JP7010103B2 - 成分濃度測定装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、成分濃度測定装置および方法に関し、特に生体内成分濃度の非侵襲な測定技術に関する。

高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。血糖値などの検査は血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担である。そのため、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。

非侵襲な成分濃度測定装置として、光音響法を用いた成分濃度測定装置が提案されている。光音響法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば、グルコース分子に電磁波を吸収させ、グルコース分子からの熱の放射によって局所的に熱膨張を起こし、熱膨張によって生体内から発生した音波を観測する。

しかし、グルコースと電磁波の相互作用は小さく、また生体に安全に照射しうる電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるにいたっていない。

図７は、従来の光音響法を用いた成分濃度測定装置２００の構成例を示すブロック図である。この成分濃度測定装置２００では、連続的に強度変調した光源が用いられ、背景成分および対象成分が混合されてなる溶液における対象成分の濃度を測定する（例えば、特許文献１参照）。

図７に示すように、従来例の成分濃度測定装置２００は、第１光源２０２、第２光源２０３、発振器２０４、遅延調整器２０５、第１駆動回路２０６、第２駆動回路２０７、光合波器２０８、音波検出器２１１、位相検波増幅器２１２、波形観測器２１３、記録器２１４、および１８０°位相器２１５から構成される。成分濃度測定装置２００では、２つの光源を用いており、第１光源２０２は、波長λ１の測定光を発生し、第２光源２０３は、波長λ２の参照光を発生する。

発振器２０４は、第１光源２０２および第２光源２０３から出力される光を強度変調するための変調信号を出力する。

遅延調整器２０５は、発振器２０４から出力される信号のうち第２光源２０３を駆動させる信号を所定時間遅延させる。

１８０°位相器２１５は、発振器２０４からの変調信号のうち一方を反転して出力する。第１駆動回路２０６は第１光源２０２を駆動させる。第２駆動回路２０７は、１８０°位相器２１５で反転された変調信号をもとに、第２光源２０３を駆動させる。

第１光源２０２は、第１駆動回路２０６からの信号により波長λ１の測定光を強度変調して出力する。第２光源２０３は、第２駆動回路２０７からの信号により波長λ２の参照光を強度変調して出力する。これにより、光合波器２０８は、測定光と参照光を合波し、異なる２波長λ１およびλ２光のそれぞれを、同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出力する。

従来の成分濃度測定装置２００では、２つの波長λ１および波長λ２の光により被測定物の内部で音波（光音響波）が発生し、これらの光音響波は、音響センサである音波検出器２１１により検出され、音圧に比例した電気信号（光音響信号）に変換される。そして、位相検波増幅器２１２によって変換された光音響信号が観測される。

２波長λ１、λ２に対応する光音響信号の強度の差は、血液中に含まれるグルコースの量に対応した電気信号として測定される。

また、従来の成分濃度測定装置２００における２つの選択波長では、図８に示すように、一方の波長については、例えば、水の吸光度スペクトルにおける温度依存係数が正の傾向を示す波長を選択し、他方の波長については負の傾向を示す波長を選択する。

図８に示すように、吸光度変化の影響が大きい場合、温度変化による吸光度変化Δαｗに対して、温度を直接計測して既知の吸光度スペクトルから求める。あるいは、光の吸収量変化から温度変化ΔＴを推定して既知の吸光度スペクトルからΔαｗを求める。この場合、Δα＝Ｍαｇ＋Δαｗと記述できる。したがって、モル濃度Ｍ＝（Δα－Δαｗ）／αｇを演算し求めることができる。なお、αは吸光度、αｗは水の吸光度、αｇはグルコースのモル濃度あたりの吸光度である。

従来の成分濃度測定装置２００では、２つの波長λ１および波長λ２の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、生体等の被測定物で発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、音波の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された２波長の光に対する音波を測定する。そして、２波長差分の音波から一方の波長の音波を規格化することで、一定に保ちがたい多数のパラメータの影響を排除して、より高精度に生体等の被測定物内に発生する音波を検出することができる。

特開２００７－８９６６２号公報

しかし、上述した従来の成分濃度測定装置では、測定対象である生体内成分の温度変化における推定精度が十分でなく、背景成分である水の吸光度の温度依存性により、生体内成分の濃度の定量精度が低下する。また、被測定物内での音響共振により光音響信号の振幅および位相が変化して、生体内成分の濃度の定量精度が低下する。そのため、従来の成分濃度測定装置では、測定される生体内成分の濃度に定量誤差が生ずるという課題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、生体内成分濃度の測定における定量精度を向上させ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。

上述した課題を解決するために、本発明に係る成分濃度測定装置は、互いに異なる波長の２つの光を同一周波数で、かつ、同じ位相の信号によって強度変調して被測定物に照射する光照射部と、前記光照射部による照射によって前記被測定物の内部で発生する光音響波を検出して第１電気信号に変換する検出部と、前記第１電気信号の振幅および位相に基づいて、前記被測定物に含まれる対象成分の濃度を求める処理部と、を備え、前記被測定物に含まれる背景成分に対する前記２つの光の光吸収係数は、温度の変化に対する変化量が等しく、互いに符号が異なることを特徴とする。

また、本発明に係る成分濃度測定装置において、前記光照射部は、さらに、前記同一周波数で、かつ、前記同じ位相の信号によって強度変調された前記２つの光のうちのいずれか一方の光の波長を所定の変化量だけシフトさせた光を前記被測定物に照射し、前記検出部は、前記所定の変化量だけ波長をシフトする前と後の前記一方の光を照射して前記被測定物の内部で発生する光音響波をそれぞれ検出して第２電気信号に変換し、前記処理部は、前記第２電気信号に基づいて、前記被測定物に含まれる前記対象成分の濃度を規格化してもよい。

また、本発明に係る成分濃度測定装置において、前記処理部は、各測定時刻における前記第１電気信号と前記光照射部によって前記被測定物に照射される光の光パワーとの比例係数を算出して、前記被測定物に含まれる前記対象成分の濃度を規格化してもよい。

また、本発明に係る成分濃度測定装置において、前記処理部は、前記各測定時刻ｔ_iにおける前記比例係数Ｆ（ｔ_i）を次式を用いて求めてもよい。

ここで、Ｓ^λ1は前記所定の変化量だけ波長をシフトさせる前の前記第２電気信号、Ｓ^λ1+Δλは、前記所定の変化量だけ波長をシフトさせた後の前記第２電気信号、Δαは吸光度変化、Ｉは前記光パワーを表す。

また、本発明に係る成分濃度測定装置において、前記２つの光の少なくとも一方は、前記対象成分の呈する吸収が極大となる波長であってもよい。

また、本発明に係る成分濃度測定方法は、互いに異なる波長の２つの光を同一周波数で、かつ、同じ位相の信号によって強度変調して被測定物に照射する光照射ステップと、前記光照射ステップでの照射によって前記被測定物の内部で発生する光音響波を検出して第１電気信号に変換する検出ステップと、前記第１電気信号の振幅および位相に基づいて、前記被測定物に含まれる対象成分の濃度を求める処理ステップと、を備え、前記被測定物に含まれる背景成分に対する前記２つの光の光吸収係数は、温度の変化に対する変化量が等しく、互いに符号が異なることを特徴とする。

また、本発明に係る成分濃度測定方法において、前記光照射ステップは、前記同一周波数で、かつ、前記同じ位相の信号によって強度変調された前記２つの光のうちのいずれか一方の光の波長を所定の変化量だけシフトさせた光を前記被測定物に照射し、前記検出ステップは、前記所定の変化量だけ波長をシフトする前と後の前記一方の光の照射によって前記被測定物の内部で発生する光音響波をそれぞれ検出して第２電気信号に変換し、前記処理ステップは、前記第２電気信号に基づいて、前記被測定物に含まれる前記対象成分の濃度を規格化してもよい。

本発明によれば、背景成分の吸光度の温度依存性をキャンセルするため、生体内成分濃度の定量精度を向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る記録器を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の動作を説明するフローチャートである。 図４は、グルコース差分吸収スペクトルを説明する図である。 図５は、吸収スペクトルの温度依存性を説明する図である、 図６は、本実施の形態に係る成分濃度測定装置の効果を説明する図である。 図７は、従来の成分濃度測定装置の構成例を示すブロック図である。 図８は、従来の２つの選択波長についての説明図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１から図８を参照して詳細に説明する。また、以下の実施の形態では、本発明に係る成分濃度測定装置により、生体における血液中のグルコース濃度を測定する場合について説明する。また、各図について共通する構成要素には、同一の符号が付されている。

［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置１の構成例を示すブロック図である。成分濃度測定装置１は、背景成分である水の吸光度の温度依存性をキャンセルして、被測定物１０である生体のグルコース（対象成分１０Ｇ）濃度を測定することを特徴とする。

成分濃度測定装置１は、第１光源２、第２光源３、発振器４、遅延調整器５、第１駆動回路６、第２駆動回路７、光合波器８、光出射部９、音波検出器１１、位相検波増幅器１２、波形観測器１３、および記録器１４を備える。
被測定物１０は、背景成分１０Ｗの水と、対象成分１０Ｇのグルコースとを含んでいる。

第１光源２、第２光源３、発振器４、遅延調整器５、第１駆動回路６、第２駆動回路７、および光合波器８は、光照射部を構成する。
光照射部は、互いに異なる波長の２つの光を同一周波数で、かつ、同じ位相の信号によって強度変調して被測定物１０に照射する。

音波検出器１１および位相検波増幅器１２は、光照射部による光照射によって被測定物１０の内部で発生する光音響波を検出して電気信号（光音響信号）に変換する検出部を構成する。

波形観測器１３および記録器１４は、光音響信号の振幅と位相とに基づいて、被測定物１０に含まれる対象成分１０Ｇの濃度を求める処理部を構成する。

第１光源２および第２光源３には、連続的に強度変調した光源で、いずれか一方は波長を任意の範囲で変更できる光源が用いられる。第１光源２および第２光源３には、固体レーザや半導体レーザを用いることができる。例えば、第１光源２を波長可変レーザとして用いる場合に、温度調整により発振周波数を変化させる方法や外部共振器を用いる方法等がある。固体レーザを用いて所定の波長を取り出すときには、プリズムや回折格子などの分散素子を用いればよい。

発振器４は、第１光源２および第２光源３から出力される光を強度変調するための変調信号を出力する。
遅延調整器５は、発振器４から出力される信号のうち、第２光源３を駆動させる変調信号を所定時間遅延させる。

第１駆動回路６は、第１光源２を駆動させる。第１光源２は、第１駆動回路６からの信号により波長λ１の測定光を強度変調して出力する。
第２駆動回路７は、遅延調整器５から出力された変調信号をもとに第２光源３を第１光源２と同位相で駆動させる。第２光源３は、第２駆動回路７からの信号により波長λ２の参照光を強度変調して出力する。

これにより、第１光源２および第２光源からは、同一周波数で互いに同位相の信号によって電気的に強度変調された異なる波長λ１およびλ２の光が出力される。

ここで、従来の２つの波長選択（図８）において説明したように、第１光源２が出力する光の波長λ１および第２光源３が出力する光の波長λ２は、被測定物１０に含まれる背景成分１０Ｗの呈する吸収が相等しい異なる波長である。本実施の形態では、被測定物１０が生体であり、対象成分１０Ｇが血液中のグルコースであるので、背景成分１０Ｗの呈する吸収は、水の呈する吸収とすることができる。

一方、図４の水の吸収スペクトルにおける温度依存の吸光度変化に示すように、背景成分１０Ｗの変動が生ずることは不可避であり、このことは対象成分１０Ｇの測定精度が低下する要因となる。

本実施の形態に係る成分濃度測定装置１では、図４に示すように、第１光源２が出力する光の波長λ１と第２光源３が出力する光の波長λ２とにおいて、背景成分１０Ｗに対する光吸収係数は、温度変化に対する変化量δが等しいが、互いに符号が異なる光である。

したがって、光の波長λ１と光の波長λ２とを同位相信号とすれば、背景成分１０Ｗにおける温度の変化に対する光吸収係数の変化量δはキャンセルできる。また、第１光源２および第２光源３のうちのいずれか一方は、対象成分１０Ｇの呈する吸収が極大となる波長であることが好ましい。

図５のグルコース差分吸収スペクトルに示すように、本実施の形態では第１光源２は、グルコースの呈する吸収が極大となる波長である波長１６００ｎｍまたは２１００ｎｍであることが好ましい。

この場合において、例えば、第１光源２の出力する連続光を波長λ１（１４００ｎｍ）の測定光とし、第２光源３の出力する連続光を波長λ２（１６００ｎｍ）の参照光とする。

図１に示すように、光合波器８は、第１光源２からの波長λ１の光と、第２光源３からの波長λ２の光とを合波する。合波された光は、光ファイバＯＦにより光出射部９に導かれる。

光出射部９は、光合波器８より合波された光（測定用合成光）を被測定物１０に向けて出射する。なお、光出射部９は、被測定物１０の形状に合わせて、光ファイバＯＦの先端に直角プリズム、ファイバコリメータまたはフェルールを装着してもよい。
この光合波器８から照射される測定用合成光によって被測定物１０である生体は音波を発生する。

音波検出器１１は、被測定物１０から発生する音波を検出し、音圧に比例した強さの光音響信号に変換する。例えば、音波検出器１１には、マイクロフォンや圧電素子を用いることができる。

位相検波増幅器１２は、音波検出器１１によって変換された光音響信号を増幅する。
波形観測器１３は、位相検波増幅器１２から出力された光音響信号を観測し、その観測結果を記録器１４へ送る。

例えば、定電圧電流源（図示しない）が第１駆動回路６および第２駆動回路７に電圧を供給するとき、測定用合成光（λ１＋λ２）が被測定物１０に照射される。波長λ１の光によって発生した光音響信号の強さをＡ１、波長λ２の光によって発生した光音響信号の強さをＡ２とすると、波形観測器１３は、測定用合成光によって発生した測定用音波を検出することで、同相の光音響信号（Ａ１＋Ａ２）を測定する。なお、本実施の形態にように波形観測器１３に加え、位相検波増幅器１２によって光音響信号を検波増幅し、電気信号の振幅や位相を観測してもよい。

記録器１４は、波形観測器１３から送られてくる光音響信号の観測結果に基づいて被測定物１０である生体における対象成分１０Ｇの血液中のグルコース濃度を算出する。より詳細には、記録器１４は、背景成分１０Ｗである水の吸光度スペクトルや生体内成分の吸光度スペクトル、異なる濃度における対象成分１０Ｇの吸光度スペクトルのデータベースを有する。記録器１４は、これらのデータベースに基づいて観測結果として取得した電気信号の振幅、位相から対象成分１０Ｇであるグルコースの濃度を演算する。なお、記録器１４による演算処理の詳細は後述する。

また、記録器１４は、波形観測器１３を介して発振器４などの制御を行う。記録器１４は、第１光源２および第２光源３から出力される光の波長λ１、λ２の決定および割り当てを行う。本実施の形態では、記録器１４は、成分濃度測定装置１の全体的な制御を行うことができる。

図２は、記録器１４を実現するコンピュータの構成例を示すブロック図である。
記録器１４は、バス１０１を介して接続されるＣＰＵ１０３と主記憶装置１０４とを有する演算装置１０２、通信制御装置１０５、外部記憶装置１０６、Ｉ／Ｆ１０７、表示装置１０８等を備えるコンピュータと、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。

ＣＰＵ１０３と主記憶装置１０４とは、演算装置１０２を構成する。主記憶装置１０４には、ＣＰＵ１０３が各種制御や演算を行うためのプログラムが予め格納されている。

通信制御装置１０５は、記録器１４と各種外部電子機器との間を通信ネットワークＮＷを介して接続するための制御装置である。通信制御装置１０５は、被測定物１０における対象成分１０Ｇの濃度を算出して、通信ネットワークＮＷを介して外部の機器などに送信してもよい。

外部記憶装置１０６は、読み書き可能な記憶媒体と、その記憶媒体に対してプログラムやデータなどの各種情報を読み書きするための駆動装置とで構成されている。外部記憶装置１０６には、記憶媒体としてハードディスクやフラッシュメモリなどの半導体メモリを使用することができる。外部記憶装置１０６は、データ記憶部１０６ａ、プログラム格納部１０６ｂ、図示しないその他の格納装置で、例えば、この外部記憶装置１０６内に格納されているプログラムやデータなどをバックアップするための格納装置などを有することができる。

データ記憶部１０６ａには、波形観測器１３で観測された光音響信号を記憶する。また、データ記憶部１０６ａは、水の吸光度スペクトルやグルコースの吸光度スペクトル、異なる吸光度における対象成分１０Ｇの吸光度スペクトルのデータを記憶している。

プログラム格納部１０６ｂには、本実施の形態における対象成分１０Ｇの濃度換算などに必要な演算処理を実行するための各種プログラムが格納されている。

Ｉ／Ｆ１０７は、記録器１４と成分濃度測定装置１に含まれる他の機器とを接続するためのインターフェースである。記録器１４は、Ｉ／Ｆ１０７を介して波形観測器１３から観測結果を取得する。

表示装置１０８は、記録器１４の表示画面を構成する。表示装置１０８は液晶ディスプレイなどによって実現される。表示装置１０８は、記録器１４によって得られた対象成分１０Ｇの濃度など測定値を表示することができる。

なお、本実施の形態に係る成分濃度測定装置１において、波形観測器１３などについても記録器１４と同様なプロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各機能を実現させるプログラムとによって実現される。

［濃度測定装置の動作］
上述した構成を有する成分濃度測定装置１の動作について、図３のフローチャートを用いて説明する。

予め人の耳たぶや指などの被測定物１０を光出射部９と音波検出器１１との間に配置する。まず、波形観測器１３は、第１光源２の波長を掃引しながら光音響信号Ｓ_1-1を取得する（ステップＳ１）。取得された光音響信号Ｓ_1-1は、記録器１４に送出され、データ記憶部１０６ａに記憶される。

次に、波形観測器１３は、第２光源３の波長を掃引しながら光音響信号Ｓ_2-1を取得する（ステップＳ２）。取得された光音響信号Ｓ_2-1は、記録器１４に送出され、データ記憶部１０６ａに記憶される。

次に、加温機構（図示しない）により、被測定物１０の温度を所定の温度ΔＴだけ上昇させる（ステップＳ３）。その後、波形観測器１３は、第１光源２の波長を掃引しながら光音響信号Ｓ_1-2を取得する（ステップＳ４）。取得された光音響信号Ｓ_1-2は、記録器１４に送出され、データ記憶部１０６ａに記憶される。

次に、波形観測器１３は、第２光源３の波長を掃引しながら光音響信号Ｓ_2-2を取得する（ステップＳ５）。取得された光音響信号Ｓ_2-2は、記録器１４に送出され、データ記憶部１０６ａに記憶される。

その後、記録器１４は、第１光源２の波長λ１と第２光源３の波長λ２との組み合わせを決定する（ステップＳ６）。より詳細には、記録器１４は、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５でそれぞれ取得された光音響信号の関係が、（Ｓ_1-1－Ｓ_2-1）＝－（Ｓ_2-2－Ｓ_2-1）となるように波長λ１、λ２の値を決定する。記録器１４は、決定した波長λ１、λ２の値をデータ記憶部１０６ａに記憶する。

その後、記録器１４は、第１光源２および第２光源３に波長λ１、λ２をそれぞれ割り当てる（ステップＳ７）。次に、波長λ１、λ２が割り当てられた第１光源２および第２光源３を用いて、波形観測器１３は、光音響信号を取得する（ステップＳ８）。

より詳細には、発振器４から出力される変調信号に基づいて第１駆動回路６および第２駆動回路７が第１光源２および第２光源３を駆動して、波長λ１、λ２の連続光をそれぞれ出力させる。なお、前述したように、第１光源２および第２光源３が出力する光は同位相である。

出力された光は、光ファイバＯＦを介して光合波器８によって合波され、測定用合成光として光出射部９から被測定物１０に出射される。この光合波器８から光出射部９を介して照射される測定用合成光によって被測定物１０である生体は音波を発生する。

音波検出器１１は、生体から発生する音波（光音響波）を検出し、音圧に比例した強さの光音響信号に変換する。その後、位相検波増幅器１２は、音波検出器１１によって変換された光音響信号を増幅する。位相検波増幅器１２から出力された光音響信号は、波形観測器１３によって取得される。

次に、波長λ１が割り当てられた第１光源２のみを用いて、波形観測器１３は、同様に光音響信号を取得する（ステップＳ９）。取得された光音響信号は記録器１４に送出され、データ記憶部１０６ａに記憶される。

その後、波形観測器１３は、記録器１４による制御信号に基づいて、第１光源の波長λ１を所定の変化量Δλでシフトさせたときの光音響波を検出する（ステップＳ１０）。検出された光音響波は記録器１４に送出され、データ記憶部１０６ａに記憶される。

次に、記録器１４は、被測定物１０内での音響共振による影響、すなわち取得された光音響信号の振幅および位相における変化を示す比例係数Ｆ（ｔ_i）を、次の式（１）を用いて算出する（ステップＳ１１）。

上式（１）において、ｔ₀、ｔ₁は測定時刻を示し、Ｓは光音響信号を示す。また、αは吸光度、Ｉは照射する光パワーを示す。なお、上式（１）の詳細な説明は後述する。

その後、記録器１４は、ステップＳ１１で算出された比例係数Ｆ（ｔ_i）を用いて、被測定物１０に含まれる対象成分１０Ｇのグルコースの濃度変化ΔＣを次式（２）により求める（ステップＳ１２）。

上式（２）において、γ₁₂は被測定物１０の温度吸光度を示す。なお、上式（２）の詳細については後述する。

その後、各測定時刻ｔ_i（ｉ＝０，１，・・・，ｎ－１）おけるグルコースの濃度変化を求める（ステップＳ１３：ＹＥＳ）。なお、より詳細には、記録器１４は、求めた濃度変化について予め記憶しているデータベースを参照してグルコース濃度を求める。このように、成分濃度測定装置１は、被測定物１０における音の共振の影響を排除するために上記の式（１）、（２）を用いて対象成分１０Ｇであるグルコースの濃度変化ΔＣを規格化する。

ここで、対象成分１０Ｇの濃度変化ΔＣの規格化についてより詳細に説明する。
まず、吸光度αと光音響信号Ｓは次の式（３）で表される。

上式（３）において、γは被測定物１０に含まれる対象成分１０Ｇのモル吸光度、βは被測定物１０の温度吸光度であり、ΔＴは被測定物１０の温度、ΔＣは、被測定物１０に含まれる対象成分１０Ｇの濃度を示す。Ｆ（ｔ）は、測定時刻ｔにおける比例係数である。また、Ｉは光源によって照射される光パワーを示す。このように、光音響信号Ｓは、Ｆ（ｔ）・（α＋βΔＴ＋γΔＣ）に対して比例関係にある。

上式（３）における光パワーＩを含む比例係数Ｆ（ｔ）は変化し、制御や予測が困難な係数である。この比例係数Ｆ（ｔ）は、例えば、成分濃度測定装置１における音波検出器１１と被測定物１０との音響結合、音波検出器１１の感度、光出射部９と被測定物１０との距離、被測定物１０の比熱、被測定物１０の熱膨張係数、被測定物１０での音速、発振器４の発振周波数、さらに、吸光度αにも依存する未知数である。

光音響信号の振幅及び位相は、被測定物１０内での音響共振により、キャビティサイズや被測定物１０の内部構造に依存する。そのため、それらの変動により光音響信号の振幅および位相が変化し、測定される対象成分の濃度に定量誤差が生ずる原因となる。

そこで、本実施の形態では、所定の波長により取得した光音響信号により比例係数Ｆ（ｔ）を求める。具体的には、第１光源２および第２光源３を用いて観測された同位相信号の重ね合わせ光音響信号Ｓ^λ1＋Ｓ^λ2を取得する。重ね合わせ光音響信号Ｓ^λ1＋Ｓ^λ2は次の式（４）で表される。

ここで、上式（４）の各係数を次の各式（５）のように表す。

測定を開始した測定時刻ｔ₀を基準時刻として任意の時間経過後である測定時刻ｔ₁における対象成分１０Ｇの濃度ΔＣだけ変化したときの光音響信号Ｓ₁₂を取得する。各光音響信号Ｓ₁₂は、次の式（６）で表される。

ここで、光音響信号の共振の影響を排除するための規格化を考える。
まず、時刻ｔ₀で第１光源２の光のみを用いて光音響信号を取得し（図３、ステップＳ９）、波長λ１から変化量Δλだけ波長をシフトさせて、第１光源２で被測定物１０を照射したときの光音響信号を取得する（図３、ステップＳ１０）。

第１光源２の光の波長λ１を変化させる前後での光音響信号は次の式（７）のように表される。

上式（７）を整理すると、各測定時刻ｔ₀、ｔ₁について比例係数Ｆ（ｔ_i）を式（１）により求めることができる。

これらの式（１）を用いて、対象成分１０Ｇの濃度変化ΔＣは次の式（２）のように求めることができる。

以上の手順を各測定時刻ｔ_i（ｉ＝０，１，・・・，ｎ－１）において実施する（図３、ステップＳ８からステップＳ１３）。

次に、本実施の形態に係る成分濃度測定装置１の効果について図６を用いて説明する。図６の横軸は測定時間であり、縦軸は対象成分１０Ｇのグルコース濃度を示している。また、「白丸」で示す点は従来例の成分濃度測定装置２００（図７）による測定結果を示す。「黒丸」で示す点は、本実施の形態に係る成分濃度測定装置１による測定結果を示している。

より詳細には、図６は、温度コントロールを行わずに、環境温により測定を実施した際の測定値の揺らぎの様子を示している。図６からわかるように、本実施の形態に係る成分濃度測定装置１の測定値は、従来例の成分濃度測定装置２００による測定値と比較して、数値の揺らぎが抑えられている。そのため、本実施の形態に係る成分濃度測定装置１では、対象成分１０Ｇの濃度測定値の定量精度が向上することがわかる。

以上説明したように、本実施の形態に係る成分濃度測定装置１は、背景成分の吸光度の温度依存性をキャンセルするため、第１光源２および第２光源３からの波長λ１、λ２の光として、同位相であり、かつ、温度に対して光吸収係数の変化が同程度で互いに異符号である２つの波長の光を用いる。また、光音響信号の共振の影響を排除するために、所定の式を用いて対象成分１０Ｇの濃度変化を規格化する。これにより、生体内成分濃度の定量精度を向上させることができる。

以上、本発明の成分濃度測定装置および成分濃度測定方法における実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

例えば、本実施の形態において、成分濃度測定装置１の各構成要素は配線や光ファイバＯＦを介して互いに接続されて構成される場合について説明した。しかし、成分濃度測定装置１の一部の機能構成を、ネットワーク上のサーバに分散配置してもよい。例えば、波形観測器１３や記録器１４をネットワーク上のサーバに設ける構成を採用してもよい。

また、本実施の形態においては、成分濃度測定装置１は、生体における血液中のグルコース濃度を測定する場合について説明したが、人間または動物に存在する溶液に含まれる成分であればグルコースに限られない。

１…成分濃度測定装置、２…第１光源、３…第２光源、４…発振器、５…遅延調整器、６…第１駆動回路、７…第２駆動回路、８…光合波器、９…光出射部、１０…被測定物、１０Ｇ…対象成分、１０Ｗ…背景成分、１１…音波検出器、１２…位相検波増幅器、１３…波形観測器、１４…記録器、１０１…バス、１０２…演算装置、１０３…ＣＰＵ。１０４…主記憶装置、１０５…通信制御装置、１０６…外部記憶装置、１０６ａ…データ記憶部、１０６ｂ…プログラム格納部、１０７…Ｉ／Ｆ、１０８…表示装置。

Claims (7)

1. 互いに異なる波長の２つの光を同一周波数で、かつ、同じ位相の信号によって強度変調して被測定物に照射する光照射部と、
   前記光照射部による照射によって前記被測定物の内部で発生する光音響波を検出して第１電気信号に変換する検出部と、
   前記第１電気信号の振幅および位相に基づいて、前記被測定物に含まれる対象成分の濃度を求める処理部と、
   を備え、
   前記被測定物に含まれる背景成分に対する前記２つの光の光吸収係数は、温度の変化に対する変化量が等しく、互いに符号が異なる
   ことを特徴とする成分濃度測定装置。
2. 請求項１に記載の成分濃度測定装置において、
   前記光照射部は、さらに、前記同一周波数で、かつ、前記同じ位相の信号によって強度変調された前記２つの光のうちのいずれか一方の光の波長を所定の変化量だけシフトさせた光を前記被測定物に照射し、
   前記検出部は、前記所定の変化量だけ波長をシフトする前と後の前記一方の光を照射して前記被測定物の内部で発生する光音響波をそれぞれ検出して第２電気信号に変換し、
   前記処理部は、前記第２電気信号に基づいて、前記被測定物に含まれる前記対象成分の濃度を規格化する
   ことを特徴とする成分濃度測定装置。
3. 請求項２に記載の成分濃度測定装置において、
   前記処理部は、各測定時刻における前記第１電気信号と前記光照射部によって前記被測定物に照射される光の光パワーとの比例係数を算出して、前記被測定物に含まれる前記対象成分の濃度を規格化する
   ことを特徴とする成分濃度測定装置。
4. 請求項３に記載の成分濃度測定装置において、
   前記処理部は、前記各測定時刻ｔ_iにおける前記比例係数Ｆ（ｔ_i）を次式を用いて求めることを特徴とする成分濃度測定装置。
   

   
5. 請求項１から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２つの光の少なくとも一方は、前記対象成分の呈する吸収が極大となる波長であることを特徴とする成分濃度測定装置。
6. 互いに異なる波長の２つの光を同一周波数で、かつ、同じ位相の信号によって強度変調して被測定物に照射する光照射ステップと、
   前記光照射ステップでの照射によって前記被測定物の内部で発生する光音響波を検出して第１電気信号に変換する検出ステップと、
   前記第１電気信号の振幅および位相に基づいて、前記被測定物に含まれる対象成分の濃度を求める処理ステップと、
   を備え、
   前記被測定物に含まれる背景成分に対する前記２つの光の光吸収係数は、温度の変化に対する変化量が等しく、互いに符号が異なる
   ことを特徴とする成分濃度測定方法。
7. 請求項６に記載の成分濃度測定方法において、
   前記光照射ステップは、前記同一周波数で、かつ、前記同じ位相の信号によって強度変調された前記２つの光のうちのいずれか一方の光の波長を所定の変化量だけシフトさせた光を前記被測定物に照射し、
   前記検出ステップは、前記所定の変化量だけ波長をシフトする前と後の前記一方の光の照射によって前記被測定物の内部で発生する光音響波をそれぞれ検出して第２電気信号に変換し、
   前記処理ステップは、前記第２電気信号に基づいて、前記被測定物に含まれる前記対象成分の濃度を規格化する
   ことを特徴とする成分濃度測定方法。

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