使用组织激发的荧光分析物的测量的制作方法

使用组织激发的荧光分析物的测量的制作方法
【专利摘要】用于非侵入性测量患者血液中荧光分析物浓度的设备和方法，所述设备和方法通过以两个波长范围激发所述血液和分析物以及测量所述荧光分析物的发射谱而实现，并且在(i)所述荧光分析物的激发波长范围下的发射强度之差大于背景荧光团的发射强度之差并且(ii)所述两个激发波长范围内的血液吸收相似情况下进行。提供了测量患者血液中荧光分析物浓度的设备和方法。
【专利说明】使用组织激发的荧光分析物的测量
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年9月15日提交的美国临时申请61/535，064的优先权，通过引
用的方式将该申请结合在本申请中。
【技术领域】
[0003]通过在两个波长下激发血液和分析物来测量患者血液中一种或多种荧光分析物浓度的设备和方法。更具体地，所述设备和方法测量患者红血细胞中的红血球锌原卟啉(此处称为“eZnPP”或者“ZNPP” )和红血球原卟啉IX (此处称为“ePP”或“PP” )。
【背景技术】
[0004]铁缺乏仍然是世界上最常见形式的营养不良，增加了二十亿人中残疾和死亡的风险。缺铁导致贫血、降低身体能力、损害认知和行为发育、损害免疫反应，并且严重时，增加婴儿期和儿童期死亡率。对于具有增加的铁需求的人群(尤其是婴儿、儿童和育龄女性)而言防止铁缺乏以及纠正所有受影响个体的缺铁性贫血，需要铁补充。
[0005]然而，在疟疾流行的地区，无针对性的补铁不再被推荐为提供额外的铁的手段，因为在Pemba、Tanzania的学龄前儿童的通用铁和叶酸补充剂试用中发现住院和死亡的风险增加。使用升高的eZnPP/亚铁血红素摩尔比(>80ymol/mol亚铁血红素)作为缺铁的标准，发现缺铁儿童受益于补充剂。他们的严重疾病和死亡的风险降低38%。相反，铁充足的儿童受到补充剂的伤害。实际上，在进行了铁补充之后他们的严重疾病和死亡的风险增加 63%。见例如 Sazawal S.等的“Effects of routine prophylactic supplementationwith iron and folic acid on admission to hospital and mortality in preschoolchildren in a high malaria transmission setting:community-based, randomised,placebo-controlled trial.” Lancet2006 ;367:133-143。考虑到该风险，世界卫生组织(WHO)磋商建议:在疟疾流行地区，(i)仅应当在对缺铁进行筛查之后给予儿童铁补充剂并且(ii)eZnPP的测量是用于识别可能受益于铁补充剂的缺铁儿童的优选指示物。见WHO的 WHO 磋商和建议“Consultation on prevention and control of iron deficiencyin infants and young children in malaria-endemic areas.，’Food Nutr Bul 12007 ；28:S621-7。
[0006]在资源有限的环境(比如那些疟疾流行的地区的环境)中，使用现有的正面血液荧光计技术测量eZNPP受到以下限制:需要通过手指或静脉穿刺获得血液样本、需要经过训练的技术人员进行操作、使用电源、需要频繁校准并且昂贵。其它当前可用的评估铁的手段也需要血液样本以及甚至更复杂和昂贵的实验室设备和处理。由于缺乏确定铁状态的手段，WHO建议的有效结果是在几乎所有疟疾地区停止补铁项目。
[0007]因此，需要一种克服现有侵入性技术的技术困难的新技术，来识别疟疾地区中将受益于铁补充的那些个体，以允许安全有效地防止和纠正铁缺乏同时避免对那些铁充分的个体的伤害。[0008]在全球范围内，发展中国家的30% -70%的人口是缺铁的，缺铁最流行的是在饮食中生物可获得的铁少的人群。在发达国家，尽管饮食的生物可获得铁的量增加，但是在最需要铁的分组人口中(尤其是在婴儿、儿童和育龄女性中)铁营养仍然是一个问题。在没有补铁的情况下，大多数女性在怀孕期间将变得缺铁。因此，铁缺乏的筛查是健康护理的至关重要的部分。最初，缺铁可无症状或仅产生非特异性表现，如乏力、易疲劳性。随着铁缺乏变得更严重，贫血发展并且逐步限制工作能力和体力消耗的耐受性。铁缺乏的早期检测允许及时识别和管理根本原因。最常见的是，饮食中生物可获得铁的量不足是有责任的。在这些个体中，可以通过营养方法纠正铁缺乏，例如食用富铁食物以及有助于身体更有效地吸收铁的食物，例如富含维生素C的食物，或者可以通过铁补充剂纠正铁缺乏。
[0009]因此，也需要在无需血液样本的情况下以安全有效的方式进行周期性的铁监测。也需要提供一种技术和设备，其可以在儿科、产科和医疗设施中并且在世界范围内的献血中心用作铁缺乏的医护点筛查装置，以及由个人在自己家中或者可能在不需要处于临床环境中的情况下监测他们自己的铁状态。因为铅中毒时eZnPP也升高，因此非侵入方法对于筛查职业或环境暴露高危人群是有用的。
[0010]也需要提供测量患者血液中分析物的浓度的技术和设备。例如，在特定环境中一例如在能够获得无菌条件和充足的设备的医院或者临床环境，分析血液中铁水平是可接受的和/或期望的。需要提供与现有技术相比更高精确性和一致性的技术和设备。

【发明内容】

[0011]在一个方面，提供了一种用于非侵入性地测量患者血液中一种或多种荧光分析物的浓度的设备，该设备包括:光源，其用于提供第一波长范围和第二波长范围处对所述分析物和血液的激发，所述第一和第二激发波长范围被选择成使得所述分析物在所述第一和第二激发波长范围处呈现发射强度的差异并且使得血液的光吸收在所述第一和第二波长范围处是相似的；一个或多个探测器，其用于探测在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围的所述荧光分析物的发射谱的一部分；以及处理器，其适于基于在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处激发的所述发射谱的所述部分之间的差异确定代表所述分析物的所述浓度的导出信号。
[0012]在一些实施例中，所述设备用于测量全血中的一种或多种荧光分析物的浓度。
[0013]在一些实施例中，提供可调滤波器单元，其在所述第一波长范围和所述第二波长范围激发所述血液和所述(一种或多种)分析物。在一些实施例中，所述可调滤波器单元包括第一光学滤波器和第二光学滤波器，所述第一和第二光学滤波器能够独立地改变由所述光源提供的光的入射角。在一些实施例中，所述可调谐滤波器单元包括两个可调带通滤波器(例如Semrock Versachrome?滤波器)。在一些实施例中，所述可调滤波器单元包括第一光学滤波器和第二光学滤波器以及第三光学元件，该第三光学元件用于校正经过所述第一和第二光学滤波器的光的偏移。
[0014]在一些实施例中，所述设备还包括一个或多个光学滤波器，其中所述荧光分析物的发射谱限定一波长范围，并且其中所述探测器包括一个或多个光敏元件，所述光敏元件接收穿过透射所述荧光分析物的所述发射谱的波长范围内的光的所述一个或多个光学滤波器的光。[0015]在一些实施例中，所述荧光分析物的发射谱限定发射最大值，其中所述探测器的第一部分接收穿过透射在所述荧光分析物的发射谱的波长范围内的光的所述光学滤波器的光，并且其中所述探测器的第二部分接收穿过透射在所述荧光分析物的发射最大值之外的波长范围内的光学滤波器的光。
[0016]在一些实施例中，所述光源是灯、一个或多个激光二极管、或者一个或多个发光二极管。
[0017]在一些实施例中,所述设备还包括与所述光源相关联的光纤。在一些实施例中,所述设备还包括与所述探测器相关联的光纤。
[0018]在一些实施例中，所述设备还包括探头，该探头包括与所述光源相关联的光纤和与所述探测器相关联的光纤。在一些实施例中，所述探头包括包围与所述探测器相关联的光纤的与所述光源相关联的多条光纤。
[0019]在一些实施例中，与所述光源相关联的所述光纤和与所述探测器相关联的所述光纤的光纤间间隔被选择成使得所述导出信号对于血液体积分数不敏感。
[0020]在一些实施例中，与所述光源相关联的所述光纤和与所述探测器相关联的所述光纤的光纤间间隔被选择成在组织的选定深度实现最大探测灵敏度。在一些实施例中，所述组织的选定深度被选择为具有荧光分析物的最高期望浓度的深度。
[0021 ] 在一些实施例中，所述设备还包括光源。在一些实施例中，所述电源是可再充电电池。
[0022]在一些实施例中，所述设备包括适于容纳所述探测器、所述处理器和所述光源的外壳。在一些实施例中，所述外壳的长度小于6英寸。
[0023]在一些实施例中，所述设备包括输出部件。在一些实施例中，所述设备包括适于容纳所述探测器、所述处理器和所述输出部件的外壳。在一些实施例中，所述设备所述输出部件是显示屏幕、扬声器或者振动器。
[0024]在一些实施例中，所述输出部件提供所述组织中的分析物浓度的指示。在一些实施例中，所述输出部件提供所述分析物浓度超过预定阈值的指示。
[0025]在一些实施例中，所述设备包括存储器，所述存储器存储至少一个先前分析物浓度，并且其中所述输出部件适于提供分析物浓度从先前分析物浓度增加或减少的指示。
[0026]在一些实施例中，所述设备包括通信部件。在一些实施例中，所述通信部件包括RF发射器、USB连接器、IR发射器、蜂窝电话或者WiFi发射器。
[0027]提供了一种非侵入性地测量患者血液中荧光分析物的浓度的系统，该系统包括:上文中所述的设备和监视器单元，其中所述通信部件向所述监视器单元提供与分析物浓度有关的输出信号。
[0028]在一些实施例中，所述处理器适于在所述分析物浓度超出预定阈值时向所述监视器单兀提供输出信号。
[0029]在一些实施例中，所述监视器单元包括用户界面。在一些实施例中，所述用户界面提供所述组织中的分析物浓度的指示。在一些实施例中，所述用户界面提供所述分析物浓度超过预定阈值的指示。在一些实施例中，所述监视器单元包括存储器，所述存储器存储至少一个先前分析物浓度，并且其中所述用户界面提供分析物浓度从先前分析物浓度增加或减少的指示。在一些实施例中，所述用户界面为用户提供存储与分析物浓度相关的健康目标的选项，并且其中所述用户界面提供向着或远离所述健康目标的趋势的指示。
[0030]在一些实施例中，所述用户界面提供与分析物浓度相关的治疗建议。在一些实施例中，所述治疗建议包括营养摄取量。在一些实施例中，所述治疗建议包括药物性化合物给予量。
[0031 ] 在一些实施例中，所述监视器单元是便携的。在一些实施例中，所述监视器单元是个人计算机。在一些实施例中，所述监视器单元是电话。
[0032]提供了一种非侵入性地测量患者血液中红血球锌原卟啉(eZnPP)的浓度的设备，其中所述浓度作为eZnPP/亚铁血红素比进行测量，所述设备包括:光源，用于在第一波长范围和第二波长范围提供对组织的激发，所述第一激发波长范围被选择在eZnPP的激发峰，所述第二激发波长范围被选择性成使得血液的吸收类似于第一激发波长范围的血液吸收；一个或多个探测器，其用于探测在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围的发射谱的一部分；以及处理器，其用于基于在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围激发的所述发射谱的所述部分之间的差异确定eZnPP的浓度。
[0033]在一些实施例中，所述设备用于测量全血中eZnPP的浓度。
[0034]在一些实施例中，提供可调滤波器单元，其在所述第一波长范围和所述第二波长范围对所述血液和eZnPP进行激发。在一些实施例中，所述可调滤波器单元包括第一光学滤波器和第二光学滤波器，所述第一和第二光学滤波器能够独立地改变由所述光源提供的光的入射角。在一些实施例中，所述可调谐滤波器单元包括两个可调带通滤波器(例如Semrock Versachrome?滤波器)。在一些实施例中，所述可调滤波器单元包括第一光学滤波器和第二光学滤波器以及第三光学元件，该第三光学元件用于校正经过所述第一和第二光学滤波器的光的偏移。
[0035]在一些实施例中，所述设备还包括一个或多个光学滤波器，其中eZnPP的发射谱限定一波长范围，并且其中所述探测器包括一个或多个光敏元件，所述光敏元件接收穿过透射eZnPP的所述发射谱的波长范围内的光的所述一个或多个光学滤波器的光。
[0036]在一些实施例中，eZnPP的发射谱限定发射最大值，其中所述探测器的第一部分接收穿过透射在eZnPP的发射谱的波长范围内的光的所述光学滤波器的光，并且其中所述探测器的第二部分接收穿过透射在eZnPP的发射最大值之外的波长范围内的光的光学滤波器的光。
[0037]在一些实施例中，所述光源是灯、一个或多个激光二极管、或者一个或多个发光二极管。
[0038]在一些实施例中，所述设备还包括与所述光源相关联的光纤。在一些实施例中，所述设备还包括与所述探测器相关联的光纤。
[0039]在一些实施例中，所述设备还包括探头，该探头包括与所述光源相关联的光纤和与所述探测器相关联的光纤。在一些实施例中，所述探头包括包围与所述探测器相关联的光纤的与所述光源相关联的多条光纤。
[0040]在一些实施例中，与所述光源相关联的所述光纤和与所述探测器相关联的所述光纤的光纤间间隔被选择成使得所述导出信号对于血液体积分数不敏感。
[0041]在一些实施例中，与所述光源相关联的所述光纤和与所述探测器相关联的所述光纤的光纤间间隔被选择成在组织的选定深度实现最大探测灵敏度。在一些实施例中，所述组织的选定深度被选择为具有eZnPP的最高期望浓度的深度。
[0042]在一些实施例中，所述设备还包括电源。在一些实施例中，所述电源是可再充电电池。
[0043]在一些实施例中，所述设备包括适于容纳所述探测器、所述处理器和所述光源的外壳。在一些实施例中，所述外壳的长度小于6英寸。
[0044]在一些实施例中，所述设备包括输出部件。在一些实施例中，所述设备包括适于容纳所述探测器、所述处理器和所述输出部件的外壳。在一些实施例中，所述输出部件是显示屏幕、扬声器或者振动器。
[0045]在一些实施例中，所述输出部件提供所述组织中的eZnPP浓度的指示。在一些实施例中，所述输出部件提供所述eZnPP浓度超过预定阈值的指示。
[0046]在一些实施例中，所述设备包括存储器，所述存储器存储eZnPP的至少一个先前浓度，并且其中所述输出部件适于提供eZnPP浓度从所述先前分析物浓度增加或减少的指
/Jn ο
[0047]在一些实施例中，所述设备包括通信部件。在一些实施例中，所述通信部件包括RF发射器、USB连接器、IR发射器、蜂窝电话或者WiFi发射器。
[0048]提供了一种非侵入性地测量患者血液中eZnPP浓度的系统，该系统包括:上文中所述的设备和监视器单元，其中所述通信部件向所述监视器单元提供与eZnPP浓度有关的输出信号。
[0049]在一些实施例中，所述处理器适于在eZnPP浓度超出预定阈值时向所述监视器单元提供输出信号。
[0050]在一些实施例中，所述监视器单元包括用户界面。在一些实施例中，所述用户界面提供所述组织中的eZnPP浓度的指示。在一些实施例中，所述用户界面提供所述eZnPP浓度超过预定阈值的指示。在一些实施例中，所述监视器单元包括存储器，所述存储器存储eZnPP的至少一个先前浓度，并且其中所述用户界面提供eZnPP浓度从先前的eZnPP浓度增加或减少的指示。在一些实施例中，所述用户界面为用户提供存储与eZnPP浓度相关的健康目标的选项，并且其中所述用户界面提供向着或远离所述健康目标的趋势的指示。
[0051]在一些实施例中，所述用户界面提供与eZnPP浓度相关的治疗建议。在一些实施例中，所述治疗建议包括营养摄取量。在一些实施例中，所述治疗建议包括药物性化合物给予量。
[0052]在一些实施例中，所述监视器单元是便携的。在一些实施例中，所述监视器单元是个人计算机。在一些实施例中，所述监视器单元是电话。
[0053]提供了一种同时测量患者血液中红血球锌原卟啉(eZnPP)和红血球原卟啉IX(ePP)的浓度的设备，其中作为eZnPP/亚铁血红素比和ePP/亚铁血红素比测量eZnPP和ePP的浓度，所述设备包括:光源，用于在第一波长范围和第二波长范围提供对组织的激发，所述第一激发波长范围被选择在eZnPP的激发峰，所述第二激发波长范围被选择性成使得血液的吸收类似于第一激发波长范围的血液吸收；一个或多个探测器，其用于探测在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围的发射谱的一部分；以及处理器，其用于基于在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处激发的所述发射谱的所述部分之间的差异确定eZnPP和ePP的浓度。[0054]提供了一种非侵入性地测量患者血液中红血球锌原卟啉(eZnPP)的浓度的设备，其中所述浓度作为eZnPP/亚铁血红素比进行测量，所述设备包括:光源，其用于在约425nm和约407nm提供组织的激发；探测器，其用于探测在约425nm和约407nm处激发的发射谱的一部分；以及处理器，其用于基于在约425nm和约407nm处激发的所述发射谱的所述部分之间的差异确定eZnPP的浓度。
[0055]提供了一种测量患者血液中红血球锌原卟啉(eZnPP)的浓度的设备，其中所述浓度作为eZnPP/亚铁血红素比进行测量，所述设备包括:光源，其用于在约425nm和约407nm提供组织的激发；探测器，其用于探测在约425nm和约407nm处激发的发射谱的一部分；以及处理器，其用于基于在约425nm和约407nm处激发的所述发射谱的所述部分之间的差异确定eZnPP的浓度。
[0056]提供了一种非侵入性地测量患者血液中荧光分析物的浓度的方法，该方法包括:在第一波长范围和第二波长范围激发所述组织，所述第一和第二激发波长范围被选择成使得所述荧光分析物在所述第一和第二激发波长范围呈现的发射强度的差异大于背景荧光团的发射强度差异并且使得血液的光吸收在所述第一和第二波长范围是相似的；探测在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处的发射谱的一部分；以及基于在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处激发的所述发射谱之间的差异确定所述荧光分析物的浓度。
[0057]提供了一种用于滤波光束的设备，包括:第一光学滤波器，其限定相对于所述光束的可调入射角；第二光学滤波器，其限定相对于所述光束的可调入射角；其中所述第一光学滤波器的入射角和所述第二光学滤波器的所述入射角能够被独立调整；其中能够通过调整相对于所述光束的所述第一滤波器的入射角，调谐穿过所述第一和第二光学滤波器的光的中心波长；并且其中能够通过调整相对于所述光束的所述第一滤波器和第二滤波器的入射角，调谐穿过所述第一和第二光学滤波器的光的光谱带宽。在一些实施例中，所述第一和第二光学滤波器包括两个可调带通滤波器(例如Semrock Versachrome?:滤波器)。在一些实施例中，提供第三光学元件，其校正穿过所述第一和第二光学滤波器的光的偏移。
【专利附图】

【附图说明】
[0058]图1是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的设备的示意图。
[0059]图1A是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的设备的简化示意图。
[0060]图1B是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的设备的简化示意图，示出了激发光纤和检测光纤之间的第一间隔。
[0061]图1C是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的设备的简化示意图，示出了激发光纤和检测光纤之间的第二间隔。
[0062]图2是根据此处描述的主题的另一个示例性实施例的具有自由梁(free beam)仪器构造的设备的视图，该设备适于测量患者血液样本或组织。
[0063]图3示出了与氧基血红素结合的eZnPP的激发谱。
[0064]图4示出了与氧基血红素结合的eZnPP的发射谱。
[0065]图5是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的光纤探头的透视图。
[0066]图6是从本申请的主题中公开的示例性设备的光源接收刺激的组织的横截面视图。
[0067]图7示出了使用本申请的主题中公开的示例性设备获得的来自口腔粘膜的组织自荧光光谱。
[0068]图8示出了标准化的血液吸收和eZNPP激发谱。
[0069]图9是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的设备和组织假体(phantom)的透视图。
[0070]图10示出了有和没有血时胶原的激发谱。
[0071]图11示出了口腔粘膜的简单组织假体的发射谱。
[0072]图12示出了交替双波长荧光激发的不同光谱的发射谱。
[0073]图13示出了对一系列患者血液样本进行eZNPP/亚铁血红素比测量时根据图2所示的示例性实施例的设备的输出(在垂直轴上)与Aviv血液荧光计提供的输出(水平轴上)的比较。
[0074]图14是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的另一设备的侧视图。
[0075]图15是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的又一设备的侧视图。
[0076]图16是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的设备的示意图。
[0077]图17是根据此处描述的主题的另一个示例性实施例的具有自由梁仪器配置的设备的视图，该设备适于测量患者血液样本或组织。
[0078]图18是根据本申请中描述的主题的另一示例性实施例的设备的一部分的视图。
[0079]图19是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的图18的设备的示意图。
[0080]图20示出了光穿过根据本申请中描述的主题的示例性实施例的图18的设备的透射。
[0081]图21是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的设备的一部分的示意图。
[0082]图22-23是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的设备的一部分的示意图。
[0083]图24是根据本申请中描述的主题的示例性实施例的设备的一部分的示意图。
[0084]图25-30示出了根据本申请中描述的主题的示例性实施例测量的组织的激发谱和发射谱。
[0085]图31-36示出了常规技术与根据本申请中描述的主题的示例性实施例获得的结果的比较。
[0086]图37示出根据本申请中描述的主题的示例性实施例的发射谱。
[0087]图38示出根据本申请中描述的主题的示例性实施例的发射谱。
[0088]图39示出根据本申请中描述的主题的示例性实施例的差异谱。
[0089]图40-41示出了通过血液荧光计和通过HPLC获得的eZnPP/亚铁血红素比之间的相关性。
[0090]图42-43示出了通过HPLC和根据本申请中描述的主题的示例性实施例的方法评估的在593nm下测得的荧光强度的相关性。
[0091]图44-45示出了通过HPLC和根据本申请中描述的主题的示例性实施例的方法评估的在593nm下测得的差异谱的荧光强度之间的相关性。
[0092]图46-47示出了通过根据本申请中描述的主题的示例性实施例的方法估计的在627nm下测得的差异谱的荧光强度与通过HPLC测得的PP/亚铁血红素比之间的相关性。[0093]图48示出了由根据本申请中描述的主题的示例性实施例的方法所估计的eZnPP和PP荧光强度计算的eZnPP/PP比。
【具体实施方式】
[0094]应当理解，本申请中描述的主题不限于所描述的特定实施例，因此当然可以变化。也应当理解，本申请中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例，并不意图是限制性的，这是因为本主题的范围仅由所附权利要求限定。在提供数值范围的情况下，应当理解该范围的上限和下限之间的每个中间值以及所述范围中的任何其它陈述的值或者中间值，包含在所公开的主题内。
[0095]除非另外定义，本申请中使用的所有技术术语和科学术语的意思与所公开主题所属领域的普通技术人员一般理解的意思相同。尽管在当前公开的主题的实践和测试中也可以使用与此处描述的那些方法和材料相似或相同的方法和材料，但是本公开可能特别提及特定示例性方法和材料。
[0096]除非另外指明，本公开中提及的所有出版物都为了所有目的通过引用的方式结合于本申请中，所述目的包括但不限于公开和描述引述所述出版物所涉及的方法和/或材料。
[0097]提供此处讨论的出版物仅仅是因为它们的公开早于本申请的申请日。本文中任何内容不应被解释为承认本公开的主题没有资格由于在先发明而先于这些出版物。此外，所提供的出版日期可能不同于实际出版日期，这可能需要单独核实。
[0098]如本申请以及所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括多个所指之物，除非上下文清楚地另外指示。
[0099]摘要或
【发明内容】
中的任何内容都不应当理解为限制本公开的范围。摘要和
【发明内容】
的提供是为了著录项目和方便的目的，并且由于它们的格式和目的，不应当认为它们是全面的。
[0100]本领域技术人员阅读本公开之后显而易见的是，此处描述和示出的每个单独的实施例具有分立的部件和特征，这些部件和特征可以容易地与任何其它若干实施例的特征分开或相结合，而不脱离本公开主题的范围和精神。所陈述的任何方法都可以以所陈述的事件顺序执行，或者以逻辑上可能的任何其它顺序执行。
[0101]对单个项目的提及包括存在多个相同项目的可能性。当通过用选择性的“或者”提及两个或更多项目(例如，元件或处理)时，这表明任一项可以单独存在或者它们的任何组合可以一起存在，除了 一项的存在必然排除其它一项或多项之外。
[0102]如上文中所概括并且如下文中更进一步详细描述的，根据本发明的各种实施例，提供了用于测量血液中荧光分析物浓度的设备以及使用该设备的方法。在一些实施例中，所述设备非侵入性地，例如通过激发患者的完整(intact)组织(例如口腔黏膜)测量荧光分析物浓度。在一些实施例中，所述设备通过激发血液样本或者测量其它体外组织来测量荧光分析物浓度。
[0103]本申请中描述的设备通过在两个交替的波长或波长范围下激发组织来测量分析物的荧光。所述两个波长被选择成使得分析物在这两个波长(其中之一可以位于分析物的激发峰处)下呈现比背景荧光团的荧光差异更大的荧光差异，并且在所述两个波长下血液呈现基本上相似的吸收。相似程度可以由本领域普通技术人员适当确定。为了实现在组织中在两个激发波长下光的充分相似吸收这一要求，可以通过使在两个波长或波长范围下光的有效穿透深度差最小化的方式来通过实验确定所述激发波长。这可以通过如下操作在不包含分析物的代表性样本上进行近似:将第一激发波长设定在分析物的最大激发效率对应的已知波长，然后沿着血液吸收峰的另一侧扫描该激发波长直到背景荧光光谱具有期望强度和最相似的形状。在下文中提供其实例。
[0104]尽管在本申请中使用血液的吸收特性(例如，以血色素作为主要吸收体)针对eZnPP的测量描述了所述设备，但是应当理解此处描述的原理可应用于具有相似荧光和吸收特性的其它分析物以及参考材料的测量。
[0105]eZnPP是形成红血细胞的铁供给的指示物。在血色素合成过程中，如果铁缺乏使得铁不能用于形成红血细胞从而由原卟啉IX形成亚铁血红素，则锌被螯合而不是形成eZnPP，eZNPP是对铁耗尽的第一生化响应之一。
[0106]通过非侵入性的组织激发进行的eZnPP的测量需要量化方法来区分eZnPP的荧光与组织中的其它荧光团的荧光，即区分eZnPP的荧光与组织自发荧光。由于仅在红血球中发现了 eZnPP，已经观察到血液被显示出自发荧光的组织的“稀释”并不一阶破坏所得到的信号的定量性质。即，在特定范围内，eZnPP的测量对组织内血液浓度不敏感，即对组织中血液体积分数的值不敏感。可以通过改变探头配置，即，通过改变激发光纤和检测光纤之间的空间分离，修改该对血液体积分数不敏感的范围。
[0107]在示例性实施例中，荧光计通过在两个交替的激发波长下检查完整口腔黏膜的微循环来非侵入性地测量红血细胞中的eZnPP荧光。荧光计也可以用于非侵入性地检查诸如其它黏膜表面的其它组织，以及在皮肤色素沉着量允许的情况下检查皮肤。荧光计照射黏膜并且将所引起的荧光发射到光电探测器。二极管激光器可以用作激发光源。荧光计也可以用于体外检查组织样本或者血液样本。
[0108]在图1中示意性地示出了荧光计100的示例性实施例。荧光计100包括用于照射患者的组织T的激发光源102以及用于分析荧光的光探测器104，光探测器104例如是荧光分光光度计(spectrophotofluorometer)。在一些实施例中，采用两个或更多探测器,其中这些探测器的一部分通过透射分析物的发射波长范围的波长范围内的光的光学滤波器接收光，这些探测器的其它部分通过透射分析物的发射最大值之外的波长范围内的光的光学滤波器接收光。荧光计100测量在患者的血管V中的红血球E中发现的eZNPP的浓度。处理器106基于探测器104探测到的荧光确定eZnPP的浓度。
[0109]在示例性实施例中，通过光学探头108向组织T提供光并且将荧光传送到光探测器104。激发光源102提供两个波长的用于组织激发的辐射。在示例性实施例中，通过第一和第二光源110和112提供交替的波长，该第一和第二光源110和112例如是在两个波长(例如407nm和425nm)下操作的激光器或LED。束组合器114作为单个源以交替方式向组织T提供光。将交替的频率选择为足够快以便显示两个发射谱中的例如由于患者移动导致的测量过程中的强度变化，使得该变化在谱的差中减小或抵消。已经观察到如果患者在测量过程中移动则存在高的强度变化。然而，如果交替速度足够快，则这些变化在两个发射谱中都是可辨别的，通过减去它们，变化被抵消。已经观察到，并行地测量发射谱(例如，用CCD探测器使得所有波长同时被测量)避免了这样的结果，其中由于移动导致的强度变化在光谱中变成依赖于波长的强度变化(“峰”)。可以提供透镜和/或滤波器116来将光聚焦和/或引导到组织T。通过一个或多个光纤实现光从探头108到光探测器104的传送。单个光纤用于照射组织并且也用于将荧光传输到探测器。可以提供透镜120和/或滤波器118来聚焦和/或去除传送到探测器104的光中的噪声。在考虑到背景组织荧光、散射、路径长度、几何学和其它因素之后，处理器106将荧光的强度与eZnPP/亚铁血红素比相关联，并且在诸如显示屏幕130、扬声器132或振动单元134的输出装置中提供结果。在特定实施例中提供了可选的通信部件130，这将在下文中更详细地描述。诸如电池的可选电源122可以包含在所述荧光计中，尤其是如果所述荧光计是便携式设备。在一些实施例中，荧光计100可以直接连接到家庭或公共机构的电源。
[0110]设备100在图1A中示出，图1A指示了与光源102相关联的光纤111——此处也称为激发光纤，以及与光探测器(例如，光谱仪104)相关联的光纤109——此处也称为探测光纤。图1B示出了激发光纤111与探测光纤109之间的第一间隔，S卩“光纤间间隔”。在图1B中，光纤间间隔d = O。图1C示出了第二光纤间间隔，即大约为1200μπι的间隔d。例如通过实验选择探头108中的光纤间间隔d，以便获得在生理相关范围内对血液体积分数的最小依赖性。在图2中示出了荧光计的一部分的示例性实施例的照片，该荧光计适于测量患者血液样本，当然这种设备也可用于组织测量。
[0111]在载玻片上的血液样本的测量中，eZnPP是主要荧光团之一，其具有位于约425nm(图3)处的主导特征激发峰以及位于约590nm处的发射峰(图4)。在红血球内，eZnPP与血色素结合。血色素不发射荧光但是强烈吸收400-430nm的光。血色素的该吸收使得eZnPP的荧光减少。在正面血液荧光计的情况下，载玻片上血液样本中的血色素和eZnPP几乎吸收薄表面层中所有的激发光，该薄表面层允许以相等的效率收集发射的光。590nm的发射强度与eZnPP/亚铁血红素摩尔比成比例。
[0112]图13比较了垂直轴上的由具有图2所示的自由梁仪器构造的荧光计100进行的患者血液样本(稀释到4%)的测量结果(在425nm下激发；在590nm处发射；以a.u.(任意单位)进行测量)与水平轴上的Aviv血液荧光计的测量结果。总体上，所述测量结果密切相关；剩余的散射可以由荧光计100与Aviv血液荧光计相比对于eZnPP有更大的专一性来解释。
[0113]与载玻片上的血液样本的测量相对照，在所检查的组织中(例如，在口腔黏膜的微循环中)的红血球的非侵入性测量中，eZnPP是少数荧光团。相反，结缔组织(胶原和弹性蛋白)是含有微循环的基质层的自发荧光的的主要来源。在非角质化口腔黏膜(唇黏膜、口腔和舌下黏膜)的薄覆上皮中，主导荧光团是线粒体还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和线粒体黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)。NADH的吸收谱并不延伸到425nm，因此将不对红血球eZnPP的590nm发射峰处的荧光有贡献。正如将在下文中所讨论的，通过优化探头108中的激发光纤和探测光纤的配置，有可能最小化或消除上皮FAD对590nm处的荧光的贡献。
[0114]在图5中，示出了示例性光纤探头108。中央探测光纤109被一个或多个(例如六个)激发光纤111包围。图6是非角质化口腔黏膜的示意图。激发光(由箭头L表示)必须穿过具有光散射元素的薄覆上皮层EL来到达也具有光散射元素的基质层S中的微循环中的红血球E。[0115]使用图5中公开的光纤探头设计，人类患者的下唇黏膜的组织自发荧光光谱在图7中示出。由于组织自发荧光的幅值显著大于红血球eZnPP的荧光，因此一些研究人员断定口腔黏膜中的测量不可行。见 Chen X 的“Feasibility test for noninvasive detectionof zinc protoporphyrin in oral mucosa and retina，，(Biomedical Engineering2007 ；M.S.:1-71)。
[0116]该荧光计通过提供用于区分eZnPP荧光与组织自发荧光的交替双波长荧光激发方法，克服了现已技术中的限制。如图8中所示，血色素吸收在红血球eZnPP的激发峰(425nm)和在407nm是相同的。通过在两个波长(即，约407nm和约425nm)下交替激发,可以从在425nm下激发的荧光发射谱减去在407nm下激发的荧光发射谱，来获得与eZnPP/亚铁血红素摩尔比成比例的差异测量结果。在一些实施例中，该激发发生在两个波长范围，即约405到约415nm以及约420到约430nm。在组织测量中，可以调整激发光源的强度以给出自发荧光的相同荧光发射强度。这种调整将依赖于所述设备正使用的光源，例如，无论是正使用激光器还是正使用一些其它光源。此外，可以将发射强度标准化(例如，以407nm发射谱为标度)。在标准化的点处，所得到的差异谱将为零。在存在eZnPP时，在425nm下激发的发射强度将大于在407nm下激发的发射强度。两个发射强度的差实际上专用于eZnPP，并且将线性地依赖于目标体积中的浓度。
[0117]第二激发波长(大约407nm)比425nm更有效地激发原卟啉IX(ePP)荧光。相应地，可以同时从不同的光谱收集关于锌原卟啉(eZnPP和ePP)的信息。
[0118]实例
[0119]口腔黏膜的简单组织假体(图9所示)由以下构成:建模上皮细胞层并且建模基质层——含有溶解的弹性蛋白的溶液——的上覆的漫散射膜、作为光散射剂的脂肪乳剂(Iipofundin)、并且还有以1%稀释的(eZnPP60 μ mol/mol血红素，正常上限)全血样本。图10示出了该组织假体的荧光属性，显示了在有或者没有血液的情况下胶原的激发谱。垂直线表示407和425nm的激发波长。
[0120]在图11和12中概括了结果。每一幅图都示出了在所指示的激发波长下的Fffl(发射荧光)。根据常规技术的590nm处的发射谱的简单测量将不能够检测到eZnPP的发射峰(图11)。相对照地，图12示出了使用交替的双波长荧光激发。相应地，差异谱Fm (425nm) -Fm (407nm)清楚地显示了该组织假体中红血球eZnPP的590nm处的特征发射峰，该红血球eZnPP的浓度处于正常范围的上限。在全血中，对于比值C (eZnPP)/C (血色素)，输出被自动定量。在不受限于特定理论的情况下，应当理解，只要组织内的光学散射不显著变化，则输出将也是定量的。然而，另外的考虑包括患者内/患者之间的差异和/或探头几何结构。
[0121]在图14中示出了荧光计200，其与上文中讨论的荧光计100基本相同，实质性差别在此处注明。在一个示例性实施例中，荧光计200是包括电源(未示出)的便携式单元，所述电源例如是手表类型的电池或者可再充电电池。荧光计200可以包括其中容纳有探测器、处理器和电源的外壳226。为了提供便携性，外壳226可以具有约2英寸到6英寸的总长度。荧光计200包括探头208，探头208用于通过按压激活开关228来照射例如为黏膜或血液样本的所检查的组织以及将荧光传送到光探测器。
[0122]荧光计200也包括一个或多个输出部件。在一些实施例中，该输出部件布置在所述外壳内或上。示例性输出部件包括显示屏幕230、扬声器232和/或振动部件(未示出)。显示屏幕230可以是IXD显示器、AMOLED显示器等等。特定输出部件的输出可以用于用信号通知用户:成功地完成了分析物读取。例如，显示屏幕230可以显示图标，当获得了成功的分析物读数时该图标被照亮。扬声器232可以提供指示成功获得了分析物读数的听得见的信号。振动部件类似地提供振动信号来表示成功的分析物读数。如果分析物读数是自我管理的(self-administered),或者如果在光亮的阳光或者其它条件使得难以看见显示屏幕的环境中进行测试，这种能触知或听得见的输出特别有用。
[0123]该输出部件还提供所检查的组织中的分析物浓度的指示。在一些实施例中，显示器提供分析物浓度240的数值表示。扬声器232可以替代地或者另外提供听得见的数值分析物浓度。
[0124]对于荧光计200的特定用户，原始分析物信息可能没有意义。因此，荧光计200可以允许用户或者健康护理提供者输入分析物浓度的健康范围的阈值浓度。在一些实施例中，该阈值浓度可以在制造时输入，例如被编程在软件中或者被硬编码。在使用时，荧光计200将确定所检测的铁浓度是否低于先前选择的铁浓度。可以基于各种情况选择这种铁浓度，例如，以判断个体是铁缺乏还是铁充足。显示器或其它输出装置将向用户提供指示242，该指示242表明铁浓度低于该阈值。例如，显示器将提供指示“LOW(低)”铁浓度或者“IRONREPLETE (铁充足)”等等。扬声器提供听得见的相同短语。振动部件可以被编程为以特定方式振动以表示已经超出了阈值，例如，两次连续振动表示低铁浓度。
[0125]荧光计200也可以被编程为跟踪分析物浓度随时间的趋势。在一些实施例中，荧光计200包括存储多个分析物读数的存储器，分析物读数可以加上患者身份和时间戳的标签。当获得了特定患者的连续分析物读数时，荧光计200可以确定分析物浓度是增加还是降低，以及这种增加或降低的速率。显示器提供趋势指示244，例如向上或向下的趋势箭头或者诸如 “ IRON CONCENTRATION INCREASING (铁浓度增加)”或者 “ IRON CONCENTRATIONDECREASING(铁浓度降低)”的文字指示。类似地，扬声器230和振动部件能够以与上文中针对分析物浓度描述的类似的方式向用户提供这种信息。
[0126]荧光计300与上文中讨论的荧光计100大致相同，实质性差别在此处注明。在一些实施例中，其用于提供单独的监视单元360，监视单元360允许远程地从用户获得信息。荧光计300包括用于与监视单元360通信的通信部件。荧光计300可以包括与监视器的有线连接，例如通过使用USB连接。如图15中所示，通信部件可以无线地连接到监视器，并且可以包括RF发射器、IR发射器、蓝牙发射器或者WIFI发射器，用于向监视单元360上的接收器提供所检测到的eZnPP浓度或者其它关于患者和荧光计的信息。荧光计与监视器之间的通信可以通过在荧光计上提供蜂窝发射器(GSM、CDMA等)或者卫星发射器实现。
[0127]通信部件可以向监视单元提供信号——与分析物浓度有关的信号。这种通信可以即刻发生或者在获取了患者的分析物读数之后的预定时间发生。在一些实施例中，荧光计300可以在确定分析物浓度超出阈值时传送分析物读数。
[0128]监视单元360包括从荧光计300接收信号的接收器。在无线传输的情况下，监视器可以包括RF、IR、蓝牙或WiFi接收器。对于有线连接，接收器部件360可以包括用于有线连接的电接触。监视单元360也可以包括处理器、存储器部件、电源和用户界面。在一些实施例中，可以从荧光计300省略显示屏幕。[0129]在监视单元360上提供用户界面，用户界面可以包括显示单元330、扬声器332、振动部件和输入控制336，该输入控制336例如是开关、按钮、软键、键盘、触摸屏界面等。用户界面可以提供组织340中的分析物浓度的指示。用户界面通过指示铁浓度“LOW(低)”来提供分析物浓度超过预定阈值的指示342。
[0130]设于监视单元360上的存储器存储连续的分析物浓度并且可以例如用趋势箭头提供分析物浓度从先前的分析物浓度增加或降低的指示344。
[0131]例如可以通过用户界面或者通过工厂设定对监视单元360进行编程以存储患者的健康目标。这种健康目标包括总体的健康浓度(fitness concentration),并且可以包括目标分析物浓度，例如，在期望的时限内实现推荐的铁浓度。监视单元360可以评价患者是否达到健康目标。例如，监视器可以确定患者的铁浓度正在增加。然后用户界面可以用条形图案类型的显示346向患者提供铁浓度的趋势是向着健康目标的并且用户已经达到患者健康目标的50%的指示。在一些实施例中，显示屏幕330可以提供颜色改变(例如，从红到绿)或者尺寸增加的图标作为铁浓度提高的指示。扬声器332可以在听觉上提供相同的信息。
[0132]用户界面可以在确定分析物浓度和/或将分析物浓度与患者健康目标相比较之后向患者提供治疗建议。例如，用户界面可以提供消耗营养补充剂(例如消耗富铁食物或者补充剂)来解决分析物浓度问题以及这样的补充剂的量的建议348。用户界面可以建议患者采用药物化合物来解决特定分析物浓度的问题。
[0133]监视单元360可以是临床环境中的固定部件。在这种情况下，监视单元可以是桌面或者膝上个人计算机并且通过AC家用电流接收电力。在一些实施例中，监视单元360可以是便携式单元。例如，监视器可以是膝上计算机、蜂窝电话、平板计算机等等。监视器可以是便携式专用手持单元。
[0134]在图16和17中示出了荧光计400，其与上文中讨论的荧光计100基本相同，差别在此处注明。在示例性实施例中，荧光计400包括“自由梁”配置(例如，没有光纤探头的荧光计)。应当理解，荧光计400可以备选地包括基于光纤的配置。在示例性实施例中，荧光计400区分铁缺乏血液样本与铁充足血液样本。当进行体外测试时，在存在或不存在模仿组织中的光散射的试剂的情况下测试样本。当进行体内测试时，如上文中所讨论的那样，将光源应用于完整的患者组织，例如口腔黏膜。在图17和18中示意性地示出了测试设备的实施例。
[0135]荧光计400包括用于照射患者的组织T的激发光源402以及用于分析荧光的光探测器404。在一些实施例中，光源402是500W的短弧Xe灯(T-light.Karl Storz,Tuttlingen, Germany)白光源，并且光探测器404是冷却CXD光谱仪。荧光计400测量在患者的血管中的体内的或者在试管405中保持的血液样本中的体外的红血球中发现的eZnPP的浓度。可以对稀释的血液样本进行体外测量，该血液样本具有在磷酸盐缓冲盐水(saline)中2%全血的浓度。样本体积可以为约3000 μ 1，在试管中包含60 μ I全EDTA血。正如在上文中关于荧光计100所讨论的，处理器(未示出)基于探测器404探测到的荧光确定eZnPP的浓度。
[0136]通过激发光源402向组织T提供光并且将荧光传送到光探测器404，光源402提供用于组织激发的辐射。在一个示例性实施例中，通过可调光学滤波器440提供交替波长。在一些实施例中，光学滤波器单元包括:具有可调波长和可调带宽的光学滤波器440，在此处更详细地描述；能够探测从520到IOOOnm的发射谱的探测单元，并且光学滤波器单元结合了可以容易地转换成基于光纤的配置的自由梁形式。在测试配置中，光被光学滤波使得所传送的光的中心波长在蓝色波长范围395nm-431nm内可调谐，同时保持光谱带宽h(例如，5nm半高全宽，“FWHM”)。在波长范围500nm_750nm内的光被抑制，其中0D>10。
[0137]荧光计400使用交替波长(407nm和425nm)进行组织激发来实施此处描述的用于测量荧光分析物的技术。使用参考HPLC方法(Immundiagnostik AG)和常规正面血液荧光计452 (Aviv ;如图17中所示)和eZnPP-荧光计400，建立用于全血样本中原卟啉测量的过程。
[0138]继续参考图16，可以提供准直透镜415和/或清除滤波器417来经由二向色分束器419和透镜421将光聚焦和/或引导到样本T。蓝光光束被聚焦到样本T上，其中焦点直径为2mm。在样本T上，总的激发光功率为6mW(中心波长425nm，波长依赖)。从样本T发射的荧光穿过分束器419向后传送并且被长通滤波器418 (例如0G515，Schott AG7Mainz,Germany)和透镜420滤波,将可用探测范围限制到520nm-750nm。最后,将突光稱合到排列成圆形的由7根200 μ m-直径的光纤构成的横截面转换光纤409。在光纤束的另一端线性地排列的这些光纤被耦合到温度调节的CXD光谱仪404(例如，探测范围:340nm-1022nm，S2000-TR, Ocean Optics, Inc.，Dunedin, FL, USA)中，产生 5nm 的有效光谱分辨率。
[0139]为了可选地允许校正依赖于波长和时间的强度变化，进行了荧光标准测量。例如，短弧灯402的发射强度是依赖于波长的，并且滤波的光的强度也是依赖于波长的。此外，灯402的总功率在使用过程中可能变化。荧光标准包括固定在试管405的壁处的Imm厚的市场上可购买到的含有 Rhodamin B (1BF/RB, Starna GmbH, Pfungstadt, Germany)的固体聚甲基丙烯酸甲酯。
[0140]在考虑到背景组织荧光、散射、路径长度、几何学和其它因素之后，处理器将荧光的强度与eZnPP/亚铁血红素比相关联，并且在诸如显示屏幕、扬声器或振动单元的输出装置中提供结果。在特定实施例中提供了可选的通信部件，这将在下文中更详细地描述。诸如电池的可选电源可以包含在所述荧光计中，尤其是如果所述荧光计是便携式设备。在一些实施例中，荧光计400可以直接连接到家庭或公共机构的电源。
[0141]可调滤波器
[0142]可调光学滤波器440的仪器使用在图16和18中示出。滤波器单元440允许同时选择中心滤波波长和光谱带宽，来用于需要在小的光谱带宽下进行光探测或者光照射的应用。可调光学滤波器单元440提供改善的光透射效率并且使得有可能在没有扫描装置的情况下对图像和光纤束进行光谱滤波。尽管在此处就荧光光谱学描述滤波器单元440，但是滤波器单元440可以应用于荧光显微镜、荧光成像以及应用于诸如荧光寿命成像显微镜的高级显微镜应用中。为了照射，滤波器440可以用于滤波的不相干光源以在小光谱带宽下实现强照射强度，例如用于荧光显微镜、荧光光谱学并且更一般性地用于可调激光器不现实(例如由于成本)的应用的照射。
[0143]如图18所示，滤波器单元440包括两个可调带通光学滤波器444和446，例如能够独立旋转以选择穿过滤波器单元440的光束的入射角的Semrock Versachrome?滤波器。在获取了激发波长的荧光发射谱之后，光阀442关闭以防止进一步照射样本T。可以用相同的设置记录黑暗谱。提供步进马达控制器448，以允许承载光学滤波器的两个步进马达以亚度(sub-degree)精确度在高转速下独立旋转。
[0144]在图19-24中示意性地示出了滤波器单元440的部件、设计和功能。在图19中，穿过滤波器单元440的光束被指定为束部分480、482和484。束部分480——典型具有大光谱宽度的未经滤波的光的准直束——透射通过光学滤波器444，例如能够如箭头Rl的角方向(以及与箭头Rl所指示的相反的角方向)所指示地旋转的Versachrome滤波器。被滤波器444滤波的经滤波的光束482具有固定光谱带宽，并且可以由滤波器444相对于束480在滤波器444上的入射的角度选择中心波长。光束482透射通过滤波器446，例如能够如箭头R2的角方向(以及与箭头R2所指示的相反的角方向)所指示地旋转的Versachrome滤波器，得到光束484。结果在图20中示出，图20示出了穿过两个滤波器444和446的有效透射的比例。实线代表对于相对于光束方向定义的两个不同角度、穿过第一滤波器444的透射。典型地，角度2大于角度I。点线代表对于两个不同角度、穿过第二滤波器446的透射。滤波器单元440的总透射特性是两个透射曲线(滤波器444和滤波器446)——实线和虚线——的乘积，在图20中示为所述曲线的交叠下方的阴影区域。在示例性实施例中，滤波器444和滤波器446提供约60%的光透射。如果将两个相似的滤波器用于滤波器444和446，则这两个滤波器的角度必须被独立地选择，因为滤波器透射的角度依赖性是非线性的。实例:角度1:a(滤波器444) = 20°，a(滤波器446) = 0°，得到5nm的光谱带宽；角度2:a(滤波器444) = 40°，a(滤波器446) = 35°在较小的中心波长处也得到5nm的光谱带宽。
[0145]如图21所示，在光透射通过滤波器444和446之后，分束器419可以被添加到滤波器单元440，用于监测经滤波的光的一部分，例如光束586。该光的这部分可以被光谱仪404检测或者被功率表检测以监视光谱带宽、功率或者二者。
[0146]如图22-25中所示，在光束穿过滤波器的非垂直透射期间，发生光束的平行偏移。如果如图22中所示设置滤波器，则滤波器444和446提供的偏移累加成大的净偏移。如图22中所示，光束682相对于光束680的偏移01和光束684相对于光束682的偏移02得到相对于光束680的总偏移03。(虚线用于代表不存在滤波器444和446时光束680的假设轨迹)。如果滤波器相反旋转，即在与图23所示的相反的方向上旋转，则光束684’相对于光束680’的偏移06 (偏移04和偏移05的累计偏移)从偏移03显著减小但不消除,这是因为滤波器444和446的角度是不同的。在一些实施例中，如图24中所示，可以插入第三光学元件449，例如提供100%的透射以及η>1的折射率的一块平面玻璃，在这种情况下，光束680〃与光束686〃之间的偏移010被消除(S卩，010 = O)。
[0147]在体外测试期间，血液样本和组织假体可包含光散射剂以模仿诸如口腔黏膜的组织的光学特性。发现了直径为约0.5 μ m的乳液微滴的自发荧光很少并且在测试所需时间期间保持悬浮，因此是适当的示例性光散射剂。
[0148]图25-30示出了组织的激发谱和发射谱。z轴代表任意单位(a.u.)。使用具有5nm半高全宽(FWHM)的带宽的单个激发中心波长来获得相关联的发射谱。为了确定407nm和425nm是测量血液样本的最佳交替波长，在血液样本(在盐水中2% )中获得激发-发射矩阵，该血液样本具有通过常规正面Aviv血液荧光计确定的在30-80 μ mol/mol亚铁血红素参考(“正常”)范围和铁缺乏范围(>80 μ mol/mol亚铁血红素)内的eZnPP浓度。(在图中，“ZnPP”是指红血球锌原卟啉浓度。在图25中，例如，“ZnPP = 198”的意思是红血球锌原卟啉浓度为198ymol ZnPP/mol亚铁血红素。)在图25-30中示出了典型的矩阵。eZnPP峰804在图25-30中在425nm的激发下示出。为了确定血液中eZnPP的水平，407nm和425nm提供最佳性能作为交替波长对。
[0149]如图31-36中所示，交替(407nm-425nm)波长方法显著减少或消除了背景全血自发荧光，常规单波长(425nm)研究(发现)所述背景全血自发荧光产生升高的基线。y轴代表任意单位(a.u.)。常规单波长测量(425nm)由线802 (上面的线)及其相关联的eZnPP峰804指示。(图31对应于在图25中示出的针对425nm的激发波长并且eZnPP = 75的数据)。根据本申请中描述的实施例的交替(407nm-425nm)波长方法由具有相关联的eZnPP峰808的线806指示。
[0150]实例
[0151]使用来自 Institut fur Laboratoriumsmedizin, Klinikum der UniversitatMunchen的匿名患者全血样本进行了研究,通过参考HPLC方法(Immundiagnostik AG)、通过Aviv血液荧光计、并且通过本申请中描述的具有自由梁配置的ZnPP-荧光计400，对全血样本进行针对红血球锌原卟啉(“eZnPP”)浓度的预期分析。
[0152]eZnPP浓度的参考(“正常”)范围是30_80 μ mol/mol亚铁血红素。eZnPP浓度的铁缺乏范围是>80 μ mol/mol亚铁血红素。该研究包括在如下情况下的血液样本的eZnPP荧光计测量:(i)没有光散射剂，血液体积分数为0.02 ； (ii)存在较小(0.5 μ m)的乳液微滴作为散射剂，来提供生理范围内的散射系数(大约为ys’ = 1-4^1的减小的散射系数)，以上(i)和(ii)与(iii)血液体积分数的生理范围(约0.02-0.08)相结合。合计，在35个血液样本中每一个的生理范围内，获得了在光散射和全血浓度的11个不同组合下的35个血液样本的一系列研究的结果。在这些样本中，由HPLC参考方法确定的铁缺乏的发病率为 69%。
[0153]对于所有测量，光源都被调谐到425nm和407nm(中心波长)，其中光谱带宽为5nmFffHM0在获取了激发波长的荧光发射谱之后，光阀关闭以防止进一步照射样本，并且用相同的设置记录黑暗谱。
[0154]对于Rhodamin B荧光标准的测量，CXD光谱仪的积分时间被设定为40ms，在16个光谱上内部平均。包括滤波器单元和光阀的波长调谐所需的时间在内，测量时间是4s。对于显示出弱得多的荧光的血液样本的测量，积分时间被设定为400ms，在4个光谱上内部平均，导致IOs的总测量时间。证实了在测量过程中信号保持稳定。
[0155]在此处描述示例性的光谱校准和标准化过程。从所有原始的未校正的光谱Fmcorrected (λ )，减去对应的黑暗谱D ( λ )。将所得到的光谱乘以因子C_itatim，该因子依赖于激发波长并且用于补偿依赖波长和时间的激发光强度变化以及补偿光学调整变化。此外，将所得到的光谱除以检测滤波器的依赖于波长的透射Tfilte( λ )，并且乘以包括光纤透射和光谱仪灵敏度的依赖于波长的因子Csp—te( λ)。这些附加的校准因子允许将校正的光谱( λ )与使用其它装置测量的光谱相比较，这是因为检测光学器件和光谱仪的光谱灵敏度的影响被补偿了。在等式(I)中示出了完成的校准过程:
【权利要求】
1.一种用于非侵入性地测量患者血液中的荧光分析物的浓度的设备，包括: 光源，其用于提供在第一波长范围和第二波长范围处对所述分析物和血液的激发，所述第一和第二激发波长范围被选择成使得所述分析物在所述第一和第二激发波长范围处呈现发射强度的差异并且使得血液的光吸收在所述第一和第二波长范围处是相似的； 一个或多个探测器，其用于探测在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处的所述荧光分析物的发射谱的一部分；以及 处理器，其适于基于在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处激发的所述发射谱的所述部分之间的差异来确定代表所述分析物的所述浓度的导出信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备用于测量全血中荧光分析物的浓度。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括:可调滤波器单元，其在所述第一波长范围和所述第二波长范围处提供对所述血液和所述分析物的激发。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述可调滤波器单元包括第一光学滤波器和第二光学滤波器，所述第一和第二光学滤波器能够独立地改变由所述光源提供的光的入射角。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述可调滤波器单元包括两个可调带通滤波器。
6.根据权利要求3所述的设备，其中，所述可调滤波器单元包括第一光学滤波器和第二光学滤波器以及第三滤波器，该第三滤波器用于校正经过所述第一和第二光学滤波器的光的偏移。
7.根据权利要求1所述的设备，还包括:一个或多个光学滤波器， 其中所述荧光分析物的发射谱限定一波长范围，并且 其中所述探测器包括一个或多个光敏元件，所述一个或多个光敏元件接收穿过透射所述荧光分析物的所述发射谱的波长范围内的光的所述一个或多个光学滤波器的光。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述荧光分析物的所述发射谱限定发射最大值， 其中所述探测器的第一部分接收穿过透射在所述荧光分析物的发射谱的波长范围内的光的所述光学滤波器的光，并且 其中所述探测器的第二部分接收穿过透射在所述荧光分析物的发射最大值之外的波长范围内的光的光学滤波器的光。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源包括灯。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源包括一个或多个激光二极管。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光源包括一个或多个发光二极管。
12.根据权利要求1所述的设备，还包括:与所述光源相关联的光纤。
13.根据权利要求1所述的设备，还包括:与所述探测器相关联的光纤。
14.根据权利要求1所述的设备，还包括:探头，其包括与所述光源相关联的光纤和与所述探测器相关联的光纤。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，探头，其包括包围与所述探测器相关联的光纤的与所述光源相关联的多条光纤。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，所述探头包括包围与所述光源相关联的光纤的与所述探测器相关联的多条光纤。
17.根据权利要求14所述的设备，其中，与所述光源相关联的所述光纤和与所述探测器相关联的所述光纤的光纤间间隔被选择成使得所述导出信号对于血液体积分数不敏感。
18.根据权利要求14所述的设备，其中，与所述光源相关联的所述光纤和与所述探测器相关联的所述光纤的光纤间间隔被选择成在所述组织的选定深度实现最大探测灵敏度。
19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述组织的所述选定深度被选择为具有所述荧光分析物的最高期望浓度的深度。
20.根据权利要求1所述的设备，还包括:电源。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述电源是可再充电电池。
22.根据权利要求20所述的设备，还包括:外壳，其适于容纳所述探测器、所述处理器和所述电源。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述外壳的长度小于6英寸。
24.根据权利要求1所述的设备，还包括:输出部件。
25.根据权利要求24所述的设备，还包括:外壳，其适于容纳所述探测器、所述处理器和所述输出部件。
26.根据权利要求24所述的设备，其中，所述输出部件是显示屏幕。
27.根据权利要求24所述的设备，其中，所述输出部件是扬声器。
28.根据权利要求24所述的设备，其中，所述输出部件是振动器。
29.根据权利要求24所述的设备，其中，所述输出部件提供所述组织中的分析物浓度的指示。
30.根据权利要求24所述的设备，其中，所述输出部件提供所述分析物的浓度超过预定阈值的指示。
31.根据权利要求24所述的设备，还包括:存储器，其存储至少一个分析物浓度，并且其中所述输出部件适于提供分析物浓度从所述先前分析物浓度增加或减少的指示。
32.根据权利要求1所述的设备，还包括:通信部件。
33.根据权利要求32所述的设备，其中，所述通信部件包括RF发射器。
34.根据权利要求32所述的设备，其中，所述通信部件包括USB连接器。
35.根据权利要求32所述的设备，其中，所述通信部件包括IR发射器。
36.根据权利要求32所述的设备，其中，所述通信部件包括蜂窝电话。
37.根据权利要求32所述的设备，其中，所述通信部件包括WiFi发射器。
38.一种用于非侵入性地测量患者血液中荧光分析物的浓度的系统，包括: 根据权利要求32所述的设备；以及 监视器单元， 其中所述通信部件向所述监视器单元提供与分析物浓度有关的输出信号。
39.根据权利要求38所述的系统，其中，所述处理器适于在所述分析物浓度超出预定阈值时向所述监视器单元提供输出信号。
40.根据权利要求38所述的系统，其中，所述监视器单元包括用户界面。
41.根据权利要求40所述的系统，其中，所述用户界面提供所述组织中的分析物浓度的指示。
42.根据权利要求40所述的系统，其中，所述用户界面提供所述分析物浓度超过预定阈值的指示。
43.根据权利要求40所述的系统，其中，所述监视器单元包括存储器，所述存储器存储至少一个先前分析物浓度，并且其中所述用户界面适于提供分析物浓度从所述先前分析物浓度增加或减少的指示。
44.根据权利要求40所述的系统，其中，所述用户界面为用户提供存储与分析物浓度相关的健康目标的选项，并且其中所述用户界面提供向着或远离所述健康目标的趋势的指示。
45.根据权利要求40所述的系统，其中，所述用户界面提供与分析物浓度相关的治疗建议。
46.根据权利要求45所述的系统，其中，所述治疗建议包括营养摄取量。
47.根据权利要求45所述的系统，其中，所述治疗建议包括药物性化合物的给予量。
48.根据权利要求38所述的系统，其中，所述监视器单元是便携的。
49.根据权利要求38所述的系统，其中，所述监视器单元是个人计算机。
50.根据权利要求38所述的系统，其中，所述监视器单元是电话。
51.一种用于非侵入性地测量患者血液中红血球锌原卟啉(eZnPP)的浓度的设备，其中所述浓度作为eZnPP/亚铁血红素比进行测量，所述设备包括: 光源，用于在第一波长范围和第二波长范围处提供对组织的激发，所述第一激发波长范围被选择在eZnPP的激发峰处，所述第二激发波长范围被选择性成使得血液的吸收类似于所述第一激发波长范围的血液吸收； 一个或多个探测器，其用于探测在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处的发射谱的一部分；以及 处理器，其用于基于在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处激发的所述发射谱的所述部分之间的差异确定eZnPP的浓度。
52.根据权利要求51所述的设备，其中，所述设备用于测量全血中eZnPP的浓度。
53.根据权利要求51所述的设备，还包括:可调滤波器单元，其在所述第一波长范围和所述第二波长范围处提供对所述血液和eZnPP的激发。
54.根据权利要求53所述的设备，其中，所述可调滤波器单元包括第一光学滤波器和第二光学滤波器，所述第一和第二光学滤波器能够独立地改变由所述光源提供的光的入射角。
55.根据权利要求53所述的设备，其中，所述可调滤波器单元包括两个可调带通滤波器。
56.根据权利要求53所述的设备，其中，所述可调滤波器单元包括第一光学滤波器和第二光学滤波器以及第三光学元件，该第三光学元件用于校正经过所述第一和第二光学滤波器的光的偏移。
57.根据权利要求51所述的设备，还包括:一个或多个光学滤波器， 其中eZnPP的发射谱限定一波长范围，并且 其中所述探测器包括一个或多个光敏元件，所述光敏元件接收穿过透射eZnPP的所述发射谱的波长范围内的光的所述一个或多个光学滤波器的光。
58.根据权利要求57所述的设备，其中，eZnPP的发射谱限定发射最大值， 其中所述探测器的第一部分接收穿过透射在eZnPP的发射谱的波长范围内的光的所述光学滤波器的光，并且 其中所述探测器的第二部分接收穿过透射在eZnPP的发射最大值之外的波长范围内的光的光学滤波器的光。
59.根据权利要求51所述的设备，其中，所述光源包括灯。
60.根据权利要求51所述的设备，其中，所述光源包括一个或多个激光二极管。
61.根据权利要求51所述的设备，其中，所述光源包括一个或多个发光二极管。
62.根据权利要求51所述的设备，其中，所述光源包括一个或多个激光二极管。
63.根据权利要求51所述的设备，其中，所述光源包括一个或多个发光二极管。
64.根据权利要求51所述的设备，还包括:与所述光源相关联的光纤。
65.根据权利要求51所述的设备，还包括:与所述探测器相关联的光纤。
66.根据权利要求51所述的设备，还包括:探头，其包括与所述光源相关联的光纤和与所述探测器相关联的光纤。
67.根据权利要求66所述的设备，其中，探头，其包括包围与所述探测器相关联的光纤的与所述光源相关联的多条光纤。
68.根据权利要求66所述的设备，其中，所述探头包括包围与所述光源相关联的光纤的与所述探测器相关联的多条光纤。
69.根据权利要求66所述的设备，其中，与所述光源相关联的所述光纤和与所述探测器相关联的所述光纤的光纤间间隔被选择成使得所述导出信号对于血液体积分数不敏感。
70.根据权利要求66所述的设备，其中，与所述光源相关联的所述光纤和与所述探测器相关联的所述光纤的光纤间间隔被选择成在组织的选定深度处实现最大探测灵敏度。
71.根据权利要求70所述的设备，其中，所述组织的所述选定深度被选择为具有所述荧光分析物的最高期望浓度的深度。
72.根据权利要求51所述的设备，还包括:电源。
73.根据权利要求72所述的设备，其中，所述电源是可再充电电池。
74.根据权利要求72所述的设备，还包括:外壳，其适于容纳所述探测器、所述处理器和所述电源。
75.根据权利要求74所述的设备,其中,所述外壳的长度小于6英寸。
76.根据权利要求51所述的设备，还包括:输出部件。
77.根据权利要求76所述的设备，还包括:外壳，其适于容纳所述探测器、所述处理器和所述输出部件。
78.根据权利要求76所述的设备，其中，所述输出部件是显示屏幕。
79.根据权利要求76所述的设备，其中，所述输出部件是扬声器。
80.根据权利要求76所述的设备，其中，所述输出部件是振动器。
81.根据权利要求76所述的设备，其中，所述输出部件提供所述组织中的分析物浓度的指示。
82.根据权利要求76所述的设备，其中，所述输出部件提供所述分析物浓度超过预定阈值的指示。
83.根据权利要求76所述的设备，还包括:存储器，其存储至少一个先前分析物浓度，并且其中所述输出部件适于提供分析物浓度从所述先前分析物浓度增加或减少的指示。
84.根据权利要求51所述的设备，还包括:通信部件。
85.根据权利要求84所述的设备，其中，所述通信部件包括RF发射器。
86.根据权利要求84所述的设备，其中，所述通信部件包括USB连接器。
87.根据权利要求84所述的设备，其中，所述通信部件包括IR发射器。
88.根据权利要求84所述的设备，其中，所述通信部件包括蜂窝电话。
89.根据权利要求84所述的设备，其中，所述通信部件包括WiFi发射器。
90.一种用于非侵入性地测量患者血液中荧光分析物的浓度的系统，包括: 根据权利要求84所述的设备；以及 监视器单元， 其中所述通信部件向所述监视器单元提供与分析物浓度有关的输出信号。
91.根据权利要求90所述的系统，其中，所述处理器适于在所述分析物浓度超出预定阈值时向所述监视器单元提供输出信号。
92.根据权利要求90所述的系统，其中，所述监视器单元包括用户界面。
93.根据权利要求92所述的系统，其中，所述用户界面提供所述组织中的分析物浓度的指示。
94.根据权利要求92所述的系统，其中，所述用户界面提供所述分析物浓度超过预定阈值的指示。
95.根据权利要求92所述的系统，其中，所述监视器单元包括存储器，所述存储器存储至少一个先前分析物浓度，并且其中所述用户界面适于提供分析物浓度从所述先前分析物浓度增加或减少的指示。
96.根据权利要求92所述的系统，其中，所述用户界面为用户提供存储与分析物浓度相关的健康目标的选项，并且其中所述用户界面提供向着或远离所述健康目标的趋势的指/Jn ο
97.根据权利要求92所述的系统，其中，所述用户界面提供与分析物浓度相关的治疗建议。
98.根据权利要求97所述的系统，其中，所述治疗建议包括营养摄取量。
99.根据权利要求97所述的系统，其中，所述治疗建议包括药物性化合物给予量。
100.根据权利要求97所述的系统，其中，所述监视器单元是便携的。
101.根据权利要求97所述的系统，其中，所述监视器单元是个人计算机。
102.根据权利要求97所述的系统，其中，所述监视器单元是电话。
103.一种用于同时测量患者血液中红血球锌原卟啉(eZnPP)和红血球原卟啉IX(ePP)的浓度的设备，其中作为eZnPP/亚铁血红素比和ePP/亚铁血红素比测量eZnPP和ePP的浓度，所述设备包括: 光源，用于在第一波长范围和第二波长范围处提供对组织的激发，所述第一激发波长范围被选择在eZnPP的激发峰以及所述第二激发波长范围被选择性成使得血液的吸收类似于所述第一激发波长范围的血液吸收； 一个或多个探测器，其用于探测在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处的发射谱的一部分；以及 处理器，其用于基于在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处激发的所述发射谱的所述部分之间的差异确定eZnPP和ePP的浓度。
104.一种用于非侵入性地测量患者血液中红血球锌原卟啉(eZnPP)的浓度的设备，其中所述浓度作为eZnPP/亚铁血红素比进行测量，所述设备包括: 光源，其用于在约425nm和约407nm处提供组织的激发； 探测器，其用于探测在约425nm和约407nm处激发的发射谱的一部分；以及处理器，其用于基于在约425nm和约407nm处激发的所述发射谱的所述部分之间的差异确定eZnPP的浓度。
105.一种用于测量患者血液中红血球锌原卟啉(eZnPP)的浓度的设备，其中所述浓度作为eZnPP/亚铁血红素比进行测量，所述设备包括: 光源，其用于在约425nm和约407nm处提供组织的激发； 探测器，其用于探测在约425nm和约407nm处激发的发射谱的一部分；以及处理器，其用于基于在约425nm和约407nm处激发的所述发射谱的所述部分之间的差异确定eZnPP的浓度。
106.一种用于非侵入性地测量患者血液中荧光分析物的浓度的方法，包括:在第一波长范围和第二波长 范围处激发组织，所述第一和第二激发波长范围被选择成使得所述荧光分析物在所述第一和第二激发波长范围呈现的发射强度的差异大于背景荧光团的发射强度差异并且使得血液的光吸收在所述第一和第二波长范围处是相似的；探测在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处的发射谱的一部分；以及基于在所述第一激发波长范围和所述第二激发波长范围处激发的所述发射谱之间的差异确定所述荧光分析物的浓度。
107.一种用于滤波光束或图像的设备，包括: 第一光学滤波器，其限定相对于所述光束的可调入射角； 第二光学滤波器，其限定相对于所述光束的可调入射角； 其中所述第一光学滤波器的入射角和所述第二光学滤波器的所述入射角能够被独立调整； 其中能够通过调整相对于所述光束的所述第一滤波器的入射角，调谐穿过所述第一和第二光学滤波器的光的中心波长；以及 其中能够通过调整相对于所述光束的所述第一滤波器和第二滤波器的入射角，调谐穿过所述第一和第二光学滤波器的光的光谱带宽。
108.根据权利要求107所述的设备，其中，所述第一和第二滤波器中的每一个都包括可调谐带通滤波器。
109.根据权利要求107所述的设备，还包括:第三光学元件，其校正穿过所述第一和第二光学滤波器的光的偏移。
【文档编号】G01N33/53GK103930782SQ201280055860
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年9月14日 优先权日:2011年9月15日
【发明者】G·M·布里滕哈姆, H·斯特普, G·亨尼格 申请人:纽约市哥伦比亚大学信托人