JP7110972B2 - 成分濃度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、成分濃度測定装置に関し、より具体的には、血液中のグルコースなどの成分濃度を非侵襲に測定する成分濃度測定装置に関する。

糖尿病患者に対するインスリンの投与量の決定や、糖尿病の予防などの観点より、血糖値を把握（測定）することが重要となる。血糖値は、血液中のグルコースの濃度であり、この種の成分濃度の測定方法として、光音響法がよく知られている（特許文献１参照）。

生体にある量の光（電磁波）を照射した場合、照射した光は生体に含有される分子に吸収される。このため、光が照射された部分における測定対象の分子は、局所的に加熱されて膨張を起こし、音波を発生する。この音波の圧力は、光を吸収する分子の量に依存する。光音響法は、この音波を測定することにより、生体内の分子の量を測定する方法である。音波は生体内を伝搬する圧力波であり、電磁波に比べ散乱しにくいという特質があり、光音響法は生体の血液成分の測定に適しているものといえる。

光音響法による測定によれば、連続的な血液中のグルコース濃度の監視が可能となる。また、光音響法の測定は、血液サンプルを必要とせず、測定対象者に不快感を与えることがない。

特開２０１０－１０４８５８号公報

ところで、この種の測定において、測定対象者に大きな負荷を与えずに連続的な測定を実施する場合、例えば、測定部位を耳垂（耳たぶ）とし、小型な装置を測定部位に装着することが重要となる。装置を小型にするためには、低消費電力とすることが重要となり、照射する光の強度を高くすることができない。このように、光強度を高くできない状態では、得られる音波（光音響信号）が小さく、高い感度で測定することができない。この結果、測定精度が低下するという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光音響法による人体内の成分濃度が、より正確に測定できるようにすることを目的とする。

本発明に係る成分濃度測定装置は、測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を被測定者の測定部位に照射する光出射部と、ビーム光を照射した測定部位から発生する光音響信号を検出する検出部と、測定部位を挟んで配置されて光音響信号を共鳴させる共鳴器とを備え、共鳴器は、光出射部と測定部位との間に配置されてビーム光を透過するとともに、光音響信号を反射する第１反射面を有する第１反射部と、検出部と測定部位との間に配置されて、光音響信号を反射する第２反射面を有する第２反射部とを有する。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、第１反射面と第２反射面とは、互いに平行である。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、第２反射部と測定部位との間の隙間を埋める音響整合部を備える。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、第１反射面は、測定部位に面し、第１反射部は、光出射部の側に面し、光出射部の光出射端が接する第１接触面と、第１反射面と第１接触面との間に形成された空隙とを備える。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、第２反射面は、測定部位に面し、第２反射部は、検出部の側に面し、検出部の測定部位に面する検出面が接する第２接触面と、第２反射面と第２接触面との間に形成された空隙とを備える。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、光音響信号により物質の濃度を求める濃度算出部を備える。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、物質はグルコースであり、光出射部は、グルコースが吸収する波長のビーム光を照射する。

以上説明したように、本発明によれば、測定部位を挟んで共鳴器を配置したので、光音響法による人体内の成分濃度が、より正確に測定できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における成分濃度測定装置の構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態における成分濃度測定装置のより詳細な構成を示す構成図である。 図３は、本発明の実施の形態における成分濃度測定装置の一部構成を示す断面図である。 図４は、本発明の実施の形態における成分濃度測定装置の一部構成を示す断面図である。 図５は、本発明の実施の形態における成分濃度測定装置の一部構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置について図１を参照して説明する。この成分濃度測定装置は、光出射部１０１、検出部１０２、共鳴器１０３、濃度算出部１０４、および記憶部１０５を備える。

光出射部１０１は、測定対象の物質が吸収する波長のビーム光１２１を生成し、生成したビーム光１２１を測定部位１５１に向けて出射する。例えば、測定対象の物質が血中のグルコースの場合、光出射部１０１は、グルコースが吸収する波長のビーム光１２１を生成する光源部１０１ａと、光源が生成したビーム光１２１を、予め設定されたパルス幅のパルス光とするパルス生成部１０１ｂとを備える。

なお、グルコースは１．６μｍ近傍および２．１μｍ近傍の光の波長帯において吸収特性を示す（特許文献１参照）。パルス生成部１０１ｂにより、上述したパルス状のビーム光１２１とする。グルコースが測定対象物質の場合、光出射部１０１（パルス生成部１０１ｂ）は、０．０２秒以上のパルス幅のビーム光１２１を照射する。

検出部１０２は、光出射部１０１から出射されたビーム光を照射した測定部位１５１から発生する光音響信号を検出する。検出部１０２には、クリスタルマイクロフォン、セラミックマイクロフォン、セラミック超音波センサ等の圧電効果・電歪効果を用いたもの、ダイナミックマイクロフォン、リボンマイクロフォン等の電磁誘導を用いたもの、コンデンサマイクロフォン等の静電効果を用いたもの、磁歪振動子等の磁歪を用いたものを用いることができる。圧電効果を持つものには、例えば周波数平坦型電歪素子（ＺＴ）またはＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの結晶を含むものが例示できる。検出部１０２は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）増幅器を内蔵するＰＺＴから構成することもできる。検出部１０２が検出した光音響信号は、例えば、測定された時刻情報とともに記憶部１０５に記憶される。

ここで、光出射部１０１および検出部１０２について、図２を用いてより詳細に説明する。まず、光源部１０１ａは、第１光源２０１、第２光源２０２、駆動回路２０３、駆動回路２０４、位相回路２０５、合波器２０６を備える。また、検出部１０２は、検出器２０７、位相検波増幅器２０８、発振器２０９を備える。

発振器２０９は、信号線により駆動回路２０３、位相回路２０５、位相検波増幅器２０８にそれぞれ接続される。発振器２０９は、駆動回路２０３、位相回路２０５、位相検波増幅器２０８のそれぞれに信号を送信する。

駆動回路２０３は、発振器２０９から送信された信号を受信して第１光源２０１へ駆動電力を供給し、第１光源２０１より上記信号の周波数に同期して強度変調された光を出射させる。第１光源２０１は、例えば、半導体レーザである。

位相回路２０５は、発振器２０９から送信された信号を受信し、受信した信号に１８０°の位相変化を与えた信号を、信号線を介して駆動回路２０４へ送信する。

駆動回路２０４は、位相回路２０５から送信された信号を受信して第２光源２０２へ駆動電力を供給し、第２光源２０２より上記信号の周波数でかつ位相回路２０５により１８０°の位相変化を受けた信号に同期して強度変調された光を出射させる。
第２光源２０２は、例えば、半導体レーザである。

第１光源２０１および第２光源２０２の各々は、互いに異なる波長の光を出力し、各々が出力した光を光波伝送手段により合波器２０６へ導く。第１光源２０１および第２光源２０２の各々の波長は、一方の光の波長をグルコースが吸収する波長に設定し、他方の光の波長を、水が吸収をする波長に設定する。また、両者の吸収の程度が等しくなるように、各々の波長を設定する。

第１光源２０１の出力した光と第２光源２０２の出力した光は、合波器２０６において合波されて、１の光ビームとしてパルス生成部１０１ｂに入射する。光ビームが入射されたパルス生成部１０１ｂでは、入射した光ビームを所定のパルス幅のパルス光として測定部位１５１に照射する。このようにしてパルス状の光ビームが照射された測定部位１５１では、この内部で光音響信号を発生させる。

検出器２０７は、測定部位１５１で発生した光音響信号を検出し、電気信号に変換して、信号線を介して位相検波増幅器２０８へ送信する。位相検波増幅器２０８は、発振器２０９から送信される同期検波に必要な同期信号を受信するとともに、検出器２０７から送信されてくる光音響信号に比例する電気信号を受信し、同期検波、増幅、濾波を行って、光音響信号に比例する電気信号を出力する。このようにして測定されて処理された電気信号（光音響信号）が、測定された時刻の情報とともに記憶部１０５に記憶される。

位相検波増幅器２０８より出力される信号の強度は、測定部位１５１内の成分（グルコース、水）により吸収された第１光源２０１および第２光源２０２の各々が出力する光の量に比例するので、信号の強度は測定部位１５１内の成分の量に比例する。このように出力される信号の強度の測定値（光音響信号）から、濃度算出部１０４が、測定部位１５１内の血液中の測定対象の物質（グルコース）の成分の量（濃度）を求める。

上記のように、同一の周波数の信号により強度変調された２つの光を用いることで、複数の周波数の信号により強度変調している場合に問題となる、複数の光を用いる場合の周波数特性の不均一性の影響は存在しない。

一方、光音響法による測定において問題となる、光音響信号に存在する非線形的な吸収係数依存性は、上述したように等しい吸収係数を与える複数の波長の光を用いて測定することにより解決できる（特許文献１参照）。

次に、共鳴器１０３は、測定部位１５１を挟んで配置され、上述した光音響信号を共鳴させる。共鳴器１０３は、第１反射部１０３ａと第２反射部１０３ｂとから構成されている。第１反射部１０３ａは、光照射部１０１と測定部位１５１との間に配置されている。また、第１反射部１０３ａは、ビーム光を透過する。第２反射部１０３ｂは、検出部１０２と測定部位１５１との間に配置されている。

成分濃度測定装置は、例えば、図３に示すように、測定部位１５１を挟持可能な一対の第１保持部材１１１、第２保持部材１１２を備える。測定部位１５１は、例えば、耳たぶである。第１保持部材１１１と第２保持部材１１２とは、連結部１１３により連結されている。連結部１１３には、第１保持部材１１１と第２保持部材１１２とを閉じる方向に付勢するコイルバネ（不図示）が外挿されている。このコイルバネによる閉じる方向の力により、第１保持部材１１１と第２保持部材１１２との間に測定部位１５１が挾まれる。

第１保持部材１１１には、光出射部１０１から出射されるビーム光が光ファイバ１１４により導入される。導入されたビーム光は、第１保持部材１１１に内蔵されている光学系１１５を通り、反射部１１６で反射される。第１保持部材１１１と第２保持部材１１２との間に測定部位１５１が挾まれている状態で、反射部１１６で反射されたビーム光は、測定部位１５１に入射する。

第２保持部材１１２には、検出部１０２が内蔵されている。第１保持部材１１１と第２保持部材１１２との間に測定部位１５１が挾まれている状態で、測定部位１５１にビーム光が入射したことにより測定部位１５１から発生する光音響信号が、検出部１０２で検出される。

実施の形態において、第１保持部材１１１と測定部位１５１との間に第１反射部１０３ａが配置され、第２保持部材１１２と測定部位１５１との間に第２反射部１０３ｂが配置される。第１反射部１０３ａは、第１保持部材１１１により測定部位１５１に押しつけられる。第２反射部１０３ｂは、第２保持部材１１２により測定部位１５１に押しつけられる。

図４に示すように、第１反射部１０３ａは、測定部位１５１の側に面し、光音響信号を反射するための第１反射面１３１ａを備える。第１反射面１３１ａは、測定部位１５１に接して配置される。また、第２反射部１０３ｂも、測定部位１５１の側に面し、光音響信号を反射するための第２反射面１３１ｂを備える。第２反射面１３１ｂは、測定部位１５１に接して配置される。第１反射面１３１ａと第２反射面１３１ｂとは、互いに平行である。

一方、第１反射部１０３ａは、光出射部１０１の側に面する第１接触面１３２ａを備える。第１接触面１３２ａには、第１保持部材１１１における光出射部１０１の光出射端となる部分が接触する。また、第２反射部１０３ｂは、検出部１０２の側に面する第２接触面１３２ｂを備える。第２接触面１３２ｂには、検出部１０２の検出面が接する。また、この例では、第１反射面１３１ａと第１接触面１３２ａとの間に空隙１３３ａが形成されている。同様に、第２反射面１３１ｂと第２接触面１３２ｂとの間に空隙１３３ｂが形成されている。

上述したように、第１反射部１０３ａと第２反射部１０３ｂとに挾まれた測定部位１５１では、反射部１１６で反射されたビーム光が入射したことにより発生する光音響信号が、第１反射面１３１ａと第２反射面１３１ｂとの間で反射する。第１反射面１３１ａと第２反射面１３１ｂとが、発生する光音響信号が共鳴（共振）する間隔であれば、第１反射部１０３ａと第２反射部１０３ｂとによる共鳴器１０３で光音響信号が共鳴し、より大きな音圧が得られるようになる。この結果、対象となる成分の濃度が同一であっても、共鳴器１０３がない場合に比較して、検出部１０２ではより大きな信号が検出できるようになり、感度の向上が見込めるようになる。

なお、第１保持部材１１１における光出射部１０１の光出射端となる部分が接触する第１接触面１３２ａと第１反射面１３１ａとの間に空隙１３３ａを設けているので、第１反射面１３１ａにおける光音響信号の反射率の低下が抑制できるようになる。

同様に、検出部１０２の検出面が接する第２接触面１３２ｂと第２反射面１３１ｂとの間に空隙１３３ｂを設けているので、第２反射面１３１ｂにおける光音響信号の反射率の低下が抑制できるようになる。

なお、上述では、直方体状の空間として空隙１３３ａ、空隙１３３ｂを設けることで、第１反射面１３１ａ、第２反射面１３１ｂにおける光音響信号の反射率低下を抑制したが、これに限るものではない。第１反射部１０３ａ、第２反射部１０３ｂを、ソニック結晶などの多孔体から構成し、多孔体により各々の空隙を構成することも可能である。

以上に説明したように、本発明によれば、共鳴器により光音響信号の音圧をより大きくすることができるので、より高感度に光音響信号が検出できるようになり、光音響法による人体内の成分濃度が、より正確に測定できるようにする。

ところで、測定対象の物質がグルコースの場合、得られる光音響信号の波長は２５０～３５０Ｈｚであり、この場合、共鳴する２つの反射部（反射面）の間隔は、５ｍｍ程度となる。一方、例えば、測定部位が耳たぶの場合、厚さが５ｍｍより薄くなる場合がある。

このような場合、図５に示すように、測定部位１５１ａと第２反射部１０３ｂとの間に、音響整合部１０６を配置する。音響整合部１０６は、第２反射部１０３ｂと測定部位１５１との間の隙間を埋める状態に設ける。音響整合部１０６は、測定部位１５１ａに接して設ける。このため、測定部位１５１ａと音響整合部１０６との間で光音響信号が反射することを抑制するために、これらの間で音響整合がとれるように音響インピーダンスが所定の値とされている材料から構成する。

以上に説明したように、本発明によれば、測定部位を挟んで共鳴器を配置したので、光音響法による人体内の成分濃度が、より正確に測定できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…光出射部、１０１ａ…光源部、１０１ｂ…パルス生成部、１０２…検出部、１０３…共鳴器、１０３ａ…第１反射部、１０３ｂ…第２反射部、１０４…濃度算出部、１０５…記憶部。

Claims (7)

1. 測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を被測定者の測定部位に照射する光出射部と、
   前記ビーム光を照射した前記測定部位から発生する光音響信号を検出する検出部と、
   前記測定部位を挟んで配置されて前記光音響信号を共鳴させる共鳴器と
   を備え、
   前記共鳴器は、
   前記光出射部と前記測定部位との間に配置されて前記ビーム光を透過するとともに、前記光音響信号を反射する第１反射面を有する第１反射部と、
   前記検出部と前記測定部位との間に配置されて、前記光音響信号を反射する第２反射面を有する第２反射部と
   を有す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、
   前記第１反射面と前記第２反射面とは、互いに平行であることを特徴とする成分濃度測定装置。
3. 請求項１または２記載の成分濃度測定装置において、
   前記第２反射部と前記測定部位との間の隙間を埋める音響整合部を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   前記第１反射面は、前記測定部位に面し、
   前記第１反射部は、
   前記光出射部の側に面し、前記光出射部の光出射端が接する第１接触面と、
   前記第１反射面と前記第１接触面との間に形成された空隙と
   を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   前記第２反射面は、前記測定部位に面し、
   前記第２反射部は、
   前記検出部の側に面し、前記検出部の前記測定部位に面する検出面が接する第２接触面と、
   前記第２反射面と前記第２接触面との間に形成された空隙と
   を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   前記光音響信号により前記物質の濃度を求める濃度算出部を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
   前記物質はグルコースであり、
   前記光出射部は、グルコースが吸収する波長の前記ビーム光を照射することを特徴とする成分濃度測定装置。

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