JP6996679B2

JP6996679B2 - 光音響測定プローブ

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Publication number: JP6996679B2
Application number: JP2017123351A
Authority: JP
Inventors: 勲下山; 智之高畑
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2022-01-17
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Also published as: JP2019007824A

Description

本発明は、光音響測定プローブに関するものである。

光音響測定装置は、測定対象の内部の分子が照射されたパルス光を吸収して瞬間的に熱膨張する際に発生する光音響波（弾性波）を検出し、その光音響波に基づいて、パルス光を吸収した分子の濃度を求めたりすることができる光音響測定装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。光音響測定装置は、光音響測定プローブを備えており、この光音響測定プローブは測定対象に対してパルス光を照射する光照射部と、測定対象の内部からの光音響波を検出する光音響波検出部を有する。

特開２００２－３２８１１６号公報

ところで、光音響測定プローブの光音響波検出部は、十分な検出感度があるとは言えなかった。このため、より高感度に検出できる光音響測定が望まれている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光音響波をより高感度に検出できる光音響測定プローブを提供することを目的とする。

本発明の光音響測定プローブは、第１筐体部に収容され、強度変調した光を測定対象に向けて照射する光照射部と、第２筐体部に収容され、前記測定対象からの光音響波を検出する光音響波検出部とを備え、前記光音響波検出部は、前記第２筐体部の内部に形成されたキャビティと、前記キャビティの内部と外部とを仕切る基部と、前記基部に形成され、前記キャビティの内部と外部とを接続する連通孔と、前記連通孔内に配され、基端が前記基部に支持された板状に形成され、前記連通孔の貫通方向に可撓性を有するとともに、表層に半導体からなる抵抗層が設けられたカンチレバーと、前記連通孔内に、前記カンチレバーの第１面側に接して設けられた気体層と、前記カンチレバーよりも前記測定対象側に設けられた音響インピーダンス整合材と、前記第１面と反対側の前記カンチレバーの第２面側に設けられ、前記カンチレバーと前記連通孔の内面との間のギャップ及び前記第２面を覆い、前記ギャップの位置で前記気体層と界面を形成する液体層とを有するものである。
また、本発明の光音響測定プローブは、第１筐体部に収容され、強度変調した光を測定対象に向けて照射する光照射部と、第２筐体部に収容され、前記測定対象からの光音響波を検出する光音響波検出部とを備え、前記光音響波検出部は、前記第２筐体部の内部に形成されたキャビティと、前記キャビティの内部と外部とを仕切る基部と、前記基部に形成され、前記キャビティの内部と外部とを接続する連通孔と、前記連通孔内に配され、基端が前記基部に支持された板状に形成され、前記連通孔の貫通方向に可撓性を有するとともに、表層に半導体からなる抵抗層が設けられたカンチレバーと、前記連通孔内に、前記カンチレバーの第１面側に接して設けられた気体層と、前記カンチレバーよりも前記測定対象側に設けられた音響インピーダンス整合材とを有し、前記音響インピーダンス整合材は、液体であり、前記第１面と反対側の前記カンチレバーの第２面側に設けられ、前記カンチレバーと前記連通孔の内面との間のギャップ及び前記第２面を覆い、前記ギャップの位置で前記気体層と界面を形成するものである。

本発明によれば、光音響波をカンチレバーで検出するとともに、このカンチレバーと測定対象との間に音響インピーダンス整合材を設けているので、光音響波をより高感度に検出することができる。

第１実施形態に係る光音響測定装置の構成を示す説明図である。光音響測定プローブの構成を分解して示す説明図である。カンチレバーが形成されたセンサ部の外観を示す斜視図である。光音響波検出部の要部を拡大して示す断面図である。検出回路の回路構成の例を示す回路図である。第２実施形態の光音響測定プローブを示す断面図である。可変焦点レンズの構成を示す断面図である。可変焦点レンズの曲率が大きな状態を示す断面図である。第３実施形態の光音響測定プローブを示す断面図である。第３実施形態の光音響測定プローブの要部を拡大して示す断面図である。第４実施形態の光音響測定プローブを示す断面図である。第５実施形態の光音響測定プローブを示す断面図である。

［第１実施形態］
図１において、光音響測定装置（以下、単に測定装置という）１０は、光音響測定プローブ（以下、単にプローブという）１１、回路部１２を備える。プローブ１１は、光照射部１３と光音響波検出部１４とを備え、筐体１５に収容されている。回路部１２は、駆動部１６、検出回路１７、濃度算出部１８、及びこれらを統括的に制御する制御部１９を備える。

測定装置１０は、光照射部１３から光を測定対象２１に照射し、その光の照射によって測定対象２１の内部で光音響効果により生じた光音響波（弾性波）を光音響波検出部１４で検出する。この例では、測定対象２１が生体であり、その光音響波の検出結果から、測定対象２１の内部の血管２２内における血中グルコース濃度を測定成分として測定する。なお、測定対象、測定成分については、これに限られるものではない。

筐体１５は、光照射部１３を収容した第１筐体部１５ａと、光音響波検出部１４を収容した第２筐体部１５ｂとを一体にした構造であり、筐体本体２４、仕切り板２５、封止膜２６を有している。測定時には、プローブ１１の接触面１１ａを測定対象２１の表面に密着させた状態にする。この例では、筐体１５内部に収容された音響インピーダンス整合材２７の漏出を防止する封止膜２６の外側の面が接触面１１ａである。プローブ１１は、例えば筐体１５が数ミリ角程度で、厚みも数ミリ程度の小片状であり、例えば測定対象２１の表面にプローブ１１を配し、プローブ１１をその上から測定対象２１に押えつけるように粘着テープ等で貼り付けて使用することができる。また、例えばプローブ１１と測定対象２１との間に超音波検査に用いられるようなジェルを介在させることによって、プローブ１１を測定対象２１の表面に貼り付けるようにしてもよい。なお、以下では、便宜上、上下方向について接触面１１ａが存在する方をプローブ１１の下として説明するが、プローブ１１の向きを限定するものではない。

駆動部１６は、光照射部１３に設けた光源２８を駆動し、光源２８から強度変調した光を出力させる。この例では、駆動部１６は、強度変調した光としてパルス光を光源２８から出力させ、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。検出回路１７は、詳細を後述するカンチレバー２９（図２参照）の抵抗値の変化として検出される光音響波の検出結果を検出信号に変換して出力する。濃度算出部１８は、検出信号に基づいて血中グルコース濃度を算出する。

図２において、筐体本体２４の第１筐体部１５ａ側の内部に第１キャビティ３１が設けられ、第２筐体部１５ｂ側の内部に第２キャビティ３２が設けられている。また、筐体本体２４の下部に音響インピーダンス整合材２７を収容する収容室３３が設けられている。第１キャビティ３１及び第２キャビティ３２は、収容室３３側にそれぞれ開口している。仕切り板２５は、収容室３３の上方に配置され、第１キャビティ３１及び第２キャビティ３２と収容室３３とを仕切っている。この仕切り板２５は、Ｖ字状に折り曲げた形状であり、第１筐体部１５ａ側の第１板部２５ａと第２筐体部１５ｂ側の第２板部２５ｂとからなる。収容室３３は、仕切り板２５により上部が画定されることで断面がＶ字の溝状になっている。上記仕切り板２５により、音響インピーダンス整合材２７が液体である場合であっても、音響インピーダンス整合材２７が第１キャビティ３１、第２キャビティ３２内に入り込まないようにされている。

光照射部１３は、前述の光源２８、集光部としてのレンズ３４を有し、いずれも第１キャビティ３１内に配されている。光源２８は、第１板部２５ａと平行な第１キャビティ３１の上面に固定されている。光源２８としては、測定する成分に応じた波長の光を出力するものが用いられ、波長は制限されない。近赤外から中赤外域（波長が約０．７～４ないし５μｍ程度）の光は、多くの分子の吸収波長となるため分子の化学量を定量する上で有用であり好ましい。

この例では、光源２８として、血中グルコースが吸収波長を有する波長が約１．６μｍのレーザ光を出力するレーザダイオードが用いられている。なお、光源２８としては、レーザダイオード以外のもの、例えばＬＥＤ、有機ＥＬ等を用いてもよい。また、光源２８は、単一波長を出力するものの他、複数の波長の光成分を含む光を出力するものを用いてもよい。さらに、光源２８として、出力する光の波長が可変のものを用い、測定する成分に応じた波長の光を照射できるようにしてもよい。

レンズ３４は、第１板部２５ａの第１キャビティ３１側の面上に設けられている。このレンズ３４は、平凸レンズであり、光源２８からの光を集光する。この例では、測定対象２１の内部の血管２２内で光が集光するように、レンズ３４の曲率や屈折率等が決められている。

光源２８からの光は、レンズ３４、第１板部２５ａ、音響インピーダンス整合材２７、封止膜２６を介して測定対象２１に照射される。このため、レンズ３４、第１板部２５ａ、音響インピーダンス整合材２７、封止膜２６は、光源２８からの光に対して透過性を有する材料で構成され、それらは光源２８からの光の吸収率が低いことが好ましい。

光音響波検出部１４は、上記筐体の一部を構成するとともに連通孔３６が形成された第２板部２５ｂ、カンチレバー２９を含むセンサ部３７、気体層３８、液体層３９、音響インピーダンス整合材２７を有する。連通孔３６は、第２キャビティ３２の内部と収容室３３（第２キャビティ３２の外部）とを連通するように第２板部２５ｂをその厚み方向に貫通しており、後述するように、その内部にセンサ部３７が配置されている。

光音響波検出部１４では、音響インピーダンス整合材２７を介して伝搬してきた光音響波を第２板部２５ｂからカンチレバー２９に伝達して、カンチレバー２９を振動させる。第２板部２５ｂは、光音響波を効率的にカンチレバー２９に伝達するように構成されている。このため、第２板部２５ｂは、硬質の材料、例えばSi、SiC、GaAs、GaN、Geなどの半導体材料、あるいは金属により形成されることが好ましい。なお、この例では、第２板部２５ｂが基部となる。

センサ部３７は、連通孔３６内の第２キャビティ３２側に寄った位置に設けられている。詳細を後述するように、センサ部３７に設けられたカンチレバー２９は、図４に二点鎖線で示すように、光音響波によって振動し、その振動の際の変形によって抵抗値が変化するものである。このカンチレバー２９は、厚みが例えば０．３μｍ程度の薄膜状であるため、微弱な光音響波によって容易に振動し、高い検出感度が得られる。

気体層３８は、連通孔３６内でカンチレバー２９と収容室３３との間の空間として形成されている。すなわち、気体層３８は、第２キャビティ３２側が、カンチレバー２９及び液体層３９で塞がれ、収容室３３側が音響インピーダンス整合材２７で塞がれた空間である。気体層３８を構成する気体としては、空気を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば窒素等の不活性ガスを用いてもよい。気体層３８は、後述するように、液体層３９を構成する液体、音響インピーダンス整合材２７の表面張力や粘性、それらと気体層３８との圧力差等により、液体層３９を構成する液体、音響インピーダンス整合材２７が連通孔３６内に流れ込まないことによって維持される。

液体層３９は、第２板部２５ｂの第２キャビティ３２側の面上に設けられており、それを構成する液体が保持膜３９ａによって覆われることで第２板部２５ｂ上に保持されている。この液体層３９は、第２キャビティ３２内に配されている。液体層３９を構成する液体としては、表面張力が大きく、ある程度の粘性を有し、化学的に安定なものを選択するのが望ましい。例えば、液体層３９を構成する液体としては、シリコーンオイルが用いられ、保持膜３９ａは、ＣＶＤ法によりパラキシリレン系ポリマー（例えば、パリレン（登録商標））を液体層３９の表面に形成している。液体層３９を構成する液体としては、導電性のないものを用いればよく、シリコーンオイルに限定されない。また、液体層３９を構成する液体としては、ジェルのような液状物質を利用することも可能である。このような液体層３９を構成する液体としては、シリコーンオイル以外に例えば流動パラフィン、グリセリン等を挙げることができる。保持膜３９ａは、液体層３９を構成する液体を漏出することなく保持できるものであればよい。

上記気体層３８、液体層３９は、光音響波によってカンチレバー２９を効率的に振動させて検出感度、特に周波数の高い光音響波に対する検出感度を向上させる。すなわち、第２板部２５ｂに伝搬した光音響波によってカンチレバー２９が振動されるとともに、気体層３８と液体層３９との境界にカンチレバー２９を配した構成により、カンチレバー２９が効率的に振動する。

第２キャビティ３２内は、液体層３９を構成する液体で満たしてもよく、この例のように液体層３９以外の空間を気体で満たしてもよい。液体層３９以外の空間を気体で満たした場合には、液体層３９のカンチレバー２９と反対側の面が第２キャビティ３２内の気体と接し、第２キャビティ３２内の気体と液体層３９との境界が形成される。この境界で光音響波が反射してカンチレバー２９ないしその近傍に光音響波が集められるため、より高い検出感度とすることができる。

音響インピーダンス整合材２７は、測定対象２１からの光音響波がプローブ１１に入射する際の反射を少なくするためのものであり、前述のように収容室３３に収容されている。この例では、音響インピーダンス整合材２７として水が用いられている。音響インピーダンス整合材２７としては、音響インピーダンスが測定対象２１と第２板部２５ｂとの中間の材料が選ばれる。音響インピーダンス整合材２７としては、水以外のシリコーンオイル等の液体、固体、固形状やジェル状の物質、シリコーンゴム等の弾性体等であってもよい。

上記音響インピーダンス整合材２７は、レンズ３４、センサ部３７、液体層３９を設けた仕切り板２５を筐体本体２４に取り付けてから、収容室３３内に収容される。封止膜２６は、収容室３３の下側の開口を塞ぐ。この封止膜２６により筐体１５の底部からの音響インピーダンス整合材２７の漏出が防止される。この封止膜２６は、例えばエポキシ樹脂等により薄膜状に形成されている。このように薄膜状の封止膜２６は、光音響波をほとんど反射しないため、その音響インピーダンスを特に考慮する必要がない。封止膜２６としては、測定対象２１との間に隙間が生じることなくプローブ１１を測定対象２１の表面に密着させるために、可撓性（柔軟性）を有するものが好ましい。

なお、音響インピーダンス整合材２７が固形状であって筐体１５に固定できるときは封止膜２６を省略できる。このように封止膜２６を省略した場合では、プローブ１１の接触面１１ａは、音響インピーダンス整合材２７の下面になる。

この例では、測定対象２１内の測定成分を測定する位置に向くように、光照射部１３及び光音響波検出部１４の両方がそれぞれ傾けて筐体１５内に配され、光照射部１３は、その方向に光を照射し、光音響波検出部１４は、その方向（測定する位置）からの光音響波を効果的に検出する。具体的には、光音響波検出部１４は、第２板部２５ｂの連通孔３６及びその周囲の面部分の法線方向が測定する位置に向くように傾けられている。

図３に示すように、センサ部３７は、カンチレバー２９とフレーム４３とが一体に形成されている。カンチレバー２９は、厚みが例えば０．３μｍ程度の板状であって、フレーム４３の中央に貫通した孔内に設けられている。センサ部３７は、シリコン基板４５、絶縁層４６、シリコン層４７、半導体であるピエゾ抵抗層４８からなる層構造を有し、カンチレバー２９は、そのうちのシリコン層４７及びピエゾ抵抗層４８を有する。また、フレーム４３には、ピエゾ抵抗層４８の上層に電極４９ａ、４９ｂが形成されている。

カンチレバー２９は、受圧部２９ａと、この受圧部２９ａとフレーム４３とを連結した一対の梁部２９ｂとを有する。一対の梁部２９ｂは、受圧部２９ａの１辺からフレーム４３に向って延び、その基端がフレーム４３に連結されており、それぞれ片持ち状態で受圧部２９ａを支持する。一対の梁部２９ｂの間には、フレーム４３の一部が矩形状に突出している。この突出部分を含めてフレーム４３とカンチレバー２９との間には、ギャップ５１が形成されている。ギャップ５１は、液体層３９の液がその表面張力によってカンチレバー２９を挟む反対側に流れ込まない大きさ、例えば０．０２μｍ～１０μｍ程度の幅に形成されている。

カンチレバー２９におけるピエゾ抵抗層４８は、一方の梁部２９ｂから受圧部２９ａを経て他方の梁部２９ｂに至る経路で連結された略Ｕ字状に形成されている。ピエゾ抵抗層４８のうちの一方の梁部２９ｂの部分が電極４９ａに接続され、他方の梁部２９ｂの部分が電極４９ｂに接続されている。これにより、一方の梁部２９ｂと他方の梁部２９ｂとの間のピエゾ抵抗層４８の抵抗値をカンチレバー２９の抵抗値として、電極４９ａ、４９ｂを通して検出することができる。ピエゾ抵抗層４８は、圧縮または伸張によって、その抵抗値が増減する。なお、符号５２は、電極４９ａと電極４９ｂ、及びそれらの直下のピエゾ抵抗層４８を電気的に分離するための溝である。

カンチレバー２９は、可撓性を有している。すなわち、カンチレバー２９は、各梁部２９ｂの基端を中心に受圧部２９ａの自由端となる端部をその面の法線方向（図中の上下方向）に移動するように弾性的に変形自在である。このカンチレバー２９の変形により、各梁部２９ｂが湾曲することで、それらのピエゾ抵抗層４８の抵抗値が増減し、カンチレバー２９の抵抗値が変化する。カンチレバー２９は、光音響波によって振動する際には、このように梁部２９ｂが湾曲して変形するため、その抵抗値が変化する。

上記センサ部３７を作製するには、シリコン基板４５、絶縁層４６、シリコン層４７が積層されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用意する。シリコン基板４５、絶縁層４６、シリコン層４７の厚みは、この順番で、例えば３００μｍ、０．４μｍ、０．３μｍである。このＳＯＩ基板のシリコン層４７に対してドーピングを行い、シリコン層４７の表層にピエゾ抵抗層４８を形成する。ピエゾ抵抗層４８の上に電極４９ａ、４９ｂとなる金属層を形成した後、金属層と、シリコン層４７及びピエゾ抵抗層４８とを順次にエッチングすることにより、ギャップ５１、溝５２を形成する。さらに、金属層をエッチングして電極４９ａ、４９ｂを形成する。最後に、底面側からシリコン基板４５と絶縁層４６とをエッチングして貫通した孔を形成することにより、カンチレバー２９を含むセンサ部３７が形成される。

第２板部２５ｂには、貫通した孔５４が形成されており、この孔５４内に設けた段差にフレーム４３が固定される。これにより、フレーム４３に設けた孔と孔５４とが一体になった連通孔３６が形成される。また、カンチレバー２９の面が連通孔３６の貫通方向に垂直となる姿勢で、カンチレバー２９が連通孔３６内に配される。カンチレバー２９とフレーム４３との間のギャップ５１が、カンチレバー２９と連通孔３６の内面との間のギャップになる。

図４に示すように、カンチレバー２９は、連通孔３６内で第２キャビティ３２に寄った位置、この例ではカンチレバー２９が第２板部２５ｂの第２キャビティ３２側の面とほぼ同じ高さとなる位置に配される。このようにカンチレバー２９を連通孔３６内に配置することで、カンチレバー２９の一方の表面（第２面）を液体層３９で覆い、その一方の表面が液体層３９を構成する液に接触した状態とする。また、カンチレバー２９の他方の表面（第１面）側の連通孔３６内に空間を設け、その空間に気体を閉じ込めることによって気体層３８を形成し、カンチレバー２９の他方の表面を気体層３８の気体に接した状態にする。

ギャップ５１では、気体層３８と液体層３９とによる気液界面が形成される。ギャップ５１が微小な間隙であることを前提として、気液界面は、液体層３９の液の表面張力、粘性、気体層３８と液体層３９との圧力差等によって維持される。カンチレバー２９の変形により、ギャップ５１の位置の移動、幅の変化等が生じたとしても、気液界面が形成された状態が維持され、液体層３９の液が連通孔３６内に流れ込んだり、気体層３８の気体が液体層３９の内部に流れ込んだりすることがない。なお、この例の液体層３９は、上記のようにカンチレバー２９とギャップ５１の範囲の他に、第２板部２５ｂの表面の一部を覆っている。

また、この例では、連通孔３６の収容室３３側の開口付近では、水である音響インピーダンス整合材２７と気体層３８とによる気液界面が形成される。この気液界面は、音響インピーダンス整合材２７の表面張力や粘性、音響インピーダンス整合材２７と気体層３８との圧力差等によって維持される。

上記のような気液界面の維持を目的として、カンチレバー２９の表面や電極４９ａ、４９ｂの表面、連通孔３６の内面、フレーム４３の下面に、疎水性あるいは疎油性の表面処理を施してもよい。例えば液体層３９、音響インピーダンス整合材２７が水性の液体である場合には、疎水処理をすればよい。

図５に一例を示すように、検出回路１７は、ブリッジ回路５５と差動アンプ５６とを有している。ブリッジ回路５５は、電源電圧Ｖｓとグランドとの間に、抵抗５７ａと抵抗５７ｂとの直列回路と、抵抗５８と抵抗５７ｃとの直列回路とが並列に接続された回路構成になっている。抵抗５８は、電極４９ａ、４９ｂの間の抵抗、すなわちカンチレバー２９のピエゾ抵抗層４８による抵抗である。差動アンプ５６には、抵抗５７ａと抵抗５７ｂの接続点と、抵抗５８と抵抗５７ｃの接続点との電位差が入力電圧として与えられ、差動アンプ５６の出力電圧が検出信号として出力される。

上記ブリッジ回路５５は、カンチレバー２９が変形していない状態での抵抗５８と抵抗５７ｃの抵抗値の比と、抵抗５７ａと抵抗５７ｂの抵抗値の比とが同じになるように調整されている。これにより、カンチレバー２９が変形した場合には、そのカンチレバー２９の変形量に応じて、差動アンプ５６の入力電圧が変化して、その入力電圧に応じた電圧の検出信号が出力される。これにより、カンチレバー２９の振動の大きさに応じた検出信号が得られる。

次に、上記構成の作用について説明する。血中グルコース濃度を測定する場合には、表面近くに血管２２が存在する測定対象２１の表面にプローブ１１の接触面１１ａを密着させた状態にする。この後に、駆動部１６により光源２８が駆動され、パルス光が複数回出力される。パルス光は、レンズ３４、仕切り板２５、音響インピーダンス整合材２７、封止膜２６を透過して、測定対象２１に照射される。パルス光は測定対象２１の内部にまで達し、レンズ３４の作用により血管２２内で集光される。パルス光を照射するごとに、血液中のグルコースがパルス光を吸収し、瞬間的に膨張して光音響波（弾性波）を発生させる。グルコース濃度が高いほど大きな光音響波が発生する。

光音響波は、測定対象２１の内部を伝搬し、その一部が測定対象２１からプローブ１１に入射し、カンチレバー２９によって検出される。このときに、測定対象２１からの光音響波は、封止膜２６、音響インピーダンス整合材２７、第２板部２５ｂの順に入射するが、入射前後における音響インピーダンスの変化が大きくならないようにしているので、測定対象２１からプローブ１１（音響インピーダンス整合材２７）に光音響波が入射する際にも、音響インピーダンス整合材２７から第２板部２５ｂに光音響波が入射する際にも光音響波の反射は小さい。

第２板部２５ｂに伝わった光音響波は、第２板部２５ｂからカンチレバー２９に伝達し、カンチレバー２９を振動させる。第２板部２５ｂに伝達した光音響波、特にはその高周波成分がカンチレバー２９に作用して、カンチレバー２９が振動する。このときに、カンチレバー２９の気体層３８と反対側の面を液体層３９で抑えているため、第２板部２５ｂからの光音響波の振動がカンチレバー２９に効果的に作用し、カンチレバー２９をより大きく振動させる。

上記のようにしてカンチレバー２９が振動することによって、カンチレバー２９の抵抗値が変化し、その抵抗値の変化に応じて検出回路１７からの検出信号が変化する。測定対象２１の内部で発生した光音響波が大きければ、カンチレバー２９の振動が大きくなって、検出信号の振幅も大きくなる。検出信号は、濃度算出部１８に入力されて各種の演算処理が行われ、検出信号の振幅の大きさに基づいて血中グルコース濃度が算出される。

上記のように、プローブ１１では、測定対象２１からの光音響波をカンチレバー２９で検出するとともに、このカンチレバー２９と測定対象２１との間に音響インピーダンス整合材２７を設けているので、測定対象２１からプローブ１１に入射する際の光音響波の反射による減衰が小さく光音響波がより高感度に検出される。また、カンチレバー２９が気体層３８、液体層３９との境界に配され、そのカンチレバー２９が光音響波によって効果的に振動するので、カンチレバー２９による光音響波の検出感度がよりいっそう高められる。この結果、精度の高い血中グルコース濃度が非侵襲で得られる。

［第２実施形態］
第２実施形態は、集光部としてのレンズによる集光位置を可変にしたものである。なお、以下に説明するようにレンズが異なる他は、第１実施形態と同じであり、同じ構成部材には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図６に示すプローブ６０は、光照射部１３の集光部として可変焦点レンズ６１が設けられている。この可変焦点レンズ６１は、そのレンズの曲率を変化させることができる。これにより、光源２８からの光の集光位置を測定対象２１の表面から深くした第１測定位置Ｐ１と表面から浅い第２測定位置Ｐ２との間の任意の位置に調節することができる。第１測定位置Ｐ１とする場合には、図６に実線で示すように、可変焦点レンズ６１の曲率を小さくし、第２測定位置Ｐ２とする場合には、図６に二点鎖線で示すように、可変焦点レンズ６１の曲率を大きくする。これにより、測定対象２１の表面から血管２２までの距離に応じて光源２８からの光の集光位置を適切に調節することができる。

図７に示すように、可変焦点レンズ６１では、透明な基板６２の表面にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）電極６３が形成されている。このＩＴＯ電極６３の中央には、透明なシリコーンオイルを載置する載置領域６３ａが円板状に形成されており、この載置領域６３ａの上に平凸レンズ状のシリコーンオイル膨出部６５が設けられている。シリコーンオイル膨出部６５は、載置領域６３ａの外側にシリコーンオイルを弾く疎油性が高い疎油膜６６を形成することで、シリコーンオイルの表面張力によって凸レンズ状に膨出した形状にすることができる。保護膜６７は、基板６２、ＩＴＯ電極６３、及びシリコーンオイル膨出部６５の表面に形成され、シリコーンオイル膨出部６５を基板６２に固定している。この保護膜６７の表面に厚みが５ｎｍ程度の透明な金膜６８が形成されている。

ＩＴＯ電極６３と金膜６８は、電源部６９に接続されており、電源部６９からの電圧が印加される。この電圧の印加により、ＩＴＯ電極６３と金膜６８との間に静電気力が発生し、その静電気力によってシリコーンオイル膨出部６５の曲率、すなわち可変焦点レンズ６１の曲率が変化する。操作部（図示省略）の操作で電源部６９から印加する電圧を増減することにより、シリコーンオイル膨出部６５の曲率が増減する。例えば、図７に示す状態から、電源部６９からの電圧を高くすることで、図８に示すように、可変焦点レンズ６１の曲率が大きくなる。なお、このような可変焦点レンズ６１については、例えば特開２００８―１９７６１１号公報に記載されている。また、上記可変焦点レンズ６１の構成は一例であり、他の構成の可変焦点レンズを用いてもよい。

この例によれば、血管２２の位置に光源２８からの光が集光されるように、電源部６９からの電圧を増減して、可変焦点レンズ６１の曲率を調節することができ、精度の高い測定をすることができる。

［第３実施形態］
第３実施形態は、センサ部よりも接触面側のプローブ内に集音部材を設けるとともに、カンチレバーのキャビティ側に気体層を設けたものである。なお、以下に説明する他は、第１実施形態と同じであり、同じ構成部材には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図９に示すように、プローブ７１の筐体７５に設けられた第１キャビティ３１、第２キャビティ３２は、それぞれ第１仕切り板７６、基部としての第２仕切り板７７によって、接触面側の空間と仕切られている。第１仕切り板７６には、レンズ３４が形成されている。この例においては、レンズ３４は、第１仕切り板７６のいずれの面に設けてもよいが、図示されるように第１キャビティ３１内となるようにすることで、レンズ３４への汚れ等の付着を防止できる。光照射部１３を収容した第１筐体部７５ａの下部は開口しており、光照射部１３は、光源２８からの光をレンズ３４、第１仕切り板７６を通して、測定対象２１に照射する。

この例における光音響波検出部１４は、連通孔３６（図１０参照）が形成された第２仕切り板７７、センサ部３７、音響インピーダンス整合材２７、集音部材７８、気体層３８（図１０参照）等で構成される。光音響波検出部１４を収容した第２筐体部７５ｂは、第２仕切り板７７の下方に集音部材７８が配置されている。集音部材７８は、測定対象２１からの光音響波をセンサ部３７に集めるものであり、下方（接触面７１ａ側）の開口が上方（センサ部３７側）の開口よりも大きく開いた無底筒状である。この集音部材７８は、測定対象２１からの光音響波をセンサ部３７の周囲の第２仕切り板７７の部分に集めて入射させるために、その内周面が湾曲した反射面７８ａとなっている。反射面７８ａは、例えば、楕円面であり、その楕円面の一方の焦点がセンサ部３７の位置あるいは近傍になり、他方の焦点が光源２８からの光の集光位置、すなわち測定位置になるように形状が決められている。

なお、効果的に光音響波を反射させるために、集音部材７８と音響インピーダンス整合材２７との音響インピーダンスの差を大きくすることが好ましい。また、反射面７８ａとなる集音部材７８の壁面を薄く形成し、その壁面の外側（音響インピーダンス整合材２７と反対側）に気体を満たした空洞を設けた構成であってもよい。このような構成によっても、集音部材７８の空洞内の気体と音響インピーダンス整合材２７との音響インピーダンスの差により光音響波を反射することができる。

集音部材７８の中空な内部（反射面７８ａで囲まれた空間）が音響インピーダンス整合材２７を収容する収容室になっている。集音部材７８の下方の開口は、封止膜７９で閉じられている。この例では、音響インピーダンス整合材２７としては液体が用いられている。音響インピーダンス整合材２７の液体としては、それがセンサ部３７と接するため、導電性のない例えばシリコーンオイルが用いられている。なお、第１実施形態の液体層３９を構成する液体と同様に、音響インピーダンス整合材２７の液体としては、シリコーンオイルに限定されるものではなく、例えば流動パラフィン、グリセリン等を用いてもよく、さらにジェルのような液状物質を利用することも可能である。

図１０に示すように、第２仕切り板７７には、連通孔３６が形成されている。センサ部３７は、連通孔３６内の接触面７１ａ側（図中の下方側）に寄った位置に設けられており、カンチレバー２９の一方の表面（第２面）が液体の音響インピーダンス整合材２７で覆われ、音響インピーダンス整合材２７が接した状態になっている。この音響インピーダンス整合材２７が液体層として機能する。また、カンチレバー２９の他方の表面（第１面）側の連通孔３６内に気体層３８が設けられており、カンチレバー２９の他方の表面が気体層３８の気体に接した状態になっている。気体層３８は、第２キャビティ３２の空間と一体になっている。

ギャップ５１では、音響インピーダンス整合材２７と気体層３８とによる気液界面が形成される。第１実施形態の場合と同様に、その気液界面は、音響インピーダンス整合材２７の表面張力、粘性、音響インピーダンス整合材２７と気体層３８との圧力差等によって維持される。

この例のように、カンチレバー２９及びギャップ５１が接触面７１ａ側で液体の音響インピーダンス整合材２７に覆われ、その反対側の面側に気体層３８が配されていても、第１実施形態と同様に光音響波によってカンチレバー２９をより効果的に振動させることができ、光音響波の検出感度が高くなる。また、反射面７８ａによって、測定対象２１からの光音響波がカンチレバー２９の位置に集められるので、さらに検出感度を高めることができる。

［第４実施形態］
第４実施形態は、集光部として凹面鏡を用いたものである。なお、以下に説明するようにレンズに代えて凹面鏡を用いている他は、第１実施形態と同じであり、同じ構成部材には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１１に示すように、この例におけるプローブ８４の光照射部１３は、集光部として凹面鏡８５が設けられている。第１キャビティ８６に凹面鏡８５と同形状の凹部を形成し、例えば、その凹部の内面に反射膜を蒸着することで凹面鏡８５が形成される。この凹面鏡８５の面形状は、例えば楕円面とされており、その一方の焦点に光源２８が配され、他方の焦点が測定位置となるように形状が決められている。光源２８は、凹面鏡８５に向けて光を出力する。なお、光源２８は、図示しないステーによって支持されている。

この例によれば、光源２８からの光は、凹面鏡８５によって反射されて、測定対象２１の内部で集光する。反射の場合は、中赤外域の波長を含め広範囲な波長域で高い反射率が得られる。したがって、光源２８からの光の減衰を低減する上で有利である。

［第５実施形態］
第５実施形態は、光照射部と光音響波検出部とを別々の筐体部に収容したものである。なお、以下に説明する他は、第１実施形態と同じであり、同じ構成部材には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１２に示すように、この例におけるプローブ９１は、光照射部１３を収容した第１筐体部９２と、光音響波検出部１４を収容した第２筐体部９３を有している。第１筐体部９２と第２筐体部９３とは、互いに独立している。

第１筐体部９２に形成された第１キャビティ３１は、その開口が第１仕切り板９４によって閉じられている。第１仕切り板９４の第１キャビティ３１側の面にレンズ３４が形成されている。光源２８からの光は、レンズ３４、第１仕切り板９４を介して測定対象２１に照射される。第１筐体部９２は、測定時には、第１仕切り板９４の外側の面を測定対象２１に密着させる。

第２筐体部９３には、第２キャビティ３２が形成されるとともに、連通孔３６が形成された第２仕切り板９５、音響インピーダンス整合材２７、封止膜９６、センサ部３７、気体層３８、液体層３９が設けられている。この第２筐体部９３の構成は、第１実施形態における第２筐体部１５ｂに収容されたものと同様である。なお、第２仕切り板９５、封止膜９６は、それぞれ第１実施形態の第２板部２５ｂ、封止膜２６に対応する。第２筐体部９３は、測定時には、封止膜９６の外側の面を測定対象２１に密着させる。

この例のプローブ９１は、測定時には、図示されるように第１筐体部９２と第２筐体部９３とを測定対象２１を挟んで反対側に配置する。これにより、第２筐体部９３の光音響波検出部１４は、第１筐体部９２の光照射部１３からの光の照射方向と同方向に測定対象２１内を伝搬する光音響波を検出する。なお、光音響波は、その発生源となるレーザ光の集光位置（測定位置）から全方向に伝搬するから、第２筐体部９３の配置は、その光音響波が伝搬してくる測定対象２１の表面上のいずれの箇所でもよい。

１０光音響測定装置
１１、６０光音響測定プローブ
１３光照射部
１４光音響波検出部
１５ａ、７５ａ、９２第１筐体部
１５ｂ、７５ｂ、９３第２筐体部
２５ｂ第２板部
２７音響インピーダンス整合材
２８光源
２９カンチレバー
３１第１キャビティ
３２第２キャビティ
３４レンズ
３６連通孔
３７センサ部
３８気体層
３９液体層
４８ピエゾ抵抗層
５１ギャップ
６１可変焦点レンズ
７７第２仕切り板
７８集音部材
８５凹面鏡

Claims

第１筐体部に収容され、強度変調した光を測定対象に向けて照射する光照射部と、
第２筐体部に収容され、前記測定対象からの光音響波を検出する光音響波検出部と
を備え、
前記光音響波検出部は、
前記第２筐体部の内部に形成されたキャビティと、
前記キャビティの内部と外部とを仕切る基部と、
前記基部に形成され、前記キャビティの内部と外部とを接続する連通孔と、
前記連通孔内に配され、基端が前記基部に支持された板状に形成され、前記連通孔の貫通方向に可撓性を有するとともに、表層に半導体からなる抵抗層が設けられたカンチレバーと、
前記連通孔内に、前記カンチレバーの第１面側に接して設けられた気体層と、
前記カンチレバーよりも前記測定対象側に設けられた音響インピーダンス整合材と、
前記第１面と反対側の前記カンチレバーの第２面側に設けられ、前記カンチレバーと前記連通孔の内面との間のギャップ及び前記第２面を覆い、前記ギャップの位置で前記気体層と界面を形成する液体層と
を有することを特徴とする光音響測定プローブ。
前記液体層は、前記キャビティ内に配され、
前記キャビティは、前記液体層以外の空間が気体で満たされており、
前記液体層の前記カンチレバーと反対側の面が前記キャビティ内の前記気体と接することを特徴とする請求項１に記載の光音響測定プローブ。
第１筐体部に収容され、強度変調した光を測定対象に向けて照射する光照射部と、
第２筐体部に収容され、前記測定対象からの光音響波を検出する光音響波検出部と
を備え、
前記光音響波検出部は、
前記第２筐体部の内部に形成されたキャビティと、
前記キャビティの内部と外部とを仕切る基部と、
前記基部に形成され、前記キャビティの内部と外部とを接続する連通孔と、
前記連通孔内に配され、基端が前記基部に支持された板状に形成され、前記連通孔の貫通方向に可撓性を有するとともに、表層に半導体からなる抵抗層が設けられたカンチレバーと、
前記連通孔内に、前記カンチレバーの第１面側に接して設けられた気体層と、
前記カンチレバーよりも前記測定対象側に設けられた音響インピーダンス整合材と
を有し、
前記音響インピーダンス整合材は、液体であり、前記第１面と反対側の前記カンチレバーの第２面側に設けられ、前記カンチレバーと前記連通孔の内面との間のギャップ及び前記第２面を覆い、前記ギャップの位置で前記気体層と界面を形成することを特徴とする光音響測定プローブ。
前記光照射部は、光源と、前記光源からの光を集光するレンズとを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光音響測定プローブ。
前記レンズは、可変焦点レンズであることを特徴とする請求項４に記載の光音響測定プローブ。
前記光照射部は、光源と、前記光源からの光を集光する凹面鏡を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光音響測定プローブ。
前記光音響波検出部は、前記カンチレバーよりも前記測定対象側に、前記測定対象側からの光音響波を前記カンチレバーの近傍に集める反射面を有する集音部材を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光音響測定プローブ。
前記第１筐体部と前記第２筐体部とが一体に連結されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光音響測定プローブ。
前記第１筐体部と前記第２筐体部とが互いに独立していることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光音響測定プローブ。