JP2015519556A - 分子分析物の特性の最適な測定のための波長を選択する方法および装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(i)所与の発色団で、時間とともに変化しない(このような発色団の)吸収スペクトル部分は、上記時間微分によりゼロにセットされる;
(ii)光が移動する有効距離は、全発色団で実質的に同じでΔ〈δ〉と等しい、あるいは動脈拍動により引き起こされる距離の変化であり;
(iii)二つの発色団だけを考える(これは本例のみに特有の任意仮定である)。
方程式の動脈拍動波に起因する経路長の変化のキャンセルは、例えば、二つの異なる波長と対応する方程式(39)の比率を定めることで達成される。
一実施形態では、シミュレーティドアニーリングに関する技術は、波長の最適選択の決定に用いられる。シミュレーティドアニーリング(SA)は、広大な検索空間において所定の関数の大域的最適解に対してよい近似値を与えるための汎用メタヒューリスティクス手法である。波長選択タスクでは、シミュレーティドアニーリングは、包括的列挙よりさらに従順である。この方法の名前は冶金のアニーリングからきており、物質の加熱および制御された冷却を含む技術は、その結晶サイズを大きくするために、および、その短所を減らすために、ともに、熱力学の自由エネルギーに依存する物質に起因する。物質の加熱と冷却は、温度と熱力学自由エネルギーにともに影響する。図5のフローダイアグラムに示すように、解空間において、温度は、解空間の連続的探索中に「解の並べ替え」510で選択される可能性のある変更範囲と、「選択評価」P(EOLD,ENEW,Temp)515において「改悪」解(worse solutions)が選択される可能性Pとに対し、ともにアナログである。冶金の熱力学自由エネルギーのアナログは、波長選択の評価に用いる性能指数EWAVESETである。アルゴリズムが解空間を探索すると、改悪解を受け入れる可能性が徐々に低下するように、シミュレーティド・アニーリング・アルゴリズムで冷却が実行される。改悪解を受け入れることは、大域的最適解より悪い局所的最適解のトラップを避けるために、ヒューリスティクスの基本的性質である。
Claims (28)
- サンプルと協働し、電磁波(EMW)を生じることができ、サンプルの物質成分の特性を測定するように構成された、分光測定装置の動作形態を決定する方法であって:
(a)ユーザ入力装置で、前記サンプルの少なくとも第一および第二の物質成分の実験的に規定されるスペクトル依存特性を示すデータを、受信する工程と、
(b)前記サンプルにおける前記少なくとも第一および第二の物質成分の少なくとも各々対応する濃度、および、前記サンプルを通るEMWのスペクトル依存する経路、の関数として、前記実験的に規定されるスペクトル依存特性を示す第一連立方程式を決める工程と、
前記EMWは、それぞれ、前記少なくとも第一および第二の物質成分に対応し、
(c)前記第一連立方程式と、前記装置の動作有用性を示す少なくとも一つのパラメータを用いるさらなる方程式と、を含む第二連立方程式、を決める工程と、および、
(d)前記装置を用いて動作コストを示す性能指数が局所的に最適化される装置の動作波長を決定するために、前記第二連立方程式を解く工程と、を含む
ことを特徴とする分光測定装置の動作形態を決定する方法。 - 前記(a)の工程が、減衰係数、散乱係数、異方性の係数、蛍光パラメータ、屈折率、および、衝突するEMWに対する前記少なくとも第一および第二の物質成分の量子応答を示すパラメータのうちの1つ以上を示すデータを受信する工程を含む
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記減衰係数が、第一および第二のモル減衰係数を含む
ことを特徴とする請求項2に記載の方法。 - 前記物質成分が、分子分析物、細胞、タンパク質、ヘモグロビン、ブドウ糖、脂質、発色団、ガス、および、水を一つ以上含む
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記物質成分が、過分極ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、および、酸素を一つ以上含む
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記(a)の工程が、前記サンプルの少なくとも第一および第二の物質成分のスペクトル依存する吸収特性を示すデータを受信することを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記(a)の工程が、サンプルの少なくとも第一および第二の物質成分の選択した特性のスペクトル依存性を示すデータを受信することを含み、
前記サンプルが、血液、血液分析物を含む前記少なくとも第一および第二の物質成分を含む
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記(c)の工程が、行列方程式を決めることを含み、
前記行列方程式が、動作波長において動作する前記装置の製造コスト、前記EMWの経路長を決めることと関係するエラー、および、前記動作波長における前記装置の動作ノイズと関係する性能指数、を一つ以上示す行列係数を含む
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記(c)の工程が、前記装置の動作ノイズと関係する性能指数を示す行列係数を含む行列方程式を決めることを含み、
前記動作ノイズが、EMWの波長が変化する際に少なくとも第一および第二の物質成分の吸収変化の関数として計算される
ことを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 前記(d)の工程が、性能指数の最適化を含み、
前記性能指数が、分散の伝播、前記装置の製造コストを示すパラメータ、前記装置サイズを示すパラメータ、および、前記装置の消費電力を示すパラメータ、を少なくとも一つを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記(d)の工程が、第一および第二の動作波長を決めるために前記第二方程式を解くことを含み、
前記第一および第二の動作波長の一方は、前記第一および前記第二の物質成分と対応する等吸収点波長より短く、他方は、前記等吸収点波長より長い
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記(d)の工程が、反復アルゴリズムを用いることを含み、
前記反復アルゴリズムが、シミュレーティド・アニーリング・アルゴリズム、勾配降下法アルゴリズム、および、線形計画法アルゴリズムの少なくとも一つを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 前記(b)の工程が、各々対応する濃度の関数として、実験的に規定されるスペクトル依存特性を示す第一連立方程式を決めることを含み、
前記濃度が、サンプルにおける細胞カウント、タンパク質カウント、ヘモグロビンレベル、ブドウ糖レベル、脂質レベル、発色団の割合;ガス濃度;二酸化炭素濃度;酸素濃度;水の割合;およびpHレベル、の少なくとも一つを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 分光測定装置の動作波長を選択するシステムであって:
前記システムは、
サンプルの少なくとも第一および第二の物質成分の実験的に規定されるスペクトル依存特性を示す第一データを含む、有形の記録媒体;
前記有形の記録媒体と連動するマイクロプロセッサであって、前記サンプルの前記少なくとも第一および第二の物質成分の識別と関係した入力を受信するように構成されている、マイクロプロセッサ;および、
コンピュータ命令を格納する有形の固定コンピュータ可読媒体、を備え、
前記マイクロプロセッサが前記命令を実行するとき、前記マイクロプロセッサが前記有形の記録媒体から第一データを受信し、
前記実験的に規定されるスペクトル依存特性を、前記サンプル中の前記第一および第二の物質成分の少なくとも各々対応する濃度、サンプルを伝播する電磁波(EMW)のスペクトル依存する経路長、および、前記分光測定装置の動作有用性を示す少なくとも一つのパラメータの関数として示す連立方程式を解き、
前記EMWが前記第一および第二の物質成分に各々対応し、そして、
前記連立方程式を解いた結果、前記測定装置を用いる動作コストを示す性能指数が少なくとも局所的に最適化されるように前記分光測定装置の動作波長が決まる
ことを特徴とする分光測定装置の動作波長を選択するシステム。 - 前記システムは、前記マイクロプロセッサと共に動作する表示装置をさらに含み、
前記表示装置は、前記実験的に規定されるスペクトル依存特性、および、前記所定の動作波長を示すパラメータを、視覚的に知覚可能な表示ができるように構成されている
ことを特徴とする請求項14に記載のシステム。 - 前記サンプルの前記少なくとも第一および第二の物質成分が、前記サンプルの交絡物質成分を含む
ことを特徴とする請求項14に記載のシステム。 - 前記分光測定装置が、前記決定された動作波長の少なくとも一波長で動作可能な少なくとも一つのEMW源、および、少なくとも一つの光線検出部を含む
ことを特徴とする請求項14に記載のシステム。 - 前記分光測定装置が、オキシメータを含む
ことを特徴とする請求項14に記載のシステム。 - サンプル特性を計測する分光測定システムであって、
前記分光測定システムが、
所定の動作波長のセットの中から少なくとも一つの動作波長でEMRを発生可能な電磁放射(EMR)供給源;
前記少なくとも一つの供給源と連動するEMRの検出部;
前記供給源と前記検出部を前記サンプルの近傍に配置するようになされた支持構造;
前記供給源および前記検出部と共に動作し、前記供給源から前記サンプルを通り前記検出部で受信したEMRを定量化し、またそのような定量化を示す出力データを生成するように構成された、データ処理ユニット;および、
ユーザが決めたフォーマットで前記出力データを機能的に提示する、データ出力装置
を含み、
前記サンプルの少なくとも第一および第二の物質成分の実験的に規定されるスペクトル依存特性を示す第一データに基づき、少なくとも(i)前記サンプルの前記少なくとも第一および第二の物質成分の各々対応する濃度、(ii)前記サンプルの前記少なくとも第一および第二の物質成分と対応し、前記サンプルを伝播するEMRのスペクトル依存経路、および(iii)前記分光測定装置の動作有用性を示す少なくとも一つのパラメータの関数として、実験的に規定されるスペクトル依存特性を表す連立方程式を解くことにより、前記所定の動作波長のセットは決まり、そして、
前記所定の動作波長のセットは、前記分光測定装置を用いる動作コストを示す性能指数が少なくとも局所的に最適化するものである
ことを特徴とするサンプル特性を計測する分光測定システム。 - 前記分光測定システムは、パルスオキシメータを含み、
前記サンプルの少なくとも第一および第二の物質成分の前記実験的に規定されるスペクトル依存特性が、光吸収特性を含む
ことを特徴とする請求項19に記載のシステム。 - 前記所定の動作波長のセットが、実験的に規定されるスペクトル依存特性を、前記サンプルの前記第一および第二の物質成分の各々対応する濃度の関数として示す方程式を含む連立方程式を解くことで決まり、
前記濃度が、サンプル中の細胞カウント、タンパク質カウント、ヘモグロビンレベル、ブドウ糖レベル、脂質レベル、発色団の割合、ガス濃度、水の割合、および、pHレベルの少なくとも一つを含む
ことを特徴とする請求項19に記載のシステム。 - 前記ガス濃度が、二酸化炭素濃度および酸素濃度の少なくとも一つを含み、
前記少なくとも第一および第二の物質成分が、ヘモグロビンを含む
ことを特徴とする請求項21に記載のシステム。 - 光源を有し、サンプルの少なくとも一つの分子分析物の少なくとも一つの物質特性を測定するように構成された、分光測定システムの動作形態を選択する方法であって、
(A)入力において、前記少なくとも一つの分析物の物質特性を示すデータを受信する工程;
(B)前記少なくとも一つの分子分析物の前記少なくとも一つの物質特性を、前記光源からサンプルを通る光の所定光学的経路、ならびに(i)前記サンプルの減衰係数、(ii)前記サンプルの異方特性、および、(iii)前記光と関係する前記サンプルの屈折率、の一つまたは複数の関数として示す連立方程式を決める工程;および、
(C)少なくとも一つの動作波長を決めるために前記連立方程式の解を決めることであって、前記少なくとも一つの動作波長を、前記方程式で示された物質特性値と、前記少なくとも一つの動作波長で前記物質特性を示す受信データとの差が局所的に最適化される、解を決める工程、を含む
ことを特徴とする分光測定システムの動作形態を選択する方法。 - 前記(B)の工程が、コストファクタを示す行列係数を含む行列方程式を決めることを含み、
前記コストファクタが、少なくとも一つの動作波長で動作する光源の製造コスト、光路の決定と関係するエラー、および、前記少なくとも一つの動作波長における光源の動作ノイズに関係する性能指数、を一つ以上含む
ことを特徴とする請求項23に記載の方法。 - 前記少なくとも一つの分子分析物が、二つの分析物を含み、
前記方程式を解くことが、二つの動作波長を決めるために行列方程式を解くことを含み、
前記二つの動作波長の一方は、前記二つの分析物と対応する等吸収点の波長より短く、他方は、前記等吸収点の波長より長い
ことを特徴とする請求項23に記載の方法。 - 前記少なくとも一つの分析物が、二つの分析物を含み、
前記方程式を解くことが、前記二つの分析物の等吸収点の波長と実質的に一致する動作波長を決めるために、行列方程式を解くことを含む
ことを特徴とする請求項23に記載の方法。 - サンプルの1つ以上の分子分析物の1つ以上の特性を測定する装置であって、
前記装置は、
少なくとも一つの波長により特徴付けられる波をサンプルへと発するように構成されたトランスミッタ;
前記サンプルと相互作用する前記波を受信するように構成された受信装置;および、
前記受信装置と動作可能に通信し、かつ、光学的経路、減衰係数、散乱係数、および、少なくとも前記受信波を示すデータに基づく前記サンプルの一つ以上の分子分析物の屈折率、を一つまたは複数の関数として、前記一つ以上の特性を示す連立方程式を解くことにより、前記一つ以上の特性を決めるようプログラムされたプロセッサ;
を含む
ことを特徴とするサンプルの1つ以上の分子分析物の1つ以上の特性を測定する装置。 - 前記トランスミッタが、擬似ランダムシーケンスでパルス波を送信するように構成されており、
前記受信装置が、受信パルスのシーケンスを送信パルスシーケンスに関係させるように構成されている
ことを特徴とする請求項27に記載の装置。
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