JPH07151677A - 濃度計 - Google Patents

濃度計

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JPH07151677A
JPH07151677A JP30193493A JP30193493A JPH07151677A JP H07151677 A JPH07151677 A JP H07151677A JP 30193493 A JP30193493 A JP 30193493A JP 30193493 A JP30193493 A JP 30193493A JP H07151677 A JPH07151677 A JP H07151677A
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JP
Japan
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sample
concentration
light
densitometer
equation
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JP30193493A
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English (en)
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Toshiko Fujii
稔子 藤井
Yuji Miyahara
裕二 宮原
Yoshio Watanabe
▲吉▼雄 渡辺
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】異常値を持つ試料を高精度に定量することにあ
る。 【構成】標準物質群から飛散した値を持つ試料を判別す
る機能を設け、飛散値をもつと判別された試料を補正す
る機構を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、スペクトルを用いた複
数成分の定量分析法に関するもので特に赤外分光法を用
いた血液生化学検査装置に用いられる定量方法に関す
る。
【0002】
【従来の技術】赤外吸収スペクトルを用いた血液生化学
成分の定量分析に関しては、アナリティカル ケミスト
リ(1989年)第2016ページから第2023ペー
ジに述べられている。ここでは、患者より採血した成分
濃度既知の血液をテストセットとし、成分濃度を目的変
数,測定したスペクトルを説明変数として部分最小二乗
法(Partial Least Square:PLS法)によって潜在変
数を導きだし、潜在変数と目的変数を最小二乗すること
によって回帰式を算出し、未知濃度試料の定量を試みて
いる。統計からはずれた飛散値を持つ試料は、アウトラ
イア デテクション(outlier detection)によってこれ
らの一連のテストセットから除外される。従って飛散
値,臨床検査分野で言うところの異常値をもつ検体は、
PLSモデルに適合せず、測定しても誤差が大きくな
る。またPLS,outlier detection の方法について
は、ケモメトリックス(1992年,相島 鐡郎,丸善
株式会社)第116〜118ページ,第89〜102ペ
ージにおいて述べられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来用いられていたス
ペクトルにおける多変量解析を用いた定量分析の場合、
前述したように予測精度を向上させるため、校正に用い
ようとするテストセットの平均より外れた値を持つスペ
クトルはoutlier としてテストセットから除外したうえ
で校正を行い、またサンプルもテストセットより外れた
値を持つものは正しい濃度予測が行えないという問題が
あった。特に多成分が混在する物質を測定対象とする場
合、定量精度を保つにはテストセットをそれら一連の成
分全てを含有する混合物質から構成し、しかもその濃度
分布が連続的な群を形成している必要があるため、既成
の物質をテストセットとして用いることが多い。従って
予想される異常値まで連続的にカバーするようなテスト
セットを作成するのは困難である。特に血液の生化学分
析の場合、異常値を検出しこれを正しく測定することが
重要なのでこれら一連の定量法を血液分析にそのまま適
用するのには問題があった。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、テストセットとサンプルの適合性の判定機能と、サ
ンプルの測定濃度の補正機構を設けた。
【0005】
【作用】上記手段は以下のように作用する。テストセッ
トとサンプルの適合性の判定機能は、サンプルがテスト
セットの形成する群から飛散していないかを調べる機能
である。サンプルの飛散が認められない場合、このサン
プルはテストセットに適合し、その測定濃度にはテスト
セット由来の系統誤差が無く、補正の必要なしとみな
し、そのまま測定濃度が出力される。
【0006】サンプルがテストセットから飛散している
場合、飛散の方向性によってサンプル測定値には系統的
な誤差が生じる。従ってサンプルの測定濃度をより精度
の高いものとするために、系統誤差を補償するための補
正機構を設けた。テストセットに不適合とみなされたサ
ンプルは、補正機構に送られ、誤差を補正されより精度
の高い測定値として出力される。
【0007】
【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明
する。図1は本発明の実施例の血中グルコース分析装置
の装置構成である。本装置は、分光器1と分光器で測定
した信号を数値処理し、更に処理結果から試料濃度の予
測を行うためのデータ処理部2から構成される。分光器
1内の光源3から出射した赤外光4は減衰全反射プリズ
ムを使用した試料セル5に入射する。試料セル5の上に
は血液6が導入されており、血液6によって光4は特定
の波長のみ吸収され、セル5より出射する。セル5より
出射した光4は干渉計7によって位相差を生じ、検知器
8によって検知され、AD変換器9を介してデジタル信
号10に変換される。干渉計7によって位相差を生じて
いた信号10は、データ処理部2に送られ、フーリエ変
換によって各波長毎の強度が算出される。
【0008】図2は、本発明の実施例の血中グルコース
の定量分析方法の概略を示したものである。本分析法は
テストセット11の作成12,テストセット11を用い
た校正13及びサンプル14の濃度予測15,テストセ
ット11とサンプル14の適合性の判定16,テストセ
ットとサンプルが不適合な場合の補正17,測定濃度の
出力18の6段階に大きく分けることができる。以下、
各段階について詳細に説明する。
【0009】図3はテストセットの作成12のフローで
ある。ここでは、n人の患者19から無作為に採取した
n個の血液20のグルコース濃度を基準法21によって
測定し(以下基準法によって測定したグルコース濃度を
便宜的に基準値と呼ぶ)、n×1の目的変数数列y22
を作成する。さらに図1に示した分光器1でn個の検体
20を測定し、グルコースに特異的な吸収を持つ118
1〜950cm-1の波数範囲のm個の波数の吸光度によっ
てn×mの説明変数数列X23を作成する。テストセッ
トによる校正13および濃度予測15では、PLS法を
用いた分析を行う。PLSモデリングは、説明変数数列
Xと目的変数数列yを数1,数2のように潜在変数数列
T,P,qで表す。
【0010】
【数1】 X=TP′+E …(数1)
【0011】
【数2】 y=Tq′+f …(数2) ここで数列Tはn×a、数列Pはm×a、数列qはa×
1の配列を持ち、数列Eとfは変数X,yの残差で配列
はそれぞれn×m,n×1で、aはPLSモデルの因子
数である。潜在変数数列T,P,qは、Xとyから求め
られるm次の重みベクトルwから算出される。yのPL
S回帰式y^は、潜在変数Tを用いて数3のように表さ
れる。TはXの線形結合であるので数3は、数4のよう
に説明変数Xの線形結合として表され、係数bはa個の
重みベクトルwから数5で算出できる。
【0012】
【数3】 y^=Tq+E …(数3)
【0013】
【数4】 y^=Tq+E=Xb+E …(数4)
【0014】
【数5】 b=W(P′W)-1q …(数5) 以上のようにしてテストセットをもとにPLS回帰式
(数4)を算出し、サンプルの濃度予測に用いる。濃度
予測14では、校正12で求めたPLS回帰式(数4)
の係数bと残差Eを用いて未知濃度のサンプル13の濃
度予測を行う。サンプル13は分光器1によって測定さ
れm×1の吸光度数列x^として表される。この吸光度
数列x^と数4よりサンプル中のグルコース濃度y^
(以下基準値と区別するためPLS濃度とよぶ)は数6
で表される。
【0015】
【数6】 y^=x^b+E …(数6) 一方、サンプルのテストセットとの適合性の判定16で
は、テストセットの説明変数の統計値からサンプル吸光
度の飛散が無いかを判定する。サンプルがテストセット
から飛散している場合、数6によって算出されたサンプ
ルのPLS濃度y^は、系統誤差を含んでおり、y^の
補正が必要になる。判定16では、SIMCA(soft i
ndependent modeling of class analogy)と呼ばれる手
法を用いて、サンプルが異常値検体であるか否かを判定
する。
【0016】SIMCAでは、まず最初にテストセット
の説明変数数列Xを主成分分析し、数7で表す。
【0017】
【数7】 X=x-+VU+E …(数7) ここでm×1の数列x- は、説明変数数列Xの平均値で
あり、m×dの数列Vは、説明変数数列Xから算出した
主成分への負荷量であり、d×nの数列Uはd個の主成
分に対する主成分得点,n×mの数列Eは、残差であ
る。SIMCAはこの残差Eの変動によって判定範囲を
設定し、異常値の判別を行う。残差Eの変動s0 は数8
によって表される。
【0018】
【数8】
【0019】次にサンプル13の判定を行う。テストセ
ットの平均値とサンプルx^の差を目的変数,数7の主
成分への負荷量数列Vを説明変数として重回帰分析によ
り数9の誤差が最小になるように主成分得点の推定値U
^を数10のように算出する。
【0020】
【数9】 x^−x-=VU^+E …(数9)
【0021】
【数10】 U^=(V′V)-1V′(x^−x-) …(数10) 数9,数10によってサンプル13の誤差Eを算出した
後、誤差Eの分散sを数11によって算出する。
【0022】
【数11】
【0023】数8によって求めたs0 と数11によって
求めたsの比(数12)をF値として、F分布に従いサ
ンプル13がテストセットに適合するか否かの判定を行
う。
【0024】
【数12】 F=s2/s0 2 …(数12) 適合した場合は、数6で求めたサンプル13のPLS濃
度y^はそのまま補正をせずに出力する。不適合な場合
は、補正17でy^に補正を加える。図4は補正のフロ
ーを示したものである。補正は、補正式の算出24とy
^の補正25の二段階に大きく分けることができる。補
正式の算出24では、t個の異常値検体26について、
校正で用いた説明変数数列Xとの吸光度誤差27(E
s),それぞれの異常値検体26の数6によるPLS濃
度y^と基準値との濃度誤差28(Ec)を算出し、E
sとEcの系統的な関係を多変量解析により解析するこ
とで補正式29を算出する。
【0025】以下詳しくその手順を述べる。まずt個の
異常値検体26を基準法と分光器によって測定し、t×
1の基準値数列Yrとt×mの吸光度数列Xs が作成で
きる。吸光度数列Xs はそのままt個のサンプルとして
数6によりPLS濃度を予測し、t個の予測濃度数列Y
c を作成する。さらに数13のように二つの濃度数列の
差をとることによってt×1のPLSモデルの濃度誤差
Ecを算出する。
【0026】
【数13】 Ec=Yr−Yc …(数13) t×mのPLSモデルの吸光度誤差Es の算出は、前述
した校正12で求めた潜在変数Pを使って吸光度数列X
sとテストセットとの平均値x-との差を数14のように
記述することにより求められる。
【0027】
【数14】 Xs−x-=T^P+Es …(数14) 潜在変数Tの推定値T^はEs を最小にするように下式
によって求められる。
【0028】
【数15】 T^=(P′P)-1P′(Xs−x-) …(数15) 数14,数15よりEs を求めた後、濃度誤差Ec を目
的変数,吸光度誤差Es を説明変数として再びPLS法
によって両変数の関係を表すPLS回帰式Ec^数16
を算出する。
【0029】
【数16】 Ec^=zEs+E …(数16) したがって図4の補正式29は数17のようになる。
【0030】
【数17】 y*=y^+Es^ …(数17) 一方判定数16でテストセットとは不適合だと判定され
たサンプルは、補正25において数14によりテストセ
ットからの誤差Xs^ を算出し、数16によって補正値
Ec^ を算出する。さらに数17によって濃度予測15
で求めたy^にこれを加えて補正したPLS濃度y* を
求め、これを測定濃度として出力する。
【0031】図5,図6は本発明の効果を表わしたグラ
フである。図5は補正機構を用いず実施例の血中グルコ
ース分析装置で、血液中のグルコース濃度を測定した結
果である。横軸に基準法による測定値,縦軸に実施例の
装置の測定値をプロットし二つのグルコース濃度の相関
を評価した。その結果、実施例で用いたテストセットの
範囲外のグルコース濃度を持つサンプル、即ち、約20
0mg/dl以上と50mg/dl以下の基準値を持つ
サンプルは、基準値とPLS濃度との差が大きく相関が
悪かった。図6は、補正機構を用いて同様の評価を行っ
た結果のグラフである。この結果によれば、テストセッ
トより飛散したサンプルも基準値と近い濃度に補正され
ており、相関も良好であった。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、異常値を連続的にカバ
ーするテストセットを作成する必要なしに異常値試料を
高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の装置のブロック図。
【図2】実施例に使用した定量法のフローチャート。
【図3】テストセットの作成法のフローチャート。
【図4】補正方法の概略を示すフローチャート。
【図5】本発明の効果を表わす特性図。
【図6】本発明の効果を表わす特性図。
【符号の説明】
1…分光器、2…データ処理部、3…光源、4…赤外
光、5…試料セル、6…血液、7…干渉計、8…検知
器、9…AD変換器、10…デジタル信号。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光を照射する光源と、前記光源の光を試料
    に照射するための受光部を持つ試料セルと前記試料セル
    を透過もしくは反射,散乱した光を少なくともm個の波
    長に分光する分光手段と光を検出する検知器と前記検知
    器により測定した信号を数値処理するデータ処理部から
    なり、一試料に対する測定結果がm個の波長に対する光
    強度としてm個の数値で出力される分光計において、n
    個の濃度既知の試料を標準物質として測定を行い、n×
    mの光強度からなる説明変数数列と測定対象成分の濃度
    からなるn個の目的変数数列の回帰分析によって校正を
    行い検量式を算出し、前記検量式と未知濃度試料の光強
    度からを試料の成分濃度を測定する定量方法で、未知試
    料が校正に使用する標準物質群に属するか否かを判定す
    る判別機能を持ち、標準物質群に属さない未知試料の光
    強度数列と標準物質群の説明変数数列とのずれをm個か
    らなる光強度誤差数列によって表し、前記光強度誤差数
    列によって未知試料濃度の補正を行う機構を持つことを
    特徴とする濃度計。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記補正機構は、前記
    n個の標準物質群から飛散した値を持つt個の異常値物
    質の光強度誤差と、前記校正で算出された検量式により
    求められたt個の異常値物質の濃度と実際の濃度との誤
    差とを回帰して求められた回帰式を補正に使用する濃度
    計。
  3. 【請求項3】請求項1または2において、前記回帰分析
    法は、重回帰分析,主成分分析,部分最小二乗法を用い
    る濃度計。
  4. 【請求項4】請求項1において、前記光源は2.5μm
    〜25μm の波長の光を発する濃度計。
  5. 【請求項5】請求項1において、前記分光手段は回折格
    子,プリズム,干渉計である濃度計。
  6. 【請求項6】請求項1において、前記試料セルは、減衰
    全反射プリズムを用いる濃度計。
  7. 【請求項7】請求項1において、前記誤差数列は、主成
    分分析,部分最小二乗法,重回帰分析を用いて算出する
    濃度計。
  8. 【請求項8】請求項1に記載の前記濃度計を用いた血液
    生化学分析装置。
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