(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル載置面を含む光学媒質と、
前記サンプル載置面上に載置されるサンプルに向けて前記光学媒質中を進む励起光を放射する励起光源と、
前記光学媒質中を進むプローブ光を放射するプローブ光源と、
前記光学媒質から出射される前記プローブ光の位置を検出する光位置検出器と、
前記光位置検出器に接続されている生体成分取得部と、
前記励起光を強度変調して前記光学媒質に入射する変調部とを備え、
前記サンプル載置面の平面視において、前記光学媒質中における前記プローブ光の光路は、前記サンプル載置面のうち前記励起光によって照射される部分と重なっており、
前記変調部は、複数の変調周波数を低周波数から高周波数への順で切り替えるように構成され、前記複数の変調周波数は、第１周波数と、前記第１周波数よりも高い第２周波数とを含み、
前記光位置検出器は、前記第１周波数で強度変調された前記励起光が前記サンプルに照射されているときの前記プローブ光の位置を検出し、かつ、前記第２周波数で強度変調された前記励起光が前記サンプルに照射されているときの前記プローブ光の位置を検出し、
前記生体成分取得部は、前記第１周波数での前記プローブ光の位置および前記第２周波数での前記プローブ光の位置に基づいて、前記サンプルの生体成分を測定する、生体成分測定装置。
【請求項２】
前記変調部は、前記励起光の光路中に配置される光チョッパを含み、
前記光チョッパと前記光位置検出器とに接続されているロックインアンプと、
前記光チョッパおよび前記ロックインアンプの動作周波数を設定する発振器とをさらに備える、請求項１に記載の生体成分測定装置。
【請求項３】
前記変調部は、前記励起光源に対する電源の出力信号を変調する変調器を含み、
前記変調器と前記光位置検出器とに接続されているロックインアンプをさらに備える、請求項１に記載の生体成分測定装置。
【請求項４】
前記ロックインアンプは、前記励起光が前記サンプルに照射されていないときの前記プローブ光の第１位置と前記励起光が前記サンプルに照射されているときの前記プローブ光の第２位置との間の距離である前記プローブ光の変位量に関する信号を生成し、
前記生体成分取得部は、前記第１位置と前記第１周波数での前記第２位置との間の距離である前記プローブ光の第１の変位量と、前記第１位置と前記第２周波数での前記第２位置との間の距離である前記プローブ光の第２の変位量とに基づいて、前記サンプルの前記生体成分を測定する、請求項２または３に記載の生体成分測定装置。
【請求項５】
サンプルの生体成分を測定する生体成分測定方法であって、
励起光の強度変調における変調周波数を第１周波数に設定するステップと、
光学媒質中を進むプローブ光を放射するとともに、前記光学媒質のサンプル載置面に載置される前記サンプルに向けて、前記第１周波数で強度変調された前記励起光を照射しながら、前記光学媒質から出射される前記プローブ光の位置を検出するステップと、
前記強度変調における前記変調周波数を、前記第１周波数から、前記第１周波数よりも高い第２周波数に変更するステップと、
前記光学媒質中を進む前記プローブ光を放射するとともに、前記光学媒質の前記サンプル載置面に載置される前記サンプルに向けて、前記第２周波数で強度変調された前記励起光を照射しながら、前記光学媒質から出射される前記プローブ光の位置を検出するステップと、
前記第１周波数での前記プローブ光の位置および前記第２周波数での前記プローブ光の位置に基づいて、前記サンプルの生体成分を測定するステップとを備える、生体成分測定方法。
【請求項６】
前記光学媒質中を進む前記プローブ光を放射するとともに、前記光学媒質の前記サンプル載置面に載置される前記サンプルに向けて、前記第１周波数で強度変調された前記励起光を照射しながら、前記サンプル載置面における前記サンプルの位置を調整するステップをさらに備える、請求項５に記載の生体成分測定方法。
【請求項７】
前記励起光が前記サンプルに照射されていないときの前記プローブ光の第１位置と、前記第１周波数で強度変調された前記励起光が前記サンプルに照射されているときの前記プローブ光の第２位置との間の距離である前記プローブ光の第１の変位量を検出するステップと、
前記第１位置と、前記第２周波数で強度変調された前記励起光が前記サンプルに照射されているときの前記プローブ光の前記第２位置との間の距離である前記プローブ光の第２の変位量を検出するステップと、
前記第１の変位量および前記第２の変位量に基づいて、前記サンプルの前記生体成分を測定するステップとをさらに備える、請求項５または６に記載の生体成分測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、生体成分測定装置および生体成分測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特表２０１７−５１９２１４号公報（特許文献１）は、光学媒質と、赤外光源と、プローブ光源と、フォトダイオードとを備える非侵襲分析システムを開示している。具体的には、光学媒質の表面に生体サンプルが載置される。赤外光源は、赤外光を放射する。赤外光は、光学媒質を通って、生体サンプルに照射される。赤外光は生体サンプルに吸収されて、生体サンプルが発熱する。生体サンプルの吸収熱の程度は、サンプル中のまたはサンプルの表面上の生体成分の量または濃度に依存する。【０００３】
プローブ光源は、可視光であるプローブ光を光学媒質に向けて放射する。プローブ光は、光学媒質と生体サンプルとの間の界面で内部全反射されて、光学媒質から出射する。生体サンプルの吸収熱は、光学媒質に伝わって、光学媒質の屈折率を変化させる。光学媒質の屈折率の変化は、光学媒質と生体サンプルとの間の界面におけるプローブ光の内部全反射に影響を与え、光学媒質から出射されるプローブ光の進行方向を変化させる。フォトダイオードは、プローブ光の進行方向の変化を検出する。フォトダイオードで検出されたプローブ光の進行方向の変化から、生体成分の量または濃度を測定する。例えば、サンプルが患者の皮膚である場合、生体成分として患者の血糖値が測定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１７−５１９２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載される非侵襲分析システムにおいて、赤外光源と光学媒質との間には、光チョッパが配置されている。赤外光から放射された赤外光（連続光）は、光チョッパによって強度変調されて生体サンプルに照射される。生体サンプルには、光チョッパのチョッピング周波数に応じた周期でオンオフするパルス光が照射される。【０００６】
特許文献１では、異なる調整周波数ごとに強度変調された赤外光が生体サンプルに照射される。高周波の調整周波数は、生体サンプルの表面により近い領域での吸収プロセスをもたらす一方で、低周波の調整周波数は、生体サンプルのより深い層での吸収プロセスをもたらす。非侵襲分析システムは、異なる調整周波数それぞれで検出されたプローブ光の進行方向の変化に基づいて、患者の皮膚の異なる層を分析するように構成される。【０００７】
上記の非侵襲分析システムにおいて、生体成分を精度良く測定するためには、生体サンプルの吸収熱が光学媒質に安定的かつ効率的に伝わる最適な位置に生体サンプルを配置する必要がある。そのため、測定開始時には、光学媒質の表面における生体サンプルの位置の調整が行われる。この生体サンプルの位置調整では、予め定められた周波数で強度変調された赤外光を生体サンプルに照射しながら、フォトダイオードを用いてプローブ光の進行方向の変化を検出する。しかしながら、調整周波数が高周波になるほど、生体サンプルの吸収熱が小さくなるため、生体サンプルの吸収熱が光学媒質に十分に伝わらず、生体サンプルの位置が最適であるか否かの判定が難しくなる。その結果、測定精度の低下を招く虞がある。【０００８】
さらに、特許文献１のように、赤外光の強度変調に光チョッパを用いる構成では、光チョッパの構造上、変調周波数を低い周波数から高い周波数に変化させる場合に比べて、変調周波数を高い周波数から低い周波数に変化させる場合の方が、変調周波数の調整に時間がかかってしまうという問題がある。【０００９】
本開示は上記のような課題を解決するためになされたものであって、本開示の目的は、高精度かつ高効率で生体成分を測定することができる生体成分測定装置および生体成分測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示に係る生体成分測定装置は、サンプル載置面を含む光学媒質と、サンプル載置面上に載置されるサンプルに向けて光学媒質中を進む励起光を放射する励起光源と、光学媒質中を進むプローブ光を放射するプローブ光源と、光学媒質から出射されるプローブ光の位置を検出する光位置検出器と、光位置検出器に接続されている生体成分取得部と、励起光を強度変調して光学媒質に入射する変調部とを備える。サンプル載置面の平面視において、光学媒質中におけるプローブ光の光路は、サンプル載置面のうち励起光によって照射される部分と重なっている。変調部は、複数の変調周波数を低周波数から高周波数への順で切り替えるように構成される。複数の変調周波数は、第１周波数と、第１周波数よりも高い第２周波数とを含む。光位置検出器は、第１周波数で強度変調された励起光がサンプルに照射されているときのプローブ光の位置を検出する。光位置検出器は、第２周波数で強度変調された励起光がサンプルに照射されているときのプローブ光の位置を検出する。生体成分取得部は、第１周波数でのプローブ光の位置および第２周波数でのプローブ光の位置に基づいて、サンプルの生体成分を測定する。【００１１】
本開示に係る生体成分測定方法は、サンプルの生体成分を測定する生体成分測定方法である。生体成分測定方法は、励起光の強度変調における変調周波数を第１周波数に設定するステップと、光学媒質中を進むプローブ光を放射するとともに、光学媒質のサンプル載置面に載置されるサンプルに向けて、第１周波数で強度変調された励起光を照射しながら、光学媒質から出射されるプローブ光の位置を検出するステップと、強度変調における変調周波数を、第１周波数から、第１周波数よりも高い第２周波数に変更するステップと、光学媒質中を進むプローブ光を放射するとともに、光学媒質のサンプル載置面に載置されるサンプルに向けて、第２周波数で強度変調された励起光を照射しながら、光学媒質から出射されるプローブ光の位置を検出するステップと、第１周波数でのプローブ光の位置および第２周波数でのプローブ光の位置に基づいて、サンプルの生体成分を測定するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、高精度かつ高効率で生体成分を測定することができる生体成分測定装置および生体成分測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１に係る生体成分測定装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態に係る生体成分測定方法の基本概念を説明するためのフローチャートである。
【図３】実施の形態に係る生体成分測定方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】実施の形態に係る生体成分測定方法を説明するための図である。
【図５】実施の形態２に係る生体成分測定装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。
【００１５】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る生体成分測定装置の構成を示す図である。実施の形態１に係る生体成分測定装置１００は、サンプル５の生体成分を非侵襲で測定するための装置である。
【００１６】
図１に示すように、実施の形態１に係る生体成分測定装置１００は、励起光源１、プローブ光源２、光学媒質３、光位置検出器４、生体成分取得部９、記録部１０、光チョッパ１１、ロックインアンプ１２、発振器１３、および電源１４を備える。
【００１７】
光学媒質３は、第１面３１と、第１面３１とは反対側の第２面３２と、第１面３１および第２面３２を接続する第３面３３と、第１面３１および第２面３２を接続しかつ第３面３３とは反対側の第４面３４とを有する。
【００１８】
光学媒質３の第１面３１は、励起光源１から放射される励起光６の入射面である。第２面３２は、サンプル載置面である。サンプル５は、第２面３２上に載置され、第２面３２と接触している。サンプル５は、例えば、患者の皮膚または体液などである。被測定物質が液体である場合、サンプル５は、透明なサンプルホルダに収容されている液体である。第３面３３は、プローブ光源２から放射されるプローブ光７の入射面である。第３面３３の法線方向は、プローブ光７の入射方向に対して傾いている。第４面３４は、プローブ光７の出射面である。第４面３４は、プローブ光７の出射方向に対して傾いている。光学媒質３は、例えば、内部全反射プリズム（ＴＩＲプリズム）であってもよい。
【００１９】
光学媒質３は、励起光６に対して透明である。本明細書において、光学媒質３が励起光６に対して透明であることは、励起光６に対する光学媒質３の光透過率が２５％以上であることを意味する。励起光６に対する光学媒質３の光透過率は、５０％以上であってもよく、７５％以上であってもよく、９０％以上であってもよい。
【００２０】
光学媒質３は、プローブ光７に対して透明である。本明細書において、光学媒質３がプローブ光７に対して透明であることは、プローブ光７に対する光学媒質３の光透過率が２５％以上であることを意味する。プローブ光７に対する光学媒質３の光透過率は、５０％以上であってもよく、７５％以上であってもよく、９０％以上であってもよい。
【００２１】
光学媒質３は、１５．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の熱伝導率を有する材料で形成されている。光学媒質３を形成する材料の熱伝導率は、１０．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってもよく、５．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってもよく、３．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってもよく、２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってもよく、１．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってもよい。光学媒質３の材料の熱伝導率は、サンプル５の熱伝導率の０．５倍以上である。光学媒質３の材料の熱伝導率は、サンプル５の熱伝導率の０．７５倍以上であってもよく、サンプル５の熱伝導率以上であってもよく、サンプル５の熱伝導率の１．５倍以上であってもよく、サンプル５の熱伝導率の２．０倍以上であってもよい。
【００２２】
光学媒質３は、カルコゲナイドガラスで形成されている。カルコゲナイドガラスは、例えば、２モル％以上２２モル％以下のゲルマニウム（Ｇｅ）と、６モル％以上３４モル％以下のアンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素と、１モル％以上２０モル％以下のスズ（Ｓｎ）と、５８モル％以上７０モル％以下の硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）およびテルル（Ｔｅ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素とを含有する。このカルコゲナイドガラスの熱伝導率は、０．３６Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。
【００２３】
励起光源１は、電源１４から電力の供給を受けて、サンプル載置面（第２面３２）上に載置されるサンプル５に向けて励起光６を放射する。励起光６は、励起光源１から放射されて、第１面３１から光学媒質３に入射する。励起光６は、光学媒質３中を進み、第２面３２からサンプル５に入射する。励起光６は、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分に吸収される。例えば、生体成分測定装置１００を用いて患者の血糖値を得る場合、生体成分は、真皮中の組織間質液中に存在している糖である。生体成分による励起光６の吸収によって、サンプル５で吸収熱が発生する。サンプル５の吸収熱は、光学媒質３に伝導する。光学媒質３の内部に温度勾配領域が生じることにより、光学媒質３内部に屈折率勾配領域８が生じる。
【００２４】
励起光６の波長は、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分の吸収波長に応じて定められる。励起光６の波長は、プローブ光７の波長よりも長くてもよい。励起光６の波長は、例えば、６．０μｍ以上である。励起光６の波長は、８．０μｍ以上であってもよい。励起光６の波長は、例えば、１３．０μｍ以下である。励起光６の波長は、１１．０μｍ以下であってもよい。励起光６は、複数の波長を有する光であってもよい。例えば、生体成分測定装置１００を用いて患者の血糖値を測定する場合、励起光６の波長範囲は、糖の指紋スペクトルの波長を含む波長範囲（例えば、８．５μｍ以上１０μｍ以下の波長範囲）である。励起光源１は、例えば、広帯域の赤外光を放射し得る量子カスケードレーザである。以下の説明では、励起光６は、３つの波長λ１，λ２，λ３を有する光であるとする。波長λ１，λ２の光は、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分に吸収される。波長λ３の光は、当該生体成分に吸収されず、参照光として用いられる。
【００２５】
プローブ光源２は、プローブ光７を放射する。プローブ光７は、光学媒質３の第３面３３から光学媒質３に入射する。プローブ光７は、第３面３３で屈折されて、光学媒質３（第２面３２）とサンプル５との間の界面に向けて、光学媒質３中を進む。サンプル載置面（第２面３２）の平面視において、光学媒質３中におけるプローブ光７の光路は、サンプル載置面（第２面３２）のうち励起光６によって照射される部分と重なっている。プローブ光７は、光学媒質３（第２面３２）とサンプル５との間の界面で内部全反射される。プローブ光７が光学媒質３中を進む間、プローブ光７は、サンプル５の吸収熱により光学媒質３内に生じた屈折率勾配領域８中を進む。プローブ光７は、屈折率勾配領域８で屈折されて、プローブ光７の進行方向が変わる。プローブ光７（第１出射プローブ光７ａ、第２出射プローブ光７ｂ）は、光学媒質３の第４面３４から出射される。
【００２６】
プローブ光７の波長は、例えば、１１００ｎｍ以上である。プローブ光７の波長は、１３００ｎｍ以上であってもよい。プローブ光７の波長は、例えば、１７００ｎｍ以下である。そのため、プローブ光源２として、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザまたはＩｎＧａＮＡｓ系半導体レーザのような安価な光通信用半導体レーザを用いることができる。さらに、プローブ光７は可視光ではないため、プローブ光７が人の眼に損傷を与えるリスクが低減され得る。プローブ光７の出力は、例えば、５ｍＷ以下である。そのため、プローブ光７が人の眼に損傷を与えるリスクが低減され得る。
【００２７】
光位置検出器４は、光学媒質３から出射されるプローブ光７の位置を検出する。図１には、励起光６がサンプル５に照射されていないときにおけるプローブ光（第１出射プローブ光７ａ）の第１位置７１ａと、励起光６がサンプル５に照射されているときにおけるプローブ光（第２出射プローブ光７ｂ）の第２位置７１ｂとが示されている。
【００２８】
励起光６がサンプル５に照射されていない状態（以下、「基準状態と」も称する）では、サンプル５で吸収熱が発生しない。そのため、光学媒質３の内部に温度勾配領域が生じず、光学媒質３内部に屈折率勾配領域８が生じない。よって、図中に実線で示すように、光学媒質３中のプローブ光７（第１出射プローブ光７ａ）は、屈折率勾配領域８で屈折されることなく、光学媒質３の第４面３４から出射される。プローブ光（第１出射プローブ光７ａ）の第１位置７１ａは、基準状態におけるプローブ光７の位置であり、「基準位置」に対応する。
【００２９】
光位置検出器４は、励起光６がサンプル５に照射されている状態におけるプローブ光（第２出射プローブ光７ｂ）の第２位置７１ｂを検出する。励起光６がサンプル５に照射されている状態では、上述したように、光学媒質３内部に屈折率勾配領域８が生じる。そのため、図中に破線で示すように、プローブ光（第２出射プローブ光７ｂ）は、光学媒質３中の屈折率勾配領域８で屈折されて、光学媒質３の第４面３４から出射される。プローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）の第２位置７１ｂは、励起光６をサンプル５に照射しているときに、光位置検出器４で検出されるプローブ光７の位置である。励起光６をサンプル５に照射することによって、光位置検出器４で検出されるプローブ光７の位置は、第１位置７１ａ（基準位置）から第２位置７１ｂに変位する。
【００３０】
光位置検出器４は、励起光６がサンプル５に照射されているときのプローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）の第２位置７１ｂに関する信号を出力する。光位置検出器４は、例えば、フォトダイオードまたは半導体位置検出素子である。
【００３１】
生体成分取得部９は、光位置検出器４に接続されている。生体成分取得部９は、第１位置７１ａ（基準位置）と第２位置７１ｂとの間の距離であるプローブ光７の変位量δを取得し、取得した変位量δから、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分の量または濃度を得る。記録部１０は、生体成分取得部９により得られた生体成分の量または濃度を記録する。生体成分取得部９および記録部１０は、例えば、演算処理装置で実行される機能の１つである。
【００３２】
光チョッパ１１は、励起光６の光路中に配置される。光チョッパ１１は、励起光源１から放射される励起光６（連続光）を任意の周波数でチョッピングする。励起光６は、光チョッパ１１のチョッピング周波数（光をオン／オフする周波数）に応じた周期でオンオフする断続的な光（パルス光）となり、光学媒質３に入射する。光チョッパ１１は、励起光６を強度変調するための「変調部」の一実施例に対応する。光チョッパ１１のチョッピング周波数は、励起光６を強度変調するための「変調周波数」の一実施例に対応する。
【００３３】
光チョッパ１１には、周知の構成を適用することができる。光チョッパ１１は、例えば、励起光６の通過を許容する開口部と励起光６を遮る遮光部とが円周方向に配置された回転円板と、当該回転円板を回転させるモータとを有している。モータによって回転円板を周期的に回転させることにより、励起光６をサンプル５に照射するか否かを切り替えることができる。すなわち、励起光６は、光チョッパ１１のチョッピング周波数で強度変調を受ける。励起光６のチョッピング周波数は、回転円板の回転速度によって決まる。
【００３４】
発振器１３は、光チョッパ１１およびロックインアンプ１２に接続されている。発振器１３は、光チョッパ１１のチョッピング周波数（変調周波数）を設定する。発振器１３は、励起光６をチョッパ制御するための制御信号を生成し、生成した制御信号を光チョッパ１１およびロックインアンプ１２に与える。当該制御信号は、光チョッパ１１のチョッピング周波数を含む。
【００３５】
ロックインアンプ１２は、発振器１３と光位置検出器４とに接続されている。ロックインアンプ１２は、発振器１３から与えられた制御信号に基づいて、光位置検出器４から出力される、プローブ光７の位置に関する信号のうち、光チョッパ１１のチョッピング周波数（変調周波数）に同期する信号を選択的に増幅する。
【００３６】
具体的には、ロックインアンプ１２は、光チョッパ１１のチョッピング周期のオン期間におけるプローブ光７の位置と、当該チョッピング周期のオフ期間におけるプローブ光７の位置との差分を増幅した信号を出力する。
【００３７】
チョッピング周期のオン期間は、励起光６が照射されている期間に相当する。したがって、オン期間におけるプローブ光７の位置は、第２位置７１ｂに相当する。チョッピング周期のオフ期間は、励起光６が照射されていない期間に相当する。したがって、オフ期間におけるプローブ光７の位置は、第１位置７１ａ（基準位置）に相当する。ロックインアンプ１２は、光位置検出器４の出力信号に基づいて、第１位置７１ａ（基準位置）と第２位置７１ｂとの間の距離であるプローブ光７の変位量δに関する信号を生成する。
【００３８】
なお、ロックインアンプ１２の出力信号は、光位置検出器４から出力される、プローブ光７の位置に関する信号に含まれるノイズが除去されたものとなる。そのため、生体成分測定装置１００は、向上された精度で生体成分を測定することができる。
【００３９】
なお、発振器１３を用いず、光チョッパ１１とロックインアンプ１２とを直接的に接続し、互いに信号を遣り取りすることにより、光チョッパ１１およびロックインアンプ１２の動作周波数を同期させる構成としてもよい。
【００４０】
次に、図１に示した生体成分測定装置１００を用いた生体成分測定方法を説明する。
図２は、本実施の形態に係る生体成分測定方法の基本概念を説明するためのフローチャートである。
【００４１】
本実施の形態に係る生体成分測定方法は、励起光６をサンプル５に照射しながら、サンプル載置面（第２面３２）におけるサンプル５の位置を調整するステップ（Ｓ１）を備える。サンプル５の生体成分を精度良く測定するためには、サンプル５の吸収熱が光学媒質３に安定的かつ効率的に伝わる最適な位置にサンプル５を配置する必要があるためである。特に、サンプル５が患者の指であり、その表面に指紋のような微小な隆起を有している場合には、光学媒質３へのサンプル５の接触圧を確保する観点からも、サンプル５の位置調整が必要となる。
【００４２】
このステップ（Ｓ１）では、励起光６をサンプル５に照射しながら、光位置検出器４を用いて、プローブ光７の進行方向において励起光６およびプローブ光７に対するサンプル５の位置を調整する。
【００４３】
上述したように、サンプル５に照射された励起光６は、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分に吸収される。生体成分による励起光６の吸収によって、サンプル５で吸収熱が発生する。サンプル５の吸収熱が光学媒質３に伝導することにより、光学媒質３の内部に温度勾配領域が生じる。そのため、光学媒質３の内部に屈折率勾配領域８が生じる。プローブ光７は、屈折率勾配領域８で屈折されて、光学媒質３から出射する。
【００４４】
光位置検出器４は、プローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）の第２位置７１ｂを検出する。励起光６をサンプル５に照射することによって、光位置検出器４で検出されるプローブ光７の位置は、第１位置７１ａ（基準位置）から第２位置７１ｂに変位する。ロックインアンプ１２は、光位置検出器４の出力信号に基づいて、第１位置７１ａ（基準位置）と第２位置７１ｂとの間の距離であるプローブ光７の変位量δに関する信号を生成する。
【００４５】
ステップ（Ｓ１）では、プローブ光７の進行方向に沿ってサンプル５の位置を変えながら、ロックインアンプ１２の出力信号に基づいてプローブ光７の変位量δを取得する動作を繰り返し実行することにより、プローブ光７の変位量δが最大となる位置を探索する。この探索の結果、プローブ光７の変位量δが最大となる位置を、サンプル５の位置に決定する。
【００４６】
本実施の形態に係る生体成分測定方法は、励起光６をサンプル５に照射しながら、光位置検出器４を用いて、プローブ光７の変位量δを検出するステップ（Ｓ２）を備える。このステップ（Ｓ２）では、最適な位置に調整されたサンプル５に励起光６が照射される。プローブ光７は、光学媒質３の内部に生じた屈折率勾配領域８で屈折されて、光学媒質３から出射する。光位置検出器４は、プローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）の第２位置７１ｂを検出する。ロックインアンプ１２は、光位置検出器４の出力信号に基づいて、基準位置と第２位置７１ｂとの間の距離であるプローブ光７の変位量δに関する信号を生成する。なお、ステップ（Ｓ２）の工程は、ステップ（Ｓ１）の工程と一続きに実施することができる。
【００４７】
本実施の形態に係る生体成分測定方法は、プローブ光７の変位量δから、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分の量または濃度を得るステップ（Ｓ３）を備える。例えば、記録部１０は、生体成分の種類と、プローブ光７の変位量δと、生体成分の量または濃度とが対応付けられているデータテーブルを格納している。生体成分取得部９は、記録部１０に格納されているデータデーブルを参照して、生体成分の種類とプローブ光７の変位量δとに対応する生体成分の量または濃度を得る。
【００４８】
本実施の形態に係る生体成分測定装置１００において、励起光６は、光チョッパ１１によって強度変調されてサンプル５に照射される。励起光６は、変調周波数（光チョッパ１１のチョッピング周波数）に応じた周期でオンオフする断続的な光（パルス光）となる。励起光６の１周期当たりの照射時間は、変調周波数に応じて変化する。変調周波数が低くなるほど、１周期当たりの照射時間が長くなる。
【００４９】
一方で、１周期当たりの照射時間が変化することによって、サンプル５に対する励起光６の侵入深さが変化する。具体的には、照射時間が長くなるほど、励起光６の侵入深さが深くなる。したがって、変調周波数が低くなるほど、１周期当たりの照射時間が長くなるため、サンプル５に対する励起光６の侵入深さが深くなる。
【００５０】
例えば、サンプル５が患者の皮膚である場合、サンプル５は、表皮組織と、表皮組織の下層に存在する真皮組織と、真皮組織の下層に存在する皮下組織とから構成される。表皮組織は角質を主成分とし、真皮組織は間質液および細胞などを成分とし、皮下組織は脂肪を主成分とする。変調周波数が高い場合には、１周期当たりの照射時間が短いため、サンプル５に対する励起光６の侵入深さが浅くなる。そのため、測定にて得られる情報は、主に、表皮組織に関する情報となる。
【００５１】
一方、変調周波数が低い場合には、１周期当たりの照射時間が長いため、サンプル５に対する励起光６の侵入深さが深くなる。そのため、測定にて得られる情報は、表皮組織に関する情報と、真皮組織に関する情報とが合成された情報となる。なお、変調周波数を低下させるに従って、１周期当たりの照射時間が長くなり、励起光６の侵入深さが深くなるため、測定にて得られる情報に含まれる真皮組織に関する情報の比率が大きくなる。
【００５２】
生体成分測定装置１００を用いて患者の血糖値を測定する場合、生体成分は真皮組織中組織間質液中に存在している糖であるため、真皮組織に関する情報を取得する必要がある。しかしながら、上述したように、測定で得られる情報には表皮組織に関する情報が含まれており、この表皮組織に関する情報が真皮組織に関する情報に対するノイズとなり得る。
【００５３】
そのため、本実施の形態に係る生体成分測定方法では、複数の変調周波数を切り替えて変調周波数ごとに励起光６の強度変調を行う。そして、複数の変調周波数にそれぞれ対応して得られた複数の情報に基づいて、血糖値測定に必要な真皮組織に関する情報を取得する。
【００５４】
図３は、本実施の形態に係る生体成分測定方法を説明するためのフローチャートである。図４は、本実施の形態に係る生体成分測定方法を説明するための図である。
【００５５】
図２で説明したように、最初に、励起光６をサンプル５に照射しながら、サンプル載置面（第２面３２）におけるサンプル５の位置を調整するステップ（Ｓ１）が実施される。
【００５６】
このステップ（Ｓ１）は、発振器１３を用いて、光チョッパ１１のチョッピング周波数（変調周波数）を第１周波数ｆ１に設定するステップを有する（Ｓ１１）。発振器１３は、設定したチョッピング周波数（第１周波数ｆ１）に基づいて制御信号を生成し、生成した制御信号を光チョッパ１１およびロックインアンプ１２に与える。励起光６は、光チョッパ１１のチョッピング周波数（第１周波数ｆ１）で強度変調を受ける。
【００５７】
ステップ（Ｓ１）は、第１周波数ｆ１で強度変調された励起光６をサンプル５に照射しながら、光位置検出器４を用いて、サンプル５の位置を調整するステップ（Ｓ１２）を有する。図４（Ａ）は、第１周波数ｆ１で強度変調された励起光６がサンプル５に照射されているときのプローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）の光路を示した図である。
【００５８】
図４（Ａ）に示すように、第１周波数ｆ１で強度変調された励起光６は、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分に吸収される。サンプル５の吸収熱が光学媒質３に伝導することにより、光学媒質３の内部に屈折率勾配領域８が生じる。プローブ光７は、屈折率勾配領域８で屈折されて、光学媒質３から出射する。光位置検出器４は、プローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）の第２位置７１ｂを検出する。ロックインアンプ１２は、光位置検出器４の出力信号に基づいて、第１位置７１ａ（基準位置）と第２位置７１ｂとの間の距離であるプローブ光７の変位量δに関する信号を生成する。
【００５９】
ステップ（Ｓ１２）では、第１周波数ｆ１で強度変調された励起光を照射しながら、プローブ光７の進行方向に沿ってサンプル５の位置を変えて、ロックインアンプ１２の出力信号に基づいてプローブ光７の変位量δを取得する動作を繰り返し実行することにより、プローブ光７の変位量δが最大となる位置を探索する。この探索の結果、プローブ光７の変位量δが最大となる位置を、サンプル５の位置に決定する。
【００６０】
ステップ（Ｓ１）によってサンプル５の位置が調整されると、続いて、励起光６をサンプル５に照射しながら、光位置検出器４を用いて、プローブ光７の変位量δ１を検出するステップ（Ｓ２）が実施される。
【００６１】
このステップ（Ｓ２）は、第１周波数ｆ１で強度変調された励起光６をサンプル５に照射しながら、光位置検出器４を用いて、プローブ光７の変位量δ１を検出するステップ（Ｓ２１）を有する。すなわち、ステップ（Ｓ２１）では、サンプル５の位置調整に用いたチョッピング周波数と同じ第１周波数ｆ１で強度変調させた励起光６がサンプル５に照射される。ロックインアンプ１２は、光位置検出器４の出力信号に基づいて、第１周波数ｆ１で強度変調された励起光６をサンプル５に照射したときのプローブ光７の変位量δ１に関する信号を生成する。
【００６２】
プローブ光７の変位量δ１は、第１周波数ｆ１で強度変調された励起光６をサンプル５に照射したときのプローブ光７の変位量δである。プローブ光７の変位量δ１は、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分の量または濃度に関する情報に相当する。プローブ光７の変位量δ１は記録部１０に保存される。
【００６３】
ステップ（Ｓ２）は、発振器１３を用いて、光チョッパ１１のチョッピング周波数（変調周波数）を第２周波数ｆ２に設定するステップ（Ｓ２２）を有する。第２周波数ｆ２は、第１周波数ｆ１よりも高い（ｆ２＞ｆ１）。発振器１３は、設定したチョッピング周波数（第２周波数ｆ２）に基づいて制御信号を生成し、生成した制御信号を光チョッパ１１およびロックインアンプ１２に与える。励起光６は、光チョッパ１１のチョッピング周波数（第２周波数ｆ２）で強度変調を受ける。
【００６４】
ステップ（Ｓ２）は、第２周波数ｆ２で強度変調された励起光６をサンプル５に照射しながら、光位置検出器４を用いて、プローブ光７の変位量δ２を検出するステップ（Ｓ２３）を有する。図４（Ｂ）は、第２周波数ｆ２で強度変調された励起光６がサンプル５に照射されているときのプローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）の光路を示した図である。
【００６５】
図４（Ｂ）に示すように、第２周波数ｆ２で強度変調された励起光６は、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分に吸収される。生体成分による励起光６の吸収によって、サンプル５で吸収熱が発生する。サンプル５の吸収熱が光学媒質３に伝導することにより、光学媒質３の内部に屈折率勾配領域８が生じる。プローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）は、屈折率勾配領域８で屈折されて、光学媒質３から出射する。光位置検出器４は、プローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）の第２位置７１ｂを検出する。ロックインアンプ１２は、光位置検出器４の出力信号に基づいて、プローブ光７の変位量δ２に関する信号を生成する。
【００６６】
プローブ光７の変位量δ２は、第２周波数ｆ２で強度変調された励起光６をサンプル５に照射したときのプローブ光７の変位量δである。プローブ光７の変位量δ２は、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分の量または濃度に関する情報に相当する。プローブ光７の変位量δ２は記録部１０に保存される。
【００６７】
ステップ（Ｓ２）は、発振器１３を用いて、光チョッパ１１のチョッピング周波数（変調周波数）を第３周波数ｆ３に設定するステップ（Ｓ２４）を有する。第３周波数ｆ３は、第２周波数ｆ２よりも高い（ｆ３＞ｆ２）。発振器１３は、設定したチョッピング周波数（第３周波数ｆ３）に基づいて制御信号を生成し、生成した制御信号を光チョッパ１１およびロックインアンプ１２に与える。励起光６は、光チョッパ１１のチョッピング周波数（第３周波数ｆ３）で強度変調を受ける。
【００６８】
ステップ（Ｓ２）は、第３周波数ｆ３で強度変調された励起光６をサンプル５に照射しながら、光位置検出器４を用いて、プローブ光７の変位量δ３を検出するステップ（Ｓ２５）を有する。
【００６９】
第３周波数ｆ３で強度変調された励起光６は、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分に吸収される。生体成分による励起光６の吸収によって、サンプル５で吸収熱が発生する。サンプル５の吸収熱が光学媒質３に伝導することにより、光学媒質３の内部に屈折率勾配領域８が生じる。プローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）は、屈折率勾配領域８で屈折されて、光学媒質３から出射する。光位置検出器４は、プローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）の第２位置７１ｂを検出する。ロックインアンプ１２は、光位置検出器４の出力信号に基づいて、プローブ光７の変位量δ３に関する信号を生成する。
【００７０】
プローブ光７の変位量δ３は、第３周波数ｆ３で強度変調された励起光６をサンプル５に照射したときのプローブ光７の変位量δである。プローブ光７の変位量δ３は、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分の量または濃度に関する情報に相当する。プローブ光７の変位量δ３は記録部１０に保存される。
【００７１】
次に、ステップＳ２１，Ｓ２３，Ｓ２５でそれぞれ得られたプローブ光７の変位量δ１，δ２，δ３から、サンプル５中のまたはサンプル５の表面５１上の生体成分の量または濃度を得るステップ（ＳＳ３）が実施される。このステップ（Ｓ３）では、生体成分取得部９は、記録部１０に格納されているデータデーブルを参照して、生体成分の種類とプローブ光７の変位量δ１，δ２，δ３とに対応する生体成分の量または濃度を得る。
【００７２】
図３に示したように、本実施の形態に係る生体成分測定方法では、変調周波数（光チョッパ１１のチョッピング周波数）を、複数の周波数（第１周波数ｆ１、第２周波数ｆ２および第３周波数ｆ３）で切り替え、各変調周波数の励起光６をサンプル５に照射しながらプローブ光７（第２出射プローブ光７ｂ）の第２位置７１ｂを検出し、複数のプローブ光７の変位量δ１，δ２，δ３を得る。なお、変調周波数の数は３に限定されず２または４以上であってもよい。
【００７３】
上述したように、変調周波数を異ならせることにより、１周期当たりの励起光６の照射時間が異なるため、サンプル５に対する励起光６の侵入深さが異なってくる。図４の例では、第１周波数ｆ１は第２周波数ｆ２よりも低いため、サンプル５に対する励起光６の侵入深さが深くなる。励起光６の侵入深さが深くなることによってサンプル５で発生する吸収熱が増加するため、光学媒質３の内部に生じる屈折率勾配領域８も大きくなる。その結果、プローブ光７の変位量δ１は、プローブ光７の変位量δ２よりも大きくなる。
【００７４】
サンプル５が患者の皮膚である場合、第１周波数ｆ１で強度変調した励起光６をサンプル５に照射する測定により、プローブ光７の変位量δ１（第１の情報）を得る。第１の情報は、表皮組織に関する情報と真皮組織に関する情報とが合成された情報である。さらに、第１周波数ｆ１よりも低い第２周波数ｆ２で強度変調した励起光６をサンプル５に照射する測定により、プローブ光７の変位量δ２（第２の情報）を得る。第２の情報は、表皮組織に関する情報を多く含む。ステップＳ３では、第１の情報から第２の情報を除くことにより、真皮組織に関する情報を得ることができる。例えば、記録部１０に格納されているデータテーブルを参照することにより、変位量δ１に対応する糖の量を得るとともに、変位量δ２に対応する糖の量を得る。そして、変位量δ１に対応する糖の量から変位量δ２に対応する糖の量を減算する、または、２つの糖の量を除算することにより、真皮組織に関する情報を得ることができる。
【００７５】
さらに本実施の形態に係る生体成分測定方法では、複数の変調周波数を、低周波数から高周波数の順に変化させている。図３の例では、３つの変調周波数を、第１周波数ｆ１、第２周波数ｆ２、第３周波数ｆ３の順番に変化させている。図１に示したように、励起光６の強度変調に光チョッパ１１を用いる構成では、光チョッパ１１内部のモータ等の構造上、チョッピング周波数を低周波数から高い周波数に変化させる場合に比べて、チョッピング周波数を高い周波数から低い周波数に変化させる場合の方が、チョッピング周波数の調整に時間がかかってしまうという問題がある。一例では、チョッピング周波数を低周波数から高周波数に変化させるためには数秒程度かかるのに対し、チョッピング周波数を高周波数から低周波数に変化させるためには数十秒程度かかる。本実施の形態では、低周波数から高周波数の順に変調周波数を変化させるため、変調周波数を迅速に変化させることができる。これにより、生体成分の測定の効率を向上させることができる。
【００７６】
さらに、生体成分を精度良く測定するためには、サンプル５の吸収熱が光学媒質３に安定的かつ効率的に伝わる最適な位置にサンプル５を配置する必要がある。そのため、測定開始時に、光学媒質３の第２面３２（サンプル載置面）におけるサンプル５の位置を調整するステップ（Ｓ１）が実施される。
【００７７】
このサンプル５の位置調整では、予め定められた周波数で強度変調された励起光６をサンプル５に照射しながら、光位置検出器４を用いて、プローブ光７の変位量δを求める。得られた変位量δが最大となる位置を探索することにより、サンプル載置面におけるサンプル５の最適な位置が決定される。このとき、変調周波数が高周波になるほど、サンプル５の吸収熱が小さくなるため、サンプル５の吸収熱が光学媒質３に十分に伝わらず、サンプル５の位置が最適であるか否かの判定が難しくなる。その結果、測定精度の低下を招く虞がある。
【００７８】
本実施の形態に係る生体成分測定方法は、測定開始時には、励起光６を低周波数の変調周波数（図３の例では第１周波数ｆ１）で強度変調することにより、サンプル５の吸収熱を大きくすることができる。そのため、プローブ光７の変位量δに基づいて、サンプル５の位置が最適であるか否かを容易に判定することができる。サンプル５が最適な位置に配置されることで、測定精度の向上させることができる。
【００７９】
実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る生体成分測定装置の構成を示す図である。実施の形態２に係る生体成分測定装置１００は、図１に示した生体成分測定装置１００と比較して、光チョッパ１１および発振器１３に代えて、変調器１５を備える点が異なる。
【００８０】
変調器１５は、電源１４およびロックインアンプ１２に接続される。変調器１５は、設定された変調周波数に応じた周期でオンオフする断続的な信号（パルス信号）を発生する。電源１４は、変調器１５から与えられる出力信号に従って、励起光源１に対する電力供給および遮断を制御する。具体的には、電源１４は、変調器１５の出力信号のオン期間中に励起光源１に電力を供給し、当該出力信号のオフ期間中に励起光源１への電力供給を遮断する。励起光源１は、電源１４から断続的に電力が供給されることにより、変調周波数に応じた周期で断続的な光（パルス光）を発生する。
【００８１】
変調器１５には、例えば、シグナルジェネレータが適用される。ただし、変調器１５は、シグナルジェネレータに限定されず、電気信号を変調することができるデバイスであればよい。また、電源１４は、変調器１５の出力信号に応じて変調された電流または電圧を励起光源１に供給する構成について例示したが、変調機能を有する電源を用いることにより、電源１４および変調器１５を一体化させる構成としてもよい。
【００８２】
ロックインアンプ１２は、変調器１５から与えられた信号に基づいて、光位置検出器４から出力される、プローブ光７の位置に関する信号のうち、変調周波数に同期する信号を選択的に増幅する。そのため、光位置検出器４から出力される、プローブ光７の位置に関する信号に含まれるノイズが除去され得る。これにより、実施の形態１に係る生体成分測定装置１００と同様に、向上された精度で生体成分を測定することができる。
【００８３】
図１に示した生体成分測定装置１００は、光チョッパ１１およびその駆動機構などを有しているため、生体成分測定装置１００が大型化するとともに、広い設置スペースを占有することが懸念される。
【００８４】
実施の形態２に係る生体成分測定装置１００によれば、励起光源１に対する電源１４の出力信号を変調する構成を採用しているため、励起光源１と光学媒質３との間に光チョッパ１１の設置が不要となる。その結果、生体成分測定装置１００の小型化および省スペース化を実現することができる。
【００８５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８６】
１  励起光源、２  プローブ光源、３  光学媒質、４  光位置検出器、５  サンプル、６  励起光、７  プローブ光、７１ａ  第１位置、７１ｂ  第２位置、８  屈折率勾配領域、９  生体成分取得部、１０  記録部、１１  光チョッパ、１２  ロックインアンプ、１３  発振器、１４  電源、１５  変調器、１００  生体成分測定装置、δ  変位量。
【要約】
本開示に係る生体成分測定装置（１００）において、変調部（１１）は、励起光源（１）から放射された励起光を強度変調して光学媒質（３）に入射する。変調部（１１）は、複数の変調周波数を低周波数から高周波数への順で切り替えるように構成される。複数の変調周波数は、第１周波数と、第１周波数よりも高い第２周波数とを含む。光位置検出器（４）は、第１周波数で強度変調された励起光がサンプル（５）に照射されているときのプローブ光の位置と、第２周波数で強度変調された励起光がサンプルに照射されているときのプローブ光の位置とを検出する。生体成分取得部（９）は、第１周波数でのプローブ光の位置および第２周波数でのプローブ光の位置に基づいて、サンプル（５）の生体成分を測定する。【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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