专利名称：光学分析系统、血液分析系统以及确定主分量幅值的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定光信号的主分量幅值的光学分析系统，该光学分析系统包括用于由光谱加权函数对光信号进行加权的多元光学元件，以及用于检测已加权光信号的检测器。
本发明进一步涉及包括这种光学分析系统的血液分析系统。
本发明进一步涉及一种确定光信号的主分量幅值的方法，该方法包括由具有光谱加权函数的多元光学元件对光信号进行加权并由检测器检测已加权光信号的步骤。
背景技术：
US 6198531B1公开了一种在起始段落中描述的光学分析系统的已知的光学分析系统是光谱分析系统的一部分，该光谱分析系统适合于例如分析试样中包含了哪种浓度的哪些化合物。众所周知，与试样相互作用的光携带与这些化合物及其浓度有关的信息。在光学光谱技术中充分利用基础的物理过程，其中，例如激光器、灯或发光二极管的光源的光指向试样，用以产生携带该信息的光信号。
例如，光可以由试样吸收。可选择的是或者另外，已知波长的光可以与试样相互作用，从而由于例如喇曼散射过程而产生不同波长的光。然后，发射和/或产生的光构成光信号，其也可以称作光谱。然后，作为波长的函数的光信号的相对强度来表示试样中包含的化合物及其浓度。
为了辨别试样中包含的化合物并确定其浓度，必须对光信号进行分析。在已知的光学分析系统中，通过包含滤光器的专用硬设备对光信号进行分析。这种滤光器具有取决于波长的透射性质，即，将其设计为利用取决于波长的透射所给定的光谱加权函数对光信号进行加权。该光谱加权函数被如此选择，使得已加权光信号的总强度，即滤光器透射的光的总强度与特定化合物的浓度成正比。这种滤光器也称作多元光学元件。这种强度可以由检测器很方便地检测到，所述检测器如光电二极管。针对每种化合物使用具有特征光谱加权函数的专用滤光器。滤光器可以是例如具有构成所需加权函数的透射的干涉滤光器。
为了成功地实现这种分析方案，了解与所关心的化合物相对应的光谱加权函数是必不可少的。可以通过执行一个集合的主分量分析来获得该光谱加权函数，所述集合包括已知浓度的N个纯化合物的N个光谱，其中N是整数。每个光谱包括M个不同波长的对应光信号的强度，其中M也是整数。通常，M远大于N。包含在对应的M个波长的M个强度的每个光谱构成M维向量，其M个分量就是这些强度。这些向量遵守称作奇异值分解(SVD)的线性代数过程，这是主分量分析的核心并且在该领域是众所周知的。
作为SVD的结果，获得了N个特征向量zn的集合，n是小于N+1的正整数。这些特征向量zn是原始的N个光谱的线性组合，并且通常称作主分量向量或者回归向量。注意，这对于SVD是正确的，但是一般来说，回归向量不一定是原始光谱的线性组合。通常，主分量向量彼此正交，并且确定为|zn|＝1的标准化向量。利用主分量向量zn，可以通过乘以适当标量乘数的标准化主分量向量的组合来描述包括未知浓度的化合物的试样的光信号x1z1+x2z2+...+xnzn。
这些标量乘数可以被认为是在给定光信号中的主分量向量zn的幅值，n是小于N+1的正整数。每个乘数xn可以通过将光信号当作M维波长空间中的向量并计算该向量与主分量向量zn的直积来确定。该结果产生光信号在标准化特征向量zn方向上的幅值xn。幅值xn对应于N个化合物的浓度。
在已知的光学分析系统中，在借助于滤光器的光学分析系统的硬设备中计算代表光信号的向量与主分量向量之间的直积。滤光器具有如此的透射率，使得其根据主分量向量的各个分量对该光信号进行加权，即，主分量向量构成光谱加权函数。过滤的光信号可以由检测器来检测，其产生具有一定幅值的信号，该幅值与主分量向量的幅值成比例，从而与对应的化合物的浓度成比例。
在物理意义上，每个主分量向量是一个构造的“光谱”，具有在光信号中的波长范围内的形状。与真实的光谱相反，主分量向量可以包括在第一光谱范围内的正部分以及在第二光谱范围内的负部分。在这种情况下，主分量向量具有对应于第一光谱范围的波长的正分量以及对应于第二光谱范围的波长的负分量。
已知光学分析系统的缺点在于可能相对不准确地确定了主分量幅值，例如，当光信号包括在主分量分析中不能正确考虑的另一分量时。在这种情况下，相对不准确地确定光谱加权函数，导致相对不准确地确定了主分量幅值。除了由加权函数进行加权的主分量之外，多元光学元件可至少部分地透射该另一分量。因此，测得的已加权光信号可包括与该主分量幅值有关的部分，以及与另一分量的另一幅值有关的另一部分，该另一部分导致不准确。在这种情况下，通常的措施是重复主分量分析，同时也考虑另一分量。但是，这种方法相对耗费时间和金钱。该方法需要具有新的专用滤光器，该专用滤光器具有新的调整过的光谱加权函数。该方法在不能辨别另一分量或者在时间上不稳定的情况下是不现实的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供在起始段落中描述的那种类型的光学分析系统，其能够在光信号包括在主分量分析中没有正确考虑的另一分量时，不需要扩展的主分量分析也能相对准确地确定主分量幅值。
根据本发明，该目的在进一步包括调制器元件的光学分析系统中实现，该调制器元件用于对测得的已加权光信号进行调制从而使已调制的测得的已加权光信号与未调制的测得的已加权光信号之间的差与主分量幅值有关。在这种情况下，该主分量幅值可以至少近似根据该差值来确定。因此，至少部分地考虑和去掉该另一分量，这导致了精度提高而不需要额外扩展的主分量分析。
可以将测得的已加权光信号如此调制使得主分量减小而主要检测另一分量。那么可以从未调制的测得的已加权光信号中减去已调制的测得的已加权光信号而近似地导出主分量幅值。可选择的是，可以将测得的已加权光信号如此调制使得另一分量减小而主要检测主分量。那么可以从已调制的测得的已加权光信号中减去未调制的测得的已加权光信号而近似地导出主分量幅值。
调制深度越大，即，使各个分量与其他分量相比越有效地减小，那么确定的主分量幅值就越准确。调制深度可以是50％或更大，如75％或90％。可能需要额外的校准将因调制而引起的变化与主分量幅值定量地相关联。这种校准比扩展的主分量分析更简单。利用具有所关心的已知浓度的分析物的试样来进行这种校准。
光学分析系统可进一步包括信号处理器，用于根据已调制的测得的已加权光信号与测得的已加权光信号之差来确定主分量幅值。
根据本发明，光信号不限于具有人眼可见的波长的光信号。光信号可包括在紫外线(UV)和/或红外线(IR)光谱中的光谱分量。这里，IR光谱范围可包括近红外线(NIR)和频率高于1THz的远红外线(FIR)，以及所有中间波长。
根据本发明，主分量不限于纯的主分量。这里，纯的主分量涉及针对某一化合物在数学上精确的特征向量。主分量还可以对应于已知浓度的几种化合物的混合物。
另一分量可以至少部分是由光学分析系统测得的背景光而引起的。该背景光可由散射离开光学分析系统的光学部件的光和/或从光学分析系统外面的光源发出的光而引起。该背景光可以随时间变化，从而不可能在主分量分析中适当地考虑该背景光。
主分量可以涉及分析物的电子、振荡和/或电子振动的跃迁。另一分量可以涉及与分析物不同的物质的电子、振荡和/或电子振动的跃迁。主分量可以涉及分析物的喇曼光谱。另一分量可以涉及携带分析物的物质的荧光光谱和/或分析物本身的荧光光谱，或者涉及在检测体积(detection volume)和检测器之间的物质的荧光光谱，该物质如人体皮组织或光学元件。
多元光学元件可以通过透射和/或反射中的光谱加权函数对光信号进行加权。
光谱加权函数能够以不同于主分量分析的其他方式来获得，例如通过数学正交化过程，任何多元分析方法，例如部分最小二乘方(PLS)、遗传算法或神经网络。
调制器元件可以在由多元滤波器进行加权之前和/或之后对光信号进行调制。
调制器元件能够对测得的具有频率和相位的已加权光信号进行调制，信号处理器能够根据已调制的测得的已加权光信号与具有该频率和相位的测得的已加权光信号之差来确定主分量幅值。这种相位敏感的检测方案由于其降低了具有不同频率和/或相位的噪声而因此导致相对较高的信噪比。
光学分析系统可进一步包括用于提供照亮试样的光由此产生主分量的光源，该试样包括具有一定浓度的物质。因此，该主分量幅值可与物质的浓度有关。这种关系可以是幅值与浓度之间的线性关系。这种光学分析系统可以是光谱分析系统。
调制器元件可被设置为对光源提供的光的属性进行调制。测得的已加权光信号与主分量幅值有关的部分以及测得的已加权光信号与另一分量的另一幅值有关的另一部分可以不同方式取决于光的属性。按照这种方式，可以通过对光源提供的光的属性进行调制而以方便的方式将这两部分测得的已加权光信号分开。
由光源调制的光的属性可包括光的强度。当主分量和另一分量对于光的强度具有不同的相关性时，可以应用这种调制方案。例如，主分量由于例如线性吸收和/或自发的喇曼散射而对强度线性相关，另一分量可能与强度无关，并且可以是由背景光而引起的。在这种情况下，可以通过将光的强度简单地减小为零来确定测得的已加权光信号的部分。可选择的是，可以将该强度减小一定的百分比，例如50％，并且可以利用测得的已加权光信号的变化来计算主分量幅值，在该例子中，主分量幅值等于测得的已加权光信号的变化的两倍。
可选择的是，主分量可以是由非线性光学过程而引起的，例如双光子吸收、受激喇曼散射和/或超喇曼散射，另一分量可由于例如线性吸收和/或自发喇曼散射而对强度线性相关，或者其与强度无关并可以由例如背景光而引起。在这种情况下，可以将强度减小一定百分比，例如90％。由于主分量的非线性相关，该分量减小得程度远大于另一分量。测得的已加权光信号所减小的强度因此可以近似地归因于另一分量。当另一分量与强度成线性比例时，可以通过将该例子中减少90％的信号与在该例子中为9的因数相乘来计算100％光的另一分量，并且例如通过信号处理器从测得的已加权光信号中减去计算得到的另一分量。
在又一个可选择的实施例中，主分量可以因例如线性吸收和/或自发喇曼散射而对强度线性相关，另一分量可以是由非线性光学过程而引起的，例如双光子吸收、受激喇曼散射和/或超喇曼散射。
要调制的光的属性可包括光的偏振态。光的偏振态可以是沿偏振轴线性偏振的，或者可以是圆偏振的。当主分量和另一分量对光的偏振态具有不同的相关性时，可以应用这种调制方案。另一分量可以与光的偏振态无关，而主分量取决于光的偏振态。在这种情况下，测得的已加权光信号的变化与主分量直接有关，并且不受另一分量的影响。另一分量的例子可以是背景光、消偏振的喇曼散射信号和/或消偏振的荧光信号。主分量的例子可以是偏振的喇曼散射信号和/或偏振的荧光信号。主分量的其他例子可以是吸收光谱学、偏振光光谱学、旋光法中的偏振透射光。
术语“消偏振的”表示光产生的光信号的偏振与光的偏振态无关。术语“偏振的”表示光产生的光信号的偏振取决于如以下公式描述的光的偏振态Eout,sEout,p=abcdEin,sEin,p]]>这里，我们利用Jones矩阵来代表偏振。E、a、b、c和d可以是代表椭圆偏振光的复数。a和b可以不同，和/或c和d可以不同。
如果存在试样，可以将调制器元件设置为调制光信号的属性而不是调制光，即在光与试样相互作用之后将光信号发送到调制器元件。测得的已加权光信号与主分量幅值有关的部分以及测得的已加权光信号与另一分量的另一幅值有关的另一部分能够以不同方式取决于光信号的属性。光信号的属性可包括光信号的偏振态。
要调制的光的属性可包括光的光谱带宽。光的带宽可以从相对较宽的带宽变为相对较窄的带宽，或者反之亦然。当主分量和另一分量对光的带宽具有不同的相关性时可应用这种调制方案。例如，另一分量可以与光的带宽无关。当另一分量与光无关时例如是这种情况。另一分量可以取决于背景光。可选择的是或者另外，另一分量可以取决于光，但是在一定限度内与带宽无关。例如，另一分量可以是由荧光而引起的，荧光可具有对诱发荧光的光的带宽非常不敏感的宽光谱。主分量可以包括喇曼散射信号，其具有主要由诱发喇曼信号的光的带宽而确定的带宽。
要调制的光的属性可包括光的波长。光的波长可以从相对较短的波长变为相对较长的波长，或者反之亦然。当主分量和另一分量对光的波长具有不同的相关性时，可应用这种调制方案。例如，另一分量可以与光的波长无关。当另一分量与光无关时例如是这种情况。另一分量可以取决于背景光。可选择的是或者另外，另一分量可以取决于光，但是在一定限度内与波长无关。例如，另一分量可以是由荧光而引起的，荧光具有对诱发荧光的光的波长非常不敏感的宽光谱。主分量可以包括喇曼散射信号。喇曼散射信号可以具有带峰值的光谱，峰值位置取决于诱发喇曼散射信号的光的波长。由于对波长的调制，这些峰值移动。加权函数可以具有这样一种结构，使得对未调制的光信号的喇曼峰值进行加权，并由多元光学元件进行检测，而却阻挡已调制的光信号的喇曼峰值并且不对其进行检测。
多元光学元件可以具有可调的加权函数。调制器元件可以被设置为对多元光学元件的加权函数进行调制，使得测得的已加权光信号与主分量幅值有关的部分以及测得的已加权光信号与另一分量的另一幅值有关的另一部分以不同方式取决于已调制的加权函数。例如，多元光学元件可以具有相对较窄的光谱带的光谱加权函数，例如对应于主分量的喇曼波长。可以多元光学元件的光谱加权函数如此调制，使得相对较窄的光谱带移动到不再检测主分量的喇曼波长的那一波长处。另一分量可包括荧光光谱，该荧光光谱在光谱带移动的范围内是恒定的。按照这种方式，在加权函数中的光谱带移动时可以至少近似地确定荧光的强度。然后，可以在光谱带不移动时从测得的已加权光信号中减去该荧光的强度。
多元光学元件可包括用于使光信号光谱色散的诸如光栅或棱镜的色散元件和具有可调部分的加权元件，其用于接收光谱色散光信号的光谱分量并用于将由光谱加权函数进行加权的光信号分配给检测器。调制器元件能够对这些可调部分进行调制。可选择的是或者另外，调制器元件可以对色散元件进行调制。加权元件可以包括液晶盒的阵列。每个盒都可构成可调部分。液晶盒可构成偏振敏感的透射滤光器。可以通过将液晶分子定向例如通过在盒的两侧施加电压来调整透射。
根据本发明的光学分析系统可以是被设置为对包括血液的试样进行分析的血液分析系统。该试样可以是活体内的血液，即仍然包含在人或动物中的血液，或者活体外的血液，即从人或动物提取的血液。分析物可以包括从例如葡萄糖、乳酸盐、糖化血红蛋白(HbAlc)、血红蛋白、血细胞容量计、胆固醇(总的、HDL、LDL)、甘油三酸酯、尿素、白蛋白、肌氨酸酐、充氧、氢离子浓度、碳酸氢钠以其他中选择的一种或多种元素。主分量可包括一种或多种元素的喇曼光谱。另一分量可包括溶解或包含一种或多种元素的媒介的荧光光谱。该媒介可包括水、人或动物皮组织、光路中的光学元件，和/或再现介质(emersion meidum)。
附图简述根据本发明的光学分析系统、血液分析系统以及对光信号进行分析的方法的这些和其他方面将参考附图得以进一步的阐明和描述，在附图中
图1是光学分析系统的实施例的示意图；图2A和2B是从皮肤中的血液以及从溶液中的包含一种分析物的试样所产生的光信号的光谱；图3是在多元光学元件实现的光谱加权函数；图4是包括主分量和另一分量的光信号的示意性光谱；图5是与图4的一种主分量对应的光谱加权函数的示意图；图6A、6B和6C是由图5A和5B中所示光谱加权函数进行加权的未调制的测得光学元件的示意性光谱、图5中示出了由光谱加权函数进行加权的已调制的测得光信号的示意性光谱、以及这两种光谱之差的示意性光谱；图7A-7D分别是没有经过和经过由光源提供的光的光谱带进行调制的光信号的示意性光谱、由图5中所示光谱加权函数进行加权的已调制的测得光信号的示意性光谱、以及由图5中所示光谱加权函数进行加权的未调制的测得光信号与由图5中所示光谱加权函数进行加权的已调制的测得光信号之差的示意性光谱；图8是由光源提供的光的波长进行调制的光信号的示意性光谱；
图9是作为时间的函数的光源提供的光的波长的示意图；图10是多元光学元件的示意图，其中该多元光学元件的加权函数是可调的，并且调制器元件被设置为对多元光学元件的加权函数进行调制。
这些附图没有按比例绘制。一般来说，相同的部件用相同的附图标记来表示。
具体实施例方式
在图1所示的实施例中，用于确定光信号的主分量幅值的光学分析系统20包括光源1，其用于提供光以便照亮包括一定浓度的物质的试样2，并由此产生主分量。主分量幅值与物质的浓度有关。光源1是激光器，如气体激光器、染料激光器和/或固态激光器，所述固态激光器如半导体或二极管激光器。
光学分析系统20是血液分析系统40的一部分。试样2包括具有血管的皮肤。物质可以是下面分析物的一种或多种葡萄糖、乳酸盐、胆固醇、氧合血红蛋白和/或脱氧血红蛋白、糖化血红蛋白(HbAlc)、血细胞容量计、胆固醇(总的、HDL、LDL)、甘油三酸酯、尿素、白蛋白、肌氨酸酐、充氧、氢离子浓度、碳酸氢钠及其他。这些物质的浓度可以利用光谱学以非侵害的方式来确定。为此，将光源1提供的光发送到分色镜3，该分色镜将光源提供的光朝皮肤中的血管反射。利用物镜12可将光聚焦在血管上。通过利用国际专利申请WO 02/057759中描述的成像和分析系统可以将光聚焦在血管中。
通过由光源1提供的光与血管中的血液的相互，因喇曼散射和荧光而产生光信号。这样产生的光信号可以由物镜12聚集，并发送到分色镜3。光信号具有与光源1提供的光不同的波长。分色镜构成为透射至少一部分光信号。
图2A中示出以这种方式产生的光信号的光谱。该光谱包括相对较宽的荧光背景FBG以及相对较窄的喇曼带RB。图2A的x轴表示以波数为单位的相对于光源1激发的785nm的波长偏移，图2A的y轴表示任意单位的强度。x轴对应于零强度。喇曼带的波长和强度，即位置和高度表示分析物的类型，如在图2B的例子中所示的是以80毫莫尔浓度溶解在水中的分析物葡萄糖。图2B的实线示出葡萄糖和水的光谱，图2B的虚线示出水中的葡萄糖的光谱与没有葡萄糖的水的光谱之差。具有这些带的光谱的幅值表示分析物的浓度。
由于血液包括许多化合物，每种化合物都具有与图2B一样复杂的某一光谱，因此，光信号的光谱分析相对较复杂。在根据本发明的光学分析系统20中，通过多元光学元件5、6来分析该光信号，该多元光学元件通过图3和5中示意性示出的加权函数对该光信号进行加权。为血液中的葡萄糖设计了图3的加权函数。其包括正部分P和负部分N。正部分P和负部分N中的每一个在该例子中都包括多于一个的光谱带。分束器4将一部分光信号透射到多元光学元件5，该多元光学元件5根据加权函数的正部分对这部分光信号进行加权。利用检测器7来检测由多元光学元件5进行加权的光信号，检测器7是光电二极管。可选择的是，可以使用适合于根据已加权光信号的强度来提供电信号的任何其他检测器。分束器4将一部分光信号反射到多元光学元件6，该多元光学元件6根据加权函数的负部分对这一部分光信号进行加权。利用检测器8来检测由多元光学元件6进行加权的光信号，检测器8可以与检测器7相同。计算元件9被设置为计算正信号和负信号之差。该差与光信号的主分量幅值成比例。主分量幅值与物质的浓度有关，即与分析物的浓度有关。幅值与浓度之间的关系可以是线性相关。
当主分量只包括正分量或只包括负分量时，可以只使用具有一个检测器的多元光学元件。
多元光学元件5、6可以是具有所需加权函数的任何已知的元件。US 6198531B1中描述了多元光学元件的例子。
光信号除了包括主分量之外还可以包括在构成加权函数时没有考虑的另一分量。另一分量可以至少部分是由检测器7和/或8的暗电流而引起，由背景光而引起，背景光可以通过例如散射离开诸如分光镜3和/或物镜12的光学元件而由光源1引发，和/或背景光可以由不同于光源1的其他光源而引发。另一分量可以至少部分地由物质的荧光而引起，这些物质可以是不同于分析物的其他物质。对于活体内血液分析，这些物质可以包括血红蛋白、人体皮组织油浸介质、光学元件和/或卫生罩。
由于在加权函数的构成中没有考虑另一分量，因此由检测器7、8测得的已加权光信号除了可以包括与主分量幅值有关的部分之外，还可以包括与另一分量的另一幅值有关的另一部分。换句话说，检测器7、8根据已加权光信号而产生电信号，该已加权光信号除了取决于主分量幅值之外还取决于另一分量的幅值。
图4中示意性描绘出存在另一分量，该图示出光信号的光谱，即作为波长λ的函数的任意单位的强度I。在图4的示意性光谱中，存在当设计图5中所示光谱加权函数时考虑的由化合物A、B和C带来的影响(contribution)。本发明不限于这一数量的化合物。根据本发明，所考虑的化合物的数量可以是大于或等于一的任何正整数。此外，存在用虚线代表的影响，并且是由背景光而引起的，也称作另一分量F。当设计光谱加权函数时没有考虑该另一分量。
在图5中，加权函数的正部分P和负部分N中的每一个都仅仅包括一个光谱带。但是，本发明不限于这里为了说明的简单而选择的相对较简单的加权函数。取而代之的是，光谱加权函数可包括具有一个、两个或多个光谱带的正部分。光谱加权函数可进一步包括如图3中所示具有一个、两个或多个光谱带的负部分。
化合物A、B和C所对应的光谱线的强度与试样中的这些化合物浓度有关。通常，这些浓度与光谱线的强度成线性比例。根据图4的光谱，很明显，很难确定与化合物A相对应的光谱线的强度，因为该光谱线与化合物B所对应的光谱线中的一条相重叠。可选择的是，这些光谱线可以部分地重叠，或者可以分开，但是彼此非常接近使其不能由多元光学元件分开。因为后者不具有充分的光谱精度。
在缺乏背景光时，通过对应于化合物B的主分量的光谱加权函数SWF对光信号进行加权来克服这种困难，如图5中所示。光谱加权函数可以代表作为波长的函数的多元光学元件的相对透射或反射。其包括正部分P和负部分N。当不存在另一分量F时，获得如图6C中所示的由正部分P加权的测得光信号以及由负部分N加权的测得光信号。由正部分P加权的测得光信号与由负部分N加权的测得光信号之差与化合物B的浓度成正比。
当存在另一分量F时，检测到如图6A中所示的由正部分P和负部分N加权的光信号。对于负部分和正部分来说，测得的已加权光信号包括在设计光谱加权函数时与被考虑的化合物有关的部分，所述化合物在该例子中是化合物A和B。除了与对应的主分量振幅有关的该部分之外，测得的已加权光信号包括由另一分量F引起的另一部分。该另一部分与另一分量的幅值有关，其具有在负部分中的强度FN，该强度FN与正部分中的强度FP不同。因此，正部分与负部分之差包括与另一分量的幅值有关的项，并且不准确地确定出主分量幅值。当整个光谱加权函数具有相同的符号，即当不存在分开的正部分和负部分时，也可能出现类似的不准确。
为了至少部分地克服该不准确，光学分析系统20进一步包括调制器元件13，其用于对测得的已加权光信号进行调制，从而使已调制的测得的已加权光信号与测得的已加权光信号之差与主分量幅值有关。
在图1的实施例中，调制器元件13能够对光源1所提供的光的属性进行调制。测得的已加权光信号与主分量幅值有关的部分以及测得的已加权光信号与另一分量的另一幅值有关的另一部分以不同方式取决于光的属性。下面给出这种相关性的实施例。
调制深度可以是100％，即在测得的已加权光信号中，与(多个)主分量有关的部分或者与另一分量有关的部分在调制过程中不存在。当在测得的已加权光信号中与(多个)主分量有关的部分在调制过程中不存在时，已调制的已加权光信号具有如图6B中所示的光谱。在已调制的测得的已加权光信号和与主分量幅值有关的测得的已加权光信号之差如图6C中所示。其不受另一分量影响，并且与对应于化合物B的主分量幅值成比例。可选择的是，调制深度可以小于100％，例如下面参考图7A-7D描述的实施例。
光学分析系统20可进一步包括信号处理器9，用于根据已调制的测得的已加权光信号与测得的已加权光信号之差来确定主分量幅值。
调制器元件13能够周期性地调制具有频率和振幅的测得的已加权光信号。该信号处理器能够根据已调制的测得的已加权光信号与具有频率和相位的测得的已加权光信号之差来确定主分量幅值。为此，控制单元11可控制由调制器元件13进行的调制，并且锁定检测器10可处理由信号处理器9提供的信号，该锁定检测器在本领域中是公知的。
由调制器元件13所调制的光的属性可以是光源1提供的光的强度。这种调制可以由自动快门、由斩波器或通过对供给光源1的诸如电流或电压的电参数来完成。这是例如有用的，当通过检测器7、8和/或通过与光源1不同的光源发出的光而引起另一分量时。
可选择的是或者另外，要由调制器元件13调制的光的属性可以包括由光源1提供的光的偏振态。该调制器元件13可以是普克尔斯(Pockels)盒。当主分量由于例如偏振喇曼散射或荧光至少部分地偏振，而另一分量由诸如非偏振的喇曼散射和/或非偏振的荧光引起时，这种调制方案可能是有利的。多元光学元件可包括偏振器，其透射或反射具有诸如线偏振光或圆偏振光的预定义偏振态的部分光信号。光源1提供的光可以具有能够被调制的诸如线偏振光或圆偏振光的偏振态。当对光源1提供的光的偏振态进行调制时，对测得的已加权光信号与至少偏振的主分量有关的部分进行调制，而不对测得的已加权光信号与另一分量有关的另一部分进行调制。这可以用于鉴别这两个部分。可选择的是，主分量可以是非偏振的，而另一分量可以是偏振的。
在一个实施例中，要由调制器元件13调制的光的属性包括光的光谱带宽。当使用二极管激光器时，可以例如通过利用相对宽带的光反馈而将二极管电流用于将该激光发送到多模式域。通常，例如图4中所示的光信号的光谱包括相对较窄的峰值。峰值的宽度W可以通过对应化合物特定的弛豫过程以及通过产生光信号的光的光谱带宽来确定。峰值的光谱形状可以是描述这些项的两个函数的卷积。当产生光信号的光的带宽在调制过程中扩大时，峰值可以得到更大的宽度W。当与主分量对应的峰值小于与另一分量对应的(多个)峰值时，如例如图4中所示其中与另一分量对应的(多个)峰值很宽，从而可以将其称作光谱变化的背景而不是称作峰值，通过调制使前者改变而后者大致不变。这在图7B中绘出，该图示出当调制光的光谱带宽时的光信号的光谱。图7A是当不调制光的光谱带宽时光信号的光谱。这与图4的光谱相同。在图7C中，示出在图5中所示由光谱加权函数进行加权的已调制的测得光信号。其主要由另一分量F组成。图6A中示出了图5中所示光谱加权函数进行加权的未调制的测得光信号的光谱。
图7D中示出图4所示未调制的测得光信号与图7C中所示已调制的测得光信号之差。该差值近似等于但是与图6C中所示的不相同，其描绘了精确的主分量。微小的不同是由如图7C中所示在调制过程中检测与化合物A、B和C有关的小部分而产生的。在调制过程中的光谱带宽越宽，则该差值越小并且调制深度越大。
取代调制带宽本身，可以调制光的波长，并可以对已调制信号求积分，如下面参考图9描述的。
在一个实施例中，要由调制器元件13调制的光的属性包括光的波长。通常，例如在图4中所示出的光信号的光谱包括相对较窄的峰值，每个峰值都具有中心波长，例如图4中所示的λ1和λ2。当峰值是由喇曼散射引起时，峰值的中心波长与产生喇曼散射信号的光的波长的倒数以及所牵涉的振动波长的倒数之差成比例。当产生喇曼散射信号的光的波长在调制过程中改变时，对应的峰值的光谱位置也改变。当另一分量不取决于在波长的调谐范围内产生光信号的光的波长时，该另一分量不改变。例如当另一分量由荧光而引起并且当荧光产量在该调谐范围内大致恒定时可以是这种情况。可选择的是或者另外，另一分量可由从与光源1不同的其他光源发出的光而引起。
在图8中，对于将诱发光信号的光在调制过程中调谐到较长的波长的例子来示出光信号的光谱。未调制的光谱与图4中的相同。根据图4和8很明显，另一分量F不变而与化合物A、B和C对应的峰值的位置也移动到较长的波长。用虚线表示分别穿过具有图5中所示光谱加权函数的正和负多元光学元件5和6的光谱的多个部分。由图5中所示光谱加权函数进行加权的已调制的测得光信号的光谱与图6B中所示的相同。图6A中示出在图5中所示光谱加权函数加权的未调制的测得光信号的光谱。在未调制的测得光信号与已调制的测得光信号之差与图6C中所示的相同。当波长的变化小于图5中表示为V的光谱加权函数的宽度时，调制深度小于100％并且可能需要额外的校准。
已调制的波长在调制过程中可以具有固定值，如图9中的点划线所表示的。可选择的是，已调制的波长可以随时间变化，如图9中的实线以及虚线所表示的。可以将测得的已加权光信号在调制时间ΔtM上积分。这导致该测得信号与带宽调制的情况下获得的信号相同，在带宽调制中，已调制的带宽是图9中表示的Δλ。这种调制方案对于不具有多元光学元件的光学分析系统可能是有用的，但是其使用其他方法获得光谱，例如使光信号色散的色散元件以及用于检测色散的光信号的检测器阵列，如CCD摄像机。可以在调制过程中对色散的光信号进行积分，以获得近似的背景。可以从积分的未调制色散的光信号中减去该背景。各个积分是在一段时间内的积分，并且可以在诸如积分器的电子仪器中实现。通过信号处理器来计算差值。
在光学分析系统20的实施例中，将调制器元件13被设置为直接对光信号的属性进行调制，即，不对产生光信号的光进行调制而是对光信号本身进行调制。因此，在图1的例子中，调制器元件位于试样的下游，例如位于分色镜3之后。要由调制器元件13调制的光信号的属性可以包括光信号的偏振态。这与上述产生光信号的光的偏振态的调制类似。光源1可以提供偏振光，由此产生的光信号可具有偏振的主分量和非偏振的另一分量。多元光学元件5、6可以具有取决于偏振的透射和/或反射。调制器元件13可以安排在试样2的下游，但是位于多元光学元件5、6的上游。其可以调制光信号的偏振。结果则是，测得的已加权光信号与主分量幅值有关的部分以及测得的已加权光信号与另一分量的另一幅值有关的另一部分以不同的方式取决于光信号的属性。根据这一差值可以确定主分量幅值。
光学分析系统20可以包括例如在图10中所示的多元光学元件5、6，其中多元光学元件5、6的加权函数是可调的，该调制器元件被设置为调制多元光学元件5、6的加权函数。多元光学元件5、6可以包括用于使光信号光谱色散的诸如光栅或棱镜的色散元件30和具有可调部分32a和32b的加权元件31，其用于接收光谱色散的光信号的光谱分量并用于将光谱加权函数进行加权的光信号分配到检测器7、8。在图10的例子中，加权元件31是液晶元件32的阵列，这些液晶元件夹在两个交叉偏振器之间。这两个偏振器可以集成在这些液晶元件中，例如集成在限制液晶的物质中。这些液晶元件可以具有各向异性的折射率，对于每一列来说，由施加于该列的盒上的电压V来控制该折射率，这在本领域是众所周知的。根据该电压，可以改变入射在该盒上的光的偏振态。由于偏振态的变化，光信号的相应部分可以至少部分地透射并发送到检测器7、8。按照这种方式可以实现加权函数。
在图10的例子中，多元光学元件5、6包括聚焦构件33和另一聚焦构件34，聚焦构件33是透镜，用于将光谱色散的光信号聚焦在加权元件31上，另一聚焦构件用于再准直已加权光信号或者用于将其聚焦在检测器7、8上。
调制器元件13能够对可调部分32进行调制。调制器元件13可以引起电压的变化，该变化控制施加于液晶盒的电压。按照这种方式，测得的已加权光信号与主分量幅值有关的部分以及测得的已加权光信号与另一分量的另一幅值有关的另一部分以不同方式取决于已调制的加权函数。
代替液晶元件的阵列，可以使用具有光谱可变透射的透射滤光器或者光密度滤光器，其组合实现光谱加权函数。可以机械地移动这一元件从而有效地调制光谱加权函数。
总之，光学分析系统20被设置为确定光信号的主分量幅值。光学分析系统20包括用于通过光谱加权函数对光信号进行加权的多元光学元件5、6，以及用于检测已加权光信号的检测器7、8。该光信号包括主分量以及当设计该光谱加权函数时没有考虑的另一分量。因此，测得的已加权光信号包括与主分量幅值有关的部分，以及与另一分量的另一幅值有关的另一部分。光学分析系统20进一步包括用于对测得的已加权光信号进行调制的调制器元件13。已调制的测得的已加权光信号与测得的已加权光信号之差与主分量幅值有关，从而允许以准确的方式来确定主分量幅值。血液分析系统40包括这种光学分析系统20。确定主分量幅值的方法利用了光学分析系统20。
应该注意，上述实施例是举例说明本发明而非限制本发明，本领域的普通技术人员能够在不背离随附的权利要求书范围的情况下设计许多可选择的实施例。在权利要求书中，在圆括号之间放置的任何附图标记不构成为对该权利要求的限制。词“包括”不排除存在与权利要求中所列的不同的元件或步骤。在元件之前的词语“一”或“一个”不排除存在许多这种元件。
权利要求
1.一种光学分析系统(20)，用于确定光信号的主分量幅值，该光学分析系统包括-多元光学元件(5，6)，用于通过光谱加权函数对光信号进行加权，以及-检测器(7，8)，用于检测已加权光信号，其特征在于该光信号包括主分量和另一分量，测得的已加权光信号包括与主分量幅值有关的部分以及与另一分量的另一幅值有关的另一部分，光学分析系统(20)进一步包括用于对测得的已加权光信号进行调制的调制器元件(13)，已调制的测得的已加权光信号与测得的已加权光信号之差与主分量幅值有关。
2.如权利要求1中的光学分析系统(20)，进一步包括信号处理器(9，10)，用于根据已调制的测得的已加权光信号与测得的已加权光信号之差来确定主分量幅值。
3.如权利要求2中的光学分析系统(20)，其中调制器元件(13)能够对具有频率和相位的测得的已加权光信号进行调制，信号处理器(10)能够根据已调制的测得的已加权光信号与具有频率和相位的测得的已加权光信号之差来确定主分量幅值。
4.如权利要求1中的光学分析系统(20)，进一步包括光源(1)，用于提供光以便照亮包括具有一定浓度的物质的试样(2)，从而产生主分量，主分量幅值与物质的浓度有关。
5.如权利要求4中的光学分析系统(20)，其中调制器元件(13)被设置为对光源(1)提供的光的属性进行调制，测得的已加权光信号与主分量幅值有关的部分以及测得的已加权光信号与另一分量的另一幅值有关的另一部分以不同方式取决于光的属性。
6.如权利要求5中的光学分析系统(20)，其中光的属性包括光的强度。
7.如权利要求5中的光学分析系统(20)，其中光的属性包括光的偏振态。
8.如权利要求5中的光学分析系统(20)，其中光的属性包括光的光谱带宽。
9.如权利要求5中的光学分析系统(20)，其中光的属性包括光的波长。
10.如权利要求1中的光学分析系统(20)，其中调制器元件(13)被设置为调制光信号的属性，测得的已加权光信号与主分量幅值有关的部分以及测得的已加权光信号与另一分量的另一幅值有关的另一部分以不同的方式取决于光信号的属性。
11.如权利要求10中的光学分析系统(20)，其中光信号的属性包括光信号的偏振态。
12.如权利要求1中的光学分析系统(20)，其中多元光学元件(5，6)的加权函数是可调的，并且调制器元件(13)被设置为对多元光学元件(5，6)的加权函数进行调制，测得的已加权光信号与主分量幅值有关的部分以及测得的已加权光信号与另一分量的另一幅值有关的另一部分以不同方式取决于已调制的加权函数。
13.如权利要求12中的光学分析系统(20)，其中，多元光学元件(5，6)包括用于使光信号光谱色散的色散元件，和具有可调部分的加权元件，其用于接收光谱色散的光信号的光谱分量并将由光谱加权函数进行加权的光信号分配到检测器，调制器元件能够调制这些可调部分。
14.一种血液分析系统(40)，其包括如权利要求4中所述的光学分析系统(20)，试样包括血液。
15.一种确定光信号的主分量幅值的方法，该方法包括以下步骤-由具有光谱加权函数的多元光学元件(5，6)对光信号进行加权，以及-由检测器(7，8)来检测已加权光信号，其特征在于，该光信号包括主分量和另一分量，测得的已加权光信号包括与主分量幅值有关的部分以及与另一分量的另一幅值有关的另一部分，该方法进一步包括由调制器元件(13)对测得的已加权光信号进行调制的步骤，已调制的测得的已加权光信号和测得的已加权光信号之差与主分量幅值有关。
16.根据权利要求15的方法，进一步包括根据已调制的已加权光信号与未调制的已加权光信号来计算主分量幅值的步骤。
全文摘要
光学分析系统(20)被设置为确定光信号的主分量幅值。光学分析系统(20)包括用于通过光谱加权函数对光信号进行加权的多元光学元件(5，6)，以及用于检测已加权光信号的检测器(7，8)。该光信号包括主分量以及在设计光谱加权函数时未考虑的另一分量。因此，测得的已加权光信号包括与主分量幅值有关的部分以及与另一分量的另一幅值有关的另一部分。光学分析系统(20)进一步包括用于对测得的已加权光信号进行调制的调制器元件(13)。已调制的测得的已加权光信号与测得的已加权光信号之差与主分量幅值有关，因此允许以准确的方式来确定主分量幅值。血液分析系统(40)包括这种光学分析系统(20)。确定主分量幅值的方法利用了光学分析系统(20)。
文档编号G01N21/65GK1898550SQ200480038520
公开日2007年1月17日 申请日期2004年12月13日 优先权日2003年12月22日
发明者M·C·范比克, B·L·G·巴克, W·H·J·伦斯森, F·J·P·舒尔曼茨 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司