(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の成分の濃度が既知の被測定物に対して強度変調光を照射する第１の光照射ステップと、
この第１の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第１の光音響信号検出ステップと、
この第１の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の振幅が最大となる変調周波数を第１の周波数として測定する第１の周波数測定ステップと、
前記振幅が最大のときの電気信号の位相を参照位相として測定する第１の位相測定ステップと、
互いに異なる波長の２波の光を前記第１の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、２つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させる第２の光照射ステップと、
この第２の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第２の光音響信号検出ステップと、
この第２の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が０となる第１の変曲点を探索する第２の位相測定ステップと、
前記第１の変曲点における２つの強度変調光の光パワーの差を測定する第１の光パワー測定ステップと、
任意の時間経過後に前記被測定物に対して強度変調光を照射する第３の光照射ステップと、
この第３の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第３の光音響信号検出ステップと、
この第３の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が前記参照位相となる変調周波数を第２の周波数として探索する第２の周波数測定ステップと、
互いに異なる波長の２波の光を前記第２の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、２つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させる第４の光照射ステップと、
この第４の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第４の光音響信号検出ステップと、
この第４の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が０となる第２の変曲点を探索する第３の位相測定ステップと、
前記第２の変曲点における２つの強度変調光の光パワーの差を測定する第２の光パワー測定ステップと、
この第２の光パワー測定ステップで測定した光パワーの差と前記第１の光パワー測定ステップで測定した光パワーの差との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出する濃度導出ステップとを備えることを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の成分濃度測定方法において、
前記第１の光パワー測定ステップは、２つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第１の変曲点における光パワーとの差を測定し、
前記第２の光パワー測定ステップは、２つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第２の変曲点における光パワーとの差を測定することを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の成分濃度測定方法において、
前記濃度導出ステップは、前記光パワーの変化量と初期状態の測定対象の光吸収係数と前記任意の時間経過後の測定対象の光吸収係数変化量とから、測定対象の成分濃度の変化量を求め、この成分濃度の変化量と前記既知の成分濃度とから、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項４】
請求項３記載の成分濃度測定方法において、
さらに、被測定物の光吸収スペクトル測定を行い、測定したスペクトルから前記光吸収係数と前記光吸収係数変化量を求める光吸収スペクトル測定ステップを備えることを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の成分濃度測定方法において、
前記第１、第２の光パワー測定ステップは、２つの強度変調光を放出する２つの光照射手段の駆動電圧の差を光パワーの差として測定し、
前記濃度導出ステップは、駆動電圧差と光パワーの変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記第２の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差と前記第１の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差との変化量から、光パワーの変化量を求めることを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項６】
被測定物に対して光を照射する光照射手段と、
光パワーを制御する光パワー制御手段と、
この光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、
前記電気信号の周波数を測定する周波数測定手段と、
前記電気信号の位相を測定する位相測定手段と、
２つの強度変調光の光パワーの差を測定する光パワー測定手段と、
任意の時間経過後の光パワーの変化量から、測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段とを備え、
前記光照射手段は、第１の時刻において測定対象の成分の濃度が既知の被測定物に対して強度変調光を照射し、第２の時刻において互いに異なる波長の２波の光を第１の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、第３の時刻において前記被測定物に対して強度変調光を照射し、第４の時刻において互いに異なる波長の２波の光を第２の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、
前記光パワー制御手段は、前記第２、第４の時刻において２つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させ、
前記周波数測定手段は、前記第１の時刻において得られた電気信号の振幅が最大となる変調周波数を前記第１の周波数として測定し、前記第３の時刻において得られた電気信号の位相が参照位相となる変調周波数を前記第２の周波数として探索し、
前記位相測定手段は、前記第１の時刻において得られた電気信号の振幅が最大のときの電気信号の位相を前記参照位相として測定し、前記第２の時刻において得られた電気信号の位相が０となる第１の変曲点を探索し、前記第４の時刻において得られた電気信号の位相が０となる第２の変曲点を探索し、
前記光パワー測定手段は、前記第２の時刻において前記第１の変曲点における２つの強度変調光の光パワーの差を測定し、前記第４の時刻において前記第２の変曲点における２つの強度変調光の光パワーの差を測定し、
前記濃度導出手段は、前記第４の時刻において測定された光パワーの差と前記第２の時刻において測定された光パワーの差との変化量から、前記第４の時刻における測定対象の成分濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項７】
請求項６記載の成分濃度測定装置において、
前記光パワー測定手段は、前記第２の時刻において２つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第１の変曲点における光パワーとの差を測定し、前記第４の時刻において２つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第２の変曲点における光パワーとの差を測定することを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項８】
請求項６または７記載の成分濃度測定装置において、
前記濃度導出手段は、前記光パワーの変化量と前記第１の時刻における測定対象の光吸収係数と前記第４の時刻における測定対象の光吸収係数変化量とから、測定対象の成分濃度の変化量を求め、この成分濃度の変化量と前記既知の成分濃度とから、前記第４の時刻における測定対象の成分濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項９】
請求項８記載の成分濃度測定装置において、
さらに、被測定物の光吸収スペクトル測定を行い、測定したスペクトルから前記光吸収係数と前記光吸収係数変化量を求める光吸収スペクトル測定手段を備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項１０】
請求項６乃至９のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
前記光パワー測定手段は、２つの強度変調光を放出する２つの光照射手段の駆動電圧の差を光パワーの差として測定し、
前記濃度導出手段は、駆動電圧差と光パワーの変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記第４の時刻において測定した駆動電圧差と前記第２の時刻において測定した駆動電圧差との変化量から、光パワーの変化量を求めることを特徴とする成分濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、血液の血漿中に存在するグルコースの濃度測定、あるいはそれ以外の血漿中に存在する成分の濃度測定にも適用可能な、光音響法による成分濃度測定方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
糖尿病予防のためには、血漿中に存在するグルコース濃度を正確に測定する必要が有る。糖尿病患者の血糖値を連続モニターするための方法として光音響法があり、簡単にまとめると、以下のような特徴がある。
（ａ）光音響法は、連続的な血液グルコース監視を提供する。
（ｂ）糖尿病患者にとって無痛で、血液サンプルを必要とせず、糖尿病患者に不快感を与えることがない。
（ｃ）他の光学的な技術と比べて、散乱メディアによる効率の悪化がない。
（ｄ）光学と音響学の結合により高感度の特性を得ることができる。
【０００３】
光音響法には、パルス（pulse）法と連続波（continuous-wave、以下ＣＷとする）法の二つの方式がある。パルス法には、高感度を得るために高い光パワーを使わなければいけないという欠点があった。一方、ＣＷ法には、反射表面のところの特性が変わると信号強度も変わる、すなわち再現性がないという欠点があった。しかし、高い光パワーは人体にとって安全性の面で問題になる可能性があるので、ＣＷ法を採用することが好ましい（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。パルス法やＣＷ法では、音響波の振幅が成分濃度と比例することを利用して、成分濃度を定量している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２５５４２号公報
【特許文献２】特開２００８−１２５５４３号公報
【特許文献３】特開２００８−１４５２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のパルス法やＣＷ法では、数回にわたる血漿中のグルコース濃度測定中に、グルコース濃度以外の他の血漿中パラメータ（例えば体温や、他の成分の濃度等）も変わる可能性が高いので、グルコース選択性が悪く、正確なグルコース濃度を得ることが難しいという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、血液グルコース濃度等の成分濃度を高い精度で測定することができる成分濃度測定方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の成分濃度測定方法は、測定対象の成分の濃度が既知の被測定物に対して強度変調光を照射する第１の光照射ステップと、この第１の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第１の光音響信号検出ステップと、この第１の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の振幅が最大となる変調周波数を第１の周波数として測定する第１の周波数測定ステップと、前記振幅が最大のときの電気信号の位相を参照位相として測定する第１の位相測定ステップと、互いに異なる波長の２波の光を前記第１の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、２つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させる第２の光照射ステップと、この第２の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第２の光音響信号検出ステップと、この第２の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が０となる第１の変曲点を探索する第２の位相測定ステップと、前記第１の変曲点における２つの強度変調光の光パワーの差を測定する第１の光パワー測定ステップと、任意の時間経過後に前記被測定物に対して強度変調光を照射する第３の光照射ステップと、この第３の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第３の光音響信号検出ステップと、この第３の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が前記参照位相となる変調周波数を第２の周波数として探索する第２の周波数測定ステップと、互いに異なる波長の２波の光を前記第２の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、２つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させる第４の光照射ステップと、この第４の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第４の光音響信号検出ステップと、この第４の光音響信号検出ステップで得られた電気信号の位相が０となる第２の変曲点を探索する第３の位相測定ステップと、前記第２の変曲点における２つの強度変調光の光パワーの差を測定する第２の光パワー測定ステップと、この第２の光パワー測定ステップで測定した光パワーの差と前記第１の光パワー測定ステップで測定した光パワーの差との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出する濃度導出ステップとを備えることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の成分濃度測定方法の１構成例において、前記第１の光パワー測定ステップは、２つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第１の変曲点における光パワーとの差を測定し、前記第２の光パワー測定ステップは、２つの強度変調光のうち一方の強度変調光の光パワーのみを変化させる場合、この一方の強度変調光について変化前の初期の光パワーと前記第２の変曲点における光パワーとの差を測定することを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定方法の１構成例において、前記濃度導出ステップは、前記光パワーの変化量と初期状態の測定対象の光吸収係数と前記任意の時間経過後の測定対象の光吸収係数変化量とから、測定対象の成分濃度の変化量を求め、この成分濃度の変化量と前記既知の成分濃度とから、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定方法の１構成例は、さらに、被測定物の光吸収スペクトル測定を行い、測定したスペクトルから前記光吸収係数と前記光吸収係数変化量を求める光吸収スペクトル測定ステップを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定方法の１構成例において、前記第１、第２の光パワー測定ステップは、２つの強度変調光を放出する２つの光照射手段の駆動電圧の差を光パワーの差として測定し、前記濃度導出ステップは、駆動電圧差と光パワーの変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記第２の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差と前記第１の光パワー測定ステップで測定した駆動電圧差との変化量から、光パワーの変化量を求めることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の成分濃度測定装置は、被測定物に対して光を照射する光照射手段と、光パワーを制御する光パワー制御手段と、この光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、前記電気信号の周波数を測定する周波数測定手段と、前記電気信号の位相を測定する位相測定手段と、２つの強度変調光の光パワーの差を測定する光パワー測定手段と、任意の時間経過後の光パワーの変化量から、測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段とを備え、前記光照射手段は、第１の時刻において測定対象の成分の濃度が既知の被測定物に対して強度変調光を照射し、第２の時刻において互いに異なる波長の２波の光を第１の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、第３の時刻において前記被測定物に対して強度変調光を照射し、第４の時刻において互いに異なる波長の２波の光を第２の周波数で且つ異なる位相の信号によりそれぞれ強度変調して前記被測定物に照射し、前記光パワー制御手段は、前記第２、第４の時刻において２つの強度変調光のうち少なくとも一方の強度変調光の光パワーを漸次変化させ、前記周波数測定手段は、前記第１の時刻において得られた電気信号の振幅が最大となる変調周波数を前記第１の周波数として測定し、前記第３の時刻において得られた電気信号の位相が参照位相となる変調周波数を前記第２の周波数として探索し、前記位相測定手段は、前記第１の時刻において得られた電気信号の振幅が最大のときの電気信号の位相を前記参照位相として測定し、前記第２の時刻において得られた電気信号の位相が０となる第１の変曲点を探索し、前記第４の時刻において得られた電気信号の位相が０となる第２の変曲点を探索し、前記光パワー測定手段は、前記第２の時刻において前記第１の変曲点における２つの強度変調光の光パワーの差を測定し、前記第４の時刻において前記第２の変曲点における２つの強度変調光の光パワーの差を測定し、前記濃度導出手段は、前記第４の時刻において測定された光パワーの差と前記第２の時刻において測定された光パワーの差との変化量から、前記第４の時刻における測定対象の成分濃度を導出することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、２つの強度変調光の波長を適宜選択することで、濃度と光パワーとの関係の特性の勾配に異なる物質間で差を生じさせることが可能となる。したがって、本発明では、特定の測定対象に対するセンサ反応が最大となるように光波長を適宜選択することで、測定対象の選択性を向上させることができ、異なる複数の物質を含む被測定物において測定対象の成分濃度を高い精度で測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】近赤外スペクトルの範囲内の光波長におけるグルコース水溶液とアルブミン水溶液の吸収スペクトルを示す図である。
【図２】従来の成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。
【図３】図２の成分濃度測定装置によって得られた血液グルコース濃度と光音響信号の最大振幅との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の情報処理装置の構成を示すブロック図である。
【図６】異なる波長の２つの光によって音響波が生成される様子を説明する図である。
【図７】被測定物の血液グルコース濃度が参照血液グルコース濃度のときに光パワーを変えたときの光音響信号の振幅と位相を示す図である。
【図８】被測定物の血液グルコース濃度およびアルブミン濃度が変化したときに光パワーを変えたときの光音響信号の振幅と位相を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置でグルコース濃度とアルブミン濃度を測定した結果を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の測定結果を示す図および測定結果の拡大図である。
【図１２】光パワーバランス−位相特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［発明の原理］
本発明では、血液グルコース濃度を正確に測定するために、光音響信号の振幅が光吸収係数に依存する原理を利用して、光波長によりグルコース選択性が良くなる新しい成分濃度測定方法であるOptical Power Balance Shift方法（以下、ＯＰＢＳ方法と省略）を提案する。
【００１３】
本発明の測定方法は、光波長が異なり位相差がπの２つの光ビームのパワーを増減させながら、光音響信号の振幅が極小な箇所の位相の変曲点を探して、その結果から血液中に溶解している分子濃度を測る方法である。この方法は血漿中のグルコース成分だけではなく、他の血漿成分（アルブミンやコレステロールなど）の検出法として適用を拡大することもできる。
その検出法のコンセプトを説明するために以下に理論式を使う。光音響信号強度Ｓは次式のように表すことができる。
【００１４】
【数１】
0005411180.tif 000002
【００１５】
ここで、Ｋは定数、βは被測定物の熱膨張係数、ｖは音速、ｎはセットアップに依存する実験系パラメータ、Ｃpは被測定物の比熱、αは被測定物の光吸収係数、Ｐは光パワーである。
また、２つの差分信号の設定を使った場合、光音響信号強度Ｓは次式のように表すことができる。
【００１６】
【数２】
0005411180.tif 000003
【００１７】
式（２）におけるＰ1，Ｐ2は光パワー、α1，α2はそれぞれ光パワーがＰ1，Ｐ2の光に対する被測定物の光吸収係数である。
課題となるのは、定数Ｋ、熱膨張係数β、音速ｖ、比熱Ｃpといったパラメータが、温度または混合物の濃度に依存するため、光音響信号強度Ｓをそのまま血液グルコース濃度の算出に使えないことである。このような依存性を抑えるために、特許文献１に開示された測定方法では、一方の波長の信号で規格化（Normalization）を行った。
【００１８】
これに対して、本発明の測定方法では、２つの光ビームのうち一方の光ビームのパワー（例えばＰ1）を変えながら、光音響信号強度Ｓが最低となる光パワーＰ1を探す。理論的には、光音響信号強度Ｓの最低値は０であるが、実験的には、ノイズが存在するため、０にはならない。このときの光音響信号強度Ｓは１波長の光ビームを用いる場合の光音響信号強度よりもおよそ１００倍小さくなる。簡単に説明をするために、ここではノイズを無視して、光音響信号強度Ｓを０とする。Ｓ＝０の場合には、次式のように新しい理論式が書ける。
α1Ｐ1−α2Ｐ2＝０                                              ・・・（３）
【００１９】
測定したい成分の濃度が変化した場合、例えば血液グルコース濃度がＣgだけ変化し、この濃度変化により光吸収係数α1，α2がそれぞれδα1，δα2だけ変化した場合、式（３）が成立する状態から式（４）の状態に変化する。
（α1＋δα1Ｃg）Ｐ1−（α2＋δα2Ｃg）Ｐ2≠０                  ・・・（４）
【００２０】
Ｓ＝０の状態に戻すために一方の光ビームのパワー（例えばＰ1）を変えると次式が成立する。
（α1＋δα1Ｃg）（Ｐ1＋δＰ1）−（α2＋δα2Ｃg）Ｐ2＝０       ・・・（５）
式（５）より次式が得られる。
【００２１】
【数３】
0005411180.tif 000004
【００２２】
式（５）、式（６）におけるδＰ1は光パワーＰ1の変化量である。式（６）より、本発明では、光パワーの変化量δＰ1と既知の光吸収係数α1，α2および光吸収係数変化量δα1，δα2から血液グルコース濃度を測ることができることが分かる。
【００２３】
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は近赤外スペクトルの範囲内の光波長におけるグルコース水溶液とアルブミン水溶液の吸収スペクトルを示す図である。図１における１００はグルコース水溶液の吸収スペクトルを示し、１０１はアルブミン水溶液の吸収スペクトルを示している。図１の横軸は光波長、縦軸は相対吸収係数である。
【００２４】
図１によれば、グルコース水溶液とアルブミン水溶液の吸収スペクトルが重なっている部分もあるが、吸収係数の最大値が得られる光波長の値および吸収係数の最小値が得られる光波長の値はグルコースとアルブミンで異なる。すなわち、グルコースとアルブミンでは、吸収スペクトルの光波長依存性が違うことが分かる。したがって、このような光波長依存性を考慮して慎重に光波長を選択することで、１つの特定の合成物の選択性を向上させることは可能である。
【００２５】
図２は従来の成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。この成分濃度測定装置は、レーザ光を放射するレーザダイオード２００と、レーザダイオード２００を駆動するレーザドライバ２０１と、レーザダイオード２００から放射されたレーザ光を導く光ファイバ２０２と、光ファイバ２０２を固定して、人体または人体の一部である被測定物２１０にレーザ光を照射する光ファイバホルダ２０３と、光音響効果によって被測定物２１０から発生する光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する音響センサ２０４と、音響センサ２０４から出力された電気信号を増幅する増幅器２０５と、参照信号を発生する関数発生器２０６と、増幅器２０５の出力信号と関数発生器２０６から出力された参照信号とを入力として、増幅器２０５の出力信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプ２０７と、レーザドライバ２０１に駆動電流を供給する電圧−電流コンバータ２０８と、関数発生器２０６およびロックインアンプ２０７を制御すると共に、ロックインアンプ２０７が検出した測定信号を処理して血液グルコース濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置２０９とから構成される。
【００２６】
図２に示した成分濃度測定装置を用いて２つの光波長１３８２ｎｍと１６１０ｎｍの各々について血液グルコース濃度と光音響信号の最大振幅との関係を調べた結果を図３に示す。図３における３００は光波長が１３８２ｎｍのときの１回目の測定結果を示し、３０１は光波長が１６１０ｎｍのときの１回目の測定結果を示している。また、３０２は光波長が１３８２ｎｍのときの２回目の測定結果を示し、３０３は光波長が１６１０ｎｍのときの２回目の測定結果を示している。図３の横軸は血液グルコース濃度、縦軸は光音響信号の最大振幅である。
【００２７】
光音響信号の最大振幅は、血液グルコース濃度に反比例した線形関係の類似的傾向を示している。しかし、類似の成分濃度測定を２回実行しても、信号のばらつきが大きく、また低濃度領域ではノイズも大きく、精度が低下している。したがって、従来の成分濃度測定装置では、特に低濃度範囲において正確なグルコース濃度を得ることが難しいことが分かる。
【００２８】
本実施の形態では、光音響信号の振幅情報に基づく新しい成分濃度測定方法を提供する。図４は本実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成を示すブロック図である。成分濃度測定装置は、レーザ光を放射する第１の光照射手段となるレーザダイオード１−１と、レーザ光を放射する第２の光照射手段となるレーザダイオード１−２と、レーザダイオード１−１，１−２を駆動するレーザドライバ２と、レーザダイオード１−１，１−２から放射されたレーザ光を導く光ファイバ３−１，３−２と、レーザダイオード１−１，１−２から放射されたレーザ光を合波する光カプラ４と、光カプラ４によって合波されたレーザ光を導く光ファイバ５と、被測定物１３を収容するケースである光音響セル６と、レーザ光を透過させるガラス製の光学窓７と、光音響効果によって被測定物１３から発生する光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する光音響信号検出手段となる音響センサ８と、音響センサ８から出力された電気信号を増幅する増幅器９と、参照信号を発生する関数発生器１０と、増幅器９の出力信号と関数発生器１０から出力された参照信号とを入力として、増幅器９の出力信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプ１１と、関数発生器１０およびロックインアンプ１１を制御すると共に、ロックインアンプ１１が検出した測定信号を処理して血液グルコース濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置１２とから構成される。
【００２９】
レーザダイオード１−１，１−２の例としては、例えば分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）等がある。音響センサ８の例としては、マイクロホンがある。
図５は情報処理装置１２の構成を示すブロック図である。情報処理装置１２は、関数発生器１０を制御する関数発生器制御部１２０と、測定信号の周波数を測定する周波数測定部１２１と、測定信号の位相を測定する位相測定部１２２と、光パワーを制御する光パワー制御部１２３と、測定信号の周波数と位相の情報を記録する情報記録部１２４と、２つの強度変調光の光パワーの差を測定する光パワー測定部１２５と、血液グルコース濃度を導出するグルコース濃度導出部１２６と、情報記憶のための記憶部１２７とを有する。
【００３０】
本実施の形態では、２つの波長の光を用いた従来技術（特許文献１参照）で定義されるような利点を活用する。互いに異なる波長の２波のレーザ光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調して矩形波ビームを生成し、この矩形波ビームを合波した上で被測定物（例えば、血漿）に照射すると、２つのレーザ光が、それぞれの光吸収係数で被測定物に吸収される。その結果、光音響効果（被測定物で吸収される光学エネルギーが熱エネルギーに変わって、その熱エネルギーによる体積膨張により音響波が発生する効果）によって音響波が生成される（図６）。図６における６０はレーザダイオード１−１から放射された矩形波ビームによる光音響信号を示し、６１はレーザダイオード１−２から放射された矩形波ビームによる光音響信号を示している。音響波は、２つのレーザ光の各々による２つの信号αＰ（αは被測定物の光吸収係数、Ｐは光パワー）の強度の差に比例する。
【００３１】
本実施の形態では、最初に、既知の参照血液グルコース濃度により参照光音響信号のレベル（信号振幅）を定める。血液グルコース濃度が参照血液グルコース濃度から変化するとき、２つの光による光音響信号の振幅は光波長と光吸収係数によって変わる。このとき、光波長は、図１に示した吸収スペクトルに基づきあらかじめ決定されている。２つの光のパワーを変化させ、血液グルコース濃度の変化による光吸収効果とのバランスをとり、光音響信号の振幅を参照血液グルコース濃度のときに定めた参照光音響信号のレベルに戻す。
【００３２】
１つの光を被測定物に照射した場合、生成される光音響信号の強度Ｓ（信号振幅）は上記の式（１）のように表すことができる。また、互いに異なる波長の２つの光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調して被測定物に照射した場合、生成される光音響信号の強度Ｓは上記の式（２）のように表すことができる。ただし、上記で説明したとおり、定数Ｋ、熱膨張係数β、音速ｖ、比熱Ｃpといったパラメータが、温度または混合物の濃度に依存するため、光音響信号強度Ｓをそのまま血液グルコース濃度の算出に使うことはできない。このような依存性を抑えるために、特許文献１に開示された測定方法では、一方の波長の信号で規格化を行った。
【００３３】
本実施の形態の測定方法では、式（２）の（α1Ｐ1−α2Ｐ2）により光音響信号強度Ｓを最小にする光パワーＰ1またはＰ2を探索する。この光音響信号強度Ｓの最小値をノイズの範囲内で決定する。実際的には、光パワー出力を変えるために、図４のレーザ電圧を調整する範囲を考慮して２つの波長（λ1、λ2）、２つの光吸収係数（α1、α2）に対して、光パワーを（Ｐ1，Ｐ2）と決定する。
【００３４】
図７は被測定物の血液グルコース濃度が参照血液グルコース濃度０ｇ／ｄＬのときに光パワーＰ1，Ｐ2を変えたときの光音響信号の振幅と位相を示す図である。図７の横軸は光パワーバランス、縦軸は光音響信号の振幅と位相である。図７における７０は光音響信号の振幅を示し、７１は光音響信号の位相を示している。光パワーバランスは、２つの光のパワーの関係をレーザ電圧で表現しており、２つのレーザ光の各々におけるαＰが等しい点を０としている。光パワーバランスが０より小の領域では、光パワーＰ1よりも光パワーＰ2の方が低くなり、一方、光パワーバランスが０より大の領域では、光パワーＰ1よりも光パワーＰ2の方が高くなっている。
【００３５】
図７から明らかなように、光パワーバランスが０の点、すなわち２つのレーザ光の各々におけるαＰが等しい点において、光音響信号の振幅は最小値を示し、また光音響信号の位相は変曲点を示す。理論上では、光パワーバランスが０の点における光音響信号の振幅は０であるべきだが、実験的にはノイズを含めた最小値となっており、０にはならない。
【００３６】
２つの光のうち一方の光のパワーを変えると、光音響信号の振幅と位相が変わる。光音響信号の振幅は、光パワーバランスが０の点の両側で増大する。つまり、一方の光のパワーが小さくなった場合、２つの信号αＰの強度の差が大きくなり、光音響信号の振幅が増大する。また、一方の光のパワーが小さくなった場合、光音響信号の位相は他方の光単独で励振された場合の光音響信号の位相に近づく。すなわち、１つの光のみで励振された状態に近づく。
【００３７】
以上をまとめると、２つの光のパワーのうち一方の光パワーＰ2を低下させるかあるいは光パワーＰ1を上昇させて、光パワーバランスを０より小にすると、光音響信号の振幅が増大し、位相に関しては２つの位相間で−９０度異なる。すなわち、このときの光音響信号の位相は光パワーＰ1の光単独で励振された場合の光音響信号の位相（すなわち−９０度）と同じ位相となる。また、光パワーＰ2を上昇させるかあるいは光パワーＰ1を低下させて、光パワーバランスを０より大にすると、光音響信号の振幅が増大し、光音響信号の位相は光パワーＰ2の光単独で励振された場合の光音響信号の位相（すなわち＋９０度）と同じ位相となる。
【００３８】
ここで、光パワーバランスが０の点では、２つの重要な特徴がある。最初に、２つの波長の光音響信号が±９０度位相シフトしているため、光パワーバランスが０の点は、変曲点となる位相０の点と一致する。さらに、変曲点の両側では、光音響信号の位相は正または負の明確な値をとり、位相と光パワーとの関係が線形であるため、位相の測定が早く済み、また測定が簡単であり、正確に測定することが可能であり、位相の正負の値から変曲点０の位置を良い精度で得ることが可能である。これらの２つの特徴から、位相測定で高精度に血液グルコース濃度を測定することができる。
【００３９】
ここでは、分かり易い説明を提供するために、位相ではなく、振幅信号に焦点を合わせる。光音響信号の振幅が最小となり、かつ光音響信号の位相の変曲点となる位相ポイントは、２つの光の各々におけるαＰが等しい点に位置する。被測定物の血液グルコース濃度が参照血液グルコース濃度０ｇ／ｄＬのときに、この位相ポイントでは上記の式（３）が成立する。
【００４０】
実験的にはノイズが存在するために、光音響信号の振幅を０にすることは難しい。しかし、光音響信号の振幅の最小値は、１波長の光を用いる場合の光音響信号の振幅よりも２桁低い値となる。そして、概念的にはノイズレベルを完全に無視できるレベルに光音響信号の振幅を低下させることができる。次に、被測定物の成分濃度を変化させる。例えば、血液グルコース濃度を０からＣg［ｇ／ｄＬ］だけ変化させる。
【００４１】
図８（Ａ）は被測定物の血液グルコース濃度がＣg［ｇ／ｄＬ］だけ変化したときに光パワーＰ1，Ｐ2を変えたときの光音響信号の振幅と位相を示す図、図８（Ｂ）は被測定物のアルブミン濃度が変化したときに光パワーＰ1，Ｐ2を変えたときの光音響信号の振幅と位相を示す図である。図８（Ａ）、図８（Ｂ）の横軸は光パワーバランス、縦軸は光音響信号の振幅と位相である。
【００４２】
図８（Ａ）における８０は血液グルコース濃度が変化したときの光音響信号の振幅を示し、８１は血液グルコース濃度が変化したときの光音響信号の位相を示し、８２は血液グルコース濃度が変化する前の光音響信号の振幅を示し、８３は血液グルコース濃度が変化する前の光音響信号の位相を示している。また、図８（Ｂ）における８４はアルブミン濃度が変化したときの光音響信号の振幅を示し、８５はアルブミン濃度が変化したときの光音響信号の位相を示し、８６はアルブミン濃度が変化する前の光音響信号の振幅を示し、８７はアルブミン濃度が変化する前の光音響信号の位相を示している。
【００４３】
血液グルコース濃度またはアルブミン濃度が変化したとき、αＰの変更に従って光音響信号の振幅と位相は変化する。例えば血液グルコース濃度がＣgだけ変化し、この濃度変化により光吸収係数α1，α2がそれぞれδα1，δα2だけ変化した場合、上記の式（４）が成立する。成分濃度（血液グルコース濃度またはアルブミン濃度）の検出方法は２つある。光音響信号の振幅が最低となる光パワーバランスを探す方法か、あるいは光音響信号の位相の変曲点の光パワーバランスを探す方法のどちらかである。
【００４４】
光パワーバランスが０の点の周辺で、光音響信号の位相と光パワーとの関係は線形に近いため、位相０の位置の正確な評価が可能である。光音響信号の位相を成分濃度変化後の新しい変曲点まで移動させるための光パワー差は、測定により求めることができる。図８（Ａ）、図８（Ｂ）の例では、光パワーＰ2を上昇させるかあるいは光パワーＰ1を低下させることで、成分濃度変化後の新しい変曲点（光音響信号の振幅８０，８４が最小となる点）まで位相を移動させることができる。
【００４５】
本実施の形態の測定方法では、光音響信号の位相が０の点を探すために、光パワーを変化させる。より具体的には、光パワーを変化させるために、レーザダイオード１−１，１−２の駆動電圧を変化させる。光音響信号の位相が０の点では、上記の式（５）、式（６）が成立する。式（６）から明らかなように、血液グルコース濃度Ｃgは、グルコースに特有な新しい光パワーバランスのシフト値δＰ1と相対的な光吸収係数δα1とδα2から求めることができる。測定したい成分濃度がアルブミン濃度の場合も同様にして求めることができる。なお、光吸収係数α1，α2と光吸収係数変化量δα1，δα2とは、光吸収スペクトル測定から求めることができる。
【００４６】
図９に本実施の形態の測定方法でグルコース濃度とアルブミン濃度をそれぞれ測定した結果を示す。ここでは、波長が１３８２ｎｍと１６１０ｎｍの２つの光を用いている。図９における９０はグルコース濃度の特性を示し、９１はアルブミン濃度の特性を示している。図９の横軸は濃度、縦軸は光パワーバランスのシフト量である。図９から明らかなように、本実施の形態の測定方法では、グルコースとアルブミンの２つの成分の間で特性の傾きに相違が生じる。さらに、２つの光の波長を適切に選択すれば、２つの成分の特性の相違をより大きくすることができる。なお、更なる最適化のために、２つ以上の異なる波長の光を用いることは可能である。
【００４７】
本実施の形態の測定方法は、非侵襲的に光音響測定に基づく溶液の成分を測るために、効率的な方法である。この測定方法は、２つの光学波長を選ぶことによって１つの特定の合成物に非常に選択的なアプローチを最適化することができる。利用できる多様な光学波長を考慮すれば、異なる溶媒において多くの溶質を検出できることは明らかである。また、対応する光学パワーを調節しパワーバランスを求める方法により、どのような吸収係数（濃度）の違いに対しても測定可能である。
【００４８】
光学波長の選択は吸収係数によって制限されない。仮に、α1＝２α2ならば、Ｐ1＝０．５Ｐ2と式（３）はいぜん有効である。さらにまた、位相０の変曲点に基づく測定方法は、速く収束して非常に正確な測定を提供する。グルコース濃度測定で、発明者は近赤外ＮＩＲ光学領域を波長レンジに選び、１３８２ｎｍと１６１０ｎｍの波長で測定した。光音響信号の位相を測定するため、数ポイントの測定点を記憶しておく必要がある。ノイズを完全に無視するならば、パラボラ（２次多項式）が３ポイントの測定データを必要とするのに対し、２ポイントの測定データから線形斜面を決定することは可能である。この観点から、光音響信号の直線的な特性の方が、位相が０の変曲点を早く求めることができる。
【００４９】
しかしながら、ノイズと必要な測定精度の依存関係に基づき、測定ポイントの数は抜本的に増加させられるべきである。光音響信号の変化が線形的な挙動であれば、２ポイントの測定データから位相０の位置を非常に正確な精度で得ることができ、小さい範囲の中で位置を検索することができる。一方、光音響信号の変化が放物線状の場合には、二分検索アルゴリズム（二分探索）は最高の方法である。ただし、位相が０の位置を求めるのに要する時間は非常に長くなる。実験的な見解からセンサの反応時間に関連して、測定時間の量的増加を推定することは困難である。しかしながら、光音響信号の位相の線形的な挙動を利用すれば、より早く測定することができ、正確な成分濃度値を提供することができる。
【００５０】
次に、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作についてより詳細に説明する。図１０は成分濃度測定装置の動作を示すフローチャートである。本実施の形態では、図３と図９で示すように、信号とノイズレベルを明らかに見分けるために高濃度レベルの液体サンプルで実験を行った。
【００５１】
初めに時刻ｔ０の初期状態において参照レベルの決定を行うために、一方のレーザダイオード１−１のみを動作させる。被測定物１３は、光音響セル６内に導入される。レーザドライバ２から駆動電流が供給されると、レーザダイオード１−１はレーザ光を放射する。このとき、レーザドライバ２から矩形波の駆動電流が供給されることにより、レーザダイオード１−１は強度変調光を放射する。光の波長は例えば１３８４ｎｍである。この強度変調光は、光ファイバ３−１によって導かれ光カプラ４を通過して、さらに光ファイバ５によって導かれ、光学窓７を通って光音響セル６内の被測定物１３に照射される（図１０ステップＳ１）。
【００５２】
音響センサ８は、被測定物１３から発生する光音響信号を検出し、増幅器９は、音響センサ８から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ１１は、増幅器９の出力に含まれる信号のうち、関数発生器１０から出力される参照信号によって決まる周波数の測定信号を検出する。
【００５３】
情報処理装置１２の関数発生器制御部１２０は、関数発生器１０が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を漸次変化させると共に、ロックインアンプ１１が検出する測定信号の周波数（光変調周波数と同一の周波数）を漸次変化させる光変調周波数掃引を行う（図１０ステップＳ２）。こうして、音響共振ピークを探索する。
【００５４】
次に、測定信号の最大振幅を見つけたときに、情報処理装置１２の周波数測定部１２１は、この最大振幅時の測定信号の周波数（参照周波数Ｆ０）を測定し、位相測定部１２２は、最大振幅時の測定信号の位相（参照位相Ｐ０）を測定する（図１０ステップＳ３）。
情報処理装置１２の情報記録部１２４は、周波数測定部１２１が測定した参照周波数Ｆ０と位相測定部１２２が測定した参照位相Ｐ０とを記憶部１２７に記憶させる（図１０ステップＳ４）。
【００５５】
次に、被測定物１３に対して標準的な血糖測定法を実施し、参照血液グルコース濃度Ｃg0［ｇ／ｄＬ］を得る（図１０ステップＳ５）。これで、参照血液グルコース濃度Ｃg0［ｇ／ｄＬ］で参照位相Ｐ０と参照周波数Ｆ０とが得られたことになる。標準的な血糖測定法を実施するには、血糖測定器の本体に、グルコースセンサーを差し込み、針を専用の機械（または本体）にセットして、指などから採血し、グルコースセンサーに血を吸収させる。標準的な血糖測定法は、既知濃度のグルコース液を標準校正液として機械動作確認用に用いる。初期動作時に機械が正常に動いているかを確認したり、血糖値が異常値にあるか（正常に機械が動作しているか）を確認したりするときに用いる。
【００５６】
次に、２つのレーザダイオード１−１，１−２を動作させて、２つの光を合波して測定を行う。レーザドライバ２から駆動電流が供給されると、レーザダイオード１−１，１−２はレーザ光を放射する。このとき、レーザドライバ２は、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード１−１，１−２に供給することにより、レーザダイオード１−１，１−２から放射される光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する。このとき、レーザダイオード１−１から放射される光の波長は例えば１３８４ｎｍ、レーザダイオード１−２から放射される光の波長は例えば１６１０ｎｍである。また、２つの光のパワーは同一である。レーザダイオード１−１，１−２から放射された強度変調光は、それぞれ光ファイバ３−１，３−２によって導かれ、光カプラ４によって合波され、さらに光ファイバ５によって導かれ、光学窓７を通って光音響セル６内の被測定物１３に照射される（図１０ステップＳ６）。
【００５７】
続いて、情報処理装置１２の関数発生器制御部１２０は、関数発生器１０が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１，１−２に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を参照周波数Ｆ０に設定すると共に、ロックインアンプ１１が検出する測定信号の周波数を参照周波数Ｆ０に設定する。情報処理装置１２の光パワー制御部１２３は、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１に供給される駆動電流の大きさを変化させることにより、レーザダイオード１−１から放射される光のパワーを漸次変化させる光パワー掃引を行う（図１０ステップＳ７）。
【００５８】
情報処理装置１２の位相測定部１２２は、測定信号の位相の変曲点、すなわち位相が０になる点を探索する（図１０ステップＳ８）。位相の変曲点が見つかったときに、情報処理装置１２の光パワー測定部１２５は、変曲点における２つの光の光パワーの差を測定する（図１０ステップＳ９）。光パワー測定部１２５は、レーザダイオード１−１に供給される駆動電圧とレーザダイオード１−２に供給される駆動電圧との差である参照駆動電圧差ＶOPBS0を光パワーの差として測定する。
【００５９】
なお、ステップＳ６の時点における２つの光パワーは同一なので、２つの光のうち一方の光のパワーのみを変化させる場合には、この一方の光についてステップＳ６時点の初期の光パワーと変曲点における光パワーとの差（駆動電圧差）を求めるようにしてもよい。また、ステップＳ７における光パワー掃引において、２つのレーザダイオード１−１，１−２から放射される光のパワーを変化させるようにしてもよい。
【００６０】
次に、時刻ｔ０から任意の時間経過後の時刻ｔにおける測定について説明する。初めに、一方のレーザダイオード１−１のみを動作させて、１つの光のみによる測定を行う。レーザダイオード１−１から放射された強度変調光は、光ファイバ３−１によって導かれ光カプラ４を通過して、さらに光ファイバ５によって導かれ、光学窓７を通って光音響セル６内の被測定物１３に照射される（図１０ステップＳ１０）。
【００６１】
情報処理装置１２の関数発生器制御部１２０は、関数発生器１０が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を参照周波数Ｆ０に設定する。さらに、関数発生器制御部１２０は、関数発生器１０が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、光変調周波数を参照周波数Ｆ０から変化させる。
情報処理装置１２の位相測定部１２２は、測定信号の位相が参照位相Ｐ０となる点を探索し、情報処理装置１２の周波数測定部１２１は、この点における周波数Ｆ１を測定する。こうして、参照位相Ｐ０に対応する周波数Ｆ１を探索する（図１０ステップＳ１１）。なお、周波数Ｆ１は参照周波数Ｆ０の近傍に位置する。
【００６２】
次に、２つのレーザダイオード１−１，１−２を動作させて、２つの光を合波して測定を行う。レーザドライバ２は、同一周波数で逆位相の矩形波の駆動電流をレーザダイオード１−１，１−２に供給することにより、レーザダイオード１−１，１−２から放射される光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ強度変調する。上記と同様に、レーザダイオード１−１から放射される光の波長は例えば１３８４ｎｍ、レーザダイオード１−２から放射される光の波長は例えば１６１０ｎｍである。また、２つの光のパワーは同一である。レーザダイオード１−１，１−２から放射された強度変調光は、それぞれ光ファイバ３−１，３−２によって導かれ、光カプラ４によって合波され、さらに光ファイバ５によって導かれ、光学窓７を通って被測定物１３に照射される（図１０ステップＳ１２）。
【００６３】
続いて、情報処理装置１２の関数発生器制御部１２０は、関数発生器１０が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１，１−２に供給される駆動電流の周波数を変化させ、光変調周波数を周波数Ｆ１に設定すると共に、ロックインアンプ１１が検出する測定信号の周波数を周波数Ｆ１に設定する。情報処理装置１２の光パワー制御部１２３は、レーザドライバ２からレーザダイオード１−１に供給される駆動電流の大きさを変化させることにより、レーザダイオード１−１から放射される光のパワーを漸次変化させる光パワー掃引を行う（図１０ステップＳ１３）。
【００６４】
情報処理装置１２の位相測定部１２２は、測定信号の位相の変曲点、すなわち位相が０になる点を探索する（図１０ステップＳ１４）。位相の変曲点が見つかったときに、情報処理装置１２の光パワー測定部１２５は、変曲点における２つの光の光パワーの差を測定する（図１０ステップＳ１５）。光パワー測定部１２５は、レーザダイオード１−１に供給される駆動電圧とレーザダイオード１−２に供給される駆動電圧との差である駆動電圧差ＶOPBS1を光パワーの差として測定する。
【００６５】
なお、ステップＳ１２の時点における２つの光パワーは同一なので、２つの光のうち一方の光のパワーのみを変化させる場合には、この一方の光についてステップＳ１２時点の初期の光パワーと変曲点における光パワーとの差（駆動電圧差）を求めるようにしてもよい。また、ステップＳ１３における光パワー掃引において、２つのレーザダイオード１−１，１−２から放射される光のパワーを変化させるようにしてもよい。
【００６６】
情報処理装置１２の記憶部１２７には、駆動電圧差ＶOPBS1と参照駆動電圧差ＶOPBS0との差（ＶOPBS1―ＶOPBS0）と、光パワー変化量δＰとの関係を示すキャリブレーションデータが予め記憶されている。このようなキャリブレーションデータは、予め実測することにより求めることができる。なお、時刻ｔにおける血液グルコース濃度をＣg（ｔ）とすると、（ＶOPBS1―ＶOPBS0）は、血液グルコース濃度Ｃg（ｔ）と参照血液グルコース濃度Ｃg0との差（Ｃg（ｔ）−Ｃg０）に比例する。
【００６７】
情報処理装置１２のグルコース濃度導出部１２６は、記憶部１２７を参照して駆動電圧差（ＶOPBS1―ＶOPBS0）に対応する光パワー変化量δＰを取得し（図１０ステップＳ１６）、この光パワー変化量δＰと光吸収係数α1，α2と光吸収係数変化量δα1，δα2とから式（６）により血液グルコース濃度の変化量Ｃg＝（Ｃg（ｔ）−Ｃg０）を計算する（図１０ステップＳ１７）。
【００６８】
なお、光吸収係数α1，α2と光吸収係数変化量δα1，δα2とは、光吸収スペクトル測定から求めることができる。図示しない光吸収スペクトル測定手段は、時刻ｔ０の初期状態においてレーザダイオード１−１から放射される光パワーＰ1の光について被測定物１３の光吸収スペクトル測定を行い、このスペクトルから光吸収係数α1を計算する。また、光吸収スペクトル測定手段は、時刻ｔにおいてレーザダイオード１−１から放射される光パワーＰ1の光について被測定物１３の光吸収スペクトル測定を行い、このスペクトルから光吸収係数を計算し、この光吸収係数と初期状態の光吸収係数α1との差を求めることで光吸収係数変化量δα1を計算することができる。光吸収係数α2と光吸収係数変化量δα2についても同様に、レーザダイオード１−２から放射される光パワーＰ2の光について被測定物１３の光吸収スペクトル測定を行うことで求めることができる。
【００６９】
最後に、グルコース濃度導出部１２６は、ステップＳ１７で計算した血液グルコース濃度の変化量Ｃg＝（Ｃg（ｔ）−Ｃg０）と既知の参照血液グルコース濃度Ｃg0とから時刻ｔにおける血液グルコース濃度Ｃg（ｔ）を計算する（図１０ステップＳ１８）。
以上で、本実施の形態の成分濃度測定装置の処理が終了する。
【００７０】
図１１（Ａ）は異なる血液グルコース濃度（０［ｇ／ｄＬ］―１８．６［ｇ／ｄＬ］）における本実施の形態の測定結果を示す図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）の拡大図である。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）の横軸はレーザ駆動電圧、縦軸は光音響信号の振幅と位相である。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）の１１０，１１１は血液グルコース濃度０［ｇ／ｄＬ］における光音響信号の振幅、位相を示し、１１２，１１３は血液グルコース濃度５［ｇ／ｄＬ］における光音響信号の振幅、位相を示し、１１４，１１５は血液グルコース濃度１０［ｇ／ｄＬ］における光音響信号の振幅、位相を示し、１１６，１１７は血液グルコース濃度１５［ｇ／ｄＬ］における光音響信号の振幅、位相を示し、１１８，１１９は血液グルコース濃度１８．６［ｇ／ｄＬ］における光音響信号の振幅、位相を示している。
【００７１】
図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）によれば、ノイズレベルにもかかわらず、光音響信号の位相は線形挙動を示し、光音響信号の振幅は放物線のような形を示している。光音響信号の振幅を見ると、信号レベルが大きく変わるが、血液グルコース濃度には依存していないことが分かる。式（２）で考えた場合、定数Ｋ、熱膨張係数β、音速ｖ、比熱Ｃpといったパラメータが、温度、血液グルコース濃度または他のパラメータに依存するので、ばらつきが生じている。さらに、光音響信号の振幅の最小値を見つけるために、フィッティングが必要であるが、実験データが豊富に無いと正確なフィッティング結果とはならない。また、ノイズがある場合に測定精度が悪くなる。
【００７２】
一方、光音響信号の位相変化を見ると、直線状の形をしており、２つの測定データで位相が０の位置をすぐに判別することができる。したがって、光音響信号の位相を利用すれば、短時間のセンサレスポンスを得ることができ、位相０の位置も簡単に見つけることができる。さらに、ノイズに対しては、２つの測定点だけではなく、位相の測定点を増やすことでノイズの影響を相対的に小さくできるため、高感度測定のために重要である。したがって、どのような測定精度が必要か決めた上で、位相のデータの測定回数を決めることになる。なお、光音響信号の振幅特性のような放物線の特性では、振幅を測定しようとすると、２次多項式フィッティングによる複雑で非対称な分析を必要とするため、測定時間が長くなる可能性がある。
【００７３】
以上のような利点を考えて、本実施の形態では、位相０の探索測定を実施した。図９は本実施の形態の測定方法でグルコース濃度とアルブミン濃度をそれぞれ測定した結果を示している。グルコース、アルブミンの両方の場合とも、成分濃度に対して直線的な応答を得た。この図９の特性の傾きは、使用される波長において光吸収係数と比例している。図３の結果と比較すると、本実施の形態の測定方法は、線形性が良く、高い正確さで低濃度測定に利用できることが分かる。
【００７４】
さらに、センサの選択性にたいして、図９のグルコースとアルブミンの結果を比べると、グルコース溶液における傾き−２５［Ｖ／ｇ／ｄＬ］とアルブミン溶液における傾き−１１［Ｖ／ｇ／ｄＬ］の結果を得た。この結果は、図１に示す吸収スペクトルの結果から期待されるのと同様の結果である。なお、２つの光の波長の最適化を行うことで、グルコースとアルブミンの傾きの差をより大きくすることができる。
【００７５】
以上のように、本実施の形態では、２つの光の波長の適宜選択を行うことで、異なる物質間での濃度に対するセンサ反応（勾配）の差を生じさせることが可能となる。すなわち、血液グルコースに対するセンサ反応が最大となるように光波長を適宜選択することで、成分濃度測定装置のグルコース選択性を向上させることができ、異なる複数の物質を含む被測定物において血液グルコースの定量が可能となるという効果を生じる。
【００７６】
本実施の形態では、２つの光を同一周波数で且つ逆位相の信号により強度変調しているが、位相差が１８０°以外の信号で光を強度変調してもよい。
２つの光を強度変調する信号の位相を手動で変更し、図１２に示す光パワーバランス−位相特性を得た。図１２の横軸は光パワーバランス、縦軸は光音響信号の位相である。ここでは、波長が１４３８ｎｍの光と１６１０ｎｍの光を用いている。光パワーバランスは、１４３８ｎｍの光を発生するレーザダイオードのレーザ駆動電圧で表現されている。１６１０ｎｍの光を発生するレーザダイオードのレーザ駆動電圧は１．４Ｖである。図１２における４００は２つの光を強度変調するそれぞれの信号の位相差が１８０°の場合の特性、４０１は位相差が１８０．１°の場合の特性、４０２は位相差が１８０．３°の場合の特性、４０３は位相差が１８０．８°の場合の特性、４０４は位相差が１８５．８°の場合の特性、４０５は位相差が１９５．８°の場合の特性、４０６は位相差が１７８．８°の場合の特性を示している。
【００７７】
２つの光を強度変調する信号の位相差が１８０°の場合、一方のレーザダイオードの駆動電圧を変更した際に光音響信号の位相は−９０°のままである。０．５１Ｖ前後では、信号強度が小さいため、光音響信号の位相雑音の影響で特性に歪みが生じる。直後に光音響信号に１８０°の位相シフトが急激に生じ、不連続的となる。位相シフト前と同様に雑音による歪みが生じ、光音響信号の位相が９０°で安定する領域となる。
【００７８】
２つの光を強度変調する信号の位相差が１８０°前後（１８０．１°、１８０．８°、１８０．３°）の場合では、前述の位相変化の不連続点で光音響信号の位相が連続的に変化している。不連続点の前後の電圧では光音響信号の位相が±９０°で安定する領域がある。２つの光を強度変調する信号の位相差が１８０°でない場合（１８５．８、１９５．８）、全電圧で光音響信号の位相の連続的な遷移領域のみで、光音響信号の位相が±９０°で安定する領域は無い。このように、信号の位相差を１８０°から増加させて測定を行ったが、信号の位相差を１７８．８°へ減少させると対称的な傾向を得た。すなわち、位相９０°から位相−９０°への位相変化の駆動電圧に対する傾きが逆となる。結論として、正確かつ適切な溶液成分濃度測定には、２つの光を強度変調する信号の位相差が１８０°±３０°程度が可能である。
【００７９】
実用的には、２つの光を強度変調する信号の位相差として１８０°を用いることは光音響信号の位相遷移領域において雑音の影響が大きいため適切ではない。また、光音響信号の位相変化の傾きが急激なため、光音響信号の位相が０の点を決定するために、２分法が唯一のアプローチであり、測定に時間がかかり、収束性も悪い。測定速度を速めるために、線形的な遷移領域が最も適切である。すなわち、光音響信号の位相０点周辺で複数（２、３つ）の測定点から、相対的に位相０の位置を推定する方法である。このような方法では、測定と推定を重ねることで、より確実に測定精度を上げることができる。
【００８０】
２つの光を強度変調する信号の位相差が１８０°に近い場合に、光音響信号の位相０点前後での線形的な遷移領域を得る。比較的、光音響信号の位相変化の傾きが急峻なため、小さい成分濃度範囲でも位相が大きく変化し、適切な測定精度を得ることができる。一方、２つの光を強度変調する信号の位相差が１８０°から遠ざかるにつれ、光音響信号の位相変化の傾きが緩やかとなる。このような場合には、大きい成分濃度範囲でも、位相遷移領域に位相０点があるため、濃度の定量が可能である。したがって、２つの光を強度変調する信号の位相差は、測定精度やダイナミックレンジを決定するため、所望の濃度範囲によって適宜設定する。
【００８１】
２つの光を強度変調する信号の位相差が１８０°から大きく異なる場合、例えば１８０°から１０°、２０°あるいは３０°異なっている場合は、光音響信号の位相の線形的な遷移領域が広い測定範囲を利用でき、幅広い濃度範囲の測定にも対応できる。したがって、大きな濃度範囲に対しては、２つの光を強度変調する信号の位相差を例えば１９０°、２００°あるいは２１０°とすればよい。しかしながら、光音響信号の位相変化の傾きが緩やかとなり、測定精度が低下するため、濃度範囲と測定精度はトレードオフの関係となる。
【００８２】
なお、本実施の形態では、測定する成分の例として血液グルコースとアルブミンを例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、本発明は、被測定物に含まれる成分分析に幅広く適用可能である。
【００８３】
本実施の形態の情報処理装置１２は、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。ＣＰＵは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明は、血液グルコース等の成分の濃度をモニターする技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００８５】
１−１，１−２…レーザダイオード、２…レーザドライバ、３−１，３−２，５…光ファイバ、４…光カプラ、６…光音響セル、７…光学窓、８…音響センサ、９…増幅器、１０…関数発生器、１１…ロックインアンプ、１２…情報処理装置、１３…被測定物、１２０…関数発生器制御部、１２１…周波数測定部、１２２…位相測定部、１２３…光パワー制御部、１２４…情報記録部、１２５…光パワー測定部、１２６…グルコース濃度導出部、１２７…記憶部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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