(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に吸着する吸着体と、
前記吸着体の吸着面に向けて強度変調光を出射する光源と、
前記吸着体に保持され、前記被検体を前記吸着面に向けて進む音波を検出する音響検出器と、を備え、
前記吸着体は、前記吸着面に窪みが形成されている可撓性及び気密性を有して前記音響検出器と前記被検体との間の空気を排除する吸盤状部材であり、前記吸着面の少なくとも一部に前記被検体と密着する密着部を有し、前記密着部を除いて音波を吸収する吸音材で形成されており、
前記音響検出器は、前記密着部に入射する前記音波を検出する、
ことを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記密着部の音響インピーダンスが、水の音響インピーダンスと前記音響検出器の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスであ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】
前記密着部に印加される圧力を検出する圧力センサをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の成分濃度測定装置。
【請求項４】
被検体に吸着する吸着体と、
前記吸着体の吸着面に向けて強度変調光を出射する光源と、
前記吸着体に保持され、前記被検体を前記吸着面に向けて進む音波を検出する音響検出器と、を備え、
前記音響検出器は、前記吸着面上に配置されかつ前記被検体と密着する露出部を有し、当該露出部に入射する前記音波を検出し、
前記吸着体は、前記吸着面に窪みが形成されている可撓性及び気密性を有して前記音響検出器と前記被検体との間の空気を排除する吸盤状部材であり、音波を吸収する吸音材で形成されている、
ことを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項５】
前記露出部に、水の音響インピーダンスと前記音響検出器の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスの音響整合部材が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の成分濃度測定装置。
【請求項６】
前記露出部に印加される圧力を検出する圧力センサをさらに備えることを特徴とする請求項４又は５に記載の成分濃度測定装置。
【請求項７】
前記窪みに到達する貫通孔が前記吸盤状部材に形成されており、
前記貫通孔を介して前記窪み内を減圧する空気ポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
【請求項８】
前記吸着体は、遮光性を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間又は動物等の被検体の成分や、果物等の被測定物の成分濃度を測定する成分濃度測定装置に関する。
【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。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ので、血液を採取しない非侵襲な血液成分濃度測定装置が注目されている。現在までに開発された非侵襲な血液成分濃度測定装置としては、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、血糖値の場合はグルコース分子に吸収され、局所的に加熱して熱膨張を起こして生体内から発生する音波を観測する、光音響法が注目されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
しかし、光音響法による血液成分濃度測定装置は、グルコースと電磁波と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至ってない。
【０００４】
図１０は、光音響法による従来の血液成分濃度測定装置の構成例である。図１０に示す血液成分濃度測定装置８０は、駆動回路８１、パルス光源８３及び波形観測器８４を格納する（例えば、非特許文献１参照。）。開口部８６は、筐体８５に形成され、被検体８９が挿入される。駆動回路８１はパルス状の励起電流をパルス光源８３に提供し、パルス光源８３はサブマイクロ秒の持続時間を有する光パルスを発生させる。パルス光源８３によって発生された光パルスは、被検体８９に照射される。光パルスは被検体８９の内部にパルス状の光音響信号と呼ばれる音波を発生させる。発生した音波は、音響検出器８２によって検出され、更に音圧に比例した電気信号に変換される。
【０００５】
変換された電気信号の波形は波形観測器８４により観測される。波形観測器８４は上記励起電流に同期した信号によりトリガーされ、変換された電気信号は波形観測器８４の管面上の一定位置に表示される。変換された電気信号は、積算・平均して測定することができる。このようにして得られた電気信号の振幅を解析して、被検体８９の内部の血糖値、すなわちグルコースの量が測定される。図１０に示す例の場合はサブマイクロ秒のパルス幅の光パルスを最大１ｋＨｚの繰り返しで発生し、１０２４個の光パルスを平均して、電気信号を測定している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１９２６１１号公報
【非特許文献１】オウル大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｏｕｌｕ、Ｆｉｎｌａｎｄ）学位論文「Ｐｕｌｓｅ  ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｓ  ａｎｄ  ｇｌｕｃｏｓｅ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｈｕｍａｎ  ｂｌｏｏｄ  ａｎｄ  ｔｉｓｓｕｅ」（ＩＢＳ  ９５１−４２−６６９０−０、ｈｔｔｐ：／／ｈｅｒｋｕｌｅｓ．ｏｕｌｕ．ｆｉ／ｉｓｂｎ９５１４２６６９００／、２００２年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光音響信号を逐次観察するために生体に装着する場合を考えると、従来の成分濃度測定装置では、正確な測定を行う上での問題点として以下の３つの問題がある。すなわち体動などによる光音響発生源と音響検出器との設置の位置関係・押し付け圧力のズレ、音響ノイズ、音響検出器と被検体の空気による音波の反射である。
【０００８】
一つ目の体動の問題について述べる。光照射位置に関して、体動により被検体と光源及び音響検出器との位置が変化すると、光が当たっている部位の形状や状態の変化が生じる。特に対象物が生体、とりわけ生体中の血管内部の成分に注目しているため、光照射部の生体中の血管分布が変化してしまえば、音源分布や光音響信号強度も変化してしまう。音波の検出に関しても、体動による位置変化などで音響検出器と被検体との接触面積が変化すると光音響現象により生じた音波の検出器までの伝搬を阻害する。このため光源から照射される光を被検体に照射する場合、被検体と音響検出器を密着させる強さによっても、得られた光音響信号強度に変化が生じるという問題があった。
【０００９】
上記のような体動などに伴う光音響信号の検出出力強度の不安定性に関する問題に対して、従来の方法では光音響信号発生源と音響検出器との位置関係を固定する施策、体動などによる位置変化による光音響信号の検出出力強度の不安定性の除去に対する施策は行われていない。
【００１０】
また上記のような問題の解決方法の一つとして、光学的生体情報測定装置においては、クランプ式機構が考えられている。クランプの相対する圧着部に励起光源及び検出器を取り付けたもので、これら励起光源及び検出器とで被検体を挾むように固定する。しかしながらクランプ式機構ではセンサの固定は可能であるが、被検体への局所的な装着圧力により被検体の組織への血液流が減少し、正確な測定ができないという難点がある。
【００１１】
次に二つ目の音響ノイズの問題について述べる。光音響測定法は励起光により生じた音波を高感度に検出する方法である。このため正確かつ高感度測定を行うためには音響ノイズを除去する必要がある。ここで音響ノイズとなりうるのは、外界に漂っている音波と被検体において生じた音波のうち所望の伝搬パスを通らなかった音波である。
【００１２】
三つ目の音響検出器と被検体の空気による音波の反射の問題について述べる。音波はある媒質１からある媒質２との界面に差しかかった時、２つの現象が生じる。ひとつは境界面を通過する透過であり、もうひとつは境界面において生じる反射である。それぞれの媒質の音響インピーダンスが大きく異なると界面で大部分反射してしまい、透過はほとんど起こらない。このときの反射率Ｒは、媒質１の音響インピーダンスをＺ１、媒質２の音響インピーダンスをＺ２とすると式（１）のように表せる。
【数１】
0004699291.tif 000002
【００１３】
ここで生体、特に皮膚において行う光音響測定を考えてみる。被測定物体において発生した光音波は表皮を経て、音響整合層に入射し、その後、音響検出器へと到達する。通常、測定は空気中にて行うことが想定されている。このため被検体の表皮と音響整合層の間には、微量であるが空気が侵入してしまいがちである。ここで空気と皮膚の音速及び音響インピーダンスを下表に示す。
【表１】
0004699291.tif 000003
【００１４】
上表から皮膚と空気との境界面での反射率を式（１）より計算すると約９０％以上である。つまり皮膚と音響整合層との間に空気が微量でも存在していると生体内で生じた音波は境界面において影響を受けてしまう。さらに生体中の血液成分濃度を測定するためにはＳＮが１０００以上の高感度測定が必要である。もしも皮膚と音響整合層との間に空気が微量でも存在していたとすると、所望の感度での測定が困難になってしまう。
【００１５】
そこで、本発明は、上記の体動による光音響発生源と音響検出器との設置の位置関係・押し付け圧力のズレ、音響ノイズ、音響検出器と被検体の空気による音波の反射の問題を解決し、かつ、装着中における脱落の可能性を軽減することで、正確な成分濃度を逐次測定を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するため、本発明の成分濃度測定装置は、強度変調光を出射する光源と、強度変調光によって発生した音波を検出する音響検出器と、被検体に吸着し、当該吸着によって前記音響検出器を被検体に固定する吸着体とを備えることを特徴とする。
【００１７】
光源が強度変調光を出射するので、被検体に音波すなわち光音響信号を発生させることができる。その音波を音響検出器が検出することで、成分濃度を測定することができる。ここで、吸着体が音響検出器を被検体に固定するので、吸着体を被検体に吸着させると、測定中に被検体の位置が一定し、ずれることがない。これにより前述の１つ目の体動による被測定位置の変化の問題を解決することができる。又、装着中における脱落の可能性を軽減させることができる。さらに、音響検出器が被検体に吸着している吸着体に保持されるので、被検体と音響検出器への空気の混入を排除して被検体と音響検出器を密着させ、音波の大部分を反射することなく音響検出器に伝達させることができる。これにより前述の２つ目の音波ノイズの問題及び３つ目の皮膚と検出器の間に生じる音響不整合の問題を解決することができる。よって、本発明に係る成分濃度測定装置は、体動による光音響発生源と音響検出器との設置の位置関係・押し付け圧力のズレ、音響ノイズ、音響検出器と被検体の空気による音波の反射の問題を解決し、かつ、装着中における脱落の可能性を軽減することで、正確な光音響信号を逐次測定することができる。
【００１８】
さらに、この吸着による被検体への固定は被検体の血管を圧迫しないので、血流を阻害することなく成分濃度を測定することができる。これにより十分な血流量で被検体の生体情報を測定することができ、光音響信号のＳＮ比を上げることができる。又、被検体の周囲が開放されているので被検体が膨張しやすく、被検体で発生する音波の振幅を大きくすることでさらにＳＮ比を上げることができる。
【００１９】
具体的には、本発明の成分濃度測定装置は、吸着する吸着体と、前記吸着体の吸着面に向けて強度変調光を出射する光源と、前記吸着体に保持され、前記吸着面に向けて進む音波を検出する音響検出器と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
光源が強度変調光を出射するので、被検体に音波すなわち光音響信号を発生させることができる。音響検出器は光源の方向から入射する音波を検出するので、光音響信号を検出し、成分濃度を測定することができる。ここで、音響検出器は吸着体に保持されているので、吸着体を被検体に吸着させると、測定中に被検体の位置が一定し、ずれることがない。これにより前述の１つ目の体動による被測定位置の変化の問題を解決することができる。又、装着中における脱落の可能性を軽減させることができる。また、この吸着による被検体への固定は被検体の血管を圧迫することが無いので、血流を阻害することがない。さらに、音響検出器が被検体に吸着している吸着体に保持されるので、被検体と音響検出器への空気の混入を排除して被検体と音響検出器を密着させ、音波の大部分を反射することなく音響検出器に伝達させることができる。これにより前述の２つ目の音波ノイズの問題及び３つ目の皮膚と検出器の間に生じる音響不整合の問題を解決することができる。よって、本発明に係る成分濃度測定装置は、体動による光音響発生源と音響検出器との設置の位置関係・押し付け圧力のズレ、音響ノイズ、音響検出器と被検体の空気による音波の反射の問題を解決し、かつ、装着中における脱落の可能性を軽減することで、正確な光音響信号を逐次測定することができる。
【００２１】
ここで、本発明の成分濃度測定装置の基本原理を、一例として、被検体の成分濃度を測定する場合について説明する。
【００２２】
本発明では、異なる２波長の光の中の、第１の光の波長を、例えば被検体の測定対象の成分による吸光度が被検体の大部分を占める水による吸光度と顕著に異なる波長に設定し、第２の光の波長を水が第１の光の波長におけるのと合い等しい吸光度を示す波長に設定する。上記の波長の設定方法を、血液中のグルコースの濃度を測定する場合を例として図１により説明する。
【００２３】
図１は常温における水とグルコース水溶液の吸光度特性を示す。図１において、縦軸は吸光度を示し、横軸は光の波長を示している。また、図１において、実線は水の吸光度特性を示し、破線はグルコース水溶液の吸光度特性を示している。図１に示す波長λ１はグルコースによる吸光度が水による吸光度と顕著に異なる波長であり、波長λ２は、水がλ１における吸光度と合い等しい吸光度を示す波長である。従って、例えば、第１の光の波長をλ１と設定し、第２の光の波長をλ２と設定することができる。
【００２４】
以下の説明においては、一例として、第１の光の波長を測定対象の成分による吸光度が水による吸光度と顕著に異なる波長λ１に設定し、第２の光の波長を水が第１の光の波長λ１におけるのと合い等しい吸光度を示す波長λ２に設定した場合を説明する。
【００２５】
上記のように設定した異なる２波長の光の各々を、同一周波数で逆位相の信号により強度変調してパルス状の光として出射し、出射された異なる２波長の光が被検体の成分に吸収されて発生する音波を検出して、検出した音波の大きさから、被検体の測定対象の成分の濃度を測定する。上記のように強度変調された異なる２波長の光を出射した場合、第１の光を測定対象の成分と水の両方が吸収して被検体から発生する第１の音波と、第２の光を被検体の大部分を占める水が吸収して被検体から発生する第２の音波とは、周波数が等しくかつ逆位相である。従って、第１の音波と第２の音波は被検体内で重畳し、音波の差として、第１の音波の中の測定対象の成分が吸収して被検体から発生する音波の大きさのみが残留する。そこで、残留した音波により、第１の光が測定対象の成分が吸収して被検体から発生する音波のみを測定することができる。上記の測定においては、測定対象の成分と水の両方が吸収して発生する音波と水が吸収して発生する音波を個別に測定して差を演算するよりも、測定対象の成分が吸収して被検体から発生する音波を正確に測定することができる。
【００２６】
さらに、被検体と音響検出器における音波検出素子との接触状態などの音波測定系の誤差の要因を除いて、高精度に測定する方法を以下に説明する。波長λ１の光及び波長λ２の光の各々に対する、被検体の大部分を占める水の吸収係数をα１（ｗ）及びα２（ｗ）として、被検体の測定対象の成分のモル吸収係数をα１（ｇ）及びα２（ｇ）とすれば、波長λ１の光及び波長λ２の光の各々により被検体から発生する音波の大きさｓ１及びｓ２を含む連立方程式は数式（２）で表される。
【００２７】
【数２】
0004699291.tif 000004
【００２８】
上記の、数式（２）を解いて、被検体の測定対象の成分濃度Ｍを求めることができる。ここで、Ｃは制御あるいは予想困難な係数、すなわち、被検体と音波検出素子の結合状態、音波検出素子の感度、被検体において光により音波が発生される位置と音波検出素子との間の距離、被検体の比熱及び熱膨張係数、被検体の内部の音波の速度、波長λ１の光及び波長λ２の光の変調周波数、水の吸収係数及び被検体の成分のモル吸収係数、などに依存する未知定数である。さらに数式（２）でＣを消去すると次の数式（３）が得られる。
【００２９】
【数３】
0004699291.tif 000005
【００３０】
ここで、波長λ１の光及び波長λ２の光の各々に対する、被検体の大部分を占める水の吸収係数α１（ｗ）及びα２（ｗ）が等しくなるように選択されているので、α１（ｗ）＝α２（ｗ）が成立し、さらに、ｓ１≒ｓ２であることを用いれば、成分濃度Ｍは数式（４）で表される。
【００３１】
【数４】
0004699291.tif 000006
【００３２】
上記の数式（４）に、既知の係数として、α１（ｗ）、α１（ｇ）及びα２（ｇ）を代入し、さらに、波長λ１の光及び波長λ２の光の各々により被検体から発生する音波の大きさｓ１及びｓ２を測定して代入することにより、被検体の成分濃度Ｍを算出することができる。上記の数式（４）においては、２つの音波の大きさｓ１及びｓ２を個別に測定するよりも、それらの差ｓ１−ｓ２を測定して、別に測定した音波の大きさｓ２で除する方が、被検体の成分濃度を高精度に測定することができる。
【００３３】
そこで、本発明の成分濃度測定装置においては、まず、波長λ１の光及び波長λ２の光を、互いに逆位相の変調信号により強度変調して、１の光束に合波して出射することにより、被検体から発生する音波の大きさｓ１及び音波の大きさｓ２が相互に重畳して生じる音波の差（ｓ１−ｓ２）を測定する。次に、波長λ２の光を出射して、被検体から発生する音波の大きさｓ２を測定する。上記のように測定した（ｓ１−ｓ２）とｓ２とから、数式（４）により（ｓ１−ｓ２）÷ｓ２を演算して被検体の測定対象の成分濃度を高精度に測定することができる。
【００３４】
また、本発明の成分濃度測定装置は、被検体に吸着する吸着体と、前記吸着体の吸着面に向けて強度変調光を出射する光源と、前記吸着体に保持され、前記被検体を前記吸着面に向けて進む音波を検出する音響検出器と、を備え、前記吸着体は、前記吸着面に窪みが形成されている可撓性及び気密性を有して前記音響検出器と前記被検体との間の空気を排除する吸盤状部材であり、前記吸着面の少なくとも一部に前記被検体と密着する密着部を有し、前記密着部を除いて音波を吸収する吸音材で形成されており、前記音響検出器は、前記密着部に入射する前記音波を検出する。
【００３５】
本発明では、吸盤状部材の窪み内を減圧して吸引力を発生させることができる。吸着体が吸盤状部材であることで、可撓性及び気密性を有する樹脂にて吸着体を形成することができる。
本発明では、吸着体を被検体に吸着させ、その上から音響検出器が音波を検出するので、吸着体の吸引力を維持することができる。これにより、音響検出器を安定して被検体に固定することができる。
本発明では、吸着体のうちの光音響信号を検出する密着部以外の部分が吸音効果のある材料により作製されているため、音響検出器に対して外界からの音響ノイズを遮断することができる。さらに、音響検出器周辺の吸着面に入射する音波を吸音することができるので、所望の伝搬パスを通らなかった音波を吸音することができる。
【００４０】
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記密着部の音響インピーダンスが、水の音響インピーダンスと前記音響検出器の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスであることが好ましい。
【００４１】
本発明では、密着部が水の音響インピーダンスと音響検出器の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスの音響整合部材にて形成されていることで、被検体と密着部との境界における音波の反射及び密着部と音響検出器との境界における音波の反射を抑制し、音波の伝達効率を向上することができる。
【００４２】
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記密着部に印加される圧力を検出する圧力センサをさらに備えることが好ましい。
【００４３】
本発明では、圧力センサをさらに備えることで、密着部に密着している被検体に印加される圧力を検出することができる。これにより、被検体に印加されている圧力を加味した成分濃度測定をすることができる。さらに、吸着体が被検体に吸着する吸引力の調節が可能となるので、吸着体を安定して被検体に吸着させるとともに、密着部を一定強度で被検体に密着させることができる。これにより、成分濃度の再現性を向上することができる。
【００４６】
また、本発明の成分濃度測定装置は、被検体に吸着する吸着体と、前記吸着体の吸着面に向けて強度変調光を出射する光源と、前記吸着体に保持され、前記被検体を前記吸着面に向けて進む音波を検出する音響検出器と、を備え、前記音響検出器は、前記吸着面上に配置されかつ前記被検体と密着する露出部を有し、当該露出部に入射する前記音波を検出し、前記吸着体は、前記吸着面に窪みが形成されている可撓性及び気密性を有して前記音響検出器と前記被検体との間の空気を排除する吸盤状部材であり、音波を吸収する吸音材で形成されている。
【００４７】
本発明では、吸盤状部材の窪み内を減圧して吸引力を発生させることができる。吸着体が吸盤状部材であることで、可撓性及び気密性を有する樹脂にて吸着体を形成することができる。
本発明では、音響検出器が露出部を有することで、成分濃度を測定する被検体に音響検出器を密着させることができる。音響検出器は被検体を伝搬する音波を直接検出することができるので、微弱な光音響信号であっても検出することができる。
本発明では、吸着体が吸音効果のある材料により作製されているため、音響検出器に対して外界からの音響ノイズを遮断することができる。さらに、音響検出器周辺の吸着面に入射する音波を吸音することができるので、所望の伝搬パスを通らなかった音波を吸音することができる。
【００４８】
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記露出部に、水の音響インピーダンスと前記音響検出器の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスの音響整合部材が設けられていることが好ましい。
【００４９】
本発明では、音響検出器の露出部の表面に音響整合部材が設けられていることで、被検体と音響検出器の境界における音波の反射を抑制し、音波の伝達効率を向上することができる。
【００５０】
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記露出部に印加される圧力を検出する圧力センサをさらに備えることが好ましい。
【００５１】
本発明では、音響検出器のうちの被検体に密着する部分に印加される圧力を検出することができるので、被検体に印加されている圧力を加味した光音響信号の検出が可能になる。さらに、吸着体が被検体に吸着する吸引力の調節が可能となるので、吸着体を安定して被検体に吸着させるとともに、露出部を一定強度で被検体に密着させることができる。これにより、成分濃度の再現性を向上することができる。
【００５２】
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記窪みに到達する貫通孔が前記吸盤状部材に形成されており、前記貫通孔を介して前記窪み内を減圧する空気ポンプをさらに備えることが好ましい。
【００５３】
本発明では、空気ポンプを備えるので、被検体を吸着体の上に乗せてポンプを作動させることにより、自動的かつ安定的に吸着体を被検体に吸着させることが可能である。さらに、窪み内の気圧を随時減圧することができるので、吸着体を安定して被検体に吸着させることができる。
【００５４】
また、本発明の成分濃度測定装置において、前記吸着体は、遮光性を有することが好ましい。
【００５５】
本発明では、吸着体に遮光性を持たせることにより、被検体に入射する外光や迷光を遮ることができる。
【発明の効果】
【００５６】
本発明の成分濃度測定装置は、吸着体が音響検出器を被検体に固定するので、吸着体を被検体に吸着させると、測定中に被検体の位置が一定し、ずれることがない。これにより前述の１つ目の体動による被測定位置の変化の問題を解決することができる。又、装着中における脱落の可能性を軽減させることができる。さらに、音響検出器が被検体に吸着している吸着体に保持されるので、被検体と音響検出器への空気の混入を排除して被検体と音響検出器を密着させ、音波の大部分を反射することなく音響検出器に伝達させることができる。これにより前述の２つ目の音波ノイズの問題及び３つ目の皮膚と検出器の間に生じる音響不整合の問題を解決することができる。よって、本発明に係る成分濃度測定装置は、体動による光音響発生源と音響検出器との設置の位置関係・押し付け圧力のズレ、音響ノイズ、音響検出器と被検体の空気による音波の反射の問題を解決し、かつ、装着中における脱落の可能性を軽減することで、正確な光音響信号を逐次測定することができる。
【００５７】
さらに、この吸着による被検体への固定は被検体の血管を圧迫しないので、血流を阻害することなく成分濃度を測定することができる。これにより十分な血流量で被検体の生体情報を測定することができ、光音響信号のＳＮ比を上げることができる。又、被検体の周囲が開放されているので被検体が膨張しやすく、被検体で発生する音波の振幅を大きくすることでさらにＳＮ比を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。また、本実施形態では、被検体として人体の指、足、耳を一例として説明するが、被検体を被測定物に置き換えれば被測定物の成分濃度を測定する場合の実施の形態とすることができる。
【００５９】
（第１実施形態）
図２は、成分濃度測定装置の第１形態の模式図である。図３は、成分濃度測定装置の第１形態が備える吸着体、音響検出器及び圧力センサの概略構成図であり、（Ａ）は側面図を示し、（Ｂ）は上面図を示す。図３（Ａ）では、Ａ−Ａ’断面での吸着面１９を示した。図２の成分濃度測定装置１１は、被検体５に吸着する吸着体１２と、吸着体１２の吸着面に向けて強度変調光を出射する光源１３と、光源１３の出射する強度変調光によって被検体５で発生した音波を検出する音響検出器１４と、圧力を検出する圧力センサ１５と、光源１３を動作制御し、音響検出器１４から出力される信号に基づいて成分濃度を測定する動作制御器２６と、を備える。
【００６０】
吸着体１２は、被検体５に吸着する。吸着体１２は、例えば、減圧によって生じた吸引力により被検体５に吸着するものである。例えば、吸着面１９に窪みが形成されている可撓性及び気密性を有する吸盤状部材であり、窪みと被検体５との間に気密空間１６を形成し、気密空間１６を減圧することで吸引力を発生させて被検体５に吸着する。本実施形態では、吸着体１２は、吸盤状の構造を形成するために、被検体５の外周の一部を覆う中空の半球状構造をしているが、被検体５の外周の少なくとも一部を覆って吸着する吸盤状の構造であれば例えば角状であってもよい。被検体５を指とした場合には、指自体を覆う筒形状であってもよい。また、吸着体１２は、成分濃度測定装置１１が装着される被検体５となる指の部分に合わせた大きさ・形状である。本実施形態では被検体５を指としたが、他の部位とする場合には、大きさ・形状はその部位に適していればよいので、図の限りではない。又、吸着体１２は、少なくとも、音響検出器１４を保持できるほどの大きさが必要とされる。又、被検体５は、手の指の他、足の指、腕、足先、耳等、吸着体１２を吸着することのできる部位であればいずれであってもよい。又、同一の吸着体１２上に光源１３及び音響検出器１４を保持すれば、光源１３と音響検出器１４の相対位置を安定させることができる。
【００６１】
図３に示す吸着体１２は、吸盤状の構造が形成されている吸盤状部材であり、吸着面１９に窪みが形成されている可撓性及び気密性を有することが好ましい。このため本実施形態では、吸着体１２は皮膚に吸着効果を持たせるため、可饒性のある樹脂から成る変形可能な材質、シリコンゴム等のエラストマ、ポリ塩化ビニル等あるいはウレタン等で形成されていることが好ましい。又、吸着体１２は、気密性のある気密性保持膜を適用していることが好ましい。気密性保持膜は、シリコンゴム等のエラストマ、ポリ塩化ビニル又はウレタン等の樹脂を例示できる。また、被検体５が指先や外耳のように端部を覆うことのできる部位である場合には、吸着体１２は伸縮部材又は可塑性部材からなる袋状とすることもできる。また、気密空間１６を構成するため、吸着体１２は、気密空間１６の形成の際に被検体５に予め密着させる外周部１７が粘着物質で接着されることが好ましい。外周部１７を被検体５に着接する場合、外周部１７を更に確実に被検体５に密着固定することができる。また、外周部１７及び被検体５を外周部１７に沿って覆う粘着テープによる固定をしてもよい。
【００６２】
また、吸着体１２は、吸音効果を持つような材料・形状であってもよい。材料的に吸音効果を持たせるために、母材がシリコンゴム等のエラストマ、ポリ塩化ビニル等あるはウレタン等で、母材中に適量かつ適当な粒子径のタングステン粉末などの金属粉が混入してある構成をとる。また形状的に吸音効果を持たせるために、吸着体１２に入射した音響波が効率よく散乱されるような大きさ且つ可撓性のある樹脂で三次元構造、たとえば柱状構造などを形成させる。また、吸着体１２に遮光性を持たせるために、本実施形態では、吸着体１２の被検体５と接する表面に迷光除去コーティングを施していることが好ましい。吸着体１２に遮光性を持たせることにより、被検体５に入射する外光や迷光を遮ることができる。又、吸着体１２に吸音性を持たせることにより、外界からの音響ノイズを低減させると共に、反射音を除去して被検体５のうち強度変調光の照射点から発生する音波に限定した検出を音響検出器１４においてすることができる。さらに、吸着体１２が、音響検出器１４以外の被検体５及びその周囲を覆うことにより外界からの音響ノイズを低減させ、所望のパス以外の音波を吸音し、高感度検出が可能になる。これにより正確な成分濃度測定が可能となる
【００６３】
さらに、吸着体１２の被検体５と接触する部分にグリース等のゲル状材料を被覆すると、被検体５と吸着体１２との密着状態、並びに音響検出器１４と被検体５との接触状態を密にすることができるため望ましい。又、吸着面１９に光源１３や圧力センサ１５が設けられている場合には、これらの被検体５との接触状態を密にすることができる。例えば、ゲル状材料が音響検出器１４と被検体５との間で音響整合部材として機能し音響結合を図ることができる。ここで、音響整合部材は、空気の音響インピーダンス超かつ被検体５若しくは水の音響インピーダンス以下であることが好ましい。吸着体１２に材料面から吸音効果を持たせるために、例えば、母材をシリコンゴム等のエラストマ、ポリ塩化ビニル又はウレタンとし、母材中に適量かつ適当な粒子径のタングステン粉末などの金属粉が混入してある構成とする。
【００６４】
図４は、本実施形態に係る吸着体の第１例を示す断面図である。図５は、本実施形態に係る吸着体の第１例の吸着時における断面図である。図４及び図５に示す吸着体１２は、吸着面１９の少なくとも一部に、吸着する被検体５と密着する密着部１８を有し、音響検出器１４は、密着部１８に入射する音波を検出する。ここで、図４は吸着体１２が被検体５に吸着していない状態を示し、図５は吸着体１２が被検体５に吸着している状態示す。図４に示すように、吸着していない状態においては、外周部１７が被検体５に密着している状態となっており、吸着体１２は、被検体５との間に気密空間１６を形成する。気密空間１６を減圧することで、密着部１８が被検体５に密着する。ここで、被検体５は、吸着する対象物である。吸着体１２を被検体５に吸着させた状態では音響検出器１４と被検体５との間の空気が排除されているので、音響検出器１４は被検体５を伝搬して吸着体１２に入射した音波を検出することができる。このように、吸着体１２を介して音響検出器１４が音波を検出することで、吸着面１９を気密性のある１つの部材で形成することができる。これにより吸着体１２の吸引力を維持することができるので、音響検出器１４を安定して被検体５に固定することができる。
【００６５】
ここで、図４及び図５に示す吸盤状部材の第１例では、密着部１８の音響インピーダンスが、被検体５の音響インピーダンスと音響検出器１４の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスであることが好ましい。例えば、密着部１８のうちの音響検出器１４と被検体５とで挟まれている部分が、音響整合部材で形成されていることが好ましい。音響検出器１４と被検体５とで挟まれている密着部１８の音響インピーダンスを、音響検出器１４と被検体５の中間の音響インピーダンスとすることで、被検体５と密着部１８との境界面での音響インピーダンスの差、及び、密着部１８と音響検出器１４との境界面での音響インピーダンスの差を減少させることができる。このため、密着部１８のうちの音響検出器１４に接する面の音響インピーダンスが、接触する音響検出器１４の表面の音響インピーダンスに近いことが好ましい。また、密着部１８のうちの被検体５に接する面の音響インピーダンスが、接触する被検体５の表面の音響インピーダンスに近いことが好ましい。このように、密着部１８を用いて音響検出器１４と被検体５との境界での音響整合を行うことで、被検体５と密着部１８との境界における音波の反射及び密着部１８と音響検出器１４との境界における音波の反射を抑制し、音波の伝達効率を向上することができる。ここで、人体の音響インピーダンスは水の音響インピーダンスと近似できるので、被検体５が人体である場合には、被検体５の音響インピーダンスを水の音響インピーダンスとすることができる。又、吸着体１２のうち皮膚面と接触する密着部１８に粘着剤が塗布されていても良い。密着部１８を被検体５に着接する場合、密着部１８を更に確実に被検体５に密着固定することができる。また粘着材は、密着性を高めかつ密着部１８と被検体５の音響整合を取るために音響ゲルなどの音響整合材を用いても良い。
【００６６】
又、図４及び図５に示す吸盤状部材の第１例では、吸着体１２は、密着部１８を除いて、音波を吸収する吸音材で形成されていることが好ましい。吸着体１２のうちの密着部１８を除く部分とは、例えば、密着部１８を取り囲む外周部１７である。外周部１７に限らず、外周部１７と密着部１８の間の側壁部など、吸着体１２のうちの音響検出器１４と被検体５に挟まれている部分を除くあらゆる部分が吸音材で形成されていることが好ましい。吸着体１２のうちの吸音材としたい部分に、吸音性を発揮する３次元構造を作り込んだり、タングステン等の吸音性を発揮する金属粉を混入させたりすることで、吸着体１２の一部であっても吸音性を発揮させることができる。さらに、音響検出器１４に対して外界からの音響ノイズを遮断するために、吸着体１２が吸着している状態にあるときに外気にさらされる部分すなわち吸着面１９を除く部分は、吸音材で形成されていることが好ましい。さらに、音響検出器１４周辺の吸着面１９に入射する音波を吸音するために、密着部１８のなかでも音響検出器１４と被検体５との間に配置されない部分は吸音材で形成されていることが好ましい。又、吸着体１２全体が吸音材で形成し、音響検出器１４と被検体５との間に配置されている部分を音波の検出を阻害しない程度に十分薄くすることで、音響ノイズを減少させることができる。このように、吸着体１２の少なくとも一部が吸音材で形成されていることで、音響検出器１４周辺の吸着面１９に入射する音波を吸音し、所望の伝搬パスを通らなかった音波による音響ノイズを減少させることができる。
【００６７】
又、図４及び図５に示す吸盤状部材の第１例では、圧力センサ（不図示）は密着部１８に印加される圧力を検出することが好ましい。例えば密着部１８上に圧電素子や光ファイバを取り付けることで、密着部１８上に印加される圧力を検出する。密着部１８は被検体５と密着するので、音波の検出時に被検体５に印加されている圧力を検出することができる。これにより、被検体５に印加されている圧力を加味した成分濃度測定をすることができる。さらに、吸着体１２の吸引力の減少を検出することができるので、吸着体１２を安定して被検体５に吸着させるとともに、密着部１８を一定強度で被検体５に密着させることができる。これにより、成分濃度の再現性を向上することができる。
【００６８】
図６は、本実施形態に係る吸着体の第２例を示す断面図である。図７は、本実施形態に係る吸着体の第２例の吸着時における断面図である。図６及び図７に示す吸着体１２は、吸着面１９上に音響検出器１４が露出している。音響検出器１４は、吸着面１９上に配置されかつ吸着体１２の吸着する被検体５と密着する露出部２０を有し、露出部２０に入射する音波を検出する。ここで、図６は吸着体１２が被検体５に吸着していない状態を示し、図７は吸着体１２が被検体５に吸着している状態を示す。気密空間１６を減圧することで、露出部２０が被検体５に密着する。気密空間１６の気密性を維持するため、音響検出器１４と吸着体１２とがシーリング材で接着されていることが好ましい。図６及び図７では、露出部２０が密着部１８の同一面上に配置されているが、吸着体１２が密着部１８を有していない場合には、露出部２０が吸着面１９から突出していることが好ましい。音響検出器１４は、露出部２０から音波を直接検出することができるので、微弱な光音響信号であっても検出することができる。
【００６９】
さらに、音響検出器１４のうち皮膚面と接触する露出部２０に粘着剤が塗布されていても良い。露出部２０を被検体５に着接する場合、露出部２０を更に確実に被検体５に密着固定することができる。また粘着材は露出部２０と被検体５の音響整合を取るために音響ゲルなどの音響整合部材を用いても良い。音響整合部材の音響インピーダンスが、被検体５の音響インピーダンスと音響検出器１４の音響インピーダンスとの間の音響インピーダンスであることが好ましい。音響検出器１４と被検体５との境界に設けられる音響整合部材の音響インピーダンスを音響検出器１４と被検体５の中間の音響インピーダンスとし、被検体５と音響検出器１４の境界面での音響インピーダンスの差を減少させることができる。このため、音響整合部材のうちの音響検出器１４に接する面の音響インピーダンスが、接触する音響検出器１４の表面の音響インピーダンスに近いことが好ましい。また、音響整合部材のうちの被検体５に接する面の音響インピーダンスが、接触する被検体５の表面の音響インピーダンスに近いことが好ましい。このように、音響整合部材を用いて音響検出器１４と被検体５との境界での音響整合を行うことで、音響検出器１４と被検体５との境界における音波の反射を抑制し、音波の伝達効率を向上することができる。ここで、人体の音響インピーダンスは水の音響インピーダンスと近似できるので、被検体５が人体である場合には、被検体５の音響インピーダンスを水の音響インピーダンスとすることができる。
【００７０】
又、図６及び図７に示す吸盤状部材の第２例では、吸着体１２は、音波を吸収する吸音材で形成されていることが好ましい。吸着体の第２例では、吸着体１２自身を吸音物質とすることができる。例えば、吸着体１２全体に吸音性を発揮する３次元構造を作り込んだり、タングステン等の吸音性を発揮する金属粉を混入させたりすることで、吸着体１２を吸音材とすることができる。吸着体１２が吸音効果のある材料により作製されているため、音響検出器１４に対して外界からの音響ノイズを遮断することができる。さらに、音響検出器１４周辺の吸着面１９に入射する音波を吸音することができるので、所望の伝搬パスを通らなかった音波を吸音することができる。
【００７１】
又、図６及び図７に示す吸盤状部材の第２例では、圧力センサ（不図示）は露出部２０に印加される圧力を検出することが好ましい。例えば、露出部２０付近の密着部１８上に圧電素子や光ファイバを取り付けることで、露出部２０上に印加される圧力を検出する。又、露出部２０が吸着面１９から突出している場合には、露出部２０の被検体５と密着する部分に隣接する位置に圧力センサを配置することで、露出部２０に印加される圧力と同等の圧力を検出することができる。これにより、被検体に印加されている圧力を加味した成分濃度測定をすることができる。さらに、吸着体１２の吸引力の減少を検出することができるので、吸着体１２を安定して被検体５に吸着させるとともに、密着部１８を一定強度で被検体５に密着させることができる。これにより、成分濃度の再現性を向上することができる。
【００７２】
図２に示す圧力センサ１５は、吸着体１２に設けられ、成分濃度測定時には、密着部（図４の符号１８）若しくは露出部（図６の符号２０）と共に被検体５に接触して被検体５を押圧する圧力を検出し、圧力に応じた電気信号を出力する。圧力センサ１５は、吸着体１２の被検体５と接する表面又は吸着体１２の内部いずれの箇所に設けられていてもよい。圧力センサ１５を吸着面１９とは異なる部分に設ける場合には、圧力センサ１５の圧力感知部分を吸着面１９から突出させることが必要となると考えられる。吸着体１２の吸着時に圧力センサ１５の圧力感知部分を被検体５と接触させるためである。圧力センサ１５は、例えば、圧電型の圧力センサ１５を適用することができる。これにより、被検体５を押圧する圧力から被検体５への押圧力を最適な測定環境に維持して成分濃度測定をすることができる。
【００７３】
図２に示す光源１３は、吸着体１２へ向けて強度変調光を出射する。このため光源１３は、光源１３の強度変調光の出射端と吸着面１９とが対向しており、吸着体１２の吸着面１９側から吸着面１９に向けて強度変調光を出射することが好ましい。すなわち被検体５に吸着体１２が吸着している場合には、光源１３の強度変調光の光路上に、被検体５、吸着体１２及び音響検出器１４が順に配置されることが好ましい。この場合、光源１３の出射する強度変調光が被検体５へ入射し、被検体５で発生した音波が吸着面１９に入射し、吸着面１９に入射した音波が音響検出器１４に入射する。吸着面１９に音響検出器１４が露出している場合には、光源１３の強度変調光の出射端と音響検出器１４とが対向しており、吸着体１２の吸着面１９側から音響検出器１４の露出部２０に向けて強度変調光を出射することが好ましい。すなわち被検体５に吸着体１２が吸着している場合には、光源１３の強度変調光の光路上に、被検体５及び音響検出器１４が順に配置されることが好ましい。この場合、光源１３の出射する強度変調光が被検体５へ入射し、被検体５で発生した音波が音響検出器１４に入射する。
【００７４】
光源１３は、例えば、前述した波長λ１，λ２の２つの強度変調光を合波して出射する半導体レーザを適用することができる。光源１３は、被検体５と接する表面に設けられることが好ましい。光源１３を吸着体１２の被検体５と接する表面に設けた場合には、被検体５に接触して直接被検体５に直接光を照射することができる。吸着体１２が被検体５の外周を囲み、光源１３を吸着体１２の内部に設けた場合には、吸着面１９を介した光照射となるが、被検体５に接触することなく吸着体１２によって保護されるため耐久性が向上する。また、光源１３を吸着体１２の内部に設ける場合は、光源１３の光の照射部を吸着体１２から突出させるか、吸着体１２の光の照射部分を透明にすることが考えられる。また、光源１３を吸着体１２の内側表面に設ける場合は、吸着体１２の光の照射部分を透明にすることが考えられる。いずれの場合も吸着体１２の遮光性により被検体５への光の照射強度を弱めないようにするためである。
【００７５】
また、光源１３は、ヒーター又はペルチェ素子で加熱又は冷却することにより出射する光の波長を変化させることができる。例えば、各々の波長を一方の光の波長を測定対象とする成分が特徴的な吸収を呈する波長とし、他方の光の波長を水が一方の光の波長におけるのと相等しい吸収を呈する波長とする。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の測定精度を高くすることができる。ここで、前述のように測定対象とする成分をグルコース又はコレステロールとした場合には、グルコース又はコレステロールの特徴的な吸収を示す波長を照射することによって、グルコース又はコレステロールの濃度を高精度に測定することができる。
【００７６】
また、光源１３からの光を強度変調光とするには、例えば、動作制御器２６内に備えた発振器（不図示）から矩形波信号を出力することとし、光源１３からの２つの光の各々を動作制御器２６内に備えた駆動回路（不図示）を介して同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調する。このように、２つの光の各々を同一周波数で互いに逆位相の矩形波信号により直接変調することにより、異なる２波長の光を発生し同時に変調することが可能となる。
【００７７】
音響検出器１４は、光源１３から出射された強度変調光により被検体５で発生する音波を検出し、音波の振幅に比例した電気信号を出力する。この場合、動作制御器２６には、音響検出器１４からの電気信号から高周波ノイズを除去して出力するフィルタを備え、フィルタからの電気信号を前述した矩形波信号を出力する発振器からの変調信号により同期検波し、音圧に比例する電気信号を出力するとよい。音波を変調周波数に同期した同期検波により検出することで、音波を高精度に検出することができる。音響検出器１４は、吸着体１２の被検体５と接する表面、吸着体１２の内部、吸着体１２の内側の表面いずれの箇所に設けられていてもよい。吸着体１２の被検体５と接する表面に設けた場合には、被検体５に接触して直接被検体５からの音波を検出することができる。吸着体１２の内部又は内側の表面に設けた場合には、吸着体１２を介した音響検出となるが、被検体５に接触することなく吸着体１２によって保護されるため耐久性が向上する。
【００７８】
動作制御器２６は、成分濃度測定の際、光源１３から光を出射させることと同期して音響検出器１４から出力される電気信号を基に成分濃度を測定する。光源１３から異なる時間に出射させた２波長の強度変調光及び１波長の強度変調光による音波の大きさをそれぞれ記憶する。そして、予め記憶した前述の数式（４）から（ｓ１−ｓ２）÷ｓ２の演算を実行して、測定対象の成分濃度を算出することができる。また、動作制御器２６は、圧力センサ１５の検出する圧力が一定圧力以上に達し、密着部（図４の符号１８）若しくは露出部（図６の符号２０）と被検体５とが十分な圧力で密着すると動作開始指令を出力する。動作停止については、圧力センサ１５の測定圧力を検出して停止することとしてもよい。
【００７９】
ここで、本実施形態に係る成分濃度測定装置の第１形態の測定方法の一例について図２及び図３を参照して説明する。吸着部１２を被検体５に押し付け、吸着体１２を被検体５に吸着させる。動作制御器２６は、成分濃度の測定を開始する動作開始命令が入力されると成分濃度の測定を開始する。ここで、動作開始命令は、被検者自身が外部から動作開始命令を入力してもよいが、圧力センサ１５から出力される被検体５への押圧力が一定以上に達すると、成分濃度の測定を開始する動作開始命令を入力することが好ましい。圧力センサ１５からの出力に応じて動作開始命令を入力することで、成分濃度測定時における被検体５に印加される圧力を安定させ、成分濃度の再現性を向上することができる。
【００８０】
成分濃度測定装置１１は、前述した光音響法の原理で動作する。動作制御器２６が動作開始命令を入力すると、動作制御器２６が光源１３に光出射信号を出力して、波長λ１及び波長λ２の前述の異なる２波長の強度変調光を出射させる。また、同時に音響検出器１４から出力される電気信号を取得する準備を行う。光源１３から出射された強度変調光は、被検体５に照射される。光源１３としては、例えば、半導体レーザをあげることができる。ここで、測定対象とする成分をグルコース又はコレステロールとした場合には、光源１３がグルコース又はコレステロールの特徴的な吸収を示す波長を照射することによって、成分濃度測定装置１１は、グルコース又はコレステロールの濃度を精度よく測定することができる。光源１３が半導体レーザであれば、ヒーター又はペルチェ素子により加熱又は冷却することにより発生する光の波長を変化させることができる。この変調された光により生体である被検体５中にて音波すなわち光音響波が発生する。音響検出器１４は、光源１３からの強度変調光によって被検体５で発生する音響波を検出する。動作制御器２６は、音響検出器１４から出力される電気信号を取得し、検波した上で音響波の大きさとして記憶する。その後、動作制御器２６は、光源１３に光出射信号を出力して波長λ２の光を出射させ、音響検出器１４から出力される電気信号を取得し、検波した上で音波の大きさとして記憶する。そして、予め記憶した前述の数式（４）から（ｓ１−ｓ２）÷ｓ２の演算を実行して、測定対象の成分濃度を算出する。これにより、成分濃度測定装置１１は、光源１３及び音響検出器１４を用いて測定対象の成分濃度を測定することができる。
【００８１】
次に、本実施形態の主要な実装構造について説明する。図２及び図３に示す成分濃度測定装置１１は、被検体５の一部に嵌合される吸音効果をもつ吸着体１２と、被検体５の一部の組織内に光を照射する光源１３と、吸着体１２に固定されかつ被検体５に接触するように対向して設けられた音響検出器１４と、吸着体１２に固定され被検体５への接触圧を測定できる圧カセンサ１５を備えている。吸着体１２は成分濃度測定装置１１が装着される被検体５となる指の部分に合わせた大きさ・形状である。本実施形態においては被検体５を指としたが、他の部位を被検体５する場合、大きさ・形状はその部位に適していればよいので、図の限りではない。吸着体１２は皮膚に吸着効果を持たせるため、可撓性のある樹脂から成る変形可能な材質、例えば、シリコンゴム等のエラストマ、ポリ塩化ビニル等あるはウレタン等で形成されている。さらに可撓性材料中に適宜タングステン粉末などの金属粉を適量混入する、あるいは柱状構造などの三次元構造とすれば、吸着体１２に入射する音響波ノイズを吸収する効果がある。吸着体１２のうち被検体５と接触する部分に粘着剤が塗布されていても良い。音響検出器１４及び又は圧力センサ１５のセンサ部を被検体５に着接する場合、センサ部を更に確実に皮膚面に密着固定することができる。また粘着材は音響検出器１４と被検体５の音響整合を取るために音響ゲルなどを用いても良い。圧カセンサ１５を音響検出器１４に隣接するように設けることで、圧カセンサ１５を用いて被検体５と吸着体１２との吸着力を検出する機構とすれば、被検体５と吸着体１２との不十分な密着状態を知ることができ、吸着状態の違いによる測定の不安定性を解消することができる。
【００８２】
ここで、圧カセンサ１５は、別に設ける構成としたが、音響検出器１４を圧電型とすることにより圧カセンサとしての機能を同時に持たせれば、圧カセンサ１５を別に設けなくても良い。この場合、音響検出器１４の信号処理部で、ＡＣ成分である光音響信号の圧カセンサ信号であるＤＣ信号を分離して検出すれば良い。分離して検出するには、フィルタを用いる、時分割スイッチを用いるなど周知の方法が適用できる。
【００８３】
次に、本実施形態に係る成分濃度測定装置の成分濃度の測定手順について説明する。前記音響検出器１４の吸着体１２の吸着面１９を上腕部や腹部等の被検体５の皮膚面に当て、吸着体１２を被検体５の皮膚面の方向に押す。本実施形態では被検体５は指とする。すると、吸着体１２と皮膚面の間の気密空間１６に存在する空気が大気中に逃げて、同内部空間は減圧され真空に近い状態になる。これにより、吸着体１２は皮膚面に吸着して固定されるとともに音響検出器１４が被検体５の皮膚に一定の圧力で吸着し、固定される。このとき音響検出器１４が皮膚に吸着したときの吸着圧力を圧カセンサ１５にて検出し、吸着によって音響検出器１４が被検体５の皮膚に密着したことを確実に検知することができる。本調整により所望の吸着圧力になったとき、光源１３より強度変調光を被検体５に照射し、被検体５にて光音響波を発生させる。発生した光音響波は被検体５である生体中を伝搬し、音響検出器１４へと到達する。音響検出器１４では光音響波の強度に従った信号を発生させる。この信号は増幅器などを通った後、計測部にて血液成分濃度などの成分濃度に変換され出力される。
【００８４】
（第２実施形態）
図８は、成分濃度測定装置の第２形態を示す模式図である。図９は、成分濃度測定装置の第２形態が備える吸着体、音響検出器及び圧力センサの概略構成図であり、（Ａ）は側面図を示し、（Ｂ）は上面図を示す。図９（Ａ）では、Ｂ−Ｂ’断面での吸着面３９を示した。図８の成分濃度測定装置３１は、成分濃度測定装置の第１形態で説明した成分濃度測定装置１１に、吸着体１２の吸引力を増減する空気ポンプをさらに備える。図８に示す成分濃度測定装置３１では、吸着体３２に気密空間３６に到達する貫通孔４１が設けられており、空気ポンプ４３は、貫通孔４１及び貫通孔４１に接続されている中空パイプ４２を介して気密空間３６内の気圧を増減する。
【００８５】
吸着体３２には気密空間３６を形成している窪みに到達する貫通孔４１が吸盤状部材に形成されており、貫通孔４１を介して気密空間３６の減圧が可能となっている。図９（Ａ）では、一例として図４に示す吸盤状部材の第１例と同様の構成について示したが、これに限定されるものではなく、例えば図６に示す吸盤状部材の第２例であってもよい。又、貫通孔４１は１箇所のみに設けられている例を示したが、２箇所以上であってもよい。又、中空パイプ４２から気密空間３６への空気の流入を防ぐ一方向弁が設けられていることが好ましい。
【００８６】
空気ポンプ４３は、中空パイプ４２と接続される。また、中空パイプ４２は、吸着体３２に設けられた貫通孔４１に接続される。また、中空パイプ４２は互いに接続されている。また、中空パイプ４２は、チューブであってもよい。貫通孔４１は、気密空間３６と連通している。これにより、空気ポンプ４３は、後述の動作制御器２６からの指令に応じて気密空間３６内の空気を中空パイプ４２を通じて出し入れして気密空間３６内の圧力を変化させることができる。本実施形態では、圧力可変手段として機械的に気密空間３６内の圧力を変化させる空気ポンプ４３を適用しているが、簡易的には注射器を適用して手動で気密空間３６内の圧力を変化させてもよい。また、貫通孔４１に可撓性のある樹脂から成る一方向弁を備えると貫通孔４１からのリークによる吸引力の低下を防ぐことができる。
【００８７】
このように、成分濃度測定装置３１は、空気ポンプ４３を備えることにより、成分濃度測定の際、被検体５の固定が不十分な場合でも気密空間３６の圧力を制御して被検体５の吸引力を十分なのもとすることができる。また、体動による光源１３、音響検出器１４、圧力センサ１５の被検体５に対する位置の固定をする上でも効果的である。また、空気ポンプ４３は、気密空間３６内の圧力を設定する際に、予め設定された設定圧力よりも高い圧力で吸引した後に設定圧力へと設定することが望ましい。これにより、吸着面３９若しくは音響検出器１４と被検体５との間に存在する空気を除去して吸着面３９若しくは音響検出器１４の被検体５への密着度を高めることができる。そのため、強度変調光により発生した音波が被検体５から音響検出器１４へ伝達されるまでの間に存在する空気により散乱すること防止して、被検体５から発生する音波の強度を高めて正確な成分濃度測定が可能となる。この場合、後述の圧力センサ１５により測定される被検体５の圧力から気密空間３６内の圧力を予測して設定圧力とすることとしてもよいし、気密空間３６内に別途圧力センサを設けて直接気密空間３６内の圧力を測定して設定圧力とすることとしてもよい。
【００８８】
圧力センサ１５は、吸着体３２に設けられ、成分濃度測定時には、吸着面３９と共に被検体５に接触して被検体５への押圧力を測定し、圧力に応じた電気信号を出力する。圧力センサ１５は、吸着体３２の被検体５と接する表面又は吸着体１２の内部いずれかの箇所に設けられていてもよい。圧力センサ１５を吸着体３２の内部に設ける場合には、圧力センサ１５の圧力感知部分を吸着体３２の被検体５と接する部分から突出させることが必要となると考えられる。吸着体３２の吸着時に圧力センサ１５の圧力感知部分を被検体５と接触させるためである。圧力センサ１５は、例えば、圧電型の圧力センサ１５を適用することができ、圧力センサ１５の出力する直流信号を空気ポンプ４３にフィードバックすることができる。これにより、被検体５への押圧力を直接測定して被検体５への押圧力を最適な測定環境に維持して成分濃度測定をすることができる。
【００８９】
動作制御器２６は、前述の第１形態で説明した動作制御器２６に加え、さらに、空気ポンプ４３に設定圧力情報と共に動作開始指令を出力する。動作停止については、空気ポンプ４３で測定圧力を検出して停止することとしてもよいし、動作制御器２６が測定圧力を空気ポンプ４３から取得して停止することとしてもよい。
【００９０】
本実施形態に係る成分濃度測定装置の第２形態の測定方法の一例について図８及び図９を参照して説明する。成分濃度測定装置３１は、前述した光音響法の原理で動作する。動作制御器２６が動作開始命令を入力すると、動作制御器２６が光源１３に光出射信号を出力して、前述の異なる２波長λ１，λ２の光を出射させる。また、同時に音響検出器１４から出力される電気信号を取得する準備を行う。光源１３から出射された強度変調光は、被検体５に照射される。光源１３としては、例えば、半導体レーザをあげることができる。ここで、測定対象とする成分をグルコース又はコレステロールとした場合には、光源１３がグルコース又はコレステロールの特徴的な吸収を示す波長の強度変調光を照射することによって、成分濃度測定装置３１は、グルコース又はコレステロールの濃度を精度よく測定することができる。光源１３が半導体レーザであれば、ヒーター又はペルチェ素子により加熱又は冷却することにより発生する光の波長を変化させることができる。この変調された光により被検体５中にて光音響波が発生する。音響検出器１４は、光源１３からの強度変調光によって被検体５で発生する音響波を検出する。動作制御器２６は、音響検出器１４から出力される電気信号を取得し、検波した上で音波の大きさとして記憶する。その後、動作制御器２６は、光源１３に光出射信号を出力して波長λ２の光を出射させ、音響検出器１４から出力される電気信号を取得し、検波した上で音波の大きさとして記憶する。そして、予め記憶した前述の数式（４）から（ｓ１−ｓ２）÷ｓ２の演算を実行して、測定対象の成分濃度を算出する。これにより、成分濃度測定装置３１は、上記のように光源１３及び音響検出器１４を用いて測定対象の成分濃度を測定することができる。
【００９１】
次に本発明の主要な実装構造について説明する。図８及び図９に示す成分濃度測定装置３１は、体の一部に嵌合される吸音効果をもつ吸着体３２と、体の一部の組織内に光を照射する光源１３と、吸着体３２に固定され被検体５に接触するように対向して設けられた音響検出器１４と、吸着体３２に固定され被検体５への接触圧を測定できる圧カセンサ１５と、被検体５を吸着体３２に密着させるため、吸着体３２と被検体５との間にある空気を除去する貫通孔４１と前記空気を被検体５と吸着体３２との間より排気する空気ポンプ４３と、貫通孔４１と空気ポンプ４３とをつなぐ中空パイプ４２を備えている。
【００９２】
次に、本実施形態の成分濃度測定装置３１の成分濃度の測定手順について説明する。音響検出器１４の吸着体３２の吸着面３９を上腕部や腹部等の被検体５の皮膚面に当て、吸着体３２を皮膚面の方向に置く。図８では一例として被検体５を指とした。被検体５を吸着体３２の上に置いた後、空気ポンプ４３を作動させ、吸着体３２と皮膚面の間の気密空間３６に存在する空気を貫通孔４１より排気し、気密空間３６を真空に近い状態にする。これにより、吸着体３２は皮膚面に吸着して固定されるとともに吸着体３２のうちの吸着面３９が被検体５の皮膚に一定の圧力で吸着し、固定される。
【００９３】
このとき音響検出器１４が皮膚に吸着したときの吸着圧力を圧カセンサ１５にて検出し、動作制御器２６が一定の圧力になるよう空気ポンプ４３にフィードバックする。動作制御器２６は、空気ポンプ４３の吸気及び排気を調節し、気密空間３６内の圧力を調整する。本調整により所望の吸着圧力になったとき、動作制御器２６が動作開始命令を入力する。動作制御器２６が動作開始命令を入力すると、動作制御器２６が光源１３に光出射信号を出力して、前述の異なる２波長λ１，λ２の光を出射させる。また、同時に音響検出器１４から出力される電気信号を取得する準備を行う。光源１３から出射された光は、被検体５に照射される。強度変調光は、音波すなわち光音響波を被検体５で発生させる。発生した光音響波は被検体５中を伝搬し、音響検出器１４へと到達する。音響検出器１４は、光源１３からの光によって被検体５で発生する音響波を検出する。音響検出器１４では光音響波の強度に従った信号を発生する。動作制御器２６は、音響検出器１４から出力される電気信号を取得し、検波した上で光音響波の大きさとして記憶する。その後、動作制御器２６は、光源１３に光出射信号を出力して波長λ２の光を出射させ、音響検出器１４から出力される電気信号を取得し、検波した上で光音響波の大きさとして記憶する。そして、予め記憶した前述の数式（４）から（ｓ１−ｓ２）÷ｓ２の演算を実行して、測定対象の成分濃度を算出する。これにより、成分濃度測定装置３１は、光源１３及び音響検出器１４を用いて測定対象の成分濃度を測定することができる。
【００９４】
その後、動作制御器２６は、空気ポンプ４３に動作終了信号を出力する。空気ポンプ４３は、動作制御器２６からの動作終了信号に応じて気密空間３６の吸引力を減少させ、成分濃度測定を終了させる。
【００９５】
以上説明したように、本実施形態では、吸着体３２と被検体５との間にある空気を除去する貫通孔４１および空気ポンプ４３を備える機構により、被検体５を吸着体３２の上に乗せて空気ポンプ４３を作動させ、自動的かつ安定的に被検体５を吸着体３２に吸着させることが可能である。
【００９６】
さらに、圧カセンサ１５を用いて被検体５と吸着体３２との吸着力を検出する機構により、不十分な被検体５と吸着体３２との吸着状態を知ることができ、吸着状態の違いによる測定の不安定性を除去することができる。また貫通孔４１および空気ポンプ４３を備えた構成をとるとき、圧カセンサ１５の信号をフィードバックして空気ポンプ４３を制御する機構を付加させることにより一定圧力を保持することが可能である。
【００９７】
なお、本実施形態では圧カセンサ１５を用いて被検体５への接触圧を検出したが、音響検出器１４として圧電型音響検出器を用いている場合には、被検体５への接触圧は音響検出器１４のＤＣ信号を検出することによっても測定可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の成分濃度測定装置は、日常の健康管理や美容上のチェックに利用することができる。また、人間の生体ばかりでなく、動物の生体についても健康管理に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】常温における水とグルコース水溶液の吸光度特性を示した図である。
【図２】成分濃度測定装置の第１形態の模式図である。
【図３】成分濃度測定装置の第１形態が備える吸着体、音響検出器及び圧力センサの概略構成図であり、（Ａ）は側面図を示し、（Ｂ）は上面図を示す。
【図４】第１実施形態に係る吸着体の第１例を示す断面図である。
【図５】第１実施形態に係る吸着体の第１例の吸着時における断面図である。
【図６】第１実施形態に係る吸着体の第２例を示す断面図である。
【図７】第１実施形態に係る吸着体の第２例の吸着時における断面図である。
【図８】成分濃度測定装置の第２形態の模式図である。
【図９】成分濃度測定装置の第２形態が備える吸着体、音響検出器及び圧力センサの概略構成図であり、（Ａ）は側面図を示し、（Ｂ）は上面図を示す。
【図１０】従来の血液成分濃度測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【０１００】
５：被検体
１１、３１：成分濃度測定装置
１２、３２：吸着体
１３：光源
１４：音響検出器
１５：圧力センサ
１６、３６：気密空間
１７：吸着体の外周部
１８：吸着体の密着部
１９、３９：吸着面
２０：露出部
２６：動作制御器
４１：貫通孔
４２：中空パイプ
４３：空気ポンプ
８０：血液成分濃度測定装置
８１：駆動回路
８２：音響検出器
８３：パルス光源
８４：波形観測器
８５：筐体
８６：開口部
８９：被検体
【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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