專利名稱：：腎功能分析方法和儀器的制作方法腎功能分析方法和儀器本專利申請要求以2005年4月19日提交的發(fā)明名稱為"腎功能分析方法和儀器"的美國臨時專利申請No.60/672,708作為優(yōu)先權(quán)并且要求其雌，該申請的全部內(nèi)此弓l入作為參考。
背景技術(shù)：
：本申請通常涉及器官診斷的方法和儀器，特別是腎診斷的方法和儀器。腎功能測定在腎臟疾病的診斷和治療中是一^+分重要的步驟。腎功能的一種量度是腎小球濾M3I率(GFR)。GFR定義為一定時間內(nèi)腎濾過的血(血漿)容量，并腿常以每射中的毫升量(ml/min)來測定。用來測定GFR的典型臨床方法是測定尿肌酐的清除。肌酐是機體的代謝產(chǎn)物。但是，通過測定尿中肌酐7jC平來估計的GFR只是一種估測，不，真實GFR的直接測定。這是因為機條斷地產(chǎn)Ml酐，除濾泌卜還將肌酐分泌到尿中。典型的GFR測定需要花費至少6小時到24小時才能誠。但是，當(dāng)血清肌酐zK平未飽和時，例如在急性腎衰竭期間，GFR測定可能無法進行。典型的GFR測定駄需要收^^樣和/棘她樣。有許多疾病都會影響腎臟或腎臟功能。蛋白尿是慢性疾病的一種標(biāo)志。有蛋白尿的動物(例如人類患者)可能發(fā)展為腎衰竭，早期發(fā)現(xiàn)蛋白尿有利于許多基石嫉病的治療。蛋白尿的典型診斷方法是測定尿中的白蛋白7K平。這種測定典型的做法JiM:尿浸量^ia行半定量，或者M31化學(xué)方法測定尿蛋白和肌酸的比率。典型的定量分析需要收集24小時的尿。然而，由于蛋白il^端小管重吸收，中清除，即使收集24小時的尿也可能延誤診斷。例如，蛋白可能穿過腎小球(腎濾,障)itA腎濾液，然后被腎小管細胞重吸收，{頓中很少有至沒有蛋白。當(dāng)早期發(fā)現(xiàn)了對治療至關(guān)重要的腎小球蛋白滲透改變時，這可會跌寺別與糖尿病性腎病有關(guān)。血液和尿糖7]CTO被用于診斷測定。異常的血糖水平與糖尿病和其他疾病有直接聯(lián)系。測定血液和賺水平的典型方法需要采集血柳或測定尿中的葡萄!^量。這些方法相對較廈，并且不允許對血糖zK平的實時監(jiān)控。進一步地，在許多應(yīng)用中，期望知道藥物的藥物動力學(xué)。典型的藥物動力學(xué)測定方法需要從動物內(nèi)(例如人體患者)采集血液，這樣會導(dǎo)致魏且進行緩慢。其他用來測定藥物動力學(xué)的方、M括^ffi笨重且昂貴的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，例如MRI。發(fā)明本發(fā)明包括^^f附權(quán)利要斜口/或下列特征中歹瞎的一種或多種特征，這些特征與蟲或任意組她包含了專利性主題本申請?zhí)峁┝艘环N確定動物生理診斷的方法。所述方法可包括向動物注射多個第一種針和多個第3巾分子的混合物的步驟。第二種舒的舒量比第一種好要大。第一種針和第二種舒可以是熒光探針。所述方法還可包括確定第一種舒和第二種舒的分子比率的步驟。針比率可以是第一種分子和第二種分子的熒光強度比率。所述方法可進一步地包括確定生理數(shù)據(jù)。生理娜可以是例如一種藥物或化學(xué)化合物的血漿清除速率常數(shù)、腎小球濾艦率、濾過阻力、葡萄糖清除速率、葡萄糖濾過阻力值、葡萄糖代謝率，和減藥物代謝率。葡萄糖或藥物的代謝率可分別根據(jù)葡萄糖或藥物的清除速率和葡萄糖或藥物的濾過阻力值確定。本申請還提供了一種確定動物生理診斷的儀器。所述儀器可包括多個指狀接收孔。所述儀器還可以包括多個光源和多個相關(guān)光接收器。多B源和相關(guān)光接收器中的每一個可與多個指狀接收孔中的一個相關(guān)聯(lián)。光源可以是光，二極管、激光、二極管激光，禾口/或耦合了波錢擇光學(xué)的白光光源。戶脫儀器進一步地包括耦合到多個光源的光生成電路以及耦合到多個相關(guān)光接收器的光檢測電路。光生成電路可包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路。光檢測電路可配翻來檢測來自光接收器的多個光學(xué)信號。光檢測電路還可以包括多個放大器和/或多個濾光器。戶服儀器可害妙卜地包括光子脈沖計數(shù)電路。舒脈沖計數(shù)電路可i頓TTL^it行數(shù)灘號檢測。脈沖計數(shù)電路可與光檢測電路耦合。脈沖計數(shù)電路可配置用于多個光學(xué)信號確定生理診斷值?？商鎿Q地，在某些實案中，可使用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路，并且該模擬數(shù)字轉(zhuǎn)奐器電路被配置用于模擬信號檢測。所述儀器還可以進一步地包括用戶界面，其被電耦合到脈沖計數(shù)電路。用戶界面可包括用來顯示生理診斷值的顯示屏。脈沖計數(shù)電路(或模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路)可艦無線通信地耦合到光檢測電路。進一步地，光生成電路、脈沖計數(shù)電路、或模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路，以及用戶界面可組成個人計算機的一部分。從下面的說明和附圖中，本發(fā)明公開內(nèi)容的上述特征禾唭他特征將變得顯而易見，其單獨地或以任意的組合包括專利保護的主題。附圖簡述詳細描述特別參照下列附圖，其中圖1是用來確定腎診斷的算法的過程流程圖2是圖1中用來確定腎臟腎小球濾皿率的算法的實施方案的，淑呈圖3是圖1中用來確定蛋白濾過阻力的算法的實施方案的鵬^l呈圖；圖4是圖1中用來確定血糖清除速率和代謝率的算法的實"案的，流程圖5是^頓計算的分布容積確定腎臟腎小球濾艦率的算法的實駄案的鵬流程圖6是用來確定生理診斷的儀器的測量頭的透視圖7是圖6中測量頭的頂部設(shè)計圖8是圖6中測量頭的可選實施方案的透視圖9^^用圖6或圖8中測量頭確定生理診斷的儀器的控制單元的示意圖。發(fā)明詳述由于本發(fā)明的容易有各種,和替換形式，因此在附圖中以舉例的方式來說明特定的具體實施例，并在itki^雅細描述。然而，這并不意據(jù)將本發(fā)明麟限于在此所公開的特定形式，相反，旨在覆蓋在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的所有、等效和替代方式。參照圖l，示出了用于確定生理數(shù)據(jù)例如腎臟診斷數(shù)據(jù)的算法IO。算法IO可用來確定腎臟的腎小球濾皿率、一種預(yù)定大小的^T和/^^粒的^濾過阻力，以及其他腎臟診斷測定。為超l膝目的，^!程步驟12中，兩種(或兩種以上)M的混合物，即A&B(或更多)，被注射給活的動物體。這里所使用的術(shù)語"動物"包括人類。兩種(或更多)分子具有不同大小(即不同的分子量)。M量(MW)較大的分子，通常在腎功能相對較正常的動物(人類患者)血流中保留很長一段時間(數(shù)小時至數(shù)天)。如果兩種或更多分子中的一種具有大的肝量(例如針A〉70千跡頓)，其他針(例如針B)的濾過可!tt控，并且在jthS礎(chǔ)上可計算出好B的清除速率。^H呈步驟14中，確定好的好比率。觀啶血流中作為時間函數(shù)的B/A，!^a分子比率(或總極性(GP))與這些MA&B(^多)的相対濾皿率鴻除速率)直接相關(guān)。^^好比率的信號R酷包括可由A和B測定的任何其可根據(jù)下列公式確定其中，SA是由A測定到的多個，信號中的任意一種，Sb是由B測定到的多個類型信號中的任意一種。信號Sa和Sb的難可包括，但不限于，熒光強度、來自入射光(以一種或多種波長)的任何艦信號(雷利艦、羅曼、相干反史托克M1"等)、熒光壽命比例(在此情況下，信號比R^a是來自B的熒光壽命的部分貢獻與來自A的熒，命的部分貢獻之間的比率)、吸光度和極性。這個信號比(A和B或更多之間)還包括來自A和B的倒可，信號之間的任意組合，例如來自A的熒光信號和來自B的艦信號之間的比率。財卜，當(dāng)SA=1時(A的平穩(wěn)信號標(biāo)準(zhǔn)化為l)，可以使用信號比Rb^Sb。在MI呈步驟16中，根據(jù)舒比率確定所關(guān)心的腎臟診斷。例如，A和B(或更多)混合物初始注入后的衰減函數(shù)RB^(t)(或GP(t))可用數(shù)學(xué)模型(公式)描述7B/々)=c+Sa'exp(-'=i(2)其中Ra/a(t)是分子B和A的分子比率，其作為時間的函^ia行測定；W是包括任何腎小球濾3131f呈、探針^T在血流中的分布^I呈、探針^在機體內(nèi)非特定損失等指數(shù)逝呈的總數(shù)目；c是常數(shù)；％是前指數(shù)因子或振幅；和&是^H1I呈的相對衰減常數(shù)(皿率常數(shù))。旨&值可Mm時間序列的R肌(t)(或GP(t))進行線性(若需要可以是非線性)最小二乘^m合確定。當(dāng)只存在腎小球濾^ilf呈時，衰減函數(shù)RwA(t)是單指數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(3)其中，R軀(t)是好B和A的肝比率，其作為時間的函數(shù)進行測定，c是常數(shù)，cc是辦旨數(shù)因子或振幅，A是相對衰減常數(shù)(鵬率常數(shù))。如前所述，如果舒A具W^的舒量(例如大于約70kD)，并因此滯留在腎臟中，分子A在血流中的濃度可認為是穩(wěn)定的。M31對時間序列的R^A(t)(或GP(t))進行線性(如需要也可是非線性)最小二乘^J以合，可確定A:值。根據(jù)下列關(guān)系式，(腎小球濾aai呈的)速率常數(shù)A與腎小球濾3iit率(GFR)、總血漿容量Vp杣(V雌)，以及好阻力g直接相關(guān)A:=《-(4)^f濾過阻力乓的值是一種^穿過腎臟的難易禾，的M。如果M(或物質(zhì))的《=1，則分子(或物質(zhì))可以沒有阻力地自由穿過腎臟濾過屏障。如果好(或物質(zhì))的《<1，針(或物質(zhì))不能自由穿過腎臟濾,P章。如果分子(或物質(zhì))的》1，分子(或物質(zhì))可主動穿過(根據(jù)主動轉(zhuǎn)運機理的存在)腎臟濾過屏障。血漿容量V雌與體重)^成比例，并且它們具有如下關(guān)系(5)其中，；/是體重全血(包括血漿和血細胞)容量因子，是血漿容量占全血容量的百分比因子。人體w和p的平均值是已知的或可以測定。在其他實施方案中，也可使用確定血漿容量V的其他方法。例如，V蜮可以^ffi在圖5示出的算法50的過程步驟60所討論的任意一種或多種確定禾ij^和域公式來確定。因此，根據(jù)戰(zhàn)公式1確定的舒比率，通31id^公式2-5中的一個或多個，可確定任意肝(或物質(zhì))的腎臟GFR和肝濾過阻力《。在下面衰減常數(shù)A的討論中，好濾^3I率、清除速率和速率常數(shù)具有相同的含義。根據(jù)下列公式使用總極性，可以量化分子A和分子B之間的相對分子間足巨(therelativemolecularseparation):、々+fe(6)其中，Ia(大)是駄好的信號，Ib(小)是狡小舒的信號。當(dāng)僅有默分子的信號時(僅有肝A雜)，GP=1;當(dāng)僅有較小好的信號時(僅有舒B存在)，GP=-1。作為選擇，GP還可定義為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>為了規(guī)定和討論的目的，f頓公式6中GP的定義,但在其他實案中可{頓其他的GP定義。GP值可用來分別量化來自舒A和好B的爾中斜蟲信號的相對5踱(即分子A和分子B的相對占有極性)。應(yīng)該理解的是，算法10可用來確定多個腎臟診斷中的任意一種。例如，參照圖2，示出了確定腎臟腎小球濾艦率的算法20。算法20包括ai呈步驟22，其中將溶解于鹽7jC鄉(xiāng)^7K溶液的兩種熒光探針(A和B)的混注射至慟物的血流中。熒光探針具有不同的大小。例如，其中的一種熒光探針(例如探針A)可具有大于70kD的分子量(WM)，例如70kD或500kD的熒光1ii己右旋糖酐。探針A的熒光信號作為對照信號。另一種熒光探針(探針B)具有較小的舒量，其在體內(nèi)不代謝。例如，熒光探針B可以是小熒光肝例如熒光素、藍色(cascadeblue)、熒光^H己菊糖，或其他非毒性化合物。^3^呈步驟24中，確定了所^^探針的熒光強度比率。熒光強度比率可Mil公式RB/A(thlB(tyU(t)確定，其中fe(t)和U(t)分別是分子B和A的熒光強度，其作為時間的函數(shù)進行測定。在初始注射染色混合物后，測定作為時間函數(shù)的血流(一根或多鵬管)中的熒光纟鵬比率。^!呈步驟26中，假設(shè)較小探針分子的《—(^"，使用，公式1-5和最小二乘，合計算GFR。財卜，算法10可用作蛋白尿的診斷測定。例如，參照圖3，給出了確定一種蛋白質(zhì)濾過阻力作為蛋白尿診斷確定的算法30。算法30包括^f呈步驟32，其中將溶解于鹽7K或其JlbK溶液的三種熒光探針(A、B和C)的混^tl目到血流。探針A和B對im&算法20中A和B。探針C是樹可，(球狀蛋白或非,蛋白)的熒光標(biāo)記蛋白(標(biāo)記物蛋白)，例如Texas-Red或FTTC(皿氰酸熒光素)結(jié)合蛋白。^i^呈步驟34中，血管中探針A、B和C的熒光信號被記錄為時間的函數(shù)。M^ffi，公式2或3將熒光強度比率I^A(t:HB(tyiA(t)進行最小二乘方擬合，，定探針B的速率常數(shù)&。同樣地,il^以合強度比率RaA(tHc(t)/lA(t)，可以確定C(蛋白)的速率常數(shù)&。;^f呈步驟36中，確定濾過阻力。根據(jù)下列公式，可直接計算出相對濾過阻力&。如果&=1，相對濾過阻力&=&(t斜己物蛋白的濾過阻力)。濾過阻力可作為^HB物蛋白穿過腎臟濾,障難易程度的指標(biāo)。&值較小表明蛋白穿過腎臟濾過屏障的難度較大。蛋白濾過阻力f的這種14M可用來診斷蛋白尿。如果動物(例如人類患者)具有大于人體平均蛋白濾過阻力值的(標(biāo)記物蛋白的)濾過阻力，即f賴乂柳那么動物有可能已經(jīng)患有蛋白尿。在一個可替換實駄案中，蛋白濾過阻力可M31兩種分別的、湖和相關(guān)測定來確定。在第一個注射和測定步驟中，注射僅包括探針A和B的混^t;，然后確^I率常數(shù)&。接著，,僅包括探針A和c的混合物，然后確^I率常數(shù)b。財卜，算法10可用糖的診斷測定。例如，參照圖4，給出了確定血糖清除速率和代謝率的算法40。算法40包括漲步驟42，其中將溶解于鹽水或其^7K溶液的三種熒光探針(A、B和C1)的混，、湖到血流中。探針A和B類似，算法20中A和B。探針Cl是熒光葡萄糖類似物(L"葡萄糖)，其中葡萄糖具有S5定性(拉丁文是Levo-葡萄糖)。L"葡萄糖沒有甜味，在體內(nèi)沒有代謝。在戰(zhàn)呈步驟44中，確定(從L-葡萄糖獲得的)葡萄糖的清除速率^和濾過阻力^。葡萄糖的清除速率A/和濾過阻力^可il3U^圖3的算法30確定。在MH步驟44中，確定了葡萄糖的代謝率。對于D-葡萄糖(右旋葡萄糖，具有右手性)，機^F僅會將其M液中清除(過濾)，而且還會對其進行代謝。如果三種熒光探針(A、B和C2)與C2的混^l是熒光葡繊類似物，例如2-NBDG[2-(N-(7-硝基苯基-2-氧雜-l,3-重氮鹽4-萄氨基)"2-脫氧葡萄銜或6-NBDG,其中葡萄糖具有右手性，作為時間函數(shù)測定的熒光強度比率Rc2/A(t)^Ic2(tyiA(t)可根據(jù)下列公式確定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(8)其中，^"是僅由于濾過弓跑的葡萄糖濾ail率，MdO是描述葡萄糖代謝動力學(xué)的函數(shù)，^是葡萄糖的代謝率。^在i^3il呈步驟42中已知，其艦L葡萄糖熒光類似物。葡萄糖代謝率^可M^以合葡萄糖代謝率函數(shù)M^^)^i程步驟44中確定?？商鎿Q地，葡萄糖代謝率可通過^單獨注射熒光^H"混合物(A、Cl和C2)確定，其中A是駄的熒光肝070kD右旋糖酐)，C1是L"葡萄糖熒光類似物，C2是D-葡萄糖熒光類似物。然后，葡萄糖代謝函數(shù)可根據(jù)下列公式確定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(9)進一步地，算法10可用來確定藥物的清除速率和/或代謝率。例如，，圖3中的算法30,可監(jiān)測和測定代謝型和非代謝型藥物的藥j慟力學(xué)。對于非代謝型藥物(其中只考慮藥物的清除速率)，為了測定麟物的清除速率A:和濾過阻力6上面關(guān)于算法30所悉的熒光Wf混合物(A、B和C1)中的C1用藥物化合物進行替換。對于代謝型藥物，Mil將葡萄糖用各自的藥物化合物替換1頓上面關(guān)于圖4所述的算法，以確定麟除速率和代謝率。應(yīng)理解地是，如果需要的話，腎臟腎小球濾^m率(GFR)以及分子的分子濾過阻力的確定可M:考慮非腎清除機理(即，考慮，公式3中A:的非腎清除部分)得以改進。此外，這種確定還可以i!31計算i^動物(例如人類患者)的分布容積VD，而不是將分布容積基于戰(zhàn)公式5中的平均it^得以艦。這樣，用于確定腎臟腎小球濾313I率的算法50可以如在圖5中所說明的那稱皮艦。算法50從il^呈步驟52開始，其中向動物的血流中注射溶解于鹽水或其他ZK溶液中的兩種熒光探針(A和B)的混，。熒光探針具有不同的大小。例如，其中的一種熒光探針(例如探針A)可具有大于70kD的舒量(WM)，例如70kD或500kD的熒光^HS右旋糖酐。由探針A得到的熒光信號IM作參考信號。另一種熒光探針(探針B)具有較小舒量，雜體內(nèi)不代謝。例如，熒光探針B可以是小熒光針例如熒光素、驗藍色、熒光禾琉繊，或其他非毒性化合物c^3^步驟54中，確定注射探針的熒光雖比率。熒光艘比率可根據(jù)下列公式確定-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(io)其中，fe(t)和lA(t)分別是作為時間函數(shù)測定的好B和A的熒光3艘。在初始注射染色混合物后，^JfiL流(一根或多根血管)測定作為時間函數(shù)的熒光弓販比率。熒光5賊比率可4頓任何適合的成像分析儀器來確定。例如，在一M寺定的實M^案中，可4頓下文圖6-9說明且描述的儀器100?？衫w地，在另一個實M^"案中，S艘比率可ffiiiS初生成腎臟的ML管圖像，〗頓一個雙光子激光掃描熒光顯微鏡系^^確定，例如Hercules,CA的Bio-Rad實驗室商業(yè)提供的MRC-1024P顯微鏡，并裝配由Huntley，Illinois的FryerCompanyIncorporated商業(yè)提供的NikonDi鄰hot倒置顯微鏡，以形卜探測器(例如44(M70nm、500-550nm和560巧50nm檢測器)。接著，^fOT任何適宜的成像分析系統(tǒng)來分析圖像，以確定熒光賊比率。例如，在一^M寺定實施方案中，可4頓WestChester^Pennsylvania的UniversalImaging公司商業(yè)提供的MetaImaginingSeriesVersion6軟#^析圖像，以確定熒光強度比率。這樣，每個檢測3Iit(即，每一檢測器)的閾值水平可根據(jù)圖像某區(qū)域的平均像素值設(shè)置，在染料注入前沒有來自圖像的顯著自動熒光。然后，所關(guān)心區(qū)域的強度比率i的平均像素值可被輸出^l^分析和繪圖程序，例如用PearlRiver,NewYork的PolySoftwareInternational商業(yè)^f共的PSI-PLOTVersion6來分析。一旦確定了熒光強度比率，在過程步驟56中確定總血漿清除速率。如上述有關(guān)公式3所討論的，當(dāng)只存在腎小球濾aii程時，衰減函數(shù)Re/A(t)是單指數(shù)時間序列?？傃獫{清除速率可S31對該單指數(shù)時間序列進行線性(如需要可為非線性)最小二乘方擬合來確定。例如，可!頓下列衰減函數(shù)IUt(t):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(11)其中，"是不同時間點提取的指定區(qū)域(即指定的血管腔區(qū)域)的強度比率的平均像素值，a是振幅或辦旨數(shù)因子，c是常數(shù)，f是時間，^是總血^^除速率。如前面討論的，&值可:公式11進行非線性最小二乘合來確定。應(yīng)該理解的是，總血漿清除速率&包括腎清除速率^和非腎清除速率(例如肝臟的清除)&。同樣，為了efciS根據(jù)清除速率的計算精確性，例如確定腎小球濾M3I率和/或M濾過阻力，可將非腎清除速率從總血漿清除速率中減去或另外說明。這樣，可〗頓下列公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(12)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>其中，^是總血漿清除速率，^是內(nèi)tt漿清除速率(即腎清除)的速率常數(shù)，^是自由濾過分子(即非腎清除)的非特定組織分布速率常數(shù)。如前面所討論的，^值可艦公式U來確定，并且^a行腎臟分概辦的動物是非人動物的實施例中，非特定組織分布速率常數(shù)^的值可ilii兩個全腎的切,序確定。由于已經(jīng)知道了總血漿清除速率^的值和非特定組織分布速率常數(shù)^(即非腎清除速率)的值，內(nèi)tt槳清除的速率(即腎清除速率)常數(shù)值^可M:公式13確定。可替換地，^iS行腎臟分概辨的動物是人類患者的實施例中，腎臟和非腎清除速糊可i頓對^Nj力學(xué)級呈做出說明的多項式模型進行確定。例如，可使用下列公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(14)其中，i^"是3艘比率，"和c是常數(shù)，f是時間，A^腎血漿清除速率常數(shù)，/魏括不是腎清除部分(例如探針分布、剕寺定組織吸收等)的所有動力學(xué)a^呈的函數(shù)，A#^非腎血漿清除速率常數(shù)。清除速率&^tu辦可根據(jù)公式14迸行多項式最小二乘，合禾ij^來確定。使用多個不同函數(shù)中的一個，可模擬非腎血漿清除動力學(xué)。例如，在某些實案中，可〗頓下列的單指數(shù)方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(15)其中6是常數(shù)。腎和非腎清除速率確定的精確度可3I31在人類患者進行多次試驗以確定多次總血漿清除痕量，值，然后對多次總血漿清除痕量進行最小二乘方擬合(即根據(jù)公式14進行總術(shù)以合程序)來艦。例如，多次清除值或痕量可艦使用不同濃度比的標(biāo)記物^f(例如分子A和B)進行多次i，而得到。然后，根據(jù)多次i微可統(tǒng)i+itk確定平均人類患者的平均非腎清除&湖。接著，腎血漿清除速率常數(shù)&河根據(jù)下列公式，通過單次注射標(biāo)記物舒(例如舒A和B)直接確定允夢<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(16)其中，A^腎血漿清除速率常數(shù)，&^M過f頓單指數(shù)函銜以合多次清除痕量得到的平均血漿清除速率，"辦^平均非腎清除速率。^Mf呈步驟60中，確定分布容積^。由于至少一種標(biāo)記鵬針或肝(例如探針/^fA)相對ltt(例如500kD的熒光^iB右旋糖酐)，該^或探針不會被腎臟濾過。^3i樣，分布容積^)可根據(jù)守恒原貝IJ^如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>其中，「D是分布容積(即，血漿容量)，F(xiàn)^大探針或舒(例如大右旋糖酐探針)輸注給患者前的容積，/c^^;^^針或分nr注給患者前的濃度，/C^/^1評衡后±^針或分子的血漿濃度。由于大或分子(例如探針A)的熒光3破A與其濃度C誠比例，分布容積FD(即血漿容量)聰定如下(18)其中，^是分布容積(即，血漿容量)，廠^^^針或舒(例如大右旋糖酐探針)輸注給患者前的容積，/7z7^大探針或^f輸注之前測定的總強度值，/7i/^大探針或^ir注后觀啶的總^Mi:。^^針或肝的容積值r,是已知的，/7J』既可以根據(jù)所需時間序列圖像確定，或也可使用在血漿濃度得到穩(wěn)定的預(yù)定時間后(例如10併中)獲取的熒光顯微測定釆集血樣來確定。例如，A7^t可根據(jù)三到五個或更多的時間點測定值的平均敏確定。/7z7處可使用與確定/"4/^目同的儀器^S來確定。錢些實lte案中，分布容積(即血漿容量)^可根據(jù)動物(例如人類患者)的體重，而不是^OTJ^提供的公式18來確定。也就是說，動物的全血容量估算為總體重的5.5%。這樣，總血漿容量1^估算為全血容量的50%。盡管ai呈步驟56"60在圖5中以先后Jl(W示例，f鵬該M的是，腎清除速率和分布容積可以彼此任意的順序確定，或彼此同時進行。例如，在某些實施方案中，分布容積可在確定腎清除速率之前確定。在其他實案中，確定分布容積與確定腎清除速率同時進行。一旦af呈步驟58和60分別確定了腎清除速率^(或")和分布容積FD，在itkS礎(chǔ)上在過程步驟62中確定腎小球濾^I率(GFR)。為此，可艦下列公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>其中GFR是腎小球濾Mit率，^是內(nèi)在血漿清除的速率常數(shù)(即腎清除速率)，^是分布容積。如前所討論的，^值可使用公式12-13或14-16確定，^值可j頓公式17-18確定或如前詳細描述的那樣估算。除腎小球濾皿率外，在某些實M案中，^濾過阻力也可M^呈步驟64中確定。為此，可使用下列公式。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>其中《是好濾過阻力，kpf是內(nèi)在血漿清除速率(即腎臟的內(nèi)在血漿清除速率)，1^是大舒或探針(例如探針A)的血漿清除速率。由于大尺寸^^通常不能自由穿過腎小球濾過屏障，大尺寸^M液中的清除與那些能自由濾過的舒相比將花費更長的時間。像這樣，艦i頓不同大小的大好，分子濾^3I率可用來確定腎小球損傷的程度。由于較小分子(例如尺寸足夠自由過濾穿過腎小球濾過屏障的那些分子)的好濾過P且力在具有輕微和嚴(yán)重腎小球損傷的腎臟中基本上相同，因ltb31常不f頓較小的^fe確定肝濾過阻力。在其他實驗案中，大分子(例如分子》0kD)的舒濾過阻力^"大可通過下述公式確定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>其中^P^^大針(例如探針A)的肝濾過阻力，^n^細是由一群對照動物測得的HTC-繊濾過阻力值，[kAP(F!rc^-K^ttc^]是在PAN治療后的給定天數(shù)根據(jù)腎病動物測得的FITC-繊的血漿清除速率，[W大一』大]是所關(guān)心大好(例如探針A)的清除速率常數(shù)。應(yīng)理解的是，肝濾過阻力^p大的值可與相應(yīng)的尿蛋白-肌酐比率測定值比較，來確定^大和尿蛋白分泌之間的相關(guān)性，以及{頓5>大值早期檢測蛋白尿的靈敏。應(yīng)該辦的是，祉述實案中，F(xiàn)TTC-繊被用作GFR^iB物(例如作為^/探針B)。但是，在其他實案中，可使用其他類型的GFR標(biāo)記物^^/探針，例如其他熒光或非熒光新己物^。在這樣的實1"案中，可4OT，公式20來確定^T濾過阻力。根據(jù)戰(zhàn)任意一種實施方案，在、湖熒光探針混^/后，可艦多光子激光掃描熒光顯微鏡進行測定。顯微鏡測定的位置可以是機體的任何部位，例如皮膚相對較薄的嘴唇，這樣便于觀察血管。然后即可得到每種注射熒光探針的熒光圖像。血管區(qū)域的平均^^值作為時間的函l^行計算和繪圖。這些熒光探針的強度時間序列被用5l^以合和檢索相應(yīng)的A:、《和GFR。但是，也可^柳其他類型的設(shè)備來測定動物血流中的熒光5賊。例如，己有的儀器例如i頓光相干層析成像戯子漂移(擴散)原理的儀器可適合用于進行測定。參照圖6，示出了用于確定與動物相關(guān)的生理數(shù)據(jù)的儀器100的一個實施方案。生理纖可被用于多個分析目的，包括診斷目的，例如腎臟診斷、微、藥物研究、藥物開發(fā)等。儀器100允剤鯛光信號對腎功能或其他生理功倉繼行非損傷性的測定。儀器100包括測敦102和控偉幡單元120?？刂破鲉卧?20在下文的圖9中進fi^釋和描述。觀懂頭102設(shè)計用來測定來自人類科旨尖的信號。但是，在其他實駄案中，測量頭102可隨用來測定來自人類患者和/或動物的其他部位，例如來自腳趾、耳朵、手腕等的信號。測歡102包括多個指狀接收器104，新己為H1-H4。指狀接收器配置用^^(合人類報的組織，并且具體表現(xiàn)為圓柱形孔。例如，如圖7所述，*指狀接收器104在相對于垂直軸的一個角^±延伸，以匹配人類手掌微微張開時手指的角度。測量頭102由鄉(xiāng)艮制環(huán)境光線穿透頭102的材料制成。測量頭102包括多^;纖Ela-E4a，它們被耦合到控制器單位的各自光源L1-L4上(參見圖9)。光纖Ela-E4a將一束照明光源傳避鵬尖的f:心側(cè)。測歡102包括多^纖接收器El-E4，它們收集由光纖Ela-E4a產(chǎn)生的光信號。光纖接收器El-E4從指尖另一面(即，有指甲的一面)收集光信號。光纖Ela-E4a和El-E4以及指尖的接觸可以被調(diào)節(jié)可保證照明和光信號檢測的良好接觸。這可以Sil直接調(diào)節(jié)光纖位置來實現(xiàn)。此外，光纖和指甲之間的接觸可M使用非熒光耦合潤滑劑例如蔗糖溶膠來改善。參照圖8，在一個可替換實施方案中，儀器100包括測量頭110，其具有多個LED(光鄉(xiāng)二極管)114、Lla-L4a作為光源。當(dāng)動物(例如人類患者)的對旨插入指狀接收器112時，光源Lla-L4a與指尖的掌心側(cè)撤蜮接誠接觸。與測量頭102相同，測歡110包括多錢纖接收器E1-E4來分別收集來自光源Lla-L4a照射(激發(fā))指尖產(chǎn)生的光信號。光纖接收器位于與光源相對的指尖另一端(即，有指甲的一面)。LED的^S可M31數(shù),換器(D/A轉(zhuǎn)換器)由控制器120控制。由于光源Lla-L4a位于測量頭110內(nèi)，從而M^、了照射光的損失。儀器100還包括控制器單元120。控制器單元120艦光子計tt確定生理診斷。光子計艦常細于需要靈敏信號檢測的應(yīng)用。在示例的實施方案中，如圖9所示意的，控制器單元120包括光學(xué)部分122和控制部分124。些具體實施方案中，光學(xué)部分122和控制部分124被,到一個^^蟲的便攜式單元中。在其他的實案中，光學(xué)部分122被誠到便攜式單元，控制部分124被包括在個人計^m中。應(yīng)理解的是，控制部分124可被包括在個人計^t幾中作為^f蟲的硬件設(shè)備、單獨的軟件,，或硬件設(shè)備和軟件算法的組合。在包括測量頭102的實案中，控制器單元120的光學(xué)部分122包括多個光源125，Ll-L4，例如LED。光源125以相同或不同的波長Mf光。光纖被耦合到將光傳遞到測穀102的LED。光學(xué)部分122還包括多個檢測器126，Dl-D4。為檢測熒光和其他光信號，檢測器可具體表現(xiàn)為光子放大器管、光電二極管、CCD,或其他可檢測熒光和其他光信號的設(shè)備。光信號Mil將測散102耦合到控制器單元120上的光纖被傳遞至IJ檢測器。此外，光學(xué)部分122包括多賴?yán)w128，F(xiàn)l-F4。光濾光器128iliffi絕艦濾噪音和不想要的信號敏濾光信號。控制器單元120還包括多個放大器130，A1畫A4，它們將從檢測器126接收的模擬信號放大?？刂破鲉卧?20包括多個鑒別器(discriminator)132，Bl-B4，它們用來鑒別單光子脈沖并從其中產(chǎn)生輸出信號。作為鄉(xiāng)'J，輸出信號是TTL(晶條-晶體t^輯)信號(附胃的數(shù)灘號)。但是，應(yīng)理解的是，在其他實案中，鑒別器132可產(chǎn)生其他類型的輸出信號。鑒別器132產(chǎn)生的TTL信號通過多頓信繊134被傳想啦制部分124。通信鏈路134可具體^J見為招可鄉(xiāng)的通信鏈路，包^、PCB趟等。此外，在其他實M案中，通信鏈路134可具體^JI^使用任何適宜的無線通信協(xié)議的無^ffi信鵬，例如藍牙。一旦輸出信號t鵬制部分124接收到，輸出信號就被脈沖計數(shù)電路136處理，并被進一步處理以ilil用戶界面138(例如計穀幾屏幕或控制器單^J:的顯示面板)棘示?？刂撇糠?24還包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)140。DAC140可用來調(diào)節(jié)LED的腿電平，從而控制照謝強度。必須指出的是，在使用了測量頭110的實^案中，光源Lla-L4a^a在測量頭110而不是光學(xué)部分122上。因此，光源Lla-L4a艦多個電互連，例如散線賠接耦合到DAC塊140上。應(yīng)該理解的是，盡管圖示的實肺案只包括四個光源或光纖和相關(guān)光纖接收器，但其他的實施方案可包括任意數(shù)量的光漱光纖和相關(guān)光纖接收器。在一個可替換實驗案中,數(shù)灘號的采集和M設(shè)備可被模擬信號采集和鵬設(shè)刷戈替。例如，鑒別器132可被移除鋼模擬放大劉戈替，脈沖計數(shù)電路136可用模數(shù)轉(zhuǎn)換電路代替。還應(yīng)該的是，盡管圖示的實施例僅包括四1^e源或光纖和相關(guān)光纖接收器，其他的實肺案可包括任意數(shù)量的光漱光纖和相關(guān)光纖接收器。光源Lla-L4a和Ll-L4可具體表現(xiàn)為LED、二極管激光、流燈、帶有適宜濾光器的弧光燈，敏診斷觀啶中有用的其他鄉(xiāng)光源。所f頓的照射波長根據(jù)應(yīng)用的熒光探針選擇。對于FTTC4^ia分子，使用約488nm的照射光、皿肝。能穿過500-550nm光的阻斷物(阻斷488nm麟光)和通帶濾光器的組合t戯文置在用來FTTC熒光檢測的相應(yīng)一個/多個檢測器的IW。在{頓娜信號的實案中，檢測器TO的濾光器允許照謝光穿過。用于光源、濾光器、熒光探針和檢測器的配置的例子見下表10實施例1<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>實施例3<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table>表l相應(yīng)地，應(yīng)該理解的是，儀器100可用于確定生理診斷的多個應(yīng)用。例如，儀器100可用于確定腎小球濾皿率(GFR)來診斷腎功能，確定蛋白濾過阻力來診斷蛋白殿P/或其他自，確定血糖清除率和/或葡萄糖代謝率，禾口/或確定藥物清除速斜n/或藥物代謝速率。應(yīng)理解的是，在某些實船案中，儀器ioo可只包括一個或有限數(shù)量的照謝通道，以及給定應(yīng)用(例如艦一種熒光探針的GFR測定)的各自檢測通道。盡管公開內(nèi)容已會M3i圖和JlM說明進行了解釋和描述，但這種解釋和描述被認為是舉例，而不JM"特征的限定，它應(yīng)理解為僅顯示和描述了示意性實驗案，期望保護在本發(fā)明的樹申范圍內(nèi)的所有被和修改。由w^f述的本發(fā)明所述方法的^lif征和儀器產(chǎn)生很多優(yōu)點。必須指出的是，本發(fā)明方法和儀器的可替換實皿案可以不包括所描述的所有特征，但至少具有這些特征的部分優(yōu)點。本領(lǐng),屬普通i^人員可輕易地設(shè)計他們自己的方法和儀器的實5te案，該實施方案結(jié)合本發(fā)明的一個或多個特征并且落入由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的衞申和范圍內(nèi)。權(quán)利要求1、一種確定與動物相關(guān)的生理數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括向動物注射多個第一種分子和多個第二種分子，第二種分子的分子量大于第一種分子；確定第一種分子和第二種分子的分子比率；根據(jù)分子比率確定生理數(shù)據(jù)。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于纟掛步驟包括向動物注射含有多個第一種分子和多個第二種分子的混合物。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第一種分子和第二種分子中至少一種是左旋性糖。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第一種分子和第二種分子是熒光探針。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于確定分子比率包括確定第一種分子和第二種分子的熒光強度比率。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第:H中好的舒量大于約70千道爾頓。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于確定生理數(shù)據(jù)包括確定腎小球濾過速率。8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于腎小球濾速率通過下列公式確定<formula>seeoriginaldocumentpage2</formula>其中GFR是腎小球濾過速率，V血漿是總血槳容量，k是清除速率，和ξ是分子濾過阻力。9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于清除速率k是腎臟清除速率清除。10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于腎臟清除速率通過下列公式確定k腎=k總-k平均排腎其中k腎是腎臟清除速率，k總平均血槳清除速率，和k平均非腎平均非腎臟清除速率。11、根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于總血漿容量V血漿根據(jù)平均全血容量確定。12、根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于總血漿容量V血漿通過下列公式確定VD=V前*[IL]前/[IL]血漿其特征在于，VD是總血血漿容量，V前是第二種分子在注射步驟前的容量，[IL]前第二種分子在注射步驟前的總熒光強度值，和[IL]血漿是第二種分子注射步驟后的總熒光強度值。13、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于確定生理數(shù)據(jù)包括確定分子濾過阻力。14、根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于分子濾過阻力通過下列公式確定ξ＝kpf/kp其特征在于，ξ是分子濾過阻力，kpf是內(nèi)在血漿清除速率，和kpm中舒的血漿清除速率。15、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于確定生理數(shù)據(jù)包括確定葡萄糖的清除速率。16、根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于確定生理數(shù)據(jù)進一步包括確定葡萄糖的濾過阻力值。17、根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于確定生理數(shù)據(jù)進一步包括確定基于葡萄糖的清除速率和葡萄糖的濾過阻力值的葡萄糖代謝率。18、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于確定生理數(shù)據(jù)包括確定藥物的清除速率。19、根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于確定生理數(shù)據(jù)進一步包括確定藥物的濾過阻力值。20、根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于確定生理數(shù)據(jù)進一步包括確定基于藥物的清除速率和藥物的濾過阻力值的藥物代謝率。21、一種確定與動物相關(guān)的生理數(shù)據(jù)的儀器，所述儀器包含指狀接收孔；光生成電路，配置用來生成通過部分指狀接收孔的光；光檢測電路，配置用來檢測光并據(jù)此生成輸出信號；和脈沖計數(shù)電路，配置用來根據(jù)輸出信號確定生理數(shù)據(jù)。22、根據(jù)權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于光生成電路包括多個發(fā)光二極管。23、根據(jù)權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于光生成電路包括數(shù)模電路。24、根據(jù)權(quán)利要求21所述的儀器,期特征在于光檢測電路包括多個濾光器。25、根據(jù)權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于光檢測電路包括多個放大器。26、根據(jù)權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于脈沖計數(shù)電路包括光子脈沖計數(shù)電路。27、根據(jù)權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于脈沖計數(shù)電路包括數(shù)模電路。28、根據(jù)權(quán)利要求21所述的儀器，進一步包括配置用來顯示生理數(shù)據(jù)的用戶界面。29、根據(jù)權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于生理數(shù)據(jù)包括分子的濾過阻力。30、根據(jù)權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于生理數(shù)據(jù)包括腎小球濾皿率。31、根據(jù)權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于生理數(shù)據(jù)包括葡萄糖的清除速率。32、根據(jù)權(quán)利要求31臓的儀器，其特征在于生理數(shù)據(jù)進一步包括葡萄糖的濾過阻力值。33、根據(jù)權(quán)利要求32所述的儀器，其特征在于生理數(shù)據(jù)進一步包括基于葡萄糖清除速率和葡萄糖濾過阻力值的葡萄糖代謝率。34、根據(jù)權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于生理數(shù)據(jù)包括藥物的清除速率。35、根據(jù)權(quán)利要求34所述的儀器，其特征在于生理數(shù)據(jù)進一步包括藥物的濾過阻力值。36、根據(jù)權(quán)利要求35所述的儀器，其特征在于生理數(shù)據(jù)進一步包括基于藥物的清除速率和藥物的濾過阻力值的葡萄糖代謝率。37、一種確定與動物相關(guān)的生理數(shù)據(jù)的儀器，所述儀器包含多個指狀接收孔；多個光源和多個相關(guān)光接收器，所述多個光源和相關(guān)光接收器中的每一個與所述多個指狀接收孔中的一個相關(guān)聯(lián)；耦合到所述多個光源的光生成電路；耦合到所述多個相關(guān)光接收器、并被配置用來檢測其中的多個光信號的光檢測電路；耦合到光檢測電路的光子計數(shù)電路，脈沖計數(shù)電路被配置用來根據(jù)光信號的數(shù)量確定生理數(shù)據(jù);和電耦合到光子計數(shù)電路的用戶界面，用戶界面被配置用顯示生理數(shù)據(jù)。38、根據(jù)權(quán)利要求37所述的儀器，辦征在于所述多銷源包括多個發(fā)光二極管。39、根據(jù)權(quán)利要求37所述的儀器，，征在于光生成電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路。40、根據(jù)權(quán)利要求37所述的儀器，其特征在于光檢測電路包括配置用來檢測光信號的多個檢測器。41、根據(jù)權(quán)利要求37所述的儀器，其特征在于光檢測電艦括多個放大器。42、根據(jù)權(quán)利要求37所述的儀器,其特征在于光檢測電船括多個濾光器。43、根據(jù)權(quán)利要求37所述的儀器，其特征在于光子計數(shù)電路被無線通信地耦合到光檢測電路。44、根據(jù)權(quán)利要求37所述的儀器，其特征在于光生成電路、脈沖計數(shù)電路和用戶界面組成個人計算機的部分。45、根據(jù)權(quán)利要求37所述的儀器，其特征在于用戶界面包括顯示屏。全文摘要本發(fā)明提供一種確定與動物相關(guān)的生理數(shù)據(jù)，例如腎診斷數(shù)據(jù)的方法和儀器。所述方法包括向動物(例如人類患者)注射第一種分子和第二種分子的混合物，確定分子的分子比率，然后根據(jù)分子比率確定生理數(shù)據(jù)。所述儀器包括多個指狀接收孔、光生成電路、光檢測電路、脈沖計數(shù)電路和用戶界面。文檔編號A61K51/00GK101208109SQ200680021949公開日2008年6月25日申請日期2006年4月18日優(yōu)先權(quán)日2005年4月19日發(fā)明者B·A·莫利托里斯,R·M·桑多瓦爾,W·于申請人:印第安納大學(xué)研究及科技有限公司