DE69721732T2

DE69721732T2 - Vorrichtung zur multispektralen analyse bei der nichtinvasiven nir-spektroskopie

Info

Publication number: DE69721732T2
Application number: DE69721732T
Authority: DE
Inventors: Gamal Khalil; F. Stephen MALIN
Original assignee: Sensys Medical Inc
Current assignee: Sensys Medical Inc
Priority date: 1996-02-02
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2017-02-01
Also published as: TW426802B; NZ331158A; EP0877926B1; AU713502B2; PL184609B1; CA2244111A1; US5747806A; PL328060A1; CZ239298A3; WO1997028438A1; DK0877926T3; CN1101934C; US5945676A; CN1214769A; JP2002236097A; AU1844997A; HK1019635A1; JPH11506207A; KR19990082236A; ATE239910T1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration eines Zielanalyten in einer Probe unter Anwendung einer Multispektralanalyse. Die Erfindung findet Anwendung in einem weiten Bereich von chemischen Analysen, insbesondere bei der nicht-invasiven spektrofotometrischen Analyse von Blutanalyten.
Hintergrund der Erfindung
Die Messung der Konzentration von Blutbestandteilen findet Anwendung bei einer Vielfalt von Verfahren zur Diagnose und Behandlung von Zuständen und Krankhei ten bei Menschen. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die Messung von Glucose im Blut (Blutzucker). Speziell sollte die Blutzuckerkonzentration periodisch bei Personen überwacht werden, die an Diabetes leiden und bei dem insulin-abhängigen oder Typ I Diabetes ist es häufig erforderlich oder erwünscht, die Blutzuckerkonzentration mehrmals täglich zu überwachen. Ferner liefert die Messung der Cholesterin-Konzentration im Blut wichtige Informationen zur Behandlung oder Vorbeugung bei Personen, die an einer Erkrankung der Herzarterien leiden, und die Messung von anderen Blutanalyten, wie Bilirubin und Alkohol, ist in verschiedenen diagnostischen Zusammenhängen wichtig.
Die genaueste und am meisten angewandte Methode, um Konzentrationen von Blutanalyten zu erhalten, umfaßt die Entnahme von Blut von einem Patienten, das dann entweder in einem Labor unter Anwendung von sehr genauen und empfindlichen Assay-Techniken, oder unter Anwendung von weniger genauen Selbstuntersuchungs-Methoden analysiert wird. Insbesondere erfordern traditionelle Blutzucker-Überwachungsmethoden die Entnahme einer Blutprobe (z. B. mit Hilfe einer Fingerspitzen-Lanzette) für jede Untersuchung und das Ablesen des Blutzuckergehalts nter Anwendung eines Glucometers (ein Spektrofotometer das Glucose-Konzentrationen anzeigt) oder einer colorimetrischen Kalibrierungs-Methode. Eine solche invasive Blutentnahme stellt eine schmerzhafte und mühsame Last für den Diabetiker dar und setzt den Diabetiker der Gefahr einer Infektion aus, insbesondere aufgrund. der erforderlichen Häufigkeit der Untersuchung. Diese Überlegungen können zu einer Vernachlässigung der Überwachung durch den Diabetiker führen.
Folglich besteht ein anerkannter Bedarf an einer einfachen und genauen Methode und Vorrichtung zur nicht-invasiven Messung der Konzentration von Blutanalyten, besonders im Zusammenhang mit der Blutzucker-Überwachung bei Diabetes. Eine Annäherung an dieses Problem umfaßt die Anwendung von traditionellen Analyse-Methoden im nahen Infrarot (nahes IR oder „NIR"), wobei die Messung der Absorption bei einer oder mehreren spezifischen Wellenlängen angewandt wird, um analyt-spezifische Informationen aus einer gegebenen Probe zu erhalten.
Absorptionsspektra im nahen IR von flüssigen Proben enthalten eine große Menge an Informationen über die verschiedenen organischen Bestandteile der Probe. Speziell führen die Vibrations-, Rotations- und Streckenergie, die mit organischen Molekülstrukturen verbunden sind (z. B. chemische Kohlenstoff/Kohlenstoff-, Kohlenstoff/Wasserstoff-, Kohlenstoff/Stickstoff- und Stickstoff/Wasserstoff-Bindungen) zu Störungen in dem nahen IR-Bereich, die nachgewiesen und mit der Konzentration von verschiedenen in der Probe vorhandenen organischen Bestandteilen in Zusammenhang gebracht werden können. In komplexen Proben-Matrices enthalten die nahen IR-Spektren jedoch auch eine beträchtliche Menge an Interferenzen, zum Teil aufgrund von Struktur Ähnlichkeiten bei den Analyten, ähnlichen Stärken der Analytkonzentrationen, störenden Zusammenhängen zwischen Analyten und der Stärke des elektronischen und chemischen „Rauschens", das einem speziellen System inhärent ist. Derartige Störungen verringern die Effizienz und Genauigkeit von Messungen (Meßwerten), die unter Anwendung der nahen IR-Spektroskopie zur Bestimmung der Konzentration von Analyten in einer flüssigen Probe durchgeführt wurden. Von einer Anzahl von Vorrichtungen und Methoden zur Messung im nahen IR ist jedoch angegeben worden, daß sie nicht-invasive Bestimmungen von Blutanalyten ermöglichen.
Die US-PS 5 360 004 von Purdy et al. beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Konzentrationen von Blutanalyten, wobei ein Körperteil mit Strahlung, die zwei oder mehrere deutliche Banden von auftreffender Strahlung mit kontinuierlichen Wellenlängen enthält, bestrahlt wird. Purdy et al. legen Wert auf Filtertechniken, um spezifisch die Strahlung an den beiden Peaks in dem NIR-Absorptionsspektrum für Wasser, die bei etwa 1440 und 1915 nm auftreten, zu blockieren. Eine derartige selektive Blockierung wird durchgeführt, um einen Erwärmungseffekt zu ver meiden, der aufgrund der Absorption von Strahlung durch Wasser in dem bestrahlten Körperteil auftreten kann.
Im Gegensatz dazu beschreibt die US-PS 5 267 152 von Yang et al. nicht-invasive Vorrichtungen und Verfahren zur Messung der Blutzuckerkonzentration unter Anwendung nur eines Teils des IR-Spektrums, der die NIR-Peaks für Wasser enthält (z. B. das „Wasser-Transmissions-Fenster", das solche Wellenlängen zwischen 1300 und 1900 nm umfaßt). Optisch kontrolliertes Licht wird auf eineie Gewebequelle gerichtet und dann durch eine integrierende Kugel gesammelt. Das gesammelte Licht wird analysiert und die Blutzuckerkonzentration berechnet unter Anwendung einer gespeicherten Bezugs-Kalibrierungskurve.
Es sind auch Vorrichtungen zur Anwendung bei der Bestimmung von Analytkonzentrationen in komplexen Proben beschrieben worden.
Z. B. beschreibt die US-PS 5 242 602 von Richardson et al. Verfahren zum Analysieren von wäßrigen Systemen zum Nachweis von mehreren aktiven oder inaktiven Wasserbehandlungs-Komponenten. Die Verfahren umfassen die Bestimmung des Absorptions- oder Emissionsspektrums der Komponenten über den Bereich von 200 bis 2500 nm, und die Anwendung von chemometrischen Algorithmen, um Segmente der Spektraldaten, die durch quantitative Bestimmung von Wirksamkeitsindikatoren erhalten worden sind, zu gewinnen.
Die US-PS 5 252 829 von Nygaard et al. beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Harnstoff in einer Milchprobe, unter Anwendung einer Infrarot-Abschwächungs-Meßtechnik. Es werden Multivariations-Techniken durchgeführt, um die Spektralanteile von bekannten Komponenten zu bestimmen, unter Anwendung von partiellen Algorithmen des kleinsten Quadrats, Hauptkomponenten-Regression; multiple lineare Regression oder künstliche neurale Netzwerke. Die Kalibrierung wird durchgeführt unter Berücksichtigung der Beiträge von Komponenten, die das interessierende Analyt-Signal blockieren. So beschreiben Nygaard et al. ein Verfahren zur Messung von multiplen Infrarot-Abschwächungen durch Analyte und Kompensation für den Einfluß von Hintergrund-Analyten, um eine genauere Messung zu erhalten.
Die US-PS 4 975 581 von Robinson et al. beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Analytkonzentration in einer biologischen Probe, beruhend auf dem Vergleich der Absorption der Infrarotenergie (d. h. dem Unterschied in der Absorption bei verschiedenen Wellenlängen) zwischen einer bekannten Analytkonzentrati on und einer Probe. Der Vergleich wird durchgeführt durch partielle Analyse der kleinsten Quadrate oder andere Multivariations-Techniken.
Die US-PS 4 882 492 von Schlager beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung von Blutanalytkonzentrationen. Modulierte IR-Strahlung wird auf eine Gewebeprobe (z. B. ein Ohrläppchen) gerichtet und geht entweder durch das Gewebe hindurch oder trifft auf die Hautoberfläche auf, wo sie durch einen Zielanalyten (Glucose) spektral modifiziert wird. Die spektral modifizierte Strahlung wird dann aufgespalten, wobei ein Teil durch eine negative. Korrelationszelle und ein anderer durch eine Bezugszelle geführt wird. Die Intensität der durch die Zellen hindurchgehenden Strahlung wird verglichen, um die Analytkonzentration in der Probe zu bestimmen.
Die US-PS 4 306 152 von Ross et al. beschreibt eine optische Flüssigkeits-Analyse-Vorrichtung, die so ausgebildet ist, daß sie die Wirkung der Hintergrundabsorption (d. h. das Gesamt- oder Grundniveau der optischen Absorption der flüssigen Probe) auf die Genauigkeit der Messung in einer trüben Probe oder in einer flüssigen Probe, die sonst schwierig zu analysieren ist, minimiert. Die Vorrichtung mißt ein optisches Signal bei der charakteristischen, optischen Absorption einer interessierenden Komponente der Probe und ein anderes Signal bei einer Wellenlänge, die so ausgewählt ist; daß sie der Hintergrundabsorption nahe kommt, und subtrahiert dann die Hintergrundkomponente von dem analyt-abhängigen Signal.
Die Genauigkeit der unter Anwendung der oben angegebenen Methoden und Vorrichtungen erhaltenen Informationen ist begrenzt aufgrund der Spektral-Interferenz, die durch den Hintergrund verursacht wird, d. h. Probebestandteilen, die nicht der Analyt sind, die, ebenfalls Absorptionsspektren im nahen IR-Bereich haben. Beachtliche Niveaus des Hintergnandrauschens stellen eine inhärente Begrenzung des Systems dar, besonders wenn sehr wenig Analyt vorhanden ist. Im Hinblick auf diese Begrenzung sind Versuche unternommen worden, das Verhältnis Signal/Rauschen zu verbessern, z. B. durch Vermeiden von Wasser-Absorptionspeaks, um die Anwendung einer höheren Strahlungsintensität zu ermöglichen, durch Verringerung der Menge an Spektral-Informationen, die analysiert werden müssen, oder durch Anwendung von Subtraktions- oder Kompensationstechniken, beruhend auf einer Näherung der Hintergrundabsorption. Obwohl solche Techniken zu einer gewissen Verbesserung geführt haben, besteht weiterhin Bedarf, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, die eine genauere Bestimmung der Konzentration von Analyten in einer flüssigen Matrix ermöglichen insbesondere im Zusammenhang mit der Blutzucker-Überwachung.
Die EP-A1-0757243 gehört nach Artikel 54(3) zum Stand der Technik. Sie beschreibt ein Spektrometer, für die Spektrometrie im nahen IR, umfassend ein positives Korrelations-Filtersystem, das eine oder mehrere Wellenlängen im nahen IR-Bereich durchläßt, die so ausgewählt sind, daß sie eine hohe Korrelation mit dem Vorhandensein eines speziellen Analyten haben.
Es ist ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung, den oben angegebenen Bedarf zu erfüllen, durch die Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einer Probe mit einer variierenden Hintergrundmatrix und die gegebenenfalls auch deutliche Komponentenstörungen aufweist. Die Erfindung berücksichtigt die Ähnlichkeit von Strukturen zwischen verschiedenen Komponenten, die in der Probe vorhanden sind, die relative Stärke der Analytkonzentration und die Spektral-Interferenzen durch die verschiedenen Bestandteile der Probe und Gerätevariationen.
Ein erster Aspekt der Erfidung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration eines Analyten in einer Probe, umfassend:

(a) ein Mittel zum Bestrahlen der Probe mit einfallender Strahlung von einer Mehrzahl von unterschiedlichen, sich nicht überlappenden Spektralbereichen von Wellenlängen, wobei alle diese Bereiche im nahen Infrarot liegen;
(b) ein Mittel zum Aufnehmen von reflektierter Strahlung, die aus der Probe austritt, und Leiten der reflektierten Strahlung in erste und zweite Lichtwege, wobei der erste Lichtweg Strahlung aus einem ersten Spektralbereich von Wellenlängen umfaßt;
(c) einen ersten Filter, der in dem ersten Lichtweg angeordnet ist, wobei der erste Filter in der Lage ist, selektiv Strahlung durchzulassen, die im wesentlichen nicht mit der Konzentration des Analyten in Korrelation steht,
(d) ein erstes Nachweismittel zur Aufnahme von selektiv durch den ersten Filter hindurchgegangener Strahlung und zur Umwandlung dieser in ein Signal, das repräsentativ ist für die Intensität der. Strahlung;
(e) einen einstellbaren Filter, der in dem zweiten Lichtweg angeordnet ist, wobei der einstellbare Filter in der Lage ist, daß seine Absorptionscharakteristika als Reaktion auf ein Signal eingestellt werden und der die Intensität der Strahlung in dem zweiten Lichtweg abschwächt;
(f) einen Haupt-Analyt-Filter, der in der, Lage ist, abgeschwächte Strahlung aufzunehmen, die aus dem einstellbaren Filter austritt, und selektiv unabhängige Wellenlän gen davon durchzulassen, wobei die unabhängigen Wellenlängen speziell mit der Konzentration des Analyten in Korrelation stehen;
(g) einen zweiten Filter, der in der Lage ist, die unabhängigen Wellenlängen aufzunehmen, die aus dem Haupt-Analyt-Filter austreten, und die Intensität jeder einzelnen Wellenlänge abzuschwächen, wobei die Abschwächung durch den zweiten Filter festgestellt wird durch Anwendung von Frequenzbewertungsfaktoren, und
(h) ein zweites Nachweismittel zur Aufnahme der abgeschwächten unabhängigen Wellenlängen von dem zweiten Filter und Umwandeln der nachgewiesenen Wellenlängen in ein Signal, das repräsentativ ist für die Intensität dieser Wellenlängen.

Die Erfindung wird näher anhand von Beispielen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, bei denen
1 eine schematische Darstellung einer nach der Erfindung aufgebauten Vorrichtung in Form eines Diagramms ist,
2 eine Grafik ist, die die zeitabhängigen Abtastwerte zeigt, die während einer in vivo Glucose-Toleranz-Studie erhalten worden sind, und
3 in grafischer Form die bei einer nicht-invasiven Bestimmung der Blutzukker-Konzentration erhaltenen Werte zeigt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt worden ist.
Arten der Durchführung der Erfindung
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist zu bemerken, daß die Erfindung nicht auf diese speziellen Teile der Vorrichtungen, oder beschriebenen Verfahren beschränkt ist, da diese variieren können. Es ist ebenfalls zu verstehen, daß die hier verwendete Terminologie nur zur Beschreibung von speziellen Ausführungsformen dient und nicht einschränkend sein soll. Es muß bemerkt werden, daß die Singularform „ein", „eine" und „die", „der", „das" auch Pluralbezüge umfaßt, soweit der Zusammenhang es nicht ausdrücklich ausschließt. So umfaßt die Bezeichnung „ein Analyt" z. B. auch Gemische von Analyten, die Angabe „eine optische Übertragungszelle" umfaßt auch zwei oder mehrere Übertragungszellen, „ein Mittel zur reflektierenden Übertragung von Strahlung" umfaßt zwei oder mehrere derartige Mittel, „eine Wellenlänge" umfaßt zwei oder mehrere Wellenlängen, „ein chemometrischer Algorithmus" umfaßt zwei oder mehrere Algorithmen u. ä.
In dieser Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen wird eine Anzahl von Ausdrücken verwendet, die definiert werden sollen und die folgende Bedeutung haben:
„Chemometrie" bezeichnet die Anwendung von mathematischen, statistischen und Mustererkennungs-Verfahren bei der chemischen Analyse. Siehe z. B. Brown et al. (1990) Anal. Chem. 62: 84–101. Chemometrie wird hier durchgeführt im Zusammenhang mit der Entwicklung und Anwendung von nicht-invasiven diagnostischen Meßmethoden, die fortgeschrittene Signalverarbeitungs- und Kalibrierungs-Techniken anwenden. Signalverarbeitung wird angewandt, um die Zugänglichkeit von physikalisch signifikanten Informationen in analytischen Signalen zu verbessern. Beispiele für Signalverarbeitungs-Techniken umfassen Fourier-Transformation, erste und zweite Ableitungen und digitales oder adaptives Filtern.
Im Zusammenhang mit Chemometrie bezeichnet „Kalibrieren" den Prozeß des In-Zusammenhang-Bringens von Datenmessungen mit einer chemischen Konzentration zum Zwecke der Quantifizierung. Insbesondere können statistische Kalibrierungen unter Anwendung chemometrischer Methoden angewandt werden, um spezifische Informationen aus einem komplexen Set von Daten zu gewinnen. Derartige Methoden der Kalibrierung umfassen lineare Regression, multipel-lineare Regression, partiell-lineare Regression und Hauptkomponenten-Analyse. Bei anderen Anwendungen können Kalibrierungen durchgeführt werden unter Anwendung von künstlichen neuralen Netzwerken, genetischen Algorithmen und Rotations-Hauptkomponenten-Analyse
Meßmethoden, die Informationen über einen oder mehrere Bestandteile in einer komplexen chemischen Matrix nachweisen, müssen auf Analyse-Algorithmen beruhen (wie solchen, die durch Chemometrie erhalten worden sind), um Informationen zu ergeben, die spezifisch sind für einen oder mehrere chemische Bestandteile. Chemometrische Verfahren können angewandt werden, um unbekannte mit kalibrierten Standards und Datenbasen zu vergleichen, um fortgeschrittene Formen der Cluster-Analyse zu erhalten und um Merkmale aus einer unbekannten Probe zu gewinnen, die als Informationen in statistischen und mathematischen Modellen angewandt werden können.
„Hauptkomponenten-Analyse" (PCA) ist eine Methode der Datenreduktion, die bei der Anwendung von chemometrischen Techniken zur spektroskopischen Messung von chemischen Analyten in einer komplexen Matrix angewandt werden kann. PCA wird angewandt, um die Dimensionalität einer großen Anzahl von miteinander zusammenhängenden Variablen zu reduzieren, während die Informationen, die eine Komponente von einer anderen unterscheiden, erhalten bleiben. Diese Reduktion wird durchgeführt unter Anwendung einer Eigenvektor-Transformation eines ursprünglichen Sets von miteinander zusammenhängenden Variablen (z. B. ein Absorptionsspektrum) zu einem we sentlich kleineren Set von nicht miteinander zusammenhängenden Hauptkomponenten-(PC)-Variablen, das die meisten Informationen aus dem Originalset darstellt. Das neue Set von Variablen ist so geordnet, daß die ersten wenigen die meisten der Variationen enthalten, die in allen Original-Variablen vorhanden sind. Siehe z. B. Jolliffe, L. T. Principal Component Analysis, Sprinter Verlag, New York (1986). Insbesondere ist jedes PC eine lineare Kombination aller ursprünglichen Meß-Variablen. Das erste ist ein Vektor in Richtung der größten Variation der beobachteten Variablen. Die folgenden PCs sind so gewählt, daß sie die größte Variation der Meßdaten darstellen und senkrecht zu dem vorher berechneten PC stehen. Daher sind die PCs in absteigender Ordnung ihrer Wichtigkeit angeordnet.
Der Ausdruck „Gewichtungs-Konstante" umfaßt die Wellenlängen-Koeffizienten der partiellen Regression der kleinsten Quadrate und/oder Hauptkomponenten-Regression, oder irgendeine Konstante, die erhalten worden ist aus irgendeiner statistischen Kalibrierung, die angewandt werden kann, um Werte (wie die Konzentration eines Analyten) für unbekannte Proben zu erhalten. Ein „Wellenlängen-Gewichtungsfaktor" ist eine Form einer Gewichtungs-Konstante, die angewandt wird beim Aufbau eines optischen Filters, der in der Lage ist, wellenlängen-spezifische Informationen aus Spektraldaten hervorzuheben. Die wellenlängen-spezifischen Informationen können angewandt werden, um die gewünschten Werte, die sich auf die zu analysierende Probe beziehen (z. B. Analytkonzentration) zu bestimmen. Ein Wellenlängen-Gewichtungsfaktor kann als eine spezielle Filterdichte (z. B. neutral oder wellenlängen-spezifisch), Filterdicke o. ä. eingebaut sein, solche Parameter sind bestimmt worden unter Anwendung der oben angegebenen statistischen Kalibrierungs-Verfahren.
Der Ausdruck „optische Übertragungszelle" umfaßt irgendein optisch aktives Element, das einfallende Strahlung im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Spektralbereich partiell absorbiert, wobei die partielle Absorption in Bezug auf die Wellenlänge selektiv ist. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung umfaßt eine optische Übertragungszelle allgemein einen optischen Filter mit Absorptions-Charakteristika die abgeleitet sind von einer Analyse-Methode der partiell kleinsten Quadrate oder Hauptkomponenten-Regression. Der optische Filter wird angewandt, um selektiv Wellenlängen mit hoher Korrelation zu einer ausgewählten Analytkonzentration hervorzuheben. Hohe Korrelation" oder „nahe Korrelation" bezeichnet den quantitativen Zusammenhang zwischen dem Absorptionsspektrum und einer bestimmten Analytkonzentration, wobei die beiden Variablen einen Korrelations-Koeffizienten (r) von 0,9 oder höher haben. Ein „positiver Korrelations-Filter" ist ein optischer Filter, der ein Absorptionsspektrum aufweist, das ausreicht, um Strahlung von speziellen Wellenlängen, die dem Zielanalyten und nicht anderen absorbierenden Analyten entsprechen, hervorzuheben. So hat der positive Korrelations-Filter eine optimale Übertragungsfunktion, die in hohem Maße mit der zu messenden Analytkonzentration in der Probe in Korrelation steht. Ein idealer positiver Korrelations-Filter würde in perfekter Korrelation mit einem Zielanalyten stehen (d. h. der Korrelations-Koeffizient r wäre +1,0) und mit allen anderen störenden absorbierenden Analyten in einer speziellen Probe nicht in Korrelation stehen (r wäre 0,0). Die Synthese von positiven Korrelations-Filtem wird hier durchgeführt unter Anwendung von chemometrischen Techniken, um geeignete Wellenlängen-Gewichtungs faktoren zu bestimmen.
Ein „neutraler Dichtefilter" bezeichnet einen optischen Standardfilter mit einem flachen Absorptionsspektrum. Ein neutraler Dichtefilter kann zusammen mit Korrelations-Filtern in einem Filtersystem angewandt werden, um einen Gewichtungsfaktor zu liefern, um Absorptionen aufgrund des Analyten bei ausgewählten Wellenlängen abzuschwächen und ferner die Genauigkeit der Korrelation durch das System zu verbessern. Ein neutraler Dichtefilter kann ein Absorptionsspektrum aufweisen, das ausreicht, um Strahlung gleichmäßig bei allen Wellenlängen interessierenden Bereich abzuschwächen.
Wie er hier verwendet wird, umfaßt der Ausdruck „wäßriges Medium" irgendein Substrat, das mit Wasser zusammenhängt, daraus besteht oder es enthält. So umfaßt ein wäßriges Medium Medien, bei denen Wasser der Hauptbestandteil ist, d. h. in einer Menge von mindestens etwa 50% vorhanden ist, sowie solche, bei denen Wasser ein Lösungsmittel ist, aber in Mengen von weniger als etwa 50% vorhanden ist. Wäßrige Medien sind hier speziell so definiert, daß sie Säugetier-Gewebe umfassen.
Der Ausdruck „Blutanalyt" bezieht sich auf einen Blutbestandteil, der im nahen IR-Bereich absorbiert, dessen Messung bei der Überwachung eines Patienten oder zur Gesundheitsvorsorge nützlich ist.
Wie er hier verwendet wird, umfaßt der Ausdruck „nahes Infrarot" oder „nahes IR" Strahlung in einem Spektrum von etwa 660 bis 3500 nm, aber typischerweise im Bei reich von etwa 1050 bis 2850 nm und noch typischer im Bereich von etwa 1160 bis etwa 2500 nm.
Der Ausdruck „Hintergrundabsorption" bezieht sich auf das Gesamt- oder Grundniveau der optischen Absorption einer wäßrigen Probe, die analysiert werden soll, von der die Absorption eines ausgewählten Bestandteils in einer oder mehreren charakteristischen Wellenlängen in einem Maß abweicht, das ein Zeichen für die Konzentration des ausgewählten Bestandteils ist. Wenn das Niveau der Hintergrundabsorption hoch ist in Bezug auf die charakteristische Absorption des ausgewählten Bestandteils, wie in komplexen wäßrigen Medien, wo sich zahlreiche störende Bestandteile finden, erfordert die genaue Messung der Stärke einer leichten Veränderung der Absorption bei der charakteristischen Wellenlänge des interessierenden Bestandteils die Anwendung von chemometrischen Techniken, wie oben beschrieben. Das ist besonders so bei Anwendungen, bei denen die Gesamtkonzentration der interessierenden Bestandteile niedrig ist in Bezug auf das wäßrige Medium, z. B. bei der Messung von Blutanalyten.
Allgemeine Methoden
Es wird eine spektrofotometrische Methode zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einer flüssigen Probe unter Anwendung von Strahlung im nahen IR geliefert. Im Gegensatz zu bekannten Verfahren nutzt die vorliegende Erfindung alle Spektralinformationen aus, die in dem nahen IR-Bereich enthalten sind, um ein Set von Meßwerten zu erhalten das genutzt werden kann, um die Konzentration eines Analyten mit einer größeren Genauigkeit zu bestimmen.
Die Methode umfaßt die folgenden Stufen: (1) Auswählen von verschiedenen nicht überlappenden Bereichen von Wellenlängen im nahen IR, wobei jeder Bereich einen Spektralberefch definiert, (2) Bestrahlen einer Probe unter Anwendung von nahem IR-Licht, das die ausgewählten Spektralbereiche enthält, um spektral modifizierte Strahlung zu erhalten, die abgeschwächt ist, (3) Sammeln und Messen der Intensität der spektral abgeschwächten Strahlung bei einer oder mehreren Wellenlängen, die in jedem der ausgewählten Spektralbereiche enthalten ist, und (4) in Korrelation bringen dieser Messungen, um einen Wert zu erhalten, der ein Zeichen für die Analytkonzentration ist.
Spektral-Informationen, die mit Hilfe dieser Methode erhalten worden sind, können einer Kombination von mathematischen Transformationen unterworfen werden, um einen genauen Wert für die Analytkonzentration zu erhalten. Z. B. können statistische Standardtechniken angewandt werden, wie Analyse der partiell kleinsten Quadrate (PLS) oder Hauptkomponenten-Regressions-Analyse (PCR), um die Absorption der Strahlung bei spezifischen Wellenlängen mit der Struktur und Konzentration des Ana lyten in Korrelation zu bringen. PLS-Techniken sind z. B. beschrieben von Geladi et al. (1986), Analytica Chimica Acta 185: 1–17. Für eine Beschreibung von PCR-Techniken kann auf Jolliffe, L. T. Principal Component Analysis, Sprinter Verlag, New York (1986) verwiesen werden.
Folglich umfaßt bei der Bestimmung der Konzentration eines Blutanalyten in einem Körpergewebe ein Verfahren die Auswahl von drei nicht überlappenden Bereichen von Wellenlängen im nahen IR-Bereich von 1100 bis 3500 nm; speziell einem ersten Bereich von 1100 bis 1350 nm, einem zweiten Bereich von 1430 bis 1450 nm oder 1930 bis 1950 nm und einem dritten Bereich von 2000 bis 2500 nm, wobei jeder Bereich einen „Spektralbereich" definiert. Der erste Bereich umfaßt Wellenlängen, bei denen Proteine und andere Zell-Komponenten dominante Spektral-Aktivität zeigen, der. zweite Bereich wird dominiert von dem Absorptionsspektrum von Wasser, und der dritte Bereich enthält Wellenlängen, bei denen organische Analyt-Moleküle signifikante Spektralaktivität zeigen. Diese Bestandteile tragen auch zu den Absorptionsspektren in solchen Bereichen bei, wo sie nicht die dominierende Art sind. Folglich enthält die spektral abgeschwächte Strahlung, die aus jedem Bereich erhalten wird, eine große Menge an miteinander zusammenhängenden Informationen, die unter Anwendung statistischer Methoden reduziert werden müssen, um analyt-spezifische Informationen zu erhalten.
Die Erfindung umfaßt auch die Anwendung von Signalverarbeitung zur Verbesserung der Zugänglichkeit von physikalisch signifikanten Informationen in den analytischen Signalen. Die Intensitätswerte von Signalen, die bei bestimmten Wellenlängen erhalten worden sind, können verarbeitet werden, um die Wirkung des Rauschens zu verringern. Die verarbeiteten Signale werden dann einer Multivariationsanalyse unter Anwendung bekannter statistischer Verfahren unterworfen:
Die PCA-Methode der Datenreduktion ist eine bevorzugte Methode, die bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung angewandt wird, um die Anzahl der Dimensionen einer großen Anzahl von miteinander zusammenhängenden Variablen zu reduzieren, während die Informationen, die eine Komponente von einer anderen unterscheiden, erhalten bleiben. Die Datenreduktion wird durchgeführt unter Anwendung einer Eigenvektor-Transformation eines ursprünglichen Sets von miteinander zusammenhängenden Variablen (z. B. ein Absorptionsspektrum) zu einem wesentlich kleineren Set von nicht miteinander zusammenhängenden Hauptkomponenten-(PC)-Variablen, das die meisten Informationen aus dem Originalset zeigt. Das neue Set von Variablen ist so geordnet, daß die ersten wenigen die meisten der Variationen enthalten, die in dem Originalset vorhanden sind.
Die Hauptkomponenten-Vektoren können durch orthogonale Rotation gegen einen Mittelwert für die Absorption transformiert werden, um sowohl eine bekannte Wellenlänge und den relativen Wert der Absorption bei diese Wellenlänge, die dem Analyten zuzuschreiben ist, zu erhalten. Bei Durchführungen dieser Analyse auf Informationen, die aus jedem der drei Spektralbereiche erhalten worden sind, in Kreuzkorrelation bringen der Hauptkomponenten-Vektoren über einen linearen Algorithmus und Anwendung von Subtraktionsmethoden zur Aufhebung der Wirkung von störenden Analyten werden Werte erhalten, die in einem Systemalgorithmus angewandt werden können, die Konzentration des Analyten zu bestimmen.
Multivariations-Techniken werden angewandt, um ein Modell zu tiefem, das die Intensität der Strahlung bei einer speziellen Wellenlänge in jedem Spektralbereich in Zusammenhang bringt mit der Konzentration in einer speziellen Proben-Matrix, z. B. einem Körpergewebe. Das Modell ist so konstruiert, daß zwei Sets von beispielhaften Messungen angewandt werden, die gleichzeitig erhalten worden sind, wobei das erst Set von Messungen das „Vorhersageset", Spektraldaten, z. B. Strahlungsintensität bei ausgewählten Wellenlängen umfaßt, und das zweite Set von Messungen das „Kalibrierungsset", sehr genaue Analytkonzentrationen, die unter Anwendung von invasiven Entnahmetechniken erhalten worden sind, umfaßt. Das Verfahren wird über einen Bereich von Analytkonzentrationen durchgeführt, um Datensets für die Kalibrierung und Vorhersage zu erhalten.
Sowohl in dem Kalibrierungsset als auch in dem Vorhersageset erhaltene Meßwerte werdender Multivariationsanalyse unterworfen, wie durch Anwendung von kommerziellen Multivariations-Modelle entwickelnden Softwareprogrammen, um ein Anfangsmodell zu erhalten. Das Anfangsmodell wird auf die Vorhersagedaten angewandt, um Werte für die Analytkonzentration abzuleiten, die mit den durch das invasive Verfahren erhaltenen verglichen werden können. Durch wiederholtes Durchführen der oben angegebenen Stufen wird ein verfeinertes Modell entwickelt, das angewandt werden kann, um einen Systemalgorithmus zur Anwendung bei der Analyse von Daten zu erhalten, die durch die erfindungsgemäßen Methoden erhalten worden sind.
Die oben beschriebenen Multivariations-Techniken können auch angewandt werden, um ein optisch aktives Element zu gestalten, das in der Lage ist, die Korrelation von Spektral-Informationen mit Analytkonzentrationen zu verstärken, z. B. ein positi ves Korrelations-Filtersystem. Insbesondere können die Lösungen, die unter Anwendung der Multivariationsanalyse erhalten worden sind, angewandt werden; um optische Parameter, wie Absorptions-Charakterisitka, für positive Korrelafions-Filtersysteme, zu bestimmen.
Bei der Durchführung der Erfindung werden auch nicht-analyt-spezifische Informationen aus den verschiedenen nicht überlappenden Spektralbereichen angewandt werden, um z. B. jede Spektralmessung zu normalisieren, Hintergrund- oder Grundlinien-Interferenzen zu subtrahieren oder Signalwerte zu liefern, die angewandt werden; um eine ungenaue Messung nachzuweisen.
Bei der Bestimmung eines Blutanalyten in einer Körpergewebe-Probe liefern Messungen, die in dem Spektralbereich von etwa 1320–1340 nm erhalten worden sind, ein stark reflektiertes, nicht abgeschwächtes Signal, da in diesem Bereich keine Haupt-Absorptionsbanden vorhanden sind. Durch Sammeln und Messen der Intensität der Strahlung in diesem Bereich wird ein Wert erhalten, der angewandt werden kann, um die tatsächliche Intensität des zur Bestrahlung der Probe angewandten nahen IR-Lichts abzuschätzen. Der Wert kann angewandt werden, um jeden individuellen Abtastwert (scan) zu normalisieren und bezüglich der Fluktuation der Intensität der Lichtquelle zu korrigieren, was die Genauigkeit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Werte der Analytkonzentration bewirken könnte.
Außerdem können Messungen in Spektralbereichen von etwa 1430–1450 nm und etwa 1930–1950 nm im wesentlichen nicht reflektierte; stark abgeschwächte Signale ergeben als Ergebnis der zwei dominierenden Absorptions-Peaks, die bei etwa 1440 und 1935 nm in dem nahen IR-Absorptions-Spektrum für Wasser auftreten. Durch Sammeln und Messen der Intensität der Strahlung in einem oder beiden dieser Bereiche wird ein Wert erhalten; der angewandt werden kann; um die Intensität des nahen IR-Lichts zu bestimmen, das nicht vollständig von der bestrahlten Probe absorbiert worden ist. Der Wert kann angewandt werden, um Hintergrund- oder Grundlinien-Informationen von analyt-spezifischen Signalen zu subtrahieren, die in anderen Bereichen erhalten worden sind, und/oder einen internen Bezug zu liefem, um eine ungenaue Messungen nachzuweisen. Der Wert kann von jeder Spektralmessung subtrahiert werden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten worden ist, um sie in Bezug auf den Grundeffekt zu korrigieren, der durch Spiegelreflexion verursacht wird, die mit dem Hautgewebe und dem Alter variiert.
Messungen von im wesentlichen nichtabgeschwächten Signalen, die von einem ersten Bereich (z. B. dem Spektralbereich von etwa 1320–1340 nm) erhalten worden sind, und Messungen von stark abgeschwächten Signalen, die von einem zweiten Bereich (z. B. dem Spektralbereich von etwa 1430–1450 nm und etwa 1930–1950 nm) erhalten worden sind können auch angewandt werden, um diffus reflektierte Strahlung mit Spiegelreflexion zu vergleichen: Wenn die Signale in den beiden Bereichen verhältnismäßig vergleichbare Werte aufweisen, ist es wahrscheinlich, daß der größte Teil der Strahlung, die angewandt worden ist; um die Gewebeprobe zu bestrahlen, von der Hautoberfläche reflektiert worden ist und so nicht in die Haut eingedrungen ist, um mit dem Blutanalyten in Wechselwirkung zu treten. Diese Information kann angewandt werden, um unwirksame Messungen zu identifizieren, die daher rühren, daß keine richtigen Meßwerte von der Gewebeprobe erhalten werden konnten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann durchgeführt werden unter Anwendung einer Anzahl von Spektrofotometer-Konfigurationen. In 1 wird eine besondere Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Analyten in einer flüssigen Probe allgemein als 10 bezeichnet. Diese Vorrichtung umfaßt eine Strahlenquelle 12, die eine Mehrzahl von unterschiedlichen, nicht überlappenden Bereichen von Wellenlängen im Bereich von etwa 600 bis etwa 3500 nm liefert. Es ist eine Anzahl von geeigneten Strahlenquellen bekannt, wie Glühlichtquellen, die über Interterenzfilter geführt sind, Halogenlichtquellen, die durch ein damit verbundenes Zerhackerrad moduliert worden sind, Laserlichtquellen, Laserdiodenreihen oder mit hoher Geschwindigkeit Licht emittierende Diodenreihen (LED). Bei einer bestimmten Vorrichtung liefert die Strahlenquelle 12 Strahlung in drei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, speziell einem ersten Wellenlängenbereich im nahen IR, typischerweise im Bereich von etwa 1100 bis 1350 nm, einem zweiten Bereich, im allgemeinen im Bereich von etwa 1930 bis 1950 nm, und einem dritten Bereich typischerweise im Bereich von etwa 2000 bis 3500 nm.
Die Vorrichtung 10 umfaßt auch optische Mittel 14 für die Proben-Grenzfläche die einfallende Strahlung von der Strahlenquelle mit einem Probenmedium 16, das den Analyten enthält, in Kontakt bringen. Nach dem Kontakt mit dem Probenmedium wird spektral modifizierte Strahlung, die als diffus reflektiertes Licht aus der Probe austritt, gesammelt und zu einem erstes Linsensystem 18 geleitet, wodurch das Licht in einen ersten und einen zweiten Lichtweg geführt wird, die als 20 bzw. 21 bezeichnet sind. Das erste Linsensystem 18 kann eine teilweise reflektierende Spiegelkonfiguration umfassen; wie sie bekannt ist.
Bei verschiedenen Konfigurationen kann das optische Mittel 14 für die Proben-Grenzfläche so ausgebildet sein, daß es eine nahe Grenzfläche zwischen der Vorrichtung 10 und dem Medium 16 ergibt, so wie wenn der Start eingeleitet wird, indem die Vorrichtung in direkten Kontakt mit dem Probenmedium gebracht wird, wodurch die Strahlenquelle in unmittelbare Nähe zu der zu analysierenden Probe gebracht wird. Nach dem Start wird die reflektierte Strahlung mit Hilfe von optisch aktiven Mitteln, wie Licht konvergierenden Mitteln oder Strahlen beugenden optischen Mitteln, gesammelt. Alternativ kann das optische Mittel 14 für die Proben-Grenzfläche faseroptische Wellenleiter umfassen, die mit der Vorrichtung verbunden sind, um eine von der Anwendungsstelle entfernte Plazierung der Vorrichtung zu ermöglichen. Es sind auch andere Konfigurationen möglich, bei denen ein einziges faseroptisches Bündel angewandt wird, um die Strahlung zu und von dem Medium zu führen. Eine Optrode, die am Ende des Einzelbündels angeordnet ist, überträgt die nahe IR-Strahlung zu dein Probenmedium 16 und nimmt spektral modifizierte Strahlung davon auf, die durch das Bündel wieder in die Vorrichtung 10 geführt wird. Saphir oder hochreines Quarz können als optisches Element bei den oben angegebenen faseroptischen Wellenleitern verwendet werden, da solche Materialien sehr gute Übertragungseigenschaften im nahen IR-Spektralbereich haben.
Das reflektierte Licht in dem ersten Lichtweg 20 wird mit dem ersten Filter 22 in Kontakt gebracht, der so ausgebildet ist, daß er spezielle Wellenlängen des Lichts durchläßt, die von der Analyt-Konzentration unabhängig sind. Bei einer Konfiguration kann der erste Filter einen Schmalbandfilter umfassen, der Absorptions-Charakteristika im nahen IR aufweist, die selektiv einen Strahlungsbereich durchlassen, der Wellenlängen umfaßt, die im wesentlichen keine Korrelation mit der Konzentration des Analyten haben. Die aus dem ersten Filter 22 austretende Strahlung wird dann mit einem ersten Nachweismittel 24 in Kontakt gebracht. Das Zusammenbringen der Strahlung mit dem ersten Nachweismittel kann über ein fokusierendes Mittel 26, z. B. eine Sammellinse o. ä. erfolgen. Alternativ kann die Vorrichtung 10 einen Strahlungsdetektor umfassen, der in der Lage ist, direkt Strahlung von dem ersten Filter aufzunehmen.
Das erste Nachweismittel erkennt die hindurchgegangene Strahlung und wandelt sie in ein Signal um, das repräsentativ ist für die Intensität der analyt-unabhängigen Strahlung. Bei einer bestimmten Vorrichtung umfaßt das erste Nachweismittel 24 einen Bleisulfid-Fotodetektor, der in der Lage ist, Wellenlängen im Bereich von etwa 1100 bis mindestens 3500 nachzuweisen.
Signale, die von dem ersten Nachweismittel erhalten worden sind, können unter Anwendung eines analog/digital-Umwandlers leicht in digitale Signale umgewaridelt werden, z. B. digitale Signale, die ein Zeichen sind für die Intensität der analyt-unab- hängigen Wellenlängen. Diese digitalisierten Informationen sind leicht verfügbar für die Eingabe in einen Mikroprozessor oder eine andere elektronische Speichervorrichtung, wie sie bekannt sind.
Ebenfalls nach 1 wird das reflektierte Licht in dem zweiten Lichtweg 21 zu einem einstellbaren Filter 28 geleitet, dessen Absorptions-Charakteristika als Reaktion auf ein Signal, das entweder außerhalb erzeugt worden ist oder das von der Vorrichtung 10 selbst erzeugt worden ist, eingestellt werden können. Der einstellbare Filter umfaßt allgemein einen Abschirmfilter, wie einen neutralen Dichtefilter, mit Absorptions-Charakteristika, die so eingestellt sind, daß sie variabel die Intensität von Strahlung abschwächen, wie es von einem äußeren Signal oder den Systemerfordernissen diktiert wird. Der Grad der von dem einstellbaren Filter 28 hervorgerufenen Abschwächung beruht auf einem vorbestimmten Faktor, der so gewählt ist, daß er sicherstellt, daß die von dem einstellbaren Filter abgegebene Strahlung einen konstanten Wert hat, ungeachtet der Intensität der Strahlung vor dem Filter. Bei einer besonderen Vorrichtung wird die durch den einstellbaren Filter hervorgerufene Abschwächung durch ein Feedback-Signal gesteuert, das von dem ersten Nachweismittel 24 erzeugt wird.
Abgeschwächte Strahlung, die aus dem einstellbaren Filter 28 austritt, wird mit einem Haupt-Analyt-Filter 30 in Kontakt gebracht, der optische Charakteristika aufweist, die in der Lage sind selektiv eine oder mehrere Wellenlängen von den verschiedenen nicht überlappenden Bereichen von Wellenlängen durchzulassen, die durch die Strahlenquelle 12 erzeugt worden sind. Die durch den Haupt-Analyt-Filter hindurchgegangenen Wellenlängen werden so ausgewählt, daß sie eine Korrelation mit der Konzentration des Analyten haben.
Ein zweiter Filter 32 ist in der Vorrichtung 10 so in Bezug auf den Haupt-Analyt-Filter 30 angeordnet, daß selektiv hindurchgegangene Wellenlängen, die aus dem Haupt-Analyt-Filter austreten, mit dem zweiten Filter in Wechselwirkung treten, wodurch die Intensität jeder hindurchgegangenen Wellenlänge unabhängig durch den zweiten Filter abgeschwächt wird. Die durch den zweiten Filter hervorgerufene Abschwächung kann bestimmt werden z. B. durch ein unabhängiges Set von Gewichtungsfaktoren, die unter Anwendung chemometrischer Techniken erhalten worden sind.
Bei einer besonderen Konfiguration werden die Gewichtungsfaktoren bestimmt unter Anwendug einer Analyse der partiell kleinsten Quadrate oder Hauptkomponen ten-Regression eines Originalspektrums, das von einer Probe erhalten worden ist, die den Analyten enthält. Der zweite Filter 32 kann aufgebaut sein unter Verwendung einer geeignete Substrat-Schicht, die in der Lage ist, Strahlung mindestens im Bereich von 600 bis 3500 nm hindurchzulassen. Die Substrat-Schicht ist im allgemeinen mit einer oder mehreren Schichten aus Metallen und/oder Oxiden überzogen, die üblich sind, um eine Vielzahl von Dichten von Abschwächungsfiltern zu ergeben. Solche Überzüge können auf das Substrat aufgebracht werden durch Emulsions- oder Dampfabscheidungs-(CVD)Techniken, die bekannt sind.
Nach dem Abschwächen durch den zweiten Filter werden die unabhängigen Wellenlängen mit einem zweiten Nachweismittel 34, wie einem PbS-Detektor o. ä., in Kontakt gebracht. Wie oben beschrieben, können die aus dem zweiten Filter austretenden Wellenlängen über ein fokusierendes Mittel 36, z. B. eine Sammellinse o. ä. mit einem zweiten Nachweismittel in Kontakt gebracht werden. Alternativ kann die Vorrichtung 10 einen Strahlungsdetektor umfassen, der in der Lage ist, direkt Strahlung von dem zweiten Filter aufzunehmen.
Das zweite Nachweismittel erkennt die abgeschwächten Wellenlängen, die von dem zweiten Filter abgegeben worden sind, und wandelt sie in ein Signal um, das dann auf einen analyt-spezifischen Algorithmus übertragen werden kann, um die Analyt-Konzentration zu bestimmen. Speziell können Signale, die von dem zweiten Nachweismittel erhalten worden sind, unter Anwendung eines analog/digital-Umwandlers leicht in digitale Signale umgewandelt werden. Diese digitalisierten Informationen sind leichtverfügbar für die Eingabe in einen Mikroprozessor, wo sie angewandt werden, um die Analyt-Konzentration zu erhalten, die auf einer Displayvorrichtung sichtbar gemacht und/oder mit einer Ausgangs-Aufzeichnungsvorrichtung aufgezeichnet werden kann.
Die Vorrichtung 10 kann angewandt werden, um Messungen der Analyt-Konzentration in einer Vielfalt von komplexen Medien, wie in wäßrigen Medien mit einem komplexen Spektral-Hintergrund zu erhalten. Bei einer Anwendung kann die Vorrichtung angewandt werden, zur Bestimmung von Blutanalyt-Konzentrationen, insbesondere organischen Blutanalyten, wie z. B. aber nicht beschränkt auf Glucose, Harnstoff (BUN), Lipide, Bilirubin und Alkohol. Der Blutanalyt kann in einem in vitro Probenmedium (z. B. einer Blutprobe) vorhanden sein, oder die Vorrichtung kann angewandt werden, um Blutanalyte in Gewebe zu messen. Die Vorrichtung 10 ist jedoch be sonders geeignet für Feldanwendungen, z. B. bei der Messung von Blutalkohol oder bei der Gesundheitsüberwachung zu Hause; z. B. bei der Blutzucker-Bestimmung.
Soweit erwünscht, kann der Mikroprozessor so programmiert werden; daß er die Analyt-Konzentration durch Anwendung eines chemometrischen Algorithmus auf das Signalverhältnis berechnet. Der entsprechende Algorithmus kann bestimmt werden unter Anwendung der oben beschriebenen chemometrischen Verfahren, wie der Analyse der kleinsten Quadrate oder Rotations-Hauptkomponenten-Analyse eines ursprünglichen Absorptionsspektrums des interessierenden Analyten.
Es ist zu verstehen, daß, während die Erfindung im Zusammenhang mit bevorzugten speziellen Ausführungsformen beschrieben worden ist, die obige Beschreibung sowie die folgenden Beispiele zur Illustration und nicht zur Einschränkung des Umfangs der Erfindung dienen sollen. Andere Aspekte, Vorteile und Modifikationen im Rahmen der Erfindung sind für den Fachmann, an den sich die Erfindung richtet, offensichtlich.
Beispiel
Eine nicht-invasive Glucose-Messung wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt. Insbesondere wurden reflexions-optische Messungen im nahen IR-Bereich von etwa 1100 bis 3500 nm durchgeführt. Spektral-Messungen wurden von dem Unterarm von Freiwilligen unter Anwendung eines Instruments mit einer Wolfram/-Quecksilber (W/Hg) Strahlenquelle und einem Bleisulfid (PbS) Detektor erhalten.
Eine Reihe von speziellen Spektralbereichen wurde identifiziert, daß sie Informa-tionen enthielten, die angewandt werden können zur Bestimmung der Glucose-Konzentration (Blutzucker) durch Scannen des Unterarmgewebes. Diese speziellen Bereiche wurden bestimmt durch eine in vivo Glucose-Toleranzstudie, die zusammen mit in vitro Bestimmungen der Blutzucker-Konzentration von invasiv erhaltenen Proben durchgeführt wurde. Insbesondere sind zeitabhängige Abtastwerte, die während der invivo-Toleranzstudie, erhalten wurden, in 2 angegeben. Wie zu ersehen ist, wurden während des Verlaufs der Studie deutliche Veränderungen der Reflexions-Intensitäts-Unterschiede über den Bereich von etwa 2120 bis 2180 nm aufgezeichnet. Diese Veränderungen nahmen in direktem Zusammenhang mit der Zunahme des Blutzuckergehalts während er Toleranzstudie zu, was anzeigt, daß der Bereich von 2120 bis 2180 nm glucose-spezifische Spektral-Informatonen enthält.
Nachdem die spezifischen Spektralbereiche erst einmal identifiziert worden waren, wurden nicht-invasive Glucose-Meßwerte unter Anwendung von Informationen von den vier unterschiedlichen Spektralbereichen erhalten. Der erste Spektcalbereich um faßte Strahlung, die bei etwa 1320 bis 1340 nm auftrat. Dieser Bereich liefert ein sehr stark reflektiertes Signal und in diesem Bereich findet sich keine starke Glucose-Absorptions-Bande. Informationen, die aus diesem ersten Spektralbereich erhalten wurden; können angewandt werden, um jeden individuellen Abtastwert zu normalisieren, um ihn gegenüber Fluktuationen in der Strahlenquelle und Veränderungen aufgrund mechanischer Störungen zu korrigieren.
Der zweite Spektralbereich umfaßte Strahlung, die entweder bei etwa 1440 bis 1460 nm oder etwa 1940 bis 1960 nm auftrat. Diese Bereiche liefern ein im wesentlichen nicht reflektiertes Signal aufgrund der stark absorbierenden Wasser-Banden, die reflektierte Strahlung diffus abschwächen. Informationen, die aus diesen Bereichen erhalten wurden, können angewandt werden, zur Subtraktion von Hintergrund- oder Grundlinien-Werten von anderen Messungen. Diese Messungen ermöglichen eine Grundeinstellung für Fluktuationen, die durch Werte von Spiegel-Reflexions-Signalen auftreten, und können angewandt werden, um ungenaue Messungen nachzuweisen.
Der dritte Bereich umfaßte Strahlung, die bei etwa 1670 bis 1690 nm auftrat. Dieser Bereiche liefert analyt-spezifische Informationen aufgrund des Vorhandenseins von Glucose-Vibrations-Oberton-Banden.
Der vierte Bereich umfaßte Strahlung, die bei etwa 2120 bis 2280 nm auftrat. Dieser Bereiche liefert analyt-spezifische Informationen aufgrund von Glucose-Kombinations-Vibrations-Banden.
Signale die aus dem ersten Bereicherhalten wurden, wurden angewandt, um Signale von anderen Bereichen zu normalisieren. Dieses Verfahren eliminiert, wenn es mit jedem spektralen Abtastwert durchgeführt wird, das Problem, das mit Veränderungen der Lichtquelle verbunden ist, und liefert einen internen Bezug. Messungsvariationen die durch Unterschiede der optischen Grenzfläche, z. B. der Plazierung durch den Patienten, hervorgerufen werden, wurden folglich wesentlich verringert.
Hintergrundinformationen wurden eliminiert durch Subtrahieren der in dem zweiten Bereich erhaltenen Signale von den in dem dritten und vierten analyt-spezifischen Bereich erhaltenen Signalen. Auf diese Weise wurde der Basiseffekt, der durch Spiegelreflexion hervorgerufen wird, die mit der Hautstruktur und dem Alter variiert, korrigiert.
Die normalisierten und für die Grundlinie korrigierten Signale von dem dritten und vierten Bereich wurden einer analytischen chemometrischen Analyse unterworfen. 4 zeigt die normalisierten Unterschiede zwischen Signalen in dem zweiten und dritten Bereich.
Wie aus den in 3 gezeigten Ergebnissen hervorgeht, führt eine Zunahme des Blutzuckergehalts zu einer Zunahme der Signaldifferenz zwischen den beiden Bereichen.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration eines Analyten in einer Probe, umfassend: (a) ein Mittel (12) zum Bestrahlen der Probe (16) mit einfallender Strahlung von einer Mehrzahl von unterschiedlichen, sich nicht überlappenden Spektralbereichen von Wellenlängen, wobei alle diese Bereiche im nahen Infrarot liegen; (b) ein Mittel (18) zum Aufnehmen von reflektierter Strahlung, die aus der Probe austritt, und Leiten der reflektierten Strahlung in erste und zweite Lichtwege (20, 21), wobei der erste Lichtweg (20) Strahlung aus einem ersten Spektralbereich von Wellenlängen umfaßt; (c) einen ersten Filter (22), der in dem ersten Lichtweg (20) angeordnet ist, wobei der erste Filter (22) in der Lage ist, selektiv Strahlung durchzulassen, die im wesentlichen nicht mit der Konzentration des Analyten in Korrelation steht, (d) ein erstes Nachweismittel (24) zur Aufnahme von selektiv durch den ersten Filter (22) hindurchgegangener Strahlung und zur Umwandlung dieser in ein Signal, das repräsentativ ist für die Intensität der Strahlung; (e) einen einstellbaren Filter (28), der dem zweiten Lichtweg (21) angeordnet ist, wobei der einstellbare Filter (28) in der Lage ist, daß seine Absorptionscharakteristika als Reaktion auf ein Signal eingestellt werden und die Intensität der Strahlung in dem zweiten Lichtweg (21) abschwächt; (f) einen Haupt-Analyt-Filter (30), der in der Lage ist, abgeschwächte Strahlung aufzunehmen, die aus dem einstellbaren Filter (28) austritt, und selektiv unabhängige Wellenlängen davon durchzulassen, wobei die unabhängigen Wellenlängen speziell mit der Konzentration des Analyten in Korrelation stehen; (g) einen zweiten Filter (32), der in der Lage ist, die unabhängigen Wellenlängen aufzunehmen, die aus dem Haupt-Analyt-Filter (30), austreten, und die Intensität jeder einzelnen Wellenlänge abzuschwächen, wobei die Abschwächung durch den zweiten Filter (32) festgestellt wird durch Anwendung von Frequenzbewertungsfaktoren, und (h) ein zweites Nachweismittel (34) zur Aufnahme der abgeschwächten unabhängigen Wellenlängen von dem zweiten Filter (32) und Umwandeln der nachgewiesenen Wellenlängen in ein Signal, das repräsentativ ist für die Intensität dieser Wellenlängen
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Filter (22) einen Filter mit einem engen Durchlaßbereich umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der einstellbare Filter (28) einen Neutralfilter umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das aus dem ersten Nachweismittel (24) erhaltene Signal angewandt wird, um die von dem einstellbaren Filter (28) hervorgerufene Abschwächung zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Frequenzbewertungsfaktoren erhalten werden unter Anwendung von chemometrischen Techniken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Frequenzbewertungsfaktoren erhalten werden unter Anwendung der Analyse von gedrehten Hauptkomponenten eines Absorptionsspektrums des Analyten
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Probe Körpergewebe umfaßt und der Analyt einen organischen Blut-Analyten umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 7P wobei der Blut-Analyt ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Glucose, Harnstoff (BUN), Lipiden, Bilirubin und Ethylalkohol.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Blut-Analyt Glucose ist.