JPH06503882A - 近赤外領域を利用して測定を行なう機器において、定量的な結果が得られる合成スペクトルを生成する方法と手段 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 近赤外領域を利用して測定を行なう機器において、定量的な結果が得られる合成 スペクトルを生成する方法と手段４訂」遣 ［肚氏１ 本発明は、近赤外領域で定量的な測定を行なう機器の改良に関するものであり、 特にこの機器で合成スペクトルを生成する方法と手段に関するものである。

１　び　の　′ 近赤外領域の測定を定量的に行なう機器は２０年位前から使用することができた 。これらの機器は、多くの異なるタイプの物質からなる化学成分の測定用として は非常に精度が高く、使い易いものとして知られている。例えば、近赤外領域の 機器は、通常、農業工学では大麦や小麦の蛋白質を決定するために使用され、食 品工業では、食品内の様々な有機成分を測定するために使用される。また化学プ ロセス工業では、生成した製品内の化学成分を見分けるために使用され、医学の 分野では、脂肪質の割合のような項目を、向見的な方法を用いずに決定するため に使用される。

近赤外の測定機器には一般的なタイプが３つある。反射型の機器では通常１，１ ００ナノメーターから２，５００ナノメーターまでの領域の測定を行なうことが でき、表面が均質な物質を正確に測定することができ、製品の片面だけを測定す ればよいようになっている。トランスミッション・タイプの機器では、６００ナ ノメーターから１，１００ナノメーターでの測定を行なうことができ、測定対象 の製品の両側に対するアクセスが可能ならば、サンプルを調製しなくても、はと んど全てのタイプの製品を測定することができる。第三のタイプの近赤外機器は 、相互作用的なタイプのもので１通常６００から１，１００ナノメーターまでの 領域の測定を行なうことができる。このタイプの機器では、光線が製品に当たり 、同一面上からの反射光をいくらか離れた距離から測定するようになっている。

上述したタイプの近赤外測定機器では全て、ディスクリート・フィルター・タイ プかフル・スキャンニング型の機器が使用されている。フィルター・タイプを使 用した例が米国特許第４，２８６，３２７号に記述されている。

多くの適用結果では、ディスクリート・フィルター型でもフル・スキャンニング 型の機器でも同様な結果が得られている。しかしながら、典型的なディスクリー ト・フィルター型の機器だと十分な情報を得ることができない場合がある。例え ば、パーシャルな最小二乗法や主成分分析などの高級な数学手法を適用する場合 である。このような場合、係数をめるためには多くの波長が必要である。

フル・スキャンニング型の機器の主要な欠点の一つは、ディスクリート・フィル ター型の機器よりもかなり高価だということである。ディスクリート・フィルタ ー型の機器でも、スキャンニング型の機器と同じ位の感度と融通性を得られる技 術を開発できることが望ましい。米国特許第４，６２７，００８号にひとつのア プローチが記述されている。ディスクリート・フィルター型の機器を使用して合 成スペクトルを得るために、曲線補間を使用している。

しかしながら、低価格の携帯型機器で血液中のグルコースの水準を非内見的に測 定する場合のような非常に微妙な成分の測定では、多くの波長でスペクトルの正 確な知識が要求される。上述の特許では、意味のある定量値を得るために、この ようなスペクトルを生成しなければならない。

米国特許第４．２８６，３２７号では、前段に各々別々の狭域のバンドパスフィ ルターを備えた赤外線発光ダイオードのグループが備わっており、連続的に点灯 し、意味のある情報を生成するようになっている。この種の特許では、各波長が 測定できるように、バンドパスフィルターが必要である。しかしながら、広域の スペクトル情報が必要な低価格の携帯型機器では、狭域のバンドパスフィルター を幾つも用意することは本質的に非現実的である。低価格でなければならないこ とに加えて、大きさの制約もあり、このようなアプローチは不可能である。

例えば、研究結果では、何人かの被験者では、６４０ナノメーターと１，０００ ナノメーターの間の波長を組み合わせることによって、血中のグルコースの正確 な測定値が得られている。この研究ではまた、体質は人によって異なるので、人 によって異なる波長の組合せが要求されることが示されている。例えば、コレス テロールかグルコースの測定を行ないたい場合には、これらの成分は、体中の水 や脂肪、蛋白質に比べて微小な量なので、複数の波長によらずに測定することは 困難である。したがって、上述の特許では、低コストで、携帯型で、簡単な機器 であるだけでなく、広範な個体群に対して適用可能なものにするために、６４０ ナノメーターから１，０００ナノメーターまで１ナノメーター毎に波長を表わせ るようにしなければならないことになる。

兄涯りどＬ約 本発明は、定量的に近赤外域の測定を行なう機器で使用するために、合成スペク トルを生成する方法と手段に関するものである。この方法は、曲線補間型の機器 で使用することができ、デュアル・チップの赤外線発光ダイオードを使用するこ とによって、一つの赤外線発光ダイオードから二つの波長を得ることができ、一 つの赤外線発光ダイオードに二重性のバンドパスフィルターを使用することによ って、多様なアウトプットを得ることができる。また許容差が非常に狭い二つの 波長を、ひとつの赤外線発光ダイオードから得ることができる。

及朋迎ｍ風朋 図１の（Ａ）には、−人目の験体の血中のグルコース値が示されている。

図１の（Ｂ）と（Ｃ）には１図１（Ａ）のスペクトルを拡大したものが示されて いる。　図２の（Ａ）は、二番目の験体の血中のグルコースの値のスペクトルで ある。

図２の（Ｂ）と（Ｃ）は、図２の（Ａ）のスペクトルの拡大図である。

図３の（Ａ）は、三番目の験体の血中のグルコースの値のスペクトルである。

図３の（Ｂ）と（Ｃ）は、図３の（Ａ）のスペクトルの拡大図である。

図４の（Ａ）は、四番目の験体の血中のグルコースの値のスペクトルである。

図４の（Ｂ）と（Ｃ）は、図４の（Ａ）のスペクトルの拡大図である。

図５の（Ａ）と（Ｂ）は、光のバンドパス・フィルター付きのデュアル・チップ の赤外線発光ダイオードで、配置が異なっている。

図６の（Ａ）と（Ｂ）は、発光ダイオードＦＬＥＤＳ＋及び赤外線発光ダイオー ドｆＩＲＥＤ＋の典型的なスペクトルである。

図７の（Ａ）は、典型的な狭域バンドパスフィルターのスペクトルであり、（Ｂ ）は二つの異なるバンドの特別狭域のバンドパスフィルターを示している。

の詳　なｔ日 赤外線発光ダイオード技術を使用して、正確で定量的な測定を行なうために必要 な波長の数はどの（らいかを調べるために、米国特許第４，６３７，００８号に よる曲線補間法を使用して合成スペクトルを生成し、その精度を他の人による実 際のスペクトルと比較するという研究を実施した０例えば、６４０ナノメーター から１，０００ナノメーターまでの波長では、スペクトル中の適当な位置の１２ の波長によって、一つの「実スペクトル」と別の「実スペクトル」とが比較され る場合と精度的に等価な合成スペクトルを得ることができることが分かった。（ 「実スペクトル」とは高品質の走査型分光光度計から得られるスペクトルである 。） 典型的な被験者では、次表の１２の波長が、合成スペクトルを生成するための基 礎となる事を発見した。（これらの各波長では、およそ±２ナノメーターの許容 誤差がある）。次表にこれらの波長を示す。

Ａグループ　Ｂグループ フィルター　フィルター 番　号　波長　番　号　波長 １　６４０ｎ＋ｎ　７　８７８０ｍ 図１の（Ａ）−（Ｃ）から図４の（Ａ）−（Ｃ）には、人種や体質そして性別が 様々な、４人の被験者のスペクトルが含まれている。各図には「実データ」、即 ち拡張スケールで、１ナノメーター毎に走査型分光光度計で実際に測定したデー タを、上述した１２の波長を使用する、曲線補間技法を使用して生成した合成ス ペクトルと重ねて描いである。図１の（Ａ）−（Ｃ）から図４の（Ａ）−（Ｃ） の各グラフには、「実データ」と合成スペクトルの間の相関係数の二乗値（ＲＸ Ｒ）を標準誤差とともに表示している。　実データと比較すると、合成スペクト ルは非常に正確であることがわかる。

図１の（Ａ）−（Ｃ）から図４の（Ａ）−（Ｃ）には、はぼ同時期（数分以内の 間隔）に測定した、ある実スペクトルと、同一人物の別の実スペクトルとのＲの 二乗値と標準誤差（実スペクトル対実スペクトルと表しである）も記されている 。（グラフには重ね合わせの実スペクトルの曲線は描いていない。）図１の（Ａ ）−（Ｃ）から図４の（Ａ）−（Ｃ）に記されているように、合成スペクトルと 実スペクトルの一致係数は、二つの実スペクトルの一致係数に非常に近い値にな っている。その上、本発明の合成スペクトルの分析とともに、既知の血中のグル コース値に対する回帰分析を行なったとき、実スペクトルを使用した同種の分析 と実質的に同一の精度が得られた。

本発明を実現する低コストな方法が図５（Ａ）と（Ｂ）に示されている。各図に は、一つのダイオードで二つの光を発するチップ１２と１４を使用する発光ダイ オードｌＯが描かれている。チップはリード線１６を通じて交互に活性化する。

例えば、電気を通す経路次第で赤が点灯したり、緑に光ったりする単一のダイオ ードは、市場で得ることができる。図５（Ａ）と５（Ｂ）の単一のダイオード１ ０には、二つのチップ１２と１４が含まれている。チップ１４は、上述の表１の Ａグループの波長領域でエネルギーを発し、チップ１２はＢグループの波長領域 でエネルギーを発する。

このことは、スタンレー電気株式会社のｒｌ　９８８年度　オプト・エレクトロ ニック・コンポーネンツ・データ・ブック（Ｏｐｔ。

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　Ｄａｔａ　Ｂｏｏｋ　１９８８ １　Ｊがらのグラフ６（Ａ）と６（Ｂ）を参照するともっとよく理解できる。こ れらのグラフには、発光ダイオードと赤外線発光ダイオードの典型的なスペクト ルが示されている。例えば、上述の表１からの波長＃６と＃１２は、単一の赤外 線発光ダイオード１０のチップ１２と１４、即ちチップＡＮとＤＮを使用して生 成できる。表１の波長＃６の波長領域はチップＤＮ、即ちチップ１４、そして波 長＃１２はＡＮのチップ、即ちチップ１２になろう。

表２に記されているのは上の表１と同一波長であるが、相当するチップは図６（ Ａ）と（Ｂ）から選んでいる。どのように赤外線発光ダイオードにエネルギーが 加えられるか、即ちチップ１２にエネルギーが加わるか、チップ１４にエネルギ ーが加わるかに応じて、波長１２のエネルギーか波長６のエネルギーが視覚化さ れることになる。

表１ Ａグループ　Ｂグループ フィルター　フィルター 番　号　波長　番　号　波長 １　６４０ｎａ＋　ＡＲまたはＢＲ７８７８ｎ＋ｍ　ＣＮまたＬｔＤＮ２　６８ ８　ＢＲｌたｌ１ＰＲ８９１６ＣＮまた１ｉＢＮ３　６９８　ＰＲ９９４６ＡＮ またはＢＮ４　７５４　ＰＲ１０９６４ＡＮまたはＣＮ５　８０４　ＰＲまたは ＤＮ　１１　９７Ｊ　ＡＮ６　８４０　ＤＮ９イブ　１２　１０００　ＡＮ９４ ブ図５（Ａ）に記しであるように、二つの波長でバンドパスの機能が働（バンド パスフィルター２０がある０図５（Ｂ）では、別々の光のバンドパスフィルター ２２と２４があり、例えば、フィルター２２は上の表の＃６の波長を通過させ、 光学フィルター２４は＃１２の波長を通過させる。図５（Ａ）のバンドパスフィ ルター２０は、図７（Ｂ）にあるような二つの帯域で光を通す。換言すれば、図 ７（Ａ）には、図５（Ｂ）のフィルター２４を通して得られるであろう、典型的 な狭域バンドパスフィルターのスペクトルを示しである。図７（Ｂ）には、８４ ０ナノメーターと１，０００ナノメーターの二つの帯域で光を通す、特別狭域の 二重のバンドパスフィルターを通過してきた光が示されている。

図５（Ａ）のデュアル・チップの赤外線発光ダイオードを、図７（Ｂ）に記され ている二つのバンドをパスする機能を持つ単一のフィルターで利用するとき、そ して赤外線発光ダイオードの第一のチップが点灯したとき、波長＃６が有効であ る。このチップにエネルギーが加えられず、第二のチップにパワーが供給された とき、上の表の波長＃１２が有効になる。

本発明を利用すれば、わずか６個の赤外線発光ダイオードと６個のフィルターを 使用するだけで、通常１２個の光学フィルターを１２個の赤外線発光ダイオード と組み合わせて得られるデータと同一のデータを生成することができる。したが って部品の数を１／２に減らすことができる。この事はコストが１／２になるだ けでな（、信頼性も著しく増加することを意味する。更に、本発明によって必要 なスペースも少なくて済むようになる。この事は携帯型のポケットサイズの機器 では非常に重要なことである。

本発明は、上述した実施例によって限定されるものではなく、特許請求の範囲に よってのみ限定される。

波長（ｎ■） 図−ＩＡ Ｖ長（ｎ■） 図−ＩＢ 波長（ｎｖａ＋ 図−２Ｂ 図−２ｃ 波長（ｎｉ） 波長（ｎｍ） 図−３Ｃ 波長（ｎｍ１ 図−４Ａ 図−４Ｂ 波長（ｎｍ） 図−４ｃ １１司３トｒ目（ 西醒待憎ｉＸ街 （−６／−ミニ） ２藩’ｌ（＠４：ｖＹｕＫｍ （−５４／ｌｃ） フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、　ＥＳ、　ＦＲ，ＧＢ、　ＧＲ，ＩＴ、　ＬＵ、　ＮＬ、　Ｓ、　ＢＢ、 　ＢＧ、　ＢＲ，ＣＡ、　ＣＨ，ＤＥ、　ＤＫ、　ＥＳ。

ＦＩ、ＧＢ、ＨＵ、ＪＰ、ＫＰ、ＫＲ，ＬＫ、ＬＵ、ＭＣ，ＭＧ、　ＭＷ、　Ｎ Ｌ、　Ｎｏ、　ＰＬ、　ＲＯ，ＳＤ、　ＳＥ、ＳＵ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．曲線補間法によって近赤外領域を定量的に測定する機器で使用する合成スペ クトルを得る方法において、一つのソースで二つの波長の赤外線発光ダイオード の発光を得ること、及びこのソースの出力を二つの別々の波長にフィルタリング することを含んでいることを特徴とする方法。
2. ２．曲線補間型の機器で使用する合成スペクトルを得るための手段において、二 つの帯域のバンドバスフィルターと組み合わせて使用する、デュアル・チップの 赤外線発光ダイオードを含んでいることを特徴とする手段。
3. ３．赤外線発光ダイオードを使用して近赤外線を定量的に測定する測定装置にお いて、前記赤外線発光ダイオードは、二つの異なる波長を発するデュアルチップ の赤外線発光ダイオードであることを特徴とする測定装置。
4. ４．請求の範囲第３項記載の測定機器において、更にデュアル・チップの赤外線 発光ダイオードの出力をフィルタリングする、光学的なバンドバスフィルターを も含んでいることを特徴とする測定機器。
5. ５．請求の範囲第４項記載の測定機器において、二つの波長の光を発するデュア ル・チップの赤外線発光ダイオードとともに、各々一つの帯域のバンドバス機能 を備えた二つのフィルターを使用することを特徴とする測定機器。
6. ６．請求の範囲第４項記載の測定機器において、更に、二つの帯域のバンドバス 機能を備えた光学的なバンドパスフィルター一つを含んでいることを特徴とする 測定機器。
7. ７．請求の範囲第３項記載の測定機器において、更に曲線補間法を使用すること を特徴とする測定機器。