DE69629937T2

DE69629937T2 - Vorrichtung und verfahren zur glukose-überwachung mittels spektroskopie von durch laser induzierter emissionsstrahlung

Info

Publication number: DE69629937T2
Application number: DE69629937T
Authority: DE
Inventors: J. Wendy SNYDER; S. Warren GRUNDFEST
Original assignee: Cedars Sinai Medical Center
Current assignee: Cedars Sinai Medical Center
Priority date: 1995-12-01
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: EP0863718B1; AU715281B2; US6232609B1; ES2206610T3; DE69629937D1; WO1997020495A1; JP2000501830A; AU1055297A; DK0863718T3; JP2005351907A; PT863718E; ATE249166T1; EP0863718A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Glucoseüberwachung und insbesondere Glucosespiegelüberwachung unter Verwendung von laserinduzierter Emissionsspektroskopie.
Millionen Menschen, die von Diabetes betroffen sind, müssen periodisch ihre Blutglucosespiegel überprüfen, da ihre Körper nicht in der Lage sind, einen konstanten Blutglucosespiegel ohne Diätanpassungen und periodische Insulininjektionen zu erhalten. Die beliebtesten Verfahren zum Überwachen von Blutglucosespiegeln erfordern eine kleine Blutprobe, die periodisch dem Körper zur Analyse entnommen wird.
Kürzlich wurden nichtinvasive optische Verfahren entwickelt, um den Glucosespiegel des Blutes unter Verwendung von Infrarotabsorption durch einen Teil des Körpers zu überwachen. Jedoch sind Infrarotabsorptionsverfahren empfindlich gegenüber Genauigkeitsproblemen, was teilweise darin begründet liegt, daß Glucose mehr als 20 Infrarotabsorptionspeaks aufweist, von denen viele mit den Absorptionspeaks anderer Bestandteile des Körpers überlappen.
Fluoreszenzspektroskopie unter Verwendung von ultraviolettem (W) Erregungslicht wurde zum Überwachen von Glucosespiegeln eingeführt. Diese Technik erfordert unter anderem das Überwachen eines Spektralpeaks innerhalb des induzierten Fluoreszenzspektrums. Genaues Lokalisieren des Peaks kann für ein kleines Fluoreszenzsignal in der Gegenwart von Rauschen schwierig sein. Erhöhen der Intensität des Erregungslichts kann keine wünschenswerte Option sein, da Bedenken hinsichtlich der UV-Aussetzung des Körpers bestehen. Auch sind bekannte fluoreszenzspektroskopische Techniken im allgemeinen nicht in der Lage, sich den vollen Vorteil aus den Informationen zu verschaffen, die in dem Fluoreszenzspektrum bei Wellenlängen außer der Peakwellenlänge enthalten sind, und sind nicht in der Lage, gewissen nichtlinearen Beziehungen zwischen dem Glucosespiegel und den resultierenden Emissionsspektren Rechnung zu tragen.
US 5,341,805 offenbart ein Glucoseüberwachungsgerät und ein damit verwandtes Verfahren zum Bestimmen von Glucose in einer Probe durch Überwachen des Fluoreszenzlichts, das direkt durch jegliche Glucose produziert wird, die in der Probe vorhanden ist. Die Glucosekonzentration wird aus dem Verhältnis der Wellenlängenbandenintensitäten bestimmt, wobei Erregungslicht mit einer Wellenlänge von 308 nm verwendet wird und Rückstrahllichtwellenlängenbanden von 335–355 nm und 380–420 nm verwendet werden.
US 5,435,309 offenbart eine systematische Wellenlängenauswahl für eine verbesserte multivariante Spektralanalyse zum Bestimmen von Glucosekonzentrationen im Blut. Dieses Dokument offenbart weiterhin einen Partial Least Square [PLS], geeignet zum Design von Glucoseüberwachungsgeräten. Im allgemeinen wird in US 5,435,309 ein Analyt mit unbekannten Werten mit elektromagnetischer Energie einschließlich verschiedener Wellenlängen bestrahlt, so daß sich eine differentiale Absorption von wenigstens einiger der Wellenlängen durch das Material ergibt, welches Intensitätsvariationen des Rückstrahllichts aus dem Material verursacht. Solches Rückstrahllicht wird dann durch Anpassungsalgorithmen einschließlich PLS ausgewertet, um die Konzentration des Analyts zu bestimmen.
Aus der obigen Diskussion sollte es offensichtlich sein, daß es einen Bedarf für ein Gerät und ein damit verwandtes Verfahren zum Überwachen von Glucose gibt, das einfach und schnell zu verwenden ist und das eine gute Genauigkeit trotz der Nichtlinearitäten oder des niedrigen Signal-zu-Rauschen-Niveaus zur Verfügung stellt. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Erfordernisse.
Der obige Bedarf wird erfüllt durch ein Gerät gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird durch ein Gerät und ein damit verwandtes Verfahren ausgeführt, das die Konzentration von Glucose in einer Probe, die Wasser enthält, durch direktes Aufzeichnen von induziertem ultraviolettem und sichtbarem (UV-sichtbarem) Emissionslicht der Glucose aus der Probe bestimmt. Das Gerät kompensiert die Nichtlinearitäten zwischen diesen Parametern und der Glucose.
Das Gerät enthält eine Lichtquelle, einen Sensor und einen Prozessor. Die Lichtquelle emittiert ultraviolettes Erregungslicht mit vorbestimmten Energieniveaus. Das Erregungslicht wird auf die Probe gerichtet, um Rückstrahllicht aus der Probe zu produzieren. Das Rückstrahllicht enthält induzierte Lichtemissionen, die durch die Wechselwirkungen zwischen dem Erregungslicht und jeglicher Glucose mit Wasser, das in der Probe vorhanden ist; produziert werden. Der Sensor zeichnet das Rückstrahllicht auf und generiert wenigstens drei elektrische Signale, die Indikativ für die Intensität des Rückstrahllichts sind, die zu den Glucosekonzentrationsunterscheidenden Charakteristika des Emissionslichts in Bezug stehen. Der Prozessor prozessiert die elektrischen Signale unter Verwendung eines prädiktiven Modells, um die Konzentration der Glucose in der Probe durch In-Erwägung-Ziehen der nichtlinearen Beziehung zwischen der Konzentration der Glucose in der Probe und den wenigstens drei elektrischen Signalen und der Variation der Energie des Erregungslichts zu bestimmen. In einer Eigenschaft der Erfindung wird das prädiktive PLS-Modell unter Verwendung von sechs latenten Variablen definiert. Die latenten Variablen werden verwendet, um Vorsagekoeffizienten abzuleiten, die mit den unterschiedlichen Charakteristika der Glucosekonzentration in Verbindung stehen.
In einer detaillierteren Eigenschaft der Erfindung verbleibt das Erregungslicht relativ konstant, während der Sensor die elektrischen Signale generiert. Weiter zeigen die wenigstens drei elektrischen Signale die Intensität des Rückstrahllichts innerhalb einer entsprechenden Anzahl von vorbestimmten Wellenlängenbanden innerhalb der Wellenlängenbande des Emissionslichts an. In einer anderen Eigenschaft kann der Sensor einen ersten Detektor enthalten, der daran angepaßt ist, das Rückstrahllicht innerhalb einer ersten Wellenlängenbande aufzuzeichnen und ein erstes elektrisches Signal zu generieren, einen zweiten Detektor, der daran angepaßt ist, das Rückstrahllicht innerhalb einer zweiten Wellenlängenbande aufzuzeichnen und ein zweites elektrisches Signal zu generieren, und einen dritten Detektor, der daran angepaßt ist, das Rückstrahllicht innerhalb einer dritten Wellenlängenbande aufzuzeichnen und ein drittes elektrisches Signal zu generieren.
In einer weiteren detaillierten Eigenschaft der Erfindung zeichnet der Sensor die Intensität des Rückstrahllichts innerhalb von acht unterschiedlichen Wellenlängenbanden auf und generiert acht elektrische Signale, wobei jedes indikativ für die Intensität des Rückstrahllichts innerhalb einer entsprechenden Wellenlängenbande ist. Insbesondere unter Verwendung von Erregungslicht mit einer Wellenlängenbande von etwa 308 Nanometern können die acht Wellenlängenbanden bei etwa 342, 344, 347, 352, 360, 370, 385 bzw. 400 Nanometern zentriert sein. Alternativ kann der Sensor eine Vielzahl von elektrischen Signalen generieren, die die Intensität des Rückstrahllichts im wesentlichen kontinuierlich quer über ein ausgedehntes Wellenlängenspektrum anzeigen, das mit dem Emissionslicht in Verbindung steht.
In einer weiteren detaillierteren Eigenschaft der Erfindung wird die Energie des Erregungslichts über verschiedene vorbestimmte Energiespiegel variiert, und der Sensor generiert bei jedem Intensitätsspiegel ein erstes elektrisches Signal, basierend auf der Intensität des Rückstrahllichts innerhalb einer Wellenlänge des Emissionslichts, das mit Raman-Streuung in Verbindung steht, und ein zweites elektrisches Signal, basierend auf der Intensität des Rückstrahllichts innerhalb einer Wellenlängenbande des Emissionslichts, das mit einem Peak einer breiten Glucoseemissionsbande in Verbindung steht. Weiterhin kann das Gerät einen oder mehrere Wellenleiter zum weiterleiten des Erregungslichts aus der Lichtquelle zu der Probe und zum Übertragen des Rückstrahllichts aus der Probe zu dem Sensor enthalten.
Andere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollten aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, gemeinsam betrachtet mit den begleitenden Zeichnungen, offensichtlich werden, welche beispielhaft die Prinzipien der Erfindung illustrieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Blockdiagramm eines Glucoseüberwachungssystems, das die Erfindung verkörpert.
2 ist ein Graph der Intensität der Glucoseemission gegenüber der Wellenlänge für unterschiedliche Konzentrationen von Glucose in Wasser, bestrahlt mit Lasererregungslicht mit einer Wellenlänge von 308 Nanometern.
3 ist ein Graph der Intensität der Glucoseemission bei zwei Wellenlängen gegenüber Glucosekonzentration in Wasser, bestrahlt mit Lasererregungslicht mit einer Wellenlänge von 308 Nanometern und einer Erregungsenergie von 1 Millijoule pro Puls.
4 ist ein Graph des Regressionskoeffizienten gegenüber der latenten variablen Zahl, abgeleitet von einer Partial Least Square (PLS)-Analyse unter Verwendung der Intensitäten bei acht Wellenlängen, die im Graph von 2 angegeben sind.
5 ist ein Graph der Prediction Residual Sum of Squares (PRESS) gegenüber der Anzahl der latenten Variablen unter Verwendung eines Spektrums zur Zeit, um das PLS-Modell zu testen, das von den Intensitäten bei den acht Wellenlängen abgeleitet ist, die in dem Graph von 2 angegeben sind.
6 ist ein Graph von PRESS gegenüber der Anzahl der latenten Variablen unter Verwendung von zwei Spektren zur Zeit, um das PLS-Modell zu testen, das von den Intensitäten bei den acht Wellenlängen abgeleitet ist, die in dem Graph von 2 angegeben sind.
7 ist ein Graph der vorhergesagten Konzentration gegenüber der tatsächlichen Konzentration der Glucose für das PLS-Modell unter Verwendung von sechs latenten Variablen und für ein Multiples Lineares Regressions (MLR)-Modell, abgeleitet von dem Graph aus 2.
8 ist ein Graph der vorhergesagten Konzentration gegenüber der tatsächlichen Konzentration der Gluose für das PLS-Modell unter Verwendung von sieben latenten Variablen und für ein Multiples Lineares Regressions (MLR)-Modell, abgeleitet von dem Graph aus 2.
9 ist ein Graph der PRESS gegenüber der Anzahl der latenten Variablen unter Verwendung von einem Spektrum zur Zeit, um ein PLS-Modell zu testen, das von dem gesamten Spektrum aus dem Graph von 2 abgeleitet ist.
10 ist der Graph der tatsächlichen Konzentration gegenüber der vorhergesagten Konzentration für das PLS-Modell unter Verwendung von sechs latenten Variablen, abgeleitet von dem gesamten Spektrum aus dem Graph von 2.
11 ist ein Graph der Intensität der Glucoseemission gegenüber der Wellenlänge bei unterschiedlichen Erregungsenergiespiegeln für Glucose in Wasser bei einer Konzentration von 500 Milligramm pro Deziliter.
12 ist ein Graph der Emissionsintensität gegenüber der Wellenlänge für destilliertes Wasser, angeregt mit einer Erregungsenergie von 5 Millijoule pro Puls.
13 ist ein Graph der Emissionsintensität gegenüber der Wellenlänge für ultrawasserfreie Glucose, angeregt mit einer Erregungsenergie von 5 Millijoule pro Puls.
14 ist ein Graph der Emissionsintensität gegenüber der Wellenlänge für wasserfreie Glucose, angeregt mit 5 Millijoule pro Puls.
15 ist ein Graph der Emissionsintensität gegenüber der Wellenlänge für wasserfreie Glucose, angeregt mit Erregungslicht mit einer Energie mit unterschiedlichen Niveaus zwischen 0,25 und 10 Millijoule pro Puls.
16 ist ein Graph der Intensität der Glucoseemission gegenüber der Wellenlänge für unterschiedliche Konzentrationen von Glucose in Wasser, bestrahlt mit Lasererregungslicht mit einer Wellenlänge von 308 Nanometern und einer Erregungsenergie von 7 Millijoule pro Puls.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie in den beispielhaften Zeichnungen gezeigt, wird die vorliegende Erfindung ausgeführt durch ein Glucoseaufzeiehnungsssystem 10 und durch ein verwandtes Verfahren zum Bestimmen der Konzentration von Glucose in einer Probe 12 durch Aufzeichnen der ultravioletten und sichtbaren (W-sichtbaren) Lichtemissionsspektren der Glucose bei unterschiedlichen Wellenlängen oder Erregungsintensitäten, während für die nichtlineare Beziehung zwischen der Glucosekonzentration dieser Parameter kompensiert wird. Das System stellt eine gute Genauigkeit trotz der Nichtlinearitäten oder der niedrigen Signal-zu-Rauschen-Spiegel zur Verfügung.
Bei dem Glucoseaufzeichnungssystem 10, gezeigt in 1, richtet eine Erregungsquelle 14 ultraviolettes Erregungslicht auf die Probe 12 durch eine optische Faser 16, um jegliche Glucose innerhalb der Probe dahingehend zu induzieren, daß sie das Erregungslicht absorbiert und reemittiert oder streut. Eine optische Faser oder ein Faserbündel 18 sammelt das Rückstrahllicht, das durch die Probe emittiert wird. Das Rückstrahllicht enthält jegliche Glucoseemissionen, die durch das Erregungslicht induziert werden. Ein Sensor 20 zeichnet das Rückstrahllicht innerhalb unterschiedlicher Wellenlängenbanden von Interesse auf und generiert eine Serie von elektrischen Signalen basierend auf der Intensität des Rückstrahllichts, das in der Wellenlängenbande oder in den Wellenlängenbanden von Interesse empfangen wird. In einer Ausführungsform beinhaltet der Sensor einen Spektrograph 22, welcher das Rückstrahllicht durch Trennen des Rückstrahllichts nach Wellenlängen auflöst. Ein Analysator 24 oder ein Prozessor mit einem prädiktivem Modell, das die Intensität des Rückstrahllichts von Interesse mit der Konzentration von Glucose in der Probe in Verbindung bringt, verarbeitet die elektrischen Signale, die durch den Sensor generiert werden, vergleicht die Resultate mit dem Modell und generiert ein elektrisches Signal, das die Konzentration der Glucose in der Probe wiedergibt.
Eine nützliche Erregungsquelle 14 ist ein Excimerlaser, der Licht mit einer Wellenlänge von etwa 308 Nanometern produziert, mit einer vollbreitenhalbmaximale (FWHM) Pulsbreite von etwa 120 Nanometern und einer Wiederholungsgeschwindigkeit von etwa 5 Hertz. Es wird vermutet, daß Glucose Erregungslicht mit einer Wellenlänge zwischen 260 und 280 Nanometern effizienter absorbiert, und es wäre daher wünschenswert, eine Erregungswellenlänge in diesem Bereich zu haben. Jedoch, wie gegenwärtig verstanden wird, sind Erregungsquellen, die bei diesen Wellenlängen operieren, im allgemeinen nur schwer erhältlich. Das Erregungslicht kann durch jeglich Art von allgemeiner Schmalbandultraviolettlichtquelle zur Verfügung gestellt werden und kann im allgemeinen eine Wellenlänge von etwa 250 bis 350 Nanometer aufweisen.
Das Erregungslicht wird auf die Probe 12 durch eine eingeschmolzene (fused) Silicafaser 16 mit einem Kerndurchmesser von 600 Mikron geführt. Die Energie des Erregungslichts, emittiert aus der Faser, wird auf vorbestimmte Spiegel von etwa 0,5 bis 10 Millijoule pro Puls (0,54 bis 36 Millijoule pro Quadratmillimeter pro Puls) eingestellt. Die induzierten Emissionen aus der Probe oder das Rückstrahllicht wird vorzugsweise gesammelt unter Verwendung von einem Bündel aus sechs eingeschmolzenen Silicafasern 18, wobei jede Faser einen Kern von 300 Mikron hat. Die Sammelfasern leiten das Rückstrahllicht auf den Sensor 20.
Der Sensor 20 kann individuelle lichtsensitive Dioden mit entsprechenden Bandpaßfiltern enthalten oder, wie oben diskutiert, kann einen Spektrograph 22 enthalten, der ein weites Spektrum des Rückstrahllichts auflöst. Ein Spektrograph wurde verwendet, um die Daten, die hierunter diskutiert werden, zu sammeln. Ein Langpaßfilter 26 (Schott WG335) wird innerhalb des Spektrographen angeordnet, um aus dem Rückstrahllicht jegliches Erregungslicht herauszufiltern, das durch die Sammelfasern 18 gesammelt worden sein könnte. Ein ultraviolett verstärktes Gitter (150 Fugen pro Millimeter), angeordnet nach einem Eingangsschlitz des Spektrographen, dispergiert das Rückstrahllicht in seine Wellenlängenbestandteile. Ein Silikondiodenarraydetektor 28 mit 1024 Elementen sammelt das dispergierte Rückstrahllicht und generiert ein elektrisches Signal, das seriell die Intensität des Rückstrahllichts repräsentiert, das in jedem Element gesammelt wurde. Ein EG&G optischer Multikanalanaalysator (OMA III), der das elektrische Signal empfängt, kann einen Graph darstellen, der die Intensität des Rückstrahllichts innerhalb der gewünschten Wellenlängenbande oder den gewünschten Wellenlängenbanden von Interesse darstellt.
Bevor die Glucosekonzentration in einer Probe mit einer unbekannten Glucosekonzentration bestimmt werden kann, muß ein Modell hergestellt werden, das für gewisse Nichtlinearitäten zwischen den Glucosekonzentrationen und gewissenen gemessenen Parametern Rechnung trägt. Das Verfahren des Ableitens des Modells wird besser verstanden unter Bezugnahme auf 2. Das Spektrum, das in 2 gezeigt ist, ist das Emissionsspektrum von unterschiedlichen Glucosekonzentrationen nach der Erregung mit einem ultravioletten Excimerlaserlicht mit einer Wellenlänge von 308 Nanometern. von jedem Spektrum wird gezeigt, daß es eine Doppelpeakform aufweist. Ein Spektralpeak wird mit einer schmalen Wellenlängenbande in Verbindung gebracht, welche bei ungefähr 346 Nanometern zentriert ist, anscheinend produziert als ein Ergebnis von Vibrations-Raman-Streuung, und einer breiten Emissionsbande 28, die bei etwa 440 Nanometern zentriert ist, von der vermutet wird, daß sie größtenteils durch direkte Glucose- und Wasserfluoreszenz produziert wird.
Die Wellenlänge des Peaks, der mit der schmalen Raman-Streuungsbande in Verbindung steht, beträgt etwa 30 bis 50 Nanometer mehr als die Wellenlänge des Erregungslichts und verschiebt sich im allgemeinen proportional zu Verschiebungen der Wellenlänge des Erregungslichts. Die Form und die Emissionswellenlängen der breiten Glucoseemissionsbande ist im allgemeinen nicht eine direkte Funktion der Erregungswellenlänge.
Wie in Tabelle I hierunter gezeigt, variiert die Emissionsintensität, die mit acht repräsentativen Wellenlängen in Verbindung steht, nicht linear mit der Glucosekonzentration über den klinisch relevanten Bereich von 80 bis 300 Milligramm pro Deziliter. Die acht repräsentativen Wellenlängen werden durch vertikale Linien in dem Graph von 2 angegeben.
Tabelle I
Statt dessen, wie gezeigt in 3, ist das Verhältnis zwischen gemessener Intensität und Glucosekonzentration sehr nichtlinear und zeigt ein unterschiedliches Profil bei unterschiedlichen Wellenlängen. Insbesondere, während die Glucosekonzentration in Wasser ansteigt, steigt die Intensität der Wellenlänge mit 370 Nanometern im allgemeinen mit der Glucosekonzentration an, bis die Konzentration 500 Milligramm pro Deziliter erreicht wird. Bei diesem Punkt beginnt die Intensität dann abzuflachen oder mit ansteigender Konzentration abzusinken. Auf gleiche Weise steigt die Intensität bei einer Wellenlänge von 347 Nanometern, im allgemeinen die Wellenlänge des Raman-Streupeaks, allgemein an und sinkt dann mit ansteigender Glucosekonzentration ab. Bemerken Sie jedoch, daß die Geschwindigkeit der Veränderung für die Intensität gegenüber der Glucosekonzentration unterschiedlich für jede der Kurven ist.
Beim Design eines Modells zur Vorhersage der Glucosekonzentration sind verschiedene Herangehensweisen erhältlich, um den oben erwähnten nichtlinearen Effekten Rechnung zu tragen. Ein Verfahren ist es, die Kalibrierungskurve in kleine Segmente zu zerteilen, welche durch ein einfaches lineares Modell angenähert werden. Eine anderes Verfahren ist es, eine Transformation auf die nichtlineare Variable auszuführen. Schließlich kann die Kalibrierungskurve unter Verwendung einer polynomischen Anpassung modelliert werden.
Polynomisches Kuvenanpassen zum Zur-Verfügung-Stellen eines vorhersagenden Modells wird erreicht unter Verwendung von statistischen Techniken, basierend auf einem Least-Squares-Regressionsverfahren. Es wurde gefunden, daß eine gewöhnliche Regressionstechnik, bekannt als Partial Least Squares (PLS)-Regression, in der Lage war, ein robustes Modell zur Verfügung zu stellen, weil die Modellparameter sich nicht signifikant ändern, wenn neue Proben genommen werden. Die Algorithmen und die theoretische Basis für PLS vorhersagendes Modellieren können in Brereton, R. G. New York: Ellis Horwood, 1990, gefunden werden. Eine grundlegende Übersicht über die PLS-Regression kann in Gerald und Kowalski gefunden werden, "Partial Least-Squares Regression: A Tutorial" 185 (1986): 1–17.
Das PLS-Regressionsverfahren beginnt durch "Autoskalieren" jeder Variablen, so daß alle Variablen gleichermaßen einflußreich bei der Vorhersage sind. Die PLS-Regressionstechnik verwendet eine Hauptbestandteilanalyse, ebenso bekannt als Einzelwertzersetzung oder Eigenvektoranalyse, um die abhängigen und unabhängigen Matrizen darzustellen. Bei der Hauptkomponentenanalyse wird ein NIPALS-Algorithmus verwendet, um eine Datenmatrix von unabhängigen Variablen zu definieren. PLS-Regressionstechniken führen einen Wichtungsfaktor in das Regressionsmodell ein. Der PLS-Algorithmus vergibt eine Sequenz von Modellen, wobei das beste dasjenige ist, das die Crossvalidierung minimiert.
Beispielsweise wird aus Tabelle I eine Datenmatrix aus unabhängigen Variablen (die Glucosekonzentration ist die abhängige Variable), bestehend aus der Emissionsintensität bei den unterschiedlichen Wellenlängen, der Datenverarbeitungsroutine zur Verfügung gestellt, die die PLS-Regression ausführt. Bei diesem Beispiel ist die Datenverarbeitungsroutine in der "PLS Toolbox Version 1.3", erhältlich aus Barry M. Wise, 1415 Wright Avenue, Richland, WA 99352 (E-mail: bm wise@pnl.gov), enthalten. Die Routinen in der "Toolbox" sind gegenwärtig dafür vorgesehen, mit dem MATLAB^TM Softwarepaket, erhältlich von The Mathworks, Inc., 24 Prime Park Way, Natick, MA 01760, verwendet zu werden. Bei der Verwendung der Routine wird der Matrix, die mit den Spektralintensitäten bei jeder Wellenlänge in Verbindung steht, und der Matrix, die mit den Konzentrationswerten in Verbindung steht, vor der weiteren Verarbeitung jeweils der Mittelwert entnommen. Die Routine berechnet einen Regressionsvektor, der in 4 und in Tabelle II hierunter gezeigt ist. Der Skalarbestandteil des Regressionsvektors ist der Vorhersagebestandteil für jede Wellenlänge.
Tabelle II
Um eine Vorhersage bei einer Probe von unbekannter Konzentration zu treffen, wird die Intensität bei jeder der acht Wellenlängen gemessen. Diese acht gemessenen Werte werden skaliert und mit dem Regressionsvektor multipliziert, d. h. die acht Wellenlängenkoeffizienten in Tabelle II. Das Ergebnis ist eine skalierte Konzentrationsvorhersage. Die skalierte vorhergesagte Konzentration muß erneut skaliert werden, um einen Konzentrationswert in den Originaleinheiten zur Verfügung zu stellen.
Da acht unterschiedliche Wellenlängen verwendet werden, kann das Modell bis zu acht latente Variablen ergeben. Tabelle III hierunter zeigt die Prozent der Varianz, für die Rechnung getragen wurde durch die Hinzufügung von jeder latenten Variablen zu dem Modell.
Tabelle III Prozent Varianz, festgehalten durch das PLS-Modell
Bei der Entwicklung des Vorhersagemodells wird die Crossvalidierungsberechnung verwendet, um die optimale Anzahl der latenten Variablen zu bestimmen, die in dem Modell verwendet werden. Die Crossvalidierung wird ausgeführt durch Verwenden eines Spektrums, das zufällig ausgewählt wurde, um das Modell zu testen. Die Crossvalidierung wird zehnmal bei zufälliger Auswahl eines unterschiedlichen Spektrums wiederholt, um das Modell zu testen. Die Resultate der Crossvalidierung sind in dem Druckauftrag aus 5 gezeigt als ein Auftrag der Prediction Residual Sum of Squares (PRESS) gegenüber der Anzahl der latenten Variablen, die in dem Modell verwendet werden. Die PLS-Analyse ergab ein Modell mit sechs unterschiedlichen Variablen.
Die Crossvalidierung wurde wiederholt unter Verwendung von Blöcken aus zwei Spektren zur Zeit, um das Modell zu testen. Der PRESS-plot, der mit der Crossvalidierung der zwei Spektren in Verbindung steht, ist in 6 gezeigt. 5 und 6 zeigen, daß der Minimal-PRESS zwischen fünf und sieben latenten Variablen existiert.
Das Vorhersagemodell wurde getestet unter Verwendung von Proben mit bekannter Glucosekonzentration. 7 zeigt die Ergebnisse eines Vorhersagetests unter Verwendung von bekannter Glucosekonzentration in dem PLS-Vorhersagemodell unter Verwendung von sechs latenten Variablen, abgeleitet aus Tabelle I, um das Moell zu definieren. Wie aus dem Graph ersehen werden kann, stellt das PLS-Modell eine ziemlich genaue Vorhersage der Glucosekonzentration zur Verfügung. Zum Vergleich wurde der Test für ein Multiples Lineares Regressions (MLR)-Modell wiederholt, das auf denselben Inputdaten basiert. Das PLS-Modell zeigt im allgemeinen eine bessere Leistung als das MLR-Modell bei niedrigeren Konzentrationsspiegeln, während das MLR-Modell eine bessere Leistung zeigt bei höheren Konzentrationsspiegeln.
8 zeigt die Ergebnisse eines anderen Vorhersagetests wiederum unter Verwendung von Proben mit bekannter Glucosekonzentration beim Testen von PLS- und MLR-Modellen. Jedoch verwendet das PLS-Modell für diesen Test sieben latente Variablen, um das Modell zu definieren. Wie aus dem Graph ersehen werden kann, stellen beide Modelle im wesentlichen dieselben Resultate zur Verfügung. Daher verbessert ein Verwenden von zusätzlichen latenten Variablen bei dem Modell nicht notwendigerweise die Vorhersagegenauigkeit des Modells.
Jedoch kann aus dem folgenden Beispiel gezeigt werden, daß das Vorhersagemodell verbessert werden kann durch Verwenden einer größeren Anzahl von Wellenlängen, um das Modell zu generieren. Das Emissionsspektrum aus den 1024 Elementen des Detektorarrays stellt eine ähnliche Anzahl von Intensitätswerten zur Verfügung. Ungefähr 200 dieser Punkte befinden sich in dem Wellenlängenbereich des UV-sichtbaren Emissionslichts der Glucose (ungefähr 335 bis 450 Nanometer), und die Daten werden auf diesen Bereich reduziert. Um die Wirkungen des Rauschens zu reduzieren, wird das Spektrum drei- bis zu fünfmal für jede Glucosekonzentration gemessen. Ein Durchschnitt von jedem dieser Spektren wird verwendet, um das Modell zu generieren. Um weiterhin Rauschen zu entfernen, wird eine Glättungsfunktion auf das Spektrum ausgeführt unter Verwendung eines sich bewegenden dreipunktigen Durchschnitts (Xi (geglättet) = (X_l + _iX + X_i + _l)/3. Die Daten für die trunkierten geglätteten Spektren wurden in ein kleineres File konvertiert durch Nehmen des Durchschnitts von drei Punkten zur Zeit, um bei einem Punkt anzukommen. Beispielsweise werden 180 Punkte 60 Punkte. Daher werden 60 Wellenlängen für jedes Konzentrationsniveau, vorher konditioniert wie oben diskutiert, in diesem Beispiel analysiert, um bei einem Vorhersagemodell anzukommen unter Verwendung der PLS-Regressionstechnik anstelle der acht verschiedenen Wellenlängen aus Tabelle I, die in dem vorherigen Beispiel verwendet werden.
Wie gezeigt in 9, zeigt der PRESS-plot für das Modell unter Verwendung des ganzen Spektrums einen Minimum-PRESS bei sechs latenten Variablen. Ein Test des Modells unter Verwendung von Proben bekannter Konzentration ist in 10 gezeigt. Wie aus dem Graph ersehen werden kann, stellt das PLS vorhersagende Modell unter Verwendung der vorkonditionierten Spektren eine sehr genaue Vorhersage der Glucosekonzentation zur Verfügung. Unter Berücksichtigung der allgemein rauschigen Natur der Spektralmessungen und der nichtlinearen Beziehung zwischen der Glucosekonzentration und der Emissionsintensität bei irgendeiner gegebenen Wellenlänge von Interesse sind die Resultate, die in 10 angegeben sind, tatsächlich überraschend.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf die nichtlineare Beziehung zwischen der Glucosekonzentration und der Intensität des Erregungslichts gerichtet. 11 zeigt Emissionsspektren bei einer einzigen Glucosekonzentration, resultierend aus Erregungslicht, das in unterschiedlichen Intensitätsniveaus übertragen wird. Wie in Tabelle IV hierunter gezeigt, ist die Emissionsintensität bei einer Wellenlänge, die mit dem Raman-Peak in Verbindung steht, normalisiert bezüglich des breiteren Fluoreszenzpeaks, nichtlinear bezüglich der Erregungsenergie bei einem gegebenen Konzentrationsspiegel.
Tabelle IV
Die Werte in Tabelle IV können verwendet werden, um ein vorhersagendes Modell zur Verfügung zu stellen unter Verwendung der PLS-Regressionstechnik, wie oben diskutiert, bezüglich Tabelle I. Daher kann durch Variieren der Intensität oder der Energie des Erregungslichts die Glucosekonzentration einer unbekannten Probe bestimmt werden unter Verwendung eines vorhersagenden Modells, das durch die PLS-Analyse zur Verfügung gestellt wird.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die nichtlineare Natur der physikalischen Interaktion zwischen den Glucosemolekülen und den Wassermolekülen. 12 zeigt das Emissionsspektrum von destilliertem Wasser, bestrahlt mit Erregungslicht mit einer Energie von 5 Millijoule pro Puls (18 Millijoule pro Millimeter pro Quadratmillimeter). Der Graph zeigt, daß die Fluoreszenzspektren für destilliertes Wasser eine breite Fluoreszenzbande mit einem Peak bei ungefähr 370 Nanometern und eine schmale Raman-Streubande bei ungefähr 346 Nanometern aufzeigen. Die Raman-Streubande resultiert aus gestreutem Einstrahllicht, wobei dessen Wellenlänge durch Energie (Rotations- und Translationsenergie) der Wassermoleküle verschoben ist.
Das Emissionsspektrum von ultrawasserfreier Glucose ist in 13 gezeigt. Das resultierende Spektrum hat eine einzelne breite Fluoreszenzbande, die ihren Peak bei ungefähr 450 Nanometern hat. wie in 14 gezeigt, zeigt das Emissionsspektrum von wasserfreier Glucose, welche eine kleine, aber spektral signifikante Wassermenge absorbiert hat, zwei schmale Raman-Streubanden, die ihren Peak bei 341 bzw. 346 Nanometern haben, und eine breite Emissionsbande, die ihren Peak bei etwa 420 Nanometern hat. Der Raman-Streupeak bei 346 Nanometern entspricht dem Raman-Peak von Wasser, der in 12 gezeigt ist. Der Raman-Streupeak bei 341 Nanometern resultiert anscheinend aus der Wechselwirkung zwischen den Wasser- und den Glucosemolekülen. Weiterhin ist das Spektrum der wasserfreien Glucose in Richtung der kürzeren Wellenlängen verschoben, verglichen mit dem Spektrum der ultrawasserfreien Glucose, das in 13 gezeigt ist. Die Emissionsspektren von wasserfreier Glucose, während die Erregungsenergie variiert wird, sind in 15 gezeigt. Die Intensität der Spektren steigt im allgemeinen an, während die Erregungsenergie ansteigt. Jedoch verbleibt das Intensitätsverhältnis zwischen den Peaks der Raman-Banden und der breiten Emissionsbande nicht konstant, während die Erregungsenergie ansteigt.
Weiterhin, wie in 16 gezeigt, bleibt das Verhältnis zwischen der Raman-Streubande und der breiten Emissionsbande auf ähnliche Weise nicht konstant, während die Konzentration ansteigt. Dementsprechend scheinen die Interaktionen zwischen den Wasser- und Glucosemolekülen und die Energiedichte des Erregungslichts alle die resultierenden Emissionsspektren zu beeinflussen. Dementsprechend sind einfache lineare Modelle wirksam als Annäherung nur entlang sehr schmalen diskreten Segmenten von möglichen Glucosekonzentrationen von Interesse.
Aus dem Vorangegangenen wird anerkannt werden, daß die Glucosekonzentration genau vorhergesagt werden kann trotz Signalrauschen und nichtlinearer Beziehung zwischen der Glucosekonzentration und gewissen spektroskopischen Parameten von Interesse. Die Vorhersage wird ausgeführt unter Verwendung eines Modells, das aus einer PLS-Regressionsanalyse entwickelt wurde.
Auch wenn im Vorangehenden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart sind, wird verstanden werden, daß der Fachmann verschiedene Veränderungen an den bevorzugten Ausführungsformen ausführen kann, die gezeigt sind, ohne dabei vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Erfindung wird ausschließlich durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen der Glukosekonzentration in einer Probe (12), die Wasser enthält, umfassend: eine Lichtquelle (14), die ultraviolettes Erregungslicht (16) mit vorbestimmten Energieniveaus emittiert, das gegen eine Probe (12) gerichtet ist, um abstrahlendes Licht (18) aus der Probe (12) zu produzieren, wobei solches abstrahlendes Licht (18) induzierte Lichtemissionen enthält, die als ein Ergebnis aus Interaktionen zwischen dem anregenden Licht (16) und Glukose mit Wasser, vorhanden in der Probe (12), produziert werden; einen Sensor (20), der das abstrahlende Licht (18) aufzeichnet und wenigstens drei elektrische Signale generiert, die indikativ für die Intensität des abstrahlenden Lichtes (18) sind und mit den glukosekonzentrationsunterscheidenen Charakteristika des Emissionslichtes assoziiert sind, wobei die wenigstens drei elektrischen Signale wenigstens zwei elektrische Signale beinhalten, die indikativ für die Intensität des abstrahlenden Lichtes (18) sind und mit den glukosekonzentrationsunterscheidenen Charakteristika des Emissionslichtes assoziert sind, wobei die wenigstens drei elektrischen Signale wenigstens zwei elektrische Signale beinhalten, die indikativ für die Intensität des abstrahlenden Lichtes bei einer entsprechenden Anzahl von Wellenlängen innerhalb einem vorbestimmten schmalen Wellenlängenband sind, umfassend den Ramanstreupeak von Wasser und den Ramanstreupeak, resultierend aus der Interaktion zwischen Wasser und Glukosemolekühlen, und ein drittes elektrisches Signal, das das indikativ für die Intensität des abstrahlenden Lichtes innerhalb einer vorbestimmten schmalen Fluoreszenzemissionswellenlängenbande außerhalb des vorbestimmten schmalen Wellenlängenbandes ist; und einen Prozessor (24), der die elektrischen Signale unter Verwendung eines vorhersagenden partial least squares [PLS] Regressionmodels verarbeitet und das für einen nicht linearen Bezug zwischen der Glukosekonzentration in der Probe (12) und den wenigstens drei elektrischen Signalen und der Energievariation des anregenden Lichtes (16) Rechnung trägt, um die Konzentration von Glukose in der Probe (12) zu bestimmen.
Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von Glukose in einer Probe (12) wie definiert in Anspruch 1, wobei die Intensität des anregenden Lichtes (16) konstant bleibt, während der Sensor (20) die elektrischen Signale generiert.
Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von Glukose in einer Probe (12) wie definiert in Anspruch 2, wobei: der Sensor (20) die Intensität des abstrahlenden Lichtes (18) innerhalb von acht unterschiedlichen Wellenlängenbanden aufzeichnet und acht eletktrische Signale generiert, wobei jedes Indikativ für die Intensität des abstrahlenden Lichtes (18) innerhalb einer bestimmten Wellenlängenbande ist.
Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von Glukose in einer Probe (12) wie definiert in Anspruch 3, wobei: die Wellenlänge des anregenden Lichtes (16) etwa 308 Nanometer beträgt; die erste Wellenlängenbande eine schmale Wellenlängenbande ist, die um etwa 342 Nanometer zentriert ist; die zweite Wellenlängenbande eine schmale Wellenlängenbande ist, die um etwa 344 Nanometer zentriert ist; die dritte Wellenlängenbande eine schmale Wellenlängenbande ist, die um etwa 347 Nanometer zentriert ist; die vierte Wellenlängenbande eine schmale Wellenlängenbande ist, die um etwa 352 Nanometer zentriert ist; die fünfte Wellenlängenbande eine schmale Wellenlängenbande ist, die um etwa 360 Nanometer zentriert ist; die sechste Wellenlängenbande eine schmale Wellenlängenbande ist, die um etwa 370 Nanometer zentriert ist; die siebte Wellenlängenbande eine schmale Wellenlängenbande ist, die um etwa 385 Nanometer zentriert ist, und die achte Wellenlängenbande eine schmale Wellenlängenbande ist, die um etwa 400 Nanometer zentriert ist.
Vorrichtung zum Bestimmen der Glukosekonzentration in einer Probe (12) wie definiert in Anspruch 1, wobei der Sensor (20) eine Vielzahl von elektrischen Signalen generiert, die die Intensität des abstrahlenden Lichtes (18) kontinuierlich über ein ausgedehntes Wellenlängenspektrum anzeigen, das mit dem Emissionslicht in Verbindung steht.
Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von Glukose in einer Probe (12) wie definiert in Anspruch 1 und weiterhin umfassend einen oder mehrere Wellenleiter zum Übertragen des anregenden Lichtes (16) aus der Lichtquelle zu der Probe (12) und zum Übertragen des abstrahlenden Lichtes (18) von der Probe (12) zu dem Sensor (20).
Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von Glukose in einer Probe (12) wird definiert in Anspruch 1, wobei der Sensor (20) beinhaltet: einen ersten Detektor, der daran angepaßt ist, das abstrahlende Licht (18) innerhalb einer ersten Wellenlängenbande aufzuzeichnen, und ein erstes elektrisches Signal zu generieren; einen zweiten Detektor, der daran angepaßt ist, abstrahlendes Licht innerhalb einem zweiten Wellenlängenbereich zu detektieren und ein zweites elektrisches Signal zu generieren; und einen dritten Detektor, der daran angepaßt ist, abstrahlendes Licht (18) innerhalb einem dritten Wellenlängenband zu detektieren und ein drittes elektrisches Signal zu generieren.
Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von Glukose in einer Probe (12) wie definiert in Anspruch 1, wobei das vorhersagende PLS Modell durch sechs latente Variablen definiert ist.
Vorrichtung zum Bestimmen der Konzentration von Glukose in einer Probe (12) wie definiert in Anspruch 1, wobei das vorhersagende PLS Modell durch Vorhersagungskoeffizienten definiert ist, die mit glukosekonzentrationsunterscheidenden Charakteristika in Verbindung stehen.
Ein Verfahren zum Bestimmen der Konzentration von Glukose in einer Probe (12) mit Wasser, umfassend: zur Verfügung stellen eines PLS Regressiosmodells, das einer nichtlinearen Beziehung zwischen der Konzentration von Glukose in einer Probe und elektrischen Signalen, die auf verschiedenen glukosekonzentrationsunterschiedlichen Charakteristika eines Lichtemissionsspektrums basieren, das Emissionslicht beinhaltet, das durch glukosebezogene Interaktionen mit dem anregenden Licht (16) produziert wird, Rechnung trägt; verursachen, daß eine Probe (12) unter Verwendung einer Lichtquelle (14), die ultraviolettes anregendes Licht (16) mit vorbestimmten Energieniveaus emittiert, ein Lichtemissionsspektrum produziert, das ultraviolettes Emissionslicht beinhaltet, das durch glukosebezogene Interaktionen produziert wird und Generieren einer Vielzahl von elektrischen Signalen, die die glukosekonzentrationsunterscheidenden Charakteristika repräsentieren; wahrnehmen des abstrahlenden Lichtes (18) das wenigstens drei elektrische Signale generiert, die Indikativ für die Intensität des abstrahlenden Lichtes (18) sind, das mit glukosekonzentrationsunterscheidenden Charakteristika des Emissionslichtes in Verbindung steht, wobei die wenigstens drei elektrischen Signale wenigstens zwei elektrische Signale beinhalten, die indikativ für die Intensität des abstrahlenden Lichtes bei einer entsprechenden Anzahl von Wellenlängen innerhalb eines vorbestimmten, schmalen Wellenlängenbandes sind, umfassend den Ramanstreupeak von Wasser und den Ramanstreupeak, der aus der Interaktion zwischen Wasser und Glukosemolekühlen resultiert, und ein drittes elektrisches Signal, das indikativ für die Intensität des abstrahlenden Lichtes innerhalb eines vorbestimmten, breiten Fluoreszenzemissionswellenlängenbandes ist, das außerhalb des vorbestimmten schmalen Wellenlängenbanes liegt und Verarbeiten der elektrischen Signale unter Verwendung eines vorhersagenden partial least square Regressionsmodels, das für eine nichtlineare Beziehung zwischen der Glukosekonzentration in der Probe (12) und den wenigstens drei elektrischen Signalen und der Variation der Energie des anregenden Lichtes (16) Rechnung trägt, um die Glukosekonzentration in der Probe (12) zu bestimmen.