DE102020104266B3 - Device and method for analyzing blood - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vollblut-Spektroskopie-Vorrichtung umfassend die folgenden Bestandteile Lichtquelle (1) zur Emission von Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 450 bis 700 nm, Linse (2), Messküvette (4), Ulbrichtkugel (6), Spektrometer (8), Datenverarbeitungs- und Steuereinheit (9), Anzeigeeinheit (10), Pumpe (11), Ventil (12) zur Dosierung der Farbstofflösung (16) und von Referenz-Flüssigkeit (18), Ventil (14) zur Dosierung der Probe (5), Vorratsbehälter (15) für die Farbstofflösung (16) und für die Referenz-Flüssigkeit (18), Schlauchset (19), Probenport (20) und Behälter für aufgefangene Flüssigkeit (21).Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur spektroskopischen Bestimmung von Parametern in Vollblut.The invention relates to a whole blood spectroscopy device comprising the following components: light source (1) for emitting radiation in the wavelength range between 450 to 700 nm, lens (2), measuring cuvette (4), integrating sphere (6), spectrometer (8), data processing - and control unit (9), display unit (10), pump (11), valve (12) for metering the dye solution (16) and reference liquid (18), valve (14) for metering the sample (5), storage container (15) for the dye solution (16) and for the reference liquid (18), tubing set (19), sample port (20) and container for collected liquid (21). Furthermore, the invention relates to a method for the spectroscopic determination of parameters in whole blood .
Description
Die Erfindung betrifft eine auf dem Prinzip der Spektroskopie basierende Vorrichtung und eine Methode zur Analyse von Blutparametern, insbesondere von Blutparametern wie Gesamthämoglobin, Hämoglobinderivaten, Hämatokrit, Bilirubin und glykiertem Hämoglobin in Blut.The invention relates to a device based on the principle of spectroscopy and a method for analyzing blood parameters, in particular blood parameters such as total hemoglobin, hemoglobin derivatives, hematocrit, bilirubin and glycated hemoglobin in blood.
Über das Gesetz von Lambert-Beer
So kommt es bei zu hohen Konzentrationen zu Abweichungen von diesem Gesetz, auch aufgrund von Sättigungseffekten. Bei sehr geringen Konzentrationen kann die Nachweisgrenze erreicht werden. Die spektrale Bandbreite und Abweichung der verwendeten Wellenlänge können das Ergebnis verfälschen. Eine besondere Herausforderung stellt die Vermessung von nicht homogenen Proben natürlichen Ursprungs dar, wie zum Beispiel Blut. Im Vollblut befindet sich der größte Teil des Hämoglobins und seiner Derivate in den roten Blutkörperchen. Das umgebende Blutplasma hat einen geringeren Brechungsindex, wodurch es zu Streueffekten an der Grenzschicht kommt. Daher werden Vollblutproben häufig vor der Bestimmung von Blutparametern wie Gesamthämoglobin, Hämoglobinderivaten, Hämatokrit, Bilirubin und glykiertem Hämoglobin einer Hämolyse zur Auflösung der roten Blutkörperchen unterzogen. Zur Hämolyse kommen dabei Ultraschall oder Reagenzien zum Einsatz. Die Notwendigkeit der Hämolyse wird als nachteilig gesehen, da es gegenüber der direkten Messung in Vollblut zu Zeitverlusten kommt und die Blutproben irreversibel verändert werden und so für weitere Messungen nicht mehr zur Verfügung stehen. Erfolgt die Hämolyse nicht vollständig, können weiter Streueffekte auftreten, die zu einem Fehler in der Bestimmung der Blutparameter führen. Ebenfalls nachteilig ist, dass zusätzliche Verbrauchsmittel (z.B. Reagenzien) und gegebenenfalls weitere Komponenten (z.B. Ultraschallerzeuger) für die Hämolyse benötigt werden, womit ein höherer Wartungsaufwand und zusätzliche Kosten verbunden sind.If the concentrations are too high, there are deviations from this law, also due to saturation effects. The detection limit can be reached at very low concentrations. The spectral bandwidth and the deviation of the wavelength used can falsify the result. The measurement of non-homogeneous samples of natural origin, such as blood, is a particular challenge. In whole blood, most of the hemoglobin and its derivatives are found in red blood cells. The surrounding blood plasma has a lower refractive index, which leads to scattering effects at the boundary layer. Therefore, whole blood samples are often subjected to hemolysis to dissolve red blood cells prior to the determination of blood parameters such as total hemoglobin, hemoglobin derivatives, hematocrit, bilirubin, and glycated hemoglobin. Ultrasound or reagents are used for hemolysis. The need for hemolysis is seen as a disadvantage, since compared to direct measurement in whole blood, time is lost and the blood samples are irreversibly changed and are therefore no longer available for further measurements. If the hemolysis does not take place completely, scattering effects can also occur, which lead to an error in the determination of the blood parameters. Another disadvantage is that additional consumables (e.g. reagents) and possibly other components (e.g. ultrasound generator) are required for the hemolysis, which means higher maintenance and additional costs.
Ein Verfahren, um Hämoglobinderivate ohne vorherige Hämolyse optisch bestimmen zu können, ist in
In den Schriften
In der Veröffentlichung
Bei der Veröffentlichung
In der
Aufgrund der hier verwendeten monochromatischen Lichtquellen ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, breitbandige Spektren der Probe aufzunehmen.Due to the monochromatic light sources used here, it is not possible to record broadband spectra of the sample with this method.
In der
Es wäre sehr wünschenswert über ein spektroskopisches Messsystem zu verfügen, welches Vollblutanalysen unter Verwendung von Küvetten zulässt, die nicht vorher einzeln kodiert werden müssen, sondern bei denen die Kodierung über das Gerät erfolgt, in dem die Küvetten genutzt werden. Die
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die spektroskopische Analyse von nicht hämolysierten Vollblutproben unter Verwendung von frei wählbaren Küvetten mit nicht vorherbestimmter optischer Pfadlänge zulässt.It is therefore the object of the invention to provide a device and a method which allows the spectroscopic analysis of non-hemolyzed whole blood samples using freely selectable cuvettes with an optical path length that is not predetermined.
Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die spektroskopische Analyse von nicht hämolysierten Vollblutproben zur Bestimmung der Parameter Gesamthämoglobin, Hämoglobinderivaten (z.B. oxygeniertem Hämoglobin (O2Hb), reduziertem Hämoglobin (HHb), Carboxyhämoglobin (COHb) und Methämoglobin (MetHb)), Hämatokrit, Bilirubin und glykiertem Hämoglobin unter Verwendung von frei wählbaren Küvetten mit nicht vorherbestimmter optischer Pfadlänge zulässt.In particular, it is the object of the invention to provide a device and a method which allow the spectroscopic analysis of non-hemolyzed whole blood samples to determine the parameters total hemoglobin, hemoglobin derivatives (e.g. oxygenated hemoglobin (O 2 Hb), reduced hemoglobin (HHb), carboxyhemoglobin (COHb ) and methemoglobin (MetHb)), hematocrit, bilirubin and glycated hemoglobin using freely selectable cuvettes with non-predetermined optical path lengths.
Die Erfinder haben nun festgestellt, dass sich Parameter in nicht hämolysiertem Vollblut unter Verwendung von frei wählbaren Küvetten, mit nicht vorherbestimmter optischer Pfadlänge bestimmen lassen, wenn die im folgenden beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung und ein spektroskopisches Verfahren mit den folgenden Merkmalen verwendet wird.
- • Verwendeter Spektralbereich 450 bis 700 nm (sichtbares Licht)
- • Messen der im Transmissionsspektrum enthaltenen gestreuten und ungestreuten Anteile
- • Erfassen der optischen Pfadlänge der Messküvette
- • Erfassen von Verunreinigungen in der Messküvette
- • Vermessung der nicht vorbehandelten Blutprobe in einer Messküvette
- • Korrektur der gemessenen Spektren mit den Daten der Messküvette
- • Extraktion eines Merkmalsvektors Vaus dem gemessenen Spektrum
- • Erzeugung eines generierten Merkmalsvektors VR mit Hilfe von Mustererkennung nach dem Verfahren Support Vector Regression (SVR)
- • Vergleich des Merkmalsvektors V mit dem generierten Merkmalsvektor VR aus einer Datenbank
- • Spectral range used 450 to 700 nm (visible light)
- • Measurement of the scattered and unscattered components contained in the transmission spectrum
- • Acquisition of the optical path length of the measuring cuvette
- • Detection of impurities in the measuring cuvette
- • Measurement of the blood sample that has not been pretreated in a measuring cuvette
- • Correction of the measured spectra with the data from the measuring cuvette
- • Extraction of a feature vector V from the measured spectrum
- • Generation of a generated feature vector V R with the help of pattern recognition according to the Support Vector Regression (SVR) method
- • Comparison of the feature vector V with the generated feature vector V R from a database
Dabei stellte sich in so nicht zu erwartender Weise heraus, dass die Präzision, Genauigkeit und Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens und der ebenfalls erfindungsgemäßen Vorrichtung mehr als ausreichen, um Parameter in nicht hämolysiertem Vollblut unter Verwendung von frei wählbaren Küvetten, mit nicht vorherbestimmter optischer Pfadlänge zu bestimmen. Insbesondere stellte sich unerwarteter Weise heraus, dass bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung allein die Messung der Transmissionsspektren ausreichend ist.It turned out, in a way that was not to be expected, that the precision, accuracy and robustness of the method according to the invention and the device according to the invention are more than sufficient to determine parameters in non-hemolyzed whole blood using freely selectable cuvettes with an optical path length that has not been predetermined . In particular, it unexpectedly turned out that when using the method according to the invention and / or the device according to the invention, the measurement of the transmission spectra alone is sufficient.
In einem Aspekt wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine spektroskopische Vorrichtung zur Vermessung von Vollblut, welche die folgenden Bestandteile umfasst: Lichtquelle (
In einer besonderen Ausführungsform der spektroskopischen Vorrichtung sind Referenz-Flüssigkeit (
In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist die Linse (
In einer weiteren Ausführungsform kann ein Lichtwellenleiter (
Bei der breitbandigen Lichtquelle (
Bei der Referenz-Flüssigkeit kann es sich um eine Spüllösung handeln, welche beispielsweise Proteinentferner enthält. Weiterhin kann die Spüllösung zusätzlich einen Farbstoff mit bekanntem Absorptionseigenschaften enthalten.The reference liquid can be a rinsing solution that contains protein remover, for example. Furthermore, the rinsing solution can additionally contain a dye with known absorption properties.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur spektroskopischen Bestimmung von Parametern in Vollblut umfassend die folgenden Schritte:
- i. Bestimmung eines Referenzspektrums I0 im Rahmen einer Transmissionsmessung
- ii. Bestimmung des Spektrums eines Farbstoffs IF im Rahmen einer Transmissionsmessung
- iii. Ermittlung eines Korrekturfaktors für eine Messküvette (
4 ), wobei die Funktion der Messküvette derart ist, dass Farbstoff, Referenz-Flüssigkeit als auch Vollblut-Probe in die Messküvette injiziert und dort jeweils optisch mittels einer Vollblut-Spektroskopie-Vorrichtung untersucht werden - iv. Bestimmung eines Vollblut-Probenspektrums IP im Rahmen einer Transmissionsmessung
- v. Korrektur des gemessenen Vollblut-Probenspektrums IP mit dem Korrekturfaktor der Messküvette aus Schritt iii
- vi. Extraktion eines Merkmalsvektors Vaus dem korrigierten gemessenen Vollblut-Probenspektrum IP
- vii. Vergleich des Merkmalsvektors V mit einem generierten Merkmalsvektor VR aus einer Datenbank, wobei aus dem Vergleich die Parameter des Vollbluts bestimmt werden.
- i. Determination of a reference spectrum I 0 as part of a transmission measurement
- ii. Determination of the spectrum of a dye I F as part of a transmission measurement
- iii. Determination of a correction factor for a measuring cuvette (
4th ), the function of the measuring cuvette being such that dye, reference liquid and whole blood sample are injected into the measuring cuvette and are each examined there optically by means of a whole blood spectroscopy device - iv. Determination of a whole blood sample spectrum I P as part of a transmission measurement
- v. Correction of the measured whole blood sample spectrum I P with the correction factor of the measuring cuvette from step iii
- vi. Extraction of a feature vector V from the corrected measured whole blood sample spectrum I P
- vii. Comparison of the feature vector V with a generated feature vector V R from a database, the parameters of the whole blood being determined from the comparison.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung von I0 (Schritt i) und IF (Schritt ii) mit einer Messung.In a preferred embodiment of the method according to the invention, I 0 (step i) and I F (step ii) are determined with a measurement.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können falsche Messergebnisse verursacht von starker Verschmutzung und/oder minderwertiger und/oder nicht originaler Messküvette (
Idealerweise absorbiert und fluoresziert der verwendete Farbstoff nicht innerhalb des für die Bestimmung der Blutparameter genutzten Spektralbereichs. Auf diese Weise kann der Farbstoff in der Referenz-Flüssigkeit (
Über
Es ist aus zwei Gründen vorteilhaft, einen Farbstoff mit Anregungsmaximum im nahinfraroten Spektralbereich (NIR) zu wählen: Aufgrund des Emissionsspektrums der verwendeten Lichtquelle sowie der Sensitivität des halbleiterbasierten Detektors ergibt sich im NIR ein für die Messung besonders vorteilhaftes hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Außerdem ist das von angeregten Farbstoffen emittierte Licht (Fluoreszenz) zu höheren Wellenlängen hin verschoben und würde bei einer zu niedrigen Anregungswellenlänge den für die Messungen genutzten Spektralbereich überlagern. In Frage kommen beispielsweise Farbstoffe aus der Gruppe der Cyanine, wie Cyanin 7 oder Indocyaningrün, wobei die genauen optischen Eigenschaften von dem verwendeten Lösungsmittel abhängig sind.It is advantageous to choose a dye with an excitation maximum in the near-infrared spectral range (NIR) for two reasons: Due to the emission spectrum of the light source used and the sensitivity of the semiconductor-based detector the result in the NIR is a particularly advantageous high signal-to-noise ratio (SNR) for the measurement. In addition, the light emitted by excited dyes (fluorescence) is shifted to higher wavelengths and would overlap the spectral range used for the measurements if the excitation wavelength is too low. For example, dyes from the group of cyanines, such as cyanine 7 or indocyanine green, come into consideration, the exact optical properties depending on the solvent used.
Die Konzentration des Farbstoffs c ist so gewählt, dass eine lineare Aussteuerung des Spektrometers (
Hat das Spektrometer (
Für eine präzise Vorhersage der Blutparameter sollte die optische Pfadlänge d der Messküvette (
Falls die ermittelte optische Pfadlänge d außerhalb eines festgelegten Konfidenzintervalls liegt, kann dies auf eine besonders starke Verschmutzung oder eine minderwertige, möglicherweise nicht originale Messküvette (
Im Folgenden soll exemplarisch die Allgemeinheit der Lehre nicht einschränkend das Vorgehen beschrieben werden.In the following, the generality of the teaching is to be described as an example and the procedure is not restricted.
Der Messvorgang wird vom Benutzer initiiert, indem die Probe (
Die Lichtquelle (
Anschließend wird der Quotient aus Probenspektrum IP und Referenzspektrum I0 gebildet, der die normierte Transmission darstellt. Diese wird auf dem Fachmann bekannte Art und Weise um nichtlineare Effekte korrigiert, die durch die Verwendung der Ulbrichtkugel (
Die Regressionsmodelle wurden zuvor aus einer großen Anzahl von Blutproben ermittelt. Für das optische Verhalten relevante Einflussgrößen, wie beispielsweise der Hämatokrit, die Hämoglobinderivate O2Hb, HHb, COHb und MetHb und die osmotische Konzentration, wurden dabei gezielt eingestellt und über den klinisch relevanten Bereich variiert. Anschließend wurde die totale Transmission jeder Probe in einem Laboraufbau gemessen und die zugehörigen Referenzwerte der Blutparameter bestimmt. Das Gesamthämoglobin (ctHb) sowie die Anteile der Hämoglobinderivate O2Hb, COHb und MetHb wurden mit einem Radiometer OSM 3 Hämoximeter bestimmt. Dabei wurde der Mittelwert aus zwei Messungen gebildet. HHb wurde als Differenz der Summe der sonstigen Derivate zu 100 % berechnet. Der Hämatokrit wurde mittels Zentrifugation von Glaskapillaren nach DIN 58933-1 bestimmt. Als Algorithmus kam Support Vector Regression (SVR) zum Einsatz. Gegenüber einigen anderen Verfahren, wie z.B. neuronalen Netzen, bietet SVR Vorteile für biologische Proben:
- 1. Nicht-lineare Zusammenhänge können über einen Kernel-Trick transformiert werden
- 2. Nur eine überschaubare Anzahl an Hyperparametern muss optimiert werden
- 3. Bereits eine relativ kleine Anzahl an Beobachtungen führt zu stabilen Modellen
- 1. Non-linear relationships can be transformed using a kernel trick
- 2. Only a manageable number of hyperparameters needs to be optimized
- 3. Even a relatively small number of observations leads to stable models
Für jeden Blutparameter wurde ein eigenes Regressionsmodell erstellt. Dieser Vorgang wird Training genannt. Dabei beeinflussen mehrere sogenannte Hyperparameter die Anpassung der Modelle. Ihre optimalen Werte wurden in einem iterativen Prozess ermittelt und der Vorhersagefehler der Modelle dadurch minimiert. Um eine Über- bzw. Unteranpassung zu vermeiden wurde zudem eine 5-fache Kreuzvalidierung durchgeführt. Beispielhaft für einen Test-Datensatz aus 38 Proben von 8 Individuen, die nicht Bestandteil des zum Training verwendeten Datensatzes waren, sind die Ergebnisse in den
Die Performance der Regressionsmodelle wurde mit den im maschinellen Lernen geläufigen Metriken Korrelationskoeffizient (R2), mittlere quadratische Abweichung (RMSE) und mittlere absolute Abweichung (MAE) bewertet. Der Korrelationskoeffizient R2 ist für alle Blutparameter größer als 0,975 und bestätigt die hervorragende Korrelation von Vorhersage und Referenz. Der Fehler in der Vorhersage ist mit einem MAE von stets kleiner 1,97 % über den gesamten klinisch relevanten Bereich ausreichend klein. Die Querempfindlichkeiten zwischen den einzelnen Parametern sind hinreichend gering.The performance of the regression models was assessed using the metrics common in machine learning: correlation coefficient (R 2 ), mean square deviation (RMSE) and mean absolute deviation (MAE). The correlation coefficient R 2 is greater than 0.975 for all blood parameters and confirms the excellent correlation between prediction and reference. The error in the prediction is sufficiently small with an MAE of always less than 1.97% over the entire clinically relevant range. The cross-sensitivities between the individual parameters are sufficiently low.
FigurenlisteFigure list
-
2 ) und Lochblende (3 ).2 ) and pinhole (3 ). -
15 ) und (17 ) für Referenz-Flüssigkeit (18 ) und Farbstofflösung (16 ) und separaten Ventilen (12 ,13 ) für die Dosierung von Referenz-Flüssigkeit (18 ) und Farbstofflösung (16 ).15th ) and (17th ) for reference liquid (18th ) and dye solution (16 ) and separate valves (12th ,13th ) for dosing reference liquid (18th ) and dye solution (16 ). -
-
-
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- LichtquelleLight source
- 22
- Linselens
- 33
- LochblendePinhole
- 44th
- MessküvetteMeasuring cuvette
- 55
- Probesample
- 66th
- UlbrichtkugelIntegrating sphere
- 77th
- Lichtwellenleiteroptical fiber
- 88th
- Spektrometerspectrometer
- 99
- Datenverarbeitungs- und SteuereinheitData processing and control unit
- 1010
- AnzeigeeinheitDisplay unit
- 1111
- Pumpepump
- 1212th
- VentilValve
- 1313th
- VentilValve
- 1414th
- VentilValve
- 1515th
- VorratsbehälterStorage container
- 1616
- FarbstofflösungDye solution
- 1717th
- VorratsbehälterStorage container
- 1818th
- Referenz-FlüssigkeitReference liquid
- 1919th
- SchlauchsetHose set
- 2020th
- ProbenportSample port
- 2121
- AuffangbehälterCollecting container
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