JP2022536487A - 車両運転手内の被分析物の非侵襲的測定のためのシステム - Google Patents

車両運転手内の被分析物の非侵襲的測定のためのシステム Download PDF

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Abstract

車両運転手内の被分析物を非侵襲的に測定し、被分析物の測定に基づいて車両を制御するためのシステム。少なくとも１つの固体光源は、異なる波長の光を放出するように構成される。試料デバイスは、少なくとも１つの固体光源によって放出される光を車両運転手の組織内に導入するように構成される。１つまたは複数の光学検出器は、車両運転手の組織によって吸収されない光の一部分を検出するように構成される。コントローラは、１つまたは複数の光学検出器によって検出される光に基づいて車両運転手の組織内の被分析物の測定値を計算し、車両運転手の組織内の被分析物の測定値が既定の値を超えるかどうかを決定し、車両を制御するように構成されるデバイスに信号を提供するように構成される。

Description

継続中の先行特許出願の参照
本特許出願は、「ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＮＯＮ－ＩＮＶＡＳＩＶＥ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＯＦ ＡＮ ＡＮＡＬＹＴＥ ＩＮ Ａ ＶＥＨＩＣＬＥ ＤＲＩＶＥＲ」（代理人整理番号ＡＣＴＳ－４ ＰＲＯＶ）に対して、Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏａｌｉｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｔｒａｆｆｉｃ Ｓａｆｅｔｙ，Ｉｎｃ．およびＪｏｈａｎｎｅｓ Ｋｏｅｔｈらによって２０１９年６月１２日に出願された継続中の先行米国仮特許出願第６２／８６０，４１３号の利益を主張するものであり、この特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、概して、車両運転手内の被分析物を非侵襲的に測定するためのシステムおよび方法に関する。より詳細には、本出願は、非侵襲性技術を多変量解析と組み合わせて利用して、被分析物、例えば、アルコール、アルコール副産物、アルコール付加物、または乱用薬物の存在または濃度を測定するための測定定量的分光システムに関する。
アルコール測定の現在の慣例は、血液測定または呼気検査のいずれかに基づく。
血液測定は、アルコール酩酊レベルを決定するための至適基準である。しかしながら、血液測定は、静脈試料または毛細管試料のいずれかを必要とし、健康リスクを最小限にするために、重大な取扱い上の注意を伴う。一旦抽出されると、血液試料は、適切にラベル付けされ、臨床検査室または他の好適な場所へ輸送されなければならず、そこでは、臨床ガスクロマトグラフが、典型的には、血中アルコールレベルを測定するために使用される。手順の侵襲性および関わる試料取扱いの量に起因して、血中アルコール測定は、通常、交通事故、被疑者がこの種の検査を要求する場合の違反、障害を伴う事故など、重大な状況に限られる。
呼気検査は、あまり侵襲的ではないことから、現場でより一般的に遭遇する。呼気検査において、被検者は、肺内の奥深くの肺胞から生じる安定した呼気流を達成するために、十分な時間および体積で空気を器具内に吐き出さなければならない。次いで、デバイスは、空気中のアルコール含有量を測定し、これは、呼気－血液分配係数を通じて血中アルコールに関連している。米国で使用される血液－呼気分配係数は、２１００（ｍｇ ＥｔＯＨ／ｄＬ空気あたりのｍｇ ＥｔＯＨ／ｄＬ血液という暗黙の単位）であり、他国では１９００～２４００の間で様々である。分配係数の変動は、それがかなり被検者依存であるということに起因する。言い換えると、各被検者は、１９００～２４００の範囲の分配係数を有し、これは被検者の生理機能に依存する。各被検者の分配係数の知識は現場応用では利用不可能であるため、各国は、すべての測定に全般的に適用される単一の分配係数値を仮定している。米国では、飲酒運転係争の被告は、多くの場合、起訴を妨げるための論拠として、全般的に適用された分配係数を使用する。
呼気測定は、さらなる制限を有する。第一に、「口内アルコール」の存在が、呼気アルコール測定を不当に高める場合がある。これにより、口内アルコールが存在しないことを確実にするために、測定を行う前に１５分の待機期間が必要となる。同様の理由で、げっぷまたは嘔吐が観察される個人に対しては、１５分の遅延が必要とされる。器具が周囲空気との平衡状態およびゼロアルコールレベルに戻ることを可能にするために、１０分以上の遅延が呼気測定の間にしばしば必要とされる。加えて、呼気アルコール測定の正確性は、多数の生理的因子および環境因子の影響を受けやすい。
複数の政府機関、および一般社会は、血中および呼気アルコール測定に対する非侵襲的な代替案を求めている。
定量的分光法は、現在の測定方法論の制限の影響を受けない完全に非侵襲的なアルコール測定の可能性を提供する。定量的分光法による生物学的属性の非侵襲的決定は、非常に望ましいということが分かっているが、それは達成するのが非常に困難であった。目的の属性は、例として、被分析物の存在、被分析物濃度（例えば、アルコール濃度）、被分析物濃度の変化の方向、被分析物濃度の変化の速度、疾患の存在（例えば、アルコール依存症）、病状、ならびにそれらの組み合わせおよび一部を含む。定量的分光法による非侵襲的測定が望ましいのは、それらが無痛であり、身体から取り出される流体を必要とせず、汚染または感染のリスクをほとんど伴わず、いかなる有害廃棄物も発生させず、短い測定時間を有し得るためである。
いくつかのシステムが、生体組織の属性の非侵襲的決定のために提案されている。これらのシステムは、偏光分析法、中赤外分光法、ラマン分光法、クロモスコピ（Ｋｒｏｍｏｓｃｏｐｙ）、蛍光分光法、核磁気共鳴分光法、電波分光法、超音波、経皮測定、光音響分光法、および近赤外分光法を組み込んだ技術を含んでいる。しかしながら、これらのシステムは、直接的かつ侵襲的な測定に置き換わっていない。
例として、Ｒｏｂｉｎｓｏｎらは、米国特許第４，９７５，５８１号において、既知の特性値の生体試料のスペクトルのセットから経験的に導出される多変数モデルと併せて、赤外分光法を使用して生体試料内の未知の値の特性を測定するための方法および装置を開示している。上述の特性は、一般的には、アルコールなどの被分析物の濃度であるが、さらには試料の任意の化学または物理的性質であってもよい。Ｒｏｂｉｎｓｏｎらの方法は、較正ステップおよび予測ステップの両方を含む２ステッププロセスを伴う。
較正ステップにおいては、試料を含む様々な成分および被分析物の関数としての、赤外線放射の少なくともいくつかの波長の既知の特性値による減衰が存在するように、赤外光は、既知の特性値の較正試料に結合される。赤外光は、試料に光を通過させることによって、または光を試料から反射させることによって、試料に結合される。試料による赤外光の吸収は、光の波長の関数である光の強度変動を引き起こす。最低いくつかの波長における結果として生じる強度変動が、既知の特性値の較正試料のセットについて測定される。次いで、元の、または変換された強度変動が、多変量アルゴリズムを使用して較正試料の既知の特性に経験的に関連付けられて、多変量較正モデルを得る。このモデルは、好ましくは、被検者変動性、器具変動性、および環境変動性を考慮する。
予測ステップにおいては、赤外光は、未知の特性値の試料に結合され、多変量較正モデルは、この未知の試料から測定される光の適切な波長の、元の、または変換された強度変動に適用される。予測ステップの結果は、未知の試料の特性の推定値である。Ｒｏｂｉｎｓｏｎらの開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
較正モデルを構築し、被分析物および／または組織の属性の予測のためにそのようなモデルを使用するさらなる方法は、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｓ」という表題の、Ｔｈｏｍａｓらに対する米国特許第６，１５７，０４１号に開示され、この開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
米国特許第５，８３０，１１２号において、Ｒｏｂｉｎｓｏｎは、非侵襲的被分析物測定のための組織のロバストなサンプリングの一般的方法について説明する。このサンプリング方法は、アルコールなどの被分析物を測定するためのスペクトル領域によって経路長最適化される組織サンプリングアクセサリを利用する。本特許は、音響光学チューナブルフィルタ、離散波長分光計、フィルタ、格子分光計、およびＦＴＩＲ分光計を含む、４００～２５００ｎｍの組織のスペクトルを測定するためのいくつかの種類の分光計を開示する。Ｒｏｂｉｎｓｏｎの開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
生物学的属性の決定のための商業的に実現可能な非侵襲的近赤外分光法ベースのシステムを生産しようとする試みにかなりの研究が行われてきたが、そのようなデバイスは、現在、利用可能ではない。上で論じられる先行技術システムは、非侵襲的測定システムの設計を手に負えない課題にする、組織のスペクトル特性によって課される難題に完全に対応することに、１つまたは複数の理由により失敗したと考えられる。故に、十分な正確性および精度でヒト組織における生物学的属性の臨床的に関連した決定を行うためのサブシステムおよび方法を組み込む商業的に実現可能なシステムが大いに必要とされる。
本発明の１つの実施形態は、車両運転手内の被分析物を非侵襲的に測定し、被分析物の測定に基づいて車両を制御するためのシステムに関する。本システムは、少なくとも１つの固体光源、試料デバイス、１つまたは複数の光学検出器（時に、本明細書ではフォト検出器とも称される）、およびコントローラを含む。少なくとも１つの固体光源は、異なる波長の光を放出するように構成される。試料デバイスは、少なくとも１つの固体光源によって放出される光を車両運転手の組織内に導入するように構成される。１つまたは複数の光学検出器は、車両運転手の組織によって吸収されない光の一部分を検出するように構成される。コントローラは、１つまたは複数の光学検出器によって検出される光に基づいて車両運転手の組織内の被分析物の測定値を計算し、車両運転手の組織内の被分析物の測定値が既定の値を超えるかどうかを決定し、車両を制御するように構成されるデバイスに信号を提供するように構成される。
１つの構築において、新規の組織インターフェースデバイスが提供され、この新規の組織インターフェースデバイスは、サンプリングおよびデータ獲得の機能性を組織表面に隣接して配設される単一のユニット内に組み合わせる。
本発明の別の実施形態は、車両運転手内の被分析物を非侵襲的に測定し、被分析物の測定に基づいて車両を制御するための方法に関する。試料デバイスは、少なくとも１つの固体光源によって放出される異なる波長の光を車両運転手の組織内に導入する。１つまたは複数の光学検出器は、車両運転手の組織によって吸収されない光の一部分を検出する。コントローラは、１つまたは複数の光学検出器によって検出される光に基づいて、車両運転手の組織内の被分析物の測定値を計算する。コントローラは、車両運転手の組織内の被分析物の測定値が既定の値を超えるかどうかを決定し、車両運転手の組織内の被分析物の測定値に基づいて車両を制御する。
１つの方法において、サンプリングおよびデータ獲得の機能性を組織表面に隣接して配設される単一のユニット内に組み合わせる新規の組織インターフェースデバイスが使用される。
本開示のさらなる特徴、利点、および実施形態は、以下の発明を実施するための形態、図面、および特許請求の範囲の検討により明らかになり得る。さらには、本開示の先述の概要および以下の発明を実施するための形態の両方は、例示であり、特許請求される本開示の範囲をさらに限定することなくさらなる説明を提供することを目的とするということを理解されたい。
本発明の１つの好ましい形態において、試料内の被分析物の存在を識別することに使用するための試料インターフェースデバイスが提供され、本試料インターフェースデバイスは、複数の単色光ビームを試料に送達し、試料から戻る散乱光を受信し、本試料インターフェースデバイスは、
基板、
複数の単色光ビームを受信し、複数の単色光ビームを試料に送達するための、基板によって保持される低吸光度注入エリア、および
基板によって保持される複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサであって、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、低吸光度注入エリアの外側に徐々に半径方向に配設され、さらに、同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、その同心に配置されたリング形状のフォトセンサによって受信される光の量に対応する電気信号を生成する、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを備える。
本発明の別の好ましい形態において、複数の単色光ビームを試料に送達し、試料から戻ってくる散乱光を検出するための方法が提供され、本方法は、
試料インターフェースデバイスを提供するステップであって、試料インターフェースデバイスは、
基板、
複数の単色光ビームを受信し、複数の単色光ビームを試料に送達するための、基板によって保持される低吸光度注入エリア、および
基板によって保持される複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサであって、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、低吸光度注入エリアの外側に徐々に半径方向に配設され、さらに、同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、その同心に配置されたリング形状のフォトセンサによって受信される光の量に対応する電気信号を生成する、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを備える、
ステップと、
複数の単色光ビームが試料に送達されるように、複数の単色光ビームを試料インターフェースデバイスの低吸光度注入エリア内に導入するステップと、
試料から戻ってくる散乱光を検出するために試料インターフェースデバイス上の複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを使用するステップと、を含む。
本発明の別の好ましい形態において、試料内の被分析物の非侵襲的測定のためのシステムが提供され、本システムは、
複数の単色光ビームを生成するための照明ユニットであって、複数の単色光ビームは、複数の異なる波長を構成する、照明ユニット、ならびに
照明ユニットから複数の単色光ビームを受信し、それらの単色光ビームを試料に送達し、試料から戻る散乱光を受信し、散乱光を、後続処理および被分析物アセスメントのために、対応する電気信号に変換するためのサンプリングユニットを備え、サンプリングユニットは、
試料インターフェースデバイスを備え、試料インターフェースデバイスは、
基板、
複数の単色光ビームを受信し、複数の単色光ビームを試料に送達するための、基板によって保持される低吸光度注入エリア、および
基板によって保持される複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサであって、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、低吸光度注入エリアの外側に徐々に半径方向に配設され、さらに、同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、その同心に配置されたリング形状のフォトセンサによって受信される光の量に対応する電気信号を生成する、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを備える。
本発明の別の好ましい形態において、試料内の被分析物を検出するための方法が提供され、本方法は、
システムを提供するステップであって、本システムは、
複数の単色光ビームを生成するための照明ユニットであって、複数の単色光ビームは、複数の異なる波長を構成する、照明ユニット、ならびに
照明ユニットから複数の単色光ビームを受信し、それらの単色光ビームを試料に送達し、試料から戻る散乱光を受信し、散乱光を、後続処理および被分析物アセスメントのために、対応する電気信号に変換するためのサンプリングユニットを備え、サンプリングユニットは、
試料インターフェースデバイスを備え、試料インターフェースデバイスは、
基板、
複数の単色光ビームを受信し、複数の単色光ビームを試料に送達するための、基板によって保持される低吸光度注入エリア、および
基板によって保持される複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサであって、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、低吸光度注入エリアの外側に徐々に半径方向に配設され、さらに、同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、その同心に配置されたリング形状のフォトセンサによって受信される光の量に対応する電気信号を生成する、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを備える、
ステップと、
複数の単色光ビームが試料に送達されるように、複数の単色光ビームを試料インターフェースデバイスの低吸光度注入エリア内に導入するステップと、
試料から戻ってくる散乱光を検出するために、試料インターフェースデバイス上の複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを使用するステップと、を含む。
本明細書に組み込まれ、かつ本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を例証し、本説明と一緒に、本発明の原則を説明する役割を果たす。本開示の構造的詳細を、本開示および本開示が実践され得る様々な方法の基本的理解に必要とされ得るものよりも詳細に示そうとするものではない。
開示されたサブシステムを組み込む非侵襲的分光システムの概略図である。 三成分系における正味属性信号の概念の図描写である。 光源をオンおよびオフにするための手段を含む固体光源の駆動電流を制御するように設計される電子回路の実施形態を示す図である。 光源をオンおよびオフにし、所望の駆動電流を改変するための手段を含む固体光源の駆動電流を制御するように設計される電子回路の実施形態を示す図である。 出力が六角形断面内部反射光ホモジナイザに導入される、アレイで配置される複数の個々の固体光源を備える、図１の照明／変調サブシステムの実施形態を示す図である。 半導体チップ内の単一のレーザエミッタの実施形態を示す図である。 複数のレーザエミッタが共通のキャリアに搭載される照明／変調サブシステムの実施形態を示す図である。 ２４個のエミッタ（１２の異なる波長、波長あたり２つのエミッタ）を含む単一の半導体チップからなるレーザバーを描写する照明／変調サブシステムの実施形態を示す図である。 図８に示されるレーザバー実施形態におけるエミッタの各対から放出される光を収集し、個々の光ファイバを結合して出力束またはケーブルにする光ファイバカプラの実施形態の概略図である。 各一対が異なるレーザバーに接続される、４つの異なるファイバカプラの出力を結合して単一の出力開口／束にする実施形態を示す図である。 照明／変調サブシステムの出力開口／束からの光を均質にするのに好適な光ホモジナイザの例示的な実施形態を示す図である。 図１の組織サンプリングサブシステムの要素の斜視図である。 試料（例えば、ユーザの指）を保持する組織サンプリングサブシステムの人間工学的装置の図である。 照明および収集光ファイバの配置を示す、組織サンプリングサブシステムのサンプリング表面の実施形態を示す図である。 組織サンプリングサブシステムのサンプリング表面の代替の実施形態を示す図である。 いくつかの固体光源ベースの照明／変調サブシステムの小発光面積のために最適化される組織サンプリングサブシステムのサンプリング表面の代替の実施形態を示す図である。 局所的な干渉物質が組織上に存在するときのサンプリング表面と組織との間のインターフェースの図である。 図１のデータ獲得サブシステムの概略図である。 ハイブリッド較正形成プロセスの図である。 局所的な干渉物質の存在を検出するための多変量較正外れ値メトリクスの有効性を実証する図である。 １００～３３０００ｃｍ１（１００～０．３μｍ）範囲にわたる１３００および３０００Ｋ黒体放射体の正規化された近赤外（ＮＩＲ）スペクトルを示す図である。 本発明の例示的な実施形態の構成要素の概略図である。 ２２の波長を使用して獲得される非侵襲的組織スペクトルを描写する図である。 図２３のスペクトルから得られる非侵襲的組織アルコール濃度を同時毛細管血中アルコール濃度と比較する図である。 ３９の波長を使用して獲得される非侵襲的組織スペクトルを描写する図である。 図２５のスペクトルから得られる非侵襲的組織アルコール濃度を同時毛細管血中アルコール濃度と比較する図である。 システム較正タイムゾーン、測定タイムゾーン、および対応策タイムゾーンを含む測定タイムラインの多くの潜在的な実施形態のうちの１つを描写する図である。 車両器具パネル内の車両スタータボタンに組み込まれる非侵襲的モニタリングシステムを描写する図である。 エミッタが波長光源に直接接続される波長ホモジナイザである、非侵襲的測定ポータルインターフェースの側面を描写する図である。 エミッタが波長光源に直接接続される波長ホモジナイザである、図２９ａの非侵襲的測定ポータルインターフェースの上面を描写する図である。 スペクトル的に分離された吸収測定のための手段を提供するために大まかに調整可能なレーザエミッタを利用する非侵襲的モニタリングシステムの構成要素を描写する図である。 初期測定が被分析物の存在を検出し、後続の測定が被分析物の実際の濃度を決定するために行われる、平均必要測定時間を改善するための測定タイムラインの多くの潜在的な実施形態のうちの１つを描写する図である。 一次被分析物測定が接触システムを通じて行われ、二次測定が代替の被分析物検出システムを通じて行われる、非侵襲的モニタリングシステムを描写する図である。 離散波長の選択を提供して放出光源を構成するために、フィルタ要素と共に黒体光源を利用する非侵襲的モニタリングシステムの構成要素を描写する図である。 測定が強度定着の前に行われる、オフ状態からオン状態への遷移中の光源の強度を描写する図である。 新規の組織インターフェースデバイスを描写する図であって、新規の組織インターフェースデバイスは、サンプリングおよびデータ獲得の機能性を、組織表面に隣接して配設される単一のユニット内に組み合わせる、図である。 新規の組織インターフェースデバイスを描写する図であって、新規の組織インターフェースデバイスは、サンプリングおよびデータ獲得の機能性を組織表面に隣接して配設される単一のユニット内に組み合わせる、図である。 新規の組織インターフェースデバイスを描写する図であって、新規の組織インターフェースデバイスは、サンプリングおよびデータ獲得の機能性を組織表面に隣接して配設される単一のユニット内に組み合わせる、図である。 新規の組織インターフェースデバイスを描写する図であって、新規の組織インターフェースデバイスは、サンプリングおよびデータ獲得の機能性を組織表面に隣接して配設される単一のユニット内に組み合わせる、図である。 新規の組織インターフェースデバイスを描写する図であって、新規の組織インターフェースデバイスは、サンプリングおよびデータ獲得の機能性を組織表面に隣接して配設される単一のユニット内に組み合わせる、図である。 新規の組織インターフェースデバイスを描写する図であって、新規の組織インターフェースデバイスは、サンプリングおよびデータ獲得の機能性を組織表面に隣接して配設される単一のユニット内に組み合わせる、図である。
例示的な実施形態を詳細に例証する図に移る前に、本開示は、本説明に明記される、または図に例証される詳細事項または方法論に限定されないということを理解されたい。用語は、単に説明の目的のためであり、限定と見なされるべきではないということも理解されたい。同じまたは同様の部分に言及するために図面全体を通じて同じまたは同様の参照番号を使用する努力がなされている。
定義
本出願の目的のため、用語「被分析物濃度」は、概して、アルコールなどの被分析物の濃度を指す。用語「被分析物性質」は、被分析物濃度、および、被分析物濃度と併せて、または被分析物濃度の代わりに測定され得る、被分析物の存在もしくは不在、または被分析物濃度の変化の方向もしくは速度、またはバイオメトリックなどの他の性質を含む。本開示は、概して、目的の「被分析物」としてアルコールについて論じるが、乱用薬物、アルコールバイオマーカ、およびアルコール副産物を含むがこれらに限定されない、他の被分析物もまた、本出願に開示されるシステムおよび方法によって網羅されることが意図される。用語「アルコール」は、目的の被分析物例として使用され、この用語は、エタノール、メタノール、エチルグリコール、または一般的にアルコールと称される任意の他の化学物質を含むことが意図される。本出願の目的のため、用語「アルコール副産物」は、アセトン、アセトアルデヒド、および酢酸を含むがこれらに限定されない、身体によるアルコールの代謝作用の付加物および副産物を含む。用語「アルコールバイオマーカ」は、ガンマグルタミルトランスフェラーゼ（ＧＧＴ）、アスパラギン酸アミノトランスフェラーゼ（ＡＳＴ）、アラニンアミノトランスフェラーゼ（ＡＬＴ）、平均赤血球容積（ＭＣＶ）、糖鎖欠損トランスフェリン（ＣＤＴ）、エチルグルクロニド（ＥｔＧ）、硫酸エチル（ＥｔＳ）、およびホスファチジルエタノール（ＰＥｔｈ）を含むが、これらに限定されない。用語「乱用薬物」は、ＴＨＣ（テトラヒドロカンナビノールまたはマリファナ）、コカイン、Ｍ－ＡＭＰ（メタンフェタミン）、ＯＰＩ（モルヒネおよびヘロイン）、オキシコンチン、オキシコドン、およびＰＣＰ（フェンシクリジン）を含むが、これらに限定されない。用語「バイオメトリック」は、特定の人物または被検者の身元を識別または検証するために使用され得る被分析物または生体特性を指す。本出願は、分光法を利用して試料の被分析物測定の必要性に対処するシステムおよび方法を開示し、用語「試料」は、概して、生体組織を指す。用語「被検者」は、概して、試料測定値が獲得された人物を指す。
用語「固体光源」および／または「半導体光源」は、スペクトル的に狭い（例えば、レーザ）か、広い（例えば、ＬＥＤ）かに関わらず、発光ダイオード（ＬＥＤ）、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、水平キャビティ面発光レーザ（ＨＣＳＥＬ）、量子カスケードレーザ、量子ドットレーザ、ダイオードレーザ、または他の半導体ダイオードもしくはレーザを含むがこれらに限定されない半導体に基づくすべての光源を指す。用語「ダイオードレーザ」は、活性媒体が、半導体に基づき、ダブルヘテロ構造レーザ、量子井戸レーザ、量子カスケードレーザ、分離封じ込めヘテロ構造レーザ、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、ＶＣＳＥＬ、ＶＥＣＳＥＬ、ＨＣＳＥＬ、外部キャビティダイオードレーザ、およびファブリペローレーザを含むがこれらに限定されない、任意のレーザを指す。さらには、プラズマ光源および有機ＬＥＤもまた、厳密には半導体に基づかないが、本発明の実施形態において企図され、故に、本出願の目的のため、「固体光源」および／または「半導体光源」定義の下に含まれる。
本出願の目的のため、用語「分散型分光計」は、光の１つまたは複数の波長を他の波長から空間的に分離する任意のデバイス、構成要素、または構成要素のグループに基づいた分光計を示す。例としては、１つもしくは複数の回折格子、プリズム、および／またはホログラフィック格子を使用する分光計が挙げられるが、これらに限定されない。本出願の目的のため、用語「干渉計型／変調分光計」は、時間的に異なる周波数への異なる波長の光の光学変調に基づいた一種の分光計を示し、または、光干渉の性質に基づいて特定の波長の光を選択的に透過もしくは反射させる。例としては、フーリエ変換干渉計、サニャック干渉計、モック干渉計、マイケルソン干渉計、１つもしくは複数のエタロン、および／または音響光学チューナブルフィルタ（ＡＯＴＦ）が挙げられるが、これらに限定されない。当業者は、ラメラ格子に基づくものなど、分散および干渉／変調性質の組み合わせに基づく分光計もまた、本出願に開示されるシステムおよび方法と共に使用されることが企図されるということを認識するものとする。
本出願は、吸光度または他の分光測定値としての、例のうちのいくつかにおける「信号」の使用を開示する。信号は、１つまたは複数の波長における、例えば、吸光度、反射率、戻ってくる光の強度、蛍光性、透過率、ラマンスペクトル、または測定の様々な組み合わせなど、試料の分光測定または試料の変化に関して得られる任意の測定値を含み得る。いくつかの実施形態は、１つまたは複数の「モデル」を利用し、そのようなモデルは、信号を所望の性質に関連させる何かであり得る。モデルのいくつかの例としては、部分最小二乗回帰（ＰＬＳ）、線形回帰、多重線形回帰（ＭＬＲ）、古典的最小二乗回帰（ＣＬＳ）、ニューラルネットワーク、判別分析、主成分分析（ＰＣＡ）、主成分回帰（ＰＣＲ）、判別分析、ニューラルネットワーク、クラスタ分析、およびｋ最近傍など、多変量解析法から導出されるものが挙げられる。ランベルト・ベールの法則に基づいた単一または多波長モデルは、古典的最小二乗の特別なケースであり、故に、本出願の目的のため、多変量解析という用語に含まれる。
本出願の目的のため、用語「約」は、明示的に示されるか否かに関わらず、すべての数値に当てはまる。用語「約」は、概して、当業者が列挙された値と等価（すなわち、同じ機能または結果を有する）と見なす数字の範囲を指す。場合によっては、用語「約」は、有効数字まで四捨五入した数字を含み得る。
全般的な新規のシステムおよび方法
分光測定システムは、典型的には、スペクトルを得るために、異なる波長の光を分解して測定するためのいくつかの手段を必要とする。所望のスペクトルを達成するためのいくつかの共通の手法は、分散型（例えば、格子およびプリズムベースの）分光計、および干渉計型（例えば、マイケルソン、サニャック、または他の干渉計）分光計を含む。そのような手法を組み込む非侵襲的測定システムは、多くの場合、分散型および干渉計型デバイスの高価性、ならびに、それらの固有サイズ、脆弱性、および環境効果に対する感度によって制限される。本出願は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、水平キャビティ面発光レーザ（ＨＣＳＥＬ）、ダイオードレーザ、量子カスケードレーザ、または他の固体光源などの固体光源を使用して、およびフォトダイオードなどの光学検出器を使用して、試料と相互作用する異なる波長の光の強度を生成、分解、および記録するための代替の手法を提供することができるシステムおよび方法を開示する。
図を全体的に参照して、開示されたシステムは、いくつかの実施形態においては最適化されたサブシステムを含む設計を組み込むことによって、組織のスペクトル特性によってもたらされる課題を克服する。この設計は、組織スペクトルの複雑性、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）および測光正確性要件、組織サンプリング誤差、較正保守問題、較正転送問題、さらには多くの他の問題に取り組む。本サブシステムは、照明／変調サブシステム、組織サンプリングサブシステム、データ獲得サブシステム、コンピューティングサブシステム、および較正サブシステムを含み得る。
定量的近赤外分光法によるヒト組織の属性の非侵襲的決定のための装置および方法が本明細書に開示される。本システムは、組織スペクトルの複雑性、高い信号対雑音比および測光正確性要件、組織サンプリング誤差、較正保守問題、および較正転送問題に取り組むように最適化されるサブシステムを含む。本サブシステムは、照明／変調サブシステム、組織サンプリングサブシステム、データ獲得サブシステム、およびコンピューティングサブシステムを含む。
本出願は、正味属性信号対雑音比を最大限にするために、これらのサブシステムの各々の実装および統合を可能にする装置および方法をさらに開示する。正味属性信号は、すべての他のスペクトル分散源に直交することが理由で、目的の属性に特有である近赤外スペクトルの部分である。正味属性信号の直交性は、それを任意の干渉種によって画定される空間と垂直にし、結果として、正味属性信号は、これらの分散源と無相関である。正味属性信号対雑音比は、定量的近赤外分光法による属性の非侵襲的決定の正確性および精度に直接関連する。
本出願は、分析のための近赤外放射線の使用を開示する。１．０～２．５ミクロンの波長範囲（または１０，０００～４，０００ｃｍ１の波数範囲）の放射線は、そのような放射線が、許容吸光度特性を伴う最大数ミリメートルの組織光透過深度と一緒に、アルコールを含むいくつかの被分析物の許容特異性を有することから、いくつかの非侵襲的測定を行うのに好適であり得る。１．０～２．５ミクロンスペクトル範囲では、組織を構成する大量の光学活性物質が、それらの吸光度スペクトルの重複性に起因して、任意の所与の物質の測定を複雑にする。多変量解析技術は、目的の物質の正確な測定が達成され得るように、これらの重複スペクトルを分解するために使用され得る。しかしながら、多変量解析技術は、多変量較正が経時的にロバストなままであり（「較正保守」）、複数の器具に適用可能である（「較正転送」）ことを必要とし得る。可視および赤外などの他の波長領域もまた、開示されたシステムおよび方法に好適であり得る。
本出願は、器具サブシステム、組織生理学、多変量解析、近赤外分光法、および全体的なシステム動作の理解を組み込む、分光器具の設計への集学的アプローチを開示する。さらに、非侵襲的測定デバイス全体の挙動および要件が十分に理解され、商業的に実現可能である価格およびサイズで十分な正確性および精度を伴って非侵襲的測定を行う商用器具のための設計を結果としてもたらすように、サブシステム同士の相互作用が分析されている。
本出願はまた、オートバイ、自動車、トラック、船、列車、および航空機を含むがこれらに限定されない、輸送システムの固有の感知要件を伴った使用のためのシステムおよび方法を開示し、本システムは、広範囲の温度、大気圧、高度、湿度、機械的配向、周囲照明、および環境構成成分（例えば、塩、砂、埃、煙）の環境にわたって動作しなければならない。開示されたシステムは、体重、身長、年齢、民族性、性別、健康、体力レベル、および他のヒトを区別する因子における違いを通じて区別することが可能である、全範囲の潜在的ユーザにわたって動作し得る。開示されたシステムは、車両の全寿命にわたって機能的なままであり、必要とされる保守または修理可能なユニット交換を示す診断および表示を維持し得る。開示されたシステムは、システムユーザに正しいまたは誤った測定を知らせるために、視覚、触覚、および／または可聴フィードバックを提供するヒューマンマシンインターフェースを提供することができる。本システムは、意図的および非意図的なシステム改ざんまたは測定なりすましの検出を含む、適切または不適切な測定を示す、診断およびユーザフィードバックを提供することができる。本システムは、管理制御（例えば、パスワード）に基づいて有効／無効にされ得る動作モードを維持することができる。本システムは、システム動作に必要とされるデータおよび／もしくは電力を受信するために、または外部システムの動作を有効化、無効化、もしくは修正するために、１つまたは複数の既存の、または開発された通信プロトコルを使用して、外部輸送有効化またはヒューマンマシンインターフェースシステムへの１つもしくは複数の通信および／または電力インターフェースを提供することができる。本システムは、補綴基準デバイスを通じて、製造、設置、および／または点検中の測定正確性および精度検証または較正を可能にする能力をサポートすることができる。
新規の非侵襲的システムのサブシステムは、組織の、再現可能な、および好ましくは、均一な、放射輝度、低い組織サンプリング誤差、目的の性質を含む組織層の深度標的設定、組織からの拡散反射率スペクトルの効率的な収集、高い光学スループット、高い測光正確性、大きなダイナミックレンジ、優れた熱安定性、効果的な較正保守、効果的な較正転送、内蔵品質制御、および使いやすさを提供するように、高度に最適化される。
ここで図１を参照すると、被分析物性質測定の正確性および精度の許容レベルを達成することができる新規の非侵襲的システム５が概略図で示されている。全体的なシステム５は、議論目的で、５つのサブシステムを備えるものと見なされ得、当業者は、開示された機能性の他の細分を理解するものとする。本サブシステムは、照明／変調サブシステム１００、組織サンプリングサブシステム２００、データ獲得サブシステム３００、コンピューティングサブシステム４００、および較正サブシステム５００を含む。新規の非侵襲的システム５は、器具に組み込まれるか、または器具であると見なされ得、そのため、これ以後、器具という用語は、文脈上認められる場合には、新規の非侵襲的システム５を指すと見なされ得るということを理解されたい。新規の非侵襲的システム５は、デバイスに組み込まれるか、またはデバイスであると見なされ得、そのため、これ以後、デバイスという用語は、文脈上認められる場合には、新規の非侵襲的システム５を指すと見なされ得るということも理解されたい（しかしながら、デバイスという用語はまた、文脈上認められる場合には、非侵襲的システム５のサブシステムまたは要素を指し得るということを理解されたい）。
本サブシステムは、望ましい正味属性信号対雑音比を達成するように設計および統合され得る。正味属性信号は、他のスペクトル分散源に直交することから、目的の属性に特有である近赤外スペクトルの部分である。図２は、３次元系における正味属性信号の図表現である。正味属性信号対雑音比は、定量的近赤外分光法による非侵襲的属性決定の正確性および精度に直接関連する。
本サブシステムは、組織の、再現可能な、および好ましくは、空間的に均一な、放射輝度、低い組織サンプリング誤差、組織の適切な層の深度標的設定、組織からの拡散反射率スペクトルの効率的な収集、高い光学スループット、高い測光正確性、大きなダイナミックレンジ、優れた熱安定性、効果的な較正保守、効果的な較正転送、内蔵品質制御、および使いやすさを提供する。サブシステムの各々は、以下により詳細に論じられる。
照明／変調サブシステム１００
照明／変調サブシステム１００は、試料（例えば、ヒトの皮膚組織）を調べるために使用される光を生成する。
分散型または干渉計型分光計を使用した古典的分光法において、多色光源（または目的の試料から放出される光）のスペクトルは、（例えば、プリズムもしくは回折格子を使用して）異なる波長の光を空間的に分散させることによって、または、（例えば、マイケルソン干渉計を使用して）異なる波長の光を異なる周波数へ変調することによって、測定される。これらの場合、分光計（光源とは別個のサブシステム）は、異なる波長を、各々が他の波長とは実質的に独立して測定されるように、空間的または時間的のいずれかで「符号化する」という機能を実施することが必要とされる。分散型および干渉計型分光計は、当該技術分野において知られており、いくつかの環境および用途においてそれらの機能を適切に果たすことができるが、それらは、他の用途および環境においては、それらの費用、サイズ、脆弱性、信号対雑音比（ＳＮＲ）、および複雑性によって制限され得る。
開示されたシステムに組み込まれる固体光源の利点は、光源が独立して強度を変調され得ることである。故に、異なる波長の光を放出する複数の固体光源が使用され得、各固体光源は、アダマールまたは同様の手法によって規定されるものなどの既定のスキームに従って、異なる周波数で変調されるか、またはまとめて変調される。独立して変調された固体光源は、単一ビームへと光学的に組み合わされ、試料へ導入され得る。光の一部分は、試料から収集され、単一のフォト検出器（時に、本明細書では光学検出器とも称される）によって測定され得る。結果は、分光計が測定システムから排除されるため、サイズ、費用、エネルギー消費、および全体的なシステム安定性における著しい利益を提供することができる照明／変調サブシステム内の固体光源の提供である。さらには、すべての波長が独立して変調され、単一ビームへと組み合わされ得るため、（フォト検出器のアレイよりもむしろ）単一要素フォト検出器が、すべての分析光を検出するのに好適である。これは、複数のフォト検出器要素を伴うシステムおよび実施形態に対するシステム複雑性および費用の著しい低減を表すことができる。
固体光源を組み込む、被分析物性質を測定するためのシステムのいくつかのパラメータは、限定されるものではないが、所望の測定を実施するために必要とされる固体光源の数、固体光源の放出プロファイル（例えば、スペクトル幅、強度）、固体光源安定性および制御、ならびにそれらの光学的組み合わせを含むと考えられるべきである。各固体光源は離散要素であるため、複数の固体光源の出力を、それらが一貫して試料から導入および収集されるように、単一ビームへと組み合わせるのが有利であり得る。
さらには、固体光源のための変調スキームはまた、いくつかのタイプの光源は強度の正弦変調に適したものであり得る一方、他のものはオンおよびオフを切り替えられるか、または方形波変調されるのに適したものであり得ると考えられるべきである。正弦変調の場合、複数の固体光源は、システムの電子機器設計に基づいて異なる波長で変調され得る。複数の光源によって放出される光は、例えば、光パイプまたは他のホモジナイザを使用して光学的に組み合わされ、目的の試料から導入および収集され、次いで単一の光学検出器によって測定され得る。結果として生じる信号は、フーリエ変換または同様の変換により、強度－対－波長スペクトルへと変換され得る。
代替的に、いくつかの固体光源は、オン状態とオフ状態とで切り替えられるか、または方形波変調され、これはアダマール変換手法に適したものである。しかしながら、いくつかの実施形態においては、固体光源が高周波数でサイクルされ得るため、測定中の異なる時間に異なる波長をブロックするか、または通す従来のアダマールマスクよりもむしろ、アダマールスキームが電子機器に実装され得る。アダマール変換または同様の変換は、強度－対－波長スペクトルを決定するために使用され得る。当業者は、本発明に等しく好適であるアダマール符号化手法の代替案が存在することを認識するものとする。
１つの実施形態において、４７波長アダマール符号化スキームが利用され、２進数の行列として描写される。各列は、アダマールスキームの１つの状態に対応し、各行は、測定システムにおける波長に対応する。各状態について、「１」の値は、波長（例えば、レーザダイオード）がその状態の間オンであることを示す一方、「０」の値は、波長がその状態の間オフであることを示す。各状態の各測定は、１つのスキャンに対応する。照明／変調サブシステム１００によって放出される光は、組織サンプリングサブシステム２００によって試料に送達される。その光の一部分は、データ獲得サブシステム３００内のフォト検出器によって、収集、検出、デジタル化、および記録される。アダマールスキームにおける次の状態（例えば、異なる波長のセットがその状態の間オンである）が、次いで、測定および記録される。これは、すべてのアダマール状態が測定されるまで続く（本明細書では「アダマールサイクル」と称される）。一旦アダマールサイクルが完了すると、強度－対－波長スペクトルが、記録された強度対状態データおよびアダマールスキームの逆行列のドット積を計算することによって決定される。上に説明されるアダマール符号化の例は、４７の波長からなるが、当業者は、他の数の波長を伴うアダマールスキームが本発明に等しく好適であることを認識するものとする。
固体光源の別の利点は、多くのタイプ（例えば、レーザダイオードおよびＶＣＳＥＬ）が、狭範囲の波長（部分的に、測定の効果的な分解能を決定する）を放出するということである。結果的に、光学フィルタまたは他の手法により固体光源の放出プロファイルを成形または狭小化することは、それらがすでに十分に狭いことから、必要とされない。これは、減少したシステム複雑性および費用に起因して有利であり得る。さらには、ダイオードレーザおよびＶＣＳＥＬなどのいくつかの固体光源の放出波長は、供給される駆動電流、駆動電圧により、または固体光源の温度を変化させることによって、ある波長範囲にわたって調整可能である。この手法の利点は、所与の測定が特定の数の波長を必要とする場合、本システムが、より少ない離散固体光源を用いて、それらの実現可能な範囲にわたってそれらを調整することによって、その要件を達成することができるということである。例えば、非侵襲的性質の測定が２０の波長を必要とする場合、１０個の離散ダイオードレーザまたはＶＣＳＥＬが使用され得、１０個の各々は、測定の経過中に２つの異なる波長へと調整される。このタイプのスキームにおいて、フーリエまたはアダマール手法は、固体光源の各調整点について変調周波数を変化させることによって、または変調スキームを走査スキームと組み合わせることによって適切なままである。さらには、所与のレーザの放出の波長が経時的に推移または変化する場合、ダイオードレーザの調整性質は、その駆動電流、駆動電圧、温度、またはそれらの組み合わせを変化させることによって、ダイオードレーザがその標的放出波長に戻されることを可能にする。
被分析物性質は、電磁スペクトルの紫外および赤外領域にわたる様々な波長で測定され得る。アルコールまたは乱用薬物などの皮膚における生体内測定では、１，０００ｎｍ～２，５００ｎｍ領域の近赤外（ＮＩＲ）領域は、ヒト皮膚内に存在する目的の被分析物ならびに他の化学種（例えば、水）についての分光信号の感度および特異性に起因して、重要であり得る。さらには、被分析物の吸収率は、近赤外光が目的の被分析物が存在する皮膚内へ数ミリメートル透過することができるほど、十分低い。２，０００ｎｍ～２，５００ｎｍの波長範囲は、それが、ＮＩＲ領域の１，０００～２，０００ｎｍ部分で遭遇する、より弱く、あまりはっきりとしない倍音よりもむしろ、結合バンドを含むことから、特に実用的であり得る。
スペクトルの可視領域内の一般に入手可能なＬＥＤ、ＶＣＳＥＬ、およびダイオードレーザに加えて、ＮＩＲ領域（１，０００～２，５００ｎｍ）全体にわたる放出波長で利用可能な固体光源が存在する。これらの固体光源は、開示された被分析物およびバイオメトリック性質測定システムに好適である。利用可能なＮＩＲ固体光源のいくつかの例は、Ｖｅｒｔｉｌａｓ ＧｍｂＨによって生産されたＶＣＳＥＬ、Ｌａｓｅｒ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ＧｍｂＨから入手可能なＶＣＳＥＬ、量子カスケードレーザ、およびレーザダイオード、ならびにＲｏｉｔｈｎｅｒ Ｌａｓｅｒ、Ｓａｃｈｅｒ Ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｋ、ＮａｎｏＰｌｕｓ、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ、Ｅｐｉｔｅｘ、Ｄｏｒａ Ｔｅｘａｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈ、ＳｃｉＴｅｃｈ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、Ｌａｓｅｒ２０００、Ｒｅｄｗａｖｅ Ｌａｂｓ、およびＤｅｅｐ Ｒｅｄ Ｔｅｃｈから入手可能なレーザおよびダイオードである。これらの例は、実証の目的のために含まれ、本発明との使用に好適な固体光源のタイプの制限であることは意図されない。
マイクロコントローラは、照明／変調サブシステム１００の実施形態において、各固体光源を制御するために使用され得る。マイクロコントローラは、アダマールまたは他の符号化スキームにおいて規定の状態を含むようにプログラムされ得る（例えば、個々の固体光源は、このスキームによって規定される状態のセットに従ってオフおよびオンにされる）。次いで、マイクロコントローラは、各状態で既定の測定時間を伴って、状態の各々を繰り返すことができる。各状態の測定時間が等しくなければならないという制限はない。各固体光源の「オフ」および「オン」制御に加えて、マイクロコントローラは、固体光源温度ならびに駆動電流および駆動電圧のための全体的（すべての固体光源にわたる）および個々の設定点を提供することができる。そのような実施形態は、照明／変調サブシステム１００の制御された波長調整および／または改善された安定性を可能にする。当業者は、説明されたマイクロコントローラ実施形態と実質的に同じ機能を果たすマイクロコントローラの代替案が利用可能であることを認識するものとする。
測定分解能および分解能向上
分散型分光計において、分光測定の有効分解能は、しばしば、システム内の開口の幅によって決定される。分解能制限開口は、しばしば、入口スリットの幅である。分光計内の光が検出される焦点面では、スリットの複数の画像が形成され、異なる波長は焦点面上の異なる空間的位置に位置する。故に、１つの波長をその近傍から独立して検出する能力は、スリットの幅に依存する。より狭い幅は、分光計を通過することができる光の量を犠牲にして、波長間のより良好な分解能を可能にする。結果として、分解能および信号対雑音比は、概して、互いに相殺し合う。
干渉計型分光計は、分解能と信号対雑音比との間で同様の相殺を有する。マイケルソン干渉計の場合、スペクトルの分解能は、可動鏡が並進される距離によって部分的に決定され、距離が長いほど大きい分解能をもたらす。結果は、距離が大きいほど、スキャンを完了するために必要とされる時間が多くなるということである。
本発明の測定システムの場合、スペクトルの分解能は、離散固体光源の各々のスペクトル幅によって決定される（異なる固体光源、複数の波長へと調整されるもの、またはそれらの組み合わせに関わらず）。高い分解能を必要とする被分析物性質の測定の場合、ダイオードレーザまたは他の好適な固体レーザが使用され得る。レーザの放出の幅は、非常に狭くてもよく、これが高い分解能に変わる。中程度から低い分解能が必要とされる測定用途において、ＬＥＤは、それらが典型的に、固体レーザ代替案よりも幅広い放出プロファイルを有する（出力強度がより広範囲の波長にわたって分布される）ため、好適であり得る。
固体光源の有効分解能は、異なるタイプの光学フィルタの使用、またはそれらの組み合わせを通じて向上され得る。固体光源のスペクトル幅は、より高い分解能（例えば、より小幅な範囲の放出波長）を達成するために、１つまたは複数の光学フィルタを使用して狭小化または減衰され得る。本発明の実施形態において企図される光学フィルタの例としては、限定されるものではないが、線形的に可変のフィルタ（ＬＶＦ）、誘電体スタック、分散型ブラッグ格子、フォトニック結晶ラティスフィルタ、ポリマーフィルム、吸収フィルタ、反射フィルタ、エタロン、プリズムおよび格子などの分散要素、ならびに量子ドットフィルタが挙げられる。
本発明の実施形態から得られる測定の分解能を改善するための別の手段は、デコンボリューションである。デコンボリューションおよび他の同様の手法は、２つ以上の幅広い重複する固体光源の間に存在する信号差を隔離するために使用され得る。例えば、部分的に重複する放出プロファイルを有する２つの固体光源が、測定システムに組み込まれ得る。測定値は、試料、および（アダマールスキーム、フーリエ変換、または他の好適な変換により）生成されるスペクトルから獲得され得る。固体光源の放出プロファイルを把握した上で、プロファイルは、スペクトルの分解能を向上させるためにスペクトルからデコンボリューションされ得る。
固体光源波長および強度の安定化および制御
固体光源、特にレーザ、のピーク放出波長は、固体光源の熱状態または電気的性質（例えば、駆動電流または駆動電圧）を変化させることによって、影響を及ぼされ得る。半導体レーザの場合、熱状態および／または電気的性質を変化させることは、半導体の格子構造の光学的性質または物理的寸法を改変する。結果は、デバイス内のキャビティ間隔の変化であり、このことが放出されるピーク波長を改変する。固体光源がこれらの効果を呈することから、固体光源が分光測定システムにおいて使用されるとき、放出のピーク波長の安定性およびその関連強度は、重要なパラメータであり得る。結果として、測定中、各固体光源の熱状態および電気的性質の両方の制御は、全体的なシステムロバスト性および性能に関して有利であり得る。さらには、熱状態および電気状態によって引き起こされる光学的性質の変化は、単一の固体光源が複数のピーク波長位置へと調整されることを可能にするために活用され得る。これが、離散固体光源の数よりも多くの波長位置を測定することができる被分析物性質測定システムをもたらし得、これがシステム費用および複雑性を低減し得る。
温度安定化は、複数の手法を使用して達成され得る。いくつかの実施形態において、１つの固体光源または複数の固体光源は、温度の追加制御なしに温度を周囲条件より上に上昇させること（または周囲条件より下に冷却すること）によって安定化され得る。他の実施形態において、１つの固体光源または複数の固体光源は、制御ループを使用して設定温度に能動的に制御され得る（冷却されるか加熱されるかのいずれか）。例えば、本発明の実施形態に好適な温度ループ回路は、熱電クーラーおよび精密サーミスタを含む熱電冷却（ＴＥＣ）ＶＣＳＥＬパッケージを含み得る。精密サーミスタは、熱電クーラーを駆動するように構成される電流駆動回路に接続され得るホイートストンブリッジに接続され得る。
固体光源の電気的性質もまた、固体光源の放出プロファイル（例えば、放出の波長位置）に影響を及ぼす。１つの固体光源または複数の固体光源に供給される電流および／または電圧を安定させることが有利であり得る。例えば、ＶＣＳＥＬおよび多くのダイオードレーザのピーク放出は、駆動電流に依存する。ピーク波長の安定性が重要である実施形態では、駆動電流の安定性が重要な性能指数になる。そのような場合、電子回路は、ＶＣＳＥＬまたはダイオードレーザに安定した駆動電流を供給するように設計され得る。回路の複雑性および費用は、駆動電流の必要とされる安定性に依存し得る。図３は、本発明の実施形態との使用に好適な電流駆動回路を示す。図４は、本発明の実施形態との使用に好適な別の電流駆動回路を示す。当業者は、電流制御回路の代替の実施形態が当該技術分野において知られており、これもまた本発明との使用に好適であり得ることを認識するものとする。さらには、いくつかの固体光源は、駆動電流よりもむしろ、駆動電圧の制御を必要とし、当業者は、電流よりもむしろ電圧を制御するように設計される電子機器回路が容易に入手可能であることを認識するものとする。
いくつかの実施形態において、ＶＣＳＥＬまたはダイオードレーザなどの単一の固体光源は、測定の経過中、複数の波長へと調整される。固体光源の調整を達成するために、図３に示される回路は、温度設定点および電流それぞれの制御を含むように修正され得る。いくつかの実施形態において、温度または駆動電流および駆動電圧のいずれかを調整することは、ピーク放出波長の所望の調整を実現するのに十分であり得る。他の実施形態において、温度ならびに駆動電流および駆動電圧の両方の制御が、所望の調整範囲を達成するために必要とされ得る。
さらには、ピーク放出波長を測定および安定化するための光学手段もまた、本発明の実施形態と併せて説明されるシステムに組み込まれ得る。ファブリーペローエタロンが、相対波長基準を提供するために使用され得る。エタロンの自由スペクトル領域およびフィネスは、ＶＣＳＥＬまたはダイオードレーザピーク波長の能動測定および制御を可能にする光学通過帯域を提供するように指定され得る。このエタロンの例示的な実施形態は、部分的にミラー化した表面を有する熱安定化された平坦な溶融シリカプレートを使用する。各ＶＣＳＥＬまたはダイオードレーザが複数の波長を提供することが必要とされるシステムの場合、エタロンの自由スペクトル領域は、その透過ピークが調整のための所望の波長間隔と一致するように選択され得る。当業者は、本出願のために実現可能である多くの光学構成および電気制御回路が存在することを認識するものとする。代替の波長符号化スキームは、ＶＣＳＥＬまたはダイオードレーザ波長をアレイ上の空間的位置内へ符号化するために分散格子および二次アレイ検出器を使用する。分散ベースのスキームまたはエタロンベースのスキームのいずれかの場合、主要光学検出器よりも厳しくない性能要件を有する二次光学検出器が使用され得る。能動制御は、任意の推移のためのリアルタイム補正を可能にすることによって、ＶＣＳＥＬ温度および電流制御回路の安定性要件を低減することができる。
多波長照明／変調サブシステムのための実施形態および手法
図５は、１０個の個々の固体光源１０１が平面アレイに配置される、照明／変調サブシステム１００の例示的な実施形態を示す。いくつかの実施形態において、固体光源１０１は、ＴＯ－９、ＴＯ－５６、または他の標準パッケージなどの独自のパッケージに個々に収納される。これらのパッケージは、透過窓で密封され得るか、または非密封であり得る。他の実施形態において、固体光源１０１は、共通のキャリア上に置かれてもよく、結果として生じるアセンブリがハウジング内に置かれる。ハウジングは、密封される場合と非密封である場合がある。各固体光源１０１の温度は、独立して制御され得、各固体光源１０１は、温度を制御するための独自の手段を有するか、または温度を制御するための単一の手段を集合的に使用する。
固体光源１０１によって放出される光は、ホモジナイザ１０２（図５）によって収集および均質化され、組織サンプリングサブシステム２００の入力部へ送達される。本発明のいくつかの実施形態において、充填密度（個々の固体光源１０１が互いに対してどれくらい近くに置かれ得るか）は、不利益であり、使用され得る固体光源１０１の数を制限する。そのような実施形態において、固体光源１０１によって放出される光をより小さいエリア内へ凝縮するための手段が有利であり得る。光の効率的な凝縮および組織サンプリングサブシステム２００への結合のための手段は、後の段落で論じられる。
いくつかの実施形態において、個々の固体光源の平面アレイに対する代替案が用いられる。個々の固体光源１０１、レーザダイオード、の例は、図６に示され、半導体チップ１０３およびレーザ放出開口１０４からなる。
別の実施形態において、累計数の個々の固体光源１０１は、１つまたは複数のグループに分けられる。図７に見られるように、１つまたは複数のグループ内の各固体光源１０１は、他の固体光源１０１との間に既定の間隔を伴って共通のキャリア１０５上に搭載される（グループあたり１つのキャリア）。この手法は、光源「キャリア」と称される。キャリア１０５は、例えば、セラミックから形成され得る。この実施形態において、異なる波長は、異なる光源、例えば、レーザチップへとダイシングされる異なるウェハから生じ得る。複数のレーザチップが、固体光源１０１を形成し得る。これは、いくつかの光源（ウェハ、異なるベンダーなど）からのレーザを組み合わせることによって複数の波長が収容されることを可能にする。この手法の利点は、より少ない数の固体光源アセンブリおよび互いに対する固体光源位置の既知の関係性である。そしてこれは、個々の固体光源を制御することに対して、低減された数の温度制御されたパッケージの見込みを可能にする。さらには、パッケージ内の固体光源が、互いに対する固定された既知の位置にあるため、より効率的な光結合手法が可能になる。
他の実施形態において、複数の固体光源が、照明／変調サブシステム１００内の部品の数をさらに減少させるために、同じ物理的半導体構造内に位置する。そのような実施形態において、単一の半導体構造内の固体光源１０１は、同じ波長、異なる波長、またはそれらの組み合わせであり得る。固体光源１０１がレーザダイオードまたは他の固体レーザであるとき、これらの実施形態は、「レーザバー」１０６（図８）と称される。キャリア実施形態と同様に、レーザバー１０６の利点は、各固体光源１０１の、非常によく特徴付けられ、かつ指定された位置である。全体的に、レーザバー１０６は、個々の半導体の数、システム構成要素の総数、ならびにしたがってサブシステム複雑性および費用における著しい低減をもたらす。
同じ波長の複数の固体光源１０１が、その波長における光パワーを増大させるために使用され得る。いくつかの実施形態において、同じ波長の固体光源１０１は、効率的な光結合を可能にするために、互いに隣接し、また互いの非常に近くにある。図８は、２つのレーザダイオードの１２グループ（合計２４のレーザエミッタ）からなるレーザバー１０６を示す。対１０７を形成する２つのレーザは、共通の波長を有し、各対１０７は、他の対とは異なる波長を有する（この実施形態では、バー１０６にわたって１２の別個の波長）。各対１０７は、隣接する対１０７から４８０ミクロン離間され、対１０７の２つのエミッタ１０１の間の間隔は、５ミクロンである。ＤＦＢダイオードレーザを用いる実施形態において、異なる波長は、各対１０７に異なるピッチを有する格子を適用することによって、単一の半導体チップを使用して達成される。ＤＦＢレーザの放出は、一般的に、単一モードであり、これはいくつかの実施形態において有利である。当業者は、キャリア１０５およびバー１０６実施形態によって包含される合計固体光源１０１の大量の配列およびそれらの放出波長を認識するものとする。本明細書に開示される実施形態は、本発明の範囲を限定することは意図されない。
いくつかの実施形態において、各エミッタのための専用熱電クーラーは、桁違いの費用およびサイズとなり得、単一の全般的クーラーまたは温度制御は、十分な局所温度制御を提供しない場合がある。そのような場合、半導体構造内の局所温度制御は、固体光源近くの局所加熱設備を使用して達成され得る。加熱設備の実施形態は、印加された電流が局所熱へ変換されることを可能にする、固体光源近くの局所レジスタである。この手法は、局所温度設備が各固体光源の微調整を可能にすると同時に、単一の温度制御設備が加熱／冷却負荷の大部分を印加することを可能にする。これは、より高い安定性の度合い、ならびに局所温度を変更することによって各レーザの放出波長を調整する能力の両方を可能にする。
組織サンプリングサブシステム２００への固体光源の効率的結合のための戦略
ある実施形態の固体光源が、個々のパッケージ内に存在するか、より少ない数のキャリアまたはバー上へグループ化されるかに関わらず、固体光源放出開口の密度は、近傍固体光源間の有限距離が常に存在するため、理想的ではない。この間隔は、例えば、個々の固体光源パッケージのサイズ、ならびに有限間隔が熱を分散することを可能にする必要性によって引き起こされ得る。本発明のいくつかの実施形態において、放出開口の密度は、問題ではなく、個々の固体光源の出力は、光ホモジナイザを使用して、収集され、組み合わされ、均質化され得、この光ホモジナイザの断面は、照明／変調サブシステム１００内のすべての固体光源放出開口を包含するために十分に大きい。しかしながら、この場合、光ホモジナイザの出力部における光子束は、固体光源からの光が断面の面積全体にわたって実質的に均一に分散されていることから、理想を下回る。これは、システムのエタンデュの低減に対応し、このことは、いくつかの実施形態において不利益であり得る。
エタンデュの低減が最小限にされるべき実施形態においては、個々の固体光源放出開口の出力をより効率的に組み合わせるための複数の戦略が存在する。本発明の実施形態のうちのいくつかは、光ファイバ１０８（図８）、固体光源１０１または一対の固体光源１０７から光を収集し、それを、システム内の他の固体光源１０１または固体光源の対１０７から収集した光を組み合わせるための手段を組み込む。複数の個々の光ファイバ１０８は、ケーブル１０９へと束ねられ得る。図９に例証される１つの実施形態において、ファイバ１０８は、１２個の固体光源１０１または固体光源の対１０７の各々から光を収集する。１２個のファイバ１０８は、ケーブル１０９へと束ねられ得る。多くの固体光源の放出開口は、直径が数ミクロンのオーダーであり得る。本発明の実施形態のいくつかは、大コア多モード光ファイバを使用し得る（しばしば遠距離通信に使用される小コア単一モードファイバと対照的に）。放出開口の、小さい直径に対する大きいファイバ直径は、光ファイバが、すべての次元において数十ミクロンの整列許容誤差を有する放出開口から光を収集することを可能にする。放出開口の間隔および光ファイバ１０８のサイズに応じて、２つ以上の開口からの光は、所与の光ファイバによって収集され得る（図９を参照）。
そのような手法の利点は、任意の数の固体光源の出力が、同数またはより少ない数の光ファイバを使用することによって組み合わされることを可能にするということである。次いで、光ファイバの対向端は、組み合わされて束にされ得る。いくつかの実施形態において、束は、円形六角パックである。所与の直径の所与の数のファイバでは、この構成は、最小断面積を表し、故に、最大光子束およびエタンデュを維持する。さらには、光ファイバは、組織サンプリングサブシステム２００への収集された光の効率的な結合を可能にする、小面積開口内へのそれらの出力を組み合わせる能力を保持しながら、固体光源（例えば、レーザバーなど）の線形または他の幾何学的配置が組み上げられることを可能にする。レーザバーアセンブリは、レーザバー１０６、電気接点を有するセラミックキャリア１０５、光ファイバカプラ（例証されない）、銅マイクロベンチ（例証されない）、および熱電クーラー（例証されない）を備え得る。アセンブリは、業界標準バタフライパッケージなど、密閉封止されたパッケージ内に収納され得る。いくつかの実施形態において、光ホモジナイザは、個々の光ファイバの出力を空間的および／または角度的に均質化するために、光ファイバの束の出力部に置かれ得る。そのような実施形態において、断面積は、光子束およびエタンデュにおける任意の低減を最小限にするために、光ファイバの束の面積に合致され得る。いくつかの実施形態において、出力束における光ファイバの配置は、光ホモジナイザの断面（例えば、正方形、六角形など）に合致され得る。
光ファイバ結合手法はまた、固体光源開口を有する複数のアセンブリが単一の出力開口へと組み合わされることを可能にする。例えば、図１０は、４つのレーザバー１０６を示し、各々が１２対のレーザエミッタ１０７を有する（図８を参照）。多モード光ファイバ１１０（図１０）は、各エミッタ対１０７（合計４８個のファイバ１０８）から光を収集するために使用される。４８個のファイバ１０８の対向端は、次いで、円形六角パック出力フェルール１１１へと組み合わされる。
照明／変調サブシステム出力の均質化のための方法および装置
光学ディフューザ、光パイプ、および他のスクランブラなどの、光ホモジナイザ１１２（図１１）が、組織サンプリングサブシステム２００の入力部における、再現可能な、および好ましくは均一な、放射輝度を提供するために、照明／変調サブシステム１００のいくつかの実施形態に組み込まれ得る。図１１は、すりガラスディフューザ、および２つの反対の屈曲を有する六角形断面光パイプを備える、例となる光ホモジナイザ１１２を示す。均一な放射輝度は、良好な測光正確性および組織の均等照明を確実にすることができる。均一な放射輝度はまた、固体光源間の製造差異と関連付けられた誤差を低減することができる。均一な放射輝度は、正確かつ精密な測定を達成するために本発明の様々な実施形態において利用され得る。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，６８４，０９９号を参照されたい。
すりガラスプレートは、光学ディフューザの例である。プレートの研削面は、固体光源およびその転送光学系から発する放射線の角度を効果的にスクランブルする。光パイプは、放射線の強度が光パイプの出力部において空間的に均一であるように、放射線の強度を均質化するために使用され得る。加えて、二重屈曲を有する光パイプは、放射線の角度をスクランブルすることになる。均一な空間的強度および角度分布の作成のため、光パイプの断面は、円形であってはならない。正方形、六角形、および八角形断面は、効果的なスクランブリング幾何学的形状である。光パイプの出力部は、組織サンプリングサブシステム２００の入力部に直接結合し得るか、または、光が組織サンプリングサブシステム２００に送られる前に追加の転送光学系と併せて使用され得る。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国出願第０９／８３２，５８６号、「Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ」を参照されたい。
組織サンプリングサブシステム２００
図１は、組織サンプリングサブシステム２００の配列が、照明／変調サブシステム１００とデータ獲得サブシステム３００との間であることを示す。図１を参照すると、組織サンプリングサブシステム２００は、照明／変調サブシステム１００によって生成される放射線を試料（例えば、被検者の組織）内に導入し、試料によって吸収されない放射線の一部分を収集し、その放射線を測定のためにデータ獲得サブシステム３００内の光学検出器に送信する。
図１２～図１７は、例示的な組織サンプリングサブシステム２００の要素を描写する。
図１２を参照すると、組織サンプリングサブシステム２００は、光入力部２０２、組織を調べる組織インターフェース２０６（図１７）を形成するサンプリング表面２０４、および光出力部２０７（図１２）を有する。本サブシステムは、サンプリング表面２０４を保持し、組織をインターフェース２０６に位置付ける、図１３に描写される人間工学的装置２１０をさらに含む。出力部２１１は、例えば、マイクロプロセッサであり得る処理回路に信号を送信する。例示的なサブシステムにおいて、組織インターフェース２０６をサーモスタット管理するデバイスが含まれる。他の実施形態において、屈折率整合流体が、組織とサンプリング表面との間の光インターフェースを改善するために使用され得る。改善されたインターフェースは、誤差を低減し、効率を増大させることができ、以て、正味属性信号を改善する。例えば、各々が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，６２２，０３２号、同第６，１５２，８７６号、同第５，８２３，９５１号、および同第５，６５５，５３０号を参照されたい。
組織サンプリングサブシステム２００の光入力部２０２は、照明／変調サブシステム１００からの放射線（例えば、光パイプを出る光）を受信し、その放射線を組織インターフェース２０６へ転送する。例として、光入力部は、照明／変調サブシステムから適切な量の光を収集する幾何学的パターンで配置される光ファイバの束を備え得る。図１４は、１つの例示的な配置を描写する。この平面図は、円形パターンで配置された６つのクラスタ２０８を含むサンプリング表面における幾何学的形状にある入力および出力ファイバの端部を描写する。各クラスタは、拡散反射された光を組織から収集する４つの中心出力ファイバ２１２を含む。４つの中心出力ファイバ２１２の各グループの周りにあるのは、中心出力ファイバ２１２の縁と入力ファイバ２１４の内輪との間の約１００μｍの空隙を確実にする円筒状の材料２１５である。１００μｍの空隙は、真皮内でエタノールを測定するのに重要であり得る。図１４に示されるように、入力ファイバ２１４の２つの同心円状のリングが、円筒状の材料２１５の周りに配置される。１つの例示的な実施形態に示されるように、３２個の入力ファイバが、４つの出力ファイバを囲む。
図１５は、組織サンプリングサブシステム２００のクラスタ幾何学的形状に対する代替案を実証する。この実施形態において、照明および収集光ファイバは、線形幾何学的形状で配置される。各行は、照明または光収集のいずれかのためであり得、十分な信号対雑音比（ＳＮＲ）を達成するために好適な任意の長さのものであり得る。加えて、行の数は、サンプリングサブシステムによって網羅される物理的エリアを改変するために２つ以上であってもよい。潜在的な照明ファイバの合計数は、固体光源サブシステムの放出面積（実施形態に応じて、例えば、ファイバ束または光ホモジナイザの断面の面積）および各ファイバの面積の物理的サイズに依存する。いくつかの実施形態において、複数の固体光源サブシステムは、照明ファイバの数を増加させるために使用され得る。収集ファイバの数が、データ獲得サブシステム３００のフォト検出器よりも大きい面積を結果としてもたらす場合、開口が後に続く、光パイプまたは他のホモジナイザが、組織サンプリングサブシステム２００の出力面積のサイズを低減するために使用され得る。光パイプまたは他のホモジナイザの目的は、各収集ファイバが、開口を通過する光に実質的に等しく寄与することを確実にすることである。いくつかの実施形態において、光ホモジナイザは、省略され得、開口が単独で使用される。他の実施形態において、フォト検出器の活性エリアが、開口の役割を果たす（例えば、別個の開口が存在しない）。この場合、活性エリアに入射しない光は、効果的にビネットされる。
本発明の組織サンプリングサブシステム２００のいくつかの実施形態において、試料と相互作用する光プローブの部分は、光ファイバの２つ以上の線形リボンのスタックからなり得る。これらの配置は、光プローブインターフェースのサイズおよび形状が、目的の試料および測定場所（例えば、手、指）のために適切に設計されることを可能にする。図１６は、リボンの線形スタックに基づいた組織サンプリングサブシステム２００の例示的な実施形態を示す。本発明における使用のための好適な実施形態に関する追加の詳細事項は、各々が参照により本明細書に組み込まれる、同時係属の米国特許出願第１２／１８５，２１７号および同第１２／１８５，２２４号において見ることができる。
組織被分析物測定デバイスの多くの実施形態において、フォト検出器は、システムの限界開口である。そのようなシステムにおいて、システムのスループット（および、相応に、信号対雑音比（ＳＮＲ））は、フォト検出器の受容立体角と一致するより小さい開口から光を収集しながら、試料（組織）のより大きい面積を照明する光プローブ設計を組み込むことによって最適化され得る。図１６の光プローブ設計を参照すると、各収集ファイバ（黒丸）は、８つの照明ファイバ（白丸）によって囲まれる。各収集ファイバについて、面積におけるこの幾何学的差異は、８つの照明ファイバの各々が、収集される光に寄与することを可能にする。この手法の正味効果は、より多くの光が、黒体光源から収集され、限界開口によってビネットされることなく試料に送達されることを可能にするということである。これは、大きい放出面積（多くの黒体エミッタなど）を本質的に有する光源に有利であり得る。
しかしながら、ダイオードレーザなどの半導体光源の光子束は、黒体光源のものよりもはるかに高くなり得る。その結果、限られた数の半導体光源が、それらの黒体対照物に対してより小さい立体角で等価または優れた光子束を送達することができる。これは、光子放出の立体角（すべての半導体光源の組み合わされた立体角）がフォト検出器の受容立体角よりも小さいということをもたらし得る。言い換えると、フォト検出器よりもむしろ光源が、システムの有効限界開口である。そのような場合、図１６に示されるものなどの光プローブ設計は、システムのスループットおよびＳＮＲを最適化しない。そのような光プローブは、本発明のいくつかの実施形態において好適であり、代替の設計が好ましい場合がある。他の実施形態において、照明光ファイバの数は、収集光ファイバの数より少ないか、またはこれに等しくてもよい。これらの光プローブ設計は、フォト検出器のより大きい面積と一致するより大きい収集面積により、固体光源放出のより小さい面積と一致する小さい照明面積を可能にするサンプリング表面を有する。その結果、システムの全体的な効率が改善される。
組織サンプリングサブシステム２００はまた、１つまたは複数のチャネルを使用することができ、チャネルは、照明および収集ファイバの特定の配向を指す。配向は、照明ファイバ（複数可）の角度、収集ファイバ（複数可）の角度、照明ファイバ（複数可）の開口数、収集ファイバ（複数可）の開口数、照明ファイバ（複数可）と収集ファイバ（複数可）との間の分離距離からなる。非侵襲的測定の正確性を改善するために、複数のチャネルが、同時または連続的のいずれかで、併せて使用され得る。
１つの実施形態において、２チャネル組織サンプリングサブシステム２００が利用される。この例では、２つのチャネルが、同じ組織構造を測定している。したがって、各チャネルは、異なる観点から同じ組織の測定値を提供する。第２の観点は、散乱および吸収に起因して信号をデカップリングするのに役立つ追加の分光情報を提供するのに役立つ。図１７を参照すると、ファイバのグループ（この例では、１つの光源、１つの受信器＃１、および１つの受信器＃２）は、サンプリング面積を増大させ、光学効率を改善するために、１～Ｎ回再現され得る。ファイバの各々は、異なる開口数および角度（θ）を有し得る。ファイバＸとＹとの間の距離は、光源－受信器分離を決定する。さらには、４チャネル組織サンプリングサブシステム２００を作成するさらなる光源チャネルが追加され得る。当業者は、数およびチャネル同士の関係に対する多数の潜在的な変異形を認識するものとする。
複数のチャネルサンプラが非侵襲的グルコース測定のために使用された実験において、結果は、いずれか個々のチャネルと比較して、２つのチャネルの組み合わせが優れた測定正確性を提供することを示した。この例は２つのチャネルを使用するが、追加チャネルが、測定をさらに改善することができる追加情報を提供することができる。
複数チャネル組織サンプリングサブシステム２００の別の態様は、試料に存在する、汗またはローションなどの局所的な干渉物質の検出および緩和を改善する能力である。図１７は、局所的な干渉物質の存在下での複数チャネル組織サンプリングサブシステム２００の図である。図１７は、組織インターフェースにおけるサンプリングサブシステム、局所的な干渉の層、および組織を示す。この例では、局所的な干渉物質に起因する各チャネルの測定への寄与は同一である。これは、両方のチャネル内に存在する共通の局所的な干渉信号を、２つのチャネルでは異なる組織信号からデカップリングする可能性を提供する。
図１２に戻って参照すると、クラスタ化された入力および出力ファイバは、サンプリングヘッド２１６内に搭載されるクラスタフェルール内に搭載される。サンプリングヘッド２１６は、良好な組織インターフェースの形成を可能にするために滑らかな平坦面であるサンプリング表面２０４を含む。同様に、入力ファイバは、照明／変調サブシステム１００とインターフェースをとるために、入力端において接続されるフェルール２１８内へクラスタ化される。出力ファイバの出力端は、データ獲得サブシステム３００とインターフェースをとるために、フェルール２２０内へクラスタ化される。
代替的に、光入力部は、入力光を組織インターフェースへ転送するために、光パイプ、屈折光学系、および／または反射光学系の組み合わせを使用することができる。組織サンプリングサブシステム２００の入力光学系は、許容正味属性信号を達成するために、照明／変調サブシステム１００から十分な光を収集することが重要である。
サンプリングヘッド２１６は、目的の属性に関する組織の領域を標的とする様式で、組織を照射し、組織のそれらの領域を通って著しい距離を進行しない光を区別することができる。例として、照明ファイバと収集光ファイバとの間の１００μｍの空隙は、属性情報をほとんど含まない光を区別することができる。加えて、サンプリングヘッド２１６は、組織の異質性に起因する誤差を低減するために組織のある特定のエリアを平均化することができる。サンプリングヘッド２１６は、正反射性の短経路長光線を拒否し、またサンプリングヘッド２１６は、システムの正味属性信号を最大限にするために、高効率で、組織を通る所望の経路長を進行する光の部分を収集することができる。サンプリングヘッド２１６は、上で論じられるような既定の幾何学的形状で、入力部からの光を組織へチャネリングするために光ファイバを用いることができる。光ファイバは、良好な属性情報を含む組織の特定の層を標的とするパターンで配置され得る。
入力および出力ファイバの間隔、角度、開口数、および配置は、効果的な深さ標的設定を達成する様式で取り決められ得る。光ファイバの使用に加えて、サンプリングヘッド２１６は、組織の表面に入力および出力エリアのパターンを置く非ファイバベースの配置を使用することができる。非ファイバベースのサンプリングヘッド２１６の適切なマスキングは、入力光が、組織内を最小距離だけ進行し、有効な属性情報を含むことを確実にする。最後に、サンプリングヘッド２１６は、既定の方式で組織の温度を制御するためにサーモスタット管理され得る。サンプリングヘッド２１６の温度は、温度変動に起因する予測誤差が低減されるように設定され得る。さらに、サンプリングヘッド２１６の温度を設定することによって、較正モデルを構築するときに基準誤差が低減される。これらの方法は、参照により本明細書に組み込まれる、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｎｏｎ－Ｉｎｖａｓｉｖｅ Ｂｌｏｏｄ Ａｎａｌｙｔｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｗｉｔｈ Ｆｌｕｉｄ Ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ Ｅｑｕｉｌｉｂｒａｔｉｏｎ」という表題の米国特許出願第０９／３４３，８００号に開示される。
組織サンプリングサブシステム２００は、再現可能な様式で組織をサンプリング表面２０４の上に位置付ける人間工学的装置またはガイド２１０を用いることができる。指を再現性よくサンプリング表面２０４へガイドする例となる人間工学的装置２１０が図１３に描写される。人間工学的装置２１０は、基部２１７を含み、基部２１７には開口部２１９が通っている。開口部２１９は、そこに試料ヘッド２１６（図１２）を受容して、サンプリング表面２０４を人間工学的装置２１０の基部の上面と全体的に同一平面に位置付けるようにサイズ決定される。組織インターフェース２０６の人間工学に対しては細心の注意を払わなければならず、さもなければ著しいサンプリング誤差が発生し得る。代替箇所、例えば、指先の上部もしくは掌側または前腕もまた、本明細書に説明されるシステムの変異形を使用して受容され得る。
組織サンプリングサブシステム２００の出力部は、組織を通って許容経路を進行した、組織によって吸収されない光の部分を、データ獲得サブシステム３００内の光学検出器へ転送する。組織サンプリングサブシステム２００の出力部は、出力光を光学検出器へ集束させるために屈折および／または反射光学系の任意の組み合わせを使用し得る。いくつかの実施形態において、収集された光は、試料依存であり得る空間および角度効果を軽減するために、均質化される（参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，６８４，０９９号、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｒｅｄｕｃｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓａｍｐｌｉｎｇ」を参照）。
データ獲得サブシステム３００
データ獲得サブシステム３００は、組織サンプリングサブシステム２００からの光信号をデジタル表現へ変換する。図１８は、データ獲得サブシステム３００の概略図である。データ獲得サブシステム３００は、組織インターフェース２０６から戻ってくる光を受信し、その光を、受信した光を表す電気信号に変換する光学検出器（フォト検出器）３０２を備える。本発明の少なくとも１つの実施形態の利点は、干渉計型分光計と同様に、単一要素光学検出器（時に、本明細書ではフォト検出器と称される）のみが、すべての所望の波長を測定するために必要とされることである。これは、システムの費用を低減する。対照的に、アレイ検出器およびそれらの支援電子機器は、それらの高費用性に起因して、大きな欠点である。
データ獲得サブシステム３００の光学検出器（フォト検出器）３０２は、時間の関数として入射光を電気信号へと変換する。１．０～２．５ｍのスペクトル範囲内で感受性がある光学検出器（フォト検出器）の例としては、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、Ｇｅ、ＰｂＳ、およびＰｂＳｅが挙げられる。本発明の例示的な実施形態は、１．０～２．５μｍ範囲内の光に対して感受性がある、１ｍｍの熱電冷却型（ＴＥＣ）の拡張範囲ＩｎＧａＡｓ光学検出器（フォト検出器）を利用する。２．５μｍの拡張範囲ＩｎＧａＡｓ光学検出器は、低いジョンソン雑音を有し、その結果として、組織サンプリングサブシステム２００から発する光子束について、ショット雑音制限された性能を可能にする。拡張範囲ＩｎＧａＡｓ光学検出器は、３つの非常に重要なアルコール吸収特徴が位置する２．０～２．５μｍスペクトル領域においてピーク感度を有する。液体窒素冷却型のＩｎＳｂ光学検出器と比較して、熱電冷却型（ＴＥＣ）の拡張範囲ＩｎＧａＡｓフォト検出器は、商用製品のためにより実用的であり得る。また、拡張範囲ＩｎＧａＡｓ光学検出器は、１．０～２．５μｍスペクトル領域において１２０ｄｂｃを超える直線性を呈する。代替の光学検出器は、アルコール測定システムが代替の波長領域を利用する場合に好適であり得る。例えば、シリコンフォト検出器は、目的の波長範囲が３００～１１００ｎｍ範囲内であった場合に好適であり得る。いかなるフォト検出器も、所与のフォト検出器が基本的な感度、雑音、および速度要件を満たす限り、使用され得る。
データ獲得サブシステム３００の残りは、光学検出器からの電気信号を増幅およびフィルタリングし、次いで、結果として生じるアナログ電気信号を、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）、デジタルフィルタリング、および等しい時間間隔から等しい位置間隔へのデジタル信号のリサンプリングにより、そのデジタル表現へと変換する。アナログ電子機器およびＡＤＣは、信号に固有の高ＳＮＲおよび直線性をサポートしなければならない。信号のＳＮＲおよび直線性を守るために、データ獲得サブシステム３００は、少なくとも１００ｄｂｃのＳＮＲに加えてひずみをサポートすることができる。データ獲得サブシステム３００は、信号のデジタル表現を生成することができる。いくつかの実施形態において、２４ビットデルタ－シグマＡＤＣは、９６または１９２ｋＨｚで動作され得る。デジタル化するために１チャネルのみの信号を有するシステムにおいて（デルタ－シグマＡＤＣにおいてより一般的な２チャネルの信号の代わりに）、信号は、ＡＤＣの両方の入力部へ渡され、デジタル化後に平均化され得る。この動作は、ＡＤＣによってもたらされる任意の無相関の雑音を低減するのに役立ち得る。システム性能要件が許す場合、代替のアナログ－デジタル変換器が、使用され得、ここでは、試料獲得は、等しい時間間隔で捕捉されるよりもむしろ、固体光源変調と同期される。デジタル化された信号は、以下に論じられるように、さらなる処理のためにコンピューティングサブシステム４００へ渡され得る。
データ獲得サブシステム３００の一定時間サンプリング技術は、信号をデジタル化する他の方法に勝るいくつかの明白な利点を有する。これらの利点は、より大きなダイナミックレンジ、より低い雑音、低減されたスペクトルアーチファクト、フォト検出器雑音制限された動作、およびより単純かつより低費用のアナログ電子機器を含む。加えて、一定時間サンプリング技術は、ＡＤＣの前にアナログ電子機器によってもたらされる周波数応答ひずみに対するデジタル補償を可能にする。これは、増幅およびフィルタリング回路における非線形位相誤差、ならびに光学検出器の非理想的な周波数応答を含む。均一にサンプリングされたデジタル信号は、１つまたは複数のデジタルフィルタの適用を可能にし、このデジタルフィルタの累積周波数応答は、アナログ電子機器の伝達関数の逆数である（例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第７，４４６，８７８号を参照）。
コンピューティングサブシステム４００
コンピューティングサブシステム４００は、データ獲得サブシステム３００から得られるデジタル化されたデータを強度－対－波長スペクトルへ変換すること、スペクトルに対してスペクトル外れ値チェックを実施すること、目的の属性の決定のための準備におけるスペクトル前処理、目的の属性の決定、システム状態チェック、ユーザインターフェースと関連付けられた表示および処理要件、ならびにデータ転送および格納などの、複数の機能を実施する。いくつかの実施形態において、コンピューティングサブシステム４００は、本発明の他のサブシステムに接続される専用パーソナルコンピュータまたはラップトップコンピュータに含まれる。他の実施形態において、コンピューティングサブシステム４００は、専用の埋め込み式コンピュータである。
光学検出器（フォト検出器）からのデジタル化されたデータを強度－対－波長スペクトルへ変換した後、コンピューティングサブシステム４００は、外れ値または不良スキャンについてスペクトルをチェックすることができる。外れ値試料または不良スキャンは、測定された信号と目的の性質との仮説上の関係性を侵害するものである。外れ値条件の例は、較正された器具が周囲温度、周囲湿度、振動耐性、構成要素耐性、電力レベルなどについての指定の動作範囲の外側で動作される条件を含む。加えて、外れ値は、試料の組成または濃度が、較正モデルを構築するために使用された試料の組成または濃度範囲とは異なる場合に発生し得る。較正モデルは、本開示において後に論じられる。任意の外れ値または不良スキャンは、削除され得、残っている良好なスペクトルが、共に平均化されて、測定のための平均単一ビームスペクトルを生成し得る。強度スペクトルは、スペクトルの負の１０進法対数（－ｌｏｇ１０）をとることによって、吸光度へ変換され得る。吸光度スペクトルは、雑音を再正規化するためにスケーリングされ得る。
スケーリングされた吸光度スペクトルは、較正サブシステム５００から得られる較正モデルと併せて、目的の属性を決定するために使用され得る。目的の属性の決定後、コンピューティングサブシステム４００は、結果を、例えば、被検者、オペレータもしくは管理者、記録システム、またはリモートモニタへ報告することができる。コンピューティングサブシステム４００はまた、結果の「良好さ」における確信のレベルを報告することができる。確信レベルが低い場合、コンピューティングサブシステム４００は、結果を保留し、再検査することを被検者に要求することができる。必要な場合、是正処置を実施するようにユーザに指示する追加情報が伝えられ得る。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願第２００４０２０４８６８号を参照されたい。結果は、ディスプレイ上に視覚的に、および／またはオーディオによって、および／または印刷手段によって、報告され得る。追加的に、結果は、属性の過去記録を形成するために格納され得る。他の実施形態において、結果は、インターネット、電話線、または携帯電話サービスを介して、リモートモニタリングまたは格納設備へ格納および転送され得る。
コンピューティングサブシステム４００は、中央処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、ストレージ、ディスプレイ、および好ましくは、通信リンクを含む。ＣＰＵの例は、Ｉｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍマイクロプロセッサである。メモリは、静的ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）および／または動的ランダムアクセスメモリであってもよい。ストレージは、不揮発性ＲＡＭまたはディスクドライブにより達成され得る。液晶、ＬＥＤ、または他のディスプレイが好適であり得る。通信リンクは、例として、高速シリアルリンク、イーサネットリンク、またはワイヤレス通信リンクであってもよい。コンピュータサブシステム４００は、例えば、受信および処理したインターフェログラムから属性測定値を生成し、較正保守を実施し、較正転送を実施し、器具診断を実行し、測定したアルコール濃度の履歴および他の関連情報を格納し、ならびにいくつかの実施形態において、データおよび新規のソフトウェア更新を送信および受信するためにリモートホストと通信することができる。
コンピューティングシステム４００はまた、外部データベースへの被検者のアルコール測定記録および対応するスペクトルの転送を可能にする通信リンクを含み得る。加えて、通信リンクは、新規のソフトウェアをコンピュータにダウンロードし、多変量較正モデルを更新するために使用され得る。コンピュータシステムは、情報機器と見なされ得る。情報機器の例としては、パーソナルデジタルアシスタント、ウェブ使用可能な携帯電話、およびハンドヘルドコンピュータが挙げられる。
較正サブシステム５００
較正モデルは、アルコール測定値を得るために、スペクトル情報と併せて使用される。いくつかの実施形態において、較正モデルは、様々な環境条件において複数の被検者に対する血液基準測定値および同時分光データを獲得することによって形成される。これらの実施形態において、分光データは、ある範囲の血中アルコール濃度にわたって各被検者から獲得され得る。他の実施形態において、ハイブリッド較正モデルは、被検者スペクトルのアルコール濃度を測定するために使用され得る。この場合、ハイブリッドモデルという用語は、部分最小二乗（ＰＬＳ）較正モデルが、生体外および生体内スペクトルデータの組み合わせを使用して開発されたことを示す。データの生体外部分は、透過測定のために構成された非侵襲的測定システムを使用して測定された、水中での５００ｍｇ／ｄＬアルコールの０．１ｍｍ経路長透過スペクトルであった。透過スペクトルは、０．１ｍｍ経路長透過スペクトルの水に対して比率化され、吸光度へ変換され、単位経路長および濃度へ正規化された。
組織を通る光伝播は、拡散反射率光学組織サンプラ設計、生理学的変数、および波数の複素関数である。結果として、組織を通る光の経路長は、散乱なしの透過測定では遭遇しない波数依存性を有する。波数依存性を説明するために、ヒト組織の散乱性質との光学組織サンプラの相互作用が、商用光学レイトレーシングソフトウェアパッケージ（ＴｒａｃｅＰｒｏ）を使用して、モンテカルロシミュレーションによりモデル化された。光子－組織相互作用の、結果として生じるモデルを使用して、波数の関数としての真皮および皮下組織層を通る光の有効経路長の推定値が生成された。有効（ｌｅｆｆ）は、
Figure 2022536487000002
と規定され、式中、ｖは波数であり、ｌｉは、モンテカルロシミュレーションにおいてｉ番目の光線が通る経路長［ｍｍ］であり、Ｎは、シミュレーションにおける光線の合計数であり、ａは、（波数依存の）吸収係数［ｍｍ－１］である。生体内におけるその大きい吸収に起因して、水は、有効経路長に著しい影響を有する唯一の被分析物である。したがって、有効経路長計算の目的のため、使用された吸収係数は、生理学的濃度での水の吸収係数であった。アルコール吸光度スペクトル（透過において測定されるような）は、次いで、拡散反射率光学サンプラによって測定される波数依存の経路長を表す補正されたアルコールスペクトルを形成するために、演算されたパス関数によってスケーリングされた。この補正されたスペクトルが、較正スペクトルへのアルコールの数学的追加のための基本スペクトルを形成した。
生体内データは、アルコールを消費していない人物から収集された非侵襲的組織スペクトルを含んでいた。ハイブリッドモデルは、様々なアルコール「濃度」（０～１６０ｍｇ／ｄＬにわたる）によって重み付けされたアルコール純粋成分スペクトルを非侵襲的組織スペクトルデータに追加することによって形成された。ＰＬＳ較正モデルは、合成アルコール濃度をハイブリッドスペクトルデータに回帰することによって構築された。図１９は、ハイブリッド較正形成プロセスの概略表現である。本研究におけるハイブリッド較正は、３か月にわたって１３３人の被検者から収集されたおよそ１５００個の非侵襲的組織スペクトルを使用した。
アルコールを消費した被検者から獲得したスペクトルから構築された較正モデルよりもむしろ、ハイブリッド較正モデルの使用は、大きな利点を提供することができる。ハイブリッドモデリングプロセスは、ヒト被検者研究において消費に安全と考えられるもの（１２０ｍｇ／ｄＬが安全な上限と考えられる）よりも高い濃度（例えば、最大１６０ｍｇ／ｄＬ）のアルコールを含む較正スペクトルを生成することを可能にする。これにより、より高いアルコール濃度をより正確に予測することができる、より幅広い範囲の被分析物濃度を用いたより強力な較正をもたらすことができる。これは、現場で観察されるアルコール濃度が、臨床研究設定における最大安全用量の２倍を超える場合があることから、重要であり得る。ハイブリッド較正プロセスはまた、組織におけるアルコールとスペクトル干渉物質との間の相関の防止を可能にする。例えば、較正スペクトルへのアルコール信号の無作為追加は、アルコール濃度が水濃度と相関されることを防ぐ。故に、ハイブリッド手法は、測定が、アルコール濃度の代わりに組織含水量の変化を誤って追跡し得る可能性を防ぐ。
一旦形成されると、較正は、安定したままであり、長期間にわたって正確な属性予測を生成することが望ましい。このプロセスは、較正保守と称され、個々に、または併せて使用され得る複数の方法からなり得る。第１の方法は、較正を、本質的にそれをロバストにする様式で作成することである。いくつかの異なるタイプの器具および環境変動が、較正モデルの予測能力に影響を及ぼし得る。器具および環境変動の影響の度合いを、この変動を較正モデルに組み込むことによって低減することが可能であり、また望ましい。
しかしながら、較正期間中に器具状態の可能な範囲全体に及ぶことは困難である。システム摂動は、器具が較正モデルの空間の外側で動作されることをもたらし得る。器具が不適切にモデリングされた状態にあるなかで行われた測定は、予測誤差を呈し得る。医学的に重大な属性の生体内光学測定の場合、これらのタイプの誤差は、システムの有用性を低下させる誤った測定をもたらし得る。したがって、多くの場合、器具の状態を継続して検証および補正するために、器具の寿命中に追加の較正保守技術を使用することが有利である。
問題のある器具および環境変動の例としては、限定されるものではないが、水蒸気またはＣＯ２ガスなどの環境干渉物質のレベルの変化、器具の光学構成要素の整列の変化、器具の照明／変調サブシステム１００の出力電力における上下変動、ならびに器具の照明／変調サブシステム１００によって出力される光の空間および角度分布の変化が挙げられる。
較正保守技術は、米国特許第６，９８３，１７６号、「Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｓｉｍｉｌａｒ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓａｍｐｌｅｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｓ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、米国特許第７，０９２，８３２号、「Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、米国特許第７，０９８，０３７号、「Ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｎｇ Ｓｕｂｊｅｃｔ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｓ」、および米国特許第７，２０２，０９１号、「Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｓｉｍｉｌａｒ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓａｍｐｌｅｓ」に論じられ、これらの各々が参照により本明細書に組み込まれる。開示された方法のいくつかにおいて、目的の属性を含む場合とそうでない場合とがある積分球など、環境的に不活性の非組織試料が、経時的に器具をモニタするために使用される。試料は、器具の光学経路内に組み込まれ得るか、または、組織測定の様式と同様の様式で組織サンプリングサブシステム２００とインターフェースをとり得る。試料は、透過または反射において使用され得、安定したスペクトル特徴を含み得るか、またはそれ自体のスペクトル特徴に寄与しない場合がある。材料は、そのスペクトルが経時的に安定しているか予測可能である限り、固体、液体、またはゲル材料であり得る。経時的に試料から獲得されるスペクトルにおける任意の原因不明の変化は、器具が、環境効果に起因して摂動またはドリフトを経たことを示す。スペクトル変化は、次いで、正確な属性測定を確実にするため、ヒトにおける後続の組織測定を補正するために使用され得る。
好結果の較正保守を達成するための別の手段は、経時的に器具に対して獲得される測定値を使用して較正を更新することである。通常、目的の被分析物性質の基準値の知識は、そのような更新を実施するために必要とされる。しかしながら、いくつかの用途において、基準値は、通常、しかしながら常にではないが、特定値であることが知られている。この場合、この知識は、被分析物性質の特定値が各測定について知られていないとしても、較正を更新するために使用され得る。例えば、居住型療養施設におけるアルコールスクリーニングでは、測定の大多数は、施設のアルコール消費制限に従ってきた、故にアルコール濃度ゼロを有する、個人に対して実施される。この場合、本発明の様々な実施形態に従って開示されるデバイスから得られるアルコール濃度測定値または関連スペクトルは、基準値として、推定ゼロと併せて使用され得る。故に、較正は、新規の情報を、それが現場で獲得されるときに含むように更新され得る。この手法はまた、推定ゼロでの測定が、目的の被分析物性質測定における任意のシステム特有のバイアスを除去するためにシステム製造または設置時に使用され得る際に、較正転送を実施するために使用され得る。較正保守更新または較正転送実施は、限定されるものではないが、直交信号補正（ＯＳＶ）、直交モデリング技術、ニューラルネットワーク、逆回帰法（ＰＬＳ、ＰＣＲ、ＭＬＲ）、直接回帰法（ＣＬＳ）、分類体系、単純中央値もしくは移動窓、主成分分析、またはそれらの組み合わせなど、様々な手段によって達成され得る。
一旦較正が形成されると、多くの場合、較正をすべての既存および今後のユニットへ転送することが望ましい。このプロセスは、一般的に、較正転送と称される。要求されることはないが、較正転送は、製造される各システムに対して較正が決定される必要性を防ぐ。これは、商用製品の成功または失敗の差に影響を及ぼし得る著しい時間および費用節約を表す。較正転送は、光学および電子構成要素がユニットごとに異なり、このことが、全体として、複数の器具から得られるスペクトルにおける著しい差を結果としてもたらすという事実により起こる。例えば、２つの固体光源は、異なる色温度を有し得、以て、２つの光源では異なる光分布をもたらす。２つの光学検出器の応答性もまた、著しく異なり得、このことが、さらなるスペクトル差をもたらし得る。
較正保守と同様に、複数の方法が、較正転送を効果的に達成するために使用され得る。第１の方法は、複数の器具を用いて較正を構築することである。複数の器具の存在は、器具の違いと関連付けられたスペクトル変動が、決定され、較正形成プロセス中に属性信号に直交にされることを可能にする。この手法は、正味属性信号を低減するが、それは、較正転送の効果的な手段であり得る。
さらなる較正転送方法は、較正を構築するために使用されるものに対するシステムのスペクトルシグネチャにおける差を明示的に決定することを伴う。この場合、スペクトル差は、次いで、システム上での属性予測の前にスペクトル測定値を補正するために使用され得るか、またはこれは、予測された属性値を直接的に補正するために使用され得る。器具に特有のスペクトルシグネチャは、目的のシステムから獲得される安定した試料のスペクトルおよび較正を構築するために使用されるものにおける相対的差から決定され得る。較正保守の章で説明される試料は、較正転送にも適用可能である。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，４４１，３８８号、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ」を参照されたい。
アルコール測定モダリティ
目的の用途に応じて、被分析物性質の測定は、２つのモダリティに関して検討され得る。
第１のモダリティは、「飛び込み型（ｗａｌｋ ｕｐ）」または「偏在型（ｕｎｉｖｅｒｓａｌ）」であり、試料（例えば、被検者）の以前の測定が、目的の現在の測定から被分析物性質を決定することに使用されない、被分析物性質決定を表す。生体内アルコールを測定する場合、大半の場合、検査を受ける人物が前もってアルコール測定デバイスで測定されていることはないため、飲酒運転は、このモダリティに入ることになる。故に、その人物の予備的知識は、被分析物性質の現在の決定における使用に利用可能ではない。
第２のモダリティは、「登録型（ｅｎｒｏｌｌｅｄ）」または「オーダーメード型（ｔａｉｌｏｒｅｄ）」と呼ばれ、試料または被検者からの以前の測定が、現在の測定の被分析物性質を決定することに利用可能である状況を表す。このモダリティが適用され得る環境の例は、限られた数の人が車両または機械を運転または動作することが許されている車両インターロックである。登録型およびオーダーメード型の用途の実施形態に関する追加情報は、「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｓ」という表題の米国特許第６，１５７，０４１号および同第６，５２８，８０９号において見ることができ、これらの各々が、参照により本明細書に組み込まれる。登録型の用途において、被分析物性質測定とバイオメトリック測定との組み合わせが特に有利であり得るのは、同じ分光測定が、被分析物性質が予定オペレータの健康レベル（例えば、酒を飲んでいないこと）にアクセスすることができると同時に、バイオメトリックを介して、予定オペレータが設備または車両を使用する許可が与えられているかどうかを査定することができるためである。
分光信号からバイオメトリック検証または識別を決定するための方法
バイオメトリック識別は、１つまたは複数の身体的または行動的特徴を使用して、ある人物または他の生物学的存在を識別するプロセスを説明する。識別および検証という、２つの一般的なバイオメトリックモードが存在する。
バイオメトリック識別は、「私はあなたを知っているか？」という質問に答えることを試みる。バイオメトリック測定デバイスは、対象となる個人からバイオメトリックデータのセットを収集する。この情報のみから、バイオメトリック測定デバイスは、その人物が以前にバイオメトリックシステムに登録されたかどうかを査定する。ＦＢＩの自動指紋識別システム（ＡＦＩＳ）などのバイオメトリック識別タスクを実施するシステムは、概して、非常に高価であり（数百万ドル以上）、未知の試料と何十万または何百万もの入力を含む巨大データベースとの一致を検出するのに何十分も要する。
バイオメトリック検証では、関連質問は、「あなたの言うあなたは果たしてあなたなのか？」である。このモードは、個人が、コード、磁気カード、または他の手段を使用して身元を主張する場合に使用され、デバイスは、対象となるバイオメトリックデータを、身元とされるものと対応する登録データと比較することによってその人物の身元を確認するために、バイオメトリックデータを使用する。
制御された環境においてアルコールまたは乱用薬物の存在または濃度をモニタリングするための本装置および方法は、いずれかのバイオメトリックモードを使用することができる。
これらの２つのモードの間の少なくとも１つの変異形も存在し、これもまた、本発明の様々な実施形態における使用に好適である。この変異形は、少数の個人が登録データベースに含まれており、バイオメトリック用途が、対象となる個人が登録セットの中にあるかどうかのみの判定を必要とする場合に生じる。この場合、個人の正確な身元は必要とされず、故に、タスクは、上に説明される識別タスクとは幾分異なる（および、多くの場合より容易である）。この変異形は、検査対象の個人が承認されたグループの一部であり、かつ酒を飲んでいないことが必須である一方で、彼らの具体的な身元が必要とされない方法において、バイオメトリックシステムが使用される用途で有用であり得る。用語「身元特性」は、上のモード、変異形、およびそれらの組み合わせまたはバリエーションのすべてを含む。
較正データ、登録データ、および標的スペクトルデータという、バイオメトリック測定と関連付けられた３つの主要データ要素が存在する。
較正データは、バイオメトリック判定に重要であるスペクトル特徴を確立するために使用される。このデータセットは、既知の身元の個人（複数可）から収集される一連の分光組織測定値からなる。好ましくは、これらのデータは、複数のスペクトルが各個人に対して収集されると同時に、それらの複数のスペクトルが、ある人物が体験することが予期される生理学的状態のほぼ全範囲に及ぶように、ある時間期間にわたって、ある条件セットの下で収集される。加えて、スペクトル収集に使用される器具（複数可）は、概して、その器具または姉妹器具が実際の使用で目にする可能性の高い器具および環境効果の全範囲に及ばなければならない。これらの較正データは、次いで、個人内の器具（器具内および器具間の両方）および環境効果に対する感受性を最小限にしながら、個人間のスペクトル差に対して感受性があるスペクトル波長または「因子」（すなわち、波長またはスペクトル形状の線形結合）を確立するようなやり方で分析される。これらの波長または因子は、次いで、バイオメトリック判定タスクを実施するために、後で使用される。
バイオメトリック判定に使用される第２の主要なスペクトルデータセットは、登録スペクトルデータである。所与の被検者または個人についての登録スペクトルの目的は、その被検者の固有の分光特性の「表現」を生成することである。登録スペクトルは、バイオメトリックシステムによって、承認される、または認識されることが別途必要とされる個人から収集される。各登録スペクトルは、数秒または数分の期間にわたって収集され得る。測定値同士の類似性を確実にし、アーチファクトが検出される場合には１つまたは複数の測定値を排除するために、２つ以上の登録測定値が個人から収集され得る。１つまたは複数の測定値が破棄される場合、追加の登録スペクトルが収集され得る。所与の被検者についての登録測定値は、まとめて平均化され得るか、別途組み合わされ得るか、または別々に格納され得る。いずれの場合においても、データは、登録データベースに格納される。いくつかの場合において、登録データの各セットは、スペクトルが測定された人物のための識別子（例えば、パスワードまたはキーコード）と結び付けられる。識別タスクの場合、識別子は、いつ誰がバイオメトリックシステムにアクセスしたかという目的を保つ記録のために使用され得る。検証タスクの場合、識別子は、登録データの適切なセットを抽出するために使用され、このセットに対して検証が実施される。
バイオメトリックシステムに使用される第３の主要なデータセットは、ある人物が識別または検証のためにバイオメトリックシステムを使用することを試みるときに収集されるスペクトルデータである。これらのデータは、標的スペクトルと称される。これらは、較正セットから得られる分類波長または因子を使用して登録データベース（または、身元検証の場合はデータベースのサブセット）に格納された測定値と比較される。バイオメトリック識別の場合、システムは、標的スペクトルを登録スペクトルのすべてと比較し、登録された個人のデータのうちの１つまたは複数が標的スペクトルに十分に類似する場合、一致を報告する。２つ以上の登録された個人が標的に一致する場合、一致している個人のすべてが報告され得るか、または最良の一致が識別された人物として報告され得るかのいずれかである。バイオメトリック検証の場合、標的スペクトルは、磁気カード、タイプされたユーザ名もしくは識別子、トランスポンダ、別のバイオメトリックシステムからの信号、または他の手段を使用して収集される断定された身元を伴う。断定された身元は、次いで、対応するスペクトルデータセットを登録データベースから取得するために使用され、このデータセットに対して、バイオメトリック類似性判定が行われ、身元が立証または拒否される。類似性が不十分である場合、バイオメトリック判定はキャンセルされ、新規の標的測定が試みられ得る。
検証の１つの方法において、主成分分析が、スペクトル因子を生成するために較正データに適用される。これらの因子は、次いで、類似性基準としてマハラノビス距離およびスペクトル残留等級値を生成するために、標的スペクトルと登録スペクトルとの間のスペクトル差に適用される。身元は、上述の距離および等級が各々についての既定のしきい値セットよりも小さい場合にのみ立証される。同様に、バイオメトリック識別のための例示的な方法において、マハラノビス距離およびスペクトル残留等級は、データベーススペクトルの各々に対する標的スペクトルについて計算される。試験スペクトルを提供する人物の身元は、各々について既定のしきい値セットよりも小さい最小のマハラノビス距離およびスペクトル残留等級を出したデータベース測定値と関連付けられた人物（複数可）として確立される。
例示的な方法において、識別または検証タスクは、ある人物が、限られた数の人に承認された動作を実施する（例えば、分光測定を実施する、登録施設を入力する、入国検問所を通過するなど）ことを求めるときに実施される。この人物のスペクトルデータは、この人物の身元の識別または検証のために使用される。この方法では、この人物は、最初に、１つまたは複数の代表的な組織スペクトルを収集することによって、システムに登録する。２つ以上のスペクトルが登録中に収集される場合、これらのスペクトルは、一貫性についてチェックされ、それらが十分に類似している場合にのみ記録され得、登録データを破損する試料アーチファクトの可能性を制限する。検証実施の場合、ＰＩＮコード、磁気カード番号、ユーザ名、バッジ、声紋、他のバイオメトリック、または何らかの他の識別子などの識別子もまた、収集され、確認済みの登録スペクトル（複数可）と関連付けられ得る。
その後の使用において、バイオメトリック識別は、承認を得ようとしている人物からスペクトルを収集することによって発生し得る。このスペクトルは、次いで、登録された承認データベース内のスペクトルと比較され得、承認されたデータベースエントリへの一致が既定のしきい値よりも良好であった場合に識別がなされる。検証タスクは同様であるが、その人物が、収集したスペクトルに加えて識別子を提示することを要求し得る。識別子は、次いで、特定の登録データベーススペクトルを選択するために使用され得、現在のスペクトルが選択された登録スペクトルに十分に類似する場合に権限が付与され得る。バイオメトリックタスクが、１人の人物のみが承認される動作と関連付けられる場合、検証タスクおよび識別タスクは、同じであり、両方とも、承認された個人だけが別個の識別子の必要なしに動作を試みているという保証に簡略化する。
バイオメトリック測定は、モードに関わらず、限定されるものではないが、線形判別分析、二次判別分析、ｋ最近傍、ニューラルネットワーク、および他の多変量解析技術または分類技術を含む、様々な方式で実施され得る。これらの方法のいくつかは、個人内較正データベース内の基本的なスペクトル形状（例えば、因子、ローディングベクトル、固有ベクトル、潜在変数など）を確立すること、および次いで、標準外れ値方法論（例えば、スペクトルＦ比、マハラノビス距離、ユークリッド距離など）を使用して、入ってくる測定値と登録データベースとの一貫性を決定することに依存する。基本的なスペクトル形状は、本明細書に開示されるような複数の手段によって生成され得る。
第一に、基本的なスペクトル形状は、較正データの単純なスペクトル分解（例えば、固有分析、フーリエ分析など）に基づいて生成され得る。
基本的なスペクトル形状を生成する第２の方法は、参照により本明細書に組み込まれる、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｓ」という表題の米国特許第６，１５７，０４１号に説明されるような共通モデルの開発に関する。この出願では、基本的なスペクトル形状は、個人内スペクトル特徴に対して実施される較正手順を通じて生成される。基本的なスペクトル形状は、シミュレートされた構成成分変動に基づいた較正の開発によって生成され得る。シミュレートされた構成成分変動は、実際の生理学的もしくは環境もしくは器具変動によってもたらされる変動をモデル化することができるか、または、単純に、人工的な分光変動であり得る。
基本的な形状を決定する他の手段が、本発明の開示された実施形態の識別および検証方法に適用可能であることを認識されたい。これらの方法は、前述の技術と併せて、またはこれの代わりに、使用され得る。
較正チェック試料
被検者安全性を確実にするための使い捨て用品に加えて、使い捨ての較正チェック試料は、器具が適切な作業条件にあることを検証するために使用され得る。アルコール測定の多くの商業用途において、器具の状態は、後続の測定が正確なアルコール濃度または属性推定値を提供することを確実にするために検証されなければならない。器具状態は、多くの場合、被検者測定の直前にチェックされる。いくつかの実施形態において、較正チェック試料は、アルコールを含み得る。他の実施形態において、チェック試料は、積分球など、環境的に安定した、スペクトル的に不活性の試料であり得る。チェック試料は、分光サンプリングチャンバへ注入または流入されるガスまたは液体であり得る。チェック試料はまた、アルコールを含有し得る、ゲルなどの固体であり得る。チェック試料は、組織サンプリングサブシステム２００とインターフェースをとるように構築され得るか、またはチェック試料は、本システムの光学経路の別のエリア内に組み込まれ得る。これらの例は、例証的であることが意図され、様々な潜在的な較正チェック試料に対する制限ではない。
変化の方向（ＤＯＣ）および変化の速度（ＲＯＣ）
分光法を使用した、アルコールなどの組織構成成分の濃度変化の方向および大きさの測定のための方法は、本発明の範囲内にあるものと考えられる。本発明から得られる非侵襲的測定は、本質的に、半時間分解される。これは、アルコール濃度などの属性が時間の関数として決定されることを可能にする。時間分解されたアルコール濃度は、次いで、アルコール濃度の変化の速度および方向を決定するために使用され得る。加えて、変化の方向の情報は、生理学的動態によって引き起こされる血中および非侵襲的アルコール濃度の任意の差を部分的に補償するために使用され得る。各々が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第７，０１６，７１３号、「Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ａｎ Ａｎａｌｙｔｅ」、および米国出願第２００６０１６７３４９号、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅ Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ａｎ Ａｎａｌｙｔｅ」を参照されたい。速度および方向信号を強化するための様々な技術が開発されている。これらの技術のうちのいくつかは、加熱要素、ラブリフラクタント（ｒｕｂｒｉｆｒａｃｔａｎｔ）、および屈折率整合媒体を含む。本発明は、特定の形態の強化または平衡に限定されない。これらおよび他の強化は、本発明の任意選択の態様である。
被検者安全性
非侵襲的アルコール測定の別の態様は、測定中の被検者の安全性である。被検者間の病原体の測定汚染または伝達を防ぐために、必須ではないが、各被検者を保護し、被検者間の流体または病原体伝達を防ぐために、使い捨ての清浄剤および／または保護面を使用することが望ましい。例えば、いくつかの実施形態において、イソプロピルワイプが、測定前に各被検者のサンプリング部位および／または組織サンプリングサブシステムのサンプリング表面を清浄するために使用され得る。他の実施形態において、材料の使い捨て薄フィルム（ＡＣＬＡＲなど）が、被検者と器具との物理的接触を防ぐために各測定の前に組織サンプリングサブシステム２００と被検者との間に置かれてもよい。他の実施形態において、清浄およびフィルムの両方が、同時に使用され得る。本開示の組織サンプリングサブシステム部分で述べたように、フィルムはまた、位置決めデバイスに装着され、その後、被検者のサンプリング部位に適用され得る。この実施形態において、位置決めデバイスは、組織サンプリングサブシステム２００とインターフェースをとり、フィルムがその保護的役割を果たしながら、被検者が測定中に動くことを防ぎ得る。
局所的な干渉物質
被検者測定において、サンプリング部位における局所的な干渉物質の存在は、大きな懸念である。多くの局所的な干渉物質は、近赤外領域にスペクトルシグネチャを有し、したがって、存在する場合は著しい測定誤差に寄与し得る。本発明の特定の実施形態は、個々に、または互いと併せて使用され得る、３つの方式で、局所的な干渉物質の可能性に対処する。
第一に、被検者安全性の章で説明されるものと同様の使い捨て清浄剤が使用され得る。清浄剤の使用は、システムオペレータの自由裁量か、または測定プロセスにおける必須ステップのいずれかであり得る。異なるタイプの局所的な干渉物質を個々に標的とする複数の清浄剤も使用され得る。例えば、１つの清浄剤は、油脂を除去するために使用され得る一方、別のものは、コロンまたは香水などの消費財を除去するために使用され得る。清浄剤の目的は、局所的な干渉物質がシステムの正確性に影響を及ぼすことを防ぐために、属性測定の前にこれらを除去することである。
局所的な干渉物質の存在を軽減するための第２の方法は、１つまたは複数の干渉物質がサンプリング部位に存在するかどうかを決定することである。較正サブシステム５００において使用される多変量較正モデルは、モデリングされていない干渉物質（局所的またはその逆）の存在に関する重要な情報をもたらす固有の外れ値メトリクスを提供する。結果として、それらは、属性測定の信用性への識見を提供する。図２０は、臨床研究中に獲得される非侵襲的測定値からの例となる外れ値メトリック値を示す。大きいメトリック値（点の大半とは明らかに分離した）のすべては、脂が被検者のサンプリング部位に意図的に適用された測定に対応する。これらのメトリクスは、外れ値の原因を具体的に識別しないが、それらは、関連属性測定が疑わしいことを示す。誇張された外れ値メトリック値（例えば、固定のしきい値を超える値）は、測定の繰り返し、代替の較正モデルの適用、またはサンプリング部位清浄手順などの固定の応答をトリガするために使用され得る。
第３の局所的な干渉物質軽減方法は、局所的な干渉物質のスペクトルシグネチャを含むように較正モデルを適合させることを伴う。適合された較正モデルは、要求に応じて作成されるか、または較正モデルの既存ライブラリから選択されるか、のいずれかであり得る。ライブラリ内の各較正は、異なる干渉物質、または油などの干渉物質の種類を軽減することを標的とし得る。いくつかの実施形態において、適切な較正モデルは、元の較正モデルによって説明されない獲得スペクトルの部分に基づいて選択され得る。スペクトルのこの部分は、較正モデル残差と称される。各々の局所的な干渉物質または干渉物質の種類は、固有の近赤外スペクトルを有するため、較正モデル残差は、局所的な干渉物質を識別するために使用され得る。
干渉物質のモデル残差または純粋スペクトル（格納されたライブラリから得られる）は、次いで、較正を形成するために使用されるスペクトルに組み込まれ得る。次いで、多変量較正が、新規のスペクトルを用いて再形成され、その結果として、干渉物質に直交する属性信号の部分が決定され得る。新規の較正モデルは、次いで、目的の属性を測定するために使用され、以て、属性測定正確性に対する局所的な干渉物質の影響を低減する。結果として生じるモデルは、干渉物質が存在しないときは測定精度を犠牲に、アルコール測定に対する干渉物質の影響を低減することになる。このプロセスは、較正免疫と称される。免疫プロセスは、図１９に示されるハイブリッド較正形成プロセスと同様であるが、干渉物質のスペクトル変動の数学的追加という追加ステップを含む。測定精度に対する免疫プロセスの影響に起因して、各測定について潜在的な干渉物質を識別し、それらに対して具体的に免疫を与えることが、すべての潜在的な干渉物質に対して免疫を与えられる較正を発展させることを試みるよりも、望ましいということに留意されたい。さらなる詳細は、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願公開第２００７０１４２７２０号、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｆｏｒｅｉｇｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｔｓ ｏｎ ａｎａｌｙｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」で見ることができる。
半導体光源の利点
ＮＩＲおよびＩＲ分光法において使用される大半の光源は、黒体放射体である。黒体放射体によって放出される光は、放出される光の強度が黒体の波長および温度の関数であることを示すプランクの法則によって統制される。図２１は、１００～３３０００ｃｍ－１（１００～０．３μｍ）範囲にわたる１３００および３０００Ｋ黒体放射体の正規化ＮＩＲスペクトルを、アルコール測定デバイスによって使用される４０００～８０００ｃｍ－１（２．５～１．２５μｍ）範囲には陰影を付けて、示す。１３００Ｋは、セラミックベースの黒体光源のための妥当な温度であり、３０００Ｋは、分光用途でしばしば用いられる石英タングステンハロゲン（ＱＴＨ）ランプのための妥当な温度である。図２１は、著しい量の光がアルコールを測定するための目的の領域外の波長で放出され、セラミック光源の光学効率が５８％であり、ＱＴＨランプがほんの１８％であるという点で、両方の黒体光源の光学効率が理想的ではないことを示す。
光学効率に加えて、黒体光源は、乏しい電気効率を有し得る。実用的な黒体光源は、著しい量の電力を必要とし、これらの電力のすべてが放出光へ変換されるわけではない。数百のセラミック黒体光源における電力および光パワー測定は、平均２４Ｗの電力で平均１．１Ｗの光パワーを示す（４．４％電気効率）。５８％の光学効率と組み合わせると、セラミック黒体の全体的な効率は、およそ２．５％である。言い換えると、２４Ｗの電力で、およそ０．６Ｗの光パワーが、目的の４０００～８０００ｃｍ１領域で放出される。光源によって放出されるすべての光が光学系の残りによって収集されるわけではないため、さらなる損失を被る。
低い電気効率によって示されるように、印加された電力の大半は、所望されるよりも高い電力要件を超える損失を有する熱に変換される。黒体光源によって生成される熱は、分光測定デバイスの熱状態および安定性に影響を及ぼし得る。結果として、いくつかの状況においては、本デバイスは、測定を実施する前に、電源をオンにされて、熱平衡に達することができなければならない。黒体光源と関連付けられた平衡時間は、数分から数時間に及び得、これは、いくつかの状況においては不利になり得る。
黒体光源は、材料抵抗が変化するにつれて劣化効果を呈する。光学的観点からは、光源劣化と関連付けられた２つの重要な意味合いが存在する。
第一に、抵抗が増加するにつれて、放出される光パワーは減少する。１つの実験において、実証用セラミック黒体光源について観察された経時的な測定強度は、３５００時間にわたって電力の５０％低減を呈した。経時的な強度低下は、本質的に指数関数的である傾向があり、一定間隔での光源の交換を余儀なくさせ得、これは、いくつかの開発環境において不利であり得る。
第二に、光源の温度が変化し、このことが、光の分布を波長の関数として改変する。色温度変化の深刻度に応じて、経時的な分光デバイスの安定性が影響を受け得る。
固体光源は、白熱電球と同様の任意の様式で決定的に故障することはなく、５０，０００～１００，０００時間に及ぶ典型的な寿命を有する。その結果、固体光源は、黒体光源に対して、光源寿命の１０倍の向上、および日常保守の必要性における対応する低減の可能性を提供する。
ダイオードレーザなどの半導体光源は、それらの黒体対照物と比較して小さい放出面積を有することができる。半導体光源の小さい放出面積は、半導体ダイ自体のサイズによって決定される。光子放出は、それが半導体構造内で生成されることから、ダイのエリア外で発生することはできない。小さいサイズ（一般的な放出エリアは、０．３ｍｍ×０．３ｍｍ平方、または０．０９ｍｍ２である）は、そのエリア内の任意の不均質性が、照明システムの出力のサイズ（用途に応じて数ｍｍ２以上であり得る）に対して取るに足りないものであるという点で、有利であり得る。故に、ダイ（または、複数の半導体が用いられる場合は、複数のダイ）が物理的に移動しない限り、空間的出力は非常に安定している。後続の空間的ホモジナイザの目的は、ダイによって放出される光を照明システム出力のエリア全体にわたって均一に分散させることである。
ダイオードレーザ、ＶＣＳＥＬ、およびＬＥＤなどの半導体光源の別の利点は、２つ以上のダイを同じ物理的パッケージ内に組み込む能力である。例えば、同じタイプの追加の固体光源が、対応する波長において光パワーを増大させるために含まれ得る。そのような手法は、照明システムによって放出される特定の波長および相対強度の両方に対するかつてないレベルの制御を可能にする。これは、あまり重要でない波長での出力を低減しながら、アルコールなどの目的の所与の被分析物にとって重要な波長を増強するために使用され得る。固体光源のセットがすべての同じタイプのものであるか、または混合であるかに関わらず、最大数百個が、アルコールなどの非侵襲的被分析物測定における使用と一貫した集積光エリアを保持しながら、同じパッケージ内に組み込まれ得る。
半導体光源の別の利点は、どの光源が所与の時間においてオンであるかを選択し、ならびにそれらの出力を電圧または電流および温度を介して調整する能力である。結果として、単一の照明システムが、複数の被分析物の測定のために最適化され得る。例えば、組織内のアルコールを測定するとき、固体光源の所与のセットが活性化され得る。同様に、固体光源の異なるセットが、コレステロールまたはグルコースなどの異なる被分析物を測定するときに活性化され得る。
空間的および角度均質化のための方法
光学ディフューザ、光パイプ、および他のスクランブラなどの、光ホモジナイザが、組織サンプリングサブシステム２００の入力部における、再現可能な、および好ましくは均一な、放射輝度を提供するために、照明／変調サブシステム１００のいくつかの実施形態に組み込まれ得る。均一な放射輝度は、良好な測光正確性および組織の均等照明を確実にし得る。均一な放射輝度はまた、固体光源間の製造差異と関連付けられた誤差を低減し得る。均一な放射輝度は、正確かつ精密な測定を達成するために利用され得る。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，６８４，０９９号を参照されたい。
すりガラスプレートは、光学ディフューザの例である。プレートの研削面は、固体光源およびその転送光学系から発する放射線の角度を効果的にスクランブルする。光パイプは、放射線の強度が光パイプの出力部において空間的に均一であるように、放射線の強度を均質化するために使用され得る。加えて、二重屈曲を有する光パイプは、放射線の角度をスクランブルすることになる。均一な空間的強度および角度分布の作成のため、光パイプの断面は、円形であってはならない。正方形、六角形、および八角形断面が、効果的なスクランブリング幾何学的形状である。光パイプの出力部は、組織サンプリングサブシステム２００の入力部に直接結合し得るか、または、光が組織サンプリングサブシステム２００に送られる前に追加の転送光学系と併せて使用され得る。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願第０９／８３２，５８６号、「Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ」を参照されたい。
例示的な実施形態において、放射線ホモジナイザは、光パイプである。光パイプは、概して、金属材料、ガラス（非晶質性）材料、結晶性材料、高分子材料、もしくは他の同様の材料、またはそれらの任意の組み合わせから製作される。物理的には、光パイプは、近位端、遠位端、およびそれらの間の長さを備える。光パイプの長さは、本出願では、光パイプの近位端から遠位端まで直線を引くことによって測定される。故に、光パイプの同じセグメントは、そのセグメントが形成する形状に応じて様々な長さを有し得る。セグメントの長さは、光パイプの意図した用途により容易に変化する。
例示的な実施形態において、セグメントは、Ｓ字状の光パイプを形成する。光パイプ内のＳ字状の屈曲は、光が光パイプを通過する際に光の角度均質化をもたらす。しかしながら、角度均質化は他の方式で達成され得るということを認識されたい。複数の屈曲、または非Ｓ字状の屈曲が使用されてもよい。さらに、光パイプの内面が拡散反射性コーティングを長さの少なくとも一部分にわたって有することを条件に、真っすぐな光パイプが使用されてもよい。このコーティングは、光がパイプを通って進む際に角度均質化をもたらす。代替的に、光パイプの内面は、角度均質化を達成するためにマイクロ光ディフューザまたはレンズなどのくぼみまたは「マイクロ構造体」を含むように修正され得る。最後に、すりガラスディフューザが、何らかの角度均質化をもたらすために使用されてもよい。
光パイプの断面もまた、様々な形状を備え得る。特に、光パイプの断面は、空間的均質化をもたらすために、好ましくは多角形である。多角形断面は、３つ～多くの側面を有するすべての多角形状を含む。特定の多角形断面は、チャネリングされた放射線の空間的均質化を改善することが証明されている。例えば、六角形断面を持つ光パイプ、その長さ全体は、同じ長さの円筒断面を有する光パイプと比較して、改善された空間的均質化をもたらす。
加えて、光パイプの長さ全体にわたる断面は変化し得る。そのようなものとして、光パイプの長さに沿った１つの点における任意の断面の形状および直径は、パイプの同じセグメントに沿った第２の点においてとられる第２の断面によって異なり得る。特定の実施形態において、光パイプは、２つの端の間の中空構造のものである。これらの実施形態において、少なくとも１つの管腔または導管は、光パイプの長さにわたり得る。中空光パイプの管腔は、概して、反射特性を保有する。この反射特性は、放射線がパイプの遠位端で放出され得るように、光パイプの長さを通じて放射線をチャネリングするのを助ける。管腔の内径は、滑らかな、拡散またはテクスチャ化表面のいずれかをさらに保有し得る。反射管腔または導管の表面特性は、放射線が光パイプの長さを通過する際に放射線を空間的および角度的に均質化するのを助ける。
追加の実施形態において、光パイプは、中実構造のものである。中実コアは、カバープレート付き、被覆付き、またはクラッド付きであり得る。ここでも、中実構造光パイプは、概して、内部反射を提供する。この内部反射は、中実光パイプの近位端に入る放射線がパイプの長さを通じてチャネリングされることを可能にする。チャネリングされた放射線は、次いで、放射線強度の著しい損失なしにパイプの遠位端の外へ放出され得る。
ファセット楕円反射体は、出力放射線における所望の特性の一部のみをもたらす本発明の実施形態の例である。ファセット反射体の場合、空間的均質化は達成されるが、角度均質化は達成されない。標準システムの出力をすりガラスに通過させることなど、他の場合において、角度均質化は達成されるが、空間的均質化は達成されない。これらなどの実施形態において、角度均質化または空間的均質化のみ（両方ではなく）がもたらされる場合、分光システムの性能におけるいくらかの改善が予期され得る。しかしながら、改善の程度は、放射線の空間的および角度均質化が同時に達成されるシステムほど大きくなるとは予測されない。
角度均質化および空間的均質化の両方を作成するための別の方法は、照明システムにおいて積分球を使用することである。特に、光を散乱させる試料からの、光の検出のために積分球を使用することは一般的であるが、積分球は、被分析物を非侵襲的に測定しようとするときに照明システムの一部として使用されていない。実際、エミッタから出力される放射線は、出口ポートを通じて組織の後続の照明と共に積分球内に結合され得る。エミッタはまた、積分球内に位置してもよい。積分球は、並外れた角度および空間的均質化をもたらすが、このシステムの効率は、以前に述べた他の実施形態よりも著しく低い。
光の所望の均質化を達成するために、他の修正が本開示のシステムに対して行われ得ることも認識されたい。例えば、固体光源は、光パイプの内側に密閉配置で置かれてもよく、これは、反射体の必要性を排除する。さらに、光パイプは、積分器によって置き換えられてもよく、光源は積分器内に置かれる。さらに、本システムは、実施されるべき分析のタイプに応じて、異なる波長領域において同様の結果を達成するために、非赤外用途で使用され得る。
例示的な実施形態の説明
本発明の例示的な実施形態（図２２に概略的に描写される）において、非侵襲的アルコール測定システムは、２２個の離散波長を測定するために使用される１３個のダイオードレーザからなる。以下の表１は、ダイオードレーザの各々、および測定の経過中に調べられる関連標的ピーク波長のリストを示す。
Figure 2022536487000003
この実施形態において、ダイオードレーザの各々は、一定温度に安定化される。各ダイオードレーザのピーク波長は、図５に示される回路（各ダイオードレーザが独自の回路を有する）に基づいて制御され、これは、ダイオードレーザがオンおよびオフにされることも可能にする。測定中の所与の時間における各ダイオードレーザの特定の状態（オン／オフ）は、既定のアダマールまたは同様の符号化行列によって決定される。固体光源を組み込む例示的な実施形態において、アダマール行列は、各ダイオードレーザについての時間に対するオン／オフ状態のパターンであり、これは、ソフトウェアに格納され、固体光源を機械的に変調する物理的マスクまたはチョッパよりもむしろ、電子機器に実装される。これは、ソフトウェアに格納されたオン／オフ状態が、測定中に各ダイオードレーザの電子制御回路に伝達されることを可能にする。
表１のダイオードレーザのうちのいくつかは、２つの波長測定に関与することから、すべての波長を組み込むアダマールスキームは、達成するのが困難であり得る。この場合、スキャンおよびアダマール符号化の組み合わせが、すべての標的波長が測定されることを可能にし得る。本実施形態において、すべてのダイオードレーザは、それらの第１の標的波長へと調整され（２つ以上の標的波長を有するものについて）、アダマール符号化スキームが、関連多重化利益を達成するために使用される。次いで、ダイオードレーザは、第２の標的波長へと調整され得、第２のアダマール符号化スキームが使用される。１つのみの標的波長を有するダイオードレーザは、一方のグループもしくは両方のグループにおいて測定され得るか、またはグループ間で分割され得る。
さらには、グループは、時間がインターリーブされ得る。例えば、２秒測定では、第１のグループは、最初の１秒間測定され得、第２のグループは、第２の１秒間測定され得る。代替的に、測定は、２秒の間、０．５秒間隔で交互に起こり得る。測定時間は、グループにわたって対称である必要はない。例えば、測定時間を一方または他方のグループの方へ加重することによって、信号対雑音比を最適化することが望ましい場合がある。当業者は、測定時間の多くの並び替え、グループ数の平衡を保つこと、スキャンとアダマールとの比の平衡を保つこと、およびインターリービングが、本発明の実施形態において可能であり、企図されることを認識するものとする。
例示的な実施形態において、ダイオードレーザの各々の出力は、六角形断面の光パイプを使用して組み合わされ、均質化される。いくつかの実施形態において、光パイプは、空間的均質化に加えて角度均質化をもたらすために、１つまたは複数の屈曲を含有し得る。いずれにせよ、光パイプの出力部において、すべてのダイオードレーザの放出は、すべての波長が組織サンプリングサブシステム２００の入力部への導入時に実質的に等価の空間的内容および角度内容を有するように、好ましくは、空間的および角度的に均質化される。
均質化された光は、サンプリングヘッド２１６の入力部へ導入される。例示的な実施形態において、入力部は、光ホモジナイザの断面と一致した幾何学的形状に配置される、２２５個の０．３７ＮＡシリカ－シリカ光ファイバ（照明ファイバと称される）からなる。次いで、光は、サンプリングインターフェース２０４に転送される。光は、サンプリングインターフェース２０４を出て、試料に入り、光の一部分が、試料と相互作用し、６４個の収集ファイバによって収集される。例示的な実施形態において、収集ファイバは、０．３７ＮＡシリカ－シリカファイバである。
サンプリングヘッド２１６の出力部は、収集ファイバをホモジナイザへの導入と一致した幾何学的形状へと配置する。例示的な実施形態では、ホモジナイザは、六角形光パイプである。ホモジナイザは、各収集ファイバの内容が、測定された光信号に実質的に等しく寄与することを確実にする。これは、本質的に異質であり得るヒト組織などの試料では、重要であり得る。ホモジナイザの出力は、次いで、光学検出器（フォト検出器）３０２へ集束される。例示的な実施形態において、光学検出器（フォト検出器）３０２は、出力電流が入射光の量に基づいて変化する拡張範囲ＩｎＧａＡｓフォトダイオードである。
次いで、システム５は、電流をフィルタリングおよび処理し、次いで２チャネルデルタ－シグマＡＤＣを使用してそれをデジタル信号へ変換する。例示的な実施形態において、処理されたアナログフォト検出器信号は、分割され、両方のＡＤＣチャネルへ導入される。例示的な実施形態は、２つの測定グループ（例えば、２つの標的波長）を有するＶＣＳＥＬに関与するため、アダマール変換は、各グループから得られる分光信号に適用され、後続の変換は、強度スペクトルを形成するために組み合わされる。次いで、強度スペクトルは、後続のアルコール濃度判定の前に１０進法対数変換される。
例示的な実施形態は、「登録型」または「飛び込み型／偏在型」モダリティのいずれか、ならびにアルコールを乱用薬物などの他の被分析物性質と組み合わせた用途に好適である。さらには、論じられたモダリティのいずれかまたは組み合わせは、独立して考えられ得るか、またはバイオメトリック性質の測定と組み合わせられ得る。
１つの例示的な使用において、３，２４５個のアルコール測定値が、「飛び込み型」モダリティで２２個の波長を組み込むスペクトルを測定した５つの非侵襲的アルコールシステム上で８９人から得られた。測定は、幅広い範囲の人口学的因子および環境因子に及んだ。図２３は、本研究から得られる近赤外分光測定値を示す。図２４は、図２３に示される分光測定から得られる非侵襲的アルコール濃度を同時毛細管血中アルコール濃度（ＢＡＣ）アルコールと比較する。
別の例示的な実施形態は、図２５に示され、３９個のダイオードレーザを使用して測定された３９個の波長を使用する。表２は、ダイオードレーザおよびそれらの標的波長を示す。
Figure 2022536487000004
Figure 2022536487000005
組織サンプリングサブシステム２００、光ホモジナイザ、光学検出器（フォト検出器）、および処理を含むシステムパラメータの残りは、先に説明された実施形態と同一である。図２５は、６個の非侵襲的測定デバイス上で１３４人から得られた８，９９９個の分光測定値を示す。図２６は、静脈血中アルコールに対する、結果として生じる非侵襲的アルコール測定値を示す。
いくつかの例示的な実施形態において、較正転送は、既知の被分析物性質を有する試料に関する少数の測定値に対して実施され得る。非侵襲的アルコール測定の場合、各器具は、アルコールが存在しない個人に対して実施される少数の測定値を有し得る。器具に関する任意の非ゼロアルコール結果は、その器具に関するその後の測定値を補正するために使用され得る測定誤差へと変わる。補正を推定するために使用される測定値の数は、様々であってもよく、概して、補正の要求される正確性に依存する。一般に、このプロセスは、個々に較正される呼気テスタなどのアルコールデバイスと一貫した器具特有の較正に類似している。
同様の手法が、較正保守に適用され得る。アルコール検査の多くの用途において、測定の大部分は、アルコールが存在しそうもない個人に対して実施される。例えば、従業員がアルコールについて日常的に検査される職場安全性においては、従業員は、酔っているよりもアルコールを飲んでいないことの方が、はるかに可能性が高い（例えば、大半の人は職場にアルコールを飲まずに入る）。この場合、真のアルコール濃度は、ゼロ、および、めったに起こらないことを排除するための中央値または他の平均であると仮定され得、真のアルコール事象は、器具の補正を推定するために使用され得る。これは、所与の時間に適切な補正を決定するための、実行中央値フィルタ、移動窓、またはより高機能な多変量アルゴリズムとして実施され得る。
当業者は、本発明が、本明細書において説明および企図される特定の実施形態以外の様々な形態で明らかにされ得ることを認識するものとする。したがって、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、形態および詳細における展開がなされ得る。
継続中のシステム較正
動作条件および時間にわたって最大正確性および精度を維持するために、組織測定の直前にアルコール測定デバイス（例えば、測定に寄与する光学および電気構成要素）の状態に関する情報を有することが望ましい。これは、「較正測定」と称される。電流および温度に関連した制御が、システムの特定の感知構成要素に用いられるが、時間および温度と共に変化し得る著しい数の機械的および光学的誤差寄与因子が存在する。加えて、適所に制御があったとしても、電気的構成要素の動作と関連付けられた誤差、ならびに、同様に考慮される必要のある、サンプリングヘッド２１６の、表面処理および潜在的な光汚染と関連した因子が存在し得る。したがって、目的の組織試料を測定する直前に、既知の標準試料に対してデバイスの完全な光学的および電気的状態を測定することが望ましい。次いで、既知の標準試料の測定は、後続の（または先行する）組織測定がアルコール測定デバイスの現在の状態について補正されることを可能にする。
較正測定を得るために、光源／変調サブシステム１００からの光は、組織サンプリングサブシステム２００によって既知の標準試料に送達され、そこで光が既知の標準試料と相互作用する。光の一部分は、組織サンプリングサブシステム２００によって収集され、データ獲得サブシステム３００内のフォト検出器３０２に結合される。これを達成するための１つの方式は、サンプリング表面（例えば、皮膚組織が測定される表面）のものとは別個の光ファイバを用いることである。この場合、既知の標準試料に送達される光は、皮膚を調べる光とは異なる光学経路を進むことになる。光学経路におけるこのような違いは、いくつかの実施形態において許容であり得る。さらには、他の実施形態において、光ファイバ自体が、既知の標準試料としての役割を果たし得る（例えば、光ファイバは、照明／変調サブシステム１００から光を収集し、それをデータ獲得サブシステム３００内のフォト検出器３０２に直接送達する。これらの手法のいくつかの実施形態において、どちらの光学経路（皮膚サンプリング表面への経路、または較正試料への経路）が所与の時間にフォト検出器によって測定されるかを選択するゲーティング機構が適用され得る。これらの手法は、いくつかの実施形態において、許容であるが、これらは、実際のサンプリングヘッド２１６の光路とは異なる光路が測定されるという意味で、最適ではない。
したがって、皮膚組織を調べる光および較正標準のために実質的に同じ光学経路を維持するために、方法は、組織サンプリングサブシステム２００の組織インターフェース２０６に既知の特性を有する可動の較正標準を置くことが必要とされる。較正試料は、組織測定の直前に測定され、次いで実際の測定のために除去され得る。較正試料は、経路内へ手動で挿入され得るが、挿入および除去のための自動的な方法が、いくつかの実施形態においては好ましい。
当業者は、この目的を達成するために任意の数の電気機械的または機械的機構を設計し得るということに留意されたい。
第１の実施形態においては、可動カバーが、近位側が好適な反射性の較正標準材料で被覆され、サンプリングヘッド２１６に対して摺動して、サンプリングヘッド２１６が（ｉ）可動カバーの近位側の較正標準材料、または（ｉｉ）指表面のいずれかを調べることを可能にする。
第２の実施形態においては、摺動ボタンが、好適な反射性の較正標準表面で被覆される半可撓性テープのためのガイドとして作用する。摺動ボタンの移動は、テープが、サンプリングヘッド２１６と試料との間に介在すること、またはサンプリングヘッド２１６と試料との間から引っ込むことを可能にする。その結果、サンプリングヘッド２１６は、（ｉ）テープの近位側の較正標準材料、または（ｉｉ）指表面のいずれかを調べることができる。
本実施形態は、基本概念を変化させることなく配置を促進するのに役立つために、スタイリング特徴および指ガイドにより強化され得ること、ならびにその機構および追加のスタイリング特徴は、指の背側、指の掌側、または他の皮膚表面が提示されるかに関わらず、等しく良好に機能するということにさらに留意されたい。
図２８を参照すると、図１に描写されるシステムは、任意の輸送車両（陸上、水上、および空中走行のすべての形態を含む）の始動システムに組み込まれ得る。例えば、本システムは、スタータボタン、鍵の回転、または、走行のために輸送車両を準備するために運転者が開始する出力の他の典型的に使用される形態を含む、点火システムの電気機械的構成要素として組み込まれ得る。
そのようなシステムは、輸送車両を始動しようとしている人物における被分析物またはバイオメトリック識別子の存在または濃度を測定するために利用され得、測定された情報は、車両のその後の機械電気的応答を改変するために使用される。例えば、バイオメトリック識別は、特定の運転者を（可能性として考えられる運転者の集団から）識別し、運転者の座席の位置もしくは配向（および故に、運転者の位置もしくは配向）、ならびに／またはインフォテイメント設定もしくは車両アクチュエータ設定などの制御設定を修正するために使用され得る。別の例では、図２７に例証されるように、本システムは、被分析物の濃度を測定して、輸送車両を始動する能力および／または代替の行為を開始する能力を有効化または無効化するために使用され得る。例えば、法的しきい値を上回る車両運転手におけるアルコールの測定値は、輸送車両を始動する能力を制限し得るが、また、指定の運転者および／またはタクシーを含む、代替の移動形態への自動呼出しを提供するようにテレマティックスシステムをトリガし得る。
別の実施形態において、本システムは、自動車ハンドル、ハンドルバー、またはかじ棒など、連続して、またはほぼ連続して、オペレータと接触状態にある輸送車両制御システムに統合され得る。そのようなものとして、本システムは、連続的に、または周期的に、または他の制御論理によってトリガされて、後続の輸送車両動作に影響を及ぼすか、または代替の行為をトリガするために使用される被分析物および／またはバイオメトリック測定を行うことができる。
別の実施形態において、本システムは、輸送車両または施設アクセスシステム（例えば、ドア進入、トランク進入など）に統合され得、故に、進入時の制御へのアクセスおよび／または進入時の制御のその後のレベルに影響を及ぼすために使用される被分析物および／またはバイオメトリック測定を行うことができる。
別の実施形態において、本システムは、オペレータ皮膚と組織サンプリングサブシステム２００との直接接触が、一時的に、周期的に、または一貫して維持される他の輸送車両サブシステムに組み込まれ得る。半受動接触が維持される、わずかに修正された実施形態、および、オペレータが開始した行為を通じて接触が行われる実施形態も可能である。そのような場合、後続の輸送車両動作に影響を与える、または代替の行為をトリガする、連続的または周期的な被分析物および／またはバイオメトリック測定が行われ得る。
図２８に説明されるシステムの場合、オペレータと組織サンプリングサブシステム２００との間のヒューマンマシン相互作用は、システムの存在、ならびに測定をトリガするために組織サンプリングサブシステム２００と結合されなければならない意図した身体部分および／または場所を、意図したオペレータに通知するように構成され得る。例えば、可聴音および／または発話および／または照明および／または触覚フィードバックの使用は、オペレータを教育する、適切な測定プロセスに対する正／負のフィードバックを提供する、および／または測定の結果を提供するために使用され得る。
本発明の例示的な実施形態（図２９ａおよび図２９ｂに概略的に描写される）において、様々な波長の離散固体光源を、サポートされるすべての波長にわたって損失を最小限にする材料からなるホモジナイザに直接結合し、こうして、固体光源とホモジナイザと組織感知サブシステム２００との間の結合機構の必要性を低減することにより、図２２に描写されるシステムとは異なる別の新規のシステムが示される。この実施形態において、ホモジナイザ材料、サイズ、形状、およびコーティングは、光透過を最適化し、組織サンプリングサブシステム２００のエミッタを直接提供しながら損失を最小限にするように制御され得る。
図７は、複数の別個のエミッタが使用されるシステムを描写する。代替の実施形態（図３０に描写される）において、単一のエミッタは、電流の組み合わせにより駆動されるとき別個の波長を生成する、別個の電流経路を有するいくつかの格子ゾーンにより作成され得る。どの格子組み合わせが駆動されるかを時間変化させることにより、別個の波長が時間領域信号において達成され得る。そのような方式において、多数の波長が、既定のパターンで時間的にサンプリングされ得る。光学検出器およびプロセッサ内のサンプリングシーケンスの知識は、後続の実施形態において説明される分光法測定値を得るために使用され得る。
別の実施形態において、本システムは、１つまたは複数の雰囲気、温度、および相対湿度センサをさらに含み、これらのセンサから導出される測定値は、コンピューティングサブシステム４００が、被分析物および／またはバイオメトリック測定値を補正する、および／またはこれを改善するため、これらの環境効果に起因するヒト変動、および／または拡張システムに起因する個々のサブシステム変動（例えば、組織測定サブシステム２００が、照明／変調サブシステム１００とは空間的または熱的に異なる、またはシステムエミッタおよび検出器が、（周囲条件とは独立して）固定値に対して温度補償されるが、光ファイバ、ホモジナイザ、およびカプラは、周囲条件に基づいて温度補償を必要とする）を補正するために利用可能である。
可能性として考えられるオペレータの集団における被分析物の存在の可能性が低い、いくつかの被分析物測定を行う場合、まず、任意の被分析物が明白であるかどうかを決定し、検出された場合にのみ、次いで、被分析物の濃度について後続の測定を行うように、より高速かつ簡便な測定を行うことが好ましい場合がある。これは、図３１に描写される。例えば、被分析物がアルコールである場合、予定車両オペレータの大部分は、車両を始動しようとしているとき、体内にアルコールの存在を有さない。存在測定は、平均測定時間を減少させるために使用され得る。
多くの安全性用途において、少なくとも２つの異種技術センサが、対策を講じる決定を行うために信号を検出しなければならない。これは、未検出の単一センサ故障またはエラーに起因する誤検知の傾向を大幅に低減する。同様の文脈において、図３２に説明されるシステムは、被分析物の存在もしくは濃度を示す、および／またはバイオメトリック測定を確認するために、１つまたは複数の独立したセンサを含むように結合され得る。
図２２のシステムは、離散波長固体光源を利用したシステムを説明し、代替の実施形態（図３３に描写される）は、意図した波長のみを通す離散波長フィルタに結合される単一の広域スペクトル黒体源を利用するシステムを備える。後続の処理ステップは、以前に示されるものと同じままであるが、望ましくないシステム雑音が、検出および区別プロセスにおいて回避され得る。
ダイオードレーザを利用する、以前に説明されたシステム実施形態では、それらのデバイスの立ち上がりおよび立ち下り特性は、ドライバおよび補償回路、ならびに周囲温度およびデバイス自体の電気機械的性質（例えば、レーザ格子構造、材料、サイズ、形状、および加熱／冷却構成要素）にも基づいて、決定論的に変化し得る。図３４に例証されるように、固体光源強度が望ましいレベル（Ｔ２）に落ち着くまで待つことは、変調時間を低減し得る。様々な波長の多重化光に利用可能な変調速度を改善するため、演繹的な立ち上がり／立ち下り性質は、検出器論理において補償され得、故に整定時間（Ｔｌ）を低減する。
前述の全体的説明および詳細な説明は両方とも、例示的および説明的にすぎず、本発明の制限ではないということを理解されたい。
本開示の目的のため、用語「結合」は、２つの構成要素の、電気的または機械的、直接的または間接的な、互いとの接合を意味する。そのような接合は、本質的に静止しているか、または本質的に可動であり得る。そのような接合は、２つの構成要素（電気的もしくは機械的）および任意の追加の中間部材が単一の一体構造体として互いと一体的に形成されていることにより、または、２つの構成要素、もしくは２つの構成要素および任意の追加の部材が互いに装着されていることにより、達成され得る。そのような接合は、本質的に永久的であり得るか、または、代替的に、本質的に除去可能もしくは解放可能であり得る。
好ましい実施形態および他の例示的な実施形態において示されるようなディフューザの構造および配置は、例証にすぎない。本システムのいくつかの実施形態のみが本開示に詳細に説明されているが、本開示を見直す当業者は、多くの修正が、本開示に列挙される主題の新規の教示および利点から実質的に逸脱することなく可能であること（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状、および割合、パラメータの値、取り付け方法、材料の使用、配向などにおける変動）を容易に理解するものとする。したがって、本発明の範囲および趣旨内での、本開示からの当業者によって達成可能なすべてのそのような修正は、本発明のさらなる実施形態として含まれるべきである。任意のプロセスまたは方法ステップの順序またはシーケンスは、代替の実施形態に従って、変化される、または再順序付けされ得る。他の代用、修正、変更、および省略は、本出願の趣旨から逸脱することなく、好ましい実施形態および他の例示的な実施形態の設計、動作条件、および配置においてなされ得る。
新規の組織インターフェースデバイス
先述の説明において、車両運転手内の被分析物の非侵襲的測定のための新規のシステム５が開示されており、本システムは、
（ｉ）複数の単色光ビームを生成するための照明／変調サブシステム１００であって、複数の単色光ビームは、複数の異なる波長を構成する、照明／変調サブシステム１００、
（ｉｉ）複数の単色光ビームを（照明／変調サブシステム１００から）受信するため、およびそれらの単色光ビームを車両運転手の組織に送達するため、および（車両運転手の組織から）戻ってくる光ビーム（時に、本明細書では「散乱光」と称される）を受信するための組織サンプリングサブシステム２００であって、戻ってくる光ビームが、車両運転手の組織に送達される単色光ビームの変容である、組織サンプリングサブシステム２００、ならびに
（ｉｉｉ）戻ってくる光ビームを（組織サンプリングサブシステム２００から）受信し、それらの戻ってくる光ビームを、後続処理および被分析物アセスメントのために、対応する電気信号に変換するためのデータ獲得サブシステム３００を備える。
また先述の説明において、組織サンプリングサブシステム２００は、複数の光ファイバを備える光入力部２０２、複数の光ファイバを備える光出力部２０７、ならびに光入力ファイバの出力端および光出力ファイバの入力端を備えるサンプリング表面２０４（サンプリングヘッド２１６によって保持される）を備える。異なる波長へ調整された複数のレーザは、単色光ビームを光入力部２０２の光ファイバへ送達し、光出力部２０７の光ファイバは、戻ってくる光ビーム（すなわち、「散乱光」）を、データ獲得サブシステム３００内に提供される光学検出器（フォト検出器）３０２（例えば、１つまたは複数のフォトダイオード）に送達し、そこで前述の対応する電気信号が生成される。これらの電気信号は、次いで、被分析物アセスメントのために処理される。
以後論じられるように、本発明の別の形態において、本発明は、組織サンプリングサブシステム２００およびデータ獲得サブシステム３００の機能性を、組織表面に隣接して配設される単一ユニット内に組み合わせる新規の組織インターフェースデバイスを含む。
意義深いことに、新規の組織インターフェースデバイスは、車両運転手内の被分析物の非侵襲的測定における使用に限定されず、本開示を考慮して当業者には明白であるように、他の被分析物検出システムにおいても使用され得る。
新規の組織インターフェースデバイスの目標
新規の組織インターフェースデバイスは、新規の組織インターフェースデバイスの検出器表面に置かれる組織、液体、ゲル、および複合材料、または新規の組織インターフェースデバイスの検出器表面へ導かれる濃密ガスに対する分光法のための高速かつ信頼性の高いインターフェースを促進するように設計される。新規の組織インターフェースデバイスの使用は、限定されるものではないが、特に、ヒトの指先における測定を通じた血中アルコールの検出を含む。新規の組織インターフェースデバイスの特定の使用は、新規の組織インターフェースデバイスに接続される光源および分光装置の詳細（例えば、それらの波長）を決定する。分析されている標的被分析物もまた、組織インターフェースデバイスに接続される光源および分光装置の詳細（例えば、それらの波長）を決定する。言い換えると、また当業者によって理解されるように、新規の組織インターフェースデバイスに接続される特定の光源、および新規の組織インターフェースデバイスに接続される分光装置の特定の構成は、分析されるべき標的被分析物によって変わる。
前述の組織サンプリングサブシステム２００において使用される手法の欠点
前述の組織サンプリングサブシステム２００は、２つの光ファイバシステムの組み合わせを利用し、そのうちの第１の光ファイバシステムが、単色光（レーザ源のアレイによって生成される）を組織へ導き、そのうちの第２の光ファイバシステムが、組織から散乱光を収集し、それを光学検出器（フォト検出器）、例えば、１つまたは複数のフォトダイオードへ導き、そこで、収集された散乱光は、対応する電気信号へ変換され、次いで被分析物アセスメントのために処理される。この手法は、いくつかの欠点に悩まされる。
第一に、組織サンプリングサブシステム２００のサンプリング表面２０４は、比較的大きくて嵩張る物体であり、この手法が、特定の用途のために商業的に許容である、寸法、ならびに材料費および製造費を伴うデバイスへ変換され得るかどうかは明白ではない。
前述の組織サンプリングサブシステム２００において使用される手法の別の欠点は、（１）基準強度（すなわち、基準信号）が測定される方式、および（２）散乱光（組織から発する）が光ファイバを使用して収集される非効率な方式に起因する、高い光学損失に由来する。光ファイバの使用は、光収集にとって非効率的であるだけでなく、重要な費用因子も生成し、さらなる雑音の源である。
前述の組織サンプリングサブシステム２００において使用される手法のさらなる欠点は、基準信号が生成および利用される非常に非効率的な方式である。
新規の組織インターフェースデバイスの説明
新規の組織インターフェースデバイスは、前述の組織サンプリングサブシステム２００よりも大幅に小さい設計を結果としてもたらす高集積デバイスであり、高価な光ファイバの使用を制限する。さらに、新規の組織インターフェースデバイスは、データ信号および基準信号を直接的かつ効率的な方式で生成する。設計全体は、数立方センチメートルの寸法となる。
より詳細には、本発明によると、またここで図３５～図４０を見ると、新規の組織インターフェースデバイス６００が提供される。組織インターフェースデバイス６００は、モノリシックの半導体ベースのセンサを備え、このセンサは、低吸光度注入エリア６３０の周りに透明基板６２５上に搭載される４つの同心に配置されたリング形状のフォトセンサ６０５、６１０、６１５、および６２０を備え、これらがまとめて、ヒトの指先または代替の物体上での測定のためのインターフェースとしての役割を果たす。以後論じられるように、４つの同心に配置されたリング形状のフォトセンサ６０５、６１０、６１５、および６２０は、好ましくは、フォトダイオードを備え、このフォトダイオードは、それらのフォトダイオードによって受信される光に対応する電気信号を生成する。保護カバー（例えば、サファイアガラス要素）６３２は、ディフューザプレート６４０（以下を参照）と組み合わせて、好ましくは、透明基板６２５の前面を被覆する（ならびに故に、４つの同心に配置されたリング形状のフォトセンサ６０５、６１０、６１５、および６２０を被覆する）。４つの同心に配置されたリング形状のフォトセンサ６０５、６１０、６１５、および６２０の幾何学的形状は、標的（以下に説明されるような）の特定の幾何学的形状に適合され得る。
複数の固定波長レーザによって、または１つもしくは複数の調整可能レーザ、または異なる光源によって生成され得る、異なる周波数にある単色光は、波ガイド６４２内に結合される（図４０）。波ガイド６４２は、損失なしで単色レーザ光を組織インターフェースデバイス６００の低吸光度注入エリア６３０へ導くように設計される。ディフューザプレート６４０は、低吸光度注入エリア６３０の前に配設され、その結果として、入射光の一部（波ガイド６４２によって低吸光度注入エリア６３０内へ向けられる）が、車両運転手の指内へ向けられ、入射光の一部（低吸光度注入エリア６３０内へ向けられる）が、基準信号として作用する対応する電気信号を生成するように最も内側のフォトセンサリング６０５へ直接散乱される。この最も内側のフォトセンサリング６０５は、好ましくは、ディフューザプレート６４０上にコーティング６４５（図３８）を提供することによって、指先から戻ってくる散乱光に対して遮蔽される。好ましくは、ディフューザプレート６４０の外周もまた、光がディフューザプレート６４０から放射状に発するのを防ぐために、コーティング６５０で被覆される。本発明の１つの好ましい形態において、ディフューザプレート６４０は、保護カバー６３２に形成される中央開口部６５５（図３７）内に搭載される。指先から戻ってくる散乱光は、３つの外側のフォトセンサリング６１０、６１５、および６２０によって収集され、対応する電気信号へと変換され、この電気信号は次いで、被分析物アセスメントのための後続処理のために組織インターフェースデバイス６００からオフロードされる。３つの外側のフォトセンサ６１０、６１５、および６２０の各々によって収集される散乱光は、組織を通る異なる経路をとるため、３つの外側のフォトセンサリング６１０、６１５、および６２０によって行われる測定は、組織を通る異なる経路において測定されるスペクトルについてのデータ点を提供する。これが試料内の異なる有効深さでデータを生成するため、それは、追加の相対強度情報を提供する。この相対強度情報は、特定の用途においては不必要な中央フォトセンサリング６０５によって提供される基準信号をレンダリングし得る。そのような場合、以下に説明される最適化された設計を使用することができる。
組織インターフェースデバイス６００は、好ましくは、約６ミリメートルの直径を有し、レーザ（示されない）、波ガイド６４２、および前述の組織インターフェース構成要素、例えば、透明基板６２５、同心に配置されたリング形状のフォトセンサ（例えば、フォトダイオード）６０５、６１０、６１５、および６２０、低吸光度注入エリア６３０、ディフューザプレート６４０などを含め、組織インターフェースデバイス全体は、数立方センチメートルのみを占有するように小型化され得る。
本発明の１つの好ましい形態において、組織インターフェースデバイス６００は、例えば、保護カバー６３２が人間工学的装置２１０の開口部２１９に受容されるように、人間工学的装置２１０に搭載されるように構成され、その結果として、ユーザの指が、人間工学的装置２１０の基部２１７に置かれるとき、組織インターフェースデバイス６００は、ユーザの指に複数の単色光ビームを送達し、ユーザの指から戻る散乱光を受信することができる。
適切な電気接点が、４つの同心に配置されたリング形状のフォトセンサ（例えば、フォトダイオード）６０５、６１０、６１５および６２０のために提供され、その結果として、これらのフォトセンサの電気出力がコンピューティングサブシステム４００に渡され得るということを理解されたい。
故に、本発明の１つの好ましい形態において、組織インターフェースデバイス６００は、４つの同心フォトセンサリング６０５、６１０、６１５、および６２０によって囲まれる低吸光度注入エリア６３０を備える透明基板６２５を備える。これらの４つの同心フォトセンサリング６０５、６１０、６１５、および６２０は、受信した光を対応する電気信号に変換する。本発明の１つの好ましい形態において、フォトセンサリング５０６ ６１０、６１５、および６２０は、フォトダイオードを備える。ディフューザプレート６４０は、保護カバー６３２内に形成される開口部６５５に配設され、ディフューザプレート６４０が低吸光度注入エリア６３０および最も内側の同心フォトセンサリング６０５を被覆するように保護カバー６３２が半導体構造の前部を被覆しており、ならびに保護カバー６３２が３つの外側の同心フォトセンサリング６１０、６１５、および６２０（および半導体デバイスの残り）を被覆している。コーティング６４５は、組織から戻ってくる散乱光が最も内側の同心フォトセンサリング６０５（基準信号を提供する）に到達することができないように、ディフューザプレート６４０の前部に配設され、コーティング６５０は、光がディフューザプレート６４０の周辺から発するのを防ぐために、ディフューザプレート６４０の周辺に配設される。適切な電気接点が、４つの同心に配置されたリング形状のフォトセンサ（例えば、フォトダイオード）６０５、６１０、６１５および６２０のために提供され、その結果として、これらのフォトセンサの電気出力がコンピューティングサブシステム４００に渡され得るということを理解されたい。
使用中、異なる周波数にある単色レーザ光が、波ガイド６４２内に注入され、低吸光度注入エリア６３０を通過し、ディフューザプレート６４０を通過し、車両運転手の組織内へ進む。単色光はまた、基準信号を提供するために、ディフューザプレート６４０から最も内側の同心フォトセンサリング６０５へと進む。車両運転手の組織から戻ってくる散乱光は、データ信号を提供するために、３つの外側の同心フォトセンサ（例えば、フォトダイオード）リング６１０、６１５、および６２０によって受信される。３つの外側の同心フォト検出器（例えば、フォトダイオード）リング６１０、６１５、６２０によって受信される散乱光は、組織を通る異なる経路を通過して、追加の相対強度情報を提供するために異なる有効深さにおいてデータを生成するということに留意されたい。次いで、４つのリング形状のフォトセンサ（例えば、フォトダイオード）６０５、６１０、６１５、および６２０によって提供される電気信号は、被分析物アセスメントのために処理され、最も内側のフォトセンサリング６０５が基準を提供し、３つの外側のフォトセンサリング６１０、６１５、および６２０がデータ信号を提供する。
意義深いことに、信号獲得フォトセンサ（例えば、フォトダイオード）を３つの外側のフォトセンサリング６１０、６１５、および６２０として形成することによって、信号獲得フォトセンサ（例えば、フォトダイオード）は、低吸光度注入エリア６３０からの距離が増大するにつれて、より大きい表面積を連続的に備える。故に、例えば、組織を通る拡張経路に起因して最大光損失を有する反射光を獲得している最も外側のフォトセンサリング６２０は、さらなる散乱光を収集するように最大表面積を有する。
また意義深いことに、波ガイド６４２（複数の光ファイバ上で複数の単色光ビームを保持する）が典型的には低吸光度注入エリア６３０内の異なる場所で異なる単色光ビームを注入することから（すなわち、複数の光ファイバの空間分布に起因して）、信号獲得フォトセンサ（例えば、フォトダイオード）の各々をリングの形状で形成することは、特定の単色光ビームの注入点における変動を相殺し、例えば、注入点が所与のフォトセンサリングの一方の側面から離れている場合、それは自動的に、その同じフォトセンサリングの他方の側面により近くなる。
新規の組織インターフェースデバイスのための代替構成
上に記されるように、いくつかの場合において、３つの外側のフォトセンサリング６１０、６１５、および６２０によって得られる相対強度情報は、これが組織内の異なる有効深さでデータを生成することから、所与の分光用途、例えば、ヒトの指における血中アルコールレベルの検出、のための十分な情報をすでに含み得る。この場合には、設計を最適化することができ、また、ディフューザプレート６４０を省き、追加のデータ点を提供するように最も内側の同心フォトセンサリング６０５を別目的で利用することができ、さらにより高い収集効率およびおそらくはより小さい設計をもたらす。
最適化の第２の可能性は、フォト検出器リング６０５、６１０、６１５、および６２０の幾何学的形状の、特定の標的の幾何学的形状への適合である。理想的には、フォトセンサ（例えば、フォトダイオード）リング６０５、６１０、６１５、および６２０は、対称性（上で論じられる利点を提供するのを助ける）に起因して好ましい、同心円として設計される。この対称性は、リングのすべてのセクションが、同じ深さからの散乱光を受信することを確実にする。しかしながら、この対称性の利点は、特定の標的の幾何学的形状、例えば、組織インターフェースデバイスに置かれるときのヒトの指先の跡の形状により良好に適合され得る楕円形のリング幾何学的形状を使用することによって補償され得る。楕円形のリングフォトセンサ（例えば、フォトダイオード）は、次いで、いくつかの（４つ以上の）セクションに分けられ、その結果として、各セクションが、明確に定義された深さから散乱光を受信する。
また、所望される場合、基準フォト検出器リングは、最も内側のフォト検出器リング６０５であることを必ずしも必要としない。より詳細には、最も内側のフォト検出器リング６０５を基準フォト検出器リングとして使用するのが簡便であり得るのは、それが、基準フォト検出器リングに既知の光信号を提供するように、低吸光度注入エリア６３０から最も内側のフォト検出器リング６０５へ光を通す（すなわち、ディフューザプレート６４０を使用することによって）のに比較的簡単であるためである。しかしながら、所望される場合、別のフォト検出器リング（例えば、フォト検出器リング６１０、またはフォト検出器リング６１５、またはフォト検出器リング６２０）が、基準フォト検出器リングとして使用され得るが、ただし、既知の光信号が基準フォト検出器リングに提供されるように、光学経路が、ディフューザプレート６４０と、基準フォト検出器リングとして作用することになるフォト検出器リング（例えば、フォト検出器リング６１０、またはフォト検出器リング６１５、またはフォト検出器リング６２０）との間に提供されることを前提とする。この場合、コーティング６４５（図３８）は、組織インターフェースデバイス６００上に異なって位置付けられ、すなわち、コーティング６４５は、最も内側のフォト検出器リング６０５（もはや基準フォト検出器リングとして作用しない）を覆うようにディフューザプレート６４０上に位置付けられず、代わりに、組織から戻ってくる光が基準フォト検出器リングに到達することを防ぐように、基準フォト検出器リングとして作用するフォト検出器リング（例えば、フォト検出器リング６１０、またはフォト検出器リング６１５、またはフォト検出器リング６２０）の上に位置付けられることになる。またこの場合、ディフューザプレート６４０は、それが最も内側のフォト検出器リング６０５を覆わないように、より小さい直径を有することになる。
また、所望される場合、フォト検出器リング６０５、６１０、６１５、および６２０がフォトダイオードを備える場合、フォトダイオードに対するリング金属化もまた、車両運転手の指の存在（または別の試料の存在）を検出するために容量センサとして使用され得る。これらの金属化リングは、フォトダイオードが伝導性ではないような様式で負バイアス電圧が印加される場合、絶縁される。次いで、これらの金属化リングのＲＦインピーダンスが測定され得る。指が金属化リングの近くに持ってこられると、インピーダンスは測定可能に変化し、組織インターフェースデバイス６００を使用した分光測定が開始され得る。非光学的な生体内「開始トリガ」を提供することによって、システムのスタンバイ電力消費は低減され、これは大きな利点となり得る。また、非光学的な生体内「開始トリガ」を提供することによって、光学的な「開始トリガ」が回避され得、これはいくつかの用途においては望ましい（例えば、目の安全性の理由のためなど）。
新規の組織インターフェースデバイスを使用することによって得られる利点
新規の組織インターフェースデバイスは、現況技術に勝るいくつかの利点を保有する：
（１）本システムは、新規のデバイスが、低い効率、すなわち高い強度損失と関連付けられる散乱光の収集を回避することから、高強度を示唆する固有の基準信号を生成する；
（２）基準信号の固有生成はまた、基準信号がデバイス自体の中で生成される－これは、高強度の基準信号、および基準信号が間接的に生成されるとき中間光学系によってもたらされる追加の雑音の回避を示唆する－ことから、システムの安定性を増大させる；
（３）本デバイスは、非常に小型であり（数リットルの容積と比較して数立方センチメートル）、および結果的に、非常に軽量である；ならびに
（４）本デバイスは、高費用光ファイバシステムの使用を低減し、したがって、大幅により低い費用で生産され得る。
好ましい実施形態の修正
本発明の本質を説明するために本明細書に説明および例証されている、詳細、材料、ステップ、および部品の配置における多くの追加の変更が、依然として本発明の原則および範囲内に留まったまま、当業者によってなされ得るということを理解されたい。

Claims (52)

  1. 試料内の被分析物の存在を識別することに使用するための試料インターフェースデバイスであって、前記試料インターフェースデバイスは、複数の単色光ビームを試料に送達し、前記試料から戻る散乱光を受信し、前記試料インターフェースデバイスは、
    基板、
    複数の単色光ビームを受信し、前記複数の単色光ビームを前記試料に送達するための、前記基板によって保持される低吸光度注入エリア、および
    前記基板によって保持される複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサであって、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、前記低吸光度注入エリアの外側に徐々に半径方向に配設され、さらに、前記同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、その同心に配置されたリング形状のフォトセンサによって受信される光の量に対応する電気信号を生成する、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを備える、試料インターフェースデバイス。
  2. 前記基板は、透明基板を備える、請求項１に記載の試料インターフェースデバイス。
  3. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサの他のものから光学的に隔離される、請求項１に記載の試料インターフェースデバイス。
  4. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサのうちの１つは、前記試料に送達された光を測定するための基準フォトセンサを備え、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサのうちの残りは、前記試料から戻ってくる散乱光を測定するための信号フォトセンサを備える、請求項３に記載の試料インターフェースデバイス。
  5. 前記基準フォトセンサは、前記低吸光度注入エリアからのみ光を受信し、前記信号フォトセンサは、前記試料からのみ光を受信する、請求項４に記載の試料インターフェースデバイス。
  6. 前記低吸光度注入エリアに遠位に配設されるディフューザであって、複数の単色光ビームを受信し、それらの単色光ビームを前記基準フォトセンサへ向ける、ディフューザ、
    前記単色光ビームが前記信号フォトセンサへ通ることを防ぐために前記ディフューザの周囲に配設される第１のマスク、および
    前記基準フォトセンサと前記試料との間に配設される第２のマスクであって、散乱光が前記試料から前記基準フォトセンサへ通るのを防ぐ、第２のマスクをさらに備える、請求項５に記載の試料インターフェースデバイス。
  7. 前記基板に搭載される透明保護カバーをさらに備える、請求項６に記載の試料インターフェースデバイス。
  8. 前記透明保護カバーは、サファイアガラス要素を備える、請求項７に記載の試料インターフェースデバイス。
  9. 前記透明保護カバーは、開口部を備え、さらに、前記ディフューザは、前記開口部に配設される、請求項７に記載の試料インターフェースデバイス。
  10. 最も内側の前記同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、前記基準フォトセンサを備える、請求項４に記載の試料インターフェースデバイス。
  11. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、フォトダイオードを備える、請求項１に記載の試料インターフェースデバイス。
  12. 前記試料インターフェースデバイスは、ユーザの指を受容するように構成される人間工学的装置に組み込まれる、請求項１に記載の試料インターフェースデバイス。
  13. 前記試料インターフェースデバイスは、アルコールを検出するように構成される、請求項１に記載の試料インターフェースデバイス。
  14. 複数の単色光ビームを試料に送達し、前記試料から戻ってくる散乱光を検出するための方法であって、
    試料インターフェースデバイスを提供するステップであって、前記試料インターフェースデバイスは、
    基板、
    複数の単色光ビームを受信し、前記複数の単色光ビームを前記試料に送達するための、前記基板によって保持される低吸光度注入エリア、および
    前記基板によって保持される複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサであって、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、前記低吸光度注入エリアの外側に徐々に半径方向に配設され、さらに、前記同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、その同心に配置されたリング形状のフォトセンサによって受信される光の量に対応する電気信号を生成する、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを備える、ステップと、
    複数の単色光ビームが前記試料に送達されるように、前記複数の単色光ビームを前記試料インターフェースデバイスの前記低吸光度注入エリア内に導入するステップと、
    前記試料から戻ってくる散乱光を検出するために、前記試料インターフェースデバイス上の前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを使用するステップと、を含む、方法。
  15. 前記基板は、透明基板を備える、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサの他のものから光学的に隔離される、請求項１４に記載の方法。
  17. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサのうちの１つは、前記試料に送達された光を測定するための基準フォトセンサを備え、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサのうちの残りは、前記試料から戻ってくる散乱光を測定するための信号フォトセンサを備える、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記基準フォトセンサは、前記低吸光度注入エリアからのみ光を受信し、前記信号フォトセンサは、前記試料からのみ光を受信する、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記試料インターフェースデバイスは、
    前記低吸光度注入エリアに遠位に配設されるディフューザであって、複数の単色光ビームを受信し、それらの単色光ビームを前記基準フォトセンサへ向ける、ディフューザ、
    前記単色光ビームが前記信号フォトセンサへ通ることを防ぐために前記ディフューザの周囲に配設される第１のマスク、および
    前記基準フォトセンサと前記試料との間に配設される第２のマスクであって、散乱光が前記試料から前記基準フォトセンサへ通るのを防ぐ、第２のマスクをさらに備える、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記試料インターフェースデバイスは、前記基板に搭載される透明保護カバーをさらに備える、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記透明保護カバーは、サファイアガラス要素を備える、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記透明保護カバーは、開口部を備え、さらに、前記ディフューザは、前記開口部に配設される、請求項２０に記載の方法。
  23. 最も内側の前記同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、前記基準フォトセンサを備える、請求項１８に記載の方法。
  24. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、フォトダイオードを備える、請求項１４に記載の方法。
  25. 前記試料インターフェースデバイスは、ユーザの指を受容するように構成される人間工学的装置に組み込まれる、請求項１４に記載の方法。
  26. 前記試料インターフェースデバイスは、アルコールを検出するように構成される、請求項１４に記載の方法。
  27. 試料内の被分析物の非侵襲的測定のためのシステムであって、
    複数の単色光ビームを生成するための照明ユニットであって、前記複数の単色光ビームは、複数の異なる波長を構成する、照明ユニット、ならびに
    前記照明ユニットから複数の単色光ビームを受信し、それらの単色光ビームを前記試料に送達し、前記試料から戻ってくる散乱光を受信し、前記散乱光を、後続処理および被分析物アセスメントのために、対応する電気信号に変換するためのサンプリングユニットを備え、前記サンプリングユニットは、
    試料インターフェースデバイスを備え、前記試料インターフェースデバイスは、
    基板、
    前記複数の単色光ビームを受信し、前記複数の単色光ビームを前記試料に送達するための、前記基板によって保持される低吸光度注入エリア、および
    前記基板によって保持される複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサであって、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、前記低吸光度注入エリアの外側に徐々に半径方向に配設され、さらに、前記同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、その同心に配置されたリング形状のフォトセンサによって受信される光の量に対応する電気信号を生成する、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを備える、システム。
  28. 前記基板は、透明基板を備える、請求項２７に記載のシステム。
  29. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサの他のものから光学的に隔離される、請求項２７に記載のシステム。
  30. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサのうちの１つは、前記試料に送達された光を測定するための基準フォトセンサを備え、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサのうちの残りは、前記試料から戻ってくる散乱光を測定するための信号フォトセンサを備える、請求項２９に記載のシステム。
  31. 前記基準フォトセンサは、前記低吸光度注入エリアからのみ光を受信し、前記信号フォトセンサは、前記試料からのみ光を受信する、請求項３０に記載のシステム。
  32. 前記試料インターフェースデバイスは、
    前記低吸光度注入エリアに遠位に配設されるディフューザであって、複数の単色光ビームを受信し、それらの単色光ビームを前記基準フォトセンサへ向ける、ディフューザ、
    前記単色光ビームが前記信号フォトセンサへ通ることを防ぐために前記ディフューザの周囲に配設される第１のマスク、および
    前記基準フォトセンサと前記試料との間に配設される第２のマスクであって、散乱光が前記試料から前記基準フォトセンサへ通るのを防ぐ、第２のマスクをさらに備える、請求項３１に記載のシステム。
  33. 前記試料インターフェースデバイスは、前記基板に搭載される透明保護カバーをさらに備える、請求項３２に記載のシステム。
  34. 前記透明保護カバーは、サファイアガラス要素を備える、請求項３３に記載のシステム。
  35. 前記透明保護カバーは、開口部を備え、さらに、前記ディフューザは、前記開口部に配設される、請求項３４に記載のシステム。
  36. 最も内側の前記同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、前記基準フォトセンサを備える、請求項３０に記載のシステム。
  37. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、フォトダイオードを備える、請求項２７に記載のシステム。
  38. 前記試料インターフェースデバイスは、ユーザの指を受容するように構成される人間工学的装置に組み込まれる、請求項２７に記載のシステム。
  39. 前記試料インターフェースデバイスは、アルコールを検出するように構成される、請求項２７に記載のシステム。
  40. 試料内の被分析物を検出するための方法であって、
    システムを提供するステップであって、前記システムは、
    複数の単色光ビームを生成するための照明ユニットであって、前記複数の単色光ビームは、複数の異なる波長を構成する、照明ユニット、ならびに
    前記照明ユニットから前記複数の単色光ビームを受信し、それらの単色光ビームを前記試料に送達し、前記試料から戻ってくる散乱光を受信し、前記散乱光を、後続処理および被分析物アセスメントのために、対応する電気信号に変換するためのサンプリングユニットを備え、前記サンプリングユニットは、
    試料インターフェースデバイスを備え、前記試料インターフェースデバイスは、
    基板、
    前記複数の単色光ビームを受信し、前記複数の単色光ビームを前記試料に送達するための、前記基板によって保持される低吸光度注入エリア、および
    前記基板によって保持される複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサであって、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、前記低吸光度注入エリアの外側に徐々に半径方向に配設され、さらに、前記同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、その同心に配置されたリング形状のフォトセンサによって受信される光の量に対応する電気信号を生成する、複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを備える、ステップと、
    複数の単色光ビームが前記試料に送達されるように、前記複数の単色光ビームを前記試料インターフェースデバイスの前記低吸光度注入エリア内に導入するステップと、
    前記試料から戻ってくる散乱光を検出するために、前記試料インターフェースデバイス上の前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサを使用するステップと、を含む、方法。
  41. 前記基板は、透明基板を備える、請求項４０に記載の方法。
  42. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサの各々は、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサの他のものから光学的に隔離される、請求項４０に記載の方法。
  43. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサのうちの１つは、前記試料に送達された光を測定するための基準フォトセンサを備え、前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサのうちの残りは、前記試料から戻ってくる散乱光を測定するための信号フォトセンサを備える、請求項４２に記載の方法。
  44. 前記基準フォトセンサは、前記低吸光度注入エリアからのみ光を受信し、前記信号フォトセンサは、前記試料からのみ光を受信する、請求項４３に記載の方法。
  45. 前記試料インターフェースデバイスは、
    前記低吸光度注入エリアに遠位に配設されるディフューザであって、複数の単色光ビームを受信し、それらの単色光ビームを前記基準フォトセンサへ向ける、ディフューザ、
    前記単色光ビームが前記信号フォトセンサへ通ることを防ぐために前記ディフューザの周囲に配設される第１のマスク、および
    前記基準フォトセンサと前記試料との間に配設される第２のマスクであって、散乱光が前記試料から前記基準フォトセンサへ通るのを防ぐ、第２のマスクをさらに備える、請求項４４に記載の方法。
  46. 前記試料インターフェースデバイスは、前記基板に搭載される透明保護カバーをさらに備える、請求項４５に記載の方法。
  47. 前記透明保護カバーは、サファイアガラス要素を備える、請求項４６に記載の方法。
  48. 前記透明保護カバーは、開口部を備え、さらに、前記ディフューザは、前記開口部に配設される、請求項４６に記載の方法。
  49. 最も内側の前記同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、前記基準フォトセンサを備える、請求項４３に記載の方法。
  50. 前記複数の同心に配置されたリング形状のフォトセンサは、フォトダイオードを備える、請求項４０に記載の方法。
  51. 前記試料インターフェースデバイスは、ユーザの指を受容するように構成される人間工学的装置に組み込まれる、請求項４０に記載の方法。
  52. 前記試料インターフェースデバイスは、アルコールを検出するように構成される、請求項４０に記載の方法。
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