(57)【要約】      （修正有）【課題】筋振動、脈動、呼気等の生体からのスローノイズによる影響を軽減して高感度化が期待できる生体内物質の生化学物質濃度を測定する装置を提供する。【解決手段】光音響共鳴法で感度と信号雑音比を上げ、また深さ分析を得るため、共鳴周波数ｆｒの共鳴型振動検出器を用い、直接接する皮膚表面からの深さΔＬと振動子に連続する定常波振動数ｆｔで光断続励起し、ｆｒよりわずかに小さい周波数ｆｔで自己相関検波して深さ方向成分分析を可能にする分析方法。選択的深さで、かつ非侵襲的に毛細血管層の生体生化学成分を得る装置。【選択図】図１
2004249025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本発明は光音響共鳴法で感度と信号雑音比を上げ、また深さ分析を得るため、共鳴周波数ｆｒの共鳴型振動検出器を用い、直接接する測定部位表面からの深さΔＬと振動子に連続する定常波振動数ｆｔで光断続励起し、ｆｒよりわずかに小さい周波数ｆｔで自己相関検波して深さΔＬの成分分析をする方法。
【請求項２】
生体組織に可視光から赤外光域までの光を周期断続的かつ波長可変照射する発光器からなる。この光により生体内の特定物質に特有波長が吸収され周期的な熱変化が特定物質の濃度に比例した生体組織の振動として検出する共鳴周波数の振動検出器を有する。自己相関検波器、電圧周波数変換器［ＶＦコンバーター］、或いはＡ／Ｄ変換器、以上を通してマイクロプロセッサーに接続する。
【請求項３】
マイクロプロセッサーは波長波形分離手段と時間変化記録部、表示部、キー入力部を有する。
【請求項４】
各種波長の励起光源は発光ダイオード、或いはレーザーダイオード群か、又は分光器断続光源とする。
【請求項５】
束ねられた光ファイバーで断続発光は導かれ、各々のファイバーを順番に発光させ二次元掃引機能を有するものとする。断続光周波数及び光波長を変え、三次元生化学分布組織像を得る機能を有する。
【請求項６】
振動検出器は測定部位直接接触型とする。
【請求項７】
体内に光ファイバー、或いは発光器を導入し、体内部位を直接励起し、体外共鳴型振動子センサーで測定する機構を有する。
【請求項８】
検体温度検出器を備え振動検出器の温度補正をプロセッサーで行う機能を有する。
【請求項９】
自己採血による校正入力手段を有す。
【請求項１０】
脈拍検出機構を有し、脈拍同期生化学分析情報を提供する。
【請求項１１】
筋電流検出機構を有し、振動子の生体接続状態監視器とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光音響効果で生体内物質の生化学物質濃度、及び三次元生化学物質分布組織像を測定する装置である。
【０００２】
【従来の技術】従来光音響効果によって生体内の生化学物質濃度を非侵襲的に知る努力がなされている。生体物質は光照射されると特定波長を量子吸収し、このエネルギーの一部は熱エネルギーに変化し、体積膨張を誘起し音波となって観測される。この音波の振動強度によって量子吸収した物質の濃度を知る方法である。熱波を検出する差動マイクロホン法、及びキャリアウェーブ・ゲーティッド・パルス法において、エコー・ディレイタイムによって深さ方向を知る特許がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記技術はパルス法で測定時間が短いため、筋振動、脈動、呼気等の生体からのスローノイズにより高感度を得にくい。また、パルス法の欠陥として、雑音に埋もれたエコーパルス波高を時間的に弁別し、深さ分析を行っているので、深さ位置の高分解能は得にくい。この方法は実用感度と幾何学的分解に達しない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明では、生体生化学物質は数秒程では変化しないこと、筋振動の３０Ｈｚ程度等を考慮し、０．５秒ないし１０秒間程度ＶＦコンバータで連続測定し、この積分平均値を採り対ノイズ対策と高感度化を意図した。
【０００５】本発明は光音響共鳴法で感度と信号雑音比を上げ、また深さ分析を得るため、共鳴周波数ｆｒの共鳴型振動検出器を用い、直接接する皮膚表面からの深さΔＬと振動子に連続する定常波振動数ｆｔで光断続励起し、ｆｒよりわずかに小さい周波数ｆｔで自己相関検波して深さΔＬの成分分析をする方法。
【０００６】測定周期Ｔｔ、圧電素子の共鳴周期Ｔｒ、圧電素子の共鳴周波数ｆｒ、人体の音速Ｖとすると、圧電素子と深さΔＬの新しい結合振動系の共鳴周波数ｆｔは
【０００７】
【数１】
2004249025.tif 000003
【０００８】
ここで
【数２】
2004249025.tif 000004
【０００９】
よって
【数３】
2004249025.tif 000005
【００１０】
ここで
【数４】
2004249025.tif 000006
【００１１】
よって
【数５】
2004249025.tif 000007
【００１２】
【実施例】図１は本発明の発光ダイオード・アレー光源光音響共鳴分析装置の構成図である。装置全体は制御コンピュータ（ＣＰＵ）によって支配される。ＣＰＵからシンセサイザーへ皮膚下深さ測定点を決める測定周波数ｆｔが設定され、ダイオード・パワー・コントローラーに特定発光ダイオード・パワーがＣＰＵから指定される。ＣＰＵによってダイオード・アレー切り換え器は特定波長を指定し発光させる。共鳴型振動検出器ＰＺＴは皮膚、或いは粘膜等に軽く圧着されており、光音響振動信号はＣＰＵでｆｔに同調された増幅器に導かれた後、自己相関器でシンセサイザー参照信号と自己相関検波され、ＶＦコンバーターで積分してＣＰＵに導かれる。
【００１３】
【測定例】図２は７５ｇ血糖負荷試験を５９歳の男性と２４歳の男性に対して行った測定例で、Ｘ軸は臨床検査センターにより酵素電極法で測定した血糖値、Ｙ軸は光音響共鳴法による血糖値である。グルコース吸収ピーク波長１５５０ｎｍと１２００ｎｍ、水吸収ピーク波長１４５０ｎｍ等を使って成分分離した。
【００１４】図３は２５歳男性の伸筋運動負荷試験実時間測定例。リンパ液、酸化ヘモグロビン、脱酸化ヘモグロビンの運動負荷、及び除荷の時間変化を示す。
【００１５】図４はヘモグロビン三波長での深さ方向への測定例。層状の毛細血管帯が読み取れる。
【図１】
2004249025.tif 000008
【図２】
2004249025.tif 000009
【図３】
2004249025.tif 000010
【図４】
2004249025.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成15年5月20日(2003.5.20)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】本発明は光音響共鳴法で感度と信号雑音比を上げ、また深さ分析を得るため、共鳴周波数ｆｒの共鳴型振動検出器を用い、直接接する測定部位表面からの深さΔＬと振動子に連続する定常波振動数ｆｔで光断続励起し、ｆｒよりわずかに小さい周波数ｆｔで自己相関検波して深さΔＬの成分分析をする方法。
【請求項２】生体組織に可視光から赤外光域までの光を周期断続的かつ波長可変照射する発光器からなる。この光により生体内の特定物質に特有波長が吸収され周期的な熱変化が特定物質の濃度に比例した生体組織の振動として検出する共鳴周波数の振動検出器を有する。自己相関検波器、電圧周波数変換器［ＶＦコンバーター］、或いはＡ／Ｄ変換器、以上を通してマイクロプロセッサーに接続する。
【請求項３】マイクロプロセッサーは波長波形分離手段と時間変化記録部、表示部、キー入力部を有する。
【請求項４】各種波長の励起光源は発光ダイオード、或いはレーザーダイオード群か、又は分光器断続光源とする。
【請求項５】束ねられた光ファイバーで断続発光は導かれ、各々のファイバーを順番に発光させ二次元掃引機能を有するものとする。断続光周波数及び光波長を変え、三次元生化学分布組織像を得る機能を有する。
【請求項６】振動検出器は測定部位直接接触型とする。
【請求項７】体内に光ファイバー、或いは発光器を導入し、体内部位を直接励起し、体外共鳴型振動子センサーで測定する機構を有する。
【請求項８】検体温度検出器を備え振動検出器の温度補正をプロセッサーで行う機能を有する。
【請求項９】自己採血による校正入力手段を有す。
【請求項１０】脈拍検出機構を有し、脈拍同期生化学分析情報を提供する。
【請求項１１】筋電流検出機構を有し、振動子の生体接続状態監視器とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光音響効果で生体内物質の生化学物質濃度、及び三次元生化学物質分布組織像を測定する装置である。
【０００２】
【従来の技術】
従来光音響効果によって生体内の生化学物質濃度を非侵襲的に知る努力がなされている。生体物質は光照射されると特定波長を量子吸収し、このエネルギーの一部は熱エネルギーに変化し、体積膨張を誘起し音波となって観測される。この音波の振動強度によって量子吸収した物質の濃度を知る方法である。熱波を検出する差動マイクロホン法、及びキャリアウェーブ・ゲーティッド・パルス法において、エコー・ディレイタイムによって深さ方向を知る特許がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記技術はパルス法で測定時間が短いため、筋振動、脈動、呼気等の生体からのスローノイズにより高感度を得にくい。また、パルス法の欠陥として、雑音に埋もれたエコーパルス波高を時間的に弁別し、深さ分析を行っているので、深さ位置の高分解能は得にくい。この方法は実用感度と幾何学的分解に達しない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、生体生化学物質は数秒程では変化しないこと、筋振動の３０Ｈｚ程度等を考慮し、０．５秒ないし１０秒間程度ＶＦコンバータで連続測定し、この積分平均値を採り対ノイズ対策と高感度化を意図した。
【０００５】
本発明は光音響共鳴法で感度と信号雑音比を上げ、また深さ分析を得るため、共鳴周波数ｆｒの共鳴型振動検出器を用い、直接接する皮膚表面からの深さΔＬと振動子に連続するΔＬの成分分析をする方法。
【０００６】
測定周期Ｔｔ、圧電素子の共鳴周期Ｔｒ、圧電素子の共鳴周波数ｆｒ人体の音速Ｖとすると、圧電素子と深さΔＬの新しい結合振動系の共鳴周波数ｆｔは
【０００７】
【数１】
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【０００８】
ここで
【数２】
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【０００９】
よって
【数３】
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【００１０】
ここで
【数４】
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【００１１】
よって
【数５】
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【００１２】
【発明の実施の形態】
【実施例】
図１は本発明の発光ダイオード・アレー光源光音響共鳴分析装置の構成図である。装置全体は制御コンピュータ（ＣＰＵ）によって支配される。ＣＰＵからシンセサイザーへ皮膚下深さ測定点を決める測定周波数ｆｔが設定され、ダイオード・パワー・コントローラーに特定発光ダイオード・パワーがＣＰＵから指定される。ＣＰＵによってダイオード・アレー切り換え器は特定波長を指定し発光させる。共鳴型振動検出器ＰＺＴは皮膚、或いは粘膜等に軽く圧着されており、光音響振動信号はＣＰＵでｆｔに同調された増幅器に導かれた後、自己相関器でシンセサイザー参照信号と自己相関検波され、ＶＦコンバーターで積分してＣＰＵに導かれる。
【００１３】
図２は７５ｇ血糖負荷試験を５９歳の男性と２４歳の男性に対して行った測定例で、Ｘ軸は臨床検査センターにより酵素電極法で測定した血糖値、Ｙ軸は光音響共鳴法による血糖値である。グルコース吸収ピーク波長１５５０ｎｍと１２００ｎｍ、水吸収ピーク波長１４５０ｎｍ等を使って成分分離した。
【００１４】
図３は２５歳男性の伸筋運動負荷試験実時間測定例。リンパ液、酸化ヘモグロビン、脱酸化ヘモグロビンの運動負荷、及び除荷の時間変化を示す。
【００１５】
図４はヘモグロビン三波長での深さ方向への測定例。層状の毛細血管帯が読み取れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光ダイオードアレー光源音響共鳴分析装置の構成図。
【図２】本発明による血糖測定値と臨床検査センタによる測定値の相関図。
【図３】２５歳大腿部伸筋運動負荷及び余荷によるリンパ液、酸化ヘモグロビン及び脱酸化ヘモグロビンの時間変化図。
【図４】ヘモグロビン吸収波長による生体の深さ方向の測定図。