JP6108498B2 - 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

Description

本特許出願は、２０１２年４月３０日に出願された米国特許仮出願番号６１／６４０，６８２号、「分子分析物の分光分析のための方法および装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ａｎａｌｙｔｅｓ）」、および、２０１３年３月１５日に出願された米国特許仮出願番号６１／７８９，５６５号、「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（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｍａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ａ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ａｎａｌｙｔｅ）」の利益および優先権を主張する。上述の各特許出願の開示は、その全体が参考により本明細書に組み込まれる。

本発明は、サンプルの物質成分（サンプルに伴う分子分析物等）のスペクトル依存特性を検出および／または測定するように構成された装置の動作波長を選択するための、分光測定システムおよび方法に関する。特に、本発明は、ＶＣＳＥＬに基づくパルスオキシメータに対する最適な動作波長の最適な決定のための方法に関する。

動脈血液および組織酸素飽和度の評価は、急性心血管欠乏症(acute cardiovascular deficiencies)（例えば、限定するものではないが、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）、または、極端な場合、大量失血に起因した血液の低酸素飽和度）をモニタリング、診断、および治療するために重要であることが示されている。さらに、生理的変化が生じる時系列は、根本的な心血管系の劣化を示すものである。動脈血液および組織酸素飽和度の定性的モニタリングを可能にする技術がある一方で、現在の医療実務は、医療機関に到着する間で、当初の心血管イベントまたは急性外傷からの心血管系状態の悪化を定量的にモニタリングするツールが不足しているようである。

分光法は、元来、波長（「λ」）の関数としての、放射と物質との相互作用について研究であった。歴史的に、分光法とは、例えば、プリズムによりその波長に応じて分光された、可視光の使用を指した。

後に分光法の概念は大きく広がり、波長または周波数のいずれかの関数としての量の測定を含んだ。したがって、これは交番場（alternating filed）または可変周波数（ν）に対する応答を意味することもできる。フォトンに関する非常に密な関係性「Ｅ」＝「ｈν」（ｈはプランク定数）が理解されると、定義範囲のさらなる拡張は、変数としてエネルギー（「Ｅ」）を追加した。波長、あるいはさらに一般的には周波数の関数としての材料もしくは構造の応答のプロットまたは測定は、スペクトルと称される。

ＩＳＯ規格番号８０６０１−２−６１：２０１１は、３４ページで、「現在の技術は、生体内ヘモグロビン酸素飽和度に近づけるために、適正なヘモグロビン濃度、血液流の拍動変化、および、組織層を通る光の透過を必要とする。パルスオキシメータ装置は、典型的には、心肺バイパス中、または極度の低流速状態では有効に機能できず、また、現在のところ、血液流や血液量の測定手段として意図されていない。このような制限下で、パルスオキシメータ装置は、動脈のヘモグロビン飽和度の適切な測定を実現しない。現在市販されている生体内パルスオキシメータ装置は、試験管内の光学オキシメータによる血液サンプル測定の代替ではない。パルスオキシメトリから得た値は、血液または固形組織の酸素圧の測定値ではない。パルスオキシメトリは、組織への酸素輸送または組織酸素消費量を直接示すことができない」と述べている。

最近の理論の発展は、酸素測定を実行するために複数波長の光を使用する分光装置の潜在的利点を指摘している。複数の十分に選択された波長を使用する分光装置（オキシメータを含む）は、極めて大型の装置の利用を必要とせずに、向上した精度を有する。装置が定量的心血管系測定で利用するデータを取得および処理できるように、最適な複数の波長を正確に選択する方法への必要性が残っている。また、複数の選択された波長は、取得結果から他の物質成分の定量化のために用いられる装置、および、分析物の間を適正かつ完全に区別するプロセス（ここでは分析物のコントラストと称する）の最適化においても有利である。

さらに、サンプル中の分子分析物の相対および／または絶対濃度を測定するために動作するように構成された、改良された測定装置に対する必要性が残っている。従来のモデルでは、経路長、および、特に測定中のサンプルを横断する電磁波の経路長における波長に基づく変動を無視していた。この情報を取り入れることで、測定の感度および精度を向上させることができ、それにより多様な特性評価の導出が可能となる。定量化される物質成分のうちの一部は、分子分析物を含む。これら分子分析物の非限定的例は、細胞、タンパク質、ヘモグロビン、ブドウ糖、脂質、発色団、水、ｐＨおよびガス（例えば、過分極ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、および酸素）である。また、信号の短い通過時間、およびインパルスの変動中に伝達される豊富な情報、そして、サンプルのステップ応答に起因して、分光測定システムによるステップ応答の正確で細かい測定は困難であるが、重要である。

ＩＳＯ規格番号８０６０１−２−６１：２０１１

さらに正確な測定および評価のために詳細な情報を利用可能ならば、非常に小さい信号レベルおよび非常に短い通過時間を正確に測定し、それによって、透過した信号の集合的な微分経路長の詳細を提供する能力を組み入れたシステム、方法、および装置に対する必要性がある。

本発明の実施形態は、電磁波（ＥＭＷ：electromagnetic wave）を生成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を提供し、この装置は、サンプルの物質成分の特性を測定するために、サンプルと協働する。この方法は以下のステップを含む。（ｉ）ユーザ入力装置で、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こと、（ｉｉ）サンプル中の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、ならびに、サンプルを通るＥＭＷのスペクトル依存経路の関数として、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定義すること（ここで、ＥＭＷは少なくとも第一および第二の物質成分に各々対応する）、（ｉｉｉ）第一連立方程式、および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を含む第二連立方程式を定義すること。さらにこの方法は、（ｉｖ）性能指数（装置を用いる動作コストを示す）が、動作波長において局所的に最適化されることを確実にするものなどの、装置の動作波長を決定するために、第二連立方程式を解くステップを含む。

受信ステップは、減衰係数、散乱係数、異方性係数、蛍光パラメータ、屈折率、およびＥＭＷを衝突するための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、一つまたは複数を示すデータの受信を含んでもよい。特別なケースでは、減衰係数は第一および第二のモル減衰係数を含む。代替的に、または付加的に、物質成分は、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（例えば過分極ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、および酸素のうちの少なくとも一つ）、ならびに水、の一つまたは複数を含む。受信ステップは、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吸収特性を示すデータを受信することを任意選択で含んでよい。受信ステップは、血液を含む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され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任意選択で含んでよく、ここで、第一および第二の物質成分の少なくとも一つは血液分析物を含む。第二連立方程式を定義するステップは、動作波長で動作する装置の製造コスト、ＥＭＷの前記経路決定に関するエラー、および前記動作波長における装置の動作ノイズに関する性能指数のうち一つまたは複数を示す行列係数を含む行列方程式を定義することを含む。

第一連立方程式を定義するステップは、各々対応する濃度（この濃度は、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；二酸化炭素濃度；酸素濃度；水の割合；ｐＨレベルの少なくとも一つを含む）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第一連立方程式を決めることを含む。

第二連立方程式を定義するステップは、装置の動作ノイズに関する性能指数を表す行列係数を含む行列方程式を定義することを含み、ＥＭＷの波長が変化するため、動作ノイズは、少なくとも第一および第二の物質成分の吸収の変化の関数として計算される。

解くステップは、分散の伝播、装置の製造コストを示すパラメータ、装置サイズを示すパラメータ、および、装置の消費電力を示すパラメータの少なくとも一つを含む性能指数の最適化を含む。代替的に、または追加的に、解くステップは、特定の実施において、第一および第二の動作波長を決めるために、第二方程式を解くことを含み、ここで、第一および第二の動作波長の一方は、第一および第二の物質成分に対応する等吸収点波長より短く、他方は、等吸収点波長より長い。解くステップは、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反復アルゴリズムを用いることを含む。

本発明の実施形態は、サンプル特性を測定する分光測定システムをさらに提供する。このようなシステムは、予め決定した動作波長のセットの中からの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）供給源と、少なくとも一つの供給源と機能的に連絡するＥＭＲの検出部とを含む。システムは、供給源および検出部をサンプル近傍に配置するようになされた支持構造；供給源および検出部と協働し、供給源からサンプルを通り検出部で受信されたＥＭＲを定量化し、かつこのような定量化を表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を追加的に含む。システムはさらに、ユーザが決めたフォーマットで出力データを示すことが可能なデータ出力装置を含み、ここで、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、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、所定の動作波長のセットが決まる。このような連立方程式は、少なくとも、（ｉ）サンプル中の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）サンプルの少なくとも第一および第二の物質成分に対応し、サンプルを通って伝播するＥＭＲのスペクトル依存経路、および（ｉｉｉ）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。所定の動作波長のセットは、性能指数（分光測定装置を用いる動作コストを示す）が少なくとも局所的に最適化されるものである。

本発明のシステムは、パルスオキシメータを含んでもよい。代替的に、または付加的に、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は、光吸収特性を含む。所定の動作波長のセットは、連立方程式（サンプルの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方程式を含む）を解くことにより決まる。このような濃度は、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。具体的な実施では、ガス濃度は、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、少なくとも第一および第二の物質成分はヘモグロビンを含む。

垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）ベースのオキシメータの実施形態を示す概略図である。 ＶＣＳＥＬベースのオキシメータの代替の実施形態を示す概略図である。 ３種類の発光ダイオード（ＬＥＤ）のスペクトルエネルギー分布を示すグラフである。 ＬＥＤを用いる関連技術のパルスオキシメータでの、８種類の動作波長の選択を示すグラフである。 図１Ａおよび図１Ｂのオキシメータのための少数（４種類）の動作波長を示すグラフであり、これは十分に動作する。動作波長数の低減は、本発明のアルゴリズムを用いることにより達成される。 本発明のアルゴリズムを用いて決定された、光ベース分光装置のスペクトル非依存的バンド幅の最適選択を示すグラフである。加えて、このグラフは、このような分光装置を利用することの動作コストを表す「ペナルティ」曲線（「コスト」曲線または「性能指数」曲線）を示す。 クロロホルム中のビリルビン（可能性のある交絡分析物）を特徴付ける吸光係数のスペクトル分布を示すグラフである。 本発明のアルゴリズムを用いて決定される、ブドウ糖レベルを測定する、光ベース分光測定装置のスペクトル非依存的バンド幅の最適選択を示すグラフである。 シミュレーティドアニーリング解を定義する最適化アルゴリズムを示すフローチャートである。 図５に示す一連のステップを組み込む最適化アルゴリズムに対して、シミュレーティドアニーリング解の一連の確認を示すフローチャートである。

本明細書を通じて「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「関連する実施形態」、または類似の用語への言及は、「実施形態」の参照に関して記載された特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。本開示のいかなる部分も、単独でおよび／または図面と関連して、本発明の全ての特徴の完全な説明を提供することを意図しない。

図面において、同様の数字はできる限り同一または同様の要素を示す。各図面も、本発明の全ての特徴の完全な説明を立証することを意図しない。言い換えると、所与の図面は、概して本発明の特徴のすべてではなく、いくつかのみの説明であり、図面の簡略化の目的のために、個々の表示の全要素または提示することができる全特徴を含むわけではない。本発明は、本発明の一つまたは複数の具体的な特徴なしで実施することもあり得る。実施形態の特定の細部は、そのような実施形態を説明するそれぞれの図面において必ずしも示されていないが、図面におけるこの細部の存在は、説明の文脈が別段要求しない限り黙示できる。本発明の、説明された単一の特徴、構造、または特性は、一つ以上のさらなる実施形態において適切な方法で組み合わせ可能である。

さらに、プロセスフロー図を示す模式的フローチャート図が含まれる場合、処理ステップまたは特定の方法が生じる順序は、図示した対応ステップの順序を厳密に順守してもよいし、しなくてもよい。

本開示に添付の特許請求の範囲または項に記載した発明は、全体として本開示に照らして評価されることが意図される。本発明がオキシメータ装置の例を参照して説明され得る一方で、概して本発明の範囲が、一般的に、電磁放射を発生および任意選択で検出する装置を包含することが理解される。

動脈血液および組織酸素飽和度の評価は、急性心血管欠乏症（例えば、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）、または、極端な場合、大量失血など）をモニタリング、診断、および治療するために重要であることが示されている。さらに、生理的変化が生じる時系列は、根本的な心血管系の劣化を示すものである。動脈血液および組織酸素飽和度の定性的モニタリングを可能にする技術がある一方で、現在の医療実務は、医療機関に到着する間で、当初の心血管イベントまたは身体的外傷からの心血管系状態の悪化を定量的にモニタリングするツールが不足している。最近の理論の発展は、極めて大型の装置を用いずに精度を改善する方法として、複数波長オキシメータの潜在的利点を指摘している。上述した市販の多波長技術の欠点に加え、市販のオキシメータが動作する波長の決定は、（実際使用することでわかるように）ある意味任意であり、患者から取得したスペクトルデータの混合をもたらす。結果として、データ処理および生体情報の回収が不必要に複雑になる。このため、現在使用されている方法論は、定量的に不十分である。

パルスオキシメトリは、患者の動脈血酸素飽和度を継続的にモニタするために、一般的に用いられる。「パルス」は、心拍周期の間、組織内の時間変化する動脈血量に由来する。典型的なパルスオキシメトリセンサは、血液かん流組織を通り分散しおよび／または透過する光を測定するために、光検出部および、二つまたはそれ以上の波長で光を生成する光源を用いる。酸化ヘモグロビン（すなわちＯ₂Ｈｂ）の吸収係数が脱酸素化ヘモグロビン（すなわちＨＨｂ）のものと著しく異なるスペクトル範囲に収まる選択された発光波長の少なくとも一つを含んで、波長選択は、従来、動脈血酸素飽和度の変化（ＳａＯ₂、ＳｐＯ₂）に対する感度に概して重点をおいている。パルスオキシメトリのための複数光源に対して一般的に実施される選択の一例は、二つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることであり、一方は約６６０ｎｍを中心とするスペクトルを有する光を生成し、第二のＬＥＤは約９００ｎｍを中心とするスペクトルを有する光を生成する。

動脈血中の他の分析物（異常ヘモグロビン（dyshemoglobins）（すなわち、ＭｅｔＨｂおよびＣＯＨｂ）等）を、各分析物に対し少なくとも一つの追加波長を用いて、測定することも可能である。

オキシメータは、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いてもよい。従来の端面放射（面内としても知られる）レーザ装置から放出される光のビームは、横断面で楕円形であり、しばしば非点収差ビームである。端面放射レーザからのビームの広がり角はかなり大きく（１０度ずつ約３０度）、それによって光ファイバーへのカップリング効率が低減される。対照的に、ＶＣＳＥＬ装置は、より制限された光路をもたらすために成形された開口を用いており、これは、概して広がりの少ないビームとするために、円形横断面で、十分な直径のビームとなる（典型的に約１０度角で）。ＶＣＳＥＬの動作特性は、ここではこれ以上詳細には述べない。

図１Ａは、レーザダイオードがプローブ部分の必須部分であるプローブモジュール（probe module）１１０を模式的に示す。プローブモジュール１１０は、一つ以上のＶＣＳＥＬ１２０を備え、任意選択で空間的に所定パターンまたはアレイをなすように構成されている。各ＶＣＳＥＬ１２０は、選択された波長を実質的に中心とする光のビームを発生する。また、プローブモジュール１１０は、レーザダイオード１２０により発された光を受信および検出するように構成された光検出部１３０を備える。光検出部１３０は、いずれかの好適な検出部構成要素（例えば光電子増倍管（ＰＭＴ）、アバランシェフォトダイオード、およびＰＩＮダイオード）の少なくとも一つを含んでよく、特定のケースでは、このような検出部のアレイを含んでよい。また、プローブモジュール１１０は、コネクタ（図示せず）を含む。コネクタは、プローブモジュール１１０をケーブル（図示せず）で操作可能に協力するように構成されている。ケーブルは、プローブをモニタ（図示せず）と接続させる。プローブモジュール１１０は患者のかん流組織１４０（説明のためだけに、指として図示）と並置して図示されている。プローブモジュール１１０は、透過モード（指１４０の片側上のレーザダイオード１２０、および指１４０の反対側の光検出部１３０のアレイを有する）で操作できるように構成されている。あるいは、プローブは、反射または後方散乱モード（素子１２０および１３０はかん流組織１４０の同じ側に配置されている）で操作できるように構成されている。レーザダイオード１２０のアレイは、マウント１６０により所定の位置に保持された拡散器１５０を含んでもよい。光出力の拡散は、レーザダイオード発光装置１２０のアレイによって生じた光部分１６６が、空間的に集中しないこと、および、間違って患者の目の方向に変更された場合、悪影響を引き起こし得ないことを確実にする。細動脈層１７０を通過する際の光部分１６６の経路長の変化は、血中分析物の濃度の決定に用いられる性能指数である。アレイ内の複数のレーザダイオード１２０の近接した配置は、細動脈層１７０内を通る実質的に共通の経路を横切るレーザダイオードによって生成される複数の光ビームをもたらし、これは測定精度を向上させる。

図１Ｂを参照すると、プローブモジュール１１０は患者の組織１７０（単なる例として、上腕１８０として示す）に並置され、複数の光検出部１３０は、上腕１８０の同じ表面に沿って所定の配置（例えば、配列（正方形または長方形）、三角形、および五角形）に並べられる。光源１２０から光検出部１３０、１３１、１３２へ光の伝播により各々決まる光学経路１８４、１８５、１８６は、組織１７０（および、可能であれば細動脈層）の実質的に異なる深さを横切ってよい。複数の光検出部は、互いに予め決められた距離で配置することができる。この場合、組織１７０を通り伝播するパルス波は、空間的に離れた光検出部１３０、１３１、１３２により、個々に検出可能である。それらの検出部により受信される光に関するパルスベースの分析物組成データにおける時間差は、患者の状態の様々な特性（例えば、心拍出量および心拍出量の心拍毎の変化）を決定するために用いられる。プローブが配置される体の位置は、用途に依存して異なってもよい。

単色光源は、複数のエミッタ間でスペクトル分布が重なることを避けるために、また、ヘモグロビン吸光スペクトル分布曲線に関して所与のエミッタのスペクトルバンド幅の正確な整合をもたらすために、オキシメータのエミッタとしての利用に概して好ましいことが理解される。特に、ＬＥＤバンド幅の半値全幅（ＦＷＨＭ）の値は、典型的に少なくとも数十ナノメータを超える。対照的に、ＶＣＳＥＬのバンド幅のＦＷＨＭは、およそ１ｎｍである。加えて、これらの光源の従来の用途はディスプレイ技術におけるものであるため（所定波長での動作を必要とする定量測定システムではない）、ＬＥＤは、典型的には、対応するバンド幅の中心波長を厳しく品質管理することなく製造される。

他の例として、（他の用途では実質的に同一であると推定される場合がある）複数のＬＥＤ間の中心波長、バンド幅、およびスペクトル曲線形状の動作変動は、下に記載する用途においては、著しく異なる場合がある。この目的に向けて、図２は理想的ＬＥＤのスペクトル２１０の例を示す。曲線は、６００ｎｍを中心とする対称的なバンド幅を有する。第二曲線２１５は、製造時に名目上６００ｎｍを中心とするスペクトルのＬＥＤの測定値と対応する。ＬＥＤ製造工程の欠陥は、理想曲線２１０と比べて、曲線２１５のスペクトルバンドの中心波長の赤色側へのシフト、および加えて、７００ｎｍを超える可視スペクトル出力をもたらす。スペクトル発光曲線２１５の末端２１７は、かん流組織からの受信信号に測定可能な影響を及ぼすことがある。スペクトル発光曲線２１５の末端２１７部分の大きさと広がりを、名目上の中心波長における信号出力と比較して、予測、測定、および説明することは難しい。しかし第三ＬＥＤと対応する他のスペクトル曲線２２０（このスペクトルは波長６００ｎｍが名目上中心である）は、対応する中心波長に関して非対称のスペクトル出力を示す。ＬＥＤに対しＶＣＳＥＬは、中心波長およびバンド幅に関しともに、予測可能かつ繰り返し可能なスペクトル出力を伴って製造できる。

他の複雑にする要因は、ＬＥＤがプローブモジュールに搭載されており、患者の肌に並置されることである。ＬＥＤは、それゆえ、プローブモジュールの動作中に著しい温度変動を受け、ＬＥＤの波長出力の変化を引き起こす可能性がある。この影響はＬＥＤアレイ全体の動的変動をもたらし、測定可能なエラーの発生源を生じ得る。最後に、他のエラー発生源は、いわゆる「静脈のプレフィルタリング（ｖｅｎｏｕｓ ｐｒｅｆｉｌｔｅｒｉｎｇ）」であり、血液の静脈成分および無脈の動脈成分によって、発生波長スパンの全体にわたりＬＥＤのスペクトル出力が不規則かつ予測不能に減衰する。このような光の減衰は、血中酸素飽和度と光の波長の関数であり、対象毎に変化し、本質的に一時的であり、ならびに、所定の患者内および複数の患者の間で変化する。動脈血流は、パルスオキシメトリの読み取りを行う患者の四肢内で非常に変化しやすい。血液の動脈成分と静脈成分との間の酸素飽和度の差異は、わずか１パーセント未満から２５パーセントより大きい値までとなり得る。光源のスペクトルバンド幅が大きいほど、エラー発生源による潜在的エラーは大きくなる。エラー発生源は、ＬＥＤ、ならびに、読み取りを実行するために患者の付属肢にＬＥＤを配置する方法に本来備わっている。

よって、複数の動作波長の選択（これにおいてパルスオキシメータの光源（または光源の組み合わせ）は動作するはずである）は、非常に重要となる。この目的のために、図３Ａは、４種類の血液分析物（オキシヘモグロビン、ＯｘｙＨｂ；デオキシヘモグロビン、ＤｅｏｘｙＨｂ；一酸化炭素ヘモグロビン、ＣＯＨｂ；およびメトヘモグロビン、ＭｅｔｈＨｂ）のスペクトル分布曲線、８つの波長（６１０ｎｍ、６２０ｎｍ、６３０ｎｍ、６６０ｎｍ、７００ｎｍ、７３０ｎｍ、８０５ｎｍ、および９０５ｎｍ）の概略示度、ならびに、市販の病院のオキシメトリシステムに用いられる８つのＬＥＤ源と各々対応する８つのスペクトル分布（一括して、３００とラベル化）を示すグラフを表す。ＬＥＤ光の出力の著しいスペクトル重複（６１０ｎｍ、６２０ｎｍ、６３０ｎｍ、６６０ｎｍ、７００ｎｍ、７３０ｎｍ、８０５ｎｍ、および９０５ｎｍをおそらく中心とする）は、取得データのスペクトル混合をもたらし、せいぜいバックグラウンドノイズを低減するために信号を平均化することに寄与するだけであると理解される。実際、後述の方法およびアルゴリズムによって定めるように、複数種のヘモグロビンを特定しかつ特性を明らかにするために、上述の８つの波長から選択した４つの波長のみにおける光ビームは、実際的に著しい大多数のデータの取得に十分である。図３Ｂは、図３Ａのセット３００からの４つのスペクトル分布３２０のこのような選択を示す。様々な波長で動作する数種類の異なる光源を用いて取得したデータを用いることは、ユーザが複数の生化学分子種を示す解を取得することを可能にする。

本発明の実施形態を説明する具体例は、光学分光法への適用（より具体的には、オキシメトリ、定量化オキシメトリ、または血液サンプルのパルスオキシメトリ）を用いて以下に示しているが、本発明の実施形態は、異なる分析物（例えば、分子またはタンパク質）を識別および／または測定するために、他の媒質（例えば、ガスまたは流体）とともに用いることもできる。本発明のアルゴリズムの特定の実施は、行列方程式を用いて説明されるが、一つまたは複数の分析物を測定するために連続方程式を用いることもまた、本発明の範囲内である。同様に、ＶＣＳＥＬは、他の光源（例えば、端面発光半導体レーザ、または発光ダイオードなど）と置換されてもよい。さらに、本発明の実施形態は、光学波に限らず、例えば電波または音波のような様々な波を用いても実行可能である。

試験中のサンプルが生物組織および／または血液を含むとき、本発明の実施形態に応じて選択された波長の光を用いて決定されるサンプル特性は様々である。これらの特性は、例えば、機能性の、または機能障害性のヘモグロビンの濃度、ブドウ糖、脂質、タンパク質、発色団、ガス（例えば酸素や二酸化炭素の割合）、水、およびｐＨレベルを含む。測定可能な他の特性は、正常または異常な細胞カウント、および正常または異常なタンパク質レベルを含む。本発明の範囲は、生物組織または記載の限られた特性に限定されない。本発明の範囲はまた、一般的な分子分析物（生物サンプルならびに非生物サンプル中に存在する場合）の相対レベルおよび定量的量を測定することも含む。

派生的処理を提供する本発明の一実施形態は、例えば、血中酸素飽和度、血糖レベル、血中タンパク質レベル、血中脂質レベル、体内の全水分、中心血液量、蛍光性生体分子または色素の濃度、呼吸器官の呼吸量、心拍出量、および心拍出量の心拍毎の変化のうち、一つまたは複数を提供することができる。サンプルプロービング波は、波の発生源の位置、角度、強度、位相、および波長の時間ベースの変動を含むことにより変えることができる。サンプルは、例えば、サンプルの一つまたは複数の特性の定量測定を行うために、較正した一酸化炭素（ＣＯ）量を導入することにより変更してもよい。本発明の範囲はまた、時間変化する性質の濃度を決定することができるように、時間にわたって測定値を記録することも含む。このデータの収集から誘導される特性は、心拍数、心拍数変動、拍出量、拍出量変動、および類似の特性を含む。

本発明に係るアルゴリズムの実施は、酸素飽和ヘモグロビン（オキシヘモグロビン）との化学平衡で見つかるヘモグロビンの様々な分子種（デオキシヘモグロビン（ヘモグロビンの不飽和化形態）ならびに機能障害性メトヘモグロビン、スルホヘモグロビン、および一酸化炭素ヘモグロビン（後者は一酸化炭素の高環境レベルにさらされることに関係する）など）の最適な光学検出を容易にするだけでなく、いずれかの所与の時間での血中のそれぞれの分子種の相対的割合の測定も可能とする。この目的のために、図３Ａで図示するように、複数種のヘモグロビンの吸光係数のスペクトル分布（さらに、吸収曲線とも称する）を曲線のセットで示す。当然、光学的に取得したスペクトルデータから複数種を分割するために、連立方程式を解かなければならない。例えば４種のヘモグロビンの場合、少なくとも４つの独立方程式が必要である。これらの方程式を得るためには、血液サンプルのスペクトル特性の少なくとも４つの一次独立な光学測定値を代入するために、少なくとも４セットの係数が必要であり、したがって、少なくとも４種類の異なる光学波長が必要である。有意義にヘモグロビン測定を行うことができる光学波長は、約４５０ｎｍから約１０００ｎｍである。図３Ｃは、ヘモグロビン種に対する吸収曲線の例を示し（具体的には、吸光係数のスペクトル依存曲線）、４種の特定されたヘモグロビンを分割する点で最適な光学的波長（図示される通り、６１１ｎｍ、６５０ｎｍ、６７３ｎｍ、および、８５７ｎｍ）を、最も低い雑音対信号比（ＮＳＲ）または、代替的に、最も高い信号対雑音比（ＳＮＲ）で特定する。分光装置の様々な吸収曲線および関連する動作波長の選択は、様々なＮＳＲと対応するであろうことが理解される。

４種のヘモグロビン（例えば、オキシヘモグロビン、デオキシヘモグロビン、メトヘモグロビン、およびスルホへモグロビン）の吸収曲線の分析は、一部の狭い周波数範囲における高い吸収性能指数、および、他の狭い周波数範囲におけるさらに低い吸収性能指数を、いずれかの所与の分子種が定めること示す。４種のヘモグロビン全ての相対量または絶対量を同時に測定および分割するために、理想的には、４つの未知の波長変数とともに４つの一次独立方程式を選択しなければならない。波長選択を最適化する一つの方法は、４種類の測定の全てに対して最も低いＮＳＲを生じるために、これらの方程式を可能な限り互いに一次独立とすることである。それゆえ、４つの光学波長は、各々対応する吸収曲線が、これらの波長において、できる限り互いに異なる振幅を有するように選択されなければならない。この波長は、分析物と電磁放射（ＥＭＲ）または電波（ＥＭＷ）の各相互作用が捕捉されるように選択されなければならない。全ての成分がＥＭＲまたはＥＭＷに対して透過性である場合、ＥＭＲまたはＥＭＷは、サンプルとの非常に小さい相互作用を有する。分析物のいずれかが所定の波長で実質的に不透過である場合、検出部により受信される信号レベルは、測定するのが困難であろう。連立方程式の分散の伝播を向上させることにより、一次独立の組み合わせ、および、分析物とのエネルギーの相互作用を向上させることができる。これは以下で詳細に検証される（特に、方程式（２９〜３９）を参照）。

Ｗａｒｄ ＣｈｅｎｅｙとＤａｖｉｄ Ｋｉｎｃａｉｄによると（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ＆Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，７ｔｈ Ｅｄ，Ｂｒｏｏｋｓ Ｃｏｌｅ；２０１２年４月２７日）、行列演算では、動作の入力から出力におけるエラー移動のゲージを供する「条件数」を計算可能である。条件数１を有する系は良条件（ｗｅｌｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ）であると考えられ、計算された条件数が大きければ、系Ａｘ＝ｂを解く漸次悪条件（ｉｌｌ−ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ）の系を示す。もし一次方程式が要素Ａの摂動、または成分ｂの摂動の影響を受けやすいならば、これは大きい条件数を有するＡに反映される。

図３Ａで、８波長の解の条件数は３０．５と計算され；図３Ｂで条件数は３３．１であり；図３Ｃで、最適に選択された波長を用いて、条件数は１９．８と計算され；条件数が大きくなるほど、より悪条件の系となった。図３Ｂでは、波長の選択が図３Ａに含まれる波長選択に制約されることに留意されたい。図３Ｂの条件数が図３Ａの条件数より高い一方、他の性能指数（エラーの伝播を含む）はさらに改善されている。条件数は、潜在的性能指数の一つを説明するためここで用いている。波長選択の制約なしで、図３Ｃの条件数は、図３Ａまたは図３Ｂのいずれかのものと比べ、改善されることに留意されたい。

本発明の着想によると、パルスオキシメータまたは光学分光計で用いるＶＣＳＥＬの動作波長の選択は、これに限定されないが、例えば混合行列の条件または分散の伝播など、コスト関数アプローチに基づくメリット（またはコスト）関数を作ることにより、実行される。コスト関数の制約パラメータのいくつかは、（ｉ）ＶＣＳＥＬまたは他の成分の製造性；（ｉｉ）光源出力のバンド幅またはスペクトル範囲；（ｉｉｉ）バンド幅の実質的中心にある中心波長；（ｉｖ）動作中心波長の小さな変化に伴い、急速な精度変化をもたらす遷移領域；（ｖ）様々な経路長、または、様々な周波数の光が媒質内を横断する平均路（δ）；（ｖｉ）例えば媒質中の生理学的に重要な変化に伴い、経路長の統計的分布から得られる光学的経路長のエラー；および（ｖｉｉ）分析物の吸収方程式に従って、波長特異的なペナルティ係数を含んでよい。本発明のアルゴリズムによると、パルスオキシメータ、またはより一般的には、物質成分のスペクトル依存特性を測定する分光器の動作波長を決めるプロセスを最適化するために、案出した全コスト関数は、これら制約（および、必要であろう付加的制約）の全てを同時に適用する。

「製造性」制約パラメータは、選択された波長で動作するＶＣＳＥＬ製造の容易さまたは確実さを定義する。全コスト関数の計算において、選択された波長が、製造性制約限界に入らないならば、重み付けまたはスケーリング（後述、例えば方程式（４０）を参照）を実行する。

「バンド幅」制約パラメータは、所望のバンド幅で分散を考慮するために、および、別々の急な遷移領域における有効性を試す目的で実際の光源のプロファイルの任意入力を可能とするために、ＶＣＳＥＬまたはＬＥＤ（あるいは白色光源さえ）の、仮説的シミュレーションを容易にする。

「中心波長」制約パラメータは、所定光源の性能上の製造公差の影響を試験することを容易にする。特定のタイプのスペクトル分布が中心波長で大きな分散を有するならば、製造後の中心波長と所望の中心波長との関数としての解のエラーを最小化するための制約として、このパラメータは含まれ得る。

「遷移領域」制約パラメータは、波長選択が、その波長付近で、オキシメータの動作に関する吸収曲線が急速に変化する（よって、取得データの処理に可変性を導入する）ものであり得る、という認識を考慮する。

「様々な経路長」制約パラメータは、光学的散乱係数の波長依存性を考慮しており、光学経路長が各光源で異なることを意味する。従来のオキシメトリでは、経路長は等しいと考えられており、よってこれを考慮していない。しかしながら、低い酸素飽和度により特徴付けられる場合、光学経路長の差は、酸素飽和度の定量を不十分とし得る。よって、本発明のアルゴリズムは、様々な波長での光学的データ取得に応じた経路長差を考慮する。

「相互作用」制約パラメータは、サンプルとＥＭ波の最小相互作用（透過性）、または検出ユニットで受信する最小信号レベル（不透過性）のいずれかがあるように、サンプルまたはサンプルの物質成分の、差動的で過剰な透過性、および差動的で過剰な不透過性の波長依存性を考慮する。

解のエラーを最小化する方法は、提案したアルゴリズムを利用する。このような方法は、シミュレーティドアニーリング、勾配降下法（最急降下法としても知られる）、および線形計画法を含む。追加的に、または代替的に、フルフォワードおよびモンテカルロ近似を用いる逆モデル等の制約が任意で含まれるか、あるいは、所望のシステム最適化による方法から除かれ、よって、生理的変数の測定の包括的解釈を生む。例えば、媒質中に分析物が存在しない場合、特定の分析物に対応する制約またはペナルティを全コスト関数に含む必要はない。

よって、図３Ｃに示すように、「ペナルティ」とラベル付けされた曲線は、コスト関数の特定のサブセット、波長選択の決定を最適化するために、本発明に係るアルゴリズムプロセスに組み入れられるスケールファクタを表す。この「ペナルティ」関数は、例えば、いくつかの波長におけるレーザ（特に、ＶＣＳＥＬＳ）が、他の波長におけるレーザよりも製造しやすいという考察を示す。「ペナルティ」関数を用いることは、後述するように、ペナルティ関数またはペナルティ性能指数を最小化するように最適なレーザ波長の選択をシフトすることにより、アルゴリズムを効果的に修正する。最適化アルゴリズムがペナルティ曲線を包含せず実行されるならば、最適化プロセスは、ペナルティ曲線を考慮せず選択したものと大変異なる最適波長に到達する。例えば、新しいレーザ製造アプローチに伴いペナルティ曲線の形状は変化する可能性があり、新しい最適化の結果は、最新の／変更したペナルティ曲線でアルゴリズムを用いることにより決定できる。有効な解が、製造費の高いレーザ源の使用を必要とするならば、アルゴリズムは対応波長を選択し、「コスト」閾値は、所定の設計予算を解が実現可能でないと決める。光源の製造制約以上の他の要素（例えば、システムの光学的受信部を備える選択した光検出器の変化する波長における相対的光学応答性、またはそれに対する製造制約）を含む、さらなる考慮を課題の記載に組み入れることができる。

血液の２つの異なる要素（ヘモグロビンの種類、本明細書中では発色団とも称される）を分離するため用いる波長選択プロセスは、一つまたは複数の発色団をスペクトルで分離するために一つまたは複数の波長における測定が必要とされるとの実験的観察に概して基づく。この観察は、一つまたは複数の発色団によるプローブ光の吸収を示す測定した光学信号のスペクトル混合を確実に最小化するための基本となる。対象の発色団の数が増えると、波長依存する連立方程式を解くために必要とされる波長の最小数も増える。公開学術文献において、一部の限られた対象波長において数個以上の発色団を計算で定義することが難しいことがすでに記載されており、これは当然、準最適解を作る。しかしながら、本発明の着想によれば、オキシメータ用波長選択のアルゴリズムは、少なくとも所定の性能指数の最小化に基づく最適解（最適定義波長で動作するレーザ源、または、代替的に、市販の、最適化アルゴリズムで定義された波長と近い波長で動作するレーザ源に対応する）を実現できる。所定の性能指数の例は、測定から解までの分散の伝播により提供される。アルゴリズムは、近最適解、または束縛解を定めるため用いられてよく、解の一部として定まる特定波長を用いる。このアプローチは、決まった波長でのＶＣＳＥＬ一式が市販されており、新しい波長が著しく増えたコストでしか利用可能でないとき、有利に用いられる。アルゴリズムは加えて、最適な波長セットを明らかにすることに利用でき、中心波長（最適なセットからの波長に対応する）で動作するＶＣＳＥＬを、特別に設計および製造するプロセスを進めることができる。

特定の用途で用いられる分光測定装置が好ましく動作すべき波長選択を考慮するとき、測定されるサンプルの物質成分を考慮する必要がある。これらの物質成分のいくつか（ここでは可能性のある交絡成分（confounding components）と称する）は、それがあることでサンプルの測定に関係するスペクトルに影響を及ぼし、またそれがあることでサンプルを通り伝播する複数の信号レベルの少なくとも一つ、およびサンプルと信号との相互作用レベルに影響する、サンプルの物質成分である。このような考えは、条件数とは対照的に分散の伝播を用いることを必要とする。図３Ｄの曲線３６０は、約２４０から約７００ナノメートルの範囲にわたりスペクトル変化する場合の、クロロホルム中のビリルビンの光学的吸光係数を示す。（ビリルビンは、正常なヘム異化の黄色分解生成物である。ヘムはヘモグロビン中で見出され、赤血球の主成分である。ビリルビンは胆汁および尿に排出される。）

吸光曲線３６０の突出部により実験的に定まるように、ビリルビン（測定媒質の物質成分）は、５３０ｎｍ未満で、５３０ｎｍよりも大きい吸光係数を有する。この特性は、潜在的交絡分析物とともに利用可能ないくつかのトレードオフを示す。分析物の濃度が対象分析物の測定に影響するほど十分高いならば、交絡分析物の潜在的濃度の範囲で導入されたエラーは、測定のスペクトル依存性コストとして導入され得る。これは、交絡分析物が測定に微小の影響、あるいは影響を及ぼさないスペクトル領域の波長を選択するために、分光装置を動作する最適波長を決定するためのアルゴリズムを導く。代替的に、追加的波長（サンプルの交絡物質成分を考慮するため）を、アルゴリズムに加えることができ、交絡物質成分の濃度は他の分析物の判定から得ることができる。

これら二つの選択（干渉に関するコスト曲線を提供するか、付加的波長を加える）は、相互排他的ではない。付加的波長が必要でない場合にともにアルゴリズムの入力に用いられるならば、アルゴリズムによる出力として作られる二波長は同一であることが実験的にわかっている。このような最適化は、分散の伝播を性能指数として用いる結果である。図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃで論じたように、装置を用いる動作コストを示す性能指数の局所的最適化に基づいて厳選されたより小さい波長数は、装置の性能を向上する。

光学的非侵襲センサ法（Optical noninvasive sensing methods）は、ヘモグロビン種に加えて、さらに医学的に重要な生理学的および生化学的変数の検出を容易にする。一例として、図４は、１３５０ｎｍから１８５０ｎｍの範囲の近ＩＲ領域の血糖、タンパク質、および脂質の吸収曲線を表すグラフを示す。このグラフに示すスペクトル分布４００の中心波長は、対象の物質成分（すなわち、タンパク質、脂質、および糖）が長波長側でそれ自体を区別する吸光特性を示すため、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃより長い。水の吸収曲線を比較のために図４に提供する。このため、適切な動作波長が与えられると、血液中の人工物（例えば化学的タグ、マーカ、または色素）同様、糖、脂質、正常および異常なタンパク質、ならびに自然の分析物の検出および測定が、実行可能であると考えられる。図４に示す測定した物質成分に加えて、正常または異常な細胞数も測定可能な他の物質成分に含まれる。最後に、発色団の割合、ガス（酸素や二酸化炭素等）の割合、水の割合、およびｐＨレベル等、他の濃度も測定可能である。上述した物質成分は、臨床的パラメータとして、また、場合によっては疾患マーカ（例えば糖尿病）として、重要である。

波長読み取り値（１３７１ｎｍ、１５９７ｎｍ、１６７９ｎｍ、および１７０７ｎｍ等）でマーク付けされた垂直方向の実線は、本発明の最適化アルゴリズムを用い、上述した種類を検出するため選択された光の４つの動作スペクトル分布に対応する中心波長を示す。ＶＣＳＥＬのＦＷＨＭがおよそ１ｎｍであるため、これらの垂直線の幅はグラフにおいてＶＣＳＥＬの光のスペクトル分布を近似的に示す。一方、ベル形状の曲線４００（ピークは実質的に垂直方向の実線上を中心とする）は、比べると、同じ波長を中心とするであろうＬＥＤの広帯域なスペクトル分布を示している。各ＬＥＤのＦＷＨＭ値は、およそ５０から１００ｎｍまたは少なくともＶＣＳＥＬの５０倍である。

これらの波長、または、ここに記載の制約と合うように決定した波長セットを用いることは、すなわち主な分子分析物を最適、またはほぼ最適に分離することであり、非侵襲な血糖値検出部として用いられ得る。複数の検出部１３０について記載した技術が用いられ得る。

非散乱吸収媒質（Non-Scattering Absorbing Medium）。光のフォトンは、均一で、損失性があり、非散乱の媒質を通過する際、移動距離δに関係して、バルク媒質（ＢＭ）の減衰係数μ_a（λ）に応じて減衰し、光の放射照度はランベルト・ベールの法則に従い変化し、フォトンが距離Δδにわたり吸収される確率はΔδμ_a（λ）であり、また、減衰する相互作用間の平均自由行程ｌ_t（λ）はｌ_t（λ_j）＝μ_a ^-1（λ_j）で与えられる。媒質の減衰成分または発色団の各々は、Ｃ_jで示され、バルク媒質の特性の代わりとみるため、バルク媒質の特性は、独立の減衰発色団の全Ｎの合計で表され得る：

しばしばμ_a（λ）は、非散乱媒質を備える各減衰成分［Ｃ_i］の濃度の関数として、光の透過性を容易に定式化するために、モル吸光またはモル減衰係数ε（λ_j）［Ｍ^-1ｍ^-1］で置き換えられる。このような置き換えにおいて、所定の発色団ｉで、減衰Ａ（光学濃度の単位ではＯＤ）と透過係数Ｔは以下のように関係づけられる。

よって、

および

となる。

光学濃度係数Ａが、複数の波長、ｊ＝１．．．Ｍで測定されるならば、Ａはベクトルと行列表記法で次のように表される。

および

方程式（７）は測定のバイアスＧとノイズＮを計算に入れるため再度記載でき、次のようになる。

既知のモル吸光係数のセット、光学濃度の測定値、および非散乱媒質が均質であると想定することで、方程式（７）の解は次のように得られる。

散乱非吸収性媒質。非吸収性媒質において、光の強度は、フォトンの移動距離δに関して散乱係数μ_s（λｊ）に従い、弾道軌道に沿って低減される。散乱することなくフォトンが距離Δδを通過する確率は、Δδμ_s（λ_j）であり、よって、

である。

光の散乱は異方性であってよく、このような散乱の方向性は、ユニットレス要素ｇにより記載される。極角φ（０≦φ≦π）と方位角ψ（０≦ψ≦２π）を用いることで、ｇは次のように計算される。

ここで、ｐ（φ）は、フォトンが角度φ（入射光（入射フォトンの単位ベクトル）ｒと散乱フォトンの単位ベクトルｒ’との方向で定義される）で散乱する確率であり、Ｈｅｎｙｅｖ−Ｇｒｅｅｎｓｔｅｉｎ関数で近似される。

散乱データは、例えば、積分球を用いることで取得でき、逆モンテカルロシミュレーションの結果と関連する。ｇ＝１のとき、光は完全に前方散乱したと考え、ｇ＝−１のとき光は完全に後方散乱したと考える。

散乱吸収媒質。媒質の散乱および吸収特性をともに考慮するために、フォトンおよび媒質間の全相互作用係数は次のように表される。

ユニットレスアルベド因子ａは次のように定義される。

そしてこのような媒質の散乱率は次のように表される。

吸収媒質の光散乱の異方性は、低減した散乱係数を導入することにより説明される。

また、低減した全ての相互作用の係数は以下である。

ｇ≧０のとき、前方散乱の可能性は増加し、それゆえ、進行路に沿った見かけ上の光の減衰は減少すると従来認識されていた。この従来の考え方は、光の各フォトンがある点まで到達する経路に関する情報を考慮せず、全光束のみを考慮している、すなわち〈δ〉≠δである。このような従来のアプローチは、それゆえ、濃度定量にエラーを生じる。特に、〈δ〉＞＞δのとき、濃度は、多く見積もられる。よって、散乱を考慮するために、および、光の幾何学的経路δで考慮されない光の有効経路〈δ〉を考慮するために、経路長δにスカラ定数をかけてよい。

散乱媒質は、いわゆる分布形態（ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｒｅｇｉｍｅ）をしばしば定義し、ここで、一般的な拡散方程式（有効減衰係数μ_effが拡散近似法により定義される）を用いる無限媒質において、波長λ_jの連続波の点等方光源から離れて伝播する光の定常フルエンス率Φは、半径の関数、Φ（ｒ）としてモデル化できると考えられる。

従来モデルと、ここで提案するアプローチとの違いにより、発信器と受信器との間でとらえられるＥＭ波の経路長に関する情報は、取得した特性の測定値の精度向上に有効であることがわかる。

オキシメトリ：考察。血液サンプルの主な発色団は、機能性ヘモグロビンのオキシヘモグロビン（Ｏ₂Ｈｂ）およびデオキシヘモグロビン（Ｈｂ）、ならびに、非機能性ヘモグロビン（すなわち、異常ヘモグロビンまたは非機能性ヘモグロビン）、一酸化炭素ヘモグロビン（ＣＯＨｂ）、メトヘモグロビン（ＭｅｔＨｂ）、糖化ヘモグロビン（ＧＨｂ／Ｈｂ Ａ_1C）、およびスルホヘモグロビン（ＳｕｌｆＨｂ）を含む。［Ｈｂ］の全濃度は、［ｔＨｂ］で表され、以下に従う全フラクションの合計である。

機能性ヘモグロビンの合計は次のように与えられる。

酸素飽和度は次のように決まり、

オキシヘモグロビンのフラクションは次のように決まる。

２波長等吸収オキシメトリ。高濃度に含まれる機能性ヘモグロビン種が、Ｏ₂ＨｂおよびＨｂの２つだけと想定される場合、Ｓ_O2を得るには２波長のみが必要である。この２波長λ₁およびλ₂は、λ₁においては、対応するε（λ₁，Ｏ₂Ｈｂ）がε（λ₁，Ｈｂ）と最大限異なるように選択され、また、λ₂は等吸収点であり、すなわち、ε（λ₂，Ｏ₂Ｈｂ）がε（λ₂，Ｈｂ）と全く等しいようにλ₂は選択される。これをもって、解を求める二つの一次方程式は次のようになる。

吸光係数は既知であり、減衰（光学濃度）値は実験により決定されると考えられる。よって、２つの選択波長における光学濃度率は、次のようになる。

また、これにより、酸素飽和率は次のように決まる。

一般的２波長オキシメトリ。上述の導出は、等吸収点がλの一つのため選択されるとき、連立方程式の解を示す。概して、等吸収点を用いることの裏にある主な理由の一つは、膨大な計算量を必要としないよう、解法を簡易化することである。概して、しかしながら、上述の線形方程式（２５）が、単に既知の二つの重畳信号の非混合行列とみなされるならば、一意に決まる混合係数ε、あらゆるλ₁とλ₂は、酸素飽和値を定量するため選択可能であり、なお、波長の等吸収点は必要でない。実際、二つの独立波長λ₁とλ₂に関して（またはそれぞれλ₁とλ₂を中心とする２つの非重複スペクトルバンド幅）、方程式（７）は次のように書き換え可能である。

この場合、係数行列が、相互に直交しユニタリである混合係数εを決定する。対応する雑音増幅と分散の伝播は次のように与えられる：

雑音増幅は：

および

である。

分散の伝播は：

および

である。

対して、重複する二つのスペクトルバンド幅において、最適にλ₁およびλ₂、ならびに振幅を選択するために、性能指数は、このようなスペクトル混合／重複を考慮する定義を必要とする。本発明の実施形態によると、スペクトルが重なる二波長を選択する場合、雑音増幅の判定および／または分散の伝播技術を含む。例えば、一次独立でなく、１より大きい条件数を有し、情報の混合となる選択した数値係数で解はより複雑となり、なぜならＡ（λ₁）がＯ₂ＨｂとＨｂからの信号成分を含むからである。同様に、Ａ（λ₂）はＯ₂ＨｂとＨｂからの信号成分を含む。一方、Ａ（λ₁）は、Ｏ₂Ｈｂのみから信号成分を含めば、Ａ（λ₂）は、Ｈｂのみから信号成分を含む。この混入した、または不純なシチュエーションは、それゆえ、混合行列または非対角行列で記載される。スペクトルが重複するバンド幅の場合、以下に一致し、

混合ベクトルの直交性が低減するにつれて、雑音増幅の増加が見られる。

分散の伝播方程式は、雑音増幅では予測しなかった、減少した混合ベクトルの直交性と、減少したε感度を計算に入れるべきである。各波長で取得したデータに関係する、供給源と検出部との特定距離にとって、光と分析物との間の相互作用が少ないため、分散の伝播において、ε性能のいかなる減少もＳＮＲの減少を独立に引き起こす。しかしながら、ε、インタラクションペナルティは、雑音増幅で見られず、二つの技術を区別するのに大変重要である。この違いにより、雑音増幅は分散伝播技術と比べて好ましくない技術である。

ここで、上述の例で、相互作用は次のように示される：

雑音増幅は：

および

である。

分散の伝播は：

および

である。

上述の式は、絶対波長依存ε感度を考慮しておらず、したがって、雑音増幅のより一般的形態と、分散の伝播パラメータを必要とする。当業者は分析物に適用される追加的制約を理解可能である。雑音増幅アプローチと異なり、酸素飽和度Ｓ_O2の定量のために分散伝播技術を利用することは、ε感度の直交性と各波長のεの相対感度の両方に依存する。信号が実質的にスペクトル混合しないとき（方程式（２８）に一致）、最適解は生じ、二つの独立方程式系と相対ε感度となり、それぞれ１と等しい。雑音増幅と分散伝播技術は、実験で所与の発色団セットのために選択された最適なλ_jの不偏推定を実現するため、これは重要である。当業者は、これらのアプローチがともに特定用途にさらに適用できることを認めるであろう。

多波長オキシメトリ。本発明の実施形態によると、上述した方法はさらに、多波長オキシメトリ（二つ以上の動作波長を用いる）の例に拡張される。他のアプローチは、方程式（３１、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、および３３ｂ）と関連して論じ、方程式（７）等の方程式のフルマトリックス解を含んでよい。動作波長の数が増加すると、全分散は同様に増加すると考えられる。下に示す例において、五つの波長λ₁からλ₅は、二種（オキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビン）のみの判定に用いられる：

本例では、よって、雑音増幅は：

および

である。

分散の伝播は：

および

である。

多波長オキシメトリで選択された波長を、混合方程式の直交性と分析物感度を向上するように最適化することは重要である。単に副波長を追加すると、Ｓ_O2の定量結果において、ＳＮＲを低減する影響がある。さらに、本発明によると、追加的（副）波長の選択は、測定される発色団（血液の要素）の数に依存してなされる。特に、二つの発色団（例えば、Ｏ₂ＨｂとＨｂなど）の判定用に選択された多波長は、五つの発色団オキシメトリ測定用に選択された同じ数の多波長と異なってよい。本発明の着想による多波長の選択結果は、例えば、異常ヘモグロビンの検出を可能とし、機能的ヘモグロビンの濃度の定量において雑音指数に悪影響を及ぼすことなく、パルスオキシメータまたは分光計装置の感度を向上できる。一具体例では：

であり、ここで、対象の五つの例示的物質成分（Ｏ₂Ｈｂ、Ｈｂ、ＣＯＨｂ、ＭｅｔＨｂ、およびｒＨｂ）を用いる具体例に対し、方程式３７ａは方程式７から生じている。例示的吸光係数は、以下のように与えられる：

同様に、方程式９に示すように、伝播した各波形の減衰で、対象の物質成分の濃度を得ることができることは、また望ましい。方程式３７ａで行列演算を用いることは、各物質成分の濃度がモル吸光係数ε（λ_i，Ｃ_j）、波形の減衰Ａ（λ_i）、および移動距離δ^Ciから得られることを示す。この方程式の形をバルク媒質に関係する距離を用いて方程式３７ｃに示す。

方程式３７ｄは、方程式３７ｂで先に示した例示的吸光係数を用いる同じ方程式（３７ｃ）を示す。

方程式３７ｂを参照すると、雑音も考慮しなければならない。雑音増幅は：

および

である。

分散の伝播は：

および

である。

重み関数またはパラメータ。方程式（７）の導出で、さらに波長特異的ペナルティまたは重み付け因子は、例えば雑音ペナルティを組み込むコスト関数を示す二次元（２Ｄ）またはベクトル（１Ｄ）行列Ｗを経て、組み込まれる。オキシメータのスペクトルチャネル（すなわち、動作波長および関連するスペクトルバンド幅）は、独立（非重複）であり、Ｗは、単位行列Ｗ_Iである。あるいは、Ｗ＝Ｗ_sep行列は、波長分離と関連するペナルティを含むことができる（ここで波長分離は、動作波長がさらに離間するように、δの増加した差分または経路長要素の差分〈δ〉と関係させて分離する）。さらに他の実施では、代替的または追加的Ｗ＝Ｗ_cost重み付け行列は、複雑性または特定波長で動作する光源の製造コストのペナルティを含むことができる。さらに、全て、または、少なくともいくつかのこのような重み付け因子は、波長選択の最適化をより実効的とするように順次用いられ得る。よって、重み付け関数を組み込むため一般行列方程式（７）は書き換え可能であり、例えば、

から、

および

となる。

パルスオキシメトリ。本発明の一実施形態によると、パルスオキシメトリのデータ取得の特徴である「パルス」を考慮するオキシメトリ・データ・プロセス方法は（例えば、（ｉ）動脈拍動の存在および／またはパラメータ、および（ｉｉ）時間的点広がり関数または測定した組織に関係するインパルス応答であって、対象を通る光に対する組織の伝達関数の効果の時間順次サンプリングを含む）、組織により減衰する光の時間依存性を決める。例えば、二つの選択した動作波長／バンド幅が重ならない場合、方程式（７）は、組織および静脈の構成要素を明らかに含むように拡張してよい。

本例では、またさらに方程式（４１）の時間微分を考慮して次のように記載される。

次の前提がなされる：
（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。

パルスオキシメトリの酸素飽和度の解はこれら仮定の下で決定できる。

パルスオキシメータ解（４４）と標準オキシメータ解（２７）とが類似しているとき、当業者は、標準オキシメトリ用の最適な選択波長がパルスオキシメトリ用にも最適であると考えることができる。

開示した方法の様々な実施形態は、少なくとも一部は、どのような従来のコンピュータプログラミング言語で実行されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、手続き型プログラミング言語（例えば「Ｃ」）や、オブジェクト指向プログラミング言語（例えば「Ｃ＋＋」）で実行されてもよい。本発明の他の実施形態では、予めプログラムされたハードウェア要素（例えば、特定用途向け集積回路、ＦＰＧＡ、およびデジタル信号処理）として実行されてもよい。

本発明の様々な実施形態は、システムとして実行されてもよい。分子分析物の測定装置の好ましい動作波長を決定するシステムは、サンプル中の分子分析物を測定するように構成されており、サンプルと関係する少なくとも一つの特徴、および／またはこのような特徴を示す物理的特性のスペクトル分布、および／またはサンプルを特徴付けるために用いられる装置の動作と稼働性を示すデータを表示するディスプレイ装置を含む。システムはまた、ディスプレイ装置でデータの特徴または種類を選択および修正するためのユーザ入力装置を含む。

ディスプレイ装置とユーザ入力装置は、プロセッサと通信し、測定装置のレコードセットから測定装置を示すデータを選択する（例えば、動作の制約パラメータと上述のコスト関数）。プロセッサはさらに、サンプルの少なくとも一つの特徴と対応する対応レコードセットからサンプルを示す実験的データを選択する（例えば、選択した分析物と対応する吸収曲線）。レコードセットは、プロセッサと通信可能なローカルデータベースに格納されてもよく、あるいはリモートデータベースからコンピュータネットワーク上で回収されてもよい。選択したサンプルの特徴の判定および、それらのスペクトル特性の分布、および／または測定装置の特徴に基づき、プロセッサは、レコードセットから回収したデータの少なくとも一部の修正を示す編集データ、ならびに連立方程式の解を作成する。この連立方程式は、サンプルを示す実験的に規定されたデータのスペクトル分布、サンプル内で信号を伝える波（測定装置により生成される）が進む経路長、ならびに装置を表すデータを結びつける。

システムはプロセッサと通信するデジタルメモリをさらに含む。デジタルメモリは編集レコードセットに、関連する編集データを格納する。デジタルメモリは、例えばランダム・アクセス・メモリ、フラッシュドライブ、ハードドライブ、あるいはディスクドライブのいずれかあってよい。

地図データ表示用システムは、出力レコードセットを示す出力ディスプレイを含み、これもまたプロセッサと通信する。出力ディスプレイに同様に視覚表現の出力を生成するために、プロセッサは、デジタル出力レコードセットからサンプルの選択した特徴の測定値と対応する編集データを得る。

代替的な実施形態では、開示したシステムとアルゴリズムは、コンピュータシステムを用いるコンピュータプログラム製品として実装されてもよい。このような実装は、コンピュータ可読媒体等（例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、または固定ディスク）の有形型表現媒体、または、インターフェースデバイスを経てコンピュータに送信可能なシステム（媒体でネットワークに接続された通信アダプタ等）のいずれかに固定された一連のコンピュータ命令を含む。媒体は有形型表現媒体（例えば、光学的、半導体、またはアナログ回線）であってよい。一連のコンピュータ命令は、システムに関して本明細書中で先に記載した機能の全てまたは一部を実装できる。他の方法では、このようなコンピュータプログラム製品は、印刷または電子文書を伴うリムーバブル媒体（例えば、シュリンク・ラップ・ソフトウェア）として頒布されるか、コンピュータシステムがプリインストールされているか（例えば、システムＲＯＭや固定ディスク）、または、サーバもしくは電子掲示板からネットで頒布されてもよい（例えば、インターネット、またはワールド・ワイド・ウェブ）。もちろん、本発明のいくつかの実施形態は、ソフトウェア（例えば、コンピュータプログラム製品）とハードウェアの組み合わせで実装されてもよい。また、本発明の他の実施形態は全てハードウェアとして、または全てソフトウェアとして実装される。

（行列方程式を解くためのアルゴリズムの例：シミュレーティドアニーリング）
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（Ｅ_OLD，Ｅ_NEW，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Ｅ_WAVESET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。

図５を参照すると、シミュレーティドアニーリング最適化アルゴリズムは、解の始点（波長選択）、解の適合性を計算する方程式Ｅ_WAVESET、良さの現在値Ｅ_OLD（ここで解のエネルギーと称し、エネルギーは最小化されることが望まれる）、および、現在「温度」の設定（Ｔｅｍｐ）を含む、様々なデータ構成を初期化する（ステップ５０５）。さらなる初期化を一般性を失わずに行ってもよい。選択解は（波長選択は更新されている）、可能解からランダムに並べ替えられる。並べ替えの範囲は、「温度」の計算結果を用いることにより決まり、後述のように、可能解の範囲が精査されるよう連続した実行過程にわたり減少した「温度」は、時間とともに段階的に更新される（例えば減少する）。各並べ替えた解（ｐｅｒｍｕｔｅｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）が評価され（ステップ５１５）、仮に目的関数Ｅ_WAVESETが、さらなる数を生じるならば（これは並べ替えた解の状態の「エネルギー」が前の状態より小さいならば起こる）、可能性Ｐ（Ｅ_OLD，Ｅ_NEW，ＴＥＭＰ）とともに、現在の状態は並べ替えの状態を反映するように更新される（ステップ５２０）。このステップを続行することで、エネルギーレベルで並べ替えを完了したかどうか評価される。この評価には、特定「温度」ステップと関係するカウント、または評価工程の前回選択した数からの変化の評価を含む（ただしこれに限定されない）複数の技術が用いられ得る。仮に、この「温度」で実行されるさらなる並べ替えがないならば、「温度」は更新される（ステップ５３０）。仮に、実行されるさらなる「温度」選択がないならば、すなわち、計算が完了したならば（ステップ５３５）、結果が返され（ステップ５４０）、アルゴリズムは終了する（ステップ５４５）。仮に、評価５３５がステップ５１０で計算が続くように判定するならば、新しい「温度」でさらなる並べ替えを実行する。

「評価選択（ｅｖａｌｕａｔｅ ｃｈｏｉｃｅ）」Ｐ（Ｅ_OLD，Ｅ_NEW，Ｔｅｍｐ）５１５の特性は、温度（Ｔｅｍｐ）が低くなる場合に、Ｅ_OLDおよびＥ_NEWのより低い可能性が選択されるようなものである。上述したように、目的関数Ｅ_WAVESET（λ₁，．．．，λ_N）は、選択波長（λ₁，．．．，λ_N）に基づく。分光測定グラフから波長選択するプロセスは、受信信号から材料組成に用いられる変換行列を定める。このように作られた行列は、分散の伝播を評価し、この結果は選択波長、および複数の波長間の関係に関連する様々なコスト関数により重み付けされる。このオペレーションは特定の波長選択に対する性能指数を生じる。方程式４０ａから４０ｃを参照されたい。

図６を参照すると、ステップ５４５でシミュレーティドアニーリングにより選択したステートが最適な選択であることを確認することは有利である。選択したステートの最適性信頼度は、図５（ステップ５００から５４５）に示す一連の複数の試験を実行することで、大きくできることがわかる。シミュレーティドアニーリング解の確認は、ステップ６５５で「温度冷却」プロファイルを選択し、この「温度プロファイル」に対して複数のタスクを実行することを含む。これらのタスクはステップ６６０で分散し、その結果はステップ６６５で収集される。複数の実行に基づき収集された結果が実質的に同じならば（ステップ６７０で判断される）、信頼度が高いと最適選択が返され（ステップ６８０）、アルゴリズムはステップ６９０で終了する。ステップ６７０における実行結果に基づき、複数の実行結果が異なるならば、「徐冷選択」プロファイルをステップ６７５で実行する。ステップ６６０〜６７０に関して記載したタスク評価のオペレーションは、ステップ６７０で実行される比較に基づきコホート解が収束するまで繰り返される。

装置を用いる動作コストの一部または全部を示し、評価に用いられる選択波長、および、重み付け関数（または制約パラメータ）は、有限または離散変数および連続変数を含む。解ステートの波長のランダム摂動は、勾配降下法（すなわち、変化が結果を前回改善したならば、同じ方向にさらに変化する）や統計的サンプリング法を含む（これらは当業者に知られているが、これに限定されない）複数の技術により拡張され得る。

凸最適化、Ｓｔｅｐｈｅｎ ＢｏｙｄとＬｉｅｖｅｎ Ｖａｎｄｅｎｂｅｒｇｈｅにより記載されている、（Ｃｏｎｖｅｘ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ出版；２００４年３月８日）と、Ｒ．Ｆｌｅｔｃｈｅｒにより記載された線形計画法（Ｐｒａｃｔｉａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，Ｗｉｌｅｙ，１９８７）は、上述した数量化問題の改良解を見つけることに用いられ得る二つの追加的技術である。

上述の実施形態の例を通じて本発明を記載した一方で、当業者にとって、ここに開示した発明の概念を逸脱することなく、図示の実施形態の修正、変形がなされ得ることが理解されよう。さらに、開示した態様、またはこれら態様の一部は、上述しない方法で組み合わせ可能である。

例えば、本発明の方法の実施は、分光測定システムの動作形態（光源を含み、サンプルで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ている）を選択する方法を含んでよい。このような方法は次のステップを含んでよい：（ｉ）入力部でデータを受信すること、このデータは前述の少なくとも一つの分析物の物質特性を示す；（ｉｉ）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示す連立方程式を、サンプルを通る光源からの光の所定の光路と、（ａ）サンプルの吸光係数、（ｂ）サンプルの異方特性、および（ｃ）前述の光と関連したサンプルの屈折率、のうち一つまたは複数との関数として定めること。この方法はさらに、少なくとも一つの動作波長（この波長で、前述した方程式が示す物質特性の値と、少なくとも一つの動作波長における前述の物質特性を示す受信データとの差が最大化する）を決めるために、連立方程式の解を決めることを含む。一組の方程式を決めるステップは、少なくとも一動作波長で動作する光源の製造コスト、光路決定に関するエラー、および前述の少なくとも一動作波長における光源の動作ノイズに関する性能指数の一つまたは複数を含む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む。少なくとも一分子分析物は、二分析物を含んでよく、方程式を解くステップは、二動作波長（そのうちの一方は、前述の二分析物と対応する等吸収点の波長より短く、他方は、等吸収点の波長より長い）を決めるために、行列方程式を解くことを含んでよい。代替的に、または追加的に、方程式を解くステップは、二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んでもよい。

関連する実施形態と対応する他の形態では、サンプルの一つまたは複数の分子分析物の一つ以上の特性を測定するための装置が提供される。装置は、少なくとも一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；サンプルと相互作用した波長を受信するように構成された受信装置；および受信装置と通信可能で、受信した波長を示すデータに少なくとも基づく、サンプルの一つまたは複数の分子分析物の光学的経路、減衰係数、散乱係数、および屈折率の一つまたは複数の関数として一つまたは複数の特性を示す連立方程式を解くことにより一つまたは複数の特性を決定するようプログラムされたプロセッサを含む。

さらに他の関連する実施形態では、分光装置の動作波長を決定するためのシステムが可能である。このようなシステムは、（ｉ）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；（ｉｉ）有形の記録媒体と連動可能なマイクロプロセッサであって、マイクロプロセッサは、サンプルの少なくとも第一および第二の物質成分の識別と関係する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、（ｉｉｉ）コンピュータ命令を格納する有形で、固定であり、コンピュータ可読の媒体を含む。命令がマイクロプロセッサにより実行されるとき、有形の記録媒体から、マイクロプロセッサが第一データを受信し；サンプルの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、サンプルを通って伝播し、スペクトル依存する電波（ＥＭＷ）の経路長、および、分光測定装置の動作有用性を示す少なくとも一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示す方程式を解かせる。解の決定において、ＥＭＷは、少なくとも第一または第二物質成分と各々対応すると考えられる。連立方程式を解く結果、分光測定装置の動作波長は、性能指数（分光測定装置を用いる動作コストを示す）が少なくとも局所的最適化されるよう決定される。システムは、実験的に決定され、スペクトル依存する特性と所定の動作波長を示すパラメータを視覚的に認知可能な表示を生じるようになされたディスプレイ装置をさらに含んでよい。サンプルの物質成分は、サンプルの交絡物質成分を含んでもよい。

したがって、本発明は記載の実施形態に限定されるとみなされるべきではない。

Claims (25)

1. 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スペクトル形態を決定する方法であって、
   （ａ）ユーザ入力装置で、単一の光検出部を有する前記分光測定装置で測定される前記サンプルの１より大きいＭ個の物質成分のスペクトル依存特性を示す光学データを、受信する工程と、
   （ｂ）（ｉ）前記サンプルにおける前記Ｍ個の物質成分の各々対応する濃度、および、（ｉｉ）前記サンプルを通り前記Ｍ個の物質成分にそれぞれ対応するＥＭＷのスペクトル依存する経路、の関数として、前記光学データを示す第一連立方程式を作成する工程と、
   （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さらなる方程式と、を含む第二連立方程式、を作成する工程と、および、
   （ｄ）スペクトル依存の性能指数が局所的に最適化される装置のＮ個の動作波長を算出するために、プログラムされたプロセッサで前記第二連立方程式を解く工程と、を含み、
   前記第二連立方程式を解くために、前記物質成分の数Ｍよりも少ない算出された動作波長の数Ｎが、必要とされる
   ことを特徴とする分光測定装置の動作スペクトル形態を決定する方法。
2. 前記（ａ）の工程が、前記Ｍ個の物質成分のそれぞれに対して、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Ｍ個の物質成分の量子応答を示すパラメータのうちの１つ以上を示す光学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。
3. 前記減衰係数が、モル減衰係数を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記Ｍ個の物質成分が、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、過分極ガス、二酸化炭素、一酸化炭素、酸素、および、水を二つ以上含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記（ａ）の工程が、前記サンプルの前記Ｍ個の物質成分のそれぞれのスペクトル依存する吸収特性を示す光学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。
6. 前記（ａ）の工程が、サンプルの前記Ｍ個の物質成分のそれぞれ選択した特性のスペクトル依存性を示す光学データを受信することを含み、
   前記サンプルが、血液を含み、
   少なくとも前記Ｍ個の物質成分が、血液分析物を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記（ａ）の工程が、前記単一の光検出部で、定義されたシーケンスで送信される前記ＥＭＷのパルスを取得する工程、および、
   取得したパルスのシーケンスを送信されたパルスのシーケンスと関連付ける工程と、を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記（ｃ）の工程が、行列方程式を作成することを含み、
   前記行列方程式が、（ｉ）動作波長において、前記Ｎ個の動作波長から動作する前記装置の製造コスト、（ｉｉ）前記ＥＭＷの経路を決めることと関係するエラー、および、（ｉｉｉ）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。
9. 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作成することを含み、
   前記動作ノイズが、ＥＭＷの波長が変化する際に前記Ｍ個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。
10. 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。
11. 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Ｍ個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。
12. 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。
13. 前記（ｂ）の工程が、前記サンプルにおいて前記物質成分を示す各々対応する濃度パラメータの関数として、前記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、
    前記濃度パラメータが、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、の少なくとも二つを含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
14. 前記スペクトル依存性能指数が、前記装置を用いた運用コストを示す
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
15. 前記スペクトル依存性能指数が、前記Ｍ個の物質成分の完全な識別で分散の伝播を含む
    ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 分光測定装置の動作スペクトル波長を決定する装置であって：
    前記装置は、
    単一の光学検出部を有する前記分光測定装置で測定されるサンプルの１より大きいＭ個の物質成分のスペクトル依存特性を示す光学データを含む、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Ｍ個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前記光学データを受信し、
    （ｉ）前記サンプル中の前記Ｍ個の物質成分の各々対応する濃度、および、（ｉｉ）サンプルを通り前記Ｍ個の物質成分に各々対応する電磁波（ＥＭＷ）のスペクトル依存する経路、の少なくとも関数として前記光学データを示す第一連立方程式を作成し、
    前記第一連立方程式、および、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使用する追加の方程式、を含む第二連立方程式を作成し、そして、
    スペクトル依存性能指数が、前記動作波形で局所的に最適化されるように前記装置のＮ個の動作波長を算出するために、プログラム可能なプロセッサで、前記第二連立方程式を解き、
    前記第二連立方程式を解くために、前記Ｍ個の物質成分より少ない算出されたＮ個の動作波長が必要とされる
    ことを特徴とする分光測定装置の動作スペクトル波長を決定する装置。
17. 前記装置は、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、前記スペクトル依存特性、および、前記決定された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１６に記載の装置。
18. 前記サンプルの前記Ｍ個の物質成分が、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１６に記載の装置。
19. 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源を含む
    ことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
20. 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１６に記載の装置。
21. 前記スペクトル依存性能指数が、分光測定装置を用いた運用コスト示す
    ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
22. 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、
    予め算出された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を発生可能な少なくとも一つの電磁放射（ＥＭＲ）供給源；
    前記少なくとも一つの供給源と連動するＥＭＲの単一の光学検出部；
    前記供給源と前記単一の光学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単一の光学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単一の光学検出部で受信した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、
    前記予め算出された動作波長のセットが、請求項１に記載の方法で算出される
    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。
23. 前記分光測定システムは、パルスオキシメーターを含み、
    前記サンプルのＭ個の物質成分のＭ個の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２２に記載のシステム。
24. 前記予め算出された動作波長のセットが、前記スペクトル依存特性を、前記サンプルの前記Ｍ個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２２に記載のシステム。
25. 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Ｍ個の物質成分が、ヘモグロビンを含む
    ことを特徴とする請求項２２に記載のシステム。

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