CN1437702A - 处理来自分光光度计的数据的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及处理来自至少一个分光光度计(2)的数据的方法，其特征在于包含以下步骤：把来自分光光度计的数据传输到中央处理单元(3)，然后在该中央处理单元处理数据，最后把已处理的数据传输到输出设备(4)。

Description

处理来自分光光度计的数据的方法

技术领域

本发明涉及一种处理方法。

具体地，本发明涉及一种处理来自分光光度计的数据的方法。本发明特别应用于处理来自近红外分光光度计的数据，但是应该认识到本发明可以应用到其它类型的分光光度计。

背景技术

近红外分光光度计(NIRS)被广泛应用于工业界来分析各种材料的成分。这些NIRS在确定某些材料的致污物(如果存在致污物的话)方面尤其有用，并能在数分钟内提供分析结果。相反，化学试验经常需要几天时间才能提供分析结果，在这些时间后要阻止致污物或其它不合适的材料用于不该用的地方也许已经太晚了。NIRS还比标准的研究分光光度计更可靠而且校准更快。

但是，这些机器也有许多相关问题。

问题之一是大部分NIRS必须单独校准。这是因为分析数据依赖于确定参考光谱与接收从样品返回的光谱之间的差异。这是一个复杂的关系，因此，任何可能影响机器光路的因素都影响校准。

不幸的是需要很长的时间来校准NIRS，其费用与该机器的费用几乎一样昂贵。但是，一旦校准了，机器就能廉价而快速的工作。

另一个出现的问题是对每个物理测试都需要单独的校准。因此，如果希望用NIRS测试许多不同的材料，就需要可观的时间来校准该机器以便获得有意义的结果。

因此，目前有大量的机构拥有大量的NIRS机器，它们都单独操作，单独校准。

另一个问题是如果机器损坏了，就需要大量的时间来安装另一台机器。通常该替换的机器在旧机器被维修时需要被重新校准。

另一个问题是NIRS机器的板上(on-board)处理不能足够快以提供实时的结果。该问题通常发生在NIRS机器被用于产品线时，比如在线抽样检测石油、小麦等。在检测出是否有致污物或某个材料的确切数量之前数分钟的延时可能完全使产品线变慢，或者导致致污物没有被从剩余的材料中去除。

尽管有可能把更强大的板上处理集成到NIRS中，但是这样做是昂贵的，而且其费用随着机器数量的增加而增加。

NIRS机器的另一个问题是其小型化使其很容易被偷走并用于其他地方。

人们设计了一些类型的分光光度计系统来试图克服上面提到的问题，其中一个在美国专利5,953,118中描述。

该专利披露：“根据其主要方面和广泛的引用，本发明是高分辨率，高灵敏度，复合分光光度计设备，包括带有多个光终端的光多路复用器，可操作的连接到该多路复用器的分光光度计，带有化学度量软件的可编程板上计算机，以及在本发明优选实例中具有的，至少一个光源。”

“本发明的主要特征是分光光度计，它包括精确的全息光学设备，电荷耦合器件CCD检测器，电子学设备，以及集成的冷却系统。这些组件被装配到紧凑的，流线型的壳中，该壳既是分光光度计的壳又是该检测器的壳。分光光度计被装配到该多路复用器以便任何选择的光终端都可以方便地与分光光度计的输入精确的，可再生的对齐。”

“在不超过大约5微米的范围内具有可重复性(即，可再生位置在5微米之内)，可获得的交换时间不超过大约1秒/通道，以及具有很高的总光通量。”

说明中的这些部分清楚的显示每个分光光度计都有自己的板上可编程计算机，完全依赖于光多路复用器的性能。

由于存在大约每通道1秒的长交换时间，因此该发明不能被用于实时检测。必须为每个单独的输入在多路复用器内做物理调整的事实意味着该检测装置的精确度和可重复性值得怀疑。

这不仅是由于不精确的位置移动的可能性，而且是由于光系统的物理移动可能导致在光通路中引入杂质从而导致进一步的测量不准确。

另一个问题是在美国专利5,953,118中的每个分光光度计都需要单独校准，没有对校准配置或结果进行集中存储。

美国专利5,701,175描述了一个可移动分光光度计，其中该可编程计算机可以被用于在给定时间内识别分光光度计的位置，如其摘要所述：

“分光光度计鼠标用来对鼠标可移动表面的想要区域进行色谱测量。分光光度计鼠标包括其外型适合于操作者的手的壳，以及位于壳中的分光光度计，其输入(如从缝隙接收的光)用来测量在该表面的目标区域的色谱。该鼠标有一个位置感应编码器，它连接至可编程计算机用于识别鼠标在该表面的位置。该可编程计算机可以在壳的里面或外面。该计算机用于确定目标区域在该表面的位置，其参照物是鼠标的指针，然后当操作者移动鼠标使得该分光光度计的输入与确定的目标区域完全一致时开始检测。该计算机自动激励分光光度计以便来自目标区域的光谱被分光光度计作为输入而接收并检测。除了提供表面目标区域的色谱测量外，该具有位置传感特征的鼠标还能当作普通的计算机鼠标来操作，以便在图形用户界面输入命令。因此，操作者可以用该分光光度计鼠标测量表面目标区域的色谱，也可以作为普通的计算机鼠标。”

该专利仅描述了单一分光光度计，而没有提供带中央处理单元的一系列分光光度计。

从该说明中可以清楚的看出，该分光光度计鼠标主要用于独立系统，而不是一组或一队分光光度计的一部分，但是如果许多这种鼠标一起使用，它们仍需要分别校准。因此它们仍将遭受上面描述的主要问题中的一些。

美国专利5,691,817披露了校准分光光度计的装置和方法。

但是该描述仍存在主要的校准问题，如其规范说明清楚的显示(可参见下面的摘录)的那样。必须对每个分光光度计单独进行校准，这不仅费用高，时间长，而且是很困难的。

“分光光度计装置(200)适合于提供物体样品的光谱反射率测量。该装置(200)包含光源(254)以及反射光学组件(264，268)。代表反射光的信号被分析，代表物体样品(252)的光谱响应特征的数据被提供给操作者。该装置(200)进一步包含边缘传感器(276)，它具有固定的光谱响应特征，用来依照灯发射的光亮度补偿反射测量值。当用于校准时，对参照样品产生出按时间顺序的一系列测量值。使用这些测量值，装置(200)提供对每个光谱段的补偿系数的计算。使用补偿系数以及边缘传感器测量值，对每个段以及时间序列中的每个测量值提供归一化的反射测量值。对每个段而言，就确定了一个量程因子。该量程因子，补偿系数以及边缘传感器测量值被用于补偿实际反射测量，确定的温度系数提供进一步的补偿。”

从上面的摘录中可以清楚的看出该专利描述了一个仅用于独立环境的设备。

美国专利5,400,138描述了带有数据存储器的便携式分光光度计，在数据存储器中存储了一系列通用命令以便分光光度计能够执行正确的命令，这些命令是当用于远程位置需要与主计算机切断连接时所必须的。

“光色测量系统包含便携分光光度计连接到通用计算机上。该便携单元包括带有只读程序存储器的微处理器，该存储器用来存储机器可执行指令，以实现面向光色测量目标的数据处理和输入/输出功能，后者包括读键、数据传输功能和显示功能。随机存取数据存储器用于临时存储处理数据然后传输到通用计算机。通用计算机中的编辑器程序和编译器程序可以用于为使用高层的、一般化的命令的微处理器产生程序。当用通用计算机编写并编译了该程序之后，该程序就被传输到微处理器的随机存取数据存储器中的命令缓冲区。在微处理器的程序存储器中包含了一个命令解释器，后者包含为每个一般化命令预先定义的机器可执行指令序列。当执行时，命令解释器从数据存储器读取一般化命令，如果必要的话还会更新相关数据指针并执行在程序存储器中对应所处理的一般化命令的预先定义的机器可执行指令序列。用户使用通用计算机可以指定任何希望的测量操作序列，其方法是通过指定由微处理器执行的功能，这些功能包括显示提示信息给该便携分光光度计的操作者来指导操作者执行各种指定的操作。”

美国专利5,400,138不仅不能执行实时测量，而且每个该分光光度计都需要单独校准，其设计是用于远离主计算机的场合而不是作为分光光度计组的一部分。

美国专利5,400,138中的装置在能力和可应用性方面非常有限，因为它必须预先用命令指令集合进行预先编程，然后与主计算机断开连接，这大大限制了该设备适合于使用的场合。

美国专利5,251,006描述了用于分光光度计的自动校准系统，但是该设备有严重限制，因为该校准组件必须与每个需要校准的分光光度计匹配。

正如下面的摘录所示，该发明的核心是把永久参照标准与每个分光光度计的集成。这些参照标准被用于校准分光光度计。

“对应本发明的自动校准设备被设计成应用到传统的分光光度计，比如在Landa美国专利第4,264,205号或McGEE美国专利第4,969,739号。该发明的核心是把永久参照标准与每个分光光度计的集成。”

美国专利5,251,006使用了一种有点浪费的方法来校准许多分光光度计，因为每个分光光度计都需要自己的位于其结构之内的永久参照标准集合。

该系统比前面描述的需要对每个分光光度计分别校准的方法有一些优越性。

美国专利4,798,464描述了使用有交叉光谱特征的不同的光源的扫描组分光光度计，以便改善分光光度计的可用带宽。

该专利没有描述任何方法来校准该分光光度计，只是描述了确定什么波长范围能提供数据免于令人讨厌的差错，后者来自于每个扫描源。

由于该问题只是出现在扫描大范围波长的分光光度计，比如波长从200纳米到850纳米，因此该问题与任何只扫描从390纳米到超过900纳米波长的分光光度计无关，该波长范围可以由单一的卤化钨灯产生。

美国专利4,635,735描述了连续分析钻探泥浆的方法和设备，其纲要摘录如下：

“油井钻探平台(10)重新循环被连续分析的钻探泥浆，把钻探泥浆泵到汽分离单元(72)使汽与泥浆分离并混合到承载汽，然后传输到汽分析设备(196)，汽中的不同碳氢化合物的浓度被连续检测，代表这些检测值的信号与泥浆流速率、承载汽流速率或采样气流速率信号一起在信号处理器(64)被处理来提供关于钻探过程中汽成分浓度的连续的记录。”

该系统确实描述了一个实时检测系统，其结果被记录以便确定被检测材料。

但是该专利没有描述校准这些检测设备的方法，或者假设该校准确实被执行了，它仍似乎只是连接到计算机的单一传感单元。

美国专利3,847,486描述了一个自动分光光度计设备，和一个计算机系统用来同时检测一组运动反应。

该发明涉及一个系统被用于使用单一分光光度计检测许多样品的情况，以便确定被检测样品之间的差异。在该发明的规范细节中的部分摘录如下：

“分光光度计设备用来自动定位多种样品以及样品空白来检测，比如双微分吸光率，即样品吸光率相关的空白吸光率以及时间。该设备包含适当的电子硬件，比如适当的电子计算机以及打印输出设备来产生关于多种分析反应速率结果的最后的数字打印输出。”

“本发明涉及改善了的方法和设备用来确定多种分析反应速率结果，尤其是临床酶反应。更具体而言，本发明的方法和设备是用于正确的定位多种样品和样品空白，同时对每个样品进行多种速率的测量，使用特别安排的电子计算机硬件来产生该反应速率结果的数字打印输出。”

“本发明的目的是提供改善的方法和设备来产生临床酶反应自动动力测量。

本发明的另一个目的是通过在对每个样品的多种测量确定反应的线性度。

本发明的另一个目的是提供改善的分光光度计设备来自动定位多种样品以及样品空白来检测，比如双微分吸光率，即样品吸光率相关的空白吸光率以及时间。

本发明的另一个目的是提供改善的方法和设备来测量同样的分析过程中的不同类型的反应速率。

本发明的另一个目的是提供改善的方法和设备，在分析过程中自动建立空白测量的基础，如果要实现快速而准确的结果的话，这对临床酶分析来说就是必要的。

本发明的另一个目的是提供改善的方法和设备，对多个样品或样品空白进行多重的，离散的测量，从而影响所有样品的同步反应速率分析。

本发明的另一个目的是组合上述分光光度计设备，适当的电子计算机硬件，包括电子计算机和打印输出设备来产生对临床酶反应的同步多重动力测量的最终数字打印输出。”

这显然说明了该专利的应用局限性，因为它描述了用于测量许多样品的单一分光光度计。

即使能够组合许多这样的系统成为一个整体，这些分光光度计还需要单独校准。

前面描述了所有试图克服与分光光度计使用有关的某些问题的方法，但是所有这些方法都仍存在严重问题，因为它们需要单独校准，而且大部分方法都不能适用于需要实时结果的应用。

即使那些能够提供某些形式的实时分析能力的方法仍存在固有的校准问题。

上面描述的方法都不能作为带有中心集线器的集成系统的一部分，该中心集线器连接到许多分光光度计组件，其中可以存放测量结果和校准值。

本发明的目的是解决上述问题，或至少为公众提供一种有用的选择。

本发明的其它方面及其优点将在下面的结合例子的描述中变得清晰起来。

发明内容

根据本发明的一个方面，它提供了一种处理来自至少一个近红外分光光度计的数据的方法，使用物理上远离分光光度计的中央处理单元，其特征包含以下步骤：

a)把来自分光光度计的数据传输到中央处理单元，后者为它从中接收数据来处理的每个分光光度计存取单独校准值；以及

b)在该中央处理单元处理数据；以及

c)把已处理的数据传输到输出设备。

尽管应该看到本发明可以应用到其它分光光度计，但是申请人感觉本发明在解决与近红外分光光度计(NIRS)有关的问题时有特殊的作用。因此，在整个规范说明中引用分光光度计的地方都称为NIRS。

把数据从NIRS传输到中央处理单元的方法有很多种。比如，可以通过硬连线、电话线，通过互联网，微波链路，光缆或任何其它数据传输方法来实现数据的传输。

中央处理单元(CPU)可以有许多种形式。

在一个实施例中，CPU是一个专用计算机，它可以从一个或多个NIRS接收数据。例如，CPU可以与许多正在使用的机器在物理上十分接近。这样CPU就可以在局部网络中操作。

在本发明的优选实施例中，CPU在物理上远离分光光度计。例如，CPU可以包含许多处理器，后者是大型计算机网络的一部分，该计算机网络能够从分光光度计接收数据，无论分光光度计与CPU之间的物理位置如何。

例如，CPU可以是服务器的一部分，该服务器通过互联网连接到在全球登录的分光光度计。

在本发明的某些实施例中，CPU可以包含或能够方便的存取每个分光光度计的单独的校准值，该CPU从这些分光光度计中接收要处理的数据。

申请人认识到近红外分光光度计的最新发展是其具有了可传输的校准值特征。这意味着一组校准值(为每个物理单位)能够用于大量的近红外分光光度计。因此，在本发明的某些实施例中，中央处理单元将包含或能够存取一组标准的校准值，后者能用于处理来自许多单独的近红外分光光度计的数据。

因此，应该看到本发明的一个方面是能够存储一批物理基础的校准值，后者能够用于处理来自许多分光光度计的数据。

所处理的数据被传输到的输出设备可以是供应数据的原始分光光度计，或其它一些设备。例如，输出设备可以是打印机，计算机屏幕，控制系统，这些设备可以与分光光度计紧密相关，也可以是彼此无关。

应该看到本发明比现有技术提供了相当多的优势。

首先，本发明消除了每个单独的分光光度计具有一个单独的相关处理器的需求。这意味着可以投资到CPU的处理能力上，使其比以前使用的处理器更强大。

因此，具有实时处理数据的能力成为了可能。这提供了巨大的机会来控制和自动地使能带有致污物的材料，或带有特别的需要相应处理的品质的材料。

可以看到本发明允许提供高效的“哑”分光光度计，后者只是作为周边设备而没有处理器来分析其数据。

这导致了相当便宜的机器，因为这些机器需要较少的与之相关的组件。

对NIRS用户而言的额外好处是本发明消除了单独校准每个机器的必要性。因此，校准机器的花费的大量时间以及相关的费用都被节省了。当一组可传输的能用于大量机器的校准值可以被存储到CPU时尤其如此。

例如，如果一台机器损坏了，那么它能方便地被可发送数据给CPU的另一台机器替换。而且，不需要当机时间来校准该备用的机器。即使该备用的机器没有可传输的校准值，但是应该看到该机器自己的校准值仍可以被存储到CPU。

应该看到在优选实施例中，分光光度计应该有数据缓存能力。这意味着当机器和CPU之间的通信连接断开时，数据可以被存储在机器中。

本发明的另一个好处是如果NIRS被偷盗了，它不能在没有处理器的情况下单独使用。

应该看到每个机器应该有单独的标志符。因此，在本发明的某些实施例中可能存在安全告警能力，当被偷盗的机器重新连接到中央处理单元而没有被授权的情况下发出警告。

本发明的一个方面是有来自各种不同物理实体的校准值的数据存储，另一个方面是具有已处理结果的数据仓库。

该数据仓库的应用场合的一个例子是当工厂需要比较来自许多机器的在一定阶段时间内的历史数据时。使用该方法可以跟踪历史数据或饶过异常标志符。

但是，本发明的该方面还有更大的意义，如果CPU接收和处理的数据来自地理位置相互远离的站点的话。这样，所存储的数据在数据的初始处理过程完成之后的某些时候能够提供有价值的信息。

例如，如果想知道在世界的哪个地区的麦子有某种特征。和这一特征相关的已处理数据的仓库能够被挑选出来以提供需要的信息。

与前面的例子相关，应该看到在某些实施例中不仅每个分光光度计有单独的标志符，而且与该标志符相关的如分光光度计存放的物理位置等都可以是附加信息。

另外，应该看到从分光光度计发送到CPU的原始数据还可以包括标志符信息例如被分析的材料的来源等等。

附图简要说明

本发明的其它方面将在下面的描述中变得更加清楚，其描述只是以举例的形式给出，并参照了附图，其中：

图1是描述本发明应用到局部网络的示意图；以及

图2是描述本发明应用到远程网络的示意图。

具体实施方式

图1是描述与本发明的一个方面相关的局部网络(由箭头1概括指示)的示意图。

网络(1)包括许多近红外分光光度计(2)，它们都没有数据处理能力。

分光光度计(2)通过硬连线传输其数据到中央处理单元(3)。该中央处理单元(3)有一组校准值，这些校准值是可传输的并能用于来自每个分光光度计(2)的相关数据。在本发明的某些实施例中，中央处理单元(3)也可以有与每个分光光度计(2)相关的单独的校准值。

当中央处理单元(3)处理完数据后，就把它传输到输出设备(4)。在该实施例中，输出设备(4)可以是控制系统，后者能根据所接收的处理数据来操纵被分光光度计(2)分析的材料的物理过程。

图2描述了由箭头5概括指示的可能的全球网络的示意图。

网络(5)连接到分光光度计(6)。在CPU(8)的保留数据区(7)中的单独校准值被CPU(8)用来处理数据。当来自分光光度计(6)的数据被分析之后，就把它传输回分光光度计(6)。

分光光度计(9)与其它许多分光光度计(比如，分光光度计(10))分享其校准值。CPU(8)存取在其数据区(11)中的可传输校准值。当被处理完之后数据同样被送回分光光度计(9)。

网络(12)代表一种可能的配置，其中许多分光光度计(10)与一个实体相关。分光光度计(10)可以在物理位置上相互接近或不接近。但是，应该看到来自分光光度计(10)的数据仍将使用CPU(8)的数据区(11)中的校准值。但是，由于分光光度计(10)彼此相互关联，所以在某些实例中可以看到只提供单一输出设备(13)，CPU发送已处理的数据给该输出设备。

尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改和变化由所附的权利要求书和等同物的内容涵盖。

Claims (12)

1.处理来自至少一个近红外分光光度计的数据的方法，使用物理上远离分光光度计的中央处理单元，其特征在于包含以下步骤：

d)把来自分光光度计的数据传输到中央处理单元，所述中央处理单元为其从中接收要处理数据的每个分光光度计存取单独校准值；以及

e)在所述中央处理单元处理数据；以及

f)把已处理的数据传输到输出设备。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述中央处理单元存取标准的校准值组，所述标准的校对值组能用于为许多分光光度计处理数据。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述输出设备是从中接收数据的分光光度计。

4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其中发送到所述中央处理单元的所述数据具有标志符以识别从中接收数据的所述分光光度计。

5.根据权利要求1至4任一所述的方法，其中发送到所述中央处理单元的所述数据具有关于被所述分光光度计所分析的样品的信息。

6.连接到中央处理单元的近红外分光光度计，所述中央处理单元物理上远离所述分光光度计，以便所述中央处理单元能分析从所述分光光度计接收的数据。

7.根据权利要求6所述的分光光度计，包括数据缓存，所述数据缓存能保持来自所分析的材料的数据。

8.根据权利要求6或7所述的分光光度计，包括与发送到所述中央处理单元的数据相关的唯一的标志符。

9.根据权利要求1所述的方法，其中中央处理单元存取多个分光光度计的校准值的数据仓库。

10.根据权利要求1所述的方法，其中中央处理单元存取多个分光光度计的已处理数据的数据仓库。

11.实质上如参考附图所描述的并由附图说明的方法。

12.实质上如参考附图所描述的并由附图说明的分光光度计。

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