JPH09145683A - 光音響分析方法及び光音響分析装置 - Google Patents
光音響分析方法及び光音響分析装置Info
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- JPH09145683A JPH09145683A JP7305686A JP30568695A JPH09145683A JP H09145683 A JPH09145683 A JP H09145683A JP 7305686 A JP7305686 A JP 7305686A JP 30568695 A JP30568695 A JP 30568695A JP H09145683 A JPH09145683 A JP H09145683A
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- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0093—Detecting, measuring or recording by applying one single type of energy and measuring its conversion into another type of energy
- A61B5/0095—Detecting, measuring or recording by applying one single type of energy and measuring its conversion into another type of energy by applying light and detecting acoustic waves, i.e. photoacoustic measurements
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- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高精度かつ小型の光音響分析方法及び装置を
実現する。 【解決手段】 参照試料9と測定試料10の間に、光源
1の光に対して透明な音響インピーダンス整合層8を設
け、ただ一つの音響センサ12を測定試料10に接触さ
せて配置する。光源1からのパルス光を、参照試料9、
音響インピーダンス整合層8、測定試料10を同時に透
過させ、参照試料9からの音波と測定試料10からの音
波を一つの音響センサ12を用いて時間軸上で分離して
検出する。
実現する。 【解決手段】 参照試料9と測定試料10の間に、光源
1の光に対して透明な音響インピーダンス整合層8を設
け、ただ一つの音響センサ12を測定試料10に接触さ
せて配置する。光源1からのパルス光を、参照試料9、
音響インピーダンス整合層8、測定試料10を同時に透
過させ、参照試料9からの音波と測定試料10からの音
波を一つの音響センサ12を用いて時間軸上で分離して
検出する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、パルス光源を用い
た光音響分析方法及び光音響分析装置に関する。
た光音響分析方法及び光音響分析装置に関する。
【0002】
【従来の技術】光音響分析装置は、光を吸収して励起さ
れた分子が無輻射失活する際に発生する音波を検出する
ことにより試料の分析を行う装置である。従来の光音響
分析装置においては、アナリティカル・ケミストリー、
53(1981年)第539〜540頁〔Analytical C
hemistly, vol.53(1981), pp.539-540〕に記載されてい
るように、光源の強度等の変動を補償するために、光源
から射出された光を2光束に分けて参照試料の入ったセ
ルと測定試料の入ったセルのそれぞれへ入射させ、それ
ぞれのセルに設置された音響センサで検出された光音響
信号の強度の比を取るという方法が一般的であった。
れた分子が無輻射失活する際に発生する音波を検出する
ことにより試料の分析を行う装置である。従来の光音響
分析装置においては、アナリティカル・ケミストリー、
53(1981年)第539〜540頁〔Analytical C
hemistly, vol.53(1981), pp.539-540〕に記載されてい
るように、光源の強度等の変動を補償するために、光源
から射出された光を2光束に分けて参照試料の入ったセ
ルと測定試料の入ったセルのそれぞれへ入射させ、それ
ぞれのセルに設置された音響センサで検出された光音響
信号の強度の比を取るという方法が一般的であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法で
は、光源の射出部において光線が射出する位置がゆらい
だような場合、ハーフミラーなどで分割した2光束の受
ける影響は反射光と透過光で異なっているため、これを
補償することはできない。しかも2つのセルと2つの音
響センサが必要とされ、これらが空間的に別の位置にあ
るために、もし測定環境において不均一な温度の変動が
生ずるとその影響はそれぞれについて異なったものとな
り、これも測定誤差を生む。このような誤差を取り除こ
うとすれば、測定系全体を一つの恒温槽に入れるなどの
大掛かりな設備が必要となる。またいかに特性の揃った
音響センサを2つ揃えたとしても、長期的には劣化など
によってばらつきが生じる可能性もある。さらに音響セ
ンサにアンプを接続した場合、アンプのゲインの変動も
2つのアンプの間で独立であるから誤差の原因となる。
5%以上の大きな光源強度の変動を補正するだけであれ
ば、これらの欠点はそれほど問題とはならないが、たと
えば、正常範囲の血中グルコース濃度を光音響信号の強
度変化から定量しようとすれば、少なくとも0.1%以
上の測定精度が必要であり、上記の問題点をもはや無視
することはできない。本発明の目的は、上記の問題を解
決し、高精度かつ小型の光音響分析方法及び光音響分析
装置を提供することにある。
は、光源の射出部において光線が射出する位置がゆらい
だような場合、ハーフミラーなどで分割した2光束の受
ける影響は反射光と透過光で異なっているため、これを
補償することはできない。しかも2つのセルと2つの音
響センサが必要とされ、これらが空間的に別の位置にあ
るために、もし測定環境において不均一な温度の変動が
生ずるとその影響はそれぞれについて異なったものとな
り、これも測定誤差を生む。このような誤差を取り除こ
うとすれば、測定系全体を一つの恒温槽に入れるなどの
大掛かりな設備が必要となる。またいかに特性の揃った
音響センサを2つ揃えたとしても、長期的には劣化など
によってばらつきが生じる可能性もある。さらに音響セ
ンサにアンプを接続した場合、アンプのゲインの変動も
2つのアンプの間で独立であるから誤差の原因となる。
5%以上の大きな光源強度の変動を補正するだけであれ
ば、これらの欠点はそれほど問題とはならないが、たと
えば、正常範囲の血中グルコース濃度を光音響信号の強
度変化から定量しようとすれば、少なくとも0.1%以
上の測定精度が必要であり、上記の問題点をもはや無視
することはできない。本発明の目的は、上記の問題を解
決し、高精度かつ小型の光音響分析方法及び光音響分析
装置を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明では、いずれか一
方が測定試料で他方が参照試料である第1の試料と第2
の試料を透明な音響インピーダンス整合層の両側に該音
響インピーダンス整合層と音響的に結合させて配置し、
第1の試料、音響インピーダンス整合層、第2の試料の
順に光が透過するようにパルス光を入射させ、第1の試
料から発生してインピーダンス整合層及び第2の試料中
を伝播してきた第1の音波及び第2の試料から発生した
第2の音波を1個の音響センサで時間的に分離して検出
することで前記目的を達成する。
方が測定試料で他方が参照試料である第1の試料と第2
の試料を透明な音響インピーダンス整合層の両側に該音
響インピーダンス整合層と音響的に結合させて配置し、
第1の試料、音響インピーダンス整合層、第2の試料の
順に光が透過するようにパルス光を入射させ、第1の試
料から発生してインピーダンス整合層及び第2の試料中
を伝播してきた第1の音波及び第2の試料から発生した
第2の音波を1個の音響センサで時間的に分離して検出
することで前記目的を達成する。
【0005】また、本発明では、参照試料及び該参照試
料に音響的に結合して配置された音響インピーダンス整
合層を介して測定試料にパルス光を照射し、参照試料か
ら発生した第1の音波及び測定試料から発生して音響イ
ンピーダンス整合層中を伝播してきた第2の音波を1個
の音響センサで時間的に分離して検出することで前記目
的を達成する。
料に音響的に結合して配置された音響インピーダンス整
合層を介して測定試料にパルス光を照射し、参照試料か
ら発生した第1の音波及び測定試料から発生して音響イ
ンピーダンス整合層中を伝播してきた第2の音波を1個
の音響センサで時間的に分離して検出することで前記目
的を達成する。
【0006】音響インピーダンス整合層は、参照試料で
発生した音波と測定試料で発生した音波を1つの音響セ
ンサにおいて時間軸上で分離して検出するのに十分な厚
さを有し、音響センサの出力信号のうち参照試料で発生
した音波に由来する成分と測定試料で発生した音波に由
来する成分の強度比を求めることにより、光源強度の変
動、光束の位置の変動、音響センサの感度及び増幅器の
ゲインの変動が補償され、非常に高精度の光音響分析を
行うことができる。
発生した音波と測定試料で発生した音波を1つの音響セ
ンサにおいて時間軸上で分離して検出するのに十分な厚
さを有し、音響センサの出力信号のうち参照試料で発生
した音波に由来する成分と測定試料で発生した音波に由
来する成分の強度比を求めることにより、光源強度の変
動、光束の位置の変動、音響センサの感度及び増幅器の
ゲインの変動が補償され、非常に高精度の光音響分析を
行うことができる。
【0007】本発明による光音響分析装置は、パルス光
を射出する光源と、参照試料と、測定試料と、参照試料
と測定試料との間に配置された光源の光に対して透明な
音響インピーダンス整合層と、ただ一つの音響センサと
を備え、光源から射出されたパルス光が参照試料と音響
インピーダンス整合層と測定試料を透過することを特徴
とする。測定試料あるいは参照試料の音響インピーダン
ス整合層に接していない側の少なくとも一方に他の音響
インピーダンス整合層を配置して音波の反射を防ぐよう
にしてもよい。
を射出する光源と、参照試料と、測定試料と、参照試料
と測定試料との間に配置された光源の光に対して透明な
音響インピーダンス整合層と、ただ一つの音響センサと
を備え、光源から射出されたパルス光が参照試料と音響
インピーダンス整合層と測定試料を透過することを特徴
とする。測定試料あるいは参照試料の音響インピーダン
ス整合層に接していない側の少なくとも一方に他の音響
インピーダンス整合層を配置して音波の反射を防ぐよう
にしてもよい。
【0008】音響インピーダンス整合層としては、光音
響効果により発生した音波の波長より十分に薄く前記光
源の光に対して透明な膜で挟まれた透明な液体、あるい
は塩化ビニル又は可塑剤を混合した塩化ビニル等の固体
を用いることができる。また、本発明による光音響分析
装置は、パルス光を射出する光源と、参照試料と、光源
の光に対して透明な音響インピーダンス整合層と、ただ
一つの音響センサとを備え、音響インピーダンス整合層
の一方の側に音響センサが配置され、その音響インピー
ダンス整合層の一方の側は測定試料と接触する面であ
り、音響インピーダンス整合層の測定試料と接触する面
の反対側に音響センサが配置され、光源から射出された
パルス光は参照試料側から音響インピーダンス整合層を
介して測定試料に照射されることを特徴とする。
響効果により発生した音波の波長より十分に薄く前記光
源の光に対して透明な膜で挟まれた透明な液体、あるい
は塩化ビニル又は可塑剤を混合した塩化ビニル等の固体
を用いることができる。また、本発明による光音響分析
装置は、パルス光を射出する光源と、参照試料と、光源
の光に対して透明な音響インピーダンス整合層と、ただ
一つの音響センサとを備え、音響インピーダンス整合層
の一方の側に音響センサが配置され、その音響インピー
ダンス整合層の一方の側は測定試料と接触する面であ
り、音響インピーダンス整合層の測定試料と接触する面
の反対側に音響センサが配置され、光源から射出された
パルス光は参照試料側から音響インピーダンス整合層を
介して測定試料に照射されることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明を詳細
に説明する。 〔実施の形態1〕図1は、本発明の第1の実施の形態を
示す概念図である。光音響セル4は、図1に断面を示
し、図2に斜視図を示すように、例えば円筒形の4個の
スペーサ5a〜5dの間に透明な薄膜6b,6c,6d
を液密に挟んで重ね、スペーサ5a及び5dの端面に透
明な薄膜6a及び6eを貼って構成されたものである。
薄膜6eには音響センサ12が接合されている。薄膜6
a〜6eの材質は、光源1が出力する光に対して透明な
ものが選択され、たとえば光源1の出力が可視光又は近
赤外光ならポリエチレンフィルムが用いられる。薄膜6
a及び6bで挟まれたスペーサ5aの内部空間、及び薄
膜6c及び6dで挟まれたスペーサ5cの内部空間に
は、各々光源1が出力する光に対して透明な液体7及び
8が収容されている。薄膜6b及び6cで挟まれたスペ
ーサ5bの内部空間には参照試料9が収容され、薄膜6
d及び6eで挟まれたスペーサ5dの内部空間には測定
試料10が収容されている。測定試料10は、栓11を
開けて光音響セル4内に注入あるいは排出される。
に説明する。 〔実施の形態1〕図1は、本発明の第1の実施の形態を
示す概念図である。光音響セル4は、図1に断面を示
し、図2に斜視図を示すように、例えば円筒形の4個の
スペーサ5a〜5dの間に透明な薄膜6b,6c,6d
を液密に挟んで重ね、スペーサ5a及び5dの端面に透
明な薄膜6a及び6eを貼って構成されたものである。
薄膜6eには音響センサ12が接合されている。薄膜6
a〜6eの材質は、光源1が出力する光に対して透明な
ものが選択され、たとえば光源1の出力が可視光又は近
赤外光ならポリエチレンフィルムが用いられる。薄膜6
a及び6bで挟まれたスペーサ5aの内部空間、及び薄
膜6c及び6dで挟まれたスペーサ5cの内部空間に
は、各々光源1が出力する光に対して透明な液体7及び
8が収容されている。薄膜6b及び6cで挟まれたスペ
ーサ5bの内部空間には参照試料9が収容され、薄膜6
d及び6eで挟まれたスペーサ5dの内部空間には測定
試料10が収容されている。測定試料10は、栓11を
開けて光音響セル4内に注入あるいは排出される。
【0010】薄膜6a,6bで仕切られた液体7、及び
薄膜6c,6dで仕切られた液体8は、参照試料9及び
測定試料10に対する音響インピーダンス整合層を形成
する。薄膜6a〜6eの厚みは、測定試料10及び参照
試料9で発生する音波パルスの波長に比較して十分小さ
く設定してある。音響インピーダンス整合層を形成する
液体7,8及び参照試料9は、音響インピーダンスが測
定試料10に似通ったものを使用する。参照試料9は、
光の吸収特性も測定試料10に近いものでなければなら
ない。
薄膜6c,6dで仕切られた液体8は、参照試料9及び
測定試料10に対する音響インピーダンス整合層を形成
する。薄膜6a〜6eの厚みは、測定試料10及び参照
試料9で発生する音波パルスの波長に比較して十分小さ
く設定してある。音響インピーダンス整合層を形成する
液体7,8及び参照試料9は、音響インピーダンスが測
定試料10に似通ったものを使用する。参照試料9は、
光の吸収特性も測定試料10に近いものでなければなら
ない。
【0011】光源1は、測定試料が吸収する波長の光を
出力するパルスレーザである。光源1のパルス光の一部
をビームスプリッタ2で分割して光検出器3に入射さ
せ、光検出器3の出力信号を2チャンネル以上のデジタ
イジング・オシロスコープ14のトリガー信号とする。
光検出器3は、立ち上がり時間がパルスレーザ1の出力
をパルスとして捉えうる応答速度を持つものを使用す
る。
出力するパルスレーザである。光源1のパルス光の一部
をビームスプリッタ2で分割して光検出器3に入射さ
せ、光検出器3の出力信号を2チャンネル以上のデジタ
イジング・オシロスコープ14のトリガー信号とする。
光検出器3は、立ち上がり時間がパルスレーザ1の出力
をパルスとして捉えうる応答速度を持つものを使用す
る。
【0012】光の速度は十分速いので、光音響セル4に
入射した光は測定試料10と参照試料9に同時に届くと
見なしうる。測定試料10で発生した音波パルスがまず
最初に音響センサ12で検出され(第1のパルス)、続
いて参照試料9で発生した音波パルスが液体8等で構成
された音響インピーダンス整合層(第1の音響インピー
ダンス整合層)と測定試料10を介して伝搬し、音響セ
ンサ12で検出される(第2のパルス)。参照試料9と
薄膜6bの接する面における反射を防ぐため、参照試料
9の光入射側に液体7等で構成された音響インピーダン
ス整合層(第2のインピーダンス整合層)を設けてあ
る。第1のパルスと第2のパルスの間の時間的遅延は、
薄膜6c,6dの厚みが十分に薄いので、〔(音響イン
ピーダンス整合層8の厚さ)/(音響インピーダンス整
合層8中の音速)〕で与えられる。なお、図1では音響
センサ12が薄膜6eを介して測定試料10に接してい
るが、音響センサ12は直接測定試料に接していてもよ
い。
入射した光は測定試料10と参照試料9に同時に届くと
見なしうる。測定試料10で発生した音波パルスがまず
最初に音響センサ12で検出され(第1のパルス)、続
いて参照試料9で発生した音波パルスが液体8等で構成
された音響インピーダンス整合層(第1の音響インピー
ダンス整合層)と測定試料10を介して伝搬し、音響セ
ンサ12で検出される(第2のパルス)。参照試料9と
薄膜6bの接する面における反射を防ぐため、参照試料
9の光入射側に液体7等で構成された音響インピーダン
ス整合層(第2のインピーダンス整合層)を設けてあ
る。第1のパルスと第2のパルスの間の時間的遅延は、
薄膜6c,6dの厚みが十分に薄いので、〔(音響イン
ピーダンス整合層8の厚さ)/(音響インピーダンス整
合層8中の音速)〕で与えられる。なお、図1では音響
センサ12が薄膜6eを介して測定試料10に接してい
るが、音響センサ12は直接測定試料に接していてもよ
い。
【0013】このように音響センサ12からは時間的に
分離された2つのパルスが連なった信号が得られるが、
これをアンプ13で増幅し、光検出器3の出力信号をト
リガー信号としてデジタイジング・オシロスコープ14
に保存し、保存された波形をコンピュータ15に取り込
み、第1のパルスのピーク・トゥ・ピーク値Vpp1と
第2のパルスのピーク・トゥ・ピーク値Vpp2を求
め、さらにその比Vpp1/Vpp2を計算する。
分離された2つのパルスが連なった信号が得られるが、
これをアンプ13で増幅し、光検出器3の出力信号をト
リガー信号としてデジタイジング・オシロスコープ14
に保存し、保存された波形をコンピュータ15に取り込
み、第1のパルスのピーク・トゥ・ピーク値Vpp1と
第2のパルスのピーク・トゥ・ピーク値Vpp2を求
め、さらにその比Vpp1/Vpp2を計算する。
【0014】この例においては、目的検出成分を血中グ
ルコース濃度とし、測定試料10として血清、参照試料
9として純水、音響インピーダンス整合層形成のための
液体7,8として重水、薄膜6a〜6eとしてポリエチ
レンフィルム、スペーサ5a〜5dとしてガラスパイプ
を用いた。また、光源1としてはグルコースの近赤外に
おける吸収波長である1560nmを出力する光パラメ
トリック発振器レーザを用い、光検出器3としてはイン
ジウム・ガリウム・砒素半導体フォトダイオードを用い
た。
ルコース濃度とし、測定試料10として血清、参照試料
9として純水、音響インピーダンス整合層形成のための
液体7,8として重水、薄膜6a〜6eとしてポリエチ
レンフィルム、スペーサ5a〜5dとしてガラスパイプ
を用いた。また、光源1としてはグルコースの近赤外に
おける吸収波長である1560nmを出力する光パラメ
トリック発振器レーザを用い、光検出器3としてはイン
ジウム・ガリウム・砒素半導体フォトダイオードを用い
た。
【0015】光源1として使用したパルスレーザはパル
ス長が6ns、ピーク出力が約1MWである。光検出器
3に使用したフォトダイオードは、立ち上がり時間が
0.3nsであり、光源1の出力光のパルス波形をほぼ
忠実に再現することができる。レーザのピーク出力は極
めて高いので光検出器3に入る光量は光源1の出力のご
く一部でよい。そこでビームスプリッタ2としては、反
射率が0.5%の反射防止膜を両面に施したガラス基板
を使用した。光検出器3に入射する光量は全光量の1p
pm程度で十分であるから、ビームスプリッタを用い
ず、光音響セル表面等で散乱された光を検出してトリガ
ー出力を発生してもよい。
ス長が6ns、ピーク出力が約1MWである。光検出器
3に使用したフォトダイオードは、立ち上がり時間が
0.3nsであり、光源1の出力光のパルス波形をほぼ
忠実に再現することができる。レーザのピーク出力は極
めて高いので光検出器3に入る光量は光源1の出力のご
く一部でよい。そこでビームスプリッタ2としては、反
射率が0.5%の反射防止膜を両面に施したガラス基板
を使用した。光検出器3に入射する光量は全光量の1p
pm程度で十分であるから、ビームスプリッタを用い
ず、光音響セル表面等で散乱された光を検出してトリガ
ー出力を発生してもよい。
【0016】光源1から射出された光に対する参照試料
9の吸収係数をα、参照試料の厚さをdとすると、光源
1から射出された光が効率よく測定試料10まで到達す
るためには次式を満たすことが望ましい。 αd<3
9の吸収係数をα、参照試料の厚さをdとすると、光源
1から射出された光が効率よく測定試料10まで到達す
るためには次式を満たすことが望ましい。 αd<3
【0017】この例においては、参照試料9の光源1の
光に対する吸収係数が7cm-1程度あるので、スペーサ
5bの厚さを厚くしすぎると測定試料10に光が来なく
なる。たとえば、スペーサ5bの厚さを10mmとした
ならば、測定試料10に入射する光量は参照試料9に入
射する光量の1/1000となる。ここではスペーサ5
bの厚さすなわち参照試料9の中の光路長を1mmとす
ることにより、入射光量の約半分が測定試料10に到達
するようにした。また、スペーサ5dの厚さすなわち測
定試料10の中の光路長を10mmとすることにより、
測定試料10を透過する光量は測定試料に入射する光量
の1/1000となっており、透過光が直接音響センサ
12に吸収されることによる音波の発生を防いでいる。
光に対する吸収係数が7cm-1程度あるので、スペーサ
5bの厚さを厚くしすぎると測定試料10に光が来なく
なる。たとえば、スペーサ5bの厚さを10mmとした
ならば、測定試料10に入射する光量は参照試料9に入
射する光量の1/1000となる。ここではスペーサ5
bの厚さすなわち参照試料9の中の光路長を1mmとす
ることにより、入射光量の約半分が測定試料10に到達
するようにした。また、スペーサ5dの厚さすなわち測
定試料10の中の光路長を10mmとすることにより、
測定試料10を透過する光量は測定試料に入射する光量
の1/1000となっており、透過光が直接音響センサ
12に吸収されることによる音波の発生を防いでいる。
【0018】図3は、図1に示した装置を用い、糖尿病
患者の血清を測定試料として測定を行ったときに、音響
センサ12の出力信号をデジタイジング・オシロスコー
プ14で観測して得られた信号波形の図である。第1の
パルスのピーク・トゥ・ピーク値Vpp1は測定試料に
起因し、第2のパルスのピーク・トゥ・ピーク値Vpp
2は参照試料に起因する。参照試料9中の光路長を1m
m、音響インピーダンス整合層8を厚み2mmの重水
(音速約1.4km/s)からなる層としたので、第1
のパルスと第2のパルスの間の時間的遅延は約1.4μ
sとなっている。
患者の血清を測定試料として測定を行ったときに、音響
センサ12の出力信号をデジタイジング・オシロスコー
プ14で観測して得られた信号波形の図である。第1の
パルスのピーク・トゥ・ピーク値Vpp1は測定試料に
起因し、第2のパルスのピーク・トゥ・ピーク値Vpp
2は参照試料に起因する。参照試料9中の光路長を1m
m、音響インピーダンス整合層8を厚み2mmの重水
(音速約1.4km/s)からなる層としたので、第1
のパルスと第2のパルスの間の時間的遅延は約1.4μ
sとなっている。
【0019】図4は、このようにして測定した光音響信
号のVpp1とVpp2の時間変化を表す図である。ま
た、図5は光音響信号のVpp1とVpp2の比の時間
変化を表す図である。図4と図5を比較すると明らかな
ように、レーザ強度の変動などによって光音響信号の強
度そのものは時間的に大きく揺らいでいるが、Vpp1
とVpp2の比をとることによってゆらぎが1/5以下
に低減されている。
号のVpp1とVpp2の時間変化を表す図である。ま
た、図5は光音響信号のVpp1とVpp2の比の時間
変化を表す図である。図4と図5を比較すると明らかな
ように、レーザ強度の変動などによって光音響信号の強
度そのものは時間的に大きく揺らいでいるが、Vpp1
とVpp2の比をとることによってゆらぎが1/5以下
に低減されている。
【0020】ここでは一点当りの積算回数を64回とし
たが、積算回数を増やすことによってさらに揺らぎを減
少させることが可能である。パルスレーザのくり返しレ
ートは10回/sとしたが、くり返しレートが1000
回/sのレーザを用いても同様の測定が可能であり、そ
の場合には同一の測定時間で測定精度を10倍高めるこ
とができる。光源1には、同一の波長の光を出力する他
のパルスレーザを用いてもよいし、1560nm以外の
グルコースの吸収波長たとえば2280nm付近の波長
のパルスレーザを用いてもよい。また、グルコース以外
の血液成分を定量するには、その成分に固有の吸収帯の
波長のパルスレーザを用いればよい。
たが、積算回数を増やすことによってさらに揺らぎを減
少させることが可能である。パルスレーザのくり返しレ
ートは10回/sとしたが、くり返しレートが1000
回/sのレーザを用いても同様の測定が可能であり、そ
の場合には同一の測定時間で測定精度を10倍高めるこ
とができる。光源1には、同一の波長の光を出力する他
のパルスレーザを用いてもよいし、1560nm以外の
グルコースの吸収波長たとえば2280nm付近の波長
のパルスレーザを用いてもよい。また、グルコース以外
の血液成分を定量するには、その成分に固有の吸収帯の
波長のパルスレーザを用いればよい。
【0021】この実施の形態によると、2つの検出パル
スのピーク・トゥ・ピーク値の比をとることによって光
源強度の変動を補償することができる。また、従来の2
光束光音響分析装置では補償することができなかった音
響センサ自体の感度の変動やアンプのゲイン変動もほと
んど完全に補償することができ、入射光束の位置の変動
もある程度補償することができる。しかも、従来法に比
べて音響センサやアンプの数を半分に減らすことができ
る。
スのピーク・トゥ・ピーク値の比をとることによって光
源強度の変動を補償することができる。また、従来の2
光束光音響分析装置では補償することができなかった音
響センサ自体の感度の変動やアンプのゲイン変動もほと
んど完全に補償することができ、入射光束の位置の変動
もある程度補償することができる。しかも、従来法に比
べて音響センサやアンプの数を半分に減らすことができ
る。
【0022】〔実施の形態2〕図6は、本発明の第2の
実施の形態を示す概念図である。この第2の実施の形態
は、生体30の血管31を流れる血液を測定試料として
血中グルコース濃度の無侵襲計測装置を構成するもので
ある。光源21としては第1の実施の形態で使用したの
と同じ光パラメトリック発振器レーザを用いた。パルス
レーザ光源21から射出された光線の大部分はビームス
プリッタ22を透過して光音響センサ24に入射し、残
りの光線はビームスプリッタ22で反射されてフォトダ
イオード23に入射する。
実施の形態を示す概念図である。この第2の実施の形態
は、生体30の血管31を流れる血液を測定試料として
血中グルコース濃度の無侵襲計測装置を構成するもので
ある。光源21としては第1の実施の形態で使用したの
と同じ光パラメトリック発振器レーザを用いた。パルス
レーザ光源21から射出された光線の大部分はビームス
プリッタ22を透過して光音響センサ24に入射し、残
りの光線はビームスプリッタ22で反射されてフォトダ
イオード23に入射する。
【0023】光音響センサ24は、図6に断面を示し、
図7に斜視図を示すように、入射光線が通過する中心部
分に穴26の開いたPZTからなる音響センサ25と、
固体の音響インピーダンス整合層29を備える。入射す
るレーザ光のビーム径を3mm、音響センサ25の穴2
6の径を5mmに設定して、音響センサ25自身が直接
光吸収することによる音波の発生を完全に防止した。固
体の音響インピーダンス整合層29としては可塑剤入り
のポリ塩化ビニルを使用し、その一方の側に凹部を設け
参照試料28として生理食塩水を収容し、表面をカバー
グラス27で密閉した。光音響センサ24に入射する光
源21からの光線は、音響センサ25を照射することな
く、その中心に設けられた穴26を通って参照試料28
を透過し、続いて音響インピーダンス整合層29中を透
過して生体30中の血管31に照射される。
図7に斜視図を示すように、入射光線が通過する中心部
分に穴26の開いたPZTからなる音響センサ25と、
固体の音響インピーダンス整合層29を備える。入射す
るレーザ光のビーム径を3mm、音響センサ25の穴2
6の径を5mmに設定して、音響センサ25自身が直接
光吸収することによる音波の発生を完全に防止した。固
体の音響インピーダンス整合層29としては可塑剤入り
のポリ塩化ビニルを使用し、その一方の側に凹部を設け
参照試料28として生理食塩水を収容し、表面をカバー
グラス27で密閉した。光音響センサ24に入射する光
源21からの光線は、音響センサ25を照射することな
く、その中心に設けられた穴26を通って参照試料28
を透過し、続いて音響インピーダンス整合層29中を透
過して生体30中の血管31に照射される。
【0024】測定対象を例えば糖尿病患者の腕とし、音
響インピーダンス整合層29に固定されたゴム製のリス
ト・バンド(図示せず)によって測定部位への光音響セ
ンサ24の接触を行う。参照試料28中の光路長を1m
m、音響インピーダンス整合層29中の光路長を10m
mとし、音響センサ25に接していない側の音響インピ
ーダンス整合層29の面を、腕30の血管31の透けて
見える部分に強く押し付けることによって、血管31で
発生した音波がほぼ直接に音響インピーダンス整合層2
9へ伝達するようにし、血管31以外の生体組織で発生
した音波信号の混入を防止する。測定部位は、腕に限ら
ず、血管が表皮の比較的近傍に存在し、光音響センサ2
4を密着させやすい部位ならどこでもよい。
響インピーダンス整合層29に固定されたゴム製のリス
ト・バンド(図示せず)によって測定部位への光音響セ
ンサ24の接触を行う。参照試料28中の光路長を1m
m、音響インピーダンス整合層29中の光路長を10m
mとし、音響センサ25に接していない側の音響インピ
ーダンス整合層29の面を、腕30の血管31の透けて
見える部分に強く押し付けることによって、血管31で
発生した音波がほぼ直接に音響インピーダンス整合層2
9へ伝達するようにし、血管31以外の生体組織で発生
した音波信号の混入を防止する。測定部位は、腕に限ら
ず、血管が表皮の比較的近傍に存在し、光音響センサ2
4を密着させやすい部位ならどこでもよい。
【0025】光音響センサ24の音響センサ25は、図
3に示されているのとほぼ同様の一連の2つのパルスか
らなる信号を検出するが、穴あきの音響センサ25を用
いて光の入射する面と音波を検出する面を同一にしたこ
とにより、参照試料28で発生した音波による信号と測
定試料(この場合は血管31中を流れる血液)で発生し
た音波による信号の検出順序が逆になる。
3に示されているのとほぼ同様の一連の2つのパルスか
らなる信号を検出するが、穴あきの音響センサ25を用
いて光の入射する面と音波を検出する面を同一にしたこ
とにより、参照試料28で発生した音波による信号と測
定試料(この場合は血管31中を流れる血液)で発生し
た音波による信号の検出順序が逆になる。
【0026】参照試料28で発生した音波パルスと測定
試料で発生した音波パルスとを時間軸上で明瞭に分離す
るためには、光源21から射出された光に対する参照試
料の吸収係数をα、参照試料中の音速をv、インピーダ
ンス整合層29の厚さ及び音速をそれぞれD及びVとす
るとき、次の関係を満たすことが必要である。 D>2V/αv
試料で発生した音波パルスとを時間軸上で明瞭に分離す
るためには、光源21から射出された光に対する参照試
料の吸収係数をα、参照試料中の音速をv、インピーダ
ンス整合層29の厚さ及び音速をそれぞれD及びVとす
るとき、次の関係を満たすことが必要である。 D>2V/αv
【0027】音響インピーダンス整合層29内における
音波の減衰と拡散、及び装置の小型化、素材の節約とい
った観点からすると、音響インピーダンス整合層29の
厚さDはなるべく小さい方がよい。参照試料として生理
食塩水を用いる場合、v=1500m/s、α=7cm
-1である。ここでは、音響インピーダンス整合層29と
して可塑剤入りの塩化ビニルを使用し、Vを通常のポリ
塩化ビニル中の音速よりも小さな2500m/sに調整
した。したがって、D>5mmであれば上記条件が満た
される。実際には厚さDを10mmとしているため、参
照試料で発生した音波による信号と測定試料(この場合
は血管中の血液)で発生した音波による信号が時間軸上
で明瞭に分離され、両者の時間的遅延は約4μsとな
る。
音波の減衰と拡散、及び装置の小型化、素材の節約とい
った観点からすると、音響インピーダンス整合層29の
厚さDはなるべく小さい方がよい。参照試料として生理
食塩水を用いる場合、v=1500m/s、α=7cm
-1である。ここでは、音響インピーダンス整合層29と
して可塑剤入りの塩化ビニルを使用し、Vを通常のポリ
塩化ビニル中の音速よりも小さな2500m/sに調整
した。したがって、D>5mmであれば上記条件が満た
される。実際には厚さDを10mmとしているため、参
照試料で発生した音波による信号と測定試料(この場合
は血管中の血液)で発生した音波による信号が時間軸上
で明瞭に分離され、両者の時間的遅延は約4μsとな
る。
【0028】スライドグラス27は十分に薄く、μsの
時間スケールでは参照試料28で発生した音波はパルス
光の発生とほぼ同時に穴あき音響センサ25に到達す
る。そこで時間ゲート回路42aによって光検出器23
の出力信号をトリガーとして0μs後から2.5μs後
までの時間ゲートを設け、ピーク出力回路43aにおい
て参照試料28で発生した音波による信号のピーク・ト
ゥ・ピーク値を求め、時間ゲート回路42bによって光
検出器23の出力信号をトリガーとして2.5μs後か
ら5.0μs後までの時間ゲートを設け、ピーク出力回
路43bにおいて血管31で発生した音波による信号の
ピーク・トゥ・ピーク値を求め、それぞれをADコンバ
ータ44a,44bでデジタル値に変換し、コンピュー
タ45で比を求める。光検出器23の出力は、時間ゲー
ト回路42a,42bのトリガー入力に入力されるとと
もに、ピーク出力回路43a,43bのリセット入力に
入力されている。
時間スケールでは参照試料28で発生した音波はパルス
光の発生とほぼ同時に穴あき音響センサ25に到達す
る。そこで時間ゲート回路42aによって光検出器23
の出力信号をトリガーとして0μs後から2.5μs後
までの時間ゲートを設け、ピーク出力回路43aにおい
て参照試料28で発生した音波による信号のピーク・ト
ゥ・ピーク値を求め、時間ゲート回路42bによって光
検出器23の出力信号をトリガーとして2.5μs後か
ら5.0μs後までの時間ゲートを設け、ピーク出力回
路43bにおいて血管31で発生した音波による信号の
ピーク・トゥ・ピーク値を求め、それぞれをADコンバ
ータ44a,44bでデジタル値に変換し、コンピュー
タ45で比を求める。光検出器23の出力は、時間ゲー
ト回路42a,42bのトリガー入力に入力されるとと
もに、ピーク出力回路43a,43bのリセット入力に
入力されている。
【0029】図8は測定対象である糖尿病患者に糖負荷
試験を行いながら、一定時間ごとにピーク・トゥ・ピー
ク値の比Vpp1/Vpp2を測定し、同時に患者から
採血して酵素反応によって血中グルコース濃度を計測し
たときの、双方の結果の関係を表すグラフである。比V
pp1/Vpp2は血中グルコース濃度と高い相関を示
し、前者の値から十分な精度で後者を定量できることが
分かる。
試験を行いながら、一定時間ごとにピーク・トゥ・ピー
ク値の比Vpp1/Vpp2を測定し、同時に患者から
採血して酵素反応によって血中グルコース濃度を計測し
たときの、双方の結果の関係を表すグラフである。比V
pp1/Vpp2は血中グルコース濃度と高い相関を示
し、前者の値から十分な精度で後者を定量できることが
分かる。
【0030】音響インピーダンス整合層29の素材は、
透明で生体との音響インピーダンス整合がよい材料であ
れば何でもよく、例えば不純物の少ない透明なシリコン
ゴムでもよい。また、音響センサ25と参照試料28は
十分薄いカバーグラス27を介して接触しているが、薄
いカバーグラスでなく音響インピーダンス整合層に使用
したものと同一の素材からなる1mm程度の厚さの層を
使用しても構わないし、あるいはOリング等を使用して
参照試料28のもれを防止して音響センサ13と参照試
料7を直接接触させてもよい。音響センサには透明電極
がコーティングされた透明な音響センサを用いてもよ
い。透明な音響センサとしては例えば水晶振動子が使用
できる。
透明で生体との音響インピーダンス整合がよい材料であ
れば何でもよく、例えば不純物の少ない透明なシリコン
ゴムでもよい。また、音響センサ25と参照試料28は
十分薄いカバーグラス27を介して接触しているが、薄
いカバーグラスでなく音響インピーダンス整合層に使用
したものと同一の素材からなる1mm程度の厚さの層を
使用しても構わないし、あるいはOリング等を使用して
参照試料28のもれを防止して音響センサ13と参照試
料7を直接接触させてもよい。音響センサには透明電極
がコーティングされた透明な音響センサを用いてもよ
い。透明な音響センサとしては例えば水晶振動子が使用
できる。
【0031】この実施の形態によれば第1の実施の形態
と同様の効果が得られると同時に、穴あき音響センサを
用いたことにより、生体のように不均一で光を照射した
面の反対側において音波を検出することが困難な試料で
も光を照射した面から均一な音響インピーダンス整合層
及び参照試料を介して効率よく音波を検出することがで
きる。また、音響インピーダンス整合層を固体で一体化
したことにより長期的安定性と人体への良い接触が得ら
れ、デジタイジング・オシロスコープを機能を制限した
専用の回路で代用したことにより装置を安価で小型にで
きる。
と同様の効果が得られると同時に、穴あき音響センサを
用いたことにより、生体のように不均一で光を照射した
面の反対側において音波を検出することが困難な試料で
も光を照射した面から均一な音響インピーダンス整合層
及び参照試料を介して効率よく音波を検出することがで
きる。また、音響インピーダンス整合層を固体で一体化
したことにより長期的安定性と人体への良い接触が得ら
れ、デジタイジング・オシロスコープを機能を制限した
専用の回路で代用したことにより装置を安価で小型にで
きる。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、ただ一つの音響センサ
で高精度かつ小型で安価な光音響分析装置を構成するこ
とができ、これを利用することにより生体中の血管を測
定対象として無侵襲血液分析装置を実現できる。
で高精度かつ小型で安価な光音響分析装置を構成するこ
とができ、これを利用することにより生体中の血管を測
定対象として無侵襲血液分析装置を実現できる。
【図1】本発明の第1の実施の形態を示す概念図。
【図2】光音響セルの斜視図。
【図3】光音響信号を表す図。
【図4】光音響信号のパルスのピーク・トゥ・ピーク値
の時間変化を表す図。
の時間変化を表す図。
【図5】光音響信号における二つのパルスのピーク・ト
ゥ・ピーク値の比の時間変化を表す図。
ゥ・ピーク値の比の時間変化を表す図。
【図6】本発明の第2の実施の形態を示す概念図。
【図7】センサの斜視図。
【図8】光音響信号の二つのパルスのピーク・トゥ・ピ
ーク値の比と血中グルコース濃度の関係を示す図。
ーク値の比と血中グルコース濃度の関係を示す図。
1…光源、2…ビームスプリッタ、3…光検出器、4…
光音響セル、5a〜5d…スペーサ、6a〜6e…透明
薄膜、7,8…透明液体、9…参照試料、10…測定試
料、11…栓、12…音響センサ、13…アンプ、14
…デジタイシング・オシロスコープ、15…コンピュー
タ、21…光源、22…ビームスプリッタ、23…光検
出器、24…センサ、25…穴あき音響センサ、26…
穴、27…カバーグラス、28…参照試料、29…音響
インピーダンス整合層、30…生体、31…血管、41
…アンプ、42a,42b…時間ゲート回路、43a,
43b…ピーク出力回路、44a,44b…ADコンバ
ータ、45…コンピュータ
光音響セル、5a〜5d…スペーサ、6a〜6e…透明
薄膜、7,8…透明液体、9…参照試料、10…測定試
料、11…栓、12…音響センサ、13…アンプ、14
…デジタイシング・オシロスコープ、15…コンピュー
タ、21…光源、22…ビームスプリッタ、23…光検
出器、24…センサ、25…穴あき音響センサ、26…
穴、27…カバーグラス、28…参照試料、29…音響
インピーダンス整合層、30…生体、31…血管、41
…アンプ、42a,42b…時間ゲート回路、43a,
43b…ピーク出力回路、44a,44b…ADコンバ
ータ、45…コンピュータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 稔子 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 管 正男 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 宮原 裕二 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (16)
- 【請求項1】 いずれか一方が測定試料で他方が参照試
料である第1の試料と第2の試料を透明な音響インピー
ダンス整合層の両側に該音響インピーダンス整合層と音
響的に結合させて配置し、前記第1の試料、音響インピ
ーダンス整合層、第2の試料を透過するようにパルス光
を入射させ、前記第1の試料から発生して前記インピー
ダンス整合層及び第2の試料中を伝播してきた第1の音
波及び前記第2の試料から発生した第2の音波を1個の
音響センサで時間的に分離して検出することを特徴とす
る光音響分析方法。 - 【請求項2】 参照試料及び該参照試料に音響的に結合
して配置された音響インピーダンス整合層を介して測定
試料にパルス光を照射し、前記参照試料から発生した第
1の音波及び前記測定試料から発生して前記音響インピ
ーダンス整合層中を伝播してきた第2の音波を1個の音
響センサで時間的に分離して検出することを特徴とする
光音響分析方法。 - 【請求項3】 前記第1の音波の検出信号と第2の音波
の検出信号の比を求めることを特徴とする請求項1又は
2記載の光音響分析方法。 - 【請求項4】 パルス光を射出する光源と、参照試料
と、測定試料と、前記参照試料と測定試料との間に配置
された前記光源の光に対して透明な音響インピーダンス
整合層と、ただ一つの音響センサとを備え、前記光源か
ら射出されたパルス光が前記参照試料と音響インピーダ
ンス整合層と測定試料を透過することを特徴とする光音
響分析装置。 - 【請求項5】 パルス光を射出する光源と、参照試料
と、測定試料と、前記参照試料と測定試料との間に配置
された前記光源の光に対して透明な第1の音響インピー
ダンス整合層と、前記測定試料の前記第1の音響インピ
ーダンス整合層に接していない側と前記参照試料の前記
第1の音響インピーダンス整合層に接していない側の少
なくとも一方に設けられた前記光源の光に対して透明な
第2の音響インピーダンス整合層と、ただ一つの音響セ
ンサとを備え、前記光源から射出されたパルス光が前記
参照試料と前記測定試料と前記第1及び第2の音響イン
ピーダンス整合層を透過することを特徴とする光音響分
析装置。 - 【請求項6】 前記音響センサは前記測定試料又は参照
試料のどちらかと直接あるいは中間層を介して接し、前
記音響インピーダンス整合層は前記参照試料で発生した
音波と前記測定試料で発生した音波を前記音響センサに
おいて時間軸上で分離して検出するのに十分な厚さを有
し、前記音響センサの出力信号のうち参照試料で発生し
た音波に由来する成分と測定試料で発生した音波に由来
する成分の強度比を出力する手段を備えることを特徴と
する請求項1又は2記載の光音響分析装置。 - 【請求項7】 前記光源から射出された光に対する参照
試料の吸収係数をαとし、参照試料の厚さをdとすると
き、αd<3を満たすことを特徴とする請求項1、2又
は3記載の光音響分析装置。 - 【請求項8】 前記音響インピーダンス整合層として、
光音響効果により発生した音波の波長より十分に薄く前
記光源の光に対して透明な膜で挟まれた、前記光源の光
に対して透明な液体を使用することを特徴とする請求項
4〜7のいずれか1項記載の光音響分析装置。 - 【請求項9】 前記測定試料が液体であり、前記音響イ
ンピーダンス整合層として前記光源の光に対して透明で
前記測定試料に近い音響インピーダンスを有する固体を
使用することを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項
記載の光音響分析装置。 - 【請求項10】 前記音響インピーダンス整合層として
塩化ビニル又は可塑剤を混合した塩化ビニルを使用する
ことを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項記載の光
音響分析装置。 - 【請求項11】 パルス光を射出する光源と、参照試料
と、前記光源の光に対して透明な音響インピーダンス整
合層と、ただ一つの音響センサとを備え、前記音響イン
ピーダンス整合層の一方の側に前記音響センサが配置さ
れ、前記音響インピーダンス整合層の一方の側は測定試
料と接触する面であり、前記音響インピーダンス整合層
の前記測定試料と接触する面の反対側に前記音響センサ
が配置され、前記光源から射出されたパルス光は前記参
照試料側から音響インピーダンス整合層を介して測定試
料に照射されることを特徴とする光音響分析装置。 - 【請求項12】 前記音響インピーダンス整合層として
塩化ビニル又は可塑剤を混合した塩化ビニルを使用する
ことを特徴とする請求項11項記載の光音響分析装置。 - 【請求項13】 光源から射出された光に対する前記参
照試料の吸収係数をα、前記参照試料中の音速をv、前
記インピーダンス整合層の厚さをD、前記音響インピー
ダンス整合層中の音速をVとするとき、D>2V/αv
を満たすことを特徴とする請求項11又は12記載の光
音響分析装置。 - 【請求項14】 前記参照試料は水、グルコース水溶液
又は生理食塩水であり、前記光源は生体透過性の高い近
赤外光を射出するパルスレーザであり、前記音響センサ
は光路に沿って穴が設けられている穴あきの音響センサ
又は透明な音響センサであることを特徴とする請求項1
1、12又は13記載の光音響分析装置。 - 【請求項15】 前記光源から射出されたパルス光の一
部を検出する光検出器とトリガー機能を有する波形記憶
装置とを備え、前記光検出器の出力信号を前記波形記憶
装置のトリガー入力へ入力し、前記音響センサの出力を
前記波形記憶装置の信号入力に入力し、前記音響センサ
の出力信号のうち参照試料で発生した音波に由来する成
分と測定試料で発生した音波に由来する成分のピーク・
トゥ・ピーク値の比を求めることを特徴とする請求項4
〜13のいずれか1項記載の光音響分析装置。 - 【請求項16】 前記光源から射出されたパルス光の一
部を検出する光検出器と、開く時間区間がずれた2つの
時間ゲート回路を介して前記音響センサの出力が入力さ
れる2つのピーク出力回路を備え、前記光検出器の出力
信号を前記時間ゲート回路のトリガー入力と前記ピーク
出力回路のリセット入力に入力し、前記音響センサの出
力を時分割して各々の時間区間におけるピーク・トゥ・
ピーク値を求め、前記音響センサの出力信号のうち参照
試料で発生した音波に由来する成分と測定試料で発生し
た音波に由来する成分のピーク・トゥ・ピーク値の比を
求めることを特徴とする請求項4〜13のいずれか1項
記載の光音響分析装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7305686A JPH09145683A (ja) | 1995-11-24 | 1995-11-24 | 光音響分析方法及び光音響分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7305686A JPH09145683A (ja) | 1995-11-24 | 1995-11-24 | 光音響分析方法及び光音響分析装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09145683A true JPH09145683A (ja) | 1997-06-06 |
Family
ID=17948144
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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