JP2001091466A - 化学発光分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 化学発光分析装置において計測期間中のパル
ス状のノイズの発生を検知、補正して、分析精度を向上
する。 【解決手段】 計測期間を複数の小区間に分割し、各小
区間毎に発光強度を測定する。これら一連の発光強度測
定値の分布を調べる。ノイズの影響を受けない小区間の
測定値は、フォトンの発生、検知の統計的なばらつきに
基づいて基本的に所定の統計的分布、例えば正規分布を
構成する。しかし、ノイズを受けた小区間の測定値はそ
の統計的分布に従わず、当該分布から外れ得る。これを
χ^２検定等の統計的手法により検知する。ノイズ区間の
測定値は、ノイズの影響を受けなかった場合に採ったで
あろう推定値で置換され、しかる後、全小区間の測定値
が合計され、計測期間中の化学発光量が決定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、分析サンプルから
の化学発光を計測する化学発光分析装置に関し、特にノ
イズの影響を低減し精度を向上することに関する。

【０００２】

【従来の技術】生体試料や環境試料の分析には、従来よ
り化学発光分析が用いられている。この化学発光分析で
は、試料と試薬との化学反応により生じるフォトンがカ
ウントされ、これにより試料中の目的物質成分の量や試
料の活性を計測することができる。

【０００３】フォトンの計数には、光電子増倍管やアバ
ランシェ・フォトダイオードなどの光電変換素子が用い
られる。これらの素子は、個々のフォトンから光電変換
によって生じる電子を増倍して電流パルスとすることが
でき、この電流パルスが計数回路でカウントされる。

【０００４】このようにフォトン計数技術では、フォト
ン毎の信号パルスを得るために高倍率の増幅が行われる
ため、検出系へ侵入するノイズ、または検出系の擾乱に
よるノイズが増幅されて偽信号パルスを生じるおそれが
ある。これに対応するため、従来は、電磁遮蔽や電磁妨
害対策部品を採用することにより検出系への電磁ノイズ
の侵入を防止したり、波高弁別回路の閾値電圧を調節す
ることにより真の信号パルスとノイズに起因するパルス
とを選り分けることが行われている。

【０００５】従来の化学発光分析装置は、このようなノ
イズ低減技術を用い、閾値電圧を超える波高を有する信
号パルスの数を所定の計測期間にわたって積算してい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】化学発光分析装置によ
る測定結果は疾病診断の判断情報として利用されること
もあるため、高い信頼性が要求される。医療関連機器の
ように高い信頼性が要求される装置に対しては電磁障害
に関する要求基準が設けられ、当該装置はその基準に基
づいて設計・製造される。しかし、現在の基準を満たす
装置であっても、新しく登場する電子機器が新たなノイ
ズ源となり、当該装置に影響を与える可能性は残る。そ
のため従来の化学発光分析装置は、予期しないノイズ源
の影響を回避することが困難であるという問題を有して
いた。また従来の化学発光分析装置では、通常はその測
定結果がノイズの影響を被っているかどうかを判断する
ことも難しいという問題があった。

【０００７】図５は、従来の化学発光分析装置の問題を
説明するための化学発光強度の経時変化を示す模式図で
ある。発光の計測期間は通常、経時変化のうち発光反応
が安定している部分に設定される。同図に示す例では、
反応開始後の発光強度特性曲線２の比較的速やかな立ち
上がり期間の後に計測期間Ｔ（Ｔは例えば３秒）が設定
され、その期間の発光強度変化４にノイズ６の影響によ
る偽計数により発光強度が一瞬高まる部分が現れる様子
が示されている。従来の装置は、計測期間Ｔに生じる信
号パルスの積算値（図５において斜線部の面積に相当）
を出力する。しかしその積算された計数値を見ただけで
はそれがノイズの影響を受けたものか否かを判別するこ
とは難しい。

【０００８】本発明は上記問題点を解消するためになさ
れたもので、測定中にノイズの影響を被ったかどうかを
検出でき、またその影響を補正できる化学発光分析装置
を提供し、高精度の化学発光分析を可能とすることを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る化学発光分
析装置は、分析サンプルでの化学反応による発光量を計
測するものであって、計測期間を区分した複数の小区間
毎の部分発光量を計測する発光計測手段と、前記部分発
光量のデータ分布に基づいて、前記小区間のうちノイズ
を被ったノイズ区間を検出するノイズ区間検出手段とを
有するものである。

【００１０】本発明によれば、計測期間を区分した複数
の小区間毎に部分発光量のデータが取得される。それら
実測データは統計誤差を含み、それらは統計的な分布を
形成する。例えば、化学発光が計測期間において一定率
で起こると見なせる場合には、その一定率を中心とした
正規分布が形成され得る。一方、あるデータが分布の主
要部分から大きくはずれ、発生確率が低い値である場合
には、当該データは何らかの原因による異常なイベン
ト、すなわちノイズイベントであると考えられる。ま
た、データ分布が統計的に予想されるものと相違する異
常な形状になる場合も、当該分布中のデータにノイズイ
ベントが含まれていると考えられる。本発明では、この
ような部分発光量のデータ分布の異常に基づいて、ノイ
ズを被ったデータが特定される。なお、複数の小区間の
うちに異なる時間幅を有する場合には、例えば時間幅に
関し規格化を行ったデータによってデータ分布が形成さ
れる。

【００１１】他の本発明に係る化学発光分析装置は、前
記ノイズ区間の部分発光量の計測値をノイズを受けなか
った場合の部分発光量の推定値に置換した上で各小区間
の部分発光量を合計し、前記計測期間の発光量を決定す
る発光量決定手段を有するものである。

【００１２】本発明によれば、ノイズを被ったと判断さ
れた部分発光量の計測値がノイズ成分を含まない推定値
に置換され、その上で各小区間の部分発光量を合計して
計測期間の全発光量が求められる。これにより、ノイズ
成分が低減された発光量が求められる。例えば、統計分
布の最多出現値を推定値として定めることができる。

【００１３】別の本発明に係る化学発光分析装置におい
ては、前記発光量決定手段が、前記ノイズ区間に対し
て、化学発光反応の経時変化特性を考慮して推定量を定
めることを特徴とする。

【００１４】化学発光反応による発光率は、例えば、反
応開始後に比較的速やかに立ち上がり、その後、極大値
を経て比較的緩やかに減少するといった経時変化特性を
有する。本発明によれば、化学発光反応の経時変化特性
に対するノイズ区間の位置に応じて実測データを置換す
る推定値が定められ、例えば、化学発光反応が時間の経
過に伴い低減する期間で計測された場合、ノイズ区間ま
での経過時間が長ければ長いほど、当該ノイズ区間の推
定値は小さく定められる。

【００１５】さらに別の本発明に係る化学発光分析装置
においては、前記ノイズ区間検出手段が、前記各小区間
の部分発光量を化学発光反応の経時変化特性に関し規格
化し、当該規格化された部分発光量のデータ分布を求め
ることを特徴とする。

【００１６】化学発光反応が経時変化特性を有する場合
には、各小区間の部分発光量のばらつきは統計誤差以外
に経時変化による発光量の変動成分を含む。すなわち、
この場合の分布は正規分布等、統計理論における基本的
な分布関数には一般に従わない。本発明によれば、各小
区間の部分発光量の実測データを例えば、経時変化特性
関数の各小区間の位置における値で除算するといった規
格化処理により、経時変化による変動が基本的に除去さ
れる。この規格化された部分発光量に基づいて統計理論
における基本的な分布関数に従う分布を得ることがで
き、統計理論に基づいてノイズ区間を簡易にまた精度良
く検出することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。

【００１８】図１は本発明の実施形態である化学発光分
析装置の概略のブロック構成図である。試験管等の試料
容器１２には試料及び化学発光に必要な試薬が入れられ
る。化学発光反応としては例えばルミノール、没食子
酸、シュウ酸ジエステルなどによる反応が用いられる。
化学発光による目的物質の検出は、例えば酵素免疫定量
法等の検出系に利用することができ、これにより目的と
する抗原又は抗体の高感度な検出を行うことができる。
本装置では、試料容器１２の周囲にはライトガイドや光
反射フィルム（図示せず）が配置され、試料容器１２に
て化学発光反応により放出されたフォトン１４が効率よ
く光電子増倍管１６へ導かれる。光電子増倍管１６は入
射したフォトン１４が光電変換して生じた電子を高圧電
源回路１８から供給される高電圧によって増倍し、電流
パルスとして増幅器２０へ出力する。この電流パルスは
増幅器２０にて、増幅された電圧パルスに変換される。

【００１９】入射するフォトンに対応して光電子増倍管
１６から出力される電流パルスは、光電子増倍管１６の
増倍率に応じた所定範囲の電荷量を有する。一方、例え
ば、光電子増倍管１６の増幅段の途中で生じたノイズ電
子は、フォトンより低い増倍しか受けない。波高弁別回
路２２は、このようなフォトンに応じた電圧パルスとノ
イズによる電圧パルスとのパルス高の差異に基づいて、
ノイズイベントを除去する。すなわち、波高弁別回路２
２は、フォトンの入射により生じるパルスより低い所定
の閾値電圧を設定され、それを超える電圧値を有するパ
ルスが入力されると、所定電圧のロジックパルスを生成
する。

【００２０】計数回路２４は、このロジックパルスをカ
ウントし、そのカウント値をデータ処理部２６へ出力す
る。本装置では、所定の計測期間Ｔに生じる発光量を計
測する。この計測期間Ｔは例えば３秒に設定される。

【００２１】本装置の特徴の一つは、計数回路２４が、
この計測期間Ｔをｋ分割した時間幅ΔＴ（≡Ｔ／ｋ）を
設定され、この時間幅ΔＴの小区間毎の部分発光量に応
じたカウント値を出力し、データ処理部２６が後述する
ようにこれらｋ個のカウント値を統計的に処理する点に
ある。この統計処理の結果が有意なものとなるように、
分割数ｋはある程度大きいことが望ましい。

【００２２】さて、計数回路２４から出力されるカウン
ト値は幾つかの要因によってばらつく。その要因として
は、フォトンの発生・検出がランダムであることによる
統計誤差、及び計測装置、計測方法や計測期間内におけ
る化学発光反応の経時変化による系統誤差が考えられ
る。これらのうち、フォトンのカウント値のばらつき
は、基本的には二項分布、ポアソン分布で表されるが、
カウントの平均値が数十以上であるならば近似的に正規
分布として取り扱うことができる。正規分布は統計処理
に適していることが知られており、そこで本装置では、
各小区間に含まれるカウント値が正規分布に従う程度に
大きな値となるように小区間の時間幅ΔＴを確保する。

【００２３】上述のようにｋ、及びΔＴに含まれるカウ
ント値はいずれもある程度大きいことが要求され、本装
置では上記Ｔ＝３秒に対して、例えばΔＴ＝０．１秒、
ｋ＝３０が設定される。

【００２４】データ処理部２６における処理は後述する
が、その処理の際、データ処理部２６は、データ記憶部
２８に格納された化学発光反応の条件とその経時変化と
の関係を必要に応じて参照する。

【００２５】図２は、本装置の原理を説明する図であ
り、発光強度の経時変化を示す模式図である。この図に
点線で示す発光強度特性曲線４０は、反応開始後に速や
かに立ち上がり、その後、極大値を経て比較的緩やかに
減少するというものである。本装置では、発光強度特性
曲線においてその変化率（微分値）が小さい領域に計測
期間Ｔが設定される。同図には、計測期間が時間幅ΔＴ
の複数の小区間に分割された様子が示され、また各小区
間での測定値が棒グラフで示されている。同図（ａ）は
計測期間中にノイズの影響を受けた場合の測定値の変
動、また同図（ｂ）はノイズの影響を受けなかった場合
の変動を示す。ちなみに、同図（ａ）に示す測定値４２
はノイズによる偽計数であり、実際にそれに相当するだ
けのフォトンが試料容器１２から発生していることを意
味しない。

【００２６】図３は、図２に示す場合における小区間毎
のパルスカウント値のヒストグラムであり、同図
（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図２（ａ）、（ｂ）に対応す
るものである。ノイズの影響を受けていない場合には図
３（ｂ）に示すように、部分発光量のカウント値の分布
４０は正規分布、又はそれに近いものとなることが期待
される。これに対し、ノイズの影響を受けた場合には図
３（ａ）に示すように、ノイズの影響を受けていない小
区間のカウント値が形成する分布４４から外れた位置
に、ノイズの影響を受けたイベント４６が現れる。

【００２７】本装置においては、ノイズの影響を受けた
場合と受けない場合とでの上述のようなヒストグラムの
相違が統計的手法により検知され、これにより、計測期
間Ｔ中にノイズを受けたか否かを判断することができ
る。また、その過程において、ノイズの影響を受けたイ
ベント４６が特定される。

【００２８】例えば正常時の分布４０として正規分布を
仮定できる場合には、ヒストグラムの相違を検知する方
法としてχ^２検定を用いることができ、また、かけ離れ
たイベント４６を特定する方法としてスミルノフの棄却
検定を用いることができる。

【００２９】さらに本装置では、ノイズの影響を受けた
小区間のカウント値がノイズの影響を受けなかった場合
に採るであろうと推定される値に置換され、その上で計
測期間Ｔに属する全小区間のカウント値が合計される。
これによりノイズの影響が除去された化学発光量の計測
値が得られる。

【００３０】図４は、データ処理部２６における処理を
説明するためのフロー図である。データ処理部２６は例
えば小型計算機を用いて構成される。測定の開始に際し
て、データ処理部２６へは、測定条件が例えばキーボー
ド等の入力手段を用いて設定される（Ｓ６０）。測定条
件としては、例えば、化学発光反応の種類等、発光強度
の経時変化を特定するための情報が入力される。

【００３１】所定の計測期間Ｔにわたって時間幅ΔＴの
小区間毎に、計数回路２４からのカウント値がデータ処
理部２６へ入力される（Ｓ６５）。

【００３２】次にデータ処理部２６は、データ記憶部２
８を検索して、ステップＳ６０にて設定された条件に応
じた発光強度特性を読み出す（Ｓ７０）。発光強度が時
間に依存した関数であると、異なる時刻で取得される一
群のカウント値は一般に正規分布に従わなくなり、統計
処理の負荷が増える。そこで、データ処理部２６は、検
査の要求精度に基づいて、計測期間Ｔにおける発光強度
の時間依存性を無視して正規分布としての統計処理を行
うことが許容されるか否かを判断する（Ｓ７５）。許容
されない場合には、規格化して発光強度の時間依存性を
解消する規格化処理Ｓ８０を行った後、ヒストグラム評
価処理Ｓ８５に移行する。一方、許容される場合には、
規格化は行われずにヒストグラム評価処理Ｓ８５が実行
される。

【００３３】規格化処理Ｓ８０は、各カウント値を、当
該カウント値を得た時刻における発光強度特性の関数値
で除算する処理である。

【００３４】ヒストグラム評価処理Ｓ８５に渡される一
群のカウント値は、発光強度の時間依存性を除去された
か、又はそれを無視することができるものであるため、
基本的に正規分布に従うことが期待される。一方、ノイ
ズの影響を受けたカウント値は、その正規分布から外れ
ることが期待される。そこで当該処理Ｓ８５では、χ ^２
検定、スミルノフ棄却検定によって、正規分布から外れ
たカウント値を検知し、これをノイズによるものとし、
当該カウント値が得られた小区間をノイズ区間とする。

【００３５】ノイズ区間が検知された場合には（Ｓ９
０）、対応するカウント値は、ノイズがなかった場合に
得られたであろうと推定される値に置換された後（Ｓ９
５）、積算処理Ｓ１００に移行する。この推定値として
は、規格化処理Ｓ８０が行われなかった場合には例えば
他のカウント値の平均値を採用することができる。規格
化処理Ｓ８０が行われた場合には、規格化後のカウント
値の正規分布の中心値に、ノイズ区間における発光強度
特性の関数値を乗算して得られる値を推定値とすること
ができる。なお、ノイズ区間が検知されなかった場合に
は、置換処理は行われずに積算処理に移行する。

【００３６】積算処理Ｓ１００は、計測期間に含まれる
全小区間のカウント値を合計する処理である。ちなみ
に、規格化処理Ｓ８０を行った場合に合計される各小区
間のカウント値は、置換が行われなかった小区間におい
ては規格化前のカウント値であり、置換が行われた小区
間においては上記推定値である。

【００３７】

【発明の効果】本発明の化学発光分析装置によれば、計
測期間中に発光強度特性から大きく外れた偽計数を生じ
るようなノイズの発生を検知することができ、またその
影響を除去することができるという効果が得られる。ま
た、そのノイズの検知、補正に際して、化学発光反応の
経時変化が考慮されることにより、一層、精度の高い化
学発光分析が可能となるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態である化学発光分析装置の
概略のブロック構成図である。

【図２】 ノイズを被った場合と被らなかった場合との
発光強度測定値の経時変化の例を示す模式図である。

【図３】 ノイズを被った場合と被らなかった場合との
小区間毎のパルスカウント値のヒストグラムである。

【図４】 データ処理部における処理を説明するための
フロー図である。

【図５】 従来の化学発光分析装置の問題を説明するた
めの化学発光強度測定値の経時変化の例を示す模式図で
ある。

【符号の説明】

１２ 試料容器、１４ フォトン、１６ 光電子増倍
管、１８ 高圧電源回路、２０ 増幅器、２２ 波高弁
別回路、２４ 計数回路、２６ データ処理部、２８
データ記憶部。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 分析サンプルでの化学反応による発光量
   を計測する化学発光分析装置であって、 計測期間を区分した複数の小区間毎の部分発光量を計測
   する発光計測手段と、 前記部分発光量のデータ分布に基づいて、前記小区間の
   うちノイズを被ったノイズ区間を検出するノイズ区間検
   出手段と、 を有することを特徴とする化学発光分析装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の化学発光分析装置におい
   て、 前記ノイズ区間の部分発光量の計測値をノイズを受けな
   かった場合の部分発光量の推定値に置換した上で各小区
   間の部分発光量を合計し、前記計測期間の発光量を決定
   する発光量決定手段を有することを特徴とする化学発光
   分析装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の化学発光分析装置におい
   て、 前記発光量決定手段は、前記ノイズ区間に対して、化学
   発光反応の経時変化特性を考慮して推定量を定めるこ
   と、 を特徴とする化学発光分析装置。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のいずれかに記載
   の化学発光分析装置において、 前記ノイズ区間検出手段は、前記各小区間の部分発光量
   を化学発光反応の経時変化特性に関し規格化し、当該規
   格化された部分発光量のデータ分布を求めること、 を特徴とする化学発光分析装置。