-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer
Glukosekonzentration in einem Ziel unter Verwendung von NIR-Spektroskopie (near-infrared
spectroscopy) und insbesondere ein Verfahren zur nicht invasiven
Bestimmung einer Glukosekonzentration in dem Blut eines Subjekts,
welches für
eine Gesundheitskontrolle zu Hause oder für eine Blutzuckermessung für Subjekte,
wie beispielsweise für
Diabetiker in medizinischen Einrichtungen, verwendet werden kann.
-
STAND DER
TECHNIK
-
Die
NIR-Spektroskopie wird in verschiedenen technischen Gebieten, wie
beispielsweise in der Landwirtschaft, in der Nahrungsmittelindustrie
oder in der Petrochemie weithin verwendet, weil sie eine Art der
zerstörungsfreien
Prüfung
ist und keine besondere Operation zum Herstellen einer zu prüfenden Probe
erfordert. Da Strahlung im nahen Infrarotbereich eine elektromagnetische
Welle geringer Energie ist, ist es möglich, das Auftreten eines
Strahlenschadens der Probe zu vermeiden. Strahlung im nahen Infrarotbereich
wird im Vergleich mit Strahlung im mittleren Infrarotbereich nur
schwer von Wasser absorbiert, und deshalb ist es möglich, eine
Probe in einem Zustand einer wäßrigen Lösung zu
prüfen.
Zusätzlich
besteht ein Vorteil in einer hohen Strahlungsdurchlässigkeit
im nahen Infrarotbereich in einen lebendigen Körper.
-
Im
Gegensatz dazu ist eine Intensität
eines Absorptionsspektrums innerhalb eines Wellenlängenbereichs
der Strahlung im nahen Infrarotbereich sehr schwach, z.B. ungefähr 1/100
der Intensität
eines Absorptionsspektrums innerhalb eines Wellenlängenbereichs
der Strahlung im mittleren Infrarotbereich. Zusätzlich besteht ein Problem
darin, daß es schwierig
ist, die Zuordnung eines Absorptionsspektrums zu klären, welches
durch die Verwendung von Strahlung im nahen Infrarotbereich aus
dem lebendigen Körper
erfaßt
wurde. Diese Probleme verhindern eine genaue quantitative Analyse
der Glukosekonzentration unter Verwendung der NIR-Spektroskopie.
-
US-Patent
Nr. 4,655,225 offenbart ein spektralphotometrisches Verfahren zur
nicht invasiven Bestimmung der Glukosekonzentration in Körpergeweben.
Ein Licht, welches von einer gerichteten optischen Lichtquelle bereitgestellt
wird, wird auf einen ausgewählten
Körperabschnitt
gestrahlt, und dann wird die resultierende Strahlung gesammelt,
welche aus dem Körperabschnitt
abgestrahlt wird. Die gesammelte Strahlung umfaßt mindestens ein Band mit einer
Wellenlänge
von 1575 nm, 1756 nm, 2100 m und 2270 ± 15 nm, welches für das Glukose-Absorptionsspektrum
typisch ist, und mindestens ein Band mit einer Referenzwellenlänge im Bereich
von 1000 nm bis 2700 nm, welches für das Absorptionsspektrum des
Hintergrundgewebes typisch ist. Die Absorption der Glukose bei der
Referenzwellenlänge
ist null oder unbedeutend. Nachdem die gesammelte Strahlung in elektrische
Signale umgewandelt wurde, wird die Glukosekonzentration des Subjekts
durch einen elektronischen Computer gemäß den elektrischen Signalen
berechnet.
-
Andererseits
offenbart das US-Patent Nr.5,070,874 ein Verfahren einer nicht invasiven
Bestimmung der Glukosekonzentration in einem Patienten. Eine Strahlung
im nahen Infrarotbereich über
einen begrenzten Wellenlängenbereich
von ungefähr 1660
nm wird auf einen Körperabschnitt
des Patienten gerichtet, und dann wird die resultierende Strahlung
abgetastet, welche aus dem Abschnitt abgestrahlt wird. Ein Ausdruck
für die
Größenordnung
der resultierenden Strahlung als eine Funktion der Wellenlänge wird
abgeleitet. Die zweite Ableitung des Ausdrucks in einem sehr schmalen
Bereich bei ungefähr
1660 nm, z.B. zwischen 1640 nm und 1670 nm, wird entwickelt. Die
Glukosekonzentration des Patienten wird aus der Intensität der resultierenden Strahlung
bei der Maximum- oder Minimumstelle dieser Ableitung bestimmt.
-
Nebenbei
bemerkt, besteht beim Bestimmen der Glukosekonzentration in einem
lebendigen Gewebe unter Verwendung von NIR-Spektroskopie eine Neigung,
daß Absorptionsspektren
von Wasser und von Komponenten in dem lebendigen Gewebe außer der
Glukose die Absorptionsspektren von Glukose überlagern. 12 und 13 zeigen
Absorptionsspektren von Wasser, Glukose (Pulver), Albumin (Pulver)
und Cholesterin (Pulver), welche über Wellenlängenbereichen der ersten bzw.
zweiten Harmonischen erfaßt
wurden. Wenn beispielsweise ein Absorptionsspektrum eines Ziels,
welches Wasser, Glukose und Albumin umfaßt, erfaßt wird, ist zu erwarten, daß die Absorptionsspektren
von Wasser und Albumin einen breiten Peak des Absorptionsspektrums von
Glukose in der Nähe
von ungefähr
1580 nm überlagern,
wie aus 12 ersichtlich ist. Um die Genauigkeit
der quantitativen Analyse der Glukosekonzentration zu verbessern,
ist es wichtig, den Einfluß von
Störfaktoren
auf die Absorptionsspektren von Glukose zu berücksichtigen.
-
Folglich
gibt es Raum für
eine weitere Verbesserung bei den Verfahren zum Bestimmen der Glukosekonzentration
nach dem Stand der Technik.
-
Ein
Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen
einer Glukosekonzentration in einem Ziel mit einer verbesserten
Genauigkeit unter Verwendung von NIR-Spektroskopie bereitzustellen.
Das bedeutet, daß Strahlung
im nahen Infrarotbereich auf das Ziel gerichtet wird und eine resultierende
Strahlung empfangen wird, welche aus dem Ziel abgestrahlt wird.
Eine Spektralanalyse der resultierenden Strahlung wird durchgeführt, um mindestens
ein erstes Absorptionssignal aus einem ersten Wellenlängenbereich
mit einem Absorptionspeak der OH-Gruppe, welche aus einem Glukosemolekül abgeleitet
ist, mindestens ein zweites Absorptionssignal aus einem zweiten
Wellenlängenbereich mit
einem Absorptionspeak der NH-Gruppe in dem Ziel und mindestens ein
drittes Absorptionssignal aus einem dritten Wellenlängenbereich
mit einem Absorptionspeak der CH-Gruppe in dem Ziel zu erfassen.
Die Glukosekonzentration wird durch eine multivariate Analyse der
Ergebnisse der Spektralanalyse bestimmt, bei welcher das erste,
zweite und dritte Absorptionssignal als erklärende Variablen verwendet werden
und die Glukosekonzentration eine Kriteriumsvariable ist.
-
Wenn
die Spektralanalyse über
einen Bereich einer ersten Harmonischen durchgeführt wird, ist es bevorzugt,
daß der
erste Wellenlängenbereich in
einem Bereich von 1550 nm bis 1650 nm, der zweite Wellenlängenbereich
in einem Bereich von 1480 nm bis 1550 nm und der dritte Wellenlängenbereich in
einem Bereich von 1650 nm bis 1880 nm liegt.
-
Wenn
die Spektralanalyse über
einen Bereich einer zweiten Harmonischen durchgeführt wird, ist
es bevorzugt, daß der
erste Wellenlängenbereich in
einem Bereich von 1050 nm bis 1130 nm, der zweite Wellenlängenbereich
in einem Bereich von 1000 nm bis 1050 nm und der dritte Wellenlängenbereich in
einem Bereich von 1130 nm bis 1300 nm liegt.
-
Es
ist auch bevorzugt, daß der
erste Wellenlängenbereich
in einem Bereich von 1600 ± 40
nm, der zweite Wellenlängenbereich
in einem Bereich von 1530 ± 20
nm und der dritte Wellenlängenbereich in
einem Bereich liegt, welcher aus der Gruppe von 1685 ± 20 nm,
1715 ± 20
nm und 1740 ± 20
nm ausgewählt
ist.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist das erste Absorptionssignal eine
Absorption bei einer ersten Wellenlänge in dem ersten Wellenlängenbereich,
das zweite Absorptionssignal eine Absorption bei einer zweiten Wellenlänge in dem
zweiten Wellenlängenbereich und
das dritte Absorptionssignal eine Absorption bei einer dritten Wellenlänge in dem
dritten Wellenlängenbereich.
Die erste, zweite und dritte Wellenlänge können durch die folgende Vorgehensweise
bestimmt werden. Mehrere Testproben werden mit unterschiedlichen
Konzentrationen in einem System hergestellt, welches Albumin, Glukose
und Wasser umfaßt,
und es werden Absorptionsspektren der Testproben gemessen. Ersatzweise
wird ein Glukosetoleranztest an einem Subjekt angewendet, und es werden
Absorptionsspektren des Subjekts während des Glukosetoleranztests
gemessen. Es wird eine multivariate Analyse der gemessenen Absorptionsspektren
durchgeführt,
um ein Profil zu erhalten, welches eine Relation zwischen Wellenlänge und
Regressionskoeffizient angibt. Aus diesem Profil wird eine Wellenlänge als
die erste Wellenlänge
ausgewählt,
welche im wesentlichen einem Peak des Regressionskoeffizienten innerhalb
des ersten Wellenlängenbereichs
entspricht. Eine Wellenlänge,
welche im wesentlichen einem Peak des Regressionskoeffizienten innerhalb
des zweiten Wellenlängenbereichs entspricht,
wird als die zweite Wellenlänge
ausgewählt.
Eine Wellenlänge,
welche im wesentlichen einem Peak des Regressionskoeffizienten innerhalb des
dritten Wellenlängenbereichs
entspricht, wird als die dritte Wellenlänge ausgewählt.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht die Strahlung im nahen Infrarotbereich,
welche auf das Ziel gerichtet wird, im wesentlichen aus einer ersten Strahlung
im nahen Infrarotbereich mit einer zentralen Wellenlänge und
einer Halbbreite innerhalb des ersten Wellenlängenbereichs, aus einer zweiten Strahlung
im nahen Infrarotbereich mit einer zentralen Wellenlänge und
einer Halbbreite innerhalb des zweiten Wellenlängenbereichs und aus einer
dritten Strahlung im nahen Infrarotbereich mit einer zentralen Wellenlänge und
einer Halbbreite innerhalb des dritten Wellenlängenbereichs. Beispielsweise
können
die zentrale Wellenlänge
und die Halbbreite der ersten Strahlung im nahen Infrarotbereich
durch die folgende Vorgehensweise bestimmt werden. Es werden mehrere
Testproben mit unterschiedlichen Konzentrationen in einem System
hergestellt, welches Albumin, Glukose und Wasser umfaßt, und
es werden Absorptionsspektren der Testproben gemessen. Ersatzweise
wird ein Glukosetoleranztest an einem Subjekt angewendet, und es
werden Absorptionsspektren des Subjekts während des Glukosetoleranztests
gemessen. Es wird eine multivariate Analyse der gemessenen Absorptionsspektren
durchgeführt,
um ein Profil zu erhalten, welches eine Relation zwischen Wellenlänge und
Regressionskoeffizient angibt. Aus diesem Profil wird eine Wellenlänge als die
zentrale Wellenlänge
der ersten Strahlung im nahen Infrarotbereich ausgewählt, welche
im wesentlichen einem Maximumwert des Regressionskoeffizienten innerhalb
des ersten Wellenlängenbereichs entspricht,
und es wird ein Wellenlängenbereich
als die Halbbreite der ersten Strahlung im nahen Infrarotbereich
ausgewählt,
welcher im wesentlichen 70% oder mehr des Maximumwerts innerhalb
des ersten Wellenlängenbereichs
entspricht. Insbesondere ist es bevorzugt, daß die zentrale Wellenlänge der
ersten Strahlung im nahen Infrarotbereich innerhalb eines Bereichs
von 1560 nm bis 1640 nm bestimmt wird und die Halbbreite davon 60
nm oder weniger beträgt.
-
Diese
und noch andere Aufgaben und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung offenkundig, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen
gesehen werden.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 sind
Profile, welche Relationen zwischen Wellenlänge und Regressionskoeffizient
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen;
-
2 sind
Profile, welche Relationen zwischen Wellenlänge und Regressionskoeffizient
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen;
-
3 sind
Profile, welche Relationen zwischen Wellenlänge und Regressionskoeffizient
einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigen;
-
4 ist
ein schematisches Diagramm eines Geräts zur nicht invasiven Bestimmung
einer Glukosekonzentration in dem Blut eines Subjekts, welches bei
einer vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
-
5 ist
eine Rückansicht
eines optischen Faserbündels,
welches bei der vierten Ausführungsform
verwendet wird;
-
6 ist
ein Absorptionsspektrum, welches bei der vierten Ausführungsform
erfaßt
wurde;
-
7 ist
ein Profil, welches eine Relation zwischen Wellenlänge und
Regressionskoeffizient der vierten Ausführungsform zeigt;
-
8 ist
eine Kalibrierungslinie der Glukosekonzentration, welche bei der
vierten Ausführungsform
erhalten wurde;
-
9 ist
ein schematisches Diagramm eines Geräts zur nicht invasiven Bestimmung
einer Glukosekonzentration in dem Blut eines Subjekts, welches bei
einer fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
-
10 ist
eine Rückansicht
eines optischen Faserbündels,
welches bei der fünften
Ausführungsform
verwendet wird;
-
11 ist
ein teilweise vergrößertes Profil der 3;
-
12 sind
Absorptionsspektren von Glukose, Albumin, Cholesterin und Wasser,
welche über
einen Bereich einer ersten Harmonischen erfaßt wurden; und
-
13 sind
Absorptionsspektren von Glukose, Albumin, Cholesterin und Wasser,
welche über
einen Bereich einer zweiten Harmonischen erfaßt wurden.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
<Erste Ausführungsform>
-
Die
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen einer Glukosekonzentration
in einer Rinderserumprobe unter Verwendung von NIR-Spektroskopie bereit.
-
Zunächst werden
mehrere Rinderserumproben mit unterschiedlichen Konzentrationen
an Glukose und Albumin hergestellt. Albumin ist eine ziemlich gewöhnliche
Protein-Komponente im Blut und wirkt als ein Störfaktor bei einer Spektralanalyse
zum Bestimmen der Glukosekonzentration. Dies ist der Grund, warum
Albumin in die Rinderserumproben eingeschlossen wird. 5 ml einer
wäßrigen Glukoselösung und
15 ml einer wäßrigen Albuminlösung werden
mit 80 ml eines Rinderserums vermischt, um jede der Rinderserumproben
zu erhalten. Die Glukosekonzentrationen in den Rinderserumproben
betragen 30 mg/dl, 93 mg/dl, 155 mg/dl, 280 mg/dl, 530 mg/dl und
1030 mg/dl. Die Albuminkonzentrationen in den Rinderserumproben
betragen 2,24 g/dl, 2,84 g/dl, 3,44 g/dl, 4,64 g/dl und 5,84 g/dl.
Deshalb ist es möglich,
die Rinderserumproben mit 30 (5 × 6) unterschiedlichen Konzentrationen
von Glukose und Albumin herzustellen. Bei dieser Ausführungsform
wurden 15 Rinderserumproben verwendet, welche wahlweise aus den
30 unterschiedlichen Rinderserumproben ausgewählt wurden. Da sich folglich
die Konzentrationen von Glukose, Albumin und Wasser in diesen Rinderserumproben
verändern,
ist es schwierig, die Glukosekonzentration durch einfaches Betrachten
einer Relation zwischen Wasser und Glukose genau zu bestimmen. Der
Einfluß von
Albumin als der Störfaktor
muß auch
betrachtet werden, um die Glukosekonzentration genau zu bestimmen.
-
Von
jeder der Rinderserumproben wird eine Spektralmessung unter Verwendung
eines MAGNA 850 (hergestellt von „NICOLET") unter den Bedingungen eines arithmetischen
Mittels 128, einer Auflösung
16, eines Detektors DTGS KBr und einer weißen Lichtquelle durchgeführt. Nachdem
die gemessenen Absorptionssignale unter Verwendung eines Referenzsignals,
welches in einem Speicher in einem FT-IR gespeichert wurde, in Absorptionen
umgewandelt wurden, um Spektraldaten zu erhalten, wird eine PLS-(Partial
Least Squares)-Regressionsanalyse der Spektraldaten über 1250
nm bis 1850 nm, wo Oberwellen einer ersten Harmonischen beobachtet
werden, unter Verwendung einer käuflichen
Software für
eine multivariate Analyse durchgeführt. Bei dieser PLS-Regressionsanalyse
ist die Glukosekonzentration eine Kriteriumsvariable, und die Absorptionen
sind erklärende
Variablen. 1 sind Profile, welche Relationen
zwischen Wellenlänge
und Regressionskoeffizient zeigen, welche durch Analysieren hinsichtlich
mehreren Hauptkomponenten erhalten werden. Ergebnisse der PLS-Regressionsanalyse
unter der Verwendung einer siebten Hauptkomponente (n = 7) zeigen,
daß ein
Korrelationskoeffizient bei der Herstellung einer Kalibrierungslinie
0,996 beträgt,
ein Standard-Fehler (SEP) 28,1 mg/dl beträgt, ein Korrelationskoeffizient
bei der Validierung der Kalibrierungslinie 0,992 beträgt und ein
Standard-Fehler (SEP) 38,1 mg/dl beträgt. An Stelle der PLS-Regressionsanalyse
ist es möglich,
eine Analyse der Hauptkomponenten zu verwenden.
-
Als
Nächstes
wird eine Multiregressionsgleichung durch die nachfolgend erklärte Vorgehensweise
als eine Kalibrierungslinie der Glukosekonzentration bestimmt. Die
Multiregressionsgleichung wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: Y = a1x1 + a2x2 + a3x3 + a0wobei x1, x2
und x3 erklärende
Variablen sind, Y eine Kriteriumsvariable ist, a1, a2 und a3 Regressionskoeffizienten
sind und a0 eine Konstante ist. Die Kriteriumsvariable ist die Glukosekonzentration.
Die erklärenden
Variablen x1 bis x3 werden aus dem Profil der 1 bestimmt.
Das bedeutet, daß eine
Absorption bei ungefähr
1590 nm als die erklärende
Variable (x1) verwendet wird. Die Wellenlänge von 1590 nm entspricht
im wesentlichen einer Wellenlänge
eines positiven Peaks, welcher in einem ersten Wellenlängenbereich
(1550 ~ 1650 nm) mit einem Absorptionspeak beobachtet wird, welcher
von einer OH-Gruppe des Glukosemoleküls abgeleitet ist, wie in dem
Profil (n = 7) der 1 gezeigt wird. Eine Absorption
von ungefähr
1525 nm wird als die erklärende
Variable (x2) verwendet. Die Wellenlänge von 1525 nm entspricht
einer Wellenlänge
in der Nähe
eines negativen Peaks, welcher in einem zweiten Wellenlängenbereich
(1480 ± 1550
nm) beobachtet wird, mit einem Absorptionspeak, welcher von einer
NH-Gruppe in der Rinderserumprobe abgeleitet ist. Eine Absorption bei
ungefähr
1690 nm wird als die erklärende
Variable (x3) verwendet. Die Wellenlänge von 1690 nm entspricht
einer Wellenlänge
in der Nähe
eines negativen Peaks, welcher in einem dritten Wellenlängenbereich
(1650 ± 1850
nm) beobachtet wird, mit einem Absorptionspeak, welcher von einer
CH-Gruppe in der Rinderserumprobe abgeleitet ist.
-
Eine
multivariate Analyse wird unter Verwendung der Kriteriumsvariable
und dieser erklärenden Variablen
durchgeführt,
um die Regressionskoeffizienten (a1 bis a3) und die Konstante a0
zu bestimmen und die Kalibrierungslinie zu vervollständigen.
Die Ergebnisse der multivariaten Analyse zeigen, daß ein Korrelationskoeffizient
bei der Herstellung der Kalibrierungslinie 0,983 beträgt, ein
Standard-Fehler (SEP) 57,0 mg/dl beträgt, ein Korrelationskoeffizient bei
der Validierung der Kalibrierungslinie 0,981 beträgt und ein
Standard-Fehler (SEP) 60,1 mg/dl beträgt.
-
<Zweite Ausführungsform>
-
Die
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen einer
Glukosekonzentration in einer Rinderserumprobe unter Verwendung
von NIR-Spektroskopie
bereit.
-
Zunächst werden
mehrere Rinderserumproben mit unterschiedlichen Konzentrationen
an Glukose und Albumin hergestellt. 5 ml einer wäßrigen Glukoselösung und
15 ml einer wäßrigen Albuminlösung werden
mit 80 ml eines Rinderserums vermischt, um jede der Rinderserumproben
zu erhalten. Die Glukosekonzentrationen in den Rinderserumproben
betragen 35 mg/dl, 136 mg/dl, 220 mg/dl, 412 mg/dl und 750 mg/dl.
Die Albuminkonzentrationen in den Rinderserumproben betragen 2,6
g/dl, 3,0 g/dl, 3,3 g/dl, 4,0 g/dl und 5,4 g/dl. Deshalb ist es
möglich,
die Rinderserumproben mit 25 (5 × 5) unterschiedlichen Konzentrationen
von Glukose und Albumin herzustellen. Bei dieser Ausführungsform
wurden 13 Rinderserumproben verwendet, welche wahlweise aus den
25 unterschiedlichen Rinderserumproben ausgewählt wurden.
-
Von
jeder der Rinderserumproben wird eine Spektralmessung durch die
gleiche Verfahrensweise wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt, außer daß der Detektor
mit flüssigem
Stickstoff gekühlt
wird. Nachdem die gemessenen Absorptionssignale unter Verwendung
eines Referenzsignals, welches in einem Speicher in einem FT-IR
gespeichert wurde, in Absorptionen umgewandelt wurden, um Spektraldaten
zu erhalten, wird eine PLS-Regressionsanalyse der Spektraldaten über 900
nm bis 1350 nm, wo Oberwellen einer zweiten Harmonischen beobachtet
werden, unter Verwendung einer käuflichen Software
für eine
multivariate Analyse durchgeführt. Die
PLS-Regressionsanalyse wird an Absorptionsspektren durchgeführt, welche
durch ein Verfahren eines gleitenden Mittelwerts von 17 Punkten
geglättet
sind. Bei dieser PLS-Regressionsanalyse
ist die Glukosekonzentration eine Kriteriumsvariable, und die Absorptionen
sind erklärende
Variablen. 2 sind Profile, welche Relationen
zwischen Wellenlänge
und Regressionskoeffizient zeigen, welche durch Analysieren hinsichtlich
mehreren Hauptkomponenten erhalten wurden. Ergebnisse der PLS-Regressionsanalyse
unter der Verwendung einer siebten Hauptkomponente (n = 7) zeigen,
daß ein
Korrelationskoeffizient bei der Herstellung einer Kalibrierungslinie
0,981 beträgt,
ein Standard-Fehler (SEP) 53,1 mg/dl beträgt, ein Korrelationskoeffizient
bei der Validierung der Kalibrierungslinie 0,959 beträgt und ein
Standard-Fehler (SEP) 77,2 mg/dl beträgt.
-
Bei
dieser Ausführungsform
wird die Bestimmung der Glukosekonzentration unter Verwendung einer
Absorption in der Nähe
von 1020 nm mit einem negativen Peak, welcher von einer NH-Gruppe des Albuminmoleküls abgeleitet
ist, einer Absorption in der Nähe
von 1070 nm mit einem positiven Peak, welcher von einer OH-Gruppe
des Glukosemoleküls abgeleitet
ist, und einer Absorption in der Nähe von 1150 nm mit einem negativen
Peak durchgeführt, welcher
von einer CH-Gruppe des Albuminmoleküls abgeleitet ist, wie in 2 gezeigt
wird.
-
<Dritte Ausführungsform>
-
Die
dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen einer Glukosekonzentration
in einer Rinderserumprobe unter Verwendung von NIR-Spektroskopie bereit.
-
Zunächst werden
mehrere Rinderserumproben mit unterschiedlichen Konzentrationen
an Glukose, Albumin, Cholesterin, neutralem Fett und Wasser hergestellt.
Die Glukosekonzentrationen in den Rinderserumproben betragen 35
mg/dl, 85 mg/dl, 140 mg/dl, 220 mg/dl, 270 mg/dl, 415 mg/dl, 510
mg/dl, 800 mg/dl, 985 mg/dl und 1500 mg/dl. Die Albuminkonzentrationen
in den Rinderserumproben betragen 2,2 g/dl, 2,3 g/dl, 2,4 g/dl,
2,5 g/dl, 2,8 g/dl, 3,4 g/dl, 4,5 g/dl und 5,4 g/dl. Die Cholesterinkonzentrationen in
den Rinderserumproben betragen 55 mg/dl, 63 mg/dl, 70 mg/dl, 75
mg/dl, 83 mg/dl, 100 mg/dl, 135 mg/dl, 205 mg/dl und 350 mg/dl.
Die neutralen Fettkonzentrationen in den Rinderserumproben betragen 10
mg/dl, 15 mg/dl, 20 mg/dl, 70 g/dl, 133 mg/dl, 250 mg/dl und 480
mg/dl. Bei dieser Ausführungsform wurden
45 Rinderserumproben verwendet, welche wahlweise aus einer großen Anzahl
von Kombinationen dieser Konzentrationen ausgewählt wurden.
-
Von
jeder der Rinderserumproben wird eine Spektralmessung durch die
gleiche Verfahrensweise wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt. Nachdem
die gemessenen Absorptionssignale in Absorptionen umgewandelt wurden,
um Spektraldaten zu erhalten, wird eine PLS-Regressionsanalyse der Spektraldaten über einen
Wellenlängenbereich
von 1480 nm bis 1850 nm, wo Oberwellen einer ersten Harmonischen
beobachtet werden, unter Verwendung einer käuflichen Software für eine multivariate Analyse
durchgeführt.
Bei dieser PLS-Regressionsanalyse
ist die Glukosekonzentration eine Kriteriumsvariable, und die Absorptionen
sind erklärende
Variablen. 3 sind Profile, welche Relationen
zwischen Wellenlänge
und Regressionskoeffizient zeigen, welche durch Analysieren hinsichtlich
mehreren Hauptkomponenten erhalten wurden. Ergebnisse der PLS-Regressionsanalyse
unter der Verwendung einer siebten Hauptkomponente (n = 7) zeigen,
daß ein Korrelationskoeffizient
bei der Herstellung einer Kalibrierungslinie 0,992 beträgt, ein
Standard-Fehler (SEP) 48,7 mg/dl beträgt, ein Korrelationskoeffizient bei
der Validierung der Kalibrierungslinie 0,991 beträgt und ein
Standard-Fehler (SEP) 51,1 mg/dl beträgt. An Stelle der PLS-Regressionsanalyse
ist es möglich,
eine Analyse der Hauptkomponenten zu verwenden.
-
Als
Nächstes
wird eine Multiregressionsgleichung durch die nachfolgend erklärte Vorgehensweise
als eine Kalibrierungslinie der Glukosekonzentration bestimmt. Die
Multiregressionsgleichung wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: Y = a1x1 + a2x2 + a3x3 + a4x4 + a5x5 + a6x6 +
a7x7 + a0wobei x1, x2, x3, x4, x5, x6 und x7 erklärende Variablen
sind, Y eine Kriteriumsvariable ist, a1, a2, a3, a4, a5, a6 und
a7 Regressionskoeffizienten sind und a0 eine Konstant ist. Die Kriteriumsvariable
ist die Glukosekonzentration. Die erklärenden Variablen x1 bis x7
werden aus den Profilen der 3 bestimmt.
Das bedeutet, daß eine
Absorption bei 1580 nm als die erklärende Variable (x1) verwendet
wird. Die Wellenlänge
von 1580 nm entspricht im wesentlichen einer Wellenlänge eines
positiven Peaks, welcher in einem ersten Wellenlängenbereich (1550 bis 1650
nm) mit einem Absorptionspeak beobachtet wird, welcher von einer
OH-Gruppe des Glukosemoleküls
abgeleitet ist, wie in dem Profil (n = 7) der 3 gezeigt
wird. Eine Absorption von ungefähr
1520 nm wird als die erklärende
Variable (x2) verwendet. Die Wellenlänge von 1520 nm entspricht
im wesentlichen einer Wellenlänge
eines negativen Peaks, welcher in einem zweiten Wellenlängenbereich
(1480 bis 1550 nm) beobachtet wird, mit einem Absorptionspeak, welcher von
einer NH-Gruppe in der Rinderserumprobe abgeleitet ist. Absorptionen
bei ungefähr
1685 nm, 1715 nm bzw. 1740 nm werden als die erklärenden Variablen
(x3, x4, x5) verwendet. Diese Wellenlängen entsprechen negativen
und positiven Peaks, welche in einem dritten Wellenlängenbereich
(1650 bis 1880 nm) beobachtet werden, mit Absorptionspeaks, welche
von einer CH-Gruppe in der Rinderserumprobe abgeleitet sind. Eine
Absorption bei ungefähr
1540 nm wird als die erklärende
Variable (x6) verwendet. Die Wellenlänge von 1540 nm entspricht
im wesentlichen einer Wellenlänge
einer Schnittmenge der Profile der 3 in der
Nähe einer
Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenlängenbereich. Eine
Absorption bei ungefähr
1645 nm wird als die erklärende
Variable (x7) verwendet. Die Wellenlänge von 1645 nm entspricht
im wesentlichen einer Schnittmenge der Profile der 3 in
der Nähe
der Grenze zwischen dem zweiten und dem dritten Wellenlängenbereich.
-
Eine
multivariate Analyse wird unter Verwendung der Kriteriumsvariable
und dieser erklärenden Variablen
durchgeführt,
um die Regressionskoeffizienten (a1 bis a7) und die Konstante a0
zu bestimmen und die Kalibrierungslinie zu vervollständigen.
Die Ergebnisse der multivariaten Analyse zeigen, daß ein Korrelationskoeffizient
bei der Herstellung der Kalibrierungslinie 0,989 beträgt, ein
Standard-Fehler (SEP) 55,6 mg/dl beträgt, ein Korrelationskoeffizient bei
der Validierung der Kalibrierungslinie 0,988 beträgt und ein
Standard-Fehler (SEP) 57,8 mg/dl beträgt.
-
Vor
der multivariaten Analyse ist es bevorzugt, eine Vorbehandlung durchzuführen, bei
welcher der Wert der Wellenlänge,
welcher im wesentlichen einer Schnittmenge der Profile der 3 entspricht,
von den Absorptionen subtrahiert wird. Ersatzweise ist es bevorzugt,
eine Vorbehandlung durchzuführen,
bei welcher die Absorptionen durch den Wellenlängenwert in der Nähe der Schnittmenge dividiert
werden.
-
<Vierte Ausführungsform>
-
Ein
schematisches Diagramm eines Geräts zur
nicht invasiven Bestimmung einer Glukosekonzentration in dem Blut
eines Subjekts wird in 4 gezeigt. Das Gerät umfaßt eine
Halogenlampe 1 als eine Lichtquelle, erste optische Fasern 10 zum
Einführen
von Strahlung im nahen Infrarotbereich, welche von der Halogenlampe
bereitgestellt wird, in einen Körperabschnitt 9 des
Subjekts, zweite optische Fasern 20 zum Empfangen einer
resultierenden Strahlung, welche aus dem Körperabschnitt abgestrahlt wird,
ein optisches Faserbündel 4,
welches aus den ersten und den zweiten optischen Fasern gebildet
wird, eine Beugungsgittereinheit 5 vom Breiteinstellungstyp
als ein Spektroskop der resultierenden Strahlung, eine Fotodiode 6 vom
Matrixtyp als ein Detektor der Absorptionssignale und eine Betriebseinheit 8,
welche einen Mikrocomputer zum Bestimmen der Glukosekonzentration
des Subjekts gemäß der Ausgaben
der Fotodiode vom Matrixtyp umfaßt. In der Betriebseinheit 8 wird,
nachdem die Absorptionssignale in Absorptionen umgewandelt wurden,
die Glukosekonzentration des Subjekts durch die Verwendung einer
vorbestimmten Kalibrierungslinie berechnet. In 4 bezeichnet
Bezugszeichen 2 einen Reflektionsspiegel. Bezugszeichen 3 bezeichnet
ein Linsensystem, welches zwischen der Halogenlampe 1 und
den ersten optischen Fasern 10 angeordnet ist. Bezugszeichen 60 bezeichnet
einen Spalt, welcher zwischen der Beugungsgittereinheit 5 und
den zweiten optischen Fasern 20 angeordnet ist. Bezugszeichen 7 bezeichnet
einen A/D-Wandler.
-
Das
optische Faserbündel 4 ist
aus mehreren Subbündeln
ausgebildet, bei welchen jeweils ein Ausrichtungsende der ersten
optischen Faser 10 auf einer Endfläche des Bündels in einer Mitte eines
hexagonalen Musters angeordnet ist, wie durch eine unterbrochene
Linie in 5 gezeigt wird, und sechs Empfangsenden
der zweiten optischen Fasern 20 sind an den Ecken des hexagonalen
Musters angeordnet. Ein Empfangsende 20a jedes der Subbündel wird
gemeinsam mit einem benachbarten Subbündel in einer X-Achsenrichtung
verwendet. Zwei Empfangsenden 20b jedes der Subbündel werden
gemeinsam mit einem benachbarten Subbündel in einer Y-Achsenrichtung verwendet.
-
Bei
jedem der Subbündel
beträgt
ein Abstand L zwischen den Mitten der Ausrichtungsenden der ersten
optischen Faser 10 und einem benachbarten Empfangsende
der zweiten optischen Faser 20 0,5 mm. Es ist bevorzugt,
den Abstand L innerhalb eines Bereichs von 0,1 mm bis 2 mm und besonders bevorzugt
innerhalb eines Bereichs von 0,2 mm bis 1 mm festzulegen. Dieses
optische Faserbündel 4 ist entworfen,
um Spektralinformationen aus einer Dermis-Schicht der Haut des Subjekts
selektiv zu extrahieren. Bei dieser Ausführungsform beträgt ein Durchmesser
jeder der ersten und der zweiten optischen Fasern (10, 20)
200 μm.
Die Endfläche
des Bündels 4 wird
normalerweise gegen eine Hautoberfläche des Unterarms des Subjekts
gedrückt.
Es ist bevorzugt, ein Druckmeßgerät und eine
Halterung zum Andrücken
des Bündels 4 gegen
die Hautoberfläche
mit einem erforderlichen Druck zu verwenden.
-
Die
vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen der Glukosekonzentration
in dem Blut eines Subjekts unter Verwendung des Geräts der 4 bereit.
-
Es
wird ein Experiment an einem Subjekt eines gesunden, dreißigjährigen Mannes
gemäß der nachfolgend
erklärten
Vorgehensweise beschrieben. Das Subjekt wird für 30 Minuten in einem Ruhezustand
gelassen, und dann wird von dem Subjekt eine Medizin aus einem Teilhydrolysat
von Stärke
eingenommen. Eine Menge der Medizin entspricht ungefähr 75 g
Glukose. Über
90 Minuten vom Beginn des Ruhezustands an wird alle 10 Minuten eine
invasive Messung der Glukosekonzentration in dem Blut des Subjekts
unter Verwendung eines vereinfachten Blutzuckermeßgeräts von einem
Blutabnahmetyp durchgeführt.
Das Blut des Subjekts wird aus einer Fingerspitze entnommen. Eine
nicht invasive Messung der Absorptionsspektren des Subjekts wird
vier Mal unter Verwendung des Geräts der 4 im Verlauf
von 5 Minuten nach jeder der invasiven Messungen der Glukosekonzentration
wiederholt. Ein Profil des gemessenen Absorptionsspektrums des Subjekts
wird in 6 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform
wird die Zeitverzögerung
von 5 Minuten zwischen den invasiven und den nicht invasiven Messungen
eingeführt,
um eine Zeitdifferenz zu berücksichtigen,
welche für
die Entsprechung zwischen den Glukosekonzentrationen in dem Blut
der Fingerspitze und in der Umgebung der Hautoberfläche des
Unterarms nötig ist.
Die Glukosekonzentration in dem Blut des Subjekts veränderte sich
während
der invasiven Messungen innerhalb eines Bereichs von 89 bis 134
mg/dl.
-
Als
Nächstes
wird eine PLS-Regressionsanalyse über einen Wellenlängenbereich
von 1350 nm bis 1850 nm, in welchem Oberwellen einer ersten Harmonischen
beobachtet werden, unter Verwendung eines Kreuzvalidierungsverfahrens
durchgeführt.
Bei dieser PLS-Regressionsanalyse
ist die Glukosekonzentration eine Kriteriumsvariable, und die Absorptionen
werden als erklärende
Variablen verwendet. 7 ist ein Profil, welches eine
Relation zwischen Wellenlänge
und Regressionskoeffizient zeigt, welche durch Analysieren hinsichtlich
sieben Hauptkomponenten (n = 7) erhalten wurde. Die Ergebnisse der
PLS-Regressionsanalyse zeigen, daß ein Korrelationskoeffizient
bei der Herstellung einer Kalibrierungslinie 0,993 beträgt, ein
Standard-Fehler (SEP) 1,9 mg/dl beträgt, ein Korrelationskoeffizient bei
der Validierung der Kalibrierungslinie 0,988 beträgt und ein
Standard-Fehler (SEP) 2,6 mg/dl beträgt.
-
Eine
Multiregressionsgleichung als eine Kalibrierungslinie der Glukosekonzentration
in dem Blut wird durch die nachfolgend erklärte Vorgehensweise bestimmt.
Die Multiregressionsgleichung wird durch die folgende Gleichung
ausgedrückt: Y = a1x1 + a2x2 + a3x3 + a0wobei x1, x2
und x3 erklärende
Variablen sind, Y eine Kriteriumsvariable ist, a1, a2 und a3 Regressionskoeffizienten
sind und a0 eine Konstante ist. Die Kriteriumsvariable ist die Glukosekonzentration.
Die erklärenden
Variablen x1 bis x3 werden aus dem Profil der 7 bestimmt.
Das bedeutet, daß eine
Absorption bei ungefähr
1640 nm als die erklärende
Variable (x1) verwendet wird. Die Wellenlänge von 1640 nm entspricht
im wesentlichen einer Wellenlänge
eines positiven Peaks, welcher in einem erste Wellenlängenbereich
(1600 ± 40
nm) beobachtet wird, mit einem Absorptionspeak, welcher von der
OH-Gruppe des Glukosemoleküls
abgeleitet ist, wie in dem Profil der 7 gezeigt.
Eine Absorption bei ungefähr
1550 nm wird als die erklärende
Variable (x2) verwendet. Die Wellenlänge von 1550 nm entspricht
im wesentlichen einer Wellenlänge
eines negativen Peaks, welcher in einem zweiten Wellenlängenbereich
(1530 ± 20
nm) beobachtet wird, mit einem Absorptionspeak, welcher von einer
NH-Gruppe in dem lebendigen Gewebe des Subjekts abgeleitet ist.
Eine Absorption bei ungefähr
1690 nm wird als die erklärende
Variable (x3) verwendet. Die Wellenlänge von 1690 nm entspricht
im wesentlichen einer Wellenlänge
eines negativen Peaks, welcher in einem dritten Wellenlängenbereich
(1685 ± 20
nm) beobachtet wird, mit einem Absorptionspeak, welcher von einer
CH-Gruppe in dem lebendigen Gewebe abgeleitet ist. Falls nötig, ist
es bevorzugt, eine Körpertemperatur
des Subjekts als eine zusätzliche
erklärende
Variable zu verwenden.
-
Eine
multivariate Analyse wird unter Verwendung der Kriteriumsvariable
und dieser erklärenden Variablen
durchgeführt,
um die Regressionskoeffizienten (a1 bis a3) und die Konstante a0
zu bestimmen und die Kalibrierungslinie zu vervollständigen.
Die Ergebnisse der multivariaten Analyse zeigen, daß ein Korrelationskoeffizient
bei der Herstellung der Kalibrierungslinie 0,957 beträgt, ein
Standard-Fehler (SEP) 4,8 mg/dl beträgt, ein Korrelationskoeffizient bei
der Validierung der Kalibrierungslinie 0,949 beträgt und ein
Standard-Fehler (SEP) 5,3 mg/dl beträgt. 8 zeigt
die Kalibrierungslinie, welche durch die multivariate Analyse erhalten
wird. In 8 sind auch Glukosekonzentrationswerte
aufgetragen, welche aufgrund der gemessenen Absorptionsspektren vorhergesagt
wurden.
-
<Fünfte
Ausführungsform>
-
Ein
schematisches Diagramm eines Geräts zur
nicht invasiven Bestimmung einer Glukosekonzentration in dem Blut
eines Subjekts wird in 9 gezeigt. Das Gerät umfaßt eine
Leuchtdiode 1A als eine Strahlungsquelle im nahen Infrarotbereich,
ein Spektroskop 2A für
die Strahlung im nahen Infrarotbereich, eine Linse 3A zum
Sammeln der Strahlung im nahen Infrarotbereich, erste optische Fasern 10A zum
Einführen
des gesammelten Lichts in einen Körperabschnitt des Subjekts,
zweite optische Fasern 20A zum Empfangen einer resultierenden
Strahlung, welche aus dem Körperabschnitt
abgestrahlt wird, ein optisches Faserbündel 4A, welches aus
den ersten und den zweiten optischen Fasern gebildet wird, eine
Fotodiode 5A als ein Detektor der resultierenden Strahlung
und eine Betriebseinheit (nicht gezeigt) zum Berechnen der Glukosekonzentration
aus den Ausgaben der Fotodiode. Ein Muster der Ausrichtungsenden
der ersten optischen Fasern 10A und der Empfangsenden der
zweiten optischen Fasern 20A, welches auf einer Endfläche des
Faserbündels 4A angeordnet
ist, wird in 10 gezeigt. Jede der ersten
und der zweiten optischen Faser (10A, 20A) weist
einen Durchmesser von 500 μm
auf. Ein Abstand zwischen den Mitten des Ausrichtungsendes der ersten
optischen Faser 10A und einem benachbarten Empfangsende
der zweiten optischen Faser 20A beträgt 500 μm.
-
Als
die Leuchtdiode 1A gibt es Leuchtdioden des InP-Systems,
welche im Bereich der ersten und zweiten Harmonischen verwendbar
sind, und Leuchtdioden des GaAs-Systems oder GaAIAs-Systems, welche
im Bereich der dritten Harmonischen verwendbar sind. Bei dieser
Ausführungsform
wird eine Leuchtdiode des InP-Systems mit einer zentralen Wellenlänge von
1600 nm und einer Halbbreite von 160 nm verwendet. Das Spektroskop 2A wird
mit einer Scheibe 30A und einem Satz erster, zweiter und dritter
Störfilter
(31A, 32A, 33A) ausgebildet, welche um
eine Mitte der Scheibe herum angeordnet sind. Die Scheibe 30A kann
durch einen Motor 6A gedreht werden, um ein erforderliches
aus dem ersten bis dritten Störfilter
auszuwählen.
Das erste Störfilter 31A wird
verwendet, um eine erste Strahlung im nahen Infrarotbereich mit
einer zentralen Wellenlänge von
1585 nm und mit einer Halbbreite von 60 nm bereitzustellen. Das
zweite Störfilter 32A wird
verwendet, um eine zweite Strahlung im nahen Infrarotbereich mit
einer zentralen Wellenlänge
von 1530 nm und mit einer Halbbreite von 10 nm bereitzustellen. Das
dritte Störfilter 33A wird
verwendet, um eine dritte Strahlung im nahen Infrarotbereich mit
einer zentralen Wellenlänge
von 1680 nm und mit einer Halbbreite von 10 nm bereitzustellen.
-
Die
zentrale Wellenlänge
der Halbbreite der ersten Strahlung im nahen Infrarotbereich wird
gemäß den Profilen
der 11 bestimmt, welche eine teilweise vergrößerte Ansicht
der 3 ist, welche bei der vierten Ausführungsform
erhalten wurde. Das bedeutet, daß die zentrale Wellenlänge von
1580 nm eine Wellenlänge
ist, welche im wesentlichen einem Maximumwert des Regressionskoeffizienten
entspricht, welcher innerhalb eines ersten Wellenlängenbereichs
von 1550 nm bis 1650 nm beobachtet wird und welcher einen Absorptionspeak
aufweist, welcher von einer OH-Gruppe des Glukosemoleküls abgeleitet
ist. Die Halbbreite von 60 nm entspricht im wesentlichen einem Wellenlängenbereich
mit 70% oder mehr des Maximumwerts des Regressionskoeffizienten
innerhalb des ersten Wellenlängenbereichs. Wenn
die zentrale Wellenlänge
und die Halbbreite durch die oben stehend erklärte Vorgehensweise bestimmt werden,
besteht ein Vorteil darin, daß der
Betrieb zum Bestimmen der Glukosekonzentration ohne eine Verschlechterung
einer Vorhersagegenauigkeit der Glukosekonzentration vereinfacht
ist.
-
An
Stelle der oben stehend erklärten
Vorgehensweise ist es möglich,
die zentrale Wellelänge und
die Halbbreite der ersten Strahlung im nahen Infrarotbereich gemäß einem
Profil zu bestimmen, welches eine Relation zwischen Wellenlänge und
Regressionskoeffizient angibt, welche durch Anwenden eines Glukosetoleranztests
an einem Subjekt, Messen von Absorptionsspektren während des
Glukosetoleranztests und Durchführen
einer multivariaten Analyse der Absorptionsspektren erhalten wurde. Die
zentrale Wellenlänge
und die Halbbreite sind nicht auf die bei dieser Ausführungsform
verwendeten Werte begrenzt. Es ist bevorzugt, die erste Strahlung
im nahen Infrarotbereich mit einer zentralen Wellenlänge innerhalb
eines Bereichs von 1560 nm bis 1640 nm und mit einer Halbbreite
von 60 nm oder weniger zu verwenden.
-
Nachdem
Absorptionssignale, welche von der Fotodiode 5A erfaßt wurden,
in Absorptionen umgewandelt wurden, wird die Glukosekonzentration durch
die Verwendung einer Kalibrierungslinie bestimmt, welche zuvor in
der Betriebseinheit gespeichert wurde. Es ist bevorzugt, die Kalibrierungslinie gemäß dem Verfahren
einer der oben stehenden Ausführungsformen
zu bestimmen.
-
Vor
der multivariaten Analyse ist es bevorzugt, eine Vorbehandlung durchzuführen, indem
ein Wert der Wellenlänge
innerhalb eines Bereichs des nahen Infrarots von den Absorptionssignalen
oder Absorptionen subtrahiert wird. Ersatzweise ist es bevorzugt,
eine Vorbehandlung durchzuführen,
indem die Absorptionssignale oder die Absorptionen durch den Wellenlängenwert
dividiert werden. Bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugt,
als den Wellenlängenwert
eine Wellenlänge
zu verwenden, welche aus einem Bereich von 1540 ± 10 nm oder 1650 ± 10 nm ausgewählt wurde.
Im Fall einer Verwendung eines Bereichs von 900 nm bis 1350 nm,
in welchem Oberwellen einer zweiten Harmonischen beobachtet werden,
ist es bevorzugt, als den Wellenlängenwert eine Wellenlänge zu verwenden,
welche aus einem Bereich von 1060 ± 10 nm oder 1130 ± 10 nm
ausgewählt
wurde.