特開 2023-95699 光音響波測定装置、及び、光音響波測定システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023095699

(43)【公開日】2023-07-06

(54)【発明の名称】光音響波測定装置、及び、光音響波測定システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/24 20060101AFI20230629BHJP

   G01N 21/3581 20140101ALI20230629BHJP

【ＦＩ】

G01N29/24

G01N21/3581

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021211732

(22)【出願日】2021-12-24

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０１９年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ＩｏＴ社会実現のための革新的センシング技術開発／革新的センシング技術開発／血中成分の非侵襲連続超高感度計測デバイス及び行動変容促進システムの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】515157758

【氏名又は名称】公立大学法人 富山県立大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002675

【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】下山 勲

(72)【発明者】

【氏名】野田 堅太郎

(72)【発明者】

【氏名】塚越 拓哉

【テーマコード（参考）】

2G047

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G047AA04

2G047AC13

2G047BC13

2G047BC15

2G047CA01

2G047CA04

2G047EA15

2G059AA01

2G059BB04

2G059BB08

2G059BB13

2G059CC16

2G059EE01

2G059EE11

2G059EE16

2G059FF04

2G059GG06

2G059HH01

2G059KK08

(57)【要約】

【課題】光音響波測定装置の小型化を図る。
【解決手段】光音響波測定装置（１００）は、強度変調された遠赤外光を測定対象（２００，２０１）に対して照射する変調光源（２０）と、遠赤外光が照射された測定対象から放出される光音響波を測定する測定ユニット（１０）と、を備える。測定ユニットは、内部が気体によって充填され、測定対象から放出される光音響波を受信する気密室（１１，１２，１３，１４，１５）と、気密室において外部との間を区切る壁部の一部を構成する圧力センサ（１１）と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

強度変調された遠赤外光を測定対象に対して照射する変調光源と、
前記遠赤外光が照射された測定対象から放出される光音響波を測定する測定ユニットと、を備え、
前記測定ユニットは、
内部が気体によって充填され、前記測定対象から放出される前記光音響波を受信する気密室と、
前記気密室において外部との間を区切る壁部の一部を構成する圧力センサと、を備える、光音響波測定装置。

【請求項2】

請求項１に記載の光音響波測定装置であって、
前記圧力センサは、基端が前記壁部と接続され、先端が自由端となって前記基端を中心に変位可能に構成され、前記変位に応じて抵抗値が変化する抵抗層を備えるカンチレバーにより構成される、光音響波測定装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の光音響波測定装置であって、
前記圧力センサの前記気密室とは反対側の外部に、外気とは隔てられた閉塞空間を備える、光音響波測定装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の光音響波測定装置であって、
前記気密室は、前記変調光源から前記遠赤外光が直接照射される部分に窓部を有し、
前記窓部は、前記遠赤外光の透過性が高い材料により構成される、光音響波測定装置。

【請求項5】

請求項４に記載の光音響波測定装置であって、
前記窓部は、シリコン、ゲルマニウム、または、ポリエチレンにより構成される、光音響波測定装置。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の光音響波測定装置であって、
前記気密室は、前記測定対象に対して接触するように構成され、前記気密室において前記測定対象との間を区切る壁部は、弾性材料により構成される、光音響波測定装置。

【請求項7】

請求項６に記載の光音響波測定装置であって、
前記気密室において前記測定対象との間を区切る壁部は、シリコン、ゲルマニウム、または、ポリエチレンにより構成される、光音響波測定装置。

【請求項8】

請求項６または７に記載の光音響波測定装置であって、
前記気密室は、
一方の面が開放された有底部材と、
前記有底部材の側面の端部と対向し、前記測定対象と接触する接触部材と、
前記有底部材の側面の端部と前記接触部材との間に設けられるシーリング部材と、を有する、光音響波測定装置。

【請求項9】

請求項１から５のいずれか１項に記載の光音響波測定装置であって、
前記気密室は、前記測定対象により閉塞される開口を備える有底部材を有する、光音響波測定装置。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか１項に記載の光音響波測定装置であって、
さらに、前記気密室内の圧力変化を増幅させる共鳴器を備える、光音響波測定装置。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれか１項に記載の光音響波測定装置であって、
前記圧力センサは、複数設けられ、それぞれが異なる位置に設けられ、測定可能な圧力変化の振動数帯域が重複する、光音響波測定装置。

【請求項12】

請求項１から１０のいずれか１項に記載の光音響波測定装置であって、
前記圧力センサは、複数設けられ、測定可能な圧力変化の振動数帯域が異なる、光音響波測定装置。

【請求項13】

請求項１から１２のいずれか１項に記載の光音響波測定装置であって、
前記変調光源は、
レーザ光源、及び、前記強度変調を行うチョッパ部により構成される、または、
電気抵抗を備える発熱光源により構成される、光音響波測定装置。

【請求項14】

強度変調された遠赤外光を測定対象に対して照射する変調光源と、
前記遠赤外光が照射された測定対象から放出される光音響波を測定する測定ユニットと、
前記変調光源、及び、前記測定ユニットを制御するコントローラと、を備える、光音響波測定システムであって、
前記測定ユニットは、
内部が気体によって充填され、前記測定対象から放出される前記光音響波を受信する気密室と、
前記気密室において外部との間を区切る壁部の一部を構成する圧力センサと、を備え、
前記コントローラは、
前記変調光源に対して、前記強度変調された遠赤外光を照射させ、
前記圧力センサによって前記気密室の圧力の変化を取得し、
前記圧力センサにより取得される前記圧力の変化に応じて、前記測定対象内の所定の成分の濃度を算出する、光音響波測定システム。

【請求項15】

請求項１４に記載の光音響波測定システムであって、
前記コントローラは、前記変調光源の変調パターンを利用し、前記圧力センサによって取得される前記圧力の変化からノイズを除去し、前記所定の成分の濃度を算出する、光音響波測定システム。

【請求項16】

請求項１５に記載の光音響波測定システムであって、
前記ノイズを除去する方法が同期検波である、光音響波測定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光音響波測定装置、及び、光音響波測定システムに関する。

【背景技術】

【0002】

測定対象の内部の分子濃度を測定する装置として、光音響波測定装置が知られている。測定対象に変調光を照射すると、内部の分子が光を吸収して瞬間的に熱膨張する際に、変調光の変調パターンに応じた光音響波（弾性波）が発生する。光音響波測定装置は、この光音響波を検出し、検出した光音響波の大きさに応じて、変調光を吸収した分子の濃度を求めることができる。このような光音響波測定装置の一例として、圧力センサを用いて光音響波に応じて変化する気密室の圧力変化を測定し、測定対象の分子濃度を測定するものが知られている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－７８２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

光音響波測定方法の応用の一態様として、皮膚内部の血管を流れる血液の血中グルコース濃度を測定することができる。特許文献１に開示された技術によれば、血中グルコース濃度の測定には、ノイズの原因となり得る血液中の水分の吸光係数が低い近赤外光が用いられている。しかしながら、グルコースの近赤外光に対する吸光係数も小さいので、光音響波を共鳴器等により増幅した後に検出する必要があり、光音響波測定装置が大型化するという課題があった。

【0005】

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、光音響波測定装置の小型化を図ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本願発明の一態様の光音響波測定装置は、強度変調された遠赤外光を測定対象に対して照射する変調光源と、遠赤外光が照射された測定対象から放出される光音響波を検出する測定ユニットと、を備える。測定ユニットは、内部が気体によって充填され、測定対象から放出される光音響波を受信する気密室と、気密室において外部との間を区切る壁部の一部を構成する圧力センサと、を備える。

【0007】

本願発明の一態様の光音響波測定システムは、強度変調された遠赤外光を測定対象に対して照射する変調光源と、遠赤外光が照射された測定対象から放出される光音響波を検出する測定ユニットと、変調光源、及び、測定ユニットを制御するコントローラと、を備える。測定ユニットは、内部が気体によって充填され、測定対象から放出される光音響波を受信する気密室と、気密室において外部との間を区切る壁部の一部を構成する圧力センサと、を備える。コントローラは、変調光源に対して、強度変調された遠赤外光を照射させ、圧力センサによって気密室の圧力の変化を取得し、圧力センサにより取得される圧力の変化に応じて、測定対象内の所定の成分の濃度を算出する。

【発明の効果】

【0008】

本願発明の一態様の光音響波測定装置によれば、測定対象に対して遠赤外光を照射すると、測定対象内の所定の成分（例えば、グルコース）から放射される光音響波が気密室に到達する。これにより気密室の気圧が変化し、この気圧の変化を圧力センサで検出することによって、所定の成分の濃度を求めることができる。一般に、水溶液中の成分（血中グルコース）の遠赤外光に対する吸光係数は高いため、共鳴器等を設けることなく気密室の気圧変化を測定することができるので、光音響波測定装置の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１実施形態に係る光音響波測定装置の概略構成図である。

【図2】図２は、センサユニットの断面図である。

【図3】図３は、センサユニットの分解斜視図である。

【図4】図４は、種々の濃度のグルコース溶液に対する測定結果を示すグラフである。

【図5】図５は、図４の測定結果を別態様で示したグラフである。

【図6】図６は、第２実施形態に係る光音響波測定装置の概略構成図である。

【図7】図７は、第３実施形態に係る光音響波測定装置の概略構成図である。

【図8】図８は、第４実施形態に係る光音響波測定装置の概略構成図である。

【図9】図９は、第５実施形態に係る光音響波測定装置の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

【0011】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光音響波測定装置の概略構成図である。図１において、光音響波測定装置（以下、単に測定装置という）１００は、光音響波測定を行う測定ユニット１０、変調光源２０、回路部３０を備える。測定装置１００により、測定対象２００内に存在する所定成分の濃度を測定することができる。

【0012】

測定対象２００内の所定成分の濃度測定の概要は以下のとおりである。変調光源２０から光が測定対象２００に対して照射されると、測定対象２００内の分子において光音響効果により光音響波（弾性波）が生じる。測定ユニット１０は、測定対象２００から生じる光音響波を検出する。回路部３０は、測定ユニット１０により測定された光音響波の強度の変化に応じて、測定対象２００内の測定対象の液体の濃度を求める。

【0013】

本実施形態の例では、測定対象２００は生体であり、測定対象２００に対して変調光源２０から遠赤外光を照射すると、測定対象２００内の血管２０１を流れる血中のグルコースから光音響波が放出される。測定ユニット１０によって光音響波が検出され、その検出結果から、血管２０１内における血中グルコース濃度が求められる。以下、各構成の詳細について説明する。

【0014】

回路部３０は、駆動部３１、検出回路３２、濃度算出部３３、及びこれらを統括的に制御する制御部３４を備える。

【0015】

変調光源２０は、駆動部３１の制御に応じて遠赤外光（波長が１０μｍ程度）の変調光を測定対象２００に向かって出力する。例えば、変調光源２０は、遠赤外光のレーザ光源とチョッパ部とを備えており、駆動部３１の制御によりチョッパ部が動作することで、強度変調された遠赤外光が変調光として出力される。１回の測定においてパルス光を複数回、例えば５回程度出力させる。強度変調した光としては、パルス光のように完全に光の出力を遮断したものに限らず、例えば所定レベル（＞０）まで強度を低くするように光を変調してもよい。なお、変調光源２０は、チョッパ部を備えず、レーザ光源を所定の周期でオン／オフすることで強度変調を行ってもよい。

【0016】

変調光源２０からの変調光が測定対象２００に照射され、遠赤外の変調光が血管２０１まで達すると、血液中のグルコースが遠赤外光を吸収し、瞬間的に膨張して光音響波（弾性波）が発生する。この光音響波は、測定ユニット１０が備える気密室の圧力変化を発生させ、この圧力変化はセンサユニット１１によって測定される。ここで、グルコース濃度が高いほど大きな光音響波が発生するため、濃度算出部３３は、光音響波の強度に応じて血中グルコース濃度を求めることができる。なお、濃度算出部３３は、変調光源２０の変調パターンと、測定ユニット１０により測定される圧力の変化とを同期させて対応付けることで、ノイズを除去（低減）させ、より高い精度で濃度を求めることができる。

【0017】

測定ユニット１０は、センサユニット１１、筐体１２、シール部材１３、接触部１４、及び、窓部１５を備える。

【0018】

筐体１２は、外側に向かって幅が狭くなるようなテーパ状の開口を備える有底部材である。測定ユニット１０は、有底部材である筐体１２の側面の端部が、接触部１４を介して測定対象２００に対して押し付けられた状態で固定される。さらに、筐体１２の内部空間は、センサユニット１１に設けられる開口とは連通し、筐体１２と接触部１４との間の空間と一体となって、気密室を構成する。シール部材１３が、筐体１２と接触部１４との間に設けられることにより、両者の密着度が上がり、筐体１２内の空間（気密室）の気密性が向上する。シール部材１３の一例は、オーリングであり、筐体１２の側面の端部に設けられた溝部に配置される。シール部材は、シーリング部材とも称される。

【0019】

このように構成される気密室内の気圧の変化をセンサユニット１１により測定することで、光音響波の強度を求めることができる。センサユニット１１の構造については、後に、図２、３を用いて説明する。なお、図１においては、筐体１２はテーパ状の開口を備える有底部材であったが、これに限らない。筐体１２は、内部に気密室となりえる空間が存在するものであれば、任意の構造であってもよい。

【0020】

接触部１４は、遠赤外光の透過性が高く、物理的に振動しやすい弾性物質により構成される。接触部１４は、例えば、厚みが７０μｍのポリエチレンにより構成される。接触部１４は、測定対象の表面の変位に追従して変位するような材料で構成されるのが好ましい。光音響波の影響による変位は、測定対象内部においても生じ得るので、接触部１４を弾性物質で形成することで、気密室における光音響波の影響を大きくでき、所定の成分の測定精度の向上を図ることができる。

【0021】

窓部１５は、筐体１２の変調光源２０からの導光路に存在する開口に設けられ、遠赤外光の透過性が高い物質により構成される。窓部１５は、遠赤外光の直接照射による温度上昇に耐えられるような耐熱性の高い物質により構成されてもよい。他の態様として、窓部１５は、例えば遠赤外光の照射による変質や、遠赤外光の吸収による変質がなく、遠赤外光の影響を受けにくい材料で構成されてもよい。窓部１５は、このような性質を任意選択的に有してもよく、遠赤外光の高透過性、高耐熱性、高耐久性のうち少なくとも１つを備えるように構成されてもよい。窓部１５は、例えば、熱に強いシリコンやゲルマニウムの薄膜により構成される。一例として、ゲルマニウムは１ｍｍ程度の厚みであって、変形しにくい。一般的に、材料の厚さが大きくなると遠赤外光を透過しにくいので、窓部１５の材料は、遠赤外光を透過量が十分となるように材料及び厚さが設計により定められる。なお、遠赤外光を十分に透過するのであれば、厚みが大きい方が、気密室への外気圧の影響を抑制できるので、好ましい。他にも、窓部１５は、ポリエチレンにより構成されてもよい。なお、シリコンやゲルマニウムの薄膜は、物理的に振動しやすい性質を備えるため、窓部１５と同様に、厚みが１００μｍ以下のシリコンやゲルマニウムの薄膜を接触部１４に設けてもよい。

【0022】

図２は、センサユニット１１の拡大図である。図３のセンサユニット１１の分解斜視図に示されるように、センサユニット１１においては、内部が段状の開口を有する固定部材１１１に対して、センサ基板１１２が嵌め込まれて固定される。

【0023】

再び図２を参照すれば、固定部材１１１は、気密室側に設けられ、比較的小さな開口面積を有する開口１１１Ａと、測定ユニット１０の外側に設けられ、比較的大きな開口面積を有する開口１１１Ｂとを備える。開口１１１Ａ、１１１Ｂは連通し、両者の間に段部が構成される。センサ基板１１２は、開口１１１Ｂに嵌め込まれ、固定部材１１１の段部において係止により固定される。

【0024】

センサ基板１１２は、シリコン基板１１３、絶縁層１１４、シリコン層１１５、ピエゾ抵抗層１１６、及び、金属層１１７が積層されて構成されている。シリコン基板１１３、絶縁層１１４、及び、金属層１１７は、それぞれ、開口１１３Ａ、１１４Ａ、及び、１１７Ａを備える。開口１１３Ａ、１１４Ａ、及び、１１７Ａは、固定部材１１１の気密室側に設けられる開口１１１Ａと同程度の開口面積を備える。

【0025】

シリコン層１１５及びピエゾ抵抗層１１６は、一体となって、一方の端部（図２の左側）がシリコン基板１１３及び絶縁層１１４と、金属層１１７とに挟まれて固定される。シリコン層１１５及びピエゾ抵抗層１１６の他方の端部（図２の右側）は、溝部５１が設けられることにより、固定されずに自由端となる。さらに、図３に示されるように、シリコン層１１５及びピエゾ抵抗層１１６は、中央部分の受圧部１１８が矩形状に構成され、フレーム１１９内に配置される。受圧部１１８は、一辺（図２の左側、図３の左下側）においてのみフレーム１１９に固定され、他の３辺はフレーム１１９に固定されていない自由端である。そのため、受圧部１１８は、片持ち状に構成される。このような受圧部１１８の構成を持つセンシング部分は、一般に、カンチレバーと称される。

【0026】

再び図２を参照すれば、片持ち状に構成される受圧部１１８（シリコン層１１５及びピエゾ抵抗層１１６）は、厚みが例えば０．３μｍ程度の板状部材である。その結果、受圧部１１８は、気密室（開口１１１Ａ、１１３Ａ、１１４Ａ）と外部との気圧差に応じて、開口に対して垂直方向に変位（振動）する。ピエゾ抵抗層１１６は、圧縮または伸張によって抵抗値が増減する性質を備える。これにより、測定対象２００から照射される光音響波に起因する気密室の変化を、ピエゾ抵抗層１１６の抵抗値を測定することで検出できる。

【0027】

図３は、センサユニット１１の分解斜視図である。この図に示されるように、センサユニット１１においては、固定部材１１１の有する開口１１１Ｂにセンサ基板１１２が嵌め込まれて固定される。

【0028】

センサ基板１１２を積層方向から見れば、矩形状の受圧部１１８が、フレーム１１９により取り囲まれ、一辺（左下側の辺）においてのみフレーム１１９に固定された片持ち状に構成される。なお、受圧部１１８のフレーム１１９への固定は、上述のように、シリコン層１１５及びピエゾ抵抗層１１６が一体となって、シリコン基板１１３及び絶縁層１１４と、金属層１１７とに挟まれることによりなされる。

【0029】

さらに、受圧部１１８がフレーム１１９に固定される一辺（左下側の辺）に着目すれば、受圧部１１８は、４つの梁部４１～４４を介して、フレーム１１９に固定されている。

【0030】

梁部４１、４２は対をなし、梁部４３、４４は対をなす。なお、梁部４１、４４は両端に位置し、梁部４２と梁部４３とは、切り込み溝部５２を介して隣接する。対をなす梁部４１と梁部４２との間、及び、梁部４３と梁部４４との間には、フレーム１１９から突出して形成される矩形状の突出部４５、４６が設けられている。突出部４５、４６は、シリコン層１１５及びピエゾ抵抗層１１６により構成され、フレーム１１９と一体形成されている。突出部４５、４６は、フレーム１１９と接触する辺以外の３辺においては、溝部５１を介して受圧部１１８と離間する。

【0031】

このように、受圧部１１８は、梁部４１～４４が設けられている一辺（左下側の辺）において、梁部４１～４４を介してフレーム１１９と接続されている。同時に、受圧部１１８は、溝部５１を介して、梁部４１～４４が設けられていない三辺（右下側、右上側、及び、左上側）においてフレーム１１９から離間するとともに、突出部４５、４６とも離間する。上述のように、梁部４２、４３の間には、切り込み溝部５２が設けられる。溝部５１、及び、切り込み溝部５２は、例えば、０．０２μｍ～１０μｍ程度の幅に形成されている。

【0032】

さらに、金属層１１７においては、受圧部１１８が片持ち構造で固定される側（左下側）において、梁部４１と４４との間に絶縁溝部５３が設けられ、反対側（右上側）において、中央部に絶縁溝部５４が設けられる。絶縁溝部５３、５４は、金属層１１７内を電気的に絶縁するために設けられ、これにより、２つの電極４７、４８が形成される。

【0033】

ピエゾ抵抗層１１６の梁部４１が電極４７に接続され、梁部４４が電極４８と接続される。梁部４２、４３は、金属層１１７と電気的に絶縁されている。ピエゾ抵抗層１１６においては、一端の梁部４１から受圧部１１８を経て他端の梁部４４に至る経路で連結された略Ｕ字状に、導電経路が形成される。そのため、電極４７、４８の間の電流を測定することで、受圧部１１８の抵抗値を求めることができる。

【0034】

本構成においては、受圧部１１８は、梁部４１～４４の基端を中心に、その面の法線方向（図中の上下方向）に弾性的に変形自在である。この受圧部１１８の変形により梁部４１～４４が湾曲することで、ピエゾ抵抗層１１６の抵抗値が増減する。その結果、電極４７、４８の間の抵抗を測定することで、受信した光音響波に起因する気密室の気圧変化を測定できる。

【0035】

センサユニット１１の作製方法は、以下のとおりである。ます、シリコン基板１１３、絶縁層１１４、シリコン層１１５が積層されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意する。シリコン基板１１３、絶縁層１１４、シリコン層１１５の厚みは、この順番で、例えば３００μｍ、０．４μｍ、０．０８μｍである。このＳＯＩ基板のシリコン層１１５に対してドーピングを行い、シリコン層１１５の表層にピエゾ抵抗層１１６を形成する。ピエゾ抵抗層１１６の上に電極となる金属層１１７を形成した後、金属層１１７と、ピエゾ抵抗層１１６及びシリコン層１１５とを順次にエッチングすることにより、開口１１７Ａ、並びに、溝部５１及び切り込み溝部５２を形成する。さらに、金属層１１７をエッチングして、絶縁溝部５３、５４を設けることで、電極４７、４８を形成する。最後に、反対面側からシリコン基板１１３と絶縁層１１４とをエッチングして、開口１１３Ａ、１１４Ａを形成する。このようにして、受圧部１１８を含むセンサ基板１１２が形成される。

【0036】

なお、測定ユニット１０は、センサユニット１１が備えるカンチレバーとは別に、参照抵抗となる同じ構成を備えるカンチレバー（不図示）を備えている。検出回路３２は、気密室の外壁の一部をなすカンチレバーの抵抗値と、参照抵抗の抵抗値を比較することで、気密室の気圧の変化を検出する。

【0037】

図４は、測定装置１００による測定結果を示すグラフである。このグラフの例においては、変調光源２０は、レーザ光源から照射された遠赤外光を、４０Ｈｚで駆動するチョッパ部によって変調して測定対象２００に照射した。

【0038】

測定対象２００は、種々の濃度のグルコース溶液であって、純水（ＤＩ（Deionized）：脱イオン水）、及び、グルコース濃度がそれぞれ６０、８０、１００、２００、５００、１０００mg/dLの６種類のグルコース溶液の合計７種類の溶液が測定された。これらの複数の濃度の溶液は、時系列に連続的に取り替えて測定されており、取り替えのタイミングにおいて抵抗値変化率の落ち込みが見られる。

【0039】

図５は、図４の測定結果を別態様で示したグラフである。このグラフにおいては、横軸にグルコース濃度が示されており、縦軸に抵抗値変化率が示されている。なお、縦軸は、グルコース濃度がゼロ（ＤＩ）の場合の値によりオフセットされている。この図に示されるように、グルコース濃度の上昇（０（ＤＩ）、６０、８０、１００、２００、５００、１０００mg/dL）に従って、抵抗値変化率が大きくなる。一般に、計測可能の下限が６０mg/dL、分解能２０mg/dLであれば、産業上利用可能といわれており、このグラフに示された測定結果は、当該要求水準を満たしている。

【0040】

本実施形態に用いられた遠赤外光は、近赤外から中赤外域（波長が約０．７～４ないし５μｍ程度）の光と比較すると、水分及び血中グルコースに対する吸光係数が大きい。中赤外光や近赤外光に対しては、赤外血中グルコースの吸光係数が大きいが、測定対象２００内に大量に存在する水分の吸光係数も大きいため、多くのノイズが測定され得る。しかしながら、本実施形態によって、遠赤外光を用いても、血中グルコースからの光音響波を測定可能であることが示された。

【0041】

さらに、グルコースの遠赤外光に対する吸光係数が大きいため、遠赤外光を用いることで、光音響波の強度が大きくなる。その結果、共鳴器等を設けることなく、カンチレバーにより気密室の気圧の変化を測定することができるので、測定装置１００の小型化を図ることができる。なお、気密室を設けてもよく、気密室を設けることで気密室内の圧力変化が大きくなるので、測定装置１００の測定精度を向上させることができる。なお、共鳴器構造を備えてもよく、共鳴器により気密室内の圧力変化を増大させることで、測定装置１００の測定精度を向上させることができる。

【0042】

本実施形態においては、測定ユニット１０が１つ設けられる例について説明したが、これに限らず、複数設けてもよい。例えば、複数の測定ユニット１０の測定可能な圧力変化の振動数帯域が重複することで、光音響波の発生位置を特定することができる。複数の測定ユニット１０の測定可能な圧力変化の振動数帯域が異なることで、測定対象に応じた振動を検出できることになるので、同時に複数の測定対象の濃度を測定できる。

【0043】

（第２実施形態）
第１実施形態においては、測定装置１００が接触部１４を介して測定対象２００と隔てられる例について説明したが、これに限らない。本実施形態においては、接触部１４が存在しない例について説明する。

【0044】

図６は、第２実施形態の測定装置１００の概略構成図であって、図１に対応する。この図によれば、第１実施形態の測定装置１００と比較すると接触部１４が削除されている。

【0045】

このような構成においては、有底部材である筐体１２の側面の端部を測定対象２００に対して押し当てると、筐体１２が、シール部材１３を介して測定対象２００の表面と接触する。これにより、測定対象２００の表面が気密室の壁部の一部となり、筐体１２の内部に気密室が構成される。

【0046】

このように接触部１４が設けられないことで、光音響波の発生源と気密室との間の介在物質がなくなるので、気密室における光音響波（弾性波）に起因する気圧変化がより大きくなる。その結果、気密室の気圧変化を測定しやすくなるので、測定装置１００の測定精度を向上させることができる。さらに、接触部１４を設けないことにより、測定装置１００の構造を簡略化できる。

【0047】

（第３実施形態）
第１実施形態においては、変調光源２０が、レーザ光源とチョッパ部とを備える例について説明したが、これに限らない。本実施形態においては、他の形態の変調光源２０を用いる例について説明する。

【0048】

図７は、第３実施形態の測定装置１００の概略構成図であって、図１に対応する。この図によれば、遠赤外光の光源として、熱型光源６０が設けられている。一般に、熱源は、温度に応じて所定の波長の光を発することが知られている。

【0049】

例えば、熱型光源６０として電気抵抗を用いて、駆動部３１からの通電指示に応じて電気抵抗に電流を流すことで熱型光源６０を発熱させて、所定の波長の遠赤外光を照射させる。電流のオン／オフにより、照射光が変調される。さらに、熱型光源６０には温度センサが設けられており、駆動部３１に対して熱型光源６０の温度を通知可能に構成されている。温度センサによる取得を用いたフィードバック制御を行うことで、駆動部３１は、熱型光源６０を所定の温度に保つことで、所定の波長の光を照射させることができる。このように構成することで、第１実施形態のようにレーザ光源のような大型機器を用いることなく、遠赤外光を照射させることができる。

【0050】

（第４実施形態）
第１～３実施形態においては、測定ユニット１０において、筐体１２の壁面に対してセンサユニット１１が取り付けられる例について説明したが、これに限らない。第４実施形態においては、センサユニット１１が筐体１２の壁面の一部を構成する例について説明する。

【0051】

図８は、第４実施形態に係る測定装置１００の概略構成図である。図１に示される第１実施形態の測定装置１００と比較すれば、シール部材１３が削除され、筐体１２の形状が変更されている。筐体１２によって、図右方において気密室が構成されるとともに、図左方において窓部１５を固定される。さらに、センサユニット１１は、固定部材１１１を備えず、センサ基板１１２が固定部材１１１に嵌め込まれることなく、筐体１２の壁面の一部を構成している。

【0052】

このように構成しても、センサユニット１１によって気密室における光音響波（弾性波）に起因する気圧変化が測定される。その結果、気密室の気圧変化を測定しやすくなるので、測定装置１００の測定精度を向上させることができる。

【0053】

（第５実施形態）
第４実施形態においては、測定ユニット１０において、センサユニット１１が筐体１２の壁面の一部を構成し、センサユニット１１は、気密室と外側とを隔てるように構成されたが、これに限らない。第５実施形態においては、センサユニット１１の気密室と反対側において、さらに、閉塞空間が設けられる例について説明する。

【0054】

図９は、第５実施形態に係る測定装置１００の概略構成図である。図８に示される第４実施形態の測定装置１００と比較すれば、センサユニット１１の測定対象２００側の反対側において、さらに、筐体１６が設けられている。筐体１６の内部は、筐体１２と同様に、閉ざされており閉塞空間を構成する。

【0055】

センサユニット１１は、測定対象２００から放出される光音響波の影響を受けた気密室の圧力を検出するが、これは、変位の両方向（この図では上下方向）に面する空間の気圧差に起因する変位をセンシング部分（カンチレバー）により測定することにより行われる。すなわち、第１～第４実施形態においては、センサユニット１１は、気密室と外気との間の圧力差に起因するセンシング部分の変位を測定する。これに対して、第５実施形態においては、測定対象２００から近く、光音響波の影響を受けやすい図上方の気密室と、測定対象２００から遠く、光音響波の影響を受けにくい図下方の閉塞空間との圧力差に起因するセンシング部分の変位を測定することで、光音響波の大きさを測定する。センサユニット１１の気密室の反対側に閉塞空間が設けられることにより、センシング部分が直接外気と接触する場合よりも、周囲の影響を受けにくくなり、その結果、測定装置１００の測定精度を向上させることができる。なお、本実施形態においては、センサユニット１１により隔てられる筐体１２内の気密室と、筐体１６内の閉塞空間とは略等しい開口面積及び容積として示されたが、これに限らない。気密室、閉塞空間ともに、任意の大きさとすることができる。

【0056】

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

【符号の説明】

【0057】

１０ 測定ユニット
１１ センサユニット
１２、１６ 筐体
１３ シール部材
１４ 接触部
１５ 窓部
２０ 変調光源
３０ 回路部
６０ 熱型光源
１００ 光音響波測定装置
２００ 測定対象
２０１ 血管

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】