の内側の生体に接する部分の少なくとも半周にわたる部分に該生体に近似する音響インピーダンスを有する緩衝材の層を配置することが好ましい。本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置の装身手段の構成は、例えば図３９に示すように、超音波検出部１３５の配置箇所を含んで、装身部１３０の環状部分の内側の生体に接する部分の少なくとも半周にわたる部分に該生体に近似する音響インピーダンスを有する緩衝材１３６の層を配置する。
ここで、仮にＺ１およびＺ２の音響インピーダンスを有する媒質の界面に、音波が入射する際、一般に、入射した音波は透過波と反射波とに分かれて伝搬する。後者の音圧の入射波のそれに対する比率は、圧力反射率と称され、界面に垂直に音波が入射する場合、数式（４）で表されることが知られている。
今、生体１３１の音響インピーダンスＺ１は、水に近似することが知られているので、概略１．４８ＭＲａｙｓ（但し、１ＭＲａｙｓ＝１０６ｋｇ／ｍ２・ｓ）である。他方、生体１３１の表面が通常接している空気は、音響インピーダンス４．０８×１０４ＭＲａｙｓであり、生体１３１に対して３桁を越える開きがある。その結果、生体１３１の表面においては、音波が垂直に入射した場合、圧力反射率が９９．９％を越え、斜めに入射する場合の反射率はさらに大きい。
このような反射は、生体１３１に近似する音響インピーダンスを有する緩衝材１３６を用いて、音響整合をとることで減少させることができる。例えば、生体１３１に無害であり、体内埋め込み型の医療具にも用いられているシリコンゴムの場合、典型的な音響インピーダンスが１．２４ＭＲであり、シリコンゴムを緩衝材１３６として使用することにより生体１３１との界面での圧力反射率を９％程度にまで減じることができる。
また、本実施形態に係る前記非侵襲血液成分濃度測定装置においては、波長１μm以長の光を照射するが、この場合、生体１３１の大部分を占める水分は強い吸収を呈するために、光照射部１３３からの光により照射された部分の生体１３１の直下の皮膚表面の近くで局部的に音源が形成され、発生する超音波は球面波と見なせる。
さらに後述するように、光照射部１３３が照射する光のビーム径は直径約５ｍｍに拡大して照射するので、照射光により形成される音源は円盤状を呈し、この円盤の厚みは、生体１３１の吸収長α−１によって決まり、上述の波長約１．６μｍの光照射においては、約１．６ｍｍとなり、波長約２．１μｍの光照射においては、約０．４ｍｍである。
音源がこのような薄い円盤上を呈するために、発生する超音波に指向性が生じ、生体１３１内に発生する超音波は超音波検出部１３５の方向へ集中して伝搬する。従って、緩衝材１３６は超音波検出部１３５の配置箇所を含んで、装身部１３０の環状部分の内側の生体に接する部分の少なくとも半周にわたる部分に設置するのが有効である。
上記のように、超音波検出部１３５の配置箇所を含んで、装身部１３０の環状部分の内側の生体１３１に接する部分の少なくとも半周にわたる部分に、生体１３１に近似する音響インピーダンスを有する緩衝材１３６の層を配置することにより、光照射部１３３が照射した光により生体１３１内に発生した超音波のうち超音波検出部１３５に直接到達する分は超音波検出部１３５により効率よく検出され、かつ生体１３１内で発生した超音波で生体１３１と装身部１３０の環状支持体１３２の内側の界面で多重反射した後に超音波検出部１３５に受信され雑音となる超音波の量を減少させることにより、より正確に血液成分濃度を測定できる。
本実施形態に係る血液成分濃度測定装置において、前記緩衝材の層と前記装身手段の環状部分の内側の面の間に吸音材を充填することもできる。本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置の前記装身手段の構成は図４０に示すように、緩衝材１３６と装身部１３０の環状部分の環状支持体１３２の内側の面の間に吸音材１３７を充填する。ここで、吸音材１３７は、超音波を良く吸収する材料を使用する。例えば、緩衝材１３６としてシリコンゴムを使用する場合、仮に吸音材１３７が充填されていない場合を考えると、緩衝材１３６の中を進んできた超音波は、例えば金属で作成された環状支持体１３２に達すると、シリコンゴムと金属の間は約６０％の圧力反射率を呈するため、超音波は環状支持体１３２の表面で反射され、緩衝材１３６のシリコンゴム中を逆行して、再び生体１３１に到達する。
上記のような反射を防止するための吸音材１３７としては、エポキシ樹脂に金属酸化物の粉末（酸化チタンや酸化タングステン）を含む材料などを用いるのも有効である。
上記のように、緩衝材１３６と装身部１３０の環状部分の環状支持体１３２の内側の面の間に吸音材１３７を充填することにより、光照射部１３３が照射した光により生体１３１内に発生した超音波が緩衝材１３６と環状支持体１３２の界面により反射した後に超音波検出部１３５により検出され雑音となる超音波の量を減少させることにより、より正確に血液成分濃度を測定できる。
本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置において、前記光発生手段は、複数の半導体レーザ素子によって異なる波長の２波の光を発生する前記光発生手段とすることもできる。
上記のように、前記光発生手段は、複数の半導体レーザ素子によって異なる波長の２波の光を発生することにより、本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置は装置の大幅な小型、軽量化が可能となる。
本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置において、前記光出射手段は前記光発生手段の発生した光のビーム径を拡大するビーム径拡大器を備えることが好ましい。
上記のように、前記光出射手段は前記光発生手段の発生した光のビーム径を拡大するビーム径拡大器を備えることにより、前記生体に出射する光ビームを拡大し、前記生体に悪影響を与えることなく、比較的に強い光を出射することが可能となり、さらに正確に該生体の血液成分濃度を測定することができる。
本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置において、前記装身手段が人体の手指に装着される指輪であり、かつ、前記光出射手段が前記手指の手背側に配置され、前記音波検出手段が前記手指の手掌側に配置されていること前記装身手段とすることもできる。
上記のように、前記装身手段が人体の手指に装着される指輪であり、かつ、前記光出射手段を前記手指の手背側に配置し、前記音波検出手段を前記手指の手掌側に配置することにより、前記音波検出手段は前記手指の比較的柔らかい皮膚と容易に接触し、前記音波検出手段は該手指内に発生する超音波を効率よく測定できるので、一層正確に、血液成分濃度を測定できる。さらに前記光出射手段と前記音波検出手段を指輪の内面に実装することにより、日常生活に支障なく、簡易かつ連続的に該人体の血液成分濃度を測定できる。
本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置において、前記装身手段が人体の腕に装着される腕輪であり、かつ前記光出射手段を手掌側に配置し、前記音波検出手段を手背側に配置する前記装身手段とすることもできる。
上記のように、前記装身手段が人体の腕に装着される腕輪であり、かつ前記光出射手段を手掌側に配置し、前記音波検出手段を手背側に配置することにより、前記音波検出手段は前記腕の比較的柔らかい皮膚と容易に接触し、前記音波検出手段は該腕内に発生する超音波を効率よく測定できるので、一層正確に、血液成分濃度を測定できる。さらに前記光出射手段と前記音波検出手段を腕輪の内面に実装することにより、日常生活に支障なく、簡易かつ連続的に該人体の血液成分濃度を測定できる。
（実施例）
ここで、第６実施形態における具体的な実施例について説明する。
（第１実施例）
本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置を人体に対して適用し、前記装身手段を指輪として実施した実施例を図４１に示す。
図４１は本実施形態に係る血液成分濃度測定装置の第１実施例である手への装着形態を示す。図４１において、被検体としての生体１９３に装着される指輪型の前記装身手段としての装身部２０７には、前記光出射手段及び前記音波検出手段が内蔵され、前記光出射手段と前記音波検出手段に電力を供給する電源、並びに、前記音波検出手段の一部としての前記超音波検出器の出力電気信号を増幅する前記音波検出手段の一部としての位相検波増幅器および血液成分濃度の検出手段は、腕時計型の表示部２２１内に装備されている。装身部２０７と表示部２２１の間は接続ケーブル２１０により接続される。
表示部２２１の外側には、測定した血液成分濃度の表示器が備わり、また、少なくとも１つの測定開始を指示するための釦が装備される。さらに、時計機能、測定濃度データの記憶および呼出機能、記憶した測定データの外部機器への通信機能の装備も有効である。
上記接続ケーブル２１０は、手の動きの支障とならないように、伸縮性を備え、更に、手背における指伸筋の腱の問に沿うことが望ましい。なお装身部２０７は、図４１においては左手第２指に装着されているが、何れの手、何れの指にでも装着できるように形成できることはいうまでもない。
図４２は、指輪型の装身部２０７を指から取り外した状態を示す図であり、手指を通す指輪の枠２２２における接続ケーブル２１０の設置状況を示している。上記の接続ケーブル２１０を手指の腱問に保持するために、接続ケーブル２１０の装身部２０７の引出し部が、指輪のビゼル（ｂｅｚｅｌ）の頂を外して、設けてある。枠２２２の幅の中央、すなわち図４２の中に示すａ−ａの破線に沿った切断面を、図４３に示す。
図４３の装身部２０７の断面を示す図において、装着時に指の手背側（図の上方）に位置する指輪のビゼルに相当する部分に、前記光発生手段の一部としての光源チップ３１４および前記光出射手段を構成する照射窓３１３、反射鏡３１６、凹面鏡３１７などが設置され、一方、指の手掌側（図の下方）に位置する部分に前記音波検出手段の一部としての超音波検出器３０５が設置されている。
超音波検出器３０５の出力インピーダンスは、一般に高インピーダンスであるため出力を直接、接続ケーブル３１０によって図４１に示す表示部２２１まで導くのは、雑音の観点から得策でない。それ故、超音波検出器３０５の直近にインピーダンスを変換する前置増幅器３１２を設置し、超音波検出器３０５の出力端子と接続し、超音波検出器３０５の出力インピーダンスを低く変換して、前置増幅器３１２の出力信号を図４１に示す接続ケーブル２１０を経て、表示部２２１に供給している。
図４３に示すように超音波検出器３０５の両側には、前述した超音波の反射対策が施される。即ち、装身部２０７の内側の面の超音波検出器３０５の直上を含むおよそ半周にわたって、緩衝材３０６としてのシリコンゴムを設置し、また緩衝材３０６と枠３１１の問は、吸音材３０７によって充填されている。
前記光発生手段としての光源チップ３１４としては、半導体レーザ素子を用いるのが良い。半導体レ一ザは、小型で、かつ長寿命であることに加えて、注入電流を変調することにより、前記光音響法に必要な強度変調動作が素子に対して直接行えるという利点を有するからである。
光源チップ３１４として半導体レーザ素子を使用した場合の出射光束３１５は、通常、拡散光束であり、出射直後のビーム径は、光音響法に適したビーム径よりも遥かに小さい。それ故、ビーム径を拡大させた後に、生体への照射光３０４を得る必要がある。本実施例では、ビーム径を拡大させるための光学系を、反射鏡３１６および凹面鏡３１７よって構成している。即ち、出射全角４６°（開口数ＮＡ＝０．３９）を持つ出射光束３１５に対し、光源チップ３１４の出射端面から１．２ｍｍの距離に反射鏡３１６が設置され、出射光束３１５を上方の凹面鏡３１７に向けて反射する。凹面鏡３１７は、反射鏡３１６から４．７ｍｍ離して保持され、反射鏡３１６からの入射光束を平行光束に変換して図面下方の照射窓３１３方向に反射する。
本実施例では、凹面鏡３１７の焦点距離、即ち曲率半径の１／２が、光源チップ３１４の出射端から反射鏡３１６までの光路と、当該反射鏡３１６から凹面鏡３１７までの光路との和に等しく設定されているので、５．０ｍｍの直径を有する照射光３０４が、照射窓３１３を経て得られる。
照射窓３１３は、光源チップ３１４、反射鏡３１６および凹面鏡３１７の保護と、光源チップ３１４および反射鏡３１６を高い寸法精度を以て取付ける座板を兼ねている。照射窓３１３の材料としては照射光３０４対して透明で、かつ、傷に強い性質が要求されるので、本実施例では、サファイア板を使用している。
凹面鏡３１７の裏側は、装身部２０７において指輪のビゼルの頂に相当する部分にあり、指輪の装飾品としての通常用途においては、中心的役割を担う箇所である。本実施例において、この凹面鏡３１７の裏側は、装飾の目的に利用できる。
照射窓３１３と凹面鏡３１７は、相対位置を保って、枠３１１に固定される必要がある。そのため、枠３１１には、照射窓３１３と凹面鏡３１７の位置合せのための切掛けが設けられる。更に枠３１１は、電気配線の布線のための中空部分（布線腔）、および、吸音材３０７と緩衝材３０６の貼付の為の溝を備える。このような構造を有する枠３１１は、宝飾業における鋳型（キャステイング）の手法により、通常の指輪の台と同様にして十分作成可能である。
図４４に、光源チップ３１４の実装形態を示す。本実施例においては、波長の互いに異なる２個の半導体レーザ素子を使用している。具体的には図４４に示す基板３２１上にＭＥＭＳ技術を用いて形成した。図４４に示す光源チップ３１４の概略の寸法は、１ｍｍ×１．５ｍｍ×（厚さ）０．６ｍｍであり、指輪型の前記装身手段として容易に実装可能な大きさである。
図４４において、第１の半導体レーザ３１８はフッ化ポリイミドによる光導波路３２２の主枝の端面に設置され、光導波路３２２の主枝中にレーザ発振光を出力する。一方、第２の半導体レーザ３１９は、同じくフッ化ポリイミドによる光導波路３２２の側枝の端面に設置され、光導波路３２２の側枝中にレーザ発振光を出力する。これら２個の半導体レーザ素子には、各々の電極パッド３２０を介して、駆動電流が供給される。
光導波路３２２の主枝と側枝の交点には、前記光出射手段としての合波器３２３が形成されている。合波器３２３は、フッ化ポリイミドの除去された間隙であり、多重干渉効果、所謂、エタロン効果により、第１の半導体レーザ３１８の発振波長に対しては透過、第２の半導体レーザ３１９の発振波長に対しては反射を呈するように作成されている。
上記の構成により、波長の互いに異なる２個の半導体レーザ素子の出力光が合波され、光導波路３２２の中を伝搬した後、光導波路３２２の半導体レーザ素子が設置されていない方の端面から出射光束３１５が出射される。
図４５に、指輪型の前記装身手段の、図４2に示すａ−ａにおける断面図を示す。図４５においては、超音波検出器３０５が埋設されている周辺が拡大して示されている。超音波検出器３０５としては、ＰＺＴあるいはＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの公知の圧電超音波検出素子を使用できる。但し、ＰＺＴは音響インピーダンスが高くインピーダンス整合層の付加の必要があり、一方、ＰＶＤＦは音響インピーダンスの整合には有利であるが出力電圧、即ち感度が低い。本実施例においては、これらＰＺＴあるいはＰＶＤＦ替えて、ＭＥＭＳ技術により形成したＭＥＭＳ型超音波検出素子を用いた。
図４５において、超音波検出器３０５は、振動膜３２４および固定電極３２５により構成される。
上述した音響整合用の緩衝材３０６は、超音波検出器３０５において、振動膜３２４に接している。このようなＭＥＭＳ型の超音波検出器３０５の、固定電極３２５側の背圧を逃すために、固定電極３２５の背後の枠３１１に設けられた細経穴を経て大気圧に通じる流路が設けられている。超音波検出器３０５は、振動膜３２４と固定電極３２５により形成される平板容量（キャパシター）における、振動膜３２４の変位による容量変化によって、超音波を検出する。従って、超音波検出器３０５に接続される前置増幅器３１２は、前記のインピーダンス変換機能に加えて、超音波検出器３０５の平板容量に一定電荷を供給する機能が付加されている。
前置増幅器３１２は、図４３に示す接続ケーブル３１０までの配線のための布線腔３２６と共に、吸音材３０７の背後の枠３１１に設置されている。このような構成は、前置増幅器３１２および布線腔３２６により、超音波が反射されるのを防止する配慮である。
図４１において、指輪型の装身部２０７と表示部２２１の各々に内蔵する素子あるいは回路、およびそれらの間の接続方法については、本実施例に示した以外にも、本実施形態の趣旨を逸脱しない範囲で、種々考案し得る。例えば、前記接続ケーブル内に光ファイバ（ケーブルの伸縮性を保つために、曲げ半径の小さいものが良い）を含め、光源チップ３１４を表示部２２１に設置し、指輪型の装身部２０７の前記光出射手段としては、ビーム拡大のための光学系のみを残すこともできる。
一方、指輪型の装身部２０７に電池を内蔵し、光源の駆動電源や位相検波増幅器までを含めた携帯型非侵襲血液成分濃度測定装置に関わる全要素を、指輪型の装身部２０７に実装することも可能である。この場合、指輪型の装身部２０７と表示部２２１の間の血液成分濃度計測値の通信は、接続ケーブル無しに無線によって行うこともできる。
（第２実施例）
本実施形態に係る血液成分濃度測定装置を人体に対して適用し、手首に装着する腕環型の前記装身手段として実施した構成を図４６に示す。
図４６は本実施形態に係る前記血液成分濃度測定装置を、腕環型の前記装身手段として、手首へ装着した状態を示す。図４６に示す前記血液成分濃度測定装置の腕環型の前記装身手段の手首への装着形態において、被検体としての生体４００に装着される腕環型の表示部４１９は、実施例１において説明した腕時計型の表示部２２１と指輪型の装身部２０７が一体化した構成である。
表示部４１９は音波検出手段としての超音波検出器を内蔵し、更に、前記光発生手段、前記光変調手段、前記光出射手段も内蔵した場合であり、表示部４１９の外側には、血液成分濃度の測定結果の表示器が備わり、また、少なくとも１つの測定開始を指示するための釦が装備される。さらに表示部４１９へ付加する機能は、前述の実施例１と同様である。
図４７は、腕環型の前記装身手段を手首から取り外した状態を示した図であり、手首を囲む表示部４１９、側帯４２８および前記光出射手段としての光照射部４２１により構成している。腕環型の前記装身手段は、通例の腕時計と類似した外観を有するが、その装着方法においては相異している。即ち、通例の腕時計の場合は、一般に着脱のためのバックル等が装備される両側帯（腕時計にあっては時計バンドと称される）の重なり部分が、腕環型の前記装身手段の場合は光照射部４２１によって占められている。従って、このような腕環型の前記装身手段には、別種の着脱機構が必要となる。
本実施例においては、腕環型の前記装身手段の着脱機構として、図４７に示す挿入片４２９、開口４３０および着脱釦４３１から構成されるシートベルトに類似の着脱機構を装備している。
本実施例において、音波検出手段としての超音波検出器は、表示部４１９の裏蓋に埋設されている。前記超音波検出器としては、前述の第１実施例と同様に、ＰＺＴ，ＰＶＤＦあるいはＭＥＭＳ型などの超音波検出素子を使用できる。
前記超音波検出器、およびその両側における生体との接触面には、緩衝材４１８が設置され、この緩衝材４１８の内側には、前記吸音材が充填されている。
本実施例においては、腕環型の前記装身手段は前記超音波検出器が手背側に接し、光照射部４２１が手掌側に接するように装着する。その理由は、手首の手掌側には、長掌筋の腱、尺側皮（正中）静脈等による凹凸があり、手首の手掌側においては、前記超音波検出器を皮膚に密着させ、良好な音響結合を期待し難いからである。
光照射部４２１を側帯４２８の方向へ向かう中央線に沿った切断面を、図４８に示す。図４８は図４７に示す腕環型の前記装身手段の光照射部４２１の断面を示す図であり、上記の第１実施例と同様の前記光発生手段の一部としての光源チップ４１４の出射光束４１５のビーム径を拡大した後に、生体への出射光４１７を得ている。
本実施例では、ビーム径拡大のための光学系を、反射鏡４１６およびレンズ４３２により構成している。即ち、出射全角４６°（開口数ＮＡ＝０．３９）を持つ出射光束４１５に対し、光源チップ４１４の出射端から２．７ｍｍの距離に反射鏡４１６が設置され、出射光束４１５をレンズ４３２の方向へ反射する。レンズ４３２は、反射鏡４１６から３．２ｍｍ離して保持され、反射鏡４１６からの入射光束を平行光束に変換して図面の上方、照射窓４１３の方向に照射する。
本実施例では、レンズ４３２の焦点距離が、丁度光源チップ４１４の出射端から反射鏡４１６までの光路と当該反射鏡４１６からレンズ４３２までの光路との和に等しく設定されているので、５．０ｍｍのビーム直径を有する出射光４１７が、照射窓４１３を経て得られる。照射窓４１３は、光照射部４２１の内部の部品の保護のため設けられ、出射光４１７に対して透明で、かつ傷つき難い性質が要求される。光源チップ４１４および反射鏡４１６は、高い寸法精度を以て光源座板４３３に取付けられている。
本実施形態に係る腕環型の前記装身手段としては、以上の実施例で例示した他にも、上腕部に装着する腕環（アームレット）、躁に装着するアンクレット、さらに首に装着する首輪等（但し、後二者としては密着性の良い形態のもの）を、本実施形態の精神を逸脱しない範囲で選択して実施できることは、言うまでもない。
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。
本実施形態に係る血液成分濃度測定装置および血液成分濃度測定装置制御方法は、日常の健康管理や美容上のチェックに利用することができる。また、人間の生体ばかりでなく、動物の生体についても健康管理に利用することができる。
１ 強度変調光
２ 音響波
３ 光音響信号
４ 出力信号
５ 制御信号
１１ 光発生部
１２ 光変調部
１３ 光出射部
１４ 超音波検出部
１５ 吸音材
１６ 温度計測部
１７ 出射窓
１８ 反射材
２１ 容器
２２ 内部
２３ 励起用光源
２４ 音響波発生器
２５ 音響波検出器
２６ 制御部
２７ 駆動部
２８ 音響結合部材
２９ 透過窓
３１ 電源
３２ 位相検波増幅器
３３ 信号処理器
３４ 表示処理器
３５ 接続ケーブル
３６ 温度調整部
３７ ヒータ
３８ 前置増幅器
３９ 光源チップ
４０ レンズ
４１ ビームスプリッタ
４２ 光ファイバ
５１ 発振器
５２ １８０°移相器
５３ 駆動回路
５４ 光発生手段
５５ 合波器
５６ 音響整合物質
５７ フィルタ
５８ 位相検波増幅器
５９ 光音響信号出力端子
９７ 生体被検部
９９ レンズ
１００ 発振器
１０１ 第１の光源
１０２ 駆動回路
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 合波器
１１０ 生体被検部
１１１ 生体被検部
１１２ 光源
１１３ 超音波検出器
１１４ 位相検波増幅器
１１５ 出力端子
１１６ 駆動回路
１１７ 駆動回路
１１８ 分周器
１１９ １８０°移相器
１２０ 合成器
１２１ 超音波検出器
１２２ フィルタ
１２３ 同期検波増幅器
１２４ 光音響信号出力端子
１２５ 制御回路
１２６ 音響結合器
１２７ 超音波検出器
１２８ 位相検波増幅器
１２９ 計算機
１３０ 装身部
１３１ 生体
１３２ 環状支持体
１３３ 光照射部
１３５ 超音波検出部
１３６ 緩衝材
１３７ 吸音材
１３８ 接触温度計
１３９ レンズ
１４０ レンズ
１４１ 校正用検体
１４２ 音響結合器
１４３ 温度計
１９３ 生体
１９４ 第１の光源の出力波形
１９５ 第２の光源の出力波形
１９６ 第３の光源の出力波形
１９７ 第１の光源による光音響信号
１９８ 第２の光源による光音響信号
１９９ 第３の光源による温度変化
２００ 光音響信号の総和
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
２０７ 装身部
２０８ Δｓ１
２０９ Δｓ２
２１０ 接続ケーブル
２１１ 第１の光源（λ１）の光
２１２ 第２の光源（λ２）の光
２１３ 骨
２１４ 筋肉
２１５ 脂肪
２１６ 表皮
２１７ 反射部分
２１８ 血管
２１９ 励起光
２２０ 検出器
２２１ 表示部
２２２ 枠
２９７ 駆動回路
２９８ 発振器
２９９ １８０°移相器
３００ 制御回路
３０１ 第１の光源
３０２ 第２の光源
３０３ 駆動回路
３０４ 照射光
３０５ 超音波検出器
３０６ 緩衝材
３０７ 吸音材
３０８ 合波器
３０９ 生体被検部
３１０ 接続ケーブル
３１１ 枠
３１２ 前置増幅器
３１３ 照射窓
３１４ 光源チップ
３１５ 出射光束
３１６ 反射鏡
３１７ 凹面鏡
３１８ 第１の半導体レーザ
３１９ 第２の半導体レーザ
３２０ 電極パッド
３２１ 基板
３２２ 光導波路
３２３ 合波器
３２４ 振動膜
３２５ 固定電極
３２６ 布線腔
３２７ 音響結合器
３２８ 超音波検出器
３２９ 位相検波増幅器
３３０ 計算機
４００ 生体
４０１ 半導体レーザ素子
４０２ 駆動電源
４０４ 音響波発生器
４０５ 被検体
４０３ 発振器
４０６ 音響結合部材
４０７ 音響波検出器
４０８ 位相検波増幅器
４０９ 出力端子
４１０ 空孔
４１３ 照射窓
４１４ 光源チップ
４１５ 出射光束
４１６ 反射鏡
４１７ 出射光
４１８ 緩衝材
４１９ 表示部
４２１ 光照射部
４２８ 側帯
４２９ 挿入片
４３０ 開口
４３１ 着脱釦
４３２ レンズ
４３３ 光源座板
４９９ 生体
５００ 光源
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
５１６ 音響レンズ
５１７ 音響整合器
５１８ 超音波検出器
５１９ 高域通過フィルタ
５２０ 同期検波増幅器
５２１ 光音響信号出力端子
５２２ 温度計測器
５２３ 第１の半導体レーザ光源
５２４ 駆動電流源
５２５ 発振器
５２６ レンズ
５２７ 第２の半導体レーザ光源
５２８ 駆動電流源
５２９ １８０°移相器
５３０ レンズ
５３１ 合成器
５３２ 第３の半導体レーザ光源
５３３ 駆動電流源
５３４ 分周器
５３５ レンズ
５３６ 合成器
５３７ 生体被検部
５４０ 器体
５４１ 音波検出器
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
７０１ 第１の半導体レーザ光源
７０２ 駆動電流源
７０３ 発振器
７０４ レンズ
７０５ 第２の半導体レーザ光源
７０６ 駆動電流源
７０７ １８０°移相器
７０８ レンズ
７０９ 合成器
７１０ 第３の半導体レーザ光源
７１１ 駆動電流源
７１２ 分周器
７１３ レンズ
７１４ 合成器
７１５ 液体試料
７１６ 試料セル
７１７ 音響整合器
７１８ 超音波検出器
７１９ 高域通過フィルタ
７２０ 同期検波増幅器
７２１ 光音響信号出力端子
７２２ 温度計測器
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

Claims (106)

  1. 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波の光を被測定物に向けて出射する光出射手段と、
    出射された光により被測定物内に発生する音波を検出する音波検出手段と、
    前記音波検出手段からの音波の振幅を検出する検波増幅手段と、
    を備え、
    前記光発生手段は、前記２波の光のうち一方の光の波長を測定対象とする液体成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定することを特徴とする成分濃度測定装置。
  2. 前記光発生手段が発生する光を変調する変調周波数を掃引する周波数掃引手段と、
    前記音波検出手段が検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手段と、
    をさらに備え、
    前記光変調手段は、前記周波数掃引手段からの信号により前記異なる波長の２波の光を各々逆位相で電気的に強度変調す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。
  3. 前記音波検出手段は、前記周波数掃引手段が掃引する変調周波数に追尾して、出射された光により前記被測定物内に発生する音波を検出し、
    前記積算手段は、前記音波検出手段が高い検出感度を有する変調周波数範囲で、前記音波検出手段が検出した音波を積算することを特徴とする請求項２に記載の成分濃度測定装置。
  4. 前記積算手段により積算された音波から前記被測定物内の測定対象とする液体成分の成分濃度を算定する液体成分濃度算定手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の成分濃度測定装置。
  5. 音響波を出力する音響波発生器をさらに備え、
    前記音波検出手段は、前記被測定物からの音波と共に、前記音響波発生器から前記被測定物を透過する前記音響波を検出す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。
  6. 前記音響波発生器又は前記音波検出手段の少なくともいずれかの位置を可変する駆動手段をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の成分濃度測定装置。
  7. 前記音波検出手段で検出された音響波の強度が特定の値になるように前記駆動手段を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の成分濃度測定装置。
  8. 前記２波の光の波長を、測定対象とする液体成分の呈する吸収の差がそれ以外の液体成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定す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。
  9. 前記光出射手段と前記被測定物との間に、出射する光のビームを合成する合成器を、さらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
  10. 検出された音波の圧力から前記被測定物内の測定対象とする液体成分の成分濃度を算定する液体成分濃度算定手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
  11. 前記音波検出手段が検出した音波を変調周波数に対応して記録する記録手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から１０に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  12. 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波の光を被検体に向けて出射する光出射手段と、
    出射された光により前記被検体内に発生する音波を検出する音波検出手段と、
    前記音波検出手段からの音波の振幅を検出する検波増幅手段と、
    を備え、
    前記光発生手段は、前記２波の光のうち一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定することを特徴とする成分濃度測定装置。
  13. 前記光出射手段と前記音波検出手段との間に前記被検体と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質及び前記被検体が配置可能であることを特徴とする請求項１２に記載の成分濃度測定装置。
  14. 前記光出射手段と前記音波検出手段との間を前記被検体と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質で充填する容器をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の成分濃度測定装置。
  15. 前記容器は、前記音響整合物質としての水で充填されることを特徴とする請求項１４に記載の成分濃度測定装置。
  16. 前記容器は、横断面の形状が半円形であり、前記半円形の円の略中心点の位置に前記光出射手段が配置されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の成分濃度測定装置。
  17. 前記音波検出手段が前記容器の前記半円形の円弧の部分に２個以上配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の成分濃度測定装置。
  18. 前記容器は、横断面の形状が楕円形であり、前記光出射手段及び前記音波検出手段が前記楕円形の略焦点の位置のそれぞれに配置されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の成分濃度測定装置。
  19. 前記容器は、底部が２つの焦点を断面に含む半楕円球であり、前記光出射手段及び前記音波検出手段がそれぞれ略前記２つの焦点に配置されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の成分濃度測定装置。
  20. 前記容器の内壁面の少なくとも一部に反射材を含むことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の成分濃度測定装置。
  21. 前記容器の内壁面の少なくとも一部に吸音材を含むことを特徴とする請求項１４から２０のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
  22. 前記容器の内壁面に、前記強度変調光に対して透明な出射窓をさらに有することを特徴とする請求項１４から２１のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
  23. 前記光出射手段は、前記容器に強度変調光を導く光ファイバを含むことを特徴とする請求項１４から２２のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
  24. 前記音響整合物質の温度を測定する温度計測手段と、
    該温度計測手段の測定した温度に応じて前記音響整合物質の温度を調節する温度調節手段と、をさらに備えることを特徴とする請求項１４から２３のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
  25. 前記同一周波数の繰り返し間隔よりも長い間隔で断続的に発生させた光を前記被検体に向けて出射する第２の光出射手段をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の成分濃度測定装置。
  26. 前記第２の光出射手段の光の波長が測定対象とする成分と異なる成分の特徴的な吸収を呈する波長であることを特徴とする請求項２５に記載の成分濃度測定装置。
  27. 前記第２の光出射手段の光の波長が血液中のヘモグロビンの特徴的な吸収を呈する波長であることを特徴とする請求項２５又は２６に記載の成分濃度測定装置。
  28. 前記第２の光出射手段の光を発生させる間隔が、前記被検体に２℃以下の温度上昇を生じさせる間隔であることを特徴とする請求項２５から２７に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  29. 前記第２の光出射手段の光の強度が、前記被検体に２℃以下の温度上昇を生じさせる強度であることを特徴とする請求項２５から２８に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  30. 前記光発生手段が発生する光を変調する変調周波数を掃引する周波数掃引手段と、
    前記音波検出手段が検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手段と、
    をさらに備え、
    前記光変調手段は、前記周波数掃引手段からの信号により前記異なる波長の２波の光を各々逆位相で電気的に強度変調することを特徴とする請求項１２に記載の成分濃度測定装置。
  31. 前記音波検出手段は、前記周波数掃引手段が掃引する変調周波数に追尾して、出射された光により前記被検体内に発生する音波を検出し、
    前記積算手段は、前記音波検出手段が高い検出感度を有する変調周波数範囲で、前記音波検出手段が検出した音波を積算することを特徴とする請求項３０に記載の成分濃度測定装置。
  32. 前記積算手段により積算された音波から前記被検体内の測定対象とする成分の成分濃度を算定する成分濃度算定手段をさらに備えることを特徴とする請求項３０又は３１に記載の成分濃度測定装置。
  33. 音響波を出力する音響波発生器をさらに備え、
    前記音波検出手段は、前記被検体からの音波と共に、前記音響波発生器から前記被検体を透過する前記音響波を検出することを特徴とする請求項１２に記載の成分濃度測定装置。
  34. 前記音響波発生器又は前記音波検出手段の少なくともいずれかの位置を可変する駆動手段をさらに備えることを特徴とする請求項３３に記載の成分濃度測定装置。
  35. 前記音波検出手段で検出された音響波の強度が特定の値になるように前記駆動手段を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項３４に記載の成分濃度測定装置。
  36. 前記光出射手段は、前記音響波発生器と連動するよう前記音響波発生器に固定されていることを特徴とする請求項３３から３５に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  37. 圧力が制御可能な押圧力で前記音響波発生器及び前記音波検出手段を前記被検体に押圧する押し付け手段をさらに備えることを特徴とする請求項３３から３６に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  38. 前記音響波発生器は、前記光出射手段からの強度変調光のビームに近接して配置されていることを特徴とする請求項３３から３７に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  39. 前記音響波発生器の一部に、前記強度変調光のビームを透過する透過窓をさらに備えることを特徴とする請求項３３から３８に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  40. 前記音響波発生器は、出力する前記音響波の周波数及び／又は強度が可変であることを特徴とする請求項３３から３９に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  41. 前記音響波発生器及び／又は前記光出射手段の前記被検体の接する面に、前記被検体と音響インピーダンスの略等しい音響結合部材をさらに備えることを特徴とする請求項３３から４０に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  42. 前記光発生手段は、前記２波の光の波長を、測定対象とする成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定することを特徴とすることを特徴とする請求項１２に記載の成分濃度測定装置。
  43. 前記光出射手段と前記被検体との間に、出射する光のビームを合成する合成器を、さらに備えることを特徴とする請求項１２、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１又は４２に記載の成分濃度測定装置。
  44. 前記検波増幅手段は、同期検波増幅器であることを特徴とする請求項１２に記載の成分濃度測定装置。
  45. 前記光出射手段の出射する２つの光のビーム径が略等しいことを特徴とする請求項１２、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３又は４４に記載の成分濃度測定装置。
  46. 検出された音波の圧力から前記被検体内の測定対象とする成分の成分濃度を算定する成分濃度算定手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１２、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４又は４５に記載の成分濃度測定装置。
  47. 前記成分濃度算定手段は、
    前記異なる波長の２波の光を前記被検体に出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ことを特徴とする請求項４６に記載の成分濃度測定装置。
  48. 前記光変調手段は、
    前記被検体内に発生する音波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を特徴とする請求項１２、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６又は４７に記載の成分濃度測定装置。
  49. 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ことを特徴とする請求項１２、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７又は４８に記載の成分濃度測定装置。
  50. 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音波を検出することを特徴とする請求項１２、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８又は４９に記載の成分濃度測定装置。
  51. 前記光発生手段及び前記光変調手段は、
    ２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することを特徴とする請求項１２、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９又は５０に記載の成分濃度測定装置。
  52. 測定対象とする血液成分がグルコース又はコレステロールであることを特徴とする請求項１２、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０又は５１に記載の成分濃度測定装置。
  53. 前記音波検出手段が検出した音波を変調周波数に対応して記録する記録手段をさらに備えることを特徴とする請求項１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３又は２４に記載の成分濃度測定装置。
  54. 前記音波検出手段が検出した音波を変調周波数に対応して記録する記録手段をさらに備えることを特徴とする請求項１２、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０、５１又は５２に記載の成分濃度測定装置。
  55. 前記光出射手段と前記音波検出手段とは、略対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４又は５３に記載の成分濃度測定装置。
  56. 前記光出射手段と前記音波検出手段とは、略対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項１２、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０、５１、５２又は５４に記載の成分濃度測定装置。
  57. 前記強度変調光の光路の少なくとも一部の周囲に、前記強度変調光が前記成分濃度測定装置の外部へ漏洩することを防ぐ遮光フードをさらに備えることを特徴とする請求項１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、５３又は５５に記載の成分濃度測定装置。
  58. 前記被検体の一部を囲んで装着される環状部分の内側の前記被検体に接する部分に、少なくとも前記光出射手段及び前記音波検出手段が配置された装身手段をさらに備えることを特徴とする請求項１２、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、５０、５１、５２、５４又は５６に記載の成分濃度測定装置。
  59. 前記光出射手段と前記音波検出手段とは、互いに前記装身手段の環状部分の略対向する位置に配置されていることを特徴とする請求項５８に記載の成分濃度測定装置。
  60. 前記音波検出手段の配置箇所を含んで、前記装身手段の環状部分の内側の被検体に接する部分の少なくとも半周にわたる部分に、前記被検体に近似する音響インピーダンスを有する緩衝材の層が配置されていることを特徴とする請求項５８又は５９に記載の成分濃度測定装置。
  61. 前記緩衝材の層と前記装身手段の環状部分の内側の面との間に吸音材が充填されていることを特徴とする請求項６０に記載の成分濃度測定装置。
  62. 前記光発生手段は、複数の半導体レーザ素子によって異なる波長の２波の光を発生することを特徴とする５８から６１に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  63. 前記光出射手段は、前記光発生手段の発生した光のビーム径を拡大するビーム径拡大器を備えることを特徴とする請求項５８から６２に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  64. 前記装身手段が人体の手指に装着される指輪であり、かつ、前記光出射手段が前記手指の手背側に配置され、前記音波検出手段が前記手指の手掌側に配置されていることを特徴とする請求項５８から６３に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  65. 前記装身手段が人体の腕に装着される腕輪であり、かつ、前記光出射手段が手掌側に配置され、前記音波検出手段が手背側に配置されていることを特徴とする請求項５８から６４に記載のいずれかの成分濃度測定装置。
  66. 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波の光を被測定物に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出射された光により前記被測定物内に発生する音波を検出する音波検出手順と、
    検波増幅手段が、前記検出した音波を、さらに検波増幅して音波の振幅を検出する検波増幅手順と、
    を順に含み、
    前記光発生手順は、前記２波のうち一方の光の波長を測定対象とする液体成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定する手順であることを特徴とする成分濃度測定装置制御方法。
  67. 周波数掃引手段が、前記光発生手順で発生した光を変調する周波数を掃引する周波数掃引手順と、
    積算手段が、前記音波検出手順で検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手順と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項６６に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  68. 前記音波検出手順は、前記周波数掃引手順において掃引する変調周波数に追尾して、出射された光により前記被測定物内に発生する音波を検出し、
    前記積算手順は、前記音波検出手順において音波の検出感度が高い変調周波数範囲で、前記音波検出手順で検出した音波を積算する手順であることを特徴とする請求項６７に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  69. 前記積算手順で積算された音波から測定対象とする液体成分の成分濃度を算定する液体成分濃度算定手順をさらに含むことを特徴とする請求項６７又は６８に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  70. 前記光出射手順及び前記音波検出手順を、前記被測定物と音響インピーダンスの略等しい音響整合物質の充填された容器内で行うことを特徴とする請求項６６に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  71. 前記音波検出手順において、前記音波は、前記被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質を介して検出されることを特徴とする請求項６６に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  72. 前記音波検出手順において、前記音波は、前記被測定物と略等しい音響インピーダンスの音響整合物質を介して検出されることを特徴とする請求項７０に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  73. 前記光出射手順において、前記強度変調光は、前記容器の内壁面に配置され、前記強度変調光に対して透明な出射窓を介して前記被測定物に出射されることを特徴とする請求項７０に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  74. 前記光出射手順において、前記強度変調光は、前記容器の内壁面に配置され、前記強度変調光に対して透明な出射窓を介して前記被測定物に出射されることを特徴とする請求項７０又は７２に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  75. 前記被測定物は、前記強度変調光を照射される部分が、液状、ゾル状又はゲル状の音響整合物質で覆われていることを特徴とする請求項６６に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  76. 前記被測定物は、前記強度変調光を照射される部分が、液状、ゾル状又はゲル状の前記音響整合物質で覆われていることを特徴とする請求項７０、７２又は７４に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  77. 音響波発生器が、音響波を２箇所以上の異なる位置から前記被測定物に出力し、音波検出手段が、前記被測定物を透過した前記音響波の強度が特定の値になる位置を検出する最適位置検出手順をさらに含み、
    前記光出射手順において、前記光出射手段が、前記音響波の強度が特定の値となった位置から光を前記被測定物に出射することを特徴とする請求項６６に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  78. 前記光発生手順は、前記２波の光の波長を、測定対象とする液体成分の呈する吸収の差がそれ以外の液体成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する手順であることを特徴とする請求項６６、６７、６８、６９、７０、７２、７４、７６又は７７に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  79. 前記光出射手段からの２つの光のビームを合成して前記被測定物に出射することを特徴とする請求項６６、６７、６８、６９、７０、７２、７４、７６、７７又は７８に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  80. 前記音波検出手順で検出された音波の圧力から測定対象とする液体成分の成分濃度を算定する液体成分濃度算定手順をさらに含むことを特徴とする請求項６６から７９に記載のいずれかの成分濃度測定装置制御方法。
  81. 前記音波検出手順のあとに、前記音波検出手順で検出した音波を変調周波数に対応して記録する記録手順をさらに含むことを特徴とする請求項６６から８０に記載のいずれかの成分濃度測定装置制御方法。
  82. 前記光出射手順において、被測定物は前記強度変調光の出射面と接して配置され、前記強度変調光は前記被測定物に直接照射されることを特徴とする請求項６６から８１に記載のいずれかの成分濃度測定装置制御方法。
  83. 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波の光を被検体に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出射された光により前記被検体内に発生する音波を検出する音波検出手順と、
    検波増幅手段が、前記検出した音波を、さらに検波増幅して音波の振幅を検出する検波増幅手順と、
    を順に含み、
    前記光発生手順は、前記２波のうち一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定し、他方の光の波長を溶媒が前記一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長に設定する手順であることを特徴とする成分濃度測定装置制御方法。
  84. 第２の光出射手段が、前記同一周波数の繰り返し間隔よりも長い間隔で断続的に光を前記出射する第２光出射手順をさらに含み、
    前記音波検出手順において、前記音波検出手段が、前記光出射手順及び前記第２光出射手順において出射された光により生じる音波を検出することを特徴とする請求項８３に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  85. 前記第２の光出射手段が測定対象とする成分と異なる成分の特徴的な吸収を呈する波長の光を出射することを特徴とする請求項８４に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  86. 前記第２の光出射手段が、血液中のヘモグロビンが特徴的な吸収を呈する波長の光を出射することを特徴とする請求項８４又は８５に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  87. 前記第２の光出射手段が被検体に２℃以下の温度上昇を生じさせる間隔で光を出射することを特徴とする請求項８４から８６に記載のいずれかの成分濃度測定装置制御方法。
  88. 前記第２の光出射手段が被検体に２℃以下の温度上昇を生じさせる強度で光を出射することを特徴とする請求項８４から８７に記載のいずれかの成分濃度測定装置制御方法。
  89. 周波数掃引手段が、前記光発生手順で発生した光を変調する周波数を掃引する周波数掃引手順と、
    積算手段が、前記音波検出手順で検出した音波を掃引された変調周波数範囲で積算する積算手順と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項８３に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  90. 前記音波検出手順は、前記周波数掃引手順において掃引する変調周波数に追尾して、出射された光により発生する音波を検出し、
    前記積算手順は、前記音波検出手順において音波の検出感度が高い変調周波数範囲で、前記音波検出手順で検出した音波を積算することを特徴とする請求項８９に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  91. 前記積算手順で積算された音波から測定対象とする成分の成分濃度を算定する成分濃度算定手順をさらに含むことを特徴とする請求項８９又は９０に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  92. 前記光出射手順及び前記音波検出手順を、被検体と音響インピーダンスの略等しい音響整合物質の充填された容器内で行うことを特徴とする請求項８３に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  93. 音響波発生器が、音響波を２箇所以上の異なる位置から出力し、音波検出手段が、前記被検体を透過した前記音響波の強度が特定の値になる位置を検出する最適位置検出手順をさらに含むことを特徴とする請求項８３に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  94. 前記光発生手順は、前記２波の光の波長を、測定対象とする成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい２波の光の波長に設定する手順であることを特徴とする請求項８３から９３のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
  95. 前記光出射手段からの２つの光のビームを合成して出射することを特徴とする請求項８３から９４のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
  96. 前記検波増幅が同期検波増幅であることを特徴とする請求項８３から９５のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
  97. 前記光出射手段からの２つの光のビーム径を略等しくすることを特徴とする請求項８３から９６のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
  98. 前記音波検出手順で検出された音波の圧力から測定対象とする成分の成分濃度を算定する成分濃度算定手順をさらに含むことを特徴とする請求項８３から９７のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
  99. 前記成分濃度算定手順は、
    前記異なる波長の２波の光により発生する音波の圧力を測定し、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を測定し、前記２波の光により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であることを特徴とする請求項９８に記載の成分濃度測定装置制御方法。
  100. 前記光変調手順は、
    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であることを特徴とする請求項８３から９９のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
  101. 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の光束に合波し水に照射して発生する音波の圧力が零になるように前記２波の光の各々の相対的な強度を調整する強度調整手順を、
    さらに含むことを特徴とする請求項８３から１００のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
  102. 前記音波検出手順は、
    前記変調周波数に同期して、同期検波により音波を検出する手順であることを特徴とする請求項８３から１０１のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
  103. 前記光発生手順及び前記光変調手順は、
    ２の半導体レーザ光源の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調する手順であることを特徴とする請求項８３から１０２のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
  104. 測定対象とする血液成分がグルコース又はコレステロールであることを特徴とする請求項８３から１０３に記載のいずれかの成分濃度測定装置制御方法。
  105. 前記音波検出手順のあとに、前記音波検出手順で検出した音波を変調周波数に対応して記録する記録手順をさらに含むことを特徴とする請求項８３から１０４に記載のいずれかの成分濃度測定装置制御方法。
  106. 前記光出射手順において、被検体は前記強度変調光の出射面と接して配置されることを特徴とする請求項８３から１０５に記載のいずれかの成分濃度測定装置制御方法。
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