無損傷性近紅外光譜儀的多光譜分析方法和裝置的製作方法
2023-09-23 15:29:30 2
專利名稱：無損傷性近紅外光譜儀的多光譜分析方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用多光譜分析法確定樣品中目標被分析物濃度的方法和裝置。本發明可應用於各種各樣的化學分析中，尤其是血液中被分析物的無損傷性分光光度分析中。
背景技術：
測量血液中各組分的濃度在診斷和治療人體狀況和疾病的各種過程中得到應用。測量血液中的葡萄糖便是一種重要的應用。具體地說，對於糖尿病患者需要定期監測血液中葡萄糖的濃度，而對於胰島素依賴型或Ⅰ型糖尿病患者一天中常常必須或需要多次監測血液中的葡萄糖。此外，血液中膽固醇濃度的測量給人們治療或預防冠狀動脈疾病提供重要信息，對血液中其它有機被分析物，如膽紅素和乙醇的測量在各種診斷中也是重要的。
獲得血液中被分析物濃度的最準確和最廣泛使用的一種方法是從病人那裡抽取血樣，然後利用高準確度和靈敏度的測定技術在實驗室中對血樣進行分析或是利用準確度較差的自測方法。具體地說，傳統的監測血液中葡萄糖含量的方法每次測試需要從糖尿病人那裡抽取血樣(例如通過指針)，利用葡萄糖計(一種讀出葡萄糖濃度的分光光度計)或比色定標法讀出葡萄糖含量。這種損傷性的抽血會給糖尿病人帶來疼痛和厭倦負擔，糖尿病人存在感染的可能性，尤其是需要頻繁地測試。這些考慮導致糖尿病人想要取消監測過程。
於是，需要找到一種簡單又準確的無損傷性測量血液中被分析物濃度，尤其是監測糖尿病人血液中葡萄糖含量的方法和裝置。解決這一問題的一種方法便是採用傳統的近紅外(NIR)分析法，這裡利用在一個或多個特定波長上的吸收測量從給定樣品中提取被分析物的特定信息。
液體樣品的近紅外吸收光譜含有大量的有關樣品各種有機組分的信息。具體地說，與有機分子結構(例如碳-碳、碳-氫、碳-氮和氮-氫化學鍵)有關的振動、旋轉和伸縮能量在近紅外光譜區中會產生能夠被檢測出的微擾，它們與樣品中存在的這種有機組分的濃度有關。然而，在複雜的樣品基質中，近紅外光譜也含有一定量的幹擾，一部分原因是被分析物中結構上的相似性、被分析物濃度的相對水平、被分析物與特定系統中固有的電子和化學「噪聲」幅度之間的幹擾關係。這種幹擾降低了利用近紅外光譜術確定液體樣品被分析物濃度所獲得的測量結果的有效性和精確度。然而，已經對提供的許多無損傷性血液被分析物確定結果的近紅外裝置和方法作了描述。
Purdy等人的美國專利5,360,004描述了一種確定血液中被分析物濃度的方法和裝置，其中，用含有兩個或多個不同的連續波長入射輻射波段的輻射照射一部分機體。Purdy等人強調了濾光技術，在水的NIR吸收光譜中在約1440和1935nm處出現兩個特別阻斷輻射的峰值。利用這種選擇性阻斷是為了避免由於受照射的機體中水吸收輻射而引起加熱效應。
相反，Yang等人的美國專利5,267,152描述了僅利用一個紅外光譜段，它包含了NIR水吸收峰，(例如「水的透射窗口」，它包含1300至1900nm之間的這些波長)的無損傷性測量血液中葡萄糖濃度的裝置和技術。將光學控制的光射入組織源上，然後由積分球收集光。對收集的光進行分析並利用存儲的參考定標曲線計算血液中的葡萄糖濃度。
還描述了確定複雜樣品中被分析物濃度用的裝置。
例如，Richardson等人的美國專利5,242,602描述了通過對含水系統的分析檢測多種活性或非活性水處理成分的方法。這些方法涉及在200至2500nm範圍上確定組分的吸收光譜或發射光譜以及運用化學計量算法提取一部分所獲光譜數據，定量表示多種性能。
Nygaard等人的美國專利5,252,829描述了利用紅外衰減測量技術測量牛奶樣品中尿素濃度的方法和裝置。執行多變量技術以利用部分最小平方算法、主要成分回歸、多次線性回歸或人工神經網絡學習確定已知成分的光譜貢獻。通過計入阻斷所關注被分析物信號的組分貢獻進行定標。因此，Nygaard等人描述了一種測量多個被分析物紅外衰減並補償背景被分析物影響從而獲得更高準確度測量結果的技術。
Robinson等人的美國專利4,975,581描述了一種基於已知被分析物濃度與樣品之間紅外能量吸收的比較(即幾個波長上的吸收之差)確定生物樣品中被分析物濃度的方法和裝置。利用部分最小平方分析或其它多變量技術進行比較。
Schlager的美國專利4,882,492描述了一種無損傷性確定血液中被分析物濃度的方法和裝置。讓經過調製的紅外輻射射入組織樣品(例如耳垂)上，紅外輻射或是透過組織或是落在皮膚表面上，這裡紅外輻射的光譜被目標被分析物(葡萄糖)改變。然後，將光譜發生變化的輻射分束，一束射入負相關單元，另一束射入參考單元。對通過兩個單元的輻射強度進行比較，確定樣品中被分析物的濃度。
Ross等人的美國專利4,306,152描述了一種為使背景吸收(即液體樣品的總體或基準光學吸收)對渾濁樣品或難以用其它方法分析的液體樣品中測量準確度的影響減至最小而設計的光學流體分析儀。裝置測量在所關注樣品組分的特徵光學吸收上的光學信號和選來接近背景吸收波長上的另一信號，然後相減，以降低與被分析物有關信號的背景分量。
利用上述方法和裝置獲得的信息的準確度受到背景，即非被分析物和在近紅外範圍中也有吸收光譜的其它樣品的組分所引起的光譜幹擾的限制。一定程度的背景噪聲代表了對系統的固有限制，尤其是在被分析物的含量很少時。鑑於這一限制，人們一直試圖提高信噪比，例如通過避開水的吸收峰從而能夠採用更高的輻射強度、通過降低被分析光譜信息量、或者通過採用基於近似背景吸收的相減或補償技術。儘管這些技術已經作了一些改進，但是，仍然需要提供一種能夠更精確地確定液體基質中被分析物濃度，尤其是監測血液中葡萄糖含量的方法和裝置。
本發明的說明於是，本發明的一個主要目的是通過提供一種確定含有可變背景基質以及可能存在實質性組分幹擾的樣品中存在的被分析物濃度的方法來滿足現有技術中所述的需要。該方法計入了樣品中存在的各種組分在結構上的相似性、被分析物濃度的相對幅度以及各種樣品組分和儀器差異所導致的光譜幹擾。
本發明的方法通常包括(1)找出近紅外範圍中的幾個不同的非重疊的波長區，它們與被分析物的濃度具有高的相關性；(2)用含有這些波長區的入射輻射照射樣品，從而獲得由於與樣品組分的相互作用而在光譜上受到衰減的輻射；(3)檢測經過光譜衰減的輻射；(4)測量非重疊的波長區中某一波長上的經過光譜衰減的輻射的強度；(5)校正測量結果，以獲得表示被分析物濃度的值。
本發明的再一個目的是提供一種確定含有可變背景基質以及實質性組分幹擾的樣品中存在的被分析物濃度的分光光度計裝置。在多光譜分析中採用該裝置來獲得含有被分析物特定信號以及與儀器背景噪聲和幹擾光譜信息有關信號的光譜信息。採用化學計量技術來構造能夠增強被分析物特定信息與被分析物濃度的相關性的濾光片元件以及導出能夠確定被分析物濃度值的系統算法。
在本發明的一個方面，提供這樣一種裝置，它包括能夠增強被分析物特定信息與被分析物濃度的相關性的專用光學傳遞單元。該專用光學傳遞單元包括適合於選擇性地突出與所選被分析物濃度具有高相關性的波長的正相關濾光片。將被突出的波長與接收信息把將該信息轉變為代表該波長強度信號的裝置相接。
附圖簡述
圖1是依照本發明而構造的裝置的圖解表示。
圖2是依照本發明而構造的相關光譜儀裝置的圖解表示。
圖3是在體內葡萄糖耐量研究期間獲取的與次數有關的掃描圖。
圖4示出利用本發明方法進行血液葡萄糖濃度無損傷性測定而獲得的結果的曲線圖。
實現本發明的方式在對本發明作詳細描述前，應當明白，本發明並不限於所述的裝置或方法的特定組成部分，它們是可以變化的。還應當明白，這裡所採用的術語是僅僅為了描述具體的實施例，並非是限制性的。必須注意，正如說明書和權利要求書中所採用的，除非文中另有明確說明外，單數形式也可包括多個涉及對象。因此，例如，說到「一種被分析物」也包括被分析物的混合物，說到「一個光學傳遞單元」也包括兩個或多個光學傳遞單元，「一個反射地傳播輻射的裝置」也包括兩個或多個裝置，「一波長」包括兩個或多個波長，「一種化學計量算法」包括兩種或多種算法，等等。
在本說明書和下面的權利要求書中，將參考的許多術語具有以下含義「化學計量術」是指在化學分析應用中採用的數學、統計和模式識別技術。見Brown等人(1990)Anal.Chem.6284-101。此處，化學計量術用於研製和利用採用先進信號處理和定標技術的無損傷性診斷儀器中。採用信號處理來提高被分析物信號中重要物理信息的可及性。信號處理技術的例子包括傅立葉變換、一階和二階導數、數字或自適應濾波。
在化學計量術方面，「定標」是指為了定量化對測量化學濃度的數據進行處理。具體說，可以採用利用化學計量方法的統計定標從一組複雜數據中提取特定信息。這種定標方法包括線性回歸、多次線性回歸、部分線性回歸以及主要成分分析。在其它應用中，利用人工神經網絡、智能算法和旋轉主要成分分析可進行定標。
檢測一種複雜化學基質中一種或多種組分的信息的儀器必然依賴於分析算法(如利用化學計量術導出的這些)，以便揭示屬於一種或多種化學組分特有的信息。可以採用化學計量術將未知的與經過定標的標準和資料庫進行比較，提供先進的分組分析形式以及從未知樣品中提取能夠被用作統計和數學模型信息的特徵。
「主要成分分析(PAC)」是一種在將化學計量技術應用於複雜基質中的化學被分析物分光光譜測量中能夠進行的數據縮減方法。採用PAC來降低大量的相互相關變量的維數同時保持一種成分區別於另一種成分的信息。將原始的一組相互相關的變量(例如吸收光譜)進行本徵矢量變換使其成為數量很少的代表了原始的一組變量中大部分信息的一組非相關主要組分(PC)變量，利用這種本徵矢量變換可以實現這一縮減。新的一組變量的排序方法為使其少量的頭幾個變量保持了其所有原始變量中出現最多的變化。見Jolliffe L.T.等人的《主要成分分析》Sprinter-Verlag,New York(1986)。更具體說，每個PC是所有原始測量變量的一種線性組合。第一個是在觀測變量的最大方差方向上的矢量。將接下來的各個PC選作代表測量數據的最大偏差並與以前計算的PC正交。因此，各個PC按照重要性的降序排列。
術語「加權因子」包括部分最小平方回歸和/或主要成分回歸的加權係數、或從任何統計定標獲得的能夠被用於計算未知樣品值(如被分析物的濃度)的任何常數。「波長加權因子」是在構造能夠從光譜數據中突出特定波長信息的光學濾光片裝置中採用的加權常數的一個實施例。可以採用特定波長信息來確定與接受分析的樣品有關的所需值(例如被分析物的濃度)。波長加權因子可以體現為特定的濾光片密度(例如中性或特定波長)、濾光片厚度等，這些參數都能利用上述統計定標技術確定。
術語「光學傳遞單元」包括部分吸收可見光、紫外或紅外光譜區中入射輻射的任何光敏元件，其中部分吸收是對波長有選擇性的。對於本發明，光學傳遞單元通常包括由部分最小平方或主要成分回歸分析導出的吸收特性的光學濾光片裝置。採用光學濾光片裝置有選擇性地突出與所選被分析物濃度相關性高的波長。「相關性高」或「緊密相關」是指在特定波長上的吸收與特定被分析物濃度之間的定量相關關係，這裡兩個變量的相關係數(r)為0.9或更高。
「正相關濾光片」是指其吸收光譜足以突出與目標被分析物相對應的特定波長而不是其它也吸收光的被分析物的波長的光學濾光片裝置。因此，正相關濾光片提供與被測量樣品中被分析物濃度相關性高的最佳傳遞函數。理想的正相關濾光片應當與目標被分析物完全相關(即相關係數r應為+1.0)而與特定樣品中所有其它幹擾吸收被分析物一點也不相關(r應為0.0)。這裡利用化學計量技術進行正光學濾光片的合成，確定合適的波長加權因子。
「中性密度濾光片」是指具有平坦吸收光譜的標準光學濾光片裝置。可以採用中性密度濾光片與濾光片系統中的相關濾光片一起提供一個加權因子來衰減被分析物在所選波長上的吸收和進一步改善系統所提供的相關性的準確度。中性密度濾光片可以具有足以等量地衰減所關注範圍中所有波長的輻射的吸收光譜。
正如文中所採用的，「含水媒體」包括由水組成或者含有水的任何基質。因此，含水媒體包括水為主要成分的媒體，即含水量至少約50％，以及水為溶劑但是含量低於約50％。這裡把含水媒體具體限定得使其包括哺乳動物的組織細胞。
術語「血液被分析物」是指在近紅外範圍中能吸收的血液組分，血液組分的測量對病人監測或保健保障中是有用的。
正如這裡所採用的，術語「近紅外」包括在約660nm至3500nm光譜範圍，通常在約1050至2850nm，更經常地在約1100至2500nm範圍的輻射。
術語「背景吸收」是指被分析的含水樣品的整個或基準光學吸收，所選組分在一個或多個特徵波長上的吸收要偏離這一背景吸收，達到表示所選組分濃度的程度。當背景吸收的基準高於所選組分的特徵吸收，以致在複雜的含水媒體中找到大量幹擾組分時，要準確地測量在所關注組分特徵波長上吸收的少量變化幅度需要應用這裡所述的化學計量技術。應用在所關注組分的總濃度相對地低於含水媒體時尤其如此，例如在測量血液中的被分析物情況。
一般方法提供一種利用近紅外輻射確定液體樣品中被分析物濃度的分光光度法。為了獲得能夠被用於以更高的準確度確定被分析物濃度的一組測量結果，本發明的方法與以前的技術不同，它利用了近紅外範圍中所含的所有光譜信息。
該方法包括步驟(1)選擇幾個不同的非重疊的近紅外波長區，其中每個波長區限定一個光譜範圍；(2)利用包含所選光譜範圍的近紅外光照射樣品，獲得被衰減的光譜變化了的輻射；(3)收集並測量包含在每一個所選光譜範圍內的一個或多個波長上光譜上經過衰減的輻射的強度；(4)對這些測量結果進行相關，獲得表示被分析物濃度的值。
利用這一方法獲得的光譜信息可以結合一些數學變換，以獲得更精確的被分析物濃度的值。例如，可以採用標準統計技術，如部分最小平方(PLS)分析、或主要成分回歸(PCR)分析，使特定波長上的輻射吸收與被分析物的結構和濃度相關。例如，Geladi等人(1986)Analica Chimica Acta185-∶1-17描述了PLS技術。對於PCR技術的描述，可以參考Jolliffe L.T.Principal Component Analysis，Sprinter-Verlag，New York(1986)。
於是，在從機體組織樣品確定血液中被分析物濃度中，一種方法涉及從1100至3500nm近紅外範圍中選擇三個不相重疊的波長區，具體說，第一波長區為1100至1350nm，第二波長區為1430至1450nm或者1930至1950nm，第三波長區為2000至2500nm，這裡，每個區域限定一個「光譜範圍」。第一波長區包含蛋白質和其它細胞成分顯示主要光譜活性的波長，第二波長區以水的吸收光譜為主，第三波長區包含被分析物有機分子顯露明顯的光譜活性的波長。在這些組分不為主要物質的區域中，它們對吸收光譜也產生作用。於是，從每個區域獲得的光譜上經過衰減的輻射含有大量的相關信息，必須利用統計方法減少這些相關信息，獲得被分析物的特定信息。
本發明還涉及採用信號處理來改善分析信號中重要物理信息的可及性。因此可以對特定波長上獲得的信號的強度值進行處理，降低儀器噪聲的影響。然後，利用已知的統計技術對經過處理的信號作多變量分析。
數據縮減的PCA方法是本發明中實際採用的減少大量相關變量的維數同時保留一種成分區別於另一種成分的信息的較佳方法。將原始的一組相互相關的變量(例如吸收光譜)進行本徵矢量變換使其成為數量很少的代表了原始組變量中大部分信息的一組非相關主要組分(PC)變量，利用這種本徵矢量變換可以進行數據縮減。新的一組變量排序為其少量的頭幾個變量保持了其所有原始變量中出現最多的變化。
通過相對吸收比平均值的正交旋轉可以對主要成分矢量進行變換，獲得一個已知波長和屬於被分析物的波長上的吸收比的相對值。通過對三個光譜區中每個光譜區獲得的信息進行這樣的分析，經過線性算法對主要成分矢量進行交叉相關，以及利用減法去除幹擾被分析物的影響，所獲得的值能夠被用於系統算法中，確定被分析物的濃度。
採用多變量技術來提供每個光譜區中特定波長上的輻射強度與特定樣品基質(如機體組織)中被分析物濃度相關的模型。利用兩組同時獲得的示範測量結果構造該模型，第一組測量結果，「預計組」包括光譜數據，如所選波長上的輻射強度，第二組測量結果，「定標組」包括利用損傷性取樣技術已經確定的較高準確度的被分析物濃度。在被分析物濃度的一個量程上進行這種過程，提供一組定標數據和一組預計數據。
在定標組和預計組中所獲得的測量結果接受多變量分析，例如利用市場上可得到的多變量模型開發軟體程序，提供初始模型。將初始模型運用到預計數據中，導出能夠與損傷性技術獲得值進行比較的被分析物濃度。通過逐次進行上述步驟，發展為一個精煉的模型，能夠被用於建立系統算法，用於對採用本發明方法獲得的數據進行分析。
採用上述的多變量技術還能夠設計能增強光譜信息與被分析物濃度相關性的光敏元件，例如正相關濾光片系統。具體說，利用多變量分析獲得的解能夠被用於確定正相關濾光片系統的光學參數，如吸收特性。
在本發明的實施中，還採用了不同的非重疊光譜區的非被分析物的特定信息，例如對每次光譜掃描進行歸一化，減去背景和基線幹擾，或者提供用於檢測非準確測量結果的信號值。
在確定機體組織樣品中血液的被分析物濃度時，在約1320-1340nm光譜範圍中獲取的測量結果提供高反射、未經衰減的信號，因為光譜區中不存在主要吸收波段。通過收集和測量該範圍內的輻射強度，獲得的值能夠被用於估測用以照射樣品的近紅外光的實際強度。可以用該值對各次掃描進行歸一化並校正光源強度的起伏，光源強度的起伏會影響利用本發明方法獲得的被分析物濃度值的準確度。
另外，在約1430-1450nm或約1930-1950nm光譜範圍內獲取的測量結果提供了基本非反射的經過高度衰減的信號，這是因為在水的近紅外吸收光譜中在約144和1935nm處出現的兩個主吸收峰的緣故。通過收集和測量此一個或兩個光譜範圍內的輻射強度，獲得的值能夠被用作估測不完全被被照樣品吸收的近紅外光的強度。利用該值可以從其它光譜區中獲得的被分析物特定信號中減去背景或基線信息和/或為檢測不準確測量結果提供內部參考。為了校正鏡面反射引起的墊底效應(隨皮膚質地和年齡而不同)，可以從利用本發明方法獲得的每個光譜測量結果中減去該值。
從第一光譜區(例如跨越約1320-1340nm的光譜範圍)獲得的基本未經衰減的信號的測量結果和從第二光譜區(例如約1430-1450nm或1930-1950nm)獲得的經過高度衰減的信號的測量結果也可以用於將漫反射輻射與鏡面反射輻射進行比較。如果兩個光譜區中的信號具有相對可比的值，那麼，用於照射組織樣品的大部分輻射看來是被皮膚表面反射的，因此未能穿透皮膚與血液中被分析物相互作用。利用這一信息可以識別由於未能獲得組織的適當儀器掃描而引起的無效測量。
利用許多分光光度計配置都能夠執行本發明的方法。現在參考圖1，以標號10從總體上表示確定液體樣品中被分析物濃度的特定裝置。該裝置包括輻射源12，它提供約600至3500nm範圍中的多個不同的不相重疊的波長區。本領域人員熟知許多合適的輻射源，如射向幹涉濾光片的白熾燈光源、經相關調製盤調製的滷素光源、雷射光源、雷射二極體陣列、或高速發光二極體(LED)陣列。在一個特定裝置中，輻射源12提供三個不同波長區的輻射，具體說，近紅外的第一波長區，通常約為1100至1350nm的範圍；第二波長區，通常約為1930至1950nm的範圍；和第三波長區，通常約為2000至3500nm的範圍。
裝置10還包括樣品接口光學裝置14，它將來自輻射源的入射輻射射入含有被分析物的樣品媒體16，在與樣品媒體接觸後，收集從樣品媒體上以漫反射光出射的光譜發生變化的輻射並將其送至第一透鏡系統18，由此將光射向第一和第二光路，分別以20和22表示。第一透鏡系統18可以包括本領域人員熟知的部分反射的反射鏡配置。
在不同的配置中，可以將樣品接口光學裝置14設計成能夠使裝置10與媒體16緊密相接，例如通過將裝置置於樣品媒體上與之直接接觸，由此將輻射源置於緊靠被分析樣品的地方而進行光束髮射。光束髮射後，利用光敏裝置，如光束會聚裝置或光束偏轉光學元件收集反射輻射。另一方面，樣品接口光學裝置14可以包括與裝置耦合的光纖波導，從而能夠將裝置置於遠處和操作。也提供一些其它配置，其中採用單束光纖將輻射送至媒體和從媒體接收輻射。設置在單束光纖一端的光極將近紅外輻射發射到樣品媒體16中並接收通過單束光纖返回到裝置10的光譜上發生變化的輻射。可以採用藍寶石或高等級的石英作上述光纖波導中的光學元件，因為這些材料在近紅外光譜範圍中具有很好的透射特性。
第一光路20中的反射光與第一濾光片裝置22相接，該裝置構造成讓與被分析物濃度無關的特定波長的光通過。在一種構造中，第一濾光片裝置可以包括具有一定近紅外吸收特性的窄帶帶通濾光片，讓含有與被分析物濃度基本不相關的波長的輻射有選擇地通過。然後使從第一濾光片22出射的輻射與第一檢測裝置24相接。輻射與第一檢測裝置的相接可以經聚焦裝置26，例如準直透鏡等進行。另一方面，裝置10可以包括能夠直接接收來自第一濾光片裝置輻射的輻射檢測器。
第一檢測裝置對通過的輻射進行檢測並將其轉變為代表與被分析物無關的輻射強度的信號。在一種特定裝置中，第一檢測裝置24包括硫化鉛光電檢測器，它能夠以1nm的間隔對約1100至至少3500nm的波長範圍進行掃描。
利用模擬-數字轉換器能夠方便地將從第一檢測裝置獲得的信號轉變為數位訊號，例如代表與被分析物無關波長的輻射強度的數位訊號。可以方便地把數位化的信息輸入到本領域專業人員熟知的微處理器或其它電子存儲器裝置中。
仍然參考圖1，第二光路22中的反射光被送至可調濾光片裝置28，該裝置能夠根據外部產生或者裝置10已經產生的信號調節其吸收特性。可調濾光片裝置通常包括篩選濾光片，如中性密度濾光片，可以調節其吸收特性，改變對外部信號或系統命令所表示輻射強度的衰減。可調濾光片28所提供的衰減度與所選的預定因素有關，以保證從可調濾光片出射的輻射將維持恆定值，而不管濾光前的輻射的強度如何。在一種特定裝置中，可調濾光片裝置提供的衰減是由第一檢測裝置24產生的反饋信號調節的。
從可調濾光片裝置28出來的經過衰減的輻射與主被分析物濾光片30相接，後者的光學特性能夠有選擇地讓輻射源12發射的各個不相重疊的波長區中一個或多個波長通過。將通過主被分析物濾光片的波長選擇為與被分析物的濃度有關。
在裝置10中配備一個第二濾光片裝置32，它與主被分析物濾光片30有關，使得有選擇地通過主被分析物濾光片的波長與第二濾光片裝置相互作用，由第二濾光片裝置獨立地對每個通過波長的強度進行衰減。例如，利用化學計量技術導出的一組獨立的加權因子能夠確定第二濾光片裝置所提供的衰減。
在一種特定結構中，利用從含有被分析物的樣品獲得的原始光譜的部分最小平方或主要成分回歸確定加權因子。利用能夠透射至少600至3500nm範圍輻射的合適基底層能夠構造第二濾光片裝置32。基底層上通常鍍有一層或多層本領域中常用的金屬和/或氧化物，提供多種衰減濾光片密度。利用感光乳劑或本領域專業人員熟知的化學汽相澱積(CVD)技術可以將這種塗層加在基底上。在另一種裝置中，第二濾光片裝置為照相掩膜，該掩膜上具有光學密度的光譜線後者正比於用旋轉主要成分或最小平方分析技術確定的加權因子。
經過第二濾光片裝置衰減後，各個波長與第二檢測裝置34，如PbS檢測器等相接。如上所述，從第二濾光片裝置出射的波長經聚焦裝置36，如準直透鏡等能夠與第二檢測裝置相接。另一方面，裝置10可以包括一個直接接收第二濾光片裝置輻射的輻射檢測器。
第二檢測裝置對從第二濾光片裝置出射的經過衰減的波長進行檢測並將其轉變為能夠應用被分析物特定算法確定被分析物濃度的信號。具體說，利用模擬-數字轉換器將從第二檢測裝置獲得的信號轉變為數位訊號。將數位化信息提供給微處理器，這裡利用該數位化信息提供能夠在顯示裝置上看到的和/或記錄在輸出記錄器上的被分析物濃度。
利用裝置10能夠獲得各種複雜媒體，如具有複雜光譜背景的含水媒體中的被分析物濃度的測量結果。在一種應用中，可以採用該裝置確定血液中被分析物的濃度，尤其是血液中的有機被分析物，如葡萄糖、尿素(BUN)、類脂物、膽紅素和乙醇，但不限於這些。血液中的被分析物可能存在於體外的樣品媒體(例如血樣)或者可以採用裝置測量組織中的血液被分析物。然而，裝置10特別適合用於野外場合(例如測量血液中乙醇)或者家庭健康監測(例如確定血液中葡萄糖含量)。
現在參考圖2，標號60總體表示測量複雜含水媒體中被分析物濃度的另一種裝置。該裝置包括輻射源62，它提供約600至3500nm範圍中的多個不同非重疊波長區。來自光源62的輻射射入光敏裝置64，如準直透鏡、有選擇的濾光片裝置等，它接收輻射並將輻射射入一條光路和/或讓所選波長通過。
從裝置64出射的近紅外輻射與分束器66相接，由此將輻射分為兩束光束，分別以68和70表示。來自分束器66的第一光束68射入含有未知濃度的被分析物的樣品媒體70中。在圖2中，樣品媒體72包括由能夠透射所關注近紅外範圍輻射的合適基底形成的樣品室。在一種情況中，樣品可以包括血清樣品，其中需要確定血液中被分析物的濃度。另一方面，可以利用直接接口裝置或簡接接口裝置(如上述光纖波導裝置)將第一光束68射入諸如組織表面的樣品表面。採用這一方式，利用輻射與組織樣品相互作用後的反射近紅外吸收光譜的測量結果可以無損傷地確定組織樣品存在的血液樣品中被分析物的濃度。
然後，收集輻射，包括已經與樣品組分(如所關注的被分析物)相互作用的光譜上發生變化的輻射，並將其射入設置在光路中的光學傳遞元件74。光學傳遞元件74包括吸收光譜足以接受輻射並有選擇地突出與所關注被分析物濃度相關性高而與樣品中存在的幹擾組分基本不相關的一個或多個波長的正相關濾光片系統。因此，正相關濾光片系統讓大部分所選波長範圍通過，它們提供被分析物特定信息以及有關測量背景的信息和能夠用於校正儀器變化或幹擾效應的信息。由檢測裝置76接收從光學傳遞元件74出射的輻射，將光譜上發生變化的輻射轉變為代表該輻射強度的信號。檢測裝置可以包括諸如PbS光電檢測器等的寬光譜光電檢測器。
仍然參考圖2，從分束器66出來的第二光束70被射入設置在該光路中的光敏元件78上。在一種結構中，光敏元件78包括吸收特性足以在所選近紅外波長範圍上等量地衰減輻射的中性密度濾光片裝置。在另一種結構中，光敏元件78為光學傳遞元件，它包括吸收光譜與光學傳遞元件74的吸收光譜一樣的正相關濾光片系統。從光敏元件78出射的輻射被檢測裝置80接收並將該輻射轉變為代表其強度的信號。
正相關濾光片系統可以由帶有光敏塗層的單個基底層形成，其吸收特性能夠有選擇地突出與特定被分析物濃度相關性高的一個或多個波長。在特定的系統結構中，正相關濾光片包括多個濾光片層，每一層有一個所選濾光片密度和/或適合於提供所需吸收特性的濾光片厚度。在一種情況中，系統中至少有一層具有包含波長加權因子的濾光片密度和/或厚度，這裡，加權因子增大所通過波長與所選樣品媒體中被分析物濃度的正相關性。
然後，檢測裝置76和80產生的信號接至裝置82，將這些信號轉變為數位訊號，表示從光源62出射的輻射與從樣品出射的光譜上發生變化的相應輻射的強度之比。以這種方式能夠校正從光源62出射的輻射強度的變化，從而消除系統中獲得的測量結果的潛在誤差源。此外，可以將信號之比轉變為數字形式並判讀，利用本領域專業人員熟知的方法由內部的微處理器84系統或有關系統確定被分析物的濃度。
如果需要的話，可以給微處理器編製程序，通過將化學計量算法運用到比值信號上，可計算被分析物的濃度。利用上述的化學計量學技術，如對所關注的被分析物的原始吸收光譜的最小平方分析或旋轉主要成分分析，可以確定合適的算法。
應當明白，雖然結合具體的較佳實施例對本發明作了描述，但是，以上的描述以及下面給出的例子只是為了進行說明而非限制本發明的範圍。對於本領域的專業人員而言，在本發明範圍內的其它方面、優點和改進是顯而易見的。
例子利用本發明的方法能夠獲得無損傷性葡萄糖測量結果。具體說，在約1100nm至3500nm近紅外光譜區中進行反射式光學測量。利用鎢-汞(W-Hg)輻射源、硫化鉛(PbS)檢測器和掃描率為nm/0.4秒的儀器，從自願者前臂收集光譜掃描。
已知有一些特定的光譜範圍能夠用於從前臂組織掃描中找出含有葡萄糖濃度的信息。將體內葡萄糖耐量研究與無損傷性獲得的體內血液中葡萄糖濃度確定相結合，以確定特定的光譜區。具體說，圖3示出在體內耐量研究期間獲得的與次數有關的掃描。正如圖中所能看到的，在研究的次數過程期間記錄了約2120至2180nm範圍上反射強度差明顯變化。這種變化的增大與耐量試驗期間血液中葡萄糖含量的增大直接有關，這表明2120至2180nm的範圍含有葡萄糖的特定光譜信息。
一旦找出特定的光譜範圍，利用四個不同光譜範圍的信息可獲得無損傷性葡萄糖測量結果。第一光譜範圍包含在約1320至1340nm處產生的輻射。這個範圍提供很強的反射信號，在這一範圍中沒有葡萄糖的主吸收波段。可以利用第一光譜範圍上獲得的信息對各次掃描進行歸一化，以便校正輻射源的起伏以及由於機械擾動造成的變化。
第二光譜範圍包含在約1440至1460nm或約1940至1960nm中任一範圍上產生的輻射。由於是衰減漫反射輻射的水的強吸收波段，這些範圍提供基本沒有反射的信號。利用這些範圍上獲得的信息能夠作為從其它測量中減去的背景和基準線。這些測量結果允許對鏡面反射信號值引起的起伏作墊底調節，能夠用作檢測不適當的測量結果。
第三光譜範圍包含在約1670至1690nm處產生的輻射。這個範圍提供由於存在葡萄糖振動諧波波段引起的被分析物的特定信息。
第四光譜範圍包含在約2120至2280nm處產生的輻射。這個範圍提供由於葡萄糖組合振動波段引起的被分析物的特定信息。
利用第一範圍獲得的信號對其它光譜區的信號進行歸一化。當對每次光譜掃描重複進行時，這一過程可消除與光源變化有關的問題並起提供內部參考的作用。於是極大地減小了由光學接口偏差(例如病人移動)引起的測量偏差。
從第三和第四被分析物特定範圍中獲得的信號中減去第二範圍中獲得的信號，可以消除背景信息。用這種方式，校正鏡面反射產生的墊底效應，這種效應會隨皮膚質地和年齡而變化。
在被分析的化學計量分析中可以應用第三和第四範圍信號校正的歸一化和基準線。圖4示出第二與第三範圍中信號之間的歸一化之差。
正如從圖4中所示結果中能夠看到的，血液中葡萄糖含量的增大導致兩個範圍中信號差的增大。
權利要求
1．一種確定樣品中被分析物濃度的裝置，其特徵在於它包括(a)將包含近紅外區中多個不同不相重疊波長區的入射輻射照射在樣品上的裝置；(b)收集來自樣品的反射輻射並將所述反射輻射射入第一和第二光路的裝置，這裡，所述第一光路包括來自第一波長區的輻射；(c)設置在所述第一光路中的第一濾光片裝置，這裡，所述的第一濾光片裝置能夠有選擇地通過與被分析物濃度基本不相關的輻射；(d)接收有選擇地通過所述第一濾光片裝置的輻射的第一檢測裝置和將所述有選擇地通過所述第一濾光片裝置的輻射轉換為代表所述輻射強度的信號的裝置；(e)設置在所述第二光路中的可調濾光片，這裡，所述的可調濾光片裝置使所述第二光路中輻射強度產生衰減；(f)能夠接收經所述可調濾光片裝置衰減的輻射並有選擇地從中讓一個或多個單獨波長通過的主要被分析物濾光片，這裡，所述的一個或多個單獨波長與所述被分析物濃度具有特定相關性；(g)能夠接收從所述主要被分析物濾光片出射的一個或多個單獨波長並使每個單獨波長的強度衰減的第二濾光片裝置；(h)接收經所述第二濾光片裝置衰減的所述單獨波長的第二檢測裝置；以及(i)將被檢測波長轉換為代表所述波長強度的信號的裝置。
2．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的入射輻射的波長約在1100至3500nm範圍。
3．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的第一濾光片裝置包括窄帶帶通濾光片。
4．如權利要求3所述的裝置，其特徵在於所述的可調濾光片裝置包括中性密度濾光片。
5．如權利要求4所述的裝置，其特徵在於採用從所述第一檢測裝置獲得的信號調整由所述可調濾光片裝置提供的衰減。
6．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的第二濾光片裝置包括中性密度濾光片。
7．如權利要求6所述的裝置，其特徵在於利用加權因子建立由所述第二濾光片裝置提供的所述衰減。
8．如權利要求7所述的裝置，其特徵在於所述的加權因子是利用化學計量技術導出的。
9．如權利要求8所述的裝置，其特徵在於所述的加權因子是利用被分析物的吸收光譜的旋轉主要成分分析導出的。
10．如權利要求1所述的裝置，其特徵在於所述的樣品包括機體組織，所述的被分析物包括有機血液被分析物。
11．如權利要求10所述的裝置，其特徵在於所述的血液被分析物選自葡萄糖、尿素(BUN)、類脂物、膽紅素和乙醇。
12．如權利要求10所述的裝置，其特徵在於所述的血液被分析物是葡萄糖。
13．一種確定樣品中被分析物濃度的裝置，其特徵在於它包括(a)能夠發射近紅外輻射(包含近紅外區中多個不同不相重疊波長區)的光源；(b)將光源部分(a)出射的輻射分為第一和第二光束光路的裝置；(c)在第一光束光路中將輻射照射在樣品上，從而提供反射輻射的裝置；(d)收集來自樣品的反射輻射並將所述反射輻射射入反射光光路的裝置；(e)設置在反射光光路中的第一光學傳遞單元，所述的第一單元包括第一正相關濾光片裝置，其吸收特性適合吸入反射輻射並突出反射輻射中的一個或多個波長，這裡，所述的一個或多個波長於樣品中被分析物的濃度的相關性高；(f)接收來自第一光學傳遞單元的一個或多個被突出波長並將其轉換為代表所述被突出波長強度的信號的裝置；(g)設置在第二光束光路中的第二光學傳遞單元，所述的第二單元包括中性密度濾光片裝置，其吸收特性足以使第二光束光路的輻射強度在近紅外波長所選範圍上等量地衰減；(h)接收來自第二光學傳遞單元的衰減輻射並將其轉換為代表其強度的信號的裝置；(i)利用(f)和(i)部分產生的信號計算樣品中被分析物濃度的裝置。
14．如權利要求13所述的裝置，其特徵在於所述的入射輻射的波長約在1100至3500nm範圍。
15．如權利要求14所述的裝置，其特徵在於所述的第二光學傳遞單元包括第二正相關濾光片裝置，其吸收特性於所述第一正光學濾光片裝置的吸收特性相同。
16．如權利要求14所述的裝置，其特徵在於計算樣品中被分析物濃度的裝置將(f)和(i)部分產生的信號轉換為數位訊號，表示來自光源的輻射強度與來自樣品的相應輻射之比。
17．如權利要求14所述的裝置，其特徵在於計算樣品中被分析物濃度的裝置包括把化學計量算法運用到(f)和(i)部分產生的信號上的裝置。
18．如權利要求13所述的裝置，其特徵在於所述第一正相關濾光片裝置包括多層膜，每一層膜具有選擇吸收特性使得所述濾光片裝置突出與被分析物濃度相關性高的數個波長。
19．如權利要求18所述的裝置，其特徵在於利用加權因子建立第一和第二正相關濾光片裝置的至少一層膜的吸收特性。
20．如權利要求19所述的裝置，其特徵在於所述的加權因子是利用化學計量技術導出的。
21．如權利要求19所述的裝置，其特徵在於所述的加權因子是利用被分析物的吸收光譜的旋轉主要成分分析導出的。
22．如權利要求13所述的裝置，其特徵在於所述的樣品包括機體組織，所述的被分析物包括有機血液被分析物。
23．如權利要求22所述的裝置，其特徵在於所述的血液被分析物選自葡萄糖、尿素(BUN)、類脂物、膽紅素和乙醇。
24．如權利要求22所述的裝置，其特徵在於所述的血液被分析物是葡萄糖。
全文摘要
描述了一種利用近紅外光譜區的多光譜分析確定樣品中存在的被分析物濃度的方法和裝置。採用含有約1100至3500nm範圍中多個不同不相重疊波長區的入射輻射對樣品掃描。對樣品的漫反射輻射進行檢測,運用化學計量技術獲得表示被分析物濃度的值。能夠使每個不相重疊波長區所獲得的信息互相關,以去除背景幹擾。
文檔編號G01N21/35GK1214769SQ97193402
公開日1999年4月21日 申請日期1997年1月31日 優先權日1996年2月2日
發明者G·哈利勒, S·F·梅林 申請人:量度測試設備股份有限公司