JP7382740B2 - 試料分析装置及び試料分析方法 - Google Patents
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Description
本発明は、試料分析装置及び試料分析方法に関する。
水質検査、臨床検査、食品検査等において、呈色を利用した試料中の分析対象物質濃度を測定する方法が知られている。例えば、水質検査においては、呈色剤（試薬）を含む試験片に分析対象物質を含む水を滴下し、分析対象物質と呈色剤との反応により呈色した試験片の色と参照表の色見本とを比較して、試料中の分析対象物質の濃度を判定する。しかし、このような色の比較を人間が行う場合には、正確な判定が困難であるという問題がある。
そこで、呈色した試験片をＣＣＤ等の撮像装置により撮像し、撮像した画像データを色分析することで、分析対象物質の濃度を算出する方法が提案されている。
例えば、特許文献１には、試験片の画像データから、表色系に基づく指数を算出し、分析対象の濃度と前記指数との関係を表す関数に、前記算出した指数を代入し、分析対象の濃度を判定する試料分析方法が開示されている。
また、例えば、特許文献２には、試験片の画像データにおける赤色チャンネル、青色チャンネル、緑色チャンネルのうちの少なくとも１つの強度データを第１のデータポイントに変換し、前記第１のデータポイントと厳密に一致する標準曲線から、分析対象物質の濃度を算出する試料分析方法が開示されている。
しかし、試験片の画像データにおける色チャンネルの値は、試料中に含まれる夾雑物により、標準曲線とは厳密には一致しない場合があるため、特許文献２の方法では、試料中の分析対象物質の濃度を正確に算出できない場合がある。
そこで、本発明の目的は、試料中に夾雑物が含まれる場合でも、試料中の分析対象物質の濃度を精度よく算出できる試料分析装置及び試料分析方法を提供する。
本発明の試料分析装置は、試料中の分析対象物質の濃度に応じて呈色する呈色領域を有する試験片を撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された前記試験片の前記呈色領域の画像データから、２つ以上の色チャンネルを有する色空間における第１座標を抽出する抽出部と、前記第１座標と、前記分析対象物質の標準濃度に対応する前記色空間における既定関数とを用いて、前記第１座標から前記既定関数までの距離が最小となる前記既定関数上の第２座標を算出する第１算出部と、前記既定関数上の所定の座標と前記第２座標とを結ぶ線分の傾き又は角度に基づいて、前記分析対象物質の濃度を算出する第２算出部と、を備える。
また、本発明の試料分析方法は、撮像部により、試料中の分析対象物質の濃度に応じて呈色する呈色領域を有する試験片を撮像する撮像工程と、抽出部により、前記撮像部により撮像された前記試験片の前記呈色領域の画像データから、２つ以上の色チャンネルを有する色空間における第１座標を抽出する抽出工程と、前記第１算出部により、前記第１座標と、前記分析対象物質の標準濃度に対応する前記色空間における既定関数とを用いて、前記第１座標から前記既定関数までの距離が最小となる前記既定関数上の第２座標を算出する第１算出工程と、第２算出部により、前記既定関数上の所定の座標と前記第２座標とを結ぶ線分の傾き又は角度に基づいて、前記分析対象物質の濃度を算出する第２算出工程と、を備える。
本発明によれば、試料中に夾雑物が含まれる場合でも、試料中の分析対象物質の濃度を精度よく算出できる。
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
図１は、本実施形態に係る試料分析装置で使用される試験片の一例を示す模式図である。試験片１は、試料中の分析対象物質の濃度に応じて呈色する呈色領域１０を有する。また、試験片１は、呈色領域と同一面上にカラーチャート領域２０を有することが望ましい。
呈色領域１０は、試料中の分析対象物質と呈色反応する試薬が固定されている。例えば、水質検査等において、採取した水中の水素イオン濃度（所謂ｐＨ）を分析する場合、呈色領域１０には、水中の水素イオン濃度（所謂ｐＨ）に応じて、色が変化する試薬が固定される。呈色領域１０における分析対象物質は、ｐＨに制限されるものではなく、例えば、アルミニウム、ホウ素、銅、クロム、バナジウム、鉄、マンガン、ニッケル、銀、スズ、亜鉛、鉛、ヒ素、カドミウム、水銀、コバルト、モリブデン、シリカ、シアン、水酸化物、亜硝酸、硝酸、亜硫酸、硫化物、硫酸、全窒素、有機体窒素、硝酸性窒素、亜硝酸性窒素、全りん、リン酸、アンモニウム、リチウム、カリウム、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム、塩化物、臭化物、よう化物、結合残留塩素、活性酸素、過酸化水素、アスコルビン酸、キレート剤、界面活性剤、グルコース、ポリマー、ホルムアルデヒド等が挙げられる。また、カルシウム塩および／またはマグネシウム塩の含有量を示す指標となる硬度や、炭酸水素塩、炭酸塩、水酸化物などのアルカリ成分の含有量を示す指標となる酸消費量（Ｍアルカリ度やＰアルカリ度）や、水に溶けている強酸、炭酸、有機酸及び水酸化物として沈殿する金属元素などの含有量を示す指標となるアルカリ消費量や、酸素、過酸化水素、水素、亜硫酸などの酸化剤または還元剤の含有量を示す指標となる酸化還元電位も測定対象である。
試料と呈色領域１０との接触は、例えば、試験片１を試料へ浸漬させる、或いは試料を試験片１の呈色領域に滴下する等の方法が挙げられる。
カラーチャート領域２０は、呈色領域１０で生じた呈色と比較するための色見本から構成される。カラーチャート領域２０の色見本は、例えば、絵の具、インク、顔料、塗料等を使用したオフセット印刷、グラビア印刷、凸版印刷、スクリーン印刷、熱転写印刷、レーザー印刷、インクジェット印刷等によって形成される。なお、カラーチャート領域２０は、試験片１とは別のシート等に設けられていてもよい。
図２は、本実施形態に係る試料分析装置の構成の一例を示す模式図である。図２に示す試料分析装置３は、撮像部２２、発光部２４、制御部２６、操作部２８、表示部３０、記憶部３２を有する。試料分析装置３は、例えば、スマートフォン、ラップトップ型のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレット端末のような汎用型又は多機能型の携帯型コンピュータ、デスクトップ型或いはタワー型のＰＣ等の汎用型のコンピュータ等の端末装置等が適用される。
撮像部２２は、例えば、ＣＣＤ或いはＣＭＯＳ等のイメージセンサを用いた撮像装置であり、試験片１を撮像し、撮像した試験片１の画像データを取得する。発光部２４は、撮像部２２に隣接して配置され、必要に応じて、撮像部２２による撮像時に発光する。
操作部２８は、ユーザーからの操作を受け付けるためのインターフェースであり、例えば、スマートフォン等の携帯端末等の場合には、タッチパネルやキーボタン等である。表示部３０は、撮像部２２により撮像した試験片１の画像や制御部２６から出力された情報等を表示するためのインターフェースであり、例えば、ディスプレイ等である。スマートフォン等の携帯端末等の場合には、表示部３０は、タッチパネルディスプレイとして操作部２８と一体化されている。
記憶部３２は、例えば、半導体メモリー等の記憶装置であり、撮像部２２が取得した画像データ、制御部２６が読みだす所定の処理プログラム、制御部２６から出力される情報等を記憶する。また、記憶部３２は、例えば、試料中の分析対象物質の濃度算出に必要な情報を記憶する。
制御部２６は、例えば、ＣＰＵ等から構成され、記憶部３２に記憶された所定の処理プログラムを読みだし、当該処理プログラムを実行して、試料分析装置３の動作を制御する。
図３は、本実施形態に係る試料分析装置の制御部の機能ブロック図である。図３に示すように、制御部２６は、機能ブロックとして、例えば、画像領域選択部３５及び濃度解析部３６を有する。
画像領域選択部３５は、撮像部２２により撮像された試験片１の画像データから、呈色領域１０、カラーチャート領域２０それぞれの画像領域を選択する。例えば、画像領域選択部３５は、試験片１上の呈色領域１０、カラーチャート領域２０の位置関係の相対値から、又はユーザーからの操作に応じて、それぞれの画像領域を検出する。
濃度解析部３６は、呈色領域１０の画像データを用いて、分析対象物質の濃度を算出する機能を有し、抽出部３８、第１算出部４０及び第２算出部４２を含んで構成される。
抽出部３８は、呈色領域１０の画像データから、２つ以上の色チャンネルを有する色空間における第１座標を抽出する。２つ以上の色チャンネルとしては、ＲＧＢ空間におけるＲ、Ｇ、Ｂ、ＸＹＺ空間におけるＸ、Ｙ、Ｚ、Ｌ＊ａ＊ｂ＊空間におけるＬ＊、ａ＊、ｂ＊、ＣＭＹＫ空間におけるＣ、Ｍ、Ｙ、Ｋ、ＨＳＶ空間におけるＨ、Ｓ、Ｖ、ＨＬＳ空間におけるＨ、Ｌ、Ｓ等が挙げられる。そして、２つ以上の色チャンネルを有する色空間とは、Ｒ、Ｇ、Ｂのチャンネルを例にすると、Ｒ軸、Ｇ軸が相互に直行する２次元色空間、Ｒ軸、Ｂ軸が相互に直行する２次元色空間、Ｇ軸、Ｂ軸が相互に直行する２次元色空間、又はＲ軸、Ｇ軸、Ｂ軸が相互に直行する３次元色空間である。また、抽出部により抽出される第１座標は、色空間を構成する色チャンネルの色値（画像信号値）である。すなわち、Ｒ軸、Ｇ軸が相互に直行する２次元色空間を例にすると、呈色領域１０の画像データから抽出したＲの色値及びＧの色値が第１座標となる。なお、画像データから抽出する色チャンネルの色値は、画像データ内の各画素の色チャンネルの色値の平均値や最頻値など、色値を統計処理することにより算出した値であることが望ましい。
第１算出部４０は、第１座標と、分析対象物質の標準濃度に対応する色空間における既定関数とを用いて、第１座標から既定関数までの距離が最小となる既定関数上の第２座標を算出する。
図４は、第１座標及び既定関数が表された２次元色空間の一例を示す図である。図４において、ｘ軸及びｙ軸は、色チャンネルの色値である。すなわち、Ｒ軸、Ｇ軸が相互に直行する２次元色空間を例にすれば、ｘ軸はＲの色値、ｙ軸はＧの色値である。点Ｐは呈色領域１０の画像データから抽出した第１座標（ｓ，ｔ）であり、ｓはｘ軸の色チャンネルの色値（例えばＲの色値）、ｔはｙ軸の色チャンネルの色値（例えばＧの色値）である。
図４の既定関数（ｙ＝ｆ（ｘ））は、分析対象物質の標準濃度に対応する既定関数である。分析対象物質の標準濃度がｐＨであれば、例えば、ｐＨ４、５、６、７、８の試料を準備し、これらの試料に対して呈色領域の画像データを取得し、各ｐＨに対応した画像データから、ｘ軸の色チャンネルの色値（例えばＲの色値）及びｙ軸の色チャンネルの色値（例えばＧの色値）を抽出することにより得られる。なお、図４の既定関数上の座標（ａ１，ｂ１）は、試料中のｐＨが４の場合に呈色した呈色領域の画像データから抽出したｘ軸及びｙ軸の色チャンネルの色値（例えばＲの色値及びＧの色値）である。同様に、既定関数上の座標（ａ２，ｂ２）は、試料中のｐＨが５の場合、既定関数上の座標（ａ３，ｂ３）は、試料中のｐＨが６の場合、既定関数上の座標（ａ４，ｂ４）は、試料中のｐＨが７の場合、既定関数上の座標（ａ５，ｂ５）は、試料中のｐＨが８の場合である。
ここで、既定関数上の第２座標を点Ｑ（ｑ，ｆ（ｑ））とすると、下式（１）を満たす点Ｑが第１座標から既定関数までの距離が最小となる既定関数上の第２座標となる。
（ｑ－ｓ）＋（ｆ（ｑ）－ｔ）ｆ’（ｑ）＝０ （１）
（ｑ－ｓ）＋（ｆ（ｑ）－ｔ）ｆ’（ｑ）＝０ （１）
なお、式（１）は以下のようにして求められる。第１座標の点Ｐと第２座標の点Ｑの距離の２乗をｄとすると、
ｄ＝（ｑ－ｓ）２＋（ｆ（ｑ）－ｔ）２
ｄ’＝２（ｑ－ｓ）＋２（ｆ（ｑ）－ｔ）・ｆ’（ｑ）となる。
ここで、第１座標から既定関数までの最小距離はｄ’＝０であるので、上記の式（１）が導かれる。
ｄ＝（ｑ－ｓ）２＋（ｆ（ｑ）－ｔ）２
ｄ’＝２（ｑ－ｓ）＋２（ｆ（ｑ）－ｔ）・ｆ’（ｑ）となる。
ここで、第１座標から既定関数までの最小距離はｄ’＝０であるので、上記の式（１）が導かれる。
上記は２次元色空間で１変数関数を用いた場合の適用例であるが、３次元色空間もしくは色チャンネルと分析対象物の濃度で構成された多次元空間の場合には、多変数関数もしくは多次元ベクトル等を適用することができる。多次元空間の場合においても、分析対象物質の標準濃度に対応する既定曲線もしくは直線、半直線、線分、円、円周、円弧、弧に対して距離が最小になるように、多変数関数もしくは多次元ベクトル等を用いて解析的・代数的・幾何学的・統計的な手法によって、既定曲線もしくは直線、半直線、線分、円、円周、円弧、弧上の第２座標を求めることができる。
第２算出部４２は、第１座標から既定関数までの距離が最小となる既定関数上の第２座標に基づいて、分析対象物質の濃度を算出する。
具体的な算出方法としては、例えば、既定関数上の座標と試料中の分析対象物質の濃度との対応関係を示す参照情報を参照して、算出した第２座標に対応する試料中の分析対象物質の濃度を算出する方法が挙げられる。当該参照情報としては、例えば、既定関数上の座標（例えば、Ｒの色値及びＧの色値）と試料中の分析対象物質の濃度（例えば、ｐＨ）との間の関係を３次元プロットした検量線等である。
その他の算出方法としては、例えば、既定関数上の所定の座標から既定関数上の他の座標との間の状態量と試料中の分析対象物質の濃度との対応関係を示す参照情報を参照して、算出した第２座標と既定関数上の所定の座標との間の状態量に対応する試料中の分析対象物質の濃度を算出する方法が挙げられる。
算出した第２座標と既定関数上の所定の座標との間の状態量としては、既定関数上の所定の座標と第２座標との間の関数上の距離が挙げられる。この場合の参照情報は、既定関数上の所定の座標と他の座標との間の関数上の距離と試料中の分析対象物質の濃度との関係をプロットした検量線等である。
算出した第２座標と既定関数上の所定の座標との間の状態量としては、上記以外に、既定関数上の所定の座標と第２座標とを結ぶ線分の距離、傾き又は角度等である。この場合の参照情報は、既定関数上の所定の座標と他の座標とを結ぶ線分の距離、傾き又は角度と試料中の分析対象物質の濃度との関係をプロットした検量線等である。
前述の既定関数や参照情報は、例えば、記憶部３２に記憶されている。
図５は、本実施形態に係る試料分析装置の動作の一例を示すフロー図である。図５に示す各ステップの処理は、記憶部３２に記憶されている所定の処理プログラムに基づいて、制御部２６により、試料分析装置３を構成する各部と協働して実行される。
撮像部２２は、試料に浸漬させた後の試験片１を撮像する（ステップＳ１０）。画像領域選択部３５は、撮像部２２によって撮像された試験片１の画像データから、呈色領域１０の画像データを選択する（ステップＳ１２）。制御部２６を構成する抽出部３８は、選択された呈色領域１０の画像データから、２つ以上の色チャンネルを有する色空間における第１座標を抽出する（ステップＳ１４）。例えば、分析対象物質の濃度計算に、Ｒ軸及びＧ軸が相互に直行する２次元色空間において定義される既定関数を用いる場合には、抽出部３８は、呈色領域１０の画像データから、Ｒの色値及びＧの色値を第１座標として抽出する。制御部２６を構成する第１算出部４０は、記憶部３２に記憶されている分析対象物質の標準濃度に対応する色空間における既定関数を読み出し、第１座標から当該既定関数までの距離が最小となる当該既定関数上の第２座標を算出する（ステップＳ１６）。第２座標の算出は既述の通りである。
制御部２６を構成する第２算出部４２は、既定関数上の所定の座標から第２座標までの既定関数上の距離を算出する（ステップＳ１８）。図４の既定関数を例として、既定関数上の所定の座標を（ａ１，ｂ１）とすると、当該座標から第２座標（ｑ，ｆ（ｑ））までの既定関数上の距離ｌは、以下の式（２）により算出される。
第２算出部４２は、既定関数上の所定の座標と他の座標との間の関数上の距離と試料中の分析対象物質の濃度との関係をプロットした検量線を参照して、上記算出した距離ｌに対応する試料中の分析対象物質の濃度を算出する（ステップＳ２０）。
図６は、既定関数上の所定の座標と他の座標との間の関数上の距離と試料中の分析対象物質の濃度との関係をプロットした検量線である。具体的には、当該距離とｐＨとの関係をプロットした検量線である。図６の横軸は、図４に示す既定関数上の所定の座標（ａ１，ｂ１）と他の座標との間の関数上の距離Ｌであり、縦軸は、各距離に対応するｐＨである。なお、ｐＨ５に対応するｌａ２は、座標（ａ１，ｂ１）と座標（ａ２，ｂ２）との間の関数上の距離であり、ｐＨ６に対応するｌａ３は、座標（ａ１，ｂ１）と座標（ａ３，ｂ３）との間の関数上の距離であり、ｐＨ７に対応するｌａ４は、座標（ａ１，ｂ１）と座標（ａ４，ｂ４）との間の関数上の距離であり、ｐＨ８に対応するｌａ５は、座標（ａ１，ｂ１）と座標（ａ５，ｂ５）との間の関数上の距離である。各距離は、式（２）のｑをａ２、ａ３、ａ４、又はａ５に置き換えることにより求められる。当該検量線を参照することにより、ステップＳ１８において算出した距離ｌに対応するｐＨを算出することができる。
ステップＳ１８～Ｓ２０では、既定関数上の所定の座標から第２座標までの既定関数上の距離から、分析対象物質の濃度を算出する例であるが、既述したように、既定関数上の所定の座標と第２座標とを結ぶ線分の距離、傾き又は角度等から、分析対象物質の濃度を算出してもよい。また、ステップＳ１８を行わず、既定関数上の座標と試料中の分析対象物質の濃度との対応関係を示す参照情報を参照して、ステップＳ１６で算出した第２座標から直接的に試料中の分析対象物質の濃度を算出してもよい。
なお、記憶部３２は、ステップＳ１８で算出した試料中の分析対象物質の濃度を記憶する。また、必要に応じて、算出した分析対象物質の濃度を表示部３０に表示する。
図７に、本実施形態に係る試料分析装置の制御部の機能ブロックの他の形態を示す。図７の制御部２７において、図３に示す制御部２６と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。図７に示す制御部２７は、機能ブロックとして、既定関数作成部４４を備える。
既定関数作成部４４は、カラーチャート領域２０の画像データから、分析対象物質の標準濃度に対応する色空間における既定関数を作成する。図４に示す既定関数を例にすれば、既定関数作成部４４は、画像領域選択部３５により選択されたカラーチャート領域２０の画像データのうち、ｐＨ４、５、６、７、８の色見本の画像データから、ｘ軸の色チャンネルの色値（例えばＲの色値）及びｙ軸の色チャンネルの色値（例えばＧの色値）を抽出し、抽出した色値から既定関数を作成する。作成した既定関数は、例えば、記憶部３２に記憶される。
実施形態で説明した試料分析装置３の制御部２６の各機能をコンピュータに実現させるための所定のプログラムは、磁気記録媒体、光記録媒体などのコンピュータにより読み取り可能な記録媒体に記録された形で提供してもよい。
以上のように、本実施形態に係る試料分析装置は、呈色領域の画像データの色値（第１座標）から分析対象物質の標準濃度に対応する色空間における既定関数までの距離が最小となる既定関数上の色値（第２座標）に基づいて、試料中の分析対象物質の濃度を算出しているため、試料中に夾雑物が含まれる場合でも、試料中の分析対象物質の濃度を正確に算出することができる。
１ 試験片、３ 試料分析装置、１０ 呈色領域、２０ カラーチャート領域、２２ 撮像部、２４ 発光部、２６，２７ 制御部、２８ 操作部、３０ 表示部、３２ 記憶部、３５ 画像領域選択部、３６ 濃度解析部、３８ 抽出部、４４ 既定関数作成部。
Claims (2)
- 試料中の分析対象物質の濃度に応じて呈色する呈色領域を有する試験片を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された前記試験片の前記呈色領域の画像データから、２つ以上の色チャンネルを有する色空間における第１座標を抽出する抽出部と、
前記第１座標と、前記分析対象物質の標準濃度に対応する前記色空間における既定関数とを用いて、前記第１座標から前記既定関数までの距離が最小となる前記既定関数上の第２座標を算出する第１算出部と、
前記既定関数上の所定の座標と前記第２座標とを結ぶ線分の傾き又は角度に基づいて、前記分析対象物質の濃度を算出する第２算出部と、を備えることを特徴とする試料分析装置。 - 撮像部により、試料中の分析対象物質の濃度に応じて呈色する呈色領域を有する試験片を撮像する撮像工程と、
抽出部により、前記撮像部により撮像された前記試験片の前記呈色領域の画像データから、２つ以上の色チャンネルを有する色空間における第１座標を抽出する抽出工程と、
第１算出部により、前記第１座標と、前記分析対象物質の標準濃度に対応する前記色空間における既定関数とを用いて、前記第１座標から前記既定関数までの距離が最小となる前記既定関数上の第２座標を算出する第１算出工程と、
第２算出部により、前記既定関数上の所定の座標と前記第２座標とを結ぶ線分の傾き又は角度に基づいて、前記分析対象物質の濃度を算出する第２算出工程と、を備えることを特徴とする試料分析方法。
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