(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換装置に光の流れを供給するステップと、前記光電変換装置への光の流れを交互に伝導し、遮断するステップと、前記光電変換装置に光の流れを伝導している間に、前記光電変換装置に対する光の流れの伝導に応答して前記光電変換装置から発生する所望の信号と、望ましくない暗信号とが混合した混合信号を前記光電変換装置によって発生するステップと、前記光電変換装置に対する光の流れを遮断している間に、前記光電変換装置によって暗信号だけを発生するステップと、発生した前記暗信号を処理するステップと、処理された前記暗信号の値を前記混合信号から取り除くステップとを備える光電変換装置のための信号補正方法において、
前記暗信号を処理するステップでは、前記暗信号の有する暗信号サンプルにデジタル・フィルタリングを施して、前記暗信号のフィルタリングを施された暗信号を発生し、処理された前記暗信号の値を前記混合信号から取り除くステップでは、前記混合信号から前記フィルタリングを施された暗信号を取り除いて、前記所望の信号を表す補正信号を発生するようにし、かつ前記光の流れを交互に伝導し、遮断するステップでは、前記光電変換装置に対する前記光の流れを制御して前記光の伝導する持続時間が、光の遮断される持続時間よりも長くなるようにされることを特徴とする信号補正方法。
【請求項２】
前記光の流れを交互に伝導し、遮断するステップにおいて規則正しい持続時間にわたって前記光の流れを遮断し、前記暗信号だけには規則正しい暗信号サンプルが含まれることを特徴とする請求項１に記載の信号補正方法。
【請求項３】
前記暗信号を処理するステップでは、フィルタリングは無限インパルス応答デジタル・フィルタ法、または有限インパルス応答デジタル・フィルタ法によって行なわれることを特徴とする請求項１に記載の信号補正方法。
【請求項４】
前記光の伝導する持続時間は、前記光の遮断される持続時間よりも１０倍長いことを特徴とする請求項１に記載の信号補正方法。
【請求項５】
光源からの光の流れを検出した検出信号を補正する信号補正装置であって、前記光の流れを交互に伝導し、遮断する手段と、前記光の流れが伝導している間には、前記光源に光学的に結合されて前記光の流れに応答して発生する所望の信号と望ましくない暗信号とが混合した混合信号を発生し、前記光の流れを遮断している間には、暗信号だけを発生する光電変換装置と、前記光電変換装置に結合されて、発生した前記暗信号を処理する暗信号処理手段と、前記混合信号から処理された暗信号を取り除く手段とを備える信号補正装置において、
前記暗信号を処理する手段は、前記暗信号の有する暗信号サンプルにデジタル・フィルタリングを施して、前記暗信号のフィルタリングを施された暗信号を発生し、処理された前記暗信号の値を前記混合信号から取り除く手段は、前記混合信号から前記フィルタリングを施された暗信号を取り除いて、前記所望の信号を表す補正信号を発生し、かつ前記光の流れを交互に伝導し、遮断する手段は、前記光電変換装置に対する前記光の流れを制御して前記光の伝導する持続時間が、光の遮断される持続時間よりも長いように制御することを特徴とする信号補正装置。
【請求項６】
前記光の流れを交互に伝導し、遮断する手段が規則正しい持続時間にわたって前記光の流れを遮断し、前記暗信号だけには規則正しい暗信号サンプルが含まれることを特徴とする請求項５に記載の信号補正装置。
【請求項７】
前記暗信号を処理する手段が、
前記光電変換装置に結合され前記暗信号だけに基づく暗信号サンプル値の集合を発生するアナログ・デジタル変換器と、
該アナログ・デジタル変換器に結合され、前記暗信号サンプル値の集合を受け取って前記暗信号サンプル値にデジタル・フィルタリングを施すためのデジタル・プロセッサとを備えることを特徴とする請求項５に記載の信号補正装置。
【請求項８】
前記デジタル・プロセッサが無限インパルス応答デジタル・フィルタ法、または有限インパルス応答デジタル・フィルタ法によって前記暗信号サンプル値にデジタル・フィルタリングを施すようにプログラムされていることを特徴とする請求項７に記載の信号補正装置。
【請求項９】
前記光の伝導する持続時間は、前記光の遮断される持続時間よりも１０倍長いことを特徴とする請求項５に記載の信号補正方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、暗信号補正方法及び装置に関するものであり、とりわけ、ガス状物質の分光器による分析に用いられる光電変換装置の望ましくない暗信号の補正方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
さまざまな重要な用途において、ガス状物質の分析を行う計測装置の使用が必要とされている。例えば、外科手術の場合、ガスを慎重に投与することによって、患者に麻酔がかけられる。さらに、患者の呼吸によって吐き出されるガスを継続してモニターすることによって、患者の状態を判定する必要がある。患者が吐き出すガスの分析を行う計測装置の利用は、手術担当者に対して極めて重大な情報を提供することになる。
【０００３】
ある特定のクラスの計測装置による計測では、ラマン分光分析を用いて、ガス状物質の存在及び濃度が検出される。ラマン効果による光の散乱は、１９２８年におけるＣ．Ｖ．Ｒａｍａｎによるその最初の説明以来、科学者の多大の注目を受けてきた。ラマン効果を用いた計測装置を利用することによって、サンプリング・セル内に納められたガスの分子を照射する、レーザ・ビームのような光が得られる。正確に分子の振動周波数だけ散乱光の周波数をシフトさせるプロセスにおいて、ガスの分子振動によって、照射を受けたガス分子から光が散乱し、散乱光が発生する。スペクトル信号の周波数シフトは、分析を受けるガスに特有のものであり、照射光の周波数とは別個のものである。従って、ラマン散乱光を用いることによって、化学組成及び濃度のような、分析を受けるガスの特性を推理することが可能になる。
【０００４】
ラマン散乱光は、サンプリング・セル内に納められたガスから集められ、該散乱光の構成周波数成分が、分析され、検出される。分析した周波数成分を利用することによって、ディスプレイ装置に表示可能なスペクトル写真が得られる。スペクトル写真を解釈することによって、ガス中における異なるタイプの構成ガス分子の存在及び濃度を推理することが可能になる。ラマン効果を用いることによって、強力な分析ツールを得ることができるが、留意すべきは、一般に、ラマン効果によって得られる光の強度は、極めて弱いということである。ラマン散乱光の強度は、ラマン効果を誘発するのに利用される放射線の強度に対して、極めて低い。
【０００５】
ラマン効果を用いた計測装置の利用については、１９８７年３月１０日に発行されたＢｅｎｎｅｒその他による「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｇａｓ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｂｙ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｉｎ  Ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ  Ｌａｓｅｒ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ」と題する米国特許第４，６４８，７１４号、及び、Ｖａｎ  Ｗａｇｅｎｅｎその他による「Ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ  Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｇａｓ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｂｙ  Ｌａｓｅｒ−Ａｃｔｉｖａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ」と題する米国特許第４，７８４，４８６号に解説がある。これらの特許は、それぞれ、役に立つ背景情報を提供するので、参考までに本書に組み込まれている。これら２つの特許のそれぞれにおいて解説の計測装置の使用によって、サンプリング・セル内に収容されたガスの分子を照射するレーザ・ビームが得られる。ラマン効果によって発生するラマン散乱光は、サンプリング・セル内に収容されたガスから集められる。
【０００６】
各特許には、ラマン散乱光の構成周波数成分を検出するためのそれぞれの手段に焦点を合わせた論述が含まれている。Ｖａｎ  Ｗａｇｅｎｅｎその他の教示によれば、光電子増倍管を利用して、ラマン散乱光が検出される。Ｂｅｎｎｅｒその他の教示によれば、フォトダイオード、強化ダイオード・アレイ、または、光電子増倍管といった、任意の最先端技術による検出器を利用することが可能である。
【０００７】
Ｖａｎ  Ｗａｇｅｎｅｎ及びＢｅｎｎｅｒが論じているように、フォトダイオード、光電子増倍管等のような光電子変換装置を利用して、ラマン散乱光を検出することができるが、いくつかの困難も、依然として残されている。こうした光電子変換装置の実際上の制限は、該装置をラマン散乱光にさらすと、該装置は、所望の信号と望ましくない暗電流信号が混合した電気信号を発生するということである。所望の信号は、ラマン散乱光に応答して発生する。望ましくない暗電流信号は、光電変換装置の照射とは関係なく発生する。光電変換装置を露光させなければ、該装置の出力において、暗信号だけを直接測定することが可能である。従って、所望の信号を発生させずに、暗信号だけを分析するのは容易である。あいにく、光電変換装置によって、やはり、混合する暗信号を発生させることなく、所望の信号を直接発生させる方法については知られていない。所望の信号は、本質的に望ましくない暗信号と混合するので、所望の信号を分離するのは、困難である。
【０００８】
暗信号は、所望の信号を曖昧にすることになりがちであるため、問題が生じる。こうした暗信号の好ましくない効果は、光電変換装置を用いて、ラマン散乱光を検出する、ラマン分光分析においてとりわけ顕著である。ラマン効果によって生じる光の強度は、極めて弱いので、ラマン散乱光に応答して光電変換装置から生じる所望の信号は、弱い信号になる。所望の信号が非常に弱いので、所望の信号は、特に、暗信号と混合することによって、曖昧になりやすい。
【０００９】
補正方式には、暗電流信号によって生じる問題を部分的に解決するものもある。固定補正方式では、固定補償信号を用いることによって、ラマン散乱光にさらされた光電変換装置によって生じる電気信号に補正を加えようとする。電気信号から固定補償信号を除去すると、補正された信号（本明細書では「補正信号」とも称する。）が得られる。固定補正方式は、一般に、フォトダイオード及びダイオード・アレイに関連して用いられる、マルチプレクサ、リセット回路、及び、演算増幅器の電荷注入によって影響を受ける、暗信号の固定信号アーチファクトを除去するのにある程度有効である。しかし、暗信号には、可変信号アーチファクトも含まれているので、全体としては、固定補正方式は、限られた成功しか得られない。例えば、実験によれば、暗信号は、光電変換装置の温度の強い関数であることが分かった。従って、暗信号には、可変熱的アーチファクトが含まれるものと理論上想定される。大部分の半導体光電変換装置の場合、暗信号は、光電変換装置の温度が摂氏７度上昇する毎に、ほぼ倍になる。固定補償信号は、暗信号の可変信号アーチファクトに適応しないので、より優れた補正方式が必要とされる。
【００１０】
可変補正方式では、熱的に結合して、互いに熱平衡がとれる、同様に構成された１対の光電変換装置が用いられる。１対の光電変換装置のうち第１の構成装置は、前述のやり方と同様に、ラマン散乱光にさらされ、この結果、所望の信号と第１の暗信号が混合した第１の電気信号が生じる。１対の光電変換装置のうち第２の構成装置を露光しないようにすることで、第２の暗信号が発生する。第１と第２の装置は、同様に構成されているので、理論上、第１の信号と第２の信号は、同様であると想定される。さらに、１対の光電変換装置は、互いに熱平衡がとれているので、理論上、第１の暗信号における熱変動に対して、第２の暗信号が追従することになるものと想定される。可変補償方式は、第１の電気信号から第２の暗信号を除去することによって、所望の信号に対する第１の暗信号の効果を補償し、熱的に調整された補正信号が得られるようにすることを意図したものである。
【００１１】
あいにく、可変補正方式は、それによって生じる補正信号にノイズを付加することになる。発生する各暗信号には、それぞれ、ノイズ・アーチファクトが含まれる。例えば、第１の暗信号には、第１のノイズ・アーチファクトが存在し、第２の暗信号には、第２のノイズ・アーチファクトが存在する。従って、可変補正方式によって生じる補正信号は、第１の暗信号から第１のノイズ・アーチファクトを受け継ぐだけでなく、第２の暗信号から第２のノイズ・アーチファクトも受け継ぐことになる。従って、可変補正方式によって生じる補正信号には、前述の固定補正方式によって生じる補正信号に含まれるノイズのほぼ２倍のノイズが含まれることになる。可変補正方式に関するもう１つの問題は、１対の変換装置が必要になるが、所望の信号の発生には、対をなす構成装置の一方だけしか寄与しないので、本質的に、効率が良くないということである。
固定補正方式及び可変補正方式は、それぞれ、役に立つが、それぞれ、限界もある。ラマン分光分析において得られる所望の信号は、極めて弱いので、それによって得られる補正信号は、とりわけ、ノイズの付加によって曖昧になりやすい。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、暗信号の固定信号アーチファクト及び可変信号アーチファクトを補償し、同時に、補正方法及び装置によって付加されるノイズを低減する、効率の良い暗信号補正方法及び装置を提供することにある。
本発明のもう１つの目的は、効率の良さを保ちつつ、混合信号を常時モニターして、補正を加え、それによって生じる補正信号を有効に利用することによって、麻酔を受ける患者のモニターを行う医師に対して、リアル・タイムの補正表示が行えるようにする暗信号補正方法及び装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光電変換装置によって生じる所望の信号の暗信号補正を実施し、同時に、所望の信号はほぼ忠実に保持するための効率の良い方法及び装置が提供される。要するに、一般的に言えば、本発明は、光電変換装置に対して光の流れを供給するものである。光電変換装置に対する光の流れは、交互に、伝導され、遮断される。光の流れは、光電変換装置に対して伝導されている間、光電変換装置は、所望の信号と望ましくない暗信号が混合した、混合信号を発生する。所望の信号は、光の流れに応答して、光電変換装置から発生する。光電変換装置に対する光の流れを遮断すると、該装置は、暗信号だけを発生する。暗信号だけにフィルタリングを施すと、それに含まれるノイズ・アーチファクトが低減する。混合信号からフィルタリングを施した暗信号を取り除くと、所望の信号を表す補正信号が生じる。補正信号は、望ましいレベルの感度及び正確度で所望の信号を表すので
、本発明によって生じる補正信号は、所望の信号の忠実度を保持している。
【００１４】
本発明の感度及び正確度は、分光写真分析に大いに貢献する。こうした貢献は、ラマン効果によって生じる光が、既に極めて弱い、手術患者の気道ガスのラマン分光分析にとってとりわけ貴重である。従って、本発明は、ガスのラマン分光分析にとりわけ適している。例えば、ガスのようなサンプル材料を刺激し、ラマン効果によって光の流れを発生させる。光の流れは、回折格子のような周波数分離手段によってスペクトル的に分離され、光電変換装置に送られる。サンプル材料から光電変換装置への光の流れは、交互に、伝導され、遮断される。光電変換装置は、本書で既述のように、所望の信号と暗信号が混合した、混合信号を発生する。光の流れを遮断している間、変換装置は、暗信号だけを発生し、次に、該信号にフィルタリングが施されて、フィルタリングを施した暗信号が生じることになる。フィルタリングを施した暗信号を混合信号から取り除くことによって、補正信号が生じる。さらに、この補正信号からスペクトル写真が得られる。
本発明は、暗信号補正を実施するための新規の方法及び装置を提供するものである。本発明の他の態様及び利点については、本発明の原理を例示した添付の図面に関連して行われる、下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１５】
【実施例】
本発明の暗信号補正方法の望ましい実施例が、図１に示すフローチャートに示されている。フローチャートのブロック１０１によって示すように、分析すべきサンプル材料は、スペクトル写真分析システムのサンプル・セル内に収容される。本発明の原理については、さらに、本発明の望ましい実施例に関連して用いられる望ましいスペクトル写真分析システム２００を表した、図２に示す部分ブロック図を用いて明らかにされる。該システムの通常の動作中、分析すべきサンプル材料は、サンプル・セル内に納められる。例えば、手術患者から流れ出す息を分析するため、流れ出した息は、サンプル・セルに収容される。手術患者の息の問題となる典型的な構成ガスには、ハロセイン（ＣＦ３−ＣＨＣｌＢｒ）及びイソフルライン（ＣＦ３−ＣＨＣｌ−Ｏ−ＣＨＦ２）といった１つ以上の麻酔ガスだけでなく、酸素（Ｏ２）及び二酸化酸素（ＣＯ２）のような一般的なガスも含    まれる。望ましい実施例の場合、サンプル・セルは、中空の管から構成され、流れ出した息は、分析のため、この中空の管に送り込まれる。例えば、図２には、反射性の外表面コーティングを施された中空のガラス管から構成される、望ましいサンプル・セル２０１が示されている。
【００１６】
図１のフローチャートのブロック１０２によって示すように、サンプル材料を刺激して、ラマン散乱によって光の流れ２０９を生じさせる。レーザ作用によって生じるような強い放射線を用いて、サンプル・セル内に収容されたサンプル材料の刺激が行われる。図２のブロック図に示すように、レーザ２０３は、サンプル・セルの反射管と光学的に結合されている。レーザが非活性化されると、光は生じない。レーザを活性化すると、レーザからレーザ・ビーム２０５が生じ、中空の管の縦軸Ｌに沿って、中空の管に通される。レーザ・ビームは、管内に収容されたサンプル材料と相互作用して、サンプル材料を刺激する。レーザ・ビームがサンプル材料を刺激している間に、刺激されたサンプル材料が光源となって、ラマン散乱により、光の流れを放出する。本書でさらに詳細に後述するように、本発明は、図２に示す、光源から光電変換装置２０７への光の流れを交互に伝導し、遮断するための手段を提供する。ラマン効果によって生じる光の流れは、サンプル材料を刺激するレーザ・ビームによって決まるので、望ましい実施例の場合、光源から光電変換装置への光の流れは、レーザを交互に活性化し、非活性化する手段によって、交互に伝導され、遮断される。
【００１７】
望ましい実施例の場合、図２に示すレーザ・ビームは、サンプル・セル内に収容された手術患者の息の構成ガス分子を照射し、ラマン効果を誘発する。従って、正確に各分子のそれぞれの振動周波数だけ散乱光の周波数をシフトさせるプロセスにおいて、ガスの分子振動によって、光が照射されたガス分子から散乱し、ラマン散乱光の流れを発生する。散乱光の周波数シフトによって、分析されるガスのスペクトル線特性が生じるが、照射光の周波数とは無関係である。従って、化学組成及び濃度といった、分析を受けるガスの特性は、ラマン散乱光の流れを検査することによって推論することが可能である。ラマン効果によって強力な分析ツールが得られるが、留意すべきは、一般に、ラマン効果によって生じる光は、極めて弱いということである。ラマン散乱光の強度は、ラマン効果の誘発に利用される放射線の強度に対して極めて弱い。
【００１８】
管の反射コーティングは、反射によって、ラマン散乱光を集中し、ラマン散乱光の大部分をほぼ管内に収容するのに役立つ。図２に示すように、ラマン散乱光の流れ２０９は、管のガラス壁面及び管の反射コーティングに設けられたアパーチャ２１１を通って、管から出て行くことができる。理解しておくべきは、サンプル・セルは、本書に解説のように、中空の反射性管で構成するのが望ましいが、本発明は、他の構造によって形成されたサンプル・セルについて実施しても、有益な結果を得ることができるということである。
【００１９】
図２に示すように、アパーチャに隣接して配置された集光光学素子２１３によって、ラマン散乱光が集められる。レーザ線除去フィルタ２１５は、レーザ・ビームの波長の散乱光をブロックするため、集光光学素子に光学的に結合している。図２に示すように、光の流れは、該フィルタに光学的に結合した光学アセンブリ２１７によって、凹面格子２１９のような周波数分割手段に向けられる。該回折格子は、光の流れの周波数成分を分割し、光電変換装置２０７のセンサー素子・アレイ全域にサンプル材料の特性を示すスペクトル線を分散させる。
【００２０】
光電変換装置は、光の流れを受ける周波数分割手段に光学的に結合されている。光電変換装置は、約２５６のセンサー素子からなるシリコン・フォトダイオード・アレイが望ましいが、より大形または小形のＰＩＮフォトダイオード・アレイ（各ダイオードが、それぞれ、Ｐタイプ、真性、及びＮタイプ半導体のサンドイッチから構成される）、または、ＣＣＤアレイ（電荷結合素子）でも可能である。アレイの各センサー素子は、ラマン散乱光の流れの構成周波数成分のうち少なくとも１つのスペクトル線に対応している。従って、フォトセンサー素子のアレイは、ラマン効果によってサンプル材料から散乱する光の全スペクトルを同時に受けることになる。
【００２１】
図１のフローチャートのブロック１０３に示すように、本発明の方法によれば、光源から光電変換装置への光の流れは、交互に伝導され、遮断される。前述のように、ラマン効果によって生じる光の流れは、サンプル材料を刺激するレーザ・ビームによって決まるので、望ましい実施例の場合、光源から光電変換装置への光の流れは、交互にレーザを活性化し、非活性化することによって、交互に伝導され、遮断される。図２のブロック図に示すように、望ましい実施例の場合、デジタル・プロセッサ２２１によって、レーザの動作が制御される。本質的にマイクロプロセッサで実施されるデジタル・プロセッサが、スイッチ２２３に電気的に結合されている。該スイッチは、電源からレーザへ電力をスイッチするため、電源２２５及びレーザ２０３に結合されている。デジタル・プロセッサは、スイッチを制御して、電源からレーザに電力の流れを伝導することで、レーザを活性化し、レーザの付勢によって、レーザ・ビームを生じさせる。デジタル・プロセッサは、スイッチを制御して、電源からレーザへの電力の流れを遮断することで、レーザを非活性化し、レーザによる光の発生を阻止する。
【００２２】
理解しておくべきは、交互に光の流れを伝導し、遮断する代替手段を用いても、有益な結果が得られるということである。例えば、第１の代替実施例の場合、デジタル・プロセッサは、レーザを活性化し、非活性化する電源スイッチには結合されない。代わりに、デジタル・プロセッサは、レーザと中空の管に対する入口の間に配置された、電気機械式シャッタに結合されている。シャッタは、デジタル・プロセッサによって動作状態になると、開いて、レーザ・ビームが管に入り、その中に納められたサンプル材料を刺激するのを可能にする。シャッタは、デジタル・プロセッサによって休止状態になると、閉じて、レーザ・ビームが管に入り、その中に納められたサンプル材料を刺激するのを阻止する。ラマン効果によって生じる光の流れは、サンプル材料を刺激するレーザ・ビームによって決まるので、第１の代替実施例の場合、シャッタを交互に動作状態にし、休止状態にすることによって、光源から光電変換装置への光の流れが、交互に伝導され、遮断される。
【００２３】
第２の代替実施例の場合、シャッタは、第１の代替実施例の場合のように、レーザと管に対する入口の間に配置される代わりに、集光光学素子と管の反射性コーティングに設けられたアパーチャの間に配置されている。シャッタは、デジタル・プロセッサによって動作状態になると、開き、集光光学素子によって、集中したラマン散乱光の流れを集めることが可能になる。シャッタは、デジタル・プロセッサによって休止状態になると、閉じ、集光光学素子によって、ラマン散乱光の流れを集めるのが阻止されることになる。
【００２４】
望ましい実施例の電源スイッチが用いられるか、代替実施例の機械式シャッタが用いられるかに関係なく、光電変換装置への光の流れを交互に伝導し、遮断する同様の結果が得られる。従って、本発明は、光電変換装置への光の流れを交互に伝導し、遮断するための手段のたった１つの特定の実施例に限定されるものと不当に解釈してはならないのは、当然である。
【００２５】
本発明では、光電変換装置への光の流れを交互に伝導し、遮断することによって、必要な信号を効率的に発生する。光の流れが光電変換装置に伝導されると、光電変換装置は、図１のフローチャートのブロック１０４に準じて、望ましくない暗信号と混合した所望の信号から構成される混合信号を発生する。一方、光電変換装置への光の流れが遮断されると、光電変換装置は、図１のフローチャートのブロック１０５に準じて、暗信号だけを発生する。
【００２６】
本発明では、図１のフローチャートのブロック１０６に準じて、暗信号だけに処理を施し、フィルタリングによって望ましくないノイズ・アーチファクトを除去することにより、フィルタリングを施された暗信号を発生する。さらに詳細に後述するように、望ましい実施例の場合、デジタル・フィルタリング技法を利用することによって、フィルタリングを施された信号が生じる。図２のブロック図に示すように、光電変換装置には、アナログ・デジタル変換器２２７が電気的に結合されており、暗信号だけに基づく暗信号値の集合を発生するようになっている。図２のブロック図に示すように、アナログ・デジタル変換器、及び、プログラム命令と、暗信号値にデジタル・フィルタリングを施すための中間データ値を記憶する記憶装置２２９には、デジタル・プロセッサが電気的に結合されている。もちろん、デジタル・フィルタリング技法が望ましいが、代わりに、アナログ・フィルタリング方法を用いても、有益な結果が得られるので、本発明は、厳格にデジタル方法に限定されるものではない。例えば、代替実施例の場合、能動アナログ・フィルタによって、暗信号だけに処理を施し、望ましくないノイズ・アーチファクトが除去される。こうした能動アナログ・フィルタは、インダクタ及びキャパシタのようなリアクタンス素子のネットワークに適正に結合された演算増幅器を用いて構成される。
【００２７】
フローチャートのブロック１０７に準じて、本発明では、混合信号からフィルタリングを施した暗信号を除去して、所望の信号を表す、補正信号が生じるようにする手段が設けられる。こうした除去は、デジタル方式で行うのが望ましく、例えば、図２に示すアナログ・デジタル変換器によって、混合信号がデジタル化される。デジタル化された混合信号を受信するように、デジタル・プロセッサが結合されている。デジタル・プロセッサは、適切なプログラミングが施されていて、デジタル化混合信号からフィルタリングを施した暗信号値を引き、補正された信号値が得られるようにする。もちろん、デジタル技法が望ましいが、代わりに、アナログ除去方法も用いられるので、本発明は、厳格にこうしたデジタル技法に限定されるわけではない。代替実施例の場合、アナログ除去は、例えば、差動増幅器を利用して実施される。
【００２８】
図１のフローチャートのブロック１０８に準じて、プロセッサは、補正信号からスペクトル写真を発生する。図２のブロック図に示すように、表示装置は、デジタル・プロセッサに結合されている。図１のフローチャートのブロック１０９に準じて、デジタル・プロセッサは、ディスプレイ装置にスペクトル写真を表示するようにプログラミングされている。
【００２９】
望ましい実施例の場合、図１のフローチャートのブロック１０３において既述のように、光の流れを交互に伝導し、遮断するステップには、規則正しい持続時間にわたって光の流れを遮断し、光電変換装置によって発生する暗信号が、定期的な暗信号サンプルから構成されるようにすることが含まれる。図３Ａには、規則正しい持続時間にわたって交互に伝導され、遮断される光の流れを表した、タイミング図が示されている。デジタル・プロセッサによって、光電変換装置に対する光の流れを制御し、光の伝導時間期間が、光の遮断時間期間よりもかなり長くなるようにすることによって、混合信号を発生する装置に利用可能な光量を増大させるのが望ましい。例えば、図３Ａに示すように、光の各伝導時間期間は、光の遮断時間期間より１０倍長い。ラマン散乱光は、前述のように極めて弱いので、混合信号を発生する装置に利用可能なラマン散乱光を増大させるのは、とりわけ望ましい。
【００３０】
図３Ｂには、光電変換装置によって生じる電気信号を表すタイミング図が示されている。図３Ａと３Ｂを比較すると明らかであるが、図３Ａのタイミング図のプラトで示すように、光の流れが光電変換装置に伝導されると、光電変換装置は、混合信号を発生する。混合信号は、図３Ｂのタイミング図におけるプラトで示すように、混合信号サンプル３０１、３０３、３０５、３０７から構成される。前述のように、光の流れが遮断されると、光電変換装置は、暗信号だけしか発生しない。望ましい実施例の場合、光電変換装置への光の流れは、図３Ａのタイミング図において規則正しい時間間隔を有する急峻な井戸状部分で示される、規則正しい時間間隔にわたって遮断されるので、暗電流信号だけが、図３Ｂのタイミング図における急峻な井戸状部分によって示される、暗信号サンプル３０２、３０４、３０６から構成される。暗信号サンプルにフィルタリングを施して、混合信号から適正に除去することによって、所望の信号を表した補正信号が生じる。例えば、図３Ａに示すように、光の各伝導時間期間が、光の各遮断時間よりも１０倍長い場合、フィルタリングを施された暗信号サンプルを１０倍に拡大して、混合信号から除去することによって、補正信号が得られる。図３Ｃは、補正信号を表したタイミング図である。暗信号サンプルをアナログ・デジタル変換器によってデジタル化することによって、暗信号サンプル値の集合を生じさせ、さらに、これにデジタル・フィルタリングを施し、スケーリングを施して、混合信号から除去するのが望ましい。望ましい実施例の場合、本発明では、暗信号サンプルの規則正しさを用いて、麻酔を受けている患者をモニターする医師に、補正されたリアル・タイムの表示を行う点が有利である。
【００３１】
望ましい実施例の場合、本発明のデジタル・プロセッサは、単極無限インパルス応答（ＩＩＲ）デジタル・フィルタ法に従って、暗信号サンプル値にデジタル・フィルタリングを施すようにプログラムされる。該フィルタリング法は、本書において式１と称する差分方程式によって記述の再帰的方法である：
ｙ（ｎ）＝ａ１ｙ（ｎ−１）＋ｂ０ｘ（ｎ）    −−−−−  式１
ここで、ｙ（ｎ）は、再帰的にフィルタリングを施される暗信号値の集合におけるｎ番目の要素値であり、ｙ（ｎ−１）は、再帰的にフィルタリングを施される暗信号値の集合において先行するｎ−１番目の要素値であり、ｘ（ｎ）は、暗信号サンプル値の集合におけるｎ番目の要素値である。暗信号のスペクトル特性に基づいて、暗信号の望ましくない周波数成分を十分に除去するため、既知の技法を利用して、係数ａ１  及びｂ０  が選択される。図４Ａは、式１に従った単極ＩＩＲデジタル・フィルタ方法の信号の流れに関するグラフである。望ましい実施例の場合、暗信号サンプル値の集合は、大きい集合をなす規則正しい暗信号サンプルから導き出される。例えば、約１００のサンプルを構成要素とする大きい集合によって、有益な結果が得られる。フィルタは、絶えず順応して、最新の暗信号サンプル値にフィルタリングに施す、スライド・フィルタが望ましい。例えば、全サンプル幅が１００サンプルとすると、フィルタは、「スライド」して、最新の１００の暗信号サンプルにフィルタリングを施し、一貫して、フィルタリングを施した暗信号値の最新の集合が得られるようにする。
【００３２】
もちろん、より高度なデジタル・フィルタリングを用いても、有益な結果が得られるが、こうした方法は、結果を計算するのに要する時間が長くなるのが普通である。従って、前述のように、医師に補正されたリアル・タイムの表示を有利に行うため、より高度な方法によるより優れたフィルタリング性能と本発明の能力との間でトレード・オフが、しばしば、行われることになる。再帰的フィルタリング法は、本書では、式２と称する下記のもう１つの差分方程式に従って、複数の極とゼロを有するＩＩＲデジタル・フィルタを用いるものとして広義に解説される：
【００３３】
【数１】
0003606898.tif 000002
【００３４】
ここで、ｙ（ｎ）は、再帰的フィルタリングを施された暗信号値の集合におけるｎ番目の要素値であり、ｙ（ｎ−ｋ）は、再帰的にフィルタリングを施される暗信号値の集合において先行するｎ−ｋ番目の要素値であり、ｘ（ｎーｋ）は、暗信号サンプル値の集合におけるｎ−ｋ番目の要素値であり、ａｋ及びｂｋは、適正に選択された定数を表している。図４Ｂは、式２に記述のデジタル・フィルタリング方法に基づく、信号の流れに関するグラフである。再帰的デジタル・フィルタリング技法を用いる利点は、メモリ資源の利用効率が特に良くなることにある。
【００３５】
代替実施例の場合、本発明のデジタル・プロセッサは、有限インパルス応答（ＦＩＲ）デジタル・フィルタ法に基づいて、暗信号サンプル値にデジタル・フィルタリングを施すようにプログラムされている。このフィルタリング法は、式３と称する下記の差分方程式によって記述される非再帰的方法である：
【００３６】
【数２】
0003606898.tif 000003
【００３７】
ここで、ｙ（ｎ）は、再帰的フィルタリングを施された暗信号値の集合におけるｎ番目の要素値であり、ｘ（ｎーｋ）は、暗信号サンプル値の集合におけるｎ−ｋ番目の要素値であり、ｈ（ｋ）は、適正に選択された定数を表している。図５Ａは、式３に記述のデジタル・フィルタリング方法に基づく、信号の流れに関するグラフである。デジタル・フィルタリング方法については、１９７５年にＰｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌから刊行された、Ａｌａｎ  Ｖ．  Ｏｐｐｅｎｈｅｉｍ及びＲｏｎａｌｄ  Ｗ．  Ｓｈａｆｅｒによる「Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」、１３６〜２８３ページの第４章及び第５章に詳細な解説がある。
【００３８】
さらに、デジタル・フィルタリング方法に関連して、固定補償方法を用いることも可能である。固定補償方法の場合、デジタル・プロセッサは、フィルタリングを施される暗信号サンプルから固定補償値を取り去る。固定補償方法では、一般に、フォトダイオード及びダイオード・アレイに関連して用いられる、マルチプレクサ、リセット回路、及び、演算増幅器の電荷注入による影響を受ける暗信号の固定信号アーチファクトを除去する。固定信号アーチファクトは、時間不変量のため、まず、システムの起動時に、固定補償値を計算し、システムの動作中、継続して利用することが可能である。
【００３９】
固定補償値を計算する方法の１つは、図６Ａに示すタイミング図に例示のように、まず、システムの起動時に、光の流れの遮断持続時間を変更することである。システムの起動時、プロセッサは、光電変換装置に対する光の流れを遮断する手段を制御して、遮断の持続時間を変更する。例えば、図６Ａのタイミング図には、タイミング図の第１の井戸状部分６０１に対応する第１の遮断、及び、タイミング図の第２の井戸状部分６０３に対応する第２の遮断が示されている。図６Ａに示すように、第２の遮断の持続時間は、第１の遮断の場合の２倍である。光電変換装置への光の流れが遮断されている間に、光電変換装置は、図６Ｂのタイミング図に示すように、暗信号サンプルから構成される暗信号だけを発生する。従って、図６Ｂには、図６Ｂに示す第１の井戸状部分６０５に対応する第１の暗信号サンプル、及び、図６Ｂに示す第２の井戸状部分６０７に対応する第２の暗信号サンプルが例示されている。図６Ｂに示すように、第２の暗信号サンプルは、持続時間が第１の暗信号サンプルの場合の２倍になる。アナログ・デジタル変換器は、第１と第２の暗信号サンプルをデジタル化して、それぞれ、第１と第２の暗信号値を送り出し、これが、それぞれ、デジタル・プロセッサによって受信される。第１の暗信号値を２倍にして、第２の暗信号値から引くことによって、固定補償値が得られる。
【００４０】
本書に解説のように、本発明は、光電変換装置によって生じる所望の信号の暗信号補正を実施し、同時に、所望の信号をほぼ忠実に保存するための、効率の良い方法及び装置を提供するものである。本発明によれば、暗電流信号にフィルタリングを施し、フィルタリングを施された暗信号を混合信号から除去することによって、望ましいレベルの感度及び正確度で所望の信号を表した、補正信号が得られる。論述のように、この寄与するところは、ラマン効果によって生じ、光電変換装置によって検出される光が、既に極めて弱い、手術患者の気道ガスのラマン分光分析においてとりわけ貴重である。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を用いることにより、暗信号の固定信号アーチファクト及び可変信号アーチファクトを補償するとともに、補正方法及び装置によって付加されるノイズを低減する、効率の良い暗信号補正方法及び装置を提供することができる。また、効率の良さを保ちつつ、混合信号を常時モニターして、補正を加え、それによって生じる補正信号を有効に利用することによって、麻酔を受ける患者のモニターを行う医師に対して、リアル・タイムの補正表示が行えるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による方法の望ましい実施例を示すフローチャートである。
【図２】本発明の望ましい実施例に関連して用いられた、望ましいスペクトル写真分析システムの部分ブロック図である。
【図３Ａ】本発明の望ましい実施例に基づいて、規則正しい持続時間にわたって、交互に伝導され、遮断される光の流れを表した、タイミング図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示された光の流れに光学的に結合された光電変換装置によって生じる信号を表すタイミング図である。
【図３Ｃ】本発明によって生じる補正信号を表したタイミング図である。
【図４Ａ】本発明の望ましい実施例に従って、規則正しい暗信号サンプルにフィルタリングを施すための、単極無限インパルス応答デジタル・フィルタを表したデータ流れ図である。
【図４Ｂ】Ｎ極無限インパルス応答デジタル・フィルタを表した、図４Ａのデータ流れ図の一般化バージョンを示す図である。
【図５】本発明の代替実施例に従って、規則正しい暗信号サンプルにフィルタリングを施すための、Ｎ極有限インパルス応答デジタル・フィルタを表したデータ流れ図である。
【図６Ａ】固定補償値を計算する１つの方法のタイミングを示す図である。
【図６Ｂ】光電変換装置のタイミングを示す図である。
【符号の説明】
２００：スペクトル写真分析システム
２０１：サンプル・セル
２０３：レーザ
２０５：レーザ・ビーム
２０７：光電変換装置
２０９：光の流れ
２１１：アパーチャ
２１３：集光光学素子
２１５：レーザ線除去フィルタ
２１７：光学アセンブリ
２１９：凹面格子
２２１：デジタル・プロセッサ
２２３：スイッチ
２２５：電源
２２７：アナログ・デジタル変換器
２２９：記憶装置
【図１】
0003606898.tif 000004
【図２】
0003606898.tif 000005
【図３Ａ】
0003606898.tif 000006
【図３Ｂ】
0003606898.tif 000007
【図３Ｃ】
0003606898.tif 000008
【図４Ａ】
0003606898.tif 000009
【図４Ｂ】
0003606898.tif 000010
【図５】
0003606898.tif 000011
【図６Ａ】
0003606898.tif 000012
【図６Ｂ】
0003606898.tif 000013