JP2014106233A - 透過値を確認する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】論理素子を増やすことなくデジタル形式で実施可能な、ロックイン増幅器の原理及び利点を有する、透過値を確認する方法及び透過測定装置を具体化する。
【解決手段】方法は、ａ）試料を透過したパルス光信号の強度に該当する電圧曲線を生成するステップと、ｂ）その電圧曲線に関して多数のサンプル値を確認するステップと、ｃ）光パルスに該当する第１の電圧値をサンプル値の中から確認し、２つの光パルスの間の暗時間に該当する第２の電圧値をサンプル値の中から確認し、第１の電圧値を確認するサンプル値と第２の電圧値を確認するサンプル値とを、光信号の周波数に対応した半周期の整数倍、オフセットさせるステップと、ｄ）第１の電圧値と第２の電圧値とを減算するステップと、を含み、ステップｄ）で得られる差が透過値に比例する。透過測定装置は、Ａ／Ｄコンバータの後段に集積回路を有し、その集積回路が上記方法を実行する。
【選択図】図４

Description

本発明は、体外での診断の分野に属し、自動分析設備中の試料を通過する周波数でパルス化された光信号の透過値を確認する方法に関する。また、本発明は、自動分析設備のための透過測定装置であって、所定周波数のパルス光源と、後段にＡ／Ｄコンバータを有するフォトディテクタと、を備える透過測定装置に関する。

今日では、血液、血漿、血清、又は尿などの体液の試料、あるいは他の生物学的な試料において、生理学的なパラメータを判断するための多数の検出及び分析方法が、複数の適切な分析設備において自動化された仕様で実行されている。

近年の分析設備は、多様な試料で異なる種類の多様な検出反応及び分析を実行することができる。臨床検査室又は血液バンクにおいて用いられるような一般的な分析設備は、通常、分析すべき初期の試料を収容する試料容器を供給するための領域を備えている。試料容器を分析設備へ搬送するために搬送システムが通常設けられ、当該搬送システムはまず、試料識別装置へ試料容器を搬送し、この試料識別装置において、試料容器に添えられた試料ごとの情報が読み取られ、メモリユニットへ転送される。次いで、試料容器は、試料採取ステーションへ運ばれる。試料採取ステーションにおいて、試料容器から試料液の少なくとも一部を採取して反応容器へ移すために、試料ピペット装置が使用される。

反応容器は、一般的に、分析設備のキュベット収容器内で利用可能であり、収容器から所定の取り込み位置へ自動的に移される、使い捨てのキュベットである。各種類の試験ごとの反応混合物を生成するために必要な試薬が、試薬ステーションに収容された試薬収容器内に配置されている。試薬収容器は、分析設備へ、試料容器の送り込みと同様のやり方で自動的に、あるいは手動で、供給される。

試薬ステーションは、通常は、試薬をできる限り長く保つことができるように、冷却ユニットを有する。加熱装置も有している場合が多い試薬ピペット装置が、１つ以上の試薬の一定量を、すでに検査対象の試料が入っている反応容器へ移すために、使用される。試料への試薬の添加によって始まる生化学的反応の性質に応じて、反応混合物について異なる長さのインキュベーション時間が必要になる可能性がある。いずれにせよ、反応混合物の入った反応容器が、最終的に、反応混合物の物理的性質を測定する測定システムへと供給される。

測定結果は、測定システムによってメモリユニットへ転送され、評価される。そして、分析設備は、モニタ、プリンタ、又はネットワーク接続といった出力媒体によって、試料特有の測定値をユーザへ提供する。

測光的な（例えば、濁度、比濁、蛍光、又は発光による）測定原理に基づく測定システムが、特に広く普及している。これらの方法では、液体サンプル中の分析対象物の定性的及び定量的な検出をする際に、追加的な分離の工程は不要である。分析対象物の濃度又は活性などの臨床的に重要な複数のパラメータの測定が、多くの場合に、患者からの一定量の体液を反応容器において１つ以上の検査試薬と同時又は順次に混合して、検査混合物の光学的特性に測定可能な変化をもたらす生化学的反応を生じさせることによって、達成される。測光測定法は、吸収体及び分散性媒質のいずれか又は両方による透過時の光束の減衰を観察し利用する。生じた生化学的又は生物物理学的な反応の性質に応じて、混濁液検査混合物の測定を可能にする種々の測光測定法を使用することができる。

濁度法は、溶液又は分散液（懸濁液）の濁度又は光学密度を、分散液（懸濁液）を直接通過する光ビームの光の減衰又は吸収を使用して測定する。光ビームの透過が、フォトディテクタによって捕らえられ、フォトディテクタが、試料を透過した光信号の強度に関連した電圧曲線を生じさせる。

信号対雑音比を改善し、低周波雑音を排除するために、複数のフォトディテクタが、多くの場合に、ロックイン増幅器を使用する。これは、変調された測定信号、すなわち試料を通し送信されてフォトディテクタにより受信されたパルス状の光信号を、同じ周波数の位相結合基準信号で測定信号を変調する乗算器へ、帯域通過フィルタを介し供給することを含み、低域通過濾波後に、変調された入力信号の振幅に比例した出力信号を生成する。

このようなロックイン増幅器を、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）などのデジタルシステム、すなわち集積回路において実現することもできる。この場合、測定信号は、まず、測光器からの電圧曲線について複数のサンプル値を突き止めるＡ／Ｄコンバータへ供給される。この場合、アナログ回路からの同じブロック構造が、デジタルブロックによって実現される。しかしながら、これには、帯域通過フィルタ、乗算器、及び低域通過フィルタなどの信号処理用の種々のユニットを作成する必要がある。したがって、当システムは、比較的複雑になり、数多くの論理素子が必要である。

以上に鑑み、本発明の目的は、上述した類の、透過値を確認する方法及び透過測定装置であって、論理素子を増やすことなくデジタル形式で実施可能なロックイン増幅器の原理及び利点を有する方法及び装置を、具体化することにある。

上記目的を達成する本発明に係る方法は、
ａ）試料を透過した光信号の強度に該当する電圧曲線を生成するステップと、
ｂ）前記電圧曲線に関して多数のサンプル値を確認するステップと、
ｃ）光パルスに該当する第１の電圧値を前記サンプル値の中から確認し、２つの前記光パルスの間の暗時間に該当する第２の電圧値を前記サンプル値の中から確認し、前記光パルスに該当する第１の電圧値を確認する前記サンプル値と前記２つの光パルスの間の暗時間に該当する第２の電圧値を確認する前記サンプル値とを、パルス状である前記光信号の周波数に対応した半周期の整数倍、オフセットさせる、ステップと、
ｄ）前記第１の電圧値と前記第２の電圧値とを減算するステップと、
を含む。

ステップｄ）において得られる差が、透過値に比例する。

この態様において、本発明は、単純に結合した信号と基準源の場合、ロックイン法が、有用信号から確認される電圧曲線に関し、方形波変調（square wave modulation）した信号の位相を基にした＋１倍及び−１倍による、単純な乗算を実行する乗算器を、最終的には必要とする、という考えに基づいている。この場合、有用な信号内容をもった信号成分、すなわち光パルスに該当する信号成分を＋１倍し、有用な信号内容をもたない信号成分、すなわち光パルス間の暗時間に該当する信号成分を−１倍する。両方の成分が低周波雑音成分又はＤＣ成分を含んでいる場合、これらは、乗算に続く低域通過濾波によって取り除かれる。この場合、低域通過濾波が、複数の信号期間にわたる積分器要素として機能し、負のゼロ信号雑音成分と正の信号成分とに渡り加算が結果的に行われる。この結果は、暗時間に該当する電圧値が光パルスに該当する電圧値から直接差し引かれる場合にも達成される。このことは、乗算ユニットが信号処理に必要とされないことを意味している。

第１の電圧値に使用するサンプル値と第２の電圧値に使用するサンプル値とは、パルス状の光信号の周波数に対応した半周期の整数倍、オフセットされるので、確固とした位相の相関を有する。これにより、信号又は信号を表す電圧曲線を等間隔で連続的にサンプリングし、光パルスの周波数及び位相との相関によって、信号＋雑音の成分及び純雑音の成分に対しサンプル値を明確に選択することが可能になる。このことにより、常に低雑音の結果信号がもたらされる。

好ましい態様において、ステップｃ）、すなわち光パルス又は暗時間に該当する電圧値を確認する際に、光パルスと暗時間との間にある所定の過渡領域のサンプル値を除外する。これは、信号の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジにかかるが故に安定した信号値をもたらさない信号値に関連する。このような信号を除外することで、結果の精度が向上する。

好ましくは、各暗時間（そのサンプル値が第２の電圧値に使用される）が各光パルス（そのサンプル値が第１の電圧値に使用される）の直後に続くか又は直前に先行する。第一に、連続する光パルスと暗時間との減算により技術的複雑さが最小限に抑えられ、第二に、連続する光パルスと暗時間とは同じ外乱源に曝されている可能性が最も高いため、減算によって外乱源が最適な様相で取り除かれ、結果の品質が向上する。

さらに好ましくは、ステップｂ）、ステップｃ）、及びステップｄ）を順に繰り返し、そのステップｄ）において確認される値について平均値を生成する。この態様によると、平均値の生成によって、結果から外乱成分がさらに取り除かれ、すなわち、さらに質の高い結果を達成できる。

好ましくは、透過値を判断する本発明の方法を、試料内の少なくとも１つの分析対象物の濃度又は活性を判断するために使用する。この目的のために、分析対象物の濃度又は活性を少なくとも１つの透過値を使用することによって判断し、当該少なくとも１つの透過値を、本発明に係る方法を使用して測定する。

すなわち、本発明は、試料内の少なくとも１つの分析対象物の濃度又は活性を判断する方法であって、該少なくとも１つの分析対象物の濃度又は活性を、本発明に係る方法を使用して判断される少なくとも１つの透過値を使用することによって判断する方法にも、関連する。具体的には、本発明は、体液試料（好ましくは、全血、血漿、血清、髄液、又は尿を含むグループからの体液試料）中の少なくとも１つの分析対象の濃度又は活性を判断する方法に関連する。

本発明による透過測定装置は、上記方法を実行する手段を備える。

透過測定装置に関しては、パルス光源の周波数の偶数倍に相当するサンプリング周波数を有するＡ／Ｄコンバータにより、上述の目的が達成される。当該透過測定装置は、Ａ／Ｄコンバータの後段に集積回路を有する。この集積回路は、Ａ／Ｄコンバータからのサンプル値を、周波数及び位相に基づいて光パルス又は２つの光パルスの間の暗時間に関連付け、前記光パルスに関連付けた前記サンプル値又は前記暗時間に関連付けた前記サンプル値を、前記周波数に対応した半周期だけ遅延させ、この結果得られる同時サンプル値を互いに減算するように、設計される。１つの好ましい態様においては、Ａ／Ｄコンバータ及び後段の集積回路は、１部品に集積される。

すなわち、本発明に係る透過測定装置は、自動分析設備のための透過測定装置であって、所定周波数のパルス光源と、該パルス光源の周波数の偶数倍に相当するサンプリング周波数のＡ／Ｄコンバータを後段に有するフォトディテクタと、前記Ａ／Ｄコンバータの後段に接続された集積回路と、を備え、
前記集積回路が、
ｉ）前記Ａ／Ｄコンバータからのサンプル値を、前記パルス光源の周波数及び位相に基づいて、光パルス又は２つの該光パルスの間の暗時間に関連付け、
ii）前記光パルスに関連付けたサンプル値又は前記暗時間に関連付けたサンプル値を、前記パルス光源の周波数に対応した半周期の整数倍、遅延させ、
iii）該遅延結果に係る同時サンプル値を互いに減算する、ように設計されている。

好ましくは、サンプリング周波数は、パルス光源の周波数の値の少なくとも４倍の値を有する。これによって達成される効果は、オーバーサンプリングであり、４倍のサンプリング周波数において各光パルス及び各暗時間にそれぞれ２つのサンプル値を関連付けることが可能である。

さらに好ましくは、集積回路は、減算した同時サンプル値について平均値を生成するように設計される。平均値生成に関連して特にデジタル分解能が向上し、結果信号の品質が改善される。

さらに好ましくは、集積回路は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含む。この態様は、周知の自動分析設備の中にはＦＰＧＡが他の作業の実行（プロセッサシステムの実現、複数の測定信号の評価、あるいは複数モータ又は種々のアクチュエータの制御など）に使用されているものがあって設備に既に含まれていることから、有利である。このようにＦＰＧＡが既に存在する場合、マイクロプロセッサ回路の開発のやり直しを必要とすることなく、本明細書に記載の方法等、さらなる複数の機能を実行するのは簡単なことである。このことは、自動分析設備に対して新たな特性が望まれる場合の変更に関して、柔軟性を高める。さらに、ＦＰＧＡにおいてはマイクロプロセッサと比べて複雑な機能をはるかに高速に実行できることが有利である。

上記透過測定装置を自動分析設備に備えるとよい。

本発明により得られる利点は、透過測定装置からのフォトディテクタ信号中の雑音成分を低減するべく時間シフト、減算、及び平均値生成を使用することで、フィルタや乗算器などの複雑な信号処理ブロックをなくした、構造の単純化が可能になる点にある。このことは、例えば単純な代数的演算などの安価な論理回路の利用を可能にする。この技術的解決策は、ＤＳＰ（デジタル信号処理）設計と比べて安価なだけでなく、アナログ技術と比べても安価である。また、利得、位相、又はフィルタ特性などの複雑な調節作業が不要である。アナログ方式の場合のような信号のドリフトも、生じないと考えられる。

本発明は、次の図面を参照して詳しく説明される。
従来技術に基づいたロックイン増幅器を有する透過測定装置。 単純結合信号の場合における図１の周知ロックイン増幅器の主要動作様式。 図２に示した動作様式について考えられる実行回路の例。 相関性のあるオーバーサンプリングを行う本発明に係る透過測定装置の詳細。

図面の全体を通して、同機能の部分には同じ参照符号が使用されている。

図１に示した透過測定装置１は、標準的なロックイン増幅器の動作様式を提示する。透過測定装置１は、後段に変調器４を有する周波数発生器２を有する。変調器４は、典型的にはゼロの値を中心にして振動する周波数発生器２からの信号を、本例の場合には、発光ダイオードである光源６が一定のスイッチオン及びスイッチオフ周期で振動するように、変調する。すなわち、光源６は、周波数発生器２の周波数に従ってパルス化される。代案として、適切な回転周波数のチョッパーホイールを有する連続光光源６を使用することも可能である。

光源６が試料８を照らし、本例の場合には、自動分析設備（これ以上詳しくは示さない）における血液試料を照らす。血液試料に化学反応が起こり、この化学反応中に光源６からの光の吸収を透過測定によって確認することが目的である。透過光は、フォトディテクタ（光検出器）１０によって取得される。

フォトディテクタ１０は後段に帯域通過フィルタ１２を備え、この帯域通過フィルタ１２の伝達関数は、周波数発生器２の周波数の領域に最大値を有する。帯域通過フィルタ１２は、光源６のパルス周波数の外側にある邪魔な信号成分を取り除いて、ゼロと最大値との間を振動するフォトディテクタ１０からの信号を取り込み、ゼロを中心にして振動する信号を再度生成する。この信号が、乗算器１４において、位相シフタ１６で位相シフトさせた周波数発生器２からの信号と、乗算される。この場合の位相シフトは、乗算器１４において最大の出力信号が達成されるように設定される。

最後に出力信号が低域通過フィルタ１８へ供給され、該低域通過フィルタ１８が最終的に積分器として機能し、ＤＣ電圧信号が結果信号２０として出力される。結果信号２０は、試料８による透過に比例し、余計な影響をほとんど含んでいない。図１に示した方法は、低い信号レベルに対し感度を高めるために特に使用される。低周波雑音（例えば、１／ｆ雑音）及び外部からの光（日光、人工照明）の影響が低減される。

ＦＰＧＡなどのデジタルシステムにおける図１に示した透過測定装置１の具体化は、基本的には可能であるが、帯域通過フィルタ１２、乗算器１４、及び低域通過フィルタ１８などの多数のＤＳＰモジュールの比較的複雑なデジタル形式での実現が必要である。

図２は、自動分析設備のパルス光源６からの信号など、単純結合信号の場合における乗算器１４の動作様式を簡単な図で説明している。位相シフトは想定されていない。フォトディテクタの信号２２に、−１と＋１との間を振動する周波数発生器２からの方形波信号２４が乗算される。＋１の範囲が光源６からの光パルスに常に一致するので、有用信号Ｓを含む信号成分が常に＋１で乗算される一方、雑音Ｎだけを含んでいる暗時間の信号は−１で乗算される。結果として、Ｓ＋Ｎの範囲及び−Ｎの範囲を交互に有する図２に図示の出力信号２６がもたらされる。両方の成分が低周波雑音成分又はＤＣ成分を含む場合、これらは乗算の後で低域通過濾波によって取り除かれる。

実際に、図２の原理を、図３に示す回路によって実現することができる。フォトディテクタの信号を２つのブランチ２８に分岐させ、その一方に−１を乗算する。各ブランチ２８について、それぞれの信号が図３に示されている。方形波信号２４が、該方形波信号２４の周波数により、２つのブランチ２８の間で切り換わるスイッチ３０を制御する。したがって、図２において既に示した出力信号２６がもたらされる。

この後の低域通過濾波を、図２及び３に示される単純ケースにおいて、複数の期間に渡る平均値の生成として実現することができる。この観点において、無信号の雑音Ｎは、雑音成分を含む有用信号Ｓ＋Ｎから最終的に差し引かれる。得られる出力信号は、Ｓ＝（Ｓ＋Ｎ）−Ｎである。

同じ結果は、ゼロ信号の雑音成分Ｎが先行又は後続する信号成分Ｓから直接減算される場合にも達成される。これは、乗算器１４が不要であることを意味する。当該原理に基づいて動作する透過測定装置は、図４の透過測定装置１に示される詳細を有する。図４に示す回路は、集積回路、すなわちＦＰＧＡにおいて具体化される。

フォトディテクタ２２の信号がＡ／Ｄコンバータ３１へ供給され、Ａ／Ｄコンバータ３１は、Ｓ＋Ｎの範囲のサンプリングを実行すると共にＮの範囲のサンプリングも実行する。例示の実施形態において、Ａ／Ｄコンバータ３１は、１８ビットのＡ／Ｄコンバータの形態である。光源の周波数が４５ｋＨｚでＡ／Ｄコンバータが２０倍のサンプリング周波数に合わせて設計されると、１期間につきそれぞれ１０個のサンプル値３２がＳ＋Ｎのサンプル値３４として保存及び処理され且つ１０個のサンプル値３２がＮのサンプル値３６として保存される。Ａ／Ｄコンバータ３１の周波数が光源６の周波数に相関しているので、サンプル値３２は、光パルス又は暗時間に直接関連付けることができる。立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジにかかるサンプル値３２は、無視又は除外される。

４つの信号成分の値及び４つの雑音成分の値をそれぞれ使用する一例の形態における２０個の信号値のロックイン期間のオーバーサンプリングは、それだけで、信号値計算の結果を４倍に高め、２ビットのデジタル分解能に相当する。非相関の高周波雑音は、ルート（√）４倍に低減され、信号対雑音比の第一の改善をもたらす。

Ｓ＋Ｎのサンプル値３４は、遅延要素３８において、光源６の周波数の半周期に相当するサンプル値３２の数だけ遅延させられる。減算器要素４０が、同時とした遅延後のＳ＋Ｎのサンプル値３４とＮのサンプル値３６とを互いに減算するために使用される。これは、フォトディテクタ１０の後段の帯域通過濾波の省略も可能にする。減算器要素４０の出力信号４２は、Ｎ周期に渡るように設定することができる単純な平均値生成部４４へ供給される。例示の実施形態においては、１０２４個のロックイン周期（つまり光源６の周期）に渡り平均化が行われる。

図示の回路は、結果信号２０に関し分解能において１０ビットの対応する向上をもたらし、理論的にはルート（√）１０２４＝３２（又は、３０ｄＢ、デジタルの５ビット）という信号対雑音比のさらなる改善をもたらす。非相関の雑音は実際の状況下では想定できないが、これは実際の分解能の利得が低くなることを意味する。実施例において、測定結果は１３０ｄＢを超える信号対雑音比に相当するおおよそ２２〜２３ビットの等価の分解能をもたらした。この場合、外部から作用する無関係な光にきわめて影響されにくい。

１ 透過測定装置
２ 周波数発生器
４ 変調器
６ 光源
８ 試料
１０ フォトディテクタ
１２ 帯域通過フィルタ
１４ 乗算器
１６ 位相シフタ
１８ 低域通過フィルタ
２０ 結果信号
２２ フォトディテクタの信号
２４ 方形波信号
２６ 出力信号
２８ ブランチ（分岐）
３０ スイッチ
３１ Ａ／Ｄコンバータ
３２ サンプル値
３４ Ｓ＋Ｎのサンプル値
３６ Ｎのサンプル値
３８ 遅延要素
４０ 減算器要素
４２ 出力信号
４４ 平均値生成部
Ｓ 有用信号
Ｎ 雑音

Claims (11)

1. 自動分析設備中の試料（８）を通過する所定周波数でパルス化した光信号について少なくとも１つの透過値を確認する方法であって、
   ａ）前記試料（８）を透過した前記光信号の強度に該当する電圧曲線（２２）を生成するステップと、
   ｂ）前記電圧曲線（２２）に関して多数のサンプル値（３２，３４，３６）を確認するステップと、
   ｃ）光パルスに該当する第１の電圧値を前記サンプル値（３４）の中から確認し、２つの前記光パルスの間の暗時間に該当する第２の電圧値を前記サンプル値（３６）の中から確認し、前記光パルスに該当する第１の電圧値を確認する前記サンプル値（３４）と前記２つの光パルスの間の暗時間に該当する第２の電圧値を確認する前記サンプル値（３６）とを、前記光信号の前記周波数に対応した半周期の整数倍、オフセットさせる、ステップと、
   ｄ）前記第１の電圧値と前記第２の電圧値とを減算するステップと、
   を含み、
   前記ステップｄ）において得られる差が前記透過値に比例する、方法。
2. 前記ステップｃ）において、前記光パルスと前記暗時間との間にある所定の過渡領域の前記サンプル値（３２）を除外する、請求項１に記載の方法。
3. 各前記暗時間が各前記光パルスの直後に続くか又は直前に先行する、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記ステップｂ）、前記ステップｃ）、及び前記ステップｄ）を順に繰り返し、前記ステップｄ）において確認される値について平均値を生成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 試料内の少なくとも１つの分析対象物の濃度又は活性を判断する方法であって、
   当該少なくとも１つの分析対象物の濃度又は活性を、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法を使用して測定される少なくとも１つの透過値を使用することによって判断する、方法。
6. 前記分析対象物の濃度又は活性を、少なくとも全血、血漿、血清、髄液、及び尿から選択される体液試料において判断する、請求項５に記載の方法。
7. 自動分析設備のための透過測定装置（１）であって、
   所定周波数のパルス光源（６）と、前記パルス光源の周波数の偶数倍に相当するサンプリング周波数のＡ／Ｄコンバータ（３１）を後段に有するフォトディテクタ（１０）と、前記Ａ／Ｄコンバータ（３１）の後段に接続された集積回路と、を備え、
   前記集積回路は、
   ｉ）前記Ａ／Ｄコンバータ（３１）からのサンプル値を、前記パルス光源の周波数及び位相に基づいて、光パルス又は２つの該光パルスの間の暗時間に関連付け、
   ii）前記光パルスに関連付けた前記サンプル値（３４）又は前記暗時間に関連付けた前記サンプル値（３６）を、前記パルス光源の周波数に対応した半周期の整数倍、遅延させ、
   iii）該遅延結果に係る同時サンプル値（３２）を互いに減算する、
   ように設計されている、
   透過測定装置。
8. 前記サンプリング周波数は、前記パルス光源（６）の周波数の値の少なくとも４倍の値を有する、請求項７に記載の透過測定装置。
9. 前記集積回路は、前記減算した同時サンプル値（３２）について平均値を生成するように設計されている、請求項７又は請求項８に記載の透過測定装置。
10. 前記集積回路は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含んでいる、請求項７〜９のいずれか１項に記載の透過測定装置。
11. 請求項７〜１０のいずれか１項に記載の透過測定装置（１）を有する自動分析設備。