公开/公告号CN104039577A
专利类型发明专利
公开/公告日2014-09-10
原文格式PDF
申请/专利权人 汽车交通安全联合公司;
申请/专利号CN201280042179.6
申请日2012-08-28
分类号
代理机构中国国际贸易促进委员会专利商标事务所;
代理人郑宗玉
地址 美国华盛顿特区
入库时间 2023-12-17 02:14:13
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2018-05-15
授权
授权
2014-10-15
实质审查的生效 IPC(主分类):B60K28/02 申请日:20120828
实质审查的生效
2014-09-10
公开
公开
对相关专利申请的交叉引用
本申请要求2011年8月29日提交的美国临时申请61/528,658的 优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本申请总体上涉及用于非侵入式测量车辆驾驶员中的分析物的系 统和方法。更具体地，本申请涉及用于利用非侵入式技术结合多变量 分析来测量分析物（例如，酒精、酒精副产物、酒精加合物、或滥用 物质）的存在或浓度的定量测量光谱系统。
背景技术
当前酒精测量的实践是基于血液测量或呼吸测试。血液测量定义 了用于确定酒精中毒水平的最高标准（gold standard）。然而，血液 测量需要静脉或毛细血管样本并且涉及大量的处理预防措施以使健康 风险最小化。一旦被抽取，血液样本就必须被正确标记并且运输到临 床实验室或其它合适的位置，在这些位置，通常使用临床气相色谱法 测量血液酒精水平。由于该过程的侵入性和所涉及的样本处理量，血 液酒精测量通常限于危急情形，例如交通事故、嫌疑人请求这种类型 测试的违章、和涉及伤害的事故。
因为呼吸测试的侵入性较小，所以在现场更经常遇到的是呼吸测 试。在呼吸测试中，受试者必须将空气呼入仪器中达到足够时间和足 够量，以获得源自肺内深处的肺泡的稳定呼吸流。然后，用装置测量 空气中的酒精含量，通过呼吸-血液分配系数将该酒精含量与血液酒 精相关。美国使用的血液-呼吸分配系数是2100（默认单位是毫克 EtOH/dL血液/毫克EtOH/dL空气），而在其它国家，血液-呼吸分 配系数在1900和2400之间变化。分配系数的可变性是由于它高度取 决于受试者的事实导致的。换句话讲，每个受试者将具有取决于他或 她的生理机能的1900至2400范围内的分配系数。由于在现场应用中 无法知道每个受试者的分配系数，因此各个国家假设在全球应用于所 有测量的单个分配系数值。在美国，DUI案件中的被告经常使用全 球应用的分配系数作为阻止起诉的论据。
呼吸测量具有额外的局限性。首先，“口腔酒精”的存在会虚假 地升高呼吸酒精测量值。为了确保不存在口腔酒精，在进行测量之前 必须要等待15分钟的时间段。出于相似的原因，对于被观察到打嗝 或呕吐的个人，需要15分钟的延迟。在呼吸测量之间经常需要10分 钟或更长的延迟，以让仪器恢复到与环境空气的平衡和零酒精水平。 另外，呼吸酒精测量的准确度对众多生理因素和环境因素是敏感的。
多家政府机构和社会团体通常寻找血液和呼吸酒精测量的非侵入 式替代方式。定量光谱法提供了完全非侵入式酒精测量的可能性，它 对当前测量方法的限制不敏感。虽然已发现通过定量光谱法对生物属 性的非侵入式确定是非常令人期望的，但非常难以实现。所关注的属 性包括例如分析物的存在、分析物浓度（例如，酒精浓度）、分析物 浓度的变化方向、分析物浓度的变化速率、疾病的存在（例如，酒精 中毒）、病症及其组合和子集。经由定量光谱法进行的非侵入式测量 是令人期望的，因为非侵入式测量无痛，不需要从身体引出流体，携 带污染或感染的风险极小，不产生任何有害废物，并且可具有短测量 时间。
已经提出了用于非侵入式地确定生物组织属性的多个系统。这些 系统包括合并了旋光测定法、中红外光谱法、拉曼（Raman）光谱 法、克罗姆光谱法（Kromoscopy）、荧光光谱法、核磁共振光谱 法、射频光谱法、超声、经过皮肤测量、光-声光谱法和近红外光谱 法的技术。然而，这些系统没有取代直接侵入式的测量。
作为一个例子，Robinson等人在美国专利第4,975,581号中公开 了一种用于结合从具有已知特征值的生物样本的一组光谱中根据经验 得出的多变量模型、使用红外光谱法来测量生物样本中的未知特征值 的方法和装置。上面提到的特征一般是诸如酒精的分析物的浓度，但 是也可以是样本的任何化学或物理性质。Robinson等人的方法涉及 两步骤处理，包括校准步骤和预测步骤。
在校准步骤中，将红外光耦合到具有已知特征值的校准样本，以 便根据包括具有已知特征值的样本的各种成分和分析物而存在至少几 个红外辐射波长的衰减。红外光通过使光穿过样本或者通过使光被样 本反射而耦合到样本。红外光被样本吸收造成光的强度变化，光的强 度变化是光的波长的函数。针对具有已知特征值的这组校准样本，测 量在几个波长的最小值处的作为结果的强度变化。然后，使用多变量 算法根据经验将原始的或经变换的强度变化与校准样本的已知特征相 关，以得到多变量校准模型。该模型优选地解决受试者可变性、仪器 可变性和环境可变性。
在预测步骤中，将红外光耦合到具有未知特征值的样本，并且将 多变量校准模型应用于从这个未知样本测量的光的适当波长的原始的 或经变换的强度变化。预测步骤的结果是未知样本的估计特征值。 Robinson等人的公开内容通过引用合并于此。
建立校准模型并且使用这种模型预测组织的分析物和/或属性的 另一种方法在授予Thomas等人的名称为“Method and Apparatus for Tailoring Spectrographic Calibration Models"（用于设计光谱法校准 模型的方法和装置）的共同转让的美国专利第6,157,041号中公开， 该专利的公开内容通过引用合并于此。
在美国专利第5,830,112号中，Robinson描述了用于非侵入式分 析物测量的鲁棒的组织采样的一般方法。采样方法采用组织采样辅助 设备，其中通过用于测量诸如酒精的分析物的光谱区域对该辅助设备 进行路径长度优化。该专利公开了用于测量组织的从400nm至2500 nm的光谱的几种类型的光谱仪，包括声-光可调谐滤波器、离散波长 光谱仪、滤波器、光栅光谱仪和FTIR光谱仪。Robinson的公开内 容通过引用合并于此。
虽然在尝试生产用于确定生物属性的商业上可行的非侵入式基于 近红外光谱法的系统时进行了相当多的工作，但现在这种设备是不可 用的。据信，上面讨论的现有技术的系统由于一个或多个原因而无法 完全应对由组织的光谱特性施加的挑战，这使非侵入式测量系统的设 计成为艰难的任务。因此，存在对如下的商业上可行的装置的相当大 的需求：该装置集成有以足够的准确度和精度进行人类组织中的生物 属性的临床相关确定的子系统和方法。
发明内容
本发明的一个实施例涉及一种用于非侵入式地测量车辆驾驶员中 的分析物并基于所述分析物的测量值来控制车辆的系统。该系统包括 至少一个固态光源、样本装置、一个或更多个光学检测器和控制器。 至少一个固态光源被配置成发射不同波长的光。样本装置被配置成将 由所述至少一个固态光源发射的光引入到所述车辆驾驶员的组织中。 一个或更多个光学检测器被配置成检测所述光的未被所述车辆驾驶员 的所述组织吸收的部分。控制器被配置成基于由所述一个或更多个光 学检测器检测到的光来计算所述车辆驾驶员的所述组织中的所述分析 物的测量值，判定所述车辆驾驶员的所述组织中的所述分析物的所述 测量值是否超过预定值，并且将信号提供到被配置成控制所述车辆的 装置。
本发明的另一个实施例涉及一种用于非侵入式地测量车辆驾驶员 中的分析物并基于所述分析物的测量值来控制车辆的方法。样本装置 将由至少一个固态光源发射的不同波长的光引入到所述车辆驾驶员的 组织中。一个或更多个光学检测器检测所述光的未被所述车辆驾驶员 的所述组织吸收的部分。控制器基于由所述一个或更多个光学检测器 检测到的光来计算所述车辆驾驶员的所述组织中的所述分析物的测量 值。所述控制器判定所述车辆驾驶员的组织中的所述分析物的测量值 是否超过预定值，以及基于所述车辆驾驶员的所述组织中的所述分析 物的测量值来控制所述车辆。
可在考虑下面的详细描述、附图和权利要求书的情况下阐述本公 开内容的其它特征、优点和实施例。此外，要理解，本公开内容的前 述简介和以下的详细描述均是示例性的，并且旨在提供另外的说明， 而不是进一步限制请求保护的本公开内容的范围。
附图说明
附图被并入本说明书并且构成本说明书的一部分，附图示出本发 明的优选实施例并且与描述一起用于说明本发明的原理。没有尝试以 比基本理解本公开内容并且可实践本公开内容的各种方式所需要的细 节更详细地示出本公开内容的结构细节。
图1是集成有所公开的子系统的非侵入式光谱仪系统的示意图。
图2是三组件系统中的净属性信号的概念的图形化描述。
图3是被设计成控制固态光源的驱动电流的电子电路的实施例， 该电子电路包括用于接通和断开光源的装置。
图4是被设计成控制固态光源的驱动电流的电子电路的实施例， 该电子电路包括用于接通和断开光源并改变期望的驱动电流的装置。
图5是包括布置成阵列的多个单个固态光源的照射/调制子系统 的实施例，这些光源的输出被引入到六边形横截面内反射型光均化 器。
图6是半导体芯片中的单个激光发射器的实施例。
图7是多个激光发射器被安装于公共载体的照射/调制子系统的 实施例。
图8是示出了由包含24个发射器（12个不同波长，每个波长2 个发射器）的单个半导体芯片构成的激光棒的照射/调制子系统的实 施例。
图9是光纤耦合器的实施例的示意图，该光纤耦合器收集从图8 中所示的激光棒实施例中的每对发射器发射的光并且将各个光纤组合 成输出束或线缆。
图10是将4个不同的光纤耦合器的输出组合成单个输出孔径/束 的实施例，其中，每个耦合器连接到不同的激光棒。
图11是适合于均化来自照射/调制子系统的输出孔径/束的光的 光均化器的示例实施例。
图12是组织采样子系统的部件的透视图。
图13是组织采样子系统的采样表面的平面图，示出了照射和收 集光纤的布置。
图14是组织采样子系统的采样表面的替代实施例。
图15是组织采样子系统的采样表面的替代实施例。
图16是针对一些基于固态光源的照射/调制子系统的小发射区域 而优化的组织采样子系统的采样表面的替代实施例。
图17是当组织上存在局部干扰物时在采样表面和组织之间的接 口的图解视图；
图18是数据获取子系统的示意图。
图19是混合校准形成过程的图。
图20演示用于检测局部干扰物的存在的多变量校准异常值度量 的有效性；
图21示出1300K和3000K黑体辐射器在100-33000cm-1(100- 0.3微米）范围内的归一化NIR光谱。
图22示出本发明的示例性实施例的组件的示意图。
图23图示使用22个波长获取的非侵入式组织光谱。
图24将从图23中的光谱获得的非侵入式组织酒精浓度与同时期 的毛细血管血液酒精浓度进行比较。
图25图示使用39个波长获取的非侵入式组织光谱。
图26将从图25中的光谱获得的非侵入式组织酒精浓度与同时期 的毛细血管血液酒精浓度进行比较。
图27图示包括系统校准、测量和计数器测量时区的测量时间线 的许多可能实施例之一。
图28图示被集成为车辆仪表面板中的车辆启动按钮的非侵入式 监控系统。
图29a图示非侵入式测量入口接口的侧视图，其中，发射器是与 波长光源直接连接的波长均化器。
图29b图示图29a的非侵入式测量入口接口的俯视图，其中，发 射器是与波长光源直接连接的波长均化器。
图30图示非侵入式监控系统的组件，该非侵入式监控系统采用 宽范围可调谐激光发射器以提供用于进行光谱分离的吸收测量的装 置。
图31图示用来改善平均所需测量时间的测量时间线的许多可能 实施例之一，其中，初始测量检测分析物的存在，并且进行后续测量 以确定分析物的实际浓度。
图32图示非侵入式监控系统，其中，通过触摸系统进行主分析 物测量并且通过替代的分析物检测系统进行次测量。
图33图示非侵入式监控系统的组件，该非侵入式监控系统采用 具有滤波器元件的黑体光源来提供对离散波长的选择以构成发射光 源。
图34图示在强度稳定之前从测量的断开状态转变到接通状态期 间的光源的强度。
具体实施方式
在转到详细示出示例性实施例的附图之前，应该理解，本公开内 容不限于说明书中阐述的或附图中示出的细节或方法。还应该理解， 术语只是出于描述的目的，而不应该被视为限制。在整个附图中，尽 力使用相同或类似的附图标记来表示相同或类似的部件。
出于本申请的目的，术语“分析物浓度”一般指的是诸如酒精的分 析物的浓度。术语“分析物特性”包括分析物浓度和其它特性，例如， 分析物的存在或不存在、或者分析物浓度变化的方向或速率、或者可 结合或代替分析物浓度而被测量的生物特征。尽管本公开内容一般提 及酒精作为所关注的“分析物”，但其它分析物（包括但不限于滥用物 质、酒精生物标记和酒精副产品）也旨在被本申请中公开的系统和方 法覆盖。术语“酒精”用作所关注的示例分析物；该术语旨在包括乙 醇、甲醇、乙基乙二醇或任何其它一般被称为酒精的化学品。出于本 申请的目的，术语“酒精副产品”包括通过身体对酒精的新陈代谢的加 合物和副产品，包括但不限于丙酮、乙醛和醋酸。术语“酒精生物标 记”包括但不限于伽马-谷氨酰转移酶（GGT)、天门冬氨酸氨基转移 酶（AST)、丙氨酸氨基转移酶（ALT)、红细胞平均体积（MCV)、 碳水化合物缺少铁传递酶（CDT)、乙基葡糖苷酸（EtG)、硫酸二乙 酯（EtS）和乙醇磷脂（PEth)。术语“滥用物质”指的是，但不限于， THC(四氢大麻醇或大麻）、可卡因、M-AMP(甲基苯丙胺）、OPI (吗啡和海洛因)、盐酸羟考酮、氧可酮和PCP(苯环己哌啶)。术语“生 物特征（biometric）”指的是可用于识别或验证特定的人或受试者的 身份的分析物或生物特性。本申请公开了利用光谱法解决对样本的分 析物测量的需要，其中，术语“样本”通常指的是生物组织。术语“受 试者”通常指的是从其获取样本测量值的人。
术语“固态光源”或“半导体光源”指的是基于半导体的所有光源， 不管光谱是窄(例如，激光器）还是宽（例如，LED)，包括但不限 于发光二极管（LED)、垂直腔表面发射激光器（VCSEL)、水平腔表 面发射激光器（HCSEL)、量子级联激光器、量子点激光器、二极管 激光器、或者其它半导体二极管或激光器。术语“二极管激光器”指 的是其中活性介质是基于半导体的任何激光器，包括但不限于双异质 结构激光器、量子阱激光器、量子级联激光器、分别限制异质结构激 光器、分布式反馈（DFB）激光器、VCSEL、VECSEL、HCSEL、 外部腔二极管激光器、法布里珀罗（Fabry-Perot）激光器。此外， 等离子体光源和有机LED虽然不是严格地基于半导体，但也在本发 明的实施例中被想到，因此出于本申请的目的而被包括在固态光源和 半导体光源的定义下。
出于本申请的目的，术语“色散光谱仪”表示基于将光的一个或更 多个波长与其它波长在空间上分离的任何装置、组件、或组件群组的 光谱仪。示例包括但不限于使用一个或更多个衍射光栅、棱镜、全息 光栅的光谱仪。出于本申请的目的，术语“干涉/调制光谱仪”表示基 于不同波长的光至不同频率的光调制的一类光谱仪，其基于光干涉的 特性按时间或选择性地透射或反射某些波长的光。示例包括但不限于 傅立叶变换干涉仪、萨格纳克（Sagnac）干涉仪、模拟干涉仪、迈克 尔逊（Michelson）干涉仪、一个或更多个标准具（etalon）、或者声 -光可调谐滤波器（AOTF)。本领域的技术人员认识到，也想到基于 色散和干涉/调制特性的组合的光谱仪（例如基于层状光栅的那些光 谱仪）用于本申请中公开的系统和方法。
本申请公开了使用在一些示例中作为吸收率或其它光谱测量值的 “信号”。信号可包括关于样本的光谱测量或样本中的变化而获得的任 何测量值，例如，在一个或多个波长处的吸收率、反射率、返回的光 的强度、荧光、透射率、拉曼光谱、或者测量值的各种组合。一些实 施例使用一个或更多个模型，其中，这种模型可以是使信号与期望特 性相关的任何东西。模型的一些示例包括从多变量分析方法得到的那 些模型，例如，偏最小二乘回归（PLS)、线性回归、多线性回归 （MLR)、经典最小二乘回归（CLS)、神经网络、判别分析、主成分 分析（PCA)、主成分回归（PCR)、判别分析、神经网络、聚类分析 和K最近邻。基于比尔-朗伯定律（Beer-Lambert Law）的单波长或 多波长模型是经典最小二乘的特殊情况，因此出于本申请的目的被包 括在术语多变量分析中。
出于本申请的目的，术语“大约”适用于所有数值，无论是否被明 确指示。术语“大约”通常指的是本领域的技术人员将视为与记载的值 相当（即，具有相同的功能或结果）的数的范围。在一些情形下，术 语“大约”可包括四舍五入到最接近的有效数字的数。
光谱测量系统典型地需要用于分辨并测量不同波长的光的一些装 置以便获得光谱。实现期望光谱的一些常见方法包括色散（例如，基 于光栅和棱镜的）光谱仪和干涉（例如，迈克尔逊、萨格纳克或者其 它干涉）光谱仪。集成有这种方法的非侵入式测量系统常常受限于色 散和干涉装置的昂贵性质以及它们的固有大小、易碎性、和对环境作 用的敏感性。本申请公开了可提供用于使用固态光源（例如发光二极 管（LED)、垂直腔表面发射激光器（VCSEL)、水平腔表面发射激光 器（HCSEL)、二极管激光器、量子级联激光器、或者其它固态光 源）来分辨和记录不同波长的强度的替代方法的系统和方法。
总体上参照附图，所公开的系统通过集成有在一些实施例中包括 优化子系统的设计来克服由组织的光谱特性强加的挑战。该设计抗衡 组织光谱复杂度、高信噪比和光度准确度要求、组织采样误差、校准 维持问题、校准转移问题以及其它一系列问题。子系统可包括照射/ 调制子系统、组织采样子系统、数据获取子系统、计算子系统和校准 子系统。
本文公开了用于通过定量近红外光谱法来非侵入式地确定人类组 织属性的设备和方法。该系统包括被优化以抗衡组织光谱复杂度、高 信噪比和光度准确度要求、组织采样误差、校准维持问题和校准转移 问题的子系统。子系统包括照射/调制子系统、组织采样子系统、数 据获取子系统和计算子系统。
本申请还公开了允许实现和集成这些子系统中的每个子系统以便 使净属性信噪比最大化的设备和方法。净属性信号是对所关注属性而 言特定的近红外光谱的一部分，因为它与所有其它光谱变化源都正 交。净属性信号的正交性质使得它垂直于由任何干涉物质限定的空 间，因此净属性信号与这些变化源不相关。净属性信噪比直接与通过 定量近红外光谱法来非侵入式地确定属性的准确性和精度有关。
本申请公开了使用近红外辐射进行分析。1.0微米至2.5微米的 波长范围（或10,000至4,000cm-1的波数范围）内的辐射可适用于进 行一些非侵入式测量，因为这种辐射对于许多分析物（包括酒精）具 有可接受的特异性，连同高达数毫米的组织光学渗透深度与可接受的 吸收特性。在1.0微米至2.5微米的光谱区域中，构成组织的大量光 学活性物质使得测量任何给定物质变得复杂，这是由于它们吸收光谱 的重叠性质。多变量分析技术可用于解析这些重叠光谱，以便可实现 准确测量所关注的物质。然而，多变量分析技术会要求多变量校准随 时间流逝保持鲁棒（校准维持）并且可应用于多个仪器（校准转 移）。诸如可见和红外的其它波长区域也可适合于所公开的系统和方 法。
本申请公开了用于光谱仪器的设计的多学科方法，该方法集成了 对仪器子系统、组织生理机能、多变量分析、近红外光谱法和整体系 统操作的理解。另外，已经分析了子系统之间的交互，以便很好地理 解整个非侵入式测量装置的行为和要求，并且得到商用仪器的设计， 该设计将以商业上可行的价格和大小使非侵入式测量具有足够的准确 度和精度。
本申请还公开了供运输系统（包括但不限于摩托车、汽车、卡 车、轮船、火车和飞机）的独特感测要求使用的系统和方法；其中， 该系统必须在大范围的温度、气压、高度、湿度、机械取向、环境照 射和环境组成（例如，盐、沙、灰尘、烟）的环境下进行操作。所公 开的系统可针对全范围的可通过体重、身高、年龄、种族、性别、健 康、健康水平和其它人类区分因素的差别而区分的潜在用户进行操 作。所公开的系统可在车辆的整个寿命内保持功能并且保持表示所需 维修或耐用单元更换的诊断和指示。所公开的系统可提供人机界面， 该人机界面提供视觉、触觉、听觉反馈，以向系统用户通知正确或不 正确的测量。该系统提供了表示正确和不正确测量的诊断和用户反 馈，该测量包括检测有意和无意的系统篡改或测量欺骗。该系统可保 持可基于管理控制（例如，密码）而被启用/禁用的操作模式。该系 统可使用一个或更多个现有或开发的通信协议向启用的外部传输或人 机界面系统提供一个或更多个通信和/或电力接口，以接收系统操作 所需的数据和/或电力，或者启用、禁用或修改外部系统的操作。该 系统可通过人工参考装置支持允许在制造、安装和/或服务期间验证 或校准测量准确度和精度的能力。
非侵入式监控器的子系统被高度优化，以提供可再生的和优选地 均匀的组织辐射度、低的组织采样误差、包含所关注性质的组织层的 深度目标设定、对来自组织的漫反射光谱的有效收集、高的光通量、 高的光度准确度、大的动态范围、优秀的热稳定性、有效的校准维 持、有效的校准转移、内置的质量控制并且便于使用。
现在参照图1，以示意图图示能够实现可接受水平的准确度和精 度的分析物特性测量的非侵入式监控器。出于讨论目的，整体系统可 被视为包括五个子系统；本领域的技术人员将认识到所公开的功能的 其它细分部分。这些子系统包括照射/调制子系统100、组织采样子系 统200、数据获取子系统300、处理子系统400和校准子系统（未示 出）。
这些子系统可被设计和集成，以便实现期望的净属性信噪比。净 属性信号是对所关注的属性而言特定的近红外光谱的一部分，因为它 与其它光谱变化源正交。图2是在三维系统中的净属性信号的图形表 示。净属性信噪比直接与通过定量近红外光谱法进行的非侵入式属性 确定的准确度和精度有关。
这些子系统提供了组织的可再生的和优选地在空间上均匀的辐射 度、低的组织采样误差、组织的适当层的深度目标设定、对来自组织 的漫反射光谱的有效收集、高的光通量、高的光度准确度、大的动态 范围、优秀的热稳定性、有效的校准维持、有效的校准转移、内置的 质量控制并且便于使用。以下，更详细地讨论每个子系统。
照射/调制子系统
照射/调制子系统100产生用于询问（interrogate）样本（例 如，人类的皮肤组织）的光。在使用色散或干涉光谱仪的传统光谱法 中，通过使不同波长的光在空间上色散（例如，使用棱镜或衍射光 栅）或者通过将不同波长的光调制为不同的频率（例如，使用迈克尔 逊干涉仪）来测量多色光源（或从所关注的样本发射的光）的光谱。 在这些情况下，光谱仪（与光源不同的子系统）需要执行在空间上或 者在时间上对不同波长“进行编码”的功能，以便每个波长可实质上独 立于其它波长被测量。虽然色散和干涉光谱仪在本领域中是已知的并 且在一些环境和应用中可充分地提供其功能，但它们可能在其它应用 和环境中受其价格、大小、易碎性、信噪比（SNR）和复杂度限制。
集成在所公开的系统中的固态光源的优点是，这些光源可在强度 上被独立调制。因此，可使用发射不同波长的光的多个固态光源，其 中，每个固态光源在不同的频率被调制或者根据预定方案（例如通过 阿达玛或类似方法定义的方案）被共同地调制。被独立调制的固态光 源可被光学地组合成单个光束并且被引入到样本。光的一部分可从样 品收集并且通过单个光电检测器进行测量。结果是，固态光源和光谱 仪有效地组合成单个照射/调制子系统，这样可提供在大小、成本、 能耗和整体系统稳定性方面的显著益处，因为从测量系统中去除了作 为独立子系统的光谱仪。此外，因为所有波长被独立调制并且可被组 合成单个光束，所以单个光电检测器元件（而非光电检测器阵列）适 合于检测所有的分析光。相对于具有多个光电检测器元件的系统和实 施例，这可表现出系统复杂度和成本的显著降低。
必须考虑集成了固态光源的、用于测量分析物特性的系统的几个 参数，包括但不限于为执行期望测量所需要的固态光源的数量、固态 光源的发射分布（例如，光谱宽度、强度）、固态光源的稳定性和控 制、及其光学组合。由于每个固态光源是分立元件，所以可能有利的 是，将多个固态光源的输出组合成为单个光束，以便它们被一致地引 入到样品并从样品收集。
此外，还必须被考虑固态光源的调制方案，因为一些类型的源会 在强度上服从正弦调制，而其它源可服从被接通和断开或者被方波调 制。在正弦调制的情况下，可基于系统的电子设计在不同的频率调制 多个固态光源。由多个源发射的光例如可使用光导管或其它均化器被 光学地组合，被引入到所关注的样品并从所关注的样品收集，然后通 过单个检测器进行测量。可经由傅立叶或类似的变换将作为结果的信 号转换成强度对波长的光谱。
替选地，一些固态光源在接通和断开状态之间切换或者被方波调 制，这些光源服从阿达玛变换方法。然而，在一些实施例中，因为固 态光源可在高频处循环，所以阿达玛方案可以以电子器件实现，而不 是在测量期间在不同时间阻挡不同的波长或者使不同的波长通过的传 统阿达玛掩模。阿达玛或类似的变换可用来确定强度对波长的光谱。 本领域的技术人员认识到，存在等同地适合于本发明的对阿达玛编码 方法的替代方式。
在一个实施例中，采用47波长阿达玛编码方案并且将其表示为 二进制数的矩阵。在测量系统中，各行对应于阿达玛方案的一个状态 并且各列对应于波长。对于各状态，值“1”指示对于该状态而言波 长（例如，激光二极管）导通，而值“0”指示对于该状态而言波长 截止。对每个状态的每次测量对应于一次扫描。由照射/调制子系统 100发射的光通过采样子系统200被传递到样本。该光的一部分被数 据获取子系统300中的光电检测器收集、检测、数字化并记录。然 后，测量并记录阿达玛方案中的下一状态（例如，对于该状态而言， 不同的波长集合导通）。这个一直进行，直到已经测量了所有的阿达 玛状态（本文中被称为“阿达玛周期”）。一旦完成了阿达玛周期， 通过计算记录的强度对状态数据的点积和阿达玛方案的逆矩阵，确定 强度对波长的光谱。虽然上述阿达玛编码示例包括47个波长，但本 领域的技术人员认识到，具有其它数量的波长的阿达玛方案等同地适 于本发明。
固态光源的另一个优点是，许多类型（例如，激光二极管和 VCSEL)发射窄范围的波长（这部分地确定了测量的有效分辨率）。 因此，不需要使用滤光器或其它方法来使固态光源的发射分布整形或 者变窄，因为它们已经足够窄。由于降低的系统复杂度和成本，这会 是有利的。此外，诸如二极管激光器和VCSEL的一些固态光源的发 射波长经由所供给的驱动电流、驱动电压、或者通过改变固态光源的 温度可在波长范围内调谐。这个方法的优点是，如果给定的测量要求 特定数量的波长，则系统可利用较少的分立固态光源，通过将固态光 源在其可用范围内调谐来实现该要求。例如，如果非侵入式特性的测 量要求20个波长，则可以使用10个分立的二极管激光器或 VCSEL，在测量过程期间，这10个中的每个被调谐为2个不同的波 长。在这种类型的方案中，傅立叶或者阿达玛方法通过改变固态光源 的每个调谐点的调制频率或者通过组合调制方案与扫描方案来保持适 当。此外，如果给定的激光器的发射波长随时间流逝而漂移或变化， 则二极管激光器的调谐特性通过改变二极管激光器的驱动电流/电 压、温度或其组合，允许二极管激光器返回到它的目标发射波长。
可在跨越电磁光谱的紫外区域和红外区域的各种波长处测量分析 物特性。对于在皮肤中的诸如酒精或滥用物质的体内测量，由于在人 类皮肤中存在的所关注的分析物以及其它化学物质（例如，水）的光 谱信号的敏感性和特异性，1,000nm到2,500nm区域的近红外 （NIR)区域会是重要的。此外，分析物的吸收能力足够低，以致近 红外光可穿透到所关注的分析物所在的皮肤内的几毫米。1,000nm 到2,500nm的波长范围可能有特定的效用，因为它包含组合波带， 而不是在NIR的1,000nm到2,000nm部分中遭遇的更弱、更不明 显的谐波。
除了通常可用的在光谱的可见区域中的LED、VCSEL、二极管 激光器之外，还存在具有遍布NIR区域的发射波长（1,000nm到 2,500nm）的可用固态光源。这些固态光源适合于所公开的分析物和 生物特征特性测量系统。可用的NIR固态光源的一些示例是由 Vertilas GmbH生产的VCSEL、和可从Laser Components GmbH 获得的VCSEL、量子级联激光器、激光二极管、或者可从 Roithner Laser、Sacher Lasertechnik、NanoPlus,Mitsubishi、 Epitex、Dora Texas Corporation、Microsensor Tech、SciTech Instruments、Laser2000、Redwave Labs和Deep Red Tech获得的 激光器和二极管。这些示例是出于演示的目的而被包括的，并不旨在 限制适用于本发明的固态光源的类型。
在照射/调制子系统100的实施例中，可使用微控制器室控制每 个固态光源。微控制器可被编程为包括用阿达玛或其它编码方案定义 的状态（例如，根据由方案定义的状态集合将各个固态光源接通和断 开）。然后，微控制器可以以在各个状态下的预定测量时间在各个状 态间循环。没有限制各个状态的测量时间必须相等。除了各个固态光 源的“断开”和“接通”控制之外，微控制器也可针对固态光源温度 和驱动电流/电压提供全局（针对所有固态光源）和单个设置点。这 种实施例使得能够进行受控制的波长调谐和/或提高照射/调制子系统 100的稳定性。本领域的技术人员认识到，与所述微控制器实施例起 基本上相同功能的、对微控制器的替代方式是可用的。
测量分辨率和分辨率增强
在色散光谱仪中，光谱测量的有效分辨率常常是由系统中的孔径 的宽度确定的。分辨率限制孔径常常是入口狭缝的宽度。在检测到光 谱仪内的光的焦平面处，形成狭缝的多个图像，使不同的波长位于焦 平面上的不同空间位置处。因此，与一个波长的邻居无关地检测这一 个波长的能力取决于狭缝的宽度。宽度越窄，允许波长之间的分辨率 越好，这是以可穿过光谱仪的光的数量为代价的。因此，通常将分辨 率和信噪比相互权衡。干涉光谱仪具有在分辨率和信噪比之间的相似 的权衡。在迈克尔逊干涉仪的情况下，光谱的分辨率部分地由距离确 定，在该距离内，移动反射镜平移较长的距离，从而导致更大的分辨 率。结果是，距离越大，完成扫描所需要的时间越长。
在测量系统的情况下，光谱的分辨率由每个分立的固态光源的光 谱宽度确定（不管是不同的固态光源、被调谐为多个波长的光源、还 是其组合）。对于需要高分辨率的分析物特性的测量，可使用二极管 激光器或者其它合适的固态激光器。激光器的发射宽度可以非常窄， 这转变为高分辨率。在需要中等至低分辨率的测量应用中，LED可 能是合适的，因为LED典型地具有比固态激光器替代物更宽的发射 分布（输出强度分布在更宽的波长范围内）。
固态光源的有效分辨率可通过不同类型的滤光器的使用或组合来 增强。可使用一个或更多个滤光器使固态光源的光谱宽度变窄或衰 减，以便实现更高的分辨率（例如，更紧缩的发射波长范围）。在本 发明的实施例中想到的滤光器的示例包括但不限于：线性可变滤波器 （LVF）、电介质叠堆、分布式布拉格光栅、光子晶体晶格滤波器、 聚合物膜、吸收滤波器、反射滤波器、标准具、诸如棱镜和光栅的色 散元件、和量子点滤波器。
从本发明的实施例获得的用于提高测量的分辨率的另一方法是去 卷积。去卷积和其它类似的方法可用于隔离在两个或更多个重叠的宽 固态光源之间存在的信号差。例如，具有部分重叠的发射分布的两个 固态光源可集成到测量系统中。可从样本和生成的光谱获取测量值 （经由阿达玛、傅立叶变换或者其他合适的变换）。利用固态光源的 发射分布的知识，该分布可从光谱去卷积以便增强光谱的分辨率。
固态光源波长和强度的稳定和控制
可通过改变固态光源的热状态或电特性（例如，驱动电流或电 压）来影响固态光源尤其是激光器的峰值发射波长。在半导体激光器 的情况下，改变热状态和电特性改变了半导体的晶格结构的光学特性 或者物理尺寸。结果是，装置内的腔间距改变，这改变了所发射的峰 值波长。由于固态光源表现出这些效果，因此当将固态光源用在光谱 法测量系统中时，发射的峰值波长的稳定性及其相关联的强度可能是 重要的参数。因此，在测量期间，对每个固态光源的热状态和电特性 二者的控制在整体系统鲁棒性和性能方面可能是有利的。此外，由热 状态和电状况导致的光学特性的改变可被用来允许单个固态光源被调 谐至多个峰值波长位置。这可导致可测量比分立固态光源的数量更多 的波长位置的分析物特性测量系统，这可降低系统成本和复杂度。
可使用多种方法实现温度稳定。在一些实施例中，可通过将温度 升高至环境状况以上（或者降低至环境状况以下）来稳定一个固态光 源或多个固态光源，而没有进行额外的温度控制。在其它实施例中， 可使用控制回路主动地将一个固态光源或多个固态光源控制为设定温 度（冷却或者加热）。例如，适合于本发明的实施例的温度回路电路 可包括具有热-电冷却器和精密热敏电阻器的TE冷却VCSEL封装。 精密热敏电阻器可连接到惠斯登桥，惠斯登桥可连接到被配置成驱动 热-电冷却器的电流驱动电路。
固态光源的电特性也影响固态光源的发射分布（例如，发射的 波长位置）。使供应给一个固态光源或多个固态光源的电流和/或电 压稳定可能是有利的。例如，VCSEL和许多二极管激光器的峰值发 射取决于驱动电流。对于峰值波长的稳定性重要的实施例，驱动电流 的稳定性变成重要的质量因数。在这种情况下，电子电路可被设计成 向VCSEL或二极管激光器供应稳定的驱动电流。电路的复杂度和成 本可取决于所需要的驱动电流的稳定性。图3示出了适用于本发明的 实施例的电流驱动电路。本领域的技术人员认识到，电流控制电路的 替代实施例在本领域中是已知的并且也可适于本发明。此外，一些固 态光源要求控制驱动电压而不是控制驱动电流；本领域技术人员认识 到，被设计成控制电压而不是电流的电子电路是易于得到的。
在一些实施例中，诸如VCSEL或二极管激光器的单个固态光源 在测量过程期间被调谐至多个波长。为了实现固态光源的调谐，图3 中示出的电路可被修改为包括分别对温度设定点和电流的控制。在一 些实施例中，调谐温度或驱动电路/电压可足以实现期望的峰值发射 波长的调谐。在其它实施例中，可能需要控制温度和驱动电流/电压 二者以实现期望的调谐范围。
此外，用于测量和稳定峰值发射波长的光学装置还可被集成到结 合本发明的实施例描述的系统中。法布里-珀罗（Fabry-Perot)标准具 可用来提供相对的波长标准。标准具的自由光谱范围和精细度可被指 定为提供光通带，该光通带允许VCSEL或二极管激光器峰值波长的 主动测量和控制。这个标准具的示例实施例使用具有部分反射镜表面 的热稳定的、扁平的熔融石英板。对于需要每个VCSEL或二极管激 光器提供多个波长的系统，可选择标准具的自由光谱范围，以便它的 透射峰值与期望的用于调谐的波长间隔一致。本领域技术人员应当认 识到，存在对该应用可行的许多光学配置和电子控制电路。替代的波 长编码方案使用色散光栅和次级阵列检测器，以将VCSEL或二极管 激光器波长编码到阵列上的空间位置。对于基于色散或者标准具的方 案，可使用次级光学检测器，次级光学检测器的性能要求不及主要光 学检测器严格。通过允许对任何漂移的实时校正，主动控制可降低对 VCSEL温度和电流控制电路的稳定性要求。
多波长照射/调制子系统的实施例和方法
图5示出照射/调制子系统100的示例实施例，其中，10个单个 固态光源101被布置成平面阵列。在图5的一些实施例中，固态光源 101被独自容纳在其自己的封装中，例如TO-9、TO-56或其它标准 封装。可利用透射窗来密封这些封装或者不密封。在其它实施例中， 固态光源101可被放置到公共载体上并且作为结果的组件可被放置到 壳体中。可以密封或不密封壳体。可独立地控制各个固态光源101的 温度，其中，各个固态光源101具有其自身的用于控制温度的装置， 或者共同地使用用于控制温度的单个装置。
由固态光源101发射的光被均化器102（图5）收集并均化，并 且被传递到采样子系统200的输入。在本发明的一些实施例中，封装 密度（单个固态光源101可被彼此布置为多么靠近）是不利的，并且 限制了可使用的固态光源101的数量。在这种实施例中，用于将由固 态光源101发射的光聚集到较小区域的装置会是有利的。在随后的段 落中讨论用于有效聚集光并且耦合至采样子系统200的装置。
在一些实施例中，采用单个固态光源的平面阵列的替代方式。单 个固态光源101的示例（激光二极管）被示出在图6中，并且包括半 导体芯片103和激光发射孔径104。
在另一个实施例中，累积数量的单个固态光源101被划分成一组 或更多组。这一组或更多组内的各各固态光源101以与其它固态光源 101之间的预定间距被安装到公共载体105上（每组一个载体）。这 种方法被称为光源“载体”104并且被图示在图7中。载体105例如 可由陶瓷形成。在这个实施例中，不同的波长可来自不同的源，例 如，被切成激光器芯片的不同晶圆。多个激光器芯片可形成固态光源 101。这允许通过组合来自多个源（晶圆、不同卖方等）的激光器来 适应多个波长。这种方法的优点是固态光源组件的数量较少，并且已 知固态光源位置相对于彼此的关系。进而，这使得有可能相对于控制 单个固态光源减少温度控制封装的数量。此外，因为封装内的固态光 源相对于彼此处于固定且已知的位置，所以能够启用更有效的光耦合 方法。
在其它实施例中，多个固态光源位于同一物理半导体内，以便进 一步减少照射/调制子系统100中的部件的数量。在这种实施例中， 半导体内的固态光源101可以是相同波长、不同波长、或其组合。当 固态光源101是激光二极管或其它固态激光器时，这些实施例被称为 “激光棒”106。与载体实施例类似，激光棒106的优点是各个固态 光源101的非常好表征的且特定的位置。整体上，激光棒106导致单 个半导体的数量、系统组件的总数、进而子系统的复杂度和成本的显 著降低。
可使用同一波长的多个固态光源101增加该波长处的光功率。在 一些实施例中，同一波长的固态光源101彼此相邻或非常靠近，以便 允许进行有效的光耦合。图8示出包括12组的2个激光二极管（总 共24个激光发射器）的激光棒106。形成一对107的两个激光器具 有共同的波长，并且每个对107与其它对具有不同的波长（在这个实 施例中，棒106有12个不同的波长）。每个对107与相邻对107分 隔480微米，并且对107的两个发射器101之间的间距是5微米。在 采用DFB二极管激光器的实施例中，通过向每个对107应用具有不 同节距（pitch）的光栅，使用单个半导体芯片实现不同波长。DFB 激光器的发射通常是单一模式，这在一些实施例中是有利的。本领域 的技术人员认识到，全部固态光源101的大量排列及其发射波长被载 体105和棒实施例106涵盖。本文公开的实施例不是旨在限制本发明 的范围。
在一些实施例中，用于各个发射器的专用热电冷却器的成本会过 高且尺寸会过大，并且单个全局冷却器或温度控制不能提供充分的局 部温度控制。在这种情况下，可使用靠近固态光源的局部加热设备来 实现半导体内的局部温度控制。加热设备的实施例是靠近固态光源的 局部电阻器，该局部电阻器允许施加的电流被转换成局部的热。这种 方法允许单个温度控制设备施加加热/冷却负荷的大部分，而局部设 备允许对各个固态光源进行精细调谐。通过改变局部温度，这允许更 高的稳定度和调谐各个激光器的发射波长的能力。
将固态光源有效耦合至采样子系统的策略
无论实施例的固态光源是处于各个封装中还是被分组到更少数量 的载体或棒上，固态光源发射孔径的密度并不理想，因为在相邻的固 态光源之间总存在有限的距离。这个间隔可以例如由各个固态光源封 装的尺寸以及由对允许散热的有限间距的需要来驱动。在本发明的一 些实施例中，不关心发射孔径的密度，并且可使用光均化器收集、组 合并均化各个固态光源的输出，光均化器的横截面足够大，以包括照 射/调制子系统100中的所有固态光源发射孔径。然而，在这种情况 下，在光均化器的输出处的光子通量低于理想情况，因为来自固态光 源的光已经基本上均匀地分布在横截面的整个区域上。这对应于系统 的集光率的减小，在一些实施例中，这会是不利的。
在集光率的减小应该被最小化的实施例中，存在用于更有效组合 各个固态光源发射孔径的输出的多个策略。本发明的几个实施例集成 了光纤108作为用于从固态光源101或一对固态光源107收集光并且 将其与从系统中的其它固态光源101或其它对固态光源107收集的光 相组合的装置（参见图9）。多个单个光纤108可成束为线缆109。 在图13中示出的一个实施例中，光纤108从12个固态光源101中的 每个或数对固态光源107收集光。12个光纤108可成束为线缆109。 许多固态光源的发射孔径的直径可以是几微米的数量级。本发明的一 些实施例可使用大芯多膜光纤（相比于常用在电信中的小芯单模光 纤）。相对于发射孔径的小直径的大光纤直径允许光纤从所有尺寸都 有数十微米的对准容差的发射孔径收集光。根据发射孔径的间距和光 纤108的大小，来自多余一个孔径的光可被给定的光纤收集（参见图 9）。
这种方法的优点在于，该方法允许通过使用等量或更少量的光纤 组合任意数量的固态光源的输出。然后，可以将光纤的相对端部组合 成束。在一些实施例中，束是圆形六边形堆叠。对于给定数量的给定 直径的光纤，这种配置代表最小的横截面面积，因此保持最大的光子 通量和集光率。此外，光纤允许制造线性或其它几何布置的固态光源 （例如，诸如激光棒），同时保持将它们的输出组合至小面积孔径的 能力，这允许将收集到的光有效耦合至采样子系统200。激光棒组件 可包括激光棒106、具有电接触件的陶瓷载体105、光纤耦合器（未 示出）、铜微台架（未示出）、和热电冷却器（未示出）。组件可被 容纳在气密性密封的封装、例如工业标准蝶形封装中。在一些实施例 中，光均化器可被放置在光纤束的输出处，以便在空间上和/或成角 度地均化各个光纤的输出。在这种实施例中，横截面面积可匹配光纤 束的面积，以便最小化光子通量和集光率的任何减小。在一些实施例 中，输出束处的光纤的布置可匹配光均化器的横截面（例如，方形、 六边形等）。
光纤耦合方法还允许具有固态光源孔径的多个组件组合成单个输 出孔径。例如，图10示出4个激光棒106，各个激光棒具有12对激 光发射器107（参见图8）。多模光纤110用于从各个发射器对107 （总共48个光纤108）收集光。然后，48个光纤108的相对端部被 组合成圆形六边形叠堆输出套圈111。
用于均化照射/调制子系统输出的方法和设备
诸如光漫射器、光导管、和其它扰频器的光均化器112可集成到 发射/调制子系统100的一些实施例中，以便在组织采样子系统200 的输入处提供可再生的并且优选地均匀的辐射。图11示出包括毛玻 璃漫射器和具有两个相对弯曲的六边形横截面光导管的示例光均化器 112。均匀的辐射可确保组织的好的光度准确度和均匀的照射。均匀 的辐射还可减少与固态光源之间的制造差异关联的误差。均匀的辐射 可在本发明的各种实施例中使用以实现准确和精确的测量。参见例如 美国专利第6,684,099号，其通过引用合并于此。
毛玻璃板是光漫射器的例子。该板的磨砂表面有效地扰乱从固态 光源及其传输光学器件发出的辐射的角度。光导管可用来均化辐射的 强度，以便它在光导管的输出处在空间上是均匀的。另外，具有双弯 曲的光导管将扰乱辐射的角度。为了产生均匀的空间强度和角度分 布，光导管的横截面不应该是圆形的。方形、六边形和八边形的横截 面是有效的扰动几何形状。光导管的输出可直接耦合到组织采样器的 输入，或者可在光被发送到组织采样器之前与另外的传输光学器件结 合使用。参见例如美国专利申请序列号第09/832,586号， “Illumination Device and Method for Spectroscopic Analysis”（用于 光谱分析的照射装置和方法），其通过引用合并于此。
采样子系统
图1表明了组织采样子系统200在照射/调制子系统（100)和数 据获取子系统（300)之间的方位。参考图1，组织采样子系统200将 由照射/调制子系统100生成的辐射引入到样本（例如，受试者的组 织）内，收集辐射的没有被样本吸收的一部分，并且将该辐射发送到 数据获取子系统300内的光学检测器用于测量。图12至图17图示示 例组织采样子系统200的元件。参考图12，组织采样子系统200具 有光输入202、形成询问组织的组织接口206的采样表面204、和光 输出207。子系统还包括在图13中图示的人体工程学设备210，其保 持采样表面204并且将组织定位在接口206。输出211向处理电路 （可以例如是微处理器）发送信号。在示例性子系统中，并且在一些 实施例中，包括使组织接口恒温的装置。在其它实施例中，可使用折 射率匹配流体来改进在组织和采样表面之间的光学接口。改进的接口 可减少误差并且增加效率，由此提高净属性信号。参见例如美国专利 第6,622,032号、第6,152,876号、第5,823,951号和第5,655,530 号，每个通过引用合并于此。
组织采样子系统200的光输入202接收来自照射/调制子系统100 的辐射（例如，从光导管出射的光），并且将该辐射传输到组织接口 206。作为一个示例，光输入可包括以几何图案布置的一束光纤，其 从照射/调制子系统收集适当数量的光。图14图示了一个示例布置。 平面图图示了在采样表面处的几何结构中的输入和输出光纤的端部， 该结构包括布置成环形图案的六个簇208。每个簇包括收集来自组织 的漫反射光的四个中心输出光纤212。在每组四个中心输出光纤212 的周围是材料215的圆柱，该圆柱确保在中心输出光纤212的边缘和 输入光纤214的内环之间大约100μm的间隙。100μm的间隙对于测 量真皮内的乙醇会是重要的。如在图14中示出的，输入光纤214的 两个同心环布置在材料215的圆柱周围。如在一个示例实施例中示出 的，32个输入光纤环绕四个输出光纤。
图15说明采样子系统的簇几何结构的替代方式。在这个实施例 中，照射和收集光纤光学器件布置在线性几何结构中。每个行可以用 于照射或者光收集，并且可具有适合于实现足够的信噪比的任意长 度。另外，行数可以是2或者更多，以便改变被采样子系统覆盖的物 理区域。潜在的照射光纤的总数取决于固态光源子系统的发射区域的 物理大小（例如，取决于实施例的光纤束或光均化器的横截面的面 积）和每个光纤的面积。在一些实施例中，可使用多个固态光源子系 统来增加照射光纤的数量。如果收集光纤的数量导致面积比数据获取 子系统（300）的光电检测器大，则继之以孔径的光导管或其它均化 器可用来减小采样子系统的输出区域的大小。光导管或其它均化器的 目的是确保每个收集光纤对穿过孔径的光基本上相等地做出贡献。在 一些实施例中，可省略光均化器并且使用孔径本身。在其它实施例 中，检测器活动区用作孔径（例如，没有不同的孔径）。在这种情况 下，未入射到活动区的光被有效晕映（vignette）。
在本发明的采样子系统（200）的一些实施例中，与样本交互的 光学探针的一部分可包括光纤的两个或更多个光纤线性条带的堆叠。 这些布置允许针对所关注的样本和测量位置（例如，手、手指）适当 地设计光学探针接口的大小和形状。图16示出了基于线性条带堆叠 的采样子系统的示例实施例。关于本发明中使用的合适实施例的额外 细节可见于共同待决的美国申请序列号第12/185,217号和第 12/185,224号中，每个通过引用合并于此。
在组织分析物测量装置的许多实施例中，光电检测器是系统的限 制孔径。在这样的系统中，可通过集成光学探针设计来优化系统的吞 吐量（并且对应地，信噪比SNR），该光学探针设计照射样本（组 织）的较大区域，同时从与光电检测器的接受立体角一致的较小孔径 收集光。参考图16中的光学探针设计，每个收集光纤（黑圆圈）被 8个照射光纤（白圆圈）围绕。对于每个收集光纤，该面积的几何差 异允许8个照射光纤中的每个对收集的光做出贡献。该方法的净效果 是允许更多的光从黑体光源被收集并且被传递到样本而不被限制孔径 晕映。这对于那些固有地具有大发射区域的光源（例如许多黑体发射 器）来说是有利的。
然而，诸如二极管激光器的半导体光源的光子通量会大大高于黑 体光源的光子通量。因此，有限数量的半导体光源可以相对于其黑体 对应物以更小的立体角传递等同的或较高的光子通量。这可导致光子 发射的立体角（所有半导体光源的组合立体角）小于检测器的接受立 体角。换言之，光源而不是光电检测器是系统的有效限制孔径。在这 种情况下，诸如图16中所示的那些光学探针设计不优化系统的吞吐 量和SNR。虽然这样的光学探针在本申请的一些实施例中是合适 的，但是替代设计可能是优选的。在其它实施例中，照射光纤的数量 可以小于或等于收集光纤的数量。这些光纤探针设计具有如下采样表 面，该采样表面允许较小的照射面积与固态光源发射的较小面积一 致，较大的收集面积与光电检测器的较大面积一致。因此，提高了系 统的整体效率。
采样子系统还可使用一个或更多个通道，其中，通道指的是照射 和收集光纤的特定方位。方位包括一个或多个照射光纤的角度、一个 或多个收集光纤的角度、以个或多个照射光纤的数值孔径、一个或多 个收集光纤的数值孔径、以及在一个或多个照射和收集光纤之间的间 隔距离。多个通道可以同时地或者连续地结合起来使用，以提高非侵 入式测量的准确度。在一个实施例中，利用两通道采样子系统。在这 个示例中，两个通道正在测量同一组织结构。因此，每个通道从不同 的角度提供对同一组织的测量。第二个角度帮助提供另外的光谱信 息，该信息帮助分离由于散射和吸收导致的信号。参考图17，一组 光纤（在这个示例中，1个源、1个接收器#1和1个接收器#2)可被 重复1到N次，以便增加采样器面积并且提高光效率。每个光纤可 具有不同的数值孔径和角度（0）。在光纤X和Y之间的距离确定源 -接收器间隔。此外，可增加额外的源通道，以创建4通道采样子系 统。本领域技术人员认识到，存在关于数量和通道之间的关系的大量 的可能变化。
在使用多通道采样器进行非侵入式葡萄糖测量的实验中，结果表 明，当各自与任意通道相比时，两个通道的组合提供优异的测量准确 度。虽然这个示例使用两个通道，但额外的通道可提供额外的信息， 该额外的信息可进一步提高测量。
多通道采样子系统的另一方面是提高对样本上存在的局部干扰物 （例如汗或液）的检测和缓解的能力。图17是在存在局部干扰物的 情况下的多通道采样子系统的图。图17示出了在组织接口、局部干 扰物层和组织处的采样子系统。在这个示例中，由于局部干扰物导致 的对每个通道的测量的贡献是相同的。这允许从对两个通道而言不同 的组织信号中分离在两个通道中都存在的共同的局部干扰物信号的可 能性。
参照图12，聚集的输入和输出光纤被安装到簇套圈中，该簇套 圈被安装到采样头216中。采样头216包括采样表面204，采样表面 204被抛平以允许形成好的组织接口。同样，输入光纤被聚集到在输 入端连接的套圈218中，以与照射/调制子系统100相接。输出光纤 的输出端被聚集到套圈220中，以与数据获取子系统300相接。
替选地，光输入可使用光导管、折射和/或反射光学器件的组合 将输入光传递到组织接口。重要的是，组织采样子系统的输入光学器 件从照射/调制子系统100收集足够的光，以便实现可接受的净属性 信号。
组织接口以将与所关注属性有关的组织的隔室作为目标的方式照 射组织，并且可区分没有通过那些隔室传播相当大距离的光。作为示 例，照射和收集光纤之间的100μm的间隙可区分包含极少属性信息 的光。另外，组织接口可在组织的某个区域上进行平均，以减少由于 组织的异质性质导致的误差。组织采样接口可拒绝镜面和短路径长度 的光线，并且可收集以高效率穿过组织传播期望路径长度的一部分 光，以便最大化系统的净属性信号。组织采样接口可采用光纤将光从 输入引导至上述预定几何结构的组织。光纤可被布置成以包含好的属 性信息的某些组织层作为目标的图案。
可以以实现有效深度目标的方式来布置输入和输出光纤的间距、 角度、数值孔径和放置。除了使用光纤之外，组织采样接口可使用基 于非光纤的布置，基于非光纤的布置在组织的表面上放置输入和输出 区域的图案。基于非光纤的组织采样接口的合适掩蔽确保输入光在组 织中传播最小的距离并且包含有效的属性信息。最后，可使组织采样 接口恒温，以按照预定方式控制组织的温度。组织采样接口的温度可 被设定成使得由于温度变化导致的预测误差减小。另外，当构建校准 模型时，参考误差减少。这些方法在序列号为第09/343,800号、题目 为"Method and Apparatus for Non-Invasive Blood Analyte Measurement with Fluid Compartment Equilibration”（用于利用流 体隔室平衡进行非侵入式血液分析物测量的方法和设备）的美国专利 申请中公开，该专利申请通过引用合并于此。
组织采样子系统200可使用人体工程学设备或者导向装置213， 人体工程学设备或者导向装置213以可再生方式将组织定位在采样接 口204上。图13中图示了可再生地将手指导向采样表面的示例人体 工程学装置213。人机工程学装置213包括基座217，基座217具有 穿过基座的开口219。开口219的大小被设计为用于将采样头216接 收在开口219中，以将采样表面204定位成一般与基座的上表面共 面。必须仔细注意组织采样接口的人机工程学，否则会导致相当大的 采样误差。还可使用本文中描述的系统的变型来适应替代的部位，例 如指尖或前臂的顶部或掌侧。
组织采样子系统200的输出将已经穿过组织传播可接受路径的光 中的未被组织吸收的部分传送到数据获取子系统300中的光学检测 器。组织采样子系统200的输出可使用折射和/或反射光学器件的任 何组合，以将输出光聚焦到光学检测器上。在一些实施例中，所收集 的光被均化（参见US6,684,099,Apparatus and Methods for Reducing Spectral Complexity in Optical Sampling（用于降低光采样 中的光谱复杂度的设备和方法），通过引用合并于此），以便减轻可 能是样本相关的空间和角度效应。
数据获取子系统
数据获取子系统300将来自采样子系统的光信号转换成数字表 示。图18是数据获取子系统300的示意性表示。本发明的至少一个 实施例的优点是，类似于干涉光谱仪，只需要单个检测器元件来测量 所有期望的波长。阵列检测器及其支持电子器件由于其昂贵的性质而 成为相当大的缺点。
光学检测器根据时间将入射光转换为电信号。在1.0到2.5μm 的光谱范围内敏感的检测器的示例包括InGaAs、InAs,InSb、Ge、 PbS和PbSe。本发明的示例性实施例可利用1-mm、热-电冷却的、 扩展范围的InGaAs检测器，该InGaAs检测器对1.0到2.5μm范围 内的光敏感。2.5μm、扩展范围的hGaAs检测器具有低的约翰逊 （Johnson）噪声，因此允许从组织采样子系统发射的光子通量的散 粒噪声限制性能。扩展的InGaAs检测器在2.0到2.5μm的光谱区 域中具有峰值敏感性，三个非常重要的酒精吸收特征位于该区域中。 相比于液氮冷却的InSb检测器，热-电冷却的、扩展范围的InGaAs 对于商业产品可能更加实用。另外，这个检测器在1.0到2.5μm的 光谱区域中表现出超过120dbc的线性度。如果酒精测量系统采样替 代的波长区域，则替代的检测器可能是合适的。例如，如果所关注的 波长范围在300-1000nm的范围内，则硅检测器可能是合适的。可使 用任何光学检测器，只要给定的光电检测器满足基本的敏感度、噪声 和速度要求。
数据获取子系统300的其余部分放大并过滤来自检测器的电信 号，然后利用模数转换器、数字滤波、和数字信号的从相等时间间距 到相等位置间距的重采样，将作为结果的模拟电信号转换为其数字表 示。模拟电子器件和ADC必须支持信号中固有的高SNR和线性 度。为了保持信号的SNR和线性度，数据获取子系统300可支持至 少100dbc的SNR和失真。数据获取子系统300可产生信号的数字 化表示。在一些实施例中，24位的delta-sigma ADC可在96或192 KHz下操作。在只有一个（而不是delta-sigma ADC中更常见的两 个）通道的信号要数字化的系统中，信号可被传递到ADC的两个输 入，并且在数字化后被平均。这个操作可有助于减少由ADC引入的 任何无关噪声。如果系统性能要求允许，则可使用替代的模数转换 器，其中，样本获取与固态光源调制同步，而不是以相等的时间间隔 被捕获。如下面所讨论的，数字化的信号可被传递到计算机子系统 400中，用于进行进一步的处理。
恒定时间采样的数据获取子系统300具有优于将信号数字化的其 它方法的几个显著的优点。这些优点包括：更大的动态范围、更低的 噪声、减少的光谱伪像；检测器噪声限制操作和更简单并且更便宜的 模拟电子器件。另外，恒定时间采样技术允许对由ADC之前的模拟 电子器件引入的频率响应失真进行数字补偿。这包括在放大和滤波电 路中的非线性相位误差以及光学检测器的不理想的频率响应。均匀采 样的数字信号允许一个或更多个数字滤波器的应用，这些滤波器的累 积频率响应是模拟电子器件的传递函数的逆（参见例如US 7,446,878，通过引用合并于此）。
计算系统400
计算子系统400执行多个功能，例如，将从数据获取子系统300 获得的数字化数据转换为强度对波长光谱、对光谱执行光谱异常值检 查、在准备确定所关注的属性时进行光谱预处理、确定所关注的属 性、系统状态检查、与用户接口关联的显示和处理要求、以及数据传 输和存储。在一些实施例中，计算子系统被包含在与本发明的其它子 系统连接的专用个人计算机或者膝上型计算机中。在其他实施例中， 计算子系统是专用的嵌入式计算机。
在将来自检测器的数字化数据转换为强度对波长光谱后，计算机 系统可针对异常值或坏扫描检查该光谱。异常样本或坏扫描违反了在 所测量的信号与所关注的特性之间的假定关系。异常条件的示例包括 校准仪器在环境温度、环境湿度、振动容限、组件容限、功率水平等 的指定操作范围之外操作的条件。另外，如果样本的组分或浓度不同 于用于构建校准模型的样本的组分或浓度范围，则会出现异常值。随 后，将在本公开中讨论校准模型。任何异常值或坏扫描可被删除，并 且剩余的好光谱可被一起求平均，以产生用于测量的平均单束光谱。 可通过采用光谱的负的以10为底的对数（-log10）将强度光谱转换 为吸收率。吸收光谱可被缩放，以重新归一化噪声。
可使用缩放的吸收光谱结合从校准子系统500获得的校准模型， 确定所关注的属性。在确定所关注的属性后，计算子系统400可例如 向受试者、向操作者或管理者、向记录系统、或者向远程监视器报告 结果830。计算子系统400还可根据结果的优良度报告置信度水平。 如果置信度水平低，则计算子系统400可扣留结果并请求受试者重新 测试。如果有要求，则可传达要指导用户执行正确动作的附加信息。 参见例如通过引用合并于此的美国申请20040204868。通过音频和/或 通过打印装置，结果可在显示器上可视地报告。另外，结果可被存储 以形成属性的历史记录。在其它实施例中，结果可经由因特网、电话 线或蜂窝电话服务被存储并且传送到远程监视或存储设备。
计算子系统400包括中央处理单元（CPU)、内存、存储器、显 示器和优选地通信链路。CPU的示例是因特尔奔腾微处理器。内存 可以是静态随机存取存储器（RAM)和/或动态随机存取存储器。存储 装置可用非易失性RAM或盘驱动器来实现。液晶、LED或其它显 示器会是合适的。作为示例，通信链路可以是高速串行链路、以太网 链路、或无线通信链路。例如，计算机子系统可根据所接收和处理的 干涉图产生属性测量，执行校准维持，执行校准转移，运行仪器诊 断，存储所测量的酒精浓度和其它相关信息的历史，并且在一些实施 例中，与远程主机通信以发送并接收数据和新的软件更新。
计算系统400还可包括通信链路，通信链路允许将受试者的酒精 测量记录和对应的光谱传送到外部数据库。另外，通信链路可用于将 新的软件下载到计算机并且更新多变量校准模型。计算系统可被视为 信息装置。信息装置的例子包括个人数字助理、支持网络的蜂窝电话 和手持计算机。
校准子系统500
校准模型与光谱信息结合使用，以便获得酒精测量值。在一些实 施例中，通过在各式各样的环境条件下获取关于多个受试者的血液参 考测量值和同时的光谱数据，形成校准模型。在这些实施例中，可在 血液酒精浓度的范围内从各个受试者获取光谱数据。在其它实施例 中，混合校准模型可测量受试者光谱的酒精浓度。在这种情况下，术 语“混合模型”表示使用体外和体内光谱数据的组合来形成偏最小二乘 （PLS）校准模型。数据的体外部分是使用被配置用于透射测量的非 侵入式测量系统所测量的500mg/dl的酒精水溶液的0.1mm路径长 度的透射光谱。透射光谱与水的0.1mm路径长度透射光谱成比例， 被转换成吸收率，并且被归一化为单位路径长度和浓度。
穿过组织的光传播是漫反射光组织采样器设计、生理变量和波数 的复变函数。因此，穿过组织的光的路径长度具有波数相关性，这在 无散射的透射测量中没有遇到过。为了解决波数相关性，使用商业光 线跟踪软件包（TracePro），经由蒙特卡罗（Monte Carlo)模拟来建 模光组织采样器与人类组织的散射特性的交互。使用作为结果的光子 -组织交互模型，产生对根据波数的穿过真皮和皮下组织层的光的有 效路径长度的估计。有效路径长度（leff)被定义为：
其中ν是波数，li是在蒙特卡罗模拟中被第i条光线横穿的路径 长度[mm]，N是模拟中的光线的总数，并且a是（波数相关的）吸 收系数[mm-1]。由于水在体内的吸收率大，因此水是对有效路径长度 有相当大影响的唯一分析物。因此，出于有效路径长度计算的目的， 所使用的吸收系数是具有生理浓度的水的吸收系数。然后，通过计算 出的路径函数对酒精吸收光谱（如在透射时测量的）进行缩放，以形 成经校正的酒精光谱，经校正的酒精光谱表示通过漫反射光采样器测 量的波数相关的路径长度。这个经校正的光谱形成用于酒精与校准光 谱的数学相加的基础光谱。
体内数据包括从没有消耗酒精的人收集的非侵入式组织光谱。通 过将被各种酒精“浓度”（范围从0到160mg/dL)加权的酒精纯分量 光谱加到非侵入式组织光谱数据，形成混合模型。通过在混合光谱数 据上回归合成酒精浓度来创建PLS校准模型。图19是混合校准形成 过程的示意性表示。这个工作中的混合校准使用在三个月内从133个 受试者收集的大约1500个非侵入式组织光谱。
使用混合校准模型，而不是根据从已经消耗了酒精的受试者获取 的光谱创建的校准模型，可提供重要的优点。混合建模过程使得产生 校准光谱成为可能，该校准光谱包含比在人类受试者研究中被认为对 于消耗来说安全的酒精浓度（120mg/dL被认为是安全上限）更高的 酒精浓度（在这个工作中高达160mg/dL）。这可导致具有更宽范围 的分析物浓度的更强校准，这能够更准确地预测更高的酒精浓度。这 可能是重要的，因为在现场观察到的酒精浓度可以大于临床研究设定 中的最大安全剂量的两倍。混合校准过程还允许防止酒精和组织内的 光谱干扰物之间的关联。例如，在校准光谱中随机添加酒精信号防止 酒精浓度与水浓度关联。因此，混合方法防止测量值可能虚假地跟踪 组织中水含量的变化而不是酒精浓度的变化的可能性。
一旦形成，期望的是，校准保持稳定，并且在延长的时间段内产 生准确的属性预测。这个过程被称为校准维持，并且可包括可单独或 者结合使用的多个方法。第一种方法是以固有地使校准鲁棒的方式创 建校准。几种不同类型的仪器和环境变化可影响校准模型的预测能 力。可能且期望的是，通过将这个变化集成到校准模型中，减小仪器 和环境变化的影响的程度。
然而，在校准时间段期间，难以遍历仪器状态的整个可能范围。 系统扰动可导致仪器在校准模型的空间之外被操作。当仪器在没有充 分建模的状态下进行的测量会表现出预测误差。在医疗上重要的属性 的体内光测量的情况下，这些类型的误差会导致使系统效用劣化的错 误测量值。因此，通常有利的是，在仪器的寿命期间使用附加的校准 维持技术，以便持续检验和校正仪器的状态。
有问题的仪器和环境变化的示例包括但不限于：诸如水蒸气或 CO2气体的环境干扰物的水平的改变、仪器的光学组件的排列的改 变、仪器的照射系统的输出功率的波动、由仪器的照射系统输出的光 的空间和角度分布的改变。
校准维持技术在美国专利6,983,176“Optically Similar Reference Samples and Related Methods for Multivariate Calibration Models Used in Optical Spectroscopy”（用于在光学光谱法中使用的 多变量校准模型的光学类似参考样本和相关方法）、美国专利 7,092,832"Adaptive Compensation for Measurement Distortions in Spectroscopy”（光谱法中的对测量失真的自适应补偿）、美国专利 7,098,037"Accommodating Subject and Instrument Variations in Spectroscopic Determinations”（在光谱确定中适应受试者和仪器的 变化）、美国专利7,202,091"Optically Similar Reference Samples” （光学类似参考样本）中有讨论，均通过引用合并于此。样本可被合 并到仪器的光学路径中或者以类似于组织测量的方式与采样子系统相 接。样本可在透射或反射时使用，并且可包含稳定的光谱特征或者对 其自己的光谱特征没有做贡献。材料可以是固体、液体或凝胶材料， 只要其光谱随着时间推移是稳定的或可预测的即可。随着时间推移从 样本中获取的光谱中的任何得不到解释的改变表明仪器已经经历了由 于环境影响导致的扰动或漂移。随后，光谱改变可用来校正后续的人 类组织测量，以便确保准确的属性测量。
用于实现成功的校准维持的另一方法是，使用随着时间的推移在 仪器上获取的测量值来更新校准。通常，需要所关注的分析物特性的 参考值的知识，以便执行这种更新。然而，在一些应用中，已知参考 值通常是但不总是特定值。在这种情况下，这个知识可被用来更新校 准，即使对于每个测量值而言并不知道析物特性的特定值。例如，在 住院治疗中心中的酒精筛查中，对已经遵守酒精消耗限制并因此具有 零酒精浓度的个体执行绝大多数的测量。在这种情况下，从根据本发 明的各种实施例公开的装置获得的酒精浓度测量值或相关联的光谱可 与作为参考值的假定的零结合使用。因此，校准可被更新为包括在现 场获取的新的信息。由于可在系统制造或安装时使用具有假定的零的 测量，因此这个方法还可用于执行校准转移，以便在所关注的分析物 属性测量中去除任何特定于系统的偏置。校准维持更新或校准转移实 现可通过多种方法来实现，例如但不限于正交信号校正（OSV）、正 交建模技术、神经网络、逆回归方法（PLS、PCR、MLR)、直接回 归法（CLS)、分类方案、简单中值或移动窗口、主成分分析、或其 组合。
一旦校准形成，常常期望的是，将该校准转移到所有现有的和未 来的单元。这个过程一般被称为校准转移。虽然不需要，但校准转移 防止对要在制造的各个系统上确定校准的需要。这代表显著的时间和 成本节约，这可影响商业产品的成功或失败之间的差异。校准转移源 自于光部件和电部件对于不同单元而变化的事实，这总的来说可导致 从多个仪器获得的光谱的显著差异。例如，两个固态光源可具有不同 的色温，由此导致这两个源的不同光分布。两个检测器的响应性也可 显著不同，这可导致额外的光谱差异。
与校准维持类似，可使用多个方法，以便有效地实现校准转移。 第一种方法是利用多个仪器创建校准。多个仪器的存在允许与仪器差 异关联的光谱变化在校准形成过程期间被确定并变得与属性信号正 交。尽管这个方法减少净属性信号，但是它可以是校准转移的有效方 法。
另外的校准转移方法包括相对于用于创建校准的那些方法明确地 确定系统的光谱特征的差异。在这种情况下，光谱差异可随后被用来 在对系统的属性预测之前校正光谱测量，或者可被用来直接地校正所 预测的属性值。可根据从所关注系统获取的稳定样本和用来创建校准 的那些样本的光谱的相对差异，确定特定于仪器的光谱特征。在校准 维持部分中描述的样本也可应用于校准转移。参见例如美国专利 6,441,388，“Method and Apparatus for Spectroscopic Calibration Transfer”（用于光谱校准转移的方法和设备），通过引用合并于此。
酒精测量模式
根据所关注的应用，可就两种模式考虑分析物特性的测量。第一 种模式是“走上(walk up)”或“通用的”，并且表示如下分析物特性确 定，其中在根据所关注的当前测试确定分析物特性时不使用样本（例 如，受试者）的先前测量。在测量体内酒精的情况下，在影响执法下 的驾驶将落入这种模式，因为在大多数情况下正被测试的人以前没有 在酒精测量装置上被测量过。因此，没有那个人的先前知识可在分析 物特性的当前确定中使用。
第二种模式被称为“注册的”或“定制的”，并且表示来自样本或受 试者的先前测量可用于在确定当前测量的分析物特性时使用的情形。 可应用这种模式的环境的示例是车辆联锁，在车辆联锁中，有限数量 的人被允许驾驶或操作车辆或机器。关于注册和定制的应用的实施例 的额外信息可见于名称为“Method and Apparatus for Tailoring Spectroscopic Calibration Models”（用于定制光谱校正模型的方法和 设备）的美国专利6,157,041和6,528,809，均通过引用合并于 此。在注册的应用中，分析物特性测量与生物特征测量的组合可能 是特别有利的，因为同一光谱测量可评估是否预期的操作者在分析物 特性可达到其健康水平（例如，清醒）时被授权经由生物特征使用设 备或车辆。
用于根据光谱信号确定生物特征验证或识别的方法
生物特征识别描述了使用一个或更多个身体或行为特征来识别人 或其它生物实体的过程。存在两种常用的生物特征模式：识别和验 证。生物特征识别尝试回答“我认识你吗？”的问题。生物特征测量 装置从目标个体收集一组生物特征数据。仅根据该信息评估这个人以 前是否在生物特征系统中注册过。执行生物特征识别任务的系统，例 如FBI的自动指纹识别系统（AFIS)一般非常昂贵（几百万美元或 更多），并且需要花许多分钟检测未知样品与包含几十万或者成百万 个条目的大数据库之间的匹配。在生物特征验证中，相关的问题是 “你是你所说的那个人吗？”。这种模式用于以下情况：个人使用代 码、磁卡或其它方式声明身份，并且装置通过将目标生物特征数据与 对应于所声明的身份的注册数据进行比较来使用生物特征数据确认人 的身份。用于监控受控制的环境中的酒精或滥用物质的存在或浓度的 本设备和方法可使用任一种生物特征模式。
在这两种模式之间还存在至少一种变型，这种变型也适合于在本 发明的各种实施例中使用。这个变型出现在以下情况下：少数个人被 包含在注册数据库中，并且生物特征应用需要确定是否只有目标个人 在注册集合之中。在这种情况下，不需要个人的确切身份，因此任务 与上述识别任务有些不同（并且通常更简单）。这个变型在以下应用 中可能是有用的：在被测试的个人必须既是被授权分组的一部分又是 清醒的、但不需要他们的具体身份的方法中使用生物特征系统。术语 “身份特征”包括所有上面的模式、变型及其组合或变化。
有三种与生物特征测量关联的主要数据元素：校准、注册和目标 光谱数据。校准数据用于建立对生物特征确定重要的光谱特征。这组 数据包括一系列从已知身份的一个或多个个人收集的光谱组织测量 值。优选地，这些数据是在一段时间内和一组条件下收集的，以便在 每个个人身上收集多个光谱，同时它们几乎跨越人预期要经历的整个 范围的生理状态。另外，用于光谱收集的一个或多个仪器一般也应当 跨越它或同型号仪器在实际使用中有可能见到的整个范围的仪器和环 境影响。然后，分析这些校准数据，以便建立对人之间的光谱差异敏 感的光谱波长或“因子”（即，波长或光谱形状的线性组合），同时最 小化对人体内的、仪器（仪器内和仪器之间）的和环境的影响的敏感 度。然后，这些波长或因子后续被用来执行生物特征确定任务。
用于生物特征确定的第二组主要光谱数据是注册光谱数据。给定 受试者或个人的注册光谱的目的是，生成该受试者的唯一光谱特征的 “表示”。从被授权的个人或者以其他方式需要被生物特征系统识别的 个人收集注册光谱。每个注册光谱可在几秒或几分钟的时间段内被收 集。可从个人收集两个或更多个注册测量，以确保测量之间的相似 度，并且如果检测到伪造，则排除一个或多个测量。如果丢弃了一个 或更多个测量，则可收集另外的注册光谱。给定受试者的注册测量可 被一起平均、以其他方式组合、或者单独地存储。在任何情况下，数 据被存储在注册数据库中。在一些情况下，对于光谱被测量的人，每 组注册数据与标识符（例如，口令或关键代码）关联。在识别任务的 情况下，标识符可用于谁在哪个时间访问了生物特征系统的记录保持 目的。对于验证任务，标识符用来提取正确的一组注册数据，针对该 组注册数据执行了验证。
用于生物特征系统的第三组并且是最后的主要数据是当人为了进 行识别或验证而尝试使用生物特征系统时收集的光谱数据。这些数据 被称为目标光谱。使用从校准集合获得的分类波长或因子，将目标光 谱与在注册数据库（或者在身份验证的情况下是数据库的子集）中存 储的测量值进行比较。在生物特征识别的情况下，系统将目标光谱与 所有注册光谱比较，并且如果一个或更多个注册个人的数据与目标光 谱足够类似则报告匹配。如果多于一个注册个人匹配目标，则可报告 所有匹配的个人，或者可报告最好的匹配作为所识别的人。在生物特 征验证的情况下，目标光谱伴随着声明的身份，该身份是使用磁卡、 打出的用户名或标识符、转发器、来自其它生物特征系统的信号、或 者其他装置而收集的。然后，使用所声明的身份从注册数据库检索对 应组的光谱数据，对照该光谱数据进行生物特征相似度确定，并且身 份被证实或否定。如果相似度不够，则生物特征确定被取消并且可尝 试新的目标测量值。
在一种检验方法中，主成分分析被应用于校准数据以生成光谱因 子。然后，将这些因子应用于在目标光谱和注册光谱之间获得的光谱 差异，以生成马哈拉诺比斯距离（Mahalanobis distance）和光谱残 余幅度值作为相似性度量。只有在上述距离和幅度小于针对每个身份 设置的预定阈值时才验证身份。类似地，在用于生物特征识别的示例 方法中，针对相对于每个数据库光谱的目标光谱，计算马哈拉诺比斯 距离和光谱残余幅度。提供测试光谱的人的身份被建立为与数据库测 量值相关联的一个或多个人，该数据库测量值提供小于针对每个人设 置的预定阈值的最小马哈拉诺比斯距离和光谱残余幅度。
在示例方法中，当人试图执行有限数量的人被授权的操作（例 如，执行光谱测量、进入受控设施、通过出入境检查站等）时实现识 别或验证任务。人的光谱数据被用于人的身份的识别或验证。在这个 方法中，人最初通过收集一个或更多个代表性的组织光谱在系统中注 册。如果在注册期间收集到两个或更多个光谱，则可检查这些光谱的 一致性，并且仅在这些光谱足够类似时记录，从而限制了破坏注册数 据的样本伪造的可能性。对于验证实现，诸如PIN代码、磁卡号 码、用户名、标记、语音模式、其他生物特征的标识符、或者一些其 他标识符也可被收集，并与经确认的一个或多个注册光谱关联。
在后续使用时，可通过从尝试获得授权的人收集光谱来进行生物 特征识别。然后，可将这个光谱与注册的授权数据库中的光谱进行比 较，并且如果与授权的数据库条目的匹配比预定阈值更好则做出识 别。验证任务是类似的，但会要求人除了被收集的光谱之外还提供标 识符。然后，可将标识符用来选择特定的注册数据库光谱，并且如果 当前光谱与所选择的注册光谱足够类似则可准予授权。如果生物特征 任务与只有一个人被授权的操作关联，则验证任务和识别任务是相同 的，并且两者都简化为确保唯一授权的个人尝试操作而不需要单独的 标识符。
生物特征测量不管模式如何都能以各种方式执行，包括线性判别 分析、二次判别分析、k-最近邻居、神经网络、和其它多变量分析技 术或者分类技术。这些方法的一些依靠在内部人校准数据库中建立基 础光谱形状（因子、荷载向量、本征向量、潜在变量等），然后使用 标准异常值方法（光谱F比率、马哈拉诺比斯距离、欧几里得距离 等）确定传入的测量值与注册数据库的一致性。可通过如这里公开的 多种方法生成基础光谱形状。
首先，可仅仅基于校准数据的光谱分解（本征分析、傅立叶分析 等）生成基础光谱形状。第二种生成基础光谱形状的方法涉及如在通 过引用合并于此的、名称为“Methods and Apparatus for Tailoring Spectroscopic Calibration Models”（用于定制光谱校准模型的方法和 设备）的美国专利第6,157,041号中描述的通用模型的开发。在本申 请中，基础光谱形状是通过对内部人光谱特征执行校准过程而生成 的。基础光谱形状可通过基于模拟组分变化的校准的形成来生成。模 拟组分变化可模仿由实际生理或环境或仪器变化引入的变化，或者可 仅仅是人工光谱变化。认识到，确定基础形状的其它方法将可应用于 本发明所公开的实施例的识别和验证方法。这些方法可结合、或者代 替上述技术来使用。
校准检查样本
除了确保受试者安全的一次性物品以外，一次性校准检查样本可 用来检验仪器在正确的工作状况。在酒精测量的许多商业应用中，必 须检验仪器的状态，以确保后续测量将提供准确的酒精浓度或者属性 估计。通常就在受试者测量之前检查仪器状态。在一些实施例中，校 准检查样本可包括酒精。在其它实施例中，检查样本可以是环境稳定 和光谱惰性的样品，例如累积球。检查样本可以是穿过光谱采样室注 射或流动的气体或液体。检查样本也可以是固体，例如凝胶，它可包 含酒精。检查样本可被构造为与采样子系统相接或者可被集成到系统 的光学路径的其它区域。这些示例意味着是说明性的，并且不限于各 种可能的校准检查样本。
改变方向（DOC)和改变速率（ROC)
用于使用光谱法测量诸如酒精的组织成分的浓度改变的方向和幅 度的方法被视为在本发明的范围内。根据本发明获得的非侵入式测量 被固有地半时间解析。这允许诸如酒精浓度的属性被确定随时间变 化。然后，可使用经时间解析的酒精浓度确定酒精浓度改变的速率和 方向。另外，改变信息的方向可用于部分地补偿由生理动力学导致的 血液和非侵入式酒精浓度中的任何差异。参见均通过引用合并于此的 美国7,016,713"Determination of Direction and Rate of Change of an Analyte”（分析物改变的方向和速率的确定）和美国申请 20060167349"Apparatus for Noninvasive Determination of Rate of Change of an Analyte”（用于非侵入式确定分析物改变的速率的设 备）。已经公开了用于增强速率和方向信号的各种技术。这些技术中 的一些包括加热元件、红宝石折射物(rubrifractant)和折射率匹配介 质。本发明不限于特定形式的增强或平衡。本发明中不需要这些增 强，而是这些增强只是出于说明的目的而被包括。
受试者安全
非侵入式酒精测量的另一个方面是受试者在测量期间的安全。为 了防止受试者之间的测量污染或者病原体转移，期望但不一定使用一 次性清洁剂和/或保护面，以便保护每个受试者并且防止受试者之间 的液体或病原体转移。例如，在一些实施例中，在测量之前，可使用 异丙醇擦拭纸清洁每个受试者的采样部位和/或采样子系统表面。在 其它实施例中，在每次测量之前，在采样子系统和受试者之间可放置 诸如ACLAR的材料的一次性薄膜，以便防止受试者和仪器之间的物 理接触。在其它实施例中，可同时使用清洁和膜二者。如在本公开的 采样子系统部分中提到的，还可将膜附连到定位装置，随后将其施用 到受试者的采样部位。在这个实施例中，定位装置可与采样子系统相 接并且防止受试者在测量期间移动，同时膜起到保护作用。
局部干扰物
在受试者测量中，受到显著关注的是采样部位上的局部干扰物。 许多局部干扰物具有在近红外区域中的光谱特征，因此可能在存在时 造成明显的测量误差。本发明的某些实施例以三种方式处理局部干扰 物的潜在性，这些方式可单独地或结合使用。首先，可使用与在受试 者安全部分中描述的清洁剂类似的一次性清洁剂。清洁剂的使用可由 系统操作者自行处理或者是测量过程中的强制步骤。还可使用多种清 洁剂，这些清洁剂单独地以不同类型的局部干扰物为目标。例如，一 种清洁剂可用于清除油脂和油，而另一种可用于清除诸如科隆水或香 水的消耗品。清洁剂的目的是在进行属性测量之前清除局部干扰物， 以便防止它们影响系统的准确度。
用于减轻局部干扰物的存在的第二种方法是，确定是否在采样部 位上存在一种或多种干扰物。在校准子系统中使用的多变量校准模型 提供固有的异常值度量，该度量产生关于未建模的干扰物的存在（局 部的或者其它）的重要信息。作为结果，它们提供对属性测量的可信 赖性的深入了解。图20示出了来自在临床研究期间获取的非侵入式 测量值的示例异常值量度值。所有大的量度值（与大部分点清楚地分 开）对应于油脂被有意地施用到受试者的采样部位的测量。这些量度 值没有具体地识别异常值的原因，但它们确实指示相关联的属性测量 值是可疑的。扩大的异常值量度值（例如，在固定阈值以外的值）可 用来触发固定的响应，例如，测量的重复、替代的校准模型的应用、 或者采样部位清洁过程。这在图20中被表示为“光谱检查好了”决策 点。
最后的局部干扰物减轻方法包括修改校准模型，以包括局部干扰 物的光谱特征。修改后的校准模型可根据要求被创建或者从校准模型 的现有库中选择。库中的每个校准都将以减轻不同的干扰物或者诸如 油的不同类别的干扰物为目标。在一些实施例中，可基于所获取的光 谱的未被原始校准模型解释的部分来选择合适的校准模型。光谱的这 个部分被称为校准模型余量。因为每个局部干扰物或者每类干扰物具 有唯一的近红外光谱，所以校准模型余量可用来识别局部干扰物。
然后，可将干扰物的模型余量或纯光谱（从存储库中获得的）合 并到用于形成校准的光谱中。然后，用新光谱改善多变量校准，以便 可确定属性信号的与干扰物正交的部分。然后，使用新校准模型测量 所关注的属性，由此降低局部干扰物对属性测量准确度的影响。当没 有干扰物存在时，作为结果的模型将以测量精确度为代价降低干扰物 对酒精测量的影响。这个过程称为校准免除。免除过程与在图19中 示出的混合校准形成过程类似，但包括对干扰物的光谱变化进行数学 相加的额外步骤。应当注意，由于免除过程对测量精确度的影响，可 能期望的是，识别针对每次测量的可能干扰物并且特别免除它们，而 不是尝试开发免除所有可能干扰物的校准。额外的细节可见于通过引 用合并于此的美国20070142720“Apparatus and methods for mitigating the effects of foreign interferents on analyte measurements in spectroscopy”（用于减轻外来干扰物对光谱法中的分析物测量的 影响的设备和方法）。
半导体光源替代物的优点
在NIR和IR光谱法中使用的大多数光源是黑体辐射器。黑体辐 射器发射的光由普朗克定律规定，普朗克定律指示所发射的光的强度 是黑体的波长和温度的函数。图21示出了1300K和3000K黑体辐 射器在100-33000cm-1(100-0.3μm）范围内的归一化NIR光谱，其 中，4000-8000cm-1(2.5-1.25μm）范围被遮蔽的酒精测量装置使 用。1300K是基于陶瓷的黑体光源的合理温度，而3000K是常常在 光谱应用中采用的石英钨卤素（QTH)灯的合理温度。图21指示两个 黑体光源的光效率并不理想，因为相当数量的光在用于测量酒精的所 关注区域之外的波长处被发射，其中，陶瓷光源的光效率是58%并 且QTH只有18%。
除了光效率以外，黑体光源可能具有差的电效率。实际的黑体光 源需要相当数量的电功率，其中不是全部电功率都被转换成所发射的 光。在数百个陶瓷黑体光源上的电和光功率测量在24W的电功率平 均值（4.4%的电效率）处示出1.1W的光功率平均值。当与58%的 光效率结合时，陶瓷黑体的总效率大约为2.5%。换句话讲，在24W 电功率处，在所关注的4000到8000cm-1区域中发射大致0.6W的光 功率。因为不是源所发射的所有光都被光系统的其余部分收集，所以 产生另外的损失。
如低电效率所指示的，大部分所施加的电功率被转换成热，这带 来比所需功率要求更高的不利影响。黑体光源产生的热会对光谱测量 装置的热状态和稳定性产生影响。因此，在一些情形下，该装置必须 在执行测量之前通电并且被允许达到热平衡。与黑体光源关联的平衡 时间可在从几分钟到几小时的范围内变动，这在一些情形下会是不利 的。
黑体光源随着材料电阻的改变表现出老化效应。从光学的角度来 看，存在与光源老化关联的重要意义。首先，当电阻增大时，所发射 的光功率的量减少。在一个实验中，针对说明的陶瓷黑体光源观察到 的随时间推移的测量强度表现出，在超过3500小时内，功率降低 50%。随时间推移的强度劣化往往本质上是指数的，并且可使以固定 间隔更换光源成为必须，这在一些部署环境中可能是不利的。其次， 光源的温度根据波长而改变，这改变光的分布。根据色温度改变的严 重性，光谱装置随时间推移的稳定性会受到影响。固态光源没有以与 白炽灯类似的任何方式严重失效，并且通常其寿命在50,000至 100,000小时的范围内。结果，相对于黑体光源，固态光源在光源寿 命方面有可能提高10倍，并且相应地减少了对日常维修的需要。
诸如二极管激光器的半导体光源在与其黑体对应物比较时可具有 小的发射区域，黑体对应物由半导体芯片本身的尺寸驱动。光子发射 不会在芯片区域之外发生，因为它在半导体结构内产生。小尺寸（一 般的发射区域是0.3mm×0.3mm平方或者0.09mm2)可能是有利的， 因为在该区域内的任何异质性相对于照射系统的输出的大小（其根据 应用可以是几平方毫米或更大）将是不重要的。因此，只要芯片（或 者如果采用多个半导体，则是多个芯片）不物理地移动，空间输出就 将是非常稳定的。然后，后续的空间均化器的目的是将芯片发射的光 均匀地分布在照射系统输出的整个区域上。
诸如二极管激光器、VCESEL和LED的半导体光源的另一个优 点是将多于一种染料集成到同一物理封装中的能力。例如，可包括同 一类型的另外的固态光源，以便增加在对应波长处的光功率。这种方 法允许对由照射系统发射的特定波长和相对强度的控制达到空前水 平。这可用于衰减对于诸如酒精的所关注的给定分析物而言重要的波 长，同时减少在不太重要的波长处的输出。不管这组固态光源全部是 相同的类型还是混合的，可将多达数百个固态光源集成到同一封装 中，同时保留与在诸如酒精的非侵入式分析物测量中的使用一致的完 整光区域。
半导体光源的另一个优点是选择在给定时间接通哪些光源以及经 由电压或者电流和温度来调谐它们的输出的能力。因此，可针对多个 分析物的测量而优化单个照射系统。例如，当测量组织内的酒精时， 可激活给定的一组LED。同样，当测量诸如胆固醇或葡萄糖的不同 分析物时，可激活不同的一组LED。
用于空间和角度均化的方法
诸如光漫射器、光导管和其它加扰器的光均化器可被合并到照射 /调制子系统100的一些实施例中，以便在组织采样子系统200的输 入处提供可再生的并且优选地均匀的辐射。均匀的辐射可确保组织的 良好的光度准确度和均匀的照射。均匀的辐射还可减少与固态光源之 间的制造差异关联的误差。均匀的辐射可用于实现准确并且精确的测 量。参见例如通过引用合并于此的美国专利第6,684,099号。
毛玻璃板是光漫射器的示例。板的磨砂表面有效地扰乱从固态光 源及其传递光学器件发出的辐射的角度。光导管可用于均化辐射的强 度，以便它在光导管的输出处是空间上均匀的。另外，具有双弯曲的 光导管将扰乱辐射的角度。为了形成均匀的空间强度和角度分布，光 导管的横截面不应该是圆形的。方形、六边形和八边形横截面是有效 的加扰几何形状。光导管的输出可直接耦合到组织采样器的输入，或 者可在光被发送到组织采样器之前结合另外的传递光学器件使用。参 见例如通过引用合并于此的第09/832,586号美国专利申请 “Illumination Device and Method for Spectroscopic Analysis”（用于 光谱分析的照射装置和方法）。
在示例性实施例中，辐射均化器是光导管。光导管通常由金属、 玻璃（非晶的）、晶体、聚合物、或其它类似材料、或其任何组合制 成。物理地，光导管包括近端、远端和其间的长度。对于这个应用， 通过从光导管的近端到远端画一条直线来测量光导管的长度。因此， 光导管91的同一段可根据段所形成的形状而具有变化的长度。段的 长度随光导管的预期应用而容易地变化。
在示例性实施例中，段形成S形光导管。光导管中的S形弯曲 在光穿过光导管时提供光的角度均化。然而，认识到，角度均化可用 其它方式实现。可使用多个弯曲或非S形弯曲。另外，如果光导管 的内表面在长度的至少一部分上包括漫反射涂层，则可使用直的光导 管。涂层在光通过导管传播时提供角度均化。替选地，光导管的内表 面可被修改为包括诸如微光学漫射器或透镜的凹陷或“微结构”，以实 现角度均化。最后，毛玻璃漫射器可用于提供一些角度均化。
光导管的横截面也可形成各种形状。具体地讲，光导管的横截面 优选地是多边形的形状，以提供空间均化。多边形横截面包括具有三 至多边的所有多边形形式。某些多边形横截面被证明改进了通道辐射 的空间均化。例如，在整个长度具有六边形横截面的光导管在与具有 相同长度的圆柱形横截面的光导管相比时提供了改进的空间均化。
另外，贯穿光导管整个长度的横截面可以变化。如此，在沿光导 管长度的一个点处的任何横截面的形状和直径可与在沿导管的同一段 的第二个点处的第二个横截面不同。在某些实施例中，光导管在两端 之间具有中空构造。在这些实施例中，至少一个管腔或者管道可以沿 着光导管的长度延伸。中空光导管的管腔通常具有反射特性。这个反 射特性有助于引导辐射穿过这段长度的光导管，以便辐射可以在导管 的远端发射。管腔的内径还可具有光滑的、扩散的或者有纹理的表 面。反射性管腔或者管道的表面特性有助于当辐射穿过光导管的这段 长度时在空间上和角度上均化辐射。
在另外的实施例中，光导管是实心构造。实心核可被电镀、涂覆 或者包覆地覆盖。而且，实心构造的光导管通常提供内反射。这个内 反射允许进入实心光导管近端的辐射被引导穿过导管的这段长度。然 后，被引导的辐射可从导管的远端发射出去，而没有明显的辐射强度 损失。
多面椭圆形反射器是本发明的实施例的示例，它只产生输出辐射 中的一部分期望特性。在多面反射器的情况下，实现的是空间均化而 不是角度均化。在其它情况下，诸如在使标准系统的输出穿过毛玻璃 的情况下，实现的是角度均化而不是空间均化。在只产生角度或者空 间均化（但不是两者）的诸如这些的实施例中，可预料到光谱系统的 性能的一些改进。然而，改进的程度将不应被预期为与同时实现辐射 的空间和角度均化的系统一样大。
用于产生角度和空间均化的另一种方法是在照射系统内使用累积 球。虽然通常使用累积球来检测光，尤其是来自对光进行散射的样本 的光，但当试图非侵入式地测量分析物时，累积球还未被用作照射系 统的一部分。在实践中，从发射器输出的辐射可被耦合到累积球中， 随后通过出射口照射组织。发射器也可位于累积球内。累积球将导致 异常的角度和空间均化，但这个系统的效率明显低于之前指定的其它 实施例。
还认识到，可对本公开系统进行其它修改，以实现期望的光均 化。例如，固态光源可以以密封的布置放置在光导管内，这将消除对 发射器的需要。另外，光导管可被累积器取代，其中，源被放置在累 积器内。另外，根据要进行的分析的类型，本系统可在非红外应用中 使用，以在不同的波长区域中实现类似的结果。
示例实施例的描述
在本发明的一个示例实施例（在图22中示意性地图示）中，非 侵入式酒精测量系统包括用于测量22个离散波长的13个二极管激光 器。表1示出了将在测量过程期间被询问的每个二极管激光器和相关 联的目标峰值波长的列表。
光源#测得的波长（cm-1）
表1
在这个实施例中，每个二极管激光器被稳定到恒定的温度。基于 图5中示出的电路（每个二极管激光器具有其自己的电路），控制每 个二极管激光器的峰值波长，该电路还使二极管激光器能够接通和断 开。每个二极管激光器在测量期间的给定时间的特定状态（接通/断 开）由预定的阿达玛或类似的编码矩阵确定。在合并有固态光源的示 例实施例中，阿达玛矩阵是每个二极管激光器的接通/断开状态对时 间的模式，该模式被存储在软件中并且用电子器件而不是物理掩模或 斩波器来实现，物理掩模或斩波器将机械地调制固态光源。这允许存 储在软件中的接通/断开状态在测量期间被传送到每个二极管激光器 的电子控制电路。
因为表1中的几个二极管激光器负责2个波长位置，所以合并有 所有波长的阿达玛方案可能难以实现。在这种情况下，扫描和阿达玛 编码的组合可允许测量所有目标波长。在本实施例中，所有的二极管 激光器被调谐到它们的第一目标波长（对于具有多于1个的目标波长 的那些二极管激光器），并且阿达玛编码方案被用来实现相关联的多 路复用益处。然后，可将二极管激光器调谐到它们的第二目标波长， 并且使用第二个阿达玛编码方案。可在任一个组或两个组内测量只具 有1个目标波长的二极管激光器，或者可在组之间划分只具有1个目 标波长的二极管激光器。
此外，这些组可按时间交错。例如，对于2秒的测量而言，可在 第一秒测量第一组，而在第二秒测量第二组。替选地，测量可在2秒 内以0.5秒的间隔交替。在这些组中，测量时间不需要对称。例如， 可能期望的是，通过针对一个或者其它组加权测量时间来优化信噪 比。本领域技术人员认识到，测量时间的许多置换、平衡组数、平衡 扫描与阿达玛的比率、以及交错是可能的，并且在本发明的实施例中 被想到。
在示例实施例中，使用六边形横截面的光导管来组合和均化每个 二极管激光器的输出。在一些实施例中，光导管可包含一个或多个弯 曲，以便除了空间均化以外还提供角度均化。不管怎样，在光导管的 输出处，所有二极管激光器的发射优选地在空间上和角度上被均化， 以便所有的波长在被引入到采样子系统200的输入时具有基本上相等 的空间和角度特征。
被均化的光被引入到光学探针的输入。在示例实施例中，输入包 括以与光均化器的横截面一致的几何结构布置的225个0.37NA的硅 -硅光纤（被称为照射光纤）。然后，光被传输到样本接口。光从光学 探针射出并且进入样本，该光的一部分与样本交互并且被64个收集 光纤收集。在示例性实施例中，收集光纤是0.37NA的硅-硅光纤。
光学探针输出将收集光纤布置成与均化器的引入一致的几何结 构。对于示例实施例，均化器是六边形的光导管。均化器确保每个收 集光纤的特征对被测量的光信号的贡献基本上相等。对于本质上可能 异质的样本，例如人类组织，这会是重要的。然后，均化器的输出被 聚焦到光学检测器上。在示例性实施例中，光学检测器是延长的 InGaAs二极管，该二极管的输出电流基于入射光的量而变化。
然后，处理子系统过滤并处理电流，接着使用2通道delta- sigma ADC将其转换成数字信号。在示例实施例中，经处理的模拟 检测器信号被划分并且被引入到两个ADC通道。因为示例实施例涉 及具有2个测量组（例如，2个目标波长）的VCSEL，所以将阿达 玛变换应用于从每个组获得的光谱信号，并且组合随后的变换以形成 强度光谱。然后，在随后的酒精浓度确定之前对强度光谱进行以10 为底的对数变换。
示例实施例适合于“注册的”或者“走上/通用”模式以及将酒精与 诸如滥用物质的其它分析物特性组合的应用。此外，可独立地或与生 物特征特性的测量结合来考虑所讨论的模式或组合中的任一个。
在“走上”模式中，在5个非侵入式酒精系统上从89个人获得 3,245个酒精测量值，该系统测量了包括22个波长的光谱。测量值跨 越宽范围的人口统计和环境因素。图23示出了从研究中获得的近红 外光谱测量值。图24将根据图23中示出的光谱测量值获得的非侵入 式酒精浓度与同时的毛细血管血液酒精浓度（BAC)酒精进行比较。
另一个示例实施例在图39中示出，并且使用利用39个二极管激 光器测量到的39个波长。表2示出二极管激光器及其目标波长。
表2
系统参数的其余部分包括采样子系统、光均化器、检测器，并且 处理与之前描述的实施例相同。图25示出在6个非侵入式测量装置 上从134个人获得8,999个光谱测量值。图26示出作为结果的相对 于静脉血液酒精的非侵入式酒精测量值。
在一些示例实施例中，可使用对具有已知分析物特性的样本的少 量测量，执行校准转移。在非侵入式酒精测量的情况下，每个仪器可 对体内不存在酒精的个人执行少量的测量。仪器上的任何非零的酒精 结果转变成测量误差，该测量误差可用于校正该仪器上的后续测量。 用于估计校正的测量的数量可有所不同，并且通常取决于所需的校正 准确度。通常，这个过程类似于被单独校准的符合酒精装置（例如， 呼吸测试器）的特定于仪器的校准。
类似的方法可被应用于校准维持。在酒精测试的许多应用中，大 多数测量是对体内不太可能存在酒精的个人执行的。例如，在雇员例 行进行酒精测试的工作场所安全中，更有可能的，雇员将不会是酒精 中毒的（例如，大多数人都是体内没有酒精地进入工作场所）。在这 种情况下，可假定真实的酒精浓度是零和中间值，或者可使用用于排 除不常见的真实酒精事件的其它装置来估计仪器校正。这可被实现为 运行的中值滤波器、移动窗口或更复杂的多变量算法，它们用于确定 给定时间的合适校正。
本领域的技术人员应该认识到，本发明可以用除了本文描述和想 到的特定实施例以外的各种形式来证实。因此，可在不脱离本发明的 范围和精神的情况下，进行形式和细节上的变化。
进行中的系统校准
为了在操作条件和时间内保持最大准确度和精度，期望的是，刚 好在组织测量之前具有关于酒精测量装置（例如，对测量做出贡献的 光组件和电子组件）的状态的信息。这被称为“校准测量”。虽然针 对系统的某些敏感组件采用与电流和温度相关的控制，但存在会随时 间和温度变化的大量的机械和光学误差来源。另外，即使就地进行控 制，也可能存在与电子组件的操作以及还需要考虑的探针的表面处理 和可能的光污染相关的因素关联的误差。因此，期望的是，刚好在测 量所关注的组织样本之前，针对已知的标准样本，对装置的完整的光 和电状态进行测量。然后，对标准样本的测量允许针对酒精测量装置 的当前状态校正随后（或之前）的组织测量值。
为了获得校准测量，通过采样子系统（200）将来自光源/调制子 系统（100）的光传递到标准样本，在采样子系统（200）中，光与标 准样本交互。该光的一部分被采样子系统（200）收集并且被耦合到 数据获取子系统（300）中的光电检测器。用于实现这个的一种方式 是利用与采样表面（例如，皮肤组织被测量处的表面）的光纤不同的 光纤。在这种情况下，被传递到标准样本的光将经过与询问皮肤的光 不同的光学路径。在一些实施例中，光学路径的这种差异是可接受 的。此外，在其它实施例中，光纤本身可用作标准样本（例如，光纤 从光源/调制子系统（100）收集光并且将其直接传递到数据获取子系 统（300）中的光学检测器）。在这些方法的一些实施例中，可应用光 栅机构，该光栅机构选择在给定时间光电检测器正在测量哪个光学路 径（通向皮肤采样表面的路径或通向校准样本的路径）。虽然在一些 实施例中这些方法是可接受的，但就测量与实际探针不同的路径而 言，这些方法不是最佳的。
因此，为了保持基本上相同的用于询问皮肤组织的光的光学路径 和校准标准，需要一种在采样子系统（200）的组织接口处放置具有 已知特征的可移动校准标准的方法。可刚好在进行组织测量之前测量 校准样本，然后在进行实际测量时取出该校准样本。虽然可人工地将 校准样本插入路径中，但在一些实施例中，优选的是自动插入和取出 方法。
用于自动插入校准样本的一种这样的方法是将它构建到探针头盖 或按钮中，用户与探针头盖或按钮交互。这种方法的主要元素将是：
1）在后部添加可移动门，所述可移动门毗邻反射性标准表面所 在的组织接口
2）用于移走门以向探针直接呈现组织测量表面的方法
3）将反射性表面返回到停止位置的方法
应该注意，本领域的技术人员可设计出任何数量的机电或机械机 构来实现这个目的。
在第一实施例中，移动门被覆盖在下侧，具有合适的反射材料并 且滑动，从而允许感测头旋转直至手指表面。弹簧提供返回到停止/ 校准位置所需的回复力。
在第二实施例中，滑动按钮用作后端被固定的半柔性带的引导 件。柔性带的后部被涂覆有合适的反射表面。滑动按钮的移动让柔性 带在窗口下方滑动，所述窗口开口于按钮的让传感器接触手指的面 上。弹簧提供了返回到停止/校准状态所需的回复力。应该注意，可 设计替代实施例，使得感测头是静止的，而只有门/按钮和/或校准样 本是移动部件。
还应该注意，可用定型特征和手指引导件来改进实施例，以帮助 促成在不改变基础构思的情况下进行放置，并且该机构和另外的定型 特征将同等地好好工作，不管存在的是手指的背侧、手指的掌侧还是 其它表面皮肤。
参照图28，图1中示出的系统可被集成到任何运输车辆（包括 所有形式的地面、水中和空中行驶）的启动系统。例如，系统可被集 成为点火系统的机电组件，该点火系统包括启动按钮、控键或其它通 常使用形式的驱动器，驱动器初始化电力为运输车辆的行驶做准备。
可利用这种系统测量尝试启动运输车辆的人中的分析物或生物特 征标识符的存在或浓度，其中，测得的信息被用于改变车辆的后续机 电响应。例如，可使用生物特征识别来识别特定驾驶员（从可能的一 批驾驶员中）并且修改驾驶员的位置或方位和/或控制设置（例如信 息娱乐设置或车辆致动器设置）。在另一个示例中，如图27中所示， 可使用该系统测量分析物的浓度，以启用和/或禁用启动运输车辆和/ 或发起替代动作的能力。例如，当测得车辆驾驶员体内的酒精在法定 阈值以上时，可限制启动运输车辆的能力，而且触发远程信息处理系 统，以自动调用替代形式的行驶，包括指定的驾驶员和/或出租车。
在另一个实施例中，系统可被集成到运输车辆控制系统中，该控 制系统连续地或近乎连续地接触操作器，例如方向盘、操纵条或操纵 杆。如此，系统可连续地或周期地、或者被其它控制逻辑触发以进行 分析物和/或生物特征测量，所述测量用来影响后续的运输车辆操作 或者触发替代动作。
在另一个实施例中，系统可被集成到运输车辆或设施进入系统 （例如，入口门、行李箱…），因此进行分析物和/或生物特征测量， 所述测量用于影响进入和/或随后在进入时的控制程度。
在另一个实施例中，系统可被集成到其它运输车辆子系统中，其 中，操作人员皮肤和采样子系统200之间的直接接触被暂时地、周期 性地或恒定地保持。保持半被动接触的经略微修改的实施例和通过操 作人员发起的动作进行接触的实施例也是可能的。在这种情况下，可 进行连续或周期性的分析物和/或生物特征测量，这些测量影响后续 的运输车辆操作或者触发替代动作。
在图28中描述的系统的情况下，操作人员和采样子系统200之 间的人机交互可被配置成向预期的操作人员通知关于系统的存在和预 期的身体部位和/或位置，这些身体部位和/或位置必须与采样子系统 连接以触发测量。例如，可使用可听到的声音和/或对话和/或照射和/ 或触觉反馈来教导操作人员，提供对正确测量处理的肯定/否定反馈 和/或测量结果。
在与图22中描绘的系统不同的本发明的示例实施例（在图29a- b中示意性图示）中，将不同波长的分立的固态光源直接耦合至均化 器，该均化器包括使所有支持波长范围的损失最小化的材料，从而使 得对固态光源和均化器与感测子系统之间的耦合机构的需要减少。在 这个实施例中，可控制均化器的材料、大小、形状、涂层，以优化光 透最佳并且使损耗最小，同时直接提供传感器子系统200的发射器。
图7示出使用多个不同发射器的系统；在图30中示出的替代实 施例中，可形成单个发射器，该发射器具有含不同电流路径的多个光 栅区，所述不同电流路径当被电流驱动时组合地产生不同的波长。通 过驱动光栅组合的时间变化，可用时域信号实现不同波长。以这种方 式，可以以预定模式实时采样大量波长。可使用检测器和处理器中的 采样序列的知识来获得后续实施例中描述的光谱测量。
在另一个实施例中，系统还包括一个或多个气氛、温度和相对湿 度传感器，其中，源自这些传感器的测量可用于子系统400，以用于 校正和/或改进分析物和/或生物特征测量，从而校正由于这些环境影 响导致的人的变化和/或由于扩展系统导致的各个子系统变化（例 如，测量子系统200在空间和热方面与子系统100不同；或者，系统 发射器和检测器被温度补偿至固定值（独立于环境条件）），但光纤、 均化器和耦合器需要基于环境条件的温度补偿。
在进行一批可能的操作人员体内存在分析物的可能性低的一些分 析物测量的情况下，可能有利的是，进行更快且更简单的测量以首先 确定任何分析物是否明显，并且只有检测到分析物时，才进行后续的 针对分析物浓度的测量。这在图31中描绘。例如，在作为分析物的 酒精的情况下，大部分预期的车辆操作人员当尝试启动车辆时在他们 的系统中将不存在酒精。可使用存在测量来减少平均测量时间。
在许多安全应用中，至少两个不同技术的传感器必须检测信号， 以决定启用对策。这大大降低了由于未检测到的单个传感器失效或误 差而导致假阳性的倾向。在类似的背景下，图32中描述的系统可被 耦合成包括一个或多个独立的传感器，用于指示分析物的存在或浓度 和/或确认生物特征测量。
图22中的系统描述了利用离散波长的固态光源的系统；图33中 描绘的替代实施例描绘了一种系统，该系统利用单个宽光谱黑体源， 该黑体源被耦合至仅使预期波长通过的离散波长滤波器。随后的处理 步骤保持与之前指示的步骤相同；然而，在检测和区分过程中可避免 不期望的系统噪声。
对于利用二极管激光器的之前描述的系统实施例，这些装置的上 升和下降特征可基于驾驶员和补偿电路以及装置本身的环境温度和机 电特性（例如，激光器光栅结构、材料、大小、形状和加热/冷却组 件）以确定的形式变化。如图34中所示的，在固态光源强度稳定于 期望水平（T2）之前一直等待可减少调制时间。为了提高可用于不 同波长的多路复用光的调制速率，在检测器逻辑中可补偿先验的上升 /下降特性，从而减少稳定时间（T1）。
要理解，以上的总体描述和详细描述只是示例性和说明性的，并 不是限制本发明。
出于本公开内容的目的，术语“耦合”意味着两个组件（电或机 械的）直接或间接地相互连接。这种连接本质上是静止的或者本质上 是可移动的。这种连接可用两个组件（电或机械的）和任何另外的中 间构件实现，所述中间构件相互地或者与所述两个组件一体地形成为 单个一体主体，或者所述两个组件和任何另外的构件相互附连。这种 连接本质上可以是永久性的，或者可供选择地本质上可以是可移动或 可脱离的。
优选的其它示例性实施例中示出的漫射器的构造和布置只是示例 性的。尽管在本公开内容中只详细描述了本气囊组件的几个实施例， 但阅读了本公开的技术人员将容易理解，在实质上不脱离本公开中陈 述的主题的新颖教导和优点的情况下，许多修改形式是可能的（例 如，各种元件的大小、尺寸、结构、形成和比例、参数值、安装布 置、材料的使用、方向等的变化）。在本发明的范围和精神内的本领 域的技术人员能实现的所有这种修改将被包括作为本发明的其它实施 例。任何过程或方法步骤的次序或顺序可根据替代实施例变化或重新 排序。可在不脱离本申请的精神的情况下，在优选的其它示例性实施 例的设计、操作条件和布置中进行其它取代、修改、改变和省略。
机译： 用于车辆驾驶员中的分析物的非侵入式测量的系统
机译： 用于非侵入式测量机动车辆驾驶员中的分析物的系统和方法
机译： 用于车辆驾驶员中的分析物的非侵入性测量系统
