(57)【要約】【課題】ＯＰＢＳ法での被測定試料への照射光強度が時間的に変動しても、高精度な測定が可能な成分濃度測定装置および測定方法を提供すること。【解決手段】光源１０１〜１０６が、光路切替器１０７に光接続されている。光路切替器１０７は、予め設定された周期時間において周期駆動回路１０８が光路切替器１０７を制御することより光路切替がなされ、被測定物を光照射する光の光源が選択される。予め設定された時間積算光強度Ｗ0となるように計算された照射時間だけ光が照射されるようにＯＮ／ＯＦＦ開閉器１１２の光路開閉時間が制御される。被測定物への光照射をＯＮ／ＯＦＦ制御し、予め設定された時間積算光強度Ｗ0の光を被測定物セル１１３内の被測定物に光照射する。光照射により発生した音波が検出され、各光源の各時間積算光強度に対する光音響信号強度を検出し、被測定物の特定成分の濃度を測定することが可能となる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なる複数の光を照射する光源と、
前記波長の異なる複数の光の内、位相がπ異なる矩形連続波形の第１および第２の光の前記光源を切り替える光路切替手段と、
前記第１および第２の光のそれぞれの光強度を測定する光強度測定手段と、
前記第１および第２の光の光照射を間欠的にＯＮ／ＯＦＦ制御して、前記第１および第２の光の照射時間を制御する開閉手段と、
前記開閉手段からの前記第１および第２の光の光照射によって被測定物から発生する光音響波を検出して光音響信号強度を出力する光音響信号検出手段と、
前記光強度と前記照射時間とから算出される前記第１および第２の光の時間積算光強度について、前記照射時間を制御することにより前記第１および第２の光の一方の前記時間積算光強度を一定し、前記光音響信号強度が極小値となるように他方の前記時間積算光強度を変化させたときの前記第１および第２の光それぞれの前記時間積算光強度、前記時間積算光強度の変化量、光吸収係数および光吸収係数変化率に基づき、前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段と、
を備えたことを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記光路切替手段と前記開閉手段との間に設置された光分岐手段をさらに備え、
前記光強度測定手段は、前記光分岐手段で分岐された光の光強度を測定することを特徴とする請求項１に記載の成分濃度測定装置。
【請求項３】
波長の異なる複数の光を照射する光源と、
前記波長の異なる複数の光の内、位相がπ異なる矩形連続波形の第１および第２の光の前記光源を、第１および第２の光路間で切り替え、前記第１の光路への前記第１および第２の光の照射時間を制御する光スイッチと、
前記第１および第２の光のそれぞれの光強度を測定する光強度測定手段と、
前記光スイッチの第１の光路からの前記第１および第２の光の光照射によって被測定物から発生する光音響波を検出して光音響信号強度を出力する光音響信号検出手段と、
前記光強度と前記照射時間とから算出される前記第１および第２の光の時間積算光強度について、前記照射時間を制御することにより前記第１および第２の光の一方の前記時間積算光強度を一定し、前記光音響信号強度が極小値となるように他方の前記時間積算光強度を変化させたときの前記第１および第２の光それぞれの前記時間積算光強度、前記時間積算光強度の変化量、光吸収係数および光吸収係数変化率に基づき、前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段と、
を備えたことを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項４】
前記光スイッチは、前記光源に接続された第１の光スイッチと、前記第１および第２の光路に接続された第２の光スイッチとを含み、
前記第１の光スイッチと前記第２の光スイッチとの間に設置された光分岐手段をさらに備え、
前記光強度測定手段は、前記光分岐手段で分岐された光の光強度を測定することを特徴とする請求項３に記載の成分濃度測定装置。
【請求項５】
波長の異なる複数の光を照射するステップと、
前記波長の異なる複数の光の内、位相がπ異なる矩形連続波形の第１および第２の光の接続を、第１および第２の光路間で切り替え、前記第１の光路への前記第１および第２の光の照射時間を制御するステップと、
前記第１および第２の光のそれぞれの光強度を測定するステップと、
前記第１の光路からの前記第１および第２の光の光照射によって被測定物から発生する光音響波を検出して光音響信号強度を出力するステップと、
前記光強度と前記照射時間とから算出される前記第１および第２の光の時間積算光強度について、前記照射時間を制御することにより前記第１および第２の光の一方の前記時間積算光強度を一定し、前記光音響信号強度が極小値となるように他方の前記時間積算光強度を変化させたときの前記第１および第２の光それぞれの前記時間積算光強度、前記時間積算光強度の変化量、光吸収係数および光吸収係数変化率に基づき、前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出するステップと、
を有することを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項６】
前記測定対象の成分の濃度を導出するステップは、前記測定対象の成分の濃度および溶媒の光吸収係数が既知の標準試料を用いて前記第１および第２の光の前記光吸収係数変化率を導出するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の成分濃度測定方法。
【請求項７】
前記測定対象の成分の濃度を導出するステップは、前記光音響信号強度が極小値となるように前記時間積算光強度を調整した後、前記測定対象の成分の濃度を増減させ、前記測定対象の成分の濃度の増減後に前記光音響信号強度が極小値となる前記時間積算光強度の変化量、光吸収係数変化率を測定するステップを含むことを特徴とする請求項５又は６に記載の成分濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水など光と音響信号が共に伝搬する媒体内において、その分散または溶解成分の濃度を測定する成分濃度測定装置および測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
糖尿病予防のためには、糖尿病患者の血糖値を連続的に監視することが重要となる。血糖値の監視では、血液中に存在するグルコース濃度を正確に測定する必要がある。この測定の方法として、光音響法がある。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、糖尿病患者にとって無痛であり、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。また、光音響法の測定では、他の光学的な測定方法と比較し、散乱メディアによる効率の悪化がなく、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：ＣＷ）法の２つの方式がある。しかし、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があった。
【０００４】
そこで、２つの波長のπ（１８０°）の位相差を有する連続した矩形波により成分濃度を測定する光パワーバランスシフト（Ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｏｗｅｒ  ｂａｌａｎｃｅ  ｓｈｉｆｔ：ＯＰＢＳ）法が開発されている（特許文献１−５参照）。
【０００５】
具体的には、波長λ１と波長λ２の２つのπの位相差を有する強度変調光を合波して被測定物に出射する。そして、その被測定物の成分に吸収されて発生する音波を検出し、その音波の大きさから被測定物内の測定対象成分の濃度を測定する方法である。
【０００６】
ここで、例えば、波長λAと波長λBは、被測定物内の背景成分である水による吸収度が互いに等しくなるように設定されている。また、波長λAは、被測定物内の測定対象成分であるグルコースによる吸収度が極大になるように設定されている。
【０００７】
このような異なる２つの波長の光を出射した場合、波長λAの光をグルコースと水の両方が吸収して被測定物から発生する音波と、波長λBの光を水が吸収して被測定物から発生する音波とは、周波数が等しくかつ逆位相であることから、被測定物の内部で重畳し、音波の差として、グルコースが吸収して被測定物から発生する音波の大きさのみが残留することになる。
【０００８】
すなわち、検出された音波の大きさＳは、波長λAの光のみを用いて計測した音波の大きさと波長λBの光のみを用いて計測した音波の大きさとの差分に相当し、被測定物内の特定成分（ここではグルコース）の吸収のみに基づく大きさとなる。
【０００９】
［ＯＰＢＳ測定法］
ここで従来のＯＰＢＳ法の測定原理を簡単に説明する。従来のＯＰＢＳ法では、被測定物から超音波が発生しない点、すなわち光音響信号の強度Ｓが０となる点を探索するために、前記２波長の光のパワーの調整を行う。
【００１０】
例えば、前記光音響信号の強度Ｓが０ではなく定数Ｓ0であっても既知の定数であれば問題がないが、以下、説明の簡略化のため、定数Ｓ0が０となるとして考える。
【００１１】
光音響信号の強度Ｓ＝０の場合には、次式のような理論式が成立する。
αAＰA−αBＰB＝０                            ・・・（１）
【００１２】
ここでＰA、ＰBは２波長の光Ａ、Ｂのパワー、αA、αBはそれぞれ光のパワーがＰA、ＰBの光に対する被測定物の光吸収係数である。
【００１３】
このとき、２波長の光からそれぞれ発生する音波は、周波数が等しくかつ逆位相であることから、被測定物の内部で打ち消し合い光音響信号の強度Ｓ＝０（もしくは、極小値：Ｓ0）とすることができる。言い換えると、この時は２波長の光の音波の強度バランスが取れた状態とも言える。
【００１４】
ここで、測定したい成分の濃度が変化した場合、例えば被測定物の成分としてグルコース濃度がＣｇだけ変化したと仮定する。この濃度変化により光吸収係数αA、αBがそれぞれδαA、δαBだけ変化した場合、式（１）が成立する状態から式（２）の状態に変化する。
（αA＋δαAＣg）ＰA−（αB＋δαBＣg）ＰB≠０        ・・・（２）
【００１５】
ここで、光吸収係数変化率δαA，δαBは、被測定物の成分であるグルコースに関する光Ａ、Ｂの光波長λA、λBでの単位濃度当たりの光吸収係数であるので、グルコース単体の試薬溶液での光吸収スペクトル測定などで別途検出可能な値である。
【００１６】
Ｓ＝０の状態に戻すために、例えば光Ａの光強度ＰAを変化させると次式が成立する。
（αA＋δαAＣg）（ＰA＋δＰA）−（αB＋δαBＣg）ＰB＝０    ・・・（３）
【００１７】
続いて、それと同時に、もう一方の光Ｂの光強度ＰBを変化させると、式（３）と同様に次式が成り立つ。
（αA＋δαAＣｇ）（ＰA＋δＰA）−（αB＋δαBＣｇ）（ＰB＋δＰB）＝０  ・・・（４）
【００１８】
式（３）、（４）におけるδＰA、δＰBは光Ａ、Ｂの光強度ＰA、ＰBの各変化量である。
【００１９】
このとき、式（４）より次式が得られる。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
式（１）、（３）、（４）より、未知であった光吸収係数αA、αBが求まることから、式（５）より、グルコース濃度Ｃgを測ることができることが分かる。
【００２２】
引き続いて、ＯＰＢＳ法の測定手順について、具体的に図表を用いて説明する。
【００２３】
特許文献１−５に開示されたＯＰＢＳ法では、図１に示すように光波長が異なり、互いに位相差がπの２つの矩形連続波形の光Ａと光Ｂを被測定物に対して、同一光出力口から照射する。この時、被測定物より発生する光音響波信号Ｓは、被測定物の光吸収係数をα、一定強度の光強度をＰとすると次式で表され、図１中の各照射光の時間変化である矩形連続波形の面積となる。
Ｓ＝α×Ｐ      ・・・（６）
【００２４】
ＯＰＢＳ法は、これら２波長の光Ａ、Ｂの光強度ＰA、ＰBを増減させながら、光音響信号の振幅が最小な箇所の位相の変曲点を探し、この探索結果から血液中に溶解している被測定物の濃度を求める方法である。
【００２５】
より具体的には、図２（ａ）から図２（ｃ）に示すように、まず波長の異なる２つの光Ａ、Ｂのうち一方の光Ｂの光強度ＰBを一定にし、もう一方の光Ａの光強度ＰAを変えながら光音響信号強度Ｓを測定していく。このとき、光音響信号強度Ｓが図２（ｄ）に示すような極小値を取る曲線変化が得られる。特に図２（ｂ）の位置で、光音響信号強度Ｓは極小値を示すが、これは２波長の光Ａ、Ｂに起因する音波の強度バランスが取れた状態であり、式（１）が成り立つ状態である。
【００２６】
その後、被測定物内の特定成分（例えばグルコース）の濃度の増減によって生じる光吸光係数αBが変化すると、図２（ｄ）の破線のように光音響信号強度Ｓの曲線はシフトする。図２（ｂ）と同様の位置で光音響信号強度が極小値をとるとき、式（３）の状態となり、光Ａの光強度ＰAも変化する（図２（ｄ）の破線）。さらに、光Ｂの光強度ＰBも同様に変化させることにより、式（４）の状態を再現することができるため、式（１）、（３）〜（５）より、被測定物内の特定成分（例えばグルコース）の濃度Ｃgの評価が行える。
【００２７】
しかし実際には、一方の光Ａは、被測定物内の特定成分（例えばグルコース）の光吸収係数変化率δαAが無視できるほど小さい（δαA≒０）光波長を選択することも可能であり、それにより測定は光Ａのみの光強度変化と式（１）、（３）で評価できるため、つまり、光音響信号強度が最低となる光強度ＰBのみ変化させることより被測定物内の特定成分（例えばグルコース）の濃度の正確な測定が可能となる。
【００２８】
つまり、被測定物内の特定成分（例えばグルコース）の濃度Ｃ＝Ｃ0のときの図２（ｄ）の実線の極小値を取る光Ｂの強度ＰB（Ｃ0）と式（１）、および、被測定物内の特定成分（例えばグルコース）の濃度がΔＣだけ増えた場合の濃度Ｃ1＝Ｃ0＋ΔＣのときの図２（ｄ）の破線の極小値を取る光Ｂの強度ＰB’（Ｃ1＝Ｃ0＋ΔＣ）と式（３）から、被測定物内の特定成分（例えばグルコース）の濃度増加分ΔＣが得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特開２０１６−１５４５８５号公報
【特許文献２】特開２０１５−３１６７０号公報
【特許文献３】特開２０１４−５０５６３号公報
【特許文献４】特開２０１３−１０６８７４号公報
【特許文献５】特開２０１２−１７９２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
従来のＯＰＢＳ法では、光源の出力の安定性が良くない場合や環境温度の変動などにより、光パワーＰA、ＰBはレーザダイオードの駆動電流が一定でも変化する。例えば式（１）において、光パワーＰAがεだけ変化すると、次式のようになる。
αA（ＰA＋ε）−αBＰB≠０                  ・・・（７）
【００３１】
式（７）の状態では、グルコース濃度が一定であっても、Ｓ＝０の状態にするために一方の光強度（例えばＰA）を調整しなければならない。
αA（（ＰA＋δＰA）＋ε）−αBＰB＝０      ・・・（８）
【００３２】
したがって、光源の出力の変化が光音響信号の強度Ｓに与える影響とグルコース濃度の変化が光音響信号の強度Ｓに与える影響とは同じであり、これらの変化を測定結果のδＰAから区別することはできないため、光源の出力の変化があると、グルコース濃度を正確に測ることが難しくなる。つまり、従来のＯＰＢＳ法では、光源の出力パワーを常時測定し、光源の出力を一定に保つ必要があった。
【００３３】
つまり、従来のＯＰＢＳ法では、光音響信号の強度が最低な点を探索するために、光強度ＰAを一定強度に保ったまま、パワーＰBを細かく変えながら光音響信号の強度の測定を行う必要がある。
【００３４】
そのため、レーザダイオードの光強度、ＰA、ＰBの安定性が必要となり、光音響信号の極小値を求める１サイクルの測定時間内での短時間安定性と測定再現性のための長時間安定性の両方が必要となる。
【００３５】
しかし、実際には、フィードバック回路を有する注入電流制御を行っていてもＬＤ（レーザダイオード）光の光強度の時間変化安定性は、さほど高くなく、温度などの環境変化などで、数％の光強度変動は生じてしまう。そのため、実際に上記測定を行う場合、極小値を測定する時間内に数％の光強度ノイズを含んでしまい、改善の困難なＯＰＢＳ法の測定誤差の原因となってしまうという課題があった。
【００３６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＯＰＢＳ法での測定時に被測定試料への照射光強度が時間的に変動しても、高精度な測定が可能な成分濃度測定装置および測定方法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】
【００３７】
上記の課題を解決するために、本発明は、成分濃度測定装置であって、波長の異なる複数の光を照射する光源と、前記波長の異なる複数の光の内、位相がπ異なる矩形連続波形の第１および第２の光の前記光源を切り替える光路切替手段と、前記第１および第２の光のそれぞれの光強度を測定する光強度測定手段と、前記第１および第２の光の光照射を間欠的にＯＮ／ＯＦＦ制御して、前記第１および第２の光の照射時間を制御する開閉手段と、前記開閉手段からの前記第１および第２の光の光照射によって被測定物から発生する光音響波を検出して光音響信号強度を出力する光音響信号検出手段と、前記光強度と前記照射時間とから算出される前記第１および第２の光の時間積算光強度について、前記照射時間を制御することにより前記第１および第２の光の一方の前記時間積算光強度を一定し、前記光音響信号強度が極小値となるように他方の前記時間積算光強度を変化させたときの前記第１および第２の光それぞれの前記時間積算光強度、前記時間積算光強度の変化量、光吸収係数および光吸収係数変化率に基づき、前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００３８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の成分濃度測定装置において、前記光路切替手段と前記開閉手段との間に設置された光分岐手段をさらに備え、前記光強度測定手段は、前記光分岐手段で分岐された光の光強度を測定することを特徴とする。
【００３９】
請求項３に記載の発明は、成分濃度測定装置であって、波長の異なる複数の光を照射する光源と、前記波長の異なる複数の光の内、位相がπ異なる矩形連続波形の第１および第２の光の前記光源を、第１および第２の光路間で切り替え、前記第１の光路への前記第１および第２の光の照射時間を制御する光スイッチと、前記第１および第２の光のそれぞれの光強度を測定する光強度測定手段と、前記光スイッチの第１の光路からの前記第１および第２の光の光照射によって被測定物から発生する光音響波を検出して光音響信号強度を出力する光音響信号検出手段と、前記光強度と前記照射時間とから算出される前記第１および第２の光の時間積算光強度について、前記照射時間を制御することにより前記第１および第２の光の一方の前記時間積算光強度を一定し、前記光音響信号強度が極小値となるように他方の前記時間積算光強度を変化させたときの前記第１および第２の光それぞれの前記時間積算光強度、前記時間積算光強度の変化量、光吸収係数および光吸収係数変化率に基づき、前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出する濃度導出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００４０】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の成分濃度測定装置において、前記光スイッチは、前記光源に接続された第１の光スイッチと、前記第１および第２の光路に接続された第２の光スイッチとを含み、前記第１の光スイッチと前記第２の光スイッチとの間に設置された光分岐手段をさらに備え、前記光強度測定手段は、前記光分岐手段で分岐された光の光強度を測定することを特徴とする。
【００４１】
請求項５に記載の発明は、成分濃度分析方法であって、波長の異なる複数の光を照射するステップと、前記波長の異なる複数の光の内、位相がπ異なる矩形連続波形の第１および第２の光の接続を、第１および第２の光路間で切り替え、前記第１の光路への前記第１および第２の光の照射時間を制御するステップと、前記第１および第２の光のそれぞれの光強度を測定するステップと、前記第１の光路からの前記第１および第２の光の光照射によって被測定物から発生する光音響波を検出して光音響信号強度を出力するステップと、前記光強度と前記照射時間とから算出される前記第１および第２の光の時間積算光強度について、前記照射時間を制御することにより前記第１および第２の光の一方の前記時間積算光強度を一定し、前記光音響信号強度が極小値となるように他方の前記時間積算光強度を変化させたときの前記第１および第２の光それぞれの前記時間積算光強度、前記時間積算光強度の変化量、光吸収係数および光吸収係数変化率に基づき、前記被測定物に含まれる測定対象の成分の濃度を導出するステップと、を有することを特徴とする。
【００４２】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の成分濃度分析方法において、前記測定対象の成分の濃度を導出するステップは、前記測定対象の成分の濃度および溶媒の光吸収係数が既知の標準試料を用いて前記第１および第２の光の前記光吸収係数変化率を導出するステップを含むことを特徴とする。
【００４３】
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の成分濃度分析方法において、前記測定対象の成分の濃度を導出するステップは、前記光音響信号強度が極小値となるように前記時間積算光強度を調整した後、前記測定対象の成分の濃度を増減させ、前記測定対象の成分の濃度の増減後に前記光音響信号強度が極小値となる前記時間積算光強度の変化量、光吸収係数変化率を測定するステップを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば光透過性のある溶液中の溶解成分濃度を光音響信号を用いて検出でき、溶液分析の技術に適用できる。特に、血液や体液の分析に用いることによって、血液グルコース、アルブミン等の成分の濃度をモニターすることが可能となり、様々な医療分析技術へ導入が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来のＯＰＢＳ法における光Ａ、Ｂを交互に照射した際の光強度の時間変化を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、光Ａ、Ｂを交互に照射した際の光強度の時間変化を示す図であり、（ｄ）は、従来のＯＰＢＳ法における光音響信号強度Ｓの光強度依存性を示す図である。
【図３】（ａ）は、光Ａ、Ｂを交互に時間間欠的に照射した際の光強度変化の時間変化を示す図であり、（ｂ）は時間積算光強度変化の時間変化を示す図である。
【図４】光Ａ、Ｂの各照射時間に対する時間積算光強度変化を示す図である。
【図５】光Ａ、Ｂの時間積算光強度の各照射時間の分割依存性を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る成分濃度分析方法のフロー図である。
【図９】本発明の光Ａと光Ｂの時間積算光強度ＰA、ＰBの光照射方法のフロー図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態に係る成分濃度測定装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
従来のＯＰＢＳ法では、光音響信号の強度が最低な点（極小値）を探索するために、一方の光強度ＰAを常時測定し、一定強度に保ったまま、パワーＰBを細かく変えながら光音響信号の強度の測定を行っており、パワーＰAは、常に一定に保たれていることが前提条件であり、測定中に変動した場合のパワー変動幅ΔＰAは、光音響信号の強度が最低な点（極小値）を求める際の誤差原因となっていた。
【００４７】
そこで本発明の成分濃度測定装置は、従来のＯＰＢＳ法のように光音響信号の強度が最低な点を探索するために、測定した光パワーを測定し、被測定試料に単位時間当たり、同じ時間積算光強度Ｗとなるように照射時間を時間間欠的にＯＮ／ＯＦＦ制御し調整することによって、たとえ照射する光パワーが変動しても、同じ光音響信号強度を安定的に維持できるようにすることを特徴としている。そのため本発明では、従来のように、一方の光強度ＰAを常時測定し、一定強度に保ったまま、パワーＰBを細かく変えながら光音響信号の強度の測定を行う必要はない。
【００４８】
つまり、パワーＰAを一定にするのではなく、１点の計測点を得るための単位測定時間当たりの時間積算光強度Ｗを一定にすることによって、同じ光音響信号を得られるようにするものである。
【００４９】
時間積算光強度Ｗは、測定した光強度の時間変化を用いて、以下の式をもって表される。
【００５０】
【数２】
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【００５１】
このとき、時間間欠的にON/OFF制御する時間内で生じる光強度の時間変化が十分小さい場合には、時間積算光強度Ｗは、以下の式のように、矩形波の集合として離散化させることができる。
【００５２】
【数３】
2019004946.tif 000005
【００５３】
特に、複数の波長の光を用いた１周期の測定の時間内で生じる光強度の時間変化が十分小さい場合には、時間積算光強度Ｗは、光強度をＰS、１周期の光照射の合計時間をＴSとすると、以下の式のように、単純な積として表せる。
Ｗ＝ＰS×ＴS            ・・・（１１）
【００５４】
このとき、被測定試料に光吸収が起こり、熱変換や熱放射によって局所的に熱膨張を起こし、その熱膨張によって生体内から発生する光音響波が発生するまでの変換時間以内に、光照射を時間間欠して前記積算量を調整することが望ましいため、間欠時間は１０ミリ秒以下が望ましい。さらに音響マイクロフォンにノイズ検出されにくくするため、２０ｋＨｚ以上の周波数動作が望ましく、間欠時間は５×１０-5秒以下であることが望ましい。
【００５５】
図３（ａ）、（ｂ）に、光強度が時間変動しても、時間積算光強度Ｗを一定に保つ原理を説明する図を示す。図３（ａ）は、時間変化に対して、波長λAとλBの光Ａ、Ｂを交互に時間間欠的に照射した際の光強度変化の例を示す。光Ａは時間的に光強度ＰAは変動していないが、光Ｂの光強度ＰBは時間変化している。破線は光Ａの光強度を結んだものであり、一点破線は光Ｂの光強度を結んだものである。光Ａのように、光強度ＰAを一定に保つためには、常時光強度ＰAを測定し光強度ＰAを制御する必要がある。しかし、式（９）〜（１１）を用いて時間積算光強度Ｗを計算すると、図３（ａ）の光Ｂのように光強度を常時制御しなくても照射時間を制御することにより、図３（ｂ）に示すように光Ｂも光Ａと同様に時間積算光強度Ｗを一定に保つことが可能となる。
【００５６】
さらに、従来のＯＰＢＳ法において、互いに異なる波長の複数の少なくとも１つの光パワーを細かく変えながら光音響信号の強度の測定を行っていたが、光パワーの高精度なフィードバック制御が必要となるうえ、温度やＬＤ電源の電流安定性などの問題で、数％程度の光パワー変動が発生してしまう。
【００５７】
そのため本発明では、照射時間を調整して光時間積算強度を可変させることにより、光音響信号の強度の測定を行い、光音響信号強度が最低となる時間積算強度の変化量を測定することにより、被測定物内の特定成分（例えばグルコース）の濃度の正確な測定を行うものである。
【００５８】
図４に、時間積算光強度Ｗを変化させる原理を例示する。周期を２πとして波長λAとλBの光Ａ、Ｂを交互に照射する際に、光Ａの時間積算光強度ＷAを一定に保ちながら、光Ｂの時間積算光強度ＷBを変化させる場合を例示している。
【００５９】
説明を簡潔にするため、波長λAとλBの光Ａ、Ｂは、常に一定の光強度であると仮定すると、例えば、図４中の時間Ｔ＝π×２ｎ〜π×（２ｎ＋１）（ｎ：０以上の整数）の各周期での光Ａの光照射時間を一定にすることにより、図４中の光Ａの破線のように光Ａの時間積算光強度ＷAを常に一定にすることができる。一方、光Ｂのように、時間積算光強度Ｗを増加させたいときは、図４中の光Ｂのように時間Ｔ＝π×（２ｍ＋１）〜π×（２ｍ＋２）（ｍ：０以上の整数）の各周期での光Ｂの光照射時間を、例えばＴ＝π〜２πのように長くし、時間積算光強度ＷBを増加させれば良い。つまり、特に図４中の一点破線のように光Ｂの時間積算光強度ＷBを変化させる場合には、図４に示す光Ｂのように照射時間を増減すれば良いことになる。
【００６０】
さらに、同じ時間積算光強度Ｗを照射する方法としては、照射の合計時間が一定値であれば良く、原理的には分割数や間隔に依存しない。より具体的に、周期を２πとして波長λAとλBの光Ａ、Ｂを交互に照射する場合について、図５に例示して説明する。（説明を簡潔にするため、波長λAとλBの光Ａ、Ｂは、常に一定の光強度であると仮定する。）例えば、同じ時間積算光強度Ｗ0を照射する方法としては、図５中の時間Ｔ＝π〜２πの光Ｂのように、時間的に連続して光照射することも可能であるが、図５中の時間Ｔ＝０〜πの光Ａのように、時間分割して光照射することも可能である。このとき、時間分割する長さは、図５中の時間Ｔ＝２π〜３πの光Ａのように、不等間隔であっても構わない。むしろ光照射の時間分割による発生音波の高周波成分の影響が出る場合には、不等間隔に時間分割して光照射する方が望ましい。
【００６１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００６２】
（第１の実施形態）
図６は、本発明の第１の実施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。ブロック図中の各ブロックを接続した実線は、光照射を示し、各ブロックを接続した二重線は、電気信号の接続を示している。
【００６３】
本実施形態１における成分濃度測定装置では、発光する光の波長がそれぞれ異なる光源１０１〜１０６が、それぞれ光路切替器１０７に光接続され、光分岐１０９、ＯＮ／ＯＦＦ開閉器１１２を介して被測定物の入った被測定物セル１１４へ至る光路へ選択的に接続される。
【００６４】
このとき光源１０１〜１０６は、通常のランプ、蛍光管、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ガスレーザーなど様々な光源が利用できるが、光強度が大きく、照射光の光強度安定性が比較的高く、出力される光波長の光スぺクトル線幅が狭帯域であることが望ましいため、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）が望ましい。
【００６５】
また、光源１０１〜１０６は、一定の光強度を任意の時間安定して出力できるように、光源への注入電流や環境温度などが高精度に安定していることが望ましい。
【００６６】
さらに、図６には光源１０１〜１０６の場合を示しているが、説明の都合上６個示しているだけであり、光源は２個以上であれば良く、被測定物を特定するために７個以上の光波長が必要であれば、７個以上の光源を備えていても構わない。
【００６７】
一方で光源１０１〜１０６は、複数の光源を用いずに、１つの波長可変レーザで代替して光波長を可変させても良い。このとき、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等がある。その他、固体レーザも用いることも可能であり、プリズムや回折格子等の分散素子を利用して所定の波長を取り出すようにしても良い。
【００６８】
さらに、光路切替器１０７は、図６で示したように測定時間に対して光源を切り替える機能を担っており、光路切替器１０７は、ＭＥＭＳ駆動光ミラーや、機械駆動のミラーやプリズムなどが利用可能である。
【００６９】
光路切替器１０７は、予め設定された周期時間において周期駆動回路１０８が光路切替器１０７を制御することより光路切替がなされ、被測定物を光照射する光の光源が選択される。
【００７０】
光路切替器１０７から出力された光は、光分岐１０９において一部が光強度測定器１１０に分岐され、光強度測定器１１０で測定された光強度と光分岐１０９の分岐比から被測定物に照射される光強度を測定する。
【００７１】
このとき、光分岐１０９は、使用する各光源の光波長帯において、光分岐比が一定なものであれば良く、各光源の光波長帯において屈折率分散が小さいミラーなど利用可能である。また、光強度測定器１１０は、前記各光源１０１〜１０６の各光強度をモニターする機能も担っている。
【００７２】
光強度測定器１１０で得られた光強度から、予め設定された時間積算光強度Ｗ0となるように、制御コンピュータ１１７により照射時間が計算され、計算された照射時間だけ光が照射されるように積算駆動回路１１１を用いてＯＮ／ＯＦＦ開閉器１１２の光路開閉時間が制御される。これにより、光路切替器１０７から出力された光の被測定物への光照射をＯＮ／ＯＦＦ制御するＯＮ／ＯＦＦ開閉器１１２により積算光照射し、予め設定された時間積算光強度Ｗ0の光を被測定物セル１１３内の被測定物に光照射する。
【００７３】
被測定物に光照射されることにより発生した音波は、音波電気変換素子１１４によって音波検出され、増幅器１１５により信号増幅され、周期駆動回路１０８に与えられた周期信号と同期させることによりロックインアンプ１１６にて選択増幅される。
【００７４】
このとき、音波電気変換素子１１４は、誘電体結晶等を用いた圧電素子や、マグネットとコイルを用いたマイクロフォンでも良く、できるだけ光音響波を精密に検出可能な高感度、広帯域な音波電気変換素子が望ましい。
【００７５】
以上によって得られた各光源の各時間積算光強度Ｗに対する光音響信号を検出し、制御コンピュータ１１７に記録、分析することにより、被測定物の特定成分の濃度を測定することが可能となる。
【００７６】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施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。ブロック図中の各ブロックを接続した実線は、光照射を示し、各ブロックを接続した二重線は、電気信号の接続を示している。
【００７７】
本実施形態２における成分濃度測定装置では、まず発光する光波長がそれぞれ異なる光波長λAの第１ＬＤ（レーザダイオード）２０１と光波長λBの第２ＬＤとの２０２が、２×１分岐の光路切替スイッチ２０３に光接続されている。このとき第１ＬＤ２０１および第２ＬＤ２０２は、ＤＦＢ−ＬＤが望ましい。
【００７８】
尚、この２つの第１ＬＤ２０１および第２ＬＤ２０２は、１つの波長可変レーザで代替して光波長を可変させても良い。このとき、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等がある。その他、ガスレーザや固体レーザも用いることも可能であり、プリズムや回折格子等の分散素子を利用して所定の波長を取り出すようにしても良い。
【００７９】
また、第２の実施形態の光接続方法としては、大気中の空間を直接光ビームを伝搬させても良いが、温度や大気の揺らぎの影響などをうけるため、使用する光波長帯の光を低損失、低分散で安定して伝送可能な光ファイバを用いた光接続が望ましい。
【００８０】
第１光路切替スイッチ２０３は、予め設定された周期時間において周期駆動回路２０４により光路切替がなされて被測定物を照射する光源が選択され、光分岐２０５、第２光路切替スイッチ２０８を介して被測定物の入った被測定物セル２１０へ至る光路へ選択的に接続される。
【００８１】
第１光路切替スイッチ２０３から出力された光は、光分岐２０５にて一部が光強度測定器２０６に分岐され、光強度測定器２０６で測定された光強度と光分岐２０５の分岐比から被測定物に照射される光強度を測定する。
【００８２】
このとき、光分岐２０５は、使用する光波長帯で一定の分岐比を有する、光導波路や光ファイバを用いた光スプリッタが利用できる。
【００８３】
光強度測定器２０６で得られた光強度から、予め設定された時間積算光強度Ｗ0となるように、制御コンピュータ２１４により照射時間が計算され、計算された照射時間だけ光が照射されるように積算駆動回路２０７により第２光路切替スイッチ２０８が制御される。尚、迷光防止のために照射時間外では光終端器２０９に切り替えるため、第２光路切替スイッチ２０８により光終端器２０９と被測定物セル２１０との間で光接続切替がなされる。
【００８４】
これにより、第１光路切替スイッチ２０３より出力された光を第２光路切替スイッチ２０８の切り替えにより積算光照射し、予め設定された時間積算光強度Ｗ0の光を被測定物セル２１０内の被測定物に光照射する。
【００８５】
このとき、光路切替スイッチ２０３、２０８は、高速、広帯域で消光比の大きな光スイッチの方が望ましく、ＭＥＭＳ駆動光ミラーや光導波路構造のマッハツェンダー干渉計を用いた熱光学効果スイッチや、ＩｎＰ光導波路スイッチやＬｉＮｂＯ3光導波路などの位相変調光スイッチ、誘電体結晶をもちいた光導波路型表面弾性波（ＳＡＷ）スイッチなどを用いることができる。
【００８６】
被測定物に光照射がなされることにより発生した音波は、第１の実施形態と同様に、音波電気変換素子２１１によって音波検出され、増幅器２１２により信号増幅され、周期駆動回路２０４に与えられた周期信号と同期させることによりロックインアンプ２１３にて選択増幅される。
【００８７】
以上によって得られた各光源の各時間積算光強度に対する光音響信号強度を検出し、制御コンピュータに記録、分析することにより、被測定物の特定成分の濃度を測定することが可能となる。
【００８８】
以下、図８を参照しながら、第２の実施形態に係る成分濃度分析手順について説明する。
【００８９】
最初に、光波長がそれぞれ異なる光波長λAと光波長λBの光Ａ、Ｂの時間積算光強度変化に対する被測定物内の特定成分の光吸収係数変化率δＷαを測定する。まず、光Ａの時間積算光強度変化に対する被測定物内の特定成分の光吸収係数変化率δＷαAを求めるために、特定成分の濃度や溶媒の光吸収係数が既知の標準試料を準備し、光Ａを照射する（ステップＳ１０１）。光Ａの時間積算光強度ＷAを掃引し、光Ａの特定成分の光音響信号ＳAGの時間積算光強度依存性を測定する（ステップＳ１０２）。この測定結果より光Ａの特定成分の光音響信号ＳAGから光Ａの光吸収係数変化率δＷαAを算出する（ステップＳ１０３）。
【００９０】
続いて、光Ｂの時間積算光強度変化に対する被測定物内の特定成分の光吸収係数変化率δＷαBを求めるために、特定成分の濃度や溶媒の光吸収係数が既知の標準試料を準備し、光Ｂを照射する（ステップＳ１０４）。光Ｂの時間積算光強度ＷBを掃引し、光Ｂの特定成分の光音響信号ＳBGの時間積算光強度依存性を測定する（ステップＳ１０５）。この測定結果より光Ｂの特定成分の光音響信号ＳBGから光Ｂの光吸収係数変化率δＷαBを算出する（ステップＳ１０６）。
【００９１】
続いて被測定物の測定に移行する。例えば図７に示すような成分濃度測定装置を用いて、周波数ｆでπ位相が異なっている２つの光Ａと光Ｂを交互に被測定物に照射する（ステップＳ１０７）。
【００９２】
このとき周波数ｆは、光音響信号Ｓの周波数となるため、マイクロフォンや圧電素子のような音波電気変換素子２１１が検出可能な周波数帯であることが望ましい。具体的には、２０ＫＨｚ以下であることが望ましい。
【００９３】
まず、一方の光Ｂは一定の時間積算光強度ＷBになるように調整したまま、もう一方の光Ａの時間積算光強度ＷAを掃引し、被測定物の光音響信号ＳAの時間積算光強度依存性を測定する（ステップＳ１０８）。この測定結果より、光音響信号ＳAの時間積算光強度変化から極小値を探索し、その時に光Ａの時間積算光強度ＷAを取得する（ステップＳ１０９）。
【００９４】
続いて、測定の初期状態に戻し、２つの光Ａと光Ｂを合波して被測定物に照射する（ステップＳ１１０）。光Ｂの時間積算光強度をＷB’＝ＷB＋δＷBに増やし、一定の光強度となるように調整したまま、光Ａの時間積算光強度ＷAを掃引し、被測定物の光音響信号ＳA’の時間積算光強度依存性を測定する（ステップＳ１１１）。この測定結果より、光音響信号ＳA’の時間積算光強度変化から極小値を探索し、その時に光Ａの時間積算光強度ＷA’＝ＷA＋δＷAを取得する（ステップＳ１１２）。
【００９５】
最後に、これまでの測定で得られたパラメータδＷαA、δＷαB、ＷA、ＷB、δＷA、δＷBの値を用いて、被測定物内の特定成分の濃度を導出する（ステップＳ１１２）。以上の手順より、被測定物内の特定成分の濃度は導出可能である。
【００９６】
さらに、図９を参照しながらステップＳ１０５、Ｓ１０８での光ＡとＢが特定の時間積算光強度をＷA、ＷBに設定された際の１周期分の照射手順について説明する。
【００９７】
最初に、光Ａと光Ｂを交互に照射する周期時間を設定し（ステップＳ２０１）、光Ａの時間積算光強度ＷAと間欠時間パターンを設定する（ステップＳ２０２）。次に、光Ａの時間計測を開始し（ステップＳ２０３）、設定された時間間欠パターンに合わせて被測定物に光Ａを照射する（ステップＳ２０４）。このとき、時間間欠の時間軸でのパターンは、等間隔でも不等間隔でも構わないが、音波の高調波が発生しにくいため、不等間隔の方が望ましい。
【００９８】
その後、光Ａの時間積算光強度ＷAが予め設定された時間積算光強度ＷA0に到達したかどうかのチェックを行い（ステップＳ２０５）、もし、設定した時間積算光強度ＷA0に到達していなければ、設定された時間間欠パターンでの光Ａの照射を継続する。
【００９９】
光Ａの時間積算光強度ＷAが予め設定された時間積算光強度ＷA0に到達していれば、光Ａに与えられた所定の周期時間が経過したかどうかのチェックを行い（ステップＳ２０６）、所定の周期時間に到達していなければ、設定された周期時間まで光Ｂの照射をせず待機する（ステップＳ２０７）。所定の周期時間が経過していれば、続いて光Ｂの照射に移行し、光Ｂの時間積算光強度ＷBと間欠時間パターンを設定する（ステップＳ２０８）。続いて、光Ｂの時間計測を開始し（ステップＳ２０９）、設定された時間間欠パターンに合わせて被測定物に光Ｂを照射する（ステップＳ２１０）。このとき、時間間欠の時間軸でのパターンは、等間隔でも不等間隔でも構わないが、音波の高調波が発生しにくいため、不等間隔の方が望ましい。
【０１００】
その後、光Ｂの時間積算光強度ＷBが予め設定された時間積算光強度ＷB0に到達したかどうかのチェックを行い（ステップＳ２１１）、もし、設定した時間積算光強度ＷB0に到達していなければ、設定された時間間欠パターンでの光Ｂの照射を継続する。
【０１０１】
光Ｂの時間積算光強度ＷBが予め設定された時間積算光強度ＷB0に到達していれば、光Ｂに与えられた所定の周期時間が経過したかどうかのチェックを行い（ステップＳ２１２）、所定の周期時間に到達していなければ、設定された周期時間まで光Ａの照射をせず待機する（ステップＳ２１３）が、経過していれば、光照射の１周期動作を完了する。
【０１０２】
（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施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。ブロック図中の各ブロックを接続した実線は、光照射を示し、各ブロックを接続した二重線は、電気信号の接続を示している。
【０１０３】
基本的な成分濃度測定の流れは、第１および第２の実施の形態と同様であるが、第３の実施形態における成分濃度測定装置では、まず発光する光波長がそれぞれ異なる第１ＬＤ３０１と第２ＬＤ３０２とが、それぞれ第１ＬＤ駆動回路３０３、第２ＬＤ駆動回路３０４によって駆動されている。さらに、第１ＬＤ３０１および第２ＬＤ３０２は、安定した光出力を実現するために、光強度をそれぞれ測定し、内臓フィードバック回路により光強度がそれぞれ補正されている。
【０１０４】
この時、第１ＬＤ３０１および第２ＬＤ３０２、ならびに第１ＬＤ駆動回路３０３および第２ＬＤ駆動回路３０４は、光強度値を電気信号として出力可能なものであり、これら光強度値を利用することにより、光源の光分岐と光強度の検出を行う構成が不要となる。そのため、２×２の光切替スイッチ３０５が１つだけで成分濃度測定装置を構成することが可能となっている。
【０１０５】
光切替スイッチ３０５は、周期駆動回路３０８からの信号に基づき周期的に第１ＬＤ３０１と第２ＬＤ３０２との間で切り替えを行うとともに、積算駆動回路３０６により光照射時間を制御して、被測定物の入った被測定物セル３０９に光照射を行う。
【０１０６】
被測定物に光照射されることにより発生した音波は、前記第１および第２の実施形態と同様に、音波電気変換素子３１０によって音波検出され、増幅器３１１により信号増幅され、周期駆動回路３０８に与えられた周期信号と同期させることによりロックインアンプ３１２にて選択増幅される。
【０１０７】
以上によって得られた前記各光源の各時間積算光強度に対する光音響信号を検出し、制御コンピュータに記録、分析することにより、前記被測定物の前記特定成分の濃度を測定することが可能となる。
【符号の説明】
【０１０８】
１０１〜１０６  光源
１０７  光路切替器
１０８、２０４、３０７  周期駆動回路
１０９、２０５  光分岐
１１０、２０６  光強度測定器
１１１、２０７、３０６  積算駆動回路
１１２  ＯＮ／ＯＦＦ開閉器
１１３、２１０、３０９  被測定物セル
１１４、２１１、３１０  音波電気変換素子
１１５、２１２、３１１  増幅器
１１６、２１３、３１２  ロックインアンプ
１１７、２１４、３１３  制御コンピュータ
２０１、２０２、３０１、３０２  ＬＤ
２０３、２０８、３０５  光スイッチ
２０９、３０７  光終端器
３０３、３０４  ＬＤ駆動回路
【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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