[发明专利]用于校准光反射测量的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱仪(spectrometer)系统和方法，更具体地说涉及一种用于反射(reflectance)测量的光谱仪系统。

背景技术

光学光谱仪可以用于确定气体、液体以及固体样品中的化学物质的浓度。具体的化学物质所吸收的光的量往往与它的浓度通过Beer法则成线性关系，A＝εlc，其中A是所述化学物质的吸光率，ε是所述化学品所特有的常数，l是光的路径长度，以及c是所述化学品的浓度。当具有强度I₀的入射光入射到试样，且I是在经过含有被测化学品的溶液之后的光的强度时，吸光率由A＝log(I₀/I)给定。

对于不透光材料，包括诸如粉末、小片、天然材料(例如土壤、农产品)，血液、皮肤以及肌肉这样的复合材料，可以经由漫反射光谱收集光学信息。在这种情况下，A＝(I₁₀₀/I_R)，其中I₁₀₀是根据100％漫反射标准所反射的光，相当于入射光，以及I_R是从被研究的样品所反射的光。这些复合材料之一中的化学成分的浓度与A有关，但往往不是线性的。更加复杂的数学技术，譬如，例如，偏最小二乘回归以及其它多元标定(calibration)方法用于确定浓度和吸光率之间的关系。一旦得到这些标定模型，它们可以用于通过在透射模式或反射模式下测得的吸收率来确定化学成分。

利用了近红外光谱法(NIRS)的漫反射光谱技术已经用于对人体和动物对象的血液和组织的化学性质的非创测量。NIRS(例如使用650-1000nm左右的波长范围)可以用于测量诸如组织氧合状态、组织pH值，血液血细胞比容(“Hct”)以及葡萄糖之类的若干医学参数，但是它在医学方面的广泛应用受到了覆盖在被测结构上方以及结构内部组织中的个体间和个体内与被分析物不相关(analyte-irrelevant)的差异的阻碍。例如，当漫反射NIRS被用于测量肌肉和器官中的血液血细胞比容时，测量精度受到覆盖在肌肉或器官上方的层的吸光率的差异(例如，由于在一个患者群体中不同患者之间或同一个患者的不同部位的脂肪和皮层厚度的差异)和/或来自于肌肉和/或器官中的结构变化的光谱干涉的影响，这些因素与测量是无关的。

近红外光可以透过对象的皮肤和骨骼以提供血液和下层组织中的化学物质的信息。例如，脉搏氧饱和度(pulse oximetry)，一种测量动脉氧饱和度的常见医院检测系统基于双波长NIRS。多波长NIRS，结合化学统计学(即，基于统计学分析复谱的方法)，可以提供用于对血液和组织中的一些其它分析物的非创测量的平台技术。NIRS可以提供对医学分析物的精确和连续的测量而无需从患者身上移出血液或组织样本。该技术的应用包括直接或通过光纤束照射近红外光到皮肤并测量从包括肌肉的血液反射回的光的光谱。尽管血色素和脱氧血色素的近红外吸光率已经被用于测量不同组织层中的氧饱和度水平，但是要测量另外的重要的血液和组织分析物，往往需要将附加的数学方法与多波长光谱学(spectroscopy)相结合。化学统计学是化学的一个分支，提供了用于处理多波长光谱的基于统计学的技术，使得可以根据记录自诸如生物组织这样的复杂介质的反射光谱来计算被分析物的浓度。

化学统计学被用于推导收集自样品的光谱的相关部分和样品中所关心的被分析物的量的浓度之间的关系。光谱和化学品浓度之间的关系可以表示为“标定方程”，该方程可以编程到患者监视器中，并用于基于测得的光谱来确定被分析物浓度。可以通过存储在患者监视器中的标定方程对收集自患者的光谱进行处理，然后可以基于所收集的光谱和所述标定方程报告那些患者中的被分析物浓度。由于光反射技术是非创性的，所以每当收集到光谱就可以更新医学测量结果，一般在几秒钟左右。使用该方法评估血液血细胞比容、葡萄糖、胆固醇、电解质(electrolytes)、乳酸盐(lactate)、肌红蛋白饱和度(myoglobin saturation)、肌肉pH值以及氧张力(“PO₂”)的可行性已经在实验室，在动物、人类受试者(human subject)上得到了证明。