DE4314835A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Glucose in einer biologischen Matrix - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse von Glucose in einer biologischen Matrix.

Der Begriff "biologische Matrix" bezeichnet eine Körper­ flüssigkeit oder ein Gewebe eines lebenden Organismus. Biologische Matrices, auf die sich die Erfindung bezieht, sind optisch heterogen, d. h. sie enthalten eine Vielzahl von Streuzentren, an denen eingestrahltes Licht gestreut wird. Im Falle von biologischem Gewebe, insbesondere Hautgewebe, werden die Streuzentren von den Zellwänden und anderen in dem Gewebe enthaltenen Bestandteilen ge­ bildet.

Auch Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut, stellen eine heterogene biologische Matrix dar, weil sie Partikel ent­ halten, an denen die Primärstrahlung vielfach gestreut wird. Auch Milch und andere in der Lebensmittelchemie zu untersuchende Flüssigkeiten enthalten vielfach eine hohe Konzentration von Streuzentren, beispielsweise in Form von emulgierten Fetttröpfchen.

Zur qualitativen und quantitativen analytischen Bestim­ mung von Komponenten solcher biologischen Matrices werden im allgemeinen Reagenzien bzw. Reagenziensysteme einge­ setzt, deren Reaktion mit der jeweiligen Komponente, zu einer physikalisch nachweisbaren Änderung, beispielsweise eine Änderung der Farbe der Reaktionslösung führt, die als Meßgröße gemessen werden kann. Durch Kalibration mit Standardproben bekannter Konzentration wird eine Korrela­ tion zwischen den bei unterschiedlichen Konzentrationen gemessenen Werten der Meßgröße und der jeweiligen Konzen­ tration bestimmt.

Diese Verfahren ermöglichen zwar Analysen mit hoher Ge­ nauigkeit und Empfindlichkeit, machen es jedoch erforder­ lich, eine flüssige Probe, insbesondere eine Blutprobe zur Analyse dem Körper zu entnehmen ("Invasive Analyse"). Diese Probenentnahme ist unangenehm und schmerzhaft und führt zu einem gewissen Infektionsrisiko.

Dies gilt vor allem, wenn eine Krankheit sehr häufige Analysen erforderlich macht. Das wohl wichtigste Beispiel ist der Diabetes. Um schwere Folgeerkrankungen und kriti­ sche Zustände des Patienten zu vermeiden, ist es bei die­ ser Krankheit erforderlich, den Glucosegehalt des Blutes sehr häufig oder sogar kontinuierlich zu bestimmen.

Es sind deshalb bereits eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden, um Glucose in Blut, Gewebe oder anderen biologischen Matrices in vivo und nicht-invasiv zu bestimmen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Teilgruppe solcher Verfahren, bei denen Licht durch eine die biologische Ma­ trix begrenzende Grenzfläche als Primärlicht in die bio­ logische Matrix eingestrahlt wird, und die Intensität des nach Wechselwirkung mit der biologischen Matrix aus die­ ser als Sekundärlichts austretenden Lichts gemessen wird. Eine solche Messung wird hier als "Detektionsmessung" be­ zeichnet. Vielfach werden zur Bestimmung einer Glucose­ konzentration mehrere Detektionsmessungen, meist bei un­ terschiedlichen Wellenlängen, durchgeführt. Aus den bei den Detektionsmessungen ermittelten Intensitätsmeßwerten des Sekundärlichts wird eine Meßgröße abgeleitet, die (ohne Verwendung von Reagenzien) ein Maß für die Konzen­ tration des Analyten in der biologischen Matrix ist. Die Wellenlängen des Lichts, die für solche Verfahren disku­ tiert werden, liegen allgemein zwischen etwa 300 nm und mehreren tausend nm, also im Spektralbereich zwischen dem nahen UV- und infrarotem Licht. Der Begriff "Licht" darf nicht als Einschränkung auf den sichtbaren Spektralbe­ reich des Lichtes verstanden werden.

Ein Überblick auf physikochemische (reagenzienfreie) Bestimmungen von Glucose in vivo wird gegeben in: J.D. Kruse-Jarres "Physicochemical Determinations of Glucose in vivo", J. Clin. Chem. Clin. Biochem. 26 (1988), 201-208. Als nicht-invasive Verfahren werden dabei unter anderem die Kernresonanz (NMR, nuclear magnetic resonance), Elektronenspinresonanz (ESR, electron spin resonance) sowie die Infrarotspektroskopie genannt. Keines dieser Verfahren hat jedoch bis jetzt praktische Bedeutung erlangen können. Teilweise sind extrem große und aufwendige Apparaturen erforderlich, die für die Routineanalytik oder gar die Selbstkontrolle des Patienten (home monitoring) völlig ungeeignet sind. Im Falle der Analyse von Glukose und anderen Analyten mit Hilfe der IR-Spektroskopie ist die Genauigkeit der Mes­ sung - auch bei der Verlaufskontrolle über relativ kurze Zeiträume - beim gegenwärtigen Stand der Entwicklung un­ zureichend. Dies dürfte vor allem auf die zahlreichen Störungen durch absorbierende Fremdsubstanzen zurück­ zuführen sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die analytische Bestimmung von Glucose in einer bio­ logischen Matrix zur Verfügung zu stellen, welches mit einfachen Mitteln, reagenzienfrei und nicht-invasiv arbeitet und eine gute Analysegenauigkeit, zum Beispiel für die Beobachtung der Änderung der Analytkonzentration (Verlaufskontrolle) über einen ausreichenden Zeitraum er­ möglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestim­ mung der Konzentration von Glucose in einer biologischen Matrix, umfassend mindestens zwei Detektionsmessungen, bei denen jeweils Licht durch eine die biologische Matrix begrenzende Grenzfläche als Primärlicht in die biolo­ gische Matrix eingestrahlt wird, das Licht in der biolo­ gischen Matrix entlang einem Lichtweg propagiert und eine aus der biologischen Matrix durch eine diese begrenzende Grenzfläche als Sekundärlicht austretende Lichtintensität gemessen wird, und einen Auswerteschritt, bei dem aus den Intensitätsmeßwerten der Detektionsmessungen mittels eines Auswertealgorithmus und einer Kalibration die Glu­ cosekonzentration abgeleitet wird, bei welchem eine erste Detektionsmessung eine ortsauflösende Streulichtmessung ist, bei der das Primärlicht an einem definierten Ein­ strahlungsort in die biologische Matrix eingestrahlt wird, die Intensität des an einem definierten Detektions­ ort aus der biologischen Matrix austretenden Sekundär­ lichts gemessen wird und der Detektionsort relativ zu dem Einstrahlungsort so angeordnet ist, daß an Streuzentren der biologischen Matrix vielfach gestreutes Licht detek­ tiert wird, dessen Intensität für die Konzentration der Glucose charakteristisch ist, und der Lichtweg bei einer zweiten Detektionsmessung von dem der ersten Detektions­ messung verschieden ist.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Glucose in einer biologischen Matrix, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem zum Anlegen an eine Grenzfläche der biologischen Matrix vorgesehenen Lichttransmissionsbereich, Einstrah­ lungsmitteln zum Einstrahlen von Licht in die biologische Matrix durch eine diese begrenzende Grenzfläche, Detekti­ onsmitteln zum Messen der Intensität von aus der biolo­ gischen Matrix durch eine diese begrenzende Grenzfläche austretendem Licht und Auswertemitteln zum Umwandeln der gemessenen Intensität in ein der Glucosekonzentration entsprechendes Signal, bei welchem die Einstrahlungsmit­ tel zum gezielten Beleuchten eines definierten Einstrah­ lungsortes ausgebildet sind und die Detektionsmittel zum gezielten Messen des an einem definierten Detektionsort austretenden Sekundärlichts ausgebildet sind, wobei der Detektionsort relativ zu dem Einstrahlungsort so angeord­ net ist, daß an Streuzentren der biologischen Matrix vielfach gestreutes Licht detektiert wird, dessen Inten­ sität für die Konzentration der Glucose charakteristisch ist.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß sich die Messung des Sekundärlichts bei mindestens einer Detekti­ onsmessung nicht auf eine Strahlrichtung oder einen Win­ kelbereich des durch das Meßobjekt hindurchtretenden Lichts oder des von dem Meßobjekt reflektierten Lichts bezieht, sondern auf einen definierten Teilbereich einer die biologische Matrix begrenzenden Grenzfläche, der als Detektionsort bezeichnet wird. Auch die Einstrahlung des Primärlichts erfolgt in einem definierten Teilbereich ei­ ner Grenzfläche der biologischen Matrix, der als Ein­ strahlungsort bezeichnet wird. Eine solche Messung wird als "ortsauflösende Detektionsmessung" bezeichnet.

Die Begriffe "Einstrahlungsort" und "Detektionsort" sind (etwa im Sinne des englischen Begriffes "site") geome­ trisch zu verstehen, nämlich als der geometrische Ort, an dem Lichtstrahlen, die bei der jeweiligen Detektionsmes­ sung für den Intensitätsmeßwert bestimmend sind, durch eine die biologische Matrix begrenzende Grenzfläche hin­ durchtreten. Als Sammelbegriff für den Eintrittsort und den Detektionsort wird nachfolgend deshalb auch die Be­ zeichnung "Durchtrittsort" verwendet.

Soweit nachfolgend Angaben über Distanzen zwischen Durch­ trittsorten gemacht werden, beziehen sich diese jeweils auf die Mitte des Einstrahlungsortes bzw. des Detektions­ ortes. Die Mitte wird bei einer kreisförmigen Gestaltung von dem Mittelpunkt, bei einer länglichen Gestaltung von der Mittellinie gebildet, wobei davon auszugehen ist, daß länglich gestaltete Detektionsorte in gleichmäßigem Ab­ stand vom jeweiligen Einstrahlungsort verlaufen, d. h. ihre Mittellinie verläuft in gleichmäßigem Abstand zum Mittelpunkt bzw. der Mittellinie des jeweiligen Einstrah­ lungsortes.

Weiter ist für die Erfindung wesentlich, daß bei minde­ stens einer der Detektionsmessungen, deren Intensitäts­ meßwerte zur Ermittlung der Glucosekonzentration verwen­ det werden, die Durchtrittsorte (also der Einstrahlungs­ ort und der Detektionsort) relativ zueinander so angeord­ net sind, daß an Streuzentren der biologischen Matrix vielfach gestreutes Licht detektiert wird, dessen Inten­ sität für die Konzentration der Glucose charakteristisch ist. Um diese "Vielfachstreuungsbedingung" zu gewährlei­ sten ist folgendes zu berücksichtigen.

Die mittlere freie Weglänge von Photonen im Gewebe oder den erwähnten Körperflüssigkeiten ist von der Wellenlänge und der jeweiligen Dichte der vorhandenen Streuzentren abhängig. Typischerweise liegt sie etwa zwischen 0,01 mm und 0,1 mm. Auf dem Lichtweg in der biologischen Matrix von dem Einstrahlungsort bis zu dem Detektionsort sollten mindestens etwa 10, vorzugsweise mindestens etwa 100 Streuprozesse stattfinden. Der Lichtweg innerhalb der biologischen Matrix ist stets länger (vielfach sogar er­ heblich länger) als die direkte Verbindung zwischen Ein­ strahlungsort und Detektionsort. Als praktische Regel läßt sich jedoch angeben, daß der Abstand zwischen Ein­ strahlungsort und Detektionsort mindestens der zehn­ fachen, vorzugsweise der zwanzigfachen, besonders be­ vorzugt der 50-fachen mittleren freien Weglänge der Photonen in der jeweiligen biologischen Matrix bei der jeweiligen Wellenlänge des Primärlichtes entsprechen sollte.

Der maximale Abstand zwischen dem Einstrahlungsort und dem Detektionsort ist ebenfalls von der mittleren freien Weglänge der Photonen abhängig. Oberhalb einer im Einzel­ fall experimentell zu bestimmenden Grenze geht die Abhän­ gigkeit der gemessenen Intensität von der Glucosekonzen­ tration derart zurück, daß das Signal/Rauschverhältnis schlecht wird. Vorzugsweise sollte der Abstand zwischen Einstrahlungsort und Detektionsort weniger als 25 mm, be­ vorzugt weniger als 15 mm betragen. Um ausschließlich an Streuzentren der biologischen Matrix vielfach gestreutes Licht zu erfassen, muß darüberhinaus auf eine sorgfältige Abschirmung des Primärlichts von dem Detektor, mit dem das Sekundärlicht gemessen wird, geachtet werden.

Die Vielfachstreuung führt dazu, daß das am Detektionsort austretende Licht weitgehend diffusen Charakter hat, d. h. seine Intensität ist weitgehend unabhängig von dem Aus­ trittswinkel, unter dem es erfaßt wird. Wenn das Primär­ licht kohärent und/oder polarisiert ist, gehen diese Eigenschaften durch die Vielfachstreuung verloren. Auch dadurch läßt sich testen, ob die für die Erfindung erfor­ derliche "Vielfachstreuungsbedingung" erfüllt ist.

Es wird deutlich, daß die vorstehend erläuterten Ge­ sichtspunkte "ortsauflösende Detektionsmessung" und "Vielfachstreuungsbedingung" miteinander verknüpft sind. Eine Detektionsmessung, bei der beide Merkmale erfüllt sind, wird als "ortsauflösende Streulichtmessung" be­ zeichnet.

Vorzugsweise befindet sich bei der ortsauflösenden Streu­ lichtmessung der Detektionsort an der gleichen Grenzflä­ che wie der Einstrahlungsort, d. h. es wird "in Reflexion" gemessen. Soweit zwei einander gegenüberliegende Grenz­ flächen der biologischen Matrix zugänglich sind, kann je­ doch auch "in Transmission" gemessen werden, wobei sich der Einstrahlungsort und der Detektionsort auf gegenüber­ liegenden Grenzflächen der biologischen Matrix befinden. Dabei dürfen die Begriffe "Transmission" und "Reflexion" im Hinblick auf den diffusen Charakter des an dem Detek­ tionsort austretenden Lichtes natürlich nicht so verstan­ den werden, daß das Sekundärlicht mit einer stark domi­ nierenden Vorzugsrichtung aus der Matrix austritt.

Der Einstrahlungsort und der Detektionsort können bei der ortsauflösenden Streulichtmessung sehr unterschiedliche Dimensionen und geometrische Formgebungen haben. Wesent­ lich ist nur, daß durch die ortsauflösende Streulichtmes­ sung eine Information über die Intensität des Sekundär­ lichtes in Abhängigkeit von der relativen Position des Einstrahlungsortes und des Detektionsortes (nicht etwa in Abhängigkeit vom Detektionswinkel) gewonnen wird. Mehrere solcher ortsauflösenden Streulichtmessungen, bei denen der jeweilige Detektionsort einen unterschiedlichen Ab­ stand vom jeweiligen Einstrahlungsort hat, ergeben somit eine Information I(r) über die funktionale Abhängigkeit der Intensität I vom Abstand r.

In dem bevorzugten Fall der Reflexionsmessung befindet sich der Detektionsort vorzugsweise in einem Detektions­ bereich, der den Teil der Grenzfläche einschließt, der einen Abstand von mindestens 0,2 mm und höchstens 25 mm von der Mitte des Einstrahlungsortes hat. Im Falle eines punkt- oder kreisförmigen Einstrahlungsortes ist der De­ tektionsbereich, in dem sich der Detektionsort befindet, also ein Kreisring mit einem inneren Durchmesser von 0,2 mm und einem äußeren Durchmesser von 25 mm. Im Falle eines langgestreckten Einstrahlungsortes definiert die vorstehende Bedingung als Detektionsbereich eine den Ein­ strahlungsort umgebende geschlossene Ringfläche mit einer von der Kreisform abweichenden Gestalt.

Im allgemeinsten Fall kann der Einstrahlungsort und vor allem der Detektionsort bei der ortsauflösenden Streu­ lichtmessung relativ große Abmessungen haben. Im Falle der Reflexionsmessung kann beispielsweise der gesamte De­ tektionsbereich bei einer ortsauflösenden Streulichtmes­ sung als Detektionsort erfaßt werden. Die Qualität der Ortsauflösung wird jedoch verbessert, wenn die Durch­ trittsorte in Richtung des den jeweiligen Einstrahlungs­ ort und Detektionsort verbindenden Abstandes eine ver­ hältnismäßig kleine Dimension von vorzugsweise weniger als 2 mm, besonders bevorzugt weniger als 1 mm haben. Insbesondere können die Durchtrittsorte (insbesondere der Detektionsort) vorteilhaft langgestreckt und schmal aus­ gebildet sein. Ein solcher Durchtrittsort wird als Durch­ trittsfeld (Einstrahlungsfeld bzw. Detektionsfeld) be­ zeichnet. Die kleinere Dimension eines Durchtrittsfeldes beträgt vorzugsweise weniger als 2 mm, besonders bevor­ zugt weniger als 1 mm.

Bei der Erfindung werden die Intensitätsmeßwerte von min­ destens zwei Detektionsmessungen verwendet, um in einem Auswerteschritt des Verfahrens mittels eines Auswerteal­ gorithmus und einer Kalibration die Glucosekonzentration zu ermitteln ("abzuleiten"). Mindestens eine erste dieser Detektionsmessungen muß eine ortsauflösende Streulicht­ messung sein. Bei einer zweiten Detektionsmessung kann grundsätzlich auch ein anderes Verfahren verwendet wer­ den. Besonders bevorzugt werden jedoch mindestens zwei ortsauflösende Streulichtmessungen durchgeführt, aus de­ ren Intensitätsmeßwerten die Glucosekonzentration abge­ leitet wird.

Vorzugsweise erfolgen die mindestens zwei Detektionsmes­ sungen gleichzeitig oder in ausreichend kurzem zeitlichem Abstand. Als ausreichend kurz ist dabei ein zeitlicher Abstand zu verstehen, bei dem zwischen den Messungen, die zur Ableitung eines Konzentrationswertes der Glucose ver­ wendet werden, keine die Meßgenauigkeit beeinträchtigende Veränderung der biologischen Matrix stattfindet. Appara­ tiv wird dies vorzugsweise dadurch realisiert, daß um­ schaltbare Einstrahlungsmittel und/oder Detektionsmittel vorgesehen sind, um ohne bewegliche Teile die Einstellung unterschiedlicher Paare von Durchtrittsorten zu ermögli­ chen.

In jedem Fall ist wichtig, daß sich der Lichtweg der bei­ den Detektionsmessungen hinreichend unterscheidet. Bei zwei ortsauflösenden Streulichtmessungen wird diese Be­ dingung vorzugsweise durch unterschiedliche Meßabstände zwischen dem jeweiligen Einstrahlungsort und dem jeweili­ gen Detektionsort gewährleistet. Vorzugsweise unterschei­ den sich die Meßabstände um mindestens 30%, bevorzugt mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 70% des kürzeren Abstandes zwischen Einstrahlungsort und Detekti­ onsort.

Unterschiedliche Meßabstände zwischen dem jeweiligen Ein­ strahlungsort und dem jeweiligen Detektionsort lassen sich praktisch auf verschiedenerlei Weise realisieren. Vorzugsweise wird bei einem konstant gehaltenen Einstrah­ lungsort der zugeordnete Detektionsort variiert. Es ist jedoch auch möglich, bei konstant gehaltenem Detektions­ ort durch Variation des Einstrahlungsortes unterschiedli­ che Paare von Durchtrittsorten zu bilden oder sowohl den Detektionsort als auch den Einstrahlungsort zu variieren.

Ein unterschiedlicher Lichtweg kann jedoch nicht nur aus einer unterschiedlichen Länge des Meßabstandes resultie­ ren. Es ist vielmehr auch möglich, daß der Einstrahlungs­ ort und der Detektionsort so angeordnet werden, daß ihre Abstände bei den beiden Detektionsmessungen zwar gleich sind, die Gewebestrukturen auf den beiden Lichtwegen sich jedoch deutlich unterscheiden.

Bei einer ortsauflösenden Streulichtmessung ist der Be­ griff "Lichtweg" wegen der Vielfachstreuung in der biolo­ gischen Matrix natürlich nicht im Sinne eines geometrisch streng begrenzten Teilvolumens der biologischen Matrix (wie bei einer klassischen Transmissionsspektroskopie ei­ ner nichtstreuenden Flüssigkeit in einer Küvette) zu ver­ stehen. Dennoch ist es sinnvoll, den Begriff "Lichtweg" zu benutzen, wobei er beispielsweise als dasjenige Teil­ volumen der biologischen Matrix verstanden werden kann, in dem ein bestimmter Prozentsatz (beispielsweise 70%) des ausgehend von einem bestimmten Einstrahlungsort bei einem bestimmten Detektionsort eintreffenden, in der Ma­ trix vielfach gestreuten Lichtes transportiert wird.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung läßt sich die Bedingung, daß sich die Lichtwege der beiden zur Bestim­ mung der Konzentration verwendeten Detektionsmessungen hinreichend stark unterscheiden müssen, dahingehend defi­ nieren, daß die Abhängigkeit der Intensität I des gemes­ senen Sekundärlichtes von der Glucosekonzentration C bei beiden Detektionsmessungen nicht linear miteinander ver­ knüpft sein darf. Mit anderen Worten dürfen die beiden Funktionen I₁(C) und I₂(C) für die beiden unterschied­ lichen Lichtwege nicht linear abhängig voneinander sein. Der durch die unterschiedlichen Lichtwege verursachte Intensitätsunterschied des Sekundärlichts (bezogen auf eine gleiche Flächenausdehnung des Detektionsortes und bei gleicher Intensität des eingestrahlten Primärlichts) sollte mindestens einen Faktor 3, vorzugsweise mindestens einen Faktor 5, besonders bevorzugt mindestens einen Fak­ tor 10 ausmachen.

Für die Erfindung ist kennzeichnend, daß eine für die Glucosekonzentration charakteristische Meßgröße ohne Mes­ sung mehrerer Wellenlängen nur dadurch bestimmt werden kann, daß zwei Detektionsmessungen (bei vorzugsweiser gleicher Meßwellenlänge) mit unterschiedlichen Lichtwegen stattfinden, wobei wenigstens eine der Detektionsmessun­ gen eine ortsauflösende Streulichtmessung ist. Im Gegen­ satz zu vorbekannten spektroskopischen Verfahren (ins­ besondere NIR-Spektroskopie) geht es dabei nicht darum die optische Absorption als Maß für die Glucose zu be­ stimmen. Die Wellenlänge wird vorzugsweise sogar in einem Spektralbereich gewählt, in dem die Absorption der Glucose verhältnismäßig gering ist. Bevorzugt sind die Wellenbereiche zwischen etwa 750 und 825 nm sowie zwi­ schen 1150 und 1350 nm.

Das Primärlicht sollte vorzugsweise monochromatisch sein. "Monochromatisch" ist dabei im praktischen Sinne dahinge­ hend zu verstehen, daß der überwiegende Teil der Intensi­ tät in einem relativ engen Wellenlängenbereich emittiert wird. Die Halbwertsbreite sollte weniger als 100 nm, be­ vorzugt weniger als 20 nm und besonders bevorzugt weniger als 5 nm betragen.

Es ist ausreichend, wenn die mindestens zwei Detektions­ messungen bei jeweils einer einzigen Wellenlänge durchge­ führt werden. Innerhalb des erwähnten Bereiches haben sich Wellenlängen zwischen 800 und 805 nm als besonders geeignet erwiesen. Dies läßt sich darauf zurückführen, daß HbO₂ und Hb bei 802 nm einen isosbestischen Punkt be­ sitzen, an dem die gemessene Intensität unabhängig von dem Verhältnis von Hb zu HbO₂ ist. Dies gilt auch in ei­ nem breiten isosbestischen Bereich zwischen 1200 und 1300 nm. Zusätzlich ist in diesem Bereich die Absorption von Hämoglobin und Wasser etwa gleich groß. Dadurch er­ gibt sich eine bessere Unabhängigkeit der gemessenen In­ tensität von dem Verhältnis von Hb, HbO₂ und H₂O.

Obwohl Messungen bei einer Wellenlänge ausreichen, kann es selbstverständlich sinnvoll sein, bei weiteren zusätzlichen Wellenlängen zu messen, insbesondere um Störgrößen besser eliminieren zu können. Zu diesen Stör­ größen gehören unter anderem eventuelle Veränderungen der Streuzentren, sowie die Wasserabsorption und die Hämoglobin-Absorption, welche ihrerseits unmittelbar von dem Blutvolumen in der untersuchten biologischen Matrix abhängt. Hiermit im Zusammenhang steht die Tatsache, daß die Intensität des Sekundärlichts vom Blutpuls und der Körpertemperatur beeinflußt wird. Diese Einflüsse lassen sich jedoch beherrschen. Bezüglich des Blutpuls kann ent­ weder über eine ausreichende Anzahl von Pulsperioden ge­ mittelt oder Puls-synchron gemessen werden. Die Variation der Körpertemperatur kann aufgezeichnet und zur Kompensa­ tion verwendet werden. Alternativ wird der Detektionsbe­ reich, in dem sich die Durchtrittsfelder befinden, aktiv thermostatisiert. Da mit einer solchen Temperaturregelung ein relativ hoher Energieverbrauch verbunden ist, wird bei einer im Rahmen der Erfindung bevorzugten Vorrichtung zur in-vivo-Analyse der Meßbereich sorgfältig thermisch isoliert.

Nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand der Erfinder läßt sich der der Erfindung zugrundeliegende Effekt etwa wie folgt erklären.

Die Änderung der Glucosekonzentration führt zu einer Än­ derung des Brechungsindex der in der biologischen Matrix enthaltenen Flüssigkeit, in der die Glucose gelöst ist. Die Änderung des Brechungsindex führt zu einer Änderung der Lichtstreuung an den in der Matrix enthaltenen Streu­ zentren. Diese Änderung ist allerdings bei jedem einzel­ nen Streuprozeß extrem klein. Berechnungen haben ergeben, daß die Änderung des Brechungsindex pro mmol nur etwa 0,002% beträgt. Im Rahmen der Erfindung wurde festge­ stellt, daß sich dieser extrem kleine Effekt zur Analyse von Glucose praktisch nutzen läßt, wenn man die Streupro­ zesse von vielen Photonen, die einen untereinander ähnli­ chen Lichtweg in der biologischen Matrix durchlaufen ha­ ben, erfaßt. Es wurde gefunden, daß dies mit Hilfe der ortsauflösenden Streulichtmessung möglich ist.

Bei der Erfindung ist das Meßverfahren also so angelegt, daß idealerweise das vom Brechungsindex abhängige Streu­ verhalten des die Streuzentren umgebenden Raumes inner­ halb der biologischen Matrix bestimmt wird. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß dieser Mechanismus sehr sensitiv ist, d. h. die gemessenen Signale sich bei ver­ hältnismäßig geringen Änderungen der Glucosekonzentration stark ändern. Ein wesentliches Charakteristikum der Er­ findung besteht darin, daß die an einem geeigneten Detek­ tionsort unter den Bedingungen der ortsauflösenden Streu­ lichtmessung gemessene Änderung der Intensität des Sekun­ därlichts bei einer definierten Änderung der Glucosekon­ zentration sehr viel größer als bei einer Absorptionsmes­ sung ist.

Die Absorption von Glucose in menschlichem Gewebe ist bei im Rahmen der vorliegenden Erfindung anwendbaren Wellen­ längen sehr gering. Quantitativ läßt sich abschätzen, daß für die auf Absorption zurückführbare Änderung der Inten­ sität I je Glucose-Konzentrationseinheit im Wellenlängen­ bereich von 700 bis 2000 nm gilt:

dI/dC 10^-5 dl/mg.

Mit anderen Worten beträgt die Änderung bei einer Ände­ rung der Glucosekonzentration um 100 mg/dl nur etwa 10^-3 Absorptionseinheiten.

Bei der vorliegenden Erfindung wurden beispielsweise bei einer Änderung der Konzentration von Glucose von 5 mmol/l auf etwa 20 mmol/l Intensitätsänderungen des Sekundär­ lichts einer ortsauflösenden Streulichtmessung von ca. 20% beobachtet. Dies entspricht einem Wert für dI/dC von mehr als 10^-2. Dieser erstaunliche Effekt läßt sich durch die Vielfachstreuung erklären, die im Rahmen der vorlie­ genden Erfindung für die Analyse der Glucose nutzbar ge­ macht wird. Die erfindungsgemäße Meßtechnik kann deswegen auch als durch Vielfachstreuung-verstärkte Glucose­ detektion (MSAGD; Multiple Scattering Amplified Glucose Detection) bezeichnet werden. Charakteristisch für die Erfindung ist, daß die Änderung der Intensität dI/dC des Sekundärlichtes bei einer erfindungsgemäßen ortsauf­ gelösten Streulichtmessung mindestens zehnmal, bevorzugt mindestens 50-mal so groß wie der dI/dC-Wert bei aus­ schließlicher Berücksichtigung der Absorption ist.

Durch das Erfordernis der Vielfachstreuung unterscheidet sich die MSAGD grundlegend von den bisherigen Ansätzen zur nicht-invasiven Analyse. Speziell bei der Infrarot­ spektroskopie, die auf der Messung der Wellenlängenab­ hängigkeit der Absorption basiert, wird die optische Streuung als störend empfunden. Demzufolge werden nach Möglichkeit Körperteile ausgewählt, die eine möglichst geringe Streuung des Lichtes bewirken. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, NIR-spektroskopische Bestimmungen an der Vorkammer des Auges durchzuführen, welche eine ver­ hältnismäßig klare und demzufolge nichtstreuende Flüssig­ keit enthält (US-Patent 4,014,321).

In der europäischen Patentschrift 0 074 428 ist ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Glucose durch Laser-Lichtstreuung beschrieben. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Glucosemoleküle einen durch die Lösung transmittierten Lichtstrahl streuen und daß sich daraus die Glucosekonzentration ableiten läßt.

Entsprechend dieser Theorie wird bei dem vorbekannten Verfahren die Messung darauf ausgerichtet, daß die Infor­ mation über die Glucosekonzentration aus der Raumwinkel­ verteilung des aus einer Untersuchungsküvette oder einem untersuchten Körperteil austretenden transmittierten Lichtes erhältlich ist. Insbesondere wird die Intensität des transmittierten Lichtes in einem Winkelbereich, in dem die Änderung in Abhängigkeit von der Glucosekonzen­ tration möglichst groß ist, gemessen und in Beziehung zu der an dem Zentralstrahl, welcher die Probe in gerader Richtung durchdringt, gemessenen Intensität gesetzt.

Eine ortsauflösende Streulichtmessung und eine in-vivo- Analyse, bei der sich der Einstrahlungsort und der Detek­ tionsort auf der gleichen Seite der biologischen Matrix befinden, wird in der Literaturstelle nicht beschrieben. Zur in vivo-Analyse wird vielmehr ausschließlich eine Transmissionsmessung mit Laserlicht am Ohrläppchen emp­ fohlen. Die besonderen Vorzüge von Laserlicht, nämlich Kohärenz und Polarisation sind bei der Erfindung ohne Be­ deutung, weil diese Eigenschaften des Primärlichts ohne­ hin durch die Vielfachstreuung verlorengehen.

Entsprechend der theoretischen Grundlage der EP-B-0 074 428 wird bei dieser Literaturstelle davon ausgegan­ gen, daß die Streuung mit zunehmender Glucosekonzentra­ tion zunimmt, d. h. die Intensität des aus der Richtung des Primärstrahles herausgestreuten in Transmission ge­ messenen Lichtes soll mit zunehmender Glucosekonzen­ tration größer werden. Dem entspräche in Reflexion eine Zunahme der an einem Detektionsort im Sinne der vorlie­ genden Erfindung gemessenen Intensität mit zunehmender Glucose-Konzentration. Im Rahmen der vorliegenden Erfin­ dung wurde jedoch festgestellt, daß das diffus reflek­ tierte Licht in der Umgebung des Einstrahlungsortes mit zunehmender Glucosekonzentration abnimmt. Dies stimmt mit der weiter oben gegebenen Erklärung überein. Die mit der Zunahme der Glucosekonzentration verbundene Veränderung des Brechungsindex führt zu einer Veränderung der Licht­ streuung, und hier zu einer Erhöhung der Eindringtiefe in die biologische Matrix und zu einer Verminderung der Intensität in der Umgebung des Einstrahlungsortes.

Bei der in dem US-Patent 5 028 787 beschriebenen Vorrich­ tung zur in vivo-Analyse von Glucose wird der Abstand des Einstrahlungsortes und des Detektionsortes berücksich­ tigt. Einstrahlungsmittel und Detektionsmittel werden jeweils dicht über dem zu untersuchenden Körperteil (speziell einer unter der Hautoberfläche verlaufenden Vene) in einem definierten Abstand l angeordnet. Die Ana­ lyse basiert auf der optischen Absorption durch die Glu­ cose. Die Länge l wird benötigt, um aus der gemessenen Intensität I den Wert log l/I der optischen Dichte be­ stimmen zu können. Es sind Detektionsmessungen bei mehre­ ren unterschiedlichen Wellenlängen vorgesehen. Der Ab­ stand zwischen dem Einstrahlungsort und dem Detektionsort und damit der optische Weg bleibt dabei unverändert.

In dem US-Patent 5 057 695 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, mit der "innere Information" ei­ ner Substanz bestimmt werden soll. Sämtliche Beispiele beziehen sich auf die Bestimmung des Oxigenierungszustan­ des des Blutes, also die Relation von Hb und HbO₂. Obwohl davon die Rede ist, daß bei dieser Analyse die Licht­ streuung genutzt werde, basiert die Berechnung der Kon­ zentrationen auf der Bestimmung des molekularen Absorpti­ onskoeffizienten von Hb und HbO₂. Die Lichtstreuung bil­ det hier also lediglich den Transportmechanismus, durch den in die Haut eingestrahltes Licht von zwei unter­ schiedlichen Einstrahlungsorten an einen Detektionsort oder von einem Einstrahlungsort an zwei unterschiedliche Detektionsorte transportiert wird. Dementsprechend wird Wert darauf gelegt, daß die beiden Einstrahlungsorte bzw. die beiden Detektionsorte möglichst nah beieinander lie­ gen, damit die "innere Information" der Substanz nur in der unmittelbaren Nachbarschaft der Einstrahlungspunkte bzw. der Detektionspunkte voneinander abweicht. Der Meß­ abstand zwischen dem Einstrahlungsort und dem Detektions­ ort beträgt bei der Literaturstelle mindestens 3 cm und vorzugsweise mindestens 4 cm. Eine Messung der Glucose gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei solch großen Ab­ ständen nicht möglich. Die Literaturstelle enthält auch keinerlei Hinweis auf die Analyse von Glucose.

Auch aus der WO 91/17 697 und der EP-A-0 286 142 sind Vorrichtungen bzw. Verfahren zur Bestimmung des Oxygenie­ rungszustandes des Blutes in menschlichem Gewebe durch eine Messung von aus dem Gewebe reflektiertem Licht be­ kannt, wobei die dort beschriebenen Apparaturen eine ortsaufgelöste Detektion des aus dem Gewebe austretenden Lichtes ermöglichen. Die Auswertung basiert auch in die­ sem Fall auf der Absorption durch die für den Oxygenie­ rungszustand wesentlichen Komponenten des Blutes. Ein Hinweis auf Möglichkeiten zur Analyse der Glucose ist auch diesen Literaturstellen nicht zu entnehmen.

Um in dem Auswerteschritt aus den Intensitätsmeßwerten der Detektionsmessungen die Glucosekonzentration abzulei­ ten, ist ein Auswertealgorithmus und eine Kalibration er­ forderlich. Insoweit unterscheidet sich die Erfindung nicht wesentlich von bekannten Analyseverfahren, die ebenfalls - wie oben erläutert - eine Kalibration benöti­ gen, um die gemessene Meßgröße (beispielsweise den Farb­ umschlag bei kolorimetrischen Tests) der jeweiligen Kon­ zentration zuzuordnen.

Im einfachsten Fall enthält der Algorithmus bei der vor­ liegenden Erfindung eine einfache vorherbestimmte mathe­ matische Funktion, um aus den Intensitätsmeßwerten I der Detektionsmessungen eine Zwischengröße zu ermitteln, die man als Meßgröße R bezeichnen kann. Praktisch gut bewährt hat sich eine einfache Quotientenbildung zwischen den In­ tensitätsmeßwerten der ersten und zweiten Detektionsmes­ sung. Durch Kalibration mit mindestens zwei, vorzugsweise aber mehreren Standardproben bekannter Glucosekonzentra­ tion läßt sich dann in bekannter Weise die Meßgröße R mit der Konzentration C der Glucose verknüpfen.

In neuerer Zeit werden in der Analysetechnik zunehmend mathematisch anspruchsvollere Verfahren verwendet, um die Korrelation zwischen den gemessenen Meßwerten und der ge­ suchten Konzentration (und damit die Analysegenauigkeit) zu verbessern. Hierzu gehören exponentielle oder log­ arithmische Verrechnungen sowie iterative Verfahren zur optimalen Beschreibung der Zuordnung. Zur Verbesserung der Analysegenauigkeit kann es darüberhinaus vorteilhaft sein, Einflußgrößen, die neben der Glucosekonzentration die gemessene Intensität beeinflussen (wie insbesondere die Temperatur am Meßort und den Puls) mit Hilfe von Kor­ relationsverfahren zu kompensieren. Zur Erfassung einer Vielzahl von Einflußgrößen können multilineare und nicht­ lineare mathematische Algorithmen bei der Auswertung von Analysemessungen eingesetzt werden. Dies ist auch bei der vorliegenden Erfindung möglich und kann vorteilhaft sein, insbesondere wenn eine Vielzahl von Detektionsmessungen mit unterschiedlichen Paarungen von Durchtrittsorten durchgeführt und der Analyse zugrundegelegt wird. In die­ sem Fall kann auch der Einsatz lernfähiger Systeme (neuronaler Netze) vorteilhaft sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher er­ läutert; es zeigt

Fig. 1 Eine perspektivische Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine perspektivische Prinzipdarstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines Einstrahlungsfel­ des und eines Detektionsfeldes in Aufsicht bei einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung von einer praktischen Ausführungsform eines für die Erfindung geeig­ neten Meßkopfes;

Fig. 7 eine Ansicht des Meßkopfes gemäß Fig. 6 von der Seite her, die mit der biologischen Matrix kontaktiert wird;

Fig. 8 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung aus Fig. 7;

Fig. 9 einen graphischen Vergleich der mit der Erfin­ dung und mit einer Referenzmethode gewonnenen Analyseergebnisse;

Fig. 10 eine Seitenanschnitt-Schnittdarstellung einer Meßvorrichtung zur Analyse am Finger;

Fig. 11 eine Aufsicht-Schnittdarstellung zu der Ausfüh­ rungsform von Fig. 10;

Fig. 12 eine Aufsicht auf die Meßvorrichtung bei einer Ausführungsform nach Fig. 10 und 11;

Fig. 13 ein Blockschaltbild einer für die Erfindung geeigneten elektronischen Schaltung.

In den Fig. 1 bis 4 ist eine optisch heterogene biolo­ gische Matrix 10 symbolisch als Quader dargestellt. Sie wird durch eine obere Grenzfläche 11a und eine untere Grenzfläche 11b begrenzt. Konkret kann die biologische Matrix beispielsweise Blut sein, wobei in diesem Fall die Grenzflächen entlang den Innenwänden eines optisch trans­ parenten Gefäßes (Küvette) verlaufen, in dem sich das Blut zur analytischen in-vitro-Untersuchung befindet. Wenn die biologische Matrix ein Gewebe ist, wird die Grenzfläche von der Oberfläche des Gewebes gebildet.

Die Fig. 1 bis 5 verdeutlichen unterschiedliche Vari­ anten möglicher Anordnungen von einem oder mehreren Ein­ strahlungsorten 12 bzw. einem oder mehreren Detektions­ orten 14 an einer biologischen Matrix 10 bei einer orts­ aufgelösten Streulichtmessung im Sinne der Erfindung. Dabei sind die Einstrahlungsorte 12 jeweils als schmale langgestreckte Einstrahlungsfelder 12a-12f und die Detek­ tionsorte als langgestreckte, schmale Detektionsfelder 14a-14i ausgebildet. Soweit es nicht auf Besonderheiten der langgestreckten Form ankommt, gelten ähnliche Überle­ gungen jedoch auch für den Fall, daß zumindest der Ein­ strahlungsort punkt- oder kreisförmig ausgebildet ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird das Primärlicht 15 durch ein Einstrahlungsfeld 12a in die Ma­ trix 10 eingestrahlt und das Sekundärlicht 17 detektiert, welches aus zwei in unterschiedlichen Meßabständen D1 und D2 zu dem Einstrahlungsfeld 12a verlaufende Detektions­ feldern 14a und 14b austritt.

Auch bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform tritt das Primärlicht 15 durch ein Einstrahlungsfeld 12b in die biologische Matrix 10 ein und das Sekundärlicht 17 durch zwei Detektionsfelder 14c und 14d aus dieser aus, wobei die Detektionsfelder in unterschiedlichen lateralen Meßabständen D1 und D2 von dem Einstrahlungsfeld 12b an­ geordnet sind. Die Detektionsfelder 14c und 14d befinden sich bei dieser Ausführungsform jedoch auf der Grenz­ fläche 11b, die der Grenzfläche 11a, durch welche das Primärlicht 15 eingestrahlt wird, gegenüberliegt. Bei einer solchen Ausführungsform sind Eintrittsfeld und Aus­ trittsfeld vorzugsweise so angeordnet, daß bei mindestens zwei Meßfelderpaaren die Oberfläche des Austrittsfeldes von keiner die Oberfläche des Einstrahlungsfeldes senk­ recht kreuzenden Geraden gekreuzt wird. Mit anderen Worten sollte das Detektionsfeld nicht genau gegenüber dem Einstrahlungsfeld angeordnet, sondern stets lateral versetzt zu diesem sein.

Man kann bei der Anordnung gemäß Fig. 1 von einer Mes­ sung "in Reflexion" und bei Fig. 2 von einer Messung "in Transmission" sprechen, wobei diese Begriffe in dem wei­ ter oben diskutierten Sinn zu verstehen sind.

Wenn die biologische Matrix ein Gewebe, insbesondere Hautgewebe ist, ist bei einer in vivo-Analyse in der Re­ gel nur eine die Matrix begrenzende Grenzfläche (nämlich die Oberfläche der Haut) zugänglich. Dies gilt insbeson­ dere für die im Rahmen der Erfindung bevorzugten Körper­ teile, nämlich die Fingerbeere, die Oberbauchdecke, das Nagelbett, die Skleren oder den inneren Oberarm des Men­ schen. In diesen Fällen ist nur die - im Rahmen der vor­ liegenden Erfindung ohnehin bevorzugte - Messung im Re­ flexionsverfahren möglich, bei der die Einstrahlung des Primärlichtes und die Detektion des Sekundärlichtes an der gleichen Grenzfläche der Matrix erfolgt. In Ausnahme­ fällen, beispielsweise beim Ohrläppchen, der Lippe oder der Zunge, stehen jedoch auch bei der in-vivo-Analyse an Hautgewebe zwei gegenüberliegende Grenzflächen 11a, 11b zur Verfügung.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird das Primärlicht durch zwei Einstrahlungsfelder 12c, 12d in die biologische Matrix 10 eingestrahlt und das dabei aus dem Detektionsfeld 14e austretende Sekundärlicht 17 detektiert. Die Einstrahlungsfelder 12d und 12c sind in unterschiedlichen Meßabständen D1 und D2 von dem Detekti­ onsfeld 14e angeordnet, so daß auch bei dieser Ausfüh­ rungsform die Möglichkeit besteht, das aus dem Detekti­ onsfeld 14e austretende Sekundärlicht in Abhängigkeit von dem Meßabstand von dem jeweiligen Einstrahlungsfeld 12c bzw. 12d zu messen, um aus den beiden Meßwerten eine Meß­ größe abzuleiten, die ein Maß für die Konzentration des Analyten in der biologischen Matrix ist.

Bei dieser Ausführungsform müssen selbstverständlich die Sekundärlichtanteile, die von dem Primärlicht der beiden unterschiedlichen Einstrahlungsfelder resultieren, von­ einander getrennt werden. Dies kann zweckmäßigerweise durch zeitlich getrennte Einstrahlung erfolgen, wobei die Einstrahlung jedoch in einem ausreichend engen zeitlichen Abstand im Sinne der oben gegebenen Definition erfolgen müssen. Alternativ ist es auch möglich, für die Einstrah­ lung in die beiden Einstrahlungsfelder 12c und 12d unter­ schiedlich (beispielsweise mit zwei unterschiedlichen Frequenzen) moduliertes Licht zu verwenden und die resul­ tierenden Sekundärlichtanteile durch eine entsprechende modulationsabhängige (frequenzabhängige) Detektion, bei­ spielsweise mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers zu mes­ sen.

Bei sämtlichen Ausführungsformen der Fig. 1 bis 3 be­ trägt der maximale Meßabstand D2 zwischen einem Einstrah­ lungsort und einem Detektionsort einer ortsaufgelösten Streulichtmessung 25 mm. Der kürzere Abstand D1 sollte mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm, betra­ gen. Mit anderen Worten sollte bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit einem festliegenden Einstrahlungsort 12 und unterschiedlichen Detektionsorten 14 die Detektions­ orte in einem (in der Figur gestrichelt eingezeichneten) Detektionsbereich 16 liegen, der den Teil der Grenzfläche 11a einschließt, der einen Abstand von mindestens 0,2 mm, bevorzugt mindestens 0,5 mm, besonders bevorzugt minde­ stens 1 mm und höchstens 25 mm von der Mitte des Ein­ strahlungsortes 12 hat. Bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 3 mit fixiertem Detektionsort 14 und unterschiedli­ chen Einstrahlungsorten 12 gelten die entsprechenden Werte für den dort gestrichelt eingezeichneten Einstrah­ lungsbereich 18.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei der auf der Grenz­ fläche 11a innerhalb eines Detektionsbereiches 22 eine Vielzahl unterschiedliche Detektionsfelder 14f einstell­ bar sind, die in unterschiedlichen Abständen zu einem Einstrahlungsfeld 12e verlaufen. Im dargestellten Fall ist dies dadurch realisiert, daß der Detektionsbereich 22 durch ein als Linse 23 symbolisiertes optisches Abbil­ dungssystem in eine Bildebene 24 abgebildet wird, in der sich eine zweidimensionale Anordnung 26 lichtempfindli­ cher Elemente befindet, welche vorzugsweise als CCD′s 25 (charge coupled device) realisiert sind.

Durch die optische Abbildung entspricht ein bestimmtes Detektionsfeld einem bestimmten Teilbereich der CCD-Ma­ trix 25. Beispielsweise wird das Feld 14f auf die Reihe 25f und das Feld 14g auf die Reihe 25g der CCD-Matrix 25 abgebildet. Ein bestimmtes Detektionsfeld läßt sich folg­ lich in einfacher Weise dadurch einstellen, daß die In­ tensitätsmeßsignale von denjenigen lichtempfindlichen Elementen zur Ableitung der Konzentration weiterverarbei­ tet werden, auf die das gewünschte Detektionsfeld abge­ bildet wird.

Anhand dieser Ausführungsform wird deutlich, daß die Be­ griffe "Einstrahlungsfeld" und "Detektionsfeld" bzw. "Einstrahlungsort" und "Detektionsort" geometrisch zu verstehen sind. Es ist nicht erforderlich, daß irgendwel­ che Bauteile der Analysevorrichtung die Grenzfläche der biologischen Matrix, also beispielsweise die Oberfläche der Haut, berühren und in Kontakt zu dem Einstrahlungsort bzw. dem Detektionsort stehen. Erforderlich ist nur, daß der Einstrahlungsort und der Detektionsort für jeden Meß­ abstand definiert sind, d. h. das Primärlicht an einem be­ stimmten und begrenzten Einstrahlungsort eingestrahlt und das Sekundärlicht derartig örtlich definiert erfaßt wird, daß bekannt ist, aus welchem bestimmten abgegrenzten Teilbereich der Grenzfläche (Detektionsort) das Sekundärlicht ausgetreten ist, dessen Intensität jeweils erfaßt wird. Ein solcher Meßvorgang muß bei mindestens zwei unterschiedlichen Lichtwegen zwischen Ein­ strahlungsort und Detektionsort ablaufen, um aus den dar­ aus gemessenen Intensitätsmeßwerten die für die Analyse charakteristische Meßgröße abzuleiten. Wenn - wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 - eine Vielzahl von unter­ schiedlichen Abständen zwischen Einstrahlungsort und Detektionsort einstellbar ist, wird zweckmäßigerweise der Verlauf der gemessenen Intensität I in Abhängigkeit vom Meßabstand D zwischen dem jeweiligen Detektionsort und dem Einstrahlungsort erfaßt. Wenn eine Vielzahl eng be­ nachbarter Detektionsorte einstellbar ist, resultiert ein praktisch kontinuierlicher Kurvenverlauf I(D), der das Profil des detektierten Sekundärlichtes in Abhängigkeit vom Abstand zwischen dem jeweiligen Einstrahlungsort und dem jeweiligen Detektionsort repräsentiert. In diesem Fall kann zur Ableitung der für die Analyse charakteris­ tischen Meßgröße ein geeigneter, für solche Zwecke vorbe­ kannter Regressionsalgorithmus verwendet werden (bei­ spielsweise PLS).

Die Ausführungsform mit einem Detektionsbereich, in wel­ chem eine Vielzahl unterschiedlicher Teilflächen als De­ tektionsfelder eingestellt werden können, läßt sich selbstverständlich auch ohne das in Fig. 4 eingezeichnete optische Abbildungssystem 23 realisieren. Insbesondere ist es möglich, eine zweidimensionale Anordnung lichtemp­ findlicher Elemente unmittelbar über der Grenzfläche 11a zu positionieren, wobei mit Hilfe geeigneter Mittel, wie beispielsweise Blenden, Lichtleitern oder dergleichen, dafür Sorge getragen wird, daß jedes lichtempfindliche Element das aus einem bestimmten, abgegrenzten Teilbe­ reich der Grenzfläche 11a austretende Sekundärlicht er­ faßt.

Für die Erfindung ist wichtig, daß die Abhängigkeit der Intensität des Sekundärlichts I von dem Abstand D zwi­ schen Einstrahlungsort und Detektionsort mit guter Orts­ auflösung erfaßt wird. Deshalb sollte sowohl der Ein­ strahlungsort 12, als auch der Detektionsort 14 in Rich­ tung der beide Felder verbindenden Abstandsgeraden eine kleine Abmessung von vorzugsweise weniger als 2 mm haben. Besonders bevorzugt ist, insbesondere im Fall des Detek­ tionsortes 14, die dargestellte Form eines langgestreck­ ten, schmalen Feldes. Dadurch läßt sich eine gute Orts­ auflösung mit einer verhältnismäßig hohen Signalintensi­ tät kombinieren. Die Länge eines Detektionsfeldes sollte mindestens dreimal, bevorzugt mindestens zehnmal und besonders bevorzugt mindestens dreißigmal so groß wie seine Breite sein. Die durchschnittliche Breite des Ein­ strahlungsfeldes beträgt vorzugsweise weniger als 2 mm, besonders bevorzugt weniger als 1 mm. Die gleichen bevor­ zugten Dimensionen gelten auch für das Detektionsfeld. Vorzugsweise sind die unterschiedlichen Detektionsfelder und/oder Einstrahlungsfelder, durch die die unterschied­ lichen Meßabstände realisiert werden, räumlich getrennt (nicht überlappend).

Eine Ausführungsform, bei der eine Vielzahl unterschied­ licher Detektionsorte mittels einer zweidimensionalen An­ ordnung lichtempfindlicher Elemente erfaßt werden können (wie bei Fig. 4), ermöglicht zusätzlich eine verbesserte Reproduzierbarkeit einer stets gleichen Meßposition auf einer Hautoberfläche. Zu diesem Zweck kann an der bei einem bestimmten Patienten vorgesehenen Meßposition auf seiner Haut eine Markierung (beispielsweise mittels einer in normalem Licht unsichtbarem, in NIR-Licht jedoch kon­ trastierenden Tätowierung) angebracht sein. Diese wird von der zweidimensionalen Anordnung lichtempfindlicher Elemente erkannt und lokalisiert. Durch diese Ortsmessung ist es möglich, entweder den Meßkopf des erfindungs­ gemäßen Gerätes in eine bestimmte stets gleichbleibende Position in Relation zur Markierung zu bringen oder die Detektionsfelder innerhalb der zweidimensionalen Anord­ nung lichtempfindlicher Elemente in stets gleichbleiben­ der räumlicher Zuordnung zu der Markierung zu wählen.

Fig. 5 verdeutlicht, daß die schmale, langgestreckte Form der Felder nicht notwendigerweise (wie in den Fig. 1 bis 4) gerade sein muß. Dargestellt ist in Aufsicht auf eine Grenzfläche ein Einstrahlungsfeld 12f in Form eines Abschnitts eines Kreisringes. Zwei Detektionsfelder 14h und 14i verlaufen ebenfalls in Form von Kreisringab­ schnitten in unterschiedlichen Abständen zu dem Einstrah­ lungsfeld 12f. Die Kreisringe sind dabei konzentrisch, so daß die Detektionsfelder 14h und 14i in gleichmäßigem Ab­ stand zu dem Einstrahlungsfeld 12f verlaufen.

Eine gute Ortsauflösung wird erreicht, wenn das Licht an einem möglichst eng begrenzten (punktförmigen) Einstrah­ lungsort eingestrahlt wird und der Detektionsort einen Kreis oder Kreisabschnitt um diesen Einstrahlungsort bil­ det. Grundsätzlich kann auch umgekehrt mit einem kreis­ förmigen Einstrahlungsort und einem im Zentrum dieses Kreises angeordneten punktförmigen Detektionsort gearbei­ tet werden, wobei hier die Signalintensität geringer ist.

Wenn - wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt - Einstrah­ lungsfelder und Detektionsfelder gerade und parallel zu­ einander verlaufen, ist die Ortsauflösung geringer, weil selbstverständlich an jedem Punkt eines langgestreckten Detektionsortes Lichtanteile gemessen werden, die nicht nur von dem unmittelbar gegenüberliegenden Abschnitt des Einstrahlungsfeldes, sondern auch von in Längsrichtung versetzten Abschnitten des Einstrahlungsfeldes eintref­ fen. Bei der praktischen Erprobung der Erfindung wurde jedoch festgestellt, daß dennoch eine befriedigende Orts­ auflösung bei gleichzeitig verhältnismäßig hoher Signal­ intensität mit einer Anordnung erreicht werden kann, bei der sowohl der Einstrahlungsort als auch der Detektions­ ort eine gerade langgestreckte Form hat. Die Ausführungs­ form nach Fig. 5 stellt insofern eine mittlere Lösung dar, als hier die Ortsauflösung wegen der gekrümmten konzentrischen Form besser als bei der geraden Form der Felder gemäß den Fig. 1 bis 4 ist.

Es sind auch andere gekrümmte Formen möglich, wobei je­ doch allgemein die Bedingung eingehalten werden sollte, daß die Durchtrittsfelder (gemessen von Mitte zu Mitte) in gleichmäßigem Abstand D1, D2 verlaufen. Soweit sich Einstrahlungsort und Detektionsort auf der gleichen Grenzfläche der biologischen Matrix befinden, sollten der Einstrahlungsort und der Detektionsort stets von einem Streifen 47 (Fig. 5) von im wesentlichen gleichmäßiger Breite getrennt sein. Die Dimension des Detektionsfeldes in Richtung der kürzesten Verbindung zu dem Einstrah­ lungsfeld (also in Richtung der Abstandspfeile D1, D2) sollte weniger als 2 mm, bevorzugt weniger als 1 mm be­ tragen.

Die Fig. 6 bis 8 zeigen eine praktische Ausführungs­ form eines für die Erfindung geeigneten Meßkopfes 30, der speziell für die in vivo-Bestimmung von Glucose in men­ schlichem Gewebe geeignet ist.

Der Meßkopf 30 weist ein insgesamt etwa kreisscheibenför­ mig geformtes Hautkontaktteil 31 auf, welches an einem Meßkopfgehäuse 32 befestigt ist. Das Hautkontaktteil 31 wird bei der Benutzung auf die Oberfläche der Haut 33 ge­ legt und leicht angedrückt. In seinem Zentrum befindet sich ein quadratischer Lichttransmissionsbereich 34, der in Fig. 8 vergrößert dargestellt ist. Er enthält fünf Reihen 35 bis 39 von Lichtleitfasern 29, welche im darge­ stellten Beispiel aus jeweils zweiunddreißig Fasern mit einem Durchmesser von jeweils 0,25 mm bestehen. Die Lichtleitfasern 29 sind in dem Lichttransmissionsbereich 34 jeweils so angeordnet, daß ihre Stirnflächen bündig in einer gemeinsamen ebenen Kontaktfläche 42 liegen und beim Auflegen des Hautkontaktteiles 31 auf die Haut 33 in unmittelbarem Kontakt mit der Haut stehen.

Die Reihe 35 von Lichtleitfasern definiert einen Ein­ strahlungsort. Die Lichtleitfasern 29 dieser Reihe sind zu diesem Zweck durch ein Kabel 40 mit einer nicht darge­ stellten Zentraleinheit verbunden, in der sich eine vor­ zugsweise monochromatische Lichtquelle, beispielsweise ein Laser oder eine Laserdiode, befindet, deren Licht in die Lichtleitfasern 29 eingestrahlt wird. Die Lichtleit­ fasern 29 bilden zusammen mit der nicht dargestellten Lichtquelle (beispielsweise einer Leuchtdiode, deren Licht in üblicher Weise in die Lichtleitfasern eingekop­ pelt wird) Lichteinstrahlungsmittel 27 zum gezielten be­ leuchten eines definierten Einstrahlungsortes auf einer Hautoberfläche.

Vorzugsweise wird ein Teil der Lichtleitfasern der Reihe 35 dazu verwendet, die Konstanz der Lichtquelle zu kon­ trollieren. In einem konkreten Experiment wurden sechzehn der zweiunddreißig Fasern zur Einstrahlung des Lichtes und die anderen sechzehn Fasern zur Kontrolle der Licht­ stärke verwendet, wobei letztere getrennt von ersteren zusammengefaßt und einem lichtempfindlichen Element zuge­ führt werden.

Als Meßempfänger können beispielsweise Photodioden ver­ wendet werden, die in dem Meßkopf 30 angeordnet sind. Da­ bei ist zweckmäßigerweise für jede Reihe 36 bis 39 von Lichtleitfasern 29, die jeweils einen möglichen Detek­ tionsort definieren, ein gemeinsamer Meßempfänger vorge­ sehen. Die Lichtleitfasern dieser Reihen werden also zu­ sammengefaßt zu jeweils einem Meßempfänger geführt, an dem das aus diesen Lichtleitfasern austretende Licht de­ tektiert wird. Die Reihen 36 bis 39 der Lichtleitfasern 29 bilden zusammen mit dem nicht dargestellten Meßempfän­ ger jeweils Detektionsmittel 28 zum gezielten Messen des an einem definierten Detektionsort austretenden Sekundär­ lichtes.

Die Stirnflächen der Lichtleitfasern der Reihen 35 bis 39 schließen jeweils bündig mit der den Lichtemissionsbe­ reich 34 nach unten begrenzenden Hautkontaktfläche 42 ab oder stehen geringfügig daraus hervor. Dadurch wird ver­ hindert, daß Licht entlang der Hautoberfläche unmittelbar von dem durch die Reihe 35 definierten Einstrahlungsort zu einem der Detektionsorte gelangen kann, die durch die Reihen 36 bis 39 definiert sind. Selbstverständlich sind auch innerhalb des Meßkopfes 30 die Glasfasern unter­ schiedlicher Reihen optisch sorgfältig voneinander ge­ trennt, so daß keine Übertragung von Primärlicht zu den Detektionsmitteln stattfinden kann.

Der Meßkopf 30 ist insbesondere für die Verlaufskontrolle der Blutglucose von Diabetikern gedacht. Er wird zu die­ sem Zweck an einer geeigneten Stelle, insbesondere an der Oberbauchdecke auf der Haut befestigt. Dies kann bei­ spielsweise mit Hilfe eines Klebebandes oder durch Va­ kuum-Ansaugung erfolgen. Dabei sollte die Kontaktfläche 42 mit ausreichend festem und gleichmäßigem Druck ange­ drückt werden.

Um Fremdlicht abzuhalten, hat das Hautkontaktteil 31 einen Ring 31a, dessen Durchmesser wesentlich größer als der des Lichttransmissionsbereiches 34 ist. Er besteht aus einem undurchsichtigen Material und schließt mit seinem Rand 31b auf der Haut ab und hält auch Fremdlicht fern. Alternativ oder zusätzlich kann das Primärlicht mit einer bestimmten Frequenz moduliert sein und frequenz­ abhängig (beispielsweise mit Hilfe eines Lock-In- Verstärkers) schmalbandig selektiv detektiert werden, um Störlichteinflüsse zu vermindern.

Der Lichtemissionsbereich 34 ist von einer ringförmigen Heizfläche 41 umgeben, in der eine Flächen-Widerstands­ heizung angeordnet ist. Diese kann mit Hilfe eines NTC- Widerstandes und eines PD-Reglers auf eine vorbestimmte Temperatur, beispielsweise 37° geregelt werden.

Fig. 9 zeigt Analyseergebnisse, die einerseits mit einer Referenzmethode und andererseits mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung (Ausführungsform gemäß den Fig. 6 bis 8) erzielt wurden. Aufgetragen ist die Konzentration C in mmol/l über die Zeit t in Minuten. Die durchgezogene Linie 45 markiert die Ergebnisse einer als Referenz­ methode verwendeten enzymatischen Analyse, während die rechteckigen Markierungen 46 Meßpunkte mit der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Beispiel wurden dabei folgende Meßbedingungen eingehalten.

Es wurde ein Meßkopf gemäß den Fig. 6 bis 8 einge­ setzt, wobei das Licht einer Leuchtdiode mit 1 mW Lei­ stungen und einer Wellenlänge von 805 nm durch die Licht­ leitfaser-Reihe 35 in die Haut eingestrahlt und durch die Reihen 38 und 39 detektiert wurde. Der Abstand der Reihen 38 und 39 von der Reihe 35 (und folglich der Abstand der Detektionsfelder von dem Einstrahlungsfeld) betrug 3 mm bzw. 5 mm.

Zur Ableitung einer für die Konzentration charakteristi­ schen Meßgröße R wurde der Quotient zwischen der Intensi­ tät I1 des an der Reihe 39 und der Intensität I2 des an der Reihe 38 gemessenen Lichtes gebildet. Diese Meßgröße R=I1/I2 wurde linear kalibriert gemäß der Formel

C = a_*R + b.

Das in Fig. 9 dargestellte Ergebnis zeigt eine ausge­ zeichnete Übereinstimmung der konventionell und der er­ findungsgemäß gemessenen Werte über einen Zeitraum von fünfeinhalb Stunden.

Fig. 10 und 11 zeigen eine Meßhalterung 50 zur Bestim­ mung der Glucosekonzentration in einem Finger 51. Der Finger 51 wird dabei in einen paßgenauen Kanal 52 einge­ führt, der in einem Halterungsblock 53 ausgebildet ist. Der Halterungsblock 53 besteht aus Aluminium oder einem anderen gut wärmeleitendem Material, welches mit einer nicht dargestellten Heiz- und Thermostatisierungseinrich­ tung auf eine definierte Temperatur eingestellt ist, die vorzugsweise etwas über der Körper-Normaltemperatur (über 37°C) liegt.

Die den Kanal 52 seitlich begrenzenden Wandelementes 54 sind derartig verschiebbar, daß die Breite des Kanals 52 dem Finger 51 des jeweiligen Patienten angepaßt werden kann. Zur Fixierung des Fingers 51 von oben sind Fixie­ rungselemente 55 vorgesehen, die in Richtung auf den Fin­ ger 51 gleitfähig gehalten und mit einer nicht darge­ stellten Feder gegen den Finger 51 gedrückt werden.

Der Halterungsblock 53, die Wandelemente 54 und die Fi­ xierungselemente 55 bilden zusammen mit einem den Kanal 52 in Einführrichtung begrenzenden Anschlag 56 insgesamt Fixierungsmittel, durch die der Finger 51 in einer mög­ lichst genau reproduzierbaren Position in Bezug auf die insgesamt mit 58 bezeichnete Meßeinrichtung positioniert wird.

Bei der Meßeinrichtung 58 werden Lichteinstrahlungsmittel 27 durch eine nicht dargestellte Leuchtdiode und durch einen Lichtleitkanal 59 gebildet, durch die Primärlicht auf einen kreisflächenförmigen Einstrahlungsort von etwa 1 mm Durchmesser an der Unterseite der Kuppe des Fingers 51 gerichtet wird. In einem Detektionsbereich 16 sind drei Detektionsorte 14 vorgesehen, die als halbkreis­ förmige Detektionsfelder 14k-14m den Einstrahlungsort 12 konzentrisch umgeben. Die Detektionsmittel 28 bestehen dabei, wie in Fig. 12 deutlicher zu erkennen ist, wieder­ um aus einer Reihe dicht beieinander angeordnete Licht­ leitfasern 29, deren Stirnflächen den Lichtleitkanal 59 in der Hautkontaktfläche 42 halbkreisförmig umgeben und je einem Photoempfänger für das Licht von jedem der Detektionsorte 14k, 14l, 14m. Die Lichteinstrahlungs­ mittel 27 sind von den Detektionsmitteln 28 durch eine Trennwand 62 sorgfältig abgeschirmt.

Ein Infrarot-Temperatursensor 60 ist auf einen Tempera­ tur-Meßort 61 gerichtet, der möglichst nah bei dem Detek­ tionsbereich 16 liegen soll.

Bei der praktischen Erprobung der Erfindung hat es sich als wichtig erwiesen, daß der Anpreßdruck zwischen dem jeweiligen Körperteil und der Hautkontaktfläche der Meß­ vorrichtung ausreichend hoch und reproduzierbar ist. Bei der in den Fig. 10 und 11 dargestellten Ausführungs­ form wird dies mit Hilfe eines Andruckstempels 63 er­ reicht, der von oben auf das vorderste Glied des Fingers drückt. Als geeignet hat sich eine Andruckkraft in Höhe von etwa 300 p (Pond) erwiesen.

Fig. 13 zeigt beispielhaft das Blockschaltbild einer elektronischen Schaltung 65, die als Auswertemittel für eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung geeignet ist. Von einem Oszillator 66 wird ein Spannungs-Strom-Wandler 67 angesteuert, der die Leuchtdiode 68 speist, die als Lichtquelle dient. Optional kann dabei die Temperatur der Leuchtdiode 68 durch einen NTC 69 überwacht werden, um die Konstanz der Intensität des emittierten Lichtes zu verbessern.

Die Ausgangssignale der Meßempfänger (Photodioden) 70a- 70c liegen über jeweils eine Vorverstärkerschaltung 71a- 71c an Lock-In-Verstärkern 72a-72c an, denen als Referenz auch das Signal des Oszillators 66 zugeleitet wird. Die Ausgangssignale der Lock-In-Verstärker 72a-72c werden in einer A/D-Wandlereinheit 73 digitalisiert und einer Mi­ krocomputer-Zentraleinheit 74 zugeleitet. Die Mikrocompu­ ter-Zentraleinheit erhält darüberhinaus die Signale des NTC 69 (verstärkt durch einen Vorverstärker 69a) und ei­ nes Temperatursensors 75 (verstärkt durch einen Vorver­ stärker 75a) zur Messung der Temperatur in dem Detek­ tionsbereich, welcher vorzugsweise (wie der IR-Sensor 60 der Ausführungsform nach Fig. 10) berührungslos arbeitet.

Claims (40)

1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Glu­ cose in einer biologischen Matrix (10), umfassend
mindestens zwei Detektionsmessungen, bei denen je­ weils Licht durch eine die biologische Matrix (10) begrenzende Grenzfläche (11a) als Primärlicht (15) in die biologische Matrix (10) eingestrahlt wird, das Licht in der biologischen Matrix (10) entlang einem Lichtweg propagiert und eine aus der biologischen Ma­ trix (10) durch eine diese begrenzende Grenzfläche (11a, 11b) als Sekundärlicht (17) austretende Lichtintensität gemessen wird, und
einen Auswerteschritt, bei dem aus den Intensitäts­ meßwerten der Detektionsmessungen mittels eines Aus­ wertealgorithmus und einer Kalibration die Glucose­ konzentration abgeleitet wird,
bei welchem
eine erste Detektionsmessung eine ortsauflösende Streulichtmessung ist, bei der das Primärlicht (15) an einem definierten Einstrahlungsort (12) in die biologische Matrix eingestrahlt wird, die Intensität des an einem definierten Detektionsort (14) aus der biologischen Matrix austretenden Sekundärlichts (17) gemessen wird und der Detektionsort (14) relativ zu dem Einstrahlungsort (12) so angeordnet ist, daß an Streuzentren (19) der biologischen Matrix (10) viel­ fach gestreutes Licht detektiert wird, dessen Inten­ sität für die Konzentration der Glucose charakteris­ tisch ist, und
der Lichtweg bei einer zweiten Detektionsmessung von dem der ersten Detektionsmessung verschieden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem auch die zweite Detektionsmessung eine ortsauflösende Streu­ lichtmessung ist, bei der das Primärlicht (15) an ei­ nem definierten Einstrahlungsort in die biologische Matrix eingestrahlt wird, die Intensität des an einem definierten Detektionsort (14) aus der biologischen Matrix austretenden Sekundärlichts (17) gemessen wird und der Detektionsort (14) relativ zu dem Einstrah­ lungsort (12) so angeordnet ist, daß an Streuzentren (19) der biologischen Matrix (10) vielfach gestreutes Licht detektiert wird, dessen Intensität für die Kon­ zentration der Glucose charakteristisch ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die biologische Matrix (10) eine biologische Flüssigkeit, insbesondere Blut, ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die biologische Matrix (10) ein biologisches Gewebe ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem das biolo­ gische Gewebe Hautgewebe, insbesondere an der Finger­ beere, der Oberbauchdecke, dem Nagelbett, der Lippe, der Zunge, den Skleren oder dem inneren Oberarm des Menschen ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Primärlicht (15) monochromatisch mit einer Halbwertsbreite von weniger als 100 nm, bevor­ zugt weniger als 20 nm, besonders bevorzugt weniger als 5 nm ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem bei der mindestens einen ortsauflösenden Streulichtmessung der Abstand (D) zwischen der Mitte des Einstrahlungsortes und der Mitte des Detektions­ ortes mindestens das 10-fache der freien Weglänge der Photonen in der biologischen Matrix (10) beträgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem bei der mindestens einen ortsauflösenden Streulichtmessung der Abstand zwischen der Mitte des Einstrahlungsortes und der Mitte des Detektionsortes höchstens 25 mm beträgt, vorzugsweise höchstens 15 mm und besonders bevorzugt höchstens 10 mm.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Detektionsort (14) als schmales lang­ gestrecktes, gerades oder gekrümmtes Detektionsfeld (14a-14m) ausgebildet ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Dimension des Detektionsfeldes (14a-14m) in der durch die je­ weils kürzeste Verbindung zu dem Einstrahlungsort (12) definierten Raumrichtung im Mittel weniger als 2 mm beträgt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Einstrahlungsort (12) als schmales langes Einstrahlungsfeld (12a-12f) ausgebildet ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Dimension des Einstrahlungsfeldes (12a-12f) in der durch die jeweils kürzeste Verbindung zu dem Detektionsfeld (12) definierten Raumrichtung im Mittel weniger als 2 mm beträgt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Einstrahlungsort (12) und der Detek­ tionsort (14) auf gegenüberliegenden Grenzflächen (11a, 11b) der biologischen Matrix (10) angeordnet sind.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem der Detekti­ onsort (14) von keiner die Oberfläche des Einstrah­ lungsortes (12) senkrecht kreuzenden Geraden gekreuzt wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Einstrahlungsort (12) und der Detek­ tionsort (14) an der gleichen Grenzfläche (11a) der biologischen Matrix angeordnet sind, um aus der Ma­ trix (10) diffus reflektierte Strahlung zu messen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem der Detekti­ onsort in einem Detektionsbereich liegt, der den Teil der Grenzfläche einschließt, der einen Abstand von mindestens 0,2 mm, bevorzugt mindestens 0,5 mm, be­ sonders bevorzugt mindestens 1 mm und höchstens 25 mm, bevorzugt höchstens 15 mm, besonders bevorzugt höchstens 10 mm von der Mitte des Einstrahlungsortes hat, und die Intensität des Sekundärlichts in minde­ stens einem Teil des Detektionsbereiches abnimmt, wenn die Glucosekonzentration zunimmt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, bei welchem der Einstrahlungsort (12) und der Detektions­ ort (14) durch einen Streifen (47) von im wesentli­ chen gleichmäßiger Breite getrennt sind.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 17, bei wel­ chem der Einstrahlungsort (12) und der Detektionsort (14) bei der ersten und der zweiten ortsauflösenden Streulichtmessung unterschiedliche Meßabstände (D1, D2) voneinander haben.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem der Unter­ schied der Meßabstände (D1, D2) bei der ersten und zweiten ortsauflösenden Streulichtmessung mindestens 30%, bevorzugt mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 70% des kürzeren Meßabstandes beträgt.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 19, bei wel­ chem der Detektionsort (14) bei der ersten und der zweiten ortsauflösenden Streulichtmessung überein­ stimmt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 20, bei wel­ chem der Einstrahlungsort (12) bei der ersten und der zweiten ortsauflösenden Streulichtmessung überein­ stimmt.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Detektionsort (14) Teil eines größe­ ren Detektionsbereiches (22) ist, auf dem eine Viel­ zahl von unterschiedlichen Teilflächen als Detekti­ onsorte (14) eingestellt werden können, um die Inten­ sität des an einer Vielzahl von Detektionsorten (14) austretenden Sekundärlichts (17) als Funktion des Ab­ standes von einem Einstrahlungsort (12) zu messen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei welchem die in dem Detektionsbereich (22) aus der biologischen Matrix (10) austretende Lichtintensität von einer zweidimen­ sionalen Anordnung (26) lichtempfindlicher Elemente (25) ortsabhängig erfaßt wird und die Signale der lichtempfindlichen Elemente einer Bildverarbeitungs­ einrichtung zugeführt werden.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Wellenlänge des Primärlichts zwischen 400 nm und 2500 nm beträgt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei welchem die Wellen­ länge des Primärlichts zwischen 780 und 825 nm, vor­ zugsweise zwischen 800 und 805 nm beträgt.

26. Verfahren nach Anspruch 24, bei welchem die Wellen­ länge des Primärlichts zwischen 1150 und 1350 nm, vorzugsweise zwischen 1200 und 1300 nm, beträgt.

27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem Primärlicht mit mehreren unterschiedli­ chen Wellenlängen in die biologische Matrix (10) ein­ gestrahlt und die dabei an mindestens einem Detekti­ onsort (14) gemessene wellenlängenabhängige Intensi­ tät des Sekundärlichts (17) detektiert und zur Ablei­ tung der Meßgröße verwendet wird.

28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Temperatur an dem Detektionsort (14) vorzugsweise berührungslos gemessen und in dem Aus­ wertealgorithmus berücksichtigt wird.

29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Temperatur an dem Detektionsort (14) stabil gehalten wird.

30. Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Glu­ cose in einer biologischen Matrix, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, mit
einem zum Anlegen an eine Grenzfläche der biologi­ schen Matrix vorgesehenen Lichttransmissionsbereich (34),
Einstrahlungsmitteln (27) zum Einstrahlen von Licht in die biologische Matrix (10) durch eine diese be­ grenzende Grenzfläche (11a, 11b),
Detektionsmitteln (28) zum Messen der Intensität von aus der biologischen Matrix (10) durch eine diese begrenzende Grenzfläche (11a, 11b) austretendem Licht und
Auswertemitteln zum Umwandeln der gemessenen Intensi­ tät in ein der Glucosekonzentration entsprechendes Signal,
bei welchem
die Einstrahlungsmittel (27) zum gezielten Beleuchten eines definierten Einstrahlungsortes (12) ausgebildet sind und die Detektionsmittel (28) zum gezielten Mes­ sen des an einem definierten Detektionsort (14) aus­ tretenden Sekundärlichts ausgebildet sind, wobei der Detektionsort (14) relativ zu dem Einstrahlungsort (12) so angeordnet ist, daß an Streuzentren (19) der biologischen Matrix (10) vielfach gestreutes Licht detektiert wird, dessen Intensität für die Konzen­ tration der Glucose charakteristisch ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei welcher mindestens zwei Lichteinstrahlungsmittel (27) vorgesehen sind, die zum gezielten Beleuchten unterschiedlicher, räum­ lich nicht überlappender Einstrahlungsorte ausgebil­ det sind.

32. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei welcher mindestens zwei Detektionsmittel (28) vorgesehen sind, die zum gezielten Messen des an zwei unterschiedlichen, räum­ lich nicht überlappenden Detektionsorten aus der bio­ logischen Matrix austretenden Sekundärlichts ausge­ bildet sind.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 32, bei welcher die Einstrahlungsmittel (27) Lichtleitfasern (29) einschließen.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, bei welcher die Licht­ einstrahlungsmittel (27) eine Vielzahl von Lichtleit­ fasern (29) einschließen, die in dem Lichttransmis­ sionsbereich als Reihe (35) nebeneinander angeordnet sind, um einen als schmales, langgestrecktes Ein­ strahlungsfeld (12a-12f) ausgebildeten Einstrahlungs­ ort (12) gezielt zu beleuchten.

35. Vorrichtung nach Anspruch 33, bei welcher die Licht­ einstrahlungsmittel (27) eine Vielzahl von Lichtleit­ fasern (29) einschließen, die in dem Lichttransmis­ sionsbereich (34) dicht benachbart angeordnet sind, wobei ein erster Teil der Lichtleitfasern (29) zum Zuführen des Primärlichts zu der biologischen Matrix (10) dient und ein zweiter Teil der Lichtleitfasern (29) mit einem Detektor zur Kontrolle der Intensität des Primärlichts verbunden ist.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 35, bei welchem die Detektionsmittel (28) Lichtleitfasern (29) einschließen.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, bei welchem die Detek­ tionsmittel eine Vielzahl von Lichtleitfasern ein­ schließen, die in dem Lichttransmissionsbereich (34) als Reihe (36-39) nebeneinander derartig angeordnet sind, daß sie das aus einem als langgestrecktes schmales Detektionsfeld (14a-14m) ausgebildeten De­ tektionsort (14) austretende Sekundärlicht (17) ge­ zielt erfassen.

38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 37, bei welcher die Lichtleitfasern in dem Lichttransmissi­ onsbereich (34) so angeordnet sind, daß ihre Stirn­ flächen bündig in einer gemeinsamen Hautkontaktfläche (42) liegen, so daß sie in unmittelbarem Kontakt zu der Grenzfläche (11a) der biologischen Matrix (10) stehen, wenn die Vorrichtung mit dem Lichttransmis­ sionsbereich (34) auf die Grenzfläche (11a) aufgelegt wird.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 38, bei welcher die Detektionsmittel eine zweidimensionale Anordnung (26) lichtempfindlicher Elemente (25), ins­ besondere ein CCD-Array, einschließen.

40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 39, bei welcher Lichtabschirmmittel vorgesehen sind, die die Übertragung von Primärlicht von den Lichteinstrah­ lungsmitteln zu den Detektionsmitteln auf einem ande­ ren Wege als durch die biologische Matrix verhindern.