JP5006049B2 - 非侵襲複屈折補償感知旋光計 - Google Patents
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Description
本発明は、複屈折補償感知旋光計システムに関する。一態様では、この旋光計システムは、患者の眼のグルコースレベルを測定するときに、角膜複屈折を測定および補償するために使用される。
光のビームは、光の伝播方向に直交して振動する電磁波から構成される。通常、光は無偏光状態にある。無偏光は、無数の平面内で生じる電磁振動を有する。直線偏光器として知られる装置は、光を単一の平面内でのみ伝送し、その他の平面内に存在する光を除去または遮断する。偏光器を出た光は、平面偏光として知られる。
与えられたキラル物質について、比旋光度の波長依存性が、構成分子の旋光分散(ORD)特性を与える。あらゆる光学活性分子が、その分子組成に基づいて、知られた独自のORD曲線を有する。
光学活性サンプルによる旋光を測定するのに使用される光学計器が旋光計である。旋光計の主要構成要素は、図1に示されるように、光源10と、偏光器12と、サンプルセル容器14と、解析器として知られる第2の偏光器16と、検出器18とである。
生体内旋光グルコース検出の場合、適切な感知部位が必要とされる。皮膚など体のいくつかの組織は、本質的にきわめて良く散乱を起こす。この散乱の影響は、光の偏光を著しく妨げる傾向にあり、生理的グルコースレベルによる僅かな旋光を測定することを困難にする。眼は、角膜が体への低散乱の窓を提供する点で他に類を見ない。眼房水へのグルコースの拡散または分泌は、時間遅延を伴いながらも血糖レベルと相関している。これらの理由が、眼を好ましい感知部位にしている。
物質の光学的性質がその向きに関わらずすべての方向で同じであるならば、その物質は、等方性であると言われる。多くの結晶構造およびいくつかの有機物質では、光学的性質はすべての方向で同じでなく、それらは2以上の屈折率を有し、これらの材質は、異方性として知られている。
生体内グルコース検出に使用されるシステムのブロック図が、図3aに示されている(従来技術)。670nmの波長(赤色)で1mWのパワーを放射するダイオードレーザ20が、光源として使用される。レーザビームは、光学システム内に存在する初期偏光器22によって偏光される。偏光ベクトルの変調が、804Hzの周波数および±1°の変調深さで、正弦関数生成器26によって駆動されるファラデー変調器24によって施される。いくつかの実施形態では、電力増幅器28が、関数生成器26とファラデー変調器24の間で使用されることができる。この変調信号は、1cmの経路長をもつ光学級ガラスから構成されるサンプルセル容器30の中を伝播する。次にファラデー補償器32が、システム内でフィードバック補償を提供するために使用される。この補償器32の目的は、グルコースに起因するどのような旋光も無効化または除去することである。ファラデー補償器32の後に、解析器として機能する別の偏光器34が存在する。解析器34は、変調された偏光ベクトルをマリュスの法則に従って強度変調に変換する。この強度は、シリコン光ダイオード検出器36によって検出され、検出された光強度に比例する電圧を出力する広帯域増幅器(図示せず)によって増幅される。増幅出力および変調信号は、データ収集(DAQ)ボードを介して、ロックイン増幅器およびコントローラプログラムに入力として送られる。いくつかの実施形態では、コントローラプログラムは、PC41に接続され、PCは、電源42に動作可能に接続される。ロックイン増幅器は、変調周波数に存在する信号成分を測定し、この信号に基づいて、コントローラは、光学活性サンプルに起因するどのような旋光も補償するために取られる一連の動作を決定する。コントローラの出力は、GPIB制御のDC電源42を介してファラデー補償器32に与えられる。この出力は、ファラデー補償器32を駆動して、システムを無効化するために使用される。
グルコース感知旋光計システムの角膜複屈折補償モジュールの一般化されたブロック図が、図3bに示されている。
複屈折補償光学システム内に存在する主要構成要素は、レーザと、偏光器と、リターダ(前方複屈折)と、サンプルと、リターダ(後方複屈折)と、複屈折補償器である。ストークスベクトルおよびミュラー行列理論の使用が、複屈折を計算するシステムをモデル化する方法を提供する。この光学システム用のストークス/ミュラーモデルは、以下の行列システム(式3.1)によって与えられる。
上記の式において、ストークスパラメータ「V」は、本明細書で説明されるように、円偏光解析器を使用して検出される。
グルコース感知旋光計システムの一般化されたブロック図が、図4aに示されている。設計される旋光計の光学システムに存在する主要構成要素は、レーザと、偏光器と、サンプルと、複屈折補償器と、ファラデー変調器と、ファラデー補償器と、解析器と、検出器である。ストークスベクトルおよびミュラー行列理論の使用が、光学システム全体にわたって偏光ビームをモデル化する方法を提供する。グルコース感知の場合、複屈折補償器が、サンプルに起因するどのようなリターダンスも打ち消す。したがって、複屈折補償器とサンプルの寄与が打ち消しあうという最終的結果が得られ、したがって、これら2つのミュラー行列を結合した結果は、単位ミュラー行列となる。簡略化のため、複屈折補償器およびサンプルリターダンスを光学システムから除去すると、システムの行列表現は、
上記の式(6)に恒等式
上記の式(7)は、任意の時間(any instance of time)にシステムによって検出される光の強度を表現している。理解され得るように、検出信号は、DC項と、周波数倍加項と、制御システムへの入力として使用される変調周波数ωmでの対象信号とから成る。
図4bは、単一の複屈折補償器を使用する角膜複屈折補償旋光計の概略図である。角膜複屈折補償グルコース感知旋光計50のブロック図が、図4bに示されている。赤色ダイオードレーザモジュール52などの光源が、光源として使用される。レーザ52は最初、偏光器54によって偏光され、最大透過が得られるような向きを取らされる。偏光器54は、初期リターダの速軸に合わされ、それによって、角膜の前方側に起因する複屈折の影響を最小限に抑える。その後、偏光されたレーザビームは、サンプル56の中を通過する。角膜複屈折は、偏光されたレーザビームに位相リターダンス(δ)を引き起こし、その結果、偏光状態を直線偏光から楕円偏光に変化させ、グルコースのサインをマスクする。複屈折を補償するため、別の電気光学リターダである複屈折補償器60が、サンプル複屈折に起因するどのような影響も打ち消すリターダンスを与える。
ここで、「y」は複屈折補償器に適用されるリターダンス、「x」は計算されたリターダンスである。完了時には、円偏光成分は存在せず、直線偏光だけが存在し、したがって、角膜の後方側に起因する複屈折は補償される。
グルコースコントローラプログラムのフローチャートが、図8に示されている。非常に小さなAC信号を検出するために、ロックイン増幅器が使用され、何倍も大きなノイズによって信号が不明瞭にされた場合でさえも、正確な測定が行われることができる。ロックイン増幅器は、位相敏感検波として知られる技法を使用して、特定の基準周波数および位相での信号の成分を選び出す。基準周波数以外の周波数でのノイズ信号は排除され、測定に影響しない。
ファラデーベースのグルコース感知システムが、高血糖濃度範囲の0〜600mg/dlおよび低血糖濃度範囲の0〜100mg/dlの2つの組に対するゼロ複屈折寄与に関して評価された。グルコース予測用の較正モデルを計算するため、最小2乗線形回帰が使用された。較正モデルの検証は、独立のデータセットを使用して実行された。較正および検証についての実際対予測グルコース濃度が、図5a〜図5dおよび図6a〜図6dにそれぞれプロットされている。各データセットは、すべての相関係数がr=0.9880を超える高い線形性を有している。平均較正標準誤差(SEC)および平均予測標準誤差(SEP)は、それぞれ5.4047mg/dlおよび5.4388mg/dlである。
角膜複屈折補償およびグルコース感知のために利用される技法をより良く理解するため、図4bに示されたような設計されたシステムが、すべての側面でシミュレートされた。加えて、検出された信号に関する周波数解析が、高速フーリエ変換(FFT)を使用して実行された。シミュレーションプログラムは、ユーザがグルコース濃度および角膜複屈折の量を恣意的に変更することを可能にした。さらに、シミュレーションは、グルコースコントローラおよび複屈折コントローラを別々に動作可能/動作不能にする選択肢を有する。シミュレーションは最初、異なるグルコース濃度およびリターダンスについて実行された。複屈折補償を行わなかったものと、複屈折補償を行った後のものとの2組の実験が、0〜600mg/dlのグルコース濃度範囲で50mg/dlずつ濃度を高めて実行された。リターダンス値は、異なるグルコース濃度についてランダムに選択された。補償を行わなかった場合および補償を行った場合のデータについての較正グラフが、図9aおよび図9bに示されている。予想されるように、補償を行わなかった場合のデータは、相関係数がr=−0.1536という低い線形性を有している。補償を行わなかった場合および補償を行った場合のデータのSECは、それぞれ1252mg/dlおよび0mg/dlである。補償後のSECにおける1000分の1の低下(1000 fold decrease)は、提示された角膜複屈折補償方法の効力を示している。
図10a〜図10cのFTTプロットは、角膜複屈折がいかにグルコースサインをマスクするかを示している。図10aおよび図10bから、グルコース濃度の変化が、検出信号(すなわち、1058Hzにおける信号成分)の大きさを変化させることが理解される。図10aは、0mg/dlのグルコース濃度に対応し、図10bは、200mg/dlのグルコース濃度に対応する。しかし、変調周波数の2倍(すなわち、2116Hz)における大きさは、一定に維持され、式9と矛盾しないことに留意されたい。グルコース濃度は200mg/dlに維持されるが、5度の角膜リターダンスを引き起こす図10cに示されるように、複屈折が引き起こされた場合、変調周波数(すなわち、1058Hz)における大きさは、図10bと比べて変化し、したがって、本質的にグルコースサインをマスクすることが理解される。
本明細書で説明される設計された角膜複屈折補償グルコース感知システムおよび方法を使用して、複屈折補償を行わなかったものと複屈折補償を行った後のもの毎に3組の実験が、0〜5000mg/dlまで500mg/dl刻みのグルコース濃度で実行された。3λ/4とλの間のサンプルの複屈折値は、僅かずつ増加するように選択された。
2)角膜複屈折補償器の制御アルゴリズムは、比例積分微分(PID)コントローラの使用またはその他の同様の方法によるなど、様々な形態で実施されることができる。
4)複屈折解析器は、偏光の状態をより十分に特徴付けるために拡張されて、複屈折補償器のその他の実施(例えば、3軸可変複屈折補償器)にフィードバックを提供することができる。
本明細書で開示され、特許請求されるすべての構成および方法は、本開示に鑑みて、過度の実験なしに作成され、実行されることができる。本発明の構成および方法は、上記の説明的な実施形態に関して説明されたが、本発明の真の概念、主旨、および範囲から逸脱することなく、本明細書で説明された構成および/または方法に、変形、変更、修正、および改変が施され得ることは、当業者には明らかであろう。より具体的には、化学的および生理学的に関係するある作用物が、同じまたは類似の結果を達成しながら、本明細書で説明された作用物の代わりをすることができる。当業者に明らかなそのような代用および修正はすべて、添付の特許請求の範囲によって確定される本発明の主旨、範囲、および概念内にあると見なされる。
Claims (24)
- サンプル内のグルコースの光学活性を測定するときに、複屈折を測定し複屈折の影響を無効にするために使用される非侵襲複屈折に基づく感知旋光計システムであって、
(i)サンプルにおけるリアルタイムの複屈折の寄与を感知するように構成され、フィードバック信号用の第1経路を複合電気光学システムに供給するように構成される光複屈折解析器と、
(ii)前記信号を前記光複屈折解析器から受け取るように構成され、前記サンプルから得られた信号において見出された前記複屈折寄与を無効にするように構成される前記複合電気光学システムと
(iii)サンプルの複屈折寄与が無効にされた後、濃度の決定のためにサンプルの光学活性を測定するための、前記第1経路から分離した別個の第2経路を提供するように形成された旋光測定システムと
を備える、システム。 - 前記サンプルが、患者の眼またはその他の関連する組織である、請求項1に記載のシステム。
- 前記サンプルが、患者の眼の眼房水である、請求項1に記載のシステム。
- 前記サンプルが、患者の薄い皮膚領域の組織である、請求項1に記載のシステム。
- 前記サンプルが、患者の耳、鼻、または指もしくは足指の間の薄い皮膚である、請求項1に記載のシステム。
- 前記光複屈折解析器が、
前記サンプルに存在する複屈折を測定する手段を含み、
前記複合電気光学システムが、
複屈折の影響を無効にした後、光学活性サンプルに起因する旋光偏光ベクトルを旋光測定システムを介して決定することができるように、複屈折補償として適用される必要があるリターダンスの値を計算する手段を含む、請求項1に記載のシステム。 - 回転偏光ベクトルが、旋光偏光ベクトルであり、前記サンプルが、光学活性成分を含む、請求項6に記載のシステム。
- 前記複屈折の寄与の無効により、光学活性の旋光測定の主要誤差成分が著しく低下する、請求項1に記載のシステム。
- 前記グルコースサンプルに起因する旋光偏光ベクトルが、少なくとも1つのファラデー変調器(80)と、少なくとも1つのファラデー補償器(82)と、少なくとも1つの直線偏光のための解析器(84)と、少なくとも1つの検出器(86)と、少なくとも1つの増幅器(70)と、少なくとも1つのコントローラ(70、71,92、82)とを備える旋光測定システムにより測定される、請求項1に記載のシステム。
- 前記複屈折解析器が、少なくとも1つのビーム分割器(62)と、円偏光解析器(64)と、少なくとも1つの検出器(66)とを備え、前記複合電気光学システムが、少なくとも1つのコントローラ(70、71、60)を介して前記複屈折補償器(60)に適用される必要があるリターダンス(70、71)の値を計算する少なくとも1つの手段を備える、請求項1に記載のシステム。
- 請求項1に記載の非侵襲複屈折に基づく感知旋光計システムにおいて、
前記光複屈折解析器が、
少なくとも1つのビーム分割器と少なくとも1つの円偏光解析器とを備え、
前記複合電気光学システムが、
複屈折に起因する影響を無効にするリターダンスを与える少なくとも1つの複屈折補償器と、
前記複屈折補償器に適用される必要があるリターダンスの値を計算する少なくとも1つの手段とを備え、
複屈折の無効の後、旋光測定システムが光学活性に関連するサンプルに起因する旋光偏光を測定する、
請求項1に記載のシステム。 - 前記旋光測定システムが、少なくとも1つのビーム分割器(62)と、少なくとも1つのファラデー変調器(80)と、少なくとも1つのファラデー補償器(82)と、少なくとも1つの直線偏光のための解析器(84)と、少なくとも1つの検出器(86)と、少なくとも1つの増幅器(70)と、少なくとも1つのコントローラ(70、71、92、82)とを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記複屈折補償器(60)に適用される必要があるリターダンスの値を計算する少なくとも1つの手段が、少なくとも1つのビーム分割器(62)と、少なくとも1つの円偏光解析器(64)と、少なくとも1つの検出器(66)と、少なくとも1つのコントローラ(70、71、60)とを備える、請求項1に記載のシステム。
- 前記リターダンスが計算され、前記コントローラの補償部に入力として送られ、補償アルゴリズムは、差分方程式として表現され、前記複屈折補償器に適用される前記リターダンスは、前記計算されたリターダンスであり、完了時には、円偏光成分は存在せず、直線偏光だけが存在し、どのような複屈折も補償される、請求項14に記載のシステム。
- 前記リターダンスが計算され、前記コントローラの補償部に入力として送られ、補償アルゴリズムは、差分方程式
y(n)=x(n)+y(n−1)
によって表現され、ここで、「y」は前記複屈折補償器に適用される前記リターダンス、「x」は前記計算されたリターダンスであり、完了時には、円偏光成分は存在せず、直線偏光だけが存在し、どのような複屈折も補償される、請求項14に記載のシステム。 - 前記サンプルが、動物の眼に存在するグルコースを含む、請求項1に記載のシステム。
- 請求項1記載の非侵襲複屈折に基づく感知旋光計システムが、
1)光源(52)と、
2)前記光源(52)からの光ビームを偏光し、最大透過が得られるような向きを前記ビームに取らせる偏光器(54)であって、前記偏光器(54)は、初期リターダの速軸に合わされ、与えられたサンプルでのどのような複屈折の影響も無効にする偏光器(54)と、
3)少なくとも1つのサンプル(56)と、
4)直線偏光から楕円偏光への偏光状態の変化に基づいて、前記偏光されたレーザビームに位相リターダンス(δ)を引き起こすサンプルの複屈折の影響を無効にする電気光学リターダと、
5)前記複屈折に起因する影響を無効にするリターダンスを与える複屈折補償器(60)と、
6)前記楕円偏光を2つのビームに分割する無偏光レーザラインビーム分割器(62)と、
7)第1の前記分割ビームを受け取る円偏光解析器(64)であって、円偏光ストークスパラメータ「V」を特徴付けることが可能な、45°直線偏光器が後に続いた4分の1波長板を備える円偏光解析器(64)と、
8)前記第1の誘導ビームを受け取るシリコン光ダイオード検出器(66)と、
9)前記検出器(66)からの出力を入力として受け取るフィードバックコントローラ70であって、それによって、前記リターダンスが計算され、前記コントローラの補償部に入力として送られ、補償アルゴリズムは、差分方程式
y(n)=x(n)+y(n−1)
によって表現され、ここで、「y」は前記複屈折補償器に適用される前記リターダンス、「x」は前記計算されたリターダンスであり、完了時には、円偏光成分は存在せず、直線偏光だけが存在し、どのような複屈折も補償されるフィードバックコントローラ(70)とを備え、
グルコース検出経路を提供する旋光システムが、
9−2)無偏光レーザラインビーム分割器(62)に存在する第2のビームと、
10)第2の前記分割ビームを受け取り、前記レーザの直線偏光ベクトルを変調するファラデー変調器(80)と、
11)前記サンプルに起因する偏光ベクトルのどのような回転も無効にすることによってフィードバック補償を提供するファラデー補償器(82)と、
12)初期偏光器(54)の透過軸と直交する向きに向けられた透過軸を有する解析器(84)であって、前記変調された偏光ベクトルをマリュスの法則に従って強度変調に変換する解析器(84)と、
13)前記導かれた第2のビームを受け取り、前記検出された光強度に比例する電圧を含む出力を提供するシリコン光ダイオード検出器(86)と、
14)前記検出器(86)の前記出力を増幅する広帯域増幅器と、
15)前記増幅器から増幅出力を受け取るロックイン増幅器およびコントローラであって、前記ロックイン増幅器が、低周波数および高周波数の電磁ノイズを排除しながら、変調周波数に存在する信号成分を測定するロックイン増幅器およびコントローラと、
16)電源(92)であって、前記コントローラの出力が、前記電源(92)を介して前記ファラデー補償器(82)に与えられ、完了時には、前記コントローラの出力電圧が、前記サンプルの濃度に比例する電源(92)とを備える、請求項1に記載のシステム。 - 前記サンプルが、光学活性物質である、請求項18に記載のシステム。
- 前記サンプルが、グルコースまたはその他の光学活性分子を含む、請求項18に記載のシステム。
- サンプル内のグルコースレベルを測定するときに複屈折を測定し、複屈折の影響を無効にするために使用される非侵襲複屈折感知方法であって、
サンプルにおけるリアルタイムの角膜複屈折の寄与を感知するように複屈折解析システムを構成するステップと、
フィードバック信号を複合電気光学システムに供給するように前記複屈折解析システムを構成するステップと、
前記信号を前記複屈折解析システムから受け取るように複合電気光学システムを構成するステップと、
前記サンプルにおいて見出された前記複屈折寄与を無効にするように前記電気光学システムを構成するステップと、
サンプルの複屈折寄与を無効にした後で、グルコース濃度の決定のためにサンプルの光学活性を測定するため、旋光測定システムを構成するステップと
を含む方法。 - 前記複屈折解析システムが、光複屈折解析器であり、前記サンプルが、患者の眼であり、前記複屈折の寄与が、角膜複屈折の寄与であり、前記非侵襲複屈折感知方法が、角膜複屈折の寄与を測定するように前記光複屈折解析器を構成するステップと、前記サンプルに起因する旋光の偏光ベクトルを決定するように前記電気光学システムを構成するステップとを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記複屈折の寄与を無効にするように補償し、その結果、前記光学活性の旋光測定の主要誤差成分を著しく低下させるステップを含む、請求項23に記載の方法。
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