JP7127530B2 - 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（光音響信号）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、上述した光音響法による人体を対象とした測定では、音波の計測部を対象となる人体の部位に接触させている。この種の測定では、例えば耳垂（耳たぶ）に検出部を装着する。例えば、一対の保持部材により測定部位を挟持し、一方保持部よりビーム光を測定部位に照射し、他方の保持部材に内蔵されている検出部で光音響信号を検出する。２つの保持部材は、これらを閉じる方向に付勢するコイルバネを外挿する連結部で連結されている。このコイルバネによる閉じる方向の力により、２つの保持部材の間に測定部位が挾まれる。

上述したように、測定部位を保持部材で挾むことで、検出部などの計測部を測定部位に押しつけるようにして装着しているが、体動により、上述した装着状態は変化する。このように装着状態が変化すると、例えば、検出部と測定部位との接触面積が変化し、検出される光音響信号が変化するため、測定誤差が生じてしまう。

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グルコースなどの成分濃度測定における、体動により発生する測定誤差を抑制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、被測定者の測定部位を挟持可能な第１保持部材および第２保持部材からなる一対の保持部材と、測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を第１保持部材より測定部位に向けて出射する光出射部と、第２保持部材に収容されてビーム光が照射され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、第２保持部材と測定部位との間に配置され、測定部位に接して弾性率が一定の状態で弾性変形し、検出部と測定部位との間の音響整合をとる整合部材とを備える。

整合部材は、一対の保持部材によって測定部位が挟持された状態で、第２保持部材と測定部位との間の隙間を埋める。

上記成分濃度測定装置は、第１保持部材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、音響信号を反射する第１反射面を有する第１反射部と、第２保持部材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反射部とから構成され、光音響信号を共鳴させる共鳴器を備え、整合部材は、一対の保持部材によって測定部位が挟持された状態で、第２反射部と測定部位との間の隙間を埋める。

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１反射面は、測定部位に面し、第１反射部は、第１保持部材の側に面し、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さらに備える。

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、第２保持部材に面し、第２保持部材に設けられた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、整合部材は、合成樹脂で構成されたスポンジから構成されている。

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、弾性率が一定の状態で弾性変形し、測定部位との間の音響整合をとる整合部材を用いるので、光音響法による成分濃度の測定における、体動により発生する測定誤差が抑制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１における成分濃度測定装置の一部構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態１における成分濃度測定装置の一部構成を示す構成図である。 図３は、本発明の実施の形態１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４は、本発明の実施の形態１における成分濃度測定装置の一部構成を示す構成図である。 図５は、本発明の実施の形態２における成分濃度測定装置の一部構成を示す構成図である。 図６は、本発明の実施の形態２における成分濃度測定装置の一部構成を示す構成図である。

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説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における成分濃度測定装置について、図１，図２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、整合部材１０３、濃度算出部１０４、記憶部１０５，第１保持部材１１１、および第２保持部材１１２を備える。

第１保持部材１１１と第２保持部材１１２とは、対となって被測定者の測定部１５１を挾むように配置され、測定部位１５１を挟持可能とされている。第１保持部材１１１および第２保持部材１１２は、例えばプラスチックから構成され、直方体状とされている。第１保持部材１１１と第２保持部材１１２とは、連結部１１３により互いに連結されている。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。測定部位１５１は、例えば、耳たぶである。

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を第１保持部材１１１より測定部位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。

この例において、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。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。

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）。グルコースが測定対象物質の場合、光出射部１０１が出射するビーム光１２１は、０．０２秒以上のパルス幅のビーム光とする。

検出部１０２は、第２保持部材１１２に収容されている。検出部１０２は、ビーム光１２１が照射された測定部位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。

第１保持部材１１１と第２保持部材１１２との間に測定部位１５１が挾まれていれば、測定部位１５１にビーム光が入射したことにより発生する光音響信号が、検出部１０２で検出される。このとき、検出部１０２は、光音響信号を測定された時刻情報とともに記憶部１０５に記憶させてもよい。

整合部材１０３は、第２保持部材１１２と測定部位１５１との間に配置され、測定部位１５１に接して弾性率が一定の状態で弾性変形し、検出部１０２と測定部位１５１との間の音響整合をとる。実施の形態１において、整合部材１０３は、第２保持部材１１２と測定部位１５１との間の隙間を埋める。整合部材１０３は、平面視円形や矩形の板状に形成されている。

ここで、光出射部１０１および検出部１０２について、図３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、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、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。パルス生成部１０１ｂは、例えば、光チョッパーから構成できる。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に向けて出射する。

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、同期検波に必要な同期信号を発振器２０９から受信するとともに、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、上記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）。

上述した実施の形態１における成分濃度測定装置では、整合部材１０３を第２保持部材１１２と測定部位１５１との間に挟む。整合部材１０３および測定部位１５１は、コイルバネが外挿された連結部１１３により互いに連結されている第１保持部材１１１と第２保持部材１１２とにより、脱落しない程度の適度な力で挾まれており、整合部材１０３は測定部位１５１に、一定の力で押しつけられている。このように測定部位１５１に押しつけられている整合部材１０３は、弾性率が一定の状態で弾性変形して測定部位１５１に密着する。このため、体動などにより測定部位１５１が変形しても、整合部材１０３と測定部位１５１との接触面積は、常に一定に維持される。

検出部１０２で検出する光音響波は、放射方位によって変化する。このため、再現性の高い正確な測定においては、上述した接触面の大きさを一定に保つことが必要となる。整合部材１０３を用いない場合は、測定部位１５１に、変形しない検出部１０２の検出面が接触して配置される。この場合、検出部１０２を一定の力で測定部位１５１に押しつけていても、体動などにより測定部位１５１が変形すると、接触面積が変化してしまう。これに対し、整合部材１０３を用いることで、前述したように接触面積が常に一定の状態が得られるので、光音響法による再現性の高い正確な測定が実施できるようになる。

整合部材１０３は、例えば、エラストマー、ゲル、合成樹脂で構成された多孔体（スポンジ）などから構成することができる。例えば、シミュレーションによる解析により、所望の弾性率が得られる孔部の密度を計算し、このシミュレーションの結果を反映させた多孔体より整合部材１０３を構成することができる。

また、整合部材１０３は、図４に示すように、風船状の構造とし、圧力制御部３０１と圧力計測部３０２とにより、内部圧力を常に一定とする構成とすることができる。圧力計測部３０２は、整合部材１０３の内部と圧力制御部３０１との間の配管３０３における圧力を計測する。圧力制御部３０１は、圧力計測部３０２が計測する圧力が常に一定となるように、整合部材１０３の内部圧力を制御する。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図５，図６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、整合部材１０３、濃度算出部１０４、記憶部１０５，第１保持部材１１１、および第２保持部材１１２を備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。

実施の形態２では、測定部位１５１を挟んで配置され、光音響信号を共鳴させる共鳴器１０６を備える。共鳴器１０６は、第１反射部１０６ａと第２反射部１０６ｂとから構成されている。第１反射部１０６ａは、第１保持部材１１１と測定部位１５１との間に配置され、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１６１ａを有する。第２反射部１０６ｂは、第２保持部材１１２と測定部位１５１との間に配置され、光音響信号を反射する第２反射面１６１ｂを有する。第１反射面１６１ａと第２反射面１６１ｂとは、互いに平行である。整合部材１０３は、第１保持部材１１１と第２保持部材１１２とによって測定部位１５１が挟持された状態で、第２反射部１０６ｂと測定部位１５１との間の隙間を埋める。

第１反射面１６１ａおよび第２反射面１６１ｂは、測定部位１５１に面している。第１反射部１０６ａは、第１保持部材１１１の側に面して光出射部１０１の光出射端が接する第１接触面１６２ａを有する。また、第２反射部１０６ｂは、検出部１０２の測定部位１５１に面する検出面が接する第２接触面１６２ｂを有する。また、この例では、第１反射面１６１ａと第１接触面１６２ａとの間に空隙１６３ａが形成されている。同様に、第２反射面１６１ｂと第２接触面１６２ｂとの間に空隙１６３ｂが形成されている。

上述したように、第１反射部１０６ａと第２反射部１０６ｂ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１６１ａと第２反射面１６１ｂとの間で反射する。第１反射面１６１ａと第２反射面１６１ｂ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１０６ａと第２反射部１０６ｂとによる共鳴器１０６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１０６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１６２ａと第１反射面１６１ａとの間に空隙１６３ａを設けているので、第１反射面１６１ａ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１６２ｂと第２反射面１６１ｂとの間に空隙１６３ｂを設けているので、第２反射面１６１ｂ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１６３ａ、空隙１６３ｂを設けることで、第１反射面１６１ａ、第２反射面１６１ｂ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１０６ａ、第２反射部１０６ｂ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。

実施の形態２においても、整合部材１０３を用いることで、測定部位１５１との接触面積が常に一定の状態が得られるので、光音響法による再現性の高い正確な測定が実施できるようになる。

以上に説明したように、本発明によれば、弾性率が一定の状態で弾性変形し、測定部位との間の音響整合がとる整合部材を用いるので、光音響法による成分濃度の測定における、体動により発生する測定誤差が抑制できるようになる。

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…整合部材、１０４…濃度算出部、１０５…記憶部、１１１…第１保持部材、１１２…第２保持部材、１１３…連結部、１１４…光ファイバ、１１５…光学系、１１６…反射部、１２１…ビーム光、１５１…測定部位。

Claims (7)

1. 被測定者の測定部位を挟持可能な第１保持部材および第２保持部材からなる一対の保持部材と、
   測定対象の物質が吸収する波長のビーム光を前記第１保持部材より前記測定部位にむけて出射する光出射部と、
   前記第２保持部材に収容されて前記ビーム光が照射され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、
   前記第２保持部材と前記測定部位との間に配置され、前記測定部位に接して弾性率が一定の状態で弾性変形し、前記検出部と前記測定部位との間の音響整合をとる整合部材と、
   前記第１保持部材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、前記第２保持部材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反射部とから構成され、前記光音響信号を共鳴させる共鳴器と
   を備え、
   前記整合部材は、前記一対の保持部材によって前記測定部位が挟持された状態で、前記第２反射部と前記測定部位との間の隙間を埋める
   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１反射面は、前記測定部位に面し、
   前記第１反射部は、
   前記第１保持部材の側に面し、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
   をさらに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２反射面は、前記測定部位に面し、
   前記第２反射部は、
   前記第２保持部材に面し、前記第２保持部材に収容された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。
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、
   前記整合部材は、合成樹脂で構成されたスポンジから構成されてい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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