JP5020219B2 - 分析方法および分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、イメージセンサを用いて検体の濃度情報を得る分析方法および分析装置に関するものである。

試験片に担持された検体の濃度情報を得る従来の分析装置の構成を図１４に示す。この分析装置は、光源１からの光を検体２が担持された試験片３に照射し、その試験片３からの散乱光（または透過光や反射光の場合もある）を、レンズ４、絞り５、光学フィルタ６等により構成される光学系を通してＣＣＤなどからなるイメージセンサ７に照射させて結像させ、イメージセンサ７の各画素にて得られる光の光量を画素の輝度に変換して分析することで、試験片３に担持された検体２の濃度を定量化するよう構成されている。

この分析方法によれば、検体２の波長特性及び光源１の波長特性を持った輝度を取得する際に、光学フィルタ６の角度依存性により、光軸から離れる程輝度が小さくなるので、図１５に示すように、予め算出しておいた呈色位置に対応する角度依存性補正係数を各呈色部の位置（呈色Ａ、Ｂ、Ｃと記す）での輝度に積算することで、これを補正している（特許文献１参照）。
特願２００８−０１４３２８

上記従来の分析方法は、単一濃度での検体の波長特性を用いて補正係数を導き出し、補正を行うものである。しかし図１６（ａ）に示すように、光軸からの距離に対する輝度の変化は、検体の濃度が大きいほど大きくなるという特性を持っている。この特性は、例えば図１６（ｂ）に示すように、各濃度における輝度分布をそれぞれのピーク輝度にて正規化し、ピーク輝度に対する輝度変化率として比較すれば理解し易い。

しかし、図１７に示すような、各呈色部で検体の濃度が異なる試験片にて測定を行う場合に（ここでは呈色Ａは高濃度、呈色Ｂは中濃度、呈色Ｃは低濃度であるとする）、図１８に示すように、単一濃度の検体（例えば呈色Ｂの検体の濃度）で求めた補正係数にて角度依存性補正を行うと、呈色Ａでは補正が不足し、呈色Ｃでは補正し過ぎることになり、測定値に誤差が生じる。

本発明は上記問題を解決するもので、検体の濃度に対応した補正を行うことで測定誤差を低減できる分析方法及び分析装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の分析方法は、試験片に担持された検体からの光を、光学フィルタを有する光学系を通して、複数の画素を備えたイメージセンサにより受けて前記検体の濃度情報を得る分析方法であって、前記試験片上に種々の既知濃度で担持された検体につき、その検体からの光の波長特性及びフィルタ入射角度依存性により前記イメージセンサ内の任意の位置にて得られる輝度値を事前に算出する第１のステップと、前記第１のステップで濃度ごとに得られる輝度分布をその内の任意の基準濃度の輝度分布に一致させるための補正係数を算出する第２のステップと、前記第２のステップで濃度ごとに得られた補正係数をその濃度情報に対してプロットして直線近似する第３のステップと、前記基準濃度の輝度分布を基に、当該基準濃度に対応するフィルタ入射角度依存性の補正関数を算出する第４のステップと、前記試験片上に別途に担持された測定対象の未知濃度の検体につき得られる輝度を、前記第４のステップで得られた前記基準濃度に対応した補正関数を用いて補正し、補正後の輝度を用いて濃度情報を算出する第５のステップと、前記第５のステップで得られた濃度情報を前記第３のステップにて求めた直線へ参照させることで前記測定対象の検体の濃度補正係数を得る第６のステップと、前記第６のステップにて得られた濃度補正係数を、前記第４のステップにて得られた前記基準濃度に対応した補正関数に積算し、積算後の補正関数を用いて前記測定対象の検体の輝度を補正し、補正後の輝度を用いて前記測定対象の検体の濃度情報を再度得る第７のステップと、を有することを特徴とする。

また本発明の分析装置は、試験片に担持された検体からの光を、光学フィルタを有する光学系を通して、複数の画素を備えたイメージセンサにより受けて前記検体の濃度情報を得る分析装置であって、前記試験片上に種々の既知濃度で担持された検体につき、その検体からの光の波長特性及びフィルタ入射角度依存性により前記イメージセンサ内の任意の位置にて得られる輝度値を事前に算出する輝度算出手段と、前記輝度算出手段により濃度ごとに得られる輝度分布をその内の任意の基準濃度の輝度分布に一致させるための補正係数を算出する第１の補正係数算出手段と、前記第１の補正係数算出手段で濃度ごとに得られた補正係数をその濃度情報に対してプロットして直線近似する直線近似手段と、前記基準濃度の輝度分布を基に、当該基準濃度に対応するフィルタ入射角度依存性の補正関数を算出する補正関数算出手段と、前記試験片上に別途に担持された測定対象の未知濃度の検体につき得られる輝度を、前記補正関数算出手段で得られた前記基準濃度に対応した補正関数を用いて補正し、補正後の輝度を用いて濃度情報を算出する濃度算出手段と、前記濃度算出手段で得られた濃度情報を前記直線近似手段にて求めた直線へ参照させることで前記測定対象の検体の濃度補正係数を得る第２の補正係数取得手段と、前記第２の補正係数取得手段にて得られた濃度補正係数を、前記補正関数算出手段にて得られた前記基準濃度に対応した補正関数に積算し、積算後の補正関数を用いて前記測定対象の検体の輝度を補正し、補正後の輝度を用いて前記測定対象の検体の濃度情報を再度得る濃度取得手段と、を有することを特徴とする。

本発明の分析方法及び分析装置によれば、検体の濃度の違いによる測定誤差を低減することができ、測定精度及び信頼性が向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基いて説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る分析装置および分析装置について説明する。

この実施の形態１の分析装置の構成は、先に図１４を用いて説明した従来の分析装置とほぼ同様であるため、図１４を援用し、その説明は省略する。分析対象の試験片も、先に図１４あるいは図１７を用いて説明した試験片と同様に呈色部が設けられるとして説明する。

この実施の形態１の分析装置が従来の分析装置と異なる点は、イメージセンサ７の各画素からの画素出力値に補正をかけるための独自の補正アルゴリズムを実行する制御部（図示せず）が設けられていることである。

この制御部は、試験片上に種々の既知濃度で担持された検体につき、その検体からの光の波長特性及びフィルタ入射角度依存性により前記イメージセンサ内の任意の位置にて得られる輝度値を事前に算出する輝度算出手段と、前記輝度算出手段により濃度ごとに得られる輝度分布をその内の任意の基準濃度の輝度分布に一致させるための補正係数を算出する第１の補正係数算出手段と、前記第１の補正係数算出手段で濃度ごとに得られた補正係数をその濃度情報（たとえば吸光度）に対してプロットして直線近似する直線近似手段と、前記基準濃度の輝度分布を基に、当該基準濃度に対応するフィルタ入射角度依存性の補正関数を算出する補正関数算出手段と、前記試験片上に別途に担持された測定対象の未知濃度の検体につき得られる輝度を、前記補正関数算出手段で得られた前記基準濃度に対応した補正関数を用いて補正し、補正後の輝度を用いて濃度情報を算出する濃度算出手段と、前記濃度算出手段で得られた濃度情報を前記直線近似手段にて求めた直線へ参照させることで前記測定対象の検体の濃度補正係数を得る第２の補正係数取得手段と、前記第２の補正係数取得手段にて得られた濃度補正係数を、前記補正関数算出手段にて得られた前記基準濃度に対応した補正関数に積算し、積算後の補正関数を用いて前記測定対象の検体の輝度を補正し、補正後の輝度を用いて前記測定対象の検体の濃度情報を再度得る濃度取得手段と、を備えている。
以下、前記補正アルゴリズムについて詳述する。

事前に、基準とする試験片上に種々の既知濃度で担持させた検体につき、その検体からの光の波長特性及びフィルタ入射角度依存性によりイメージセンサ内の任意の位置にて得られる輝度値を算出する（第１のステップ）。

図１(a)は、検体の濃度ごとに、角度依存性（光軸からの距離に対応する）に起因した輝度の変化率をグラフ化したものである。既述したように、検体の濃度が高いほど、角度依存性に起因する輝度の変化率は大きくなる。検体の濃度ごとの輝度の分布を光軸からの距離ｒの関数Ｆ(r)で表すこととし、高濃度検体を関数Ｆ_hi(r)、中濃度検体を関数Ｆ_m(r)、低濃度検体を関数Ｆ_lo(r)で表している。

次に、上記のように濃度ごとに得られた輝度分布をその内の任意の基準濃度の輝度分布に一致させるための補正係数を算出する（第２のステップ）。図１(a)（b）に示すように、基準の関数を定め、それ以外の関数には基準関数に対する比率を乗じることで、複数の関数を一元化することが可能なので、関数ごとに、基準関数に対する比率（以下、補正係数αという）を事前に求めておくのである。例えば図示したように、中濃度検体に係る関数Ｆ_m(r)を基準関数とし、高濃度検体に係る補正係数α_hi、中濃度検体に係る補正係数α_m、低濃度検体に係る補正係数α_loとすると、

となる。光軸からの距離ｒがどの場合でも濃度補正係数αは一定値となる。これを満たす補正係数α_hi、α_loをそれぞれ求めておくことで、Ｆ_hi(r)、Ｆ_lo(r)をＦ_m(r)に一元化することが可能となる。

次に、図２に示すように、上記のように濃度ごとに得られた補正係数α_hi、１、α_loを吸光度に対してプロットし、直線近似する（第３のステップ）。ここでは濃度を示す指標（濃度情報）として、濃度に比例する吸光度（Lambert-Beerの法則）を用いている。得られる直線近似結果に基いて、全ての濃度に対応した補正係数αを算出することが可能となる。なお吸光度は測定部輝度（得られた輝度）及び変化前の基準輝度であるバックグラウンド輝度を用いて以下の式で求められる。

次に、基準濃度の輝度分布Ｆ_m(r)を基に、当該基準濃度に対応するフィルタ入射角度依存性の補正関数ｇ_ｍ(ｒ)を算出する（第４のステップ）。この方法は特許文献１に詳記されているため説明は省略する。

以下、測定時の手順を説明する。
図３は測定対象の試験片を示す。試験片３上に適当間隔をおいて３つの呈色部（呈色Ａ１、呈色Ｂ１、呈色Ｃ１と記す）が配置されており、それぞれに担持された測定対象の検体の濃度は未知である。

この試験片３上の各呈色部の検体につき得られる輝度を、前記第４のステップで得られた、前記基準濃度に対応したフィルタ入射角度依存性の補正関数ｇ_ｍ(ｒ)を用いて補正し、補正後の輝度を用いて濃度情報を算出する（第５のステップ）。図４を用いて説明すると、イメージセンサにて取得した呈色Ａ１、呈色Ｂ１、呈色Ｃ１の輝度はそれぞれの濃度に対応したフィルタ入射角度依存性の影響を受けているが（ａ）、第４のステップにて事前に算出しておいた角度依存性補正関数ｇ_ｍ(ｒ)を各呈色部の輝度に積算して、フィルタ入射角度依存性の補正を行うことで（ｂ）、ある程度真値に近い輝度が得られる（ｃ）。得られた各呈色部の輝度を上記の式（数２）に適用することで、各呈色部の吸光度Ｚ_A1、Ｚ_B1、Ｚ_C1を算出する。

次に上記第５のステップで得られた吸光度を、上述の第３のステップにて求めた直線へ参照させることで前記測定対象の未知濃度の検体の濃度補正係数を得る（第６のステップ）。つまり、図５に示すように、先に求めた近似直線（図２）を参照して、吸光度Ｚ_A1、Ｚ_B1、Ｚ_C1に対応する濃度補正係数α_A1、α_B1、α_C1を求める。

そして、上記第６のステップで得られた濃度補正係数を、第４のステップにて得られた、前記基準濃度に対応したフィルタ入射角度依存性の補正関数に積算し、積算後の補正関数を用いて前記測定対象の検体の輝度を補正し、補正後の輝度を用いて前記測定対象の検体の濃度情報を再度得る（第７のステップ）。つまり、図６に示すように、従来の基準関数Ｆ_m(r)にて求めておいた角度依存性補正係数ｇ_m(r)（図４（ｂ）参照）に、呈色Ａ１、Ｂ１、Ｃ１の濃度に対応した濃度補正係数α_A1、α_B1、α_C1を積算し、それを呈色Ａ１、Ｂ１、Ｃ１の輝度値に積算する。これにより、呈色Ａ１、Ｂ１、Ｃ１の輝度は濃度に応じた補正ができる。図中の目標輝度が、濃度に応じた補正がなされた補正値を示す。

その後に、上記の補正値（目標輝度）に基づいて再び吸光度を求め、それより、呈色Ａ１、Ｂ１、Ｃ１の検体の濃度情報を得る。ここで得られた吸光度用いて第６のステップと第７のステップを複数回繰り返すことで、より精度よく吸光度を求めることが可能である。

以上により、全ての濃度におけるフィルタ角度依存性の補正が実現でき、フィルタ角度依存性に起因する誤差の低減が可能となる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る分析装置および分析方法について図７〜図１３を用いて説明する。図７に示す分析装置の構成は実施の形態１に係る分析装置とほぼ同様である。

図７および図８において、試験片３上の各呈色部（呈色Ａ２、呈色Ｂ２、呈色Ｃ２と記す）は、異なる濃度の検体を担持しており（呈色Ａ２は高濃度、呈色Ｂ２は中濃度、呈色Ｃ２は低濃度）、試験片３の設置時の位置ずれにより一律に位置ずれ量Ｒが生じている。

分析の際には、事前に、基準とする試験片上の呈色Ａ２、Ｂ２、Ｃ２にて取得しておいた値を検量線情報とし、測定時にその検量線情報を用いて濃度変換することで、光学フィルタの角度依存性の影響を低減させる。

ただし、上述の位置ずれが生じているので、図９に示すように、位置ずれがないときの輝度関数Ｆ(r)と、位置ずれ量Ｒが生じたときの輝度関数Ｆ(ｒ−Ｒ)とを用いて、補正関数Ｇ(r)（＝Ｆ(ｒ−Ｒ)/Ｆ(r)）を求め、これを用いて補正を行う。

なおただし、この方法は、単一濃度の検体に適するものであるため、図１０に示すように、呈色Ａ２、Ｂ２、Ｃ２の濃度に応じた補正関数Ｇ_A2(r)、Ｇ_B2(r)、Ｇ_C2(r)を求める。

このために、図１１に示すような呈色位置別の近似直線を事前に求めておく。この実施の形態２では、角度依存性の影響を受けた輝度をそのまま用いるので、図示したように呈色位置別に近似直線を求める。そのために濃度補正係数αを求める方法は実施の形態１と同様である。

そして、呈色Ａ２、Ｂ２、Ｃ２にて得られる輝度（角度依存性の影響を受けた輝度をそのまま用いる）より仮の吸光度（Ｚ_A2、Ｚ_B2、Ｚ_C2とする）を求め、図１２に示すように、事前に求めた近似直線（図１１参照）を参照して、呈色Ａ２、Ｂ２、Ｃ２の吸光度Ｚ_A2、Ｚ_B2、Ｚ_C2に対応した濃度補正係数α_A2、α_B2、α_C2を求め、それを用いて以下のようにＧ_A2(r)、Ｇ_B2(r)、Ｇ_C2(r)を算出する。

ここで、Ｇ_m(r)は基準関数Ｆ_m(r)の特性を用いた場合の補正関数であり、上述の検量線生成もこの基準関数Ｆ_m(r)の特性を用いている。

次に、図１３に示すように、呈色Ａ２、Ｂ２、Ｃ２にて得られた輝度値に、当該呈色Ａ２、Ｂ２、Ｃ２の濃度に応じた補正関数Ｇ_A2(r)、Ｇ_B2(r)、Ｇ_C2(r)を積算する。これにより、呈色Ａ２、Ｂ２、Ｃ２の輝度は濃度に応じた補正ができる。図中の目標輝度が、濃度に応じた補正がなされた補正値を示す。

その後に、上記の補正値（目標輝度）に基づいて再び吸光度を求め、それより、呈色Ａ２、Ｂ２、Ｃ２の検体の濃度情報を得る。
以上により、全ての濃度における試験片の位置ずれの補正が実現でき、位置ずれに起因する誤差の低減が可能となる。

なお、上記実施の形態では、補正係数を用いて輝度値を補正し、補正後の輝度値に対応する吸光度を求め、この吸光度に基づいて検体の濃度情報を得たが、これに限るものではなく、輝度値に相当するデジタルデータ等を補正し、この補正データに基づいて検体の濃度情報を得てもよい。

本発明に係る分析方法および分析装置は、検体の濃度の違いによる測定誤差を低減することができ、さらには、光学フィルタの入射角度依存性、呈色位置ずれによる測定誤差の低減機能を有するので、高精度での濃度検出が必要な生化学分析方法および装置等に特に有用である。

本発明の実施の形態１に係る分析方法の一ステップを説明する図 同実施の形態１に係る分析方法の他の一ステップを説明する図 同実施の形態１に係る分析方法の測定対象の試験片を示す斜視図 同実施の形態１に係る分析方法の他の一ステップを説明する図 同実施の形態１に係る分析方法の他の一ステップを説明する図 同実施の形態１に係る分析方法の他の一ステップを説明する図 本発明の実施の形態２に係る分析方法の一ステップを説明する図 同実施の形態２に係る分析方法の測定対象の試験片を示す平面図 同実施の形態２に係る分析方法の他の一ステップを説明する図 同実施の形態２に係る分析方法の他の一ステップを説明する図 同実施の形態２に係る分析方法の他の一ステップを説明する図 同実施の形態２に係る分析方法の他の一ステップを説明する図 同実施の形態２に係る分析方法の他の一ステップを説明する図 従来の分析装置により試験片の測定を行う状態を概略的に示す斜視図 図１４の分析方法による光学フィルタの角度依存性の補正方法及び補正結果を示す図 図１４の分析方法で角度依存性に起因した輝度変化率が濃度に応じて変化することを示す図 従来の分析装置により他の試験片の測定を行う状態を概略的に示す斜視図 図１７の分析方法による測定部位の補正方法及び補正結果を示す図

符号の説明

１ 光源
２ 検体
３ 試験片
４ レンズ
５ 絞り
６ 光学フィルタ
７ イメージセンサ

Claims (2)

1. 試験片に担持された検体からの光を、光学フィルタを有する光学系を通して、複数の画素を備えたイメージセンサにより受けて前記検体の濃度情報を得る分析方法であって、
   前記試験片上に種々の既知濃度で担持された検体につき、その検体からの光の波長特性及びフィルタ入射角度依存性により前記イメージセンサ内の任意の位置にて得られる輝度値を事前に算出する第１のステップと、
   前記第１のステップで濃度ごとに得られる輝度分布をその内の任意の基準濃度の輝度分布に一致させるための補正係数を算出する第２のステップと、
   前記第２のステップで濃度ごとに得られた補正係数をその濃度情報に対してプロットして直線近似する第３のステップと、
   前記基準濃度の輝度分布を基に、当該基準濃度に対応するフィルタ入射角度依存性の補正関数を算出する第４のステップと、
   前記試験片上に別途に担持された測定対象の未知濃度の検体につき得られる輝度を、前記第４のステップで得られた前記基準濃度に対応した補正関数を用いて補正し、補正後の輝度を用いて濃度情報を算出する第５のステップと、
   前記第５のステップで得られた濃度情報を前記第３のステップにて求めた直線へ参照させることで前記測定対象の検体の濃度補正係数を得る第６のステップと、
   前記第６のステップにて得られた濃度補正係数を、前記第４のステップにて得られた前記基準濃度に対応した補正関数に積算し、積算後の補正関数を用いて前記測定対象の検体の輝度を補正し、補正後の輝度を用いて前記測定対象の検体の濃度情報を再度得る第７のステップと、を有する分析方法。
2. 試験片に担持された検体からの光を、光学フィルタを有する光学系を通して、複数の画素を備えたイメージセンサにより受けて前記検体の濃度情報を得る分析装置であって、
   前記試験片上に種々の既知濃度で担持された検体につき、その検体からの光の波長特性及びフィルタ入射角度依存性により前記イメージセンサ内の任意の位置にて得られる輝度値を事前に算出する輝度算出手段と、
   前記輝度算出手段により濃度ごとに得られる輝度分布をその内の任意の基準濃度の輝度分布に一致させるための補正係数を算出する第１の補正係数算出手段と、
   前記第１の補正係数算出手段で濃度ごとに得られた補正係数をその濃度情報に対してプロットして直線近似する直線近似手段と、
   前記基準濃度の輝度分布を基に、当該基準濃度に対応するフィルタ入射角度依存性の補正関数を算出する補正関数算出手段と、
   前記試験片上に別途に担持された測定対象の未知濃度の検体につき得られる輝度を、前記補正関数算出手段で得られた前記基準濃度に対応した補正関数を用いて補正し、補正後の輝度を用いて濃度情報を算出する濃度算出手段と、
   前記濃度算出手段で得られた濃度情報を前記直線近似手段にて求めた直線へ参照させることで前記測定対象の検体の濃度補正係数を得る第２の補正係数取得手段と、
   前記第２の補正係数取得手段にて得られた濃度補正係数を、前記補正関数算出手段にて得られた前記基準濃度に対応した補正関数に積算し、積算後の補正関数を用いて前記測定対象の検体の輝度を補正し、補正後の輝度を用いて前記測定対象の検体の濃度情報を再度得る濃度取得手段と、を有する分析装置。

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