JP5411180B2 - Component concentration measuring method and apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、血液の血漿中に存在するグルコースの濃度測定、あるいはそれ以外の血漿中に存在する成分の濃度測定にも適用可能な、光音響法による成分濃度測定方法および装置に関するものである。   The present invention relates to a method and an apparatus for measuring a concentration of a component by a photoacoustic method, which can be applied to the measurement of the concentration of glucose present in blood plasma or the concentration of other components present in plasma.

糖尿病予防のためには、血漿中に存在するグルコース濃度を正確に測定する必要が有る。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。
In order to prevent diabetes, it is necessary to accurately measure the glucose concentration present in plasma. 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)。パルス法やCW法では、音響波の振幅が成分濃度と比例することを利用して、成分濃度を定量している。   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). In the pulse method and the CW method, the component concentration is quantified by utilizing the fact that the amplitude of the acoustic wave is proportional to the component concentration.

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

従来のパルス法やCW法では、数回にわたる血漿中のグルコース濃度測定中に、グルコース濃度以外の他の血漿中パラメータ(例えば体温や、他の成分の濃度等)も変わる可能性が高いので、グルコース選択性が悪く、正確なグルコース濃度を得ることが難しいという問題点があった。   In the conventional pulse method and CW method, during the measurement of glucose concentration in plasma several times, it is highly possible that other plasma parameters other than the glucose concentration (for example, body temperature, concentration of other components, etc.) will also change. There was a problem that glucose selectivity was poor and it was difficult to obtain an accurate glucose concentration.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、血液グルコース濃度等の成分濃度を高い精度で測定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 problems, and an object of the present invention is to provide a component concentration measuring method and apparatus capable of measuring a component concentration such as blood glucose concentration with high accuracy.

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強度変調光を照射する第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振幅が最大となる変調周波数を第1の周波数として測定する第1の周波数測定ステップと、前記振幅が最大のときの電気信号の位相を参照位相として測定する第1の位相測定ステップと、互いに異なる波長の2波の光を前記第1の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、2つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させる第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位相が0となる第1の変曲点を探索する第2の位相測定ステップと、前記第1の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定する第1の光パワー測定ステップと、任意の時間経過後に前記被測定物に対して強度変調光を照射する第3の光照射ステップと、この第3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3の光音響信号検出ステップと、この第3の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が前記参照位相となる変調周波数を第2の周波数として探索する第2の周波数測定ステップと、互いに異なる波長の2波の光を前記第2の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、2つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させる第4の光照射ステップと、この第4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4の光音響信号検出ステップと、この第4の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が0となる第2の変曲点を探索する第3の位相測定ステップと、前記第2の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定する第2の光パワー測定ステップと、この第2の光パワー測定ステップで測定した光パワーの差と前記第1の光パワー測定ステップで測定した光パワーの差との変化量から、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 according to the present invention includes a first light irradiation step of irradiating an object to be measured whose concentration of a component to be measured is known with intensity-modulated light, and the object to be measured by the first light irradiation step. A first photoacoustic signal detecting step for detecting the photoacoustic signal generated from the output signal and outputting an electric signal; and a modulation frequency at which the amplitude of the electric signal obtained in the first photoacoustic signal detecting step is maximized. A first frequency measuring step for measuring as a first frequency, a first phase measuring step for measuring a phase of an electric signal when the amplitude is maximum as a reference phase, and two light beams having different wavelengths from each other. A second light irradiation step for irradiating the object to be measured with signals having different frequencies and at a frequency of 1 and irradiating the object to be measured, and gradually changing the optical power of at least one of the two intensity-modulated lights. And 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 electrical signal, and a second photoacoustic signal detection step. A second phase measuring step for searching for a first inflection point at which the phase of the obtained electrical signal is 0; and a second phase measuring step for measuring a difference in optical power between two intensity-modulated lights at the first inflection point. 1 light power measurement step, a third light irradiation step for irradiating the object to be measured with intensity-modulated light after an arbitrary period of time, and light generated from the object to be measured by the third light irradiation step A third photoacoustic signal detection step for detecting an acoustic signal and outputting an electrical signal; and a second modulation frequency at which the phase of the electrical signal obtained in the third photoacoustic signal detection step is the reference phase. Search as frequency And measuring the intensity of the two light beams having different wavelengths and irradiating the object to be measured with signals of the second frequency and different phases, respectively, and irradiating at least one of the two intensity-modulated lights. A fourth light irradiation step for gradually changing the optical power of the intensity-modulated light, and a fourth photoacoustic for detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured and outputting an electric signal by the fourth light irradiation step. A signal detection step, a third phase measurement step for searching for a second inflection point where the phase of the electrical signal obtained in the fourth photoacoustic signal detection step is 0, and the second inflection point. A second optical power measurement step for measuring the difference between the optical powers of the two intensity-modulated lights in FIG. 2, and the difference between the optical powers measured in the second optical power measurement step and the first optical power measurement step. light And a concentration deriving step for deriving the concentration of the component to be measured after the arbitrary time elapses from the amount of change from the difference in power.

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の光パワー測定ステップは、2つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第1の変曲点における光パワーとの差を測定し、前記第2の光パワー測定ステップは、2つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第2の変曲点における光パワーとの差を測定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、前記光パワーの変化量と初期状態の測定対象の光吸収係数と前記任意の時間経過後の測定対象の光吸収係数変化量とから、測定対象の成分濃度の変化量を求め、この成分濃度の変化量と前記既知の成分濃度とから、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。
また、本発明の成分濃度測定方法の1構成例は、さらに、被測定物の光吸収スペクトル測定を行い、測定したスペクトルから前記光吸収係数と前記光吸収係数変化量を求める光吸収スペクトル測定ステップ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構成例において、前記第1、第2の光パワー測定ステップは、2つの強度変調光を放出する2つの光照射手段の駆動電圧の差を光パワーの差として測定し、前記濃度導出ステップは、駆動電圧差と光パワーの変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記第2の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差と前記第1の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差との変化量から、光パワーの変化量を求め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, when the first optical power measurement step changes only the optical power of one of the two intensity-modulated lights, the intensity of one of the two intensity-modulated lights is changed. For the modulated light, a difference between the initial optical power before the change and the optical power at the first inflection point is measured, and the second optical power measurement step includes one of the two intensity-modulated lights. In the case of changing only the optical power, the difference between the initial optical power before the change and the optical power at the second inflection point is measured for the one intensity-modulated light.
Further, in one configuration example of the component concentration measurement method of the present invention, the concentration derivation step includes the change amount of the optical power, the light absorption coefficient of the measurement target in the initial state, and the light absorption of the measurement target after the arbitrary time elapses. A change amount of the component concentration of the measurement target is obtained from the coefficient change amount, and a component concentration of the measurement target after the arbitrary time elapses is derived from the change amount of the component concentration and the known component concentration. It is what.
In addition, in one configuration example of the component concentration measuring method of the present invention, a light absorption spectrum measurement step of further measuring a light absorption spectrum of the object to be measured and obtaining the light absorption coefficient and the amount of change in the light absorption coefficient from the measured spectrum. It is characterized by providing.
Further, in one configuration example of the component concentration measuring method of the present invention, the first and second optical power measuring steps include the difference in driving voltage between the two light irradiating means for emitting the two intensity-modulated lights. The concentration derivation step refers to calibration data indicating the relationship between the drive voltage difference and the amount of change in optical power, and the drive voltage difference measured in the second optical power measurement step and the first The amount of change in optical power is obtained from the amount of change from the drive voltage difference measured in step 1 of optical power measurement.

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、光パワーを制御する光パワー制御手段と、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、前記電気信号の周波数を測定する周波数測定手段と、前記電気信号の位相を測定する位相測定手段と、2つの強度変調光の光パワーの差を測定する光パワー測定手段と、任意の時間経過後の光パワーの変化量から、測定対象の成分の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の濃度が既知の被測定物に対して強度変調光を照射し、第2の時刻において互いに異なる波長の2波の光を第1の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、第3の時刻において前記被測定物に対して強度変調光を照射し、第4の時刻において互いに異なる波長の2波の光を第2の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、前記光パワー制御手段は、前記第2、第4の時刻において2つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させ、前記周波数測定手段は、前記第1の時刻において得られた電気信号の振幅が最大となる変調周波数を前記第1の周波数として測定し、前記第3の時刻において得られた電気信号の位相が参照位相となる変調周波数を前記第2の周波数として探索し、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振幅が最大のときの電気信号の位相を前記参照位相として測定し、前記第2の時刻において得られた電気信号の位相が0となる第1の変曲点を探索し、前記第4の時刻において得られた電気信号の位相が0となる第2の変曲点を探索し、前記光パワー測定手段は、前記第2の時刻において前記第1の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定し、前記第4の時刻において前記第2の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定し、前記濃度導出手段は、前記第4の時刻において測定された光パワーの差と前記第2の時刻において測定された光パワーの差との変化量から、前記第4の時刻における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 of the present invention comprises a light irradiating means for irradiating light to the object to be measured, a light power controlling means for controlling light power, and a photoacoustic signal generated from the object to be measured by this light irradiation. A photoacoustic signal detecting means for detecting and outputting an electric signal; a frequency measuring means for measuring the frequency of the electric signal; a phase measuring means for measuring the phase of the electric signal; and the optical power of the two intensity-modulated lights. An optical power measuring means for measuring the difference; and a concentration deriving means for deriving the concentration of the component to be measured from the amount of change in the optical power after an arbitrary time has elapsed, the light irradiation means at the first time Irradiate intensity-modulated light to an object to be measured whose concentration of a component to be measured is known, and intensity-modulate two light beams having different wavelengths at a second time with signals having a first frequency and different phases. The covered Irradiate a fixed object, irradiate the measured object with intensity-modulated light at a third time, and emit light of two waves having different wavelengths at a second time with signals having a second frequency and different phases. Intensity modulation is performed to irradiate the object to be measured, and the optical power control means gradually changes the optical power of at least one of the two intensity modulation lights at the second and fourth times, The frequency measuring means measures, as the first frequency, a modulation frequency at which the amplitude of the electric signal obtained at the first time becomes maximum, and the phase of the electric signal obtained at the third time is referred to A phase modulation frequency is searched as the second frequency, and the phase measuring means measures the phase of the electrical signal when the amplitude of the electrical signal obtained at the first time is maximum as the reference phase. The first inflection point at which the phase of the electrical signal obtained at the second time becomes 0 is searched, and the second inflection at which the phase of the electrical signal obtained at the fourth time becomes 0 The optical power measuring means searches for a point, measures the optical power difference between the two intensity-modulated lights at the first inflection point at the second time, and the second power at the fourth time. The difference between the optical powers of the two intensity-modulated lights at the inflection point is measured, and the concentration deriving means calculates the difference between the optical power measured at the fourth time and the optical power measured at the second time. The component concentration of the measurement target at the fourth time is derived from the amount of change from the difference.

本発明によれば、2つの強度変調光の波長を適宜選択することで、濃度と光パワーとの関係の特性の勾配に異なる物質間で差を生じさせることが可能となる。したがって、本発明では、特定の測定対象に対するセンサ反応が最大となるように光波長を適宜選択することで、測定対象の選択性を向上させることができ、異なる複数の物質を含む被測定物において測定対象の成分濃度を高い精度で測定することが可能になる。   According to the present invention, by appropriately selecting the wavelengths of the two intensity-modulated lights, it is possible to cause a difference between different substances in the gradient of the relationship between the concentration and the optical power. Therefore, in the present invention, by appropriately selecting the light wavelength so that the sensor response to a specific measurement target is maximized, the selectivity of the measurement target can be improved, and in a measurement object including a plurality of different substances. It becomes possible to measure the concentration of the component to be measured with high accuracy.

近赤外スペクトルの範囲内の光波長におけるグルコース水溶液とアルブミン水溶液の吸収スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the absorption spectrum of glucose aqueous solution and albumin aqueous solution in the light wavelength in the range of a near-infrared spectrum. 従来の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 conventional component density | concentration measuring apparatus. 図2の成分濃度測定装置によって得られた血液グルコース濃度と光音響信号の最大振幅との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the blood glucose level obtained by the component density | concentration measuring apparatus of FIG. 2, and the maximum amplitude of a photoacoustic signal. 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. 異なる波長の2つの光によって音響波が生成される様子を説明する図である。It is a figure explaining a mode that an acoustic wave is generated by two light of a different wavelength. 被測定物の血液グルコース濃度が参照血液グルコース濃度のときに光パワーを変えたときの光音響信号の振幅と位相を示す図である。It is a figure which shows the amplitude and phase of a photoacoustic signal when optical power is changed when the blood glucose concentration of a to-be-measured object is a reference blood glucose concentration. 被測定物の血液グルコース濃度およびアルブミン濃度が変化したときに光パワーを変えたときの光音響信号の振幅と位相を示す図である。It is a figure which shows the amplitude and phase of a photoacoustic signal when optical power is changed when the blood glucose concentration and albumin concentration of a to-be-measured object change. 本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置でグルコース濃度とアルブミン濃度を測定した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having measured glucose concentration and albumin concentration with 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の測定結果を示す図および測定結果の拡大図である。It is the figure which shows the measurement result of the component concentration measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention, and the enlarged view of a measurement result. 光パワーバランス−位相特性を示す図である。It is a figure which shows an optical power balance-phase characteristic.

[発明の原理]
本発明では、血液グルコース濃度を正確に測定するために、光音響信号の振幅が光吸収係数に依存する原理を利用して、光波長によりグルコース選択性が良くなる新しい成分濃度測定方法であるOptical Power Balance Shift方法(以下、OPBS方法と省略)を提案する。
[Principle of the Invention]
In the present invention, in order to accurately measure the blood glucose concentration, an optical component that is a new component concentration measuring method that improves the glucose selectivity according to the light wavelength by utilizing the principle that the amplitude of the photoacoustic signal depends on the light absorption coefficient. A Power Balance Shift method (hereinafter abbreviated as OPBS method) is proposed.

本発明の測定方法は、光波長が異なり位相差がπの2つの光ビームのパワーを増減させながら、光音響信号の振幅が極小な箇所の位相の変曲点を探して、その結果から血液中に溶解している分子濃度を測る方法である。この方法は血漿中のグルコース成分だけではなく、他の血漿成分(アルブミンやコレステロールなど)の検出法として適用を拡大することもできる。
その検出法のコンセプトを説明するために以下に理論式を使う。光音響信号強度Sは次式のように表すことができる。
The measurement method of the present invention searches for a phase inflection point at a location where the amplitude of the photoacoustic signal is minimal, while increasing or decreasing the power of two light beams having different optical wavelengths and a phase difference of π, and from the result, blood It is a method of measuring the concentration of molecules dissolved in the inside. This method can be expanded to detect not only glucose components in plasma but also other plasma components (such as albumin and cholesterol).
The following theoretical formula is used to explain the concept of the detection method. The photoacoustic signal intensity S can be expressed as:

Figure 0005411180
Figure 0005411180

ここで、Kは定数、βは被測定物の熱膨張係数、vは音速、nはセットアップに依存する実験系パラメータ、Cpは被測定物の比熱、αは被測定物の光吸収係数、Pは光パワーである。
また、2つの差分信号の設定を使った場合、光音響信号強度Sは次式のように表すことができる。
Here, K is a constant, β is a coefficient of thermal expansion of the object to be measured, v is a sound velocity, n is an experimental system parameter depending on the setup, C p is a specific heat of the object to be measured, α is a light absorption coefficient of the object to be measured, P is the optical power.
Further, when two differential signal settings are used, the photoacoustic signal intensity S can be expressed by the following equation.

Figure 0005411180
Figure 0005411180

式(2)におけるP1,P2は光パワー、α1,α2はそれぞれ光パワーがP1,P2の光に対する被測定物の光吸収係数である。
課題となるのは、定数K、熱膨張係数β、音速v、比熱Cpといったパラメータが、温度または混合物の濃度に依存するため、光音響信号強度Sをそのまま血液グルコース濃度の算出に使えないことである。このような依存性を抑えるために、特許文献1に開示された測定方法では、一方の波長の信号で規格化(Normalization)を行った。
In Equation (2), P 1 and P 2 are optical powers, and α 1 and α 2 are optical absorption coefficients of the object to be measured for light having optical powers P 1 and P 2 , respectively.
The problem is that parameters such as constant K, thermal expansion coefficient β, sound velocity v, and specific heat C p depend on temperature or the concentration of the mixture, so that the photoacoustic signal intensity S cannot be used directly for the calculation of blood glucose concentration. It is. In order to suppress such dependency, in the measurement method disclosed in Patent Document 1, normalization is performed with a signal of one wavelength.

これに対して、本発明の測定方法では、2つの光ビームのうち一方の光ビームのパワー(例えばP1)を変えながら、光音響信号強度Sが最低となる光パワーP1を探す。理論的には、光音響信号強度Sの最低値は0であるが、実験的には、ノイズが存在するため、0にはならない。このときの光音響信号強度Sは1波長の光ビームを用いる場合の光音響信号強度よりもおよそ100倍小さくなる。簡単に説明をするために、ここではノイズを無視して、光音響信号強度Sを0とする。S=0の場合には、次式のように新しい理論式が書ける。
α11−α22=0 ・・・(3)
On the other hand, in the measurement method of the present invention, the optical power P 1 that minimizes the photoacoustic signal intensity S is searched for while changing the power (for example, P 1 ) of one of the two optical beams. Theoretically, the minimum value of the photoacoustic signal intensity S is 0. However, since there is noise experimentally, it does not become 0. The photoacoustic signal intensity S at this time is approximately 100 times smaller than the photoacoustic signal intensity when a one-wavelength light beam is used. For the sake of simple explanation, here, the noise is ignored and the photoacoustic signal intensity S is set to zero. When S = 0, a new theoretical formula can be written as
α 1 P 1 −α 2 P 2 = 0 (3)

測定したい成分の濃度が変化した場合、例えば血液グルコース濃度がCgだけ変化し、この濃度変化により光吸収係数α1,α2がそれぞれδα1,δα2だけ変化した場合、式(3)が成立する状態から式(4)の状態に変化する。
(α1+δα1g)P1−(α2+δα2g)P2≠0 ・・・(4)
When the concentration of the component to be measured is changed, for example, the blood glucose concentration is changed by C g, and the light absorption coefficients α 1 and α 2 are changed by δα 1 and δα 2 due to the change in concentration, respectively, Equation (3) is It changes from the established state to the state of Equation (4).
1 + δα 1 C g ) P 1 − (α 2 + δα 2 C g ) P 2 ≠ 0 (4)

S=0の状態に戻すために一方の光ビームのパワー(例えばP1)を変えると次式が成立する。
(α1+δα1g)(P1+δP1)−(α2+δα2g)P2=0 ・・・(5)
式(5)より次式が得られる。
When the power (for example, P 1 ) of one light beam is changed to return to the state of S = 0, the following equation is established.
1 + δα 1 C g ) (P 1 + δP 1 ) − (α 2 + δα 2 C g ) P 2 = 0 (5)
The following equation is obtained from equation (5).

Figure 0005411180
Figure 0005411180

式(5)、式(6)におけるδP1は光パワーP1の変化量である。式(6)より、本発明では、光パワーの変化量δP1と既知の光吸収係数α1,α2および光吸収係数変化量δα1,δα2から血液グルコース濃度を測ることができることが分かる。 In equations (5) and (6), δP 1 is the amount of change in the optical power P 1 . From equation (6), it can be seen that in the present invention, the blood glucose concentration can be measured from the optical power variation δP 1 , the known optical absorption coefficients α 1 and α 2, and the optical absorption coefficient variations δα 1 and δα 2. .

[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1は近赤外スペクトルの範囲内の光波長におけるグルコース水溶液とアルブミン水溶液の吸収スペクトルを示す図である。図1における100はグルコース水溶液の吸収スペクトルを示し、101はアルブミン水溶液の吸収スペクトルを示している。図1の横軸は光波長、縦軸は相対吸収係数である。
[Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing absorption spectra of an aqueous glucose solution and an aqueous albumin solution at a light wavelength within the near-infrared spectrum. In FIG. 1, 100 indicates an absorption spectrum of an aqueous glucose solution, and 101 indicates an absorption spectrum of an aqueous albumin solution. The horizontal axis in FIG. 1 is the light wavelength, and the vertical axis is the relative absorption coefficient.

図1によれば、グルコース水溶液とアルブミン水溶液の吸収スペクトルが重なっている部分もあるが、吸収係数の最大値が得られる光波長の値および吸収係数の最小値が得られる光波長の値はグルコースとアルブミンで異なる。すなわち、グルコースとアルブミンでは、吸収スペクトルの光波長依存性が違うことが分かる。したがって、このような光波長依存性を考慮して慎重に光波長を選択することで、1つの特定の合成物の選択性を向上させることは可能である。   According to FIG. 1, although there is a portion where the absorption spectra of the aqueous glucose solution and the aqueous albumin solution overlap, the value of the optical wavelength at which the maximum value of the absorption coefficient is obtained and the value of the optical wavelength at which the minimum value of the absorption coefficient is obtained are glucose. And albumin are different. That is, it can be seen that glucose and albumin have different light wavelength dependencies of absorption spectra. Therefore, it is possible to improve the selectivity of one specific compound by carefully selecting the light wavelength in consideration of such light wavelength dependency.

図2は従来の成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。この成分濃度測定装置は、レーザ光を放射するレーザダイオード200と、レーザダイオード200を駆動するレーザドライバ201と、レーザダイオード200から放射されたレーザ光を導く光ファイバ202と、光ファイバ202を固定して、人体または人体の一部である被測定物210にレーザ光を照射する光ファイバホルダ203と、光音響効果によって被測定物210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音響センサ204と、音響センサ204から出力された電気信号を増幅する増幅器205と、参照信号を発生する関数発生器206と、増幅器205の出力信号と関数発生器206から出力された参照信号とを入力として、増幅器205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207と、レーザドライバ201に駆動電流を供給する電圧−電流コンバータ208と、関数発生器206およびロックインアンプ207を制御すると共に、ロックインアンプ207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209とから構成される。   FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a conventional component concentration measuring apparatus. This component concentration measuring apparatus fixes a laser diode 200 that emits laser light, a laser driver 201 that drives the laser diode 200, an optical fiber 202 that guides laser light emitted from the laser diode 200, and an optical fiber 202. An optical fiber holder 203 that irradiates a human body or a measured object 210 that is a part of the human body with laser light, and a photoacoustic signal generated from the measured object 210 by the photoacoustic effect are detected, and an electric power proportional to the sound pressure is detected. An acoustic sensor 204 that converts the signal into the signal; an amplifier 205 that amplifies the electrical signal output from the acoustic sensor 204; a function generator 206 that generates a reference signal; an output signal from the amplifier 205 and an output from the function generator 206; The reference signal is used as an input to detect a measurement signal of a desired frequency from the output signal of the amplifier 205. The in-amplifier 207, the voltage-current converter 208 that supplies a drive current to the laser driver 201, the function generator 206, and the lock-in amplifier 207 are controlled, and the measurement signal detected by the lock-in amplifier 207 is processed to obtain blood glucose. And an information processing device 209 including a computer for deriving the density.

図2に示した成分濃度測定装置を用いて2つの光波長1382nmと1610nmの各々について血液グルコース濃度と光音響信号の最大振幅との関係を調べた結果を図3に示す。図3における300は光波長が1382nmのときの1回目の測定結果を示し、301は光波長が1610nmのときの1回目の測定結果を示している。また、302は光波長が1382nmのときの2回目の測定結果を示し、303は光波長が1610nmのときの2回目の測定結果を示している。図3の横軸は血液グルコース濃度、縦軸は光音響信号の最大振幅である。   FIG. 3 shows the results of examining the relationship between the blood glucose concentration and the maximum amplitude of the photoacoustic signal for each of the two light wavelengths of 1382 nm and 1610 nm using the component concentration measuring apparatus shown in FIG. In FIG. 3, 300 indicates the first measurement result when the light wavelength is 1382 nm, and 301 indicates the first measurement result when the light wavelength is 1610 nm. Reference numeral 302 denotes a second measurement result when the light wavelength is 1382 nm, and 303 denotes a second measurement result when the light wavelength is 1610 nm. The horizontal axis in FIG. 3 is the blood glucose concentration, and the vertical axis is the maximum amplitude of the photoacoustic signal.

光音響信号の最大振幅は、血液グルコース濃度に反比例した線形関係の類似的傾向を示している。しかし、類似の成分濃度測定を2回実行しても、信号のばらつきが大きく、また低濃度領域ではノイズも大きく、精度が低下している。したがって、従来の成分濃度測定装置では、特に低濃度範囲において正確なグルコース濃度を得ることが難しいことが分かる。   The maximum amplitude of the photoacoustic signal shows a similar trend with a linear relationship inversely proportional to blood glucose concentration. However, even if the similar component concentration measurement is executed twice, the signal variation is large, the noise is large in the low concentration region, and the accuracy is lowered. Therefore, it can be seen that it is difficult to obtain an accurate glucose concentration in the conventional component concentration measuring device, particularly in the low concentration range.

本実施の形態では、光音響信号の振幅情報に基づく新しい成分濃度測定方法を提供する。図4は本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第1の光照射手段となるレーザダイオード1−1と、レーザ光を放射する第2の光照射手段となるレーザダイオード1−2と、レーザダイオード1−1,1−2を駆動するレーザドライバ2と、レーザダイオード1−1,1−2から放射されたレーザ光を導く光ファイバ3−1,3−2と、レーザダイオード1−1,1−2から放射されたレーザ光を合波する光カプラ4と、光カプラ4によって合波されたレーザ光を導く光ファイバ5と、被測定物13を収容するケースである光音響セル6と、レーザ光を透過させるガラス製の光学窓7と、光音響効果によって被測定物13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8と、音響センサ8から出力された電気信号を増幅する増幅器9と、参照信号を発生する関数発生器10と、増幅器9の出力信号と関数発生器10から出力された参照信号とを入力として、増幅器9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11と、関数発生器10およびロックインアンプ11を制御すると共に、ロックインアンプ11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12とから構成される。   In this embodiment, a new component concentration measurement method based on amplitude information of a photoacoustic signal is provided. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the component concentration measuring apparatus according to the present embodiment. The component concentration measuring apparatus includes a laser diode 1-1 serving as a first light irradiation unit that emits laser light, a laser diode 1-2 serving as a second light irradiation unit that emits laser light, and a laser diode 1- The laser driver 2 that drives 1, 1-2, the optical fibers 3-1 and 3-2 that guide the laser light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2, and the laser diodes 1-1 and 1-2. An optical coupler 4 for combining the laser light emitted from the optical fiber 5, an optical fiber 5 for guiding the laser light combined by the optical coupler 4, a photoacoustic cell 6 which is a case for housing the object to be measured 13, and a laser light An optical window 7 made of glass, and an acoustic sensor 8 serving as a photoacoustic signal detecting means for detecting a photoacoustic signal generated from the object 13 to be measured by the photoacoustic effect and converting it into an electric signal proportional to sound pressure; , Sound sensor The amplifier 9 for amplifying the electric signal output from the output 8, the function generator 10 for generating the reference signal, the output signal of the amplifier 9 and the reference signal output from the function generator 10 as inputs, and the output of the amplifier 9 The lock-in amplifier 11 that detects a measurement signal of a desired frequency from the signal, the function generator 10 and the lock-in amplifier 11 are controlled, and the measurement signal detected by the lock-in amplifier 11 is processed to derive a blood glucose concentration. It is comprised from the information processing apparatus 12 which consists of computers.

レーザダイオード1−1,1−2の例としては、例えば分布帰還型半導体レーザ(DFB−LD)等がある。音響センサ8の例としては、マイクロホンがある。
図5は情報処理装置12の構成を示すブロック図である。情報処理装置12は、関数発生器10を制御する関数発生器制御部120と、測定信号の周波数を測定する周波数測定部121と、測定信号の位相を測定する位相測定部122と、光パワーを制御する光パワー制御部123と、測定信号の周波数と位相の情報を記録する情報記録部124と、2つの強度変調光の光パワーの差を測定する光パワー測定部125と、血液グルコース濃度を導出するグルコース濃度導出部126と、情報記憶のための記憶部127とを有する。
Examples of the laser diodes 1-1 and 1-2 include, for example, a distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD). An example of the acoustic sensor 8 is a microphone.
FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of the information processing apparatus 12. The information processing apparatus 12 includes a function generator control unit 120 that controls the function generator 10, a frequency measurement unit 121 that measures the frequency of the measurement signal, a phase measurement unit 122 that measures the phase of the measurement signal, and optical power. An optical power control unit 123 for controlling, an information recording unit 124 for recording frequency and phase information of a measurement signal, an optical power measurement unit 125 for measuring a difference in optical power between two intensity-modulated lights, and a blood glucose concentration. It has a glucose concentration deriving unit 126 for deriving and a storage unit 127 for storing information.

本実施の形態では、2つの波長の光を用いた従来技術(特許文献1参照)で定義されるような利点を活用する。互いに異なる波長の2波のレーザ光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調して矩形波ビームを生成し、この矩形波ビームを合波した上で被測定物(例えば、血漿)に照射すると、2つのレーザ光が、それぞれの光吸収係数で被測定物に吸収される。その結果、光音響効果(被測定物で吸収される光学エネルギーが熱エネルギーに変わって、その熱エネルギーによる体積膨張により音響波が発生する効果)によって音響波が生成される(図6)。図6における60はレーザダイオード1−1から放射された矩形波ビームによる光音響信号を示し、61はレーザダイオード1−2から放射された矩形波ビームによる光音響信号を示している。音響波は、2つのレーザ光の各々による2つの信号αP(αは被測定物の光吸収係数、Pは光パワー)の強度の差に比例する。   In the present embodiment, an advantage as defined in the prior art (see Patent Document 1) using light of two wavelengths is utilized. Two rectangular laser beams with different wavelengths are intensity-modulated by signals of the same frequency and opposite phase, respectively, to generate a rectangular wave beam, and the rectangular wave beam is combined and irradiated on a measurement object (for example, plasma). Then, the two laser beams are absorbed by the measurement object with their respective light absorption coefficients. As a result, an acoustic wave is generated by the photoacoustic effect (an effect in which the optical energy absorbed by the object to be measured is changed into thermal energy and an acoustic wave is generated by volume expansion due to the thermal energy) (FIG. 6). In FIG. 6, 60 indicates a photoacoustic signal by a rectangular wave beam emitted from the laser diode 1-1, and 61 indicates a photoacoustic signal by a rectangular wave beam emitted by the laser diode 1-2. The acoustic wave is proportional to a difference in intensity between two signals αP (α is a light absorption coefficient of the object to be measured and P is an optical power) by each of the two laser beams.

本実施の形態では、最初に、既知の参照血液グルコース濃度により参照光音響信号のレベル(信号振幅)を定める。血液グルコース濃度が参照血液グルコース濃度から変化するとき、2つの光による光音響信号の振幅は光波長と光吸収係数によって変わる。このとき、光波長は、図1に示した吸収スペクトルに基づきあらかじめ決定されている。2つの光のパワーを変化させ、血液グルコース濃度の変化による光吸収効果とのバランスをとり、光音響信号の振幅を参照血液グルコース濃度のときに定めた参照光音響信号のレベルに戻す。   In the present embodiment, first, the level (signal amplitude) of the reference photoacoustic signal is determined based on the known reference blood glucose concentration. When the blood glucose concentration changes from the reference blood glucose concentration, the amplitude of the photoacoustic signal from the two lights varies with the light wavelength and the light absorption coefficient. At this time, the light wavelength is determined in advance based on the absorption spectrum shown in FIG. The power of the two lights is changed to balance the light absorption effect due to the change in blood glucose concentration, and the amplitude of the photoacoustic signal is returned to the level of the reference photoacoustic signal determined at the reference blood glucose concentration.

1つの光を被測定物に照射した場合、生成される光音響信号の強度S(信号振幅)は上記の式(1)のように表すことができる。また、互いに異なる波長の2つの光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射した場合、生成される光音響信号の強度Sは上記の式(2)のように表すことができる。ただし、上記で説明したとおり、定数K、熱膨張係数β、音速v、比熱Cpといったパラメータが、温度または混合物の濃度に依存するため、光音響信号強度Sをそのまま血液グルコース濃度の算出に使うことはできない。このような依存性を抑えるために、特許文献1に開示された測定方法では、一方の波長の信号で規格化を行った。 When one light is irradiated on the object to be measured, the intensity S (signal amplitude) of the generated photoacoustic signal can be expressed as in the above equation (1). In addition, when two light beams having different wavelengths are intensity-modulated with signals having the same frequency and opposite phases, and the object to be measured is irradiated, the intensity S of the generated photoacoustic signal is expressed by the above equation (2). Can be represented. However, since the parameters such as the constant K, the thermal expansion coefficient β, the sound velocity v, and the specific heat C p depend on the temperature or the concentration of the mixture as described above, the photoacoustic signal intensity S is directly used for calculating the blood glucose concentration. It is not possible. In order to suppress such dependency, in the measurement method disclosed in Patent Document 1, standardization is performed using a signal of one wavelength.

本実施の形態の測定方法では、式(2)の(α11−α22)により光音響信号強度Sを最小にする光パワーP1またはP2を探索する。この光音響信号強度Sの最小値をノイズの範囲内で決定する。実際的には、光パワー出力を変えるために、図4のレーザ電圧を調整する範囲を考慮して2つの波長(λ1、λ2)、2つの光吸収係数(α1、α2)に対して、光パワーを(P1,P2)と決定する。 In the measurement method of the present embodiment, the optical power P 1 or P 2 that minimizes the photoacoustic signal intensity S is searched for by (α 1 P 1 −α 2 P 2 ) in Expression (2). The minimum value of the photoacoustic signal intensity S is determined within the noise range. In practice, in order to change the optical power output, the range of adjustment of the laser voltage in FIG. 4 is considered, and the two wavelengths (λ 1 , λ 2 ) and the two light absorption coefficients (α 1 , α 2 ) are set. On the other hand, the optical power is determined as (P 1 , P 2 ).

図7は被測定物の血液グルコース濃度が参照血液グルコース濃度0g/dLのときに光パワーP1,P2を変えたときの光音響信号の振幅と位相を示す図である。図7の横軸は光パワーバランス、縦軸は光音響信号の振幅と位相である。図7における70は光音響信号の振幅を示し、71は光音響信号の位相を示している。光パワーバランスは、2つの光のパワーの関係をレーザ電圧で表現しており、2つのレーザ光の各々におけるαPが等しい点を0としている。光パワーバランスが0より小の領域では、光パワーP1よりも光パワーP2の方が低くなり、一方、光パワーバランスが0より大の領域では、光パワーP1よりも光パワーP2の方が高くなっている。 FIG. 7 is a diagram showing the amplitude and phase of the photoacoustic signal when the optical powers P 1 and P 2 are changed when the blood glucose concentration of the object to be measured is the reference blood glucose concentration of 0 g / dL. The horizontal axis in FIG. 7 is the optical power balance, and the vertical axis is the amplitude and phase of the photoacoustic signal. In FIG. 7, 70 indicates the amplitude of the photoacoustic signal, and 71 indicates the phase of the photoacoustic signal. In the optical power balance, the relationship between the powers of two lights is expressed by a laser voltage, and a point where αP in each of the two laser lights is equal is zero. In the optical power balance is smaller than zero region becomes lower in the optical power P 2 than the light power P 1, whereas, in a large area from the optical power balance is zero, the optical power than the optical power P 1 P 2 Is higher.

図7から明らかなように、光パワーバランスが0の点、すなわち2つのレーザ光の各々におけるαPが等しい点において、光音響信号の振幅は最小値を示し、また光音響信号の位相は変曲点を示す。理論上では、光パワーバランスが0の点における光音響信号の振幅は0であるべきだが、実験的にはノイズを含めた最小値となっており、0にはならない。   As is clear from FIG. 7, at the point where the optical power balance is 0, that is, at the point where αP is equal in each of the two laser beams, the amplitude of the photoacoustic signal shows a minimum value, and the phase of the photoacoustic signal is inflected. Indicates a point. Theoretically, the amplitude of the photoacoustic signal at the point where the optical power balance is zero should be zero, but it is experimentally a minimum value including noise and does not become zero.

2つの光のうち一方の光のパワーを変えると、光音響信号の振幅と位相が変わる。光音響信号の振幅は、光パワーバランスが0の点の両側で増大する。つまり、一方の光のパワーが小さくなった場合、2つの信号αPの強度の差が大きくなり、光音響信号の振幅が増大する。また、一方の光のパワーが小さくなった場合、光音響信号の位相は他方の光単独で励振された場合の光音響信号の位相に近づく。すなわち、1つの光のみで励振された状態に近づく。   Changing the power of one of the two lights changes the amplitude and phase of the photoacoustic signal. The amplitude of the photoacoustic signal increases on both sides of the point where the optical power balance is zero. That is, when the power of one light is reduced, the difference in intensity between the two signals αP is increased, and the amplitude of the photoacoustic signal is increased. Also, when the power of one light is reduced, the phase of the photoacoustic signal approaches the phase of the photoacoustic signal when excited by the other light alone. That is, it approaches a state excited by only one light.

以上をまとめると、2つの光のパワーのうち一方の光パワーP2を低下させるかあるいは光パワーP1を上昇させて、光パワーバランスを0より小にすると、光音響信号の振幅が増大し、位相に関しては2つの位相間で−90度異なる。すなわち、このときの光音響信号の位相は光パワーP1の光単独で励振された場合の光音響信号の位相(すなわち−90度)と同じ位相となる。また、光パワーP2を上昇させるかあるいは光パワーP1を低下させて、光パワーバランスを0より大にすると、光音響信号の振幅が増大し、光音響信号の位相は光パワーP2の光単独で励振された場合の光音響信号の位相(すなわち+90度)と同じ位相となる。 In summary, when one of the two light powers P 2 is reduced or the light power P 1 is raised to make the light power balance smaller than 0, the amplitude of the photoacoustic signal increases. The phase differs by -90 degrees between the two phases. That is, the phase of the photoacoustic signal at this time is the same as the phase of the photoacoustic signal (that is, −90 degrees) when excited by the light alone having the optical power P 1 . Further, when the optical power P 2 is increased or the optical power P 1 is decreased to make the optical power balance larger than 0, the amplitude of the photoacoustic signal increases, and the phase of the photoacoustic signal is equal to that of the optical power P 2 . The phase is the same as the phase of the photoacoustic signal when excited by light alone (ie, +90 degrees).

ここで、光パワーバランスが0の点では、2つの重要な特徴がある。最初に、2つの波長の光音響信号が±90度位相シフトしているため、光パワーバランスが0の点は、変曲点となる位相0の点と一致する。さらに、変曲点の両側では、光音響信号の位相は正または負の明確な値をとり、位相と光パワーとの関係が線形であるため、位相の測定が早く済み、また測定が簡単であり、正確に測定することが可能であり、位相の正負の値から変曲点0の位置を良い精度で得ることが可能である。これらの2つの特徴から、位相測定で高精度に血液グルコース濃度を測定することができる。   Here, there are two important characteristics in that the optical power balance is zero. First, since the photoacoustic signals of two wavelengths are phase shifted by ± 90 degrees, the point where the optical power balance is 0 coincides with the phase 0 point which is the inflection point. Furthermore, on both sides of the inflection point, the phase of the photoacoustic signal has a clear positive or negative value, and the relationship between the phase and the optical power is linear, so that the phase can be measured quickly and the measurement is simple. Yes, it is possible to measure accurately, and the position of the inflection point 0 can be obtained with good accuracy from the positive and negative values of the phase. From these two features, blood glucose concentration can be measured with high accuracy by phase measurement.

ここでは、分かり易い説明を提供するために、位相ではなく、振幅信号に焦点を合わせる。光音響信号の振幅が最小となり、かつ光音響信号の位相の変曲点となる位相ポイントは、2つの光の各々におけるαPが等しい点に位置する。被測定物の血液グルコース濃度が参照血液グルコース濃度0g/dLのときに、この位相ポイントでは上記の式(3)が成立する。   Here we focus on the amplitude signal, not the phase, to provide an easy-to-understand explanation. The phase point at which the amplitude of the photoacoustic signal is the minimum and becomes the inflection point of the phase of the photoacoustic signal is located at a point where αP in each of the two lights is equal. When the blood glucose concentration of the object to be measured is the reference blood glucose concentration of 0 g / dL, the above equation (3) is established at this phase point.

実験的にはノイズが存在するために、光音響信号の振幅を0にすることは難しい。しかし、光音響信号の振幅の最小値は、1波長の光を用いる場合の光音響信号の振幅よりも2桁低い値となる。そして、概念的にはノイズレベルを完全に無視できるレベルに光音響信号の振幅を低下させることができる。次に、被測定物の成分濃度を変化させる。例えば、血液グルコース濃度を0からCg[g/dL]だけ変化させる。 Experimentally, since noise exists, it is difficult to make the amplitude of the photoacoustic signal zero. However, the minimum value of the amplitude of the photoacoustic signal is a value two orders of magnitude lower than the amplitude of the photoacoustic signal when light of one wavelength is used. Then, conceptually, the amplitude of the photoacoustic signal can be reduced to a level at which the noise level can be completely ignored. Next, the component concentration of the object to be measured is changed. For example, the blood glucose concentration is changed from 0 to C g [g / dL].

図8(A)は被測定物の血液グルコース濃度がCg[g/dL]だけ変化したときに光パワーP1,P2を変えたときの光音響信号の振幅と位相を示す図、図8(B)は被測定物のアルブミン濃度が変化したときに光パワーP1,P2を変えたときの光音響信号の振幅と位相を示す図である。図8(A)、図8(B)の横軸は光パワーバランス、縦軸は光音響信号の振幅と位相である。 FIG. 8A shows the amplitude and phase of the photoacoustic signal when the optical powers P 1 and P 2 are changed when the blood glucose concentration of the object to be measured changes by C g [g / dL]. FIG. 8B is a diagram showing the amplitude and phase of the photoacoustic signal when the optical powers P 1 and P 2 are changed when the albumin concentration of the object to be measured changes. 8A and 8B, the horizontal axis represents the optical power balance, and the vertical axis represents the amplitude and phase of the photoacoustic signal.

図8(A)における80は血液グルコース濃度が変化したときの光音響信号の振幅を示し、81は血液グルコース濃度が変化したときの光音響信号の位相を示し、82は血液グルコース濃度が変化する前の光音響信号の振幅を示し、83は血液グルコース濃度が変化する前の光音響信号の位相を示している。また、図8(B)における84はアルブミン濃度が変化したときの光音響信号の振幅を示し、85はアルブミン濃度が変化したときの光音響信号の位相を示し、86はアルブミン濃度が変化する前の光音響信号の振幅を示し、87はアルブミン濃度が変化する前の光音響信号の位相を示している。   In FIG. 8A, 80 indicates the amplitude of the photoacoustic signal when the blood glucose concentration changes, 81 indicates the phase of the photoacoustic signal when the blood glucose concentration changes, and 82 indicates the blood glucose concentration changes. The amplitude of the previous photoacoustic signal is shown, and 83 shows the phase of the photoacoustic signal before the blood glucose concentration changes. In FIG. 8B, 84 indicates the amplitude of the photoacoustic signal when the albumin concentration changes, 85 indicates the phase of the photoacoustic signal when the albumin concentration changes, and 86 indicates before the albumin concentration changes. , 87 indicates the phase of the photoacoustic signal before the albumin concentration changes.

血液グルコース濃度またはアルブミン濃度が変化したとき、αPの変更に従って光音響信号の振幅と位相は変化する。例えば血液グルコース濃度がCgだけ変化し、この濃度変化により光吸収係数α1,α2がそれぞれδα1,δα2だけ変化した場合、上記の式(4)が成立する。成分濃度(血液グルコース濃度またはアルブミン濃度)の検出方法は2つある。光音響信号の振幅が最低となる光パワーバランスを探す方法か、あるいは光音響信号の位相の変曲点の光パワーバランスを探す方法のどちらかである。 When the blood glucose concentration or albumin concentration changes, the amplitude and phase of the photoacoustic signal change according to the change in αP. For example, when the blood glucose concentration changes by C g and the light absorption coefficients α 1 and α 2 change by δα 1 and δα 2 due to the concentration change, the above equation (4) is established. There are two methods for detecting the component concentration (blood glucose concentration or albumin concentration). Either a method of searching for an optical power balance at which the amplitude of the photoacoustic signal is minimum, or a method of searching for an optical power balance at the inflection point of the phase of the photoacoustic signal.

光パワーバランスが0の点の周辺で、光音響信号の位相と光パワーとの関係は線形に近いため、位相0の位置の正確な評価が可能である。光音響信号の位相を成分濃度変化後の新しい変曲点まで移動させるための光パワー差は、測定により求めることができる。図8(A)、図8(B)の例では、光パワーP2を上昇させるかあるいは光パワーP1を低下させることで、成分濃度変化後の新しい変曲点(光音響信号の振幅80,84が最小となる点)まで位相を移動させることができる。 Around the point where the optical power balance is 0, the relationship between the phase of the photoacoustic signal and the optical power is close to linear, so that the position of the phase 0 can be accurately evaluated. The optical power difference for moving the phase of the photoacoustic signal to a new inflection point after the component concentration change can be obtained by measurement. 8A and 8B, a new inflection point (amplitude 80 of the photoacoustic signal after the change in the component concentration) is obtained by increasing the optical power P 2 or decreasing the optical power P 1. , 84 can be shifted to the minimum).

本実施の形態の測定方法では、光音響信号の位相が0の点を探すために、光パワーを変化させる。より具体的には、光パワーを変化させるために、レーザダイオード1−1,1−2の駆動電圧を変化させる。光音響信号の位相が0の点では、上記の式(5)、式(6)が成立する。式(6)から明らかなように、血液グルコース濃度Cgは、グルコースに特有な新しい光パワーバランスのシフト値δP1と相対的な光吸収係数δα1とδα2から求めることができる。測定したい成分濃度がアルブミン濃度の場合も同様にして求めることができる。なお、光吸収係数α1,α2と光吸収係数変化量δα1,δα2とは、光吸収スペクトル測定から求めることができる。 In the measurement method of the present embodiment, the optical power is changed in order to search for a point where the phase of the photoacoustic signal is zero. More specifically, in order to change the optical power, the drive voltages of the laser diodes 1-1 and 1-2 are changed. When the phase of the photoacoustic signal is 0, the above equations (5) and (6) are established. As apparent from the equation (6), the blood glucose concentration C g can be obtained from a new light power balance shift value δP 1 unique to glucose and relative light absorption coefficients δα 1 and δα 2 . When the component concentration to be measured is the albumin concentration, it can be obtained in the same manner. The light absorption coefficients α 1 and α 2 and the light absorption coefficient change amounts δα 1 and δα 2 can be obtained from light absorption spectrum measurement.

図9に本実施の形態の測定方法でグルコース濃度とアルブミン濃度をそれぞれ測定した結果を示す。ここでは、波長が1382nmと1610nmの2つの光を用いている。図9における90はグルコース濃度の特性を示し、91はアルブミン濃度の特性を示している。図9の横軸は濃度、縦軸は光パワーバランスのシフト量である。図9から明らかなように、本実施の形態の測定方法では、グルコースとアルブミンの2つの成分の間で特性の傾きに相違が生じる。さらに、2つの光の波長を適切に選択すれば、2つの成分の特性の相違をより大きくすることができる。なお、更なる最適化のために、2つ以上の異なる波長の光を用いることは可能である。   FIG. 9 shows the results of measuring the glucose concentration and the albumin concentration by the measurement method of the present embodiment. Here, two lights having wavelengths of 1382 nm and 1610 nm are used. In FIG. 9, 90 indicates the characteristic of glucose concentration, and 91 indicates the characteristic of albumin concentration. The horizontal axis in FIG. 9 is the density, and the vertical axis is the shift amount of the optical power balance. As can be seen from FIG. 9, in the measurement method of the present embodiment, there is a difference in the slope of characteristics between the two components glucose and albumin. Furthermore, if the wavelengths of the two lights are appropriately selected, the difference in characteristics between the two components can be further increased. It is possible to use two or more different wavelengths of light for further optimization.

本実施の形態の測定方法は、非侵襲的に光音響測定に基づく溶液の成分を測るために、効率的な方法である。この測定方法は、2つの光学波長を選ぶことによって1つの特定の合成物に非常に選択的なアプローチを最適化することができる。利用できる多様な光学波長を考慮すれば、異なる溶媒において多くの溶質を検出できることは明らかである。また、対応する光学パワーを調節しパワーバランスを求める方法により、どのような吸収係数(濃度)の違いに対しても測定可能である。   The measurement method of this embodiment is an efficient method for non-invasively measuring the components of a solution based on photoacoustic measurement. This measurement method can optimize a very selective approach to one specific composition by choosing two optical wavelengths. Obviously, many solutes can be detected in different solvents given the various optical wavelengths available. In addition, it is possible to measure any difference in absorption coefficient (density) by adjusting the corresponding optical power and obtaining the power balance.

光学波長の選択は吸収係数によって制限されない。仮に、α1=2α2ならば、P1=0.5P2と式(3)はいぜん有効である。さらにまた、位相0の変曲点に基づく測定方法は、速く収束して非常に正確な測定を提供する。グルコース濃度測定で、発明者は近赤外NIR光学領域を波長レンジに選び、1382nmと1610nmの波長で測定した。光音響信号の位相を測定するため、数ポイントの測定点を記憶しておく必要がある。ノイズを完全に無視するならば、パラボラ(2次多項式)が3ポイントの測定データを必要とするのに対し、2ポイントの測定データから線形斜面を決定することは可能である。この観点から、光音響信号の直線的な特性の方が、位相が0の変曲点を早く求めることができる。 The choice of optical wavelength is not limited by the absorption coefficient. If α 1 = 2α 2 , P 1 = 0.5P 2 and equation (3) is still valid. Furthermore, measurement methods based on phase 0 inflection points converge quickly and provide very accurate measurements. In measuring the glucose concentration, the inventors selected the near-infrared NIR optical region as the wavelength range and measured at wavelengths of 1382 nm and 1610 nm. In order to measure the phase of the photoacoustic signal, it is necessary to store several measurement points. If the noise is completely ignored, it is possible to determine the linear slope from the 2-point measurement data, whereas the parabola (second-order polynomial) requires 3-point measurement data. From this point of view, the linear characteristic of the photoacoustic signal can obtain an inflection point with a phase of 0 earlier.

しかしながら、ノイズと必要な測定精度の依存関係に基づき、測定ポイントの数は抜本的に増加させられるべきである。光音響信号の変化が線形的な挙動であれば、2ポイントの測定データから位相0の位置を非常に正確な精度で得ることができ、小さい範囲の中で位置を検索することができる。一方、光音響信号の変化が放物線状の場合には、二分検索アルゴリズム(二分探索)は最高の方法である。ただし、位相が0の位置を求めるのに要する時間は非常に長くなる。実験的な見解からセンサの反応時間に関連して、測定時間の量的増加を推定することは困難である。しかしながら、光音響信号の位相の線形的な挙動を利用すれば、より早く測定することができ、正確な成分濃度値を提供することができる。   However, based on the dependency between noise and the required measurement accuracy, the number of measurement points should be drastically increased. If the change of the photoacoustic signal is linear, the position of phase 0 can be obtained with very accurate accuracy from the measurement data of two points, and the position can be searched within a small range. On the other hand, when the change in the photoacoustic signal is parabolic, the binary search algorithm (binary search) is the best method. However, the time required to obtain the position where the phase is 0 is very long. From an experimental perspective, it is difficult to estimate the quantitative increase in measurement time in relation to the sensor response time. However, if the linear behavior of the phase of the photoacoustic signal is used, it can be measured more quickly and an accurate component concentration value can be provided.

次に、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作についてより詳細に説明する。図10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。本実施の形態では、図3と図9で示すように、信号とノイズレベルを明らかに見分けるために高濃度レベルの液体サンプルで実験を行った。   Next, the operation of the component concentration measuring apparatus according to the present embodiment will be described in more detail. FIG. 10 is a flowchart showing the operation of the component concentration measuring apparatus. In the present embodiment, as shown in FIGS. 3 and 9, an experiment was performed with a liquid sample at a high concentration level in order to clearly distinguish the signal and the noise level.

初めに時刻t0の初期状態において参照レベルの決定を行うために、一方のレーザダイオード1−1のみを動作させる。被測定物13は、光音響セル6内に導入される。レーザドライバ2から駆動電流が供給されると、レーザダイオード1−1はレーザ光を放射する。このとき、レーザドライバ2から矩形波の駆動電流が供給されることにより、レーザダイオード1−1は強度変調光を放射する。光の波長は例えば1384nmである。この強度変調光は、光ファイバ3−1によって導かれ光カプラ4を通過して、さらに光ファイバ5によって導かれ、光学窓7を通って光音響セル6内の被測定物13に照射される(図10ステップS1)。   First, in order to determine the reference level in the initial state at time t0, only one laser diode 1-1 is operated. The device under test 13 is introduced into the photoacoustic cell 6. When a drive current is supplied from the laser driver 2, the laser diode 1-1 emits laser light. At this time, when a rectangular-wave drive current is supplied from the laser driver 2, the laser diode 1-1 emits intensity-modulated light. The wavelength of light is, for example, 1384 nm. This intensity-modulated light is guided by the optical fiber 3-1, passes through the optical coupler 4, is further guided by the optical fiber 5, and irradiates the object to be measured 13 in the photoacoustic cell 6 through the optical window 7. (FIG. 10, step S1).

音響センサ8は、被測定物13から発生する光音響信号を検出し、増幅器9は、音響センサ8から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ11は、増幅器9の出力に含まれる信号のうち、関数発生器10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。   The acoustic sensor 8 detects a photoacoustic signal generated from the device under test 13, and the amplifier 9 amplifies the electrical signal output from the acoustic sensor 8. The lock-in amplifier 11 detects a measurement signal having a frequency determined by the reference signal output from the function generator 10 among the signals included in the output of the amplifier 9.

情報処理装置12の関数発生器制御部120は、関数発生器10が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を漸次変化させると共に、ロックインアンプ11が検出する測定信号の周波数(光変調周波数と同一の周波数)を漸次変化させる光変調周波数掃引を行う(図10ステップS2)。こうして、音響共振ピークを探索する。   The function generator control unit 120 of the information processing device 12 changes the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-1 by changing the frequency of the reference signal generated by the function generator 10. Then, the optical modulation frequency sweep is performed to gradually change the optical modulation frequency and to gradually change the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 11 (the same frequency as the optical modulation frequency) (step S2 in FIG. 10). Thus, the acoustic resonance peak is searched.

次に、測定信号の最大振幅を見つけたときに、情報処理装置12の周波数測定部121は、この最大振幅時の測定信号の周波数(参照周波数F0)を測定し、位相測定部122は、最大振幅時の測定信号の位相(参照位相P0)を測定する(図10ステップS3)。
情報処理装置12の情報記録部124は、周波数測定部121が測定した参照周波数F0と位相測定部122が測定した参照位相P0とを記憶部127に記憶させる(図10ステップS4)。
Next, when the maximum amplitude of the measurement signal is found, the frequency measurement unit 121 of the information processing apparatus 12 measures the frequency of the measurement signal at the maximum amplitude (reference frequency F0), and the phase measurement unit 122 The phase of the measurement signal at the time of amplitude (reference phase P0) is measured (step S3 in FIG. 10).
The information recording unit 124 of the information processing apparatus 12 stores the reference frequency F0 measured by the frequency measuring unit 121 and the reference phase P0 measured by the phase measuring unit 122 in the storage unit 127 (step S4 in FIG. 10).

次に、被測定物13に対して標準的な血糖測定法を実施し、参照血液グルコース濃度Cg0[g/dL]を得る(図10ステップS5)。これで、参照血液グルコース濃度Cg0[g/dL]で参照位相P0と参照周波数F0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。 Next, a standard blood glucose measurement method is performed on the object to be measured 13 to obtain a reference blood glucose concentration C g0 [g / dL] (step S5 in FIG. 10). Thus, the reference phase P0 and the reference frequency F0 are obtained with the reference blood glucose concentration C g0 [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).

次に、2つのレーザダイオード1−1,1−2を動作させて、2つの光を合波して測定を行う。レーザドライバ2から駆動電流が供給されると、レーザダイオード1−1,1−2はレーザ光を放射する。このとき、レーザドライバ2は、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード1−1,1−2に供給することにより、レーザダイオード1−1,1−2から放射される光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する。このとき、レーザダイオード1−1から放射される光の波長は例えば1384nm、レーザダイオード1−2から放射される光の波長は例えば1610nmである。また、2つの光のパワーは同一である。レーザダイオード1−1,1−2から放射された強度変調光は、それぞれ光ファイバ3−1,3−2によって導かれ、光カプラ4によって合波され、さらに光ファイバ5によって導かれ、光学窓7を通って光音響セル6内の被測定物13に照射される(図10ステップS6)。   Next, the two laser diodes 1-1 and 1-2 are operated, and the two lights are combined to perform measurement. When a drive current is supplied from the laser driver 2, the laser diodes 1-1 and 1-2 emit laser light. At this time, the laser driver 2 supplies the light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 by supplying a rectangular-wave drive current having the same frequency and an opposite phase to the laser diodes 1-1 and 1-2. Intensity modulation is performed using signals of the same frequency and opposite phase. At this time, the wavelength of the light emitted from the laser diode 1-1 is, for example, 1384 nm, and the wavelength of the light emitted from the laser diode 1-2 is, for example, 1610 nm. The power of the two lights is the same. The intensity-modulated lights emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 are respectively guided by the optical fibers 3-1 and 3-2, combined by the optical coupler 4, and further guided by the optical fiber 5, and the optical window. 7 to irradiate the object 13 to be measured in the photoacoustic cell 6 (step S6 in FIG. 10).

続いて、情報処理装置12の関数発生器制御部120は、関数発生器10が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1,1−2に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を参照周波数F0に設定すると共に、ロックインアンプ11が検出する測定信号の周波数を参照周波数F0に設定する。情報処理装置12の光パワー制御部123は、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1に供給される駆動電流の大きさを変化させることにより、レーザダイオード1−1から放射される光のパワーを漸次変化させる光パワー掃引を行う(図10ステップS7)。   Subsequently, the function generator control unit 120 of the information processing apparatus 12 supplies the laser diodes 1-1 and 1-2 from the laser driver 2 by changing the frequency of the reference signal generated by the function generator 10. The frequency of the drive current is changed, the optical modulation frequency is set to the reference frequency F0, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 11 is set to the reference frequency F0. The optical power control unit 123 of the information processing apparatus 12 gradually changes the power of light emitted from the laser diode 1-1 by changing the magnitude of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-1. The changing optical power sweep is performed (step S7 in FIG. 10).

情報処理装置12の位相測定部122は、測定信号の位相の変曲点、すなわち位相が0になる点を探索する(図10ステップS8)。位相の変曲点が見つかったときに、情報処理装置12の光パワー測定部125は、変曲点における2つの光の光パワーの差を測定する(図10ステップS9)。光パワー測定部125は、レーザダイオード1−1に供給される駆動電圧とレーザダイオード1−2に供給される駆動電圧との差である参照駆動電圧差VOPBS0を光パワーの差として測定する。 The phase measurement unit 122 of the information processing apparatus 12 searches for an inflection point of the phase of the measurement signal, that is, a point where the phase becomes 0 (step S8 in FIG. 10). When the inflection point of the phase is found, the optical power measurement unit 125 of the information processing apparatus 12 measures the difference between the optical powers of the two lights at the inflection point (step S9 in FIG. 10). The optical power measurement unit 125 measures a reference drive voltage difference V OPBS0 that is a difference between the drive voltage supplied to the laser diode 1-1 and the drive voltage supplied to the laser diode 1-2 as a difference in optical power.

なお、ステップS6の時点における2つの光パワーは同一なので、2つの光のうち一方の光のパワーのみを変化させる場合には、この一方の光についてステップS6時点の初期の光パワーと変曲点における光パワーとの差(駆動電圧差)を求めるようにしてもよい。また、ステップS7における光パワー掃引において、2つのレーザダイオード1−1,1−2から放射される光のパワーを変化させるようにしてもよい。   Since the two optical powers at the time of step S6 are the same, when only the power of one of the two lights is changed, the initial optical power and the inflection point at the time of step S6 for this one light. The difference (drive voltage difference) from the optical power at may be obtained. Further, in the optical power sweep in step S7, the power of light emitted from the two laser diodes 1-1 and 1-2 may be changed.

次に、時刻t0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。初めに、一方のレーザダイオード1−1のみを動作させて、1つの光のみによる測定を行う。レーザダイオード1−1から放射された強度変調光は、光ファイバ3−1によって導かれ光カプラ4を通過して、さらに光ファイバ5によって導かれ、光学窓7を通って光音響セル6内の被測定物13に照射される(図10ステップS10)。   Next, measurement at time t after an arbitrary time has elapsed from time t0 will be described. First, only one laser diode 1-1 is operated to perform measurement using only one light. The intensity-modulated light emitted from the laser diode 1-1 is guided by the optical fiber 3-1, passes through the optical coupler 4, is further guided by the optical fiber 5, passes through the optical window 7, and passes through the optical acoustic cell 6. The object to be measured 13 is irradiated (step S10 in FIG. 10).

情報処理装置12の関数発生器制御部120は、関数発生器10が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を参照周波数F0に設定する。さらに、関数発生器制御部120は、関数発生器10が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、光変調周波数を参照周波数F0から変化させる。
情報処理装置12の位相測定部122は、測定信号の位相が参照位相P0となる点を探索し、情報処理装置12の周波数測定部121は、この点における周波数F1を測定する。こうして、参照位相P0に対応する周波数F1を探索する(図10ステップS11)。なお、周波数F1は参照周波数F0の近傍に位置する。
The function generator control unit 120 of the information processing device 12 changes the frequency of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-1 by changing the frequency of the reference signal generated by the function generator 10. The optical modulation frequency is set to the reference frequency F0. Further, the function generator control unit 120 changes the optical modulation frequency from the reference frequency F0 by changing the frequency of the reference signal generated by the function generator 10.
The phase measurement unit 122 of the information processing device 12 searches for a point where the phase of the measurement signal becomes the reference phase P0, and the frequency measurement unit 121 of the information processing device 12 measures the frequency F1 at this point. Thus, the frequency F1 corresponding to the reference phase P0 is searched (step S11 in FIG. 10). The frequency F1 is located in the vicinity of the reference frequency F0.

次に、2つのレーザダイオード1−1,1−2を動作させて、2つの光を合波して測定を行う。レーザドライバ2は、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード1−1,1−2に供給することにより、レーザダイオード1−1,1−2から放射される光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する。上記と同様に、レーザダイオード1−1から放射される光の波長は例えば1384nm、レーザダイオード1−2から放射される光の波長は例えば1610nmである。また、2つの光のパワーは同一である。レーザダイオード1−1,1−2から放射された強度変調光は、それぞれ光ファイバ3−1,3−2によって導かれ、光カプラ4によって合波され、さらに光ファイバ5によって導かれ、光学窓7を通って被測定物13に照射される(図10ステップS12)。   Next, the two laser diodes 1-1 and 1-2 are operated, and the two lights are combined to perform measurement. The laser driver 2 supplies a rectangular-wave drive current having the same frequency and an opposite phase to the laser diodes 1-1 and 1-2, thereby allowing the light emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 to be the same frequency. Intensity modulation is performed using signals of opposite phase. Similarly to the above, the wavelength of light emitted from the laser diode 1-1 is, for example, 1384 nm, and the wavelength of light emitted from the laser diode 1-2 is, for example, 1610 nm. The power of the two lights is the same. The intensity-modulated lights emitted from the laser diodes 1-1 and 1-2 are respectively guided by the optical fibers 3-1 and 3-2, combined by the optical coupler 4, and further guided by the optical fiber 5, and the optical window. 7 to irradiate the object 13 to be measured (step S12 in FIG. 10).

続いて、情報処理装置12の関数発生器制御部120は、関数発生器10が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1,1−2に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を周波数F1に設定すると共に、ロックインアンプ11が検出する測定信号の周波数を周波数F1に設定する。情報処理装置12の光パワー制御部123は、レーザドライバ2からレーザダイオード1−1に供給される駆動電流の大きさを変化させることにより、レーザダイオード1−1から放射される光のパワーを漸次変化させる光パワー掃引を行う(図10ステップS13)。   Subsequently, the function generator control unit 120 of the information processing apparatus 12 supplies the laser diodes 1-1 and 1-2 from the laser driver 2 by changing the frequency of the reference signal generated by the function generator 10. The frequency of the drive current is changed, the optical modulation frequency is set to the frequency F1, and the frequency of the measurement signal detected by the lock-in amplifier 11 is set to the frequency F1. The optical power control unit 123 of the information processing apparatus 12 gradually changes the power of light emitted from the laser diode 1-1 by changing the magnitude of the drive current supplied from the laser driver 2 to the laser diode 1-1. The changing optical power sweep is performed (step S13 in FIG. 10).

情報処理装置12の位相測定部122は、測定信号の位相の変曲点、すなわち位相が0になる点を探索する(図10ステップS14)。位相の変曲点が見つかったときに、情報処理装置12の光パワー測定部125は、変曲点における2つの光の光パワーの差を測定する(図10ステップS15)。光パワー測定部125は、レーザダイオード1−1に供給される駆動電圧とレーザダイオード1−2に供給される駆動電圧との差である駆動電圧差VOPBS1を光パワーの差として測定する。 The phase measurement unit 122 of the information processing apparatus 12 searches for an inflection point of the phase of the measurement signal, that is, a point where the phase becomes 0 (step S14 in FIG. 10). When the inflection point of the phase is found, the optical power measurement unit 125 of the information processing apparatus 12 measures the difference between the optical powers of the two lights at the inflection point (step S15 in FIG. 10). The optical power measurement unit 125 measures a drive voltage difference V OPBS1 that is a difference between a drive voltage supplied to the laser diode 1-1 and a drive voltage supplied to the laser diode 1-2 as a difference in optical power.

なお、ステップS12の時点における2つの光パワーは同一なので、2つの光のうち一方の光のパワーのみを変化させる場合には、この一方の光についてステップS12時点の初期の光パワーと変曲点における光パワーとの差(駆動電圧差)を求めるようにしてもよい。また、ステップS13における光パワー掃引において、2つのレーザダイオード1−1,1−2から放射される光のパワーを変化させるようにしてもよい。   Since the two optical powers at the time of step S12 are the same, when only the power of one of the two lights is changed, the initial optical power and the inflection point at the time of step S12 for this one light. The difference (drive voltage difference) from the optical power at may be obtained. Further, in the optical power sweep in step S13, the power of the light emitted from the two laser diodes 1-1 and 1-2 may be changed.

情報処理装置12の記憶部127には、駆動電圧差VOPBS1と参照駆動電圧差VOPBS0との差(VOPBS1―VOPBS0)と、光パワー変化量δPとの関係を示すキャリブレーションデータが予め記憶されている。このようなキャリブレーションデータは、予め実測することにより求めることができる。なお、時刻tにおける血液グルコース濃度をCg(t)とすると、(VOPBS1―VOPBS0)は、血液グルコース濃度Cg(t)と参照血液グルコース濃度Cg0との差(Cg(t)−Cg0)に比例する。 The storage unit 127 of the information processing apparatus 12 stores in advance calibration data indicating a relationship between the difference between the drive voltage difference V OPBS1 and the reference drive voltage difference V OPBS0 (V OPBS1 −V OPBS0 ) and the optical power change amount δP . It is remembered. Such calibration data can be obtained by actually measuring in advance. When the blood glucose concentration at time t is C g (t), (V OPBS1 -V OPBS0 ) is the difference between the blood glucose concentration C g (t) and the reference blood glucose concentration C g0 (C g (t) -C g 0).

情報処理装置12のグルコース濃度導出部126は、記憶部127を参照して駆動電圧差(VOPBS1―VOPBS0)に対応する光パワー変化量δPを取得し(図10ステップS16)、この光パワー変化量δPと光吸収係数α1,α2と光吸収係数変化量δα1,δα2とから式(6)により血液グルコース濃度の変化量Cg=(Cg(t)−Cg0)を計算する(図10ステップS17)。 The glucose concentration deriving unit 126 of the information processing apparatus 12 refers to the storage unit 127 to obtain the optical power change amount δP corresponding to the drive voltage difference (V OPBS1 −V OPBS0 ) (step S16 in FIG. 10). From the change amount δP, the light absorption coefficients α 1 and α 2, and the light absorption coefficient change amounts δα 1 and δα 2 , the change amount of blood glucose concentration C g = (C g (t) −C g 0). Is calculated (step S17 in FIG. 10).

なお、光吸収係数α1,α2と光吸収係数変化量δα1,δα2とは、光吸収スペクトル測定から求めることができる。図示しない光吸収スペクトル測定手段は、時刻t0の初期状態においてレーザダイオード1−1から放射される光パワーP1の光について被測定物13の光吸収スペクトル測定を行い、このスペクトルから光吸収係数α1を計算する。また、光吸収スペクトル測定手段は、時刻tにおいてレーザダイオード1−1から放射される光パワーP1の光について被測定物13の光吸収スペクトル測定を行い、このスペクトルから光吸収係数を計算し、この光吸収係数と初期状態の光吸収係数α1との差を求めることで光吸収係数変化量δα1を計算することができる。光吸収係数α2と光吸収係数変化量δα2についても同様に、レーザダイオード1−2から放射される光パワーP2の光について被測定物13の光吸収スペクトル測定を行うことで求めることができる。 The light absorption coefficients α 1 and α 2 and the light absorption coefficient change amounts δα 1 and δα 2 can be obtained from light absorption spectrum measurement. The light absorption spectrum measuring means (not shown) measures the light absorption spectrum of the device under test 13 with respect to the light having the light power P 1 emitted from the laser diode 1-1 in the initial state at time t0, and from this spectrum, the light absorption coefficient α Calculate 1 The light absorption spectrum measuring means measures the light absorption spectrum of the device under test 13 with respect to the light having the optical power P 1 emitted from the laser diode 1-1 at time t, calculates the light absorption coefficient from the spectrum, By obtaining the difference between this light absorption coefficient and the light absorption coefficient α 1 in the initial state, the light absorption coefficient change amount Δα 1 can be calculated. Similarly, the light absorption coefficient α 2 and the light absorption coefficient change amount δα 2 can be obtained by measuring the light absorption spectrum of the object 13 with respect to the light having the light power P 2 emitted from the laser diode 1-2. it can.

最後に、グルコース濃度導出部126は、ステップS17で計算した血液グルコース濃度の変化量Cg=(Cg(t)−Cg0)と既知の参照血液グルコース濃度Cg0とから時刻tにおける血液グルコース濃度Cg(t)を計算する(図10ステップS18)。
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。
Finally, the glucose concentration deriving unit 126 determines the blood at time t from the blood glucose concentration variation C g = (C g (t) −C g 0) calculated in step S17 and the known reference blood glucose concentration C g0. The glucose concentration C g (t) is calculated (step S18 in FIG. 10).
This is the end of the processing of the component concentration measuring apparatus of the present embodiment.

図11(A)は異なる血液グルコース濃度(0[g/dL]―18.6[g/dL])における本実施の形態の測定結果を示す図、図11(B)は図11(A)の拡大図である。図11(A)、図11(B)の横軸はレーザ駆動電圧、縦軸は光音響信号の振幅と位相である。図11(A)、図11(B)の110,111は血液グルコース濃度0[g/dL]における光音響信号の振幅、位相を示し、112,113は血液グルコース濃度5[g/dL]における光音響信号の振幅、位相を示し、114,115は血液グルコース濃度10[g/dL]における光音響信号の振幅、位相を示し、116,117は血液グルコース濃度15[g/dL]における光音響信号の振幅、位相を示し、118,119は血液グルコース濃度18.6[g/dL]における光音響信号の振幅、位相を示している。   FIG. 11A shows the measurement results of this embodiment at different blood glucose concentrations (0 [g / dL] -18.6 [g / dL]), and FIG. 11B shows the results of FIG. FIG. 11A and 11B, the horizontal axis represents the laser drive voltage, and the vertical axis represents the amplitude and phase of the photoacoustic signal. 11A and 11B, 110 and 111 indicate the amplitude and phase of the photoacoustic signal when the blood glucose concentration is 0 [g / dL], and 112 and 113 are when the blood glucose concentration is 5 [g / dL]. The amplitude and phase of a photoacoustic signal are shown, 114 and 115 show the amplitude and phase of a photoacoustic signal at a blood glucose concentration of 10 [g / dL], and 116 and 117 are photoacoustics at a blood glucose concentration of 15 [g / dL]. The amplitude and phase of the signal are shown. 118 and 119 show the amplitude and phase of the photoacoustic signal at a blood glucose concentration of 18.6 [g / dL].

図11(A)、図11(B)によれば、ノイズレベルにもかかわらず、光音響信号の位相は線形挙動を示し、光音響信号の振幅は放物線のような形を示している。光音響信号の振幅を見ると、信号レベルが大きく変わるが、血液グルコース濃度には依存していないことが分かる。式(2)で考えた場合、定数K、熱膨張係数β、音速v、比熱Cpといったパラメータが、温度、血液グルコース濃度または他のパラメータに依存するので、ばらつきが生じている。さらに、光音響信号の振幅の最小値を見つけるために、フィッティングが必要であるが、実験データが豊富に無いと正確なフィッティング結果とはならない。また、ノイズがある場合に測定精度が悪くなる。 According to FIGS. 11A and 11B, the phase of the photoacoustic signal shows a linear behavior and the amplitude of the photoacoustic signal shows a parabolic shape, regardless of the noise level. Looking at the amplitude of the photoacoustic signal, it can be seen that the signal level changes greatly, but does not depend on the blood glucose concentration. Considering equation (2), variations such as constant K, coefficient of thermal expansion β, speed of sound v, specific heat C p depend on temperature, blood glucose concentration, or other parameters. Furthermore, fitting is necessary to find the minimum value of the amplitude of the photoacoustic signal. However, if there is not enough experimental data, an accurate fitting result cannot be obtained. In addition, the measurement accuracy deteriorates when there is noise.

一方、光音響信号の位相変化を見ると、直線状の形をしており、2つの測定データで位相が0の位置をすぐに判別することができる。したがって、光音響信号の位相を利用すれば、短時間のセンサレスポンスを得ることができ、位相0の位置も簡単に見つけることができる。さらに、ノイズに対しては、2つの測定点だけではなく、位相の測定点を増やすことでノイズの影響を相対的に小さくできるため、高感度測定のために重要である。したがって、どのような測定精度が必要か決めた上で、位相のデータの測定回数を決めることになる。なお、光音響信号の振幅特性のような放物線の特性では、振幅を測定しようとすると、2次多項式フィッティングによる複雑で非対称な分析を必要とするため、測定時間が長くなる可能性がある。   On the other hand, looking at the phase change of the photoacoustic signal, it has a linear shape, and the position where the phase is 0 can be immediately discriminated by the two measurement data. Therefore, if the phase of the photoacoustic signal is used, a short-time sensor response can be obtained, and the position of phase 0 can be easily found. Furthermore, with respect to noise, since the influence of noise can be made relatively small by increasing not only two measurement points but also phase measurement points, it is important for high-sensitivity measurement. Therefore, after determining what kind of measurement accuracy is necessary, the number of phase data measurements is determined. In the case of a parabolic characteristic such as the amplitude characteristic of a photoacoustic signal, if an attempt is made to measure the amplitude, a complicated and asymmetric analysis using a quadratic polynomial fitting is required, which may increase the measurement time.

以上のような利点を考えて、本実施の形態では、位相0の探索測定を実施した。図9は本実施の形態の測定方法でグルコース濃度とアルブミン濃度をそれぞれ測定した結果を示している。グルコース、アルブミンの両方の場合とも、成分濃度に対して直線的な応答を得た。この図9の特性の傾きは、使用される波長において光吸収係数と比例している。図3の結果と比較すると、本実施の形態の測定方法は、線形性が良く、高い正確さで低濃度測定に利用できることが分かる。   Considering the advantages as described above, the search measurement of phase 0 is performed in the present embodiment. FIG. 9 shows the results of measuring the glucose concentration and the albumin concentration by the measurement method of the present embodiment. In both cases of glucose and albumin, a linear response was obtained with respect to the component concentration. The slope of the characteristic in FIG. 9 is proportional to the light absorption coefficient at the wavelength used. Compared with the results of FIG. 3, it can be seen that the measurement method of the present embodiment has good linearity and can be used for low concentration measurement with high accuracy.

さらに、センサの選択性にたいして、図9のグルコースとアルブミンの結果を比べると、グルコース溶液における傾き−25[V/g/dL]とアルブミン溶液における傾き−11[V/g/dL]の結果を得た。この結果は、図1に示す吸収スペクトルの結果から期待されるのと同様の結果である。なお、2つの光の波長の最適化を行うことで、グルコースとアルブミンの傾きの差をより大きくすることができる。   Furthermore, when comparing the results of glucose and albumin in FIG. 9 with respect to the selectivity of the sensor, the result of slope −25 [V / g / dL] in the glucose solution and slope −11 [V / g / dL] in the albumin solution is obtained. Obtained. This result is the same as that expected from the result of the absorption spectrum shown in FIG. Note that the difference between the slopes of glucose and albumin can be further increased by optimizing the wavelengths of the two lights.

以上のように、本実施の形態では、2つの光の波長の適宜選択を行うことで、異なる物質間での濃度に対するセンサ反応(勾配)の差を生じさせることが可能となる。すなわち、血液グルコースに対するセンサ反応が最大となるように光波長を適宜選択することで、成分濃度測定装置のグルコース選択性を向上させることができ、異なる複数の物質を含む被測定物において血液グルコースの定量が可能となるという効果を生じる。   As described above, in the present embodiment, it is possible to cause a difference in sensor response (gradient) with respect to the concentration between different substances by appropriately selecting the wavelengths of the two lights. That is, by appropriately selecting the light wavelength so that the sensor response to blood glucose is maximized, the glucose selectivity of the component concentration measuring device can be improved, and blood glucose can be measured in a measurement object containing a plurality of different substances. This produces an effect that quantification is possible.

本実施の形態では、2つの光を同一周波数で且つ逆位相の信号により強度変調しているが、位相差が180°以外の信号で光を強度変調してもよい。
2つの光を強度変調する信号の位相を手動で変更し、図12に示す光パワーバランス−位相特性を得た。図12の横軸は光パワーバランス、縦軸は光音響信号の位相である。ここでは、波長が1438nmの光と1610nmの光を用いている。光パワーバランスは、1438nmの光を発生するレーザダイオードのレーザ駆動電圧で表現されている。1610nmの光を発生するレーザダイオードのレーザ駆動電圧は1.4Vである。図12における400は2つの光を強度変調するそれぞれの信号の位相差が180°の場合の特性、401は位相差が180.1°の場合の特性、402は位相差が180.3°の場合の特性、403は位相差が180.8°の場合の特性、404は位相差が185.8°の場合の特性、405は位相差が195.8°の場合の特性、406は位相差が178.8°の場合の特性を示している。
In this embodiment, the intensity of the two lights is modulated with a signal having the same frequency and opposite phase, but the intensity of the light may be modulated with a signal having a phase difference other than 180 °.
The phase of the signal for intensity-modulating the two lights was manually changed to obtain the optical power balance-phase characteristic shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 12 is the optical power balance, and the vertical axis is the phase of the photoacoustic signal. Here, light having a wavelength of 1438 nm and light having a wavelength of 1610 nm are used. The optical power balance is expressed by a laser driving voltage of a laser diode that generates light of 1438 nm. The laser drive voltage of the laser diode that generates light of 1610 nm is 1.4V. In FIG. 12, 400 is a characteristic when the phase difference of each signal that modulates the intensity of two lights is 180 °, 401 is a characteristic when the phase difference is 180.1 °, and 402 is a phase difference of 180.3 °. 403 is a characteristic when the phase difference is 180.8 °, 404 is a characteristic when the phase difference is 185.8 °, 405 is a characteristic when the phase difference is 195.8 °, and 406 is a phase difference. Shows the characteristics when the angle is 178.8 °.

2つの光を強度変調する信号の位相差が180°の場合、一方のレーザダイオードの駆動電圧を変更した際に光音響信号の位相は−90°のままである。0.51V前後では、信号強度が小さいため、光音響信号の位相雑音の影響で特性に歪みが生じる。直後に光音響信号に180°の位相シフトが急激に生じ、不連続的となる。位相シフト前と同様に雑音による歪みが生じ、光音響信号の位相が90°で安定する領域となる。   When the phase difference between the signals for intensity-modulating the two lights is 180 °, the phase of the photoacoustic signal remains −90 ° when the drive voltage of one laser diode is changed. Since the signal intensity is low at around 0.51 V, the characteristics are distorted by the influence of the phase noise of the photoacoustic signal. Immediately after that, a 180 ° phase shift suddenly occurs in the photoacoustic signal and becomes discontinuous. As in the case before the phase shift, distortion due to noise occurs, and the phase of the photoacoustic signal is stabilized at 90 °.

2つの光を強度変調する信号の位相差が180°前後(180.1°、180.8°、180.3°)の場合では、前述の位相変化の不連続点で光音響信号の位相が連続的に変化している。不連続点の前後の電圧では光音響信号の位相が±90°で安定する領域がある。2つの光を強度変調する信号の位相差が180°でない場合(185.8、195.8)、全電圧で光音響信号の位相の連続的な遷移領域のみで、光音響信号の位相が±90°で安定する領域は無い。このように、信号の位相差を180°から増加させて測定を行ったが、信号の位相差を178.8°へ減少させると対称的な傾向を得た。すなわち、位相90°から位相−90°への位相変化の駆動電圧に対する傾きが逆となる。結論として、正確かつ適切な溶液成分濃度測定には、2つの光を強度変調する信号の位相差が180°±30°程度が可能である。   When the phase difference between the signals for intensity-modulating the two lights is around 180 ° (180.1 °, 180.8 °, 180.3 °), the phase of the photoacoustic signal is at the discontinuous point of the phase change described above. It is changing continuously. There is a region where the phase of the photoacoustic signal is stable at ± 90 ° in the voltages before and after the discontinuity. When the phase difference between the signals for intensity-modulating the two lights is not 180 ° (185.8, 195.8), the phase of the photoacoustic signal is ± only in the continuous transition region of the photoacoustic signal phase at all voltages. There is no region that is stable at 90 °. As described above, the measurement was performed by increasing the phase difference of the signal from 180 °. However, when the phase difference of the signal was decreased to 178.8 °, a symmetrical tendency was obtained. That is, the slope of the phase change from the phase 90 ° to the phase −90 ° with respect to the drive voltage is reversed. In conclusion, for accurate and appropriate solution component concentration measurement, the phase difference between the signals for intensity modulation of the two lights can be about 180 ° ± 30 °.

実用的には、2つの光を強度変調する信号の位相差として180°を用いることは光音響信号の位相遷移領域において雑音の影響が大きいため適切ではない。また、光音響信号の位相変化の傾きが急激なため、光音響信号の位相が0の点を決定するために、2分法が唯一のアプローチであり、測定に時間がかかり、収束性も悪い。測定速度を速めるために、線形的な遷移領域が最も適切である。すなわち、光音響信号の位相0点周辺で複数(2、3つ)の測定点から、相対的に位相0の位置を推定する方法である。このような方法では、測定と推定を重ねることで、より確実に測定精度を上げることができる。   Practically, it is not appropriate to use 180 ° as the phase difference between the signals for intensity-modulating the two lights because the influence of noise is large in the phase transition region of the photoacoustic signal. Also, since the slope of the phase change of the photoacoustic signal is steep, the bisection method is the only approach for determining the point where the phase of the photoacoustic signal is 0, and it takes time to measure and the convergence is poor. . In order to increase the measurement speed, a linear transition region is most appropriate. That is, this is a method for estimating the position of phase 0 relatively from a plurality (2, 3) of measurement points around the phase 0 point of the photoacoustic signal. In such a method, measurement accuracy can be improved more reliably by repeating measurement and estimation.

2つの光を強度変調する信号の位相差が180°に近い場合に、光音響信号の位相0点前後での線形的な遷移領域を得る。比較的、光音響信号の位相変化の傾きが急峻なため、小さい成分濃度範囲でも位相が大きく変化し、適切な測定精度を得ることができる。一方、2つの光を強度変調する信号の位相差が180°から遠ざかるにつれ、光音響信号の位相変化の傾きが緩やかとなる。このような場合には、大きい成分濃度範囲でも、位相遷移領域に位相0点があるため、濃度の定量が可能である。したがって、2つの光を強度変調する信号の位相差は、測定精度やダイナミックレンジを決定するため、所望の濃度範囲によって適宜設定する。   When the phase difference between the signals for intensity-modulating the two lights is close to 180 °, a linear transition region around the phase 0 point of the photoacoustic signal is obtained. Since the slope of the phase change of the photoacoustic signal is relatively steep, the phase changes greatly even in a small component concentration range, and appropriate measurement accuracy can be obtained. On the other hand, as the phase difference between the signals for intensity-modulating the two lights increases from 180 °, the slope of the phase change of the photoacoustic signal becomes gentle. In such a case, even in a large component concentration range, the concentration can be quantified because there is a phase 0 point in the phase transition region. Therefore, the phase difference between the signals for intensity-modulating the two lights is appropriately set according to a desired density range in order to determine measurement accuracy and dynamic range.

2つの光を強度変調する信号の位相差が180°から大きく異なる場合、例えば180°から10°、20°あるいは30°異なっている場合は、光音響信号の位相の線形的な遷移領域が広い測定範囲を利用でき、幅広い濃度範囲の測定にも対応できる。したがって、大きな濃度範囲に対しては、2つの光を強度変調する信号の位相差を例えば190°、200°あるいは210°とすればよい。しかしながら、光音響信号の位相変化の傾きが緩やかとなり、測定精度が低下するため、濃度範囲と測定精度はトレードオフの関係となる。   When the phase difference between the signals for intensity-modulating the two lights is greatly different from 180 °, for example, when 180 ° is different from 10 °, 20 ° or 30 °, the linear transition region of the phase of the photoacoustic signal is wide. The measurement range can be used, and measurement of a wide concentration range can be supported. Therefore, for a large density range, the phase difference between the signals for intensity-modulating the two lights may be set to 190 °, 200 ° or 210 °, for example. However, since the gradient of the phase change of the photoacoustic signal becomes gentle and the measurement accuracy decreases, the concentration range and the measurement accuracy are in a trade-off relationship.

なお、本実施の形態では、測定する成分の例として血液グルコースとアルブミン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 this embodiment, blood glucose and albumin have been described as examples of components to be measured. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be widely applied to the analysis of components contained in a measurement object. It is.

本実施の形態の情報処理装置12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 12 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 monitoring the concentration of components such as blood glucose.

1−1,1−2…レーザダイオード、2…レーザドライバ、3−1,3−2,5…光ファイバ、4…光カプラ、6…光音響セル、7…光学窓、8…音響センサ、9…増幅器、10…関数発生器、11…ロックインアンプ、12…情報処理装置、13…被測定物、120…関数発生器制御部、121…周波数測定部、122…位相測定部、123…光パワー制御部、124…情報記録部、125…光パワー測定部、126…グルコース濃度導出部、127…記憶部。   1-1, 1-2 ... laser diode, 2 ... laser driver, 3-1, 3-2, 5 ... optical fiber, 4 ... optical coupler, 6 ... photoacoustic cell, 7 ... optical window, 8 ... acoustic sensor, DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Amplifier, 10 ... Function generator, 11 ... Lock-in amplifier, 12 ... Information processing apparatus, 13 ... Device under test, 120 ... Function generator control part, 121 ... Frequency measurement part, 122 ... Phase measurement part, 123 ... Optical power control unit 124... Information recording unit 125. Optical power measurement unit 126 126 Glucose concentration deriving unit 127 127 Storage unit.

Claims (10)

測定対象の成分の濃度が既知の被測定物に対して強度変調光を照射する第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振幅が最大となる変調周波数を第1の周波数として測定する第1の周波数測定ステップと、
前記振幅が最大のときの電気信号の位相を参照位相として測定する第1の位相測定ステップと、
互いに異なる波長の2波の光を前記第1の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、2つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させる第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位相が0となる第1の変曲点を探索する第2の位相測定ステップと、
前記第1の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定する第1の光パワー測定ステップと、
任意の時間経過後に前記被測定物に対して強度変調光を照射する第3の光照射ステップと、
この第3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3の光音響信号検出ステップと、
この第3の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が前記参照位相となる変調周波数を第2の周波数として探索する第2の周波数測定ステップと、
互いに異なる波長の2波の光を前記第2の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、2つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させる第4の光照射ステップと、
この第4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4の光音響信号検出ステップと、
この第4の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が0となる第2の変曲点を探索する第3の位相測定ステップと、
前記第2の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定する第2の光パワー測定ステップと、
この第2の光パワー測定ステップで測定した光パワーの差と前記第1の光パワー測定ステップで測定した光パワーの差との変化量から、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 an object to be measured whose concentration of a component to be measured is known with intensity-modulated light;
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 frequency measurement step for measuring, as the first frequency, the modulation frequency at which the amplitude of the electrical signal obtained in the first photoacoustic signal detection step is maximum;
A first phase measuring step for measuring the phase of the electrical signal when the amplitude is maximum as a reference phase;
Two waves of different wavelengths are intensity-modulated by signals of the first frequency and different phases, respectively, and irradiated on the object to be measured, and the optical power of at least one of the two intensity-modulated lights A second light irradiation step for gradually changing
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 searching for a first inflection point where the phase of the electrical signal obtained in the second photoacoustic signal detection step is 0;
A first optical power measurement step for measuring a difference in optical power between two intensity-modulated lights at the first inflection point;
A third light irradiation step of irradiating the measured object with intensity-modulated light after an arbitrary period of time;
A third photoacoustic signal detection step for detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured by the third light irradiation step and outputting an electric signal;
A second frequency measurement step for searching for a modulation frequency at which the phase of the electrical signal obtained in the third photoacoustic signal detection step is the reference phase as a second frequency;
Two waves of different wavelengths are intensity-modulated with signals of the second frequency and different phases, respectively, and irradiated on the object to be measured, and the optical power of at least one of the two intensity-modulated lights A fourth light irradiation step for gradually changing
A fourth photoacoustic signal detection step for detecting a photoacoustic signal generated from the object to be measured by the fourth light irradiation step and outputting an electric signal;
A third phase measurement step for searching for a second inflection point where the phase of the electrical signal obtained in the fourth photoacoustic signal detection step is 0;
A second optical power measurement step for measuring a difference in optical power between the two intensity-modulated lights at the second inflection point;
From the amount of change between the difference in optical power measured in the second optical power measurement step and the difference in optical power measured in the first optical power measurement step, the concentration of the component to be measured after the arbitrary time has elapsed is calculated. And a concentration deriving step for deriving the concentration.
請求項1記載の成分濃度測定方法において、
前記第1の光パワー測定ステップは、2つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第1の変曲点における光パワーとの差を測定し、
前記第2の光パワー測定ステップは、2つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第2の変曲点における光パワーとの差を測定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,
In the first optical power measurement step, when only the optical power of one of the two intensity-modulated lights is changed, the first optical power before the change of the one intensity-modulated light and the first optical power are changed. Measure the difference from the optical power at the inflection point,
In the second optical power measurement step, when only the optical power of one intensity modulated light of the two intensity modulated lights is changed, the initial optical power before the change of the one intensity modulated light and the second optical power are changed. A method for measuring a concentration of a component, characterized by measuring a difference from an optical power at an inflection point.
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、前記光パワーの変化量と初期状態の測定対象の光吸収係数と前記任意の時間経過後の測定対象の光吸収係数変化量とから、測定対象の成分濃度の変化量を求め、この成分濃度の変化量と前記既知の成分濃度とから、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 deriving step calculates a change amount of the component concentration of the measurement target from the change amount of the optical power, the light absorption coefficient of the measurement target in the initial state, and the change amount of the light absorption coefficient of the measurement target after the arbitrary time elapses. A component concentration measuring method characterized in that the component concentration to be measured after the arbitrary time elapses is derived from the change amount of the component concentration and the known component concentration.
請求項3記載の成分濃度測定方法において、
さらに、被測定物の光吸収スペクトル測定を行い、測定したスペクトルから前記光吸収係数と前記光吸収係数変化量を求める光吸収スペクトル測定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 claim 3,
The component concentration measurement method further comprises a light absorption spectrum measurement step of measuring a light absorption spectrum of the object to be measured and obtaining the light absorption coefficient and the change amount of the light absorption coefficient from the measured spectrum.
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、
前記第1、第2の光パワー測定ステップは、2つの強度変調光を放出する2つの光照射手段の駆動電圧の差を光パワーの差として測定し、
前記濃度導出ステップは、駆動電圧差と光パワーの変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記第2の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差と前記第1の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差との変化量から、光パワーの変化量を求め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,
In the first and second optical power measurement steps, a difference in driving voltage between two light irradiating units that emit two intensity-modulated lights is measured as a difference in optical power,
In the concentration derivation step, the drive voltage difference measured in the second optical power measurement step and the first optical power measurement are referred to with reference to calibration data indicating the relationship between the drive voltage difference and the amount of change in optical power. A component concentration measuring method, characterized in that the amount of change in optical power is obtained from the amount of change from the drive voltage difference measured in steps.
被測定物に対して光を照射する光照射手段と、
光パワーを制御する光パワー制御手段と、
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、
前記電気信号の周波数を測定する周波数測定手段と、
前記電気信号の位相を測定する位相測定手段と、
2つの強度変調光の光パワーの差を測定する光パワー測定手段と、
任意の時間経過後の光パワーの変化量から、測定対象の成分の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の濃度が既知の被測定物に対して強度変調光を照射し、第2の時刻において互いに異なる波長の2波の光を第1の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、第3の時刻において前記被測定物に対して強度変調光を照射し、第4の時刻において互いに異なる波長の2波の光を第2の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、
前記光パワー制御手段は、前記第2、第4の時刻において2つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させ、
前記周波数測定手段は、前記第1の時刻において得られた電気信号の振幅が最大となる変調周波数を前記第1の周波数として測定し、前記第3の時刻において得られた電気信号の位相が参照位相となる変調周波数を前記第2の周波数として探索し、
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振幅が最大のときの電気信号の位相を前記参照位相として測定し、前記第2の時刻において得られた電気信号の位相が0となる第1の変曲点を探索し、前記第4の時刻において得られた電気信号の位相が0となる第2の変曲点を探索し、
前記光パワー測定手段は、前記第2の時刻において前記第1の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定し、前記第4の時刻において前記第2の変曲点における2つの強度変調光の光パワーの差を測定し、
前記濃度導出手段は、前記第4の時刻において測定された光パワーの差と前記第2の時刻において測定された光パワーの差との変化量から、前記第4の時刻における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;
Optical power control means for controlling optical power;
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
Frequency measuring means for measuring the frequency of the electrical signal;
Phase measuring means for measuring the phase of the electrical signal;
Optical power measuring means for measuring the difference between the optical powers of the two intensity-modulated lights; and
A concentration deriving means for deriving the concentration of the component to be measured from the amount of change in optical power after an arbitrary period of time;
The light irradiating means irradiates an object to be measured whose concentration of a component to be measured is known at a first time with an intensity-modulated light, and outputs two waves of light having different wavelengths at a second time. Intensity modulation is performed with signals having different frequencies and different phases, and the object to be measured is irradiated, intensity-modulated light is irradiated to the object to be measured at a third time, and two wavelengths having different wavelengths are irradiated at a fourth time. Irradiating the object to be measured with intensity modulation of light of a wave with signals of a second frequency and different phases,
The optical power control means gradually changes the optical power of at least one of the two intensity-modulated lights at the second and fourth times,
The frequency measuring means measures, as the first frequency, a modulation frequency at which the amplitude of the electric signal obtained at the first time becomes maximum, and the phase of the electric signal obtained at the third time is referred to Search for a modulation frequency to be a phase as the second frequency,
The phase measuring means measures the phase of the electrical signal when the amplitude of the electrical signal obtained at the first time is maximum as the reference phase, and the phase of the electrical signal obtained at the second time is Search for the first inflection point that becomes 0, search for the second inflection point where the phase of the electrical signal obtained at the fourth time becomes 0,
The optical power measuring means measures a difference in optical power between two intensity-modulated lights at the first inflection point at the second time, and 2 at the second inflection point at the fourth time. Measure the difference in optical power of the two intensity-modulated lights,
The concentration deriving means calculates the component concentration of the measurement target at the fourth time from the amount of change between the difference in optical power measured at the fourth time and the difference in optical power measured at the second time. A component concentration measuring apparatus characterized by deriving.
請求項6記載の成分濃度測定装置において、
前記光パワー測定手段は、前記第2の時刻において2つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第1の変曲点における光パワーとの差を測定し、前記第4の時刻において2つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第2の変曲点における光パワーとの差を測定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 claim 6,
When the optical power measuring means changes only the optical power of one intensity modulated light of the two intensity modulated lights at the second time, the initial optical power before the change of the one intensity modulated light and the When the difference from the optical power at the first inflection point is measured and only the optical power of one of the two intensity-modulated lights is changed at the fourth time, this one intensity-modulated light A component concentration measuring apparatus for measuring a difference between an initial optical power before a change and an optical power at the second inflection point.
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、前記光パワーの変化量と前記第1の時刻における測定対象の光吸収係数と前記第4の時刻における測定対象の光吸収係数変化量とから、測定対象の成分濃度の変化量を求め、この成分濃度の変化量と前記既知の成分濃度とから、前記第4の時刻における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 deriving means changes the component concentration of the measurement target from the change amount of the optical power, the light absorption coefficient of the measurement target at the first time, and the light absorption coefficient change amount of the measurement target at the fourth time. A component concentration measuring apparatus that obtains an amount and derives the component concentration of the measurement target at the fourth time from the amount of change in the component concentration and the known component concentration.
請求項8記載の成分濃度測定装置において、
さらに、被測定物の光吸収スペクトル測定を行い、測定したスペクトルから前記光吸収係数と前記光吸収係数変化量を求める光吸収スペクトル測定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 claim 8,
And a light absorption spectrum measuring means for measuring the light absorption spectrum of the object to be measured and obtaining the light absorption coefficient and the amount of change in the light absorption coefficient from the measured spectrum.
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、
前記光パワー測定手段は、2つの強度変調光を放出する2つの光照射手段の駆動電圧の差を光パワーの差として測定し、
前記濃度導出手段は、駆動電圧差と光パワーの変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記第4の時刻において測定した駆動電圧差と前記第2の時刻において測定した駆動電圧差との変化量から、光パワーの変化量を求め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 optical power measuring means measures the difference in driving voltage between the two light irradiating means that emits two intensity-modulated lights as a difference in optical power,
The concentration deriving means refers to calibration data indicating the relationship between the drive voltage difference and the amount of change in optical power, and the drive voltage difference measured at the fourth time and the drive voltage measured at the second time A component concentration measuring device that obtains the amount of change in optical power from the amount of change from the difference.
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