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Querverweis
auf verwandte Patente und anhängige Anmeldungen
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Die
vorliegende Anmeldung steht mit dem US-Patent US-A-6 152 876 mit dem
Titel „Method
for Non-Invasive Analyte Measurement with Improved Optical Interface", und dem US-Patent
US-A-5 935 062 mit dem Titel „Diffuse
Reflectance Monitoring Apparatus",
im Zusammenhang, die beide an denselben Rechtsnachfolger wie die
vorliegende Anmeldung übertragen
sind.
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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Verfahren und Systeme
zum Verifizieren der Identität
einer Person unter Nutzung von Spektraldaten aus einer nicht-invasiven
Gewebeanalyse im nahen Infrarot. Insbesondere betrifft die Erfindung nicht-invasive
Verfahren und eine Vorrichtung zum Verifizieren der Identität einer
lebenden Person unter Verwendung der Absorption von Lichtenergie
durch ein Gewebe im nahen Infrarot, wobei die Identität unter
Verwendung von Diskriminanzanalysetechniken an resultierenden Spektraldaten
von subkutanem Gewebe verifiziert wird, die mit vorher gespeicherten Spektraldaten
für diese
Person verglichen werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine
Identitätsverifizierung
ist in vielen Anwendungen nützlich.
Beispiele umfassen die Verifizierung der Identität vor der Aktivierung einer
Maschinerie oder dem Erlangen eines Zugangs zu einem Sicherheitsbereich.
Ein anderes Beispiel wird eine Identitätsverifizierung einer Person
zum Vergleich dieser Person mit Aufzeichnungen in einer Datei für diese Person
sein, wie zum Vergleich von Krankenhaus-Patientenaufzeichnungen,
wenn die Identität der
Person unbekannt ist. Eine Identitätsverifizierung ist auch nützlich,
um Polizeiaufzeichnungen zu der Zeit zu vergleichen, zu der ein
Verdächtiger
festgenommen wird, jedoch die wirkliche Identität des Verdächtigen nicht bekannt ist.
Paßwörter, Schlüssel, numerische
Codes und Fingerabdrücke
sind Lösungen,
die gegenwärtig
in Gebrauch sind. Jedoch können
Schlüssel
und Codes durch jeden verwendet werden, der im Besitz der Schlüssel oder
Codes ist. Eine Anforderung, daß die
Person, die physisch an einem Ort ist, die Person ist, die berechtigt
ist, den Schlüssel
oder das Paßwort
zu verwenden, wird nicht leicht durchgesetzt. Eine Fingerabdruckanalyse
ergibt im allgemeinen keine augenblicklichen Ergebnisse, und Sicherheitssysteme,
die auf einer Fingerabdruckanalyse beruhen, können umgangen werden, wie durch
Osten et al. im US-Patent Nr. 5,719,950 offenbart. Dieses Dokument
offenbart ein System, das eine Berechtigungsdatenbank und Einrichtungen zum
Erhalten eines Gewebespektrums im nahen Infrarot aufweist.
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Lebendes
menschliches Gewebe wird als ein dynamisches System angesehen, das
eine Vielfalt von Komponenten und Analytinformationen enthält, die
insbesondere in der Ärzteschaft
zur Diagnose, Behandlung und Überwachung
von menschlichen physischen Zuständen
nützlich
sind. Zu diesem Zweck sind Anstrengungen auf die Entwicklung von Verfahren
zur nicht-invasiven
Messung von Gewebebestandteilen unter Verwendung von Spektroskopie gerichtet
worden. Die spektrographische Analyse von lebenden Gewebe hat sich
auf die Identifizierung von spektralen Informationen konzentriert,
die Personenanalyte definieren, und verbindet solche Spektraldaten
mit der Konzentration des Analyts. Konzentrationen dieser Analyte
variieren mit der Zeit in einem einzelnen Patienten. Die Erfas sung
von Gewebespektraldaten mit einer ausreichenden Genauigkeit zur
Verwendung in der Diagnose und Behandlung hat sich als schwierig
herausgestellt. Es sind Schwierigkeiten bei der Durchführung der
Analyse festgestellt worden, die mit der Tatsache im Zusammenhang
stehen, daß das
Gewebesystem eine komplexe Matrix von Materialien mit differierenden
Brechungsindizes und Absorptionseigenschaften ist. Da ferner die
interessierenden Bestandteile vielfach mit sehr niedrigen Konzentrationen
vorhanden sind, hatten Bestandteile mit einer hohen Konzentration
wie Wasser einen nachteiligen Einfluß auf die Identifizierung der
spektralen Information der Bestandteile mit niedrigem Niveau und
das Erhalten einer genauen Messung der gewünschten Bestandteilskonzentration.
Die Entwicklung dieser Techniken hat sich immer auf die Änderungen
der spektralen Ausgangsleistung mit der Änderung der Konzentration eines
interessierenden dynamischen Analyts wie Glucose konzentriert. Die
offenbarten Techniken sind auf die Identifizierung von Konzentrationen
spezifischer Analyte gerichtet, von denen erwartet wird, daß sich deren Konzentration
mit der Zeit ändert.
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Verbesserte
Verfahren und eine Vorrichtung zur Sammlung und Analyse eines Gewebespektrums im
nahen Infrarot für
eine Analytkonzentration werden in den gemeinsam übertragenen
US-Patentanmeldungen
und erteilen Patenten offenbart. Das US-Patent Nr. 5,655,530 und die US-Patentanmeldung
Serien-Nr. 08/844,501, eingereicht am 18. April 1997, mit dem Titel „Method
for Non-invasive Blood Analyte Measurement with Improved Optical
Interface" betrifft
eine Analyse im nahen Infrarot einer Gewebe-Analytkonzentration,
die sich mit der Zeit verändert,
mit einem primären
Augenmerk auf Glucosekonzentrationen in diabetischen Personen. Die
Verfahren und die Vorrichtung umfassen die Anordnung eines brechenden
Indexanpassungs medium zwischen einem Sensor und der Haut, um die
Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Prüfung zu verbessern. Die US-Patentanmeldung Serien-Nr.
09/174,812, eingereicht am 19. Oktober 1998, mit dem Titel „Method
for Non-Invasive Blood Analyte Measurement with Improved Optical
Interface" offenbart
zusätzliche Verbesserungen
der nicht-invasiven Analytanalyse von lebendem Gewebe.
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Das
US-Patent Nr. 5,636,633 betrifft teilweise einen anderen Aspekt
einer genauen nicht-invasiven Messung einer Analytkonzentration.
Die Vorrichtung weist eine Vorrichtung mit transparenten und reflektierenden
Quadranten zur Trennung diffus reflektierten Lichts von spiegelnd
reflektiertem Licht auf. Auftreffendes Licht, das in die Haut projiziert
wird, führt
dazu, daß spiegelnd
und diffus reflektiertes Licht von der Haut zurückkommt. Spiegelnd reflektiertes Licht
weist wenig oder keine nützliche
Information auf und wird vorzugsweise vor der Sammlung entfernt. Das
US-Patent US-A-5 935 062 mit dem Titel „Improved Diffuse Reflectance
Monitoring Apparatus",
offenbart eine weitere Verbesserung zur genauen Analytkonzentrationsanalyse,
die eine Sperrlamellen-Vorrichtung zur Trennung diffus reflektierten Lichts
von spiegelnd reflektiertem Licht aufweist. Die Lamelle läßt es zu,
daß Licht
von der tieferen, innern Dermisschicht aufgefangen wird, wobei sie
Licht von der oberflächlichen
Epidermisschicht zurückweist, wo
die Epidermisschicht eine sehr viel kleinere Analytinformation als
die innere Dermisschicht aufweist und Rauschen beiträgt. Die
Lamelle fängt
spiegelnde Reflexionen ebenso wie diffuse Reflexionen von der Epidermis
auf. Die Offenbarungen des obigen Patents und der Anmeldung, die
an den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung übertragen
sind, sind hierin ebenfalls als Verweis aufgenommen.
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Das
US-Patent Nr. 5,435,309 betrifft ein System zur Auswahl optimaler
Wellenlängen
für eine spektrale
Analyse mit mehreren Variablen. Die Verwendung nur einer Wellenlänge liefert
ungenügende Informationen,
insbesondere für
Lösungen,
die mehrere Komponenten aufweisen. Die Verwendung von zu vielen
Wellenlängen
kann zu viel Rauschen enthalten und zu einer kombinatorischen Explosion
der Berechnungen führen.
Daher sollte die Anzahl der verwendeten Wellenlängen begrenzt und die Wellenlängen wohl
gewählt
sein. Es werden in dieser Beziehung genetische Algorithmen verwendet,
um die passendsten Wellenlängen
auszuwählen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Im
Gegensatz zu den oben erläuterten
Techniken des Stands der Technik für eine nicht-invasive Analyse
einer Blut- oder Gewebe-Analytkonzentration unter Verwendung von
Infrarotspektroskopie beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis
des Anmelders, daß das
resultierende Gewebespektrum einer besonderen Person eindeutige
Spektralmerkmale und Kombinationen von Spektralmerkmalen aufweist,
die verwendet werden können,
um die Person zu identifizieren, sobald die analytische Vorrichtung
trainiert worden ist, die Person zu identifizieren. Spektrale Informationen
im nahen Infrarotbereich werden bevorzugt, jedoch wird erkannt,
daß sichtbare
oder Lichtenergie im mittleren Infrarot für sich oder in Kombination
mit nahem Infrarot verwendet werden könnte. Das Training der Vorrichtung
wird durch die Verwendung gespeicherter Spektraldaten für jene Person
aus einer früheren
Prüfung
erreicht. Die Anmelder sind in der Lage, mit den hierin offenbarten Techniken
im wesentlichen falschpositive Fehlerhäufigkeiten von null Prozent
zu erzielen, obwohl des Gewebe, das analysiert wird, ein dynamisches
System mit Analytkonzentrationen und folglich Gewebespektraldaten
ist, die be trächtlich über die
Zeit und zwischen den Analysen variieren. Es wird angenommen, daß der Erfolg
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung mit zwei Komponenten verbunden
ist. Erstens umfaßt
das Verfahren eine Vorrichtung und eine Technik zur genauen und
wiederholbaren Erfassung eines Gewebespektrums, das stabil ist,
während
es für
geringfügige Änderungen
der spektralen Ausgangsleistung bei jeder gegebenen Wellenlänge empfindlich
bleibt. Das System optimiert den optischen Durchsatz sowohl in als
auch aus der Gewebeprobe. Zweitens beruht die vorliegende Erfindung, da
die Spektralmerkmale oder Kombinationen der Spektralmerkmale, die
für eine
bestimmte Person eindeutig sind, nicht ohne weiteres durch einen
visuellen Vergleich eines spektralen Resultats deutlich oder identifiziert
werden, auf Diskriminanzanalysetechniken, um zuerst die Vorrichtung
zu trainieren, um Spektralmerkmale von Bedeutung für die Person zu
identifizieren und dann solche Merkmale zur Zeit der versuchten
Verifizierung mit neuen Spektraldaten zu vergleichen. Das Verfahren
kann eine Diskriminanzanalysetechnik umfassen, die auf einer Mahalanobis-Distanztechnik
oder anderen Distanztechniken beruht, um Spektraldaten, die von
einer Person erfaßt
werden, mit Spektraldaten zu vergleichen, die in einer Datenbank
vorhanden sind.
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Die
vorliegende Erfindung umfaßt
folglich ein Verfahren zum Verifizieren der Identität einer
Person, wobei eine nicht-invasive Gewebespektroskopie verwendet
wird. Ein bevorzugtes Verfahren und eine bevorzugte Vorrichtung
beleuchten Haut mit Strahlung im nahen Infrarot und sammeln die
reflektierte, nicht-absorbierte Strahlung im nahen Infrarot. Es wird
vorzugsweise eher diffus als spiegelnd reflektiertes Licht gesammelt,
bevorzugter Licht, das eher von der inneren Dermis als der Epidermis
diffus reflektiert wird. Die gesammelten Spektraldaten im nahen
Infrarot können
in einer Compu terdatenbank gespeichert werden. Eine Reihe solcher
Spektraldaten wird von der Person oder den Personen gesammelt, für die eine
Identitätsverifizierung
gewünscht
wird. Die Identität
der Person wird vorzugsweise zusammen mit den verbundenen Spektraldaten
in einer Berechtigungsdatenbank verifiziert und gespeichert. Die
Berechtigungsspektren können über eine
Zeitspanne von Minuten gesammelt werden, oder bevorzugter können eine
Anzahl von Spektren über
Tage und Wochen gesammelt werden, was die Einstellung des Modells
der Person zum Verifizieren zuläßt, um natürliche physiologische
Differenzen zu jeder gegebenen Zeit der Analyse zu berücksichtigen,
die Gewebespektren einer Person beeinflussen werden.
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Nach
der Sammlung kann die Berechtigungsspektraldatenbank für eine bestimmte
Person unter Verwendung von Diskriminanzanalysewerkzeugen relativ
zu neuen Spektraldaten von einer Person, die vorgibt, diese Person
zu sein, oder einer unbekannten Person analysiert werden. Wenn die
angebliche Identität
einer Zielperson verifiziert werden soll oder die Identität einer
unbekannten Person gegen eine gespeicherte Datenbank geprüft werden soll,
kann ein Zielgewebespektrum in einer Weise aufgenommen und verarbeitet
werden, die ähnlich zur
Verarbeitung der schon gespeicherten Berechtigungsspektren ist.
In einem Verfahren werden die Mahalanobis-Distanz und die spektrale
Restgröße verwendet,
um die angebliche Identität
zu verifizieren oder die Spektraldaten der unbekannten Person gegenüber einer
Datenbank zu prüfen.
In einem bevorzugten Verfahren werden die Mahalanobis-Distanz und
die spektrale Restgröße für das Zielspektrum
relativ zu den Datenbankspektren für die Person mit der angeblichen
Identität
berechnet. Die Identität wird
nur verifiziert, wenn die obenerwähnte Distanz und Größe kleiner
als eine vorbestimmte Schwelle sind, die für jeden eingestellt wird.
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Ein
System zum Identitätsverifizieren
weist auf: einen Computer, der eine Eingabevorrichtung und eine
Ausgabevorrichtung aufweist; eine Datenbank, die Gewebespektraldaten
im nahen Infrarot für berechtigte
Personen oder eine Sammlung von Spektraldaten für Personen aufweist, gegenüber der unbekannte
Personen geprüft
werden würden;
eine Strahlungsquelle für
nahes Infrarot zur Projektion der Strahlung im nahen Infrarot in
subkutanes Gewebe; ein Spektrometer für nahes Infrarot zur Messung
einer subkutanen Intensität
im nahen Infrarot über mehrere
Wellenlängen;
und ein Programm, das in dem Computer ausgeführt wird, zur Diskriminierung zwischen
den Spektraldaten einer Zielperson und der Berechtigungsdatenbank
von Spektraldaten oder der Sammlung von Spektren, die Spektren für eine Gruppe
von Personen aufweisen. Das Programm kann Software zur Durchführung einer
Diskriminanzanalyse enthalten. In einem System können überwachte Lernprogramme genutzt
werden, um zu helfen, die verschiedenen Spektraldaten für jede identifizierte Person
miteinander zu verbinden.
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Diese
und verschiedene andere Vorteile und Merkmale der Neuheit, die die
vorliegende Erfindung kennzeichnen, werden mit Ausführlichkeit
in den Ansprüchen
dargelegt, die hieran angehängt
sind und einen Teil hiervon bilden. Jedoch sollte für ein besseres
Verständnis
der Erfindung, ihrer Vorteile und der Aufgabe, die durch ihre Verwendung
gelöst
wird, auf die Zeichnungen, die einen weiteren Teil hiervon bilden,
und auf die beigefügten
beschreibenden Materialien bezug genommen werden, in denen bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht und beschrieben werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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In
den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern über die verschiedenen Ansichten
hinweg entsprechende Teile oder Elemente bevorzugter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung anzeigen, zeigen:
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1 eine
Teilquerschnittansicht eines Sensorelements, das mit der Hautoberfläche über eine Indexanpassungsflüssigkeit
gekoppelt ist;
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2 eine
Teilquerschnittansicht einer alternativen Ausführungsform eines Sensorelements,
das an gegenüberliegende
Seiten einer Hautoberfläche über eine
Indexanpassungsflüssigkeit
gekoppelt ist; und
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3 eine
graphische Darstellung experimenteller Daten, die die Verbesserung
der Genauigkeit und Wiederholbarkeit eines Sensors zeigt, der mit
der Haut über
ein Indexanpassungsmedium gekoppelt ist.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Es
werden hierin detaillierte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung offenbart. Jedoch ist zu verstehen, daß die offenbarten
Ausführungsformen
für die
vorliegende Erfindung, die in verschiedenen Systemen ausgeführt werden
kann, lediglich beispielhaft sind. Daher sollen spezifische Details,
die hierin offenbart werden, nicht als begrenzend, sondern vielmehr
als eine Grundlage für
die Ansprüche und
als eine repräsentative
Grundlage für
die Unterrichtung eines Fachmanns über die mannigfaltige Praxis
der Erfindung interpretiert werden.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis des Anmelders, daß ein genaues,
präzises und
wiederholbares Gewebespektrum einer Person im nahen Infrarotbereich
Spektralmerkmale und Kombinationen von Spektralmerkmalen enthält, die für jene Person
eindeutig sind. Es wird ferner angenommen, daß eine gewisse eindeutige Information im
sichtbaren Lichtbereich vorhanden sein kann, wobei die hierin offenbarten
Techniken an eine solche Analyse anpassungsfähig sind. Die vorliegende Erfindung
beruht ferner auf einer Erkenntnis, daß eine geeignete Analyse, die
Diskriminanzanalysetechniken nutzt, diese eindeutigen Merkmale oder
Kombinationen identifizieren kann, die in einer visuellen Analyse
der spektralen Ausgangsleistung nicht ohne weiteres deutlich werden,
so daß die
Identität
einer Person durch Vergleich von Gewebespektraldaten, die zur Zeit
der Verifizierung genommen werden, verglichen mit gespeicherten
Gewebespektraldaten vor der Prüfung
verifiziert werden kann. Das Identifizierungsverfahren kann außerdem in
Verbindung oder gleichzeitig mit einer Messung der Analytkonzentrationen
in einer Person verwendet werden.
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Die
früheren
Spektraldaten werden verwendet, um die Vorrichtung zu trainieren,
diese besondere Person beruhend auf Merkmalen zu identifizieren, die
als eindeutig für
diese bestimmte Person erkannt werden. Es ist festgestellt worden,
daß diese
eindeutigen Spektralmerkmale konsistent vorhanden sind, obwohl das
Gewebe, das bei jedem Mal der Analyse analysiert wird, ein dynamisches
System ist, das Komponenten und Analyte enthält, deren Konzentration infolge
physiologischer Änderungen
in der Person variiert, mit daraus resultierenden spektralen Gewebevariationen.
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Wie
vorher angegeben, gibt es zwei Komponenten für den Erfolg des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung. Erstens umfaßt das Verfahren eine Vorrichtung
und Technik, um genau und wiederholbar Gewebespektraldaten zu erfassen.
Die Vorrichtung ist für
geringe Änderungen
der spektralen Ausgangsleistung bei jeder gegebenen Eingangswellenlänge empfindlich
und optimiert den gesamten optischen Durchsatz sowohl in als auch
aus der Gewebeprobe. Zweitens erfordert das Verfahren spezifische
Techniken zum Training des Instruments, um Spektralmerkmale von
Bedeutung für
diese bestimmte Person zu identifizieren, und dann solche Merkmale
mit neuen Spektraldaten zu vergleichen, die zur Zeit einer versuchten
Verifizierung erfaßt
werden. Da die Spektralmerkmale oder Kombinationen von Spektralmerkmalen,
die für
eine bestimmte Person eindeutig sind, nicht ohne weiteres durch
einen visuellen Vergleich eines spektralen Resultats deutlich oder
identifiziert werden und die eindeutigen Spektralmerkmale für unterschiedliche
Personen bei unterschiedlichen Wellenlängen vorhanden sind, beruht
die vorliegende Erfindung auf Diskriminanzanalysetechniken, um Spektraldaten
zu vergleichen. Jede Komponente der Vorrichtung und des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung werden unten detailliert dargestellt.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt ein genaues, wiederholbares und empfindliches
Verfahren zur nicht-invasiven Messung von Gewebespektraldaten im
nahen Infrarot. Es wird erkannt, daß die Probe eine komplexe Matrix
von Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes und Absorptionseigenschaften
ist. Da ferner viele Bestandteile mit sehr niedrigen Konzentrationen
vorhanden sind, ist festgestellt worden, daß es unumgänglich ist, Licht in einer
effizienten Weise in das Gewebe zu ein- und auszukoppeln. Das Verfahren
der vorliegenden Erfindung umfaßt
ein Indexanpassungsmedium, eine Flüssigkeit oder einen verformbaren
Festkörper,
um die Effizienz sowohl der Ein- als auch Auskopplung des Lichts
in die Gewebeprobe zu verbessern.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt Lichtenergie im nahem Infrarotbereich
des optischen Spektrums als eine Energiequelle zur Analyse. Wasser
trägt aufgrund
seiner Konzentration als auch wegen seines starken Absorptionskoeffizienten
bei weitem am meisten zur Absorption im Gewebe im nahen Infrarotbereich
bei. Es ist festgestellt worden, daß das gesamte Absorptionsspektrum
des Gewebes daher stark dem Wasserspektrum ähnelt.
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Weniger
als 0,1 Prozent der Absorption des Lichts stammt zum Beispiel von
einem Bestandteil wie Glucose. Es ist ferner festgestellt worden,
daß Gewebe
beträchtlich
Licht streut, da es viele Brechungsindexdiskontinuitäten in einer
typischen Gewebeprobe gibt. Wasser mit einem Brechungsindex von
1,33 durchtränkt
das Gewebe. Zellenwände
und andere Merkmale des Gewebes haben Brechungsindizes, die näher bei
1,5 bis 1,6 liegen. Diese Brechungsindexdiskontinuitäten verursachen
eine Streuung. Obwohl diese Brechungsindexdiskontinuitäten häufig sind,
weisen sie auch eine typischerweise kleine Größe auf und die Streuung weist
im allgemeinen eine starke Bündelung
zur Vorwärtsrichtung auf.
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Diese
Vorwärtsstreuung
ist in Form einer Anisotropie beschrieben worden, die als der Kosinus des
mittleren Streuwinkels definiert ist. Folglich beträgt für eine vollständige Rückstreuung,
was bedeutet, daß alle
Streuereignisse ein Photon veranlassen würden, seine Bewegungsrichtung
um 180 Grad abzulenken, der Anisotropiefaktor –1. Ebenso beträgt der Anisotropiefaktor
für eine
vollständige
Vorwärtsstreuung
+1. Im nahen Infrarot ist festgestellt worden, daß Gewebe
einen Anisotropiefaktor von etwa 0,9 bis 0,95 aufweist, was sehr
vorwärtsstreuend
ist. Zum Beispiel bedeutet ein Anisotropiefaktor von 0,9, daß ein durchschnittliches
Lichtphoton nur um einen Winkel von bis zu 25 Grad gestreut wird,
wenn es durch die Stichprobe geht.
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Bei
der Erfassung von Gewebespektraldaten können Messungen auf mindestens
zwei unterschiedliche Arten vorgenommen werden. Es wird erkannt,
daß man
Licht messen kann, das durch einen Abschnitt des Gewebes durchgelassen
wird, oder daß man
Licht messen kann, das vom Gewebe reflektiert oder wieder ausgestrahlt
wird. Es ist erkannt worden, daß aufgrund
der Vorwärtsstreuung
des Lichts, wenn es durch das Gewebe geht, die Transmission das
bevorzugte Verfahren zur Analyse in der Spektroskopie ist. Jedoch
ist es schwierig, einen Teil des Körpers zu finden, der optisch
dünn genug
ist, um Licht im nahen Infrarot durchzulassen, insbesondere bei
längeren
Wellenlängen.
Folglich ist es in der vorliegenden Erfindung das bevorzugte Verfahren zur
Messung, sich auf das Reflexionsvermögen des Licht von der Probe
zu konzentrieren.
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Photonen
werden an Brechungsindex-Diskontinuitäten reflektiert und gebrochen,
und daher hat Licht, das auf Gewebe auftrifft, unmittelbar ein kleines
Reflexionsvermögen
an der Gewebeoberfläche.
Dies wird als Spiegelreflexionsvermögen bezeichnet. Da dieses Licht
nicht in das Gewebe eindringt, enthält es wenig Information über die
Gewebebestandteile. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Physiologie
der Haut, die eine Außenschicht
besitzt, die im wesentlichen tot ist und der es an einer spektralen
Information mangelt, von der angenommen wird, daß sie für eine Person eindeutig ist.
Folglich wird angenommen, daß reflektierte
Lichtenergie, die Spektraldaten enthält, die für eine Person eindeutig sind,
jenes Licht ist, das zur Oberfläche
durch Brechungsindex-Diskontinuitäten zurückreflektiert
wird, die tiefer in der Gewebeprobe liegen. Diese reflektierte Lichtenergie
wird als diffus reflektiertes Licht bezeichnet.
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Die
Anmelder haben festgestellt, daß ein großer Anteil
der auftreffenden Photonen im Gewebe absorbiert und gestreut werden.
Diese Photonen, die zur Rückauskopplung
aus dem Gewebe zur Verfügung
stehen, werden wahrscheinlich in ihrer Winkelbahn abgelenkt. Tatsächlich muß ein Photon
definitionsgemäß seine
Richtung ändern,
um das Gewebe in eine Richtung zur Eingangsoptik zu verlassen. Die Anmelder
haben jedoch festgestellt, daß mit
der Brechungsindexdiskontinuität
zwischen dem durchschnittlichen Gewebebrechungsindex und dem Brechungsin dex
der Luft außerhalb
des Gewebes ein großes
Problem bei der Detektion verbunden ist. Es ist festgestellt worden,
daß diese
Diskontinuität,
die auf das einfallende Licht wirkt, zu einer Brechung und einem
kleinen Spiegelreflexionsvermögen
von weniger als etwa 5 Prozent führt.
Jedoch verursacht die Diskontinuität auf dem Weg nach außen eine
kritische Winkelerscheinung. Da sich das Photon von einem Medium
mit hohem Brechungsindex zu einem mit niedrigem bewegt, existiert
ein kritischer Winkel, oberhalb dessen das Photon innen totalreflektiert wird,
und nicht aus der Gewebeprobe austreten wird. Es ist festgestellt
worden, daß dieser
kritische Winkel für
Photonen, die sich vom Gewebe zur Luft bewegen, etwa 46 Grad beträgt, was
ein Problem darstellt. Ein Photon, das normal auf die Gewebeoberfläche auftrifft,
muß um
einen großen
Winkel abweichen, um auszutreten. Aufgrund der Vorwärtsrichtcharakteristik
der Streuung, ist es schwierig für
ein Photon, dies zu tun, und es ist sehr wahrscheinlich, daß es einen Einfall
mit einem streifenden oder hohen Winkel mit der Gewebe- und Luftgrenzfläche macht.
Die streifend einfallenden Photonen werden nicht austreten, da der
kritische Winkel überschritten
wird.
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Die
Anmelder haben eine Lösung
für die
Differenzen des Brechungsindex gefunden, die mit der Kopplung der
Lichtenergie, die das Gewebe verläßt, mit einem analytischen
Instrument verbunden sind. Die Lösung
ist die Verwendung einer Tauchflüssigkeit,
die ein sehr niedriges Absorptionsvermögen im interessierenden Spektralbereich
aufweist, und eine Viskosität
aufweist, die mit einem guten Fließvermögen und Anwendungsbereich kompatibel
ist, während
sie einen Brechungsindex aufweist, der effektiv Licht die Gewebe
einkoppelt, eine Spiegelung reduziert und effektiv Licht aus dem
Gewebe zurückgewinnt.
In bevorzugten Ausführungsformen
ist die Index anpassungsflüssigkeit
vorzugsweise für
die Lichtenergie in den Wellenlängen,
die für
die Identifizierung einer Person als relevant ausgewählt werden, minimal
oder im wesentlichen nicht-absorbierend. Die Flüssigkeit ist folglich bei den
gewünschten
Wellenlängen
nicht spektroskopisch aktiv. Jedoch wird angenommen, daß eine minimal
absorbierende Indexanpassungsflüssigkeit,
zum Beispiel eine, die weniger als etwa 10% der Lichtenergie der
relevanten Wellenlängen
absorbiert, immer noch genutzt werden könnte. Ein bevorzugtes Material
ist ein fluoriertes, chloriertes Kohlenwasserstoff-Polymeröl, das von
Occidental Chemical unter dem Handelsnamen FLUOROLUBE hergestellt
wird. FS5 ist ein bevorzugtes FLUOROLUBE. Diese Öle weisen einen Brechungsindex
von etwa 1,38 auf, sind ungiftig, und die Anmelder haben festgestellt,
daß sie
eine spektrale Signatur im nahen Infrarotbereich aufweisen, die
minimal ist.
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Nun
auf die 1 und 2 bezugnehmend,
werden Teilquerschnittansichten zweier bevorzugter Ausführungsformen
einer Vorrichtung zur nicht-invasiven Erfassung eines Gewebespektrums dargestellt.
Die Darstellungen in den 1 und 2 sind schematisch,
um das Konzept der Nutzung eines Indexanpassungsmediums 22 in
Verbindung mit einem nicht-invasiven Sensorelement 11 darzustellen,
das betriebsfähig
mit einer Energiequelle 16 und einem Spektrum-Analysator 30 verbunden
ist. Die relative Größe, Form
und die Einzelheiten der physikalischen Komponenten werden nicht
dargestellt.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung und die in 2 dargestellte
Vorrichtung umfassen im allgemeinen drei Elemente, eine Energiequelle 16,
ein Sensorelement 11 und einen Spektrum-Analysator 30.
Die Ausführungsform
der 1 stellt das Sensorelement dar, das ein Eingangselement 20 und
ein Ausgangselement 26 aufweist, das für sowohl die Aufnahme als auch
Abgabe von Lichtenergie ein Einzellinsensystem aufweist. Das Eingangselement 20 und
Ausgangselement 26 stehen mit einer gemeinsamen Hautoberfläche 12 des
ausgewählten
Gewebes 10 in Kontakt. Die alternative Ausführungsform der 2 stellt
eine alternative Anordnung des Sensorelements 11 dar, wobei
das Eingangselement 20 und Ausgangselement 26 auf
gegenüberliegenden Oberflächen 12, 14 des
Gewebes 10 angeordnet sind. Beide Ausführungsformen dienen dazu, ein Maß der Absorption
von Infrarotenergie durch das Gewebe 10 anzugeben. Jedoch
wird die Ausführungsform
der 1 genutzt, um die Menge der Lichtenergie zu messen,
die vom Gewebe 10 durch die Komponenten oder Merkmale darin
reflektiert wird. Im Gegensatz dazu mißt die Ausführungsform der 2 die
Transmission der Lichtenergie durch das Gewebe 10. In jeder
Ausführungsform
kann die Absorption bei verschiedenen Wellenlängen durch Vergleich mit der
Intensität
der Lichtenergie aus der Energiequelle 16 bestimmt werden.
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Die
Energiequelle 16 ist vorzugsweise eine Breitband-Infrarot-Schwarzkörperquelle.
Die optischen Wellenlängen,
die aus der Energiequelle 16 emittiert werden, liegen vorzugsweise
zwischen 1,0 und 2,5 μm.
Die Energiequelle 16 ist betriebsfähig mit einer ersten Einrichtung
zum Übertragen
von Infrarotenergie 18 aus der Energiequelle zum Eingangselement 20 gekoppelt.
In bevorzugten Ausführungsformen
ist diese erste Einrichtung 18 einfach die Übertragung
der Lichtenergie zum Eingangselement 20 durch die Luft,
indem die Energiequelle 16 nahe dem Eingangselement 20 angeordnet
wird.
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Das
Eingangselement 20 des Sensorelements 11 ist vorzugsweise
eine optische Linse, die die Lichtenergie auf einen Punkt mit hoher
Energiedichte fokussiert. Jedoch ist zu verstehen, daß eine andere
Strahlfokussiereinrichtung in Verbindung mit der optischen Linse
genutzt werden kann, um den Be leuchtungsbereich zu ändern. Zum
Beispiel könnten
ein Mehrlinsensystem, spitz zulaufende Fasern oder andere herkömmliche
optische Strahlformungsvorrichtungen genutzt werden, um die Eingangslichtenergie
zu ändern.
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In
beiden Ausführungsformen,
die in den 1 und 2 dargestellt
werden, wird ein Ausgangssensor 26 genutzt, um reflektierte
oder durchgelassene Lichtenergie aus dem Gewebe 10 zu empfangen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine Vorrichtung zur Kontrolle der Spiegelung eingebaut, um
das spiegelnd reflektierte Licht vom diffus reflektierten Licht
zu trennen. Solche Vorrichtungen werden in der mitanhängigen und
gemeinsam übertragenen
Anmeldung, Serien-Nr. 08/871,366, eingereicht am 9. Juni 1997 mit
dem Titel „Diffuse
Reflectance Monitoring Apparatus" offenbart.
Wie in Verbindung mit einem Analyseverfahren unten beschrieben,
weist die Ausführungsform
der 1 einen Ausgangssensor 26 auf, der die
reflektierte Lichtenergie empfängt,
während
die Ausführungsform
der 2 einen Ausgangssensor 26 aufweist, der
das durch das Gewebe 10 durchgelassene Licht empfängt. Wie beim
Eingangselement 20 ist das Ausgangselement 26 vorzugsweise
eine optische Linse. Es können
andere optische Sammeleinrichtungen in einem Ausgangselement 26 eingebaut
sein, wie ein Mehrlinsensystem, eine spitz zulaufende Faser, oder
eine andere Strahlsammeleinrichtung, um die Leitung der Lichtenergie
zum Spektrum-Analysator 30 zu unterstützen.
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Eine
zweite Einrichtung zum Übertragen
von Infrarotenergie 28 ist betriebsfähig mit dem Ausgangselement 26 verbunden.
Das Licht, das durch die zweite Einrichtung zum Übertragen der Infrarotenergie 28 übertragen
wird, wird zum Spektrum-Analysator 30 übertragen. In einer bevorzugten
Ausführungsform
umfaßt
die betriebsfähige
Verbindung des Ausgangselements die Übertragung der reflektierten oder
durchgelasse nen Lichtenergie, die das Ausgangselement verläßt, durch
die Luft zum Spektrum-Analysator 30. Ein Spiegel oder eine
Reihe von Spiegeln kann genutzt werden, um diese Lichtenergie zum
Spektrum-Analysator zu leiten.
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Bei
der Ausführung
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird ein Bereich des Gewebes 10 als
die Stelle zur Analyse ausgewählt.
Dieser Bereich kann die Hautoberfläche 12 am Finger,
Ohrläppchen,
Unterarm oder irgendeine andere Hautoberfläche umfassen. Vorzugsweise
umfaßt
der Bereich zur Abtastung Blutgefäße nahe der Oberfläche und
eine verhältnismäßig glatte,
nicht verhärtete Oberfläche. Ein
bevorzugter Abtastort ist die Unterseite des Unterarms. Es wird
dann eine Menge eines Indexanpassungsmediums 22, sei es
eine Flüssigkeit
oder ein verformbarer Festkörper,
auf der Hautoberfläche 12 in
dem Bereich angeordnet, der analysiert werden soll, um das Sensorelement 11,
das das Eingangselement 20 und das Ausgangselement 26 umfaßt, mit
dem Instrument zu koppeln.
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Bei
der Erfassung von Spektraldaten des Gewebes 10 wird Lichtenergie
von der Energiequelle 16 durch die erste Einrichtung übertragen,
um Infrarotenergie 18 in das Eingangselement 20 zu übertragen.
Die Lichtenergie wird vom Eingangselement 20 durch das
Indexanpassungsmedium 22 auf die Hautoberfläche 12 übertragen.
Die Lichtenergie, die mit der Hautoberfläche 12 Kontakt aufnimmt,
wird durch die verschiedenen Komponenten und Analyte charakteristisch
absorbiert, die unter der Hautoberfläche 12 enthalten sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die nicht-absorbierte Lichtenergie bei der erneuten Fortpflanzung
durch das Indexanpassungsmedium 22 zurück zum Ausgangselement 26 reflektiert.
Die nicht-absorbierte
Lichtenergie wird über
die zweite Einrichtung übertragen,
um die Infrarotenergie 28 zum Spektrum-Analysator 30 zu übertragen.
-
In
der alternativen Ausführungsform
der 2 wird die Lichtenergie, die sich durch das Eingangselement 20 und
eine erste Menge des Indexanpassungsmediums 22 fortpflanzt,
charakteristisch durch das Gewebe 10 absorbiert, während eine
Menge der Lichtenergie bei verschiedenen Wellenlängen durch das Gewebe 10 zur
gegenüberliegenden
oder zweiten Hautoberfläche 14 durchgelassen
wird. Von der zweiten Hautoberfläche 14 pflanzt
sich die nicht-absorbierte Lichtenergie durch die zweite Menge des
Indexanpassungsmediums 24 zum Ausgangselement 26 fort,
mit anschließender
Fortpflanzung zum Spektrum-Analysator 30 zum
Erzeugen eines Gewebespektrums.
-
Wie
vorhergehend festgestellt, ist das Indexanpassungsmedium 22 der
vorliegenden Erfindung ein Schlüssel
zur verbesserten Genauigkeit und Wiederholbarkeit des oben beschriebenen
Verfahrens. Das Indexanpassungsmedium kann vorzugsweise eine Flüssigkeitszusammensetzung
sein, die Chlorfluorkohlenwasserstoffe enthält. Die Zusammensetzung kann
auch eine Mischung aus Chlorfluorkohlenwasserstoffen und Perfluorwasserstoffen
sein. Eine bevorzugte Zusammensetzung enthält Chlortrifluorethylen. Eine
bevorzugte Zusammensetzung enthält etwa
80 Gew.% bis etwa 99,8 Gew.% Chlorfluorkohlenwasserstoffe. Wie vorhergehend
angegeben, nutzt die vorliegende Erfindung eine Indexanpassungsflüssigkeit,
um die Einkopplung und Auskopplung von Lichtenergie in und aus einem
Gewebe zu optimieren, das analysiert werden soll. In weitesten Sinn
kann die Indexanpassungsflüssigkeit
der vorliegenden Erfindung jede Flüssigkeit sein, die eine verbesserte
optische Grenzfläche
gegenüber
der Grenzfläche
erzeugt, die sich daraus ergibt, einfach die Sonde der vorliegenden
Erfindung auf einer Hautoberfläche
anzuordnen. Wenn die Indexanpassungsflüssigkeit der vorliegenden Erfindung
fehlt, kann diese Grenzfläche
Lücken
enthalten, die mit Luft gefüllt
sind und eine nachtei lige Brechung des Lichts verursachen, das sowohl
in das Gewebe geht als auch das Gewebe verläßt. Folglich würde jede
Indexanpassungsflüssigkeit
mit einem Brechungsindex, der gegenüber dem Brechungsindex von
Luft von etwa 1,0 dem des Gewebes bei etwa 1,38 näher liegt,
eine verbesserte Grenzfläche
bereitstellen.
-
Ein
optimales System weist eine Indexanpassungsflüssigkeit auf, die das Licht
effektiv in das Gewebe einkoppelt, eine Spiegelung reduziert und das
Licht effektiv wieder aus dem Gewebe zurück erhält. Die Auswahl des Brechungsindex
für die
Flüssigkeit
muß optimiert
werden, indem der Brechungsindex des Gewebes und des Linsensystems
berücksichtigt
wird. Der Prozeß der
Maximierung des Durchsatzes des Systems wird von einer Indexanpassungsperspektive
durch die Gleichung bestimmt:
-
-
Wobei
N1 der Brechungsindex des Gewebes ist, N3 der Brechungsindex des optischen Systems und
N2 der Brechungsindex des optischen Kopplungsmediums
ist. Obwohl ein weiter Bereich von Anpassungsflüssigkeitsindizes mit einer
kleinen prozentualen Änderung
der Gesamttransmission in das Gewebe verwendet werden kann, ist
ein Schlüssel
die Menge des zurückreflektierten
Lichts, das zum unerwünschten
gespiegelten Licht beträgt.
Mit der obigen Bestimmungsgleichung beträgt in einem System mit einem
Gewebeindex von 1,38 und einem Linsenindex von 1,42 der ideale Anpassungsflüssigkeitsindex 1,39986.
Wenn man dies als Bezug verwendet, wird sich die Lichtmenge, die
von der Grenzfläche
reflektiert wird, verdoppeln, wenn der Flüssigkeitswert von 1,38 oder
1,42 genutzt wird.
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Es
ist festgestellt worden, daß Minimieren des
gespiegelten Lichts über
eine geeignete Indexanpassung infolge der Tatsache kritisch ist,
daß gespiegelte
Artefakte mit herkömmlichen
spektrographischen Modellierungswerkzeugen schwierig zu modellieren
sind. Gespiegeltes Licht ist in Intensitätseinheiten additiv, jedoch
in Extinktionseinheiten nichtlinear. Wenn eine teilweise Analyse
nach der Methode der kleinsten Quadrate im Extinktionsraum durchgeführt wird,
sind solche Nicht-Linearitäten
infolge der Tatsache, daß eine
teilweise Analyse nach der Methode der kleinsten Quadrate ein lineares
Modell ist, für
die Analyse abträglich.
-
Die
Anmelder haben auch erkannt, daß es die
Nützlichkeit
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung erfordert, daß die Kopplung
des Sensors wiederholbar ist und daß die Ergebnisse eine geneue Widerspiegelung
der Gewebebestandteile des Patienten sind. Zu diesem Zweck haben
die Anmelder festgestellt, daß es
für die
Indexanpassungsflüssigkeiten
der vorliegenden Erfindung zu bevorzugen ist, daß sie diagnostische Additive
und/oder physiologische Additive enthalten. Die diagnostischen Additive liefern
eine Beurteilung der Qualität
der Linsen-Gewebe-Grenzfläche
und/oder eine Beurteilung der gegenwärtigen Leistung des Instruments,
während
die physiologischen Additive die Physiologie des Gewebes ändern, um
Differenzen der Gewebeanalytkonzentration gegenüber der Blutanalytkonzentration
zu korrigieren. Eine Erläuterung
dieser Additive folgt.
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Die
nicht-invasive Messung der Gewebespektraldaten durch die vorliegende
Erfindung wird verbessert, indem ein Additiv in die Indexanpassungsflüssigkeit
gegeben wird, das eine Bewertung der Dicke der Flüssigkeit
zuläßt, wenn
das Gewebe in Kontakt mit dem Instrument angeordnet wird. In bevorzugten
Ausführungsformen
stellt das Additiv außerdem
eine Eichung des Instruments bereit, indem eine Verbindung mit einer
bekannten hohen Absorption bei einer spezifizierten Lichtwellenlänge enthalten
ist. Solche Additive stellen ferner auch sicher, daß die korrekte
Indexanpassungsflüssigkeit
für das Instrument
genutzt wird.
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Da
eine Indexanpassungsflüssigkeit
von sich aus eine Änderung
der Höhe
des Gewebes über
der Abtastsonde bewirkt, kann die Messung dieser Höhe bei der
Messung der Gesamtglucose oder eines anderen Analyts helfen, indem
sie es zuläßt, daß eine Weglängenkorrektur
auf die spektrale Messung als Funktion der Gewebehöhe über dem
Abtaster angewendet wird. Dies kann sicherstellen, daß eine reproduzierbare,
passende Höhe
erzielt wird, bevor die spektrale Messung des Gewebes begonnen wird, und
läßt ferner
die Einstellung der Höhe
zu, bevor die spektrale Messung des Gewebes begonnen wird. Auf diese
Weise kann der Benutzer sicherstellen, daß nicht infolge einer übermäßigen Anpassungüsflssigkeitshöhe, ungenügender Indexanpassungsflüssigkeit,
die genutzt wird, oder einer anderen Fehlausrichtung der Gewebeoberfläche relativ
zum Analysator falsche Ergebnisse erzielt werden.
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Laborspektrometer
nutzen ein Fourier-Transformationssystem, das ein Laserreferenzsignal
umfaßt,
um die Wellenlängen
herzustellen, und sicherstellt, daß das Instrument geeicht ist.
Jedoch ist es wahrscheinlich, daß Instrumente, die für einen
Endanwender erschwinglich sind, keinen Laser verwenden, sondern
vielmehr Dispersionsinstrumente, wie Gitter, CCD-Anordnungen und
andere. Bei solchen Instrumenten ist es wichtig sicherzustellen,
daß die Eichung
vor jeder Analyse von Gewebespektraldaten richtig ist. Zu diesem
Zweck haben die Anmelder festgestellt, daß die Zugabe eines Additivs,
das ein wohldefiniertes Spektralmerkmal bei einer bekannten Lichtwellenlänge aufweist,
genutzt werden kann, um die Eichung sicherzustellen.
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Die
Verwendung eines bekannten spektral aktiven Additivs zur Indexanpassungsflüssigkeit
stellt außerdem
sicher, daß der
Endanwender eine korrekte Indexanpassungsflüssigkeit verwendet, für die das Instrument
geeicht und programmiert worden ist. Die Verwendung einer anderen
Indexanpassungsflüssigkeit
könnte
durch die Absorption von Lichtenergie in den interessierenden Bereichen
zur Identifikation einer Person zu einem Fehler im nicht-invasiven
Gewebespektrum führen.
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Um
die obige Wiederholbarkeit, Genauigkeit und Qualitätssicherung
zu erreichen, wird vorzugsweise der Indexanpassungsflüssigkeit
ein spektroskopisch aktives Mittel hinzugefügt. Das Mittel weist vorzugsweise
scharfe Absorptionsbänder
außerhalb des
interessierenden zu messenden Bereichs auf. Zum Beispiel würde in einem
bevorzugten Verfahren zur Identifizierung von Personen das Mittel
außerhalb
des Bereichs von 4200 bis 7200 Wellenzahlen aktiv sein. Das Mittel
könnte
auch in diesem Bereich aktiv sein, so lange es keine bedeutende Überlappung
mit Wellenlängen
gibt, die tatsächlich
verwendet werden, um die Identität
einer Person zu identifizieren. Das Additiv kann hergestellt werden,
indem eine passende funktionelle Gruppe an perfluorierten Kohlenwasserstoffen
angeordnet wird. Die perfluorierten Kohlenwasserstoffe sind im interessierenden Bereich
inaktiv, jedoch kann die an den perfluorierten Kohlenwasserstoffe
angeordnete funktionelle Gruppe spektral aktiv sein. Ferner stören diese
funktionelle Gruppen nicht die Analyse des interessierenden Blutanalyts.
Exemplarische Verbindungen umfassen Perfluor-2-butyltetrahydrofuran
und Perfluorsuccinylchlorid.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann die Indexanpassungsflüssigkeit
und das diagnostische Additiv dieselbe Flüssigkeit umfassen, die beide Funktionen
bereitstellt. Zum Beispiel kann Perfluor-2-butyltetrahydrofuran
als Indexanpassungsmedium genutzt werden, das die optische Grenzfläche verbessert
und gleichzeitig eine funktionelle Gruppe enthält, das die Verbindung in einem
gewünschten Bereich
für diagnostische
Zwecke spektrographisch aktiv macht.
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Die
Anmelder nehmen an, daß gefäßerweiternde
Mittel, die lokal angewendet werden, in Verbindung mit der vorliegenden
Analyse verwendet werden können.
Diese Mittel können
in das Indexanpassungsmedium gemischt werden. Diese Mittel wirken,
indem sie in die Haut diffundieren und die adrenergen Rezeptoren
an den kleinen Arteriolen blockieren, die die Kapillargefäße speisen.
Dies führt
zu einer Dilatation der arteriellen Sphinkter, einer Verminderung
des Fließwiderstands
und einer Zunahme des Drucks und der Größe der Kapillaren. Eine Anzahl
bevorzugter gefäßerweiternder
Mittel umfaßt: Methylnikotinamid,
Minoxidil, Nitroglyzerin, Histamin, Menthol und Capsaicin.
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Bei
der Ausführung
der vorliegenden Erfindung werden die Gewebespektraldaten durch
Messung der Lichtintensität
bestimmt, die durch den Ausgangssensor bei den verschiedenen Wellenlängen empfangen
wird, die Anzeigen der Absorption bei solchen Wellenlängen der
Infrarotenergie als Funktion der Zusammensetzung der Gewebestichprobe
liefert. Wie in der Technik wohlbekannt ist, ist ein Spektrum-Analysator 30 der
vorliegenden Erfindung imstande, die Intensität der Infrarotenergie, die
auf den Detektor auftrifft, in eine proportionale Spannungsamplitude
umzuwandeln. Auf diese Weise wird ein Ausgangsspektrum für das Gewebe
festgelegt, das analysiert wird. Experimentelle Ergebnisse, die
die Verbesserung dokumentieren, die mit dem oben angegebenen Verfahren
zum Erhalten von Gewebespektraldaten verbunden sind, werden in 3 dokumentiert.
Die oberste Linie, die mit 50 bezeichnet ist, zeigt das
Ergebnis, das erhalten wird, wenn in der vorhergehend beschriebenen
Betriebsart ohne ein Indexanpassungsmedium abgetastet wird. Bei der
unteren Linie, die mit 52 bezeichnet wird, wurden 100 Mikroliter
Chlortrifluorethylen-Polymer auf die Oberfläche der Eingabe- und Ausgabevorrichtung vor
der Anordnung auf dem Arm aufgetragen. Zuerst besteht jede der gezeichneten
Linien 50 und 52 aus mehreren Spektren. Mit der
Indexanpassungsflüssigkeit überlagern
sich alle Spektren miteinander ziemlich eng. Dies ist eine gute
Anzeige, daß die
Grenzfläche
ziemlich stabil ist. Ohne das Indexanpassungsmedium ist die Grenzfläche äußerst instabil und
es ist klar, daß die
Daten bei einer bestimmten Wellenlänge nicht besonderes genau
wären,
wenn man sich mit kleinen Änderungen
der Konzentration von spezifischen Bestandteilen beschäftigt, die
für die
Identität
einer Person kennzeichnend wären.
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Sobald
genaue und wiederholbare Spektraldaten zur Gewebeanalyse erfaßt sind,
ist es das zweite Schlüsselelement
der vorliegenden Erfindung eine Methodik zum Training der Vorrichtung
oder des Instruments zu definieren, um Spektralmerkmale oder Kombinationen
von Merkmalen zu identifizieren, die für diese bestimmte Person eindeutig
sind, und dann die Spektraldaten der Datenbank und seine eindeutigen
Merkmale mit den neuen Spektraldaten von vermeintlich derselben
Person zu vergleichen, um festzustellen, ob die Spektraldaten tatsächlich von derselben
Person kamen oder nicht.
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In
einem bevorzugten Verfahren wird die Verifizierungsaufgabe ausgeführt, wenn
eine Person versucht, eine Operation durchzuführen, für die es eine begrenzte Anzahl
von berechtigten Personen gibt (z.B. eine spektroskopische Messung,
Zugang zu einem Raum erlangen, Kontrolle über ein abgeschlossenes Fahrzeug
oder einen Teil einer Maschinerie usw. zu errei chen). Die NIR-Spektraldaten
der Person werden zum Verifizieren der Identität der Person verwendet. In
diesem bevorzugten Verfahren verwendet die Person eine spektroskopische
Meßvorrichtung,
um ein oder mehrere Gewebespektren zu sammeln. Vor, während oder
nach der Messung gibt die Person außerdem durch eine gewisse Einrichtung
(Personal-ID-Nummer, Name, Abzeichen usw.) an, wer sie ist (z.B. „Person
X"). Die Verifizierungsaufgabe
ist dann die Bestätigung,
daß die
Person diejenige ist, die sie angegeben hat, durch Vergleich des
Spektrums im nahen Infrarot mit einem oder mehreren vorhergehenden
aufgezeichneten und verifizierten Spektren der Person X. Entsprechend
vereinfacht sich dann, wenn die Verifizierungsaufgabe mit einer
Operation verbunden ist, für
die nur eine einzige Person berechtigt ist, die Aufgabe auf eine
Sicherstellung, daß die
einzige berechtigte Person die Operation versucht.
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Alle
bevorzugten Implementierungen der vorgeschlagenen Verifizierungsmethodik
erzeugen ein Differenzspektrum D(ν),
das das Spektrum, das genau von der Person gesammelt wird, die die
Berechtigung V(ν)
wünscht,
und das im voraus gespeicherte berechtigte Spektrum A(ν) oder Spektren
verwendet, die der Person entsprechen, deren Identifizierung angegeben
wurde: D(ν) = V(ν) – A(ν) Gleichung 2wobei ν eine Variable
ist, die die Spektralfrequenz oder Wellenlänge bezeichnet, und D, V, A
Spektralwerte in Extinktionseinheiten oder einigen verbundenen Größen sind.
Alternativ könnten
D, V und A spektrale Intensitätswerte
sein, und die „Differenz"-Operation wird zu
einem elementweisen Verhältnis: D(ν) = V(ν)/A(ν) Gleichung 3
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Andere
mathematische Operationen mit einer ähnlichen Beschaffenheit wären ebenfalls
zur Verwendung für
diese Anmeldung möglich.
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Das
andere Schlüsselelement
eines bevorzugten Verifizierungsverfahrens ist eine Spektraldifferenzdatenbank,
die unter Verwendung derselben mathematischen Operation entwickelt
wurde, wie sie zur Erzeugung von D(ν) verwendet wird. Die Spektraldifferenzen
(oder Verhältnis
usw.) in der Berechtigungsdatenbank werden vorzugsweise von einer oder
mehreren Personen gebildet, die jeweils mehrere Male gemessen werden.
Zur Robustheit sollte sich die Stichprobenerhebung einer einzelnen
Person über
zu erwartende Änderungen
der Physiologie der Person, zu erwartende Änderungen der oder über die spektroskopischen
Meßvorrichtungen
und Änderungen
der Meßumgebung
erstrecken. In einer bevorzugten Ausführungsform können Spektraldifferenzen in
einer großen
Anzahl von Kombinationen von Spektren von einer gegebenen Person
erzeugt werden, sollten jedoch niemals unter der Verwendung von Spektren
von unterschiedlichen Personen gebildet werden. Durch Füllen der
Datenbank mit Intrapatienten-Differenzspektren werden typische Interpatienten-Spektraldifferenzen
entfernt, und die resultierende Datenbank enthält nur Intrapatienten-Spektralmerkmale
ebenso wie Instrumenten- und Umgebungseinflüsse.
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Die
Verifizierungsaufgabe wird gelöst,
indem festgestellt wird, ob die Spektraldifferenz D(ν) mit der Spektraldifferenzdatenbank
für die
Person übereinstimmt.
Wenn die Identifizierung der angegebenen Person genau ist, wird
das resultierende Differenzspektrum D(ν) nur Intrapatienten-Spektralmerkmale enthalten
und folglich mit der Datenbank übereinstimmen.
Umgekehrt wird dann, wenn die Identifizierung nicht genau ist, D(ν) Interpatienten-Spektralmerkmale
enthalten und inkompatibel mit der Intrapatienten-Spektraldifferenzdatenbank
für die
Person sein. In diesem Fall wird die Verifizierung fehlschlagen.
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Eine Übereinstimmung
mit der Datenbank kann auf eine Vielfalt von Arten sichergestellt
werden. In bevorzugten Verfahren werden Diskriminanzanalysetechniken
verwendet, die in Computerprogramme eingebaut sind. Diese Verfahren
beruhen auf der Aufstellung der zugrundeliegenden Spektralformen
(Faktoren, Ladungsvektoren, Eigenvektoren, latente Variable usw.)
in der Spektraldatenbank, und der folgenden Verwendung von Standard-Ausreißermethodiken
(spektrale F-Verhältnisse,
Mahalanobis-Distanzen, euklidische Distanzen usw.), um die Übereinstimmung
von D(ν)
mit der Datenbank festzustellen. Die zugrundeliegenden Spektralformen
können
durch mehrere Mittel erzeugt werden, die hierin offenbart werden.
Erstens können
die zugrundeliegenden Spektralformen bei einfachen spektralen Zerlegungen
erzeugt werden (Eigenanalyse, Fourieranalyse usw.)
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Das
zweite Verfahren zum Erzeugen der zugrundeliegenden Spektralformen
betrifft die Entwicklung eines generischen Modells, wie es in der
mitanhängigen
US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/415,432,
eingereicht am 8. Oktober 1999, mit dem Titel „Methods and Apparatus for
Tailoring Spectroscopic Calibration Models" beschrieben wird, dessen Offenbarung
als Verweis aufgenommen ist. In dieser Anmeldung werden die zugrundeliegenden
Spektralformen durch ein Eichverfahren erzeugt, das an Intrapatienten-Spektralmerkmalen
durchgeführt
wird. Die Eichung beruht auf den gemessenen Analytkonzentrationsmerkmalen.
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Im
dritten Verfahren können
die zugrundeliegenden Formen durch die Entwicklung einer Eichung erzeugt
werden, die auf einer simulierten Konstituentenvariation beruht.
Die simulierte Konstituentenvariation kann die Variation modellieren,
die durch eine reale Analytvariation eingeführt wird, oder kann einfach
eine künstliche
spektroskopische Variation sein.
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In
jeder Situation muß die
Variation in einer Weise hinzugefügt werden, die eine Eichentwicklung zuläßt. Zum
Beispiel kann die spektroskopische Variation, die durch Änderung
der Alkoholkonzentration eingeführt
wird, künstlich
in einer Weise auf die Daten addiert werden, die mit dem Beerschen
Gesetz verträglich
ist. Es kann möglich
sein, Ergebnisse aus mehreren unterschiedlichen Eichungen und entsprechenden
Verifizierungsergebnissen zu kombinieren, um die Genauigkeit der
Verifizierung zu steigern.
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Es
wird erkannt werden, daß andere
Mittel zur Klassifizierung, ob die Spektraldifferenz D(ν) mit der
Datenbank übereinstimmt
oder nicht, auf das Verifizierungsverfahren der vorliegenden Erfindung
anwendbar wären.
Diese Verfahren könnten
entweder in Verbindung mit oder anstelle der obenerwähnten Techniken
verwendet werden.
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Es
sind viele Variationen in der Methodik innerhalb des Rahmens der
vorliegenden Erfindung möglich.
In einer Ausführungsform
wird das gesamte Spektrum in im wesentlichen gleichen Wellenlängenabständen gespeichert.
In einer anderen Ausführungsform
werden nur vorgewählte
Wellenlängen von
wahrscheinlichem Interesse aufgezeichnet. In noch einer anderen
Ausführungsform
werden die Spektraldaten als Parameter analysiert und gespeichert,
die imstande sind, die verschiedenen Spektren im wesentlichen zu
regenerieren. In dieser letztgenannten Ausführungsform werden Messungen
an spezifischen Wellenlängen
außerhalb
der Parameter nicht gespeichert. Die verifizierten Spektren können in
einer Datenbank gespeichert werden. In einer Ausführungsform
werden eine Anzahl von Spektren bei einer Sitzung gespeichert und
verwendet, um die Datenbank verifizierter Spektren zu besetzen.
In einer anderen Ausführungsform
werden Spektren über mehrere
Sitzungen für
eine Person erhalten.
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Wie
vorher festgestellt, können
Spektraldifferenzen oder Distanzen erhalten werden, indem Berechnungen
an unterschiedlichen Messungen ausgeführt werden, die bei derselben
Wellenlänge
für dieselbe
Person vorgenommen werden. Es sind Variationen bei der Definition
der Spektraldifferenz möglich. Für den Zweck
der Veranschaulichung der Erfindung werde zuerst der Fall von Meßstichproben
betrachtet, die bei einer einzigen Wellenlänge genommen werden. Die Spektraldifferenz
kann die Form einer statistischen Analyse der Stichprobengrundgesamtheit
annehmen, wie einen Mittelmeßwert
und die Standardabweichung um den Mittelwert relativ zu einem neuen
Spektralwert bei dieser Wellenlänge.
Es können
verschiedene Wellenlängen
bei einem Versuch ausgewertet werden, die Standardabweichung für die Stichprobengrundgesamtheit
zu maximieren oder minimieren. Es kann wünschenswert sein, eine Wellenlänge auszuwählen, um
die Variation für
diese Wellenlänge
für Stichproben
zu minimieren, die für eine
einzelne Person genommen werden. Gleichzeitig ist es wünschenswert,
eine Wellenlänge
auszuwählen,
die zwischen Personen variiert, um die Unterscheidung oder Diskriminierung
zwischen der verifizierten Person und einem Betrüger zuzulassen. Zum Beispiel
wäre eine
Wellenlänge,
die zwischen Personen nicht variierte, nicht zur Diskriminierung zwischen
Personen nützlich.
Gleichzeitig ist es wünschenswert,
eine Wellenlänge
auszuwählen,
die nicht außerdem
in einem großen
Ausmaß zwischen Messungen
für dieselbe
Person variiert, da die Intrapersonen-Differenzen die Interpersonen-Differenzen überschwemmen
können.
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In
dem einfachen Einzelwellenlängenfall,
der oben erläutert
wird, könnte
eine Wellenlänge
ausgewählt
werden, die Interpersonen-Spektraldifferenzen maximiert, während Intrapersonen-Spektraldifferenzen
minimiert werden. In diesem eindi mensionalen Beispiel könnte eine
Wellenlänge
ausgewählt
werden, die dazu neigte, die Messungen für jede Person eng um einen
einzigen Punkt längs
einer Achse zu gruppieren, während
diese engen Gruppen längs
der Achse für
die zahlreichen Personen verteilt werden. Wenn eine Zielstichprobe
eingeführt
wird, kann die Messung mit der Gruppe von Werten für die Person für diese
angebliche Identität
verglichen werden. Es kann eine Schwelle für jede Gruppe von Werten für eine verifizierte
Person aufgestellt werden. Zum Beispiel könnte eine Schwelle bei zwei
Standardabweichungen für
die Stichprobengrundgesamtheit gesetzt werden, wobei alle Messungen,
die außerhalb
dieses Bereichs fallen, zurückgewiesen
werden, und die Verifizierung der Zielperson verweigert wird.
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Vom
obigen vereinfachten Einzelwellenlängenbeispiel aus kann die Theorie
der Analyse der Spektraldaten erweitert werden. In einem Beispiel
mit zwei Wellenlängen
könnten
zwei Wellenlängen
ausgewählt
werden und die Messungen der beiden Wellenlängen als X-Y-Koordinaten in
einer zweidimensionalen graphischen Darstellung in einer Ebene gegeneinander
graphisch dargestellt werden. Die zweidimensionale graphische Darstellung
würde vorzugsweise
eine Reihe von Gruppen zeigen, die weit voneinander getrennt sind.
Es kann eine Schwelle für jede
Gruppe aufgestellt werden, indem zum Beispiel eine Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion
verwendet wird. Die Meßwerte
von einer Zielperson könnten auf
die Zugehörigkeit
innerhalb der Stichprobengrundgesamtheit mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit
analysiert werden. In einem Beispiel wird die Zugehörigkeit
bestätigt,
wenn die Zielmessung in eine Wahrscheinlichkeitsschwelle von 99%
fällt.
In einem anderen Beispiel wird der geometrische Mittelpunkt der
Gruppe berechnet und gespeichert. Die für eine Person genommenen Messungen
mit zwei Wellenlängen
könnten
dann graphisch dargestellt wer den, und die spektrale Distanz im
zweidimensionalen Raum vom Gruppenmittelpunkt bestimmt werden. Die
Verifizierung beruht in diesem Beispiel darauf, ob entschieden wird,
daß der
Datenpunkt für
die Zielperson innerhalb oder außerhalb der Gruppe liegt.
-
Entsprechend
kann man sich ein Beispiel mit drei Wellenlängen der Anwendung dieser Analyse vorstellen,
das durch Gruppen von Datenpunkten repräsentiert wird, die in einem
dreidimensionalen Raum dargestellt werden, und die geometrische
Distanz eines Zielpunkts von einer Gruppe bestimmt wird. Als Erweiterung
könnten
zehn Wellenlängen ausgewählt werden
und die Distanz eines Zielpunkts von einer Gruppe in einem zehndimensionalen
Raum berechnet werden. Während
man sich das nicht so leicht vorstellen kann, werden mehrere Wellenlängen in
bevorzugten Ausführungsformen
verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Faktoren oder
Kombinationen von Messungen verwendet, die bei einer Anzahl von
Wellenlängen
genommen werden, um die Analyse und bei niedrigeren Dimensionen
die menschliche Vorstellung zu vereinfachen.
-
In
einem alternativen Verfahren werden Funktionen verwendet, um spektrale
Meßwerte
im voraus zu verarbeiten, und es wird vielmehr der resultierende
Funktionswert als die direkte Messung verwendet. Zum Beispiel kann
beobachtet werden, daß Meßwerte,
die bei zwei Wellenlängen
genommen werden, entgegengesetzt zueinander für eine Person nach oben und
unten variieren, jedoch kann erkannt werden, daß der Durchschnitt oder die
Summe dieser beiden Werte für
jene Person konstant bleibt. In diesem Beispiel könnten eine
graphische Darstellung der beiden Messungen einander gegenüber von
mehreren Sitzungen eine Gruppe um ein Liniensegment zeigen, das
eine negative Steigung aufweist. Eine eindimensionale graphische
Darstellung der Summe oder des Durchschnitts würde eine Grup pe um einen einzelnen
Punkt zeigen. Auf diese Weise können
mehrere Wellenlängen
mit Funktionen im voraus verarbeitet werden, um einen einzigen Wert zu
ergeben, und der einzige Wert wird anstelle der direkten Messungen
verwendet.
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In
einem anderen alternativen Verfahren werden Messungen verwendet,
um eine Analytkonzentration für
eine Person zu bestimmen, und die Analytkonzentrationen wird anstelle
einiger direkter Messungen verwendet. In diesem Verfahren werden mehrere
Gewebespektren und Eichblutstichproben für eine Person genommen, die
eine bekannte Identität
aufweist. Die Eichstichproben werden verwendet, um eine Funktion
zu erzeugen, die als Eingabe Gewebespektren aufnehmen und eine Analytkonzentration
ausgeben kann. Es kann folglich ein einziger Wert anstelle der Mehrfachwellenlängenmessungen
verwendet werden. Im Gebrauch wird die angebliche Identität einer
Zielperson verwendet, um die Gewebespektren im voraus zu verarbeiten
und einen Analytkonzentrationswert zu erlangen.
-
Die
Auswahl der zu verwendenden Wellenlängen ist wichtig. Ein Verfahren
zur Auswahl von Wellenlängen
wird im US-Patent Nr. 5,435,309 erläutert. In einem Verfahren werden
interessierende Wellenlängen
im voraus ausgewählt
und für
alle Stichproben verwendet. In einem anderen Verfahren werden die
Messungen periodisch verwendet, um Interpersonen- und Intrapersonen-Differenzen
neu zu berechnen. Das Hinzufügen
von neuen ansonsten eng gruppierten oder sogar überlappenden Personen in eine
Berechtigungsdatenbank kann abgestellt werden, indem unterschiedliche
Wellenlängen
oder unterschiedliche Funktionen gewählt werden, die diese Wellenlängen verarbeiten.
-
Im
Gebrauch können
Gewebespektraldaten von der Unterarmunterseite von Personen genommen
werden, wie vorhergehend beschrieben. Die Gewebespektraldaten können dann
in einer Com puterdatenbank gespeichert werden. Im allgemeinen können entweder
vor oder nach der Speicherung die zugrundeliegenden Spektralformen
und Eigenschaften, wie Faktoren, Ladungsvektoren, Eigenvektoren und
latente Variablen aufgestellt werden. Es können Standardausreißermethodiken,
wie spektrale F-Verhältnisse,
Mahalanobis-Distanzen und euklidische Distanzen verwendet werden,
um die Übereinstimmung
des Zielspektrums mit der Spektraldatenbank für die Person mit der angeblichen
Identität
zu bestimmen.
-
In
einem Verfahren wird, nachdem eine ausreichende Anzahl von Spektren
gesammelt worden ist, die Datenbank durch Software verarbeitet und eine
Diskriminanzanalyse an den Daten durchgeführt, die die passenden Faktoren
erzeugt. Die Diskriminanzanalyse wird in diesem Verfahren durchgeführt, um
Faktoren zu erzeugen, die bei der Gruppierung der Intrapersonen-Datenpunkte nützlich sind, während die
Intrapersonen-Gruppen mit einer großen Interpersonen-Distanz voneinander
getrennt werden. Beispiele von Diskriminanzanalyseverfahren, die
in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nützlich sind, umfassen eine
lineare Diskriminanzanalyse und nicht-lineare Diskriminanzanalyse.
-
In
einem Verfahren wird dann, wenn eine Identitätsverifizierung erwünscht ist,
ein Gewebespektrum und die angebliche Identität von der Zielperson erhalten.
Das Gewebespektrum wird verarbeitet, um dieselben Faktoren zu erzeugen,
die verwendet werden, um die Datenpunkte in der Spektraldatenbank
zu gruppieren. Die Spektraldifferenz zwischen dem Zielspektrum und
den Datenbankspektren wird berechnet. Eine Berechnung mißt die Mahalanobis-Distanz
zwischen dem Zielspektrum und den Datenbankspektren für die angebliche
Identität. Wenn
die Distanz kleiner als eine Schwellendistanz ist, dann kann die
angebliche Identität
sicher bzw. positiv verifiziert werden.
-
Eine
andere Spektraldifferenz umfaßt
die Berechnung eines spektralen Rests, oder Differenzspektrums zwischen
dem Zielspektrum und einem Summenspektrum für die angebliche Person aus
der Datenbank. Wenn der spektrale Rest kleiner als eine voreingestellte
Schwelle ist, dann kann die Identität positiv identifiziert werden.
In einem Verfahren müssen
sowohl der spektrale Rest als auch eine Differenz, wie die Mahalanobis-Distanz, unter ihren
jeweiligen Schwellen liegen, bevor die Identität positiv festgestellt wird.
In einem Verfahren wurden Schwellenwerte sowohl für die spektrale
Distanz als auch für die
spektrale Restgröße so festgelegt,
daß sie
99% der Datenbankspektren umfassen. In einem anderen Verfahren wurden
Schwellenwerte sowohl für
die spektrale Distanz als auch für
die spektrale Restgröße so festgelegt,
daß sie
95% der Datenbankspektren umfassen.
-
Experimentelle Ergebnisse
-
Es
wurde ein Experiment durchgeführt,
um die Nutzungsmöglichkeiten
der hierin offenbarten Methodik festzustellen, die Identifizierung
einer Person zu verifizieren. Das verwendete Instrumentarium war
ein Fouriertransformations-Spektrophotometer für nahes Infrarot, das von Perkin
Elmer hergestellt wird. Das spezifische verwendete Modell war ein
Perkin Elmer 2000. Die Stichprobenerhebung des menschlichen Gewebes
ge schah auf der Hohlhandseite des Unterarms. Die optische Abtastvorrichtung war
eine Faseroptik-Abtastvorrichtung, die getrennte Fasern zur Einkopplung
von Licht in das Gewebe und Fasern zur Sammlung der Lichts aufwies,
das das Gewebe verläßt. Eine
Indexanpassungsflüssigkeit wurde
zwischen dem Arm und dem Faseroptik-Abtastkopf angeordnet. Die resultierenden
Intensitätsspektren
wurden in Extinktionsspektren umgewandelt und mit einer Vektorwellenlänge skaliert.
Die Spektren wurden aufgezeichnet und anschließend im Wellenlängenbereich
von 4200 bis 7200 cm–1 verarbeitet. Die Daten
bestanden aus Sitzungsdurchschnittsspektren (5 Stichproben pro Sitzung),
die für 288
unterschiedliche Personen gemessen wurden. Alle wurden während einer
einzelnen Sitzung einmal innerhalb einer Zeitspanne von 5 Wochen
gemessen. Ebenso gab es drei Patienten, die während mehrerer Sitzungen über dieselbe
Spanne von 5 Wochen (nominal 10 Mal) gemessen wurden.
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Der
Rahmen für
die Untersuchung setzte ein Eichmodell, eine Spektraldatenbank,
die aus Spektren von einer großen
Anzahl Personen bestand, gegenüber
denen ein Vergleich durchgeführt
wurde, und ein Spektrum von einer unbekannten Person (Zielspektrum)
voraus. Die Verifizierungsaufgabe war es, das Zielspektrum entweder
als das des angegebenen Patienten richtig zu identifizieren oder
festzustellen, daß der
Patient sich nicht richtig identifiziert hat.
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Das
in diesem Fall angewendete Diskriminierungsverfahren beruhte auf
einer Mahalanobis-Distanz und der spektralen Restgröße, die
erzeugt wurde, wenn ein Differenzspektrum dem Eichmodell präsentiert
wurde. Die Spektraldifferenz wurde zwischen dem Zielspektrum und
einem Testspektrum in der Datenbank gebildet. Wenn der Wert der Mahalanobis-Distanz
und des spektralen Rests für ein
gegebenes Spektraldifferenzpaar beide unter einem vorgeschriebenen
Pegel lagen, wurde festgestellt, daß die beiden Spektren von derselben
Person gekommen waren. Wenn ein oder beide Maßstäbe größer als ihre jeweiligen Schwellen
waren, wurde die Feststellung getroffen, daß die beiden Spektren von unterschiedlichen
Personen kamen.
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Es
wurden Schwellen für
die beiden Maßstäbe gesetzt,
indem die jeweiligen Summenverteilungsfunktionen für die vollständigen Modell-Eichdaten
untersucht wurden. Es wurden für
diese Untersuchung zwei Schwellenwerte verwendet: ein Paar, das jeweils
99% der Eichdaten umfaßte
(„mild"), und ein Paar,
so daß es
nur 95% der Eichdaten umfaßte („streng").
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Die
falschpositive Fehlerhäufigkeit
wurde untersucht, wobei die Patientenspektren von 288 Personen in
einer Round-Robin-Weise
verwendet wurden. Jeder wurde aus der Datenbank herausgezogen und
eine Auswertung vorgenommen, wie viele der restlichen Personen in
der Datenbank zu diesem Spektrum an jeder der beiden Ähnlichkeitsschwellen paßte. Die
falschnegative Fehlerhäufigkeit
wurde untersucht, indem der Grad der Übereinstimmung betrachtet wurde,
der zwischen Sitzungen desselben Patienten beobachtet wurde (der
für jeden
der drei Wiederholungspatienten durchgeführt wurde).
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Wenn
die Schwellenwerte auf eine mildere Schwelle (99%) eingestellt wurden,
zeigten Round-Robin-Ergebnisse die Anzahl von „Übereinstimmungen", die auftrat, wenn
jeder der 288 Patienten aus der Spektralbibliothek herausgezogen
wurde und relativ zu den restlichen 287 Patientenspektren bewertet
wurde. Im Durchschnitt paßte
jeder Patient zu 0,5 anderen Patienten in dieser Datenbank, was eine
falschpositive Häufigkeit
von 0,17% ergab. Dies ist die Fehlerhäufigkeit, die auftritt, wenn
ein Patient, der sich nicht in der Datenbank befindet, unkorrekterweise
angibt, daß er
einer der Bibliothekspatienten ist und die Messung dies bestätigt.
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In
einem anschließenden
Test wurde einer der Patienten, der über die fünfwöchige Datensammlungsperiode
wiederholt gemessen wurde, mit der gesamten übrigen Beobachtung verglichen,
wobei dieselbe Verifizierungsmethodik verwendet wurde, die oben
beschrieben wird. Bei Verwendung der milden Schwelle paßte jede
Sitzung zu jeder anderen Sitzung, was zu einer falschnegativen Fehlerhäufigkeit
von 0,0% führt.
Die Ergebnisse von den beiden anderen Wiederholungspatienten waren ähnlich.
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Wenn
die Verifizierungsschwelle auf den geringfügig strengeren Standard (95%)
eingestellt wurde, zeigten die Ergebnisse mehrerer Personen und derselben
Person, daß keine Übereinstimmungen über Personen
hinweg beobachtet wurden, was zu einer falschpositiven Fehlerhäufigkeit
von 0,0% führt. Die
Ergebnisse derselben Person über
mehrere Sitzungen zeigen eine verminderte Fähigkeit, irgendeine Sitzung
mit irgendeiner anderen Sitzung zu vergleichen, was zu einer falschnegativen
Einzelstichproben-Fehlerhäufigkeit
von mehr als 30% führt. Wenn
die Spektralbibliothek jedoch aus mehreren Stichprobenerhebungen
des Patienten in unterschiedlichen physiologischen Zuständen besteht, können die
Verifizierungsergebnisse beträchtlich
verbessert werden. Wenn in diesem Fall die Spektralbibliothek aus
allen neun restlichen Stichproben besteht, dann passen 100% von
einem oder mehreren (tatsächlich
3 oder mehr) Spektralbibliothekseinträge zum Zielspektrum, was zu
einer falschnegativen Fehlerhäufigkeit
von 0,0% führt.
Die Ergebnisse der anderen beiden Wiederholungspatienten waren ähnlich.
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Die
vorliegende Erfindung ist unter Konzentration auf eine In-Vivo-Analyse
offenbart worden. Es ist jedoch zu erkennen, daß die vorliegenden Verfahren
und Techniken für
eine In-Vitro-Analyse von Blut, Gewebe oder Flüssigkeitsstichproben verwendet werden
können.
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Es
sind neue Eigenschaften und Vorteile der Erfindung, die durch dieses
Dokument abgedeckt werden, in der vorhergehenden Beschreibung dargelegt
worden. Es wird jedoch zu verstehen sein, daß diese Offenbarung in vieler
Hinsicht nur veranschaulichend ist. Es können Änderungen in Details vorgenommen
werden, insbesondere hinsichtlich der Form, Größe und Anordnung der Teile,
ohne den Bereich der Erfindung zu überschreiten. Der Umfang der
Erfindung wird natürlich
in der Sprache definiert, in der die beigefügten Ansprüche ausgedrückt werden.
