JP2008125543A - Constituent concentration measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、人間、動物又は果実等の被測定物の非侵襲な成分濃度測定装置に関する。 The present invention relates to a non-invasive component concentration measurement apparatus for an object to be measured such as a human being, an animal, or a fruit.
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。 With the aging of society, dealing with adult diseases is becoming a major issue. In blood glucose level and other tests, blood collection is necessary, which places a heavy burden on the patient. Therefore, a non-invasive component concentration measurement apparatus that does not collect blood has attracted attention. As a non-invasive component concentration measuring device that has been developed so far, the skin is irradiated with electromagnetic waves and absorbed by blood molecules to be measured, for example, glucose molecules in the case of blood glucose levels, and heated locally. A photoacoustic method that observes a sound wave generated from a living body due to thermal expansion has attracted attention.
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。 However, the interaction between glucose and electromagnetic waves is small, and there is a limit to the intensity of electromagnetic waves that can be safely irradiated to a living body, so that a sufficient effect has not been achieved in measuring blood glucose levels in the living body.
図4および図5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4は光パルスを電磁波として用いた第1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4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測定物610に照射される。光パルスは被測定物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。
4 and 5 are diagrams showing a configuration example of a conventional blood component concentration measuring apparatus using a photoacoustic method as a conventional example. FIG. 4 shows a first conventional example using an optical pulse as an electromagnetic wave (see, for example, Non-Patent Document 1). In this example, blood glucose, that is, glucose is the measurement target as the blood component. In FIG. 4, a
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及び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、被測定物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4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。
The waveform of the converted electric signal is observed by the
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2の従来例が開示されている。図5に第2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5により光源の数が2の場合の動作を説明する。図5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。
Therefore, a second conventional example using a light source that is continuously intensity-modulated has been disclosed for the purpose of improving accuracy. FIG. 5 shows a configuration of a second conventional apparatus (see, for example, Patent Document 1). In this example as well, blood sugar is the main measurement target, and high accuracy is attempted using a plurality of light sources having different wavelengths. In order to avoid complicated explanation, the operation when the number of light sources is 2 will be described with reference to FIG. In FIG. 5, light sources having different wavelengths, that is, a
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。
Light output from the
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の光束として被測定物610に照射される。
With the above-described configuration, the light output from each of the
被測定物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。
Inside the object to be measured 610 photoacoustic signal having the frequency f 1 is generated by the light of the
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。
上述の従来例においては以下のような課題がある。光音響法による2波長の差分検出方式では、2波長間での光音響信号の強度差が被測定物の成分濃度の測定と係わる。光伝搬経路における偏波回転や光学部品の偏波依存性のために、2波の光の強度が別々に変動してしまい、成分濃度測定装置の測定精度が低下する問題がある。 The conventional example described above has the following problems. In the two-wavelength difference detection method using the photoacoustic method, the difference in the intensity of the photoacoustic signal between the two wavelengths is related to the measurement of the component concentration of the object to be measured. Due to the polarization rotation in the light propagation path and the polarization dependence of the optical component, the intensity of the two waves varies separately, and there is a problem that the measurement accuracy of the component concentration measuring device is lowered.
本発明は、偏波依存性による測定誤差を減少させ、被測定物の成分濃度を高精度に測定可能な成分濃度測定装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a component concentration measuring apparatus capable of reducing a measurement error due to polarization dependence and measuring a component concentration of an object to be measured with high accuracy.
上記の課題を解決するために、本発明に係る成分濃度測定装置は、光の偏波状態を保持したまま被測定物に出射することを特徴とする成分濃度測定装置である。 In order to solve the above problems, a component concentration measuring apparatus according to the present invention is a component concentration measuring apparatus that emits light to a measurement object while maintaining the polarization state of light.
具体的には、本発明に係る成分濃度測定装置は、互いに異なる波長の2波の光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ電気的に強度変調する光変調手段と、前記光変調手段で変調された前記2波の光の偏波状態を保持しつつ前記光変調手段で変調された前記2波の光を合波する偏波保持光合波手段と、前記光変調手段と前記偏波保持光合波手段とを接続し、前記2波の光の偏波状態を保持しつつ前記2波の光のそれぞれを伝搬する偏波保持光伝搬手段と、前記偏波保持光合波手段で合波された光の偏波状態を保持しつつ前記偏波保持光合波手段で合波された光を被測定物に出射する偏波保持光出射手段と、前記偏波保持光出射手段からの光によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出する音波検出手段と、を備えることを特徴とする。 Specifically, the component concentration measuring apparatus according to the present invention includes an optical modulation unit that electrically modulates intensity of two light beams having different wavelengths with signals of the same frequency and opposite phase, and the optical modulation unit modulates the light. A polarization-maintaining optical multiplexing unit that combines the two-wave light modulated by the optical modulation unit while maintaining a polarization state of the two-wave light, and the optical modulation unit and the polarization-maintaining optical multiplexing unit. The polarization maintaining light propagation means for propagating each of the two waves of light while maintaining the polarization state of the two waves of light, and multiplexed by the polarization maintaining optical multiplexing means A polarization maintaining light emitting means for emitting the light combined by the polarization maintaining light combining means to the object to be measured while maintaining the polarization state of the light, and the light from the polarization maintaining light emitting means by the light from the polarization maintaining light emitting means. A sound wave detecting means for detecting a photoacoustic signal generated from a measurement object, and That.
上記の成分濃度測定装置は、偏波に依存する光の強度の変動を抑制することで、偏波依存性による前記被測定物の成分濃度の測定誤差を減少させ、前記光音響信号を高精度で検出することができる。 The component concentration measuring apparatus reduces the measurement error of the component concentration of the object to be measured due to the polarization dependence by suppressing the fluctuation of the light intensity depending on the polarization, and the photoacoustic signal is highly accurate. Can be detected.
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記偏波保持光出射手段の光路に偏波保持光切替手段がさらに挿入され、前記偏波保持光切替手段に偏波保持光分岐路がさらに接続され、前記偏波保持光切替手段は、前記偏波保持光出射手段を伝搬する光の偏波状態を保持しつつ前記偏波保持光出射手段を伝搬する光を前記偏波保持光出射手段又は前記偏波保持光分岐路のいずれか一方に分岐させ、前記偏波保持光分岐路は、前記偏波保持光切替手段で分岐された光の偏波状態を保持しつつ前記偏波保持光切替手段で分岐された光を標準試料に出射し、前記音波検出手段は、前記偏波保持光分岐路からの光によって前記標準試料から発生する光音響信号を検出することが好ましい。 In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, a polarization maintaining light switching unit is further inserted in the optical path of the polarization maintaining light emitting unit, and a polarization maintaining light branching path is further connected to the polarization maintaining light switching unit, The polarization maintaining light switching unit is configured to transmit light propagating through the polarization maintaining light emitting unit while maintaining a polarization state of light propagating through the polarization maintaining light emitting unit. The polarization-maintaining optical branch is branched into one of the wave-maintaining optical branches, and the polarization-maintaining optical branch is maintained by the polarization-maintaining light switching unit while maintaining the polarization state of the light branched by the polarization-maintaining light switching unit It is preferable that the branched light is emitted to a standard sample, and the sound wave detecting means detects a photoacoustic signal generated from the standard sample by light from the polarization maintaining light branch path.
上記の成分濃度測定装置は、前記被測定物と前記標準試料を手で置き換えることによって生じる前記被測定物の成分濃度の測定誤差を減少させ、及び、前記標準試料を用いた校正精度を向上させることができる。さらに、上記の成分濃度測定装置は、校正時間を短縮し、校正精度を向上させることができる。 The component concentration measuring apparatus reduces a measurement error of the component concentration of the object to be measured which is caused by manually replacing the object to be measured and the standard sample, and improves calibration accuracy using the standard sample. be able to. Furthermore, the above-described component concentration measuring apparatus can shorten the calibration time and improve the calibration accuracy.
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記偏波保持光出射手段の光路に偏波保持光分割手段がさらに挿入され、前記偏波保持光分割手段に偏波保持光分岐路がさらに接続され、前記偏波保持光分割手段は、前記偏波保持光出射手段を伝搬する光の偏波状態を保持しつつ前記偏波保持光出射手段を伝搬する光を前記偏波保持光出射手段及び前記偏波保持光分岐路のそれぞれに分割し、前記偏波保持光分岐路は、前記偏波保持光分割手段で分割された光の偏波状態を保持しつつ前記偏波保持光分割手段で分割された光を標準試料に出射し、前記音波検出手段は、前記偏波保持光分岐路からの光によって前記標準試料から発生する光音響信号を検出することが好ましい。 In the component concentration measurement apparatus according to the present invention, a polarization maintaining light splitting unit is further inserted in the optical path of the polarization maintaining light emitting unit, and a polarization maintaining light splitting path is further connected to the polarization maintaining light splitting unit, The polarization maintaining light splitting unit is configured to transmit light propagating through the polarization maintaining light emitting unit while maintaining a polarization state of light propagating through the polarization maintaining light emitting unit. The polarization-maintaining optical branch is divided by each of the polarization-maintaining optical splitters while maintaining the polarization state of the light split by the polarization-maintaining optical splitter. It is preferable that the emitted light is emitted to a standard sample, and the sound wave detecting means detects a photoacoustic signal generated from the standard sample by light from the polarization maintaining optical branch path.
上記の成分濃度測定装置は、前記被測定物と前記標準試料を手で置き換えることによって生じる前記被測定物の成分濃度の測定誤差を減少させ、及び、前記標準試料を用いた校正精度を向上させることができる。さらに、上記の成分濃度測定装置は、校正時間を短縮し、校正精度を向上させることができる。 The component concentration measuring apparatus reduces a measurement error of the component concentration of the object to be measured which is caused by manually replacing the object to be measured and the standard sample, and improves calibration accuracy using the standard sample. be able to. Furthermore, the above-described component concentration measuring apparatus can shorten the calibration time and improve the calibration accuracy.
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記偏波保持光分岐路は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。 In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, the polarization maintaining optical branch path is preferably a polarization maintaining optical fiber.
上記の成分濃度測定装置は、外部の温度の変化や外部からの圧力によっても前記偏波保持光分岐路を伝搬する光の偏波が回転せず、かつ、偏波に依存する光の強度の変動を抑制できるので、前記光音響信号をより高精度で検出することができる。さらに、上記の成分濃度測定装置は、省スペース化を図ることができる。 The above-described component concentration measuring apparatus does not rotate the polarization of light propagating through the polarization maintaining optical branch path due to an external temperature change or an external pressure, and the intensity of light depending on the polarization Since fluctuations can be suppressed, the photoacoustic signal can be detected with higher accuracy. Furthermore, the above-described component concentration measuring device can save space.
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記偏波保持光伝搬手段は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。 In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, the polarization maintaining light propagation means is preferably a polarization maintaining optical fiber.
上記の成分濃度測定装置は、外部の温度の変化や外部からの圧力によっても前記偏波保持光伝搬手段を伝搬する光の偏波が回転せず、かつ、偏波に依存する光の強度の変動を抑制できるので、前記光音響信号をより高精度で検出することができる。さらに、上記の成分濃度測定装置は、省スペース化を図ることができる。 The above component concentration measuring apparatus does not rotate the polarization of the light propagating through the polarization maintaining light propagation means due to an external temperature change or an external pressure, and the intensity of the light depending on the polarization does not rotate. Since fluctuations can be suppressed, the photoacoustic signal can be detected with higher accuracy. Furthermore, the above-described component concentration measuring device can save space.
本発明に係る成分濃度測定装置では、前記偏波保持光出射手段は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。 In the component concentration measuring apparatus according to the present invention, the polarization maintaining light emitting means is preferably a polarization maintaining optical fiber.
上記の成分濃度測定装置は、外部の温度の変化や外部からの圧力によっても前記偏波保持光出射手段を伝搬する光の偏波が回転せず、かつ、偏波に依存する前記光の強度の変動を抑制できるので、前記光音響信号をより高精度で検出することができる。さらに、上記の成分濃度測定装置は、省スペース化を図ることができる。 The component concentration measuring device described above is such that the polarization of light propagating through the polarization maintaining light emitting means does not rotate due to a change in external temperature or pressure from the outside, and the intensity of the light depends on the polarization. Therefore, the photoacoustic signal can be detected with higher accuracy. Furthermore, the above-described component concentration measuring device can save space.
本発明は、偏波依存性による測定誤差を減少させ、被測定物の成分濃度を高精度に測定可能な成分濃度測定装置を提供することができる。 The present invention can provide a component concentration measuring apparatus that can reduce measurement errors due to polarization dependence and can measure the component concentration of a measurement object with high accuracy.
添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。また、各実施形態に係る成分濃度測定装置において、電源、あるいは全体の動作を制御する制御部などの通常の技術により実現できる部分は図示せず、同一部材及び同一部位には同一符号を付した。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiment described below is an example of the configuration of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment. In addition, in the component concentration measuring apparatus according to each embodiment, a part that can be realized by a normal technique such as a power source or a control unit that controls the entire operation is not shown, and the same members and the same parts are denoted by the same reference numerals. .
初めに、本発明の成分濃度測定装置の基本原理を説明する。被測定物の成分濃度の算定式を数1に示す。ここで、α1 (W),α2 (W)は、波長λ1の光及び波長λ2の光に対する背景(主に水)の吸収係数であり、α1 (g),α2 (g)は、波長λ1の光及び波長λ2の光に対する測定対象となる成分(例えば、血液)のモル吸収係数である。 First, the basic principle of the component concentration measuring apparatus of the present invention will be described. The formula for calculating the component concentration of the object to be measured is shown in Equation 1. Here, α 1 (W) and α 2 (W) are absorption coefficients of the background (mainly water) with respect to light of wavelength λ 1 and light of wavelength λ 2 , and α 1 (g) and α 2 (g ) Is the molar absorption coefficient of the component (for example, blood) to be measured for the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 .
上記の数1を解いて、被測定物の測定対象の成分濃度Mを求めることができる。ここで、Cは制御あるいは予想困難な係数、すなわち、被測定物と音波検出器の結合状態、音波検出器の感度、被測定物において光により音波が発生される位置と音波検出器との間の距離、被測定物の比熱及び熱膨張係数、被測定物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、背景の吸収係数及び測定対象となる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1においてCを消去すると数2が得られる。ここで、s1及びs2は、波長λ1の光及び波長λ2の光によって被測定物が発生する光音響信号の大きさである。 By solving the above equation 1, the component concentration M of the measurement target of the object to be measured can be obtained. Here, C is a coefficient that is difficult to control or predict, that is, the coupling state between the object to be measured and the sound wave detector, the sensitivity of the sound wave detector, and the position between the position where the sound wave is generated by light in the object to be measured and the sound wave detector. Distance, specific heat and thermal expansion coefficient of the object to be measured, speed of sound wave inside the object to be measured, modulation frequency of light of wavelength λ 1 and light of wavelength λ 2 , absorption coefficient of background, and mole of component to be measured It is an unknown constant that depends on the absorption coefficient. Further, when C is deleted in Equation 1, Equation 2 is obtained. Here, s 1 and s 2 are the magnitudes of the photoacoustic signals generated by the object to be measured by the light of wavelength λ 1 and the light of wavelength λ 2 .
ここで、吸収係数α1 (W)及びα2 (W)が等しくなるよう2波の光を選択し、s1≒s2であることを用いれば、成分濃度Mは、数3で表される。 Here, if two light beams are selected so that the absorption coefficients α 1 (W) and α 2 (W) are equal, and s 1 ≈s 2 is used, the component concentration M is expressed by Equation 3. The
(第1実施形態)
図1に、第1実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図を示す。第1実施形態に係る成分濃度測定装置100は、互いに異なる波長の2波の光を同一周波数で逆位相の信号によりそれぞれ電気的に強度変調する光変調手段110と、光変調手段で変調された2波の光の偏波状態を保持しつつ光変調手段110で変調された2波の光を合波する偏波保持光合波手段120と、光変調手段110と偏波保持光合波手段120とを接続し、2波の光の偏波状態を保持しつつ2波の光のそれぞれを伝搬する偏波保持光伝搬手段130と、偏波保持光合波手段120で合波された光の偏波状態を保持しつつ偏波保持光合波手段120で合波された光を被測定物199に出射する偏波保持光出射手段140と、偏波保持光出射手段140からの光によって被測定物199から発生する光音響信号を検出する音波検出手段150と、を備える。さらに、図1の光変調手段110は、2個の駆動回路111a,111b、2個の光源112a,112b、遅延調整器113及び発信器114を有する。図1の音波検出手段150は、音波検出器151、前置増幅器152、位相検波増幅器153、光音響信号出力端子154及び成分濃度算出部155を有する。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic diagram of a component concentration measuring apparatus according to the first embodiment. The component
光源112としては、例えば、分布帰還型半導体レーザ(DFB−LD)がある。ここでは、光源112a,112bは、互いに波長が異なり、かつ、被測定物199の吸収波長となる光を出力することが好ましい。図1の成分濃度測定装置100では、光源112aの発振波長が1.38μmであり、光源112bの発振波長が1.61μmである。また、光源112は、ヒーター又はペルチェ素子で加熱又は冷却することにより出力する光の波長を変化できることが好ましい。光源112は、例えば、波長安定度が0.1nmであり、0.1℃単位で光源112の温度を安定化できる。
An example of the
例えば、光源112aに電力を供給する駆動回路111aが光源112aに接続され、光源112bに電力を供給する駆動回路111bが光源112bに接続される。駆動回路111は、例えば、500kHzの周波数で光源112が出力する光を直接変調する。また、発信器114は、任意の周波数、例えば、周波数が1kHz〜1MHzのパルス列を発生させ、これを駆動回路111a,111bに出力する。遅延調整器113は、例えば、0.1n秒単位の精度で遅延を付与でき、光源112a,112bを逆位相で駆動するために、発信器114が発生させたパルス列に周期の半分の遅延を付与するように調整する。
For example, a
偏波保持光伝搬手段130aは、例えば、光源112aと偏波保持光合波手段120の光入力端子(不図示)との間を接続する。また、偏波保持光伝搬手段130bは、例えば、光源112bと偏波保持光合波手段120の光入力端子との間を接続する。偏波保持光合波手段120としては、例えば、光ファイバ結合型光カプラ又は空間型光フィルタがある。
For example, the polarization maintaining
第1実施形態に係る成分濃度測定装置では、偏波保持光伝搬手段130は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。成分濃度測定装置100は、外部の温度の変化や外部からの圧力によっても偏波保持光伝搬手段130を伝搬する光の偏波が回転せず、かつ、偏波に依存する光の強度の変動を抑制できるので、光音響信号をより高精度で検出することができる。さらに、成分濃度測定装置100は、偏波保持光ファイバを用いることで偏波保持光伝搬手段130の取り回しの自由度が高くなり、省スペース化を図ることができる。
In the component concentration measuring apparatus according to the first embodiment, the polarization maintaining light propagation means 130 is preferably a polarization maintaining optical fiber. The component
偏波保持光出射手段140は、例えば、偏波保持光合波手段120の光出力端子(不図示)に接続される。第1実施形態に係る成分濃度測定装置では、偏波保持光出射手段140は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。成分濃度測定装置100は、外部の温度の変化や外部からの圧力によっても偏波保持光出射手段140を伝搬する光の偏波が回転せず、かつ、偏波に依存する前記光の強度の変動を抑制できるので、光音響信号をより高精度で検出することができる。さらに、成分濃度測定装置100は、偏波保持光ファイバを用いることで偏波保持光出射手段140の取り回しの自由度が高くなり、省スペース化を図ることができる。
The polarization maintaining
偏波保持光出射手段140から光を受けた被測定物199は、光音響効果によって光音響信号を発生する。音波検出器151は、例えば、被測定物199が発生する光音響信号を検出して電気信号に変換する。ここで、音波検出器151は、検出感度が最高となる共振周波数を、光変調手段110の変調周波数に合せた周波数、例えば、500kHzに合せることが好ましい。音波検出器151としては、例えば、超音波センサがある。前置増幅器152は、例えば、音波検出器151からの電気信号を増幅して出力する。位相検波増幅器153は、例えば、光変調手段110の変調周波数と同一周波数成分となる電気信号を抽出し、光音響信号出力端子154に出力する。光音響信号出力端子154には、例えば、成分濃度算出部155が接続される。成分濃度算出部155は、例えば、上記の基本原理を用いて、光音響信号出力端子154が出力する電気信号に基づいて被測定物199の成分濃度を算出する。
The device under
被測定物199としては、人体又は人体の一部、例えば、指がある。被測定物199が指であれば、成分濃度測定装置100は、血液中のグルコースの濃度を測定できる。また、被測定物199としては、例えば、実験用ラット、みかん等の果実、或いは、人体又は実験用ラットから採取した採取物もある。被測定物199が果実であれば、成分濃度測定装置100は、果実の糖度、すなわち、果実の甘さを測定できる。
The
成分濃度測定装置100は、光変調手段110で出力された光が被測定物199に出射されるまで、偏波保持光合波手段120、偏波保持光伝搬手段130及び偏波保持光出射手段140によって光の偏波状態を保持できるので、偏波依存性による被測定物199の成分濃度の測定誤差が減少する。これによって、成分濃度測定装置100は、光音響信号を高精度で検出することができる。
The component
(第2実施形態)
第2実施形態に係る成分濃度測定装置について、第1実施形態に係る成分濃度測定装置と異なる点を中心に説明する。図2に、第2実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図を示す。第2実施形態に係る成分濃度測定装置101では、偏波保持光出射手段140の光路に偏波保持光切替手段160がさらに挿入され、偏波保持光切替手段160に偏波保持光分岐路170がさらに接続され、偏波保持光切替手段160は、偏波保持光出射手段140を伝搬する光の偏波状態を保持しつつ偏波保持光出射手段140を伝搬する光を偏波保持光出射手段140又は偏波保持光分岐路170のいずれか一方に分岐させ、偏波保持光分岐路170は、偏波保持光切替手段160で分岐された光の偏波状態を保持しつつ偏波保持光切替手段160で分岐された光を標準試料198に出射し、音波検出手段150は、偏波保持光分岐路170からの光によって標準試料198から発生する光音響信号を検出することが好ましい。図2の音波検出手段150は、2個の音波検出器151a,151b、2個の前置増幅器152a,152b、位相検波増幅器153及び光音響信号出力端子154、成分濃度算出部155及び電気スイッチ156を有する。
(Second Embodiment)
The component concentration measuring apparatus according to the second embodiment will be described focusing on differences from the component concentration measuring apparatus according to the first embodiment. FIG. 2 shows a schematic diagram of a component concentration measuring apparatus according to the second embodiment. In the component
偏波保持光切替手段160は、例えば、偏波保持光出射手段140の中間に挿入される。偏波保持光切替手段160としては、例えば、光ファイバ切替型スイッチ又はミラー反射型スイッチがある。偏波保持光切替手段160は、分岐した光の出力が低下しにくい利点がある。
For example, the polarization maintaining
偏波保持光切替手段160は、1本の偏波保持光分岐路170が接続される。第2実施形態に係る成分濃度測定装置では、偏波保持光分岐路170は、偏波保持光ファイバであることが好ましい。成分濃度測定装置101は、外部の温度の変化や外部からの圧力によっても偏波保持光分岐路170を伝搬する光の偏波が回転せず、かつ、偏波に依存する光の強度の変動を抑制できるので、光音響信号をより高精度で検出することができる。さらに、成分濃度測定装置101は、偏波保持光ファイバを用いることで偏波保持光分岐路170の取り回しの自由度が高くなり、省スペース化を図ることができる。
The polarization maintaining
例えば、偏波保持光出射手段140の先端には出射口141が装着され、偏波保持光分岐路170の先端には出射口171が装着される。出射口141及び出射口171としては、例えば、光のビーム径が2mmとなる光ファイバコリメータ、材料がBK7(登録商標)、SFL−11(登録商標)、石英又はサファイアの全反射プリズム、或いは、フェルールがある。
For example, an
偏波保持光合波手段120で合波された光は、偏波保持光出射手段140の中間で偏波保持光切替手段160によって偏波保持光出射手段140の出射口141の側又は偏波保持光分岐路170の出射口171の側に分岐され、被測定物199及び標準試料198のいずれか一方に出射される。
The light combined by the polarization maintaining
音波検出器151aは、例えば、被測定物199が発生する光音響信号を検出して電気信号に変換する。前置増幅器152aは、例えば、音波検出器151aからの電気信号を増幅して出力する。また、電気スイッチ156は、例えば、前置増幅器152aからの電気信号と前置増幅器152bからの電気信号とを切り替え、光音響信号出力端子154に出力する。被測定物199の成分濃度を測定する際は、偏波保持光切替手段160及び電気スイッチ156を被測定物199に光が出射されるように切り替える。これによって、第1実施形態に係る成分濃度測定装置と同様に、成分濃度測定装置101は、被測定物199の成分濃度を測定できる。
The
一方、音波検出器151bは、例えば、標準試料198が発生する光音響信号を検出して電気信号に変換する。前置増幅器152bは、例えば、音波検出器151bからの電気信号を増幅して出力する。標準試料198を用いて校正する際は、偏波保持光切替手段160及び電気スイッチ156を標準試料198に光が出射されるように切り替える。そして、数3における光音響信号の強度の差分(s1‐s2)がゼロ又は雑音の強度と略等しくなるように、発信器114及び駆動回路111の変調振幅、並びに、遅延調整器113の遅延を調整する。
On the other hand, the
標準試料198としては、例えば、被測定物199と等価な吸光度、電熱特性及び音響特性を示すように調合した生体等価物質を封入したものがある。測定対象の成分が血液中のグルコースであれば、標準試料198としては、例えば、水溶液又は水分を含んだ軟化ゲル状の試料を封入したガラスセル、或いは、血液成分量を検査済みの血液又は血清を封入したガラスセルがある。成分濃度測定装置100では、被検体199の測定対象とする成分に応じた標準試料198とすることにより、成分濃度測定値100の校正を行うことができる。
As the
光変調手段110で出力された光が標準試料198に出射されるまで、偏波保持光合波手段120、偏波保持光伝搬手段130、偏波保持光出射手段140、偏波保持光切替手段160及び偏波保持光分岐路170によって光の偏波状態を保持できるので、成分濃度測定装置101は、偏波依存性による標準試料198の成分濃度の測定誤差が減少する
。
Until the light output from the
成分濃度測定装置101は、偏波保持光切替手段160及び偏波保持光分岐路170を備えるので、被測定物199と標準試料198を手で置き換える必要がなく、手の温度によって標準試料198及び被測定物199の温度は変動しない。これによって、成分濃度測定装置101は、被測定物199の成分濃度の測定誤差が減少させ、標準試料198を用いた校正精度を向上させることができる。また、手の温度の影響がないので、標準試料198の温度が規定値になるまでの時間を待つことなく校正を開始でき、成分濃度測定装置101は、校正時間を短縮することができる。
Since the component
(第3実施形態)
第3実施形態に係る成分濃度測定装置について、第2実施形態に係る成分濃度測定装置と異なる点を中心に説明する。図3に、第3実施形態に係る成分濃度測定装置の概略図を示す。第3実施形態に係る成分濃度測定装置102では、偏波保持光出射手段140の光路に偏波保持光分割手段180がさらに挿入され、偏波保持光分割手段180に偏波保持光分岐路170がさらに接続され、偏波保持光分割手段180は、偏波保持光出射手段140を伝搬する光の偏波状態を保持しつつ偏波保持光出射手段140を伝搬する光を偏波保持光出射手段140及び偏波保持光分岐路170のそれぞれに分割し、偏波保持光分岐路170は、偏波保持光分割手段180で分割された光の偏波状態を保持しつつ偏波保持光分割手段180で分割された光を標準試料198に出射し、音波検出手段150は、偏波保持光分岐路170からの光によって標準試料198から発生する光音響信号を検出することが好ましい。
(Third embodiment)
The component concentration measuring apparatus according to the third embodiment will be described focusing on differences from the component concentration measuring apparatus according to the second embodiment. FIG. 3 shows a schematic diagram of a component concentration measuring apparatus according to the third embodiment. In the component
偏波保持光分割手段180は、例えば、偏波保持光出射手段140の光路の中間に挿入される。偏波保持光分割手段180としては、例えば、光ファイバ結合型スプリッタ、又は、ビームスプリッタを用いた空間フィルタ型スプリッタがある。偏波保持光分割手段180は、分割した光が、繰り返し再現性に優れ、測定誤差が発生しにくい利点がある。
The polarization maintaining
偏波保持光合波手段120で合波された光は、偏波保持光出射手段140の中間で偏波保持光分割手段180によって偏波保持光出射手段140の出射口141の側及び偏波保持光分岐路170の出射口171の側に分割され、被測定物199及び標準試料198の両方に出射される。
The light combined by the polarization maintaining
光変調手段110で出力された光が標準試料198に出射されるまで、偏波保持光合波手段120、偏波保持光伝搬手段130、偏波保持光出射手段140、偏波保持光分岐路170及び偏波保持光分割手段180によって光の偏波状態が保持されるので、成分濃度測定装置102は、被測定物199の成分濃度の測定誤差が減少させ、標準試料198を用いた校正精度を向上させることができる。さらに、成分濃度測定装置102は、第2実施形態に係る成分濃度測定装置と同様に、校正時間を短縮し、校正精度を向上させることができる。
Until the light output from the light modulation means 110 is emitted to the
本発明に係る成分濃度測定装置は、日常の健康管理や美容上のチェックに利用することができる。また、人間ばかりでなく、動物についても健康管理に利用することができる。また、本発明に係る成分濃度測定装置は、人間や動物だけではなく、液体中の成分濃度を測定する分野、例えば果実の糖度測定にも適用することができる。 The component concentration measuring apparatus according to the present invention can be used for daily health management and cosmetic check. Moreover, not only humans but also animals can be used for health management. Moreover, the component concentration measuring apparatus according to the present invention can be applied not only to humans and animals but also to the field of measuring component concentrations in liquids, for example, sugar content measurement of fruits.
100,101,102:成分濃度測定装置
110:光変調手段
111,111a,111b:駆動回路
112,112a,112b:光源
113:遅延調整器
114:発振器
120:偏波保持光合波手段
130,130a,130b:偏波保持光伝搬手段
140:偏波保持光出射手段
141,171:出射口
150:音波検出手段
151:音波検出器
152:前置増幅器
153:位相検波増幅器
154:光音響信号出力端子
155:成分濃度算出部
156:電気スイッチ
160:偏波保持光切替手段
170:偏波保持光分岐路
180:偏波保持光分割手段
198:標準試料
199:被測定物
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:被測定物
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
100, 101, 102: Component concentration measuring device 110: Optical modulation means 111, 111a, 111b: Drive
Claims (6)
前記光変調手段で変調された前記2波の光の偏波状態を保持しつつ前記光変調手段で変調された前記2波の光を合波する偏波保持光合波手段と、
前記光変調手段と前記偏波保持光合波手段とを接続し、前記2波の光の偏波状態を保持しつつ前記2波の光のそれぞれを伝搬する偏波保持光伝搬手段と、
前記偏波保持光合波手段で合波された光の偏波状態を保持しつつ前記偏波保持光合波手段で合波された光を被測定物に出射する偏波保持光出射手段と、
前記偏波保持光出射手段からの光によって前記被測定物から発生する光音響信号を検出する音波検出手段と、を備える成分濃度測定装置。 Light modulation means for electrically intensity-modulating two waves of different wavelengths with signals of the same frequency and opposite phase;
Polarization maintaining optical multiplexing means for multiplexing the two waves of light modulated by the light modulation means while maintaining the polarization state of the two waves of light modulated by the light modulation means;
Polarization maintaining light propagating means for propagating each of the two waves of light while connecting the optical modulation means and the polarization maintaining optical multiplexing means, and maintaining the polarization state of the two waves of light;
Polarization maintaining light emitting means for emitting the light combined by the polarization maintaining light combining means to the object to be measured while maintaining the polarization state of the light combined by the polarization maintaining light combining means;
A component concentration measuring apparatus comprising: a sound wave detecting unit that detects a photoacoustic signal generated from the object to be measured by light from the polarization maintaining light emitting unit.
前記偏波保持光切替手段は、前記偏波保持光出射手段を伝搬する光の偏波状態を保持しつつ前記偏波保持光出射手段を伝搬する光を前記偏波保持光出射手段又は前記偏波保持光分岐路のいずれか一方に分岐させ、
前記偏波保持光分岐路は、前記偏波保持光切替手段で分岐された光の偏波状態を保持しつつ前記偏波保持光切替手段で分岐された光を標準試料に出射し、
前記音波検出手段は、前記偏波保持光分岐路からの光によって前記標準試料から発生する光音響信号を検出す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。 A polarization maintaining light switching means is further inserted in the optical path of the polarization maintaining light emitting means, and a polarization maintaining light branching path is further connected to the polarization maintaining light switching means,
The polarization maintaining light switching unit is configured to transmit light propagating through the polarization maintaining light emitting unit while maintaining a polarization state of light propagating through the polarization maintaining light emitting unit. Branch to one of the wave-holding optical branch paths,
The polarization maintaining light branch path emits the light branched by the polarization maintaining light switching unit to the standard sample while maintaining the polarization state of the light branched by the polarization maintaining light switching unit,
2. The component concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the sound wave detecting unit detects a photoacoustic signal generated from the standard sample by light from the polarization maintaining optical branching path.
前記偏波保持光分割手段は、前記偏波保持光出射手段を伝搬する光の偏波状態を保持しつつ前記偏波保持光出射手段を伝搬する光を前記偏波保持光出射手段及び前記偏波保持光分岐路のそれぞれに分割し、
前記偏波保持光分岐路は、前記偏波保持光分割手段で分割された光の偏波状態を保持しつつ前記偏波保持光分割手段で分割された光を標準試料に出射し、
前記音波検出手段は、前記偏波保持光分岐路からの光によって前記標準試料から発生する光音響信号を検出す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。 A polarization maintaining light splitting means is further inserted in the optical path of the polarization maintaining light emitting means, and a polarization maintaining light branching path is further connected to the polarization maintaining light splitting means,
The polarization maintaining light splitting unit is configured to transmit light propagating through the polarization maintaining light emitting unit while maintaining a polarization state of light propagating through the polarization maintaining light emitting unit. Split into each of the wave-holding optical branch paths,
The polarization maintaining light branch path emits the light split by the polarization maintaining light splitting means to a standard sample while maintaining the polarization state of the light split by the polarization maintaining light splitting means,
2. The component concentration measuring apparatus according to claim 1, wherein the sound wave detecting unit detects a photoacoustic signal generated from the standard sample by light from the polarization maintaining optical branching path.
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