專利名稱：散射組織中物質濃度的光譜法測量的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及散射組織中物質濃度的光譜法測量。
背景技術：
光譜法可以用于測量散射組織中物質的濃度。光束在組織上被發(fā)送 并且與該已經與介質相互作用的(反向散射的或透射的)光被檢測，從 而從其中推導吸收光譜。目標物質的濃度可以借助于數學模型、利用包
含在組織中的物質的已知光鐠特性從吸收光語推導。
所述散射組織可以是人的皮膚。皮膚上的光譜法允許在體內且無創(chuàng)
地估計該人的物質血液濃度?？梢?使用的光i普法類型是近紅外(NIR) 光譜法，其中近紅外(NIR)光或紅外光照射在皮膚上。NIR光具有近似 地包括在1 000nm與2500醒之間的波長；它被使用是因為它更容易地在 皮膚中滲透并且不會被立即吸收也不會被劇烈地散射。NIR光語法例如 用于確定血液中葡萄糖的濃度。US6, 990， 364描述了一種通過NIR光 諳法無創(chuàng)地確定血液分析物的方法，所述分析物比如葡萄糖。
為了從所獲得的光譜提取信息，必要的是將與葡萄糖相關聯(lián)的信號 與皮膚中存在的許多其他物質的信號分離開。在皮膚的NIR光語中，在 1 000-2500nm波長范圍中，若干物質具有光鐠貢獻(spectral contribution)。圖1示出皮膚的一個示范性吸收光譜；已知對光i普有 貢獻的要素物質是
-水，其波4殳處于大約1450nm和1 920nm, -膠原，其波段處于大約2200nm， -脂肪，其波l殳處于大約1 200nm、 17OOnm和18OOnm, -葡萄糖，其波段處于大約1 550nm、 1700nm和21 OOnm。 可以看出，葡萄糖的峰值不能在光譜上被輕易檢測，因為它們所有 都被對應于其他物質的吸收波段的峰值所掩蓋(mask);膠原是掩蓋物 質之一。膠原是纖維狀蛋白質，其給皮膚帶來了色調和彈性。它是皮膚 中的重要散射物質之一，并且它的主波段接近于葡萄糖波段。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是，提供一種用于通過光譜法在包括至少第一 物質和掩蓋第 一 物質的光譜貢獻的第二物質的散射組織內測量笫 一 物 質濃度的方法，該方法通過在測量中除去或至少減少第二物質的貢獻來 提供對第 一物質的提高的靈敏度。
根據本發(fā)明，提供一種計算散射組織中第一物質的濃度的方法。該
方法包括初始步驟確定處于第 一 和第二拉伸狀態(tài)中的散射組織的第一 和第二吸收光譜。第 一和第二拉伸的光譜允許獲得第二物質對散射組織 的光譜的貢獻。接下來，在校正第二物質的貢獻之后，通過將數學模型 應用到由光語法獲得的散射組織的另 一 個吸收光語，而將數學模型應用 到另一個第一物質的濃度。
利用本發(fā)明，可以更準確地計算第一物質的濃度，因為為了計算第 一物質的濃度校正了第二物質的貢獻。本發(fā)明基于以下觀察第二物質 的散射的各向異性受拉伸的影響；因此，將未拉伸和拉伸的光譜之間的 比較與第二物質的貢獻聯(lián)系起來。
當在上述本發(fā)明的方法中參考"該"散射組織時，應當理解，它涉 及相同類型的組織，但不必涉及相同組織樣本。事實上，如果可以得出 這樣的近似當在另一個皮膚樣本上執(zhí)行測量時，所述貢獻可以被認為 是相似的，那么拉伸與非拉伸組織樣本上的測量(從而推導該組織中第 二物質的貢獻)可以在不同于其中計算第一物質的組織樣本的組織樣本 上完成。它們還可以在多個樣本上完成并進行平均。組織可以表示人或 動物的身體的任何適當部分，例如皮膚、毛發(fā)、腱等。
根據實施例，第一拉伸狀態(tài)是非拉伸的狀態(tài)，而第二拉伸狀態(tài)是拉 伸的狀態(tài)。
根據實施例，在與在其上執(zhí)行光語法測量的散射組織樣本相同的散 射組織樣本上執(zhí)行步驟a)和b)，以便確定第一物質的濃度。
根據實施例，步驟a)和b)在多個樣本上執(zhí)行并且對所述測量結 果進行平均。
根據實施例，測量處于第 一 和第二拉伸狀態(tài)中的散射組織的吸收光 譜通過以下步驟執(zhí)行
-利用在偏振方向上線性偏振的光照射該散射組織，并且
-在與該偏一展方向垂直的4全測方向上檢測與散射組織相互作用的光。
根據實施例，所述散射組織是皮膚且第二物質是膠原，照射光基本 在膠原纖維的方向上被偏振，并且/或者拉伸基本在膠原纖維的方向上 執(zhí)行。
根據實施例，根據下列之一確定膠原纖維的方向 -確定皮膚的各向異性(anisotropy)因子；
-利用在兩個相互垂直的方向上偏振的照射光執(zhí)行測量并且將該測 量結果進行合計、平均或考慮最重要的測量結果，以便獲得非拉伸和拉 伸的光i普。
根據實施例，將拉伸的和非拉伸的光譜與模擬光譜比較，以便確定 第二物質的貢獻。
根據實施例，散射組織是皮膚，第一物質是葡萄糖且第二物質是膠原。
根據實施例，光語法是近紅外光譜法。
根據本發(fā)明，提供一種用于針對包括至少第一物質和第二物質的散 射組織(12)計算第一物質的濃度的設備，該第二物質在拉伸下呈現各 向異性。所述設備包括光譜儀和處理裝置。該光語儀測量處于第一拉伸 狀態(tài)的散射組織(12)的第一吸收光譜和處于第二拉伸狀態(tài)的散射組織 (12)的第二吸收光語。隨后，該處理裝置根據光譜確定第二物質在由 光譜儀獲得的散射組織的吸收光語中的貢獻。該處理裝置在校正第二物 質的貢獻之后，通過將數學模型應用到所述吸收光譜來進一步計算第一 物質的濃度。
根據實施例，所述設備包括光源、用于在偏振方向上線性偏振來自 光源的光的偏振器、分束器、用于在垂直于偏振方向的檢測方向上檢測 與散射組織相互作用的光的分析器。
才艮據實施例，所述設備包括用于拉伸散射組織的斑塊(patch)。 通過下面參照附圖的描述，本發(fā)明的這些和其他方面將更加清楚。


-圖1是示出皮膚的示范性吸收光譜的曲線圖，在該皮膚上引用了 對所述光語有貢獻的物質；
-圖2是表示作為拉伸應變的函數的皮膚的各向異性因子的曲線圖，以及
-圖3是表示用于實現本發(fā)明的第一實施例的設備的示意性結構圖。
具體實施例方式
將結合特定實施例描迷本發(fā)明，其中在體內、人的皮膚內測量血液 中葡萄糖的濃度，具有散射各向異性的物質是膠原。本發(fā)明的方法還可 以應用于動物。
首先給出一些定義。
偏振器是允許偏振光的設備。在本發(fā)明的方法中，光可以被線性偏 振，即沿著垂直于其軌跡方向被偏振。線性偏振的光是平面波。
分析器是允許檢測在特定的偏振方向上反向散射的或透射的光的 設備。換句話說，分析器過濾所述反向散射的或透射的光以便只獲得該 光的偏振分量。
在本發(fā)明的方法中，偏振的入射光可以照射在皮膚上，其中該光被 反向散射或透射并被收集到分析器中以便被檢測。在所描述的本發(fā)明的 方法的實施例中，由分析器檢測反向散射的或透射的光的兩個方向可以 是令人感興趣的垂直于入射光的偏振方向的方向和平行于入射光的偏 振方向的方向。這兩個方向將纟皮分別稱為垂直檢測方向和平行4全測方 向。這些方向分別垂直于和平行于入射光的偏振方向，無論入射光的偏 振方向是什么方向。
入射光的偏振的一些方向有時將被稱為平行于膠原纖維的方向和 明顯(notably)垂直于另一個方向的方向。這與反向散射或透射的光 的檢測的方向的垂直或平行性質沒有關系，所述檢測方向總是垂直于或 平行于入射光的偏振方向，無論該偏振方向是什么方向。
在其上執(zhí)行光語法測量以便計算葡萄糖濃度的皮膚將被稱為"探查 的皮膚"(并且，明顯地，為探查的皮膚體積(skin volume)或探查 的皮膚樣本)；對應的反射率(或透射)和吸收光譜將被稱為"探查的 反射率"和"探查的吸收光鐠"或"探查的光譜"。相似地，針對處于 正常狀態(tài)(即，處于非拉伸狀態(tài))的皮膚(在其上執(zhí)行測量以便推導膠 原的貢獻)，將使用下面的表述"非拉伸的皮膚"、"非拉伸的反射 率"和"非拉伸的吸收光鐠"或"非拉伸的光語"。再次相似地，針對處于拉伸狀態(tài)的皮膚(在其上執(zhí)行測量以便推導膠原貢獻)，將使用下
面的表述"拉伸的皮膚，，、"拉伸的反射率"和"拉伸的吸收光譜" 或"4立伸的光i普"。
探查的、非拉伸的和拉伸的皮膚樣本可以是不同的皮膚樣本。它們 應當屬于相同的皮膚類型，但不必是相同的樣本，即是來自身體的相同 部分的樣本或來自同一個人的樣本。根據實施例，拉伸的和非拉伸的皮 膚樣本是非拉伸的或拉伸的相同的皮膚樣本，從而確保了散射的各向異 性僅僅與膠原有關而與樣本的變化無關；然而，可以以這樣的方式完成 近似使得不同樣本用于非拉伸的和拉伸的狀態(tài)。根據實施例，探查的 皮膚樣本與所述非拉伸的和拉伸的皮膚樣本相同；在這種情況下，針對 特定皮膚樣本而不是一般地，計算膠原貢獻，從而提供個人化的結果； 與事先執(zhí)行預備測量以確定膠原貢獻的方法相比，這種方法實現起來更 加精確但也更加復雜，可選地作為不同樣本上的平均值，膠原貢獻被用 在探查的皮膚體積上的后續(xù)測量中。根據實施例，在處于非拉伸的和拉 伸的狀態(tài)的 一組人上完成測量并且將結果平均，以便計算平均膠原貢 獻。根據實施例，開發(fā)非拉伸的結果的數據庫和拉伸的結果的數據庫。 上面涉及探查的、非拉伸的和拉伸的皮膚樣本的描述適用于本發(fā)明的所 有實施例；因此，不必再提并應當理解的是，對于每個實施例，那些皮 膚樣本可以是相同的或不同的，可以凈皮平均或不#皮平均。
在本發(fā)明的方法的所述實施例中，可以在體內(即，在活人的皮膚 上)實現所述測量。本發(fā)明還應用于從身體切離的體外皮膚樣本。
將在本說明書中暗指NIR光譜法；它以常規(guī)的方式執(zhí)行。利用入射 光束照射皮膚樣本并且利用與皮膚樣本相互作用的光執(zhí)行所述光譜法； 該光是散射的光，其可以是反向散射的光或透射的光，這取決于散射的 光在樣本的哪一側被收集。在下面描述的實施例中，在反向散射的光上 進行測量并且下面將不一是及透射。然而，應當理解，也可以在透射的光 上執(zhí)行測量；本領域技術人員應當容易地調換。在光譜儀內檢測反向散 射的光，其中測量其漫反射率；該漫反射率的對數與皮膚樣本的吸收成 比例；因此可以利用測量的漫反射率獲得皮膚樣本的吸收光譜。吸收光 語的特征歸因于光被皮膚樣本中所有成分(特別是葡萄糖和膠原纖維) 散射和吸收。
探查的皮膚體積的光譜是計算葡萄糖濃度的基礎。然而，如上所解釋的，膠原對該光譜具有影響并且其貢獻應當在葡萄糖濃度的計算中被 校正，以便更好地區(qū)別葡萄糖的濃度并且得到葡萄糖濃度的更靈敏的測量。
本發(fā)明的原理如下針對非拉伸的皮膚和拉伸的皮膚，例如通過NIR 光譜法獲得吸收光譜。來自皮膚的膠原原纖維的貢獻示出當被機械地裝 載時各向異性的變化。基于該各向異性，從拉伸的和非拉伸的光譜推導 膠原的貢獻。因此，膠原貢獻可以在葡萄糖濃度的計算中得以校正，這 基于(探查的皮膚樣本的)探查的反射率而進行。
可以在圖2上檢查拉伸對散射的各向異性的影響，其中示出了各向 異性因子(AF),其作為拉伸的應變的函數(其被表達為皮膚的拉伸的 樣本的原始長度的百分比)。在這里，各向異性因子AF被定義為如下 值
AF=I±/I||,其中，
- I丄是反向散射的光在垂直檢測方向上的強度，以及
- 1 ||是反向散射的光在平行檢測方向上的強度。
我們可以注意到，因為各向異性因子是反向散射的光的強度之比，
率的比。
如在圖2上可以看出，當應變?yōu)?°/。時，各向異性因子近似等于l,
各向異性因子近似等;3,、、這4味著:直方:上的反:率的重要性°是平 行檢測方向上的反射率的三倍。因此，皮膚的散射各向異性受到拉伸的 影響。這是因為以下事實因為膠原以纖維為形式，所以它受拉伸的影 響比水、細胞和其他皮膚成分受到的影響大得多。事實上，當皮膚被拉 伸出來時，所述纖維沿著拉伸方向被拉伸，而間質中的成分實際上未受 影響；如果在纖維的方向上執(zhí)行該拉伸，因此纖維在拉伸方向上更容易 對準，則情況尤其如此。因此，來自膠原層的散射的各向異性受到影響， 而間質成分的散射基本沒有變化。
因此，在當前描述的本發(fā)明的方法的實施例中，假設僅膠原受到拉 伸的影響，忽略其他成分受到的影響。這不是完全精確的，并且如果已 知，可以考慮在拉伸下其他成分受到的影響以獲得更靈敏(acute)的 結果。在所描述的本發(fā)明的實施例中，膠原被認為是受皮膚拉伸影響的僅有的皮膚成分。這樣的近似允許得出結論非拉伸的光譜與拉伸的光 鐠之間的差別僅僅歸因于膠原并且因此該差別表示皮膚光譜中膠原的貢獻。
因此，該膠原貢獻可以在葡萄糖濃度的計算中被校正，以便更準確 地計算該濃度。
參照圖3,現在將描述用于測量非拉伸的光譜和拉伸的光語的本發(fā) 明的實施例。
用于實施所述方法的設備1可以包括NIR光源2、偏振器3、分束 器4,分束器4允許入射的NIR光5穿過分析器7并將反向散射的光6 反射到分析器7中，隨后，光被接收到光譜儀中8。兩個斑塊9、 10用 于在拉伸方向11上拉伸皮膚12。斑塊9、 10可以例如由塑料或金屬構 成，并且可以被粘合到皮膚以便驅動它，從而使得當斑塊被移位時拉伸 皮膚。在非拉伸的位置與拉伸的位置之間，斑塊9、 IO可以例如被移位 l隱到1 Omm。
所述方法可以如下面描述的那樣來^J亍。
首先，計算非拉伸的吸收光譜。保持皮膚l2是正常的，即是非拉 伸的。NIR光由NIR光源2發(fā)射并且纟皮偏振器3線性偏振。該偏4展的入 射光5穿過分束器4并且照射在非拉伸的皮膚12上。反向散射的光6 由分束器4反射并且穿過分析器7,其被調諧在垂直檢測方向上。該過 濾的反向散射光進入光語儀8,其中通過數學模型以常規(guī)方式測量其漫
反射率并計算非拉伸光譜。
其次，計算拉伸的光i普。為此目的，在拉伸的方向U上移動斑塊9、
10,以便拉伸皮膚。與以前一樣，計算該拉伸的皮膚的吸收光語，其是
^立伸的光"i普。
(鏡面)反射不會改變偏振并且因此在垂口直的分析器檢測^向上未被檢 測。用多個散射事件對漫反射率進行消偏振，因此漫反射率得以檢測。 利用相對于入射偏振的垂直偏振檢測，所述倍增的(multiply)的散射 的反射率因此以未拉伸的皮膚被測量一次并且以拉伸的皮膚測量一次。 差異光譜歸因于膠原拉伸。
當入射光平行于膠原纖維的方向被偏振時，散射各向異性是最能夠 檢測的。同樣，應當優(yōu)選地平行于膠原纖維的自然的主要方向執(zhí)行拉伸。
10的，皮膚中的纖維已經確定取向，；波稱為 Langer線；為了在測量由于拉伸引起的膠原散射的變化中考慮該取向， 可以i殳想兩個實施例。
根據第一實施例，計算皮膚樣本的各向異性因子(如圖2所示)， 從而從中推導Langer線的方向；事實上，因為各向異性因子線性地依 賴于拉伸應變，所以靠近圖2的直線的各向異性因子的值對應于已經利 用平行于Langer線偏振的入射光完成的測量。 一旦確定了 Langer線的 方向，利用具有平行于Langer線的所確定的方向的偏振的入射光在非 拉伸皮膚和拉伸皮膚上執(zhí)行該測量，以便獲得非拉伸的光譜和拉伸的光 譜，光在垂直的檢測方向上,皮檢測。
根據第二實施例，在兩個垂直的方向上執(zhí)行測量(在非拉伸的皮膚 和拉伸的皮膚上)，即利用具有第一偏振方向的入射光執(zhí)行在非拉伸的 皮膚和拉伸的皮膚上的測量(在垂直的檢測方向上執(zhí)行檢測)，隨后利 用具有垂直于第 一偏振方向的第二偏振方向的入射光執(zhí)4亍相同的測量 (在垂直檢測方向上執(zhí)行檢測，該方向相對于第二入射偏振方向是垂直 的)。在這兩個方向上獲得的結果是不同的?？梢詫@些結果進行合計、 平均或可以考慮最重要的結果，以便獲得非拉伸的光謙和拉伸的光譜。
根據本發(fā)明的方法，非拉伸的光語和拉伸的光i普用于推導關于膠原 貢獻的信息，這用于改進葡萄糖濃度的計算的質量。在該目標中，在計 算葡萄糖濃度中校正膠原的貢獻；皮膚中膠原的濃度可以被計算并被用 于校正膠原的貢獻。葡萄糖濃度的計算基于將數學模型應用到通過NIR 光譜法獲得的皮膚的吸收光譜。根據第一計算實施例，通過直接用對應 于其貢獻的膠原光譜校正皮膚的吸收光譜并隨后將數學模型應用到該 校正的光譜來校正該計算。根據第二計算實施例，該計算通過計算膠原 的濃度并將它用作為到適合的數學模型的附加輸入來校正，從而數學模 型校正在計算葡萄糖濃度中膠原的貢獻，該數學模型具有作為輸入的皮 膚的吸收光譜和膠原的濃度。
在詳細描述本發(fā)明的這兩個計算實施例之前，現在將描述根據現有 技術的將數學模型應用到光譜以便獲得葡萄糖濃度值的實例。這種方法 為本領域技術人員所公知，并且這就是為何僅僅描述這種方法的原理以 便有助于對本發(fā)明的實施例進行后續(xù)解釋的原因。如果本領域技術人員 了解本發(fā)明的方法的主要原理以及如何修改現有技術的原理并且將之
ii應用到本發(fā)明，那么對于他們來說，從本質上實現本發(fā)明的方法將沒有 困難。因此，該現有技術的描述是在該目標中給出 一 些定義
(definition)的方法。 通常執(zhí)行兩個步驟
1) 開發(fā)所述數學模型；
2) 將該數學模型應用到測量的吸收光譜。
可以使用化學計量學數學模型。國際化學計量學協(xié)會(ICS)將化 學計量學定義為通過數學或統(tǒng)計方法的應用將在化學系統(tǒng)或過程上進 行的測量關聯(lián)到系統(tǒng)的狀態(tài)的科學。為了本發(fā)明的目的，使用化學計量 學數學模型來將吸收光語關聯(lián)到葡萄糖濃度的值。
可以利用本領域技術人員眾所周知的"偏最小二乘，，(PLS)回歸
法來開發(fā)所迷數學模型?；瘜W計量學模型的其他實例是主成分回歸、主 成分分析、遺傳算法、人工神經網絡、支持(support)向量模型等等， 這些都是本領域眾所周知的。將描述PLS的實例。為了開發(fā)該模型，例 如通過參照法(比如指棒(nngerstick)血糖儀)或通過利用標準臨 床實驗室方法進行的血液分析來在葡萄糖濃度是已知的皮膚樣本上執(zhí) 行NIR測量。PLS回歸方法的目標是計算被稱為回歸向量的向量，該向 量代表吸收光譜與對應的葡萄糖濃度之間的變換(或相互關系)。每種 物質(在這里為葡萄糖)與特定的回歸向量有關。
吸收光傳由向量(吸收值對波長)來表示。為了開發(fā)所述模型，在 皮膚樣本上測量若干吸收光語，所述皮膚樣本已經校準了例如通過上述 參照法已知的葡萄糖濃度。 一方面，將所有這些光語聚集到矩陣中，我 們將之稱為校準矩陣。另一方面，對應的校準的葡萄糖濃度被聚集到向 量中，其中每個元素對應于校準的葡萄糖濃度；我們將該向量稱為校準 向量。隨后應用PLS回歸方法以便計算回歸向量，其代表從校準矩陣到 校準向量的變換。
一旦獲得回歸向量，可以在未知的皮膚樣本上執(zhí)行測量并且從中預 測這些皮膚樣本的葡萄糖濃度。事實上，執(zhí)行光譜法，從而提供吸收光 語，其可以以向量的形式表示，該向量可以作為數學模型的輸入。利用 該模型，吸收光譜的向量乘以回歸向量，該乘法得出測量的皮膚樣本中 未知葡萄糖濃度的值。
現在將描述上述這兩個計算實施例。在這兩種情況下，我們看到探查的皮膚體積的吸收光譜已經通過NIR光譜法獲得，同時膠原的貢獻或 濃度已經通過未拉伸的皮膚樣本的光鐠與拉伸的皮膚樣本的光i普之間 的比較確定。稍后將描述如何獲得膠原貢獻或濃度的細節(jié)描述，并且在 計算實施例的當前描述中，該膠原貢獻或濃度被看作已經被確定。
根據第一計算實施例，從通過NIR光譜法獲得的探查皮膚體積的吸 收光譜中減去某種光譜(其對應于膠原的貢獻并且將被稱為膠原貢獻光 譜)。獲得一種被稱為校正的吸收光譜的新光譜，其包含皮膚體積中的 所有物質的峰值，除了已經被減去的膠原特征?？梢詮闹杏嬎闫咸烟堑?濃度，其未被膠原的峰值掩蓋。
根據實施例，為了構建膠原貢獻光語，可以根據膠原對非拉伸光譜
丄二 /上'k —、" A厶^ +1、欲rH ci丄山丄厶OA広，A H、亡^rr ," k Al FTA広丄人,l厶
/f口4乂'IT 7u》賞wv夕乂幵乂又刀尺t wv/"j人/;rW4、/夂。liil/口 ，m *v、 "7 ^0/"j人力丁、 hv A"人
光譜一起使用膠原的濃度，以便得到膠原貢獻光語。根據另一個實施例， 膠原貢獻光譜直接從非拉伸光譜與拉伸光鐠之間的比較導出。
更精確地，校正的吸收光i普被用作化學計量學數學模型的輸入，從 而獲得葡萄糖濃度。如前所述，必須事先利用校準皮膚樣本開發(fā)該數學 模型。所計算的回歸向量將不同于上面針對現有技術的數學模型描述的 回歸向量，因為才艮據該實施例，回歸向量必須應用在已經,人中移除了月交 原的峰值的吸收光譜上。利用已知葡萄糖以及膠原濃度的校準皮膚樣本 來完成回歸向量的導出。如稍后將解釋的，可以借助于蒙特卡洛(Monte Carlo)模擬來確定校準皮膚樣本的膠原濃度。在每個校準樣本上執(zhí)行 NIR光語法以便得到校準吸收光譜。從該校準吸收光語中減去膠原貢獻 光譜(其是已知的，因為膠原濃度是已知的)以便獲得校準校正的吸收 光語。不同樣本的校準校正的吸收光譜被填充到校準矩陣中。提供一種 校準向量，其包括校準皮膚樣本的葡萄糖濃度。與前面一樣，回歸向量 被計算為代表從校準矩陣到校準向量的變換的向量。
為了計算探查的皮膚體積的(未知)葡萄糖濃度，探查的皮膚體積 校正的吸收光語被錄入作為已經恰如上所解釋而開發(fā)的化學計量學數 學模型的輸入，其中它與回歸向量相乘，從而得出探查的皮膚體積中葡 萄糖濃度值。
根據第二計算實施例，計算皮膚中膠原的濃度(多虧非拉伸的光鐠 和拉伸的光譜)并將之用作化學計量學數學模型的附加輸入，該模型用 來利用探查的光譜計算葡萄糖濃度。因此，該數學模型在其葡萄糖濃度
13的計算中校正膠原的貢獻。
更精確地，必須針對所述數學模型來計算回歸向量以便通過輸入探 查的吸收光譜和膠原濃度允許獲得對應的探查的皮膚體積的葡萄糖濃 度。該回歸向量必須在其葡萄糖濃度的計算中考慮膠原濃度。這種模型 被開發(fā)如下，并且再次借助于PLS回歸方法。
利用通過另 一種方法已知葡萄糖以及膠原濃度的校準皮膚樣本來
完成回歸向量的導出；測試具有各種葡萄糖濃度以及各種膠原濃度的樣 本。在這些校準樣本上執(zhí)行NIR光譜法測量，以便填充校準矩陣，其包
準矩陣相比，該校準矩陣具有對應于膠原濃度數據的附加尺寸 (dimension )。該校準向量包括校準皮膚樣本的葡萄糖濃度。與前面 一樣，回歸向量被計算為代表從校準矩陣到校準向量的變換的向量。因 為它將膠原的濃度考慮為輸入，所以它還具有附加的尺寸。
為了計算探查的皮膚體積的膠原濃度，探查的吸收光譜和所計算的 膠原濃度被錄入作為進入化學計量學數學模型的輸入(作為向量)，其 與回歸向量相乘，從而得出葡萄糖濃度的值。
作為第二計算實施例的可替換物，整個力交原光i普可以用于回歸向量 的導出步驟，因此使用具有雙倍大小的校準矩陣。將不在本文中進一步 詳述這樣的實施例。
如上所述，本發(fā)明的原理基于獲得非拉伸的皮膚和拉伸的皮膚的吸 收光語以便從中推導皮膚樣本中的膠原的貢獻或濃度。可以依照不同的 實施例執(zhí)行膠原的貢獻或濃度的計算步驟，在這里將描述其中三個實施 例。無論是什么實施例，具有關于膠原、葡萄糖和其他成分的光語位置 的先驗的準確信息是有益的，以便防止在校正的光譜中高估或低估葡萄 糖濃度。
根據第一實施例，在蒙特卡羅計算的幫助下確定膠原貢獻；這種類 型的計算為本領域技術人員所知并且將不會以非常詳細的方式進行描
述。在蒙特卡洛計算中，可以改變并模擬皮膚的NIR光謙中的膠原的量
段位置、波段寬度和波段高度的先驗的準確信息。因此，可以生成一個 數據庫(或查找表)，該數據庫包含在各種皮膚組成的條件下(在拉伸 和非拉伸的條件下)皮膚的各種(模擬的)可能光鐠。將拉伸和非拉伸狀態(tài)中所測量的光鐠與所述數據庫進行比較，以便確定所述光譜對應于 膠原的哪一個濃度。因此，確定膠原的濃度，這允許在純膠原的光譜的 幫助下計算膠原貢獻光譜，其可以從探查的光譜中減去。前向蒙特卡洛
模擬具有以下優(yōu)點可以容易地模擬各種實驗條件(拉伸/非拉伸皮膚)，
且噪聲水平可以由操作者調節(jié)。在蒙特卡洛計算中，將拉伸的光譜和非 拉伸的光譜與模擬的光譜進行比較，以便確定膠原的貢獻。
根據第二實施例，執(zhí)行光譜的波段擬合，其中每一個貢獻成分被模 擬并被改變直到獲得可接受的擬合水平。這針對非拉伸的光譜和拉伸的 光語來完成，記住只有膠原貢獻應當被改變成從非拉伸光譜轉換拉伸光
鐠。根據該比較，可以確定非拉伸光譜中的膠原貢獻。再次將拉伸的光 語和非拉伸的光語與模擬的光i普進行比較以便確定第二物質的貢獻。
根據第三實施例，多變量分析用于分解它們的主成分中的光譜。在 非拉伸的樣本上進行測量，且在拉伸的樣本上進行測量。對于每個光譜， 首先尋找主成分貢獻，因此首先確定水貢獻，隨后確定脂肪和膠原貢獻。 然后化學計量學軟件工具或軟件包與非拉伸的光鐠與拉伸的光譜之間 的變化相關以便推導膠原貢獻。然后從探查的光譜中減去包含關于膠原 的光語信息的加載向量。
可以用于確定膠原貢獻的方法的實例是擬合、反向蒙特卡洛法、遺 傳算法、查找表、偏最小二乘法或主成分回歸法。
盡管在附圖和前面的描述中詳細示出并描述了本發(fā)明，但是這樣的 圖示和描述被認為是說明性的或示范性的而非限制性的；本發(fā)明不限于 所公開的實施例。
本領域技術人員在實踐要求保護的本發(fā)明時通過研究附圖、公開和 所附權利要求能夠理解并實現對所公開的實施例的其他變型。在權利要 求中，文字"包括，，不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞"一"不排 除多個。單個處理器或其他單元可以實現權利要求中敘述的若干項的功
能。在相互不同的從屬權利要求中敘述某些措施這個起碼的事實并不表 示這些措施的組合不能被有利地使用。計算機程序可以存儲/分布在適 當的介質上，比如光存儲介質或連同其他硬件一起提供的或作為其一部 分的固態(tài)介質，而且還可以以其他形式分布，比如經由因特網或其他有 線或無線電信系統(tǒng)。權利要求中的任何附圖標記不應當被解釋為限制其 范圍。
權利要求
1.一種用于計算散射組織(12)中第一物質的濃度的方法，該方法包括a)測量處于第一拉伸狀態(tài)的散射組織(12)的第一吸收光譜，b)測量處于第二拉伸狀態(tài)的散射組織(12)的第二吸收光譜，c)根據第一和第二拉伸光譜，確定所述組織中存在的第二物質對散射組織(12)的光譜的貢獻，以及d)在校正第二物質對光譜的貢獻之后，通過將數學模型應用到通過光譜法獲得的散射組織的吸收光譜來確定第一物質的濃度。
2. 根據權利要求1的方法，其中所述第 一拉伸狀態(tài)是非拉伸的狀態(tài)， 而所述第二拉伸狀態(tài)是拉伸的狀態(tài)。
3. 根據權利要求1的方法，其中所述散射組織是皮膚(12),所述 第 一物質是葡萄糖且所述第二物質是膠原。
4. 根據權利要求1的方法，其中步驟a)和b)以及步驟d)中的光 譜法測量在相同的散射組織樣本上執(zhí)行。
5. 根據權利要求1的方法，其中步驟a)和b)在多個組織樣本上 執(zhí)行，并且對所述測量結果進行平均。
6. 根據權利要求1的方法，其中所述散射組織是皮膚(12 )且所述 第二物質是膠原，并且照射光基本在膠原纖維的方向上被偏振以及/或 者拉伸基本在膠原纖維的方向上執(zhí)行。
7. 根據權利要求1的方法，其中根據所述第一和第二光譜與模擬的 光語的比較確定所述第二物質的貢獻。
8. 根據權利要求1的方法，其中光譜法是近紅外光語法。
9. 一種用于針對包括至少第一物質和第二物質的散射組織(12)計 算所述第一物質的濃度的設備，所述第二物質在拉伸下呈現散射各向異 性，該方法包4舌光諳儀，用于測量處于第一拉伸狀態(tài)的散射組織(12)的第一吸收 光鐠和處于第二拉伸狀態(tài)的散射組織(12)的第二吸收光譜，處理裝置，其從第一和第二光譜確定在由光譜儀獲得的散射組織的 吸收光語中第二物質的貢獻，并且在校正第二物質的貢獻之后，通過將 數學模型應用到吸收光譜來計算第 一物質的濃度。
10. 根據權利要求9的設備，包括光源(2),用于照射所述散射組織；偏振器(3),用于在偏振方向上線性偏振來自所述光源(2)的光； 分析器(7),其耦合到光譜儀以用于在垂直于所述偏振方向的檢測方向上檢測與所述散射組織(12)相互作用的光；
11.根據權利要求10的設備，其包括用于拉伸散射組織的斑塊(9,10)。
全文摘要
描述了一種用于計算皮膚(12)中葡萄糖濃度的方法和設備(1)，其中皮膚(12)被由NIR源(2)和偏振器(3)提供的偏振的NIR光(5)照射并且該皮膚的吸收光譜通過將反向散射的光(6)穿過分析器(7)傳遞到光譜儀(8)來檢測。該設備可以進一步包括用于在拉伸方向(11)上拉伸皮膚的斑塊(9，10)。通過測量處于第一、非拉伸狀態(tài)的皮膚的第一吸收光譜和處于第二、拉伸狀態(tài)的皮膚的第二吸收光譜，可以確定膠原對吸收光譜的貢獻，并且可以在葡萄糖濃度的計算中應用相應的校正。
文檔編號A61B5/00GK101688832SQ200880023368
公開日2010年3月31日 申請日期2008年6月26日 優(yōu)先權日2007年7月3日
發(fā)明者G·W·盧卡森, G·馮巴素姆, M·A·帕拉西奧斯, M·勞布謝爾, N·尤曾巴賈卡瓦, P·德佩因德, W·H·J·倫森 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司