JP6619379B2 - 成分濃度測定装置および方法 - Google Patents

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本発明は、成分濃度測定装置、特に、血液成分、例えばグルコースを測定対象とした測定装置に関するものである。
高齢化により、生活習慣病に対する対応が大きな課題になりつつあり、血液の成分に対する注目が集まっている。しかし、現在までに開発された技術は、採取したサンプルを試薬と反応させたり、専用のセンサに吸着させたりといった１つのセンサで１つの成分を検出するようになっており、マルチなセンシング技術が注目されている。そこで、電磁波を照射したときに、測定対象とする血液成分（例えば、血糖値の場合はグルコース分子）に吸収されることを利用して、透過あるいは反射した電磁波を測定する方法が行われている。
しかし、グルコースと電磁波との相互作用は小さく、また生体に安全に照射し得る電磁波の強度には制限があり、さらに生体が電磁波に対して散乱体であるために、生体の血糖値測定においては、十分な効果を挙げるに至っていない。
そこで、電磁波を照射し局所的に加熱して熱膨張を起こして発生する音波を観測する、光音響法が注目されている。
光音響法には、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、ＣＷ法に属する方法として、カムー セルジュ（S.Camou）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（特許文献１−３参照）、また長沼（K.Naganuma）らにより規格化法が開発されている（特許文献４参照）。
ＯＰＢＳ法を実施するための従来の成分濃度測定装置の構成例を図１８に示す。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合波器４と、光合波器４によって合波されたレーザ光を導く光ファイバ５と、光ファイバ５によって導かれる光を平行光にして被測定物１２に照射するコリメータ６と、光音響効果によって被測定物１２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７と、音響センサ７から出力された電気信号を増幅する増幅器８と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ９と、増幅器８の出力信号とファンクションジェネレータ９から出力された参照信号とを入力として、増幅器８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１０と、ファンクションジェネレータ９およびロックインアンプ１０を制御すると共に、ロックインアンプ１０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１１とから構成される。
図１８に示した成分濃度測定装置を用いた従来のＯＰＢＳ法では、まずレーザドライバ２は、ファンクションジェネレータ９から出力される参照信号に応じて矩形波の駆動電流をレーザダイオード１−１（第１の光源）に供給することにより、レーザダイオード１−１から放射される光を強度変調する。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、光合波器４と光ファイバ５とコリメータ６とを介して被測定物１２に照射される（図１９ステップＳ１００）。
音響センサ７は、被測定物１２から発生する光音響信号を検出し、増幅器８は、音響センサ７から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ１０は、増幅器８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９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１１は、ファンクションジェネレータ９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１０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１９ステップＳ１０１）。こうして、変調周波数と測定信号の振幅（音圧）との関係を取得し（図１９ステップＳ１０２）、測定信号の振幅が最大の変調周波数であるピーク変調周波数を探索する（図１９ステップＳ１０３）。
次に、レーザダイオード１−１を再び動作させて光を出力させ（図１９ステップＳ１０４）、続いてレーザダイオード１−２（第２の光源）を動作させて光を出力させる（図１９ステップＳ１０５）。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。
情報処理装置１１は、ファンクションジェネレータ９が発生する２つの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、光変調周波数を上記のピーク変調周波数に設定すると共に、ロックインアンプ１０が検出する測定信号の周波数をピーク変調周波数に設定する。このとき、レーザドライバ２から、同一周波数で逆位相の波形の駆動電流をレーザダイオード１−１，１−２に供給させることにより、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（ピーク変調周波数）で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する（図１９ステップＳ１０６）。
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、光合波器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、コリメータ６によって平行光に変換された後に被測定物１２に照射される。情報処理装置１１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所定値にすることにより、レーザダイオード１−１から放射される光の強度を固定し（図１９ステップＳ１０７）、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ることにより、レーザダイオード１−２から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−２から放射される光の強度を調節する（図１９ステップＳ１０８）。
そして、一定時間経過後（図１９ステップＳ１０９）、再びレーザダイオード１−１，１−２を動作させ、レーザダイオード１−１から放射される光の強度を固定し（図１９ステップＳ１１０）、測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−２から放射される光の強度を調節する（図１９ステップＳ１１１）。そして、情報処理装置１１は、ステップＳ１０８で得られた光強度とステップＳ１１１で得られた光強度から、光強度の変化量を計算する（図１９ステップＳ１１２）。
このように、従来のＯＰＢＳ法では、光波長が異なり位相差が１８０°の２つの光ビームを被測定物に対して、同一光出力口から照射し、２つの光ビームの強度を増減させながら、光音響信号の振幅が最小の箇所の位相の変曲点を探し、この結果から血液中に溶解している分子濃度を求める。具体的には、２つの光ビームのうち一方の光ビームの強度を変えながら、光音響信号の振幅が最小となる光強度を探すことで、光強度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２０に、被測定物を収容するケースが円筒形、すなわち光音響エネルギーが閉じ込められる空間が円筒空洞である場合の、この円筒空洞内での共振を例にとった音波の共振モードを示す。ここで、Ｒは円筒の半径、Ｌは円筒の長さ、ｊは半径方向（Radial）のモードの番号、ｍは円周方向（Azimuthal）のモードの番号、ｑは長手方向（Longitudinal）のモードの番号である。
変調周波数と音圧との関係を図２１に示す。図２１中の（１０１）、（２００）、（１０２）、（３００）は共振モード（ｊｍｑ）を示しており、例えば（１０１）は半径方向のモードの番号ｊが１、円周方向のモードの番号ｍが０、長手方向のモードの番号ｑが１であることを示している。このように、円筒形の共振器内では、音波は様々なモードで共振し、それらが複雑に干渉し合った音波の分布が生じている。
ＣＷ光を用いた従来の光音響法においては、光の照射により生じる音波の分布と定在波の音波の干渉によって測定値が大きく変わってしまうという問題があった。すなわち、被測定物に含まれる対象の成分の濃度の検量線の傾きが数倍のオーダーで変わってしまうという問題があった。
特開２０１４−５０５６３号公報 特開２０１３−１０６８７４号公報 特開２０１２−１７９２１２号公報 米国特許第８３３２００６号明細書
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度の音響モード依存性を補償することができる成分濃度測定装置および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部と、前記光照射部によって照射される複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光の強度を変化させる光強度制御部と、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増幅する共振器と、この共振器によって増幅された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部と、前記光強度制御部が変化させた光の強度を測定する光強度測定部と、強度を変化させる光の波長が異なる２つの場合または前記被測定物の温度が異なる２つの場合について、それぞれの場合で前記電気信号の強度が最低となったときの前記光強度測定部の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定部と、この音響モード推定部が推定した音響モードと、前記被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、前記測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する補正係数決定部と、前記光強度測定部の測定結果から得られる光強度の変化量と前記補正係数に基づいて前記測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出部とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例において、前記光照射部は、異なる２つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、前記音響モード推定部は、第１の波長の光の強度を一定にして第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果と、前記第１の波長の光の強度を一定にして第３の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第３の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推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装置の１構成例において、前記被測定物の温度を制御する温度制御部をさらに備え、前記光照射部は、異なる２つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、前記音響モード推定部は、第１の波長の光の強度を一定にして第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果と、前記温度制御部により前記被測定物の温度を変化させた後に前記第１の波長の光の強度を一定にして前記第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推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装置の１構成例において、前記共振器は、共振器長が可変であり、前記共振器長を制御する共振器長制御部をさらに備え、前記光照射部は、異なる２つの波長の光を前記被測定物に同時に照射する前に、前記第１の波長の光のみを前記被測定物に照射し、前記共振器長制御部は、前記第１の波長の光のみを前記被測定物に照射したときに得られる前記電気信号の強度が最大となるように前記共振器長を設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装置の１構成例において、前記被測定物に照射される複数の光は、これら複数の光の波長に対する、前記被測定物に含まれる測定対象の成分以外の成分の光吸収係数が略等しいことを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例において、前記光照射部は、異なる波長の複数の光をそれぞれ平行光にして前記被測定物の略同一領域に同軸で照射し、異なる波長の複数の光のビーム径は略等しいことを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例において、前記共振器は、前記光照射部から照射される光の光軸に対して略直交する面を２つ持ち、これらの面は互いに平行平面となってい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第１のステップと、前記被測定物に照射する複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光の強度を変化させる第２のステップと、光照射によって前記被測定物から発生し共振器によって増幅された光音響信号を検出して電気信号を出力する第３のステップと、前記第２のステップで変化させた光の強度を測定する第４のステップと、強度を変化させる光の波長が異なる２つの場合または前記被測定物の温度が異なる２つの場合について、それぞれの場合で前記電気信号の強度が最低となったときの前記第４のステップの測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する第５のステップと、この第５のステップで推定した音響モードと、前記被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、前記測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する第６のステップと、前記第４のステップの測定結果から得られる光強度の変化量と前記補正係数に基づいて前記測定対象の成分の濃度を導出する第７のステップと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し、複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光の強度を変化させ、光照射によって被測定物から発生する光音響信号を共振器で増幅して光音響信号検出部で検出し、強度を変化させる光の波長が異なる２つの場合または被測定物の温度が異なる２つの場合について、それぞれの場合で電気信号の強度が最低となったときの光強度測定部の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて音響モードを推定し、この音響モードと、被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定し、光強度測定部の測定結果から得られる光強度の変化量と補正係数に基づいて測定対象の成分の濃度を導出することにより、被測定物内の測定対象の成分に対する濃度測定感度の、音響モードによる変化を補償することができ、測定感度を向上させることができる。
図１は、グルコース濃度の応答特性を示す図である。 図２は、共振器長と音波強度の関係を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施例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。 図４は、本発明の第１の実施例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。 図５は、本発明の第１の実施例に係る成分濃度測定装置の動作を説明するフローチャートである。 図６は、本発明の第１の実施例における共振器長と音波強度との関係の１例を示す図である。 図７は、本発明の第１の実施例における光強度変化の例を示す図である。 図８は、本発明の第１の実施例における音響モードと光強度の変化量の比との関係の１例を示す図である。 図９は、本発明の第１の実施例におけるグルコース濃度感度と音響モードとの関係の１例を示す図である。 図１０は、本発明の第１の実施例に係る成分濃度測定装置の別の構成を示すブロック図である。 図１１は、本発明の第２の実施例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。 図１２は、本発明の第２の実施例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。 図１３は、本発明の第２の実施例に係る成分濃度測定装置の動作を説明するフローチャートである。 図１４は、本発明の第２の実施例における光強度変化の例を示す図である。 図１５は、本発明の第２の実施例における音響モードと光強度の変化量の比との関係の１例を示す図である。 図１６は、本発明の第２の実施例に係る成分濃度測定装置の別の構成を示すブロック図である。 図１７は、音波の反射率と音響インピーダンスとの関係を示す図である。 図１８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。 図１９は、従来の光パワーバランスシフト法を説明するフローチャートである。 図２０は、円筒空洞内での音波の共振モードを説明する図である。 図２１は、変調周波数と音圧との関係の１例を示す図である。
［発明の原理］
本発明では、コリメートされた光を用いることで音波の干渉の影響を低減する。被測定物の形状が自由に変更できる場合は、音波の波長の半分に対して径の方が細い円筒形状の被測定物を用いることで、コリメート光と同等の効果を得ることができる。コリメートされた光は、強度分布として以下の式（１）のように表すことができる。
また、光音響効果で生じる音波の大きさＳは、以下の式（２）のように表すことができる。
式（１）、式（２）において、Ｃは定数、αは特定の波長の光に対する被測定物の光吸収係数、ｑは音響モード、Ｆ（α，ｑ）は光吸収係数αと音響モードｑの関数、ωは変調周波数、ｗは光ビーム径、ｚは被測定物表面からの深さ、ｒは光軸から放射方向の距離、Ｉは光強度である。
光吸収係数αは式（３）のように記述することができる。
式（３）において、ΔＣは被測定物内の特定成分の濃度、ΔＴは被測定物の温度、βは特定成分のモル吸光度、γは被測定物の温度吸光度である。なお、α0は初期状態の被測定物の光吸収係数を表している。
たとえば、円筒形の共振器内においては、音響波のモードは以下のような式（４）、式（５）で与えられる。音響波のモードには、長手方向、円周方向、半径方向のモードがある。
式（４）、式（５）において、ｃは被測定物内の音速、ｑは光軸方向の音響モード、Ｒは円筒の半径、Ｌは円筒の長さ、αm,nは被測定物壁面で径方向の音圧変化が０という境界条件を満たすｎ次の根である。
例えば、コリメートされた光を被測定物に照射する場合、ｑは円筒軸方向の定在波モードに相当する（図２０）。また、関数Ｆは、この場合、近似的に式（６）のように記述することができるため、モードごとに離散的な値をとる。
光吸収係数αi、関数Ｆiのｉは光の波長に対応する添え字である。平行平板間の音波の共振においても、円筒内の音波の共振と同様に扱うことができる。ここで、波長が異なり、１８０°位相がずれた２つの光を被測定物に照射する場合に発生する音波の大きさＳは、それぞれの光により生ずる音波の重ね合わせとして次のように表すことができる。
Ｓ1，Ｓ2は２つの音波の大きさである。ＯＰＢＳ法では、音波の信号強度が最少、すなわち理想的にゼロになる状態を考えることと同等であることから、Ｓ1＝Ｓ2となる。
被測定物内の特定の成分がΔＣだけ濃度変化したとすると、以下の式（８）が成立する。
Ｉ1は第１の光の強度、Ｉ2は第２の光の強度、ΔＩ2は被測定物内の特定成分がΔＣだけ濃度変化したときの第２の光の強度の変化量である。式（８）から、当該成分濃度変化と光強度変化の関係は式（９）、式（１０）のように近似できる。
式（９）、式（１０）より音響モードｑおよび背景光吸収が分かれば、濃度変化の感度が求められる。被測定物をほぼ水と仮定し、グルコース濃度が変化したときの応答特性の例を図１に示す。図１によれば、グルコース濃度に比例して光強度が変化していくこと、音響モードｑにより感度が変化することが示される。また、音響モードｑが変化すると、感度が大きく変化してしまうことが分かる。
そこで、音響モードの補正を行う必要がある。この補正は、測定に用いる波長の光とは別の第３の波長の光あるいは温度に対する吸収スペクトルのデータセットを用意し、実測データに対する数値的補正を行うことで実現することができる。式（９）、式（１０）および既知の吸収係数差を用いて音波の共振モードの干渉誤差を補正する本発明の方法を２つ説明する。
［第１の補正方法］
第１の波長の光を被測定物に照射し、共振器長Ｌを任意の範囲で掃引することで図２に示すような共振器長Ｌと音圧との関係を取得する。この図２のピークから被測定物内での音波の共振器長Ｌを選択することができる。
次に前述のとおり、光波長が異なり位相差が１８０°の２つの光ビームを被測定物に対して、同一の光出力口から照射する。このときの共振器長は上記で選択した共振器長Ｌである。第１の波長の光の強度を一定に固定し、第２の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第２の波長の光の強度Ｉ0を測定する。
次に、第２の波長の光を、被測定物に対する光吸収係数が既知の第３の波長の光に切り替えて、上記と同様に第３の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第３の波長の光の強度Ｉ1を測定する。求めた光強度Ｉ0，Ｉ1より光強度Ｉ0に対する光強度の変化量（Ｉ1−Ｉ0）の比ΔＩ／Ｉは式（１１）のようになる。
ここで、十分コリメートされた光を用いた場合、上式の関係は各音響モードｑに対して次式で与えられる。
関数Ｆi，光吸収係数αiのｉは光の波長に対応する添え字である。Ｆ1は第１の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードｑの関数、Ｆ2は第２の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードｑの関数、Ｆ1’は第３の波長を用いるときの第１の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードｑの関数、Ｆ2’は第３の波長の光に関する光吸収係数αと音響モードｑの関数、α2は第２の波長の光に対する被測定物の光吸収係数である。
よって、式（１１）と式（１２）の応答を比較し、最も濃度測定感度が近しい応答を探し音響モードｑを求めることができる。音響モードｑを用いて式（９）より現在の共振器長Ｌにおける濃度測定感度Ｇｑが推測できる。この濃度測定感度Ｇｑを音響モードｑ＝０のときの濃度測定感度Ｇ０と同じになるように定数係数Ａを決定すると、補償された濃度との関係は次式で表される。
［第２の補正方法］
第１の補正方法と同様に、第１の波長の光を被測定物に照射し、共振器長Ｌを任意の範囲で掃引することで図２に示すような共振器長Ｌと音圧との関係を取得する。この図２のピークから被測定物内での音波の共振器長Ｌを選択することができる。
次に前述のとおり、光波長が異なり位相差が１８０°の２つ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。このときの共振器長は上記で選択した共振器長Ｌである。第１の波長の光の強度を一定に固定し、第２の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第２の波長の光の強度Ｉ0を測定する。
次に、温度制御器を用いて被測定物の温度をΔＴだけ変化させ、上記と同様に第２の波長の光の強度を増減させながら、生じる音波強度が極小となる、第２の波長の光の強度Ｉ1を測定する。求めた光強度Ｉ0，Ｉ1より光強度Ｉ0に対する光強度の変化量（Ｉ1−Ｉ0）の比ΔＩ／Ｉは式（１５）のようになる。
被測定物の温度変化に対する光吸収係数変化は、スペクトルデータセットより光吸収係数の温度依存性γで与えた場合、次式で温度に対する応答特性が与えられる。
γ1は第１の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α1の温度依存性、γ2は第２の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α2の温度依存性である。
よって、式（１５）と式（１６）の応答を比較し、最も感度が近しい応答を探し音響モードｑを求めることができる。音響モードｑを用いて式（９）より現在の共振器長Ｌにおける濃度測定感度Ｇｑが推測できる。この濃度測定感度Ｇｑを音響モードｑ＝０のときの濃度測定感度Ｇ０と同じになるように定数係数Ａを決定すると、補償された濃度との関係は次式で表される。
光音響法の音波共振モードの補償方法についてグルコース水溶液の場合を例にとって下記に示す。
［第１の実施例］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図３は本発明の第１の実施例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。本実施例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１−１，１−２，１−３と、レーザダイオード１−１，１−２，１−３を駆動するレーザドライバ２と、レーザダイオード１−１，１−２，１−３から放射されたレーザ光を導く光ファイバ３−１，３−２，３−３と、レーザダイオード１−１，１−２，１−３から放射されたレーザ光を合波する光合波器４と、光合波器４によって合波されたレーザ光を導く光ファイバ５と、光ファイバ５によって導かれる光を平行光にして被測定物１２に照射するコリメータ６と、光音響効果によって被測定物１２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部となる音響センサ７と、音響センサ７から出力された電気信号を増幅する増幅器８と、参照信号を発生するファンクションジェネレータ９と、増幅器８の出力信号とファンクションジェネレータ９から出力された参照信号とを入力として、増幅器８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１０と、レーザドライバ２とファンクションジェネレータ９とロックインアンプ１０とを制御すると共に、ロックインアンプ１０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１１と、被測定物１２を収容し、光音響信号を増幅する共振器となる光音響セル１３とから構成される。
レーザダイオード１−１，１−２，１−３とレーザドライバ２とファンクションジェネレータ９と光ファイバ３−１，３−２，３−３，５と光合波器４とコリメータ６とは、光照射部を構成している。情報処理装置１１とファンクションジェネレータ９とは、光強度制御部を構成している。
レーザダイオード１−１，１−２，１−３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７の例としては、圧電センサを用いるマイクロホンがある。
本実施例では、被測定物１２は例えば円筒形の光音響セル１３内に導入され、光音響セル１３に設けられたガラス製の光学窓を通してレーザ光が照射されるようになっている。
図４は情報処理装置１１の構成を示すブロック図である。情報処理装置１１は、ファンクションジェネレータ９を制御するジェネレータ制御部１００と、ファンクションジェネレータ９を介して光の強度を制御する光強度制御部１０１と、レーザダイオード１−１〜１−３から放射された光の強度を測定する光強度測定部１０２と、強度を変化させる光の波長が異なる２つの場合または被測定物１２の温度が異なる２つの場合について、それぞれの場合で測定信号の強度が最低となったときの光強度の測定結果から得られる光強度の変化量を算出する光強度変化量算出部１０３と、強度を変化させる光の波長が異なる２つの場合または被測定物１２の温度が異なる２つの場合について、それぞれの場合で測定信号の強度が最低となったときの光強度の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定部１０４と、音響モード推定部１０４が推定した音響モードと、被測定物１２に含まれる特定成分（例えばグルコース）に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、特定成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する補正係数決定部１０５と、被測定物１２内の特定成分の濃度を導出する濃度導出部１０６と、情報記憶のための記憶部１０７と、共振器長を制御する共振器長制御部１０８とを有する。
次に、本実施例の成分濃度測定装置の動作を図５のフローチャートを参照して説明する。初めに、レーザダイオード１−１（第１の光源）のみを動作させる。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（連続光）を放射する。このとき、レーザドライバ２から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。レーザダイオード１−１から放射される光の波長（第１の波長）は例えば１３８２ｎｍである。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、光合波器４と光ファイバ５とコリメータ６とを介して被測定物１２に照射される（図５ステップＳ２００）。
このとき、情報処理装置１１のジェネレータ制御部１００は、ファンクションジェネレータ９が発生する参照信号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、光変調周波数を特定の周波数に設定すると共に、ロックインアンプ１０が検出する測定信号の周波数を光変調周波数と同一の値に設定する。
音響センサ７は、被測定物１２から発生する光音響信号を検出し、増幅器８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１０は、増幅器８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９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１１の共振器長制御部１０８は、共振器の２つの平行平面（ミラー）間の距離である共振器長Ｌを所定の範囲で漸次変化させる共振器長掃引を行う（図５ステップＳ２０１）。
共振器長Ｌの掃引方法としては、例えば２とおりの方法が考えられる。本実施例のように、被測定物１２が光音響セル１３に収容され、コリメータ６と音響センサ７とが光音響セル１３に取り付けられている場合には、光音響セル１３のサイズを変化させることで、共振器長Ｌを変化させることが可能である。このためには、２つの平行平面、すなわちコリメータ６が固定されている面と音響センサ７が固定されている面のうち少なくとも一方を移動させることが可能な光音響セル１３と、共振器長制御部１０８からの指示に応じて光音響セル１３の２つの平行平面のうち少なくとも一方を移動させる駆動機構（不図示）とが必要となる。
また、共振器長Ｌの別の掃引方法としては、被測定物１２が変形可能な固形物で、光音響セル１３が無い場合に対応する方法である。コリメータ６が固定された第１の平板（ミラー）と、音響センサ７が固定された第２の平板（ミラー）とで被測定物１２を挟むようにして保持する場合、第１の平板および第２の平板のうち少なくとも一方を移動させることで、被測定物１２を変形させると同時に、共振器長Ｌを変化させることが可能である。このためには、共振器長制御部１０８からの指示に応じて第１の平板および第２の平板のうち少なくとも一方を移動させる駆動機構（不図示）が必要となる。
こうして、共振器長掃引を行うことにより、共振器長Ｌと測定信号の振幅（音圧）との関係を取得し（図５ステップＳ２０２）、測定信号の振幅が最大となる共振器長Ｌであるピーク共振器長を探索する（図５ステップＳ２０３）。本実施例において得られた共振器長Ｌと音波強度との関係を図６に示す。
次に、レーザダイオード１−１を再び動作させて連続光を出力させ（図５ステップＳ２０４）、続いてレーザダイオード１−２（第２の光源）を動作させて連続光を出力させる（図５ステップＳ２０５）。このとき、共振器長制御部１０８は、共振器長Ｌを上記のピーク共振器長に設定する。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１３８２ｎｍ、レーザダイオード１−２から放射される光の波長（第２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。
情報処理装置１１のジェネレータ制御部１００は、ファンクションジェネレータ９が発生する２つの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、光変調周波数を上記の特定の周波数に設定すると共に、ロックインアンプ１０が検出する測定信号の周波数を光変調周波数と同一の値に設定する。レーザドライバ２から、同一周波数で逆位相の波形の駆動電流をレーザダイオード１−１，１−２に供給させることにより、レーザダイオード１−１，１−２から放射される光を同一の特定周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する（図５ステップＳ２０６）。したがって、本実施例では、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、光合波器４によって合波され、さらに光ファイバ５とコリメータ６とを介して被測定物１２に照射される。
情報処理装置１１の光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ９を制御して、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を所定値に設定することにより、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大きさを一定にし、レーザダイオード１−１から放射される光の強度を一定にする（図５ステップＳ２０７）。
また、情報処理装置１１の光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ９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強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ１０から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−２から放射される光の強度を調節する（図５ステップＳ２０８）。
情報処理装置１１の光強度測定部１０２は、レーザダイオード１−２から放射される光の強度を測定する。光強度測定部１０２は、ファンクションジェネレータ９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取得する。情報処理装置１１の記憶部１０７には、参照信号の電圧とレーザダイオード１−２から放射される光の強度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。キャリブレーションデータは、電圧と強度の実測により予め求めておくことができる。光強度測定部１０２は、このようなキャリブレーションデータを参照し、取得した参照信号の電圧を、レーザダイオード１−２から放射された光の強度に換算する。光強度測定部１０２は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード１−２から放射される光の強度Ｉ0を記憶部１０７に格納する（図５ステップＳ２０９）。
次に、レーザダイオード１−２の動作を停止させて、レーザダイオード１−３（第３の光源）を動作させて連続光を出力させる（図５ステップＳ２１０）。共振器長制御部１０８は、共振器長Ｌを上記のピーク共振器長に設定する。レーザダイオード１−３から放射される光の波長（第３の波長）は例えば１６５０ｎｍであり、２つのレーザダイオード１−１，１−３から放射される光の波長は異なる。
情報処理装置１１のジェネレータ制御部１００は、ファンクションジェネレータ９が発生する２つの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１−１，１−３に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を上記の特定の周波数に設定すると共に、ロックインアンプ１０が検出する測定信号の周波数を光変調周波数と同一の値に設定する。レーザドライバ２から、同一周波数で逆位相の波形の駆動電流をレーザダイオード１−１，１−３に供給させることにより、レーザダイオード１−１，１−３から放射される光を同一の特定周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する（図５ステップＳ２１１）。
情報処理装置１１の光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ９を制御して、レーザダイオード１−３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１−３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１−３から放射される光の強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ１０から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−３から放射される光の強度を調節する（図５ステップＳ２１２）。上記のとおり、レーザダイオード１−１から放射される光の強度は一定である。
情報処理装置１１の光強度測定部１０２は、レーザダイオード１−３から放射される光の強度を測定する。光強度測定部１０２は、ファンクションジェネレータ９から出力されている、レーザダイオード１−３の駆動用の参照信号の電圧を取得する。上記と同様に、情報処理装置１１の記憶部１０７には、参照信号の電圧とレーザダイオード１−３から放射される光の強度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。光強度測定部１０２は、このようなキャリブレーションデータを参照し、取得した参照信号の電圧を、レーザダイオード１−３から放射された光の強度に換算する。光強度測定部１０２は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード１−３から放射される光の強度Ｉ1を記憶部１０７に格納する（図５ステップＳ２１３）。
情報処理装置１１の光強度変化量算出部１０３は、ステップＳ２０９，Ｓ２１３で求めた光強度Ｉ0，Ｉ1より光強度Ｉ0に対する光強度の変化量ΔＩ＝（Ｉ1−Ｉ0）の比ΔＩ／Ｉを、式（１１）により計算する（図５ステップＳ２１４）。
レーザダイオード１−３から放射される第３の波長の光に対する被測定物１２の光吸収係数がレーザダイオード１−２から放射される第２の波長の光に対する被測定物１２の光吸収係数よりも０．０２／ｍｍ大きい場合の光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉを図７に示す。図７によると、ΔＩ／Ｉ＝４．７％という結果が得られる。
次に、情報処理装置１１の音響モード推定部１０４は、表１のような所定のデータセットを用いて、光強度の変化量の比ΔＩ2／Ｉ2を式（１２）、式（１３）により音響モードｑ毎に計算する（図５ステップＳ２１５）。データセットは、第１、第２、第３の波長と、これらの波長の光に対する特定成分（例えばグルコース）の光吸収係数との関係を表すものである。
関数Ｆ1は第１の波長の光に関する光吸収係数α1＝０．３０／ｍｍと音響モードｑから計算することができ、関数Ｆ2は第２の波長の光に関する光吸収係数α2＝０．２８／ｍｍと音響モードｑから計算することができる。Δα2は光吸収係数α1に対する光吸収係数α2の変化量である。上記のとおり共振器長Ｌは既知のピーク共振器長に設定されている。
ステップＳ２１５の計算の結果から、図８に示すような音響モードｑと光強度の変化量の比ΔＩ2／Ｉ2との関係が得られる。情報処理装置１１の音響モード推定部１０４は、ステップＳ２１４で計算された光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉと、ステップＳ２１５で計算した光強度の変化量の比ΔＩ2／Ｉ2とが等しくなる音響モードｑの値を、今回の共振器長での音響モードの値として決定する（図５ステップＳ２１６）。本実施例の例では、ｑ＝２であることが推測できる。
情報処理装置１１の補正係数決定部１０５は、音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑの値に対応する、被測定物１２内の特定成分（本実施例の例ではグルコース）の濃度の測定感度Ｇｑを、濃度測定感度と音響モードｑとの既知の関係（図９）から求め、この濃度測定感度Ｇｑに対する音響モードｑ＝０のときの濃度測定感度Ｇ０の比Ｇ０／Ｇｑを補正係数Ａとして決定する（図５ステップＳ２１７）。
図９によると、音響モードｑ＝２のときの濃度測定感度Ｇｑは音響モードｑ＝０のときの濃度測定感度Ｇ０より約５倍大きいので、補正係数決定部１０５は、補正係数Ａ＝１／５と求めることができる。
情報処理装置１１の濃度導出部１０６は、ステップＳ２１４で計算された光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉ（音響モードｑ＝２のときの光強度の変化量の比ΔＩ2／Ｉ2）と、補正係数決定部１０５が決定した補正係数Ａとから、測定開始時から任意の時間経過後の時点における被測定物１２内の特定成分の濃度の変化量ΔＣ［％］を式（１４）により計算する（図５ステップＳ２１８）。
最後に、濃度導出部１０６は、ステップＳ２１８で計算した特定成分の濃度の変化量ΔＣ［％］と特定成分の既知の参照濃度とから、任意の時間経過後の時点における特定成分の濃度を計算する（図５ステップＳ２１９）。なお、参照濃度は、被測定物１２に対して標準的な血糖測定法を実施することにより得ることができる。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。このような標準的な血糖測定法を、測定開始時の例えばピーク共振器長の選択時に実施しておけばよい。
以上のようにして、本実施例では、被測定物１２内の特定成分に対する濃度測定感度の、音響モードによる変化を補償することができ、測定感度を向上させることができる。
なお、音波の波長は、照射する光の変調周波数に依存して次式で決まる。
ｆは光の変調周波数、ｖは音速、λは音の波長である。被測定物１２が波長λよりも薄く音響モードｑが定義できない場合、図１０に示すように、被測定物１２と音響センサ７との間に音響整合層１４を設けることで解決できる。被測定物１２が生体の場合、音響整合層１４の例としてはゴムや超音波診断用のゲルなどがある。音響整合層１４は、厚さが可変であることが好ましい。
［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図１１は本発明の第２の実施例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３と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施例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、光合波器４と、光ファイバ５と、コリメータ６と、音響センサ７と、増幅器８と、ファンクションジェネレータ９と、ロックインアンプ１０と、情報処理装置１１ａと、被測定物１２の温度を変化させる温度制御器１５とから構成される。
図１２は本実施例の情報処理装置１１ａの構成を示すブロック図である。情報処理装置１１ａは、ジェネレータ制御部１００と、光強度制御部１０１と、光強度測定部１０２と、光強度変化量算出部１０３と、音響モード推定部１０４と、補正係数決定部１０５と、濃度導出部１０６と、記憶部１０７と、共振器長制御部１０８と、被測定物１２の温度を制御する温度制御部１０９とを有する。
次に、本実施例の成分濃度測定装置の動作を図１３のフローチャートを参照して説明する。初めに、レーザダイオード１−１（第１の光源）のみを動作させる。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（連続光）を放射する。このとき、レーザドライバ２から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。第１の実施例と同様に、レーザダイオード１−１から放射される光の波長（第１の波長）は例えば１３８２ｎｍである。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、光合波器４と光ファイバ５とコリメータ６とを介して被測定物１２に照射される（図１３ステップＳ３００）。第１の実施例と同様に、情報処理装置１１のジェネレータ制御部１００は、光変調周波数を特定の周波数に設定すると共に、ロックインアンプ１０が検出する測定信号の周波数を光変調周波数と同一の値に設定する。
音響センサ７は、被測定物１２から発生する光音響信号を検出し、増幅器８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１０は、増幅器８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９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。
第１の実施例と同様に、情報処理装置１１ａの共振器長制御部１０８は、共振器長Ｌを所定の範囲で漸次変化させる共振器長掃引を行う（図１３ステップＳ３０１）。こうして、共振器長掃引を行うことにより、共振器長Ｌと測定信号の振幅（音圧）との関係を取得し（図１３ステップＳ３０２）、測定信号の振幅が最大となる共振器長Ｌであるピーク共振器長を探索する（図１３ステップＳ３０３）。
次に、レーザダイオード１−１を再び動作させて連続光を出力させ（図１３ステップＳ３０４）、続いてレーザダイオード１−２（第２の光源）を動作させて連続光を出力させる（図１３ステップＳ３０５）。このとき、共振器長制御部１０８は、共振器長Ｌを上記のピーク共振器長に設定する。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１３８２ｎｍ、レーザダイオード１−２から放射される光の波長（第２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。
情報処理装置１１ａのジェネレータ制御部１００は、ファンクションジェネレータ９が発生する２つの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、光変調周波数を上記の特定の周波数に設定すると共に、ロックインアンプ１０が検出する測定信号の周波数を光変調周波数と同一の値に設定する。レーザドライバ２から、同一周波数で逆位相の波形の駆動電流をレーザダイオード１−１，１−２に供給させることにより、レーザダイオード１−１，１−２から放射される光を同一の特定周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する（図１３ステップＳ３０６）。
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、光合波器４によって合波され、さらに光ファイバ５とコリメータ６とを介して被測定物１２に照射される。
情報処理装置１１ａの光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ９を制御して、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を所定値に設定することにより、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大きさを一定にし、レーザダイオード１−１から放射される光の強度を一定にする（図１３ステップＳ３０７）。
また、光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ９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強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ１０から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−２から放射される光の強度を調節する（図１３ステップＳ３０８）。
情報処理装置１１ａの光強度測定部１０２は、第１の実施例と同様に、レーザダイオード１−２から放射される光の強度を測定する。そして、光強度測定部１０２は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード１−２から放射される光の強度Ｉ0を記憶部１０７に格納する（図１３ステップＳ３０９）。
次に、情報処理装置１１ａの温度制御部１０９は、温度制御器１５を制御して被測定物１２の温度をΔＴ（例えば１℃）だけ上げる（図１３ステップＳ３１０）。
情報処理装置１１ａの光強度制御部１０１は、ファンクションジェネレータ９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強度を漸次変化させる光強度掃引を行い、ロックインアンプ１０から出力される測定信号の振幅が最小になるようにレーザダイオード１−２から放射される光の強度を調節する（図１３ステップＳ３１１）。上記のとおり、レーザダイオード１−１から放射される光の強度は一定である。
情報処理装置１１ａの光強度測定部１０２は、レーザダイオード１−２から放射される光の強度をステップＳ３０９と同様に測定する。そして、光強度測定部１０２は、測定信号の振幅が最小となるときの、レーザダイオード１−２から放射される光の強度Ｉ1を記憶部１０７に格納する（図１３ステップＳ３１２）。
情報処理装置１１ａの光強度変化量算出部１０３は、ステップＳ３０９，Ｓ３１２で求めた光強度Ｉ0，Ｉ1より光強度Ｉ0に対する光強度の変化量ΔＩ＝（Ｉ1−Ｉ0）の比ΔＩ／Ｉを、式（１５）により計算する（図１３ステップＳ３１３）。被測定物１２の温度を１℃上げた場合の温度変化前後の光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉを図１４に示す。図１４によると、ΔＩ／Ｉ＝１．８％という結果が得られる。
次に、情報処理装置１１ａの音響モード推定部１０４は、表２のような所定のデータセットを用いて、光強度の変化量の比ΔＩ2／Ｉ2を式（１６）、式（１７）により音響モードｑ毎に計算する（図１３ステップＳ３１４）。データセットは、第１、第２の波長と、これらの波長の光に対する特定成分（例えばグルコース）の光吸収係数と、これら光吸収係数の温度依存性との関係を表すものである。
γ1は第１の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α1の温度依存性（温度吸光度）、γ2は第２の波長の光に対する被測定物の光吸収係数α2の温度依存性である。関数Ｆ1は第１の波長の光に関する光吸収係数α1＝０．３０／ｍｍと音響モードｑから計算することができ、関数Ｆ2は第２の波長の光に関する光吸収係数α2＝０．２８／ｍｍと音響モードｑから計算することができる。上記のとおり共振器長Ｌは既知のピーク共振器長に設定されている。
ステップＳ３１４の計算の結果から、図１５に示すような音響モードｑと光強度の変化量の比ΔＩ2／Ｉ2との関係が得られる。情報処理装置１１ａの音響モード推定部１０４は、ステップＳ３１３で計算された光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉと、ステップＳ３１４で計算した光強度の変化量の比ΔＩ2／Ｉ2とが等しくなる音響モードｑの値を、今回の共振器長での音響モードの値として決定する（図１３ステップＳ３１５）。本実施例の例では、ｑ＝１であることが推測できる。
情報処理装置１１ａの補正係数決定部１０５は、音響モード推定部１０４が推定した音響モードｑの値に対応する、被測定物１２内の特定成分（本実施例の例ではグルコース）の濃度の測定感度Ｇｑを、濃度測定感度と音響モードｑとの既知の関係（図９）から求め、この濃度測定感度Ｇｑに対する音響モードｑ＝０のときの濃度測定感度Ｇ０の比Ｇ０／Ｇｑを補正係数Ａとして決定する（図１３ステップＳ３１６）。
図９によると、音響モードｑ＝１のときの濃度測定感度Ｇｑは音響モードｑ＝０のときの濃度測定感度Ｇ０より約３倍大きいので、補正係数決定部１０５は、補正係数Ａ＝１／３と求めることができる。
情報処理装置１１ａの濃度導出部１０６は、ステップＳ３１３で計算された光強度の変化量の比ΔＩ／Ｉ（音響モードｑ＝１のときの光強度の変化量の比ΔＩ2／Ｉ2）と、補正係数決定部１０５が決定した補正係数Ａとから、測定開始時から任意の時間経過後の時点における被測定物１２内の特定成分の濃度の変化量ΔＣ［％］を式（１８）により計算する（図１３ステップＳ３１７）。
最後に、濃度導出部１０６は、ステップＳ３１７で計算した特定成分の濃度の変化量ΔＣ［％］と特定成分の既知の参照濃度とから、任意の時間経過後の時点における特定成分の濃度を計算する（図１３ステップＳ３１８）。
こうして、本実施例では、上記の第１の実施例と同様の効果を得ることができる。
第１の実施例で説明したように、本実施例においても、被測定物１２と音響センサ７との間に音響整合層１４を設けるようにしてもよい（図１６）。
なお、音波の反射伝搬は、音響インピーダンスを用いて評価することができ、例えば異種材料界面における反射率Ｒおよび透過率Ｔは下式で表すことができる。
Ｚ1は第１の材料の音響インピーダンス、Ｚ2は第１の材料と接する第２の材料の音響インピーダンスである。音響インピーダンスＺは式（２２）で表すことができる。
ρは材料の密度、Ｃは材料内での音速である。音響インピーダンスの差によって、反射、透過する音波が決定される。図１７に音波の反射率と音響インピーダンスとの関係を示す。被測定物１２と共振器材料界面との反射率が０．８以上であることが共振器として機能することの必要条件である。この条件を満たす共振器の材料として、たとえばガラスや鉄や銅をはじめとした各種金属がある。共振器を構成する光音響セル１３は、照射される光の光軸に対して略直交する面を２つ持ち、これらの２つの面は互いに平行平面となっていることが好ましい。あるいは、共振器を構成する第１、第２の平板は、照射される光の光軸に対して略直交するように配置され、これらの２つの平板は互いに平行となっていることが好ましい。
なお、第１、第２の実施例において、被測定物１２に照射される複数の光は、これら複数の光の波長に対する、被測定物１２に含まれる測定対象の成分以外の成分の光吸収係数が略等しいことが好ましい。
また、第１、第２の実施例では、異なる波長の複数の光をコリメータ６によりそれぞれ平行光にして被測定物１２の略同一領域に同軸で照射するが、異なる波長の複数の光のビーム径は略等しいことが好ましい。
第１、第２の実施例の情報処理装置１１，１１ａ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。このようなコンピュータにおいて、本発明の成分濃度測定方法を実現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、記憶装置に格納される。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って第１、第２の実施例で説明した処理を実行する。
本発明は、例えば血液グルコース、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。
１−１〜１−３…レーザダイオード、２…レーザドライバ、３−１〜３−３，５…光ファイバ、４…光合波器、６…コリメータ、７…音響センサ、８…増幅器、９…ファンクションジェネレータ、１０…ロックインアンプ、１１…情報処理装置、１２…被測定物、１３…光音響セル、１４…音響整合層、１５…温度制御器、１００…ジェネレータ制御部、１０１…光強度制御部、１０２…光強度測定部、１０３…光強度変化量算出部、１０４…音響モード推定部、１０５…補正係数決定部、１０６…濃度導出部、１０７…記憶部、１０８…共振器長制御部、１０９…温度制御部。

Claims (8)

  1. 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部と、
    前記光照射部によって照射される複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光の強度を変化させる光強度制御部と、
    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増幅する共振器と、
    この共振器によって増幅された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部と、
    前記光強度制御部が変化させた光の強度を測定する光強度測定部と、
    強度を変化させる光の波長が異なる２つの場合または前記被測定物の温度が異なる２つの場合について、それぞれの場合で前記電気信号の強度が最低となったときの前記光強度測定部の測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する音響モード推定部と、
    この音響モード推定部が推定した音響モードと、前記被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、前記測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する補正係数決定部と、
    前記光強度測定部の測定結果から得られる光強度の変化量と前記補正係数に基づいて前記測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出部とを備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
  2. 請求項１記載の成分濃度測定装置において、
    前記光照射部は、異なる２つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、
    前記音響モード推定部は、第１の波長の光の強度を一定にして第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果と、前記第１の波長の光の強度を一定にして第３の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第３の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定することを特徴とする成分濃度測定装置。
  3. 請求項１記載の成分濃度測定装置において、
    前記被測定物の温度を制御する温度制御部をさらに備え、
    前記光照射部は、異なる２つの波長の光を前記被測定物に同時に照射し、
    前記音響モード推定部は、第１の波長の光の強度を一定にして第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果と、前記温度制御部により前記被測定物の温度を変化させた後に前記第１の波長の光の強度を一定にして前記第２の波長の光の強度を変化させて前記電気信号の強度が最低となったときの前記第２の波長の光の強度の測定結果とから得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記音響モードを推定することを特徴とする成分濃度測定装置。
  4. 請求項２または３記載の成分濃度測定装置において、
    前記共振器は、共振器長が可変であり、
    前記共振器長を制御する共振器長制御部をさらに備え、
    前記光照射部は、異なる２つの波長の光を前記被測定物に同時に照射する前に、前記第１の波長の光のみを前記被測定物に照射し、
    前記共振器長制御部は、前記第１の波長の光のみを前記被測定物に照射したときに得られる前記電気信号の強度が最大となるように前記共振器長を設定することを特徴とする成分濃度測定装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
    前記被測定物に照射される複数の光は、これら複数の光の波長に対する、前記被測定物に含まれる測定対象の成分以外の成分の光吸収係数が略等しいことを特徴とする成分濃度測定装置。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
    前記光照射部は、異なる波長の複数の光をそれぞれ平行光にして前記被測定物の略同一領域に同軸で照射し、
    異なる波長の複数の光のビーム径は略等しいことを特徴とする成分濃度測定装置。
  7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
    前記共振器は、前記光照射部から照射される光の光軸に対して略直交する面を２つ持ち、これらの面は互いに平行平面となっていることを特徴とする成分濃度測定装置。
  8. 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第１のステップと、
    前記被測定物に照射する複数の強度変調光のうち少なくとも１つの光の強度を変化させる第２のステップと、
    光照射によって前記被測定物から発生し共振器によって増幅された光音響信号を検出して電気信号を出力する第３のステップと、
    前記第２のステップで変化させた光の強度を測定する第４のステップと、
    強度を変化させる光の波長が異なる２つの場合または前記被測定物の温度が異なる２つの場合について、それぞれの場合で前記電気信号の強度が最低となったときの前記第４のステップの測定結果から得られる光強度の変化量と、既知のデータセットから得られる光強度の変化量に基づいて、前記光音響信号の共振モードである音響モードを推定する第５のステップと、
    この第５のステップで推定した音響モードと、前記被測定物に含まれる測定対象の成分に対する濃度測定感度と音響モードとの既知の関係に基づいて、前記測定対象の成分に対する濃度測定感度の補正係数を決定する第６のステップと、
    前記第４のステップの測定結果から得られる光強度の変化量と前記補正係数に基づいて前記測定対象の成分の濃度を導出する第７のステップとを含むことを特徴とする成分濃度測定方法。
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