DE60023534T2

DE60023534T2 - Verfahren zur optimierung der wellenlängenkalibrierung

Info

Publication number: DE60023534T2
Application number: DE60023534T
Authority: DE
Inventors: E. Theodore CADELL; Geng Waterloo LU
Original assignee: NIR Diagnostics Inc
Current assignee: NIR Diagnostics Inc
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2020-10-14
Also published as: CA2386184C; EP1221028B1; JP2003511687A; CA2386184A1; DE60023534D1; EP1221028A1; WO2001027572A1; ATE308034T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die Gebiete der Spektroskopie und der Kalibrierung eines spektroskopischen Geräts, beispielsweise eines Spektrometers zum Vorherberechnen eines Analytikum-Pegels. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Optimieren der Wellenlängen-Kalibrierung, um die Übertragung eines Kalibrierungsmodells von einem primären Gerät auf ein sekundäres Gerät zu ermöglichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Spektroskopie basiert auf der Analyse davon, wie einfallende Strahlung mit Vibrations- und Rotationszuständen von Molekülen, häufig innerhalb einer Matrix wie Blut oder lebendem Gewebe, wechselwirkt, die von analytischem Interesse sind. Spektrometer und andere ähnliche Geräte, die spektroskopische Messtechniken verwenden, haben wegen der Fähigkeit, schnelle und zerstörungsfreie Messungen von Konzentrationen von unterschiedlichen Chemikalien oder Analytika zu liefern, eine gesteigerte Popularität erlangt. Insbesondere ist die Spektrophotometrie eine Art der Spektroskopie, die im Allgemeinen verwendet wird, um Eigenschaften, beispielsweise Analytika-Konzentrationen, basierend auf der spektralen Energieverteilung in dem Absorptionsspektrum einer Probelösung oder eines Mediums quantitativ zu messen. In der Spektrophotometrie wird die Energieverteilung typischerweise in einem Bereich des sichtbaren, ultravioletten, infraroten oder nah-infraroten Spektrums analysiert. Zum Beispiel ist die Nah-Infrarot-Strahlung (NIR) elektromagnetische Strahlung, die eine Wellenlänge zwischen etwa 750 und 2500 Nanometer (nm) hat. Nah-Infrarot-Spektrophotometrie verwendet im Allgemeinen Instrumente mit Quarz-Prismen in Monochromatoren und mit Bleisulfid-Lichtleiterzellen oder Photodioden als Detektoren, um die Ab sorptionsbanden zu beobachten. Nah-Infrarot-Spektrophotometrie wird z.B. häufiger verendet, um in vivo Analytika wie Glukose, Fruktose, Glycerol und Ethanol zu messen.
Spektroskopische Geräte sind im Stand der Technik gut bekannt und werden im Detail z.B. in den U.S.-Patenten Nr. 5,361,758 und Nr. 5,771,094 beschrieben. Im Allgemeinen umfasst ein typisches Spektrometer-System eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht durch die zu untersuchenden Probe, einen Probenschnittstellenmechanismus, ein Spektrometer zum Auftrennen des Lichts in seinen Wellenlängenbestandteile, einen Detektor, Verstärkungselektronik und einen Mikroprozessor oder ein Computersystem. Durch Messen des Verlusts (der Absorption) zwischen der Quelle und dem Detektor und durch Anwenden geeigneter chemometrischer oder mathematischer Verfahren ist es möglich, die chemischen Analytika zu bestimmen, die untersucht werden, da unterschiedliche Chemikalien unterschiedliche Mengen von Licht absorbieren. Der Detektor oder Photodetektor umfasst im Allgemeinen eine Photodiodenanordnung von Pixeln, die dem Detektor ermöglichen, gleichzeitig die Intensitäten einer Anzahl von unterschiedlichen spektralen Bestandteilen bei unterschiedlichen Wellenlängen zu erfassen. Die Intensitäten bei diesen unterschiedlichen Wellenlängen können verwendet werden, um wiederum die Mengen oder Konzentrationen des/der Analytikums/Analytika von Interesse vorherzuberechnen.
Die Kalibrierung von Spektrometern und analytischen Instrumenten ist im Allgemeinen notwendig, um die Genauigkeit der Messungen, die mit solchen Geräten durchgeführt werden, sicherzustellen. Zusammenfassend ist die Kalibrierung die Entwicklung eines Modells oder Algorithmusses, die die Eigenschaften (z.B. Analytika-Konzentrationen) einer Probe aus der Spektrometerantwort vorherberechnen. Um ein Spektrometer zu kalibrieren, werden die spektralen Antworten von mehreren Kalibrierungsproben oder Standards, die bekannte Konzentrationen eines Analytikums von Interesse haben, gemessen. Durch Kombination der bekannten Konzentrationsdaten mit den gemessenen spektralen Antwortdaten kann ein Kalibrierungsmodell (d.h. eine mathematische Beziehung) entwickelt werden, wobei ein "best fit"-Regressionsverfahren (z.B. die Methode der partiell kleinsten Quadrate oder PLS) zwischen den spektralen Messungen und dem Analytikum oder Eigenschaft von Interesse verwendet wird. Das Kalibrierungsmodell oder der Algorithmus werden dann in einem permanenten Speicher gespeichert, wie z.B. in einem Mikroprozessorsystem des Geräts. In den meisten Fällen ist die Antwort des Spektrometers ein Maß einer Anzahl von Variablen, z.B. einer Anzahl von unterschiedlichen chemischen Spezies, die in einer Probe vorhanden sind, sodass eine Kalibrierung auf einem mehrdimensionalen Kalibrierungsmodell basiert. Das Spektrometer und sein Kalibrierungsmodell können dann verwendet werden, um die Eigenschaft oder Eigenschaften (z.B. Analytika-Konzentrationen) einer unbekannten Probe abzuschätzen. Durch Erfassen der Pixel-Ortsangabe eines spektralen Bestandteils, der mit dem Spektrometer gemessen wird, ist die Wellenlänge dieser spektralen Komponente bekannt, und folglich kann eine Vorherberechnung durch den Mikroprozessor berechnet werden, wobei der Kalibrierungsalgorithmus verwendet wird.
Eine Kalibrierung, d.h. das Entwickeln und die Berechnung eines Kalibrierungsalgorithmusses, wird im Allgemeinen an einem primären Instrument oder Gerät durchgeführt, wenn es initialisiert oder installiert wird oder wenn irgendeine seiner Komponenten ersetzt wird. Dieses primäre Instrument ist häufig ein Mitglied einer Gruppe von ähnlichen Instrumenten, die von demselben Hersteller hergestellt worden sind, und hat dieselben Komponententypen, Modell-Nr. usw. Die anderen Mitglieder dieser Instrumentengruppe werden im Folgenden als "sekundäre" oder "Ziel"-Instrumente bezeichnet. Weil eine Kalibrierung ein länglicher und verwickelter Prozess ist, ist es häufig unpraktisch, jedes sekundäre Instrument eines Satzes individuell neu zu kalibrieren, weil dies neben anderen Schwierigkeiten eine Vielzahl von Kalibrierungsproben an dem Ort jedes sekundären Instruments erfordert. Stattdessen wird in vielen spektroskopischen Anwendungen das Kalibrierungmodell, das für das primäre Instrument entwickelt worden ist, für viele skeptroskopische Anwendungen auf jedes sekundäre Instrument übertragen. Zum Beispiel ist die Übertragung von Kalibrierungsalgorithmen zwischen primären und sekundären Instrumenten häufig bei NIR-Spektrophotmetern gewünscht.
Wenn jedoch ein Kalibrierungsmodell, das unter Verwendung von Messungen an einem primären Instrument bestimmt worden ist, auf ein anderes Instrument desselben Typs übertragen wird, tritt im Allgemeinen ein Verlust an Genauigkeit auf. Dieser Verlust an Genauigkeit ist durch die inhärenten Unterschiede verursacht, die zwischen jeden von zwei physikalischen Geräten existieren, was zu einer Veränderung bei den spektralen Antworten (d.h. der Korrelation zwischen Pixel-Ortsangaben und Wellenlängen) führt und die Reproduzierbarkeit von Messungen mit dem sekundären Gerät beeinträchtigt.
Eine Wellenlängenkalibrierung wird durchgeführt, um die Ungenauigkeit, die der Übertragung des Kalibrierungsalgorithmusses zwischen den Instrumenten innewohnt, zu vermindern. Zu diesem Zweck wird/werden typischerweise eine/mehrere Kalibrierungslichtquelle(n) verwendet, die Spektrallinien bei zwei oder mehr bekannten Wellenlängen haben, um Wellenlängen-Kalibrierungsparameter zu liefern. Eine Kalibrierungslichtquelle kann z.B. ein Laser oder eine Quecksilberlampe sein. Die Pixel-Ortsangaben der Spektrallinien der Kalibrierungslichtquelle werden genauer an die bekannten Wellenlängen angepasst, um die Kalibrierungsreferenz zu verbessern. Das Kalibrierungsmodell oder der Algorithmus können dann angepasst werden, um jedem Pixel der Multi-Pixel-Detektoranordnung genauere Wellenlängenwerte zuzuweisen.
Wenn jedoch eine Kalibrierungslichtquelle wie beispielsweise ein Laser verwendet wird, um eine ausgewählte Wellenlänge in der Pixelanordnung eines Spektrometers zu bestimmen, ist eine Wellenlängenkalibrierung mit ±0,2 nm typischerweise sehr schwer zu erreichen, und eine genauere Wellenlängenkalibrierung ist im Allgemeinen nicht möglich. Für viele spektroskopische Anwendungen ist diese Höhe einer Wellenlängenungenauigkeit jedoch inakzeptabel, weil es signifikante Fehler bei Analytika-Konzentrationsvorherberechnungen oder Abschätzungen verursachen kann und insbesondere bei Messungen, die in einem komplexen Medium wie lebendem Gewebe oder Blut durchgeführt werden.
In ähnlicher Weise kann es ebenfalls wünschenswert sein, eine Kalibrierung, die für ein primäres Instrument entwickelt worden ist, auf ein Ziel-Instrument zu übertragen, wobei das Ziel-Instrument das primäre Instrument ist, nachdem eine Zeitdauer vergangen ist. Während dieser Zeit kann sich die Antwort des primären Instruments aufgrund von Detektorinstabilitäten, Temperaturveränderungen, Drift in der Elektronik des Primär-Instruments oder andere Ursachen verändert haben. Folglich kann das primäre Instrument eine darauffolgende Wellenlängenneukalibration erfordern, um signifikante Ungenauigkeiten zu vermeiden.
Daher ist eine Wellenlängenkalibrierung eines Spektrometers mit einer Pixel-Anordnung (z.B. aus Photodioden) und die Anpassung des Kalibrierungsmodells hochgradig wünschenswert, um die Abweichungen zwischen Instrumenten zu minimieren, und es gibt einen Bedarf für ein verbessertes Verfahren einer Wellenlängenkalibrierung, um die Übertragung eines Kalibrierungsalgorithmusses oder -modells von einem primären Instrument auf ein sekundäres Instrument (das das primäre Instrument zu einem späteren Zeitpunkt umfassen kann) zu ermöglichen und zu verbessern. Die Fähigkeit, Kalibrierungsalgorithmen genau von ei nem primären Gerät auf ein sekundäres Gerät zu übertragen, ist z.B. insbesondere im Fall von NIR-Spektrophotometern wünschenswert.
Das Dokument US 5,347,475 offenbart ein Verfahren zum Übertragen von spektralen Informationen unter Spektrometern, wobei das Verfahren Korrelationen zwischen Pixel-Ortsangaben der Spektrometer einbezieht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder haben ein Verfahren entwickelt, um ein verbessertes und genaueres Verfahren der Wellenlängenkalibrierung bereitzustellen, um eine Übertragung eines Kalibrierungsalgorithmusses oder -modells von einem primären Instrument auf ein sekundäres oder Ziel-Instrument (umfassend das primäre Instrument zu einem späteren Zeitpunkt) zu ermöglichen.
Gemäß dem Hauptausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren der Wellenlänge eines Ziel-Instruments bereit, wobei das Ziel-Instrument mit einem Kalibrierungsmodell versehen wird, das für ein primäres Instrument entwickelt wurde, wobei das Verfahren die Schritte (a)–(h) umfasst, die in Anspruch 1 angegeben sind.
Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf den verbleibenden Teil der Beschreibung in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen deutlicher und schneller verständlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein verbessertes Verständnis der vorliegenden Erfindung und um klarer zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, wird auf den verbleibenden Teil der Beschreibung und die angefügten Zeichnungen Bezug genommen, die lediglich anhand eines Beispiels ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen:
1 zeigt die Verschiebung der Vorherberechnungen des sekundären Instruments als eine Funktion der Wellenlängenverschiebung,
2 stellt den Umfang der Variabilität der Vorherberechnung (zufällige Fehler) als eine Funktion der Wellenlängenverschiebung dar,
3 zeigt eine beispielhafte Graphik der spektralen Residuen für ein NIR-Photodioden-Anordnung-Spektrophotometer, das einen 256-Pixel-Anordnung hat,
4 stellt graphisch die Veränderung der Summe des absoluten Werts der spektralen Restbestandteile für einen ersten Wellenlängen-Kalibrierungsparameter dar und
5 stellt graphisch die Veränderung in der Summe der absoluten Werte der spektralen Restkomponenten für einen zweiten Wellenlängen-Kalibrierungsparameter dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Einfachheit halber wird für die folgende Beschreibung angenommen, dass ein Kalibrierungsmodell in bekannter Weise entwickelt worden ist, um eine gewünschte Eigenschaft oder Eigenschaften basierend auf Messungen vorherzuberechnen, die mit einem primären spektroskopischen Instrument, beispielsweise einem NIR-Photodioden-Anordnung-Spektrophotometer zum Messen des Blutglukosekonzentrationspegels, durchgeführt wurden. Bei den meisten spektroskopischen Anwendungen ist das Kalibrierungsmodell mehrdimensional, d.h. es hängt von einer Vielzahl von Parametern oder Bestandteilen ab. Die Anzahl von Pixeln in dem Detektor eines solchen Gerätes ist typischerweise eine Potenz von zwei, z.B. 256, 512 oder 1024.
Wenn das Kalibrierungsmodell übertragen wird zur Verwendung bei einem sekundären oder Ziel-Instrument desselben Typs wie das primäre Instrument, senkt jede Wellenlängenverschiebung zwischen der spektralen Antwort (d.h. eine Verschiebung bei der Pixel-Ortsangabe in Bezug auf Wellenlängen) des sekundären Instruments im Vergleich zu dem primären Instrument die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Vorherberechungen, die auf Messungen mit dem sekundären Instrument basieren. Insbesondere wenn diese Wellenlängenverschiebung zwischen primären und sekundären Instrumenten wächst, sind die Vorherberechnungen des sekundären Instruments zunehmend verschoben, wie in 1 dargestellt ist, und zeigen ferner einen Anstieg des Umfangs der Variabilität der Vorherberechnungen (zufällige Fehler), wie in 2 dargestellt ist. Diese verschlechternden Wirkungen sind im Allgemeinen sogar noch verstärkt und einschneidender, wenn die Komplexität des mehrdimensionalen Kalibrierungsmodells steigt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Kalibrieren der Wellenlänge des sekundären Instruments oder Geräts bereit, um die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Vorherberechnungen basierend auf Messungen durch das Ziel- oder sekundären Geräts und dem übertragenen Kalibrierungsalgorithmus zu verbessern. Wie oben erwähnt, kann das Zielgerät ebenfalls das primäre Gerät nach einer Zeitspanne sein, nachdem das primäre Gerät ursprünglich kalibriert worden war. Dabei verrin gert das Wellenlängen-Kalibrierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl die Verschiebung als auch die Variabilität der Vorherberechnung des sekundären oder Zielgeräts auf ein deutlich akzeptableres Niveau.
Die vorliegende Erfindung basiert in Teilen auf der Erkenntnis, dass dann, wenn ein Kalibrierungsalgorithmus für ein primäres Instrument bestimmt worden ist, Vorherberechungen aus Messungen an den sekundären Instrumenten, die diesen Algorithmus verwenden, die Höhe der spektralen Reste beeinflussen. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren wie folgt ausgeführt werden.
Anfänglich werden zwei oder mehr Wellenlängen-Kalibrierungsparameter P_n1, P_n2, ... P_nN getrennt voneinander für jedes aus dem primären und dem sekundären Instrument gewonnen. Vorzugsweise werden die Wellenlängen-Kalibrierungsparameter für das primäre Instrument gleichzeitig mit oder ungefähr zu der gleichen Zeit mit der Erzeugung des Kalibrierungsmodells dafür bestimmt. Diese Parameter werden durch Verwendung von Wellenlängen-Kalibrierungsstrahlungsquellen mit bekannten Wellenlängen bei jedem Instrument und durch Bestimmung der Pixel-Ortsangaben gewonnen, die den bekannten Wellenlängen von jeder verwendeten Quellen entsprechen. Im Allgemeinen werden wenigstens zwei Quellen und zwei Wellenlängen-Kalibrierungsparameter für den Zweck der vorliegenden Erfindung benötigt. Zum Beispiel können für ein NIR-Photodioden-Anordnung-Spektrophotometer, das eine 256-Pixel-Anordnung hat und betreibbar ist, um eine spektrale Antwort zwischen ungefähr 600 nm und 1100 nm zu liefern, erste und zweite Laserwellenlängen-Kalibrierungsquellen verwendet werden, die Wellenlängen von 632 nm bzw. 1024 nm haben. Die Pixel-Ortsangaben, die den Laserquellen entsprechen, werden dann für jedes der primären und der sekundären Instrumente aufgenommen, um die Wellenlängen-Kalibrierungsparameter (P_n1 und P_n2) zu liefern. Wie oben erläutert, sind solche Laserquellen im Allgemeinen bestenfalls mit einer Genauigkeit von ungefähr 0,2 nm erhältlich. Folglich ist es oft wahrscheinlich, dass die anfänglichen Wellenlängen-Kalibrierungsparameter, die für das Sekundär-Instrument erhalten werden, keine hinreichende Genauigkeit für viele spektroskopische Anwendungen bereitstellen.
Aus den Wellenlängen-Kalibrierungsparametern P_n1, P_n2, ... P_nN wird für das primäre Gerät eine primäre oder Referenz-Wellentabelle erzeugt, und eine anfängliche sekundäre Wellentabelle wird für das sekundäre Gerät erzeugt. Die Wellentabellen liefern im Wesentlichen die Korrelation zwischen den Pixel-Ortsangaben der speziellen Geräte und der Wellenlänge. Die Wellentabellen können durch eine Anzahl von möglichen analytischen Anpassungsverfahren umfassend lineare und trigonometrische Verfahren erzeugt werden. Zum Beispiel bildet bei einer linearen Anpassung ein Pixel eine konstante Wellenlängendifferenz ab, z.B. 2 nm/Pixel.
Spektrale Antworten oder Spektren, die von jedem Instrument für eine typische oder repräsentative Probe gemessen werden, und werden als Nächstes aufgenommen. Der Satz von gemessenen spektralen Bestandteilen, die durch das Referenz- (primäre) und das sekundäre Instrument bereitgestellt werden, werden hierin im Folgenden als S_ref bzw. S_sec bezeichnet. Die spezielle Wahl einer Probe, die für diese Messungen verwendet wird, ist nicht von Bedeutung. Zum Beispiel kann für möglicherweise Blutanalysemessungen ein Finger Phantom^® verwendet werden, das bei Nonin Medical, Inc. erhältlich ist.
Die Spektren S_sec, die mit dem sekundären Instrument gemessen werden, werden dann von der anfänglichen sekundären Wellentabelle auf die Referenz-Wellentabelle interpoliert. Mit anderen Worten werden die spektralen Bestandteile, die mit dem sekundären Instrument gemessen werden, auf die Referenz- Wellentabelle interpoliert, sodass die sekundären spektralen Bestandteile den Referenz-Pixel-Ortsangaben entsprechen. Im Ergebnis liefern die sekundären spektralen Bestandteile die sekundären Pixel-Ortsangaben; die sekundären Pixel-Ortsangaben werden auf spezielle Wellenlängen interpoliert, wie sie von der sekundären Wellentabelle geliefert werden; und diese Wellenlängen werden umgekehrt auf Referenz-Pixel-Ortsangaben interpoliert, wie sie von der Referenz-Wellentabelle geliefert werden. Diese Interpolation kann auf jeder einer Anzahl von möglichen Interpolationstechniken wie beispielsweise lineare Interpolation, trigonometrische Interpolation, und dem Savitsky-Golay-Geglättete-Ableitung-Verfahren basieren. Welches Wellentabellen-Erzeugungsverfahren auch immer gewählt wird, so wird dieses Verfahren vorzugsweise konsistent in anderen Interpolationsschritten in der vorliegenden Erfindung verwendet.
Die Differenz zwischen den sekundären spektralen Bestandteilen (wie sie den Referenz-Pixel-Ortsangaben entsprechen) und den primären oder Referenz-Spektralbestandteilen S_ref wird als Nächstes aufgenommen. Diese spektrale Differenz wird dann zurück auf die sekundäre Wellentabelle interpoliert – in umgekehrter Weise zu der unmittelbar zuvor beschriebenen Interpolation –, um eine spektrale Differenz S_dif bereitzustellen, die mit der zweiten Wellentabelle korrespondiert. Durch Abziehen der spektralen Differenz S_dif von den anfänglichen sekundären spektralen Bestandteilen S_sec (die korreliert mit der zweiten Wellentabelle verbleiben), wird eine photometrische Korrektur für die zweiten Messungen geliefert. Das Vorherige liefert eine vergleichsweise grobe Korrektur, ist jedoch keinesfalls ausreichend für die Zwecke der vorliegenden Erfindung, um in geeigneter Weise physikalische Abweichungen zwischen dem primären und dem sekundären Instrument zu kompensieren, wie beispielsweise Unterschiede in den Photodiodendetektoren der Instrumente. Im Ergebnis muss die spektrale Differenz S_dif wäh rend der iterativen Schritte gemäß der vorliegenden Erfindung nicht erneut berechnet werden.
Die photometrisch korrigierten sekundären spektralen Messungen (S_sec – S_dif) werden dann von der anfänglichen sekundären Wellentabelle auf die Referenz-Wellentabelle interpoliert (ähnlich zu dem, was oben für die rohen sekundären Spektralmessungen durchgeführt wurde), um einen korrigierten Satz von gemessenen spektralen Daten S*_sec für das sekundäre Instrument zu erhalten, der für einen darauffolgenden Vergleich oder eine Analyse wie unten beschrieben geeignet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Wellenlängen-Kalibrierungsparameter P_n1, P_n2, ... P_nN (d.h. die Pixel-Ortsangaben, die den Kalibrierungsquellen-Wellenlängen entsprechen) für das sekundäre Instrument iterativ angepasst, bis ein optimaler Satz von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern (und eine entsprechende Wellentabelle) erreicht ist. Für jeden getrennten Satz von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern P_n1, P_n2, ... P_nN wird die sekundäre Wellentabelle erneut erzeugt, und der korrigierte Satz von gemessenen spektralen Daten S*_sec für das sekundäre Instrument wird angepasst.
Eine Bestimmung des optimalen Satzes von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern wird durch Minimierung eines Parameters gefunden, der für die spektralen Reste des sekundären Instruments repräsentiv ist (der sich mit jedem Satz von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern verändert). Die spektralen Reste sind als die Differenz zwischen dem korrigierten Satz von gemessenen spektralen Daten S*_sec und einem abgeschätzten Satz von spektralen Daten X_sec für das sekundäre Instrument definiert. Vorzugsweise ist der Parameter, der verwendet wird, um die spektralen Reste zu bewerten, die Summe der absoluten Werte von allen Restkomponenten über ein Spektrum von Interesse. Alternativ können andere Parameter, die für die gesamten spek tralen Reste repräsentativ sind, verwendet werden, beispielsweise der Mittelwert, der Median oder das quadratische Mittel der absoluten Werte von einigen oder allen Rest-Bestandteilen. Die Summe der spektralen Reste wird vorzugsweise unter Verwendung des vollen Bereichs des Instrumentenspektrums berechnet, wo eine genaue Kalibrierung gewünscht ist und Messungen über den gesamten Bereich des Instruments sensitiv sind. Wenn ferner die Endbereiche (oder andere) des Spektrums übermäßig verrauscht sind, kann es wünschenswert sein, diese Bereiche von der spektralen Restbetrachtung auszuschließen. Im Allgemeinen kann jedoch jeder spektrale Bereich von Interesse für die spektrale Restauswertung und -betrachtung gewählt werden.
Die spektralen Reste können während jeder Iteration berechnet werden, wobei mehrere mögliche Faktoranalyse- oder mehrdimensionale Regressionsverfahren verwendet werden können. Diese umfassen Hauptkomponentenregression (PCR), Hauptkomponentenanalyse (PCA) und die Methode der partiell kleinsten Quadrate (PLS).
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Hauptkomponentenanalyse (PCR) verwendet, um die spektralen Reste zu berechnen. Eine Hauptkomponentenanalyse ist ein gut bekanntes Verfahren, das im Allgemeinen verwendet wird, um die Dimension einer Matrix von gemessenen Daten zu reduzieren, was die Rechnungen vereinfacht, während soviel wie möglich der ursprünglichen Dateninformation beibehalten wird. Zum Beispiel kann eine Spektralbestandteilsmatrix S der Dimension i × j eine PCA-Zusammensetzung Sixj = TixkPjxk T + Eixj haben, wobei T die PCA-Ergebnis-Matrix ist, P^T (mit der Dimension k × j) die transformierte PCA-Gewichtungsmatrix P ist und E die Reste-Matrix ist. Die Ergebnismatrix T liefert Informa tion über die spektralen Muster in den Messdaten, während die Gewichtungsmatrix P den Einfluss von jedem der verschiedenen Parameter in den spektralen Mustern wiederspiegelt. Das Matrixprodukt T P^T liefert effektiv eine Abschätzung der spektralen Antwort, wobei die Differenz zwischen der gemessenen Antwort S und der abgeschätzten Antwort T P^T die spektrale Restmatrix E ist (die die einzelnen spektralen Rest-Bestandteile enthält). Wie dem Fachmann klar ist, stellt die Dimension k die Anzahl von Hauptkomponenten dar, die bei der Zerlegung verwendet werden, und hängt vom Rechenaufwand ab. Die Hauptkomponenten werden erzeugt, um die Varianz zu senken, d.h. die erste Hauptkomponente berücksichtigt die größte Varianz in den Daten, die zweite Hauptkomponente berücksichtigt die nächst größte Varianz in den Daten usw. Es sollte ebenfalls angemerkt werden, dass P P^T = I, also die Identitätsmatrix, ist, da die PCA eine orthogonale Transformation ist (d.h. sie liefert eine orthogonale Basis).
Die folgenden Schritte können folgen, um unter Verwendung des PCA-Verfahrens die Spektralrest-Matrix E für einen speziellen Satz von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern zu berechnen. Als erstes wird eine PCA-Zerlegung an dem Spektrum durchgeführt, das mit dem Referenz-Instrument gemessen wurde (z.B. mit k = 7, d.h. sieben Hauptkomponenten). Dies liefert eine PCA-Referenz-Ergebnismatrix T_ref und einen PCA-Gewichtungsmatrix P_ref Als Nächstes kann der korrigierte Satz von gemessenen spektralen Daten für das sekundäre Instrument S*_sec transformiert oder in den PCA-Raum mit reduzierter Dimension überführt werden, um eine sekundäre Ergebnismatrix T_sec durch Tsec = S*secPref bereitzustellen, sodass der abgeschätzte Satz von spektralen Daten für das sekundäre Instrument X_sec durch Xsec = TsecPref T gegeben ist und daher die spektralen Reste E_sec der sekundären Spektraldaten als Esec = S*sec – Xsec = S*sec – TsecPref T gegeben sind.
3 zeigt eine beispielhafte Graphik der spektralen Reste für ein NIR-Photodioden-Anordnung-Spektrophotometer, das eine 256-Pixel-Anordnung hat und betreibbar ist, um eine spektrale Antwort zwischen ungefähr 100 nm und 1100 nm zu liefern.
Daher wird für jeden getrennten Satz von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern P_n1, P_n2, ... P_nN eine sekundäre Wellentabelle wie oben beschrieben berechnet. Wie oben angegeben, ist es weder notwendig, die Differenzmatrix S_dif noch die photometrisch korrigierten sekundären Spektralmessungen (S_sec – S_dif) für jeden getrennten Satz von Wellenkalibrierungs-Parametern zu berechnen. Tatsächlich wird dies der Einfachheit halber vorzugsweise nicht durchgeführt. Die Interpolation der photometrisch korrigierten sekundären Spektralmessungen aus der erneut berechneten sekundären Wellentabelle zu der Referenz-Wellentabelle (die sich nicht ändert) wird jedoch bei jeder Iteration oder Änderung in den Wellenlängen-Kalibrierungsparametern erneut durchgeführt. Daher wird der korrigierte Satz von gemessenen spektralen Daten für das sekundäre Instrument S*_sec mit jeder Iteration angepasst trotz der Tatsache, dass die photometrische Korrektur vorzugsweise nicht erneut durchgeführt wird.
Aus der erneut berechneten oder angepassten S*_sec-Matrix wird dann die entsprechende spektrale Rest-Matrix E_sec der sekundären spektralen Daten auf die oben beschriebene Weise be stimmt. Wie erwähnt, wird die Bestimmung des optimalen Satzes von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern durch Minimierung eines Parameters bestimmt, der repräsentativ für die spektralen Reste E_sec des sekundären Instruments ist. Vorzugsweise werden die absoluten Werte von einigen oder allen der Rest-Bestandteile in der spektralen Rest-Matrix E_sec aufsummiert, und der aufsummierte Wert liefert den Parameter, der während der Iterationen zu minimieren ist. Alternativ können andere Parameter verwendet werden, die repräsentativ für die gesamten spektralen Reste sind, beispielsweise der Mittelwert, der Median oder das quadratische Mittel der absoluten Werte aller Rest-Bestandteile.
Es ist wünschenswert, alle oder die meisten der Rest-Bestandteile in der spektralen Rest-Matrix E_sec für die Berechnung des absoluten Wertes zu verwenden, wenn der gesamte Bereich des spektralen Instruments von Interesse ist (d.h. Messungen sensitiv sind auf alle Teile des zugänglichen Spektrums). Des Weiteren kann, wenn umgekehrt einige enge spektrale Bereiche (z.B. die oberen und unteren Grenzen des Spektrums des Instruments) durch Rauschen beeinträchtigt sind, es wünschenswert sein, diese Bereiche aus der spektralen Rest-Betrachtung auszuschließen. Im Allgemeinen kann jedoch jeder spektrale Bereich von Interesse für die Auswertung und Betrachtung des spektralen Rests gewählt werden. In einem solchen Fall werden nur die Bestandteile in der spektralen Rest-Matrix E_sec berücksichtigt, die diesen Bereichen entsprechen (z.B. nur die absoluten Werte dieser Bestandteile werden aufsummiert).
Während der schrittweisen iterativen Anpassung können die Pixel-Ortsangaben, die den Wellenlängen-Kalibrierungsparametern P_n1 und P_n2 entsprechen, individuell schrittweise in Schritten mit jeder geeigneten Größe angepasst werden. Zum Beispiel kann eine Anpassung mit 0,02 Pixeln pro Schritt eine stark verbesserte Wellenlängenkalibrierung liefern.
Vorzugsweise werden nur zwei Wellenlängen-Kalibrierungsparameter P_n1 und P_n2 verwendet, sodass die Komplexität der Berechnung auf ein Minimum gebracht wird. Die 4 und 5 stellen die Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung auf die Übertragung eines Kalibrierungsmodells zwischen NIR-Photodioden-Anordnung-Spektrophotometern dar, die eine 256-Pixel-Anordnung haben und betreibbar sind, um eine spektrale Antwort zwischen ungefähr 600 nm und 1100 nm zu liefern. Die Laserquelle 1, auf die 4 Bezug nimmt, und die Laserquelle 2, auf die 5 Bezug nimmt, können Wellenlängen von 632 nm bzw. 1064 nm haben. Jede dieser Figuren stellt graphisch die Veränderung der Summe des absoluten Wertes der spektralen Rest-Bestandteile für den speziellen Wellenlängen-Kalibrierungsparameter dar. Wie in 4 gezeigt, ist das Minimum für P_n1, der der Laserquelle 1 entspricht, ungefähr bei 24,64 Pixeln. In ähnlicher Weise entspricht das Minimum für P_n2, was der Laserquelle 2 entspricht, ungefähr 236,98 Pixeln, wie in 5 dargestellt ist.
Für den Fachmann ist es klar, dass die gleichzeitige Minimierung der spektralen Reste für zwei Wellenlängen-Kalibrierungsparametern P_n1 und P_n2 tatsächlich ein zweidimensionales Minimierungsproblem ist (d.h. Finden eines Minimums auf einer zweidimensionalen Fläche). Wenn die Anzahl der Wellenlängen-Kalibrierungsparameter auf N anwächst, wird die Minimierung zu einer N-dimensionalen Aufgabe und entsprechend komplexer. Zusätzlich haben die Erfinder gefunden, dass es bevorzugt ist, jeden der Wellenlängen-Kalibrierungsparameter aufeinanderfolgend relativ zueinander anzupassen und nicht wiederholt einen einzelnen Wellenlängekalibrierungs-Parameter über viele Iterationen zu verändern, während der/die anderen Wellenlängen-Kalibrierungsparameter währenddessen konstant ge halten wird/werden, um die Möglichkeit eines unbeabsichtigten Fokussierens oder Annäherns an ein lokales spektrales Rest-Minimum zu vermeiden. Wie dem Fachmann klar ist, kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit Hilfe eines geeignet programmierten Mikroprozessorsystems effektiv ausgeführt werden.
Daher stellt die vorliegende Erfindung eine genauere Bestimmung der Pixel-Ortsangaben der Kalibrierungswellenlängen bereit, die in dem sekundären oder Ziel-Instrument auftreten. Die Erfinder haben gefunden, dass das iterative Wellenlängen-Kalibrierungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eine Genauigkeit liefern kann, die um eine Größenordnung besser ist als die der Wellenlängenkalibrierung, die Laserkalibrierungsquellen alleine verwendet (wie es typischerweise im Stand der Technik durchgeführt wird).
Während bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, sind die offenbarten Ausführungsbeispiele illustrativ und nicht beschränkend.
Während zuvor z.B. Bezug genommen worden ist auf das Interpolieren von verschiedenen spektralen Antworten auf eine aus der Referenz-Wellentabelle und der Ziel-Wellentabelle, ist es dem Fachmann klar, dass eine Wellentabelle künstlich erzeugt werden kann und dass sowohl die Referenz-Spektralantwort als auch die anfängliche Ziel-Spektralantwort auf dieselbe künstlich erzeugte Wellentabelle interpoliert werden können, um eine spektrale Differenz zwischen diesen zu messen. Ferner ist es klar, dass sowohl diese spektrale Differenz als auch die anfängliche Ziel-Antwort auf dieselbe künstlich erzeugte Wellentabelle oder eine andere künstlich erzeugte Wellentabelle interpoliert werden können und die spektrale Differenz von der anfänglichen Ziel-Spektralantwort abgezogen werden kann, um eine photometrisch korrigierte Ziel-Spektralantwort zu lie fern. Schließlich ist es klar, dass diese photometrisch korrigierte Ziel-Spektralantwort und die Referenz-Spektralantwort auf eine der künstlich erzeugten Wellentabellen interpoliert werden können oder auf noch eine andere künstlich erzeugte Wellentabelle, um einen korrigierten Satz von gemessenen Spektraldaten für das Ziel-Instrument zu liefern.
Ferner ist es dem Fachmann klar, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um das primäre Instrument selbst erneut zu kalibrieren, wo ein Referenz-Satz von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern zuvor für das primäre Instrument erhalten worden ist (d.h. das "Ziel"-Instrument ist in diesem Fall das primäre Instrument). Es wird angenommen, dass die Probe, die verwendet wird, um den Referenz-Satz von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern zu erhalten, für den Neukalibrationsprozess nach dem Ablauf einer Zeit stabil ist oder dass die Probe auf eine kontrollierte Weise genau reproduziert werden kann. Daher kann die Probe, die für die Kalibration verwendet wird, eine synthetische sein statt einer Probe eines Patienten, die während der vergleichsweise kurzen Zeitdauer instabil werden kann.

Claims

Verfahren zur der Wellenlängen-Kalibrierung eines Zielgeräts, bei dem das Zielgerät mit einem Kalibrierungsmodell, das für ein primäres Gerät entwickelt wurde, ausgestattet wird, mit den Schritten: a) Beziehen eines Referenz-Satzes von mindestens zwei Wellenlängen-Kalibrierungsparametern, der mindestens zwei Pixel-Ortsangaben in dem primären Gerät umfasst, die mit mindestens zwei Strahlungsquellen bekannter Wellenlänge korrespondieren, und Erzeugen einer Referenz-Wellentabelle aus dem Referenz-Satz der Kalibrierungsparameter, wobei die Referenz-Wellentabelle eine Korrelation zwischen den Pixel-Ortsangaben und entsprechenden Wellenlängen in dem primären Gerät bereitstellt; b) Beziehen eines Ziel-Satzes von mindestens zwei korrespondierenden Wellenlängen-Kalibrierungsparametern, der mindestens zwei Pixel-Ortsangaben in dem Zielgerät umfasst, die mit den mindestens zwei Strahlungsquellen bekannter Wellenlänge korrespondieren, und Erzeugen einer Ziel-Wellentabelle aus dem Ziel-Satz von Kalibrierungsparametern, wobei die Ziel-Wellentabelle eine Korrelation zwischen Pixel-Ortsangaben und korrespondierenden Wellenlängen in dem Zielgerät bereitstellt; c) Messen einer Referenz-Spektralantwort einer Probe mit dem primären Gerät; d) Messen einer Ziel-Spektralantwort der Probe mit dem Zielgerät; e) Erzeugen eines korrigierten Satzes von gemessenen spektralen Daten für das Zielgerät unter Verwendung der Referenz-Wellentabelle, der Ziel-Wellentabelle, der Referenz-Spektralantwort und der Ziel-Spektralantwort; f) Bestimmen von spektralen Resten, die mit dem Ziel-Satz von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern korrespondieren, wobei die spektralen Reste die Differenz zwischen dem korrigierten Satz von gemessenen spektralen Daten und einem abgeschätzten Satz spektraler Daten für das Zielgerät sind; g) Wiederholen Schritte (a)–(f) für eine oder mehr als eine Iteration, wobei die Pixel-Ortsangaben für das Zielgerät iterativ bei jeder der einen oder mehr als einen Iteration angepasst werden, und h) Bestimmen eines optimalen Satzes von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern, indem ein Parameter, der repräsentativ für die spektralen Reste ist, für jeden Ziel-Satz von Wellenlängen-Kalibrierungsparametern minimiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem Schritt (c) die Messung von Wellenlängen der Referenz-Spektralantwort auf einem Referenzdetektor in dem primären Gerät umfasst und Schritt (d) die Messung von Wellenlängen der Ziel-Spektralantwort auf einem Zieldetektor in dem Zielgerät umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem sowohl der Referenzdetektor als auch der Zieldetektor ein Photodioden-Array-Detektor ist und jeder der Photodioden-Array-Detektoren eine Vielzahl von Pixeln zum Nachweis der Wellenlängen umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, außerdem mit den Schritten: Interpolieren der Ziel-Spektralantwort, die durch das Zielgerät gemessen wurde, auf die Referenz-Wellentabelle und Messen einer Spektraldifferenz zwischen der interpolierten Zielspektral-Antwort und der Referenz-Spektralantwort.
Verfahren gemäß Anspruch 4, außerdem mit den Schritten: Interpolieren der Spektraldifferenz zurück auf die Ziel-Wellentabelle und Abziehen der Spektraldifferenz von der Ziel-Spektralantwort, um eine photometrisch korrigierte Ziel-Spektralantwort bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 5, außerdem mit den Schritten: Interpolieren der photometrisch korrigierten Ziel-Spektralantwort von der Ziel-Wellentabelle auf die Referenz-Wellentabelle, um einen korrigierten Satz von gemessenen Spektraldaten für das Zielgerät bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, außerdem mit den Schritte: Interpolieren sowohl der Ziel-Spektralantwort, die durch das Zielgerät gemessen wurde, als auch der Referenz-Spektralantwort, die durch das Referenzgerät gemessen wurde, auf eine ausgewählte Wellentabelle und Messen einer Spektraldifferenz zwischen der interpolierten Ziel-Spektralantwort und der interpolierten Referenz-Spektralantwort in der ausgewählten Wellentabelle.
Verfahren gemäß Anspruch 7, außerdem mit den Schritten: Interpolieren sowohl der Spektraldifferenz als auch der Ziel-Spektralantwort auf eine ausgewählte Wellentabelle und Abziehen der Spektraldifferenz von der Ziel- Spektralantwort, um eine photometrisch korrigierte Ziel-Spektralantwort.
Verfahren gemäß Anspruch 8, außerdem mit den Schritten: Interpolieren sowohl der photometrisch korrigierte Ziel-Spektralantwort als auch der Referenz-Spektralantwort von der Referenztabelle auf eine ausgewählte Wellentabelle, um einen korrigierten Satz von gemessenen Spektraldaten für das Zielgerät bereitzustellen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Parameter, der repräsentativ für die spektralen Reste ist, die Summe der absoluten Werte von allen Rest-Komponenten eines interessierenden Spektrums ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Parameter, der repräsentativ für die spektralen Reste ist, ausgewählt ist aus dem Durchschnitt, dem Median und dem quadratischen Mittelwert der absoluten Werte von mindestens einigen Rest-Komponenten.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die spektralen Reste während jeder Iteration unter Verwendung einer Hauptkomponenten-Regression, Hauptkomponenten-Analyse oder partielle kleinste Quadrate berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Pixel-Ortsangaben des Detektors des Zielgeräts iterativ in einer schrittweisen Art in vorgegebenen Schritten angepaßt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Schritte (b) und (d) nach den Schritten (a) und (c) stattfinden, und das Zielgerät das primäre Gerät ist.