DE8126894U1 - Device for the quantitative in vivo determination of blood components by laser light scattering - Google Patents
Device for the quantitative in vivo determination of blood components by laser light scatteringInfo
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Description
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Dr. Arno Müller
Gartenhalde 22
Ulm-MähringenDr. Arno Mueller
Garden dump 22
Ulm-Mähringen
Vorrichtung zur quantitativen in vivo-Bestimmung von Blutkomponenten durch Laser-LichtstreuungDevice for the quantitative in vivo determination of blood components by laser light scattering
Die Erfindung betrifft eine hochempfindliche Vorrichtung zur verletzungsfreien transcutanen quantitativen Bestimmung von Blutkomponenten, insbesondere von Glucose, in vivo an lebenden Organismen.The invention relates to a highly sensitive device for the injury-free transcutaneous quantitative determination of blood components, in particular of Glucose, in vivo on living organisms.
Die Erfindung beruht auf dem physikalischen Prinzip der Lichtstreuung. Es ist bekannt, daß durch Wechselwirkung zB eines monochromatischen Lichtstrahls mit einem Molekül eine von Art und Struktur des Moleküls abhängige Lichtstreuung auftritt. In einem Mehrkomponentensystem, zB einem biologischen System, wie etwa dem menschlichen Blut, sind jedoch sehr viele verschiedene Moleküle unterschiedlicher Größe enthalten, so daß von vornherein eine selektive Bestimmung nur einer Komponente, zB der Glucose, durch Lichtstreuung nicht möglich erscheint. The invention is based on the physical principle of light scattering. It is known that by interaction For example, a monochromatic light beam with a molecule depends on the type and structure of the molecule Light scattering occurs. In a multi-component system, e.g. a biological system such as the human blood, however, contains very many different molecules of different sizes, so that of a selective determination of only one component, eg glucose, by light scattering does not appear to be possible from the outset.
709-X2145 G-SF-CH709-X2145 G-SF-CH
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochempfindliche Vorrichtung zur quantitativen transcutanen in vivo-Bestimmung von Blutkomponenten, wie Proteinen, Hämoglobin, Blutzellen und insbesondere von GIucose in vivo an lebenden Organismen anzugeben, wobei eine selektive und quantitative Bestimmung einer oder mehrerer bestimmter Komponenten auch in Gegenwart anderer gelöster bzw. disperser Substanzen möglich sein soll.The invention is based on the object of a highly sensitive device for quantitative transcutaneous in vivo determination of blood components such as proteins, hemoglobin, blood cells and in particular of glucose indicate in vivo on living organisms, with a selective and quantitative determination of one or more certain components should also be possible in the presence of other dissolved or disperse substances.
Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.The problem is solved according to the claims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt ein Laser-Diffraktometer bzw ein Laser-Streulichtphotometer dar und umfaßt im wesentlichen eine Lichtquelle, einen Probenraum, einen oder mehrere Lichtdetektoren zur Messung der Intensität des Zentralstrahls bzw des Streulichts, eine Einrichtung zur Verarbeitung der Meßwerte der Intensität des Zentralstrahls und der Streustrahlung, gegebenenfalls einen oder mehrere Spiegel sowie gegebenenfalls eine Einrichtung zur Ausgabe, Anzeige, Registrierung, Signalisation und/oder Weiterleitung der Meßergebnisse.The device according to the invention represents a laser diffractometer or a laser light scattering photometer and essentially comprises a light source, a sample space, one or more light detectors to measure the intensity of the central beam or the scattered light, a device for processing the measured values of the intensity of the central beam and the scattered radiation, if necessary one or more mirrors and, if applicable, a device for output, display, registration, Signaling and / or forwarding of the measurement results.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung gelöster niedermolekularer und bestimmter hochmolekularer Substanzen in Ein- und Mehrkomponentensystemen, wobei sich die Einzelkomponenten in den Lineardimensionen der Moleküle, ihrer Struktur und/oder Zusammensetzung und/oder im Molekulargewicht hinreichend unterscheiden, ist gekennzeichnet durch - einen im Prinzip etwa U-förmigen Träger mit einem in seinem Bodenbereich vorgesehenen Gelenk mit einer Feder, die die beiden Seitenteile des Trägers unter einem Federdruck gegeneinander drückt, und einem derartigen Abstand der beiden Seitenteile voneinander, daß in den Zwischenraum zwischen den beiden SeitenteilenThe device according to the invention for the quantitative determination of dissolved low molecular weight and certain of high molecular weight substances in single and multi-component systems, whereby the individual components are in linear dimensions sufficiently distinguish the molecules, their structure and / or composition and / or molecular weight, is characterized by - a basically U-shaped support with a joint with a spring provided in its bottom area, which presses the two side parts of the carrier against each other under spring pressure, and such Distance of the two side parts from each other that in the space between the two side parts
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des Trägers ein menschliches Ohrläppchen eingeführt und darin ohrclipartig festgehalten werden kann,a human earlobe can be inserted into the wearer and held in it like an ear clip,
- eine an bzw in einem Seitenteil des Trägers vorgesehene, in einem Kühlblock angeordnete Laserdiode, - einen über der Laserdiode angebrachten Umlenkspiegel, der das von der Laserdiode emittierte Licht um etwa 90° in etwa waagerechte Richtung umlenkt,- one provided on or in a side part of the carrier, laser diode arranged in a cooling block, - a deflecting mirror attached above the laser diode, which deflects the light emitted by the laser diode by about 90 ° in an approximately horizontal direction,
- ein gegenüber dem Umlenkspiegel am anderen Seitenteil des Trägers vorgesehenes optisches Empfangsteil, das den Zentralstrahl und die Streustrahlung des durch das in den Träger eingeführten Ohrläppchens hindurchgehenden bzw gestreuten Lichts der Laserdiode in mindestens einem vorgegebenen Winkelbereich erfaßt und über mindestens einen Lichtdetektor entsprechende elektrische Signale liefert,- An optical receiving part provided opposite the deflecting mirror on the other side part of the carrier, the the central ray and the scattered radiation of the earlobe passing through the inserted into the wearer or scattered light of the laser diode detected in at least one predetermined angular range and over at least a light detector supplies corresponding electrical signals,
- eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung mit Verstärkern und Einrichtungen zur Korrektur der Meßsignale, - an electronic signal processing device with amplifiers and devices for correcting the measurement signals,
- eine Signalanzeigeeinrichtung und/oder eine Signalausgabeeinrichtung - A signal display device and / or a signal output device
sowie |.as well as |.
- eine Stromversorgung, wobei die elektronische Signalverarbeitungseiririchtung, die Signalanzeigeeinrichtung und/oder die Signalausgabeeinrichtung sowie die Stromversorgung jeweils mit dem Träger integriert oder von ihm unabhängig vorgesehen sind.- a power supply, wherein the electronic signal processing device, the signal display device and / or the signal output device and the power supply each with the Carriers are integrated or provided independently of him.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in |'Advantageous developments of the invention are shown in | '
den Unteransprüchen angegeben. i specified in the subclaims. i
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders zur transcutanen Messung an Hautfalten und insbesondere am Ohrläppchen. Sie ist erfindungsgemäß entsprechend vorzugsweise in miniaturisierter Form ausgebildet und stellt eine ohrclipartige Anordnung dar, mit derThe device according to the invention is particularly suitable for transcutaneous measurements on skin folds and especially on the earlobe. It is according to the invention accordingly preferably designed in miniaturized form and represents an ear clip-like arrangement with the
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beispielsweise die Blutglucosekonzentratiun verletzungsfrei transcutan in vivo gemessen werden kann.for example the blood glucose concentration without injury can be measured transcutaneously in vivo.
Die Erfindung geht von der überraschenden Feststellung aus, daß entgegen der fachmännischen Erwartung gelöste niedermolekulare sowie makromolekulare Komponenten, wie etwa Proteine und Hämoglobin sowie auch größere Partikel, wie Blutkörperchen bzw. Blutzellen durch Laser- | Lichtstreuung quantitativ und selektiv bestimmt werden können.The invention is based on the surprising finding that, contrary to professional expectation, solved low-molecular and macromolecular components such as proteins and hemoglobin as well as larger particles, like blood cells or blood cells by laser | Light scattering can be determined quantitatively and selectively can.
Das Erfindungsprinzip wird im folgenden unter Bezug auf die Bestimmugn von Glucose beispielhaft erläutert. IThe principle of the invention is explained by way of example below with reference to the determination of glucose. I.
Die Größe des Glucosemoleküls liegt zwischen derThe size of the glucose molecule is between the
+ + 2+
Größe von Ionen, wie K , Na , Ca udgl und der Größe von Makromolekülen, wie etwa Lipiden, Proteinen udgl sowie
den Blutzellen. Während für die obigen Ionen vorwiegend die Weitwinkel streuung charakteristisch ist, ist
für die Makromoleküle in erster Linie die Kleinwinkelstreuung kennzeichnend. Für in der Größe dazwischenliegende
Moleküle, wie die Glucose, ist ein Streubereich maßgebend, der zwischen der Weitwinkelstreuung und der
Kleinwinkelstreuung liegt.+ + 2+
The size of ions such as K, Na, Ca and the like and the size of macromolecules such as lipids, proteins and the like as well as the blood cells. While the wide-angle scattering is predominantly characteristic of the above ions, the small-angle scattering is primarily characteristic of the macromolecules. For molecules that are in between in terms of size, such as glucose, a range of scatter is decisive that lies between the wide-angle scattering and the small-angle scattering.
Die Methodik der Lichtstreuungsmessung an kleinen Teilchen ist sowohl für Gase als auch für Lösungen theoretisch bestens untersucht (vgl. H.C. van de Hülst, Light Scattering by Small Particles, John Wiley and Sons, New York 1957, Ch. Tanford, Physical Chemistry of Macromolecules, John Wiley and Sons, New York 1961; W. Holzmüller, K. Altenburg, Physik der Kunststoffe, Akademie-Verlag, Berlin 1961 und E.P. Geiduschek und Holtzer, Advances in Biol. and Med. Phys. 6^ (1958) 431); aufgrund der vorhandenen theoretischen Grundlagen muß geprüft werden, obThe method of measuring light scattering on small particles is theoretical for both gases and solutions thoroughly investigated (see H.C. van de Hülst, Light Scattering by Small Particles, John Wiley and Sons, New York 1957, Ch. Tanford, Physical Chemistry of Macromolecules, John Wiley and Sons, New York 1961; W. Holzmüller, K. Altenburg, Physics of Plastics, Akademie-Verlag, Berlin 1961 and E.P. Geiduschek and Holtzer, Advances in Biol. And Med. Phys. 6 ^ (1958) 431); due to the existing theoretical foundations must be checked whether
,JtIOO, JtIOO
die jeweiligen Voraussetzungen für den in Frage stehenden Winkelbereich gültig sind.the respective requirements for the angular range in question are valid.
Das Verhältnis der Streulichtintensität I zur Intensität I des eingestrahlten Lichts istThe ratio of the scattered light intensity I to the intensity I of the incident light
2 1t 2 η 2 (dn/dc)2 Mc2 1t 2 η 2 (dn / dc) 2 Mc
γ = 2—4 '2 (1 + cos2 Θ) (1);γ = 2 -4 '2 (1 + cos Θ 2) (1);
ο N · \ · rο N · \ · r
in dieser Gleichung bedeuten:in this equation mean:
M I= Intensität des eingestrahlten Lichts M I = intensity of the incident light
s I= Intensität des Streulichtss I = intensity of the scattered light
η = Brechungsindex des Lösungsmittels c= molare Konzentrationη = refractive index of the solvent c = molar concentration
dn/dc = Änderung des Brechungsindex der Lösung mit derdn / dc = change in the refractive index of the solution with the
Konzentrationconcentration
M = Molekulargewicht des gelösten Stoffs N = Avogadrosche Zahl(Loschmidtsche Zahl/MolvolumenJ r = Abstand vom StreuzentrumM = molecular weight of the solute N = Avogadro's number (Loschmidt's number / molar volume J. r = distance from the scattering center
λ = Wellenlänge des eingestrahlten Lichts θ = Winkel in Vorwärtsrichtung, gemessen zum Primärstrahl .λ = wavelength of the incident light θ = angle in the forward direction, measured to the primary beam .
Üblicherweise wird in der Literatur der sog Streuvektor s eingeführt, der definiert ist durchThe so-called scatter vector s, which is defined by, is usually introduced in the literature
I-N _ 2 sin θ IN _ 2 sin θ
IS ι — -^ ■IS ι - - ^ ■
Λ.Λ.
30 Bei der Laser-Lichtstreuung ist für die Zentrallinie die exponentielle Näherung sinnvoll:30 In the case of laser light scattering, the exponential approximation is useful for the central line:
(s) = (q oVQ) · e % ' S d' (2) ,(s) = (q o V Q ) e % ' S d' (2),
35 wobei bedeuten35 where mean
- 10 -- 10 -
oV= Zahl der streuenden TeilchenoV = number of scattering particles
'O O 'O O
R = StreuitiassenradiusR = scattering radius
{vgl W. Koechner, Solid-state Laser Engineering, Springer-Verlag
New York (1976), R. Beck, W. Englisch, K. Cürs; Table of Laser Lines in Gases and Vapors, Springer, Berlin
(1976) und H. Kressel, Editor, Topics in Applied
Physics, Vol. 39, Semiconductor Devices for Optical Communication, Berlin,- Heidelberg, New York (1980)).
10{see W. Koechner, Solid-state Laser Engineering, Springer-Verlag New York (1976), R. Beck, W. English, K. Cürs; Table of Laser Lines in Gases and Vapors, Springer, Berlin (1976) and H. Kressel, Editor, Topics in Applied
Physics, Vol. 39, Semiconductor Devices for Optical Communication, Berlin, - Heidelberg, New York (1980)).
10
Der Streumassenradius der Zentrallinie ist hier in seiner physikalischen Bedeutung ein Charakteristikum für die Laserlinie und das reine Lösungsmittel (zB Wasser). Aus dem Verhältnis der Intensitäten bei s = 0 und beispielsweise s = 0,4, läßt sich der StreumassenradiusThe scattering mass radius of the central line is here in its physical meaning a characteristic for the laser line and the pure solvent (e.g. water). From the ratio of the intensities at s = 0 and for example s = 0.4, the scattering mass radius
bestimmen. Für Glucose ergibt sich bei einer Wellenlänge von 0,829 μΐη ein Verhältnis von 47,5 : 1; hieraus folgt ein Streumassenradius R von 0,233 μΐη.determine. For glucose, a ratio of 47.5: 1 results at a wavelength of 0.829 μm; it follows from this a scattering mass radius R of 0.233 μΐη.
Um die gesamte Streustrahlung zu erfassen, müssen
die auftretenden Interferenzen durch einen zusätzlichen
Term berücksichtigt werden. Für die Interferenzfunktion ergibt sich mit der gleichen Näherung, die bei Gleichung
(2) verwendet wurde, folgende Beziehung:To capture all of the scattered radiation, you have to
the occurring interferences are taken into account by an additional term. Using the same approximation that was used in equation (2), the following relationship results for the interference function:
I1 (S) =I 1 (S) =
2 π2 π
1Ö - e TO1Ö - e TO
die Konstanten R besitzen dabei folgende Bedeutung:
30the constants R have the following meaning:
30th
R1 = innerer Radius der StreuzentrenR 1 = inner radius of the scattering centers
R„ = äußerer Radius der Streuzentren, wobei dieR "= outer radius of the scattering centers, where the
Streuzonen unterschiedliche Dichte aufweisen.Scatter zones have different densities.
Die Gesamtintensität setzt sich mit guter NäherungThe total intensity is a good approximation
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additiv aus den Teilintensitäten zusammen. Da jedoch mit · zunehmender Interferenz die Amplitude stets abnimmt, muß I'(s) ein negatives Vorzeichen besitzen. Damit ergibt sich für die gesamte Streuintensität der Lösung die Beziehungadditively from the partial intensities. However, since the amplitude always decreases with increasing interference, I '(s) must have a negative sign. This results in the solution for the entire scattering intensity the relationship
Ks) = I0 (s) - I1 (s) (4) .Ks) = I 0 (s) - I 1 (s) (4).
Im Prinzip sind die Größen R. und R2 von der Konzentration der jeweiligen Lösung abhängig. Da diese Abhängigkeit jedoch bei jeder Komponente einer Mehrkomponentenlösung wegen der unterschiedlichen Wechselwirkungen sehr verschieden sein kann, wobei auch Wechselwirkungen von Molekülen unterschiedlicher Art miteinander zu berücksichtigen sind, ist diese Abhängigkeit nur sehr schwer zu ermitteln.In principle, the sizes R. and R 2 depend on the concentration of the respective solution. However, since this dependency can be very different for each component of a multicomponent solution because of the different interactions, and interactions between molecules of different types must also be taken into account, this dependency is very difficult to determine.
Ks ist deshalb sinnvoll, den Einfluß der Konzentration der gelösten Substanz, zB von Glucose, durch einen formalistischen Produktansatz der FormKs is therefore useful, the influence of concentration of the dissolved substance, for example of glucose, through a formalistic product approach of the form
Ks) = 1° (s) - F(c) · I1 (S) (5)Ks) = 1 ° (s) - F (c) I 1 (S) (5)
zu berücksichtigen, wobei für F(c) folgender Potenz- · ansatz sinnvoll erscheint:to be taken into account, whereby the following power approach appears reasonable for F (c):
F(c) = A-cB,F (c) = Ac B ,
wobei A und B empirisch zu bestimmende Konstanten darstellen.where A and B represent constants to be determined empirically.
Zunächst sollen zur Erläuterung zwei Fälle mit unterschiedlichem Streuverhalten unterschieden werden: 1. einkomponentige Lösungen und 2. mehrkomponentige Lösungen, zB biologische Systeme.First of all, two cases with different spreading behavior should be distinguished for explanation: 1. one-component solutions and 2. multi-component solutions, eg biological systems.
- 12 - - 12 -
1. Einkomponentige Lösungen, zB Lösungen von Glucose in Wasser:1. One-component solutions, e.g. solutions of glucose in water:
Aus Formel (1) resultiert Proportionalität der Intensität der Streustrahlung zur Konzentration der
streuenden Substanz; diese Proportionalität ist zumindest für niedrige Konzentrationen experimentell
zu erwarten, da bei hohen Konzentrationen die Wechselwirkungen der gelösten Moleküle untereinander zu
Interferenzerscheinungen führen können (vgl S. Flügge, (Herausgeber) Handbuch der Physik, Band XXXII
(Strukturforschung), Prof. Dr. W. W. Beeman, Size of Particles and Lattice Defects, Berlin, Heidelberg,
Göttingen, 1957).
15Formula (1) results in the proportionality of the intensity of the scattered radiation to the concentration of the scattering substance; this proportionality is to be expected experimentally, at least for low concentrations, since at high concentrations the interactions of the dissolved molecules with one another can lead to interference phenomena (see S. Flügge, (editor) Handbuch der Physik, Volume XXXII (structural research), Prof. Dr. WW Beeman , Size of Particles and Lattice Defects, Berlin, Heidelberg, Göttingen, 1957).
15th
Für llämoglobinlösungen in Wasser wurde erst im Konzentrationsbereich von 10 % und mehr eine Abnahme der Intensität der Streustrahlung bei einem Streuwinkel von etwa 1° mit steigender Konzentration expcrimcntell festgestellt.For hemoglobin solutions in water there was a decrease only in the concentration range of 10% and more Expcrimcntell the intensity of the scattered radiation at a scattering angle of about 1 ° with increasing concentration established.
Für den Fachmann bestand daher keinerlei Erwartungshaltung dafür, daß sich niedermolekulare Substanzen, wie etwa Glucose, in wäßrigen Lösungen auch bei niedrigen Konzentrationen durch Lichtstreuung quantitativ bestimmen lassen.For the person skilled in the art, there was therefore no expectation that low molecular weight substances such as For example, glucose can be determined quantitatively in aqueous solutions even at low concentrations by light scattering permit.
Es ist im Rahmen der Erfindung völlig überraschend, daß sich selbst bei Konzentrationen von Glucose um 1 % in Wasser bei Verwendung eines He-Ne-Lasers (Leistung etwa 8 mW) als Lichtquelle im Winkelbereich von 0,5 bis 1,5° eine Abnahme der Intensität der Streustrahlung mit der Konzentration ergibt, wobei das Maximum der Intensitätsänderung bei etwa 1,5° liegt. It is completely surprising in the context of the invention that even at concentrations of glucose around 1% in Water when using a He-Ne laser (power approx. 8 mW) as a light source in an angle range of 0.5 to 1.5 ° results in a decrease in the intensity of the scattered radiation with the concentration, the maximum of the change in intensity being around 1.5 °.
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Derartige überraschende Meßergebnisse sind in Fig. dargestellt, wo an der Ordinate die Änderung der Intensität
mit der Glucosekonzentration und an der Abszisse der Streuwinkel aufgetragen sind.
5Such surprising measurement results are shown in FIG., Where the change in intensity with the glucose concentration is plotted on the ordinate and the scattering angle is plotted on the abscissa.
5
Aus Gleichung (5) ergibt sich für die Änderung der Intensität mit der Glucosekonzentration die Beziehung Equation (5) gives the relationship for the change in intensity with the glucose concentration
ims) = C . IMs) (6)ims) = C. IMs) (6)
1515th
Diese Funktion ist mit den Parametern R1 = 3,0 μηι,This function is with the parameters R 1 = 3.0 μηι,
2
R2 = 3,12 μπι und 0(9.V1Zo0V0) = 0,6 in Fig. 1 für eine
1-%ige Lösung von Glucose in Wasser als gestrichelte Linie eingezeichnet. Die Meßergebnisse sind als durch-2
R 2 = 3.12 μπι and 0 (9.V 1 Zo 0 V 0 ) = 0.6 shown in Fig. 1 for a 1% solution of glucose in water as a dashed line. The measurement results are as
gezogene Kurve eingetragen. Fig. 1 zeigt entsprechend, daß der theoretische Ansatz von Gleichung (6) eine zumindest qualitativ mit der Messung hinsichtlich der Winkellage des Maximums der Intensitätsänderung gute Übereinstimmung liefert.drawn curve entered. Fig. 1 shows accordingly that the theoretical approach of equation (6) one at least qualitatively with the measurement with regard to the angular position of the maximum of the change in intensity provides good match.
2525th
Eine bessere Übereinstimmung eines theoretischen Ansatzes mit den in Fig. 1 dargestellten Meßwerten kann durch eine differenziertere Ausarbeitung der Funktion F(c) und/oder durch Untersuchung der Anhängigkeit der Radien R1 und R„ von der Konzentration der Lösung erzielt werden.A better agreement of a theoretical approach with the measured values shown in FIG. 1 can be achieved by a more differentiated elaboration of the function F (c) and / or by examining the dependence of the radii R 1 and R "on the concentration of the solution.
Eine mögliche.physikalische Interpretation der oben erläuterten überraschenden Lichtstreuerscheinungen in niedrigkonzentrierten Lösungen niedermolekula-A possible physical interpretation of the surprising light scattering phenomena explained above in low-concentration solutions low-molecular
ι · β ·ι β
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rer Substanzen ist, daß selbst bei kleinen Konzentrationen assoziative Wechselwirkuncjen zwischen den Glucosemolekülen stattfinden, wobei diese sich zu Assoziaten zusammenlagern und auf diese Weise zu einer Streustrahlung führen, die sich nicht aus den Dimensionen eines Einzelmoleküls ableiten läßt.rer substances is that even at low concentrations associative interactions between the Glucose molecules take place, whereby these assemble to form associations and in this way to lead to scattered radiation that cannot be deduced from the dimensions of a single molecule.
Aus den gemessenen Intensitäten bei 1,5° ergibt sich durch Verhältnisbildung aus den Gleichungen (2) und (3) die BeziehungThe intensities measured at 1.5 ° result in the ratio formation from equations (2) and (3) the relationship
I1(S1) (S1V1)2 · 0,0144
= I 1 (S 1 ) (S 1 V 1 ) 2 x 0.0144
=
hieraus folgtit follows from this
no n o
— = 0,5. n1- = 0.5. n 1
Dies bedeutet, daß etwa die Hälfte aller Moleküle einen Beitrag zu dieser Streustrahlung leisten.This means that about half of all molecules contribute to this scattered radiation.
2. Lichtstreuung an mehrkomponentigen Lösungen, zB biologischen Systemen wie Blut:2. Light scattering on multi-component solutions, e.g. biological systems such as blood:
Bei Mehrkomponentensystemen und insbesondere biologischen Systemen ist die Wechselwirkung der Molekü-Ie untereinander mit Sicherheit nicht mehr· vernachlässigbar. Hierdurch ergibt sich eine zwar nicht grundsätzlich unterschiedliche Form der Streukurve, jedoch ein um Größenordnungen unterschiedliches Verhältnis der Intensitäten bei verschiedenen Streuwinkeln. Während bei einkomponentigen Lösungen etwa beim oben erläuterten Beispiel ein Intensitätsverhältnis vonIn multi-component systems and especially biological systems, the interaction of the molecules is with each other with certainty no longer · negligible. This does not result in a fundamental one different shape of the scatter curve, but an order of magnitude different ratio the intensities at different scattering angles. While with one-component solutions about the above illustrated example an intensity ratio of
• ι β t> ι• ι β t> ι
- 15-- 15-
0,003 bei einem Streuwinkel von etwa 1,5° vorliegt, sind bei Mehrkomponentensystemen bei gleichem Streuwinkel Intensitäten zu erwarten, deren Verhältnis etwa gleich 1 ist. Theoretisch kann die Intensität des Zentralstrahls unter der Intensität der Streustrahlung bei bestimmten Winkeln liegen (vgl A. Guinier, X-Ray Diffraction, W. H. Freeman and Company, San Francisco, 1963). In dieser Druckschrift sind die Streuintensitäten als Funktion der Größe vm/vo untersucht und berechnet, wobei VM das Volumen des betrachteten Moleküls und V0 sein freies Volumen, das umgekehrt proportional zur Konzentration ist, be-0.003 is present at a scattering angle of about 1.5 °, intensities are to be expected in multi-component systems with the same scattering angle, the ratio of which is approximately equal to 1. Theoretically, the intensity of the central ray can be below the intensity of the scattered radiation at certain angles (cf. A. Guinier, X-Ray Diffraction, WH Freeman and Company, San Francisco, 1963). In this publication, the scattering intensities are investigated and calculated as a function of the quantity v m / v o, where V M is the volume of the molecule under consideration and V 0 is its free volume, which is inversely proportional to the concentration.
S-deuten. Für V /V0 = 0 ergibt sich die übliche Form einer |! S-interpret. For V / V 0 = 0 there is the usual form of a | !
Streukurve (Glockenkurvenform), während für V /V0 > 0,25 ? die Intensität des Zentralstrahls mit wachsendem Streuwinkel zunächst zunimmt und dann erst abnimmt.Scatter curve (bell curve shape), while for V / V 0 > 0.25? the intensity of the central ray initially increases with increasing scattering angle and only then decreases.
Untersucht man nun diese Größe zB für verschiedene Blutkomponenten,' so stellt man fest, daß sie bei GIu-If one now examines this quantity, e.g. for different blood components, one finds that it is
cose den Wert von etwa 1O~3 besitzt,, wobei zahlreiche |cose has the value of about 10 ~ 3 , with numerous |
andere Blutkomponenten ähnlich kleine Werte aufweisen, | während die Erythrocyten mit 0,4, Proteine mit 0,1 '■other blood components show similarly low values, | while the erythrocytes with 0.4, proteins with 0.1 '■
und Hämoglobin mit 0,3 für diese Betrachtungen Werte
in einem relevanten Bereich besitzen.
25and hemoglobin of 0.3 for these considerations have values in a relevant range.
25th
Für eine Konzentr&tionsbestimmung im Blut eignen sich daher die Erythrocyten, die Proteine sowie etwa das Hämoglobin, woraus sich erfindungsgemäß eine neu- \ artige transcutane Bestimmung der Erythrocytenzahl, der < Hb-Werte udgl ergibt, während die quantitative Bestimmung von Glucose im Blut auf diese Weise zunächst nicht möglich erschien.For Conc & therefore tion as intended in the blood are erythrocytes, proteins as well as hemoglobin, resulting in a newly \-like transcutaneous determination of the erythrocyte, the <Hb values resulting invention udgl while the quantitative determination of glucose in the blood in this way initially seemed impossible.
Aufgrund der Erfahrungen von Streulichtmessungen bei niedrig konzentrierten Glucoselösungen in Wasser wurdeBased on the experience of scattered light measurements with low-concentration glucose solutions in water,
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im Rahmen der Erfindung ein Versuch zur Bestimmung der Glucose in mehrkomponentigen Lösungen (wie zB Blut) unternommen, der wider Erwarten erfolgreich war.within the scope of the invention an attempt to determine the glucose in multi-component solutions (such as blood) undertaken, which, contrary to expectations, was successful.
Die Erfindung geht also von der völlig überraschenden Feststellung aus, daß auch niedermolekulare Substanzen, wie Glucose, in Mehrkomponentensystemen, wie Blut, durch Laser-Lichtstreuung quantitativ bestimmt werden können.The invention is based on the completely surprising finding that low molecular weight substances, such as glucose, in multi-component systems such as blood, can be determined quantitatively by laser light scattering.
Dieser Befund läßt sich theoretisch wie folgt erklären; This finding can theoretically be explained as follows;
Ändert sich die Konzentration einer niedermolekularen Komponente, wie etwa Glucose,im Blut, so ändern sich auch die freien Volumina der übrigen Komponenten und damit die Verhältnisse V ./V . (i = 1, 2, 3 ...), wobei die mit i indizierten Komponenten Werte im theoretisch relevanten Bereich (0,1 - Mi - 0,5) besitzen; somit ändertIf the concentration of a low molecular weight component, such as glucose, changes in the blood, then the free volumes of the other components and thus the V / V ratios also change. (i = 1, 2, 3 ...), whereby the components indicated with i have values in the theoretically relevant range (0.1 - Mi - 0.5); thus changes
Voi
sich auch die Form der Streukurve. V oi
the shape of the scatter curve.
Zur sicheren Identifizierung der zu analysierenden niedermolekularen Komponente, zB der Glucose, müssen allerdings noch zusätzliche Informationen herangezogen werden bzw bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein. Dies bedeutet vor allem, daß die Konzentrationen der relevanten Komponenten konstant bleiben müssen. Die Konstanz der Blutzellenkonzentration ist bekannt (Wissenschaftliche Tabellen Geigy, Teilband Hämatologie und Humangenetik, CIBA-GEIGY AG, Basel, 8. Auflage, 1979). Eine Beeinflussung des freien Volumens der Blutzellen durch unterschiedliche Glucosekonzentrationen ist jedoch ohnehin wegen des um etwa sieben Größenordnungen verschiedenen Molekül- bzw Partikelvolumens unwahrscheinlich. Die Proteinkonzentration schwankt andererseits beim Menschen zwischen einem Lebensalter von etwa 20 bis etwa 70 Jah-However, for reliable identification of the low molecular weight component to be analyzed, eg glucose, additional information can be used or certain requirements are met. this means above all that the concentrations of the relevant components must remain constant. The constancy of the Blood cell concentration is known (Scientific Tables Geigy, Sub-Volume Hematology and Human Genetics, CIBA-GEIGY AG, Basel, 8th edition, 1979). An influencing of the free volume of the blood cells by different However, glucose concentrations are anyway because of the different by about seven orders of magnitude Molecular or particle volume unlikely. The protein concentration, on the other hand, varies in humans between an age of about 20 to about 70 years
β β a β · β* «β *■ * * si ' f β β a β · β * «β * ■ * * si 'f
- 17 -- 17 -
ren nur um etwa 2 %, wie ebenfalls aus Wissenschaftliche. Tabellen Geigy, Teilband Hämatologie und Humangenetik, CIBA-GEIGY AG, Basel, 8. Auflage 1979 hervorgeht. Diese Schwankung ist dementsprechend extrem gering. Allerdings sind pathologische Veränderungen bekannt, die erforderlichenfalls überwacht bzw. berücksichtigt werden müssen; im Normalfall kann jedoch, beispielsweise auch bei Diabetikern, von einer Konstanz der Proteinkonzentration ausgegangen werden.ren only by about 2%, as also from scientific. Tables Geigy, Volume Hematology and Human Genetics, CIBA-GEIGY AG, Basel, 8th edition 1979. These The fluctuation is accordingly extremely small. However pathological changes are known that are monitored or taken into account if necessary have to; in normal cases, however, for example also in diabetics, the protein concentration can be assumed to be constant can be assumed.
1()1()
Die Hämoglobinkonzentration wird durch Regulationsmechanismen ebenfalls weitgehend konstant gehalten.The hemoglobin concentration is also kept largely constant by regulatory mechanisms.
Alle übrigen Blutkomponenten können ferner entweder wegen ihrer geringen Konzentration oder wegen ihres geringen Eigenvolumens in Verbindung mit ihrer geringen Konzentration unberücksichtigt bleiben.All other blood components can also either because of their low concentration or because of Their small volume in connection with their low concentration are not taken into account.
Die noch als potentielle Störsubstanzen in Frage kommenden kleinen Ionen Na , K udgl werden ebenfalls durch sehr empfindliche biologische Regelmechanismen auf konstanter Konzentration gehalten.The small ions Na, K udgl, which are still potential interfering substances, are also kept at a constant concentration by very sensitive biological control mechanisms.
Erfindungsgemäß kann also die Bestimmung der Konzentration nur einer Komponente in mehrkomponentigen Lösungen, zB von Glucose im Blut, unter den oben genannten Voraussetzungen durch Laser-Lichtstreung und Analyse der Form der Streukurve bzw durch entsprechende Intensitätsmessungen erfolgen, wobei vermutlich für die Meßbarkeit die Veränderung des freien Volumens der relevanten Komponenten verantwortlich ist; diese theoretische Begründung ist allerdings derzeit noch nicht gesichert.According to the invention, the determination of the concentration of only one component in multicomponent Solutions, for example of glucose in the blood, under the above-mentioned conditions by laser light scattering and analysis of the shape of the scatter curve or by means of corresponding intensity measurements, where the change in the free volume of the relevant components is presumably responsible for the measurability is; however, this theoretical justification has not yet been established.
Die Messung der Intensität der Streustrahlung zur Analyse der Streukurvenform kann in Vorwärtsrich-The measurement of the intensity of the scattered radiation to analyze the shape of the scatter curve can be carried out in the forward direction.
• 1 * β C «• 1 * β C «
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tung unter einem oder mehreren 'Streuwinkeln im gesamten Streuwinkelbereich von 0,5 bis 180° erfolgen. Das eingestrahlte Licht ist erfindungsgemäß vorzugsweise linear polarisiert, jedoch kann auch elliptisch polarisiertes, · zirkulär polarisiertes oder auch unpolarisiertes Licht verwendet werden.tion under one or more 'scattering angles throughout Scattering angle range from 0.5 to 180 °. According to the invention, the incident light is preferably linear polarized, but elliptically polarized, circularly polarized or unpolarized light can also be used be used.
Bei der transcutanen Messung von Streuintensitäten, dh bei der Messung durch Gewebeschichten und Blutgefäße hindurch, liegt ein Teil der Streustrahlung als inkohärente Strahlung vor. Dieser Streustrahlungsanteil wird zwar durch Sekundärstreuung an anderen Schichten stark geschwächt, ist jedoch grundsätzlich nicht vermeidbar. Die inkohärente Streuung kann durch Filter (zB Polarisationsfiltsr) teilweise unterdrückt werden, wenn die Primärstrahlung polarisiert ist. Anderenfalls muß sie als Untergrund vom Signal abgezogen werdenc With the transcutaneous measurement of scattered intensities, ie with the measurement through tissue layers and blood vessels, part of the scattered radiation is present as incoherent radiation. Although this scattered radiation component is greatly weakened by secondary scattering on other layers, it is fundamentally unavoidable. The incoherent scattering can be partially suppressed by filters (eg polarization filters) if the primary radiation is polarized. Otherwise it must be subtracted from the signal as a background c
Eine Abschätzung der theoretisch zu erwartenden Änderung der Intensität der Streustrahlung bei einer Änderung der Konzentration einer Komponente ergibt sich aus den Berechnungen von G. Fournet (A. Guinier, X-Ray Diffraction,, W. H. Freeman and Company, San Francisco, 1963). Auf dieser Basis ergibt sich für die Abhängigkeit der Intensitätsänderung vom Verhältnis VM/V das in Fig. 2 dargestellte Bild. An der Ordinate ist die prozentuale Änderung der Streuintensität, bezogen auf die Intensität bei s=0, und an der Abszisse das Verhältnis der Volumina aufgetragen. Mit steigender Glucosekonzentration, dh fallendem V /V , kann im Streuwinkelbereich um 1" prinzipiell sowohl eine zunehmende als auch eine abnehmende Signalamplitude erreicht werden, was auch von der Polarität der Teilkomponenten etwa bei einer Differenzbildung abhängt. Außerhalb des Kleinwinkelstreubereichs (zB bei θ > 10°) ist jedoch entsprechend Gleichung (1) grundsätzlich eine Zunahme der Intensität der Streustrah-An estimate of the theoretically expected change in the intensity of the scattered radiation with a change in the concentration of a component results from the calculations of G. Fournet (A. Guinier, X-Ray Diffraction, WH Freeman and Company, San Francisco, 1963). On this basis, the image shown in FIG. 2 results for the dependence of the change in intensity on the ratio V M / V. The percentage change in the scattering intensity, based on the intensity at s = 0, is plotted on the ordinate, and the ratio of the volumes is plotted on the abscissa. With increasing glucose concentration, ie decreasing V / V, an increasing as well as a decreasing signal amplitude can in principle be achieved in the scattering angle range around 1 ", which also depends on the polarity of the subcomponents, for example when forming a difference °), however, according to equation (1), an increase in the intensity of the scattered radiation
VMiaa^VMiaa ^
lit ·*.· ..·· /iSlit · *. · .. ·· / iS
» ( » · f«ft» β« · A y; J^»(» · F «ft» β «· A y; J ^
- 19 - - 19 -
lung mit der Konzentration einer niedermolekularen Substanz, zB von Glucose, zu erwarten.development with the concentration of a low molecular weight substance, such as glucose, to be expected.
Die Änderung des freien Volumens insbesondere der ;· Proteine und des Hämoglobins im Fall des Blutes durch |The change in the free volume, in particular the; Proteins and hemoglobin in the case of blood by |
eine physiologisch auftretende Änderung der Glucosekon- fc zentration, zB bei Diabetikern, von beispielsweise 5 mmol/1 fia physiologically occurring change in the glucose concentration centration, for example in diabetics, of, for example, 5 mmol / 1 fi
auf 15 mmol/1 führt zu einer Änderung von V../V um
etwa 0,4 im Bereich von 0,2 bis 0,6- Damit ist in erster
Näherung eine Intensitätsänderung von 20 % zu erwarten,to 15 mmol / 1 leads to a change of V ../ V by
about 0.4 in the range of 0.2 to 0.6- This is primarily
Approximation to expect an intensity change of 20%,
was ein recht beachtlicher Wert ist. Voraussetzung hier- γ
für ist, daß im Winkelbereich um 1° gemessen wird, was | eine sehr gute Meßtechnik erfordert. Bei einer gröberen |
Meßtechnik, wie sie etwa der später erläuterten Ausführungsform von Fig. 7 zugrundeliegt, muß daher mit einer
wesentlich verringerten Meßempfindlichkeit gerechnet
werden.which is quite a respectable value. Γ is here- prerequisite for that is measured in the angle range of 1 °, | requires a very good measurement technique. With a coarser | Measurement technology, as it is based on the embodiment of FIG. 7 explained later, must therefore be provided with a
significantly reduced measuring sensitivity expected
will.
Eine zusätzliche grundsätzliche Schwierigkeit beiAn additional fundamental difficulty with
der Messung zB von Blutkomponenten durch Laser-Lichtstreuung an einem geeigneten Körperteil, zB dem Ohrläpp- j chen, ergibt sich aus dessen wechselnder Durchblutung, jjj was dazu führen kann, daß gänzlich verschiedene Meßsignale bei gleicher Glucosekonzentration erhalten werden.the measurement, for example, of blood components by laser light scattering on a suitable part of the body, for example the ear lobe chen, results from its changing blood flow, jjj which can lead to completely different measurement signals being obtained with the same glucose concentration.
Eine entsprechende Korrektur ist jedoch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung technisch ohne weiteres möglich.
Hierfür wird vorteilhafterweise die Intensität
des Zentralstrahls oder das Verhältnis der Intensität ;;A corresponding correction is, however, technically easily possible with the device according to the invention. The intensity is advantageously used for this
of the central ray or the ratio of the intensity ;;
des Zentralstrahls zur Intensität der Streustrahlung |of the central ray to the intensity of the scattered radiation |
herangezogen. So wird beispielsweise bei einer fest vor- f gegebenen Lichtintensität die Intensität des Zentralstrahls gemessen und das Meßsignal durch Differenzbildung mit einem individuell vorgegebenen Sollwert korrigiert, wobei ein empirisch zu bestimmender Vorfaktorused. Thus, the intensity of the center beam is measured, for example, and the measuring signal corrected by difference with a predetermined desired value individually at a fixed pre-f given light intensity, wherein an empirically determining prefactor
benützt werden kann. ) can be used. )
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Die Messung der Konzentration einer Komponente einer mehrkomponentigen Lösung, zB der Glucosekonzentration im Blut, erfolgt erfindungsgemäß, wie oben erläutert und abgeleitet, durch Analyse der Streukurvenform und Ermittlung desjenigen Winkelbereichs der Streustrahlung, in die größte Intensitätsänderung in Abhängigkeit von der Konzentration der zu bestimmenden Komponente vorliegt. Am einfachsten kann die Messung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem sog Zweisignal-Verfahren durchgeführt werden, jedoch ist selbstverständlich auch eine Intensitätsmessung unter kontinuierlicher Änderung des Streuwinkels durchführbar, was jedoch apparativ einen größeren Aufwand erfordert. Beim Zweisignal-Verfahren wird die Intensität des Zentralstrahls sowie eine zweite Intensität unter einem bestimmten Streuwinkel gemessen. Der Winkelbereich, innerhalb dessen die zweite Intensität gemessen wird, wird vorteilhaft so gewählt, daß die Änderung der Intensität der Streustrahlung mit der Änderung der zu messenden Konzentration in diesem Bereich maximal wird.The measurement of the concentration of one component of a multicomponent solution, e.g. the glucose concentration in the blood, according to the invention, as explained and derived above, by analyzing the shape of the scatter curve and determining that angular range of the scattered radiation in which the greatest change in intensity is dependent on the concentration of the component to be determined is available. The measurement can be carried out most simply in the method according to the invention Device can be carried out according to the so-called two-signal method, but is of course also an intensity measurement can be carried out with a continuous change in the scattering angle, which, however, is one in terms of apparatus requires greater effort. In the two-signal method, the intensity of the central beam and a second Intensity measured at a certain scattering angle. The angular range within which the second intensity is measured is advantageously chosen so that the change in the intensity of the scattered radiation with the change the concentration to be measured in this area is the maximum will.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt prinzipiell einen optischen Teil, einen elektrischen bzw elektronischen Teil sowie einen mechanischen Teil,, Sie weist im wesentlichen folgende Bestandteile auf:The device according to the invention basically comprises an optical part, an electrical or electronic part as well as a mechanical part, it essentially comprises the following components:
A) Optischer TeilA) Optical part
a) Lichtquelle (Laser, Laserdiode)a) light source (laser, laser diode)
b) gegebenenfalls einen Umlenkspiegel (fest oder beweglich)b) if necessary a deflection mirror (fixed or movable)
c) Probe bzw Probenhalter + Küvettec) sample or sample holder + cuvette
d) gegebenenfalls einen Umlenkspiegel (fest oder beweglich)d) if necessary a deflection mirror (fixed or movable)
e) optisches Empfangsteil mit getrennter Er-e) optical receiver with separate
fassung von mindestens zwei Winkelbereichen,setting of at least two angular ranges,
1 » 6 * β Λ Ρ "■ ff · C * >'.1 »6 * β Λ Ρ " ■ ff · C *>'.
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falls die Spiegel b) und/oder d) nicht beweglich sind,
undif the mirrors b) and / or d) are not movable,
and
f) ein oder mehrere Lichtdetektoren. 5f) one or more light detectors. 5
B) Elektrischer TeilB) Electrical part
a) Stromversorgung für die Lichtquelle, gegebenenfalls steuerbar oder regelbara) Power supply for the light source, optionally controllable or adjustable
b) Stromversorgung für die Lichtdetektorenb) Power supply for the light detectors
c) gegebenenfalls Intensitätsregelung für die Lichtquellec) if applicable, intensity regulation for the light source
d) Verstärker für die Signale der Lichtdetektoren der verschiedenen Winkelbereiche, entsprechend der Sektorierung des optischen Empfangsteilsd) Amplifier for the signals from the light detectors of the various angular ranges, according to the sectoring of the optical receiving part
e) Differenzbildner, Addierglied, Quotientenbildner und/oder Multiplizierere) Difference generator, adder, quotient generator and / or multiplier
f) Signalverarbeitungsteil (Mikroprozessor, Mikrocomputer oder Rechner) mit Speicher, Konstanten, Ein- und Ausgabemöglichkeitf) signal processing part (microprocessor, microcomputer or computer) with memory, Constants, input and output options
g) Signalanzeigegerätg) signal indicator
h) Ausgabevorrichtung (Drucker, Schreiber udgl).h) Output device (printer, writer, etc.).
Der mechanische Aufbau ist auf die spezielle Messung am Ohrläppchen ausgerichtet; der mechanische Teil der Vorrichtung ist erfindungsgemäß ohrclipartig klappbar ausgebildet und weist eine feste oder bewegliche Lichtquelle, feste oder bewegliche Umlenkeinrichtungen, wie Umlenkspiegel, ein festes oder bewegliches optisches Empfangsteil, vorzugsweise mit Winkelbereichssektorierung, sowie eine Befestigungseinrichtung zur Befestigung an einem geeigneten Kör-The mechanical structure is geared towards the special measurement on the earlobe; the mechanical According to the invention, part of the device is designed to be foldable in the manner of an ear clip and has a fixed or movable one Light source, fixed or movable deflection devices such as deflection mirrors, a fixed or movable optical receiving part, preferably with Angular area sectoring, as well as a fastening device for attachment to a suitable body
ι t> # β β if ι» ι* «ι a « ν * » nt / ι t># β β if ι »ι * « ι a «ν *» nt /
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perteil, ζΒ am Ohrläppchen, auf.pteil, ζΒ on the earlobe.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, deren Prinzip in Fig. 9a dargestellt ist, ist gekennzeichnet durch - einen im Prinzip etwa U-förmigen Träger _T_ mit einem in seinem Bodenbereich vorgesehenen Gelenk ^_mit einer Feder, die die beiden Seitenteil des Trägers unter einem Federdruck gegeneinander drückt, und einem derartigen Abstand der beiden Seitenteile voneinander, daß in den Zwischenräumen zwischen den beiden Seitenteilen des Trägers_T_ ein menschliches Ohrläppchen eingeführt und darin ohrclipartig festgehalten werden kann,The device according to the invention, the principle of which is shown in FIG. 9a, is characterized by - a basically U-shaped beam _T_ with a Joint provided in its base area with a Spring which presses the two side parts of the carrier against one another under spring pressure, and such a Distance of the two side parts from each other that in the spaces between the two side parts of the carrier_T_ inserted a human earlobe and can be held in it like an ear clip,
- eine an bzw. in einem Seitenteil des Trägers T vorgesehene, gegebenenfalls in einem Kühlblock K angeordnete Laserdiode _p_ ,- One provided on or in a side part of the carrier T, optionally arranged in a cooling block K Laser diode _p_,
- einen über der Las2J9iode _D_ angebrachten Umlenkspiegel U, der das an der Laserdiode I). emittierte Licht um etwa 90° in etwa waagerechte Richtung umlenkt,- a deflecting mirror attached above the laser diode _D_ U, the one at the laser diode I). emitted light around deflects about 90 ° in an approximately horizontal direction,
- ein gegenüber dem Umlenkspiegel U_ am anderen Seitenteil des Trägers vorgesehenes optisches Empfangsteil _E_, das den Zentralstrahl und die Streustrahlung des durch das in den Träger T_ eingeführte Ohrläppchen hindurchgehenden bzw. gestreuten Lichts der Laserdiode_D_ in mindestens einem vorgegebenen Winkelbereich erfaßt und über mindestens einen Lichtdetektor entsprechende elektrische Signale liefert,- An optical receiving part _E_ provided opposite the deflecting mirror U_ on the other side part of the carrier, which detects the central beam and the scattered radiation of the light of the laser diode_D_ passing or scattered through the earlobe inserted into the carrier T_ in at least one predetermined angular range and correspondingly via at least one light detector supplies electrical signals,
- eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung mit Verstärkern und Einrichtungen zur Korrektur der Meßsignale, - an electronic signal processing device with amplifiers and devices for correcting the measurement signals,
- eine Signalanzeigeeinrichtung und/oder Signalausgabeeinrichtung
sowie- A signal display device and / or signal output device
as
- eine Stromversorgung,- a power supply,
wobei die elektronische SignalVerarbeitungseinrichtung, die Signalanzeigeeinrichtung und/oder die Signalausgabe-wherein the electronic signal processing device, the signal display device and / or the signal output
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einrichtung sowie die Stromversorgung jeweils mit dem Träger T_integriert oder von ihm unabhängig vorgesehen sind.device and the power supply are each integrated with the carrier T_ or provided independently of it.
Das optische Empfangsteil empfängt dabei je nach Ausführungsform bis zu vier oder auch mehr Signale verschiedener Streuwinkelbereiche neben dem des Zentralstrahls. Das optische Empfangsteil E und der optische Sendeteil mit der Lichtquelle weisen ferner entsprechende elektrische Zuleitungen bzw Verbindungsleitungen zur Stromquelle und gegebenenfalls zur Siynalverarbeitungseinrichtung auf.Depending on the embodiment, the optical receiving part receives up to four or more different signals Scattering angle ranges next to that of the central ray. The optical receiving part E and the optical The transmitter part with the light source also has corresponding electrical supply lines or connecting lines Power source and possibly to the Siynalververarbeitungeinrichtung on.
Nach einer besonders günstigen Ausführungsform besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung ein optisches Empfangsteil J!_, dessen prinzipieller Aufbau in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Dieses optische Empfangsteil _E_ besitzt ein Gehäuse 5p, in dessen Bodenfläche ein Lichtdetektor 2p zentrisch vorgesehen ist und dessen Innenfläehe sich vom Lichtdetektor 2p aus gesehen nach außen ko- j,; nisch erweitert, |According to a particularly favorable embodiment the device according to the invention has an optical receiving part J! _, the basic structure of which is shown schematically in FIG. 3 is shown. This optical receiving part _E_ has a housing 5p, in the bottom surface of which a light detector 2p is provided centrally and its inner surface seen from the light detector 2p outward ko j ,; niche extended, |
einen an der offenen Seite des Gehäuses 5p konzentrisch | in der Konusfläche vorgesehenen ringförmigen Glaskörper $ 3p aus Glas oder einem anderen lichtdurchlässigen Material, dessen Innenfläche sich vom Lichtdetektor 2p_ aus gesehen nach außen konisch verengt, eine im Glaskörper 3p konzentrisch angeordnete strahlungsundurchlässige oder strahlungsundurchlässig beschich- ; tete Hülse 4p, die an ihrem nach außen gerichteten Ende i:one on the open side of the case 5p concentrically | Ring-shaped glass body $ 3p made of glass or another translucent material provided in the conical surface, whose inner surface narrows conically towards the outside as seen from the light detector 2p_, a radiopaque or radiopaque coating arranged concentrically in the glass body 3p; tete sleeve 4p, which at its outwardly directed end i:
bis auf eine zentrale Öffnung verschlossen ist, <is closed except for a central opening, <
und einen in der Hülse 4p konzentrisch und in der optischen Achse der Anordnung vorgesehenen Lichtdetektor Ip, wobei der Durchmesser Dl1 der Zentralöffnung der Hülse 4p, der Durchmesser D>2_ der außen liegenden Bodenfläche der Hülse 4p und der Durchmesser D_3 der außen liegenden Bo-and a light detector Ip provided concentrically in the sleeve 4p and in the optical axis of the arrangement, the diameter Dl 1 of the central opening of the sleeve 4p, the diameter D> 2_ of the outer bottom surface of the sleeve 4p and the diameter D_3 of the outer bottom surface
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denfläche des Glaskörpers 3p sowie der Konus-Halbwinkel QL der Hülse 4p und der Konus-Halbwinkel jß_ des Gehäuses jj£ bzw des Innenkonus des Glaskörpers ^P. so ausgelegt sind, daß der Lichtdetektor 2p die in den zugrundeliegenden Streuwinkelbereich fallende Streustrahlung möglichst vollständig erfaßt.the surface of the glass body 3p and the cone half-angle QL of the sleeve 4p and the cone half-angle jß_ of the housing jj £ or the inner cone of the glass body ^ P. are designed so that the light detector 2p detects the scattered radiation falling in the underlying scattering angle range as completely as possible.
Die Innenfläche des Gehäuses 5p bzw die Außenfläche des Glaskörpers 3p und/oder die Außenfläche der Hülse 4p bzw die Innenfläche des Glaskörpers 3p sind dabei vorzugsweise im Querschnitt parabelförmig gekrümmt ausgebildet. The inner surface of the housing 5p or the outer surface of the glass body 3p and / or the outer surface of the sleeve 4p or the inner surface of the glass body 3p are preferably designed with a parabolic curvature in cross section.
Besonders günstig ist ferner ein in Form einer Lichtpfeife ausgebildetes optisches Empfangsteil in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Furthermore, an optical receiving part in the form of a light whistle in the inventive device is particularly favorable Contraption.
Bei einer besonders günstigen alternativen Ausfüh- | rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das optisehe Empfangsteil E_, wie aus den Fig. 4a und 4b schematisch hervorgeht, flach ausgebildet und ist aus vier übereinander angeordneten Schichten 1-4 aufgebaut, von denen die unterste Schicht _1_ lichtempfindlich ist, die darüberliegende zweite Schicht _2_ strahlungsundurchlässig ist und eine in der optischen Achse liegende zentrale Öffnung mit dem Durchmesser Dl_ aufweist, die darüberliegende dritte Schicht _3_ lichtempfindlich ist und eine zentra-Ie, konzentrische Öffnung mit dem Durchmesser D2. aufweist und die darüberliegende vierte Schicht j4_ eine konzentrische zentrale Öffnung mit dem Durchmesser Ό3_ besitzt, wobei die Durchmesser Ol_ bzw Ό2_ und D3_ so gewählt sind, daß die Schicht ^1_ den Zentralstrahl und die Schicht _3_ die in den der Messung zugrundeliegenden Streuwinkelbereich fallende Streustrahlung möglichst vollständig erfassen. With a particularly favorable alternative execution | Approximate form of the device according to the invention, the optical receiving part E_, as shown schematically in FIGS. 4a and 4b, has a flat design and is composed of four layers 1-4 arranged one above the other, of which the lowest layer _1_ is light-sensitive, the second layer _2_ above it is opaque to radiation and has a lying in the optical axis central opening with a diameter dL, the overlying third layer _3_ is light sensitive and a central Ie, concentric opening with the diameter D2. and the overlying fourth layer j4_ has a concentric central opening with the diameter Ό3_ , the diameters Ol_ or Ό2_ and D3_ being chosen so that the layer ^ 1_ the central ray and the layer _3_ the scattered radiation falling in the scattering angle range on which the measurement is based, if possible capture completely.
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Die Schichten _2_, 3_ und _4_ können allgemein entweder lichtempfindlich sein oder nur Maskenfunktion besitzen, je nachdem, ob nach einem Zweisignal-Verfahren, einem Dreisignal-Verfahren oder einem Mehrsignal-Verfahren gemessen werden soll.Layers _2_, 3_ and _4_ can generally either be light-sensitive or only have a mask function, depending on whether measurements are to be carried out using a two-signal method, a three-signal method or a multi-signal method.
Nach einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform, die in Fig. 4c dargestellt ist, ist das optische Empfangsteil E_ ebenfalls flach ausgebildet und aus drei übereinander angeordneten Schichten 5, 6, 7 aufgebaut, wobei die oberste Schicht 5_ lichtundurchlässig ist und eine ringförmige Öffnung mit den Durchmessern Ό2_ und p_3_ und eine zentrale Öffnung mit dem Durchmesser £l_ aufweist, unter der obersten Schicht _5_ eine lichtempfindliehe Schicht J5_ mit einer zentralen konzentrischen Öffnung, deren Durchmesser zwischen .Dl und D2_ liegt und eine darunterliegende lichtempfindliche Schicht _7_ vorgesehen sind, wobei die Schicht _5_ als Maske für die darunterliegenden Schichten Jj^ und J_ wirkt und die Durchmesser _D1^ bzw. _D2 und E>j$ so gewählt sind, daß die Schicht J7_ den Zentralstrahl und die Schicht 6_ die in den der Messung zugrundeliegenden Streuwinkelbereich fallende Streustrahlung möglichst vollständig erfassen.According to a further advantageous embodiment of the invention, which is shown in Fig. 4c, the optical receiving section E_ is also flat and made up of three superposed layers 5, 6, 7, wherein the uppermost layer 5_ is opaque and an annular opening with the diameters Ό2_ and p_3_ and a central opening with the diameter £ l_, under the top layer _5_ a light-sensitive layer J5_ with a central concentric opening, the diameter of which is between .Dl and D2_ and an underlying light-sensitive layer _7_ are provided, the layer _5_ acts as a mask for the underlying layers Jj ^ and J_ and the diameters _D1 ^ or _D2 and E> j $ are chosen so that the layer J7_ covers the central ray and the layer 6_ the scattered radiation falling in the scattering angle range on which the measurement is based as completely as possible .
Für einen sehr einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein optisches Empfangsteil E_mit nur einem Lichtdetektor und einem zugehörigen Umlenkspiegel günstig, der so angeordnet ist, daß er zwei festgelegte Stellungen einnehmen kann, wobei er in der einen Stellung den Zentralstrahl und in der anderen Stellung die Streustrahlung auf den Lichtdetektor reflektiert.For a very simple structure of the device according to the invention, an optical receiving part E_ with only one light detector and an associated deflecting mirror is favorable, which is arranged so that it can occupy two fixed positions, in one position the central beam and in the other position the Scattered radiation reflected on the light detector.
Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere der elektronische Signalverarbeitungsteil, können ferner auch in einem Brillengestell oder etwa in üblichemParts of the device according to the invention, in particular the electronic signal processing part, can also be in a spectacle frame or in the usual way
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Schmuck (Armbanduhr, Armreif, Halsband, Halskette udgl) integriert sein.Jewelry (wristwatch, bangle, collar, necklace, etc.) be integrated.
Die einzelnen elektrischen bzw. elektronischen Komponenten können ferner erfindungsgemäß auf unterschiedliche Vorrichtungsteile verteilt und mit diesen teilweies oder ganz integriert sein.According to the invention, the individual electrical or electronic components can also be different Device parts distributed and partially or fully integrated with these.
Der elektronische Teil selbst ist erfindungsgemäß vorzugsweise teilweise oder ganz in integrierter Form ausgebildet. Vorteilhafterweise kann auch der optische Teil, insbesondere das optische Empfangsteil, in integrierter Form ausgebildet sein.The electronic part itself is preferred according to the invention partially or entirely formed in an integrated form. Advantageously, the optical part, especially the optical receiving part, in integrated Form be formed.
Für die Komponenten des optischen Sendeteils können handelsübliche Bauteile verwendet sein.Commercially available components can be used for the components of the optical transmitter part.
Gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des optischen Empfangsteils haben die Vorrichtungen der Fig. 4a und 4c den Vorteil einer erheblich geringeren Einbautiefe; diese flachen Empfangsteile können jedoch nicht aus handelsüblichen diskreten Bauelementen aufgebaut werden.Compared to the embodiment shown in FIG of the optical receiving part, the devices of FIGS. 4a and 4c have the advantage of being considerably less Installation depth; however, these flat receiving parts can cannot be constructed from commercially available discrete components.
Der elektrische bzw. elektronische Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dagegen aus handelsüblichen Bauelementen aufgebaut sein. Derjenige Teil, der zur Intensitätsregelung der Lichtquelle vorgesehen ist, kann erforderlichenfalls ein Regler mit einer speziellen Form der Regelkennlinie sein, da beispielsweise Laserdioden bekanntermaßen eine stark nichtlineare Strom-Intensitäts-Charakteristik aufweisen.The electrical or electronic part of the device according to the invention, on the other hand, can be made from commercially available Be constructed components. That part which is provided for regulating the intensity of the light source can if necessary, a regulator with a special shape of the control characteristic, since laser diodes, for example, are known to have a strongly non-linear current-intensity characteristic exhibit.
Die Signalverarbeitung in der Signalverarbeitungseinrichtung kann erfindungsgemäß sowohl digital als auchThe signal processing in the signal processing device can according to the invention both digitally and
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analog erfolgen. v ··take place analogously. v ··
Digitale Signalverarbeitungdigital signal processing
In Fig. 5 ist ein Prinzipschaltbild des elektrischen Teils einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit digitaler Signalverarbeitung dargestellt. Die Anordnung umfaßt eine Stromversorgung _8_, einen Regelverstärker _9_ für die Lichtquelle, eine Lichtquelle J1O- sowie verschiedene Lichtdetektoren 1_2/ die das von der Probe 2_1 durchgelassene bzw gestreute Licht erfassen und entsprechende Meßsignale liefern. Im einfachsten Fall sind nur zwei Lichtdetektoren 12 vorgesehen, aus deren Meßsignalen in Verbindung mit einem Referenzsignal bis zu maximal fünf Signalgrößen (zwei absolute und drei relative) abgeleitet werden können. Die Erzeugung der relativen Signalgrößen kann dabei vor oder nach der Umwandlung der Meßsignale in digitale Signale erfolgen,FIG. 5 shows a basic circuit diagram of the electrical part of a device according to the invention with digital signal processing. The arrangement comprises a power supply _8_, a variable gain amplifier _9_ for the light source, a light source 1 J O - and various light detectors 1_2 / which detect the light transmitted through the sample or scattered light 2_1 and provide corresponding measurement signals. In the simplest case, only two light detectors 12 are provided, from whose measurement signals in conjunction with a reference signal up to a maximum of five signal quantities (two absolute and three relative) can be derived. The generation of the relative signal quantities can take place before or after the conversion of the measurement signals into digital signals,
Die Meßsignale der Lichtdetektoren 1_2_ werden durch zugeordnete Signalverstärker ]^3_ bis 1J[ verstärkt und über Analog-Digital-Wandler 2A^ zu einem Meßwertverarbeitungsteil Γ7 geleitet, das aus einem Mikroprozessor, einem Mikrocomputer oder einem sonstigen Rechner bestehen kann.The measuring signals of the light detectors 1_2_ are amplified by assigned signal amplifiers] ^ 3_ to 1J [and passed via analog-digital converter 2A ^ to a measured value processing part Γ7, which can consist of a microprocessor, a microcomputer or other computer.
Ein oder mehrere Differenzverstärker lt>_ oder dergleichen liefern die relativen Intensitäten. Das Meßwertverarbeitungsteil erzeugt aufgrund vorgegebener Funktionen bzw Programme aus den Meßsignalen Signale, die die Signalausgabe steuern, korrigiert die Meßsignale durch Vergleich mit eingegebenen Konstanten und/oder in anderer Weise, beispielsweise durch Differenzbildung, Quotientenbildung, Addition oder Subtraktion, und erzeugt ferner die erforderlichen Regelgrößen, die dann zB über Digital-Analog-Wandler 21_ zum Regelverstärker _9_ gelangen. Das Meßwertverarbeitungsteil Γ7 ist ferner gegebenenfalls so ausgebildet, daß es steigende oder fallende Tendenzen desOne or more differential amplifiers or the like supply the relative intensities. The measured value processing part generates signals from the measured signals that control the signal output on the basis of predetermined functions or programs, corrects the measured signals by comparing them with entered constants and / or in some other way, for example by forming differences, forming quotients, adding or subtracting, and also generates the required control variables, which then reach the control amplifier _9_ via digital-to-analog converter 21_, for example. The measured value processing part Γ7 is also designed so that there are rising or falling tendencies of the
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Meßsignals bzw des ausgegebenen Signals erkennt und anzeigt; das Meßwertverarbeitungsteil erzeugt ferner vorzugsweise durch eine geeignete Peripherie akustische und/ oder optische Signale bei einstellbaren oberen und/oder unteren Grenzwerten, beispielsweise Warnsignale. Die Vorrichtung kann ferner so ausgelegt sein, daß sie mit anderen Datenverarbeitungseinrichtungen kompatibel ist und an andere Datenverarbeitungseinrichtungen angeschlossen werden kann. Die Ergebnisausgabe erfolgt über ein Anzeigeinstrument 18, beispielsweise ein Digital-Voltmeter oder andere Anzeigeeinrichtungen; die Vorrichtung umfaßt ferner eine Ausgabeeinrichtung \3_, die einen Meßwertdrucker, einen Schreiber oder ein ähnliches registrierendes und/oder anzeigendes Instrument darstellt.Detects and displays the measurement signal or the output signal; the measured value processing part furthermore generates acoustic and / or optical signals, preferably by means of suitable peripherals, in the case of adjustable upper and / or lower limit values, for example warning signals. The device can also be designed so that it is compatible with other data processing devices and can be connected to other data processing devices. The results are output via a display instrument 18 , for example a digital voltmeter or other display devices; The device further comprises an output device \ 3_ which represents a measured value printer, a writer or a similar recording and / or displaying instrument.
Analoge SignalverarbeitungAnalog signal processing
In Fig. 6 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des elektrischen Teils einer erfindungsgemäßen Vor- richtung dargestellt, bei der die Signalverarbeitung analog erfolgt. Die Schaltung umfaßt wie die in Fig. 5 dargestellte Schaltung eine Stromversorgung _8_, einen Regelverstärker _9_ für die Lichtquelle, eine Lichtquelle l_0_ und zwei Lichtdetektoren 1_2_, die den Zentralstrahl bzw. die von der Probe 1JL_ kommende Streustrahlung erfassen.FIG. 6 shows a block diagram of an embodiment of the electrical part of a device according to the invention, in which the signal processing takes place analogously. Like the circuit shown in FIG. 5, the circuit comprises a power supply _8_, a control amplifier _9_ for the light source, a light source 1_0_ and two light detectors 1_2_ which detect the central beam or the scattered radiation coming from the sample 1JL_.
Die in Fig. 6 dargestellte Schaltung ist für das Zweisignal-Verfahren ausgelegt; Verfahren, die auf der Erfassung von drei oder mehr Signalen beruhen, führen bei analoger Signalverarbeitung rasch zu sehr umfangreichen Schaltungen. Die Vorrichtung weist entsprechend nur zwei Lichtdetektoren ji_2_ auf.The circuit shown in FIG. 6 is designed for the two-signal method; Procedures based on the Acquisition of three or more signals are based on analog signal processing quickly lead to very extensive Circuits. The device accordingly has only two light detectors ji_2_.
Die Vorrichtung umfaßt ferner einen Differenzver-The device also includes a differential
stärker mit Integrator ^2, der das Differenzsignal der jstronger with integrator ^ 2, which is the difference signal of the j
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Signale a^ und _b_ der Lichtdetektoren I^ integriert (Zeitkonstante X = 1 bis 10 s); das resultierende Signal wird in den Verstärkern 2_3_ und 2A. nochmals verstärkt und mit einer Anzeigeeinrichtung 18 angezeigt. Der Verstärker 2_3_ wird dabei durch das Verhältnis der beiden Meßwerte a/b über den Quotientenbildner 25_ und der Verstärker 2_4. durch die Differenz des durch den Signalverstärker 13 verstärkten Meßwerts a_ und der am Widerstand _R_ einstellbaren Spannung gesteuert. Das Meßsignal wird durch die in Fig.Signals a ^ and _b_ of the light detectors I ^ integrated (time constant X = 1 to 10 s); the resulting signal is used in amplifiers 2_3_ and 2A. again amplified and displayed with a display device 18. The amplifier 2_3_ is determined by the ratio of the two measured values a / b via the quotient generator 25_ and the amplifier 2_4. controlled by the difference between the measured value a_ amplified by the signal amplifier 13 and the voltage that can be set at the resistor _R_. The measurement signal is given by the in Fig.
6 dargestellte Schaltung entsprechend durch den Verstärker 23 relativ und durch den Verstärker 24 absolut korrigiert; das resultierende Signal wird mit der Anzeigeeinrichtung 1_8 angezeigt.The circuit shown in FIG. 6 is correspondingly corrected relatively by the amplifier 23 and absolutely corrected by the amplifier 24; the resulting signal is displayed with the display device 1_8.
Die Absolutintensität des Signals _b_ kann ferner erforderlichenfalls über einen Regelverstärker 21_ zur Stabilisierung der Intensität der Lichtquelle IjO herangezogen werden. Die Schaltung von Fig. 6 umfaßt ferner einen Grenzwertgeber 2J[, der einen oberen und/oder unteren Grenzwert des Signals signalisiert (er besteht beispielsweise aus zwei Schmitt-Triggern). Die steigende oder fallende Tendenz des Signals kann vom Integrator 2_2_ abgeleitet werden. Die Schaltung umfaßt schließlich auch eine Ausgabeeinrichtung Γ9_, dh beispielsweise ein registrierendes und gegebenenfalls auch anzeigendes Meßinstrument, zB einen Drucker oder einen Schreiber.The absolute intensity of the signal _b_ can, if necessary, also be used via a control amplifier 21_ to stabilize the intensity of the light source IjO. The circuit of FIG. 6 also includes a limit value transmitter 2J [which signals an upper and / or lower limit value of the signal (it consists, for example, of two Schmitt triggers). The increasing or decreasing tendency of the signal can be derived from the integrator 2_2_. Finally, the circuit also includes an output device Γ9_, that is to say, for example, a measuring instrument that records and optionally also displays, for example a printer or a writer.
Auch die Schaltung von Fig. 6 kann ferner so ausgelegt sein, daß sie mit anderen, gegebenenfalls unabhängigen Datenverarbeitungseinrichtungen oder -anlagen kompatibel ist und verbunden werden kann.The circuit of FIG. 6 can also be designed in such a way that it can be combined with other, possibly independent Data processing devices or systems is compatible and can be connected.
Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Schaltungen können ferner auch so ausgelegt sein, daß sie mit Hilfe der resultierenden Signale, die von der Anzeigeeinrich-The circuits shown in FIGS. 5 and 6 can also be designed so that they with the help of the resulting signals, which are sent by the display device
It»)It »)
• I 1• I 1
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tung J_8 angezeigt oder von der Ausgabeeinrichtung ljj_ registriert werden, unabhängige Geräte wie beispielsweise Infusionseinrichtungen und insbesondere Vorrichtungen zur Insulindosierung, die gegebenenfalls auch implantierbar sein können, angesteuert werden können.device J_8 displayed or registered by the output device ljj_ become independent devices such as infusion devices and in particular devices for Insulin dosing, which can optionally also be implantable, can be controlled.
In Fig. 7 ist das Prinzipschaltbild des elektronischen Teils einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, der auf der analogen Signalverarbeitung beruht.In Fig. 7 is the basic circuit diagram of the electronic part of an embodiment of the invention Device shown based on analog signal processing is based.
Auch in dieser Ausführungsform sind alle Funktionen der Schaltung von Fig. 6 mit Ausnahme des Regelverstärkers 21_, des Grenzwertgebers _2_8_ und der Ausgabeeinrichtung JL_9 enthalten. Die Funktionen sind jedoch teilweise vereinfacht bzw zusammengefaßt, wobei der Meßverstärker 30, der bei Fig. 8 näher erläutert ist, die Funktionen des Signalverstärkers 1_3, des Integrators 2^., der Verstärker 22. und 2J, des Quotientenbildners 2_5 und des Differenzverstärkers _1_6 von Fig. 6 übernimmt.This embodiment also contains all the functions of the circuit of FIG. 6 with the exception of the control amplifier 21_, the limit value transmitter _2_8_ and the output device JL_9. The functions are, however, partly simplified or combined, wherein the measuring amplifier 30, which is explained in more detail in Fig. 8, the functions of the signal amplifier 1_3, the integrator 2 ^., The amplifier 22 and 2J, the quotient former 2_5 and the differential amplifier _1_6 of Fig. 6 takes over.
Zur Stromversorgung wird von der Netzspannung, (zB 220 V) ausgegangen, die zunächst in mehrere, beispielsweise vier, Niederspannungen umgesetzt wird.The power supply is based on the mains voltage (e.g. 220 V), which is initially divided into several, e.g. four, low voltage is implemented.
Eine alternative Stromversorgung durch Batterien kann vorgesehen sein. Die Schaltung weist eine Stromversorgung 29_ auf, die den Meßverstärker .30 mit einer stabilisierten Spannung, beispielsweise - 6 V, versorgt. Ferner werden die beiden Lichtdetektoren Ί\2 und T_3 getrennt davon durch die Stromversorgung 29_ mit einer hochstabilisierten Spannung, zB +30 V, versorgt. Die Widerstände R16 und RI7 sind die Signalwiderstände der Lichtdetektoren TJ2 und T_3. Die CW-Laserdiode D5 als Lichtquelle wird von der Stromversorgung 8- mit einer elektronisch geregelten,An alternative power supply by batteries can be provided. The circuit comprises a power supply 29_ that with a stabilized voltage, for example the sense amplifier .30 - 6 V, supplied. Furthermore, the two light detectors Ί \ 2 and T_3 are separately supplied by the power supply 29_ with a highly stabilized voltage, for example +30 V. The resistors R16 and RI7 are the signal resistances of the light detectors TJ2 and T_3. The CW laser diode D5 as a light source is powered by the power supply 8- with an electronically controlled,
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ebenfalls hochstabilisierten Spannung versorgt, wobei
die Stromversorgung 8 insbesondere so ausgelegt ist,
daß sie auch Spannungsspitzen der Netzspannung in jedem Fall von der Diode fernhält.. Der Strom der Laser-also supplied highly stabilized voltage, whereby
the power supply 8 is designed in particular so that
that it also keeps voltage peaks of the mains voltage away from the diode in any case. The current of the laser
diode D5,der über den Bypass-Widerstand R18 fließt,diode D5, which flows through the bypass resistor R18 ,
kann mit Hilfe des Serienwiderstands R1_9 erforderlichenfalls
durch die Anzeigeeinrichtung J£ angezeigt und
überwacht werden. Der Meßverstärker 3(3 arbeitet sowohl als Differenzverstärker als auch als Einzelver- 'can, if necessary, be displayed by the display device J £ with the aid of the series resistor R1_9 and
be monitored. The measuring amplifier 3 (3 works both as a differential amplifier and as a single
stärker, wie im folgenden näher erläutert ist. Sstronger, as explained in more detail below. S.
Der Meßverstärker 3() erhält an seinen Eingängen EJ_ |The measuring amplifier 3 () receives EJ_ | at its inputs
und Ej2 die entsprechenden Signale der Lichtdetektoren |: T2^ bzw T_3 zugeführt. Er besitzt die Ausgänge AJ[ und_A2_,and Ej2 the corresponding signals from the light detectors |: T2 ^ or T_3 supplied. It has the outputs AJ [and_A2_,
die mit der Anzeigeeinrichtung \J3 verbunden werden kön- \ which are connected to the display device \ J3 kön- \
nen. Inen. I.
In Fig. 8 ist der Meßverstärker ^O im einzelnen
schematisch dargestellt. Er bildet aus den an den Ein- ) gangen E_1_ und E_2 ankommenden Signalen über ICi und IC2 |In Fig. 8, the measuring amplifier ^ O is in detail
shown schematically. It combines the addressed at the inputs) E_1_ and E_2 incoming signals over ICi and IC2 |
f mit Hilfe des Widerstands R11 die Differenz der Ein- Γ f, with the help of resistor R11, is the difference between the inputs Γ
gangssignale. Diese Differenz wird über IC4 und R15 ί output signals. This difference is shown via IC4 and R15 ί
zum Ausgang A2 geleitet, Das an EI^ ankommende Eingangssignal wird ferner durch IC1 und IC3 auch direkt verstärkt und über R8_ zum Ausgang AI^ geführt.to output A2. The input signal arriving at EI ^ is also amplified directly by IC1 and IC3 and passed to output AI ^ via R8_.
Die Verstärkung des Signalkanals für das Differenz- ^ signal, also des Zweiges E2-IC2-IC4-R15, wird in Ab- ί The amplification of the signal channel for the difference ^ signal, i.e. the branch E2- IC2 - IC4 - R15 , is shown in Ab- ί
hängigkeit von der Spannung an W\_ geregelt. Die Wirk- ?depending on the voltage at W \ _ . The effective?
samkeit dieser Regelung wird durch die Widerstände RS
und R14 sowie durch das Potentiometer P2^ bestimmt,
das den Arbeitspunkt des Operationsverstärkers IC4
festlegt. Mit IC5 wird über den Transistor T1_, die
Diode D'4 und den Widerstand R14 die Spannung am Aus-The ability of this scheme is determined by the resistors RS
and R14 as well as determined by the potentiometer P2 ^,
that is the operating point of the operational amplifier IC4
specifies. With IC5 , the transistor T1_, the
Diode D'4 and the resistor R14 the voltage at the output
gang von IC3 in einen Steuerstrom für den in seinertransition from IC3 into a control current for the one in his
• ·· ·♦ ·· mm t • ·· · ♦ ·· mm t
• :.•:.
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#**· «tit "t · 1 Ö# ** · «tit" t · 1 Ö
Verstärkung regelbaren Operationsverstärker 1C4 umgewandelt. Das Potentiometer P1_. dient zur Sollwerteinstellung für diese Steuerung, mit der sich beispielsweise bei der transcutanen Blutglucosebestimmung am Ohrläppchen eine 'Durchblutungskorrektur' einstellen läßt.Gain adjustable operational amplifier 1C4 converted. The potentiometer P1_. serves to set the setpoint for this control, with which, for example, a 'blood flow correction' can be set in the transcutaneous blood glucose determination on the earlobe.
Die maximale Verstärkung im Signalzweig beträgt mindestens 10.000, für die Verstärkung des Zweigs El - A1 ist eine Verstärkung von etwa 1000 ausreichend. Dieser Paktor ist aber naturgemäß auch noch von der Empfindlichkeit des Anzeigeinstruments abhängig.The maximum amplification in the signal branch is at least 10,000, for the amplification of the branch El - A1 a gain of around 1000 is sufficient. Naturally, this factor is also sensitive of the display instrument.
Die Arbeitspunkte der Operationsverstärker werden durch die folgenden Widerstände bestimmt, wobei diese auch die Verstärkung bestimmen: bei IC 1 von RJL und R2, bei IC 3 von R5_, IU5 und R7\ bei IC 2 von RlQ und Rl2, bei IC 4 außer von P 2 auch von R13. Außerdem sind die üblichen, in der Figur nicht wiedergegebenen Offset-Null -Potentiometer und Kondensatoren zur Frequenzkompensation vorgesehen. Die Kondensatoren ^l und QA_ dienen zur Senkung der Eingangsstörspannungen. Die Kondensatoren C^, Cj3 und C_5 verringern die Schwingneigung des Verstärkers und dienen gleichzeitig zur Integration des jeweiligen Signals.The operating points of the operational amplifiers are determined by the following resistors, which also determine the gain: for IC 1 of RJL and R2 , for IC 3 of R5_, IU5 and R7 \ for IC 2 of RlQ and Rl2 , for IC 4 except for P. 2 also from R13 . In addition, the usual offset zero potentiometers and capacitors, not shown in the figure, are provided for frequency compensation. The capacitors ^ l and QA_ serve to reduce the input interference voltages. The capacitors C ^, Cj3 and C_5 reduce the tendency of the amplifier to oscillate and at the same time serve to integrate the respective signal.
Fig. 9b zeigt eine Photographie einer zur transcutanen Blutglucosebestimmung in vivo am Ohrläppchen vorgesehenen erfindungsgemäßen Vorrichtung, die dem Vorrichtungsprinzip der Fig. 9a entspricht.9b shows a photograph of an earlobe provided for transcutaneous blood glucose determination in vivo Device according to the invention, which corresponds to the device principle of FIG. 9a.
Die eigentliche Vorrichtung ist mit durchgezogenen Strichen dargestellt; die gestrichelten Linien entsprechen dekorativen Elementen, die frei gewählt werden können und lediglich von Designüberlegungen bestimmt sind und durch die die Vorrichtung dem individuellen Geschmack des Trägers angepaßt werden kann.The actual device is shown with solid lines; the dashed lines correspond decorative elements that can be freely chosen and are only determined by design considerations and by which the device can be tailored to the individual taste of the wearer.
I· » ■I · »■
h · t h · t
• · ttt• · ttt
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Die Vorrichtung wird ähnlich wie bei einem üblichen Ohrclip durch einen einfachen Klappmechanismus am Ohrläppchen befestigt, wobei die Vorrichtung vorzugsweise möglichst leicht und klein ausgeführt ist. Die Stromversorgung für die Lichtquelle sowie die Signalverarbeitungseinrichtung werden vorzugsweise unabhängig von der ohrclipartigen eigentlichen Meßeinrichtung vorgesehen und beispielsweise an einer geeigneten Stelle, zB in einer Tasche oder unter der Kleidung, getragen.The device is similar to a conventional ear clip by a simple folding mechanism on the earlobe attached, wherein the device is preferably made as light and small as possible. The power supply for the light source and the signal processing device are preferably independent of the ear clip-like actual measuring device is provided and, for example, at a suitable location, for example in a bag or under clothing.
Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, zB die Ausgabeeinrichtung j_9 oder die Anzeigeeinrichtung JJJ, können ferner beispielsweise in Form einer Armbanduhr oder armbanduhrartigen Vorrichtung oder etwa einer halskettenartigen Vorrichtung ähnlich einer, Umhängeuhr ausgestaltet sein.Parts of the device according to the invention, for example the output device j_9 or the display device JJJ, can furthermore, for example, in the form of a wristwatch or wristwatch-like device or about one necklace-like device similar to a, shoulder watch.
Mathematische Struktur der Meßdaten und ihre KorrekturMathematical structure of the measurement data and its correction
Der zu erwartende Verlauf der Signalamplitude in Abhängigkeit von der Konzentration der zu bestimmenden Substanz, beispielsweise Glucose, entspricht im Experiment nicht vollständig dem in Fig. 2 dargestellten theoretischen Signalverlauf, da die Signalamplitude auch von der Dimensionierung und den Eigenschaften der Bauelemente der jeweiligen Vorrichtung abhängt. So resultiert beispielsweise bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die etwa Fig. 9 entspricht, ein der Glucosekonzentration zuzuordnender Streuwinkelbereich von etwa 10° gegenüber dem theoretischen Idealwert (mit maximaler Empfindlichkeit) von etwa 1,5°. Untersucht man m unter diesen Gegebenheiten den grundsätzlichen VerlaufThe expected course of the signal amplitude as a function of the concentration of the substance to be determined, for example glucose, does not completely correspond in the experiment to the theoretical signal course shown in FIG. 2, since the signal amplitude also depends on the dimensioning and the properties of the components of the respective device. For example, with a device according to the invention, which corresponds approximately to FIG. 9, a scattering angle range of approximately 10 ° to be assigned to the glucose concentration results compared to the theoretical ideal value (with maximum sensitivity) of approximately 1.5 °. If one examines m under these circumstances the basic course
der Signalamplitude in Abhängigkeit von der Intensität des Zentralstrahls, so kann eine Potenzfunktion etwathe signal amplitude as a function of the intensity of the central ray, a power function can be approx
« » ■ β«» ■ β
• * β• * β
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der Formthe form
Δΐ(8) = a-I(o)b (7)Δΐ (8) = aI (o) b (7)
I(ο) = Intensität des Zentralstrahls nach Durchgang durch die ProbeI (ο) = intensity of the central ray after passage through the rehearsal
angesetzt werden. Dieser Ansatz gilt zunächst für jede beliebige Probe. Die Probeneigenschaften werden durch die Konstanten _a__ und b_ berücksichtigt. Während die Konstante _a_ überwiegend durch die Transmissionseigenschaften beeinflußt wird, werden durch die Konstante b vor allem die Struktureinflüsse und bei biologischen Proben die Konzentrationen der Teilkomponenten charakterisiert. be set. This approach initially applies to any sample. The sample properties are through the constants _a__ and b_ are taken into account. While the constant _a_ mainly due to the transmission properties is influenced, the constant b mainly influences the structure and in the case of biological samples characterizes the concentrations of the subcomponents.
Eine Papierprobe mit einer solchen Dicke, daß die resultierende mittlere Intensität gleich der einer biologischen Probe ist (Papierdicke etwa 0,15 mm), führt zu einem Wert für die Konstante a von 0,19 und für die Konstante b von 1,15. Dies bedeutet einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen AI und I(o) (vgl Gleichung (7)), wie dies für eine 'physikalische1 Probe auch zu erwarten ist. Im Vergleich dazu ergibt sich zB bei der Messung am Ohrläppchen im Mittel ein Wert für _a_ von 0,0O3 und für b_ von 1,5.A paper sample with a thickness such that the resulting mean intensity is equal to that of a biological sample (paper thickness about 0.15 mm) leads to a value for the constant a of 0.19 and for the constant b of 1.15. This means an almost linear relationship between AI and I (o) (cf. equation (7)), as is also to be expected for a 'physical 1 sample. In comparison, the measurement on the earlobe, for example, results in an average value for _a_ of 0.0O3 and for b_ of 1.5.
Für die Auswertung von transcutanen Messungen der Blutglucosekonzentration in vivo eignet sich folglieh ein mathematischer Ansatz einfachster Form wie zBIt is therefore suitable for the evaluation of transcutaneous measurements of the blood glucose concentration in vivo a mathematical approach in the simplest form such as
b = d + e ■ S bzw S = (8) ,b = d + e ■ S or S = (8),
wobei die Konstanten d_ und _e_ empirisch bestimm!, werdenwhere the constants d_ and _e_ are determined empirically!
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können. S bedeutet die Glucosekonzentration. Meßgrößencan. S means the glucose concentration. Measurands
sind ΔΙ(ξ) und I(o). ;are ΔΙ (ξ) and I (o). ;
Die Konstanten a_ und_b_ ergeben sich aus einer IThe constants a_ and_b_ result from an I.
leicht durchführbaren Kurvenanpassung mit Wertepaaren |curve fitting with value pairs |
der oben genannten Meßgrößen bei Messung bei mehreren |of the above-mentioned measurands when measuring several |
Intensitäten. Die Konstanten ä_ und _e_ sind im Prinzip |
für jede Probe einmal zu bestimmen; überraschenderweise
hat sich jedoch ergeben, daß sie von Probe zu ProbeIntensities. The constants ä_ and _e_ are in principle | to be determined once for each sample; surprisingly
However, it has been found that they vary from sample to sample
nur wenig verschieden sind. <,are only slightly different. <,
Die Meßwertkorrektur bei der Messung biologi- I scher Proben, zB im Hinblick auf die Korrektur wegen f wechselnder Durchblutung des Ohrläppchens, muß berück-The measurement value correction when measuring biological samples, eg with regard to the correction due to f changing blood flow to the earlobe, must be
sichtigen, daß sich die 'effektive' Probendicke x1 ändert.
Sie kann deshalb auch nicht einfach durch Verhältnisbildung vorgenommen werden, wie dies zB bei
üblichen optischen Zweistrahlverfahren möglich ist.
Die Verhältnisbildung liefert zwar Unabhängigkeit von .; der Absolutintensität, jedoch keinen Ausgleich für |
veränderliche Probendicke. Die Korrekturfunktion zB |
zur Korrektur unterschiedlicher Durchblutung muß im
allgemeinen eine exponentielle Form haben.see that the 'effective' sample thickness x 1 changes. It can therefore not be carried out simply by forming a ratio, as is the case, for example, with
usual optical two-beam method is possible.
The formation of the relationship provides independence from.; of the absolute intensity, but no compensation for | variable sample thickness. The correction function, for example | to correct different blood flow must im
generally have an exponential form.
Für die Signalbildung ist andererseits erfindungsgemäß stets eine Differenzbildung notwendig, da
sich nur so eine Aussage über die Form der Streukurve j mit einfachen Mitteln ergibt. ;On the other hand, according to the invention, a difference is always necessary for signal formation, since
this is the only way to make a statement about the shape of the scatter curve j with simple means. ;
Zur Herleitung der Korrekturfunktion kann wie
folgt vorgegangen werden:To derive the correction function, such as
proceed as follows:
Die Abhängigkeit der Lichtintensität beim Durchstrahlen eines absorbierenden Mediums ist in bekannterThe dependence of the light intensity when shining through an absorbing medium is known in FIG
» f»F
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Weise durch das AbsorptionsgesetzWay through the law of absorption
5 gegeben, wobei5 given, where
χ die Probendicke und m den Absorptionskoeffizientenχ the sample thickness and m the absorption coefficient
bedeuten.mean.
2 Tt k 10 Der Absorptionskoeffizient m ist definiert als ~-2 Tt k 10 The absorption coefficient m is defined as ~ -
mit k = in' -£ * μ,with k = in '- £ * μ,
wobei
15whereby
15th
Λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts, 5 die Dielektrizitätskonstante und μ die PermeabilitätΛ the wavelength of the light used, 5 the dielectric constant and μ is the permeability
20 bedeuten.20 mean.
Ferner giltFurthermore applies
n2 = 1 + 4 TT-cc-N,n 2 = 1 + 4 TT-cc-N,
25 wobei <x die Polarisierbarkeit und25 where <x is the polarizability and
N die Anzahl der streuendenN is the number of scattering
Teilchen pro ml bedeuten. I Mean particles per ml. I.
Bei Durchblutungsänderungen ändert sich naturge-With changes in blood flow naturally changes
30 maß auch die Anzahl der streuenden Teilchen pro ml:30 also measured the number of scattering particles per ml:
Wenn ein Blutgefäß mit einer Lineardimension xo (zB dem Durchmesser) angenommen wird, das sich in einem Abstand x. zum nächsten Blutgefäß befindet,If a blood vessel with a linear dimension x o (e.g. the diameter) is assumed that is at a distance x. to the next blood vessel,
35 gilt für das Volumen Ohne Blut1: '■ 35 applies to the volume without blood 1 : '■
t· ι ti *· i' '· · Ά t · ι ti * · i '' · · Ά
• also zu• so to
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für das Volumen 'mit Blut1 gilt
V1 ~ (X1 + xo)3.for the volume 'with blood 1 applies
V 1 ~ (X 1 + x o ) 3 .
Daraus folgt für das Verhältnis der VoluminaFrom this it follows for the ratio of the volumes
(X1 + xo)3 xo xo ο χ(X 1 + x o ) 3 x o x o ο χ
V1/V0 = — =—- bzw V1 = V0 (1 + 3 —- +3 (—-)*· + (_1)V 1 / V 0 = - = —- or V 1 = V 0 (1 + 3 —- +3 (—-) * + (_1)
Ί ο ι Λ1 Λ1 νΊ ο ι Λ 1 Λ 1 ν
X1 11 X1 X 1 11 X 1
(10} .(10}.
Das Volumen, in dem sich Blut befindet, ergibt sich • also
15The volume in which there is blood is thus •
15th
V = V1 - V0 = V0 ( 3—° + 3(-°)2 + (-0)3) (11)V = V 1 - V 0 = V 0 (3— ° + 3 (- °) 2 + (- 0 ) 3 ) (11)
. 1 1 1 . 1 1 1
im Bereichin the area
· O ^x0 < X1 .· O ^ x 0 < X 1 .
Untersucht man das Verhältnis xo/x , wie es im Mittel im Gewebe beispielsweise des Ohrläppchens vorliegt, ergibt sich ein Wert von etwa 0,5 bis 0,8. In diesem Bereich ändert sich das Volumen, in dem sich Blut befindet, in guter Näherung quadratisch, wie aus Gleichung (11) folgt. Somit resultiert für die Anzahl der streuenden Teilchen näherungsweiseIf one examines the ratio x o / x, as it is present on average in the tissue of the earlobe, for example, a value of about 0.5 to 0.8 results. In this area, the volume in which there is blood changes to a good approximation by the square of the square, as follows from equation (11). This results in an approximation for the number of scattering particles
3030th
und daraus mit Gleichung (9) die Beziehungand from this the relationship with equation (9)
Ic^x0Zx1 (12)Ic ^ x 0 Zx 1 (12)
• ft · · ·• ft · · ·
JtIII I· 11 ■ > · ' ,JtIII I · 11 ■ > · ',
it » ι j ι · ι · · -, iit »ι j ι · ι · · -, i
IJtI , I . J IJ · J \?IJtI, I. J IJ · J \?
ι ι · · ι ι ι J ι t ι · ../ ■ι ι · · ι ι ι J ι t ι · ../ ■
. ι ■ j. j ι · /. ι ■ j. j ι /
1 J I I I Il ) 1 ' « · ' 1 JIII Il) 1 '«·'
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Als Probendicke χ in Gleichung (9) ist ebenfalls xo einzusetzen, so daß sich insgesamt die BeziehungAs the sample thickness χ in equation (9), x o is also to be used, so that the relationship
I = I0.e"ß xo2 (13)I = I 0 .e " ß x o 2 (13)
ergibt, in der JJ_ einen entsprechenden Koeffizienten bedeutet. results, in which JJ_ means a corresponding coefficient.
Zur mathematischen Berechnung muß Gleichung (13) dif ferenziert werden, wobei sich der einfache ZusammenhangFor the mathematical calculation, equation (13) must be differentiated, whereby the simple relationship
(14)(14)
ergibt, da xo selbst sehr klein ist und sich die Exponentialfunktion infolge der nur kleinen Änderungen ebenfalls nur wenig ändert.shows that x o itself is very small and the exponential function also changes only slightly as a result of the only small changes.
Durch Umkehrung von Gleichung (14) wird die an sich unbekannte Größe xo aus der Intensitätsänderung erhalten 20By reversing equation (14), the variable x o, which is unknown per se, is obtained from the change in intensity 20
Xo =/(I - Io1) (15),Xo = / (I - Io 1 ) (15),
wobei Io' die Intensität bei normaler Durchblutung bedeutet.
25where Io 'means the intensity with normal blood flow.
25th
Daraus folgt als KorrekturfunktionIt follows as a correction function
2 Δΐ1 = Ai(s) · e"^(I"Iol) (16).2 Δΐ 1 = Ai (s) * e "^ (I " Iol) (16).
Gegenüber der normalen Durchblutung kann sowohl eine stärkere als auch eine schwächere Durchblutung vorliegen, so daß die Korrektur sowohl positiv als auch negativ sein kann,- das Vorzeichen der Korrektur muß entsprechend bestimmt werden. Dies geschieht am besten wiederum mit der bereits benutzten Größe I - I0', so daß sich als end-Compared to normal blood flow, there can be both a stronger and a weaker blood flow, so that the correction can be both positive and negative - the sign of the correction must be determined accordingly. This is best done again with the quantity I - I 0 'that has already been used, so that the final
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gültige Korrekturformel ergibt:valid correction formula results in:
ΔΙ = Δΐ(5).(1 +δ·(Ι-Ιο·) e"^(I"Iol) ] (17)·ΔΙ = Δΐ ( 5 ). (1 + δ · (Ι-Ιο ·) e "^ (I " Iol) ] (17) ·
Die Konstanten δ, Ζ'und I0' sind experimentell bestimmbar; in einfachen Fällen können sie auch theoretisch ermittelt werden, da ihr physikalischen Bedeutungen klar definiert sind.The constants δ, Ζ 'and I 0 ' can be determined experimentally; in simple cases they can also be determined theoretically, since their physical meanings are clearly defined.
Aus den Meßdaten, also zB aus den Spannungen an El und E!2^ in Fig. 7, kann die Meßgröße, zB die Glucosekonzentration, auf drei verschiedene Weisen ermittelt werden, und zwar:!. From the measured data, eg from the tensions of El and E 2 ^ in Figure 7, the measured variable, for example, the glucose concentration can be determined in three different ways, namely:
1. aus Gleichung (8), wobei die Konstante b aus Gleichung1. from equation (8), where the constant b from equation
(7) mit JSl1 = Ai(s) und 122 = I(o), unter Verwendung ei- *' nes Mittelwerts für a, errechnet wird;(7) with JSL = 1 Ai (s) and 122 = I (o), is calculated using egg * 'nes average value for a;
2. aus Gleichung (7) mit einem oder mehreren Wertepaaren (El; E2) zur Ermittlung der Konstanten a und b nach der "Best-fit'-Methode und durch iterative Angleichung von S nach Gleichung (8);2. from equation (7) with one or more pairs of values ( E1; E2 ) to determine the constants a and b according to the "best-fit" method and by iterative adjustment of S according to equation (8);
3. durch Messung von _E_1 und J32 bei einer festen Bezugsintensität I und unter Verwendung der Mittelwerte der Konstanten a und b und Al(s) aus Gleichung (7), wobei _E2_ = I(o) gesetzt wird. Dann kann durch einen Iinearen Ansatz (oder in anderen Fällen durch einen anderen mathematischen Zusammenhang) die direkte Beziehung zwischen der Meßgröße und der Signalgröße hergestellt werden.3. by measuring _E_1 and J32 at a fixed reference intensity I and using the mean values of the constants a and b and Al (s) from equation (7), where _E2_ = I (o) is set. Then by a linear Approach (or in other cases through some other mathematical context) the direct relationship between the measured variable and the signal variable.
Dieser Zusammenhang kann beispielsweise die FormThis relationship can, for example, be the form
S = K · ΔΙ (s) - A (18)S = K ΔΙ (s) - A (18)
besitzen, in derown in the
S die GlucosekonzentrationS is the glucose concentration
undand
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A und K Konstanten
bedeuten.A and K constants
mean.
Alle drei Korrekturen sollten zum gleichen Ergebnis führen. Da jedoch die Meßdaten auch bei sorgfältiger Meßweise bei biologischen Proben naturgemäß besonderen Schwankungen unterworfen sind, ist es in vielen Fällen zweckmäßig, alle drei Auswertungsverfahren parallel zu verwenden und ihre Ergebnisse zu kombinieren, um so zu einer von Einzelmeßfehlern weitgehend unabhängigen Meßwertanzeige zu gelangen. Am einfachsten geschieht dies durch eine geeignete Mittelwertbildung.All three corrections should lead to the same result. Since, however, the measurement data even with a careful measurement method in the case of biological samples are naturally subject to particular fluctuations, this is the case in many cases expedient to use all three evaluation methods in parallel and to combine their results in order to do so to achieve a measured value display that is largely independent of individual measurement errors. The easiest way to do this is to do this by a suitable averaging.
Eine einfache und zugleich sehr günstige Möglichkeit der Korrektur der Meßsignale für unterschiedliche Durchblutung bei Messungen in vivo am Ohrläppchen besteht in der Berücksichtigung der Hauttemperatur an der Meßstelle, die in einer relativ direkten Beziehung zur Gewebedurchblutung an der betreffenden Meßstelle steht. Durch eine entsprechende mathematische Korrekturfunktion, die zB empirisch bestimmt sein kann, können die Meßsignale aufgrund der gemessenen Hauttemperatur in der Signalverarbeitungseinrichtung auf einen bestimmten Durchblutungszustand hin korrigiert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist daher günstigerweise einen Temperaturfühler auf, der die Hauttemperatur des Ohrläppchens an bzw in unmittelbarer Nähe der Meßstelle erfaßt.A simple and at the same time very cheap way of correcting the measurement signals for different blood flow for measurements in vivo on the earlobe, the skin temperature at the measuring point is taken into account, which is in a relatively direct relationship to the tissue perfusion at the relevant measuring point. By a corresponding mathematical correction function, e.g. can be empirically determined, the measurement signals can be based on the measured skin temperature in the signal processing device corrected for a specific blood flow condition. The device according to the invention therefore conveniently has a temperature sensor that shows the skin temperature of the earlobe or in the immediate vicinity Detected near the measuring point.
Für diese Korrektur nach der Hauttemperatur ist es erforderlich, daß sich die Meßvorrichtung bei allen Messungen unverändert an einer bestimmten Meßstelle befindet bzw in reproduzierbarer Weise angebracht werden kann. Eine derartige Festlegung ist insbesondere bei weiblichen Anwendern des in Fig. 9 dargestellten Meßclips, die für Schmuckzwecke durchstochene Ohrläppchen besitzen, in besonders einfacherFor this correction according to the skin temperature, it is necessary that the measuring device is at all measurements is located unchanged at a certain measuring point or can be attached in a reproducible manner. Such a one Determination is particularly in the case of female users of the measuring clips shown in FIG. 9, which are used for jewelry purposes have pierced earlobes, in particularly simple
α β ο sα β ο s
• ■ ·• ■ ·
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Weise möglich, wenn die Meßvorrichtung in das Loch der Ohrläppchen eingesteckt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß dem Prinzip von Fig. 9 weist daher günstigerweise für solche Anwendungsfälle einen entsprechenden Dorn auf, der durch das Loch im Ohrläppchen durchgesteckt wird.Way possible if the measuring device is inserted into the hole in the earlobe. The inventive Apparatus according to the principle of FIG. 9 therefore advantageously has a corresponding one for such applications Thorn that is pushed through the hole in the earlobe.
Die oben erläuterten mathematischen Operationen sind beispielsweise auf üblichen programmierbaren Taschenrechnern durchführbar. Selbstverständlich können zur Auswertung auch Mikroprozessoren bzw andere Rechner und Rechenanlagen herangezogen werden. Sin Programm in einer 'Low level'-Programmiersprache benötigt zur Kombination der drei Verfahren samt Mittelwertbildung etwa 220 Programmschritte .The mathematical operations explained above are, for example, on conventional programmable pocket calculators feasible. Of course, microprocessors or other computers and Computing systems are used. A program in a 'low level' programming language is required for the combination of the three methods including averaging around 220 program steps.
In Fig. 10 sind experimentelle Ergebnisse einer mitIn Fig. 10, experimental results are one with
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten kontinuierlichen transcutanen Blutglucosemessung dargestellt, wobei eine Vorrichtung ähnlich der von Fig. 9 verwendet wurde. Die Messungen wurden an einer gesunden Versuchsperson durchgeführt, der zu Versuchsbeginn zur Erzeugung einer Glucosebelastung oral 400 ml Dextro O.G.-T. verabreicht wurden. (Dextro O.G.-T.-Lösung zur oralen Glucosebelastung (Boehringer Mannheim GmbH) entspricht einer physiologischen Menge von 100 g wasserfreier Glucose. In 400 ml Saft sind 17 g wasserfreie Glucose, 13 g Maltose, 11 g Maltotriose und 53 g höhere Oligosaccharide enthal-a device according to the invention carried out continuous transcutaneous blood glucose measurement using a device similar to that of FIG. 9 became. The measurements were carried out on a healthy test person who was used to generate a glucose load orally 400 ml Dextro O.G.-T. were administered. (Dextro O.G. T. solution for oral glucose loading (Boehringer Mannheim GmbH) corresponds to a physiological amount of 100 g of anhydrous glucose. In 400 ml of juice contains 17 g of anhydrous glucose, 13 g of maltose, 11 g of maltotriose and 53 g of higher oligosaccharides.
• at·· « · «t -< 9 • at ·· «·« t - <9 res » - . * · t ' «res »-. * · T '«
I III * * · · -ft *I III * * · · -ft *
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i,
ten. Dieses Gemisch entspricht 'nach Hydrolyse im Darmtrakt der oben angegebenen Menge Glucose (BM-Toleranz-Test,
Boehringer Mannheim GmbH, 6800 Mannheim 31). i,
th. After hydrolysis in the intestinal tract, this mixture corresponds to the amount of glucose indicated above (BM tolerance test, Boehringer Mannheim GmbH, 6800 Mannheim 31).
Die in Form eines Ohrclips ausgeführte Vorrichtung wurde am Ohrläppchen der Versuchsperson angebracht. Die Vorrichtung arbeitete nach dem Zweisignal-Verfahren, wobei die Absolutintensität des Zentralstrahls zur Korrektur herangezogen wurde. Das resultierende Differenzsignal der beiden Meßsignale wurde durch die Signalverar-· beitungsvorrichtung erzeugt und mit einem Schreiber aufgezeichnet. The device, in the form of an ear clip, was attached to the test subject's earlobe. the Device worked according to the two-signal method, with the absolute intensity of the central beam for correction was used. The resulting difference signal of the two measurement signals was determined by the signal processing processing device generated and recorded with a pen.
Zu Vergleichszwecken wurde die Differenz der beiden Meßsignale ohne vorherige Korrektur ebenfalls aufgezeichnet. Hierbei ergab sich, daß die erfindungsgemäß durchgeführte Korrektur zur Erzielung quantitativer Meßergebnisse erforderlich ist.For comparison purposes, the difference between the two Measurement signals also recorded without prior correction. It was found that the invention performed correction is required to achieve quantitative measurement results.
Alle 20 min wurden der Versuchsperson Blutproben entnommen, die routinemäßig nach dem in der klinischen Analytik üblichen Hexokinaseverfahren mit einem Autoanalyser auf den Gehalt an Blutglucose untersucht wurden. Die mit dem Autoanalyser nach dem herkömmliehen Verfahren ermittelten Meßergebnisse sind als Kreuze in Fig. 10 eingetragen. Von dieser Methodik ist bekannt, daß sie im Vergleich mit anderen herkömmlichen Methoden die höchsten Werte liefert, wie etwa aus H. Förster und M.' Haslbeck, Diagnostik 5Blood samples were taken from the test subject every 20 minutes, which were routinely performed after the clinical trial Analysis of the usual hexokinase method with an autoanalyzer were examined for the content of blood glucose. The ones with the auto analyzer after the conventional one Measurement results obtained by the method are entered as crosses in FIG. 10. From this methodology is known to give the highest values when compared with other conventional methods, such as for example from H. Förster and M. ' Haslbeck, Diagnostics 5
(1972) 311 - 315 hervorgeht. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kontinuierlich erhaltenen Meßergebnisse sind als durchgezogene Linie dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindüngsgemäße Vorrichtung zu einer quantitativen Blutglucosebestimmung geeignet sind, da ausgezeichnete Übereinstimmung der erhaltenen Meß-(1972) 311-315. The measurement results obtained continuously with the device according to the invention are shown as a solid line. The results show that the method according to the invention and the device according to the invention to one quantitative blood glucose determination are suitable, since excellent agreement of the obtained measurement
V^^V ^^
- 43 - - 43 -
ergebnisse mit den Vergleichswe"rten besteht.results with the comparative values.
Zusätzlich zu diesen Messungen wurden kontinuierliche Messungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren an ei- ji
ner kranken Versuchsperson (Diabetiker) durchgeführt, bei I der ferner laufend Blutglucosebestimmungen nach der oben
angegebenen herkömmlichen Verfahrensweise durchgeführt
wurden. Da der Meßclip von Messung zu Messung jeweils
verändert angebracht bzw. wegen der Abnahme zwischen denIn addition to these measurements, continuous measurements according to the method according to the invention were carried out on a sick test person (diabetic), and in the case of the patient, blood glucose determinations according to the above were also carried out on an ongoing basis
performed conventional procedure indicated
became. As the measuring clip goes from measurement to measurement
changed attached or because of the decrease between the
Messungen nicht in völlig reproduzierbarer Weise angelegt werden kann,, läßt sich durch derartige Messungen, j bei denen mit Sicherheit bei je'der Messung jeweils eine |Measurements cannot be applied in a completely reproducible manner, can be made by such measurements, j where there is definitely one | in each measurement
andere Durchstrahlungsstelle erfaßt wird, der entspre- |
chende Korrelationskoeffizient ermitteln. Bei zehn derar- ί
tigen Messungen wurde ein Korrelationskoeffizient von
r = 0,4 erreicht, was einer ausgezeichneten Reproduzierbarkeit der Messungen auch bei jeweils geänderter Durchstrahlungsstelle
entspricht. ; other irradiation point is detected, the corresponding | determine the corresponding correlation coefficient. A correlation coefficient of
r = 0.4 is reached, which corresponds to an excellent reproducibility of the measurements even with a changed irradiation point. ;
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich auf- =. grund ihres zugrundeliegenden technischen Konzepts in be- J sonderem Maße für eine Miniaturisierung, insbesondere des $ The device according to the invention is suitable for =. due to their underlying technical concept, especially for miniaturization, especially of the $
elektronischen Teils und der Lichtquelle sowie des opti- f sehen Empfangsteils. ■electronic part and the light source as well as the opti- f see receiving part. ■
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht auf die
quantitative Bestimmung von Glucose in vivo beschränkt,
da sich bei geeigneter Auswahl der Streuwinkelbereiche
auch andere Blutkomponenten in prinzipiell gleicher Wei- |The device according to the invention is not based on the
quantitative determination of glucose in vivo limited,
because with a suitable selection of the scattering angle ranges
also other blood components in basically the same way
se quantitativ bestimmen lassen. f have se determined quantitatively. f
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner aufgrund des zugrundeliegenden allgemeinen technischen Konzepts in sehr weitem Maße im Rahmen des Erfindungsgedankens modifiziert sein. jThe device according to the invention can also be due to of the underlying general technical concept to a very large extent within the scope of the inventive concept be modified. j
β H · * ·
■ · Λ β H * *
■ · Λ
ft * · kft * k
• · · ♦ ■* ·• · · ♦ ■ * ·
- 44 -- 44 -
Das technische Konzept der erfindungsgemäßen Verrichtung
stellt eine völlig neuartige Alternative zu
bisherigen Verfahren und Vorrichtungen zur Blutglucosebestimmung wie auch zur transcutanen Bestimmung anderer
Blutkomponenten und Blutwerte (zB Erythrocytenzahl, Hb-Werte
udgl) dar.The technical concept of the performance according to the invention provides a completely new alternative
previous methods and devices for blood glucose determination as well as for the transcutaneous determination of other blood components and blood values (e.g. erythrocyte count, Hb values, etc.).
Claims (8)
fallende Streustrahlung möglichst vollständig erfaßt
(Fig. 3).(4p), the diameter ( D2) of the outer bottom surface of the sleeve (4p) and the diameter (DJ3) of the outer bottom surface of the glass body (3p) and the cone half-angle (U) of the sleeve (4p_) and the cone - | Half-angle (J3_) of the housing ( 5p) or the inner cone of the I glass body (3p ) are designed so that the Lichtdetek- '. tor (2p) in the underlying scattering angle range
falling scattered radiation recorded as completely as possible
(Fig. 3).
gekennzeichnet , daß die Innenfläche des I Gehäuses (J>p_) bzw die Außenfläche des Glaskörpers (3p) | und/oder die Außenfläche der Hülse (4p_) bzw die Innen- Ii fläche des Glaskörpers (_3_p) im Querschnitt parabelför-3. Apparatus according to claim 1, characterized
characterized in that the inner surface of the I housing (J> p_) or the outer surface of the glass body (3p ) | and / or the outer surface of the sleeve (4p_) or the inner surface of the glass body (_3_p) in cross-section parabolic
dadurch gekennzeichnet, daß das4. Device according to one of claims 1 to 3,
characterized in that the
angeordneten Schichten (1 bis 4) aufgebaut ist, von denen die unterste Schicht (JJ lichtempfindlich ist, die ; darüberliegende zweite Schicht (_2_) strahlungsundurchlässig ist und eine in der optischen Achse liegende $optical receiving part (_E_), which consists of four on top of each other
arranged layers ( 1 to 4 ), of which the lowest layer (JJ is photosensitive, the; overlying second layer (_2_) is radiopaque and one lying in the optical axis $
Durchmesser (D2) aufweist und die darüberliegende vierte Schicht (_4_) eine konzentrische zentrale Öffnung mit ;central opening with the diameter (Dl - ), the I overlying third layer (_3_) is light-sensitive 'and a central, concentric opening with the
Diameter ( D2 ) and the overlying fourth layer (_4_) has a concentric central opening with;
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE8126894U1 true DE8126894U1 (en) | 1982-02-25 |
Family
ID=1329023
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE8126894U Expired DE8126894U1 (en) | Device for the quantitative in vivo determination of blood components by laser light scattering |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE8126894U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3619442A1 (en) * | 1986-06-10 | 1987-12-17 | Holzer Walter | Blood analysis device |
| DE19629342A1 (en) * | 1996-07-20 | 1998-01-29 | Epsa Elektronik Und Praezision | Non-invasive transcutaneous determination method of body tissue concentrations |
-
0
- DE DE8126894U patent/DE8126894U1/en not_active Expired
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3619442A1 (en) * | 1986-06-10 | 1987-12-17 | Holzer Walter | Blood analysis device |
| DE19629342A1 (en) * | 1996-07-20 | 1998-01-29 | Epsa Elektronik Und Praezision | Non-invasive transcutaneous determination method of body tissue concentrations |
| DE19629342C2 (en) * | 1996-07-20 | 1999-09-02 | Epsa Elektronik Und Praezision | Method and arrangement for the non-invasive, transcutaneous determination of substance concentrations in body tissues |
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