DE69723548T2

DE69723548T2 - Verfahren und vorrichtung zur multispektralen analyse bei der nichtinvasiven infrarot-spektroskopie

Info

Publication number: DE69723548T2
Application number: DE69723548T
Authority: DE
Inventors: F. Stephen MALIN; Gamal Khalil
Original assignee: Sensys Medical Inc
Current assignee: Sensys Medical Inc
Priority date: 1996-02-02
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2017-02-01
Also published as: BR9707245B1; EP0877925B1; AU716192B2; EP0877925A1; CA2244121A1; JPH11506206A; EP1324018A3; AU1844897A; CZ230498A3; HUP9901855A3; BR9707245A; CN1185478C; KR19990082235A; TW459132B; HUP9901855A2; HUP9901866A2; JP2006126219A; WO1997028437A1; KR100520857B1; US6236047B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration eines Zielanalyten in einer Probe unter Anwendung einer Multispektralanalyse. Die Erfindung findet Anwendung in einem weiten Bereich von chemischen Analysen und insbesondere bei der nicht-invasiven spektrofotometrischen Analyse von Blutanalyten.
Hintergrund der Erfindung
Die Messung der Konzentration von verschiedenen Blutbestandteilen findet Anwendung bei einer Vielfalt von Verfahren zur Diagnose und Behandlung von Zuständen und Krankheiten bei Menschen. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die Messung von Glucose im Blut (Blutzucker). Speziell sollte die Blutzuckerkonzentration periodisch bei Personen überwacht werden, die an Diabetes leiden, und bei dem insulin-abhängigen oder Typ I Diabetes ist es häufig erforderlich oder erwünscht, den Blutzucker mehrmals täglich zu überwachen. Ferner liefert die Messung der Cholesterin-Konzentration wichtige Informationen zur Behandlung oder Vorbeugung bei Personen, die an einer Erkrankung der Koronararterien leiden, und die Messung von anderen organischen Blutanalyten, wie Bilirubin und Alkohol, ist in verschiedenen diagnostischen Zusammenhängen wichtig.
Die genaueste und am meisten angewandte Methode, um Konzentrationen von Blutanalyten zu erhalten, umfaßt die Entnahme von Blut bei einem Patienten, wobei das Blut dann entweder in einem Labor unter Anwendung von sehr genauen und empfindlichen Assay-Techniken, oder unter Anwendung von weniger genauen Selbstuntersuchungs-Methoden analysiert wird. Insbesondere erfordern traditionelle Blutzucker-Überwachungsmethoden von dem Diabetiker die Entnahme einer Blutprobe (z. B. mit Hilfe einer Fingerspitzen-Lanzette) für jede Untersuchung und das Ablesen des Zuckergehalts unter Anwendung eines Glucometers (ein Spektrofotometer das Glucose-Konzentrationen anzeigt) oder einer colorimetrischen Kalibrierungs-Methode. Eine solche invasive Blutentnahme stellt eine schmerzhafte und mühsame Last für den Diabetiker dar und setzt den Diabetiker der Gefahr einer Infektion aus, insbesondere im Hin blick auf die erforderliche Häufigkeit der Untersuchung. Diese Überlegungen können zu einer Vernachlässigung der Überwachung durch den Diabetiker führen.
Folglich besteht ein anerkannter Bedarf an einer einfachen und genauen Methode und Vorrichtung zur nicht-invasiven Messung der Konzentration an Blutanalyten, besonders im Zusammenhang mit der Blutzucker-Überwachung bei Diabetikern. Eine Annäherung an dieses Problem umfaßt die Anwendung traditioneller Analyse-Methoden im nahen Infrarot (nahes IR oder „NIR"), wobei die Messung der Absorption bei einer oder mehreren spezifischen Wellenlängen angewandt wird, um analyt-spezifische Informationen aus einer gegebenen Probe zu gewinnen.
Absorptionsspektren im nahen IR von flüssigen Proben enthalten eine große Menge an Informationen über die verschiedenen organischen Bestandteile der Probe. Speziell führen die Vibrations-, Rotations- und Streckenergie, die mit organischen Molekülstrukturen verbunden sind (z. B. chemische Kohlenstoff/Kohlenstoff-, Kohlenstoff/-Wasserstoff-, Kohlenstoff/Stickstoff- und Stickstoff/Wasserstoff-Bindungen) zu Störungen im nahen IR-Bereich, die nachgewiesen und mit der Konzentration von verschiedenen in der Probe vorhandenen organischen Bestandteilen in Zusammenhang gebracht werden können. In komplexen Proben-Matrices enthalten die nahen IR-Spektren jedoch auch eine beträchtliche Menge an Interferenzen, zum Teil aufgrund von Struktur-Ähnlichkeiten bei den Analyten, ähnlichen Stärken der Analytkonzentrationen, störenden Zusammenhängen zwischen Analyten und der Stärke des elektronischen und chemischen „Rauschens", das einem speziellen System inhärent ist. Derartige Störungen verringern die Effizienz und Genauigkeit von Messungen (Meßwerten), die unter Anwendung der nahen IR-Spektroskopie zur Bestimmung der Konzentration von Analyten in einer flüssigen Probe erhalten wurden. Von einer Anzahl von Vorrichtungen und Methoden zur Messung im nahen IR ist jedoch angegeben worden, daß sie nicht-invasive Bestimmungen von Blutanalyten ermöglichen.
Die US-PS 5 360 004 von Purdy et al. beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Blutanalyten, wobei ein Körperteil mit Strahlung, die zwei oder mehrere deutliche Banden von auftreffender Strahlung mit kontinuierlichen Wellenlängen enthält, bestrahlt wird. Purdy et al. legen Wert auf Filtertechniken, um spezifisch die Strahlung an den beiden Peaks in dem NIR-Absorptionsspektrum für Wasser, die bei etwa 1440 und 1935 nm auftreten, zu blockieren. Eine derartige selektive Blockierung wird durchgeführt, um einen Erwärmungseffekt zu ver meiden, der aufgrund der Absorption von Strahlung durch Wasser in dem bestrahlten Körperteil auftreten kann.
Im Gegensatz dazu beschreibt die US-PS 5 267 152 von Yang et al. nicht-invasive Vorrichtungen und Verfahren zur Messung der Blutzuckerkonzentration unter Anwendung nur eines Teils des IR-Spektrums, der die NIR-Peaks für Wasser enthält (z. B. das „Wasser-Transmissions-Fenster", das solche Wellenlängen zwischen 1300 und 1900 nm umfaßt). Optisch kontrolliertes Licht wird auf eine Gewebequelle gerichtet und dann durch eine integrierende Kugel gesammelt. Das gesammelte Licht wird analysiert und die Blutzuckerkonzentration berechnet unter Anwendung einer gespeicherten Bezugs-Kalibrierungskurve.
Es sind auch Vorrichtungen zur Anwendung bei der Bestimmung von Analytkonzentrationen in komplexen Proben beschrieben worden.
Z. B. beschreibt die US-PS 5 242 602 von Richardson et al. Verfahren zum Analysieren von wäßrigen Systemen zum Nachweis von mehreren aktiven oder inaktiven Wasserbehandlungs-Komponenten. Die Verfahren umfassen die Bestimmung des Absorptions- oder Emissionsspektrums der Komponenten über den Bereich von 200 bis 2500 nm, und die Anwendung von chemometrischen Algorithmen, um Segmente der Spektraldaten, die durch quantitative Bestimmung von Wirksamkeitsindikatoren erhalten worden sind, zu gewinnen.
Die US-PS 5 252 829 von Nygaard et al. beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Harnstoff in einer Milchprobe unter Anwendung einer Infrarot-Abschwächungs-Meßtechnik. Es werden Multivariations-Techniken durchgeführt, um die Spektralanteile von bekannten Komponenten zu bestimmen, unter Anwendung von partiellen Algorithmen des kleinsten Quadrats, Hauptkomponenten-Regression, multipler linearer Regression oder künstlicher neuraler Netzwerke. Die Kalibrierung wird durchgeführt unter Berücksichtigung der Beiträge von Komponenten, die das interessierende Analyt-Signal blockieren. So beschreiben Nygaard et al. ein Verfahren zur Messung von multiplen Infrarot-Abschwächungen durch Analyte und Kompensation für den Einfluß von Hintergrund-Analyten, um eine genauere Messung zu erhalten.
Die US-PS 4 306 152 von Ross et al. beschreibt eine optische Flüssigkeits-Analyse-Vorrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie die Wirkung der Hintergrundabsorption (d. h. das Gesamt- oder Grundniveau der optischen Absorption der flüssigen Probe) auf die Genauigkeit der Messung in einer trüben Probe oder in einer flüssigen Probe, die sonst schwierig zu analysieren ist, minimiert. Die Vorrichtung mißt ein optisches Signal bei der charakteristischen optischen Absorption einer interessierenden Komponente der Probe und ein anderes Signal bei einer Wellenlänge, die so ausgewählt ist, daß sie der Hintergrundabsorption nahe kommt, und subtrahiert dann die Hintergrundkomponente von dem analyt-abhängigen Signal.
Die US-PS 4 882 492 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration des organischen Blut-Analyten in einer Körpergewebe-Probe, die zwei Filter, nämlich einen neutralen Dichtefilter in einem Strahlengang und einen negativen Korrelationsfilter in einem zweiten Strahlengang aufweist. Nicht-invasive Sensoren für Glucose sind auch aus der US-PS 5 076 874 und DE-PS 4 339 067 bekannt.
Die Genauigkeit der unter Anwendung der oben angegebenen Methoden und Vorrichtungen erhaltenen Informationen ist begrenzt aufgrund der Spektral-Interferenz, die durch den Hintergrund verursacht wird, d. h. Probebestandteilen, die nicht der Analyt sind, die ebenfalls Absorptionsspektren im nahen IR-Bereich haben. Beachtliche Niveaus des Hintergrundrauschens stellen eine inhärente Begrenzung des Systems dar, besonders wenn sehr wenig Analyt vorhanden ist. Im Hinblick auf diese Begrenzung sind Versuche unternommen worden, das Verhältnis Signal/Rauschen zu verbessern, z. B. durch Vermeiden von Wasser-Absorptionspeaks, um die Anwendung einer höheren Strahlungsintensität zu ermöglichen, durch Verringerung der Menge an Spektral-Informationen, die analysiert werden müssen, oder durch Anwendung von Subtraktionsoder Kompensationstechniken, beruhend auf einer Näherung der Hintergrundabsorption. Obwohl solche Techniken zu einer gewissen Verbesserung geführt haben, besteht weiterhin Bedarf, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die eine genauere Bestimmung der Konzentration von Analyten in einer flüssigen Matrix ermöglichen, insbesondere im Zusammenhang mit der Blutzucker-Überwachung.
Folglich ist es ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, den oben angegebenen Bedarf zu erfüllen durch Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einer Probe mit einer variierenden Hintergrundmatrix und gegebenenfalls auch deutlichen Interferenzen durch Komponenten. Das Verfahren berücksichtigt die Ähnlichkeit von Strukturen zwischen verschiedenen Komponenten, die in der Probe vorhanden sind, die relative Stärke der Analytkonzentration und die Spektral-Interferenzen durch die verschiedenen Bestandteile der Probe und Gerätevariationen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration eines organischen Blutanalyten in einer Gewebeprobe umfassend:

(a) ein Mittel, um die Probe mit einfallender Strahlung aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen, nicht überlappenden Spektralbereichen, jeweils innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 1100 und 5000 nm, zu bestrahlen,
(b) ein Mittel, um reflektierte Strahlung, die aus der Probe austritt, aufzunehmen und die reflektierte Strahlung in einen Strahlengang zu führen,
(c) einen einstellbaren Filter in dem Strahlengang, wobei bei dem einstellbaren Filter die Absorptionscharakteristika als Antwort auf ein Signal eingestellt werden können, und der die Intensität der Strahlung in dem Strahlengang abschwächt,
(d) einen Hauptfilter für den Analyten, der Strahlung, die aus dem einstellbaren Filter austritt, aufnehmen und selektiv diskrete Wellenlängen davon durchlassen kann, wobei die diskreten Wellenlängen in spezifischem Zusammenhang mit der Konzentration des Analyten stehen,
(e) einen zweiten Filter, der die diskreten Wellenlängen, die aus dem Hauptfilter für den Analyten austreten, aufnehmen und die Intensität der Wellenlängen abschwächen kann, wobei die durch den zweiten Filter hervorgerufene Abschwächung unter Anwendung von Gewichtungsfaktoren erhalten wird,
(f) ein Nachweismittel, umfassend eine lineare Detektor-Anordnung zur Aufnahme der abgeschwächten Wellenlängen, die aus dem zweiten Filter austreten,
(g) ein Mittel zum Umwandeln der erkannten Wellenlängen in ein Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist, und
(h) ein Mittel, um aus dem Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist, die Konzentration des Analyten abzuleiten.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration eines organischen Blutanalyten in einer Gewebeprobe, umfassend:

(a) ein Mittel, um die Probe mit einfallender Strahlung aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen, nicht überlappenden Spektralbereichen, jeweils innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 1100 und 5000 nm, zu bestrahlen,
(b) ein Mittel, um reflektierte Strahlung, die aus der Probe austritt, aufzunehmen und die reflektierte Strahlung in einen Strahlengang zu führen,
(c) einen Filter in dem Strahlengang, wobei bei der Filter (58) einen zweistufigen Filter umfaßt, mit einer ersten Stufe, umfassend eine Mehrzahl von Bereichen (λ₁–λ₅), von denen jeder so ausgebildet ist, daß er selektiv mindestens eine von verschiedenen Wellenlängen der aus der Probe austretenden reflektierten Strahlung hindurch läßt, und einer zweiten Stufe, die an die erste Stufe angrenzend angeordnet ist und die Intensität jeder selektiv durchgelassene Wellenlänge, die aus der ersten Stufe des Filters austritt, abschwächen kann,
(d) eine Mehrzahl von Detektoren, die so angeordnet sind, daß jeder aus dem Filter austretende Wellenlängenbereich durch einen diskreten Detektor (D₁–D₅) nachgewiesen wird,
(e) ein Mittel zum Umwandeln der erkannten Wellenlängen in ein Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist, und
(f) ein Mittel, um aus dem Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist, die Konzentration des Analyten abzuleiten

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration eines organischen Blut-Analyten in einer Gewebeprobe, umfassend

(a) Bestrahlen der Probe mit einfallender Strahlung aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen, nicht überlappenden Spektralbereichen, jeweils innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 1100 und 5000 nm,
(b) Aufnehmen der reflektierten Strahlung, die aus der Probe austritt, und Führen der reflektierten Strahlung in einen Strahlengang,
(c) Anordnen eines einstellbaren Filters in dem Strahlengang, wobei bei dem einstellbaren Filter die Absorptionscharakteristika als Antwort auf ein Signal eingestellt werden können, und der die Intensität der Strahlung in dem Strahlengang abschwächt,
(d) Aufnehmen der aus dem einstellbaren Filter austretenden abgeschwächten Strahlung durch den Hauptfilter für den Analyten, und selektives Durchlassen diskreter Wellenlängen davon, wobei die diskreten Wellenlängen in spezifischem Zusammenhang mit der Konzentration des Analyten stehen,
(e) Aufnehmen der diskreten Wellenlängen, die aus dem Hauptfilter für den Analyten austreten, durch einen zweiten Filter und Abschwächen der Intensität der Wellenlängen, wobei die Abschwächung durch Anwendung von Gewichtungsfaktoren erhalten wird,
(f) Aufnehmen der die abgeschwächten Wellenlängen, die aus dem zweiten Filter austreten, durch ein Nachweismittel, umfassend eine lineare Detektor-Anordnung,
(g) Umwandeln der erkannten Wellenlängen in ein Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist, und
h) Ableiten der Konzentration des Analyten aus dem Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist.

Die Erfindung wird näher anhand von Beispielen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, bei denen
1 eine schematische Darstellung einer nach der Erfindung aufgebauten Vorrichtung mit einer linearen Anordnung von Detektoren ist, die in der Lage sind, Wellenlängen sowohl in nahen IR- als auch in mittleren IR-Bereichen zu analysieren,
2 eine schematische Darstellung einer alternativen nach der Erfindung aufgebauten Vorrichtung in ist,
3 eine Grafik ist, die die zeitabhängigen Abtastwerte zeigt, die während einer in vivo Glucose-Toleranz-Studie erhalten worden sind, und
4 in grafischer Form die bei einer nicht-invasiven Bestimmung der Blutzukker-Konzentration erhaltenen Werte zeigt.
Arten der Durchführung der Erfindung
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist zu bemerken, daß die Erfindung nicht auf diese beschriebenen speziellen Teile der Vorrichtungen oder Verfahren beschränkt ist, da diese variieren können. Es ist ebenfalls zu verstehen, daß die hier verwendete Terminologie nur zur Beschreibung von speziellen Ausführungsformen dient und nicht einschränkend sein soll. Es muß bemerkt werden, daß die Singularform „ein", „eine" und „die", „der", „das" auch Pluralbezüge umfaßt, soweit der Zusammenhang es nicht ausdrücklich ausschließt. So umfaßt die Bezeichnung „ein Analyt" z. B. auch Gemische von Analyten, die Angabe „eine optische Übertragungszelle" umfaßt auch zwei oder mehrere optische Übertragungszellen, „ein Mittel zur reflektierenden Übertragung von Strahlung" umfaßt zwei oder mehrere derartige Mittel, „eine Wellenlänge" umfaßt zwei oder mehrere Wellenlängen, „ein chemometrischer Algorithmus" umfaßt zwei oder mehrere Algorithmen u. ä.
In dieser Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen wird eine Anzahl von Ausdrücken verwendet, die so definiert werden sollen, daß sie die folgende Bedeutung haben: „Chemometrie" bezeichnet die Anwendung von mathematischen, statistischen und Mustererkennungs-Verfahren bei der chemischen Analyse. Siehe z. B. Brown et al. (1990) Anal. Chem. 62: 84–101. Chemometrie wird hier durchgeführt im Zusammenhang mit der Entwicklung und Anwendung von nicht-invasiven diagnostischen Meßvorrichtungen, die fortgeschrittene Signalverarbeitungs- und Kalibrierungs-Techniken an wenden. Signalverarbeitung wird angewandt, um die Zugänglichkeit von physikalisch signifikanten Informationen in analytischen Signalen zu verbessern. Beispiele für Signalverarbeitungs-Techniken umfassen Fourier-Transformation, erste und zweite Ableitungen und digitales oder adaptives Filtern.
Im Zusammenhang mit Chemometrie bezeichnet „Kalibrieren" den Prozeß des In-Zusammenhang-Bringens von Meßdaten mit einer chemischen Konzentration zur Quantifizierung. Insbesondere können statistische Kalibrierungen unter Anwendung chemometrischer Methoden angewandt werden, um spezifische Informationen aus einem komplexen Set von Daten zu gewinnen. Derartige Methoden der Kalibrierung umfassen lineare Regression, multipel-lineare Regression, partiell-lineare Regression und Hauptkomponenten-Analyse. Bei anderen Anwendungen können Kalibrierungen durchgeführt werden unter Anwendung von künstlichen neuralen Netzwerken, genetischen Algorithmen und Rotations-Hauptkomponenten-Analyse Meßmethoden, die Informationen über einen oder mehrere Bestandteile in einer komplexen chemischen Matrix nachweisen, müssen auf Analyse-Algorithmen beruhen (wie solchen, die durch Chemometrie erhalten worden sind), um Informationen zu ergeben, die spezifisch sind für einen oder mehrere chemische Bestandteile. Chemometrische Verfahren können angewandt werden, um unbekannte mit kalibrierten Standards und Datenbasen zu vergleichen, um fortgeschrittene Formen der Cluster-Analyse zu erhalten und Merkmale aus einer unbekannten Probe zu gewinnen, die als Informationen in statistischen und mathematischen Modellen angewandt werden können.
„Hauptkomponenten-Analyse" (PCA) ist eine Methode der Datenreduktion, die bei der Anwendung von chemometrischen Techniken zur spektroskopischen Messung von chemischen Analyten in einer komplexen Matrix angewandt werden kann. PCA wird angewandt, um die Dimensionalität einer großen Anzahl von miteinander zusammenhängenden Variablen zu reduzieren, während die Informationen, die eine Komponente von einer anderen unterscheiden, erhalten bleiben. Diese Reduktion wird durchgeführt unter Anwendung einer Eigenvektor-Transformation eines ursprünglichen Sets von miteinander zusammenhängenden Variablen (z. B. ein Absorptionsspektrum) zu einem wesentlich kleineren Set von nicht miteinander zusammenhängenden Hauptkomponenten(PC)-Variablen, das die meisten Informationen aus dem Originalset darstellt. Das neue Set von Variablen ist so geordnet, daß die ersten wenigen die meisten der Variationen enthalten, die in allen Originalvariablen vorhanden sind. Siehe z. B. Jolliffe, L. T. Principal Component Analysis, Sprinter Verlag, New York (1986). Insbesondere ist jedes PC eine lineare Kombination aller ursprünglichen Meßvariablen. Das erste ist ein Vektor in Richtung der größten Variation der beobachteten Variablen. Die folgenden PCs sind so gewählt, daß sie die größte Variation der Meßdaten darstellen und senkrecht zu dem vorher berechneten PC stehen. Daher sind die PCs in absteigender Ordnung ihrer Wichtigkeit angeordnet.
Der Ausdruck „Gewichtungs-Konstante" umfaßt die Wellenlängen-Koeffizienten der partiellen Regression der kleinsten Quadrate und/oder Hauptkomponenten-Regression, oder irgendeine Konstante, die erhalten worden ist aus irgendeiner statistischen Kalibrierung, die angewandt werden kann, um Werte (wie die Konzentration eines Analyten) für unbekannte Proben zu erhalten. Ein „Wellenlängen-Gewichtungsfaktor" ist eine Form einer Gewichtungs-Konstante, die angewandt wird beim Aufbau eines optischen Filters, der in der Lage ist, wellenlängen-spezifische Informationen aus Spektraldaten hervorzuheben. Die wellenlängen-spezifischen Informationen können angewandt werden, um die gewünschten Werte, die sich auf die zu analysierende Probe beziehen (z. B. Analytkonzentration) zu bestimmen. Ein Wellenlängen-Gewichtungsfaktor kann als eine spezielle Filterdichte (z. B. neutral oder wellenlängen-spezifisch), Filterdicke o. ä. eingebaut sein, solche Parameter sind bestimmt worden unter Anwendung der oben angegebenen statistischen Kalibrierungs-Verfahren.
Ein optischer Filter, der einen Wellenlängen-Gewichtungsfaktor beinhaltet, kann angewandt werden, um selektiv Wellenlängen mit hoher Korrelation zu einer ausgewählten Analytkonzentration hervorzuheben. „Hohe Korrelation" oder „enge Korrelation" bezeichnet den quantitativen Zusammenhang zwischen dem Absorptionsspektrum bei einer speziellen Wellenlänge und einer speziellen Analytkonzentration, wobei die beiden Variablen einen Korrelationskoeffizienten (r) von 0,9 oder darüber haben.
Ein „neutraler Dichtefilter" bezeichnet einen optischen Standardfilter mit einem flachen Absorptionsspektrum. Ein neutraler Dichtefilter kann zusammen mit Korrelations-Filtern in einem Filtersystem angewandt werden, um einen Gewichtungsfaktor zu liefern, um Absorptionen aufgrund des Analyten bei ausgewählten Wellenlängen abzuschwächen und ferner die Genauigkeit der Korrelation des Systems zu verbessern. Ein neutraler Dichtefilter kann ein Absorptionsspektrum aufweisen, das ausreicht, um Strahlung gleichmäßig bei allen Wellenlängen in dem interessierenden Bereich abzuschwächen.
Wie er hier verwendet wird, umfaßt der Ausdruck „wäßriges Medium" irgendeine Zusammensetzung, die Wasser enthält. Allgemein enthält ein wäßriges Medium Was ser als Hauptbestandteil, d. h. Wasser ist in einer Menge von mindestens etwa 50 Vol.% vorhanden. Solche wäßrigen Medien umfassen z. B. Säugetier-Gewebe.
Der Ausdruck „Blutanalyt" bezieht sich auf einen Blutbestandteil, der im nahen IR-Bereich absorbiert, dessen Messung bei der Überwachung eines Patienten oder zur Gesundheitsvorsorge nützlich ist.
Wie er hier verwendet wird, umfaßt der Ausdruck „nahes Infrarot" oder „nahes IR" Strahlung in einem Spektrum von etwa 660 bis 3500 nm, aber typischerweise im Bereich von etwa 1050 bis 2850 nm und noch typischer im Bereich von etwa 1100 bis etwa 2500 nm.
Der Ausdruck „mittleres Infrarot" oder „mittleres IR" umfaßt Strahlung in einem Spektrum von etwa 3501 bis 6000 nm.
Der Ausdruck „Hintergrundabsorption" bezieht sich auf das Gesamt- oder Grundniveau der optischen Absorption einer wäßrigen Probe, die analysiert werden soll, von der die Absorption eines ausgewählten Bestandteils in einer oder mehreren charakteristischen Wellenlängen in einem Maß abweicht, das ein Zeichen für die Konzentration des ausgewählten Bestandteils ist. Wenn das Niveau der Hintergrundabsorption hoch ist in Bezug auf die charakteristische Absorption des ausgewählten Bestandteils, wie in komplexen wäßrigen Medien, wo sich zahlreiche störende Bestandteile finden, erfordert die genaue Messung der Stärke einer leichten Veränderung der Absorption bei der charakteristischen Wellenlänge des interessierenden Bestandteils die Anwendung von chemometrischen Techniken, wie hier beschrieben. Das ist besonders so bei Anwendungen, bei denen die Gesamtkonzentration der interessierenden Bestandteile niedrig ist in Bezug auf das wäßrige Medium, z. B. bei der Messung von Blutanalyten. Allgemeine Methoden Es wird eine spektrofotometrische Methode zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einer flüssigen Probe unter Anwendung von Strahlung im nahen IR und mittleren IR geliefert. Die vorliegende Erfindung nutzt alle Spektralinformationen aus, die in dem nahen IR-Bereich enthalten sind, um ein Set von Meßwerten zu erhalten das genutzt werden kann, um die Konzentration eines Analyten mit einer größeren Genauigkeit zu bestimmen.
Spektral-Informationen, die mit Hilfe dieser Methode erhalten worden sind, können einer Kombination von mathematischen Transformationen unterworfen werden, um einen genauen Wert für die Analytkonzentration zu erhalten. Z. B. können statistische Standardtechniken angewandt werden, wie Analyse der partiell kleinsten Quadrate (PLS) oder Hauptkomponenten-Regressions-Analyse (PCR), um die Absorption der Strahlung bei spezifischen Wellenlängen mit der Struktur und Konzentration des Analyten in Korrelation zu bringen. PLS-Techniken sind z. B. beschrieben von Geladi et al. (1986), Analytica Chimica Acta 185: 1–17. Für eine Beschreibung von PCR-Techniken kann auf Jolliffe, L. T. Principal Component Analysis, Sprinter Verlag, New York (1986) verwiesen werden.
Folglich umfaßt bei der Bestimmung der Konzentration eines Blutanalyten in einem Körpergewebe ein Verfahren die Auswahl von drei nicht überlappenden Bereichen von Wellenlängen im nahen IR-Bereich von etwa 1100 bis 3500 nm; vorzugsweise aber nicht notwendigerweise liegt der erste Bereich bei 1100 bis 1350 nm, der zweite Bereich bei 1430 bis 1450 nm oder 1930 bis 1950 nm und der dritte Bereich bei 2000 bis 2500 nm, wobei jeder Bereich einen „Spektralbereich" definiert. Der erste Bereich umfaßt Wellenlängen, bei denen Proteine und andere Zell-Komponenten dominante Spektral-Aktivität zeigen, der zweite Bereich wird dominiert von dem Absorptionsspektrum von Wasser, und der dritte Bereich enthält Wellenlängen, bei denen organische Analyt-Moleküle signifikante Spektralaktivität zeigen. Diese Bestandteile tragen auch zu den Absorptionsspektren in solchen Bereichen bei, wo sie nicht die dominierende Art sind. Folglich enthält die spektral abgeschwächte Strahlung, die aus jedem Bereich erhalten wird, eine große Menge an miteinander zusammenhängenden Informationen, die unter Anwendung statistischer Methoden reduziert werden müssen, um analyt-spezifische Informationen zu erhalten.
Die Erfindung umfaßt auch die Anwendung von Signalverarbeitung zur Verbesserung der Zugänglichkeit von physikalisch signifikanten Informationen in den analytischen Signalen. Die Intensitätswerte von Signalen, die bei bestimmten Wellenlängen erhalten worden sind, können verarbeitet werden, um die Wirkung des Geräte-Rau schens zu verringern. Die verarbeiteten Signale werden dann einer Multivariationsanalyse unter Anwendung bekannter statistischer Verfahren unterworten.
Die PCA-Methode der Datenreduktion ist eine bevorzugte Methode, die bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung angewandt wird, um die Anzahl der Dimensionen einer großen Anzahl von miteinander zusammenhängenden Variablen zu reduzieren, während die Informationen, die eine Komponente von einer anderen unterscheiden, erhalten bleiben. Die Datenreduktion wird durchgeführt unter Anwendung einer Eigenvektor-Transformation eines ursprünglichen Sets von miteinander zusammenhängenden Variablen (z. B. das Absorptionsspektrum) zu einem wesentlich kleineren Set von nicht miteinander zusammenhängenden Hauptkomponenten-(PC)-Variablen, das die meisten Informationen aus dem Originalset zeigt. Das neue Set von Variablen ist so geordnet, daß die ersten wenigen die meisten der Variationen enthalten, die in dem Originalset vorhanden sind.
Die Hauptkomponenten-Vektoren können durch orthogonale Rotation gegen einen Mittelwert für die Absorption transformiert werden, um sowohl eine bekannte Wellenlänge und den relativen Wert der Absorption bei diese Wellenlänge, die dem Analyten zuzuschreiben ist, zu erhalten. Bei Durchführungen dieser Analyse auf Informationen, die aus jedem der drei Spektralbereiche erhalten worden sind, in Kreuzkorrelation bringen der Hauptkomponenten-Vektoren über einen linearen Algorithmus und Anwendung von Subtraktionsmethoden zur Aufhebung der Wirkung von störenden Analyten werden Werte erhalten, die in einem Systemalgorithmus angewandt werden können, die Konzentration des Analyten zu bestimmen.
Multivariations-Techniken werden angewandt, um ein Modell zu liefern, das die Intensität der Strahlung bei einer speziellen Wellenlänge in jedem Spektralbereich in Zusammenhang bringt mit der Konzentration in einer speziellen Proben-Matrix, z. B. einem Körpergewebe. Das Modell ist so konstruiert, daß zwei Sets von beispielhaften Messungen angewandt werden, die gleichzeitig erhalten worden sind, wobei das erste Set von Messungen das „Vorhersageset", Spektraldaten, z. B. Strahlungsintensität bei ausgewählten Wellenlängen, umfaßt, und das zweite Set von Messungen das „Kalibrierungsset", sehr genaue Analytkonzentrationen, die unter Anwendung von invasiven Entnahmetechniken erhalten worden sind, umfaßt. Das Verfahren wird über einen Bereich von Analytkonzentrationen durchgeführt, um Datensets für die Kalibrierung und Vorhersage zu erhalten.
Sowohl in dem Kalibrierungsset als auch in dem Vorhersageset erhaltene Meßwerte werden der Multivariationsanalyse unterworfen, wie durch Anwendung von kommerziellen Multivariations-Modelle entwickelnden Softwareprogrammen, um ein Anfangsmodell zu erhalten. Das Anfangsmodell wird auf die Vorhersagedaten angewandt, um Werte für die Analytkonzentration abzuleiten, die mit den durch das invasive Verfahren erhaltenen Werten verglichen werden können. Durch wiederholtes Durchführen der oben angegebenen Stufen wird ein verfeinertes Modell entwickelt, das angewandt werden kann, um einen Systemalgorithmus zur Anwendung bei der Analyse von Daten zu erhalten, die durch die erfindungsgemäßen Methoden erhalten worden sind.
Bei der Durchführung der Erfindung können auch nicht-analyt-spezifische Informationen aus den verschiedenen nicht überlappenden Spektralbereichen angewandt werden, um z. B. jeden Spektralabtastwert zu normalisieren, Hintergrund- oder Grundlinien-Interferenzen zu subtrahieren oder Signalwerte zu liefern, die angewandt werden, um eine ungenaue Messung nachzuweisen.
Bei der Bestimmung der Konzentration eines Blutanalyten in einer Körpergewebe-Probe liefern Messungen, die in dem Spektralbereich von etwa 1320–1340 nm erhalten worden sind, ein stark reflektiertes, nicht abgeschwächtes Signal, da in diesem Bereich keine Haupt-Absorptionsbanden vorhanden sind. Durch Sammeln und Messen der Intensität der Strahlung in diesem Bereich wird ein Wert erhalten, der angewandt werden kann, um die tatsächliche Intensität des zur Bestrahlung der Probe angewandten nahen IR-Lichts abzuschätzen. Der Wert kann angewandt werden, um jeden individuellen Abtastwert (scan) zu normalisieren und bezüglich der Fluktuation der Intensität der Lichtquelle zu korrigieren, was die Genauigkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Werte der Analytkonzentration beeinflussen könnte.
Außerdem ergeben Messungen in Spektralbereichen von etwa 1430–1450 nm und etwa 1930–1950 nm im wesentlichen nicht reflektierte, stark abgeschwächte Signale als Ergebnis der zwei dominierenden Absorptionspeaks, die bei etwa 1440 und 1935 nm in dem nahen IR-Absorptions-Spektrum für Wasser auftreten. Durch Sammeln und Messen der Intensität der Strahlung in einem oder beiden dieser Bereiche wird ein Wert erhalten, der angewandt werden kann, um die Intensität des nahen IR-Lichts zu bestimmen, das nicht vollständig von der bestrahlten Probe absorbiert worden ist. Der Wert kann angewandt werden, um Hintergrund- oder Grundlinien-Informationen von analyt-spezifischen Signalen zu subtrahieren, die in anderen Bereichen erhalten worden sind, und/oder einen internen Bezug zu liefern, um eine ungenaue Messungen nachzuweisen. Der Wert kann von jeder Spektralmessung subtrahiert werden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten worden ist, um sie in Bezug auf den Grundeffekt zu korrigieren, der durch Spiegelreflexion verursacht wird, die mit dem Hautgewebe und dem Alter variiert.
Messungen von im wesentlichen nicht abgeschwächten Signalen, die von einem ersten Bereich (z. B. dem Spektralbereich von etwa 1320–1340 nm) erhalten worden sind, und Messungen von stark abgeschwächten Signalen, die von einem zweiten Bereich (z. B. dem Spektralbereich von etwa 1430–1450 nm und etwa 1930–1950 nm) erhalten worden sind, können auch angewandt werden, um diffus reflektierte Strahlung mit Spiegelreflexion zu vergleichen. Wenn die Signale in den beiden Bereichen verhältnismäßig vergleichbare Werte aufweisen, ist es wahrscheinlich, daß der größte Teil der Strahlung, die angewandt worden ist, um die Gewebeprobe zu bestrahlen, von der Hautoberfläche reflektiert worden ist und so nicht durch die Haut hindurch gegangen ist, um mit dem Blutanalyten in Wechselwirkung zu treten. Diese Information kann angewandt werden, um unwirksame Messungen zu identifizieren, die daher rühren, daß keine richtigen Meßwerte von der Gewebeprobe erhalten werden konnten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann durchgeführt werden unter Anwendung einer Anzahl von Spektrofotometer-Konfigurationen. In 1 wird eine besondere Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einer flüssigen Probe allgemein als 10 bezeichnet. Diese Vorrichtung umfaßt eine Strahlenquelle 12, die eine Mehrzahl von unterschiedlichen, nicht überlappenden Bereichen von Wellenlängen im Bereich von etwa 1100 bis etwa 5000 nm liefert. Es ist eine Anzahl von geeigneten Strahlenquellen bekannt und kann hier angewandt werden, wie Glühlichtquellen, die über Interferenzfilter geführt sind, Halogenlichtquellen, die durch ein damit verbundenes Zerhackerrad moduliert worden sind, Laserlichtquellen, Laserdiodenreihen oder mit hoher Geschwindigkeit Licht emittierende Diodenreihen (LED). Bei einer bestimmten Vorrichtung liefert die Strahlenquelle 12 Strahlung in drei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, speziell einem ersten Wellenlängenbereich von etwa 1100 bis 1350 nm, einem zweiten Bereich von etwa 1930 bis 1950 nm, und einem dritten Bereich von etwa 2000 bis 3500 nm.
Die Vorrichtung 10 umfaßt auch optische Mittel 14 für die Proben-Grenzfläche die einfallende Strahlung von der Strahlenquelle mit einem Probenmedium 16, das den Analyten enthält, in Kontakt bringen. Nach dem Kontakt mit dem Probenmedium wird spektral modifizierte Strahlung, die als diffus reflektiertes Licht aus der Probe austritt, gesammelt und zu einem mehrstufigen Filter geleitet, der allgemein als 18 bezeichnet wird.
Bei verschiedenen Konfigurationen kann das optische Mittel 14 für die Proben-Grenzfläche so ausgebildet sein, daß es eine nahe Grenzfläche zwischen der Vorrichtung 10 und dem Medium 16 ergibt, so wie wenn der Start eingeleitet wird, indem die Vorrichtung in direkten Kontakt mit dem Probenmedium gebracht wird, wodurch die Strahlenquelle in unmittelbare Nähe zu der zu analysierenden Probe gebracht wird. Nach dem Start wird die reflektierte Strahlung mit Hilfe von optisch aktiven Mitteln, wie Licht konvergierenden Mitteln oder Strahlen beugenden optischen Mitteln, gesammelt.
Alternativ kann das optische Mittel 14 für die Proben-Grenzfläche faseroptische Wellenleiterumfassen, die mit der Vorrichtung verbunden sind, um eine von der Anwendungsstelle entfernte Plazierung und Anwendung der Vorrichtung zu ermöglichen. Es sind auch andere Konfigurationen möglich, bei denen ein einziges faseroptisches Bündel angewandt wird, um die Strahlung zu und von dem Medium zu führen. Eine Optrode, die am Ende des Einzelbündels angeordnet ist, überträgt die nahe IR-Strahlung zu dem Probenmedium 16 und nimmt spektral modifizierte Strahlung davon auf, die durch das Bündel wieder in die Vorrichtung 10 geführt wird. Saphir oder hochreines Quarz können als optisches Element bei den oben angegebenen faseroptischen Wellenleitern verwendet werden, da solche Materialien sehr gute Übertragungseigenschaften im nahen IR-Spektralbereich haben.
Ebenfalls nach 1 wird das reflektierte Licht, das aus der Probe 16 austritt, zu dem mehrstufigen Filter 18 geleitet. Speziell geht das Licht zu einer ersten Stufe, umfassend einen einstellbaren Filter 20, dessen Absorptions-Charakteristika als Reaktion auf ein Signal, das entweder außerhalb erzeugt worden ist oder das von der Vorrichtung 10 selbst erzeugt worden ist, eingestellt werden können. Der einstellbare Filter umfaßt allgemein einen Abschirmfilter, wie einen neutralen Dichtefilter, mit Absorptions-Charakteristika, die so eingestellt sind, daß sie variabel die Intensität von Strahlung abschwächen, wie es von einem äußeren Signal oder den Systemerfordernissen diktiert wird. Der Grad der von dem einstellbaren Filter 20 hervorgerufenen Abschwächung beruht auf einem vorbestimmten Faktor, der so gewählt ist, daß er sicherstellt, daß die von dem einstellbaren Filter abgegebene Strahlung einen konstanten Wert hat, ungeachtet der Intensität der Strahlung vor dem Filter.
Abgeschwächte Strahlung, die aus dem einstellbaren Filter 20 austritt, wird mit einem Haupt-Analyt-Filter 22 in Kontakt gebracht, der optische Charakteristika aufweist, die in der Lage sind, selektiv Wellenlängen von jedem der verschiedenen nicht überlappenden Bereiche von Wellenlängen durchzulassen, die durch die Strahlenquelle 12 erzeugt worden ist. Die durch den Haupt-Analyt-Filter hindurchgegangenen Wellenlängen werden so ausgewählt, daß sie eine Korrelation mit der Konzentration des Analyten haben.
Ein zweiter Filter 24 ist in der Vorrichtung 10 so in Bezug auf den Haupt-Analyt-Filter 22 angeordnet, daß selektiv hindurchgegangene Wellenlängen, die aus dem Haupt-Analyt-Filter austreten, mit dem zweiten Filter in Wechselwirkung treten. Der zweite Filter hat Absorptions-Charakteristika, die so gewählt sind, daß die Intensität je der hindurchgegangenen Wellenlänge unabhängig durch den zweiten Filter abgeschwächt wird. Die durch den zweiten Filter hervorgerufene Abschwächung kann bestimmt werden durch ein unabhängiges Set von Gewichtungsfaktoren, die z. B. unter Anwendung chemometrischer Techniken erhalten worden sind.
Bei einer besonderen Konfiguration werden die Gewichtungsfaktoren bestimmt unter Anwendung einer Analyse der partiell kleinsten Quadrate oder Hauptkomponenten-Regression eines Originalspektrums, das von einer Probe erhalten worden ist, die den Analyten enthält. Der zweite Filter 24 kann aufgebaut sein unter Verwendung einer geeignete Substratschicht, die in der Lage ist, Strahlung mindestens im Bereich von 1100 bis 5000 nm hindurch zulassen. Die Substratschicht ist im allgemeinen mit einer oder mehreren Schichten aus Metallen und/oder Oxiden überzogen, die üblich sind, um eine Vielzahl von Dichten des zweiten Filters zu ergeben. Solche Überzüge können durch bekannte Emulsions- oder Dampfabscheidungs- (CVD) Techniken auf das Substrat aufgebracht werden. Bei einer alternativen Vorrichtung ist der zweite Filter eine fotografische Maske mit Spektrallinien optischer Dichte die zu den Gewichtungsfunktionen proportional sind, die bestimmt worden sind unter Anwendung einer Rotations-Hauptkomponenten-Analyse oder Analyse der kleinsten Quadrate.
Nach dem Abschwächen durch den zweiten Filter werden die unabhängigen Wellenlängen mit einem zweiten Nachweismittel 26, wie einer Reihe von Bleisulfid (PbS)-Detektoren, Galliumarsenid-Detektoren o. ä., in Kontakt gebracht. Bei einer speziellen Ausgestaltung der Vorrichtung, bei der es erwünscht ist, Messungen über den gesamten Bereich von etwa 1100 bis 5000 nm zu erhalten, wird eine Reihe von Bleiselenid (PbSe)-Detektoren angewandt.
Das Nachweismittel 26 erkennt die abgeschwächten Wellenlängen, die von dem zweiten Filter abgegeben worden sind, und wandelt sie in ein Signal um, das dann auf einen analyt-spezifischen Algorithmus übertragen werden kann, um die Analyt-Konzentration zu bestimmen. Speziell können Signale, die von dem zweiten Nachweismittel erhalten worden sind, unter Anwendung eines analogldigital-Umwandlers leicht in digitale Signale umgewandelt werden. Die digitalisierten Informationen sind leicht verfügbar für die Eingabe in einen Mikroprozessor oder andere elektronische Aufzeichnungs-Vorrichtungen, wo sie angewandt werden, um die Analyt-Konzentration zu ergeben, die auf einer Displayvorrichtung sichtbar gemacht und/oder mit einer Ausgangs-Aufzeichnungsvorrichtung aufgezeichnet werden können.
Bei einer speziellen Anwendung zum Erhalt von Messungen über den gesamten Bereich von etwa 1100 bis 5000 nm kann eine Reihe von Bleiselenid (PbSe)-Detektoren angewandt werden. Lineare Detektoren-Reihen auf der Basis von PbSe können z. B. erhalten werden unter dem Handelsnamen MULTIPLEXIR^TM (von Graseby Infrared, Orlando, Fla.).
Die Vorrichtung 10 kann angewandt werden, um Messungen der Analyt-Konzentration in einer Vielfalt von komplexen Medien, wie in wäßrigen Medien mit einem komplexen Spektral-Hintergrund zu erhalten. Bei einer Anwendung kann die Vorrichtung verwendet werden zur Bestimmung von Blutanalyt-Konzentrationen, insbesondere organischen Blutanalyten, wie z. B. aber nicht beschränkt auf Glucose, Harnstoff (BUN), Lipide, Bilirubin und Alkohol. Der Blutanalyt kann in einem in vitro Probenmedium (z. B. einer Blutprobe) vorhanden sein, oder die Vorrichtung kann angewandt werden, um Blutanalyte in Gewebe zu messen. Die Vorrichtung 10 ist jedoch besonders geeignet für Feldanwendungen, z. B. bei der Messung von Blutalkohol oder bei der Gesundheitsüberwachung zu Hause, z. B. bei der Blutzucker-Bestimmung.
In 2 wird eine alternative Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einer Probe als 50 bezeichnet. Die Vorrichtung umfaßt eine Strahlenquelle 52, die eine Mehrzahl von unterschiedlichen, nicht überlappenden Bereichen von Wellenlängen in dem ungefähren Bereich von 1100 bis etwa 5000 nm liefert. Die Vorrichtung 50 umfaßt auch ein optisches Mittel 54 für die Proben-Grenzfläche, das einfallende Strahlung von der Strahlenquelle mit einem Probenmedium 56, das einen Analyten enthält, in Kontakt bringt. Nach dem Kontakt mit dem Probenmedium wird spektral modifizierte Strahlung, die als diffus reflektiertes Licht aus der Probe austritt, gesammelt und zu einem Filter 58 geleitet, der so aufgebaut ist, daß er Licht spezieller Wellenlängen hindurch läßt.
Bei der Anwendung wird auftreffende Strahlung von der Strahlenquelle 52 über ein optisches Mittel für die Proben-Grenzfläche, das bei einer Konfiguration so ausgebildet sein kann, daß es eine nahe Grenzfläche zwischen der Vorrichtung und dem zu analysierenden Probenmedium ergibt, auf das Probenmedium geleitet. Nach dem Start wird die reflektierte Strahlung mit Hilfe von optisch aktiven Mitteln, wie einem Licht konvergierenden Mittel (z. B. einer Linse) oder Strahlen beugenden optischen Mitteln, gesammelt. Das optische Mittel 54 für die Proben-Grenzfläche kann faseroptische Wellenleiter umfassen, die mit der Vorrichtung 50 verbunden sind, um eine von der Anwendungsstelle entfernte Plazierung und Anwendung der Vorrichtung zu ermöglichen. Wie oben beschrieben, wird bei einem alternativen System ein einziges faseroptisches Bündel angewandt, um die Strahlung zu und von dem Medium zu übertragen.
Die reflektierte Strahlung wird auf einen Filter 58 gerichtet, der eine Mehrzahl von diskreten Filterelementen umfaßt, die als λ₁, λ₂, λ₃,... λ_n bezeichnet werden. Durch den Filter 58 geht eine Population von ausgewählten Wellenlängenbereichen hindurch, die analyt-spezifische Informationen, Informationen über den Meßhintergrund und Informationen liefern, die angewandt werden können, um instrumentelle Veränderungen und Interferenz-Effekte zu korrigieren. Die ausgewählten Wellenlängen, die aus dem Filter austreten, werden nachgewiesen durch eine Anordnung von Detektoren 60 mit einer eine Mehrzahl von diskreten Detektoren, die als D₁, D₂, D₃,... D_n bezeichnet werden. Die Detektoren sind so angeordnet, daß jeder ausgewählte Wellenlängenbereich, der aus dem Filter austritt, durch einen einzelnen diskreten Detektor nachgewiesen wird. Geeignete Detektorern-Konfigurationen sind bekannt und können z. B. eine Anordnung von PbS- oder PbSe-Detektoren umfassen. Jeder Detektor wandelt die nachgewiesene Strahlung in ein elektrisches Signal um, das angewandt werden kann, um einen Wert zu erhalten, der ein Zeichen für die Analyt-Konzentration ist.
Signale, die von den Detektoren erhalten worden sind, können unter Anwendung eines analog/digital-Umwandlers leicht in digitale Signale umgewandelt werden, z. B. digitale Signale, die ein Zeichen sind für die Intensität der festgestellten Wellenlängen. Die digitalisierten Informationen sind dann leicht verfügbar für die Eingabe in einen Mikroprozessor zur weiteren Verarbeitung (z. B. angewandt auf einen Systemalgorithmus), oder die Information kann mit Hilfe eines elektronischen Displays sichtbar gemacht werden. Analoge Signale, die von jedem diskreten Dektor erhalten worden sind, werden zu einem analog/digital (A/D)-Umwandler geleitet, um sie in eine digitale Form zu bringen. Die analogen Signale können vor der Umwandlung unter Anwendung bekannter Verfahren vor-verstärkt werden. Die digitalen Informationen aus dem A/D-Umwandler werden dann leicht in einen Mikroprozessor eingegeben, um die Analyt-Konzentration mit Hilfe eines System-Algrithmus zu berechnen, der für den Analyten spezifisch ist. Der Mikroprozessor berechnet die Analyt-Konzentration durch Anwendung eines chemometrischen Algorithmus für die nachgewiesenen Signale. Analyt-spezifische Algorithmen können bestimmt werden unter Anwendung von wiederholten Eichungs- und statistischen Modellverfahren, wie den oben beschriebenen chemometrischen Verfahren.
Bei der Durchführung der Erfindung kann der Filter 58 so aufgebaut sein, daß er diskrete Filterelemente umfaßt, die Absorptions-Charakteristika aufweisen, die eine ver stärkte Korrelation der durchgegangenen Wellenlängen mit der Konzentration des Analyten ergeben.
Der Filter 58 umfaßt einen zweistufigen Filter, bei dem die erste Stufe eine Mehrzahl von Bereichen umfaßt, die so konfiguriert sind, daß sie selektiv eine Population von ausgewählten Wellenlängenbereichen von der abgeschwächten Strahlung, die von der Probe reflektiert worden ist, hindurch lassen. Die selektiv hindurch gegangenen Wellenlängen enthalten analyt-spezifische Informationen, Informationen über den Meßhintergrund und Informationen, die angewandt werden können, um instrumentelle Veränderungen und Interferenz-Effekte zu korrigieren. Die zweite Stufe des Filters ist direkt an die erste Stufe angrenzend angeordnet und dient dazu, die Intensität jeder der aus der ersten Stufe austretenden hindurch gegangenen Wellenlängen abzuschwächen. Die zweite Stufe des zweistufigen Filters kann ein einen neutraler Dichtefilter mit einem flachen Absorptionsspektrum sein, das ausreicht, die Intensität jeder der aus der ersten Stufe des Filters ausgetretenen hindurch gegangenen Wellenlängen gleichmäßig abzuschwächen Die Vorrichtung 50 kann angewandt werden, um die Konzentration an einem oder mehreren interessierenden Analyten, die in einer Vielfalt von komplexen Medien, wie wäßrigen Medien mit einem komplexen Spektral-Hintergrund, vorhanden sind, zu erhalten. Speziell kann die Vorrichtung angewandt werden zur Bestimmung von Blutanalyt-Konzentrationen, insbesondere von organischen Blutanalyten, wie z. B. aber nicht beschränkt auf Glucose, Harnstoff (BUN), Lipide, Bilirubin und Alkohol. Wie oben beschrieben, kann die Analyse der Blutanalyt-Konzentrationen durchgeführt werden unter Anwendung von in vitro Proben oder die Analyse kann durchgeführt werden durch Abtasten von Gewebe im nahe IR, wie als Reflexions-Messungen, die durch Scannen des Unterarmgewebes erhalten werden.
Wenn die Vorrichtung 50 angewandt wird, um Messungen von Blutanalyten in einer Gewebequelle zu erhalten, wird auftreffende Strahlung von der Strahlenquelle 52 über das optische Mittel 54 für die Proben-Grenzfläche dazu gebracht, daß sie auf die Hautoberfläche des Gewebes, wie den Unterarm einer Person, auftrifft. Das optische Mittel 54 für die Proben-Grenzfläche richtet die Strahlung in einem Winkel auf das Gewebe, so daß sie von dem Gewebematerial nahe der Oberfläche absorbiert und als diffuse Strahlung reflektiert wird. Die auftreffende Strahlung wird spektral modifiziert als Ergebnis von IR-Absorptionen durch die Blut- und Gewebebestandteile. Anteile der auftreffenden nahen IR-Strahlung werden von den Blutbestandteilen in der Gewebe quelle absorbiert, gestreut und reflektiert. Diese spektral modifizierte Strahlung enthält Informationen, die für jeden optisch aktiven Blutbestandteil spezifisch sind.
Bei der Bestimmung von Blutzuckergehalten unter Anwendung der Vorrichtung 50 können Vibrations-Bewegungen von Blutzucker-Molekülen nachgewiesen und gemessen werden unter Anwendung von diffus reflektierter naher IR-Strahlung. Die Vibrations-Bewegung umfaßt sowohl eine Rotations- als auch eine Translations-Bewegung der Glucose-Moleküle, einschließlich Oberton-Vibrationen und kombinierte Vibrationen. Von diesen Bewegungen sind die Oberton-Vibrationen dominant und treten im Bereich von etwa 1670 bis 1690 nm auf. Die Kombinations-Vibrations-Banden von Glucose treten im Bereich von etwa 2120 bis 2280 nm auf. Glucose hat keine deutliche optische Aktivität im nahen IR-Bereich von etwa 1320 bis 1340 nm.
Folglich kann die Vorrichtung 50 einen Filter 18 umfassen, der vier einzelne Bereiche umfaßt, von denen der erste Bereich so ausgebildet ist, daß er reflektierte Strahlung aus einem Wellenlängenbereich im Bereich von etwa 1300 bis 1360 nm hindurch läßt; der zweite Bereich ist so ausgebildet, daß er reflektierte Strahlung aus einem Wellenlängenbereich entweder im Bereich von etwa 1430 bis 1450 nm oder etwa 1930 bis 1950 hindurch läßt, der dritte Bereich ist so ausgebildet, daß er reflektierte Strahlung aus dem Wellenlängenbereich im Bereich von etwa 1670 bis 1690 nm hindurch läßt, und der vierte Bereich ist so ausgebildet, daß er reflektierte Strahlung aus einem Wellenlängenbereich im Bereich von etwa 2120 bis 2280 nm hindurch läßt.
Die Intensität der durch den dritten und vierten Abschnitt des Filters hindurch gehenden Wellenlängen enthält analyt-spezifische Informationen. Wie oben beschrieben, können der dritte und vierte Abschnitt des Filters so ausgebildet sein, daß sie Gewichtungsfaktoren umfassen, die die Korrelation der durchgegangenen Strahlung mit der Konzentration an Glucose, die in der Gewebeprobe vorhanden ist, verstärken. Informationen, die aus dem ersten Abschnitt des Filters erhalten werden, können angewandt werden, die Spektral-Beteiligung des Hintergrundes bei jeder Messung zu berechnen und können so angewandt werden, um die aus dem dritten und vierten Filterabschnitt erhaltenen Meßwerte zu korrigieren oder zu normalisieren. Die aus dem zweiten Filterabschnitt erhaltenen Signale (die Information über die Wasserabsorption) können angewandt werden, um unwirksame Messungen zu identifizieren, z. B. solche, die daher rühren, daß keine richtigen Meßwerte von der Gewebeprobe erhalten werden konnten, oder die Informationen können angewandt werden, um die aus dem dritten und vierten Filterabschnitt erhaltenen Meßwerte hinsichtlich Temperaturänderungen zu korrigieren.
Es ist zu verstehen, daß, während die Erfindung im Zusammenhang mit bevorzugten speziellen Ausführungsformen beschrieben worden ist, die obige Beschreibung sowie die folgenden Beispiele zur Illustration und nicht zur Einschränkung des Umfangs der Erfindung dienen sollen. Andere Aspekte, Vorteile und Modifikationen im Rahmen der Erfindung sind für den Fachmann, an den sich die Erfindung richtet, offensichtlich. Beispiel Es wurde eine nicht-invasive Glucose-Messung durchgeführt. Insbesondere wurden reflexions-optische Messungen im nahen IR-Bereich von etwa 1100 bis 3500 nm durchgeführt. Spektral-Abtastwerte wurden von dem Unterarm von Freiwilligen unter Anwendung eines Instruments mit einer Wolfram/Quecksilber (W/Hg) Strahlenquelle und einem Bleisulfid (PbS) Detektor und einer Abtastgewchwindigkeit von 1 nm/0,4 s erhalten.
Es wurde eine Reihe von speziellen Spektralbereichen identifiziert, daß sie Informationen enthielten, die angewandt werden können zur Bestimmung der Glucose-Konzentration (Blutzucker) durch Scannen des Unterarmgewebes. Diese speziellen Bereiche wurden bestimmt durch eine in vivo Glucose-Toleranzstudie, die zusammen mit in vitro Bestimmungen der Blutzucker-Konzentration von invasiv erhaltenen Proben durchgeführt wurde. Insbesondere sind zeitabhängige Abtastwerte, die während der invivo-Toleranzstudie, erhalten wurden, in 3 angegeben. Wie zu ersehen ist, wurden während des Verlaufs der Studie deutliche Veränderungen der Reflexions-Intensitäts-Unterschiede über den Bereich von etwa 2120 bis 2180 nm aufgezeichnet. Diese Veränderungen nahmen in direktem Zusammenhang mit der Zunahme des Blutzuckergehalts während er Toleranzstudie zu, was anzeigt, daß der Bereich von 2120 bis 2120 nm glucose-spezifische Spektral-Informatonen enthält.
Nachdem die spezifischen Spektralbereiche erst einmal identifiziert worden waren, wurden nicht-invasive Glucose-Meßwerte unter Anwendung von Informationen von den vier unterschiedlichen Spektralbereichen erhalten. Der erste Spektralbereich umfaßte Strahlung, die bei etwa 1320 bis 1340 nm auftrat. Dieser Bereich liefert ein sehr stark reflektiertes Signal und in diesem Bereich findet sich keine starke Glucose-Absorptions-Bande. Informationen, die aus diesem ersten Spektralbereich erhalten wurden, können angewandt werden, um jeden individuellen Abtastwert zu normalisieren, um ihn gegenüber Fluktuationen in der Strahlenquelle und Veränderungen aufgrund mechanischer Störungen zu korrigieren.
Der zweite Spektralbereich umfaßte Strahlung, die entweder bei etwa 1440 bis 1460 nm oder etwa 1940 bis 1960 nm auftrat. Diese Bereiche liefern ein im wesentlichen nicht reflektiertes Signal aufgrund der stark absorbierenden Wasserbanden, die reflektierte Strahlung diffus abschwächen. Informationen, die aus diesen Bereichen erhalten wurden, können angewandt werden, zur Subtraktion von Hintergrund- oder Grundlinien-Werten von anderen Messungen. Diese Messungen ermöglichen eine Grundeinstellung für Fluktuationen, die durch Werte von Spiegel-Reflexions-Signalen auftreten, und können angewandt werden, um ungenaue Messungen nachzuweisen.
Der dritte Bereich umfaßte Strahlung, die bei etwa 1670 bis 1690 nm auftrat. Dieser Bereiche liefert analyt-spezifische Informationen aufgrund des Vorhandenseins von Glucose-Vibrations-Oberton-Banden.
Der vierte Bereich umfaßte Strahlung, die bei etwa 2120 bis 2280 nm auftrat. Dieser Bereiche liefert analyt-spezifische Informationen aufgrund von Glucose-Kombinations-Vibrations-Banden.
Signale, die aus dem ersten Bereich erhalten wurden, wurden angewandt, um Signale von anderen Bereichen zu normalisieren. Dieses Verfahren eliminiert, wenn es mit jedem spektralen Abtastwert durchgeführt wird, das Problem, das mit Veränderungen der Lichtquelle verbunden ist, und liefert einen internen Bezug. Messungsvariationen die durch Unterschiede der optischen Grenzfläche, z. B. der Plazierung durch den Patienten, hervorgerufen werden, wurden folglich wesentlich verringert.
Hintergrundinformationen wurden eliminiert durch Subtrahieren der in dem zweiten Bereich erhaltenen Signale von den in dem dritten und vierten analyt-spezifischen Bereich erhaltenen Signalen. Auf diese Weise wurde der Basiseffekt, der durch Spiegelreflexion hervorgerufen wird, die mit der Hautstruktur und dem Alter variiert, korrigiert.
Die normalisierten und für die Grundlinie korrigierten Signale von dem dritten und vierten Bereich wurden einer analytischen chemometrischen Analyse unterworfen. 4 zeigt die normalisierten Unterschiede zwischen Signalen in dem zweiten und dritten Bereich.
Wie aus den in 3 gezeigten Ergebnissen hervorgeht, führt eine Zunahme des Blutzuckergehalts zu einer Zunahme der Signaldifferenz zwischen den beiden Bereichen.

Claims

Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Konzentration eines organischen Blut-Analyten in einer Gewebeprobe, umfassend (a) ein Mittel (12), um die Probe mit einfallender Strahlung aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen, nicht überlappenden Spektralbereichen jeweils innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 1100 und 5000 nm zu bestrahlen, (b) ein Mittel (14), um reflektierte Strahlung, die aus der Probe austritt, aufzunehmen und die reflektierte Strahlung in einen Strahlengang zu führen, (c) einen einstellbaren Filter (20) in dem Strahlengang, wobei bei dem einstellbaren Filter die Absorptionscharakteristika als Antwort auf ein Signal eingestellt werden können, und der Intensität der Strahlung in dem Strahlengang abschwächt, (d) einen Hauptfilter (22) für den Analyten, der Strahlung, die aus dem einstellbaren Filter (20) austritt, aufnehmen und selektiv diskrete Wellenlängen davon durchlassen kann, wobei die diskreten Wellenlängen in spezifischem Zusammenhang mit der Konzentration des Analyten stehen, (e) einen zweiten Filter (24), der die diskreten Wellenlängen, die aus dem Hauptfilter (20) für den Analyten austreten, aufnehmen und die Intensität der Wellenlängen abschwächen kann, wobei die durch den zweiten Filter (24) hervorgerufene Abschwächung durch Gewichtsfaktoren erzielt wird, (f) ein Nachweismittel (26) umfassend eine lineare Detektor-Anordnung zur Aufnahme der abgeschwächten Wellenlängen, die aus dem zweiten Filter (24) austreten, (g) ein Mittel (26) zum Umwandeln der erkannten Wellenlenlängen in ein Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist, und (h) ein Mittel, um aus dem Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist, die Konzentration des Analyten abzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der einstellbare Filter (20) einen neutralen Dichtefilter umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gewichtsfaktoren unter Anwendung chemometrischer Verfahren erhalten worden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Gewichtsfaktoren unter Anwendung einer Rotationsanalyse der Hauptkomponenten des Absorptionsspektrums des Analyten erhalten worden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Nachweismittel (26) Bleiselenid (PbSe) Detektoren umfaßt.
Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration eines organischen Blut-Analyten in einer Gewebeprobe, umfassend (a) ein Mittel (52), um die Probe mit einfallender Strahlung aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen, nicht überlappenden Spektralbereichen jeweils innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 1 100 und 5 000 nm zu bestrahlen, (b) ein Mittel (54), um reflektierte Strahlung, die aus der Probe austritt, aufzunehmen und die reflektierte Strahlung in einen Strahlengang zu führen, (c) einen Filter (58) in dem Strahlengang, wobei bei der Filter (58) einen zweistufigen Filter umfaßt mit einem ersten Abschnitt, umfassend eine Mehrzahl von Bereichen (λ₁–λ₅), von denen jeder so ausgebildet ist, daß er selektiv mindestens eine von der aus der Probe austretenden reflektierten Strahlung verschiedene Wellenlänge hindurch läßt, und einem zweiten Abschnitt, der an den ersten Abschnitt angrenzend angeordnet ist und die Intensität jeder selektiv durchgelassene Wellenlänge, die aus dem ersten Abschnitt des Filters austritt, abschwächen kann, (d) eine Mehrzahl von Detektoren (60), die so angeordnet sind, daß jeder aus dem Filter austretende Wellenlängenbereich durch einen diskreten Detektor (D₁–D₅) nachgewiesen wird, (e) ein Mittel (26) zum Umwandeln der erkannten Wellenlenlängen in ein Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist, und (f) ein Mittel, um aus dem Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist, die Konzentration des Analyten abzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der zweite Abschnitt des zweistufigen Filters ein neutraler Dichtefilter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste Abschnitt eine Mehrzahl von diskreten Filterelementen umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei mindestens ein diskretes Filterelement ein Absorptionscharakteristikum aufweist, das so gewählt ist, die es einen verstärkten Zusammenhang einer hindurchgehenden Wellenlänge mit der Konzentration des Analyten ergibt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Absorptionscharakteristikum sich durch einen Gewichtsfaktor ergibt, der unter Anwendung chemometrischer Verfahren erhalten worden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Gewichtsfaktor erhalten worden ist unter Anwendung einer Rotationsanalyse der Hauptkomponenten eines Absorptionsspektrums des Analyten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Mehrzahl von Detektoren (60) Bleiselenid (PbSe) Detektoren umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste Abschnitt einen ersten Bereich umfaßt, der so ausgebildet ist, daß er mindestens eine Wellenlänge von einem ersten Spektralbereich von Wellenlängen im Bereich von etwa 1300 bis 1360 nm hindurch läßt, einen zweiten Bereich, der so ausgebildet ist, daß er mindestens eine Wellenlänge von einem zweiten Spektralbereich von Wellenlängen im Bereich von etwa 1670 bis 1690 nm hindurch läßt, einen dritten Bereich, der so ausgebildet ist, daß er mindestens eine Wellenlänge von einem dritten Spektralbereich von Wellenlängen im Bereich von etwa 1900 bis 1950 nm hindurch läßt, und einen vierten Bereich, der so ausgebildet ist, daß er mindestens eine Wellenlänge von einem vierten Spektralbereich von Wellenlängen im Bereich von etwa 2120 bis 2280 nm hindurch läßt.
Verfahren zum Bestimmen der Konzentration eines organischen Blut-Analyten in einer Gewebeprobe, umfassend (a) Bestrahlen der Probe mit auffallender Strahlung aus einer Mehrzahl von unterschiedlichen, nicht überlappenden Spektralbereichen jeweils innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 1 100 und 5 000 nm, (b) Aufnehmen der reflektierten Strahlung, die aus der Probe austritt, und Führen der reflektierten Strahlung in einen Strahlengang, (c) Anordnen eines einstellbaren Filters in dem Strahlengang, wobei bei dem einstellbaren Filter die Absorptionscharakteristika als Antwort auf ein Signal eingestellt werden können, und der die Intensität der Strahlung in dem Strahlengang abschwächt, (d) Aufnehmen der aus dem einstellbaren Filter austretenden abgeschwächten Strahlung durch den Hauptfilter für den Analyten, und selektives Durchlassen diskreter Wellenlängen davon, wobei die diskreten Wellenlängen in spezifischem Zusammenhang mit der Konzentration des Analyten stehen, (e) Aufnehmen der die diskreten Wellenlängen, die aus dem Hauptfilter für den Analyten austreten, durch einen zweiten Filter und Abschwächen der Intensität der Wellenlängen, wobei die Abschwächung durch Anwendung von Gewichtsfaktoren erreicht wird, (f) Aufnehmen der die abgeschwächten Wellenlängen, die aus dem zweiten Filter austreten, durch ein Nachweismittel, umfassend eine lineare Detektor-Anordnung, (g) Umwandeln der erkannten Wellenlenlängen in ein Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist, und (h) Ableiten der Konzentration des Analyten aus dem Signal, das für die Intensität der Wellenlängen repräsentativ ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Absorptionscharakteristika des zweiten Filters (24) erhalten werden unter Anwendung chemometrischer Verfahren.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Mehrzahl von Detektoren (26) Bleiselenid (PbSe) Detektoren umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das IR-Spektrum einen ersten Spektralbereich von Wellenlängen im Bereich von etwa 1 100 bis 1 350 nm, einen zweiten Spektralbereich von Wellenlängen im Bereich von etwa 1 550 bis 1 850 nm und einen dritten Spektralbereich von Wellenlängen im Bereich von etwa 2 000 bis 3 500 nm umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der organische Blut-Analyt ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Glucose, Harnstoff (BUN), Lipiden, Bilirubin und Ethylalkohol.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Blut-Analyt Glucose ist.