(57)【要約】【課題】本発明では、生体の静脈に流れる血液部分で発生する音波を非血液部分で発生する音波から分離して検出し、成分濃度の測定精度を向上させることを目的とする。【解決手段】本発明は、光を一定周波数の信号により電気的に強度変調し、光透過性管の内部に流れる液体に向けて出射する第１光出射手段と、他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、前記第１光出射手段からの光を照射される前記液体の被照射位置よりも前記光透過性管に沿って上流側の前記液体に向けて出射する第２光出射手段と、前記第１光出射手段からの光により前記液体で発生する音波を検出する音波検出手段と、を備える。【選択図】図２
2007127516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を一定周波数の信号により電気的に強度変調し、光透過性管の内部に流れる液体に向けて出射する第１光出射手段と、
他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、前記第１光出射手段からの光を照射される前記液体の被照射位置よりも前記光透過性管に沿って上流側の前記液体に向けて出射する第２光出射手段と、
前記第１光出射手段からの光により前記液体で発生する音波を検出する音波検出手段と、
を備える成分濃度測定装置。
【請求項２】
前記第１光出射手段において、前記第１光出射手段から出射する光の光束の直径が前記液体の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下の値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】
前記第２光出射手段において、前記第２光出射手段から出射する光の波長が測定対象とする液体成分の特徴的な吸収を呈する波長であ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】
前記一定周波数の前記信号に同期して前記音波検出手段で検出された音波の振幅を検出する第１同期検波増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
【請求項５】
前記第１同期検波増幅器で検出された音波を積分して前記検出された音波から前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出して出力する積分器をさらに備え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】
前記一定周波数より低い周波数の前記信号を前記液体の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力する遅延器と、前記遅延器から出力された遅延信号に同期して前記積分器から出力された音波の振幅を検出する第２同期検波増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の成分濃度測定装置。
【請求項７】
前記遅延器は、前記第１光出射手段からの光を照射される前記光透過性管の被照射位置と前記第２光出射手段からの光を照射される前記光透過性管の被照射位置との間の前記液体の流れる長さを前記液体の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内で前記一定周波数より低い周波数の前記信号を遅延させることを特徴とする請求項６に記載の成分濃度測定装置。
【請求項８】
光を一定周波数の信号により電気的に強度変調し、生体の静脈に向けて出射する第１光出射手段と、
他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、前記第１光出射手段からの光を照射される前記静脈の被照射部位よりも前記静脈に沿って上流側の前記静脈に向けて出射する第２光出射手段と、
前記第１光出射手段からの光により前記生体で発生する音波を検出する音波検出手段と、
を備える成分濃度測定装置。
【請求項９】
前記第１光出射手段において、前記第１光出射手段から出射する光の光束の直径が前記静脈に流れる血液の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下の値であることを特徴とする請求項８に記載の成分濃度測定装置。
【請求項１０】
前記第２光出射手段は、前記第２光出射手段から出射する光の波長を前記静脈に流れる血液中のヘモグロビンの特徴的な吸収を呈する波長とすることを特徴とする請求項８又は９に記載の成分濃度測定装置。
【請求項１１】
前記一定周波数の前記信号に同期して前記音波検出手段で検出された音波の振幅を検出する第１同期検波増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
【請求項１２】
前記第１同期検波増幅器で検出された音波を積分して前記検出された音波から前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出して出力する積分器をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の成分濃度測定装置。
【請求項１３】
前記静脈に流れる血液の流速に基づいて前記一定周波数より低い周波数の前記信号を遅延させた遅延信号を出力する遅延器と、前記遅延器から出力された遅延信号に同期して前記積分器から出力された音波の振幅を検出する第２同期検波増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の成分濃度測定装置。
【請求項１４】
前記遅延器は、前記第１光出射手段からの光を照射される前記生体の被照射部位と前記第２光出射手段からの光を照射される前記生体の被照射部位との間の前記静脈の長さを前記静脈に流れる血液の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内で前記一定周波数より低い周波数の前記信号を遅延させることを特徴とする請求項１３に記載の成分濃度測定装置。
【請求項１５】
前記一定周波数の前記信号及び前記一定周波数よりも低い周波数の前記信号の周波数の値が互いに１０倍以上異なることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
【請求項１６】
前記第１光出射手段は、異なる２波長の光を前記一定周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調し１つの光束になるように合波して出射することを特徴とする請求項１から請求項１５のいずれかに記載の成分濃度測定装置。
【請求項１７】
第１光出射手段が光を一定周波数の信号により電気的に強度変調し、光透過性管の内部に流れる液体に向けて出射し、第２光出射手段が他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、前記第１光出射手段からの光を照射される前記液体の被照射位置よりも前記光透過性管に沿って上流側の前記液体に向けて出射し、音波検出手段が前記第１光出射手段からの光により前記液体で発生する音波を検出する音波検出手順を有する成分濃度測定装置制御方法。
【請求項１８】
前記音波検出手順において前記第１光出射手段は、前記第１光出射手段から出射する光の光束の直径を、前記液体の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下となる値とすることを特徴とする請求項１７に記載の成分濃度測定制御方法。
【請求項１９】
前記音波検出手順において前記第２光出射手段は、前記第２光出射手段から出射する光の波長を測定対象とする液体成分の特徴的な吸収を呈する波長とすることを特徴とする請求項１７又は１８に記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項２０】
第１同期検波増幅器が前記音波検出手順において前記音波検出手段で検出された音波の振幅を前記一定周波数の前記信号に同期して検出する第１同期検波手順をさらに有することを特徴とする請求項１７から１９のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項２１】
積分器が前記第１同期検波手順において前記第１同期検波増幅器で検出された音波を積分して前記検出された音波から前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出して出力する積分手順をさらに有することを特徴とする請求項２０に記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項２２】
遅延器が前記一定周波数より低い周波数の前記信号を前記液体の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力すると共に、前記積分手順において前記積分器から出力された音波の振幅を前記遅延器から出力された遅延信号に同期して検出する第２同期検波手順をさらに有することを特徴とする請求項２１に記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項２３】
前記第２同期検波手順において前記遅延器は、前記第１光出射手段からの光を照射される前記光透過性管の被照射位置と前記第２光出射手段からの光を照射される前記光透過性管の被照射位置との間の前記液体の流れる長さを前記液体の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内に前記一定周波数より低い前記周波数の信号を遅延させることを特徴とする請求項２２に記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項２４】
第１光出射手段が光を一定周波数の信号により電気的に強度変調して生体の静脈に向けて出射し、第２光出射手段が他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、前記第１光出射手段からの光を照射される前記静脈の被照射部位よりも前記静脈に沿って上流側の前記静脈に向けて出射し、前記音波検出手段が前記第１光出射手段からの光により前記生体で発生する音波を検出する音波検出手順を有する成分濃度測定装置制御方法。
【請求項２５】
前記音波検出手順において前記第１光出射手段は、前記第１光出射手段から出射する光の光束の直径を、前記静脈に流れる血液の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下となる値とすることを特徴とする請求項２４に記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項２６】
前記音波検出手順において前記第２光出射手段は、前記第２光出射手段から出射する光の波長を前記静脈に流れる血液中のヘモグロビンの特徴的な吸収を呈する波長とすることを特徴とする請求項２４又は２５に記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項２７】
第１同期検波増幅器が前記音波検出手順において前記音波検出手段で検出された音波の振幅を前記一定周波数の信号に同期して検出する第１同期検波手順をさらに有することを特徴とする請求項２４から２６のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項２８】
積分器が前記第１同期検波手順において前記第１同期検波増幅器で検出された音波を積分して前記検出された音波から前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出して出力する積分手順をさらに有することを特徴とする請求項２７に記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項２９】
遅延器が前記一定周波数より低い周波数の前記信号を前記静脈に流れる血液の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力すると共に、第２同期検波増幅器が前記積分手順において前記積分器から出力された音波の振幅を前記遅延器から出力された遅延信号に同期して検出する第２同期検波手順をさらに有することを特徴とする請求項２８に記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項３０】
前記第２同期検波手順において前記遅延器は、前記第１光出射手段からの光を照射される前記生体の被照射部位と前記第２光出射手段からの光を照射される前記生体の被照射部位との間の前記静脈の長さを前記静脈に流れる血液の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内で前記一定周波数より低い前記周波数の信号を遅延させることを特徴とする請求項２９に記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項３１】
前記音波検出手順において前記第１光出射手段及び前記第２光出射手段は、前記一定周波数の前記信号及び前記一定周波数より低い周波数の前記信号の周波数の値が互いに１０倍以上異なるようにすることを特徴とする請求項１７から３０のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
【請求項３２】
前記音波検出手順において前記第１光出射手段は、異なる２波長の光を前記一定周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調し１つの光束に合波して出射することを特徴とする請求項１７から３１のいずれかに記載の成分濃度測定装置制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人間又は動物の生体の静脈に流れる血液の濃度を測定する成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法、或いはガラス管等の光透過性管に流れる液体の成分濃度を測定する成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法に関する。
【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。
【０００３】
しかし、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得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いない。
【０００４】
図５および図６は、従来例として、光音響法による従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示す図である。図５は光パルスを電磁波として用いた第一の従来例である（例えば、非特許文献１参照。）。本例では血液成分として血糖、すなわちグルコースを測定対象としている。図５において、駆動回路６０４はパルス状の励起電流をパルス光源６１６に供給し、パルス光源６１６はサブマイクロ秒の持続時間を有する光パルスを発生し、発生した光パルスは被検体６１０に照射される。光パルスは被検体６１０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、発生した音波は超音波検出器６１３により検出され、さら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６２０により観測される。この波形観測器６２０は上記励起電流に同期した信号によりトリガされ、変換された電気信号は波形観測器６２０の管面上の一定位置に表示され、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６１０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５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、前記電気信号を測定しているが十分な精度が得られていない。
【０００６】
そこで、より精度を高める目的で、連続的に強度変調した光源を用いる第二の従来例が開示されている。図６に第二の従来例の装置の構成を示す（例えば、特許文献１参照。）。本例も血糖を主な測定対象として、異なる波長の複数の光源を用いて、高精度化を試みている。説明の煩雑さを避けるために、図６により光源の数が２の場合の動作を説明する。図６において、異なる波長の光源、即ち、第１の光源６０１及び第２の光源６０５は、それぞれ駆動回路６０４及び駆動回路６０８により駆動され、連続光を出力する。
【０００７】
第１の光源６０１及び第２の光源６０５が出力する光は、モータ６１８により駆動され一定回転数で回転するチョッパ板６１７により断続される。ここでチョッパ板６１７は不透明な材質により形成され、モータ６１８の軸を中心とする第１の光源６０１及び第２の光源６０５の光が通過する円周上に、互いに素な個数の開口部が形成されている。
【０００８】
上記の構成により、第１の光源６０１及び第２の光源６０５の各々が出力する光は互いに素な変調周波数ｆ１及び変調周波数ｆ２で強度変調された後、合波部６０９により合波され、１の光束として被検体６１０に照射される。
【０００９】
被検体６１０の内部には第１の光源６０１の光により周波数ｆ１の光音響信号が発生し、第２の光源６０５の光により周波数ｆ２の光音響信号が発生し、これらの光音響信号は、音響センサ６１９により検出され、音圧に比例した電気信号に変換され、その周波数スペクトルが、周波数解析器６２１により観測される。本例においては、複数の光源の波長は全てグルコースの吸収波長に設定されており、各波長に対応する光音響信号の強度は、血液中に含まれるグルコースの量に対応した電気信号として測定される。
【００１０】
ここで、予め光音響信号の測定値の強度と別途採血した血液によりグルコースの含有量を測定した値との関係を記憶しておいて、前記光音響信号の測定値からグルコースの量を測定している。
【特許文献１】特開平１０−１８９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】
【００１１】
上述の従来例においては以下のような課題がある。人間や動物の体の約２／３は水であり、さらに血液の成分の８割近くを水が占め、水分子は波長１μｍ以上の光の波長帯において、顕著な吸収特性を示す。一方、グルコース分子は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が、健常者の血糖値５０〜１００ｍｇ／ｄｌ（２．８〜５．６ｍＭ）の濃度においては、水はグルコースに比べて１０００倍以上大きな吸収を有する。従って、血糖値を測定するには０．１％より高い精度の測定が必要となる。通常、血糖値測定に要求される精度は５ｍｇ／ｄｌ（０．２８ｍＭ）であり、この測定のためには、０．００３％程度の精度が必要となる。このように、血液成分濃度の測定、特に血糖値、すなわちグルコース量の測定には、極めて高い測定精度が必要である。
【００１２】
つまり、従来の生体の成分濃度の測定方法においては特定の血液成分が吸収を呈する波長が非血液部分で吸収を呈する場合、発生した音波はそれらが合算されて測定される。そのため、非血液部分において発生しうる音波の誤差も同様に加算されるため、外乱の影響を受け易く測定誤差が非常に大きくなるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明は、血液の流れに対して１波長又は２波長の光を出射すると共に、この１波長又は２波長の光とは別に第３の光を血液の流れの上流側に出射することにより、１波長又は２波長の光により血液で発生する音波を生体の非血液部分で発生する音波から分離させることで非血液部分において発生する音波の影響を少なくして成分濃度を正確に測定する成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法である。
【００１４】
初めに、本発明の成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法の基本原理を、一例として、生体の成分濃度を測定する場合について説明する。
【００１５】
本発明では、異なる２波長の光の中の、第１の光の波長を、例えば生体の測定対象の成分による吸光度が生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とし、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とする。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。
【００１６】
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とし、第２の光の波長をλ２とすることができる。
【００１７】
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にした場合を説明する。
【００１８】
上記のように規定した異なる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波長の光が生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、生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生体から発生する第１の音波と、第２の光を生体の大部分を占める水が吸収して生体から発生する第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の音波は生体内で重畳し、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生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の光を測定対象の成分が吸収して生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生体から発生する音波を正確に測定することができる。
【００１９】
さらに、生体と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、生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、生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の光の各々により生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（１）で表される。
【００２０】
【数１】
2007127516.tif 000003
【００２１】
上記の、数式（１）を解いて、生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、生体と音波検出素子の結合状態、音波検出素子の感度、生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、生体の比熱及び熱膨張係数、生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、水の吸収係数及び生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（１）でＣを消去すると次の数式（２）が得られる。
【００２２】
【数２】
2007127516.tif 000004
【００２３】
ここで、波長λ１の光及び波長λ２の光の各々に対する、生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（３）で表される。
【００２４】
【数３】
2007127516.tif 000005
【００２５】
上記の数式（３）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の光の各々により生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、生体の成分濃度Ｍを算出することができる。上記の数式（３）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、生体の成分濃度を高精度に測定することができる。
【００２６】
そこで、本発明の成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法においては、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、生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、生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（３）により（ｓ１−ｓ２）÷ｓ２を演算して生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。
【００２７】
本発明の成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法における生体の非血液部分の温度変化による影響は以下の通りである。
【００２８】
本発明では、数式（３）における分子の（ｓ１−ｓ２）の値は、異なる２波長の光を電気的に強度変調して同時に照射し生体で発生する音波の大きさとして測定することができる。一方、分母のｓ２の値は、異なる２波長の光のうち所定の１波長の光を別途照射して生体で発生する音波の大きさとして測定することができる。
【００２９】
しかし、数式（３）で与えられるｓ２の値及び（ｓ１−ｓ２）の値は、血液部分のみで発生する音波のみならず非血液部分で発生する音波も含まれている。そこで、本発明では、血液部分で発生する音波のみを増幅させるため別途第３の光を生体に照射することを行う。
【００３０】
第３の光の波長をλ３とすると、波長λ３の光の生体への照射によって、ヘモグロビンの密度が大きい部位に吸収が生じ、光―熱変換により温度が上昇する。例えば、光ＣＴ法においては、およそ波長８００ｎｍ程度の光が用いられるが、測定においては、生体内部の温度が０．１℃程度変化することが報告されており、またこの程度の温度上昇では人体に害がないことが知られている。さて、断続的な光照射によって生ずる音圧ｓは、次の数式（４）と表せる。
【００３１】
【数４】
2007127516.tif 000006
【００３２】
数式（４）において、Ｉは照射光強度、βは熱膨張係数、ｃは音速、Ｃｐは比熱である。上記、パラメータの内、β、ｃのみが温度に依存する。熱膨張係数βは１℃当たり３％変化するため、０．１℃の温度変化によって、数式（４）に従えば、音波は約０．３％変化することになる。グルコースの変化量５ｍｇ／ｄＬによる音波の変化が０．０１７％であるから、それに比し、２０倍の信号の変化を生じうる。波長λ３の光の同時照射による温度上昇が、生体で発生した音波の増加をもたらす。
【００３３】
本発明では、第３の光の照射により、ヘモグロビンの密度が大きい血液部分の温度を上昇させることができるため、血液部分と表皮、細胞、脂肪などの組織部分での水の音波の発生量に差異を生じさせることができる。ここで、この音波発生量の差異を考慮して数式（１）を次の数式（５）に書き換えることができる。
【００３４】
【数５】
2007127516.tif 000007
【００３５】
数式（５）において、Ｃｂは血液における未知係数、Ｃｔは表皮、細胞、脂肪などの組織における未知係数である。波長λ３の光の同時照射による温度変化により、血液密度の高い部位において発生した音波は、増幅する。この増幅率をＡとすれば、数式（５）は、次の数式（６）に書き換えられる。
【００３６】
【数６】
2007127516.tif 000008
【００３７】
数式（６）の両式から数式（５）の差分をとれば、以下の数式（７）となり、非血液部分からの水の音波を除去できる。
【００３８】
【数７】
2007127516.tif 000009
【００３９】
ここで、数式（７）の両式から（Ａ−１）を消去すると、次の数式（８）を導出できる。但し、数式（８）は、数式（３）と同様に波長λ１、λ２の各々に対して、主に水の背景による吸収係数α１（ｗ）とα２（ｗ）がほぼ等しいことを前提とし、さらにΔｓ１≒Δｓ２という性質を用いている。
【００４０】
【数８】
2007127516.tif 000010
【００４１】
数式（８）によれば、数式（３）と同様に差分音響信号Δｓ及び既知の吸収係数αより濃度Ｍを求めることができる。
【００４２】
しかし、この方法においても第３の光は、生体の非血液部分で発生する音波も増幅するため、第１の光、又は第１及び第２の光と第３の光とによる生体の被照射部位を同一とすると非血液部分からの音波の完全な排除をすることができない。第３の光を吸収するヘモグロビンは、非血液部分にも含まれているため、非血液部分についても温度変化を生じさせるためである。
【００４３】
そこで、本発明では、上記第３の光を第１の光、又は第１及び第２の光の被照射部位に対して血液の流れに沿って上流側に照射することとした。
【００４４】
以上が本発明の成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法の基本原理である。
【００４５】
具体的には、本発明に係る成分濃度測定装置は、光を一定周波数の信号により電気的に強度変調し、光透過性管の内部に流れる液体に向けて出射する第１光出射手段と、他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、前記第１光出射手段からの光を照射される前記液体の被照射位置よりも前記光透過性管に沿って上流側の前記液体に向けて出射する第２光出射手段と、前記第１光出射手段からの光により前記液体で発生する音波を検出する音波検出手段と、を備える。
【００４６】
本発明では、第１光出射手段は、光を一定周波数の信号により電気的に強度変調して光透過性管の内部に流れる液体に向けて出射する。また、第２光出射手段は、他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、第１光出射手段からの光を照射される液体の被照射位置よりも光透過性管に沿って上流側の液体に向けて出射する。第１光出射手段から出射した光が液体に照射されると液体の被照射位置から音波が発生する。一方、第２光出射手段から出射した光が液体に照射されると液体の被照射位置での温度が上昇する。ここで、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさは、前記一定周波数と同一の周波数で変化する。また、第２光出射手段からの光による被照射位置での液体の温度変化は、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する。
【００４７】
第２光出射手段からの光による液体の温度変化は、液体の流れと共に下流側に伝搬する。つまり、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される液体の被照射位置での温度変化を液体以外の温度変化に影響を与えることなく第２光出射手段からの光による被照射位置での液体の温度変化と略同一の周期で変化させることができる。ここで、第２光出射手段の光の変調周波数を第１光出射手段からの光の変調周波数よりも低くしたため、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさは、前記一定周波数と同一の周波数で変化すると共に、全体として前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する。そして、音波検出手段は、前記一定周波数と同一の周波数で変化すると共に、全体として前記一定周波数より低い周波数と略同一の周波数で変化する音波を検出する。
【００４８】
このように、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される液体の被照射位置での温度を第２光出射手段からの光により間接的に変化させることで、第１光出射手段からの光により液体の被照射位置で発生する音波のみを第２光出射手段からの光による液体の被照射部位の温度変化に応じて変化させることができる。従って、本発明では、第１光出射手段からの光により液体以外で発生する音波の影響を小さくすることができ、液体の成分濃度を非接触で正確に測定することができる。
【００４９】
本発明の成分濃度測定装置において、前記第１光出射手段において、前記第１光出射手段から出射する光の光束の直径が前記液体の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下の値であることが望ましい。
【００５０】
光透過性管内に流れる液体の光透過性管に沿った温度変化の周期は、光透過性管内に流れる液体の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値となる。そのため、本発明では、第１光出射手段から出射する光の光束の直径が前記液体の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下の値とすることで、光束の直径内における液体の光透過性管での流れ方向に沿った温度変化を１／２周期以下とできる。そのため、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさが光束の直径分の液体の温度変化で平均化される割合を小さくすることができる。従って、本発明では、第１光出射手段からの光により液体で発生する音波について、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する変化量を大きくすることができ、液体の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００５１】
本発明の成分濃度測定装置において、前記第２光出射手段において、前記第２光出射手段から出射する光の波長が測定対象とする液体成分の特徴的な吸収を呈する波長であることが望ましい。
【００５２】
本発明では、第２光出射手段から出射する光の波長を測定対象とする液体成分の特徴的な吸収を呈する波長とすることにより、第２光出射手段からの光による液体の被照射位置での温度を効率的に変化させることができる。そのため、本発明では、第１光出射手段からの光により液体で発生する音波の、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する振幅を大きくすることができる。従って、本発明では、液体の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００５３】
本発明の成分濃度測定装置において、前記一定周波数の前記信号に同期して前記音波検出手段で検出された音波の振幅を検出する第１同期検波増幅器をさらに備えることが望ましい。
【００５４】
本発明では、第１同期検波増幅器が前記一定周波数の前記信号に同期して音波検出手段で検出された音波の振幅を検出することにより、音波検出手段からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができる。従って、本発明では、液体の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００５５】
本発明の成分濃度測定装置において、前記第１同期検波増幅器で検出された音波を積分して前記検出された音波から前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出して出力する積分器をさらに備えることが望ましい。
【００５６】
本発明では、第１同期検波増幅器で熱雑音が除去された音波から積分器が前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出すことにより、取り出した音波の振幅を第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさとして検出することができる。従って、本発明では、第１同期検波増幅器で熱雑音が除去された音波のうち前記一定周波数の周波数成分を除去して液体の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００５７】
本発明の成分濃度測定装置において、前記一定周波数より低い周波数の前記信号を前記液体の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力する遅延器と、前記遅延器から出力された遅延信号に同期して前記積分器から出力された音波の振幅を検出する第２同期検波増幅器をさらに備えることが望ましい。
【００５８】
第１光出射手段からの光による被照射位置での液体の温度変化は、第２光出射手段からの光による被照射位置での液体の温度変化に対して被照射位置間距離に応じた遅延時間差を有している。そのため、本発明では、遅延器が液体の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力し、第２同期検波増幅器が遅延信号に同期して積分器からの音波の振幅を検出することで積分器からの音波の波形と遅延信号との波形の時間軸を一致させることができる。そのため、第２同期検波増幅器において、積分器からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができる。従って、本発明では、液体の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００５９】
本発明の成分濃度測定装置において、前記遅延器は、前記第１光出射手段からの光を照射される前記光透過性管の被照射位置と前記第２光出射手段からの光を照射される前記光透過性管の被照射位置との間の前記液体の流れる長さを前記液体の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内で前記一定周波数より低い周波数の前記信号を遅延させることが望ましい。
【００６０】
本発明では、遅延器での遅延時間を液体の流れる長さを液体の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内とすることにより、積分器からの音波の波形と遅延信号の波形の時間を妥当な範囲内で一致させることができる。従って、本発明では、液体の成分濃度の測定精度を高精度に維持することができる。
【００６１】
本発明に係る成分濃度測定装置は、光を一定周波数の信号により電気的に強度変調し、生体の静脈に向けて出射する第１光出射手段と、他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、前記第１光出射手段からの光を照射される前記静脈の被照射部位よりも前記静脈に沿って上流側の前記静脈に向けて出射する第２光出射手段と、前記第１光出射手段からの光により前記生体で発生する音波を検出する音波検出手段と、を備える。
【００６２】
本発明では、第１光出射手段は、光を一定周波数の信号により電気的に強度変調して生体の静脈に向けて出射する。また、第２光出射手段は、他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、第１光出射手段からの光を照射される静脈の被照射部位よりも静脈に沿って上流側の静脈に向けて出射する。第１光出射手段から出射した光が生体に照射されると生体の被照射部位から音波が発生する。一方、第２光出射手段から出射した光が生体に照射されると生体の被照射部位の温度が上昇する。ここで、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさは、前記一定周波数と同一の周波数で変化する。また、第２光出射手段からの光を照射される被照射部位の血液部分の温度変化は、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する。
【００６３】
第２光出射手段からの光による生体の温度変化のうち静脈を流れる血液部分の温度変化は、血液の流れと共に下流側に伝搬する。つまり、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される生体の被照射部位における静脈を流れる血液部分の温度変化を非血液部分の温度変化に影響を与えることなく第２光出射手段からの光による生体の被照射部位における血液部分の温度変化と略同一の周期で変化させることができる。ここで、第２光出射手段の光の変調周波数を第１光出射手段からの光の変調周波数よりも低くしたため、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさは、前記一定周波数と同一の周波数で変化すると共に、全体として前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する。そして、音波検出手段は、前記一定周波数と同一の周波数で変化すると共に、全体として前記一定周波数より低い周波数と略同一の周波数で変化する音波を検出する。
【００６４】
このように、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される生体の被照射部位における静脈を流れる血液部分の温度を第２光出射手段からの光により間接的に変化させることで、第１光出射手段からの光により血液部分で発生する音波のみを第２光出射手段からの光による生体の被照射部位の温度変化に応じて変化させることができる。そのため、本発明では、第１光出射手段からの光により生体で発生する音波について非血液部分で発生する音波の影響を小さくすることができる。従って、本発明では、血液の成分濃度を非侵襲で正確に測定することができる。
【００６５】
本発明の成分濃度測定装置において、前記第１光出射手段において、前記第１光出射手段から出射する光の光束の直径が前記静脈に流れる血液の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下の値であることが望ましい。
【００６６】
静脈に流れる血液の静脈に沿った温度変化の周期は、静脈に流れる血液の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値となる。そのため、本発明では、第１光出射手段から出射する光の光束の直径が前記血液の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下の値とすることで、光束の直径内における血液の静脈での流れ方向に沿った温度変化を１／２周期以下とできる。そのため、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさが光束の直径分の血液の温度変化で平均化される割合を小さくすることができる。従って、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される生体の被照射部位における血液部分で発生する音波について、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する変化量を大きくすることができ、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００６７】
本発明の成分濃度測定装置において、前記第２光出射手段は、前記第２光出射手段から出射する光の波長を前記静脈に流れる血液中のヘモグロビンの特徴的な吸収を呈する波長とすることが望ましい。
【００６８】
本発明では、第２光出射手段から出射する光の波長を血液中のヘモグロビンの特徴的な吸収を呈する波長とすることにより、第２光出射手段からの光を照射される生体の被照射部位における血液部分の温度を効率的に変化させることができる。そのため、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される生体の被照射部位における血液部分で発生する音波の、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する変化量を大きくすることができる。従って、本発明では、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００６９】
本発明の成分濃度測定装置において、前記一定周波数の前記信号に同期して前記音波検出手段で検出された音波の振幅を検出する第１同期検波増幅器をさらに備えることが望ましい。
【００７０】
本発明では、第１同期検波増幅器が前記一定周波数の前記信号に同期して音波検出手段で検出された音波の振幅を検出することにより、音波検出手段からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができる。従って、本発明では、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００７１】
本発明の成分濃度測定装置において、前記第１同期検波増幅器で検出された音波を積分して前記検出された音波から前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出して出力する積分器をさらに備えることが望ましい。
【００７２】
本発明では、第１同期検波増幅器で熱雑音が除去された音波から積分器が前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出すことにより、取り出した音波の振幅を第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさとして検出することができる。従って、本発明では、第１同期検波増幅器で熱雑音が除去された音波のうち前記一定周波数の周波数成分を除去して血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００７３】
本発明の成分濃度測定装置において、前記静脈に流れる血液の流速に基づいて前記一定周波数より低い周波数の前記信号を遅延させた遅延信号を出力する遅延器と、前記遅延器から出力された遅延信号に同期して前記積分器から出力された音波の振幅を検出する第２同期検波増幅器をさらに備えることが望ましい。
【００７４】
第１光出射手段からの光の被照射部位における血液部分の温度変化は、第２光出射手段からの光の被照射部位における血液部分の温度変化に対して被照射部位間距離に応じた遅延時間差を有している。そのため、本発明では、遅延器が血液の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力し、第２同期検波増幅器が遅延信号に同期して積分器からの音波の振幅を検出することで積分器からの音波の波形と遅延信号との波形の時間軸を一致させることができる。そのため、第２同期検波増幅器において、積分器からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができる。従って、本発明では、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００７５】
本発明の成分濃度測定装置において、前記遅延器は、前記第１光出射手段からの光を照射される前記生体の被照射部位と前記第２光出射手段からの光を照射される前記生体の被照射部位との間の前記静脈の長さを前記静脈に流れる血液の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内で前記一定周波数より低い周波数の前記信号を遅延させることが望ましい。
【００７６】
本発明では、遅延器での遅延時間を、静脈の長さを静脈に流れる血液の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内とすることにより、積分器からの音波の波形と遅延信号の波形の時間を妥当な範囲内で一致させることができる。従って、本発明では、血液の成分濃度の測定精度を高精度に維持することができる。
【００７７】
本発明の成分濃度測定装置において、前記一定周波数の前記信号及び前記一定周波数よりも低い周波数の前記信号の周波数の値が互いに１０倍以上異なることが望ましい。
【００７８】
本発明では、前記一定周波数の前記信号及び前記一定周波数よりも低い周波数の前記信号の周波数の値を互いに１０倍以上異なったものとすることにより、第１光出射手段からの光により発生する音波から前記一定周波数の周波数成分及び前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を十分に分離させることができる。従って、本発明では、液体又は血液の成分濃度の測定精度を高精度に維持することができる。
【００７９】
本発明の成分濃度測定装置において、前記第１光出射手段は、異なる２波長の光を前記一定周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調し１つの光束になるように合波して出射することが望ましい。
【００８０】
本発明では、光出射手段は、異なる２波長の光、即ち、第１の光の波長及び第２の光の波長を、前述の測定原理に従って液体又は血液の測定対象の成分及び水の吸光度特性から選定された波長λ１及び波長λ２とする。さらに、光出射手段は第１の光及び第２の光の各々を同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出射する。このように出射した第１の光及び第２の光が生体又は液体に照射されると光を照射された生体又は液体から音波が発生し、音波検出手段は、光を照射された生体又は液体から発生する音波を検出する。ここで、音波検出手段により測定される音波は前述の第１の光により発生する第１の音波と第２の光により発生する第２の音波の差の音波が前記一定周波数より低い前記周波数と同一の周波数で変化したものである。従って、本発明では、数式（８）における（Δｓ１−Δｓ２）を検出することができ、成分濃度を算出することが可能となる。
【００８１】
本発明に係る成分濃度測定装置制御方法は、第１光出射手段が光を一定周波数の信号により電気的に強度変調し、光透過性管の内部に流れる液体に向けて出射し、第２光出射手段が他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、前記第１光出射手段からの光を照射される前記液体の被照射位置よりも前記光透過性管に沿って上流側の前記液体に向けて出射し、音波検出手段が前記第１光出射手段からの光により前記液体で発生する音波を検出する音波検出手順を有する。
【００８２】
本発明では、第１光出射手段は、光を一定周波数の信号により電気的に強度変調して光透過性管の内部に流れる液体に向けて出射する。また、第２光出射手段は、他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、第１光出射手段からの光を照射される液体の被照射位置よりも光透過性管に沿って上流側の液体に向けて出射する。第１光出射手段から出射した光が液体に照射されると液体の被照射位置から音波が発生する。一方、第２光出射手段から出射した光が液体に照射されると液体の被照射位置での温度が上昇する。ここで、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさは、前記一定周波数と同一の周波数で変化する。また、第２光出射手段からの光による被照射位置での液体の温度変化は、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する。
【００８３】
第２光出射手段からの光による液体の温度変化は、液体の流れと共に下流側に伝搬する。つまり、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される液体の被照射位置での温度変化を液体以外の温度変化に影響を与えることなく第２光出射手段からの光による被照射位置での液体の温度変化と略同一の周期で変化させることができる。ここで、第２光出射手段の光の変調周波数を第１光出射手段からの光の変調周波数よりも低くしたため、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさは、前記一定周波数と同一の周波数で変化すると共に、全体として前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する。そして、音波検出手段は、前記一定周波数と同一の周波数で変化すると共に、全体として前記一定周波数より低い周波数と略同一の周波数で変化する音波を検出する。
【００８４】
このように、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される液体の被照射位置での温度を第２光出射手段からの光により間接的に変化させることで、第１光出射手段からの光により液体の被照射位置で発生する音波のみを第２光出射手段からの光による液体の被照射部位の温度変化に応じて変化させることができる。従って、本発明では、第１光出射手段からの光により液体以外で発生する音波の影響を小さくすることができ、液体の成分濃度を非接触で正確に測定することができる。
【００８５】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順において前記第１光出射手段は、前記第１光出射手段から出射する光の光束の直径を、前記液体の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下となる値とすることが望ましい。
【００８６】
光透過性管内に流れる液体の光透過性管に沿った温度変化の周期は、光透過性管内に流れる液体の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値となる。そのため、本発明では、第１光出射手段から出射する光の光束の直径が前記液体の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下の値とすることで、光束の直径内における液体の光透過性管での流れ方向に沿った温度変化を１／２周期以下とできる。そのため、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさが光束の直径分の液体の温度変化で平均化される割合を小さくすることができる。従って、本発明では、第１光出射手段からの光により液体で発生する音波について、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する変化量を大きくすることができ、液体の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００８７】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順において前記第２光出射手段は、前記第２光出射手段から出射する光の波長を測定対象とする液体成分の特徴的な吸収を呈する波長とすることが望ましい。
【００８８】
本発明では、第２光出射手段から出射する光の波長を測定対象とする液体成分の特徴的な吸収を呈する波長とすることにより、第２光出射手段からの光による液体の被照射位置での温度を効率的に変化させることができる。そのため、本発明では、第１光出射手段からの光により液体で発生する音波の、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する振幅を大きくすることができる。従って、本発明では、液体の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００８９】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、第１同期検波増幅器が前記音波検出手順において前記音波検出手段で検出された音波の振幅を前記一定周波数の前記信号に同期して検出する第１同期検波手順をさらに有することが望ましい。
【００９０】
本発明では、第１同期検波増幅器が前記一定周波数の前記信号に同期して音波検出手段で検出された音波の振幅を検出することにより、音波検出手段からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができる。
【００９１】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、積分器が前記第１同期検波手順において前記第１同期検波増幅器で検出された音波を積分して前記検出された音波から前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出して出力する積分手順をさらに有することが望ましい。
【００９２】
本発明では、第１同期検波増幅器で熱雑音が除去された音波から積分器が前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出すことにより、取り出した音波の振幅を第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさとして検出することができる。従って、本発明では、第１同期検波増幅器で熱雑音が除去された音波のうち前記一定周波数の周波数成分を除去して液体の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００９３】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、遅延器が前記一定周波数より低い周波数の前記信号を前記液体の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力すると共に、前記積分手順において前記積分器から出力された音波の振幅を前記遅延器から出力された遅延信号に同期して検出する第２同期検波手順をさらに有することが望ましい。
【００９４】
第１光出射手段からの光による被照射位置での液体の温度変化は、第２光出射手段からの光による被照射位置での液体の温度変化に対して被照射位置間距離に応じた遅延時間差を有している。そのため、本発明では、遅延器が液体の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力し、第２同期検波増幅器が遅延信号に同期して積分器からの音波の振幅を検出することで積分器からの音波の波形と遅延信号との波形の時間軸を一致させることができる。そのため、第２同期検波増幅器において、積分器からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができる。従って、本発明では、液体の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【００９５】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、前記第２同期検波手順において前記遅延器は、前記第１光出射手段からの光を照射される前記光透過性管の被照射位置と前記第２光出射手段からの光を照射される前記光透過性管の被照射位置との間の前記液体の流れる長さを前記液体の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内に前記一定周波数より低い前記周波数の信号を遅延させることが望ましい。
【００９６】
本発明では、遅延器での遅延時間を液体の流れる長さを液体の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内とすることにより、積分器からの音波の波形と遅延信号の波形の時間を妥当な範囲内で一致させることができる。従って、本発明では、液体の成分濃度の測定精度を高精度に維持することができる。
【００９７】
本発明に係る成分濃度測定装置制御方法は、第１光出射手段が光を一定周波数の信号により電気的に強度変調して生体の静脈に向けて出射し、第２光出射手段が他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、前記第１光出射手段からの光を照射される前記静脈の被照射部位よりも前記静脈に沿って上流側の前記静脈に向けて出射し、前記音波検出手段が前記第１光出射手段からの光により前記生体で発生する音波を検出する音波検出手順を有する。
【００９８】
本発明では、第１光出射手段は、光を一定周波数の信号により電気的に強度変調して生体の静脈に向けて出射する。また、第２光出射手段は、他の光を前記一定周波数より低い周波数の信号により電気的に強度変調し、第１光出射手段からの光を照射される静脈の被照射部位よりも静脈に沿って上流側の静脈に向けて出射する。第１光出射手段から出射した光が生体に照射されると生体の被照射部位から音波が発生する。一方、第２光出射手段から出射した光が生体に照射されると生体の被照射部位の温度が上昇する。ここで、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさは、前記一定周波数と同一の周波数で変化する。また、第２光出射手段からの光を照射される被照射部位の血液部分の温度変化は、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する。
【００９９】
第２光出射手段からの光による生体の温度変化のうち静脈を流れる血液部分の温度変化は、血液の流れと共に下流側に伝搬する。つまり、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される生体の被照射部位における静脈を流れる血液部分の温度変化を非血液部分の温度変化に影響を与えることなく第２光出射手段からの光による生体の被照射部位における血液部分の温度変化と略同一の周期で変化させることができる。ここで、第２光出射手段の光の変調周波数を第１光出射手段からの光の変調周波数よりも低くしたため、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさは、前記一定周波数と同一の周波数で変化すると共に、全体として前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する。そして、音波検出手段は、前記一定周波数と同一の周波数で変化すると共に、全体として前記一定周波数より低い周波数と略同一の周波数で変化する音波を検出する。
【０１００】
このように、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される生体の被照射部位における静脈を流れる血液部分の温度を第２光出射手段からの光により間接的に変化させることで、第１光出射手段からの光により血液部分で発生する音波のみを第２光出射手段からの光による生体の被照射部位の温度変化に応じて変化させることができる。そのため、本発明では、第１光出射手段からの光により生体で発生する音波について非血液部分で発生する音波の影響を小さくすることができる。従って、本発明では、血液の成分濃度を非侵襲で正確に測定することができる。
【０１０１】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順において前記第１光出射手段は、前記第１光出射手段から出射する光の光束の直径を、前記静脈に流れる血液の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下となる値とすることが望ましい。
【０１０２】
静脈に流れる血液の静脈に沿った温度変化の周期は、静脈に流れる血液の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値となる。そのため、本発明では、第１光出射手段から出射する光の光束の直径が前記血液の流速を前記一定周波数より低い前記周波数で除算した値の半分以下の値とすることで、光束の直径内における血液の静脈での流れ方向に沿った温度変化を１／２周期以下にできる。そのため、第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさが光束の直径分の血液の温度変化で平均化される割合を小さくすることができる。従って、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される生体の被照射部位における血液部分で発生する音波について、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する変化量を大きくすることができ、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１０３】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順において前記第２光出射手段は、前記第２光出射手段から出射する光の波長を前記静脈に流れる血液中のヘモグロビンの特徴的な吸収を呈する波長とすることが望ましい。
【０１０４】
本発明では、第２光出射手段から出射する光の波長を血液中のヘモグロビンの特徴的な吸収を呈する波長とすることにより、第２光出射手段からの光を照射される生体の被照射部位における血液部分の温度を効率的に変化させることができる。そのため、本発明では、第１光出射手段からの光を照射される生体の被照射部位における血液部分で発生する音波の、前記一定周波数より低い周波数と同一の周波数で変化する変化量を大きくすることができる。従って、本発明では、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１０５】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、第１同期検波増幅器が前記音波検出手順において前記音波検出手段で検出された音波の振幅を前記一定周波数の信号に同期して検出する第１同期検波手順をさらに有することが望ましい。
【０１０６】
本発明では、第１同期検波増幅器が前記一定周波数の前記信号に同期して音波検出手段で検出された音波の振幅を検出することにより、音波検出手段からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができる。従って、本発明では、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１０７】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、積分器が前記第１同期検波手順において前記第１同期検波増幅器で検出された音波を積分して前記検出された音波から前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出して出力する積分手順をさらに有することが望ましい。
【０１０８】
本発明では、第１同期検波増幅器で熱雑音が除去された音波から積分器が前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を取り出すことにより、取り出した音波の振幅を第１光出射手段からの光により発生する音波の大きさとして検出することができる。従って、本発明では、第１同期検波増幅器で熱雑音が除去された音波のうち前記一定周波数の周波数成分を除去して血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１０９】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、遅延器が前記一定周波数より低い周波数の前記信号を前記静脈に流れる血液の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力すると共に、第２同期検波増幅器が前記積分手順において前記積分器から出力された音波の振幅を前記遅延器から出力された遅延信号に同期して検出する第２同期検波手順をさらに有することが望ましい。
【０１１０】
第１光出射手段からの光の被照射部位における血液部分の温度変化は、第２光出射手段からの光の被照射部位における血液部分の温度変化に対して被照射部位間距離に応じた遅延時間差を有している。そのため、本発明では、遅延器が血液の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力し、第２同期検波増幅器が遅延信号に同期して積分器からの音波の振幅を検出することで積分器からの音波の波形と遅延信号との波形の時間軸を一致させることができる。そのため、第２同期検波増幅器において、積分器からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができる。従って、本発明では、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１１１】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、前記第２同期検波手順において前記遅延器は、前記第１光出射手段からの光を照射される前記生体の被照射部位と前記第２光出射手段からの光を照射される前記生体の被照射部位との間の前記静脈の長さを前記静脈に流れる血液の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内で前記一定周波数より低い前記周波数の信号を遅延させることが望ましい。
【０１１２】
本発明では、遅延器での遅延時間を、静脈の長さを静脈を流れる血液の流速と前記一定周波数より低い前記周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内とすることにより、積分器からの音波の波形と遅延信号の波形の時間を妥当な範囲内で一致させることができる。従って、本発明では、血液の成分濃度の測定精度を高精度に維持することができる。
【０１１３】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順において前記第１光出射手段及び前記第２光出射手段は、前記一定周波数の前記信号及び前記一定周波数より低い周波数の前記信号の周波数の値が互いに１０倍以上異なるようにすることが望ましい。
【０１１４】
本発明では、前記一定周波数の前記信号及び前記一定周波数よりも低い周波数の前記信号の周波数の値を互いに１０倍以上異なったものとすることにより、第１光出射手段からの光により発生する音波から前記一定周波数の周波数成分及び前記一定周波数より低い前記周波数の周波数成分を十分に分離させることができる。従って、本発明では、液体又は血液の成分濃度の測定精度を高精度に維持することができる。
【０１１５】
本発明の成分濃度測定装置制御方法において、前記音波検出手順において前記第１光出射手段は、異なる２波長の光を前記一定周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調し１つの光束に合波して出射することが望ましい。
【０１１６】
本発明では、光出射手段は、異なる２波長の光、即ち、第１の光の波長及び第２の光の波長を、前述の測定原理に従って液体又は血液の測定対象の成分及び水の吸光度特性から選定された波長λ１及び波長λ２とする。さらに、光出射手段は第１の光及び第２の光の各々を同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して出射する。このように出射した第１の光及び第２の光が生体又は液体に照射されると光を照射された生体又は液体から音波が発生し、音波検出手段は、光を照射された生体又は液体から発生する音波を検出する。ここで、音波検出手段により測定される音波は前述の第１の光により発生する第１の音波と第２の光により発生する第２の音波の差の音波が前記一定周波数より低い前記周波数と同一の周波数で変化したものである。従って、本発明では、数式（８）における（Δｓ１−Δｓ２）を検出することができ、成分濃度を算出することが可能となる。
【発明の効果】
【０１１７】
本発明の成分濃度測定装置及び成分濃度測定装置制御方法は、光を照射される生体の静脈に流れる血液部分で発生する音波又は光透過性管を流れる液体で発生する音波を、光を照射される生体の非血液部分で発生する音波、又は光を照射される液体以外で発生する音波から分離して検出して成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１１８】
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【０１１９】
以下の実施形態は本発明の構成の例であり、生体である被検体の成分濃度を測定する場合の実施の形態であるが、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、生体又は生体の静脈を、例えばガラス管等の光透過性管に代え、生体の静脈を流れる血液を光透過性管内に流れる液体に代えることにより、以下の実施形態の構成は、そのまま光透過性管内を流れる液体の成分濃度を測定する成分濃度測定装置として適用することができる。また、以下の実施形態に係る成分濃度測定装置の構成を示す図２において、電源などの周知技術により実現できる部分は図示していない。
【０１２０】
本実施形態に係る成分濃度測定装置について説明する。
【０１２１】
図２に、本実施形態に係る成分濃度測定装置の概略構成図を示す。
【０１２２】
図２において、成分濃度測定装置１０は、第１光出射手段の一部としての発振器１０１、駆動回路１０２、第１の光源１０３、１８０°移相回路１０４、駆動回路１０５、第２の光源１０６及び合波部１０７と、第２光出射手段の一部としての発振器１１１、駆動回路１１２、第３の光源１１３及び反射鏡１１４と、音波検出手段の一部としての音波検出部１１６と、第１同期検波増幅器としての位相検波増幅部１１７と、積分器１１８、遅延器１１５と、第２同期検波増幅器としての位相検波増幅部１１９と、成分濃度算出部１２０と、を備える。
【０１２３】
発振器１０１は、第１の光源１０３及び第２の光源１０６から出力される２波長の光を強度変調するため、一定周波数の変調信号を出力する。１８０°移相回路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。
【０１２４】
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、駆動回路１０５は、１８０°移相回路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。第１の光源１０３は、異なる２波長の光のいずれか一方を駆動回路１０２からの信号により強度変調して波長λ１の第１の光を出力し、第２の光源１０６は、他方の光を駆動回路１０５からの信号により強度変調して波長λ２の第２の光を出力する。これにより、第１の光源１０３及び第２の光源１０６は、異なる２波長の光のそれぞれを同一周波数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。また、第１の光源１０３又は第２の光源１０６のいずれか一方の光の出射を停止させれば、第１の光源１０３又は第２の光源１０６は、異なる２波長の光のうち所定の１波長の光のみを出射することができる。
【０１２５】
ここで、第１の光源１０３及び第２の光源１０６は、例えば半導体レーザを適用することができ、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発生する光の波長を変化させることができる。また、第１の光源１０３及び第２の光源１０６は、後述するように出射する光の光束の直径を被検体２の静脈３に流れる血液の流速を発振器１１１からの信号の周波数で除算した値の半分以下の値とすることが望ましい。また、本実施形態では、発振器１０１から矩形波信号を出力することとし、半導体レーザ光源である第１の光源１０３及び第２の光源１０６の各々を駆動回路１０２、１０５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つの半導体レーザ光源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であり、装置構成を簡略化できる。
【０１２６】
合波部１０７は、第１の光源１０３からの光と第２の光源１０６からの光とを例えばハーフミラーにより合波して被検体２の静脈３に向けて出射する。
【０１２７】
発振器１１１は、第３の光源１１３から出力される１波長の光を強度変調するための変調信号を出力する。この信号は、発振器１０１からの信号の周波数より低くする。ここで、発振器１０１及び発振器１１１から出力する信号の周波数は、後述するように互いに１０倍以上異なることが望ましい。
【０１２８】
駆動回路１１２は、発振器１１１からの変調信号を基に第３の光源１１３を駆動させる。第３の光源１１３は、１波長の光を駆動回路１１２からの信号により強度変調して出力する。ここで、駆動回路１１３からの信号の周波数は、第１の光源１０３及び第２の光源１０７からの光を変調する信号の周波数より低い周波数とする。
【０１２９】
第３の光源１１３は、例えば半導体レーザを適用することができ、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発生する光の波長を変化させることができる。また、第３の光源１１３からの光の波長は、後述するように被検体２の静脈３に流れる血液中のヘモグロビンの特徴的な吸収を呈する波長とすることが望ましい。また、本実施形態では、発振器１１１から矩形波信号を出力することとし、半導体レーザ光源である第３の光源１１３を駆動回路１１２を介して矩形波信号により直接変調する。
【０１３０】
反射鏡１１４は、第３の光源１１３からの光を反射し被検体２の静脈３に向けて出射する。成分濃度測定装置１０は、反射鏡１１４の角度を変えて光の出射方向を変えることにより、静脈３の形状が複雑であっても静脈３の形状に応じて光を静脈３に向けて出射することが可能である。ここで、成分濃度測定装置１０は、第３の光源１１３からの光を第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの光を照射される静脈３の被照射部位よりも静脈３に沿って上流側の静脈３に向けて出射する。成分濃度測定装置１０は、第３の光源１１３からの光を静脈３の上流側に照射することで、第３の光源１１３からの光により、被検体２の被照射部位における静脈３内の血液部分の温度は、変化する。そして、被照射部位における血液部分の温度変化は、血液の流れ４に従って下流側に伝搬することとなる。そのため、成分濃度測定装置１０は、第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの光を照射される被検体２の被照射部位における血液部分のみの温度を変化させることができる。
【０１３１】
ここで、被検体２の成分濃度の具体的な測定方法について、図１、図２及び図３を参照して説明する。
【０１３２】
図３は、第１の光及び第２の光により被検体で発生する音波の概略を示した図である。
【０１３３】
図３において、図面上段から順に第３の光による血液の温度変化４２、第１の光により被検体２で発生する音波４３、第２の光により被検体２で発生する音波４４、並びに第１の光及び第２の光により発生する音波の総和４５を示している。
【０１３４】
図２の第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの第１の光及び第２の光の各光は、独立に音波を発生するものと考える。音波についての線形の重畳は、Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程式の線形性より既に保証されているからである。従って、第１の光源１０３及び第２の光源１０６から第１の光及び第２の光を被検体２に照射すると、第１の光及び第２の光の各光は、図３の第二段に示す第１の光による音波４３、及び第三段に示す第２の光による音波４４をそれぞれ発生させる。音波４３及び音波４４の周波数は、発振器１０１からの信号の周波数に基づいたものとなる。つまり、第１の光源１０３及び第２の光源１０６において光を強度変調する信号の周波数である。更に図２の第３の光源１１３からの第３の光による静脈３の上流側での被検体２の温度変化は、静脈３の流れ４に従って下流側に伝搬するため、第１の光及び第２の光を照射される被検体２の被照射部位の血液部分に図３の第一段に示す温度変化４２を生じさせる。ここで、温度変化４２の周波数は、発振器１１１からの信号の周波数に基づいたものとなる。つまり、第３の光源１１３において光を強度変調する信号の周波数である。このように、第１の光及び第２の光を照射される被検体２の被照射部位の血液部分の温度のみが変化し、第１の光及び第２の光により発生する音波の総和は、図３の第４段に示すように温度変化４２による変調を受けることとなる。
【０１３５】
そして、音波の総和４５における第一ピーク値と第二ピーク値の差からΔｓ１が得られる。また、第一谷値と第二谷値の差からΔｓ２が得られ、数式（８）から成分濃度Ｍを算出できる。また、温度上昇時の信号振幅はＡｓ１−Ａｓ２に対応し、温度下降時の信号振幅はｓ１−ｓ２に対応することから、両者の差をとることで、Δｓ１―Δｓ２を得ることもできる。あるいは、信号Δｓ１、Δｓ２を得るために、波長λ１またはλ２ の光のみの照射下で、音波を測定してもよい。この場合、第１の光源１０３の波形を保ったまま、第２の光源１０６の出力を零とする。これは、合波部１０７の入力部の前に、第１の光源１０３若しくは第２の光源１０６の出力光を機械的なシャッターで遮るか、或いは、駆動回路１０２若しくは駆動回路１０５の出力を第１の光源１０３若しくは第２の光源１０６の発振閾値以下に落とすことにより実現できる。
【０１３６】
このように、成分濃度測定装置１０は、図２の第３の光源１１３からの光を第１の光源１０３からの第１の光及び第２の光源１０６からの第２の光による被検体２の被照射部位に対して静脈３の上流側の静脈３に照射することで、第１の光及び第２の光による被検体２の被照射部位と第３の光による被検体２の被照射部位との位置を互いに離すことができる。これにより、図２の第３の光源１１３からの第３の光により、第３の光による被照射部位における血液部分の温度のみを変化させることができる。第３の光による被照射部位における血液部分は静脈３の流れ４に従って下流側に流れるため、結果として、成分濃度測定装置１０は、第３の光を出射することにより、第１の光および第２の光による被検体２の被照射部位における非血液部分の温度に影響を与えることなく当該被照射部位における血液部分の温度のみを間接的に変化させることができる。そのため、第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの第１の光及び第２の光により第１の光及び第２の光による被照射部位における血液部分で発生する音波のみを第３の光の被照射部位の血液部分の温度変化に応じて変化させることができ、第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの光により被検体２で発生する音波について非血液部分で発生する音波の影響を小さくすることができる。従って、血液の成分濃度を非侵襲で正確に測定することができる。
【０１３７】
成分濃度Ｍを算出するため、図２の音波検出部１１６は、被検体２で発生する図３の音波の総和４５を検出し、音波の振幅に比例した電気信号を出力する。位相検波増幅部１１７は、音波検出部１１６からの電気信号を発振器１０１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。このようにして、音波検出部１１６及び位相検波増幅部１１７は、音波の大きさを測定する。成分濃度測定装置１０では、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により、音波検出部１１６からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができる。そのため、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１３８】
ここで、被検体２と音波検出部１１６との間に被検体２で発生する音波の伝達効率を高めるための音響整合物質を設けることとしてもよい。また、音波検出部１１６と位相検波増幅部１１７との間にフィルタを設けてもよい。第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの光を照射される被検体２の被照射部位と第３の光源１１３からの光を照射される被検体２の被照射部位との距離が近いと、音波検出部１１６は、第３の光源１１３からの光により被検体２で発生する音波をも検出しうる。そのため、音波検出部１１６と位相検波増幅部１１７との間にフィルタを設けることで、成分濃度測定装置１０は、音波検出部１１６からの信号から第３の光により発生する音波の信号成分を除去することができる。
【０１３９】
積分器１１８は、位相検波増幅部１１７からの音波を積分して発振器１１１からの信号の周波数の周波数成分を取り出して出力する。成分濃度測定装置１０は、位相検波増幅部１１７で熱雑音が除去された音波から積分器１１８で駆動回路１１２からの信号の周波数の周波数成分を取り出すことにより、取り出した音波の振幅を第１又は第２の光により発生する音波の大きさとして検出することができる。つまり、図３で説明した音波の総和４５のうち波形の極大値の包絡線を取り出すことでΔｓ１を検出でき、極小値の包絡線を取り出すことでΔｓ２を検出できる。従って、位相検波増幅部１１７で熱雑音が除去された音波のうち駆動回路１１２からの信号の周波数と同一の周波数成分を除去して血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１４０】
遅延器１１５は、発振器１１１からの信号を静脈３に流れる血液の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力する。また、位相検波増幅部１１９は、積分器１１８からの音波を遅延器１１５からの遅延信号に同期検波し、音圧に比例する電気信号を出力する。
【０１４１】
ここで、図４に第１の光、第２の光及び第３の光を照射される被検体の拡大概略図を示す。
【０１４２】
図４の第１の光及び第２の光を照射される被検体２の被照射部位７の血液部分９での血液の温度変化は、第３の光の被照射部位８での血液部分５の温度変化に対して被照射部位間距離２０に応じて被照射部位８の血液部分５の血液が被照射部位７の血液部分９まで流れる時間分の遅延時間差を有する。そのため、図２の成分濃度測定装置１０は、遅延器１１５が血液の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力し、位相検波増幅部１１９が遅延信号に同期して積分器１１８からの音波の振幅を検出することで積分器１１８からの音波の波形と遅延信号との波形の時間軸を一致させることができる。そのため、位相検波増幅部１１９において、積分器１１８からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができ、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１４３】
ここで、遅延器１１５は、図４の第１の光及び第２の光を照射される被検体２の被照射部位７と第３の光を照射される被検体２の被照射部位８との間の静脈３の長さである被照射部位間距離２０を静脈３に流れる血液の流速と図２の発振器１１１からの信号の周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内で発振器１１１からの信号を遅延させることが望ましい。図２の成分濃度測定装置１０は、遅延器１１５での遅延時間を、被照射部位間距離２０を静脈３に流れる血液の流速と図２の発振器１１１からの信号の周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内で発振器１１１からの信号を遅延させることにより、積分器１１８からの音波の波形と遅延信号の波形の時間を妥当な範囲内で一致させることができ、血液の成分濃度の測定精度を高精度に維持することができる。
【０１４４】
成分濃度算出部１２０は、位相検波増幅部１１９で検出したΔｓ１及びΔｓ２を記憶しておき、予め用意した前述の数式（８）から成分濃度を算出する。成分濃度測定装置１０は、第１の光源１０３及び第２の光源１０６を備え、光の強度を反転させて同時に出射するため、成分濃度算出部１２０において前述の測定原理に従って（Δｓ１−Δｓ２）÷Δｓ２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。
【０１４５】
次に、本実施形態に係る成分濃度測定装置１０の制御方法について図２、図３及び図４を参照して説明する。
【０１４６】
本実施形態に係る成分濃度測定装置１０の制御方法では、成分濃度測定装置１０の第１の光源１０３及び第２の光源１０６は、異なる２波長の光、即ち、第１の光の波長及び第２の光の波長を、前述の測定原理に従って被検体２の測定対象の成分及び水の吸光度特性から選定された波長λ１及び波長λ２とする。例えば、第１の光源１０３および第２の光源１０６の各々の波長は、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精度よく測定することができる。一方、各々の波長は、測定対象とする成分の呈する吸収の差が水の呈する吸収の差よりも大きい２波長の光の波長とすることとしてもよい。さらに、測定対象とする成分の呈する吸収の差がそれ以外の成分の呈する吸収の差よりも大きい２波長とすることとしてもよい。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良くすることができる。
【０１４７】
また、第１の光源１０３及び第２の光源１０６は、第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの２波長の光を１の光束に合波し水に照射して発生する音波の圧力が零になるように２波長の光の各々の相対的な強度を調整することが望ましい。異なる２波長の光を被検体に照射して発生する音波の圧力は、前述のように前記１波の光が被検体内に発生する測定対象の成分と水の混在した状態の全吸収に対応する音波の圧力と、他の１波の光が被検体内の大部分を占める水のみが発生する音波の圧力の差となって検出される。そのため、この差の値が零となるように異なる２波長の光の相対的な強度を校正すると成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１４８】
一方、第３の光源１１３からの光の波長は、被検体２の静脈３に流れる血液中のヘモグロビンの特徴的な吸収を呈する波長とすることが望ましい。成分濃度測定装置１０は、第３の光源１１３から出射する光の波長を血液中のヘモグロビンの特徴的な吸収を呈する波長とすることにより、血液の温度を効率的に変化させることができる。そのため、第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの光により血液で発生する音波について、図３の温度変化４２に基づく周波数で変化する変化量を大きくすることができ、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１４９】
そして、成分濃度測定装置１０は、音波検出手順として次の動作を行う。つまり、駆動回路１０２は、発振器１０１からの信号に基づいて変調信号を出力し、駆動回路１０５は、発振器１０１から１８０°移相回路１０４を介して出力される反転した信号に基づいて変調信号を出力する。第１の光源１０３及び第２の光源１０６は、波長λ１の第１の光及び波長λ２の第２の光を駆動回路１０２、１０５からの同一周波数で逆位相の信号により電気的に強度変調して合波部１０７を介して被検体２の静脈３に向けて出射する。また、駆動回路１１２は、発振器１１１からの信号に基づいて変調信号を出力する。第３の光源１１３は、他の光を駆動回路１１２からの信号により電気的に強度変調し、第１の光及び第２の光を照射される図４の静脈３の被照射部位７よりも静脈３に沿って上流側の静脈３に向けて反射鏡１１４を介して出射する。
【０１５０】
ここで、発振器１０１及び発振器１１１から出力する信号の周波数は、互いに１０倍以上異なることが望ましい。本実施形態の成分濃度測定装置１０の制御方法では、発振器１０１及び発振器１１１から出力する信号の周波数を互いに１０倍以上異なったものとすることにより、音波の大きさを測定する際に第１の光及び第２の光により発生する音波から発振器１１１からの信号の周波数の周波数成分を十分に分離させることができる。従って、本発明では、血液の成分濃度の測定精度を高精度に維持することができる。
【０１５１】
また、駆動回路１０２、１０５は、第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの２波長の光により発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することが望ましい。異なる２波長の光の各々を電気的に強度変調する変調周波数を、被検体２内に発生する音波の検出に関わる共鳴周波数と同一の周波数で変調することにより、音波検出部１１６は、音波の測定値における吸収係数に関わる非線形性に配慮して選択された異なる２波長の光に対する音波を測定し、これらの測定値から、一定に保ち難い多数のパラメータの影響を排除して、高精度に被検体２内に発生する音波を検出することができる。
【０１５２】
また、第１の光源１０３及び第２の光源１０６は、図４に示すように、出射する光の光束の直径２２を静脈３に流れる血液の流速を図２の発振器１１１からの信号の周波数で除算した値の半分以下の値とすることが望ましい。図４の静脈３に流れる血液の静脈３に沿った温度変化４１の拡がり２１は、静脈３に流れる血液の流速を発振器１１１からの信号の周波数で除算した値となる。そのため、第１の光源１０３及び第２の光源１０６から出射する光の光束の直径２２を温度変化４１の拡がり２１の半分以下の値とすることで、光束の直径２２内における血液の静脈３の流れ４方向に沿った温度変化４１を１／２周期以下にできる。そのため、図２の第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの光により発生する音波の大きさが図４の光束の直径２２分の血液の温度変化で平均化される割合を小さくすることができる。従って、本実施形態の成分濃度測定装置１０の制御方法では、第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの光により血液で発生する音波について、図３の温度変化４２に基づく周波数で変化する変化量を大きくすることができ、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１５３】
音波検出部１１６は、第１の光及び第２の光により被検体２で発生する音波を検出する。
【０１５４】
本実施形態の成分濃度測定装置１０の制御方法では、図２の第３の光源１１３からの光を第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの光を照射される図４の被検体２の被照射部位７に対して静脈３の上流側の静脈３に照射することにより、第１の光及び第２の光による被照射部位７と第３の光による被照射部位８との位置を互いに離す。これにより、図２の第３の光源１１３からの第３の光は、図４の被照射部位８における血液部分５の温度のみを変化させることができる。被照射部位８における血液部分５は静脈３の流れ４に従って下流側に流れるため、結果として、成分濃度測定装置１０の制御方法では、第３の光を出射することにより、第１の光および第２の光の被照射部位７の非血液部分の温度に影響を与えることなく血液部分９の温度のみを間接的に変化させることができる。そのため、第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの第１の光及び第２の光により第１の光及び第２の光による被照射部位７における血液部分９で発生する音波のみを血液部分９の温度変化に応じて変化させることができ、第１の光源１０３及び第２の光源１０６からの光により被検体２で発生する音波について非血液部分で発生する音波の影響を小さくすることができる。従って、血液の成分濃度を非侵襲で正確に測定することができる。
【０１５５】
成分濃度Ｍを算出するため、本実施形態の成分濃度測定装置１０の制御方法では、上記音波検出手順において、以下の第１同期検波手順を行う。つまり、図２の音波検出部１１６は、被検体２で発生する図３の音波の総和４５を検出し、音波の振幅に比例した電気信号を出力する。そして、位相検波増幅部１１７は、音波検出部１１６からの電気信号を発振器１０１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。このようにして、音波検出部１１６及び位相検波増幅部１１７は、音波の大きさを測定する。成分濃度測定装置１０の制御方法では、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により、音波検出部１１６からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができる。そのため、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１５６】
また、本実施形態の成分濃度測定装置１０の制御方法では、上記第１同期検波手順において、以下の積分手順を行う。つまり、積分器１１８は、位相検波増幅部１１７からの音波を積分して駆動回路１１２からの信号の周波数の周波数成分を取り出して出力する。成分濃度測定装置１０の制御方法では、位相検波増幅部１１７で熱雑音が除去された音波から積分器１１８で駆動回路１１２からの信号の周波数の周波数成分を取り出すことにより、取り出した音波の振幅を第１又は第２の光により発生する音波の大きさとして検出することができる。つまり、前述したように図３で説明した音波の総和４５のうち波形の極大値の包絡線を取り出すことでΔｓ１を検出でき、極小値の包絡線を取り出すことでΔｓ２を検出できる。従って、位相検波増幅部１１７で熱雑音が除去された音波のうち駆動回路１１２からの信号の周波数と同一の周波数成分を除去して血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１５７】
また、本実施形態の成分濃度測定装置１０の制御方法では、さらに以下の第２同期検波手順を行う。つまり、遅延器１１５は、発振器１１１からの信号を静脈３に流れる血液の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力する。そして、位相検波増幅部１１９は、積分器１１８からの音波を遅延器１１５からの遅延信号に同期検波し、音圧に比例する電気信号を出力する。図４の第１の光及び第２の光を照射される被検体２の被照射部位７の血液部分９での血液の温度変化は、第３の光の被照射部位８での血液部分５の温度変化に対して被照射部位間距離２０に応じて被照射部位８での血液部分５の血液が被照射部位７の血液部分９まで流れる時間分の遅延時間差を有する。そのため、成分濃度測定装置１０の制御方法では、遅延器１１５が血液の流速に基づいて遅延させた遅延信号を出力し、位相検波増幅部１１９が遅延信号に同期して積分器１１８からの音波の振幅を検出することで積分器１１８からの音波の波形と遅延信号との波形の時間軸を一致させることができる。そのため、位相検波増幅部１１９において、積分器１１８からの音波から熱雑音を除去して高感度に音波の振幅を検出することができ、血液の成分濃度の測定精度を向上させることができる。
【０１５８】
ここで、遅延器１１５は、図４の第１の光及び第２の光を照射される被検体２の被照射部位７と第３の光を照射される被検体２の被照射部位８との間の静脈３の長さである被照射部位間距離２０を静脈３に流れる血液の流速と図２の発振器１１１からの信号の周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内で発振器１１１からの信号を遅延させることが望ましい。図２の成分濃度測定装置１０は、遅延器１１５での遅延時間を、被照射部位間距離２０を静脈３に流れる血液の流速と図２の発振器１１１からの信号の周波数との乗算値で除算した値のｎπ倍から±π／４の範囲内で発振器１１１からの信号を遅延させることにより、積分器１１８からの音波の波形と遅延信号の波形の時間を妥当な範囲内で一致させることができ、血液の成分濃度の測定精度を高精度に維持することができる。
【０１５９】
成分濃度算出部１２０は、位相検波増幅部１１９で検出したΔｓ１及びΔｓ２を記憶しておき、予め用意した前述の数式（８）から成分濃度を算出する。成分濃度測定装置１０の制御方法は、第１の光源１０３及び第２の光源１０６を備え、光の強度を反転させて同時に出射するため、成分濃度算出部１２０において前述の測定原理に従って（Δｓ１−Δｓ２）÷Δｓ２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。
【産業上の利用可能性】
【０１６０】
本発明の成分濃度測定装置および成分濃度測定装置制御方法は、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。さらに、液体中の成分濃度を測定する分野、例えば流動性の食品の糖度測定にも適用することができる。この場合、流動性の食品をガラス管等の光透過性管に流すこととして、糖度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１６１】
【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】１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３】第１の光及び第２の光により被検体で発生する音波の概略を示した図である。
【図４】第１の光、第２の光及び第３の光を照射される被検体の拡大概略図である。
【図５】光音響法による従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示す図である。
【図６】光音響法による従来の血液成分濃度測定装置の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【０１６２】
２：被検体
３：静脈
４：流れ
５：血液部分
７：被照射部位
８：被照射部位
９：血液部分
１０：成分濃度測定装置
２０：被照射部位間距離
２１：拡がり
２２：光束の直径
３１：周期
４１：温度変化
４２：第３の光による温度変化
４３：第１の光により発生する音波
４４：第２の光により発生する音波
４５：音波の総和
１０１：発振器
１０２：駆動回路
１０３：第１の光源
１０４：１８０°移相回路
１０５：駆動回路
１０６：第２の光源
１０７：合波部
１１１：発振器
１１２：駆動回路
１１３：第３の光源
１１４：反射鏡
１１５：遅延器
１１６：音波検出部
１１７：位相検波増幅部
１１８：積分器
１１９：位相検波増幅部
１２０：成分濃度算出部
６０１：第１の光源
６０４：駆動回路
６０５：第２の光源
６０８：駆動回路
６０９：合波部
６１０：被検体
６１３：超音波検出器
６１６：パルス光源
６１７：チョッパ板
６１８：モータ
６１９：音響センサ
６２０：波形観測器
６２１：周波数解析器
【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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