專利名稱：通過近紅外光譜識別人的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及通過利用來自非侵入近紅外細(xì)胞組織分析物的光譜數(shù)據(jù)來驗(yàn)證個(gè)人身份的方法和系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及用于通過光能被細(xì)胞組織近紅外吸收來驗(yàn)證活人的身份的非侵入方法和設(shè)備，該身份是通過對最后得到的皮下細(xì)胞組織光譜數(shù)據(jù)與先前存儲(chǔ)的、該人的光譜數(shù)據(jù)相比較的多變量判別式分析技術(shù)而被驗(yàn)證的。
背景技術(shù)：
身份驗(yàn)證在許多應(yīng)用中是有用的。實(shí)例包括在啟動(dòng)機(jī)器以前或進(jìn)入保密區(qū)域之前驗(yàn)證身份。另一個(gè)例子是個(gè)人的身份驗(yàn)證，使得該個(gè)人與文件上的該人的記錄進(jìn)行匹配，諸如當(dāng)個(gè)人身份是不知道時(shí)進(jìn)行醫(yī)院病人記錄匹配，身份驗(yàn)證也被用來在嫌疑人被拘捕但嫌疑人的真正身份并不知道時(shí)進(jìn)行警察記錄匹配。密碼、密鑰、數(shù)字代碼和指印是當(dāng)前在使用的解決方案，然而，密鑰和代碼可被占有密鑰或代碼的任何人使用。確信實(shí)際地在一個(gè)地點(diǎn)的個(gè)人就是合法使用密鑰或密碼的個(gè)人的這種要求是不容易做到的。指印分析常常不能給出立即的結(jié)果，依賴于指印分析的安全系統(tǒng)會(huì)被回避，正如由Osten等在美國專利No.5,719,950中揭示的。
活人細(xì)胞組織被看作為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，包含多種成份和分析物信息，在醫(yī)藥職業(yè)上用于診斷、處理和監(jiān)視人的生理?xiàng)l件方面是特別有用的。為此，一直致力于開發(fā)使用光譜學(xué)的非侵入測量細(xì)胞組織成份的方法?；畹募?xì)胞組織的光譜分析集中在光譜信息的識別，它規(guī)定個(gè)人的分析物，以及把這樣的光譜數(shù)據(jù)與分析物的濃度相聯(lián)系。病人的這些分析物的濃度隨時(shí)間而變化。使用于診斷和處理的、具有足夠的精度的細(xì)胞組織光譜數(shù)據(jù)的獲取被證明是困難的。進(jìn)行分析的困難已被發(fā)現(xiàn)是由于這樣的事實(shí)，細(xì)胞組織系統(tǒng)是具有不同的折射指數(shù)和吸收性質(zhì)的材料的復(fù)數(shù)矩陣。而且，因?yàn)楦信d趣的成份常常是以非常低的濃度存在的，高的濃度的成份(諸如水)對于識別低的水平成份光譜信息和給出想要的成份濃度的精確讀數(shù)具有有害的影響。這些技術(shù)的開發(fā)總是集中在光譜輸出隨感興趣的動(dòng)態(tài)分析物(諸如葡萄糖)的濃度改變而發(fā)生的改變上。所揭示的技術(shù)集中在識別特定的分析物的濃度上，這些分析物的濃度預(yù)期隨時(shí)間而變化的。
收集和分析近紅外細(xì)胞組織光譜用于分析物濃度的改進(jìn)的方法和識別在共同指派的美國專利申請和發(fā)布的專利中被揭示。1997年4月18日提交的、題目為“Method for Non-invasive BloodAnalyte Measurement with Improved Optical Interface(通過改進(jìn)的光學(xué)接口進(jìn)行的非侵入血液分析物測量的方法)”的、美國專利No.5,655,530和美國專利申請序列號No.08/844,501涉及到隨時(shí)間變化的細(xì)胞組織分析物濃度的近紅外分析，主要集中在糖尿病人的葡萄糖濃度上。這些方法和識別包括把折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)放置在傳感器和皮膚之間，以改進(jìn)測試的精度和可重復(fù)性。1998年10月19日提交的、題目為“Method for Non-invasive BloodAnalyte Measurement with Improved Optical Interface(通過改進(jìn)的光學(xué)接口進(jìn)行的非侵入血液分析物測量的方法)”的、美國專利申請序列號No.09/174,812揭示了分析物濃度的精確分析的進(jìn)一步改進(jìn)，包括阻擋遮光板裝置，把漫反射光與光譜反射光分開。遮光板允許獲取來自更深的、內(nèi)部的下皮層的光，抑制來自表面的表皮層的光，其中表皮層比起內(nèi)部的下皮層具有少得多的分析物信息。遮光板阻擋鏡面反射以及來自下皮層的漫反射。以上的專利和專利申請被轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人，其公開內(nèi)容在此引用，以供參考。
美國專利No.5,435,309涉及選擇用于多變量譜分析的最佳波長的系統(tǒng)。只使用一個(gè)波長不能給出足夠的信息，特別是對于具有多信號成份的溶液。使用太多的波長會(huì)包括太多的噪聲以及導(dǎo)致由組合造成的計(jì)算量的激增。所以，使用的波長數(shù)目應(yīng)當(dāng)是有限的，以及波長應(yīng)當(dāng)很好地選擇。在這個(gè)參考文獻(xiàn)中使用通用算法了選擇最適合的波長。這個(gè)專利的公開內(nèi)容在此引用以供參考。
發(fā)明概要與上述的現(xiàn)有技術(shù)方法不同，本發(fā)明是根據(jù)申請人的認(rèn)識特定的個(gè)人的最終得到的細(xì)胞組織光譜包括獨(dú)特的譜特性和譜特性的組合，一旦分析裝置被訓(xùn)練識別個(gè)人后這些譜特性可被使用來識別個(gè)人。最好是選用近紅外范圍的譜分析，然而，可以看到，可見光或中紅外光的能量可被單獨(dú)地使用號與近紅外相組合地使用。裝置的訓(xùn)練是通過使用來自以前的測試的、存儲(chǔ)的該個(gè)人的譜數(shù)據(jù)而完成的。申請人能夠用這里揭示的技術(shù)得到幾乎百分之零的假陽性錯(cuò)誤率，即使被分析的細(xì)胞組織是分析物濃度的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，因此，細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)隨時(shí)間和在各次分析之間有很大的變化。本發(fā)明的方法的成功據(jù)認(rèn)為在于兩個(gè)部分。首先，本方法引用引用精確地和可重復(fù)地得到穩(wěn)定的細(xì)胞組織譜，而同時(shí)保持對在任何給定的保持的譜輸出的輕微變化的靈敏性的設(shè)備和技術(shù)。系統(tǒng)最佳化進(jìn)入和外出細(xì)胞組織樣本的光通過量。第二，因?yàn)閷τ谔囟ǖ膫€(gè)人是唯一的譜特性或譜特性的組合通過譜結(jié)果的看見的比較不容易看出或識別，本發(fā)明依靠鑒別分析技術(shù)，首先訓(xùn)練設(shè)備來識別對于個(gè)人的重要的譜特性，然后把重要性的特性與在試圖驗(yàn)證時(shí)的新的譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。本方法引用基于Mahalanobis距離技術(shù)或其它技術(shù)的鑒別分析技術(shù)，把從個(gè)人處取得的譜數(shù)據(jù)與在數(shù)據(jù)庫中存在的譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
因此，本發(fā)明包括通過使用非侵入細(xì)胞組織光譜學(xué)驗(yàn)證個(gè)人身份的方法。優(yōu)選的方法和設(shè)備用近紅外輻射照射皮膚，以及收集反射的非吸收的近紅外輻射。優(yōu)選地收集漫反射的光，而不是鏡面反射的光，更優(yōu)選地，收集從內(nèi)部皮下層而不是從表皮層漫反射的光。所收集的近紅外譜數(shù)據(jù)可被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中。從希望進(jìn)行身份驗(yàn)證的個(gè)人處收集一系列的這樣的譜數(shù)據(jù)。個(gè)人的身份優(yōu)選地連同相關(guān)的譜數(shù)據(jù)被驗(yàn)證和被存儲(chǔ)在鑒權(quán)數(shù)據(jù)庫中。已鑒權(quán)的譜可在幾分鐘的時(shí)間間隔內(nèi)被收集，或更優(yōu)選地，多個(gè)譜可以在幾天或幾星期內(nèi)被收集，這允許考慮到在任何給定的分析時(shí)間時(shí)將影響人的細(xì)胞組織譜的自然生理差異，而調(diào)整用于驗(yàn)證的個(gè)人的模型。
在收集后，通過使用分析工具，對于特定個(gè)人的鑒權(quán)譜數(shù)據(jù)庫可以相對于來自個(gè)人的新的譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表明是該個(gè)人或是不認(rèn)識的人。當(dāng)目標(biāo)個(gè)人的表明的身份要被驗(yàn)證時(shí)或不認(rèn)識的人的身份要對于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫檢查時(shí)，可以取目標(biāo)細(xì)胞組織譜，并以與處理已存儲(chǔ)的鑒權(quán)光譜相類似的方式進(jìn)行處理。在一個(gè)方法中，使用Mahalanobis距離和光譜剩余量來驗(yàn)證表明的身份，或查驗(yàn)未知的人的譜數(shù)據(jù)相對于數(shù)據(jù)庫的情形。在優(yōu)選的方法中，對于目標(biāo)光譜相對于表明的身份的個(gè)人的數(shù)據(jù)庫光譜，計(jì)算Mahalanobis距離和光譜剩余量。只有在上述的距離和幅度小于對于每個(gè)數(shù)據(jù)庫譜設(shè)置的預(yù)定的門限值，身份才被驗(yàn)證。
用于執(zhí)行身份驗(yàn)證的一個(gè)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)，具有輸入設(shè)備和輸出設(shè)備；數(shù)據(jù)庫，包括對于鑒權(quán)的人的近紅外細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)，或?qū)τ诒徊轵?yàn)的未知的人的個(gè)人的譜數(shù)據(jù)的收集；近紅外輻射源，用于把近紅外輻射照射到皮下細(xì)胞組織；近紅外分光儀，用于測量在多個(gè)波長上的皮下近紅外輻射；以及運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的程序，用于鑒別目標(biāo)個(gè)人的譜數(shù)據(jù)與鑒權(quán)的譜數(shù)據(jù)或選擇一組個(gè)人的譜的譜數(shù)據(jù)庫。程序可包括用于執(zhí)行判別式分析的軟件。在一個(gè)系統(tǒng)中，監(jiān)管學(xué)習(xí)程序可被利用來幫助把每個(gè)識別的個(gè)人的各個(gè)譜數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起。
表征本發(fā)明的、這些和各種其它優(yōu)點(diǎn)以及新穎性特征，在附屬于本發(fā)明和形成本發(fā)明的一部分的權(quán)利要求中具體地指出，然而，為了更好地了解本發(fā)明、它的優(yōu)點(diǎn)、和通過使用它而達(dá)到的目的，應(yīng)當(dāng)參考形成本發(fā)明的另一個(gè)部分的附圖和伴隨的說明，在其中顯示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
附圖簡述在附圖上，相同的參考數(shù)字表示在幾個(gè)圖上本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的相應(yīng)的部件或元件

圖1是通過折射指數(shù)匹配液體被耦合到皮膚表面的傳感器元件的局部截面圖；圖2是通過折射指數(shù)匹配液體被耦合到皮膚表面的相反面的傳感器元件的另一個(gè)實(shí)施例的局部截面圖；以及圖3是顯示通過折射指數(shù)匹配液體被耦合到皮膚表面的傳感器的精度和可重復(fù)性的改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖形表示。
優(yōu)選實(shí)施例詳述這里揭示了本發(fā)明的詳細(xì)的實(shí)施例、然而，應(yīng)當(dāng)看到，揭示的實(shí)施例僅僅是可以在各種系統(tǒng)中實(shí)施的、本發(fā)明的示例性例子。所以，這里揭示的具體細(xì)節(jié)不打算作為限制，而是作為權(quán)利要求的基礎(chǔ)，以及作為教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員各種各樣地實(shí)施本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。
本發(fā)明是基于申請人的認(rèn)識，在近紅外范圍內(nèi)個(gè)人的精確的、確切的和可重復(fù)的細(xì)胞組織譜包含對于該個(gè)人獨(dú)特的譜特性和譜特性的組合。進(jìn)一步認(rèn)為，某些獨(dú)特的信息可以存在于可見光區(qū)域，這里揭示的技術(shù)可適應(yīng)于這樣的分析。本發(fā)明還基于認(rèn)識到，通過利用判別式分析技術(shù)，正確的分析可以識別在譜輸出的可見的分析中不容易看到的、這些獨(dú)特的特性或組合，這樣，個(gè)人的身份可以通過把在驗(yàn)證時(shí)間取的細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)的、來自以前測試的細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較而被驗(yàn)證。識別方法也可以結(jié)合個(gè)人的分析物濃度的測量同時(shí)地被使用。
以前的譜數(shù)據(jù)被使用來訓(xùn)練設(shè)備，以便根據(jù)被認(rèn)為對于該特定的個(gè)人唯一的特性來識別該特定的個(gè)人。這些獨(dú)特的譜特性被發(fā)現(xiàn)是一貫性地存在，雖然每次分析時(shí)被分析的細(xì)胞組織是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，它包含其濃度隨由于個(gè)人的生理改變造成的細(xì)胞組織譜變化而變化的成份和分析物。
如上所述，本發(fā)明的方法的成功有兩個(gè)組成部分。首先，本方法引用精確地和可重復(fù)地獲取細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)的設(shè)備和技術(shù)。設(shè)備對在任何給定的輸入波長下譜輸出的輕微的改變很敏感，以及使得進(jìn)入或外出的細(xì)胞組織樣本的總的光的通過量最佳化。第二，該方法需要特定的技術(shù)，用于訓(xùn)練儀器來識別對于特定的個(gè)人的重要性的譜特性，然后把這樣的特性與在進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)得到的新的譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。因?yàn)橥ㄟ^可看見的譜結(jié)果的比較不容易看到或識別對于特定的個(gè)人獨(dú)特的特別的特性或組合，以及對于不同的個(gè)人在不同的波長存在獨(dú)特的譜特性，所以，本發(fā)明依靠判別式分析技術(shù)來比較譜數(shù)據(jù)。下面詳細(xì)描述本發(fā)明的設(shè)備和方法的每個(gè)部分。
本發(fā)明利用用于近紅外細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)的非侵入測量的、精確的、可重復(fù)的和敏感的方法?？梢钥吹剑瑯颖臼蔷哂胁煌恼凵渲笖?shù)和顯示性質(zhì)的復(fù)數(shù)矩陣的物質(zhì)。而且，因?yàn)樵S多成份以非常低的濃度存在，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，必須把光有效地耦合進(jìn)入到細(xì)胞組織或從細(xì)胞組織耦合出來。本發(fā)明的方法引用折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)，或易變形的固體，來改進(jìn)光耦合進(jìn)或出細(xì)胞組織的效率。
本發(fā)明利用近紅外光譜區(qū)域中的光的能量作為用于分析的光源。水是至今為止在細(xì)胞組織中近紅外區(qū)域吸收的最大的貢獻(xiàn)者，因?yàn)樗臐舛纫约八暮軓?qiáng)的吸收系數(shù)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞組織的總的吸收譜非常近似于水的光譜。小于0.1％的吸收系數(shù)是來自于諸如葡萄糖那樣的成份。還發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞組織很大地散射光，因?yàn)樵诘湫偷募?xì)胞組織樣本中有許多折射指數(shù)不連續(xù)性。水充滿于細(xì)胞組織，它具有1.33的折射指數(shù)。細(xì)胞組織的細(xì)胞壁和其它特性具有接近于1.5到1.6的折射指數(shù)。這些折射指數(shù)的不連續(xù)性造成散射。雖然這些肇事者不連續(xù)性是經(jīng)常的，但在大小上典型地是小的，以及散射通常具有向著前向的很強(qiáng)的方向性。
這種前向散射被稱為各向異性，它被規(guī)定為平均散射角的余弦。因此，對于完全的后向散射，就是指所有的散射事件使得光子轉(zhuǎn)換它的先進(jìn)方向180度，各向異性因子為-1。同樣地，對于完全的前向散射，各向異性因子是+1。在近紅外區(qū)域，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞組織具有約0.9到0.95的各向異性因子。例如，0.9的各向異性因子是指當(dāng)光通過樣本時(shí)，光的平均光子值散射到25度的角度。
在獲取細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)時(shí)，至少在兩個(gè)不同的模式下進(jìn)行測量。將會(huì)看到，可以測量傳輸通過細(xì)胞組織截面的光，或可以測量從細(xì)胞組織反射或重新發(fā)射的光。已經(jīng)看到，因?yàn)楫?dāng)光傳送通過細(xì)胞組織時(shí)光的前向散射，傳輸是分光學(xué)中優(yōu)選的分析方法。然而，很難找到身體的一部分，在光學(xué)上是足夠薄的，而可傳送通過近紅外光，特別是在更長的波長上。因此，在本發(fā)明中，用于測量的優(yōu)選的方法是集中在光從樣本的反射上。
光子在折射指數(shù)不連續(xù)性時(shí)反射和折射，照射到細(xì)胞組織的光在細(xì)胞組織表面立即具有小的反射。這被稱為譜反射。因?yàn)檫@個(gè)光并不穿透細(xì)胞組織，它幾乎不包含有關(guān)細(xì)胞組織成份的信息。這從皮膚生理觀點(diǎn)看來，是特別正確的，皮膚具有外層，它基本上是死去的，以及缺乏對于個(gè)人獨(dú)特的譜信息。因此，包含對于個(gè)人獨(dú)特的譜數(shù)據(jù)的反射光的能量據(jù)信是通過細(xì)胞組織樣本內(nèi)較深的折射指數(shù)不連續(xù)性反射回到表面的光。這個(gè)反射光能量被稱為漫反射光。
申請人發(fā)現(xiàn)，大部分入射的光子在細(xì)胞組織中被吸收和被散射。對于從細(xì)胞組織后向耦合出來可提供的那些光子多半轉(zhuǎn)換它們的角度路徑。事實(shí)上，按照規(guī)定，光子必須改變方向，以便以向著輸入光的方向從細(xì)胞組織外出。然而，申請人發(fā)現(xiàn)，檢測時(shí)的大的問題是與平均細(xì)胞組織折射指數(shù)與細(xì)胞組織外面空氣的折射指數(shù)之間的折射指數(shù)不連續(xù)性有關(guān)的。已看到，作用在入射光上的這個(gè)不連續(xù)性導(dǎo)致小于約5％的折射和小的鏡面反射。然而，另一方面，不連續(xù)性引起臨界角現(xiàn)象。因?yàn)楣庾訌墓獾恼凵渲笖?shù)媒介質(zhì)進(jìn)到較低的媒介質(zhì)，出現(xiàn)臨界角，在分界面上光子全部向內(nèi)部反射，不從細(xì)胞組織樣本逃逸出。光子從細(xì)胞組織進(jìn)到空氣的這個(gè)臨界角發(fā)現(xiàn)是在約46度，這給出一個(gè)問題。通常入射到細(xì)胞組織的光子必須偏離大的角度才能外出。因?yàn)樯⑸涞那跋蚍较蛐?，這對于光子是很難做到的，很可能造成切線入射或大的角度入射到細(xì)胞組織與空氣分界面。因?yàn)槌^臨界角，切線入射光子將不逃逸出。
申請人發(fā)現(xiàn)折射指數(shù)的差異與從細(xì)胞組織外出到分析儀器的耦合光的能量有關(guān)的一種解決方案。該解決方案是使用一種浸入的液體，它在感興趣的光譜范圍具有非常低的吸收率，以及具有與良好的流動(dòng)和可達(dá)到的范圍相適應(yīng)的粘度，而同時(shí)具有這樣的折射指數(shù)，它把光有效地引入到細(xì)胞組織，減小鏡面反射和有效地得到從細(xì)胞組織返回的光。在優(yōu)選實(shí)施例中，折射指數(shù)匹配液體優(yōu)選地是最小地或基本上不吸收在與識別個(gè)人有關(guān)的、選擇的波長上的能量。液體因此是在想要的波長上的、不能利用光譜方法工作的。然而，據(jù)認(rèn)為仍舊可以利用最小吸收的折射指數(shù)匹配液體，例如吸收小于約10％的相關(guān)波長的光的能量的液體。優(yōu)選的材料是由Occidental Chemical制造的、商標(biāo)名稱FLUOROLUBE的、氟化的、氯化的碳?xì)浠衔锞酆衔镉?。FS5是一種優(yōu)選的FLUOROLUBE。這些油具有約1.38的折射指數(shù)，是無毒性的，以及本申請人發(fā)現(xiàn)，它具有在最小的近紅外區(qū)域中的光譜譜貌。
選擇參照圖1和2，圖上顯示引用非侵入獲取細(xì)胞組織譜的設(shè)備的兩個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的局部截面圖。圖1和圖2示意地顯示結(jié)合被連接到能量源16和光譜分析儀的非侵入傳感器單元11一起利用折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)22的概念。圖上沒有畫出實(shí)際部件的相對尺寸、形狀和細(xì)節(jié)。
如圖1所示的設(shè)備和如圖2所示的設(shè)備一般地包括三個(gè)單元能量源16，傳感器單元11和光譜分析儀30。圖1的實(shí)施例顯示傳感器單元包括輸入單元20和輸出單元26，它們可包括用于輸入和輸出光的能量的單個(gè)透鏡系統(tǒng)。輸入單元20和輸出單元26與選擇的細(xì)胞組織10的普通皮膚表面12相接觸。圖2的替換的實(shí)施例顯示替換的傳感器單元11安排，其中輸入單元201和輸出單元26被安排在細(xì)胞組織10的相對的表面12，14。
這兩個(gè)實(shí)施例用來給出紅外能量被細(xì)胞組織10的吸收的測量值。然而，圖1的實(shí)施例被利用來測量光的能量被細(xì)胞組織中的成份或特性從細(xì)胞組織10反射回的量。相反，圖2的實(shí)施例測量光的能量通過細(xì)胞組織10的傳輸。在任一個(gè)實(shí)施例中，在各個(gè)波長上的吸收可以通過比較來自能量源16的光的能量的強(qiáng)度而被確定。
能量源16優(yōu)選地是寬帶的、紅外黑體源。從能量源16發(fā)射的光的波長優(yōu)選地是在1.0和2.5μm之間。能量源16優(yōu)選地被耦合到第一裝置，用于把來自能量源的紅外能量18發(fā)送到輸入單元20。在優(yōu)選實(shí)施例中，這個(gè)第一裝置僅僅通過把能量源16放置在靠近輸入單元20，而把光的能量通過空氣發(fā)送到輸入單元20。
傳感器單元11的輸入單元20優(yōu)選地是光學(xué)透鏡，它把光能聚焦到高的能量密度點(diǎn)。然而，應(yīng)當(dāng)看到，可以結(jié)合光學(xué)透鏡利用其它光束聚焦裝置來改變照射的區(qū)域。例如，可以利用多透鏡系統(tǒng)，變尖的光纖，或其它傳統(tǒng)的光束成形設(shè)備來改變輸入的光能。
在圖1和2所示的兩個(gè)實(shí)施例中，輸出傳感器26被利用類接收來自細(xì)胞組織的反射或傳輸?shù)墓饽堋Ｔ趦?yōu)選實(shí)施例中，引用鏡面控制裝置來把鏡面反射光與漫反射光分開。在1997年6月9日提交的、題目為“Diffuse Reflectance Monitoring Apparatus(漫反射監(jiān)視設(shè)備)”的、共同待決的和共同指派的專利申請序列號No.08/871,366中揭示了這樣的裝置，其揭示內(nèi)容在此引用，以供參考。正如下面結(jié)合分析方法描述的，圖1的實(shí)施例具有用來接收反射的光能的輸出傳感器26，而圖2的實(shí)施例包括用來接收通過細(xì)胞組織10傳輸?shù)墓饽艿妮敵鰝鞲衅?6。和輸入單元26一樣，輸出單元26優(yōu)選地是光學(xué)透鏡。其它的光學(xué)聚合裝置也可被引入到輸出單元26，諸如多透鏡系統(tǒng)，變尖的光纖，或其它光束聚合裝置，有助于把光能引導(dǎo)到光譜分析儀30。
用于傳輸紅外能量的第二裝置28工作時(shí)被連接到輸出單元26。傳輸通過用于傳輸紅外能量的第二裝置28的光被傳輸?shù)焦庾V分析儀30。在優(yōu)選實(shí)施例中，到輸出單元的運(yùn)行的連接包括把從輸出單元外出的、反射的或傳輸?shù)墓饽芡ㄟ^空氣傳輸?shù)焦庾V分析儀30?？梢岳靡粋€(gè)反射鏡或一系列反射鏡，把這個(gè)光能引導(dǎo)到光譜分析儀。
在實(shí)施本發(fā)明的方法時(shí)，細(xì)胞組織10區(qū)域被選擇為分析點(diǎn)。這個(gè)區(qū)域包括在手指，耳翼，前臂的皮膚表面12，或任何其它皮膚表面。優(yōu)選地，用于采樣的區(qū)域包括表面附近的血管，和相對較平滑的、變硬塊的表面。優(yōu)選的樣本位置是前臂外側(cè)。大量的折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)22(或者是液體或者是可變形的固體)被放置在要被分析的區(qū)域的皮膚表面12上，以便把傳感器單元11(包括輸入單元20和輸出單元26)耦合到儀器。
在獲取細(xì)胞組織10的譜數(shù)據(jù)時(shí)，來自能量源16的光能通過用于傳輸紅外能量的第一裝置18被傳輸?shù)捷斎雴卧?0。光能從輸入單元20通過折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)22傳輸?shù)狡つw表面12。接觸皮膚表面12的光能被皮膚表面12的下面包含的各個(gè)組成和分析物不同地吸收。在優(yōu)選實(shí)施例中，未吸收的光能再次傳播通過折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)22后，被反射回輸出單元26。未吸收的光能通過用于傳輸紅外能量的第二裝置28傳輸?shù)焦庾V分析儀30。
在圖2的替換的實(shí)施例中，傳播通過輸入單元10和第一數(shù)量的折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)22的光能被細(xì)胞組織10不同地吸收，而同時(shí)具有各個(gè)波長的一定量的光能通過細(xì)胞組織10傳輸?shù)较喾吹摹⒒虻诙つw表面14。從第二皮膚表面14，非吸收的光能通過第二數(shù)量的折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)22傳播到輸出單元26，以后再傳播到光譜分析儀30，以便產(chǎn)生細(xì)胞組織譜。
如前所述，本發(fā)明的折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)22是對于上述方法的改進(jìn)的精度和可重復(fù)性的關(guān)鍵。折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)優(yōu)選地可以是包含有含氯氟烴的液體復(fù)合物。復(fù)合物也可以是含氯氟烴和全氟烴的混合物。優(yōu)選的復(fù)合物包括含三氟氯乙烯。優(yōu)選的復(fù)合物包含約80％到約99.8％的含氯氟烴(以重量計(jì))。如前所述，本發(fā)明利用折射指數(shù)匹配液體，使得到和來自要被分析的細(xì)胞組織的光能的輸入和輸出最佳化。廣義地說，本發(fā)明的折射指數(shù)匹配液體可以是任何液體，它在該交界面上產(chǎn)生改進(jìn)的光學(xué)接口，這是由于把本發(fā)明的探針放置在皮膚表面達(dá)到的。沒有本發(fā)明的折射指數(shù)匹配液體，這個(gè)接口包括被空氣填充的縫隙，這造成進(jìn)入細(xì)胞組織的光和從細(xì)胞組織外出的光的有害的折射。因此，任何折射指數(shù)匹配液體(具有接近于約1.38的細(xì)胞組織的折射指數(shù)對約1.0的空氣的折射指數(shù)的折射指數(shù))將提供改進(jìn)的交界面。
最佳系統(tǒng)包括折射指數(shù)匹配液體，它把光有效地引入到細(xì)胞組織，減少鏡面反射，以及有效地得到從細(xì)胞組織返回的光。液體的折射指數(shù)的選擇必須通過考慮細(xì)胞組織和透鏡的折射指數(shù)而被最佳化。從折射指數(shù)匹配看來使得系統(tǒng)的通過量最大化的處理過程由1下式控制N2＝√N(yùn)1*N3(1)其中N1是細(xì)胞組織的折射指數(shù)，N3是光學(xué)系統(tǒng)的折射指數(shù)，N2是光學(xué)耦合媒介質(zhì)的折射指數(shù)。雖然匹配液體折射指數(shù)的很寬的范圍可被使用于在總的傳輸?shù)郊?xì)胞組織中很小的百分?jǐn)?shù)的改變，但關(guān)鍵是貢獻(xiàn)到不想要的鏡面反射光的返回反射的光的量。通過以上的控制方程，在具有1.38的細(xì)胞組織折射指數(shù)和1.42的透鏡折射指數(shù)的系統(tǒng)中，理想的匹配液體折射指數(shù)是1.39986。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過適當(dāng)?shù)恼凵渲笖?shù)匹配的鏡面反射光的最小化是關(guān)鍵的，這是由于人工鏡面反射是很難用傳統(tǒng)的光譜圖模型工具來建模的。鏡面反射光在強(qiáng)度單元中是附加性的，但在吸收單元中是非線性的。當(dāng)在吸收空間中進(jìn)行局部最小平方分析時(shí)，這樣的非線性對于分析是有害的，這是因?yàn)榫植孔钚∑椒椒治鍪蔷€性模型。
本申請人已認(rèn)識到，本發(fā)明的設(shè)備的實(shí)用性要求傳感器的耦合是可重復(fù)的，以及結(jié)果是病人的細(xì)胞組織成份的精確的反射。為此，本申請人已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的折射指數(shù)匹配液體最好包含診斷附加物和/或生理附加物。診斷附加物提供透鏡到細(xì)胞組織接口的質(zhì)量的評估，和/或儀器的現(xiàn)在的性能的評估，而生理附加物改變細(xì)胞組織的生理，校正細(xì)胞組織分析物濃度對血液分析物濃度的差別。對這些附加物的討論為如下。
當(dāng)細(xì)胞組織被放置在與儀器接觸時(shí)，通過把附加物放置在折射指數(shù)匹配液體中，允許估計(jì)液體的厚度，由本發(fā)明進(jìn)行的細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)的非侵入測量被改進(jìn)。在優(yōu)選實(shí)施例中，通過包括在特定的光波長下的已知的高的吸收的混合物，附加物也提供儀器的校正。這樣的附加物還確保，正確的折射指數(shù)匹配液體被利用于儀器。
由于折射指數(shù)匹配液體固有地造成在樣本探針以上的細(xì)胞組織中高度的改變，這個(gè)高度的測量可有助于總的葡萄糖或其它分析物測量，而同時(shí)允許對譜測量施加路徑長度校正，作為采樣器上方的、細(xì)胞組織高度的函數(shù)。這可確保在進(jìn)行細(xì)胞組織譜測量之前得到可重新產(chǎn)生的、一致的高度，以及進(jìn)一步允許在進(jìn)行細(xì)胞組織譜測量之前調(diào)節(jié)高度。這樣，用戶可確信不會(huì)由于超過匹配液體的高度、利用不充分的折射指數(shù)液體，或細(xì)胞組織表面相對于分析儀的某些其它誤放置而得到虛假的結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)室分光儀利用富立葉變換系統(tǒng)，它引用激光參考信號來確定波長，以及確保儀器被校正。然而，多半是最終用戶負(fù)擔(dān)得起的儀器不使用激光，而是擴(kuò)散型儀器，諸如光柵，CCD陣列等等。對于這樣的儀器，重要的是確信在每次分析細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)之前校正是正確的。為此，本申請人發(fā)現(xiàn)，加上包括在已知的光波長上很好地規(guī)定的譜特性的附加物，可被利用來保證校正。
加到折射指數(shù)匹配液體的、已知的能夠利用光譜工作的附加物的使用，也確保最終用戶使用已被校正和被編程的正確的折射指數(shù)匹配液體。不同的折射指數(shù)液體的使用導(dǎo)致非侵入細(xì)胞組織光譜中的錯(cuò)誤，由于吸收用來識別個(gè)人的感興趣的區(qū)域中的光能。
為了完成以上的可重復(fù)性、精確性、和質(zhì)量保證，能夠利用光譜工作的試劑優(yōu)選地被加到折射指數(shù)匹配液體中。試劑優(yōu)選地在要被測量的、感興趣的區(qū)域以外具有陡的吸收波段。例如，在用于識別個(gè)人的優(yōu)選的方法中，試劑是在4200到7200波數(shù)范圍以外能工作的。試劑只要與實(shí)際上被使用來驗(yàn)證個(gè)人身份的波長沒有很大的重疊，在這個(gè)范圍內(nèi)也是能工作的。附加物可以通過把適當(dāng)?shù)墓δ芙M放置在全氟化的碳?xì)浠衔锒恢圃?。全氟化的碳?xì)浠衔镌诟信d趣的區(qū)域中是不能利用光譜工作的，然而，被放置在全氟化的碳?xì)浠衔锷系墓δ芙M可以是能利用光譜工作的。而且，這些功能組不干擾感興趣的血液分析物的分析。示例性化合物包括全氟-2-丁基四氫呋喃和全氟丁二酰氯。
在替換實(shí)施例中，折射指數(shù)匹配液體和診斷附加物可包括提供這兩種功能的同一個(gè)液體。例如，全氟-2-丁基四氫呋喃可被利用為折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)，它改進(jìn)光學(xué)接口的，以及同時(shí)包括使得化合物在用于診斷目的的想要的范圍內(nèi)是能夠利用光譜工作的功能組。
本申請人認(rèn)為，被局部加入的血管擴(kuò)張?jiān)噭┛梢越Y(jié)合本分析被使用。這些試劑可被引用到細(xì)胞組織。通過把試劑擴(kuò)散到皮膚和阻塞在饋送毛細(xì)血管的小的動(dòng)脈中腎上腺素受體，這些試劑是行得通的。這導(dǎo)致動(dòng)脈括約肌的膨脹，減小流動(dòng)阻力，和增加毛細(xì)血管的壓力和尺寸。多種優(yōu)選的血管擴(kuò)張?jiān)噭┌谆鶡燉０罚琺inoxidil，硝酸甘油，組胺，薄荷醇和辣椒素。
在實(shí)施本發(fā)明中，細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)是通過測量由輸出傳感器接收的、在各個(gè)波長上的光的強(qiáng)度，它給出在這樣的紅外能量的波長上吸收的指示，作為細(xì)胞組織樣本的組合的函數(shù)。正如技術(shù)上熟知的，本發(fā)明的光譜分析儀30能夠把入射到檢測器的紅外能量的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成按比例的電壓幅度。這樣，規(guī)定了對于待分析的細(xì)胞組織的輸出光譜。在圖3上顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明與上述的、用于得出細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)的方法有關(guān)的改進(jìn)。上部曲線，50，顯示了當(dāng)不存在折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)在先前描述的模式下采樣時(shí)得到的結(jié)果。在下部軌跡52上，在把輸入和輸出裝置放置在手臂之前，把100微升的三氟氯乙烯聚合物加到輸入和輸出裝置的表面。首先，畫出的每條線50和52，包括多個(gè)光譜。對于折射指數(shù)匹配液體，所有的光譜互相非常接近地重疊。這是良好的指示接口相當(dāng)穩(wěn)定。沒有折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)，接口是極其不穩(wěn)定的，因此，顯然，當(dāng)對待表示個(gè)人身份的特定的成份的濃度的小的改變時(shí)，在特定的波長處的數(shù)據(jù)不是特別精確的。
一旦得到對于細(xì)胞組織分析的精確的和可重復(fù)的譜數(shù)據(jù)，本發(fā)明的第二個(gè)關(guān)鍵因素是規(guī)定用于訓(xùn)練設(shè)備或儀器的方法，以便識別對于該特定的個(gè)人獨(dú)特的、具體特性或特性的組合，然后把數(shù)據(jù)庫的譜數(shù)據(jù)和它的獨(dú)特的特性與來自假定的同一個(gè)個(gè)人的、新的譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，確定譜數(shù)據(jù)事實(shí)上是否來自同一個(gè)個(gè)人。
在優(yōu)選的方法中，當(dāng)一個(gè)人尋求執(zhí)行一個(gè)只有有限的數(shù)目的被批準(zhǔn)的人才能執(zhí)行的運(yùn)行時(shí)(例如，進(jìn)行分光儀測量，進(jìn)入一個(gè)房間，獲得對聯(lián)鎖的車輛或機(jī)器控制權(quán)等等)，實(shí)施驗(yàn)證任務(wù)。個(gè)人的NIR譜數(shù)據(jù)被使用于驗(yàn)證個(gè)人的身份。在這個(gè)優(yōu)選的方法中，個(gè)人使用分光儀測量裝置來收集一個(gè)或多個(gè)細(xì)胞組織光譜。在測量以前，期間，或之后，個(gè)人也通過某些手段(個(gè)人ID號碼，姓名，標(biāo)記等等)說明他們是誰(例如“某個(gè)人X”)。驗(yàn)證任務(wù)然后是通過把聚合物光譜與一個(gè)或多個(gè)先前記錄的和驗(yàn)證的、來自某個(gè)人X的光譜進(jìn)行比較，而確認(rèn)該個(gè)人是他們說的某個(gè)人。等價(jià)地，如果驗(yàn)證任務(wù)與一個(gè)只有單個(gè)人才能執(zhí)行的運(yùn)行有關(guān)，則任務(wù)簡化為確保唯一的合法的個(gè)人試圖執(zhí)行該運(yùn)行。
建議的驗(yàn)證方法的所有的優(yōu)選實(shí)施方案通過使用從希望鑒權(quán)的個(gè)人處收集的光譜，V(ν)，和預(yù)先存儲(chǔ)的鑒權(quán)的光譜，A(v)，而產(chǎn)生差值光譜D(ν)，或相應(yīng)于其識別號被說明的個(gè)人的光譜D(ν)＝V(ν)-A(ν) (2)其中v是表示譜頻率或波長的變量，以及D，V，A是譜數(shù)值，以吸光度單位計(jì)，或某些相關(guān)的量計(jì)。替換地，D，V，A可以是譜強(qiáng)度值，以及“求差值”運(yùn)算變成為單元對單元比值D(ν)＝V(ν)/A(ν) (3)類似特性的其它數(shù)學(xué)運(yùn)算也有可能使用于本申請。
優(yōu)選的驗(yàn)證方法的其它關(guān)鍵因素是譜差值數(shù)據(jù)庫，它是通過使用與用于產(chǎn)生D(ν)的運(yùn)算相同的數(shù)學(xué)運(yùn)算而被開發(fā)的。在鑒權(quán)數(shù)據(jù)庫中的譜差值(或比值等等)優(yōu)選地從一個(gè)或多個(gè)個(gè)人，每人測量多次地形成的。為了魯棒性，各個(gè)個(gè)人的采樣應(yīng)當(dāng)跨越個(gè)人生理的預(yù)期的改變，分光儀測量裝置的預(yù)期的改變，以及測量環(huán)境的改變。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，譜差值可以在來自給定的個(gè)人的光譜的多個(gè)組合中產(chǎn)生，但決不應(yīng)當(dāng)通過使用來自不同的個(gè)人的光譜來形成。通過用病人內(nèi)的差值光譜填充數(shù)據(jù)庫，典型的病人內(nèi)光譜差值被去除，結(jié)果得到的數(shù)據(jù)庫只包含病人內(nèi)光譜特性以及儀器和環(huán)境影響。
驗(yàn)證任務(wù)是通過確定光譜差值D(ν)是否與對于個(gè)人的光譜差值數(shù)據(jù)庫相一致而完成的。如果說明個(gè)人的標(biāo)識是精確的，則結(jié)果得到的差值光譜D(ν)只包含病人內(nèi)的譜特性，因此是與數(shù)據(jù)庫一致的。反之，如果標(biāo)識是不精確的，則D(ν)將包含病人內(nèi)譜特性，以及與該個(gè)人的病人內(nèi)光譜差值數(shù)據(jù)庫不一致。在這種情形下，驗(yàn)證將失敗。
與數(shù)據(jù)庫的一致性可以以各種各樣的方式來確定。在優(yōu)選的方法中，使用在計(jì)算機(jī)程序中引用的判別式分析技術(shù)。這些方法依賴于確定在光譜數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)譜形狀(因子，裝載矢量，本征矢量，隱藏變量等等)，然后通過使用標(biāo)準(zhǔn)的外圍方法(光譜F比值，Maha1anobis距離，歐拉距離等等)來確定D(ν)與數(shù)據(jù)庫的一致性?；A(chǔ)譜形狀可以由如這里揭示的、多個(gè)裝置來產(chǎn)生。首先，基礎(chǔ)譜形狀可以根據(jù)簡單的譜分解(本征分析、富立葉分析等等)而被產(chǎn)生。
用于產(chǎn)生基礎(chǔ)譜形狀的第二方法關(guān)系到通用模型的開發(fā)，正如在1999年10月8日提交的、題目為“Methods and Apparatus forTailoring Spectroscopic Calibration Models(用于定做分光儀校準(zhǔn)模型的方法和設(shè)備)”的美國專利申請序列號No.09/415,432中描述的，其揭示內(nèi)容在此引用，以供參考。在這個(gè)申請中，基礎(chǔ)譜形狀是通過對病人內(nèi)譜特性執(zhí)行的校準(zhǔn)程序過程而產(chǎn)生的。校準(zhǔn)是以測量的分析物濃度特性為基礎(chǔ)的。
在第三方法中，基礎(chǔ)譜形狀可以通過開發(fā)基于模擬的成份變化的校準(zhǔn)而被產(chǎn)生。模擬的成份變化可以對由真實(shí)的分析物變化引入的變化建立模型，或可以僅僅是人工光譜學(xué)變量。在任一個(gè)情形下，必須以允許進(jìn)行校準(zhǔn)開發(fā)的方式加上變化。例如，通過改變酒精濃度而被引入的光譜學(xué)的變化可以以遵從Beer定律的方式人工地加到數(shù)據(jù)上。來自幾個(gè)不同的校準(zhǔn)的結(jié)果和相應(yīng)的驗(yàn)證結(jié)果能夠被組合，以便增強(qiáng)驗(yàn)證的精確性。
可以看到，用來分類光譜差值D(ν)是否與數(shù)據(jù)庫一致的其它裝置可應(yīng)用于本發(fā)明的驗(yàn)證方法。這些方法可以結(jié)合上述的技術(shù)或根據(jù)上述的技術(shù)被使用。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，方法上的許多變化是可能的。在一個(gè)實(shí)施例中，整個(gè)光譜以基本上均勻的波長間隔被存儲(chǔ)。在另一個(gè)實(shí)施例中，只記錄可能感興趣的、預(yù)先選擇的波長。在再一個(gè)實(shí)施例中，譜數(shù)據(jù)被分析和作為能夠基本上重新產(chǎn)生各種光譜的參量被存儲(chǔ)。在這個(gè)后面的實(shí)施例中，在參量以外的特定的波長的測量值沒有被存儲(chǔ)。被驗(yàn)證的光譜可被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫。在一個(gè)實(shí)施例中，在一個(gè)地點(diǎn)處得到多個(gè)光譜，以及把它使用來填充驗(yàn)證的光譜數(shù)據(jù)庫。在另一個(gè)實(shí)施例中，對于一個(gè)個(gè)人在幾個(gè)地點(diǎn)處得到光譜。
如前所述，通過對于同一個(gè)個(gè)人在同一個(gè)波長上取得的不同的測量值進(jìn)行計(jì)算，可以得到光譜差值或距離。規(guī)定光譜差值的變化是可能的。為了說明本發(fā)明，首先考慮在單個(gè)波長上取得測量樣本的情形。光譜差值可以取大量樣本的統(tǒng)計(jì)分析，諸如平均測量值和對于在該波長的新的光譜數(shù)值的平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在試圖使得對于大量樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大化或最小化時(shí)，可以估計(jì)各種波長。希望選擇使得對于單個(gè)個(gè)人取得的樣本對于該波長的變化最小化的波長。同時(shí)，希望選擇在個(gè)人之間變化的一個(gè)波長，允許區(qū)分出或鑒別被驗(yàn)證的個(gè)人與假冒的人。例如，在各個(gè)個(gè)人之間不變化的波長在用于個(gè)人之間的鑒別是沒有用的。同時(shí)，希望選擇在同一個(gè)個(gè)人的測量值之間沒有很大變化的一個(gè)波長，因?yàn)閭€(gè)人內(nèi)的差值會(huì)淹沒在個(gè)人之間的差值。
在上述的簡單的、單個(gè)波長的情形下，可以選擇一個(gè)波長，它使得個(gè)人之間的光譜差值最大化而同時(shí)使得個(gè)人內(nèi)的光譜差值最小化。在這個(gè)一個(gè)尺度的例子中，選擇一個(gè)波長，它趨向于把對于每個(gè)個(gè)人的測量值緊密地聚集在沿著一個(gè)軸的單個(gè)點(diǎn)上，而同時(shí)擴(kuò)散對于多個(gè)個(gè)人的、在該軸上的這些緊密的集群。當(dāng)引用一個(gè)目標(biāo)樣本時(shí)，可以把取得的測量值與對于該表明的識別號的個(gè)人的集群的數(shù)值進(jìn)行比較。對于驗(yàn)證的個(gè)人可以對于每個(gè)集群的數(shù)值確定門限值。例如，對于多個(gè)樣本，門限值可被設(shè)置在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，落在這個(gè)范圍以外的任何測量值被剔除，以及目標(biāo)的個(gè)人驗(yàn)證不被接受。
通過以上的簡化的單個(gè)波長的例子，分析譜數(shù)據(jù)的理論可被擴(kuò)展。在兩個(gè)波長例子中，選擇兩個(gè)波長，兩個(gè)波長測量值互相關(guān)系被畫成平面上二維圖形的X-Y坐標(biāo)。二維圖優(yōu)選地顯示一系列互相很寬地分開的集群。通過使用概率分布函數(shù)，對于每個(gè)集群建立一個(gè)門限值。來自目標(biāo)的個(gè)人的測量值可以對于大量樣本內(nèi)的成員以一定的概率被分析。在一個(gè)例子中，如果目標(biāo)測量值落在99％概率門限值內(nèi)，成員關(guān)系被確認(rèn)。然后，可以畫出對于個(gè)人獲取的兩個(gè)波長測量值，以及確定在二維空間中、離集群中心的譜距離。本例中的驗(yàn)證是根據(jù)對于目標(biāo)個(gè)人的數(shù)據(jù)點(diǎn)是被判斷為落在集群內(nèi)還是在集群以外。
同樣地，可以看到這個(gè)分析的應(yīng)用項(xiàng)的三個(gè)波長的例子，用在三維空間中畫出的數(shù)據(jù)點(diǎn)集群來代表，以及目標(biāo)點(diǎn)離集群的幾何距離被確定。通過擴(kuò)展，可以選擇十個(gè)波長，以及目標(biāo)點(diǎn)離集群的距離在十維空間中被計(jì)算。雖然看到不那樣容易，但在優(yōu)選實(shí)施例中使用多個(gè)波長。在優(yōu)選實(shí)施例中，在多個(gè)波長上取得的因素或測量的組合被使用來簡化分析，以及以更低的維數(shù)，人的視覺。
在替換的實(shí)施例中，函數(shù)被使用來預(yù)處理光譜測量值以及所使用的得到的結(jié)果函數(shù)值，而不是直接測量值。例如，在兩個(gè)波長上取得的、對于一個(gè)個(gè)人的測量值可被觀察到互相相對地上下變化，但這兩個(gè)數(shù)值的平均值或全部可被看到對于該個(gè)人保持為常數(shù)。在這個(gè)例子中，來自幾個(gè)地點(diǎn)的兩個(gè)測量值相互關(guān)系的圖顯示具有負(fù)的斜率的一個(gè)直線段的集群。全部或平均值的一維圖將顯示單個(gè)點(diǎn)的緊密的集群。這樣，可以用函數(shù)預(yù)處理多個(gè)波長，導(dǎo)致單個(gè)數(shù)值，元件使用單個(gè)數(shù)值代替直接測量值。
在另一個(gè)替換方法中，使用測量值來確定對于個(gè)人的分析物濃度，以及使用分析物濃度代替某些直接測量值。在這個(gè)方法中，對于具有已知的身份的個(gè)人，取多個(gè)細(xì)胞組織光譜和校準(zhǔn)血液樣本。校準(zhǔn)樣本被使用來產(chǎn)生能接收細(xì)胞組織光譜作為輸入的函數(shù)，以及輸出分析物濃度。因此可以使用單個(gè)值，代替多個(gè)波長測量值。在使用時(shí)，目標(biāo)個(gè)人的表明的身份被使用來預(yù)處理細(xì)胞組織光譜和達(dá)到分析物濃度值。
選擇所使用的波長是重要的。在美國專利No.5,435,309中討論選擇波長的一個(gè)方法。在一個(gè)方法中，感興趣的波長事先被選擇，以及被使用于所有的樣本。在另一個(gè)方法中，測量值被周期地使用來重新計(jì)算個(gè)人之間和個(gè)人內(nèi)部的差值。把新的接近地聚集或甚至重疊的個(gè)人加到鑒權(quán)數(shù)據(jù)庫可以通過選擇不同的波長，或選擇作用在這些波長的不同的函數(shù)，而被補(bǔ)救。
在使用時(shí)，細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)如前所述可以從個(gè)人的前臂外側(cè)取得。細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)然后可被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫。通常，在貯存之前或之后，可以確定基礎(chǔ)的光譜形狀和性質(zhì)，諸如因子，裝載矢量，本征矢量，和隱藏變量。標(biāo)準(zhǔn)外圍方法，諸如光譜F比值，Mahalanobis距離和歐拉距離可被使用來確定目標(biāo)光譜與具有表明的身份的個(gè)人的光譜數(shù)據(jù)庫的一致性。
在一個(gè)方法中，在收集足夠數(shù)目的光譜后，通過軟件和對數(shù)據(jù)執(zhí)行的判別式分析，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)囊蜃佣鴮?shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。在這個(gè)方法中執(zhí)行判別式分析，以便產(chǎn)生對于把聚集個(gè)人內(nèi)部的數(shù)據(jù)點(diǎn)在一起而同時(shí)把個(gè)人之間的集群分開大的個(gè)人之間距離來說是有用的因子。結(jié)合本發(fā)明使用的判別式分析方法的例子包括線性判別式分析和非線性判別式分析。
在一個(gè)方法中，當(dāng)想要進(jìn)行身份驗(yàn)證時(shí)，從目標(biāo)個(gè)人獲得細(xì)胞組織光譜和表明的身份。細(xì)胞組織光譜被操作，以便產(chǎn)生被使用來聚集譜數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)點(diǎn)的同一個(gè)因子。在目標(biāo)光譜與數(shù)據(jù)庫光譜之間的光譜差值被計(jì)算。一個(gè)計(jì)算是測量對于表明的身份的目標(biāo)光譜與數(shù)據(jù)庫光譜之間的Mahalanobis距離。如果該距離小于門限值距離，則表明的身份可被肯定地驗(yàn)證。另一個(gè)光譜差值包括計(jì)算光譜剩余量，或在目標(biāo)光譜與來自數(shù)據(jù)庫的、對于表明的個(gè)人的累積的光譜之間的差值光譜。如果該光譜剩余量小于預(yù)先設(shè)定的門限值，則身份可被肯定地驗(yàn)證。在一個(gè)方法中，光譜剩余量和差值(諸如Mahalanobis距離)讀必須小于它們各自的門限值，身份才可被肯定地驗(yàn)證。在一個(gè)方法中。對于譜距離和光譜剩余量的門限值被設(shè)置為包括99％的數(shù)據(jù)庫光譜。在另一個(gè)方法中，對于譜距離和光譜剩余量的門限值被設(shè)置為包括95％的數(shù)據(jù)庫光譜。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來確定利用以上揭示的方法來驗(yàn)證個(gè)人的身份的生存能力。所利用的儀器是由Perkin Elmer制造的近紅外富立葉變換分光儀。特定的模型被用作為Perkin Elmer 2000。人的細(xì)胞組織的采樣是在前臂的手掌一側(cè)上進(jìn)行的。光的采樣裝置是光纖采樣裝置，它具有用于把光發(fā)射到細(xì)胞組織分開的光纖，和用于收集從細(xì)胞組織外出的光的光纖。折射指數(shù)匹配液體被放置在手臂與光纖光采樣頭之間。結(jié)果得到的強(qiáng)度光譜被變換成吸收光譜，以及被矢量波長縮放。光譜被記錄，隨后在4200到7200cm-1的波長范圍內(nèi)被處理。數(shù)據(jù)包含對于288不同的人測量的地點(diǎn)平均光譜(每個(gè)地點(diǎn)5個(gè)樣本)。每個(gè)測量值是對于單個(gè)地點(diǎn)有時(shí)在5個(gè)星期時(shí)間跨度內(nèi)測量的。也有三個(gè)病人是在同樣的5星期跨度上對于多個(gè)地點(diǎn)測量的(標(biāo)稱地10次)。
研究的框架假設(shè)校準(zhǔn)模型，光譜數(shù)據(jù)庫，包含來自對其執(zhí)行匹配的大量個(gè)人的光譜的光譜數(shù)據(jù)庫，以及來自未知的個(gè)人的光譜(目標(biāo)光譜)。驗(yàn)證任務(wù)是正確地識別目標(biāo)光譜作為特定的病人或確定該病人沒有正確地標(biāo)識他自己。
在這種情形下應(yīng)用的鑒別方法依賴于Mahalanobis距離和在不同的光譜呈現(xiàn)給校準(zhǔn)模型時(shí)所產(chǎn)生的光譜剩余量。形成在目標(biāo)光譜與數(shù)據(jù)庫中的測試光譜之間的光譜差值。如果對于給定的光譜差值對的Mahalanobis距離和光譜剩余量的數(shù)值都低于預(yù)先規(guī)定的水平，則兩個(gè)光譜被確定為來自同一個(gè)個(gè)人。如果一個(gè)或兩個(gè)度量值大于它們各自的門限值，則作出判決兩個(gè)光譜來自不同的個(gè)人。
低于兩個(gè)度量值的門限值通過檢驗(yàn)全模型校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的各自的累積的分布函數(shù)而被設(shè)置。兩個(gè)門限值被使用與本研究一對是每個(gè)包括99％的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(“寬松的”)以及一對是每個(gè)只包括95％的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(“嚴(yán)格的”)。
通過使用288各個(gè)病人光譜以循環(huán)方式檢驗(yàn)假陽性錯(cuò)誤率。每個(gè)是從數(shù)據(jù)庫中取出的，以及在兩個(gè)相似的門限值的每個(gè)門限值中作出數(shù)據(jù)庫中有多少剩余的人與這個(gè)光譜相匹配的估計(jì)。通過觀看在之間看到的匹配程度(對于三個(gè)重復(fù)的病人的每個(gè)病人執(zhí)行的)，檢驗(yàn)假陰性錯(cuò)誤率。
當(dāng)門限值要被設(shè)置為更寬松的門限值(99％)時(shí)，循環(huán)結(jié)果當(dāng)288病人的每個(gè)病人從光譜庫中被取出和相對于其余287病人光譜被估值時(shí)會(huì)出現(xiàn)的表明“匹配”的數(shù)目。平均來說，每個(gè)病人匹配這個(gè)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的另外的病人的0.5％，產(chǎn)生0.17％假陽性率。這是當(dāng)不在數(shù)據(jù)庫中的病人不正確地規(guī)定他是庫中的一個(gè)病人以及測量值確認(rèn)這一點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)的錯(cuò)誤率。
在以后的測試中，通過使用上述的同一個(gè)檢驗(yàn)方法，在5星期數(shù)據(jù)收集時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)測量的一個(gè)病人與所有其它的觀察進(jìn)行比較。通過使用寬松的門限值，每個(gè)地點(diǎn)與每個(gè)其它地點(diǎn)進(jìn)行匹配，導(dǎo)致0.0％的假陰性錯(cuò)誤率。來自另兩個(gè)重復(fù)病人的結(jié)果是相似的。
當(dāng)檢驗(yàn)門限值被設(shè)置為稍微更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)(95％)時(shí)，不同的個(gè)人和同一個(gè)個(gè)人的結(jié)果表明在不同的個(gè)人之間沒有看到匹配，導(dǎo)致0.0％的加陽性錯(cuò)誤率。同一個(gè)個(gè)人，不同的地點(diǎn)結(jié)果表明任何一個(gè)地點(diǎn)與任何其它一個(gè)地點(diǎn)匹配的遞減的能力，導(dǎo)致大于30％的單個(gè)樣本的假陰性錯(cuò)誤率。然而，如果光譜庫包含病人在不同的生理狀態(tài)下的多個(gè)采樣，則驗(yàn)證結(jié)果可被大大地改進(jìn)。在這種情形下，如果光譜庫包含所有的其余九個(gè)樣本，則100％的時(shí)間，一個(gè)或多個(gè)(實(shí)際上3個(gè)以上的)光譜庫項(xiàng)目與目標(biāo)光譜相匹配，導(dǎo)致0.0％的假陰性錯(cuò)誤率。來自另兩個(gè)重復(fù)個(gè)人的結(jié)果是相似的。
通過集中注意力在非侵入分析上，揭示了本發(fā)明。然而，應(yīng)當(dāng)看到，本方法和假設(shè)可被使用于對于血液、細(xì)胞組織和液體樣本的非侵入分析。
在以上的說明中所述了由本文件覆蓋的、本發(fā)明的新的特性和優(yōu)點(diǎn)。然而，應(yīng)當(dāng)看到，本揭示內(nèi)容在許多方面只是說明性的。在細(xì)節(jié)上，特別是在部件的形狀、尺寸和排列方面，可以作出改變，而不超過本發(fā)明的范圍。當(dāng)然，本發(fā)明的范圍由表示附屬權(quán)利要求的語言來規(guī)定。
權(quán)利要求
1.一種利用來自具有已知的身份的、被已知的個(gè)人的多個(gè)鑒權(quán)細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)來驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的方法，所述譜數(shù)據(jù)具有多個(gè)測量波長，方法包括以下步驟從所述目標(biāo)個(gè)人取得目標(biāo)細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)，所述目標(biāo)細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)具有多個(gè)測量波長；以及通過把鑒權(quán)細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)與目標(biāo)細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)相對于預(yù)先選擇的門限值進(jìn)行的比較，肯定地驗(yàn)證所述目標(biāo)個(gè)人表明的身份。
2.如權(quán)利要求1中所述的用于驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的方法，其中方法還包括計(jì)算在所述目標(biāo)細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)與所述鑒權(quán)細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)之間的差值。
3.如權(quán)利要求2中所述的用于驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的方法，還估值計(jì)算的差值，其中所述估值是由識別病人的差值之間的模型完成的。
4.如權(quán)利要求2中所述的用于驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的方法，其中所述差值通過一個(gè)模型被處理，以便確定所識別的差值的重要性。
5.如權(quán)利要求1中所述的用于驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的方法，其中所述鑒權(quán)細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)的數(shù)目大于1。
6.如權(quán)利要求1中所述的用于驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的方法，其中所述驗(yàn)證個(gè)人的數(shù)目等于1。
7.如權(quán)利要求1中所述的用于驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的方法，其中所述驗(yàn)證個(gè)人的數(shù)目大于1。
8.如權(quán)利要求1中所述的用于驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的方法，還包括從個(gè)人得到多個(gè)鑒權(quán)細(xì)胞組織譜數(shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求1中所述的用于驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的方法，其中所述目標(biāo)光譜在所述驗(yàn)證后被加到所述鑒權(quán)光譜。
10.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中所述測量波長的數(shù)目大于4，方法還包括計(jì)算在所述波長上在所述驗(yàn)證的個(gè)人的所述鑒權(quán)的光譜之間的個(gè)人間光譜距離，其中所述波長至少部分地被選擇為使得所述個(gè)人間光譜差值最大化。
11.如權(quán)利要求10中所述的方法，其中所述測量波長的數(shù)目大于4，方法還包括計(jì)算在所述波長上在一個(gè)個(gè)人的所述鑒權(quán)的光譜之間的個(gè)人內(nèi)的光譜距離，其中所述波長至少部分地被選擇為使得所述個(gè)人內(nèi)的光譜差值最小化。
12.如權(quán)利要求1中所述的方法，其中所述細(xì)胞組織光譜包括近紅外波長。
13.如權(quán)利要求12中所述的方法，其中所述細(xì)胞組織光譜包括來自皮下血液的重要的光譜貢獻(xiàn)。
14.用于驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的方法，包括以下步驟從多個(gè)驗(yàn)證的個(gè)人取得多個(gè)鑒權(quán)細(xì)胞組織光譜，所述鑒權(quán)細(xì)胞組織光譜具有多個(gè)測量波長，所述驗(yàn)證的個(gè)人具有身份；從所述目標(biāo)個(gè)人取得目標(biāo)細(xì)胞組織光譜，所述目標(biāo)細(xì)胞組織光譜具有多個(gè)測量波長；對于所述表明的身份的所述目標(biāo)細(xì)胞組織光譜與所述鑒權(quán)細(xì)胞組織光譜進(jìn)行判別式分析；以及如果，和僅僅如果，所述判別式分析被滿足，則肯定地驗(yàn)證所述目標(biāo)個(gè)人表明的身份。
15.用于驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的系統(tǒng)，包括鑒權(quán)的數(shù)據(jù)庫，包括從多個(gè)驗(yàn)證的個(gè)人的近紅外細(xì)胞組織光譜；用于從所述目標(biāo)個(gè)人取得近紅外細(xì)胞組織光譜和表明的身份的裝置；用于通過利用所述鑒權(quán)的數(shù)據(jù)庫和所述目標(biāo)光譜，鑒別所述目標(biāo)個(gè)人近紅外光譜與所述鑒權(quán)的個(gè)人的近紅外光譜的裝置；以及用于表示所述目標(biāo)個(gè)人表明的身份是否正確的裝置。
16.如權(quán)利要求15中所述的系統(tǒng)，其中所述鑒別裝置利用所述目標(biāo)表明的身份。
17.如權(quán)利要求16中所述的系統(tǒng)，其中所述用于取得所述目標(biāo)個(gè)人光譜的裝置包括用于測量從所述鑒權(quán)的個(gè)人的皮下細(xì)胞組織反射的近紅外輻射的裝置。
18.如權(quán)利要求15中所述的系統(tǒng)，其中所述近紅外光譜包括多個(gè)測量值，每個(gè)測量值與一個(gè)波長有關(guān)，其中所述用于鑒別的裝置包括用于計(jì)算在任何的所述光譜之間的光譜差值的裝置，以及所述用于鑒別的裝置包括用于選擇多個(gè)所述波長的裝置，以使得在所述鑒權(quán)的個(gè)人的所述光譜之間的光譜差值最大化。
19.用于驗(yàn)證目標(biāo)個(gè)人的表明的身份的系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)，包括輸入設(shè)備和輸出設(shè)備；數(shù)據(jù)庫，包括多個(gè)驗(yàn)證的個(gè)人的近紅外細(xì)胞組織光譜；用于從所述目標(biāo)個(gè)人取得近紅外細(xì)胞組織光譜的裝置，包括近紅外輻射源，用于皮下的照射近紅外輻射，以及近紅外分光儀，用于測量在多個(gè)波長上皮下近紅外強(qiáng)度；以及在所述計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序，用于通過利用所述鑒權(quán)的數(shù)據(jù)庫和所述目標(biāo)光譜，鑒別所述目標(biāo)個(gè)人近紅外光譜與所述鑒權(quán)的個(gè)人的近紅外光譜。
20.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中所述用于取得近紅外細(xì)胞組織光譜的裝置包括輸入單元和輸出單元，通過折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)被耦合到所述細(xì)胞組織。
21.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)包括含氯氟烴聚合物。
22.權(quán)利要求21的系統(tǒng)，其中所述聚合物包括三氟氯乙烯。
23.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述折射指數(shù)匹配媒介質(zhì)具有在約1.30與1.45之間的折射指數(shù)。
全文摘要
通過使用近紅外光譜學(xué)非侵入驗(yàn)證個(gè)人身份的方法和設(shè)備。通過把近紅外輻射照射到人的前臂的下端的皮膚上，獲取從細(xì)胞組織返回的和通過細(xì)胞組織的光，可以得到近紅外細(xì)胞組織光譜。收集的細(xì)胞組織光譜主要包括從內(nèi)部下皮層反射的漫反射光。多個(gè)細(xì)胞組織光譜可以從以后想要進(jìn)行身份驗(yàn)證的個(gè)人處收集。對于每個(gè)個(gè)人的細(xì)胞組織光譜可在計(jì)算機(jī)上被分析，對于每個(gè)個(gè)人的光譜，通過使用諸如線性鑒別分析那樣的工具被聚集在一起或被分類。尋求身份識別的目標(biāo)個(gè)人可以提交表明的身份和用于通過前臂的近紅外分光儀的分析的、近紅外細(xì)胞組織光譜。在目標(biāo)光譜與在譜數(shù)據(jù)庫中表明的身份的多個(gè)光譜之間的相似性被確定，以及根據(jù)相似性程度而被身份驗(yàn)證，或不被驗(yàn)證。
文檔編號G06K9/00GK1420746SQ00814024
公開日2003年5月28日 申請日期2000年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月8日
發(fā)明者R·K·羅維, W·A·米勒, N·葛, M·R·羅賓遜 申請人:盧米迪格姆公司