用于分析物的无创伤性确定的方法及设备技术

一族提高在吸收和散射光的样品中测量的分析物浓度的精确性的新方法。一族自一个或更多光学测量来确定样品中分析物浓度的新颖方法。这些方法提高了在散射和吸收光的材料样品中的分析物确定的精确性。这些方法可以测量具有不同于用于校准方法的样品的光学性质的新样品。这样克服了将现有方法用于很多实际应用中的已知限制，在实际应用中，现有方法对于校准组呈现好的性能，但是对于需要外插或者内插的新样品类型呈现差的性能。这些新方法还克服了将基于比尔定律的线性预计方法应用至跨越了光学测量范围的样品或者样品性质违反其固有假设的样品的限制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体涉及经由分析通过材料样品的光而确定分析物浓度。更具 体地，本专利技术涉及用于提高散射和吸收光的材料样品中的分析物确定的精 确度的方法。
技术介绍
众所周知，存在散射介质时测量的吸收光谱不同于没有散射介质时测 量的相同的化学物类光语。还应该认识到，光射线传播通过散射样品的的 轨迹比在非散射样品中的轨迹更加难以进行特性描述，在非散射样品中光 射线通常直线传播。在非散射样品中，轨迹长度可以由样品的物理尺寸以 及光束和样品几何图形的基本信息计算出。此外，对于入射在样品上的所有光射线，理想透射测定法(transmission measurement)中的轨迹长度是 共有特性，并且因此轨迹长度可以由所有射线和所有波长共有的标量值表 示。相反，传播通过散射样品的光射线具有多个可能的轨迹，并且因此最 好由轨迹长度分布(path length distribution, PLD )来描述。简单地i兌， 该分布应具有传播典型轨迹长度的射线的一些部分(fraction)，以及经由 散射相互作用的随机性质而通过样品传播更短和更长轨迹的射线的部分。 该轨迹长度分布的特性还可以进一步由统计特性进行描述，例如，分布的 均值和标准差。由于它们以复杂形式依赖于包括散射和吸收的样品特性 时，这些特性对于一种测量系统不一定是固定的。尽管具有以上所述的困难，对于测量吸收和散射光的样品中的分析物 浓度存在很大兴趣。这是因为很多重要的生物系统因为它们的非均匀成分 (heterogeneous composition )而散射光。这些非均匀结构的一个样例是皮 肤中的胶原质纤维，其散射光是因为胶原质纤维具有与围绕它们的间质液5不同的折射率。这样的散射会使无创伤性(noninvasive)葡萄糖测量复杂 化，例如，在于1990年12月4日公告的专利号4,975,581中所描述。另 一重要的样例是测量在细胞的悬浮液中尿素的浓度，例如在整个血液中的 尿素。在该样例中，红血细胞具有与周围的血清不同的折射率，其导致它 们散射可视光和红外光。另 一重要样例是测量生物反应器细胞培养物中的 乳酸浓度。这是细胞中的结构如线粒体可以是有力的散射元素的 一种例 子。确定所有这些样品类型中的分析物浓度被它们的吸收和散射特性质的 固有的生物学变异性所复杂化。由因为散射和吸变化而轨迹长度分布可变的光学测量来确定样品中 的分析物浓度的已知方法一般包括简化的假设，其限制实际中的测量性 能，或者包括设法估计轨迹长度分布的方法。一种方法使用理论方法通过应用扩散理论(Diffusion Theory )来分别 4古i十吸4史禾口散射')"生质。侈'Ji口， Tissue Optics: light scattering methods and instruments for medical diagnosis, Tuchin V., ISBN 0-8194-3459-0, The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, 2000Section 1.1, 包括具有多种散射的包括血液和皮肤的组织的光学性质的描述。扩散理论方法要 求简化的近似，其对于吸收和散射性质的所有组合是无效的。例如，当吸 收的效应大于散射或者当散射事件的数量小时，扩散理论并不精确。近红 外光谱区中的无创伤性组织测量可以具有这些情况中的一个或两个。另 一 理论方法利用蒙特卡洛模拟来从所研究的系统的显式信,^ (explicit knowledge )中估计4九迹长度分布，其要求下列光学性质中的一 些或者所有吸收系数、散射系数、散射相函数以及样品几何图形。实际 上，精确地估计组织的光学性质是很难的，因为胶原质纤维或血液细胞的 实际形状需要利用已知的分析解决方式简化为类似于球体或柱体的几何图形。另一种方法假设特定波长的样品的光学性质。例如，非吸收波长存在， 可以用于在具有类似的散射性质的波长纠正分析物的吸收。专利号 5,099,123,于1992年3月24日公告。该方法一般限于其中为生物样品中 的主要要素的水是弱吸收物质的光语区域。假设光学性质的第二例子是等吸光点(isobestic )的应用。专利号6,681,128，于2004年1月20日公告。 等吸光点发生在仅存在两个吸收物质的波长处， 一般为分析物和另 一主要 吸收物质，并且两种物质具有相同的吸收性。再次，这些方法可以应用在 一些生物测量中，如在500至1000nm区域中的脉冲血氧计测量，但是不 是整个存在很多更多光谱活性的生物物质的红外区域。Multiplicative Scatter Correction, Multivariate Calibration, Martens and Naes， Section 7.4和类似的出版物利用诸如二次函数的低阶多项式估计跨 光谱波长散射对轨迹长度的净效应。该函数没有精确地描述宽光谱范围上 的散射，例如一般用于无创伤性葡萄糖测量的4000至8000 cm-1区域。另外 一种确定高散射和吸收样品中的分析物浓度的方法是显式地 (explicitly)测量轨迹长度分布并在测量运算中结合轨迹长度估计。 一种 该技术结合吸收测量利用光子飞行时间测量描述样品在离散的波长处的 光学性质,Leonardi， L; Burns, DH Multiwavelength Scatter Correction in Turbid Media using Photon Time-of-Flight; Applied Spectroscopy, 50(6), 637-646,1999。该方法要求其他的测量设备，包括脉动或者频率调制的光 源，这样增加了成本和复杂性。其还假定所有波长的轨迹长度性质可以由 一个或更多离散测量推断出。附图说明图1示出了一种理想吸收测量系统；图2示出了纯分斗斤物信号(pure analyte signal)和净分4斤物信号(net analyte signal)之间的差异；图3示出了具有选择性误差的净分析物信号； 图4示出了具有比例误差的净分析物信号； 图5示出了产生比例误差的轨迹长度变化； 图6示出了用于理解预计误差的;f既念框架； 图7示出了用于理解预计误差的光谱框架； 图8示出了来自几种应用区域的光语； 图9示出了散射介质中的葡萄糖测量结果；7图10示出了散射介质中的乙醇测量结果；图11示出了散射介质中的尿素测量结果；图12示出了散射对于波长的相关性；图13示出了两个散射级的预计函数中的差异；图14示出了干扰物质和预计函数之间的相互作用；图15示出了散射介质中的分析物测量的基本探查；图16示出了具有多个观测点的系统；图17示出了轨迹和散射介质之间的关系；图18示出了光子传播与散射介质的关系；图19示出了葡萄糖预计中散射介质的影响；图20示出了用于通过多重观测确定介质特征的概念框架；图21示出了根据诊断度量(diagnostic metric)对介质进行分类的图22示出了校准样品的轨迹特征；图23示出了有效样品的轨迹特征；图24图绘出用于标准单通道处理的预计结果；图25图绘出由子模型(sub-mode)方法产生的预计结果；图26示出了由本文档来自技高网...

【技术保护点】
基本如公开的方法和设备。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：M里斯罗宾森，斯蒂芬J范斯莱克，克里斯多佛D布朗，
申请(专利权)人：音莱特解决方案有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]