(57)【要約】      （修正有）【課題】小型でかつ高感度な光音響分光装置を提供すること。【解決手段】被検体に励起用レーザー光を出射する励起用レーザー光源３と、被検体にレーザー光を出射することで発生する音響波が伝搬する縦共振器２と、縦共振器に、測定用レーザー光を出射する測定用レーザー光源４と、縦共振器の共振周波数と一致させるように、励起用レーザー光の出射及び停止の周期を制御する励起レーザー制御部と、縦共振器から出射した測定用レーザー光を受光して、音響波を検出する受光器５とを備える。【選択図】図１
2013074995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検体に励起用レーザー光を出射して、被検体で発生した光音響波を検出する光音響分光装置であって、
被検体に、励起用レーザー光を出射する励起用レーザー光源と、
前記被検体に前記励起用レーザー光を出射されことで発生する音響波が伝搬する縦共振器と、
前記縦共振器に、測定用レーザー光を出射する測定用レーザー光源と、
前記縦共振器の共振周波数と一致させるように、励起用レーザー光の出射及び停止の周期を制御する励起レーザー制御部と、
前記縦共振器から出射した測定用レーザー光を受光して、前記音響波を検出する受光器と、
を備える光音響分光装置。
【請求項２】
前記縦共振器の材料は、７０ｋｇ／ｍ３以上３００ｋｇ／ｍ３以下の密度を有し、かつ、その内部を伝搬する音の速度が３０ｍ／ｓ以上３００ｍ／ｓ以下である、
請求項１に記載の光音響分光装置。
【請求項３】
前記測定用レーザー光源と前記縦共振器との間、及び前記縦共振器と前記受光器との間に、ハーフミラーが配置されており、前記縦共振器と接続されている、
請求項１に記載の光音響分光装置。
【請求項４】
前記測定用レーザー光源は、前記縦共振器における、前記測定用レーザー光が入射する面及び出射する面以外の面上を伝搬するように、前記測定用レーザー光を出射する、
請求項１に記載の光音響分光装置。
【請求項５】
さらに、前記測定用レーザー光が伝搬する方向における前記光干渉器の位置を調整するアクチュエータを具備する、
請求項１に記載の光音響分光装置。
【請求項６】
前記アクチュエータは、ピエゾアクチュエータである、
請求項５に記載の光音響分光装置。
【請求項７】
被検体に励起用レーザー光を出射して、被検体で発生した光音響波を検出する光音響分光装置を制御する方法であって、
前記光音響分光装置は、
被検体に、励起用レーザー光を出射する励起用レーザー光源と、
前記被検体に前記励起用レーザー光を出射されことで発生する音響波が伝搬する縦共振器と、
前記縦共振器に、測定用レーザー光を出射する測定用レーザー光源と、
前記縦共振器から出射した測定用レーザー光を受光して、前記音響波を検出する受光器とを備え、
前記縦共振器の共振周波数と一致させるように、励起用レーザー光の出射及び停止の周期を制御する、
光音響分光装置を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内部の血液成分などをＩｎ  ｖｉｖｏ状態で計測するための開放型光音響セルを有する光音響分光装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々な医療分野において、非侵襲かつ非観血で、簡便に生体機能を検査又は診断する手法の確立が望まれている。
【０００３】
例えば、動脈硬化などの重大な合併症の発生を伴う糖尿病の検査又は診断するためである。糖尿病の患者数は、国内で７００万人を越えている。また、糖尿病予備軍も９００万人程度と予想されている。
【０００４】
糖尿病患者に対する日常の臨床管理及び予備軍の予防医療を行うためには、糖尿病患者又は予備軍の自らが、Ｉｎ  ｖｉｖｏで、かつ、簡便に血糖値を測定できるシステムが必要である。ここで、「Ｉｎ  ｖｉｖｏ」とは、生体内を意味する。
【０００５】
この要求に対して、多くの種類の血糖値センサをはじめとする簡易検査型生体センサの開発が進められている。それらの１手法として、光音響分光法を利用した生体センサがある。
光音響分光法は固体試料などの微量化学分析に主に用いられる手法として知られている。
【０００６】
特許文献１には、光音響分光法を用いて、血液中のグルコースの非侵襲測定装置（血糖値センサ）が開示されている。
【０００７】
図９は、特許文献１に開示された光音響型血糖値センサの概略構成図である。以下、図９を用いて、基本的な光音響分光の原理と、特許文献１に開示された血糖値センサの特徴とを説明する。
【０００８】
図９に示す光音響型血糖値センサ９１は、被検体１１（生体組織）の血糖値を測定する。
【０００９】
光音響型血糖値センサ９１は、図示していない光源から出射された励起光９８を伝達する伝達装置９６と、励起光９８を生体内に照射するウィンドウ９５を備える。伝達装置９６およびウィンドウ９５を介して、生体内に照射された励起光９８は、被検体１１である生体組織の内部に、ある程度の深さ（最大数ミリ程度）まで進入し、生体組織で吸収される。
【００１０】
例えば、特許文献１における光音響型血糖センサは、１５２０ｎｍ〜１８５０ｎｍ又は２０５０ｎｍ〜２３４０ｎｍの波長を有する励起光９８を用いて血糖値を計測している。励起光９８の周波数帯は、血液中のグルコースの吸収帯に相当する。
【００１１】
血液中のグルコースによって励起光９８が吸収されることによって、血液あるいはそれらの周辺組織の温度が上昇する。その結果、組織の拡張が発生する。
【００１２】
励起光９８が吸収されなくなった場合、熱の拡散効果により、血液あるいはそれらの周辺組織の温度がただちに低下する。よって、周期的かつ断続的に、励起光９８を生体組織に照射することより、生体組織に励起光９８の明滅周期に同期した伸縮を発生させることができる。すなわち励起光９８の光吸収部１２が伸縮することによって弾性波３０を発生さる。この弾性波は生体内部を伝搬して体表に達し、音波を外部へ放射する。光の吸収効果のよって発生した弾性波（音波）を光音響波と呼び、その振幅は光吸収部１２における吸収度に比例する。
【００１３】
光音響型血糖値センサ９１は音響計測機能として測定用セル９３、参照用セル９４、差動マイクロフォン９２、および各セルと差動マイクロフォン９２を音響的に結合させるための伝送管９７−１、９７−２を備えている。測定用セル９３は励起光９８の通過体を兼ねており、音源である光吸収部１２の正面に位置する。また、参照用セル９４は、光吸収部１２から一定の距離をおいて配置されている。吸収部で発生した弾性波３０により測定用セル９３には微弱な音波が放射され、伝送管９７−１を介して差動マイクロフォン９２の一方の音響セルに音圧がかかる。しかしながら、体内で発生する光音響波は極めて微弱であって、体動や心臓の鼓動などに起因する周囲雑音にほとんどマスキングされて、そのままでは測定することが極めて困難である。参照用セル９４はこれらの雑音をキャンセルするためのものある。すなわち、光音響波によって発生する音圧は微弱であるため参照用せる９４にはほとんど到達しないが、周囲雑音は測定用セル９３と参照用セル９４に同相でかつ、同レベルの信号が進入するとすれば、差動マイクロフォン９２によって同相成分である周囲雑音がキャンセルされ、差動成分である光音響波の成分が検出される。光音響波が微弱な理由は、生体に放射できる光強度が安全面から規制されている。具体的には、米国ＦＤＡ基準によれば１０数ミリＷ以下の低パワーであることと、グルコースの光吸収の絶対量が少ないことがあげられる。
【００１４】
光音響波の測定感度を向上させる従来の取り組みとしては非特許文献１（和田森ら、電子情報通信学会技術報告ＭＢＥ２００３−６１）に開示された音響的共振器を持つ光音響分光器がある。図１０は、非特許文献１に開示された光音響分光器の概略図である。図１０において共鳴セル１０２は回転楕円型と呼ばれるもので、長楕円を長軸方向に回転させた形状において、楕円の一方の焦点１０５にマイクロフォン１０１を配置し、他方の焦点１０５が光の光吸収部１２になるように設計されている。非特許文献１によれば、共鳴セルの共振時のＱ値は５６であり、電気系の処理を含めたシステム全体として約５０ｄＢのＳ／Ｎを実現している。
【００１５】
図１１は、図１０の共鳴セル有する光音響分光器を使用した、７５ｇ経口糖深試験の結果であり、横軸は経口による糖の投入からの時間（分）を示している。左縦軸は比較のために他の簡易型血糖センサを２種類を用いて計測された血糖値である。２種類の血糖値センサは値および時間変化ともに良好な相関を示している。
【００１６】
図１１の右縦軸は、共鳴セル方光音響分光器の分光出力であり、他の簡易型血糖センサと比較的良い相関を示している。非特許文献１によれば、２種類の他の簡易型血糖センサと光音響分光器による計測結果の相関はＲ２＝０．８８であり、光音響分光器による血糖値モニタリングの可能性を示している。
【００１７】
計測に使用した光は、キセノン光から分光された８３０ｎｍの光であり、図１０の光ファイバーを介して光吸収部１２に照射され、光音響波を発生させている。また、励起光の変調周波数は、１３６０Ｈｚに設定されている。この周波数は脈拍などによる生体内部からの雑音や、周囲の機械装置などの影響を受けにくいとともに、光音響の計測深度が変調周波数によって変化することも考慮して決定される。非特許文献１によれは、計測深度、すなわち光吸収部１２の中心は体表から４ｍｍに設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開平１１−２３５３３１号公報
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】和田森他、電子情報通信学会技術報告  ＭＢＥ２００３−６１  Ｐ３１−３５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
特許文献１及び非特許文献１における光音響波の測定には、マイクロフォンが用いられている。従来技術において、感度を向上させるために、コンデンサマイクロフォンが利用される場合が多い。しかし、マイクロフォンは、周波数帯域の上限である共振周波数以下で感度特性が平坦であるので、低周波の雑音を計測する。
【００２１】
特許文献１に開示されているマイクロフォンは、差動動作により、低周波領域を含む同相雑音を抑制する。マイクロフォンの位置および感度は完全に一致させることが出来ない。光音響波は一般的に周囲雑音よりも５０ｄＢ程度低レベルであることから、差動動作のみの雑音抑制効果は限定的なものになると予想される。
【００２２】
非特許文献１のように共鳴セルによる光音響波の増幅効果は大きいが、１ｋＨｚ程度の共鳴セルの寸法は１５０ｍｍ程度になって簡易型としてはかなり大きい。また、固体振動を用いない純音響的共鳴セルであるため、生体との接触点の状態が音響共鳴の境界条件に大きく影響して、共鳴状態の安定化が困難である。非特許文献１によれば、図１１のデータに関しても再現性の問題があるとの記述がある。
【００２３】
本願発明は、上記の課題を解決するものであって、小形であり、脈拍などに起因する周囲雑音又はその他の外乱に対して耐性が高く、かつ高感度に光音響波を計測できる光音響分光器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】
【００２４】
前記課題を解決するために、本発明の第１の態様の光音響分光器は、被検体に励起用レーザー光を出射して、被検体で発生した光音響波を検出する光音響分光装置であって、被検体に、励起用レーザー光を出射する励起用レーザー光源と、前記被検体に前記レーザー光を出射することで発生する音響波が伝搬する縦共振器と、前記縦共振器に、測定用レーザー光を出射する測定用レーザー光源と、前記縦共振器の共振周波数と一致させるように、励起用レーザー光の出射及び停止の周期を制御する励起レーザー制御部と、前記縦共振器から出射した測定用レーザー光を受光して、前記音響波を検出する受光器とを備える。
【００２５】
本発明のその他の態様の光音響分光器は、シリカナノ多孔体であるナノフォーム材料によって構成された縦振動共振器と、前記縦共振器２の一部を含む光干渉器と、生体内に光音響波を励起するための励起用レーザーおよび関連駆動回路を具備し、前記縦共振器２は、被検体内部で発生する光音響波を取り込み、縦振動モードで共振動作し、所定の振動の節の位置にひずみを発生し、前記光干渉器は、前記縦共振器２の節の位置を含み、前記の発生したひずみに伴う音圧を高精度に計測する光音響分光器であり、前記光干渉器は、圧電素子による動作点の調整機構を含み、ファブリペロー光共振器を構成する。本願発明の実施形態２の光音響分光器は、前記光干渉器として圧電素子による動作点の調整機構を含み自己混合型レーザーによるホモダイン干渉器を構成する。
【発明の効果】
【００２６】
外乱に対して耐性がたかく、小形でかつ高感度に光音響波の検出を行う光音響分光器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１の基本構成図。
【図２Ａ】本発明の実施形態１の基本構成の断面図。
【図２Ｂ】本発明の実施形態１の基本構成の断面図。
【図３】本発明の実施形態１における光音響分光器の動作の説明図。
【図４】ナノフォーム共振器の周波数応答の説明図。
【図５】ナノフォーム共振器の振動モードの説明図。
【図６】本発明の実施形態１における光共振器の基本動作の説明図。
【図７】本発明の実施形態１における信号取得の流れを示す説明図。
【図８】本発明の実施形態２における光干渉計の概略構成図。
【図９】特許文献１の従来の光音響分光器の概略構成図。
【図１０】非特許文献１の従来の光音響分光器の概略構成図。
【図１１】図１０の従来の光音響分光器を用いた血糖値モニタリングの実験結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しながら、本発明の光音響分光器の実施形態を説明する。
（実施形態１）
本発明の第１の実施形態における光音響分光器１の構成を説明する。図１は、本発明における光音響分光器１の基本構成を示す概略図である。
【００２９】
図１に示す光音響分光器１は、縦共振器２と、励起用レーザー光源３と、計測用レーザー光源４と、受光器５と、レーザー出射光を兼ねた音孔７を含む底板６と、ピエゾアクチュエータ８とを具備している。
【００３０】
図２Ａ及び図２Ｂは、図１に示す光音響分光器１の詳細な断面図である。図２Ａは図１におけるＡＡ’線における断面図である。具体的には、励起用レーザー光源３縦共振器２の短軸方向断面図である。図２Ｂは、図１におけるＢＢ’線における断面図である。具体的には、縦共振器２短軸方向中央の長軸方向断面図である。
【００３１】
図２Ａにおいて、ハーフミラー２０と、２１は共振器カバー２１と、計測用レーザ光源４を保持するレーザーホルダー２２と、光学窓２３とを備える。
【００３２】
図１及び図２に示すように、縦共振器２は励起用レーザー光９と密着し、かつ縦共振器２のホルダを兼ねる光学窓２３と接合して共振器カバー２１内に保持される。
【００３３】
励起用レーザー光源３は、縦共振器２に向けて、励起用レーザー光９を出射する。
光学窓２３は、励起用レーザー光源３及び縦共振器２の間に配置されている。励起用レーザー光９は、光学窓２３を通過して、縦共振器２に入射する。
【００３４】
底板６と光学窓２３との間に、縦共振器２が配置されている。縦共振器２を挟んで、底板６に設けられた音孔７と光学窓２３とが対向する位置に配置されている。
【００３５】
縦共振器２に入射した励起用レーザー光９は、底板６に設けられた音孔７を通過して、被検体１１に出射される。
【００３６】
計測用レーザー光源４は、底板６とレーザーホルダー２２によって保持される。計測用レーザー光源４は、縦共振器２に向かって、計測用レーザー光１０を出射する。計測用レーザー光１０を出射する方向は、縦共振器２を励起用レーザー光９が伝搬する方向と交差する角度を有することが好ましい。
【００３７】
ハーフミラー２０―１及びハーフミラー２０―２は、縦共振器２を挟んで対向する位置に配置されている。ハーフミラー２０―１は、計測用レーザー光源４と縦共振器２との間に配置されている。
【００３８】
縦共振器２に接続されている共振器カバー２１の一部に設けられたハーフミラー２０―１および２０−２によって、ファブリペロー型光共振器が構成されている。
【００３９】
すなわち、計測用レーザー光源４から第１のハーフミラー２０−１に向けて出射された計測用レーザー光１０−１は、第１のハーフミラー２０−１を通過し、縦共振器２を横断する。縦共振器２を横断した後に出射した計測用レーザー光１０−１は、第２のハーフミラー２０−２によって一部が反射され、第１のハーフミラー２０−１方向へ伝搬する。第１のハーフミラー１０−１に達すると、その一部が反射され第２のハーフミラー２０−２方向へ向かう。このプロセスの繰り返しによって往復する計測用レーザー光１０−２が形成される。
【００４０】
受光器５は、ハーフミラー２０−２を通過した計測用レーザー光１０−３を受光し、その強度に応じた電気信号に変換する。
【００４１】
ハーフミラー２０−２は、受光器５およびピエゾアクチュエータ８と一体化して接続されても良い。このとき、ハーフミラー２０−２は、計測用レーザー光１０の数波長程度の移動ができる程度に、共振器カバー２１と結合することが好ましい。例えば、ピエゾアクチュエータ８が、計測用レーザー光１０の伝搬方向に伸縮することにより、ピエゾアクチュエータ８と接続されているハーフミラー２０−２は、伸縮に応じて移動することができる。
【００４２】
図２の上下の方向を縦方向と呼び、左右方向を縦共振器２の短軸方向と呼び、紙面に対して垂直な方向を縦共振器２の長軸方向と呼ぶ。
【００４３】
励起用レーザー光源３および音孔７は、縦共振器２の中央部に縦方向に配置される。計測用レーザー光源４、ハーフミラー２０、受光器５ならびにピエゾアクチュエータ８は縦共振器２の中央部に短軸方向に並んで配置されている。図２Ｂに示すように、縦共振器２の伸縮方向２８は長軸方向に沿う。
【００４４】
図２Ａに示すように、実施形態１の光音響分光器１は、励起用レーザー光源３が出射する励起用レーザー光９を制御する励起レーザー駆動回路２４と、計測用レーザー光源４が出射する計測用レーザー光１０を制御する計測用レーザー駆動回路２５と、ロックインアンプ２６と、ピエゾアクチュエータ８の駆動を制御するピエゾ駆動回路２７とを備えている。
【００４５】
縦共振器２の材料は、シリカ乾燥ゲルが好ましい。シリカ乾燥ゲルは、密度が７０〜２８０ｋｇ／ｍ３と小さく、また音速も５０〜１５０ｍ／ｓと空気中の音速３４０ｍ／ｓよりも小さい。以下、シリカ乾燥ゲルをナノフォーム材料とも表記する。
【００４６】
＜動作＞
図３（ａ）−（ｄ）を用いて、光音響分光器１の動作を説明する。図３（ａ）−（ｄ）は、本発明の実施形態１における励起用レーザー光９と光音響波３０および縦共振器２の時間的な動作の関係を示した図である。
【００４７】
図３（ａ）は、被検体１１に対する励起用レーザー光９の照射を開始した直後の状態を示している。すなわち、光の光吸収部１２−１の吸収量は小さく（図１２の丸の大きさは熱拡張の大きさを示す）、熱の発生および周辺組織の拡張の程度も小さいので光音響波３０−１の振幅も小さい。
【００４８】
図３（ｂ）は、図３（ａ）の状態から励起用レーザー光９の照射が継続された状態を示している。励起用レーザー光９を吸収することにより、光吸収部１２−２の熱拡張が進展している。光音響波３０−２の振幅が大きくなり、音孔７を介して、縦共振器２に伝達する。その結果、縦共振器２の伸縮方向２８−１に縦振動が励振される。ここで、伸縮方向２８−１の矢印の大きさは、振幅の大きさを示している。
【００４９】
図３（ｃ）は、励起用レーザー光９の照射を終了する直前の状態を示している。光吸収部１２−３の熱拡張は最大になり、光音響波３０−３の振幅が最大になる。このとき縦共振器２の振動振幅もほぼ最大になる。図３（ｃ）に示すように、図３（ｂ）と比較して、縦共振器２の振幅が大きくなる。
【００５０】
図３（ｄ）は、励起用レーザー光９の照射を停止した後の状態を示している。光吸収部１２に、励起用レーザー光９が照射されなくなるので、熱発生がなくなる。その結果、熱拡散により光吸収部１２の温度が低下する。図３（ａ）から（ｃ）の拡張状態から、収縮状態へ変化する。
【００５１】
したがって、光音響波３０−４の振幅も低下し、縦共振器２の振幅も減少していく。
【００５２】
光吸収部１２の輪郭を点線で示しているのは、収縮状態を表している。また、光音響波３０−３および縦共振器２の伸縮方向２８−３が点線で示してあるのは、振幅が減少する方向であることを示す。
【００５３】
図３に示す通り、励起用レーザー光９の照射のオン・オフにより光音響波３０の状態が変化する。光音響分光の原理にそって、計測用レーザー駆動回路２５により、励起用レーザー光９を周期的にオン・オフさせることにより、このオン・オフの周期に同期して光音響波３０が発生し、縦共振器２に駆動力となる。
【００５４】
ここで、縦共振器２の縦共振周波数と励起用レーザー光９のオン・オフ周期を一致させれば、縦共振器２の機械的Ｑ値に対応して、振動振幅を増幅することができ光音響波の検出感度が大きく向上する。励起レーザー駆動回路２４は、縦共振器２の共振周波数とを一致させるように、励起用レーザー光９のオン・オフ周期を制御する。具体的には、励起用レーザー光９を出射する時間と出射しない時間との周期が、縦共振器２の共振周波数と一致するようにする。励起レーザー駆動回路２４は、「励起レーザー制御部」とも表記する。
【００５５】
（実施例）
発明者らは独自にナノフォーム共振器についての数値計算及び評価実験を実施した。
【００５６】
図４は、縦共振器２の材料に、密度０．１ｇ／ｃｃ、縦波音速５０ｍ／ｓを有するナノフォーム材料を使用した時の周波数応答の検討結果を示す図である。
【００５７】
図４（ａ）は、有限要素法を用いた縦共振器２の周波数特性を示す。図４（ｂ）は、共振器の周波数特性の実験結果を示す。図４（ｃ）は、縦共振器２の形状と振動モードの１例を示す。
【００５８】
縦共振器２の寸法は３０ｘ１８ｘ５ｍｍである。図４（ａ）及び図４（ｂ）の横軸は対数表示の周波数である。図４（ａ）及び図４（ｂ）の縦軸は、発生ひずみから計算された屈折率変化による光路長変化量であり、対数で表示している。
【００５９】
発生ひずみは図４（ｃ）のＣＣ‘方向（計測軸）、すなわち短軸方向中心における長軸方向ひずみであり、光路長変化は長軸方向の積分値である。評価実験においては、ヘテロダイン型マッハゼンダ干渉系に縦共振器２を組み込んで光路長変化を計測した。図４（ａ）及び図４（ｂ）を見ると、７９０Ｈｚ付近に第１の共振があり、１．４ｋＨｚ付近に第２の共振が観察され、解析と実測のほぼ一致している。第１の共振は長軸（３０ｍｍ）方向の１／２波長縦共振であり、第２の共振は短軸（１８ｍｍ）方向の１／２波長縦共振モードである。振幅拡大率は、計算値３０ｄＢを確保し、実験値でも２０ｄＢ以上を確保している。
【００６０】
図３（ｃ）の振動モードは短軸方向の１／２波長縦共振であり、計測軸ＣＣ’に沿って変位の小さい、振動の節が発生し、短軸方向端面に変位の大きい、振動の腹が発生している。これらの結果からナノフォーム材料で、光音響分光に好適な数ｋＨｚ帯における低周波共振器が実現できることがわかる。
【００６１】
次に、図５を用いて、縦共振器２の振動姿態と外乱の影響を説明する。図５（ａ）は、縦共振器２の長軸方向の縦振動を示し、伸縮方向２８−５方向にそって変位が発生する。縦共振器２が長軸方向に１／２波長の縦振動モード共振する場合には、図４（ｃ）の場合にみられるように、中心方向に一様に振動の節ができて発生ひずみが最大となる。
【００６２】
この場合には、計測用レーザー光１０は図５（ａ）に示されるように、長軸に直交する方向であれば、短軸方向でも、縦方向でも同様に計測することができる。前述したように励起用レーザー光９のオン・オフ周波数と縦共振器２の共振周波数が一致した状態あれば、被検体から発生する光音響波３０によって、図５（ａ）に示す縦モード共振が励振される。また、被検体の動きなどの低周波の外乱が伸縮方向２８方向に加わった場合は、縦共振器２は剛体として並進運動するのみであるので、計測用レーザー光１０との位置関係が保たれる限りにおいて影響を受けない。
【００６３】
図５（ｂ）及び図５（ｃ）は被検体の動きなどの低周波の外乱によって誘発されるたわみ変形５４を示している。図５（ｂ）は、計測用レーザー光１０と直交する方向にたわみ変形が誘発された場合を示している。５１はたわみ変形の場合に発生する中性面を示している。たわみ変形における中性面においては、縦共振器２の長軸方向長さは変化しなしいため、計測用レーザー光１０が中性面を通るように配置する構成にすることによって、図５（ｂ）のたわみ変形の影響をキャンセルすることができる。
【００６４】
また、図５（ｃ）は、計測用レーザー光１０と同方向にたわみ変形５４が誘発された場合を示している。圧縮歪部５２及び伸張歪部５３は、それぞれ中性面５１を挟んで発生する。中性面５１は、縦共振器２のいずれかの面に該当する。例えば、計測用レーザー光１０の伝搬方向と平行な面上等である。具体的には、縦共振器２の面のうち、測定用レーザー光１０が入射する面及び出射する面以外の面である。
【００６５】
計測用レーザー光１０は、圧縮歪部５２及び伸張歪部５３により変化している部分を通過し、それぞれの変形にともなう屈折率変化の影響を受ける。
【００６６】
圧縮歪部５２および伸張歪部５３に関してはその歪の絶対値は等しく、符号が異なるものであることから、互いに打消し、結果として計測用レーザー光１０には検出されない。したがって、縦共振器２は、被検体の動きなどの低周波の外乱に対しては感度が低く、励起用レーザー光９のオン・オフ周波数に同期した光音響波に関して高感度となる。
【００６７】
本発明の実施形態１においては、縦共振器２に発生した振動による屈折率変化は、ハーフミラー２０−１および２０−２によって構成されるファブリペロー型光共振器によって光強度として変調されとして受光器５によって電気信号に変換される。以下、図６を用いて、ナノフォーム材料を用いたファブリペロー光共振器の特性について説明する。
【００６８】
図６（ａ）において、横軸は縦共振器２の振動の結果として発生する屈折率変化を示し、縦軸はハーフミラー２０−１への計測用レーザーからの入射する計測用レーザー光１０−１とハーフミラー２０−１から受光器５へ出力される出力計測用レーザー光１０−３との光強度の比の数値計算結果を示している。ナノフォーム材料では、光が減衰するため光の減衰率を５０ｄＢ／ｍと１３０ｄＢ／ｍを考慮して計算を行った。なお、計測用レーザー光としては、Ｈｅ−Ｎｅレーザー（波長６３２．８ｎｍ）、ナノフォーム材料の厚みは５ｍｍである。
【００６９】
図６（ａ）に示されるように、光の減衰効果のための、消光比が低下するが１３０ｄＢ／ｍの減衰が存在する場合においても、屈折率の変化に対して振幅が充分変調されることが確認される。図６（ｂ）は、ナノフォーム材料をファブリペロー光共振器に組み込んで、適当な受光器で光変調を計測した結果を示しており、横軸はナノフォーム材料へ入力した音圧値、縦軸は受光器で観測された光変調強度の出力結果（受光器の出力電圧値）を示している。ナノフォーム材料を非共振状態で計測した結果である。
【００７０】
使用したナノフォームは、縦波音速５０ｍ／ｓ、密度０．１１ｇ／ｃｃを有し、Ｈｅ−Ｎｅレーザー光に対する減衰は１３０ｄＢ／ｍである。受光器５のノイズレベルまでの測定が可能であるため、最低感度は７４ｄＢＳＰＬであった。ナノフォーム材料を縦振動モードで計測すれば、３０ｄＢ程度の感度向上が達成できる。
【００７１】
次に、図７を用いて、信号取得の流れを説明する。図７（ａ）において、７１は図２（ａ）の励起レーザー駆動回路２４から励起用レーザー光源３に印加される励起信号を示している。励起信号７１によって励起レーザー９が被検体１１へ照射されると、光吸収部１２において光音響波３０が発生する。
【００７２】
図７（ｂ）の光音響信号７２は、光音響波の音圧レベルの時間変化である光音響信号である。図７（ｂ）に示す光音響信号７２は、レーザーによる励起が充分行われて定常的になった状態を示している。
【００７３】
光音響信号７２は、レーザー立下り時間７３で概ね最大音圧となり、レーザー立ち上がり時間７４で最小音圧となる。光音響信号の一部は音孔７から共振器カバー２１に侵入し、縦共振器２を励振するが、レーザー励起信号７１の周期Ｔは縦共振器２の共振周波数における周期と一致しているため、縦共振器２には、縦振動モードの共振振動が励起される。
【００７４】
図７（ｃ）を用いて、光変調信号７８と光変調信号７８との関係を説明する。光変調信号７８は、光音響信号７２が縦共振器２に縦振動モードを励起した結果として計測用レーザー光１０に与えられる屈折率変化に対応する。
【００７５】
図７（ｃ）は、図６（ａ）を表記し直した図である。図７（ｃ）の横軸は屈折率変化に対応する光路長変化であり、図７（ｃ）の縦軸は、図６（ａ）と同じく光出力強度の入出力比である。ただし、入力は一定値であるので実質的に出力光強度を示す。
【００７６】
まず、図７（ｃ）のファブリペロー光共振器の出力曲線において、光路長変化に対する出力が線形に変化すると近似できる範囲を計測動作範囲７６とする。
【００７７】
図７（ｃ）では、上限を７６−１、下限を７６−２としている。この範囲の中央付近に動作点７７を計測前のキャリブレーションとして設定し、ピエゾアクチュエータ８により、ファブロペロー光共振器のハーフミラー２０−２の位置を調節して静的な動作点を確保する。
【００７８】
計測中は、光変調信号が動作点７７を中心に印加されて、ファブリペロー光共振器の共同出力は７９のように変調される。しかしながら、光音響波は極めて微小であるため、一般的には電気系のノイズレベルや、その他の音響的なノイズレベル以下である。
【００７９】
図７（ｄ）は、光共振器強度出力７９とノイズレベル８０の関係とその後段の電気的な処理の概略を示す。ノイズレベルの上限８０−１と下限８０−２にマスキングされた光共振器強度出力７９はロックインアンプ２６に入力され、参照信号としての周期Ｔの正弦波（参照信号８１）とロックインされることにより、ノイズレベル８０の中から、実部および虚部信号として取り出される。
【００８０】
一般的にロックインアンプでロックインすることにより、参照信号と同期する信号であれば、ノイズレベル比−６０ｄＢから−８０ｄＢ程度の微弱信号の検出は充分できる。したがって、本実施形態の光音響分光器１は、ナノフォーム材料の非共振時の音圧感度、および縦共振器２による屈折率変化の増加率、ならびにロックインアンプによる信号検出能により、−２０ｄＢＳＰＬ程度の実効音圧が計測可能であり、周囲雑音レベルとして−４０ｄＢを想定すれば、充分な計測感度を有する。
【００８１】
本実施形態では、縦共振器２の材料にシリカナノ多孔体であるナノフォームを使用する。ナノフォームは、密度が７０〜２８０ｋｇ／ｍ３と小さく、また音速も５０〜１５０ｍ／ｓと空気中の音速３４０ｍ／ｓよりも小さい。
【００８２】
例えば、音速５０ｍ／ｓｅｃ、密度１００ｋｇ／ｍ３のシリカ乾燥ゲルを用いると、音響インピーダンスは、空気の音響インピーダンスの１１．３倍程度とその差が小さく、音響は界面での反射は７０％に止まり、音響波のエネルギーの３０％程度が界面で反射されずに、内部へ取り込まれる。
【００８３】
そのため、光音響波を効率よく内部に取り込むことができるとともに、非特許文献１の共鳴器と比較して約１／１０程度の小形の共振器が構成できる。
【００８４】
さらに、縦共振器２と、その発生歪を光共振器によって計測する構成にすることによって、脈拍などの被検体の動きによって誘発される同相雑音成分の影響を抑制し、高感度な光音響分光器が構成できる。
【００８５】
（実施の形態２）
以下、図８を参照して、本発明の実施形態２について説明する。なお、実施形態１の光音響分光器１と同じ構成部材等については、同じ図番を用いている。
【００８６】
本実施形態２に示す光音響分光装置と実施形態１の光音響分光器１との違いは、光計測機構の違いであり、ファブリペロー光共振器を、自己混合型レーザーを用いたホモダイン光干渉系と置換していることである。
【００８７】
以下、関連する構造および動作の変化について説明する。図８は、光音響分光装置の縦共振器２の長軸方向中心における短軸方向の断面図である。計測用レーザー光源４は、内部にレーザー共振器８４とともに、受光器８５を内臓する。
【００８８】
レーザー共振器８４からは、計測用レーザー光がナノフォーム縦振動共振器２方向に加えて、８７−２のレーザー光として受光器８５にも照射されレーザー共振器８４の出力をモニターする。
【００８９】
実施形態１のハーフミラーは光学窓８８と反射ミラー８６に変更した。光学窓８８と縦共振器２を通過した計測用レーザー光８７−１は、反射ミラー８６で完全反射され、再び縦共振器２を通過して光学窓８８を通過して計測用レーザー光源４に帰還する計測用レーザー光８７−３となり、受光器８５に達する。
【００９０】
受光器８５は、レーザー共振器からの直接光はである計測用レーザー光８７−２と縦共振器２の屈折率変化による光路長変化をうけた計測用レーザー光８７−３が同時干渉した結果として変調された光強度出力が出力される。この光干渉器はホモダイン型であって、光路長が変化したときの出力結果は図６（ａ）に示したファブリペロー光共振器の出力曲線と類似する。
【００９１】
したがって、図７に示すように光音響信号の取得が可能になる。この場合、反射ミラー８６は動作点を調整するピエゾアクチュエータ８と直結され、より簡便な構造とすることができる。
【００９２】
本発明の実施形態１および実施形態２の光音響分光器よれば、縦共振器２により、光音響波の振幅を３０ｄＢ程度増幅することができる。
【００９３】
また、縦共振器２とひずみ検出器である受光器５の位置を適切に設定することによって、大きな外乱や脈動などに起因する低周波の同相雑音をキャンセルすることができる。また、ナノフォーム材料は音速が５０ｍ／ｓ〜３００ｍ／ｓであり、空気よりも音速が遅いために共振器の小形化が出来る。
【００９４】
なお、光干渉計としては、ファブリペロー光共振器又は自己混合型ホモダイン光干渉系を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明にかかわる光音響分光器は、小形でかつ脈拍などの被検体の動きによって誘発される同相雑音成分の影響を抑制し高感度な光音響波の検出を行うことができるため、血糖値やヘモグロミンの連続モニタリングなどの生体計測器として好適である。
【符号の説明】
【００９６】
１  光音響分光器
２  縦共振器
３  励起用レーザー光源
４  計測用レーザー光源
５  受光器
６  底板
７  音孔
８  ピエゾアクチュエータ
９  励起用レーザー光
１０  計測用レーザー光
１１  被検体
１２  光吸収部
２０  ハーフミラー
２１  共振器カバー
２２  レーザーホルダー
２３  光学窓
２４  励起レーザー駆動回路
２５  計測用レーザー駆動回路
２６  ロックインアンプ
２７  ピエゾ駆動回路
２８  伸縮方向
３０  光音響波
５１  中性面
５２  圧縮歪部
５３  伸張歪部
５４  たわみ変形
７１  レーザー励起信号
７２  光音響信号
７３  レーザー立下り時間
７４  レーザー立ち上がり時間
７５  出力強度変化曲線
７６  計測動作範囲
７７  動作点
７８  光変調信号
７９  光共振器強度出力
８０  ノイズレベル
８１  参照信号
８２  ロックイン出力
８４  レーザー共振器
８５  受光器
８６  反射ミラー
９１  光音響型血糖値センサ
９２  差動マイクロフォン
９３  測定用セル
９４  参照用セル
９５  ウィンドウ
９６  伝達装置
９７  伝送管
９８  励起光
１００  光音響分光器
１０１  マイクロフォン
１０２  共鳴セル
１０３  光ファイバー
１０４  回転楕円形
１０５  焦点  
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【図１１】
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