CZ239298A3 - Přístroj pro multispektrální analýzu v neinvasivní NIR spektroskopii - Google Patents

Description

Oblast techniky

Tento vynález se vztahuje ke způsobu a přístroji pro stanovení koncentrace cílového analytu ve vzorku použitím multispektrální analýzy. Vynález nachází uplatnění v širokém rozsahu chemických analýz, zejména v neinvasivní spektrofotometrické analýze krevních analytů.

Dosavadní stav techniky

Měření koncentrace složek krve nachází uplatnění v množství postupů pro diagnózu a léčení stavů a chorob u lidí. Jedním důležitým uplatněním je měření krevní glukózy. Zvláště by měla být na periodickém základě sledována koncentrace krevní glukózy u osob trpících diabetem.

U inzulínové závislého diabetů neboli u diabetů typu I je často nezbytné sledovat krevní glukózu několikrát denně. Dále poskytuje důležité informace v léčení nebo prevenci osob trpících chorobou věnčitých tepen měření koncentrací krevního cholesterolu, měření jiných organických analytů v krvi, jako bilirubinu a alkoholu, je důležité v různých diagnostických souvislostech.

Nejpřesnější a široce používané způsoby získávání koncentrací krevních analytů zahrnují odběr pacientovy krve, následnou analýzu této krve buď v laboratoři za použití vysoce přesných a citlivých zkušebních technik, nebo použitím méně přesných automatických metod. Zejména tradiční způsoby sledování krevní glukózy vyžadují u diabetiků odebrání vzorku • · ··· · · · · krve (např. naříznutím konce prstu lancetou) pro každý test a určení úrovně glukózy použitím glukometru (spektrofotometr, který stanovuje koncentrace glukózy) nebo metodou kolorimetrické kalibrace. Takové invasivní odběry krve vytvářejí bolestivé a únavné břímě pro diabetika a vystavuje diabetika možnosti infekce, zejména s ohledem na frekvenci testování, která je nezbytná. Tyto úvahy mohou vést ke zmírnění sledovacích postupu diabetikem.

Je tedy v oboru uznaná potřeba jednoduché a přesné metody a přístroje pro neinvasivní měření koncentrací krevních analytů, zejména v souvislosti se sledováním krevní glukózy u diabetiků. Jeden přístup k problému zahrnuje používání tradičních metod analýzy v blízké infračervené oblasti spektra (blízká IČ neboli NIR), kde se pro získání specifických informací o analytu v daném vzorku používá měření absorbance při jedné nebo více specifických vlnových délkách.

Absorpční spektra kapalných vzorků měřená v blízké IČ oblasti obsahují velké množství informací o různých organických složkách vzorku. Zejména vibrační, rotační a vazebná energie spojená se strukturou organických molekul (tj. vazby uhlík - uhlík, uhlík - vodík, uhlík - dusík a dusík - vodík) způsobují poruchy v blízké IČ oblasti, které mohou být detekovány a vztaženy ke koncentraci různých organických složek přítomných ve vzorku. Avšak ve složitých matricích vzorků NIR spektra také obsahují značné množství interferencí, částečně vlivem podobné struktury analytů, relativních úrovní koncentrací analytů, interfenčním vztahům mezi analyty a velikosti elektronického a chemického šumu vlastního danému systému. Tyto interference snižují účinnost a přesnost měření získaných použitím NIR spektrometrie při · 4 4 • · »

4 4« · • 4 • 4

4 44 4

4 4<

stanovování koncentrací analytů v kapalném vzorku. Avšak bylo popsáno množství NIR zařízení a metod poskytujících neinvasivní stanovení krevních analytů.

US patent č. 5 360 004, původce Purdy a kol., popisuje přístroj a způsob stanovení koncentrací krevních analytů, kde je část těla ozařována zářením obsahujícím dva nebo více zřetelných pásů plynule se měnící frekvence dopadajícího záření. Purdy a kol. kladou důraz na techniky filtrace pro výslovné odblokování záření ve dvou pících NIR absorpčního spektra pro vodu, vyskytujících se kolem 1440 a 1935 nm. Toto selektivní odblokování se provádí, aby se odstranil efekt zahřívání, který může být způsoben absorpcí záření vodou v té části těla, která je ozařována.

Naopak US patent č. 5 267 152, původce Yang a kol., popisuje neinvasivní přístroje a postupy pro měření koncentrace krevní glukózy za použití pouze té části IČ spektra, která obsahuje NIR absorpční píky vody (tj. rozmezí propustnosti pro vodu, které obsahuje tyto vlnové délky od 1300 do 1900 nm). Opticky kontrolované světlo je vedeno do tkáňového zdroje a poté zachyceno v integrační oblasti. Zachycené světlo je analyzováno a je vypočtena koncentrace krevní glukózy použitím referenční kalibrační křivky.

Byly také popsány přístroje pro použití ve stanovování koncentrací analytů ve složených vzorcích.

Například US patent č. 5 242 602, původce Richardson a kol., popisuje způsob analýzy vodných systémů pro stanovení vícenásobně aktivních nebo neaktivních složek čištění vody. Tyto způsoby zahrnují stanovení absorpčního nebo emisního spektra složek v rozsahu od 200 do 2500 nm a aplikaci ·· «**« *· ···* ·* chemometrických algoritmů pro vyčlenění části získaných spektrálních dat, aby se kvantifikovaly indikátory vícenásobné účinnosti.

US patent č. 5 252 829, původce Nygaard a kol., popisuje způsob a přístroj pro měření močoviny ve vzorcích mléka použitím infračervené útlumové měřící techniky. Pro stanovení spektrálních příspěvků známých komponent jsou prováděny multivariační techniky za použití metody nejmenších čtverců, regerese základních složek, násobné lineární regrese nebo zjištování pomocí umělé neuronové sítě. Kalibrace je prováděna výpočtem pro příspěvky složky, která blokuje sleduje signál analytu. Tak Nygaard a kol., popisují techniku měření násobného utlumení IČ analytem a kompenzace vlivu analytů pozadí, aby se získalo přesnější měření.

US patent č. 4 975 581, původce Robinson a kol., popisuje způsob a přístroj pro stanovení koncentrace analytu v biologickém vzorku, založený na srovnávání absorpce energie infračerveného záření (tj. rozdílů v absorpci některých vlnových délek) mezi známou koncentrací analytu a vzorkem. Srovnávání je prováděno metodou nejmenších čtverců nebo jinými multívariačními postupy.

US patent č. 4 882 492, původce Schlager, popisuje způsob a přístroj pro neinvasivní stanovení koncentrací krevního analytu. Modulované infračervené záření je směrováno proti vzorku tkáně (např. ušnímu boltci) a bud prochází skrz tkáň nebo naráží na povrch pokožky, kde je spektrálně pozměněno cílovým analytem, tj. glukózou. Toto spektrálně pozměněné záření je poté rozštěpeno, jedna část je vedena přes negativní vztažnou celu a druhá přes referenční celu. Intenzita záření procházející celami je porovnávána, aby se ·· ···· ·· ···· • · * «·· ···· • · · · · «· * · · · · · · · · · · ··· ·«· • · « * « · · · •» · ····« «· ··

- 5 stanovila koncentrace analytu ve vzorku.

US patent č. 4 306 152, původce Ross a kol., popisuje optický fluidní analyzátor navržený pro minimalizaci efektu absorpce pozadím (tj. souhrnné nebo základní úrovně optické absorpce kapalného vzorku) na přesnost měření v kalném vzorku nebo kapalném vzorku, který je jinak obtážné analyzovat.

Tento přístroj měří optický signál při charakteristické optické absorpci stanovované složky vzorku a jiný signál při vlnové délce vybrané tak, aby aproximovala absorpci pozadím, a poté odečítá tyto signály, aby zmenšil složky pozadí v signálu závislém na analytu.

Přesnost informací získaných dříve uvedenými způsoby a přístroji je omezena spektrální interferencí způsobenou pozadím, tj. složkami vzorku odlišnými od analytu, které také mají absorpční spektra v blízké infračervené oblasti. Značné úrovně pozadfového šumu jsou vnitřním omezením systému, zejména pokud je přítomno velmi málo analytu. Ve světle tohoto omezení byly provedeny pokusy o zlepšení poměru signálu k šumu například vyhnutím se absorpčním pikům vody, aby se umožnilo zvýšení intenzity záření, zmenšením množství spektrálních informací, které jsou analyzovány, nebo použitím srovnávacích a kompenzačních postupů založených na napodobení absorpce pozadí. Ačkoli tyto postupy poskytly určitá zlepšení, trvá potřeba poskytnutí způsobu a přístroje schopného provádění přesnějšího stanovení koncentrací analytů v kapalné matrici, zejména v souvislosti se sledováním krevní glukózy.

Popis vynálezu

Prvním předmětem tohoto vynálezu je tedy ujmout se ·· ·· ···· 4« ·· * · · · · ♦ ···· • · · · · ·· · · · · Φ • · * · · · · ♦ ♦··♦»· • · · · * » · · ·· · ·· ··· ·· ··

- 6 výše popsané potřeby v oboru poskytnutím způsobu stanovení koncentrace analytu přítomného ve vzorku, který má různorodou matrici pozadí a rovněž má značnou interferenci složek. Tento způsob počítá s podobností struktur různých složek přítomných ve vzorku a relativní velikostí koncentrace analytu a spektrálními interferencemi poskytovanými různými složkami vzorku a odchylkami přístroje.

Tento způsob obecně zahrnuje:

(1) určení některých zřetelných nepřekrývajících se oblastí vlnových délek v blízké IČ oblasti, které mají blízký vztah (korelaci) ke koncentraci analytu, (2) ozařování vzorku dopadajícím zářením, obsahující tyto oblasti, k získání záření, které je spektrálně zeslabené jako výsledek interakce se složkami vzorku, (3) detekci spektrálně oslabeného záření, (4) měření intenzity spektrálně oslabeného záření při vlnových délkách v nepřekrývajících se oblastech vlnových délek a (5) korelaci měření, aby se získala hodnota udávající koncentraci analytu.

Předmětem tohoto vynálezu je rovněž poskytnutí spektrofotometrického přístroje pro stanovení koncentrace analytu ve vzorku, který má různou matrici pozadí a značné interference složek. Přístroj je používán v multispektrální analýze pro získání spektrálních informací obsahujících signály specifické pro analyt, stejně tak jako signály vztahující se k šumu pozadí přístroje a interferujících spektrálních informací. Pro sestavení prvků filtru schopných zvýšit souvztažnost informací specifických pro analyt s koncentrací analytu a odvození algoritmů systému schopných hodnocení koncentrací analytu jsou použity chemometrické • to toto·· ·

• · • to • · • to • to toto toto·· ··· • toto • to •

• · to ··· toto to • to ·· toto techniky.

V jednom pohledu tohoto vynálezu je poskytnut přístroj, který obsahuje specializovanou optickou přenosovou celu, která je schopna zvýšit souvztažnost mezi informací specifickou pro analyt a koncentrací analytu. Tato specializovaná optická přenosová cela obsahuje filtr pro pozitivní korelaci přizpůsobený pro zvláště zvýrazňované vlnové délky mající vysokou souvztažnost s koncentrací vybraného analytu. Zvýrazněné vlnové délky jsou vedeny do zařízení pro příjem informací a přeměněny na signál udávající intenzitu vlnění při určité vlnové délce.

Popis obrázků k vynálezu

Obrázek 1 je schématické zobrazení přístroje sestaveného podle tohoto vynálezu.

Obrázek 2 je schématické zobrazení korelačního spektrometrického přístroje sestaveného podle tohoto vynálezu.

Obrázek 3 je graf znázorňující časovou závislost získanou během in vivo studie tolerance ke glukóze.

Obrázek 4 zobrazuje graficky podobu výsledků získaných neinvasivním stanovením koncentrace krevní glukózy prováděným za použití způsobu podle tohoto vynálezu.

Způsoby provádění vynálezu

Před detailním popisem vynálezu má se rozumět, že tento vynález není omezen na jednotlivé popisované části

4» ····

4444

• 4 • · · « • · · 444 • 4 4 4 4 • 4 4 4 ·· ··· ·* • 4 4 · • 4 4 · • 4 4 44 4 • 4

4 44 složek přístrojů nebo způsobů, které se mohou měnit. Má se také rozumět, že zde použitá terminologie je pouze pro účely popisu jednotlivých provedení a nejsou zamýšleny jako omezující. Musí být poznamenáno, že formy jednotného čísla používaná v popisu i v připojených patentových nárocích zahrnují i množná čísla odkazů, ledaže by z kontextu vyplývalo jinak. Tak například odkaz na analyt zahrnuje směs analytů, odkaz na optickou přenosovou celu zahrnuje dvě nebo více optických přenosových cel, zařízení pro odrazové přenášení záření zahrnuje dvě nebo více takových zařízení, vlnová délka zahrnuje dvě nebo více vlnových délek, chemometrický algoritmus zahrnuje dva nebo více algoritmů a podobně.

V tomto popisu a v patentových nárocích, které následují, budou odkazy tvořeny množstvím termínů, které mají být definovány tak, že mají následující významy:

Chemometrie se vztahuje k používání matematické, statistiké a modelové rozlišovací techniky při aplikaci chemické analýzy, viz např. Brown a kol., Anal. Chem., 62, 84-101 (1990). Chemometrie je zde užívána v souvislosti s vývojem a používáním neinvasivních diagnostických postupů, které využívají pokrokového zpracování signálu a kalibračních technik. Zpracování signálu je používáno pro zlepšení dosažitelnosti fyzikálně významných informací v analytickém signálu. Příklady způsobů zpracování signálu zahrnují Fourierovu transformaci, první a druhou derivaci a digitální a adaptivní maskování.

V souvislosti s chemometrií se kalibrace vztahuje na postup vztažení naměřených dat k chemické koncentraci se záměrem kvantifikace. Zejména může být pro získání • 4444 · 44 4 ** * 44 4444«« • · «4 • 4 ·44 « 4 · 4 specifických informací ze složitého souboru dat použita statistická kalibrace za použití chemometrických metod.

Takové metody kalibrace zahrnují lineární regresi, násobnou lineární regresi, částečnou lineární regresi a analýzu základních složek. V jiných aplikacích může být kalibrace prováděna za použití umělé neuronové sítě, genetických algoritmů a okružní analýzy základních složek.

Přístrojové vybavení, které detekuje informaci pro jednu nebo více složek ve složité chemické matrici se musí opírat o algoritmy analýzy (jako jsou algoritmy upravené za použití chemometrie), aby odhalilo informaci specifickou pro jednu nebo více chemických složek. Chemometrické techniky se mohou používat pro srovnávání neznámých látek s kalibračními standardy a databázemi, aby poskytly pokročilé formy klastrové analýzy a aby získaly přesní znaky neznámého vzorku, které mohou být použity jako informace ve statistických a matematických modelech.

Analýza základních složek (PCA) je jeden ze způsobů redukce dat, který může být využit v používání chemometrických postupů ve spektroskopickém měření chemických analytů ve složité matrici. PCA je používána pro aby snížení rozměrnosti velkého počtu vzájemně se ovlivňujících proměnných přičemž zachovává informace odlišující jednu složku od druhé. Toto snížení se provádí transformací vlastního vektoru původního souboru vzájemně se ovlivňujících proměnných (např. absorpčního spektra) do podstatně menšího souboru nesouvisejících proměnných základních složek (PC), které představují většinu informací původního souboru. Tento nový soubor proměnných je seřazen tak, že prvních pár uchovává většinu odchylek přítomných ve všech původních proměnných, viz např. Jolliffe, L. T., Principal Component Analysis, Sprinter • · * v · ·« · : t * · · « ·

- Verlag, New York, (1986). Zejména každý PC je lineární kombinací všech původních měřených proměnných. První je vektor ve směru největšího rozptylu pozorovaných proměnných. Následující PC jsou vybrána tak, aby představovala největší odchylku naměřených dat a aby byla pravoúhle k dříve počítaným PC. Proto jsou PC uspořádány v sestupném směru vzhledem k důležitosti.

Termín váhová konstanta zahrnuje koeficienty vlnových délek v regresní metodě nejmenších čtverců a/nebo v regresi základních složek nebo kteroukoli konstantu získanou z kterékoli statistické kalibrace, která může být použita pro výpočet hodnot (jako koncentrace analytu) pro neznámý vzorek. Váhový faktor vlnové délky je provedení váhové konstanty, která se používá pro sestrojení optického filtračního zařízení schopného zvýraznit informaci specifickou přo vlnovou délku ze spektrálních dat. Informace specifické pro vlnovou délku se mohou používat pro stanovení požadovaných hodnot vztahujících se ke vzorku podrobenému analýze (tj. koncentraci analytu). Váhový faktor vlnové délky může být veden jako údaj hustoty filtru (např. neutrální nebo specifický pro vlnovou délku), tloušťky filtru nebo podobně, kteréžto parametry byly stanoveny za použití výše popsaných statistických kalibračních technik.

Termín optická přenosová cela zahrnuje kterýkoli opticky aktivní prvek, který částečně absorbuje dopadající záření ve viditelné, ultrafialové nebo infračervené oblasti spektra, kde je tato částečná absorpce selektivní s ohledem na vlnovou délku. Pro účely tohoto vynálezu zahrnuje optická přenosová cela optické filtrační zařízení mající absorpční charakteristiky, které byly upraveny částečnou metodou nejmenších čtverců nebo regresní analýzou základních složek.

*· **·· « · v » · ·

Ϊ

Optické filtrační zařízení se používá pro selektivní zlepšení vlnových délek majících velký vztah s koncentrací vybraného analytu. Velký vztah neboli úzký vztah se vztahuje ke kvantitativnímu spojení mezi absorpčním spektrem o zvláštní vlnové délce a danou koncentrací analytu, kde tyto dvě proměnné mají korelační koeficient (r) 0,9 nebo vyšší.

Pozitivní korelační filtr je optické filtrační zařízení mající absorpční spektrum dostatečné ke zvýraznění záření daných vlnových délek odpovídajících cílovému analytu a ne jiným absorbujícím analytům. Tak poskytuje pozitivní korelační filtr optimální přenosovou funkci, která je vysoce spojena s koncentrací analytu v měřeném vzorku. Ideální pozitivní korelační filtr by přesně koreloval s cílovým analytem (tj. korelační koeficient by byl +1,0) a nekoreloval by s žádnými jinými interferujícími absorbujícími analyty v daném vzorku (tj. r by byl 0). Tvorba pozitivního korelačního filtru je zde prováděna za použití chemometrických postupů, aby se stanovily příslušné váhové faktory vlnových délek.

Filtr o neutrální hustotě se vztahuje k standardnímu optickému filtračnímu zařízení, které má hladké absorpční spektrum. Filtr o neutrální hustotě se může používat v souladu s korelačními filtry ve filtračním systému, aby poskytl váhový faktor pro útlum absorbancí způsobených analytem při vybraných vlnových délkách a dále poskytl přesnost korelace poskytované systémem. Filtr o neutrální hustotě může mít absorpční spektrum dostatečné k utumení záření shodně pro všechny vlnové délky v rozsahu zájmu.

Pokud je zde uvedeno vodné medium, zahrnuje kterýkoli substrát vztahující se, tvořený nebo obsahující • · • *·· ·· ··*·

vodu. Tak vodné medium zahrnuje media, kde je voda hlavní složkou, tj. je přítomna v množstvích minimálně asi 50 %, stejně tak jako kde je voda rozpouštědlem nebo je přítomna v množství menším než 50 %. Vodná media jsou zde specificky definována tak, že zahrnují tkáně savců.

Termín krevní analyt se vztahuje ke složce krve, která absorbuje záření z blízké IČ oblasti spektra, měření které je použitelné při sledování pacientů nebo v zabezpečení zdravotní péče.

Pokud je zde uveden termín blízké infračervené záření neboli blízké IČ, vztahuje se k záření v rozsahu spektra přibližně od 660 nm do přibližně 3500 nm, ale běžně v rozsahu přibližné od 1050 do 2850 nm a obvykleji v rozsahu přibližně od 1100 do zhruba 2500 nm.

Termín’absorpce pozadí neboli pozadová absorpce se vztahuje k celkové nebo základní úrovni optické absorpce vodného vzorku, který má být analyzován, od kterého se absorbce vybrané složky odlišuje v jedné nebo více charakteristických vlnových délkách v míře udávající koncentraci vybrané složky. Pokud je úroveň absorpce pozadí vysoká vzhledem k charakteristické absorpci dané složky, jako ve složitých vodných prostředích, kde se nachází množství interferujících složek, vyžaduje se přesné měření velikosti nepatrných chyb v absorpci při charakteristické vlnové délce dané složky za použití chemometrických postupů popsaných v tomto vynálezu. Tak tomu je zvláště v případech, kdy je celková koncentrace složky malá vzhledem k vodnému médiu, např. při měření krevních analytů.

Obecné metody ’

- 13 • Φ ··«· • · ··« « ··

Spektroskopická metoda se používá pro stanovení koncentrace analytu v kapalném vzorku za použití IČ záření v blízké oblasti spektra. Oproti předchozím postupům používá tento způsob veškeré spektrální informace obsažené v blízké infračervené oblasti spektra, aby získal soubor měření, který může být použit pro stanovení koncentrace analytu se zvýšeným stupněm přesnosti.

Tento způsob zahrnuje kroky (1) výběr některých zřetelných, nepřekrývajících se oblastí v blízké IČ oblasti spektra, kde každá oblast definuje spektrální rozsah, (2) ozáření roztoku za použití IČ záření z blízké oblasti spektra, které obsahuje vybrané spektrální rozsahy, aby se získalo spektrálně pozměněné záření, které bylo utlumeno, (3) zachycení a měření intenzity spektrálně utlumeného záření při jedné nebo více vlnových délkách obsažených v každém vybraném spektrálním rozsahu a (4) korelaci těchto měření, aby se získala hodnota udávající koncentraci analytu.

Spektrální informace získaná použitím této metody může být podrobena kombinaci matematických transformací, aby se dospělo k přesné hodnotě koncentrace analytu. Například se mohou použít standardní statistické postupy, jako metoda nejmenších čtverců (PLS) nebo regresní analýza základních složek (PCR), aby se vztáhla absorpce záření při zvláštní vlnové délce ke struktuře a koncentraci analytu. Postup metody nejmenších čtverců je popsán např. v Geraldi a kol., Analytica Chimica Acta, 185. 1-17 (1986). Pro popis PCR je odkaz na Jolliffe, L. T., Principal Component Analysis, Sprinter - Verlag, New York (1986).

•fl *·«· • · ·· ·

- 14 • * · · w • · *·· fl fl» fl « « fl · fl fl ·

Ve stanovení koncentrace krevního analytu ze vzorků tělesných tkání jedna analýza proto zahrnuje výběr tří nepřekrývajících se oblastí vlnových délek z blízké IČ oblasti spektra v rozsahu od 1100 do 3500 nm, zejména první oblast v rozsahu od 1100 do 1350 nm, druhou oblast v rozsahu od 1430 do 1450 nm nebo od 1930 do 1950 nm a třetí oblast v rozsahu od 2000 do 2500 nm, kde každá oblast určuje spektrální rozsah. První oblast zahrnuje vlnové délky, ve kterých vykazují dominantní spektrální aktivitu bílkoviny a jiné buněčné složky, druhou oblast ovládá absorpční spektrum vody a třetí oblast obsahuje vlnové délky, ve kterých vykazují významnou spektrální aktivitu organické molekuly analytu. Tyto složky také přispívají k absorpčnímu spektru v těch oblastech, kde nejsou dominantními složkami. Spektrálně utlumené záření získané z každého oblasti tedy obsahuje velké množství vzájemně se ovlivňujících informací, které musí být redukovány za použití statistických metod, aby se získaly informace specifické pro analyt.

Tento vynález také zahrnuje použití zpracování signálu pro zlepšení dosažitelnosti fyzikálně významné informace v analytickém signálu. Hodnoty intenzity signálu získané při zvláštních vlnových délkách tak mohou být zpracovány, aby se snížil efekt šumu přístrije. Zpracované signály jsou poté podrobeny multivariační analýze za použití známých statistických metod.

PCA metoda zmenšení počtu dat je výhodná metoda používaná v provádění tohoto vynálezu ke snižování rozměrnosti velkého množství vzájemně se ovlivňujících proměnných, při uchovávaní informace, která odlišuje jednu složku od druhé. Snižování počtu dat je prováděno používáním ·· ··· • · ···«

- 15 transformace vlastního vektoru původního souboru vzájemné se ovlivňujících proměnných (např. absorpčního spektra) do podstatně menšího souboru nezávislých proměnných základních složek (PC), které představují většinu informací původního souboru. Nový soubor proměnných je řazen tak, že prvních několik uchovává většinu odchylek přítomných v původním souboru.

Vektory základních složek mohou být transformovány pravoúhlou rotací proti průměrným hodnotám absorbance, aby se získaly jak známé vlnové délky tak relativní hodnoty absorbance při těchto vlnových délkách, které jsou přiřaditelné k analytu. Prováděním této analýzy s informacemi získanými z každé ze tří oblastí spektra, příčně soviusejícími vektory základních složek prostřednictvím lineárních algoritmů a použitím odčítacích metod pro odstranění efektu interferujících analytů jsou získány hodnoty, které mohou být použity v systémovém algoritmu pro stanovení koncentrace analytu.

Pro poskytnutí modelu, který uvádí do vztahu intenzitu záření při specifických vlnových délkách v každé oblasti spektra a koncentrace analytu ve zvláštním vzorku matrice, např. tělesné tkáně, se používají multivariační techniky. Tento model se tvoří použitím dvou souborů vzorových měření, která jsou získána současně, jeden soubor měření, nástřelový soubor, obsahující spektrální data, např. intenzitu záření při vybraných vlnových délkách a druhý soubor měření, kalibrační soubor, obsahující vysoce přesné koncentrace analytu, které byly stanoveny použitím invasivních postupů vzorkování. Postup se provádí v rozsahu koncentrací analytu, které poskytnou kalibrační a nástřelový soubor dat.

Φ· ···· • · ····

- 16 • · · φ * φ • φ φ

Měření získaná jak v kalibračním, tak v nástřelovém souboru jsou podrobena multivariačním analýzám, jako použití komerčně dostupných vývojových software multivariačního modelu, aby poskytly prvotní model. Prvotní model je aplikován na nástřelová data, aby odvodil hodnoty koncentrace analytu, které mohou být srovnána s hodnotami získanými invasivními technikami. Opakovaným prováděním předchozích kroků je vyvinut vylepšený model, který se může použít pro ustavení systému algoritmů použitelný v analýze dat získaných způsoby podle tohoto vynálezu.

Výše popsané multivariační postupy se také mohou používat pro navržení opticky aktivních prvků schopných zlepšit vzájemný vztah mezi spektrální informací a koncentrací analytu, například systému filtru pozitivní korelace. Pro stanovení optických parametrů, jako jsou absorpční charakteristiky, pro systém filtru pozitivní korelace mohou se mohou použít zejména řešení získaná pomocí multivariační analýzy.

Při provedení tohoto vynálezu se také používají specifické informace nenáležející analytu z různých nepřekrývajících se spektrálních oblastí pro normalizaci každého snímání dat, pro odečítání interferencí pozadí a základní linie nebo pro poskytnutí hodnot signálu používaného pro detekci nepřesného měření.

Pokud se stanovuje koncentrace krevního analytu ve vzorcích tělesné tkáně, poskytují měření prováděná v rozmezí přibližně od 1320 do 1340 nm vysoce odražený, netlumený signál, jelikož v tomto rozsahu nejsou žádné vazby způsobující většinovou absorpci. Shromažďováním a měřením intenzity záření v tomto rozsahu je získána hodnota, která ·· ··· toto ·*·« »· «ν toto « to « · to*·· to« · «···· **·· to·· «·· to* ··* «·« • to · to·· ·· ·* « ««··« · «·

- 17 může být použita pro odhad aktuální intenzity světla v blízké IČ oblasti použité k ozařování vzorku. Tato hodnota se může použít pro normalizování každého jednotlivého snímání dat a ke korekci kolísání zdroje záření, které může ovlivňovat přesnost hodnot koncentrací analytu získaných za použití způsobu podle tohoto vynálezu.

Navíc poskytují měření prováděná v rozsahu přibližně od 1430 do 1450 nm a od asi 1930 do 1950 nm v podstatě neodražené, vysoce utlumené signály, jako výsledek dvou hlavních absorpčních píků vyskytujících se kolem 1440 nm a 1935 nm v blízkém IČ absorpčním spektru vody. Shromažďováním a měřením intenzity záření v jednom nebo obou těchto rozsazích, je získána hodnota, která se může používat pro odhad intenzity Ič záření z blízké oblasti spektra, které není zcela absorbováno ozařovaným vzorkem. Tato hodnota se může použít pro odečtení informace o pozadí nebo základní linii od signálů specifických pro analyt získaných v jiných oblastech a/nebo pro poskytnutí vnitřního vztahu pro detekci nepřesných měření. Tato hodnota se může odečíst od každého spektrálního měření získaného za použití přítomného způsobu, aby se opravil efekt základny způsobený zrcadlovým odrazem, který se liší podle povrchu pokožky a věku.

Měření v podstatě netlumených signálů získaných z první oblasti (např. z rozsahu spektra od asi 1320 do 1340 nm) a měření silně tlumených signálů získaných z druhé oblasti (např. v rozsahu spekter od asi 1430 do 1450 nm a od asi 1930 do 1950 nm) mohou být také použita pro srovnání rozptýleně odraženého záření se zrcadlové odraženým zářením. Pokud mají signály z těchto dvou oblastí poměrně srovnatelné hodnoty, je pravděpodobné, že většina záření použitého pro ozařování vzorku tkáně byla odražena od povrchu pokožky a tak

444« 44 44

4 · · 4 4444

4« 4 »4*44 «444 *·· « 4 4 «4 «44 44 4 ·«« 44 4 4 4 «4 4 44444 «4 44

- 18 neúspěšná v průniku pokožkou, aby interagovala s krevními analyty. Tato informace může být použita k určení neúspěšných měření, pocházející od neúspěšného snímání dat ze vzorku tkáně.

Způsob podle tohoto vynálezu se může provádět pomocí množství spektrofotometrických sestav. V souvislosti s obrázkem 1 jeden jednotlivý přístroj pro stanovení koncentrace analytu v kapalném vzorku je obecně označen vztahovou značkou 10. Tento přístroj obsahuje zdroj 12 záření, který poskytuje množství zřetelných nepřekrývajících se oblastí vlnových délek v rozsahu přibližně od 600 nm do přibližně 3500 nm. V oboru je známo množství vhodných zdrojů záření, jako do béla rozžhavené světelné zdroje směrované skrz interferenční filtry, halogenové světelné zdroje, modulované připojeným přerušovacím kolečkem, laserové světelné zdroje, seskupení laserových diod nebo seskupení vysokorychlostních světlo vyzařujících diod (LED). V jednom přístroji září zdroj 12 záření ve třech zřetelných oblastech vlnových délek, zvláště v první oblasti vlnových délek v blízké Ič oblasti spektra, typicky v rozsahu od asi 1100 do asi 1350 nm, v druhé oblasti obvykle v rozsahu od asi 1930 do asi 1950 nm a v třetí oblasti typicky v rozsahu od asi 2000 do asi 3500 nm.

Zařízení 10 také obsahuje prvek 14 optického rozhraní vzorku, které vysílá dopadající záření ze světelného zdroje do styku s prostředím vzorku 16 obsahujícím analyt. Po styku s prostředím vzorku je spektrálně pozměněné záření vycházející ze vzorku jako rozptýleně odražené světlo zachycováno a vedeno do prvního systému 18 čoček, čímž je světlo nasměrováno do první a druhé světelné dráhy, uvedevé vztahovými značkami 20 a 22. První systém 18 čoček může také «9 9999 99 9999 99 9l · 9 · * · · 9

- 19 obsahovat sestavu polopropustných zrcadel, jaké jsou známy v oboru.

V různých sestavách mohou být prvky 14 optického rozhraní vzorku navrženy tak, aby umožňovaly přiblížení rozhraní přístroje 10 k prostředí vzorku 16., kde je vysílání prováděno uvedením přístroje do přímého kontaktu s prostředím vzorku, tím je zdroj záření přiveden do těsné blízkosti analyzovaného vzorku. Po vyslání je odražené záření zachycováno za použití opticky aktivních prvků, jako zařízením pro sbíhání světla nebo optickou pro odklon paprsků. Případně může prvek 14 optického rozhraní vzorku obsahovat vlnovody z optických vláken zapojený do přístroje, aby umožňovaly dálkové umísťování a ovládání přístroje. Je poskytována jiná sestava, kde je pro předávání záření do a ze vzorku využíván jeden svazek optických vláken. Optrod na konci jednoduchého svazku optických vláken předává záření z blízké Ič oblasti spektra do prostředí vzorku 16 a přijímá spektrálně změněné záření ze vzorku, které je vedeno zpět, skrz svazek do přístroje 10. Jako optické prvky pro vlnovody z optických vláken se mohou použít safír nebo vysoce kvalitní křemen, jelikož tyto materiály mají velmi dobré vodivé charakteristiky v blízké IČ oblasti spektra.

Odražené světlo v první světelné dráze 20 je ve styku s prvním filtračním zařízením 22, které bylo sestaveno tak, aby propouštělo určité vlnové délky světla, které jsou nezávislé na jakékoli koncentraci analytu. V jedné sestavě může první filtrační zařízení obsahovat úzkou pásmovou propust, která má v blízké IČ oblasti absorpční charakteristiku takovou, že selektivně propouští oblast záření obsahující vlnové délky, které jsou v podstatě beze vztahu ke koncentraci analytu. Záření vystupující z prvního filtračního

- 20 ·« Β · « · Β* « ··· • · · · · Β ·· Β · · · * • Β Β · · · «V Β · · ··· «· «Β zařízení 22 je poté vedeno do prvního detekčního zařízení 24. Vedení záření do prvního detekčního zařízení se může provádět prostřednictvím ohniskového zařízení 26. např. kolimačních čoček nebo podobně. Případně může přístroj 10. obsahovat detektor záření, který je schopný získat záření přímo z prvního filtračního zařízení.

První detekční zařízení zachycuje a převádí procházející záření na signál, který představuje intenzitu záření nezávislou na analytu. V jednom zvláštním přístroji obsahuje první detekční zařízení 24 fotodetektor ze sulfidu olovnatého, který je schopen snímat rozmezí vlnových délek v rozsahu od asi 1100 nm do minimálně 3500 nm po kroku l nm.

Signály získané z tohoto prvního detekčního zařízení se mohou snadno převést na digitální signály, např. na signály udávající intenzitu záření při vlnových délkách nezávislých na analytu, použitím analogově digitálního převodníku. Digitalizovaná informace je snadno dostupná pro vložení do mikroprocesoru nebo jiného elektronického paměťového zařízení, jaká jsou známa v oboru.

S odkazem ještě na obrázek 1, je odražené světlo v druhé světelné dráze 22 vedeno do nastavitelného filtračního zařízení 28, které je schopno nastavení absorpčních charakteristik v závislosti na signálu buď vytvářeném vně přístroje, nebo vytvářené přístrojem 10. Nastavitelné filtrační zařízení obvykle obsahuje stínící filtr, jako je filtr o neutrální hustotě, mající absorpční charakteristiky, které jsou nastavovány na různé tlumení intenzity záření, určované vnějším signálem nebo ovládáním systému. Stupeň utlumení poskytovaný nastavitelným filtračním zařízením 28 je založen na předem stanoveném faktoru,

Φ· Φ··Φ φ· φφφφ • φ φ « φ φφ» φ φ φ φ · φ • Φ φφφ

- 21 vybraném tak, 'aby zaručil, že záření vycházející z nastavitelního filtru bude při konstantní hodnotě nezávisle na intenzitě záření před filtrem. V jednom zvláštním přístroji je utlumení poskytované nastavitelným filtračním zařízením regulováno signálem zpětné vazby vytvářeném prvním detekčním zařízením 24.

Utlumené záření vycházející z nastavitelného filtračního zařízení 28 je vedeno do hlavního analytického filtru 30, který má optické charakteristiky schopné selektivně propouštět jednu nebo více vlnových délek z každých zřetelných nepřekrývajících se oblastí vlnových délek vysílaných zdrojem záření 12. Vlnové délky procházející hlavním analytickým filtrem jsou vybrány tak, aby měly úzký vztah ke koncentraci analytu.

Druhé filtrační zařízení 12 je upraveno v přístroji 10 s ohledem na hlavní analytický filtr 30 tak, že selektivně propouští vlnové délky vycházející z hlavního analytického filtru interagují s druhým filtračním zařízením, čímž je intenzita těchto procházejících vlnových délek nezávisle tlumena tímto druhým filtračníím zařízením. Utlumení poskytovaná tímto druhým filtračním zařízením se mohou stanovit například nezávislým souborem váhových faktorů odvozených pomocí chemometrických postupů.

V jedné zvláštní sestavě jsou váhové faktory stanovovány použitím metody nejmenších čtverců nebo regresí základní složky původního spektra získaného ze vzorku obsahujícího analyt. Druhé filtrační zařízení 32 se může sestrojit použitím vrstvy vhodného substrátu, která je schopna vést záření minimálně v rozsahu od 600 do 3500 nm. Vrstva substrátu je obvykle potažena jednou nebo více φφ ΦΦΦΦ φφ ΦΦΦΦ ·* Φφ φφ » φφφ ΦΦΦΦ φφφ φ · φφφ φ · φ · φφφ φφφ Φφ φφφ φφφ • φ φ φφφ φφ

Φφ φ «φ φφφ φ · · Φ

- 22 vrstvami kovů a/nebo oxidů, které jsou v oboru běžné pro poskytování množství hustot tlumících filtrů. Takové potahy mohou být nanášeny na substrát pomocí emulse nebo chemicky technikami srážení par kovu (CVD), v oboru dobře známými.

V jiném přístroji je druhým filtračním zařízením fotografická maska, která má spektrální linie optické hustoty úměrné váhovým funkcím stanoveným metodou rotace základních složek nebo metodou nejmenších čtverců.

Po utlumení druhým filtračním zařízením jsou nezávislé vlnové délky zpracovávány druhým detekčním zařízením 34., jako je PbS detektor a podobně. Jak je popsáno dříve, záření daných vlnových délek vycházející z druhého filtračního zařízení může být vedeno do druhého detekčního zařízení prostřednictvím ohniskového zařízení 36., například kolimačními čočkami nebo podobně. Případně může přístroj 10 obsahovat detektor záření schopný přímo získat záření z druhé filtračního zařízení.

Druhé detekční zařízení zachycuje a převádí tlumené vlnové délky vycházející z druhého filtračního zařízení na signál, který může být poté zpracován algoritmem specifickým pro analyt, aby se určila koncentrace analytu. Zvláště signály získané z druhého detekčního zařízení mohou být snadno převáděny na digitální signály s použitím analogově digitálního převodníku. Digitalizovaná informace je snadno dostupná pro vstup do mikroprocesoru, kde je použita pro poskytnutí koncentrace analytu, která může být zobrazena na displeji a/nebo nahrána na vnější nahrávací přístroj.

Přístroj 10 se může použít pro získání měření koncentrace analytu v různých složitých prostředích, jako jsou vodná prostředí, která mají složité spektrální pozadí.

·· ·«·· • * • · • ·

Při jedné aplikaci se může přístroj použít pro stanovení koncentrací krevního analytu, zejména organických krevních analytů, jako jsou glukóza, močovina (BUN) lipidy, bilirubin nebo alkohol, na něž však výčet není omezen. Krevní analyty mohou být přítomny v prostředí vzorku in vitro {např. krevní vzorky) nebo se přístroj může používat pro měření analytů ve tkáních. Avšak přístroj 10 je částečně upraven pro používání v terénu, např. pro měření alkoholu v krvi nebo pro domácí sledování zdravotního stavu, např. stanovování krevní glukózy.

S odkazem na obrázek 2 je alternativní přístroj pro měření koncentrace analytu ve složitém vodném prostředí obecně označen vztahovou značkou 60. Tento přístroj obsahuje zdroj 62 záření, který poskytuje množství zřetelných nepřekrývajících se oblastí vlnových délek v přibližném rozsahu od asi 600 do asi 3500 nm. Záření vycházející ze zdroje 62 záření je vedeno do opticky aktivního zařízení 64 pro získání a směrování záření do dráhy paprsku a/nebo pro průchod vybraných vlnových délek, jako jsou kolimační čočky, selektivně filtrující zařízení nebo podobně.

Záření v blízké IČ oblasti spektra vycházející ze zařízení 64 je vedeno přes dělič 66 paprsků, kde se záření dělí do dvou paprsků, označených vztahovými značkami 68 a 70. První paprsek 68 je z děliče 66 paprsků veden do prostředí 72 vzorku obsahujícího neznámou koncentraci stanovovaného analytu. Na obrázku 2 prostředí 72 vzorku obsahuje buňku vzorku tvořenou vhodným substrátem schopným vést stanovované IČ záření z blízké oblasti spektra. V jednom případě, ve kterém je požadováno stanovení koncentrace krevních analytů, může vzorek obsahovat vzorek krevního séra. Případně může být paprsek 68 veden na povrch vzorku, jako je

44*4

4444 44 44 « *44 4444 · 4 4 4 444 4 · 4 4 » 4 4 4 4 44 4·· 444

4*4 44 4 44

4 44444 44 44 povrch tkáně použitím přímého propojovacího zařízení nebo nepřímého propojovacího zařízení, např. vlnovodů z optických vláken, které jsou popisovány svrchu. Tímto způsobem může být koncentrace krevních anylytů přítomných ve vzorku tkáně neinvasivně stanovena pomocí měření odrážejícího se IČ záření v blízké oblasti spektra záření, které interaguje se vzorkem tkáně.

Záření obsahující spektrálně upravené záření, které interagovalo se složkami vzorku, např. stanovovaného analytu, je poté shromažďováno a zaměřeno do optické přenosové cely 74. která je umístěna do dráhy paprsku. Optická přenosová cela 74, obsahující filtr pozitivní korelace, mající absorpční spektrum dostatečné pro přijatelné záření a selektivně z něj zvýrazňuje jednu nebo více vlnových délek mající velký vztah s koncentrací stanovovaného analytu a podstatně nekorelují s interferujícími složkami přítomnými ve vzorku. Systém filtru pozitivní korelace tak propouští skupina vybraných rozsahů vlnových délek, které poskytují informace specifické pro analyt, stejně tak jako informace o měření pozadí a informace, které mohou být použity, aby upravovaly změny vlivu přístroje nebo účinku rozhraní. Záření vycházející z optické přenosové cely 74 je obdrženo detekčním zařízením 76 pro převedení spektrálně změněného záření na signál, který je představitelem intensity tohoto záření. Detekční zařízení může zahrnovat široké spektrum fotodetektorů, jako je PbS fotodetektor a podobně.

Stále ještě s odkazem na obrázek 2, je druhý paprsek 70 veden z děliče 66 paprsků do opticky aktivního prvku 78. který je zařazen v dráze paprsku. V jednom uspořádání obsahuje opticky aktivní prvek 78 zařízení filtru o neutrální hustotě, které má absorpční charakteristiky dostatečné pro ·· ···· ·· *»»· *« ♦· » » · · · · · · · · • * * · · ··* · · · · • · · · · · · · ··· ··· ··· · · · · · *· · ·· ··♦ »· ♦ ·

- 25 utlumení záření rovnoměrně přes vybraný rozsah vlnových délek blízkého IČ záření. V jiném uspořádání je opticky aktivní prvek 78 optiqká přenosová cela, která obsahuje filtr pozitivní korelace mající absorpční spektrum shodné s absorpčním spektrem prvku 74 optické přenosové cely. Záření vycházející z opticky aktivního prvku 78 je zachycováno detekčním zařízením 80 pro převedení záření na signály představující jeho intenzitu.

Filtr pozitivní korelace může být tvořen jednoduchou vrstvou substrátu mající opticky aktivní obal, který mu propůjčuje absorpční charakteristiky schopné selektivního zvýraznění jedné nebo více vlnových délek, které mají velký vztah ke zvláštní koncentraci analytu. V určitém systému sestav obsahuje filtr pozitivní korelace množství filtračních vrstev, kde každá vrstva má vybranou hustotu filtru a/nebo tloušťku vrstvy vhodnou pro poskytnutí požadovaných absorpčních charakteristik. V jednom případě má minimálně jedna vrstva systému hustotu filtru a/nebo tloušťku, která zahrnuje zařízení váhového faktoru vlnových délek, kde váhový faktor poskytuje zvýšenou pozitivní korelaci procházejících vlnových délek ke koncentraci analytu ve vybraném prostředí vzorku.

Signály vytvářené detekčním zařízením 76 a 80 jsou poté vedeny do zařízení 82 pro převod těchto signálů na digitální signály určujících poměr intenzity záření vycházejícího ze zdroje 62 a odpovídajícího spektrálně změněným zářením vystupujícím ze vzorku. Tímto způsobem mohou být korigovány změny v intensitě záření vystupujícího ze zdroje 62 pro eliminaci případného zdroje chyb v měření získaných ze systému. Dále poté může být poměr signálů převeden do digitální formy a interpretován pro stanovení

4414 • 4

444 4 • 4 4 4 4 4 4 4 4 4 • 4 * 4 4 444 4 4 4 ·

4 4 «44 4· ·«« 444

4·4 444 44 · 44 444 44 44 koncentrace analytu použitím interního mikroprocesoru 84 nebo připojeným systémem použitím metod známých v technice.

Pokud je to požadováno, může být mikroprocesor naprogramován tak, aby vypočítával koncentraci analytu použitím chemometrických algoritmů pro poměr signálů. Příslušný algoritmus může být stanoven použitím výše popsaných chemometrických postupů, jako metoda nejmenších čtverců nebo analýza rotace základních složek původního absorpčního spektra stanovovaného analytu.

Mělo by být rozuměno, že zatímco byl tento vynález popisován ve spojení s jeho výhodnými specifickými provedeními, následující popis, stejně tak jako dále zařazené příklady, jsou zamýšleny jako ilustrační a neomezují rozsah tohoto vynálezu. Jiné aspekty, výhody a úpravy v rozsahu vynálezu budou zřejmé odborníkovi v oboru, kterého se týkají.

Příklad provedení vynálezu

Použitím způsobu podle tohoto vynálezu se získlalo neinvasivní měření glukózy. Byla prováděna zejména optická měření odraženého záření v blízké IČ oblasti spektra v rozsahu přibližně od asi 1100 nm do asi 3500 nm. Snímky spekter byly získávány od dobrovolníků z předloktí za použití přístroje, který má wolframo-rtutnatý (W - Hg) zdroj záření, olovnato sulfidový detektor (PbS) a rychlost snímání 1 nm za 0,4 sekundy.

Bylo identifikováno množství specifických spektrálních rozsahů, obsahujících informace, které se mohou použít pro stanovení koncentrace glukózy snímáním tkáně předloktí. Tyto specifické oblasti byly stanoveny studiem in vivo tolerance ···· •4 44··

4 4 444 · 4 4 · • · 4 4 444· 4 44 *

4·· «44 44 444 «4* · 4 444 44 ·· 4 44 444 44 44 ke glukóze prováděným spolu s invasivně získanými stanoveními in vitro koncentrace krevní glukózy. Na obrázku 3 jsou zobrazeny zejména snímky závislosti na čase získané během in vivo studia tolerance. Jak může být ukázáno, byly v průběhu studia zaznamenány významné změny v rozdílech intenzity odrazu v rozsahu od přibližně 2120 nm do asi 2180 nm. Tyto změny během testu tolerance rostou v přímé závislosti na růstu úrovně krevné glukózy, tím je naznačeno, že rozsah od asi 2120 nm do asi 2180 nm obsahuje pro glukózu specifické spektrální informace.

Jakmile byly jednou identifikovány specifické spektrální rozsahy, bylo získáno neinvasivní měření krevní glukózy užitím informace ze čtyř zřetelných spektrálních rozsahů. První rozsah spektra zahrnuje záření vyskytující se od asi 1320 nm do 1340 nm. Tento rozsah poskytuje velmi vysoce odražený signál a v tomto rozsahu není žádný významný absorpční pás glukózy. Informace získaná z prvního spektrálního rozsahu se může použít pro normalizaci každého jednotlivého snímku, aby se upravily výkyvy ve zdroji záření a změny v důsledku mechanických poruch.

Druhý rozsah spektra zahrnuje záření vyskytující se bud’ od asi 1440 nm do 1460 nm nebo od asi 1940 nm do 1960 nm. Tyto rozsahy poskytují v podstatě neodražený signál vlivem velkých absorpčních pásů vody, které tlumí rozptýleně odražené záření. Informace získané z těchto rozsahů mohou být použity pro odečítání hodnot pozadí a základní linie z jiných měření. Tato měření umožňují nastavení základny pro výpočet výkyvů vyvolávaných hodnotami zrcadlového odrazu a mohou se používat pro detekci nesprávného měření.

Třetí rozsah zahrnuje záření vyskytující se od asi ·· ·>·· ·· AAAA A A A • · ·* A

A A A

A A A

AA AA A

A«

1670 nm do 1690 nm. Tento rozsah poskytuje informaci specifickou pro analyt v důsledku přítomnosti vyšších harmonických vibračních pásů glukózy.

Čtvrtý rozsah zahrnuje záření vyskytující se od asi 2120 nm do 2280 nm. Tento rozsah poskytuje informaci specifickou pro analyt v důsledku přítomnosti kombinačních vibračních pásů glukózy.

Signály získané z prvního rozsahu byly použity pro normalizaci signálů jiných oblastí. Tento postup, je-li opakován s každým snímkem spektra, odstraňuje problém spojený se změnami zdroje světla a slouží k poskytování interního vztahu. Odchylky měření způsobené rozdíly v optickém rozhraní, např. umístění pacienta, byly tedy podstatně zmenšeny.

Informace pozadí byly odstraněny odečtením signálů získaných z druhého rozsahu, ze signálu získaného ve třetím a čtvrtém, pro analyt specifickém rozsahu. Tímto způsobem byl opraven vliv podkladu vytvořený zrcadlovým odrazem, který se liší podle povrchu pokožky a věku.

Normalizované a podle základní linie opravené signály ze třetího a čtvrtého rozsahu byly použity v analytické chemometrické analýze. Obrázek 4 zobrazuje normalizované rozdíly mezi signály v druhém a třetím rozsahu.

Jak může být ukázáno výsledky zobrazenými na obrázku 4, vzrůst úrovně krevní glukózy zapříčiňuje vzrůst rozdílu signálu mezi těmito dvěma rozsahy.

Claims (24)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Přístroj pro stanovení koncentrace analytu ve vzorku, vyznačující se tím, že obsahuje:

   a) zařízení pro ozařování vzorku dopadajícím zářením obsahujícím množství zřetelných nepřekrývajících se oblastí vlnových délek v blízké IČ oblasti spektra,

   b) zařízení pro zachycování odraženého záření vycházejícího ze vzorku a pro vedení tohoto odraženého záření do první a druhé světelné dráhy, kde první světelná dráha obsahuje záření z prvního rozsahu vlnové délky,

   c) první filtrační zařízení, zařazené do první světelné cesty, kde toto první filtrační zařízení je schopno selektivně propouštět záření nemající v podstatě vztah ke koncentraci analytu,

   d) první detekční zařízení pro přijímání selektivně procházejícího záření vycházejícího z prvního filtračního zařízení a zařízení pro převod tohoto záření na signál představující intenzitu tohoto záření,

   e) nastavitelné filtrační zařízení zařazené do druhé světelné dráhy, kde toto nastavitelné filtrační zařízení tlumí intenzitu záření ve druhé světelné cestě,

   f) zařízení hlavního filtru analytu schopné přijímat utlumené záření vycházející z nastavitelného filtračního zařízení a selektivně odtud propouštět jednu nebo více nezávislých vlnových délek, kde se tato jedna nebo více «· • · • ··· «* »» ·»· ♦

   « · vlnových délek specificky vztahuje ke koncentraci analytu,

   g) druhé filtrační zařízení schopné přijímat jednu nebo více nezávislých vlnových délek vycházejících ze zařízení hlavního filtru analytu a tlumit intenzitu každé nezávislé vlnové délky,

   h) druhé detekční zařízení pro přijímání utlumených nezávislých vlnových délek vycházejících ze druhého filtračního zařízení a

   i) zařízení pro převedení zachycených vlnových délek na signál odpovídající intenzitě těchto vlnových délek.
2. 2. Přístroj podle nároku 1,vyznačující se tím, že vlnové délky dopadajícího záření jsou v rozsahu od přibližně 1100 nm do 3500 nm.
3. 3. Přístroj podle nároku 1,vyznačující se tím, že první filtrační zařízení obsahuje úzkou pásmovou propust.
4. 4. Přístroj podle nároku 3,vyznačující se tím, že nastavitelné filtrační zařízení obsahuje filtr o neutrální hustotě.
5. 5. Přístroj podle nároku 4,vyznačující se tím, že signál získaný z prvního detekčního zařízení je použit pro regulaci utlumení poskytovaného nastavitelným filtračním zařízením.
6. 6. Přístroj podle nároku 1,vyznačující se tím, že druhé filtrační zařízení obsahuje filtr o neutrální ·· • * ♦ · • · · * · ··♦ • · · · • · » • · · • · ·· ♦ · hustotě
7. 7. Přístroj podle nároku 6,vyznačující se tím, že utlumení poskytované druhým filtračním zařízením je stanoveno použitím váhových faktorů.
8. 8. Přístroj podle nároku 7,vyznačuj ící se tím, že váhové faktory jsou odvozeny použitím chemometrických postupů.
9. 9. Přístroj podle nároku 8,vyznačující se tím, že váhové faktory jsou odvozeny použitím analýzy rotace základní složky absorpčního spektra analytu.
10. 10. Přístroj podle nároku 1,vyznačuj ící se tím, že vzorek obsahuje tělesnou tkáň a analyt sestává z organického krevního analytu.
11. 11. Přístroj podle nároku 10, vyznačuj ící se t i i, že krevní analyt je vybrán ze skupiny sestávající z glukózy, močoviny (BUN), lipidů, bilirubinu a ethylalkoholu.
12. 12. Přístroj podle nároku 10,vyznačuj ící se t í m, že krevním analytem je glukóza.
13. 13. Přístroj pro stanovení koncentrace analytu ve vzorku vyznačující se tím, že obsahuje:

    a) zdroj schopný vysílat infračervené záření z blízké oblasti spektra obsahující větší počet zřetelných nepřekrývajících se oblastí v blízké oblasti IČ záření, • » fl fl • » «·· fl • · ·· ···« • · • ··» fl· • * · • · · • •fl fl fl • fl· • fl ··

    b) zařízení pro dělení záření vycházejícího ze zdroje podle části a) do první a druhé dráhy paprsků,

    c) zařízení pro ozařování vzorku zářením v první dráze paprsků, přičemž poskytuje odražené záření,

    d) zařízení pro zachycení odraženého záření vycházejícího ze vzorku a nasměrování tohoto odraženého záření do dráhy odraženého světla,

    e) první optickou přenosovou celu zařazenou v dráze odraženého světla, přičemž tato první optická přenosová cela obsahuje první zařízení filtru pozitivní korelace, mající absorpční charakteristiky přizpůsobené k přijetí odraženého záření a zvýraznění jedné nebo více vlnových délek z odraženého záření, kde má tato jedna nebo více vlnových délek úzký vztah ke koncentraci analytu ve vzorku,

    f) zařízení pro příjem jedné nebo více zvýrazněných vlnových délek z první optické přenosové cely a pro jejich převod na signály odpovídající intenzitě těchto zvýrazněných vlnových délek,

    g) druhou optickou přenosovou celu zařazenou do druhé dráhy paprsků, přičemž tato druhá přenosová cela obsahuje filtr o neutrální hustotě mající absorpční charakteristiky dostatečné pro utlumení intenzity záření z druhé dráhy paprsků rovnoměrně přes vybraný rozsah vlnových délek z blízké IČ oblasti spektra,

    h) zařízení pro příjem utlumeného záření z druhé optické přenosové cely a pro jeho převod na signál odpovídající jeho intenzitě a

    i) zařízení pro výpočet koncentrace analytu ve vzorku za použití signálů tvořených podle bodů f) a i).
14. 14. Přístroj podle nároku 13, vyznačuj ící se t í m, že vlnové délky dopadajícího záření jsou v rozsahu od přibližně 1100 nm do 3500 na.
15. 15. Přístroj podle nároku 14,vyznačuj ící se t í m, že druhá optická přenosová cela obsahuje druhé zařízení filtru pozitivní korelace, mající absorpční charakteristiky shodné s charakteristikami prvního filtru pozitivní korelace.
16. 16. Přístroj podle nároku 14, vyznačuj ící se t i m, že zařízení pro výpočet koncentrace analytu ve vzorku převádí signály vytvořené podle bodů f) a i) na digitální signál vyjadřující poměr mezi intenzitou záření vycházejícího ze zdroje a odpovídajícího záření vycházejícího ze vzorku.
17. 17. Přístroj podle nároku 14, vyznačuj ící se t í m, že zařízení pro výpočet koncentrace analytu ve vzorku obsahuje zařízení pro použití chemometrických algoritmů na signály vytvářené podle bodů f) a i).
18. 18. Přístroj podle nároku 13, vyznačuj ící se t i i, že zařízení prvního filtru pozitivní korelace obsahuje množství vrstev, kde každá vrstva má vybranou absorpční charakteristiku, přičemž toto filtrační zařízení zvýrazftuje skupinu vlnových délek majících úzký vztah ke koncentraci analytu.

    • * 9 999 • 9 * · 9 · 9 · * 9 • · · 9···· β 9 9 9

    9 9 9 9« 9 99 999999

    9 · 9 9* 9 9 *

    99 9 99 999 99 99
19. 19. Přístroj podle nároku 18, vyznačuj ící se t í m, že absorpční charakteristika alespoň jedné vrstvy z prvního a druhého zařízení filtru pozitivní korelace je stanovena použitím váhových faktorů.
20. 20. Přístroj podle nároku 19,vyznačuj ící se t í m, že váhové faktory jsou odvozeny použitím chemometrických postupů.
21. 21. Přístroj podle nároku 19, vyznačuj ící se t í m, že váhové faktory jsou odvozeny pomocí analýzy rotací základních složek absorpčního spektra analytu.
22. 22. Přístroj podle nároku 13, vyznačuj ící se t í m, že vzorek sestává z tělesné tkáně a analyt sestává z organického krevního analytu.
23. 23. Přístroj podle nároku 22, vyznačuj ící se t í m, že krevní analyt je vybrán ze skupiny složené z glukózy, močoviny (BUN), lipidů, bilirubinu a ethylalkoholu.
24. 24. Přístroj podle nároku 22, vyznačuj ící se t í m, že krevním analytem je glukóza.

    (náhradní strana)··. ···;

    PATENTOVÉ NÁROKY

    1. Přístroj pro stanovení koncentrace analytu ve vzorku, vyznačující se tím, že obsahuje:

    a) zařízení pro ozařování vzorku dopadajícím zářením obsahujícím množství zřetelných, nepřekrývajících se spektrálních oblastí vlnových délek v blízkém infračerveném spektru,

    b) zařízení pro zachycování odraženého záření vycházejícího ze vzorku a pro vedení tohoto odraženého záření do první a druhé světelné dráhy, ve kterém první světelná dráha obsahuje záření z prvního spektrální oblasti vlnové délky,

    c) první filtrační zařízení zařazené do první světelné cesty, ve kterém toto první filtrační zařízení je schopno selektivně propouštět záření, které v podstatě není v korelaci s koncentrací analytu,

    d) první detekční zařízení pro přijímání selektivně procházejícího záření vycházejícího z prvního filtračního zařízení a pro převod tohoto záření na signál reprezentující intenzitu tohoto záření,

    e) nastavitelné filtrační zařízení zařazené do druhé světelné dráhy, ve kterém toto nastavitelné filtrační zařízení tlumí intenzitu záření ve druhé světelné cestě,

    f) zařízení hlavního filtru analytu schopné přijímat utlumené záření vycházející z nastavitelného filtračního {náhradní strana i to

    - 30 - ’*· to « · to to zařízení a selektivně z něho propouštět jednu nebo více nezávislých vlnových délek, kde tato jedna nebo více vlnových délek je v korelaci s koncentrací analytu,

    g) druhé filtrační zařízení schopné přijímat jednu nebo více nezávislých vlnových délek vycházejících ze zařízení hlavního filtru analytu a tlumit intenzitu každé nezávislé vlnové délky, a

    h) druhé detekční zařízení pro přijímání utlumených nezávislých vlnových délek vycházejících ze druhého filtračního zařízení a převedení zachycených vlnových délek na signál odpovídající intenzitě těchto vlnových délek.

    2. Přístroj podle nároku 1,vyznačující se tím, že první filtrační zařízení obsahuje filtr s úzkou pásmovou propustí.

    3. Přístroj podle nároku 2,vyznačující se tím, že nastavitelné filtrační zařízení obsahuje filtr o neutrální hustotě, použitý ve shodě s korelačními filtry ve filtračním systému.

    4. Přístroj podle nároku 3,vyznačující se tím, že signál získaný z prvního detekčního zařízení je použit pro regulaci utlumení poskytovaného nastavitelným filtračním zařízením.

    5. Přístroj podle nároku 1,vyznačující se tím, že druhé filtrační zařízení obsahuje filtr o neutrální hustotě, použitý ve shodě s korelačními filtry ve filtračním systému.

    4 « (náhradní strana.)

    - ₃₁ - =.

    • 4 4··

    6. Přístroj podle nároku 5,vyznačující se tím, že utlumení poskytované druhým filtračním zařízením je stanoveno použitím váhových faktorů.

    7. Přístroj pro stanovení koncentrace analytu ve vzorku, vyznačující se tím, že obsahuje:

    a) zdroj schopný vysílat záření obsahující větší počet zřetelných, nepřekrývajících se spektrálních oblastí v blízkém infračerveném spektru,

    b) zařízení pro dělení záření vycházejícího ze zdroje podle části a) do první a druhé dráhy paprsků,

    c) zařízení pro ozařování vzorku zářením v první dráze paprsků, přičemž poskytuje odražené záření,

    d) zařízení pro zachycení odraženého záření vycházejícího ze vzorku a nasměrování tohoto odraženého záření do dráhy odraženého světla,

    e) první optickou přenosovou celu zařazenou v dráze odraženého světla, přičemž tato první optická přenosová cela obsahuje první zařízení filtru pozitivní korelace, mající absorpční charakteristiky přizpůsobené k přijetí odraženého záření a zvýraznění jedné nebo více vlnových délek z odraženého záření, ve kterém je tato jedna nebo více vlnových délek v úzké korelaci ke koncentraci analytu ve vzorku,

    f) zařízení pro příjem jedné nebo více zvýrazněných vlnových délek z první optické přenosové cely a pro jejich převod na signály odpovídající intenzitě těchto zvýrazněných (náhradní strana)··,···; ,··.;··· .**..’*.

    « « « · ···« · · · · »·« * » v ·· ··· ···

    3Λ «·· · · ··

    Z “ *· « ·· ·· ·· ·· vlnových délek,

    g) druhou optickou přenosovou celu zařazenou do druhé dráhy paprsků, přičemž tato druhá přenosová cela obsahuje filtr o neutrální hustotě mající absorpční charakteristiky dostatečné pro utlumení intenzity záření z druhé dráhy paprsků rovnoměrně přes vybraný rozsah vlnových délek z blízké infračervené oblasti,

    h) zařízení pro příjem utlumeného záření z druhé optické přenosové cely a pro jeho převod na signál odpovídající jeho intenzitě a

    i) zařízení pro výpočet koncentrace analytu ve vzorku za použití signálů tvořených podle bodů f) a h).

    8. Přístroj podle nároku 7, vyznačuj ící se t í m, že druhá optická přenosová cela obsahuje druhé zařízení filtru pozitivní korelace, mající absorpční charakteristiky shodné s charakteristikami prvního filtru pozitivní korelace.

    9. Přístroj podle nároku 7, vyznačuj ící se t í m, že zařízení pro výpočet koncentrace analytu ve vzorku převádí signály vytvořené podle bodů f) a h) na digitální signál vyjadřující poměr mezi intenzitou záření vycházejícího ze zdroje a odpovídajícího záření vycházejícího ze vzorku.

    10. Přístroj podle nároku 7,vyznačující se t í m, že zařízení pro výpočet koncentrace analytu ve vzorku obsahuje zařízení pro použití chemometrických algoritmů na signály vytvářené podle bodů f) a h).

    (náhradní strany)·,···;

    - 33 11. Přístroj podle nároku 7, vyznačuj ící se t í m, že zařízení prvního filtru pozitivní korelace obsahuje množství vrstev, kde každá vrstva má vybranou absorpční charakteristiku, přičemž toto filtrační zařízení zvýrazňuje skupinu vlnových délek majících úzkou korelaci s koncentrací analytu.

    12. Přístroj pro stanovení koncentrace analytu ve vzorku, vyznačující se tím, že obsahuje:

    a) zdroj schopný vysílat záření obsahující větší počet zřetelných, nepřekrývajících se spektrálních oblastí vlnové délky v blízkém infračerveném spektru,

    b) zařízení pro dělení záření vycházejícího ze zdroje do první a druhé dráhy paprsků,

    c) zařízení pro ozařování vzorku zářením v první dráze paprsků, přičemž poskytuje odražené záření,

    d) zařízení pro zachycení odraženého záření vycházejícího ze vzorku a nasměrování tohoto odraženého záření do dráhy odraženého světla,

    e) první optickou přenosovou celu zařazenou v dráze odraženého světla, přičemž tato první cela obsahuje první zařízení filtru pozitivní korelace, mající absorpční charakteristiky přizpůsobené k přijetí odraženého záření a zvýraznění jedné nebo více vlnových délek z odraženého záření, ve kterém je tato jedna nebo více vlnových délek v úzké korelaci s koncentrací analytu ve vzorku, (náhradní strana!

    «*«

    f) zařízení pro příjem jedné nebo více zvýrazněných vlnových délek z první optické přenosové cely a pro jejich převod na signály odpovídající intenzitě těchto zvýrazněných vlnových délek,

    g) druhou optickou přenosovou celu zařazenou do druhé dráhy paprsků, přičemž tato druhá cela obsahuje druhé zařízení filtru pozitivní korelace mající absorpční charakteristiky identické s charakteristikami prvního zařízení filtru pozitivní korelace,

    h) zařízení pro příjem utlumeného záření z druhé optické přenosové cely a pro jeho převod na signály odpovídající jeho intenzitě a

    i) zařízení pro výpočet koncentrace analytu ve vzorku za použití signálů tvořených podle bodů f) a h).

    13. Přístroj podle nároku 12, vyznačuj ící se t í m, že první zařízení filtru pozitivní korelace obsahuje množství vrstev, přičemž každá vrstva má zvolené takové absorpční charakteristiky, že uvedené zařízení filtru zvýrazní celkový počet vlnových délek, které mají úzkou korelaci s koncentrací analytu.

    14. Přístroj podle nároku 13, vyznačuj ící se t í m, že absorpční charakteristiky alespoň jedné vrstvy z prvního a druhého zařízení filtru pozitivní korelace jsou stanoveny použitím váhových faktorů.

    15. Přístroj podle nároku 6 nebo 14, vyznačující se tím, že váhové faktory jsou odvozeny použitím chemometrických technických postupů.

    4» ···· ·· ···* (náhradní strana ϊ ; .* i ::.. ::::

    • · ·· · ·· ·*···· ... ... · · __ ·· · ·· ··· ·♦ ··

    - 35 16. Přístroj podle nároku 15, vyznačuj ící se t í m, že váhové faktory jsou odvozeny s použitím analýzy rotací základních složek absorpčního spektra analytu.

    17. Přístroj podle nároku 1, vyznačuj ící se t í m, že vlnové délky dopadajícího záření jsou v rozsahu přibližně 1100 až 3500 nm.

    18. Přístroj podle nároku 7 nebo 12, vyznačující setím, že vlnové délky záření vycházejícího ze zdroje jsou v rozsahu přibližně 1100 až 3500 nm.

    19. Přístroj podle nároku 1, 7 nebo 12, vyznačující se tím, že vzorek sestává z tělesné tkáně a analyt sestává z organického krevního analytu.

    20. Přístroj podle nároku 19, vyznačuj íc í se t í m, že krevní analyt je vybrán ze skupiny složené z glukózy, močoviny (BUN), lipidů, bilirubinu a ethylalkoholu.

    21. Přístroj podle nároku 20,vyznačuj ící se t í m, že krevním analytem je glukóza.