[发明专利]改进的漫反射监测装置

说明书

                       技术领域

本发明总地涉及漫反射光谱测量，更具体而言，涉及一种用于光谱测量或分析人体组织中分析物浓度的改进装置，而且还具体地涉及一种包括用于这种测量系统的镜面反射控制器的改进装置。

                       发明背景

有许多资料证明需要有一种准确确定人体组织中分析物浓度的非侵害性方法。例如，Barnes等(美国专利No.5,379,764)公开了对糖尿病患者需要频繁监测其血液中的葡萄糖含量。还应当认识到分析越频繁，葡萄糖含量有大波动的可能性就越小。这些大的波动和疾病的症状及并发症有关，其长期效应可包括心脏病、动脉硬化、失明、中风、高血压、肾衰竭和早死。如下所述，有多种系统被提出用于血液中葡萄糖的非侵害性测量。但是尽管有这些努力，对所有现有的可买到的家用葡萄糖监测形式来说还是需要对手指的刺血切口。相信对糖尿病患者已折衷地认为很少能实现最有效地采用任何形式管理糖尿病患者。

提出用于确定血糖含量的各种非侵害性方法一般采用定量红外光谱学作为分析的理论基础，下面将分别讨论。红外光谱测量分析0.7～25μm的电磁辐射。一种物质在各种波长都有吸收。原子相互之间并不保持固定的位置关系，而是在平均间距附近来回振动。吸收适当能量的光使原子激发到更高的振动能级。原子受激到激发态只在某些分离的能级间进行，这是特定分子的特征。最基本的振动态产生在中红外频谱区(即2.5～25μm)。不过就算不是不可能，由于水对光的吸收也使在这一频谱区非侵害地确定血液分析物是有问题的。这一问题可通过使用不被水衰减的更短波长的光而得以克服。基本振动态的谐波存在于较短波长，这使得能够在这些波长进行定量测定。

已知葡萄糖在中红外和近红外区的多个频率处有吸收。不过血液还有其他红外活性分析物也在相近频率有吸收。由于这些吸收带的重合性，没有单个或特定频率可用于可靠的无侵害性葡萄糖测量。这样用于葡萄糖测量的光谱数据分析需要在很宽的光谱范围中计算很多光谱强度，以获得定量测定所需的灵敏度、精度、准确性和可靠性。除了吸收带重合以外，葡萄糖测量还会进一步复杂化，这是由于葡萄糖在血液中从重量上来说是少数部分，而且由于被检测物质的特性和/或光学测量仪器中固有的非线性，使所得到的光谱数据可能显示有非线性的响应。

Robinson等(美国专利No.4,975,581)公开了一种方法和装置，用于通过使用红外光谱并结合多元模型测量生物样品中的未知量的特征，该多元模型由一套已知特征值的生物样品的光谱经验地推导而来。上述特征一般是分析物(比如葡萄糖)的浓度，也可以是样品的任一化学或物理特性。Robinson等的方法含有包括校准和预测步骤的两步过程。在校准步骤中，红外光耦合到已知特征值的校准样品上，从而存在至少几种红外辐射波长的微分衰减随含有已知特征值的样品的不同成分和分析物而变化。通过使光穿过样品或者从样品上反射光，使红外光耦合到样品上。样品对红外光的吸收引起和光波长有关的光强变化。对这套已知特征值的校准样品测量出在至少几种波长所形成的强度变化。然后原始或变换的强度变化用多元算法与校准样品的已知特征经验地相关以得到多元校准模型。在预测步骤中，红外光耦合到未知特征值的样品上，再把校准模型应用到从该未知样品测得的适当光波长的原始或变换强度变化上。预测步骤的结果是未知样品的估计特征值。Robinson等的公开内容在此引入作为参考。

Dahne等(美国专利No.4,655,225)还公开了一种方法，采用近红外光谱测量使近红外光谱中的光学能量无侵害地透过受验者的手指或耳廓。Dahne还公开了测量反射光能量来确定分析物浓度。反射光能量进一步确定为包括从样品表面反射的光和从组织深处反射的光。Dahne公开了是从组织深处漫反射的近红外能量含有分析物的信息，而表面的反射光能量没有分析物的信息，并干扰解释或测量从组织深处反射的光。本发明涉及一种用于漫反射光改进测量的装置，同时可消除表面反射光的影响。

反射光谱测量在其他非医学应用中是已知的。一般来说，这种光谱测量涉及通过使用反射信息来区别样品的化学结构。漫反射光谱测量也是普遍已知的，并被广泛用在光谱的可见和近红外区来分析比如谷类和其他食品等材料。

概括地说，漫反射光谱测量采用的依据是样品材料会趋于以或多或少随机的形式散射光。有一部分光将最终从样品散射回来并由探测器收集到，以提供样品的定量或定性代表。