CN106068449A

CN106068449A - 通过量化和解释颜色的分析物浓度

Info

Publication number: CN106068449A
Application number: CN201580011723.4A
Authority: CN
Inventors: B·伯格; M·济济; W·德布劳沃
Original assignee: SCANADU Inc
Current assignee: SCANADU Inc
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2016-11-02
Also published as: EP2916117A1; EP3114462A4; EP3114462B1; EP3114462A1

Abstract

在一个实施方式中，公开了一种用于对测试叶片进行自动测试诊断的装置。所述装置包括个人计算装置，该个人计算装置包括：用于拍摄测试叶片的多个测试垫一段时间的图像的像机、联接至所述像机的处理器以及联接至所述处理器的显示装置。所述处理器分析各个测试垫随时间的颜色变化，以确定各个测试垫随时间的颜色轨迹。所述处理器将各个测试垫的颜色演变轨迹与各个测试垫的颜色校准曲线进行比较，以确定测试生物样本(诸如尿)的分析物浓度。在通过所述处理器分析期间，所述显示装置随着时间响应于所述分析来显示具有所述分析物浓度的结果的用户界面。

Description

通过量化和解释颜色的分析物浓度

相关申请的交叉引用

本专利合作条约(PCT)申请要求2014年3月5日提交的、题为APPARATUS FORDETERMINING ANALYTE CONCENTRATION BY QUANTIFYING AND INTERPRETING COLORINFORMATION CAPTURED IN A CONTINUOUS OR PERIODIC MANNER的美国临时专利申请No.61/948,536的权益，并且通过引用并入于此。

本申请还要求2015年3月5日提交的、题为METHOD AND APPARATUS FORDETERMINING ANALYTE CONCENTRATION BY QUANTIFYING AND INTERPRETING COLORINFORMATION CAPTURED IN A CONTINUOUS OR PERIODIC MANNER的美国专利申请No.14/639,509的优先权。美国专利申请No.14/639,509是要求2015年2月6日提交的、题为METHODAND APPARATUS FOR PERFORMING AND QUANTIFYING COLOR CHANGES INDUCED BYSPECIFIC CONCENTRATIONS OF BIOLOGICAL ANALYTES IN AN AUTOMATICALLY CALIBRATEDENVIRONMENT的美国专利申请No 14/419,939的权益的部分继续申请。美国专利申请No.14/419,939是要求2013年4月5日提交的、题为METHOD AND APPARATUS FOR PERFORMING ANDQUANTIFYING COLOR CHANGES INDUCED BY SPECIFIC CONCENTRATIONS OF BIOLOGICALANALYTES IN AN AUTOMATICALLY CALIBRATED ENVIRONMENT的专利合作条约(PCT)申请No.PCT/US2013/035397的优先权的国家阶段申请。PCT申请No.PCT/US2013/035397要求2012年8月8日提交的、题为MULTI-ANALYTE RAPID DIAGNOSTIC TEST AND METHOD OF USE的美国临时专利申请No.61/680,842的权益。

技术领域

本发明总体上涉及用于确定来自诊断测试装置的诊断的方法和装置。

背景技术

试剂试纸(dipstick)和免疫测定已经在照护时结合快速诊断健康状况的方法在医疗诊所使用了几十年。试纸已经被用于诊断许多状况，包括尿路感染、先兆子痫、蛋白尿、脱水、糖尿病、内出血以及肝脏问题。

试纸是包含试剂的层压纸，其在暴露于分析物溶液时变色。试纸上的每一个试剂测试垫(pad)被利用已知在存在特定反应物时变色的化合物进行了化学处理。例如，在尿分析的背景下，试纸将典型地包括用于检测或测量尿生物样本中存在的分析物的试剂垫。

试剂测试垫的颜色变化的量值与生物样本流体中的分析物浓度成比例。通常通过比较测试条与色彩基准表，利用肉眼人工解释试纸和它们的试剂测试垫。这种人工颜色比较可能出于几个原因而不精确，包括：环境光变化、主观比较以及地球人口中占很大部分的人口的受损色觉。

希望改进试剂测试垫与色彩基准表之间的人工颜色比较。

发明内容

本发明的一些实施方式总体上涉及用于自动检测像机视野中是否存在颜色的系统和方法。本发明的其它实施方式总体上涉及用于自动检测时间周期内的颜色变化或随着时间的颜色演变的系统和方法。本发明的另一些其它实施方式总体上涉及用于自动提供色觉、颜色识别及颜色校正的系统和方法。当在受控的照明条件下或者封闭的系统照明环境中时，颜色匹配和颜色校正是本领域已知的，然而，当在不受控制的照明环境下操作时，这些操作对于人类和机器来说显著更加复杂。

本发明的实施方式涉及用于检测样本中或可以以光度测定方式进行时间解析的任何化学反应中是否存在颜色的方法。更具体地，本发明的实施方式在医疗应用中检测并分类颜色变化。用户将试剂试纸浸到流体样本中，并且使用装置来量化所得到的反应的颜色。量化颜色关联至分析物浓度，然后通过一个或更多个电子装置分析和显示分析物浓度。通过利用装置而不是人眼来量化颜色变化，从结果中去除了与用户的颜色视觉相关的错误。大约8％的男性和0.5％的女性具有某种颜色感知限制。另外，该装置和方法还去除了在人比较颜色试剂测试垫与打印的基准色标时可能出现的主观错误。可以解决的其它错误包括不良呈现的基准色标和因光泽或纹理差异等而造成的错误。

附图说明

图1是用于提供用于在时间上分析生物样本的系统的、具有多个试剂测试垫的诊断测试装置(测试叶片)的俯视图。

图2是视场的示例性显示，其在显示器的左侧示出诊断测试装置(测试叶片(paddle))的试剂测试垫，并且在右侧示出信息和指令。

图3是视场的示例性显示，其示出经过10秒钟之后的诊断测试装置(测试叶片)与其试剂测试垫。

图4是示出视场的示例性显示，其示出经过30秒钟之后的诊断测试装置(测试叶片)与其试剂测试垫。

图5是示出视场的示例性显示，其示出具有试剂测试垫的诊断测试装置(测试叶片)和分析物浓度图表。

图6A是分析物校准曲线的三维红、绿、蓝(RGB)颜色空间图形。

图6B是分析物校准曲线的三维RGB颜色空间图形的一部分的放大图。

图7A是示出分析物反应的化学轨迹的三维RGB色彩空间图形。

图7B是在多个过去的时间处的分析物校准曲线的三维RGB色彩空间图形。

图8是具有测量反应点的、在多个过去的时间处的分析物校准曲线的三维RGB色颜色间图形。

图9是校正时间、温度以及酸度(pH)的分析物校准曲线的三维RGB颜色空间图形。

图10A是用于在时间上分析生物样本的系统的示例性电子装置的立体图。

图10B是用于在时间上分析生物样本的系统的示例性电子装置的侧视图。

图11是用于在时间上分析生物样本的系统的又一示例性电子装置的俯视图。

具体实施方式

在本发明实施方式的下列详细描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对本发明的详尽理解。然而，本领域技术人员显见的是，本发明的实施方式可以在不需要这些具体细节的情况下来实践。在其它情况下，公知方法、过程、组件以及电路未被详细描述，以避免不必要地模糊本发明实施方式的多个方面。

本发明的实施方式包括用于在时间上分析、观察以及量化光度测定反应的方法、装置以及系统。

介绍

试剂试纸和免疫测定已经在照护点或医生办公室结合快速诊断或监测健康状况的方法在医疗诊所使用了几十年。

具体来说，在临床环境中，试纸已经被用于诊断尿路感染、先兆子痫、蛋白尿、脱水、糖尿病、内出血以及肝脏问题。如所已知的，试纸是包含试剂的层压纸，其在暴露至含分析物的溶液时变色。试纸上的每一个试剂测试垫(pad)利用已知在存在特定反应物时变色的化合物进行化学处理。例如，在尿分析的背景下，试纸将包括试剂垫，其用于检测或测量生物样本(在这种情况下，尿))中存在的分析物，包括葡萄糖、胆红素、酮、比重、血液、pH、蛋白质、尿胆素原、亚硝酸盐、白细胞、微量白蛋白以及肌酐。用于药物使用监测的生物标记、用于前列腺癌的前列腺特异抗原(PSA)等已经在干固体化学测试垫中设立。

一种用于解释试纸和免疫测定(已经暴露于样本溶液)的测试结果的自动化方法例如由Chen等人的美国专利申请公报No.2012/063652(下文中，“Chen'652公报”)进行了示出。Chen'652公报公开了这样一种方法，即，即使在未校准环境中，也通过在单个图像中并排地拍摄测试条与色彩基准表两者的数字图像，对生物材料进行基于颜色的反应测试。通过在测试条的反应区域与色彩基准表之间执行简单颜色匹配以确定生物材料的分析物浓度，自动获取测试条的测试结果。

然而，现有化验趋于仅在单个时间点执行它们的颜色匹配分析。同样，这些机器将它们的分析基于快照而忽视了颜色变化速率。因此，现有化验不能汇报有关二次反应或中间反应速率。

已经开发出通用颜色视觉工具的平台，以致力于解决在现有技术中所描述的问题。在Bernard Burg等人于2013年8月5日提交的国际专利申请号PCT/US2013/035397、公开号WO 2014025415 A2中已经描述了这些问题中的一些(通过引用而并入于此)(在下文中，Burg'397)，适用于在自动校准环境中执行并量化由特定浓度的生物分析物所导致的颜色变化的特定应用。

用于尿分析的尿试剂条的分析物具有不同的反应时间，例如，大多数试纸制造商的试剂报告与化学反应的完成相对应的下列读数时间：三十秒钟时的葡萄糖、胆红素、微量白蛋白及肌酐；四十秒钟时的酮；四十五秒钟时的比重；在六十秒钟时的血液、pH、蛋白质、尿胆素原及亚硝酸盐；以及一百二十秒钟时的白细胞。

现有的自动尿分析机在将试剂条浸到尿中之后大约六十秒钟，同时读取所有这些值。同样，这些机器将它们的分析基于快照而忽视了颜色变化的速率，由此，它们不能汇报有关二次反应也不能汇报中间反应速率。对于白细胞的特殊情况来说，自动读取器需要基于六十秒钟时存在的颜色来预期一百二十秒钟之后达到的最终颜色。这种估计基于化学反应速率。

解决方案

本发明的实施方式包括随着与生物样本的化学反应的时间而连续或周期性地监测试剂测试垫的颜色变化的方法和装置。单独监测多种试剂测试垫中的每一种(例如，-葡萄糖、胆红素、酮、比重、血液、酸度pH、蛋白质、尿胆素原、亚硝酸盐、白细胞、微量白蛋白以及肌酐)，以提供近实时的最佳颜色解释。通过考虑颜色时间梯度来增强颜色解释。化学反应率模型被近似以生成更高解释精度的颜色解释。

本发明的实施方式还提供了通过利用统计方法对叶片上的化学测试垫的化学反应的诸如时间、温度及酸度(pH)的公共因素进行交叉引用的更好的颜色校正和错误减少来提供改进的准确度。

通过对各个化学测试垫(CTP)的化学反应速率单独建模，并且提供更好的颜色校正和优越的反应校准来改进精度/准确度。代替单个图像，一段时间的一序列颜色图像被用于解释颜色。

同一测试叶片上的CTP的化学反应可以彼此交叉引用。同一测试叶片上的CTP的单独化学反应分析分享相同的反应持续时间、温度及酸度(pH)。由此，化学反应的自然独立解释可以通过分享反应当中的持续时间、温度及pH的数学方程来增强。交叉引用CTP上的化学反应可以通过已知统计方法以数学方式缩小应用的误差范围。

本发明的一些实施方式还提供用户友好的交互式用户界面。提供用户界面以保持用户关注实时解释。该用户界面允许用户通过增强现实来观察试剂反应，在使他们对优越的交互式体验满意的同时，帮助他们持续将他们的注意力集中于过程。

在此公开了通用开放式光度测定工具的平台，以解决现有技术中所描述的许多问题。如在此限定的，开放式光度测定工具是不需要屏蔽干扰光子污染的光度计，因此，开放式光度计不需要具有固定光路的外罩。诸如环境光水平、流体样本处理以及颜色校正的问题已在Burg'397中进行了描述，适用于用于在自动校准环境下执行并量化由特定浓度的生物分析物所导致的颜色变化的特殊应用。

具体来说，Burg'397中描述的用于在未受控制的光照条件下工作的方法包括通过进行几何校正、执行颜色校正、建立颜色校准轨迹以及将在未受控制光照条件下取得的颜色与建立的颜色轨迹进行比较来拍摄彩色图像。

本发明的实施方式的一个方面通过将装置朝着能够近实时拍摄序列图像并且显示反应进展和结果的便携式装置或头戴式装置扩展，来增强在Burg'397中描述的方法和装置的现有能力。当利用便携式电子装置拍摄叶片100的图像时，图像在不没有受控照明条件或封闭系统照明环境的情况下拍摄。当尝试在未受控制光照环境下拍摄图像时，颜色匹配和颜色校正显著更加复杂。由此，在多个时间点拍摄测试垫的变化颜色的序列图像，并且按照本发明的实施方式进行分析，以改进生物样本中的各种分析物的测量浓度的诊断结果。

本发明的一些实施方式的另一方面是通过近实时地处理感知的序列图像并且在头戴式显示器和图像拍摄装置上显示反应的进展来增强用户感知的真实性。

图1例示了诊断仪器叶片(测试叶片)100。Burg'397中描述了类似的诊断测试叶片。在这个实施方式中，叶片100具有十二个试剂垫110。这十二个试剂垫110(还称为化学测试垫(CTP)或简称为测试垫)靠近叶片100的底部定位。随着CTP 110经历与所施加的生物样本的化学反应，它们响应于生物样本中的各种分析物的浓度而随着时间改变颜色。

在该示例性实施方式中，CTP 110被布置为三行(110Ax-110Cx)和四列(110xA-110XD)。可利用专门选择与特定分析物反应的化合物(试剂)来处理各个CTP。

叶片100可以包括诸如快速响应(QR)代码105的唯一标识，以自动标识测试叶片100。QR代码105可配置成包含有关叶片100的特定标识信息，诸如正在被测试的分析物的列表、叶片100的有效期、正在测试的条件以及其它标识信息。所述信息可以直接打印在唯一标识上或者在QR代码105内加密。

另选地，QR代码105可以与存储在别处的信息相关联，诸如与条形码或其它短距数据交换装置和方法关联的情况。标识信息可以在验证处理中使用，以确保诊断叶片100适于所执行的测试并且确保安全使用、处于良好的工作条件下，或者解决可影响测试结果的质量和可靠性的其它问题。

测试叶片100还可以包括基准色条(RCB)108。RCB 108包括采用并排的线性布局的多个颜色样本。例如，RCB 108可以包括用于下列颜色中的一个或更多个的颜色样本：青色、品红色、黄色、基本色(key)(黑色)、灰色、白色、红色、绿色及蓝色。颜色样本颜色对应于普通颜色空间，诸如红色-绿色-蓝色或青色-品红色-红色-基本色(黑色)。RCB 28被用于图像处理，具体来说，校准数字图像以改进颜色分析的质量和准确度。

如上所述，可包括头戴式装置的便携式电子装置是用于拍摄测试叶片100的彩色数字图像的优选装置。在本发明的一些实施方式中，在便携式电子装置上显示叶片100的图像和用于用户的信息和指令。

图2例如例示了视场或视野200，其中在视野200的一侧201显示有测试叶片100，而在视野200的相对侧202显示有用户界面(UI)210。用户界面210在CTP 110经历化学反应时自动提供指令、信息及CTP 110的颜色分析结果。

视野200可以通过许多装置拍摄、显示及分析。然而，希望通过将拍摄、显示及分析集成到用户可操作的系统中使得用户可以测试并获取它/她自己的结果来使该测试和结果个人化和便利。一种用于拍摄、显示及分析的系统是增强现实装置，其通过提供视野200来增强用户感知的真实性。

简要参照图10A，一种这样的增强现实装置可以是眼镜或护目镜1013，其提供对着眼镜(镜片)1018B投影的图像的平视(heads up)显示，或者提供通过眼镜1018B显示图像的小型显示装置屏幕1054。具有小型显示装置的眼镜或护目镜1013还在Mitchell JosephHeinrich等人于2012年3月2日提交的、题为EYEGLASS FRAME WITH INPUT AND OUTPUTFUNCTIONALITY的美国专利申请公报No.2013/0235331A1中进行了示出和描述，其通过引用并入于此。一个眼镜(镜片)1018A可不具有显示装置屏幕，使得用户可以更好地目视测试叶片100的物理位置。

眼镜或护目镜1013可用于拍摄图像或一系列图像，以对发生在CTP 110上的化学反应进行时间解析。使用头戴式像机1078减轻了在处理生物样本并且同时尝试利用手持装置拍摄视频时发现的一些问题。护目镜1013通过在分析物测试阶段期间向用户提供诸如照度(发光度)和经过的时间的信息来增强测试体验。在分析物测试阶段期间，还向用户发出指令，以使用户的注意力集中于正经历化学反应的特定CTP上。指令可以在显示装置屏幕1054上向用户显示或者投影在眼镜1018B上。另选地，可以使用耳塞或耳机1046以可听方式来向用户传达指令。

眼镜或护目镜1013可以与智能电话或平板计算机1100通信，如图11中更详细示出的。眼镜或护目镜1013可以经由无线通信信道(例如，Bluetooth、Wi-Fi)无线地或者经由线缆(例如，USB线缆)有线地向智能电话或平板计算机1100周期性地传送图形图像。在这个实施方式中，智能电话或平板计算机1100包括处理器1104和用于存储供处理器执行的指令的存储器1105。所述指令可以是执行在此描述的算法和方法以获取结果的软件。所述指令还可以生成供护目镜1013的显示装置显示的用户界面的像素。计算机1100可以向护目镜1013传送结果和用户界面，以向用户显示。

在图10B中，例示了另一示例性增强现实眼镜/护目镜1000的正视图。护目镜1000包括联接在一起的存储器1008和处理器1006。联接至处理器的像机1004用于在样本的反应期间拍摄测试叶片100及其测试垫的图像。在这个实施例中，代替并排显示，有关测试的信息和指令通过联接至处理器1006的小型显示装置1002显示，该小型显示装置1002位于用户的目镜中的一个中。另一个目镜具有眼镜或镜片1001，其可以透明以允许用户看到反应期间的叶片100。优选地，像机1004安装至护目镜1000或与其集成，然而，平视显示(HUD)装置可以不包括集成像机。在这种情况下，在不脱离本发明的范围的情况下，可使用连接至处理器的另一图像拍摄装置来拍摄反应的图像，以供处理器分析。

在另选实施方式中，显示装置1002被镜片1010'取代，镜片1010'可接收来自安装至护目镜1000的眼镜框(其太阳穴部位1030)并联接至处理器1006的投影装置1050的投影图像。

另选地，图11例示了具有可与诊断叶片100一起使用以获取结果的像机的另一电子装置。具有像机1102和显示装置1106的智能电话或平板计算机1100可用于获取来自诊断叶片100的结果。显示装置1106可提供分屏，其中测试叶片显示区1120用于显示测试叶片100并且用户界面显示区1122用于向用户显示指令和结果。智能电话或平板计算机1100还包括处理器1104和用于存储供该处理器执行的指令的存储器1105。所述指令可以是在UI显示区1122中提供用户界面并且执行在此描述的算法和方法以获取结果的软件。

下面，对图2进行说明。对于具有平视显示器的眼镜或护目镜来说，呈献给用户的视野200的左侧部分201是在此参照图1描述的测试叶片100。在视野200的右侧202中，借助于投影或显示装置的小型屏幕显示根据叶片100的测试垫110计算的信息220。本领域技术人员应当认识到，左侧和右侧视野可以互换。

响应于因叶片100的CTP 110中的试剂的化学反应而造成的颜色变化，可以按照在Burg'397中描述的方法来计算信息220，其通过引用并入于此。可以在小型显示屏上向用户显示指令221(用户界面210的一部分)，以通过用于从诊断仪器叶片100的测试垫110获取信息的协议或过程来引导他/她。指令221可以向用户指示，测试叶片100未暴露于生物样本。指令221还可以指示用户暴露测试叶片的CTP，诸如通过将叶片浸入生物样本中，并且启动与电子装置关联的计时器。

图3例示了数据可能呈现在增强现实装置中时对该数据的实时解释。该增强现实装置可以显示叶片100的图像，旁边是附加信息。在视野的左侧，用户看到叶片100和随着时间演变的CTP化学反应颜色。在视野的右侧，可以向用户呈现有关用户正进行的医学分析的有关信息。例如，增强现实信息可以呈现照度测量(或发光度测量)330和自浸渍叶片起的经过时间331。另外，增强现实装置可以向用户提供指令332，以观察可在CTP处发生的较快速的化学反应(诸如针对肌酐、微量白蛋白、胆红素及葡萄糖)中的颜色变化。实时解释将焦点集中在较快速的化学反应，使得用户能够跟随快速反应。

图4示出了第一结果解释的概述。当方法到达用于结果解释的第一时间线时，示出了初始结果表。图4在视野左侧示出了叶片。视野右侧增加了增强信息，诸如照度测量(或发光度测量)400和自将叶片浸到试剂中起的经过时间441。表442例示了例如在三十秒钟时的第一结果。这些结果是针对快速反应的结果。可以生成针对所有化学反应的类似结果，由此引导用户理解CTP的颜色识别过程。

可以生成其它视觉线索并向用户显示。例如，可以将视觉线索提供给用户，使得他/她可获得对CTP处的化学反应的总体进展的测量以及基于颜色变换速度的这些反应的梯度的测量。

下面，参照图5，示出了经过足够时间之后的测试叶片100，其中，所有反应都在CTP上完成。表示医学分析结果的表500通过小型屏幕显示装置在右侧视场中提供。这些结果允许用户理解该过程，并且容易与医疗支持队伍共享结果。

单独分析物反应的精度

下面，参照图6A，以RGB空间中的红色(R)、绿色(G)及蓝色(B)轴示出了针对示例性分析物的颜色校准曲线610的三维图形。用于获取来自叶片100的结果的当前装置(如在Burg'397中描述的那些)在将试剂条浸入尿中之后的大约六十(60)秒钟拍摄试剂颜色垫的单个快照。同样，大约六十秒钟的测量精度根据沿着RGB空间中的单个测量点602与分析物的颜色校准曲线上的滴定点622之间的投影615的距离而给出。使用按六十秒钟的单个时间点处的试剂颜色垫的颜色的单个快照可导致浓度的模糊确定，特别是如果环境未完全受控，如在希望提供私人家中测试时。

图6B例示了可随着在单个时间点的单个快照而出现的模糊性。在图6A中，所得分析物的被读取的滴定点622根据投影615、分析颜色校准曲线610与测量点602之间的最短路径来确定。假定颜色校准曲线中的单个测量和较小曲率，这是一种公平的近似。这些方法证明在大部分情况下工作良好。然而，对于沿着具有凹曲度的校准曲线(例如，校准曲线的一部分)的轨迹的情况，所得的分析物滴定/浓度可以是不确定的。

校准曲线中的凹曲度可以潜在地提供与最近点相对应的几个解决方案。这样一种完全有据可查的不确定例子是高浓度水平的葡萄糖。葡萄糖校准曲线的高浓度水平部分(例如，每分升(deciliter)五百(500)毫克以上(mg/dl))绕成一段椭圆形或环形。

图6B例示了葡萄糖超过五百(500)mg/dl时葡萄糖浓度的正确确定的难度。在图6B中，葡萄糖颜色校准曲线665在其末端附近形成了类似于椭圆的一部分的环形轨迹。因此，如果假设的测量点666靠近曲线665的末端的椭圆焦点，则测量点666对该环形中的多个点662A-662B粗略等距。从测量点666至沿着校准曲线665的点662A-662B的轨迹669A-669B的距离大致相似。因此，点662A-662B中的任一个都可以被选择为最接近测量点666，并且提供不同水平的葡萄糖浓度。由此，在单个时间点使用单个测量点666因此可以提供不确定或不可靠的测量。公知的是，市场上的现货(over-the-counter(OTC))消费设备无法报告曲线665的椭圆焦点附近区域中的足够或可靠值。在此描述的方法可以提供更可靠的值。

时间维度

评估化学反应的另一方法将力学和时间考虑在内。下面的方程(1)、(2)和(3)提供了经过一段时间的分析物反应的化学轨迹。图7A示出了经过一段时间(从时间t₀至t_n)第N分析物反应的化学轨迹770N的示意性表述。

在时间t₀，将蛋白质试剂垫浸入具有浓度X[Conc X]的分析物的生物样本中达几秒钟。该试剂垫(测试垫)的颜色在时间t₀被测量，并且在测量点771被报告到RGB空间中。所述垫的试剂与生物样本中的分析物之间的化学反应根据其通过方程(1)、(2)和(3)所述的动力学继续朝向渐近值。最后，颜色在最终测量时间time t_n稳定，标记测试垫的试剂与生物样本中的分析物之间的化学反应结束。该最终测量在图7A所示图形中用测量点772绘出。测量点772是试剂在最终测量时间处的动力反应与颜色校准曲线750N之间的交点。颜色校准曲线750N可以由测试垫的制造商针对测试叶片中的指定分析物提供。颜色校准曲线750N表示在指定时间t_n，与各种浓度水平的分析物相关联的测试垫颜色。因此，颜色校准曲线750N在此还可以被称为颜色-质量校准曲线。测量点771-772之间的轨迹770表示针对生物样本中的浓度X的指定分析物，经过一段时间(从时间t₀至时间t_n)，测试垫的颜色变化或演变。因此，轨迹770在此还可以被称为颜色演变轨迹。

反应速率的形式定义

考虑典型的化学反应：

aA+bB→pP+qQ

其中，小写字母(a、b、p及q)表示化学计量系数，而大写字母表示反应物(A和B)和生成物(P和Q)。

根据国际理论与应用化学联合会(IUPAC)的金书定义，在没有积聚反应中间体的情况下，等容条件下发生在封闭系统中的化学反应的反应速率r被方程1限定为：

其中，[X]表示物质X的浓度。反应的速率不同于生成物P的浓度增加速率乘以恒定因子(其化学计量数的倒数)，而且针对反应物A，减去化学计量数的倒数。反应速率通常具有每秒钟每升摩尔的单位(mol/Ls)。

该速率方程或速率定律是在化学动力学中使用的数学表达式，以将反应的速率与各个反应物的浓度联系起来。方程2例示了该速率方程：

r＝k(T)[A]ⁿ[B]^m 方程2

在这些方程中，k(T)是反应速率系数或速率常数。其包括除明确地加以考虑的浓度以外影响反应速率的所有参数。在影响反应速率的所有参数中，温度通常是所要考虑的最重要的参数，并且通过Arrhenius方程来解释。

各个反应速率系数k都具有温度依存性，其通常通过如下方程3中的Arrhenius方程给出：

方程3中的指数的分子E_a是活化能，而分母R是气体常数。因为在温度T，分子具有根据波尔兹曼(Boltzmann)分布给出的能量，所以可以预期分子碰撞(具有大于活化能E_a的能量)的数量与成比例。方程3中的因子A是按碰撞/秒表达的碰撞频度因子。碰撞频度A和活化能Ea的值取决于反应。可以使用描述不跟遵循该模式的其它速率常数的温度依存性的更复杂的方程。

下面，参照图7B，示出了针对指定分析物和测试垫的三维颜色时间演变图形。该三维颜色时间演变图形包括在时间t₀到t_n的范围内，RGB色彩空间中的针对指定的分析物的多个颜色校准曲线750A-750N。该三维颜色时间演变图形还包括RGB色彩空间中的针对指定分析物的每浓度多个颜色演变轨迹770A-770D。该颜色演变轨迹曲线770A-770D的图形例示了针对不同浓度[Conc 1]到[Conc 4]的分析物的不同反应率如何与试剂测试垫的RGB彩色空间中的随时间的颜色变化相关联。

在给定试剂测试垫的情况下，分析物的各种浓度(例如，[Conc 1]至[Conc 4])反映了在施加尿样本(或其它类型样本)之后紧接着的时间t₀处RGB空间中的唯一初始颜色点760A-760D。各种浓度的初始唯一颜色形成了初始颜色校准曲线750A。试剂测试垫的初始唯一颜色随时间演变，以进一步形成时间t₁的颜色校准曲线750B到时间t_n的颜色校准曲线750N。在时间t_n，对于不同浓度的分析物而言，该试剂测试垫已经达到了沿颜色校准曲线750N的点772A-772D处的最终颜色。沿着颜色校准曲线750N，在测试时段期间，该反应已达到其渐近线，并且各个测试垫的颜色已达到其在点772A-772D处的最终颜色水平。

指定浓度760的时间上的颜色演变轨迹用图7B中的虚线所示的曲线或轨迹770A-770D来表示。因此，颜色演变轨迹770A-770D被本发明的实施方式所使用，以针对指定浓度的分析物进行颜色-时间演变的准确预测。颜色-时间演变与分析物的质量或浓度的反应率k随着时间的演变具有一一对应关系。

图7B表示单个试剂测试垫和分析物的颜色校准曲线750A-750N。可以形成其它试剂测试垫和它们的相应分析物的、具有多个颜色校准曲线和颜色演变轨迹的类似三维图形。对于具有十二个测试垫的叶片100来说，例如，各个试剂测试垫的制造商都可以提供十二组不同的颜色校准曲线图形。

下面，参照图8，为了为指定用户获取表示分析物浓度的颜色-时间演变的曲线，在时间t₁到t_n拍摄一序列图片(或视频)。各个图片都表示沿颜色-时间演变曲线的、RGB彩色空间中的多个测量点中的一个。例如，测量具有第一浓度分析物的第一用户，并且随着时间生成第一序列图片/视频，其具有用测量点801表示的随时间的变化颜色。测量具有第二浓度分析物的第二用户，并且随着时间生成叶片上的测试垫的第二序列图片/视频，其具有用测量点802表示的从时间t₀到t_n的变化颜色。

因为测试叶片100的大部分化学反应花费六十秒钟或更少时间，所以每秒钟六个图像的采样速率将在时间t0至时间tn之间提供三百六十(360)个测量点。例如，沿颜色时间演变曲线770B的该序列测量点801可以拟合至饱和Michaelis-Menten方程，以确定反应分析物的浓度，如现在所讨论的。

如果A是未知浓度的分析物，B是具有已知浓度的试剂，则AB是导致色度探针Col的结合(binding)/活化/显露(revealing)的化学反应的结果，给出了与A的浓度成比例的颜色，具有下面的动力学方案：

其中，

[A B C o l] = \frac{{[A B]}_{0} [C o l]}{K_{d} + [C o l]}

并且，K_d是最终色度反应的表观解离常数。

可以按分析或图形方式导出分析物浓度。从分析的角度来看，色度探针[Col]从CTP的化学规格获知。解离常数K_d例如从随着时间由测量点802所形成的颜色时间-演变曲线870X导出。该方程中的乘积[ABCol]的值通过由拍摄颜色图像的自动测试装置(诸如经由平视显示眼镜或智能电话/平板计算机)所进行的测试垫颜色测量来确定。在该方程中除一个以外其余都未知的情况下，反应分析物[AB]的浓度可以根据重排方程以分析方式导出：

\frac{(K_{d} + [C o l]) [A B C o l]}{[C o l]} = {[A B]}_{0}

实际上，借助于图形方式，利用包括多个颜色校准曲线的颜色校准图形，样本中的反应分析物的浓度可通过颜色-时间演变轨迹(又称为时间演变轨迹)870X与颜色校准曲线750A-750N之间随着时间的相交取得。

随着时间的测量颜色点802的序列还可以根据多项式、二次曲线、B样条函数(bspline)或任何其它拟合模型来近似。这样的曲线构建了与分析物垫测量的精确浓度[X]相对应的颜色-时间演变轨迹870X。

可以使用多个已知浓度来生成与通过分析物垫测量的生物样本中的已知浓度或质量相对应的多个已知颜色-时间演变轨迹。图7B例如例示了针生物样本中的分析物的已知或指定质量或浓度760的、分析物垫的多个颜色-时间演变轨迹770A-770D，包括浓度1(Conc 1)、浓度2(Conc 2)、浓度3(Conc 3)及浓度4(Conc 4)。

假定随着时间对测试垫颜色的假设数量的三百六十次测量，分析物的浓度[X]的精度比从单个图像获取的单个测量精确约十九倍。

另外，计算浓度的基本原理可以通过直接确定时间t_n中的最终点处的对应于浓度[X]的颜色-时间演变轨迹870X与颜色校准曲线750N之间的数学相交来改进。该相交(或两个轨迹之间的最接近点)对于各个浓度[X]来说是唯一的。本发明的实施方式避免了利用从一点至该轨迹的最小距离(如图6A所示)的原理和如图6B所示并且在此描述的不确定性问题。采用包括多个颜色校准曲线的颜色校准图形的本发明实施方式还可以聚焦于针对各个特定化学反应垫的最佳反应时间。

交叉引用分析物反应以进一步增加准确度

针对指定分析物的随时间的颜色校准曲线750A-750N按指定校准温度T₀和酸度pH₀来确定。在使用领域，被测试的生物样本(例如，尿)可能具有不同的温度和不同的酸度，在此被称为测量温度TM和测量酸度pHM。补偿不同的温度和酸度可以导致改进的结果。

叶片100包括在同一时间的采样时段期间同时改变颜色的多个垫。在同一时刻(同一反应时间t)从同一生物样本同时拍摄针对具有指定颜色的各个测试垫的图片。各个测试垫的各种数据可以按照提供分析物反应的改进准确度的方式融合在一起或交叉引用。利用反映指定浓度[Xi]的、针对i(例如，在一个实施方式中，i＝12)个分析物垫中的各个颜色-时间演变轨迹770A-770D的一序列多个近似曲线，方程(1)、(2)及(3)考虑到通过使得跨分析物垫的下列恒定参数相等来提高结果的精度：

相同反应时间t

相同温度T

相同酸度pH

已知的是，化学反应途径作为温度T与酸度pH的函数而改变。那两个变量可以用作校正输入，这两者都可以从多个分析物垫导出。

对于反应物和反应已知的一组不同分析物垫，Q₁₀(所述反应的温度依存性)不同。

不同反应的温度依存性Q₁₀是按针对华氏十(10)度的差异归一化的两个不同温度的速率常数的比率，如在下面的方程中所提供的：

Q_{10} = {(\frac{k_{2}}{k_{1}})}^{\frac{10}{T_{2} - T_{1}}}

变量T₁和T₂是两个不同温度，常数k₁和k₂是那些相应温度的速率常数，其中，第一温度低于第二温度(T₁<T₂)。

在时间上的那些不同反应之后，引起一组曲线被理解为其模式可以归于常温的方程组。温度上的差异按不同方式影响那些不同的化学反应速率。因此，温度可以针对并行化学反应导出。

在这种情况下，反应速率还取决于酸度pH。生物样本的酸度pH可以直接从被选择成测试酸度的叶片100的特定化学测试垫CTP读取。

温度可以通过两个方式来影响反应，通过对反应速率常数直接影响或者通过使最终酶在高温下变性。温度对速率常数的影响通过Arrhenius方程给出：

k = {Ae}^{(\frac{- E_{a}}{R T})}

其中，E_a是活化能，R是气体常数，T是绝对温度，而A是反应化学品的碰撞因子。

在知道温度T的情况下，可以通过分析方式或以经验为主地解决校准与针对时间解析轨迹770A-770D的用户测试之间的温度差异问题。

在知道酸度pH的情况下，反应溶液中的质子活动可以影响将并行获取的所有其它反应。如果需要质子用于化学反应或结合，则增加质子浓度将加速化学反应。如果质子通过化学反应生成，则将出现相反的效果-增加质子浓度将使得化学反应减速。

酸度pH值可以直接从其自身的化学测试垫(CTP)确定。在知道酸度值的情况下，酸度pH对非pH相关反应的影响可以以分析方式导出，或者利用合适的校准曲线以图形方式解决。

在图8中，轨迹870X从通过生物样本与针对指定用户的分析物之间的化学反应所生成的随着时间的测量颜色值802来确定。轨迹870X是与被更精确地测量分析物垫的浓度[X]相对应的颜色-时间演变轨迹的近似曲线。

图8中的轨迹或曲线750N是最终颜色校准曲线，表示在生物样本与分析物之间的化学反应结束时，所有浓度的同一分析物在最终时间t_n的RGB颜色。校准曲线750A-750N的轨迹由制造商利用时间t₀的已知初始参数(如校准温度T₀)和在叶片100的测试垫的校准时段期间的校准样本的校准酸度pH₀建立。

测试叶片及其测试垫可不具有和在形成校准曲线时使用的最终测量反应时间相同的最终测量反应时间。浓度X的反应时间将稍微不同于校准浓度[Conc 1]到[Conc 4]的反应时间。而且，测量时间和校准时间还可以稍微不同步。例如，最终测量时间可以是58秒钟，而最终校准时间是60秒钟。希望通过调节最终校准曲线750N来补偿反应时间和同步方面的变化。另选地，测量样本可以在时间上移位或者被内插，以形成轨迹870X以在飞行中(on the fly)自发地与校准曲线的时间帧相交。

校准曲线750A-750N分别针对特定时间t₀到t_n。初始校准时间t₀表示用于测试垫刚刚暴露于生物样本(如尿)之后测量测试垫的初始颜色的校准时间点。校准曲线750A是通过利用具有不同已知浓度的多个生物样本并且在同一校准时间t₀测量试剂测试垫的颜色来确定的。校准时间t₁表示在将测试垫暴露于所述多个不同已知浓度的生物样本之后测量该测试垫的颜色的下一时间点。最终校准时间t_n表示在将测试垫暴露于所述多个不同已知浓度的生物样本之后测量该测试垫的颜色的最后时间点。

而且，分析物的更准确的测得浓度可以通过针对测量的温度TM与校准温度T₀之间的差异以及测量的酸度pHM与校准酸度pH₀之间的差异补偿最终校准曲线750N来确定。

在图9中，最终校准曲线750N可以针对测量的酸度pHM与校准酸度pH₀之间的差异来调节，以形成酸度校正校准曲线。叶片上的特定化学测试垫(CTP)可用于确定生物样本中的测量的酸度pHM，并由此可称为校准测试垫。校准曲线750A-750N由制造商利用酸度的已知初始参数(叶片100的测试垫的校准时段期间的校准样本的校准酸度pH₀)建立。

最终校准曲线750N还可以或另选地被调节以校正测量的温度TM与校准温度T₀之间的差异。测量的温度TM(测量时的环境温度)从一个或更多个测试垫或者从可具有环境温度传感器的计算机或眼镜导出。校准曲线750A-750N由制造商利用温度的已知初始参数(叶片100的测试垫的校准时段期间的校准样本的校准温度T₀)建立。

在图9中，示出了完全校正的校准曲线920。该完全校正的校准曲线920表示针对校准与测量/实验条件(包括测量温度TM、和/或与被用于收集形成轨迹870X的点802的实验条件相对应的测量的酸度pHM)之间的差异而校正的校准曲线750N。

在不校正或调节的情况下，未调节的交点950U形成在测量的轨迹870X与颜色校准曲线750N之间的相交处。在对时间、温度以及酸度pH校正的情况下，该方法在准确度方面增益，因为该方法将测量的轨迹870X与校正颜色校准曲线920之间的相交调节至校正或调节的相交点950A。该校正或调节的相交点950A是用于获取分析物的滴定或浓度的更可靠的数据点。

结论

当以软件实现时，本发明实施方式的部件基本上是由处理器(例如，图10B中的处理器1006或图11中的处理器1104)执行以执行必需任务的代码段或指令。程序或代码段可以存储在处理器可读介质中。“处理器可读介质”可包括可存储信息的任何介质(例如，图10B中的存储器1008或图11中的存储器1105)。处理器可读介质的示例包括：电子电路、半导体存储器装置、只读存储器(ROM)、闪速存储器、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路等。程序或代码段可通过传输介质或通信链路，利用在载波中具体实施的计算机数据信号，从另一存储装置下载。计算机数据信号可以包括可通过诸如电子网络信道、光纤、空气、电磁、RF链路等传输介质传播的任何信号。代码段可经由诸如因特网、内联网等计算机网络下载。

虽然已经对特定示例性实施方式进行了描述并且在附图中进行了示出，但要明白的是，因为本领域普通技术人员可以想到各种其它变型例，所以这种实施方式仅是例示性的，而非针对本宽泛发明的限制，并且本发明的实施方式不限于所示和描述的具体构造和排布结构。例如，在此示出并描述的实施方式描述了用于尿的尿分析的试剂测试垫的分析物。本发明的实施方式可以随着用于血液分析的试剂测试垫的分析物起作用并执行。因此，本发明的实施方式不应被视为受限于这些例示的实施方式，而是根据下面的权利要求书来解释。

Claims

1.一种方法，该方法包括：

将生物样本施加至测试叶片的多个测试垫；

当所述多个测试垫的不同试剂对所述生物样本起反应时，拍摄所述测试叶片的所述多个测试垫在多个时段期间的图像；

对随着时间拍摄的图像中的各个图像中的所述多个测试垫的各个颜色进行量化；

确定所述多个测试垫中的各个测试垫的随着时间的颜色轨迹；

将所述颜色轨迹与校准曲线进行比较，以确定所述多个测试垫中的一个或更多个测试垫的分析物浓度；以及

响应于所述比较，向用户显示所述分析物浓度的结果。

2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：

确定所述生物样本与测试垫之间的化学反应的温度和酸度(pH)。

3.根据权利要求2所述的方法，所述方法还包括：

在确定所述颜色轨迹之前，校正所述校准曲线以考虑反应时间、温度以及酸度(pH)中的一个或更多个的影响。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述生物样本是尿或血。

5.一种利用测试叶片对生物样本进行自动测试诊断的装置，该装置包括：

个人计算装置，该个人计算装置包括：

像机，该像机用于拍摄测试叶片的多个测试垫的随时间的多个图像；

处理器，该处理器联接至所述像机，所述处理器用于

分析各个测试垫的随时间的颜色；

确定各个测试垫随着时间的颜色轨迹；

将各个测试垫的所述颜色轨迹与各个测试垫的关联的颜色校准曲线进行比较，以确定生物样本中的分析物浓度；以及

显示装置，该显示装置联接至所述处理器，所述显示装置响应于所述比较向用户显示所述分析物浓度的结果。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，

所述个人计算装置是头戴式装置。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，

所述头戴式装置包括平视显示器、隐形眼镜、矫正镜片以及单片眼镜中的一种。

8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述个人计算装置包括：

眼镜架；以及

小型视频显示装置，该小型视频显示装置联接至所述眼镜架；

其中，所述像机是联接至所述眼镜架的小型像机。

9.根据权利要求5所述的装置，其中，所述个人计算装置包括：

具有左侧镜片和右侧镜片的眼镜架；以及

联接至所述眼镜架的小型视频投影仪，该小型视频投影仪将显示投影在所述左侧镜片或者所述右侧镜片上，以向所述用户显示所述分析物浓度的所述结果，

其中，所述像机是联接至所述眼镜架的小型像机。

10.一种方法，该方法包括：

(a)在预定温度向测试垫施加具有预定酸度的生物样本中的已知浓度的分析物；

(b)在所述测试垫对所述生物样本起反应时，拍摄所述测试垫在多个时间点的颜色图像；

(c)对所述多个时间点中的各个时间点的各个拍摄的颜色图像中的所述测试垫的颜色进行量化；

针对用于一个或更多个测试垫的多个生物样本中的多个不同浓度的所述分析物重复步骤(a)到(c)；以及

沿着在色图的颜色空间坐标的三个维度中的曲线，标绘所述多个浓度的分析物的各个相应时间点的量化的颜色，以形成分别与所述多个时间点相关联的多个颜色校准曲线。

11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括：

(d)在已知温度向测试垫施加具有已知酸度的生物样本中的已知浓度的分析物；

(e)在所述测试垫对所述生物样本中的所述已知浓度的分析物起反应时，拍摄所述测试垫在已知时段的颜色图像；

(f)对各个已知时段的各个拍摄的颜色图像中的所述测试垫的颜色进行量化；以及

(g)在所述色图中随着时间标绘所述测试垫的多个量化的颜色。

12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：

在所述色图中的所述测试垫的各个量化的颜色之间插值，以形成与所述已知浓度的分析物相关联的颜色演变轨迹，所述颜色演变轨迹与所述多个颜色校正曲线相交。

13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括：

向第二测试垫施加具有未知浓度的分析物的第二生物样本；

在所述测试垫对所述第二生物样本中的所述未知浓度的分析物起反应时，在多个测量时间点拍摄所述测试垫的颜色图像；

对从第一测量时间点至最后测量时间点的各个测量时间点的各个拍摄的颜色图像中的所述测试垫的各个颜色进行量化；以及

响应于所述测试垫在一个或更多个测量时间点的一个或更多个量化的颜色，确定所述第二生物样本中的分析物的浓度。

14.根据权利要求10所述的方法，其中，

所述颜色空间坐标是红-绿-蓝颜色空间中的红色、绿色及蓝色。

15.一种方法，该方法包括：

向测试垫施加具有未知浓度的分析物的生物样本；

在所述测试垫对所述生物样本中的所述未知浓度的分析物起反应时，在多个测量时间点拍摄所述测试垫的颜色图像；

响应于所述测试垫在一个或更多个测量时间点的一个或更多个量化的颜色，确定测量的生物样本中的分析物的浓度。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，

确定所述生物样本中的所述分析物的浓度包括：确定颜色演变轨迹与最终颜色校准曲线之间的交点。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，

确定所述生物样本中的所述分析物的浓度包括：

在色图中标绘所述测试垫在多个测量时间点的多个量化的颜色。

18.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：

确定与所述生物样本相关联的测量的酸度和测量的温度；

校正所述生物样本的测量的酸度和与所述生物样本相关联的测量的温度与一个或更多个校准样本的校准酸度和与所述一个或更多个校准样本相关联的校准温度之间在酸度和温度方面的差异。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，

所述差异通过形成经过调节的最终颜色校准曲线来校正。

20.根据权利要求15所述的方法，其中，

通过寻找和所测量的生物样本中的分析物的浓度相关联的颜色演变轨迹与多个颜色校准曲线的一个或更多个交点来确定所测量的生物样本中的所述分析物的浓度。

21.根据权利要求15所述的方法，其中，

所述生物样本是尿或血。