專利名稱：用于血液分析的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分析裝置，尤其涉及一種用于血液分析的光譜分析裝置以及相應(yīng)的分析方法。
通常，分析裝置，例如光譜分析裝置，用于研究被檢查對象的成分。尤其，分析裝置使用例如光譜分解的分析，所述分析基于對象的物質(zhì)與入射的電磁輻射(例如可見光、紅外或紫外輻射)之間的相互作用。
從WO02/057759已知了包括激發(fā)系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)的光譜分析裝置，該文獻(xiàn)在這里收入作為參考。激發(fā)系統(tǒng)發(fā)射激發(fā)束以在激發(fā)周期激發(fā)目標(biāo)區(qū)域。監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)射監(jiān)視束以在監(jiān)視周期對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行成像。激發(fā)周期和監(jiān)視周期基本重疊。因此目標(biāo)區(qū)域伴隨著激發(fā)被成像，并且形成的圖像既顯示目標(biāo)區(qū)域又顯示激發(fā)區(qū)域。根據(jù)該圖像，激發(fā)束可非常精確地瞄準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域。
WO96/29925公開的裝置和方法使用拉曼光譜測量血液和組織中的被選分析物以輔助診斷。更特別是，對拉曼光譜進(jìn)行收集和分析以測量血液中溶解的氣體和其它感興趣的分析物的濃度。測量包括體內(nèi)經(jīng)皮的和連續(xù)的監(jiān)視以及體外血液的分析。此外，也公開了增強(qiáng)被探測的拉曼信號的數(shù)量的組合拋物線聚能器(compoundparabolic concentrator)。
在全血拉曼光譜分析中遇到的問題是信號幾乎完全依賴于血紅蛋白的數(shù)量。其它分析物對信號的貢獻(xiàn)限于百分之幾或更少，因此相對于非常大的背景信號測量所述分析物對信號的貢獻(xiàn)，而且背景信號隨血紅蛋白的氧合作用極大地改變。此外，血漿中分析物的濃度通常是感興趣的參數(shù)，但拉曼光譜不區(qū)分細(xì)胞內(nèi)定位的分析物和細(xì)胞外定位的分析物。在正常的生理環(huán)境中，紅血球約占據(jù)35-50％的血容量。而且，當(dāng)測量大樣品的拉曼光譜時(shí)，紅血球?qū)獾亩嗌⑸湟约凹ぐl(fā)的吸收和拉曼散射光將影響信號采集的效率，紅血球?qū)獾亩嗌⑸鋵?dǎo)致測量容量的限定變差。
因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種分析裝置和相應(yīng)的分析方法，所述裝置和方法提供對被檢對象中包含的目標(biāo)的更可靠的分析，尤其避免了上面描述的問題，具有更好的信號對背景的比率，并且提供的信號中非血紅蛋白的其它分析物對信號的貢獻(xiàn)比已知的分析裝置提供的更高。
根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)目的通過權(quán)利要求1中要求的分析裝置實(shí)現(xiàn)，所述裝置包括發(fā)射激發(fā)束以激發(fā)目標(biāo)區(qū)域的激發(fā)系統(tǒng)，探測來自目標(biāo)區(qū)域的由激發(fā)束產(chǎn)生的散射輻射并分析所述散射輻射的探測系統(tǒng)，其中僅分析符合以下條件的毛細(xì)管的血液所散射的輻射直徑小于預(yù)定直徑值和/或包括低于預(yù)定細(xì)胞數(shù)量的紅血球數(shù)量。
該目的由如權(quán)利要求18中所要求的相應(yīng)的分析方法進(jìn)一步解決。
本發(fā)明基于下述思想與對在大血管內(nèi)的或具有大量血細(xì)胞的全血分析相比，對恰在表皮接合處下面的皮膚中的小血管(例如毛細(xì)管)和/或?qū)哂休^少數(shù)量的紅血球的血管進(jìn)行的光譜分析具有特定優(yōu)勢。一種分析選擇是僅探測和分析來自選定血管區(qū)域的散射輻射，在所述所選血管區(qū)域中僅存在小毛細(xì)血管或紅血球數(shù)量少的血管。另一種可另外使用或可替換使用的分析選擇，是只激發(fā)(例如僅在上部真皮中的)那些選定血管區(qū)域或其它預(yù)定區(qū)域，其中上述區(qū)域中僅存在的小毛細(xì)血管或紅血球數(shù)量少的血管。
既然已知在毛細(xì)血管中的血細(xì)胞比容明顯低于更大的血管中的血細(xì)胞比容，那么通過本發(fā)明就可改善上面提到的問題。提高了血漿相對于紅血球數(shù)量的比率，由于血細(xì)胞在小的毛細(xì)血管中一個(gè)接一個(gè)通過因此不出現(xiàn)多散射效應(yīng)，由于當(dāng)紅血球通過時(shí)沒有血漿信號，因此沒有自吸收出現(xiàn)。此外，可以實(shí)現(xiàn)提高的信號背景比率，這是因?yàn)橛捎谟休^少的紅血球，就存在了相對多的增加該比率的血漿。
更多的優(yōu)勢是本發(fā)明有利地用于在體內(nèi)及體外檢查毛細(xì)管中血的組分。所述分析可直接作用于血漿，而沒有來自紅血球的干擾，因此提高了信噪比。基本上，這使得當(dāng)探測容積被血漿占用時(shí)探測信號成為可能，并當(dāng)紅血球在探測容積內(nèi)期間，探測或激發(fā)可被停止或阻礙。此外，與對血液的體外分析相比，對血漿的分析更好，前者也是對沒有紅血球的血漿進(jìn)行分析。
小血管里的血細(xì)胞本身散射的光是有限的，這在全血分析中是個(gè)問題。更進(jìn)一步，由于小的尺寸，來自感應(yīng)的拉曼光的再吸收是有限的，而再吸收在全血分析中是個(gè)問題。按照本發(fā)明，所述分析不需要對不同的血細(xì)胞比容進(jìn)行校正，這使得分析更快、更容易。因?yàn)?，例如，對?.46mm-1的吸收系數(shù)在920nm的吸收長度為約700μm。這意味著當(dāng)在毛細(xì)管中進(jìn)行測量時(shí)，在10-15μm直徑的毛細(xì)管的再吸收可忽略不計(jì)。
另一個(gè)優(yōu)勢是對紅血球中不同的血紅蛋白的氧合，不需要進(jìn)行校正，這也使得分析更快更容易。在血漿中溶解的氧僅是很小一部分(血液中總氧的～4％)。
按照本發(fā)明，使用高數(shù)值孔徑的物鏡和近紅外(NIR)范圍的波長，激發(fā)束的共焦容積可很容易地與小毛細(xì)血管的尺寸匹配。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中進(jìn)行了定義。用于體內(nèi)分析的優(yōu)選實(shí)施例在權(quán)利要求2中進(jìn)行了定義，權(quán)利要求2進(jìn)一步包括-發(fā)射監(jiān)視光束以對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行成像的監(jiān)視系統(tǒng)，-處理目標(biāo)區(qū)域的圖像并選擇圖像中血管區(qū)域的圖像處理單元，所述圖像中的血管區(qū)域顯示了直徑小于預(yù)定直徑值和/或包括低于預(yù)定細(xì)胞數(shù)量的紅血球數(shù)量的毛細(xì)血管或血管部分，以及-控制探測系統(tǒng)以分析僅來自所選血管區(qū)域的散射輻射，和/或控制激發(fā)系統(tǒng)以僅激發(fā)所選血管區(qū)域或預(yù)定區(qū)域的控制單元。
圖像處理單元的優(yōu)選實(shí)施例在權(quán)利要求6到8中進(jìn)行了限定。為了在顯示小血管的圖像中僅選擇血管區(qū)域的，提供了光學(xué)血管跟蹤裝置。
為了選擇具有較少紅血球數(shù)量的血管部分或血管，可使用圖像中，例如OPSI(正交偏振光譜成像)圖像中的對比度。當(dāng)存在血時(shí)，使用被血吸收的光相對于圖像中表示圍繞血管的皮膚的亮部分產(chǎn)生暗對比。如果沒有紅血球，就沒有對比度。當(dāng)存在紅血球時(shí)，由于有對比度，這些細(xì)胞是可視的。優(yōu)選在短時(shí)間內(nèi)采集圖像以能夠看到單獨(dú)的血細(xì)胞。然而，也可以對某一時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)積分并由積分?jǐn)?shù)據(jù)產(chǎn)生圖像。
優(yōu)選地，例如，為了僅在血漿中進(jìn)行分析，提供強(qiáng)化血漿信號貢獻(xiàn)的裝置和/或選擇性分析血漿成分的選擇裝置。
按照另一實(shí)施例，提供尤其通過壓力擠壓來阻止或減慢血流的裝置，例如氣墊，來控制血管上的外部壓力。這使得可以控制毛細(xì)管中血細(xì)胞的數(shù)量，并提供部分沒有血細(xì)胞存在而部分有血細(xì)胞存在的血管。
控制單元的優(yōu)選實(shí)施例在權(quán)利要求9中進(jìn)行了限定。因此控制激發(fā)系統(tǒng)以僅激發(fā)預(yù)定區(qū)域。例如，在上部真皮中，成像技術(shù)的穿透深度小于300μm。
用于體外分析的分析裝置的實(shí)施例在權(quán)利要求11中進(jìn)行了限定，權(quán)利要求11進(jìn)一步包括包含容納要分析血液的毛細(xì)管載體的樣本支持系統(tǒng)。它的優(yōu)選實(shí)施例在權(quán)利要求12和13中進(jìn)行了限定。這種體外分析裝置需要很少量的血，減少了全血中的散射問題，減少了再吸收問題，并具有高處理能力。
按照本發(fā)明，優(yōu)選使用的毛細(xì)管具有小于15μm，尤其小于10μm的直徑值。對于小血管通常的直徑為5到10μm。紅血球的正常大小是直徑為7μm，厚度為2-3μm。
此外，按照優(yōu)選實(shí)施例，分析具有血細(xì)胞比容值小于0.4的紅血球數(shù)量的血液。血細(xì)胞比容值定義為紅血球占用的體積與血液總體積的比值。由于毛細(xì)管中的血細(xì)胞比容顯著低于血細(xì)胞比容為0.35-0.5更大的血管，并且尤其低于0.35，這對于選擇血管區(qū)域是個(gè)適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。應(yīng)當(dāng)注意到血細(xì)胞比容為0.35的紅血球數(shù)量約為每升3.5·1012個(gè)紅血球。
有幾種方式觸發(fā)拉曼信號分析。按照一個(gè)實(shí)施例，在包括至少一部分小(毛細(xì)管)血管的感興趣區(qū)域中，可分析流動細(xì)胞的速度和方向。當(dāng)細(xì)胞在拉曼測量點(diǎn)不出現(xiàn)時(shí)，例如在血管的長度的中間，根據(jù)細(xì)胞的速度和距離，可為拉曼探測系統(tǒng)提供觸發(fā)以收集信號，并且當(dāng)那里存在紅血球時(shí)不收集信號。因此可有效地控制探測系統(tǒng)。
通過使用控制單元觸發(fā)在體內(nèi)以及在血漿中進(jìn)行測量，可實(shí)現(xiàn)更多的優(yōu)勢。例如，在由全血確定膽固醇時(shí)發(fā)現(xiàn)了問題。由于40％的膽固醇保留在細(xì)胞膜中，當(dāng)在全血或血漿中進(jìn)行測量時(shí)產(chǎn)生了不同的濃度。此外，所述測量可直接與體外參考測量相對比，體外參考測量不能對全血進(jìn)行，除非細(xì)胞一個(gè)接一個(gè)地流動。
按照另一實(shí)施例，采用了(彈性)散射輻射的強(qiáng)度。當(dāng)在測量位置中存在細(xì)胞時(shí)，強(qiáng)度高，如果在拉曼測量位置中不存在細(xì)胞時(shí)，強(qiáng)度低。因此，通過使用所述強(qiáng)度信息同樣可有效控制探測系統(tǒng)。
另一優(yōu)勢是激發(fā)目標(biāo)區(qū)域的激發(fā)周期和由監(jiān)視束對目標(biāo)區(qū)域成像的監(jiān)視周期如在WO02/057759中描述的那樣基本重疊，尤其在使用從散射輻射獲取的強(qiáng)度信息來控制探測系統(tǒng)的實(shí)施例中。
按照本發(fā)明的分析系統(tǒng)可以是兩激光器或單激光器裝置。在兩激光器裝置中，一個(gè)激光器用于產(chǎn)生激發(fā)束，而另一個(gè)激光器用于發(fā)射監(jiān)視束。在單激光器的實(shí)施例中，輻射源(也就是激光器)產(chǎn)生的原始輸出束優(yōu)選通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)分離裝置分為監(jiān)視束和激發(fā)束。此外，如WO02/057759中所描述的那樣，監(jiān)視系統(tǒng)中可使用優(yōu)選包括一個(gè)或兩個(gè)光源(例如，顏色不同的2個(gè)LED，或1個(gè)白色光源)的OPSI(正交偏振光譜成像)裝置。
對于監(jiān)視系統(tǒng)其它適當(dāng)?shù)倪x擇有例如為光學(xué)相干斷層攝影(OCT)裝置、光學(xué)多普勒斷層攝影(ODT)裝置、光-聲成像(PAI)裝置、或多光子顯微鏡(MPM)裝置。尤其，OCT、ODT和PAI裝置對監(jiān)視位于皮膚表面下深至幾毫米的血管或其它目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生很好的結(jié)果。MPM裝置與共焦成像共同提供高分辨率，其中3-5μm的細(xì)部被可視性很好地再現(xiàn)。MPM裝置還適合于對深至0.25mm的細(xì)部進(jìn)行成像。
現(xiàn)在將參照對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的解釋，其中

圖1顯示了按照本發(fā)明的體內(nèi)分析裝置的圖形表示，圖2顯示了按照本發(fā)明的體內(nèi)分析系統(tǒng)的另一實(shí)施例的圖形表示，圖3顯示了按照本發(fā)明的體外分析裝置的圖形表示，圖4顯示了圖3所顯示實(shí)施例的樣品支持裝置的圖形表示，圖5顯示了圖3所顯示實(shí)施例的毛細(xì)管支架的例子，圖6顯示了圖3所顯示實(shí)施例的毛細(xì)管支架的圖形表示，以及圖7顯示了按照本發(fā)明的用于體內(nèi)分析的OPSI裝置的圖形表示。
圖1是按照本發(fā)明的分析系統(tǒng)的圖形表示。所述分析系統(tǒng)包括將光源(ls)合并到用于形成被檢對象(obj)的光學(xué)圖像的光學(xué)成像系統(tǒng)(lso)中的監(jiān)視系統(tǒng)。光學(xué)成像系統(tǒng)(lso)形成共焦視頻顯微鏡。在本示例中，對象是被檢患者前臂的一片皮膚。所述分析系統(tǒng)也包括多光子、非線性或彈性或非彈性的散射光學(xué)探測系統(tǒng)(ods)以通過多光子或非線性光學(xué)過程對對象(obj)中產(chǎn)生的光進(jìn)行光譜分析。圖1中顯示的示例尤其利用拉曼光譜裝置形式的非彈性拉曼散射探測系統(tǒng)(dsy)。術(shù)語光學(xué)不僅包括可見光，還包括紫外輻射和紅外，尤其是近紅外輻射。
光源(ls)由834nm的AlGaAs半導(dǎo)體激光器形成，所述半導(dǎo)體激光器在被檢對象，即皮膚上的輸出功率總計(jì)為15mW。834nm半導(dǎo)體激光器的紅外監(jiān)視束(irb)通過出射焦點(diǎn)中的光學(xué)成像系統(tǒng)聚焦在對象(obj)內(nèi)或?qū)ο笊系慕蛊矫鎯?nèi)。光學(xué)成像系統(tǒng)包括偏振分束器(pbs)、旋轉(zhuǎn)反射多面體(pgn)，透鏡(11，12)、掃描鏡(sm)和顯微鏡物鏡(mo)。通過旋轉(zhuǎn)多邊形(pgn)并移動掃描鏡(sm)使經(jīng)聚焦的監(jiān)視束(irb)移動經(jīng)過焦平面。半導(dǎo)體激光器(ls)的出射面位于入射焦點(diǎn)。半導(dǎo)體激光器(ls)也能照亮入射焦點(diǎn)中的入射針孔。該光學(xué)成像系統(tǒng)將作為返回束從焦平面反射的光經(jīng)過偏振分束器(pbs)引導(dǎo)至雪崩光電二極管(apd)。此外，在顯微鏡物鏡(mo)之前有λ/4波片以使返回束的偏振垂直于監(jiān)視束的偏振。偏振分束器(pbs)因此從監(jiān)視束中分離出返回束。
光學(xué)顯示單元(opd)利用雪崩光電二極管(apd)的輸出信號來形成被檢對象內(nèi)或被檢對象上的焦平面的圖像(img)，所述圖像在監(jiān)視器上顯示。實(shí)際上，光學(xué)顯示單元是工作站，依靠工作站的處理器通過從雪崩光電二極管(apd)的輸出信號得到電子視頻信號而獲得圖像。所述圖像用于監(jiān)視光譜檢查，特別用于激發(fā)目標(biāo)區(qū)域以使激發(fā)區(qū)域落在目標(biāo)區(qū)域上，并從目標(biāo)區(qū)域接收散射的輻射。
拉曼光譜裝置包括激發(fā)系統(tǒng)(exs)，在本實(shí)施例中激發(fā)系統(tǒng)構(gòu)造為以850nm(或785nm或810nm)紅外光束(exb)的形式產(chǎn)生激發(fā)束的Ar離子/Ti藍(lán)寶石激光器。使用Ar離子激光器光學(xué)泵浦Ti藍(lán)寶石激光器。通過濾光器(of)抑制Ar離子激光器的光。反射鏡系統(tǒng)將激發(fā)束引導(dǎo)到光學(xué)耦合單元(oc)，光學(xué)耦合單元沿監(jiān)視束(irb)引導(dǎo)激發(fā)束，之后顯微鏡物鏡將其聚焦在監(jiān)視束的焦點(diǎn)區(qū)域的焦平面內(nèi)。光學(xué)耦合單元(oc)形成光束組合單元。光學(xué)耦合單元沿著顯微鏡物鏡的光學(xué)主軸，也就是沿著與監(jiān)視束相同的光學(xué)路徑引導(dǎo)激發(fā)束。
拉曼散射光通過光學(xué)耦合單元(oc)反射到光纖(fbr)入口。拉曼散射紅外光通過顯微鏡物鏡(mo)和在光纖入口(fbr-i)前面的透鏡(13)聚焦在探測針孔中的光纖入口上。光纖入口本身起探測針孔的作用。光學(xué)成像系統(tǒng)在入射焦點(diǎn)、被檢對象(obj)的細(xì)部區(qū)域處的出射焦點(diǎn)和光纖入口(fbr-i)內(nèi)的探測焦點(diǎn)之間建立共焦關(guān)系，在入射焦點(diǎn)處有半導(dǎo)體激光器(ls)。光纖(fbr)連接到具有CCD探測器(CCD)的分光計(jì)(spm)的輸入端。具有CCD探測器的分光計(jì)與探測器系統(tǒng)(dsy)成一體，所述探測器系統(tǒng)記錄波長小于約1050nm的拉曼光譜。具有CCD探測器的分光計(jì)的輸出信號表示拉曼散射紅外光的拉曼光譜。實(shí)際上這個(gè)拉曼光譜發(fā)生在大于860nm的波長范圍內(nèi)。CCD探測器的信號輸出連接到光譜顯示單元(spd)，例如在監(jiān)視器上顯示所記錄的拉曼光譜(spct)的工作站。
實(shí)際上光學(xué)顯示單元和光譜顯示單元的功能可通過同一工作站執(zhí)行。例如，監(jiān)視器的顯示屏的獨(dú)立部分(窗口)用于同時(shí)顯示光學(xué)圖像和拉曼光譜。關(guān)于通常的分析裝置的更多細(xì)節(jié)和它們的功能參考上述的WO02/057759。
按照本發(fā)明，提供控制單元，所述控制單元控制探測系統(tǒng)(dsy)和/或激發(fā)系統(tǒng)(exs)，以使僅分析來自所選血管區(qū)域的散射輻射和/或僅激發(fā)所選血管區(qū)域或預(yù)定區(qū)域。優(yōu)選由圖像處理單元(opd)觸發(fā)控制單元(ctrl)，在該圖像處理單元(opd)在圖像(img)中選擇所選血管區(qū)域。選擇所選的血管區(qū)域以使它們僅抑制直徑低于預(yù)定直徑值的血管或血管部分，例如直徑值低于15μm或甚至低于10μm的血管或血管部分。選擇血管區(qū)域的另一標(biāo)準(zhǔn)是紅血球的數(shù)量應(yīng)低于預(yù)定細(xì)胞數(shù)量，例如，低于血細(xì)胞比容值0.35，因?yàn)楦蟮难芤簿哂写笥?.35的更大的血細(xì)胞比容值。這些選擇的標(biāo)準(zhǔn)可通過輸入單元(ip)設(shè)定，例如可存儲在存儲器中或由使用者輸入。
通過使用控制單元觸發(fā)進(jìn)行體內(nèi)和血漿內(nèi)的測量，可實(shí)現(xiàn)更多優(yōu)勢例如，由全血確定膽固醇時(shí)發(fā)現(xiàn)了問題。由于40％的膽固醇保持在細(xì)胞膜中，當(dāng)在全血或血漿中進(jìn)行測量時(shí)，會產(chǎn)生不同的濃度。因此由于40％的膽固醇保持在細(xì)胞中的事實(shí)，在全血中確定膽固醇是個(gè)問題，并且對于全血不能將測量直接與體外參考測量進(jìn)行比較，除非細(xì)胞一個(gè)接一個(gè)流動。
優(yōu)選地，還使得能夠進(jìn)行體內(nèi)血液分析以強(qiáng)化血漿信號的貢獻(xiàn)和/或?qū)ρ獫{成分(即，僅在血漿中)進(jìn)行選擇性分析。此外，可由觸發(fā)單元(tr)預(yù)見由時(shí)間分辨的激發(fā)或探測。并且，可提供阻止或減慢血流的手段，例如，通過壓力擠壓，以允許選擇無細(xì)胞的測量點(diǎn)。
而且，另外或可選地，也可預(yù)定由激發(fā)系統(tǒng)(exs)激發(fā)的區(qū)域，例如通過輸入單元的輸入(ip)或在其中存儲的。通常可在患者身體的全部皮膚的各位置上發(fā)現(xiàn)毛細(xì)管，在皮膚中毛細(xì)管具有不同的大小、形狀和深度位置。有利的候選位置有舌下、嘴里的內(nèi)唇上、頰的內(nèi)側(cè)、鼻子上、耳垂上、太陽穴附近、眼睛下、上臂內(nèi)側(cè)上、前臂的手掌面上、踝下面的腳上、手上、指甲床上、指尖上或手背上?？深A(yù)定一個(gè)或多個(gè)這樣的區(qū)域以使控制單元(ctrl)控制激發(fā)系統(tǒng)僅激發(fā)預(yù)定區(qū)域。
通過本發(fā)明不僅可從事成分的局部分析，尤其是非入侵的血液分析，而且通過小毛細(xì)管的試管內(nèi)或體外的血液分析也是可能的。
為了阻止或減慢血流，提供用于壓力擠壓患者前臂的充氣套袖(sl)、所述充氣套袖與壓力計(jì)(pm)和壓力控制單元(pcu)相連。這使得可以控制毛細(xì)管中血細(xì)胞的數(shù)量，并提供部分沒有血細(xì)胞存在的和部分有細(xì)胞存在的血管。
雖然圖1顯示了具有兩個(gè)激光器的分析裝置的實(shí)施例，圖2圖示地顯示了按照本發(fā)明的包括光學(xué)分離系統(tǒng)的分析裝置的實(shí)施例。波長為λ1的激光器形成用于共焦成像并同時(shí)用于拉曼激發(fā)的輻射源。所述光束被由(例如20-80％)分束器(BS1)形成的光學(xué)分離系統(tǒng)(sep)分裂為兩束。一部分用于共焦成像，另一部分用于拉曼激發(fā)。通過偏振分束器(PBS)使監(jiān)視束線性偏振。在共焦視頻顯微鏡中的掃描束路徑被Θ-Φ反射鏡在x-y平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)以形成圖像。透鏡L1和L2用于束擴(kuò)展，且透鏡L2用于將Θ-Φ反射鏡的中央部分成像到顯微鏡物鏡(mo)的入射光瞳上。以這種方式，Θ-Φ反射鏡反射的激光總是在同一位置進(jìn)入物鏡，而與Θ-Φ反射鏡的實(shí)際Θ-Φ位置無關(guān)。
線性偏振的監(jiān)視(λ1)束被四分之一波片λ/4轉(zhuǎn)變?yōu)閳A偏振光。拉曼激發(fā)束在高通濾光器(HPF)被反射，并經(jīng)過反射鏡(M1，M2)和反射分束器(BS2)被引導(dǎo)向物鏡。在返回路徑上，研究對象反射的光再次轉(zhuǎn)換為線性偏振光，只是相對于入射光束的偏振方向改變90°。然后通過反射分束器(BS2)的透射光(部分是監(jiān)視束，部分是彈性散射的拉曼光)由偏振分束器(PBS)偏轉(zhuǎn)向APD探測器以形成圖像和圖像中的拉曼點(diǎn)。研究對象的彈性和非彈性散射拉曼光在BS2反射。非彈性散射的拉曼光(λR)透射通過高通濾光器HPF，并被引導(dǎo)向拉曼探測路徑。分束器(BS2)可與點(diǎn)反射器互換。
正如上面關(guān)于圖1所示的第一實(shí)施例所描述的那樣，提供控制單元(ctrl)和輸入單元(ip)，以基于以上面描述的方式從成像系統(tǒng)(opd)和/或輸入單元(ip)接收的信息控制探測系統(tǒng)(dsy)和/或激發(fā)系統(tǒng)(exs)。
下面將描述圖3到圖6所示的按照本發(fā)明的體外分析裝置。該裝置設(shè)計(jì)為測量小體積的液體和懸浮液中(這里稱為樣品)，尤其是血液中的拉曼光譜。所述裝置尤其適用于具有高吸收和/或渾濁度的樣品。通過將從其收集拉曼信號的體積減少到幾個(gè)立方微米，可使在樣品表面處的入射的激光和自吸收的散射光，尤其是拉曼散射光的吸收影響最小。另一方面，通過移動樣品經(jīng)過從其收集拉曼信號的體積，總樣品體積增加。由于散射光的短光路長度，因此使自吸收最小，而通過掃描樣品，樣品體積增加。能量落到大樣品體積，因此最小化了可能通過入射激光的吸收對樣品的加熱，樣品受熱可能會導(dǎo)致樣品光散射特性的有害變化。大樣品體積還確保獲得非均勻樣品(例如血液)的有代表性的拉曼信號。
所述裝置如圖3的方框圖所示。它包括樣品支持裝置(100)、拉曼激發(fā)源(200)、光譜分析器(400)和使激光束成形和/或調(diào)整其光譜特性和/或調(diào)整其偏振參數(shù)和拉曼散射光的光學(xué)系統(tǒng)(300)。
拉曼激發(fā)源(200)的輸出使用電介質(zhì)帶通濾光器(340)進(jìn)行過濾，拉曼激發(fā)源(200)優(yōu)選為激光器，并且對于血液分析，優(yōu)選發(fā)射波長＞600nm光的激光器(通常為Ti藍(lán)寶石激光器(相干的)，使用氬離子激光器(相干的)泵浦，發(fā)射波長為785nm的連續(xù)激光)，該電介質(zhì)帶通濾光器(340)只透射激光波長周圍的窄波長范圍內(nèi)的光，并且有效地阻擋大于激光波長的波長，尤其是比激光波長長超過5nm的波長。使用波片(330)將來自激光器(200)的線性偏振的激光束改變?yōu)閳A偏振束。使用圓偏振光而不是線性偏振光的優(yōu)勢在于使通常依賴于偏振的拉曼設(shè)備的信號探測效率對測得信號的影響最小化。
來自激光器(200)的激光束通過反射鏡(390)和電介質(zhì)濾光器(310)被引導(dǎo)向顯微鏡物鏡(380)，所述電介質(zhì)濾光器(310)有效地反射激光，但有效透射波長大于激光波長的光，優(yōu)選從比激光波長大5nm的波長開始。顯微鏡物鏡(380)將激光聚焦進(jìn)包含被研究樣品的樣品支持裝置(100)的毛細(xì)管。通過沿顯微鏡物鏡(380)的光軸平移顯微鏡物鏡，可改變毛細(xì)管內(nèi)的焦點(diǎn)位置。
反向散射光由顯微鏡物鏡(380)聚集，并且被準(zhǔn)直。經(jīng)過準(zhǔn)直的光落在低通濾光器(310)。主要反射反向散射激光和瑞利散射光，透射紅移的拉曼散射光。使用高反射鏡(320)將拉曼光引導(dǎo)向優(yōu)選具有約6的光學(xué)密度的全息陷波濾光器(350)以進(jìn)一步抑制激光和瑞利散射光。通過陷波濾光器(350)的拉曼光使用在光纖(370)中心上的透鏡(360)進(jìn)行聚焦。這個(gè)光纖將拉曼光引導(dǎo)進(jìn)光譜分析器(400)，尤其是用于光譜分析的多信道光學(xué)分光計(jì)。光纖的中心作為限制測量體積的工具使用。通過將拉曼散射光聚焦在形成分光計(jì)入口的針孔上，可實(shí)現(xiàn)同樣的效果。
圖4顯示了樣品保持裝置(100)的實(shí)施例，圖5顯示了用于其中的毛細(xì)管支架(140)的實(shí)施例。毛細(xì)管(145)放置在裝備有固定螺絲釘(141，142)的毛細(xì)管支架(140)內(nèi)，所述固定螺絲釘用于垂直于光學(xué)平面的垂直對齊(141)，并用于水平對齊(142)以使當(dāng)毛細(xì)管水平地并且垂直于顯微鏡物鏡的光軸移動時(shí)，激光焦點(diǎn)保持在毛細(xì)管內(nèi)。毛細(xì)管(145)可以是可替換的或永久安裝的。
毛細(xì)管支架(140)放置在由壓電摩擦馬達(dá)(112)驅(qū)動的平移臺(110)上。所述臺(110)在由端部開關(guān)(122)設(shè)置的兩個(gè)端點(diǎn)之間來回移動。來自端部開關(guān)(122)的信號由控制電子裝置(120)轉(zhuǎn)換為馬達(dá)方向。馬達(dá)速度也由控制電子裝置(120)設(shè)置。
對毛細(xì)管(145)進(jìn)行定位以使顯微鏡物鏡(380)的光軸垂直于毛細(xì)管(145)的側(cè)面。毛細(xì)管(145)安裝在允許最佳定位的毛細(xì)管支架(140)內(nèi)，使得顯微鏡物鏡(380)的焦點(diǎn)落在毛細(xì)管(145)內(nèi)，并且毛細(xì)管支架(140)使得能夠進(jìn)行沿毛細(xì)管(145)的長軸來回連續(xù)平移而保持顯微鏡物鏡(380)的焦點(diǎn)位于毛細(xì)管(145)內(nèi)。
對于測量小血液樣品(＜200μl；目前由管直徑限制，毛細(xì)管體積＝12.5μl；直徑50μm的毛細(xì)管產(chǎn)生12.5nl的毛細(xì)管體積)的特定目的，如圖6所示，毛細(xì)管(145)裝備有在兩側(cè)上均包括管(154)的樣品供應(yīng)裝置(150)。一側(cè)連接到與路厄式類型注入器兼容的樣品注入口(156)，另一側(cè)與廢液容器(158)和真空泵(152)相連。真空泵(152)在注入口(156)產(chǎn)生吸力使得將樣品很容易注入進(jìn)毛細(xì)管(145)以用于測量。
所描述的實(shí)施例通過限制樣品內(nèi)的散射光的光學(xué)路徑，使得能夠進(jìn)行高吸收性液體/懸浮液和強(qiáng)烈散射的液體/懸浮液的體外測量。因此它減少了對困難的信號校正的需要，所述校正用于校正樣品中通常依賴于波長的自吸收或散射，所述校正從一個(gè)樣品到下一個(gè)樣品可能是不同的，例如，由于血液中氧飽和度和/或血細(xì)胞比容的差異。
圖14圖示地顯示了按照本發(fā)明的分析裝置的又一實(shí)施例，其中監(jiān)視系統(tǒng)是正交偏振光譜成像裝置。所述實(shí)施例將通過OPSI的成像和拉曼光譜結(jié)合。對于正交偏振的光譜成像(OPSI)，使用特定波長段的光源。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，用帶通濾光器(λ-Ftr)對白色光源進(jìn)行濾光。所述光被偏振器(P)線性偏振。然后通過物鏡(Obj)將所述光聚焦在對象中。反射的光通過在正交偏振方向上的檢偏振器進(jìn)行探測。這意味著僅來自渾濁對象(組織)深處的多(漫射)散射光的去偏振光被探測到。這些光子的反向散射產(chǎn)生一種“背光照明”，所述“背光照明”在CCD探測器(參見圖1的CCD)的圖像中或多或少地產(chǎn)生同源亮度。通過適當(dāng)選擇對應(yīng)于淺的對象(例如皮膚中的毛細(xì)管)中的(部分)吸收的波長(λ-Ftr)，這些對象在亮背景上呈現(xiàn)相反的黑暗(通過吸收)?？梢允褂脼V光器或其它束結(jié)合單元以與在共焦成像中相類似的形式將拉曼激發(fā)束耦合在OPSI圖像中。尤其OPSI的優(yōu)勢是它的簡潔和低造價(jià)。正如參照其它實(shí)施例所描述的那樣，提供控制激發(fā)系統(tǒng)(ls)和/或探測系統(tǒng)(dsy)的控制單元。
權(quán)利要求
1.一種分析裝置，尤其是一種用于血液分析的光譜分析裝置，包括-激發(fā)系統(tǒng)(exs)，發(fā)射激發(fā)束以激發(fā)目標(biāo)區(qū)域，和-探測系統(tǒng)(dsy)，探測由激發(fā)束所產(chǎn)生的來自目標(biāo)區(qū)域的散射輻射并分析散射輻射，其中僅分析從符合以下條件的毛細(xì)管中的血液所散射的輻射直徑小于預(yù)定直徑值和/或包括低于預(yù)定細(xì)胞數(shù)量的紅血球數(shù)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析裝置，進(jìn)一步包括-監(jiān)視系統(tǒng)(ls)，發(fā)射監(jiān)視束以對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行成像，-圖像處理單元(opd)，處理目標(biāo)區(qū)域的圖像并在顯示毛細(xì)血管或血管部分的圖像中選擇血管區(qū)域，所述毛細(xì)血管或血管部分的直徑小于預(yù)定直徑值和/或包括低于預(yù)定細(xì)胞數(shù)量的紅血球數(shù)量，以及-控制單元(ctrl)，控制探測系統(tǒng)(dsy)以僅分析來自所選血管區(qū)域的散射輻射，和/或控制激發(fā)系統(tǒng)(exs)以僅激發(fā)所選血管區(qū)域或預(yù)定區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析裝置，進(jìn)一步包括增強(qiáng)血漿信號貢獻(xiàn)的裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析裝置，進(jìn)一步包括對血漿成分進(jìn)行選擇性分析的選擇裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析裝置，進(jìn)一步包括尤其通過壓力擠壓阻止或減慢血流的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析裝置，其中圖像處理單元(opd)適于通過使用光學(xué)血管跟蹤裝置在顯示毛細(xì)血管或血管部分的圖像中選擇血管區(qū)域，所述毛細(xì)血管或血管部分具有小于預(yù)定直徑值的直徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析裝置，其中圖像處理單元(opd)適于通過使用圖像中的對比度在顯示毛細(xì)血管或血管部分的圖像中選擇血管區(qū)域，所述毛細(xì)血管或血管部分包括低于預(yù)定細(xì)胞數(shù)量的紅血球數(shù)量。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析裝置，其中圖像處理單元(opd)適于獲取圖像中紅血球的速度和距離信息，并且其中控制單元(ctrl)適于通過使用所述速度和距離信息控制探測系統(tǒng)(dsy)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析裝置，其中控制單元(ctrl)適于尤其通過使用小于300μm的穿透深度控制激發(fā)系統(tǒng)(exs)以僅激發(fā)上部真皮中的預(yù)定區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分析裝置，其中探測系統(tǒng)(dsy)適于從散射輻射獲取強(qiáng)度信息，并且其中控制單元(ctrl)適于使用所述強(qiáng)度信息控制探測系統(tǒng)(dsy)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析裝置，進(jìn)一步包括樣品支持系統(tǒng)(100)，該樣品支持系統(tǒng)(100)包含容納要被分析的血液的毛細(xì)管(145)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的分析裝置，其中所述毛細(xì)管(145)適于沿它的縱軸和/或沿入射激發(fā)束的方向移動。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的分析裝置，進(jìn)一步包括使得血液流過毛細(xì)管(145)的裝置(150)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中所述預(yù)定直徑值是15μm，尤其是10μm。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中所述預(yù)定血細(xì)胞數(shù)量是低于血細(xì)胞比容0.35。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析裝置，進(jìn)一步包括發(fā)射輸出束的輻射源(exs)和從輸出束分離監(jiān)視束和激發(fā)束的光學(xué)分離系統(tǒng)(BS1)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析裝置，進(jìn)一步包括觸發(fā)激發(fā)系統(tǒng)(exs)和/或探測系統(tǒng)(dsy)的觸發(fā)裝置，以時(shí)間分辨地激發(fā)目標(biāo)區(qū)域和/或時(shí)間分辨地探測來自目標(biāo)區(qū)域的散射輻射。
18.一種分析方法，尤其是用于對血管進(jìn)行血液分析的光譜分析方法，包括以下步驟-發(fā)射激發(fā)束以激發(fā)目標(biāo)區(qū)域，-探測由激發(fā)束所產(chǎn)生的來自目標(biāo)區(qū)域的散射輻射，-分析散射的輻射，其中僅分析從符合以下條件的毛細(xì)管中的血液所散射的輻射直徑小于預(yù)定直徑值和/或包括低于預(yù)定細(xì)胞數(shù)量的紅血球數(shù)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分析裝置，尤其涉及一種對血管進(jìn)行血液分析的光譜分析裝置。激發(fā)系統(tǒng)(exs)發(fā)射激發(fā)束以激發(fā)目標(biāo)區(qū)域。提供探測系統(tǒng)(dsy)用于探測和分析由目標(biāo)區(qū)域散射的輻射。選擇或預(yù)定這些區(qū)域，以便僅分析符合以下條件的毛細(xì)管的血液所散射的輻射直徑小于預(yù)定直徑值和/或包括低于預(yù)定細(xì)胞數(shù)量的紅血球數(shù)量。因此，與全血分析或大量血細(xì)胞分析形成對比，由于紅血球，拉曼光的再吸收和散射減少。此外，給出了下述可能性，即在血漿中直接測量而沒有紅血球的干擾，從而產(chǎn)生更高的信噪比。
文檔編號A61B5/145GK1748139SQ200480003602
公開日2006年3月15日 申請日期2004年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月6日
發(fā)明者G·W·魯卡斯森, G·J·普佩斯, M·范德沃特, R·沃圖伊斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司