(57)【要約】【課題】ＯＰＢＳ法での測定時に被測定試料への照射光強度の時間的変動、および光音響波の測定時の雑音ノイズの影響を低減した高精度の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Ａ、Ｂを周波数ωで互いに逆相の状態にて合波して、被測定物に照射する（Ｓ１１１）。光Ｂの光強度をＰB’＝ＰB＋δＰBに増やした状態を保ったまま、光Ａを光強度掃引し、被測定物に関するＳA’の光強度依存性を測定する（Ｓ１１２）。ＳA’の時間変化をフーリエ変換した後、周波数ωのＳA’（ω）と２倍波のＳA’（２ω）の各スペクトル強度の光強度依存性を算出する（Ｓ１１３）。ＳA’（ω）に対するＳA’（２ω）の大きさＲ＝ＳA’（２ω）／ＳA’（ω）が最大値の時の光ＡのＰA’＝ＰA＋δＰAを取得する（Ｓ１１４）。得られたδαA、δαB、ＰA、ＰB、δＰA、δＰBの値を用いて、特定成分の濃度を導出する（Ｓ１１５）。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる波長の２つの光をそれぞれ出力する光出力手段と、
前記２つの光を合波する光合波手段と、
前記２つの光の光強度を測定する光強度測定手段と、
前記合波された光又は一方の光のみを被測定物に照射する光照射手段と、
前記照射により被測定物の内部で発生した音波を検出する音波検出手段と、
前記検出された音波の大きさに基づく光音響信号を用いて被測定物内の測定対象成分の濃度を算出する成分濃度算出手段と、
を備え、前記成分濃度算出手段は、前記光音響信号の強度の時間変化をフーリエ変換して周波数スペクトルを算出し、前記２つの光の一方を強度掃引しながら前記２つの光の周波数での光音響信号強度に対する、前記２つの光の周波数の２倍の周波数での光音響信号強度の大きさである周波数スペクトル強度比を算出し、前記周波数スペクトル強度比が最大となる前記２つの光の光強度、前記２つの光の光強度の変化量、光吸収係数および光吸収係数変化率に基づいて、前記測定対象成分の濃度を算出することを特徴とする成分濃度分析装置。
【請求項２】
前記同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる２つの波長の光の変調信号波形が、台形波形もしくは、三角波形であることを特徴とする請求項１記載の成分濃度分析装置。
【請求項３】
前記同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる２つの波長の光の変調信号波形が、正弦波形であることを特徴とする請求項１記載の成分濃度分析装置。
【請求項４】
同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる波長の２つの光をそれぞれ出力する光出力ステップと、
前記２つの光を合波する光合波ステップと、
前記２つの光の光強度を測定する光強度測定ステップと、
前記合波された光又は一方の光のみを被測定物に照射する光照射ステップと、
前記照射により被測定物の内部で発生した音波を検出する音波検出ステップと、
前記検出された音波の大きさに基づく光音響信号を用いて被測定物内の測定対象成分の濃度を算出する成分濃度算出ステップと、
を有し、前記成分濃度算出ステップは、前記光音響信号の強度の時間変化をフーリエ変換して周波数スペクトルを算出し、前記２つの光の一方を強度掃引しながら前記２つの光の周波数での光音響信号強度に対する、前記２つの光の周波数の２倍の周波数での光音響信号強度の大きさである周波数スペクトル強度比を算出し、前記周波数スペクトル強度比が最大となる前記２つの光の光強度、前記２つの光の光強度の変化量、光吸収係数および光吸収係数変化率に基づいて、前記測定対象成分の濃度を算出するステップを含むことを特徴とする成分濃度分析方法。
【請求項５】
前記同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる２つの波長の光の変調信号波形が、台形波形もしくは、三角波形であることを特徴とする請求項４記載の成分濃度分析方法。
【請求項６】
前記同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる２つの波長の光の変調信号波形が、正弦波形であることを特徴とする請求項４記載の成分濃度分析方法。
【請求項７】
前記成分濃度算出ステップは、前記測定対象成分の濃度および溶媒の光吸収係数が既知である標準試料を用いて、前記２つ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４乃至６のいずれかに記載の成分濃度分析方法。
【請求項８】
前記成分濃度算出ステップは、前記光音響信号強度が極小値となるように前記２つの光の光強度を調整した後、前記測定対象成分の濃度を増減させ、前記測定対象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２つの光の光強度の変化量、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４乃至７のいずれかに記載の成分濃度分析方法。
【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分析方法に関する。
【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つの位相差πの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収係数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】
また、実際の生体内で成分濃度測定を行う場合には、外部からの信号や音源を遮断する実験室内の標準セル内とは異なり、心臓鼓動や血液や体液の流動音、筋肉運動など生体内に内在する様々な外部の音波発生源からの振動や外部環境音など、非常に多くの雑音ノイズが存在する。この雑音ノイズの影響により、前記光音響信号の極小値を検出する際、その極小値の信号が雑音ノイズに埋もれてしまい、前記光音響信号の極小値の光強度が不明確になるという課題があった。
【００３７】
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の時間的変動、および光音響波の測定時の雑音ノイズの影響を低減した高精度の成分濃度分析装置および分析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】
【００３８】
上記の課題を解決するために、本発明は、成分濃度分析装置であって、同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる波長の２つの光をそれぞれ出力する光出力手段と、前記２つの光を合波する光合波手段と、前記２つの光の光強度を測定する光強度測定手段と、前記合波された光又は一方の光のみを被測定物に照射する光照射手段と、前記照射により被測定物の内部で発生した音波を検出する音波検出手段と、前記検出された音波の大きさに基づく光音響信号を用いて被測定物内の測定対象成分の濃度を算出する成分濃度算出手段と、を備え、前記成分濃度算出手段は、前記光音響信号の強度の時間変化をフーリエ変換して周波数スペクトルを算出し、前記２つの光の一方を強度掃引しながら前記２つの光の周波数での光音響信号強度に対する、前記２つの光の周波数の２倍の周波数での光音響信号強度の大きさである周波数スペクトル強度比を算出し、前記周波数スペクトル強度比が最大となる前記２つの光の光強度、前記２つの光の光強度の変化量、光吸収係数および光吸収係数変化率に基づいて、前記測定対象成分の濃度を算出することを特徴とする。
【００３９】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の成分濃度分析装置において、前記同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる２つの波長の光の変調信号波形が、台形波形もしくは、三角波形であることを特徴とする。
【００４０】
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の成分濃度分析装置において、前記同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる２つの波長の光の変調信号波形が、正弦波形であることを特徴とする。
【００４１】
請求項４に記載の発明は、成分濃度分析方法であって、同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる波長の２つの光をそれぞれ出力する光出力ステップと、前記２つの光を合波する光合波ステップと、前記２つの光の光強度を測定する光強度測定ステップと、前記合波された光又は一方の光のみを被測定物に照射する光照射ステップと、前記照射により被測定物の内部で発生した音波を検出する音波検出ステップと、前記検出された音波の大きさに基づく光音響信号を用いて被測定物内の測定対象成分の濃度を算出する成分濃度算出ステップと、を有し、前記成分濃度算出ステップは、前記光音響信号の強度の時間変化をフーリエ変換して周波数スペクトルを算出し、前記２つの光の一方を強度掃引しながら前記２つの光の周波数での光音響信号強度に対する、前記２つの光の周波数の２倍の周波数での光音響信号強度の大きさである周波数スペクトル強度比を算出し、前記周波数スペクトル強度比が最大となる前記２つの光の光強度、前記２つの光の光強度の変化量、光吸収係数および光吸収係数変化率に基づいて、前記測定対象成分の濃度を算出するステップを含むことを特徴とする。
【００４２】
請求項５に記載の発明は、請求項４記載の成分濃度分析方法において、前記同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる２つの波長の光の変調信号波形が、台形波形もしくは、三角波形であることを特徴とする。
【００４３】
請求項６に記載の発明は、請求項４記載の成分濃度分析方法において、前記同一の周波数で互いに逆位相の信号により強度変調された異なる２つの波長の光の変調信号波形が、正弦波形であることを特徴とする。
【００４４】
請求項７に記載の発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の成分濃度分析方法において、前記成分濃度算出ステップは、前記測定対象成分の濃度および溶媒の光吸収係数が既知である標準試料を用いて、前記２つ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。
【００４５】
請求項８に記載の発明は、請求項４乃至７のいずれかに記載の成分濃度分析方法において、前記成分濃度算出ステップは、前記光音響信号強度が極小値となるように前記２つの光の光強度を調整した後、前記測定対象成分の濃度を増減させ、前記測定対象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２つの光の光強度の変化量、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。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【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】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】従来のＯＰＢＳ法に対する雑音ノイズの影響を示す概略図である。
【図４】光Ａの光吸収量が光Ｂの光吸収量より大きい場合の光吸収量の時間変化を示す概略図である。
【図５】光Ａの光吸収量が光Ｂの光吸収量より小さい場合の光吸収量の時間変化を示す概略図である。
【図６】光Ａと光Ｂの光吸収量の差が大きい場合の光音響信号強度Ｓの周波数スペクトルを示す図である。
【図７】光Ａの光吸収量と光Ｂの光吸収量がほぼ等しい場合の光吸収量の時間変化を示す概略図である。
【図８】光Ａと光Ｂの光吸収量の差が小さい場合の光音響信号強度Ｓの周波数スペクトルを示す図である。
【図９】光Ａと光Ｂの光吸収量の時間変化が台形波形である場合の光吸収量の時間変化を示す概略図である。
【図１０】基本波の光音響信号強度Ｓ（ω）に対する２倍波の光音響信号強度Ｓ（２ω）の大きさＲの光強度依存性を示す図である。
【図１１】光Ａと光Ｂの光吸収量の時間変化が三角波形である場合の光吸収量の時間変化を示す概略図である。
【図１２】光Ａと光Ｂの光吸収量の時間変化が正弦波形である場合の光吸収量の時間変化を示す概略図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図である。
【図１４】本発明の第１の実施形態に係る成分濃度分析方法の処理フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
（基本周波数と２倍波の比によるノイズ低減化）
従来のＯＰＢＳ法による測定誤差の発生要因について、図を用いて詳細に説明する。
【００４８】
図３に、従来のＯＰＢＳ法による照射光の光強度Ｐに対する光音響信号強度Ｓの変化を示す。従来のＯＰＢＳ法では、光音響信号強度Ｓが最低な点（極小値）を探索するために、一方の光ビームのパワーＰAを常時測定し、パワーＰAを一定強度に保ったまま、他方の光ビームのパワーＰBを細かく変えながら光音響信号強度Ｓの測定を行っていた。この場合、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、光音響信号強度Ｓが最低な点（極小値）を求める際の誤差原因となっていた。
【００４９】
つまり、図３中の光強度Ｐに対する光音響信号強度Ｓの変化は、パワー変動幅ΔＰAが加わることにより、光音響信号強度Ｓが極小値となる光強度Ｐの位置が変動することになる。このため、正確な光音響信号強度Ｓが極小値となる光強度Ｐが検出できなくなる。
【００５０】
さらに、外部からの様々な音響波の雑音ノイズが光音響信号の強度に加わった場合を考えると、図３中のハッチングされた雑音ノイズが光音響信号強度Ｓの測定結果に加わることになる。そのため、光強度に対する光音響信号強度Ｓの変化の極小値が雑音ノイズに埋もれてしまい、光音響信号強度Ｓの極小値および光音響信号強度Ｓが極小値となる光強度Ｐの位置が不明確となってしまう。
【００５１】
つまり、照射光の光強度揺らぎや、様々な音響波の雑音ノイズが発生する環境下では、揺らぎやノイズによる影響が大きく、光音響信号強度Ｓの極小値の検出自体に問題があった。
【００５２】
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強度Ｓが最低な点を探索するために、一方の光Ａの光強度ＰAを常時測定し、光強度ＰAを一定強度に保ったまま、光Ｂの光強度ＰBを細かく変えながら光音響信号の強度の測定を行う際、光音響信号強度Ｓ自体を測定し、光強度ＰBを変化させて光音響信号強度Ｓが極小値となる位置を探索するのではなく、光音響信号自体をフーリエ変換し、周波数スペクトル上において、光音響信号の分析を行うことを特徴としている。
【００５３】
従来のＯＰＢＳ法における周波数ωで周期的な波長λA、λBの２つの位相差π（１８０°）の矩形波形状の強度変調光Ａ、Ｂを合波して被測定物に出射する場合において、光Ａの光吸収量αAＰAが光Ｂの光吸収量αBＰBより十分大きいときの光吸収量αＰの時間変化を図４に示し、逆に光Ｂの光強度ＰBが光Ａの光強度ＰAより十分大きいときの光吸収量αＰの時間変化を図５に示す。
【００５４】
図４または図５のように光Ａの光吸収量αAＰAと光Ｂの光吸収量αBＰBの差が大きい場合には、各光吸収量の差分により発生する光音響信号の周波数スペクトル成分の大部分が周波数ωの成分となる。図６に、このときの光音響信号の時間変化をフーリエ変換した周波数スペクトルを示す。周波数３ωのピークは、周波数ωで繰り返す光吸収量変化によって発生する高調波成分である。
【００５５】
このとき、ＯＮ（ハイレベル）とＯＦＦ（ローレベル）の時間間隔が等しいデューティ比が１で、周波数ωの矩形波の周波数スペクトルは、その時間変化内の対称性から、周波数が（２ｎ＋１）ωの成分のみ有する（ｎは０と正の整数）。つまり、光Ａ、Ｂの光吸収量差が大きいときは、図６のように光音響信号の周波数スペクトルは、周波数ωのスペクトル強度が大きくなり、それに比較して２倍波の周波数２ωのスペクトル強度は小さくなる。
【００５６】
一方、図７に示すように、前記式（１）や式（３）のように光Ａ、Ｂのバランスが取れた状態に近くなると、光Ａ、Ｂの光吸収量差が非常に小さくなる。このとき、光音響信号強度Ｓの時間変化をフーリエ変換した周波数スペクトルは、図８のようになる。つまり、光音響信号強度Ｓは、周波数ωのときの基本波のＳ（ω）が非常に小さくなり、それに比較すると、周波数２ωのときの２倍波のＳ（２ω）が相対的の大きくなってくる。
【００５７】
２倍波の光音響信号強度Ｓ（２ω）が大きくなる原因は、本来、正確な矩形波の信号形状で光Ａの光吸収量αAＰAと光Ｂの光吸収量αBＰBが発生している場合に、光吸収量αAＰAと光吸収量αBＰBが同じ大きさであれば、原理的に、光吸収量は一定強度を維持し続けることになり、Ｓ（ω）やＳ（２ω）、Ｓ（３ω）などの成分は発生しない。
【００５８】
しかし、実際には、正確な矩形波の信号形状にて、光吸収量αAＰAと光吸収量αBＰBを発生させることは困難であり、光照射の開始と終了のときの光吸収量の立ち上がり、立下りに僅かなエネルギー変換の緩和時間が必要なため、実際には、図９に示すように台形の信号形状（台形波形）となる。この場合、必ず２倍波の光音響信号強度Ｓ（２ω）が発生し、その強度は、図７の光吸収量αAＰAと光吸収量αBＰBのいずれか小さい方の大きさを反映したものとなる。そのため、光吸収量αAＰAと光吸収量αBＰBとが同程度の値をとり、その差が小さい場合、２倍波の光音響信号強度Ｓ（２ω）は、基本波の光音響信号強度Ｓ（ω）より大きな値となる。
【００５９】
つまり、光音響信号強度Ｓ（ω）に対するＳ（２ω）の大きさＲが最大となるとき、式（１）、式（３）が成り立ち、光音響信号強度Ｓが極小値を示すことになり、その変化は、模式的に示すと図１０のようになる。
Ｒ＝Ｓ（２ω）／Ｓ（ω）      ・・・（９）
【００６０】
以上の結果より、本発明は上記式（９）の値が最大となるときの光Ａと光Ｂの光強度ＰAと光強度ＰBを求め、式（１）式（４）〜（５）より、被測定物内の特定成分の濃度を求めることが出来る。
【００６１】
この方法では、基本波の光音響信号強度Ｓ（ω）に対する２倍波の光音響信号強度Ｓ（２ω）の大きさを計算することから、図２で示すような音響的な雑音ノイズが、例えば周波数依存性のないホワイトノイズであれば、雑音ノイズ自体が計算上、打ち消し合うので、雑音ノイズが無視できるようになる。また、もし周波数依存性がある雑音ノイズの場合には、周波数スペクトル上で、周波数ωと２倍周波数２ωの雑音ノイズの強度が同じか、両方とも小さな周波数をω、２ωとすることで雑音ノイズを低減化することは可能となる。
【００６２】
また、図１１に示すように、三角波形状の波形で、光Ａの光吸収量αAＰAと光Ｂの光吸収量αBＰBが発生し、それらの光吸収量が等しい場合にも、周波数スペクトルは、その時間変化内の対称性から、周波数が（２ｎ＋１）ωの成分（ｎは０と正の整数）のみ有するため、理論的には、周波数２ωの光音響信号強度Ｓ（２ω）がゼロとなる。
【００６３】
このため、台形波形の場合と同様に、式（９）の基本波の光音響信号強度Ｓ（ω）に対する２倍波の光音響信号強度Ｓ（２ω）の大きさＲの最大値を測定する。このＲの値が最大となるときの光Ａと光Ｂの光強度ＰAと光強度ＰBを求めることにより、式（１）式（４）〜（５）より、被測定物内の特定成分の濃度を求めることが出来る。
【００６４】
さらに、図１２に示すような、光Ａの光吸収量αAＰAと光Ｂの光吸収量αBＰBの時間変化が、正弦波形であり、それらの光吸収量が等しい場合には、そのフーリエ変換後の周波数スペクトルは、周波数ωの整数倍の成分を持つが、周波数ωの偶数倍の成分が奇数倍の成分より大きく、かつ、周波数２ωの成分の大きさが他の偶数倍の成分より大きくなる。このため、上述の雑音ノイズなど様々なノイズが検出されても、光音響信号Ｓ（ω）の周波数ωと２ωの付近以外の信号を削除するバンドパスフィルターを用いることにより、図１０のように光音響信号Ｓ（ω）に対するＳ（２ω）の大きさＲが最大となる位置が高感度に検出可能であり、様々なノイズの影響を受けにくくなるという特徴を有している。
【００６５】
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。
（第１の実施形態）
図１３は、第１の実施形態に係る成分濃度分析装置１の基本構成を示す図である。この成分濃度分析装置は、発振器１０１と、第１の駆動回路１０２と、第１の光源１０３と、１８０°移相器１０４と、第２の駆動回路１０５と、第２の光源１０６を備える。また、第１の光源１０３と第２の光源１０６からの出力光を合波する光合波器１０７と、その合波光を分波する光分波器１０８と、それら分波光が入射される光強度測定器１０９と、被測定物セル１１０とを備える。また、被測定物セル１１０に設置された音波検出器１１１と、増幅器１１２と、波形観測器１１３と、記録・演算装置１１４とを備えている。
【００６６】
発振器１０１は、第１の光源１０３と第２の光源１０６から出力されるそれぞれの光を強度変調するための変調信号を出力する。１８０°移相器１０４は、発振器１０１からの変調信号のうち一方を反転して出力する。
【００６７】
第１の駆動回路１０２は、発振器１０１からの変調信号を基に第１の光源１０３を駆動させる。また、第２の駆動回路１０５は、１８０°移相器１０４で反転された変調信号を基に第２の光源１０６を駆動させる。
【００６８】
第１の光源１０３は、第１の駆動回路１０２からの信号により波長λAの光を強度変調して出力する。また、第２の光源１０６は、第２の駆動回路１０５からの信号により波長λBの光を強度変調して出力する。これにより、異なる２つの波長の光を同一周波数ωで逆位相の信号により電気的に強度変調して出力することができる。
【００６９】
ここで、波長λAと波長λBは、被測定物を構成している背景成分（非測定対象成分）の呈する吸収が互いに等しくなるように設定されてことが望ましい。例えば、被測定物が生体であり、測定対象成分がグルコースやコレステロールの場合、被測定物の大部分を示す水による吸収度が互いに等しい波長である。
【００７０】
また、波長λAは、測定対象成分の呈する吸収が極大となるように設定されていることが望ましい。例えば、波長λAは、グルコースやコレステロールによって最も良く吸収される波長である１６００ｎｍ又は２１００ｎｍであることが好ましい。
【００７１】
このような第１の光源１０３及び第２の光源１０６は、波長を可変可能であり、連続的に強度変調した光を出力可能な光源であればよい。例えば、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）半導体レーザを用いることができる。また、波長可変レーザを用いる場合、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よい。
【００７２】
光合波器１０７は、第１の光源１０３からの測定光と第２の光源１０６からの参照光とを合波し、合波された光又は合波されていない一方の光のみを導いて被測定物セル１１０に照射する。被測定物セル１１０の表面形状に合わせて、光出射端部に直角プリズム、光ファイバコリメータ、フィルール等を接着してもよい。
【００７３】
また、光分波器１０８は、光合波器１０７から被測定物セル１１０に向けて出射された光の一部を分波して、光強度測定器１０９に導き測定することにより、光分波器１０８の分岐比に基づき被測定物セル１１０中の被測定物に照射されている光強度を算出する。
【００７４】
音波検出器１１１は、光合波器１０７の光出射端部から一定距離の位置に配置され、光合波器１０７から出射された光により被測定物セル１１０の内部で発生する音波を検出し、その音波の大きさ（振幅）に比例した電気信号に変換して光音響信号として出力する。例えば、マイクロフォンや圧電素子を用いることができる。
【００７５】
増幅器１１２は、音波検出器１１１から出力された光音響信号を増幅する。波形観測器１１３は、増幅後の光音響信号の振幅及び位相を測定する。波形観測器１１３に加え、位相検波増幅器（不図示）により検波増幅して光音響信号の振幅及び位相を測定してもよい。
【００７６】
記録・演算装置１１４は、波形観測器１１３で測定された光音響信号強度の時間変化をフーリエ変換し、時間変動信号を周波数スペクトルとして記録する機能や、ノイズ除去のためのバンドパスフィルターや、基本波の周波数ωや２倍波の周波数２ωでの光音響信号強度Ｓ（ω）、Ｓ（２ω）のピーク強度の抽出、記録、演算機能を有している。例えば、メモリやＣＰＵを備えたコンピュータ等を用いることができる。
【００７７】
さらに記録・演算装置１１４は、光音響信号において、基本波の周波数ωと２倍波の周波数２ωを検出する際に、２つのＬＤ光ＬＤ１、ＬＤ２から検出されるそれぞれの光音響信号強度ＳLD1とＳLD2をそれぞれＬＤ１とＬＤ２の光強度変動の波形（正弦波）を元にロックイン検出することもできる。これにより、より高感度な測定が出来るとともに、各光音響信号強度ＳLD1とＳLD2の位相ズレ量φも検出可能である。このとき検出される位相ズレ量φは、被測定試料においてＬＤ２によって発生する光音響信号特有の位相ズレとなるため、ＬＤ２特有の光音響信号へのエネルギー変換過程を検出することになる。これを用いて被測定試料に対する光音響的なスペクトル分析も可能となる。
【００７８】
以下、図１４を参照しながら、本実施の形態に係る成分濃度分析方法について説明する。最初に、光波長がそれぞれ異なる光波長λAと光波長λBの光の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の光強度変化率δαを測定する。
【００７９】
まず、光Ａの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の光強度変化率δαA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）。そして光Ａの光強度を掃引し、光Ａの特定成分の光音響信号強度ＳAGの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強度ＳAGから光Ａの光吸収係数の光強度変化率δαAを算出する（ステップＳ１０３）。
【００８０】
続いて、光Ｂの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の光強度変化率δαB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）。そして光Ｂの光強度を掃引し、光Ｂの特定成分の光音響信号強度ＳBGの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強度ＳBGから光Ｂの光吸収係数の光強度変化率δαBを算出する（ステップＳ１０６）。
【００８１】
次に被測定物の測定に移行する。例えば図１３に示すような成分濃度測定装置を用いて、周波数ωで１８０°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）。このとき周波数ωは、光音響信号強度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１１１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。
【００８２】
まず、一方の光Ｂは一定の光強度ＰBになるように調整したまま、光Ａの光強度を掃引し、被測定物の光音響信号強度ＳAの光強度依存性を測定する（ステップＳ１０８）。この測定結果より、光音響信号強度ＳAの時間変化をフーリエ変換した後、周波数ωの光音響信号強度ＳA（ω）と２倍波の周波数２ωの光音響信号強度ＳA（２ω）の各スペクトル強度の光強度依存性を算出する（ステップＳ１０９）。そして、光音響信号強度ＳAを強度掃引してＳA（ω）に対するＳA（２ω）の大きさＲ＝ＳA（２ω）／ＳA（ω）の最大値を探索し、その時の光Ａの光強度ＰAを取得する（ステップＳ１１０）。
【００８３】
続いて、測定の初期状態に戻し、２つの光Ａと光Ｂを周波数ωで互いに逆相の状態にて合波して、被測定物に照射する（ステップＳ１１１）。光Ｂの光強度をＰB’＝ＰB＋δＰBに増やした状態で一定に保ったまま、光Ａを光強度掃引し、被測定物に関する光音響信号強度ＳA’の光強度依存性を測定する（ステップＳ１１２）。この測定結果より、光音響信号強度ＳA’の時間変化をフーリエ変換した後、基本波の光音響信号強度ＳA’（ω）と２倍波の光音響信号強度ＳA’（２ω）の各スペクトル強度の光強度依存性を算出する（ステップＳ１１３）。そして、光音響信号強度ＳA’を強度掃引してＳA’（ω）に対するＳA’（２ω）の大きさＲ＝ＳA’（２ω）／ＳA’（ω）の光強度変化から最大値を探索し、その時の光Ａの光強度ＰA’＝ＰA＋δＰAを取得する（ステップＳ１１４）。
【００８４】
最後に、これまで得られたδαA、δαB、ＰA、ＰB、δＰA、δＰB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Ｓ１１５）。
【符号の説明】
【００８５】
１０１  発振器
１０２、１０５  駆動回路
１０３、１０６  光源
１０７  光合波器
１０８  光分波器
１０９  光強度測定器
１１０  被測定物セル
１１１  音波検出器
１１２  増幅器
１１３  波形観測器
１１４  記録・演算装置
【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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【図１４】
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