JP2017528706A - 吸収帯を決定するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、スペクトルにおける少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法に関係し、方法は、少なくとも：−サンプルからの測定された吸収スペクトルを提供する工程と、−計算スペクトルを提供する工程と、−計算スペクトルから、少なくとも一つの吸収帯を抽出する工程と、−計算スペクトルから抽出した各吸収帯を除去することによって、剰余スペクトルを計算する工程と、−剰余スペクトルによって既定の停止基準が満たされているか否かを検証する工程と、−停止基準が満たされていない場合に、剰余スペクトルを計算スペクトルとして使用し、抽出工程、形成工程、計算工程および検証工程を反復する工程と、−停止基準が満たされている場合に、抽出した各吸収帯を出力する工程と、を含む。

Description

技術分野
本発明は、スペクトルにおける少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法に関係する。本発明は、三次元サンプルを三次元画像化するための方法にも関する。本発明は、関連する分光計およびコンピュータプログラム製品にも関係する。

発明の背景
生体サンプルは、さまざまな細胞集団および化合物を含む生体組織である。各細胞集団は、三次元において組織化および／または分布された具体的な代謝および生化学的特性を見せる。各化合物は、分析された組織の全体的挙動に影響を及ぼす。それ故に、三次元において生体サンプルのこれらの化合物および種々の細胞集団の変化を調査することが望ましい。

組織化合物の変化を辿るための組織病理学の技法が公知となっている。組織病理学は、病気の発現を調査するための組織の顕微鏡的な検査を参照する。具体的には、臨床医学では、組織病理学は、外科標本が処理され、組織学的切片がスライドガラス上に設置された後の、病理学者による生検または外科標本の検査を参照する。対照的に、細胞病理学は、遊離細胞または組織片を検査する。

免疫組織化学および免疫蛍光は、二つの広く使用されている組織病理学の技法である。

免疫組織化学またはＩＨＣは、生体組織内の、具体的には抗原との抗体結合の原理を活用することによって、組織切片の細胞または間質性の化学物質内のラベル（大部分が抗原である）を検出するプロセスを参照する。手順は、１９４１年にDr. Albert Coonsによって概念化され、最初に具現化された。抗体−抗原相互作用の視覚化は、多くの方式において達成することができる。最もありふれた事例では、抗体は、酵素、例えば、ペルオキシダーゼと共役し、色生成反応を触媒できる。

あるいは、抗体は、フルオロフォア、例えば、フルオレセインまたはローダミンにも付くことができる。そのような技法は、免疫蛍光またはＩＦと呼ばれる。したがって、この技法は、抗体の場所を視覚化するためにフルオロフォアを使用する免疫染色の広く使用されている実施例および免疫組織化学の具体的な実施例である。免疫蛍光は、組織切片、培養細胞株または個別細胞において使用でき、これを使用して、タンパク質、グリカンならびに小さな生体および非生体分子の分布を分析することができる。免疫蛍光は、蛍光染色の他の非抗体方法、例として、ＤＮＡをラベルするためのＤＡＰＩの使用と組み合わせて使用することができる。いくつかの顕微鏡設計を、免疫蛍光サンプルの分析に使用することができ、その最も簡単なものは、落射蛍光顕微鏡であり、共焦点顕微鏡も広く使用されている。遥かに高い解像能力がある様々な超解像顕微鏡設計も使用することができる。

しかしながら、免疫組織化学および免疫蛍光は、分析された組織内の空間的に順序付けられた化学物質および細胞化合物へのアクセスを提供しない組織病理学の画像化技法である。その上、これらの技法は、サンプル容積の定量的測定を提供することが可能ではない。これらの技法は、ラベル間の乏しい適合性に起因して、単一サンプルにおいて分析される化合物の数も限定される。

サンプル容積のそのような定量的かつより大域的な測定は、顕著には、分光技法によって提供することができる。定義により、分光法は、広帯域波長領域にわたる物質と放射エネルギとの間の相互作用の調査である。したがって、複数の実験的技法は、分光技法である。赤外線分光法、ラマン分光法、質量分析法、Ｘ線蛍光がサンプル容積の定量的測定を提供する分光技法の実施例である。

最近の取り組みは、組織切片の二次元画像をスタックすることによって、三次元赤外線画像化を再構成できることを実証した。そのような技法の実施例は、顕著には、その題名が「A three-dimensional multivariate image processing technique for the analysis of FTIR spectroscopic images of multiple tissue sections」であり、総説BMC Med Imaging 6 (12), 1 (2006)において公表された、B.R. Woodらによる論文に記載されている。

トモグラフィ再構成のために同じサンプル容量からいくつかの視野角を共に追加するためにもこれを提案することができる。この手法は、顕著には、その題名が「3D spectral imaging with synchrotron Fourier transform infrared spectro-microtomography」であり、総説Nat Methods 10 (9), 861 (2013)において公表された、M.C. Martinらによる論文に明らかにされている。

シンクロトロン放射の使用は、三次元再構成における定量的なアーチファクトを限定してきた、高い信号／ノイズ値を取得するためのグローバー源に代わる有益なものとして考慮されてきた。そのようなアイデアは、顕著には、その題名が「A bright future for synchrotron imaging」であり、総説Nat Photonics 3 (4), 179 (2009)において公表されたC. Petiboisらによる論文に明らかにされている。このアイデアは、その題名が「Synchroton infrared confocal microscope: Application to infrared 3D spectral imaging」であり、総説J Phys: Conf Series 425 (142002), 1 (2012)において公表されたF. Jammeらによる論文にも見ることができる。

しかしながら、そのような技法の使用は、比較的高い出力をもつ放射源の使用を暗示する。質量分析法におけるＸ線蛍光またはイオン源のためのシンクロトロンは、そのような放射源の実施例である。そのような出力源の使用は、診療所における分光技法の発展を制限する。顕著には、シンクロトロン施設は、容易にアクセス可能ではなく、シンクロトロン放射源を暗示する技法の使用の考慮を抑制する。そのような赤外線は、長く続くスペクトルデータ収集を可能にするのに十分に安定したものとしては考慮されず、したがって、高いスペクトルおよび画素解像度において大きな組織サンプルを分析する能力を限定することも述べなければならない。

その上、診療所において使用される検出器は、通例、小さな寸法であり、したがって、画像化方法の適用性を小さなサンプルエリアまたは容量に制限する。

また、そのような技法は、それらの利用の専門家ではないエンドユーザ、すなわち、臨床医および生物学者にとっての使いやすさの乏しさが依然としてある。

加えて、先に述べた技法のいずれも、大きなスケール、換言すれば、例として、外科切除の生検のための１cm³の容量である三次元サンプル画像化を実現可能ではない。

他の分野では、顕著にはガスのための、化合物検出を目標とする文献国際公開公報第２００９／１４０４９２ Ａ２号および米国特許第２０１２／０６５９４８ Ａ１号も公知である。

発明の概要
それ故に、先に述べた瑕疵を少なくとも部分的に軽減する、サンプルに存在する化学種の共有結合から吸収帯を決定するための方法が要望されている。

このために、スペクトルが既定の波長量の範囲における波長量に関する吸収量の変化であり、吸収量が吸収を表す量であり、波長量が波長を表す量であり、各吸収帯がサンプルに存在する化学種の少なくとも一つの共有結合に関連する数学的分布であり、数学的分布が数学的パラメータによって特徴づけられる、スペクトルにおける少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法が提案され、方法が少なくとも：
−サンプルからの測定された吸収スペクトルを提供する工程と、
−測定された吸収スペクトルと等しい計算スペクトルを提供する工程と、
−計算スペクトルから、少なくとも一つの吸収帯を抽出する工程と、
−抽出した各吸収帯をグループ化することによって、吸収帯集団を形成する工程と、
−計算スペクトルから抽出した各吸収帯を除去することによって、剰余スペクトルを計算する工程と、
−剰余スペクトルによって既定の停止基準が満たされているか否かを検証する工程と、
−停止基準が満たされていない場合は、剰余スペクトルを計算スペクトルとして使用し、抽出工程、形成工程、計算工程および検証工程を反復する工程と、ここで、反復工程の最後における抽出した吸収帯（複数可）が以前に抽出した吸収帯（複数可）と異なりおよび
−停止基準が満たされている場合は、抽出した各吸収帯を出力する工程と、
を含む方法である。

文献国際公開公報第２００９／１４０４９２ Ａ２号と比較して、本方法が吸収帯に適用され、単一線ではないことを強調すべきである（それは、ガスに関連した場合であるためである）。加えて、そのような文献では、反復の方法を使用することにより、剰余スペクトル（換言すると、誤差スペクトル）を使用して生成された帯を修正しおよび新規のものを生成することは述べられていない。

文献米国特許第２０１２／０６５９４８ Ａ１号とは反対に、本方法は、吸収帯を決定し、かつ反復の方法を使用することにより、剰余スペクトルを使用して生成された帯を修正しおよび新規のものを生成する。

それ故に、そのような方法は、化学種の決定の正確さの改善が可能になる。

このことは、生体サンプルにおいていっそう興味深いことである。通例の状況では、生体サンプルは、固体または液体であり、このことは、サンプルの容積の分析をかなり困難にする。顕著には、文献国際公開公報第２００９／１４０４９２ Ａ２号および米国特許第２０１２／０６５９４８ Ａ１号の方法は、そのような使用に好都合ではないであろう。

有利であるが、強制的ではないさらなる実施形態によれば、サンプルの化学種に存在する共有結合に関連する少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法は、任意の受け入れられる組み合わせにおいて取り込まれる以下の特徴の一つまたはいくつかを具現化することができる：
−サンプルが生体サンプルである。
−分布形状がガウス形状、ローレンツ形状およびフォークト形状の中から選ばれ、フォークト形状がガウス割合およびローレンツ割合によって特徴づけられる。
−数学的パラメータが吸収帯の位置であり、位置は、考慮された吸収帯の吸収量の絶対最大値の波長量である。
−数学的パラメータが吸収帯の幅である。
−抽出工程が、計算スペクトルにおける吸収帯（複数可）を探索し、求められた吸収帯（複数可）を取得する工程と、求められた各吸収帯の数学的パラメータについての値を推定して推定されたパラメータを取得する工程と、を含む。
−抽出工程が、計算スペクトルの最大値を取得することと、波長量に関する吸収量の一次導関数を計算して計算スペクトルの一次導関数を取得することと、波長量に関する吸収量の二次導関数を計算して計算スペクトルの二次導関数を取得することと、波長量に関する吸収量の二次導関数である、計算スペクトルの二次導関数の最小値を取得することと、からなるグループにおいて選ばれた工程を実行することを含む。
−抽出工程がさらに、吸収帯および分布形状の推定されたパラメータを使用することによる各吸収帯の曲線のあてはめを含む。
−停止基準が：
・既定の波長量の範囲にわたる剰余スペクトルにおける吸収量の積分が、既定の波長量の範囲にわたる測定された吸収スペクトルにおける吸収量の積分との１％の積よりも厳密に下回る、
・既定の波長量の範囲にわたる剰余スペクトルにおける吸収量の積分が、既定の波長量の範囲にわたる測定された吸収スペクトルにおける吸収量の積分との０．１％の積よりも厳密に下回る、
・剰余スペクトルにおける波長量あたりの吸収量の絶対値が、測定された吸収スペクトルにおける波長量あたりの吸収量の絶対値との１％の積よりも厳密に下回る、
・剰余スペクトルにおける波長量あたりの吸収量の絶対値が、測定された吸収スペクトルにおける波長量あたりの吸収量の絶対値との０．１％の積よりも厳密に下回る、
・剰余スペクトルにおける吸収量と測定された吸収スペクトルにおける吸収量との間の比率が、既定の波長量の範囲における１％よりも厳密に下回る、
・剰余スペクトルにおける吸収量と測定された吸収スペクトルにおける吸収量との間の比率が、既定の波長量の範囲における０．１％よりも厳密に下回るおよび
・前の停止基準の任意の組み合わせ、
からなるグループにおいて選ばれる。
−方法がさらに、停止基準が満たされていない場合に、剰余スペクトルを使用して以前に抽出した各吸収帯を修正する工程を含む。
−各吸収帯が位置および端をもつ幅を有し、修正工程が抽出した各吸収帯について、考慮された吸収帯の位置および／または考慮された吸収帯の幅の端における剰余スペクトルの代数符号を決定することを含む。
−各吸収帯が位置および端をもつ幅を有し、修正工程が抽出した各吸収帯について、考慮された各吸収帯の位置に関する剰余スペクトルの対称性を分析することを含む。
−剰余スペクトルを計算スペクトルとして使用するときに停止基準が満たされ、抽出工程、形成工程、計算工程および検証工程を反復し、以前に決定された帯パラメータがさらには変形されず、いかなる新規の帯も以前に取得した吸収帯集団に追加されない。

三次元サンプルを三次元画像化するための方法も提案され、方法は、少なくとも、三次元サンプルを複数個の二次元サンプルに分割し、先にここに記載したような方法である、各二次元サンプルについての少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法を実行して、各二次元サンプルについての少なくとも一つの共有結合に関連する少なくとも一つの吸収帯を取得し、各二次元サンプルについての取得した吸収帯を使用して三次元サンプルを再構成する工程を含む。

放射源、放射源によって放出された放射をサンプルの方に運ぶための光学部品、サンプルホルダならびにここに先に記載したような方法を実行するように適合された検出器および計算機を含む分光計も提案される。

プログラム命令を含むコンピュータプログラムであって、データ処理ユニットにロード可能であり、データ処理ユニットによってコンピュータプログラムが履行されたときにここに先に記載したような方法を遂行させるように適合されたコンピュータプログラムをそこに有する、コンピュータ読み取り可能な媒体を含むコンピュータプログラム製品にも関係する。

本発明は、本発明の対象を制限することなく、付属の図面に対応しておよび実例となる実施例として与えられる以下の説明に基づいてよりよく理解される。付属の図面において：
その相互作用がスペクトルにおける少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法の実行を可能にする、システムおよびコンピュータプログラム製品の模式図である。 スペクトルにおける少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法を実行する実施例のフローチャートである。 少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法を実行するもう一つの実施例のフローチャートである。 波数に対する吸光度の変化である吸光度スペクトルを例証するグラフである。 波数に関する吸光度の二次導関数の波数に対する変化を例証するグラフである。 吸光度スペクトルにおける波数に対する吸光度の変化および種々の識別された吸収帯を例証するグラフである。 分光計の模式図である。

一部の実施形態を実施するための形態
システム１０およびコンピュータプログラム製品１１が図１に表される。コンピュータプログラム製品１１とシステム１０との間の相互作用は、スペクトルにおける少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法の実行を可能にする。これは、二つのボックス１２および１３によって図１に象徴される。第一のボックスは、この文脈ではスペクトルである入力に対応する。第二のボックスは、この文脈では吸収帯である出力に対応する。残りの説明において、スペクトルにおける少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法は、吸収帯を決定するための方法と命名される。

システム１０は、コンピュータである。本場合では、システム１０は、ラップトップである。

より一般的には、システム１０は、コンピュータもしくはコンピューティングシステムまたは物理量、例えば、コンピューティングシステムのレジスタおよび／またはメモリ内の電子として表されたデータを、コンピューティングシステムのメモリ、レジスタまたは他のそのような情報ストレージ、伝送もしくは表示装置内の物理量として同様に表された他のデータに操作および／または変換するように適合された同様の電子コンピューティング装置である。

システム１０は、プロセッサ、キーボード１４および表示ユニット１６を含む。

プロセッサは、データ処理ユニット、メモリおよびコンピュータ読み取り可能な媒体を読み取るように適合されたリーダを含む。

コンピュータプログラム製品１１は、コンピュータ読み取り可能な媒体を含む。

コンピュータ読み取り可能な媒体は、プロセッサのリーダによって読み取ることができる媒体である。コンピュータ読み取り可能な媒体は、電子命令を記憶するのに好適であり、コンピュータシステムバスに連結する能力がある媒体である。

そのようなコンピュータ読み取り可能なストレージ媒体は、例として、ディスク、フロッピーディスク、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）電気的にプログラム可能な読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能なかつプログラム可能な読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、磁気もしくは光カードまたは電子命令を記憶するのに好適であり、コンピュータシステムバスに連結する能力がある任意の他のタイプの媒体である。

コンピュータプログラムは、コンピュータ読み取り可能なストレージ媒体に記憶される。コンピュータプログラムは、一つ以上の記憶されたプログラム命令のシーケンスを含む。

コンピュータプログラムは、データ処理ユニットにロード可能であり、データ処理ユニットによってコンピュータプログラムが履行されたときに吸収帯を決定するための方法を遂行させるように適合される。

システム１０の動作を、吸収帯を決定するための方法を実行する実施例を例証する図２のフローチャートを参照して今ここで記載する。

各吸収帯は、サンプルに存在する化学種の共有帯に関連する数学的分布である。

定義により、共有結合は、原子間の電子対の共用を伴う化学結合である。原子が電子を共用するときの原子間の引き付ける力と反発する力との安定したバランスは、共有結合として公知である。多数の分子において、電子の共用は、安定した電子構成に対応するような全部の外殻の等価を各原子が成し遂げることを可能にする。

共有結合は、σ結合、π結合、金属間結合、アゴスティック相互作用および三中心二電子結合を包含する多数の種類の相互作用を包含する。

共有結合は、二つ以上の同一原子、二つの異なる原子または異なる種類の原子の任意の他の組み合わせに適用される。三つ以上の原子にわたる電子の共用を内含する共有結合は、非局在化と言われる。

吸収が発生する周波数のほかに、それらの相対強度もまた、主としてサンプルの電子および分子の構造に応じて決まる。周波数は、サンプルにおける化合物間の相互作用、固体における結晶構造、超分子の組織（ポリマー、分子間の結合）およびいくつかの環境因子（例として、温度、圧力、電磁場）にも応じて決まる。吸収帯は、スペクトル密度またはシステムの状態の密度によって主として決定された幅および形も有する。

吸収帯は、通常、分子または原子において誘発される量子力学の変化の性質によって分類される。回転帯は、例として、分子の回転状態が変化したときに発生する。回転帯は、通常、マイクロ波スペクトル領域に見られる。振動帯は、分子の振動状態における変化に対応し、通常、赤外線領域に見られる。電子帯は、原子または分子の電子状態における変化に対応し、通常、可視光線および紫外線領域に見られる。Ｘ線吸収は、原子における内殻電子の励起に関連する。これらの変化は、二つの変化の組み合わされたエネルギにおける新規の吸収帯をもたらすように組み合わせる（例えば、回転振動遷移）こともできる。

量子力学の変化に関連するエネルギは、主として、吸収線の周波数を決定するが、周波数は、いくつかのタイプの相互作用によってシフトさせることができる。電場および磁場はシフトをもたらすことができる。隣接する分子との相互作用はシフトをもたらすことができる。例として、気相分子の吸収帯は、その分子が液相または固相であるときに有意にシフトして、隣接する分子との相互作用をより強力にすることができる。

観測された吸収帯は、常に、観測のために使用される機器、放射を吸収する材料およびその材料の物理的環境によって決定された幅および形を有する。したがって、吸収帯の数学的分布は、数学的パラメータによって特徴づけられた分布形状である。ガウスまたはローレンツ分布は、分布の実施例である。強度および幅は、数学的パラメータの実施例である。

現在の場合では、各吸収帯は、二つの端間を延在する幅を有する。幅は、（ＦＨＷＭともラベルされる）半値全幅として定義される。そのような幅は、従属変数がその最大値の半分に等しい独立変数の二つの極値間の差異によって与えられる、関数の範囲に対応する。換言すると、幅は、その端に関連する二つの具体的な波長量によって定義される。

サンプルは、好ましくは、生体サンプルまたは任意の他の有機物質含有サンプルである。これらは、顕著には、生体組織および細胞、合成生体材料、植物種、ケロゲン含有サンプル（瀝青砂、化石、アスファルト）ならびに工業材料（ゴム、ポリマー、プラスチック、ゴム製品、ペンキ、接着剤）を包含する。

吸収帯を決定するための方法は、サンプルからの測定された吸収スペクトルを提供する工程５０を含む。

測定された吸収スペクトルは、明細書の残りにおいてＳ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}とラベルされる。

定義により、スペクトルは、既定の波長量の範囲における波長量に関する吸収量の変化を表す分光データのセットである。

吸収量は、吸収を表す量である。例として、吸収の強度または吸光度が吸収量である。

波長量は、波長を表す量である。例として、周波数、波数または波長が波長を表す量である。

既定の波長量の範囲は、データが利用できる波長領域を表す。

残りの説明において、実施例として、吸収量が吸光度であり、波長量が波数であることが考慮される。しかしながら、吸光度に関する各特徴を、もう一つの吸収量に適用することができる。同様に、波長量に関する各特徴を、もう一つの波長量に適用することができる。したがって、残りの説明において、吸収スペクトルが既定の波数の範囲における波数に関する吸光度の変化を表す分光データのセットであることが考慮される。

吸収分光法は、サンプルとのその相互作用に起因する、周波数または波長の関数として放射の吸収を測定する分光技法を参照する。サンプルは、放射場からのエネルギ、すなわち、光子を吸収する。吸収量は、波長量の関数として変動し、この変動が吸収スペクトルである。したがって、吸収分光法は、電磁スペクトルに渡って行われる。

これは、既定の波数の範囲は、概して、可視光線、紫外線、赤外線のような電磁スペクトルの任意の一部分であることができることを意味する。

好ましくは、既定の波数の範囲は、吸収分光法が赤外線分光法であるようにする。

より好ましくは、既定の波数の範囲は、（１．５ミクロン〜１０００ミクロンに含まれる波長の範囲に対応する）７０００cm^-1〜１０cm^-1まで広がる。

吸収スペクトルを測定するための広範囲の実験的手法がある。最もありふれた配置では、生成された放射ビームをサンプルに導き、その中を通る放射の強度を検出する。伝送されたエネルギは、吸収を計算することに使用できる。源、サンプル配置および検出技法は、周波数範囲および実験の目的に応じて有意に変わる。

それ故に、サンプルからの測定された吸収スペクトルを提供する工程５０は、吸収スペクトルを取得できる任意のスペクトルを提供することによって実現される。

顕著には、吸収スペクトルは、透過スペクトルから得ることができる。実際には、吸収および透過スペクトルは、同等の情報を表し、その一つは、数学的変換を通じて他のものから計算することができる。透過スペクトルは、より多くの光がサンプルの中を透過するので、吸収が最も弱い波長において最大強度を有する。吸収スペクトルは、吸収が最も強い波長においてその最大強度を有する。

あるいは、吸収スペクトルは、放出スペクトルから生じる。放出は、材料が電磁放射の形態でエネルギを放出するプロセスである。放出は、吸収が発生することができる任意の周波数において発生することができ、これにより、放出スペクトルから吸収線を決定することが可能になる。けれども、放出スペクトルは、通常、吸収スペクトルとはかなり異なる強度パターンを有し、そのため二つは同等ではない。吸収スペクトルは、材料の量子力学状態についての適切な理論モデルおよび追加の情報を使用して、放出スペクトルから計算することができる。

もう一つの実施形態によって、吸収スペクトルは、散乱または反射スペクトルから得ることができる。材料の散乱および反射スペクトルは、その屈折率およびその吸収スペクトルの両方によって影響が及ぼされる。光学に関連して、吸収スペクトルは、通常、減衰係数によって定量化され、減衰とインデックス係数とは、クラマース・クローニッヒの関係式を通じて定量的に関連付けられる。それ故に、吸収スペクトルは、散乱または反射スペクトルから得ることができる。これは、通常、仮定またはモデルを簡単にする必要があり、そのため、得られた吸収スペクトルは、概算である。

好ましい実施形態において、サンプルからの測定された吸収スペクトルを提供する工程５０は、サンプルにおいて吸収実験を実行することによって実現される。

そのような吸収分光法実験を実行する最も直接的な手法では、源と検出器との間に対象となる材料を設置した後に、源を用いて放射を生成し、検出器を用いてその放射の基準スペクトルを測定し、次に、サンプルスペクトルを再測定する。次に、二つの測定したスペクトルを組み合わせて、材料の吸収スペクトルを決定することができる。サンプルスペクトルは、実験的状況、つまり、源のスペクトル、源と検出器との間における他の材料の吸収スペクトルおよび検出器の波長に応じて決まる特性の影響を受けるので、単独では吸収スペクトルを決定するのに十分ではない。基準スペクトルは、これらの実験的状況によって同様に影響を受けるけれども、それ故に、その組み合わせが材料単独の吸収スペクトルを生む。

吸収帯を決定するための方法は、測定された吸収スペクトルＳ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}と等しい計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}を提供する工程５２を含む。

数学的に、これは、Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}＝Ｓ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}であることを意味する。

換言すると、調査したスペクトルの各波数について、吸光度の値は、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}および測定された吸収スペクトルＳ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}と同じである。

吸収帯を決定するための方法は、サンプルに存在する共有結合に関連する少なくとも吸収帯を抽出する工程５４も含む。抽出工程５４は、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}を使用して実行される。そのような文脈において、「抽出する」という用語は、「モデル」をいうものと理解される。

少なくとも一つの吸収帯を抽出する工程５４は、場合により、考慮された各吸収帯についての幅を抽出することを含む。

吸収帯を決定するための方法は、抽出した各吸収帯をグループ化することによって、吸収帯集団を形成する工程５５も含む。

換言すると、これは、吸収帯集団が抽出工程５４において抽出された吸収帯の集合であることを意味する。

吸収帯を決定するための方法は、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}から抽出した各吸収帯を除去することによって、剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}を計算する工程５６も含む。

決定するための方法は、既定の停止基準Ｃ_ＳＴＯＰが剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}によって満たされているか否かを検証する工程５８も含む。

実施形態によれば、停止基準Ｃ_ＳＴＯＰは、既定の波数の範囲にわたる剰余スペクトルにおける吸光度の積分が既定の波数の範囲にわたる測定された吸収スペクトルにおける吸光度の積分との１％の積よりも厳密に下回るときに、満たされる。定義により、残りの説明において、既定の波数の範囲にわたるスペクトルにおける吸光度の積分は、波数に関するスペクトルにおける吸光度の既定の波数の範囲にわたる積分である。

実施形態によれば、停止基準Ｃ_ＳＴＯＰは、既定の波数の範囲にわたる剰余スペクトルにおける吸光度の積分が既定の波数の範囲にわたる測定された吸収スペクトルにおける吸光度の積分との０．１％の積よりも厳密に下回るときに、満たされる。

他の実施形態によれば、停止基準Ｃ_ＳＴＯＰは、剰余スペクトルにおける波数あたりの吸光度の絶対値が測定された吸収スペクトルにおける波数あたりの吸光度の絶対値との１％の積よりも厳密に下回るときに、満たされる。

他の実施形態によれば、停止基準Ｃ_ＳＴＯＰは、剰余スペクトルにおける波数あたりの吸光度の絶対値が測定された吸収スペクトルにおける波数あたりの吸光度の絶対値との０．１％の積よりも厳密に下回るときに、満たされる。

他の実施形態によれば、停止基準Ｃ_ＳＴＯＰは、剰余スペクトルにおける吸光度と測定された吸収スペクトルにおける吸光度との間の比率が既定の波数の範囲において１％よりも厳密に下回るときに、満たされる。

他の実施形態によれば、停止基準Ｃ_ＳＴＯＰは、剰余スペクトルにおける吸光度と測定された吸収スペクトルにおける吸光度との間の比率が既定の波数の範囲において０．１％よりも厳密に下回るときに、満たされる。

他の実施形態によれば、停止基準Ｃ_ＳＴＯＰは、以前に記載した停止基準の任意の組み合わせが満たされたときに、満たされる。

顕著には、二つの停止基準の組み合わせが特に興味深いものとなる。第一の停止基準により、既定の波数の範囲にわたる剰余スペクトルにおける吸光度の積分が既定の波数の範囲にわたる測定された吸収スペクトルにおける吸光度の積分との０．１％の積よりも厳密に下回る。第二の停止基準により、停止基準は、剰余スペクトルにおける吸光度と測定された吸収スペクトルにおける吸光度との間の比率が既定の波数の範囲において１％よりも厳密に下回るときに、満たされる。

既定の停止基準Ｃ_ＳＴＯＰが満たされていない場合には、剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}が計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}として使用される。換言すると、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}は、剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}と等しいように設定される。

数学的に、これは、Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}＝Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}であることを意味する。

換言すると、調査したスペクトルの各波数について、吸光度の値は、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}および剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}と同じである。

次に、抽出工程５４、形成工程５５、計算工程５６および検証工程５８が新規に計算された計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}において反復される。抽出工程５４の新規の反復の最後において抽出された帯は、以前に抽出された帯とは異なる。これは、帯が同じ端を共用しないことを意味する。

既定の停止基準Ｃ_ＳＴＯＰが満たされている場合には、吸収帯を決定するための方法は、抽出した各吸収帯を出力する工程６０も含む。

そのような抽出した各吸収帯を出力する工程６０は、各反復における異なる抽出した吸収帯を集合させること、抽出した吸収帯に関連するデータを出力することを含む。

吸収帯を決定するための方法は、吸収技法によって提供されたすべての効果から恩典を得る。顕著には、分析的な技法としての分光法のユニークな効果の一つは、機器とサンプルとを接触させることなく測定できることである。サンプルと機器との間を進行する放射は、スペクトル情報を含有し、そのため、遠隔で測定することができる。遠隔スペクトル検知は、多数のシチュエーションにおいて有益である。例として、有毒なまたは危険な環境でも操作者または機器をリスクにさらすことなく測定することができる。サンプル材料を機器と接触させなくてもよく、起こり得る交差汚染も抑制する。

吸収帯を決定するための方法は、調査したサンプルに存在する共有結合をより正確に決定することも可能にする。

吸収帯を決定するための方法は、顕著には、計算された各スペクトルがその独自の帯を有する、換言すれば、第一の計算スペクトルが第一の連続した帯の取得を可能にし、第二の計算スペクトルが第二の連続した帯の取得を可能にし、以降も同様であり、各連続した帯が異なるまたは完全なそれら自体であるという事実を使用する。これは、軽微なスペクトル寄与の帯がスペクトル寄与の観点から同じ指標の帯と一緒に調査されるので、各反復における帯の抽出を精密化することが可能になる。

そのような吸収帯を決定するための方法は、吸収スペクトル、顕著には、赤外線スペクトルから帯を抽出するための完全なかつ自動化された方法である。

吸収帯を決定するための方法を実行するもう一つの実施例を、図３〜図６を参照して今ここで記載する。

図３の実施例による吸収帯を抽出するための方法は、サンプルから測定された吸収スペクトルＳ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}を提供する工程１００を含む。

サンプルから測定された吸収スペクトルＳ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}を提供する工程５０について同じ見解がサンプルから測定された吸収スペクトルＳ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}を提供する工程１００にも適用される。結果的に、これらの見解はここでは繰り返さない。

図３の実施例による吸収帯を抽出するための方法は、基線修正曲線を抽出する工程１０２も含む。

実施形態によれば、基線修正曲線は、考慮されたサンプルにおいていかなる吸収も予期されない少なくともスペクトルインターバルを使用して決定される。定義により、そのようなスペクトルインターバルは、サンプルにおいて赤外線スペクトルにおける吸収が欠如している。

そのようなスペクトルインターバルにおける吸収の存在は、環境の存在の現れである。そのような存在は、吸収測定を乱し、修正すべきものである。

基線修正曲線は、赤外線スペクトルにおける吸収が欠如しているスペクトルインターバルを考慮した補間によって決定される。

好ましくは、補間は、４０００cm^-1〜３７００cm^-1および２７００cm^-1〜１８５０cm^-1に含まれるスペクトルインターバルにリンクされた吸光度をゼロにすべきことを設定する。定義により、値は、値がＡを上回るまたはそれと等しい場合かつ値がＢを下回るまたはそれと等しい場合に、Ａ〜Ｂに含まれる。

好ましい実施形態によれば、補間は、基線修正曲線が多項式であることも設定する。

好ましくは、基線修正曲線は、４を下回る桁の多項式である。

図３の実施例による吸収帯を決定するための方法は、測定された吸収スペクトルＳ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}と基線修正曲線との間の差異と等しい計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}を提供する工程１０４も含む。

図３の実施例による吸収帯を決定するための方法は、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}から少なくとも一つの吸収帯を抽出する工程１０５も含む。

そのような抽出工程１０５は、計算スペクトルにおける吸収帯（複数可）を探索し、求められた吸収帯（複数可）を取得する工程と、求められた各吸収帯の数学的パラメータについての値を推定して推定されたパラメータを取得する工程と、を含む。

以下に説明するように、そのような抽出工程１０５は、計算スペクトルの最大値を取得することと、波長量に関する吸収量の一次導関数を計算して、計算スペクトルの一次導関数を取得することと、波長量に関する吸収量の二次導関数を計算して、計算スペクトルの二次導関数を取得することと、波長量に関する吸収量の二次導関数である、計算スペクトルの二次導関数の最小値を取得することと、からなるグループにおいて選ばれた工程を含むこともできる。

図３の実施例において、下にさらに詳細にするように、抽出工程１０５は、五つの工程１０６、１０８、１１０、１１２および１１４を含む。

図３の実施例による吸収帯を決定するための方法は、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}における吸収帯を探索する工程１０６も含む。

そのような探索工程１０６は、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}における極大値を探索することに頼ることができる。

各極大値において、最大値の位置がメモリに記憶される。この最大値の位置は、通例、波長量のユニティにおいて表現される。

計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}における極大値の存在を決定するための複数の方法が存在する。

グラフィック方法が図４に概略的に例証され、ここに、吸収値の各極大値がそれぞれの矢印によって示される。

より精巧な実施形態によれば、吸光度の閾値を上回る極大値のみが考慮される。これは、最も関連性のある極大値のみを考慮することを可能にする。

図３の実施例による吸収帯を決定するための方法は、波数に関する吸光度の二次導関数を計算して計算スペクトルＳ’’_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}の二次導関数を取得する工程１０８を含む。

図３の実施例による吸収帯を決定するための方法は、吸収帯を探索する工程１０６において取得した極大値に対応する吸収帯のパラメータを推定する工程１１０も含む。

例として、推定されたパラメータは、帯における最大吸光度の位置、帯の中心の位置、帯の端の位置を含むグループにおいて選ばれる。これらの位置は、通例、波長量のユニティにおいて表現される。

残りの説明において、帯における最大吸光度の位置は、吸収帯の位置である。実施例として、幅は、既定の値に設定される。

例証する実施例により、そのような帯を推定する工程１１０は、計算スペクトルＳ’’_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}の二次導関数の使用のおかげで実現される。

例として、図５を参照して現れるように、計算スペクトルＳ’’_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}の二次導関数の変化の変動は、帯の中心の位置として考慮される。

より精度よくは、各帯の中心の位置の正確な位置が推定される。このために、吸収帯のパラメータを推定する工程１１０において、二次導関数スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}の計算において吸光度の最小値が決定される。

各極小値において、極小値の位置がメモリに記憶される。この位置は、通例、波長量のユニティにおいて表現される。

計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}における最大値に対応する計算スペクトルＳ’’_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}の二次導関数の計算において、極小値の存在を決定するための複数の方法が存在する。

図３の実施例による吸収帯を抽出するための方法は、推定されたパラメータおよびフォークト形状を使用して、各吸収帯に曲線をあてはめる工程１１２も含む。吸収帯は、一つがガウス形状を生成し、他がローレンツ形状を生成する二つの広帯域のメカニズムの組み合わせから生じるフォークト形状を有する。その結果、フォークト形状は、ローレンツ形状とガウス形状との畳み込みである。残りの説明において、これは、ガウス割合およびローレンツ割合を、フォークト形状を用いて定義できることを意味する。

例として、具体的な実施形態によれば、ガウス−ローレンツ関数の幅は、推定された幅に設定され、ガウス−ローレンツ関数の最高の値は、推定された中心位置における計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}の値と等しいように設定される。

あるいは、フォークト形状の代わりに、ガウス形状またはローレンツ形状を考慮することができる。

図３の実施例による吸収帯を決定するための方法は、最適化基準を使用して、曲線のあてはめをされたガウス−ローレンツ関数のパラメータを最適化する工程１１４も含む。

最適化工程１１４において考慮された曲線のあてはめをされたフォークト形状のパラメータは、フォークト形状の形に対するパラメータである。

例として、パラメータは、ガウス−ローレンツ関数の中心の位置であり、中心の位置の変動は、曲線のあてはめ工程において取得した中心の位置から１cm^-1に限定される。

実施形態において、パラメータは、フォークト形状におけるガウス割合であり、ガウス割合の変動は、１５％〜２５％に限定される。

実施形態によれば、パラメータは、フォークト形状におけるローレンツ割合であり、ローレンツ割合の変動は、７５％〜８５％に限定される。

好ましくは、最適化基準は、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}と、考慮された吸収帯を表す各フォークト形状の和との間の距離である。距離は、例として、二乗平均平方根の一つである。

図３の実施例による吸収帯を決定するための方法は、吸収帯集団を形成する工程１１５を含む。

形成工程５５についてと同じ見解が形成工程１１５にも適用される。結果的に、これらの見解はここでは繰り返されない。

図３の実施例による吸収帯を決定するための方法は、考慮された吸収帯の和を計算する工程１１６も含む。

図３の実施例による吸収帯を決定するための方法は、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}から抽出した吸収帯を除去することによって、剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}を計算する工程１１８も含む。この剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}を計算する工程１１８は、考慮された吸収帯の和を計算する工程１１６の結果のおかげで実現される。

計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}から抽出した各吸収帯を除去することによって剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}を計算する工程５６についてと同じ見解が計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}から抽出した各吸収帯を除去することによって剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}を計算する工程１１８にも適用される。結果的に、これらの見解はここでは繰り返されない。

吸収帯を決定するための方法は、既定の停止基準Ｃ_ＳＴＯＰが剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}によって満たされているか否かを検証する工程１２０も含む。

既定の停止基準Ｃ_ＳＴＯＰが剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}によって満たされているか否かを検証する工程５８についてと同じ見解が既定の停止基準Ｃ_ＳＴＯＰが剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}によって満たされているか否かを検証する工程１２０にも適用される。結果的に、これらの見解はここでは繰り返されない。

既定の停止基準Ｃ_ＳＴＯＰが満たされていない場合には、図３の実施例による吸収帯を決定するための方法は、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}が剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}と等しくなるように設定することを含む。

換言すると、調査したスペクトルの各波数について、吸光度の値は、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}および剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}と同じである。

図３の実施例による方法は、抽出した各吸収帯を修正する工程１２４も含む。

実施形態によれば、修正工程１２４は、抽出した各吸収帯について、考慮された吸収帯の位置における剰余スペクトルの代数符号を決定することを含む。

実施形態によれば、修正工程１２４は、抽出した各吸収帯について、考慮された吸収帯の幅の端における剰余スペクトルの代数符号を決定することを含む。

実施形態によれば、修正工程１２４は、抽出した各吸収帯について、考慮された吸収帯の位置に関する剰余スペクトルの対称性を分析することを含む。

実施形態によれば、そのような吸収帯を修正する工程１２４は、考慮された吸収帯の幅の端における剰余スペクトルの値を使用して実現される。例として、剰余スペクトルの値が正である場合に幅が拡張され、値が負である場合に剰余スペクトルが減少される。

実施例として、具体的な幅において、考慮された幅の端における剰余スペクトルに発生する誤差が正の値に対応する場合には、これは、幅が現在の端を超えて延在すべきであることを意味する。反対に、幅の端における剰余スペクトルに発生する誤差が負の値に対応する場合には、これは、幅が現在の端に関して減少すべきであることを意味する。

実施形態によれば、そのような抽出した各吸収帯を修正する工程１２４は、考慮された吸収帯の幅の中心の位置における剰余スペクトルの値を使用して実現される。例として、吸収帯の吸光度は、中心の位置における剰余スペクトルの値が正である場合に増大し、中心の位置における剰余スペクトルの値が負である場合に減少する。

あるいは、考慮された剰余スペクトルの値は、吸収帯の幅の端から遠く離れた任意の位置において取られる。例として、中心の位置と中心の位置に最も近い端との間の距離の半分に定められた位置は、吸収帯の幅の端から遠く離れていると考慮される。

図３において矢印が例証するように、次に、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}における吸光度の極大値を探索する工程１０６と、波数に関する吸光度の二次導関数を計算する工程１０８と、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}における吸光度の最大値に対応する吸光度の極小値を探索することによって帯を推定する工程１１０と、推定された帯およびガウス−ローレンツ関数を使用して各吸収帯に曲線をあてはめる工程１１２と、最適化基準を使用して、曲線のあてはめをされたガウス−ローレンツ関数のパラメータを最適化する工程１１４と、形成工程１１５と、考慮された吸収帯の和を計算する工程１１６と、計算スペクトルＳ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}から抽出した各吸収帯を除去することによって剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}を計算する工程１１８と、既定の停止基準Ｃ_ＳＴＯＰが剰余スペクトルＳ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}によって満たされているか否かを検証する工程１２０と、が反復される。

好ましい実施形態によれば、最適化基準を使用して曲線のあてはめをされたフォークト形状のパラメータを最適化する工程１１４が推定された幅およびフォークト形状を使用して各吸収帯に曲線をあてはめる工程１１２の新規の反復において抽出されたフォークト形状、そして前の曲線のあてはめをされた関数にも適用される。この場合において、基準スペクトルは、修正された吸収スペクトルである。

既定の停止基準Ｃ_ＳＴＯＰが満たされている場合には、吸収帯を決定するための方法は、抽出した各吸収帯を出力する工程１２０も含む。

抽出した各吸収帯を出力する工程６０についてと同じ見解が抽出した各吸収帯を出力する工程１２０にも適用される。結果的に、これらの見解はここでは繰り返されない。

場合により、かつ好ましくは、図３に例証する方法のように修正工程１２４が存在する場合には、剰余スペクトルを計算スペクトルとして使用するときに停止基準Ｃ_ＳＴＯＰが満たされ、抽出工程、形成工程、計算工程および検証工程を反復し、以前に決定された帯パラメータがさらには変形されず、いかなる新規の帯も以前に取得した吸収帯集団に追加されない。

図３の実施例による吸収帯を決定するための方法は、吸収技法によって提供されたすべての効果から恩典を得る。顕著には、分析的な技法としての分光法のユニークな効果の一つは、機器とサンプルとを接触させることなく測定できることである。サンプルと機器との間を進行する放射は、スペクトル情報を含有し、そのため、遠隔でも測定することができる。遠隔スペクトル検知は、多数のシチュエーションにおいて有益である。例として、有毒なまたは危険な環境でも操作者または機器をリスクにさらすことなく測定することができる。サンプル材料を機器と接触させなくてもよく、起こり得る交差汚染も抑制する。

吸収帯を決定するための方法は、調査したサンプルに存在する化学種の共有結合に関連する吸収帯をより正確に決定することも可能にする。そのような吸収帯を決定するための方法は、吸収スペクトル、顕著には、赤外線スペクトルから帯を抽出するための完全なかつ自動化された方法である。

そのような吸収帯を決定するための方法の多数の適用を見ることができる。そのような適用は、吸収分光法の使用にリンクする。吸収分光法は、分子のおよび原子の物理学、天体分光学ならびに遠隔検知の調査にも採用される。

天文学において、吸収分光法は、星間雲を理解し、それらの一部が分子を含有することを決定するために特に重要であってきた。吸収分光法は、太陽系外の惑星の調査にも採用される。遷移方法による太陽系外の惑星の検出は、それらの吸収スペクトルも測定し、惑星の大気組成物、温度、圧力およびスケール高さの決定を可能にし、従って、惑星の質量の決定も可能になる。

原子のおよび分子の物理学において、理論モデル、主に量子力学のモデルは、原子および分子の吸収スペクトルが他の物理的特性、例えば、電子構造、原子のまたは分子の質量および分子の形状寸法に関連することを可能にする。それ故に、吸収スペクトルの測定は、これらの他の特性を決定するのに使用される。マイクロ波分光法は、例として、高い精度での結合の長さおよび角度の決定を可能にする。

加えて、スペクトル測定は、理論予測の正確さを決定することに使用できる。例として、水素原子の吸収スペクトルにおいて測定されたラムシフトは、測定した時点では存在することが予想されなかった。その発見が量子電気力学の発展を促進し、導き、そしてラムシフトの測定が現在、微細構造定数を決定するために使用される。

吸収帯を決定するための方法は、三次元サンプルを三次元画像化するための方法にも使用可能である。

三次元画像化のための方法は、三次元サンプルを複数個の二次元サンプルに分割する工程を含む。

三次元画像化のための方法は、各二次元サンプルについての吸収帯を決定するための方法を実行する工程も含み、方法は、以前に記載したように、各二次元サンプルについての共有結合に関連する抽出した吸収帯を取得する。

三次元画像化のための方法は、各二次元サンプルについての抽出した吸収帯を使用して三次元サンプルを再構成する工程も含む。

好ましい実施形態において、再構成工程は、共有結合（複数可）からの抽出した吸収帯（複数可）が各二次元サンプルに与えられた、行列の使用を暗示する。そのような行列は、「スペクトル行列」と呼ぶことができる。

そのような三次元画像化のための方法は、大きなスケール、例として、外科切除の生検のための１cm³の容量での三次元サンプル画像化を実現可能にする。

本明細書に提示する方法および表示は、任意の特定のコンピュータまたは他の器具に本質的には関しない。様々な汎用システムを本明細書の教示に従いプログラムとともに使用できるまたはそれが所望の方法を行うためのより専門化された器具を構築するのに好都合であることを証明できる。いろいろなこれらのシステムのための所望の構造が下の説明から現れる。加えて、本発明の実施形態は、任意の特定のプログラミング言語を参照しては記載されない。いろいろなプログラミング言語は本明細書に記載したような本発明の教示を具現化に使用できることが認識される。

例として、図７に例証するように、システム１０を包含する分光計２００が提案される。

そのような分光計２００は、放射源２０２、放射源２０２によって放出された放射をサンプル２０６の方に運ぶための光学部品２０４、サンプルホルダ２０８、検出器２１０を包含する。

電磁スペクトルをカバーするため、広く様々な放射源が採用される。分光法では、一般的に、吸収スペクトルの広帯域領域を測定するために、広い帯域の波長をカバーする源が望ましい。一部の源は、本質的に、広帯域スペクトルを放出する。これらの実施例は、赤外線におけるグローバーまたは他の黒体源、可視範囲の水銀灯、紫外線およびｘ線管、ならびに赤外線範囲において放出する様々なレーザーテクノロジを包含する。一つの最近に開発された広帯域スペクトル放射の新たな源は、これらのスペクトル領域のすべてをカバーするシンクロトロン放射である。他の放射源は、狭スペクトルを生成し、放出波長はスペクトル範囲をカバーするように調整されうる。これらの実施例は、マイクロ波領域におけるクライストロンならびに（すべてのレーザーが調整可能な波長を有するのではないけれども）赤外線、可視光線および紫外線領域に渡るレーザーを包含する。

本出願に関連して、放射源２０２は、好ましくは、既定の波数の範囲に含まれる波長を放出するように適合された赤外線源である。先に説明したように、この範囲は、７０００cm^-1〜１０cm^-1に広がることができる。

放射源２０２によって放出された放射をサンプル２０６の方に運ぶための光学部品２０４の材料は、対象となる波長範囲に関して選ばれる。実際に、対象となる波長範囲において比較的少ししか吸収しない材料が考慮されるべきである。例として、吸収は、０．５％、好ましくは、０．０１％より下回るようにすべきである。他の材料の余りにも高い吸収は、サンプルからの吸収を干渉するまたはそれを隠すことができる。例として、いくつかの波長範囲において、サンプル２０６の吸収測定は、空気中のガスが吸収に干渉する特徴を有するので、真空下または希ガス環境においてなされる。

生体の関連においては、光学部品は、一般的に、顕微鏡対象物および鏡である。

サンプルホルダ２０８は、特定の材料、換言すると、対象となる波長範囲において比較的少ししか吸収しない材料でも作られる。例として、吸収は、５０％、好ましくは、０．０１％を下回るべきである。

放射出力を測定するのに採用される検出器２１０は、対象となる波長範囲にも応じて決められる。大抵の検出器は、かなりの広帯域スペクトル範囲に感度よく、選択されたセンサは、多くの場合、所与の測定の感度およびノイズ要件に、より応じて決まる。分光法にありふれた検出器の実施例は、マイクロ波におけるヘテロダイン受信機、ミリ波および赤外線におけるボロメータ、赤外線におけるテルル化カドミウム水銀および他の冷却半導体検出器ならびに可視光線および紫外線におけるフォトダイオードおよび光電子増倍管を包含する。

場合により、分光計２００は、スペクトルグラフも包含する。スペクトルグラフは、放射の波長を空間的に分離するように使用され、それによって、各波長における出力を独立して測定できる。スペクトルを決定するために放射の波長を分解するそのような手段は、顕著には、源と検出器との両方が広帯域スペクトル領域をカバーする場合に使用される。実際に、スペクトルが波長によって再構成された波長であり得るから、スペクトルグラフは必要ない。

本特許出願において、異なる方法が考慮され、これらの方法は、任意の内部標準、試薬またはラベルを使用しなくても、（よりよくは有機である場合には、非生体サンプルにも広がることができる）生体サンプルの三次元の大域的なかつ定量的な画像化の取得を可能にする。技法は、サンプルに存在する有機機能（および潜在的に一部の無機機能）についての大域的なかつ定量的な情報を提供する赤外線分光法においてそのような目的に使用される。有機機能の使用は、単一分子、分子の仲間、化学種および生化学的パラメータの存在の定義を可能にし、これらのすべては、三次元において再構成することができる。

より具体的には、連続的に配列された二次元画像からの完全な三次元再構成方法が報告された。方法は、三次元における赤外線吸収の定量的分布を取得するための組織およびスペクトル操作、正規化および修正を排除することによって前の取り組みを高める。自動化されたスペクトルの曲線あてはめ手順は、波長関連の吸収スペクトルを、三次元における赤外線スペクトル行列になる帯関連の化学物質スペクトルに移すことを可能にする。次に、三次元赤外線画像化は、定量的なかつ大域的な性能において、マイクロメータスケールにおける組織容量を分析するための新規の方式を作り出す。鏡検法におけるこの飛躍的進歩は、生物科学における具現化可能な組織の最初のデジタル化関連の診断および研究利用として現れる、完全に仮想化された組織分析への道を開く。

ここに先に考慮された実施形態と代替実施形態とを組み合わせて、本発明のさらなる実施形態を生成することができる。

Claims (15)

1. スペクトルにおける少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法であって、スペクトルが既定の波長量の範囲における波長量に関する吸収量の変化であり、吸収量が吸収を表す量であり、波長量が波長を表す量であり、各吸収帯がサンプルに存在する化学種の少なくとも一つの共有結合に関連する分布形状であり、分布形状が数学的パラメータによって特徴づけられ、方法が少なくとも：
   −サンプルから測定された吸収スペクトル（Ｓ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}）を提供する工程と、
   −測定された吸収スペクトル（Ｓ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}）と等しい計算スペクトル（Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}）を提供する工程と、
   −計算スペクトル（Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}）から少なくとも一つの吸収帯を抽出する工程と、
   −抽出した各吸収帯をグループ化することによって、吸収帯集団を形成する工程と、
   −計算スペクトル（Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}）から抽出した各吸収帯を除去することによって、剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）を計算する工程と、
   −既定の停止基準（Ｃ_ＳＴＯＰ）が剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）によって満たされているか否かを検証する工程と、
   −停止基準（Ｃ_ＳＴＯＰ）が満たされていない場合に、剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）を計算スペクトル（Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}）として使用して、抽出工程、形成工程、計算工程および検証工程を反復する工程と、ここで、反復工程の最後における抽出した吸収帯（複数可）が以前に抽出した吸収帯（複数可）と異なり、かつ
   −停止基準（Ｃ_ＳＴＯＰ）が満たされている場合に、抽出した各吸収帯を出力する工程と、
   を含む方法。
2. 分布形状がガウス形状、ローレンツ形状およびフォークト形状の中から選ばれ、フォークト形状がガウス割合およびローレンツ割合によって特徴づけられる、請求項１記載の少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法。
3. 抽出工程が：
   −計算スペクトル（Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}）において吸収帯（複数可）を探索し、求められた吸収帯（複数可）を取得する工程と、
   −求められた各吸収帯の数学的パラメータについての値を推定して推定されたパラメータを取得する工程と、
   を含む、請求項１または２記載の少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法。
4. 抽出工程が：
   −計算スペクトル（Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}）の最大値を取得することと、
   −波長量に関する吸収量の一次導関数を計算して、計算スペクトル（Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}）の一次導関数を取得することと、
   −波長量に関する吸収量のニ次導関数を計算して、計算スペクトル（Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}）のニ次導関数を取得することと、
   −波長量に関する吸収量のニ次導関数である、計算スペクトル（Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}）のニ次導関数の最小値を取得することと、
   からなるグループにおいて選ばれた工程を実行することを含む、請求項３記載の少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法。
5. 数学的パラメータが吸収帯の位置であり、位置が考慮された吸収帯の吸収量の絶対最大値の波長量である、請求項３または４記載の少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法。
6. 数学的パラメータの一つのパラメータが吸収帯の幅である、請求項３〜５のいずれか１項記載の少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法。
7. 抽出工程がさらに：
   −吸収帯および分布形状の推定されたパラメータを使用することによって各吸収帯に曲線をあてはめることを含む、
   請求項３に従属しているときに、請求項１〜６のいずれか１項記載の少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法。
8. 停止基準（Ｃ_ＳＴＯＰ）が：
   ・既定の波長量の範囲にわたる剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）における吸収量の積分が、既定の波長量の範囲にわたる測定された吸収スペクトル（Ｓ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}）における吸収量の積分との１％の積よりも厳密に下回る、
   ・既定の波長量の範囲にわたる剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）における吸収量の積分が、既定の波長量の範囲にわたる測定された吸収スペクトル（Ｓ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}）における吸収量の積分との０．１％の積よりも厳密に下回る、
   ・剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）における波長量あたりの吸収量の絶対値が、測定された吸収スペクトル（Ｓ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}）における波長量あたりの吸収量の絶対値との１％の積よりも厳密に下回る、
   ・剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）における波長量あたりの吸収量の絶対値が、測定された吸収スペクトル（Ｓ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}）における波長量あたりの吸収量の絶対値との０．１％の積よりも厳密に下回る、
   ・剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）における吸収量と測定された吸収スペクトル（Ｓ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}）における吸収量との間の比率が、既定の波長量の範囲における１％よりも厳密に下回る、
   ・剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）における吸収量と測定された吸収スペクトル（Ｓ_{ＭＥＡＳＵＲＥＤ}）における吸収量との間の比率が、既定の波長量の範囲における０．１％よりも厳密に下回るおよび
   ・前の停止基準の任意の組み合わせ、
   からなるグループにおいて選ばれる、請求項１〜７のいずれか１項記載の少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法。
9. 方法がさらに、停止基準（Ｃ_ＳＴＯＰ）が満たされていない場合に、剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）を使用して以前に抽出した各吸収帯を修正する工程を含む、請求項１〜８のいずれか１項記載の少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法。
10. 各吸収帯が位置および端をもつ幅を有し、修正工程が抽出した各吸収帯について、考慮された吸収帯の位置および／または考慮された吸収帯の幅の端における剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）の代数符号を決定することを含む、請求項９記載の少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法。
11. 各吸収帯が位置および端をもつ幅を有し、修正工程が抽出した各吸収帯について、考慮された各吸収帯の位置に関する剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）の対称性を分析することを含む、請求項９または１０記載の少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法。
12. 剰余スペクトル（Ｓ_{ＲＥＳＩＤＵＡＬ}）を計算スペクトル（Ｓ_{ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ}）として使用するときに停止基準（Ｃ_ＳＴＯＰ）が満たされ、抽出工程、形成工程、計算工程および検証工程を反復し、以前に決定された帯パラメータがさらには変形されず、いかなる新規の帯も以前に取得した吸収帯集団に追加されない、請求項９〜１１記載の少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法。
13. 方法が少なくとも：
    −三次元サンプルを複数個の二次元サンプルに分割する工程と、
    −各二次元サンプルについての少なくとも一つの吸収帯を決定するための方法であって、各二次元サンプルについての少なくとも一つの共有結合に関連する少なくとも一つの吸収帯を取得するための請求項１〜１２のいずれか１項記載の方法を実行する工程と、
    −各二次元サンプルについての取得した吸収帯を使用して三次元サンプルを再構成する工程と、
    を含む、三次元サンプルを三次元画像化するための方法。
14. 放射源（２０２）、放射源（２０２）によって放出された放射をサンプルの方に運ぶための光学部品（２０４）、サンプルホルダ（２０８）、検出器（２１０）および請求項１〜１３のいずれか１項記載の方法を実行するように適合された計算機を含む分光計（２００）。
15. プログラム命令を含むコンピュータプログラムであって、データ処理ユニットにロード可能であり、データ処理ユニットによってコンピュータプログラムが履行されたときに請求項１〜１３のいずれか１項記載の方法を遂行させるように適合されたコンピュータプログラムをそこに有する、コンピュータ読み取り可能な媒体を含むコンピュータプログラム製品。

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