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KR19990082236A - 무침입성 nir 분광학에서 멀티-스펙트럼분석을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

무침입성 nir 분광학에서 멀티-스펙트럼분석을 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR19990082236A
KR19990082236A KR1019980705965A KR19980705965A KR19990082236A KR 19990082236 A KR19990082236 A KR 19990082236A KR 1019980705965 A KR1019980705965 A KR 1019980705965A KR 19980705965 A KR19980705965 A KR 19980705965A KR 19990082236 A KR19990082236 A KR 19990082236A
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KR
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radiation
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concentration
sample
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Application number
KR1019980705965A
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English (en)
Inventor
가멀 케이릴
스티번 에프. 멀린
Original Assignee
스티번 에프 멀린
인스트루먼테이션 메트릭스, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 스티번 에프 멀린, 인스트루먼테이션 메트릭스, 인크. filed Critical 스티번 에프 멀린
Publication of KR19990082236A publication Critical patent/KR19990082236A/ko
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Abstract

근-적외선 범위에서 멀티-스펙트럼 분석을 사용하여, 표본에 존재하는 피분석물의 농도를 결정하기 위한 방법 및 장치가 기술된다. 복수의 약 1100 내지 3500㎚의 범위에 있는 파장의 독특한 비오버래핑 영역을 포함하는 입사 방사선은 표본을 스캔하는데 사용된다. 상기 표본으로부터 나오는 확산해서 반사된 방사선은 검출되고, 상기 피분석물의 농도를 가리키는 값은 화학미터법 기술(chemometrics techniques)을 적용하여 얻어진다. 파장의 각 비오버래핑 영역으로부터 얻어진 정보는 백그라운드 간섭을 제거하기 위하여 상호-상관(cross-correlated)될 수 있다.

Description

무침입성 ＮＩＲ 분광학에서 멀티-스펙트럼 분석을 위한 방법 및 장치
혈액 성분의 농도 측정은 인체의 상태와 질병의 진단 및 치료를 위하여 다양한 프로시져에 적용된다. 한가지 중요한 적용으로는 혈액 포도당 측정이다. 상세하게, 혈액 포도당의 농도는 당뇨병을 앓고 있는 사람에 대해 주기적으로 감시되고, 인슐린-의존 또는 Type I 당뇨병에 있어서는, 하루에 여러번 혈액 포도당을 감시하는 것이 종종 필요하거나 또는 바람직하다. 더우기, 혈액 콜레스테롤 농도의 측정은 관 동맥 질병을 앓고 있는 사람의 진료 또는 예방에 있어 중요한 정보를 제공하고, 빌리루빈 및 알콜과 같은 다른 유기성 혈액 피분석물의 측정은 다양한 진단 내용에 중요하다.
혈액 피분석물의 농도를 얻는 가장 정확하고 널리 실용되는 방법은, 매우 정확하고 민감한 측정검사 기술을 사용하는 연구소에서, 또는 다소 부정확한 자체-시험 방법에 의하여 혈액이 분석될 환자로부터의 혈액 추출에 관련이 있다. 특히, 전형적인 혈액 포도당 감시 방법은 당뇨병 환자에게서 각각의 시험을 위한 혈액 표본(예를 들면, 핑거-팁 난스(finger-tip lance))을 뽑아내어, 포도당 측정기(포도당 농도를 판독하는 분광 광도계) 또는 비색계 캘리브레이션 방법을 사용하여 포도당 레벨을 판독하는 것을 필요로 한다. 이러한 무침입성 혈액 추출은 당뇨병 환자에게 고통스럽고 지루한 부담이 되고, 특히 필수적인 시험의 빈도에 비추어, 당뇨병 환자에게 전염병의 가능성을 노출시킨다.
따라서, 특히 당뇨병에 의한 혈액 포도당 감시 내용에 있어, 혈액 피분석물 농도를 무침입성으로 측정하기 위한 간단하고 정확한 방법 및 장치가 기술 분야에 필요하다. 상기 과제에 대한 한가지 방법은 근적외선(near-IR, 또는 "NIR")의 전형적인 방법의 사용과 관련이 있는데, 하나 이상의 특정 파장에서의 흡수도 측정은 소정의 표본으로부터 피분석물-특정 정보를 추출하는데 사용된다.
액체 표본의 near-IR 흡수도 스펙트럼은 표본의 다양한 유기 성분에 대한 다량의 정보를 포함한다. 상세하게는, 유기 분자 구조(예를 들면, 탄소-탄소, 탄소-수소, 탄소-질소 및 질소-수소 화학적 결합)와 관련된 진동성, 회전성 및 신축 에너지는 표본에 존재하는 다양한 유기 성분의 농도가 검출되고 이에 관련될 수 있는 near-IR 영역에서 섭동을 생성시킨다. 그러나, 복합 표본 매트릭스에서, near-IR 스펙트럼은 또한 피분석물 간의 구조 일부분의 유사성으로 인한 상당한 간섭량, 피분석물 농도의 상대적인 레벨을 포함하며, 피분석물과 특정 시스템 고유의 전자 및 화학적 "노이즈" 진폭 간의 관계를 간섭시킨다. 이러한 간섭은 액체 표본 피분석물의 농도를 결정하는 near-IR 분광계를 사용하여 얻어진 측정의 효율성 및 정확성을 감소시킨다. 그러나, 다수의 near-IR 장치 및 방법은 무침입성 혈액 피분석물의 결정을 제공하기 위해 기술되었다.
퍼디(Purdy) 등에 의한 미국 특허 제5,360,004호에는 혈액 피분석물 농도를 결정하기 위한 방법 및 장치가 기술되어 있는데, 신체 일부는 둘 이상의 독특한 밴드의 연속-파장 입사 방사선을 포함하는 방사선으로 조사된다. 퍼디 등은 물에 대한 NIR 흡수 스펙트럼의 약 1440 및 1935㎚에서 발생하는 두 극치의 방사선을 차단하는 여과 기술을 강조한다. 이러한 선택적인 차단은 조사될 신체 일부에 물에 의한 방사선 흡수로 인한 열 효과를 피하기 위해 실행된다.
대조적으로, 양(Yang) 등에 의한 미국 특허 제5,267,152호에는 NIR 흡착수 극치(1300과 1900㎚ 간의 파장을 포함하는 "물 전송 윈도우")를 포함하는 IR 스펙트럼의 일부만을 사용하여 혈액 포도당 농도를 측정하기 위한 무침입성 장치 및 기술이 설명되어 있다. 광학적으로 조절되는 광은 조직원으로 향해지고 통합 구면(integrating sphere)에 의해 집광된다. 집광된 광은 분석되고, 혈액 포도당 농도는 저장되어 있는 기준 캘리브레이션 곡선을 사용하여 계산된다.
또한, 복합 표본 내의 피분석물 농도를 결정하는데 사용하기 위한 장치들이 설명되었다.
예를 들면, 리차드슨(Richardson) 등에 의한 미국 특허 제5,242,602호에는 다중 활동성 또는 비활동성의 수처리 성분을 검출하는 수성 시스템(aqueous system)을 분석하기 위한 방법이 설명되어 있다. 상기 방법은 200 내지 2500㎚의 범위 전체에 걸쳐 성분의 흡수 또는 방출 스펙트럼의 결정, 및 다중 성능 지침의 양을 정하고자 얻어진 스펙트럼 데이터의 세그먼트를 추출하기 위해 화학미터법 알고리즘(chemometrics algorithm)의 적용에 관련이 있다.
나이가드(Nygaard) 등에 의한 미국 특허 제5,252,829호에는 적외선 감쇠 측정 기술을 사용하여 우유 표본 내의 요소 농도를 측정하기 위한 방법 및 장치가 설명되어 있다. 다변화 기술(multivariate techniques)은 부분 최소 제곱 알고리즘, 주성분 회귀, 다중 선형 회귀 또는 모의 신경망 학습을 사용하여 공지된 성분의 스펙트럼 기여도를 결정하기 위해 실행된다. 캘리브레이션은 이해관계가 있는 피분석물 신호를 차단하는 성분의 기여도를 설명함으로써 실행된다. 따라서, 나이가드 등은 다중 피분석물의 적외선 감쇠를 측정하고, 보다 정확한 측정을 얻고자 백그라운드 피분석물의 영향을 보상하는 기술을 설명한다.
로빈슨(Robinson) 등에 의한 미국 특허 제4,975,581호에는 공지된 피분석물 농도와 표본 간의 적외선 에너지 흡수의 비교(즉, 몇몇 파장에서의 흡수차)에 근거한 생물학적 표본 내의 피분석물 농도를 결정하기 위한 방법 및 장치가 설명되어 있다. 상기 비교는 부분 최소 제곱 분석 또는 다른 다변화 기술을 사용하여 수행된다.
쉬라거(Schlager) 등에 의한 미국 특허 제4,882,492호에는 혈액 피분석물 농도의 무침입성 결정을 위한 방법 및 장치가 설명되어 있다. 변조된 IR 방사선은 조직 표본(예를 들면, 귓볼)으로 향하게 되고 조직을 통해 통과되거나 또는 타겟 피분석물(포도당)에 의해 스펙트럼이 수정되는 피부 표면 상에 충돌된다. 이 때, 스펙트럼이 수정된 방사선은 분리되는데, 한 부분은 음의 상관 셀을 통해 향하게 되고 다른 부분은 기준 셀을 통해 향하게 된다. 셀을 통해 통과한 방사선의 세기는 표본의 피분석물 농도를 결정하기 위해 비교된다.
러스(Ross) 등에 의한 미국 특허 제4,306,152호에는 다른 방법으로는 분석하기 어려운 불투명한 표본 또는 액체 표본의 정확한 측정에 대한 백그라운드 흡수의 영향을 최소화하도록 설계된 광 유체 분석기가 설명되어 있다. 상기 장치는 이해관계가 있는 표본 성분의 특성 광 흡수에서 광 신호 및 백그라운드 흡수를 근사화시키기 위해 선택된 파장에서 다른 신호를 측정한 다음, 피분석물-의존 신호의 백그라운드 성분을 감소시키기 위해 감산한다.
상술된 방법 및 장치를 사용하여 얻어진 정보의 정확성은 백그라운드, 즉 비-피분석물, near-IR 범위에서 흡수 스펙트럼을 역시 갖는 표본 성분으로 인한 스펙트럼 간섭에 의해 제한된다. 상당한 레벨의 백그라운드 노이즈는, 특히 극히 소수의 피분석물이 존재될 때 고유의 시스템 한계를 나타낸다. 이 한계에 비추어 보면, 예를 들어, 증가된 방사선 세기의 사용이 가능하도록 흡착수 극치를 회피하며, 분석될 스펙트럼 정보의 양을 감소시키거나, 또는 백그라운드 흡수의 근사에 기초한 감산 또는 보상 기술을 사용함으로써 신호-대-잡음비를 개선하려고 노력해왔다. 이러한 기술이 일부 개선점을 제공하였지만, 특히 혈액 포도당 감시 내용에 있어, 액체 매트릭스 내의 피분석물의 농도를 보다 정확하게 결정할 수 있는 방법 및 장치를 제공할 필요성이 남아있다.
<발명의 요약>
따라서, 본 발명의 주목적은 가변 백그라운드 매트릭스(varying background metrix) 및 또한 실질 성분의 간섭을 가능한한 갖는 표본에 존재하는 피분석물의 농도를 결정하는 방법을 제공함으로써, 기술 분야에서 상술된 필요성을 말하는 것이다. 상기 방법은 표본에 존재하는 다양한 성분 간의 구조의 유사성, 피분석물 농도의 상대적인 크기 및 다양한 표본 성분과 기기의 가변도에 의해 제공되는 스펙트럼 간섭을 설명한다.
상기 방법은 일반적으로 (1) 피분석물의 농도와 높은 상관을 가지며, near-IR 범위에서 파장의 몇몇 독특한 비오버래핑 영역을 식별하는 것, (2) 표본 성분과의 상호작용의 결과로서, 스펙트럼 감쇠된 방사선을 얻기 위해 상기 영역들을 포함하는 입사 방사선으로 표본을 조사하는 것, (3) 상기 스펙트럼 감쇠된 방사선을 검출하는 것, (4) 상기 파장의 비오버래핑 영역에서 상기 스펙트럼 감쇠된 방사선의 세기를 측정하는 것, 및 (5) 상기 피분석물의 농도를 가리키는 값을 구하기 위해 상기 측정들을 상관하는 것에 관련이 있다.
또한, 본 발명의 목적은 가변 백그라운드 매트릭스 및 실질 성분의 간섭을 갖는 표본에 존재하는 피분석물의 농도를 결정하기 위한 분광 광도계 장치를 제공하는 것이다. 상기 장치는 기기의 백그라운드 노이즈 및 스펙트럼 정보의 간섭에 관련된 신호뿐 아니라 피분석물-특정 신호를 포함하는 스펙트럼 정보를 얻는 멀티-스펙트럼 분석에 사용된다. 화학미터법 기술은 피분석물의 농도와 피분석물-특정 정보의 상관을 증가시킬 수 있는 필터 소자를 구성하여 피분석물 농도값을 결정할 수 있는 시스템 알고리즘을 유도하는데 사용된다.
본 발명의 한가지 특징으로, 피분석물의 농도와 피분석물-특정 정보의 상관을 증가시킬 수 있는 특화된 광 전송 셀을 포함하는 장치가 제공된다. 특화된 광 전송 셀은 선택된 피분석물의 농도와 높은 상관을 갖는 파장을 선택적으로 강조하는데 부합되는 양의 상관 필터를 포함한다. 강조된 파장은 정보를 수신하여 상기 정보를 파장의 세기를 나타내는 신호로 변환하기 위한 수단으로 전해진다.
본 발명은 멀티-스펙트럼 분석을 사용하여 표본 내의 타겟 피분석물의 농도를 결정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 광범위한 화학적 분석에 적용되는 것으로, 특히 혈액 피분석물의 무침입성 분광 측량 분석에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 장치를 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명에 따라 구성된 상관 분광계 장치를 나타내는 개략도.
도 3은 생체내 포도당 허용치를 연구하는 동안 얻어진 시간-의존 스캔을 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 방법을 사용하여 수행되는 혈액 포도당 농도의 무침입성 결정으로부터 얻어진 결과를 그래프 형식으로 도시한 도면.
본 발명을 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 설명되는 장치의 특정 구성요소 부분 또는 방법이 변할 수 있으므로, 이에 제한되지 않는다는 것을 알아야 한다. 여기서 사용되는 용어들은 특정 실시예만을 설명하기 위한 것이고 이에 제한되도록 의도된 것이 아니라는 것을 역시 알아야 한다. 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 바와 같이, 단수형 "a", "an" 및 "the"는 그 내용이 명확하게 다른 경우를 가리키지 않는 한 복수 대상을 포함한다는 것을 알아야 한다. 따라서, 예를 들면, "an analyte"의 언급은 피분석물의 혼합물을 포함하며, "an optical transfer cell"의 언급은 둘 이상의 광 전송 셀을 포함하며, "a means for reflectively transmitting radiation"은 둘 이상의 수단을 포함하며, "a chemometrics algorithm"은 둘 이상의 알고리즘을 포함하는 기타 등등이다.
본 명세서 및 청구범위에서, 다음의 의미를 갖도록 정의된 다수의 용어들이 참조될 것이다.
"Chemometrics"은 화학적 분석 적용에서 수학적, 통계적 및 패턴 인식 기술의 적용에 관한 것이다. 이는, 예를 들면 Brown et al. (1990) Anal. Chem.62:84-101을 참조한다. 화학미터법은 진보된 신호 처리 및 캘리브레이션 기술을 사용하는 무침입성 진단 기기를 개발하여 사용하는 내용으로 여기서 실시된다. 신호 처리는 분석 신호의 물리적으로 중요한 정보의 접근 가능성을 개선하는데 사용된다. 신호 처리 기술의 예는 푸리에 변환, 제1 및 제2 도함수, 및 디지털 또는 적응 필터링을 포함한다.
화학미터법의 내용에서, "calibration"은 수량화하기 위하여 측정 데이터를 화학 농도에 관련시키는 과정을 말한다. 특히, 화학미터법을 사용하는 통계적 캘리브레이션은 복합 세트의 데이터로부터 특정 정보를 추출하는데 사용될 수 있다. 이러한 캘리브레이션 방법은 선형 회귀, 다중-선형 회귀, 부분 선형 회귀, 및 주성분 분석을 포함한다. 다른 적용으로, 캘리브레이션은 모의 신경망, 일반 알고리즘 및 회전되는 주성분 분석을 사용하여 실행될 수 있다.
복합 화학 매트릭스 내의 하나 이상의 성분에 대한 정보를 검출하는 기기는 하나 이상의 화학적 성분에 대해 특화되는 정보를 나타내기 위해 분석 알고리즘(화학미터법을 사용하여 유도된 것과 같은)에 의존해야 한다. 화학미터법 기술은 진보된 형식의 클러스터 분석을 제공하기 위하여 미지수를 캘리브레이트된 표준과 데이터베이스를 비교하고, 통계적 및 수학적 모델의 정보로 사용될 수 있는 미지의 표본으로부터 특징을 추출하는데 사용될 수 있다.
"주성분 분석" (PCA)는 화학미터법 기술을 복합 매트릭스 내의 화학적 피분석물의 분광기 측정에 적용할 때 수행될 수 있는 데이터 감소의 한 방법이다. PCA는 한 성분을 다른 성분으로부터 구별하는 정보를 보유하면서, 다수의 서로 밀접한 관계가 있는 변수의 규모를 감소시키는데 사용된다. 이러한 감소는 본래의 서로 밀접한 관계가 있는 변수 세트(예를 들면, 흡수 스펙트럼)를 본래 세트 내에 있는 대부분의 정보를 나타내는 실질적으로 보다 작은 비상관 주성분 (PC) 변수 세트로 변형시키는 고유벡터 변형을 사용하여 실행된다. 새로운 변수 세트는 제1 세트가 모든 본래의 변수에 존재하는 대부분의 변화를 거의 보유하지 않도록 정리된다. 이는, 예를 들면 Jolliffe, L.T., Principal Component Analysis, Sprinter-Verlag, New York (1986)을 참조한다. 보다 상세하게는, 각각의 PC는 모든 본래의 측정 변수의 선형 조합이다. 제1 세트는 관측 변수의 가장 큰 분산 방향으로의 벡터이다. 다음의 PC는 측정 데이터의 가장 큰 변화를 나타내고 미리 계산된 PC에 직교인 것으로 선택된다. 따라서, PC는 중요도가 떨어지는 순서로 구성된다.
용어 "가중 상수"는 부분 최소 제곱 회귀 및/또는 주성분 회귀의 파장 계수, 또는 미지 표본에 대한 값(피분석물 농도와 같은)을 계산하는데 사용될 수 있는 임의의 통계적 캘리브레이션으로부터 얻어진 임의의 상수를 포함한다. "파장 가중 인자"는 스펙트럼 데이터로부터 파장-특정 정보를 강조할 수 있는 광 필터 수단의 구성에 사용되는 가중 상수의 실시예이다. 파장-특정 정보는 분석 대상 표본에 관련있는 소정의 값(예를 들면, 피분석물 농도)을 결정하는데 사용될 수 있다. 파장 가중 인자는 특정 필터 밀도(예를 들면, 중성 또는 파장-특정), 필터 두께 등으로 실시될 수 있는데, 이러한 매개 변수들은 상술된 통계적 캘리브레이션 기술을 사용하여 결정되었다.
용어 "광 전송 셀"은 가시광선, 자외선, 또는 적외선 스펙트럼 영역의 입사 방사선을 부분적으로 흡수하는 임의의 광 능동 소자를 내포하는데, 상기 부분 흡수는 파장에 대하여 선택적이다. 본 발명의 목적을 위하여, 광 전송 셀은 일반적으로 부분 최소 제곱 또는 주성분 회귀 분석으로부터 유도된 흡수 특성을 갖는 광 필터 수단을 포함한다. 광 필터 수단은 선택된 피분석물과 높은 상관을 갖는 파장을 선택적으로 강조하는데 사용된다. "높은 상관", 또는 "밀접 상관(close correlation)"은 특정 파장에서의 흡수 스펙트럼과 특정 피분석물 농도 간의 양적인 관련성을 말하는데, 상기 두 변수는 0.9 이상의 상관 계수 (r)을 갖는다.
"양의 상관 필터"는 타겟 피분석물에 대응하고 다른 흡수 피분석물에 대응하지 않는 특정 파장의 방사선을 강조하는데 충분한 흡수 스펙트럼을 갖는 광 필터 수단이다. 따라서, 양의 상관 필터는 측정될 표본 내의 피분석물 농도와 매우 상관되는 최적의 전송 기능을 제공한다. 이상적인 양의 상관 필터는 타겟 피분석물과 완전히 상관하고(즉, 상관계수 r은 +1.0임), 특정 표본 내의 모든 다른 간섭 흡수 피분석물과 전혀 상관하지 않는다(r은 0.0임). 양의 상관 계수의 합성은 적당한 파장 가중 인자를 결정하기 위하여 화학미터법 기술을 사용하여 실행된다.
"중성 밀도 필터"는 평탄한 흡수 스펙트럼을 갖는 표준 광 필터 수단을 말한다. 중성 밀도 필터는 필터 시스템의 상관 필터와 협력하여 사용되어, 선택된 파장에서의 피분석물로 인한 흡수도를 감쇠시키기 위해 가중 인자를 제공하고 또한 시스템에 의해 제공되는 상관의 정확성을 개선할 수 있다. 중성 밀도 필터는 이해관계가 있는 범위 내의 모든 파장의 방사선을 동등하게 감쇠시키는데 충분한 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다.
여기에 사용된 바와 같이, "수성 매체"는 물에 관련이 있으며, 이로 이루어지거나, 또는 이를 포함하는 임의의 기판을 내포한다. 따라서, 수성 매체는 물이 용제이나 약 50% 미만의 양으로 존재할뿐 아니라 물이 주성분인, 즉 약 50% 이상의 양으로 존재하는 매체를 포함한다. 수성 매체는 포유 조직을 포함하도록 여기에 상세히 정의된다.
용어 "혈액 피분석물"는 near-IR 범위에서 흡수하는 혈액 성분를 말하는데, 그 측정은 환자 감시 또는 건강 보호의 평가에 있어 유용하다.
여기에 사용된 바와 같이, 용어 "근 적외선" 또는 "near-IR"은 약 660㎚에서 3500㎚까지의 범위이지만, 전형적으로 약 1050 내지 2850㎚의 범위이고, 보다 전형적으로는 약 1100 내지 약 2500㎚의 범위인 스펙트럼의 방사선을 내포한다.
용어 "백그라운드 흡수"는 분석되어야 할 수성 표본의 전체 또는 기본 레벨의 광 흡수에 관한 것으로, 선택된 성분의 흡수는 상기 선택된 성분의 농도를 대부분 가리키는 하나 이상의 특성 파장에서 벗어난다. 백그라운드 흡수의 레벨이 다수의 간섭 성분이 발견되는 복합 수성 매체와 같이, 선택된 성분의 특성 흡수에 비하여 높을 때, 이해관계가 있는 성분의 특성 파장에서의 흡수에 있어 크기의 완만한 변화에 대한 정확한 측정은 여기에 설명된 화학미터법 기술을 적용하는 것이 필요하다. 특히, 이는, 예를 들면 혈액 피분석물의 측정에 있어 이해관계가 있는 성분의 전체 농도가 수성 매체에 비해 낮은 경우에 대한 적용이다.
일반적인 방법
분광 광도계 방법은 near-IR 방사선을 사용하여 액체 표본 내의 피분석물의 농도를 결정하기 위해 제공된다. 종래의 기술과는 대조적으로, 본 방법은 고도의 정확성으로 피분석물 농도를 결정하는데 사용될 수 있는 측정 세트를 얻기 위해 near-IR 영역에 포함되어 있는 모든 스펙트럼 정보를 사용한다.
상기 방법은 (1) 각 영역이 스펙트럼 영역을 정의하는 near-IR 범위에서 파장의 몇몇 독특한 비오버래핑 영역을 선택하는 단계, (2) 감쇠되며 스펙트럼이 수정된 방사선을 얻기 위해 상기 선택된 스펙트럼 범위를 포함하는 near-IR 광을 사용하여 표본을 조사하는 단계, (3) 상기 각각의 선택된 스펙트럼 범위 내에 포함되어 있는 하나 이상의 파장에서의 스펙트럼-감쇠된 방사선의 세기를 수집하고 측정하는 단계, 및 (4) 피분석물의 농도를 가리키는 값을 구하기 위해 상기 측정들을 상관하는 단계를 포함한다.
이 방법을 사용하여 얻어진 스펙트럼 정보는 정확한 피분석물 농도값에 도달하도록 수학적 변형이 조합될 수 있다. 예를 들면, 부분 최소 제곱 (PLS) 분석, 또는 주성분 회귀 (PCR) 분석과 같은 표준 통계적 기술은 특정 파장에서의 방사선 흡수도를 피분석물 구조 및 농도에 상관하는데 사용될 수 있다. PLS 기술은, 예를 들면 Geladi et al. (1986) Analytica Chimica Acta185:1-17에 기술되어 있다. PCR 기술의 설명인 경우에는, Jolliffe, L.T., Principal Component Analysis, Sprinter-Verlag, New York (1986)이 참조될 수 있다.
따라서, 신체 조직 표본으으로부터 혈액 피분석물 농도를 결정하는데 있어, 한가지 방법으로는 1100 내지 3500㎚에 걸치는 near IR 범위로부터의 파장의 3가지 오버래핑 영역, 상세하게는, 1100 내지 1350㎚에 걸치는 제1 영역, 1430 내지 1450㎚ 또는 1930 내지 1950㎚에 걸치는 제2 영역, 및 2000 내지 2500㎚에 걸치는 제3 영역을 선택하는 것에 관련이 있는데, 각 영역은 "스펙트럼 영역"을 정의한다. 제1 영역은 단백질 및 다른 세포 성분이 두드러진 스펙트럼 활동을 나타내는 파장을 포함하며, 제2 영역은 물의 흡수 스펙트럼에 의해 두드러지고, 제3 영역은 유기성 피분석물 분자가 중요한 스펙트럼 활동을 나타내는 파장을 포함한다. 이들 성분들은 또한 우점종이 아닌 그 영역의 흡수 스펙트럼에 기여한다. 따라서, 각각의 영역으로부터 얻어진 스펙트럼 감쇠된 방사선은 피분석물-특정 정보를 얻기 위하여 통계적 방법을 사용하여 감쇠되어야 하는 다량의 서로 밀접한 관계가 있는 정보를 포함한다.
본 발명은 또한 분석 신호의 물리적으로 중요한 정보의 접근 가능성을 개선하는 신호 처리의 사용에 관련이 있다. 따라서, 특정 파장에서 얻어진 신호의 세기값은 기기 노이지의 영향을 감소시키도록 처리될 수 있다. 다음에, 처리된 신호는 공지된 통계적 기술을 사용하여 다변화 분석이 행해진다.
데이터 감소의 PCA 방법은 한 성분을 다른 성분으로부터 구별하는 정보를 보유하면서, 다수의 서로 밀접한 관계가 있는 변수의 규모를 감소시키는 본 발명의 실시에 사용되는 하나의 바람직한 방법이다. 데이터 감소는 본래의 서로 밀접한 관계가 있는 변수 세트를 본래 세트 내의 대부분의 정보를 표현하는 실질적으로 보다 작은 비상관 주성분 (PC) 변수 세트로 변형시키는 고유벡터 변형을 사용하여 실행된다. 새로운 변수 세트는 제1 세트가 본래 세트에 존재하는 대부분의 변화를 거의 보유하지 않도록 정리된다.
주성분 벡터는 흡수도의 평균값에 대한 직교 회전에 의해 변형되어, 공지된 파장과 피분석물에 기여하는 그 파장에서의 흡수도의 상대값 모두를 얻는다. 3가지 스펙트럼 영역 각각으로부터 얻어진 정보에 대해 이러한 분석을 수행하며, 선형 알고리즘을 거쳐 주성분 벡터를 상호 상관하고, 간섭 피분석물의 영향을 제거하는 감산 방법을 사용함으로써, 피분석물의 농도를 결정하기 위해 시스템 알고리즘에 사용될 수 있는 값이 얻어진다.
다변화 기술은 각 스펙트럼 영역의 특정 파장에서의 방사선 세기를 특정 표본 매트릭스, 예를 들면 신체 조직 내의 피분석물 농도에 관련시키는 모델을 제공하는데 사용된다. 이 모델은 동시에 얻어지는 두 세트의 예시적인 측정을 사용하여 구성되는데, 측정의 제1 세트, "예측 세트"는 스펙트럼 데이터, 예를 들면 선택된 파장에서의 방사선 세기를 포함하고, 측정의 제2 세트, "캘리브레이션 세트"는 침입성 샘플링 기술을 사용하여 결정된 매우 정확한 피분석물 농도를 포함한다. 프로시져는 캘리브레이션 및 예측 데이터 세트를 제공하기 위하여 피분석물 농도의 범위 전체에 걸쳐 실행된다.
캘리브레이션 및 예측 세트 모두에서 얻어진 측정은 업계에 유효한 다변화 모델 개발 소프트웨어 프로그램의 사용에 의한 것과 같이, 초기 모델을 제공하기 위하여 다변화 분석이 행해진다. 초기 모델은 예측 데이터에 적용되어 침입성 기술에 의해 얻어진 값에 비교될 수 있는 피분석물 농도값을 유도한다. 상기 단계를 반복해서 수행함으로써, 본 발명의 방법에 의해 얻어진 데이터를 분석하는데 사용하기 위한 시스템 알고리즘을 수립하는데 사용될 수 있는 세련된 모델이 개발된다.
상술된 다변화 기술은 또한 피분석물 농도와 스펙트럼 정보의 상관, 예를 들면 양의 상관 필터 시스템을 증가시킬 수 있는 광 능동 소자를 설계하는데 사용될 수 있다. 특히, 다변화 분석을 사용하여 얻어진 해결책은 흡수 특성과 같이, 양의 상관 필터 시스템에 대한 광 매개 변수를 결정하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 실행에서, 다양한 비오버래핑 스펙트럼 영역으로부터의 비피분석물 특정 정보는, 예를 들면 각각의 스펙트럼 스캔을 정규화하고, 백그라운드 및 기본 라인 간섭을 감산하거나, 또는 부정확한 측정을 검출하는데 사용되는 신호값을 제공하는데 역시 사용된다.
약 1320 내지 1340㎚에 걸치는 스펙트럼 범위에서 취해진 측정은, 신체 조직 표본 내의 혈액 피분석물 농도를 결정할 때, 영역에 존재하는 어떠한 주요 흡수대도 없으므로 매우 반사적이고 감쇠되지 않는 신호를 제공한다. 그 범위에서 조사의 세기를 수집하여 측정함으로써, 표본을 조사하는데 사용되는 near-IR 광의 실제 세기를 평가하는데 사용될 수 있는 값이 구해진다. 그 값은 각각의 개별 스캔을 정규화하고 본 발명의 방법을 사용하여 얻어진 피분석물 농도값의 정확성에 영향을 미칠 수 있는 광원 세기의 변동을 교정하는데 사용될 수 있다.
추가로, 약 1430 내지 1450㎚에 걸치는 스펙트럼 범위에서 취해진 측정은, 물에 대한 near-IR 흡수 스펙트럼에서 약 1440 및 1935㎚로 발생하는 두개의 우세한 흡수 극치의 결과로서 실질적으로 무-반사, 매우 감쇠된 신호를 제공한다. 이들 범위들중 하나 또는 모두에서 조사의 세기를 수집하여 측정함으로써, 조사된 표본에 의해 전체적으로 흡수되지 않는 near-IR 광의 세기를 평가하는데 사용될 수 있는 값이 얻어진다. 그 값은 다른 영역에서 얻어진 피분석물-특정 신호로부터 백그라운드 또는 기본-라인 정보를 감산하고/하거나 부정확한 측정을 검출하고자 내부 기준을 제공하는데 사용될 수 있다. 그 값은 피부결 및 나이에 따라 변하는 거울 반사(specular reflection)로 인한 페데스탈 효과(pedestal effect)를 교정하기 위하여 본 방법을 사용하여 얻어진 각각의 스펙트럼 측정으로부터 감산될 수 있다.
제1 영역(예를 들면, 약 1320 내지 1340㎚에 걸치는 스펙트럼 영역)으로부터 얻어진 실질적으로 감쇠되지 않는 신호의 측정 및 제2 영역(예를 들면, 약 1430 내지 1450㎚ 및 약 1930 내지 1950㎚에 걸치는 스펙트럼 영역)으로부터 얻어진 매우 감쇠되는 신호의 측정은 또한 확산해서 반사되는 방사선을 거울 방사선과 비교하는데 사용될 수 있다. 두 영역에서의 신호가 상대적으로 비교할 만한 값을 가지면, 조직 표본을 조사하는데 사용되는 대부분의 방사선이 피부 표면으로부터 반사되어, 혈액 피분석물과 상호작용하기 위해 피부를 투과하지 못하게 되는 경향이 있다. 이 정보는 조직 표본의 적당한 기기 스캔을 얻지 못하여 발생하는 비효율적인 측정을 식별하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 방법은 다수의 분광 광도계 구성을 사용하여 실행될 수 있다. 지금부터 도 1을 참조하면, 액체 표본 내의 피분석물의 농도를 결정하기 위한 하나의 특정 장치는 일반적으로 10으로 표시된다. 약 600 내지 약 3500㎚의 범위에 있는 복수의 파장의 독특한 비오버래핑 영역을 제공하는 방사선원(12)을 포함한다. 다수의 적절한 방사선원은 간섭 필터를 가로질러 향하는 백열 광원, 할로겐 광원과 같이, 연관된 초퍼 휠(chopper wheel), 레이저 광원, 레이저 다이오드 어레이, 또는 고속 발광 다이오드(LED) 어레이에 의해 변조되는 장치가 기술 분야에 공지되어 있다. 하나의 특정 장치에서, 방사선원(12)은 파장의 3가지 독특한 영역, 상세하게는 near-IR의 파장이며, 전형적으로 약 1110 내지 1350㎚의 범위인 제1 영역, 약 1930 내지 1950㎚의 범위인 제2 영역, 및 전형적으로 약 2000 내지 3500㎚의 범위인 제3 영역에서의 방사선을 제공한다.
장치(10)는 또한 방사선원으로부터의 입사 방사선을 피분석물을 포함하는 표본 매체(16)와의 접촉부로 발사하는 표본 인터페이스 광 수단(14)을 포함한다. 표본 매체를 접촉시킨 후, 확산해서 반사되는 광으로서 표본으로부터 나오는 스펙트럼이 수정된 방사선이 수집되어 제1 렌즈 시스템(18)로 전달되므로, 광은 각각 20 및 22로 표시된 제1 및 제2 광로로 향하게 된다. 제1 렌즈 시스템(18)은 기술 분야에 공지된 것과 같은 부분적으로 반사되는 거울 구성을 포함할 수 있다.
다양한 구성으로, 표본 인터페이스 광 수단(14)은 표본 매체와 직접 접촉하여 장치를 배치함으로써 발사가 실행되는 곳과 같이, 매체(16)와 장치(10)의 근접한 인터페이스가 가능하도록 설계되어, 방사선원을 분석될 표본에 거의 가까이 근접시킬 수 있다. 발사후, 반사된 방사선은 광 수렴 수단 또는 빔 굴절 광학과 같이, 광 능동 수단을 사용하여 수집된다. 대안적으로, 표본 인터페이스 광 수단(14)은 원격 장치가 배치 및 동작될 수 있도록 장치에 결합되는 광섬유 도파관을 포함할 수 있다. 단일 광섬유 다발이 매체로 그리고 매체로부터 방사선을 전송하는데 사용되는 다른 구성이 제공된다. 단일 다발의 끝단에 배치된 광전극은 near-IR 방사선을 표본 매체(14)로 전송하고 다발을 통해 장치(10)로 되돌아가는 스펙트럼이 수정된 방사선을 수신한다. 사파이어 또는 고도의 수정은, 이들 재료들이 near-IR 스펙트럼 범위에서 매우 우수한 전송 특성을 가지므로 상기 광섬유 도파관의 광 소자로서 사용될 수 있다.
제1 광로(20)의 반사광은 임의의 피분석물 농도에 의존하지 않는 광의 특정 파장을 통과하도록 구성된 제1 필터 수단(22)으로 전해진다. 하나의 구성으로는, 제1 필터 수단은 피분석물의 농도와 실질적으로 어떠한 상관없는 파장을 포함하는 방사선의 영역을 선택적으로 통과하는 near-IR 흡수 특성을 갖는 협대역-통과 필터를 포함할 수 있다. 이 때, 제1 필터 수단(22)으로부터 나오는 방사선은 제1 검출 수단(24)에 전해진다. 제1 검출 수단으로의 방사선 전달은 촛점 수단(26), 예를 들면 조준 렌즈 등을 거쳐 실행될 수 있다. 대안적으로는, 장치(10)는 제1 필터 수단으로부터 방사선을 직접 수신할 수 있는 방사선 검출기를 포함할 수 있다.
제1 검출 수단은 통과된 방사선을 검출하여, 피분석물-독립 방사선의 세기를 나타내는 신호로 변환시킨다. 하나의 특정 장치에서, 제1 검출 수단(24)은 약 1100에서 적어도 약 3500㎚까지의 파장 범위를 1㎚ 단계로 스캔할 수 있다.
제1 검출 수단으로부터 얻어진 신호는 아날로그/디지털 변환기를 사용하여, 디지털 신호, 예를 들면 피분석물-독립 파장의 세기를 나타내는 디지털 신호로 용이하게 변환될 수 있다. 디지털화된 정보는 기술 분야에 공지되어 있는 것과 같이, 마이크로프로세서 또는 다른 전자 메모리 수단으로의 입력에 대해 용이하게 유효하다.
마찬가지로 도 1을 참조하면, 제2 광로(22)의 반사광은 외부적으로 발생되거나, 또는 장치(10)에 의해 발생된 신호에 응답하여 조정되는 흡수 특성을 가질 수 있는 조정가능한 필터 수단(28)으로 통과된다. 조정가능한 필터 수단은 일반적으로 중성 밀도 필터와 같이, 외부 신호 또는 시스템 커맨드에 의해 지시된 바와 같은 방사선의 세기를 가변적으로 감쇠시키도록 조정되는 흡수 특성을 갖는 스크린 필터를 포함한다. 조정가능한 필터 수단(28)에 의해 제공되는 감쇠도는 조정가능한 필터로부터 방출되는 방사선이 사전-필터링된 방사선의 세기와 무관하게 일정한 값일거라는 것을 보장하도록 선택되는 선정된 인자를 기초로 한다. 하나의 특정 장치에서, 조정가능한 필터 수단에 의해 제공되는 감쇠는 제1 검출 수단(24)에 의해 발생되는 피드백 신호에 의해 조절된다.
조정가능한 필터 수단(28)으로부터 나오는 감쇠된 방사선은 방사선원(12)에 의해 발사된 파장의 독특한 비오버래핑 영역 각각으로부터 하나 이상의 파장을 선택적으로 통과할 수 있는 광학 특성을 갖는 주요 피분석물 필터(30)로 전해진다. 주요 피분석물 필터에 의해 통과된 파장은 피분석물의 농도와 상관을 갖도록 선택된다.
제2 필터 수단(32)은, 주요 피분석물 필터로부터 나오는 선택적으로 통과된 파장이 제2 필터 수단과 상호작용하도록 주요 피분석물 필터(30)와 연관하여 장치(10) 내에 구성되므로, 각각의 통과된 파장의 세기는 제2 필터 수단에 의하여 독립적으로 감쇠된다. 제2 필터 수단에 의해 제공되는 감쇠는, 예를 들면 화학미터법 기술을 사용하여 유도된 독립적인 가중 인자의 세트에 의해 결정될 수 있다.
하나의 특정 구성에서, 가중 인자는 피분석물을 포함하는 표본으로부터 얻어진 본래 스펙트럼의 부분 최소 제곱 또는 주성분 회귀를 사용하여 결정된다. 제2 필터 수단(32)은 적어도 600 내지 3500㎚ 범위인 방사선을 전송할 수 있는 적절한 기판층을 사용하여 구성될 수 있다. 기판층은 일반적으로 복수의 감쇠 필터 밀도를 제공하기 위해 종래 기술인 하나 이상의 금속 및/또는 산화물로 코팅된다. 이러한 코팅은 기술 분야에 공지된 유제 또는 화학적 기상 증착(CVD) 기술을 사용하여 기판에 적용될 수 있다. 대안적인 장치로, 제2 필터 수단은 회전되는 주성분 또는 최소 제곱 분석 기술을 사용하여 결정되는 가중 기능에 비례하는 광 밀도의 스펙트럼 라인을 갖는 사진 기술이다.
제2 필터 수단에 의한 감쇠후에, 독립적인 파장은 PbS 검출기 등과 같은 제2 검출 수단(34)으로 전해진다. 상술된 바와 같이, 제2 필터 수단으로부터 나오는 파장은 촛점 수단(36), 예를 들면 조준 렌즈 등을 거쳐 제2 검출 수단으로 전해질 수 있다. 대안적으로는, 장치(10)는 제2 필터 수단으로부터 방사선을 직접 수신할 수 있는 방사선 검출기를 포함할 수 있다.
제2 검출 수단은 제2 필터 수단으로부터 나오는 감쇠된 파장을 검출하고 이를 피분석물 농도를 결정하기 위해 피분석물 특정 알고리즘에 따라 적용될 수 있는 신호로 변환시킨다. 상세하게는, 제2 검출 수단으로부터 얻어진 신호는 아날로그/디지털 변환기를 사용하여 디지털 신호로 용이하게 변환될 수 있다. 디지털화된 정보는 디스플레이 장치 상에 보여지고/지거나 출력 레코더 상에 기록될 수 있는 피분석물 농도를 제공하는데 사용되는 마이크로프로세서로의 입력에 대해 용이하게 유효하다.
장치(10)는 복합 스펙트럼 백그라운드를 갖는 수성 매체에서와 같이, 다양한 복합 매체 내의 피분석물 농도의 측정을 얻는데 사용될 수 있다. 하나의 적용으로, 장치는 혈액 피분석물 농도, 한정된 것은 아니지만, 특히 포도당, 요소(BUN), 지방질, 빌리루빈 및 알콜과 같은 유기성 혈액 피분석물을 결정하는데 사용될 수 있다. 혈액 피분석물은 시험관 내의 표본 매체(예를 들면, 혈액 표본)에 존재될 수 있거나, 또는 장치는 조직 내의 혈액 피분석물을 측정하는데 사용될 수 있다. 그러나, 장치(10)는 필드 적용, 예를 들면 혈액 알콜의 측정, 또는 건강 감시, 예를 들면 혈액 포도당 결정의 사용에 특히 부합된다.
지금부터 도 2를 참조하면, 복합 수성 매체 내의 피분석물 농도의 측정을 위한 대안적 장치는 일반적으로 60으로 표시되어 있다. 장치는 약 600 내지 3500㎚의 범위에 있는 복수의 파장의 독특한 비오버래핑 영역을 제공하는 방사선원(62)을 포함한다. 방사선원(62)으로부터의 방사선은 조준 렌즈, 선택적인 필터링 수단 등과 같이, 방사선을 수신하여 빔 경로로 향하게 하고/하거나 선택된 파장을 통과시키기 위한 광 능동 수단(64)으로 전송된다.
수단(64)으로부터 나오는 near-IR 방사선은 빔 분리기(66)를 통해 전해지므로, 방사선은 각각 68 및 70으로 표시된 두개의 빔으로 분할된다. 빔 분리기(66)로부터의 제1 빔(68)은 이해관계가 있는 피분석물의 미지 농도를 포함하는 표본 매체(72)로 전송된다. 도 2에서, 표본 매체(72)는 이해관계가 있는 near-IR 범위의 방사선을 전송할 수 있는 적절한 기판으로부터 형성된 표본 셀을 포함한다. 한가지 경우로, 표본은 혈액 혈청 표본을 포함할 수 있는데, 혈액 피분석물의 농도를 결정하는 것이 바람직하다. 대안적으로, 제1 빔(68)은 직접 간섭 수단 또는 간접 간섭 수단, 예를 들면 상술된 것과 같은 광섬유 도파관 수단을 사용하여 조직 표면과 같은 표본 표면으로 전송될 수 있다. 이와 같이, 조직 표본에 존재하는 혈액 피분석물의 농도는 조직 표본과 상호작용한 방사선의 흡수 스펙트럼의 반사적인 near-IR 측정을 사용하여 무침입성으로 결정될 수 있다.
표본의 성분, 예를 들면 이해관계가 있는 피분석물과 상호작용한 스펙트럼이 수정된 방사선을 포함하는 방사선은 수집되어 빔 경로에 배치된 광 전송 셀(74)로 향하게 된다. 광 전송 셀(74)은 방사선을 수용하고 이해관계가 있는 피분석물의 농도와 높은 상관을 갖는 하나 이상의 파장을 선택적으로 강조하는데 충분한 흡수 스펙트럼을 갖고, 표본에 존재하는 간섭 성분과 실질적으로 어떠한 상관이 없는 양의 상관 필터 시스템을 포함한다. 따라서, 양의 상관 필터 시스템은 백그라운드 측정에 대한 정보 및 기기 변화 또는 간섭 효과를 교정하는데 사용될 수 있는 정보뿐 아니라, 피분석물-특정 정보를 제공하는 선택된 파장 범위의 집단을 통과한다. 광 전송 셀(74)로부터 나오는 방사선은 스펙트럼이 수정된 방사선을 그 방사선의 세기를 나타내는 신호로 변환시키기 위한 검출 수단(76)에 의해 수신된다. 검출 수단은 PbS 광검출기 등과 같은 광역 스펙트럼 광검출기를 포함할 수 있다.
마찬가지로, 도 2를 참조하면, 빔 분리기(66)로부터의 제2 빔(70)은 빔 경로에 배치된 광 능동 소자(78)로 전송된다. 하나의 구성으로, 광 능동 소자(78)는 near-IR 파장의 선택 범위 전체에 걸쳐 동등하게 방사선을 감쇠시키는데 충분한 흡수 특성을 갖는 중성 밀도 필터 수단을 포함한다. 대안적인 구성으로는, 광 능동 소자(78)는 광 전송 셀 소자(74)의 흡수 스펙트럼과 동일한 흡수 스펙트럼을 갖는 양의 상관 필터 시스템을 포함하는 광 전송 셀이다. 광 능동 소자(78)로부터 나오는 방사선은 방사선을 그 세기를 나타내는 신호로 변환시키기 위한 검출 수단(80)에 의해 수신된다.
양의 상관 필터 시스템은 특정 피분석물 농도와 높은 상관을 갖는 하나 이상의 파장을 선택적으로 강조할 수 있는 흡수 특성을 주는 광 능동 코팅을 갖는 단일 기판층으로부터 형성될 수 있다. 특정 시스템 구성에서, 양의 상관 필터는 각 층이 소정의 흡수 특성을 제공하는데 적절한 선택된 필터 밀도 및/또는 필터 두께를 갖는 복수의 필터층을 포함한다. 한 경우로, 시스템의 하나 이상의 층은 파장 가중 인자 수단을 포함하는 필터 밀도 및/또는 두께를 갖는데, 가중 인자는 선택된 표본 매체 내의 피분석물의 농도와 증가된 통과 파장의 양의 상관을 제공한다.
검출 수단(76 및 80)에 의해 발생되는 신호는 이들 신호들을 방사선원(62)으로부터 나오는 방사선의 세기 및 표본으로부터 나오는 대응하는 스펙트럼이 수정된 방사선의 비율을 나타내는 디지털 신호로 변환시키기 위한 수단(82)으로 전해진다. 이와 같이, 방사선원(62)으로부터 나오는 방사선 세기의 변화는 시스템으로부터 얻어지며 측정시 잠재되어 있는 근본적인 에러를 제거하기 위하여 교정될 수 있다. 더우기, 신호들의 비율은 이 때 디지털 형식으로 변환되고 기술 분야에 공지되어 있는 방법을 사용하는 내부 마이크로프로세서(84) 시스템 또는 연관된 시스템을 사용하여 피분석물의 농도를 결정하기 위해 해석될 수 있다.
원한다면, 마이크로프로세서는 신호비로의 화학미터법 알고리즘의 적용에 의하여 피분석물 농도를 계산하기 위해 프로그램될 수 있다. 적당한 알고리즘은 이해관계가 있는 피분석물의 본래 흡수 스펙트럼의 최소 제곱 분석 또는 회전되는 주성분 분석과 같이, 상술된 화학미터법 기술을 사용하여 결정될 수 있다.
본 발명이 바람직한 특정 실시예에 관하여 설명되었지만, 다음의 예뿐 아니라 상기 설명은 설명하기 위한 것이지 본 발명의 범위를 한정하지 않는다는 것을 알아야 한다. 본 발명의 범위 내에서 다른 특징, 장점 및 수정은 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에게 명백해질 것이다.
실시예
무침입성 포도당 측정은 본 발명의 방법을 사용하여 얻어졌다. 특히, 약 1100㎚ 내지 3500㎚의 near-IR 영역에서 반사 광 측정이 실행되었다. 스펙트럼 스캔은 텅스텐-수은(W-Hg) 방사선원, 리드 황화물 (PbS) 검출기 및 ㎚/0.4 초의 스캔 속도를 갖는 기기를 사용하여 자생 전완물(volunteer forearm subjects)로부터 수집되었다.
다수의 특정 스펙트럼 범위는 전완 조직 스캔으로부터 포도당 농도를 결정하는데 사용될 수 있는 정보를 포함하는 것으로서 구별되었다. 특화된 영역은 무침입성으로-얻어진 시험관 내의 혈액 포도당 농도 결정과 협력하여 수행되는 생체 내의 포도당 허용치의 연구로부터 결정되었다. 특히, 생체 내의 허용치를 연구하는 동안 얻어진 시간-의존 스캔이 도 3에 도시되어 있다. 알 수 있는 바와 같이, 약 2120 내지 2180㎚의 범위 전체에 걸쳐 반사 세기차의 현저한 변화가 연구 기간 동안 기록되었다. 이들 변화들은 허용치를 시험하는 동안에 혈액 포도당 레벨의 증가에 직접 관련하여 증가하며, 포도당-특정 정보가 2120 내지 2180㎚의 범위를 포함한다는 것을 나타내었다.
일단 특정 스펙트럼 범위가 식별되면, 무침입성 포도당 측정은 4개의 독특한 스펙트럼 범위로부터의 정보를 사용하여 얻어졌다. 제1 스펙트럼 범위는 약 1320 내지 1340㎚로 발생하는 방사선을 포함하였다. 이 범위는 매우 크게 반사된 신호를 제공하고, 이 범위에서는 어떠한 주요 포도당 흡수대는 없다. 제1 스펙트럼 범위로부터 얻어진 정보는 방사선원의 변동을 교정하기 위해 각각의 개별 스캔을 정규화하는데 사용될 수 있고, 기계적인 섭동으로 인해 변한다.
제2 스펙트럼 범위는 약 1440 내지 1460㎚, 또는 약 1940 내지 1960㎚로 발생하는 방사선을 포함하였다. 이들 범위들은 확산해서 반사되는 방사선을 감쇠시키는 큰 흡착수 대역으로 인한 실질적으로 무반사되는 신호를 제공한다. 이들 범위들로부터 얻어진 정보는 다른 측정으로부터 백그라운드 및 기본 라인 감산에 사용될 수 있다. 이 측정은 거울 반사 신호값으로 인한 변동을 설명하기 위해 페데스탈 조정을 허용하고, 부적당한 측정을 검출하는데 사용될 수 있다.
제3 범위는 약 1670 내지 1690㎚로 발생하는 방사선을 포함하였다. 이 범위는 포도당 진동 배음대로 인한 피분석물-특정 정보를 제공한다.
제1 범위로부터 얻어진 신호는 다른 영역의 신호를 정규화하는데 사용되었다. 이 과정은, 각각의 스펙트럼 스캔에 따라 반복될 때 광원의 변화와 관련된 문제를 제거하고 내부 기준을 제공하는 역할을 한다. 따라서, 광 인터페이스, 예를 들면 환자 배치의 차이로 인한 측정 변화는 실질적으로 감소되었다.
백그라운드 정보는 제2 범위에서 얻어진 신호를 제3 및 제4 피분석물-특정 범위에서 얻어진 신호로부터 감산함으로써 제거되었다. 이와 같이, 피부결 및 나이에 따라 변하는 거울 반사에 의해 생성되는 페데스탈 효과가 교정되었다.
제3 및 제4 범위로부터 정규화되고 기본 라인이 교정된 신호는 분석학적 화학미터법 분석에 적용되었다. 도 4는 제2 및 제3 범위의 신호들 간의 정규화된 차이를 도시한다.
도 4에 도시되어 있는 결과로 알 수 있듯이, 혈액 포도당 레벨의 증가로 두 범위들 간의 신호차가 증가된다.

Claims (21)

  1. 표본 내의 피분석물의 농도를 결정하기 위한 장치에 있어서,
    (a) 근-적외선 스펙트럼에서 복수의 파장의 독특한 비오버래핑 스펙트럼 영역을 포함하는 입사 방사선으로 상기 표본을 조사하기 위한 수단,
    (b) 상기 표본으로부터 나오는 반사된 방사선을 수집하고, 상기 반사된 방사선을 제1 광로 -상기 제1 광로는 파장의 제1 스펙트럼 영역으로부터의 방사선을 포함함- 및 제2 광로로 진행시키기 위한 수단,
    (c) 상기 제1 광로에 배치되는 제1 필터 수단 -상기 제1 필터 수단은 상기 피분석물의 농도와 실질적으로 어떠한 상관도 없는 방사선을 선택적으로 통과시킬 수 있음-,
    (d) 상기 제1 필터 수단으로부터 나오는 선택적으로 통과된 방사선을 수신하여, 상기 방사선의 세기를 나타내는 신호로 변환시키기 위한 제1 검출 수단,
    (e) 상기 제2 광로에 배치되는 조정가능한 필터 수단 -상기 조정가능한 필터 수단은 상기 제2 광로에서 방사선의 세기를 감쇠시킴-,
    (f) 상기 조정가능한 필터 수단으로부터 나오는 감쇠된 방사선을 수신하고, 그로부터 하나 이상의 독립 파장(one or more independent wavelength) -상기 하나 이상의 독립 파장은 상기 피분석물의 농도와 명확하게 상관됨- 을 선택적으로 통과시킬 수 있는 주요 피분석물 필터 수단,
    (g) 상기 주요 피분석물 필터 수단으로부터 나오는 상기 하나 이상의 독립 파장을 수신하고, 각각의 독립 파장의 세기를 감쇠시킬 수 있는 제2 필터 수단, 및
    (h) 상기 제2 필터 수단으로부터 나오는 감쇠된 독립 파장을 수신하고, 상기 검출된 파장을 상기 파장의 세기를 나타내는 신호로 변환시키기 위한 제2 검출 수단
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 필터 수단은 협대역-통과 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 조정가능한 필터 수단은 필터 시스템에서 상관 필터와 협력하여 사용되는 중성 밀도 필터(neutral density filter)를 구비하는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 검출 수단으로부터 얻어진 신호는 상기 조정가능한 필터 수단에 의해 제공되는 감쇠를 조절하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 필터 수단은 필터 시스템에서 상관 필터와 협력하여 사용되는 중성 밀도 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 필터 수단에 의해 제공되는 감쇠는 가중 인자(weighting factors)를 사용하여 수립되는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  7. 표본 내의 피분석물의 농도를 결정하기 위한 장치에 있어서,
    (a) 근-적외선 스펙트럼에서 복수의 파장의 독특한 비오버래핑 스펙트럼 영역을 포함하는 방사선을 방출할 수 있는 방사선원,
    (b) 상기 (a)의 방사선원에 의해 방출되는 방사선을 제1 및 제2 빔 경로로 분할하기 위한 수단,
    (c) 상기 제1 빔 경로의 방사선으로 상기 표본을 조사하여, 반사된 방사선을 제공하기 위한 수단,
    (d) 상기 표본으로부터 나오는 반사된 방사선을 수집하고, 상기 반사된 방사선을 반사 광로로 진행시키기 위한 수단,
    (e) 상기 반사 광로에 배치되는 제1 광 전송 셀 -상기 제1 광 전송 셀은 상기 반사된 방사선을 수용하고, 상기 반사된 방사선으로부터 상기 표본 내의 피분석물의 농도와 높은 상관을 갖는 하나 이상의 파장을 강조하도록 부합되는 흡수 특성을 갖는 제1 양의 상관 필터 수단(first positive correlation filter means)을 구비함-,
    (f) 상기 제1 광 전송 셀로부터 상기 하나 이상의 강조된 파장을 수신하여, 상기 강조된 파장의 세기를 나타내는 신호로 변환시키기 위한 수단,
    (g) 상기 제2 빔 경로에 배치되는 제2 광 전송 셀 -상기 제2 광 전송 셀은 근-적외선 파장의 선택된 범위 전체에 걸쳐 동등하게 상기 제2 빔 경로로부터의 방사선의 세기를 감쇠시키는데 충분한 흡수 특성을 갖는 중성 밀도 필터 수단(neutral density filter means)을 구비함-,
    (h) 상기 제2 광 전송 셀로부터 감쇠된 방사선을 수신하여, 그 세기를 가리키는 신호로 변환시키기 위한 수단, 및
    (i) 상기 (f) 및 (g) 수단에 의해 발생되는 신호를 사용하여 상기 표본 내의 피분석물의 농도를 계산하기 위한 수단
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 광 전송 셀은 상기 제1 양의 상관 필터 수단의 것과 동일한 흡수 특성을 갖는 제2 양의 상관 필터 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 표본 내의 피분석물의 농도를 계산하기 위한 수단은 상기 (f) 및 (h) 수단에 의해 발생되는 신호를 상기 방사선원으로부터 나오는 방사선의 세기와 상기 표본으로부터 나오는 대응하는 방사선의 비를 가리키는 디지털 신호로 변환시키는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 표본 내의 피분석물의 농도를 계산하기 위한 수단은 화학미터법 알고리즘(chemometrics algorithm)을 상기 (f) 및 (h) 수단에 적용하기 위한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 양의 상관 필터 수단은, 상기 필터 수단이 상기 피분석물 농도와 높은 상관을 갖는 파장 집단을 강조하도록 선택된 흡수 특성을 각각이 갖고 있는 복수의 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  12. 표본 내의 피분석물의 농도를 결정하기 위한 장치에 있어서,
    (a) 근-적외선 스펙트럼에서 복수의 파장의 독특한 비오버래핑 스펙트럼 영역을 포함하는 방사선을 방출할 수 있는 방사선원,
    (b) 상기 방사선원에 의해 방출되는 방사선을 제1 및 제2 빔 경로로 분할하기 위한 수단,
    (c) 상기 제1 빔 경로의 방사선으로 상기 표본을 조사하여, 반사된 방사선을 제공하기 위한 수단,
    (d) 상기 표본으로부터 나오는 반사된 방사선을 수집하고, 상기 반사된 방사선을 반사 광로로 진행시키기 위한 수단,
    (e) 상기 반사된 광로에 배치되는 제1 광 전송 셀 -상기 제1 광 전송 셀은 상기 반사된 방사선을 수용하고, 상기 반사된 방사선으로부터 상기 표본 내의 피분석물의 농도와 높은 상관을 갖는 하나 이상의 파장을 강조하도록 부합되는 흡수 특성을 갖는 제1 양의 상관 필터 수단(first positive correlation filter means)을 구비함-,
    (f) 상기 제1 광 전송 셀로부터 상기 하나 이상의 강조된 파장을 수신하여, 상기 강조된 파장의 세기를 나타내는 신호로 변환시키기 위한 수단,
    (g) 상기 제2 빔 경로에 배치되는 제2 광 전송 셀 -상기 제2 광 전송 셀은 상기 제1 양의 상관 필터 수단의 것과 동일한 흡수 특성을 갖는 제2 양의 상관 필터 수단을 구비함-,
    (h) 상기 제2 광 전송 셀로부터 감쇠된 방사선을 수신하여, 그 세기를 가리키는 신호로 변환시키기 위한 수단, 및
    (i) 상기 (f) 및 (h) 수단에 의해 발생되는 신호를 사용하여 상기 표본 내의 피분석물의 농도를 계산하기 위한 수단
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 양의 상관 필터 수단은, 상기 필터 수단이 상기 피분석물 농도와 높은 상관을 갖는 파장 집단을 강조하도록 선택된 흡수 특성을 각각이 갖고 있는 복수의 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 양의 상관 필터 수단으로부터의 하나 이상의 층의 흡수 특성은 가중 인자(weighting factors)를 사용하여 수립되는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  15. 제6항 또는 제14항에 있어서,
    상기 가중 인자는 화학미터법 기술을 사용하여 유도되는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 가중 인자는 상기 피분석물의 흡수 스펙트럼의 회전되는 주성분 분석을 사용하여 유도되는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 입사 방사선의 파장은 약 1100 내지 3500㎚의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  18. 제7항 또는 제12항에 있어서,
    상기 방사선원에 의해 방출된 방사선의 파장은 약 1100 내지 3500㎚의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  19. 제1항, 제7항, 또는 제12항에 있어서,
    상기 표본은 신체 조직을 구비하고, 상기 피분석물은 유기성 혈액 피분석물을 구비하는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 혈액 피분석물은 포도당, 요소(BUN), 지방질, 빌리루빈 및 에틸 알콜로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 혈액 피분석물은 포도당인 것을 특징으로 하는 표본 내의 피분석물의 농도 결정 장치.
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