(57)【要約】【課題】対象成分の濃度の測定精度を向上させる。【解決手段】光源１０１の光の波長λ１を対象成分１１０Ｇが特徴的な吸収を呈する波長に設定し、光源１０２の光の波長λ２を対象成分１１０Ｇが特徴的な吸収を呈さない波長に設定し、光源１０１の光の波長λ１と光源１０２の光の波長λ２とを被測定物１１０における背景成分１１０Ｗの温度依存性が相等しい波長に設定する。例えば、波長λ１を１６０８ｎｍとし、波長λ２を１３１２ｎｍとする。パワーを等しく設定した光源１０１，１０２からの光によって発生する被測定物１１０からの光音響信号Ａ１，Ａ２を取得し、この取得した光音響信号Ａ１，Ａ２の強さに基づいて被測定物１１０の吸光度に対する光音響信号の傾き（比例乗数）Ｃ’を求める。【選択図】  図１
2018013417.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に対して光を照射し、この照射した光によって発生する前記被測定物からの音波を光音響信号として計測し、この計測した光音響信号の強さから前記被測定物における対象成分の濃度を測定する成分濃度測定装置において、
パワーが等しく設定された第１の光源および第２の光源からの光によって発生する前記被測定物からの光音響信号の強さに基づいて前記被測定物の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数として算出する比例乗数算出手段と、
前記被測定物からの光音響信号の強さが等しくなるようにパワーが調整された前記第１の光源および第２の光源から同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された光を前記被測定物に対して同時に照射させる駆動手段と、
前記駆動手段によって照射された光によって発生する前記被測定物からの光音響信号を取得する光音響信号取得手段と、
前記比例乗数算出手段によって算出された比例乗数と前記光音響信号取得手段によって取得された光音響信号の強さとから前記対象成分の吸光度を算出し、予め既知の値として求められている前記対象成分のモル吸光度を用いて、前記対象成分のモル濃度を算出するモル濃度算出手段とを備え、
前記第１の光源の光の波長をλ１、前記第２の光源の光の波長をλ２とした場合、
前記第１の光源の光の波長λ１は、
前記対象成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定され、
前記第２の光源の光の波長λ２は、
前記対象成分が特徴的な吸収を呈さない波長に設定され、
前記第１の光源の光の波長λ１と前記第２の光源の光の波長λ２とは、
前記被測定物における背景成分の温度依存性が相等しい波長に設定されている
ことを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載された成分濃度測定装置において、
前記比例乗数算出手段は、
前記被測定物の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数Ｃ’として算出し、
前記光音響信号取得手段は、
前記被測定物からの光音響信号を前記被測定物における対象成分の濃度に比例した強さの光音響信号Ａｄとして取得し、
前記モル濃度算出手段は、
前記比例乗数算出手段によって算出された比例乗数Ｃ’と前記光音響信号取得手段によって取得された光音響信号Ａｄとから前記対象成分の吸光度をα＝Ａｄ／Ｃ’として算出し、前記既知の値として求められている対象成分のモル吸光度をαｇとし、前記対象成分のモル濃度をＭ＝α／αｇとして算出する
ことを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された成分濃度測定装置において、
前記第１の光源および第２の光源からの光を強度変調する信号の周波数を変えて、前記被測定物の吸光度と前記被測定物からの光音響信号の強さとの関係を計測し、前記比例乗数算出手段で算出される比例乗数が最大となる周波数を求める手段をさらに備える
ことを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項４】
被測定物に対して光を照射し、この照射した光によって発生する前記被測定物からの音波を光音響信号として計測し、この計測した光音響信号の強さから前記被測定物における対象成分の濃度を測定する成分濃度測定方法において、
パワーが等しく設定された第１の光源および第２の光源からの光によって発生する前記被測定物からの光音響信号の強さに基づいて前記被測定物の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数として算出する第１ステップと、
前記被測定物からの光音響信号の強さが等しくなるようにパワーが調整された前記第１の光源および第２の光源から同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された光を前記被測定物に対して同時に照射させる第２ステップと、
前記第２ステップによって照射された光によって発生する前記被測定物からの光音響信号を取得する第３ステップと、
前記第１ステップによって算出された比例乗数と前記第３ステップによって取得された光音響信号の強さとから前記対象成分の吸光度を算出し、予め既知の値として求められている前記対象成分のモル吸光度を用いて、前記対象成分のモル濃度を算出する第４ステップとを備え、
前記第１の光源の光の波長をλ１、前記第２の光源の光の波長をλ２とした場合、
前記第１の光源の光の波長λ１は、
前記対象成分が特徴的な吸収を呈する波長に設定され、
前記第２の光源の光の波長λ２は、
前記対象成分が特徴的な吸収を呈さない波長に設定され、
前記第１の光源の光の波長λ１と前記第２の光源の光の波長λ２とは、
前記被測定物における背景成分の温度依存性が相等しい波長に設定されている
ことを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項５】
請求項４に記載された成分濃度測定方法において、
前記第１ステップは、
前記被測定物の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数Ｃ’として算出し、
前記第３ステップは、
前記被測定物からの光音響信号を前記被測定物における対象成分の濃度に比例した強さの光音響信号Ａｄとして取得し、
前記第４ステップは、
前記第１ステップによって算出された比例乗数Ｃ’と前記第３ステップによって取得された光音響信号Ａｄとから前記対象成分の吸光度をα＝Ａｄ／Ｃ’として算出し、前記既知の値として求められている対象成分のモル吸光度をαｇとし、前記対象成分のモル濃度をＭ＝α／αｇとして算出する
ことを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項６】
請求項４又は５に記載された成分濃度測定方法において、
前記第１の光源および第２の光源からの光を強度変調する信号の周波数を変えて、前記被測定物の吸光度と前記被測定物からの光音響信号の強さとの関係を計測し、前記第１ステップで算出される比例乗数が最大となる周波数を求めるステップをさらに備える
ことを特徴とする成分濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光音響法を用いた被測定物における対象成分の成分濃度測定装置および成分濃度測定方法に関し、特に、被測定物を人間又は動物とした非侵襲な成分濃度測定装置および成分濃度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になりつつある。特に、血糖値などの検査においては、血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担となる。このため、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。
【０００３】
非侵襲な成分濃度測定装置として、光音響法が提案されている。光音響法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象とする血液成分、例えば、グルコース分子に電磁波を吸収させ、グルコース分子からの熱の放射によって局所的に熱膨張を起こし、熱膨張によって生体内から発生した音波を観測する。しかし、グルコースと電磁波の相互作用は小さく、また生体に安全に照射しうる電磁波の強度には制限があり、生体の血糖値測定においては、十分な効果をあげるにいたっていない。
【０００４】
図１１は、従来の光音響法を用いた成分濃度測定装置２００の構成例である（例えば、特許文献１参照）。この成分濃度測定装置２００では、連続的に強度変調した光源を用い、背景成分および対象成分が混合されてなる溶液（被測定物）における対象成分の濃度を測定する。
【０００５】
図１１において、２０１は第１の光源、２０２は第２の光源、２０３は第１の駆動回路、２０４は第２の駆動回路、２０５は発振器、２０６は遅延調整器、２０７は光合波器、２０８は光ファイバ、２０９は光出射部、２１０は被測定物（対象成分２１０Ｇと背景成分２１０Ｗとが混合された溶液）、２１１は音波検出器（音響センサ）、２１２は増幅器、２１３は波形観測器、２１４は記録計である。
【０００６】
この成分濃度測定装置２００において、第１の光源２０１は、波長λ１の測定光を発生する。第２の光源２０２は、波長λ２の参照光を発生する。発振器２０５は、第１の光源２０１および第２の光源２０２から出力される光を強度変調するための変調信号を出力する。遅延調整器２０６は、発振器２０５からの変調信号のうち一方を反転して出力する。
【０００７】
第１の駆動回路２０３は第１の光源２０１を駆動する。第２の駆動回路２０４は、遅延調整器２０６で反転された変調信号を基に第２の光源２０２を駆動する。第１の光源２０１は、第１の駆動回路２０３からの信号により波長λ１の測定光を強度変調して出力する。第２の光源２０２は、第２の駆動回路２０４からの信号により波長λ２の参照光を強度変調して出力する。これにより、第１の光源２０１および第２の光源２０２から、同一周波数で互いに逆位相の信号により電気的に強度変調された異なる波長λ１およびλ２の光が出力される。
【０００８】
第１の光源２０１からの波長λ１の光と第２の光源２０２からの波長λ２の光とは光合波器２０７により合波され、光ファイバ２０８により光出射部２０９へ導かれる。光出射部２０９は、光合波器２０７より合波された光（測定用合成光）を被測定物２１０に向けて出射する。この光合波器２０７からの測定用合成光を受けて被測定物２１０は音波を発生する。
【０００９】
音波検出器２１１は、被測定物２１０から発生する音波を検出し、音圧に比例した強さの電気信号（光音響信号）に変換する。この変換された光音響信号は、増幅器２１２で増幅された後、波形観測器２１３に送られる。波形観測器２１３は、音波検出器２１１から増幅器２１２を介して送られてくる光音響信号を観測し、その観測結果を記録計２１４へ送る。記録計２１４は、波形観測器２１３から送られてくる光音響信号の観測結果に基づいて、被測定物２１０における対象成分２１０Ｇの濃度を算出する。
【００１０】
この成分濃度測定装置２００において、２つの波長λ１およびλ２は、対象成分２１０Ｇの呈する吸収の差が、背景成分２１０Ｗの呈する吸収の差よりも大きい波長とする。また、波長λ１は、対象成分２１０Ｇが特徴的な吸収を呈する波長に設定する。波長λ２は、対象成分２１０Ｇが特徴的な吸収を呈さない波長に設定する。なお、波長λ１およびλ２は、対象成分２１０Ｇの呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい２波長であってもよい。これにより、水や測定対象とする成分以外の成分による吸収の影響を少なくして、成分濃度測定装置２００の測定精度をよくすることができる。
【００１１】
また、この成分濃度測定装置２００では、２つの波長λ１およびλ２の各々を電気的に強度変調する周波数を、被測定物２１０で発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数とすることにより、音波の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された２波長の光に対する音波を測定し、２波長差分の音波から一方の波長の音波を規格化することで、一定に保ちがたい多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被測定物２１０内に発生する音波を検出することができる。
【００１２】
この成分濃度測定装置２００において、波形観測器２１３は、波長λ１の光によって発生した光音響信号の強さをＡ１、波長λ２の光によって発生した光音響信号の強さをＡ２とした場合、この光音響信号Ａ１とＡ２との差分値（Ａ１−Ａ２）を計測する（図１２：ステップＳ３０１）。そして、第１の光源２０１または第２の光源２０２からの光によって発生する光音響信号Ａｎを計測し（ステップＳ３０２）、この計測した光音響信号Ａ１とＡ２との差分値（Ａ１−Ａ２）と光音響信号Ａｎを光音響信号の観測結果として記録計２１４へ送る。この例では、第２の光源２０１からの波長λ２の光によって発生する光音響信号Ａ２を光音響信号Ａｎとして計測する。
【００１３】
なお、定電圧電流源（図示せず）が第１の駆動回路２０３および第２駆動回路２０４に電圧を供給するとき、測定用合成光（λ１＋λ２）が被測定物２１０に照射されるので、この測定用合成光によって発生した測定用音波を検出することで、光音響信号Ａ１とＡ２との差分値（Ａ１−Ａ２）を波形観測器２１３により観測できる。また、定電圧電流源が第１の駆動回路２０３に電圧を供給せず、定電圧電流源が第２の駆動回路２０４にのみ電圧を供給するとき、参照光が被測定物２１０に照射されるので、参照光によって発生した規格化用音波を検出することで、光音響信号Ａｎを波形観測器２１３により観測できる。
【００１４】
記録計２１４は、光音響信号Ａ１とＡ２との差分値（Ａ１−Ａ２）をＡｎで除算し、比例乗数Ｃを規格化し、対象成分２１０Ｇの吸光度α（α＝Ｃ・（Ａ１−Ａ２））を算出する（ステップＳ３０３）。そして、この算出した対象成分２１０Ｇの吸光度αと対象成分２１０Ｇの既知のモル吸光度αｇとから、対象成分２１０Ｇのモル濃度Ｍ（Ｍ＝α／αｇ）を算出する（ステップＳ３０４）。これにより、対象成分２１０Ｇを血液中のグルコースとした場合、血液中のグルコースのモル濃度Ｍを測定することができる。
【００１５】
この成分濃度測定装置２００において、第１の光源２０１からの光の波長λ１は１６０８ｎｍとされ、第２の光源２０２からの光の波長λ２は１３８０ｎｍとされている。この２つの波長λ１（１６０８ｎｍ），λ２（１３８０ｎｍ）は、図１３に水の吸光度温度依存性のグラフを示すように、それぞれの波長で水の吸光度スペクトルは温度依存係数が正負の傾向を示す。
【００１６】
このような水の吸光度が温度依存性を有する波長の光を用いる場合、温度変化による吸光度変化Δαｗに対して、温度を直接計測して既知の吸光度スペクトルからΔαｗを求めるか、若しくは光の吸収量変化から温度変化ΔＴを推定して既知の吸光度スペクトルからΔαｗを求める。この場合、α＝Ｍ・αｇ＋Δαｗと記述できる。従って、モル濃度ＭはＭ＝（Δα−Δαｗ）／αｇとして求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００７−８９６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、上述した従来の成分濃度測定装置では、対象成分（グルコース）の温度変化の推定精度が十分でなく、背景成分（水）の吸光度の温度依存性により対象成分の濃度の測定精度が低下する。また、吸光度変化による音源分布の変化に対する光音響信号の傾き（比例乗数）は、キャビティにおける共鳴モードによって吸光度αに強く依存するため、比例乗数の規格化が困難である。このような理由から、従来の成分濃度測定装置では、測定される対象成分の濃度に誤差が生ずるという課題があった。
【００１９】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、対象成分の濃度の測定精度を向上させることができる成分濃度測定装置および成分濃度測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
このような目的を達成するために本発明は、被測定物（１１０）に対して光を照射し、この照射した光によって発生する被測定物（１１０）からの音波を光音響信号として計測し、この計測した光音響信号の強さから被測定物（１１０）における対象成分（１１０Ｇ）の濃度を測定する成分濃度測定装置（１００）において、パワーが等しく設定された第１の光源（１０１）および第２の光源（１０２）からの光によって発生する被測定物（１１０）からの光音響信号の強さに基づいて被測定物（１１０）の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数として算出する比例乗数算出手段（１１４−１）と、被測定物（１１０）からの光音響信号の強さが等しくなるようにパワーが調整された第１の光源（１０１）および第２の光源（１０２）から同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された光を被測定物（１１０）に対して同時に照射させる駆動手段（１０３〜１０４）と、駆動手段（１０３〜１０４）によって照射された光によって発生する被測定物（１１０）からの光音響信号を取得する光音響信号取得手段（１１３−１）と、比例乗数算出手段（１１４−１）によって算出された比例乗数と光音響信号取得手段（１１３−１）によって取得された光音響信号の強さとから対象成分（１１０Ｇ）の吸光度を算出し、予め既知の値として求められている対象成分（１１０Ｇ）のモル吸光度を用いて、対象成分（１１０Ｇ）のモル濃度を算出するモル濃度算出手段（１１４−２）とを備え、第１の光源（１０１）の光の波長をλ１、第２の光源（１０２）の光の波長をλ２とした場合、第１の光源（１０１）の光の波長λ１は、対象成分（１１０Ｇ）が特徴的な吸収を呈する波長に設定され、第２の光源（１０２）の光の波長λ２は、対象成分（１１０Ｇ）が特徴的な吸収を呈さない波長に設定され、第１の光源（１０１）の光の波長λ１と第２の光源（１０２）の光の波長λ２とは、被測定物（１１０）における背景成分の温度依存性が相等しい波長に設定されていることを特徴とする。
【００２１】
この発明において、第１の光源（１０１）の光の波長λ１は、対象成分（１１０Ｇ）が特徴的な吸収を呈する波長に設定され、第２の光源（１０２）の光の波長λ２は、対象成分（１１０Ｇ）が特徴的な吸収を呈さない波長に設定され、第１の光源（１０１）の光の波長λ１と第２の光源（１０２）の光の波長λ２とは、被測定物（１１０）における背景成分（１１０Ｗ）の温度依存性が相等しい波長に設定される。例えば、第１の光源（１０１）の光の波長λ１は１６０８ｎｍとされ、第２の光源（１０２）の光の波長λ２は１３１２ｎｍとされる。これにより、波長λ１の光によって発生した光音響信号と波長λ２の光によって発生した光音響信号との差分値を計測した場合、背景成分（１１０Ｗ）の吸光度の温度依存性がキャンセルされ、温度変動による対象成分（１１０Ｇ）の濃度の測定精度の低下が抑えられる。
【００２２】
また、本発明では、パワーが等しく設定された第１の光源（１０１）および第２の光源（１０２）からの光によって発生する被測定物（１１０）からの光音響信号（Ａ１，Ａ２）を取得し、この取得した光音響信号（Ａ１，Ａ２）の強さに基づいて被測定物（１１０）の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数として算出する。すなわち、本発明では、比例乗数を規格化するのではなく、パワーが等しく設定された第１の光源（１０１）および第２の光源（１０２）からの光を被測定物（１１０）に照射し、これによって発生する被測定物（１１０）からの光音響信号（Ａ１，Ａ２）から被測定物（１１０）の吸光度に対する光音響信号の傾きを比例乗数として直接的に求める。これにより、吸光度変化による音源分布の変化に対する光音響信号の比例乗数として実値に近い比例乗数が得られ、この実値に近い比例乗数を用いて対象成分（１１０Ｇ）のモル濃度が算出されるものとなり、対象成分の濃度の測定精度が向上するものとなる。
【００２３】
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したことにより、本発明によれば、背景成分の吸光度の温度依存性をキャンセルするとともに、吸光度変化による音源分布の変化に対する光音響信号の比例乗数として実値に近い比例乗数を得るようにして、対象成分の濃度の測定精度を向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る成分濃度測定装置の基本構成を示す図である。
【図２】図２は、グルコース水溶液の吸光度スペクトルおよび水の吸光度スペクトルを示す図である。
【図３】図３は、音波検出器で変換される光音響信号の強さと吸光度との比例関係を示す図である。
【図４】図４は、グルコース水溶液の吸光度スペクトルから水の吸光度スペクトルを差し引いた差分スペクトル（グルコース差分吸収スペクトル）を示す図である。
【図５】図５は、水の吸光度スペクトルの温度依存性を示す図である。
【図６】図６は、実施の形態１の成分濃度測定装置における対象成分のモル濃度が求められるまでの処理の過程を示すフローチャートである。
【図７】図７は、実施の形態１の成分濃度測定装置において求められる光音響信号の傾き（比例乗数）Ｃ’を示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態２に係る成分濃度測定装置の基本構成を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態２の成分濃度測定装置における対象成分のモル濃度が求められるまでの処理の過程を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、発振器の周波数を掃引しつつ計測された吸光度と光音響信号との関係を示す図である。
【図１１】図１１は、従来の光音響法を用いた成分濃度測定装置の構成例を示す図である。
【図１２】図１２は、従来の成分濃度測定装置における対象成分のモル濃度が求められるまでの処理の過程を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、水の吸光度温度依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の実施の形態１に係る成分濃度測定装置１００の基本構成を示す図である。この成分濃度測定装置１００の構成は、水の吸光度の温度依存性をキャンセルするとともに、吸光度変化による音源分布の変化に対する光音響信号の比例乗数の校正を行うものである。
【００２８】
図１において、１０１は第１の光源、１０２は第２の光源、１０３は第１の駆動回路、１０４は第２の駆動回路、１０５は発振器、１０６は遅延調整器、１０７は光合波器、１０８は光ファイバ、１０９は光出射部、１１０は被測定物（対象成分１１０Ｇと背景成分１１０Ｗとが混合された溶液）、１１１は音波検出器（音響センサ）、１１２は増幅器、１１３は波形観測器、１１４は記録計である。
【００２９】
この成分濃度測定装置１００において、第１の光源１０１および第２の光源１０２には、連続的に強度変調した光源を用いている。例えば、半導体レーザの１種であるＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザを用いることができる。この場合、レーザ出力は１０ｍＷ程度、レーザ強度安定性は連続光モードにて約０．１％／ｈである。第１の光源１０１を波長可変レーザとして用いる場合に、温度調整により発振周波数を変化させる方法や外部共振器を用いる方法などがある。光源１０１，１０２には固体レーザも用いることができる。固体レーザから所定の波長を取り出すときには、プリズムや回折格子等の分散素子を用いる。
【００３０】
この成分濃度測定装置１００において、第１の光源１０１は、波長λ１の測定光を発生する。第２の光源１０２は、波長λ２の参照光を発生する。発振器１０５は、第１の光源１０１および第２の光源１０２から出力される光を強度変調するための変調信号を出力する。遅延調整器１０６は、発振器１０５からの変調信号のうち一方を反転して出力する。
【００３１】
第１の駆動回路１０３は第１の光源１０１を駆動する。第２の駆動回路１０４は、遅延調整器１０６で反転された変調信号を基に第２の光源１０２を駆動する。第１の光源１０１は、第１の駆動回路１０３からの信号により波長λ１の測定光を強度変調して出力する。第２の光源１０２は、第２の駆動回路１０４からの信号により波長λ２の参照光を強度変調して出力する。これにより、第１の光源１０１および第２の光源１０２から、同一周波数で互いに逆位相の信号により電気的に強度変調された異なる波長λ１およびλ２の光が出力される。
【００３２】
第１の光源１０１からの波長λ１の光と第２の光源１０２からの波長λ２の光とは光合波器１０７により合波され、光ファイバ１０８により光出射部１０９へ導かれる。光出射部１０９は、光合波器１０７より合波された光（測定用合成光）を被測定物１１０に向けて出射する。なお、被測定物１１０の形状に合わせて、光ファイバ１０８の先端に直角プリズム、ファイバコリメータ又はフェルールを接着してもよい。この光合波器１０７から照射される測定用合成光によって被測定物１１０は音波を発生する。
【００３３】
音波検出器１１１は、被測定物１１０から発生する音波を検出し、音圧に比例した強さの電気信号（光音響信号）に変換する。例えば、音波検出器１１１にはマイクロフォンや圧電素子を用いることができる。この変換された光音響信号は、増幅器１１２で増幅された後、波形観測器１１３に送られる。波形観測器１１３は、音波検出器２１１から増幅器１１２を介して送られてくる光音響信号を観測し、その観測結果を記録計１１４へ送る。記録計１１４は、波形観測器１１３から送られてくる光音響信号の観測結果に基づいて、被測定物１１０における対象成分１１０Ｇの濃度を算出する。
【００３４】
この成分濃度測定装置１００において、波形観測器１１３は、波長λ１の光によって発生した光音響信号をＡ１、波長λ２の光によって発生した光音響信号をＡ２とした場合、この光音響信号Ａ１とＡ２との差分値（Ａ１−Ａ２）を計測するが、この波形観測器１１３に加え、位相検波増幅器（図示せず）によって検波増幅し、光音響信号の振幅（Ａ）、位相（φ）を観測するようにしてもよい。
【００３５】
記録器１１４は、水の吸光度スペクトルや生体内成分の吸光度スペクトル、異なる濃度における対象成分の吸光度スペクトルのデータベースを有しており、取得した光音響信号の強さから対象成分の濃度を演算する機能を有している。
【００３６】
図２に、グルコース水溶液の吸光度スペクトル（点線で示す特性曲線Ｉ）および水の吸光度スペクトル（実線で示す特性曲線II）を示す。例えば、被測定物１１０が生体であり、対象成分１１０Ｇが血液中のグルコースであれば、背景成分１１０Ｗの呈する吸収は、水の呈する吸収とすることができる。
【００３７】
従来の成分濃度測定装置２００（図１１）では、第１の光源２０１の出力する光の波長λ１が１６０８ｎｍ（λ１０）とされ、第２の光源２０２の出力する光の波長λ２が１３８０ｎｍ（λ２０）とされていた。この波長λ１０，λ２０は、背景成分の呈する吸収が相等しい異なる波長である。なお、図中、波長λ１１，λ２１の対も背景成分の呈する吸収が相等しい異なる波長である。この図では、波長λ１０，λ２０の背景成分の吸光度をα２０、波長λ１１，λ２１の背景成分の吸光度をα２１として示している。音波検出器１１１で変換される光音響信号の強さは、吸光度と比例関係にあり、図３に示すように、波長λ２０と波長λ２１に対応する光音響信号Ａ２０とＡ２１とはある傾きＣ’で関係づけられる。
【００３８】
図４に、グルコース水溶液の吸光度スペクトルから水の吸光度スペクトルを差し引いた差分スペクトル（グルコース差分吸収スペクトル）を示す。図４には、グルコースの濃度が１ｇ／ｄＬの場合と２ｇ／ｄＬの場合のグルコース差分吸収スペクトルを示している。このグルコース差分吸収スペクトルにおいて、変動が激しい領域を除く安定した領域のスペクトルにおいて、１６００ｎｍと２１５０ｎｍの近傍にピークが存在する。
【００３９】
図５に、水の吸光度スペクトルの温度依存性(吸光度の変化（実線で示す特性曲線III)及び吸光度の変化率％(点線で示す特性曲線IV)）を示す。同図において、横軸は波長、左縦軸は温度１℃当たりの吸光度変化、右縦軸は温度１℃当たりの吸光度変化率を示している。被測定物１１０において、背景成分１１０Ｗの変動が生じることは不可避であり、対象成分１１０Ｇの濃度の測定精度を低下する要因となる。
【００４０】
本実施の形態では、第１の光源１０１の出力する光の波長λ１および第２の光源１０２の出力する光の波長λ２を、背景成分１１０Ｗの温度依存の吸光度変化率が相等しい異なる波長とする。図５では、この背景成分１１０Ｗの温度依存の吸光度変化率が相等しい異なる波長として、１６０８ｎｍｍと１３１２ｎｍを例示している。これにより、波長λ１の光によって発生した光音響信号Ａ１と波長λ２の光によって発生した光音響信号Ａ２との差分値（Ａ１−Ａ２）を計測した場合、背景成分１１０Ｗの温度依存の吸光度変化がキャンセルされるものとなる。
【００４１】
また、本実施の形態において、第１の光源１０１および第２の光源１０２のうちの少なくとも１つは、対象成分１１０Ｇの呈する吸収が極大となる波長であることが好ましい。例えば、被測定物１１０が生体であり、対象成分１１０Ｇが血液中のグルコースであれば、図４に示したグルコース差分吸収スペクトルに示すように、第１の光源１０１は、グルコースの呈する吸収が極大となる波長である波長１６００ｎｍ又は２１５０ｎｍであることが好ましい。この場合、第１の光源１０１の出力する連続光が波長λ１の測定光となり、第２の光源１０２の出力する連続光が波長λ２の参照光となる。
【００４２】
以上のことから、本実施の形態では、第１の光源１０１の光の波長λ１を１６０８ｎｍに設定し、第２の光源１０２の光の波長λ２を１３１２ｎｍに設定する。すなわち、第１の光源１０１の光の波長λ１を対象成分１１０Ｇが特徴的な吸収を呈する波長に設定し、第２の光源１０２の光の波長λ２を対象成分１１０Ｇが特徴的な吸収を呈さない波長に設定し、第１の光源１０１の光の波長λ１と第２の光源１０２の光の波長λ２とを、被測定物１１０における背景成分１１０Ｗの温度依存性性による吸光度変化率が相等しい波長に設定する。
【００４３】
吸光度αと光音響信号Ａとは比例乗数Ｃにより比例関係にある。被測定物１１０に照射する光パワーをＩとすれば、Ａ＝Ｃ・α・Ｉ＝Ｃ’・αと表される。ここで、光パワーを含む比例乗数Ｃ’（Ｃ’＝Ｃ・Ｉ）は、変化し制御又は予想が困難な係数である。例えば、図１における、音波検出器１１１と被測定物１１０との音響結合、音波検出器１１１の感度、光出射部１０９と被測定物１１０の間の距離、被測定物１１０の比熱、被測定物１１０の熱膨張係数、被測定物１１０での音速、発振器１０５の発振周波数、さらに、吸光度αにも依存する未知数である。光音響信号の振幅及び位相は、被測定物１１０内での音響共振により、キャビティサイズや被測定物１１０の内部構造に依存する。そのため、それらの変動により光音響信号の振幅及び位相が変化し、測定される対象成分の濃度に誤差が生ずる原因となる。
【００４４】
このため、従来の成分濃度測定装置２００（図１１）では、所定の波長により取得した光音響信号により比例乗数Ｃを規格化することにより影響を排除する方法を採っている。しかし、この成分濃度測定装置２００では、比例乗数Ｃが吸光度αに依存しないことを前提としており、共鳴モードにより吸光度αに強く依存する場合、比例乗数Ｃの規格化が困難となる。そこで、本実施の形態の成分濃度測定装置１００では、吸光度の相異なる２波長を利用して光音響信号を検出および記録し、吸光度αに対する光音響信号の傾きＣ’を直接的に求める。
【００４５】
具体的には、パワーを等しく設定した第１の光源１０１および第２の光源１０２を用い、第１の光源１０１から波長λ１（１６０８ｎｍ）の光を被測定物１１０に照射して光音響信号Ａ１を計測し、第２の光源１０２から波長λ２（１３１２ｎｍ）の光を被測定物１１０に照射して光音響信号Ａ２を計測し（図６：ステップＳ１０１）、この計測した光音響信号Ａ１，Ａ２と既知の吸光度α１，α２（予め分光器等により計測した既知の吸光度スペクトルの値）とから吸光度αに対する光音響信号の傾きＣ’を求める（ステップＳ１０２、図７参照）。この吸光度αに対する光音響信号の傾きＣ’の取得は、測定前に１回行ってもよく、また測定毎に行ってもよい。
【００４６】
次に、第１の光源１０１からの波長λ１（１６０８ｎｍ）の光によって発生する被測定物１１０からの光音響信号Ａ１と、第２の光源１０２からの波長λ２（１３１２ｎｍ）の光によって発生する被測定物１１０からの光音響信号Ａ２とが等しくなるように、すなわち光音響信号Ａ１と光音響信号Ａ２との差が概ねゼロとなるように、第２の光源１０２のパワーを調整する（ステップＳ１０３）。パワー調整時に、第１の光源１０１及び第２の光源１０２を同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調してもよい。
【００４７】
なお、この例では、第２の光源１０２のパワーを調整するものとしたが、第１の光源１０１のパワーを調整するようにしてもよく、第１の光源１０１と第２の光源１０２の両方のパワーを調整するようにしてもよい。また、光パワーＩはフォトディテクターにより記録して後に校正するか、フォトディテクターの出力電圧をモニタして光源の出力を制御してもよい。
【００４８】
続いて、同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された第１の光源１０１からの光（波長λ１（１６０８ｎｍ）の光）と第２の光源１０２からの光（波長λ２（１３１２ｎｍ）の光）とを被測定物１１０に対して同時に照射し、被測定物１１０における対象成分１１０Ｇの濃度に比例した強さの光音響信号（Ａ１−Ａ２）を計測する（ステップＳ１０４）。この計測された光音響信号（Ａ１−Ａ２）を光音響信号Ａｄとする。周波数としては例えば４００ｋＨｚであり、信号検出に用いる音響センサの感度が高い周波数を用いても良い。
【００４９】
そして、この光音響信号ＡｄとステップＳ１０２で算出した比例乗数Ｃ’とから、対象成分１１０Ｇの吸光度αをα＝Ａｄ／Ｃ’として算出する（ステップＳ１０５）。この算出された吸光度αは対象成分１１０Ｇのモル濃度Ｍとモル吸光度αｇの積に対応する。そこで、この算出された対象成分１１０Ｇの吸光度αと対象成分２１０Ｇの既知のモル吸光度αｇ（予め分光器等により求めた既知の値）とから、対象成分１１０Ｇのモル濃度Ｍ（Ｍ＝α／αｇ）を算出する（ステップＳ１０６）。なお、このモル濃度はステップＳ１０３からの相対値となる。
【００５０】
図６に示したフローチャートに示した処理において、ステップＳ１０１での第１の光源１０１と第２の光源１０２のパワーを等しくしての光音響信号の計測およびステップＳ１０４での第１の光源１０１と第２の光源１０２を用いての光音響信号の差分値の計測は波形観測器１１３における光音響信号取得部１１３−１で行われる。この光音響信号取得部１１３−１が本発明でいう光音響信号取得手段に相当する。
【００５１】
また、図６に示したフローチャートに示した処理において、ステップＳ１０２での光音響信号の比例乗数Ｃ’の算出は、記録計１１４における比例乗数算出部１１４−１で行われ、ステップＳ１０５での対象成分１１０Ｇの吸光度αの算出およびステップＳ１０６での対象成分１１０Ｇのモル濃度Ｍの算出は記録計１１４におけるモル濃度算出部１１４−２で行われる。この比例乗数算出部１１４−１およびモル濃度算出部１１４−２が本発明でいう比例乗数算出手段およびモル濃度算出手段に相当する。
【００５２】
また、図６に示したフローチャートに示した処理において、ステップＳ１０４では、第１の光源１０１および第２の光源１０２から同一周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された波長λ１およびλ２の光を被測定物１１０に対して同時に照射させるが、これは第１の駆動回路１０３、第２の駆動回路１０４、発振器１０５および遅延調整器１０６を用いて行われ、この構成が本発明でいう駆動手段に相当する。
【００５３】
また、この成分濃度測定装置１００において、波形観測器１１３や記録計１１４は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現される。
【００５４】
〔実施の形態２〕
図８は、本発明の実施の形態２に係る成分濃度測定装置１００’の基本構成を示す図である。同図において、図１と同一符号は図１を参照して説明した構成要素と同一或いは同等の構成要素を示し、その説明は省略する。
【００５５】
実施の形態２の成分濃度測定装置１００’では、発振器１０５の周波数ｆが可変となっており、この点で実施の形態１の成分濃度測定装置１００とは異なっている。図９に図６に示したフローチャートに対応するフローチャートを示す。
【００５６】
この成分濃度測定装置１００’において、波形観測器１１３は、発振器１０５の周波数ｆを掃引しつつ、吸光度αと光音響信号Ａとの関係を計測し（図１０参照）、比例乗数Ｃ’が最大となる周波数ｆを求め、発振器１０５に対して設定する（ステップＳ２０１〜Ｓ２０４）。この処理は、波形観測器１１３における周波数決定部１１３−２で行われる。この周波数決定部１１３−２が本発明でいう周波数を求める手段に相当する。図９に示したフローチャートにおいて、ステップＳ２０５以降の処理は、図６に示したフローチャートにおけるステップＳ１０３以降の処理と同じであるので、その説明は省略する。
【００５７】
この実施形態２では、小さい吸光度変化に対しても大きい振幅変化が得られ、感度が向上し対象成分の濃度の測定限界を下げることができる。実施の形態２においても、実施の形態１と同様、吸光度αに対する光音響信号の比例乗数Ｃ’の取得は、測定前に１回行ってもよく、また測定毎に行ってもよい。
【００５８】
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、人間又は動物に存在する溶液の非侵襲な成分濃度測定装置、および、人間又は動物から採取した溶液の成分濃度測定装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１００，１００’…成分濃度測定装置、１０１…第１の光源、１０２…第２の光源、１０３…第１の駆動回路、１０４…第２の駆動回路、１０５…発振器、１０６…遅延調整器、１０７…光合波器、１０８…光ファイバ、１０９…光出射部、１１０…被測定物、１１０Ｇ…対象成分、１１０Ｗ…背景成分、１１１…音波検出器（音響センサ）、１１２…増幅器、１１３…波形観測器、１１３−１…光音響信号取得部、１１３−２…周波数決定部、１１４…記録計、１１４−１…比例乗数算出部、１１４−２…モル濃度算出部。
【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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【図１３】
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