JP2016070776A - 分光分析装置、及び分光分析装置の校正方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で、容易に波長校正を実施可能な分光分析装置、及び分光分析装置の校正方法を提供する。
【解決手段】生体検査装置１は、測定対象の分光スペクトルを測定する分光測定部と、既知の成分に対する固有波長を記憶した参照データを記憶する記憶部２１と、参照データを用いて測定された分光スペクトルにおける固有波長に対応した特徴点を特定する特徴特定部２２４と、分光スペクトルにおける特徴点の波長を固有波長として補正する波長補正部２２６と、を備えた。
【選択図】図１
【解決手段】生体検査装置１は、測定対象の分光スペクトルを測定する分光測定部と、既知の成分に対する固有波長を記憶した参照データを記憶する記憶部２１と、参照データを用いて測定された分光スペクトルにおける固有波長に対応した特徴点を特定する特徴特定部２２４と、分光スペクトルにおける特徴点の波長を固有波長として補正する波長補正部２２６と、を備えた。
【選択図】図１
Description
本発明は、分光分析装置、及び分光分析装置の校正方法に関する。
従来、分光分析装置において、環境変化等により分光系に波長ずれが生じた際に、波長校正処理を行う装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の装置は、波長校正処理において、波長校正用フィルターを光路上にセットし、波長校正用の吸光スペクトル測定を実施する。そして、測定した吸収スペクトルのピーク波長を検出して、そのピーク波長に対応する回折格子の角度を特定する。
特許文献１に記載の装置は、波長校正処理において、波長校正用フィルターを光路上にセットし、波長校正用の吸光スペクトル測定を実施する。そして、測定した吸収スペクトルのピーク波長を検出して、そのピーク波長に対応する回折格子の角度を特定する。
ところで、分光分析装置における校正処理では、従来、上記特許文献１に記載のような波長校正用フィルターや白色板等の波長校正板等の、光反射率や光透過率が既知である基準校正物を用いていた。しかしながら、特許文献１のように、装置に波長校正用フィルターを設ける場合、装置構成が複雑化するとの課題があり、また、波長校正板を用いる場合では、測定時に撮像対象として波長校正板をセットする必要があり、校正処理が煩雑であるとの課題があった。
本発明は、簡単な構成で、容易に波長校正を実施可能な分光分析装置、及び分光分析装置の校正方法を提供することを目的とする。
本発明に係る一適用例の分光分析装置は、測定対象の分光スペクトルを測定する分光測定部と、既知の成分に対する固有波長を記憶する記憶部と、前記分光スペクトルにおける前記固有波長に対応した特徴点を特定する特徴特定部と、前記分光スペクトルにおける前記特徴点の波長を前記固有波長として補正する波長補正部と、を備えたことを特徴とする。
本適用例では、分光測定部により測定された測定対象の分光スペクトルにおける、既知成分の固有波長に相当する特徴点を特定し、その特徴点を固有波長として分光スペクトルの波長を補正する。なお、既知の成分の固有波長とは、例えば吸光波長や、反射波長、蛍光波長等、成分を特定することが可能な特定の波長である。
これにより、測定対象の分光スペクトルが測定されれば、記憶部に記憶された固有波長を用いて波長校正を行うことができる。従って、白色基準板等の波長校正板を用いることなく、容易に波長校正を実施することができる。
これにより、測定対象の分光スペクトルが測定されれば、記憶部に記憶された固有波長を用いて波長校正を行うことができる。従って、白色基準板等の波長校正板を用いることなく、容易に波長校正を実施することができる。
本適用例の分光分析装置において、前記固有波長と、前記特徴点の波長との関係を近似する補正関数を算出する補正関数算出部を備え、前記波長補正部は、前記分光スペクトルの各波長を前記補正関数に基づいて補正することが好ましい。
本適用例では、固有波長と特徴点の波長との関係を示した補正関数を算出し、その補正関数に基づいて分光スペクトルにおける各波長を補正する。これにより、特徴点に対する波長のみならず、測定された分光スペクトルの広い波長域内に対して適正な波長校正を行うことができる。
本適用例では、固有波長と特徴点の波長との関係を示した補正関数を算出し、その補正関数に基づいて分光スペクトルにおける各波長を補正する。これにより、特徴点に対する波長のみならず、測定された分光スペクトルの広い波長域内に対して適正な波長校正を行うことができる。
本適用例の分光分析装置において、前記分光測定部は、前記固有波長から所定の波長域内において第一波長間隔で前記測定対象からの光の光量を検出し、前記波長域外において前記第一波長間隔よりも長い第二波長間隔で前記測定対象からの光の光量を検出して前記分光スペクトルを測定することが好ましい。
本適用例では、固有波長近傍の所定波長域内における光量の測定間隔（第一波長間隔）を、波長域外における光量の測定波長間隔（第二波長間隔）よりも短くする。これにより、分光スペクトルにおける固有波長近傍の特徴点が現れる部分のスペクトルの測定精度が向上し、特徴点を精度よく検出（特定）することができる。また、固有波長から離れた波長域に対して第二波長間隔で光量測定を実施することで、測定に係る時間を短縮できる。
本適用例では、固有波長近傍の所定波長域内における光量の測定間隔（第一波長間隔）を、波長域外における光量の測定波長間隔（第二波長間隔）よりも短くする。これにより、分光スペクトルにおける固有波長近傍の特徴点が現れる部分のスペクトルの測定精度が向上し、特徴点を精度よく検出（特定）することができる。また、固有波長から離れた波長域に対して第二波長間隔で光量測定を実施することで、測定に係る時間を短縮できる。
本適用例の分光分析装置において、前記記憶部には、前記既知の成分に対して複数の前記固有波長が記憶され、前記特徴特定部は、前記複数の固有波長の間隔に基づいて、前記特徴点を特定することが好ましい。
本適用例では、記憶部において、既知の成分に対して複数の固有波長が記憶されている。例えば、物質の成分は、複数の吸光波長を有し、当該吸光波長は成分固有の値となり、固有波長の間隔も決まった値となる。本適用例では、分光スペクトルにおいて、このような成分固有の複数の固有波長の間隔を用いて、分光スペクトルにおける特徴点を特定する。例えば、分光スペクトルにおいて、既知の成分の吸光波長の間隔と同一の間隔でピーク位置が現れる場合、そのピーク位置を特徴点として特定する。これにより、容易かつ精度よく分光スペクトルの特徴点を特定することができる。
本適用例では、記憶部において、既知の成分に対して複数の固有波長が記憶されている。例えば、物質の成分は、複数の吸光波長を有し、当該吸光波長は成分固有の値となり、固有波長の間隔も決まった値となる。本適用例では、分光スペクトルにおいて、このような成分固有の複数の固有波長の間隔を用いて、分光スペクトルにおける特徴点を特定する。例えば、分光スペクトルにおいて、既知の成分の吸光波長の間隔と同一の間隔でピーク位置が現れる場合、そのピーク位置を特徴点として特定する。これにより、容易かつ精度よく分光スペクトルの特徴点を特定することができる。
本適用例の分光測定装置において、前記記憶部に記憶される前記固有波長は、スペクトルベクトルを含み、前記特徴特定部は、前記分光スペクトルのスペクトルベクトルを算出するとともに、前記固有波長におけるスペクトルベクトルと同一のスペクトルベクトルを特定して前記特徴点を特定することが好ましい。
本適用例では、分光スペクトルを分析して、各波長域のスペクトルベクトルを算出し、既知の成分の固有波長におけるスペクトルベクトルを同一ベクトルとなる点を特徴点として特定する。これにより、分光スペクトルの形状的な特徴により、特徴点を高精度に求めることができる。
本適用例では、分光スペクトルを分析して、各波長域のスペクトルベクトルを算出し、既知の成分の固有波長におけるスペクトルベクトルを同一ベクトルとなる点を特徴点として特定する。これにより、分光スペクトルの形状的な特徴により、特徴点を高精度に求めることができる。
本適用例の分光測定装置において、前記測定対象に対して照射される照明光の照明スペクトルを取得する照明スペクトル取得部を有することが好ましい。
照明光にピーク波長が存在する場合、分光スペクトルに当該照明光のピーク波長が含まれることになり、固有波長に対応する特徴点の検出が困難となる。これに対して、本適用例では、照明スペクトル取得部により、照明スペクトルを取得することで、当該照明光のピーク波長を分離して特徴点を特定することができる。したがって、吸光波長に対する特徴点をより効率的に特定することができる。
照明光にピーク波長が存在する場合、分光スペクトルに当該照明光のピーク波長が含まれることになり、固有波長に対応する特徴点の検出が困難となる。これに対して、本適用例では、照明スペクトル取得部により、照明スペクトルを取得することで、当該照明光のピーク波長を分離して特徴点を特定することができる。したがって、吸光波長に対する特徴点をより効率的に特定することができる。
本発明に係る一適用例に係る分光分析装置の校正方法は、測定対象の分光スペクトルを測定する分光測定部と、既知の成分に対する固有波長を記憶する記憶部と、を有する分光分析装置の校正方法であって、前記分光測定部により測定された前記分光スペクトルにおける前記固有波長に対応した特徴点を特定し、前記分光スペクトルにおける前記特徴点の波長を前記固有波長として補正することを特徴とする。
本適用例では、分光スペクトルにおける既知成分の固有波長に相当する特徴点を特定し、その特徴点を固有波長として分光スペクトルの波長を補正する。これにより、白色基準板等の波長校正板を用いることなく、容易に波長校正を実施することができる。
本適用例では、分光スペクトルにおける既知成分の固有波長に相当する特徴点を特定し、その特徴点を固有波長として分光スペクトルの波長を補正する。これにより、白色基準板等の波長校正板を用いることなく、容易に波長校正を実施することができる。
［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態について説明する。
図１は、第一実施形態の分光分析装置である生体検査装置の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の生体検査装置１は、図１に示すように、本発明の分光測定部を構成する光学プローブ１０と、光学プローブ１０から入力された検出信号に基づいて生体分析等を実施する制御装置２０と、を備えている。そして、この生体検査装置１は、測定者の例えば腕に対して光を照射し、その分光スペクトルを取得して分析することで、生体に含まれる成分を分析する。本実施形態では、一例として、体内を流れる血液の酸素飽和度を測定する構成を例示する。
以下、本発明に係る第一実施形態について説明する。
図１は、第一実施形態の分光分析装置である生体検査装置の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の生体検査装置１は、図１に示すように、本発明の分光測定部を構成する光学プローブ１０と、光学プローブ１０から入力された検出信号に基づいて生体分析等を実施する制御装置２０と、を備えている。そして、この生体検査装置１は、測定者の例えば腕に対して光を照射し、その分光スペクトルを取得して分析することで、生体に含まれる成分を分析する。本実施形態では、一例として、体内を流れる血液の酸素飽和度を測定する構成を例示する。
［光学プローブの構成］
光学プローブ１０は、図１に示すように、光源部１１、波長可変干渉フィルター５、及び受光部１２を有する。
より具体的には、光学プローブ１０は、図示略のプローブケースを有する。このプローブケースは、例えば遮光性部材により構成されており、一部に開口窓が設けられている。そして、この開口窓に臨んで、光源部１１、波長可変干渉フィルター５、及び受光部１２が配置される。
光学プローブ１０は、図１に示すように、光源部１１、波長可変干渉フィルター５、及び受光部１２を有する。
より具体的には、光学プローブ１０は、図示略のプローブケースを有する。このプローブケースは、例えば遮光性部材により構成されており、一部に開口窓が設けられている。そして、この開口窓に臨んで、光源部１１、波長可変干渉フィルター５、及び受光部１２が配置される。
光源部１１は、プローブケースの開口窓から測定対象に対して、光を照射する。照射する光としては、成分分析を実施するに当って、分析対象の成分の吸収波長（固有波長）を含む光であればよく、例えば、可視光域から近赤外光域の光を照射する。
波長可変干渉フィルター５は、分光素子であり、測定対象から反射された光から所定波長の光を透過させる。
図２は、波長可変干渉フィルター５の概略構成を示す断面図である。
この波長可変干渉フィルター５は、透光性の固定基板５１及び可動基板５２を備え、これらの固定基板５１及び可動基板５２が、例えばシロキサンを主成分とするプラズマ重合膜などにより構成された接合膜５３により接合されることで、一体的に構成されている。このような波長可変干渉フィルター５は、例えば分光素子としてＡＯＴＦ（Acousto-Optic Tunable Filter）やＬＣＴＦ（Liquid crystal tunable filter）を用いる場合等に比べて素子サイズが小さくでき、光学プローブ１０の小型化を図ることができる。
図２は、波長可変干渉フィルター５の概略構成を示す断面図である。
この波長可変干渉フィルター５は、透光性の固定基板５１及び可動基板５２を備え、これらの固定基板５１及び可動基板５２が、例えばシロキサンを主成分とするプラズマ重合膜などにより構成された接合膜５３により接合されることで、一体的に構成されている。このような波長可変干渉フィルター５は、例えば分光素子としてＡＯＴＦ（Acousto-Optic Tunable Filter）やＬＣＴＦ（Liquid crystal tunable filter）を用いる場合等に比べて素子サイズが小さくでき、光学プローブ１０の小型化を図ることができる。
固定基板５１は、エッチングにより形成された電極配置溝５１１および反射膜設置部５１２を備えている。そして、電極配置溝５１１には、固定電極５６１が設けられ、反射膜設置部５１２には、固定反射膜５４が設けられている。
固定電極５６１は、電極配置溝５１１において、例えば反射膜設置部５１２を囲う環状に形成されている。
この固定反射膜５４としては、例えばＡｇ等の金属膜や、Ａｇ合金等の合金膜を用いることができる。また、例えば高屈折層をＴｉＯ２、低屈折層をＳｉＯ２とした誘電体多層膜を用いてもよい。さらに、誘電体多層膜上に金属膜（または合金膜）を積層した反射膜や、金属膜（または合金膜）上に誘電体多層膜を積層した反射膜、単層の屈折層（ＴｉＯ２やＳｉＯ２等）と金属膜（または合金膜）とを積層した反射膜などを用いてもよい。
固定電極５６１は、電極配置溝５１１において、例えば反射膜設置部５１２を囲う環状に形成されている。
この固定反射膜５４としては、例えばＡｇ等の金属膜や、Ａｇ合金等の合金膜を用いることができる。また、例えば高屈折層をＴｉＯ２、低屈折層をＳｉＯ２とした誘電体多層膜を用いてもよい。さらに、誘電体多層膜上に金属膜（または合金膜）を積層した反射膜や、金属膜（または合金膜）上に誘電体多層膜を積層した反射膜、単層の屈折層（ＴｉＯ２やＳｉＯ２等）と金属膜（または合金膜）とを積層した反射膜などを用いてもよい。
可動基板５２は、図２に示すように、可動部５２１と、可動部５２１の外に設けられ、可動部５２１を保持する保持部５２２とを備えている。
可動部５２１は、保持部５２２よりも厚み寸法が大きく形成され、例えば、本実施形態では、可動基板５２の厚み寸法と同一寸法に形成されている。この可動部５２１は、フィルター平面視において、少なくとも反射膜設置部５１２の外周縁の径寸法よりも大きい径寸法に形成されている。そして、この可動部５２１には、可動電極５６２及び可動反射膜５５が設けられている。
可動部５２１は、保持部５２２よりも厚み寸法が大きく形成され、例えば、本実施形態では、可動基板５２の厚み寸法と同一寸法に形成されている。この可動部５２１は、フィルター平面視において、少なくとも反射膜設置部５１２の外周縁の径寸法よりも大きい径寸法に形成されている。そして、この可動部５２１には、可動電極５６２及び可動反射膜５５が設けられている。
可動電極５６２は、固定電極５６１に対向する位置に設けられている。また、可動反射膜５５は、固定反射膜５４に対向する位置に、ギャップＧ１を介して配置されている。この可動反射膜５５としては、上述した固定反射膜５４と同一の構成の反射膜が用いられる。
保持部５２２は、可動部５２１の周囲を囲うダイアフラムであり、可動部５２１よりも厚み寸法が小さく形成されている。このような保持部５２２は、可動部５２１よりも撓みやすく、僅かな静電引力により、可動部５２１を固定基板５１側に変位させることが可能となる。これにより、固定反射膜５４及び可動反射膜５５の平行度を維持した状態で、ギャップＧ１のギャップ寸法を変更することが可能となる。
なお、本実施形態では、ダイアフラム状の保持部５２２を例示するが、これに限定されず、例えば、平面中心点を中心として、等角度間隔で配置された梁状の保持部が設けられる構成などとしてもよい。
なお、本実施形態では、ダイアフラム状の保持部５２２を例示するが、これに限定されず、例えば、平面中心点を中心として、等角度間隔で配置された梁状の保持部が設けられる構成などとしてもよい。
以上のような波長可変干渉フィルター５では、固定電極５６１及び可動電極５６２により静電アクチュエーター５６が構成されており、これらの電極５６１，５６２が図示略の電圧制御回路（ドライバ）を介して制御装置２０に接続されている。そして、制御装置２０の制御の下、電圧制御回路から静電アクチュエーター５６に電圧が印加されることで、電圧に応じた静電引力が電極５６１，５６２間に作用し、反射膜間ギャップＧ１のギャップ寸法が変更される。これにより、波長可変干渉フィルター５を透過する光の波長を変化させることが可能となる。
図１に戻り、受光部１２は、波長可変干渉フィルター５を透過した光を受光し、その受光量に応じた検出信号を制御装置２０に出力する。受光部１２としては、例えば、イメージセンサー等を用いることもでき、この場合、画像信号を制御部に出力する。
［制御装置の構成］
次に、制御装置２０について説明する。
制御装置２０は、図１に示すように、記憶部２１及び演算処理部２２を備えている。
記憶部２１は、例えばメモリーやハードディスクドライブ等により構成されている。この記憶部２１は、生体検査装置１の全体動作を制御するためのＯＳ（Operating System）や、各種プログラム、各種データを記憶する。
そして、記憶部２１は、前記データとして、波長可変干渉フィルター５の静電アクチュエーター５６を駆動させるためのＶ−λデータ等が記憶される。
次に、制御装置２０について説明する。
制御装置２０は、図１に示すように、記憶部２１及び演算処理部２２を備えている。
記憶部２１は、例えばメモリーやハードディスクドライブ等により構成されている。この記憶部２１は、生体検査装置１の全体動作を制御するためのＯＳ（Operating System）や、各種プログラム、各種データを記憶する。
そして、記憶部２１は、前記データとして、波長可変干渉フィルター５の静電アクチュエーター５６を駆動させるためのＶ−λデータ等が記憶される。
また、記憶部２１には、分析対象となる各成分に対する固有波長を記録する参照データが記憶される。
図３は、参照データの一例である。図３に示すように、各成分は、それぞれ固有の吸収波長を複数有しており、例えば、酸化ヘモグロビンは、４１４ｎｍ、５４０ｎｍ、５７６ｎｍ、９２４ｎｍにおいて吸収波長を有し、還元ヘモグロビンは、４３３ｎｍ、５５５ｎｍ、７５７ｎｍ、９１４ｎｍにおいて吸収波長を有する。参照データには、これらの吸収波長を固有波長とした吸光スペクトルが記録されている。
さらに、記憶部２１には、光源部１１から出射される照明光のスペクトル（照明スペクトル）が記憶されている。すなわち、照明光におけるピーク波長が記憶されている。
図３は、参照データの一例である。図３に示すように、各成分は、それぞれ固有の吸収波長を複数有しており、例えば、酸化ヘモグロビンは、４１４ｎｍ、５４０ｎｍ、５７６ｎｍ、９２４ｎｍにおいて吸収波長を有し、還元ヘモグロビンは、４３３ｎｍ、５５５ｎｍ、７５７ｎｍ、９１４ｎｍにおいて吸収波長を有する。参照データには、これらの吸収波長を固有波長とした吸光スペクトルが記録されている。
さらに、記憶部２１には、光源部１１から出射される照明光のスペクトル（照明スペクトル）が記憶されている。すなわち、照明光におけるピーク波長が記憶されている。
演算処理部２２は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算回路や記憶回路により構成されている。この演算処理部２２は、記憶部２１に記憶された各種プログラムを読み込み、実行することで、図１に示すように、プローブ制御部２２１、スペクトル取得部２２２、主成分分析部２２３、特徴特定部２２４、補正関数算出部２２５、波長補正部２２６、及び解析部２２７として機能する。
プローブ制御部２２１は、光学プローブ１０及びスペクトル取得部２２２とともに、本発明の分光測定部を構成する。具体的には、プローブ制御部２２１は、光源部１１を駆動させて、光学プローブ１０から測定対象に向かって照明光を照射させる。また、プローブ制御部２２１は、記憶部２１に記憶されたＶ−λデータに基づいて波長可変干渉フィルター５の静電アクチュエーター５６に対して目標波長に対応した電圧を印加させ、波長可変干渉フィルター５から目標波長の光を透過させる。さらに、プローブ制御部２２１は、受光部１２を駆動させて、波長可変干渉フィルター５を透過した目標波長の光の光量を検出する。また、プローブ制御部２２１は、静電アクチュエーター５６に印加する駆動電圧を順次変化させ、波長可変干渉フィルター５を透過させる光の目標波長を予め設定された波長間隔で変化させる。これにより、測定対象にて反射された光における前記波長間隔の各波長の光成分（光量）が取得される。
スペクトル取得部２２２は、受光部１２から入力された検出信号に基づいて、測定対象の分光スペクトルを取得する。
スペクトル取得部２２２は、受光部１２から入力された検出信号に基づいて、測定対象の分光スペクトルを取得する。
主成分分析部２２３は、スペクトル取得部２２２により取得された分光スペクトルに対して主成分分析を実施し、分光スペクトルを複数のスペクトル成分に分離する。
特徴特定部２２４は、解析された各スペクトル成分のピーク位置の間隔と、参照データにおける固有波長の間隔とを比較して、特徴点となるピーク位置を特定する。すなわち、分光スペクトルにおける各成分の吸光波長の位置を特定して対応付ける。
補正関数算出部２２５は、特徴特定部２２４にて特定された特徴点（測定波長位置）と、当該特徴点に対応する吸光波長とに基づいて、分光スペクトルにおける波長シフト量を補正するための補正関数を算出する。
波長補正部２２６は、算出された補正関数に基づいて、分光スペクトルにおける各波長を補正した補正分光スペクトルを算出する。
解析部２２７は、算出された補正分光スペクトルに基づいて、生体に含まれる各成分を解析する。
特徴特定部２２４は、解析された各スペクトル成分のピーク位置の間隔と、参照データにおける固有波長の間隔とを比較して、特徴点となるピーク位置を特定する。すなわち、分光スペクトルにおける各成分の吸光波長の位置を特定して対応付ける。
補正関数算出部２２５は、特徴特定部２２４にて特定された特徴点（測定波長位置）と、当該特徴点に対応する吸光波長とに基づいて、分光スペクトルにおける波長シフト量を補正するための補正関数を算出する。
波長補正部２２６は、算出された補正関数に基づいて、分光スペクトルにおける各波長を補正した補正分光スペクトルを算出する。
解析部２２７は、算出された補正分光スペクトルに基づいて、生体に含まれる各成分を解析する。
［生体検査装置１における分光分析方法］
次に、上記のような生体検査装置１における分光分析方法（校正方法を含む）について説明する。
図４は、本実施形態の分光分析方法を示すフローチャートである。
本実施形態の生体検査装置１は、まず、測定対象の分光スペクトルを測定する（ステップＳ１）。すなわち、測定者は、光学プローブ１０の開口窓を測定対象である生体の皮膚（例えば腕等）に押し当て、制御装置２０に設けられた図示略の操作手段を操作して測定開始指示を入力する。これにより、プローブ制御部２２１は、光源部１１を駆動させて照明光を照射させるとともに、波長可変干渉フィルター５の静電アクチュエーター５６に印加する駆動電圧を順次変化させる。これにより、波長可変干渉フィルター５を透過する透過光の波長が順次変化され、プローブ制御部２２１は、これらの各波長の透過光の光量をそれぞれ検出する。そして、スペクトル取得部２２２は、検出された各波長の光量に基づいて測定対象の分光スペクトルを測定する。
また、本実施形態では、このステップＳ１において、参照データに記録された各固有波長（吸収波長）近傍において、測定波長間隔を密にし、その他の波長域に対して測定波長間隔を疎にする。例えば、４１４ｎｍ、４３３ｎｍが参照データに記録されている場合では、４１４ｎｍ、４３３ｎｍを中心とした例えば２０ｎｍ波長帯域内において、測定間隔を５ｎｍに設定し、その他の波長帯域では、２０ｎｍ間隔に設定する等である。これにより、吸光波長近傍において精度の高い分光スペクトルの測定が可能となり、後述するステップＳ２やステップＳ３における処理精度を向上させることができる。
なお、分光スペクトルの測定は、複数点（例えば３か所）の測定箇所に対して実施される。これには、測定者の操作により測定箇所を変化させてもよく、例えば、光学プローブ１０において、波長可変干渉フィルター５及び受光部１２の位置又は姿勢を変化させてもよい。後者の場合では、例えば光学プローブ１０内に、波長可変干渉フィルター５及び受光部１２を移動させる移動機構や、光軸方向を変化させる回動機構を持たせることで実現できる。
また、受光部１２としてイメージセンサーを用いて撮像画像を取得する場合では、複数画素に対する分光スペクトルをそれぞれ取得すればよく、この場合、上記の測定者の操作や、上述のような移動機構や回動機構を設ける構成を不要にできる。
次に、上記のような生体検査装置１における分光分析方法（校正方法を含む）について説明する。
図４は、本実施形態の分光分析方法を示すフローチャートである。
本実施形態の生体検査装置１は、まず、測定対象の分光スペクトルを測定する（ステップＳ１）。すなわち、測定者は、光学プローブ１０の開口窓を測定対象である生体の皮膚（例えば腕等）に押し当て、制御装置２０に設けられた図示略の操作手段を操作して測定開始指示を入力する。これにより、プローブ制御部２２１は、光源部１１を駆動させて照明光を照射させるとともに、波長可変干渉フィルター５の静電アクチュエーター５６に印加する駆動電圧を順次変化させる。これにより、波長可変干渉フィルター５を透過する透過光の波長が順次変化され、プローブ制御部２２１は、これらの各波長の透過光の光量をそれぞれ検出する。そして、スペクトル取得部２２２は、検出された各波長の光量に基づいて測定対象の分光スペクトルを測定する。
また、本実施形態では、このステップＳ１において、参照データに記録された各固有波長（吸収波長）近傍において、測定波長間隔を密にし、その他の波長域に対して測定波長間隔を疎にする。例えば、４１４ｎｍ、４３３ｎｍが参照データに記録されている場合では、４１４ｎｍ、４３３ｎｍを中心とした例えば２０ｎｍ波長帯域内において、測定間隔を５ｎｍに設定し、その他の波長帯域では、２０ｎｍ間隔に設定する等である。これにより、吸光波長近傍において精度の高い分光スペクトルの測定が可能となり、後述するステップＳ２やステップＳ３における処理精度を向上させることができる。
なお、分光スペクトルの測定は、複数点（例えば３か所）の測定箇所に対して実施される。これには、測定者の操作により測定箇所を変化させてもよく、例えば、光学プローブ１０において、波長可変干渉フィルター５及び受光部１２の位置又は姿勢を変化させてもよい。後者の場合では、例えば光学プローブ１０内に、波長可変干渉フィルター５及び受光部１２を移動させる移動機構や、光軸方向を変化させる回動機構を持たせることで実現できる。
また、受光部１２としてイメージセンサーを用いて撮像画像を取得する場合では、複数画素に対する分光スペクトルをそれぞれ取得すればよく、この場合、上記の測定者の操作や、上述のような移動機構や回動機構を設ける構成を不要にできる。
この後、主成分分析部２２３は、ステップＳ１で測定された複数の分光スペクトルに対して、主成分分析を実施し、分光スペクトルを構成するピーク位置がそれぞれ異なる複数のスペクトル成分に分離する（ステップＳ２）。例えば、主成分分析部２２３は、分光スペクトルを、ピーク位置（ピーク波長）が１ｎｍ間隔となる複数のスペクトル成分に分離する。また、ステップＳ２の処理は、複数測定点に対して測定された各分光スペクトルに対して実施する。
そして、特徴特定部２２４は、ステップＳ２により分離された各スペクトル成分のピーク波長から、参照データにおける各成分の吸光波長の間隔に一致するピーク位置を特徴点として特定する（ステップＳ３）。この際、特徴特定部２２４は、記憶部２１に記憶された光源部１１の照射スペクトルを取得し、照明光のピーク波長等の固有波長を特定することで、精度よく測定された分光スペクトルの特徴点を特定することができる。すなわち、特徴特定部２２４は本発明の照明スペクトル取得部としても機能する。
例えば、図３に示すように、酸化ヘモグロビンは、４１４ｎｍ、５４０ｎｍ、５７６ｎｍ、９２４ｎｍに吸収波長を有し、これらの波長間隔は、１２６ｎｍ、３６ｎｍ、３４８ｎｍとなる。一方、測定対象において、酸化ヘモグロビンが含まれる場合、これらの波長成分の光は吸収量が多くなり、測定された分光スペクトルにおいて、当該波長成分の光量が小さくなる。従って、特徴特定部２２４は、ステップＳ２により分離された各波長のスペクトル成分のうち、他のスペクトル成分と比べてピーク位置の受光量が少なく、かつ、波長間隔が１２６ｎｍ、３６ｎｍ、３４８ｎｍとなる４つのスペクトル成分を特定し、そのピーク位置を特徴点として特定する。下記表１は、固有波長（参照データに含まれる吸収波長）と、測定された吸収ピーク波長（ステップＳ３により特徴点として特定された波長）との一例を示す表である。なお、測定された吸収ピーク波長は、例えば、環境変化等の要因により、Ｖ−λデータに対して、実際に波長可変干渉フィルター５から出射される光の波長がずれて誤差分が含まれる。したがって、表１に示すように、固有波長と、実際に測定された光の波長にずれが生じる。
このステップＳ３では、ステップＳ２で測定された複数の測定点に対する分光スペクトルに対して実施される。したがって、これらの分光スペクトルから、吸光波長とは異なる他の共通する波長成分（例えば照明光の波長成分や、参照データに記録されていないその他の成分に対する波長成分）を除外することができる。これにより、吸光波長に対応した特徴点をより精度よく特定することができる。
例えば、図３に示すように、酸化ヘモグロビンは、４１４ｎｍ、５４０ｎｍ、５７６ｎｍ、９２４ｎｍに吸収波長を有し、これらの波長間隔は、１２６ｎｍ、３６ｎｍ、３４８ｎｍとなる。一方、測定対象において、酸化ヘモグロビンが含まれる場合、これらの波長成分の光は吸収量が多くなり、測定された分光スペクトルにおいて、当該波長成分の光量が小さくなる。従って、特徴特定部２２４は、ステップＳ２により分離された各波長のスペクトル成分のうち、他のスペクトル成分と比べてピーク位置の受光量が少なく、かつ、波長間隔が１２６ｎｍ、３６ｎｍ、３４８ｎｍとなる４つのスペクトル成分を特定し、そのピーク位置を特徴点として特定する。下記表１は、固有波長（参照データに含まれる吸収波長）と、測定された吸収ピーク波長（ステップＳ３により特徴点として特定された波長）との一例を示す表である。なお、測定された吸収ピーク波長は、例えば、環境変化等の要因により、Ｖ−λデータに対して、実際に波長可変干渉フィルター５から出射される光の波長がずれて誤差分が含まれる。したがって、表１に示すように、固有波長と、実際に測定された光の波長にずれが生じる。
このステップＳ３では、ステップＳ２で測定された複数の測定点に対する分光スペクトルに対して実施される。したがって、これらの分光スペクトルから、吸光波長とは異なる他の共通する波長成分（例えば照明光の波長成分や、参照データに記録されていないその他の成分に対する波長成分）を除外することができる。これにより、吸光波長に対応した特徴点をより精度よく特定することができる。
次に、補正関数算出部２２５は、参照データに含まれる吸収波長と、ステップＳ３にて特定された波長とに基づいて、分光スペクトルの波長シフト量を補正するための補正関数を算出する（ステップＳ４）。
図５は、固有波長と、測定された特徴点の波長（誤差含む）とを関連付けた図である。
この図５は、上記表１の例をグラフ化しており、この場合、補正関数算出部２２５は、図５に示すように、各点を通る直線を例えば最小二乗法等により算出して補正関数としている。
なお、補正関数としては、図５に示すような１次式に限定されない。例えば、波長が長くなる（又は短くなる）にしたがって、波長シフト量が大きくなる場合もあり、このような場合では、２次以上の高次補正関数を算出してもよい。
図５は、固有波長と、測定された特徴点の波長（誤差含む）とを関連付けた図である。
この図５は、上記表１の例をグラフ化しており、この場合、補正関数算出部２２５は、図５に示すように、各点を通る直線を例えば最小二乗法等により算出して補正関数としている。
なお、補正関数としては、図５に示すような１次式に限定されない。例えば、波長が長くなる（又は短くなる）にしたがって、波長シフト量が大きくなる場合もあり、このような場合では、２次以上の高次補正関数を算出してもよい。
この後、波長補正部２２６は、分光スペクトルにおける各波長を、ステップＳ４において算出した補正関数に基づいて補正する（ステップＳ５）。これにより、上記のような特徴点のみならず、分光スペクトルにおける各測定波長を補正することができる。
そして、解析部２２７は、ステップＳ５により補正された分光スペクトルに基づいて、測定対象に含まれる成分の含有率等を解析する（ステップＳ６）。本実施形態では、酸化ヘモグロビン、還元ヘモグロビン、水等の含有率を、各吸収波長の吸光度に基づいて算出し、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの比率に基づいて、血中酸素濃度を算出する。なお、各成分の含有率の算出については、公知の技術を用いることができるので、ここでの説明は省略する。
［第一実施形態の作用効果］
本実施形態の生体検査装置１では、測定対象に含まれる成分における固有波長（吸収波長）を参照データとして記憶部２１に記憶しており、特徴特定部２２４は、実際に測定された分光スペクトルと参照データから、固有波長に対する位置である特徴点を特定する。そして、波長補正部２２６は、特定された特徴点の波長を、固有波長として補正することで分光スペクトルを補正する。
これにより、別途白色板等の基準校正板を用いることなく、測定された分光スペクトルを適切に、かつ簡単な構成で容易に補正することができる。
本実施形態の生体検査装置１では、測定対象に含まれる成分における固有波長（吸収波長）を参照データとして記憶部２１に記憶しており、特徴特定部２２４は、実際に測定された分光スペクトルと参照データから、固有波長に対する位置である特徴点を特定する。そして、波長補正部２２６は、特定された特徴点の波長を、固有波長として補正することで分光スペクトルを補正する。
これにより、別途白色板等の基準校正板を用いることなく、測定された分光スペクトルを適切に、かつ簡単な構成で容易に補正することができる。
本実施形態の生体検査装置１では、補正関数算出部２２５は、参照データの固有波長と、測定された特徴点における測定波長との関係を示した補正関数を算出し、波長補正部２２６は、その補正関数に基づいて分光スペクトルの各波長を補正する。
これにより、分光スペクトルにおける、吸収波長等の固有波長の位置のみならず、その他の波長に対しても補正関数を用いて正確な波長に補正することができ、分光スペクトルの測定精度を向上できる。よって、分光スペクトルを用いた解析部２２７により解析処理においても精度よく解析処理を実施でき、正確な分析結果を得ることができる。
これにより、分光スペクトルにおける、吸収波長等の固有波長の位置のみならず、その他の波長に対しても補正関数を用いて正確な波長に補正することができ、分光スペクトルの測定精度を向上できる。よって、分光スペクトルを用いた解析部２２７により解析処理においても精度よく解析処理を実施でき、正確な分析結果を得ることができる。
本実施形態の生体検査装置１では、ステップＳ１において、測定対象の分光スペクトルを測定する際に、参照データに記録された各固有波長近傍において、測定波長間隔を密にし、その他の波長域に対して測定波長間隔を疎にする。これにより、ステップＳ２において分光スペクトルを各波長成分に分離する際に、固有波長近傍において高精度に波長成分を分離させることができ、ステップＳ３における特徴点の特定精度を向上させることができる。また、全波長域の測定波長間隔を密にする場合に比べて、測定時間の短縮を図れる。
本実施形態の生体検査装置１では、記憶部２１に光源部１１から出射される照明光の照明スペクトル（光源部１１の発光スペクトル）が記憶されている。したがって、特徴特定部２２４により、特徴点を検出する際に、分光スペクトルから照明光の照明スペクトルを除外して、固有波長に対する特徴点を特定することができ、特徴点の特定精度（検出精度）を向上させることができる。
［第二実施形態］
次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、特徴特定部２２４は、特定成分の固有波長の間隔に基づいて特徴点を特定する例を示した。これに対して、本実施形態では、分光スペクトルのスペクトルベクトルに基づいて特徴点を特定する点で上記第一実施形態と相違する。
なお、本実施形態では、上記第一実施形態と同様の構成を有し、記憶部２１に記憶される参照データ、及び特徴特定部２２４の処理内容が相違するものであるので、上記第一実施形態と同様の図１に基づいて以下説明する。
次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。
上記第一実施形態では、特徴特定部２２４は、特定成分の固有波長の間隔に基づいて特徴点を特定する例を示した。これに対して、本実施形態では、分光スペクトルのスペクトルベクトルに基づいて特徴点を特定する点で上記第一実施形態と相違する。
なお、本実施形態では、上記第一実施形態と同様の構成を有し、記憶部２１に記憶される参照データ、及び特徴特定部２２４の処理内容が相違するものであるので、上記第一実施形態と同様の図１に基づいて以下説明する。
本実施形態では、記憶部２１に記憶される参照データとして、分析対象となる各成分の固有波長と、そのスペクトルベクトル（参照スペクトルベクトル）が記録されている。
また、本実施形態の主成分分析部２２３は、分光スペクトルの主成分分析において、分光スペクトルをそのバンド数と等しい次元をもつ空間内のベクトル（対象スペクトルベクトル）に分類する。
そして、本実施形態の特徴特定部２２４は、参照スペクトルベクトルと、対象スペクトルベクトルの角度（スペクトル角度）を計算することで、両者の類似性を判定する。すなわち、特徴特定部２２４は、スペクトル角度が最も小さくなる対象スペクトルベクトルを、特徴点として特定する。
したがって、波長補正部２２６は、特徴点として特定された対象スペクトルベクトルの波長を参照スペクトルベクトルの波長として補正する。
また、本実施形態の主成分分析部２２３は、分光スペクトルの主成分分析において、分光スペクトルをそのバンド数と等しい次元をもつ空間内のベクトル（対象スペクトルベクトル）に分類する。
そして、本実施形態の特徴特定部２２４は、参照スペクトルベクトルと、対象スペクトルベクトルの角度（スペクトル角度）を計算することで、両者の類似性を判定する。すなわち、特徴特定部２２４は、スペクトル角度が最も小さくなる対象スペクトルベクトルを、特徴点として特定する。
したがって、波長補正部２２６は、特徴点として特定された対象スペクトルベクトルの波長を参照スペクトルベクトルの波長として補正する。
本実施形態では、スペクトルベクトルに基づいて、特徴点を特定する。つまり、参照スペクトルベクトルと類似する分光スペクトルにおける対象スペクトルベクトルを特定し、その対象スペクトルベクトルを参照スペクトルベクトルに対応するベクトルとして波長を対応付ける。これにより、精度よく分光スペクトルにおける各波長を補正することができる。
［他の実施形態］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
上記第一実施形態において、主成分分析を実施した後、波長校正を実施したがこれに限定されない。例えば、上記実施形態のように、測定対象が人体の皮膚下にある血管血液であると分かっている場合等では、主成分分析を行わず、測定対象の分光スペクトルの基準形状と当該分光スペクトルに対して固有波長の位置とが予め記録された参照データを用いてもよい。すなわち、測定された分光スペクトルは、参照データのスペクトル形状と略同一形状となるため、ピーク点等の固有波長を合わせることで、波長補正を行うことができる。この場合でも、複数の測定点に対して波長補正を行うことで、信頼性の高い波長補正を行える。
上記実施形態では、照明光のスペクトルを予め記憶部２１に記憶する例を示したが、これに限定されない。例えば、照明光のスペクトルが記憶部２１に記憶されない構成であってもよい。また、光源部１１からの光以外に外光を照明光として用いる場合では、別途照明光のスペクトルを測定により求めてもよい。
上記実施形態において、固有波長近傍の測定波長間隔を密にし、その他の波長域に対して測定波長間隔を疎にする例を示したが、例えば、全測定波長間隔において、同じ測定波長間隔で分光スペクトルを測定してもよい。
上記実施形態において、補正関数算出部２２５により、補正関数を算出する例を示したが、これに限定されない。例えば、必要な波長が、参照データにおける固有波長のみである場合等では、補正関数により分光スペクトルの全波長に対する波長補正を行う必要がなく、この場合では、補正関数を算出しなくてもよい。
上記実施形態では、分光測定装置として、生体検査装置１を例示したがこれに限定されない。例えば、測定対象として、食品を用いたカロリー測定装置や食品成分分析装置等、その他の測定対象を対象としてもよい。
また、固有波長として吸収波長を例示したがこれに限定されない。
例えば、所定波長の励起光を照射することで、蛍光波長を発する測定対象の分光スペクトルを測定する場合では、当該蛍光波長を固有波長として記憶してもよい。また、所定波長に対してのみ強い反射特性を示す測定対象の分光スペクトルを測定する場合では、その反射波長を固有波長として記録していてもよい。
また、固有波長として吸収波長を例示したがこれに限定されない。
例えば、所定波長の励起光を照射することで、蛍光波長を発する測定対象の分光スペクトルを測定する場合では、当該蛍光波長を固有波長として記憶してもよい。また、所定波長に対してのみ強い反射特性を示す測定対象の分光スペクトルを測定する場合では、その反射波長を固有波長として記録していてもよい。
特徴特定部２２４による特徴点の特定方法として、主成分分析により複数のスペクトル成分を抽出し、これらのスペクトル成分から、固有波長に対応したピーク波長を有するスペクトル成分を特定する例を示した。これに対して、例えば、分光スペクトルを２回微分して、変曲点を検出し、当該変曲点のうち、固有波長に対応する点を特徴点として特定してもよい。
上記実施形態において、分光測定部を構成する光学プローブ１０において、波長可変干渉フィルター５を用いた例を示したがこれに限定されない。光学プローブ１０に設けられる分光素子として、ＡＯＴＦやＬＣＴＦを用いてもよく、その他グレーティング等を用いてもよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等に適宜変更できる。
１…生体検査装置（分光分析装置）、５…波長可変干渉フィルター、１０…光学プローブ（分光測定部）、１１…光源部、１２…受光部、２０…制御装置、２１…記憶部、２２…演算処理部、５４…固定反射膜、５５…可動反射膜、５６…静電アクチュエーター、２２１…プローブ制御部（分光測定部）、２２２…スペクトル取得部（分光測定部）、２２３…主成分分析部、２２４…特徴特定部、２２５…補正関数算出部、２２６…波長補正部、２２７…解析部。
Claims (7)
- 測定対象の分光スペクトルを測定する分光測定部と、
既知の成分に対する固有波長を記憶する記憶部と、
前記分光スペクトルにおける前記固有波長に対応した特徴点を特定する特徴特定部と、
前記分光スペクトルにおける前記特徴点の波長を前記固有波長として補正する波長補正部と、
を備えたことを特徴とする分光分析装置。 - 請求項１に記載の分光分析装置において、
前記固有波長と、前記特徴点の波長との関係を近似する補正関数を算出する補正関数算出部を備え、
前記波長補正部は、前記分光スペクトルの各波長を前記補正関数に基づいて補正する
ことを特徴とする分光分析装置。 - 請求項１又は請求項２に記載の分光分析装置において、
前記分光測定部は、前記固有波長から所定の波長域内において第一波長間隔で前記測定対象からの光の光量を検出し、前記波長域外において前記第一波長間隔よりも長い第二波長間隔で前記測定対象からの光の光量を検出して前記分光スペクトルを測定する
ことを特徴とする分光分析装置。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分光分析装置において、
前記記憶部には、前記既知の成分に対して複数の前記固有波長が記憶され、
前記特徴特定部は、前記複数の固有波長の間隔に基づいて、前記特徴点を特定する
ことを特徴とする分光分析装置。 - 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分光分析装置において、
前記記憶部に記憶される前記固有波長は、スペクトルベクトルを含み、
前記特徴特定部は、前記分光スペクトルのスペクトルベクトルを算出するとともに、前記固有波長におけるスペクトルベクトルと同一のスペクトルベクトルを特定して前記特徴点を特定する
ことを特徴とする分光分析装置。 - 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の分光分析装置において、
前記測定対象に対して照射される照明光の照明スペクトルを取得する照明スペクトル取得部を有する
ことを特徴とする分光分析装置。 - 測定対象の分光スペクトルを測定する分光測定部と、既知の成分に対する固有波長を記憶する記憶部と、を有する分光分析装置の校正方法であって、
前記分光測定部により測定された前記分光スペクトルにおける前記固有波長に対応した特徴点を特定し、
前記分光スペクトルにおける前記特徴点の波長を前記固有波長として補正する
ことを特徴とする分光分析装置の校正方法。
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