JP6404741B2 - 成分濃度測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、血液中に存在するグルコース、アルブミンなどの成分の濃度を非侵襲で測定する技術に係り、特に、被測定物に照射した光により発生する音響波を検出して濃度を測定する成分濃度測定装置および測定方法に関するものである。

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モニタリングを提供する。
（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、光散乱による測定精度劣化の影響が小さい。
（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。

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。しかし、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。

そこで、互いにπ（１８０°）だけ位相を異にした２つの波長の連続した矩形波により成分濃度を測定する技術として、発明者らにより光パワーバランスシフト（Optical power balance shift：ＯＰＢＳ）法が開発されている（特許文献１−３参照）。

特許文献１−３に開示されたＯＰＢＳ法では、光波長が異なり、互いに位相差がπの２つの矩形連続波形の光ビームを被測定物に対して、同一光出力口から照射する。このとき、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最小な箇所の位相の変曲点を探し、この探索結果から血液中に溶解している分子濃度を求める。２つの光ビームのうち一方の光ビームのパワーＰ₁を一定にし、もう一方の光ビームのパワーＰ₂を変えながら、光音響信号強度が最低となる光パワーを探す。光音響信号強度が最低となる光パワーＰ₂の変化量より被測定物内の特定成分（例えばグルコース）の濃度の正確な測定を行う。

図７は特許文献１−３に開示された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。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１−１，１−２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、光音響効果によって被測定物１１から発生する光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する音響センサ６と、音響センサ６から出力された電気信号を増幅する増幅器７と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ８と、増幅器７の出力信号とファンクションジェネレータ８から出力された参照信号とを入力として、増幅器７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９と、ファンクションジェネレータ８およびロックインアンプ９を制御すると共に、ロックインアンプ９が検出した測定信号を処理して特定の成分濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置１０とから構成される。

従来のＯＰＢＳ法では、測定開始時にレーザダイオード１−１，１−２から放射する２つの光ビームのうち一方の光ビームのパワーを、ファンクションジェネレータ８からの出力を調節することで変えながら、光音響信号強度が最低となる光パワーを探す。さらに、測定開始時から時間ｔが経過した後に、同様に光ビームのパワーを変えて、光音響信号強度が最低となる光パワーを探す。

測定開始時にレーザダイオード１−２から放射する光ビームのパワーＰ₂を変えて光音響信号強度が最低となったときに（レーザダイオード１−１から放射する光ビームのパワーＰ₁は一定）、ファンクションジェネレータ８から出力されている、レーザダイオード１−２の駆動用の参照信号の電圧をＶ₂（ｔ＝０）とし、測定開始時から任意の時間ｔが経過した後に光ビームのパワーＰ₂を変えて光音響信号強度が最低となったときに、ファンクションジェネレータ８から出力されている、レーザダイオード１−２の駆動用の参照信号の電圧をＶ₂（ｔ）とすると、被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃは次式により求めることができる。

すなわち、従来のＯＰＢＳ法では、被測定物１１に照射される光ビームのパワーをファンクションジェネレータ８の出力電圧から間接的に求めることで、被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを求めるようにしていた。

特開２０１４−５０５６３号公報 特開２０１３−１０６８７４号公報 特開２０１２−１７９２１２号公報

以上のように、従来のＯＰＢＳ法では、被測定物に照射される光ビームのパワーをファンクションジェネレータの出力電圧から間接的に求めており、光ビームのパワーを直接測定していないため、光ビームのパワーの測定精度を確保できず、濃度測定の精度が十分でないという問題点があった。

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装置および測定方法を提供することを目的とする。

本発明の成分濃度測定装置は、互いに異なる波長の２波の光を同一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する光照射手段と、この光照射手段から放射された２つの強度変調光を伝搬させる第１、第２の光ファイバと、この第１、第２の光ファイバを伝播した２つの強度変調光を合波して被測定物に照射する光カプラと、前記２つの強度変調光のうち一方の光のパワーを変化させる光パワー制御手段と、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、前記第１、第２の光ファイバを伝搬する光の一部を分岐させ、前記光照射手段から前記光カプラに入射する途中の２つの強度変調光のパワーを測定する光強度測定手段と、この光強度測定手段の測定結果に基づいて前記被測定物に含まれる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、前記濃度導出手段は、１回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、１回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の前記他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーとに基づいて、前記測定対象の成分の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装置は、互いに異なる波長の２波の光を同一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する光照射手段と、この光照射手段から放射された２つの強度変調光を合波して被測定物に照射する光カプラと、この光カプラから前記被測定物まで合波光を伝搬させる光ファイバと、前記２つの強度変調光のうち一方の光のパワーを変化させる光パワー制御手段と、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、前記光ファイバを伝搬する光の一部を分岐させ、前記光カプラから前記被測定物に照射される途中の２つの強度変調光のパワーを測定する光強度測定手段と、この光強度測定手段の測定結果に基づいて前記被測定物に含まれる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、前記濃度導出手段は、１回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、１回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の前記他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーとに基づいて、前記測定対象の成分の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は、互いに異なる波長の２波の光を同一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得られた２つの強度変調光を第１、第２の光ファイバによって伝播させ、この第１、第２の光ファイバを伝播した２つの強度変調光を光カプラによって合波して被測定物に照射する光照射ステップと、前記２つの強度変調光のうち一方の光のパワーを変化させる光パワー制御ステップと、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ステップと、前記第１、第２の光ファイバを伝搬する光の一部を分岐させ、前記光カプラに入射する途中の２つの強度変調光のパワーを測定する光強度測定ステップと、この光強度測定ステップの測定結果に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出ステップとを含み、前記濃度導出ステップは、１回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、１回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の前記他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーとに基づいて、前記測定対象の成分の濃度を導出するステップを含む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は、互いに異なる波長の２波の光を同一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得られた２つの強度変調光を光カプラによって合波し、この光カプラから被測定物まで光ファイバによって合波光を伝搬させる光照射ステップと、前記２つの強度変調光のうち一方の光のパワーを変化させる光パワー制御ステップと、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ステップと、前記光ファイバを伝搬する光の一部を分岐させ、前記光カプラから前記被測定物に照射される途中の２つの強度変調光のパワーを測定する光強度測定ステップと、この光強度測定ステップの測定結果に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出ステップとを含み、前記濃度導出ステップは、１回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、１回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の前記他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーとに基づいて、前記測定対象の成分の濃度を導出するステップを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、互いに異なる波長の複数の光を同一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被測定物に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、光照射によって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、光強度測定手段と、光強度測定手段の測定結果に基づいて被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段とを設け、光強度測定手段によって複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光のパワーを直接測定することにより、被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出するので、測定対象の成分の濃度を高い精度で測定することが可能になる。

また、本発明では、光照射手段から光カプラまで２つの強度変調光を伝搬させる第１、第２の光ファイバのうち第１の光ファイバを伝搬する光の一部を分岐させ、光照射手段から光カプラに入射する途中の２つの強度変調光のうち一方の光のパワーを測定することにより、第１の光ファイバの取り回しによる外乱の影響を防ぎつつ光のパワーを測定することができ、パワーの測定精度を高めることで、測定対象の成分の濃度を高い精度で測定することが可能になる。

また、本発明では、第１、第２の光ファイバを伝搬する光の一部を分岐させ、光照射手段から光カプラに入射する途中の２つの強度変調光のパワーを測定することにより、第１、第２の光ファイバの取り回しによる外乱の影響を防ぎつつ光のパワーを測定することができ、パワーの測定精度を高めることで、測定対象の成分の濃度を高い精度で測定することが可能になる。また、本発明では、一方の光のパワーに加えて、他方の光のパワーも測定することで、２つの強度変調光のドリフトの影響を除くことができ、より高い精度で測定対象の成分の濃度を高い精度で測定することが可能になる。

また、本発明では、光カプラから被測定物まで合波光を伝搬させる光ファイバを伝搬する光の一部を分岐させ、光カプラから被測定物に照射される途中の２つの強度変調光のパワーを測定することにより、光ファイバの取り回しによる外乱の影響を防ぎつつ光のパワーを測定することができ、パワーの測定精度を高めることで、測定対象の成分の濃度を高い精度で測定することが可能になる。また、本発明では、一方の光のパワーに加えて、他方の光のパワーも測定することで、２つの強度変調光のドリフトの影響を除くことができ、より高い精度で測定対象の成分の濃度を高い精度で測定することが可能になる。

本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第１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。 本発明の第２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。 本発明の第２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。 本発明の第３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。 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。

［第１の実施の形態］
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は本発明の第１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り、図７と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態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１−１，１−２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、光音響効果によって被測定物１１から発生する光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する光音響信号検出手段となる音響センサ６と、音響センサ６から出力された電気信号を増幅する増幅器７と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ８と、増幅器７の出力信号とファンクションジェネレータ８から出力された参照信号とを入力として、増幅器７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９と、ファンクションジェネレータ８およびロックインアンプ９を制御すると共に、ロックインアンプ９が検出した測定信号を処理して特定の成分濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置１０ａと、レーザダイオード１−２から放射され光ファイバ３−２を伝搬する光の一部を分岐させる光スプリッタ１２と、レーザダイオード１−２から放射された光のパワーを測定する光強度測定装置１３と、光スプリッタ１２と光強度測定装置１３とを繋ぐ光ファイバ１４とから構成される。

レーザダイオード１−１，１−２とレーザドライバ２とファンクションジェネレータ８とは、光照射手段を構成している。情報処理装置１０ａとファンクションジェネレータ８とは、光パワー制御手段を構成している。光スプリッタ１２と光強度測定装置１３と光ファイバ１４とは、光強度測定手段を構成している。

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６の例としては、マイクロホンがある。
光強度測定装置１３としては、例えば光パワーメータや、フォトダイオードを用いた光強度測定回路を用いることができる。

図２は情報処理装置１０ａの構成を示すブロック図である。情報処理装置１０ａは、ファンクションジェネレータ８を介して光パワーを制御する光パワー制御部１０１と、ロックインアンプ９から出力される測定信号の強度が最低となる点を探索する探索部１０２と、光強度測定装置１３の測定結果を取得する光パワー取得部１０３と、被測定物１１内の特定成分（例えばグルコース）の濃度を導出する濃度導出部１０４と、情報記憶のための記憶部１０５とを有する。

次に、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作を図３のフローチャートを参照して説明する。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１−１，１−２はレーザ光を放射する。このとき、ファンクションジェネレータ８は、レーザダイオード１−１を駆動するための参照信号と、レーザダイオード１−２を駆動するための参照信号とを出力する。

レーザドライバ２は、ファンクションジェネレータ８から出力される２つの参照信号に応じて、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。

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であり、２つのレーザダイオード１−１，１−２から放射される光の波長は異なる。ファンクションジェネレータ８から出力される２つの参照信号の周波数は同一であり、位相がπ（１８０°）だけ異なっている。したがって、本実施の形態では、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２つの強度変調光を生成することになる。

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、被測定物１１に照射される（図３ステップＳ１）。

情報処理装置１０ａの光パワー制御部１０１は、ファンクションジェネレータ８を制御して、レーザダイオード１−２を駆動するための参照信号の電圧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１−２に供給される駆動電流の大きさを変化させ、レーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を漸次変化させる光パワー掃引を行う（図３ステップＳ２）。このとき、レーザダイオード１−１を駆動するための参照信号の電圧は一定、すなわちレーザダイオード１−１から放射される光のパワーＰ₁は一定である。

光強度測定装置１３は、レーザダイオード１−２から放射される光を光スプリッタ１２および光ファイバ１４を介して受光し、レーザダイオード１−２から放射された光のパワーＰ₂を測定する。音響センサ６は、被測定物１１から発生する光音響信号を検出し、増幅器７は、音響センサ６から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ９は、増幅器７の出力に含まれる信号のうち、ファンクションジェネレータ８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。

情報処理装置１０ａの探索部１０２は、ロックインアンプ９から出力される測定信号の強度が最低（光音響信号の強度が最低）となる点を探索する（図３ステップＳ３）。
情報処理装置１０ａの光パワー取得部１０３は、測定信号の強度が最低となったときに光強度測定装置１３の測定結果を取得する（図３ステップＳ４）。この測定結果は、記憶部１０５に格納される。こうして、最初の測定において測定信号の強度が最低となったときにレーザダイオード１−２から放射されている光のパワーＰ₂（ｔ＝０）を測定することができる。

次に、測定開始時から任意の時間ｔ経過後における測定について説明する。まず、２つのレーザダイオード１−１，１−２を動作させて、レーザダイオード１−１，１−２からの２つの光を合波して被測定物１１に照射する（図３ステップＳ５）。この動作はステップＳ１と同じである。

情報処理装置１０ａの光パワー制御部１０１は、レーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を漸次変化させる光パワー掃引を行う（図３ステップＳ６）。この動作はステップＳ２と同じである。

情報処理装置１０ａの探索部１０２は、測定信号の強度が最低となる点を探索する（図３ステップＳ７）。この動作はステップＳ３と同じである。
そして、情報処理装置１０ａの光パワー取得部１０３は、測定信号の強度が最低となったときに光強度測定装置１３の測定結果を取得する（図３ステップＳ８）。この測定結果は、記憶部１０５に格納される。こうして、任意の時間ｔ経過後の測定において測定信号の強度が最低となったときにレーザダイオード１−２から放射されている光のパワーＰ₂（ｔ）を測定することができる。

被測定物１１内の特定成分（例えばグルコース）の濃度Ｃは次式により求めることができる。

情報処理装置１０ａの濃度導出部１０４は、パワーＰ₂（ｔ＝０），Ｐ₂（ｔ）の測定結果から式（２）により測定値ＯＰＢＳ（ｔ）を求め、この測定値ＯＰＢＳ（ｔ）から被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出する（図３ステップＳ９）。測定値ＯＰＢＳ（ｔ）と特定成分の濃度Ｃとの関係は、特定成分の濃度Ｃが既知の被測定物１１を用いた実験により予め調べておくことができる。この測定値ＯＰＢＳ（ｔ）と特定成分の濃度Ｃとの関係は記憶部１０５に記憶されている。こうして、濃度導出部１０４は、記憶部１０５に記憶されている関係に基づいて、測定値ＯＰＢＳ（ｔ）から被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出することができる。

以上のように、本実施の形態では、レーザダイオード１−２から放射された光のパワーを直接測定し、被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出するので、特定成分の濃度Ｃを高い精度で測定することが可能になる。

従来のＯＰＢＳ法では、被測定物１１に照射される光のパワーをファンクションジェネレータ８の出力電圧から間接的に求めていたが、一般に、ファンクションジェネレータ８で制御できる光強度の分解能よりも、光強度測定装置１３の測定精度の方が高い。したがって、光パワーの測定精度を高めることにより、特定成分の濃度Ｃの測定精度を高めることができる。

また、従来のＯＰＢＳ法では、被測定物１１に照射される光のパワーをファンクションジェネレータ８の出力電圧で高精度に制御できたとしても、レーザダイオード１−１，１−２の出力のドリフト等により光のパワーが変動するので、パワーの測定精度を高めることは難しい。これに対して、本実施の形態では、レーザダイオード１−２から放射される光のパワーを直接測定するので、パワーの測定精度を高めることができる。

なお、光ファイバ３−２の取り回しによる外乱の影響を防ぐため、光スプリッタ１２による光の分岐は光カプラ４にできるだけ近い位置で行うことが望ましい。また、光ファイバ１４の取り回しによる外乱の影響を防ぐため、光スプリッタ１２と光強度測定装置１３とを最短距離で繋ぐことが望ましい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は本発明の第２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り、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の成分濃度測定装置は、レーザダイオード１−１，１−２と、レーザドライバ２と、光ファイバ３−１，３−２と、光カプラ４と、光ファイバ５と、音響センサ６と、増幅器７と、ファンクションジェネレータ８と、ロックインアンプ９と、情報処理装置１０ｂと、光スプリッタ１２と、レーザダイオード１−１，１−２から放射された光のパワーを測定する光強度測定装置１３ａと、光ファイバ１４と、レーザダイオード１−１から放射され光ファイバ３−１を伝搬する光の一部を分岐させる光スプリッタ１５と、光スプリッタ１５と光強度測定装置１３ａとを繋ぐ光ファイバ１６とから構成される。

情報処理装置１０ｂとファンクションジェネレータ８とは、光パワー制御手段を構成している。光スプリッタ１２，１５と光強度測定装置１３ａと光ファイバ１４，１６とは、光強度測定手段を構成している。

情報処理装置１０ｂの構成は、情報処理装置１０ａと同様であるので、図２の符号を用いて説明する。
光強度測定装置１３ａとしては、光強度測定装置１３と同様に、光パワーメータや、フォトダイオードを用いた光強度測定回路を用いることができる。ただし、本実施の形態では、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同時に測定するので、２系統の構成が必要になる。

次に、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作を図５を参照して説明する。図５のステップＳ１０，Ｓ１１の処理は、図３のステップＳ１，Ｓ２と同じである。
光強度測定装置１３ａは、レーザダイオード１−２から放射された光を光スプリッタ１２および光ファイバ１４を介して受光し、レーザダイオード１−２から放射された光のパワーＰ₂を測定すると同時に、レーザダイオード１−１から放射された光を光スプリッタ１５および光ファイバ１６を介して受光し、レーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁を測定する。

情報処理装置１０ｂの光パワー取得部１０３は、ステップＳ１１による光パワーＰ₂の掃引開始に応じて光強度測定装置１３ａの測定結果の取得を開始する（図５ステップＳ１２）。ここでは、レーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁の測定結果を取得すればよい。この測定結果は、記憶部１０５に格納される。
情報処理装置１０ｂの探索部１０２は、ロックインアンプ９から出力される測定信号の強度が最低（光音響信号の強度が最低）となる点を探索する（図５ステップＳ１３）。

情報処理装置１０ｂの光パワー取得部１０３は、測定信号の強度が最低となったときに光強度測定装置１３ａの測定結果を取得する（図５ステップＳ１４）。この測定結果は、記憶部１０５に格納される。こうして、最初の測定においてレーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を変化させる掃引を開始したときから測定信号の強度が最低となるまでの間にレーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁と、測定信号の強度が最低となったときにレーザダイオード１−２から放射されている光のパワーＰ₂（ｔ＝０）とを測定することができる。

次に、測定開始時から任意の時間ｔ経過後における測定について説明する。図５のステップＳ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１８の処理は、ステップＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３と同じである。

情報処理装置１０ｂの光パワー取得部１０３は、ロックインアンプ９から出力される測定信号の強度が最低となったときに光強度測定装置１３ａの測定結果を取得する（図５ステップＳ１９）。この光強度測定装置１３ａの測定結果は、記憶部１０５に格納される。こうして、任意の時間ｔ経過後の測定においてレーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を変化させる掃引を開始したときから測定信号の強度が最低となるまでの間にレーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁と、測定信号の強度が最低となったときにレーザダイオード１−２から放射されている光のパワーＰ₂（ｔ）とを測定することができる。

最初の測定においてレーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を変化させる掃引を開始したときから測定信号の強度が最低となるまでの間にレーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁の時間平均をＰ₁（ｔ＝０）、任意の時間ｔ経過後の測定においてレーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を変化させる掃引を開始したときから測定信号の強度が最低となるまでの間にレーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁の時間平均をＰ₁（ｔ）とすると、被測定物１１内の特定成分（例えばグルコース）の濃度Ｃは次式により求めることができる。

情報処理装置１０ｂの濃度導出部１０４は、パワーＰ₁（ｔ＝０），Ｐ₂（ｔ＝０），Ｐ₁（ｔ），Ｐ₂（ｔ）の測定結果から式（３）により測定値ＯＰＢＳ（ｔ）を求め、この測定値ＯＰＢＳ（ｔ）から被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出する（図５ステップＳ２０）。第１の実施の形態と同様に、測定値ＯＰＢＳ（ｔ）と特定成分の濃度Ｃとの関係は、特定成分の濃度Ｃが既知の被測定物１１を用いた実験により予め調べておくことができる。この測定値ＯＰＢＳ（ｔ）と特定成分の濃度Ｃとの関係は記憶部１０５に記憶されている。こうして、濃度導出部１０４は、記憶部１０５に記憶されている関係に基づいて、測定値ＯＰＢＳ（ｔ）から被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出することができる。

以上のように、本実施の形態では、レーザダイオード１−１，１−２から放射された光のパワーを直接測定し、被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出するので、特定成分の濃度Ｃを高い精度で測定することが可能になる。

第１、第２の実施の形態では、レーザダイオード１−１から放射される光のパワーＰ₁を一定としているが、実際にはレーザダイオード１−１の出力のドリフトや光ファイバ３−１の取り回しによる外乱の影響を受ける。本実施の形態では、レーザダイオード１−１から放射される光のパワーを直接測定するので、ドリフトや外乱の影響を除くことができ、第１の実施の形態と比較して、より高い精度で特定成分の濃度Ｃを測定することが可能になる。

なお、光ファイバ３−１の取り回しによる外乱の影響を防ぐため、光スプリッタ１５による光の分岐は光カプラ４にできるだけ近い位置で行うことが望ましい。また、光ファイバ１４，１６の取り回しによる外乱の影響を防ぐため、光スプリッタ１２，１５と光強度測定装置１３ａとを最短距離で繋ぐことが望ましい。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図６は本発明の第３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り、図１、図４と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の成分濃度測定装置は、レーザダイオード１−１，１−２と、レーザドライバ２と、光ファイバ３−１，３−２と、光カプラ４と、光ファイバ５と、音響センサ６と、増幅器７と、ファンクションジェネレータ８と、ロックインアンプ９と、情報処理装置１０ｃと、レーザダイオード１−１，１−２から放射された光のパワーを測定する光強度測定装置１３ｂと、光カプラ４によって合波され光ファイバ５を伝搬する光の一部を分岐させる光スプリッタ１７と、光スプリッタ１７と光強度測定装置１３ｂとを繋ぐ光ファイバ１８とから構成される。

情報処理装置１０ｃとファンクションジェネレータ８とは、光パワー制御手段を構成している。光スプリッタ１７と光強度測定装置１３ｂと光ファイバ１８とは、光強度測定手段を構成している。

情報処理装置１０ｃの構成は、情報処理装置１０ａと同様であるので、図２の符号を用いて説明する。
光強度測定装置１３ｂとしては、光強度測定装置１３と同様に、光パワーメータや、フォトダイオードを用いた光強度測定回路を用いることができる。ただし、本実施の形態では、２つのレーザダイオード１−１，１−２から放射され光カプラ４によって合波された光を分離して、分離した光のパワーを同時に測定するので、２系統の構成に加えて、光強度測定装置１３ｂの内部で光を分離する構成が必要になる。上記のとおり、２つのレーザダイオード１−１，１−２から放射される光の波長は異なるので、周知の波長分離手段によって２つの光を分離して、別々にパワーを測定することができる。

次に、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作を説明する。本実施の形態においても、成分濃度測定装置の処理の流れは第２の実施の形態と同様であるので、図５の符号を用いて説明する。
上記で説明したとおり、図５のステップＳ１０，Ｓ１１の処理は、図３のステップＳ１，Ｓ２と同じである。

光強度測定装置１３ｂは、光カプラ４によって合波された光を光スプリッタ１７および光ファイバ１８を介して受光し、受光した光をレーザダイオード１−１から放射された光とレーザダイオード１−２から放射された光に分離して、レーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁を測定すると同時に、レーザダイオード１−２から放射された光のパワーＰ₂を測定する。

情報処理装置１０ｃの光パワー取得部１０３は、ステップＳ１１による光パワーＰ₂の掃引開始に応じて光強度測定装置１３ｂの測定結果の取得を開始する（図５ステップＳ１２）。ここでは、レーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁の測定結果を取得すればよい。この測定結果は、記憶部１０５に格納される。
情報処理装置１０ｃの探索部１０２は、ロックインアンプ９から出力される測定信号の強度が最低となる点を探索する（図５ステップＳ１３）。

情報処理装置１０ｃの光パワー取得部１０３は、測定信号の強度が最低となったときに光強度測定装置１３ｂの測定結果を取得する（図５ステップＳ１４）。この測定結果は、記憶部１０５に格納される。こうして、最初の測定においてレーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を変化させる掃引を開始したときから測定信号の強度が最低となるまでの間にレーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁と、測定信号の強度が最低となったときにレーザダイオード１−２から放射されている光のパワーＰ₂（ｔ＝０）とを測定することができる。

次に、測定開始時から任意の時間ｔ経過後における測定について説明する。上記で説明したとおり、図５のステップＳ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ１８の処理は、ステップＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３と同じである。

情報処理装置１０ｃの光パワー取得部１０３は、測定信号の強度が最低となったときに光強度測定装置１３ｂの測定結果を取得する（図５ステップＳ１９）。この測定結果は、記憶部１０５に格納される。こうして、任意の時間ｔ経過後の測定においてレーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を変化させる掃引を開始したときから測定信号の強度が最低となるまでの間にレーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁と、測定信号の強度が最低となったときにレーザダイオード１−２から放射されている光のパワーＰ₂（ｔ）とを測定することができる。

情報処理装置１０ｃの濃度導出部１０４は、パワーＰ₁（ｔ＝０），Ｐ₂（ｔ＝０），Ｐ₁（ｔ），Ｐ₂（ｔ）の測定結果から式（３）により測定値ＯＰＢＳ（ｔ）を求め、この測定値ＯＰＢＳ（ｔ）から被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出する（図５ステップＳ２０）。

以上のように、本実施の形態では、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直接測定し、被測定物１１内の特定成分の濃度Ｃを導出するので、特定成分の濃度Ｃを高い精度で測定することが可能になる。

本実施の形態では、第２の実施の形態と同様にレーザダイオード１−１，１−２から放射される光のパワーを直接測定するが、光カプラ４によって合波された光を分岐して光パワーを測定するので、光ファイバ３−１，３−２，５の取り回しによる外乱の影響を除くことができ、第２の実施の形態と比較して、より高い精度で特定成分の濃度Ｃを測定することが可能になる。

なお、光ファイバ５の取り回しによる外乱の影響を防ぐため、光スプリッタ１７による光の分岐は被測定物１１にできるだけ近い位置で行うことが望ましい。また、光ファイバ１８の取り回しによる外乱の影響を防ぐため、光スプリッタ１７と光強度測定装置１３ｂとを最短距離で繋ぐことが望ましい。

また、第２、第３の実施の形態では、最初の測定においてレーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を変化させる掃引を開始したときから測定信号の強度が最低となるまでの間にレーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁の時間平均をＰ₁（ｔ＝０）、任意の時間ｔ経過後の測定においてレーザダイオード１−２から放射される光のパワーＰ₂を変化させる掃引を開始したときから測定信号の強度が最低となるまでの間にレーザダイオード１−１から放射された光のパワーＰ₁の時間平均をＰ₁（ｔ）としているが、最初の測定において測定信号の強度が最低となったときにレーザダイオード１−１から放射されている光のパワーをＰ₁（ｔ＝０）、任意の時間ｔ経過後の測定において測定信号の強度が最低となったときにレーザダイオード１−１から放射されている光のパワーをＰ₁（ｔ）としてもよい。

また、第１〜第３の実施の形態において、測定値ＯＰＢＳ（ｔ）は２つの波長の被測定物のグルコース濃度あるいは温度に対する光吸収係数応答特性Ｂ［−／（ｇ／ｄＬ）］あるいはＢ［−／ｄｅｇ．Ｃ］の差によって決まる。例えば、グルコース濃度が１ｇ／ｄＬ変わった時に変化する吸収係数の差が１０^-3／（ｇ／ｄＬ）とするとグルコースの濃度変化を１０ｍｇ／ｄＬオーダで測定を行うためには、光強度測定装置１３，１３ａ，１３ｂの測定精度は有効数字５ケタ程度以上であることが望ましい。

第１〜第３の実施の形態の情報処理装置１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、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。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１〜第３の実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、血液グルコース、アルブミン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。

１−１，１−２…レーザダイオード、２…レーザドライバ、３−１，３−２，５，１４，１６，１８…光ファイバ、４…光カプラ、６…音響センサ、７…増幅器、８…ファンクションジェネレータ、９…ロックインアンプ、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…情報処理装置、１１…被測定物、１２，１５，１７…光スプリッタ、１３，１３ａ，１３ｂ…光強度測定装置、１０１…光パワー制御部、１０２…探索部、１０３…光パワー取得部、１０４…濃度導出部、１０５…記憶部。

Claims (4)

1. 互いに異なる波長の２波の光を同一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する光照射手段と、
   この光照射手段から放射された２つの強度変調光を伝搬させる第１、第２の光ファイバと、
   この第１、第２の光ファイバを伝播した２つの強度変調光を合波して被測定物に照射する光カプラと、
   前記２つの強度変調光のうち一方の光のパワーを変化させる光パワー制御手段と、
   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、
   前記第１、第２の光ファイバを伝搬する光の一部を分岐させ、前記光照射手段から前記光カプラに入射する途中の２つの強度変調光のパワーを測定する光強度測定手段と、
   この光強度測定手段の測定結果に基づいて前記被測定物に含まれる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、
   前記濃度導出手段は、１回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、１回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の前記他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーとに基づいて、前記測定対象の成分の濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定装置。
2. 互いに異なる波長の２波の光を同一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する光照射手段と、
   この光照射手段から放射された２つの強度変調光を合波して被測定物に照射する光カプラと、
   この光カプラから前記被測定物まで合波光を伝搬させる光ファイバと、
   前記２つの強度変調光のうち一方の光のパワーを変化させる光パワー制御手段と、
   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、
   前記光ファイバを伝搬する光の一部を分岐させ、前記光カプラから前記被測定物に照射される途中の２つの強度変調光のパワーを測定する光強度測定手段と、
   この光強度測定手段の測定結果に基づいて前記被測定物に含まれる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、
   前記濃度導出手段は、１回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、１回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の前記他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーとに基づいて、前記測定対象の成分の濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定装置。
3. 互いに異なる波長の２波の光を同一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得られた２つの強度変調光を第１、第２の光ファイバによって伝播させ、この第１、第２の光ファイバを伝播した２つの強度変調光を光カプラによって合波して被測定物に照射する光照射ステップと、
   前記２つの強度変調光のうち一方の光のパワーを変化させる光パワー制御ステップと、
   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ステップと、
   前記第１、第２の光ファイバを伝搬する光の一部を分岐させ、前記光カプラに入射する途中の２つの強度変調光のパワーを測定する光強度測定ステップと、
   この光強度測定ステップの測定結果に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出ステップとを含み、
   前記濃度導出ステップは、１回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、１回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の前記他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーとに基づいて、前記測定対象の成分の濃度を導出するステップを含むことを特徴とする成分濃度測定方法。
4. 互いに異なる波長の２波の光を同一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得られた２つの強度変調光を光カプラによって合波し、この光カプラから被測定物まで光ファイバによって合波光を伝搬させる光照射ステップと、
   前記２つの強度変調光のうち一方の光のパワーを変化させる光パワー制御ステップと、
   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ステップと、
   前記光ファイバを伝搬する光の一部を分岐させ、前記光カプラから前記被測定物に照射される途中の２つの強度変調光のパワーを測定する光強度測定ステップと、
   この光強度測定ステップの測定結果に基づいて前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出ステップとを含み、
   前記濃度導出ステップは、１回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、１回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記電気信号の強度が最低となったときの前記一方の光のパワーと、２回目の測定時点において前記一方の光のパワーを変化させたときから前記電気信号の強度が最低となるまでの間の前記他方の光のパワーの時間平均、または前記電気信号の強度が最低となったときの前記他方の光のパワーとに基づいて、前記測定対象の成分の濃度を導出するステップを含むことを特徴とする成分濃度測定方法。

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