(57)【要約】【課題】  光音響法による人体内のグルコースの測定における、人体の経時変化による測定精度の低下を抑制する。【解決手段】グルコースが吸収する波長のビーム光を測定部位１５１に照射する光照射部１０１と、光照射部１０１から出射されたビーム光を照射した測定部位１５１から発生する光音響信号を検出する検出部１０２とを備える。また、測定部位１５１の厚さを測定する厚測定部１０３と、厚測定部１０３が測定した厚さにより検出部１０２が検出した音響信号を補正する補正部１０４とを備える。【選択図】  図１
2019217067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グルコースが吸収する波長のビーム光を測定部位に照射する光照射部と、
前記光照射部から出射された前記ビーム光を照射した前記測定部位から発生する光音響信号を検出する検出部と、
前記測定部位の厚さを測定する厚測定部と、
前記厚測定部が測定した厚さにより前記検出部が検出した音響信号を補正する補正部と
を備え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記載の成分濃度測定装置において、
前記光照射部と前記検出部とは、前記測定部位を挟んで向かい合って配置され、
前記厚測定部は、前記光照射部と前記検出部との間の前記測定部位の厚さを測定する
ことを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の成分濃度測定装置において、
前記厚測定部は、前記測定部位の光干渉断層撮影により前記測定部位の厚さを求めることを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の成分濃度測定装置において、
前記厚測定部は、前記測定部位の超音波断層撮影により前記測定部位の厚さを求めることを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
前記光照射部は、
グルコースが吸収する波長の前記ビーム光を生成する光源部と、
前記光源部が生成した前記ビーム光を設定したパルス幅のパルス光とするパルス制御部と
を備え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、非侵襲にグルコースの濃度を測定する成分濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
糖尿病患者に対するインスリンの投与量の決定や、糖尿病の予防などの観点より、血糖値を把握（測定）することが重要となる。血糖値は、血液中のグルコースの濃度であり、この種の成分濃度の測定方法として、光音響法がよく知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
生体にある量の光（電磁波）を照射した場合、照射した光は生体に含有される分子に吸収される。このため、光が照射された部分における測定対象の分子は、局所的に加熱されて膨張を起こし、音波を発生する。この音波の圧力は、光を吸収する分子の量に依存する。光音響法は、この音波を測定することにより、生体内の分子の量を測定する方法である。音波は生体内を伝搬する圧力波であり、電磁波に比べ散乱しにくいという特質があり、光音響法は生体の血液成分の測定に適しているものといえる。
【０００４】
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、血液サンプルを必要とせず、測定対象者に不快感を与えることがない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１０４８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、この種の測定の対象となる人体の部位は、経時とともに厚さが変化する。例えば、この種の測定では、耳垂（耳たぶ）に検出部を装着するが、耳垂は人体の中でも変形しやすい部分であり、検出部を長く装着していると厚さが変化する。しかしながらこのように測定部位の厚さが変化すると、光音響法による人体内のグルコースの測定では、測定結果が変化するという問題があった。このような測定部位の厚さの変化により測定結果が変化するため、異なる時刻に測定した結果が異なっていても、実際には、同じ濃度である場合や、異なる時刻に測定した結果が同一であっても、実際には異なる濃度である場合などが発生し、正確な測定ができないという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光音響法による人体内のグルコースの測定における、人体の経時変化による測定精度の低下の抑制を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る成分濃度測定装置は、グルコースが吸収する波長のビーム光を測定部位に照射する光照射部と、光照射部から出射されたビーム光を照射した測定部位から発生する光音響信号を検出する検出部と、測定部位の厚さを測定する厚測定部と、厚測定部が測定した厚さにより検出部が検出した音響信号を補正する補正部とを備える。
【０００９】
上記成分濃度測定装置において、光照射部と検出部とは、測定部位を挟んで向かい合って配置され、厚測定部は、光照射部と検出部との間の測定部位の厚さを測定する。
【００１０】
上記成分濃度測定装置において、厚測定部は、測定部位の光干渉断層撮影により測定部位の厚さを求める。
【００１１】
上記成分濃度測定装置において、厚測定部は、測定部位の超音波断層撮影により測定部位の厚さを求める。
【００１２】
上記成分濃度測定装置において、光照射部は、グルコースが吸収する波長のビーム光を生成する光源部と、光源部が生成したビーム光を設定したパルス幅のパルス光とするパルス制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、測定部位の厚さを測定し、測定した厚さにより検出部が検出した音響信号を補正するようにしたので、光音響法による人体内のグルコースの測定における、人体の経時変化による測定精度の低下が抑制できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における成分濃度測定装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態における光源部１０５および検出部１０２のより詳細な構成を示す構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態における厚測定部１０３のより詳細な構成を示す構成図である。
【図４】図４は、実施の形態における成分濃度測定装置による生体中のグルコース濃度測定の実験結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態おける成分濃度測定装置について図１を参照して説明する。この成分濃度測定装置は、グルコースが吸収する波長のビーム光を測定部位１５１に照射する光照射部１０１と、光照射部１０１から出射されたビーム光を照射した測定部位１５１から発生する光音響信号を検出する検出部１０２とを備える。
【００１６】
例えば、光照射部１０１は、グルコースが吸収する波長のビーム光１２１を生成する光源部１０５と、光源が生成したビーム光１２１を設定したパルス幅のパルス光とするパルス制御部１０６とを備える。グルコースは１．６μｍ近傍および２．１μｍ近傍の光の波長帯において吸収特性を示す（特許文献１参照）。ビーム光１２１は、例えばビーム径が１００μｍ程度である。なお、図示していないが、レンズやコリメータなどを用い、ビーム光１２１を平行光にするなどの成形をしてもよい。
【００１７】
また、この成分濃度測定装置は、測定部位１５１の厚さを測定する厚測定部１０３と、厚測定部１０３が測定した厚さにより検出部１０２が検出した音響信号を補正する補正部１０４とを備える。ここで、光照射部１０１と検出部１０２とは、測定部位１５１を挟んで向かい合って配置されている。厚測定部１０３は、実質的に、光照射部１０１と検出部１０２との間となる領域の測定部位１５１の厚さを測定する。厚測定部１０３は、光照射部１０１および検出部１０２が配置されている箇所の近傍に配置すればよい。
【００１８】
厚測定部１０３は、例えば、測定部位１５１の光干渉断層撮影により測定部位１５１の厚さを求める。また、厚測定部１０３は、測定部位１５１の超音波断層撮影により測定部位１５１の厚さを求める。なお、測定部位１５１は、例えば、耳たぶなどの人体の一部である。
【００１９】
補正部１０４は、検出部１０２が音響信号を検出した時点より所定の時間内に厚測定部１０３で測定された厚さにより検出部１０２が検出した音響信号を補正する。例えば、検出部１０２が音響信号を検出した時点において、厚測定部１０３で測定された厚さにより検出部１０２が検出した音響信号を補正する。
【００２０】
ここで、光源部１０５は、図２に示すように、第１光源２０１、第２光源２０２、駆動回路２０３、駆動回路２０４、位相回路２０５、合波器２０６、検出器２０７、位相検波増幅器２０８、発振器２０９を備える。第１光源２０１、第２光源２０２、駆動回路２０３、駆動回路２０４、位相回路２０５、合波器２０６により光源部１０５が構成される。また、検出器２０７、位相検波増幅器２０８により、検出部１０２が構成される。
【００２１】
発振器２０９は、信号線により駆動回路２０３、位相回路２０５、位相検波増幅器２０８にそれぞれ接続される。発振器２０９は、駆動回路２０３、位相回路２０５、位相検波増幅器２０８のそれぞれに信号を送信する。
【００２２】
駆動回路２０３は、発振器２０９から送信された信号を受信し、信号線により接続されている第１光源２０１へ駆動電力を供給し、第１光源２０１を発光させる。第１光源２０１は、例えば、半導体レーザである。
【００２３】
位相回路２０５は、発振器２０９から送信された信号を受信し、受信した信号に１８０°の位相変化を与えた信号を、信号線により接続されている駆動回路２０４へ送信する。
【００２４】
駆動回路２０４は、位相回路２０５から送信された信号を受信し、信号線により接続されている第２光源２０２へ駆動電力を供給し、第２光源２０２を発光させる。第２光源２０２は、例えば、半導体レーザである。
【００２５】
第１光源２０１および第２光源２０２の各々は、互いに異なる波長の光を出力し、各々が出力した光を光波伝送手段により合波器２０６へ導く。第１光源２０１および第２光源２０２の各々の波長は、一方の光の波長をグルコースが吸収する波長に設定し、他方の光の波長を、水が吸収をする波長に設定する。また、両者の吸収の程度が等しくなるように、各々の波長を設定する。
【００２６】
第１光源２０１の出力した光と第２光源２０２の出力した光は、合波器２０６において合波されて、１の光ビームとしてパルス制御部１０６に入射する。光ビームが入射されたパルス制御部１０６では、入射した光ビームを所定のパルス幅のパルス光として測定部位１５１に照射する。このようにしてパルス状の光ビームが照射された測定部位１５１では、この内部で光音響信号を発生させる。
【００２７】
検出器２０７は、測定部位１５１で発生した光音響信号を検出し、電気信号に変換して、信号線により接続されている位相検波増幅器２０８へ送信する。 位相検波増幅器２０８は、発振器２０９から送信される同期検波に必要な同期信号を受信するとともに、検出器２０７から送信されてくる光音響信号に比例する電気信号を受信し、同期検波、増幅、濾波を行って、光音響信号に比例する電気信号を出力する。
【００２８】
第１光源２０１は、発振器２０９の発振周波数に同期して強度変調された光を出力する。一方、第２光源２０２は、発振器２０９の発振周波数で、かつ位相回路２０５により１８０°の位相変化を受けた信号に同期して強度変調された光を出力する。
【００２９】
ここで、位相検波増幅器２０８より出力される信号の強度は、第１光源２０１および第２光源２０２の各々が出力する光が、測定部位１５１内の成分（グルコース、水）により吸収された量に比例するので、信号の強度は測定部位１５１内の成分の量に比例する。
【００３０】
上記のように、第１光源２０１の出力した光と第２光源２０２の出力した光は、同一の周波数の信号により強度変調されているので、複数の周波数の信号により強度変調している場合に問題となる測定系の周波数特性の不均一性の影響は存在しない。
【００３１】
一方、光音響法による測定において問題となる光音響信号の測定値に存在する非線形的な吸収係数依存性は、上述したように等しい吸収係数を与える複数の波長の光を用いて測定することにより解決できる（特許文献１参照）。
【００３２】
上述したように検出部１０２から出力される音響信号の強度を、補正部１０４で補正し、補正した補正値を元に、成分濃度導出部（図示せず）が、測定部位１５１内の血液中のグルコースの成分の量を求める。
【００３３】
次に、補正部１０４における、厚測定部１０３が測定した測定部位１５１の厚さによる検出部１０２が検出した音響信号の補正について説明する。
【００３４】
はじめに、厚測定部１０３について、より詳細に説明する。厚測定部１０３は、例えば、図３に示すように、光源１３１，ビームスプリッタ１３２，ミラー１３３，光検出器１３４を備える、公知の光干渉断層撮影（Optical Coherence Tomography；ＯＣＴ）装置である。なお、この例では、ビーム光１２１を平行光にするためのコリメータ１０７を備えている。
【００３５】
光源１３１より出射した光は、ビームスプリッタ１３２で２つに分岐し、一方は、コリメータ１０７を介して測定部位１５１に入射させ、他方は、ミラー１３３に入射させる。測定部位１５１の一方の側より入射した光は、測定部位１５１の内部組織と測定部位１５１の外側とによる屈折率の差がある測定部位１５１の他方の側で反射し、再度、測定部位１５１の一方の側より出射する。
【００３６】
上述したように測定部位１５１より戻ってきた光と、ミラー１３３で反射した光は、ビームスプリッタ１３２で重ね合わされる。このとき、光の干渉により、双方の光が通ってきた距離が等しければ、２つの光は強め合い、一方、距離にずれがあれば、２つの光は打ち消し合う。ミラー１３３を移動させ、光検出器１３４により光強度の検出で、上述した２つの光が干渉して強め合う位置を求めれば、光が測定部位１５１の中を通過してきた距離が分かり、測定部位１５１の厚さがわかる。
【００３７】
次に、検出部１０２で検出される光音響信号について説明する。一次元の系において，任意の濃度分布を持つ物質のある時刻ｔにおける光音響信号は、式（１）で表される。
【００３８】
【数１】
2019217067.tif 000003
【００３９】
式（１）において、Ｐは光音響信号の出力、β（ｘ）は光源の照射端面をｘ＝０としたときのある波長での深さｘにおける吸収係数、μsは熱拡散長である。発生した音波（光音響信号）は、コリメータ１０７と検出部１０２との間で共振現象を起こすことで増幅された音響信号を取得することができる。
【００４０】
ここで、音響信号のｑ次の共振モードは、以下の式（２）で表される。
【００４１】
【数２】
2019217067.tif 000004
【００４２】
式（２）において、νは音速、ｆは光の変調周波数、Ｌは測定部位１５１の厚さである。
【００４３】
経時変化により測定部位１５１の厚さが変化した場合、音波の共振モードと測定成分が同時に変化することにより、測定精度が低下してしまう。そこで、ＯＣＴ測定を実施することにより測定部位１５１の厚さを測定する。ミラー１３３を５〜８ｍｍ程度駆動させてのある時刻ｔにおける厚さＬ（ｔ）を測定する。測定開始時刻をｔ０とする。
【００４４】
共振モードは、以下の式（３）により示される。
【００４５】
【数３】
2019217067.tif 000005
【００４６】
なお、「ΔＬ＝Ｌ（ｔ）／Ｌ（ｔ０）・・・（４）」である。
【００４７】
変調周波数を「ｆ’＝ｆ／ΔＬ・・・（５）」となるように調整すると、式（３）のｑは、初期値と同じ共振モードをとることができる。時刻ｔ０において感度が最大となるような変調周波数を設定しておくことにより、時間変化による測定部位１５１の状態変化が起きたとしても、常に高感度な共振モードで光音響測定が実施できる。
【００４８】
上述した実施の形態における成分濃度測定装置による生体中のグルコース濃度測定の実験結果を図４に示す。図４において、破線は補正前を示し、実線は補正後を示す。図４に示すように、実施の形態によれば、水分含有率の影響が抑制され、対象成分濃度を正確に測定することができるようになっている。
【００４９】
以上に説明したように、本発明によれば、測定部位の厚さを測定し、測定した厚さにより検出部が検出した音響信号を補正するようにしたので、光音響法による人体内のグルコースの測定における、人体の経時変化による測定精度の低下が抑制できるようになる。
【００５０】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００５１】
１０１…光照射部、１０２…検出部、１０３…厚測定部、１０４…補正部、１０５…光源部、１０６…パルス制御部、１２１…ビーム光、１５１…測定部位。
【図１】
2019217067.tif 000006
【図２】
2019217067.tif 000007
【図３】
2019217067.tif 000008
【図４】
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