JP5336438B2 - Component concentration measuring method and apparatus - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To attain exact measurement of constituent concentration without being affected by a boundary state. <P>SOLUTION: A laser diode 1 irradiates an object 11 to be measured with light. An acoustic sensor 5 detects an optical acoustic signal to be generated from the object 11 to be measured. An information processor 10 measures a phase using a signal of a reference frequency whose amplitude becomes maximum as a measurement signal among electric signals obtained at first time, and measures the phase using the signal of the reference frequency after elapse of arbitrary time as the measurement signal. The information processor 10 searches for a frequency of the measurement signal so that the phase to be measured after the elapse of the arbitrary time becomes equal to the phase measured at the first time, and derives constituent concentration of a measuring object after the elapse of the arbitrary time from variation of the searched frequency and the reference frequency. <P>COPYRIGHT: (C)2012,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、被測定物に含まれる血液グルコース等の成分の濃度を連続モニターするための成分濃度測定方法および装置に関するものである。より詳細には、測定信号の位相情報に基づいて測定信号の周波数の変化量を求め、実質的に音速の変化量を求めることによって、CW測定系に固有の測定信号の強いバイアスを取り除き、CW測定系の主たる問題を無くす技術に関する。   The present invention relates to a component concentration measuring method and apparatus for continuously monitoring the concentration of components such as blood glucose contained in a measurement object. More specifically, the amount of change in the frequency of the measurement signal is obtained based on the phase information of the measurement signal, and the amount of change in the sound speed is substantially obtained, thereby removing the strong bias of the measurement signal inherent to the CW measurement system, and CW The present invention relates to a technique for eliminating the main problem of a measurement system.

糖尿病患者の血糖値を連続モニターするための方法として光音響法があり、簡単にまとめると、以下のような特徴がある。
(a)光音響法は、連続的な血液グルコース監視を提供する。
(b)糖尿病患者にとって無痛で、血液サンプルを必要とせず、糖尿病患者に不快感を与えることがない。
(c)他の光学的な技術と比べて、散乱メディアによる効率の悪化がない。
(d)光学と音響学の結合により高感度の特性を得ることができる。
There is a photoacoustic method as a method for continuously monitoring the blood glucose level of a diabetic patient, which is summarized as follows.
(A) The photoacoustic method provides continuous blood glucose monitoring.
(B) It is painless for a diabetic patient, does not require a blood sample, and does not cause discomfort to the diabetic patient.
(C) Compared with other optical technologies, there is no deterioration in efficiency due to scattering media.
(D) High sensitivity characteristics can be obtained by combining optics and acoustics.

光音響法には、パルス(pulse)法と連続波(continuous-wave、以下CWとする)法の二つの方式がある。パルス法には、高感度を得るために高い光パワーを使わなければいけないという欠点があった。一方、CW法には、反射表面のところの特性が変わると信号強度も変わる、すなわち再現性がないという欠点があった。しかし、高い光パワーは人体にとって安全性の面で問題になる可能性があるので、CW法を採用することが好ましい(特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)。   There are two types of photoacoustic methods: a pulse method and a continuous-wave (hereinafter referred to as CW) method. The pulse method has a drawback that high optical power must be used to obtain high sensitivity. On the other hand, the CW method has a drawback that the signal intensity changes when the characteristic at the reflection surface changes, that is, there is no reproducibility. However, since high optical power may cause a problem in terms of safety for the human body, it is preferable to adopt the CW method (see Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3).

特開2008−125542号公報JP 2008-125542 A 特開2008−125543号公報JP 2008-125543 A 特開2008−145262号公報JP 2008-145262 A

CW法を採用する場合の主たる問題は、測定感度が境界条件への依存を示すことである。ここで、境界とは、人体の中で弾性波が反射される表面のことを言う。このような弾性波の反射は、音響インピーダンスZ1と異なる音響インピーダンスZ2との間の界面(例えば肉と骨の間の界面、液体と空気との間の界面)を波が伝播する度に生じる。CW法では、このような境界が存在すると、局所的な共鳴腔となり、結果的に光照射された領域の近くの内部で定在波が生じる。さらに、この定在波または共鳴のモードは、共鳴腔の寸法とその特性に強く依存する。   The main problem when adopting the CW method is that the measurement sensitivity depends on the boundary conditions. Here, the boundary means a surface on which elastic waves are reflected in the human body. Such reflection of elastic waves occurs every time the wave propagates through an interface between the acoustic impedance Z1 and the acoustic impedance Z2 different from the acoustic impedance Z1 (for example, an interface between meat and bone, an interface between liquid and air). In the CW method, when such a boundary exists, a local resonance cavity is formed, and as a result, a standing wave is generated in the vicinity of the region irradiated with light. Furthermore, this standing wave or mode of resonance strongly depends on the size of the resonant cavity and its characteristics.

境界条件の正確かつ再現可能な制御は困難である。なぜならば、寸法は患者毎に変化し、また音響センサの検出部が数ミリメートル動くことは容易だからである。
以上のように、従来のCW法では、人体の血糖値等をモニタリングする際に、光音響波が人体の表面で多重反射するため、測定中の人体のインピーダンスや形状変化によって反射状態が変化し、測定信号にバイアスが生じる結果、算出した血糖値に誤差が生じるという問題点があった。
Accurate and reproducible control of boundary conditions is difficult. This is because the dimensions change from patient to patient, and it is easy for the detection part of the acoustic sensor to move several millimeters.
As described above, in the conventional CW method, when monitoring the blood glucose level of the human body, the photoacoustic wave is multiple-reflected on the surface of the human body, so the reflection state changes due to the impedance and shape change of the human body during measurement. As a result of the bias in the measurement signal, there is a problem that an error occurs in the calculated blood glucose level.

このような問題のため、光音響法を扱うほとんど全ての出版物ではパルス法の仕組みを開示しているが、前述のとおり、パルス法では高感度を得るために高い光パワーを使わなければならず、人体にとって安全性の面で問題になる可能性があった。   Because of these problems, almost all publications dealing with the photoacoustic method disclose the mechanism of the pulse method. As mentioned above, the pulse method must use high optical power to obtain high sensitivity. Therefore, there was a possibility that it would be a safety problem for the human body.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高い光パワーを使わなくて済むというCW測定系の利点を維持しつつ、正確かつ境界状態の影響を受けない成分濃度測定を実現することができる成分濃度測定方法および装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and realizes component concentration measurement that is accurate and not affected by the boundary state while maintaining the advantage of the CW measurement system that it is not necessary to use high optical power. It is an object of the present invention to provide a component concentration measuring method and apparatus capable of performing the same.

本発明の成分濃度測定方法は、測定対象の成分の濃度が既知の被測定物に対して光を照射する第1の光照射ステップと、この第1の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第1の光音響信号検出ステップと、この第1の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定する第1の位相測定ステップと、任意の時間経過後に前記被測定物に対して光を照射する第2の光照射ステップと、この第2の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第2の光音響信号検出ステップと、この第2の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定する第2の位相測定ステップと、この第2の位相測定ステップで測定する位相が前記第1の位相測定ステップで測定した位相と等しくなる測定信号の周波数を探索する周波数探索ステップと、この周波数探索ステップで探索した周波数と前記基準周波数との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出する濃度導出ステップとを備えることを特徴とするものである。   The component concentration measuring method of the present invention includes a first light irradiation step for irradiating light to a measured object whose concentration of a component to be measured is known, and the first light irradiation step generates the measured object from the measured object. A first photoacoustic signal detecting step for detecting a photoacoustic signal to be output and outputting an electric signal, and a signal having a reference frequency having a maximum amplitude among the electric signals obtained in the first photoacoustic signal detecting step. As a measurement signal, a first phase measurement step for measuring the phase of the measurement signal, a second light irradiation step for irradiating light on the object to be measured after an arbitrary time has elapsed, and this second light irradiation A second photoacoustic signal detecting step for detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured in a step and outputting an electric signal; and the reference among the electric signals obtained in the second photoacoustic signal detecting step. Frequency A second phase measurement step for measuring the phase of the measurement signal, and a measurement signal in which the phase measured in the second phase measurement step is equal to the phase measured in the first phase measurement step A frequency search step for searching for the frequency of the signal, and a concentration derivation step for deriving the concentration of the component to be measured after the elapse of the arbitrary time from the amount of change between the frequency searched in the frequency search step and the reference frequency. It is characterized by.

また、本発明の成分濃度測定方法の1構成例において、前記第1、第2の位相測定ステップと前記周波数探索ステップとは、参照信号を発生する関数発生器とこの参照信号を入力とするロックインアンプとを用いることにより、前記第1、第2の光音響信号検出ステップで得られた電気信号から所望の周波数の測定信号を検出することを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定方法の1構成例において、前記濃度導出ステップは、前記周波数探索ステップで探索した周波数と前記基準周波数とから周波数変化率を算出し、この周波数変化率と測定対象の成分濃度が単位量変化したときの既知の周波数変化率とから、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とするものである。
In one configuration example of the component concentration measurement method of the present invention, the first and second phase measurement steps and the frequency search step include a function generator that generates a reference signal and a lock that receives the reference signal as an input. By using an in-amplifier, a measurement signal having a desired frequency is detected from the electrical signal obtained in the first and second photoacoustic signal detection steps.
In one configuration example of the component concentration measurement method of the present invention, the concentration derivation step calculates a frequency change rate from the frequency searched in the frequency search step and the reference frequency, and the frequency change rate and the measurement target The component concentration of the measurement target after the arbitrary time elapses is derived from the known frequency change rate when the component concentration changes by a unit amount.

また、本発明の成分濃度測定方法の1構成例は、さらに、前記第1の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定する第1の振幅測定ステップと、前記第2の位相測定ステップで測定した位相が前記第1の位相測定ステップで測定した位相と等しい場合に、前記第2の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定する第2の振幅測定ステップと、この第2の振幅測定ステップで測定した振幅が前記第1の振幅測定ステップで測定した振幅と異なる場合に、前記基準周波数に最も近い周波数の振幅のピークを探索して、この探索したピークの周波数を新たな基準周波数とする周波数シフト校正手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定方法の1構成例は、さらに、前記第1の位相測定ステップで測定する位相が0になるように位相にオフセットを加える位相オフセット調整ステップを備えることを特徴とするものである。
In addition, in one configuration example of the component concentration measurement method of the present invention, a signal having a reference frequency with the maximum amplitude among the electrical signals obtained in the first photoacoustic signal detection step is used as a measurement signal. The second photoacoustic signal detection when the phase measured in the first amplitude measuring step for measuring the amplitude of the signal and the phase measured in the first phase measuring step are equal to the phase measured in the first phase measuring step. A second amplitude measurement step of measuring the amplitude of the measurement signal using the signal of the reference frequency among the electrical signals obtained in the step, and the amplitude measured in the second amplitude measurement step are the first amplitude measurement step. If the amplitude is different from the amplitude measured in the amplitude measurement step, the peak of the amplitude closest to the reference frequency is searched for, and the frequency of the searched peak is the new reference frequency. It is characterized in further comprising a shift calibration means.
Moreover, one configuration example of the component concentration measurement method of the present invention further includes a phase offset adjustment step of adding an offset to the phase so that the phase measured in the first phase measurement step becomes zero. Is.

また、本発明の成分濃度測定装置は、被測定物に対して光を照射する光照射手段と、この光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、前記電気信号に含まれる測定信号の位相を測定する位相測定手段と、任意の時間経過後の前記測定信号の周波数を探索する周波数探索手段と、前記任意の時間経過後の前記測定信号の周波数の変化量から、測定対象の成分濃度を導出する濃度導出手段とを備え、前記光照射手段は、第1の時刻において測定対象の成分濃度が既知の前記被測定物に対して光を照射すると共に、任意の時間経過後に前記被測定物に対して光を照射し、前記位相測定手段は、前記第1の時刻において得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定すると共に、前記任意の時間経過後の電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定し、前記周波数探索手段は、前記任意の時間経過後に測定される位相が前記第1の時刻において測定された位相と等しくなる測定信号の周波数を探索し、前記濃度導出手段は、前記周波数探索手段が探索した周波数と前記基準周波数との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とするものである。   The component concentration measuring apparatus according to the present invention includes a light irradiating means for irradiating light to the object to be measured, and light for detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured by this light irradiation and outputting an electric signal. An acoustic signal detection means; a phase measurement means for measuring the phase of the measurement signal included in the electrical signal; a frequency search means for searching for the frequency of the measurement signal after an arbitrary time; and Concentration derivation means for deriving the concentration of a component to be measured from the amount of change in the frequency of the measurement signal, and the light irradiating means for the object to be measured whose component concentration of the measurement object is known at a first time. The phase measuring means irradiates the measured object with light after an arbitrary time, and the phase measuring means has a reference frequency at which the amplitude is maximum among the electrical signals obtained at the first time. Measure signal And measuring the phase of the measurement signal, measuring the phase of the measurement signal using the signal of the reference frequency among the electrical signals after the lapse of any time as a measurement signal, and the frequency search means Searching for the frequency of the measurement signal in which the phase measured after the lapse of an arbitrary time is equal to the phase measured at the first time, and the concentration derivation means includes the frequency searched by the frequency search means and the reference frequency The component concentration of the measurement target after the lapse of the arbitrary time is derived from the amount of change in.

また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例は、さらに、参照信号を発生する関数発生器と、前記参照信号を入力とし、前記電気信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例において、前記濃度導出手段は、前記周波数探索手段が探索した周波数と前記基準周波数とから周波数変化率を算出し、この周波数変化率と測定対象の成分濃度が単位量変化したときの既知の周波数変化率とから、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とするものである。
Further, one configuration example of the component concentration measuring apparatus of the present invention further includes a function generator that generates a reference signal, and a lock-in amplifier that receives the reference signal and detects a measurement signal having a desired frequency from the electrical signal. Are provided.
Further, in one configuration example of the component concentration measuring apparatus of the present invention, the concentration derivation unit calculates a frequency change rate from the frequency searched by the frequency search unit and the reference frequency, and the frequency change rate and the measurement target are calculated. The component concentration of the measurement target after the arbitrary time elapses is derived from the known frequency change rate when the component concentration changes by a unit amount.

また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例は、さらに、前記電気信号に含まれる測定信号の振幅を測定する振幅測定手段と、前記測定信号の周波数シフトを校正する周波数シフト校正手段とを備え、前記振幅測定手段は、前記第1の時刻において得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定すると共に、前記任意の時間経過後に測定された位相が前記第1の時刻において測定された位相と等しい場合に、前記任意の時間経過後の電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定し、前記周波数シフト校正手段は、前記任意の時間経過後に測定された振幅が前記第1の時刻において測定された振幅と異なる場合に、前記基準周波数に最も近い周波数の振幅のピークを探索して、この探索したピークの周波数を新たな基準周波数とすることを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の1構成例は、さらに、前記第1の時刻において測定する位相が0になるように位相にオフセットを加える位相オフセット調整手段を備えることを特徴とするものである。
Further, one configuration example of the component concentration measuring apparatus of the present invention further includes an amplitude measuring unit that measures the amplitude of the measurement signal included in the electrical signal, and a frequency shift calibration unit that calibrates the frequency shift of the measurement signal. The amplitude measuring means measures the amplitude of the measurement signal using a signal of a reference frequency having the maximum amplitude among the electrical signals obtained at the first time as the measurement signal; When the phase measured later is equal to the phase measured at the first time, the amplitude of the measurement signal is measured using the signal of the reference frequency among the electrical signals after the arbitrary time has passed as the measurement signal. The frequency shift calibrating means is configured to provide a frequency closest to the reference frequency when the amplitude measured after the lapse of the arbitrary time is different from the amplitude measured at the first time. Searches the peak in the number of amplitude, is characterized in that the frequency of the searched peak and the new reference frequency.
In addition, one configuration example of the component concentration measuring apparatus of the present invention further includes a phase offset adjusting means for adding an offset to the phase so that the phase measured at the first time becomes zero. is there.

本発明によれば、測定信号の位相情報に基づいて測定信号の周波数の変化量を求め、この周波数の変化量から測定対象の成分濃度を導出することにより、CW法の測定系に固有の周波数シフトというバイアスを無くすことができ、高い光パワーを使わなくて済むというCW測定系の利点を維持しつつ、正確かつ境界状態の影響を受けない測定を実現することができる。本発明では、被測定物の中の境界状態がどのような状態であっても対応することができる。そして、本発明では、成分濃度を連続して測定することができ、また複数の光波長を用いた多変量解析の場合にいくつかの異なった周波数で利用することができる。本発明では、例えば血液グルコース濃度の非侵襲で連続した測定を行う場合に、ロバスト性を向上させることができる。   According to the present invention, a frequency change amount of the measurement signal is obtained based on the phase information of the measurement signal, and the component concentration of the measurement target is derived from the change amount of the frequency, whereby the frequency unique to the measurement system of the CW method is obtained. It is possible to eliminate the bias of shift and realize an accurate measurement that is not affected by the boundary state while maintaining the advantage of the CW measurement system that it is not necessary to use high optical power. In the present invention, it is possible to cope with any boundary state in the object to be measured. In the present invention, the component concentration can be continuously measured, and can be used at several different frequencies in the case of multivariate analysis using a plurality of light wavelengths. In the present invention, robustness can be improved, for example, when non-invasive and continuous measurement of blood glucose concentration is performed.

また、本発明では、関数発生器とロックインアンプとを用いることにより、高い周波数精度を得ることができ、正確かつ境界状態の影響を受けない成分濃度測定を実現することができる。   Further, in the present invention, by using a function generator and a lock-in amplifier, high frequency accuracy can be obtained, and component concentration measurement that is accurate and not affected by the boundary state can be realized.

また、本発明では、周波数探索ステップで探索した周波数と基準周波数とから周波数変化率を算出することにより、この周波数変化率と測定対象の成分濃度が単位量変化したときの既知の周波数変化率とから、任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することができる。   Further, in the present invention, by calculating the frequency change rate from the frequency searched in the frequency search step and the reference frequency, this frequency change rate and the known frequency change rate when the component concentration of the measurement target changes by a unit amount From this, it is possible to derive the concentration of the component to be measured after an arbitrary time has elapsed.

また、本発明では、第2の振幅測定ステップで測定した振幅が第1の振幅測定ステップで測定した振幅と異なる場合に、基準周波数に最も近い周波数の振幅のピークを探索して、この探索したピークの周波数を新たな基準周波数とすることにより、測定対象の成分濃度変化以外の他の影響によって生じる測定信号の周波数シフトを校正することができる。   In the present invention, when the amplitude measured in the second amplitude measurement step is different from the amplitude measured in the first amplitude measurement step, the peak of the amplitude closest to the reference frequency is searched for and searched. By setting the peak frequency as a new reference frequency, it is possible to calibrate the frequency shift of the measurement signal caused by an effect other than the change in the component concentration of the measurement target.

また、本発明では、第1の位相測定ステップで測定する位相が0になるように位相にオフセットを加えることにより、周波数探索ステップの処理を容易にすることができる。   Further, in the present invention, the processing of the frequency search step can be facilitated by adding an offset to the phase so that the phase measured in the first phase measurement step becomes zero.

音響センサから出力される測定信号の振幅と血液グルコース濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the amplitude of the measurement signal output from an acoustic sensor, and blood glucose concentration. 2つの異なった血液グルコース濃度における測定信号の変化を示す図である。FIG. 6 shows the change in measurement signal at two different blood glucose concentrations. 本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the component concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の情報処理装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the information processing apparatus of the component concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the component concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置による実験結果の1例を示す図である。It is a figure which shows an example of the experimental result by the component concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention.

[発明の原理]
図1に、音響センサから出力される測定信号の振幅と血液グルコース濃度との関係を示す。ここでは、人体または人体の一部である被測定物に光を照射したときに、光音響効果によって被測定物から発生する光音響信号を音響センサで検出し、音響センサから出力される電気信号(測定信号)を得ている。図1において、100,101,102,103はそれぞれ測定信号の周波数が479kHz、480kHz、481kHz、482kHzの場合の特性である。
[Principle of the Invention]
FIG. 1 shows the relationship between the amplitude of the measurement signal output from the acoustic sensor and the blood glucose concentration. Here, when a human body or an object to be measured that is a part of the human body is irradiated with light, the photoacoustic signal generated from the object to be measured by the photoacoustic effect is detected by the acoustic sensor, and the electrical signal output from the acoustic sensor (Measurement signal) is obtained. In FIG. 1, reference numerals 100, 101, 102, and 103 denote characteristics when the frequency of the measurement signal is 479 kHz, 480 kHz, 481 kHz, and 482 kHz, respectively.

従来のように、血液グルコース濃度の測定に、任意の固定された周波数の測定信号を使用する場合では、図1に示すように、血液グルコース濃度の測定感度と、測定信号振幅−血液グルコース濃度特性の直線性とは、測定信号の周波数に強く依存する。すなわち、測定信号の選ばれた周波数によって、音響センサの応答は強く異なる。図1の結果は1つの光波長だけで得た結果であるが、CW法を採用する場合は、いつも同じような現象が現れる。   In the case where a measurement signal having an arbitrary fixed frequency is used for measurement of blood glucose concentration as in the prior art, as shown in FIG. 1, measurement sensitivity of blood glucose concentration and measurement signal amplitude-blood glucose concentration characteristics The linearity of depends strongly on the frequency of the measurement signal. That is, the response of the acoustic sensor is strongly different depending on the selected frequency of the measurement signal. Although the result of FIG. 1 is a result obtained with only one light wavelength, the same phenomenon always appears when the CW method is adopted.

本発明では、測定信号の周波数を調整する手段として、新たに関数発生器(ファンクションジェネレータ)を用いることを特徴とする。この関数発生器は、最高で1MHzの周波数の参照信号を発生し、またmHzオーダーの高い周波数精度を有することが好ましい。   The present invention is characterized in that a function generator is newly used as means for adjusting the frequency of the measurement signal. The function generator preferably generates a reference signal with a frequency of up to 1 MHz and has a high frequency accuracy on the order of mHz.

次に、時間と共に血液グルコース濃度が変化すると、測定信号は以下のように変化する。図2(A)、図2(B)に、2つの異なった血液グルコース濃度Ow,Ogにおける測定信号の変化を示す。図2(A)、図2(B)において、200は血液グルコース濃度Owの場合の測定信号の特性を示し、201は血液グルコース濃度Ogの場合の測定信号の特性を示している。   Next, when the blood glucose concentration changes with time, the measurement signal changes as follows. FIGS. 2A and 2B show changes in measurement signals at two different blood glucose concentrations Ow and Og. 2A and 2B, reference numeral 200 indicates the characteristic of the measurement signal in the case of the blood glucose concentration Ow, and reference numeral 201 indicates the characteristic of the measurement signal in the case of the blood glucose concentration Og.

測定信号の振幅情報に関しては、血液グルコース濃度の変化に応じて振幅のピーク周波数がΔfだけシフトし、また振幅のピーク値がΔVだけシフトする。時間と共に血液グルコース濃度が増加した場合には、ピーク周波数は高周波側へとシフトし、血液グルコース濃度が減少した場合には、ピーク周波数は低周波側へとシフトする。また、Δfは光学波長に依存する。   Regarding the amplitude information of the measurement signal, the amplitude peak frequency shifts by Δf and the amplitude peak value shifts by ΔV in accordance with the change in blood glucose concentration. When the blood glucose concentration increases with time, the peak frequency shifts to the high frequency side, and when the blood glucose concentration decreases, the peak frequency shifts to the low frequency side. Δf depends on the optical wavelength.

一方、測定信号の位相情報は、血液グルコース濃度の変化に応じて周波数軸に沿ってシフトする。時間の経過と共に血液グルコース濃度が減少した場合には、位相情報は低周波側へとシフトし、血液グルコース濃度が増加した場合には、位相情報は高周波側へとシフトする。   On the other hand, the phase information of the measurement signal shifts along the frequency axis according to the change in blood glucose concentration. When the blood glucose concentration decreases with the passage of time, the phase information shifts to the low frequency side, and when the blood glucose concentration increases, the phase information shifts to the high frequency side.

このように、グルコース濃度の変化には2つのシフトをもたらす効果がある。すなわち、振幅と位相の両方に現れるX軸(周波数)に沿ってシフトする効果と、振幅だけに現れるY軸(振幅)に沿ってシフトする効果である。振幅情報において2つのシフトを区別することは困難であるが、位相情報は周波数シフトだけを受ける。
そこで、本発明の成分濃度測定方法では、測定信号の位相情報に基づいて測定信号の周波数の変化量を求め、この周波数の変化量から血液グルコース濃度の正確な測定を実行する。
Thus, the change in glucose concentration has the effect of causing two shifts. That is, there is an effect of shifting along the X axis (frequency) appearing in both the amplitude and phase, and an effect of shifting along the Y axis (amplitude) appearing only in the amplitude. While it is difficult to distinguish between the two shifts in the amplitude information, the phase information undergoes only a frequency shift.
Therefore, in the component concentration measuring method of the present invention, the amount of change in the frequency of the measurement signal is obtained based on the phase information of the measurement signal, and the blood glucose concentration is accurately measured from the amount of change in the frequency.

次に、本発明の成分濃度測定の手順について説明する。まず、最初の測定においては、被測定物にレーザ光を照射し、光音響効果によって被測定物から発生する光音響信号を音響センサで検出する際に、音響センサの広い周波数測定スパン(例えば200−600kHzの範囲)で光音響信号の測定を実施する。   Next, the procedure for measuring the component concentration of the present invention will be described. First, in the first measurement, when a laser beam is irradiated on the object to be measured and a photoacoustic signal generated from the object to be measured is detected by the photoacoustic effect by the acoustic sensor, a wide frequency measurement span of the acoustic sensor (for example, 200 The photoacoustic signal is measured in the range of -600 kHz.

光音響信号の多重反射により、音響センサから出力される測定信号の振幅情報には複数のピークが現れる。これらのうちの1つのピークを選択して、この選択したピークの周波数の近くに、関数発生器から発生する参照信号の周波数を決める。このピークの周波数を基準周波数f0と呼ぶ。ここで、重要なパラメータは、基準周波数f0における測定信号の振幅A0と基準周波数f0における測定信号の位相P0である。このとき、測定信号の位相P0を0に設定するために、後述のように被測定物に照射するレーザ光の位相にオフセットを加えることが好ましい。そして、振幅A0と位相P0(P0=0)と周波数f0とを記録しておく。 Due to multiple reflection of the photoacoustic signal, a plurality of peaks appear in the amplitude information of the measurement signal output from the acoustic sensor. One of these peaks is selected to determine the frequency of the reference signal generated from the function generator near the frequency of the selected peak. This peak frequency is called a reference frequency f 0 . Here, important parameter is the phase P 0 of the measurement signal in the amplitude A 0 and the reference frequency f 0 of the measurement signal at the reference frequency f 0. At this time, in order to set the phase P 0 of the measurement signal to 0, it is preferable to add an offset to the phase of the laser light applied to the object to be measured as described later. Then, the amplitude A 0 , the phase P 0 (P 0 = 0), and the frequency f 0 are recorded.

ここで、本当のグルコース濃度値は分からないので、同時に血液グルコース濃度を確認するために標準測定を実行して、基準濃度G0(g/dl)を得る。これで、基準濃度G0(g/dl)で基準周波数f0における振幅A0と位相P0(P0=0)とが得られたことになる。 Here, since the true glucose concentration value is not known, at the same time, a standard measurement is performed to confirm the blood glucose concentration to obtain a reference concentration G 0 (g / dl). Thus, the amplitude A 0 and the phase P 0 (P 0 = 0) at the reference frequency f 0 are obtained at the reference density G 0 (g / dl).

次に、任意の時間経過後の時刻tにおいて基準周波数f0における測定を実施する。測定信号の位相は基準周波数f0において0に設定されたので、時刻tにおいてグルコース濃度がG1(g/dl)に変化すれば、基準周波数f0における測定信号の位相P1は0ではなくなる。ここで、位相P0に対して位相P1が大きい場合は測定信号の周波数を増加すべきことを意味し、位相P0に対して位相P1が小さい場合は測定信号の周波数を減少すべきことを意味している。そこで、時刻tにおける測定信号の位相P1がP0と等しくなるように(ここでは、0になるように)関数発生器で測定周波数を変更する。位相P1がP0と等しくなる周波数をf1とする。そして、周波数f1における測定信号の振幅A1と位相P1(P1=P0=0)とを記録しておく。 Next, measurement at the reference frequency f 0 is performed at time t after an arbitrary time has elapsed. Since the phase of the measurement signal is set to 0 at the reference frequency f 0 , the phase P 1 of the measurement signal at the reference frequency f 0 is not 0 if the glucose concentration changes to G 1 (g / dl) at time t. . Here, when the phase P 0 phase P 1 is large means that it should increase the frequency of the measurement signal, when the phase P 1 with respect to the phase P 0 is small should reduce the frequency of the measurement signal It means that. Therefore, the measurement frequency is changed by the function generator so that the phase P 1 of the measurement signal at time t becomes equal to P 0 (here, 0). Let f 1 be the frequency at which phase P 1 is equal to P 0 . Then, the amplitude A 1 and phase P 1 (P 1 = P 0 = 0) of the measurement signal at the frequency f 1 are recorded.

グルコース濃度の変化に伴う測定信号の周波数変化率Δf/f=(f1−f0)/f0は、グルコース濃度の変化に伴う光音響信号の音速変化率Δv/v=(v(G1)−v(G0))/v(G0)に比例する。ここで、v(G0)はグルコース濃度G0(g/dl)のときの音速、v(G1)はグルコース濃度G1(g/dl)のときの音速である。そして、後述のように測定信号の周波数変化率Δf/fから、血液グルコース濃度を推定することができる。 The frequency change rate Δf / f = (f 1 −f 0 ) / f 0 of the measurement signal accompanying the change of the glucose concentration is the rate of change of the sound velocity Δv / v = (v (G 1 ) −v (G 0 )) / v (G 0 ). Here, v (G 0 ) is the speed of sound at the glucose concentration G 0 (g / dl), and v (G 1 ) is the speed of sound at the glucose concentration G 1 (g / dl). As described later, the blood glucose concentration can be estimated from the frequency change rate Δf / f of the measurement signal.

音速を利用して血液グルコース濃度を推定する場合、この推定の過程は共鳴腔の寸法や共鳴モードの影響を受けない。光学波長は、共鳴腔の寸法や共鳴モードと関係するが、何らかの明確な目的があれば、自由に光学波長を選択することもできる。   When the blood glucose concentration is estimated using the speed of sound, this estimation process is not affected by the size of the resonance cavity or the resonance mode. Although the optical wavelength is related to the size of the resonance cavity and the resonance mode, the optical wavelength can be freely selected for some specific purpose.

光学波長の選択に関して説明する。音速を利用した血液グルコース濃度の測定は有効な測定法であるが、血しょう成分の変化も音速の変化に通じる可能性が高い。米国特許5119819号(G.H.Thomas et al.,“Method and apparatus for non-invasive monitoring of blood glucose”,1992)に開示された技術では、グルコース以外の血しょう成分濃度はゆっくりと変わるので、グルコース濃度測定の間、他の成分は一定の濃度レベルにあるという仮定をしている。この仮定は短時間の測定では成立する可能性があるが、本発明のように、血液グルコース濃度を連続的にモニターする場合にはドリフト(グルコース濃度変化以外の他の影響によって生じる測定信号の周波数シフト)が発生する可能性が高くなる。本発明では、このドリフトの問題の解決のため、次の2つのアプローチを提案する。   The selection of the optical wavelength will be described. Measurement of blood glucose concentration using the speed of sound is an effective measurement method, but a change in plasma components is likely to lead to a change in sound speed. In the technique disclosed in US Pat. No. 5,1981,19 (GHThomas et al., “Method and apparatus for non-invasive monitoring of blood glucose”, 1992), the concentration of plasma components other than glucose changes slowly. During this period, it is assumed that the other components are at a constant concentration level. This assumption may be valid for short-time measurements. However, when the blood glucose concentration is continuously monitored as in the present invention, the drift (the frequency of the measurement signal caused by other influences other than the glucose concentration change) is considered. (Shift) is likely to occur. The present invention proposes the following two approaches for solving this drift problem.

(A)ドリフトを修正するために、定期的(数時間毎)に標準的な測定方法で血液グルコース濃度を測定し、血液成分の新しい値に従って成分濃度測定装置を再調整する。
(B)振幅信号を用いるために光学波長を慎重に選択し、血しょう成分を同時に検出する。
(A) In order to correct the drift, the blood glucose concentration is measured periodically (every several hours) by a standard measurement method, and the component concentration measuring device is readjusted according to the new value of the blood component.
(B) Carefully select the optical wavelength to use the amplitude signal and simultaneously detect plasma components.

本発明では、校正測定を定期的に必要とするが、この校正は1日あたり数回以上必要なものではないので、上記の(B)の方法は好ましい。(B)の方法は、米国特許4506543号(A.J.Kamp et al.,“Analysis of salt concentrations”,1985)に開示された技術と類似のものであるが、本発明では、同じ実験データから両方の測定が同時にできる。   In the present invention, calibration measurement is periodically required. However, since this calibration is not required several times per day, the method (B) is preferable. The method of (B) is similar to the technique disclosed in US Pat. No. 4,506,543 (AJKamp et al., “Analysis of salt concentrations”, 1985). Measurements can be made simultaneously.

上述の方法では、P1やP0といった位相情報だけを考慮する。しかしながら、血液グルコース濃度が既知のときの周波数f0における測定信号の振幅A0と、周波数f1における測定信号の振幅A1とを比較すれば、主に光の吸収の変化による信号強度の違いから濃度測定を行うことができる。 In the method described above, only phase information such as P 1 and P 0 is considered. However, the amplitude A 0 of the measurement signal the blood glucose concentration at the frequency f 0 when the known, the comparison between the amplitude A 1 of the measurement signal at the frequency f 1, the difference in signal intensity due to the change of the main absorption of light The concentration can be measured from

例えば2個の化合物a,bが混ざり合っている被測定物の場合を考える。化合物a,bは、音速パラメータに影響を与える。しかし、2個の化合物a,bが異なる光吸収比を示す光学波長を選ぶならば、化合物a,bの濃度という2つの未知パラメータを有する2つの方程式が得られる。一方の方程式は、第1の時刻と第2の時刻との間の音速の差の方程式であり、もう1つの方程式は、第1の時刻と第2の時刻との間の信号振幅の差の方程式である。他のすべての化合物を一定濃度であると仮定すれば、化合物a,bの濃度を明確に決定することができる。   For example, let us consider the case of an object to be measured in which two compounds a and b are mixed. Compounds a and b affect the sound speed parameter. However, if an optical wavelength is selected in which the two compounds a and b exhibit different light absorption ratios, two equations having two unknown parameters of the concentrations of the compounds a and b can be obtained. One equation is the difference in sound speed between the first time and the second time, and the other equation is the difference in signal amplitude between the first time and the second time. It is an equation. Assuming that all other compounds are at a constant concentration, the concentrations of compounds a and b can be clearly determined.

3個の化合物a,b,cが混ざり合っている被測定物の場合、2つの異なる光学波長を必要とする。位相の測定は、2つの光学波長を用いる場合において1つの方程式だけをもたらすのと同じ結果を与える。しかしながら、3個の化合物a,b,cが異なる光吸収比を示す2つの光学波長を選ぶことで、さらに2つの方程式を得ることができる。   In the case of an object to be measured in which three compounds a, b, and c are mixed, two different optical wavelengths are required. Measuring the phase gives the same result as yielding only one equation when using two optical wavelengths. However, two more equations can be obtained by choosing two optical wavelengths where the three compounds a, b and c exhibit different light absorption ratios.

このように、n個の光学波長を使用すれば、(n+1)個の化合物の濃度を測定することができる。ただし、この測定は、測定時間が全ての化合物の一定の濃度を保証できるくらい短い場合に限る。   Thus, if n optical wavelengths are used, the concentration of (n + 1) compounds can be measured. However, this measurement is limited to when the measurement time is short enough to guarantee a constant concentration of all compounds.

次に、グルコース濃度の変化に伴う測定信号の周波数変化が、グルコース濃度の変化に伴う光音響信号の音速変化と関係することについて説明する。被測定物に光を照射したときに音響センサで得られる電気信号には複数のピークが現れるが、このピークは小空間に光音響エネルギーが閉じ込められることによるものである。そして、共鳴モードは複数の反射により形成される。まず、光音響エネルギーが閉じ込められる空間のモデルとして、互いに平行で無限に長い2つの平面を用いる。2つの平面の距離はLである。この単純な条件では、以下の式が成立する。
L=(nλ)/2 ・・・(1)
Next, it will be described that the change in frequency of the measurement signal associated with the change in glucose concentration is related to the change in sound speed of the photoacoustic signal associated with the change in glucose concentration. A plurality of peaks appear in the electrical signal obtained by the acoustic sensor when the object to be measured is irradiated with light. This peak is due to confinement of photoacoustic energy in a small space. The resonance mode is formed by a plurality of reflections. First, as a model of a space in which photoacoustic energy is confined, two planes parallel to each other and infinitely long are used. The distance between the two planes is L. Under this simple condition, the following equation holds.
L = (nλ) / 2 (1)

ここで、nは正の整数、λは音響信号の波長である。音響信号の速度をvac、n番目のモードの共振周波数をfとすると、音響信号の波長λは次式で表される。
λ=vac/f ・・・(2)
Here, n is a positive integer and λ is the wavelength of the acoustic signal. When the velocity of the acoustic signal is v ac and the resonance frequency of the nth mode is f, the wavelength λ of the acoustic signal is expressed by the following equation.
λ = v ac / f (2)

式(1)、式(2)より、次式が得られる。
f=(nvac)/2L ・・・(3)
式(3)より、共振周波数fは、音響信号の速度vacに比例することが分かる。
From the formulas (1) and (2), the following formula is obtained.
f = (nv ac ) / 2L (3)
From equation (3), it can be seen that the resonance frequency f is proportional to the velocity v ac of the acoustic signal.

横方向閉じ込めを導入したときは、光音響エネルギーが閉じ込められる空間が円筒空洞の場合のみ共振周波数fjを以下のように表すことができる。 When the lateral confinement is introduced, the resonance frequency f j can be expressed as follows only when the space in which the photoacoustic energy is confined is a cylindrical cavity.

Figure 0005336438
Figure 0005336438

ここで、j=(nmq)であり、n,m,qはそれぞれラジアル(radial)方位、方位(azimuth)、縦モードの番号である。Rは円筒の半径、Lは円筒の長さである。αmnは方程式のn+1番目の根である。 Here, j = (nmq), and n, m, and q are the radial azimuth, azimuth, and longitudinal mode numbers, respectively. R is the radius of the cylinder and L is the length of the cylinder. α mn is the (n + 1) th root of the equation.

Figure 0005336438
Figure 0005336438

式(5)において、Jmはm次のベッセル関数である。m=n=0のとき、f00qはq番目の縦モードの共振周波数となる。重要な事実は、音響信号の共振周波数fが音響信号の速度vacに線形的に依存することである。つまり、音響信号の速度vacの変化の結果、音響信号の共振周波数fに変化が生じるので、次式の関係が得られる。
Δf/f=Δvac/vac ・・・(6)
In Equation (5), J m is an mth order Bessel function. When m = n = 0, f 00q is the resonance frequency of the qth longitudinal mode. The important fact is that the resonance frequency f of the acoustic signal depends linearly on the velocity v ac of the acoustic signal. That is, as a result of the change in the velocity v ac of the acoustic signal, a change occurs in the resonance frequency f of the acoustic signal, so that the following relationship is obtained.
Δf / f = Δv ac / v ac (6)

音響信号の速度vacとグルコース濃度とは、線形関係にある。さらに、音響信号の速度vacの変化と共振周波数fの変化とには式(6)に示した関係があるので、グルコース濃度の変化が音響信号の周波数の変化に線形的につながることが分かる。
以上により、本発明では、測定信号の周波数の変化からグルコース濃度を導出する。
The velocity v ac of the acoustic signal and the glucose concentration are in a linear relationship. Further, since the change in the velocity v ac of the acoustic signal and the change in the resonance frequency f have the relationship shown in the equation (6), it can be seen that the change in the glucose concentration linearly leads to the change in the frequency of the acoustic signal. .
As described above, in the present invention, the glucose concentration is derived from the change in the frequency of the measurement signal.

[実施の形態]
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図3は本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。
成分濃度測定装置は、レーザ光を放射する光照射手段となるレーザダイオード1と、レーザダイオード1を駆動するLDドライバ2と、レーザダイオード1から放射されたレーザ光を導く光ファイバ3と、光ファイバ3を固定して、人体または人体の一部である被測定物11にレーザ光を照射する光ファイバホルダ4と、光音響効果によって被測定物11から発生する光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する光音響信号検出手段となる音響センサ5と、音響センサ5から出力された電気信号を増幅する増幅器6と、参照信号を発生する関数発生器7と、増幅器6の出力信号と関数発生器7から出力された参照信号とを入力として、増幅器6の出力信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプ8と、LDドライバ2に駆動電流を供給する電圧−電流コンバータ9と、関数発生器7およびロックインアンプ8を制御すると共に、ロックインアンプ8が検出した測定信号を処理して血液グルコース濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置10とから構成される。音響センサ5の例としては、マイクロホンがある。
[Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the component concentration measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
The component concentration measuring apparatus includes a laser diode 1 serving as a light irradiation unit that emits laser light, an LD driver 2 that drives the laser diode 1, an optical fiber 3 that guides the laser light emitted from the laser diode 1, and an optical fiber. 3 is fixed, an optical fiber holder 4 that irradiates a human body or a device under test 11 that is a part of the human body with a laser beam, and a photoacoustic signal generated from the device under test 11 due to the photoacoustic effect are detected, Of the acoustic sensor 5 serving as a photoacoustic signal detecting means for converting the electrical signal proportional to the signal, an amplifier 6 for amplifying the electrical signal output from the acoustic sensor 5, a function generator 7 for generating a reference signal, A lock-in amplifier 8 for detecting a measurement signal of a desired frequency from the output signal of the amplifier 6 by using the output signal and the reference signal output from the function generator 7 as input, and an LD driver A voltage-current converter 9 that supplies a drive current to the bar 2, a function generator 7 and a lock-in amplifier 8, and a computer that processes a measurement signal detected by the lock-in amplifier 8 to derive a blood glucose concentration. And the information processing apparatus 10. An example of the acoustic sensor 5 is a microphone.

図4は情報処理装置10の構成を示すブロック図である。情報処理装置10は、関数発生器7を制御する関数発生器制御部20と、測定信号の振幅を測定する振幅測定部21と、測定信号の位相を測定する位相測定部22と、位相のオフセットを調整する位相オフセット調整部23と、測定信号の振幅と位相と周波数の情報を記録する情報記録部24と、測定信号の周波数の変化から血液グルコース濃度を導出するグルコース濃度導出部25と、測定信号の周波数シフトを校正する周波数シフト校正部26と、情報記憶のための記憶部27とを有する。関数発生器制御部20は、周波数探索手段を構成している。   FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of the information processing apparatus 10. The information processing apparatus 10 includes a function generator control unit 20 that controls the function generator 7, an amplitude measurement unit 21 that measures the amplitude of the measurement signal, a phase measurement unit 22 that measures the phase of the measurement signal, and a phase offset A phase offset adjusting unit 23 for adjusting the amplitude, phase and frequency information of the measurement signal, a glucose concentration deriving unit 25 for deriving a blood glucose concentration from a change in the frequency of the measurement signal, and a measurement A frequency shift calibration unit 26 that calibrates the frequency shift of the signal and a storage unit 27 for storing information are provided. The function generator control unit 20 constitutes frequency search means.

以下、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作について説明する。図5は成分濃度測定装置の動作を示すフローチャートである。
まず、LDドライバ2から駆動電流が供給されると、レーザダイオード1はレーザ光を放射する。従来のCW法と同様に、レーザダイオード1から放射されるレーザ光は連続波である。このレーザ光は、光ファイバ3によって導かれ、被測定物11に照射される(図5ステップS1)。音響センサ5は、被測定物11から発生する光音響信号を検出し、増幅器6は、音響センサ5から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ8は、増幅器6の出力に含まれる信号のうち、関数発生器7から出力される参照信号によって決まる周波数の測定信号を検出する。
Hereinafter, the operation of the component concentration measuring apparatus of the present embodiment will be described. FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the component concentration measuring apparatus.
First, when a drive current is supplied from the LD driver 2, the laser diode 1 emits laser light. Similar to the conventional CW method, the laser light emitted from the laser diode 1 is a continuous wave. This laser beam is guided by the optical fiber 3 and irradiated onto the object to be measured 11 (step S1 in FIG. 5). The acoustic sensor 5 detects a photoacoustic signal generated from the device under test 11, and the amplifier 6 amplifies the electrical signal output from the acoustic sensor 5. The lock-in amplifier 8 detects a measurement signal having a frequency determined by the reference signal output from the function generator 7 among the signals included in the output of the amplifier 6.

情報処理装置10の関数発生器制御部20は、関数発生器7が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、ロックインアンプ8が検出する測定信号の周波数を漸次変化させる周波数掃引を行う(図5ステップS2)。こうして、測定信号の共鳴ピークを探索する。   The function generator control unit 20 of the information processing apparatus 10 performs frequency sweep that gradually changes the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 8 by changing the frequency of the reference signal generated by the function generator 7 ( FIG. 5 step S2). In this way, the resonance peak of the measurement signal is searched.

次に、測定信号の振幅のピークを見つけたときに、情報処理装置10の振幅測定部21は、このピークの周波数(基準周波数f0)における測定信号の振幅A0を測定し(図5ステップS4)、位相測定部22は、基準周波数f0における測定信号の位相P0を測定する(ステップS5)。 Next, when the amplitude peak of the measurement signal is found, the amplitude measurement unit 21 of the information processing apparatus 10 measures the amplitude A 0 of the measurement signal at the frequency of this peak (reference frequency f 0 ) (step in FIG. 5). S4) The phase measurement unit 22 measures the phase P 0 of the measurement signal at the reference frequency f 0 (step S5).

このような測定の前に、情報処理装置10の位相オフセット調整部23は、ロックインアンプ8を通じて電圧−電流コンバータ9を制御し、LDドライバ2からレーザダイオード1に供給される駆動電流の位相を変化させ、被測定物11に照射するレーザ光の位相を変化させることにより、測定信号の位相P0を0に設定することが好ましい(図5ステップS3)。 Prior to such measurement, the phase offset adjustment unit 23 of the information processing apparatus 10 controls the voltage-current converter 9 through the lock-in amplifier 8 to change the phase of the drive current supplied from the LD driver 2 to the laser diode 1. It is preferable to set the phase P 0 of the measurement signal to 0 by changing the phase of the laser beam irradiated to the object 11 to be measured (step S3 in FIG. 5).

情報記録部24は、振幅測定部21が測定した振幅A0と、位相測定部22が測定した位相P0(P0=0)と、ピークの周波数(基準周波数f0)とを記憶部27に記憶させる(図5ステップS6)。
次に、被測定物11に対して標準的な血糖測定法を実施し、基準濃度X(g/dl)を得る(図5ステップS7)。これで、基準濃度X(g/dl)で基準周波数f0における振幅A0と位相P0(P0=0)とが得られたことになる。標準的な血糖測定法を実施するには、血糖測定器の本体に、グルコースセンサーを差し込み、針を専用の機械(または本体)にセットして、指などから採血し、グルコースセンサーに血を吸収させる。標準的な血糖測定法は、既知濃度のグルコース液を標準校正液として機械動作確認用に用いる。初期動作時に機械が正常に動いているかを確認したり、血糖値が異常値にあるか(正常に機械が動作しているか)を確認したりするときに用いる。
The information recording unit 24 stores the amplitude A 0 measured by the amplitude measurement unit 21, the phase P 0 (P 0 = 0) measured by the phase measurement unit 22, and the peak frequency (reference frequency f 0 ). (Step S6 in FIG. 5).
Next, a standard blood glucose measurement method is performed on the device under test 11 to obtain a reference concentration X (g / dl) (step S7 in FIG. 5). Thus, the amplitude A 0 and the phase P 0 (P 0 = 0) at the reference frequency f 0 are obtained with the reference concentration X (g / dl). To perform a standard blood glucose measurement method, insert a glucose sensor into the body of the blood glucose meter, set the needle on a dedicated machine (or body), collect blood from a finger, etc., and absorb the blood into the glucose sensor. Let A standard blood glucose measurement method uses a known concentration of glucose solution as a standard calibration solution for machine operation confirmation. It is used to check whether the machine is operating normally during initial operation, or to check whether the blood glucose level is abnormal (ie, whether the machine is operating normally).

ここで、異なる発振波長のレーザダイオード1を複数用いる場合には、各波長についてステップS2〜S6の処理をそれぞれ実施すればよい。   Here, when a plurality of laser diodes 1 having different oscillation wavelengths are used, the processes in steps S2 to S6 may be performed for each wavelength.

次に、ステップS1〜S6の最初の測定から任意の時間経過後の時刻tにおける測定について説明する。最初の測定の場合と同様に、被測定物11にレーザ光を照射する(図5ステップS8)。ここでは、LDドライバ2からレーザダイオード1に供給する駆動電流の位相をステップS3の場合と同じにすることにより、被測定物11に照射されるレーザ光の位相をステップS3の場合と同じにしている。   Next, measurement at time t after an arbitrary time has elapsed from the first measurement in steps S1 to S6 will be described. As in the case of the first measurement, the device under test 11 is irradiated with laser light (step S8 in FIG. 5). Here, by making the phase of the drive current supplied from the LD driver 2 to the laser diode 1 the same as in step S3, the phase of the laser beam irradiated to the object to be measured 11 is made the same as in step S3. Yes.

情報処理装置10の関数発生器制御部20は、関数発生器7が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、ロックインアンプ8に基準周波数f0の測定信号を検出させる。情報処理装置10の位相測定部22は、基準周波数f0における測定信号の位相P1を測定する(図5ステップS9)。測定信号の位相P1が位相P0(P0=0)と等しい場合、時刻tにおける血液グルコース濃度は基準濃度X(g/dl)と同じとなる。 The function generator control unit 20 of the information processing apparatus 10 causes the lock-in amplifier 8 to detect the measurement signal having the reference frequency f 0 by changing the frequency of the reference signal generated by the function generator 7. The phase measurement unit 22 of the information processing apparatus 10 measures the phase P 1 of the measurement signal at the reference frequency f 0 (step S9 in FIG. 5). When the phase P 1 of the measurement signal is equal to the phase P 0 (P 0 = 0), the blood glucose concentration at time t is the same as the reference concentration X (g / dl).

一方、測定信号の位相P1が位相P0(P0=0)と異なる場合、情報処理装置10の関数発生器制御部20は、関数発生器7が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、測定信号の位相P1がP0と等しくなる(ここでは、位相P1が0になる)測定信号の周波数を探す(図5ステップS10)。位相P1がP0と等しくなる周波数をf1とする。 On the other hand, when the phase P 1 of the measurement signal is different from the phase P 0 (P 0 = 0), the function generator control unit 20 of the information processing apparatus 10 changes the frequency of the reference signal generated by the function generator 7. Thus, the frequency of the measurement signal is searched for (the phase P 1 is 0 in this case) where the phase P 1 of the measurement signal is equal to P 0 (step S10 in FIG. 5). Let f 1 be the frequency at which phase P 1 is equal to P 0 .

周波数f1を見つけたときに、情報処理装置10の振幅測定部21は、周波数f1における測定信号の振幅A1を測定する(図5ステップS11)。
そして、情報記録部24は、振幅測定部21が測定した振幅A1と、測定信号の位相P1(P1=P0=0)と、周波数f1とを記憶部27に記憶させる(図5ステップS12)。
When the frequency f 1 is found, the amplitude measuring unit 21 of the information processing apparatus 10 measures the amplitude A 1 of the measurement signal at the frequency f 1 (step S11 in FIG. 5).
Then, the information recording unit 24 stores the amplitude A 1 measured by the amplitude measuring unit 21, the phase P 1 (P 1 = P 0 = 0) of the measurement signal, and the frequency f 1 in the storage unit 27 (see FIG. 5 step S12).

情報処理装置10の記憶部27には、血液グルコース濃度が単位量(1(g/dl))変化したときの測定信号の周波数変化率が予め記憶されている。このような周波数変化率のデータは、標準的な血糖測定法を実施することにより、予め求めることができる。本実施の形態では、記憶部27に記憶されている周波数変化率を0.18(%/g/dl)とする。   The storage unit 27 of the information processing apparatus 10 stores in advance the frequency change rate of the measurement signal when the blood glucose concentration changes by a unit amount (1 (g / dl)). Such frequency change rate data can be obtained in advance by performing a standard blood glucose measurement method. In the present embodiment, the frequency change rate stored in the storage unit 27 is 0.18 (% / g / dl).

情報処理装置10のグルコース濃度導出部25は、時刻tにおける血液グルコース濃度Y(g/dl)を導出する(図5ステップS13)。まず、グルコース濃度導出部25は、測定信号の周波数変化率(f1−f0)/f0×100を算出する。そして、グルコース濃度導出部25は、次式により時刻tにおける血液グルコース濃度Y(g/dl)を算出する。
Y=((f1−f0)/f0×100)/0.18+X ・・・(7)
The glucose concentration deriving unit 25 of the information processing apparatus 10 derives the blood glucose concentration Y (g / dl) at time t (step S13 in FIG. 5). First, the glucose concentration deriving unit 25 calculates the frequency change rate (f 1 −f 0 ) / f 0 × 100 of the measurement signal. Then, the glucose concentration deriving unit 25 calculates the blood glucose concentration Y (g / dl) at time t by the following equation.
Y = ((f 1 −f 0 ) / f 0 × 100) /0.18+X (7)

つまり、測定信号から求めた周波数変化率を記憶部27に記憶されている周波数変化率0.18(%/g/dl)で割ることにより、血液グルコース濃度の変化量を求めることができ、この変化量を基準濃度X(g/dl)に加えることにより、時刻tにおける血液グルコース濃度Yを算出することができる。
以上で、本実施の形態の成分濃度測定装置の処理が終了する。図5のステップS8〜S13の処理を繰り返し実施すれば、血液グルコース濃度を連続でモニターすることができる。なお、ステップS1〜S13の処理の順番は1例であって、図5の例に限るものではない。
That is, by dividing the frequency change rate obtained from the measurement signal by the frequency change rate 0.18 (% / g / dl) stored in the storage unit 27, the amount of change in blood glucose concentration can be obtained. By adding the amount of change to the reference concentration X (g / dl), the blood glucose concentration Y at time t can be calculated.
This is the end of the processing of the component concentration measuring apparatus of the present embodiment. If the processes in steps S8 to S13 in FIG. 5 are repeated, the blood glucose concentration can be continuously monitored. Note that the processing order of steps S1 to S13 is one example, and is not limited to the example of FIG.

本実施の形態では、測定信号の振幅を測定しなくてもよい。ただし、血液グルコース濃度に変化が生じていない場合について、振幅A0と振幅A1とを使うことにより、グルコース濃度変化以外の他の影響によって生じる測定信号の周波数シフトを校正することができる。以下、この周波数シフトの校正について説明する。 In the present embodiment, it is not necessary to measure the amplitude of the measurement signal. However, in the case where there is no change in the blood glucose concentration, the frequency shift of the measurement signal caused by the influence other than the glucose concentration change can be calibrated by using the amplitude A 0 and the amplitude A 1 . The frequency shift calibration will be described below.

グルコース濃度変化以外の他の成分が混合している場合において、グルコース濃度変化による測定信号の位相変化を打ち消され、ステップS9において測定信号の位相P1を測定したときに位相P1が位相P0(P0=0)と等しい場合が生じる。この場合は、情報処理装置10の振幅測定部21は、基準周波数f0における測定信号の振幅A1を測定する。測定信号の振幅A1が振幅A0と異なる場合、測定信号の振幅A1からグルコース以外の他の成分、例えば、アルブミンなどの成分を推定することができる。 In cases where other components besides glucose concentration change are mixed, canceled the phase variation of the measurement signal due to glucose concentration change, the phase P 1 is a phase P 0 when measuring the phase P 1 of the measurement signal in step S9 There are cases where it is equal to (P 0 = 0). In this case, the amplitude measurement unit 21 of the information processing apparatus 10 measures the amplitude A 1 of the measurement signal at the reference frequency f 0 . When the amplitude A 1 of the measurement signal is different from the amplitude A 0 , a component other than glucose, for example, a component such as albumin can be estimated from the amplitude A 1 of the measurement signal.

グルコース濃度変化以外の他の成分が混合している場合において、測定信号の位相P1と位相P0(P0=0)とが異なる場合は、情報処理装置10の周波数シフト校正部26は、関数発生器7が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、ロックインアンプ8が検出する測定信号の周波数を漸次変化させる周波数掃引を行い、基準周波数f0に最も近いピークを探索する。 When the components other than the glucose concentration change are mixed and the phase P 1 and the phase P 0 (P 0 = 0) of the measurement signal are different, the frequency shift calibration unit 26 of the information processing apparatus 10 by the function generator 7 changes the frequency of the reference signal generated, performs frequency sweep lock-in amplifier 8 to gradually change the frequency of the measurement signal detected, searches for a peak closest to the reference frequency f 0.

周波数シフト校正部26は、測定信号の振幅のピークを見つけたときに、このピークの周波数を新たな基準周波数f0とする。こうして、基準周波数f0を更新することができ、グルコース濃度変化以外の他の影響によって生じる測定信号の周波数シフトを校正することができる。 When the frequency shift calibration unit 26 finds the amplitude peak of the measurement signal, the frequency shift calibration unit 26 sets the frequency of this peak as a new reference frequency f 0 . In this way, the reference frequency f 0 can be updated, and the frequency shift of the measurement signal caused by effects other than the glucose concentration change can be calibrated.

血液グルコース濃度が変化してしまうと校正ができなくなるので、定期的(例えば数時間毎)にステップS1〜S7の処理を実施して、振幅A0と位相P0と基準周波数f0とを適宜更新すればよい。 Since the calibration cannot be performed if the blood glucose concentration changes, the processing of steps S1 to S7 is performed periodically (for example, every several hours), and the amplitude A 0 , the phase P 0, and the reference frequency f 0 are appropriately set. Update it.

図6(A)、図6(B)は本実施の形態の成分濃度測定装置による実験結果の1例を示す図である。
まず、最初に、純粋な水を被測定物11として、図5のステップS1〜S6の処理を実施した。ここでは、被測定物11を円柱状のガラスセルの中に封入した。言うまでもなく、水の血液グルコース濃度は0(g/dl)である。このときの測定結果を図6(A)に示す。図6(A)における600が純粋な水の場合の測定信号の位相を示している。ここでは、ステップS2で説明したとおり、測定信号の共鳴ピークを探索するために、測定信号の周波数を変化させる周波数掃引を行った。そして、1つのピークとして481kHzのピークを選択した。
6 (A) and 6 (B) are diagrams showing an example of an experimental result by the component concentration measuring apparatus of the present embodiment.
First, processing of steps S1 to S6 in FIG. 5 was performed using pure water as the DUT 11. Here, the DUT 11 was enclosed in a cylindrical glass cell. Needless to say, the blood glucose concentration of water is 0 (g / dl). The measurement result at this time is shown in FIG. 6A shows the phase of the measurement signal when 600 is pure water. Here, as described in step S2, in order to search for the resonance peak of the measurement signal, a frequency sweep that changes the frequency of the measurement signal was performed. A peak at 481 kHz was selected as one peak.

続いて、血液グルコース濃度が2(g/dl)の水液中グルコースを被測定物11として、図5のステップS8,S9の処理を実施した。上記の純粋な水の場合と同様に、被測定物11を円柱状のガラスセルの中に封入した。ここでは、測定信号の周波数の解像度を1kHzとした。図3に示した関数発生器7を設けない場合でも、実験結果を得ることはできるが、関数発生器7を設けない場合には、1kHzという高い周波数精度を得ることはできない。図6(A)における601が2(g/dl)の水液中グルコースの場合の測定信号の位相を示している。   Subsequently, processing in steps S8 and S9 in FIG. 5 was performed using glucose in the aqueous solution having a blood glucose concentration of 2 (g / dl) as the measurement object 11. As in the case of the pure water described above, the DUT 11 was sealed in a cylindrical glass cell. Here, the resolution of the frequency of the measurement signal is 1 kHz. Even if the function generator 7 shown in FIG. 3 is not provided, an experimental result can be obtained, but when the function generator 7 is not provided, a high frequency accuracy of 1 kHz cannot be obtained. 6A shows the phase of the measurement signal when 601 is 2 (g / dl) glucose in water.

図6(A)から分かるように、純粋な水に対して2(g/dl)の水液中グルコースの場合、一定に保たれた円柱セル寸法にもかかわらず、測定信号の位相情報の周波数シフトは明らかである。また、図6(A)では図示していないが、測定信号の振幅情報も周波数シフトしている。   As can be seen from FIG. 6 (A), in the case of 2 (g / dl) glucose in water with respect to pure water, the frequency of the phase information of the measurement signal despite the cylinder cell dimensions kept constant. The shift is obvious. Although not shown in FIG. 6A, the amplitude information of the measurement signal is also shifted in frequency.

ステップS10の処理により、2(g/dl)の水液中グルコースの場合の測定信号の位相P1が純粋な水の場合の測定信号の位相P0と等しくなる測定周波数f1を探す。図6(A)における602は、純粋な水の場合の測定信号の位相P0と重なるように周波数シフトさせたときの、2(g/dl)の水液中グルコースの測定信号の位相を示している。
周波数f1が確定すれば、図5のステップS13の処理により、血液グルコース濃度を導出することができる。
By the processing in step S10, the measurement frequency f 1 is searched for in which the phase P 1 of the measurement signal in the case of 2 (g / dl) glucose in water is equal to the phase P 0 of the measurement signal in the case of pure water. In FIG. 6A, reference numeral 602 denotes the phase of the measurement signal of glucose in water (2 (g / dl)) when the frequency is shifted so as to overlap with the phase P 0 of the measurement signal in the case of pure water. ing.
If the frequency f 1 is determined, the blood glucose concentration can be derived by the process of step S13 in FIG.

次に、異なる血液グルコース濃度、異なる光学波長および異なる円柱状ガラスセルの寸法において測定信号の周波数変化率を測定した結果を図6(B)に示す。図6(B)における603は光学波長が1610nmで被測定物11を封入した円柱状ガラスセルの長さが15.7mmの場合の測定信号の周波数変化率を示し、604は光学波長が1380nmでガラスセルの長さが7mmの場合の測定信号の周波数変化率を示し、605は光学波長が1610nmでガラスセルの長さが7mmの場合の測定信号の周波数変化率を示している。   Next, FIG. 6B shows the result of measuring the frequency change rate of the measurement signal at different blood glucose concentrations, different optical wavelengths, and different cylindrical glass cell dimensions. In FIG. 6B, reference numeral 603 denotes the frequency change rate of the measurement signal when the optical wavelength is 1610 nm and the length of the cylindrical glass cell in which the DUT 11 is measured is 15.7 mm, and 604 is the optical wavelength is 1380 nm. The frequency change rate of the measurement signal when the glass cell length is 7 mm is shown, and 605 shows the frequency change rate of the measurement signal when the optical wavelength is 1610 nm and the glass cell length is 7 mm.

1kHzの周波数精度で65(mg/dl)から2(g/dl)まで血液グルコース濃度を測定できた。2つの光学波長1610nmと1380nmを選んだ理由は、水が2つの光学波長に対して等しい光吸収率を示し、グルコースが2つの光学波長に対して異なる光吸収率を示すからである。   The blood glucose concentration could be measured from 65 (mg / dl) to 2 (g / dl) with a frequency accuracy of 1 kHz. The reason for choosing the two optical wavelengths 1610 nm and 1380 nm is that water exhibits equal light absorption for the two optical wavelengths and glucose exhibits different light absorption for the two optical wavelengths.

図6(B)における606は、603〜605の測定結果の線形回帰から得られた直線であり、この直線の傾きは0.18であった。情報処理装置10の記憶部27に記憶されている周波数変化率の値0.18(%/g/dl)は、以上のような実験によって予め得られたものである。この周波数変化率の値は、文献で報告されている値(0.15−0.28(%/g/dl))とほぼ一致している。   6B in FIG. 6B is a straight line obtained from linear regression of the measurement results of 603 to 605, and the slope of this straight line was 0.18. The value 0.18 (% / g / dl) of the frequency change rate stored in the storage unit 27 of the information processing apparatus 10 is obtained in advance by the experiment as described above. The value of the frequency change rate is almost the same as the value reported in the literature (0.15-0.28 (% / g / dl)).

以上のように、本実施の形態では、測定信号の位相情報に基づいて測定信号の周波数の変化量を求め、この周波数の変化量から血液グルコース濃度を導出することにより、高い光パワーを使わなくて済むというCW測定系の利点を維持しつつ、正確かつ境界状態の影響を受けない測定を実現することができる。   As described above, in the present embodiment, the amount of change in the frequency of the measurement signal is obtained based on the phase information of the measurement signal, and the blood glucose concentration is derived from the amount of change in the frequency, so that high optical power is not used. Thus, it is possible to realize an accurate measurement that is not affected by the boundary state while maintaining the advantage of the CW measurement system.

なお、本実施の形態では、測定する成分の1例として血液グルコースを例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、本発明は、被測定物に含まれる成分分析に幅広く適用可能である。   In the present embodiment, blood glucose has been described as an example of a component to be measured. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be widely applied to component analysis contained in a measurement object. is there.

本実施の形態の情報処理装置10は、例えばCPU、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、CD−ROM、DVD−ROM、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。CPUは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。   The information processing apparatus 10 according to the present embodiment can be realized by, for example, a computer including a CPU, a storage device, and an interface, and a program that controls these hardware resources. A program for operating such a computer is provided in a state of being recorded on a recording medium such as a flexible disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, or a memory card. The CPU writes the read program into the storage device, and executes the processing described in this embodiment in accordance with this program.

本発明は、血液グルコース等の成分の濃度を連続モニターする技術に適用することができる。   The present invention can be applied to a technique for continuously monitoring the concentration of components such as blood glucose.

1…レーザダイオード、2…LDドライバ、3…光ファイバ、4…光ファイバホルダ、5…音響センサ、6…増幅器、7…関数発生器、8…ロックインアンプ、9…電圧−電流コンバータ、10…情報処理装置、20…関数発生器制御部、21…振幅測定部、22…位相測定部、23…位相オフセット調整部、24…情報記録部、25…グルコース濃度導出部、26…周波数シフト校正部、27…記憶部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser diode, 2 ... LD driver, 3 ... Optical fiber, 4 ... Optical fiber holder, 5 ... Acoustic sensor, 6 ... Amplifier, 7 ... Function generator, 8 ... Lock-in amplifier, 9 ... Voltage-current converter, 10 DESCRIPTION OF SYMBOLS Information processing apparatus, 20 Function generator control unit, 21 Amplitude measuring unit, 22 Phase measuring unit, 23 Phase offset adjusting unit, 24 Information recording unit, 25 Glucose concentration deriving unit, 26 Frequency shift calibration Part, 27... Storage part.

Claims (10)

測定対象の成分の濃度が既知の被測定物に対して光を照射する第1の光照射ステップと、
この第1の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第1の光音響信号検出ステップと、
この第1の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定する第1の位相測定ステップと、
任意の時間経過後に前記被測定物に対して光を照射する第2の光照射ステップと、
この第2の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第2の光音響信号検出ステップと、
この第2の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定する第2の位相測定ステップと、
この第2の位相測定ステップで測定する位相が前記第1の位相測定ステップで測定した位相と等しくなる測定信号の周波数を探索する周波数探索ステップと、
この周波数探索ステップで探索した周波数と前記基準周波数との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出する濃度導出ステップとを備えることを特徴とする成分濃度測定方法。
A first light irradiation step of irradiating light to a measured object whose concentration of a component to be measured is known;
A first photoacoustic signal detection step for detecting a photoacoustic signal generated from the measurement object by the first light irradiation step and outputting an electric signal;
A first phase measurement step for measuring a phase of the measurement signal using a signal having a reference frequency having a maximum amplitude among the electrical signals obtained in the first photoacoustic signal detection step;
A second light irradiation step of irradiating the object to be measured with light after an arbitrary period of time;
A second photoacoustic signal detection step for detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured by the second light irradiation step and outputting an electric signal;
A second phase measurement step for measuring the phase of the measurement signal using the signal of the reference frequency as a measurement signal among the electrical signals obtained in the second photoacoustic signal detection step;
A frequency search step for searching for a frequency of a measurement signal in which the phase measured in the second phase measurement step is equal to the phase measured in the first phase measurement step;
A component concentration measurement method comprising: a concentration derivation step for deriving a component concentration of a measurement target after the arbitrary time elapses from a change amount between the frequency searched in the frequency search step and the reference frequency.
請求項1記載の成分濃度測定方法において、
前記第1、第2の位相測定ステップと前記周波数探索ステップとは、参照信号を発生する関数発生器とこの参照信号を入力とするロックインアンプとを用いることにより、前記第1、第2の光音響信号検出ステップで得られた電気信号から所望の周波数の測定信号を検出することを特徴とする成分濃度測定方法。
In the component concentration measuring method according to claim 1,
The first and second phase measurement steps and the frequency search step use a function generator for generating a reference signal and a lock-in amplifier having the reference signal as an input, whereby the first and second phase measurement steps are performed. A component concentration measurement method, comprising: detecting a measurement signal having a desired frequency from an electrical signal obtained in the photoacoustic signal detection step.
請求項1または2記載の成分濃度測定方法において、
前記濃度導出ステップは、前記周波数探索ステップで探索した周波数と前記基準周波数とから周波数変化率を算出し、この周波数変化率と測定対象の成分濃度が単位量変化したときの既知の周波数変化率とから、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定方法。
In the component concentration measuring method according to claim 1 or 2,
The concentration derivation step calculates a frequency change rate from the frequency searched in the frequency search step and the reference frequency, and the frequency change rate and a known frequency change rate when the component concentration of the measurement target changes by a unit amount The component concentration measurement method is characterized in that the component concentration of the measurement target after the arbitrary time elapses is derived.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の成分濃度測定方法において、
さらに、前記第1の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定する第1の振幅測定ステップと、
前記第2の位相測定ステップで測定した位相が前記第1の位相測定ステップで測定した位相と等しい場合に、前記第2の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定する第2の振幅測定ステップと、
この第2の振幅測定ステップで測定した振幅が前記第1の振幅測定ステップで測定した振幅と異なる場合に、前記基準周波数に最も近い周波数の振幅のピークを探索して、この探索したピークの周波数を新たな基準周波数とする周波数シフト校正手段とを備えることを特徴とする成分濃度測定方法。
In the component concentration measuring method according to any one of claims 1 to 3,
Further, a first amplitude measurement step for measuring the amplitude of the measurement signal using a signal having a reference frequency that maximizes the amplitude among the electrical signals obtained in the first photoacoustic signal detection step,
When the phase measured in the second phase measurement step is equal to the phase measured in the first phase measurement step, the signal of the reference frequency among the electrical signals obtained in the second photoacoustic signal detection step As a measurement signal, a second amplitude measurement step for measuring the amplitude of the measurement signal;
When the amplitude measured in the second amplitude measurement step is different from the amplitude measured in the first amplitude measurement step, the peak of the amplitude having the frequency closest to the reference frequency is searched, and the frequency of the searched peak And a frequency shift calibrating means using a new reference frequency as a reference frequency.
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の成分濃度測定方法において、
さらに、前記第1の位相測定ステップで測定する位相が0になるように位相にオフセットを加える位相オフセット調整ステップを備えることを特徴とする成分濃度測定方法。
In the component concentration measuring method according to any one of claims 1 to 4,
The component concentration measurement method further comprises a phase offset adjustment step of adding an offset to the phase so that the phase measured in the first phase measurement step becomes zero.
被測定物に対して光を照射する光照射手段と、
この光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、
前記電気信号に含まれる測定信号の位相を測定する位相測定手段と、
任意の時間経過後の前記測定信号の周波数を探索する周波数探索手段と、
前記任意の時間経過後の前記測定信号の周波数の変化量から、測定対象の成分濃度を導出する濃度導出手段とを備え、
前記光照射手段は、第1の時刻において測定対象の成分濃度が既知の前記被測定物に対して光を照射すると共に、任意の時間経過後に前記被測定物に対して光を照射し、
前記位相測定手段は、前記第1の時刻において得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定すると共に、前記任意の時間経過後の電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定し、
前記周波数探索手段は、前記任意の時間経過後に測定される位相が前記第1の時刻において測定された位相と等しくなる測定信号の周波数を探索し、
前記濃度導出手段は、前記周波数探索手段が探索した周波数と前記基準周波数との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定装置。
A light irradiating means for irradiating the object to be measured;
Photoacoustic signal detection means for detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured by this light irradiation and outputting an electrical signal; and
Phase measuring means for measuring the phase of the measurement signal included in the electrical signal;
A frequency search means for searching for the frequency of the measurement signal after an arbitrary period of time;
Concentration deriving means for deriving the concentration of the component to be measured from the amount of change in the frequency of the measurement signal after the arbitrary time has elapsed,
The light irradiating means irradiates the measured object whose component concentration to be measured is known at a first time, and irradiates the measured object with light after an arbitrary time,
The phase measuring means measures the phase of the measurement signal using a signal of a reference frequency having the maximum amplitude among the electrical signals obtained at the first time, and after the elapse of the arbitrary time. Of the electrical signal, the signal of the reference frequency is used as a measurement signal, and the phase of the measurement signal is measured.
The frequency search means searches for a frequency of a measurement signal in which a phase measured after the arbitrary time has elapsed is equal to a phase measured at the first time,
The concentration derivation device derives the component concentration of the measurement target after the arbitrary time elapses from the amount of change between the frequency searched by the frequency search unit and the reference frequency.
請求項6記載の成分濃度測定装置において、
さらに、参照信号を発生する関数発生器と、
前記参照信号を入力とし、前記電気信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプとを備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
In the component concentration measuring apparatus according to claim 6,
A function generator for generating a reference signal;
A component concentration measuring apparatus comprising: a lock-in amplifier that receives the reference signal and detects a measurement signal having a desired frequency from the electrical signal.
請求項6または7記載の成分濃度測定装置において、
前記濃度導出手段は、前記周波数探索手段が探索した周波数と前記基準周波数とから周波数変化率を算出し、この周波数変化率と測定対象の成分濃度が単位量変化したときの既知の周波数変化率とから、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定装置。
The component concentration measuring apparatus according to claim 6 or 7,
The concentration derivation unit calculates a frequency change rate from the frequency searched by the frequency search unit and the reference frequency, and the frequency change rate and a known frequency change rate when the component concentration of the measurement target changes by a unit amount The component concentration measuring device, wherein the component concentration of the measurement target after the arbitrary time elapses is derived.
請求項6乃至8のいずれか1項に記載の成分濃度測定装置において、
さらに、前記電気信号に含まれる測定信号の振幅を測定する振幅測定手段と、
前記測定信号の周波数シフトを校正する周波数シフト校正手段とを備え、
前記振幅測定手段は、前記第1の時刻において得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定すると共に、前記任意の時間経過後に測定された位相が前記第1の時刻において測定された位相と等しい場合に、前記任意の時間経過後の電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定し、
前記周波数シフト校正手段は、前記任意の時間経過後に測定された振幅が前記第1の時刻において測定された振幅と異なる場合に、前記基準周波数に最も近い周波数の振幅のピークを探索して、この探索したピークの周波数を新たな基準周波数とすることを特徴とする成分濃度測定装置。
In the component concentration measuring apparatus according to any one of claims 6 to 8,
Further, amplitude measuring means for measuring the amplitude of the measurement signal included in the electrical signal,
Frequency shift calibration means for calibrating the frequency shift of the measurement signal,
The amplitude measuring means measures the amplitude of the measurement signal using a reference frequency signal having the maximum amplitude among the electrical signals obtained at the first time, and measures the measured signal after an arbitrary time has elapsed. When the measured phase is equal to the phase measured at the first time, the amplitude of the measurement signal is measured using the signal of the reference frequency as a measurement signal among the electrical signals after the lapse of any time,
The frequency shift calibration means searches for the peak of the amplitude of the frequency closest to the reference frequency when the amplitude measured after the arbitrary time is different from the amplitude measured at the first time, A component concentration measuring apparatus characterized in that the searched peak frequency is set as a new reference frequency.
請求項6乃至9のいずれか1項に記載の成分濃度測定装置において、
さらに、前記第1の時刻において測定する位相が0になるように位相にオフセットを加える位相オフセット調整手段を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
In the component concentration measuring apparatus according to any one of claims 6 to 9,
The component concentration measuring apparatus further comprises phase offset adjusting means for adding an offset to the phase so that the phase measured at the first time becomes zero.
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