WO2024104648A1 - Technical design of an analysis device for spectral analysis - Google Patents

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WO2024104648A1
WO2024104648A1 PCT/EP2023/077531 EP2023077531W WO2024104648A1 WO 2024104648 A1 WO2024104648 A1 WO 2024104648A1 EP 2023077531 W EP2023077531 W EP 2023077531W WO 2024104648 A1 WO2024104648 A1 WO 2024104648A1
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WO
WIPO (PCT)
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spectrometer
hardware
spectral
representation
sample
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/077531
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German (de)
French (fr)
Inventor
Alexander Freytag
Erik Rodner
Karsten Lindig
Anselm BRACHMANN
Original Assignee
Carl Zeiss Spectroscopy Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N20/00Machine learning
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N3/00Computing arrangements based on biological models
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    • G06N3/08Learning methods
    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16CCOMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/20Identification of molecular entities, parts thereof or of chemical compositions
    • GPHYSICS
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    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
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    • G01J3/0264Electrical interface; User interface
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    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • GPHYSICS
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/12Circuits of general importance; Signal processing
    • G01N2201/129Using chemometrical methods
    • G01N2201/1296Using chemometrical methods using neural networks
    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16CCOMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C20/00Chemoinformatics, i.e. ICT specially adapted for the handling of physicochemical or structural data of chemical particles, elements, compounds or mixtures
    • G16C20/70Machine learning, data mining or chemometrics

Definitions

  • the present invention initially relates to a method for the technical design of an analysis device for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample.
  • the analysis device comprises a spectrometer for the spectral measurement of the sample.
  • the analysis device is configured to use a chemometric model formed by a trained machine learning system to determine a concentration of at least one ingredient of the sample based on spectral measured values of the sample recorded with the spectrometer.
  • the ingredient is, for example, a protein or starch.
  • the ingredient is, for example, water, so that a moisture content can be determined by the analysis device.
  • the invention further relates to a computer program product and a trained machine learning system as well as an analysis device for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample.
  • DE 10 2020 116 094 A1 concerns a method for calibrating a plurality of identical spectrometers for ingredient analysis. Using a mathematical model of the identical spectrometers, a large number of error spectra are generated in order to improve a regression model.
  • WO 2021/198247 A1 shows a method for co-designing hardware and software for virtual staining of a tissue sample.
  • the method comprises iteratively obtaining multiple sets of training imaging data with respect to one or more tissue samples.
  • Each set of the multiple sets of training imaging data was acquired using a different image modality of a group of imaging modalities.
  • Multiple reference images are acquired representing the tissue samples containing one or more chemical dyes.
  • the multiple sets of training image data are processed in a machine learning logic.
  • US 11,062,481 B2 relates to a portable device for determining a state of one or more plants.
  • the device comprises a digital color camera for recording a color image of the plants within a field of view and a light source for providing broadband illumination for the plants within the field of view.
  • a processing unit serves to control the camera and the light source during recording of a first image of the plants while the light source illuminates the plants with the broadband illumination and during recording of a second image of the plants while the light source does not illuminate the plants.
  • DE 10 2021 105 869 Al shows a spectral sensor system with an array of optical sensors arranged on an integrated circuit, as well as with an interface between the plurality of optical sensors and a first processing device.
  • a plurality of sets of optical filters are configured as a layer arranged on a plurality of optical sensors.
  • Each set of optical filters contains a plurality of optical filters.
  • Each optical filter is configured to transmit light in a different wavelength range.
  • Spectral sensor system comprises a processing device containing an artificial neural network that configured to correct a spectral response generated by the plurality of optical sensors.
  • US 2021/0172800 Al relates to techniques for analyzing unknown sample compositions using a prediction model based on optical emission spectra.
  • First emission spectra are received that correspond to a training sample comprising several pure elements of known concentrations.
  • a plurality of spectral ranges are determined that correspond to the plurality of pure elements of known concentrations.
  • Features are determined that are associated with a maximum of the spectral range.
  • a prediction model is trained to predict unknown concentrations of a plurality of components of an unknown sample based on an emission spectrum of the unknown sample.
  • EP 3 842 788 A1 relates to a spectral sensor for near-infrared spectroscopy, which is used to distinguish and/or recognize objects and/or materials.
  • the spectral sensor is designed to work in a learning mode and in an operating mode. In the learning mode, measurements of intensity values of a first spectrum of wavelengths are carried out. In the operating mode, measurements of intensity values of a second spectrum of wavelengths are carried out. The wavelengths of the second spectrum are selected with the aid of a machine learning method.
  • US 10 , 020 , 900 B2 shows a system architecture for providing spectral information for one or more devices and for providing and using the spectral information in a device.
  • a Spectral Information Server executes a server process that has a library of spectrum-related functions; including functions for retrieving spectral data from spectral data sources or for processing retrieved spectral data.
  • the above-mentioned state-of-the-art solutions for spectral analysis provide for a spectrometer and an evaluation of the spectral measured values recorded with the spectrometer. Both the spectrometer and the method for evaluating the spectral measured values must be highly tailored to the given analysis task in order to be able to produce accurate results. Such a spectral analysis is carried out, for example, to determine the ingredients of agricultural products and foodstuffs. A chemometric model is used to evaluate the spectral measured values, which is developed, for example, using machine learning. The spectral sensitivities that the spectrometer should have must be specified; in particular, how the average wavelengths and bandwidths of the spectrometer’s measuring channels should be dimensioned.
  • spectrometer that is not optimally configured impairs the evaluation by the chemometric model.
  • the spectrometer may have too few or unsuitable spectral sensitivities, which limits the determination of the ingredients.
  • the spectrometer may be over-dimensioned for the given analysis task, i.e. it may have spectral sensitivities that are not required for the analysis task. This makes the spectrometer too expensive.
  • US 5,435,309 shows a method for determining one or more unknown values of at least one known property, such as the concentration of glucose in blood. The method uses a model based on a set of samples with known values of the known properties and a multivariate algorithm.
  • wavelength subgroups are selected from an electromagnetic spectral range suitable for determining the property for use by an algorithm.
  • the selection of the wavelength subgroups is intended to improve the suitability of the model.
  • the selection process uses multivariate search methods that select both predictive and synergistic wavelengths within the wavelength range used.
  • the suitability of the wavelength subgroups is determined by a suitability function.
  • a genetic algorithm is used to generate one or more counting spectra.
  • counting spectra are combined to generate a combined counting spectrum. The count spectrum is smoothed and a threshold count value is selected from the count spectrum to select those wavelength subgroups that are suitable for optimizing the suitability function.
  • A1 shows a method for calibrating a spectrometer for measuring spectral components of a substance in the context of chemometrics.
  • a spectrometer device is used to measure spectral components of the substance to be examined.
  • the spectrometer device is calibrated using a calibration unit.
  • a total of spectral components X and associated substance concentrations of the substance to be examined are measured and stored as spectrometric measurement data in the form of a multidimensional coefficient vector. From this From the totality of the measured spectral components X, physically relevant spectral components X rei for the respective measurement process are extracted using an automated iterative estimation procedure stored in the calibration unit.
  • the measured spectrometric measurement data for the substance under investigation are calibrated on the basis of the extracted spectral components X rei that are physically relevant for the substance under investigation.
  • the object of the present invention is to be able to adapt the technical design of an analysis device for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample more precisely to the respective given analysis task, whereby the analysis device can be designed in a less complex manner.
  • the stated object is achieved by a method according to the appended claim 1, by a computer program product according to the appended independent claim 13, by a trained machine learning system according to the appended independent claim 14 and by an analysis device according to the appended independent claim 15.
  • the method according to the invention is used for the technical design of an analysis device for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample.
  • the analysis device to be technically designed should be optimally suited to a given analysis task.
  • the concentration of at least one ingredient of the sample is determined by the spectral analysis based on spectral information measured on the sample.
  • the sample comes from a material or a product which is to be examined with regard to its content by the analysis.
  • the sample can, for example, taken from the material or product or the material or product is fed to the analysis device as a sample.
  • the material or product is preferably an agricultural product, a foodstuff or a foodstuff.
  • the agricultural product is preferably a harvested product.
  • the harvested product is preferably a grain such as corn or wheat or rapeseed, sugar beet or soy.
  • the harvested product can also preferably be fruit plants such as peppers, tomatoes, strawberries etc. or fruit trees such as almond trees.
  • the sample can be formed by the harvested product as such, as in the case of cereal grains, for example.
  • the sample can also be formed by a part of a plant which produces the harvested product, so that, for example, the leaf of a cereal plant forms the sample.
  • the ingredient is preferably formed by water, a protein, an oil, sugar, salt, starch or crude fibre.
  • the ingredient is preferably formed by a single chemical element, such as nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, magnesium, boron, molybdenum, copper, manganese, zinc, iron, chlorine or sulphur.
  • a single chemical element such as nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, magnesium, boron, molybdenum, copper, manganese, zinc, iron, chlorine or sulphur.
  • nitrogen is the most important element of chlorophyll and is therefore essential for optimal metabolism.
  • other macronutrients are also relevant, such as phosphorus and potassium, which are often added to the soil together with nitrogen as so-called NPK fertilizers.
  • Calcium and magnesium are also relevant, the latter forming the central element in the chlorophyll ring.
  • other nutrients are often required for optimal growth.
  • micronutrients examples include boron, molybdenum, copper, manganese, zinc, iron, chlorine and sulphur. Measuring the concentration of water represents a moisture measurement.
  • the ingredient can also be an undesirable component in the product or crop being examined, such as a pesticide or a fungicide.
  • the analysis device comprises a spectrometer for spectral measurement of the sample.
  • the spectrometer can be an NIR spectrometer, a VIS/NIR spectrometer, a VIS spectrometer or a full-range spectrometer.
  • the spectrometer can have a transmission, a transflection or a reflection structure.
  • the spectrometer is preferably designed compactly as a spectrometer sensor.
  • the analysis device is further configured to use a chemometric model formed by a trained machine learning system to determine a concentration of at least one ingredient of the sample based on spectral measurement values of the sample recorded with the spectrometer.
  • the spectrometer records spectral measurement values of the sample, which are determined by the ingredients of the sample.
  • the concentration of the at least one ingredient to be analyzed is determined from the spectral measurement values.
  • the result is a value for the concentration of the at least one ingredient of the sample.
  • the chemometric model is formed by a trained machine learning system. Training takes place when the method according to the invention is carried out.
  • the machine learning system preferably comprises an artificial neural network or a linear model. which is preferably formed by a partial least squares regression model.
  • the spectrometer and the chemometric model formed by the trained machine learning system are technically designed or developed so that they form the objects of a technical development process, the result of which is the technically specified spectrometer and the trained machine learning system.
  • an initial configuration of a representation of a hardware of the spectrometer is selected.
  • This representation can in particular be formed by a model or by a physical test example of the hardware of the spectrometer.
  • the configuration defines the spectral sensitivities of the spectrometer.
  • the initial configuration represents a starting point for the technical development process, which is changed during the technical development process.
  • the result of the technical development process is a final configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, which serves as a technical specification for producing at least one spectrometer, which forms a component of the analysis device to be produced.
  • the initial configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is preferably formed by a configuration of the representation of the hardware of a reference spectrometer.
  • the reference spectrometer is a high-resolution spectrometer, which is assumed to have all the necessary components for the given analysis task. spectral information.
  • the reference spectrometer is a gold standard for this.
  • the following is an iterative execution of several steps which are computer-implemented. These several steps are executed iteratively. In simple preferred embodiments, these several steps are repeated until a predetermined number of iterations is reached. In further preferred embodiments, these several steps are repeated until a value of a suitability parameter has at least reached a predetermined limit value, which, depending on the definition of the respective suitability parameter, includes exceeding or falling below it.
  • the one suitability parameter or the several suitability parameters each describe the suitability of the respective current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer including the chemometric model formed by the trained machine learning system for the given analysis task.
  • the at least one suitability parameter is preferably formed by a quality measure or particularly preferably by an error measure or a loss function.
  • the respective suitability parameter is formed by a quality measure, its value increases when the suitability increases. If the respective suitability parameter is formed by an error measure or loss function, its value decreases when the suitability increases.
  • the predetermined limit defines how large or how small the suitability parameter must at least be so that the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is considered suitable for the given analysis task, so that the spectrometer can be manufactured according to the current configuration for the analysis device.
  • a first of the suitability parameters is particularly preferably formed by an error measure or a loss function , while a second of the fitness parameters is formed by a metric for selecting from the configurations .
  • the current configuration of the representation of the spectrometer hardware is applied, whereby spectral training data is obtained. If this iterative step is carried out for the first time, the current configuration of the representation of the spectrometer hardware is formed by the initial configuration of the representation of the spectrometer hardware. During application, a spectral measurement of reference samples is carried out or a spectral measurement of reference samples is simulated using a model of the spectrometer in order to obtain the spectral training data.
  • the spectral training data represents spectral measurement data that is obtained with the current configuration of the representation of the spectrometer hardware for the reference samples by actually carrying out the measurement or by simulating the measurement.
  • the chemometric model formed by a machine learning system is trained using the current spectral training data.
  • This training is a machine learning process, whereby the machine learning system is trained and the trained machine learning system is produced as a result.
  • the machine learning is carried out with the aim of ensuring that the chemometric model formed by the machine learning system uses the spectral training data to determine the concentration of at least one ingredient in the best possible way according to the given analysis task.
  • a wide variety of machine learning methods can be used to train the chemometric model formed by the machine learning system.
  • the chemometric model formed by a machine learning system is trained at each iteration of the iteratively executed steps, starting in an untrained state of the machine learning system.
  • the chemometric model formed by a machine learning system is trained at each iteration of the iteratively executed steps, each starting in a pre-trained state of the machine learning system.
  • the pre-trained state of the machine learning system can, for example, result from training that was carried out on the basis of the same spectral training data but to determine the concentration of a different ingredient in the sample.
  • the pre-trained state of the machine learning system can, for example, result from a training that was carried out on the basis of different spectral training data but to determine a concentration of the same ingredient in the sample.
  • the chemometric model formed by the trained machine learning system is applied to determine a value of at least one suitability parameter.
  • the chemometric model formed by the trained machine learning system is applied to the spectral Training data. By applying this, the concentration of the at least one ingredient is determined for the current spectral training data. By comparing it with reference ingredient concentration data, the value of the at least one suitability parameter can be determined.
  • the value of the at least one suitability parameter can be determined immediately after applying the chemometric model individually in each iteration or after executing all iterations of the iteratively executed steps for all applied configurations of the representation of the spectrometer hardware.
  • the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is modified.
  • This modification is carried out in order to obtain a different configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, which is used in the next iteration.
  • the iterative modification is carried out with the aim of finding a configuration that is best suited to the given analysis task.
  • the configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is preferably modified within a predefined framework. This framework is preferably formed by at least one interval within which a parameter of the spectrometer defined by the configuration is changed.
  • Configurations the predefined framework with a predefined density can be done, for example, by changing a parameter of the spectrometer defined by the configuration at each iteration with a certain step size starting at a lower limit of the interval until an upper limit of the interval is reached, which can also be done for several parameters of the spectrometer defined by the configuration. This represents a grid search to find the most suitable configuration.
  • a parameter of the spectrometer defined by the configuration can be randomly changed at each iteration until a predefined budget for this is exhausted.
  • the budget is defined by a number of iterations to be performed and/or by a time period for performing the iterations.
  • a parameter of the spectrometer defined by the configuration is randomly changed so that after a number of iterations defined by the budget, the predefined frame is covered with a predefined density and/or until the time period defined by the budget has expired.
  • Density is to be understood here as meaning that in a configuration area there is a total number of configurations in this configuration area, whereby the configurations do not necessarily have to be evenly distributed over the configuration area.
  • the number of iterations is preferably at least 100 and more preferably at least 1,000.
  • the configuration of the representation of the spectrometer hardware that has a value of the suitability parameter that corresponds to the best possible suitability is preferably selected, so that the most suitable of the configurations used is selected.
  • Grid search can be a configuration which was generated by modification, for example, in the first iterations carried out or also in the last iterations carried out.
  • the suitability parameter can, for example, be defined such that it decreases with the suitability of the configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, so that the one of the applied configurations of the representation of the hardware of the spectrometer is selected whose value of the suitability parameter is minimal. This does not, of course, have to be the configuration of the representation of the hardware of the spectrometer applied in the last iteration carried out.
  • the first of the suitability parameters and the second of the suitability parameters are preferably determined using different parts of the spectral training data.
  • the iteratively performed step of modifying the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is carried out using at least one of the previously determined values of the at least one suitability parameter.
  • the at least one value of the at least one suitability parameter is used to improve the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer so that it can be better suited to the given analysis task, so that the concentration of the at least one ingredient can be determined more precisely.
  • the modified configuration of the representation of the spectrometer hardware represents the current configuration of the representation of the spectrometer hardware for the next iteration.
  • the iterative steps are preferably repeated until the value of the suitability parameter has at least reached a predetermined limit value.
  • this suitability parameter is also used as a metric for selection, the configuration of the representation of the spectrometer hardware used in the last iteration thus has the best suitability of all configurations used and represents the result of the technical design of the spectrometer hardware.
  • a second of the suitability parameters is used as a metric for selection, the configuration of the representation of the spectrometer hardware used thereby represents the result of the technical design of the spectrometer hardware.
  • the at least one suitability parameter is preferably formed by a quality measure or particularly preferably by an error measure or loss function.
  • the metric for selecting from the applied configurations is preferably formed by this quality measure, this error measure or this loss function. Particularly preferably, this metric is formed by a second of the suitability parameters.
  • a first of the suitability parameters is determined for modifying the current configuration using a preferably predefined part of the spectral training data, while a second of the suitability parameters is determined for selecting from the applied configurations using a preferentially determined other part of the spectral training data .
  • the iterative steps are preferably repeated until a predefined budget is exhausted, which is defined by a number of iterations to be carried out and/or by a time period for carrying out the iterations.
  • a predefined budget is exhausted, which is defined by a number of iterations to be carried out and/or by a time period for carrying out the iterations.
  • the configuration of the spectrometer hardware representation used is preferably selected whose value of the relevant suitability parameter corresponds to the best possible suitability, so that the most suitable of the configurations used is selected.
  • the modification of the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is carried out using the current value of the at least one suitability parameter.
  • a parameter of the spectrometer defined by the configuration is changed randomly and/or using at least one of the previously determined values of the at least one suitability parameter.
  • the method according to the invention is characterized in that the spectrometer and the chemometric model formed by the machine learning system are technically designed or developed together.
  • the spectrometer and the chemometric model together form the objects of a single technical development process.
  • the hardware forming the spectrometer and the software forming the chemometric model are developed together, which can be referred to as co-design of the hardware and software of the analysis device.
  • This co-design represents a significant difference to the prior art, according to which the spectrometer is first technically designed individually, for which the available knowledge is used as best as possible.
  • the chemometric model is developed on the basis of the technically fully designed spectrometer, which is done, for example, using machine learning.
  • the spectrometer and the chemometric model are developed together, which ensures that the spectrometer and the chemometric model solve the given analysis task in the best possible synergy.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that the designed analytical device with its components, the spectrometer and the chemometric model, is very precisely adapted to the given analytical task. This ensures that the designed analytical device can fulfill the given analytical task very precisely.
  • the spectrometer can be designed much less complexly. as a reference spectrometer according to the gold standard.
  • the spectrometer designed as a result of the process is optimized and, in particular, only has those measuring channels with the respective bandwidths and average wavelengths that are required for the given analysis task. Many analysis tasks require only a small number of measuring channels, so this number is significantly reduced compared to the number of measuring channels of the reference spectrometer according to the gold standard. This reduces the costs for manufacturing the hardware of the analysis device.
  • a further advantage is that the analyses can be carried out more quickly with the analysis device due to the reduced number of measuring channels and require less energy. Accordingly, less data needs to be transferred.
  • the chemometric model formed by the machine learning system is preferably trained using supervised learning.
  • Supervised learning is preferably based on regression and/or classification. Regression is preferably used for continuously changing values of concentrations of an ingredient. An example of this is the concentration of water to determine moisture.
  • Classification is preferably used for graded values of concentrations of an ingredient. An example of this is the concentration of salt, which is classified as either sufficient or insufficient.
  • the concentration of salt can also be classified into levels; for example as: ⁇ 1.2 g/kg; 1.2 g/kg; 1.4 g/kg; 1.6 g/kg; 1.8 g/kg; 2.0 g/kg and > 2.0 g/kg.
  • the regression is preferably carried out for the partial smallest
  • Partial Least Squares Regression Partial Least Squares Regression
  • the machine learning system comprises an artificial neural network, which is preferably formed by a convolutional neural network (CNN).
  • CNN convolutional neural network
  • the following parameters are preferably used: ID convolutions, non-linear activations, ID pooling operations and/or layer normalizations.
  • a final prediction of continuous values of concentrations of an ingredient can be made using regression.
  • a final prediction of graded values of concentrations of an ingredient can be made using classification, for example carried out as a multi-class classification, for example by predicting a discrete class number or by predicting a multi-class probability vector.
  • the training can, for example, be carried out in such a way that a multi-class permutation error for discrete decisions or a multi-class cross entropy for probability vectors across multiple classes is minimized.
  • an ordinal character of the classes can be taken into account, which is done, for example, by minimizing the weighted Cohen-Kappa loss value.
  • Convolutional neural networks are suitable when a large amount of training data is generated
  • Modifying the current configuration of the representation of the spectrometer hardware preferably using the current value of at least one Suitability metric represents an optimization of the representation .
  • one or more optimization techniques from the following group are preferably selected and used: Bayesian optimization, grid search , random search , gradient-free optimization such as the Nelder-Mead method, optimal experimental design, machine learning methods , greedy algorithms, evolutionary algorithms, biology-inspired optimization methods such as particle swarm optimization and FireFly optimization . Gradient-free optimization is particularly preferred.
  • the representation of the hardware of the spectrometer is formed by a model of the hardware of the spectrometer.
  • the method then preferably comprises a further step in which reference data are provided which are used to apply the model of the hardware of the spectrometer.
  • the reference data comprise a series of reference spectral data to which at least one series of reference ingredient concentration data is assigned.
  • the reference spectral data would ideally be recorded from a sample which contains the ingredient according to the reference ingredient concentration data.
  • the iteratively carried out step of applying the respective current configuration of the model of the hardware of the spectrometer comprises a simulation of a spectral measurement of the sample with this respective current configuration of the model of the hardware of the spectrometer.
  • the respective configuration of the spectrometer hardware model is applied to the reference spectral data, thereby obtaining spectral simulation measurements that form the spectral training data.
  • simulation measured values of the concentrations of the ingredient are obtained, which are compared with the reference ingredient concentration data in order to determine the value of at least one suitability parameter in each case.
  • the aim is for the simulation measured values of the concentrations of the ingredient to be as close as possible to the reference ingredient concentration data.
  • the step of providing the reference data is preferably carried out by first providing reference samples for which the concentration values of the at least one ingredient are known, so that these values form the reference ingredient concentration data.
  • the concentration values of the ingredient can be determined using a chemical analysis method. These values can also be determined using a non-chemical analysis method; for example using a spectral analysis device with a high degree of accuracy.
  • the reference samples are also measured using a reference spectrometer to obtain the reference spectral data.
  • the method preferably comprises further steps, which take into account that the process of manufacturing the hardware of the spectrometer is not ideal.
  • the hardware of the spectrometer which is designed according to a model the hardware of the spectrometer will not completely resemble this model, but there will be a deviation from the model.
  • the mean wavelengths of measurement channels of the manufactured hardware of the spectrometer may differ from the mean wavelengths of the measurement channels of the model of the hardware of the spectrometer. Therefore, in one step, a manufacturing-related hardware deviation is first determined between the model of the hardware of the spectrometer and a piece of spectrometer hardware manufactured according to the model of the hardware of the spectrometer.
  • the manufacturing-related hardware deviation determined is taken into account in the iterative step of applying the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, so that the spectral training data correspond more closely to the measurement data that can be acquired with the manufactured hardware of the spectrometer.
  • the manufacturing-related hardware deviation determined is preferably not changed during the iterations.
  • the method preferably comprises further steps through which changing measurement conditions are taken into account in order to obtain extended spectral training data, through which the spectral training data as a whole becomes more realistic.
  • Such measurement conditions are, for example, the distance between the sample and the spectrometer and environmental conditions such as air humidity and temperature in the area of the sample and/or the spectrometer.
  • the changing measurement conditions are taken into account in the iterative step of applying the current configuration of the model of the spectrometer hardware, so that the spectral training data is more accurate. correspond to the measurement data that can be recorded with the spectrometer hardware under realistic measurement conditions.
  • the measurement conditions are varied to take into account that different realistic measurement conditions can occur. For example, the change in the amplitude of a measurement channel can be changed depending on the ambient temperature. This amplitude represents the sensitivity of the measurement channel.
  • the representation of the hardware of the spectrometer is formed by a test example of the hardware of the spectrometer.
  • the hardware of the spectrometer must be physically provided again in the form of the test example; namely according to the respective current configuration.
  • the method then preferably comprises a step in which reference samples are provided.
  • the values of the concentration of the ingredient are known for each of the reference samples, so that these values form reference ingredient concentration data.
  • the iteratively carried out step of applying the respective current configuration of the test example comprises measurements of the reference samples with the respective current configuration of the test example of the hardware of the spectrometer, whereby spectral measured values are obtained which form the spectral training data.
  • the measurements are thus physically carried out with the test specimen in the current configuration for the physically available reference samples.
  • the chemometric model formed by the trained machine learning system measured values of the concentrations of the ingredient are obtained, which correspond to the reference ingredient concentration data. be compared in order to determine the value of at least one suitability parameter.
  • test sample of the hardware For each iteration, a new or adapted test sample of the hardware must be provided. This can be done by creating the test sample. The test sample from the previous iteration can be reused for this purpose. In a simple case, only the filters of the measurement channels of the test sample are modified in order to provide a new or modified test sample for the next iteration.
  • the respective test specimen is also used to measure reference samples, whereby spectral measurement values are obtained.
  • These spectral measurement values are used as spectral training data in further iterations of the iterative steps. This takes into account manufacturing tolerances that occur when manufacturing the spectrometer.
  • the respective configuration of the representation of the hardware of the spectrometer preferably defines at least one parameter of the spectrometer.
  • the respective configuration of the representation of the hardware of the spectrometer preferably defines several of the parameters of the spectrometer.
  • the parameter(s) preferably specify at least one measuring channel of the spectrometer; more preferably at least two measuring channels of the spectrometer and even more preferably at least 16 measuring channels.
  • the parameter(s) are preferably each defined by a peak wavelength, a center wavelength, a mean wavelength, a bandwidth, a half-width, a curve shape parameter and/or a peak value of the at least one measuring channel is formed.
  • the peak value is a peak height.
  • the one measuring channel or the multiple measuring channels are preferably each determined by a spectral input filter.
  • the spectral input filters each have a transmission range which is defined by one or more of the above-mentioned parameters.
  • one or more of the above-mentioned parameters are changed.
  • the optimization techniques specified above are preferably used for this.
  • a number of measuring channels are changed during the iterative step of modifying the current configuration of the representation of the spectrometer hardware. For example, the number of measuring channels can be changed from 16 to 8 or to 4 or vice versa.
  • the representation of the hardware of the spectrometer preferably defines at least one limitation which is defined by a minimum peak wavelength, by a maximum peak wavelength, by a minimum centroid wavelength, by a maximum centroid wavelength, by a minimum mean wavelength, by a maximum mean wavelength, by a minimum bandwidth, by a maximum bandwidth, by a minimum half-width, by a maximum half-width, by a minimum waveform parameter, by a maximum waveform parameter, by a minimum peak value, by a maximum peak value, by a minimum wavelength difference between a wavelength parameter of one of the measurement channels and a corresponding wavelength parameter of another of the measuring channels or by a maximum wavelength difference between a wavelength parameter of one of the measuring channels and a corresponding wavelength parameter of another of the measuring channels.
  • the minimum or maximum wavelength difference is defined in particular between wavelength parameters of two adjacent measuring channels.
  • the wavelength parameter in question is preferably formed by the peak wavelength or by the minimum or maximum half-width.
  • the restrictions mentioned are preferably also defined multiple times in each case, for example restrictions on the minimum or maximum peak wavelength in several intervals.
  • the restrictions mentioned can also relate to a group or to a portion of the measuring channels. For example, for a portion of one third of the measuring channels it can be specified that their peak wavelength is in the near infrared range.
  • the restrictions mentioned each limit the possible change to the parameter in question during the iteratively carried out step of modifying the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer.
  • This one restriction or However, these multiple restrictions are preferably not changed during the iterative step of modifying the current configuration of the representation of the spectrometer hardware.
  • This one restriction or these multiple restrictions are preferably read from a test copy of the spectrometer hardware.
  • the representation of the spectrometer hardware preferably includes several of these restrictions.
  • the representation of the hardware of the spectrometer preferably further defines at least one device parameter of the spectrometer, which is a signal noise, a bandwidth Noise, a half-width noise, a measurement deviation or a tolerance of the spectrometer.
  • the measurement deviation can, for example, be temperature-dependent.
  • the aforementioned bandwidth noise is a deviation of an achieved mean bandwidth from a predetermined value for the bandwidth.
  • the one or more tolerances are caused in particular by the manufacture of the spectrometer hardware.
  • the device parameter(s) are taken into account in the iterative step of applying the current configuration of the representation of the spectrometer hardware, thereby improving the optimization of the spectrometer and the chemometric model.
  • the device parameters are preferably not changed in the iterative step of modifying the current configuration of the representation of the spectrometer hardware.
  • the computer program product according to the invention is used for the technical design or development of an analysis device for analyzing at least one ingredient of a sample.
  • the computer program product comprises a computer-readable storage medium which has program instructions stored thereon.
  • the program instructions can be executed by one or more computers or control units and cause the one or more computers or control units to carry out the method according to the invention or one of the described preferred embodiments of the method according to the invention.
  • the program instructions include, among other things: Algorithms for machine learning; namely for training the chemometric model formed by a machine learning system with the spectral training data.
  • the storage medium can be formed by an electronic medium, a magnetic medium, an optical medium, an electromagnetic medium, an infrared medium or a semiconductor medium, such as an SSD.
  • the program instructions can be formed by machine-dependent or machine-independent instructions, microcode, firmware, status-defining data or any source code or object code, for example written in C++, Java or similar or in conventional procedural programming languages.
  • Electronic circuits such as programmable logic circuits, field-programmable gate arrays (FPGA) or programmable logic arrays (PLA), can also be formed which execute the program instructions.
  • the resulting model of the spectrometer hardware and the resulting chemometric model formed by the machine learning system are preferably stored as program code in order to be available for later applications .
  • the trained machine learning system according to the invention forms a chemometric model for determining a concentration of at least one ingredient of a sample based on spectral measurement values of the sample recorded with a spectrometer.
  • the machine learning system according to the invention was trained by the method according to the invention or by a preferred embodiment of the method according to the invention. It is available in the form of a program code.
  • the analysis device is used for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample.
  • the analysis device comprises a spectrometer for spectral measurement of the sample.
  • the analysis device is configured to use a chemometric model formed by a trained machine learning system to determine a concentration of at least one ingredient of the sample based on spectral measured values of the sample recorded with the spectrometer.
  • the spectrometer and the chemometric model formed by the trained machine learning system emerged from the method according to the invention or one of the described preferred embodiments of the method according to the invention.
  • the analysis device was therefore technically designed or developed using the method according to the invention.
  • the optimization of the spectrometer and the training of the chemometric model formed by the machine learning system took place together by carrying out the method according to the invention.
  • the analysis device preferably also has further features that are described in connection with the method according to the invention.
  • the analysis device comprises a plurality of components which are mechanically independent of one another and can have their own housings.
  • the spectrometer is preferably designed as a handheld device, which forms one of the mechanically independent components.
  • Another of the mechanically independent components of the analysis device is preferably formed by a computing unit which is configured to use the chemometric model formed by a trained machine learning system.
  • the spectrometer and the computing unit are preferably connected to one another via a wireless data connection.
  • the computing unit can be a smartphone, for example.
  • Fig . 1 a flow chart of a first preferred
  • Fig. 2 a flow chart of a second preferred embodiment of the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a flow chart of a first preferred embodiment of a method according to the invention.
  • the method is used for the technical design of an analysis device (not shown) for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample.
  • the method results in the analysis device to be developed being optimized for a given analysis task.
  • the analysis device comprises a spectrometer (not shown) for the spectral measurement of the sample.
  • the analysis device is further configured to use a chemometric model to determine a concentration of at least one component of the sample based on spectral measurement values of the sample recorded with the spectrometer.
  • a chemometric model to determine a concentration of at least one component of the sample based on spectral measurement values of the sample recorded with the spectrometer.
  • the spectrometer and the chemometric model formed by a machine learning system are jointly developed and optimized.
  • a model of the hardware of the spectrometer is used to develop and optimize the spectrometer.
  • Reference spectrometer provided, which is high resolution and represents a gold standard.
  • the reference spectrometer is chosen so that it provides a larger bandwidth and a higher spectral resolution than are necessary for the given analysis task.
  • the spectrometer to be developed will therefore have a reduced bandwidth and/or spectral resolution compared to the reference spectrometer.
  • reference samples are provided which are selected according to the given analysis task.
  • values of concentrations of at least one ingredient of the reference sample are known. This is the at least one ingredient whose concentration is to be determined according to the given analysis task.
  • These values known for the reference samples represent reference ingredient concentration data.
  • the reference samples 02 are spectrally measured with the reference spectrometer 01, so that in a next step 04 several reference spectral data are available which are later used to simulate spectral measurements.
  • the method comprises several iterative steps 06, through which a joint iterative optimization of the model of the hardware of the spectrometer and the chemometric model in the form of the machine learning system takes place.
  • the spectral measurement of samples with the spectrometer is simulated.
  • a model of the spectrometer hardware is used.
  • the model describes the spectrometer hardware by a specification (not shown) in Form of parameters.
  • the specification s (not shown) is preferably formed by a vector.
  • a first exemplary definition of the vector is described below: A first value of the vector s (not shown) is formed by an average wavelength of a first measuring channel of the spectrometer. A second value of the vector s (not shown) is formed by a bandwidth of the first measuring channel of the spectrometer. A third value of the vector s (not shown) is formed by an average wavelength of a second measuring channel of the spectrometer.
  • a fourth value of the vector s is formed by a bandwidth of the second measuring channel of the spectrometer. This sequence of values is continued accordingly.
  • a second exemplary definition of the vector is described below: A first value of the vector s (not shown) is formed by an average wavelength of a first measuring channel of the spectrometer. A second value of the vector s (not shown) is formed by a bandwidth of the first measuring channel of the spectrometer. A third value of the vector s (not shown) is formed by an amplitude of the first measuring channel of the spectrometer. A fourth value of the vector s (not shown) is formed by a mean wavelength of a second measuring channel of the spectrometer.
  • a fifth value of the vector s is formed by a bandwidth of the second measuring channel of the spectrometer.
  • a sixth value of the vector s (not shown) is formed by an amplitude of the second measuring channel of the spectrometer. This sequence of values is continued accordingly.
  • the simulation of the measurements for recording spectra with the current model of the spectrometer hardware is carried out by applying the current vector s (not shown) to the reference spectral data 04, whereby spectral training data are available in a next step 08.
  • an initial configuration of the model of the spectrometer hardware is assumed, which is represented by an initial vector So (not shown).
  • the spectral training data presented in step 08 are used in a step 09 to train the chemometric model formed by the machine learning system.
  • the machine learning system is trained and is used to predict the value of the concentration of at least one ingredient in the reference sample from the spectral training data.
  • Deviations of the predicted values from the reference ingredient concentration data represent an error which characterizes the current model of the spectrometer hardware.
  • An objective function is therefore defined which indicates the aforementioned deviations for the respective vector s (not shown).
  • the aforementioned deviations result in the value of a suitability parameter in a step 11, which is checked for a condition in a step 12.
  • This condition forms the termination condition for the iteratively executed steps 06.
  • This preferably predefined stopping condition defines when the model of the spectrometer hardware and the chemometric model formed by the machine learning system are considered sufficiently optimized to perform the given analysis task.
  • step 12 If the test in step 12 shows that the suitability parameter does not yet fulfill the condition , then in a step 13 modified parameters for the model of the spectrometer hardware are determined in order to achieve the objective function described above and thus also the suitability parameter . improve. Accordingly, in a t-th iteration 06 a vector s t (not shown) is determined, for which preferably not only the immediately previously determined vector s t -i (not shown) but all previously determined vectors So to s t -i (not shown) are taken into account.
  • the determination of modified parameters for the model of the hardware of the spectrometer in step 13 represents an optimization of these parameters, for which one or more optimization techniques are preferably selected from the following group: Nelder-Mead method, Bayesian optimization, grid search, random search, gradient-free optimization, optimal experimental design, machine learning methods, greedy algorithms and evolutionary algorithms.
  • the model of the spectrometer preferably comprises several constraints, such as a minimum bandwidth, a maximum bandwidth, a minimum wavelength and a maximum wavelength, which are taken into account when optimizing the parameters in the vector s t (not shown).
  • a step 14 the changed parameters of the model of the hardware of the spectrometer, i.e. the vector s t (not shown), are updated for the step 07 to be carried out again for simulating the spectral measurement.
  • step 12 If the test in step 12 shows that the suitability parameter meets the condition, the iteratively executed steps 06 are completed. In a step 16, the optimized model of the spectrometer hardware and the chemometric model formed by the trained machine learning system are now available, so that the process as a whole is completed.
  • the analyzer is a spectrometer according to the optimized A model of the spectrometer hardware is to be produced and the chemometric model formed by the trained machine learning system is to be implemented in the analytical device to be manufactured.
  • the analytical device produced in this way is ideally suited to the given analytical task and the spectrometer is far less complex than the reference spectrometer according to the gold standard, so that the analytical device can be manufactured cost-effectively.
  • Fig. 2 shows a flow chart of a second preferred embodiment of the method according to the invention.
  • This second preferred embodiment serves for the technical design of an analysis device (not shown) for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample.
  • This second preferred embodiment also results in the analysis device to be developed being optimized for a given analysis task.
  • the analysis device to be developed is constructed in the same way as was described for the first preferred embodiment.
  • the hardware of the spectrometer is physically provided as a test copy in each iteration in order to develop and optimize the spectrometer.
  • reference samples are provided which are selected according to the given analysis task. Values of concentrations of at least one ingredient of the reference sample are known for the reference samples. This is the at least one ingredient whose concentration is to be determined according to the given analysis task. These values for the reference samples Known values represent reference ingredient concentration data.
  • the second preferred embodiment of the method also comprises several iterative steps 22, through which a joint iterative optimization of the hardware of the spectrometer and the chemometric model in the form of the machine learning system takes place.
  • a test copy of the spectrometer hardware is produced.
  • the test copy is defined by a specification s (not shown) in the form of parameters.
  • the specification s (not shown) is preferably formed by a vector as described for the first preferred embodiment.
  • the specification preferably also includes device parameters for signal noise and tolerances of the spectrometer, which, however, are not changed by the iteratively executed steps 22.
  • the respective test copy of the spectrometer hardware is physically available in a step 24.
  • the first test copy of the spectrometer hardware to be produced is produced according to an initial vector So.
  • a next step 26 the current test specimen of the spectrometer hardware is used to spectrally measure the reference samples, thereby obtaining spectral measurement values which form the spectral training data available in a step 27.
  • the spectral training data presented in step 27 are used in a step 28 to train the chemometric model formed by the machine learning system.
  • the machine learning system is trained and is used to predict the value of the concentration of at least one ingredient in the reference samples from the spectral training data.
  • Deviations of the predicted values from the reference ingredient concentration data represent an error which characterizes the current test specimen of the spectrometer hardware.
  • An objective function is therefore defined which indicates the said deviations for the respective vector s (not shown).
  • the said deviations result in a step 29 in the value of a suitability parameter which is checked for a condition in a step 31.
  • This condition forms the termination condition for the iteratively executed steps 22.
  • This preferably predefined termination condition defines at what point the test specimen of the spectrometer hardware and the chemometric model formed by the machine learning system are considered sufficiently optimized to fulfill the given analysis task.
  • step 32 modified parameters are determined for the next test example of the spectrometer hardware to be produced in order to improve the objective function described above and thus also the suitability parameter. Accordingly, in a t-th iteration 22 a vector s t (not shown) is determined, for which preferably not only the immediately previously determined vector s t -i (not shown) but all previously determined vectors So to s t -i (not shown) are taken into account.
  • the determination of modified parameters for the next test specimen of the Hardware of the spectrometer represents an optimization of these parameters, for which one or more optimization techniques are preferably selected from the following group: Nelder-Mead method, Bayesian optimization, optimal design of experiments, machine learning methods, greedy algorithms and evolutionary algorithms.
  • optimization techniques are preferably selected from the following group: Nelder-Mead method, Bayesian optimization, optimal design of experiments, machine learning methods, greedy algorithms and evolutionary algorithms.
  • several constraints are preferably defined; such as a minimum bandwidth, a maximum bandwidth, a minimum wavelength and a maximum wavelength, which are taken into account when optimizing the parameters in the vector s t (not shown).
  • the changed parameters i.e. the vector s t (not shown) are updated for the re-executed step 23 of producing a test copy of the spectrometer hardware.
  • step 34 the optimized test example of the spectrometer hardware and the chemometric model formed by the trained machine learning system are now available, so that the process as a whole is complete.
  • a spectrometer identical to the optimized test example must be manufactured and the chemometric model formed by the trained machine learning system must be implemented in the analysis device to be manufactured.
  • the analysis device manufactured in this way is ideally suited to the given analysis task and the spectrometer is far less complex than a reference spectrometer according to the gold standard, so that the analysis device can be manufactured cost-effectively.

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Abstract

The invention relates to a method for technically designing an analysis device for the spectral analysis of at least one component of a sample. The analysis device comprises a spectrometer and is configured to use a chemometric model, which is formed by a trained machine learning system, to determine a concentration of the component based on spectral measurement values of the sample that are recorded by the spectrometer. A plurality of steps are performed iteratively (06). These steps comprise applying (07) a current configuration of a representation of spectrometer hardware, as a result of which spectral training data (08) is obtained. The chemometric model is trained (09) using the spectral training data (08). The chemometric model formed by the trained machine learning system is used to determine a value of a suitability characteristic (11) for the current configuration of the representation of the spectrometer hardware. The current configuration of the representation of the spectrometer hardware is modified (13). The invention also relates to: a computer programme product; a trained machine learning system; and an analysis device.

Description

Technischer Entwurf eines Analysegerätes zur spektralen Analyse Technical design of an analysis device for spectral analysis
Die vorliegende Erfindung betri f ft zunächst ein Verfahren zum technischen Entwurf eines Analysegerätes zur spektralen Analyse mindestens eines Inhaltsstof fes einer Probe . Das Analysegerät umfasst ein Spektrometer zur spektralen Vermessung der Probe . Das Analysegerät ist zur Anwendung eines durch ein trainiertes maschinelles Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells zur Bestimmung einer Konzentration mindestens eines Inhaltsstof fes der Probe ausgehend von mit dem Spektrometer auf genommenen spektralen Messwerten der Probe konfiguriert . Bei dem Inhaltsstof f handelt es sich beispielsweise um ein Protein oder um Stärke . Bei dem Inhaltsstof f handelt es sich beispielsweise um Wasser, sodass durch das Analysegerät eine Feuchte bestimmbar ist . Im Weiteren betri f ft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt und ein trainiertes maschinelles Lernsystem sowie ein Analysegerät zur spektralen Analyse mindestens eines Inhaltsstof fes einer Probe . The present invention initially relates to a method for the technical design of an analysis device for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample. The analysis device comprises a spectrometer for the spectral measurement of the sample. The analysis device is configured to use a chemometric model formed by a trained machine learning system to determine a concentration of at least one ingredient of the sample based on spectral measured values of the sample recorded with the spectrometer. The ingredient is, for example, a protein or starch. The ingredient is, for example, water, so that a moisture content can be determined by the analysis device. The invention further relates to a computer program product and a trained machine learning system as well as an analysis device for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample.
Die DE 10 2020 116 094 Al betri f ft ein Verfahren zum Kalibrieren einer Mehrzahl an baugleichen Spektrometern zur Inhaltsstof f analyse . Mit einem mathematischen Modell der baugleichen Spektrometer wird eine Viel zahl an Fehlerspektren erzeugt , um ein Regressionsmodell zu verbessern . DE 10 2020 116 094 A1 concerns a method for calibrating a plurality of identical spectrometers for ingredient analysis. Using a mathematical model of the identical spectrometers, a large number of error spectra are generated in order to improve a regression model.
Die WO 2021 / 198247 Al zeigt ein Verfahren zum Co-Design von Hardware und Software zur virtuellen Färbung einer Gewebeprobe . Das Verfahren umfasst ein iteratives Gewinnen von mehreren Sätzen von Trainings-Bildgebungsdaten in Bezug auf eine oder mehrere Gewebeproben . Jeder Satz der mehreren Sätze von Trainings-Bildgebungsdaten wurde unter Verwendung einer anderen Bildmodalität einer Gruppe von Bildmodalitäten erfasst . Es werden mehrere Referenzbilder gewonnen, welche die einen oder mehrere chemische Farbstof fe umfassenden Gewebeproben darstellen . Die mehreren Sätze der Trainingsbilddaten werden in einer Maschinenlernlogik verarbeitet . WO 2021/198247 A1 shows a method for co-designing hardware and software for virtual staining of a tissue sample. The method comprises iteratively obtaining multiple sets of training imaging data with respect to one or more tissue samples. Each set of the multiple sets of training imaging data was acquired using a different image modality of a group of imaging modalities. Multiple reference images are acquired representing the tissue samples containing one or more chemical dyes. The multiple sets of training image data are processed in a machine learning logic.
Die US 11 , 062 , 481 B2 betri f ft ein tragbares Gerät zum Bestimmen eines Zustandes einer oder mehrerer Pflanzen . Die Vorrichtung umfasst eine digitale Farbkamera zur Aufnahme eines Farbbildes der Pflanzen innerhalb eines Sichtfeldes sowie eine Lichtquelle zum Bereitstellen einer Breitbandbeleuchtung für die Pflanzen innerhalb des Sichtfeldes . Eine Verarbeitungseinheit dient zum Steuern der Kamera und der Lichtquelle während der Aufnahme eines ersten Bildes der Pflanzen, während die Lichtquelle die Pflanzen mit der Breitbandbeleuchtung beleuchtet , und während der Aufnahme eines zweiten Bildes der Pflanzen, während die Lichtquelle die Pflanzen nicht beleuchtet . US 11,062,481 B2 relates to a portable device for determining a state of one or more plants. The device comprises a digital color camera for recording a color image of the plants within a field of view and a light source for providing broadband illumination for the plants within the field of view. A processing unit serves to control the camera and the light source during recording of a first image of the plants while the light source illuminates the plants with the broadband illumination and during recording of a second image of the plants while the light source does not illuminate the plants.
Die DE 10 2021 105 869 Al zeigt ein Spektralsensorsystem mit einem Array von optischen Sensoren, die auf einer integrierten Schaltung angeordnet sind, sowie mit einer Schnittstelle zwischen der Viel zahl von optischen Sensoren und einer ersten Verarbeitungsvorrichtung . Eine Viel zahl von Sätzen von optischen Filtern ist als eine Schicht konfiguriert , die auf einer Viel zahl von optischen Sensoren angeordnet ist . Jeder Satz von optischen Filtern enthält eine Viel zahl von optischen Filtern . Jedes optische Filter ist konfiguriert , um Licht in einem anderen Wellenlängenbereich durchzulassen . DasDE 10 2021 105 869 Al shows a spectral sensor system with an array of optical sensors arranged on an integrated circuit, as well as with an interface between the plurality of optical sensors and a first processing device. A plurality of sets of optical filters are configured as a layer arranged on a plurality of optical sensors. Each set of optical filters contains a plurality of optical filters. Each optical filter is configured to transmit light in a different wavelength range. The
Spektralsensorsystem umfasst eine Verarbeitungsvorrichtung, die ein künstliches neuronales Netzwerk enthält , das konfiguriert ist , um eine durch die Viel zahl von optischen Sensoren erzeugte Spektralantwort zu korrigieren . Spectral sensor system comprises a processing device containing an artificial neural network that configured to correct a spectral response generated by the plurality of optical sensors.
Die US 2021 / 0172800 Al betri f ft Techniken zum Analysieren unbekannter Probenzusammensetzungen unter Verwendung eines Vorhersagemodells basierend auf optischen Emissionsspektren . Es werden erste Emissionsspektren empfangen, die einer Trainingsprobe entsprechen, welche mehrere reine Elemente bekannter Konzentrationen umfasst . Darauf basierend wird eine Viel zahl von Spektralbereichen bestimmt , die der Viel zahl von reinen Elementen bekannter Konzentrationen entsprechen . Es werden Merkmale bestimmt , die einem Maximum des Spektralbereiches zugeordnet sind . Ein Vorhersagemodell wird trainiert , um unbekannte Konzentrationen einer Viel zahl von Bestandteilen einer unbekannten Probe basierend auf einem Emissionsspektrum der unbekannten Probe vorherzusagen . US 2021/0172800 Al relates to techniques for analyzing unknown sample compositions using a prediction model based on optical emission spectra. First emission spectra are received that correspond to a training sample comprising several pure elements of known concentrations. Based on this, a plurality of spectral ranges are determined that correspond to the plurality of pure elements of known concentrations. Features are determined that are associated with a maximum of the spectral range. A prediction model is trained to predict unknown concentrations of a plurality of components of an unknown sample based on an emission spectrum of the unknown sample.
Die EP 3 842 788 Al betri f ft einen Spektralsensor für die Nahinfrarotspektroskopie , welcher zur Unterscheidung und/oder Erkennung von Obj ekten und/oder Materialien dient . Der Spektralsensor ist ausgebildet , in einem Lernmodus und in einem Betriebsmodus zu arbeiten . In dem Lernmodus werden Messungen von Intensitätswerten eines ersten Spektrums von Wellenlängen durchgeführt . In dem Betriebsmodus werden Messungen von Intensitätswerten eines zweiten Spektrums von Wellenlängen durchgeführt . Die Wellenlängen des zweiten Spektrums werden unter Zuhil fenahme eines Maschinenlernverfahrens ausgewählt . EP 3 842 788 A1 relates to a spectral sensor for near-infrared spectroscopy, which is used to distinguish and/or recognize objects and/or materials. The spectral sensor is designed to work in a learning mode and in an operating mode. In the learning mode, measurements of intensity values of a first spectrum of wavelengths are carried out. In the operating mode, measurements of intensity values of a second spectrum of wavelengths are carried out. The wavelengths of the second spectrum are selected with the aid of a machine learning method.
Die US 10 , 020 , 900 B2 zeigt eine Systemarchitektur zum Bereitstellen von Spektralinformationen für ein oder mehrere Geräte sowie zum Bereitstellen und Verwenden der Spektralinformationen in einem Gerät . Ein Spektralinformationsserver führt einen Serverprozess aus , der eine Bibliothek von spektrumsbezogenen Funktionen aufweist ; einschließlich Funktionen zum Abrufen von Spektraldaten von Spektraldatenquellen oder zum Verarbeiten von abgerufenen Spektraldaten . US 10 , 020 , 900 B2 shows a system architecture for providing spectral information for one or more devices and for providing and using the spectral information in a device. A Spectral Information Server executes a server process that has a library of spectrum-related functions; including functions for retrieving spectral data from spectral data sources or for processing retrieved spectral data.
Die genannten Lösungen aus dem Stand der Technik zur spektralen Analyse sehen ein Spektrometer und eine Auswertung der mit dem Spektrometer auf genommenen spektralen Messwerte vor . Sowohl das Spektrometer als auch das Verfahren zur Auswertung der spektralen Messwerte müssen in einem hohen Maße an die gegebene Analyseaufgabe angepasst sein, um zu genauen Ergebnissen führen zu können . Eine solche spektrale Analyse wird beispielsweise zur Bestimmung von Inhaltsstof fen von landwirtschaftlichen Produkten und Nahrungsmitteln durchgeführt . Zur Auswertung der spektralen Messwerte dient ein chemometrisches Modell , welches beispielsweise unter Anwendung von maschinellem Lernen entwickelt wird . Für das Spektrometer muss festgelegt werden, welche spektralen Empfindlichkeiten es aufweisen soll ; insbesondere wie die mittleren Wellenlängen und Bandbreiten von Messkanälen des Spektrometers dimensioniert sein sollen . Die Auswahl eines nicht optimal konfigurierten Spektrometers verschlechtert die Auswertung durch das chemometrische Modell . Das Spektrometer kann beispielsweise zu wenige oder unpassende spektrale Empfindlichkeiten besitzen, was die Bestimmung der Inhaltsstof fe beschränkt . In anderen Fällen kann es dazu kommen, dass das Spektrometer für die gegebene Analyseaufgabe überdimensioniert ist , d . h . dass es spektrale Empfindlichkeiten aufweist , die für die Analyseaufgabe nicht benötigt werden . Hierdurch wird das Spektrometer zu teuer . Die US 5 , 435 , 309 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung eines oder mehrerer unbekannter Werte mindestens einer bekannten Eigenschaft wie die Konzentration von Glukose in Blut . Für das Verfahren wird ein Modell verwendet , welches auf einem Satz von Proben mit bekannten Werten der bekannten Eigenschaften und einem multivariaten Algorithmus basiert . Es erfolgt ein Auswahlen mehrerer Wellenlängenuntergruppen aus einem zum Bestimmen der Eigenschaft geeigneten elektromagnetischen Spektralbereich zur Verwendung durch einen Algorithmus . Die Auswahl der Wellenlängenuntergruppen soll die Eignung des Modells verbessern . Der Auswahlprozess verwendet multivariate Suchverfahren, die sowohl prädiktive als auch synergistische Wellenlängen innerhalb des verwendeten Wellenlängenbereichs auswählen . Die Eignung der Wellenlängenuntergruppen wird durch eine Eignungs funktion bestimmt . Es wird ein genetischer Algorithmus verwendet , um ein oder mehrere Zählspektren zu erzeugen . Mehrere Zählspektren werden kombiniert , um ein kombiniertes Zählspektrum zu erzeugen . Das Zählspektrum wird geglättet und es wird ein Schwellenzählwert aus dem Zählspektrum ausgewählt , um diej enigen Wellenlängenuntergruppen aus zuwählen, welche zur Optimierung der Eignungs funktion geeignet sind . The above-mentioned state-of-the-art solutions for spectral analysis provide for a spectrometer and an evaluation of the spectral measured values recorded with the spectrometer. Both the spectrometer and the method for evaluating the spectral measured values must be highly tailored to the given analysis task in order to be able to produce accurate results. Such a spectral analysis is carried out, for example, to determine the ingredients of agricultural products and foodstuffs. A chemometric model is used to evaluate the spectral measured values, which is developed, for example, using machine learning. The spectral sensitivities that the spectrometer should have must be specified; in particular, how the average wavelengths and bandwidths of the spectrometer’s measuring channels should be dimensioned. Selecting a spectrometer that is not optimally configured impairs the evaluation by the chemometric model. For example, the spectrometer may have too few or unsuitable spectral sensitivities, which limits the determination of the ingredients. In other cases, the spectrometer may be over-dimensioned for the given analysis task, i.e. it may have spectral sensitivities that are not required for the analysis task. This makes the spectrometer too expensive. US 5,435,309 shows a method for determining one or more unknown values of at least one known property, such as the concentration of glucose in blood. The method uses a model based on a set of samples with known values of the known properties and a multivariate algorithm. Several wavelength subgroups are selected from an electromagnetic spectral range suitable for determining the property for use by an algorithm. The selection of the wavelength subgroups is intended to improve the suitability of the model. The selection process uses multivariate search methods that select both predictive and synergistic wavelengths within the wavelength range used. The suitability of the wavelength subgroups is determined by a suitability function. A genetic algorithm is used to generate one or more counting spectra. Several counting spectra are combined to generate a combined counting spectrum. The count spectrum is smoothed and a threshold count value is selected from the count spectrum to select those wavelength subgroups that are suitable for optimizing the suitability function.
Die DE 10 2008 002 355 Al zeigt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Spektrometers für die Messung von Spektralanteilen eines Stof fes im Rahmen der Chemometrie . Eine Spektrometervorrichtung dient zum Messen von Spektralanteilen des zu untersuchenden Stof fes . Mit einer Kalibriereinheit erfolgt eine Kalibrierung der Spektrometervorrichtung . Es wird eine Gesamtheit von Spektralanteilen X und dazugehörigen Stof f konzentrationen des zu untersuchenden Stof fes gemessen und als spektrometrische Messdaten in Form eines mehrdimensionalen Koef fi zientenvektors gespeichert . Aus dieser Gesamtheit der gemessenen Spektralanteile X werden für den j eweiligen Messvorgang physikalisch relevante Spektralanteile Xrei über ein in der Kalibriereinheit hinterlegtes automatisiert ablaufendes iteratives Schätzverfahren extrahiert . Die gemessenen spektrometrischen Messdaten für den untersuchten Stof f werden auf der Basis der extrahierten, physikalisch für den zu untersuchenden Stof f relevanten Spektralanteile Xrei kalibriert . DE 10 2008 002 355 A1 shows a method for calibrating a spectrometer for measuring spectral components of a substance in the context of chemometrics. A spectrometer device is used to measure spectral components of the substance to be examined. The spectrometer device is calibrated using a calibration unit. A total of spectral components X and associated substance concentrations of the substance to be examined are measured and stored as spectrometric measurement data in the form of a multidimensional coefficient vector. From this From the totality of the measured spectral components X, physically relevant spectral components X rei for the respective measurement process are extracted using an automated iterative estimation procedure stored in the calibration unit. The measured spectrometric measurement data for the substance under investigation are calibrated on the basis of the extracted spectral components X rei that are physically relevant for the substance under investigation.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, den technischen Entwurf eines Analysegerätes zur spektralen Analyse mindestens eines Inhaltsstof fes einer Probe genauer an die j eweils gegebene Analyseaufgabe anpassen zu können, wodurch das Analysegerät weniger aufwändig ausgeführt werden kann . The object of the present invention, based on the prior art, is to be able to adapt the technical design of an analysis device for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample more precisely to the respective given analysis task, whereby the analysis device can be designed in a less complex manner.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 , durch ein Computerprogrammprodukt gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 13 , durch ein trainiertes maschinelles Lernsystem gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 14 und durch ein Analysegerät gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 15 . The stated object is achieved by a method according to the appended claim 1, by a computer program product according to the appended independent claim 13, by a trained machine learning system according to the appended independent claim 14 and by an analysis device according to the appended independent claim 15.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum technischen Entwurf eines Analysegerätes zur spektralen Analyse mindestens eines Inhaltsstof fes einer Probe . Das technisch zu entwerfende Analysegerät soll optimal für eine gegebene Analyseaufgabe geeignet sein . Durch die spektrale Analyse wird die Konzentration mindestens eines Inhaltsstof fes der Probe ausgehend von an der Probe gemessenen spektralen Informationen bestimmt . Die Probe stammt von einem Material oder einem Produkt , welches durch die Analyse hinsichtlich seines Inhaltes untersucht werden soll . Die Probe kann beispielsweise dem Material bzw. dem Produkt entnommen werden oder das Material bzw. das Produkt wird dem Analysegerät als Probe zugeführt. Bei dem Material bzw. dem Produkt handelt es sich bevorzugt um ein landwirtschaftliches Produkt, um ein Lebensmittel oder um ein Nahrungsmittel. Bei dem landwirtschaftlichen Produkt handelt es sich bevorzugt um ein Erntegut. Bei dem Erntegut handelt es sich bevorzugt um ein Getreide wie Mais oder Weizen oder um Raps, um Zuckerrüben oder um Soja. Bei dem Erntegut kann es sich aber auch bevorzugt um Fruchtpflanzen, wie Paprika, Tomaten, Erdbeeren u. ä. oder um Fruchtbäume wie Mandelbäume handeln. Die Probe kann durch das Erntegut als solches gebildet sein, wie beispielsweise im Falle von Getreidekörnern. Die Probe kann aber auch durch einen Teil einer Pflanze gebildet sein, welche das Erntegut hervorbringt, sodass beispielsweise das Blatt einer Getreidepflanze die Probe bildet. Der Inhaltsstoff ist bevorzugt durch Wasser, durch ein Protein, durch ein Öl, durch Zucker, durch Salz, durch Stärke oder durch eine Rohfaser gebildet. Der Inhaltsstoff ist bevorzugt durch ein einzelnes chemisches Element, wie Stickstoff, Phosphor, Kalium, Kalzium, Magnesium, Bor, Molybdän, Kupfer, Mangan, Zink, Eisen, Chlor oder Schwefel gebildet. Von besonderer Relevanz für das Wachstum jeder Kulturpflanze ist die geeignete Versorgung mit Stickstoff, da Stickstoff das wichtigste Element des Chlorophylls ist und somit essenziell für einen optimalen Metabolismus ist. Neben Stickstoff sind auch andere Makronährstoffe relevant, wie Phosphor und Kalium, welche zusammen mit Stickstoff häufig als sogenannter NPK-Dünger den Böden zugeführt werden. Weiterhin relevant sind Kalzium und Magnesium, wobei letzteres das zentrale Element im Chlorophyll-Ring bildet. Zusätzlich sind oft in Abhängigkeit vom Pflanzentyp auch weitere Nährstoffe für ein optimalesThe method according to the invention is used for the technical design of an analysis device for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample. The analysis device to be technically designed should be optimally suited to a given analysis task. The concentration of at least one ingredient of the sample is determined by the spectral analysis based on spectral information measured on the sample. The sample comes from a material or a product which is to be examined with regard to its content by the analysis. The sample can, for example, taken from the material or product or the material or product is fed to the analysis device as a sample. The material or product is preferably an agricultural product, a foodstuff or a foodstuff. The agricultural product is preferably a harvested product. The harvested product is preferably a grain such as corn or wheat or rapeseed, sugar beet or soy. The harvested product can also preferably be fruit plants such as peppers, tomatoes, strawberries etc. or fruit trees such as almond trees. The sample can be formed by the harvested product as such, as in the case of cereal grains, for example. The sample can also be formed by a part of a plant which produces the harvested product, so that, for example, the leaf of a cereal plant forms the sample. The ingredient is preferably formed by water, a protein, an oil, sugar, salt, starch or crude fibre. The ingredient is preferably formed by a single chemical element, such as nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, magnesium, boron, molybdenum, copper, manganese, zinc, iron, chlorine or sulphur. The appropriate supply of nitrogen is of particular relevance for the growth of every crop, as nitrogen is the most important element of chlorophyll and is therefore essential for optimal metabolism. In addition to nitrogen, other macronutrients are also relevant, such as phosphorus and potassium, which are often added to the soil together with nitrogen as so-called NPK fertilizers. Calcium and magnesium are also relevant, the latter forming the central element in the chlorophyll ring. In addition, depending on the type of plant, other nutrients are often required for optimal growth.
Wachstum und einen optimalen Ertrag relevant, welche jedoch oft in deutlich kleineren Mengen benötigt werden und daher auch als Mikronährstof fe bezeichnet werden . Beispiele hierfür sind Bor, Molybdän, Kupfer, Mangan, Zink, Eisen, Chlor und Schwefel . Die Messung der Konzentration von Wasser stellt eine Feuchtigkeitsmessung dar . Bei dem Inhaltsstof f kann es sich auch um eine im zu untersuchenden Produkt bzw . Erntegut unerwünschte Komponente , wie ein Pesti zid oder ein Fungi zid handeln . Growth and optimal yield are relevant, which however are often required in much smaller quantities and are therefore also referred to as micronutrients. Examples of these are boron, molybdenum, copper, manganese, zinc, iron, chlorine and sulphur. Measuring the concentration of water represents a moisture measurement. The ingredient can also be an undesirable component in the product or crop being examined, such as a pesticide or a fungicide.
Das Analysegerät umfasst ein Spektrometer zur spektralen Vermessung der Probe . Bei dem Spektrometer kann es sich um ein NIR-Spektrometer , ein VIS/NIR-Spektrometer , ein VIS - Spektrometer oder ein Full-Range Spektrometer handeln . Das Spektrometer kann einen Transmissions- , einen Trans flexionsoder einen Reflexionsaufbau aufweisen . Das Spektrometer ist bevorzugt kompakt als ein Spektrometersensor ausgeführt . The analysis device comprises a spectrometer for spectral measurement of the sample. The spectrometer can be an NIR spectrometer, a VIS/NIR spectrometer, a VIS spectrometer or a full-range spectrometer. The spectrometer can have a transmission, a transflection or a reflection structure. The spectrometer is preferably designed compactly as a spectrometer sensor.
Das Analysegerät ist weiterhin zur Anwendung eines durch ein trainiertes maschinelles Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells zur Bestimmung einer Konzentration mindestens eines Inhaltsstof fes der Probe ausgehend von mit dem Spektrometer auf genommenen spektralen Messwerten der Probe konfiguriert . Das Spektrometer nimmt spektrale Messwerte der Probe auf , welche durch die Inhaltsstof fe der Probe bestimmt werden . Durch das Anwenden des chemometrischen Modells wird von den spektralen Messwerten auf die Konzentration des mindestens einen zu analysierenden Inhaltsstof fes geschlossen . Im Ergebnis liegt ein Wert für die Konzentration des mindestens einen Inhaltsstof fes der Probe vor . Das chemometrische Modell ist durch ein trainiertes maschinelles Lernsystem gebildet . Das Training erfolgt bei der Aus führung des erfindungsgemäßen Verfahrens . Das maschinelle Lernsystem umfasst bevorzugt ein künstliches neuronales Netzwerk oder ein lineares Modell , welches bevorzugt durch ein Regressionsmodell der partiellen kleinsten Quadrate ( Partial Least Squares Model ) gebildet ist . The analysis device is further configured to use a chemometric model formed by a trained machine learning system to determine a concentration of at least one ingredient of the sample based on spectral measurement values of the sample recorded with the spectrometer. The spectrometer records spectral measurement values of the sample, which are determined by the ingredients of the sample. By applying the chemometric model, the concentration of the at least one ingredient to be analyzed is determined from the spectral measurement values. The result is a value for the concentration of the at least one ingredient of the sample. The chemometric model is formed by a trained machine learning system. Training takes place when the method according to the invention is carried out. The machine learning system preferably comprises an artificial neural network or a linear model. which is preferably formed by a partial least squares regression model.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden das Spektrometer und das durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell technisch entworfen bzw . entwickelt , sodass diese die Gegenstände eines technischen Entwicklungsvorganges bilden, in dessen Ergebnis das technisch spezi fi zierte Spektrometer und das trainierte maschinelle Lernsystem vorliegen . By means of the method according to the invention, the spectrometer and the chemometric model formed by the trained machine learning system are technically designed or developed so that they form the objects of a technical development process, the result of which is the technically specified spectrometer and the trained machine learning system.
In einem Schritt des Verfahrens wird eine initiale Konfiguration einer Repräsentation einer Hardware des Spektrometers ausgewählt . Diese Repräsentation kann insbesondere durch ein Modell oder durch ein physisches Testexemplar der Hardware des Spektrometers gebildet sein . Die Konfiguration legt die spektralen Empfindlichkeiten des Spektrometers fest . Die initiale Konfiguration stellt einen Ausgangspunkt für den technischen Entwicklungsvorgang dar, die während des technischen Entwicklungsvorganges verändert wird . Im Ergebnis des technischen Entwicklungsvorganges liegt eine finale Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers vor, die als technische Vorgabe dazu dient , mindestens ein Spektrometer herzustellen, welche eine Komponente des herzustellenden Analysegerätes bildet . In one step of the method, an initial configuration of a representation of a hardware of the spectrometer is selected. This representation can in particular be formed by a model or by a physical test example of the hardware of the spectrometer. The configuration defines the spectral sensitivities of the spectrometer. The initial configuration represents a starting point for the technical development process, which is changed during the technical development process. The result of the technical development process is a final configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, which serves as a technical specification for producing at least one spectrometer, which forms a component of the analysis device to be produced.
Die initiale Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers ist bevorzugt durch eine Konfiguration der Repräsentation der Hardware eines Referenzspektrometers gebildet . Bei dem Referenzspektrometer handelt es sich um ein hochauflösendes Spektrometer, bei welchem man davon ausgeht , dass es alle für die gegebene Analyseaufgabe notwendigen spektralen Informationen misst . Das Referenzspektrometer bildet hierfür einen Gold-Standard . The initial configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is preferably formed by a configuration of the representation of the hardware of a reference spectrometer. The reference spectrometer is a high-resolution spectrometer, which is assumed to have all the necessary components for the given analysis task. spectral information. The reference spectrometer is a gold standard for this.
Im Folgenden erfolgt ein iteratives Aus führen mehrerer Schritte , welche computerimplementiert sind . Diese mehreren Schritte werden iterativ ausgeführt . Diese mehreren Schritte werden bei einfachen bevorzugten Aus führungs formen so oft wiederholt , bis eine vorgegebene Anzahl an Iterationen erreicht ist . Diese mehreren Schritte werden bei weiteren bevorzugten Aus führungs formen so oft wiederholt , bis ein Wert einer Eignungskenngröße einen vorbestimmten Grenzwert zumindest erreicht hat , was j e nach Definition der j eweiligen Eignungskenngröße ein Überschreiten oder ein Unterschreiten einschließt . Die eine Eignungskenngröße oder die mehreren Eignungskenngrößen beschreiben j eweils die Eignung der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers einschließlich des durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells für die gegebene Analyseaufgabe . Die mindestens eine Eignungskenngröße ist bevorzugt durch eine Gütemaß oder besonders bevorzugt durch ein Fehlermaß bzw . eine Verlust funktion gebildet . I st die j eweilige Eignungskenngröße durch ein Gütemaß gebildet , so steigt deren Wert , wenn die Eignung steigt . I st die j eweilige Eignungskenngröße durch ein Fehlermaß bzw . Verlust funktion gebildet , so sinkt deren Wert , wenn die Eignung steigt . Der vorbestimmte Grenzwert definiert , wie groß bzw . wie klein die Eignungskenngröße zumindest sein muss , damit die aktuelle Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers als für die gegebene Analyseaufgabe geeignet angesehen wird, sodass das Spektrometer gemäß der aktuellen Konfiguration für das Analysegerät hergestellt werden kann . Besonders bevorzugt ist eine erste der Eignungskenngrößen durch ein Fehlermaß bzw . eine Verlust funktion gebildet , während eine zweite der Eignungskenngrößen durch eine Metrik zur Auswahl aus den Konfigurationen gebildet ist . The following is an iterative execution of several steps which are computer-implemented. These several steps are executed iteratively. In simple preferred embodiments, these several steps are repeated until a predetermined number of iterations is reached. In further preferred embodiments, these several steps are repeated until a value of a suitability parameter has at least reached a predetermined limit value, which, depending on the definition of the respective suitability parameter, includes exceeding or falling below it. The one suitability parameter or the several suitability parameters each describe the suitability of the respective current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer including the chemometric model formed by the trained machine learning system for the given analysis task. The at least one suitability parameter is preferably formed by a quality measure or particularly preferably by an error measure or a loss function. If the respective suitability parameter is formed by a quality measure, its value increases when the suitability increases. If the respective suitability parameter is formed by an error measure or loss function, its value decreases when the suitability increases. The predetermined limit defines how large or how small the suitability parameter must at least be so that the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is considered suitable for the given analysis task, so that the spectrometer can be manufactured according to the current configuration for the analysis device. A first of the suitability parameters is particularly preferably formed by an error measure or a loss function , while a second of the fitness parameters is formed by a metric for selecting from the configurations .
In einem der iterativ aus zuführenden Schritte erfolgt ein Anwenden der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers , wodurch spektrale Trainingsdaten erhalten werden . Wird dieser iterativ aus zuführende Schritt das erste Mal ausgeführt , so ist die aktuelle Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers durch die initiale Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers gebildet . Beim Anwenden erfolgt ein spektrales Vermessen von Referenzproben oder ein spektrales Vermessen von Referenzproben wird mit einem Modell des Spektrometers simuliert , um die spektralen Trainingsdaten zu erhalten . Die spektralen Trainingsdaten stellen spektrale Messdaten dar, die mit der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers für die Referenzproben durch eine reale Durchführung der Messung oder durch eine Simulation der Messung erhalten werden . In one of the iterative steps, the current configuration of the representation of the spectrometer hardware is applied, whereby spectral training data is obtained. If this iterative step is carried out for the first time, the current configuration of the representation of the spectrometer hardware is formed by the initial configuration of the representation of the spectrometer hardware. During application, a spectral measurement of reference samples is carried out or a spectral measurement of reference samples is simulated using a model of the spectrometer in order to obtain the spectral training data. The spectral training data represents spectral measurement data that is obtained with the current configuration of the representation of the spectrometer hardware for the reference samples by actually carrying out the measurement or by simulating the measurement.
In einem weiteren der iterativ aus zuführenden Schritte erfolgt ein Trainieren des durch ein maschinelles Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells mit den aktuellen spektralen Trainingsdaten . Dieses Trainieren ist ein Vorgang des maschinellen Lernens , wodurch das maschinelle Lernsystem angelernt wird und im Ergebnis das trainierte maschinelle Lernsystem vorliegt . Das maschinelle Lernen erfolgt mit dem Ziel , dass das durch das maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell aus den spektralen Trainingsdaten die Konzentration des mindestens einen Inhaltsstof fes gemäß der gegebenen Analyseaufgabe bestmöglich bestimmt . Für das Trainieren des durch das maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells können unterschiedlichste Methoden des maschinellen Lernens angewendet werden . Bei bevorzugten Aus führungs formen erfolgt das Trainieren des durch ein maschinelles Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells bei j eder Iteration der iterativ aus zuführenden Schritte beginnend in einem untrainierten Zustand des maschinellen Lernsystems . Es werden also keine Informationen aus vorherigen Iterationen genutzt . Bei alternativ bevorzugten Aus führungs formen erfolgt das Trainieren des durch ein maschinelles Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells bei den einzelnen Iterationen der iterativ aus zuführenden Schritte j eweils beginnend in einem vortrainierten Zustand des maschinellen Lernsystems . Es können somit Informationen bzw . Trainingserfahrungen aus vorherigen Iterationen oder auch aus vorherigen Trainings von unabhängigen, vorherigen Modelloptimieraufgaben genutzt werden . Der vortrainierte Zustand des maschinellen Lernsystems kann beispielsweise aus einem Training resultieren, welches auf der Basis der gleichen spektralen Trainingsdaten aber zur Bestimmung einer Konzentration eines anderen Inhaltsstof fes der Probe erfolgte . In ähnlicher Weise kann der vortrainierte Zustand des maschinellen Lernsystems beispielsweise aus einem Training resultieren, welches auf der Basis von anderen spektralen Trainingsdaten aber zur Bestimmung einer Konzentration des gleichen Inhaltsstof fes der Probe erfolgte . In a further iterative step, the chemometric model formed by a machine learning system is trained using the current spectral training data. This training is a machine learning process, whereby the machine learning system is trained and the trained machine learning system is produced as a result. The machine learning is carried out with the aim of ensuring that the chemometric model formed by the machine learning system uses the spectral training data to determine the concentration of at least one ingredient in the best possible way according to the given analysis task. A wide variety of machine learning methods can be used to train the chemometric model formed by the machine learning system. In preferred embodiments, the chemometric model formed by a machine learning system is trained at each iteration of the iteratively executed steps, starting in an untrained state of the machine learning system. This means that no information from previous iterations is used. In alternative preferred embodiments, the chemometric model formed by a machine learning system is trained at each iteration of the iteratively executed steps, each starting in a pre-trained state of the machine learning system. This means that information or training experience from previous iterations or from previous training of independent, previous model optimization tasks can be used. The pre-trained state of the machine learning system can, for example, result from training that was carried out on the basis of the same spectral training data but to determine the concentration of a different ingredient in the sample. Similarly, the pre-trained state of the machine learning system can, for example, result from a training that was carried out on the basis of different spectral training data but to determine a concentration of the same ingredient in the sample.
In einem weiteren der iterativ aus zuführenden Schritte erfolgt ein Anwenden des durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells , um einen Wert der mindestens einen Eignungskenngröße zu bestimmen . Das Anwenden des durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells erfolgt auf die spektralen Trainingsdaten . Durch dieses Anwenden wird die Konzentration des mindestens einen Inhaltsstof fes für die aktuellen spektralen Trainingsdaten bestimmt . Durch einen Vergleich mit Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten kann der Wert der mindestens einen Eignungskenngröße bestimmt werden . Der Wert der mindestens einen Eignungskenngröße kann j e nach Aus führungs form unmittelbar nach dem Anwenden des chemometrischen Modells einzeln in j eder Iteration oder nach dem Aus führen sämtlicher Iterationen der iterativ aus zuführenden Schritte für sämtliche angewendete Konfigurationen der Repräsentation der Hardware des Spektrometers bestimmt werden . In a further iterative step, the chemometric model formed by the trained machine learning system is applied to determine a value of at least one suitability parameter. The chemometric model formed by the trained machine learning system is applied to the spectral Training data. By applying this, the concentration of the at least one ingredient is determined for the current spectral training data. By comparing it with reference ingredient concentration data, the value of the at least one suitability parameter can be determined. Depending on the embodiment, the value of the at least one suitability parameter can be determined immediately after applying the chemometric model individually in each iteration or after executing all iterations of the iteratively executed steps for all applied configurations of the representation of the spectrometer hardware.
In einem weiteren der iterativ aus zuführenden Schritte erfolgt ein Modi fi zieren der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers . Dieses Modi fi zieren erfolgt , um eine sich unterscheidende Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers zu erhalten, welche in der nächsten Iteration angewendet wird . Das iterative Modi fi zieren erfolgt mit dem Ziel , eine Konfiguration zu finden, welche bestmöglich für die gegebene Analyseaufgabe geeignet ist . Die Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers wird bevorzugt j eweils innerhalb eines vordefinierten Rahmens modi fi ziert . Dieser Rahmen ist bevorzugt durch mindestens ein Intervall gebildet , innerhalb welchem ein durch die Konfiguration definierter Parameter des Spektrometers verändert wird . Bei einfachen bevorzugten Aus führungs formen werden der iterativ aus zuführende Schritt des Modi fi zierens der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers und die weiteren iterativ aus zuführendenIn a further iteratively executed step, the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is modified. This modification is carried out in order to obtain a different configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, which is used in the next iteration. The iterative modification is carried out with the aim of finding a configuration that is best suited to the given analysis task. The configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is preferably modified within a predefined framework. This framework is preferably formed by at least one interval within which a parameter of the spectrometer defined by the configuration is changed. In simple preferred embodiments, the iteratively executed step of modifying the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer and the further iteratively executed
Schritte so oft wiederholt , bis die modi fi ziertenRepeat steps until the modified
Konfigurationen den vordefinierten Rahmen mit einer vordefinierten Dichte aus füllen . Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass bei j eder Iteration ein durch die Konfiguration definierter Parameter des Spektrometers mit einer bestimmten Schrittweite beginnend an einer unteren Grenze des Intervalls geändert wird, bis eine obere Grenze des Intervalls erreicht ist , was auch für mehrere durch die Konfiguration definierte Parameter des Spektrometers voll zogen werden kann . Dies stellt eine Rastersuche zum Finden der bestmöglich geeigneten Konfiguration dar . Alternativ kann bei j eder Iteration ein durch die Konfiguration definierter Parameter des Spektrometers zufällig geändert werden, bis ein hierfür vordefiniertes Budget erschöpft ist . Das Budget ist durch eine Anzahl der durchzuführenden Iterationen und/oder durch eine Zeitdauer zur Durchführung der Iterationen definiert . Bei j eder Iteration wird ein durch die Konfiguration definierter Parameter des Spektrometers zufällig geändert , sodass nach einer durch das Budget definierten Anzahl an Iterationen der vordefinierte Rahmen mit einer vordefinierten Dichte abgedeckt wird und/oder bis die durch das Budget definierte Zeitdauer abgelaufen ist . Unter der Dichte ist hier zu verstehen, dass in einem Konfigurationsbereich eine Gesamtzahl an Konfigurationen in diesem Konfigurationsbereich gegeben ist , wobei j edoch die Konfigurationen nicht notwendigerweise gleichmäßig über den Konfigurationsbereich verteilt sein müssen . Die Anzahl der Iterationen beträgt bevorzugt mindestens 100 und weiter bevorzugt mindestens 1 . 000 . Nach dem Aus führen der iterativ aus zuführenden Schritte wird bevorzugt diej enige der angewendeten Konfigurationen der Repräsentation der Hardware des Spektrometers ausgewählt , deren Wert der Eignungskenngröße einer bestmöglichen Eignung entspricht , sodass die von den angewendeten Konfigurationen am besten geeignete ausgewählt wird . Somit wird nach den Iterationen entschieden, welche der angewendeten Konfigurationen diej enige ist , welche dasConfigurations the predefined framework with a predefined density. This can be done, for example, by changing a parameter of the spectrometer defined by the configuration at each iteration with a certain step size starting at a lower limit of the interval until an upper limit of the interval is reached, which can also be done for several parameters of the spectrometer defined by the configuration. This represents a grid search to find the most suitable configuration. Alternatively, a parameter of the spectrometer defined by the configuration can be randomly changed at each iteration until a predefined budget for this is exhausted. The budget is defined by a number of iterations to be performed and/or by a time period for performing the iterations. At each iteration, a parameter of the spectrometer defined by the configuration is randomly changed so that after a number of iterations defined by the budget, the predefined frame is covered with a predefined density and/or until the time period defined by the budget has expired. Density is to be understood here as meaning that in a configuration area there is a total number of configurations in this configuration area, whereby the configurations do not necessarily have to be evenly distributed over the configuration area. The number of iterations is preferably at least 100 and more preferably at least 1,000. After carrying out the iterative steps, the configuration of the representation of the spectrometer hardware that has a value of the suitability parameter that corresponds to the best possible suitability is preferably selected, so that the most suitable of the configurations used is selected. Thus, after the iterations, a decision is made as to which of the applied configurations is the one which
Ergebnis des technischen Entwurfes der Hardware des Spektrometers darstellt . Dies kann bei der beschriebenenThe result of the technical design of the spectrometer hardware can be seen in the described
Rastersuche eine Konfiguration sein, welche beispielsweise bei den zuerst durchgeführten Iterationen oder auch bei den zuletzt durchgeführten Iterationen durch Modi fikation erzeugt wurde . Die Eignungskenngröße kann beispielsweise so definiert sein, dass sie mit der Eignung der Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers sinkt , sodass diej enige der angewendeten Konfigurationen der Repräsentation der Hardware des Spektrometers ausgewählt wird, deren Wert der Eignungskenngröße minimal ist . Dies muss selbstverständlich nicht die in der zuletzt durchgeführten Iteration angewendete Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers sein . Wie bereits oben erläutert wurde , wird besonders bevorzugt eine zweite der Eignungskenngrößen zum Auswählen aus den angewendeten Konfigurationen als Metrik verwendet . Die erste der Eignungskenngrößen und die zweite der Eignungskenngrößen werden bevorzugt unter Anwendung unterschiedlicher Teile der spektralen Trainingsdaten bestimmt . Grid search can be a configuration which was generated by modification, for example, in the first iterations carried out or also in the last iterations carried out. The suitability parameter can, for example, be defined such that it decreases with the suitability of the configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, so that the one of the applied configurations of the representation of the hardware of the spectrometer is selected whose value of the suitability parameter is minimal. This does not, of course, have to be the configuration of the representation of the hardware of the spectrometer applied in the last iteration carried out. As already explained above, it is particularly preferred to use a second of the suitability parameters as a metric for selecting from the applied configurations. The first of the suitability parameters and the second of the suitability parameters are preferably determined using different parts of the spectral training data.
Bei bevorzugten Aus führungs formen erfolgt der iterativ aus zuführende Schritt des Modi fi zierens der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers unter Nutzung mindestens eines der zuvor bestimmten Werte der mindestens einen Eignungskenngröße . Der mindestens eine Wert der mindestens einen Eignungskenngröße wird genutzt , um die j eweils aktuelle Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers so zu verbessern, dass sie für die gegebene Analyseaufgabe besser geeignet sein kann, sodass mit dieser die Konzentration des mindestens einen Inhaltsstof fes genauer bestimmbar ist . Die modi fi zierte Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers stellt für die nächste Iteration die dann aktuelle Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers dar . Bei dieser Aus führungs form werden die iterativ aus zuführenden Schritte bevorzugt so oft wiederholt , bis der Wert der Eignungskenngröße einen vorbestimmten Grenzwert zumindest erreicht hat . In preferred embodiments, the iteratively performed step of modifying the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is carried out using at least one of the previously determined values of the at least one suitability parameter. The at least one value of the at least one suitability parameter is used to improve the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer so that it can be better suited to the given analysis task, so that the concentration of the at least one ingredient can be determined more precisely. The The modified configuration of the representation of the spectrometer hardware represents the current configuration of the representation of the spectrometer hardware for the next iteration. In this embodiment, the iterative steps are preferably repeated until the value of the suitability parameter has at least reached a predetermined limit value.
Insofern wie oben beschrieben wurde , diese Eignungskenngröße auch als Metrik zum Auswählen genutzt wird, weist die in der zuletzt durchgeführten Iteration angewendete Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers somit die beste Eignung von allen angewendeten Konfigurationen auf und stellt das Ergebnis des technischen Entwurfes der Hardware des Spektrometers dar . Insofern wie oben beschrieben wurde , eine zweite der Eignungskenngrößen als Metrik zum Auswählen genutzt wird, stellt die dadurch ausgewählten Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers das Ergebnis des technischen Entwurfes der Hardware des Spektrometers dar . Insofar as, as described above, this suitability parameter is also used as a metric for selection, the configuration of the representation of the spectrometer hardware used in the last iteration thus has the best suitability of all configurations used and represents the result of the technical design of the spectrometer hardware. Insofar as, as described above, a second of the suitability parameters is used as a metric for selection, the configuration of the representation of the spectrometer hardware used thereby represents the result of the technical design of the spectrometer hardware.
Wie oben bereits erläutert wurde , ist die mindestens eine Eignungskenngröße bevorzugt durch ein Gütemaß oder besonders bevorzugt durch ein Fehlermaß bzw . Verlust funktion gebildet . Die Metrik zum Auswählen aus den angewendeten Konfigurationen ist bevorzugt durch dieses Gütemaß , dieses Fehlermaß bzw . diese Verlust funktion gebildet . Besonders bevorzugt ist diese Metrik durch eine zweite der Eignungskenngrößen gebildet . Bei bevorzugten Aus führungs formen wird eine erste der Eignungskenngrößen zum Modi fi zieren der j eweils aktuellen Konfiguration unter Anwendung eines bevorzugt vorab festgelegten Teiles der spektralen Trainingsdaten bestimmt , während eine zweite der Eignungskenngrößen zum Auswählen aus den angewendeten Konfigurationen unter Anwendung eines bevorzugt vorab festgelegten anderen Teiles der spektralen Trainingsdaten bestimmt wird . As already explained above, the at least one suitability parameter is preferably formed by a quality measure or particularly preferably by an error measure or loss function. The metric for selecting from the applied configurations is preferably formed by this quality measure, this error measure or this loss function. Particularly preferably, this metric is formed by a second of the suitability parameters. In preferred embodiments, a first of the suitability parameters is determined for modifying the current configuration using a preferably predefined part of the spectral training data, while a second of the suitability parameters is determined for selecting from the applied configurations using a preferentially determined other part of the spectral training data .
Alternativ bevorzugt werden die iterativ aus zuführenden Schritte so oft wiederholt , bis ein hierfür vordefiniertes Budget erschöpft ist , welches durch eine Anzahl der durchzuführenden Iterationen und/oder durch eine Zeitdauer zur Durchführung der Iterationen definiert ist . Nach dem Aus führen der iterativ aus zuführenden Schritte wird bevorzugt diej enige der angewendeten Konfigurationen der Repräsentation der Hardware des Spektrometers ausgewählt , deren Wert der betref fenden Eignungskenngröße einer bestmöglichen Eignung entspricht , sodass die von den angewendeten Konfigurationen am besten geeignete ausgewählt wird . Alternatively, the iterative steps are preferably repeated until a predefined budget is exhausted, which is defined by a number of iterations to be carried out and/or by a time period for carrying out the iterations. After the iterative steps have been carried out, the configuration of the spectrometer hardware representation used is preferably selected whose value of the relevant suitability parameter corresponds to the best possible suitability, so that the most suitable of the configurations used is selected.
Besonders bevorzugt erfolgt das Modi fi zieren der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers unter Nutzung des j eweils aktuellen Wertes der mindestens einen Eignungskenngröße . Particularly preferably, the modification of the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is carried out using the current value of the at least one suitability parameter.
Bei einer weiteren bevorzugten Aus führungs form wird bei j eder Iteration ein durch die Konfiguration definierter Parameter des Spektrometers zufällig und/oder unter Nutzung mindestens eines der zuvor bestimmten Werte der mindestens einen Eignungskenngröße geändert . Es handelt sich somit um eine Mischform der oben beschriebenen Aus führungs formen . Nach dem Aus führen der iterativ aus zuführenden Schritte wird bevorzugt diej enige der angewendeten Konfigurationen der Repräsentation der Hardware des Spektrometers ausgewählt , deren Wert der Eignungskenngröße einer bestmöglichen Eignung entspricht , sodass die von den angewendeten Konfigurationen am besten geeignete ausgewählt wird . Dies muss selbstverständlich nicht die in der zuletzt durchgeführten Iteration angewendete Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers sein . In a further preferred embodiment, in each iteration a parameter of the spectrometer defined by the configuration is changed randomly and/or using at least one of the previously determined values of the at least one suitability parameter. This is thus a hybrid of the embodiments described above. After carrying out the iteratively performed steps, the one of the applied configurations of the representation of the spectrometer hardware is preferably selected whose value of the suitability parameter corresponds to the best possible suitability, so that the most suitable of the applied configurations is selected. This does not, of course, have to be the one used in the last iteration carried out. Configuration of the representation of the spectrometer hardware .
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus , dass das Spektrometer und das durch das maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell gemeinsam technisch entworfen bzw . entwickelt werden . Das Spektrometer und das chemometrische Modell bilden gemeinsam die Gegenstände eines einzigen technischen Entwicklungsvorganges . Die das Spektrometer bildende Hardware und die das chemometrische Modell bildende Software werden gemeinsam entwickelt , was als Co-Design der Hardware und der Software des Analysegerätes bezeichnet werden kann . Dieses Co-Design stellt einen wesentlichen Unterschied zum Stand der Technik dar, gemäß welchem zunächst das Spektrometer einzeln technisch entworfen wird, wofür das zur Verfügung stehende Wissen bestmöglich genutzt wird . Im nächsten Schritt wird auf Basis des technisch fertig entworfenen Spektrometers das chemometrische Modell entwickelt , was beispielsweise unter Anwendung von maschinellem Lernen erfolgt . Hingegen werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Spektrometer und das chemometrische Modell gemeinsam entwickelt , wodurch gewährleistet werden kann, dass das Spektrometer und das chemometrische Modell bestmöglich synergetisch die gegebene Analyseaufgabe lösen . The method according to the invention is characterized in that the spectrometer and the chemometric model formed by the machine learning system are technically designed or developed together. The spectrometer and the chemometric model together form the objects of a single technical development process. The hardware forming the spectrometer and the software forming the chemometric model are developed together, which can be referred to as co-design of the hardware and software of the analysis device. This co-design represents a significant difference to the prior art, according to which the spectrometer is first technically designed individually, for which the available knowledge is used as best as possible. In the next step, the chemometric model is developed on the basis of the technically fully designed spectrometer, which is done, for example, using machine learning. In contrast, in the method according to the invention the spectrometer and the chemometric model are developed together, which ensures that the spectrometer and the chemometric model solve the given analysis task in the best possible synergy.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass das entworfene Analysegerät mit seinen Komponenten dem Spektrometer und dem chemometrischen Modell sehr genau an die gegebene Analyseaufgabe angepasst ist . Dadurch ist zum einen gewährleistet , dass das entworfene Analysegerät die gegebene Analyseaufgabe sehr genau erfüllen kann . Zum anderen kann das Spektrometer weit weniger aufwändig als ein Referenzspektrometer gemäß dem Gold-Standard ausgeführt werden. Das im Ergebnis des Verfahrens entworfene Spektrometer ist optimiert und weist insbesondere nur solche Messkanäle mit den jeweiligen Bandbreiten und mittleren Wellenlängen auf, welche für die gegebene Analyseaufgabe benötigt werden. Viele Analyseaufgaben erfordern nur eine geringe Anzahl an Messkanälen, sodass diese Anzahl gegenüber der Anzahl an Messkanälen des Referenzspektrometers gemäß dem Gold-Standard deutlich reduziert ist. Dadurch sinken die Kosten für die Herstellung der Hardware des Analysegerätes. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Analysen mit dem Analysegerät aufgrund der reduzierten Anzahl an Messkanälen schneller durchgeführt werden können und weniger Energie erfordern. Entsprechend müssen weniger Daten übertragen werden . A particular advantage of the method according to the invention is that the designed analytical device with its components, the spectrometer and the chemometric model, is very precisely adapted to the given analytical task. This ensures that the designed analytical device can fulfill the given analytical task very precisely. On the other hand, the spectrometer can be designed much less complexly. as a reference spectrometer according to the gold standard. The spectrometer designed as a result of the process is optimized and, in particular, only has those measuring channels with the respective bandwidths and average wavelengths that are required for the given analysis task. Many analysis tasks require only a small number of measuring channels, so this number is significantly reduced compared to the number of measuring channels of the reference spectrometer according to the gold standard. This reduces the costs for manufacturing the hardware of the analysis device. A further advantage is that the analyses can be carried out more quickly with the analysis device due to the reduced number of measuring channels and require less energy. Accordingly, less data needs to be transferred.
Das Trainieren des durch das maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells erfolgt bevorzugt durch ein überwachtes Lernen. Das überwachte Lernen beruht bevorzugt auf einer Regression und/oder einer Klassifikation. Die Regression wird bevorzugt für sich kontinuierlich verändernde Werte von Konzentrationen eines Inhaltsstoffes verwendet. Ein Beispiel hierfür ist die Konzentration von Wasser zur Bestimmung der Feuchtigkeit. Die Klassifikation wird bevorzugt für abgestufte Werte von Konzentrationen eines Inhaltsstoffes verwendet. Ein Beispiel hierfür ist die Konzentration von Salz, die entweder als ausreichend oder nicht ausreichend klassifiziert wird. Auch kann die Konzentration des Salzes in Stufen klassifiziert sein; beispielsweise als: < 1,2 g/kg; 1,2 g/kg; 1,4 g/kg; 1, 6 g/kg; 1,8 g/kg; 2,0 g/kg und > 2,0 g/kg. The chemometric model formed by the machine learning system is preferably trained using supervised learning. Supervised learning is preferably based on regression and/or classification. Regression is preferably used for continuously changing values of concentrations of an ingredient. An example of this is the concentration of water to determine moisture. Classification is preferably used for graded values of concentrations of an ingredient. An example of this is the concentration of salt, which is classified as either sufficient or insufficient. The concentration of salt can also be classified into levels; for example as: < 1.2 g/kg; 1.2 g/kg; 1.4 g/kg; 1.6 g/kg; 1.8 g/kg; 2.0 g/kg and > 2.0 g/kg.
Die Regression erfolgt bevorzugt für die partiellen kleinstenThe regression is preferably carried out for the partial smallest
Quadrate, was als Partielle Kleinste-Quadrate-Regression ( Partial Least Squares PLS ) bezeichnet wird . Diese Regression ist robust und geeignet , wenn nur wenige latente Variablen zu berücksichtigen sind . Squares, which is called Partial Least Squares Regression ( Partial Least Squares PLS ) . This regression is robust and suitable when only a few latent variables have to be taken into account .
Das maschinelle Lernsystem umfasst in einer weiteren bevorzugten Aus führungs form ein Arti ficial Neural Network, welches bevorzugt durch ein Convolutional Neural Network ( CNN) gebildet ist . Dabei werden bevorzugt folgende Parameter angewendet : ID-Convolutions , nicht-lineare Aktivierungen, ID-pooling Operationen und/oder Layer-Normalisierungen . Es kann eine finale Vorhersage von kontinuierlichen Werten von Konzentrationen eines Inhaltsstof fes unter Anwendung einer Regression erfolgen . Es kann eine finale Vorhersage von abgestuften Werten von Konzentrationen eines Inhaltsstof fes unter Anwendung einer Klassi fikation, beispielsweise ausgeführt als eine Mehr-Klassen-klassi f ikation, dies beispielsweise durch eine Vorhersage einer diskreten Klassenzahl oder durch eine Vorhersage eines Mehr-Klassen- Wahrscheinlichkeitsvektors . Das Training kann beispielsweise so ausgeführt werden, dass ein Mehr-Klassen- Vertauschungs fehler für diskrete Entscheidungen oder eine Mehr-Klassen-Kreuzentropie für Wahrscheinlichkeitsvektoren über mehrere Klassen minimiert wird . In einer anderen Aus führung kann ein ordinaler Charakter der Klassen berücksichtigt werden, was beispielsweise durch eine Minimierung des gewichteten Cohen-Kappa-Verlustwertes erfolgt . Convolutional Neural Networks sind geeignet , wenn eine große Menge an Trainingsdaten erzeugt wird und komplexe Zusammenhänge vorliegen . In a further preferred embodiment, the machine learning system comprises an artificial neural network, which is preferably formed by a convolutional neural network (CNN). The following parameters are preferably used: ID convolutions, non-linear activations, ID pooling operations and/or layer normalizations. A final prediction of continuous values of concentrations of an ingredient can be made using regression. A final prediction of graded values of concentrations of an ingredient can be made using classification, for example carried out as a multi-class classification, for example by predicting a discrete class number or by predicting a multi-class probability vector. The training can, for example, be carried out in such a way that a multi-class permutation error for discrete decisions or a multi-class cross entropy for probability vectors across multiple classes is minimized. In another implementation, an ordinal character of the classes can be taken into account, which is done, for example, by minimizing the weighted Cohen-Kappa loss value. Convolutional neural networks are suitable when a large amount of training data is generated and complex relationships exist.
Das Modi fi zieren der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers bevorzugt unter Nutzung des j eweils aktuellen Wertes der mindestens einen Eignungskenngröße stellt eine Optimierung der Repräsentation dar . Für diese Optimierung wird bevorzugt eine oder mehrere Optimierungstechniken aus der folgenden Gruppe ausgewählt und genutzt : Bayessche Optimierung, Rastersuche , Zufallssuche , gradientenfreie Optimierung wie das Nelder-Mead-Verfahren, optimale Versuchsplanung, Methoden des maschinellen Lernens , Greedy-Algorithmen, evolutionäre Algorithmen, Biologieinspirierte Optimierungsverfahren wie eine Particle-Swarm Optimierung und eine FireFly-Optimierung . Besonders bevorzugt erfolgt eine gradientenfreie Optimierung . Modifying the current configuration of the representation of the spectrometer hardware preferably using the current value of at least one Suitability metric represents an optimization of the representation . For this optimization, one or more optimization techniques from the following group are preferably selected and used: Bayesian optimization, grid search , random search , gradient-free optimization such as the Nelder-Mead method, optimal experimental design, machine learning methods , greedy algorithms, evolutionary algorithms, biology-inspired optimization methods such as particle swarm optimization and FireFly optimization . Gradient-free optimization is particularly preferred.
Bei einer ersten Gruppe bevorzugter Aus führungs formen ist die Repräsentation der Hardware des Spektrometers durch ein Modell der Hardware des Spektrometers gebildet . Das Verfahren umfasst dann bevorzugt einen weiteren Schritt , bei welchem Referenzdaten bereitgestellt werden, die zum Anwenden des Modells der Hardware des Spektrometers genutzt werden . Die Referenzdaten umfassen eine Reihe von Referenzspektraldaten, denen mindestens eine Reihe von Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten zugeordnet ist . Die Referenzspektraldaten würden idealerweise von einer Probe aufgenommen, welche den Inhaltsstof f gemäß den Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten enthält . Der iterativ aus zuführende Schritt des Anwendens der j eweils aktuellen Konfiguration des Modells der Hardware des Spektrometers umfasst eine Simulation eines spektralen Vermessens der Probe mit dieser j eweils aktuellen Konfiguration des Modells der Hardware des Spektrometers . Bei den Simulationen wird die j eweilige Konfiguration des Modells der Hardware des Spektrometers auf die Referenzspektraldaten angewendet , wodurch spektrale Simulationsmesswerte erhalten werden, welche die spektralen Trainingsdaten bilden . Somit werden durch das Anwenden des durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells Simulationsmesswerte der Konzentrationen des Inhaltsstof fes erhalten, die mit den Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten verglichen werden, um j eweils den Wert der mindestens einen Eignungskenngröße zu bestimmen . Ziel ist es , dass die Simulationsmesswerte der Konzentrationen des Inhaltsstof fes den Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten möglichst nahe kommen . Ein besonderer Vorteil der ersten Gruppe bevorzugter Aus führungs formen besteht darin, dass das Spektrometer für dessen iterative Verbesserung nicht physisch vorhanden sein muss , da das Spektrometer durch das Modell repräsentiert und iterativ optimiert wird . In a first group of preferred embodiments, the representation of the hardware of the spectrometer is formed by a model of the hardware of the spectrometer. The method then preferably comprises a further step in which reference data are provided which are used to apply the model of the hardware of the spectrometer. The reference data comprise a series of reference spectral data to which at least one series of reference ingredient concentration data is assigned. The reference spectral data would ideally be recorded from a sample which contains the ingredient according to the reference ingredient concentration data. The iteratively carried out step of applying the respective current configuration of the model of the hardware of the spectrometer comprises a simulation of a spectral measurement of the sample with this respective current configuration of the model of the hardware of the spectrometer. During the simulations, the respective configuration of the spectrometer hardware model is applied to the reference spectral data, thereby obtaining spectral simulation measurements that form the spectral training data. Thus, by applying the model developed by the trained machine learning system From the chemometric model formed, simulation measured values of the concentrations of the ingredient are obtained, which are compared with the reference ingredient concentration data in order to determine the value of at least one suitability parameter in each case. The aim is for the simulation measured values of the concentrations of the ingredient to be as close as possible to the reference ingredient concentration data. A particular advantage of the first group of preferred embodiments is that the spectrometer does not have to be physically present for its iterative improvement, since the spectrometer is represented by the model and iteratively optimized.
Insofern die Referenzdaten nicht aus anderen Quellen bereits vorliegen, erfolgt der Schritt des Bereitstellens der Referenzdaten bevorzugt dadurch, dass zunächst Referenzproben bereitgestellt werden, für welche die Werte der Konzentration des mindestens einen Inhaltsstof fes bekannt sind, sodass diese Werte die Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten bilden . Hierfür können die Werte der Konzentration des Inhaltsstof fes durch ein chemisches Analyseverfahren ermittelt werden . Auch können diese Werte durch ein nicht-chemisches Analyseverfahren ermittelt werden; beispielsweise mit einem spektralen Analysegerät mit einer hohen Genauigkeit . Weiterhin erfolgt ein Vermessen der Referenzproben mit einem Referenzspektrometer, um die Referenzspektraldaten zu erhalten . If the reference data is not already available from other sources, the step of providing the reference data is preferably carried out by first providing reference samples for which the concentration values of the at least one ingredient are known, so that these values form the reference ingredient concentration data. For this purpose, the concentration values of the ingredient can be determined using a chemical analysis method. These values can also be determined using a non-chemical analysis method; for example using a spectral analysis device with a high degree of accuracy. The reference samples are also measured using a reference spectrometer to obtain the reference spectral data.
Bei der ersten Gruppe der bevorzugten Aus führungs formen umfasst das Verfahren bevorzugt weitere Schritte , durch welche berücksichtigt wird, dass der Prozess der Herstellung der Hardware des Spektrometers nicht ideal ist . Prinzipbedingt wird die Hardware des Spektrometers , welche gemäß einem Modell der Hardware des Spektrometers hergestellt wurde , nicht vollständig diesem Modell gleichen, sondern es wird eine Abweichung zum Modell bestehen . Beispielsweise können die mittlere Wellenlängen von Messkanälen der hergestellten Hardware des Spektrometers von den mittleren Wellenlängen der Messkanäle des Modells der Hardware des Spektrometers abweichen . Daher wird in einem Schritt zunächst eine herstellungsbedingte Hardwareabweichung zwischen dem Modell der Hardware des Spektrometer und einer gemäß dem Modell der Hardware des Spektrometers hergestellten Hardware des Spektrometers bestimmt . Die ermittelte herstellungsbedingte Hardwareabweichung wird bei dem iterativ aus zuführenden Schritt des Anwendens der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers berücksichtigt , sodass die spektralen Trainingsdaten genauer den mit der hergestellten Hardware des Spektrometers erfassbaren Messdaten entsprechen . Die ermittelte herstellungsbedingte Hardwareabweichung wird aber bei den Iterationen bevorzugt nicht verändert . In the first group of preferred embodiments, the method preferably comprises further steps, which take into account that the process of manufacturing the hardware of the spectrometer is not ideal. In principle, the hardware of the spectrometer, which is designed according to a model the hardware of the spectrometer will not completely resemble this model, but there will be a deviation from the model. For example, the mean wavelengths of measurement channels of the manufactured hardware of the spectrometer may differ from the mean wavelengths of the measurement channels of the model of the hardware of the spectrometer. Therefore, in one step, a manufacturing-related hardware deviation is first determined between the model of the hardware of the spectrometer and a piece of spectrometer hardware manufactured according to the model of the hardware of the spectrometer. The manufacturing-related hardware deviation determined is taken into account in the iterative step of applying the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, so that the spectral training data correspond more closely to the measurement data that can be acquired with the manufactured hardware of the spectrometer. However, the manufacturing-related hardware deviation determined is preferably not changed during the iterations.
Bei der ersten Gruppe der bevorzugten Aus führungs formen umfasst das Verfahren bevorzugt weitere Schritte , durch welche sich verändernde Messbedingungen berücksichtigt werden, um erweiterte spektrale Trainingsdaten zu erhalten, durch welche die spektralen Trainingsdaten in ihrer Gesamtheit realitätsnäher werden . Solche Messbedingungen sind beispielsweise der Abstand zwischen der Probe und dem Spektrometer sowie Umgebungsbedingungen, wie Luftfeuchte und Temperatur im Bereich der Probe und/oder des Spektrometers . Die sich verändernden Messbedingungen werden bei dem iterativ aus zuführenden Schritt des Anwendens der j eweils aktuellen Konfiguration des Modells der Hardware des Spektrometers berücksichtigt , sodass die spektralen Trainingsdaten genauer den mit der hergestellten Hardware des Spektrometers unter realistischen Messbedingungen erfassbaren Messdaten entsprechen . Dabei werden die Messbedingungen variiert , um zu berücksichtigen, dass unterschiedliche realistische Messbedingungen auftreten können . So kann beispielsweise die Änderung der Amplitude eines Messkanales in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur verändert werden . Diese Amplitude repräsentiert die Empfindlichkeit des Messkanales . In the first group of preferred embodiments, the method preferably comprises further steps through which changing measurement conditions are taken into account in order to obtain extended spectral training data, through which the spectral training data as a whole becomes more realistic. Such measurement conditions are, for example, the distance between the sample and the spectrometer and environmental conditions such as air humidity and temperature in the area of the sample and/or the spectrometer. The changing measurement conditions are taken into account in the iterative step of applying the current configuration of the model of the spectrometer hardware, so that the spectral training data is more accurate. correspond to the measurement data that can be recorded with the spectrometer hardware under realistic measurement conditions. The measurement conditions are varied to take into account that different realistic measurement conditions can occur. For example, the change in the amplitude of a measurement channel can be changed depending on the ambient temperature. This amplitude represents the sensitivity of the measurement channel.
Bei einer zweiten Gruppe bevorzugter Aus führungs formen ist die Repräsentation der Hardware des Spektrometers durch ein Testexemplar der Hardware des Spektrometers gebildet . Somit muss die Hardware des Spektrometers für j ede der Iterationen physisch in Form des Testexemplars erneut bereitgestellt werden; nämlich gemäß der j eweils aktuellen Konfiguration . Das Verfahren umfasst dann bevorzugt einen Schritt , bei welchem Referenzproben bereitgestellt werden . Für die Referenzproben sind j eweils die Werte der Konzentration des Inhaltsstof fes bekannt , sodass diese Werte Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten bilden . Der iterativ aus zuführende Schritt des Anwendens der j eweils aktuellen Konfiguration des Testexemplars umfasst Messungen der Referenzproben mit der j eweils aktuellen Konfiguration des Testexemplars der Hardware des Spektrometers , wodurch spektrale Messwerte erhalten werden, welche die spektralen Trainingsdaten bilden . Die Messungen werden somit physisch mit dem Testexemplar in der j eweils aktuellen Konfiguration für die physisch vorhandenen Referenzproben durchgeführt . Durch das iterativ ausgeführte Anwenden des durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells werden Messwerte der Konzentrationen des Inhaltsstof fes erhalten, die mit den Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten verglichen werden, um j eweils den Wert der mindestens einen Eignungskenngröße zu bestimmen . In a second group of preferred embodiments, the representation of the hardware of the spectrometer is formed by a test example of the hardware of the spectrometer. Thus, for each of the iterations, the hardware of the spectrometer must be physically provided again in the form of the test example; namely according to the respective current configuration. The method then preferably comprises a step in which reference samples are provided. The values of the concentration of the ingredient are known for each of the reference samples, so that these values form reference ingredient concentration data. The iteratively carried out step of applying the respective current configuration of the test example comprises measurements of the reference samples with the respective current configuration of the test example of the hardware of the spectrometer, whereby spectral measured values are obtained which form the spectral training data. The measurements are thus physically carried out with the test specimen in the current configuration for the physically available reference samples. By iteratively applying the chemometric model formed by the trained machine learning system, measured values of the concentrations of the ingredient are obtained, which correspond to the reference ingredient concentration data. be compared in order to determine the value of at least one suitability parameter.
Bei j eder der Iterationen ist ein neues bzw . angepasstes Testexemplar der Hardware bereitzustellen . Dies kann durch ein Herstellen des Testexemplars erfolgen . Hierfür kann das Testexemplar aus der vorherigen Iteration wiederverwendet werden . In einem einfachen Fall werden lediglich die Filter der Messkanäle des Testexemplars modi fi ziert , um ein eines neues bzw . verändertes Testexemplar für die nächste Iteration bereitzustellen . For each iteration, a new or adapted test sample of the hardware must be provided. This can be done by creating the test sample. The test sample from the previous iteration can be reused for this purpose. In a simple case, only the filters of the measurement channels of the test sample are modified in order to provide a new or modified test sample for the next iteration.
Bevorzugt wird das j eweilige Testexemplar auch dazu genutzt , um Referenzproben zu vermessen, wodurch spektrale Messwerte erhalten werden . Diese spektralen Messwerte werden als spektrale Trainingsdaten in weiteren Iterationen der iterativ aus zuführenden Schritte verwendet . Hierdurch werden Fertigungstoleranzen berücksichtigt , die beim Fertigen des Spektrometers auftreten . Preferably, the respective test specimen is also used to measure reference samples, whereby spectral measurement values are obtained. These spectral measurement values are used as spectral training data in further iterations of the iterative steps. This takes into account manufacturing tolerances that occur when manufacturing the spectrometer.
Für alle Gruppen der bevorzugten Aus führungs formen gilt , dass die j eweilige Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers bevorzugt mindestens einen Parameter des Spektrometers definiert . Die j eweilige Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers definiert bevorzugt mehrere der Parameter des Spektrometers . Der bzw . die Parameter spezi fi zieren bevorzugt mindestens einen Messkanal des Spektrometers ; weiter bevorzugt mindestens zwei Messkanäle des Spektrometers und nochmals weiter bevorzugt mindestens 16 Messkanäle . Der bzw . die Parameter sind bevorzugt j eweils durch eine Peakwellenlänge , eine Schwerpunktwellenlänge , eine mittlere Wellenlänge , eine Bandbreite , eine Halbwertsbreite , einen Kurvenformparameter und/oder einen Spitzenwert des mindestens einen Messkanales gebildet . Bei dem Spitzenwert handelt es sich um eine Peakhöhe . Der eine Messkanal bzw . die mehreren Messkanäle werden bevorzugt j eweils durch ein spektrales Eingangs filter bestimmt . Die spektralen Eingangs filter weisen j eweils einen Übertragungsbereich auf , welcher durch einen oder mehrere der oben genannten Parameter definiert ist . Bei dem iterativ durchzuführenden Schritt des Modi fi zierens der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers werden einer oder mehrere der oben genannten Parameter verändert . Hierfür werden bevorzugt die oben angegebenen Optimierungstechniken genutzt . Ergänzend oder alternativ wird bei dem iterativ durchzuführenden Schritt des Modi fi zierens der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers eine Anzahl der Messkanäle verändert . So kann die Anzahl der Messkanäle beispielsweise von 16 auf 8 oder auf 4 oder auch umgekehrt geändert werden . For all groups of the preferred embodiments, the respective configuration of the representation of the hardware of the spectrometer preferably defines at least one parameter of the spectrometer. The respective configuration of the representation of the hardware of the spectrometer preferably defines several of the parameters of the spectrometer. The parameter(s) preferably specify at least one measuring channel of the spectrometer; more preferably at least two measuring channels of the spectrometer and even more preferably at least 16 measuring channels. The parameter(s) are preferably each defined by a peak wavelength, a center wavelength, a mean wavelength, a bandwidth, a half-width, a curve shape parameter and/or a peak value of the at least one measuring channel is formed. The peak value is a peak height. The one measuring channel or the multiple measuring channels are preferably each determined by a spectral input filter. The spectral input filters each have a transmission range which is defined by one or more of the above-mentioned parameters. During the iterative step of modifying the current configuration of the representation of the spectrometer hardware, one or more of the above-mentioned parameters are changed. The optimization techniques specified above are preferably used for this. In addition or alternatively, a number of measuring channels are changed during the iterative step of modifying the current configuration of the representation of the spectrometer hardware. For example, the number of measuring channels can be changed from 16 to 8 or to 4 or vice versa.
Die Repräsentation der Hardware des Spektrometers definiert bevorzugt mindestens eine Beschränkung, welche durch eine minimale Peakwellenlänge , durch eine maximale Peakwellenlänge , durch eine minimale Schwerpunktwellenlänge , durch eine maximale Schwerpunktwellenlänge , durch eine minimale mittlere Wellenlänge , durch eine maximale mittlere Wellenlänge , durch eine minimale Bandbreite , durch eine maximale Bandbreite , durch eine minimale Halbwertsbreite , durch eine maximale Halbwertsbreite , durch einen minimalen Kurvenformparameter, durch einen maximalen Kurvenformparameter, durch einen minimalen Spitzenwert , durch einen maximalen Spitzenwert , durch eine minimale Wellenlängendi f ferenz zwischen einem Wellenlängenparameter eines der Messkanäle und einem entsprechenden Wellenlängenparameter eines anderen der Messkanäle oder durch eine maximale Wellenlängendi f ferenz zwischen einem Wellenlängenparameter eines der Messkanäle und einem entsprechenden Wellenlängenparameter eines anderen der Messkanäle gebildet ist . Die minimale bzw . maximale Wellenlängendi f ferenz ist insbesondere zwischen Wellenlängenparametern von zwei benachbarten der Messkanäle definiert . Der betref fende Wellenlängenparameter ist bevorzugt durch die Peakwellenlänge oder durch die minimale oder maximale Halbwertsbreite gebildet . Die genannten Beschränkungen sind bevorzugt auch j eweils mehrfach definiert , beispielsweise Beschränkungen der minimalen oder maximalen Peakwellenlänge in mehreren Intervallen . Auch können die genannten Beschränkungen j eweils auf eine Gruppe oder auf einen Anteil der Messkanäle bezogen sein . So kann beispielsweise für einen Anteil von einem Drittel der Messkanäle vorgegeben werden, dass deren Peakwellenlänge im nahen Infrarot-Bereich liegt . Die genannten Beschränkungen beschränken j eweils die mögliche Veränderung des betref fenden Parameters beim iterativ durchzuführenden Schritt des Modi fi zierens der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers . Diese eine Beschränkung bzw . diese mehreren Beschränkungen werden beim iterativ durchzuführenden Schritt des Modi fi zierens der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers aber bevorzugt nicht verändert . Diese eine Beschränkung bzw . diese mehreren Beschränkungen werden bevorzugt aus einem Testexemplar der Hardware des Spektrometers ausgelesen . Bevorzugt umfasst die Repräsentation der Hardware des Spektrometers mehrere dieser Beschränkungen . The representation of the hardware of the spectrometer preferably defines at least one limitation which is defined by a minimum peak wavelength, by a maximum peak wavelength, by a minimum centroid wavelength, by a maximum centroid wavelength, by a minimum mean wavelength, by a maximum mean wavelength, by a minimum bandwidth, by a maximum bandwidth, by a minimum half-width, by a maximum half-width, by a minimum waveform parameter, by a maximum waveform parameter, by a minimum peak value, by a maximum peak value, by a minimum wavelength difference between a wavelength parameter of one of the measurement channels and a corresponding wavelength parameter of another of the measuring channels or by a maximum wavelength difference between a wavelength parameter of one of the measuring channels and a corresponding wavelength parameter of another of the measuring channels. The minimum or maximum wavelength difference is defined in particular between wavelength parameters of two adjacent measuring channels. The wavelength parameter in question is preferably formed by the peak wavelength or by the minimum or maximum half-width. The restrictions mentioned are preferably also defined multiple times in each case, for example restrictions on the minimum or maximum peak wavelength in several intervals. The restrictions mentioned can also relate to a group or to a portion of the measuring channels. For example, for a portion of one third of the measuring channels it can be specified that their peak wavelength is in the near infrared range. The restrictions mentioned each limit the possible change to the parameter in question during the iteratively carried out step of modifying the current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer. This one restriction or However, these multiple restrictions are preferably not changed during the iterative step of modifying the current configuration of the representation of the spectrometer hardware. This one restriction or these multiple restrictions are preferably read from a test copy of the spectrometer hardware. The representation of the spectrometer hardware preferably includes several of these restrictions.
Die Repräsentation der Hardware des Spektrometers definiert bevorzugt weiterhin mindestens einen Geräteparameter des Spektrometers , welcher ein Signalrauschen, ein Bandbreite- Rauschen, ein Halbwertsbreite-Rauschen, eine Messabweichung oder eine Toleranz des Spektrometers repräsentiert . Die Messabweichung kann beispielsweise temperaturabhängig sein . Bei dem genannten Bandbreite-Rauschen handelt es sich um eine Abweichung einer erzielten Mittelwert-Bandbreite von einem vorgegebenen Wert für die Bandbreite . Die eine Toleranz bzw . mehreren Toleranzen sind insbesondere durch die Fertigung der Hardware des Spektrometers bedingt . Der bzw . die Geräteparameter werden beim iterativ durchzuführenden Schritt des Anwendens der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers berücksichtigt , wodurch die Optimierung des Spektrometers und des chemometrischen Modells verbessert wird . Dies erfolgt bevorzugt durch eine Augmentierung während des Trainings , wofür in mindestens einer Iteration die Simulation des Spektrums unter Einbezug des mindestens einen Geräteparameters verändert wird . Die Geräteparameter werden beim iterativ durchzuführenden Schritt des Modi fi zierens der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers aber bevorzugt nicht verändert . The representation of the hardware of the spectrometer preferably further defines at least one device parameter of the spectrometer, which is a signal noise, a bandwidth Noise, a half-width noise, a measurement deviation or a tolerance of the spectrometer. The measurement deviation can, for example, be temperature-dependent. The aforementioned bandwidth noise is a deviation of an achieved mean bandwidth from a predetermined value for the bandwidth. The one or more tolerances are caused in particular by the manufacture of the spectrometer hardware. The device parameter(s) are taken into account in the iterative step of applying the current configuration of the representation of the spectrometer hardware, thereby improving the optimization of the spectrometer and the chemometric model. This is preferably done by augmentation during training, for which the simulation of the spectrum is changed in at least one iteration, taking into account the at least one device parameter. The device parameters are preferably not changed in the iterative step of modifying the current configuration of the representation of the spectrometer hardware.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt dient zum technischen Entwurf bzw . Entwickeln eines Analysegerätes zur Analyse mindestens eines Inhaltsstof fes einer Probe . Das Computerprogrammprodukt umfasst ein Computer-lesbares Speichermedium, welches darauf gespeicherte Programminstruktionen aufweist . Die Programminstruktionen sind durch einen oder mehrere Computer oder Steuereinheiten aus führbar und veranlassen den einen oder die mehreren Computer oder Steuereinheiten dazu, das erfindungsgemäße Verfahren oder eine der beschriebenen bevorzugten Aus führungs formen des erfindungsgemäßen Verfahrens aus zuführen . Die Programminstruktionen umfassen u . a . Algorithmen zum maschinellen Lernen; nämlich zum Trainieren des durch ein maschinelles Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells mit den spektralen Trainingsdaten . Das Speichermedium kann durch ein elektronisches Medium, ein magnetisches Medium, ein optisches Medium, ein elektromagnetisches Medium, ein Infrarot-Medium oder ein Halbleitermedium, wie ein SSD gebildet sein . Die Programminstruktionen können durch maschinenabhängige oder maschinenunabhängige Instruktionen, Microcode , Firmware , Status-def inierende Daten oder j eglichen Source-Code oder Obj ektcode gebildet sein, der beispielsweise in C++ , Java oder ähnlichen bzw . in konventionellen prozeduralen Programmiersprachen geschrieben ist . Auch können elektronische Schaltkreise , wie beispielsweise programmierbare Logikschaltkreise , Feld-programmierbare Gate Arrays ( FPGA) oder programmierbare Logik-Arrays ( PLA) ausgebildet sein, die die Programminstruktionen aus führen . Das resultierende Modell der Hardware des Spektrometers und das resultierende durch das maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell werden bevorzugt als Programmcode abgespeichert , um für spätere Anwendungen zur Verfügung zu stehen . The computer program product according to the invention is used for the technical design or development of an analysis device for analyzing at least one ingredient of a sample. The computer program product comprises a computer-readable storage medium which has program instructions stored thereon. The program instructions can be executed by one or more computers or control units and cause the one or more computers or control units to carry out the method according to the invention or one of the described preferred embodiments of the method according to the invention. The program instructions include, among other things: Algorithms for machine learning; namely for training the chemometric model formed by a machine learning system with the spectral training data. The storage medium can be formed by an electronic medium, a magnetic medium, an optical medium, an electromagnetic medium, an infrared medium or a semiconductor medium, such as an SSD. The program instructions can be formed by machine-dependent or machine-independent instructions, microcode, firmware, status-defining data or any source code or object code, for example written in C++, Java or similar or in conventional procedural programming languages. Electronic circuits, such as programmable logic circuits, field-programmable gate arrays (FPGA) or programmable logic arrays (PLA), can also be formed which execute the program instructions. The resulting model of the spectrometer hardware and the resulting chemometric model formed by the machine learning system are preferably stored as program code in order to be available for later applications .
Das erfindungsgemäße trainierte maschinelle Lernsystem bildet ein chemometrisches Modell zur Bestimmung einer Konzentration mindestens eines Inhaltsstof fes einer Probe ausgehend von mit einem Spektrometer auf genommenen spektralen Messwerten der Probe . Das erfindungsgemäße maschinelle Lernsystem wurde durch das erfindungsgemäße Verfahren oder durch eine bevorzugte Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens trainiert . Es liegt in Form eines Programmcodes vor . The trained machine learning system according to the invention forms a chemometric model for determining a concentration of at least one ingredient of a sample based on spectral measurement values of the sample recorded with a spectrometer. The machine learning system according to the invention was trained by the method according to the invention or by a preferred embodiment of the method according to the invention. It is available in the form of a program code.
Das erfindungsgemäße Analysegerät dient zur spektralen Analyse mindestens eines Inhaltsstof fes einer Probe . Das Analysegerät umfasst ein Spektrometer zur spektralen Vermessung der Probe . Das Analysegerät ist zur Anwendung eines durch ein trainiertes maschinelles Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells zur Bestimmung einer Konzentration mindestens eines Inhaltsstof fes der Probe ausgehend von mit dem Spektrometer auf genommenen spektralen Messwerten der Probe konfiguriert . Das Spektrometer und das durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell sind aus dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer der beschriebenen bevorzugten Aus führungs formen des erfindungsgemäßen Verfahrens hervorgegangen . Das Analysegerät wurde also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren technisch entworfen bzw . entwickelt . Die Optimierung des Spektrometers und das Anlernen des durch das maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells erfolgten gemeinsam durch das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens . Das Analysegerät weist bevorzugt auch weitere Merkmale auf , die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind . The analysis device according to the invention is used for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample. The analysis device comprises a spectrometer for spectral measurement of the sample. The analysis device is configured to use a chemometric model formed by a trained machine learning system to determine a concentration of at least one ingredient of the sample based on spectral measured values of the sample recorded with the spectrometer. The spectrometer and the chemometric model formed by the trained machine learning system emerged from the method according to the invention or one of the described preferred embodiments of the method according to the invention. The analysis device was therefore technically designed or developed using the method according to the invention. The optimization of the spectrometer and the training of the chemometric model formed by the machine learning system took place together by carrying out the method according to the invention. The analysis device preferably also has further features that are described in connection with the method according to the invention.
Bei bevorzugten Aus führungs formen umfasst das Analysegerät mehrere Komponenten, welche mechanisch voneinander unabhängig sind und eigene Gehäuse aufweisen können . Bevorzugt ist das Spektrometer als ein Handgerät ausgebildet , welches eine der mechanisch voneinander unabhängigen Komponenten bildet . Eine weitere der mechanisch voneinander unabhängigen Komponenten des Analysegerätes ist bevorzugt durch eine Recheneinheit gebildet , welche zur Anwendung des durch ein trainiertes maschinelles Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells konfiguriert ist . Das Spektrometer und die Recheneinheit sind bevorzugt über eine drahtlose Datenverbindung miteinander verbunden . Bei der Recheneinheit kann es sich beispielsweise um ein Smartphone handeln . Weitere Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus führungs formen der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung . Es zeigen : In preferred embodiments, the analysis device comprises a plurality of components which are mechanically independent of one another and can have their own housings. The spectrometer is preferably designed as a handheld device, which forms one of the mechanically independent components. Another of the mechanically independent components of the analysis device is preferably formed by a computing unit which is configured to use the chemometric model formed by a trained machine learning system. The spectrometer and the computing unit are preferably connected to one another via a wireless data connection. The computing unit can be a smartphone, for example. Further details and developments of the invention emerge from the following description of preferred embodiments of the invention, with reference to the drawing. They show:
Fig . 1 : einen Ablaufplan einer ersten bevorzugten Fig . 1 : a flow chart of a first preferred
Aus führungs form eines erfindungsgemäßen Verfahrens ; und Embodiment of a method according to the invention; and
Fig . 2 : einen Ablaufplan einer zweiten bevorzugten Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens . Fig. 2: a flow chart of a second preferred embodiment of the method according to the invention.
Fig . 1 zeigt einen Ablaufplan einer ersten bevorzugten Aus führungs form eines erfindungsgemäßen Verfahrens . Das Verfahren dient zum technischen Entwurf eines Analysegerätes (nicht gezeigt ) zur spektralen Analyse mindestens eines Inhaltsstof fes einer Probe . Das Verfahren führt dazu, dass das zu entwickelnde Analysegerät für eine gegebene Analyseaufgabe optimiert ist . Das Analysegerät umfasst ein Spektrometer (nicht gezeigt ) zur spektralen Vermessung der Probe . DasFig. 1 shows a flow chart of a first preferred embodiment of a method according to the invention. The method is used for the technical design of an analysis device (not shown) for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample. The method results in the analysis device to be developed being optimized for a given analysis task. The analysis device comprises a spectrometer (not shown) for the spectral measurement of the sample. The
Analysegerät ist weiterhin zur Anwendung eines chemometrischen Modells zur Bestimmung einer Konzentration mindestens eines Inhaltsstof fes der Probe ausgehend von mit dem Spektrometer auf genommenen spektralen Messwerten der Probe konfiguriert . Gemäß dem Verfahren werden das Spektrometer und das durch ein maschinelles Lernsystem gebildete chemometrische Modell gemeinsam entwickelt und optimiert . Bei dieser ersten bevorzugten Aus führungs form wird ein Modell der Hardware des Spektrometers verwendet , um das Spektrometer zu entwickeln und zu optimieren . The analysis device is further configured to use a chemometric model to determine a concentration of at least one component of the sample based on spectral measurement values of the sample recorded with the spectrometer. According to the method, the spectrometer and the chemometric model formed by a machine learning system are jointly developed and optimized. In this first preferred embodiment, a model of the hardware of the spectrometer is used to develop and optimize the spectrometer.
In einem vorbereitenden Schritt 01 wird einIn a preparatory step 01, a
Referenzspektrometer bereitgestellt , welches hochauflösend ist und einen Gold-Standard repräsentiert . Das Referenzspektrometer wird so gewählt , dass es j edenfalls eine größere Bandbreite und eine höhere spektrale Auflösung zur Verfügung stellt , als diese für die gegebene Analyseaufgabe notwendig sind . Das zu entwickelnde Spektrometer wird also hinsichtlich seiner Bandbreite und/oder spektralen Auflösung gegenüber dem Referenzspektrometer reduziert sein . Reference spectrometer provided, which is high resolution and represents a gold standard. The reference spectrometer is chosen so that it provides a larger bandwidth and a higher spectral resolution than are necessary for the given analysis task. The spectrometer to be developed will therefore have a reduced bandwidth and/or spectral resolution compared to the reference spectrometer.
In einem weiteren vorbereitenden Schritt 02 werden Referenzproben bereitgestellt , welche gemäß der gegebenen Analyseaufgabe ausgewählt werden . Für die Referenzproben sind Werte von Konzentrationen mindestens eines Inhaltsstof fes der Referenzprobe bekannt . Dabei handelt es sich um den mindestens einen Inhaltsstof f , dessen Konzentration gemäß der gegebenen Analyseaufgabe zu bestimmen ist . Diese für die Referenzproben bekannten Werte stellen Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten dar . In einem weiteren vorbereitenden Schritt 03 werden die Referenzproben 02 mit dem Referenzspektrometer 01 spektral vermessen, sodass in einem nächsten Schritt 04 mehrere Referenzspektraldaten vorliegen, welche später für eine Simulation von spektralen Messungen genutzt werden . In a further preparatory step 02, reference samples are provided which are selected according to the given analysis task. For the reference samples, values of concentrations of at least one ingredient of the reference sample are known. This is the at least one ingredient whose concentration is to be determined according to the given analysis task. These values known for the reference samples represent reference ingredient concentration data. In a further preparatory step 03, the reference samples 02 are spectrally measured with the reference spectrometer 01, so that in a next step 04 several reference spectral data are available which are later used to simulate spectral measurements.
Das Verfahren umfasst mehrere iterativ aus zuführende Schritte 06 , durch welche eine gemeinsame iterative Optimierung des Modells der Hardware des Spektrometers und des chemometrischen Modells in Form des maschinellen Lernsystems erfolgen . The method comprises several iterative steps 06, through which a joint iterative optimization of the model of the hardware of the spectrometer and the chemometric model in the form of the machine learning system takes place.
In einem iterativ aus zuführenden Schritt 07 erfolgt ein Simulieren des spektralen Vermessens von Proben mit dem Spektrometer . Hierzu wird ein Modell der Hardware des Spektrometers genutzt . Das Modell beschreibt die Hardware des Spektrometers durch eine Spezi fikation s (nicht gezeigt ) in Form von Parametern . Die Spezi fikation s (nicht gezeigt ) ist bevorzugt durch einen Vektor gebildet . Eine erste bespielhafte Definition des Vektors ist nachfolgend beschrieben : Ein erster Wert des Vektors s (nicht gezeigt ) ist durch eine mittlere Wellenlänge eines ersten Messkanales des Spektrometers gebildet . Ein zweiter Wert des Vektors s (nicht gezeigt ) ist durch eine Bandbreite des ersten Messkanales des Spektrometers gebildet . Ein dritter Wert des Vektors s (nicht gezeigt ) ist durch eine mittlere Wellenlänge eines zweiten Messkanales des Spektrometers gebildet . Ein vierter Wert des Vektors s (nicht gezeigt ) ist durch eine Bandbreite des zweiten Messkanales des Spektrometers gebildet . Diese Folge der Werte wird entsprechend fortgesetzt . Eine zweite bespielhafte Definition des Vektors ist nachfolgend beschrieben : Ein erster Wert des Vektors s (nicht gezeigt ) ist durch eine mittlere Wellenlänge eines ersten Messkanales des Spektrometers gebildet . Ein zweiter Wert des Vektors s (nicht gezeigt ) ist durch eine Bandbreite des ersten Messkanales des Spektrometers gebildet . Ein dritter Wert des Vektors s (nicht gezeigt ) ist durch eine Amplitude des ersten Messkanales des Spektrometers gebildet . Ein vierter Wert des Vektors s (nicht gezeigt ) ist durch eine mittlere Wellenlänge eines zweiten Messkanales des Spektrometers gebildet . Ein fünfter Wert des Vektors s (nicht gezeigt ) ist durch eine Bandbreite des zweiten Messkanales des Spektrometers gebildet . Ein sechster Wert des Vektors s (nicht gezeigt ) ist durch eine Amplitude des zweiten Messkanales des Spektrometers gebildet . Diese Folge der Werte wird entsprechend fortgesetzt . Das Simulieren der Messungen zur Auf zeichnung von Spektren mit dem j eweils aktuellen Modell der Hardware des Spektrometers erfolgt dadurch, dass der j eweils aktuelle Vektor s (nicht gezeigt ) auf die Referenzspektraldaten 04 angewendet wird, wodurch in einem nächsten Schritt 08 spektrale Trainingsdaten vorliegen . Bei dem erstmaligen Simulieren der Messungen zur Auf zeichnung von Spektren wird von einer initialen Konfiguration des Modells der Hardware des Spektrometers ausgegangen, welche durch einen initialen Vektor So (nicht gezeigt ) repräsentiert wird . In an iterative step 07, the spectral measurement of samples with the spectrometer is simulated. For this purpose, a model of the spectrometer hardware is used. The model describes the spectrometer hardware by a specification (not shown) in Form of parameters. The specification s (not shown) is preferably formed by a vector. A first exemplary definition of the vector is described below: A first value of the vector s (not shown) is formed by an average wavelength of a first measuring channel of the spectrometer. A second value of the vector s (not shown) is formed by a bandwidth of the first measuring channel of the spectrometer. A third value of the vector s (not shown) is formed by an average wavelength of a second measuring channel of the spectrometer. A fourth value of the vector s (not shown) is formed by a bandwidth of the second measuring channel of the spectrometer. This sequence of values is continued accordingly. A second exemplary definition of the vector is described below: A first value of the vector s (not shown) is formed by an average wavelength of a first measuring channel of the spectrometer. A second value of the vector s (not shown) is formed by a bandwidth of the first measuring channel of the spectrometer. A third value of the vector s (not shown) is formed by an amplitude of the first measuring channel of the spectrometer. A fourth value of the vector s (not shown) is formed by a mean wavelength of a second measuring channel of the spectrometer. A fifth value of the vector s (not shown) is formed by a bandwidth of the second measuring channel of the spectrometer. A sixth value of the vector s (not shown) is formed by an amplitude of the second measuring channel of the spectrometer. This sequence of values is continued accordingly. The simulation of the measurements for recording spectra with the current model of the spectrometer hardware is carried out by applying the current vector s (not shown) to the reference spectral data 04, whereby spectral training data are available in a next step 08. When simulating the measurements for recording spectra for the first time, an initial configuration of the model of the spectrometer hardware is assumed, which is represented by an initial vector So (not shown).
Die im Schritt 08 vorgelegten spektralen Trainingsdaten werden in einem Schritt 09 zum Trainieren des durch das maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells verwendet . Nach j eder Durchführung des Schrittes 09 ist das maschinelle Lernsystem trainiert und wird dazu genutzt , aus den spektralen Trainingsdaten den Wert der Konzentration mindestens eines Inhaltsstof fes der Referenzprobe zu prädi zieren . Abweichungen der prädi zierten Werte von den Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten stellen einen Fehler dar, welcher das j eweils aktuelle Modell der Hardware des Spektrometers kennzeichnet . Es wird daher eine obj ektive Funktion definiert , welche für den j eweiligen Vektor s (nicht gezeigt ) die genannten Abweichungen angibt . Aus den genannten Abweichungen ergibt sich in einem Schritt 11 der Wert einer Eignungskenngröße , welcher in einem Schritt 12 auf eine Bedingung geprüft wird . Diese Bedingung bildet die Abbruchbedingung für die iterativ aus zuführenden Schritte 06 . Diese bevorzugt vorab festgelegte Abbruchbedingung definiert , ab wann das Modell der Hardware des Spektrometers und das durch das maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell als ausreichend optimiert angesehen werden, um die gegebene Analyseaufgabe zu erfüllen . The spectral training data presented in step 08 are used in a step 09 to train the chemometric model formed by the machine learning system. After each execution of step 09, the machine learning system is trained and is used to predict the value of the concentration of at least one ingredient in the reference sample from the spectral training data. Deviations of the predicted values from the reference ingredient concentration data represent an error which characterizes the current model of the spectrometer hardware. An objective function is therefore defined which indicates the aforementioned deviations for the respective vector s (not shown). The aforementioned deviations result in the value of a suitability parameter in a step 11, which is checked for a condition in a step 12. This condition forms the termination condition for the iteratively executed steps 06. This preferably predefined stopping condition defines when the model of the spectrometer hardware and the chemometric model formed by the machine learning system are considered sufficiently optimized to perform the given analysis task.
Ergibt die Prüfung in dem Schritt 12 , dass die Eignungskenngröße die Bedingung noch nicht erfüllt , so werden in einem Schritt 13 geänderte Parameter für das Modell der Hardware des Spektrometers bestimmt , um die oben beschriebene obj ektive Funktion und somit auch die Eignungskenngröße zu verbessern . Entsprechend wird in einer t-ten Iteration 06 ein Vektor st (nicht gezeigt ) bestimmt , wofür bevorzugt nicht lediglich der unmittelbar zuvor bestimmte Vektor st-i (nicht gezeigt ) sondern sämtliche zuvor bestimmte Vektoren So bis st-i (nicht gezeigt ) berücksichtigt werden . If the test in step 12 shows that the suitability parameter does not yet fulfill the condition , then in a step 13 modified parameters for the model of the spectrometer hardware are determined in order to achieve the objective function described above and thus also the suitability parameter . improve. Accordingly, in a t-th iteration 06 a vector s t (not shown) is determined, for which preferably not only the immediately previously determined vector s t -i (not shown) but all previously determined vectors So to s t -i (not shown) are taken into account.
Das im Schritt 13 erfolgende Bestimmen von modi fi zierten Parametern für das Modell der Hardware des Spektrometers stellt eine Optimierung dieser Parameter dar, wofür bevorzugt eine oder mehrere Optimierungstechniken aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden : Nelder-Mead-Verfahren, Bayessche Optimierung, Rastersuche , Zufallssuche , gradientenfreie Optimierung, optimale Versuchsplanung, Methoden des maschinellen Lernens , Greedy-Algorithmen und evolutionäre Algorithmen . Das Modell des Spektrometers umfasst bevorzugt mehrere Beschränkungen, wie eine minimale Bandbreite , eine maximale Bandbreite , eine minimale Wellenlänge und eine maximale Wellenlänge , welche bei der Optimierung der Parameter im Vektor st (nicht gezeigt ) berücksichtigt werden . The determination of modified parameters for the model of the hardware of the spectrometer in step 13 represents an optimization of these parameters, for which one or more optimization techniques are preferably selected from the following group: Nelder-Mead method, Bayesian optimization, grid search, random search, gradient-free optimization, optimal experimental design, machine learning methods, greedy algorithms and evolutionary algorithms. The model of the spectrometer preferably comprises several constraints, such as a minimum bandwidth, a maximum bandwidth, a minimum wavelength and a maximum wavelength, which are taken into account when optimizing the parameters in the vector s t (not shown).
In einem Schritt 14 werden die veränderten Parameter des Modells der Hardware des Spektrometers , d . h . der Vektor st (nicht gezeigt ) für den erneut aus zuführenden Schritt 07 des Simulierens des spektralen Vermessens aktualisiert . In a step 14, the changed parameters of the model of the hardware of the spectrometer, i.e. the vector s t (not shown), are updated for the step 07 to be carried out again for simulating the spectral measurement.
Ergibt die Prüfung in dem Schritt 12 , dass die Eignungskenngröße die Bedingung erfüllt , so sind die iterativ ausgeführten Schritte 06 abgeschlossen . In einem Schritt 16 liegen nun das optimierte Modell der Hardware des Spektrometers und das durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell vor, sodass das Verfahren insgesamt abgeschlossen ist . Zum Herstellen desIf the test in step 12 shows that the suitability parameter meets the condition, the iteratively executed steps 06 are completed. In a step 16, the optimized model of the spectrometer hardware and the chemometric model formed by the trained machine learning system are now available, so that the process as a whole is completed. To produce the
Analysegerätes ist ein Spektrometer gemäß dem optimierten Modell der Hardware des Spektrometers herzustellen und das durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell ist in dem herzustellenden Analysegerät zu implementieren . Das so hergestellte Analysegerät ist bestens für die gegebene Analyseaufgabe geeignet und das Spektrometer ist weit weniger aufwändig als das Referenzspektrometer gemäß dem Gold-Standard, sodass das Analysegerät kostengünstig herstellbar ist . The analyzer is a spectrometer according to the optimized A model of the spectrometer hardware is to be produced and the chemometric model formed by the trained machine learning system is to be implemented in the analytical device to be manufactured. The analytical device produced in this way is ideally suited to the given analytical task and the spectrometer is far less complex than the reference spectrometer according to the gold standard, so that the analytical device can be manufactured cost-effectively.
Fig . 2 zeigt einen Ablaufplan einer zweiten bevorzugten Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens . Diese zweite bevorzugte Aus führungs form dient ebenso wie die erste bevorzugte Aus führungs form zum technischen Entwurf eines Analysegerätes (nicht gezeigt ) zur spektralen Analyse mindestens eines Inhaltsstof fes einer Probe . Diese zweite bevorzugte Aus führungs form führt ebenso dazu, dass das zu entwickelnde Analysegerät für eine gegebene Analyseaufgabe optimiert ist . Das zu entwickelnde Analysegerät ist in gleicher Weise aufgebaut , wie dies für die erste bevorzugte Aus führungs form beschrieben wurde . Im Unterschied zur ersten bevorzugten Aus führungs form wird bei der zweiten bevorzugten Aus führungs form die Hardware des Spektrometers in j eder Iteration physisch j eweils als ein Testexemplar bereitgestellt , um das Spektrometer zu entwickeln und zu optimieren . Fig. 2 shows a flow chart of a second preferred embodiment of the method according to the invention. This second preferred embodiment, like the first preferred embodiment, serves for the technical design of an analysis device (not shown) for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample. This second preferred embodiment also results in the analysis device to be developed being optimized for a given analysis task. The analysis device to be developed is constructed in the same way as was described for the first preferred embodiment. In contrast to the first preferred embodiment, in the second preferred embodiment the hardware of the spectrometer is physically provided as a test copy in each iteration in order to develop and optimize the spectrometer.
In einem vorbereitenden Schritt 21 werden Referenzproben bereitgestellt , welche gemäß der gegebenen Analyseaufgabe ausgewählt werden . Für die Referenzproben sind Werte von Konzentrationen mindestens eines Inhaltsstof fes der Referenzprobe bekannt . Dabei handelt es sich um den mindestens einen Inhaltsstof f , dessen Konzentration gemäß der gegebenen Analyseaufgabe zu bestimmen ist . Diese für die Referenzproben bekannten Werte stellen Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten dar . In a preparatory step 21, reference samples are provided which are selected according to the given analysis task. Values of concentrations of at least one ingredient of the reference sample are known for the reference samples. This is the at least one ingredient whose concentration is to be determined according to the given analysis task. These values for the reference samples Known values represent reference ingredient concentration data.
Auch die zweite bevorzugte Aus führungs form des Verfahrens umfasst mehrere iterativ aus zuführende Schritte 22 , durch welche eine gemeinsame iterative Optimierung der Hardware des Spektrometers und des chemometrischen Modells in Form des maschinellen Lernsystems erfolgen . The second preferred embodiment of the method also comprises several iterative steps 22, through which a joint iterative optimization of the hardware of the spectrometer and the chemometric model in the form of the machine learning system takes place.
In einem iterativ aus zuführenden Schritt 23 erfolgt ein Herstellen eines Testexemplars der Hardware des Spektrometers . Das Testexemplar ist durch eine Spezi fikation s (nicht gezeigt ) in Form von Parametern definiert . Die Spezi fikation s (nicht gezeigt ) ist bevorzugt durch einen Vektor gebildet , wie er für die erste bevorzugte Aus führungs form beschrieben ist . Die Spezi fikation umfasst bevorzugt auch Geräteparameter für ein Signalrauschen und Toleranzen des Spektrometers , die aber durch die iterativ aus zuführende Schritte 22 nicht verändert werden . Im Ergebnis der Herstellung liegt in einem Schritt 24 das j eweilige Testexemplar der Hardware des Spektrometers physisch vor . Das erste herzustellende Testexemplar der Hardware des Spektrometers wird gemäß einem initialen Vektor So hergestellt . In an iteratively executed step 23, a test copy of the spectrometer hardware is produced. The test copy is defined by a specification s (not shown) in the form of parameters. The specification s (not shown) is preferably formed by a vector as described for the first preferred embodiment. The specification preferably also includes device parameters for signal noise and tolerances of the spectrometer, which, however, are not changed by the iteratively executed steps 22. As a result of the production, the respective test copy of the spectrometer hardware is physically available in a step 24. The first test copy of the spectrometer hardware to be produced is produced according to an initial vector So.
In einem nächsten Schritt 26 wird das aktuelle Testexemplar der Hardware des Spektrometers verwendet , um die Referenzproben spektral zu vermessen, wodurch spektrale Messwerte erhalten werden, welche die in einem Schritt 27 vorliegenden spektralen Trainingsdaten bilden . In a next step 26, the current test specimen of the spectrometer hardware is used to spectrally measure the reference samples, thereby obtaining spectral measurement values which form the spectral training data available in a step 27.
Die im Schritt 27 vorgelegten spektralen Trainingsdaten werden in einem Schritt 28 zum Trainieren des durch das maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells verwendet . Nach j eder Durchführung des Schrittes 28 ist das maschinelle Lernsystem trainiert und wird dazu genutzt , aus den spektralen Trainingsdaten den Wert der Konzentration mindestens eines Inhaltsstof fes der Referenzproben zu prädi zieren . Abweichungen der prädi zierten Werte von den Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten stellen einen Fehler dar, welcher das j eweils aktuelle Testexemplar der Hardware des Spektrometers kennzeichnet . Es wird daher eine obj ektive Funktion definiert , welche für den j eweiligen Vektor s (nicht gezeigt ) die genannten Abweichungen angibt . Aus den genannten Abweichungen ergibt sich in einem Schritt 29 der Wert einer Eignungskenngröße , welcher in einem Schritt 31 auf eine Bedingung geprüft wird . Diese Bedingung bildet die Abbruchbedingung für die iterativ aus zuführenden Schritte 22 . Diese bevorzugt vorab festgelegte Abbruchbedingung definiert , ab wann das Testexemplar der Hardware des Spektrometers und das durch das maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell als ausreichend optimiert angesehen werden, um die gegebene Analyseaufgabe zu erfüllen . The spectral training data presented in step 27 are used in a step 28 to train the chemometric model formed by the machine learning system. After Each time step 28 is carried out, the machine learning system is trained and is used to predict the value of the concentration of at least one ingredient in the reference samples from the spectral training data. Deviations of the predicted values from the reference ingredient concentration data represent an error which characterizes the current test specimen of the spectrometer hardware. An objective function is therefore defined which indicates the said deviations for the respective vector s (not shown). The said deviations result in a step 29 in the value of a suitability parameter which is checked for a condition in a step 31. This condition forms the termination condition for the iteratively executed steps 22. This preferably predefined termination condition defines at what point the test specimen of the spectrometer hardware and the chemometric model formed by the machine learning system are considered sufficiently optimized to fulfill the given analysis task.
Ergibt die Prüfung in dem Schritt 31 , dass die Eignungskenngröße die Bedingung noch nicht erfüllt , so werden in einem Schritt 32 geänderte Parameter für das nächste herzustellende Testexemplar der Hardware des Spektrometers bestimmt , um die oben beschriebene obj ektive Funktion und somit auch die Eignungskenngröße zu verbessern . Entsprechend wird in einer t- ten Iteration 22 ein Vektor st (nicht gezeigt ) bestimmt , wofür bevorzugt nicht lediglich der unmittelbar zuvor bestimmte Vektor st-i (nicht gezeigt ) sondern sämtliche zuvor bestimmte Vektoren So bis st-i (nicht gezeigt ) berücksichtigt werden . If the test in step 31 shows that the suitability parameter does not yet meet the condition, then in a step 32 modified parameters are determined for the next test example of the spectrometer hardware to be produced in order to improve the objective function described above and thus also the suitability parameter. Accordingly, in a t-th iteration 22 a vector s t (not shown) is determined, for which preferably not only the immediately previously determined vector s t -i (not shown) but all previously determined vectors So to s t -i (not shown) are taken into account.
Das im Schritt 32 erfolgende Bestimmen von modi fi zierten Parametern für das nächste herzustellende Testexemplar der Hardware des Spektrometers stellt eine Optimierung dieser Parameter dar, wofür bevorzugt eine oder mehrere Optimierungstechniken aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden : Nelder-Mead-Verfahren, Bayessche Optimierung, optimale Versuchsplanung, Methoden des maschinellen Lernens , Greedy- Algorithmen und evolutionäre Algorithmen . Für das Testexemplar sind bevorzugt mehrere Beschränkungen definiert ; wie eine minimale Bandbreite , eine maximale Bandbreite , eine minimale Wellenlänge und eine maximale Wellenlänge , welche bei der Optimierung der Parameter im Vektor st (nicht gezeigt ) berücksichtigt werden . The determination of modified parameters for the next test specimen of the Hardware of the spectrometer represents an optimization of these parameters, for which one or more optimization techniques are preferably selected from the following group: Nelder-Mead method, Bayesian optimization, optimal design of experiments, machine learning methods, greedy algorithms and evolutionary algorithms. For the test specimen, several constraints are preferably defined; such as a minimum bandwidth, a maximum bandwidth, a minimum wavelength and a maximum wavelength, which are taken into account when optimizing the parameters in the vector s t (not shown).
In einem Schritt 33 werden die veränderten Parameter, d . h . der Vektor st (nicht gezeigt ) für den erneut aus zuführenden Schritt 23 des Herstellens eines Testexemplars der Hardware des Spektrometers aktualisiert . In a step 33, the changed parameters, i.e. the vector s t (not shown), are updated for the re-executed step 23 of producing a test copy of the spectrometer hardware.
Ergibt die Prüfung in dem Schritt 31 , dass die Eignungskenngröße die Bedingung erfüllt , so sind die zuvor iterativ ausgeführten Schritte 22 abgeschlossen . In einem Schritt 34 liegen nun das optimierte Testexemplar der Hardware des Spektrometers und das durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell vor, sodass das Verfahren insgesamt abgeschlossen ist . Zum Herstellen des Analysegerätes ist ein dem optimierten Testexemplar gleichendes Spektrometer herzustellen und das durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell ist in dem herzustellenden Analysegerät zu implementieren . Das so hergestellte Analysegerät ist bestens für die gegebene Analyseaufgabe geeignet und das Spektrometer ist weit weniger aufwändig als ein Referenzspektrometer gemäß dem Gold-Standard, sodass das Analysegerät kostengünstig herstellbar ist . Bezugszeichenliste If the test in step 31 shows that the suitability parameter satisfies the condition, the previously iterative steps 22 are completed. In a step 34, the optimized test example of the spectrometer hardware and the chemometric model formed by the trained machine learning system are now available, so that the process as a whole is complete. To manufacture the analysis device, a spectrometer identical to the optimized test example must be manufactured and the chemometric model formed by the trained machine learning system must be implemented in the analysis device to be manufactured. The analysis device manufactured in this way is ideally suited to the given analysis task and the spectrometer is far less complex than a reference spectrometer according to the gold standard, so that the analysis device can be manufactured cost-effectively. List of reference symbols
01 Referenzspektrometer 01 Reference spectrometer
02 Referenzproben 02 Reference samples
03 Auf zeichnung von Spektren 03 Recording spectra
04 Referenzspektraldaten 04 Reference spectral data
05 05
06 iterative Optimierung 06 iterative optimization
07 Simulieren der Auf zeichnung 07 Simulating the recording
08 spektrale Trainingsdaten 08 spectral training data
09 Trainieren 09 Training
10 10
11 Eignungskenngröße 11 Suitability indicator
12 Bedingung 12 Condition
13 Bestimmen von geänderten Parametern 13 Determining changed parameters
14 Parameteraktualisierung 14 Parameter update
15 15
16 trainiertes Lernsystem und optimiertes Modell16 trained learning system and optimized model
17 17
18 18
19 19
20 20
21 Referenzproben 21 reference samples
22 iterative Optimierung 22 iterative optimization
23 Herstellen eines Testexemplars 23 Making a test copy
24 Testexemplar 24 test copies
25 25
26 Messung von Spektren 26 Measurement of spectra
27 spektrale Trainingsdaten 27 spectral training data
28 Trainieren 28 Training
29 Eignungskenngröße 30 29 Suitability indicator 30
31 Bedingung 31 Condition
32 Bestimmen von geänderten Parametern 32 Determining changed parameters
33 Parameteraktualisierung 34 trainiertes Lernsystem und optimiertes Testexemplar 33 Parameter update 34 trained learning system and optimized test specimen

Claims

Patentansprüche Verfahren zum technischen Entwurf eines Analysegerätes zur spektralen Analyse mindestens eines Inhaltsstoffes einer Probe, wobei das Analysegerät ein Spektrometer zur spektralen Vermessung der Probe umfasst, wobei das Analysegerät weiterhin zur Anwendung eines durch ein trainiertes maschinelles Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells zur Bestimmung einer Konzentration mindestens eines Inhaltsstoffes der Probe ausgehend von mit dem Spektrometer auf genommenen spektralen Messwerten der Probe konfiguriert ist; und wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Patent claims Method for the technical design of an analysis device for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample, wherein the analysis device comprises a spectrometer for spectral measurement of the sample, wherein the analysis device is further configured to use a chemometric model formed by a trained machine learning system to determine a concentration of at least one ingredient of the sample based on spectral measurement values of the sample recorded with the spectrometer; and wherein the method comprises the following steps:
- Auswahl einer initialen Konfiguration einer Repräsentation einer Hardware des Spektrometers; - Selection of an initial configuration of a hardware representation of the spectrometer;
- iteratives Ausführen der folgenden Schritte: o Anwenden (07; 26) der jeweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers, wodurch spektrale Trainingsdaten (08; 27) erhalten werden, wobei beim Anwenden (07; 26) der jeweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers ein spektrales Vermessen von Referenzproben (21) erfolgt oder ein spektrales Vermessen von Referenzproben (21) mit einem Modell des Spektrometers simuliert wird; o Trainieren (09; 28) des durch ein maschinelles Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells mit den spektralen Trainingsdaten (08; 27) ; o Anwenden des durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells, um einen Wert mindestens einer Eignungskenngröße (11; 29) für die jeweils aktuelle Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers zu bestimmen, und o Modifizieren (13; 32) der jeweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers . Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ausführen der iterativ auszuführenden Schritte diejenige der angewendeten Konfigurationen der Repräsentation der Hardware des Spektrometers ausgewählt wird, deren Wert von einer der mindestens einen Eignungskenngröße (11, 29) einer bestmöglichen Eignung entspricht . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem iterativ auszuführenden Schritt des Modifizierens (13; 32) der jeweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers die Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers innerhalb eines vordefinierten Rahmens modifiziert wird, wobei dieser iterativ auszuführende Schritt so oft wiederholt wird, bis ein hierfür vordefiniertes Budget erschöpft ist, welches durch eine Anzahl der durchzuführenden Iterationen und/oder durch eine Zeitdauer zur Durchführung der Iterationen definiert ist. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die iterativ auszuführenden Schritte so oft wiederholt werden, bis der Wert der Eignungskenngröße (11, 29) für die jeweils aktuelle Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers einen vorbestimmten Grenzwert zumindest erreicht hat. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Modifizieren (13; 32) der jeweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers unter Nutzung mindestens eines der zuvor bestimmten Werte der mindestens einen Eignungskenngröße (11; 29) erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Repräsentation der Hardware des Spektrometers durch das Modell der Hardware des Spektrometers gebildet ist, wobei das Verfahren folgenden weiteren Schritt umfasst: - iteratively carrying out the following steps: o applying (07; 26) the respective current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, whereby spectral training data (08; 27) are obtained, wherein when applying (07; 26) the respective current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, a spectral measurement of reference samples (21) is carried out or a spectral measurement of reference samples (21) is simulated with a model of the spectrometer; o training (09; 28) the chemometric model formed by a machine learning system with the spectral training data (08; 27); o applying the chemometric model formed by the trained machine learning system to determine a value of at least one suitability parameter (11; 29) for the respective current configuration of the Representation of the hardware of the spectrometer, and o modifying (13; 32) the respective current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer. Method according to claim 1, characterized in that after carrying out the iteratively carried out steps, that of the applied configurations of the representation of the hardware of the spectrometer is selected whose value of one of the at least one suitability parameter (11, 29) corresponds to the best possible suitability. Method according to claim 1 or 2, characterized in that in the iteratively carried out step of modifying (13; 32) the respective current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, the configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is modified within a predefined framework, this iteratively carried out step being repeated until a budget predefined for this purpose is exhausted, which budget is defined by a number of iterations to be carried out and/or by a time period for carrying out the iterations. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the steps to be carried out iteratively are repeated until the value of the suitability parameter (11, 29) for the respective current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer has at least reached a predetermined limit value. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the modification (13; 32) of the respective current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer is carried out using at least one of the previously determined values of the at least one suitability parameter (11; 29). Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the representation of the hardware of the spectrometer is formed by the model of the hardware of the spectrometer, the method comprising the following further step:
- Bereitstellen von Referenzdaten, welche eine Reihe von Referenzspektraldaten (04) umfassen, denen eine Reihe von Referenzinhaltsstoffkonzentrationsdaten zugeordnet ist ; wobei der iterativ auszuführende Schritt des Anwendens der jeweils aktuellen Konfiguration des Modells der Hardware des Spektrometers eine Simulation (07) eines spektralen Vermessens der Probe umfasst, wobei bei den Simulationen (07) die jeweilige Konfiguration des Modells der Hardware des Spektrometers auf die Referenzspektraldaten (04) angewendet wird, wodurch spektrale Simulationsmesswerte erhalten werden, welche die spektralen Trainingsdaten (08) bilden, sodass durch das Anwenden des durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells Simulationsmesswerte der Konzentrationen des Inhaltsstoffes erhalten werden, die mit den Referenzinhaltsstoffkonzentrationsdaten verglichen werden, um jeweils den Wert der mindestens einen Eignungskenngröße (11) zu bestimmen. Verfahren nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet , dass es folgende weitere Schritte umfasst : - Providing reference data which comprises a series of reference spectral data (04) to which a series of reference ingredient concentration data is assigned; wherein the iteratively carried out step of applying the respective current configuration of the model of the hardware of the spectrometer comprises a simulation (07) of a spectral measurement of the sample, wherein in the simulations (07) the respective configuration of the model of the hardware of the spectrometer is applied to the reference spectral data (04), whereby spectral simulation measured values are obtained which form the spectral training data (08), so that by applying the chemometric model formed by the trained machine learning system, simulation measured values of the concentrations of the ingredient are obtained which are compared with the reference ingredient concentration data in order to determine the value of the at least one suitability parameter (11) in each case. Method according to claim 6 , characterized in that it comprises the following further steps :
- Bestimmen einer herstellungsbedingten Hardwareabweichung zwischen dem Modell der Hardware des Spektrometers und einer gemäß dem Modell der Hardware des Spektrometers hergestellten Hardware des Spektrometers ; und - determining a manufacturing-related hardware deviation between the spectrometer hardware model and a spectrometer hardware manufactured according to the spectrometer hardware model; and
- Berücksichtigen der herstellungsbedingten Hardwareabweichung bei dem iterativ aus zuführenden Schritt des Anwendens ( 07 ) der j eweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers . Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet , dass bei der iterativ durchzuführenden Simulation ( 07 ) des spektralen Vermessens der Probe sich verändernde Messbedingungen berücksichtigt werden, um erweiterte spektrale Trainingsdaten ( 08 ) zu erhalten, wobei die sich verändernden Messbedingungen einen Abstand zwischen der Probe und dem Spektrometer, eine Luftfeuchte und/oder eine Temperatur im Bereich der Probe und/oder des Spektrometers umfassen . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet , dass die Repräsentation der Hardware des Spektrometers durch ein Testexemplar ( 24 ) der Hardware des Spektrometers gebildet ist , wobei das Verfahren folgenden weiteren Schritt umfasst : - Taking into account the manufacturing-related hardware deviation in the iteratively performed step of applying (07) the respective current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer. Method according to claim 6 or 7, characterized in that in the iteratively performed simulation (07) of the spectral measurement of the sample, changing measurement conditions are taken into account in order to obtain extended spectral training data (08), wherein the changing measurement conditions include a distance between the sample and the spectrometer, an air humidity and/or a temperature in the area of the sample and/or the spectrometer. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the representation of the hardware of the spectrometer is formed by a test copy (24) of the hardware of the spectrometer, wherein the method comprises the following further step:
- Bereitstellen der Referenzproben ( 21 ) , für welche die Werte der Konzentration des Inhaltsstof fes j eweils bekannt sind, sodass diese Werte Referenzinhaltsstof fkonzentrationsdaten bilden; wobei der iterativ aus zuführende Schritt des Anwendens der j eweils aktuellen Konfiguration des Testexemplars ( 24 ) Messungen (26) der Referenzproben mit der jeweils aktuellen Konfiguration des Testexemplars (24) der Hardware des Spektrometers umfassen, wodurch spektrale Messwerte erhalten werden, welche die spektralen Trainingsdaten (27) bilden, sodass durch das Anwenden des durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells Messwerte der Konzentrationen des Inhaltsstoffes erhalten werden, die mit den Referenzinhaltsstoffkonzentrationsdaten verglichen werden, um jeweils den Wert der mindestens einen Eignungskenngröße (29) zu bestimmen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers mindestens einen Parameter des Spektrometers definiert; wobei die Parameter mindestens einen Messkanal des Spektrometers spezifizieren; wobei der mindestens eine Parameter durch eine Peakwellenlänge, eine Schwerpunktwellenlänge, eine mittlere Wellenlänge, eine Bandbreite, eine Halbwertsbreite, einen Kurvenformparameter oder einen Spitzenwert des mindestens einen Messkanales gebildet ist; und wobei beim Modifizieren (13; 32) der jeweils aktuellen Konfiguration der Repräsentation der Hardware des Spektrometers einer oder mehrere der Parameter und/oder eine Anzahl der Messkanäle verändert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Repräsentation der Hardware des Spektrometers mindestens eine Beschränkung definiert, welche durch eine minimale Peakwellenlänge, durch eine maximale Peakwellenlänge, durch eine minimale Schwerpunktwellenlänge, durch eine maximale Schwerpunktwellenlänge , durch eine minimale mittlere Wellenlänge , durch eine maximale mittlere Wellenlänge , durch eine minimale Bandbreite , durch eine maximale Bandbreite , durch eine minimale Halbwertsbreite , durch eine maximale Halbwertsbreite , durch einen minimalen Kurvenformparameter, durch einen maximalen Kurvenformparameter, durch einen minimalen Spitzenwert , durch einen maximalen Spitzenwert , durch eine minimale Wellenlängendi f ferenz zwischen einem Wellenlängenparameter eines der Messkanäle und einem entsprechenden Wellenlängenparameter eines anderen der Messkanäle oder durch eine maximale Wellenlängendi f ferenz zwischen einem Wellenlängenparameter eines der Messkanäle und einem entsprechenden Wellenlängenparameter eines anderen der Messkanäle gebildet ist . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet , dass die Repräsentation der Hardware des Spektrometers weiterhin mindestens einen Geräteparameter definiert , welcher ein Signalrauschen, ein Bandbreite- Rauschen, ein Halbwertsbreite-Rauschen, eine Messabweichung oder eine Toleranz des Spektrometers repräsentiert . Computerprogrammprodukt zum technischen Entwurf eines Analysegerätes zur Analyse mindestens eines Inhaltsstof fes einer Probe , wobei das Computerprogrammprodukt ein Computer-lesbares Speichermedium umfasst , welches darauf gespeicherte Programminstruktionen aufweist , wobei die Programminstruktionen durch einen oder mehrere Computer oder Steuereinheiten aus führbar sind und den einen oder die mehreren Computer oder Steuereinheiten dazu veranlasst , das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aus zuführen . Trainiertes maschinelles Lernsystem, welches durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 trainiert wurde . Analysegerät zur spektralen Analyse mindestens eines Inhaltsstof fes einer Probe , welches ein Spektrometer zur spektralen Vermessung der Probe umfasst und zur Anwendung eines durch ein trainiertes maschinelles Lernsystem gebildeten chemometrischen Modells zur Bestimmung einer Konzentration mindestens eines Inhaltsstof fes der Probe ausgehend von mit dem Spektrometer auf genommenen spektralen- providing the reference samples (21) for which the values of the concentration of the ingredient are known, so that these values form reference ingredient concentration data; wherein the iteratively performed step of applying the respective current configuration of the test specimen (24) Measurements (26) of the reference samples with the respective current configuration of the test specimen (24) of the hardware of the spectrometer, whereby spectral measurement values are obtained which form the spectral training data (27), so that by applying the chemometric model formed by the trained machine learning system, measurement values of the concentrations of the ingredient are obtained which are compared with the reference ingredient concentration data in order to determine the value of the at least one suitability parameter (29) in each case. Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the respective configuration of the representation of the hardware of the spectrometer defines at least one parameter of the spectrometer; wherein the parameters specify at least one measuring channel of the spectrometer; wherein the at least one parameter is formed by a peak wavelength, a center wavelength, a mean wavelength, a bandwidth, a half-width, a curve shape parameter or a peak value of the at least one measuring channel; and wherein when modifying (13; 32) the respective current configuration of the representation of the hardware of the spectrometer, one or more of the parameters and/or a number of the measurement channels are changed. Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the representation of the hardware of the spectrometer defines at least one restriction which is defined by a minimum peak wavelength, by a maximum peak wavelength, by a minimum center of gravity wavelength, by a maximum Center of gravity wavelength, by a minimum mean wavelength, by a maximum mean wavelength, by a minimum bandwidth, by a maximum bandwidth, by a minimum half-width, by a maximum half-width, by a minimum curve shape parameter, by a maximum curve shape parameter, by a minimum peak value, by a maximum peak value, by a minimum wavelength difference between a wavelength parameter of one of the measuring channels and a corresponding wavelength parameter of another of the measuring channels, or by a maximum wavelength difference between a wavelength parameter of one of the measuring channels and a corresponding wavelength parameter of another of the measuring channels. Method according to one of claims 1 to 11, characterized in that the representation of the hardware of the spectrometer further defines at least one device parameter which represents signal noise, bandwidth noise, half-width noise, measurement deviation or tolerance of the spectrometer. Computer program product for the technical design of an analysis device for analyzing at least one ingredient of a sample, wherein the computer program product comprises a computer-readable storage medium having program instructions stored thereon, wherein the program instructions are executable by one or more computers or control units and cause the one or more computers or control units to carry out the method according to one of claims 1 to 12. Trained machine learning system which has been trained by a method according to one of claims 1 to 12. Analysis device for the spectral analysis of at least one ingredient of a sample, which comprises a spectrometer for spectral measurement of the sample and for applying a chemometric model formed by a trained machine learning system to determine a concentration of at least one ingredient of the sample based on spectral data recorded with the spectrometer.
Messwerten der Probe konfiguriert ist , dadurch gekennzeichnet , dass das Spektrometer und das durch das trainierte maschinelle Lernsystem gebildete chemometrische Modell aus dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hervorgegangen sind . Measurement values of the sample, characterized in that the spectrometer and the chemometric model formed by the trained machine learning system have emerged from the method according to one of claims 1 to 12.
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