CN103237497A - 用于检测糖尿病的改进的算法 - Google Patents

Abstract

方法，用于生物组织的光谱分析，以将个体划分为糖尿病或非糖尿病，或确定个体中疾病或医学状况的概率、进展或水平。

Description

用于检测糖尿病的改进的算法

相关申请的交叉参考

本申请涉及并要求美国临时专利申请号61/410,825、61/410,827、61/410,830、61/410,831、61/410,833、61/410,834、61/410,835和61/410,839的权益，其均提交于2010年11月5日，并且，其均通过引用以其整体并入本文。

在同一日与此同时提交的是共同未决非临时专利申请，其也要求上述每一项美国临时专利申请的权益，其名称为“用于非侵入性检测影响该生物组织中的结构性质的疾病的设备和方法”，其被指定美国专利申请号[待指定]，并具有至少一个共同的发明人。同时提交的专利申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。

背景

描述了检测疾病诸如糖尿病的非侵入性（non-invasive）装置和方法。具体地，示例性实施方式涉及适于确定哺乳动物中糖尿病的存在、可能性、和/或进展的方法和设备。

糖尿病(diabetes mellitus/diabetes)是一类其中人患有高血糖(多糖症)的代谢疾病，这或者是由于身体不产生足够的胰岛素，或者是由于身体细胞不响应于产生的胰岛素。糖尿病是源于多种致病因素的疾病，其表征为在禁食状态下或在口服葡萄糖耐量试验(OGTT)中施用葡萄糖之后提高的血浆葡萄糖水平。存在两种主要形式的糖尿病：(1)胰岛素依赖型或I型糖尿病(又称为青少年糖尿病、脆弱型糖尿病、胰岛素依赖型糖尿病(IDDM))和(2)非胰岛素依赖型或II型糖尿病(又称为NIDDM)。I型糖尿病最常在年轻人中发展，但可出现在具有与I型相同的自身抗体的成年人中。II型糖尿病最常在中年和老年人中发展，但可出现在年轻人中。这种高血糖状况产生多尿(尿频)、多饮(口渴增加)或多食(饥饿增加)的症状。糖尿病是世界发达国家和发展中国家日益严重的大问题。因为现在已经预测在每10个美国成人中约有一个患有糖尿病，并且，根据疾病控制和预防中心的报告，糖尿病病例截止到2050将激增至2倍，甚至3倍，多达每三个人中有一个患有疾病，主要是II型糖尿病。

胰岛素是由β-细胞在胰中产生的激素。胰岛素的功能是调节血液中葡萄糖(糖)的量，葡萄糖通过接受胰岛素和允许葡萄糖进入的受体进入细胞。一旦存在于细胞内，葡萄糖可被用作燃料。过多的葡萄糖以被称为糖原的形式存储于肝和肌肉中。当血液葡萄糖水平低时，肝释放糖原，形成葡萄糖。在没有胰岛素的情况下，葡萄糖难以进入细胞。在患有糖尿病的人中，胰不产生胰岛素，或产生的胰岛素太少而不能控制血糖，或产生缺陷性胰岛素。在没有胰岛素的情况下，这些症状发展成脱水，导致低血容量、脉率提高和干燥、潮红的皮肤。另外，酮在血液中的积累快于身体能够通过尿或呼气呼吸清除它们。呼吸作用变快变浅，并且，呼吸具有果味。表明向酮酸中毒性糖尿病性昏迷(DKA)发展的其它症状包括呕吐、胃疼和意识水平降低。患有糖尿病的人处于衰弱并发症诸如肾衰竭、失明、神经损伤和血管疾病的高风险。尽管通过严密的葡萄糖控制结合药物治疗和生活方式改变可降低并发症或并发症发展的风险，但有效减轻并发症始于早期检测。疾病导致严重的并发症，包括高血糖、大血管病变、未血管病、神经病、肾病和视网膜病。结果，糖尿病不利地影响生活质量。类似地，不受控制的II型糖尿病导致血液中过多的葡萄糖，引起高血糖或高血糖。

不幸地，人的糖尿病的诊断通常发生在疾病发作后若干年和并发症已经存在之后。需要对处于糖尿病风险的个体的更有力的筛选。现代糖尿病筛选和监控是尤其“穿刺-密集的(puncture-intensive)”，因为糖尿病患者不得不抽血以测试其葡萄糖水平。当前可用于监控血液葡萄糖的唯一实际可靠的筛选方法是通过采血手段。当前使用的主要筛选和诊断测试-空腹血浆葡萄糖(FPG)和口服葡萄糖耐量试验(OGTT)-不被认为是最佳的，因为它们不方便并且令人不愉快。两者均需要静脉抽血，并且是空腹测试，所以它们仅在早上预约中可被实际实施，并且倾向于不顺从问题。对于OGTT，测量发生在患者摄入75g口服葡萄糖负荷后两(2)小时。许多研究已经评价这些测试在不同群体中各自的性能。据信患有那些糖尿病的约一半经单一FPG测试被错误分类。另外，据信OGTT具有相对差的再现性的缺点。另外，HbA1c测试比FPG反映较长期90天糖血症和控制或缺少控制，测试结果也可由于最近饮食或溶血状况的变化而被曲解。这样的血液葡萄糖测试方法作为长期糖血状态的指标价值有限。总之，血液葡萄糖测量(诸如HbA1c和FPG)作为长期糖血状态的可靠指标价值有限。

因此，需要精确、可靠、方便和非侵入性筛选测试作为当前测试的可行的替代方案。理想地，改进的筛选测试会测量直接与疾病进展和并发症风险有关的分析物，并且，化学标记作为整合的生物标记对患者天内或天之间的改变是不变化的。另外，测量应该提供足够的精确度，以检测早期糖尿病，并具有足够的精度，以排除重复、确定测试的需要。当患者可能患有糖尿病变得明显后，医生和卫生保健提供者将邀请患者返回，定期进行更多测试，以确定患者的状况是否实际上发展成疾病。关于患者在被选出进行更多测试之前应该等待多久，存在一定的方案。如果患者具有暗示糖尿病的极少症状，则患者可在一年以上不被唤回。如果存在若干暗示性症状，则患者可仅在数月后就被唤回。如果存在非侵入性和精确确定患者是否具有实际发展糖尿病的风险的可用诊断工具和方法，将是有用的。

高血糖的主要后果是蛋白质在被称为美拉反应的过程中过度糖基化(非酶促糖化)。过度糖基化最终导致各种蛋白质-蛋白质交联和非交联结构——称为高级糖化终末产物(AGE)——的形成。据信AGE呈现用于非侵入性测量的吸引人的候选分析物。已经暗示AGE为糖尿病，包括糖尿病视网膜病(DR)的并发症中的致病因素。蛋白质糖化是多级反应，始于蛋白质的糖加合物的形成，该糖加合物被称为果糖胺或阿马道里化合物，其逐渐成熟，形成AGE。一些AGE需要氧化化学用于其形成，其被称为糖氧化产物。胶原是容易经历糖化和糖氧化的蛋白质。由于其长的半衰期，据信AGE在胶原中的水平充当对短期或中期糖血控制中的波动不敏感的总体糖血的长期整合者(integrator)。结果，AGE在健康老化过程中自然积累，但在患有糖尿病的人中以明显加速的速率积累。蛋白质糖化和AGE形成伴随造成糖尿病中生物分子损坏的自由基活性增加。AGE水平与视网膜病、肾病和神经病的存在正相关，因此，是糖尿病中蛋白质系统性损坏的指示物和患者的糖尿病并发症风险的度量。另外，由于与糖尿病前期和II型糖尿病有关的轻度至严重高血糖，处于该连续体早期的个体将以比正常速率高的速率在它们组织中积累AGE。因此，给定足够的分析灵敏性，个体中精确的AGE测量提供检测早期偏离正常糖血的前景。当前，通过要求活组织检查样本的侵入性程序分析AGE，因而，AGE不用于糖尿病筛选或诊断中。

组织诸如接目镜（ocular lens）可在经具有适当波长的光源激发时显示荧光。该荧光发射——源于内生荧光团——是组织的内在性质，其被称为自身荧光，以与通过加入外源标记(如荧光素钠)获得的荧光信号区分。组织荧光团吸收一定波长的光(激发光)，并以较长波长的光将其再次释放(发射)。已经鉴定若干组织荧光团诸如胶原、弹性蛋白、脂褐素、NADH、卟啉和色氨酸。每一种荧光团均具有其特征性激发波长和发射波长，其使得能够进行定位并进一步量化具体的荧光团。自身荧光可在若干组织中被诱发，并可因此应用于若干疾病的研究中。它还被用于区分若干组织诸如皮肤和子宫颈中的恶性与良性组织。此外，在眼科学中，晶状体的自身荧光随衰老和糖尿病而增加。晶状体的自身荧光似乎由糖化以及晶状体的随后氧化引起，所述晶状体形成AGE。晶状体代表稀有生物目标，因为晶状体中的蛋白质在生命中相对静态，并且不翻转(即，经历逆向糖化)，允许AGE的积累。

非侵入性测试中的核心技术是荧光光谱学(又称为荧光测定或分光荧光测定法)，是一种类型的电磁光谱学，其通过测量其反射或发射光检测某些分子的存在而分析来自样品的荧光。其包括利用高能量(短波长)光束，其激发某些化合物分子中的电子并导致它们发射较低能量的光(荧光)，通常但不必是可见光。补充技术是吸收光谱学。在荧光光谱学中，物质(species)首先通过吸收光子而由其基态电子态被激发至激发电子态中的各种振动态之一。与其它分子的碰撞导致激发分子失去振动能量，直到其到达激发电子态的最低振动态。然后，分子再次落回基态电子态的各种振动水平之一，在该过程中发射光子。由于不同种类的分子可以从不同的振动态水平落到基态水平，发射的光子将具有不同的能量，并因此具有不同的频率。因此，通过分析荧光光谱学中发射的光的不同频率及其相对强度，可确定具有不同振动水平的结构。

[011]通过量化眼的晶状体或其它组织中的AGE，光学光谱学提供一个早期、非侵入性检测糖尿病的潜在途径。光谱学是研究从固体、液体或气体发射、反射或散射、作为波长函数的光。当光子经过某一材料时，一些自颗粒表面被反射，一些经过颗粒，以及一些被吸收。反射自颗粒表面或通过其折射的这些光子被称为“散射的”。散射的光子可遭遇另一粒子，或被散射离开表面，因此，它们可被检测和测量。每一分子均具有明显的结构，该结构以特定波长反射光；所有葡萄糖分子均共享独特的特征，该特征完全不同于其它血液组分诸如血红蛋白。在光谱学中，仪器发射激光或其它光于皮肤上或眼睛中。如果返回波长不同于制定的标准，则装置警告患者或医生有问题分子或细胞的存在。基于荧光的系统依赖于某些细胞组分——称为荧光团(例如，色氨酸、黄素、胶原)——在被特定波长的光激发时发射光的倾向性，其中峰强度在不同但相应的频带中。由荧光团发射的实际光量非常小(在毫微瓦级上)，需要极其灵敏的光检测系统。光学光谱装置的基本功能是用期望和特定的波长带照射样本，然后将弱得多的发射荧光与激发光分开。只有发射光应该达到眼睛或检测器，以便所得荧光结构针对非常深(或黑色)的背景以高对比重叠。检测的界限通常由背景暗度控制，并且，激发光通常比发射的荧光亮数十万至百万倍。

如果AGE由300-500nm的光照射，则400-700nm荧光被发射。理论上，随着AGE的发展，某些早期代谢变化可通过荧光光谱学检测。反射技术试图通过测量组织(例如，眼的晶状体)暴露于光源时反射回灵敏光检测器的光的量和波长来表征组织。利用基于计算机的算法分析荧光和反射光测量结果；然而，这些系统还未被广泛研究。在很多情况中已经针对糖尿病筛选和AGE量化研究非侵入性眼部荧光测量。

例如，眼的晶状体的自身荧光可用计算机荧光光度计(Fluorotron Master,Coherent Radiation Inc.(Palo Alto,CA))——装配有用于详细扫描晶状体的专用透镜(“前段适配器”)——进行测量。晶状体的自身荧光——由连续蓝色光束激发——可通过计算机控制的电动机移动荧光光度计的内透镜系统而沿着光轴被扫描。激发光和荧光的波长可通过滤色器设置，以透射峰值分别处于490nm和530nm。测量的自身荧光——以荧光素浓度当量表示——可记录为眼睛中距离的函数。

总是期望在其发展的早期检测疾病。具体地，期望尽可能早地，甚至在糖尿病发作、血管损坏随着葡萄糖耐量退化逐渐发展之前，筛选和开始治疗葡萄糖耐受不良个体。另外地，在表现出葡萄糖稳态的明显改变诸如葡萄糖耐量(IGT)受损和空腹葡萄糖(IFG)受损时，β-细胞功能严重受损；因此，及时干预对于维持剩余的胰岛素分泌能力是重要的。早期检测使得通常被认为成功率较高的早期治疗能够治疗各种疾病。最近，据信分析眼睛，尤其是眼睛的晶状体，可以产生各种类型疾病的指示。例如，对眼睛内的光散射进行的测量已经显示提供有用的诊断信息，以检测和监控疾病进展。因为该区域厚度多达几毫米，对该区域的测量——为使其有用——需要对于测量位置的信息非常精确。尤其是这样，因为即使当患者凝视于被照射的目标时，人眼睛也处于几乎不变的运动中。尤其是这样，因为眼睛护理专业人员诸如视力测定者有规律地检查、诊断、治疗和管理眼睛和相关结构的疾病、损伤和病症，以及鉴定影响眼睛的相关系统状况。视力测定者通过其临床教育和经验，以及广泛的地理分布和装置，向公众提供初步的眼睛和视力护理。常常是卫生保健从业者首先检查具有未确诊的糖尿病或糖尿病眼部表现的患者。

通过生活方式改正或药物治疗的早期干预在显著的疾病进展中的功效由糖尿病预防计划(Diabetes Prevention Program Research Group(糖尿病预防计划研究组).NEJM346:393-403,2002)显示。然而，IGT和IFG的确定本身是一个问题，这是由于这些评定，尤其是通过口服葡萄糖耐量试验(OGTT)进行的IGT评定的相对侵袭性的性质。另外，另外的重要诊断问题是监控葡萄糖稳态，以确认糖尿病。用葡萄糖监控的顺从性较差，因为利用小刀进行常规血液采集的疼痛和不方便性。此外，期望用于糖尿病和确定治疗功效的非侵入性监控技术。最后，弗朗西斯糖尿病向并发症进展的评定仅在并发症很好地确定后才是可行的。因此，具有评估糖尿病从糖尿病前期的发展的方法和监控疾病进程的方法是有益的。

此外，已知至少有一种这样的尝试：产生商业级非侵入性糖尿病检测/筛选装置，其测量眼的晶状体荧光，被称为Accu-Chek D-Tector。Accu-Chek-D-Tector实质上是共聚焦显微镜，因为它利用共聚焦光装置来测量AGEs，以检查无法控制的血糖水平和II型糖尿病的早期征兆，因为它们在具有高血糖水平的个体眼睛中比在具有正常水平的个体眼睛中更快积累。装置应用所谓的生物光子技术并通过向患者眼睛的晶状体发蓝光来检测糖尿病。会聚并分析返回的光。自患有糖尿病的人眼睛发射的光比不具有糖尿病的人的更强。具体地，激光束经过光源孔，然后，通过目标透镜聚焦到患者眼睛内或表面上的小(理想地，衍射限制的)聚焦体中。来自照射点的散射和反射激光以及任意荧光然后通过目标透镜(集光器)被再会聚。分光镜将部分光分离到检测设备中，其在荧光共聚焦显微镜中可以具有这样的滤光器：该滤光器选择性地使荧光波长通过，同时阻挡原始激发波长。在任选地经过针孔后，通过光检测装置(例如，光电倍增管(PMT))检测光强度，将光信号转变成由计算机记录的电子信号，用于进一步分析。具体地，Accu-Chek D-Tector向眼的晶状体发蓝光，然后会聚并分析返回的光。

然而，Accu-Chek-D-Tector的主要缺点是其相对缓慢、不精确和制造成本高。尽管该装置据称可在30秒内获得读数(荧光，15秒；后向散射，15秒)，以获得来自患者晶状体内的特定位置的荧光信号与后向散射信号比，但该装置应用滑动滤光镜转换器来选择通过曲柄机构冲击光检测器的绿色(荧光)或蓝色(后向散射的)光。步进电动机的旋转促使两位置滑动器(slider)花费一秒或更多秒来从一个滤光器移动到另一个。另外，在使用时，要求患者通过注视系统与装置自对齐，这使其困难和费时。

大部分非侵入性分析仪未被专门设计用于高通量筛选目的。它们难以结合到高通量筛选环境，并且结合到高通量筛选环境的花费昂贵。甚至在分析仪结合到高通量筛选环境后，也常常存在许多问题，包括系统故障概率提高、数据丢失、时间延迟和高成本化合物和试剂的损失。因此，现有的非侵入性糖尿病检测装置通常尚未认识到提供分析灵活性和高性能的需求。

存在对通用、灵敏、高通量筛选设备和方法——可处理多种检测和大范围患者同时可靠地保持高灵敏性水平——的实际需求。除了早期鉴定之外，还需要用于检测糖尿病的糖尿病检测设备、装置、方法和/或系统——不需要空腹并且是不暴露于由各种原因引起的葡萄糖水平变化的积累测试，所述原因包括食品、应激特别药物或饮食和锻炼的短期改变。

示例性实施方式的描述

现在通过参考附图或不参考附图描述发明的各个示例性实施方式，在附图中，相同符号编号表示相同的或功能上类似的元件。如在本文附图中所一般描述和示例的，实例实施方式可以以各种不同的构型排列和设计。因此，下面对示例性实施方式的更详细的描述，如在附图中描述和/或示出的，并不意图限制所要求保护的主题的范围，而仅仅是示例性/实例实施方式的代表。

某些方面、优势和新特征在附图中显示和/或在本文中描述。应该理解，在本文中明确或内在论述的所有这样的方面、优势和特征不一定均被应用或均不被应用和/或根据任意具体实施方式或其方面实现。因此，例如，本领域的技术人员将认识到，可以以实现本文所教导或推断的一个优势或优势组的方式来实施示例性实施方式，而不一定实现本文可能教导或暗示的其它优势。当然，在本文中没有明确教导或暗示的优势也可以在一个或更多个示例性实施方式中实现。

除非另外说明，以下阐释规则适用于本描述(书面说明书、权利要求书和附图)：(a)本文应用的所有词语将被解释成具有各种情况所需要的这样的词性或数(单数或复数)；(b)如在说明书和所附权利要求书中所使用的，单数术语“一(a，an)”和“该(the)”包括复数指代，除非上下文另有明确指示；(c)应用于所述范围或值的先行词“约”表示在本领域中通过测量方法已知或预期的在该范围或值的偏差内的近似；(d)用语“本文”、“在此”、“其”、“到此为止”、“在上文中”和“在下文中”以及具有类似含义的用语是指本说明书其整体，而并不指任意具体的段落、权利要求或其它部分，除非另有说明；(c)描述性标题仅为了方便，因而不会控制或影响说明书任何部分的意思或结构；和(d)“或”和“任意(any)”是非排除性的，而“包括(include，including)”是非限制性的。此外，术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”将被解释为开放性术语(即，意为“包括但不限于”)，除非另有说明。

在本文中对值范围的叙述仅意图用作单独指代属于该范围的每一单独值的简单表达方法，除非在本文中另有说明，并且，每一单独值均被结合到说明书中，如同其在本文中被单独叙述一样。在提供值的具体范围的情况下，应该理解，在该范围的上限和下限之间每一中间值到下限的十分之一单位——除非上下文另有明确说明，以及所述范围内的任意其它描述的值或中间值均包括在本文中。还包括所有较小的亚范围。这些较小范围的上限和下限也包括在其中，受到所述范围内的任何具体排除限制。

除非另有限定，本文使用的所有技术和科学术语均具有相关领域普通技术人员通常理解的相同含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的任意方法和材料也可以被应用，但现在描述优选方法和材料。

如本文中所使用的，术语“一实施方式”、“实施方式”、“多个实施方式”、“该实施方式”、“这些实施方式”、“一个或更多个实施方式”、“一些实施方式”、“某些实施方式”、“一个实施方式”、“另一实施方式”等意为“公开的设备和/或方法的一个或更多个(但不必是所有的)实施方式，除非另有明确说明。

术语“确定”(及其语法变体)以极其广泛的意义使用。术语“确定”包括各种操作，因而，“确定”可包括计算、计算、处理、推论、研究、查看(例如，查看表格、数据库或另外的数据结构)、查明等。同样，“确定”可包括接收(例如，接收信息)、访问(例如，访问存储器中的数据)等。同样，“确定”可包括解析、选择、选定、建立等。

短语“基于”并不意为“仅基于”，除非另有明确说明。换言之，短语“基于”同时描述“仅基于”和“至少基于”。

词语“示例性的”或“实例”在本文中排他性地用于表示“用作实例、例子或示例”。在本文中描述为“示例性”或“实例”的任何实施方式均不一定被解释为优选实施方式或比其它实施方式有优势。

如在本文中所使用的，术语“使用者”或“患者”或“对象”和互换使用，并且，上述术语包括但不限于人类——无论是否在医师的护理下——和其它哺乳动物。如本文中所使用的，术语“眼睛扫描”、“扫描眼睛”、“扫描多只眼睛”是可广泛互换的术语，其通常指眼睛任意部分、基本上所有部分或所有部分——包括但不限于眼睛晶状体或任意其它组织或与眼睛有关的神经——的测量。

嵌入式计算机子系统可包括至少一个中央处理单元（CPU）或“处理器”、存储器、存储装置、显示器和通信链路。CPU的实例是Intel Pentium微处理器。存储器可以是例如，静态随机存储器(RAM)和/或动态随机存储器。存储装置可用非易失性RAM或磁盘驱动器完成。液晶显示器是可用于该装置的显示器类型的实例。通信链路可以是高速串行链路、以太网链路或无线(“WiFi”或“宽带”)通信链路。嵌入式计算机子系统可从接收和处理的数据产生疾病状态预报、执行校准维护、执行校准传递、运行仪器诊断、存储过往分析历史和其它有关信息，并且在一些实施方式中，可与远程主机通信，以发送和接收数据以及新软件更新。

“软件”和“可在电子计算机上操作的机器可读编码”是同义的，其是指软件或硬连线指令，用于控制计算机的逻辑操作。术语计算机或处理器是指电子计算机或其特定逻辑处理硬件。机器可读编码包含在有形介质诸如硬盘或硬连线指令中。

系统中的处理器可以是常规微型计算机，其具有键盘和鼠标输入装置、监控屏输出装置和计算机界面，该计算机界面可操作地连接系统各组件，例如，包括眼睛追踪组件或装置、机器人元件等。

还应该理解，所有测量值均是近似的，其被提供用于描述。尽管在实践或本公开内容的测试中可以使用类似或等同于本文描述的那些的方法和材料，但在下面描述合适的方法和材料。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其它参考文献均通过引用以其整体被并入本文。在冲突的情况下，以本说明书——包括对术语的解释为准。另外，材料、方法和/或实例仅是示例性的，而不意图是限制性的。

本文公开的实施方式的一些特征可以作为计算机软件、电子硬件或其组合被实施。为了说明硬件和软件的这种可互换性，就其功能性而言可以一般性描述各种组分。这种功能性是否作为硬件或软件被实施取决于施加于整体系统上的具体应用和设计约束，如技术人员可以容易获得的。技术人员可以以不同方式实施针对每一具体应用描述的功能性，但这种实施决定不应该被解释为导致对权利要求书范围的背离。

在描述的功能性作为计算机软件实施的情况下，这样的软件可以包括任意类型的计算机指令或计算机可执行编码或算法，其定位于或存储在(甚至是暂时性的)存储器装置内和/或作为电子信号在系统总线或网络上被传输。实施与本文所述组件有关的功能性的软件可以包括单一指令或许多指令，并且，可分布在若干不同代码段上、不同的程序间和若干存储器装置上。

本文描述的实例实施方式构成对下面专利中公开的一个或更多个方法和设备(据称描述上述Accu-Chek D-Tector设计)的改进，所述专利的全部公开内容(书面说明书和附图)均通过引用并入本文：

美国专利号5,203,328，授予Samuels，名称为“定量测量接目镜中分子变化的设备和方法(Apparatus And Methods For Quantitatively Measuring Molecular ChangesIn The Ocular Lens)”。该专利公开了确定患者是否患有糖尿病的设备和方法。该系统和方法测量指示糖尿病的患者眼睛特征。具体地，该系统和方法照射患者眼睛的眼组织，并测量由眼组织响应激发光产生的后向散射光和荧光辐射。特定波长的后向散射光和荧光的强度然后用于确定患者是否患有糖尿病。

美国专利号5,582,168，名称为“测量生物组织和类似材料特征的设备和方法(Apparatus And Methods For Measuring Characteristics Of Biological Tissues AndSimilar Materials)”。该专利示例这样的设备和方法：其组合两种或更多种测量技术，以通过测量生物组织和类似材料特征实现更精确的最终测定。这些关于测量人眼睛的设备和方法被描述。另外，其中描述的校正方法包括测量弹性散射的激发光。Samuels描述了简单的线性校正技术。

美国专利号6,088,606，名称为“确定医学状况持续时间的方法和设备(Methodand apparatus for determining a duration of a medical condition)”。该专利公开了确定医学状况持续时间的系统和方法以及涉及确定疾病持续时间而不是用于诊断或筛选疾病的存在或用于量化指定化学分析物浓度的方法。

美国专利号4,895,159，名称为“糖尿病检测方法(Diabetes Detection Method)”和美国专利号4,883,351，名称为“检测糖尿病和影响眼晶状体的其它异常的设备(Apparatus for the Detection of Diabetes and Other Abnormalities Affecting the Lensof the眼睛)”，其均公开仅利用后向散射光检测糖尿病的存在的系统和方法。

图1显示眼睛10的侧视图。眼睛10包括角膜11、虹膜12、瞳孔14、晶状体15、视网膜16和视神经17。光通过瞳孔14进入眼睛，被聚焦，经角膜11和晶状体15倒像，并在眼睛后部投射到视网膜16上。虹膜12充当快门(shutter)，其可以被打开或关闭，以调节经瞳孔14进入眼睛的光的量。

眼睛10由与视神经头有关的四个四分体（quadrants）部分组成：(a)颞部分，由朝向头骨颞部的四分体组成，(b)上面部分，由视神经头上方的四分体组成，(c)鼻部分，由朝向鼻的四分体组成，和(d)下面部分，由视神经头下方的四分体组成。在一个方面，对特定四分体或接目镜四分体，即，颞的、上面的、鼻的和/或下面的四分体的测量结果可以被收集/用于产生关于眼睛结构特征的数据。换言之，在光学检测对象眼睛晶状体中AGE的实例方法中，对象眼睛可暴露于注视点。使对象眼睛暴露于激发光源可包括指引光到达对象眼睛的期望部分。指引光到达对象眼睛的期望部分可包括指引光到达晶状体的鼻部分、颞部分、上面部分或下面部分。还可包括指引光到达眼睛其它部分或组织，诸如但不限于视网膜、玻璃体、冠部(corona)等。

实例实施方式包括设备和方法，其适于通过收集自眼晶状体的光谱信息确定体内组织的性质。通常，照射系统提供一种或更多种波长范围的光，其与光学集光装置连通。在一些实施方式中，光均化器（light homogenizers）和搅模器（modescramblers）可用于改进性能。光学系统是非侵入性的，而且，不在身体上接触眼睛。光学源主要接收来自照射系统的光，并将其发射至眼的晶状体。光学集光系统接收通过其荧光响应光而发射自眼睛晶状体组织的光。光学集光装置可使光与光谱仪连通，该光谱仪产生代表光的光谱性质的信号。分析系统(计算机)通过光谱性质确定眼睛晶状体的性质。

在进一步的实施方式中，提供用于确定个体中组织状态(例如，糖化终产物或疾病状态)的测量的方法。用激发光照射个体组织的部分，然后，检测组织发射的光，这是由于组织中化学物质响应激发光的荧光。检测的光可与使荧光与组织状态的测量关联的模型相结合，以确定组织状态。实施方式可包括单波长激发光、扫描激发光(以多个波长照射组织)、以单波长进行检测、扫描检测波长(以多个波长检测发射光)及其组合。还提供校正技术，其减少测定误差，该误差是由于光的检测而不是组织中化学物质的荧光的检测。例如，如果不应用适当的校正，组织的反射可导致误差。实施方式也可包括各种使荧光与组织状态测量相关的模型，包括用于产生这样的模型的各种方法。其它生物学信息可结合荧光性质用于帮助确定组织状态测量。实施方式还包括适于执行方法的设备，包括适当的光源、检测器和用于使检测的荧光与组织状态测量相关的模型(例如，在计算机上实施的)。例如，发射光可包括的波长为大约200nm至约250nm；大约400nm至约450nm、大约450nm至约500nm、大约500nm至约550nm、大约600nm至约650nm、大约650nm至约700nm、大约700nm至约750nm及其组合和上述范围各自之间所有的亚范围。

图2是示意图，其描述设备的实例实施方式，该设备包括共焦配置(应该注意，不同于之前的设备，光路径并不遇到任意分光镜或二色镜，从而增加光透射的能量)。在特定实施方式中，返回的光可包括由目标组织响应于激发光产生的荧光。返回的荧光的强度可与个体的与年代有关的年龄相关预期荧光强度比较，该个体没有患糖尿病。任选地，实际返回的荧光强度超过预期返回的荧光的强度的量然后可用于至少确定个体是否经历医学状况，例如糖尿病(即，显性糖尿病、糖尿病前期、妊娠糖尿病等)、由糖尿病引起的眼状况、视网膜病、视网膜血管阻塞、玻璃体视网膜病、年龄相关黄斑变性、遗传性视网膜退化、脑假瘤、青光眼、白内障等。

在实例实施方式中，返回的光可包括由眼晶状体中的AGE产生的荧光。返回的荧光的强度可与个体的与年代有关的年龄相关预期荧光强度比较，该个体没有患糖尿病。任选地，实际返回的荧光强度超过预期返回的荧光强度的量然后可用于至少确定个体是否经历医学状况。荧光的时间特征，而不是强度，还可被检测并用于确定患者经历医学状况多久。时间特征能够通过任意合适的技术分析，所述技术包括但不限于直接测量荧光发射的衰变期、通过相移技术、通过偏振各向异性技术或通过检测荧光时间特征的任意其他方法。

在还有其他的实例实施方式中，返回的光可包括后向散射的激发光，其自目标组织返回。这样的实施方式可仅利用后向散射光来进行确定，或后向散射光可结合由目标组织产生的荧光来用于实现确定。在一些实施方式中，提供激发光的光源和检测返回的光的检测器被排列为共焦系统。如前所述，这样的共焦系统允许询问较大组织体中的小目标组织体。共焦系统允许在目标组织表面下的组织体上进行测量。而且，实例系统或方法还可考虑患者特定信息。例如，除了光学信息之外，患者年龄、性别和身体特征也可被应用，以确定患者经历医学状况多久。这会允许系统或方法能够说明年龄变化特征诸如荧光强度。

在实例实施方式中，激发光源包括蓝色发光二极管(蓝色LED)，以照射患者眼睛晶状体中的点，其自眼晶状体前缘下面的大约50%至80%，任选地，60%至75%。在该实施方式中，蓝色LED光源产生激发光，其与一个或更多个光学带通滤光器藕合，以产生具有期望波长的激发光，该激发光选地与变频设备耦合，该变频装置可以是非线性倍频装置或能够改变由蓝色LED光源产生的光的频率的任意其它装置，以便生具有期望波长的光。适当的波带中的激发辐射然后通过光学发送系统被定向，该光学发送系统使激发光聚焦于患者眼睛中的目标组织。返回光——可包括后向散射的激发光部分和/或响应于激发光产生的荧光——然后经光检测器会聚，用于分析。可以使用一种或更多种激发波长，并且可以会聚一种或更多种荧光波长。

在进一步的实施方式中，本文提供系统和方法，其通过比较目标组织的荧光发射特征与预期特征来确定患者是否经历医学状况。例如，用激发光照射目标组织，并检测目标组织响应于激发光产生的荧光发射。荧光发射的不同特征，包括荧光发射强度或荧光寿命，均可被测定。然后将检测的荧光发射的测定特征与荧光发射或其它因素的预期特征进行比较。在一些例子中，激发光的后向散射部分也可用于确定哪种可提供更精确的测量结果，利用后向散射的激发光归一化荧光强度，以说明各种因素。这样的因素可包括目标组织不透明性的变化，其可随患者年龄或身体状况而变化。

在这样的系统中，检测器将能够确定由目标组织产生的荧光强度，以及自患者眼睛后向散射的激发光强度。由于荧光通常将具有与后向散射的激发辐射不同的波长，所以检测器可被配置成检测在激发光和荧光各自的不同波长处从目标组织返回的光强度。荧光强度与后向散射激发光强度之比然后被确定，从而归一化峰值荧光组分强度。归一化的荧光强度然后与预期的归一化的荧光强度进行比较，以确定患者经历医学状况的持续时间。

目标组织(例如，患者眼睛晶状体)不透明性或透射率的变化或光学耦合的变化(朝向眼睛表面的光束变化)可影响实际传送到目标组织的激发光的量和逃逸目标组织并由检测器检测的荧光量。利用后向散射光归一化荧光产生对荧光的测量结果，该荧光测量结果自动说明实际传送到目标组织的激发光能量的变化以及在产生荧光后逃逸患者眼睛的荧光量的变化。在具体实例实施方式中，在从目标组织返回的荧光强度被归一化的情况下，后向散射的激发光的瑞利/Mie组分被用于归一化，所以，FL比=F(荧光信号)/S(散射的信号)。另外，荧光还可通过总返回信号被归一化，该总返回信号是散射+荧光。所以，在该情况下，FL比=F/(S+F)。

如果经过晶状体进行两次或更多次扫描；质量检查算法可将多次扫描进行比较，以确保一致的荧光、散射和带宽。见图4。如果要求两次连续的扫描在某一量(例如，20%)内，并且结果被平均化。净效应则将提高装置精确度。所以，通过调节该一致性阈值，装置精确度可被提高，从而提高真阳性和真阴性报告率。另外，可比较单一扫描或多次扫描的晶状体厚度、瞳孔直径与在人中发现的正常范围，如果在正常范围之外则被排除。

为了对齐激发和发射光装置与眼睛以进行扫描，装置首先必须与瞳孔对齐。摄像机被用于定位对象的瞳孔(图5)。算法产生代表瞳孔的圈。针对人瞳孔直径的正常范围检查该圈。并且，计算瞳孔中心，光装置与该计算的中心自动再对齐。并且，在扫描期间追踪该瞳孔中心的运动。另外地，通过晶状体的扫描可偏移瞳孔的中心，以补偿来自虹膜的信号的限幅(clipping)。

扫描期间眼睛运动还可影响装置性能和精确度。所以，在扫描期间追踪瞳孔位置可用作排除扫描的质量度量(见图5中瞳孔上的紫色和标记)。

通过晶状体的扫描应该具有光滑的抛物面形状。可以排除通过晶状体的比样品体速度快的瞬变，或使其平稳(图6)。所以，例如如果样品体为1mm长和扫描内的2点相距为0.5mm，我们可预期信号水平可仅改变1mm/2mm或该扫描最大值的50%。如果瞬变较大，则错误的点可被忽略和在周围被内插置换(interpolatedaround)，或整体扫描被排除。

可基于比较结果确定患者经历医学状况的持续时间。被检测和比较的荧光发射的特征可以是荧光强度发射、荧光发射寿命或指示患者经历医学状况的持续时间的其他荧光发射特征。

还公开通过利用一种或更多种波长的荧光和瑞利/米氏后向散射光谱学技术——任选地与一种或更多种系数或因素组合——测量眼组织以确定个体疾病状态的算法，所述因素选自但不限于年龄、性别、高度、重量、身体质量指数(BMI)、腰围、HbA1c、生物标记(例如，自身抗体)、种族、抽烟、身体活动、高血压、高胆固醇、干眼、糖尿病家族史、白内障或其它疾病。将晶状体测量和生物标记组合，以报告糖尿病指数、白内障指数或其他疾病指数。这些因素可通过多线性回归、偏最小二乘法或作为神经网络中的节点被迭代或任何其它合适的方法确定。一些生物标记可以是加权二元项(吸烟者/非吸烟者)。一些可以是线性或非线性作用(年龄，BMI)。通过包括这些其他生物标记，可提高真阳性和真阴性率，导致更好地患者护理和较早的疾病诊断。

合适的生物标记包括但不限于以下任意成员：黄素蛋白、细菌、真菌、酵母、孢子、病毒、微生物、寄生虫、结缔组织、组织组分、溢泌物、pH、血管、还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)、微生物、血管内皮生长因子(VEGF)、内皮生长因子(EGF)、上皮生长因子、上皮细胞膜抗原(ECMA)、低氧可诱导因子(HIF-1)、碳酸酐酶IX(CAIX)、层粘连蛋白、血纤蛋白、纤连蛋白、成纤维细胞生长因子、转化生长因子(TGF)、成纤维细胞活化蛋白质(FAP)、金属蛋白酶的组织抑制剂(TIMP)、氧化氮合成酶(NOS)、诱导型和内皮NOS、细胞中的溶酶体、巨噬细胞、嗜中性粒细胞、淋巴细胞、肝细胞生长因子(HGF)、反神经肽、神经元内肽酶(NEP)、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)、嗜中性粒细胞弹性蛋白酶、组织蛋白酶、精氨酸酶、成纤维细胞、内皮细胞和角质形成细胞、角质形成细胞生长因子(KGF)、巨噬细胞炎性蛋白质-2(MIP-2)、巨噬细胞炎性蛋白质-2(MIP-2)和巨噬细胞化学引诱物蛋白质-1(MCP-I)、多形核嗜中性粒细胞(PMN)、巨噬细胞、肌成纤维细胞、白细胞介素-1(IL-I)、肿瘤坏死因子(TNF)、一氧化氮(NO)、c-myc、β-联蛋白、内皮祖细胞(EPC)、基质金属蛋白酶(MMP)和MMP抑制剂。在实例实施方式中，可包括存储器以记录至少一个生物标记的荧光数据，或进一步包括处理器，以将至少一个生物标记的荧光光谱与生物标记的荧光光谱的预定查照表进行比较。

然后，存储在嵌入式计算机子系统中的算法可用于确定疾病状态的可能性或存在。产生疾病状态预报之后，嵌入式计算机子系统将报告对象的预测值。任选地，嵌入式计算机子系统可以预测值的优势报告置信水平。如果置信水平低，则嵌入式计算机子系统可收回预测的疾病状态和并邀请对象再次进行测试。通过音频和/或通过打印的手段，可在显示器上目视报告分类。另外地，预测的疾病状态可存储在存储器中，以形成分析的历史记录。

嵌入式计算机子系统可包括至少一个中央处理单元(CPU)或“处理器”、存储器、存储装置、显示器和通信链路。CPU的实例是Intel Pentium微处理器。存储器可以是例如，静态随机存储器(RAM)和/或动态随机存储器。存储装置可用非易失性RAM或磁盘驱动器完成。液晶显示器是可用于该装置的显示器类型的实例。通信链路可以是高速串行链路、以太网链路或无线通信链路。嵌入式计算机子系统可从收集和处理的干涉图产生疾病状态预报、执行校准维护、执行校准传递、运行仪器诊断、存储过往分析历史和其它有关信息，并且在一些实施方式中，可与远程主机通信，以发送和接收数据以及新软件更新。

嵌入式计算机系统还可以包含通信链路，其使对象的预报记录和相应的光谱传送到外部数据库。另外，通信链路可用于下载新的软件到嵌入式计算机、更新多元校准模型、提供信息给对象，以加强对其疾病的管理等。嵌入式计算机系统非常类似于信息应用器。信息应用器的实例包括个人数字助理、具有上网功能的手机和手提电脑。基于在每一装置上进行的测试数，通信链路可用于医疗记账。它也可用于顾客服务，以追踪每一装置上的故障或错误率。

在进一步的实例实施方式中，生物显微镜设备可配置有、连接于或连通于自动化远程监控本文公开的一个或更多个生物显微镜的操作状态的系统，该生物显微镜均具有计算机在其之中，用于确定装置状态信息(例如，使用计数、使用计费/记账、超过接触最小值(contract minimum)的使用计费/记账、硬件或软件错误编码、对远程系统诊断故障点的存储装置或数据库操作、捕获服务响应时间直到性能恢复等)，其包括生物显微镜中的干涉，以从计算机截取状态信息，并将其传递到用于捕获和使状态信息与远程位置通信的界面、捕获和使信息通信的界面和远程位置之间的通信链路、以及远程位置处的计算机，以处理信息。系统利用扫描仪来探询生物显微镜。与中央计算机协作的扫描仪可以统一的速率探询和监控每一生物显微镜，或在中央位置的用户请求时，改变一个或更多个生物显微镜探询选定的规律性增加的生物显微镜的探询速率，减缓其它生物显微镜的探询速率，以提供对选定生物显微镜的实时监控。根据扫描或探询程序的结果，系统可被配置成提供声音和语音能力，以便给操作者提供选择，针对故障排除问题与生物显微镜的销售商或制造商的客户服务代表“实况(live)”通信。系统被配置成利用集中的计算和路由选择和或“云”计算或存储装置。

如本文中所使用的，“确定疾病状态”包括确定糖尿病的存在或可能性；糖尿病进展的程度；糖尿病的存在、可能性或进展的变化；患有、或不患有、发展、或不发展糖尿病的概率；糖尿病并发症的存在、不存在、进展或可能性。

“糖尿病”包括一些血液葡萄糖调节状况，包括I型、II型和妊娠糖尿病、由美国糖尿病协会(参见ADA Committee Report,Diabetes Care,2003)和类似管理机构公认的其它类型的糖尿病、高血糖、受损的空腹葡萄糖、受损的葡萄糖耐受和糖尿病前期。眼组织反射特征包括组织的任意反射性质，该组织在检测光的校正中是有用的，发现检测光对于评估组织的内在荧光和瑞利散射光谱有用。

“对由于糖血控制造成的化学变化的测量”意为由于糖血控制造成的组织化学特征的任意变化，实例包括浓度、对眼组织中糖化终产物的存在、浓度或浓度变化的测量；对这种终产物的积累速率或积累速率变化的测量；

“对糖化终产物的测量”意为对与高血糖有关的眼组织的存在、时间、程度或状态的任意测量，作为实例包括对组织中糖化终产物的存在、浓度或浓度变化的测量；对这种终产物的积累速率或积累速率变化的测量；对已知与组织糖化终产物有关的荧光强度和瑞利后向散射——单独或组合——的存在、强度或强度变化的测量；和对这种信号的积累速率或积累速率变化的测量。当描述光具有“单一波长”时，应该理解，光实际可包括多个波长处的光，但是光中的显著能量部分在单一波长处或在接近单一波长的波长范围被透射。

可通过该书面说明书中具体指出的工具和组合来实现和获得实例实施方式的优势。应该理解，前面一般性描述和后面的详细描述仅是示例性和说明性的，而不限制权利要求书。

虽然实例实施方式已被详细阐释，但前面的描述在其所有方面均是说明性的而不是限制性的。应该理解，多种其它修饰和变化可以被设计而不背离实例实施方式的范围。

虽然已经结合当前被认为对于预期目的是实际的来描述实例实施方式，但应该理解，描述不限于公开的具体实施方式，相反，其意图涵盖包括在实例实施方式的精神和范围内的各种修饰和等同排列。本领域的技术人员将认识到或能够利用不超过常规试验查明本文具体公开的特定实例实施方式的许多等同物。这样的等同物意图包含在权利要求书的范围内，该权利要求书附在其中或随后提交。

Claims (9)

1.确定患者经历的医学状况的存在的方法，包括步骤：

用激发辐射照射所述患者的目标组织；

检测所述目标组织响应于所述激发辐射而产生的荧光辐射；

比较所述检测的荧光辐射的特征与预期的荧光辐射特征；和

基于所述比较步骤的结果，确定所述患者经历的所述医学状况的存在。

2.权利要求1所述的方法，其中所述比较步骤包括比较所述检测的荧光辐射的特征与和所述患者年龄和体重大约相同的个体的预期的荧光辐射特征。

3.权利要求2所述的方法，其中所述比较步骤包括比较所述检测的荧光辐射特征与不具有所述医学状况的个体的预期的荧光辐射特征。

4.权利要求1所述的方法，其中所述检测步骤包括检测由所述目标组织产生的荧光辐射的强度。

5.权利要求4所述的方法，进一步包括步骤：

检测由所述目标组织后向散射的辐射强度；和

利用所述后向散射辐射的强度来归一化检测的所述荧光辐射的强度。

6.权利要求5所述的方法，其中所述比较步骤包括比较归一化的检测的所述荧光辐射的强度与不具有所述医学状况的个体的预期的归一化的荧光辐射强度。

7.权利要求1所述的方法，其中所述检测步骤包括利用基于强度的技术、相移技术和偏振各向异性技术中的至少一种检测由所述目标组织产生的荧光辐射特征。

8.权利要求1所述的方法，其中被比较的所述特征选自：年龄、性别、高度、重量、身体质量指数(BMI)、腰围、HbA1c、生物标记、种族、抽烟、高血压、高胆固醇、干眼、糖尿病家族史、白内障或其它疾病。

9.权利要求1所述的方法，其中所述医学状况选自糖尿病、由糖尿病引起的眼状况、视网膜病、视网膜血管阻塞、玻璃体视网膜病、年龄相关黄斑变性、遗传性视网膜退化、脑假瘤、青光眼、白内障。

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