DE69408976T2 - Glukose fluoreszenz monitor und verfahren - Google Patents
Glukose fluoreszenz monitor und verfahrenInfo
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Description
- Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Glucosemonitoren und insbesondere Glucosemonitoren, welche die Konzentration von Glucose in einer Probe bestimmen, indem sie das Fluoreszenzlicht überwachen, welches direkt von der Glucose erzeugt wird.
- Glucose ist eine grundlegende organische Verbindung, welche in lebenden Organismen, Nahrungsmitteln und chemischen Produkten gefunden wird, und es ist oft vorteilhaft, die Konzentration von Glucose in einer Probe genau zu bestimmen. Beispielsweise hat eine Person mit Diabetes die Fähigkeit verloren, Insulin zu produzieren, das den Zuckerspiegel in ihrem Blut reguliert. Die betroffenen Personen müssen kontinuierlich Insulininjektionen erhalten und müssen regelmäßig den Glucosespiegel in ihrem Blut überwachen, um die zeitliche Abstimmung der Insulininjektionen zu regulieren. Die Glucoseüberwachung des Blutes macht es gewöhnlich notwendig, daß eine kleine Menge Blut aus dem Körper entnommen wird. Jedes Mal, wenn die Haut des Körpers durchstochen wird, um das Blut zu entnehmen, besteht ein Infektionsrisiko zusätzlich zu einem damit verbundenen Aufbau von Narbengewebe. Zusätzlich wird eine beträchtliche Zeit dafür aufgewendet, das Blut zu entnehmen, zu verarbeiten und zu testen.
- Typische Verfahren zur Bestimmung der Glucosekonzentration in einer Probe, wie z.B. dem Blut, fallen in die Kategorien der Verfahren mit aromatischen Ammen, der enzymatischen Verfahren, der Oxidationsverfahren und seit neustem der Infrarot-Reflektions- und Absorptionsspektroskopie. Die Infrarot-Reflektions- und Absorptionsspektroskopie im Blut macht im allgemeinen eine relativ komplizierte und teuere Instrumentierung nötig und hat eine begrenzte Auflösung.
- Aus der obigen Diskussion sollte deutlich werden, daß ein Bedarf für einen Glucosemonitor besteht, welcher verhältnismäßig nichtinvasiv ist, welcher einfach und schnell zu verwenden ist und welcher eine gute Auflösung liefert. Die vorliegende Erfindung befriedigt diese Bedürfnisse.
- Die vorliegende Erfindung ist verwirklicht in einer Vorrichtung und einem Verfahren, welches die Konzentration von Glucose in einer Probe bestimmt, indem das Fluorenszenzlicht überwacht wird, das direkt von jeglicher in der Probe vorhandener Glucose erzeugt wird. Der Glucosemonitor beleuchtet die Probe mit Anregungslicht, welches jegliche Glucose in der Probe dazu anregt, zu fluoreszieren, wobei das Fluoreszenzlicht nachgewiesen und verarbeitet wird, um die Konzentration von Glucose in der Probe zu bestimmen.
- Der Glucosemonitor umfaßt eine Lichtquelle, einen Sensor und einen Prozessor. Die Lichtquelle emittiert Anregungslicht, welches auf die Probe gerichtet wird, um jegliche Glucose in der Probe dazu anzuregen, zu fluoreszieren. Das Anregungslicht bewirkt, daß die Probe zurückkommendes Licht erzeugt, welches fluoreszierendes Licht einschließt, das von jeglicher Glucose in der Probe erzeugt wurde. Der Sensor überwacht das zurückkommende Licht und erzeugt zwei Signale, welche die Lichtintensität innerhalb zwei spektra-1er Wellenlängenbanden darstellen. Das erste Signal zeigt die Intensität des zurückkommenden Lichtes an, das eine Wellenlänge innerhalb einer ersten Wellenlängenbande aufweist. Das zweite Signal zeigt die Intensität des Lichtes innerhalb einer zweiten Wellenlängenbande an. Der Prozessor verarbeitet die zwei elektrischen Signale, um die Glucosekonzentration in der Probe zu bestimmen.
- In der Erfindung emittiert die Lichtquelle Licht mit einer geringen Bandbreite mit eine Wellenlänge, die aus dem Bereich von 250 Nanometern bis 350 Nanometern ausgewählt ist. Eine typische Quelle für ultraviolettes Licht mit geringer Bandbreite ist ein Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 308 Nanometern. Die erste Wellenlängenbande schließt einen charakteristischen spektralen Peak der Glucosefluoreszenz ein. Der Peak hat eine Wellenlänge, die ca. 30 bis 50 Nanometer länger ist als die Wellenlänge des Anregungslichtes. Unter Verwendung eines Excimer-Lasers liegt die Wellenlänge des charakteristischen spektralen Peaks der Glucosefluoreszenz zwischen 335 und 355 Nanometern. Die zweite Wellenlängenbande ist eine Referenzbände und wird ausgewählt aus dem Bereich von ca. 380 bis 420 Nanometern.
- Der Sensor überwacht das von der Probe zurückkommende Licht. Bei einer weiteren detaillierteren Gestaltung der Erfindung weist der Sensor mehr als einen Detektor auf, welcher gleichzeitig das zurückkommende Licht innerhalb der ersten und zweiten Wellenlängenbande überwacht. Bei einem Sensor mit zwei Detektoren bestimmt ein Detektor die Intensität des Lichtes innerhalb der ersten Wellenlängenbande und der andere Detektor bestimmt die Intensität des Lichtes innerhalb der zweiten Wellenlängenbande. Jeder Detektor liefert ein Signal, das die Intensität des Lichtes innerhalb der entsprechenden Wellenlängenbande anzeigt.
- Der Prozessor bestimmt aus den Signalen für die zwei Wellenlängenbanden das Verhältnis der Lichtintensitäten. Die Glucosekonzentration in der Probe wird aus dem Verhältnis der Lichtintensitäten bestimmt.
- Die Probe kann aus einer Vielzahl von Zusammensetzungen bestehen und kann in fester oder flüssiger Form vorliegen. Beim Überwachen des Glucosespiegels im Mund einer Person ist die Probe das Mundhöhlengewebe, wie z.B. das Zahnfleisch oder der Zungengrund.
- Bei einer weiteren detaillierteren Gestaltung der Erfindung umfaßt der Sensor einen dichromatischen Filter, welcher verwendet wird, um das Anregungslicht von dem zurückkommenden Licht zu trennen, eine Blende mit einem Spalt und ein Prisma, welches verwendet wird, um das zurückkommende Licht in seine spektralen Wellenlängen aufzutrennen. Der Sensor kann einen Spektrographen einschließen, welcher eine Detektorgruppe aufweist, die mit einem optischen Analysator verbunden ist.
- Bei einer weiteren detaillierteren Gestaltung der Erfindung wird ein Wellenleiter verwendet, um das Anregungslicht von der Lichtquelle zu der Probe zu führen. Derselbe Wellenleiter oder ein anderer Wellenleiter wird verwendet, um das zurückkommende Licht von der Probe zu dem Sensor zu führen. Wenn faseroptische Wellenleiter verwendet werden, können sie zur Erleichterung der Handhabung in einem Bündel zusammengehalten werden.
- Bei einer weiteren detaillierteren Gestaltung der Erfindung sind die Wellenleiter von einer Sonde umgeben. Die Sonde kann in Abhängigkeit von der Anwendung viele Formen annehmen. Die Sonde kann ein Katheter sein, um die Glucosekonzentration in einem extrakorporalen Blutstrom zu überwachen. Die Sonde kann ebenfalls ausgelegt sein, um die Glucosekonzentration percutan durch die Haut im Körper einer Person, wie z.B. in dem Mundhöhlengewebe des Mundes, zu überwachen.
- Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollten aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen, im Zusammenhang genommen mit den begleitenden Zeichnungen, deutlich werden, welche beispielhaft die Prinzipien der Erfindung darstellen.
- FIG. 1 ist ein Blockdiagramm des Glucoseüberwachungssystems, welches die Erfindung verwirklicht.
- FIG. 2 ist eine graphische Darstellung der Intensität der Glucosefluoreszenz gegenüber der Wellenlänge, wenn eine Glucoseprobe mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von 308 Nanometern beleuchtet wird.
- FIG. 3 ist eine graphische Darstellung der Intensität der Plasmafluoreszenz gegenüber der Wellenlänge, wenn eine humane Plasmaprobe mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von 308 Nanometern beleuchtet wird.
- FIG. 4 ist eine graphische Darstellung der Glucosekonzentration gegenüber dem Verhältnis der Lichtintensität in einer Wellenlängenbande, die für die Glucosefluoreszenz charakteristisch ist, zu der Lichtintensität in einer Referenz-Wellenlängenbande.
- FIG. 5 ist ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Glucoseüberwachungssystems, welches faseroptische Wellenleiter verwendet.
- FIG. 6 ist ein Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Glucoseüberwachungssystems, welches einen faseroptischen Wellenleiter verwendet, der gleichzeitig Anregungslicht zu der Probe und von der Probe zurückkommendes Licht überträgt.
- FIG. 7 stellt einen faseroptischen Katheter zur Verwendung beim Überwachen der Glucosekonzentration in einem Blutstrom dar.
- FIG. 8 stellt eine faseroptische Sonde zur Verwendung beim percutanen Überwachen der Glucosekonzentration in einer Person dar.
- FIG. 9 stellt eine faseroptische Sonde zur Verwendung beim Überwachen der Glucosekonzentration percutan in dem Mundhöhlengewebe im Mund einer Person wie z.B. dem Zahnfleisch dar.
- Wie in den beispielhaften Zeichnungen gezeigt ist, wird die vorliegende Erfindung durch ein Glucoseüberwachungssystem 10 zur Bestimmung der Glucosekonzentration in einer Probe 12 verwirklicht, indem die Fluoreszenz von Glucose direkt, ohne die Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen oder die Verwendung anderer indirekter Verfahren, überwacht wird. Auch verwendet das Glucosefluoreszenzüberwachungssystem eine relativ billige Instrumentierung und liefert eine bessere Auflösung als frühere optische Spektroskopieverfahren. Das Glucosefluoreszenzüberwachungssystem ist verhältnismäßig nichtinvasiv, liefert sofortige Ergebnisse und kann leicht an die meisten Labor- und Klinikeinheiten angepaßt werden. Das Überwachungssystem benötigt keine Blutentnahme aus dem Körper, da es die Glucosekonzentration percutan überwachen kann, womit die damit zusammenhängenden Blutverarbeitungtechniken wie z.B. Zentrifugation, Lagerung und anderes zeitaufwendiges Testen vermieden werden können.
- Bei dem Glucoseüberwachungssystem 10, welches in FIG. 1 gezeigt ist, richtet eine Lichtquelle 14 ultraviolettes Anregungslicht 16 auf die Probe 12, um jegliche Glucose in der Probe dazu anzuregen, zu fluoreszieren. Ein Sensor 18 überwacht das von der Probe zurückkommende Licht 20, wobei dieses zurückkommende Licht die Glucosefluoreszenz einschließt, und erzeugt zwei elektrische Signale, die der Intensität des zurückkommenden Lichtes innerhalb zwei vorbestimmter Wellenlängenbanden entsprechen. Das erste elektrische Signal repräsentiert die Intensität des zurückkommenden Lichtes innerhalb einer Wellenlängenbande, die einen charakteristischen spektralen Peak der Glucosefluoreszenz einschließt. Das zweite elektrische Signal repräsentiert die Intensität des zurückkommenden Lichtes innerhalb einer Referenz-Wellenlängenbande. Das erste und zweite elektrische Signal werden von dem Sensor über die Leitungen 24 bzw. 26 auf einen Prozessor 22 übertragen. Der Prozessor verarbeitet dann die zwei elektrischen Signale, um die Glucosekonzentration in der Probe zu bestimmen.
- Die Lichtquelle 14 wird ebenfalls als die Anregungsquelle bezeichnet. Das Anregungslicht 16 von der Lichtquelle kann eine Wellenlänge von 250 nm bis 350 nm aufweisen. Das Anregungslicht kann von jedem Typ einer Quelle für ultraviolettes Licht mit geringer Bandbreite erzeugt werden. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle ein Ultraviolett-Excimer-Laser mit einer wellenlänge von 308 um und einer Energiedichte von 12 Millijoules pro Quadratmillimeter. Alternativ können ein Stickstoff-Laser, ein optisch zerhackter Helium-Cadmium-Laser, ein frequenzvervielfachter Dioden-Laser oder ein Festkörper-Laser verwendet werden. Die Intensität oder Energiedichte des Anregungslichtes sollte über einem Millijoule pro Quadratmillimeter liegen, sollte aber 15 Millijoules pro Quadratmillimeter nicht überschreiten. Wenn die Energiedichte zu hoch ist, kann eine Ablation der Probe auftreten, wogegen, wenn die Energiedichte zu niedrig ist, der Erhalt eines ausreichenden optischen Signals schwierig sein kann.
- Die Detektoren in dem Sensor 18 können so einfach sein wie einzelne lichtempfindliche Dioden mit geeigneten Bandfiltern oder so komplex wie ein optischer Mehrkanalanalysator, welcher ein breites Spektrum des zurückkommenden Lichtes analysiert. Vorzugsweise wird eine einfache CCD-Gruppe verwendet, um eine Vielzahl von Wellenlängen nach Wunsch zu überwachen, wobei jede einzelne Zelle einen bestimmten Wellenlängenbereich überwacht.
- In seiner einfachsten Form empfängt der Prozessor 22 die elektrischen Signale von dem Sensor 18 und liefert fast augenblicklich ein Verhältnis der Signale. Der Prozessor kann das Verhältnis weiter verarbeiten, um das Vorliegen, das Fehlen oder die Konzentration von Glucose in der Probe 12 zu bestimmen und anzuzeigen.
- Das Verfahren der Bestimmung der Glucosekonzentration in der Probe wird besser mit Bezug auf die Figuren 2-4 verstanden. Das Spektrum, welches in FIG. 2 gezeigt ist, ist das Fluoreszenzspektrum von Glucose nach Anregung mit ultraviolettem Licht von einem Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 308 Nanometern. Das Spektrum ist mit einem doppelten Peak gezeigt, welcher für alle Glucoselösungen charakteristisch ist. Ein spektraler Peak entspricht einer breiten Fluoreszenzbande 28, welche ihr Zentrum bei ungefähr 440 Nanometern hat, und der andere spektrale Peak entspricht einer schmalen Fluoreszenzbande 30, welche ihr Zentrum bei ungefähr 345 Nanometern hat. Die Wellenlänge des Peaks der schmalen Fluoreszenzbande ist ungefähr 30 bis 50 Nanometer länger als die Wellenlänge des Anregungslichtes. Die schmale Glucosefluoreszenzbande ist die charakteristische Wellenlängenbande der Glucose, welche überwacht wird, um die Konzentration von Glucose in der Probe zu bestimmen.
- Wie in FIG. 3 gezeigt, ist das Fluoreszenzspektrum von humanem Plasma, wenn es durch ultraviolettes Excimer-Laserlicht mit einer Wellenlänge von 308 Nanometern angeregt wird, von dem Fluoreszenzspektrum von Glucose verschieden. Das Fluoreszenzspektrum von humanem Plasma hat eine breite Fluoreszenzbande 32, welche ihr Zentrum bei ungefähr 380 Nanometern hat, und eine schmale Fluoreszenzbande 34, welche ihr Zentrum bei ungefähr 345 Nanometern hat. Die schmale Fluoreszenzbande 34 entspricht der schmalen Fluoreszenzbande 30 der Glucosefluoreszenz und wird durch einen kleinen Peak mit einer Wellenlänge, die ungefähr 30 Nanometer kürzer ist als die Wellenlänge des größeren Peaks der breiten Fluoreszenzbande 32 von humanem Plasma, angezeigt. Die schmale Fluoreszenzbande 34 ist die charakteristische Wellenlängenbande der Glucosefluoreszenz, welche überwacht wird, um die Glucosekonzentration in der Probe zu bestimmen. Die Referenzbande wird aus einer Wellenlängenbande ausgewählt, die von der schmalen Fluoreszenzbande 34 der Glucosefluoreszenz verschieden ist.
- Wie in FIG. 4 offenbart, wird die Glucosekonzentration Cgl in der Probe aus dem Verhältnis der gemessenen Lichtintensitäten innerhalb der gewünschten Wellenlängenbanden (Igl/Iref) bestimmt. Die erste Lichtintensität Igl repräsentiert die Intensität des Lichtes, das innerhalb einer ersten Wellenlängenbande gemessen wird, die der charakteristischen Wellenlängenbande 34 der Glucosefluoreszenz entspricht, welche in FIG. 3 offenbart ist. Die zweite Lichtintensität Iref repräsentiert die Intensität des Lichtes, das innerhalb einer zweiten Wellenlängenbande gemessen wird, welche der Referenz-Wellenlängenbande entspricht. Wenn ein Excimer-Laser verwendet wird erstreckt sich die erste Wellenlängenbande von ca. 335 Nanometern bis ca. 355 Nanometern und die zweite Wellenlängenbande erstreckt sich von ca. 380 Nanometern bis ca. 420 Nanometern oder sie entspricht einem gewissen Teilbereich davon. Das Verhältnis Igl/Iref wächst mit steigender Glucosekonzentration in der Probe. Die genaue Beziehung zwischen der Glucosekonzentration und dem Intensitätsverhältnis wird empirisch abgeleitet.
- FIG. 5 zeigt eine erste Ausführungsform, in welcher die Konzentration von Glucose in der Probe 12 bestimmt wird, indem die Probe beleuchtet wird und indem das resultierende Fluoreszenzspektrum unter Verwendung von faseroptischen Wellenleitern 36 und 38 eingefangen wird. Ein erster faseroptischer Wellenleiter 36 leitet das Laser- oder Anregungslicht 16 von der Anregungsquelle 14 zu der Probe. Das Anregungslicht wird kollimiert, wenn es von der Anregungsquelle emittiert wird, und wird auf die Faser gerichtet, indem ein Spiegel 40 verwendet wird, welcher für ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 308 Nanometern in hohem Maße reflektierend ist. Das Anregungslicht wird in den ersten faseroptischen Wellenleiter fokussiert, indem eine Linse 42 verwendet wird. Das Anregungslicht bewegt sich an dem ersten faseroptischen Wellenleiter entlang zu der Probe.
- Das Anregungslicht 16 bewirkt, daß die Probe 12 gestreutes zurückkommendes Licht 20 erzeugt, welches ein Spektrum aufweist, das von der Zusammensetzung der Probe abhängt. Das zurückkommende Licht schließt jegliches reflektierte Anregungslicht und das Fluoreszenzlicht ein, welches von der Probe erzeugt wurde, einschließlich des Fluoreszenzlichtes, das von jeglicher in der Probe vorhandener Glucose erzeugt wurde. Das zurückkommende Licht wird durch einen zweiten faseroptischen Wellenleiter 38 gesammelt und wird zu dem Eingang eines Spektrographen 44 geführt und unfokussiert auf diesen zu emittiert. An dem Eingang des Spektrographen befindet sich ein Breitbandfilter (nicht gezeigt) mit einer Grenzwellenlänge von ca. 335 Nanometern, welcher aus dem zurückkommenden Licht jegliches reflektierte Anregungslicht ausschließt. Ebenfalls an dem Eingang des Spektrographen befindet sich ein Spalt mit einer Breite von 100 Mikrometern. Nach dem Spalt folgt ein Beugungsgitter mit 150 Gitterstäben pro Millimeter und ein Prisma (nicht gezeigt), welches das zurückkommende Licht entlang einer Achse auflöst. Eine Position entlang der Achse entspricht einer Wellenlänge des zurückkommenden Lichtes.
- Entlang der Achse ist ein Detektor 46, vorzugsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtungsgruppe mit 1024 Elementen, angeordnet. Jedes Element der Detektorgruppe entspricht einer spektralen Wellenlänge des zurückkommenden Lichtes. Die Detektorgruppe liefert ein Analogsignal 48, das zur Bestimmung der Glucosekonzentration in der Probe 12 in ein Digitalsignal umgewandelt wird. Das Digitalsignal enthält Daten, welche die Lichtintensität repräsentieren, die für jede der spektralen Wellenlängen empfangen wird. Die Daten können ebenfalls auf dem Schirm eines optischen Mehrkanalanalysators 50 angezeigt oder auf einer Datenplatte gesichert werden. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Detektor eine ladungsgekoppelte Vorrichtungsgruppe mit 1024 Elementen, Teilnummer EG&G 1422G.
- Die Glucosekonzentration in der Probe 12 wird aus dem Verhältnis der Lichtintensität berechnet, die in zwei spektralen Wellenlängenbanden oder -bereichen gesammelt wurde. Unter Verwendung der Daten aus der Detektorgruppe wird die Lichtintensität innerhalb der ersten Wellenlängenbande mit der Lichtintensität aus der zweiten Wellenlängenbande verglichen.
- Eine verwandte Ausführungsform ist in FIG. 6 gezeigt. Diese Ausführungsform verwendet einen einzigen faseroptischen Wellenleiter 52, um das Anregungslicht 16 zu der Probe 12 zu übertragen und um das von der Probe zurückkommende Licht 20 zu sammeln. Eine erste Linse 42' fokussiert das Anregungslicht in das Ende des faseroptischen Wellenleiters 52 und kollimiert ebenfalls das gesammelte zurückkommende Licht, das von dem faseroptischen Wellenleiter emittiert wird. Das kollimierte zurückkommende Licht geht durch den ultravioletten Spiegel 40 und durch einen optischen Breitbandfilter 54 hindurch. Der optische Breitbandfilter hat eine Grenzwellenlänge von 335 Nanometern, um reflektiertes Anregungslicht aus dem zurückkommenden Licht herauszufiltern. Das Fluoreszenzlicht wird durch eine zweite Linse 56 in einen anderen faseroptischen Wellenleiter fokussiert. Dieser zweite faseroptische Wellenleiter 58 überträgt das zurückkommende Licht zu dem Eingang eines Spektrographen. Wie oben diskutiert wurde, löst der Spektrograph das Fluoreszenzlicht in seine einzelnen spektralen Komponenten auf, welche analysiert werden, um die Glucosekonzentration in der Probe zu bestimmen.
- In noch einer anderen Ausführungsform, welche in FIG. 7 gezeigt ist, ist der Wellenleiter in einem Katheter 60 enthalten. Der Katheter kann eine Quarzglasfaser oder ein Bündel vieler Fasern enthalten. Der Katheter kann zur Verwendung in einem Online-Überwachungssystem ein permanenter (indwelling) sein. Er kann ebenfalls die Glucose in einem extrakorporalen Blutstrom abtasten, wie z.B. in einer Herz- Lungen-Maschine oder in einem Dialysesystem.
- Alternative Ausführungsformen des Katheters 60 sind in den Figuren 8 und 9 gezeigt. In FIG. 8 ist ein Katheter 60' gezeigt, um die Glucose in einem menschlichen Körper 62 percutan oder durch die Haut zu überwachen. In FIG. 9 wird der faseroptische Katheter 60" vorzugsweise verwendet, um die Glucosekonzentration in dem Mundhöhlengewebe im Mund einer Person, wie z.B. dem Zahnfleisch 64 oder an dem Zungengrund percutan zu überwachen. Somit kann die Glucosekonzentration in dem menschlichen Körper durch diesen verhältnismäßig nichtinvasiven Ansatz, welcher Ultraviolett-Fluoreszenzspektroskopie verwendet, überwacht werden.
- Das Glucosefluoreszenzüberwachungssystem 10 funktioniert mit anderen Körperflüssigkeiten wie auch mit festen Organen. Es ist ebenfalls auf einen weiten Bereich von Glucosemeßbedürfnissen in Nahrungsmittelprozessen, wie z.B. der Brotherstellung, der Weinherstellung und der Erfrischungsgetränkeproduktion anwendbar. Die Glucosekonzentration innerhalb vieler transluzenter oder transparenter Körper kann überwacht werden. Auch können alle Arten von biologischen und nicht biolggischen Flüssigkeiten überwacht werden einschließlich Plasma, Urin, Soda, Nahrungsmittelprodukte, Wein, usw.
- Aus dem Vorstehenden wird klar, daß die Konzentration von Glucose in einem menschlichen Körper überwacht werden kann, ohne daß Blut von dem Körper entnommen werden muß. Der Glucosemonitor überwacht die Fluoreszenz der Glucose direkt, was eine direkte Bestimmung der Glucosekonzentration ergibt. Die faseroptischen Wellenleiter vereinfachen die Abgabe des Anregungslichtes an die Probe und die Sammlung des von der Probe zurückkommenden Lichtes. Der Glucosemonitor sorgt für eine fast augenblickliche Überwachung der Glucosekonzentration.
- Obwohl das Vorstehende bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenbart, wird man verstehen, daß die Fachleute verschiedene Änderungen an den gezeigten bevorzugten Ausführungsformen vornehmen können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung ist nur durch die folgenden Ansprüche definiert.
Claims (16)
1. Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Glucosekonzentration
in einer Probe (12), umfassend:
eine Lichtquelle (14), die Anregungslicht (16) einer
geringen Bandbreite emittiert, das auf eine Probe (12)
gerichtet ist, um ein von der Probe zurückkommendes
Licht zu erzeugen, wobei dieses zurückkommende Licht
fluoreszierendes Licht einschließt, das durch jegliche
in der Probe vorhandene Glucose erzeugt wird, wobei das
Anregungslicht eine Wellenlänge aufweist, die aus dem
Bereich zwischen 250 nm und 350 nm ausgewählt ist;
einen Sensor (18), der das zurückkommende Licht
überwacht und ein erstes Glucosefluoreszenzsignal erzeugt,
das die Intensität des zurückkommenden Lichtes (20)
innerhalb einer ersten Wellenlängenbande anzeigt,
welche mit der direkten Glucosefluoreszenz zusammenhängt,
wobei die erste Wellenlängenbande innerhalb eines
Bereiches liegt, der 30 bis 50 nm länger ist als die
Wellenlinge des Anregungslichtes (16), wobei der Sensor
(18) ebenfalls ein zweites Referenzsignal erzeugt, das
die Intensität des zurückkommenden Lichtes (20)
innerhalb einer zweiten Referenz-Wellenlängenbande anzeigt,
wobei die zweite Wellenlgngenbande von 380 nm bis 420
nm reicht; und
einen Prozessor (22), der das erste
Glucosefluoreszenzsignal und das zweite Referenzsignal verarbeitet und
die Glucosekonzentration in der Probe (12) bestimmt.
2. Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Glucosekonzentration
in einer Probe (12), wie in Anspruch 1 definiert,
worin:
die Wellenlänge des Anregungslichtes (16) ca. 308 um
beträgt;
die erste Wellenlängenbande (28; 34) von 335 nm bis 355
nm reicht; und
die zweite Wellenlängenbande (30; 32) von 380 um bis
420 um reicht.
3. Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Glucosekonzentration
in einer Probe (12), wie in Anspruch 1 definiert, die
darüber hinaus einen oder mehrere Wellenleiter (36, 38;
52, 58) umfaßt, die das Anregungslicht (16) von der
Lichtquelle (14) zu der Probe (12) übertragen und das
zurückkommende Licht (20) von der Probe (12) zu dem
Sensor (18) übertragen.
4. Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Glucosekonzentration
in einer Probe (12), wie in Anspruch 3 definiert, wobei
der eine oder die mehreren Wellenleiter (36, 38; 52,
58) umfassen:
einen ersten faseroptischen Wellenleiter (36; 52), der
das Anregungslicht (16) von der Lichtquelle (14) zu der
Probe (12) überträgt; und
einen zweiten faseroptischen Wellenleiter (38; 58), der
das zurückkommende Licht (20) von der Probe (12) zu dem
Sensor (18) überträgt.
5. Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Glucosekonzentration
in einer Probe (12), wie in Anspruch 4 definiert, die
weiterhin eine Sonde umfaßt, welche den einen oder die
mehreren faseroptischen Wellenleiter (36, 38; 52, 58)
umgibt.
6. Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Glucosekonzentration
in einer Probe (12), wie in Anspruch 5 definiert, worin
die Sonde ein Katheter (60; 60'; 60") ist, der so
angepaßt ist, daß er in einem extrakorporalen Blutstrom
angeordnet werden kann.
7. Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Glucosekonzentration
in einer Probe (12), wie in Anspruch 1 definiert, worin
der Sensor (18) einschließt:
einen ersten Detektor (46), der das zurückkommende
Licht (20) innerhalb der ersten Wellenlängenbande (28;
34) nachweist und das erste Signal erzeugt; und
einen zweiten Detektor (46), der das zurückkommende
Licht (20) innerhalb der zweiten Wellenlängenbande (30;
32) nachweist und das zweite Signal erzeugt.
8. Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Glucosekonzentration
in einer Probe (12), wie in Anspruch 1 definiert, worin
der Sensor (18) einschließt:
einen Spektrographen (44) mit einer Gruppe von
Detektoren (46), wobei der Spektrograph (44) das
zurückkommende Licht (20) derart auflöst, daß jeder Detektor (46)
der Gruppe eine unterschiedliche spektrale Wellenlänge
des zurückkommenden Lichtes (20) nachweist und ein
separates elektrisches Signal erzeugt, das die
Intensität des Lichts in seiner Wellenlänge darstellt; und
einen optischen Analysator (50), der die Mehrzahl von
elektrischen Signalen von dem Spektrographen (44)
analysiert und das erste und zweite Signal erzeugt.
9. Vorrichtung (10) zum Bestimmen der Glucosekonzentration
in einer Probe (12), wie in Anspruch 1 definiert, worin
der Sensor (18) einschließt:
einen dichromatischen Filter, der das zurückkommende
Licht (20) mit einer Wellenlänge, die der Wellenlänge
des Anregungslichtes (16) entspricht, zurückwirft und
das zurückkommende Licht (20) innerhalb der ersten (28;
34) und der zweiten (30; 32) Wellenlängenbande
überträgt;
eine Blende mit einer Spaltöffnung, wobei ein Teil des
zurückkommendes Lichtes (20), das durch den
dichromatischen Filter übertragen wird, den Spalt durchquert;
ein Prisma, welches das zurückkommende Licht (20), das
den Spalt durchquert, so streut, daß das zurückkommende
Licht (20) über eine Entfernung entlang einer Achse
gestreut wird, die proportional zu der Wellenlänge des
zurückkommenden Lichtes (20) ist; und
erste und zweite elektrooptische Detektoren (46), die
das erste bzw. das zweite Signal erzeugen, wobei der
erste elektrooptische Detektor in einer Entfernung
entlang der Achse angeordnet ist, die der ersten
Wellenlängenbande (28; 34) entspricht, und der zweite
elektrooptische Detektor in einer Entfernung entlang der
Achse angeordnet ist, die der zweiten Wellenlängenbande
(30; 32) entspricht.
10. Verfahren zum Bestimmen der Glucosekonzentration in
einer Probe (12), welches die folgenden Schritte
umfaßt:
Richten von Anregungslicht (16) einer geringen
Bandbreite mit einer Wellenlänge, die aus dem Bereich
zwischen 250 nm und 350 nm ausgewählt wird, auf eine Probe
(12), um die Probe dazu zu bringen, zurückkommendes
Licht (20) zu erzeugen, wobei dieses zurückkommende
Licht (20) fluoreszierendes Licht einschließt, das
durch jegliche in der Probe (12) vorhandene Glucose
erzeugt wird;
Überwachen des zurückkommendes Lichtes (20) und
Erzeugen eines ersten und zweiten Signals, wobei das erste
Signal die Intensität des zurückkommenden Lichtes (20)
innerhalb einer ersten Wellenlängenbande (28; 34)
anzeigt, wobei die erste Wellenlängenbande (28; 34)
innerhalb eines Bereiches liegt, der 30 bis 50 nm
länger ist als die Wellenlänge des Anregungslichtes (16),
und das zweite Signal die Intensität des
zurückkommenden Lichtes (20) innerhalb einer zweiten
Wellenlängenbande (30; 32) anzeigt, wobei die zweite
Wellenlängenbande (30; 32) von 380 nm bis 420 nm reicht; und
Verarbeiten des ersten und zweiten Signals und
Bestimmen der Glucosekonzentration in der Probe (12).
11. Verfahren zum Bestimmen der Glucosekonzentration in
einer Probe (12), wie in Anspruch 10 definiert, worin:
die Wellenlänge des Anregungslichtes (16), das in dem
Richtschritt verwendet wird, ca. 308 nm beträgt;
die erste Wellenlängenbande (28; 34), die indem
Überwachungsschritt verwendet wird, von 335 nm bis 355 nm
reicht; und
die zweite Wellenlängenbande (30; 32), die in dem
Überwachungsschritt verwendet wird, von 380 nm bis 420 nm
reicht.
12. Verfahren zum Bestimmen der Glucosekonzentration in
einer Probe (12), wie in Anspruch 10 definiert, worin
der Schritt des Richtens von Anregungslicht (16) auf
eine Probe (12) weiterhin den Schritt des Leitens des
Anregungslichtes (16) zu der Probe (12) umfaßt.
13. Verfahren zum Bestimmen der Glucosekonzentration in
einer Probe (12), wie in Anspruch 10 definiert, worin
der Schritt des Überwachens des zurückkommenden Lichtes
(20) weiterhin den Schritt des Leitens des
zurückkommenden Lichtes von der Probe (12) weg umfaßt.
14. Verfahren zum Bestimmen der Glucosekonzentration in
einer Probe (12), wie in Anspruch 10 definiert, worin
der Schritt des Überwachens des zurückkommenden Lichtes
(20) weiterhin umfaßt:
Nachweisen des zurückkommenden Lichtes (20) innerhalb
der ersten Wellenlängenbande (28; 34), um das erste
Signal zu erzeugen; und
Nachweisen des zurückkommenden Lichtes (20) innerhalb
der zweiten Wellenlängenbande (30; 32), um das zweite
Signal zu erzeugen.
15. Verfahren zum Bestimmen der Glucosekonzentration in
einer Probe (12), wie in Anspruch 14 definiert, worin
der Schritt des Überwachens des zurückkommenden Lichtes
(20) weiterhin den Schritt des Auflösens des
zurückkommenden Lichtes (20) in seine verschiedenen spektralen
Wellenlängen umfaßt, um das Licht innerhalb der
entsprechenden ersten (28; 34) und zweiten (30; 32)
Wellenlängenbande nachzuweisen.
16. Vorrichtung (10) geinäß Anspruch 1, wobei die Probe (12)
die Gewebe im Mund einer Person sind, umfassend:
eine Lichtquelle (14), die Anregungslicht (16)
emittiert;
einen ersten faseroptischen Wellenleiter (36, 52), der
das Anregungslicht (16) von der Lichtquelle (14) auf
die Gewebe im Mund einer Person überträgt, um die
Gewebe dazu zu bringen, zurückkommendes Licht (20) zu
erzeugen, wobei dieses zurückkommende Licht (20)
fluoreszierendes Licht einschließt, das durch jegliche in
den Geweben vorhandene Glucose erzeugt wird;
einen Sensor (18), der das zurückkommende Licht (20)
überwacht;
einen zweiten faseroptischen Wellenleiter (38; 58), der
das zurückkommende Licht (20) von den Geweben des
Mundes zu dem Sensor (18) überträgt, wobei der Sensor (18)
ein Glucosefluoreszenzsignal erzeugt, welches die
Intensität des zurückkommenden Lichtes (20) innerhalb
einer Wellenlängenbande (28; 34) anzeigt, die mit der
direkten Fluoreszenz von Glucose zusammenhängt, und ein
Referenzsignal erzeugt, welches die Intensität des
zurückkommenden Lichtes (20) innerhalb einer Referenz-
Wellenlängenbande (30; 32) anzeigt; und
eine Sonde, die den ersten (36; 52) und zweiten (38;
58) faseroptischen Wellenleiter umgibt, wobei die Sonde
so angepaßt ist, daß sie in den Mund hineingelangen
kann; und
einen Prozessor (22), der das Glucosefluoreszenzsignal
und das Referenzsignal verarbeitet, um die
Glucosekonzentration in den Geweben im Mund einer Person zu
bestimmen.
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