用于通過拉曼光譜進(jìn)行無創(chuàng)傷性活體測量的設(shè)備的制造方法
【專利說明】用于通過拉曼光譜進(jìn)行無創(chuàng)傷性活體測量的設(shè)備
[0001]本發(fā)明涉及一種用于通過存在于皮膚間隙液中的葡萄糖的拉曼光譜進(jìn)行無創(chuàng)傷性活體測量的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜學(xué)是一種通過使用光在分子水平獲取信息的方法。該信息可涉及探測到的分子的旋轉(zhuǎn)、振動和/或電子狀態(tài)，以及離解能及其他。對于給定分子，該分子的旋轉(zhuǎn)和/或振動光譜是特定的。因此，分子光譜，特別是其旋轉(zhuǎn)和/或振動光譜，經(jīng)常被稱為與特定分子相關(guān)的“指紋”。因此關(guān)于分子的旋轉(zhuǎn)、振動和/或電子狀態(tài)的信息可用于分析包括多種未知分子成分的樣本，由此獲得關(guān)于該樣本中分子成分的認(rèn)知。
[0003]光譜設(shè)置的基礎(chǔ)是光源，例如激光，其用于照射樣本。來自該光源的光(入射光)將與樣本互相作用，并經(jīng)常導(dǎo)致穿過該樣本、由該樣本發(fā)出、反射和/或散射的光的變化。通過收集變化的光并分析其光譜分布，可獲取關(guān)于入射光與分子樣本之間的互相作用的信息；因而可獲取有關(guān)分子成分的信息。
[0004]光譜分布通常通過使用光譜儀來測量。光譜儀是一種光學(xué)設(shè)備，其通過將引導(dǎo)到所述光學(xué)設(shè)備的光束分離成不同頻率成分，并隨后通過使用諸如C⑶檢測器、(XD陣列、光電二極管等測量這些成分的強(qiáng)度來進(jìn)行工作。
[0005]反映入射光和分子樣本之間的相互作用的變化光可概略地表現(xiàn)為發(fā)射或散射。發(fā)射信號具有比散射光信號相對寬的光譜輪廓，散射光信號通常顯示為很窄的光譜線。一種過程通常主導(dǎo)另一種過程，但兩個(gè)過程可以并且大多會同時(shí)出現(xiàn)。發(fā)射光強(qiáng)度與散射光強(qiáng)度的比值取決于入射光的頻率以及能量、入射光在樣本中的測量點(diǎn)處的強(qiáng)度、以及樣本中的分子成分等。
[0006]散射光可分類為彈性的或非彈性的，并且表現(xiàn)為光譜上非常窄的信號。彈性散射被稱為瑞利散射，其中沒有頻移。因此瑞利散射具有與入射光相同的頻率。
[0007]最常見的已知非彈性散射的范例是拉曼散射，其中在分子和入射光的光子之間存在能量的內(nèi)部交換。頻率，即拉曼散射光的光譜分布，會與入射光的頻率不同并且唯一地反映分子的特定振動水平；因而它是指紋光譜。這可用于識別所探測的物質(zhì)中的分子成分和/或物質(zhì)中特定分子的濃度。
[0008]相比例如瑞利散射及熒光，拉曼散射是相對弱的過程。因而當(dāng)收集拉曼散射光時(shí)，需要減少這些其他過程的影響。另外，拉曼散射光的強(qiáng)度很大程度上取決于入射光的頻率及強(qiáng)度。如果這些是可變的，并且如果取決于所需的準(zhǔn)確度想要基于對所收集的拉曼散射光的分析，來接收關(guān)于不同樣本和/或樣本點(diǎn)中分子成分分布的可靠信息，貝必須監(jiān)控入射光中的能量波動。如果樣本和/或不同樣本點(diǎn)中分子成分的分析是基于發(fā)射光譜的，則同樣如此。
[0009]皮膚包括具有不同特征并包含不同種類的細(xì)胞和結(jié)構(gòu)的多個(gè)層。已經(jīng)做出了使用拉曼光譜測量皮膚或身體其他部位中葡萄糖的各種方案，但是目前這些方案中沒有一個(gè)提供一種能夠在大多數(shù)候選對象上使用的系統(tǒng)而無需調(diào)節(jié)以適合特定個(gè)體且無需針對該個(gè)體進(jìn)行校準(zhǔn)。因此能夠通過諸如化學(xué)分析的其他手段相對于在一個(gè)個(gè)體或一群個(gè)體上所進(jìn)行的血糖濃度的測量來校準(zhǔn)儀器，并當(dāng)該儀器用于其他個(gè)體而不是包含在該校準(zhǔn)中的某個(gè)或某些個(gè)體時(shí)應(yīng)用該相同的校準(zhǔn)。我們現(xiàn)在已經(jīng)意識到實(shí)現(xiàn)這樣結(jié)果的關(guān)鍵在于保證收集用于測量的拉曼散射光起源于皮膚內(nèi)特定深度處或接近皮膚的特定深度。
[0010]Caspers等在《生物物理學(xué)雜志》2003年7月第85卷中描述了活體共焦拉曼光譜方法以及據(jù)稱用于測量葡萄糖的設(shè)備。然而它沒有包含關(guān)于在葡萄糖測量中應(yīng)該收集的拉曼散射的深度的任何指導(dǎo)，并且從教導(dǎo)中可推論出一種明確的結(jié)論，就是該設(shè)備實(shí)際上沒有嘗試該目的。
[0011]W02008/052221描述了一種相干拉曼光譜的方法和設(shè)備，其使光透射穿過諸如皮膚和組織的樣本表面到達(dá)樣本內(nèi)的焦平面以用于測量例如葡萄糖。然而，沒有提出選擇針對該焦平面的特定深度或焦平面應(yīng)該位于何處的重要性的任何教導(dǎo)。當(dāng)然，明確認(rèn)定的是，使用所描述的設(shè)備，當(dāng)分析物濃度恒定時(shí)，由于皮膚溫度和濕度的影響，造成檢測信號發(fā)生變化。沒有提出能夠通過仔細(xì)選擇進(jìn)行測量的深度來避免該影響的任何建議。
[0012]W097/36540描述了使用拉曼光譜和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別器進(jìn)行例如葡萄糖濃度的確定。然而，沒有從特定深度選擇性地獲得拉曼信號，并討論了需要補(bǔ)償由信號穿透到>500 μ m深度所引起的非線性。
[0013]W000/02479披露了一種通過眼睛前室的水狀體的共焦拉曼光譜進(jìn)行無創(chuàng)傷性葡萄糖測量的方法和設(shè)備。自然地，沒有在皮膚中某一深度進(jìn)行最佳測量的任何教導(dǎo)。
[0014]W02009/149266 回顧了 Ermakov IV、Ermakova MR、McClane RWn GeHermann W 等人在2001年8月1日發(fā)表在光學(xué)快報(bào)第26卷第15期的第1179-1181頁中的《人活體組織中類胡蘿卜素抗氧化劑的共振拉曼檢測》(“Resonance Raman detect1n of carotenoidant1xidants in living human tissues，，；0pt Lett.2001.8.1 ；26(15):1179_81)，其描述了使用共振拉曼散射作為一種新的無創(chuàng)傷性光學(xué)技術(shù)來測量健康志愿者的人活體組織中類胡蘿卜素抗氧化劑。通過使用藍(lán)-綠激光激勵，據(jù)稱獲得了在熒光背景上重疊的清晰可分辨的類胡蘿卜素拉曼光譜。
[0015]Chaiken等(通過組織調(diào)制NIR拉曼光譜進(jìn)行無創(chuàng)傷性血液分析，“Noninvasiveblood analysis by tissue modulated NIR Raman spectroscopy，，，J.Chaiken等人，Proc.0f SPIE optical Eng.2001年第4368卷第134-145頁)獲得了在多個(gè)個(gè)體上基于拉曼測量和手指針刺血糖測量之間僅0.63的相關(guān)度，但能夠在單個(gè)個(gè)體上獲得0.90的相關(guān)度。Chaiken等人利用的裝置包括校對的激發(fā)光束并因此自然地沒有披露任何最佳焦點(diǎn)深度。
[0016]本發(fā)明現(xiàn)提供了一種用于通過存在于對象皮膚間隙液中的葡萄糖的拉曼光譜進(jìn)行無創(chuàng)傷性活體測量的設(shè)備，其包括光源、限定從所述光源至測量位置的光路的光學(xué)元件、光檢測單元、限定從所述測量位置至所述光檢測單元用于拉曼散射光的返回路徑的光學(xué)元件、以及具有遠(yuǎn)側(cè)表面的皮膚連接構(gòu)件，該遠(yuǎn)側(cè)表面用于限定在使用中關(guān)于所述皮膚的表面來限定返回路徑的所述光學(xué)組件的位置，并且其中限定用于拉曼散射光返回路徑的所述光學(xué)元件選擇性地將從所述測量位置附近散射的光發(fā)射至所述光檢測單元，以使得光檢測單元接收的至少50%的拉曼散射光起源于皮膚連接構(gòu)件的所述遠(yuǎn)側(cè)表面以下60至400 μ m的深度。
[0017]該設(shè)備可以包括用于基于所述拉曼散射光的分析來計(jì)算間隙液或血液中葡萄糖濃度的裝置。拉曼光譜可通過應(yīng)用受過訓(xùn)練的統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行分析，所述統(tǒng)計(jì)模型將峰值強(qiáng)度和葡萄糖濃度關(guān)聯(lián)。這可以使用偏最小二乘回歸(PLS)執(zhí)行，其在如下已知的參考文獻(xiàn)中更加詳細(xì)地描述，即M.A.Arnold的《具有變化血糖水平的老鼠皮膚組織的活體近紅夕卜光譜》(“In Vivo Near-1nfrared Spectroscopy of Rat Skin Tissue with VaryingBlood Glucose Levels，，，Anal.Chem.2006，78，215-223)中以及 A.Μ.K.Ene jder 等人的《用于無創(chuàng)傷性葡萄糖測量的拉曼光譜》(“Raman Spectroscopy for Non-1nvasive GlucoseMeasurements，，，Jnl ofB1medical Optics，2005 年 5/6 月，10 (3)，031114)中?？梢允褂闷渌问降亩嘣Ｕㄒ岳缭贏.G.Ryder、G.M.Connor和T.J.Glynn的《在固態(tài)混合物中使用拉曼光譜和化學(xué)計(jì)量方法進(jìn)行可卡因定量分析》(“Quantitative Analysis ofCocaine in Solid Mixtures using Raman Spectroscopy and Chemometric Methods，，，Journal of Raman Spectroscopy，31，221-227 (2000))中或 J.T.0lesberg、L.Liu、V.V.Zee、和M.A.Arnold的《具有變化血糖水平的老鼠皮膚組織的活體近紅外光譜》(“InVivo Near-1nfrared Spectroscopy of Rat Skin Tissue with Varying Blood GlucoseLevels”，Anal.Chem.2006，78，215-223)中所描述的分析方式的主成分分析(PCA)。通常，有助于從吸收光譜中進(jìn)行分析物校準(zhǔn)檢測的光譜分析統(tǒng)計(jì)方法也將有助于拉曼光譜的分析。
[0018]優(yōu)選的，所述百分比至少為55%。還優(yōu)選的，在光檢測單元接收的至少90%拉曼散射光來源于在皮膚連接構(gòu)件的所述遠(yuǎn)側(cè)表面下小于600 μ m的深度。另一方面，優(yōu)選地在光檢測單元接收的少于25%拉曼散射光來源于在皮膚連接構(gòu)件的所述遠(yuǎn)側(cè)表面下小于100 μπι的深度。
[0019]優(yōu)選地，在光檢測單元接收的至少15%拉曼散射光來源于在皮膚連接構(gòu)件的所述遠(yuǎn)側(cè)表面下200至300 μ m的深度。
[0020]優(yōu)選地限定從所述光源至皮膚表面下測量位置的光路的所述光學(xué)元件優(yōu)選地將從所述光源發(fā)射的光聚焦到在皮膚表面以下50至400 μ m的深度，更優(yōu)選的是200 (或210)至