JP6080004B2 - パラメータ計測装置、パラメータ計測方法、及びプログラム - Google Patents
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Description
図1は、本発明のベースとなる法則についての実験に用いた実験装置90の構成を示す概略ブロック図である。
発明者は、試料の分光分析を行う分光器91と1450ナノメートルの波長の光のレーザ光源92とPC93とを備える実験装置90を用いて実験を行った。分光器91は、複数の波長の計測光を照射可能な分光器光源911と、試料を格納する計測セル912と、レーザ光源92が照射する光による迷光を抑制するためのフィルタ913と、光強度を測定するセンサ914とを備える。なお、本実験では水を試料とした。
図2に示すように、水は1450ナノメートルの波長に吸光ピークを有し、グルコースは1600ナノメートルの波長に吸光ピークを有する。
実験の結果、図3に示すように、レーザ光源92が光を照射した場合、レーザ光源92が光を照射しない場合と比較して、分光器91が計測した水の透過光強度が数パーセント増加した。この透過光強度変化は、試料を格納するセルが引き起こす迷光などに起因した変化に比べ、相対的に3倍程度大きいことを確認している。さらに、レーザ光源92による光の照射の有無による水の温度変化も測定した。レーザ光源92による光の照射を1分間継続した場合の水の温度上昇は約0.2℃であった。温度変化による吸光度の低下は0.0004以下であるため、本実験における透過光強度の変化は、水の温度変化によるものではなく、レーザ光源92が照射した光によるものであることが分かる。
図4は、本発明の第1の実施形態によるパラメータ計測装置10の構成を示す概略ブロック図である。
パラメータ計測装置10は、生体内のグルコース濃度を計測する装置であって、第1照射部11、第2照射部12、受光部13、第1測定部14、第2測定部15、パラメータ算出部16、制御部17を備える。
第2測定部15は、第1照射部11と第2照射部12とが同時に生体に光を照射したときに、受光部13が受光した光の強度を測定する。
図5は、本発明の第1の実施形態によるパラメータ計測装置10の動作を示すフローチャートである。
まず、第1照射部11と第2照射部12が照射する光が交差する位置に計測対象である生体が設置されると、制御部17は、第1照射部11に光の照射開始指示を発する。第1照射部11は、照射開始指示に従い、生体に対して1600ナノメートルの波長の光の照射を開始する(ステップS1)。このとき、第1照射部11が照射した光は、生体を透過して受光部13に受光される。
以下にグルコース濃度の算出方法について説明する。
図6(A)は、第2照射部12が光を照射している間に第2測定部15が透過光の強度を複数回測定する例である。図6(B)は、第2照射部12が光を照射開始してから所定時間td後に第2測定部15が1度だけ透過光の強度を測定する例である。図6(C)は、第2照射部12が光の照射を停止してから所定時間td後に第2測定部15が1度だけ透過光の強度を測定する例である。なお、1450ナノメートルの波長の光の照射を開始してから水の吸光度が変化するまでには数ピコ秒から数フェムト秒の時間がかかるため、図6(B)、図6(C)の場合、所定時間tdはピコ秒からフェムト秒のオーダのタイミングとすることが好ましい。
また、この場合、水に対して1600ナノメートルの波長の光を照射したときにおける水の透過光の強度と、1450ナノメートルと1600ナノメートルの波長の光を同時に照射してから所定時間td後における水の透過光の強度との比を抑圧係数とすることが好ましい。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
第2の実施形態は、生体に照射する光の強度を変調し、光音響分光法を用いて生体の目的深度におけるグルコース濃度を計測するものである。なお、目的深度とは、グルコースの濃度を計測すべき生体の深度のことである。
図7は、本発明の第2の実施形態によるパラメータ計測装置20の構成を示す概略ブロック図である。
パラメータ計測装置20は、生体内のグルコース濃度を計測する装置であって、第1照射部21、第1変調部22、第2照射部23、第2変調部24、感圧部25、第1測定部26、第2測定部27、パラメータ算出部28、制御部29を備える。
第1変調部22は、第1照射部21が照射する光の強度を、周波数ω1(第1の周波数)及び周波数ω2(第2の周波数)で変調する。なお、周波数ω1は、当該周波数の光を生体に照射した場合に、目的深度において生体から発生した弾性波が減衰せずに感圧部25に到達する周波数である。また、周波数ω2は、当該周波数の光を生体に照射した場合に、目的深度において生体から発生した弾性波が感圧部25に到達するまでに減衰する周波数である。つまり、周波数ω1で変調された光により生体から発生する弾性波は、真皮近傍に存在する生体水から生じる弾性波と血管床のグルコースとの混合物質から弾性波とを反映している。他方、周波数ω2で変調された光により生体から発生する弾性波は、真皮近傍に存在する生体水から生じる弾性波を主に反映している。なお、弾性波の強度は、周波数と深度に反比例するため、周波数ω2は、周波数ω1より高い周波数となる。
第2変調部24は、第2照射部23が照射する光の強度を、周波数ω1、ω2と異なる周波数である周波数ω3で変調する。なお、パラメータ計測装置20は、必要に応じて第2変調部24を2つ以上設けても良い。
感圧部25は、第1照射部21が照射した光によって生体に生じた弾性波を検出する。感圧部25は、ポリフッ化ビニリデンなどの圧電体によって形成された圧電フィルム251と、圧電フィルム251に張力を与えつつ圧電フィルム251を保持する保持具252とを備える。
保持具252は、シリコンゴムなどの弾性体により形成されており、圧電フィルム251の片面を覆い、圧電フィルム251の外縁と連結される。なお、保持具252は、圧電フィルム251と外縁以外では接触しないよう形成される。
これにより、圧電フィルム251を生体に当てて保持具252を生体に対して押し付けることで、圧電フィルム251の外縁に対して外側方向に保持具252の弾性力が生じ、圧電フィルム251に張力があたえられる。保持具252の形状の例としては、図8に示すように、圧電フィルム251に相対する内面及び外面が半球状に形成される形状が挙げられる。
このように、圧電フィルム251と生体とが接触しているときに、圧電フィルム251に張力を与えることで、圧電フィルム251と生体とを密着させることができる。
第2測定部27は、第1照射部21と第2照射部23とが同時に生体に光を照射したときに、感圧部25が検出した弾性波の振幅を測定する。
図9は、本発明の第2の実施形態によるパラメータ計測装置20の動作を示すフローチャートである。
まず、第1照射部21と第2照射部23によって光が照射される位置に計測対象である生体が設置されると、制御部29は、第1照射部21に光の照射開始指示を発し、第1変調部22に周波数ω1での変調をさせる変調指示を発する。第1照射部21は、照射開始指示に従い、生体に対して1600ナノメートルの波長の光の照射を開始する。当該光は、第1変調部22により周波数ω1で変調される(ステップS11)。このとき、第1照射部21が照射した光は、生体内部において水及びグルコースを振動させ、弾性波を生じさせる。
次に、制御部29は、第1測定部26に対して測定指示を発する。第1測定部26は、測定指示に従い、感圧部25が生体から検出した弾性波の振幅p11を測定する(ステップS12)。
なお、上述した説明では、2つの異なる周波数を用いることで、ある深さのグルコース濃度を推定できることを示したが、生体内のグルコース濃度は深さ方向に分布を示している。このような場合でも、複数の変調周波数を用いて信号を検出することで、同様の概念に基づいてグルコースの分布を算出できる。このとき、変調周波数を変えながら検出する方法にはいくつか考えられるが、断続的な変調周波数の制御や、連続的な周波数の走査により信号を検出することで検出時間を短縮することが可能となる。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
第3の実施形態は、生体に照射する光の照射強度及び照射時刻、並びに測定時刻の条件を変えて、光の強度を複数回測定して、生体のグルコース濃度をより正確に計測するものである。なお、第3の実施形態によるパラメータ計測装置10の構成は、第1の実施形態によるパラメータ計測装置10の構成と同じである。
例えば、上述した各実施形態では、パラメータ計測装置10、20を専用機として設ける場合について説明したが、これに限られず、例えば図1に示す実験装置90のように、汎用的な分光器91やPC93を用いてパラメータ計測装置10、20を構成しても良い。
まず、グルコース濃度が0パーセント、4.8パーセント、9.2パーセントであるグルコース水溶液を用意し、2ミリメートル角(光路長2ミリメートル)の四面透過石英セルに注入した。この四面透過石英セルに、光ファイバを介して、第1照射部11から波長が1600ナノメートルの光を、照射電力が約10ミリワットとなるように調整して照射した。一方、四面透過石英セルに、光ファイバを介して、第2照射部12から波長が1450ナノメートルのパルス光(変調周波数200ヘルツ、デューティ比20パーセント)を、照射電力が約80ミリワットとなるように調整して照射した。
グルコース濃度0パーセント(水のみの試料)において、第2照射部12から照射される光の有無による第1測定部14で得られる吸光度変化は0.0157であった。これに対して、グルコース濃度9.2パーセントの水溶液において、第2照射部12から照射される光の有無による第1測定部14で得られる吸光度変化は0.0137であった。
ただし、上記の計算過程では、第2照射部12から照射される光によるグルコースの吸光度変化は考慮していない。より高精度にグルコース量を算出するには、その影響を加味して評価することが望ましいが、図2からもわかるように、第2照射部12から照射される光によってグルコースの吸光度変化に及ぼす影響は小さいと考えられる。
Claims (14)
- 計測対象における目的成分の濃度に基づくパラメータの値を計測するパラメータ計測装置であって、
前記目的成分の吸光度が極大となる波長を中心とした±70ナノメートルの範囲内の波長である第1の波長の光を前記計測対象に照射する第1照射部と、
前記目的成分の吸光度が非目的成分の吸光度より小さく、前記非目的成分の吸光度が極大となる波長を中心とした±70ナノメートルの範囲内の前記第1の波長と異なる波長である第2の波長の光を前記計測対象に照射する第2照射部と、
前記第1照射部のみが前記計測対象に光を照射したときに、前記第1照射部の照射した光によって前記計測対象から生じるエネルギーの物理量を測定する第1測定部と、
前記第1照射部と前記第2照射部とが前記計測対象に光を照射したときに、前記第1照射部の照射した光により前記計測対象から生じるエネルギーの物理量を測定する第2測定部と、
前記非目的成分に対して前記第1の波長の光を照射した場合と前記第1の波長の光と前記第2の波長の光を照射した場合とにおける前記第1の波長の光によって前記非目的成分から生じるエネルギーの物理量の変化を示す抑圧係数と、前記第1測定部が測定した物理量と、前記第2測定部が測定した物理量と、に基づいて、前記計測対象における前記目的成分の濃度に基づくパラメータの値を算出するパラメータ算出部と
を備えることを特徴とするパラメータ計測装置。 - 前記抑圧係数は、前記非目的成分に対して前記第1の波長の光を照射した場合に前記第1の波長の光によって前記非目的成分から生じるエネルギーの物理量と、前記第1の波長の光と前記第2の波長の光を照射した場合に前記第1の波長の光によって前記非目的成分から生じるエネルギーの物理量との比である
ことを特徴とする請求項1に記載のパラメータ計測装置。 - 前記第2の波長は、前記非目的成分の吸光度が極大となる波長を中心とした±70ナノメートルの範囲内の波長であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のパラメータ計測装置。
- 前記第2照射部は、前記光を断続的に前記計測対象に照射し、
前記第2測定部は、前記第2照射部が光の照射を開始してから所定時間後における物理量を測定し、
前記抑圧係数は、前記非目的成分に対して前記第1の波長の光を照射したときに前記非目的成分から生じるエネルギーの物理量と前記第1の波長の光と前記第2の波長の光を照射してから前記所定時間後に前記非目的成分から生じるエネルギーの物理量との変化を示す
ことを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載のパラメータ計測装置。 - 前記第1照射部が照射する光を、所定の周波数で変調する第1変調部を備え、
前記パラメータ算出部は、前記第1照射部が前記第1変調部によって変調された光を照射したときに前記第1測定部が測定した物理量に基づいて、任意の深度における前記計測対象の前記目的成分の濃度に基づくパラメータの値を算出する
ことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載のパラメータ計測装置。 - 前記第1変調部は、前記第1照射部が照射する光を、第1の周波数及び前記第1の周波数より高い周波数である第2の周波数で変調し、
前記パラメータ算出部は、前記第1照射部が前記第1の周波数で変調された光を照射したときに前記第1測定部が測定した物理量と前記第1照射部が前記第2の周波数で変調された光を照射したときに前記第1測定部が測定した物理量とに基づいて、前記第1の周波数と前記第2の周波数においてエネルギーの減衰の差が生じる深度における前記計測対象の前記目的成分の濃度に基づくパラメータの値を算出する
ことを特徴とする請求項5に記載のパラメータ計測装置。 - 前記第2の照射部が照射する光を、前記第1の周波数及び前記第2の周波数と異なる周波数に変調する第2変調部を備える
ことを特徴とする請求項6に記載のパラメータ計測装置。 - 前記計測対象から生じるエネルギーの物理量は、前記計測対象に生じる光の強度であることを特徴とする請求項1から請求項7の何れか1項に記載のパラメータ計測装置。
- 前記計測対象から生じるエネルギーの物理量は、前記計測対象に生じる熱の温度であることを特徴とする請求項1から請求項7の何れか1項に記載のパラメータ計測装置。
- 前記計測対象から生じるエネルギーの物理量は、前記計測対象に生じる弾性波の振幅及び/または変位であることを特徴とする請求項1から請求項7の何れか1項に記載のパラメータ計測装置。
- 圧力が加わったときに当該圧力の大きさに比例する電圧を発生させる圧電体と、
前記圧電体に張力を与えて当該圧電体を前記計測対象に密着させる保持具と
を備え、
前記第1測定部及び前記第2測定部は、前記圧電体が変換した電圧に基づいて前記物理量を測定する
ことを特徴とする請求項10に記載のパラメータ計測装置。 - 前記第1照射部または前記第2照射部は、前記第1測定部が測定した物理量と前記第2測定部が測定した物理量との差が所定の閾値未満である場合に、光の照射強度を変更することを特徴とする請求項1から請求項11の何れか1項に記載のパラメータ計測装置。
- 計測対象における目的成分の濃度に基づくパラメータの値を計測するパラメータ計測方法であって、
前記目的成分の吸光度が極大となる波長を中心とした±70ナノメートルの範囲内の波長である第1の波長の光を前記計測対象に照射する第1照射ステップと、
前記第1照射ステップによって前記計測対象に光を照射したときに、前記第1の波長の光によって前記計測対象から生じるエネルギーの物理量を測定する第1測定ステップと、
前記第1の波長の光と、前記目的成分の吸光度が前記計測対象における非目的成分の吸光度より小さく、前記非目的成分の吸光度が極大となる波長を中心とした±70ナノメートルの範囲内の波長である第2の波長の光とを前記計測対象に照射する第2照射ステップと、
前記第2照射ステップによって前記計測対象に光を照射したときに、前記第1の波長の光によって前記計測対象から生じるエネルギーの物理量を測定する第2測定ステップと、
前記非目的成分に対して前記第1の波長の光を照射した場合と前記第1の波長の光と前記第2の波長の光を照射した場合とにおける前記第1の波長の光によって前記非目的成分から生じるエネルギーの物理量の変化を示す抑圧係数と、前記第1測定ステップで測定した物理量と、前記第2測定ステップで測定した物理量と、に基づいて、前記計測対象における前記目的成分の濃度に基づくパラメータの値を算出するパラメータ算出ステップと
を有することを特徴とするパラメータ計測方法。 - コンピュータを、
計測対象における目的成分の吸光度が極大となる波長を中心とした±70ナノメートルの範囲内の波長である第1の波長の光を前記計測対象に照射する第1照射部、
前記目的成分の吸光度が前記計測対象における非目的成分の吸光度より小さく、前記非目的成分の吸光度が極大となる波長を中心とした±70ナノメートルの範囲内の波長である第2の波長の光を前記計測対象に照射する第2照射部、
前記第1照射部のみが前記計測対象に光を照射したときに、前記第1照射部の照射した光によって前記計測対象から生じるエネルギーの物理量を測定する第1測定部、
前記第1照射部と前記第2照射部とが前記計測対象に光を照射したときに、前記第1照射部の照射した光により前記計測対象から生じるエネルギーの物理量を測定する第2測定部、
前記非目的成分に対して前記第1の波長の光を照射した場合と前記第1の波長の光と前記第2の波長の光を照射した場合とにおける前記第1の波長の光によって前記非目的成分から生じるエネルギーの物理量の変化を示す抑圧係数と、前記第1測定部が測定した物理量と、前記第2測定部が測定した物理量と、に基づいて、前記計測対象における前記目的成分の濃度に基づくパラメータの値を算出するパラメータ算出部
として機能させるためのプログラム。
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