JP7134657B2 - Photoacoustic measuring device - Google Patents

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JP7134657B2 JP2018047926A JP2018047926A JP7134657B2 JP 7134657 B2 JP7134657 B2 JP 7134657B2 JP 2018047926 A JP2018047926 A JP 2018047926A JP 2018047926 A JP2018047926 A JP 2018047926A JP 7134657 B2 JP7134657 B2 JP 7134657B2
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Description

本発明は、光音響計測装置関する。
The present invention relates to a photoacoustic measuring device.

生体イメージングの一手法として、光音響効果を利用するものがある。光音響効果とは、生体にレーザ光を照射することにより、生体組織内において光エネルギーを吸収した分子が熱を放出し、その熱による体積膨張で音響波が発生する現象である。このように発生した音響波を、圧電材料などを用いた超音波検出素子で検出する。例えば、小動物を対象として光音響イメージングを適用する例が特許文献1に開示されている。 One method of bioimaging uses the photoacoustic effect. The photoacoustic effect is a phenomenon in which when a living body is irradiated with laser light, molecules that have absorbed light energy in living tissue release heat, and volume expansion due to the heat generates acoustic waves. The acoustic waves generated in this manner are detected by an ultrasonic detection element using a piezoelectric material or the like. For example, Patent Literature 1 discloses an example of applying photoacoustic imaging to small animals.

また、この光音響効果を利用して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研究も進められている。この例が特許文献2に開示されている。特許文献2に開示される成分濃度測定方法においては、2波長のレーザ光を交互に入力すると、測定物が光吸収量の差に応じて音波を生じ、光吸収量が等しいとき(吸収量差がないとき)は音波が生じないことから、2波長のレーザ光の光強度差が濃度によって変化する様子から被測定物の濃度変化を測定するものである。 Research is also underway to noninvasively measure the concentrations of components such as glucose and albumin present in blood using this photoacoustic effect. An example of this is disclosed in Patent Document 2. In the component concentration measuring method disclosed in Patent Document 2, when laser beams of two wavelengths are alternately input, an object to be measured generates sound waves according to the difference in the light absorption amount, and when the light absorption amounts are equal (absorption amount difference When there is no sound wave, the change in density of the object to be measured is measured from the state in which the difference in light intensity of the laser beams of two wavelengths changes depending on the density.

特表2013-500091号公報Japanese Patent Publication No. 2013-500091 特開2016-154584号公報JP 2016-154584 A

光音響効果によって生じる音響波は微弱であるため、音響波の測定を安定して行うことが難しい。このため定量的な分析を行うために必要な精度で測定することが困難である。特許文献2においては微弱な音響波を検出するためにロックインアンプを用いている。このような信号処理によって微弱な信号を精度よく測定することは可能であるが、計測装置の大型化、コスト高につながる。例えば、非侵襲でグルコースの測定が日常的に行えるような計測装置として普及するためには、できるだけ安価、小型の装置で、微弱な信号を精度よく測定することが望まれる。 Since the acoustic waves generated by the photoacoustic effect are weak, it is difficult to stably measure the acoustic waves. Therefore, it is difficult to measure with the accuracy required for quantitative analysis. In Patent Document 2, a lock-in amplifier is used to detect weak acoustic waves. Although it is possible to accurately measure a weak signal by such signal processing, it leads to an increase in the size and cost of the measuring device. For example, in order to spread as a measuring device that can routinely measure glucose in a non-invasive manner, it is desirable to measure a weak signal with high precision using a device that is as inexpensive and small as possible.

一実施の形態である光音響計測装置においては、被検体に光を照射する光源と、光の焦点から発生する音響波を検知する音センサと、音センサの曲率中心が光の焦点と一致またはその近傍に位置するように調整する音路長可変機構とを有する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかにされる。 In a photoacoustic measuring device according to one embodiment, a light source for irradiating a subject with light, a sound sensor for detecting an acoustic wave generated from the focus of the light, and a center of curvature of the sound sensor coinciding with the focus of the light or and a sound path length variable mechanism for adjusting so as to be positioned in the vicinity thereof. Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.

光音響効果によって生じる微弱な音響波の測定を安定して行うことを可能にする。 It enables stable measurement of weak acoustic waves generated by the photoacoustic effect.

実施例1の音響波受信部の概略構成図である。2 is a schematic configuration diagram of an acoustic wave receiving unit of Example 1. FIG. 音センサの配置の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of arrangement|positioning of a sound sensor. 複数の音センサを有する音波受信部の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a sound wave receiving section having a plurality of sound sensors; FIG. 非球面音センサを有する音波受信部の概略構成図である。4 is a schematic configuration diagram of a sound wave receiving section having an aspherical sound sensor; FIG. 音路長可変機構の調整方法について説明する図である。It is a figure explaining the adjustment method of a sound path length variable mechanism. 本実施の形態における光音響計測フローチャートである。It is a photoacoustic measurement flowchart in this Embodiment. 実施例1の音響波受信部を有する光音響計測装置のブロック図である。1 is a block diagram of a photoacoustic measuring device having an acoustic wave receiving unit of Example 1. FIG. 実施例2の音響波受信部の概略構成図である。FIG. 11 is a schematic configuration diagram of an acoustic wave receiving unit of Example 2; 実施例2の音響波受信部を有する光音響計測装置のブロック図である。FIG. 11 is a block diagram of a photoacoustic measuring device having an acoustic wave receiving unit of Example 2; 音路長調整部の制御テーブルの例である。It is an example of a control table of the sound path length adjustment unit. 光源に導光路を設けた音センサの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a sound sensor in which a light guide is provided in a light source; FIG.

発明者らは光音響効果によって生じる音響波を検知する音響波受信部に集音構造をもたせることにより、微弱な音響波を安定的に検出することができることを見出した。 The inventors have found that weak acoustic waves can be stably detected by providing an acoustic wave receiving section for detecting acoustic waves generated by the photoacoustic effect with a sound collecting structure.

図1に実施例1における集音構造を有する音響波受信部の概略構成例を示す。被検体100をはさんで対向するように、光源300と音センサ200とが設けられている。被検体100は例えば、指や耳たぶなどといった軟部組織である。音センサ200はピエゾ素子(PZT)のような圧電セラミック素子であり、球面形状をしている。音センサ200を耳たぶに装着する場合には、耳たぶの裏側に装着することで目立たなくできる。音センサ200には音響整合層201が設けられ、音響整合層201を介して被検体100と接する。音響整合層201は被検体100を通ってきた音響波ができるだけ反射することなく音センサ200に入力されるよう、音響インピーダンスの整合をとるために設けられている。さらに音響整合層201と被検体100との間にゼリーを塗布して使用することで、被検体100と音響整合層201との間での音響波の反射を抑制することができる。音センサ200には音路長可変機構400が設けられ、音センサ200の位置を方向410に沿って移動させることができる。 FIG. 1 shows a schematic configuration example of an acoustic wave receiving section having a sound collecting structure according to the first embodiment. A light source 300 and a sound sensor 200 are provided so as to face each other with the subject 100 interposed therebetween. The subject 100 is, for example, a soft tissue such as a finger or an earlobe. The sound sensor 200 is a piezoelectric ceramic element such as a piezo element (PZT) and has a spherical shape. When the sound sensor 200 is attached to the earlobe, it can be made inconspicuous by attaching it to the back side of the earlobe. The sound sensor 200 is provided with an acoustic matching layer 201 and is in contact with the subject 100 via the acoustic matching layer 201 . The acoustic matching layer 201 is provided to match the acoustic impedance so that the acoustic wave passing through the object 100 is input to the sound sensor 200 with as little reflection as possible. Furthermore, by applying jelly between the acoustic matching layer 201 and the subject 100, reflection of acoustic waves between the subject 100 and the acoustic matching layer 201 can be suppressed. The sound sensor 200 is provided with a sound path length varying mechanism 400 that can move the position of the sound sensor 200 along a direction 410 .

光源300の光の焦点Fから音響波101が発生する(図では簡略化して焦点Fから球面状の音響波101が広がっているように記載しているが、被検体100内の血管等の内部構造の存在、密度の異なる組織の存在により、実際には図に示すような同心円状に広がるわけではない)。本実施の形態の音響波受信部においては、音センサ200の曲率中心Cが光源300の光の焦点Fと一致またはその近傍に位置するように音路長可変機構400により音センサ200の位置を調整することにより、発生する音響波101を効率的に捕捉することが可能になる。なお、上記したように音響波の広がりは被検体の内部構造に依存して様々な変化が生じる。このため、理論的な光の焦点位置そのものではなく、光の焦点位置の近傍が最適点になる場合がある。「一致またはその近傍」とはこのような音響波の変化にかかわらず、光音響計測装置が音響波を計測可能なレベルで捕捉できる位置に音センサを配置することを意味している。 An acoustic wave 101 is generated from the focus F of the light of the light source 300 (in the drawing, the spherical acoustic wave 101 is shown to spread from the focus F for simplification, but the inside of a blood vessel or the like in the subject 100 Due to the presence of structures and tissues with different densities, they do not actually spread concentrically as shown in the figure). In the acoustic wave receiving section of the present embodiment, the position of the sound sensor 200 is adjusted by the sound path length varying mechanism 400 so that the center of curvature C of the sound sensor 200 coincides with or is located near the focal point F of the light of the light source 300. By adjusting, it becomes possible to efficiently capture the generated acoustic wave 101 . As described above, the spread of the acoustic wave varies depending on the internal structure of the subject. Therefore, in some cases, the optimum point is not the theoretical focal position of light itself, but the vicinity of the focal position of light. “Coinciding with or near” means arranging the sound sensor at a position where the photoacoustic measuring device can capture the acoustic wave at a measurable level regardless of such changes in the acoustic wave.

図2に音センサ200の配置に関する変形例を示す。図1に示したように音響波101は光の焦点Fを中心として被検体100の内部に広がっていく。したがって、光源300と音センサ200とを対向させなくてもよい。図2において、音センサ200aは音センサを被検体100の光源300に接する面110に配置した例であり、音センサ200bは音センサを被検体100のさらに別の面111に配置する例である。図では省略したが、音センサ200a、200bはそれぞれ曲率中心Cの位置を調整するための音路長可変機構が設けられ、音センサ200aは方向411に沿って、音センサ200aは方向412に沿って移動可能に構成される。なお、図では音センサ200a、200bの曲率を同じに描いているが、例えば光源300に対する音センサ200bのように、光の焦点Fと音センサとの距離が長くなる場合には、音センサ200bの曲率半径を音センサ200aの曲率半径よりも長くするよう設計することが音響波を集音する観点から望ましい。 FIG. 2 shows a modification regarding the arrangement of the sound sensor 200. As shown in FIG. As shown in FIG. 1, the acoustic wave 101 spreads inside the object 100 around the focal point F of the light. Therefore, the light source 300 and the sound sensor 200 do not have to face each other. In FIG. 2, the sound sensor 200a is an example in which the sound sensor is arranged on the surface 110 of the subject 100 in contact with the light source 300, and the sound sensor 200b is an example in which the sound sensor is arranged on another surface 111 of the subject 100. . Although not shown in the figure, each of the sound sensors 200a and 200b is provided with a sound path length variable mechanism for adjusting the position of the center of curvature C. configured to be movable by In the drawing, the sound sensors 200a and 200b have the same curvature. From the viewpoint of collecting acoustic waves, it is desirable to design the radius of curvature of the sensor 200a so as to be longer than the radius of curvature of the sound sensor 200a.

図3はさらに別の変形例であり、複数の音センサを有する音波受信部の概略構成例である。第1の音センサ200と対向する位置に第2の音センサ200aとを設け、第1の音センサ200及び第2の音センサ200aはそれぞれ音路長可変機構401により方向410に沿って曲率中心C1、曲率中心C2を移動可能に構成されている。このように2つの音センサを用いることにより、より多くの微弱な信号をとらえることが可能になる。なお、この例では2つの音センサを対向する位置関係に設けた例を示したが、これに限られない。例えば、第2の音センサとして図2に示した音センサ200bを用いてもよい。また、被検体100の大きさによっては3つ以上の音センサを用いてもよい。 FIG. 3 shows still another modification, which is a schematic configuration example of a sound wave receiving section having a plurality of sound sensors. A second sound sensor 200 a is provided at a position facing the first sound sensor 200 , and the first sound sensor 200 and the second sound sensor 200 a are each controlled by the sound path length varying mechanism 401 to move the center of curvature along the direction 410 . C1 and the center of curvature C2 are configured to be movable. By using two sound sensors in this way, it becomes possible to capture more faint signals. Although this example shows an example in which two sound sensors are provided in a facing positional relationship, the present invention is not limited to this. For example, the sound sensor 200b shown in FIG. 2 may be used as the second sound sensor. Also, depending on the size of the subject 100, three or more sound sensors may be used.

図4はさらに別の変形例であり、音センサ210はピエゾ素子(PZT)のような圧電セラミック素子であり、非球面形状、この例では楕円球面形状を有している。第1の音センサ210と対向する位置に第2の音センサ210aが設けられ、第1の音センサ210と第2の音センサ210aとは楕円球面260の一部を成す形状を有している。第1の音センサ210及び第2の音センサ210aはそれぞれ音路長可変機構402により方向410に沿って楕円球面260の楕円曲率中心R1、楕円曲率中心R2を移動可能に構成されている。また、第1の音センサ210及び第2の音センサ210aはそれぞれ曲率可変機構403により音センサの曲率を変更し(方向420に沿って広げられる、またはすぼめられる)、楕円球面260の楕円曲率中心R1、楕円曲率中心R2を移動可能に構成されている。図では音路長可変機構402と曲率可変機構403の双方を有する例を示しているが、いずれか一方のみを備えるような構成であってもよい。 FIG. 4 shows yet another variant, in which the sound sensor 210 is a piezoceramic element, such as a piezo element (PZT), having an aspherical shape, in this example an ellipsoidal shape. A second sound sensor 210a is provided at a position facing the first sound sensor 210, and the first sound sensor 210 and the second sound sensor 210a have a shape forming a part of an elliptical spherical surface 260. . The first sound sensor 210 and the second sound sensor 210a are configured to be movable along the direction 410 at the elliptical curvature center R1 and the elliptical curvature center R2 of the ellipsoidal surface 260 by the sound path length variable mechanism 402, respectively. In addition, the first sound sensor 210 and the second sound sensor 210a each change the curvature of the sound sensor (expanded or contracted along the direction 420) by the curvature variable mechanism 403, and the elliptical curvature center of the elliptical sphere 260 R1 and elliptical curvature center R2 are configured to be movable. Although the drawing shows an example in which both the sound path length varying mechanism 402 and the curvature varying mechanism 403 are provided, the configuration may be such that only one of them is provided.

図1~図3においては音響波101が光の焦点を点近似して、光の焦点Fを中心として球面上に伝搬するように示したが、音響波が発生する領域は厳密には1点ではなく、音響波が発生する光の焦点は、光源300の光軸方向を長軸とする楕円体状の領域(ここでは、この領域を「焦点領域」と称する)となる。焦点領域F’の光軸上の広がりが比較的大きい場合は、音響波101の伝搬を球面状よりもむしろ、楕円球面状として近似することが有効である。また、音響波が球面状に伝搬していても、生体内の組織の不均一により楕円球面状に音波面が歪むこともある。このような場合には、楕円球面形状の音センサを用いることにより、球面形状の音センサよりも効果的に音響波を集音することが可能になる。音路長可変機構402及び曲率可変機構403の少なくともいずれかを用いて、楕円曲率中心R1、楕円曲率中心R2の双方が光源300の焦点領域F’に含まれる、またはその近傍に位置するように調整する。これにより、光の焦点領域F’にて発生した音響波101を第1の音センサ210及び第2の音センサ210aにより効率的に捕捉することが可能になる。 In FIGS. 1 to 3, the acoustic wave 101 approximates the focal point of light and is shown as propagating on a spherical surface centering on the focal point F of the light. Instead, the focal point of the light generated by the acoustic wave is an ellipsoidal area (herein, this area is referred to as a "focal area") whose major axis is the optical axis direction of the light source 300 . When the spread of the focal region F' on the optical axis is relatively large, it is effective to approximate the propagation of the acoustic wave 101 as an ellipsoid rather than as a sphere. Moreover, even if the acoustic wave propagates in a spherical shape, the sound wave front may be distorted in an ellipsoidal shape due to non-uniformity of tissues in the living body. In such a case, by using an ellipsoidal sound sensor, it is possible to collect acoustic waves more effectively than a spherical sound sensor. At least one of the sound path length varying mechanism 402 and the curvature varying mechanism 403 is used so that both the elliptical curvature center R1 and the elliptical curvature center R2 are included in the focal region F′ of the light source 300 or located in the vicinity thereof. adjust. This allows the acoustic wave 101 generated in the light focal region F' to be efficiently captured by the first sound sensor 210 and the second sound sensor 210a.

図11に光源からの光を最適に被検体100に入射するための光源300の変形例について説明する。図11は、音センサ200cの音響整合層201に光源300の周囲を取り込むように導光路301が設けられ、導光路の先端は音センサ200cの装着時には被検体100に少しめり込むような状態で装着される。耳たぶに装着する場合には、導光路301がピアス用の穴にフィットする形状、サイズとすることが好ましい。なお、図11は光源が音センサと組み合わせられた例であるが、光源単体の場合も、同様に導光路を設けることで同じ効果が得られる。 FIG. 11 illustrates a modification of the light source 300 for making the light from the light source optimally incident on the subject 100. FIG. In FIG. 11, a light guide path 301 is provided in the acoustic matching layer 201 of the sound sensor 200c so as to take in the surroundings of the light source 300, and the tip of the light guide path is attached in a state that it slightly sinks into the subject 100 when the sound sensor 200c is attached. be done. When attached to the earlobe, it is preferable that the light guide path 301 has a shape and size that fits in a piercing hole. Although FIG. 11 shows an example in which a light source is combined with a sound sensor, the same effect can be obtained in the case of a single light source by similarly providing a light guide path.

以上説明した音響波受信部では音センサの位置を移動させる、または音センサの曲率を変更させることにより、音センサの曲率中心の位置と光源の光の焦点の位置とを調整することで、発生する音響波を集音する。音路長可変機構は移動方向に延在する第1部材と音センサに結合され、かつ第1部材の任意の位置に固定可能な第2部材により構成する。例えば、第1部材としてボルト(ねじ)、第2部材としてナットを使用してもよく、第1部材としてシャフト、第2部材としてラッチを使用してもよい。第2部材を第1部材に沿って移動させ、音センサの曲率中心Cを光の焦点Fに近づけ、固定できればよい。 In the acoustic wave receiving unit described above, by moving the position of the sound sensor or changing the curvature of the sound sensor, the position of the center of curvature of the sound sensor and the position of the focus of the light from the light source can be adjusted. It collects the acoustic waves that The sound path length variable mechanism is composed of a first member extending in the moving direction and a second member coupled to the sound sensor and fixable at any position on the first member. For example, a bolt (screw) may be used as the first member and a nut may be used as the second member, or a shaft may be used as the first member and a latch may be used as the second member. It is only necessary to move the second member along the first member to bring the center of curvature C of the sound sensor closer to the focus F of the light and fix it.

この場合、音路長可変機構により、音響波の受信強度が最も大きくなる位置に音センサの位置を調整する。図5を用いて音センサの位置を粗調整する手法につき、説明する。光の焦点Fと音センサ200までの距離をLとすると、光源300により光を発生させる光信号トリガ501と音センサ200にて受信した受信信号502との時間差TがL/cとなるようにLを定めればよい。ただし、これが最適であるといえるのは、厳密には、被検体100が均質な組織であり、光の焦点Fから発生する音響波101が同心円状に広がっていくという仮定が成立する場合である。このため、簡易的に図5の方法によりLの大きさを求め、必要に応じて音センサの位置を前後に微調整することで位置を調節することが望ましい。あるいは、図4に示した曲率可変機構を有する場合には、曲率可変機構を調節してもよい。曲率可変機構は例えば、PZTを固定する楕円球面形状の支持機構を備え、当該支持機構の開きが任意の位置に固定可能にすることで実現できる。 In this case, the sound path length variable mechanism adjusts the position of the sound sensor to the position where the reception intensity of the acoustic wave is maximized. A method of roughly adjusting the position of the sound sensor will be described with reference to FIG. Assuming that the distance between the focal point of light F and the sound sensor 200 is L, the time difference T between the light signal trigger 501 that generates light from the light source 300 and the received signal 502 received by the sound sensor 200 is L/c. It suffices to determine L. Strictly speaking, however, this is optimal when the subject 100 is a homogeneous tissue and the assumption holds that the acoustic wave 101 generated from the focal point F of the light spreads concentrically. . Therefore, it is desirable to simply obtain the magnitude of L by the method of FIG. 5 and adjust the position by finely adjusting the position of the sound sensor back and forth as necessary. Alternatively, if the variable curvature mechanism shown in FIG. 4 is provided, the variable curvature mechanism may be adjusted. The curvature variable mechanism can be realized, for example, by providing an ellipsoidal support mechanism for fixing the PZT, and by enabling the opening of the support mechanism to be fixed at an arbitrary position.

図6に本実施例における光音響計測方法を示す。計測開始(ステップS01)後、音路長を調整する(ステップS02)。図5にて説明したように、光信号トリガ501と受信信号502との時間差から音路長を求め、必要に応じてさらに微調整を行う。調整の完了は、調整した音路長での音響波の受信強度が最大となることで判断する(ステップS03)。調整した音路長で光音響計測を行い(ステップS04)、アプリケーションに応じた処理を行う。アプリケーションとしては光音響計測結果から被検体のグルコース濃度を計測するといったものが挙げられる。 FIG. 6 shows the photoacoustic measurement method in this embodiment. After starting the measurement (step S01), the sound path length is adjusted (step S02). As described with reference to FIG. 5, the sound path length is obtained from the time difference between the optical signal trigger 501 and the received signal 502, and fine adjustment is performed as necessary. Completion of the adjustment is determined when the reception intensity of the acoustic wave at the adjusted sound path length becomes maximum (step S03). Photoacoustic measurement is performed with the adjusted sound path length (step S04), and processing according to the application is performed. Applications include measuring the glucose concentration of a subject from photoacoustic measurement results.

図7に、図6のフローを実行する、実施例1の音響波受信部を有する光音響計測装置のブロック図を示す。光音響計測装置は、光源300、音センサ200(210)に接続される信号処理部700と、信号処理部700による解析結果を表示したり、信号処理部700への指示を入力したりする表示部・操作部750とを有する。なお、表示部・操作部750はディスプレイによる表示のみならず、音声によるアラームやバイブレータによる振動を用いてユーザに知覚させるものであってもよい。信号処理部700は1または複数のICチップやFPGAにより実装することができ、光送信部701、音波受信部702、アナログ/デジタル変換器(ADC)703、計測処理部704、音路長計測部705、外部I/F(Interface)706を含む。 FIG. 7 shows a block diagram of a photoacoustic measuring device having an acoustic wave receiving unit of Example 1, which executes the flow of FIG. The photoacoustic measurement apparatus includes a signal processing unit 700 connected to a light source 300 and a sound sensor 200 (210), and a display for displaying analysis results by the signal processing unit 700 and inputting instructions to the signal processing unit 700. and an operation unit 750 . It should be noted that the display/operation unit 750 may be configured to make the user perceive using not only the display on the display, but also an audio alarm or vibration using a vibrator. The signal processing unit 700 can be implemented by one or more IC chips or FPGA, and includes an optical transmission unit 701, a sound wave reception unit 702, an analog/digital converter (ADC) 703, a measurement processing unit 704, and a sound path length measurement unit. 705 and an external I/F (Interface) 706 .

計測処理部704は図6に示す光音響計測全体を制御し、ユーザによる操作部750からの指示を外部I/F706を介して受けて、計測を実行する。計測処理部704は光信号トリガを光送信部701に発行し、光送信部701は光信号トリガを受けて光源300を発光させる。音センサ200で受信された音響波は音波受信部702で増幅され、ADC703でデジタル信号に変換される。受信信号は計測処理部704にて解析され、例えばグルコース濃度を計測し、外部I/F706を介して表示部750に表示する。 The measurement processing unit 704 controls the overall photoacoustic measurement shown in FIG. 6, receives instructions from the user from the operation unit 750 via the external I/F 706, and executes measurement. The measurement processing unit 704 issues an optical signal trigger to the optical transmission unit 701, and the optical transmission unit 701 receives the optical signal trigger and causes the light source 300 to emit light. Acoustic waves received by the sound sensor 200 are amplified by the sound wave receiving section 702 and converted into digital signals by the ADC 703 . The received signal is analyzed by the measurement processing unit 704 to measure the glucose concentration, for example, and displayed on the display unit 750 via the external I/F 706 .

また、音路長計測部705は、光信号トリガの発行タイミング情報と音センサ200における音響波受信タイミング情報が入力され、図5にて説明した音路長可変機構の音センサ位置調整情報を生成する。生成した音センサ位置調整情報は外部I/F706を介して表示部750を介して、ユーザに通知される。微調整を行う場合には、ユーザが調整を容易に行えるように、音響波の受信強度をモニタに表したり、アラーム音の大きさや高さにより表したりするとよい。 Further, the sound path length measurement unit 705 receives as input the timing information for issuing the optical signal trigger and the timing information for receiving the acoustic wave in the sound sensor 200, and generates sound sensor position adjustment information for the sound path length varying mechanism described with reference to FIG. do. The generated sound sensor position adjustment information is notified to the user via the display unit 750 via the external I/F 706 . When performing fine adjustment, it is preferable to display the reception intensity of the acoustic wave on a monitor or display the volume and pitch of an alarm sound so that the user can easily perform the adjustment.

図8に第2の実施の形態における集音構造を有する音響波受信部の概略構成例を示す。なお、同一の機能を有する構成要素については、同じ符号を付して重複する説明については省略する。被検体100をはさんで対向するように、光源300と音センサアレイ800とが設けられている。音センサアレイ800はピエゾ素子(PZT)のような圧電セラミック素子801-1~6を柔軟な樹脂基板に1次元または2次元に配列したものである。なお、音センサアレイを構成する素子の数は特に限定されない。これにより、被検体100の形状に沿わせた音センサアレイを実現できる。音センサアレイ800を耳たぶに装着する場合には、耳たぶの裏側に貼り付けることで目立たなくできる。実施例1と同様に音響波の反射を抑制するため、音センサアレイ800には音響整合層810が設けられ、音響整合層810を介して被検体100と接する。さらに音響整合層810と被検体100との間にゼリーを塗布して使用することで、被検体100と音響整合層810との間での音響波の反射を抑制することができる。また、図11により説明したように、光源の周囲を取り込むように導光路を設けることも望ましい。 FIG. 8 shows a schematic configuration example of an acoustic wave receiving section having a sound collecting structure according to the second embodiment. Components having the same function are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. A light source 300 and a sound sensor array 800 are provided so as to face each other with the subject 100 interposed therebetween. The sound sensor array 800 is obtained by arranging piezoelectric ceramic elements 801-1 to 801-6 such as piezoelectric elements (PZT) one-dimensionally or two-dimensionally on a flexible resin substrate. Note that the number of elements forming the sound sensor array is not particularly limited. Thereby, a sound sensor array conforming to the shape of the subject 100 can be realized. When the sound sensor array 800 is attached to the earlobe, it can be made inconspicuous by attaching it to the back side of the earlobe. In order to suppress the reflection of acoustic waves as in the first embodiment, the sound sensor array 800 is provided with an acoustic matching layer 810 and is in contact with the subject 100 through the acoustic matching layer 810 . Furthermore, by applying jelly between the acoustic matching layer 810 and the subject 100, reflection of acoustic waves between the subject 100 and the acoustic matching layer 810 can be suppressed. Also, as described with reference to FIG. 11, it is desirable to provide a light guide path so as to take in the surroundings of the light source.

このように音センサアレイ800の形状を被検体100の形状に沿わせると、通常、曲率半径は大きくなる。音センサアレイ800の曲率中心Cが光源300の光の焦点Fと大きく離れてしまうと、実施例1において説明したように、音響波を効果的に集音することはできない。このため、実施例2では各音センサ素子801-1~6からの信号をそれぞれ遅延させる音路長可変機構820を設け、音センサアレイ800の曲率中心を移動させる。図8に示すように、音路長可変機構820では各音センサ素子801-1~6からの音響波の受信信号をそれぞれτ~τだけ遅延させて、遅延させた各受信信号を合成する。これにより得られる音センサアレイ800の曲率中心C’を光の焦点Fと一致またはその近傍に位置させることが可能になる。 If the shape of the sound sensor array 800 conforms to the shape of the subject 100 in this way, the radius of curvature usually becomes large. If the center of curvature C of the sound sensor array 800 is greatly separated from the light focus F of the light source 300, acoustic waves cannot be effectively collected as described in the first embodiment. Therefore, in the second embodiment, a sound path length variable mechanism 820 is provided to delay the signals from the sound sensor elements 801-1 to 801-6, respectively, and the center of curvature of the sound sensor array 800 is moved. As shown in FIG. 8, the acoustic path length variable mechanism 820 delays the acoustic wave received signals from the sound sensor elements 801-1 to 801-6 by τ 1 to τ 6 respectively, and synthesizes the delayed received signals. do. This allows the center of curvature C' of the resulting sound sensor array 800 to be positioned at or near the focal point F of the light.

なお、音センサアレイ800の音センサ素子として、圧電セラミック素子に代えて、圧電フィルムを用いてもよい。このような圧電フィルムとしては、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)フィルムなどが知られている。圧電フィルムを用いることで、より柔軟に音センサアレイ800を構成でき、音センサアレイを被検体100に密着させることが可能になる。 A piezoelectric film may be used as the sound sensor element of the sound sensor array 800 instead of the piezoelectric ceramic element. As such a piezoelectric film, a PVDF (polyvinylidene fluoride) film and the like are known. By using a piezoelectric film, the sound sensor array 800 can be configured more flexibly, and the sound sensor array can be brought into close contact with the subject 100 .

なお、図8では光源300と音センサアレイ800とを被検体100をはさんで対向するように配置した例を示したが、これに限られない。実施例1に対して、図2~図4に示したと同様の変形例が可能である。実施例1の音センサを実施例2の音センサアレイに置き換え、実施例1の機械的な音路長可変機構を実施例2の電気的な音路長可変機構に置き換えればよい。 Note that FIG. 8 shows an example in which the light source 300 and the sound sensor array 800 are arranged to face each other with the subject 100 interposed therebetween, but the present invention is not limited to this. Modifications similar to those shown in FIGS. 2 to 4 are possible with respect to the first embodiment. The sound sensor array of the first embodiment is replaced with the sound sensor array of the second embodiment, and the mechanical sound path length varying mechanism of the first embodiment is replaced with the electrical sound path length varying mechanism of the second embodiment.

本実施例における光音響計測方法も図6に示した通りである。ただし、後述するように音路長の調整方法(ステップS02)が実施例1とは異なる。 The photoacoustic measurement method in this embodiment is also as shown in FIG. However, as will be described later, the sound path length adjustment method (step S02) is different from that of the first embodiment.

図9に図6のフローを実行する、実施例2の音響波受信部を有する光音響計測装置のブロック図を示す。光音響計測装置は、光源300、音センサアレイ800に接続される信号処理部900と、信号処理部900による解析結果を表示したり、信号処理部900への指示を入力したりする表示部・操作部750とを有する。信号処理部900は1または複数のICチップやFPGAにより実装することができ、光送信部901、音波受信部902、アナログ/デジタル変換器(ADC)903、計測処理部904、音路長調整部905、音路長可変機構820、外部I/F906を含む。 FIG. 9 shows a block diagram of a photoacoustic measuring device having an acoustic wave receiving unit of Example 2, which executes the flow of FIG. The photoacoustic measurement apparatus includes a signal processing unit 900 connected to a light source 300 and a sound sensor array 800, and a display unit for displaying analysis results by the signal processing unit 900 and inputting instructions to the signal processing unit 900. and an operation unit 750 . The signal processing unit 900 can be implemented by one or more IC chips or FPGA, and includes an optical transmission unit 901, a sound wave reception unit 902, an analog/digital converter (ADC) 903, a measurement processing unit 904, and a sound path length adjustment unit. 905 , sound path length variable mechanism 820 , and external I/F 906 .

計測処理部904は図6に示す計測全体を制御し、ユーザによる操作部750からの指示を外部I/F906を介して受けて、計測を実行する。計測処理部904は光信号トリガを光送信部901に発行し、光送信部901は光信号トリガを受けて光源300を発光させる。複数の音センサ素子801で受信された音響波は音波受信部902で増幅され、ADC903でデジタル信号に変換される。受信信号は計測処理部904にて解析され、例えばグルコース濃度を計測し、外部I/F906を介して表示部750に表示する。 A measurement processing unit 904 controls the entire measurement shown in FIG. 6, receives an instruction from the operation unit 750 by the user via the external I/F 906, and executes measurement. The measurement processing unit 904 issues an optical signal trigger to the optical transmission unit 901, and the optical transmission unit 901 receives the optical signal trigger and causes the light source 300 to emit light. Acoustic waves received by the plurality of sound sensor elements 801 are amplified by the sound wave receiving section 902 and converted into digital signals by the ADC 903 . The received signal is analyzed by the measurement processing unit 904 to measure the glucose concentration, for example, and displayed on the display unit 750 via the external I/F 906 .

なお、音路長調整部905は、図10に示す制御テーブル1001を保持している。制御テーブル1001は、例えば、音センサアレイ800の複数の曲率半径(音路長)Lと、Lに対応する音センサ素子801-1~6からの音響波の受信信号の遅延量τ~τが格納されている。音路長調整部905では、制御テーブル1001に従って音センサ素子801-1~6からの信号を遅延させて合成した音響波の受信強度が最大となる組み合わせを見つけ、音路長可変機構820に設定する。光音響計測時には、音センサ素子801-1~6からの受信信号は音路長調整部905で設定された遅延量で遅延された信号が合成されて計測処理部904に受信信号として入力される。なお、この例では音路長の調整をデジタル化した受信信号で行っているが、音波受信部902で増幅されたアナログ受信信号を用いて行ってもよい。 Note that the sound path length adjustment unit 905 holds a control table 1001 shown in FIG. The control table 1001 includes, for example, a plurality of radii of curvature (sound path lengths) L of the sound sensor array 800 and delay amounts τ 1 to τ of received signals of acoustic waves from the sound sensor elements 801-1 to 801-6 corresponding to L. 6 is stored. The sound path length adjustment unit 905 finds a combination that maximizes the reception intensity of the acoustic waves synthesized by delaying the signals from the sound sensor elements 801-1 to 801-6 in accordance with the control table 1001, and sets it in the sound path length variable mechanism 820. do. At the time of photoacoustic measurement, the signals received from the sound sensor elements 801-1 to 801-6 are delayed by the delay amount set by the sound path length adjustment unit 905, and the signals are synthesized and input to the measurement processing unit 904 as received signals. . In this example, the sound path length is adjusted using the digitized received signal, but the analog received signal amplified by the sound wave receiving section 902 may be used.

以下、実施例1及び実施例2にかかる光音響計測装置または光音響計測方法に関する共通事項について説明する。 Common matters regarding the photoacoustic measurement apparatus or the photoacoustic measurement method according to the first and second embodiments will be described below.

光源が照射する光の波長は、紫外光から赤外光まで、計測する用途によって選択することができる。ただし、被検体の光の吸収率や、計測する対象となる生体内物性値、たとえば血液中のヘモグロビン、酸素、グルコースなどの濃度、によって好ましい光の波長が存在する。グルコース計測の場合は、吸収率の大きさから1000nm~2000nmの赤外領域が好ましい周波数領域になる。また、光照射に短パルス光を用いる場合は光集束のエネルギー効率の良い紫外領域を用いることが好ましい場合もある。またヘモグロビンなどの吸収率を考えて可視光領域の波長を用いることが好ましい場合もある。 The wavelength of the light emitted by the light source can be selected from ultraviolet light to infrared light depending on the purpose of measurement. However, there is a preferred wavelength of light depending on the light absorptivity of the subject and the in vivo physical properties to be measured, such as the concentrations of hemoglobin, oxygen, and glucose in blood. In the case of glucose measurement, the infrared region of 1000 nm to 2000 nm is the preferred frequency region due to the large absorption rate. In addition, when short pulse light is used for light irradiation, it may be preferable to use the ultraviolet region, which has good energy efficiency for light convergence. Considering the absorption rate of hemoglobin and the like, it may be preferable to use a wavelength in the visible light region.

また、光照射にはパルス光、連続光のどちらを用いても良い。パルス光を用いる場合、光吸収の時定数を考えると、光吸収による体積膨張は十分短い時間で発生していると考えられ、応力閉じ込め条件はおよそ1μ秒である。よって、光パルスの持続時間は1μ秒以下が好ましい。この光パルスをたとえば数kHzから数100kHzのパルス繰り返し周波数(PRF:Pulse Repetition Frequency)で照射することは一つの好ましい光照射パルス照射方法である。 Either pulse light or continuous light may be used for light irradiation. Considering the time constant of light absorption when pulsed light is used, it is considered that the volume expansion due to light absorption occurs in a sufficiently short time, and the stress confinement condition is about 1 μs. Therefore, the duration of the light pulse is preferably 1 μs or less. Irradiating this light pulse at a pulse repetition frequency (PRF) of, for example, several kHz to several 100 kHz is one preferable light irradiation pulse irradiation method.

一方、連続波を用いる場合は、DC的な印加では音が発生しないため、光の照射強度を時間方向に変化させることで音を発生させる。たとえば光の照射強度を時間方向に正弦波で振動させることでその正弦波の周波数に対応した音響波を得ることができる。たとえば光の照射強度の変調周波数としては、数10kHz以上10MHz以下の周波数が好ましい。 On the other hand, when a continuous wave is used, sound is generated by changing the irradiation intensity of light in the time direction, because DC-like application does not generate sound. For example, an acoustic wave corresponding to the frequency of the sine wave can be obtained by vibrating the irradiation intensity of light in the time direction with a sine wave. For example, the modulation frequency of the irradiation intensity of light is preferably from several tens of kHz to 10 MHz.

光音響効果によって生じる光音響波の周波数は、照射する光のパルス形状や波長などに依存するため、系としての最適周波数は異なる。しかしながら、生体内の音波伝搬の減衰率や音センサの大きさの制約などを考慮すると、数10kHz以上10MHz以下の周波数が好ましい。これは前述した光の照射強度の変調周波数とおおむね一致する。耳たぶなどの軟部組織のグルコース計測などを行う場合には、比較的低い周波数帯域である数10kHz以上1.0MHz以下の周波数が好ましい。 Since the frequency of the photoacoustic wave generated by the photoacoustic effect depends on the pulse shape and wavelength of the irradiated light, the optimum frequency for the system differs. However, considering the attenuation rate of sound wave propagation in the living body, restrictions on the size of the sound sensor, etc., a frequency of several 10 kHz or more and 10 MHz or less is preferable. This roughly coincides with the modulation frequency of the irradiation intensity of light described above. When measuring glucose in a soft tissue such as an earlobe, a relatively low frequency band of several tens of kHz or more and 1.0 MHz or less is preferable.

なお、耳たぶのような軟部組織を被検体として、グルコース濃度などの生体内物性値の計測を行う場合、被検体の厚さは数mm程度である。図3、図4のような音センサを対向させる構造の場合は音センサ間の距離は0.5mm~20mm程度が好ましい。また、単一の音センサ(音センサアレイ)を用いる場合、光照射の深さがおよそ10mm程度以下となるように配置する。10mm以上の深さにはほとんど光のエネルギーが到達しない。 Note that when measuring in vivo physical property values such as glucose concentration using a soft tissue such as an earlobe as a subject, the thickness of the subject is about several millimeters. 3 and 4, the distance between the sound sensors is preferably about 0.5 mm to 20 mm. Also, when using a single sound sensor (sound sensor array), it is arranged so that the depth of light irradiation is about 10 mm or less. Almost no light energy reaches depths greater than 10 mm.

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能なものである。 Although the invention made by the present inventors has been specifically described above based on the embodiment, the invention is not limited to the embodiment, and can be variously modified without departing from the gist of the invention. be.

例えば、被検体の肌の色や環境の変化によって光の吸収率は異なる。このため、光の吸収率に応じたキャリブレーションを行うことが考えられる。この場合、被検体に音響波受信部を装着して受信した音響波の音圧値と水などの基準物質であらかじめ計測した音圧値との比を計算することにより、被検体の吸収係数が概算できる。吸収係数は光の波長と一対一対応しているため、これにより、外乱や被検体を考慮した最適な光の波長を推定することができる。この値を用いて光源が照射する光の波長を微修正すればよい。このとき、光の波長を変えることができない光源である場合は、図6に示した音路長調整において、光の波長と音路長演算との対応関係をあらかじめ計算しておいた補正テーブルや、内部の演算回路などをもちいてキャリブレーションすることで、外乱に応じて最適な音路長を演算したり、各音センサ素子の遅延量を設定する制御テーブル(図10参照)への修正を加えたりすればよい。 For example, the light absorptance varies depending on the color of the subject's skin and changes in the environment. For this reason, it is conceivable to perform calibration according to the light absorptance. In this case, the absorption coefficient of the subject is calculated by calculating the ratio between the sound pressure value of the acoustic wave received by attaching the acoustic wave receiving unit to the subject and the sound pressure value measured in advance using a reference material such as water. can be approximated. Since the absorption coefficient has a one-to-one correspondence with the wavelength of light, it is possible to estimate the optimum wavelength of light in consideration of the disturbance and the subject. This value may be used to slightly modify the wavelength of light emitted by the light source. At this time, if the light source cannot change the wavelength of light, in the sound path length adjustment shown in FIG. , by calibrating using an internal arithmetic circuit, etc., it is possible to calculate the optimum sound path length according to the disturbance, and to modify the control table (see Fig. 10) that sets the delay amount of each sound sensor element. You can add it.

また、本実施例の光音響計測装置は、信号処理部のアナログ信号処理、アナログデジタル変換処理を残し、それ以外の処理をPC(Personal Computer)により実装してもよい。また、信号処理部と表示部・操作部とを一体の筐体に内蔵した装置として実装してもよく、表示部・操作部を携帯電話やタブレットなどの携帯機器の機能を活用して実装してもよい。これにより、インターネット、Web、クラウドを介して遠隔地でもワイヤレスでのリモートコントロールできるIoTデバイスとしても成立する。 Further, in the photoacoustic measurement apparatus of the present embodiment, analog signal processing and analog-to-digital conversion processing of the signal processing unit may be left, and other processing may be implemented by a PC (Personal Computer). In addition, the signal processing unit and the display/operation unit may be mounted as a device built into an integrated housing. may As a result, it can also be established as an IoT device that can be remotely controlled wirelessly even in remote locations via the Internet, the Web, and the cloud.

100:被検体、101:音響波、200,210:音センサ、201,810:音響整合層、300:光源、301:導光路、400,401,402:音路長可変機構、403:曲率可変機構、700,900:信号処理部、701,901:光送信部、702,902:音波受信部、703,903:ADC、704,904:計測処理部、705:音路長計測部、706,906:外部I/F、750:表示部・操作部、800:音センサアレイ、801:音センサ素子、820:音路長可変機構、905:音路長調整部、1001:制御テーブル。 100: Subject, 101: Acoustic wave, 200, 210: Sound sensor, 201, 810: Acoustic matching layer, 300: Light source, 301: Light guide path, 400, 401, 402: Sound path length variable mechanism, 403: Curvature variable mechanism, 700, 900: signal processing unit, 701, 901: optical transmission unit, 702, 902: sound wave reception unit, 703, 903: ADC, 704, 904: measurement processing unit, 705: sound path length measurement unit, 706, 906: external I/F, 750: display/operation unit, 800: sound sensor array, 801: sound sensor element, 820: sound path length varying mechanism, 905: sound path length adjustment unit, 1001: control table.

Claims (4)

被検体に光を照射する光源と、
前記光の焦点から発生する音響波を検知する音センサと、
前記音センサの曲率中心が前記光の焦点と一致またはその近傍に位置するように調整する音路長可変機構とを有し、
前記音センサを複数有し、
前記音路長可変機構は、複数の前記音センサのそれぞれに対し、前記音センサの曲率中心が前記光の焦点と一致またはその近傍に位置するように調整する光音響計測装置。
a light source for irradiating a subject with light;
a sound sensor that detects acoustic waves generated from the focus of the light;
a sound path length variable mechanism that adjusts the center of curvature of the sound sensor to coincide with or be positioned in the vicinity of the focus of the light ;
Having a plurality of sound sensors,
The photoacoustic measuring device , wherein the sound path length varying mechanism adjusts each of the plurality of sound sensors so that the center of curvature of the sound sensor coincides with or is positioned near the focus of the light.
被検体に光を照射する光源と、
前記光の焦点から発生する音響波を検知する音センサと、
前記音センサの曲率中心が前記光の焦点と一致またはその近傍に位置するように調整する音路長可変機構と、
前記音センサと前記被検体をはさんで対向するように配置される別の前記音センサを有し、
前記音センサ及び前記別の前記音センサとはそれぞれ、前記音センサ及び前記別の前記音センサが対向して配置されたときに楕円球面の一部を成す形状を有し、
前記音響波は、前記光源の光軸方向を長軸方向とする領域から発生され、
前記音路長可変機構は、前記楕円球面の2つの楕円曲率中心が前記領域に含まれる、またはその近傍に位置するように調整する光音響計測装置。
a light source for irradiating a subject with light;
a sound sensor that detects acoustic waves generated from the focus of the light;
a sound path length variable mechanism that adjusts the center of curvature of the sound sensor to coincide with or be positioned in the vicinity of the focus of the light;
Having the sound sensor and another sound sensor arranged to face each other with the subject sandwiched therebetween;
each of the sound sensor and the another sound sensor has a shape that forms a part of an elliptical sphere when the sound sensor and the another sound sensor are arranged to face each other;
The acoustic wave is generated from a region whose major axis direction is the optical axis direction of the light source,
The photoacoustic measuring device, wherein the sound path length varying mechanism adjusts the two elliptical curvature centers of the elliptical sphere so that they are included in the region or positioned in the vicinity thereof.
請求項において、
前記音センサ及び前記別の前記音センサの曲率を変更する曲率可変機構を有し、
前記曲率可変機構は、前記楕円球面の2つの楕円曲率中心が前記領域に含まれる、またはその近傍に位置するように調整する光音響計測装置。
In claim 2 ,
Having a curvature variable mechanism for changing the curvature of the sound sensor and the another sound sensor,
The curvature variable mechanism is a photoacoustic measuring device that adjusts the two elliptical curvature centers of the elliptical sphere so that they are included in the region or located in the vicinity thereof.
請求項1~のいずれか1項において、
前記光源及び前記音センサに接続される信号処理部を有し、
前記信号処理部は、
光音響計測を制御する計測処理部と、
前記計測処理部からの光信号トリガを受け、前記光源を発光させる光送信部と、
前記音センサで受信した前記音響波の受信信号を増幅する音波受信部と、
音路長計測部とを有し、
前記音路長計測部は、前記光信号トリガの発行タイミングと前記音センサで受信した前記音響波の受信信号の受信タイミングに基づき、前記音響波の受信強度を最大とする前記光の焦点と前記音センサまでの距離を求める光音響計測装置。
In any one of claims 1 to 3 ,
a signal processing unit connected to the light source and the sound sensor;
The signal processing unit is
a measurement processing unit that controls photoacoustic measurement;
an optical transmission unit that receives an optical signal trigger from the measurement processing unit and causes the light source to emit light;
a sound wave receiving unit that amplifies a received signal of the acoustic wave received by the sound sensor;
and a sound path length measuring unit,
The sound path length measuring unit measures the focal point of the light that maximizes the received intensity of the acoustic wave and the A photoacoustic measuring device that determines the distance to the sound sensor.
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