JPH09503585A - 分析物濃度および対象物の光学的特性の非分光測光測定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 サンプル内の関係するグルコースおよびその他の成分の非侵襲性検査方法の改良に関する。本発明の装置および方法は、他の非侵襲性近赤外検出方法において使用されるスペクトロホトメータおよび狭帯域放射線源に代わって、好ましくは近赤外領域における人間の視覚の色知覚類似の技法を提供する。色知覚および測光を近似して、被検出スペクトルの広いオーバーラップする領域を覆う各々複数の検出器ユニットを使用する。改良は、主として、データ流が改善されるように信号対雑音比を改善することに関する。これらの改良は、合同ないし等価サンプリング、異なるサンプル部分またはフィルタセットからの異なるデータ流の比較を用い、動脈血液の試験を可能にするに十分の速度をもつ質問装置を使用し、あるスペクトル構造のフィルタを使用する。ある環境においては、装置を学習させるため、分析のためにニューラルネットを使用する。バックグラウンドを弁別するための新規な方法についても開示する。

Description

【発明の詳細な説明】 分析物濃度および対象物の 光学的特性の非分光測光測定 ［発明の属する技術分野］ 本発明は、放射線好ましくは近赤外放射線を使用して、関係する成分の濃度を 測定する技術に関する。詳述すると、グルコース、アルコール、ヘモグロビン、 およびデオキシヘモグロビン、ミオグロビンおよびヘモグロビンの他の還元また は置換された形式またはヘム群を含む分子のようなその変形、乱用の薬物、また は他の臨床的分析物のような成分の濃度を非侵襲態様で測定する方法を利用する 装置が開発されている。これらの装置は、血液サンプルを得るのに指の穿刺を必 要としないから、これらは家庭用のグルコース試験に特に適当である。 AIDSの蔓延と、それに関連して公的な健康管理職員の間に生ずる病気にかかる かも知れないという懸念のため、血液サンプルの採取を含め侵襲処置を必要とし ない試験方法の開発が重要な目標となってきた。AIDSだけでなく、肝炎のような 他の病気も、もしも適当な予防が講じられないと、侵襲性処置を通じて蔓延する 恐れがある。例えば、「New England Journal of Medicine of Medicine 326(11) ，721-725(1992) 」 に発表された「Nosocomiel transmission of Hepatitis B vi rus associated wit h the use of a spring-loaded finger-stick device 」なる最近の記事は、血液 採取のための機器の不適正な使用により引き起こされる病院における肝炎の小流 行を開示している。この記事は、看護婦が、採取装置それ自体で肝炎を患者から 患者に意図なく伝染させる様相を記述している。この形式の病気の伝染は、非侵 襲性試験により排除される。 糖尿病の有効な管理も、非侵襲性試験機器の必要性を引き起こした。多くの糖 尿病患者は、日に４度またはそれ以上彼らの血液グルコースレベルを測定しなけ ればならない。家庭内グルコース試験に現在必要とする機器は、血液サンプルを 得るために痛い指の突き刺しを必要とする。これらの機器の価額はかなり低下し たが、このような試験は、累積的にコスト高となり得る使い捨て可能な物質の使 用を必要とする。さらに、これらの頻繁な穿刺による出血と関連する不快感、不 便さ、健康上の危険はかなりである。 したがって、多くのグループが、最近、種々の分析物、特に血液グルコースの 濃度を測定するための非侵襲性機器を作ることに挑戦した。非侵襲性試験におけ る最近の開発の研究の多くは、近赤外スペクトル領域(700〜1100nm) の使用を探 究した。この領域は、グルコーススペクトルの第３のオーバートーンを含んでお り、その使用は、検出のために潜在的問題を引き起こす水バンドおよびその他の 干渉バンドを排除する。しかしながら、これ らの研究の実質的にすべてのものは、古典的な分光測光法を使用して実施された 。これらの方法は、一組の狭い波長源または広いスペクトルを横切って波長ごと に走査する走査スペクトロメータを使用する。これらの方法で得られるデータは 、バックグラウンドを除去（または最小化）するために相当のデータ処理を必要 とするスペクトルである。したがって、関連する書類は、直接関係する情報を抽 出しようとして利用されるデータ分析技術で一杯となる。この形式の試験の例と しては、Clarkeによる研究、例えば米国特許第5,054,487 号参照、Rosenthal 等 による研究、例えば米国特許第5,028,787 号参照、がある。クラークの研究は反 射スペクトルを利用し、Rosenthal の研究は主として透過スペクトルを使用する が、両者とも近赤外分光測光データを得ることに依存している。 すべてのこの種の方法に関する一つの問題は、スペクトロホトメータが主とし てスペクトル強度の正確な波長ごとの測定として考えられたことである。グルコ ースやその他の臨床的物質の濃度の非侵襲性の測定におけるごとく、関係する分 析物は、弱い広帯域のスペクトル特徴を有し、実質的にオーバーラップするスペ クトル構造を有する他の物質を含む混合物中に存在するから、古典的分光測光方 法の使用は、干渉信号のバックグラウンドから所望の濃度を抽出しようとして相 当の、そして究極的に不満足なデータ分析を採用する。しかしながら、全測 定の一つの基本的原理は、測定ステップでデータの情報内容を決定し、計算また は変換では情報を加えないということである。換言すると、どれほど分析しても 、関係する分析物のスペクトルの区別可能な特徴が、古典的分光測光の鋭いスペ クトルピークでなく、広く浅い特徴であるという事実を補償しないことである。 分析物は、そのスペクトルの位置によってではなく、その強度対波長構造の包括 的な構造により識別できる。スペクトロホトメータは、この種の情報を発生する ように設計されていないから、この形式の測定に不適である。 少数の弱い低解像度の特徴より成りオーバーラップするバックグラウンドをも つ関係する分析物のスペクトルは、可視領域における着色対象物から反射、放射 または透過される光のスペクトルを思い出させる。人間の視覚系は、無能なスペ クトロホトメータであるが、大幅に変化する照明条件下においてさえ、ごく微妙 な色の判別や識別においてすばらしい。それゆえ、本発明は、好ましくは赤外線 においてデータを得るために、古典的な分光測光測定ではなく、目による着色物 の判別との類似性を利用する。 可視領域における色の知覚と類似技法を活用することによって関係する分析物 の濃度を測定する装置および方法を開発するには、多くの関係ししかも別個の手 法が可能である。主たる手法は、対象物を広帯域放射線、すなわち可視領域にお ける白色光に類似するもので照射する こと、一連のスペクトル的にオーバーラップするフィルタを使用して、反射、放 射または透過放射線を検出して対象物の相対「色」を決定することである。この 手法は米国特許出願第914,265 号に開示されているから、この開示も参照された い。本願発明は、さらに良好なデータを得るためにここに開示される方法および 装置に関する変形および改良に関する。事実、これらの方法の多くは、古典的分 光測光システムにおいてさえ有用である。 視覚的知覚は非常に複雑で完全に理解されないが、分析物の濃度を赤外線にお ける吸収または反射に関係づけるための一つの手法は、一連のステップまたは処 理レベルを利用して、色知覚の既知の様相にできるだけ近似して生データを得て 処理することである。各ステップは有用な成果を提供し、後続のステップはより 高品質の成果を提供する。 正確な情報を達成する第１のステップは、測色様の手法を使用する色知覚の簡 単な類似技法である。測色法は、色を記述するのに３次元を使用する数値的色情 報伝達である。色が３次元空間で特定されることを可能にするのは色視覚３値性 である。 現在のところ、使用下にある数種のこの種の３次元測色空間がある。これらの 空間の一つは、色相と彩度値を表わすCIE 1931(x,y) 色度図であり、これは図１ ｂに図示されている。明度、すなわち第３次は図１ｂに図示されていないが、Ｚ 方向にあるものである。図１は、図１ ｂを生成するのに使用される観察された標準的なスペクトルレスポンスを示す。 色相、彩度および明暗度によって記述された他の測色空間が図２に示されてい る。この立体は、知覚されたどんな色でも特定できる三つの数値として記述でき る。 測色により色を記述するのが便利であるけれども、これは真の色知覚ではなく 、真の色知覚はもっともっと複雑であることに留意することが重要である。しか しながら、測色は特定の条件下における色整合に有用である。測色類似技法、特 に赤外線領域におけるものは、分析物の濃度を決定するに際して類似の有用性を 示すであろう。 明度、色相および彩度による３刺激値を測定して、図１により例示されるよう な数値を生ずる可視領域における比色計が商業的に入手できる。簡単に言うと、 これらの比色計は三つの検出器を使用しており、各検出器入力は異なるフィルタ 関数で濾波される。各フィルタ機能および検出器レスポンスは、人間網膜の３色 受容錐体の色素の三つの吸収スペクトルに類似するように選ばれる。本発明者以 外のものが、濃度測定のもための波長の拡張された測光術として色知覚類似の技 法を以前使用したことも、その使用を考えたことさえなく、あるいは測色法を如 上ような赤外測定に応用したものさえないと思われる。 グルコース類似成分に対する非侵襲性血液測定に加え て、装置は現在のパルス酸素濃度計の代わりに使用することができよう。パルス 酸素濃度計による動脈酸素飽和の非侵襲性測定は、臨床的患者監視において最も 重要な技術的進歩の一つであると広く認められている。パルス酸素濃度計は、動 脈血液内の十分に酸化および還元されたヘモグロビンの可視および近赤外吸収ス ペクトルの差を測定する。患者からの血液サンプルを必要とし、患者の酸素化の 間欠的測定のみを提供し得る臨床的血液ガス分析器と異なり、パルス酸素濃度計 は、血液酸素レベルの連続的かつ瞬間的な測定を可能にする。 しかしながら、現在の市販の酸素濃度計とそのアルゴリズムは、低パルス圧力 および／または低酸素飽和度の条件下においては不正確である。これらの厳しい 条件は、平常なおなかの中の胎児において、あるいは関係する特徴が広帯域の場 合に観察される。商業的に入手し得る酸素濃度計の透過サンプリングと異なり、 胎児と関連する空間の制限のため、スペクトルデータは反射サンプリングにより 得られることが必要となる。多変量較正法を使用する新しい分析技術は、定量ス ペクトル分析の精度、確度および信頼性を改善し得ることが示唆された。これら の技術さえ、入力データの形式により制限される。 米国特許出願第914,265 号の装置および方法は、測色の赤外線類似の技法を提 供することによってこの問題を解決している。提供されるデータはスペクトロホ トメー タからのものよりも良好であるが、信号対バックグラウンド比がつねに改善でき 、それによりさらに大きな感度を提供できる。 したがって、本発明の目的は、色知覚類似の技法を使用して関係する成分の濃 度の改善された測定またはサンプル内の対象物の光学的特性の決定を可能にする 装置を提供することである。 本発明の特定の目的は、測色分析類似の技法を使用して臨床分析物の濃度を非 侵襲性態様で正確に、廉価にかつ迅速に測定する改良された方法を提供すること である。本発明のさらに他の目的は、測色および色知覚類似の技法を使用して、 便利なサンプルの挿入および除去を可能にしかつ外来放射源からの放射線に応答 しない、改良された非侵襲性濃度測定装置および方法を提供することである。 本発明の他の特定の目的は、改善された信号対バックグラウンドレベルをもっ て、関係する分析物の濃度を決定し、対象物の光学的特性を決定するための装置 および方法を提供することである。 ［発明の梗概］ 本発明は、好ましくは侵襲性態様で、関係する成分の濃度の試験を実施し、対 象物の光学的特性を決定するための改良された装置および方法をその特徴とする 。米国特許出願第914,265 号は、人間の視覚類似の技法を使用しかつそれについ て拡張して、非侵襲性試験を通じてデ ータを発生する装置を開示しているが、このデータは、古典的分光測光測定を通 じて得られるものから非常に改善されている。本発明は、その種々の具体例にお いて、上述の米国特許第914,265 号に記述される基本概念および装置に関する改 良を開示しており、特に本発明は、データ流が改善されるように信号対バックグ ラウンド（すなわち雑音）を改善する仕方に関係する。それゆえ、これらの改善 は、より簡単な装置では意味のあるデータを提供できないかもしれない環境の下 で基本発明のより十分の標準化と利用を可能にするから重要である。 上述の特許出願に記述したような基本的装置は、例えば哺乳動物血流内の関係 する成分または分析物の非侵襲性試験に有用であるが、この装置は下記の手段を 有している。すなわち、 (1) 哺乳動物の組織の一部を照明するための、照明用放射線好ましくは赤外線放 射線を発生するための光源と、 (2) 光源に関して実質的に固定された位置に哺乳動物の組織を固定するためのサ ンプルチャンバと、 (3) 各々別個のピークスペクトルレスポンスを有し、少なくとも一つの他の検出 器に関して全スペクトルレスポンスがオーバーラップする複数の、すなわち少な くとも２基、好ましくは少なくとも３または４基の検出器を有する検出手段と を備える。検出器それ自体は上述のスペクトルレスポン スを提供してよいが、検出器は、好ましくは光源により発せられる照明放射線の スペクトルの一部を透過するフィルタを協同して有するのがよい。各フィルタは 、別個のピーク透過レスポンスと十分に広い透過レスポンスを有していて、透過 特性においてフィルタの少なくとも一つの他のフィルタと部分的オーバーラップ が存するようになされている。装置はまた、検出器からの出力を分析して、成分 または分析物の濃度または対象物の光学的特性を指示する信号を発生するための 手段を備える。 本発明の一側面によると、改良は、「合同（または等価）サンプリング」が達 成されるように装置を配置する（そして製造する）形式にある。合同サンプリン グにおいては、各検出器は、同じ方向において透過（または反射または放射）さ れたサンプルのほぼ同じ部分からの放射線を受け取り、それによりサンプルの各 点から同じ方向に現れる全放射線が各検出器上に同じ方向で入射するようになさ れる。合同サンプリングの場合、検出器は重畳可能である。すなわち、もしも、 一つの検出器の位置から他の検出器の位置へ転移（または転置）がなされた場合 同一のサンプリングが達成される。一致サンプリング法は、サンプルから各検出 器までの光ビーム路が、等しい長さと等しい角度を有し、それにより不等距離ま たは角度からの観察により引き起こされるエラーのかなり部分が除去されること を補償する。本発明のこの側面は、サンプルの不均質に起因するエラーを最小に するか ら、不均質のサンプルの処理に特に関連がある。さらに、合同サンプリングの使 用は、大光源と大証明領域を可能にし、それにより非常に小さいスポットを使用 することなく同じ累積パワーの検出器への供給を可能にする。体部分の測定の場 合、これは不快を最小化し、光源選択の変幻性を高める。本明細書に記述される 合同サンプリング、ならびにその他の改良のあるものは、温度や屈折率の変化に 起因する変更の修正に役立つ。これらの効果は、機器またはサンプルそれ自体に おいても起こり得る。 好ましくは、本発明のこの側面および他のすべての側面においては、700 〜25 00nm範囲の放射線が照明用放射線として使用されているが、500nm 程度の短い波 長または最高約10000 nmまでの波長も意味のある情報を提供し得るものであり、 除外されない。もしも三つの分析器が使用される場合、分析手段は、測色三次元 空間内の位置に赤外線類似（あるいは赤外線類似でよい）出力を発生し、もしも それ以上の検出器が使用される場合には、ｎ次元測色空間に類似の出力が発生さ れる。ここで、ｎは検出器の数に等しいかそれより小さい。複数の検出器に加え て使用されることが多い検出器の一つは、他の検出器のすべてに応答し得かつそ のスペクトルレスポンスにオーバーラップする黒／白明度検出器である。この黒 ／白明度検出器は、特定の波長に関係なく全体として信号の存、不存を示すのに 使用される。分析手段はコンピュ ータとし得るが、好ましくは人間の心をまねるニューラルネットワークとするの がよい。ニューラルネットワークはより技巧的となりつつあり、この形式のネッ トワークの使用は全体としてシステムに「学習曲線」を与える。システムが濃度 試験に使用される場合、サンプルチャンバが通常必要とされる。サンプルチャン バは指、耳、手、足、足指、手首、舌さらには額のような哺乳動物の体部分を検 出器に関して固定位置に保持できる。基本的に、この装置を使用する非侵襲性試 験測定に必要とされることは、血管床が透過モードまたは反射モードで十分の深 さでサンプルされ、意味のあるデータを提供し得るようにすることがすべてであ る。 本発明の装置（および方法）は、哺乳類血液流に存する広範囲の分析物および 成分群の濃度を検出するのに有用である。本発明を明らかに適用できる物として は、グルコース、グルコース指示成分（グルコース自体の代わりにグルコースレ ベルの指示を与える成分を読み取ることができる）、コレステロール、脂質、ヘ モグロビンおよびその変形、乱用薬剤および／または乱用指示成分の薬剤が含ま れる。乱用薬剤としては、単に麻薬や幻覚剤だけでなく、アルコールのような物 質も含まれる。検出器のレスポンス範囲に吸収バンドをもつ分析物も使用できる 。さらに、装置は、水バンドならびに関係する成分を測定し、それにより濃度の 決定を容易にするのに使用できる。成分は、水バンドをその色に向かってシフト す ることがあるが、これは、成分自体のバンドが不明瞭であってさえ指示アクティ ビティを与えることができる。すなわち、水バンドの部分的シフトは、情報捜索 の手がかりを与える。 本発明の他の側面においては、各々サンプル例えば哺乳動物の体の異なる部分 を観察するか他と異なる一組のフィルタを有する少なくとも二つの検出手段また は検出器セットを備えることをその特徴とする。これらの変形装置のいずれかを 使用すると、対象物の濃度または光学的特性に関係づけることができる異なる二 組の信号を得ることができる。これらの二組の信号を相関づけることにより、よ り良好な信号対バックグラウンド値を得ることができる。何故ならば、信号の整 列（または相関）は、必ずしもバックグラウンドの整列を必要とせず、バックグ ランドを平滑化し、より良好な信号対バックグラウンドを提供するからである。 これを達成するための好ましい方法は、２本の指の各々に対して、おそらく各々 異なるフィルタセットをもつ異なる検出手段をもたせ、それにより同じ分析物濃 度に相関づけられる異なる二組のデータを得ることである。単一のサンプルが使 用される場合、検出器、または最も好ましくは各検出手段に対するフィルタは、 異なるスペクトル透過レスポンスを有すベきである。分析手段は、測色ｎ次元空 間の位置の類似である出力を第１検出手段から得、ｍ次元空間内の位置の類似で ある出力を第２の検出手段から得、そして両出 力を比較して関係する成分の測定値を提供する。ｍとｎは両方とも、それぞれの 検出手段の検出器の数に等しいかそれより小さい。二つの別個の体部分が使用さ れる場合、別個の検出手段上に異なるフィルタセットが用いられる場合も用いら れない場合もあるが、少なくとも二つのサンプルチャンバが設けられるべきであ る。前記サンプルチャンバの各々は、貫通する放射線が、第１および第２の検出 手段の両方でなく一方のみに当るように配置されねばならない。 本発明のさらに他の側面においては、検出手段内の検出器に対するフィルタの 少なくとも一つは、くし形フィルタのようなスペクトル構造を有するフィルタか 狭帯域通過フィルタにより置き換えることができるが、このフィルタは、その透 過範囲のすべてが他のフィルタの一つにより重畳されるものである。くし形フィ ルタのようなスペクトル構造を有するフィルタは、一連のフィルタに等価であり 、より多くの検出器の類似物を生ずる。正弦フィルタは好ましい形式のくし形フ ィルタであるが、スペクトル構造を有するサイン２乗またはその他のフィルタも 使用できよう。この形式のフィルタユニットを使用することの利点は、望まない 分析物に対する吸収バンドが、くし形フィルタの吸収特性をそれらの吸収バンド と平行化ないし近似させることによって、あるいは分析物の吸収特性がそれらの フィルタの伝達特性とオーバーラップしないような狭帯域フィルタを選択するこ とによっ て、その吸収帯域が活性領域にあってさえ除去することができることである。 本発明のさらに他の側面においては、装置に質問ユニットまたは手段が設けら れており、これが検出器からの出力に十分に迅速な態様で質問して、静脈または 組織血液と異なる動脈内の関係する成分を区別することを可能にする。質問手段 は、動脈パルスの時間が質問時間に比較して長くなるように十分に迅速なデータ の処理または収集を電子装置が可能にするかぎり、検出手段と分析手段の組み合 わせとし得る。静脈および組織内の血液の量は実質的に一定であるから、これが 組織および静脈からの透過または反射を一定として近似させ、それにより動脈信 号のバックグラウンド信号からの区別を補助する。分析手段は、透過または反射 に対する絶対値を使用してもよいし、好ましくは動脈パルス信号の傾斜に基づき レートを計算してもよい。 装置に関する複数の変形に加えて、本発明の種々の側面を形成するところの対 応する方法の変形がある。例えば、合同ないし等価サンプリングすなわち等光ビ ーム路／等角度装置は、被観察サンプル面上の変化性に関してのみでなく、角度 の関数としてのサンプル透過ないし伝達の変化性に関してもサンプルの不均一性 の影響を最小化する方法を形成する。これにより、各検出手段（またはチャンネ ル）内の各検出器が、サンプルの同じ部分の同じ視野のみを見ること、したがっ て、幾何構造および 不均質性の影響が全チャンネルにおいて同一であるから、検出器が色差のみを見 ることが保証される。他の方法も類似の利点をもたらす。好ましいことには、上 述の装置のある組み合わせも使用できる。例えば、二つの体部分を別個の検出器 ユニットと使用してよく、そしてこの場合、各検出フィルタユニットが一つの動 脈パルスに遭遇するように処理は十分に迅速でなければならない。これはやはり バックグラウンドレベルを最小化する。FTIR機器の直交フーリエフィルタを前述 のようなフィルタセットに置き換え、これらの新フィルタ関数の出力をこの如上 の処理を遂行するユニットに向けて送るならば、本発明の方法を実施するのにFT IRも使用できよう。さらに、フィルタまたは検出器が照明放射線でなくサンプル により放出される蛍光に対して選択されるならば、本発明は蛍光対象物内または サンプルで実施できよう。 本発明の他の側面および特徴は、図面を参照して行った以下の記述から一層明 らかとなろう。 図面の簡単な説明 図１は標準的なスペクトル三刺激値（図１Ａ）および標準化ないし正規化形式 （図１Ｂ）において示されるＣＩＥ１９３１測色プロット図を示す。 図２は色相、彩度および明暗度についての色の三次元プロット図である。 図３Ａ〜３Ｂは吸光度対波長の関係としてプロットされる水および糖のピーク のコンピュータモデルを示す。 図３Ｃはグルコース溶液の複合透過スペクトルを図示する。 図４Ａおよび４Ｂは、一方の組が４つの異なるフィルタをそして他方の組が６ つの異なるフィルタを有する異なるフィルタ組について相対スペクトル応答対波 長の関係のプロット図である。 図５Ａおよび５Ｂは、その全てが同様の立体角を通ずる同様の光ビーム路にお けるサンプルの同様部分を視認しているところの複数検出器を提供する方法を図 示する本発明の２つの匹敵する実施例であり、図５Ｂは、図８の二検出手段実施 例に匹敵するよう十分な数の検出器を有する。 図６は、検出器に等距離および等角度を提供するためにファイバオプチック束 を使用する装置の概略図である。 図７は図６からの線１−１におけるファイバオプチックケーブルの詳細図であ る。 図８は２つのサンプル室および２つの検出手段を有する本発明の実施例を図示 する。 図９は、本発明の別の実施例において有用な「くし（櫛）」フィルタの透過率 を図示する。 図１０は本発明の別の実施例の原理を使用する装置から得られるパルスデータ を図示する。 図１１は図１０において使用されるのと同様のデータおよび装置を使用する割 合データである。 発明の詳細な説明 本発明は、好ましくは５００〜１０、０００ｎｍそして最も好ましくは７００ 〜２５００ｎｍの選択電磁スペクトル領域において吸光率帯、放射率帯または反 射率帯を具備する関心のある構成要素の濃度の測定のための改善された非侵襲性 の手順を提供する。この発明は、濃度測定を行うことに加えてサンプルまたは対 象物の光学的特性の決定のために使用される。本装置および本方法は米国特許第 914,265 号明細書に教示の基礎概念に対する改善である。前出願の装置および方 法は、プローブとして放射を使用する非侵襲性濃度測定に関連付けられる現在の 問題が、情報自身の処理ではなく（たとえば分光測光器）から得られる情報のタ イプに関係するという認識に部分的に基づく。 種々の分析技術の使用はどんな情報が得られたかを明 らかにするけれども、これらの分析技術は、得られる基礎情報よりも良い結果を 発生できない。色知覚の類似技法を濃度測定に適用することにより、詳述すると 、網膜錐体の３つの異なる色素の近赤外近似を形成することにより濃度に関係す る有意に良好な情報が得られる。色の知覚において、「色の不変性」が極端な照 明変動中で維持されるので、目と脳の情報処理動作に類似の態様で情報を処理す るためのニューラルネットワークまたはディジタル計算の使用が好ましい。色不 変性は周囲の照明放射の構成または強さにかかわらず、対象物の被反射、被放射 または被透過色を首尾よく回復するための能力である。色不変性の別途の説明が Dufortおよび Lumsdenによる「Ｖ４のニューラルネットワークモデルにおける色 の範疇または色の不変性」という表題の付されたBiol．Cybern．65、293 〜303 頁（1991年発行）において見出されるので、参考にされたい。 米国特許出願第914,265 号明細書に詳述されている基本発明に対する改善は、 所望される信号が最大化されるそしてバックグラウンド信号（または雑音）が最 小化されるようデータを得る改善手段に関する。本明細書に叙述の実施例はそれ ぞれ、これと同様の利益を達成するための代替手段を提供する。実際には、好ま しい装置が協力使用されるこれら実施例のうちのいくつかの組合せを有し得る。 図１および図２は、従来の道具的なあるいは手段にな る測色における種々のデータ取扱い方法を示す。図１Ａは、人間の３つの種別の 網膜錐体のスペクトル応答を近似するCIE1931 標準等色関数を図示する。いわゆ る色度プロット図と呼ばれる図１Ｂは、異なる波長の単色光に対するこの標準観 察者の組織的ないし系統的変化の都合のよい２次元表示である。図１Ｂにおける 連続曲線上の各点が正規化（Ｘ、Ｙ）ペアとしてプロットされ、これらの値は、 以下の式 D=x'+y'+z'、X=x'/D、Y=y'/D、Z=z'/D にしたがって全ての３つの応答の和により除算することにより、図１Ａの３つの 応答曲線から得られる。 この正規化は結果X+Y+Z=1 を導きそしてX、Y およびZの相対値を完全に定める 。したがって、図１Ｂの二次元プロット図上のＸおよびＹの詳細がさらにＺを記 述するのに十分である。図１Ｂの馬蹄形形状の曲線に沿った指示点を単色光が通 過しそしてこの正規化で純粋な単色光がその強さまたは明るさに関係なく曲線に 沿った同じ点にあるので、強さ（公称Ｄ）が別々に記述されねばならない。（任 意の強さの）白色光が点Ｘ＝０．３０７Ｙ＝０．３１４（図１ＢでＷＬと指定さ れる点）にある。 単色性ではない実対象物からの受容光は曲線の内部の点にある。かかる実対象 物の色相または優勢な「色」は、外側馬蹄形形状曲線と白色点からプロット図上 の対象物点を通ずる線との交差部にある単色光の感知色として定められる。線Ｗ Ｌ−Ｒはこの種別の線の例でありそし て点Ｒは「色相」を示す。光の彩度（飽和度）または色度は「白色」から「純粋 な」色へ向う線に沿ってどれぐらいの距離に対象物位置が見出されるかの尺度で ある。 ところで、図１Ｂの色相−彩度座標系は、中心から外部曲線へ向うベクトルの 長さが波長と共に有意に変化するという点で不規則である。図２は、色相が任意 選択の緑−赤軸線からの角回転によって定められるそして彩度が中心からの径方 向距離として定められる代替えの円筒座標系である。ここで、光の濃度または明 暗度は明示的に第３円筒座標として含まれている。図２のＡＢ面は図１ＢのＸＹ 面と等価である。 従来の手段になる測色において、色だけが探索されたので、振幅ではなく、３ 次元空間におけるベクトルの相対的方向が重要なものであった。色比較のために 使用されるとき、図１に関連して略述される３刺激値系は、正規化の使用により ３つから２つまでベクトル空間の次元を低減する。ところで、この自己正規化型 の方法は、特にインクリメントの色変化が出発ベクトル自体に対してほぼ垂直で あるときに、ｘｙｚベクトルの３つの構成成分を比較的小さな量だけ変化するイ ンクリメント色変化のために直線化度を導入する。 ところで、これら手段になる３刺激値システムは色観察を実行するが、どちら かといえば色が確実に複製されるよう色の特性記述を行うために企図される。詳 述する と、これらのシステムは、照明スペクトル変化に非常に感応し、それゆえ哺乳類 の色観察の色不変性の性質を複製しない。 本発明は、部分的に退化するあるいは縮重するＮ次元ベクトル空間を形成でき るＮ個検出器を使用する視覚による色知覚の類似技法を設定する。ベクトルは正 規化されるので次元は少くとも１だけ、そして結果的に得られる検出器信号が部 分的に相関付けられるよう検出器曲線が強く一部重複するのでおそらく２以上の 数だけ低減されるのが好ましい。Ｎ個の信号の一つまたはそれ以上の信号和また はベクトル長さなど多くの種々の正規化が使用され得る。結果的に得られるベク トル空間は観察試験体におけるグルコースの「色」の量を測るために色相および 彩度のより高次元の類似物の特性記述を行うのに使用される。 図３は、７００〜１２００ｎｍ範囲における水および糖の吸収度スペクトルの 一連のコンピュータ発生模擬物である。図示のピーク場所、大きさおよび幅は文 献における種々のソースから採られている。1000nm、920nm および840nm 近傍の ３つの指示ピークは、たとえば米国特許第4,883,953 号明細書に叙述のKoashiら の仕事において広いバックグラウンドオフセット上に重畳されて一緒に出現する 。かかる報告結果の解釈が、手段になる人工品からグルコーススペクトル特徴を 分離するための配慮を要求する。信頼できるグルコーススペクトルを得る困 難性はよく知られておりそしてこのスペクトル範囲におけるグルコースによる吸 収度の小さな大きさからそしてグルコースが付加されるとき溶液の水の内容量そ して屈折率が変化するという事実からくる。このスペクトル範囲における検出器 信号における器械観察変化は、グルコースによる増大される吸収度、排除される 水による減少される吸収度および実験中の屈折率変化および温度変化による器械 のスループットの変化の混合である。グルコーススペクトル自体についての最終 結果はこれらの効果についての修正の正確さに高く依存する。それにもかかわら ず、図３に図示の一般的特徴は、本発明の実施のために、検出器応答関数の選択 を案内するのに適当な図形描写として現われている。 960nm における図３Ａに図示のピーク（ＷＯＨ）は水のなかのＯＨ基による吸 収によるものである。図３Ｂにおける1000nm近傍のグルコースピーク(GOH) もま たＯＨ吸収によるものであり、そしてその位置は、グルコースのＯＨ部位におけ る分子の他の原子による局所的な場の歪みの結果としてより高い波長に移動され る。グルコースピークの大きさは、全吸収度の損失はないがシフトだけがあると いう仮定に基づいて容易に推定される。こうして、純粋な水はおおよそ５６モル 、１gram/dl(=10gram/liter)のグルコースはおおよそ10/180=0.056モルであり、 純粋な水よりも1000倍小さい。ところで、各グルコースの分子がそれぞれ５つの ＯＨ基を担持するので、グ ルコースはおおよそＯＨ基が0.28モルであり、純粋な水よりもほぼ２００倍小さ い吸収度を有する。図３Ａからのものさしないし尺度で、グルコースからのシフ トされるＯＨピークの予想大きさはおおよそ0.001 吸収度単位の程度である。 ９２０ｎｍ近傍における図３Ｂに図示のピーク（ＣＣＨ）がグルコース中のＣ Ｈ結合の伸張モードによるものである。図３ＢのシフトＯＨピーク（ＧＯＨ）に 対するその相対的大きさは、８４０ｎｍにおけるより小さなピークのKoashiによ って賦与されるデータから粗くとられる。これらの３つのピークは、図３Ｂに包 含されない７５０ｎｍ範囲の別のわずかなピークの可能性のある存在をも指示す る米国特許第5,028,787 号明細書においてRosenthal により賦与されるスペクト ル相関プロット図と矛盾しない。 図３Ｂはさらに、１gram/dl 濃度のグルコースにより排除される水の吸収度の 相対的な大きさの推定をも含む。かかるグルコース溶液についての作表された比 重1.0039（Handbook of Chemistry and Physics 参照）を使用してこれは図３Ａ から得られた。こうして、もし１グラムのグルコースが９９グラムの水に付加さ れれば、結果物は100/1.0039=99.61mlを含む１００グラム溶液である。このとき 、この溶液のフルデシリットルが９９．３９グラムの水（そして１．００３９グ ラムのグルコース）を含む。比較すると、フルデシリットルの純粋な水が１ ００グラムの水を含むであろう。こうして、グルコースのほぼ１gram/dl の濃度 までの変化は0.61グラムだけ溶液の水の内容量を低減し、この排除水の吸収度の 大きさはほぼ１００／０．６１でありまたは純粋な水のそれよりも１６４倍小さ い。 図３Ｃは、水の４センチメートルの透過スペクトルに対するこれらの広くそし て浅いグルコース特徴の算定影響を示す。目に見える曲線間の差を与えるために 、グルコース濃度は１０gram/dl まで増大されることに注意されたい。グルコー ス吸収度の主要な影響は９６０ｎｍの水バンド(WOH) の見かけ形状を変化させる ことである。全体変化はわずかであり、臨床的に重大な0.05〜0.5grams/dl にお いて、変化は図３Ｃにおけるフルスケールプロット図上の線幅の範囲内にあるで あろう。 かかる小さな変化を、温度影響そして流体の他の構成要素（これもまた形状を 変化させ得る）の影響によるバンド形状の他の変化の面前で検出しそして定量化 する必要性は、全体変化を一部重複する複数検出器に対する異なる荷重ないし重 み付けで積分することによって、グルコースによる全体信号変化の最適使用を奨 励する。図３の情報は、ＣＨ伸張およびシフトＯＨバンドの寄与を強調するため にフィルタを「チューニングないし同調」しそして一つまたはそれ以上の検出器 において非シフトＯＨバンドの寄与からこれを減じそして他の検出器において逆 を行うのを可能にし得る。 図４Ａは本発明で使用され得る一組のフィルタを示す。４つの各応答曲線はシ リコン検出器(HAMAMATSU S2387シリーズ）のスペクトル応答と少くとも一つの３ ｍｍ厚さのSchottガラスフィルタの透過度との複合である。（フィルタ組Ａ、Ｂ およびＣにおいてのように）もしフィルタペアが使用されればフィルタは連続的 である。ケースＡ、ＢおよびＣの各々においてペアにおける第１の照射フィルタ は増大する波長（それぞれ、RG9,RG780,RG850）と共に透過率が増大する長波長 透過型フィルタである。ＫＧ２ガラスから作られる第２のフィルタは、透過率が 増大する波長とともに落下する短波長透過型フィルタとして振舞う。Ｄ検出器に ついて、たとえばＲＧ１０００フィルタなどの単一フィルタが使用されそして最 高波長における応答の減少はシリコン検出器自体のスペクトル応答により発生せ られる。 図面から分かるように、各フィルタは別々のピーク透過率範囲を有しそして他 のフィルタの応答と一部重複する。詳述すると、Ａ、ＣおよびＤフィルタ、米国 特許出願第914,265 に叙述されるごとく、可視から近赤外までの錐体応答曲線の 近似的な翻訳ないし変換を実施する３つ組を構成する。 ところで、図４Ａのフィルタ組はグルコースおよび水のスペクトルに対する有 効な合わせ物ないし写し物ではない。なぜなら、応答の大部分が短波長領域（こ こでこれら構成要素は最も少なく吸収している）に集中される からである。図４Ｂは、各検出器の全体信号に対する図３の種々のバンドの百分 率影響を増大し得る代替えフィルタ組を図示する。グルコース濃度変化から生ず る信号変化の大きさおよび独特さを強調するよう、960nm の水のピークを括るた めに、Corion社（それらの P70シリーズ）から商業的に入手可能な一部重複する 広帯域型干渉フィルタを図示する。 たとえば、図４ＢのＨフィルタおよびＪフィルタが単一の複合通過帯域へ組み 合わされるように複数通過帯域を有するフィルタの生成もまた可能である。同様 に、図９に図示されるごときくし（櫛）状または正弦波状フィルタが、類似のし かしスペクトル転位されるフィルタがグルコース特徴包含のスペクトル領域の強 調解除のために使用されている状態で図３の全ての３つのグルコースピークから の信号を積分するために使用され得る。櫛の各突出部の幅、形状および振幅、各 組における突出部の数は信号およびバックグラウンドの分離を最適化するために 調整される。信号の所望される自己矛盾のない正規化の実現のため、各検出器信 号は、たとえば(i) 信号の全てから一緒に計算されるベクトル長さ、(ii)信号の 全ての簡単な和、(iii) 全部の組により覆われるスペクトル範囲のほとんどに重 なった単一の広帯域フィルタを通じて観察される信号、さらに(iv)範囲内の適当 な場所に位置付けられる狭帯域フィルタにおいて観察される信号により除算され 得る。かかる正規化技術および関係のも のがデータ処理の分野でよく知られており、上述のものに限定されない。重要な 性質はフィルタ応答曲線が一部重複しており、幅および位置において関心のある 分析物の広くそして浅いスペクトルトル特徴と合わせられていることである。 図５および図６は、任意タイプの放射測定に関連付けられる問題の一つを除去 するための試みを示す。任意の物理的対象物（詳述すると哺乳類の肉体部分と同 程度に異質なあるもの）で、もしサンプルから検出器に向かう光学ビーム路そし てこれらが作用するところの立体角が等しくなければ、装置自身は所望されない 誤差（または少くとも低減される信号対バックグラウンド応答）を招く。図面に 例示の装置の基本的考えは、検出器が入口アパーチュアの部位を合同的にないし 等価的に退出する光を集めることである。本明細書で使用される「合同的」とい う用語は、観察される広がった対象物における各点における対象物の他の点に対 しての光収集効率が検出器ごとに同じであることを意味する。言葉を変えていう ならば、各検出器についての像が完全に重ね合わせ可能であるはずであり、それ ゆえそれらは同じ距離において同じ立体角を被う。図５に図示の装置は、検出器 が全て同じ距離そして同じ角度にて同じ信号を受容するように光学ビーム路を作 るため一連のビームスプリッタを使用することによりこれを実現している。図５ の装置は、照明放射（好ましくは７００〜２５００ｎｍ範囲の赤外放射 ）を発生するランプ１０を有する。ランプ１０からの光はアパーチュア３０を通 じて投射レンズ２０により集光される。アパーチュア３０は、指４５の一部を有 して示されるサンプル室４０に通ずる。指４５を通じて透過される放射が検出手 段５０の入口アパーチュア５２を通って進む。透過信号の大きさは低いので、反 射度測定は有利かもしれないが、反射度は浮遊放射に関連付けられる他の問題を 有し得る。なお、哺乳類の肉体部分が好ましいけれども、任意のサンプルが使用 され得る。入口アパーチュア５２を通じて入る光を分離しそしてこれを４つの検 出器７２、７４、７６および７８に送る一連のビームスプリッター６０、６２お よび６４を検出手段５０が有する。各検出器７２、７４、７６および７８が関連 の各フィルタ８２、８４、８６および８８をそれぞれ有する。以下で詳述するこ れら検出器および関連のフィルタは全て異なるピーク透過率応答を有する。通常 、これらは、各検出器が少くとも一つの他の検出器といくらか一部重複する透過 率スペクトルを有するように十分に広い透過率応答をも有する。 検出器７２、７４、７６および７８からの出力は、データ処理を行うそして関 心のある構成要素の濃度指示信号を発生する、コンピュータやニューラルネット ワーク（図示せず）などの分析手段に進む。 図５Ｂは匹敵する装置、しかし４つの検出器ではなく８つの検出器と関連のフ ィルタとを有する装置を図示す る。このシステムは、多くの検出器使用により正確な情報を提供し得るそして図 ８に図示の２サンプル室／８検出装置の代わりに使用される。一定のサンプルに ついて、データを２組（それぞれ４つの検出器からなる）に分離することにより 、単一の検出器セットと比較して改善データが得られる。 図６は、同じ立体角にわたり実質的に等しい光学ビーム路を提供する装置の別 の変形物を図示する。この実施例において、ランプ１０′および投射レンズ２０ ′は図５の実施例におけるランプ１０および２０と同じにできる。サンプル室３ ０への入口アパーチュアの代わりに、ファイバオプチックケーブル３０′が使用 される。ファイバオプチックケーブル３０′が単一のファイバオプチック線路と し得あるいは図７との関係で後述するようなファイバオプチック束とされ得る。 ファイバオプチックケーブル３０′は照明放射（好ましくは７００〜２５００ｎ ｍの範囲の赤外放射が好ましい）を配置される指４５′に供給する。指は哺乳類 の肉体部分として各図面において使用されているけれども、額や爪先や手や足や 耳や手首を含む他の肉体部分が使用され得あるいは種々のタイプのサンプルが使 用され得る。 サンプル室４０′の出口で、入口アパーチュア５２に代わるファイバオプチッ クの束５２′を通じて光が伝達される。光は、４つのファイバオプチックケーブ ル６２′、６４′、６６′および６８′に分岐されているファ イバオプチックケーブル５２′を通じて検出手段５０′へ伝達される。分岐され るファイバオプチックケーブルはビームスプリッタ６０、６２および６４に代わ る。各ファイバオプチックケーブル６２′、６４′、６６′および６８′はフィ ルタ８２′、８４′、８６′および８８′へ通じ、しかしてこれらのフィルタは 順次放射を検出器７２′、７４′、７６′および７８′に伝達する。検出器およ びフィルタは図５に図示のものと同じとされ得る。 図６に図示の装置の臨界的に重要な様相は出口ファイバオプチックケーブルの 束５２′である。図７はこのファイバオプチックケーブル束の詳細を図示する。 図７は図６の線１−１′を通ずるファイバオプチック束５２′の断面図である。 図示されるごとく、このファイバオプチック束５２′は、入力部における各点を 実質的に等しく効果的にサンプルするよう絡み合わされる４つの出力脚部６２′ 、６４′、６６′、６８′からの多数の小さなファイバを包含する。図に示され るごとく、番号１を有するファイバの全てが分岐ファイバオプチックケーブル６ ２′に、番号２を有するファイバがファイバオプチックケーブル６４′に、番号 ３を有するファイバがファイバオプチックケーブル６６′に、そして番号４を有 するファイバがファイバオプチックケーブル６８′に進む。ファイバが必ずしも 互いに重なり合わないので、これは図５のビームスプリッター配列と必ずしも等 価ではな いけれども、十分なファイバがありそしてファイバが十分小さくケーブル周囲の ファイバの混合が実質的にランダムで等しければ、それは非常に良好な第１次近 似物である。 図８は本発明の別の実施例を図示し、改善される信号を生ずるため、２つの別 個のｎ次元空間（またはｎ次元空間およびｍ次元空間）が発生されそして比較さ れるものである。図示の実施例において、ランプ１０”が、２つの鏡１５”およ び１６”に進むそして一対の投射レンズ２０”に進む照明放射の提供に使用され る。入口アパーチャ３０”、サンプル室４０”、出口アパーチャ５２”および検 出器５０”のそれぞれは両方とも図５に図示のものと互いに同じである。ところ が、一つの補助的な実施例において、２つの検出手段５０”のフィルタ８２”、 ８４”、８６”および８８”は異なり、異なるｎ（またはｍ）次元空間を生ずる 。もしこれらのフィルタが、それらが異なるピーク透過度を有するという点で異 なれば、異なるｎ（たとえば３）次元空間が発生される。各検出手段がグルコー スなどの関心のある物質の濃度指示信号を発生しそしてバックグラウンド寄与の うちのいくらかを除去すべく２つの値が分析手段により比較される。これを行う 一つの手段が上述のごときベクトルを発生し、ベクトルを整列させそして単一方 向において高ベクトル振幅を与えるであろうベクトルを加え合わせることである 。バックグラウンド構成要素は整列しないであ ろうからこれは信号とバックグラウンドの良好な分離を生ずる。図示の実施例に おいて、２つの別々のサンプル室４０”が図示されている。これらのサンプル室 は異なる肉体部分（たとえば２つの指）のために使用され得、そしてたとえフィ ルタ組８２”、８４”、８６”、８８”が同一でも、ある値が発生される。血液 中のグルコース値は同様であろうが指間のバックグラウンド値は異なることがあ り得るので、これはバックグラウンドからの信号の区別化を促進する。本発明の この実施例の別の様相において、単一のサンプル室が使用され得、出射する透過 放射（または反射放射（もしこの形式が使用されるのあれば））が２つの匹敵す る検出手段５０”へ進むようサンプル室４０”からの出口アパーチュア５２”近 傍にビームスプリッタが位置付けられる。異なるフィルタ組８２”、８４”、８ ６”、８８”を、かかるフィルタへの同様の入力信号を有するこれら２つの検出 手段５０”で使用することにより、２つの異なるｎ次元（またはｎ次元およびｍ 次元）空間が発生されそして上述と同様の利益が得られる。 図９は本発明の種々の様相における検出手段のフィルタのうちの一つとして使 用され得る櫛フィルタの透過度を図示する。このフィルタはある波長にて吸収し そして他の波長にて透過させるようなスペクトル構造を有する。フィルタの吸収 バンドと除去されるバックグラウンド構成要素の既知バンド（たとえば水バンド ）との整列に より、より高く区別化されるデータ列が得られる。櫛フィルタまたはあるスペク トルトル構造を有する他のフィルタの代わりに、他のフィルタの少くとも一つと 一部重複する単一の狭い透過度ピークを有する単一のフィルタ（または多数フィ ルタ）が使用され得る。 図１０は、本明細書に叙述の初期の形式の器械による実際の動脈系のパルス状 データを図示する。器械の電子回路系はパルス速度よりも非常に早い毎秒１００ 回にわたりデータを収集できるようなものである。したがって、個々のパルスが 吸収度対時間のグラフ図に示される。図１０において、各補助図１０Ａ〜１０Ｄ が信号出力電圧（Ｖ）対時間（ミリ秒）の関係を図示する。４つの図１０Ａ〜１ ０Ｄの各々が同様のタイプのフォトセル、シリコンフォトセルを異なるフィルタ 組（詳述すると図４Ａに図示の応答を有するフィルタ組）とともに使用すること により作成される。同様に、シリコンセル、硫化鉛セル、セレン化鉛セルの混合 など種々のフォトセルが使用され得る。パルス波形式における代表的な切れ込み が図に示されている。興味のあることは、４つの異なるフィルタが（特定波長の 光の透過度に基づいて）異なる量の光を透過するだけでなく、単位電圧に対する ピーク電圧の比が各異なる検出器ごとに異なることである。このタイプの情報の 使用により、濃度値が関心のある構成要素について得られる。 図１１は図１０と同様のデータを使用するが、絶対電 圧値ではなく正規化割合としてこれをプロットしている。Ｙ軸は、滑動するサン プリング窓（時間）にわたる平均値により除算される単位時間にわたる平均傾斜 のプロットにより毎秒の百分率変化を示し、Ｘ軸は時間（ミリ秒）を与える。実 際の割合はここで逆転されているが、図１１Ａ〜１１Ｄから分かるように、割合 は各検出器において異なる。これらのタイプの割合計算は、情報の提供（本発明 のごとく一部重複することのない限定波長においてとはいえ）のためにパルス酸 素濃度測定において従来より使用されているので、特に有用であるところのパル ス酸素濃度測定の割合計算と本発明との間に比較が行われる。実際、このタイプ の動脈系パルス処理は本発明のいずれの実施例でも使用されそしてデュアルサン プル室（たとえば２つの指）方法との関係で特に有用である。なぜなら、各指の 動脈系構成要素は強く相関するからである。同様に、動脈系パルスからの透過度 変化および反射度変化は本発明の方法および装置を使用して結果を改善する。動 脈系パルスのみの使用により、バックグラウンドの大部分が除去されそしてより 意味のあるデータが発生され得る。 当業者であれば、本明細書に開示の主題の他の利益および使用を理解するであ ろう。本明細書に開示の装置および方法のかかる他の利益、使用および具体例は 以下の請求の範囲に記載の本発明の技術思想内に包摂されるべきものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 (1) サンプルまたは蛍光対象物のような対象物の光学的特性を決定する装置にで あって、前記サンプルの一部をを照明するための照明用放射線のスペクトルを発 生する放射源と、前記サンプルにより放射されまたは該サンプルから反射される 放射線に応答して出力を発生するように適合された複数の検出器であって、各々 前記放射源により放射される照明用放射線のスペクトルの一部にスペクトルレス ポンスないし応答を有し、かつ各々別個のピークスペクトルレスポンスを有し、 前記検出器の少なくとも一つの他の検出器とスペクトルレスポンス特性において 少なくとも部分的オーバーラップないし重複を有する複数の検出器を備える検出 手段と、前記検出器からの前記出力を分析して前記対象物の光学的特性を指示し 得る信号を発生する分析手段と有するものにおいて、 前記各検出器が、前記サンプルからの放射線を合同的ないし等価的にサンプル するように位置づけられていることを特徴とする対象物の光学的特性決定装置。 (2) サンプルまたは蛍光対象物のような対象物の光学的特性を決定する装置にで あって、前記サンプルの一部を照明するための照明用放射線のスペクトルを発生 する放射源と、前記サンプルにより放射されまたは該サンプルから反射される放 射線に応答して出力を発生するように適合された複数の検出器であって、各々前 記放射線源に より放射される照明用放射線のスペクトルの一部にスペクトルレスポンスを有し 、かつ各々別個のピークスペクトルレスポンスを有し、前記検出器の少なくとも 一つの他の検出器とスペクトルレスポンス特性において少なくとも部分的オーバ ーラップを有する複数の検出器を備える検出手段と、前記検出器からの前記出力 を分析して前記対象物の光学的特性を指示し得るデータ信号成分を発生する分析 手段と有するものにおいて、 第１のサンプル部分から透過または反射された放射線を受け取る適合された第 １の検出手段と、第１のサンプル部分から透過または反射された放射線を受け取 る適合された第２の検出手段とを含む少なくとも二つの検出手段を有し、前記第 １検出手段が、前記サンプルの前記光学的特性を指示し得るデータ信号成分とバ ックグラウンド成分の複合より成る第１のデータ流を発生し、前記第２検出手段 が、前記サンプルの前記光学的特性を指示し得るデータ信号成分とバックグラウ ンド成分の複合より成る第２のデータ流を発生し、 前記分析手段が、前記第１データ流を前記第２データ流と比較して、前記バッ クグラウンドの干渉する特徴をレンダリングしながら前記対象物の光学的特性を 指示し得る情報信号を発生するよう構成された手段を備えることを特徴とする対 象物の光学的特性決定装置。 (3) サンプルまたは蛍光対象物のような対象物の光学的特性を決定する装置にで あって、前記サンプルの一部を を照明するための照明用放射線のスペクトルを発生する放射源と、出力を発生す るように適合された複数の検出器であって、各々前記放射源により放射される照 明用放射線のスペクトルの一部を透過または反射するフィルタを有し、該各フィ ルタが、別個のピーク透過または反射レスポンスを有し、かつ前記フィルタの少 なくとも一つの他のフィルタと透過または反射特性において少なくとも部分的オ ーバーラップを有する複数の検出器を備える検出手段と、前記検出器からの前記 出力を分析して前記サンプルの光学的特性を指示し得る信号を発生する分析手段 と有するものにおいて、 前記検出手段内の前記フィルタの少なくとも一つが、放射線を透過または反射 するスペクトル部分に吸収バンド帯域を有するようなスペクトル構造を有するフ ィルタと、単一の狭い透過および反射範囲を有するフィルタより成る群から選択 されることを特徴とする対象物の光学的特性決定装置。 (4) サンプルまたは蛍光対象物のような対象物の光学的特性を決定する装置にで あって、前記サンプルの一部をを照明するための照明用放射線のスペクトルを発 生する放線射源と、前記サンプルの前記一部を前記放射線源に関して実質的に固 定位置に固定するためのサンプルまたは傾向対象物のような対象物チャンバと、 出力を発生するように適合された複数の検出器であって、各々前記放射線源によ り放射される照明用放射線のスペクトルの一 部にスペクトル応答を有し、各々別個のピークスペクトルレスポンスを有し、か つ前記検出器の少なくとも一つの他のフィルタとスペクトルレスポンス特性にお いて少なくとも部分的オーバーラップを有する複数の検出器を備える検出手段と 、前記検出器からの出力を分析して前記成分の濃度を指示し得るデータ信号成分 を信号を発生する分析手段と有するものにおいて、 前記検出器からの出力を別個の動脈パルス波形を観察するに十分に迅速な態様 で収集し、前記サンプル内の、静脈または組織血液と異なる、動脈血液内の関係 する成分の区別を可能にする質問手段を備える ことを特徴とする対象物内の成分濃度決定装置。 (5) サンプルにおける関心のある構成要素の濃度決定方法において、 放射源からの放射スペクトルで照射されるように関心のあるサンプルの一部を ある位置に固定し、 関心のあるサンプルの前記部分を放射源からの放射スペクトルで照射し、 サンプルから透過または反射される放射を検出する段階であって、検出が複数 の個別の検出器を包含する検出手段により実行され、各検出器がいずれの他の検 出器のピークスペクトル応答とも異なるピークスペクトル応答を有し、各検出器 が他の検出器の少くとも一つとスペクトル応答において重複部分を有し、各検出 器が他の検出器とともに合同的ないし等価的なサンプリングを行うよ うにサンプルの前記固定部分に関して相対的に配置されている検出段階と、 各検出器からの被検出放射に対応するデータ流を発生し、 当該データ流を分析し濃度の尺度を得る諸段階を含む濃度決定方法。 (6) サンプルにおける関心のある構成要素の濃度決定方法において、 放射源からの放射スペクトルで照射されるように関心のあるサンプルの一部を ある位置に固定し、 関心のあるサンプルの前記部分を放射源からの放射スペクトルで照射し、 サンプルから透過または反射される放射を検出する段階であって、それぞれ複 数の個別の検出器を有する少くとも第１の検出手段と第２の検出段とにより検出 が実行され、各検出器が同じ検出手段におけるいずれの他の検出器のピークスペ クトル応答とも異なるピークスペクトル応答を有し、検出器が同じ検出手段にお ける他の検出器の少くとも一つとスペクトル応答において重複部分を有し、それ により、第１の検出手段が、構成要素濃度指示データ信号成分とバックグラウン ド構成成分との複合物を形成する第１データ流を発生しそして第２の検出手段が 構成要素濃度指示データ信号成分とバックグラウンド構成成分との複合物を形成 する第２のデータ流を発生し、 いずれのデータ流においても個別にバックグラウンドよりも低い明瞭さの第１ および第２のデータ流からバックグラウンド妨害特徴のレンダリングを行いつつ 、構成要素の濃度指示情報信号を発生のために第１のデータ流と第２のデータ流 とを比較する諸段階を含む濃度決定方法。 (7) サンプルにおける関心のある構成要素の濃度決定方法において、 放射源からの放射スペクトルで照射されるように関心のあるサンプルの一部を ある位置に固定し、 関心のあるサンプルの前記部分を放射源からの放射スペクトルで照射し、 サンプルから透過または反射される放射を検出する段階であって、検出が複数 の個別の検出器を包含する検出手段により実行され、各検出器がいずれの他のフ ィルタのピーク透過度または反射度とも異なるピーク透過度または反射度を有す る関連フィルタを有し、各フィルタが、他のフィルタの少くとも一つと透過度特 性または反射度特性において重複部分を有し、フィルタの少くとも一つが、その 部分にわたり放射を透過または反射するところのスペクトル部分において透過ま たは反射バンドを有するようなスペクトル応答を有するフィルタおよび狭い透過 または反射範囲だけを有するフィルタとからなる群から選択される検出段階と、 各検出器からの検出放射に対応する信号を発生し、 当該信号を分析し、濃度の尺度を得る諸段階を含む濃度決定方法。 (8) サンプルにおける関心のある構成要素の濃度決定方法において、 放射源からの放射スペクトルで照射されるように関心のあるサンプルの一部を ある位置に固定し、 関心のあるサンプルの前記部分を放射源からの放射スペクトルで照射し、 サンプルから透過または反射される放射を検出する段階であって、検出が複数 の個別の検出器を包含する検出手段により実行され、各検出器がいずれの他の検 出器のスペクトル応答とも異なるピークスペクトル応答を有し、各検出器が、他 の検出器の少くとも一つとスペクトル応答特性において重複部分を有する検出段 階と、 収集データが関心のある構成要素の動脈血液レベルと相関付けられるように、 明確な動脈系パルスの観察のために十分迅速な応答を有する探索手段を使用し各 検出器からの出力を収集し、 収集データに対応するデータ信号構成成分を発生しそして当該データ信号成分 を分析し、濃度の尺度を得る諸段階を含む濃度決定方法。 (9) 前記対象物がサンプルでありそして前記放射源に関して実質的に固定位置に おいてサンプルの前記部分を固定するための少くとも一つのサンプル室を別途具 備し、光学的特性がサンプルにおける関心のある構成要素の濃 度を表わす請求項１、２、３または４の装置。 (10)前記照明放射が７００〜２５００ｎｍ範囲の赤外放射を含む請求項１、２、 ３または４の装置。 (11)前記分析手段が、測色ｎ次元空間、ここでｎは検出手段の検出器の数に等し いかまたはこれよりも小さい、における位置の類似物である出力を発生する請求 項１、２、３または４の装置。 (12)検出手段が、複数検出器の全てのスペクトル応答に感応するそしてこれと重 複する黒／白明度検出器を別途含む請求項１、２、３または４の装置。 (13)各検出器が、照射放射のスペクトルの一部を透過または反射するフィルタを 含み、各フィルタが検出手段の他のフィルタのピーク透過度または反射度応答と 異なる別個のピーク透過度または反射度応答を有するそして複数のフィルタの少 くとも一つの他のフィルタと透過度または反射度応答において少くとも部分的な 重複部分を有する請求項１、２、３または４の装置。 (14)分析手段がニューラルネットワークを含む請求項１、２、３または４の装置 。 (15)サンプルが人間のからだの一部を含む請求項９の装置。 (16)関心のある構成要素が、グルコース、グルコース指示構成要素、コレステロ ール、脂質、たんぱく質、ヘモグロビンおよびその変形物、濫用薬物そして濫用 薬物指示構成要素からなる群から選択される請求項９の装置。 (17)複数の検出器が合同的ないし等価的なサンプリングを実現するよう構成され るのを許容するためビームスプリッタ手段を含む請求項１の装置。 (18)複数の検出器が合同的サンプリングを実現するよう配列されるのを許容する ために複数の光ファイバを含むファイバオプチックケーブル束を含む請求項１の 装置。 (19)各検出器が照射放射のスペクトルの一部を透過または反射するフィルタを含 み、各フィルタが、検出手段の他のフィルタのピーク透過度または反射度応答と 異なるピーク透過度または反射度応答を有しそして少くとも一つの他のフィルタ と透過度または反射度応答において少くとも部分的な重複を有し、第１の検出手 段が第１のフィルタ組を有しそして第２の検出手段が第２のフィルタ組を有しそ して第１および第２のフィルタ組が異なる透過度または反射度応答を有する請求 項２の装置。 (20)前記分析手段が、前記第１データ流から測色ｎ次空間の位置類似と、ここで ｎは前記各第１検出手段の数に等しいかそれよりも小さいものとする、前記第２ データ流から測色ｍ次空間の位置類似とを生成し、ここでｍは前記第２検出手段 の検出装置の数に等しいかそれより小さいものとする、前記位置を比較して、前 記対象物の光学的特性を指示する前記信号を発生する請求項２記載の装置。 (21)前記装置が少なくとも二つのサンプルチャンバを備えており、該各チャンバ が、そこを通過する放射線が、前記第１および第２の検出手段の両方でなく、一 方のみに落射する請求項９記載の装置。 (22)前記各検出器が、前記検出手段の他のフィルタのピークスペクトルレスポン スから異なるピークスペクトルレスポンスと少なくとも一つの他のフィルタとス ペクトルレスポンスにおいて少なくとも部分的オーバーラップを有するフィルタ を具備しており、前記第１検出手段が第１の一組のフィルタを有し、前記第２検 出手段が第２の一組のフィルタを有し、該第１および第２の一組のフィルタが異 なるスペクトル透過または反射レスポンスを有している請求項２記載の装置。 (23)前記フィルタの前記スペクトル構造が、正弦透過または反射構造の形式であ る請求項３記載の装置。 (24)前記各サンプルチャンバがそれと関連する検出手段を有しており、前記各個 々の検出手段がそれと関連して それ自体の一組のフィルタを有している請求項２１記載の装置。 (25)前記各検出手段がさらに、関連するフィルタを具備しており、前記各関連す るフィルタが、前記フィルタのどのどのフィルタのピーク透過または反射と異な るピーク透過または反射を有しており、前記各フィルタが前記フィルタの少なく とも一つの他のフィルタとスペクトルレスポンスにおいてオーバーラップを有し ている請求項５，６，７または８記載の方法。 (26)照明放射線の前記スペクトルが700 〜2500nm範囲の赤外線放射線である請求 項５，６，７または８記載の方法。 (27)前記分析段階が、前記データ流からｎ次元測色空間の特定の位置類似を形成 することを含み、ここでｎは前記検出手段における検出器の数に等しいかそれよ りも小さいものとする、請求項５，６，７または８記載の方法。 (28)前記分析段階が、ニューラルネットワークにより実施される請求項５，６， ７または８記載の方法。 (29)前記ニューラルネットワークが視覚における色不変性類似を達成するため前 記データ流を処理するように構成され、訓練される請求項２８記載の方法。 (30)前記の関係する成分が、グルコース、グルコース指示成分、コレステロール 、脂質、蛋白質、ヘモグロビンおよびその変体、乱用薬剤および乱用指示成分の 薬剤よ り成る群から選択される請求項５，６，７または８記載の方法。 (31)前記複数の検出器が合同サンプリングを達成するように配置されることを可 能にするビーム分割手段を備える請求項５記載の方法。 (32)前記複数の検出器が合同サンプリングを達成するように配置されることを可 能にするため複数のオプチカルファイバを含むオプチカルファイバケーブル束を 具備する請求項５記載の方法。 (33)前記分析段階が、前記信号から異なる測色空間、すなわち前記第Ｉ検出手段 からのｎ次元の空間と、ここでｎは前記検出手段における検出器の数に等しいか それよりも小さいものとする、前記第２検出手段からのｍ次空間、ここでｍは前 記第２検出手段における検出器の数に等しいかそれより小さいものとする、内の 少なくとも二つの異なる特定位置類似を形成し、前記第１および第２検出手段に 対して前記類似位置を相関づけることを含む請求項６記載の方法。 (34)前記分析段階が、前記信号からｎ次元測色空間内の特定位置類似を形成する こと、ここでｎは前記検出手段内の検出器の数に等しいかそれよりも小さいもの とする、を含む請求項５，７または８記載の方法。 (35)前記検出手段が複数の検出手段を具備しており、該各検出手段が、前記検出 手段の他のいずれからも異なる信号を発生するようにそれと関連するフィルタを 有し、 前記信号の前記分析が前記各検出手段から得られる前記信号を比較することを含 む請求項８記載の方法。