JPS63247652A - 光音響分光方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光音響分光で試料中の物質の濃度を測定する装
置に関する。

（従来の技術） 光音響分光は溶液、液状媒体、ガス状固体等の中の種々
の物質を特定し、分析するのに使用される技術である。

この技術は、それぞれの物資が一定周波数の光エネルギ
ーしか吸収しない性質の分子を持つという事実にもとす
いている。実際の分子組成・構造によってどの周波数が
吸収され、どの周波数が吸収されないかが決定され、そ
れぞれの異なった物質は独自の周波数帯の光エネルギー
を吸収する。厳密に言えば物質ごとに分子構造が異なる
から、光が吸収される周波数のパターンで物質を特定で
きる。更に、吸収の強さは、存在する物質の量（濃度）
に影響される。光の吸収が行なわれると、その光を吸収
した分子が加熱されて音響ショックウェーブを発生する
。このショックウェーブは音響センサーに検知され、そ
ｉｔによって光が吸収されたことが分かる。しかし、加
熱は微々たるもので、また非常に速い。投射された周波
数の光の吸収量、つまり検査されている物質の照射範囲
における濃度が音響信号から判断できる。

実際上、試料は連続的に照射されず、光のパルスまたは
強度変調された光ビームで照射される。

パルス光を使用する場合は一般にオプトアコスティック
分光と呼ばれ、変調光ビームを使用する場合はフォトア
コスティック分光と呼ばれる０本明細書中では両者を含
めた光音響分光という用語を使用する。

多くの緊急を要する、あるいはそうでない医学上の処置
は患者の状態の正確な診断にもとづき、診断が病理検査
に依存する場合がしばしばある。

病理検査はとしては血液ないし尿の検査がある。

典型的な場合、血液試料は分析のために試験所へ送られ
、そこで光学的に検査され、試薬が混ぜられて物質の存
在とその濃度が判定される。これにもとづいて医者が診
断と治療を行なう。

また、血液を頻繁に監視して病状に対する投薬を調整す
ることが必要になる場合も多い。治療が検査結果に最も
依存する病気は糖尿病かも知れない、インシュリンに頼
る重症の糖尿病患者の場合、１時間ごとに血液検査を行
なう必要があろう。

通常、インシュリンに頼っている糖尿病患者は毎週２日
、１日に４回血液のグルコース値を測定しなければなら
ない。

従来、すべての基本的な血液検査は試Ｔ４を取って体外
で分析する形態で行なわれている。全く痛みのない血液
採取手段はないから患者には不快であり、また検査が不
正確になる可能性がある。グルコース測定器等の携帯器
具と反応片を使用して病室で分析を行なえるが、血液採
取に使用する指状「ランス」は痛く、寝ている患者が目
を覚ます。

この処置を危篤の患者に昼夜を問わず半時間ごとに行な
えば、患者は小康状態を得られなくなる。

試験所ではより詳細な病理検査が行なう必要がある。試
料は病院内の異なった場所間を運ばれ、検査結果が得ら
れるまで医者は何時間も待たされることが多い。

尿分析も病理学の重要な部分である。尿の検査は病院の
日常業務の中で血液検査より頻繁に行なわれるが、使用
される技術は能率的に劣る。その作業は以下の手順で行
なわれ、非常に手間ががる。

ａ）患者から試料を採る。

ｂ）職員が時間を割けるときに反応片で基本的検査を行
なってグルコース、ケトン、酸度等の近似値を得る。

Ｃ）更に検査する必要があると認められた試料あるいは
詳細な分析が必要な患者の試料は殺菌された容器に入れ
てラベルを付ける。

ｄ）ラベルが付けられた試料はやがて雑役夫によって試
験所へ運ばれる０時間の経過による試料の劣化のため検
査結果が不明確になり得る。開業医の場合はこの時間の
経過が何日にもなることがある。夜間、試料を冷蔵しな
ければならない場合もよくある。室温では汚染性の有ａ
！ｌ物が増殖し、それによって検査結果が不正確ないし
無効になる可能性がある。

ｅ）試験所では技術者が高価な装置を使用し、かなりの
時間を費やして各試料を検査する。

ｆ）結果が所定の用紙に記録される。記録は処理されて
病棟のファイルに納められるか事務室で保管される。そ
して、検査結果が異常を示す場合は患者の担当医に知ら
され、医者はそれを患者に知らせる。

このような作業は時間と手間がかがる。更に、尿の試験
所で使用される装置は非常に高価で、またコンピユータ
化された試験装置でもがなり労働集約的である。

また、科学や産業において液体の１ヒ学成分を詳細に分
析することが必要とされる場合が無数にある０例えば水
中での汚染物質の拡散を監視する場合は多数の試料を採
取して試験所に運び、数多くの試験を行なわなければな
らない、製造工業においてはサンプリングを頻繁に行な
って、必要に応じて設備を調整しなければならない０食
品加工は流体を大量に扱う典型的な分野であり、流体は
塩度、アルコール、糖分等に関する所定の基準に合った
ものでなくてはならない、従来の手段によるこれらの試
験は時間がかかるため製造工程でより大きな変動が生じ
、製造コストも高くなる。

化学試験はこれまで反応を中心とした試験と、大型で高
価な装置、専門技術者および付帯設備を必要とする分光
法にかなり依存している０時には製造を中断してまでも
試料を取り出さなければならず、またこのサンプリング
から設備調整のためのデータが得られるまでかなり時間
がかかる。従って、−ｍ的には絶対必要な試験のみが行
なわれ、それもできるだけ間隔をあけて実施される。こ
のことは周期的な不正確が容認され、最終製品に「組み
込まれる」ことによって製品の純粋性に顕著なばらつき
が出ることを意味する。各試験結果から次ぎの試験結果
が得られるまでの期間中、製造技術者は事実上盲目状態
で働くことになる。その期虜中、予期しない可変要素に
よって成分が変化した場合かなりの無駄が生じる。現場
で採取した試料は時間がたつと腐敗することがよくある
。

サンプリングから試験まで長時間経過すると実際に分析
が行なわれる前に液体が化学変化するのである。

（発明が解決しようとする課題） 本発明による方法と装置は、前述つ従来欠点を除去する
ためのものである。

（課題を解決するための手段ならびに作用と効果）本発
明は光音響分光によって体液中の物質の濃度を測定する
装置であって、検査を受ける体内へ光を透過させる光源
と体の音響反応を検出する音響センサーとを備えること
によって生体測定が可能な装置を提供する。

また、本発明は体液中の物質の検出において、光音響ス
ペクトルによって生体内の物質を検出することを特徴と
する方法をも提供する。

装置の大きさと形状が携帯に適したものであることが望
ましい、装置を人間または動物の体に取り付けるための
取付は手段、例えばブレスレット、が設けられてもよい
、装置は更に心臓の鼓動を監視する手段を含んでもよく
、これは光音響分光に使用される圧電デバイスの信号を
監視するか血液に吸収される周波数の光の反射率を監視
するフォトダイオードとフォトセルを使用することによ
って達成できる。光音響分光のために光源の通電タイミ
ングを制御する回路が心臓の鼓動に関連けけて光源の通
電タイミングを決定する手段を含んでもよい。

更に、本発明は光音響分光によって試料中の物質の濃度
を測定する装置であって、試料に光を透過させる光源と
試料からの音響反応を検出する音響センサーを含むセン
サーユニットを備え、光源が測定される物質の光音響ス
ペクトルにもとづいて設定されたひとつまたは複数の別
々の周波数で光を発生させる装置を提供する。

光は連続的なものでなくパルス状が望ましく、試料がい
くつかの周波数域の光で照射される場合は全てのパルス
を実質的に同時に、好ましくは１０マイクロ秒の範囲内
で発生させることが望ましい。

光源はハウジングに収納された半導体レーザーであると
好都合で、ハウジングには試料からの音響反応を受け取
る例えば圧電デバイ１スからなる音響センサーも収納さ
れている。音響センサーは光源の周囲に配置されてもよ
く、また出力側を互いに接続されてハウジングに配置さ
れた複数の独立したセンサーからなるものでもよい。

・　　センサーが試料の光反射率測定用の、また別実施
例では光透過率測定用のフォトダイオードとフォトセル
を含んでいる。更に、本装置は試料の温度を測定するた
めの温度センサー、例えば高速半導体デバイス、を含ん
でもよい。

更に、本発明は人間または動物の体内の物質を検出する
装置であって、物質は光音響スペクトルによって検出さ
れ、測定のための体の照射が心臓の鼓動とのタイミング
で制御される装置を提供する。

光音響分光用の光源は測定される物質の光音響スペクト
ルにもとづいて設定されたひとつまたは複数の別々の周
波数で光を発生させることが望ましい。

装置は光音響分光測定の結果を記録する手段と、心臓の
鼓動との関連で測定が行なわれた時を記録する手段を備
えることが望ましい。

種々のダイオードの通電を制御し、信号を解読するマイ
クロプロセサーを設けると好都合である。信号は較正、
表示されるか別のｆｆ１ｌ＋６１１ないし記録器へ転送
できる。従って、本装置は所定の血液成分の濃度を比較
的早くあるいは連続的に表示できる。

マイクロプロセサーはレーザーダイオードの作動不良を
自動的に検知し、ｒ不良」表示を出せることが望ましい
。

レーザーは測定される物質独特の周波数だけでなく、検
査される体の皮膚のレーザー治療用部分にも合わせて同
調されることが望ましい。

従って、本発明によれば、血液、尿、涙管液、骨髄、脳
を髄液、便、異液等、広い範囲の物質を検査できる。更
に、薬、ガス、毒素、汚染物質、金属等の検出、関節炎
、ろうそう、ポルフィリン症、糖尿病、がん、エイズ、
貧血症等の全般的症状の光音響反応パターンの検出、細
菌の検出とその繁殖密度、繁殖段階、種類、抗生物質に
対する反応等の情報の提供に利用できる。

更に、本発明は光音響分光技術を使用した、物質の試験
管内測定用の装置を提供する。この装置では、センサー
が試験管等の容器を受け入れる穴のまわりに配置するこ
とができる。穴には試料の存在を検出する試料センサー
と、試料センサーに応答して他のセンサーを試験管の側
面に接触させる手段が設けられると好都合である。また
、センサーが弾性的に支持され、試料管がセンサーと接
触してハウジングにぴたりとはまる構成でもよい、装置
は独立した携帯用ユニットで、卓上型として使用できる
ことが望ましい、更に、この装置は上述の生体測定用の
装置と同様に、光音響分光に必要なレーザーと圧電セン
サーとは別に種々のセンサーを備えることができる。従
って、試料の光透過率、反射率、温度等が測定される。

信号処理およびレーザー駆動回路は上述のものと大木同
じでよい、この卓上型試験管測定装置は複雑な光音響ス
ペクトルをもつ物質を測定できるように異なる周波数に
おいて発光する複数のレーザーを備えてもよい。

複数のし−ザーが設けられる場合は、レーザーを圧電レ
ーザーからオフセットさせて、つまりどのレーザーも圧
電レーザーに正面から対向しないように配置することが
脳ぞましい、これによって、どのレーザーも圧電レーザ
ーに直接光を発射することがなくなる。　この装置は色
々な合法、非合法の薬のほか、明確な分光特性をもつ金
属、ホルモン、ステロイド等を測定できる。更に、本装
置は体液の寄生物感染と、既に述べた症状の全般的状態
、細菌の検査にも利用できる。

分光検知で捕らえにくい物質の総菜を検知するため、本
発明の装置は試料に試薬を導入する測定サイクルを採用
することができる。試薬によって起こる化学反応は目的
とする物質の存在を著しく「増幅」させる、これは、分
光技術との組合せで試薬の利用範囲を広げ、低濃度ある
いは反応の初期における測定を可能にする。

更に、本発明は連続的な処理工程から試料を採って光音
響分光を行なう装置を提供する。この装置は主処理ライ
ンに連結された試料管を備え、試料管中の試料の流れを
スムーズにして試料中の音響ノイズを減少させる手段を
含むことが望ましい、この手段はバッフルでも、測定の
際に試料管内の流れを一時的に止める手段でもよい、ま
た、光音響分光を行なうために試料管のまわりにレーザ
ーダイオードと圧電トランスジューサの列が配置される
のが望ましい、この装置の信号処理・レーザー駆動部は
発明の第２実施例のものと大体同じである０本発明の分
析回路は連続処理ラインの主制御部にインターフェース
で接続され、これによって連続制御ループが形成される
。

従って、本発明は生産工程と一体的に作用し、その分析
結果は関連化学濃度を左右する設備の電子的調整に使用
することができる。このような使用によって生産工程の
所定段階で迅速なフィードバックが行なわれ、完全に自
動化された品買管理が達成できる。この実施例は石油工
業、ビール工業、そのたの化学処理分野で特に有用であ
る。

これまで述べた本発明の要点を実施するにあたって、装
置は種々の物質を測定するための構成に容易になし得る
。異なる物質は異なる周波数でのレーザー発光を必要と
する。これは、レーザーダイオードと圧電デバイスを差
込み式のモジュールに内蔵することによって対応できる
。モジュールは更に、それが対象とする物質専用の回路
を含んでもよい。また、装置はマイクロプロセサーが設
定間隔で測定値読取りを行なうよう構成してもよい。

上記の試験管測定装置において、使用者または装置にと
って危険な環境へセンサーを延出するために光フアイバ
ー装置を使用することができる。

これによって、レーザーダイオードの出力は試料へ延び
た光フアイバーケーブルと、音響反応を受信して光ファ
イバーを介してそれを分析・処理回路へフィードバック
する小型マイクロフォンに供給される。

更に、上記装置において複数の光源が使用される場合、
光源が位相調整された配列を形成するよう位置づけ制御
することによって試料の異なった部分を測定できる。

更に、本発明は検査を受ける試料内へ光を透過させ、試
料の音響反応を検出することによって光音響分光によっ
て試料中の物質の濃度を測定する方法であって、試料に
あてる光の周波数を測定される物質の光音響スペクトル
にもとづいて設定された複数の別々の周波数の少なくと
も１９に選定することを特徴とする方法を提供する。

複数の別々の周波数のそれぞれにおいて光を、好ましく
はパルス状に、実質的に同時に、好ましく１０マイクロ
秒の範囲内で発生させる。

パルスを実質的に同時に発生させることによる利点はい
くつかある。第１に、試料が異なった光路間を拡散する
に十分な時間がない（これは、レーザー光の影響を受け
そうな試料の場合重要である）、第２の利点として、全
ての測定が短時間内に行なわれるから試料の経時劣化が
抑制されることが挙げられる。第３に、各レーザー間の
音響干渉が減少または除去されるという利点がある。

従って、本発明によれば試料中の物質の存在ないし濃度
を光音響分光法で測定できる。使用される周波数は通常
ＩＲ範囲内、例えば７００〜２５００ｎｍである。周波
数は測定される物質の吸収スペクトルにもとづいて決定
される。大抵の場合、例えば血液のグルコースの測定の
場合、他の物質と区別するためにいくつかの周波数で音
響反応を測定する必要がある。従って、いくつかの異な
った周波数に設定できる同調可能なレーザーかそれぞれ
異なった周波数で発光するいくつかのレーザーが要求さ
れる。また、複数の周波数での測定すればひとつの結果
を別の結果から減算することによって背景ノイズを消去
できる。いくつかのレーザーを使用して、光パルスを実
質的に同時に（数マイクロ秒の範囲内で）発生するよう
制御し、各周波数での測定が実質的に同時に行なわれる
ようにすることが望ましい、これは、時間とともに劣化
し、レーザー光自体によって変化する尿のような試料の
場合特に有効である。従って、本発明において、完全に
連続した周波数で走査されず、測定される物質を検出し
て他の物質と区別するに必要な周波数でのみ光が発生す
る。音響反応は電子処理され、試料中の上記物質の濃度
の読取り値、つまりスペクトログラムではなく評価結果
、を現出する。このことは、本発明の装置が比較的低い
技術レベルの人が使用でき、光音響分光の知識を事実上
必要としないことを意味する。従って、光音響分光技術
が従来に増して広く便利に使用されることになる。

更に、パルス光源の使用はＳＮ比を増加させ、必要に応
じて物質の断層特性（つまり、試料の異なる深さ位置に
おける濃度の表示）が得られる利点がある。

（実施例） 第１．２図は血液中の物質を生体測定するための装置を
示している０両実施例において、光を発生させるレーザ
ーと光によって生じる音響を検出する音響センサーとを
収納した感知ヘッドを皮膚に当てることによって皮膚の
下の血液の分光測定を行なう。第１図の実施例は感知ヘ
ッドが処理・表示回路とともにブレスレットに取り付け
られいるので身に着けたままでいられる。これは血液中
のグルコース値を頻繁にまたは連続的に監視するべき糖
尿病患者等にとって特に便利である。第２図の実施例は
悪用ヘッドがコンソールに納められ、そこに患者が体の
一部、例えば手、を当てる。

感知ヘッドとその制御回路が第６．７図に略示されてい
る。感知ヘッド・１は半導体レーザー６と圧電トランス
ジューサ７を含む、使用時に半導体レーザー６が通電さ
れてレーザー光のパルスを発生し、その光エネルギーを
血液の分子が吸収して加熱される。加熱によって音響波
が生じ、これが圧電トランスジューサ７に検出される。

半導体レーザー６は、主制御装置であるマイクロプロセ
サー１２に接続されたレーザー駆動ユニット８とコント
ローラ１０によって駆動される。圧電トランスジューサ
７からの信号は切替ユニット１４を介して、広帯域ゲー
ト増幅器１６．１８をそれぞれ含む２本の信号径路の一
方に供給される。増幅器１８の出力は分析器１９（これ
はマイクロプロセサー１２の一部であっても別回路であ
ってもよい）による分光分析・処理に使用され、その分
光データはＡ／Ｄコンバータ２０を介してマイクロ１０
セサー１２に供給される。増幅器１６を含む他の信号径
路は患者の心臓の鼓動を示す信号用に使用される。その
信号は１コーパスフイルター２２でノイズを取り除かれ
た後、ピーク検出回路２４とサンプルホールド回路２６
を経てＡ／Ｄコンバータ２０そしてマイクロプロセサー
１２へ供給される。サンプルホールド回路２６の出力は
患者の脈拍の強さを示し、ピーク検出回路２　＝１の出
力（これはマイクロプロセサー１２へも直接供給される
）は心臓の鼓動のピークを示す、コントローラ１０は増
幅器１６．１８をゲートし、ＳＮ比を増すために使用さ
れる。心臓鼓動の信号は半導体レーザー６の通電タイミ
ングの設定に利用できる。

従って、心臓の鼓動の所定時点にレーザー６を作動させ
ること、または心臓の鼓動のどの時点で測定が行なわれ
たか知ること、あるいはその両方が可能である。

ローパスフィルター２２の出力は比較器２８、マイクロ
プロセサー１２およびＤ／Ａコンバータ３０からなるし
きい値設定回路へも供給される。

これによって、心臓鼓動の信号のレベルを設定すること
が可能になる。

上記実施例の改変として、レーザーが周波数同調可能な
レーザーからなり、レーザー周波数を調整して複数の周
波数域での測定を可能にするようコントローラを設ける
構成にしてもよい、また、レーザーに特殊形状のレンズ
を取り付けて光ビームを整形することにより、透過深さ
や強度の制御、波長の選択的ろ過、患者の皮膚の損傷さ
れやすい部位における拡散、検査される組織の深部にお
ける集中、較正データを得るための活性化領域の定員化
等といった特別の透過効果を達成できる。

第１．２図に示す本の二つの実施例の感知ヘッド４には
人体に対する池の色々な測定を行なうためのセンサーが
更に設けられている。第７図に示すように、悪用ヘッド
１１はドライバー４４に駆動される半導体光源３２と、
光検出器３４と、高速温度トランスジューサ３６とを含
む。半導体光源３２と光検出器３４は体の反射率を測定
することによって皮膚の下を流れる血液の量を測定する
ために使用できる。半導体光源３２の周波数は光が血液
に吸収されるように選定され、光検出器３４の信号は皮
下血液の量によって決定する。光検出器３４からの信号
も切替ユニット１４に供給され、既に述べた信号処理回
路で処理される。この信号は皮下血液の量や心臓の鼓動
の測定、あるいは単に装置が患者の木に正しく位置付け
られたの表示に使用される。従って、この信号にもとづ
いて、装置が皮膚に接触しているときのみ回路の他の部
分が通電されるよう制御が行なわれる。また、この信号
は装置が正しく使用されているか否か、光音響測定が有
効か否か等を表す、高速温度トランスジューサ３６は半
導体タイプが望ましく、患者の体温の測定に使用される
。トランスジューサ３６の出力信号は増幅／調整器３８
そしてＡ／Ｄコンバータ２０へ供給され、一連の８ない
し１０ビツトデータワードとしてマイクロプロセサ−１
２へ入力される。

皮下血液の量が測定できるということは患者の血圧も分
かることを意味する。従って、本発明は患者の体を圧迫
せずに血圧を測定する手段をも提供する。

マイクロプロセサー１２は第１．２図に示す操作部４０
と液晶ディスプレイ等の表示部４２に接続されている。

マイクロプロセサー１２は装置を制御し、結果を標準単
位に較正するようプログラムされている。結果は約１０
００の測定値を記憶できるメモリー（図外）に納められ
るとともにディスプレイに表示され、またマイクロプロ
セサー１２は幾つかの分光サイクルの結果の平均を出す
ようプログラムされてもよい。

マイクロプロセサーを使用することによって装置はある
程度の自己較正が行なえる。感知ヘッドから得られる絶
対測定値、は例えば皮膚の厚さ等の患者ごとに異なるい
くつかの要因に影響されることは明らかである。しかし
、所定の値を有し、マイクロプロセサーのメモリーに記
憶されている池の物質からの信号を参照することによっ
て測定値を較正できる。

感知ヘッドの圧電トランスジューサ７は図示のように複
数の独立したトランスジューサでもよ、＜、あるいは例
えば半導体レーザーの回りに設けられた環状のトランス
ジューサでもよい、圧電トランスジューサは測定される
体に密接で直接的な音響カップリングを与えるよう配置
できるという特徴を有する。このことは上述の生体測定
にも、以下に述べる体外測定にも当てはまる。

また、本装置は、患者に対する物質の投与を制御する装
置へデータを送れるようにインターフェース（図外）を
含んでもよい０本装置は、例えば糖尿病患者の血液のグ
ルコース値を監視するために使用でき、その情報は患者
にインシュリンを投与するポンプの制御回路へ送られる
。

第１図の装置は血液のグルコース値を測定するのに特に
適しており、従って血糖含有率を頻繁に監視する必要が
ある糖尿病患者にとって非常に便利である。現在、血糖
含有量は皮膚に穴をあけ、反応片を使用して測定されて
いる。これは汚れる作業であり、特にそれが頻繁に行な
われる場合は苦痛である０本装置は身に付けたままでよ
く、いつでも測定できる。更に、測定結果は装置に記憶
され、患者が故意にまたは無意識に結果を改ざんする心
配はない。本装置は、特に装置の電池レベル、レーザー
ダイオードの状態、装置が皮膚に密着して正しく位置付
けられたか否か、患者の体温、測定が行なわれた心臓の
鼓動の時点等を監視できるので信頼度の高い分光結果を
保証する。この装置は実際の結果と比較するための基準
測定値を記憶させておき、これによって結果の信頼度が
示されるよう構成することもできる。

分光測定が心臓の鼓動と関連づけられることは測定のＳ
Ｎ比が改善できることを意味する。ＳＮ比は表面を連続
的に照射せずにパルスレーザ−を使用することによって
更に改善でき、その使用によって測定される物質の濃度
の断層特性が検出できる。断層特性は音響波の到着とレ
ーザーパルスの終りとの間隔のタイミングを設定するこ
とによって容易に増加させることができる。

以上、血液のグルコース値の測定用装置について説明し
たが、本装置は血液中の他の物質の測定にも適している
。必要に応じて、感知ヘッドにそれぞれが独自の周波数
で作動する複数個のレーザーを設け、レーザーの一部ま
たは全部を同調可能にすることによって複数の周波数域
で同時測定を行なえるように構成することもできる。こ
れは測定される物質の光音響スペクトルが複雑な場合に
必要になり得る。複数個のレーザーを設けた装置では、
これらのレーザーに対応する回路あるいは物質からの信
号を処理する回路をも含む差込み式のモジュールにレー
ザーを収納することができ、これによって装置はいくつ
かの異なる物質のひとつを測定する構成にすることが容
易になる。従って、この装置は血液中の例えばエイズ抗
体等の種々の抗体の検査を行なうようプログラム可能で
ある。このように、本装置は多数の人または動物を短時
間で検査することを可能にし、より良い関康維持計画に
大いに役立つと言えよう。

本発明は試料の体外検査にも適用でき、第３．４．５図
はそのような用途に適した実施例を示す。

第３．４図の実施例は例えば試験管５０内に入れられた
試料を検査するための卓上型装置である。この装置は、
試験管を受け入れる穴と、穴の内面に配置されたラジェ
ータとレシーバの列とを含む試験管用支持具５２を備え
ている。これらのラジェータとレシーバはレーザー５４
と圧電トランスジューサ５６からなる。上記のようにい
くつかの物質を測定する際に複数の周波数域の光に対す
る試料の反応を調べる必要があろうから複数個のレーザ
ーと圧電トランスジューサが設けられる。

各レーザーはひとつの測定用周波数域に同調され、また
レーザーの一部または全部が複数の周波数域で作動する
よう同調可能であってもよい、第３．４図に示すように
、圧電トランスジューサ５６は、オフセットされ、つま
り直接対向しあっておらず、ひとつのレーザー５４から
の光がどの圧電トランスジューサ５６へもまっすぐに到
達しない。

支持具５２は、ディスプレイ６０、操作部６４、そして
オプションとしてのプリンタ６２を含む基台５８に取り
付けられている。基台５８は更に電源回路、信号処理回
路およびマイクロプロセサーを内蔵している。

この装置を制御する電子回路は第６．７図に示すものと
大体同じで、レーザードライバーが複数個のレーザーを
駆動し、それぞれの圧電トランスジューサに対する信号
処理回路が設けられている点のみ異なる。

使用時に、ある周波数域で測定するべきレーザー全て駆
動されてレーザー光パルスを同時あるいは数マイクロ秒
の範囲内で発生させる。従って、異なった周波数域での
測定が全て同時あるいはほとんど時間をおかないで実行
される。これは時間とともに劣化する試料（例えば尿は
劣化が早い）の場合重要である。また、レーザーの作用
によって不純物が生成する試料の場合、不純物がひとつ
のレーザーの光路から池のレーザーの光路へ広がる時間
を与えないことになる。流動する試料、例えば血液等の
流体、の検査の場合、迅速な測定は全ての測定が同一試
料に対して行なわれることを保証する。

レーザーは、既述の生体用の装置と同様に光ビームを整
形して特別な透過効果を得るために特殊形状のレンズを
備えていてもよい。

この装置はひとつの試料について幾つかの異なる物質の
測定ができるよう改変可能である。その場合、各試料独
特の全ての測定周波数域で光を発生させるレーザーを設
けるか同調可能なレーザーを十分な数設けて装置をプロ
グラムし、先ずひとつの特定物質に必要な全ての光の周
波数でレーザーを発光させて音響反応を測定し、次の物
質用の全ての周波数で発光させる、という操作を続けれ
ばよい、また、いくつかの物質を測定するために複数の
異なるレーザーまたは同調可能なレーザーを設けずに、
レーザーと圧電トランスジューサを内蔵する支持具をひ
とつの特定な物質または−組みの物質に必要な全ての周
波数で発光するに十分な数のレーザーを内蔵した差込式
のモジュールに構成できる。このモジュールは特定物質
の検出に適した制御・信号処理回路部分をも内蔵しても
よい、第３．４図の実施例で基台は全ての関連物質の測
定に共通の回路を備えている。モジュールはセンサーか
らの信号を処理し、共通の所定フォーマットでそれらを
基台へ送って表示させる電子回路を含むことができる。

従って、医者、病院の職員等は種々の物質を測定するた
めの卓上型基台と差込みモジュールのセットを便って、
患者から採った試料を迅速、容易に検査し、明瞭な検査
結果を得ることができる。

第３．４図の卓上型装置は生体用装置と同様に他のセン
サーを含んでもよい、つまり、試料の温度を測定する温
度トランスジューサ、フォトダイオード６６と光の透過
率測定用のそれに対向したフォトセルと光の反射率測定
用のそれに隣接した別のフォトセルを含んでもよい。処
理回路はレーザーダイオードの状態を監視して、その作
動不良を使用者に伝える回路を含んでもよい。

この装置は更に、試験管の存在を検知して。

レーザーダイオードと圧電センサーを試験管の側面に密
着させる機構を作動させる圧力検知器を支持具６２の穴
の底部に備えている。

更に、感知ヘッドが可動部分を持たないものに改変でき
る。この場合、センサーはハウジングに弾性的に支持さ
れ、試験管は手でハウジングに押し込められる。

この装置は医療関連以外の試料の検査にも使用できる。

それらの試料としては水（例えば汚染物の測定）、液体
食品成分、産業流体、液体中のガス、農産物、動植物（
殺虫用）等があり、更に固形物でさえもそれを適当な流
体に混合して溶液または懸濁液にして検査できる。また
、上記装置は結果を印刷するプリンタと、それを記憶す
るメモリーを含む。

従って、この卓上型装置は血液、尿、涙管液、骨髄、脳
を髄液、便、異液等の流体を分析するのに便利である０
本装置は試料中の物質の濃度に関して迅速かつ正確な結
果を出し、使用者の熟練を特に必要としない、更に、特
定物質の検出に必要な全ての周波数における測定が同時
またはごく想い時間内に行なわれる事実も結果を正確な
ものにする。そして、物質特有の光音響スペクトルが分
かってさえいれば、本装置はいかなる数の物質あるいは
物資のグループをも検出するようにプログラム化できる
点で柔軟性に富む、検出され得る物質としては病理学、
尿分析に関連する全ての物質が含まれ、それらリストは
マーク・マニュアルオブ・ダイアグノーシス・アンド・
セラビー（ｔｈｅＭｅｒｃｋ　１Ｊａｎｕａｌ　ｏｆ　
Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ａｎｄ　Ｔｈｅｒａｐｙ）第１４
版の２．１８４〜２，２０１ページに載っている０本装
置による検査が有効な他力物質としては、合法的または
非合法に調合された薬、合法または非合法の薬、ガス、
毒素、汚染物、金属、その他の光音響分光で測定できる
ものがある。

この実施例の典型的な用途として装置を病院の各病棟に
備えれば尿（およびその他の体液）の測定を本来の場所
で行なうことができる。これにより、直ちに結果を患者
の記録に書き込める。また、データを例えば病院の中央
管理部のコンピユー化された記録に転送できるようにイ
ンターフェースを備えてもよい。

第５図は工業用のオンライン連続監視システムに特に適
した本発明の別実施例を示す、ここでは第３．４図の実
施例のものと同様のレーザーと圧電トランスジューサの
列が試料管７０の回りに設けられている。試料管７０は
検査される物質を搬送する主処理ラインに分岐管として
連結されている。試料は音響ノイズを発生させないスム
ーズな層流で主処理ラインから試料管７０へ流れ込むよ
う制御されることが望ましい。ノイズの発生が顕著な場
合は試料管にバッフルを設けるか測定の際に流れを一時
的に止める必要があろう。

処理・制御回路は装置本体７８に内蔵され、これらは第
３．４図の実施例と全く同じである。

また、本装置を主処理制御装置に接続して連続制御ルー
プを構成するようにインターフェースを設けることがで
きる。インターフェースによって、主処理制御装置から
、あるいは処理ラインの他のサンプリング箇所からのデ
ータ入力も可能になる。

この装置は光音響スペクトルが分かっている物質を含有
するいかなる試料の検査にも使用でき、特に石油製品の
純度または粘度、塩分、糖分、汚染物質、ワイン、ミル
ク、アルコール、油等の食品産業における液体の濃度、
その他種々の液体を大量処理する分野の懸濁液や溶液の
検査に特に有用である。

ここでも、装置が種々の物質を容易に測定できるように
レーザーと特定試料／物質用の回路を差込み式モジュー
ルに収納、あるいはプログラム可能に構成できる。

また、試料管を主処理ラインの適当箇所に取り付けるこ
とによって本装置を既存の設備に組込むことが容易であ
り、特定の用途に応じてセンサーがセットされ、回路が
プログラムされる。

装置の検出機能に半導体部品が使用される場合、全ての
部品をマイクロチップ上に形成できる。

これによって装置はよりコンパクトで耐久性がよくなる
。

試料を複数の波長で測定する例を説明したが、定量測定
のためには物資をその光音響反応のビークとオフビーク
で測定し、再測定値を組合せて定量値を得るのが望まし
い、オフビーク測定値を参照することによってレーザー
出力の変動や他の光音響上の可変要素に対応することが
できる０例えばグルコースの水溶液を１５８０ｎｍと１
３００ｎｍで測定でき、後者が参照用の値になる。パル
ス間隔が例えば１０マイクロ秒でパルス幅が例えば０．
５マイクロ秒の２つの波長を使用することによって各パ
ルスから音響データが得られ、記憶、処理される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す図、第２図は第２実
施例を示す図、第３図は第３実施例を示す概略側面図、
第４図は第３実施例の環路上面図、第５図は第４実施例
を示す概略図、第６図は電子回路のブロック図、第７図
は電子回路の別のブロック図である。 （４，５２，７２）・・・・・・センサーユニット、（
６，５４，７４）・・・・・・光源、　　（７，５６，
７６）・・・・・・音響センサー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光音響分光によって体液中の物質の濃度を測定する
   装置であって、検査を受ける体内へ光を透過させる光源
   （６、５４、７４）と体の音響反応を検出する音響セン
   サー（７、５６、７６）とを備えることによって生体測
   定が可能な装置。 ２、光源（６、５４、７４）が、測定される物質の光音
   響スペクトルにもとづいて設定された複数の別々の周波
   数の少なくとも１つで光を発生させる請求項１記載の装
   置。 ３、光源（６、５４、７４）が、測定される物質の光音
   響スペクトルにもとづいて設定された複数の別々の周波
   数のそれぞれにおいて光を発生させ、光源が実質的に同
   時にパルス光を発生させるよう光源の通電を制御する手
   段（８）が設けられている請求項２記載の装置。 ４、パルスが１０マイクロ秒の範囲内で発生する請求項
   ３記載の装置。 ５、光音響分光によつて試料中の物質の濃度を測定する
   装置であつて、試料に光を透過させる光源（６、５４、
   ７４）と試料からの音響反応を検出する音響センサー（
   ７、５６、７６）を含むセンサーユニット（４、５２、
   ７２）を備え、光源（６、５４、７４）が、測定される
   物質の光音響スペクトルにもとづいて設定されたひとつ
   または複数の別々の周波数で光を発生させる装置。 ６、光源（６、５４、７４）がパルス光を発生させるよ
   う光源の通電を制御する光源ドライバー（８）が設けら
   れている請求項５記載の装置。 ７、ドライバー（８）が実質的に同時にパルス光を発生
   させるよう光源（６、５４、７４）の通電を制御する請
   求項６記載の装置。 ８、パルスが１０マイクロ秒の範囲内で発生する請求項
   ７記載の装置。 ９、光源（６、５４、７４）が、測定される物質の光音
   響スペクトルにもとづいて設定された複数の別々の周波
   数で光を発生させる請求項５から８のいずれかに記載の
   装置。 １０、センサーユニットが、光源（６）と音響センサー
   （７）が取り付けられた感知面を有する感知ヘッド（４
   ）を構成し、使用時に感知面が人間や動植物の体に接触
   するよう位置することによって物質の生体測定を行なう
   請求項５から９のいずれかに記載の装置。 １１、装置の大きさと形状が携帯に適したものである請
   求項１、２、３または１０に記載の装置。 １２、装置を人間または動物の体に取り付けるための取
   付け手段（３）が設けられている請求項１１記載の装置
   。 １３、取付け手段（３）がブレスレットである請求項１
   ２記載の装置。 １４、人間または動物の体に使用でき、心臓の鼓動を監
   視する手段が設けられた請求項１０から１３のいずれか
   に記載の装置。 １５、前記手段（７）が音響センサーと、音響センサー
   からの信号を処理して心臓の鼓動に関する信号を得る処
   理手段（１６、２２、２４、２６）からなる請求項１４
   記載の装置。 １６、心臓の鼓動に関連付けて光源（６）の通電タイミ
   ングを決定するタイミング手段（１２）が設けられてい
   る請求項１４または１５記載の装置。 １７、心臓の鼓動との関連で光音響測定が行なわれる時
   を記録する記録手段（１２）が設けられている請求項１
   ４から１６のいずれかに記載の装置。 １８、センサーユニットが検査される試料を受け入れる
   ハウジング（５２）に取付けられた請求項５から９のい
   ずれかに記載の装置。 １９、ハウジング（５２）が試料を受け入れる穴を形成
   し、光源（５４）と音響センサー（５６）が穴の内面に
   取り付けられている請求項１８記載の装置。 ２０、ハウジング（５２）が試料の存在を検出する試料
   センサーと、試料センサーに応答してセンサーユニット
   を測定位置へ移動させる手段を含む請求項１８または１
   ９記載の装置。 ２１、装置が独立した携帯用ユニットである請求項１８
   から２０のいずれかに記載の装置。 ２２、試料が通過する入口端と出口端を有する試料管（
   ７０）と、試料管（７０）付近に位置するセンサーユニ
   ット（７２）とを含み、光源（７４）が光を試料管に透
   過させる請求項５から９のいずれかに記載の装置。 ２３、センサーユニット（７２）が試料管（７０）を囲
   んで配置された請求項２２記載の装置。 ２４、試料管（７０）が試料中の音響ノイズを減少させ
   る手段を含む請求項２２または２３記載の装置。 ２５、前記手段が試料管（７０）中の試料の流れをスム
   ーズにする請求項２４記載の装置。 ２６、前記手段が試料管（７０）内に設けられたバッフ
   ルである請求項２４または２５記載の装置。 ２７、前記手段が試料管（７０）の入口および／または
   出口を閉じるバルブである請求項２４記載の装置。 ２８、光源（６、５４、７４）が半導体レーザーである
   請求項１から２７のいずれかに記載の装置。 ２９、音響センサー（７、５６、７６）が圧電デバイス
   である請求項１から２８のいずれかに記載の装置。 ３０、音響センサー（７、５６、７６）がマイクロホン
   である請求項１から２９のいずれかに記載の装置。 ３１、音響センサー（７、５６、７６）が光源（６、５
   ４、７４）を囲んでセンサーユニットに取り付けられた
   請求項１から３０のいずれかに記載の装置。 ３２、音響センサー（７、５６、７６）が出力側を互い
   に接続されてセンサーユニットに取り付けられた複数の
   独立したセンサーからなる請求項１から３１のいずれか
   に記載の装置。 ３３、試料の光透過率を測定できるように照明源（６６
   ）と照度検出器（６８）が配置された請求項１から３２
   のいずれかに記載の装置。 ３４、試料の光透過率を測定できるように照明源（６６
   ）と照度検出器（６８）がセンサーユニト上に配置され
   た請求項１から３３のいずれかに記載の装置。 ３５、センサーユニットに温度センサー（３６）が更に
   取り付けられた請求項１から３４のいずれかに記載の装
   置。 ３６、温度センサー（３６）が半導体デバイスである請
   求項３５記載の装置。 ３７、光音響測定の結果を記憶するためのメモリー手段
   （１２）が更に設けられた請求項１から３６のいずれか
   に記載の装置。 ３８、光音響測定の結果を表示するためのディスプレイ
   手段（４２）が更に設けられた請求項１から３７のいず
   れかに記載の装置。 ３９、光源（６、５４、７４）が使用時に装置に連結さ
   れる取り外し可能なモジュールに内蔵され、測定される
   物質の光音響スペクトルにもとづいて設定された複数の
   別々の周波数の少なくとも１つで光を発生させる光源（
   ６、５４、７４）をそれぞれ有する複数のモジュールが
   設けられた請求項１から３８のいずれかに記載の装置。 ４０、モジュールが測定される物質からの音響信号を処
   理して所定のフォーマットで出力するようプログラムさ
   れた電子回路と、その出力を装置に伝える回路を内蔵す
   る請求項３９記載の装置。 ４１、検査を受ける試料内へ光を透過させ、試料の音響
   反応を検出することによって光音響分光によって試料中
   の物質の濃度を測定する方法であって、試料にあてる光
   の周波数を測定される物質の光音響スペクトルにもとづ
   いて設定された複数の別々の周波数の少なくとも１つに
   選定することを特徴とする方法。 ４２、複数の別々の周波数のそれぞれにおいてパルス光
   を発生させる請求項４１記載の方法。 ４３、パルスが実質的に同時に発生する請求項４２記載
   の方法。 ４４、パルスが１０マイクロ秒の範囲内で発生する請求
   項４３記載の方法。 ４５、人間または動物の体内の物質を検出する装置であ
   って、光音響スペクトルによって物質を検出する手段（
   ６、７、５４、５６、７４、７６）を備え、測定のため
   の体の照射が心臓の鼓動とのタイミングで制御される装
   置。 ４６、体液中の物質の検出する方法であって、光音響ス
   ペクトルによって生体内の物質を検出することを特徴と
   する方法。 ４７、光音響スペクトルを得るための体の照射が心臓の
   鼓動とのタイミングで行なわれる請求項４６記載の方法
   。