JPH06317566A

JPH06317566A - 光音響分析方法および装置並びにこれを利用した血液成分測定装置

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Publication number: JPH06317566A
Application number: JP5105224A
Authority: JP
Inventors: Osamu Ozawa; 理小沢; Kageyoshi Katakura; 景義片倉; Hideki Kanbara; 秀記神原; Hideaki Koizumi; 英明小泉; Yoshio Watanabe; 吉雄渡辺; Yutaka Masuzawa; 裕鱒沢; Yuji Miyahara; 裕二宮原; Toshiko Fujii; 稔子藤井; Kotaro Yamashita; 浩太郎山下
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-05-06
Filing date: 1993-05-06
Publication date: 1994-11-15

Abstract

(57)【要約】【目的】光音響分析により生体内における血液中の成
分を直接測定する際、血液以外の組織等に含まれる成分
の影響を除去して、血液中の成分の正確な分析を行うこ
とを可能とする光音響分析方法および装置並びにこれを
利用する非侵襲血液成分分析装置を提供すること。【構成】光を吸収した成分が、無放射遷移により失活
する際に生成する熱を音響波の形で周囲に放射する現象
を観測することにより分析を行う光音響分析方法におい
て、受信した音響信号のうち、光源の変調周波数から周
波数偏移した信号成分を検出することにより、試料中の
速度を有する成分を選択的に定量することを特徴とする
光音響分析方法および装置並びにこれを利用する非侵襲
血液成分分析装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光音響分析方法および
装置並びにこれを利用して血液中の成分を採血すること
なく分析する非侵襲血液成分分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光音響分析装置を用いて血液中の
成分分析を行うに際しては、例えば、Ｓcience,181,pp.
657-658,(1973)に記載されているように、被検体である
患者の血液を採血し、体外に取り出してから測定するの
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、採血は患者の
苦痛や衰弱の原因となるばかりでなく、血液試料を取扱
う際に、看護婦や検査技師への感染の危険性が伴うこと
もあり、できれば採血することなしに分析することが望
ましい。また、採血を行って分析する場合は、一般に、
採血，坑凝固剤との混和，血球分離，分析装置への試料
の分注等、実際に分析が開始されるまでに多くの作業が
必要なため、時間がかかるばかりでなく、誤操作による
誤差が生じる可能性がある。更に、化学的，生物学的に
不安定な成分や、血球などにより消費または(代謝によ
り)放出されやすい成分などは、採血から血球分離や測
定までの時間が長かったり、保管方法が適切でない場
合、測定時の濃度が血液中での濃度を正しく反映しない
可能性もある。従って、採血せずに生体内の血液中の成
分を生体内でそのまま測定できれば理想的である。しか
し、血管内の血液を取り出さず、光音響分析装置を用い
て直接測定しようとすると、血液以外の生体組織等に含
まれる成分が大きな誤差を与えてしまい、正確な分析が
行えないという問題があった。本発明は上記事情に鑑み
てなされたもので、その目的とするところは、従来の技
術における上述の如き問題を解消し、光音響分析で生体
内における血液中の成分を採血せずに直接測定する際、
血液以外の組織等に含まれる成分の影響を除去して、血
液中の成分の正確な分析を行うことを可能とする光音響
分析方法および装置並びにこれを利用する非侵襲血液成
分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】本発明の上記目的は、光
を吸収した成分が、無放射遷移により失活する際に生成
する熱を音響波の形で周囲に放射する現象を観測するこ
とにより分析を行う光音響分析方法において、受信した
音響信号のうち、光源の変調周波数から周波数偏移した
信号成分を検出することにより、試料中の速度を有する
成分を選択的に定量することを特徴とする光音響分析方
法および装置並びにこれを利用する非侵襲血液成分分析
装置によって達成される。

【０００５】

【作用】本発明に係る光音響分析方法においては、光を
吸収した成分が無放射遷移により失活する際、熱を生成
してそれを音響波の形で周囲に放射する現象を観測し、
この熱変換に要する時間より充分長い周期で光源光を変
調し、この変調周波数成分の音響信号を検出することに
より、静止している成分の分析を行う。一方、生体内に
おける血液中の成分は、血流あるいは脈波により、一般
に速度を有するので、検出器をこの速度ベクトルに対し
て垂直以外の方向に設置して観測することにより、血液
中の成分から発せられる音響波のドプラ効果による周波
数偏移(ドプラシフト)を観測することが可能となる。従
って、得られる音響信号のうち、この周波数偏移した成
分を分離して検出，定量することにより、血液以外の組
織等に含まれる成分の影響を除去して、血液中の成分の
正確な非侵襲分析を行うことができる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は、本発明に係る光音響分析方法を適
用した光音響分析装置の第１の実施例の構成を示す概念
図である。まず、本実施例の構成を説明する。図１にお
いて、１は光源、２は波長選別装置、３は光遮断装置、
４は発振器、５はビーム分割器、６は光音響セル、７は
生体、８は血管、９は血液、１０は音響検出器、１１は
増幅器、１２は周波数差検出器、１３は基準光検出器、
１４は増幅器、１５は周波数分析装置、１６は中央制御
装置を示している。なお、音響検出器１０は、血管８の
測定部位における血流方向に対して垂直とならないよう
に設置されている。次に、本実施例の動作の概略を説明
する。本実施例に係る光音響分析装置においては、血中
成分の代表例として、グルコースを測定対象としてい
る。光源１と波長選別装置２との組合せにより、測定対
象であるグルコースが吸収する波長の光を得て、光遮断
装置３により断続する光(パルス光)に変調する。

【０００７】この光遮断装置３は、直接には発振器４に
より制御され、この発振器４の出力がパルス光の点滅を
決定する。本実施例では、この発振器４を連続的に発振
させることにより、一定の周期で断続するパルス光を連
続的に発生させている。ビーム分割器５により、このパ
ルス光の一部を光音響セル６に導く。この光波の一部
は、生体７を透過して、血管８内を流れる血液９中の測
定対象成分(本実施例においては、グルコース)に吸収さ
れ、光音響放射を誘起する。放射された光音響波を光音
響セル６内の音響検出器１０により電気信号に変換し、
増幅器１１により増幅・波形整形した後、周波数差検出
器１２の入力とする。この際、血管８を流れる血液９
は、光音響検出器１０に対して速度を有するため、血中
の成分から発せられる光音響信号は、血流速(の検出器
方向成分)に応じた周波数偏移(ドプラシフト)を生じ
る。

【０００８】一方、血液中ばかりでなく、光路内の生体
組織等に含まれるグルコースからも同様のメカニズムに
より光音響波が放射されるが、生体組織は速度を有しな
いため、生体組織に含まれるグルコースからの光音響信
号は周波数偏移を生じない。ハーフミラー５からのもう
一方の光波を、基準光検出器１３により光電変換した
後、増幅器１４により増幅・波形整形し、基準信号とし
て周波数差検出器１２に入力する。周波数差検出器１２
は、この基準光の周波数に対する光音響信号の周波数偏
移を検出・出力し、これを、更に周波数分析装置１５で
解析することにより、ドプラシフトの周波数スペクトル
が得られる。中央制御装置１６により、このスペクトル
のうち血流速に応じた周波数偏移を有する成分を検出・
定量することにより、血液以外の組織等に含まれる成分
の影響を除去して、血液中の成分の正確な分析を行うこ
とができる。

【０００９】以下、本実施例の各構成要素について、詳
細に説明する。光音響分析に使用する光波の波長として
は、生体組織による吸収と比較して、測定対象成分の吸
収が十分大きい波長が好適に用いられる。本実施例で
は、特開昭60-236631号公報に開示されているのと同様
に、グルコースの近赤外領域における2280nmの吸収を用
いて光音響分析を行った。このような波長の光を放出す
る光源１として、上記公知例と同様に色温度が3300°Ｋ
のハロゲンランプを使用している。当然ながら、グルコ
−スの測定には、上記以外のグルコ−スの吸収波長、例
えば、1575nm,1765nm,2100nmもしくは2290nm付近の吸収
ピ−クを用いても良く、また、他の成分の分析には、そ
の成分の吸収波長を用いればよい。例えば、他の成分の
例としてはヘモグロビン,コレステロール,尿素,トリグ
リセライド,血漿たん白質等があり、それぞれ、700nm,1
720nm,6760nm,6990nm,6060nm等に吸収ピークがある。

【００１０】本実施例では、波長選別装置２として、上
記公知例と同様に、モノクロメータを使用している。な
お、光音響分析に使用する光波を得る手段は、光源１と
波長選別装置２との組合せには限らない。例えば、目的
とする波長の単色光を発生するレーザを使用してもよ
い。このようなレーザとしては、各種の半導体レーザが
好適に用いられる。この他、ガスレーザと色素レーザと
の組合せも使用できる。もちろん、測定対象成分の吸収
が、生体組織による吸収と比較して十分大きければ他の
波長も使用可能であり、モノクロメータの制御もしくは
単色光源の選択により、その波長の光波を得れば良い。
ところで、ドプラシフトが生じるためには、同一の血流
セグメントから少なくとも２回光音響放射が発生しなけ
ればならない。

【００１１】従って、光束の幅Ｗに関し、血流速度Ｖと
光変調の周波数ｆとを用いて、Ｗ＞(Ｖ/ｆ) ・・・・(１) という条件が満たされる必要がある。当然のことなが
ら、上述の光束の幅Ｗに関する制約は、流路と平行な方
向について規定するものであり、流路と直角な方向につ
いては、光束の幅は上述の値以下であっても良い。本実
施例では、光遮断装置３として、電気光学光変調器を用
いた。同様の効果は、超音波光変調器を使用しても得ら
れる。また、より低い変調周波数を用いる場合には、機
械式の回転チョッパを使用したり、光遮断装置を用いる
代わりに、光源を直接輝度変調する電源変調方式を用い
てもよい。本実施例では、発振器４として、水晶発振器
を原発振器とし、それを中央制御装置からの指示により
希望する周波数に逓減し、波形整形して基本パルスの連
なり(搬送波)として出力するプログラマブルオシレータ
を使用している。

【００１２】本実施例では、この搬送波の周波数ｆは、
ｆ＝200ｋＨz、デューティ比は50％とした。搬送波の周
期に関しては、１周期のうち、無光状態の期間が光音響
放射の熱失活に要する時間より充分長いことが必要条件
である。しかし、光波のエネルギーを十分大きく保つた
めには、デューティ比を極端に低下させるのは好ましく
ない。また、光の拡散長は周波数の-1/2乗に比例するた
め、皮膚表面から血管までの距離が長い場合は、周波数
を低くした方が大きな信号が得られる。もちろん、以上
の条件が許す限り、別の周波数，別のデューティ比でも
同様に使用可能である。なお、後に述べる他の実施例に
おける場合のように、この発信器４は、中央制御装置１
４の指示により、任意のシーケンスで搬送波を変調して
パルスの列(パルストレイン)を発生させることもできる
が、本実施例では、搬送波は変調せず、基本パルスを単
純に繰り返し発生させて使用している。

【００１３】本実施例では、ビーム分割器５として、石
英にアルミニウムを蒸着し、透過率(光音響セル方向)95
％、反射率(基準光検出器方向)5％としたものを用い
た。光源からの光波を、光音響セルだけでなく基準光検
出器へも導ければ、他の材料，他の透過率のものを用い
てもよい。本実施例では、光音響セル６の光の導入部の
材料として、石英を用いたが、光源の波長の光をよく通
す材料であれば、他の材料を用いてもよい。また、下記
の第２の実施例のように、この材料を用いて光学ファイ
バを形成し、光音響セルの光の導入部だけに使用するば
かりでなく、ビーム分割器５と光音響セル６との間の光
伝送にも、この光学ファイバを使用することにより、光
音響セルの配置に柔軟性を持たせることも可能である。
この場合、この光学ファイバと音響検出器１０とを特定
の位置，特定の角度で固定可能な治具を使用するのが好
ましい。この治具を使用することにより、両者の空間的
配置を再現性良く規定できる。

【００１４】本実施例では、生体７の測定部位として、
上腕手首部，血管８として静脈を用いた。血管として
は、体表面からの距離が短く、内径の太いものを選択す
ることにより、血液への照射光強度を強め、また、多く
測定対象物質からの光音響信号が生じるので、高い感度
が得られる。体表面からの距離が十分短く、また、太さ
も十分太ければ、別の部位の静脈あるいは動脈を用いて
もよい。本実施例では、音響検出器１０として、ＰbＺr
Ｏ₃-ＰbＴiＯ₃系圧電セラミクスと発泡ウレタンとを組
み合わせた複合圧電素子を、圧電材料として用いた。圧
電セラミクスと発泡ウレタンとの混合比率を最適化する
ことにより、音響インピーダンスが人体のそれ(1.5M Ra
yls)に近く、また電気機械結合係数の高い材料が得られ
る。圧電材料としては、この他にも、圧電セラミクスや
高分子圧電材料を単独で用いることも可能である。この
圧電材料の前面に音響レンズと音響整合層を設け、ま
た、背面に背面負荷を設けることにより、音響検出器を
構成した。音響検出器としては、また、エレクトレット
コンデンサ等を、受感素子として用いるマイクロホン
も、使用可能である。

【００１５】なお、一般に、血流に対する観測角度(測
定部位から音響検出器へのベクトルが血流ベクトルとな
す角)がθであるとき、光音響信号のドプラシフトの大
きさｆｄは、光源を変調する搬送波の周波数ｆ、血流速
ｖ(検出器方向を正とする)、血液中での音速ｃ(≒1500m
/s)を用いて、ｆｄ=(ｖｆcosθ)/(ｃ−ｖcosθ)≒(ｖｆcosθ)/ｃ・・・・(２) と表わされる。本実施例における血流に対する観測角度
θは約30°であり、静脈での血流速が約0.2m/sであった
ため、ｆｄ≒23Ｈzのドプラシフトが生じる。本実施例
では、周波数差検出器１２として、混合回路１７，低域
通過フィルタ１８，高域通過フィルタ１９から成るもの
を使用している。この回路の前半は、無線における復調
回路と同様に動作する。

【００１６】つまり、基準光検出器からの角周波数ω＝
2πｆの搬送波(Ｂsin(ωｔ))とドプラ角周波数成分ωｄ
＝2πｆｄを含む光音響信号(Ａcos(ω+ωｄ)ｔ)とを、
混合回路１７により掛け合わせ(２乗検波)、低域通過フ
ィルタ１８により不要な高周波成分を除去することによ
り、両信号の差周波数であるＡＢ/２sin(ωｄｔ)、つま
り、ドプラシフト信号が得られる。周波数差検出器の他
の構成法としては、上述の各構成要素をそれぞれ２つず
つ用いて２系列の回路を構成し、各系列に対して発振器
４から互いに90°位相が異なる基準信号を供給する90°
位相差検波方式も可能である。この場合、出力としてＡ
Ｂ/２sin(ωｄt)およびＡＢ/２cos(ωｄｔ)の２種のド
プラシフト信号がそれぞれ得られるため、ωｄの絶対値
だけでなく符号も得ることができる。高域通過フィルタ
１９は心臓壁や弁運動による低周波のドプラ信号や静止
物体からのＤＣ信号を除去するためのもので、本実施例
では遮断周波数０.１Ｈz、３次のフィルタを用いた。

【００１７】本実施例では基準信号を得るためにハーフ
ミラー５と基準光検出器１３の組合せを用いたが、光遮
断装置３自体から十分正確な基準信号が得られる場合
は、それを直接周波数差検出器１２へ入力してもよい。
本実施例では周波数分析装置１５として、Ａ／Ｄコンバ
ータを内蔵し高速フーリエ変換法を用いるデジタル式周
波数分析装置を用いたが、そのほかの原理に基づく周波
数分析方法を用いても、同様にドプラシフトの周波数ス
ペクトルが得られる。中央制御装置１６は、上記各構成
要素をオペレータの指示に基づき制御する。これによっ
て得られたドプラシフトの周波数スペクトルを模式的に
示したのが、図６である。２３Ｈz付近に光音響信号の
ピークが見られるが、この周波数は、前述の如く、静脈
の血流速ｖに対応するドプラシフトであり、このピーク
強度が静脈中のグルコースの濃度に対応する。一方、０
Ｈz付近にも、やや大きな光音響信号が見られるが、こ
れは組織などに含まれる静止したグルコースによる信号
のうち、高域透過フィルタ１９によっても除去し切れな
かった成分である。

【００１８】しかし、両ピークは、周波数軸上で良好に
分離しているため、中央制御装置のプログラムまたはオ
ペレータの指示等により、容易に前者から後者を分離し
て検出，定量することができる。これは、すなわち、血
液以外の組織等に含まれる成分の影響を除去して、血液
中のグルコースの正確な分析が行えることを意味する。
なお、従来公知の技術では、ドプラシフトの影響を考慮
せず、周波数偏移した成分としない成分の和を観測する
ことになるが、この場合は、血液中のグルコースと組織
中のグルコースとを区別できず、大きな誤差を生ずる原
因となる。なお、本実施例では，静脈血を観測したため
血流速は脈の影響をほとんど受けず、ほぼ一定であった
が、動脈血を観測する場合は、検出した血流速の時間変
化を追跡し、脈と同期した信号解析を行うことにより、
分析精度を向上することも可能である。また、脈を他の
手法により観測し、それと同期させた信号解析を行うこ
とも、当然可能である。

【００１９】本実施例特有の効果としては、光源変調用
の信号として、基本パルスを単純に繰り返し発生させた
搬送波をそのまま使用することにより、信号の発生およ
び処理が簡単であること、また、血流速度に関する制限
がないことである。次に、本発明の第２の実施例につい
て説明する。図３は、第２の実施例の構成を示す概念図
である。第２の実施例と第１の実施例との構成上の主な
相違点は、ハーフミラー５を使用しないことと、サンプ
リングパルス発生回路２０を新たに使用し、周波数差検
出回路として内部構成の異なるもの(１２’)使用するこ
とである。また、細部の相違点としては、光遮断装置３
と生体７との間を光学ファイバ２１で結合したことと、
ハーフミラーの省略に伴う基準光検出器１３と増幅器１
４の省略である。図４は、第２の実施例で用いる周波数
差検出回路１２’の構成を示す概念図であり、混合回路
１７’，低域通過フィルタ１８’，サンプルホールド回
路２２，帯域通過フィルタ２３とから構成される。次
に、第２の実施例の動作を図３，図４を用いて説明す
る。

【００２０】本実施例では、基本的には第１の実施例と
同様の構成部品を用いたが、発振器４に単純な繰り返し
パルス(搬送波)を生成させて、周波数差検出回路１２’
に供給するだけでなく、その第２の出力として、中央制
御装置１６からの送信ゲート信号に基づき、この搬送波
を変調したパルスの列(パルストレイン)生成させた。本
実施例では、搬送波の周波数ｆを１ＭＨz、デューティ
比を50％、パルストレインの発生間隔を決定するパルス
繰り返し周波数(ＰＲＦ)として２ＫＨzを採用した。ま
た、各パルストレイン当たりのパルス数を50としたた
め、パルス持続時間は50nsである。このようなトーンバ
ースト様の発振器４の第２の出力を用いて光遮断装置３
を制御したため、その出力光も同様のパルス列からなる
間欠的断続光波となる。

【００２１】本実施例では、この光波を、光学ファイバ
２１で光音響セル６に直接導くことにより、装置配置の
自由度が高まり、また、光損失を低減することができ
る。生体７中の血管８に照射された光波により、血液中
のグルコースが励起されて光音響放射を行い、これを音
響検出器１０，増幅器１１，混合回路１７’，低域通過
フィルタ１８’を通して、ドプラシフト信号を得る点
は、第１の実施例とほぼ共通である。一方、中央制御装
置１６からの送信ゲート信号をサンプリングパルス発生
回路２０に入力すると、可変自在なディレイの働きによ
り、特定時間後に特定幅の受信ゲート信号が生成され
る。この受信ゲート信号を用いて、サンプルホールド回
路２２は、低域通過フィルタ１８’からのドプラシフト
信号をサンプル，ホールドする。このことの物理的な意
味は、このディレイ時間に対応する特定の距離(深度)に
ある、受信ゲート信号の幅に対応する特定のサンプリン
グ体積からの情報だけを選択できる点にある。

【００２２】本実施例では、この後の帯域通過フィルタ
２３での波形整形後の処理として、第１の実施例と同様
の方法を用いたので、やはり、血液以外の組織等に含ま
れる成分の影響を除去して、血液中のグルコースの正確
な分析を行うことができる。本実施例固有の効果の第１
は、光学ファイバ２１を用いて光波を光音響セル６に直
接導くことにより、装置配置の自由度が高まり、また、
光損失を低減できることである。本実施例固有の効果の
第２は、光源をパルス変調し、特定時間のディレイによ
るサンプリングを行うことにより、特定深度にある速度
を有する成分だけを、選択的に分析できることである。
第３の実施例では、上述の第２の実施例とほぼ同様の構
成を用いたが、基準信号との混合による周波数差検出
や、帯域通過フィルタ２３で波形整形した後の周波数分
析を省略して、単にサンプリングにより得られた信号強
度の平均値を観測した。この第３の実施例固有の特長
は、特定深度にある成分のみを選択的に分析できること
である。

【００２３】更に、第４の実施例では、上述の第３の実
施例とほぼ同様の構成を用いたが、サンプリングパルス
発生回路２０として、可変自在な複数のディレイの働き
により、特定時間後に特定幅のパルスを複数個、それぞ
れ別個の出力端子から生成するものを使用した。更に、
サンプルホールド回路２２およびそれ以降の回路を複数
個並列に用いて、各受信ゲート信号ごとにそれぞれの信
号強度の平均値を観測した。各ゲート信号のディレイ時
間と生体中の音速(約1530ｍ／ｓ)との積とから光音響信
号の信号源と音響検出器との距離が算出でき、更に、光
照射部位と音響検出器との距離を用いて、信号源の深度
が求められる。このようにして求めた各ディレイ時間に
対応する深度ごとの光音響信号の例を模式的に図７に示
した。約１．５mmと約2.3mmを中心とする２つの深度か
らの信号ピークが観測されているが、それぞれ、別の静
脈を流れる血液中のグルコースに由来する光音響信号で
ある。なお、ベースラインは、組織中に含まれるグルコ
ースに由来する。

【００２４】本実施例固有の特徴は、試料中の光路に沿
った一次元の情報を一度に得ることができることであ
る。また、組織中の成分と血液中の成分とを深度の差を
利用して検出，定量できるという効果もある。なお、デ
ータ処理の速度が十分大きければ、複数の受信ゲート信
号に対応する別々の処理を一つの回路を時分割で使用し
て、最終的な出力は見かけ上同時に得ることも可能であ
る。この場合は、サンプリングパルス発生回路２０から
の複数個の受信ゲート信号は単一の出力端子から生成
し、サンプルホールド回路２２およびそれ以降の回路も
一組でよいため、構成が簡単になるという特長がある。
本発明の第５の実施例は、上記第４の実施例のごとく複
数の受信ゲート信号を用いるものの、その他の構成は第
２の実施例と同様として、各深度における光音響信号の
周波数偏移を独立に検出、定量した。本実施例固有の効
果は、血液以外の組織等に含まれる成分の影響を除去し
て、血液中の成分の正確な分析を各深度毎について同時
に行うことができることである。

【００２５】本発明の第６，第７および第８の実施例
は、それぞれ、上記第１，第３および第５の実施例と同
様の構成を用い、その使用方法を、以下のようにしたも
のである。すなわち、上述の実施例では、周波数分析の
際、特定の試料速度に対応するドプラシフトを生じた周
波数成分のみを検出したが、周波数スペクトル全体を用
いて、試料中の成分量の速度分布を計測することが可能
である。第６，第７および第８の実施例それぞれ固有の
効果の第１は、試料中の成分の速度分布を計測できるこ
とである。各実施例それぞれ固有の効果の第２は、試料
中の速度を有する成分の速度がたとえ変化したとして
も、速度の変化と成分量の変化とを容易に切り分けて観
測できることである。次に、本発明に係る第９の実施例
を、図５を用いて説明する。図５は、本発明第９の実施
例の構成を示す概念図である。本実施例は、基本的には
前記第２の実施例と同様の構成を用いるが、図５に示す
ように、光源１，波長選別装置２，光遮断装置３の他に
もう一組光源１’，波長選別装置２’，光遮断装置３’
を用いて、各組の出力を、混合器２４を用いて同一光路
上に導入した点が異なる。

【００２６】本実施例の光源１および波長選別装置２の
組合せからは、前第２の実施例と同様に、目的成分であ
るグルコースの吸収波長である2280nmの光波を発生さ
せ、光源１’および波長選別装置２’の組合せからは、
溶媒である水の吸収波長である980nmの光波を発生させ
た。発振器からは、光遮断装置３および３’に、位相の
180°ずれた制御信号を送ることにより、目的成分を励
起する光波と溶媒を励起する光波とを交互に(時分割で)
同一の光路に沿って試料に照射した。光音響放射の検出
と解析は、第２の実施例とほぼ同様の手順で行ったが、
発振器から光遮断装置への制御信号の位相に応じて、目
的成分および溶媒に対してそれぞれ独立に検出，解析を
行い、最終的に前者を後者で除した値を出力させた。本
実施例固有の効果は、単位溶媒量当たりの目的成分量、
すなわち目的成分の溶媒中の濃度を測定できることであ
る。なお、上述の原理を本発明の第２の実施例ばかりで
なく他の実施例に適用することにより、目的成分の量だ
けでなく、濃度を同様に測定することができる。

【００２７】なお、上記実施例は本発明の一例を示した
ものであり、本発明はこれに限定されるべきものではな
いことは言うまでもないことである。

【００２８】

【発明の効果】以上、詳細に説明した如く、本発明によ
れば、光音響分析により生体内における血液中の成分を
直接測定する際、受信音響信号のうち、光源の変調周波
数から周波数偏移(ドプラシフト)した音響信号成分を検
出，定量することにより、血液以外の組織等に含まれる
成分の影響を除去して、血液中の成分の正確な分析を行
うことができるという顕著な効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光音響分析装置の第１の実施例の
構成概念図である。

【図２】本発明による光音響分析装置の第１の実施例に
おける周波数差検出器の構成概念図である。

【図３】本発明による光音響分析装置の第２の実施例の
構成概念図である。

【図４】本発明による光音響分析装置の第２の実施例に
おける周波数差検出器の構成概念図である。

【図５】本発明による光音響分析装置の第９の実施例の
構成概念図である。

【図６】本発明による光音響分析装置の第１の実施例に
よって得られる光音響信号のドプラシフトの周波数スペ
クトルの模式図である。

【図７】本発明による光音響分析装置の第４の実施例に
よって得られる光音響信号の深度分布の模式図である。

【符号の説明】

１，１'：光源、２，２'：波長選別装置、３，３'：光
遮断装置、４：発振器、５：ビーム分割器、６：光音響
セル、７：生体、８：血管、９：血液、１０：音響検出
器、１１：増幅器、１２，１２’：周波数差検出器、１
３：基準光検出器、１４：増幅器、１５：周波数分析装
置、１６：中央制御装置、１７，１７'：混合回路、１
８，１８'：低域通過フィルタ、１９：高域通過フィル
タ、２０：サンプリングパルス発生回路、２１：光学フ
ァイバ、２２：サンプルホールド回路、２３：帯域通過
フィルタ、２４：混合器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小泉英明東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者渡辺吉雄東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者鱒沢裕東京都国分寺市東恋ケ窪１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ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者藤井稔子東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者山下浩太郎東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を吸収した成分が、無放射遷移により
失活する際に生成する熱を音響波の形で周囲に放射する
現象を観測することにより分析を行う光音響分析方法に
おいて、受信した音響信号のうち、光源の変調周波数か
ら周波数偏移した信号成分を検出することにより、試料
中の速度を有する成分を選択的に定量することを特徴と
する光音響分析方法。
【請求項２】前記光源の変調に用いる搬送波を送信ゲ
ート信号を用いてパルス変調し、前記送信ゲート信号を
時間遅延させて得た受信ゲート信号により受信信号をサ
ンプルすることにより、特定深度からの信号を選択的に
測定することを特徴とする請求項１記載の光音響分析方
法。
【請求項３】前記光源の変調に用いる搬送波を送信ゲ
ート信号を用いてパルス変調し、前記送信ゲート信号を
時間遅延させて得た受信ゲート信号により受信信号をサ
ンプルし、光源の変調周波数から周波数偏移した信号成
分を検出することにより、特定深度において速度を有す
る成分を選択的に定量することを特徴とする請求項１記
載の光音響分析方法。
【請求項４】前記光源の変調に用いる搬送波を送信ゲ
ート信号を用いてパルス変調し、前記送信ゲート信号に
対して互いに異なる複数の時間遅延を有する複数の受信
ゲート信号を用いて受信信号を別個にサンプルすること
により、試料中の光路に沿った異なる深度のセグメント
中の成分をそれぞれ独立に測定することを特徴とする請
求項１記載の光音響分析方法。
【請求項５】前記光源の変調に用いる搬送波を送信ゲ
ート信号を用いてパルス変調し、前記送信ゲート信号に
対して互いに異なる複数の時間遅延を有する複数の受信
ゲート信号を用いて受信信号を別個にサンプルし、それ
ぞれについて光源の変調周波数から周波数偏移した信号
成分を検出することにより、試料中の光路に沿った異な
る深度のセグメント中において速度を有する成分をそれ
ぞれ選択的に定量することを特徴とする請求項１記載の
光音響分析方法。
【請求項６】目的成分に固有のスペクトル波長の光
と、溶媒のスペクトル波長の光とを交互に測定に用い、
両者の解析結果を比較することにより、試料中の目的成
分の濃度を定量することを特徴とする請求項１〜５のい
ずれかに記載の光音響分析方法。
【請求項７】光を吸収した成分が、無放射遷移により
失活する際に生成する熱を音響波の形で周囲に放射する
現象を観測することにより分析を行う光音響分析方法に
おいて、受信した音響信号の周波数分布を解析すること
により、試料中の成分の速度分布を測定することを特徴
とする光音響分析方法。
【請求項８】前記光源の変調に用いる搬送波を送信ゲ
ート信号を用いてパルス変調し、前記送信ゲート信号を
時間遅延させて得た受信ゲート信号により受信信号をサ
ンプルして、周波数分布を解析することにより、特定深
度における試料中の成分の速度分布を測定することを特
徴とする請求項７記載の光音響分析方法。
【請求項９】前記光源の変調に用いる搬送波を送信ゲ
ート信号を用いてパルス変調し、前記送信ゲート信号に
対して互いに異なる複数の時間遅延を有する複数の受信
ゲート信号を用いて受信信号を別個にサンプルして、周
波数分布を解析することにより、試料中の光路に沿った
異なる深度のセグメント中における試料中の成分の速度
分布をそれぞれ測定することを特徴とする請求項７記載
の光音響分析方法。
【請求項１０】目的成分に固有のスペクトル波長の光
と、溶媒のスペクトル波長の光とを交互に測定に用い、
両者の解析結果を比較することにより、試料中の目的成
分の速度分布を測定することを特徴とする請求項７〜９
のいずれかに記載の光音響分析方法。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれかに記載の光
音響分析方法を利用する光音響分析装置であって、前記
音響信号を受信するセンサと試料との間に音響レンズを
配し、試料中の特定部位からの信号を効率的に集音する
ことを特徴とする光音響分析装置。
【請求項１２】前記光源からの光を導く光学ファイバ
と前記音響信号を受信するセンサとを、任意の位置，任
意の角度で固定できる治具を用い、前記光学ファイバと
センサ相互の空間的配置を調節自在とすることを特徴と
する請求項１１記載の光音響分析装置。
【請求項１３】請求項１〜１０のいずれかに記載の光
音響分析方法を利用する血液成分測定装置であって、血
液中の成分を選択的に定量することを特徴とする非侵襲
血液成分測定装置。
【請求項１４】前記受信音響信号のうち光源の変調周
波数から周波数偏移した信号成分を検出し、脈と同期し
て解析することにより、血液中の成分を選択的に定量す
ることを特徴とする請求項１３記載の非侵襲血液成分測
定装置。