(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の成分の濃度が既知の被測定物に対して光を照射する第１の光照射ステップと、
この第１の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第１の光音響信号検出ステップと、
この第１の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定する第１の振幅測定ステップと、
前記測定信号の位相を測定する第１の位相測定ステップと、
任意の時間経過後に前記被測定物に対して光を照射する第２の光照射ステップと、
この第２の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第２の光音響信号検出ステップと、
この第２の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定する第２の位相測定ステップと、
この第２の位相測定ステップで測定した位相が前記第１の位相測定ステップで測定した位相と等しくなるように、測定信号の周波数を変更する周波数シフト補正ステップと、
前記第２の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち、前記周波数シフト補正ステップで変更した周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定する第２の振幅測定ステップと、
この第２の振幅測定ステップで測定した振幅と前記第１の振幅測定ステップで測定した振幅との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出する濃度導出ステップとを備えることを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の成分濃度測定方法において、
前記第１、第２の振幅測定ステップと前記第１、第２の位相測定ステップとは、参照信号を発生する関数発生器とこの参照信号を入力とするロックインアンプとを用いることにより、前記第１、第２の光音響信号検出ステップで得られた電気信号から所望の周波数の測定信号を検出することを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の成分濃度測定方法において、
前記濃度導出ステップは、振幅の変化量と成分濃度の変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記第２の振幅測定ステップで測定した振幅と前記第１の振幅測定ステップで測定した振幅との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の成分濃度測定方法において、
さらに、前記第１の位相測定ステップで測定する位相が０になるように位相にオフセットを加える位相オフセット調整ステップを備えることを特徴とする成分濃度測定方法。
【請求項５】
被測定物に対して光を照射する光照射手段と、
この光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、
前記電気信号に含まれる測定信号の振幅を測定する振幅測定手段と、
前記電気信号に含まれる測定信号の位相を測定する位相測定手段と、
前記測定信号の周波数シフトを補正する周波数シフト補正手段と、
任意の時間経過後の前記振幅の変化量から、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、
前記光照射手段は、第１の時刻において測定対象の成分の濃度が既知の前記被測定物に対して光を照射すると共に、任意の時間経過後に前記被測定物に対して光を照射し、
前記振幅測定手段は、前記第１の時刻において得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定すると共に、前記任意の時間経過後の電気信号のうち前記周波数シフト補正手段が変更した周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定し、
前記位相測定手段は、前記第１の時刻において前記測定信号の位相を測定すると共に、前記任意の時間経過後の電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定し、
前記周波数シフト補正手段は、前記任意の時間経過後に測定された位相が前記第１の時刻において測定された位相と等しくなるように、測定信号の周波数を変更し、
前記濃度導出手段は、前記任意の時間経過後に測定された振幅と前記第１の時刻において測定された振幅との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分の濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項６】
請求項５記載の成分濃度測定装置において、
さらに、参照信号を発生する関数発生器と、
前記参照信号を入力とし、前記電気信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプとを備えることを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項７】
請求項５または６記載の成分濃度測定装置において、
前記濃度導出手段は、振幅の変化量と成分濃度の変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記任意の時間経過後に測定された振幅と前記第１の時刻において測定された振幅との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とする成分濃度測定装置。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の成分濃度測定装置において、
さらに、前記第１の時刻において測定する位相が０になるように位相にオフセットを加える位相オフセット調整手段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、被測定物に含まれる血液グルコース等の成分の濃度を連続モニターするための成分濃度測定方法および装置に関するものである。より詳細には、例えば血液グルコース濃度による測定信号の周波数シフトを補正することによってＣＷ測定系に固有の測定信号の強いバイアスを取り除き、ＣＷ測定系の主たる問題を無くす技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
糖尿病患者の血糖値を連続モニターするための方法として光音響法があり、簡単にまとめると、以下のような特徴がある。
（１）光音響法は、連続的な血液グルコース監視を提供する。
（２）糖尿病患者にとって無痛で、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。
（３）他の光学的な技術と比べて、散乱メディアによる効率の悪化がない。
（４）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、以下ＣＷとする）法の二つの方式がある。パルス法には、高感度を得るために高い光パワーを使わなければいけないという欠点があった。一方、ＣＷ法には、反射表面のところの特性が変わると信号強度も変わる、すなわち再現性がないという欠点があった。しかし、高い光パワーは人体にとって安全性の面で問題になる可能性があるので、ＣＷ法を採用することが好ましい（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２５５４２号公報
【特許文献２】特開２００８−１２５５４３号公報
【特許文献３】特開２００８−１４５２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＷ法を採用する場合の主たる問題は、測定感度が境界条件への依存を示すことである。ここで、境界とは、人体の中で弾性波が反射される表面のことを言う。このような弾性波の反射は、音響インピーダンスＺ１と異なる音響インピーダンスＺ２との間の界面（例えば肉と骨の間の界面、液体と空気との間の界面）を波が伝播する度に生じる。ＣＷ法では、このような境界が存在すると、局所的な共鳴腔となり、結果的に光照射された領域の近くの内部で定在波が生じる。さらに、この定在波または共鳴のモードは、共鳴腔の寸法とその特性に強く依存する。
【０００６】
境界条件の正確かつ再現可能な制御は困難である。なぜならば、寸法は患者毎に変化し、また音響センサの検出部が数ミリメートル動くことは容易だからである。
以上のように、従来のＣＷ法では、人体の血糖値等をモニタリングする際に、光音響波が人体の表面で多重反射するため、測定中の人体のインピーダンスや形状変化によって反射状態が変化し、測定信号にバイアスが生じる結果、算出した血糖値に誤差が生じるという問題点があった。
【０００７】
このような問題のため、光音響法を扱うほとんど全ての出版物ではパルス法の仕組みを開示しているが、前述のとおり、パルス法では高感度を得るために高い光パワーを使わなければならず、人体にとって安全性の面で問題になる可能性があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高い光パワーを使わなくて済むというＣＷ測定系の利点を維持しつつ、正確かつ境界状態の影響を受けない成分濃度測定を実現することができる成分濃度測定方法および装置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】
【０００９】
本発明の成分濃度測定方法は、測定対象の成分の濃度が既知の被測定物に対して光を照射する第１の光照射ステップと、この第１の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第１の光音響信号検出ステップと、この第１の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定する第１の振幅測定ステップと、前記測定信号の位相を測定する第１の位相測定ステップと、任意の時間経過後に前記被測定物に対して光を照射する第２の光照射ステップと、この第２の光照射ステップによって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する第２の光音響信号検出ステップと、この第２の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定する第２の位相測定ステップと、この第２の位相測定ステップで測定した位相が前記第１の位相測定ステップで測定した位相と等しくなるように、測定信号の周波数を変更する周波数シフト補正ステップと、前記第２の光音響信号検出ステップで得られた電気信号のうち、前記周波数シフト補正ステップで変更した周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定する第２の振幅測定ステップと、この第２の振幅測定ステップで測定した振幅と前記第１の振幅測定ステップで測定した振幅との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出する濃度導出ステップとを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の成分濃度測定方法の１構成例において、前記第１、第２の振幅測定ステップと前記第１、第２の位相測定ステップとは、参照信号を発生する関数発生器とこの参照信号を入力とするロックインアンプとを用いることにより、前記第１、第２の光音響信号検出ステップで得られた電気信号から所望の周波数の測定信号を検出することを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定方法の１構成例において、前記濃度導出ステップは、振幅の変化量と成分濃度の変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記第２の振幅測定ステップで測定した振幅と前記第１の振幅測定ステップで測定した振幅との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定方法の１構成例は、さらに、前記第１の位相測定ステップで測定する位相が０になるように位相にオフセットを加える位相オフセット調整ステップを備えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の成分濃度測定装置は、被測定物に対して光を照射する光照射手段と、この光照射によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出して電気信号を出力する光音響信号検出手段と、前記電気信号に含まれる測定信号の振幅を測定する振幅測定手段と、前記電気信号に含まれる測定信号の位相を測定する位相測定手段と、前記測定信号の周波数シフトを補正する周波数シフト補正手段と、任意の時間経過後の前記振幅の変化量から、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、前記光照射手段は、第１の時刻において測定対象の成分の濃度が既知の前記被測定物に対して光を照射すると共に、任意の時間経過後に前記被測定物に対して光を照射し、前記振幅測定手段は、前記第１の時刻において得られた電気信号のうち振幅が最大となる基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定すると共に、前記任意の時間経過後の電気信号のうち前記周波数シフト補正手段が変更した周波数の信号を測定信号として、この測定信号の振幅を測定し、前記位相測定手段は、前記第１の時刻において前記測定信号の位相を測定すると共に、前記任意の時間経過後の電気信号のうち前記基準周波数の信号を測定信号として、この測定信号の位相を測定し、前記周波数シフト補正手段は、前記任意の時間経過後に測定された位相が前記第１の時刻において測定された位相と等しくなるように、測定信号の周波数を変更し、前記濃度導出手段は、前記任意の時間経過後に測定された振幅と前記第１の時刻において測定された振幅との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分の濃度を導出することを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例は、さらに、参照信号を発生する関数発生器と、前記参照信号を入力とし、前記電気信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプとを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例において、前記濃度導出手段は、振幅の変化量と成分濃度の変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照して、前記任意の時間経過後に測定された振幅と前記第１の時刻において測定された振幅との変化量から、前記任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することを特徴とするものである。
また、本発明の成分濃度測定装置の１構成例は、さらに、前記第１の時刻において測定する位相が０になるように位相にオフセットを加える位相オフセット調整手段を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、測定信号の位相情報に基づいて測定信号の周波数シフトを補正することにより、ＣＷ法の測定系に固有の周波数シフトというバイアスを無くすことができ、高い光パワーを使わなくて済むというＣＷ測定系の利点を維持しつつ、正確かつ境界状態の影響を受けない測定を実現することができる。本発明では、二つの光波長によるＣＷ法、あるいはただ一つの光波長によるＣＷ法のいずれにおいても、被測定物の中の境界状態がどのような状態であっても対応することができる。そして、本発明では、成分濃度を連続して測定することができ、また複数の光波長を用いた多変量解析の場合にいくつかの異なった周波数で利用することができる。本発明では、例えば血液グルコース濃度の非侵襲で連続した測定を行う場合に、ロバスト性を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明では、関数発生器とロックインアンプとを用いることにより、高い周波数精度を得ることができ、正確かつ境界状態の影響を受けない成分濃度測定を実現することができる。
【００１５】
また、本発明では、予め用意されている、振幅の変化量と成分濃度の変化量との関係を示すキャリブレーションデータを参照することにより、第２の振幅測定ステップで測定した振幅と第１の振幅測定ステップで測定した振幅との変化量から、任意の時間経過後の測定対象の成分濃度を導出することができる。
【００１６】
また、第１の位相測定ステップで測定する位相が０になるように位相にオフセットを加えることにより、周波数シフト補正ステップの処理を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】音響センサから出力される測定信号の振幅と血液グルコース濃度との関係を示す図である。
【図２】２つの異なった血液グルコース濃度における測定信号の変化を示す図である。
【図３】本発明の成分濃度測定方法における測定の手順を説明する図である。
【図４】本発明の実施の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。
【図５】本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の情報処理装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置による実験結果の１例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置による実験結果の１例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置による実験結果の１例を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る成分濃度測定装置による実験結果の１例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［発明の原理］
図１に、音響センサから出力される測定信号の振幅と血液グルコース濃度との関係を示す。ここでは、人体または人体の一部である被測定物に光を照射したときに、光音響効果によって被測定物から発生する光音響信号を音響センサで検出し、音響センサから出力される電気信号（測定信号）を得ている。図１において、１００，１０１，１０２，１０３はそれぞれ測定信号の周波数が４７９ｋＨｚ、４８０ｋＨｚ、４８１ｋＨｚ、４８２ｋＨｚの場合の特性である。
【００１９】
従来のように、血液グルコース濃度の測定に、任意の固定された周波数の測定信号を使用する場合では、図１に示すように、血液グルコース濃度の測定感度と、測定信号振幅−血液グルコース濃度特性の直線性とは、測定信号の周波数に強く依存する。すなわち、測定信号の選ばれた周波数によって、音響センサの応答は強く異なる。図１の結果は１つの光波長だけで得た結果であるが、ＣＷ法を採用する場合は、いつも同じような現象が現れる。
【００２０】
本発明では、測定信号の周波数を調整する手段として、新たに関数発生器（ファンクションジェネレータ）を用いることを特徴とする。この関数発生器は、最高で１ＭＨｚの周波数の参照信号を発生し、またｍＨｚオーダーの高い周波数精度を有することが好ましい。
【００２１】
次に、時間と共に血液グルコース濃度が変化すると、測定信号は以下のように変化する。図２（Ａ）、図２（Ｂ）に、２つの異なった血液グルコース濃度Ｏｗ，Ｏｇにおける測定信号の変化を示す。図２（Ａ）、図２（Ｂ）において、２００は血液グルコース濃度Ｏｗの場合の測定信号の特性を示し、２０１は血液グルコース濃度Ｏｇの場合の測定信号の特性を示している。
【００２２】
測定信号の振幅情報に関しては、血液グルコース濃度の変化に応じて振幅のピーク周波数がΔｆだけシフトし、また振幅のピーク値がΔＶだけシフトする。時間と共に血液グルコース濃度が増加した場合には、ピーク周波数は高周波側へとシフトし、血液グルコース濃度が減少した場合には、ピーク周波数は低周波側へとシフトする。また、Δｆは光学波長に依存する。
【００２３】
一方、測定信号の位相情報は、血液グルコース濃度の変化に応じて周波数軸に沿ってシフトする。時間の経過と共に血液グルコース濃度が減少した場合には、位相情報は低周波側へとシフトし、血液グルコース濃度が増加した場合には、位相情報は高周波側へとシフトする。
【００２４】
このように、グルコース濃度の変化には２つのシフトをもたらす効果がある。すなわち、振幅と位相の両方に現れるＸ軸（周波数）に沿ってシフトする効果と、振幅だけに現れるＹ軸（振幅）に沿ってシフトする効果である。振幅情報において２つのシフトを区別することは困難であるが、位相情報は周波数シフトだけを受ける。
【００２５】
そこで、本発明の成分濃度測定方法では、測定信号の位相情報から周波数シフトを補正し、振幅情報のシフトを補正した上で、振幅の変化から血液グルコース濃度の正確な測定を実行する。
【００２６】
図３（Ａ）〜図３（Ｅ）は本発明の成分濃度測定の手順を説明する図である。ここでは、ｔ0，ｔ1，ｔ2の３つの時間において測定を行っている。図３（Ａ）、図３（Ｂ）において、３００，３０１，３０２はそれぞれ時刻ｔ0，ｔ1，ｔ2における測定信号の特性を示している。
【００２７】
まず、最初の第１の時刻ｔ0の測定においては、被測定物にレーザ光を照射し、光音響効果によって被測定物から発生する光音響信号を音響センサで検出する際に、音響センサの広い周波数測定スパン（例えば２００−６００ｋＨｚの範囲）で光音響信号の測定を実施する。
【００２８】
光音響信号の多重反射により、音響センサから出力される測定信号の振幅情報には複数のピークが現れる。これらのうちの１つのピークを選択して、この選択したピークの周波数の近くに、関数発生器から発生する参照信号の周波数を決める。このピークの周波数を基準周波数ｆ0と呼ぶ。ここで、重要なパラメータは、基準周波数ｆ0における測定信号の振幅Ａ0と基準周波数ｆ0における測定信号の位相Ｐ0である。このとき、測定信号の位相Ｐ0を０に設定するために、後述のように被測定物に照射するレーザ光の位相にオフセットを加えることが好ましい。そして、振幅Ａ0と位相Ｐ0（Ｐ0＝０）と周波数ｆ0とを記録しておく。
【００２９】
ここで、本当のグルコース濃度値は分からないので、同時に血液グルコース濃度を確認するために標準測定を実行して、基準濃度Ｘ（ｇ／ｄｌ）を得る。これで、基準濃度Ｘ（ｇ／ｄｌ）で基準周波数ｆ0における振幅Ａ0と位相Ｐ0（Ｐ0＝０）とが得られたことになる。
【００３０】
次に、任意の時間経過後の時刻ｔ1において基準周波数ｆ0における測定を実施する。測定信号の位相は基準周波数ｆ0において０に設定されたので、時刻ｔ1においてグルコース濃度が変化すれば、基準周波数ｆ0における測定信号の位相Ｐ1は０ではなくなる。ここで、位相Ｐ0に対して位相Ｐ1が大きい場合は測定信号の周波数を増加すべきことを意味し、位相Ｐ0に対して位相Ｐ1が小さい場合は測定信号の周波数を減少すべきことを意味している。そこで、時刻ｔ1における測定信号の位相Ｐ1がＰ0と等しくなるように（ここでは、０になるように）関数発生器で測定周波数を変更する。位相Ｐ1がＰ0と等しくなる周波数をｆ1とする。
【００３１】
図３（Ｃ）、図３（Ｄ）における３０３は、測定周波数をｆ1にシフトしたときの周波数軸を示しており、このとき図３（Ｄ）は時刻ｔ0における測定信号３００の位相と時刻ｔ1における測定信号３０１の位相とが等しくなることを示している。
そして、周波数ｆ1における測定信号の振幅Ａ1と位相Ｐ1（Ｐ1＝Ｐ0＝０）とを記録しておく。
【００３２】
次に、時刻ｔ1における測定信号の振幅Ａ1と時刻ｔ0における測定信号の振幅Ａ0との相対的な変化から、図３（Ｅ）に示すように血液中のグルコース濃度を推論することができる。以上の測定の過程は、使用される光学波長と測定系に依存するが、１つの光学波長を用いる測定の場合から２つの光学波長を用いる測定の場合まで容易に適用範囲を広げることができる。
【００３３】
時刻ｔ2においても同様で、基準周波数ｆ0における測定を実施し、時刻ｔ2における測定信号の位相Ｐ2がＰ0と等しくなるように（ここでは、０になるように）関数発生器で測定周波数を変更する。位相Ｐ2がＰ0と等しくなる周波数をｆ2とする。図３（Ｃ）、図３（Ｄ）における３０４は、測定周波数をｆ2にシフトしたときの周波数軸を示しており、このとき図３（Ｄ）は時刻ｔ0における測定信号３００の位相と時刻ｔ2における測定信号３０２の位相とが等しくなることを示している。
【００３４】
そして、周波数ｆ2における測定信号の振幅Ａ2と位相Ｐ2（Ｐ2＝Ｐ0＝０）とを記録する。これにより、時刻ｔ1の場合と同様に、時刻ｔ2における測定信号の振幅Ａ2と時刻ｔ0における測定信号の振幅Ａ0との相対的な変化から、血液中のグルコース濃度を推論することができる。
【００３５】
以上のように、本発明では、測定信号の位相情報に基づいて測定信号の周波数シフトを補正することにより、ＣＷ法の測定系に固有の周波数シフトというバイアス無しで測定することができ、高い光パワーを使わなくて済むというＣＷ測定系の利点を維持しつつ、正確かつ境界状態の影響を受けない測定を実現することができる。
【００３６】
［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図４は本発明の実施の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。
成分濃度測定装置は、レーザ光を放射する光照射手段となるレーザダイオード１と、レーザダイオード１を駆動するＬＤドライバ２と、レーザダイオード１から放射されたレーザ光を導く光ファイバ３と、光ファイバ３を固定して、人体または人体の一部である被測定物１１にレーザ光を照射する光ファイバホルダ４と、光音響効果によって被測定物１１から発生する光音響信号を検出し、音圧に比例した電気信号に変換する光音響信号検出手段となる音響センサ５と、音響センサ５から出力された電気信号を増幅する増幅器６と、参照信号を発生する関数発生器７と、増幅器６の出力信号と関数発生器７から出力された参照信号とを入力として、増幅器６の出力信号から所望の周波数の測定信号を検出するロックインアンプ８と、ＬＤドライバ２に駆動電流を供給する電圧−電流コンバータ９と、関数発生器７およびロックインアンプ８を制御すると共に、ロックインアンプ８が検出した測定信号を処理して血液グルコース濃度を導出するコンピュータからなる情報処理装置１０とから構成される。音響センサ５の例としては、マイクロホンがある。
【００３７】
図５は情報処理装置１０の構成を示すブロック図である。情報処理装置１０は、関数発生器７を制御する関数発生器制御部２０と、測定信号の振幅を測定する振幅測定部２１と、測定信号の位相を測定する位相測定部２２と、位相のオフセットを調整する位相オフセット調整部２３と、測定信号の振幅と位相と周波数の情報を記録する情報記録部２４と、測定信号の周波数シフトを補正する周波数シフト補正部２５と、振幅の変化量から血液グルコース濃度を導出するグルコース濃度導出部２６と、情報記憶のための記憶部２７とを有する。
【００３８】
以下、本実施の形態の成分濃度測定装置の動作について説明する。図６は成分濃度測定装置の動作を示すフローチャートである。
まず、ＬＤドライバ２から駆動電流が供給されると、レーザダイオード１はレーザ光を放射する。従来のＣＷ法と同様に、レーザダイオード１から放射されるレーザ光は連続波である。このレーザ光は、光ファイバ３によって導かれ、被測定物１１に照射される（図６ステップＳ１）。音響センサ５は、被測定物１１から発生する光音響信号を検出し、増幅器６は、音響センサ５から出力された電気信号を増幅する。ロックインアンプ８は、増幅器６の出力に含まれる信号のうち、関数発生器７から出力される参照信号によって決まる周波数の測定信号を検出する。
【００３９】
情報処理装置１０の関数発生器制御部２０は、関数発生器７が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、ロックインアンプ８が検出する測定信号の周波数を漸次変化させる周波数掃引を行う（図６ステップＳ２）。こうして、測定信号の共鳴ピークを探索する。
【００４０】
次に、測定信号の振幅のピークを見つけたときに、情報処理装置１０の振幅測定部２１は、このピークの周波数（基準周波数ｆ0）における測定信号の振幅Ａ0を測定し（図６ステップＳ４）、位相測定部２２は、基準周波数ｆ0における測定信号の位相Ｐ0を測定する（ステップＳ５）。
【００４１】
このような測定の前に、情報処理装置１０の位相オフセット調整部２３は、ロックインアンプ８を通じて電圧−電流コンバータ９を制御し、ＬＤドライバ２からレーザダイオード１に供給される駆動電流の位相を変化させ、被測定物１１に照射するレーザ光の位相を変化させることにより、測定信号の位相Ｐ0を０に設定することが好ましい（図６ステップＳ３）。
【００４２】
情報記録部２４は、振幅測定部２１が測定した振幅Ａ0と、位相測定部２２が測定した位相Ｐ0（Ｐ0＝０）と、ピークの周波数（基準周波数ｆ0）とを記憶部２７に記憶させる（図６ステップＳ６）。
次に、被測定物１１に対して標準的な血糖測定法を実施し、基準濃度Ｘ（ｇ／ｄｌ）を得る（図６ステップＳ７）。これで、基準濃度Ｘ（ｇ／ｄｌ）で基準周波数ｆ0における振幅Ａ0と位相Ｐ0（Ｐ0＝０）とが得られたことになる。標準的な血糖測定法を実施するには、血糖測定器の本体に、グルコースセンサーを差し込み、針を専用の機械（または本体）にセットして、指などから採血し、グルコースセンサーに血を吸収させる。標準的な血糖測定法は、既知濃度のグルコース液を標準校正液として機械動作確認用に用いる。初期動作時に機械が正常に動いているかを確認したり、血糖値が異常値にあるか（正常に機械が動作しているか）を確認したりするときに用いる。
【００４３】
ここで、測定の高精度化のために、異なる発振波長のレーザダイオード１を複数用いる場合には、各波長についてステップＳ２〜Ｓ６の処理をそれぞれ実施すればよい。
【００４４】
次に、ある時刻ｔ1における測定について説明する。最初の測定の場合と同様に、被測定物１１にレーザ光を照射する（図６ステップＳ８）。ここでは、ＬＤドライバ２からレーザダイオード１に供給する駆動電流の位相をステップＳ３の場合と同じにすることにより、被測定物１１に照射されるレーザ光の位相をステップＳ３の場合と同じにしている。
【００４５】
情報処理装置１０の関数発生器制御部２０は、関数発生器７が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、ロックインアンプ８に基準周波数ｆ0の測定信号を検出させる。情報処理装置１０の位相測定部２２は、基準周波数ｆ0における測定信号の位相Ｐ1を測定する（図６ステップＳ９）。測定信号の位相Ｐ1が位相Ｐ0（Ｐ0＝０）と等しい場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、時刻ｔ1における血液グルコース濃度は基準濃度Ｘ（ｇ／ｄｌ）と同じとなるので、測定が終了する。
【００４６】
一方、測定信号の位相Ｐ1が位相Ｐ0（Ｐ0＝０）と異なる場合、情報処理装置１０の周波数シフト補正部２５は、測定信号の位相Ｐ1がＰ0と等しくなるように（ここでは、位相Ｐ1が０になるように）、関数発生器７が発生する参照信号の周波数を変化させることにより、測定信号の周波数を変更する（図６ステップＳ１１）。位相Ｐ1がＰ0と等しくなる周波数をｆ1とする。
【００４７】
周波数ｆ1を見つけたときに、情報処理装置１０の振幅測定部２１は、周波数ｆ1における測定信号の振幅Ａ1を測定する（図６ステップＳ１２）。
そして、情報記録部２４は、振幅測定部２１が測定した振幅Ａ1を記憶部２７に記憶させる（図６ステップＳ１３）。
【００４８】
記憶部２７には、測定信号の振幅の変化量と血液グルコース濃度の変化量との関係を示すキャリブレーションデータが振幅Ａ0の値毎に予め記憶されている。このようなキャリブレーションデータは、標準的な血糖測定法を実施することにより、予め求めることができる。
【００４９】
グルコース濃度導出部２６は、記憶部２７に記憶されたキャリブレーションデータを参照して、測定信号の振幅の変化量（Ａ1−Ａ0）に対応する血液グルコース濃度の変化量（Ｙ−Ｘ）を求めることにより、時刻ｔ1における血液グルコース濃度Ｙを導出する（図６ステップＳ１４）。
以上で、本実施の形態の成分濃度測定装置の処理が終了する。ステップＳ８〜Ｓ１４の処理を繰り返し実施すれば、血液グルコース濃度を連続でモニターすることができる。
【００５０】
なお、異なる発振波長のレーザダイオード１を複数用いる場合には、各波長についてステップＳ９〜Ｓ１４の処理をそれぞれ実施し、グルコース濃度導出部２６が波長毎に導出した血液グルコース濃度の値を統合処理（例えば平均処理）すればよい。
また、ステップＳ１〜Ｓ１４の処理の順番は１例であって、図６の例に限るものではない。
【００５１】
図７、図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は本実施の形態の成分濃度測定装置による実験結果の１例を示す図である。以下の実験では、レーザダイオード１から被測定物１１に照射するレーザ光の波長を１６１０ｎｍとした。
【００５２】
まず、最初に、純粋な水を被測定物１１として、図６のステップＳ１〜Ｓ６の処理を実施した。ここでは、被測定物１１を円柱状のガラスセルの中に封入した。言うまでもなく、水の血液グルコース濃度は０（ｇ／ｄｌ）である。このときの測定結果を図７に示す。図７において、７００は測定信号の振幅、７０１は測定信号の位相である。ここでは、ステップＳ２で説明したとおり、測定信号の共鳴ピークを探索するために、測定信号の周波数を変化させる周波数掃引を行った。そして、１つのピークとして４８１ｋＨｚのピークを選択した。
【００５３】
続いて、血液グルコース濃度が２（ｇ／ｄｌ）の水液中グルコースを被測定物１１として、図６のステップＳ９の処理を実施した。上記の純粋な水の場合と同様に、被測定物１１を円柱状のガラスセルの中に封入した。ここでは、測定信号の周波数の解像度を１ｋＨｚとした。図４に示した関数発生器７を設けない場合でも、実験結果を得ることはできるが、関数発生器７を設けない場合には、１ｋＨｚという高い周波数精度を得ることはできない。
【００５４】
図８（Ａ）に測定信号の振幅の測定結果を示し、図８（Ｂ）に測定信号の位相の測定結果を示す。図８（Ａ）において、８００は純粋な水の場合の振幅、８０１は２（ｇ／ｄｌ）の水液中グルコースの場合の振幅である。図８（Ｂ）において、８０２は純粋な水の場合の位相、８０３は２（ｇ／ｄｌ）の水液中グルコースの場合の位相である。図８（Ａ）、図８（Ｂ）から分かるように、純粋な水に対して２（ｇ／ｄｌ）の水液中グルコースの場合、一定に保たれた円柱セル寸法にもかかわらず、振幅情報と位相情報の両方における周波数シフトは明らかである。
【００５５】
ステップＳ１１の処理により、２（ｇ／ｄｌ）の水液中グルコースの場合の測定信号の位相Ｐ1が純粋な水の場合の測定信号の位相Ｐ0と等しくなるように、測定信号の周波数を変更する。この周波数シフト補正後の測定結果を図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）に示す。図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）において、９００は２（ｇ／ｄｌ）の水液中グルコースの場合の周波数シフト補正後の振幅、９０１は周波数シフト補正後の位相である。
【００５６】
図１０（Ａ）は図９（Ｂ）の周波数シフト補償後の振幅信号から抽出した拡大図である。本実施の形態では、新たに設定した周波数で１点のみ測定すれば血糖値が測定できるのに十分であるように記載している。しかしながら、実験では参照周波数が１ｋＨｚ周波数分解能であるため、位相からの周波数シフト補償後に、実験値は数百Ｈｚ程度はずれてしまう。したがって、二つの実験結果を直接比較することは不可能である。周波数シフトは１ｋＨｚ以下である場合に、精度を低下させる問題となる。したがって、振幅のオフセットを評価するために、一つの測定結果のみを用いるのではなく、共鳴ピークの全体的な傾向を用いる。図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）はその評価を示す図である。すなわち、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、それぞれ振幅オフセット評価前、振幅オフセット評価後の図である。図１０（Ａ）に示すオフセット評価前においては、点線８００（グルコース無し）は実線９００（グルコース有り）の下にあるが、図１０（Ｂ）に示すオフセット評価後においては点線８００と実線９００はほとんど重なっている。なお、グルコースによる周波数シフトが大きく、実験値は異なる横軸（周波数）で取得したため、共鳴ピーク周辺では完全には重ならない。このような処理によって、二つのスペクトルが同一となる最適な振幅オフセット値を最小２乗法などにより決定した後に、血糖値の変化量を決定する。
【００５７】
この周波数シフト補正後の周波数ｆ1における測定信号の振幅Ａ1と純粋な水の場合の測定信号の振幅Ａ0との差から、血液グルコース濃度を導出することができる。ここでは、振幅Ａ0に対する振幅Ａ1のシフトは、５０μＶ±２０μＶであった。関数発生器７の周波数精度をより高精度にすることができれば、振幅のシフトをより高感度に検出することができ、小さいグルコース濃度レベルについても測定が可能となる。
【００５８】
なお、本実施の形態では、測定する成分の１例として血液グルコースを例に挙げて説明したが、これに限るものではなく、本発明は、被測定物に含まれる成分分析に幅広く適用可能である。
【００５９】
本実施の形態の情報処理装置１０は、例えばＣＰＵ、記憶装置およびインタフェースを備えたコンピュータとこれらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。このようなコンピュータを動作させるためのプログラムは、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどの記録媒体に記録された状態で提供される。ＣＰＵは、読み込んだプログラムを記憶装置に書き込み、このプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、血液グルコース等の成分の濃度を連続モニターする技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１…レーザダイオード、２…ＬＤドライバ、３…光ファイバ、４…光ファイバホルダ、５…音響センサ、６…増幅器、７…関数発生器、８…ロックインアンプ、９…電圧−電流コンバータ、１０…情報処理装置、１１…被測定物、２０…関数発生器制御部、２１…振幅測定部、２２…位相測定部、２３…位相オフセット調整部、２４…情報記録部、２５…周波数シフト補正部、２６…グルコース濃度導出部、２７…記憶部。
【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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