JP7135837B2

JP7135837B2 - 成分濃度測定装置

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Publication number: JP7135837B2
Application number: JP2018240803A
Authority: JP
Inventors: 大地松永; 雄次郎田中; 倫子瀬山; 昌人中村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2038-12-25
Also published as: JP2020099572A; WO2020137538A1; US20220031200A1

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号公報特開２０１６－１８２１６０号公報

しかしながら、光音響法による人体内のグルコースの測定では、体動により、例えば、装置の取り付け状態が変化し、音響特性が変化する場合がある。このように、音響特性が変化すると、時系列に測定している結果に不連続な点（特異点）が発生し、濃度の変化を正確に把握（監視）することができないという問題がある。

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の変化が、より正確に把握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、光出射部から出射された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時系列に検出する検出部と、被測定者に装着されて加速度を時系列に測定する測定部と、測定部が測定した加速度より被測定者の体動の大きさを求める体動算出部と、体動算出部が求めた体動の大きさが閾値を超えた時点を特異点として抽出する特異点抽出部と、特異点抽出部が抽出した特異点の前後の光音響信号の変化を整合させる整合部とを備える。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、整合部は、特異点抽出部が抽出した特異点の前と後との間の光音響信号の変化量を特異点以降の光音響信号より減算することで、特異点の前後の光音響信号の変化を整合させる。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、特異点抽出部が抽出した特異点の前と後との間の光音響信号の変化量が閾値を超えるか否かを判定する判定部と、特異点抽出部が抽出した特異点の中より、判定部が閾値を超えたと判定した特異点を選択する選択部とを備え、整合部は、選択部が選択した特異点の前後の光音響信号の変化を整合させる。

上記成分濃度測定装置の一構成例において、判定部が閾値を超えないと判定した特異点が発生すると、特異点抽出部における閾値を増加させる閾値制御部を備える。

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、被測定者の体動の大きさを元に決定した特異点の前後の光音響信号の変化を整合させるようにしたので、光音響法による人体内の成分濃度の変化が、より正確に把握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２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４Ａは、測定部１０３で測定した加速度より体動算出部１０４が求めた合成加速度の時系列の変化を示す特性図である。図４Ｂは、判定部１０９および選択部１１０の動作例を説明するための説明図である。図４Ｃは、整合部１０６ａの動作例を説明するための説明図である。

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、測定部１０３、体動算出部１０４、特異点抽出部１０５、整合部１０６、濃度算出部１０７、および記憶部１０８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を被測定者の測定部位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）。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、ビーム光１２１が照射された測定部位から発生する光音響信号を時系列に検出する。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が時系列に検出した光音響信号は、測定された時刻情報とともに記憶部１０８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、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、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。このようにして時系列に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１０８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１０７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、測定部１０３は、被測定者に装着されて加速度を時系列に測定する。測定部１０３は、よく知られた加速度センサから構成され、被測定者に装着されて加速度を測定する。測定部１０３は、互いに直交するＸＹＺ軸の３方向の加速度を周期的に例えば、２５Ｈｚのサンプリングレートで測定することで、加速度の時系列を得る。

体動算出部１０４は、測定部１０３が測定した加速度より被測定者の動作の大きさを示す体動の大きさを求める。例えば、測定部１０３で測定されている３軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）における重力加速度Ｘ、Ｙ、Ｚ［ｍ／ｓ²］の合成加速度を、体動の大きさとする。安静時の合成加速度は、およそ９．８［ｍ／ｓ²］であることが知られている。求められた体動の大きさは、時刻情報とともに記憶部１０８に記憶される。

また、体動算出部１０４は、体動の大きさの指標として、特許文献２に記載されている技術を参考とし、測定部１０３が測定している加速度の時系列データの分散値を用いることもできる。計測開始時刻から加速度データのサンプリング毎に１ずつ増加する正の整数をｉとする（ｉ＝１，２，…）。例えば、ｉ番目の測定時刻ｔ_iにおいて測定部１０３より得られた加速度ノルムの値をａ_i、母集団を時系列の５０点の加速度データ、平均をＡ_i、分散値をＳ_i ²としたとき、以下のように表される。

特異点抽出部１０５は、体動算出部１０４が求めた体動の大きさが閾値を超えた時点を特異点として抽出する。例えば、特異点抽出部１０５は、体動算出部１０４が求めた合成加速度が、あらかじめ設定した閾値から外れた時刻を、特異点として抽出する。抽出した特異点は、例えば、記憶部１０８に記憶される。

整合部１０６は、特異点抽出部１０５が抽出した特異点の前後の光音響信号の変化を整合させる。整合部１０６は、抽出された特異点の前と後との間の光音響信号の変化量を、特異点以降の光音響信号より減算することで、特異点の前後の光音響信号の変化を整合させる。これにより、時系列に測定している結果の中で、不連続な点が抑制できるようになる。

上述した実施の形態１によれば、体動により、例えば、装置の取り付け状態が変化し、音響特性が変化しても、時系列に測定している結果における不連続な点が解消されるようになる。この結果、光音響法による人体内の成分濃度の変化が、より正確に把握できるようになる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２に係る成分濃度測定装置について図３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、測定部１０３、体動算出部１０４、特異点抽出部１０５、整合部１０６ａ、濃度算出部１０７、記憶部１０８、判定部１０９、選択部１１０、および閾値制御部１１１を備える。

光出射部１０１、検出部１０２、測定部１０３、体動算出部１０４、濃度算出部１０７は、前述した実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

判定部１０９は、特異点抽出部１０５が抽出した特異点の前と後との間の光音響信号の変化量が閾値を超えるか否かを判定する。選択部１１０は、特異点抽出部１０５が抽出した特異点の中より、判定部１０９が閾値を超えたと判定した特異点を選択する。この場合、整合部１０６ａは、選択部１１０が選択した特異点の前後の光音響信号の変化を整合させる。

例えば、測定部１０３で測定した加速度より体動算出部１０４が求めた合成加速度（体動）が、図４Ａに示すように、時系列に変化している場合、特異点抽出部１０５は、合成加速度が閾値を超えた時点ｔを特異点として抽出する。

次に、判定部１０９は、まず、図４Ｂの（ａ）に示すように測定されている光音響信号の変化量（微分値）を求める。この場合、図４Ｂの（ｂ）に示すように微分値が求められる。また、判定部１０９は、求めた変化量の時刻ｔにおける値が、閾値を超えているか否かを判断する。この例では、図４Ｂの（ｂ）に示すように、時刻ｔにおける微分値が閾値を越えているので、選択部１１０は、この時点を特異点と選択する。

以上のようにして特異点が選択されると、図４Ｃに示すように、整合部１０６ａが、判定部１０９が求めた変化量を、特異点以降の光音響信号より減算することで、特異点の前後の光音響信号の変化を整合させる。

ところで、特異点抽出部１０５により抽出された特異点が、選択部１１０で選択されない場合、特異点抽出部１０５における閾値とした体動の大きさは、音響特性を変化させるまでの値ではないものと考えることができる。このため、閾値制御部１１１により、判定部１０９が閾値を超えないと判定した特異点が発生すると、特異点抽出部１０５における閾値を増加させる。これにより、特異点抽出部１０５における閾値で、音響特性の変化が発生しているか否かがより正確に判定できるようになる。

以上に説明したように、本発明によれば、被測定者の体動の大きさを元に抽出した特異点の前後の光音響信号の変化を整合させるようにしたので、光音響法による人体内の成分濃度の変化が、より正確に把握できるようになる。

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…測定部、１０４…体動算出部、１０５…特異点抽出部、１０６…整合部、１０７…濃度算出部、１０８…記憶部。

Claims

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時系列に検出する検出部と、
前記被測定者に装着されて加速度を時系列に測定する測定部と、
前記測定部が測定した加速度より前記被測定者の体動の大きさを求める体動算出部と、
前記体動算出部が求めた体動の大きさが閾値を超えた時点を特異点として抽出する特異点抽出部と、
前記特異点抽出部が抽出した特異点の前後の前記光音響信号の変化を整合させる整合部と、
前記特異点抽出部が抽出した特異点の前と後との間の前記光音響信号の変化量が閾値を超えるか否かを判定する判定部と、
前記特異点抽出部が抽出した特異点の中より、前記判定部が閾値を超えたと判定した特異点を選択する選択部と、
前記判定部が閾値を超えないと判定した特異点が発生すると、前記特異点抽出部における閾値を増加させる閾値制御部と
を備え、
前記整合部は、前記選択部が選択した特異点の前後の前記光音響信号の変化を整合させることを特徴とする成分濃度測定装置。
請求項１記載の成分濃度測定装置において、
前記整合部は、前記特異点抽出部が抽出した特異点の前と後との間の前記光音響信号の変化量を特異点以降の前記光音響信号より減算することで、特異点の前後の前記光音響信号の変化を整合させることを特徴とする成分濃度測定装置。
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。
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。