專(zhuān)利名稱(chēng)：用于無(wú)創(chuàng)地確定組織內(nèi)的酒精的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于與多變量分析結(jié)合利用無(wú)創(chuàng)技術(shù)來(lái)測(cè)量酒精、酒精副產(chǎn)品、 酒精加合物、或者濫用物質(zhì)的存在或濃度的定量光譜系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前用于酒精測(cè)量的實(shí)踐基于血液測(cè)量或者呼吸測(cè)試。血液測(cè)量定義用于確定酒精中毒水平的金標(biāo)準(zhǔn)。但是，血液測(cè)量需要靜脈或者毛細(xì)血管樣品并且涉及重要的處理預(yù)防措施，以便最小化健康風(fēng)險(xiǎn)。一旦被抽取，血液樣品必須被恰當(dāng)?shù)貥?biāo)記，并且運(yùn)輸?shù)脚R床實(shí)驗(yàn)室或臨床氣相色譜儀通常用于測(cè)量血液酒精水平的其他合適的地方。由于該程序的有創(chuàng)性和所涉及的樣品處理的量，血液酒精測(cè)量通常限于危急情況，例如對(duì)于交通事故、嫌疑犯請(qǐng)求這種類(lèi)型的測(cè)試的違章行為、和涉及傷害的事故。因?yàn)楹粑鼫y(cè)試是侵入性較小的，它在本領(lǐng)域中更加常見(jiàn)地被遇到。在呼吸測(cè)試中， 受驗(yàn)者必須將足夠量的氣呼到儀器內(nèi)足夠的時(shí)間以獲得從肺內(nèi)深處的肺泡產(chǎn)生的穩(wěn)定呼吸流。設(shè)備然后測(cè)量在空氣中的酒精含量，其通過(guò)呼吸-血液分配系數(shù)與血液酒精關(guān)聯(lián)。在美國(guó)使用的血液-呼吸分配系數(shù)是2100(每mg KOH/dL空氣的mg KOH/dL的默示單位)， 并且在其他的國(guó)家在1900到MOO之間變化。分配系數(shù)的變化是由于它高度依賴(lài)受驗(yàn)者的事實(shí)。換句話說(shuō)，每一個(gè)受驗(yàn)者將有依賴(lài)于他的或她的生理機(jī)能的在1900到MOO的范圍內(nèi)的分配系數(shù)。因?yàn)槊總€(gè)受驗(yàn)者的分配系數(shù)的知識(shí)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中是不可用的，每個(gè)國(guó)家假定單個(gè)分配系數(shù)值在全世界適用于所有的測(cè)量。在美國(guó)，在DUI案例中的被告經(jīng)常使用全球適用的分配系數(shù)作為阻止起訴的論據(jù)。呼吸測(cè)量具有附加的限制。首先，“口腔酒精”的存在可能錯(cuò)誤地提高呼吸酒精測(cè)量。這使在進(jìn)行測(cè)量之前的15分鐘等待時(shí)間成為必須，以便確保沒(méi)有口腔酒精存在。由于類(lèi)似的原因，對(duì)于被觀察到打嗝或嘔吐的個(gè)體，需要15分鐘延遲。在呼吸測(cè)量之間常常需要10分鐘或更長(zhǎng)的延遲以允許儀器返回到與周?chē)諝獾钠胶夂土憔凭?。另外，呼吸酒精測(cè)量的準(zhǔn)確度容易受到眾多的生理和環(huán)境因子的影響。很多政府機(jī)構(gòu)和社會(huì)團(tuán)體通常尋找對(duì)血液和呼吸酒精測(cè)量的無(wú)創(chuàng)備選方案。定量光譜法提供對(duì)當(dāng)前測(cè)量方法的限制不敏感的完全無(wú)創(chuàng)酒精測(cè)量的潛力。盡管通過(guò)定量光譜法的生物屬性的無(wú)創(chuàng)確定被發(fā)現(xiàn)非常合乎需要，但是它非常難以實(shí)現(xiàn)。所關(guān)注的屬性作為例子包括分析物存在、分析物濃度(例如酒精濃度)、分析物濃度的改變的方向、分析物濃度的改變的速率、疾病的存在(例如酒精中毒)、疾病狀態(tài)、及其組合和子集。通過(guò)定量光譜法的無(wú)創(chuàng)測(cè)量是合乎需要的，因?yàn)樗鼈兪菬o(wú)痛的，不需要從身體抽取的流體，有很少的污染和感染的風(fēng)險(xiǎn)，不產(chǎn)生任何危險(xiǎn)的廢物，并且可具有較短的測(cè)量時(shí)間。已經(jīng)提出用于無(wú)創(chuàng)地確定生物組織的屬性的多種系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括結(jié)合旋光測(cè)定法、中紅外光譜法、拉曼光譜法、克羅姆光譜法(Kromoscopy)、熒光光譜法、核磁共振光譜法、射頻光譜法、超聲波、經(jīng)皮測(cè)量、光-聲光譜法和近紅外光譜法的多種技術(shù)。但是，這些系統(tǒng)沒(méi)有代替直接的和有創(chuàng)的測(cè)量。作為一個(gè)例子，在第4，975，581號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中Robinson等人公開(kāi)了結(jié)合從具有已知特征值的生物樣品的一組光譜中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的多變量模型使用紅外光譜法來(lái)測(cè)量生物樣品中的未知值的特征的方法和裝置。上面提到的特征一般是分析物如酒精的濃度，而且可以是樣品的任何化學(xué)或物理性質(zhì)。Robinson等人的方法涉及兩步驟過(guò)程，其包括校準(zhǔn)和預(yù)測(cè)步驟。在校準(zhǔn)步驟，紅外光耦合到具有已知特征值的校準(zhǔn)樣品，以便根據(jù)各種成分和包括具有已知特征值的樣品的分析物而存在紅外輻射的至少幾個(gè)波長(zhǎng)的衰減。紅外光通過(guò)使光穿過(guò)樣品傳遞或者通過(guò)使光從樣品反射而耦合到樣品。紅外光通過(guò)樣品的吸收導(dǎo)致光的強(qiáng)度變化，其是光的波長(zhǎng)的函數(shù)。對(duì)具有已知特征值的這組校準(zhǔn)樣品測(cè)量在幾個(gè)波長(zhǎng)的最小值處的因而導(dǎo)致的強(qiáng)度變化。原始或轉(zhuǎn)換的強(qiáng)度變化然后使用多變量算法在經(jīng)驗(yàn)上與校準(zhǔn)樣品的已知特征有關(guān)，以獲得多變量校準(zhǔn)模型。該模型優(yōu)選地說(shuō)明受驗(yàn)者可變性、儀器可變性和環(huán)境可變性。在預(yù)測(cè)步驟，紅外光被耦合到具有未知特征值的樣品，并且多變量校準(zhǔn)模型應(yīng)用于從這個(gè)未知的樣品測(cè)量的光的恰當(dāng)波長(zhǎng)的原始或轉(zhuǎn)換的強(qiáng)度變化。預(yù)測(cè)步驟的結(jié)果是未知樣品的估計(jì)特征值。此處通過(guò)引用合并Robinson等人的公開(kāi)。構(gòu)造校準(zhǔn)模型和使用這樣的模型用于分析物和/或組織的屬性的預(yù)測(cè)的另一 ^ ^ 名禾爾為“Method and Apparatus for Tailoring Spectrographic Calibration Models"的Thomas等人的共同轉(zhuǎn)讓的第6，157，041號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中被公開(kāi)，該公開(kāi)通過(guò)引用被并入本文。在第5，830，112號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中，Robinson描述了用于無(wú)創(chuàng)分析物測(cè)量的可靠的組織采樣的一般方法。采樣方法使用組織采樣輔助設(shè)備，其路徑長(zhǎng)度通過(guò)用于測(cè)量諸如酒精的分析物的光譜區(qū)域而優(yōu)化。該專(zhuān)利公開(kāi)了用于測(cè)量組織的從400到2500nm的光譜的幾種類(lèi)型的分光計(jì)，包括聲光可調(diào)諧濾波器、離散波長(zhǎng)分光計(jì)、濾波器、光柵分光計(jì)和FIlR分光計(jì)。Robinson的公開(kāi)通過(guò)引用被并入本文。雖然在嘗試生產(chǎn)用于確定生物屬性的商業(yè)上可行的無(wú)創(chuàng)的基于近紅外光譜法的系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行了相當(dāng)多的工作，但是現(xiàn)在沒(méi)有這樣的設(shè)備是可用的。應(yīng)當(dāng)相信，上面討論的現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)由于一個(gè)或多個(gè)原因而未能完全地應(yīng)付被組織的光譜特性強(qiáng)加的挑戰(zhàn)，這使無(wú)創(chuàng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為艱難的任務(wù)。因此，存在對(duì)商業(yè)上可行的設(shè)備的相當(dāng)大的需要，該設(shè)備合并以足夠的準(zhǔn)確度和精密度進(jìn)行人類(lèi)組織中的生理屬性的臨床相關(guān)確定的子系統(tǒng)和方法。發(fā)明概述本發(fā)明一般涉及用于使用無(wú)創(chuàng)技術(shù)結(jié)合多變量分析來(lái)測(cè)量酒精、酒精副產(chǎn)品、酒精加合物、或者濫用物質(zhì)的存在或濃度的定量光譜系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合在一些實(shí)施方案中包括五個(gè)優(yōu)化的子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而克服了組織的光譜特征所引起的挑戰(zhàn)。該設(shè)計(jì)對(duì)付組織光譜的復(fù)雜性、高信噪比和光度準(zhǔn)確性要求、組織采樣誤差、校準(zhǔn)維護(hù)問(wèn)題、校準(zhǔn)轉(zhuǎn)移問(wèn)題以及許多其他問(wèn)題。這五個(gè)子系統(tǒng)包括照明/調(diào)制子系統(tǒng)、組織采樣子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、計(jì)算子系統(tǒng)和校準(zhǔn)子系統(tǒng)。本發(fā)明還包括允許這些子系統(tǒng)的每一個(gè)的實(shí)現(xiàn)和集成以便最大化凈屬性信噪比的裝置和方法。凈屬性信號(hào)是近紅外光譜的對(duì)所關(guān)注的屬性特定的部分，因?yàn)樗桥c所有其他的光譜變化源正交的。凈屬性信號(hào)的正交性質(zhì)使它與由任何干擾物質(zhì)定義的空間垂直，并且作為結(jié)果，凈屬性信號(hào)與這些變化源是不相關(guān)的。凈屬性信噪比直接與用于通過(guò)定量近紅外光譜法來(lái)無(wú)創(chuàng)地確定屬性的本發(fā)明的準(zhǔn)確度和精確度有關(guān)。本發(fā)明可使用近紅外輻射用于分析。在1.0到2. 5微米的波長(zhǎng)范圍(或者10，000 到4，OOOcm-1的波數(shù)范圍)內(nèi)的輻射可適于進(jìn)行一些無(wú)創(chuàng)測(cè)量，因?yàn)檫@樣的輻射具有對(duì)于許多分析物——包括酒精的可接受的特異性，以及具有可接受的吸收特征的高達(dá)5毫米的組織光穿透深度。在1. 0到2. 5微米光譜區(qū)域中，構(gòu)成組織的大量的光學(xué)活性物質(zhì)由于它們的吸收光譜的重疊性質(zhì)而使任何給定物質(zhì)的測(cè)量變得復(fù)雜。多變量分析技術(shù)可用于解決這些重疊的光譜，以便所關(guān)注的物質(zhì)的準(zhǔn)確測(cè)量可實(shí)現(xiàn)。但是，多變量分析技術(shù)可能要求多變量校準(zhǔn)隨著時(shí)間的推移保持可靠(校準(zhǔn)維護(hù))并且可應(yīng)用于多個(gè)儀器(校準(zhǔn)轉(zhuǎn)移)。其他波長(zhǎng)區(qū)域例如可見(jiàn)光和紅外光也可適用于本發(fā)明。本發(fā)明為光譜儀器的設(shè)計(jì)的多學(xué)科方法提供證明，該光譜儀器合并對(duì)儀器子系統(tǒng)、組織生理學(xué)、多變量分析、近紅外光譜法和總系統(tǒng)操作的認(rèn)識(shí)。另外，在子系統(tǒng)之間的相互作用已經(jīng)被分析，以便整個(gè)無(wú)創(chuàng)測(cè)量設(shè)備的行為和要求被充分理解，并且導(dǎo)致對(duì)商業(yè)儀器的設(shè)計(jì)，該商業(yè)儀器將以足夠的準(zhǔn)確度和精確度以在商業(yè)上可行的價(jià)格和尺寸進(jìn)行無(wú)創(chuàng)測(cè)量。無(wú)創(chuàng)監(jiān)控器的子系統(tǒng)被高度優(yōu)化以提供組織的可再生的和優(yōu)選地均勻的輻射、低的組織采樣誤差、包括所關(guān)注的屬性的組織層的深度目標(biāo)設(shè)定、來(lái)自組織的漫反射系數(shù)光譜的有效收集、高的光通過(guò)量、高的測(cè)光精度、大的動(dòng)態(tài)范圍、良好的熱穩(wěn)定性、有效的校準(zhǔn)維護(hù)、有效的校準(zhǔn)轉(zhuǎn)移、內(nèi)設(shè)的質(zhì)量控制、和使用的容易。附圖的簡(jiǎn)要描述

圖1是合并本發(fā)明的子系統(tǒng)的無(wú)創(chuàng)分光計(jì)系統(tǒng)的示意圖；圖2是在三部件系統(tǒng)中的凈屬性信號(hào)的概念的圖形描繪；圖3是使用用于在空間上和角度上均勻化所發(fā)射的輻射的裝置的本發(fā)明的系統(tǒng)的概略視圖；圖4是使用阿達(dá)瑪編碼合并半導(dǎo)體光源的本發(fā)明的實(shí)施方案的示意圖；圖5是使用阿達(dá)瑪編碼合并半導(dǎo)體光源的本發(fā)明的實(shí)施方案的示意圖，其中編碼在光與樣品相互作用以后被執(zhí)行；圖6是設(shè)計(jì)成監(jiān)控和控制固態(tài)光源的溫度的電子電路的實(shí)施方案；圖7是設(shè)計(jì)成控制固態(tài)光源的驅(qū)動(dòng)電流的電子電路的實(shí)施方案，該電子電路包括用于打開(kāi)和關(guān)閉光源的裝置；圖8是設(shè)計(jì)成監(jiān)控和控制固態(tài)光源的溫度的電子電路的實(shí)施方案，該電子電路包括用于改變期望的控制溫度的裝置；圖9是設(shè)計(jì)成控制固態(tài)光源的驅(qū)動(dòng)電流的電子電路的實(shí)施方案，該電子電路包括用于打開(kāi)和關(guān)閉光源并改變期望的驅(qū)動(dòng)電流的裝置；圖10是示例性組織采樣子系統(tǒng)的元件的透視圖；圖11是用于保持采樣表面并且在其上定位組織表面的人機(jī)工程學(xué)裝置的透視圖；圖12是組織采樣子系統(tǒng)的采樣表面的平面圖，其示出了照明和收集光纖的示例性布置；
圖13是組織采樣子系統(tǒng)的采樣表面的可選的實(shí)施方案；圖14是組織采樣子系統(tǒng)的采樣表面的可選的實(shí)施方案；圖15描繪了采樣器方位的不同方面；圖16是兩波道采樣子系統(tǒng)的圖解視圖；圖17是示出了兩波道采樣子系統(tǒng)的益處的圖形表示；圖18是當(dāng)局部干擾物在組織上存在時(shí)在采樣表面和組織之間的界面的圖解視圖；圖19是相對(duì)于采樣表面的組織的可選定位設(shè)備的圖解視圖；圖20是示例性數(shù)據(jù)采樣子系統(tǒng)的示意性表示；圖21是示出了示例性計(jì)算子系統(tǒng)的不同方面的示意性表示；圖22是在路徑長(zhǎng)度校正之前和之后的水的光譜，以說(shuō)明穿過(guò)組織的光子傳播；圖23是混合的校準(zhǔn)形成過(guò)程的圖示；圖M是結(jié)合三個(gè)局部干擾物緩和策略的決策過(guò)程的示意性表示；圖25展示用于檢測(cè)局部干擾物的存在的多變量校準(zhǔn)離群值度量的有效性；圖沈示出了 1300和3000K黑體輻射器在100-33000cm_1 (100-0. 3微米)范圍內(nèi)的歸一化NIR光譜；圖27示出了對(duì)說(shuō)明的陶瓷黑體光源觀察到的隨著時(shí)間推移的所測(cè)量的強(qiáng)度；圖28示出了幾個(gè)說(shuō)明性的NIR LED，s的光譜發(fā)射剖面；圖四是適于供本發(fā)明使用的光導(dǎo)管的透視端視圖和詳細(xì)的平面圖；圖30是內(nèi)反射和因而產(chǎn)生的波道效應(yīng)的圖示；圖31示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的部件的示意圖；圖32是在本發(fā)明的光探針的示例性實(shí)施方案的樣品界面處的照明和收集光纖的布置的示意圖；圖33描繪了使用22個(gè)波長(zhǎng)得到的無(wú)創(chuàng)組織光譜；圖34將從在圖33中的光譜得到的無(wú)創(chuàng)組織酒精濃度與同時(shí)產(chǎn)生的毛細(xì)管血液酒精濃度進(jìn)行比較；圖35是多個(gè)半導(dǎo)體光源的光學(xué)組合的圖示。本發(fā)明的詳細(xì)描述為了本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)“分析物濃度”一般指的是諸如酒精的分析物的濃度。術(shù)語(yǔ)“分析物特性”包括分析物濃度和其他特性，例如分析物的存在或不存在、或者分析物濃度改變的方向或速率、或者可結(jié)合或代替分析物濃度來(lái)測(cè)量的生物計(jì)量。盡管本公開(kāi)一般提到酒精作為所關(guān)注的“分析物”，其他分析物——包括但不限于濫用物質(zhì)、酒精生物標(biāo)志和酒精副產(chǎn)品——也可從本發(fā)明中受益。術(shù)語(yǔ)“酒精”用作所關(guān)注的示例性分析物；該術(shù)語(yǔ)旨在包括乙醇、甲醇、乙基乙二醇或任何其他一般稱(chēng)為酒精的化學(xué)制品。為了本發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)“酒精副產(chǎn)品”包括通過(guò)身體的酒精的新陳代謝的加合物和副產(chǎn)品，包括但不限于丙酮、乙醛和醋酸。術(shù)語(yǔ)“酒精生物標(biāo)志”包括但不限于Y-谷氨酰轉(zhuǎn)移酶(GGT)、天門(mén)冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(AST)、丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶(ALT)、紅細(xì)胞平均體積(MCV)、碳水化合物缺少鐵傳遞酶(CDT)、乙基葡糖苷酸(EtG)、硫酸二乙酯( 和磷脂酰乙醇(PKh)。術(shù)語(yǔ)“濫用物質(zhì)”指的是但不限于THC(四氫大麻醇或大麻)、可卡因、M-AMP(甲基苯丙胺)、0PI (嗎啡
8和海洛因)、鹽酸羥考酮、氧可酮和PCP(苯環(huán)己哌啶)。術(shù)語(yǔ)“生物計(jì)量”指的是可用于識(shí)別或驗(yàn)證特定的人或受驗(yàn)者的身份的分析物或生物特征。本發(fā)明使用光譜法處理對(duì)樣品的分析物測(cè)量的需要，其中“樣品”通常指的是生物組織。術(shù)語(yǔ)“受驗(yàn)者”通常指的是樣品測(cè)量所獲取自的人。術(shù)語(yǔ)“固態(tài)光源”或“半導(dǎo)體光源”指的是基于半導(dǎo)體的所有光源，不管光譜是窄 (例如激光器)還是寬(例如LED)，包括但不限于發(fā)光二極管(LED)、垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)、水平腔表面發(fā)射激光器(HCSEL)、量子級(jí)聯(lián)激光器、量子點(diǎn)激光器、二極管激光器、或者其他半導(dǎo)體二極管或激光器。此外，等離子體光源和有機(jī)LED雖然不嚴(yán)格地基于半導(dǎo)體，但也在本發(fā)明的實(shí)施方案中被設(shè)想，并且因此為了這個(gè)公開(kāi)的目的而在固態(tài)光源和半導(dǎo)體光源的定義下被包括。為了這個(gè)發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)“色散分光計(jì)”表示基于將光的一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)與其他波長(zhǎng)在空間上分離的任何設(shè)備、部件、或部件組的分光計(jì)。例子包括但不限于使用一個(gè)或多個(gè)衍射光柵、棱鏡、全息光柵的分光計(jì)。為了這個(gè)發(fā)明的目的，術(shù)語(yǔ)“干涉儀/調(diào)制分光計(jì)” 表示基于不同波長(zhǎng)的光到不同頻率的調(diào)制的一類(lèi)分光計(jì)，其基于光干涉的特性在時(shí)間上或選擇性地透射或反射某些波長(zhǎng)的光。例子包括但不限于傅立葉變換干涉儀、薩格納克干涉儀、模擬干涉儀、邁克爾遜干涉儀、一個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具、或者聲-光可調(diào)諧濾波器(AOTF)。本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，對(duì)于本發(fā)明也設(shè)想基于色散和干涉/調(diào)制特性的組合的分光計(jì)例如基于片狀光柵的那些分光計(jì)。本發(fā)明利用在一些例子中被描述為吸收率或其他光譜測(cè)量的“信號(hào)”。信號(hào)可包括關(guān)于樣品的光譜測(cè)量或樣品中的改變獲得的任何測(cè)量，例如在一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)處的吸收率、反射率、返回的光的強(qiáng)度、熒光、透射、拉曼光譜、或者測(cè)量的多種組合。一些實(shí)施方案利用一個(gè)或多個(gè)模型，其中這樣的模型可以是使信號(hào)與期望的特性有關(guān)的任何東西。模型的一些例子包括從多變量分析方法得到的那些模型，例如偏最小二乘回歸(PLS)、線性回歸、 多線性回歸(MLR)、經(jīng)典最小二乘回歸(CLS)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、判別分析、主成分分析(PCA)、主成分回歸(PCR)、判別分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類(lèi)分析和K最近鄰。基于比爾-朗伯定律的單或多波長(zhǎng)模型是經(jīng)典最小二乘的特殊情況，并且因此為了本發(fā)明的目的在術(shù)語(yǔ)多變量分析中被包括。應(yīng)當(dāng)參考附圖來(lái)閱讀下面的詳細(xì)描述。不一定按比例繪制的這些附圖描繪不是用來(lái)限制本發(fā)明的范圍的說(shuō)明性的實(shí)施方案。為了應(yīng)用的目的，術(shù)語(yǔ)“大約”適用于所有數(shù)值， 無(wú)論是否被明確指示。術(shù)語(yǔ)“大約”通常指的是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)為與列舉出的值相當(dāng) (也就是具有相同的功能或結(jié)果)的數(shù)字的范圍。在一些實(shí)例中，術(shù)語(yǔ)“大約”可包括四舍五入到最接近的有效數(shù)字的數(shù)字。光譜測(cè)量系統(tǒng)通常需要用于分辨并測(cè)量不同波長(zhǎng)的光的一些裝置以便得到光譜。 實(shí)現(xiàn)期望的光譜的一些普通的方法包括色散(例如基于光柵和棱鏡的)分光計(jì)和干涉(例如邁克爾遜、薩格納克或者其他干涉儀)分光計(jì)。結(jié)合這樣的方法的無(wú)創(chuàng)測(cè)量系統(tǒng)常常被色散和干涉設(shè)備的昂貴性質(zhì)以及他們的固有大小、易碎性、和對(duì)環(huán)境影響的敏感性限制。本發(fā)明可提供用于使用固態(tài)光源例如發(fā)光二極管(LED)、垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)JK 平腔表面發(fā)射激光器(HCSEL)、二極管激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器、或者其他固態(tài)光源來(lái)分辨和記錄不同波長(zhǎng)的強(qiáng)度的可選方法。
現(xiàn)在參考圖1，能夠?qū)Ψ治鑫锾匦詼y(cè)量實(shí)現(xiàn)可接受水平的準(zhǔn)確性和精確性的無(wú)創(chuàng)監(jiān)控器在示意圖中被描繪。本發(fā)明的總的系統(tǒng)可為了討論的目的而被視為包括五個(gè)子系統(tǒng)；本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到所公開(kāi)的功能的其他細(xì)分。這些子系統(tǒng)包括照明/調(diào)制子系統(tǒng)100、組織采樣子系統(tǒng)200、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)300、處理子系統(tǒng)400和校準(zhǔn)子系統(tǒng)(沒(méi)有示出)。這些子系統(tǒng)可被設(shè)計(jì)和一體化以便實(shí)現(xiàn)期望的凈屬性信噪比。凈屬性信號(hào)是對(duì)所關(guān)注的屬性特定的近紅外光譜的部分，因?yàn)樗c其他的光譜變化源正交。圖2是在三維系統(tǒng)中的凈屬性信號(hào)的圖形表示。凈屬性信噪比直接與通過(guò)本發(fā)明的定量近紅外光譜法的無(wú)創(chuàng)屬性確定的準(zhǔn)確性和精確性有關(guān)。這些子系統(tǒng)提供組織的可再生的和優(yōu)選地在空間上均勻的輻射、低的組織采樣誤差、組織的合適的層的深度目標(biāo)設(shè)定、來(lái)自組織的漫反射光譜的有效的收集、高的光通過(guò)量、高的測(cè)光精度、大的動(dòng)態(tài)范圍、優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性、有效的校準(zhǔn)維護(hù)、有效的校準(zhǔn)轉(zhuǎn)移、內(nèi)設(shè)的質(zhì)量控制和使用的容易。每一個(gè)子系統(tǒng)在下面更加詳細(xì)地被討論。照明/調(diào)制子系統(tǒng)100照明/調(diào)制子系統(tǒng)100產(chǎn)生用于詢(xún)問(wèn)樣品(例如人類(lèi)的皮膚組織)的光。在使用色散或干涉分光計(jì)的傳統(tǒng)光譜法中，多色光源(或所關(guān)注的樣品)的光譜通過(guò)使不同波長(zhǎng)的光在空間上色散(例如使用棱鏡或衍射光柵)或者通過(guò)將不同波長(zhǎng)的光調(diào)制到不同的頻率(例如使用邁克爾遜干涉儀)來(lái)測(cè)量。在這些情況中，分光計(jì)(與光源不同的子系統(tǒng)) 需要執(zhí)行在空間上或者在時(shí)間上對(duì)不同波長(zhǎng)“編碼”的功能，以便每一個(gè)波長(zhǎng)可實(shí)質(zhì)上獨(dú)立于其他的波長(zhǎng)而被測(cè)量。盡管色散和干涉分光計(jì)在本領(lǐng)域中是已知的并且在一些環(huán)境和應(yīng)用中可充分地提供其功能，但是它們可能在其他的應(yīng)用和環(huán)境中被其價(jià)格、大小、易碎性和復(fù)雜性限制。包括在本發(fā)明所公開(kāi)的系統(tǒng)中的固態(tài)光源的優(yōu)點(diǎn)是它們可在強(qiáng)度上被調(diào)制。因此，發(fā)射不同波長(zhǎng)的光的多個(gè)光源可被使用，每一個(gè)光源在不同的頻率處被調(diào)制。獨(dú)立地調(diào)制的光源可被光學(xué)地組合為單光束并且被引入至樣品。光的一部分可從樣品收集并且由單個(gè)光檢測(cè)器測(cè)量。結(jié)果是光源和分光計(jì)有效地組合成單個(gè)照明/調(diào)制子系統(tǒng)，單個(gè)照明/ 調(diào)制子系統(tǒng)可提供在大小、成本、能量消耗和總的系統(tǒng)穩(wěn)定性上的顯著益處，因?yàn)榉止庥?jì)作為獨(dú)立的子系統(tǒng)從測(cè)量系統(tǒng)中消除。必須考慮包括固態(tài)光源的、用于測(cè)量分析物特性的系統(tǒng)的幾個(gè)參數(shù)，包括但不限于需要執(zhí)行期望的測(cè)量的固態(tài)光源的數(shù)量、光源的發(fā)射剖面(例如光譜寬度、強(qiáng)度)、光源穩(wěn)定性和控制、以及它們的光學(xué)組合。由于每一個(gè)光源是一個(gè)分離的元件，將多個(gè)光源的輸出組合成為單個(gè)光束以便它們從樣品被一致地引入并收集可能是有利的。此外，光源的調(diào)制方案也必須被考慮，因?yàn)橐恍╊?lèi)型的源可適合于在強(qiáng)度上的正弦調(diào)制，其中其他源可適合于被打開(kāi)和關(guān)閉或者被方波調(diào)制。在正弦調(diào)制的情況下，多個(gè)光源可基于系統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)在不同的頻率處被調(diào)制。多個(gè)源所發(fā)射的光可例如使用光導(dǎo)管或其他均化器被光學(xué)地組合，從所關(guān)注的樣品引入和收集，并且然后由單個(gè)檢測(cè)器測(cè)量。因而產(chǎn)生的信號(hào)可經(jīng)由傅立葉或類(lèi)似的變換而轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度相對(duì)于波長(zhǎng)的光譜?？蛇x地，一些光源在開(kāi)和關(guān)狀態(tài)之間切換或者被方波調(diào)制，這些光源適合于阿達(dá)瑪變換方法。但是，在一些實(shí)施方案中，不是在測(cè)量期間在不同的時(shí)間阻擋不同的波長(zhǎng)或者使不同的波長(zhǎng)通過(guò)的傳統(tǒng)阿達(dá)瑪掩模，阿達(dá)瑪方案可在電子器件中實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楣虘B(tài)光源可在高頻處循環(huán)。阿達(dá)瑪或類(lèi)似的變換可用于確定強(qiáng)度相對(duì)于波長(zhǎng)的光譜。固態(tài)光源的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是許多類(lèi)型(例如VCSEL)發(fā)射窄范圍的波長(zhǎng)(這部分地確定了測(cè)量的有效分辨率)。因此，在一些示例性實(shí)施方案中，不需要使用光學(xué)濾波器或其他方法來(lái)使光源的發(fā)射剖面成形或者變窄，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)足夠窄。由于降低的系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，這將是有利的。另外，諸如VCSEL的一些固態(tài)光源的發(fā)射波長(zhǎng)經(jīng)由所供給的驅(qū)動(dòng)電流、驅(qū)動(dòng)電壓、或者通過(guò)改變光源的溫度在一定范圍的波長(zhǎng)上是可調(diào)諧的。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是，如果給定的系統(tǒng)要求特定數(shù)量的波長(zhǎng)，系統(tǒng)可利用較少的分離的光源通過(guò)在它們的可用范圍上調(diào)諧它們來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。例如，如果無(wú)創(chuàng)特性的測(cè)量要求20個(gè)波長(zhǎng)，可以利用 10個(gè)分離的VCSEL，10個(gè)中的每一個(gè)在測(cè)量過(guò)程中被調(diào)諧到2個(gè)不同的波長(zhǎng)。在這個(gè)類(lèi)型的方案中，傅立葉或者阿達(dá)瑪方法通過(guò)改變光源的每一個(gè)調(diào)諧點(diǎn)的調(diào)制頻率或者通過(guò)組合調(diào)制方案與掃描方案來(lái)保持合適。重要的是要注意，本發(fā)明還設(shè)想了黑體光源的幾種實(shí)施方案，而不是固態(tài)光源。在這些實(shí)施方案中，寬的黑體源使用光學(xué)濾波器——例如但不限于線性可變?yōu)V波器(LVF)、電介質(zhì)堆棧、分布式布拉格光柵、光子晶體晶格濾波器、聚合物膜、吸收濾波器、反射濾波器、 標(biāo)準(zhǔn)具、諸如棱鏡和光柵的色散元件、和量子點(diǎn)濾波器——來(lái)轉(zhuǎn)換為多個(gè)窄的光源。波長(zhǎng)的因而產(chǎn)生的多個(gè)波帶可通過(guò)傅立葉方案或者阿達(dá)瑪掩模來(lái)調(diào)制。與固態(tài)概念類(lèi)似，分光計(jì)系統(tǒng)與光源組合，這可在系統(tǒng)的大小、成本和堅(jiān)固性方面提供可觀的益處。在其他的實(shí)施方案中，諸如光柵或棱鏡的色散元件被用于在空間上分離來(lái)自寬帶源(或者黑體、LED、或者其他寬發(fā)射光源)的光的波長(zhǎng)。色散元件分離不同的波長(zhǎng)，其可使用阿達(dá)瑪掩?；驒C(jī)械斬波器(例如對(duì)于傅立葉方案)在焦平面上的其位置處被獨(dú)立地調(diào)制。與之前描述的實(shí)施方案類(lèi)似，因而產(chǎn)生的光可被均勻化并且引入到光探針。圖4和5 示出了本發(fā)明的實(shí)施方案的示意圖，該實(shí)施方案利用阿達(dá)瑪編碼合并黑體光源。在合并阿達(dá)瑪掩模或者機(jī)械斬波器的機(jī)械調(diào)制的實(shí)施方案中，在一些情況下，在光由光探針(200)從樣品收集以后執(zhí)行調(diào)制步驟可能是有利的。圖5示出了這樣的系統(tǒng)的實(shí)施方案的示意圖。分析物特性可在跨越電磁光譜的紫外和紅外區(qū)域的各種波長(zhǎng)處被測(cè)量。對(duì)于在皮膚中的例如酒精或?yàn)E用物質(zhì)的體內(nèi)測(cè)量，由于在人類(lèi)皮膚內(nèi)存在的所關(guān)注的分析物和其他化學(xué)物質(zhì)(例如水)的光譜信號(hào)的敏感性和特異性，1，OOOnm到2，500nm的近紅外(NIR)區(qū)域可能是重要的。此外，分析物的吸收能力足夠低，以致近紅外光可穿透皮膚中幾毫米，在該皮膚中存在所關(guān)注的分析物。2，OOOnm到2，500nm的波長(zhǎng)范圍可能有特定的效用，因?yàn)樗M合波帶而不是在NIR的1，OOOnm到2，OOOnm部分中遭遇的更弱、更不明顯的諧波。除了通?？衫玫脑诠庾V的可見(jiàn)光區(qū)域中的LED、VCSEL、二極管激光器之外，還存在具有在整個(gè)NIR區(qū)域中的發(fā)射波長(zhǎng){1，000到2，500nm}的可利用的固態(tài)光源。這些光源適用于本發(fā)明的分析物和生物計(jì)量特性測(cè)量系統(tǒng)。可利用的NIR固態(tài)光源的一些例子是由 Vertilas GmbH 生產(chǎn)的 VCSEL、和從 Laser Components GmbH 可買(mǎi)到的 VCSEL、量子級(jí)聯(lián)激光器、激光二極管、或者從 Roithner Laser、Epitex、Dora Texas 公司、Microsensor Tech、 SciTech Instruments、Laer 2000、Redwave Labs、禾口 De印 Red Tech 可買(mǎi)至Ij的激光器禾口二極管。這些例子為了論證的目的而被包括，且并不是用來(lái)限制適合于用在本發(fā)明上的固態(tài)光源的類(lèi)型。測(cè)量分辨率和分辨率提高在色散分光計(jì)中，光譜測(cè)量的有效分辨率常常由系統(tǒng)中的孔的寬度確定。分辨率限制孔徑常常是入口狹縫的寬度。在檢測(cè)到分光計(jì)中的光的焦平面處，形成狹縫的多個(gè)圖像，不同的波長(zhǎng)位于焦平面上的不同的空間位置處。因此，檢測(cè)獨(dú)立于鄰居的一個(gè)波長(zhǎng)的能力依賴(lài)于狹縫的寬度。更窄的寬度允許在波長(zhǎng)之間的更好的分辨率，以可通過(guò)分光計(jì)傳遞的光的數(shù)量為代價(jià)。因此，分辨率和信噪比通常彼此折衷。干涉分光計(jì)具有在分辨率和信噪比之間的類(lèi)似折衷。在邁克爾遜干涉儀的情況中，光譜的分辨率部分地由距離確定，在該距離上移動(dòng)的反射鏡平移較長(zhǎng)的距離，導(dǎo)致更大的分辨率。結(jié)果是距離越大，完成一次掃描所需要的時(shí)間就越多。在本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)的情況中，光譜的分辨率由每一個(gè)分離的光源的光譜寬度確定(不管是不同的光源、被調(diào)諧到多個(gè)波長(zhǎng)的光源、還是其組合)。對(duì)于需要高分辨率的分析物特性的測(cè)量，VCSEL或者其他合適的固態(tài)激光器可被使用。激光器的發(fā)射的寬度可非常窄，這轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻直媛省Ｔ谛枰械降头直媛实臏y(cè)量應(yīng)用中，LED可能是合適的，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂斜裙虘B(tài)激光器替代物更寬的發(fā)射剖面(輸出強(qiáng)度分布在整個(gè)更寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi))。光源的有效分辨率可通過(guò)不同類(lèi)型的光學(xué)濾波器的使用或組合得到提高。光源的光譜寬度可使用一個(gè)或多個(gè)光學(xué)濾波器變窄或變細(xì)，以便實(shí)現(xiàn)更高的分辨率(例如更緊密的發(fā)射波長(zhǎng)范圍)。在本發(fā)明的實(shí)施方案中設(shè)想的光學(xué)濾波器的例子包括但不限于線性可變?yōu)V波器(LVF’ S)、電介質(zhì)堆棧、分布式布拉格光柵、光子晶體晶格濾波器、聚合物膜、吸收濾波器、反射濾波器、標(biāo)準(zhǔn)具、諸如棱鏡和光柵的色散元件、和量子點(diǎn)濾波器。從本發(fā)明的實(shí)施方案得到的用于提高測(cè)量的分辨率的另一方法是去卷積。去卷積和其他類(lèi)似的方法可用于隔離在兩個(gè)或多個(gè)重疊的寬光源之間存在的信號(hào)差異。例如，具有部分重疊的發(fā)射剖面的兩個(gè)光源可合到測(cè)量系統(tǒng)中?？蓮臉悠返玫綔y(cè)量，并且產(chǎn)生光譜 (經(jīng)由阿達(dá)瑪、傅立葉變換或者其他合適的變換)。使用光源的發(fā)射剖面的知識(shí)，該剖面可從光譜去卷積以便提高光譜的分辨率。光源波長(zhǎng)和強(qiáng)度的穩(wěn)定性和控制可通過(guò)改變光源的熱狀態(tài)或電特性(例如驅(qū)動(dòng)電流或電壓)來(lái)影響固態(tài)光源尤其是激光器的峰值發(fā)射波長(zhǎng)。在半導(dǎo)體激光器的情況中，改變熱狀態(tài)和電特性改變了半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性或者物理尺寸。結(jié)果是設(shè)備內(nèi)的腔間距的改變，這改變了所發(fā)射的峰值波長(zhǎng)。因?yàn)楣虘B(tài)光源展示了這些效果，所以當(dāng)它們?cè)诠鈱W(xué)測(cè)量系統(tǒng)中被使用時(shí)，發(fā)射的峰值波長(zhǎng)的穩(wěn)定性和它的相關(guān)強(qiáng)度可能是重要的參數(shù)。因此，在測(cè)量期間，每一個(gè)光源的熱狀態(tài)和電特性的控制在總的系統(tǒng)堅(jiān)固性和性能方面可能是有利的。此外，由熱狀態(tài)和電狀況導(dǎo)致的光特性的改變可被影響，以允許單個(gè)光源被調(diào)諧到多個(gè)峰值波長(zhǎng)位置。這可導(dǎo)致可測(cè)量比分離的光源的數(shù)量更多的波長(zhǎng)位置的分析物特性測(cè)量系統(tǒng)，其可降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。溫度穩(wěn)定可使用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在一些實(shí)施方案中，可通過(guò)將溫度升高到環(huán)境條件之上(或者降低到環(huán)境條件之下)來(lái)穩(wěn)定一個(gè)或多個(gè)光源，而沒(méi)有另外的溫度控制。 在其他的實(shí)施方案中，所述一個(gè)光源或者多個(gè)光源可被積極地控制以使用控制環(huán)設(shè)定溫度 (冷卻或者加熱)。適用于本發(fā)明的溫度控制環(huán)路的圖形在圖6中示出。
光源的電特性也影響固態(tài)光源的發(fā)射剖面(例如發(fā)射的波長(zhǎng)位置)。使被提供給一個(gè)或多個(gè)光源的電流和/或電壓穩(wěn)定可能是有利的。例如，VCSEL的峰值發(fā)射依賴(lài)于驅(qū)動(dòng)電流。對(duì)于峰值波長(zhǎng)的穩(wěn)定性是重要的實(shí)施方案，驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定性變成重要的質(zhì)量因數(shù)。在這樣的情況中，電子電路可被設(shè)計(jì)成向VCSEL提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流。電路的復(fù)雜性和成本可依賴(lài)于驅(qū)動(dòng)電流的所需穩(wěn)定性。圖7示出了適于用在本發(fā)明上的電流驅(qū)動(dòng)電路。 本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，電流控制電路的可選的實(shí)施方案在本領(lǐng)域中是已知的，并且也可適于本發(fā)明。此外，一些固態(tài)光源要求驅(qū)動(dòng)電壓而不是驅(qū)動(dòng)電流的控制；本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到，設(shè)計(jì)成控制電壓而不是電流的電子電路是易于得到的。在一些實(shí)施方案中，單個(gè)固態(tài)光源例如VCSEL在測(cè)量過(guò)程中被調(diào)諧到多個(gè)波長(zhǎng)。 為了實(shí)現(xiàn)光源的調(diào)諧，在圖6和7中示出的電路可被修改為分別包括溫度設(shè)定點(diǎn)和電流的控制。圖8和9分別描繪溫度和電流控制電路的實(shí)施方案，其允許發(fā)射波長(zhǎng)的調(diào)諧。在一些實(shí)施方案中，調(diào)諧溫度或者驅(qū)動(dòng)電路/電壓可足以實(shí)現(xiàn)峰值發(fā)射波長(zhǎng)的期望調(diào)諧。在其他的實(shí)施方案中，可能需要溫度和驅(qū)動(dòng)電流/電壓的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的調(diào)諧范圍。此外，用于測(cè)量和穩(wěn)定峰值發(fā)射波長(zhǎng)的光學(xué)裝置還可被合并到關(guān)于本發(fā)明描述的系統(tǒng)中。法布里-珀羅(Fabry-Perot)標(biāo)準(zhǔn)具可用于提供相對(duì)的波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍和精細(xì)度可被指定為提供允許VCSEL峰值波長(zhǎng)的積極的測(cè)量和控制的光通帶。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具的一個(gè)示例性實(shí)施方案使用具有部分反射鏡表面的熱穩(wěn)定的扁平熔融石英板。對(duì)于需要每一個(gè)VCSEL提供多個(gè)波長(zhǎng)的系統(tǒng)，可選擇標(biāo)準(zhǔn)具的自由光譜范圍，以便它的透射峰值與用于調(diào)諧的期望波長(zhǎng)間隔一致。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，存在對(duì)這個(gè)應(yīng)用可行的許多光學(xué)配置和電子控制電路。圖9示出了一種示例性控制電路?？蛇x的波長(zhǎng)編碼方案使用色散光柵和次級(jí)陣列檢測(cè)器來(lái)將VCSEL波長(zhǎng)編碼到在陣列上的空間位置。對(duì)于基于色散或者標(biāo)準(zhǔn)具的方案，可使用具有比主要光學(xué)檢測(cè)器更不嚴(yán)格的性能要求的次級(jí)光學(xué)檢測(cè)器。通過(guò)允許對(duì)任何漂移的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，積極的控制可降低VCSEL溫度和電流控制電路的穩(wěn)定性要求。諸如光擴(kuò)散器、光導(dǎo)管、和其他擾頻器的光均化器可合并到發(fā)射/調(diào)制子系統(tǒng)100 的一些實(shí)施方案中，以便在組織采樣子系統(tǒng)200的輸入處提供可再生的并且優(yōu)選地均勻的輻射。均勻的輻射可確保組織的好的測(cè)光精度和均勻的照明。均勻的輻射還可減少與光源之間的制造差異關(guān)聯(lián)的誤差。均勻的輻射可在本發(fā)明中使用以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確和精確的測(cè)量。見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利6，684，099，其通過(guò)應(yīng)用被并入本文。毛玻璃板是光擴(kuò)散器的例子。板的磨砂表面有效地?cái)_亂從光源及其傳輸光學(xué)器件發(fā)出的輻射的角度。光導(dǎo)管可用于使輻射的強(qiáng)度均勻，以便它在光導(dǎo)管的輸出處在空間上是均勻的。另外，具有雙彎曲的光導(dǎo)管將擾亂輻射的角度。為了產(chǎn)生均勻的空間強(qiáng)度和角度分布，光導(dǎo)管的橫截面不應(yīng)該是環(huán)形的。方形、六邊形和八邊形橫截面是有效的擾頻幾何形狀。光導(dǎo)管的輸出可直接地耦合到組織采樣器的輸入，或者可在光被發(fā)送到組織采樣器之前與另外的傳輸光學(xué)器件結(jié)合使用。見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)09/832，586，“Illumination Device and Method for Spectroscopic Analysis,，，其通過(guò)弓|用被并入本文。采樣子系統(tǒng)200圖1表明了組織采樣子系統(tǒng)200的方位在照明/調(diào)制(100)和數(shù)據(jù)采集(300)子系統(tǒng)之間。參考圖1，組織采樣子系統(tǒng)200將由照明/調(diào)制子系統(tǒng)100生成的輻射引入到受驗(yàn)者的組織內(nèi)，收集沒(méi)有被組織吸收的一部分輻射，并且將該輻射發(fā)送到數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)300內(nèi)的光檢測(cè)器用于測(cè)量。圖10到20描繪示例性組織采樣子系統(tǒng)200的元件。參考圖10，組織樣品子系統(tǒng)200具有光輸入202、形成詢(xún)問(wèn)組織的組織界面206的采樣表面204 和光輸出207。子系統(tǒng)還包括在圖11中描繪的人機(jī)工程學(xué)裝置210，其控制采樣表面204 和將組織定位在界面206。在一個(gè)示例性子系統(tǒng)中，包括使組織界面恒溫的設(shè)備，并且在一些實(shí)施方案中，包括在組織界面上以重復(fù)的方式重新定位組織的裝置。在其他的實(shí)施方案中，折射率匹配液可用于改進(jìn)在組織和采樣表面之間的光學(xué)界面。改進(jìn)的界面可減少誤差并且增加效率，由此提高凈屬性信號(hào)。見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利6，622，032,6, 152，876,5, 823，951 和5，655，530，其通過(guò)引用被并入本文。組織采樣子系統(tǒng)200的光輸入202接收來(lái)自照明/調(diào)制子系統(tǒng)100的輻射(例如從光導(dǎo)管出射的光)，并且將該輻射傳輸?shù)浇M織界面206。作為一個(gè)例子，光輸入可包括以幾何圖案布置的一束光纖，其從照明/調(diào)制子系統(tǒng)收集合適數(shù)量的光。圖12描繪了一個(gè)示例性布置。平面圖描繪了在采樣表面處的幾何結(jié)構(gòu)中的輸入和輸出光纖的末端，該結(jié)構(gòu)包括以環(huán)形圖案布置的六個(gè)團(tuán)簇208。每一個(gè)團(tuán)簇包括四個(gè)中心輸出光纖212，其收集來(lái)自組織的漫反射光。在四個(gè)中心輸出光纖212的每一組的周?chē)遣牧?15的圓柱，其確保在中心輸出光纖212的邊緣和輸入光纖214的內(nèi)環(huán)之間大約100 μ m的間隔。100 μ m的間隔對(duì)于測(cè)量在真皮內(nèi)的乙醇可能是重要的。如在圖12中示出的，輸入光纖214的兩個(gè)同心環(huán)布置在材料215的圓柱周?chē)?。如在一個(gè)示例性實(shí)施方案中示出的，32個(gè)輸入光纖環(huán)繞四個(gè)輸出光纖。圖13說(shuō)明采樣子系統(tǒng)的團(tuán)簇幾何結(jié)構(gòu)的可選方案。在這個(gè)實(shí)施方案中，照明和收集光纖光學(xué)器件布置在線性幾何結(jié)構(gòu)中。每一行可以用于照明或者光收集，并且可具有適于實(shí)現(xiàn)足夠的信噪比的任何長(zhǎng)度。另外，行數(shù)可以是2或者更多，以便改變被采樣子系統(tǒng)覆蓋的物理區(qū)域。潛在的照明光纖的總數(shù)依賴(lài)于光源的發(fā)射區(qū)域的物理尺寸和每一個(gè)光纖的直徑?？墒褂枚鄠€(gè)光源來(lái)增加照明光纖的數(shù)量。收集光纖的數(shù)量依賴(lài)于與干涉儀子系統(tǒng)的界面的區(qū)域。如果收集光纖的數(shù)量導(dǎo)致比干涉儀子系統(tǒng)界面允許的更大的區(qū)域，后面有孔的光導(dǎo)管或其他均化器可用于減小采樣子系統(tǒng)的輸出區(qū)域的尺寸。光導(dǎo)管或其他均化器的目的是確保每一個(gè)收集光纖對(duì)穿過(guò)孔的光實(shí)質(zhì)上相等地做出貢獻(xiàn)。在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的采樣子系統(tǒng)、與樣品相互作用的光探針的部分可由光纖的兩個(gè)或更多線性條帶的堆棧組成。這些布置允許對(duì)所關(guān)注的樣品和測(cè)量位置(例如手、手指)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)光探針界面的大小和形狀。圖14示出了基于條帶的線性堆棧的采樣子系統(tǒng)的示例性實(shí)施方案。關(guān)于在本發(fā)明中使用的合適的實(shí)施方案的額外細(xì)節(jié)可在共同未決的美國(guó)申請(qǐng)12/185，217和12/185，224中找到，其中每個(gè)申請(qǐng)通過(guò)應(yīng)用被并入本文。采樣子系統(tǒng)還可使用一個(gè)或多個(gè)波道，其中波道指的是照明和收集光纖的特定的方位。方位由單個(gè)或多個(gè)照明光纖的角度、單個(gè)或多個(gè)收集光纖的角度、單個(gè)或多個(gè)照明光纖的數(shù)值孔徑、單個(gè)或多個(gè)收集光纖的數(shù)值孔徑、以及在單個(gè)或多個(gè)照明和收集光纖之間的間隔距離組成。圖15是形成方位的參數(shù)的圖示。多個(gè)波道可以結(jié)合地或者同時(shí)地或者連續(xù)地使用，以提高無(wú)創(chuàng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。圖16是二波道采樣子系統(tǒng)的圖示。在這個(gè)例子中，兩個(gè)波道正在測(cè)量同一組織結(jié)構(gòu)。因此，每一個(gè)波道從一個(gè)不同的角度提供同一組織的測(cè)量。第二個(gè)角度幫助提供另外的光譜信息，其由于散射和吸收而幫助分離信號(hào)。參考圖16，光纖組(在這個(gè)例子中是1個(gè)源、1個(gè)接收器#1和1個(gè)接收器#2)可被重復(fù)1到N次， 以便增加采樣器區(qū)域并且提高光效率。每一個(gè)光纖可以具有不同的數(shù)值孔徑和角度(Θ)。 在光纖X和Y之間的距離確定源-接收器間隔。此外，可增加另外的源波道，其創(chuàng)建4-波道采樣子系統(tǒng)。本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到在數(shù)量和波道之間的關(guān)系上的大量的可能的變化。圖17是多波道采樣器的益處的例子的直方圖，該采樣器用于無(wú)創(chuàng)葡萄糖測(cè)量。從圖中很清楚，當(dāng)單獨(dú)地與任一個(gè)波道比較時(shí)兩個(gè)波道的組合提供更高的測(cè)量準(zhǔn)確性。盡管這個(gè)例子使用兩個(gè)波道，額外的波道可提供可進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量的額外信息。多波道采樣子系統(tǒng)的另一個(gè)方面是改進(jìn)局部干涉物例如在樣品上存在的汗或洗液的檢測(cè)和緩和的能力。圖18是在存在局部干擾物時(shí)多波道采樣子系統(tǒng)的圖示。該圖示出了在組織界面、局部干涉物層和組織處的采樣子系統(tǒng)。在這個(gè)例子中，由于局部干擾物， 對(duì)每一個(gè)波道的測(cè)量的貢獻(xiàn)是相同的。通過(guò)干擾物的路徑對(duì)兩個(gè)波道是類(lèi)似的，而通過(guò)組織的路徑是不同的。這允許從對(duì)兩個(gè)波道不同的組織信號(hào)中分離在兩個(gè)波道都存在的共同的局部干擾物信號(hào)的潛力。群集的輸入和輸出光纖被安裝到在采樣頭216中安裝的簇套圈中。采樣頭216包括采樣表面204，其被拋平以允許好的組織界面的形成。同樣，輸入光纖被群集到在輸入端連接的套圈218中以與照明/調(diào)制子系統(tǒng)100面接。輸出光纖的輸出端被群集到套圈220 中以與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)300面接。光輸入可使用光導(dǎo)管、折射和/或反射光學(xué)器件來(lái)將輸入光傳遞到組織界面?？赡苤匾氖墙M織采樣子系統(tǒng)的輸入光學(xué)器件從照明/調(diào)制子系統(tǒng)100收集足夠的光，以便實(shí)現(xiàn)可接受的凈屬性信號(hào)。組織界面以將與所關(guān)注的屬性有關(guān)的組織的隔室設(shè)為目標(biāo)的方式輻射組織，并且可區(qū)別對(duì)待沒(méi)有通過(guò)那些隔室傳播相當(dāng)大的距離的光。作為一個(gè)例子，100 μ m的間隔區(qū)別對(duì)待包含很少的屬性信息的光。另外，組織界面可在組織的某個(gè)區(qū)域上平均以減少由于組織的非均勻性質(zhì)導(dǎo)致的誤差。組織采樣界面可拒絕鏡像和短路徑長(zhǎng)度光線，并且它可收集以高效率穿過(guò)組織傳播期望的路徑長(zhǎng)度的部分光，以便最大化系統(tǒng)的凈屬性信號(hào)。組織采樣界面可利用光纖將光從輸入引導(dǎo)至以如上討論的預(yù)先確定的幾何結(jié)構(gòu)中的組織。光纖可布置在以包含好的屬性信息的某些層的組織為目標(biāo)的模式中。間距、角度、數(shù)值孔徑、以及輸入和輸出光纖的放置可以用實(shí)現(xiàn)有效的深度目標(biāo)設(shè)定的方式布置。除了光纖的使用之外，組織采樣界面可使用基于非光纖的布置，其在組織的表面上放置輸入和輸出區(qū)域的模式?；诜枪饫w的組織采樣界面的合適的掩蔽確保輸入光在組織中傳播最小的距離并且包含有效的屬性信息。最后，組織采樣界面可被恒溫以按照預(yù)先確定的方式控制組織的溫度。組織采樣界面的溫度可被設(shè)定成使得該發(fā)明減少由于溫度變化導(dǎo)致的預(yù)測(cè)誤差。另外，當(dāng)構(gòu)造校準(zhǔn)模型時(shí)參考誤差減少。這些方法在序列號(hào)為 09/343，800、題目為"Method and Apparatus for Non-Invasive Blood Analyte Measurement with Fluid Compartment Equilibration”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中被公開(kāi)，其通過(guò)引用被并入本文。組織采樣子系統(tǒng)可使用人機(jī)工程學(xué)裝置或者支架210，其以可再生的方式將組織定位在采樣界面206上。圖11描繪了示例性人機(jī)工程學(xué)裝置210。在對(duì)前臂的下側(cè)采樣的情況中，人機(jī)工程學(xué)支架設(shè)計(jì)是確保與采樣界面的良好接觸所必需的。人機(jī)工程學(xué)托架
15210包括基底221，其具有穿過(guò)其的孔口 223。孔口為了在其中接納樣品頭216而依尺寸制造，以定位通常與基底221的上表面225共面的樣品表面204。人機(jī)工程學(xué)支架210經(jīng)由托架222結(jié)合浮動(dòng)安裝的手柄2M定位受驗(yàn)者的肘和上臂，以在組織采樣界面上準(zhǔn)確地定位前臂。必須謹(jǐn)慎地注意組織采樣界面的人機(jī)工程學(xué)，否則可能產(chǎn)生相當(dāng)大的采樣誤差。示例性人機(jī)工程學(xué)支架210被設(shè)計(jì)成使得受驗(yàn)者的前臂可靠地定位在采樣頭216 之上。托架222形成肘座，其設(shè)定在上臂和采樣頭216之間的合適的角度，并且還用作臂的配準(zhǔn)點(diǎn)?？烧{(diào)節(jié)的手座2M被設(shè)計(jì)成以松馳的方式支撐手指。為每一個(gè)受驗(yàn)者調(diào)節(jié)手座的位置以適應(yīng)不同的前臂長(zhǎng)度。在一些實(shí)施方案中，包括提升機(jī)構(gòu)，其在采樣過(guò)程中周期性地升高和降低支架以破壞和改善組織界面。界面的改善便于減少由于皮膚的粗糙性質(zhì)和不均勻性導(dǎo)致的采樣誤差。也可使用這里描述的系統(tǒng)的變化來(lái)調(diào)節(jié)可選的部位，例如手指尖。圖19中圖解地示出了人機(jī)工程學(xué)支架的可選方案。不是位于在測(cè)量系統(tǒng)上的支架，定位設(shè)備位于組織上。定位設(shè)備可以是可重復(fù)利用的或者用完即丟棄的，并且可使用醫(yī)用粘合劑粘附到組織。定位設(shè)備還可包括透光膜或者防止與采樣子系統(tǒng)的物理接觸同時(shí)保持測(cè)量的期望的光學(xué)特征的其他材料。定位設(shè)備以預(yù)先確定的方式與采樣子系統(tǒng)面接，例如定位銷(xiāo)，以便可再生地將組織定位到采樣子系統(tǒng)。定位設(shè)備在測(cè)量過(guò)程中還防止組織相對(duì)采樣子系統(tǒng)的移動(dòng)。組織采樣子系統(tǒng)200的輸出傳輸沒(méi)有被組織吸收的部分光，其已經(jīng)穿過(guò)組織傳播了可接受的路徑到達(dá)在數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)300內(nèi)的光檢測(cè)器。組織采樣子系統(tǒng)200的輸出可使用折射和/或反射光學(xué)系統(tǒng)的任何組合以將輸出光聚焦在光檢測(cè)器上。在一些實(shí)施方案中，所收集的光是均勻的(見(jiàn) US 6，684，099, Apparatus and Methods for Reducing Spectral Complexity in Optical Sampling，其通過(guò)引用被并入本文)，以便減輕可能是樣本相關(guān)的空間和角度效應(yīng)(見(jiàn)圖3)。作為示例性應(yīng)用，由于相對(duì)于身體的水吸收的酒精吸收光譜的小尺寸，人體內(nèi)的酒精的無(wú)創(chuàng)測(cè)量對(duì)儀器的性能施加極度嚴(yán)格的要求。另外，由于諸如膠原、脂肪、蛋白質(zhì)等的其他光譜活性化合物的吸收，干擾減少酒精吸收光譜的有用部分，產(chǎn)生小的凈屬性信號(hào)。 為了首先安排近似值，對(duì)于使用本發(fā)明穿過(guò)組織傳播的光的有效路徑長(zhǎng)度，lmg/dl的酒精濃度的改變相當(dāng)于7Au的光譜變化。因此，為了以臨床上可接受的準(zhǔn)確度無(wú)創(chuàng)地測(cè)量酒精， 無(wú)創(chuàng)酒精監(jiān)控器的分光計(jì)部分必須具有大的信噪比(SNR)和優(yōu)良的測(cè)光準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)300數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)300將來(lái)自采樣子系統(tǒng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字表示。圖20是數(shù)據(jù)采樣子系統(tǒng)的示意性表示。本發(fā)明的重要的方面是，類(lèi)似于干涉分光計(jì)，只需要單個(gè)元件檢測(cè)器來(lái)測(cè)量所有期望的波長(zhǎng)。陣列檢測(cè)器和它們的支持電子器件由于其昂貴的性質(zhì)而是相當(dāng)大的缺點(diǎn)。光檢測(cè)器根據(jù)時(shí)間將入射光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在1. 0到2. 5微米的光譜范圍內(nèi)敏感的檢測(cè)器的例子包括InGaAs、InAs, hSb、Ge JbSjn H^e。本發(fā)明的示例性實(shí)施方案可使用1-mm、熱-電冷卻的、擴(kuò)展范圍的InGaAs檢測(cè)器，其對(duì)在1. 0到2. 5微米范圍內(nèi)的光敏感。2. 5微米、擴(kuò)展范圍的hGaAs檢測(cè)器具有低的約翰遜(Johnson)噪聲，并且作為結(jié)果， 允許從組織采樣子系統(tǒng)發(fā)射的光子通量的散粒噪聲限制的性能。擴(kuò)展的InGaAs檢測(cè)器在 2. 0到2. 5微米光譜區(qū)域中具有峰值敏感性，三個(gè)非常重要的酒精吸收特征位于該區(qū)域中。相比于液氮冷卻的hSb檢測(cè)器，熱-電冷卻的、擴(kuò)展范圍的InGaAs對(duì)于商業(yè)產(chǎn)品可能更加實(shí)用。另外，這個(gè)檢測(cè)器在1.0到2. 5微米光譜區(qū)域中展示超過(guò)120dbc的線性度。如果酒精測(cè)量系統(tǒng)使用可選的波長(zhǎng)區(qū)域，可選的檢測(cè)器可能是適當(dāng)?shù)摹＠?，如果所關(guān)注的波長(zhǎng)范圍在300-1 IOOnm范圍內(nèi)，硅檢測(cè)器可能是適當(dāng)?shù)?。只要給定的光檢測(cè)器滿(mǎn)足基本的敏感度、噪聲和速度要求，任何光檢測(cè)器就可與本發(fā)明一起使用。合適的光檢測(cè)器可具有大于6000歐姆的并聯(lián)電阻、小于6納法拉的熱電容、和在1. 0到2. 5微米光譜區(qū)域內(nèi)的每瓦特0. 15安培的最小光敏感度。另外，光檢測(cè)器可具有大于或等于1000赫茲的截止頻率。光檢測(cè)器的并聯(lián)電阻定義檢測(cè)器的約翰遜或熱噪聲。檢測(cè)器的約翰遜噪聲必須相對(duì)于在檢測(cè)器處的光通量為低，以通過(guò)檢測(cè)器確保散粒噪聲限制性能。熱電容控制光檢測(cè)器的截止頻率，并且還可以是在光檢測(cè)器放大器的高頻噪聲增益中的因子。光敏感性是在光到電流的轉(zhuǎn)換中重要的因子，并且直接地影響SNR等式的信號(hào)部分。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)300的其余部分放大并過(guò)濾來(lái)自檢測(cè)器的電信號(hào)，并且然后利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波、和從一個(gè)相等的時(shí)間間隔到另一相等的位置間隔的數(shù)字信號(hào)的重采樣來(lái)將因而產(chǎn)生的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為它的數(shù)字表示。模擬電子器件和ADC必須支持在信號(hào)中固有的高SNR和線性度。為了保持信號(hào)的SNR和線性度，數(shù)據(jù)采樣子系統(tǒng)300可支持至少I(mǎi)OOdbc的SNR以及失真。數(shù)據(jù)采樣子系統(tǒng)300可產(chǎn)生信號(hào)的數(shù)字化表示。在一些實(shí)施方案中，24比特δ-gADC可在96或者192千赫茲處操作。如果系統(tǒng)性能要求允許，可使用可選的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中樣品采集與光源調(diào)制同步，而不是以相等的時(shí)間間隔被捕獲。數(shù)字化的信號(hào)可被傳遞到嵌入式計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)600用于進(jìn)一步的處理，如下面所討論的。另外，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)300可利用恒定的時(shí)間采樣、雙波道、δ-σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)來(lái)支持當(dāng)前無(wú)創(chuàng)葡萄糖測(cè)量的SNR和測(cè)光精度要求。在一些實(shí)施方案中，所使用的 δ - σ ADC支持每波道超過(guò)IOOKHz的采樣率，具有超過(guò)117dbc的動(dòng)態(tài)范圍并且具有少于 105dbc的總的諧波失真。在只有一個(gè)待數(shù)字化的信號(hào)的波道(不是通常在δ-oADC中的兩個(gè)或以上)的系統(tǒng)中，信號(hào)可被傳遞到ADC的兩個(gè)輸入中并在數(shù)字化后被平均。這個(gè)操作可幫助減少由ADC引入的任何無(wú)關(guān)聯(lián)的噪聲。恒定的時(shí)間采樣數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)300具有優(yōu)于數(shù)字化信號(hào)的其他方法的幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括更大的動(dòng)態(tài)范圍、更低的噪聲、減少的光譜偽像；檢測(cè)器噪聲限制操作和更簡(jiǎn)單并且更便宜的模擬電子器件。另外，恒定的時(shí)間采樣技術(shù)允許對(duì)由在ADC 之前的模擬電子器件引入的頻率響應(yīng)失真的數(shù)字補(bǔ)償。這包括在放大和濾波電路中的非線性相位誤差以及光檢測(cè)器的不理想的頻率響應(yīng)。均勻采樣的數(shù)字信號(hào)允許一個(gè)或多個(gè)數(shù)字濾波器的應(yīng)用，這些濾波器的累積的頻率響應(yīng)是模擬電子器件的傳遞函數(shù)的倒數(shù)(見(jiàn)例如 US 7，446，878，其通過(guò)應(yīng)用被并入本文)。計(jì)算子系統(tǒng)400計(jì)算子系統(tǒng)400執(zhí)行多個(gè)功能，例如將從數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)300得到的數(shù)字化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單束光譜，在單束光譜上執(zhí)行光譜離群值檢查、在準(zhǔn)備預(yù)測(cè)所關(guān)注的屬性時(shí)進(jìn)行光譜預(yù)處理、預(yù)測(cè)所關(guān)注的屬性、系統(tǒng)狀態(tài)檢查、與用戶(hù)界面關(guān)聯(lián)的所有顯示和處理要求、 以及數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)。圖21是示出了合適的計(jì)算子系統(tǒng)的不同方面的示意性表示。在一些實(shí)施方案中，計(jì)算子系統(tǒng)包括在與發(fā)明的其他子系統(tǒng)連接的專(zhuān)用個(gè)人計(jì)算機(jī)或者膝上型計(jì)算機(jī)中。在其他實(shí)施方案中，計(jì)算子系統(tǒng)是專(zhuān)用嵌入式計(jì)算機(jī)。在將來(lái)自檢測(cè)器的數(shù)字化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為單束光譜后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可針對(duì)離群值或壞掃描檢查單束光譜。離群值樣品或壞掃描是妨礙了在所測(cè)量的信號(hào)與所關(guān)注的特性之間的假定的關(guān)系的一個(gè)樣品或掃描。離群值條件的例子包括校準(zhǔn)儀器在環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、 振動(dòng)容限、部件容限、功率水平等的指定的操作范圍之外操作的條件。另外，如果樣品的組分或濃度與用于構(gòu)造校準(zhǔn)模型的樣品的組分或濃度范圍不同，離群值可能出現(xiàn)。校準(zhǔn)模型將以后在這個(gè)公開(kāi)中作為校準(zhǔn)子系統(tǒng)的部分被討論。任何離群值或壞掃描可被刪除，并且其余的好的光譜可一起被平均以產(chǎn)生用于測(cè)量的平均單束光譜。平均單束光譜可通過(guò)采用光譜的負(fù)的以10為底的對(duì)數(shù)(IoglO)來(lái)轉(zhuǎn)換為吸收率。吸收光譜可按照單束光譜縮放比例以重新標(biāo)準(zhǔn)化噪聲。按比例縮放的吸收光譜可用于結(jié)合從校準(zhǔn)子系統(tǒng)500得到的校準(zhǔn)模型確定所關(guān)注的屬性。在確定所關(guān)注的屬性后，計(jì)算子系統(tǒng)400可例如向受驗(yàn)者、向操作者或管理者、 向記錄系統(tǒng)、或者向遠(yuǎn)程監(jiān)控器報(bào)告結(jié)果830。計(jì)算子系統(tǒng)400還可根據(jù)結(jié)果的優(yōu)良度報(bào)告置信度水平。如果置信度水平低，計(jì)算子系統(tǒng)400可扣留結(jié)果并請(qǐng)求受驗(yàn)者重新測(cè)試。如果被要求，指示用戶(hù)執(zhí)行正確的行動(dòng)的附加的信息可被傳送。見(jiàn)例如美國(guó)申請(qǐng)20040204868， 其通過(guò)引用被并入本文。結(jié)果可在顯示器上通過(guò)音頻和/或通過(guò)打印裝置被可視地報(bào)告。 另外，結(jié)果可被存儲(chǔ)以形成屬性的歷史記錄。在其他的實(shí)施方案中，結(jié)果可被存儲(chǔ)并且通過(guò)因特網(wǎng)、電話線或蜂窩電話服務(wù)被傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控或者存儲(chǔ)設(shè)備。計(jì)算子系統(tǒng)400包括中央處理單元(CPU)、內(nèi)存、存儲(chǔ)器、顯示器和優(yōu)選地通信鏈路。CPU的例子是因特爾奔騰微處理器。內(nèi)存可以是例如靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和/ 或動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器可用非易失性RAM或磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。液晶顯示器可能是合適的。通信鏈路作為例子可以是高速串行鏈路、以太網(wǎng)鏈路、或者無(wú)線通信鏈路。計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)可例如從所接收和處理的干涉圖中產(chǎn)生屬性測(cè)量，執(zhí)行校準(zhǔn)維護(hù)，執(zhí)行校準(zhǔn)轉(zhuǎn)移，執(zhí)行儀器診斷，存儲(chǔ)所測(cè)量的酒精濃度和其他相關(guān)信息的歷史，并且在一些實(shí)施方案中，與遠(yuǎn)程主機(jī)通信以發(fā)送并接收數(shù)據(jù)和新的軟件更新。計(jì)算系統(tǒng)400還可包括通信鏈路，其允許將受驗(yàn)者的酒精測(cè)量記錄和對(duì)應(yīng)的光譜傳輸?shù)酵獠康臄?shù)據(jù)庫(kù)。另外，通信鏈路可用于將新的軟件下載到計(jì)算機(jī)并且更新多變量校準(zhǔn)模型。計(jì)算系統(tǒng)可被視為信息裝置。信息裝置的例子包括個(gè)人數(shù)字助理、啟用web的蜂窩電話和手持計(jì)算機(jī)。校準(zhǔn)子系統(tǒng)500校準(zhǔn)模型與光譜信息結(jié)合使用，以便得到酒精測(cè)量。在一些實(shí)施方案中，校準(zhǔn)模型通過(guò)獲取在多種環(huán)境條件下在多個(gè)受驗(yàn)者上的血液參考測(cè)量和同時(shí)產(chǎn)生的光譜數(shù)據(jù)來(lái)形成。在這些實(shí)施方案中，光譜數(shù)據(jù)可在血液酒精濃度的范圍內(nèi)從每一個(gè)受驗(yàn)者獲取。在其他的實(shí)施方案中，混合校準(zhǔn)模型可測(cè)量受驗(yàn)者光譜的酒精濃度。在這個(gè)情況下，術(shù)語(yǔ)“混合模型”指示偏最小平方(PLQ校準(zhǔn)模型使用體外和體內(nèi)光譜數(shù)據(jù)的組合來(lái)發(fā)展。數(shù)據(jù)的體外部分是使用對(duì)透射測(cè)量配置的無(wú)創(chuàng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的水中500mg/dl的酒精的0. Imm路徑長(zhǎng)度的透射光譜。透射光譜與水的0. Imm路徑長(zhǎng)度透射光譜成比例，轉(zhuǎn)換為吸收率，并且標(biāo)準(zhǔn)化為單位路徑長(zhǎng)度和濃度。穿過(guò)組織的光的傳播是漫反射光組織采樣器設(shè)計(jì)、生理變量和波數(shù)的復(fù)函數(shù)。因此，穿過(guò)組織的光的路徑長(zhǎng)度具有波數(shù)相關(guān)性，其在無(wú)散射透射測(cè)量中沒(méi)有被遇到。為了解釋波數(shù)相關(guān)性，光組織采樣器與人類(lèi)組織的散射特性的相互作用使用商業(yè)光線跟蹤軟件封裝(Traceftx))通過(guò)蒙特-卡羅(Monte Carlo)模擬被建模。使用光子-組織相互作用的因而產(chǎn)生的模型，作為波數(shù)的函數(shù)的穿過(guò)真皮和皮下組織層的光的有效路徑長(zhǎng)度的估計(jì)被生成。有效路徑長(zhǎng)度(Ieff)被定義為
權(quán)利要求
1.一種用于確定樣品的分析物特性的裝置，包括a.照明子系統(tǒng)，其包括半導(dǎo)體光源；b.采樣子系統(tǒng)，其與所述照明子系統(tǒng)一起被安裝，以便來(lái)自所述照明子系統(tǒng)的光通過(guò)所述采樣子系統(tǒng)射到樣品；c.數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，其與所述采樣子系統(tǒng)一起被安裝，以便來(lái)自所述樣品的光從所述采樣子系統(tǒng)傳遞到所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)；d.計(jì)算子系統(tǒng)，其與所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)一起被安裝，以便所述計(jì)算子系統(tǒng)能夠根據(jù)來(lái)自所述數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的信息確定所述分析物特性。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述采樣子系統(tǒng)包括與體內(nèi)組織的界面。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中與體內(nèi)組織的所述界面包括與人手的組織的界面。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中與人手的組織的所述界面包括與一個(gè)或多個(gè)手指的在其第一指節(jié)和第二指節(jié)之間的頂部上的組織的界面。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述照明子系統(tǒng)包括多個(gè)半導(dǎo)體光源。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述多個(gè)半導(dǎo)體光源的輸出在傳遞到所述樣品之前光學(xué)地組合。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述多個(gè)半導(dǎo)體光源的輸出在傳遞到分光計(jì)之前在空間上、角度上或者同時(shí)在空間上和角度上均勻化。
8.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中每一個(gè)半導(dǎo)體光源的特征在于中心波長(zhǎng)與所述多個(gè)半導(dǎo)體光源的其他半導(dǎo)體光源的中心波長(zhǎng)不同。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中每一個(gè)半導(dǎo)體光源以與所述多個(gè)半導(dǎo)體光源的其他半導(dǎo)體光源的調(diào)制頻率不同的調(diào)制頻率被調(diào)制。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述調(diào)制根據(jù)傅立葉調(diào)制、阿達(dá)瑪調(diào)制、費(fèi)希爾調(diào)制、ζ變換調(diào)制、正弦調(diào)制、平方調(diào)制和三角波調(diào)制中的一個(gè)或多個(gè)。
11.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中半導(dǎo)體光源與調(diào)制頻率的對(duì)應(yīng)性是隨機(jī)的。
12.如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述調(diào)制通過(guò)下列操作中的一個(gè)或多個(gè)來(lái)執(zhí)行控制所述半導(dǎo)體光源的驅(qū)動(dòng)電壓，控制所述半導(dǎo)體光源的驅(qū)動(dòng)電流，控制所述半導(dǎo)體光源的驅(qū)動(dòng)功率，控制與所述照明子系統(tǒng)一起安裝的機(jī)械掩模，控制與所述照明子系統(tǒng)一起安裝的光學(xué)掩模，控制與所述照明子系統(tǒng)一起安裝的濾光輪，控制與所述照明子系統(tǒng)一起安裝的調(diào)制盤(pán)，控制與所述照明子系統(tǒng)一起安裝的電控制的光學(xué)部件，控制與所述照明子系統(tǒng)一起安裝的液晶設(shè)備，控制與所述照明子系統(tǒng)一起安裝的數(shù)字反射鏡設(shè)備，控制與所述照明子系統(tǒng)一起安裝的聲光可調(diào)諧濾波器。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述半導(dǎo)體光源包括VCSEL、二極管激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器、量子點(diǎn)激光器、LED、HCSEL、有機(jī)LED中的至少一個(gè)。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述半導(dǎo)體光源的驅(qū)動(dòng)電流、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)功率和溫度的至少一個(gè)被穩(wěn)定。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述半導(dǎo)體光源的發(fā)射波長(zhǎng)和發(fā)射剖面的至少一個(gè)通過(guò)控制所述半導(dǎo)體光源的驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流、驅(qū)動(dòng)功率或者溫度中的至少一個(gè)來(lái)調(diào)諧。
16.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述光由光導(dǎo)管和擴(kuò)散器的至少一個(gè)均勻化。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述分析物特性是以下項(xiàng)的至少一個(gè)一種或多種分析物的濃度、一種或多種分析物的存在、一種或多種分析物的濃度的改變的方向、一種或多種分析物的濃度的改變的速率、和傾向于在一個(gè)或多個(gè)其他分析物特性的測(cè)量中導(dǎo)致誤差的一種或多種干擾物的存在。
18.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述分析物特性是以下項(xiàng)的至少一個(gè)一種或多種分析物的濃度、一種或多種分析物的存在、一種或多種分析物的濃度的改變的方向、一種或多種分析物的濃度的改變的速率、傾向于在一種或多種其他分析物特性的測(cè)量中導(dǎo)致誤差的一種或多種干擾物的存在、和組織的生物計(jì)量屬性。
19.一種用于確定人體內(nèi)的分析物特性的方法，包括a.提供如權(quán)利要求2-18中的任一項(xiàng)所述的裝置；b.使用所述裝置來(lái)確定人的組織的光學(xué)特性；c.使用所述計(jì)算子系統(tǒng)來(lái)確定所述分析物特性。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述計(jì)算子系統(tǒng)在確定所述分析物特性時(shí)結(jié)合來(lái)自與所述裝置的先前相互作用的信息來(lái)使用來(lái)自與所述裝置的當(dāng)前相互作用的信息。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述計(jì)算子系統(tǒng)在確定所述分析物特性時(shí)不結(jié)合來(lái)自與所述裝置的先前相互作用的信息來(lái)使用來(lái)自與所述裝置的當(dāng)前相互作用的信息。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述分析物特性是以下項(xiàng)的至少一個(gè)一種或多種分析物的濃度、一種或多種分析物的存在、一種或多種分析物的濃度的改變的方向、一種或多種分析物的濃度的改變的速率、傾向于在一個(gè)或多個(gè)其他分析物特性的測(cè)量中導(dǎo)致誤差的一種或多種干擾物的存在、和所述組織的生物計(jì)量特性。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述分析物特性是以下項(xiàng)的至少兩個(gè)一種或多種分析物的濃度、一種或多種分析物的存在、一種或多種分析物的濃度的改變的方向、一種或多種分析物的濃度的改變的速率、傾向于在一個(gè)或多個(gè)其他分析物特性的測(cè)量中導(dǎo)致誤差的一種或多種干擾物的存在、和所述組織的生物計(jì)量特性。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其中所述分析物是以下項(xiàng)的至少一個(gè)酒精、酒精副產(chǎn)品、酒精標(biāo)志和酒精加合物。
25.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述分析物特性包括分析物濃度的確定和生物計(jì)量特性的確定。
26.一種用于維護(hù)如權(quán)利要求1所述的裝置的校準(zhǔn)的方法，包括使用具有在不同時(shí)間獲取的假設(shè)值的多個(gè)測(cè)量來(lái)調(diào)整所述裝置的校準(zhǔn)。
27.一種用于將如權(quán)利要求1所述的第一裝置的校準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到如權(quán)利要求1所述的第二裝置的方法，包括確定在所述第一裝置和第二裝置之間的光譜響應(yīng)的差異，以及將所述第一裝置的被調(diào)整為適應(yīng)所述差異的所述校準(zhǔn)轉(zhuǎn)移到所述第二裝置。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中確定差異包括確定這兩個(gè)裝置對(duì)具有已知的分析物特性的樣品的響應(yīng)。
29.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述半導(dǎo)體光源產(chǎn)生具有在下列范圍的至少一個(gè)中的至少一個(gè)波長(zhǎng)的光:4150到4900,5400到6800,4150到7400,4000到8000。
30.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述采樣子系統(tǒng)在所述樣品的多個(gè)不同的區(qū)域?qū)⒐鈧鬟f到所述樣品。
31.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述采樣子系統(tǒng)從所述樣品的多個(gè)不同的區(qū)域收集光。
全文摘要
公開(kāi)了用于通過(guò)定量紅外光譜法在臨床上相關(guān)的精確度和準(zhǔn)確度水平無(wú)創(chuàng)地確定人組織的屬性的裝置和方法。系統(tǒng)包括被優(yōu)化來(lái)對(duì)付組織光譜的復(fù)雜性、高信噪比和光度測(cè)定準(zhǔn)確性要求、組織采樣誤差和校準(zhǔn)維持問(wèn)題。子系統(tǒng)包括照明/調(diào)制子系統(tǒng)、組織采樣子系統(tǒng)、校準(zhǔn)維護(hù)子系統(tǒng)、FTIR分光計(jì)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采樣子系統(tǒng)和計(jì)算子系統(tǒng)。
文檔編號(hào)A61B5/00GK102365047SQ201080013623
公開(kāi)日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2010年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月25日
發(fā)明者本·沃爾斯蒂格, 本特利·拉克索寧, 特倫特·里德?tīng)? 邁克·米爾斯 申請(qǐng)人:特魯塔奇科技公司