DE29580420U1

DE29580420U1 - Sensor für die nichtinvasive Blutanalyse

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Publication number: DE29580420U1
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Authority: DE
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Priority date: 1994-08-17
Filing date: 1995-08-16
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2005-08-17
Also published as: AU3228695A; CA2171640A1; US5553613A; CA2171640C; AU707523B2; EP0723419A1; WO1996004840A1; MX9601225A

Description

(für die Eintragung des Gbm vorgesofreng üirberjLagen)..

16. April 1996
SP/RJC/1631 DE

Dawood PARKER
Whitland Abbey, Whitland

Dyfed SA34 OLG
Großbritannien

SENSOR FÜR &Rgr;&Igr;&Xgr; NICHTINVASIVE BLUTANALYSE

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die nichtinvasive Messung der Konzentration eines bestimmten Stoffs im arteriellen Blut. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Messung der Konzentration von Glukose im arteriellen Blut. Die Erfindung befaßt sich auch mit einem Verfahren zur Messung der Konzentration eines Stoffes, insbesondere des Blutzuckers im arteriellen Blut.

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Ermittlung und Messung der Konzentration verschiedener Stoffe im menschlichen Blut bekannt. Diese Verfahren enthalten invasive Prozeduren, die die Extraktion von Proben mit Nadeln oder Kanülen und ihre Untersuchung in einem Analysator außerhalb des Körpers oder die Einführung eines Kathetersensors in ein Blutgefäß und die Messung von Blutparametern in vivo beinhalten.

Verhältnismäßig neu ist die Entwicklung nichtinvasiver Blutmonitoren oder -sensoren insbesondere für die Bestimmung der Glukosekonzentration.

Obwohl der Blutglukosepegel bei Personen ohne Diabetes sehr wenig variiert und normalerweise im Bereich von etwa 4 bis 7 mmol/L liegt, verändert sich der Blutglukosepegel bei Personen mit Diabetes gerade nach der Behandlung mit Insulin erheblich. Die Veränderung des Blutglukosepegels bei Diabeteskranken tendiert dazu, einem ziemlich gut vorhersehbaren Muster zu folgen.

Die medizinische Erfahrung beweist, daß die Blutzuckerkontrolle, primär des Glukosepegels bei Diabeteskranken, das Risiko von bei Diabetes häufig auftretenden Komplikationen vermindert. Demgemäß können im Verlauf eines einzigen Tages viele Proben zur Analyse genommen werden. Die Analyse dient der Ermittlung, ob Insulin oder Zusatznahrung oder eine Glukosetablette zur Einstellung einer unnormal hohen oder niedrigen Glukosekonzentration nötig sind.

Die Selbstüberwachung des Blutzuckers durch den Patienten wird von vielen Klinikärzten als der wichtigste Fortschritt bei der Diabetesbehandlung seit der Entdeckung des Insulins angesehen. Da viele Patienten den zur Selbstüberwachung nötigen Fingerstich schmerzend, unbequem und unangenehm empfinden und außerdem die Selbstüberwachung zu einer Verteuerung neigt, ist eine weniger invasive Methode sehr wünschenswert.

Die US-Patente 5 028 787 und 5 086 229 beschreiben ein Instrument und ein Verfahren für die Messung des Blutglukosegehalts, bei denen in eine Vene oder Arterie einer Person eingeführte Strahlungsenergie im nahen Infrarotbereich, die Erfassung des auftretenden Signals in einem Detektor, der ein elektrisches Signal erzeugt und die Verarbeitung des Signals verwendet werden, um einen die Glukosekonzentration angebenden Ablesewert zu erzeugen.

Das US-Patent Nr. 5 070 874 beschreibt ein Verfahren und ein Gerät für die nichtinvasive Ermittlung der Glukosekonzentration eines Patienten, welche eine Strahlung im nahen Infrarotbereich über einen schmalen Wellenlängenbereich um 1660 Nanometern (nm) verwenden, eine erste und eine zweite Gleichung als Funktion der Wellenlänge ableiten und die Glukosekonzentration durch Berechnungen der Gleichungen ermitteln.

Biologisches Gewebe ist für Strahlung im nahen Infrarotbereich (NIR) bei einer Wellenlänge im Bereich von 700 bis 1100 nm verhältnismäßig durchlässig. Das US-Patent 5 070 874 bezieht sich auch auf Strahlung im "nahen Infrarotbereich", allerdings betrifft das darin beschriebene Verfahren eine Strahlung bei etwas längeren Wellenlängen im Bereich von 1660 nm. Obwohl der Bereich der Wellenlängen im NIR nicht allgemein definiert ist und Wellenlängen von 600 bis 2500 nm dazu gezählt werden, liegen die hier als NIR-Strahlung verwendeten Wellenlängen im zuvor genannten Bereich von etwa 700 bis 1100 nm. Auf diese Weise ist die bei der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzte Strahlung deutlich unterschiedlich von der beim Verfahren des US-Patents 5 070 874 verwendeten, und die Bedeutung des Unterschieds wird aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich.

Das dieser Erfindung zugrunde liegende Verfahren beruht auf der Transparenz biologischen Gewebes für NIR-Strahlung und wird nachstehend als Puls-NIR-Spektroskopie bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird die durch biologisches Gewebe, beispielsweise Fingergewebe oder durch das Ohrläppchen gegangene oder davon reflektierte NIR-Strahlung gefiltert und erfaßt. Die erfaßte Strahlung besteht aus einer pulsierenden Komponente und einer konstanten Komponente. Die konstante Komponente ergibt sich durch die Strahlungsabsorption durch die Haut, die Knochen, das Gewebe, die Sehnen und gemischtes venöses Blut, die sämtlich konstant Licht absorbieren. Die veränderliche pulsierende Komponente resultiert einzig aus pulsierendem, arteriellen Blut im Strahlungsweg. Die Stärke der pulsierenden Komponente bei einer glukoseempfindlichen Wellenlänge ist von der Glukosekonzentration im arteriellen Blut abhängig. Durch die Verwendung eines Verfahrens, das die pulsierende Komponente allein einbezieht, kann der Einfluß der konstanten oder statischen Absorption ausgeschaltet werden.

Obwohl die in den US-Patenten Nr. 5 028 787 und 5 086 229 beschriebenen Prozeduren Energie im nahen Infrarotbereich verwenden, differenzieren sie dennoch nicht zwischen den verschiedenen Gewebekomponenten, z.B. zwischen venösem und arteriellem Blut, und es gibt keine Beschreibung oder Anregung, die pulsierende Komponente allein zu erfassen und zu messen. Es hat sich nun herausgestellt, daß durch die Messung nur der pulsierenden Komponente die bei den Verfahren im Stand der Technik notwendigen komplexen und teuren Instrumente überflüssig sind und daß eine preiswerte Vorrichtung eine genaue nichtinvasive Messung eines gewünschten Stoffes, insbesondere von Glukose, im arteriellen Blut ermöglicht. Die Messungen werden bei einer glukoseempfindlichen Wellenlänge und einer Referenzwellenlänge vorgenommen. Dann wird eine Beziehung zwischen dem Verhältnis (R) dieser beiden Meßwerte und der anhand abgenommener Blutproben bestimmten Blutglukosekonzentration aufgestellt. Diese Beziehung ist in der überwachungsvorrichtung enthalten und bildet die Basis für darauffolgende, nichtinvasive Glukosekonzentrationsmessungen.

In Übereinstimmung mit der Erfindung ist eine Vorrichtung angegeben für die nichtinvasive Messung der Konzentration eines spezifischen zu analysierenden Stoffes im arteriellen Blut, das in einem Körperteil eines Patienten fließt, mit einem ersten Teil, der ein Oberflächenprofil hat, das dazu eingerichtet ist, am Körperteil anzuliegen, einer preiswerten, selbstfokussierten weißen Lichtquelle mit einem Strahlungsanteil im nahen Infrarot, welche in einem zweiten Teil, der zum ersten Teil gehört, so befestigt ist, daß ein breites Strahlungsband weißen Lichts den Körperteil beleuchtet und Strahlung im nahen Infrarot durch den Körperteil hindurchgeht oder vom Körperteil reflektiert wird, um ein Absorptionsspektrum des arteriellen Bluts zu erzeugen, einem dritten Teil, der Erfassungsmittel enthält, die so angeordnet sind, daß sie die Strahlung empfangen, die durch den Körperteil gegangen ist oder von ihm reflektiert wurde, wobei die Erfassungsmittel einen Strahlen-

sammler aufweisen, an dem ein Bündel optischer Fasern angebracht ist, von denen jede ein distales Ende hat, das mit einem von wenigstens zwei Filtern verbunden ist, die ein erstes Filter, das für ein erstes Strahlungssignal selektiv ist, welches eine erste Wellenlänge hat, die mit dem spezifischen zu analysierenden Stoff identifizierbar ist, und ein zweites Filter enthalten, das für ein zweites Strahlungssignal selektiv ist, das eine zweite Wellenlänge hat, die einem Referenzsignal entspricht, wobei das erste und zweite Signal ausschließlich aus einer Pulskomponente des Absorptionsspektrums erhalten werden, und einem Detektor, der dafür eingerichtet ist, das erste und zweite Signal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein Verhältnis zu erzeugen, das die gewünschte Konzentration darstellt.

Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dafür eingerichtet, die Glukosekonzentration im arteriellen Blut zu messen, und in dieser bevorzugten Vorrichtung liegt die erste Wellenlänge an einem sogenannten Isobestpunkt (isobestic point) innerhalb des Wellenlängenbereichs von 1000 bis 1110 nm. Die bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist zur Meßaufnahme an einem Finger eingerichtet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen

Fig. 1 Absorptionsspektren von Blutbestandteilen veranschaulicht ;

Fig. 2 eine charakteristische Wellenform für Strahlung darstellt, die durch lebendes Gewebe von einer Strahlungsquelle konstanter Intensität geht;

Fig. 3 ein Diagramm ist, das das Verhältnis zwischen normalisierten Transmxssionssignalen bei zwei Wellenlängen und der Glukosekonzentration beschreibt, die durch die Ana-

lyse von Blutproben mit einer handelsüblichen Selbstüberwachungsvorrichtung erhalten wird;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung zeigt/ die durch einen Finger gegangene NIR-Strahlung verwendet;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer vorgeschlagenen handgeführten Vorrichtung ist, die die Merkmale der Erfindung beinhaltet;

Fig. 6 einen Aufriß eines Endes der Vorrichtung von Fig. 5 zeigt;

Fig. 7 einen Seitenriß, zum Teil im Schnitt, der linken Seite der Vorrichtung von Fig. 5 zeigt;

Fig. 8 einen Seitenriß der rechten Seite der Vorrichtung von Fig. 5 zeigt; und

Fig. 9 eine ebene Ansicht der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung von oben zeigt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Lebendes Gewebe absorbiert NIR-Strahlung, da das biologische Material im Gewebe -OH-, -NH- und -CH-Molekülbindungen enthält und diese Bindungen in Wechselwirkung mit NIR-Strahlung treten. Als Ergebnis zeigen diese biologischen Materialien deutlich ausgeprägte Absorptionsspektren, und in Fig. 1 der beiliegenden Zeichnungen sind die Spektren verschiedener Hauptbestandteile im Blut bei NIR-Strahlung im Bereich von 700 bis 1100 nm dargestellt. In Fig. 1 werden die Spektrallinien für die Blutbestandteile wie folgt bezeichnet:

1 ist Glukose;

2 ist Wasser;

3 ist Collagen;

4 ist Fett; und

5 ist Albumin.

Die Isobestpunkte, d.h. die Punkte, an denen sich die Spektrallinien für Glukose und Wasser schneiden, liegen bei

1000 nm (Punkt 6), 920 nm (Punkt 7) und 900 nm (Punkt 8). Die Absorptionsspitzen der Wellenlängen liegen für die Glukose bei etwa 1034 nm und für Wasser bei etwa 970 nm.

Da biologisches Material für NIR-Strahlung sehr durchlässig ist, ist die Absorption in diesem Wellenlängenbereich sehr gering. Außerdem treten die Absorptionsspektren in Interferenz miteinander, d.h., daß sich die Spektrallinien überlappen, wie Fig. 1 darstellt. Durch diese Faktoren ist eine quantitative Messung erschwert, und in der Vergangenheit hat man als Ergebnis davon die Analyse biologischen Materials durch NIR abgelehnt. Diese Situation hat sich erst kürzlich geändert, hauptsächlich als Ergebnis der Fortschritte bei den Instrumenten und den Datenanalysetechniken, so daß man heute wesentliche Information aus komplexen NIR-Spektren erhalten kann. Allerdings hat man dies vor dieser Erfindung durch die Entwicklung teurer Abtasttechniken kombiniert mit komplexen statistischen Datenanalyseverfahren erreicht, die eine sehr teure Ausrüstung bedingten.

Nun hat sich herausgestellt, daß sich das Meßverfahren vereinfachen läßt und die optischen Abtastgeräte und komplexen Datenbehandlungsverfahren vermeidbar sind, wenn nur die pulsierenden Eigenschaften des arteriellen Bluts verwendet werden. Dieser Weg ermöglicht die Entwicklung eines preiswerten Heimüberwachungsgeräts für die Bestimmung von Blutstoffen, insbesondere von Glukose. Das Verfahren läßt sich auch für die Messung anderer Blutbestandteile, wie Cholesterin, anwenden.

Das bei der vorliegenden Erfindung verwendete Verfahren ist eine Puls-NIR-Spektroskopie und wurde auf der Grundlage der drei nachfolgend angeführten wichtigen Erkenntnisse entwickelt:

1. Glukose im Blut kann an seiner Absorptionsspitze bei der Wellenlänge von 1034 nm erfaßt werden;

2. Eine vernünftige Wellenlänge, mit der die Glukosemessung (oder die Messung anderer Bestandteile, wie z.B. Cholesterin) in Beziehung gesetzt werden kann, ist 970 nm, was die Absorptionsspitze für Wasser ist; und

3. Der pulsierende Anteil des durchgelassenen NIR-Signals beruht nur auf dem arteriellen Blut. Durch die Eingrenzung der Meßwerte auf den pulsierenden Anteil des Transmissionssignals lassen sich einheitlich Bestandteile des arteriellen Bluts identifizieren. Der Einfluß aller eine konstante Absorption bewirkender Bestandteile, wie z.B. Haut, Knochen, Gewebe und venöses Blut (d.h. die nicht pulsierenden absorbierenden Komponenten), ist auf diese Weise automatisch beseitigt. Dies vereinfacht die Meßtechnik beträchtlich.

Die Relevanz der Erkenntnis 3 ist in Fig. 2 der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Durch lebendes Gewebe, z.B. einen Finger, gegangene NIR-Strahlung wird gefiltert und erfaßt. Die den Lichtdetektor an einer gewünschten Wellenlänge (wie sie durch das Filter bestimmt ist) erreichende Strahlung hat eine charakteristische Wellenform, die in Fig. 2 dargestellt ist. Das erfaßte Signal besteht aus eine konstanten und einer pulsierenden Komponente. Es ist üblich die konstante oder statische Komponente als Gleichstrom (DC) -Signal und die pulsierende Komponente als Wechselstrom(AC)-Signal zu definieren.

Die Amplitude des DC-Signals hängt von der Intensität der Lichtquelle, der Detektorempfindlichkeit und der Konzentration der vorhandenen absorbierenden Stoffe ab. Die Amplitude des AC-Signals hängt von den selben Faktoren wie auch von der Veränderung des Blutvolumens pro Puls ab. Um einen nutzbaren Vergleich zwischen zwei oder mehr Wellenlängen zu erhalten, müssen die AC-Signale mit den DC-Signalen skaliert werden. Die Division des AC-Pegels durch den DC-Pegel bei jeder Wellenlänge ergibt einen korrigierten oder skalierten AC-Pegel, der keine Funktion der auftretenden Intensität mehr ist.

Erfindungsgemäß werden die Amplituden sowohl des AC- als auch des DC-Signals innerhalb eines Zeitintervalls von N Pulsen berechnet. Angenommen, daß in diesem Zeitintervall M Abtastproben bei jeder Wellenlänge abgetastet werden, erhält man die Amplitude des DC-Signals bei jeder Wellenlänge aus dem Mittelwert von NxM Abtastproben. Die Amplitude des AC-Signals erhält man aus dem Mittelwert der absoluten Reaktion relativ zum Mittelwert der ermittelten NxM Abtastproben. Der Vorteil dieses Verfahrens für die Berechnung der Amplitude des AC-Signals besteht darin, daß der AC-Stromwert weniger empfindlich auf Interferenzen, die z.B. durch Bewegungen hervorgerufen werden, reagiert als übliche Methoden, wie z.B. die Ermittlung des Puls-Spitzen-Spitzenwerts.

Die skalierten oder normierten AC-Signale (AC/DC) bei verschiedenen Wellenlängen werden dann linear in den Abgleichalgoritmus umgesetzt. Da die gewählten Wellenlängen empfindlich auf die relevanten Blutbestandteile reagieren, liefert das entsprechende Verhältnis AC/DC bei diesen Wellenlängen (Schmalbänder) Information über die Art der zu untersuchenden Bestandteile. Die Konzentration der untersuchten Bestandteile kann durch die Ausführung herkömmlicher spektroskopischer Techniken durch die lineare Kombination der optischen Dichten (O.D.) bei diesen Wellenlängen dargestellt werden. Die optische Dichte ist eine lineare Transformation des AC/DC-Signals.

Zur Darstellung der Auswirkung der oben erwähnten Prozedur wurde ein Vergleich des durch das Verhältnis R zwischen den normalisierten AC-Signalen bei 1000 nm und 970 nm dargestellten NIR-Meßwerts mit dem Glukosemeßwert angestellt, den man mit einem handelsüblichen Blutzuckermeßinstrument bei Diabetikerfreiwilligen erhalten hat. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt. In Fig. 3 repräsentieren die ausgefüllten Kästchen durch den ersten Versuch (normalisierte AC-

Signale) erhaltene Datenwerte, und die Kreuzchen sind Datenwerte vom zweiten Versuch (Glukosemessung mit handelsüblichem Instrument).

Fig. 4 der beiliegenden Zeichnungen zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführung der Meßvorrichtung. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, Meßwerte anhand der durch einen Finger 10 gehenden Strahlung zu ermitteln. Eine Strahlungsquelle 11 ist in Berührung mit der Oberseite des Fingers aufgelegt. Eine bevorzugte Strahlungsquelle ist eine preiswerte selbstfokussierte weiße Lichtquelle, beispielsweise eine preiswerte Kryptonlampe. Der hier verwendete Ausdruck selbstfokussiert bedeutet, daß die von der Lampe ausgestrahlte Lichtenergie, beispielsweise durch den Einsatz eines Reflektors um die Lichtquelle und durch eine Linse innerhalb der Lichtquelle gebündelt wird, um damit ein gering divergierendes, annähernd paralleles kollimiertes Strahlenbündel zu erzeugen. Die Verwendung eines kollimierten Strahlenbündels stellt sicher, daß die sämtliche Detektoren erreichende Energie vom selben Volumen des Fingers stammt. Die weiße Lichtstrahlungsquelle enthält NIR-Strahlung im Bereich von 600 bis 1300 nm. Das kollimierte breite Band der weißen optischen Strahlung beleuchtet den Finger, in dem sich arterielle Blutgefäße befinden.

Auf der anderen Seite des Fingers, die der weißen Lichtquelle diametral entgegengesetzt ist, ist ein Ende eines Erfassungsglieds angeordnet, das einen Strahlungssammler 12, gewöhnlich eine Fokussierlinse, enthält, an der ein optisches Faserbündel 13 angeschlossen ist. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform enthält das Bündel vier Fasern. Die durch den Finger gegangene Strahlung geht in das Faserbündel, wo sie in vier gleiche Teile unterteilt wird. Das vom Sammler entfernte Ende jeder Faser ist mit einem Bandpaßfliter 14 verbunden, das selektiv für ein interessierendes Wellenlängenband ist. In einer besonders bevorzugten Ausführung weisen die vier

Filter ein Breitbandfilter und drei Schmalbandfilter auf. Das Breitbandfilter, dessen Bandbreite mindestens 50 nm beträgt, ist bei 1030 nm zentriert und sammelt das maximale Glukoseabsorptionssignal, d.h., es sammelt das Signal über einen breiten Spektralbereich. Dieses Breitbandfilter erhält man unter Verwendung eines Breitbandpaßfilters (1000 bis 1600 nm), kombiniert mit einem Photodetektor, dessen Übertragungskurve bei etwa 1150 nm abbricht.

Die Schmalbandpaßfilter werden so gewählt, daß sie eines oder mehrere der folgenden Kriterien erfüllen:

a. sie haben eine zentrale Wellenlänge an einem Isobestpunkt wenigstens zweier Blutbestandteile;

b. sie haben eine zentrale Wellenlänge, die gegenüber Wasser empfindlich ist, welches der Hauptblutbestandteil und der wesentlichste NIR-absorbierende Stoff ist;

c. sie haben eine zentrale Wellenlänge, die gegenüber Wassertemperaturänderungen empfindlich ist. Diese Wellenlänge kann zur Kompensation der Auswirkungen der Bluttemperaturanderung verwendet werden;

d. sie haben eine zentrale Wellenlänge, die gegenüber Glukose unempfindlich ist; und

e. sie haben eine zentrale Wellenlänge, die gegenüber mehr als einem Bestandteil empfindlich ist, von denen wenigstens ein Bestandteil Glukose ist.

Offensichtlich können die Kriterien d und e nicht vom selben Filter erfüllt werden. Das die Bedingung d erfüllende Schmalbandfilter wird zur Kompensation gegenüber anderen, im Blut befindlichen Substanzen verwendet, die mit der Glukosemessung in Interferenz treten können. Dies schließt die Temperatur ein. Das Schmalbandfilter, das die Bedingung e erfüllt, erhöht die Glukoseinformation.

Jedes dieser Filter ist mit einem Photodetektor 15 verbunden, der die im Wellenlängenband übertragene Strahlung in ein elektrisches Signal umsetzt. Jedes Signal

von den Photodetektoren wird in einem Analysator 16 verarbeitet, der die im Signal enthaltenen Daten analysiert und sie in sichtbare Form umsetzt, was in Fig. 17 gezeigt ist. Die in jedem Signal enthaltenen Daten ergeben Informationen an dem bestimmten Wellenlängenband über die Interaktion zwischen der Strahlung und den interessierenden arteriellen Blutbestandteilen und enthalten auch Interferenzinformationen aus der Interaktion zwischen der Strahlung und anderen biologischen Bestandteilen, z.B. Knochen und Weichgewebe, sowie auch Interferenzen, die durch die physikalische Bewegung des Fingers entstehen. Mittels geeigneter Signalverarbeitung läßt sich die Nutzinformation erhalten und die Interferenzinformation unterdrücken. Das herausgehobene Signal wird dann zur Ableitung der Konzentration des zu untersuchenden Bestandteils, z.B. Glukose im arteriellen Blut, verwendet.

Eine ausgeklügelte Version der in Fig. 4 schematisch dargestellten Vorrichtung ist in den Figuren 5 bis 9 gezeigt. Diese Vorrichtung ist für die Verwendung zu Hause gedacht und kann bequem in einer Handtasche oder Kleidungstasche mitgeführt werden.

Die in Fig. 5 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem einheitlichen Körper, der einen Bodenteil 18 hat, der die in der schematischen Version von Fig. 4 mit 14, 15 und 16 bezeichneten Erfassungsmittel einschließlich Filter und Photodetektor und Analysator und die dazugehörige Software beinhaltet. Der Boden enthält auch eine (nicht gezeigte) Kammer, in der eine als elektrische Leistungsquelle dienende Batterie liegt. Falls gewünscht, kann die Vorrichtung auch einen Leistungseinspeisepunkt enthalten, der elektrische Leistung von einer genormten elektrischen Steckdose zu Hause annimmt. Der obere Teil 19 der Vorrichtung hat eine Form auf die die Hand eines Patienten flach auf dessen Oberfläche aufgelegt werden kann und enthält einen im wesentlichen dreieckförmigen angehobenen Abschnitt oder Deck 20. Der obere Teil ist so gestaltet,

daß, wenn der Teller der rechten Hand auf seine Oberfläche gelegt wird, der Zeigefinger links von dem ein V bildenden Deck und die anderen drei Finger rechts vom Deck liegen. Es ist vorgesehen, daß die Vorrichtung in einer Anzahl genormter Größen zur Anpassung an verschieden große Hände und Finger hergestellt wird. Auch eine Version für Linkshänder kann, wenn vom Patienten gewünscht, hergestellt werden.

Wenn die Hand auf die Oberfläche der Vorrichtung so gelegt wird, daß die Finger um das Deck 20 ein V bilden, läßt sich der Zeigefinger in einen Tunnel 21 auf der linken Seite des Decks stecken und ist darin festgehalten. Die Strahlungsquelle 11 befindet sich im Dach des Tunnels und der Sammler 12 für die Erfassungsmittel befindet sich am Boden des Tunnels. Die Form und Größe des Tunnels ist so gewählt, daß darin der Zeigefinger eines bestimmten Patienten mit geringstmöglicher Beweglichkeit gehalten wird.

Die Oberfläche des Decks enthält einen oder mehrere Druckknopfschalter 22, 23, um gewünschte Funktionen auszuführen, wie z.B. das Ein- und Ausschalten der Strahlungsquelle und, falls gewünscht, die Beleuchtung der Anzeige 17 und für die Auswahl verschiedener anzuzeigender Daten. Die Anzeigetafel 17 ist bevorzugt eine Digitalanzeige, die eine Anzeige entsprechend der Konzentration des betrachteten Blutbestandteils, z.B. von Glukose, liefert.

Damit die Vorrichtung für die Messung der Konzentration eines gewünschten zu analysierenden Stoffes verwendet werden kann, wobei nachstehend Glukose als bevorzugter zu messender Bestandteil gewählt ist, wird die Vorrichtung zuerst kalibriert. Die arterielle Blutglukosekonzentration wird anhand einer Anzahl von Blutproben ermittelt, und die Vorrichtung wird kalibriert, indem eine Beziehung zwischen R (das Verhältnis der ausgewählten Amplituden) bei jeder Wellenlänge und der zuvor ermittelten Blutglukosekonzentration aufgestellt wird. Diese Beziehung wird dann der

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Vorrichtung eingegeben und bildet die Basis aller nachfolgenden, nichtinvasiven Glukosekonzentrationsmessungen für diesen bestimmten Patienten.

Sobald einmal eine für den zu analysierenden Stoff empfindliche Wellenlänge vorgegeben wurde, können alternative Parameter zur Ermittlung des Verhältnisses R verwendet werden. Da Wasser eine deutlich unterscheidbare hohe Absorptionsspektrallinie bei NIR-Wellenlängen liefert, kann es bequem als Referenzparameter gewählt werden. Eine erste Alternative zur Ermittlung von R ist das Verhältnis zwischen der Amplitudenspitze der Absorption bei der glukoseempfindlichen Wellenlänge (1034 nm) und der Wasserabsorptionsspitze bei 970 nm.

Bei einer zweiten Alternative ist R als Verhältnis zwischen den Flächen unter den Kurven jeder Spektrallinie zu berechnen. Diese zweite Alternative ermöglicht wahrscheinlich eine etwas genauere Ermittlung, wenn es Schwierigkeiten bei der Ablesung am exakten Peak der Absorptionskurve gibt, beispielsweise weil kein für den exakten Wellenlängenpeak spezifisches Filter vorhanden ist.

Eine dritte und hier besonders für die Vorrichtung der Erfindung bevorzugte Alternative ist, R als Verhältnis zwischen Absorptionsamplituden zu ermitteln, die an gewählten Isobestpunkten zwischen den Spektrallinien für Glukose und Wasser liegen. Aus Fig. 1 wird deutlich, daß ein bequemer Isobestpunkt 6 bei der Wellenlänge 1000 nm auftritt und zwei andere (Referenz-) Isobestpunkte bei 900 nm (8) und 920 nm (7) liegen. Die letztgenannten Punkte liegen in einem Wellenlängenbereich, wo die Wasserabsorption nahezu konstant ist.

Nach der Ermittlung der Beziehung zwischen R und der Glukosekonzentration im Blut, wird die Beziehung in die Vorrichtung aufgenommen und bildet die Grundlage für alle

nachfolgenden nichtinvasiven Glukosekonzentrationsmessungen.

Durch Identifizieren anderer Wellenlängen im NIR, die auf andere zu analysierende Stoffe empfindlich sind (z.B. auf Cholesterin), kann die selbe Technik für die nichtinvasive Ermittlung der Konzentration solcher anderer Stoffe dienen.

Arterielles Blut pulsiert und ist der einzige Körperstoff, der eine pulsierende Komponente zeigt, und, obwohl die pulsierende Komponente des Absorptionsspektrums kleiner als 1% des beim Durchgang der Strahlung (oder bei der Reflektion) ermittelten Signals ist, läßt sie sich dennoch erfassen und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren isolieren.

Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nur auf die pulsierende Komponente des arteriellen Bluts werden alle nicht pulsierenden überlagernden Interferenzen im wesentlichen ausgeschlossen. Im Falle, daß immer noch Interferenzen im arteriellen Blut die Glukosemessung beeinflussen, läßt sich das wie folgt korrigieren.

(a) Wenn sich die Interferenz langsam ändert, kann man den Effekt während einer nur wenige Sekunden dauernden Glukosemessung vernachlässigen; oder

(b) man kann zusätzliche Meßwellenlängen und einen Korrekturalgoritmus vorsehen, der zur Ausscheidung der von arteriellen Blutinterferenzen herrührenden Anomalien entwickelt wurde.

Die bei der vorliegenden Erfindung verwendete Technik mit der pulsierenden Komponente hat besonders folgende Vorteile:

1. im arteriellen Blut gibt es weniger Interferenzen als in anderen Körperstoffen;

2. zur Analyse werden weniger Wellenlängen benötigt;

3. die Signalverarbeitung ist einfacher als in

Verfahren des Standes der Technik;

4. niedrige Kosten; und

5. es gibt geringere Interferenzen vom Wasseranteil.

Die Messungen werden im NIR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums ausgeführt, wo das biologische Gewebe verhältnismäßig strahlendurchlässig ist, und folglich ist die instrumentelle Ausrüstung, insbesondere die der optischen Teile, preiswert. Demnach braucht man, da das Gewebe der Fingerspitze verhältnismäßig transparent ist, keine leistungsfähige Strahlungsquelle, und die oben beschriebene, preiswerte Lichtquelle und der Detektor verursachen nur geringe Kosten.

Außerdem kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, in Transmission oder Reflexion zu arbeiten. Die bislang beschriebene Vorrichtung arbeitet bevorzugt im Transmissionsbetrieb .

Die vorstehend beschriebene, am Finger anzulegende Überwachungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, daß sie die Messung durch das selbe Gewebevolumen täglich oder stündlich ausführen kann.

Die NIR-Messung ist gegenüber Temperaturänderungen empfindlich, weshalb es wichtig ist, daß die Temperatur konstant bleibt, um eine verläßliche Ablesung zu erzeugen. Die Erhitzung des Fingers auf eine Normmeßtemperatur würde zuviel Leistung verbrauchen und den Batteriebetrieb unzweckmäßig machen. Die Fingertemperatur kann gleichzeitig mit der optischen Messung gemessen werden, indem ein Thermistor unter die Fingerspitze gelegt und ein Korrekturfaktor für Temperaturänderungen in die Software aufgenommen wird. Dieses Merkmal ist im Stand der Technik bekannt, und seine Durchführung verbraucht keine zusätzliche Leistung.

Beim Betrieb der erfindungsgemäße Vorrichtung wird empfohlen, daß der Patient zwischen dem Gewebe (dem Finger), der

Lichtquelle und dem Detektor ein Kontaktgel verwendet. Dadurch wird eine gleichförmige Lichtkopplung erreicht, die die Reproduzierbarkeit der Messungen verbessert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet bevorzugt eine preiswerte weiße Lichtquelle, die eine fokussierte Krypton-Taschenlampenbirne ist. Dies stellt eine Breitbandlichtquelle dar, d.h. das Licht enthält viele Wellenlängen.

Die Vorteile dieser Lichtquelle sind:

(a) geringe Kosten;

(b) jede Wellenlänge im Meßbereich ist erzeugbar;

(c) die Lichtintensität an verschiedenen gewählten
Wellenlängen ist konstant;

(d) konstante Lichtintensität bedeutet preiswertere
Elektronik, und es werden keine Schaltungsmittel
für den Ausgleich der Intensität benötigt; und

<e) der Leistungsverbrauch ist gering und ermöglicht
dadurch einen Batteriebetrieb.

Die erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung ermöglicht einen preiswerten Glukosemonitor für häusliche Verwendung (oder einen Monitor für einen anderen Blutbestandteil). Die Aufnahme geeigneter Analysesoftware in Verbindung mit entsprechenden Schaltkreisen gestatten die Realisierung eines preiswerten Vielfachanalysemonitors.

Claims

SP/RJC/1631 DE ANSPRÜCHE

1. Vorrichtung für die nichtinvasive Messung der Konzentration eines spezifischen zu analysierenden Stoffes im arteriellen Blut, das in einem Körperteil eines Patienten fließt, mit einem ersten Teil, der ein Oberflächenprofil hat, das dazu eingerichtet ist, am Körperteil anzuliegen, einer preiswerten, selbstfokussierten weißen Lichtquelle (11) mit einem Strahlungsanteil im nahen Infrarot, welche in einem zweiten Teil, der zum ersten Teil gehört, so befestigt ist, daß ein breites Strahlungsband weißen Lichts den Körperteil beleuchtet und Strahlung im nahen Infrarot durch den Körperteil hindurchgeht oder vom Körperteil reflektiert wird, um ein Absorptionsspektrum des arteriellen Bluts zu erzeugen, einem dritten Teil, der Erfassungsmittel enthält, die so angeordnet sind, daß sie die Strahlung empfangen, die durch den Körperteil gegangen ist oder von ihm reflektiert wurde, wobei die Erfassungsmittel einen Strahlensammler (12) aufweisen, an dem ein Bündel optischer Fasern (13) angebracht ist, von denen jede ein distales Ende hat, das mit einem von wenigstens zwei Filtern (14) verbunden ist, die ein erstes Filter, das für ein erstes Strahlungssignal selektiv ist, welches eine erste Wellenlänge hat, die mit dem spezifischen zu analysierenden Stoff identifizierbar ist, und ein zweites Filter enthalten, das für ein zweites Strahlungssignal selektiv ist, das eine zweite Wellenlänge hat, die einem Referenzsignal entspricht, wobei das erste und zweite Signal ausschließlich aus einer Pulskomponente des Absorptionsspektrums erhalten werden, und einem Detektor (15, 16), der dafür eingerichtet ist, das erste und zweite

Signal zu empfangen und zu verarbeiten, um ein Verhältnis zu erzeugen, das die gewünschte Konzentration darstellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der spezifische, zu analysierende Stoff Glukose ist und die erste Wellenlänge an einem sogenannten Isobestpunkt im Bereich von 1000 bis 1110 nm liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der gewählte Körperteil ein Finger (10) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der zweite Teil und der erste Teil eine integrale Kombination bilden, welche einen Tunnel (21) mit einem Dach und einem Boden definiert, der zur Aufnahme des Fingers (10) des Patienten eingerichtet ist und der die Strahlungsquelle im Dach des Tunnels trägt, und der dritte Teil, der die Erfassungsmittel enthält ein Teil des ersten Teils ist und den Boden des Tunnels definiert, wodurch Strahlung durch den Finger geleitet und von den Erfassungsmitteln empfangen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, die Anzeigemittel (17) zur Erzeugung einer Sichtdarstellung des Konzentrationsmeßwerts enthält.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der ein Kontaktgel auf dem Finger verteilt wird, um eine konstante Lichtankopplung zu erreichen und die Reproduzierbarkeit zu verbessern.