JP2017015557A - Signal detection method, calibration curve generation method, quantitative method, signal detection device, and measurement device - Google Patents

Signal detection method, calibration curve generation method, quantitative method, signal detection device, and measurement device Download PDF

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Kyoko Shimizu
興子 清水
西田 和弘
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new technology for highly accurately detecting a signal related to a trace amount of target component contained in a measurement signal.SOLUTION: A signal detection method includes steps of: acquiring a measurement signal (M) including a first signal that is a signal of a target component and a second signal that is a signal of an interfering component by a measurement signal acquisition part 20; and taking an inner product value (M-I) of the measurement signal and a unit signal (I) of the first signal by a density measurement part 320.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、信号検出方法、検量線作成方法、定量方法、信号検出装置、および計測装置に関する。   The present invention relates to a signal detection method, a calibration curve creation method, a quantification method, a signal detection device, and a measurement device.

計測信号(生体からの信号)に含まれる所定成分の信号を分析する技術として、種々の技術が知られている。中でも代表的な技術の1つとして、独立成分分析(或いは独立成分解析とも呼ばれる)が知られている。   Various techniques are known as techniques for analyzing a predetermined component signal included in a measurement signal (signal from a living body). In particular, independent component analysis (also called independent component analysis) is known as one of representative techniques.

例えば、特許文献1には、計測信号(生体からの信号)である観測信号について独立成分分析を行い、算出された独立成分を基本関数として、観測信号を基本関数の線形和で表すことで、観測信号に含まれる目的成分の濃度などを解析する技術が開示されている。
また、特許文献2には、計測信号(生体からの信号)である観測データについて独立成分分析を行い、観測データに含まれる目的成分に対する混合係数を求め、元の観測データの目的成分の含有量と混合係数とから検量線を求める技術が開示されている。
For example, in Patent Document 1, independent component analysis is performed on an observation signal that is a measurement signal (signal from a living body), and the calculated independent component is used as a basic function, and the observation signal is expressed as a linear sum of basic functions. A technique for analyzing the concentration of a target component contained in an observation signal is disclosed.
In Patent Document 2, independent component analysis is performed on observation data which is a measurement signal (signal from a living body), a mixing coefficient for a target component included in the observation data is obtained, and the content of the target component in the original observation data is obtained. And a technique for obtaining a calibration curve from the mixing coefficient.

特開2007−44104号公報JP 2007-44104 A 特開2013−36973号公報JP 2013-36973 A

理想的には、独立成分に係る信号は、唯一固有の成分の信号であるため、他成分の影響が無く、他成分に対して“独立”である。しかしながら、現実には、独立成分分析によって混合成分から抽出された独立成分1つ1つは、完全に“独立”とは言えない場合があった。そうした場合には、例えば、計測対象物に含まれる0.01%以下といった1%以下の僅かな微量成分の濃度を検出すべく、計測対象物を対象に独立成分分析を行っても、微量成分の濃度を精度よく検出することは困難であった。   Ideally, a signal related to an independent component is a signal of a unique component, and thus is not influenced by other components and is “independent” with respect to other components. However, in reality, each independent component extracted from the mixed component by the independent component analysis may not be completely “independent”. In such a case, for example, even if an independent component analysis is performed on the measurement target to detect the concentration of a slight trace component of 1% or less such as 0.01% or less contained in the measurement target, It was difficult to accurately detect the concentration of.

本発明は、上述した事情に鑑みて考案されたものであり、その目的とするところは、計測信号(例えば、生体からの信号等)に含まれる微量成分に係る信号を高精度に検出可能とする新たな技術を提案することである。   The present invention has been devised in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to detect a signal related to a trace component contained in a measurement signal (for example, a signal from a living body) with high accuracy. It is to propose a new technology.

[適用例1]本適用例に係る信号検出方法は、第1信号と、前記第1信号とは異なる第2信号と、を含む計測信号(M)を取得する工程と、前記計測信号と前記第1信号の単位信号(I)との内積値(M・I)を取る工程と、を含むことを特徴とする。   Application Example 1 A signal detection method according to this application example includes a step of obtaining a measurement signal (M) including a first signal and a second signal different from the first signal, the measurement signal, And taking the inner product value (M · I) of the first signal with the unit signal (I).

本適用例の信号検出方法によれば、第1信号と第2信号とを含む計測信号(M)を取得し、計測信号(M)と第1信号の単位信号(I)との内積値(M・I)を取るので、計測信号に含まれる第1信号の大きさ(スカラー量)を精度良く求めることができる。   According to the signal detection method of this application example, the measurement signal (M) including the first signal and the second signal is acquired, and the inner product value (I) of the measurement signal (M) and the unit signal (I) of the first signal is obtained. M · I), the magnitude (scalar amount) of the first signal included in the measurement signal can be obtained with high accuracy.

[適用例2]上記適用例に係る信号検出方法であって、前記第1信号の単位信号は、直交演算により、前記第2信号に直交化されていることが好ましい。   Application Example 2 In the signal detection method according to the application example described above, it is preferable that the unit signal of the first signal is orthogonalized to the second signal by orthogonal calculation.

本願発明者が鋭意研究したところによると、第1信号を表すベクトルは第2信号を表すベクトルに直交し、第1信号と第2信号とは直交ベクトル空間を構成すると考えても構わないことが判明した。本適用例の信号検出方法によれば、第1信号の単位信号(I)は、直交演算により第2信号に直交化されているので、第2信号に係る成分をほとんど含まない。この第1信号の単位信号(I)と計測信号(M)との内積値(M・I)を取るので、第1信号と第2信号とを含む計測信号から第2信号を除去して第1信号の大きさを精度良く求めることができる。   According to the earnest study by the inventors of the present application, the vector representing the first signal is orthogonal to the vector representing the second signal, and the first signal and the second signal may constitute an orthogonal vector space. found. According to the signal detection method of this application example, since the unit signal (I) of the first signal is orthogonalized to the second signal by the orthogonal calculation, the component related to the second signal is hardly included. Since the inner product value (M · I) of the unit signal (I) of the first signal and the measurement signal (M) is taken, the second signal is removed from the measurement signal including the first signal and the second signal. The magnitude of one signal can be obtained with high accuracy.

[適用例3]上記適用例に係る信号検出方法であって、前記直交演算には、前記第2信号に係る成分を含み前記第1信号に係る成分を含まない試料を計測した第2試料信号(Q)を多変量解析処理して得られる第2特徴信号(Pk)を用いることを含むことが好ましい。 Application Example 3 In the signal detection method according to the application example described above, a second sample signal obtained by measuring a sample that includes the component related to the second signal and does not include the component related to the first signal in the orthogonal calculation. It is preferable to include using the second feature signal (P k ) obtained by performing multivariate analysis processing on (Q).

本適用例の信号検出方法によれば、第2信号に係る成分を含み第1信号に係る成分を含まない試料を計測した第2試料信号(Q)を多変量解析処理することで、第2信号に係る成分の特徴量である第2特徴信号(Pk:第2試料特徴信号)を抽出する。そして、得られた第2特徴信号を用いて直交演算を行うので、第1信号に係る成分と第2信号に係る成分とを含む試料を計測した計測信号から第2信号を効果的に除去することができる。 According to the signal detection method of this application example, the second sample signal (Q) obtained by measuring the sample that includes the component related to the second signal and does not include the component related to the first signal is subjected to the multivariate analysis process. A second feature signal (P k : second sample feature signal) that is a feature amount of a component related to the signal is extracted. Since the orthogonal calculation is performed using the obtained second feature signal, the second signal is effectively removed from the measurement signal obtained by measuring the sample including the component related to the first signal and the component related to the second signal. be able to.

[適用例4]上記適用例に係る信号検出方法であって、前記直交演算は、前記第2特徴信号によって張られる空間に直交する空間(E−P・P+)に、前記第1信号に係る物理量が既知である基準試料から得られる前記計測信号(Rg)を射影させる射影演算を含んでいてもよい。第1信号の単位信号(I)はこの射影演算の結果として得られる信号(Sg)の単位信号であってもよい。即ち、数式(1)にて第1信号の単位信号(I)を得てもよい。

Figure 2017015557
Application Example 4 In the signal detection method according to the application example, the orthogonal calculation is performed on the first signal in a space (E−P · P + ) orthogonal to the space spanned by the second feature signal. A projection operation for projecting the measurement signal (R g ) obtained from a reference sample whose physical quantity is known may be included. The unit signal (I) of the first signal may be a unit signal of the signal (S g ) obtained as a result of this projection calculation. In other words, the unit signal (I) of the first signal may be obtained by Expression (1).
Figure 2017015557

本適用例の信号検出方法によれば、第2特徴信号(Pk:第2試料特徴信号)によって張られる空間に直交する空間(E−P・P+)に、第1信号に係る物理量が既知である基準試料から得られる計測信号(Rg)を射影する射影演算を行う。これにより、第1信号と第2信号とを含む計測信号から第2信号を除去して、基準試料が有する第1信号(Sg)を高精度に検出することができる。この基準試料が有する第1信号(Sg)から第1信号の単位信号(I)を作るので、計測信号に含まれる第1信号の大きさ(スカラー量)が未知の試料に対して、その第1信号の大きさを精度良く求めることができる。 According to the signal detection method of this application example, the physical quantity related to the first signal is present in the space (E · P · P + ) orthogonal to the space spanned by the second feature signal (P k : second sample feature signal). Projection calculation is performed to project a measurement signal (R g ) obtained from a known reference sample. Thereby, the second signal can be removed from the measurement signal including the first signal and the second signal, and the first signal (S g ) of the reference sample can be detected with high accuracy. Since the unit signal (I) of the first signal is generated from the first signal (S g ) of the reference sample, the first signal included in the measurement signal (scalar amount) is measured with respect to a sample whose size is unknown. The magnitude of the first signal can be obtained with high accuracy.

[適用例5]上記適用例に係る信号検出方法であって、前記直交演算は、前記第1信号に係る物理量が既知である基準試料から得られる前記計測信号(Rg)に対して、前記第2特徴信号(Pk)を用いたグラム・シュミットの直交化法を適応してもよい。第1信号の単位信号(I)はこの直交化法の結果として得られる信号(Sg)の単位信号であってもよい。即ち、数式(2)にて第1信号の単位信号(I)を得てもよい。なお、数式(2)にて中間ベクトル(Wk)は第2特徴信号(Pk)を用いて形成される。

Figure 2017015557
Application Example 5 In the signal detection method according to the application example described above, the orthogonal calculation is performed on the measurement signal (R g ) obtained from a reference sample whose physical quantity related to the first signal is known. The Gram-Schmidt orthogonalization method using the second feature signal (P k ) may be applied. The unit signal (I) of the first signal may be a unit signal of the signal (S g ) obtained as a result of this orthogonalization method. In other words, the unit signal (I) of the first signal may be obtained by Expression (2). In Equation (2), the intermediate vector (W k ) is formed using the second feature signal (P k ).
Figure 2017015557

本適用例の信号検出方法によれば、第1信号に係る物理量が既知である基準試料から得られる計測信号(Rg)に対して、第2特徴信号(Pk:第2試料特徴信号)を用いたグラム・シュミットの直交化法を適応する。これにより、第1信号と第2信号とを含む計測信号から第2信号を除去して、基準試料が有する第1信号(Sg)を高精度に検出することができる。この基準試料が有する第1信号(Sg)から第1信号の単位信号(I)を作るので、計測信号に含まれる第1信号の大きさ(スカラー量)が未知の試料に対して、その第1信号の大きさを精度良く求めることができる。 According to the signal detection method of this application example, the second feature signal (P k : second sample feature signal) is compared with the measurement signal (R g ) obtained from the reference sample whose physical quantity related to the first signal is known. Apply the Gram-Schmidt orthogonalization method using. Thereby, the second signal can be removed from the measurement signal including the first signal and the second signal, and the first signal (S g ) of the reference sample can be detected with high accuracy. Since the unit signal (I) of the first signal is generated from the first signal (S g ) of the reference sample, the first signal included in the measurement signal (scalar amount) is measured with respect to a sample whose size is unknown. The magnitude of the first signal can be obtained with high accuracy.

[適用例6]上記適用例に係る信号検出方法であって、前記第1信号が前記計測信号に占める割合は、1%以下であってもよい。   Application Example 6 In the signal detection method according to the application example described above, the ratio of the first signal to the measurement signal may be 1% or less.

本適用例の信号検出方法によれば、第1信号に係る成分が微量であって、第1信号が1%以下の割合で計測信号に含まれている場合でも、計測信号において微量成分の第1信号を高精度に検出することができる。   According to the signal detection method of this application example, even when the component related to the first signal is a minute amount and the first signal is included in the measurement signal at a ratio of 1% or less, the first component of the minor component in the measurement signal is detected. One signal can be detected with high accuracy.

[適用例7]本適用例に係る検量線作成方法は、第1信号に係る成分と、前記第1信号とは異なる第2信号に係る成分と、を含み、前記第1信号に係る物理量が既知である基準試料から得られる計測信号(Rg)と、前記第1信号の単位信号と、の内積値を計算し、前記第1信号に係る物理量と前記内積値との関係を示す検量線を作成することを特徴とする。 Application Example 7 A calibration curve creation method according to this application example includes a component related to a first signal and a component related to a second signal different from the first signal, and the physical quantity related to the first signal is A calibration curve for calculating the inner product value of the measurement signal (R g ) obtained from a known reference sample and the unit signal of the first signal, and indicating the relationship between the physical quantity related to the first signal and the inner product value It is characterized by creating.

本適用例の検量線作成方法によれば、内積値は計測信号(Rg)から第1信号を高精度に検出しており、これを用いて検量線を作成するので、第1信号に係る成分の物理量と内積値との相関関係が強い検量線を作成することができる。 According to the calibration curve creation method of this application example, the inner product value detects the first signal with high accuracy from the measurement signal (R g ), and uses this to create the calibration curve. A calibration curve having a strong correlation between the physical quantity of the component and the inner product value can be created.

[適用例8]本適用例に係る定量方法は、上記適用例の信号検出方法によって得られた前記内積値を参照して物理量を定量化する工程を含むことを特徴とする。   Application Example 8 A quantification method according to this application example includes a step of quantifying a physical quantity with reference to the inner product value obtained by the signal detection method of the application example.

本適用例の定量方法によれば、内積値は計測信号から第1信号を高精度に検出しており、これを用いて物理量を定量化するので、第1信号に係る成分と第2信号に係る成分とを含む試料における第1信号に係る成分の物理量(例えば、濃度)を精度良く定量化することができる。   According to the quantification method of this application example, the inner product value detects the first signal from the measurement signal with high accuracy, and uses this to quantify the physical quantity. The physical quantity (for example, concentration) of the component related to the first signal in the sample including the component can be accurately quantified.

[適用例9]上記適用例に係る定量方法であって、前記定量化する工程では、前記内積値と上記適用例に記載の検量線作成方法にて得られた前記検量線とを参照することが好ましい。   [Application Example 9] A quantification method according to the application example, wherein, in the quantifying step, refer to the inner product value and the calibration curve obtained by the calibration curve creation method described in the application example. Is preferred.

本適用例の定量方法によれば、計測信号と第1信号の単位信号との内積値と、第1信号に係る物理量と内積値との関係を示す検量線とを参照するので、第1信号に係る成分と第2信号に係る成分とを含む試料における第1信号に係る成分の物理量をより精度良く定量化することができる。   According to the quantification method of this application example, the first signal is obtained by referring to the inner product value of the measurement signal and the unit signal of the first signal and the calibration curve indicating the relationship between the physical quantity and the inner product value related to the first signal. The physical quantity of the component related to the first signal in the sample including the component related to and the component related to the second signal can be quantified with higher accuracy.

[適用例10]上記適用例に係る定量方法であって、前記物理量は血液中のグルコース濃度であってもよい。   Application Example 10 In the determination method according to the application example, the physical quantity may be a glucose concentration in blood.

本適用例の定量方法によれば、血液中に高割合で含まれる水(第2信号に係る成分)に対して微量に含まれるグルコース(第1信号に係る成分)の物理量を高精度に定量化することができる。   According to the quantification method of this application example, the physical quantity of glucose (component related to the first signal) contained in a minute amount with respect to water (component related to the second signal) contained in blood at a high rate is quantified with high accuracy. Can be

[適用例11]本適用例に係る信号検出装置は、第1信号に係る成分と、前記第1信号とは異なる第2信号に係る成分と、を含む計測対象物を計測した計測信号を取得する取得部と、前記第1信号の単位信号を記憶する記憶部と、前記計測信号と前記第1信号の単位信号との内積値を取る演算処理部と、を備えたことを特徴とする。   Application Example 11 The signal detection apparatus according to this application example obtains a measurement signal obtained by measuring a measurement object including a component related to the first signal and a component related to the second signal different from the first signal. And a storage unit that stores the unit signal of the first signal, and an arithmetic processing unit that takes an inner product value of the measurement signal and the unit signal of the first signal.

本適用例の構成によれば、取得部で第1信号と第2信号とを含む計測信号を取得し、演算処理部で、計測信号と記憶部に記憶された第1信号の単位信号との内積値を取るので、計測信号に含まれる第1信号の大きさ(スカラー量)を精度良く求めることができる。   According to the configuration of this application example, the acquisition unit acquires a measurement signal including the first signal and the second signal, and the arithmetic processing unit acquires the measurement signal and the unit signal of the first signal stored in the storage unit. Since the inner product value is taken, the magnitude (scalar amount) of the first signal included in the measurement signal can be obtained with high accuracy.

[適用例12]本適用例に係る計測装置は、第1信号に係る成分と、前記第1信号とは異なる第2信号に係る成分と、を含む計測対象物を計測した計測信号を取得する取得部と、前記第1信号の単位信号を記憶する記憶部と、前記計測信号と前記第1信号の単位信号との内積値を取り、前記内積値を用いて物理量を定量化する演算処理部と、を備えたことを特徴とする。   Application Example 12 A measurement apparatus according to this application example acquires a measurement signal obtained by measuring a measurement object including a component related to a first signal and a component related to a second signal different from the first signal. An acquisition unit, a storage unit that stores a unit signal of the first signal, an arithmetic processing unit that takes an inner product value of the measurement signal and the unit signal of the first signal, and quantifies a physical quantity using the inner product value And.

本適用例の構成によれば、取得部で第1信号と第2信号とを含む計測信号を取得し、演算処理部で、計測信号と記憶部に記憶された第1信号の単位信号との内積値を取り、その内積値を用いて物理量を定量化するので、第1信号に係る成分と第2信号に係る成分とを含む試料における第1信号に係る成分の物理量を精度良く計測することができる。   According to the configuration of this application example, the acquisition unit acquires a measurement signal including the first signal and the second signal, and the arithmetic processing unit acquires the measurement signal and the unit signal of the first signal stored in the storage unit. Since the inner product value is taken and the physical quantity is quantified using the inner product value, the physical quantity of the component related to the first signal in the sample including the component related to the first signal and the component related to the second signal can be accurately measured. Can do.

本実施形態の概念を説明する図。The figure explaining the concept of this embodiment. 本実施形態に係る信号検出装置の構成を説明するブロック図。The block diagram explaining the structure of the signal detection apparatus which concerns on this embodiment. 第1実施形態に係る妨害成分特徴量抽出処理の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of the disturbance component feature-value extraction process which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る妨害成分特徴量抽出処理で得られたデータを示す図。The figure which shows the data obtained by the disturbance component feature-value extraction process which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る検量線作成処理の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of the calibration curve creation process which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る検量線作成処理で得られたデータを示す図。The figure which shows the data obtained by the calibration curve preparation process which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る検量線作成処理で作成された検量線の一例を示す図。The figure which shows an example of the calibration curve created by the calibration curve creation process which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る射影演算により得られる直交化基準ベクトルを説明する図。The figure explaining the orthogonalization reference vector obtained by the projection calculation which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る濃度測定処理の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of the density | concentration measurement process which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係る検量線作成処理で得られたデータを示す図。The figure which shows the data obtained by the calibration curve preparation process which concerns on 2nd Embodiment. 変形例1に係る計測装置の構成を説明するブロック図。The block diagram explaining the structure of the measuring device which concerns on the modification 1. FIG. 独立成分分析を行った場合の比較データを示す図。The figure which shows the comparison data at the time of performing an independent component analysis.

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。まず、本実施形態の原理について説明し、次いで本実施形態の具体例として幾つかの実施形態を説明する。   DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. First, the principle of this embodiment will be described, and then several embodiments will be described as specific examples of this embodiment.

〔原理〕
本発明では、計測対象の物理量は、様々な物理量の線形和で表されるベクトルと考える。すなわち、計測対象物を計測した計測信号(例えば、生体からの信号)には2つ以上の物理量成分が含まれ、各物理量成分の信号の線形和によって当該計測信号が表現されると考える。さらに、本発明では、計測信号は第1信号である目的信号と第2信号である妨害信号との線形和にて表現され、第1信号は第2信号に対して直交していると考える。
〔principle〕
In the present invention, the physical quantity to be measured is considered as a vector represented by a linear sum of various physical quantities. That is, it is considered that a measurement signal (for example, a signal from a living body) obtained by measuring a measurement object includes two or more physical quantity components, and the measurement signal is expressed by a linear sum of signals of the respective physical quantity components. Further, in the present invention, the measurement signal is expressed as a linear sum of the target signal that is the first signal and the interference signal that is the second signal, and the first signal is considered to be orthogonal to the second signal.

本願発明者が鋭意研究したところによると、本来、第1信号と第2信号とは独立であるはずであるから、計測信号を第2信号に対して直交化させた信号は第1信号になると考えるのが妥当である。従って、計測信号を第2信号に対して直交化させれば、精度良く第1信号に相当する信号を取り出せるはずである。   According to the earnest study by the inventor of the present application, the first signal and the second signal should be independent from each other. Therefore, when the signal obtained by orthogonalizing the measurement signal to the second signal is the first signal. It is reasonable to think. Therefore, if the measurement signal is orthogonalized with respect to the second signal, a signal corresponding to the first signal should be extracted with high accuracy.

本願の計測対象には、電気信号や音声信号、電磁波信号等が考えられ、これらの信号に含まれる特定の信号成分を計測する場合や、気体や液体等の物質を計測対象物として、これらの計測対象物に含まれる特定成分の濃度や質量を計測する場合に本発明が適応され得る。以下の実施形態では、計測対象となる物理量成分の一例として濃度を用いて本発明を説明しているが、以下の実施形態において、物理量成分とは、濃度に限らず変動パラメーター全般(濃度・温度・気圧など)であっても構わない。   The measurement object of the present application may be an electric signal, an audio signal, an electromagnetic wave signal, and the like. When measuring a specific signal component included in these signals, a substance such as a gas or a liquid is used as a measurement object. The present invention can be applied when measuring the concentration and mass of a specific component contained in a measurement object. In the following embodiments, the present invention is described using the concentration as an example of the physical quantity component to be measured. However, in the following embodiment, the physical quantity component is not limited to the concentration, but includes all fluctuation parameters (concentration / temperature).・ Atmospheric pressure etc.).

また、本発明では、各物理量成分の信号の線形和によって計測信号が表されると考えるため、各物理量成分の信号をベクトルで表せば、目的の物理量成分を表すベクトル(第1信号を表すベクトル)に対して妨害物の物理量成分を表すベクトル(第2信号を表すベクトル)が直交したベクトル空間を定義することができ、計測信号ベクトルは、このベクトル空間上に定義することができる。なお、ベクトル空間の次元数は、計測信号に含まれる独立した物理量成分の数となる。   Further, in the present invention, since the measurement signal is considered to be represented by the linear sum of the signals of the respective physical quantity components, if the signal of each physical quantity component is represented by a vector, a vector representing the target physical quantity component (a vector representing the first signal) The vector space in which the vector representing the physical quantity component of the obstruction (vector representing the second signal) is orthogonal can be defined, and the measurement signal vector can be defined on this vector space. Note that the number of dimensions of the vector space is the number of independent physical quantity components included in the measurement signal.

図1は、本発明の概念を説明する図である。図1には、簡略化されたベクトル空間と計測信号を表すベクトル(計測ベクトルMと称する)等が描かれている。図1の例では、計測対象から得られる計測ベクトルMが、1つの微量成分で目的信号である第1信号と、2つの高割合成分で妨害信号である第2信号との線形和として表現されている。第1信号とは、計測信号に含まれる目的物理量を表す信号であり、図1の例では第1ベクトルM0にて表されている。一方、第2信号とは、計測信号の妨害信号を表す信号であり、図1の例では、第1妨害ベクトルμ11と第2妨害ベクトルμ22とのベクトル和で表されている。 FIG. 1 is a diagram for explaining the concept of the present invention. FIG. 1 shows a simplified vector space, a vector representing a measurement signal (referred to as a measurement vector M), and the like. In the example of FIG. 1, a measurement vector M obtained from a measurement target is expressed as a linear sum of a first signal that is a target signal with one minute component and a second signal that is an interference signal with two high-ratio components. ing. The first signal is a signal representing a target physical quantity included in the measurement signal, and is represented by a first vector M 0 in the example of FIG. On the other hand, the second signal is a signal representing the interference signal of the measurement signal, and is represented by a vector sum of the first interference vector μ 1 P 1 and the second interference vector μ 2 P 2 in the example of FIG. Yes.

第1信号(第1ベクトルM0)は、第2信号(第1妨害ベクトルμ11と第2妨害ベクトルμ22とのベクトル和)に対して直交化されている。このように、本発明では、計測信号を表す計測ベクトルMは、目的物理量を表す第1信号(第1ベクトルM0)と、妨害物理量を表す第2信号(第1妨害ベクトルμ11や第2妨害ベクトルμ22等の妨害ベクトル全体のベクトル和)との線形和にて表現され、第1信号と第2信号とは直交していると考える。 The first signal (first vector M 0 ) is orthogonalized with respect to the second signal (vector sum of the first disturbance vector μ 1 P 1 and the second disturbance vector μ 2 P 2 ). As described above, in the present invention, the measurement vector M representing the measurement signal includes the first signal (first vector M 0 ) representing the target physical quantity and the second signal (first disturbance vector μ 1 P 1 or The first signal and the second signal are considered to be orthogonal to each other, expressed as a linear sum of the total interference vector such as the second interference vector μ 2 P 2 .

図1では、計測信号に含まれる独立成分が3つの場合を例示しているため、計測ベクトルMが定義されるベクトル空間は、3次元空間として表される。具体的に図1の例では、第1高割合成分で第1妨害成分を表す第1妨害ベクトルμ11と、第2高割合成分で第2妨害成分を表す第2妨害ベクトルμ22と、微量成分で目的成分を表す第1ベクトルM0との線形和が、計測ベクトルMを表す。 In FIG. 1, since the case where there are three independent components included in the measurement signal is illustrated, the vector space in which the measurement vector M is defined is represented as a three-dimensional space. Specifically, in the example of FIG. 1, the first disturbance vector μ 1 P 1 representing the first disturbance component with the first high ratio component and the second disturbance vector μ 2 P representing the second disturbance component with the second high ratio component. A linear sum of 2 and the first vector M 0 representing the target component as a trace component represents the measurement vector M.

なお、図1の例では、第1妨害ベクトルμ11と第2妨害ベクトルμ22とが直交して描かれているが、個々の妨害ベクトル同士が互いに直交している必要はない。第2信号である妨害ベクトル全体(図1の例では、第1妨害ベクトルμ11と第2妨害ベクトルμ22とのベクトル和)に対して第1信号(第1ベクトルM0)を直交化させていればよい。 In the example of FIG. 1, the first disturbance vector μ 1 P 1 and the second disturbance vector μ 2 P 2 are drawn orthogonally, but it is not necessary that the individual interference vectors are orthogonal to each other. . The first signal (first vector M 0 ) with respect to the entire disturbance vector as the second signal (in the example of FIG. 1, the vector sum of the first disturbance vector μ 1 P 1 and the second disturbance vector μ 2 P 2 ). Need only be orthogonalized.

例えば、第1妨害ベクトルμ11と第2妨害ベクトルμ22とが斜交座標系をなしていても、妨害ベクトル全体が張る空間(図1の例では、第1妨害ベクトルμ11と第2妨害ベクトルμ22とで定まる平面)に対して、第1信号(第1ベクトルM0)が直交化されてしていればよい。本発明では、このように妨害ベクトル全体が張る空間に直交したベクトルを第1ベクトルM0と考える。 For example, even if the first disturbance vector μ 1 P 1 and the second disturbance vector μ 2 P 2 form an oblique coordinate system, the space in which the entire disturbance vector extends (in the example of FIG. 1, the first disturbance vector μ 1 It is only necessary that the first signal (first vector M 0 ) is orthogonalized with respect to a plane determined by P 1 and the second disturbance vector μ 2 P 2 . In the present invention, a vector orthogonal to the space spanned by the entire disturbance vector is considered as the first vector M 0 .

以下の実施形態では、微量成分を「目的成分」とし、計測信号(生体からの信号)の中から微量成分に係る信号を正確に検出することを目的としている。したがって、計測信号(生体からの信号)を表す計測ベクトルMのうち、微量成分の第1ベクトルM0を検出することが目的となる。これに対して、高割合成分は、計測信号(生体からの信号)の中から微量成分に係る信号を検出することを阻害する成分といえるため、「妨害成分」と呼ぶ。 In the following embodiments, a trace component is set as a “target component”, and an object is to accurately detect a signal related to the trace component from a measurement signal (signal from a living body). Accordingly, it is an object to detect the first vector M 0 of the trace component in the measurement vector M representing the measurement signal (signal from the living body). On the other hand, the high proportion component is called a “interference component” because it can be said to be a component that inhibits detection of a signal related to a trace component from a measurement signal (signal from a living body).

ところで、各成分がどのくらい含有されているかを分析する信号処理の手法として、独立成分分析が知られている。独立成分分析を用いて計測対象物に含まれる特定成分の量(割合或いは濃度でもよい)を測定しようとする場合、問題が生じる場合がある。具体的には、計測対象物に占める特定成分の割合が、他成分の割合に比べて極端に小さい微量成分の場合は、独立成分分析では、その微量成分の含有量(割合或いは濃度でもよい)を正確に判定することが困難であるという問題である。   By the way, independent component analysis is known as a signal processing technique for analyzing how much each component is contained. Problems may arise when trying to measure the amount (which may be a ratio or concentration) of a specific component contained in a measurement object using independent component analysis. Specifically, when the proportion of the specific component in the measurement object is extremely small compared to the proportion of the other components, the content of the trace component (may be the proportion or concentration) in the independent component analysis. It is a problem that it is difficult to determine accurately.

独立成分分析は、確率変数を用いた統計的手法により、含有成分の数およびその量を推定する技術である。そのため、計測信号(生体からの信号)に占める1つの独立成分の割合が1%以下であるような微量成分であった場合には、その微量成分を正確に計測することが困難となる場合がある。   Independent component analysis is a technique for estimating the number of contained components and the amount thereof by a statistical method using random variables. Therefore, in the case where the amount of one independent component in the measurement signal (signal from the living body) is a minute component such that it is 1% or less, it may be difficult to accurately measure the minute component. is there.

図1は本発明の原理を説明する図であるが、図1を参照して、本願発明者が見出した独立成分分析による定量化の課題を説明する。2つの高割合成分に対し1つの微量成分が完全に独立している場合には、第1妨害ベクトルμ11と第2妨害ベクトルμ22とのベクトル和に対して、微量成分の第1ベクトルM0は直交する。すなわち、各目的成分量を、その大小に関わらず正確に計測できる。 FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention. With reference to FIG. 1, the problem of quantification by independent component analysis found by the present inventor will be described. In the case where one trace component is completely independent of two high-ratio components, the trace component of the vector sum of the first disturbance vector μ 1 P 1 and the second disturbance vector μ 2 P 2 The first vector M 0 is orthogonal. That is, each target component amount can be accurately measured regardless of its size.

しかし、現実の独立成分分析では、妨害成分(2つの高割合成分)に対して1つの微量の目的成分を完全に独立と分離することができず、通常は、目的成分が僅かに妨害成分の誤差を含む状態を独立とみなしていることを本願発明者は見出した。これは、独立成分分析が、確率変数を用いた統計的手法による分析だからである。   However, in the actual independent component analysis, it is not possible to completely separate one minute target component from the disturbing component (two high proportion components). The inventor of the present application has found that a state including an error is regarded as independent. This is because the independent component analysis is performed by a statistical method using random variables.

独立成分分析で、妨害成分に対して目的成分を厳密に独立と分離できていないことは、目的成分である第1信号と妨害成分である第2信号との直交度に表れて来ると考えて差し支えない。例えば、図1の例を用いて独立成分分析で直接得られる信号を説明すると、第1妨害ベクトルμ11と第2妨害ベクトルμ22とで定まる平面の法線に対して、独立成分分析で直接得られる目的信号は法線からずれて傾いていることを意味する。 In the independent component analysis, the fact that the target component is not strictly separated from the interfering component is considered to appear in the orthogonality between the first signal as the target component and the second signal as the interfering component. There is no problem. For example, a signal obtained directly by independent component analysis using the example of FIG. 1 will be described. Independent of the normal of the plane determined by the first disturbance vector μ 1 P 1 and the second disturbance vector μ 2 P 2. This means that the target signal obtained directly by component analysis is tilted away from the normal.

目的信号の直交度のずれ(目的信号の妨害成分の法線に対する傾き)が、たとえ1/100程度の僅かな誤差であったとしても、目的成分は微量であるために、妨害成分の影響を無視し得なくなる。目的成分である第1信号が妨害成分である第2信号に対して完全に直交していれば、目的成分量はその大小に関わらず厳密に計測可能である。   Even if the deviation of the orthogonality of the target signal (the inclination of the target signal with respect to the normal of the disturbing component) is a slight error of about 1/100, the target component is insignificant. It cannot be ignored. If the first signal that is the target component is completely orthogonal to the second signal that is the interference component, the amount of the target component can be strictly measured regardless of the magnitude.

しかしながら、独立成分分析で直接得られる目的信号は妨害成分に対して完全に直交していないために、僅かに含んだ高割合成分の大きさ(量)が微量成分の大きさ(量)に影響を与えることになる。これに対して、本発明は、計測信号のうち妨害成分に直交している成分を第1信号と考えるので、おのずから妨害成分の影響を従来よりも著しく小さく出来るのである。   However, since the target signal obtained directly by independent component analysis is not completely orthogonal to the interfering component, the size (amount) of the high percentage component slightly contained affects the size (amount) of the minor component. Will give. In contrast, according to the present invention, since the component orthogonal to the disturbing component in the measurement signal is considered as the first signal, the influence of the disturbing component can be significantly reduced as compared with the prior art.

結局、独立成分分析による定量化では、抽出された高割合成分の含有量に若干の誤差があっただけでも、その誤差分が微量成分の含有量に効いてくるため、微量成分にとっては大きな変化となるのである。したがって、微量成分の量(割合或いは濃度でもよい)の判断手法として、独立成分分析単独での定量化は微小量の検出には不適であると言える。   After all, in quantification by independent component analysis, even if there is a slight error in the content of the extracted high proportion component, the error will affect the content of the trace component, so there is a big change for the trace component It becomes. Therefore, it can be said that quantification by independent component analysis alone is unsuitable for detection of minute amounts as a method for determining the amount (or ratio or concentration) of the minor components.

なお、高割合成分とは、独立成分分析によって、その成分量(割合或いは濃度でもよい)を高精度に判断できる成分のことであり、計測信号に占める割合が、例えば3%以上の成分である。   The high proportion component is a component whose component amount (which may be a proportion or concentration) can be determined with high accuracy by independent component analysis, and a proportion of the measurement signal is, for example, 3% or more. .

以上の問題点を解決するため、本実施形態では、信号処理の一手法である直交化(本実施形態では「直交演算」ともいう)を用いて、微量成分である目的成分の信号を検出する。具体的には、高割合成分である妨害成分の第2信号を表すベクトル(第1妨害ベクトルμ11と第2妨害ベクトルμ22とのベクトル和)に対して計測ベクトルMを直交させることで、微量成分である目的成分の第1信号(第1ベクトルM0)を検出する。 In order to solve the above problems, in this embodiment, a signal of a target component which is a trace component is detected by using orthogonalization (also referred to as “orthogonal calculation” in this embodiment) which is one method of signal processing. . Specifically, the measurement vector M is orthogonal to the vector (vector sum of the first disturbance vector μ 1 P 1 and the second disturbance vector μ 2 P 2 ) representing the second signal of the disturbance component which is a high proportion component. By doing so, the first signal (first vector M 0 ) of the target component which is a trace component is detected.

ここで、妨害成分の第2信号は、計測信号(生体からの信号)に十分に含まれている高割合成分の信号であるため、独立成分分析が有効に働く。そこで、計測対象物のうちの妨害成分を含み目的成分を含まない試料を用意し、この試料の計測信号を独立成分分析で分析することで、試料に含まれる妨害成分の独立成分である妨害成分特徴量(図1の第1妨害単位ベクトルP1や第2妨害単位ベクトルP2等)を求めることができる。 Here, since the second signal of the disturbing component is a high proportion component signal sufficiently included in the measurement signal (signal from the living body), the independent component analysis works effectively. Therefore, by preparing a sample that contains the interference component of the measurement target and does not include the target component, and analyzing the measurement signal of this sample by independent component analysis, the interference component that is an independent component of the interference component contained in the sample A feature amount (the first disturbance unit vector P 1 and the second disturbance unit vector P 2 in FIG. 1) can be obtained.

〔信号検出装置〕
次に、本発明を適用した信号検出装置の構成例を説明する。図2は、本実施形態に係る信号検出装置の構成を説明するブロック図である。本実施形態に係る信号検出装置1は、信号検出装置、検量線作成装置、および計測装置の機能を内包しているため、検量線作成装置或いは計測装置ということもできる。また、信号検出装置1は、吸光度計測装置6と別体に構成することとして説明するが、信号検出装置1が吸光度計測装置6を具備する構成としてもよい。
[Signal detection device]
Next, a configuration example of a signal detection apparatus to which the present invention is applied will be described. FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the signal detection apparatus according to the present embodiment. Since the signal detection device 1 according to the present embodiment includes the functions of the signal detection device, the calibration curve creation device, and the measurement device, it can also be referred to as a calibration curve creation device or a measurement device. Although the signal detection device 1 is described as being configured separately from the absorbance measurement device 6, the signal detection device 1 may be configured to include the absorbance measurement device 6.

信号検出装置1は、処理部10と、記憶部50と、操作部70と、表示部80と、通信部90とを備えた一種のコンピューターシステムである。処理部10は、例えば、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphic Processor Unit)等のマイクロプロセッサーや、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)、IC(Integrated Circuit)メモリーなどの電子部品によって実現される。そして、処理部10は、各機能部との間でデータの入出力制御を行い、所定のプログラムやデータ、操作部70からの操作入力信号、吸光度計測装置6の計測結果等に基づいて各種の演算処理を実行して、計測対象物に含まれる目的成分の濃度を算出する。   The signal detection device 1 is a kind of computer system including a processing unit 10, a storage unit 50, an operation unit 70, a display unit 80, and a communication unit 90. The processing unit 10 is, for example, a microprocessor such as a CPU (Central Processing Unit) or a GPU (Graphic Processor Unit), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), an IC (Integrated Circuit) memory, or the like. Realized by electronic components. Then, the processing unit 10 performs data input / output control with each functional unit, and performs various types of operations based on a predetermined program and data, an operation input signal from the operation unit 70, a measurement result of the absorbance measuring device 6, and the like. An arithmetic process is executed to calculate the concentration of the target component contained in the measurement object.

処理部10は、取得部としての計測信号取得部20と、演算処理部30とを有する。計測信号取得部20は、吸光度計測装置6との間で所定通信を行うことで吸光度計測装置6を制御し、吸光度計測装置6で計測された結果を計測信号として取得する。計測信号はアナログ信号であってもよいが、その場合は計測信号取得部20によってデジタル信号である計測信号データに変換されるものとする。吸光度計測装置6は、計測対象物に対して、波長の異なる様々な光を入射し、計測対象物を透過した透過光を受光して各光の波長に対する吸光度を表した吸光度スペクトルを計測する装置である。すなわち、計測信号は吸光度スペクトルとして表される。   The processing unit 10 includes a measurement signal acquisition unit 20 as an acquisition unit and an arithmetic processing unit 30. The measurement signal acquisition unit 20 controls the absorbance measurement device 6 by performing predetermined communication with the absorbance measurement device 6 and acquires a result measured by the absorbance measurement device 6 as a measurement signal. The measurement signal may be an analog signal. In this case, the measurement signal acquisition unit 20 converts the measurement signal into measurement signal data that is a digital signal. The absorbance measurement device 6 is a device that measures the absorbance spectrum in which various light having different wavelengths are incident on the measurement object, the transmitted light that has passed through the measurement object is received, and the absorbance for each light wavelength is expressed. It is. That is, the measurement signal is expressed as an absorbance spectrum.

吸光度計測装置6の計測対象物には、目的成分を含まない妨害成分の試料である妨害成分試料と、目的成分の濃度が既知或いは別途の計測で判定される試料である濃度既知試料と、目的成分の濃度が未知であり、濃度を測定する対象となる濃度測定対象物との3つがある。計測された吸光度スペクトルは、計測信号取得部20によって、それぞれ、妨害成分試料計測信号データ531、濃度既知試料計測信号データ532、濃度測定対象物計測信号データ533として、記憶部50に記憶される。   The measurement object of the absorbance measuring device 6 includes a disturbing component sample that is a sample of a disturbing component that does not include the target component, a concentration known sample that is a sample whose concentration of the target component is known or determined by a separate measurement, The concentration of the component is unknown, and there are three types, that is, a concentration measurement object to be measured. The measured absorbance spectra are stored in the storage unit 50 as the interference component sample measurement signal data 531, the known concentration sample measurement signal data 532, and the concentration measurement target measurement signal data 533 by the measurement signal acquisition unit 20, respectively.

演算処理部(信号処理部)30は、計測信号取得部20によって取得された計測信号に対して種々のデジタル信号処理を行う処理部であり、一種の信号処理部と言える。演算処理部30は、検量線作成部310と、濃度測定部320とを有する。   The arithmetic processing unit (signal processing unit) 30 is a processing unit that performs various digital signal processing on the measurement signal acquired by the measurement signal acquisition unit 20, and can be said to be a kind of signal processing unit. The arithmetic processing unit 30 includes a calibration curve creation unit 310 and a concentration measurement unit 320.

検量線作成部310は、記憶部50に記憶された検量線作成プログラム510に従って検量線作成処理(図5参照)を実行する機能部であり、濃度測定対象物に含まれる目的成分の濃度を算出するための検量線を作成する。検量線作成部310は、妨害成分特徴量抽出部312と、成分分析部314と、第1目的成分信号検出部316とを有する。   The calibration curve creation unit 310 is a functional unit that executes a calibration curve creation process (see FIG. 5) in accordance with the calibration curve creation program 510 stored in the storage unit 50, and calculates the concentration of the target component contained in the concentration measurement object. Create a calibration curve for The calibration curve creation unit 310 includes an interference component feature amount extraction unit 312, a component analysis unit 314, and a first target component signal detection unit 316.

妨害成分特徴量抽出部312は、検量線作成プログラム510のサブルーチンプログラムである妨害成分特徴量抽出プログラム512に従って妨害成分特徴量抽出処理を実行する機能部である。成分分析部314は、計測信号に対して妨害成分の成分分析処理(多変量解析処理)を施す機能部である。第1目的成分信号検出部316は、検量線作成プログラム510のサブルーチンプログラムである目的成分信号検出プログラム514に従って、濃度が既知の試料から目的成分の信号を検出する目的成分信号検出処理を実行する機能部である。   The interference component feature amount extraction unit 312 is a functional unit that executes the interference component feature amount extraction processing according to the interference component feature amount extraction program 512, which is a subroutine program of the calibration curve creation program 510. The component analysis unit 314 is a functional unit that performs component analysis processing (multivariate analysis processing) of interference components on the measurement signal. The first target component signal detection unit 316 performs a target component signal detection process for detecting a target component signal from a sample having a known concentration in accordance with a target component signal detection program 514 that is a subroutine program of the calibration curve creation program 510. Part.

濃度測定部320は、濃度測定プログラム520に従って濃度測定処理を実行する機能部である。具体的には、濃度測定部320は、検量線作成部310によって作成された検量線を用いて、濃度測定対象物に含まれる目的成分の濃度を測定する。濃度測定部320は、第2目的成分信号検出部322を有する。第2目的成分信号検出部322は、濃度測定プログラム520のサブルーチンプログラムである目的成分信号検出プログラム522に従って、濃度測定対象物に含まれる目的成分の信号、即ち、第1信号(第1ベクトルM0)を検出する目的成分信号検出処理を実行する機能部である。 The concentration measurement unit 320 is a functional unit that executes concentration measurement processing according to the concentration measurement program 520. Specifically, the concentration measurement unit 320 uses the calibration curve created by the calibration curve creation unit 310 to measure the concentration of the target component contained in the concentration measurement object. The concentration measurement unit 320 includes a second target component signal detection unit 322. The second target component signal detection unit 322 follows the target component signal detection program 522 which is a subroutine program of the concentration measurement program 520, that is, the signal of the target component included in the concentration measurement object, that is, the first signal (first vector M 0). ) To detect the target component signal.

なお、計測信号取得部20および演算処理部30は、上述のようにプログラムを実行することによって実現されるソフトウェア的な機能部としてではなく、信号処理を行う電子回路で構成することとしてもよい。また、第1目的成分信号検出部316と、第2目的成分信号検出部322とを別々の機能部として説明したが、共用の機能部として設計することとしてもよい。   Note that the measurement signal acquisition unit 20 and the arithmetic processing unit 30 may be configured as an electronic circuit that performs signal processing, not as a software function unit realized by executing a program as described above. Moreover, although the 1st target component signal detection part 316 and the 2nd target component signal detection part 322 were demonstrated as a separate function part, it is good also as designing as a shared function part.

記憶部50は、ICメモリーやハードディスク、光学ディスクなどの記憶媒体により実現され、各種プログラムや、処理部10の演算過程のデータなどの各種データを記憶する。処理部10と記憶部50との接続は、装置内の内部バス回路による接続に限らず、LAN(Local Area Network)やインターネットなどの通信回線で実現してもよい。その場合、記憶部50は、信号検出装置1とは別の外部記憶装置により実現されることとしてもよい。   The storage unit 50 is realized by a storage medium such as an IC memory, a hard disk, or an optical disk, and stores various programs and various data such as calculation process data of the processing unit 10. The connection between the processing unit 10 and the storage unit 50 is not limited to a connection by an internal bus circuit in the apparatus, but may be realized by a communication line such as a LAN (Local Area Network) or the Internet. In that case, the storage unit 50 may be realized by an external storage device different from the signal detection device 1.

記憶部50には、検量線作成プログラム510と、濃度測定プログラム520とが記憶されている。検量線作成プログラム510は、サブルーチンプログラムとして、妨害成分特徴量抽出処理を実行するための妨害成分特徴量抽出プログラム512と、検量線を作成するための目的成分信号検出プログラム514とを含む。濃度測定プログラム520は、サブルーチンプログラムとして、濃度測定対象物の濃度を測定するための目的成分信号検出プログラム522を含む。   The storage unit 50 stores a calibration curve creation program 510 and a concentration measurement program 520. The calibration curve creation program 510 includes, as subroutine programs, an interference component feature amount extraction program 512 for executing interference component feature amount extraction processing, and a target component signal detection program 514 for creating a calibration curve. The concentration measurement program 520 includes a target component signal detection program 522 for measuring the concentration of the concentration measurement object as a subroutine program.

また、記憶部50は、妨害成分特徴量抽出処理、検量線作成処理、および濃度測定処理の実行時に算出される、妨害成分試料計測信号データ531と、濃度既知試料計測信号データ532と、濃度測定対象物計測信号データ533と、妨害成分特徴量データ541と、目的成分特徴量データ543と、検量線データ545とを記憶する。記憶部50は、これら以外にも各処理の実行時に算出される一時データなどを適宜記憶することができる。   In addition, the storage unit 50 calculates disturbance component sample measurement signal data 531, concentration known sample measurement signal data 532, and concentration measurement, which are calculated when the interference component feature amount extraction processing, calibration curve creation processing, and concentration measurement processing are executed. The object measurement signal data 533, the disturbing component feature amount data 541, the target component feature amount data 543, and the calibration curve data 545 are stored. In addition to these, the storage unit 50 can appropriately store temporary data calculated when each process is executed.

操作部70は、ユーザーによる各種操作入力を受け付け、操作入力に応じた操作入力信号を処理部10へ出力する。操作部70は、例えば、ボタンスイッチやレバースイッチ、ダイヤルスイッチ、トラックパッド、マウス、キーボード、タッチパネルなどにより実現できる。   The operation unit 70 receives various operation inputs from the user and outputs an operation input signal corresponding to the operation input to the processing unit 10. The operation unit 70 can be realized by, for example, a button switch, a lever switch, a dial switch, a track pad, a mouse, a keyboard, a touch panel, or the like.

表示部80は、処理部10による演算結果の表示や、操作手順を示すガイダンス表示などを表示する。表示部80は、例えば、液晶ディスプレイやタッチパネルなどにより実現できる。   The display unit 80 displays a calculation result displayed by the processing unit 10, a guidance display indicating an operation procedure, and the like. The display unit 80 can be realized by, for example, a liquid crystal display or a touch panel.

通信部90は、信号検出装置1を外部装置と接続して互いにデータをやり取りするための通信機能を実現する。通信形態は有線であってもよいし、無線であってもよい。また、インターネット回線や公衆通信網に接続可能な構成としてもよい。   The communication unit 90 realizes a communication function for connecting the signal detection device 1 to an external device and exchanging data with each other. The communication form may be wired or wireless. Moreover, it is good also as a structure connectable to an internet line or a public communication network.

〔信号検出方法、検量線作成方法、および定量方法〕
<第1実施形態>
次に、第1実施形態に係る信号検出方法、検量線作成方法、および定量方法を説明する。第1実施形態に係る信号検出方法、検量線作成方法、および定量方法は、妨害成分特徴量抽出処理と、検量線作成処理と、濃度測定処理とを含む。
[Signal detection method, calibration curve creation method, and quantitative method]
<First Embodiment>
Next, a signal detection method, a calibration curve creation method, and a quantification method according to the first embodiment will be described. The signal detection method, calibration curve creation method, and quantification method according to the first embodiment include interference component feature quantity extraction processing, calibration curve creation processing, and concentration measurement processing.

まず、第1実施形態に係る妨害成分特徴量抽出処理について説明する。図3は、第1実施形態に係る妨害成分特徴量抽出処理の流れを示すフローチャートである。図4は、第1実施形態に係る妨害成分特徴量抽出処理で得られたデータを示す図である。詳しくは、図4(a)は妨害成分試料から取得した吸光度スペクトルの一例を示す図であり、図4(b)は独立成分分析処理により取得した妨害単位ベクトルのスペクトルの一例を示す図である。   First, the disturbance component feature amount extraction processing according to the first embodiment will be described. FIG. 3 is a flowchart showing the flow of the disturbance component feature amount extraction process according to the first embodiment. FIG. 4 is a diagram illustrating data obtained by the interference component feature amount extraction processing according to the first embodiment. Specifically, FIG. 4A is a diagram illustrating an example of an absorbance spectrum acquired from an interference component sample, and FIG. 4B is a diagram illustrating an example of an interference unit vector spectrum acquired by an independent component analysis process. .

第1実施形態では、信号検出装置1により、濃度が未知のグルコース水溶液に含まれるグルコース濃度の算出を例として、第1信号の取得方法を説明する。計測対象物のグルコース水溶液は、目的成分(目的物理量)としてのグルコースを1%以下の濃度で含み、妨害成分(妨害物理量)としての水を3%以上となる90%以上の濃度で含む。従って、目的成分のグルコースは微量成分であり、妨害成分の水は高割合成分である。   In the first embodiment, a method for acquiring a first signal will be described by taking, as an example, calculation of a glucose concentration contained in an aqueous glucose solution whose concentration is unknown by the signal detection device 1. The glucose aqueous solution to be measured contains glucose as a target component (target physical quantity) at a concentration of 1% or less, and water as a disturbing component (interference physical quantity) at a concentration of 90% or more, which is 3% or more. Therefore, the target component glucose is a trace component and the interfering component water is a high proportion component.

妨害成分特徴量抽出処理とは、第2信号に係る妨害成分を含み第1信号に係る目的成分を含まない妨害成分試料の計測信号(第2試料信号)から、妨害成分の特徴量を抽出する処理である。本実施形態では、妨害成分試料は、目的成分であるグルコース以外の成分、すなわち高割合成分である水である。妨害成分特徴量抽出処理は、図2に示す検量線作成プログラム510に含まれるサブルーチンプログラムである妨害成分特徴量抽出プログラム512を実行することで実現される。   The disturbing component feature amount extraction processing is to extract the feature amount of the disturbing component from the measurement signal (second sample signal) of the disturbing component sample that includes the disturbing component related to the second signal but does not include the target component related to the first signal. It is processing. In the present embodiment, the interfering component sample is a component other than glucose that is the target component, that is, water that is a high proportion component. The interference component feature amount extraction processing is realized by executing an interference component feature amount extraction program 512 which is a subroutine program included in the calibration curve creation program 510 shown in FIG.

図3に示すステップS01では、第2信号に係る妨害成分を含み第1信号に係る目的成分を含まない妨害成分試料を複数用意する。妨害成分試料である水は、温度に応じてスペクトルデータ(または特徴量の構成比)が変化するため、温度を変えた複数個(β個、βは2以上の整数)の水を妨害成分試料として用意する。   In step S01 shown in FIG. 3, a plurality of disturbing component samples including the disturbing component related to the second signal and not including the target component related to the first signal are prepared. Since water, which is an interfering component sample, changes its spectral data (or feature ratio) according to the temperature, multiple interfering water samples (β, β is an integer of 2 or more) with different temperatures are used. Prepare as.

続いて、ステップS02では、温度の異なるβ個の水のそれぞれの計測信号(第2試料信号)を取得する。ここでは、妨害成分試料である水の計測信号として、吸光度スペクトルを取得する。妨害成分試料の吸光度スペクトルは、図2に示す計測信号取得部20を介して吸光度計測装置6から取得され、記憶部50に妨害成分試料計測信号データ531として記憶される。これを、β個の妨害成分試料の計測が終了するまで繰り返し実行する(ステップS03:NO〜ステップS02)。   Subsequently, in step S02, each measurement signal (second sample signal) of β water having different temperatures is acquired. Here, an absorbance spectrum is acquired as a measurement signal of water which is a disturbing component sample. The absorbance spectrum of the interference component sample is acquired from the absorbance measurement device 6 via the measurement signal acquisition unit 20 shown in FIG. 2 and stored in the storage unit 50 as interference component sample measurement signal data 531. This is repeated until the measurement of β interference component samples is completed (step S03: NO to step S02).

全て(β個)の妨害成分試料について計測が終了すると(ステップS03:YES)、その結果、妨害成分試料から妨害成分である水の吸光度スペクトルのデータが得られる。図4(a)に、妨害成分試料(水)から取得した吸光度スペクトルを示す。図4(a)において、横軸は光の波長に対応した測定点(i:1〜α、αは2以上の整数)であり、縦軸は吸光度スペクトルの強度である。   When measurement has been completed for all (β) interference component samples (step S03: YES), as a result, data on the absorbance spectrum of water, which is the interference component, is obtained from the interference component sample. FIG. 4A shows an absorbance spectrum obtained from the interference component sample (water). In FIG. 4A, the horizontal axis is a measurement point corresponding to the wavelength of light (i: 1 to α, α is an integer of 2 or more), and the vertical axis is the intensity of the absorbance spectrum.

ここでは、一例として、妨害成分試料(水)の水準数(j:1〜β)を、水温が30℃から40℃まで1℃の間隔で11個に設定した。すなわち、j=1が30℃、j=2が31℃、というように、j=β=11となる40℃までの11個の試料を計測した。また、ここでは、測定点(i:1〜α)を波長が800nmから1245nmまで5nmの間隔で90点に設定した。すなわち、β個の試料のそれぞれについて、i=1が波長800nm、i=2が波長805nm、というように、i=α=90となる1245nmまでの90点で測定した。   Here, as an example, the level number (j: 1 to β) of the interference component sample (water) was set to 11 at intervals of 1 ° C. from 30 ° C. to 40 ° C. That is, 11 samples up to 40 ° C. where j = β = 11 were measured, such that j = 1 was 30 ° C. and j = 2 was 31 ° C. Here, the measurement points (i: 1 to α) were set to 90 points with a wavelength of 800 nm to 1245 nm at intervals of 5 nm. That is, for each of the β samples, measurement was performed at 90 points up to 1245 nm where i = α = 90, such that i = 1 was a wavelength of 800 nm and i = 2 was a wavelength of 805 nm.

続いて、図3に示すステップS04では、妨害成分試料(水)から取得した吸光度スペクトルのデータに基づいて、第2試料信号(第2試料ベクトルQj)が形成される。第2試料信号(第2試料ベクトルQj)は、図1の計測信号(計測ベクトルM)に相当し、濃度既知の妨害成分の計測信号である。第2試料ベクトルQjは、測定点i(1≦i≦α)により、数式(3)に示すように、α行1列の列ベクトルで表され、水準数の個数であるβ個形成される。 Subsequently, in step S04 shown in FIG. 3, a second sample signal (second sample vector Q j ) is formed based on the absorbance spectrum data acquired from the interference component sample (water). The second sample signal (second sample vector Q j ) corresponds to the measurement signal (measurement vector M) in FIG. 1 and is a measurement signal of an interference component with a known concentration. The second sample vector Q j is expressed by a column vector of α rows and 1 column and β is formed as the number of levels as shown in Equation (3) by measurement points i (1 ≦ i ≦ α). The

具体的に、例えば、j番目の水準の第2試料ベクトルQjの一行目の要素Q1jは、j番目の水温におけるi=1の波長800nmの吸光度である。また、例えば、第2試料ベクトルQjのα行目の要素Qαjは、j番目の水温に於けるi=αの波長(今の例では、α=90で波長1245nm)の吸光度である。このように、αβ個の計測データをα行1列の列ベクトルβ個にて表現する。測定されたスペクトルデータから形成された第2試料ベクトルQjは、記憶部50に第2試料信号(妨害成分試料計測信号データ531)として記憶される。 Specifically, for example, the element Q 1j in the first row of the second sample vector Q j at the j-th level is the absorbance at a wavelength of 800 nm with i = 1 at the j-th water temperature. Further, for example, elements Q .alpha.j of alpha-th row in the second sample vector Q j (in the present example, the wavelength 1245nm at alpha = 90) j th of a wavelength of at i = alpha to the water temperature the absorbance of the. In this way, αβ pieces of measurement data are expressed by β column vectors of α rows and one column. The second sample vector Q j formed from the measured spectrum data is stored in the storage unit 50 as the second sample signal (interference component sample measurement signal data 531).

Figure 2017015557
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続いて、ステップS05では、ステップS04で取得した第2試料信号(第2試料ベクトルQj)に対して、図2に示す成分分析部314により成分分析処理(多変量解析処理)を行い、ステップS06に示される妨害成分特徴量を取得する。多変量解析処理としては、独立成分分析処理や主成分分析処理などの各種解析処理を用いることができる。これらの中でも、独立成分分析処理は、得られる妨害ベクトルの直交性が強く誤差低減に優れているので、高割合成分の信号を高精度に検出する上で好適である。 Subsequently, in step S05, component analysis processing (multivariate analysis processing) is performed on the second sample signal (second sample vector Q j ) acquired in step S04 by the component analysis unit 314 shown in FIG. The disturbing component feature amount shown in S06 is acquired. As multivariate analysis processing, various analysis processing such as independent component analysis processing and principal component analysis processing can be used. Among these, the independent component analysis processing is suitable for detecting a signal with a high proportion with high accuracy because the obtained interference vector is highly orthogonal and excellent in reducing errors.

ステップS05で第2試料信号(第2試料ベクトルQj)に対して独立成分分析処理を施すことにより、第2試料特徴信号(第2特徴信号)である妨害成分特徴量(妨害単位ベクトルPk)が得られる(ステップS06)。妨害単位ベクトルPk(k=1〜γの整数)はα行1列の列ベクトルであり、γは第2試料ベクトルQjから形成される独立成分の数である。ここでは、独立成分が3つであったので、γ=3である。 By performing an independent component analysis process on the second sample signal (second sample vector Q j ) in step S05, the disturbance component feature quantity (interference unit vector P k ) that is the second sample feature signal (second feature signal). ) Is obtained (step S06). The disturbing unit vector P k (k = 1 to γ) is a column vector of α rows and 1 column, and γ is the number of independent components formed from the second sample vector Q j . Here, since there were three independent components, γ = 3.

図4(b)に、ステップS06で取得した妨害単位ベクトルPkを示す。図4(b)において、横軸は光の波長に対応して800nmから1245nmまで5nmの間隔で90点に設定された妨害単位ベクトルPkの各要素(i:1〜α)であり、縦軸は吸光度スペクトルの強度である。上述したようにγ=3であるので、妨害成分である水に含まれる3つの独立成分として、第1妨害単位ベクトル(第1妨害成分特徴量)P1と第2妨害単位ベクトル(第2妨害成分特徴量)P2と第3妨害単位ベクトル(第3妨害成分特徴量)P3とが抽出されている。γ個の妨害単位ベクトルPkは、図2に示す記憶部50に妨害成分特徴量データ541として記憶される。 FIG. 4B shows the disturbance unit vector P k acquired in step S06. In FIG. 4B, the horizontal axis represents each element (i: 1 to α) of the interference unit vector P k set at 90 points at intervals of 5 nm from 800 nm to 1245 nm corresponding to the wavelength of light. The axis is the intensity of the absorbance spectrum. As described above, since γ = 3, the first disturbance unit vector (first disturbance component feature amount) P 1 and the second disturbance unit vector (second disturbance unit) are included as three independent components included in the interference component water. Component feature amount) P 2 and third disturbance unit vector (third disturbance component feature amount) P 3 are extracted. The γ interference unit vectors P k are stored as interference component feature amount data 541 in the storage unit 50 shown in FIG.

第2試料ベクトルQjは、数式(4)に示すように、妨害単位ベクトルPkの線形和で表される。μkjは係数である。例えば、水温が30℃(j=1)の場合の1水準目の第2試料ベクトルQ1は、数式(5)に示すように、第1妨害単位ベクトルP1と第2妨害単位ベクトルP2と第3妨害単位ベクトルP3との線形和で表される。 The second sample vector Q j is represented by a linear sum of the disturbing unit vectors P k as shown in Equation (4). μ kj is a coefficient. For example, when the water temperature is 30 ° C. (j = 1), the first sample vector Q 1 at the first level is expressed by the first disturbance unit vector P 1 and the second disturbance unit vector P 2 as shown in Equation (5). And the third interference unit vector P 3 .

Figure 2017015557
Figure 2017015557

Figure 2017015557
Figure 2017015557

以上で、図3に示す妨害成分特徴量抽出処理を終了する。   This is the end of the disturbing component feature amount extraction process shown in FIG.

次に、第1実施形態に係る検量線作成処理について説明する。図5は、第1実施形態に係る検量線作成処理の流れを示すフローチャートである。図6は、第1実施形態に係る検量線作成処理で得られたデータを示す図である。詳しくは、図6(a)は濃度既知試料から取得した吸光度スペクトルの一例を示す図であり、図6(b)は目的成分特徴量のスペクトルの一例を示す図である。図7は、第1実施形態に係る検量線作成処理で作成された検量線の一例を示す図である。図8は、第1実施形態に係る射影演算により得られる直交化基準ベクトルの概念を説明する図である。図12は、独立成分分析だけによる定量化を行った場合の比較データを示す図である。   Next, the calibration curve creation process according to the first embodiment will be described. FIG. 5 is a flowchart showing the flow of the calibration curve creation process according to the first embodiment. FIG. 6 is a diagram illustrating data obtained by the calibration curve creation process according to the first embodiment. Specifically, FIG. 6A is a diagram illustrating an example of an absorbance spectrum acquired from a sample having a known concentration, and FIG. 6B is a diagram illustrating an example of a spectrum of a target component feature amount. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a calibration curve created by the calibration curve creation process according to the first embodiment. FIG. 8 is a diagram for explaining the concept of the orthogonalization reference vector obtained by the projection calculation according to the first embodiment. FIG. 12 is a diagram showing comparison data when quantification is performed only by independent component analysis.

検量線作成処理は、目的成分の濃度を測定するための検量線を作成する処理である。したがって、後述する濃度測定処理を実行する前に、検量線を予め作成しておく必要がある。また、検量線作成処理を実行する前に、妨害成分特徴量が予め取得されている必要がある。   The calibration curve creation process is a process for creating a calibration curve for measuring the concentration of the target component. Therefore, it is necessary to prepare a calibration curve in advance before executing a concentration measurement process described later. Further, before executing the calibration curve creation process, it is necessary that the interference component feature amount is acquired in advance.

そこで、まず図5に示すステップS11で、妨害成分特徴量が妨害成分特徴量データ541として記憶されていない場合は(ステップS11:NO)、ステップS12の妨害成分特徴量抽出処理を実行する。図3に示す妨害成分特徴量抽出処理が、ステップS12に相当する。ステップS11にて、妨害成分特徴量が取得され妨害成分特徴量データ541として記憶されていれば(ステップS11:YES)、目的成分の信号を検出する目的成分信号検出処理を行う(ステップS13〜ステップS17)。   Therefore, first, in step S11 shown in FIG. 5, when the disturbing component feature quantity is not stored as the disturbing component feature quantity data 541 (step S11: NO), the disturbing component feature quantity extraction process in step S12 is executed. The disturbing component feature amount extraction processing shown in FIG. 3 corresponds to step S12. If the interference component feature quantity is acquired and stored as the interference component feature quantity data 541 in step S11 (step S11: YES), a target component signal detection process for detecting a target component signal is performed (step S13 to step S13). S17).

ステップS13では、第1信号に係る目的成分の物理量が既知である基準試料を準備する。本実施形態の例では、目的成分はグルコースであり、目的成分の物理量は水溶液中のグルコース濃度である。したがって、基準試料はグルコース濃度が既知の濃度既知試料となる。具体的には、目的成分であるグルコースの濃度が既知であって互いに異なる複数(δ個、δは2以上の整数)の水溶液を濃度既知試料(計測対象物)として用意する。妨害成分である水は、温度に応じてスペクトルデータ(または特徴量の構成比)が変化するため、濃度既知試料として、濃度が異なる試料の他に、温度も変えた複数の試料を用意することが好ましい。   In step S13, a reference sample having a known physical quantity of the target component related to the first signal is prepared. In the example of this embodiment, the target component is glucose, and the physical quantity of the target component is the glucose concentration in the aqueous solution. Therefore, the reference sample is a sample with a known glucose concentration. Specifically, plural (δ, δ is an integer of 2 or more) aqueous solutions having known concentrations of glucose as a target component and different from each other are prepared as samples with known concentrations (measurement objects). Since water, which is an interfering component, changes in spectrum data (or feature ratio) according to temperature, in addition to samples with different concentrations, prepare multiple samples with different temperatures as well. Is preferred.

目的成分は濃度1%以下の微量成分であるため、何れの濃度既知試料も、グルコース濃度を1%以下とする。これは生体で計測したいグルコース濃度の範囲が50mg/dlから600mg/dl程度であるためである。血液の比重は水と同程度で1g/ccと考えて差しさわりなく、1dl(1デシリットル)は100gであり、グルコース濃度は1000mg/dl以下なので、グルコース濃度を1%以下とする。   Since the target component is a trace component with a concentration of 1% or less, any sample with a known concentration has a glucose concentration of 1% or less. This is because the range of glucose concentration to be measured in the living body is about 50 mg / dl to 600 mg / dl. The specific gravity of blood is almost the same as that of water and can be considered as 1 g / cc. 1 dl (1 deciliter) is 100 g and the glucose concentration is 1000 mg / dl or less, so the glucose concentration is 1% or less.

続いて、ステップS14では、濃度既知試料である濃度の異なるδ個のグルコース水溶液のそれぞれの計測信号を取得する。ここでは、濃度既知試料の計測信号として、妨害成分試料の場合と同様に、吸光度スペクトルを取得する。濃度既知試料の吸光度スペクトルは、図2に示す計測信号取得部20を介して吸光度計測装置6から取得され、記憶部50に濃度既知試料計測信号データ532として記憶される。これを、δ個の濃度既知試料の計測が終了するまで繰り返し実行する(ステップS15:NO〜ステップS14)。   Subsequently, in step S14, respective measurement signals of δ glucose aqueous solutions having different concentrations which are samples having known concentrations are acquired. Here, an absorbance spectrum is acquired as a measurement signal of a sample having a known concentration, as in the case of the interference component sample. The absorbance spectrum of the sample with a known concentration is acquired from the absorbance measurement device 6 via the measurement signal acquisition unit 20 illustrated in FIG. 2 and is stored in the storage unit 50 as the known concentration sample measurement signal data 532. This is repeated until the measurement of δ known samples is completed (step S15: NO to step S14).

全て(δ個)の濃度既知試料について計測が終了すると(ステップS15:YES)、その結果、濃度既知試料であるグルコース水溶液の吸光度スペクトルのデータが得られる。図6(a)に、濃度既知試料(グルコース水溶液)から取得した吸光度スペクトルを示す。図6(a)において、横軸は光の波長に対応した測定点(i:1〜α)であり、縦軸は吸光度である。   When measurement is completed for all (δ) samples with known concentrations (step S15: YES), as a result, data on the absorbance spectrum of the aqueous glucose solution that is the sample with known concentrations is obtained. FIG. 6A shows an absorbance spectrum obtained from a sample having a known concentration (glucose aqueous solution). In Fig.6 (a), a horizontal axis is a measurement point (i: 1- (alpha)) corresponding to the wavelength of light, and a vertical axis | shaft is a light absorbency.

ここでは、グルコース水溶液の水準数δを、濃度が25mg/dlから700mg/dlまで25mg/dlの間隔で28個に設定した。すなわち、g=1が濃度25mg/dl、g=2が濃度50mg/dl、というように、g=δ=28となる700mg/dlまでの28個の試料を計測した。図6(a)では、濃度が異なる28個のグルコース水溶液の吸光度スペクトルが重ねて描画されている。測定点(i:1〜α)は、波長が800nmから1245nmまで5nmの間隔で90点に設定されている。   Here, the number of levels δ of the aqueous glucose solution was set to 28 at intervals of 25 mg / dl from 25 mg / dl to 700 mg / dl. That is, 28 samples up to 700 mg / dl where g = δ = 28 were measured such that g = 1 was a concentration of 25 mg / dl and g = 2 was a concentration of 50 mg / dl. In FIG. 6A, the absorbance spectra of 28 glucose aqueous solutions having different concentrations are drawn in an overlapping manner. The measurement points (i: 1 to α) are set to 90 points at intervals of 5 nm from 800 nm to 1245 nm.

続いて、図5に示すステップS16では、濃度既知試料(グルコース水溶液)から取得した吸光度スペクトルのデータに基づいて、目的成分の基準ベクトルRg(g:1〜δ)を取得する。基準ベクトルRgは、δ=28個の濃度既知試料のそれぞれについて得られる。基準ベクトルRgは、測定点i(1≦i≦α)と水準数g(1≦g≦δ)とにより、数式(6)に示すように、α行1列の列ベクトルがδ個で表される。取得した基準ベクトルRgは、図2に示す記憶部50に濃度既知試料計測信号データ532として記憶される。 Subsequently, in step S16 shown in FIG. 5, the reference vector R g (g: 1 to δ) of the target component is acquired based on the absorbance spectrum data acquired from the sample with known concentration (glucose aqueous solution). The reference vector R g is obtained for each of δ = 28 samples with known concentrations. The reference vector R g is composed of δ column vectors of α rows and 1 column, as shown in Expression (6), based on the measurement point i (1 ≦ i ≦ α) and the number of levels g (1 ≦ g ≦ δ). expressed. The acquired reference vector R g is stored as the known concentration sample measurement signal data 532 in the storage unit 50 shown in FIG.

Figure 2017015557
Figure 2017015557

続いて、ステップS17では、濃度既知試料の計測信号(即ち、基準ベクトルRg)を、妨害成分である水の信号に直交する直交処理(直交演算)を行う。第1実施形態では、直交演算として射影演算を用いる。図8に示すように、濃度既知試料の計測信号(基準ベクトルRg)を、γ個の妨害単位ベクトルの全体に対して直交化したものを目的成分の直交化基準ベクトルSgとし、この直交化基準ベクトルSgの大きさ(直交化基準ベクトルSgの絶対値)が濃度に対応する。先の例では、妨害単位ベクトルPkはγ=3個であったが、図8では、概念だけを判り易く説明するために、妨害単位ベクトルPkは、妨害単位ベクトルP1と妨害単位ベクトルP2との2個だけが描かれている。 Subsequently, in step S17, orthogonal processing (orthogonal calculation) is performed in which the measurement signal (that is, the reference vector R g ) of the sample having a known concentration is orthogonal to the water signal that is the interference component. In the first embodiment, projection calculation is used as orthogonal calculation. As shown in FIG. 8, a measurement signal (reference vector R g ) of a sample having a known concentration is orthogonalized with respect to the entire γ interference unit vectors as an orthogonal reference vector S g of the target component, and this orthogonal The size of the normalization reference vector S g (the absolute value of the orthogonalization reference vector S g ) corresponds to the density. In the previous example, the interference unit vector P k is γ = 3. However, in FIG. 8, the interference unit vector P k includes the interference unit vector P 1 and the interference unit vector for easy understanding of the concept. Only two with P2 are drawn.

第1実施形態では、濃度既知試料から得られる計測信号(基準ベクトルRg)を、第2試料特徴信号(第2特徴信号、妨害単位ベクトルPk)によって張られる空間に直交する空間(E−P・P+)に射影する射影演算を行って、目的成分の直交化基準ベクトルSgを求める。目的成分の直交化基準ベクトルSgは、数式(7)で求められる。 In the first embodiment, a measurement signal (reference vector R g ) obtained from a sample having a known concentration is orthogonal to the space spanned by the second sample feature signal (second feature signal, disturbance unit vector P k ) (E− A projection operation for projecting to (P · P + ) is performed to obtain an orthogonal reference vector S g of the target component. The orthogonalization reference vector S g of the target component is obtained by Expression (7).

Figure 2017015557
Figure 2017015557

数式(7)において、Eはα行α列の単位行列であり、数式(8)で表される。なお、δijはデルタ関数である。 In Equation (7), E is a unit matrix of α rows and α columns and is expressed by Equation (8). Note that δ ij is a delta function.

Figure 2017015557
Figure 2017015557

また、数式(7)において、Pはα行γ列の妨害行列であり、数式(9)で表されるように、γ個の妨害単位ベクトルPkによって張られる空間である。 In Equation (7), P is an interference matrix of α rows and γ columns, and is a space spanned by γ interference unit vectors P k as represented by Equation (9).

Figure 2017015557
Figure 2017015557

また、数式(7)において、P+は妨害行列Pの疑似逆行列であり、数式(10)で求められる。 In Equation (7), P + is a pseudo inverse matrix of the interference matrix P, and is obtained by Equation (10).

Figure 2017015557
Figure 2017015557

数式(10)において、PTは妨害行列Pの転置行列であり、数式(11)で求められる。なお転置行列PTは、γ行α列の行列となる。 In Equation (10), P T is a transposed matrix of the interference matrix P, and is obtained by Equation (11). The transposed matrix P T is a matrix of γ rows and α columns.

Figure 2017015557
Figure 2017015557

これら数式(7)に示される射影演算を行うことで、基準ベクトルRgを第2試料特徴信号(第2特徴信号、妨害単位ベクトルPk)によって張られる直交部分空間に射影して、直交化基準ベクトルSgが得られる。直交化基準ベクトルSgは、δ=28個の濃度既知試料のそれぞれについて得られる。直交化基準ベクトルSgは、妨害単位ベクトルPkに直交しているので、妨害成分はほとんど含まれていない。 By performing the projection operation shown in Equation (7), the reference vector R g is projected onto the orthogonal subspace spanned by the second sample feature signal (second feature signal, disturbance unit vector P k ), and is orthogonalized. A reference vector S g is obtained. The orthogonal reference vector S g is obtained for each of δ = 28 samples with known concentrations. Since the orthogonalization reference vector S g is orthogonal to the interference unit vector P k , the interference component is hardly included.

直交化基準ベクトルSgは、測定点i(1≦i≦α)と水準数g(1≦g≦δ)とにより、数式(12)に示すように、δ個のα行1列の列ベクトルで表される。取得された直交化基準ベクトルSgは、図2に示す記憶部50に濃度既知試料計測信号データ532として記憶される。 The orthogonalization reference vector S g is obtained from the measurement point i (1 ≦ i ≦ α) and the level number g (1 ≦ g ≦ δ), as shown in Equation (12), δ α rows and 1 column Expressed as a vector. The acquired orthogonal reference vector S g is stored as the known concentration sample measurement signal data 532 in the storage unit 50 shown in FIG.

Figure 2017015557
Figure 2017015557

なお、目的成分信号検出処理(ステップS13〜ステップS17)は、図2に示す第1目的成分信号検出部316により、検量線作成プログラム510のサブルーチンプログラムである目的成分信号検出プログラム514に従って実行される。   The target component signal detection process (steps S13 to S17) is executed by the first target component signal detection unit 316 shown in FIG. 2 according to the target component signal detection program 514 which is a subroutine program of the calibration curve creation program 510. .

続いて、図5に示すステップS18では、直交処理(射影演算)によって取得した目的成分の直交化基準ベクトルSgに対して、図2に示す成分分析部314により成分分析処理(多変量解析処理)を行う。多変量解析処理としては、独立成分分析処理や主成分分析処理などの各種解析処理を用いることができるが、本実施形態では独立成分分析処理を施した。ステップS18で直交化基準ベクトルSgに対して成分分析処理を施すことにより、数式(13)に示すように、目的成分特徴量(第1信号の単位信号である目的単位ベクトルI)が得られる(ステップS19)。 Subsequently, in step S18 shown in FIG. 5, the orthogonal processing (projection operation) to the orthogonal reference vectors S g of the target component obtained by component analysis by component analyzing unit 314 shown in FIG. 2 (multivariate analysis )I do. As the multivariate analysis process, various analysis processes such as an independent component analysis process and a principal component analysis process can be used. In this embodiment, the independent component analysis process is performed. By performing component analysis with respect to orthogonal reference vectors S g in step S18, as shown in Equation (13), the objective component feature amounts (object unit vector I is a unit signal of the first signal) are obtained (Step S19).

Figure 2017015557
Figure 2017015557

目的単位ベクトルIは、各妨害単位ベクトルPkが互いに直交していない場合であっても、妨害単位ベクトルPkの全体が張る空間(図1の例では、第1妨害単位ベクトルP1と第2妨害単位ベクトルP2とで定まる平面)に対して、直交している。目的成分(グルコース)は1つであるため、成分分析処理によって抽出される目的成分特徴量も1つである。目的単位ベクトルIは、測定点i(1≦i≦α)に対応して、数式(14)に示すように、α行1列の列ベクトルで表される。 The target unit vector I is a space spanned by the entire disturbance unit vector P k (in the example of FIG. 1, the first disturbance unit vector P 1 and the first disturbance unit vector P k) even when the respective disturbance unit vectors P k are not orthogonal to each other. 2 (a plane determined by the interference unit vector P 2 ). Since there is one target component (glucose), there is also one target component feature amount extracted by the component analysis process. The target unit vector I is represented by a column vector of α rows and 1 column, as shown in Equation (14), corresponding to the measurement point i (1 ≦ i ≦ α).

Figure 2017015557
Figure 2017015557

図6(b)に、ステップS19で得られた目的成分特徴量(目的単位ベクトルI)のスペクトルの一例を示す。図6(b)において、横軸は光の波長に対応した測定点(i:1〜α)に対応し、縦軸はスペクトル強度である。取得した目的単位ベクトルIは、図2に示す記憶部50に目的成分特徴量データ543として記憶される。   FIG. 6B shows an example of the spectrum of the target component feature amount (target unit vector I) obtained in step S19. In FIG. 6B, the horizontal axis corresponds to measurement points (i: 1 to α) corresponding to the wavelength of light, and the vertical axis is the spectral intensity. The acquired target unit vector I is stored as target component feature amount data 543 in the storage unit 50 shown in FIG.

続いて、図5に示すステップS20では、図2に示す検量線作成部310により、数式(15)に示すように、直交化基準ベクトルSgと目的単位ベクトルIとの内積を取る内積計算を行う。直交化基準ベクトルSgは数式(12)に示すようにα行1列の列ベクトルで表されるが、その転置行列である1行α列の行ベクトルと、数式(14)に示すようにα行1列の列ベクトルで表される目的単位ベクトルIとの内積を計算する。この内積計算により、直交化基準ベクトルSgの大きさがスカラー量として定まる。 Subsequently, in step S20 shown in FIG. 5, the calibration curve creation unit 310 shown in FIG. 2 performs inner product calculation that takes the inner product of the orthogonal reference vector Sg and the target unit vector I as shown in the equation (15). Do. The orthogonal reference vector S g is represented by a column vector of α rows and 1 column as shown in the equation (12), and a row vector of 1 row α column that is the transposed matrix and the equation (14). An inner product with the target unit vector I represented by a column vector of α rows and 1 column is calculated. By this inner product calculation, the size of the orthogonalization reference vector S g is determined as a scalar quantity.

Figure 2017015557
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グルコース水溶液の濃度に対応する各水準(gは1〜δの整数、今の例ではδ=28)のそれぞれについて数式(15)のように計算することで、表1に示すように、各水準の内積値が得られる。例えば、濃度既知試料(グルコース水溶液)の濃度が25mg/dlであるg=1の場合の内積値は、数式(16)のように計算される。   Each level corresponding to the concentration of the aqueous glucose solution (g is an integer of 1 to δ, δ = 28 in the present example) is calculated as shown in Equation (15). The inner product value of is obtained. For example, the inner product value in the case of g = 1 where the concentration of the sample with known concentration (glucose aqueous solution) is 25 mg / dl is calculated as in Expression (16).

Figure 2017015557
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Figure 2017015557
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なお、ステップS20の内積計算において、直交化基準ベクトルSgとの代わりに、濃度既知試料の計測信号(基準ベクトルRg)と目的単位ベクトルIとの内積を取ることとしてもよい。目的単位ベクトルIは、直交演算により、妨害単位ベクトルPkの全体が張る空間に対して直交化されているので、第2信号(妨害信号)に係る成分をほとんど含まない。したがって、この目的単位ベクトルIと基準ベクトルRgとの内積値を取っても、第1信号の大きさを精度良く求めることができる。 In the inner product calculation in step S20, the inner product of the measurement signal (reference vector R g ) of the sample of known concentration and the target unit vector I may be taken instead of the orthogonalized reference vector S g . Since the target unit vector I is orthogonalized with respect to the space spanned by the entire disturbance unit vector P k by orthogonal calculation, the target unit vector I contains almost no component relating to the second signal (interference signal). Therefore, even taking the inner product value between the object unit vector I and the reference vector R g, it can be determined the magnitude of the first signal with high accuracy.

続いて、図5に示すステップS21では、目的成分の物理量(この例では既知のグルコース濃度)とステップS20で得られた内積値との関係を示す検量線を、図2に示す検量線作成部310により作成する。ステップS21で作成された検量線は、図2に示す記憶部50に検量線データ545として記憶される。図7に、ステップS21で作成された検量線の一例を示す。   Subsequently, in step S21 shown in FIG. 5, a calibration curve showing the relationship between the physical quantity of the target component (in this example, a known glucose concentration) and the inner product value obtained in step S20 is converted into a calibration curve creation unit shown in FIG. Created in step 310. The calibration curve created in step S21 is stored as calibration curve data 545 in the storage unit 50 shown in FIG. FIG. 7 shows an example of a calibration curve created in step S21.

図7において、横軸は表1のグルコース濃度であり、縦軸は表1の内積値である。ひし形、四角、三角や丸などで示された各点は得られた検量線データを示し、これらの検量線データに対する近似直線も描かれている。近似直線は最小二乗法によって得られ、図7には得られた近似直線の数式と寄与率R2とが記載されている。寄与率R2とは、相関係数Rの二乗である。 In FIG. 7, the horizontal axis represents the glucose concentration in Table 1, and the vertical axis represents the inner product value in Table 1. Each point indicated by a rhombus, a square, a triangle, a circle, etc. indicates the obtained calibration curve data, and approximate straight lines for these calibration curve data are also drawn. Fitted line obtained by the least square method, the equations of the obtained approximate straight line and the contribution ratio R 2 is described in FIG. The contribution rate R 2 is the square of the correlation coefficient R.

図7に示すように、検量線データは近似直線上に乗り、近似直線の数式の切片は誤差範囲で原点を通っており、寄与率R2=1となっている。これにより、本実施形態で得られた検量線データは、濃度既知試料の温度に係らず、濃度と内積値とが極めて強い正の相関を示していることが分かる。このことは、本実施形態による目的成分の物理量の定量方法が極めて高精度であることを物語っている。したがって、ステップS21で得られた検量線も極めて高精度であり、本実施形態の検量線を用いれば、目的成分の物理量が未知の計測対象物に対しても、高精度に目的物理量を定量できることになる。 As shown in FIG. 7, the calibration curve data is on the approximate line, and the intercept of the mathematical expression of the approximate line passes through the origin in the error range, and the contribution ratio R 2 = 1. Thus, it can be seen that the calibration curve data obtained in the present embodiment shows a very strong positive correlation between the concentration and the inner product value, regardless of the temperature of the sample with known concentration. This indicates that the method for quantifying the physical quantity of the target component according to the present embodiment is extremely accurate. Therefore, the calibration curve obtained in step S21 is also highly accurate, and by using the calibration curve of this embodiment, the target physical quantity can be quantified with high accuracy even for a measurement target whose physical quantity of the target component is unknown. become.

比較例として、濃度既知試料の吸光度スペクトルを独立成分分析の手法を用いて定量化した場合の結果を図12(a)に示す。図12(a)に示す例では、J1〜J4の4つの成分が抽出され、各成分のスペクトルが算出されている。J1〜J4のうち、目的成分であるグルコースに近い波形を示した成分J2のスペクトルを目的成分特徴量データと仮定し、検量線を作成するために成分J2と基準ベクトルRgとの内積値を算出してプロットした図が図12(b)である。図12(b)に示すように、独立成分分析の手法を用いて定量化した場合では、プロットを通る直線を描けず、検量線の作成は不可能である。これは、独立成分分析では、微量の目的成分を独立に分離できないことを示している。 As a comparative example, FIG. 12A shows the result when the absorbance spectrum of a sample with a known concentration is quantified using an independent component analysis technique. In the example shown in FIG. 12A, four components J 1 to J 4 are extracted, and the spectrum of each component is calculated. Of J 1 to J 4 , the spectrum of the component J 2 showing a waveform close to the target component glucose is assumed to be the target component feature amount data, and the component J 2 and the reference vector R g are used to create a calibration curve. FIG. 12 (b) is a diagram in which the inner product value is calculated and plotted. As shown in FIG. 12B, in the case of quantification using the method of independent component analysis, a straight line passing through the plot cannot be drawn, and a calibration curve cannot be created. This indicates that a small amount of the target component cannot be separated independently in the independent component analysis.

同時に、本実施形態に記載されているように、基準ベクトルRgを第2特徴信号(妨害単位ベクトルPkの全体によって張られる直交部分空間)に直交化させる演算を行って、目的成分の直交化基準ベクトルSgを求め、この直交化基準ベクトルSgから目的単位ベクトルIを求め、基準ベクトルRgと目的単位ベクトルIとの内積計算を取る方法が、微量成分の定量に極めて優れていることを物語っている。 At the same time, as described in the present embodiment, an operation for orthogonalizing the reference vector R g to the second feature signal (orthogonal subspace spanned by the entire disturbance unit vector P k ) is performed, and the orthogonality of the target component is obtained. seeking criterion vector S g, determined the desired unit vector I from the orthogonalization reference vector S g, how to take an inner product calculation of the reference vector R g and purpose unit vector I have very good determination of trace components Tells the story.

次に、第1実施形態に係る濃度測定処理について説明する。図9は、第1実施形態に係る濃度測定処理の流れを示すフローチャートである。濃度測定処理は、濃度が未知の計測対象試料から微量成分である目的成分の濃度を測定する処理である。濃度測定処理では、目的成分の濃度を測定するための検量線を参照する。したがって、濃度測定処理を実行する前に、予め上述の検量線作成処理を実行して検量線を作成しておく必要がある。   Next, the concentration measurement process according to the first embodiment will be described. FIG. 9 is a flowchart showing the flow of the concentration measurement process according to the first embodiment. The concentration measurement process is a process for measuring the concentration of a target component which is a trace component from a measurement target sample whose concentration is unknown. In the concentration measurement process, a calibration curve for measuring the concentration of the target component is referred to. Therefore, before executing the concentration measurement process, it is necessary to previously create a calibration curve by executing the above-described calibration curve creation process.

図9に示すステップS31〜ステップS33は、濃度が未知の計測対象試料から目的成分の信号を検出する目的成分信号検出処理を行うステップである。まず、ステップS31では、濃度が未知の計測対象試料を用意する。本実施形態では、目的成分であるグルコースの濃度が未知の水溶液を計測対象試料として用意する。   Steps S31 to S33 shown in FIG. 9 are steps for performing target component signal detection processing for detecting a target component signal from a measurement target sample whose concentration is unknown. First, in step S31, a measurement target sample with an unknown concentration is prepared. In the present embodiment, an aqueous solution with an unknown concentration of glucose as a target component is prepared as a measurement target sample.

続いて、ステップS32では、計測対象試料(濃度が未知のグルコース水溶液)の計測信号を取得する。計測信号としては、濃度既知試料の場合と同様に、計測対象試料の吸光度スペクトルを取得する。計測対象試料には、目的成分であるグルコースと、妨害成分である水とが含まれている。したがって、計測信号は、目的成分の信号(第1信号)と妨害成分の信号(第2信号)とを含んでいる。計測対象試料の吸光度スペクトルは、図2に示す計測信号取得部20を介して吸光度計測装置6から取得され、記憶部50に濃度測定対象物計測信号データ533として記憶される。   Subsequently, in step S32, a measurement signal of the measurement target sample (glucose aqueous solution whose concentration is unknown) is acquired. As the measurement signal, the absorbance spectrum of the sample to be measured is acquired as in the case of the sample having a known concentration. The measurement target sample contains glucose as a target component and water as a disturbing component. Therefore, the measurement signal includes a target component signal (first signal) and an interference component signal (second signal). The absorbance spectrum of the measurement target sample is acquired from the absorbance measurement device 6 via the measurement signal acquisition unit 20 illustrated in FIG. 2, and is stored in the storage unit 50 as the concentration measurement target measurement signal data 533.

続いて、ステップS33では、図2に示す第2目的成分信号検出部322により、計測対象試料(濃度が未知のグルコース水溶液)から取得した吸光度スペクトルのデータに基づいて計測ベクトルMを取得する。計測ベクトルMは、測定点i(1≦i≦α)により、数式(17)に示すように、α行1列の列ベクトルで表される。   Subsequently, in step S33, the second target component signal detection unit 322 shown in FIG. 2 acquires the measurement vector M based on the absorbance spectrum data acquired from the measurement target sample (glucose aqueous solution whose concentration is unknown). The measurement vector M is represented by a column vector of α rows and 1 column as shown in Equation (17) by the measurement point i (1 ≦ i ≦ α).

Figure 2017015557
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続いて、ステップS36では、図2に示す濃度測定部320により、数式(18)に示すように、ステップS33で取得した計測ベクトルMと、図2に示す記憶部50に目的成分特徴量データ543として記憶された目的単位ベクトルIとの内積を取る内積計算を行う。この内積計算により、図1に示すように、第1ベクトルM0(即ち、計測ベクトルMの目的物理量成分を示すベクトル)の絶対値がスカラー量m0として求められる。 Subsequently, in step S36, the concentration measurement unit 320 shown in FIG. 2 uses the measurement vector M acquired in step S33 and the target component feature amount data 543 in the storage unit 50 shown in FIG. To calculate the inner product with the target unit vector I stored as. By this inner product calculation, as shown in FIG. 1, the absolute value of the first vector M 0 (that is, the vector indicating the target physical quantity component of the measurement vector M) is obtained as the scalar quantity m 0 .

Figure 2017015557
Figure 2017015557

ここで、第1信号(目的信号)の単位信号である目的単位ベクトルIは、直交演算により、妨害単位ベクトルPkの全体が張る空間に対して直交化されているので、第2信号(妨害信号)に係る成分をほとんど含まない。この目的単位ベクトルIと計測ベクトルMとの内積値m0を取るので、第1信号と第2信号とを含む計測信号(計測ベクトルM)から第2信号を除去して第1信号の大きさを精度良く求めることができる。 Here, since the target unit vector I which is a unit signal of the first signal (target signal) is orthogonalized with respect to the space spanned by the entire interference unit vector P k by orthogonal calculation, the second signal (interference) Signal)). Since the inner product value m 0 of the target unit vector I and the measurement vector M is taken, the magnitude of the first signal is obtained by removing the second signal from the measurement signal (measurement vector M) including the first signal and the second signal. Can be obtained with high accuracy.

次に、ステップS37では、図2に示す濃度測定部320により、ステップS36で得られた内積値m0に対応する濃度を、記憶部50に記憶された検量線データ545(図7に示す検量線)と照合して、計測対象試料のグルコース濃度を判定する(ステップS38)。より具体的には、図7に示す検量線において、ステップS36で算出した内積値を縦軸の値としたときの横軸の値が求めるグルコース濃度となる。これにより、計測対象試料に含まれる目的成分であるグルコースの濃度を測定できる。 Next, in step S37, the concentration measurement unit 320 shown in FIG. 2 uses the calibration curve data 545 stored in the storage unit 50 (the calibration shown in FIG. 7) as the concentration corresponding to the inner product value m 0 obtained in step S36. The glucose concentration of the sample to be measured is determined (step S38). More specifically, in the calibration curve shown in FIG. 7, the value on the horizontal axis when the inner product value calculated in step S36 is taken as the value on the vertical axis is the glucose concentration to be obtained. Thereby, the density | concentration of glucose which is the target component contained in a measurement object sample can be measured.

以上説明したように、第1実施形態に係る信号検出装置1と、信号検出方法、検量線作成方法、および定量方法とによれば、目的成分を含まない試料を計測した第2試料信号(第2試料ベクトルQj)を独立成分分析処理して、第2特徴信号(妨害単位ベクトルPk)を得る。そして、第2特徴信号(妨害単位ベクトルPk)によって張られる空間に直交する空間に対して、射影演算により直交化された目的成分特徴量(目的単位ベクトルI)と計測信号(計測ベクトルM)との内積値m0を取るので、第1信号と第2信号とを含む計測信号から第2信号を除去して第1信号の大きさを精度良く求めることができる。また、目的成分特徴量の検出を利用して、検量線を正確に作成することができる。これにより、計測対象物に微量成分として含まれる目的成分の濃度を正確に測定することが可能となる。 As described above, according to the signal detection apparatus 1 according to the first embodiment, the signal detection method, the calibration curve creation method, and the quantification method, the second sample signal (the second sample signal) measured from the sample that does not include the target component. 2 sample vectors Q j ) are subjected to independent component analysis processing to obtain a second feature signal (interference unit vector P k ). Then, the target component feature quantity (target unit vector I) and the measurement signal (measurement vector M) orthogonalized by the projection operation with respect to the space orthogonal to the space spanned by the second feature signal (interference unit vector P k ). since taking the inner product value m 0 with it can be determined accurately the magnitude of the first signal and the first signal by removing the second signal from the measurement signal and a second signal. In addition, a calibration curve can be accurately created using detection of the target component feature amount. This makes it possible to accurately measure the concentration of the target component contained as a trace component in the measurement object.

<第2実施形態>
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態では、信号検出装置1の構成は第1実施形態と同じであり、信号検出方法、検量線作成方法、および定量方法は、検量線作成処理および濃度測定処理における直交演算としてグラム・シュミットの直交化法を用いる点が異なる以外は、第1実施形態とほぼ同じである。ここでは、第2の実施形態に係る直交演算の方法について、第1の実施形態との相違点を説明する。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. In the second embodiment, the configuration of the signal detection device 1 is the same as that of the first embodiment, and the signal detection method, the calibration curve creation method, and the quantification method are the same as the orthogonal calculation in the calibration curve creation process and the concentration measurement process. The second embodiment is almost the same as the first embodiment except that the Schmidt orthogonalization method is used. Here, the difference between the orthogonal calculation method according to the second embodiment and the first embodiment will be described.

第2実施形態の検量線作成処理においては、図5に示すステップS17の直交処理において、濃度既知試料の基準ベクトルRgを妨害単位ベクトルPkによって張られる直交部分空間に射影する射影演算を行う代わりに、濃度既知試料の基準ベクトルRgに対して妨害単位ベクトルPkを用いたグラム・シュミットの直交化法を適応する。 In the calibration curve preparation process of the second embodiment, the quadrature processing of step S17 shown in FIG. 5 performs projection operation for projecting the orthogonal subspace spanned the reference vector R g known concentration sample by interfering unit vector P k Instead, the Gram-Schmidt orthogonalization method using the interference unit vector P k is applied to the reference vector R g of the sample of known concentration.

第2実施形態では、妨害成分特徴量抽出処理で抽出された妨害成分特徴量(図4(b)に示す妨害単位ベクトルPk)を順次直交化させて、中間ベクトルWkを形成する。k(k=1〜γ)は、第1実施形態と同様に、妨害単位ベクトルの数である。第1妨害単位ベクトルP1からグラム・シュミットの直交化法で得られる第1中間ベクトルW1は数式(19)で表される。 In the second embodiment, the interference component feature amount (interference unit vector P k shown in FIG. 4B) extracted by the interference component feature amount extraction process is sequentially orthogonalized to form the intermediate vector W k . k (k = 1 to γ) is the number of disturbing unit vectors as in the first embodiment. A first intermediate vector W 1 obtained from the first disturbance unit vector P 1 by the Gram-Schmidt orthogonalization method is expressed by Equation (19).

Figure 2017015557
Figure 2017015557

そして、第1中間ベクトルW1に対して第2妨害単位ベクトルP2に対応する第2中間ベクトルW2を直交化させ、第1中間ベクトルW1と第2中間ベクトルW2とに対して第3妨害単位ベクトルP3に対応する第3中間ベクトルW3を直交化させる、というように順次直交化させる。したがって、各中間ベクトルWkは互いに直交している。妨害単位ベクトルPtに対応する中間ベクトルWt(t=2〜γ)は、数式(20)で表される。 Then, a second intermediate vector W 2 corresponding to the first intermediate vector W 1 to the second interference unit vector P 2 is orthogonal, first the first intermediate vector W 1 and the second intermediate vector W 2 The third intermediate vector W 3 corresponding to the three disturbance unit vectors P 3 is orthogonalized in order, for example. Accordingly, the intermediate vectors W k are orthogonal to each other. An intermediate vector W t (t = 2 to γ) corresponding to the disturbance unit vector P t is expressed by Equation (20).

Figure 2017015557
Figure 2017015557

独立成分が3つ(γ=3)の場合を例示すると、数式(20)より、第2中間ベクトルW2は数式(21)で表され、第3中間ベクトルW3は数式(22)で表される。 When the case where there are three independent components (γ = 3) is illustrated, the second intermediate vector W 2 is expressed by the following equation (21) and the third intermediate vector W 3 is expressed by the following equation (22). Is done.

Figure 2017015557
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Figure 2017015557
Figure 2017015557

グラム・シュミットの直交化法では、図5に示すステップS17で得られる直交化基準ベクトルSgは、数式(23)で表される。直交化基準ベクトルSgは、各中間ベクトルWkに対して直交しており、当然ながら、各中間ベクトルWkの線形和に対しても直交化されている。 The orthogonalization of the Gram-Schmidt orthogonalization reference vector S g obtained in step S17 shown in FIG. 5 is expressed by equation (23). The orthogonal reference vector S g is orthogonal to each intermediate vector W k and, of course, is orthogonalized to the linear sum of each intermediate vector W k .

Figure 2017015557
Figure 2017015557

以降は、第1実施形態と同様に、図5に示すステップS18で直交化基準ベクトルSgに対して成分分析処理(多変量解析処理)を施すことにより、目的成分特徴量(目的単位ベクトルI)が得られる(ステップS19)。各妨害単位ベクトルPkが互いに直交していない場合であっても、各中間ベクトルWkは互いに直交しており、目的単位ベクトルIは、妨害単位ベクトルPkの全体が張る空間(即ち、中間ベクトルWkの全体が張る空間)に対して直交している。 Thereafter, similarly to the first embodiment, by performing the component analysis processing to orthogonal reference vectors S g in step S18 shown in FIG. 5 (multivariate analysis), target component feature amount (object unit vector I ) Is obtained (step S19). Even when the disturbing unit vectors P k are not orthogonal to each other, the intermediate vectors W k are orthogonal to each other, and the target unit vector I is a space spanned by the entire disturbing unit vector P k (that is, the intermediate unit Is orthogonal to the space spanned by the entire vector W k .

図10は、第2実施形態に係る検量線作成処理で得られたデータを示す図である。図10(a)に、第2実施形態のステップS19で得られた目的成分特徴量(目的単位ベクトルI)のスペクトルを示す。図10(a)において、横軸は光の波長に対応した測定点(i:1〜α)であり、縦軸はスペクトル強度である。図10(a)に示すように、第2実施形態においても図6(b)に示す第1実施形態で得られたスペクトルと同様のスペクトルが得られた。   FIG. 10 is a diagram illustrating data obtained by the calibration curve creation process according to the second embodiment. FIG. 10A shows a spectrum of the target component feature quantity (target unit vector I) obtained in step S19 of the second embodiment. In FIG. 10A, the horizontal axis represents measurement points (i: 1 to α) corresponding to the wavelength of light, and the vertical axis represents spectral intensity. As shown in FIG. 10A, a spectrum similar to the spectrum obtained in the first embodiment shown in FIG. 6B was also obtained in the second embodiment.

続いて、図5に示すステップS20で、直交化基準ベクトルSgと目的単位ベクトルIとの内積を取る内積計算を行う。そして、内積計算で得られた内積値に基づいて、検量線を作成する(ステップS21)。 Subsequently, in step S20 shown in FIG. 5, inner product calculation is performed to take the inner product of the orthogonalization reference vector Sg and the target unit vector I. Then, a calibration curve is created based on the inner product value obtained by the inner product calculation (step S21).

図10(b)に、第2実施形態のステップS21で作成した検量線を示す。図10(b)には、検量線データに対して最小二乗法によって得られた近似直線の数式と寄与率R2とが記載されている。図10(b)に示すように、検量線データは近似直線上に乗り、近似直線の数式の切片は誤差範囲で原点を通っており、寄与率R2=1となっている。したがって、第2実施形態においても、第1実施形態と同様に、極めて高精度な検量線が得られたことが分かる。 FIG. 10B shows the calibration curve created in step S21 of the second embodiment. FIG. 10B shows the mathematical expression of the approximate line obtained by the least square method and the contribution ratio R 2 for the calibration curve data. As shown in FIG. 10B, the calibration curve data is on the approximate line, and the intercept of the mathematical expression of the approximate line passes through the origin in the error range, and the contribution ratio R 2 = 1. Therefore, it can be seen that, in the second embodiment, a calibration curve with extremely high accuracy was obtained as in the first embodiment.

以降は、第1実施形態と同様に、図9に示すステップS36〜ステップS38を実行することにより、計測対象試料に含まれる目的成分であるグルコースの濃度を測定することができる。   Thereafter, similarly to the first embodiment, the concentration of glucose, which is the target component contained in the measurement target sample, can be measured by executing steps S36 to S38 shown in FIG.

以上説明したように、第2実施形態においても、目的成分の物理量が既知である基準試料から得られる計測信号(基準ベクトルRg)に対して、第2特徴信号(妨害単位ベクトルPk)を用いたグラム・シュミットの直交化法を適応して直交化された目的成分特徴量(目的単位ベクトルI)と計測信号(計測ベクトルM)との内積値m0を取るので、第1信号と第2信号とを含む計測信号から第2信号を除去して第1信号の大きさを精度良く求めることができる。これにより、計測対象物に微量成分として含まれる目的成分の濃度を正確に測定することが可能となる。 As described above, also in the second embodiment, the second feature signal (interference unit vector P k ) is used for the measurement signal (reference vector R g ) obtained from the reference sample whose physical quantity of the target component is known. Since the inner product value m 0 of the objective component feature quantity (target unit vector I) and the measurement signal (measurement vector M) orthogonalized by applying the Gram-Schmidt orthogonalization method used is taken, the first signal and the first signal The magnitude | size of a 1st signal can be calculated | required accurately by removing a 2nd signal from the measurement signal containing 2 signals. This makes it possible to accurately measure the concentration of the target component contained as a trace component in the measurement object.

<第3実施形態>
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態では、信号検出装置の構成と、信号検出方法、検量線作成方法、および定量方法と、は第1実施形態や第2実施形態と同様であるが、その用途が異なっている。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment will be described. In the third embodiment, the configuration of the signal detection device, the signal detection method, the calibration curve creation method, and the quantification method are the same as those in the first embodiment and the second embodiment, but their uses are different.

すなわち、第3実施形態では、人間の体液を計測対象物とし、体液中の特定の微量成分の濃度を測定する。体液としては、例えば、血液、リンパ液、組織液、汗、尿などとすることができる。濃度の測定対象となる目的成分(微量成分)としては、体液が血液の場合は血糖やコレステロール、中性脂肪とすることができ、体液が尿の場合は尿酸や糖などとすることができる。   That is, in the third embodiment, human body fluid is used as a measurement object, and the concentration of a specific trace component in the body fluid is measured. The body fluid can be, for example, blood, lymph, tissue fluid, sweat, urine and the like. The target component (trace component) to be measured for concentration can be blood sugar, cholesterol, or neutral fat when the body fluid is blood, and uric acid or sugar when the body fluid is urine.

第3実施形態においても、計測対象物に含まれる妨害成分は水とすることができる。よって、妨害成分試料は水である。また、濃度既知試料は、濃度の測定対象となる目的成分の濃度が異なる複数の試料である必要がある。そこで、例えば、日常生活における様々な時間・場所・体調において採取された体液を濃度既知試料とする。   Also in the third embodiment, the disturbing component contained in the measurement object can be water. Thus, the interfering component sample is water. In addition, the samples with known concentrations need to be a plurality of samples having different concentrations of target components to be measured for concentration. Therefore, for example, body fluids collected at various times, places, and physical conditions in daily life are used as samples having known concentrations.

体液に含まれる高割合成分である水は温度によってスペクトルデータ(または特徴量の構成比)が変化する特性を有するため、採取された体液の温度を変化させた複数の濃度既知試料を更に用意することが好ましい。例えば、計測対象物である体液を血液、目的成分を血糖とするのであれば、食事の前後や運動の前後、就寝の前後などの血液を採取し、血糖値を別の測定装置で測定することで濃度既知試料とすることができる。   Since water, which is a high proportion component contained in bodily fluids, has a characteristic that the spectral data (or the composition ratio of the characteristic amount) changes depending on the temperature, a plurality of samples with known concentrations in which the temperature of the collected bodily fluids is changed are further prepared. It is preferable. For example, if the body fluid that is the measurement target is blood and the target component is blood glucose, blood is collected before and after meals, before and after exercise, before and after going to bed, and the blood glucose level is measured with another measuring device. The sample with a known concentration can be obtained.

なお、第3実施形態において、濃度既知試料を、実際に採取した体液としたが、体液を模擬した試料を作成して、これを利用することとしてもよい。   In the third embodiment, the sample with known concentration is the body fluid actually collected. However, a sample simulating the body fluid may be created and used.

上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。変形例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。   The above-described embodiments merely show one aspect of the present invention, and can be arbitrarily modified and applied within the scope of the present invention. As modifications, for example, the following can be considered.

<変形例1>
上述の実施形態では、信号検出装置1が信号検出装置、検量線作成装置、および計測装置の機能を内包している構成であったが、本発明は上述の実施形態に限られるものではない。妨害成分特徴量抽出処理および検量線作成処理を別途行うのであれば、上述の実施形態の信号検出装置1から信号検出装置および検量線作成装置の機能を省き、濃度測定処理に特化した計測装置を提供することもできる。図11は、変形例1に係る計測装置の構成を説明するブロック図である。
<Modification 1>
In the above-described embodiment, the signal detection device 1 includes the functions of the signal detection device, the calibration curve creation device, and the measurement device. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment. If the interference component feature quantity extraction process and the calibration curve creation process are performed separately, the functions of the signal detection apparatus and the calibration curve creation apparatus are omitted from the signal detection apparatus 1 of the above-described embodiment, and the measurement apparatus specialized in the concentration measurement process Can also be provided. FIG. 11 is a block diagram illustrating the configuration of the measurement apparatus according to the first modification.

図11に示すように、計測装置2は、処理部10Aと、記憶部50Aと、操作部70と、表示部80と、通信部90とを備えている。処理部10Aは、計測信号取得部20と、演算処理部30Aとを有する。演算処理部30Aは濃度測定部320を有し、上述の実施形態の演算処理部30に対して検量線作成部310が省かれている。記憶部50Aは、濃度測定プログラム520が記憶され、検量線作成プログラム510は省かれている。また、記憶部50Aは、予め取得された目的成分特徴量データ543(目的単位ベクトルI)と検量線データ545とを記憶しており、濃度測定処理の実行時に算出される濃度測定対象物計測信号データ533を記憶する。   As illustrated in FIG. 11, the measurement device 2 includes a processing unit 10A, a storage unit 50A, an operation unit 70, a display unit 80, and a communication unit 90. The processing unit 10A includes a measurement signal acquisition unit 20 and an arithmetic processing unit 30A. The arithmetic processing unit 30A includes a concentration measurement unit 320, and the calibration curve creation unit 310 is omitted from the arithmetic processing unit 30 of the above-described embodiment. The storage unit 50A stores a concentration measurement program 520 and omits a calibration curve creation program 510. Further, the storage unit 50A stores target component feature amount data 543 (target unit vector I) and calibration curve data 545 acquired in advance, and a concentration measurement object measurement signal calculated when the concentration measurement process is executed. Data 533 is stored.

計測信号取得部20は、図9に示すステップS32とステップS33とを実行する。濃度測定部320は、目的成分特徴量データ543を用いて図9に示すステップS36を実行した後に、検量線データ545を用いて図9に示すステップS37とステップS38とを実行して、濃度を計測する。計測された濃度は、表示部80に表示され、或いは、通信部90を介して他の電子機器(例えば、スマートフォンやサーバーなどの大規模記憶装置)に転送される。   The measurement signal acquisition unit 20 executes Step S32 and Step S33 shown in FIG. The density measuring unit 320 executes step S36 shown in FIG. 9 using the target component feature quantity data 543, and then executes steps S37 and S38 shown in FIG. 9 using the calibration curve data 545 to determine the density. measure. The measured concentration is displayed on the display unit 80 or transferred to another electronic device (for example, a large-scale storage device such as a smartphone or a server) via the communication unit 90.

変形例1に示す計測装置2の構成によれば、計測対象物と、その計測対象物に含まれる目的成分および妨害成分とが特定できる場合に、より低コストで計測対象物に含まれる目的成分の濃度を測定することが可能な装置を提供できる。   According to the configuration of the measurement device 2 shown in the first modification, when the measurement object and the target component and the interference component included in the measurement object can be specified, the target component included in the measurement object at a lower cost. An apparatus capable of measuring the concentration of can be provided.

<変形例2>
本発明を適用可能な例は、上述の実施形態に限られるものではない。例えば、医薬品の原薬に含まれ得る微量成分である不純物質の濃度或いは量を測定する実施形態や、電波の中に含まれ得る振幅が微小な周波数信号を検出する実施形態、地磁気等の妨害成分の磁気がある環境下で微量成分である人の心磁を検出する実施形態、血液の脈波信号に埋もれた微小な異常振幅信号を検出する実施形態、などにも適用することができる。また、ディスプレイの検査装置として不良画素を検出する際に、画面全体の表示(妨害成分)の中から、不良画素の信号を検出する方法にも適用することができる。さらに、沢山の指紋の中から特定人物の指紋を検出するアルゴリズムにも適用することができる。
<Modification 2>
An example to which the present invention can be applied is not limited to the above-described embodiment. For example, an embodiment for measuring the concentration or amount of impurities, which are trace components that can be contained in an active pharmaceutical ingredient, an embodiment for detecting a frequency signal with a small amplitude that can be contained in radio waves, and an interference such as geomagnetism The present invention can also be applied to an embodiment for detecting a human magnetocardiogram, which is a trace component, in an environment with a component magnetism, an embodiment for detecting a minute abnormal amplitude signal buried in a blood pulse wave signal, and the like. Further, when a defective pixel is detected as a display inspection apparatus, the present invention can also be applied to a method for detecting a defective pixel signal from the display (interference component) of the entire screen. Furthermore, the present invention can be applied to an algorithm for detecting a fingerprint of a specific person from among many fingerprints.

<変形例3>
上述の実施形態では、ステップS17の直交処理における直交演算の例として、第1実施形態では射影演算を、第2実施形態ではグラム・シュミットの直交化法を挙げたが、反復法による対称的直交化法など、他の直交化法を用いて直交演算を実現してもよい。
<Modification 3>
In the above-described embodiment, as an example of the orthogonal calculation in the orthogonal processing in step S17, the projection calculation is used in the first embodiment, and the Gram-Schmidt orthogonalization method is used in the second embodiment. The orthogonal operation may be realized using another orthogonal method such as a conversion method.

<変形例4>
上述の実施形態では、ステップS05およびステップS18の成分分析処理に独立成分分析を用いたが、成分分析処理は、多変量解析であれば、独立成分分析に限られるものではない。例えば、主成分分析やフーリエ変換等であっても構わない。第1実施形態で詳述したように、妨害成分の全体に対して目的成分が直交化されるので、個々の妨害ベクトルが互いに直交している必要性はない。しかしながら、独立成分分析にて得られる妨害ベクトルは互いに直交性が強いので、誤差低減には独立成分分析が最も優れている。
<Modification 4>
In the above-described embodiment, independent component analysis is used for the component analysis processing in steps S05 and S18. However, the component analysis processing is not limited to independent component analysis as long as it is multivariate analysis. For example, it may be principal component analysis or Fourier transform. As described in detail in the first embodiment, since the target component is orthogonalized with respect to the entire disturbance component, there is no need for the individual interference vectors to be orthogonal to each other. However, since the interference vectors obtained by the independent component analysis are highly orthogonal to each other, the independent component analysis is most excellent in reducing errors.

1…信号検出装置、2…計測装置、6…吸光度計測装置、10,10A…処理部、20…計測信号取得部(取得部)、30,30A…演算処理部(信号処理部)、310…検量線作成部、320…濃度測定部、50,50A…記憶部、510…検量線作成プログラム、520…濃度測定プログラム、531…妨害成分試料計測信号データ、532…濃度既知試料計測信号データ、533…濃度測定対象物計測信号データ、541…妨害成分特徴量データ、543…目的成分特徴量データ、545…検量線データ、70…操作部、80…表示部、90…通信部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Signal detection apparatus, 2 ... Measuring apparatus, 6 ... Absorbance measuring apparatus, 10, 10A ... Processing part, 20 ... Measurement signal acquisition part (acquisition part), 30, 30A ... Arithmetic processing part (signal processing part), 310 ... Calibration curve creation unit, 320 ... concentration measurement unit, 50, 50A ... storage unit, 510 ... calibration curve creation program, 520 ... concentration measurement program, 531 ... interference component sample measurement signal data, 532 ... concentration known sample measurement signal data, 533 ... concentration measurement object measurement signal data, 541 ... disturbing component feature quantity data, 543 ... target component feature quantity data, 545 ... calibration curve data, 70 ... operation section, 80 ... display section, 90 ... communication section.

Claims (12)

第1信号と、前記第1信号とは異なる第2信号と、を含む計測信号を取得する工程と、
前記計測信号と前記第1信号の単位信号との内積値を取る工程と、
を含むことを特徴とする信号検出方法。
Obtaining a measurement signal including a first signal and a second signal different from the first signal;
Taking an inner product value of the measurement signal and the unit signal of the first signal;
A signal detection method comprising:
前記第1信号の単位信号は、直交演算により、前記第2信号に直交化されていることを特徴とする請求項1に記載の信号検出方法。   The signal detection method according to claim 1, wherein the unit signal of the first signal is orthogonalized to the second signal by orthogonal calculation. 前記直交演算には、前記第2信号に係る成分を含み前記第1信号に係る成分を含まない試料を計測した第2試料信号を多変量解析処理して得られる第2特徴信号を用いることを含むことを特徴とする請求項2に記載の信号検出方法。   In the orthogonal calculation, a second feature signal obtained by performing multivariate analysis processing on a second sample signal obtained by measuring a sample including the component related to the second signal but not including the component related to the first signal is used. The signal detection method according to claim 2, further comprising: 前記直交演算は、前記第2特徴信号によって張られる空間に直交する空間に、前記第1信号に係る物理量が既知である基準試料から得られる前記計測信号を射影させる射影演算を含んでいることを特徴とする請求項3に記載の信号検出方法。   The orthogonal calculation includes a projection calculation for projecting the measurement signal obtained from a reference sample whose physical quantity related to the first signal is known in a space orthogonal to the space spanned by the second feature signal. The signal detection method according to claim 3, wherein: 前記直交演算は、前記第1信号に係る物理量が既知である基準試料から得られる前記計測信号に対して、前記第2特徴信号を用いたグラム・シュミットの直交化法を適応することを特徴とする請求項3に記載の信号検出方法。   The orthogonal calculation applies a Gram-Schmidt orthogonalization method using the second feature signal to the measurement signal obtained from a reference sample whose physical quantity related to the first signal is known. The signal detection method according to claim 3. 前記第1信号が前記計測信号に占める割合は、1%以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の信号検出方法。   The signal detection method according to claim 1, wherein a ratio of the first signal to the measurement signal is 1% or less. 第1信号に係る成分と、前記第1信号とは異なる第2信号に係る成分と、を含み、前記第1信号に係る物理量が既知である基準試料から得られる計測信号と、前記第1信号の単位信号と、の内積値を計算し、前記第1信号に係る物理量と前記内積値との関係を示す検量線を作成することを特徴とする検量線作成方法。   A measurement signal obtained from a reference sample including a component related to the first signal and a component related to a second signal different from the first signal, and a physical quantity related to the first signal is known; and the first signal A calibration curve creating method, comprising: calculating an inner product value of the unit signal and generating a calibration curve indicating a relationship between the physical quantity related to the first signal and the inner product value. 請求項1から6のいずれか一項に記載の信号検出方法によって得られた前記内積値を参照して物理量を定量化する工程を含むことを特徴とする定量方法。   A quantification method comprising a step of quantifying a physical quantity with reference to the inner product value obtained by the signal detection method according to claim 1. 前記定量化する工程では、前記内積値と請求項7に記載の検量線作成方法にて得られた前記検量線とを参照することを特徴とする請求項8に記載の定量方法。   The quantification method according to claim 8, wherein in the quantifying step, the inner product value and the calibration curve obtained by the calibration curve creation method according to claim 7 are referred to. 前記物理量は血液中のグルコース濃度であることを特徴とする請求項8または9に記載の定量方法。   The method according to claim 8 or 9, wherein the physical quantity is a glucose concentration in blood. 第1信号に係る成分と、前記第1信号とは異なる第2信号に係る成分と、を含む計測対象物を計測した計測信号を取得する取得部と、
前記第1信号の単位信号を記憶する記憶部と、
前記計測信号と前記第1信号の単位信号との内積値を取る演算処理部と、
を備えたことを特徴とする信号検出装置。
An acquisition unit that acquires a measurement signal obtained by measuring a measurement object including a component related to a first signal and a component related to a second signal different from the first signal;
A storage unit for storing a unit signal of the first signal;
An arithmetic processing unit that takes an inner product value of the measurement signal and the unit signal of the first signal;
A signal detection apparatus comprising:
第1信号に係る成分と、前記第1信号とは異なる第2信号に係る成分と、を含む計測対象物を計測した計測信号を取得する取得部と、
前記第1信号の単位信号を記憶する記憶部と、
前記計測信号と前記第1信号の単位信号との内積値を取り、前記内積値を用いて物理量を定量化する演算処理部と、
を備えたことを特徴とする計測装置。
An acquisition unit that acquires a measurement signal obtained by measuring a measurement object including a component related to a first signal and a component related to a second signal different from the first signal;
A storage unit for storing a unit signal of the first signal;
An arithmetic processing unit that takes an inner product value of the measurement signal and the unit signal of the first signal, and quantifies a physical quantity using the inner product value;
A measuring device comprising:
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