JP2018169339A

JP2018169339A - 成分濃度測定方法及び成分濃度測定装置

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Publication number: JP2018169339A
Application number: JP2017068174A
Authority: JP
Inventors: 昌人中村; Masato Nakamura; 卓郎田島; Takuro Tajima
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2018-11-01
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: JP6771417B2

Abstract

【課題】多成分系の試料中から測定対象成分の濃度をより精度良く測定する。【解決手段】誘電分光装置１０が測定試料のＭＨｚ−ＧＨｚ帯の誘電分光スペクトルを取得し、信号処理部２０がＭＨｚ帯の誘電分光スペクトルから測定試料の導電率を導出し、導出した導電率を用いて誘電分光スペクトルから導電損失の影響を補正した補正スペクトルを算出し、演算部３０が測定対象成分の特徴的な周波数帯の補正スペクトルを用いて多変量解析を行って測定試料の検量モデルを作成し、測定試料の測定対象成分の濃度を求める。【選択図】図１

Description

本発明は、誘電分光法を用いた対象成分の成分濃度を測定する技術に関する。

高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になっている。血糖値などの検査は血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担である。そのため、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。

非侵襲な成分濃度測定装置としては、近赤外光などの光学的な手法と比べ生体内での散乱が少ない、１フォトンの持つエネルギーが低い、などの理由からマイクロ波−ミリ波帯の電磁波を用いた手法が提案されている。例えば、非特許文献１に示される共振構造を用いた手法がある。この手法では、アンテナや共振器などのＱ値の高いデバイスと測定試料を接触させ、共振周波数周辺の周波数特性を測定する。共振周波数はデバイスの周囲の複素誘電率により決定されるため、共振周波数のシフト量と成分濃度との間の相関を予め予測することにより、共振周波数のシフト量から成分濃度を推定する。

マイクロ波−ミリ波帯の電磁波を用いた他の手法としては、特許文献１に示す誘電分光法が提案されている。誘電分光法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象である血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の振幅及び位相を観測する。観測される電磁波の周波数に対応する信号の振幅及び位相から、誘電緩和スペクトルを算定する。誘電緩和スペクトルは、一般的には、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅ式に基づき緩和カーブの線形結合として表現し、複素誘電率を算定する。生体成分の計測では、例えば血液中に含まれるグルコースやコレステロール等の血液成分の量に複素誘電率は相関があり、その変化に対応した電気信号（振幅、位相）として測定される。複素誘電率変化と成分濃度との相関を予め測定することによって検量モデルを構築し、計測した誘電緩和スペクトルの変化から成分濃度の検量を行う。誘電分光法は物質固有のスペクトルの重なり合わせからなるスペクトルを測定するため、統計学的な多変量解析手法により測定対象の固有の特徴量の抽出が可能であり、血液等の多成分系中の成分濃度測定に関して共振構造を用いた手法よりも優位である。

特開２０１６−１１８７７８号公報

G. Guarin, M. Hofmann, J. Nehring, R. Weigel, G. Fischer, and D. Kissinger, "Miniature Microwave Biosensors", IEEE Microwave Magazine, May 2015, Vol. 16, No. 4, pp. 71-86

しかしながら、測定試料が導電性を帯びている場合、測定対象となる分子の濃度増減に応じて測定試料の導電性が併せて変化し、測定対象の分子により生じる水和等の物理現象の評価、および定量分析が困難になるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、多成分系の試料中から測定対象成分の濃度をより精度良く測定することを目的とする。

第１の本発明に係る成分濃度測定方法は、被測定試料の複素誘電率を測定して誘電緩和スペクトルを取得するステップと、前記被測定試料の導電率を用いて前記誘電緩和スペクトルから導電損失の影響を補正した補正スペクトルを算出するステップと、前記補正スペクトルを用いて多変量解析を行い前記被測定試料の検量モデルを作成し、当該検量モデルと測定対象成分の濃度が既知の検量モデルから前記被測定試料の測定対象成分の濃度を求めるステップと、を有することを特徴とする。

第２の本発明に係る成分濃度測定装置は、被測定試料の複素誘電率を測定して誘電緩和スペクトルを取得する誘電分光手段と、前記被測定試料の導電率を用いて前記誘電緩和スペクトルから導電損失の影響を補正した補正スペクトルを算出する信号処理手段と、前記補正スペクトルを用いて多変量解析を行い前記被測定試料の検量モデルを作成し、当該検量モデルと測定対象成分の濃度が既知の検量モデルから前記被測定試料の測定対象成分の濃度を求める濃度定量手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、多成分系の試料中から測定対象成分の濃度をより精度良く測定することができる。

本実施形態における成分濃度測定システムの構成を示す機能ブロック図である。本実施形態の成分濃度測定システムの処理の流れを示すフローチャートである。誘電分光スペクトルのグルコース水溶液濃度の依存性を示すグラフである。誘電分光スペクトルのＮａＣｌ水溶液濃度依存性を示すグラフである。血清の誘電分光スペクトルと導電損失を補正した補正スペクトルを示すグラフである。グルコース水溶液と血清のグルコース濃度を変化させたときの導電損失を補正していない誘電分光スペクトルの変化を示すグラフである。グルコース水溶液と血清のグルコース濃度を変化させたときの導電損失を補正した誘電分光スペクトルの変化を示すグラフである。本実施形態の成分濃度測定システムにより推定した血清中のグルコースの濃度推定と実際の濃度を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態における成分濃度測定システムの構成を示す機能ブロック図である。

図１の成分濃度測定システムは、誘電分光装置１０、信号処理部２０、演算部３０、及び表示装置４０を備える。

誘電分光装置１０は、生体、液体、あるいは個体などの測定試料のマイクロ波−ミリ波帯の誘電率を測定し、誘電分光スペクトルを得ることができる装置である。ＭＨｚ−ＧＨｚ帯において測定試料の複素誘電率が測定できる構成の誘電分光装置１０を用いる。例えば、ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）やインピーダンスアナライザ（ＩＡ）に同軸プローブ、導波管、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路などを接続した構成を用いることができる。あるいは、２種類のレーザーとフォトミキサを用いたマイクロ波−ミリ波生成器と、ショットキーバリアダイオードなどの受信器の組み合わせを用いてもよい。フォトミキサとしては、ｐｉｎフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、単一走行キャリアフォトダイオードなどを用いる。受信器としては、ショットキーバリアダイオードの代わりにプレーナドープドバリアダイオード、スペクトルアナライザ、ボロメータ、ゴーレイセルなどを用いてもよい。また、誘電率測定法としてＶＮＡと液体セルを用いた自由空間法を用いることもでき、この場合はＶＮＡの代わりに光伝導アンテナを用いた時間領域分光法や２種類のレーザーとフォトミキサによる信号源を用いた周波数領域分光法を用いてもよい。これらの複数の手法を組み合わせて誘電分光装置１０を構成してもよい。誘電分光装置１０を用いて約１０ＭＨｚ−５０ＧＨｚの広帯域において測定試料の複素誘電率を測定する。

信号処理部２０は、誘電分光装置１０によって得られた誘電分光スペクトルから測定試料の導電率を導出し、導電率を用いて誘電分光スペクトルから導電損失を差し引いて誘電損失のみの補正スペクトルを算出する。

演算部３０は、補正スペクトルを用いて多変量解析を行って測定試料の検量モデルを作成し、測定試料の検量モデルと濃度が既知の検量モデルから測定対象成分の濃度を求める。濃度が既知の検量モデルは、濃度が既知のサンプルを用いて作成できる。

表示装置４０は、演算部３０の結果を表示する。

次に、本実施形態の成分濃度測定システムの処理について説明する。

図２は、本実施形態の成分濃度測定システムの処理の流れを示すフローチャートである。

誘電分光装置１０により誘電分光スペクトルを取得する（ステップＳ１１）。

誘電分光装置１０によって得られた誘電分光スペクトルは複素数であり、実部が誘電率、虚部が照射した電磁波の損失に対応する。このとき、マイクロ波−ミリ波帯の誘電分光スペクトルは次式（１）で表される。

ε^*（ω）は、各周波数ωにおける試料の複素誘電率、ε_∞は静的誘電率、Δε、τはデバイ緩和の緩和強度および緩和時間、ε₀は真空の誘電率、σは試料の導電率である。式（１）の右辺第１項はデバイ緩和モデルの線形結合である。ｎは線形結合の数であり、溶質および溶質と溶媒との水和の数により決定される。

ここで、複素誘電率ε（ω）の実部ε’と虚部ε”を次式（２）で定義する。

式（１）の実部と虚部及び式（２）から、ε’とε”は次式（３），（４）で表される。

式（４）で表される複素誘電率の虚部ε”が誘電損失に相当する。

試料が例えばグルコースのような分子量１８０程度の分子からなる単成分系の水溶液の場合、誘電分光スペクトルは、デバイ緩和モデルの線形結合により、次式（５）のように３つの線形結合で表される。

式（５）の右辺はそれぞれ、溶質、水和水、バルク水のデバイ緩和モデルである。バルク水の緩和を水素結合性の遅い緩和と非水素結合性の速い緩和の２つに分け、４つの線形結合とすることもある。また、蛋白質、例えばリゾチウムやアルブミンなどの水溶液の場合には、水和水に関するデバイ緩和の数が増え、リゾチウムの場合は２つ、アルブミンの場合は４〜５個程度とすることがある。このように、デバイ緩和の線形結合は成分数に応じて増加する。

図３は、誘電分光スペクトルのグルコース水溶液濃度の依存性を示すグラフである。グルコース濃度が増加したとき、溶質およびグルコースにより水和水の緩和が強くなり、水の排斥によりバルク水の緩和が弱くなることから、図３に示すように、ピーク周波数が低周波数側にシフトした波形が得られる。

続いて、信号処理部２０は、カーブフィッティングにより測定試料の導電率を導出し（ステップＳ１２）、導電率を用いて補正スペクトルを算出する（ステップＳ１３）。

式（１）の右辺第２項は導電損失を表している。導電損失は試料の導電率の関数であり、導電率は主に試料中のイオンの濃度や試料温度に依存する。図４に、誘電分光スペクトルのＮａＣｌ水溶液濃度依存性を示す。図４に示すように、濃度の増加とともに誘電損失が増加し、誘電損失が周波数に反比例していることがわかる。

しかしながら、測定試料が、例えば血液や血清などのイオンを含んだ多成分系の場合、測定対象成分の濃度の変化に伴い導電性も変化し、物質の水和による変化を評価することは困難である。また、そのような場合、誘電分光スペクトルの変化は導電率の変化が含まれるため、成分濃度の変化以外の原因による導電率の変化も濃度変化として測定されてしまう。

本実施形態では、測定試料の導電率を同定し、式（１）から導電損失の項を差し引いた補正スペクトルを算出することで、測定対象の溶質及び水和の増加を観測する。

導電損失は周波数に反比例するため、導電損失が誘電損失を無視できるほど大きい周波数帯、例えば１０ＭＨｚ程度まで測定を行い、式（１）の右辺第２項を用いてＭＨｚ帯の誘電分光スペクトルにカーブフィッティングすることにより測定試料の導電率を導出する。

フィッティングに用いる周波数帯の上限が高くなると、デバイ緩和による誘電損失がスペクトルに重畳され、フィッティング精度の低下の要因となる。そこで、導電損失が誘電損失に対して支配的であると考えられる領域を解析周波数として用いる。

式（２）において、デバイ緩和の主な緩和はバルク水であると考えられ、その緩和時間をτ_bとすると、バルク水の緩和強度が１／ｘとなる周波数ｆ_fitは次式（６）で表される。

バルク水の緩和時間と導電損失の大きさを考慮して周波数上限値を決定する。例えば、試料温度が２７℃、デバイ緩和の強度が１／１０となる周波数を上限とする場合には、τ＝７．９３ｐｓ，ｘ＝１０を代入し、約１ＧＨｚを周波数上限として用いる。

導電率の測定手法としては、導電率計などを用い直接物質の導電率を測定してもよいが、導電率計自体の精度が誤差要因になることや、測定試料が導電率計に必要な量を準備できない場合がある。

図５に、インピーダンスアナライザとベクトルネットワークアナライザによって測定された血清の誘電分光スペクトル（実線）と、カーブフィッティングによって導電損失を補正した補正スペクトル（点線）を示す。導電損失の補正により誘電損失のみを評価することが可能となる。

続いて、演算部３０は、測定対象成分の特徴的な周波数帯の補正スペクトルを用いて多変量解析を行い、検量モデルを構築する（ステップＳ１４）。血清中のグルコースの濃度定量の場合、例えば１ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの間の周波数帯を用いる。多変量解析手法として、主成分回帰、ＰＬＳ回帰、スパースモデリングなどを用いることができる。多変量解析の際には、スペクトルの微分やスムージングなどを用いてノイズやオフセットの低減を行う。

図６，７に、単成分系のグルコース水溶液、血清を試料として用い、グルコースの濃度が９００ｍｇ／ｄＬ変化した際の誘電分光スペクトルの変化を示す。図６は導電損失の補正なしの誘電分光スペクトルであり、図７は導電損失を補正した誘電分光スペクトルである。グルコースによって誘電損失が増加する周波数帯は０．５ＧＨｚ〜８ＧＨｚ程度、誘電損失が減少する周波数帯は８．５ＧＨｚ〜１００ＧＨｚ程度であることが分かる。０．５ＧＨｚ〜８ＧＨｚでは、グルコース水和水の増加に伴い誘電損失が増加、８．５ＧＨｚ以降は、グルコースの増加により水が排斥されたために誘電損失が減少したと考えられる。導電損失を補正した血清のスペクトル変化は、単成分系のグルコース水溶液のスペクトル変化と類似し、上記の周波数帯がグルコース固有の特徴的な周波数帯であることが分かる。

次に、本実施形態の成分濃度測定システムを用いた定量分析例について説明する。

図８は、試料温度が±１℃で変化している血清中のグルコース濃度の定量分析例を示すグラフであり、ｏｎｅ−ｌｅａｖｅ−ｏｕｔクロスバリデーションにより推定濃度と実際の濃度を比較したグラフである。グラフの縦軸は多変量解析によって推定された濃度を示し、横軸は実際のグルコース濃度を示す。

本定量分析では、グルコース濃度を１００−１０００ｍｇ／ｄＬ、温度を２６−２８℃の範囲で変化させて誘電分光スペクトルを取得し、ＰＬＳ回帰分析を用いた。

液体試料の誘電率は温度依存性が高く、式（１）における緩和強度及び緩和時間のいずれもが変化する。本実施形態では、図８に示すように、±１℃の温度ばらつきのある試料中においても精度よく成分濃度の測定ができていることが分かる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、誘電分光装置１０が測定試料のＭＨｚ−ＧＨｚ帯の誘電分光スペクトルを取得し、信号処理部２０がＭＨｚ帯の誘電分光スペクトルから測定試料の導電率を導出し、導出した導電率を用いて誘電分光スペクトルから導電損失の影響を補正した補正スペクトルを算出し、演算部３０が測定対象成分の特徴的な周波数帯の補正スペクトルを用いて多変量解析を行って測定試料の検量モデルを作成し、測定試料の測定対象成分の濃度を求めることにより、多成分系の試料中から測定対象成分の濃度をより精度良く測定することができる。

１０…誘電分光装置
２０…信号処理部
３０…演算部
４０…表示装置

Claims

被測定試料の複素誘電率を測定して誘電緩和スペクトルを取得するステップと、
前記被測定試料の導電率を用いて前記誘電緩和スペクトルから導電損失の影響を補正した補正スペクトルを算出するステップと、
前記補正スペクトルを用いて多変量解析を行い前記被測定試料の検量モデルを作成し、当該検量モデルと測定対象成分の濃度が既知の検量モデルから前記被測定試料の測定対象成分の濃度を求めるステップと、
を有することを特徴とする成分濃度測定方法。
前記誘電緩和スペクトルを取得するステップは、ＭＨｚ帯からＧＨｚ帯の複素誘電率を測定し、
ＭＨｚ帯の前記誘電緩和スペクトルを用いて前記導電率を導出するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の成分濃度測定方法。
前記濃度を求めるステップは、前記測定対象成分の特徴的な周波数帯の前記補正スペクトルを用いて前記測定対象成分の濃度を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の成分濃度測定方法。
被測定試料の複素誘電率を測定して誘電緩和スペクトルを取得する誘電分光手段と、
前記被測定試料の導電率を用いて前記誘電緩和スペクトルから導電損失の影響を補正した補正スペクトルを算出する信号処理手段と、
前記補正スペクトルを用いて多変量解析を行い前記被測定試料の検量モデルを作成し、当該検量モデルと測定対象成分の濃度が既知の検量モデルから前記被測定試料の測定対象成分の濃度を求める濃度定量手段と、
を有することを特徴とする成分濃度測定装置。
前記誘電分光手段は、ＭＨｚ帯からＧＨｚ帯の複素誘電率を測定し、
前記信号処理手段は、ＭＨｚ帯の前記誘電緩和スペクトルを用いて前記導電率を導出することを特徴とする請求項４に記載の成分濃度測定装置。
前記濃度定量手段は、前記測定対象成分の特徴的な周波数帯の前記補正スペクトルを用いて前記測定対象成分の濃度を求めることを特徴とする請求項４又は５に記載の成分濃度測定装置。