DE102009005207A1 - Method for the determination of lipoprotein components in a lipoprotein mixture to be analyzed - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zur Bestimmung von Lipoproteinkomponenten in einem zu analysierenden Lipoproteingemisch umfasst die Schritte: Verfahren zur Bestimmung von Lipoproteinkomponenten in einem zu analysierenden Lipoproteingemisch, umfassend die Schritte: A) Aufnahme von N>1 Messspektren des zu analysierenden Lipoproteingemischs bei N verschiedenen Messbedingungen, wobei jedes der N Messspektren jeweils M Messpunkte aufweist, B) Bereitstellen einer Mischmatrix W mit N mal L zufällig gewählten, nichtnegativen Mischparametern, einer Quellspektrenmatrix H mit L Quellspektren mit jeweils M zufällig gewählten, nichtnegativen Quellspektrumspunkten und einer Messspektrenmatrix X, die gebildet wird durch die N Messspektren, C) Modifizieren der jeweils M Quellspektrumspunkte der L Quellspektren durch Annäherung des Matrixprodukts der Mischmatrix W und der Quellspektrenmatrix H an die Messspektrenmatrix X mittels einer nichtnegativen Matrixfaktorisierung unter der Randbedingung, dass die L Quellspektren sparsam kodiert sind, D) Zuordnen der aus dem Schritt C durch die Modifizierung erhaltenen L Quellspektren zu bekannten Spektren von Lipoproteinkomponenten.A method for the determination of lipoprotein components in a lipoprotein mixture to be analyzed comprises the steps: A method for the determination of lipoprotein components in a lipoprotein mixture to be analyzed, comprising the steps of: A) recording N> 1 measurement spectra of the lipoprotein mixture to be analyzed at N different measurement conditions, each of B) providing a mixed matrix W with N times L randomly chosen, nonnegative mixing parameters, a source spectrum matrix H with L source spectra each with M randomly chosen, nonnegative source spectral points and a measurement spectra matrix X, which is formed by the N measurement spectra, C) modifying the respective M source spectral points of the L source spectra by approximating the matrix product of the mixed matrix W and the source spectrum matrix H to the measurement spectra matrix X by means of a nonnegative matrix factorization under the boundary condition that the L source spectra D) assigning the L source spectra obtained from step C by the modification to known spectra of lipoprotein components.
Description
Im Folgenden werden ein Verfahren zur Bestimmung von Lipoproteinkomponenten eines Lipoproteingemischs sowie eine Datenverarbeitungsanlage dazu angegeben.in the Following is a method for the determination of lipoprotein components a lipoprotein mixture and a data processing system thereto specified.
Die Identifizierung, Beschreibung und quantitative Erfassung der in einer Blutplasma- oder Serumprobe enthaltenen Lipoproteinsubklassen bzw. Lipoproteinkomponenten ist in der medizinischen Risikoprävention von Herz-Kreislauferkrankungen von erheblichem Wert. Eindimensionale Kernspinresonanzspektren („nuclear magnetic resonance”, NMR) von Blutplasma- oder Serumproben und insbesondere die Signale von Lipoproteinen darin zeigen jedoch oft einen erheblichen Überlapp der zugrunde liegenden Komponentenspektren der einzelnen Spingruppen beziehungsweise Spezies (Lipoproteinsubklassen, Lipoproteinkomponenten) und erschweren somit eine Identifizierung, Beschreibung und quantitative Erfassung dieser Spezies. Gerade aber auch die Zusammensetzung der einzelnen Lipoproteinsubklassen ist eine für die Atheroskleroserisikoabschätzung wichtige Information. Bekannte Verfahren zur Bestimmung von Lipoproteinen sind jedoch nicht in der Lage, anomale Subklassen mit hoher Genauigkeit und unter Berücksichtigung patientenspezifischer Abweichungen und Variationen zu identifizieren und zu quantifizieren.The Identification, description and quantitative recording of in of a blood plasma or serum sample containing lipoprotein subclasses or lipoprotein components is in the medical risk prevention of Cardiovascular diseases of considerable value. dimensional Nuclear magnetic resonance spectra ("nuclear magnetic resonance", NMR) of blood plasma or serum samples and in particular the signals however, lipoproteins often show considerable overlap the underlying component spectra of the individual spin groups or species (lipoprotein subclasses, lipoprotein components) and thus complicate identification, description and quantitative Capture of this species. But also the composition of single lipoprotein subclasses is one for atherosclerosis risk assessment Important Information. Known methods for the determination of lipoproteins However, they are unable to produce anomalous subclasses with high accuracy and taking into account patient-specific deviations and to identify and quantify variations.
Die
Druckschrift
Zumindest eine Aufgabe einer Ausführungsform ist es, ein Verfahren zur Bestimmung von Lipoproteinkomponenten in einem zu analysierenden Lipoproteingemisch anzugeben. Zumindest eine weitere Aufgabe ist es, eine Datenverarbeitungsanlage zur Durchführung zumindest einiger Schritte des Verfahrens anzugeben.At least It is an object of one embodiment to provide a method for the determination of lipoprotein components in an analyte Specify lipoprotein mixture. At least one more task is it, a data processing system to carry out at least indicate some steps in the procedure.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weitere Ausführungsformen und weitere Ausgestaltungen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen, den Figuren und der nachfolgenden Beschreibung hervor.These Tasks are achieved by a method and apparatus according to the independent claims solved. Other embodiments and further embodiments go From the dependent claims, the figures and the description below.
Gemäß zumindest
einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Bestimmung
von Lipoproteinkomponenten in einem zu analysierenden Lipoproteingemisch
insbesondere die folgenden Schritte:
Verfahren zur Bestimmung
von Lipoproteinkomponenten in einem zu analysierenden Lipoproteingemisch,
umfassend die Schritte:
- A) Aufnahme von N > 1 Messspektren des zu analysierenden Lipoproteingemischs bei N verschiedenen Messbedingungen, wobei jedes der N Messspektren jeweils M Messpunkte aufweist,
- B) Bereitstellen einer Mischmatrix W mit N mal L zufällig gewählten, nicht-negativen Mischparametern, einer Quellspektrenmatrix H mit L Quellspektren mit jeweils M zufällig gewählten, nicht-negativen Quellspektrumspunkten und einer Messspektrenmatrix X, die gebildet wird durch die N Messspektren,
- C) Modifizieren der jeweils M Quellspektrumspunkte der L Quellspektren durch Annäherung des Matrixprodukts der Mischmatrix W und der Quellspektrenmatrix H an die Messspektrenmatrix X mittels einer nicht-negativen Matrixfaktorisierung unter der Randbedingung, dass die L Quellspektren sparsam kodiert sind,
- D) Zuordnen der aus dem Schritt C durch die Modifizierung erhaltenen L Quellspektren zu bekannten Spektren von Lipoproteinkomponenten.
Method for the determination of lipoprotein components in a lipoprotein mixture to be analyzed, comprising the steps:
- A) recording N> 1 measurement spectra of the lipoprotein mixture to be analyzed at N different measurement conditions, each of the N measurement spectra having M measurement points in each case,
- B) providing a mixed matrix W with N times L randomly chosen, non-negative mixing parameters, a source spectrum matrix H with L source spectra each having M randomly selected, non-negative source spectral points and a measurement spectra matrix X, which is formed by the N measurement spectra,
- C) modifying the respective M source spectral points of the L source spectra by approximating the matrix product of the mixed matrix W and the source spectrum matrix H to the measurement spectra matrix X by means of a non-negative matrix factorization under the boundary condition that the L source spectra are economically coded,
- D) assigning the L source spectra obtained from step C by the modification to known spectra of lipoprotein components.
Insbesondere der Verfahrensschritt C kann dabei unter der Annahme vorgenommen werden, dass die zu analysierenden Messspektren des Lipoproteingemischs an eine Überlagerung von realen, charakteristischen Spektren der Lipoproteinkomponenten des Lipoproteingemischs angenähert werden können.Especially the method step C can be carried out under the assumption be that the measured spectra of the lipoprotein mixture to be analyzed to a superimposition of real, characteristic spectra approximated the lipoprotein components of the lipoprotein mixture can be.
Dabei kann es möglich sein, dass die L Quellspektren durch das hier beschriebene Verfahren bestimmbar sind, ohne dass konkrete Annahmen über die Art oder Zusammensetzung der zu bestimmenden Lipoproteinkomponenten erforderlich sind. Insbesondere kann das bedeuten, dass im Schritt B vor Durchführung des Schrittes C lediglich die Anzahl L der zu analysierenden Quellspektren für das Verfahren gewählt werden muss. Dadurch kann es möglich sein, dass Untersuchungen, insbesondere auch automatisierte Routineuntersuchungen, von Lipoproteingemischen und der darin enthaltenen Lipoproteinkomponenten durchführbar sind, durch die die Lipoproteinkomponenten hinsichtlich ihrer Konzentration, Zusammensetzung und/oder Identifikation analysierbar und bestimmbar sind, ohne dass Vorabkenntnisse bezüglich der Lipoproteinkomponenten erforderlich sind. Das kann weiterhin insbesondere auch zur Folge haben, dass eine Analyse hinsichtlich der Konzentration, Zusammensetzung und/oder Identifikation von Lipoproteinkomponenten in anomalen, seltenen und/oder krankhaften Stadien möglich ist.there It may be possible that the L source spectra are due to the Methods described here are determinable without concrete Assumptions about the nature or composition of the to be determined Lipoprotein components are required. In particular, that can mean that in step B before performing the step C only the number L of the source spectra to be analyzed for the procedure must be chosen. This can make it possible be that investigations, especially automated routine examinations, of lipoprotein mixtures and the lipoprotein components contained therein are feasible through which the lipoprotein components in terms of their concentration, composition and / or identification analyzable and determinable without any prior knowledge of the lipoprotein components are required. That can continue in particular also have the consequence that an analysis in terms of the concentration, composition and / or identification of lipoprotein components possible in abnormal, rare and / or diseased stages is.
Gerade die Möglichkeit, die Zusammensetzung der Lipoproteinkomponenten in Lipoproteingemischen, insbesondere auch in anomalen Stadien, patientenspezifisch zu identifizieren und zu quantifizieren, kann durch das hier beschriebene Verfahren im Gegensatz zu bereits bekannten Verfahren gegeben sein. Dabei kann jede der Lipoproteinkomponenten des Lipoproteingemischs ein charakteristisches Spektrum aufweisen, die eine Identifizierung der jeweiligen Lipoproteinkomponente möglich machen kann. Durch das Zuordnen der durch die Schritte A bis C erhältlichen Quellspektren im weiteren Schritt D zu bekannten, charakteristischen Spektren von Lipoproteinkomponenten kann diese Identifizierung möglich sein.Just the possibility of the composition of the lipoprotein components in lipoprotein mixtures, especially in anomalous stages, can identify and quantify in a patient-specific way by the method described here in contrast to already known Be given procedure. In this case, each of the lipoprotein components of the lipoprotein mixture have a characteristic spectrum, the identification of the respective lipoprotein component possible can make. By assigning the available through the steps A to C. Source spectra in further step D to known, characteristic spectra Of lipoprotein components, this identification may be possible be.
Die aus dem Lipoproteingemisch zu ermittelnden Lipoproteinkomponenten können dabei beispielsweise aus den folgenden ausgewählt sein: Chylomikronen-A, Chylomikronen-B, Chylomikronen-C, Chylomikronen Remnants, VLDL-A, VLDL-B, VLDL-C, IDL, small dense LDL, LDL-A, LDL-B, LDL-C, HDL-2, HDL-3 und Lp(a).The Lipoprotein components to be determined from the lipoprotein mixture can for example be selected from the following Chylomicrons-A, Chylomicrons-B, Chylomicrons-C, Chylomicrons Remnants, VLDL-A, VLDL-B, VLDL-C, IDL, small dense LDL, LDL-A, LDL-B, LDL-C, HDL-2, HDL-3 and Lp (a).
Weiterhin können durch das hier beschriebene Verfahren alternativ oder zusätzlich auch Nicht-Lipoprotein-Komponenten im Lipoproteingemisch bestimmt werden, die zu den zu analysierenden Messspektren beitragen. Derartige Nicht-Lipoprotein-Komponenten können beispielsweise Komponenten in Körperflüssigkeitsproben sein wie etwa Lactate, Alkohole, Aminosäuren, Peptide, Nukleinsäuren, Fettsäuren, Kohlehydrate, Pharmazeutika und/oder Proteine.Farther Alternatively, by the method described herein or additionally also non-lipoprotein components in the lipoprotein mixture be determined, which contribute to the measurement spectra to be analyzed. Such non-lipoprotein components may be, for example Be like components in body fluid samples such as lactates, alcohols, amino acids, peptides, nucleic acids, Fatty acids, carbohydrates, pharmaceuticals and / or proteins.
Die charakteristischen Spektren dieser Lipoproteinkomponenten bzw. Nicht-Lipoprotein-Komponenten können beispielsweise charakteristische Referenzparameter wie etwa Peakpositionen, Linienformen und/oder Linienbreiten aufweisen, anhand derer die Lipoproteinkomponenten identifizierbar sind. Mit Hilfe bekannter, charakteristischer Spektren der Lipoproteinkomponenten können dann die Quellspektren zugeordnet werden. Durch diese Zuordnung kann dann eine Bestimmung der im Lipoproteingemisch enthaltenen Lipoproteinkomponenten hinsichtlich ihrer Identifikation, Zusammensetzung und/oder Quantifizierung möglich sein. Dabei muss es nicht zwingend erforderlich sein, dass die Quellspektren mit den bekannten, charakteristischen Spektren übereinstimmen. Beispielsweise können gerade Abweichungen bezüglich Peakpositionen, Linienformen und/oder Linienbreiten in den ermittelten Quellspektren im Vergleich zu den bekannten, charakteristischen Spektren Aufschluss über patientenspezifische Variationen bzw. anomale, seltene und/oder krankhafte Stadien von Lipoproteinkomponenten geben.The characteristic spectra of these lipoprotein components or non-lipoprotein components For example, characteristic reference parameters such as peak positions, line shapes and / or line widths, from which the lipoprotein components are identifiable. With Help known, characteristic spectra of the lipoprotein components then the source spectra can be assigned. By This assignment can then be a determination of the lipoprotein mixture contained lipoprotein components in terms of their identification, Composition and / or quantification may be possible. there it does not have to be mandatory that the source spectra agree with the known, characteristic spectra. For example, just deviations with respect Peak positions, line shapes and / or line widths in the determined Source spectra compared to the known, characteristic Spectra Information about patient-specific variations or abnormal, rare and / or abnormal stages of lipoprotein components give.
Abweichungen bezüglich Peakpositionen, Linienformen und/oder Linienbreiten in den Quellspektren können gerade dadurch bestimmbar sein, dass für das Verfahren keine Vorabannahmen zu den Quellspektren hinsichtlich der charakteristischen Referenzparameter erforderlich sind. Somit kann das Verfahren die Möglichkeit bieten, neben der Bestimmung der Lipoproteinkomponenten hinsichtlich ihrer Konzentration, Zusammensetzung und Identifikation auch patientenspezifische Zusatzinformationen bezüglich medizinisch anomaler und/oder krankhafter Stadien ohne weitere Analysen zu ermöglichen. Dadurch kann eine im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erheblich gesteigerte Informationsausbeute bei gleichzeitig geringerem Zeitaufwand möglich sein.deviations regarding peak positions, line shapes and / or line widths in the source spectra can be determined just by that for the method no pre-assumptions about the source spectra regarding the characteristic reference parameters are required. Consequently The procedure can offer the possibility, in addition to the determination the lipoprotein components in terms of their concentration, composition and identification also patient-specific additional information concerning medically abnormal and / or diseased stages without further analysis. This can be a significantly increased compared to conventional methods Information yield possible at the same time less time be.
Jedes der N Messspektren kann eine Überlagerung der charakteristischen Spektren der im Lipoproteingemisch enthaltenen Lipoproteinkomponenten aufweisen. Weiterhin können die Messspektren auch charakteristische Spektren von Nicht-Lipoprotein-Komponenten aufweisen, die, wie schon weiter oben erwähnt, ebenfalls identifizierbar und quantifizierbar sein können. Der jeweilige relative Beitrag eines charakteristischen Spektrums einer Lipoproteinkomponente bzw. eine Nicht-Lipoprotein-Komponente zu einem Messspektrum kann dabei beispielsweise von der Konzentration der betreffenden Lipoproteinkomponente bzw. Nicht-Lipoprotein-Komponente im Lipoproteingemisch, ihrer Zusammensetzung, weiteren Komponenten im Lipoproteingemisch und/oder äußeren Einflüssen auf das charakteristische Spektrum abhängen. Ein äußerer Einfluss kann dabei beispielsweise ein Magnetfeld und/oder eine Temperatur sein. Insbesondere kann ein äußerer Einfluss durch die unter näher ausgeführten Messbedingungen gegeben sein.each The N measurement spectra may be a superposition of the characteristic Spectra of the lipoprotein components contained in the lipoprotein mixture exhibit. Furthermore, the measurement spectra can also be characteristic Have spectra of non-lipoprotein components, which, as already mentioned above, also identifiable and quantifiable could be. The relative contribution of a characteristic spectrum a lipoprotein component or a non-lipoprotein component to a measurement spectrum can, for example, of the concentration the relevant lipoprotein component or non-lipoprotein component in the lipoprotein mixture, its composition, other components in the lipoprotein mixture and / or external influences depend on the characteristic spectrum. An outer one Influence can be for example a magnetic field and / or a Be temperature. In particular, an outer Influence by the detailed measurement conditions be given.
Die N Messspektren können dabei insbesondere Magnetresonanzspektren sein, die beispielsweise mittels einer Kernspinresonanzspektroskopietechnik („nuclear magnetic resonance”, NMR) aufgenommen werden können. Insbesondere kann es sich dabei um diffusionsgewichtete NMR-Spektroskopie handeln.The N measurement spectra may in particular be magnetic resonance spectra be, for example, by means of a nuclear magnetic resonance spectroscopy technique ("Nuclear magnetic resonance", NMR) are recorded can. In particular, it may be diffusion-weighted Act NMR spectroscopy.
Ein
Beispiel für ein Messverfahren für diffusionsgewichtete
NMR-Spektroskopie ist aus der Druckschrift
Durch die in den Lipoproteinkomponenten und Nicht-Lipoprotein-Komponenten des Lipoproteingemischs enthaltenen Atomkerne, also etwa Wasserstoff-, Kohlenstoff- und/oder Stickstoffatomkerne, kann das Lipoproteingemisch ein magnetisches Moment bzw. eine Gesamtmagnetisierung aufweisen, die beispielsweise durch die thermische (Boltzmann-)Verteilung der individuellen Spinorientierungen im statischen Magnetfeld gegeben ist. Im Gleichgewichtsfall bildet sich die Gesamtmagnetisierung entlang des statischen, konstanten Magnetfelds als longitudinale Magnetisierung aus. Durch die dem Fachmann bekannte so genannte chemische Verschiebung, das heißt den Einfluss der einen Atomkern umgebenden Elektronen auf das Magnetfeld am Ort eines Atomkerns, können die einzelnen Atome der Lipoproteinkomponenten und Nicht-Lipoprotein-Komponenten unterschiedliche Präzessionsfrequenzen (Larmorfrequenzen) im statischen, konstanten Magnetfeld aufweisen. Im Gleichgewichtsfall weist die Gesamtmagnetisierung keine transversale Komponente senkrecht zum statischen, konstanten Magnetfeld auf.By those in the lipoprotein components and non-lipoprotein components of the lipoprotein mixture contained atomic nuclei, so about hydrogen, Carbon and / or nitrogen nuclei, the lipoprotein mixture have a magnetic moment or a total magnetization, for example, by the thermal (Boltzmann-) distribution of given individual spin orientations in the static magnetic field is. In the equilibrium case, the total magnetization is formed along the static, constant magnetic field as longitudinal Magnetization off. By those known to those skilled so-called chemical shift, that is the influence of one Nucleons surrounding electrons to the magnetic field at the location of an atomic nucleus, can the individual atoms of the lipoprotein components and Non-lipoprotein components have different precession frequencies (Larmorfrequenzen) in the static, constant magnetic field. In the equilibrium case, the total magnetization has no transverse Component perpendicular to the static, constant magnetic field.
Durch eine geeignete Abfolge von einem oder mehreren so genannten π/2-Pulsen und/oder so genannten π-Pulsen kann die Gesamtmagnetisierung beeinflusst werden und insbesondere relativ zum bereitgestellten statischen, konstanten Magnetfeld aus seiner Gleichgewichtslage gedreht werden. Die π/2-Pulse und π-Pulse können dabei durch einen zusätzlich zum statischen Magnetfeld erzeugten Puls eines oszillierenden Magnetfelds bewirkt werden. Die Stärke des oszillierenden Magnetfelds sowie die Pulsdauer können dabei derart gewählt werden, dass die Gesamtmagnetisierung relativ zum statischen Magnetfeld um 90° bzw. 180° gedreht wird. Je nach Wahl und Anzahl der π/2- und/oder π-Pulse kann es sich dabei um eine eindimensionales oder mehrdimensionales NMR-Verfahren handeln.By a suitable sequence of one or more so-called π / 2 pulses and / or so-called π-pulses can the total magnetization be influenced and in particular relative to the provided static, constant magnetic field from its equilibrium position to be turned around. The π / 2 pulses and π pulses can doing so by one in addition to the static magnetic field generated pulse of an oscillating magnetic field can be effected. The strength of the oscillating magnetic field and the pulse duration can be chosen such that the total magnetization rotated by 90 ° or 180 ° relative to the static magnetic field becomes. Depending on the choice and number of π / 2 and / or π pulses it can be a one-dimensional or multi-dimensional Act NMR method.
Eine aus der Gleichgewichtslage durch einen π/2-Puls um 90° gedrehte Gesamtmagnetisierung weist nunmehr eine zum statischen, konstanten Magnetfeld transversale Komponente auf, die im statischen Magnetfeld präzediert. Die präzedierende transversale Gesamtmagnetisierungskomponente kann ein oszillierendes Magnetfeld erzeugen, das beispielsweise mittels Pick-Up-Spulen gemessen und aufgenommen werden kann. Die Präzessionsfrequenz ist dabei für jedes Atom im Lipoproteingemisch von der jeweils lokalen Magnetfeldstärke sowie von der individuellen chemischen Verschiebung abhängig. Aufgrund letzterer präzedieren Kernspins mit unterschiedlicher chemischer Verschiebung mit unterschiedlichen Larmorfrequenzen. Durch Spin–Spin-Wechselwirkungen im Spinsystem dephasieren die einzelnen Kernspins mit der Zeit. Dadurch zerfällt bzw. relaxiert die transversale Komponente der Gesamtmagnetisierung mit der Zeit.A from the equilibrium position by a π / 2 pulse rotated by 90 ° Total magnetization now has a static, constant Magnetic field transverse component in the static magnetic field precess. The precessing transverse total magnetization component can generate an oscillating magnetic field, for example can be measured and recorded by means of pick-up coils. The Precession frequency is for each atom in the Lipoprotein mixture of the respective local magnetic field strength as well as the individual chemical shift. Due to the latter, nuclear spins precess with different chemical shift with different Larmor frequencies. Dephase through spin-spin interactions in the spin system the individual nuclear spins over time. This breaks up or relaxes the transverse component of the total magnetization with time.
Weiterhin können die verschiedenen Lipoproteinkomponenten und Nicht-Lipoprotein-Komponenten, während sie präzedieren, durch das Lipoproteingemisch diffundieren. Die Diffusionsgeschwindigkeit einer Lipoproteinkomponente bzw. Nicht-Lipoprotein-Komponente kann dabei beispielsweise von ihrer jeweiligen Größe abhängen, so dass etwa kleine Lipoproteinkomponenten schneller durch das Lipoproteingemisch diffundieren können als Lipoproteinkomponenten, die im Vergleich zu diesen größer sind. Wenn dem statischen, konstanten Magnetfeld rein beispielhaft ein Magnetfeldgradient überlagert ist, können sich die verschiedenen Lipoproteinkomponenten je nach ihrer Diffusionsgeschwindigkeit im Zeitmittel in verschiedenen mittleren Magnetfeldern befinden, so dass die Kernspins der einzelnen Atome unterschiedlicher Lipoproteinkomponenten mit jeweils unterschiedlichen Präzessionsfrequenzen präzedieren können und somit in Abhängigkeit von der Zeit unterschiedliche Präzessionsphasen akkumulieren können. Durch diese Dephasierung der einzelnen Kernspins der einzelnen Lipoproteinkomponenten, durch die oben genannte Dephasierung aufgrund der chemischen Verschiebung sowie durch weitere Relaxationsprozesse wie etwa Kollisionen der im Lipoproteingemisch enthaltenen Komponenten miteinander kann die Gesamtmagnetisierung abnehmen, so dass nach einem π/2-Puls das messbare, oszillierende Magnetfeldsignal, das durch die präzedierende Gesamtmagnetisierung hervorgerufen wird, in seiner Intensität mit der Zeit abnimmt. Ein solches Signal ist dem Fachmann auch als so genannter „free induction decay” (FID) bekannt. Die dabei messbaren Frequenzen können beispielsweise relativ zu einem Frequenzstandard angegeben werden und mit der Einheit „ppm”, etwa im Sinne von Hz/MHz, versehen werden.Farther While the various lipoprotein components and non-lipoprotein components can be used while precess them, diffuse through the lipoprotein mixture. The diffusion rate of a lipoprotein component or non-lipoprotein component can be, for example, of their respective size depend, so that about small lipoprotein components faster can diffuse through the lipoprotein mixture as lipoprotein components, which are larger in comparison to these. If that static, constant magnetic field superimposed purely by way of example a magnetic field gradient is, the various lipoprotein components can become depending on their diffusion rate in the time average in different middle magnetic fields are located, so that the nuclear spins of the individual Atoms of different lipoprotein components, each with different Precess frequencies can precess and thus different depending on the time Accumulate precession phases. Through this Dephasing of the individual nuclear spins of the individual lipoprotein components, by the above-mentioned dephasing due to the chemical shift as well as by other relaxation processes such as collisions of the the components contained in the lipoprotein mixture with each other can Total magnetization decrease, so that after a π / 2 pulse the measurable, oscillating magnetic field signal generated by the precessing Total magnetization is evoked, in its intensity decreases with time. Such a signal is also known to those skilled in the art so-called "free induction decay" (FID) known. The thereby measurable frequencies, for example, relative to a frequency standard and with the unit "ppm", approximately in the sense of Hz / MHz.
Durch Einstrahlung eines π-Pulses kann der Dephasierungsprozess zumindest teilweise zumindest für einige der einzelnen Kernspins der Atome von Lipoproteinkomponenten rückgängig gemacht werden, so dass nach dem π-Pulse eine weiteres oszillierendes Magnetfeldsignal, das durch die sich dann ergebende Gesamtmagnetisierung hervorgerufen wird, messbar und aufnehmbar sein kann.By Irradiation of a π-pulse can be the dephasing process at least partially for at least some of them Nuclear spins of the atoms of lipoprotein components reverse be made, so that after the π-pulses another oscillating magnetic field signal, by the then resulting Total magnetization is caused, measurable and absorbable can be.
Ein derartiges nach einem π/2- und/oder einem π-Puls messbares Signal kann dann im Zeitraum eine Oszillation mit veränderlicher Amplitude aufweisen. Beispielsweise mittels eines Analog/Digital-Wandlers („analog-to-digital converter”, ADC) kann dieses Signal im Zeitraum in ein digitales, das heißt diskrete Zeit- und Amplitudenwerte umfassendes Oszillationssignal umgewandelt und digital aufgezeichnet werden.Such a signal which can be measured according to a π / 2 and / or a π-pulse can then have an oscillation with a variable amplitude over the period of time. For example, by means of an analog / digital converter ("Analog-to-digital converter", ADC), this signal can be converted in the period in a digital, ie discrete time and amplitude values comprehensive oscillation signal and recorded digitally.
Beispielsweise mittels Fouriertransformation oder mittels eines anderen geeigneten Transformationsverfahrens kann ein solches Oszillationssignal im Zeitraum in ein Spektrum mit M0 Messpunkten im Frequenzraum transformiert werden. Das Spektrum mit M0 Messpunkten kann dabei einen Frequenzbereich F0 umfassen. Die Anzahl und Auflösung der M0 Messpunkte kann dabei etwa von der Auflösung des ADC und dem gewählten Transformationsverfahren abhängen. Ein so gewonnenes Spektrum kann eine Überlagerung von Magnetresonanzkurven aufweisen, die den NMR-Signalen der einzelnen Atome der Lipoproteinkomponenten und Nicht-Lipoprotein-Komponenten entsprechen. Gerade bei derart aufgenommenen NMR-Spektren kann der Signal-Rausch-Abstand („signal-to-noise ratio”, SNR) derart groß sein, dass keine weiteren Vorkehrungen zur Unterdrückung von Rauschen erforderlich sein müssen.For example, by means of Fourier transformation or by means of another suitable transformation method, such an oscillation signal can be transformed in the time domain into a spectrum with M 0 measuring points in the frequency domain. The spectrum with M 0 measuring points may include a frequency range F 0 . The number and resolution of the M 0 measurement points may depend, for example, on the resolution of the ADC and the selected transformation method. A spectrum thus obtained may have a superposition of magnetic resonance curves corresponding to the NMR signals of the individual atoms of the lipoprotein components and non-lipoprotein components. Especially with such recorded NMR spectra, the signal-to-noise ratio (SNR) can be so large that no further measures to suppress noise must be required.
Aus dem Spektrum mit M0 Messpunkten im Frequenzbereich F0 kann für ein Messspektrum ein Teilspektrum in einem Frequenzteilbereich F1 ≤ F0 mit M ≤ M0 Messpunkten ausgewählt werden und als Messspektrum bereitgestellt werden. Dabei kann bei N gemessenen Spektren mit jeweils M0 Messpunkten für jedes der N Messspektren jeweils derselbe Frequenzteilbereich F1 ≤ F0 mit M ≤ M0 Messpunkten ausgewählt werden.From the spectrum with M 0 measuring points in the frequency range F 0 , a partial spectrum in a frequency subrange F 1 ≤ F 0 with M ≤ M 0 measuring points can be selected for a measuring spectrum and provided as a measuring spectrum. In this case, in the case of N measured spectra with M 0 measuring points in each case, the same frequency subrange F 1 ≦ F 0 with M ≦ M 0 measuring points can be selected for each of the N measuring spectra.
Dadurch kann es beispielsweise möglich sein, dass ein Frequenzbereich aus den N gemessenen Spektren ausgewählt werden kann, der besonders geeignet zur Analyse der im Lipoproteingemisch enthaltenen Lipoproteinkomponenten ist. Besonders geeignet kann der Frequenzbereich dann sein, wenn lediglich Lipoproteinkomponenten zu den Messspektren in diesem Frequenzbereich beitragen oder wenn der Beitrag von Nicht-Lipoprotein-Komponenten in diesem Frequenzbereich vernachlässigbar klein ist. Weiterhin kann der Frequenzbereich besonders geeignet sein, wenn eine bekannte Anzahl von Lipoproteinkomponenten zu den Messspektren in diesem Frequenzbereich beiträgt. Besonders geeignet zur Identifizierung von Lipoproteinkomponenten in einem Lipoproteingemisch kann dabei beispielsweise ein Frequenz- bzw. Abszissenbereich von 1,5 bis 0,5 ppm in einem NMR-1H-Spektrum sein, in dem die Methyl- und Methylenpeaks der im Blut vorhandenen Lipoproteinkomponenten liegen.As a result, it may be possible, for example, for a frequency range to be selected from the N measured spectra, which is particularly suitable for analyzing the lipoprotein components contained in the lipoprotein mixture. The frequency range can be particularly suitable if only lipoprotein components contribute to the measurement spectra in this frequency range or if the contribution of non-lipoprotein components in this frequency range is negligibly small. Furthermore, the frequency range may be particularly suitable if a known number of lipoprotein components contribute to the measurement spectra in this frequency range. Particularly suitable for identifying lipoprotein components in a lipoprotein mixture may be, for example, a frequency or abscissa range of 1.5 to 0.5 ppm in an NMR 1 H spectrum in which the methyl and methylene peaks of the lipoprotein components present in the blood are present ,
Die N Messspektren können bei N verschiedenen Messbedingungen aufgenommen werden, die durch N Variationen zumindest eines oder mehrerer Messparameter eingestellt werden können. Durch die Variation des einen oder der mehreren Messparameter kann es möglich sein, dass der jeweilige Beitrag der oben beschriebenen NMR-Signale der Atome der einzelnen Lipoproteinkomponenten zu den N Messspektren unterschiedlich groß sein kann, so dass die N Messspektren N verschiedenen Überlagerungen der Spektren der im Lipoproteingemisch enthaltenen Lipoproteinkomponenten entsprechen. Der Messparameter kann dabei beispielsweise die Magnetfeldstärke und/oder ein Magnetfeldgradient des konstanten, statischen Magnetfelds sein. Ein Magnetfeldgradient kann dabei einen linearen Gradienten und/oder einen Gradienten höherer Ordnung, etwa einen quadratischen Gradienten, aufweisen oder ein solcher sein. Weiterhin kann der Gradient longitudinal zum statischen, konstanten Magnetfeld, also entlang der Richtung des statischen, konstanten Magnetfeldes, oder transversal zu diesem sein.The N measurement spectra can be performed at N different measurement conditions be recorded by N variations of at least one or several measurement parameters can be set. By the variation of the one or more measurement parameters may be be possible that the respective contribution of the above NMR signals of the atoms of the individual lipoprotein components to the N measurement spectra can be different in size, so that the N measurement spectra N different superimpositions of the spectra correspond to the lipoprotein components contained in the lipoprotein mixture. The measurement parameter can be, for example, the magnetic field strength and / or a magnetic field gradient of the constant, static magnetic field. A magnetic field gradient can be a linear gradient and / or a higher-order gradient, such as a quadratic one Gradients, or be such. Furthermore, the Gradient longitudinal to the static, constant magnetic field, so along the direction of the static, constant magnetic field, or be transversal to this.
Weiterhin kann der zu variierende Messparameter die Magnetfeldstärke und/oder ein Magnetfeldgradient des oszillierenden Magnetfelds sein, dessen Oszillationsfrequenz und/oder dessen Pulsdauer. Weiterhin kann der Messparameter eine Temperatur sein, die während der N Messungen bei den N verschiedenen Messbedingungen variiert wird. Darüber hinaus kann der Messparameter die Konzentration eines Bestandteils des Lipoproteingemischs sein, etwa ein Lösungsmittel wie zum Beispiel Wasser. Durch unterschiedliche Mengen von Lösungsmittelzugaben können das Lipoproteingemisch und damit die darin enthaltenen Lipoproteinkomponenten und/oder Nicht-Lipoprotein-Komponenten unterschiedlich stark verdünnt werden.Farther the measuring parameter to be varied can be the magnetic field strength and / or a magnetic field gradient of the oscillating magnetic field, its oscillation frequency and / or its pulse duration. Furthermore, can the measurement parameter is a temperature that is during the N measurements are varied at the N different measurement conditions. In addition, the measurement parameter can be the concentration a component of the lipoprotein mixture, such as a solvent such as water. By varying amounts of solvent additions can the lipoprotein mixture and thus the contained therein Lipoprotein components and / or non-lipoprotein components differ be heavily diluted.
Besonders bevorzugt kann zur Einstellung der N verschiedenen Messbedingungen ein statischer, konstanter Magnetfeldgradient des statischen, konstanten Magnetfeldes variiert werden. Dadurch kann eine reproduzierbare Einstellung der N Messbedingungen ermöglicht werden.Especially it is preferable to set the N different measurement conditions a static, constant magnetic field gradient of the static, constant Magnetic field can be varied. This can be a reproducible Setting the N measurement conditions are enabled.
Als Modell für die N Messspektren kann im einfachsten Fall jeweils eine lineare Überlagerung der zugrunde liegenden charakteristischen Spektren der im zu analysierenden Lipoproteingemisch enthaltenen Lipoproteinkomponenten und Nicht-Lipoprotein-Komponenten angenommen werden. Mittels des hierin beschriebenen Verfahrens kann es möglich sein, Quellspektren und Mischparameter aus den Messspektren zu ermitteln, wobei jeweils bis auf einen Proportionalitätsfaktor die Quellspektren an die vorab unbekannten charakteristischen Spektren der Lipoproteinkomponenten und der Nicht-Lipoprotein-Komponenten im Lipoproteingemisch und die Mischparameter an die vorab unbekannten zugrunde liegenden Überlagerungsprozesse angenähert werden können. Da die charakteristischen Spektren sowie die zugrunde liegenden Überlagerungsprozesse unbekannt sind, kann das Verfahren Merkmale von Methoden der blinden Quellenseparation („blind source separation”, BSS) umfassen und weiterhin Merkmale informationstheoretischer Verfahren aufweisen, die die Analyse der aufgenommenen Messspektren hinsichtlich der zu bestimmenden Quellspektren erlauben. BSS-Methoden bedienen sich üblicherweise eines als „independent component analysis” (ICA) bezeichneten statistischen Verfahrens, das auf informationstheoretischen Prinzipien beruht. Um eine, bis auf Permutationen und Skalierungen, eindeutige Lösung zu ermöglichen, ist es bei BSS-Methoden allgemein erforderlich, zusätzliche Annahmen und/oder Kenntnisse über die Eigenschaften der charakteristischen Spektren und/oder der Mischprozesse dem Verfahren zugrunde zu legen. Häufig wird die Annahme zugrunde gelegt, dass die zugehörigen Quellspektren statistisch unabhängig sein sollen.As a model for the N measurement spectra, in the simplest case a linear superposition of the underlying characteristic spectra of the lipoprotein components and non-lipoprotein components contained in the lipoprotein mixture to be analyzed can be assumed in each case. By means of the method described herein, it may be possible to determine source spectra and mixing parameters from the measurement spectra, each with the exception of a proportionality factor, the source spectra of the previously unknown characteristic spectra of the lipoprotein components and the non-lipoprotein components in the lipoprotein mixture and the mixing parameters to the pre unknown underlying overlay processes can be approached. Since the characteristic spectra and the underlying superposition processes are unknown, the method may include features of blind source separation (BSS) and further features of information-theoretical methods that allow the analysis of the recorded measurement spectra with regard to the source spectra to be determined , BSS methods usually use a statistical method called "independent component analysis" (ICA), which is based on information theory principles. In order to provide a clear solution except for permutations and scaling, BSS methods generally require that additional assumptions and / or knowledge about the characteristics of the characteristic spectra and / or the mixing processes be used as a basis for the method. It is often assumed that the associated source spectra should be statistically independent.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren müssen die zugrunde liegenden charakteristischen Spektren nicht statistisch unabhängig sein. Vielmehr wird die Randbedingung zugrunde gelegt, dass die zugrunde liegenden charakteristischen Spektren und damit auch die zu ermittelnden Quellspektren sparsam kodiert sind. Somit kann in dem hier beschriebenen Verfahren die sparsame Kodierung der Quellspektren und damit auch die sparsame Kodierung der Überlagerungsmatrix ausgenutzt werden, um das BSS-Problem der Zerlegung der Messspektren in die ihnen zugrunde liegenden Quellspektren ohne weiteres Vorwissen bzw. ohne zusätzliche, meist aufwändige Experimente wie etwa multidimensionale NMR-Spektroskopie, zu lösen.at The method described here must be the underlying characteristic spectra not statistically independent be. Rather, it is based on the boundary condition that the underlying characteristic spectra and thus the to be determined source spectra are economically coded. Thus, in The method described here, the economical coding of the source spectra and thus also the economical coding of the overlay matrix be exploited to solve the BSS problem of decomposing the measurement spectra into their underlying source spectra without further prior knowledge or without additional, usually elaborate experiments such as multidimensional NMR spectroscopy.
Die Sparsamkeit oder sparsame Kodierung σ(h) eines Vektors h mit M Vektorkomponenten kann durch folgende Gleichung gegeben sein: wobei ||h||i mit i = 1, 2 die Li-Norm des Vektors h ist. Die L1-Norm des Vektors h ist dabei die Summe der Beträge der M Vektorkomponenten des Vektors h, alsowobei hi die Vektorkomponenten von h sind, während die L2-Norm des Vektors h die Wurzel aus der Summe der Quadrate der M Vektorkomponenten hi des Vektors h ist, also Aus Gleichung (1) ergibt sich, dass σ(h) ≤ 1, wobei die Sparsamkeit des The economy or economical coding σ (h) of a vector h with M vector components can be given by the following equation: where || h || i with i = 1, 2 is the L i -norm of the vector h. The L 1 -norm of the vector h is the sum of the amounts of the M vector components of the vector h, ie where h i are the vector components of h, while the L 2 -norm of the vector h is the root of the sum of the squares of the M vector components h i of the vector h, ie From equation (1) it follows that σ (h) ≤ 1, where the economy of the
Vektors h umso größer ist, je näher σ(h) am Wert 1 liegt. Insbesondere ist σ(h) = 1, wenn der Vektor h nur eine Vektorkomponente aufweist, die ungleich 0 ist. Weiterhin kann die Randbedingung der sparsamen Kodierung im hier beschriebenen Verfahren zusätzlich bedeuten, dass die Komponenten eines sparsam kodierten Vektors h größer oder gleich 0 sind, das heißt, dass der Vektor positiv semi-definit ist. Darüber hinaus kann sparsame Kodierung bedeuten, dass ein Großteil der Komponenten des Vektors h gleich 0 sind oder lediglich kleine Rauschamplituden aufweisen. Für das im Folgenden beschrieben Verfahren kann eine sparsame Kodierung der Quellspektren auch bedeuten, dass die Amplitudenwerte der Quellspektren in weiten Spektralbereichen gleich 0 sind oder lediglich kleine Rauschamplituden aufweisen.vector h is greater, the closer σ (h) is at the value 1. In particular, σ (h) = 1 when the vector h has only one vector component which is not equal to 0. Farther can be the boundary condition of the economical coding in the here described Process additionally mean that the components of a sparingly encoded vector h greater than or equal to 0, that is, the vector is positive semi-definite is. In addition, economical coding can mean that a majority of the components of the vector h are equal to 0 or only small noise amplitudes. For the The procedure described below can be an economical coding The source spectra also mean that the amplitude values of the source spectra in wide spectral ranges are equal to 0 or only small ones Have noise amplitudes.
Nach Aufnahme der N Messspektren mit jeweils M Messpunkten kann im Schritt B des hier beschriebenen Verfahrens eine Matrix X bereitgestellt werden, die jeweils ein Messspektrum in einer Zeile aufweist. Das kann bedeuten, dass die Vektorkomponenten des ersten Zeilenvektors der Matrix X durch die M Messpunkte eines ersten der N Messspektren gebildet werden, die Vektorkomponenten des zweiten Zeilenvektors der Matrix X durch die M Messpunkte eines zweiten der N Messspektren usw., so dass die Matrix X eine (N×M)-Matrix mit N Zeilen und M Spalten ist. Dabei kann die Zuordnung der N Zeilen der Matrix X zu den N Messspektren beliebig sein und muss nicht der Reihenfolge entsprechen, in der die N Messspektren aufgenommen wurden.To Recording of the N measurement spectra with each M measurement points can be done in step B of the method described here, a matrix X is provided each having a measurement spectrum in a row. The may mean that the vector components of the first row vector of the matrix X by the M measurement points of a first of the N measurement spectra are formed, the vector components of the second row vector of Matrix X through the M measurement points of a second of the N measurement spectra etc., so that the matrix X is an (N × M) matrix of N rows and M columns. In this case, the assignment of the N rows of the matrix X be arbitrary to the N measurement spectra and does not have the order in which the N measurement spectra were recorded.
Im Folgenden werden die Verfahrensschritte B und C nur ausgehend von der vorab beschriebenen Matrix X mit den N Messspektren als Zeilenvektoren von X beschrieben. Alternativ dazu kann die Matrix X aber auch derart bereitgestellt werden, dass jeweils eines der N Messspektren einen Spaltenvektor der Matrix X bildet, so dass im Vergleich zur oben genannten Matrix X, bei der die N Messspektren die Zeilenvektoren der Matrix X bilden, eine dazu transponierte Matrix bereitgestellt wird. In der nachfolgenden Beschreibung sind in diesem Fall dann nach den bekannten Regeln der Matrizenrechnung für transponierte Matrizen und Matrizengleichungen Zeilen und Spalten in den beschriebenen Matrizen sowie die Reihenfolge von Matrizen als Faktoren in Matrixprodukten zu vertauschen.In the following, the method steps B and C are described only as starting from the previously described matrix X with the N measurement spectra as row vectors of X. Alternatively, however, the matrix X can also be provided such that in each case one of the N measurement spectra forms a column vector of the matrix X. det, so that in comparison with the above-mentioned matrix X, in which the N measurement spectra form the row vectors of the matrix X, a matrix transposed thereto is provided. In the following description, in this case, according to the known rules of matrix calculation for transposed matrices and matrix equations, rows and columns in the described matrices as well as the order of matrices as factors in matrix products are to be exchanged.
Im Verfahrensschritt B kann die Quellspektrenmatrix H mit L Zeilen bereitgestellt werden, wobei jede Zeile der Quellspektrenmatrix H eines der L Quellspektren mit jeweils M Punkten repräsentieren kann. Die Mischmatrix W kann L Spaltenvektoren mit jeweils N Mischparametern als Vektorkomponenten aufweisen, wobei der Mischparameter in der I-ten Spalte mit 1 ≤ 1 ≤ L und in der n-ten Zeile mit 1 ≤ n ≤ N den Beitrag des l-ten Quellspektrums zum n-ten Messspektrum repräsentieren kann.in the Method step B can be the source spectrum matrix H with L rows be provided with each row of the source spectrum matrix H represent one of the L source spectra with M points each can. The mixed matrix W can be L column vectors, each with N mixing parameters as vector components, wherein the mixing parameter in the I-th column with 1 ≤ 1 ≤ L and in the nth row with 1 ≤ n ≤ N, the contribution of the l-th source spectrum can represent the nth measurement spectrum.
Insbesondere kann im Schritt B die Anzahl der L Quellspektren mit L < N oder L = N gewählt werden. Das kann bedeuten, dass im Fall von L = N im Verfahrensschritt C ebenso viele Quellspektren bestimmbar sind wie Messspektren im Schritt A aufgenommen werden. Im Fall von L < N werden im Vergleich zu den im Schritt C zu bestimmenden Quellspektren im Schritt A mehr Messspektren aufgenommen. Insbesondere kann es für den Verfahrensschritt C notwendig sein, dass mindestens so viele Messspektren im Schritt A aufgenommen werden wie Quellspektren im Schritt C bestimmt werden sollen.Especially In step B, the number of L source spectra with L <N or L = N can be selected become. This may mean that in the case of L = N in the process step C as many source spectra are determinable as measuring spectra in Step A will be recorded. In the case of L <N, compared to those in step C to be determined source spectra recorded in step A more spectra. In particular, it may be necessary for method step C. be that at least as many measurement spectra are recorded in step A. How to determine source spectra in step C.
Im
Schritt B können die jeweils M zufälligen, nicht-negativen
Quellspektrumspunkte eines jeden der L Quellspektren so gewählt
werden, dass jedes der bereitgestellten L Quellspektren, also jeder
der L Zeilenvektoren der Matrix H, eine Sparsamkeit von größer
oder gleich 0,7, bevorzugt größer oder gleich
0,8 und besonders bevorzugt größer oder gleich
0,9 aufweist. Dabei können die Sparsamkeiten der L Quellspektren
jeweils gleich oder verschieden sein. Insbesondere können
die jeweils M Quellspektrumspunkte der L Quellspektren derart zufällig
und nicht-negativ gewählt werden, dass für die
Sparsamkeiten gemäß Gleichung (1) der L Quellspektren
gilt
Weiterhin können im Schritt B auch die N Vektorkomponenten der L Spaltenvektoren der Mischmatrix W derart zufällig und nicht-negativ gewählt werden, dass jeder der L Spaltenvektoren eine Sparsamkeit von größer oder gleich 0,7, bevorzugt größer oder gleich 0,8 und besonders bevorzugt größer oder gleich 0,90 aufweist. Dabei können auch die Sparsamkeiten der L Spaltenvektoren von W jeweils gleich oder verschieden sein.Farther In step B, the N vector components of L can also be used Column vectors of the mixed matrix W such random and non-negative be chosen that each of the L column vectors a thrift greater than or equal to 0.7, preferably greater or equal to 0.8 and more preferably greater or equal to 0.90. It can also the austerity each of the L column vectors of W is the same or different.
Dabei enthalten die bereitgestellten Matrizen W und H bis auf die angenommenen Sparsamkeiten noch keinerlei Informationen über die tatsächlichen, zugrunde liegenden charakteristischen Spektren beziehungsweise die den Messspektren tatsächlichen, zugrunde liegenden Mischungsparamter beziehungsweise Mischungsmechanismen.there contain the provided matrices W and H except for the assumed ones Frugality does not have any information about the actual, underlying characteristic spectra or the the measurement spectra actual, underlying mixing parameters or mixing mechanisms.
Durch die Wahl gleicher Sparsamkeiten für die L Quellspektren von H und/oder die L Spaltenvektoren von W kann der benötigte Aufwand, beispielsweise hinsichtlich Rechenleistung und/oder Rechenzeit, des Verfahrensschritt C für erste Annäherungsschritte des Matrixprodukts WH an die Messspektrenmatrix X im Vergleich zu gewählten verschiedenen Sparsamkeiten klein gehalten werden. Demgegenüber kann die Wahl von verschiedenen Sparsamkeiten die Flexibilität des Annäherungsverfahrens im Schritt C im Vergleich zu gleich gewählten Sparsamkeiten erhöhen.By the choice of equal savings for the L source spectra of H and / or the L column vectors of W may be the one needed Effort, for example, in terms of computing power and / or computing time, of step C for first approximation steps of the matrix product WH to the measurement spectra matrix X in comparison to chosen different economies are kept small. In contrast, the choice of different economies the flexibility of the approximation process in the Step C compared to the same thrift increase.
Dem
Verfahren liegt weiterhin die Überlegung zugrunde, dass
die charakteristischen Spektren der Lipoproteinkomponenten bzw.
der Lipoproteinkomponenten und Nicht-Lipoprotein-Komponenten in
Form einer unbekannten und zumindest vor dem Bestimmungsverfahren
noch nicht bekannten Matrix S ausgedrückt werden können,
wobei jedes der angenommenen L charakteristischen Spektren der Lipoproteinkomponenten bzw.
Lipoproteinkomponenten und Nicht-Lipoprotein-Komponenten einen Zeilenvektor
der Matrix S mit jeweils M Vektorkomponenten, das heißt
mit M Spektrumspunkten, bildet. Die durch die N Messbedingungen
hervorgerufenen Überlagerungen der L charakteristischen
Spektren können durch eine weitere unbekannte Matrix A repräsentiert
werden, wobei jeder der 1 Spaltenvektoren der Matrix A mit 1 ≤ 1 ≤ L
jeweils N Komponenten aufweist und jeweils den Beitrag des l-ten
charakteristischen Spektrums der Matrix S zu den N Messspektren angibt.
Die Matrix X kann damit als Matrixprodukt der unbekannten Matrizen
A und S mit
Die
Annäherung des Matrixprodukts WH im Verfahrensschritt C
an die Messspektrenmatrix X kann bedeuten, dass ein Maß für
den Unterschied zwischen WH und X minimiert wird. Ein derartiges
Maß kann durch eine Kostenfunktion K gegeben sein, die
beispielsweise die L2-Norm der Differenz
aus X und WH sein kann, also
Alternativ kann die Kostenfunktion auch eine auf einer relativen Entropie basierende Norm wie etwa die Kullback-Leibler-Divergenz sein: wobei xn,m das Matrixelement in der n-ten Zeile und der m-ten Spalte von X ist und whn,m das Element in der n-ten Zeile und in der m-ten Spalte der durch das Matrixprodukt aus W und H gegebenen Matrix WH ist.Alternatively, the cost function may also be a relative entropy-based norm, such as the Kullback-Leibler divergence: where x n, m is the matrix element in the n-th row and the m-th column of X and wh n, m is the element in the n-th row and in the m-th column of the matrix product of W and H given matrix WH is.
Dabei
kann die Annäherung des Matrixprodukts WH an die Messspektrenmatrix
X für die Zuordnung der aus Schritt C erhaltenen Matrix
H mit den L Quellspektren zu bekannten Spektren vom Lipoproteinkomponenten
im Schritt D ausreichend sein, wenn die Kostenfunktion K einen ausreichend
kleinen Wert erreicht, also wenn gilt:
Aus den durch den Schritt C bestimmbaren Quellspektren können zusätzlich zur reinen Identifizierung von Lipoproteinkomponenten durch Zuordnung zu bekannten Spektren auch die Konzentrationen der im Lipoproteingemisch enthaltenen Lipoproteinkomponenten bestimmbar sein, beispielsweise über Amplituden von Resonanzlinien, die in den angenäherten Quellspektren enthalten sind. Dazu kann es erforderlich sein, dass das Lipoproteingemisch eine Referenzkomponente enthält, deren Konzentration im Lipoproteingemisch bekannt ist und die in Schritt D aus einem der ermittelten Quellspektren identifizierbar ist. Die Referenzkomponente kann dabei vor dem Verfahrensschritt A dem Lipoproteingemisch zugegeben sein oder eine Lipoproteinkomponente oder Nicht-Lipoprotein-Komponente des Lipoproteingemischs sein.In addition to the pure identification of lipoprotein components by assignment to known spectra, the concentrations of the lipoprotein components contained in the lipoprotein mixture can be determinable from the source spectra determinable by step C, for example via amplitudes of resonance lines contained in the approximated source spectra. For this purpose, it may be necessary for the lipoprotein mixture to contain a reference component whose concentration in the lipoprotein mixture is known and which can be identified in step D from one of the determined source spectra. The reference comp It may be added before the process step A the lipoprotein mixture or be a lipoprotein or non-lipoprotein component of the Lipoproteingemischs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Datenverarbeitungsanlage beschrieben, die zumindest Teilschritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführen kann. Beispielsweise können die Fourier-Transformation des Verfahrensschritts A und/oder die Verfahrensschritte B und C dabei in einer geeigneten Datenverarbeitungsanlage, etwa einer digitalen Datenverarbeitungsanlage wie etwa einem Personal Computer (PC) durchgeführt werden. Ebenso kann die Zuordnung der aus dem Schritt C erhaltenen L Quellspektren in der Datenverarbeitungsanlage durchgeführt werden. Alternativ können auch für einen oder mehrere Verfahrensschritte eine oder mehrere spezifisch geeignete Datenverarbeitungsanlagen bereitgestellt werden, wobei die mehreren Datenverarbeitungsanlagen geeignet sein können, untereinander Daten auszutauschen.According to one Another embodiment is a data processing system described at least part of the steps described herein can perform. For example, the Fourier transform of the method step A and / or the method steps B and C. doing so in a suitable data processing system, such as a digital Data processing system such as a personal computer (PC) performed become. Likewise, the assignment of those obtained from step C. L source spectra performed in the data processing system become. Alternatively, for one or several process steps one or more specifically suitable Data processing systems are provided, wherein the plurality Data processing systems may be suitable to one another Exchange data.
Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
des Verfahrens ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit
den
Es zeigen:It demonstrate:
Das
mit
In
einem weiteren, in
In
einem weiteren, in der
Diese Randbedingung kann notwendig sein, damit das Optimierungsverfahren eindeutig lösbar ist. Daher werden im Verfahrensschritt B die L Quellspektren jeweils mit einer Sparsamkeit von 0,9 bereitgestellt. Um eine große Flexibilität des NMF-Verfahrens im Verfahrensschritt C zu erreichen, können die jeweiligen Sparsamkeiten der L Quellspektren auch verschieden sein.These Boundary condition may be necessary for the optimization procedure is clearly solvable. Therefore, in the process step B provided the L source spectra, each with 0.9 economy. Around a great flexibility of the NMF method in the To achieve process step C, the respective economies The L source spectra may also be different.
In
einem weiteren, in der
Die Fourier-Transformation des Verfahrensschritts A sowie die Verfahrensschritte B und C werden dabei im gezeigten Ausführungsbeispiel in einer geeigneten digitalen Datenverarbeitungsanlage durchgeführt. Ebenso wird die Zuordnung der aus dem Schritt C erhaltenen L Quellspektren in der Datenverarbeitungsanlage durchgeführt. Alternativ kann auch für einen oder mehrere Verfahrensschritte eine oder mehrere spezifisch geeignete Datenverarbeitungsanlagen bereitgestellt werden, wobei die mehreren Datenverarbeitungsanlagen geeignet sind, untereinander Daten auszutauschen.The Fourier transformation of method step A and the method steps B and C are in the illustrated embodiment in a suitable digital data processing system performed. As well becomes the assignment of the L source spectra obtained from step C. performed in the data processing system. alternative can also for one or more process steps one or several specifically suitable data processing systems provided where the multiple data processing systems are suitable, exchange data with each other.
In
den
Das
Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel
in
Im
weiteren, mit
Im
weiteren, mit
In
dem folgenden, mit
In
dem weiteren, mit
Bei
dem in Verbindung mit
Um
die Leistungsfähigkeit des hier beschriebenen Verfahrens
zu demonstrieren, ist in den
Dazu
wurde ein Lipoproteingemisch mit 15 Lipoproteinkomponenten angenommen.
Dementsprechend wurde eine Matrix mit 15 Zeilenvektoren bereitgestellt,
für die 15 simulierte, zufällig gewählte
NMR-ähnliche Messspektren als Datensätze generiert
wurden, die reale Lipoproteinkomponentenspektren in NMR-1H-Spektren von Lipoproteinkomponenten im
Blutplasma simulieren. Die 15 Datensätze entsprechend den
den Messspektren zugrunde liegenden unbekannten charakteristischen
Spektren. Die Datensätze wurden aus der gewichteten Summe
zweier absorptiver Lorentzkurven entsprechend
Die
auf diese Weise berechneten 15 NMR-ähnlichen Spektren S(ω)
bilden in Form von diskreten Wertepaaren die 15 Zeilenvektoren einer
Matrix S. Die 15 NMR-ähnlichen Spektren S(ω) sind
in
Weiterhin wurde eine Mischmatrix A mit den Matrixelementen ank bereitgestellt mitFurthermore, a mixed matrix A with the matrix elements a nk was provided with
Dabei ist t →(n) = (t0, ..., t14)T ein Vektor mit den Vektorkomponenten tn = 0 + n·0,05, n = 0, ..., 14, und b →(k) = (b0, ..., b14) ein Vektor mit den zufälligen Vektorkomponenten bk, k = 0, ..., 14, aus dem Intervall [0;1].T → (n) = (t 0 , ..., t 14 ) T is a vector with the vector components t n = 0 + n × 0.05, n = 0,..., 14, and b → ( k) = (b 0 , ..., b 14 ) a vector with the random vector components b k , k = 0, ..., 14, from the interval [0; 1].
Die
simulierte Messspektrenmatrix X wurde gemäß X
= AS erhalten, wobei alle Matrixelemente, die kleiner als eine vorgegebene
Schwelle waren, gleich 0 gesetzt wurden. Dies ist notwendig, um
ein allgegenwärtiges Rauschen auf den gemessenen Daten
zu unterdrücken und eine sparsame Kodierung zu gewährleisten.
Die so erhaltenen 15 Zeilenvektoren von X, die die 15 simulierten
Messspektren repräsentieren, sind in
Gemäß der
mit
Die Ausführungsformen und Ausführungsbeispiele zu den hier beschriebenen Verfahren sind nicht beschränkt auf die hier beschriebene Bestimmung von Lipoproteinkomponenten in einem Lipoproteingemisch, sondern können auch auf andere chemische Substanzen, die in der medizinischen, biologischen, chemischen und pharmazeutischen Analytik und Industrie angewandt werden übertragen und angewandt werden. Insbesondere kann dies für Analysen gelten, bei denen sparsam kodierte Spektren in einem oder mehreren Multikomponentenspektren überlagert messbar sind, da das hier beschriebene Verfahren lediglich die sparsame Kodierung der Quellspektren als Randbedingung verwendet und ansonsten keine weiteren Vorabinformationen über die zu bestimmenden Quellspektren heranzuziehen sind. Daher kann das hier beschriebene Verfahren beispielsweise auch für Analysen allgemein in Magnetresonanz- und/oder optischer Spektroskopie sowie der Massenspektrometrie anwendbar sein. Der Vorteil kann auch hierbei eine erhebliche Informationsausbeute bei gleichzeitig geringem Zeitaufwand bei der Analyse sein, ohne dass vorab beispielsweise Peakpositionen, Linienbreiten und/oder Linienformen bekannt sein müssen. Der Begriff „Spektrum” ist dabei breit auszulegen und nicht nur auf die vorab aus spektroskopischen Anwendungen und Verfahren bekannten Formen beschränkt. Vielmehr kann es möglich sein, dass mit dem hier beschriebenen Verfahren eine unbekannte Überlagerungen von Informationen hinsichtlich ihrer zugrunde liegenden Informationen, also hinsichtlich der Quell-Informationen, analysieren lassen, wenn nur die Überlagerungen von Informationen sowie die Quell-Informationen in einer Matrix-Schreibweise darstellbar sind und die Quell-Informationen sparsam kodiert sind.The Embodiments and embodiments to the methods described herein are not limited to the determination of lipoprotein components described herein in a lipoprotein mixture, but can also affect others chemical substances used in the medical, biological, and chemical applied to pharmaceutical analysis and industry and applied. In particular, this may be for analysis apply where sparingly encoded spectra in one or more Multicomponent spectra overlaid are measurable, as the Here described method only the economical coding of Source spectra used as boundary condition and otherwise no further Preliminary information about the source spectra to be determined are to be used. Therefore, the method described here, for example also for analyzes in general magnetic resonance and / or optical spectroscopy and mass spectrometry applicable be. The advantage here too can be a considerable information yield at the same time be a little time spent in the analysis without that in advance, for example, peak positions, line widths and / or line shapes must be known. The term "spectrum" is to be interpreted broadly and not only to the advance from spectroscopic Applications and methods limited to known forms. Rather, it may be possible that with the one described here Process an unknown overlay of information in terms of their underlying information, ie in terms of the source information, let analyze, if only the overlays of information as well as the source information in a matrix notation can be displayed and the source information is coded sparingly.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.The The invention is not by the description based on the embodiments limited to these. Rather, the invention comprises each new feature as well as any combination of features, which in particular any combination of features in the claims includes, even if this feature or this combination itself not explicitly in the patent claims or embodiments is specified.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 102004026903 [0003, 0016] - DE 102004026903 [0003, 0016]
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2009
- 2009-01-20 DE DE102009005207A patent/DE102009005207A1/en not_active Withdrawn
- 2009-06-10 WO PCT/DE2009/000821 patent/WO2009152805A1/en active Application Filing
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102004026903A1 (en) | 2004-06-01 | 2005-12-29 | Universität Regensburg | Determination of lipoprotein classes in body fluids comprises analyzing NMR spectra of a plasma or serum sample and measuring under different measuring conditions; and determining the different effects of these measuring conditions |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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WO2009152805A1 (en) | 2009-12-23 |
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