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WO2018122319A1 - Device and method for the non-invasive determination of analytes - Google Patents

Device and method for the non-invasive determination of analytes Download PDF

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Publication number
WO2018122319A1
WO2018122319A1 PCT/EP2017/084729 EP2017084729W WO2018122319A1 WO 2018122319 A1 WO2018122319 A1 WO 2018122319A1 EP 2017084729 W EP2017084729 W EP 2017084729W WO 2018122319 A1 WO2018122319 A1 WO 2018122319A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiation
wavelength
reflected
μιη
analyte
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/084729
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mathias Reichl
Dieter Ebert
Rolf-Dieter Klein
Original Assignee
Swiss Spectral Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Swiss Spectral Ag filed Critical Swiss Spectral Ag
Publication of WO2018122319A1 publication Critical patent/WO2018122319A1/en

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    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1455Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/14532Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring glucose, e.g. by tissue impedance measurement
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0075Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by spectroscopy, i.e. measuring spectra, e.g. Raman spectroscopy, infrared absorption spectroscopy

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for the non-invasive quantitative determination of an analyte in blood, in particular for the non-invasive quantitative determination of glucose in capillary blood.
  • glucose in blood is based primarily on invasive methods.
  • a blood sample is taken from the patient in question and then subjected to an in vitro test or a sensor is implanted, which serves for the determination of glucose in vivo.
  • a disadvantage of such invasive methods is that they are painful and uncomfortable for the patient.
  • WO 2014/0206549 describes a device for measuring raw data for the non-invasive determination of a blood parameter, for example the concentration of glucose, wherein infrared (IR) radiation is coupled in a planar manner at several measuring points into the body surface of the patient to be examined and in the body surface generated IR radiation at several measuring points of one Sensor device is detected.
  • IR infrared
  • the present invention provides an apparatus and a method for the non-invasive quantitative determination of an analyte in a body fluid, with which the disadvantages of the prior art can be avoided.
  • the invention is based on the finding that a simple, rapid and sufficiently accurate quantitative determination of an analyte in the blood of a test subject by non-invasive methods is possible.
  • IR radiation from one or more radiation sources is irradiated into a predetermined body region of the test subject and the IR radiation reflected from this body region at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 ⁇ , preferably 3-20 ⁇ , more preferably from 8-12 ⁇ , recorded separately.
  • the detection takes place at a first wavelength or a first wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and independently at a second wavelength or a second wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined.
  • concentration of the analyte can be determined.
  • the analyte to be determined may not only be present in the blood, but also in the epidermal and / or dermal tissue, the tissue concentration, for example in the case of glucose, being markedly different from that of the tissue Can differentiate blood concentration.
  • the IR radiation reflected from the irradiated body region is not necessarily specific to the concentration of the analyte in blood. This can lead to an incorrect interpretation of the measurement result.
  • a selective evaluation of reflected IR radiation in the region of 0.7-20 ⁇ , preferably 3-20 ⁇ , particularly preferably from 8-12 ⁇ takes place according to the present invention , from near-surface blood vessels of the irradiated body region, in particular a selective evaluation of reflected IR radiation from the capillary blood vessels of the dermis. It is preferred that the IR radiation radiated into the body surface reaches a maximum penetration depth of about 2.5 to 3 mm.
  • the inventors have now found that the IR radiation reflected from an irradiated body is composed of several components that can be separately analyzed.
  • the component of the reflected IR radiation originating from near-surface blood vessels has a temporal variation dependent on the arterial pulse frequency of the test subject. Due to this variation, a discrimination between signals that change with the pulse rate and signals that are independent of the pulse rate can be made as part of the evaluation. In this way, surprisingly, the concentration of the analyte in the blood of the test subject, for example the concentration of glucose, can be determined with high accuracy.
  • a first aspect of the present invention thus relates to a device for the non-invasive quantitative determination of an analyte in the blood of a test subject, comprising:
  • an IR radiation generating unit comprising one or more IR radiation sources, in particular one or more broadband IR radiation sources, arranged to irradiate a body region originating from the test subject,
  • a unit for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region which is capable of separately detecting IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the body Region of 0.7-20 ⁇ , preferably from 3-20 ⁇ , more preferably from 8-12 ⁇ , is set up,
  • the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined
  • the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined and wherein the unit is optionally arranged in addition to the nonspecific detection of reflected IR radiation, and
  • a unit which is set up to evaluate the signals originating from the detection unit (c) and to determine the concentration of the analyte on the basis of the signals evaluated,
  • the unit is adapted for selective evaluation of reflected IR radiation originating from blood vessels of the irradiated body region, in particular from capillary blood vessels of the dermis.
  • the device according to the invention comprises a unit for generating IR radiation (a), which contains one or more IR radiation sources.
  • the IR radiation sources are selected from broadband IR radiation sources, such as glow plugs or resistors, for example, heater resistors and / or attenuators.
  • the device includes a single IR radiation source, such as a glow plug, in other embodiments, multiple IR radiation sources, such as multiple resistors, particularly heater resistors or attenuators.
  • a plurality of IR radiation sources it may be preferred that these are in the form of areal arrays, for example in an annular arrangement. Particularly preferred is the use of radiation sources with low residual heat such as attenuators.
  • pulsed IR radiation sources such as flash lamps can also be used.
  • the duration of a pulse is usually 0.01-0.2 s.
  • the one or more Radiation sources originating IR radiation is irradiated as broadband radiation in the body region to be examined. In other embodiments, it is also possible to irradiate IR radiation with specifically selected wavelengths or wavelength ranges.
  • a plurality of IR radiation sources with different optical filter elements can be used which are particularly preferred for emitting IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 ⁇ , preferably 3-20 ⁇ 8-12 pm), wherein at a first wavelength or a first wavelength range the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and wherein at a second wavelength or a second wavelength range the intensity the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined.
  • Thin-film, gradient-layer or rugate filter systems can be used as optical filter elements.
  • partially IR filtered radiation sources may also be used.
  • suitable filter elements eg bandpass, highpass or lowpass filter elements or combinations of several such filter elements can be used. If radiation with specific wavelengths is to be generated, narrow bandpass filter elements with a transmission width of, for example, up to 0.8 ⁇ m, up to 0.6 ⁇ m, up to 0.4 ⁇ m or up to 0.2 ⁇ m can be arranged around the first or second emission wavelength can be used.
  • the filter elements may comprise combinations of wide bandpass filter elements having a transmission width of eg 2-12 pm, preferably 3-8 pm, with high-pass filter elements and / or low-pass filter elements.
  • the filter elements are selected such that one of the radiation sources IR radiation having the first wavelength or the first wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and another of the radiation sources IR-. Radiation having the second wavelength or the second wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined, emitted. That is, the high-pass and / or low-pass filter elements are permeable only in one of the two wavelength ranges.
  • the unit for generating IR radiation (a) furthermore comprises a cooling element for the one or more IR radiation sources.
  • a cooling element for the one or more IR radiation sources.
  • Peltier elements can be used for this purpose.
  • the outside temperature of the radiation source is set to 30 ° C or less, 25 ° C or less or 22 ° C or less by means of cooling elements.
  • the total energy output of the IR radiation radiated into the body region to be examined is chosen so as to obtain sufficient signal intensity of the radiation reflected from the irradiated body region.
  • the total energy output of the radiation source (s) is in the range of a few milliwatts, e.g. in the range of about 1 to 100 mW, in particular in the range of about 1 to 50 mW.
  • the unit for generating the IR radiation may also contain controls for controlling the radiation output.
  • a continuous radiation output or a pulsed or radiation emission e.g. with a frequency of 10-50 Hz, such as 30 Hz.
  • the IR radiation can be diffused or focused into the body area.
  • the radiation sources can be provided with optical focusing elements, eg lenses made of IR-transparent materials such as germanium or zinc selenide.
  • optical focusing elements eg lenses made of IR-transparent materials such as germanium or zinc selenide.
  • convex lenses for example planoconvex or biconvex lenses, can be applied to the radiation source for this purpose.
  • the lens diameter is adapted to the diameter of the radiation source.
  • the device according to the invention is for receiving a body region of a test subject, in particular for receiving a body region of a human test subject, e.g. a fingertip, an earlobe or a heel or parts thereof, to allow for irradiation of that body area.
  • the device comprises a unit for receiving the body region to be irradiated which, for example, has a support element for the relevant body region, e.g. the fingertip, may include.
  • the shape of the support element is adapted to the body area where the determination is made. For example, a planar support element can be provided.
  • the support element is at least partially transparent to IR radiation in the region of 0.7-20 ⁇ , preferably from 3-20 ⁇ , particularly preferably from 8-12 ⁇ , to allow unhindered penetration of the radiated into the body region to be examined IR To allow radiation and the IR radiation reflected therefrom in the range of the first and second measuring wavelength.
  • suitable materials are silicon, germanium or organic IR-transparent polymers.
  • the support element may be formed in any suitable form, for example as a disk.
  • the support element is provided with a cooling element, in particular with a Peltier element, in order to avoid unwanted heating of the examination body region due to IR irradiation.
  • the cooling element may be configured to set a temperature of 30 ° C or less, 25 ° C or less, or 22 ° C or less at the surface of the body region to be irradiated.
  • the support element preferably comprises means, eg sensors, for detecting and / or checking the support position and / or the contact pressure for the body region to be irradiated.
  • the support position and / or the contact pressure can be detected individually for each body region and optionally adapted.
  • the individual adaptation may comprise, for example, a one or more adjustment of the measurement signal originating from the noninvasive device according to the invention with a reference signal which is conventional, for example via a invasive determination has been obtained. This adjustment can take place during the first use of the device according to the invention and - if necessary - at intervals, eg daily, every other day, weekly, etc., be repeated.
  • the adjustment is effected by adjusting the support position and / or contact pressure for the body region to be irradiated in order to obtain a stable, reproducible measurement signal which corresponds as closely as possible to the reference signal.
  • the device can sensors for detecting and / or controlling the support position of the body region to be irradiated, for example with respect to the x, y and z coordinates with respect to the support element, and / or for detecting and / or control of the contact pressure, eg in one area of about 0.5-10 N, preferably in a range of about 1-5 N, and more preferably about 2 N.
  • a sensor for detecting and / or controlling the contact pressure may include a load cell.
  • the settings for support position and / or contact pressure determined by adaptation are preferably registered and stored by the device.
  • the correct placement position or the correct contact pressure can then be indicated by a signal, e.g. by an optical and / or acoustic signal.
  • the measurement of the analyte to be determined is not started until the specified correct settings have been verified.
  • the device contains a unit (c) for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region, which is used for separate detection of IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 ⁇ , preferably of 3 -20 ⁇ , more preferably from 8-12 ⁇ , is established.
  • this unit is adapted for the separate detection of IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 5-15 ⁇ , in particular 7-12 ⁇ and most preferably of 8-10 ⁇ .
  • the detection unit (c) includes a plurality of sensors for separately detecting IR radiation having at least two different ones Wavelengths or wavelength ranges are provided.
  • the device may in turn comprise a sensor which is provided for the time-dependent separate detection of IR radiation with at least two different wavelengths or wavelength ranges.
  • the detection unit (c) is set up for the separate detection of IR radiation at at least one first wavelength or a first wavelength range and at at least one second wavelength or at least one second wavelength range.
  • the first wavelength or the first wavelength range is preferably in the region of an absorption minimum for the analyte to be determined.
  • the second wavelength or the second wavelength range is preferably in the region of an absorption band of the analyte to be determined, i. in a region in which the analyte shows a strong absorption, preferably an absorption maximum.
  • the device includes at least one first sensor and at least one second sensor, each for separate detection of IR radiation having different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 ⁇ , preferably 3-20 ⁇ , especially preferably from 8 to 12 ⁇ , are set up.
  • a first sensor is selected so that it is set up to detect IR radiation having a first wavelength or with a first wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined.
  • a second sensor is selected such that it is set up to detect IR radiation having a second wavelength or a second wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation changes as a function of the concentration of the analyte to be determined.
  • the device according to the invention may each contain one or more first and second sensors.
  • the first and / or the second sensor can be embodied as wavelength unspecific radiation sensors, for example as bolometers, which are equipped with optical filter elements which are permeable to a respective wavelength to be detected or a wavelength range to be detected, in order in this way to produce a Wavelength (area) -specific detection of IR To allow radiation.
  • suitable filter elements for example bandpass, high-pass or low-pass filter elements or combinations of several such filter elements can be used.
  • bolometers of high precision are used as first and / or second sensor.
  • the first and / or the second sensor may be provided with narrow bandpass filter elements having a transmission width of, e.g. up to 0.8 pm, up to 0.4 pm, up to 0.3 pm or up to 0.2 pm around the first or second measurement wavelength.
  • the filter elements of the first and / or the second sensor may comprise combinations of wide bandpass filter elements having a transmission width of e.g. 2-12 pm, preferably 3-8 pm, high pass filter elements and / or low pass filter elements.
  • a wide bandpass filter element can be provided, which is permeable to IR radiation in a region covering the entire measuring wavelength range, for example in a region of 8-10.5 pm or 7-14 pm.
  • This bandpass filter element can be used in combination with low-pass and / or high-pass filter elements in order to allow separate detection of IR radiation of different wavelengths or wavelength ranges for the first and second sensor.
  • one of the two sensors may include a low-pass filter element which is transparent to IR radiation down to a cut-off wavelength which lies between the first wavelength or the first wavelength range and the second wavelength or the second wavelength range.
  • the other of the two sensors may include a high-pass filter element which is transparent to IR radiation up to a second cut-off wavelength which is also between the first measurement wavelength and the first measurement wavelength range and the second measurement wavelength and the second measurement wavelength range, respectively.
  • one of the two sensors may include a wide bandpass filter in combination with a low-pass filter and the other of the two sensors may include a wide bandpass filter in combination with a high pass filter.
  • one of the two sensors optionally only a broad bandpass filter and the other of the two sensors containing the combination of a bandpass filter with a low-pass filter or alternatively the combination of a bandpass filter with a high-pass filter.
  • the wavelength ranges detected by the two sensors overlap, so that this overlapping region has to be eliminated during the evaluation.
  • the first sensor and / or the second sensor may also be embodied as wavelength-domain-specific sensors, for example as quantum cascade sensors.
  • the detection unit (c) contains at least one sensor which is set up for the time-dependent separate detection of IR radiation with at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 ⁇ , preferably 3-20 ⁇ , particularly preferably from 8 to 12 ⁇ ,
  • the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined
  • the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined.
  • the senor provided for the time-dependent separate detection of radiation with different wavelengths or wavelength ranges can be designed as a Fabry-Perot interferometer, for example as a MEMS spectrometer for the MIR / TIR range of about 3-12 ⁇ m (see, for example, Tuohinieni et al., Micromech, Microeng 22 (2012), 1 15004, Tuohinieni et al., J. Micromech, Microeng 23 (2013), 07501 1).
  • the detection unit (c) may optionally contain at least one further sensor which is set up for non-specific detection of reflected IR radiation from the irradiated body region of the test subject and can be used for referencing, eg for referencing the energy output of the excitation source.
  • the size of the sensors of the device according to the invention can be selected as needed. For example, they may have a cross-sectional area in the range of 0.5-10 mm 2.
  • the sensors of the device according to the invention are preferably in a target state of thermal equilibration, e.g. by being in contact with a common thermally conductive carrier such as a block, body, plate or foil of metal, e.g. Copper or brass, standing or embedded in it.
  • a common thermally conductive carrier such as a block, body, plate or foil of metal, e.g. Copper or brass, standing or embedded in it.
  • optical focusing elements e.g. Lens elements, arranged to allow a point-like focusing of the reflected IR radiation on the sensor or the sensors of the detection unit (c).
  • the first and / or second sensor may be provided with optical focusing elements, e.g. Plano-convex lenses or biconvex lenses made of IR-transparent materials such as germanium or zinc selenide, wherein the lens diameter is favorably adapted to the diameter of the sensor.
  • optical focusing elements e.g. Plano-convex lenses or biconvex lenses made of IR-transparent materials such as germanium or zinc selenide, wherein the lens diameter is favorably adapted to the diameter of the sensor.
  • the device according to the invention can be used for the determination of analytes be that have characteristic absorption bands in the IR range, especially in the aforementioned wavelength regions, for example in the regions of 3-20 ⁇ and in particular of 7-15 ⁇ and most preferably of 8-12 ⁇ .
  • analytes are glucose or other clinically relevant analytes such as lactate, troponin or C-reactive protein.
  • the device according to the invention is designed for the non-invasive determination of glucose in blood, in particular in capillary blood of the dermis.
  • the first wavelength or the first wavelength range comprises an absorption minimum of glucose and the second wavelength or the second wavelength range comprises an absorption band of glucose or a part thereof.
  • the second wavelength may be in the region of 9.1 ⁇ 0.3 ⁇ , 9.3 ⁇ 0.3 ⁇ and / or 9.6 ⁇ 0.3 ⁇ , of 9.1 ⁇ 0.2 ⁇ , 9.3 ⁇ 0.2 ⁇ and / or 9.6 ⁇ 0.2 ⁇ and in particular in the region of 9.1 ⁇ 0.1 ⁇ , 9.3 ⁇ 0.1 ⁇ and / or 9.6 ⁇ 0.1 ⁇ or at least one of these regions.
  • glucose has an absorption band with multiple absorption maxima.
  • Another component of the device is a unit for evaluating the signals originating from the detection unit and for determining the concentration of the analyte on the basis of the evaluated signals.
  • the evaluation of the signals is based on the fact that the reflected IR radiation at a wavelength or a wavelength range from an absorption minimum of the analyte, eg glucose, is independent of the analyte concentration present in the blood of the test subject.
  • the reflected IR radiation having a wavelength or a wavelength range from an absorption band of the analyte depends on the concentration of the respective analyte in the blood of the test subject.
  • a sufficiently accurate determination of the analyte concentration can be carried out, in particular if a selective evaluation of IR radiation which originates from blood vessels, for example from blood vessels of the dermis and / or subcutis, preferably from capillary blood vessels of the dermis.
  • Yet another part of the device according to the invention is a panel or a housing, which causes a thermal insulation from the environment. Suitable materials for this purpose are not thermally or only slightly conductive plastics.
  • the cladding or the housing may be designed such that the body region to be examined introduced in the receiving unit (a) is at least substantially thermally insulated from the environment, e.g. in that an expandable sheath or membrane of thermally non or only slightly conductive material is provided.
  • a further aspect of the invention is a method for the non-invasive quantitative determination of an analyte in the blood of a test subject, comprising the steps:
  • the device and the method are particularly suitable for the determination of glucose in blood.
  • a unit for generating IR radiation which comprises one or more IR radiation sources, in particular one or more broadband IR radiation sources, for irradiating a body region originating from the test subject, and a plurality of IR radiation sources, in particular IR radiation sources.
  • Broadband radiation sources such as attenuators, preferably in a ring-shaped arrangement,
  • a unit for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region which is used for separate detection of IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 ⁇ m, preferably of 3-20 ⁇ m. particularly preferably from 8 to 12 ⁇ , is set up,
  • the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined
  • the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined
  • the unit is optionally arranged in addition to the non-selective detection of reflected IR radiation
  • a unit for generating IR radiation which comprises one or more IR radiation sources, in particular one or more broadband IR radiation sources, for irradiating a body region originating from the test subject, and furthermore a cooling element for the one or more IR radiation sources, in particular comprises a Peltier element,
  • a unit for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region which is used for separately detecting IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 ⁇ , preferably of 3-20 ⁇ , particularly preferably from 8 to 12 ⁇ , is set up,
  • the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined
  • the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined
  • the unit is optionally arranged in addition to the non-selective detection of reflected IR radiation
  • (D) a unit which is set up for the evaluation of the signals from the detection unit (c) and for determining the concentration of the analyte on the basis of the evaluated signals.
  • an IR radiation generating unit comprising one or more IR radiation sources, in particular one or more broadband IR radiation sources, arranged to irradiate a body region originating from the test subject,
  • a unit for receiving the body region to be examined one for IR radiation in the wavelength region of 0.7-20 ⁇ m, preferably from 3 to 3 ⁇ m. 20 ⁇ , particularly preferably from 8-12 ⁇ , at least partially transparent element for supporting the body portion to be examined, which is provided with a cooling element, in particular a Peltier element,
  • a unit for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region which is capable of separately detecting IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 ⁇ m, preferably 3-20 ⁇ , particularly preferably from 8 to 12 ⁇ , is set up,
  • the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined
  • the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined
  • the unit is optionally arranged in addition to the non-selective detection of reflected IR radiation
  • (D) a unit which is set up for the evaluation of the signals from the detection unit (c) and for determining the concentration of the analyte on the basis of the evaluated signals.
  • an IR radiation generating unit comprising one or more IR radiation sources, in particular one or more broadband IR radiation sources, arranged to irradiate a body region originating from the test subject,
  • a unit for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region which is capable of separately detecting IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 pm, preferably 3-20 pm, particularly preferably from 8 to 12 pm, is set up,
  • the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and wherein at a second wavelength or a second wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined and
  • the unit is optionally arranged in addition to the non-selective detection of reflected IR radiation
  • the unit comprises at least one sensor arranged for the time-dependent separate detection of reflected IR radiation at the first wavelength or the first wavelength range and at the second wavelength or a second wavelength range, and
  • (D) a unit which is set up for the evaluation of the signals from the detection unit (c) and for determining the concentration of the analyte on the basis of the evaluated signals.
  • Apparatus for non-invasive quantitative determination of an analyte in the body of a test subject, in particular in blood comprising in particular means for detecting and / or controlling the support position and / or the contact pressure of the body region to be irradiated, in combination with an apparatus for invasive quantitative determination of the analyte as referencing of the measurement signal in the non-invasive quantitative determination of the analyte.
  • the features specifically disclosed above also relate to the latter devices and methods based on the use of these devices. These devices and methods are suitable, for example, for the determination of glucose in the body of a human test subject, in particular in blood.
  • the human skin consists of several layers from the outside to the inside: the epidermis with the horny layer, horny layer and germ layer, the dermis with the papillary layer and the mesh layer and the subcutis (subcutis).
  • the epidermis contains no blood vessels.
  • the dermis contains fine capillary blood vessels, which are associated with larger blood vessels in the subcutis.
  • An arterial pulse lies in the area of the dermis, which is traversed by capillaries, but not in overlying skin layers. for example, the epidermis, before.
  • IR radiation in particular IR radiation in the wavelength region of 0.7-20 ⁇ , preferably from 3-20 ⁇ , particularly preferably from 8-12 ⁇ , at least penetrates into the region of the dermis traversed by capillaries and then reflected again.
  • Substances with absorption bands in the IR region located in this region can absorb radiation in the region of these absorption bands, the extent of the absorption correlating with the concentration of the substance in question.
  • the reflected IR radiation originates from different regions of the irradiated body region, wherein a radiation reflected from the epidermis has no dependence on the arterial pulse of the test subject.
  • reflected IR radiation emanating from the capillary-engulfed area of the dermis has a signal dependent on the arterial pulse of the test subject.
  • the intensity of the IR radiation radiated into the skin surface is preferably selected such that a maximum penetration depth of the radiation into the body of about 2.5 to 3 mm is achieved, which corresponds to the area of the dermis drawn through by capillaries.
  • FIG. 1A An embodiment for the selective detection of a blood vessel-derived measurement signal is shown in FIG.
  • f1 represents the modulation frequency of the signal.
  • D can be calculated out of the signal if the modulation frequency is set to be large compared to the noise component.
  • a discriminator window as shown in FIG. 1C
  • a discriminator window can be set, which allows only a valid measurement if the value of the discriminator window is 1.
  • each for different Wavelengths or wavelength ranges are specific, resulting in two curves whose difference is proportional to the concentration of the analyte to be determined.
  • a differential analysis of these two curves gives the signal shown in FIG. 1 D) as a measurement result.
  • the schematic representation of an embodiment of the device according to the invention is shown in FIG.
  • the device contains an excitation source (10) for IR radiation (12), which is preferably designed as a diffused broadband heat source. Diffused IR radiation (12) emitted by the excitation source (10) irradiates a body region (14) of a test subject.
  • the excitation source (10) may be preceded by an optical lens element, e.g. a plano-convex lens element that allows focused emission of IR radiation into the body region.
  • the focusing of the radiation to a predetermined penetration depth of about 2.5 to 3 mm can be carried out in the body region to be irradiated.
  • a well-perfused body area such as a fingertip
  • the irradiated body region (14) rests on a support element (16) which at least partially, i.e., for, the IR radiation (12) originating from the excitation source (10). at least in the range of measuring wavelengths, is optically transparent.
  • the support element (16) may comprise means, e.g. Sensors for detecting and / or control of the support position and / or the contact pressure of the body region to be irradiated contain.
  • the IR radiation (12) penetrates into the irradiated body region (14) at least up to the near-surface blood capillaries in the region of the dermis (18).
  • the maximum penetration depth is preferably about 2.5 to 3 mm.
  • One in the blood capillaries or Any analyte present in the adjacent tissue will absorb the radiation in the region of its specific absorption band, with the extent of absorption correlating with the concentration of the analyte.
  • Unabsorbed diffused or focused radiation (20) is reflected and exits the body region (14) again.
  • the device further includes a first sensor (22a) and a second sensor (22b) for separately detecting the reflected IR radiation at different wavelengths or wavelength ranges (20) in the region of 0.7-20 ⁇ , preferably 3-20 ⁇ .
  • the first sensor (22a) is adapted to selectively detect reflected radiation having a first wavelength or a first wavelength range from an absorption minimum of the analyte, wherein a first filter element (24a) is provided which is for radiation having the first wavelength or the first wavelength range is selectively permeable. That is, the signal measured by the first sensor is essentially independent of the concentration of the analyte to be determined.
  • the second sensor (22b) is in turn adapted for the selective detection of reflected radiation (20) having a second wavelength or a second wavelength range from an absorption band, preferably in the region of an absorption maximum of the analyte to be determined, wherein a second filter element (24b) is provided which is selectively transparent to radiation of the second wavelength or the second wavelength range. This means that the signal detected by the second sensor is dependent on the concentration of the analyte.
  • the device according to the invention further comprises a third sensor (22c) adapted for nonspecifically detecting reflected IR radiation (20) and for reference, e.g. for referencing the energy output of the excitation source (10).
  • a third sensor (22c) adapted for nonspecifically detecting reflected IR radiation (20) and for reference, e.g. for referencing the energy output of the excitation source (10).
  • the sensors (22a, 22b and optionally 22c) may optionally be equipped with optical filter elements, eg biconvex lenses, to allow focusing of the incident reflected IR radiation.
  • the signals from the sensors (22a, 22b and optionally 22c) are transmitted to a CPU unit (26) for their evaluation. Based on this evaluation, the concentration of the analyte is determined. The result can then be displayed in a display (28).
  • the inside (30) of the measuring system can be coated with a surface of a material which does not reflect the radiation (12) originating from the excitation source (10).
  • the measuring system may further include a shroud or housing that provides thermal isolation from the environment.
  • Figure 3 shows a practical embodiment of a device according to the invention with a glow plug as the excitation source (40), a first sensor (42a) and a second sensor (42b), which as a bolometer with a specific for the sensor to be detected wavelength wavelength filter, e.g. a bandpass filter with narrow transmission for a specific wavelength are formed.
  • the first sensor (42a) is preferably arranged for the selective detection of reflected IR radiation with a wavelength of 8.5 ⁇ 0.2 ⁇ , i. at an absorption minimum of glucose.
  • the second sensor (42b) is preferably adapted to selectively detect reflected IR radiation having a wavelength in the range of 9.6 ⁇ 0.2 ⁇ , i. in an area where there is an absorption band of glucose.
  • the device can also have separating elements (44a, 44b, 46) in order to shield the sensors (42a, 42b) from irradiation with radiation originating directly from the excitation source (40), so that substantially only the body of the test subject (not shown) reflected radiation falls on the sensors.
  • the excitation source (40) and / or the sensors (42a, 42b) may be equipped with lens elements.
  • the measuring system may have a thermal insulation from the environment.
  • the sensors (42a, 42b) are in thermal equilibration by being in contact with a thermally conductive material, eg, a body, a plate or foil made of metal, stand.
  • a thermally conductive material eg, a body, a plate or foil made of metal, stand.
  • FIG. 1 An alternative embodiment for separately detecting reflected IR radiation at different wavelengths is shown in FIG.
  • the absorption curve of glucose in the region between 8 and 14 ⁇ is shown in bold line (G).
  • two sensors are used which comprise different combinations of bandpass, highpass and / or lowpass filter elements.
  • both sensors include a wide bandpass filter (C) with a transmittance in the region between 8 and 14 ⁇ .
  • filter (C) is combined with a high pass filter (A) suitable for IR radiation having a wavelength of about 8 , 5 ⁇ or less permeable.
  • a sensor equipped with the filters (A) and (C) will therefore detect a signal from the region of 8-8.5 ⁇ , which is substantially independent of the concentration of glucose.
  • the second sensor is equipped with a combination of the bandpass filter (C) with a low-pass filter (B), which is transparent to IR radiation with a wavelength of 8.5 ⁇ or higher.
  • the signal detected with this sensor comprises an absorption band of glucose localized in the region of about 9-10 ⁇ and is therefore dependent on the glucose concentration.
  • a first sensor can also be equipped with the bandpass filter (C) and the high-pass filter (A), while a second sensor is equipped only with the bandpass filter (C).
  • the signal detected by the first sensor is independent of the glucose concentration, while the signal detected by the second sensor changes with the glucose concentration.
  • FIG. 5 shows the schematic representation of the cross section of another embodiment of the device according to the invention.
  • the device contains a plurality of excitation sources (60a, 60b) for IR radiation (62), which are preferably designed as diffused broadband heat sources, eg in the form of a plurality of individual heating resistors or attenuators or multiple arrays of a plurality of heating resistors or attenuators.
  • the excitation sources (60a, 60b) can be provided with optical lens elements, eg plano-convex Lens elements, upstream, which allow a focused emission of the IR radiation in the body region.
  • the focusing of the radiation to a predetermined penetration depth of about 2.5 to 3 mm in the body region to be irradiated takes place.
  • the excitation sources (60a, 60b) are arranged annularly on a cooling element (64), for example in the form of a Peltier element. Diffused or focused IR radiation (62) emitted by the excitation sources (60a, 60b) irradiates a body region of the test subject (not shown).
  • the irradiated body region can be arranged on a support element (66) which is at least partially optically transparent to the IR radiation (62) originating from the excitation sources (60a, 60b).
  • the support element is an Si or Ge disc.
  • the support element (66) is preferably provided with a cooling element (68), which preferably comprises a Peltier element.
  • the support element (60) includes means, such as sensors, for detecting and / or controlling the contact pressure, such as a load cell, and optionally sensors for detecting and / or controlling the support position.
  • a contact pressure of about 1 -5 N, for example, about 2 N is set.
  • the device further includes a first sensor (70a) and a second sensor (70b) for detecting the reflected IR radiation (72) having different wavelengths in the region of 0.7-20 ⁇ , preferably 3-20 ⁇ from the irradiated body area.
  • the first and the second sensor can each be designed as a bolometer.
  • the first sensor (70a) may be adapted to selectively detect reflected IR radiation having a first wavelength from an absorbance minimum of the analyte, for example, wherein a first filter element (74a), eg a narrow pass bandpass filter, is provided for radiation the first wavelength is selectively permeable, wherein the signal is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined.
  • the first wavelength is preferably 8, 1 ⁇ 0.3 ⁇ and / or 8.5 ⁇ 0.3 ⁇ or at 8.1 ⁇ 0.2 ⁇ and / or 8.5 ⁇ 0.2 ⁇ , more preferably at 8.1 ⁇ 0.1 ⁇ and / or 8.5 ⁇ 0.1 ⁇ .
  • the second sensor (74b) is in turn for selective detection of reflected IR radiation (72) having a second wavelength from an absorption band, preferably in the region of Absorbance maximum of the analyte to be determined, furnished, wherein a second filter element (74b), for example, a bandpass filter with a narrow transmittance, is provided, which is selectively transparent to radiation having the second wavelength.
  • the second wavelength is preferably in the range of 9.1 ⁇ 0.3 ⁇ , 9.3 ⁇ 0.3 ⁇ and / or 9.6 ⁇ 0.3 ⁇ or at 9.1 ⁇ 0.2 ⁇ , 9.3 ⁇ 0.2 ⁇ and / or 9.6 ⁇ 0.2 ⁇ , more preferably in the range of 9.1 ⁇ 0.1 ⁇ , 9.3 ⁇ 0.1 ⁇ and / or 9.6 ⁇ 0.1 ⁇ .
  • bandpass filters with narrow transmission instead of bandpass filters with narrow transmission, the combination of a bandpass filter with wide transmission and a high-pass and / or a low-pass filter shown in FIG. 4 may also be used.
  • the sensors (70a, 70b) may optionally be equipped with optical lens elements, e.g. Biconvex lenses to allow focusing of the incident reflected IR radiation.
  • optical lens elements e.g. Biconvex lenses to allow focusing of the incident reflected IR radiation.
  • the device according to the invention further includes a third sensor (70c) adapted for nonspecifically detecting reflected IR radiation (72) and for referencing, e.g. for referencing the energy output of the excitation sources (60a, 60b).
  • the third sensor (70c) may be designed as a bolometer.
  • an intermediate wall (78) may be arranged between the first sensor (70a) and the second sensor (70b).
  • the signals from the sensors (70a, 70b and optionally 70c) are transmitted to a CPU unit (80) for evaluating the signals. Based on this evaluation, the concentration of the analyte is determined, the result can then be shown in a display (82).
  • the CPU unit may also be used to control the excitation sources (60a, 60b) and / or the cooling elements (64, 68).
  • the sensors (70a, 70b and optionally 70c) are in thermal equilibrium by being in contact with a thermally conductive material, eg a body, plate or foil of metal.
  • a thermally conductive material eg a body, plate or foil of metal.
  • the inner surface of the measuring system may be coated with a material that does not reflect IR radiation.
  • the measuring system may have a thermal insulation from the environment.
  • the apparatus includes a plurality of excitation sources (100a, 100b) for IR radiation (102), e.g. in the form of several individual heating resistors or attenuators or multiple arrays, each containing a plurality of heating resistors or attenuators.
  • the IR excitation sources (100a, 100b) are provided with a first filter element (104a) or a second filter element (104b), which may be formed, for example, as a narrow pass bandpass filter.
  • the first filter element (104a) is selectively permeable to radiation having a first wavelength from an absorption minimum of the analyte.
  • the second filter element (104b) is selectively transmissive to radiation having a second wavelength from an absorption band, preferably in the region of an absorption maximum of the analyte to be determined.
  • the aforementioned first and second wavelengths are used.
  • a combination of a wide-pass bandpass filter and a high-pass and / or low-pass filter may be used to generate different wavelength IR radiation.
  • the excitation sources (100a, 100b) are provided with a cooling element (106), which preferably comprises a Peltier element. Diffused IR radiation (102) emitted by the excitation sources (100a, 100b) irradiates a body region of the test subject (not shown). Alternatively, the excitation sources (110a, 100b) can be equipped with lens elements as described above. In this case, the irradiated body region may be in contact with a support element (108) which is substantially optically transparent to the IR radiation (102) originating from the excitation sources (100a, 100b). Preferred embodiments of the support element are as previously described. The support element (108) is in Connection with a cooling element (1 10), which preferably comprises a Peltier element. The support element preferably contains sensors for detecting and / or checking the contact pressure of the examining body region and optionally sensors for detecting and / or checking the contact position of the body region to be examined.
  • the device further includes a sensor (1 12), which allows a time-dependent measurement at two different measurement wavelengths.
  • this sensor is designed as an IR-MEMS sensor, which can preferably detect IR radiation in the range of 8-14 ⁇ .
  • the sensor (1 12) may be in connection with another cooling element (1 14), which may for example comprise a Peltier element.
  • the sensor (12) may optionally be equipped with a lens element as described above.
  • the signals from the sensor (1 12) are preferably transmitted via an A / D converter to a CPU unit (1 16) for evaluating the signals. Based on this evaluation, the concentration of the analyte is determined. The result can then be shown in a display (1 18).
  • the CPU unit (16) may be further configured to control the excitation sources (100a, 100b) and / or the cooling elements (106, 110, 14).
  • the inner surface of the measuring system may be provided with a coating which does not reflect IR radiation.
  • the measuring system may have a thermal insulation from the environment.
  • FIG 7 shows a detailed representation of the excitation sources in the device according to Figure 5.
  • the unit for generating IR radiation consists of a plurality of different units (A, B), which are arranged on an annular Peltier element (106).
  • Each of the units A and B comprises an IR radiation source (100a, 100b), which in each case is a resistor, for example a heating resistor or an attenuator and in particular in each case an array consisting of a multiplicity of resistors, in particular heating resistors or attenuators, is.
  • the units A and B have first filter elements (104a) and second filter elements (104b) which are selective for IR radiation having a first wavelength or a first wavelength Wavelength range or for IR radiation having a second wavelength or a second wavelength range, as described above, are permeable.
  • the excitation sources may include lens elements as described above.

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Abstract

The present invention relates to a device and a method for the non-invasive quantitative determination of an analyte in blood, in particular for the non-invasive quantitative determination of glucose in capillary blood.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur nicht-invasiven Bestimmung von Analyten  Apparatus and method for non-invasive determination of analytes
Beschreibung  description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur nichtinvasiven quantitativen Bestimmung eines Analyten in Blut, insbesondere zur nicht- invasiven quantitativen Bestimmung von Glucose in Kapillarblut. The present invention relates to an apparatus and a method for the non-invasive quantitative determination of an analyte in blood, in particular for the non-invasive quantitative determination of glucose in capillary blood.
Im Jahr 2016 leiden etwa 415 Millionen Menschen an Diabetes. Für das Jahr 2040 ist ein Anstieg auf über 640 Millionen Menschen zu erwarten. Für Diabetes- Patienten ist eine genaue Überwachung der Konzentration von Glucose im Blut erforderlich, um eine entsprechende Medikation zu ermöglichen. Es besteht daher ein hoher Bedarf an zuverlässigen und für den Patienten einfach anwendbaren Methoden zur Bestimmung von Glucose in Blut. In 2016, around 415 million people are suffering from diabetes. For the year 2040, an increase to over 640 million people is expected. For diabetes patients, it is necessary to closely monitor the concentration of glucose in the blood to allow appropriate medication. There is therefore a high demand for reliable and easily applicable methods for the determination of glucose in blood.
Derzeit basiert die Bestimmung von Glucose in Blut überwiegend auf invasiven Methoden. Hierbei wird dem betreffenden Patienten entweder eine Blutprobe entnommen und anschließend einem in vitro-Test unterzogen oder es wird ein Sensor implantiert, der zur Bestimmung von Glucose in vivo dient. Ein Nachteil solcher invasiven Methoden ist, dass sie für den Patienten schmerzhaft und unbequem sind. Currently, the determination of glucose in blood is based primarily on invasive methods. In this case, either a blood sample is taken from the patient in question and then subjected to an in vitro test or a sensor is implanted, which serves for the determination of glucose in vivo. A disadvantage of such invasive methods is that they are painful and uncomfortable for the patient.
Zur Vermeidung dieses Nachteils wurden bereits zahlreiche Ansätze zur nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von Glucose in Blut entwickelt. Keiner dieser Ansätze hat jedoch bisher kommerzielle Bedeutung erlangt. WO 2014/0206549 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen von Rohdaten zur nicht-invasiven Bestimmung eines Blutparameters, beispielsweise der Konzentration von Glucose, wobei Infrarot (IR)-Strahlung flächig an mehreren Messstellen in die zu untersuchende Körperoberfläche des Patienten eingekoppelt wird und die in der Körperoberfläche erzeugte IR-Strahlung an mehreren Messstellen von einer Sensoreinrichtung erfasst wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass es einen hohen apparativen Aufwand erfordert. To avoid this disadvantage, numerous approaches have already been developed for the non-invasive determination of the concentration of glucose in blood. However, none of these approaches has been commercially significant. WO 2014/0206549 describes a device for measuring raw data for the non-invasive determination of a blood parameter, for example the concentration of glucose, wherein infrared (IR) radiation is coupled in a planar manner at several measuring points into the body surface of the patient to be examined and in the body surface generated IR radiation at several measuring points of one Sensor device is detected. A disadvantage of this method, however, is that it requires a high expenditure on equipment.
Durch die vorliegende Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur nicht-invasiven quantitativen Bestimmung eines Analyten in einer Körperflüssigkeit bereitgestellt, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden können. The present invention provides an apparatus and a method for the non-invasive quantitative determination of an analyte in a body fluid, with which the disadvantages of the prior art can be avoided.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine einfache, schnelle und ausreichend genaue quantitative Bestimmung eines Analyten im Blut eines Testsubjekts durch nicht-invasive Methoden möglich ist. Dabei wird IR-Strahlung aus einer oder mehreren Strahlungsquellen in einen vorbestimmten Körperbereich des Testsubjekts eingestrahlt und die aus diesem Körperbereich reflektierte IR- Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 0,7-20 μιη, vorzugsweise von 3-20 μιη, besonders bevorzugt von 8-12 μιη, separat erfasst. Hierzu erfolgt die Erfassung bei einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich, wo die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und unabhängig davon bei einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich, wo sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert. Durch differenzielle Auswertung der Signale von beiden Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen kann die Konzentration des Analyten bestimmt werden. The invention is based on the finding that a simple, rapid and sufficiently accurate quantitative determination of an analyte in the blood of a test subject by non-invasive methods is possible. In this case, IR radiation from one or more radiation sources is irradiated into a predetermined body region of the test subject and the IR radiation reflected from this body region at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 μιη, preferably 3-20 μιη , more preferably from 8-12 μιη, recorded separately. For this purpose, the detection takes place at a first wavelength or a first wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and independently at a second wavelength or a second wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined. By differential evaluation of the signals from both wavelengths or wavelength ranges, the concentration of the analyte can be determined.
Eine Bestimmung von Glucose durch Messung von IR-Strahlung bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen wird bereits in WO 81/00622 vorgeschlagen, wobei auf die Offenbarung dieses Dokuments ausdrücklich Bezug genommen wird. Allerdings ermöglicht diese im Stand der Technik beschriebene Methode keine ausreichend genaue, nicht-invasive Bestimmung der Konzentration eines Analyten im Blut eines Testsubjekts. A determination of glucose by measuring IR radiation at two different wavelengths is already proposed in WO 81/00622, reference being expressly made to the disclosure of this document. However, this method described in the prior art does not allow a sufficiently accurate, non-invasive determination of the concentration of an analyte in the blood of a test subject.
Eine Ursache hierfür ist, dass der zu bestimmende Analyt möglicherweise nicht nur Blut, sondern auch im epidermalen und/oder dermalen Gewebe vorliegt, wobei sich die Gewebekonzentration beispielsweise bei Glucose deutlich von der Blutkonzentration unterscheiden kann. Somit ist die aus dem bestrahlten Körperbereich reflektierte IR-Strahlung nicht notwendigerweise spezifisch für die Konzentration des Analyten in Blut. Dies kann zu einer unrichtigen Interpretation des Messergebnisses führen. One reason for this is that the analyte to be determined may not only be present in the blood, but also in the epidermal and / or dermal tissue, the tissue concentration, for example in the case of glucose, being markedly different from that of the tissue Can differentiate blood concentration. Thus, the IR radiation reflected from the irradiated body region is not necessarily specific to the concentration of the analyte in blood. This can lead to an incorrect interpretation of the measurement result.
Um Nachteile der in WO 81/00622 beschriebenen Messmethode zu vermeiden, erfolgt gemäß vorliegender Erfindung eine selektive Auswertung von reflektierter IR- Strahlung in der Region von 0,7-20 μιη, vorzugsweise von 3-20 μιη, besonders bevorzugt von 8-12 μιη, aus oberflächennahen Blutgefäßen des bestrahlten Körperbereichs, insbesondere eine selektive Auswertung von reflektierter IR- Strahlung aus den Kapillarblutgefäßen der Dermis. Dabei ist es bevorzugt, dass die in die Körperoberfläche eingestrahlte IR-Strahlung eine maximale Eindringtiefe von etwa 2,5 bis 3 mm erreicht. Die Erfinder haben nun festgestellt, dass die aus einem bestrahlten Körper reflektierte IR-Strahlung aus mehreren Komponenten zusammengesetzt ist, die separat analysiert werden können. Die aus oberflächennahen Blutgefäßen stammende Komponente der reflektierten IR- Strahlung weist eine von der arteriellen Pulsfrequenz des Testsubjekts abhängige zeitliche Variation auf. Aufgrund dieser Variation kann eine Diskriminierung zwischen sich mit der Pulsfrequenz ändernden Signalen und von der Pulsfrequenz unabhängigen Signalen im Rahmen der Auswertung vorgenommen werden. Auf diese Weise kann überraschenderweise die Konzentration des Analyten im Blut des Testsubjekts, beispielsweise die Konzentration von Glucose, mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. In order to avoid disadvantages of the measuring method described in WO 81/00622, a selective evaluation of reflected IR radiation in the region of 0.7-20 μιη, preferably 3-20 μιη, particularly preferably from 8-12 μιη takes place according to the present invention , from near-surface blood vessels of the irradiated body region, in particular a selective evaluation of reflected IR radiation from the capillary blood vessels of the dermis. It is preferred that the IR radiation radiated into the body surface reaches a maximum penetration depth of about 2.5 to 3 mm. The inventors have now found that the IR radiation reflected from an irradiated body is composed of several components that can be separately analyzed. The component of the reflected IR radiation originating from near-surface blood vessels has a temporal variation dependent on the arterial pulse frequency of the test subject. Due to this variation, a discrimination between signals that change with the pulse rate and signals that are independent of the pulse rate can be made as part of the evaluation. In this way, surprisingly, the concentration of the analyte in the blood of the test subject, for example the concentration of glucose, can be determined with high accuracy.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur nicht-invasiven quantitativen Bestimmung eines Analyten im Blut eines Testsubjekts, umfassend: A first aspect of the present invention thus relates to a device for the non-invasive quantitative determination of an analyte in the blood of a test subject, comprising:
(a) eine Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung, die eine oder mehrere IR- Strahlungsquellen, insbesondere eine oder mehrere Breitband-IR- Strahlungsquellen umfasst und zur Bestrahlung eines von dem Testsubjekt stammenden Körperbereichs eingerichtet ist,  (a) an IR radiation generating unit comprising one or more IR radiation sources, in particular one or more broadband IR radiation sources, arranged to irradiate a body region originating from the test subject,
(b) eine Einheit zur Aufnahme des zu untersuchenden Körperbereichs,  (b) a unit for receiving the body area to be examined,
(c) eine Einheit zur Erfassung von reflektierter IR-Strahlung aus dem bestrahlten Körperbereich, die zur separaten Erfassung von IR-Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 0,7-20 μιη, vorzugsweise von 3-20 μιη, besonders bevorzugt von 8-12 μιη, eingerichtet ist, (c) a unit for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region, which is capable of separately detecting IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the body Region of 0.7-20 μιη, preferably from 3-20 μιη, more preferably from 8-12 μιη, is set up,
wobei bei einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und  wherein at a first wavelength or a first wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and
wobei bei einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert und wobei die Einheit gegebenenfalls zusätzlich zur unspezifischen Erfassung von reflektierter IR-Strahlung eingerichtet ist, und  wherein at a second wavelength or a second wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined and wherein the unit is optionally arranged in addition to the nonspecific detection of reflected IR radiation, and
eine Einheit, die zur Auswertung der von der Erfassungseinheit (c) stammenden Signale und zur Ermittlung der Konzentration des Analyten auf Basis der ausgewerteten Signale eingerichtet ist,  a unit which is set up to evaluate the signals originating from the detection unit (c) and to determine the concentration of the analyte on the basis of the signals evaluated,
wobei die Einheit zur selektiven Auswertung von reflektierter IR-Strahlung eingerichtet ist, die aus Blutgefäßen des bestrahlten Körperbereichs, insbesondere aus Kapillarblutgefäßen der Dermis stammt.  wherein the unit is adapted for selective evaluation of reflected IR radiation originating from blood vessels of the irradiated body region, in particular from capillary blood vessels of the dermis.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält eine Einheit zur Erzeugung von IR- Strahlung (a), die eine oder mehrere IR-Strahlungsquellen enthält. Vorzugsweise werden die IR-Strahlungsquellen aus Breitband-IR-Strahlungsquellen, wie etwa Glühkerzen oder Widerständen, beispielsweise Heizwiderständen und/oder Attenuatoren, ausgewählt. In manchen Ausführungsformen enthält die Vorrichtung eine einzige IR-Strahlungsquelle, beispielsweise eine Glühkerze, wobei in anderen Ausführungsformen mehrere IR-Strahlungsquellen, wie etwa mehrere Widerstände, insbesondere Heizwiderstände oder Attenuatoren, vorgesehen sind. Bei Verwendung mehrerer IR-Strahlungsquellen kann es bevorzugt sein, dass diese in Form von flächigen Arrays, beispielsweise in einer ringförmigen Anordnung, vorliegen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Strahlungsquellen mit geringer Restwärme wie etwa Attenuatoren. The device according to the invention comprises a unit for generating IR radiation (a), which contains one or more IR radiation sources. Preferably, the IR radiation sources are selected from broadband IR radiation sources, such as glow plugs or resistors, for example, heater resistors and / or attenuators. In some embodiments, the device includes a single IR radiation source, such as a glow plug, in other embodiments, multiple IR radiation sources, such as multiple resistors, particularly heater resistors or attenuators. When using a plurality of IR radiation sources, it may be preferred that these are in the form of areal arrays, for example in an annular arrangement. Particularly preferred is the use of radiation sources with low residual heat such as attenuators.
Des Weiteren können im Rahmen der Erfindung auch gepulste IR- Strahlungsquellen wie etwa Blitzlampen verwendet werden. Dabei beträgt die Dauer eines Pulses üblicherweise 0,01-0,2 s. Furthermore, within the scope of the invention, pulsed IR radiation sources such as flash lamps can also be used. The duration of a pulse is usually 0.01-0.2 s.
In bestimmten Ausführungsformen ist es vorgesehen, dass die von der oder den Strahlungsquellen stammende IR-Strahlung als Breitbandstrahlung in den zu untersuchenden Körperbereich eingestrahlt wird. In anderen Ausführungsformen ist es auch möglich, IR-Strahlung mit spezifisch ausgewählten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen einzustrahlen. In einer solchen Ausführungsform können mehrere IR-Strahlungsquellen mit unterschiedlichen optischen Filterelementen verwendet werden, die zur Abgabe von IR-Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 0,7- 20 μιη, vorzugsweise von 3-20 pm, besonders bevorzugt von 8-12 pm, eingerichtet sind, wobei bei einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und wobei bei einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert. In certain embodiments, it is contemplated that the one or more Radiation sources originating IR radiation is irradiated as broadband radiation in the body region to be examined. In other embodiments, it is also possible to irradiate IR radiation with specifically selected wavelengths or wavelength ranges. In such an embodiment, a plurality of IR radiation sources with different optical filter elements can be used which are particularly preferred for emitting IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 μιη, preferably 3-20 μπι 8-12 pm), wherein at a first wavelength or a first wavelength range the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and wherein at a second wavelength or a second wavelength range the intensity the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined.
Als optische Filterelemente können dabei Dünnschicht-, Gradientenschicht- oder Rugate-Filtersysteme eingesetzt werden. Gegebenenfalls können auch partiell mit Filtern versehene IR-Strahlungsquellen verwendet werden. Zur Erzeugung von IR-Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen können geeignete Filterelemente, z.B. Bandpass-, Hochpass- oder Tiefpass-Filterelemente oder Kombinationen mehrerer solcher Filterelemente verwendet werden. Wenn Strahlung mit spezifischen Wellenlängen erzeugt werden soll, können jeweils enge Bandpassfilterelemente mit einer Durchlässigkeitsbreite von z.B. bis zu 0,8 pm, bis zu 0,6 pm, bis zu 0,4 pm oder bis zu 0,2 pm um die erste bzw. zweite Emissionswellenlänge verwendet werden. Zur Erzeugung von IR-Strahlung mit unterschiedlichen breiteren Wellenlängenbereichen können die Filterelemente Kombinationen von weiten Bandpassfilterelementen mit einer Durchlässigkeitsbreite von z.B. 2-12 pm, vorzugsweise 3-8 pm, mit Hochpassfilterelementen und/oder Tiefpassfilterelementen umfassen. Die Filterelemente werden dabei so gewählt, dass eine der Strahlungsquellen IR- Strahlung mit der ersten Wellenlänge oder dem ersten Wellenlängenbereich, wo die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und eine andere der Strahlungsquellen IR-Strahlung mit der zweiten Wellenlänge oder dem zweiten Wellenlängenbereich, wo sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert, emittiert. Das heißt, die Hochpass- und/oder Tiefpassfilterelemente sind jeweils nur in einem der beiden Wellenlängenbereiche durchlässig. Thin-film, gradient-layer or rugate filter systems can be used as optical filter elements. Optionally, partially IR filtered radiation sources may also be used. To generate IR radiation with different wavelengths or wavelength ranges, suitable filter elements, eg bandpass, highpass or lowpass filter elements or combinations of several such filter elements can be used. If radiation with specific wavelengths is to be generated, narrow bandpass filter elements with a transmission width of, for example, up to 0.8 μm, up to 0.6 μm, up to 0.4 μm or up to 0.2 μm can be arranged around the first or second emission wavelength can be used. For generating IR radiation having different broader wavelength ranges, the filter elements may comprise combinations of wide bandpass filter elements having a transmission width of eg 2-12 pm, preferably 3-8 pm, with high-pass filter elements and / or low-pass filter elements. The filter elements are selected such that one of the radiation sources IR radiation having the first wavelength or the first wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and another of the radiation sources IR-. Radiation having the second wavelength or the second wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined, emitted. That is, the high-pass and / or low-pass filter elements are permeable only in one of the two wavelength ranges.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich als günstig erwiesen, dass die Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung (a) weiterhin ein Kühlelement für die eine oder mehreren IR-Strahlungsquellen umfasst. Durch Verwendung solcher Kühlelemente kann ein unerwünschter Temperaturanstieg der Strahlungsquelle vermieden werden. Bevorzugt können Peltier-Elemente für diesen Zweck verwendet werden. Dabei ist es bevorzugt, dass die Außentemperatur der Strahlungsquelle mit Hilfe von Kühlelementen auf 30 °C oder weniger, 25 °C oder weniger oder 22 °C oder weniger eingestellt wird. Die Gesamtenergieleistung der in den zu untersuchenden Körperbereich eingestrahlten IR-Strahlung wird so gewählt, um ausreichende Signalintensität der aus dem bestrahlten Körperbereich reflektierten Strahlung zu erzielen. Üblicherweise liegt die gesamte Energieleistung der Strahlungsquelle(n) im Bereich von einigen Milliwatt, z.B. im Bereich von etwa 1 -100 mW, insbesondere im Bereich von etwa 1 -50 mW. In the context of the present invention, it has proved favorable that the unit for generating IR radiation (a) furthermore comprises a cooling element for the one or more IR radiation sources. By using such cooling elements, an undesirable increase in the temperature of the radiation source can be avoided. Preferably, Peltier elements can be used for this purpose. In this case, it is preferable that the outside temperature of the radiation source is set to 30 ° C or less, 25 ° C or less or 22 ° C or less by means of cooling elements. The total energy output of the IR radiation radiated into the body region to be examined is chosen so as to obtain sufficient signal intensity of the radiation reflected from the irradiated body region. Usually, the total energy output of the radiation source (s) is in the range of a few milliwatts, e.g. in the range of about 1 to 100 mW, in particular in the range of about 1 to 50 mW.
Die Einheit zur Erzeugung der IR-Strahlung kann außerdem Steuerelemente zur Regelung der Strahlungsabgabe enthalten. Dabei kann eine kontinuierliche Strahlungsabgabe oder eine getaktete bzw. gepulste Strahlungsabgabe z.B. mit einer Frequenz von 10-50 Hz, wie etwa 30 Hz, vorgesehen werden. The unit for generating the IR radiation may also contain controls for controlling the radiation output. In this case, a continuous radiation output or a pulsed or radiation emission, e.g. with a frequency of 10-50 Hz, such as 30 Hz.
Die IR-Strahlung kann diffus oder fokussiert in den Körperbereich eingestrahlt werden. Für eine fokussierte Einstrahlung können die Strahlungsquellen mit optischen Fokussierungselementen, z.B. Linsen aus IR-transparenten Materialien wie etwa Germanium oder Zinkselenid, versehen werden. Beispielsweise können hierzu konvexe Linsen, z.B. Plankonvex- oder Bikonvexlinsen, auf der Strahlungsquelle aufgebracht werden. Der Linsendurchmesser ist dabei dem Durchmesser der Strahlungsquelle angepasst. Bei Verwendung mehrerer Strahlungsquellen mit Linsenelementen ist die Verwendung eines Trägers mit einer konkaven Oberfläche, z.B. einer parabolisch konkav geformten Oberfläche günstig, auf der die Strahlungsquellen aufgebracht sind. Dadurch kann die Fokussierung der emittierten IR-Strahlung verbessert werden. The IR radiation can be diffused or focused into the body area. For a focused irradiation, the radiation sources can be provided with optical focusing elements, eg lenses made of IR-transparent materials such as germanium or zinc selenide. For example, convex lenses, for example planoconvex or biconvex lenses, can be applied to the radiation source for this purpose. The lens diameter is adapted to the diameter of the radiation source. When using a plurality of radiation sources with lens elements, the use of a carrier with a concave surface, for example a parabolically concave-shaped surface is favorable, on which the radiation sources are applied. As a result, the focusing of the emitted IR radiation can be improved.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Aufnahme eines Körperbereichs eines Testsubjekts, insbesondere zur Aufnahme eines Körperbereichs eines menschlichen Testsubjekts, z.B. einer Fingerkuppe, eines Ohrläppchens oder einer Ferse oder Teilen davon, vorgesehen, um eine Bestrahlung dieses Körperbereichs zu ermöglichen. Hierzu enthält die Vorrichtung eine Einheit zur Aufnahme des zu bestrahlenden Körperbereichs, die beispielsweise ein Auflageelement für den betreffenden Körperbereich, z.B. die Fingerkuppe, umfassen kann. Die Form des Auflageelements ist dem Körperbereich angepasst, an dem die Bestimmung durchgeführt wird. So kann etwa ein planares Auflageelement vorgesehen sein. The device according to the invention is for receiving a body region of a test subject, in particular for receiving a body region of a human test subject, e.g. a fingertip, an earlobe or a heel or parts thereof, to allow for irradiation of that body area. For this purpose, the device comprises a unit for receiving the body region to be irradiated which, for example, has a support element for the relevant body region, e.g. the fingertip, may include. The shape of the support element is adapted to the body area where the determination is made. For example, a planar support element can be provided.
Günstigerweise ist das Auflageelement zumindest teilweise transparent für IR- Strahlung in der Region von 0,7-20 μιη, vorzugsweise von 3-20 μιη, besonders bevorzugt von 8-12 μιη, um ein ungehindertes Durchdringen der in den zu untersuchenden Körperbereich eingestrahlten IR-Strahlung und der daraus reflektierten IR-Strahlung im Bereich der ersten und zweiten Messwellenlänge zu ermöglichen. Beispiele für geeignete Materialien sind Silicium, Germanium oder organische IR-transparente Polymere. Das Auflageelement kann in jeder geeigneten Form ausgebildet sein, beispielsweise als Scheibe. Des Weiteren hat es sich als günstig herausgestellt, dass das Auflageelement mit einem Kühlelement, insbesondere mit einem Peltier-Element versehen ist, um ein unerwünschtes Aufheizen des untersuchenden Körperbereichs aufgrund der IR-Bestrahlung zu vermeiden. Beispielsweise kann das Kühlelement so eingerichtet sein, dass es eine Temperatur von 30 °C oder weniger, 25 °C oder weniger oder 22 °C oder weniger an der Oberfläche des zu bestrahlenden Körperbereichs einstellen kann. Conveniently, the support element is at least partially transparent to IR radiation in the region of 0.7-20 μιη, preferably from 3-20 μιη, particularly preferably from 8-12 μιη, to allow unhindered penetration of the radiated into the body region to be examined IR To allow radiation and the IR radiation reflected therefrom in the range of the first and second measuring wavelength. Examples of suitable materials are silicon, germanium or organic IR-transparent polymers. The support element may be formed in any suitable form, for example as a disk. Furthermore, it has turned out to be advantageous that the support element is provided with a cooling element, in particular with a Peltier element, in order to avoid unwanted heating of the examination body region due to IR irradiation. For example, the cooling element may be configured to set a temperature of 30 ° C or less, 25 ° C or less, or 22 ° C or less at the surface of the body region to be irradiated.
Vorzugsweise umfasst das Auflageelement Mittel, z.B. Sensoren, zur Erfassung und/oder Kontrolle der Auflageposition und/oder des Auflagedrucks für den zu bestrahlenden Körperbereich. Dabei können die Auflageposition und/oder der Auflagedruck individuell für jeden Körperbereich erfasst und gegebenenfalls adaptiert werden. Die individuelle Adaption kann z.B. einen ein- oder mehrmaligen Abgleich des von der erfindungsgemäßen nicht-invasiven Vorrichtung stammenden Messsignals mit einem Referenzsignal umfassen, das konventionell, z.B. über eine invasive Bestimmung erhalten worden ist. Dieser Abgleich kann im Rahmen der Erstbenutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgen und - sofern erforderlich - in zeitlichen Abständen, z.B. täglich, jeden zweiten Tag, wöchentlich etc., wiederholt werden. Vorzugsweise erfolgt der Abgleich durch Justierung von Auflageposition und/oder Auflagedruck für den zu bestrahlenden Körperbereich, um ein stabiles reproduzierbares Messsignal zu erhalten, das dem Referenzsignal möglichst weitgehend entspricht. Hierzu kann die Vorrichtung Sensoren zur Erfassung und/oder Kontrolle der Auflageposition des zu bestrahlenden Körperbereichs, z.B. hinsichtlich der x-, y- und z-Koordinaten bezüglich des Auflageelements, und/oder zur Erfassung und/oder Kontrolle des Auflagedrucks, z.B. in einem Bereich von etwa 0,5-10 N, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1-5 N und besonders bevorzugt von etwa 2 N enthalten. Ein Sensor zur Erfassung und/oder Kontrolle des Auflagedrucks kann beispielsweise eine Wägezelle enthalten. The support element preferably comprises means, eg sensors, for detecting and / or checking the support position and / or the contact pressure for the body region to be irradiated. In this case, the support position and / or the contact pressure can be detected individually for each body region and optionally adapted. The individual adaptation may comprise, for example, a one or more adjustment of the measurement signal originating from the noninvasive device according to the invention with a reference signal which is conventional, for example via a invasive determination has been obtained. This adjustment can take place during the first use of the device according to the invention and - if necessary - at intervals, eg daily, every other day, weekly, etc., be repeated. Preferably, the adjustment is effected by adjusting the support position and / or contact pressure for the body region to be irradiated in order to obtain a stable, reproducible measurement signal which corresponds as closely as possible to the reference signal. For this purpose, the device can sensors for detecting and / or controlling the support position of the body region to be irradiated, for example with respect to the x, y and z coordinates with respect to the support element, and / or for detecting and / or control of the contact pressure, eg in one area of about 0.5-10 N, preferably in a range of about 1-5 N, and more preferably about 2 N. For example, a sensor for detecting and / or controlling the contact pressure may include a load cell.
Die durch Adaption ermittelten Einstellungen für Auflageposition und/oder Auflagedruck werden vorzugsweise von der Vorrichtung registriert und gespeichert. Bei einer nachfolgenden Benutzung des Geräts können dann die korrekte Auflageposition bzw. der korrekte Auflagedruck durch ein Signal angezeigt werden, z.B. durch ein optisches und/oder aktustisches Signal. Die Messung des zu bestimmenden Analyten wird erst gestartet, wenn die vorgegebenen korrekten Einstellungen verifiziert worden sind. The settings for support position and / or contact pressure determined by adaptation are preferably registered and stored by the device. In a subsequent use of the device, the correct placement position or the correct contact pressure can then be indicated by a signal, e.g. by an optical and / or acoustic signal. The measurement of the analyte to be determined is not started until the specified correct settings have been verified.
Weiterhin enthält die Vorrichtung eine Einheit (c) zur Erfassung von reflektierter IR- Strahlung aus dem bestrahlten Körperbereich, die zur separaten Erfassung von IR- Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 0,7-20 μιη, vorzugsweise von 3-20 μιη, besonders bevorzugt von 8-12 μιη, eingerichtet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist diese Einheit zur separaten Erfassung von IR-Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 5-15 μιη, insbesondere 7-12 μιη und am meisten bevorzugt von 8- 10 μιη eingerichtet. Furthermore, the device contains a unit (c) for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region, which is used for separate detection of IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 μιη, preferably of 3 -20 μιη, more preferably from 8-12 μιη, is established. In a particularly preferred embodiment, this unit is adapted for the separate detection of IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 5-15 μιη, in particular 7-12 μιη and most preferably of 8-10 μιη.
In einer Ausführungsform enthält die Erfassungseinheit (c) mehrere Sensoren, die zur separaten Erfassung von IR-Strahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen vorgesehen sind. In einer anderen Ausführungsform kann die Vorrichtung wiederum einen Sensor enthalten, der zur zeitabhängigen separaten Erfassung von IR-Strahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen vorgesehen ist. In one embodiment, the detection unit (c) includes a plurality of sensors for separately detecting IR radiation having at least two different ones Wavelengths or wavelength ranges are provided. In another embodiment, the device may in turn comprise a sensor which is provided for the time-dependent separate detection of IR radiation with at least two different wavelengths or wavelength ranges.
Dabei ist die Erfassungseinheit (c) zur separaten Erfassung von IR-Strahlung bei mindestens einer ersten Wellenlänge bzw. einem ersten Wellenlängenbereich und bei mindestens einer zweiten Wellenlänge bzw. mindestens einem zweiten Wellenlängenbereich eingerichtet. Die erste Wellenlänge bzw. der erste Wellenlängenbereich liegt vorzugsweise in der Region eines Absorptionsminimums für den zu bestimmenden Analyten. Die zweite Wellenlänge bzw. der zweite Wellenlängenbereich liegt vorzugsweise in der Region eines Absorptionsbands des zu bestimmenden Analyten, d.h. in einer Region, in der der Analyt eine starke Absorption, vorzugsweise ein Absorptionsmaximum zeigt. In this case, the detection unit (c) is set up for the separate detection of IR radiation at at least one first wavelength or a first wavelength range and at at least one second wavelength or at least one second wavelength range. The first wavelength or the first wavelength range is preferably in the region of an absorption minimum for the analyte to be determined. The second wavelength or the second wavelength range is preferably in the region of an absorption band of the analyte to be determined, i. in a region in which the analyte shows a strong absorption, preferably an absorption maximum.
In einer Ausführungsform enthält die Vorrichtung mindestens einen ersten Sensor und mindestens einen zweiten Sensor, die jeweils zur separaten Erfassung von IR- Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen in der Region von 0,7-20 μητι, vorzugsweise von 3-20 μπτι, besonders bevorzugt von 8- 12 μιη, eingerichtet sind. Ein erster Sensor wird dabei so ausgewählt, dass er zur Erfassung von IR-Strahlung mit einer ersten Wellenlänge bzw. mit einem ersten Wellenlängenbereich eingerichtet ist, wo die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist. Ein zweiter Sensor wird derart ausgewählt, dass er zur Erfassung von IR- Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge bzw. einem zweiten Wellenlängenbereich eingerichtet ist, wo sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert. Dabei kann die erfindungsgemäße Vorrichtung jeweils einen oder mehrere erste und zweite Sensoren enthalten. In one embodiment, the device includes at least one first sensor and at least one second sensor, each for separate detection of IR radiation having different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 μητι, preferably 3-20 μπτι, especially preferably from 8 to 12 μιη, are set up. A first sensor is selected so that it is set up to detect IR radiation having a first wavelength or with a first wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined. A second sensor is selected such that it is set up to detect IR radiation having a second wavelength or a second wavelength range, where the intensity of the reflected IR radiation changes as a function of the concentration of the analyte to be determined. In this case, the device according to the invention may each contain one or more first and second sensors.
Der erste und/oder der zweite Sensor können als Wellenlängen-unspezifische Strahlungssensoren, beispielsweise als Bolometer, ausgebildet sein, die mit optischen Filterelementen ausgestattet sind, die für eine jeweils zu erfassende Wellenlänge bzw. einen zu erfassenden Wellenlängenbereich durchlässig sind, um auf diese Weise eine Wellenlängen(bereichs)-spezifische Erfassung der IR- Strahlung zu ermöglichen. Hierzu können geeignete Filterelemente, z.B. Bandpass-, Hochpass- oder Tiefpassfilterelemente oder Kombinationen mehrerer solcher Filterelemente verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden als erster und/oder zweiter Sensor Bolometer mit hoher Präzision verwendet. The first and / or the second sensor can be embodied as wavelength unspecific radiation sensors, for example as bolometers, which are equipped with optical filter elements which are permeable to a respective wavelength to be detected or a wavelength range to be detected, in order in this way to produce a Wavelength (area) -specific detection of IR To allow radiation. For this purpose, suitable filter elements, for example bandpass, high-pass or low-pass filter elements or combinations of several such filter elements can be used. In a preferred embodiment, bolometers of high precision are used as first and / or second sensor.
In einer Ausführungsform können zur Wellenlängen-spezifischen Erfassung von IR- Strahlung der erste und/oder der zweite Sensor mit engen Bandpassfilterelementen ausgestattet sein, die eine Durchlässigkeitsbreite von jeweils z.B. bis zu 0,8 pm, bis zu 0,4 pm, bis zu 0,3 pm oder bis zu 0,2 pm um die erste oder zweite Messwellenlänge aufweisen. In one embodiment, for wavelength-specific detection of IR radiation, the first and / or the second sensor may be provided with narrow bandpass filter elements having a transmission width of, e.g. up to 0.8 pm, up to 0.4 pm, up to 0.3 pm or up to 0.2 pm around the first or second measurement wavelength.
In noch einer weiteren Ausführungsform können die Filterelemente des ersten und/oder des zweiten Sensors Kombinationen von weiten Bandpassfilterelementen mit einer Durchlässigkeitsbreite von z.B. 2-12 pm, vorzugsweise 3-8 pm, Hochpassfilterelementen und/oder Tiefpassfilterelementen umfassen. So kann ein weites Bandpassfilterelement vorgesehen sein, das für IR-Strahlung in einer den gesamten Messwellenlängenbereich überdeckenden Region durchlässig ist, beispielsweise in einer Region von 8-10,5 pm oder 7-14 pm. Dieses Bandpassfilterelement kann in Kombination mit Tiefpass- und/oder Hochpassfilterelementen eingesetzt werden, um für den ersten und zweiten Sensor jeweils eine separate Erfassung von IR-Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen zu ermöglichen. Dabei kann einer der beiden Sensoren ein Tiefpassfilterelement enthalten, welches für IR-Strahlung bis hinab zu einer Grenzwellenlänge durchlässig ist, die zwischen der ersten Wellenlänge bzw. dem ersten Wellenlängenbereich und der zweiten Wellenlänge bzw. dem zweiten Wellenlängenbereich liegt. Alternativ oder zusätzlich kann der andere der beiden Sensoren ein Hochpassfilterelement enthalten, das für IR-Strahlung bis hinauf zu einer zweiten Grenzwellenlänge durchlässig ist, die ebenfalls zwischen der ersten Messwellenlänge bzw. dem ersten Messwellenlängenbereich und der zweiten Messwellenlänge bzw. dem zweiten Messwellenlängenbereich liegt. In yet another embodiment, the filter elements of the first and / or the second sensor may comprise combinations of wide bandpass filter elements having a transmission width of e.g. 2-12 pm, preferably 3-8 pm, high pass filter elements and / or low pass filter elements. Thus, a wide bandpass filter element can be provided, which is permeable to IR radiation in a region covering the entire measuring wavelength range, for example in a region of 8-10.5 pm or 7-14 pm. This bandpass filter element can be used in combination with low-pass and / or high-pass filter elements in order to allow separate detection of IR radiation of different wavelengths or wavelength ranges for the first and second sensor. In this case, one of the two sensors may include a low-pass filter element which is transparent to IR radiation down to a cut-off wavelength which lies between the first wavelength or the first wavelength range and the second wavelength or the second wavelength range. Alternatively or additionally, the other of the two sensors may include a high-pass filter element which is transparent to IR radiation up to a second cut-off wavelength which is also between the first measurement wavelength and the first measurement wavelength range and the second measurement wavelength and the second measurement wavelength range, respectively.
Der Vorteil einer Verwendung von breiten Bandpassfiltern in Kombination mit einem Tiefpass- und/oder Hochpassfilter besteht darin, dass breitere Wellenlängenbereiche erfasst werden können. Auf diese Weise kann die Effizienz der Messung deutlich erhöht werden. In einer konkreten Ausgestaltung dieser Ausführungsform kann einer der beiden Sensoren ein weites Bandpassfilter in Kombination mit einem Tiefpassfilter und der andere der beiden Sensoren ein breites Bandpassfilter in Kombination mit einem Hochpassfilter enthalten. In einer zweiten Ausgestaltung kann einer der beiden Sensoren ggf. nur ein breites Bandpassfilter und der andere der beiden Sensoren die Kombination eines Bandpassfilters mit einem Tiefpassfilter oder alternativ die Kombination eines Bandpassfilters mit einem Hochpassfilter enthalten. Bei den beiden letztgenannten Ausgestaltungsformen überlappen die von den beiden Sensoren erfassten Wellenlängenbereiche, so dass bei der Auswertung dieser überlappende Bereich herausgerechnet werden muss. The advantage of using wide bandpass filters in combination with a lowpass and / or highpass filter is that wider wavelength ranges can be detected. In this way, the efficiency of the measurement can be significantly increased. In a specific embodiment of this embodiment, one of the two sensors may include a wide bandpass filter in combination with a low-pass filter and the other of the two sensors may include a wide bandpass filter in combination with a high pass filter. In a second embodiment, one of the two sensors optionally only a broad bandpass filter and the other of the two sensors containing the combination of a bandpass filter with a low-pass filter or alternatively the combination of a bandpass filter with a high-pass filter. In the two last-mentioned embodiments, the wavelength ranges detected by the two sensors overlap, so that this overlapping region has to be eliminated during the evaluation.
In noch einer weiteren Ausführungsform können der erste Sensor und/oder der zweite Sensor auch als Wellenlängen(bereichs)-spezifische Sensoren, beispielsweise als Quantenkaskaden-Sensoren ausgebildet sein. In yet another embodiment, the first sensor and / or the second sensor may also be embodied as wavelength-domain-specific sensors, for example as quantum cascade sensors.
In einer anderen Ausführungsform enthält die Erfassungseinheit (c) mindestens einen Sensor, der zur zeitabhängigen separaten Erfassung von IR-Strahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen in der Region von 0,7-20 μητι, vorzugsweise von 3-20 μητι eingerichtet, besonders bevorzugt von 8-12 μιη, ist, In another embodiment, the detection unit (c) contains at least one sensor which is set up for the time-dependent separate detection of IR radiation with at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 μητι, preferably 3-20 μητι, particularly preferably from 8 to 12 μιη,
wobei bei einer ersten Wellenlänge bzw. einem ersten Wellenlängenbereich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und wherein at a first wavelength or a first wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and
wobei bei einer zweiten Wellenlänge bzw. einem zweiten Wellenlängenbereich sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert. wherein at a second wavelength or a second wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined.
Dabei kann der zur zeitabhängigen separaten Erfassung von Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen vorgesehene Sensor als Fabry-Perot Interferometer ausgebildet sein, beispielsweise als MEMS- Spektrometer für den MIR/TIR-Bereich von etwa 3-12 μιη (siehe z.B. Tuohinieni et al., J. Micromech. Microeng. 22 (2012), 1 15004; Tuohinieni et al., J. Micromech. Microeng. 23 (2013), 07501 1 ). Zusätzlich kann die Erfassungseinheit (c) gegebenenfalls noch mindestens einen weiteren Sensor enthalten, der zur unspezifischen Erfassung von reflektierter IR- Strahlung aus dem bestrahlten Körperbereich des Testsubjekts eingerichtet ist und zur Referenzierung, z.B. zur Referenzierung der Energieleistung der Anregungsquelle dienen kann. In this case, the sensor provided for the time-dependent separate detection of radiation with different wavelengths or wavelength ranges can be designed as a Fabry-Perot interferometer, for example as a MEMS spectrometer for the MIR / TIR range of about 3-12 μm (see, for example, Tuohinieni et al., Micromech, Microeng 22 (2012), 1 15004, Tuohinieni et al., J. Micromech, Microeng 23 (2013), 07501 1). In addition, the detection unit (c) may optionally contain at least one further sensor which is set up for non-specific detection of reflected IR radiation from the irradiated body region of the test subject and can be used for referencing, eg for referencing the energy output of the excitation source.
Die Größe der Sensoren der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann je nach Bedarf gewählt werden. Beispielsweise können sie eine Querschnittsfläche im Bereich von 0,5-10 mm2 aufweisen. The size of the sensors of the device according to the invention can be selected as needed. For example, they may have a cross-sectional area in the range of 0.5-10 mm 2.
Die Sensoren der erfindungsgemäßen Vorrichtung befinden sich vorzugsweise in einem Zielstand der thermischen Äquilibrierung, z.B. indem sie in Kontakt mit einem gemeinsamen wärmeleitfähigen Träger wie etwa einem Block, einem Körper, einer Platte oder einer Folie aus Metall, z.B. Kupfer oder Messing, stehen oder darin eingebettet sind. The sensors of the device according to the invention are preferably in a target state of thermal equilibration, e.g. by being in contact with a common thermally conductive carrier such as a block, body, plate or foil of metal, e.g. Copper or brass, standing or embedded in it.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind im Stahlengang zwischen dem zu untersuchenden Körperbereich und der Erfassungseinheit (c) optische Fokussierelemente, z.B. Linsenelemente, angeordnet, um eine möglichst punktförmige Fokussierung der reflektierten IR-Strahlung auf den Sensor bzw. den Sensoren der Erfassungseinheit (c) zu ermöglichen. So können der erste und/oder zweite Sensor mit optischen Fokussierelementen, z.B. Plankonvexlinsen oder Bikonvexlinsen aus IR-transparenten Materialien wie etwa Germanium oder Zinkselenid, ausgestattet sein, wobei der Linsendurchmesser günstigerweise dem Durchmesser des Sensors angepasst ist. Diese Elemente werden insbesondere in Kombination mit Strahlungsquellen verwendet, die ebenfalls optische Fokussierelemente aufweisen. Durch Verwendung einer optischen Anordnung mit fokussiertem Strahlengang kann die Strahlungsausbeute und somit die Sensitivität und Präzision der Messung gesteigert werden. In a preferred embodiment, in the steel path between the body region to be examined and the detection unit (c) optical focusing elements, e.g. Lens elements, arranged to allow a point-like focusing of the reflected IR radiation on the sensor or the sensors of the detection unit (c). Thus, the first and / or second sensor may be provided with optical focusing elements, e.g. Plano-convex lenses or biconvex lenses made of IR-transparent materials such as germanium or zinc selenide, wherein the lens diameter is favorably adapted to the diameter of the sensor. These elements are used in particular in combination with radiation sources, which also have optical focusing elements. By using an optical arrangement with focused beam path, the radiation yield and thus the sensitivity and precision of the measurement can be increased.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Strahlungsquellen, z.B. Attenuatoren, die mit Plankonvexlinsen ausgestattet sind, und Sensoren, z.B. Bolometern, die mit Bikonvexlinsen ausgestattet sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Bestimmung von Analyten verwendet werden, die charakteristische Absorptionsbanden im IR-Bereich, insbesondere in den zuvor genannten Wellenlängenregionen, z.B. in den Regionen von 3-20 μιτι und insbesondere von 7-15 μιη und am meisten bevorzugt von 8-12 μιτι aufweisen. Beispiele für solche Analyten sind Glucose oder andere klinische relevante Analyten wie etwa Lactat, Troponin oder C-reaktives Protein. Particularly preferred is the use of radiation sources, eg attenuators equipped with plano-convex lenses, and sensors, eg bolometers, equipped with biconvex lenses. The device according to the invention can be used for the determination of analytes be that have characteristic absorption bands in the IR range, especially in the aforementioned wavelength regions, for example in the regions of 3-20 μιτι and in particular of 7-15 μιη and most preferably of 8-12 μιτι. Examples of such analytes are glucose or other clinically relevant analytes such as lactate, troponin or C-reactive protein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur nicht-invasiven Bestimmung von Glucose in Blut, insbesondere in Kapillarblut der Dermis, eingerichtet. In diesem Fall umfasst die erste Wellenlänge bzw. der erste Wellenlängenbereich ein Absorptionsminimum von Glucose und die zweite Wellenlänge bzw. der zweite Wellenlängenbereich ein Absorptionsband von Glucose oder einen Teil davon. Beispielsweise kann die erste Wellenlänge in der Region von 8,1 ± 0,3 μιη und/oder 8,5 ± 0,3 μιη, von 8,1 ± 0,2 μιη und/oder 8,5 ± 0,2 μιη und insbesondere in den Regionen von 8,1 ± 0,1 μιη und/oder 8,5 ± 0,1 μιη liegen oder zumindest eine dieser Regionen umfassen. In diesen Wellenlängenregionen weist Glucose ein Absorptionsminimum auf. Die zweite Wellenlänge kann in der Region von 9,1 ± 0,3 μιη, 9,3 ± 0,3 μιη und/oder 9,6 ± 0,3 μιη, von 9,1 ± 0,2 μιη, 9,3 ± 0,2 μιη und/oder 9,6 ± 0,2 μιη und insbesondere in der Region von 9,1 ± 0,1 μιη, 9,3 ± 0,1 μιη und/oder 9,6 ± 0,1 μιη liegen oder zumindest eine dieser Regionen umfassen. In diesen Wellenlängenregionen weist Glucose ein Absorptionsband mit mehreren Absorptionsmaxima auf. In a particularly preferred embodiment, the device according to the invention is designed for the non-invasive determination of glucose in blood, in particular in capillary blood of the dermis. In this case, the first wavelength or the first wavelength range comprises an absorption minimum of glucose and the second wavelength or the second wavelength range comprises an absorption band of glucose or a part thereof. For example, the first wavelength in the region of 8.1 ± 0.3 μιη and / or 8.5 ± 0.3 μιη, of 8.1 ± 0.2 μιη and / or 8.5 ± 0.2 μιη and especially in the regions of 8.1 ± 0.1 μιη and / or 8.5 ± 0.1 μιη or comprise at least one of these regions. In these wavelength regions, glucose has an absorption minimum. The second wavelength may be in the region of 9.1 ± 0.3 μιη, 9.3 ± 0.3 μιη and / or 9.6 ± 0.3 μιη, of 9.1 ± 0.2 μιη, 9.3 ± 0.2 μιη and / or 9.6 ± 0.2 μιη and in particular in the region of 9.1 ± 0.1 μιη, 9.3 ± 0.1 μιη and / or 9.6 ± 0.1 μιη or at least one of these regions. In these wavelength regions, glucose has an absorption band with multiple absorption maxima.
Ein weiterer Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Einheit zur Auswertung der von der Erfassungseinheit stammenden Signale und zur Ermittlung der Konzentration des Analyten auf Basis der ausgewerteten Signale. Die Auswertung der Signale beruht darauf, dass die reflektierte IR-Strahlung bei einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich aus einem Absorptionsminimum des Analyten, z.B. Glucose, unabhängig von der im Blut des Testsubjekts vorliegenden Analytkonzentration ist. Die reflektierte IR-Strahlung mit einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich aus einem Absorptionsband des Analyten ist hingegen wiederum von der Konzentration des betreffenden Analyten im Blut des Testsubjekts abhängig. Auf Basis des differenziellen Signals vom ersten und zweiten Sensor lässt sich eine ausreichend genaue Bestimmung der Analytkonzentration durchführen, insbesondere wenn eine selektive Auswertung von IR-Strahlung erfolgt, die aus Blutgefäßen, z.B. aus Blutgefäßen der Dermis und/oder Subkutis, vorzugsweise aus Kapillarblutgefäßen der Dermis stammt. Another component of the device according to the invention is a unit for evaluating the signals originating from the detection unit and for determining the concentration of the analyte on the basis of the evaluated signals. The evaluation of the signals is based on the fact that the reflected IR radiation at a wavelength or a wavelength range from an absorption minimum of the analyte, eg glucose, is independent of the analyte concentration present in the blood of the test subject. The reflected IR radiation having a wavelength or a wavelength range from an absorption band of the analyte, in turn, depends on the concentration of the respective analyte in the blood of the test subject. On the basis of the differential signal from the first and second sensor, a sufficiently accurate determination of the analyte concentration can be carried out, in particular if a selective evaluation of IR radiation which originates from blood vessels, for example from blood vessels of the dermis and / or subcutis, preferably from capillary blood vessels of the dermis.
Noch ein weiterer Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Verkleidung bzw. ein Gehäuse, das eine thermische Isolierung gegenüber der Umgebung bewirkt. Geeignete Materialien für diesen Zweck sind thermisch nicht bzw. nur gering leitfähige Kunststoffe. Yet another part of the device according to the invention is a panel or a housing, which causes a thermal insulation from the environment. Suitable materials for this purpose are not thermally or only slightly conductive plastics.
Dabei kann die Verkleidung bzw. das Gehäuse so ausgestaltet sein, dass der in der Aufnahmeeinheit (a) eingebrachte, zu untersuchende Körperbereich zumindest im Wesentlichen von der Umgebung thermisch isoliert ist, z.B. indem eine dehnbare Hülle oder Membran aus thermisch nicht bzw. nur gering leitfähigem Material vorgesehen ist. In this case, the cladding or the housing may be designed such that the body region to be examined introduced in the receiving unit (a) is at least substantially thermally insulated from the environment, e.g. in that an expandable sheath or membrane of thermally non or only slightly conductive material is provided.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur nicht-invasiven quantitative Bestimmung eines Analyten im Blut eines Testsubjekts, umfassend die Schritte:A further aspect of the invention is a method for the non-invasive quantitative determination of an analyte in the blood of a test subject, comprising the steps:
(i) Bestrahlen eines von dem Testsubjekt stammenden Körperbereichs mit IR- Strahlung, (i) irradiating a body region originating from the test subject with IR radiation,
(ii) separates Erfassen von reflektierter IR-Strahlung aus dem bestrahlten Körperbereich mit mindestens einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich in der Region von 0,7-20 pm, vorzugsweise von 3- 20 μιη, besonders bevorzugt von 8-12 pm, wo die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und mit mindestens einerzweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich in der Region von 0,7-20 μπτι, vorzugsweise von 3-20 μπτι, besonders bevorzugt von 8-12 pm, wo sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert, und gegebenenfalls unspezifisches Erfassen von reflektierter IR-Strahlung aus dem bestrahlten Körperbereich zur Referenzierung,  (ii) separately detecting reflected IR radiation from the irradiated body region having at least a first wavelength or a first wavelength region in the region of 0.7-20 pm, preferably 3-20 μm, more preferably 8-12 pm, where the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and having at least one second wavelength or a second wavelength range in the region of 0.7-20 μπτι, preferably 3-20 μπτι, more preferably of 8 -12 pm, where the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined, and optionally non-specific detection of reflected IR radiation from the irradiated body region for referencing,
(iii) Auswerten der in (ii) erfassten Signale, wobei eine selektive Auswertung von reflektierter IR-Strahlung aus Blutgefäßen des bestrahlten Körperbereichs, insbesondere aus Kapillarblutgefäßen der Dermis erfolgt und  (iii) evaluating the signals detected in (ii), wherein a selective evaluation of reflected IR radiation from blood vessels of the irradiated body region, in particular from capillary blood vessels of the dermis takes place, and
(iv) Ermitteln der Konzentration des Analyten auf Basis der ausgewerteten Signale. Die Durchführung des Verfahrens erfolgt vorzugsweise unter Verwendung der zuvor beschriebenen Vorrichtung. Die im Rahmen der Vorrichtung spezifisch offenbarten Merkmale beziehen sich ebenso auf das Verfahren. (iv) determining the concentration of the analyte based on the evaluated signals. The method is preferably carried out using the device described above. The features specifically disclosed within the scope of the device also relate to the method.
Die Vorrichtung und das Verfahren sind insbesondere zur Bestimmung von Glucose in Blut geeignet. The device and the method are particularly suitable for the determination of glucose in blood.
Weitere Aspekte der Erfindung sind wie folgt: Further aspects of the invention are as follows:
Vorrichtung zur nicht-invasiven quantitativen Bestimmung eines Analyten im Körper eines Testsubjekts, insbesondere in Blut, umfassend Apparatus for non-invasive quantitative determination of an analyte in the body of a test subject, in particular in blood
(a) eine Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung, die eine oder mehrere IR- Strahlungsquellen, insbesondere eine oder mehrere Breitband-IR- Strahlungsquellen umfasst, zur Bestrahlung eines von dem Testsubjekt stammenden Körperbereichs eingerichtet ist und mehrere IR-Strahlungsquellen, insbesondere IR-Breitbandstrahlungsquellen wie etwa Attenuatoren, vorzugsweise in ringförmiger Anordnung umfasst,  (a) a unit for generating IR radiation, which comprises one or more IR radiation sources, in particular one or more broadband IR radiation sources, for irradiating a body region originating from the test subject, and a plurality of IR radiation sources, in particular IR radiation sources. Broadband radiation sources, such as attenuators, preferably in a ring-shaped arrangement,
(b) eine Einheit zur Aufnahme des zu untersuchenden Körperbereichs,  (b) a unit for receiving the body area to be examined,
(c) eine Einheit zur Erfassung von reflektierter IR-Strahlung aus dem bestrahlten Körperbereich, die zur separaten Erfassung von IR-Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 0,7-20 μπτι, vorzugsweise von 3-20 μιη, besonders bevorzugt von 8- 12 μιη, eingerichtet ist,  (c) a unit for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region, which is used for separate detection of IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 μm, preferably of 3-20 μm. particularly preferably from 8 to 12 μιη, is set up,
wobei bei einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und  wherein at a first wavelength or a first wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and
wobei bei einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert und  wherein at a second wavelength or a second wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined and
wobei die Einheit gegebenenfalls zusätzlich zur nicht-selektiven Erfassung von reflektierter IR-Strahlung eingerichtet ist, und  wherein the unit is optionally arranged in addition to the non-selective detection of reflected IR radiation, and
(d) eine Einheit, die zur Auswertung der von der Erfassungseinheit (c) stammenden Signale und zur Ermittlung der Konzentration des Analyten auf Basis der ausgewerteten Signale eingerichtet ist. Vorrichtung zur nicht-invasiven quantitativen Bestimmung eines Analyten im Körper eines Testsubjekts, insbesondere in Blut, umfassend (D) a unit which is set up for the evaluation of the signals from the detection unit (c) and for determining the concentration of the analyte on the basis of the evaluated signals. Apparatus for non-invasive quantitative determination of an analyte in the body of a test subject, in particular in blood
(a) eine Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung, die eine oder mehrere IR- Strahlungsquellen, insbesondere eine oder mehrere Breitband-IR- Strahlungsquellen umfasst, zur Bestrahlung eines von dem Testsubjekt stammenden Körperbereichs eingerichtet ist und weiterhin ein Kühlelement für die eine oder mehreren IR-Strahlungsquellen, insbesondere ein Peltier-Element umfasst,  (a) a unit for generating IR radiation, which comprises one or more IR radiation sources, in particular one or more broadband IR radiation sources, for irradiating a body region originating from the test subject, and furthermore a cooling element for the one or more IR radiation sources, in particular comprises a Peltier element,
(b) eine Einheit zur Aufnahme des zu untersuchenden Körperbereichs,  (b) a unit for receiving the body area to be examined,
(c) eine Einheit zur Erfassung von reflektierter IR-Strahlung aus dem bestrahlten Körperbereich, die zur separaten Erfassung von IR-Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 0,7-20 μιη, vorzugsweise von 3-20 μιη, besonders bevorzugt von 8- 12 μιη, eingerichtet ist,  (c) a unit for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region, which is used for separately detecting IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 μιη, preferably of 3-20 μιη, particularly preferably from 8 to 12 μιη, is set up,
wobei bei einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und  wherein at a first wavelength or a first wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and
wobei bei einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert und  wherein at a second wavelength or a second wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined and
wobei die Einheit gegebenenfalls zusätzlich zur nicht-selektiven Erfassung von reflektierter IR-Strahlung eingerichtet ist, und  wherein the unit is optionally arranged in addition to the non-selective detection of reflected IR radiation, and
(d) eine Einheit, die zur Auswertung der von der Erfassungseinheit (c) stammenden Signale und zur Ermittlung der Konzentration des Analyten auf Basis der ausgewerteten Signale eingerichtet ist.  (D) a unit which is set up for the evaluation of the signals from the detection unit (c) and for determining the concentration of the analyte on the basis of the evaluated signals.
Vorrichtung zur nicht-invasiven quantitativen Bestimmung eines Analyten im Körper eines Testsubjekts, insbesondere in Blut, umfassend Apparatus for non-invasive quantitative determination of an analyte in the body of a test subject, in particular in blood
(a) eine Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung, die eine oder mehrere IR- Strahlungsquellen, insbesondere eine oder mehrere Breitband-IR- Strahlungsquellen umfasst und zur Bestrahlung eines von dem Testsubjekt stammenden Körperbereichs eingerichtet ist,  (a) an IR radiation generating unit comprising one or more IR radiation sources, in particular one or more broadband IR radiation sources, arranged to irradiate a body region originating from the test subject,
(b) eine Einheit zur Aufnahme des zu untersuchenden Körperbereichs, die ein für IR-Strahlung in der Wellenlängenregion von 0,7-20 μιη, vorzugsweise von 3- 20 μιη, besonders bevorzugt von 8-12 μιη, zumindest teilweise transparentes Element zur Auflage des zu untersuchenden Körperbereichs umfasst, das mit einem Kühlelement, insbesondere einem Peltier-Element, versehen ist,(b) a unit for receiving the body region to be examined, one for IR radiation in the wavelength region of 0.7-20 μm, preferably from 3 to 3 μm. 20 μιη, particularly preferably from 8-12 μιη, at least partially transparent element for supporting the body portion to be examined, which is provided with a cooling element, in particular a Peltier element,
(c) eine Einheit zur Erfassung von reflektierter IR-Strahlung aus dem bestrahlten Körperbereich, die zur separaten Erfassung von IR-Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 0,7-20 pm, vorzugsweise von 3-20 μητι, besonders bevorzugt von 8- 12 μιη, eingerichtet ist, (c) a unit for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region, which is capable of separately detecting IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 μm, preferably 3-20 μητι, particularly preferably from 8 to 12 μιη, is set up,
wobei bei einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und  wherein at a first wavelength or a first wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and
wobei bei einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert und  wherein at a second wavelength or a second wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined and
wobei die Einheit gegebenenfalls zusätzlich zur nicht-selektiven Erfassung von reflektierter IR-Strahlung eingerichtet ist, und  wherein the unit is optionally arranged in addition to the non-selective detection of reflected IR radiation, and
(d) eine Einheit, die zur Auswertung der von der Erfassungseinheit (c) stammenden Signale und zur Ermittlung der Konzentration des Analyten auf Basis der ausgewerteten Signale eingerichtet ist.  (D) a unit which is set up for the evaluation of the signals from the detection unit (c) and for determining the concentration of the analyte on the basis of the evaluated signals.
Vorrichtung zur nicht-invasiven quantitativen Bestimmung eines Analyten im Körper eines Testsubjekts, insbesondere in Blut, umfassend Apparatus for non-invasive quantitative determination of an analyte in the body of a test subject, in particular in blood
(a) eine Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung, die eine oder mehrere IR- Strahlungsquellen, insbesondere eine oder mehrere Breitband-IR- Strahlungsquellen umfasst und zur Bestrahlung eines von dem Testsubjekt stammenden Körperbereichs eingerichtet ist,  (a) an IR radiation generating unit comprising one or more IR radiation sources, in particular one or more broadband IR radiation sources, arranged to irradiate a body region originating from the test subject,
(b) eine Einheit zur Aufnahme des zu untersuchenden Körperbereichs,  (b) a unit for receiving the body area to be examined,
(c) eine Einheit zur Erfassung von reflektierter IR-Strahlung aus dem bestrahlten Körperbereich, die zur separaten Erfassung von IR-Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 0,7-20 pm, vorzugsweise von 3-20 pm, besonders bevorzugt von 8- 12 pm, eingerichtet ist,  (c) a unit for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region which is capable of separately detecting IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 0.7-20 pm, preferably 3-20 pm, particularly preferably from 8 to 12 pm, is set up,
wobei bei einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und wobei bei einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert und wherein at a first wavelength or a first wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and wherein at a second wavelength or a second wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined and
wobei die Einheit gegebenenfalls zusätzlich zur nicht-selektiven Erfassung von reflektierter IR-Strahlung eingerichtet ist, und  wherein the unit is optionally arranged in addition to the non-selective detection of reflected IR radiation, and
wobei die Einheit mindestens einen Sensor umfasst, der zur zeitabhängigen separaten Erfassung von reflektierter IR-Strahlung bei der ersten Wellenlänge oder dem ersten Wellenlängenbereich und bei der zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich eingerichtet ist, und  wherein the unit comprises at least one sensor arranged for the time-dependent separate detection of reflected IR radiation at the first wavelength or the first wavelength range and at the second wavelength or a second wavelength range, and
(d) eine Einheit, die zur Auswertung der von der Erfassungseinheit (c) stammenden Signale und zur Ermittlung der Konzentration des Analyten auf Basis der ausgewerteten Signale eingerichtet ist. (D) a unit which is set up for the evaluation of the signals from the detection unit (c) and for determining the concentration of the analyte on the basis of the evaluated signals.
Vorrichtung zur nicht-invasiven quantitativen Bestimmung eines Analyten im Körper eines Testsubjekts, insbesondere in Blut, wie zuvor beschrieben, umfassend insbesondere Mittel zur Erfassung und/oder Kontrolle der Auflageposition und/oder des Auflagedrucks des zu bestrahlenden Körperbereichs, in Kombination mit einer Vorrichtung zur invasiven quantitativen Bestimmung des Analyten als Referenzierung des Messsignals bei der nicht-invasiven quantitativen Bestimmung des Analyten. Apparatus for non-invasive quantitative determination of an analyte in the body of a test subject, in particular in blood, as described above, comprising in particular means for detecting and / or controlling the support position and / or the contact pressure of the body region to be irradiated, in combination with an apparatus for invasive quantitative determination of the analyte as referencing of the measurement signal in the non-invasive quantitative determination of the analyte.
Die zuvor spezifisch offenbarten Merkmale beziehen sich ebenso auf die zuletzt genannten Vorrichtungen und auf Verwendung dieser Vorrichtungen basierende Verfahren. Diese Vorrichtungen und Verfahren sind beispielsweise zur Bestimmung von Glucose im Körper eines menschlichen Testsubjekts, insbesondere in Blut geeignet. The features specifically disclosed above also relate to the latter devices and methods based on the use of these devices. These devices and methods are suitable, for example, for the determination of glucose in the body of a human test subject, in particular in blood.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung nochmals ausführlich näher erläutert. Die menschliche Haut besteht von außen nach innen aus mehreren Schichten und zwar der Oberhaut (Epidermis) mit der Hornschicht, verhornender Schicht und Keimschicht, der Lederhaut (Dermis) mit der Papillarschicht und der Netzschicht und der Unterhaut (Subkutis). Die Epidermis enthält keine Blutgefäße. Die Dermis enthält feine Kapillarblutgefäße, die mit größeren Blutgefäßen in der Subkutis in Verbindung stehen. Ein arterieller Puls liegt in dem mit Kapillargefäßen durchzogenen Bereich der Dermis, nicht jedoch in darüber liegenden Hautschichten, beispielsweise der Epidermis, vor. In die Hautoberfläche eingestrahlte IR-Strahlung, insbesondere IR-Strahlung in der Wellenlängenregion von 0,7-20 μιη, vorzugsweise von 3-20 μιη, besonders bevorzugt von 8-12 μιτι, dringt zumindest bis in den von Kapillargefäßen durchzogenen Bereich der Dermis ein und wird dann wieder reflektiert. In diesem Bereich befindliche Substanzen mit Absorptionsbändern in der IR-Region können Strahlung im Bereich dieser Absorptionsbänder absorbieren, wobei das Ausmaß der Absorption mit der Konzentration der betreffenden Substanz korreliert. Die reflektierte IR-Strahlung stammt aus unterschiedlichen Regionen des bestrahlten Körperbereichs, wobei eine aus der Epidermis reflektierte Strahlung keine Abhängigkeit vom arteriellen Puls des Testsubjekts aufweist. Im Gegensatz dazu weist reflektierte IR-Strahlung, die aus dem mit Kapillargefäßen durchzogenen Bereich der Dermis stammt, ein vom arteriellen Puls des Testsubjekts abhängiges Signal auf. Gemäß vorliegender Erfindung wird die Intensität der in die Hautoberfläche eingestrahlten IR-Strahlung vorzugsweise so gewählt, dass eine maximale Eindringtiefe der Strahlung in den Körper von etwa 2,5 bis 3 mm erzielt wird, was dem von Kapillargefäßen durchgezogenen Bereich der Dermis entspricht. Eine Ausführungsform für die selektive Erfassung eines aus Blutgefäßen stammenden Messsignals ist in Figur 1 gezeigt. Dabei wird zunächst ein Primärsignal, wie in Figur 1A) gezeigt, erhalten. Dabei stellt f1 die Modulationsfrequenz des Signals dar. Eine möglicherweise beobachtete Drift (D) kann aus dem Signal herausgerechnet werden, wenn die Modulationsfrequenz groß gegenüber der Störkomponente eingestellt wird. In the following, the present invention will be explained again in detail. The human skin consists of several layers from the outside to the inside: the epidermis with the horny layer, horny layer and germ layer, the dermis with the papillary layer and the mesh layer and the subcutis (subcutis). The epidermis contains no blood vessels. The dermis contains fine capillary blood vessels, which are associated with larger blood vessels in the subcutis. An arterial pulse lies in the area of the dermis, which is traversed by capillaries, but not in overlying skin layers. for example, the epidermis, before. In the skin surface irradiated IR radiation, in particular IR radiation in the wavelength region of 0.7-20 μιη, preferably from 3-20 μιη, particularly preferably from 8-12 μιτι, at least penetrates into the region of the dermis traversed by capillaries and then reflected again. Substances with absorption bands in the IR region located in this region can absorb radiation in the region of these absorption bands, the extent of the absorption correlating with the concentration of the substance in question. The reflected IR radiation originates from different regions of the irradiated body region, wherein a radiation reflected from the epidermis has no dependence on the arterial pulse of the test subject. In contrast, reflected IR radiation emanating from the capillary-engulfed area of the dermis has a signal dependent on the arterial pulse of the test subject. According to the present invention, the intensity of the IR radiation radiated into the skin surface is preferably selected such that a maximum penetration depth of the radiation into the body of about 2.5 to 3 mm is achieved, which corresponds to the area of the dermis drawn through by capillaries. An embodiment for the selective detection of a blood vessel-derived measurement signal is shown in FIG. At first, a primary signal as shown in FIG. 1A) is obtained. In this case, f1 represents the modulation frequency of the signal. A possibly observed drift (D) can be calculated out of the signal if the modulation frequency is set to be large compared to the noise component.
Nach Synchronabtastung mit der Modulationsfrequenz und einem Hochpass zur Unterdrückung der Drift kann ein Signal, wie in Figur 1 B) gezeigt, erhalten werden, welches sich mit der Pulsfrequenz f2 ändert. After synchronous sampling with the modulation frequency and a high pass to suppress the drift, a signal as shown in Figure 1 B) can be obtained, which changes with the pulse frequency f2.
Zur Auswertung der pulsabhängigen Komponente dieses Signals kann ein Diskriminatorfenster, wie in Figur 1C) gezeigt, gesetzt werden, welches nur eine valide Messung erlaubt, wenn der Wert des Diskriminatorfensters 1 ist. In einer Ausführungsform mit zwei Sensoren, die jeweils für unterschiedliche Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche spezifisch sind, resultieren zwei Kurven, deren Differenz zur Konzentration des zu bestimmenden Analyten proportional ist. Eine differenzielle Analyse dieser beiden Kurven ergibt das in Figur 1 D) gezeigte Signal als Messergebnis. To evaluate the pulse-dependent component of this signal, a discriminator window, as shown in FIG. 1C), can be set, which allows only a valid measurement if the value of the discriminator window is 1. In an embodiment with two sensors, each for different Wavelengths or wavelength ranges are specific, resulting in two curves whose difference is proportional to the concentration of the analyte to be determined. A differential analysis of these two curves gives the signal shown in FIG. 1 D) as a measurement result.
Bei Verwendung eines Sensors, der zeitabhängig bei einer ersten und davon verschiedenen zweiten Wellenlänge bzw. bei entsprechenden verschiedenen Wellenlängenbereichen misst, gibt es zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommene Kurven für einen Messzyklus, die mittels eines Speicherdelay zur Deckung gebracht werden können, um eine Differenzbildung zu ermöglichen. Eine differenzielle Analyse der Kurven ergibt das in Figur 1 E) gezeigte Signal als Messergebnis. When using a sensor which measures time-dependent at a first and different second wavelength or at corresponding different wavelength ranges, there are two recorded at different times curves for a measurement cycle, which can be brought by means of a memory delay to make a difference possible , A differential analysis of the curves yields the signal shown in FIG. 1 E) as a measurement result.
Die schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Figur 2 gezeigt. Die Vorrichtung enthält eine Anregungsquelle (10) für IR-Strahlung (12), die vorzugsweise als diffus abstrahlende Breitband- Wärmequelle ausgebildet ist. Von der Anregungsquelle (10) emittierte diffuse IR- Strahlung (12) bestrahlt einen Körperbereich (14) eines Testsubjekts. Alternativ kann der Anregungsquelle (10) ein optisches Linsenelement vorgeschaltet sein, z.B. ein plankonvexes Linsenelement, das eine fokussierte Emission der IR-Strahlung in den Körperbereich ermöglicht. Dabei kann die Fokussierung der Strahlung auf eine vorbestimmte Eindringtiefe von etwa 2,5 bis 3 mm in den zu bestrahlenden Körperbereich erfolgen. Dabei wird vorzugsweise ein gut durchbluteter Körperbereich, wie etwa eine Fingerkuppe, ausgewählt. Der bestrahlte Körperbereich (14) liegt auf einem Auflageelement (16), welches für die aus der Anregungsquelle (10) stammende IR- Strahlung (12) zumindest teilweise, d.h. zumindest im Bereich der Messwellenlängen, optisch transparent ist. Das Auflageelement (16) kann Mittel, z.B. Sensoren, zur Erfassung und/oder Kontrolle der Auflageposition und/oder des Auflagedrucks des zu bestrahlenden Körperbereichs enthalten. The schematic representation of an embodiment of the device according to the invention is shown in FIG. The device contains an excitation source (10) for IR radiation (12), which is preferably designed as a diffused broadband heat source. Diffused IR radiation (12) emitted by the excitation source (10) irradiates a body region (14) of a test subject. Alternatively, the excitation source (10) may be preceded by an optical lens element, e.g. a plano-convex lens element that allows focused emission of IR radiation into the body region. In this case, the focusing of the radiation to a predetermined penetration depth of about 2.5 to 3 mm can be carried out in the body region to be irradiated. In this case, preferably a well-perfused body area, such as a fingertip, is selected. The irradiated body region (14) rests on a support element (16) which at least partially, i.e., for, the IR radiation (12) originating from the excitation source (10). at least in the range of measuring wavelengths, is optically transparent. The support element (16) may comprise means, e.g. Sensors for detecting and / or control of the support position and / or the contact pressure of the body region to be irradiated contain.
Die IR-Strahlung (12) dringt in den bestrahlten Körperbereich (14) zumindest bis zu den oberflächennahen Blutkapillaren im Bereich der Dermis (18) ein. Die maximale Eindringtiefe beträgt vorzugsweise etwa 2,5 bis 3 mm. Ein in den Blutkapillaren oder gegebenenfalls im angrenzenden Gewebe befindlicher Analyt wird die Strahlung im Bereich seines spezifischen Absorptionsbandes absorbieren, wobei das Ausmaß der Absorption mit der Konzentration des Analyten korreliert. Nicht absorbierte diffuse oder fokussierte Strahlung (20) wird reflektiert und tritt wieder aus dem Körperbereich (14) aus. The IR radiation (12) penetrates into the irradiated body region (14) at least up to the near-surface blood capillaries in the region of the dermis (18). The maximum penetration depth is preferably about 2.5 to 3 mm. One in the blood capillaries or Any analyte present in the adjacent tissue will absorb the radiation in the region of its specific absorption band, with the extent of absorption correlating with the concentration of the analyte. Unabsorbed diffused or focused radiation (20) is reflected and exits the body region (14) again.
Die Vorrichtung enthält weiterhin einen ersten Sensor (22a) und einen zweiten Sensor (22b) zur separaten Erfassung der reflektierten IR-Strahlung bei unterschiedlichen Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen (20) in der Region von 0,7-20 μηπ, vorzugsweise von 3-20 μηι. Der erste Sensor (22a) ist zur selektiven Erfassung von reflektierter Strahlung mit einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich aus einem Absorptionsminimum des Analyten eingerichtet, wobei ein erstes Filterelement (24a) vorgesehen ist, welches für Strahlung mit der ersten Wellenlänge oder mit dem ersten Wellenlängenbereich selektiv durchlässig ist. Das heißt, das vom ersten Sensor gemessene Signal ist im Wesentlichen unabhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten. Der zweite Sensor (22b) ist wiederum zur selektiven Erfassung von reflektierter Strahlung (20) mit einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich aus einem Absorptionsband, vorzugsweise im Bereich eines Absorptionsmaximums des zu bestimmenden Analyten, eingerichtet, wobei ein zweites Filterelement (24b) vorgesehen ist, welches für Strahlung mit der zweiten Wellenlänge oder mit dem zweiten Wellenlängenbereich selektiv durchlässig ist. Dies bedeutet, dass das vom zweiten Sensor erfasste Signal abhängig von der Konzentration des Analyten ist. The device further includes a first sensor (22a) and a second sensor (22b) for separately detecting the reflected IR radiation at different wavelengths or wavelength ranges (20) in the region of 0.7-20 μηπ, preferably 3-20 μηι. The first sensor (22a) is adapted to selectively detect reflected radiation having a first wavelength or a first wavelength range from an absorption minimum of the analyte, wherein a first filter element (24a) is provided which is for radiation having the first wavelength or the first wavelength range is selectively permeable. That is, the signal measured by the first sensor is essentially independent of the concentration of the analyte to be determined. The second sensor (22b) is in turn adapted for the selective detection of reflected radiation (20) having a second wavelength or a second wavelength range from an absorption band, preferably in the region of an absorption maximum of the analyte to be determined, wherein a second filter element (24b) is provided which is selectively transparent to radiation of the second wavelength or the second wavelength range. This means that the signal detected by the second sensor is dependent on the concentration of the analyte.
Gegebenenfalls enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin einen dritten Sensor (22c), der zur unspezifischen Erfassung von reflektierter IR-Strahlung (20) eingerichtet ist und zur Referenzierung, z.B. zur Referenzierung der Energieleistung der Anregungsquelle (10) dient. Optionally, the device according to the invention further comprises a third sensor (22c) adapted for nonspecifically detecting reflected IR radiation (20) and for reference, e.g. for referencing the energy output of the excitation source (10).
Die Sensoren (22a, 22b und gegebenenfalls 22c) können gegebenenfalls mit optischen Filterelementen ausgestattet sein, z.B. Bikonvexlinsen, um eine Fokussierung der auftreffenden reflektierten IR-Strahlung zu ermöglichen. Die von den Sensoren (22a, 22b und gegebenenfalls 22c) stammenden Signale werden an eine CPU-Einheit (26) zu deren Auswertung übermittelt. Auf Basis dieser Auswertung wird die Konzentration des Analyten bestimmt. Das Ergebnis kann dann in einem Display (28) angezeigt werden. Die Innenseite (30) des Messsystems kann mit einer Oberfläche aus einem Material beschichtet werden, welche die von der Anregungsquelle (10) stammende Strahlung (12) nicht reflektiert. The sensors (22a, 22b and optionally 22c) may optionally be equipped with optical filter elements, eg biconvex lenses, to allow focusing of the incident reflected IR radiation. The signals from the sensors (22a, 22b and optionally 22c) are transmitted to a CPU unit (26) for their evaluation. Based on this evaluation, the concentration of the analyte is determined. The result can then be displayed in a display (28). The inside (30) of the measuring system can be coated with a surface of a material which does not reflect the radiation (12) originating from the excitation source (10).
Das Messsystem kann weiterhin eine Verkleidung oder ein Gehäuse aufweisen, das eine thermische Isolierung gegenüber der Umgebung bewirkt. The measuring system may further include a shroud or housing that provides thermal isolation from the environment.
Figur 3 zeigt eine praktische Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Glühkerze als Anregungsquelle (40), einem ersten Sensor (42a) und einem zweiten Sensor (42b), die als Bolometer mit einem für die vom jeweiligen Sensor zu erfassende Wellenlänge spezifischen Filter, z.B. einem Bandpassfilter mit enger Durchlässigkeit für eine spezifische Wellenlänge ausgebildet sind. Zur Bestimmung von Glucose ist der erste Sensor (42a) vorzugsweise zur selektiven Erfassung von reflektierter IR-Strahlung mit einer Wellenlänge von 8,5 ± 0,2 μιη eingerichtet, d.h. bei einem Absorptionsminimum von Glucose. Der zweite Sensor (42b) ist vorzugsweise zur selektiven Erfassung von reflektierter IR-Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 9,6 ± 0,2 μιη eingerichtet, d.h. in einem Bereich, bei dem ein Absorptionsband von Glucose liegt. Figure 3 shows a practical embodiment of a device according to the invention with a glow plug as the excitation source (40), a first sensor (42a) and a second sensor (42b), which as a bolometer with a specific for the sensor to be detected wavelength wavelength filter, e.g. a bandpass filter with narrow transmission for a specific wavelength are formed. For the determination of glucose, the first sensor (42a) is preferably arranged for the selective detection of reflected IR radiation with a wavelength of 8.5 ± 0.2 μιη, i. at an absorption minimum of glucose. The second sensor (42b) is preferably adapted to selectively detect reflected IR radiation having a wavelength in the range of 9.6 ± 0.2 μιη, i. in an area where there is an absorption band of glucose.
Weiterhin kann die Vorrichtung noch Trennelemente (44a, 44b, 46) aufweisen, um die Sensoren (42a, 42b) vor einer Bestrahlung mit direkt aus der Anregungsquelle (40) stammender Strahlung abzuschirmen, so dass im Wesentlichen nur aus dem Körper des Testsubjekts (nicht gezeigt) reflektierte Strahlung auf die Sensoren fällt. Furthermore, the device can also have separating elements (44a, 44b, 46) in order to shield the sensors (42a, 42b) from irradiation with radiation originating directly from the excitation source (40), so that substantially only the body of the test subject (not shown) reflected radiation falls on the sensors.
Auch im Rahmen dieser Ausführungsform können die Anregungsquelle (40) und/oder die Sensoren (42a, 42b) mit Linsenelementen ausgestattet sein. Ferner kann das Messsystem eine thermische Isolierung gegenüber der Umgebung aufweisen. Also in the context of this embodiment, the excitation source (40) and / or the sensors (42a, 42b) may be equipped with lens elements. Furthermore, the measuring system may have a thermal insulation from the environment.
Vorzugsweise befinden sich die Sensoren (42a, 42b) in thermischer Äquilibrierung, indem sie in Kontakt mit einem thermisch leitfähigen Material, z.B. einem Körper, einer Platte oder einer Folie aus Metall, stehen. Preferably, the sensors (42a, 42b) are in thermal equilibration by being in contact with a thermally conductive material, eg, a body, a plate or foil made of metal, stand.
Eine alternative Ausführungsform zur separaten Erfassung von reflektierter IR- Strahlung bei unterschiedlichen Wellenlängen ist in Figur 4 gezeigt. Die Absorptionskurve von Glucose in der Region zwischen 8 und 14 μητι ist als fett gezeichnete Linie (G) dargestellt. Zur separaten Erfassung von IR-Strahlung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen aus dieser Region werden zwei Sensoren verwendet, die unterschiedliche Kombinationen von Bandpass-, Hochpassund/oder Tiefpassfilterelementen umfassen. In einer Ausgestaltung enthalten beide Sensoren ein weites Bandpassfilter (C) mit einer Durchlässigkeit in der Region zwischen 8 und 14 μητ Beim ersten Sensor wird Filter (C) mit einem Hochpassfilter (A) kombiniert, der für IR-Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 8,5 μηι oder weniger durchlässig ist. Ein Sensor, der mit den Filtern (A) und (C) ausgestattet ist, wird daher ein Signal aus der Region von 8-8,5 μιη erfassen, das von der Konzentration der Glucose im Wesentlichen unabhängig ist. Der zweite Sensor ist mit einer Kombination des Bandpassfilters (C) mit einem Tiefpassfilter (B) ausgestattet, der für IR-Strahlung mit einer Wellenlänge von 8,5 μιη oder höher durchlässig ist. Das mit diesem Sensor erfasste Signal umfasst ein in der Region von etwa 9-10 μιη lokalisiertes Absorptionsband von Glucose und ist daher von der Glucosekonzentration abhängig. Durch differenzielle Auswertung der von beiden Sensoren erfassten Signale kann die Glucosekonzentration bestimmt werden. An alternative embodiment for separately detecting reflected IR radiation at different wavelengths is shown in FIG. The absorption curve of glucose in the region between 8 and 14 μητι is shown in bold line (G). For separately detecting IR radiation at two different wavelengths from this region, two sensors are used which comprise different combinations of bandpass, highpass and / or lowpass filter elements. In one embodiment, both sensors include a wide bandpass filter (C) with a transmittance in the region between 8 and 14 μητ. In the first sensor, filter (C) is combined with a high pass filter (A) suitable for IR radiation having a wavelength of about 8 , 5 μηι or less permeable. A sensor equipped with the filters (A) and (C) will therefore detect a signal from the region of 8-8.5 μιη, which is substantially independent of the concentration of glucose. The second sensor is equipped with a combination of the bandpass filter (C) with a low-pass filter (B), which is transparent to IR radiation with a wavelength of 8.5 μιη or higher. The signal detected with this sensor comprises an absorption band of glucose localized in the region of about 9-10 μιη and is therefore dependent on the glucose concentration. By differential evaluation of the signals detected by both sensors, the glucose concentration can be determined.
In einer anderen Ausgestaltung kann auch ein erster Sensor mit dem Bandpassfilter (C) und dem Hochpassfilter (A) ausgestattet sein, während ein zweiter Sensor nur mit dem Bandpassfilter (C) ausgestattet ist. Das mit dem ersten Sensor erfasste Signal ist von der Glucosekonzentration unabhängig, während das vom zweiten Sensor erfasste Signal sich mit der Glucosekonzentration ändert. In another embodiment, a first sensor can also be equipped with the bandpass filter (C) and the high-pass filter (A), while a second sensor is equipped only with the bandpass filter (C). The signal detected by the first sensor is independent of the glucose concentration, while the signal detected by the second sensor changes with the glucose concentration.
Figur 5 zeigt die schematische Darstellung des Querschnitts einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung enthält mehrere Anregungsquellen (60a, 60b) für IR-Strahlung (62), die vorzugsweise als diffus abstrahlende Breitband-Wärmequellen, z.B. in Form von mehreren einzelnen Heizwiderständen oder Attenuatoren oder mehreren Arrays von jeweils mehreren Heizwiderständen oder Attenuatoren, ausgebildet sind. Alternativ können den Anregungsquellen (60a, 60b) optische Linsenelemente, z.B. Plankonvex- Linsenelemente, vorgeschaltet sein, die eine fokussierte Emission der IR-Strahlung in den Körperbereich ermöglichen. Vorzugsweise erfolgt die Fokussierunge der Strahlung auf eine vorbestimmte Eindringtiefe von etwa 2,5 bis 3 mm in den zu bestrahlenden Körperbereich. Die Anregungsquellen (60a, 60b) sind ringförmig auf einem Kühlelement (64), z.B. in Form eines Peltier-Elements, angeordnet. Von den Anregungsquellen (60a, 60b) emittierte diffuse oder fokussierte IR-Strahlung (62) bestrahlt einen Körperbereich des Testsubjekts (nicht gezeigt). Dabei kann der bestrahlte Körperbereich auf einem Auflageelement (66) angeordnet sein, welches für die aus den Anregungsquellen (60a, 60b) stammende IR-Strahlung (62) zumindest teilweise optisch transparent ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem Auflageelement um eine Si- oder Ge-Scheibe. Das Auflageelement (66) ist vorzugsweise mit einem Kühlelement (68) versehen, welches vorzugsweise ein Peltier-Element umfasst. Vorzugsweise enthält das Auflageelement (60) Mittel, z.B. Sensoren, zur Erfassung und/oder Kontrolle des Auflagedrucks, wie etwa eine Wägezelle, sowie gegebenenfalls Sensoren zur Erfassung und/oder Kontrolle der Auflageposition. Günstigerweise wird ein Auflagedruck von etwa 1 -5 N, z.B. etwa 2 N eingestellt. Figure 5 shows the schematic representation of the cross section of another embodiment of the device according to the invention. The device contains a plurality of excitation sources (60a, 60b) for IR radiation (62), which are preferably designed as diffused broadband heat sources, eg in the form of a plurality of individual heating resistors or attenuators or multiple arrays of a plurality of heating resistors or attenuators. Alternatively, the excitation sources (60a, 60b) can be provided with optical lens elements, eg plano-convex Lens elements, upstream, which allow a focused emission of the IR radiation in the body region. Preferably, the focusing of the radiation to a predetermined penetration depth of about 2.5 to 3 mm in the body region to be irradiated takes place. The excitation sources (60a, 60b) are arranged annularly on a cooling element (64), for example in the form of a Peltier element. Diffused or focused IR radiation (62) emitted by the excitation sources (60a, 60b) irradiates a body region of the test subject (not shown). In this case, the irradiated body region can be arranged on a support element (66) which is at least partially optically transparent to the IR radiation (62) originating from the excitation sources (60a, 60b). For example, the support element is an Si or Ge disc. The support element (66) is preferably provided with a cooling element (68), which preferably comprises a Peltier element. Preferably, the support element (60) includes means, such as sensors, for detecting and / or controlling the contact pressure, such as a load cell, and optionally sensors for detecting and / or controlling the support position. Conveniently, a contact pressure of about 1 -5 N, for example, about 2 N is set.
Die Vorrichtung enthält weiterhin einen ersten Sensor (70a) und einen zweiten Sensor (70b) zur Erfassung der reflektierten IR-Strahlung (72) mit unterschiedlichen Wellenlängen in der Region von 0,7-20 μιη, vorzugsweise von 3-20 μητι aus dem bestrahlten Körperbereich. Der erste und der zweite Sensor können jeweils als Bolometer ausgebildet sein. Der erste Sensor (70a) kann zur selektiven Erfassung von reflektierter IR-Strahlung mit einer ersten Wellenlänge aus einem Absorptionsminimum des Analyten eingerichtet sein, beispielsweise, wobei ein erstes Filterelement (74a), z.B. ein Bandpassfilter mit enger Durchlässigkeit vorgesehen ist, welches für Strahlung mit der ersten Wellenlänge selektiv durchlässig ist, bei der das Signal im Wesentlichen unabhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ist. Für die Bestimmung von Glucose liegt die erste Wellenlänge vorzugsweise bei 8, 1 ± 0,3 μιη und/oder 8,5 ± 0,3 μιη oder bei 8,1 ± 0,2 μιη und/oder 8,5 ± 0,2 μιη, besonders bevorzugt bei 8,1 ± 0,1 μιη und/oder 8,5 ± 0,1 μιη. Der zweite Sensor (74b) ist wiederum zur selektiven Erfassung von reflektierter IR-Strahlung (72) mit einer zweiten Wellenlänge aus einem Absorptionsband, vorzugsweise im Bereich eines Absorptionsmaximums des zu bestimmenden Analyten, eingerichtet, wobei ein zweites Filterelement (74b), z.B. ein Bandpassfilter mit enger Durchlässigkeit, vorgesehen ist, welches für Strahlung mit der zweiten Wellenlänge selektiv durchlässig ist. Bei der Bestimmung von Glucose liegt die zweite Wellenlänge vorzugsweise im Bereich von 9,1 ± 0,3 μιη, 9,3 ± 0,3 μηη und/oder 9,6 ± 0,3 μηη oder bei 9,1 ± 0,2 μιη, 9,3 ± 0,2 μηη und/oder 9,6 ± 0,2 μιτη, besonders bevorzugt im Bereich von 9,1 ± 0,1 μητι, 9,3 ± 0,1 μηη und/oder 9,6 ± 0,1 μιτη. The device further includes a first sensor (70a) and a second sensor (70b) for detecting the reflected IR radiation (72) having different wavelengths in the region of 0.7-20 μιη, preferably 3-20 μητι from the irradiated body area. The first and the second sensor can each be designed as a bolometer. The first sensor (70a) may be adapted to selectively detect reflected IR radiation having a first wavelength from an absorbance minimum of the analyte, for example, wherein a first filter element (74a), eg a narrow pass bandpass filter, is provided for radiation the first wavelength is selectively permeable, wherein the signal is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined. For the determination of glucose, the first wavelength is preferably 8, 1 ± 0.3 μιη and / or 8.5 ± 0.3 μιη or at 8.1 ± 0.2 μιη and / or 8.5 ± 0.2 μιη, more preferably at 8.1 ± 0.1 μιη and / or 8.5 ± 0.1 μιη. The second sensor (74b) is in turn for selective detection of reflected IR radiation (72) having a second wavelength from an absorption band, preferably in the region of Absorbance maximum of the analyte to be determined, furnished, wherein a second filter element (74b), for example, a bandpass filter with a narrow transmittance, is provided, which is selectively transparent to radiation having the second wavelength. In the determination of glucose, the second wavelength is preferably in the range of 9.1 ± 0.3 μιη, 9.3 ± 0.3 μηη and / or 9.6 ± 0.3 μηη or at 9.1 ± 0.2 μιη, 9.3 ± 0.2 μηη and / or 9.6 ± 0.2 μιτη, more preferably in the range of 9.1 ± 0.1 μητι, 9.3 ± 0.1 μηη and / or 9.6 ± 0.1 μιτη.
Alternativ kann anstelle von Bandpassfiltern mit enger Durchlässigkeit auch die in Figur 4 dargestellte Kombination eines Bandpassfilters mit weiter Durchlässigkeit sowie einem Hochpass- und/oder einem Tiefpassfilter verwendet werden. Alternatively, instead of bandpass filters with narrow transmission, the combination of a bandpass filter with wide transmission and a high-pass and / or a low-pass filter shown in FIG. 4 may also be used.
Die Sensoren (70a, 70b) können gegebenenfalls mit optischen Linsenelementen ausgestattet sein, z.B. Bikonvexlinsen, um eine Fokussierung der auftreffenden reflektierten IR-Strahlung zu ermöglichen. The sensors (70a, 70b) may optionally be equipped with optical lens elements, e.g. Biconvex lenses to allow focusing of the incident reflected IR radiation.
Gegebenenfalls enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin einen dritten Sensor (70c), der zur unspezifischen Erfassung von reflektierter IR-Strahlung (72) eingerichtet ist und zur Referenzierung, z.B. zur Referenzierung der Energieleistung der Anregungsquellen (60a, 60b) dient. Der dritte Sensor (70c) kann als Bolometer ausgebildet sein. Optionally, the device according to the invention further includes a third sensor (70c) adapted for nonspecifically detecting reflected IR radiation (72) and for referencing, e.g. for referencing the energy output of the excitation sources (60a, 60b). The third sensor (70c) may be designed as a bolometer.
Zwischen dem ersten Sensor (70a) und dem zweiten Sensor (70b) kann gegebenenfalls eine Zwischenwand (78) angeordnet sein. Optionally, an intermediate wall (78) may be arranged between the first sensor (70a) and the second sensor (70b).
Die von den Sensoren (70a, 70b und gegebenenfalls 70c) stammenden Signale werden an eine CPU-Einheit (80) zur Auswertung der Signale übermittelt. Auf Basis dieser Auswertung wird die Konzentration des Analyten bestimmt, das Ergebnis kann dann in einem Display (82) gezeigt werden. Die CPU-Einheit kann außerdem zur Steuerung der Anregungsquellen (60a, 60b) und/oder der Kühlelemente (64, 68) verwendet werden. The signals from the sensors (70a, 70b and optionally 70c) are transmitted to a CPU unit (80) for evaluating the signals. Based on this evaluation, the concentration of the analyte is determined, the result can then be shown in a display (82). The CPU unit may also be used to control the excitation sources (60a, 60b) and / or the cooling elements (64, 68).
Vorzugsweise befinden sich die Sensoren (70a, 70b und gegebenenfalls 70c) in thermischer Äquilibrierung, indem sie in Kontakt mit einem thermisch leitfähigen Material, z.B. einem Körper, einer Platte oder einer Folie aus Metall, stehen. Gegebenenfalls kann die innere Oberfläche des Messsystems mit einem für IR- Strahlung nicht reflektierenden Material beschichtet sein. Weiterhin kann das Messsystem eine thermische Isolierung gegenüber der Umgebung aufweisen. Preferably, the sensors (70a, 70b and optionally 70c) are in thermal equilibrium by being in contact with a thermally conductive material, eg a body, plate or foil of metal. Optionally, the inner surface of the measuring system may be coated with a material that does not reflect IR radiation. Furthermore, the measuring system may have a thermal insulation from the environment.
Die schematische Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt ist in Figur 6 gezeigt. Die Vorrichtung enthält mehrere Anregungsquellen (100a, 100b) für IR-Strahlung (102), z.B. in Form von mehreren einzelnen Heizwiderständen oder Attenuatoren bzw. mehreren Arrays, die jeweils mehrere Heizwiderstände oder Attenuatoren enthalten. Im Gegensatz zu den in den Figuren 2-4 gezeigten Vorrichtungen, sind die IR-Anregungsquellen (100a, 100b) mit einem ersten Filterelement (104a) oder einem zweiten Filterelement (104b) versehen, die beispielsweise als Bandpassfilter mit enger Durchlässigkeit ausgebildet sein können. Dabei ist das erste Filterelement (104a) für Strahlung mit einer ersten Wellenlänge aus einem Absorptionsminimum des Analyten selektiv durchlässig. Das zweite Filterelement (104b) ist für Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge aus einem Absorptionsband, vorzugsweise im Bereich eines Absorptionsmaximums des zu bestimmenden Analyten, selektiv durchlässig. Für die Bestimmung von Glucose werden vorzugsweise die zuvor genannten ersten und zweiten Wellenlängen verwendet. The schematic illustration of a further embodiment of the device according to the invention in cross section is shown in FIG. The apparatus includes a plurality of excitation sources (100a, 100b) for IR radiation (102), e.g. in the form of several individual heating resistors or attenuators or multiple arrays, each containing a plurality of heating resistors or attenuators. In contrast to the devices shown in FIGS. 2-4, the IR excitation sources (100a, 100b) are provided with a first filter element (104a) or a second filter element (104b), which may be formed, for example, as a narrow pass bandpass filter. In this case, the first filter element (104a) is selectively permeable to radiation having a first wavelength from an absorption minimum of the analyte. The second filter element (104b) is selectively transmissive to radiation having a second wavelength from an absorption band, preferably in the region of an absorption maximum of the analyte to be determined. For the determination of glucose, preferably the aforementioned first and second wavelengths are used.
Alternativ kann anstelle von Bandpassfiltern mit enger Durchlässigkeit eine Kombination von einem Bandpassfilter mit breiter Durchlässigkeit sowie einem Hochpass- und/oder Tiefpassfilter zur Erzeugung von IR-Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden. Alternatively, instead of narrow-pass bandpass filters, a combination of a wide-pass bandpass filter and a high-pass and / or low-pass filter may be used to generate different wavelength IR radiation.
Die Anregungsquellen (100a, 100b) sind mit einem Kühlelement (106) versehen, das vorzugsweise ein Peltier-Element umfasst. Von den Anregungsquellen (100a, 100b) emittierte diffuse IR-Strahlung (102) bestrahlt einen Körperbereich des Testsubjekts (nicht gezeigt). Alternativ können die Anregungsquellen (1 10a, 100b) mit Linsenelementen, wie zuvor beschrieben, ausgestattet sein. Dabei kann der bestrahlte Körperbereich in Kontakt mit einem Auflageelement (108) stehen, welches für die aus den Anregungsquellen (100a, 100b) stammende IR-Strahlung (102) im Wesentlichen optisch transparent ist. Bevorzugte Ausführungsformen des Auflageelements sind wie zuvor beschrieben. Das Auflageelement (108) steht in Verbindung mit einem Kühlelement (1 10), das vorzugsweise ein Peltier-Element umfasst. Vorzugsweise enthält das Auflageelement Sensoren zur Erfassung und/oder Kontrolle des Auflagedrucks des untersuchendene Körperbereichs und gegebenenfalls Sensoren zur Erfassung und/oder Kontrolle der Auflageposition des zu untersuchenden Körperbereichs. The excitation sources (100a, 100b) are provided with a cooling element (106), which preferably comprises a Peltier element. Diffused IR radiation (102) emitted by the excitation sources (100a, 100b) irradiates a body region of the test subject (not shown). Alternatively, the excitation sources (110a, 100b) can be equipped with lens elements as described above. In this case, the irradiated body region may be in contact with a support element (108) which is substantially optically transparent to the IR radiation (102) originating from the excitation sources (100a, 100b). Preferred embodiments of the support element are as previously described. The support element (108) is in Connection with a cooling element (1 10), which preferably comprises a Peltier element. The support element preferably contains sensors for detecting and / or checking the contact pressure of the examining body region and optionally sensors for detecting and / or checking the contact position of the body region to be examined.
Die Vorrichtung enthält weiterhin einen Sensor (1 12), der zeitabhängig eine Messung bei zwei unterschiedlichen Messwellenlängen ermöglicht. Vorzugsweise ist dieser Sensor als IR-MEMS-Sensor ausgebildet, der vorzugsweise IR-Strahlung im Bereich von 8-14 μιη erfassen kann. Der Sensor (1 12) kann in Verbindung mit einem weiteren Kühlelement (1 14) stehen, welches beispielsweise ein Peltier- Element umfassen kann. Der Sensor (1 12) kann gegebenenfalls mit einem Linsenelement, wie zuvor beschrieben, ausgestattet sein. Die vom Sensor (1 12) stammenden Signale werden vorzugsweise über einen A/D- Konverter an eine CPU-Einheit (1 16) zur Auswertung der Signale übermittelt. Auf Basis dieser Auswertung wird die Konzentration des Analyten bestimmt. Das Ergebnis kann dann in einem Display (1 18) gezeigt werden. Die CPU-Einheit (1 16) kann weiterhin eingerichtet sein, um die Anregungsquellen (100a, 100b) und/oder die Kühlelemente (106, 1 10, 1 14) zu steuern. The device further includes a sensor (1 12), which allows a time-dependent measurement at two different measurement wavelengths. Preferably, this sensor is designed as an IR-MEMS sensor, which can preferably detect IR radiation in the range of 8-14 μιη. The sensor (1 12) may be in connection with another cooling element (1 14), which may for example comprise a Peltier element. The sensor (12) may optionally be equipped with a lens element as described above. The signals from the sensor (1 12) are preferably transmitted via an A / D converter to a CPU unit (1 16) for evaluating the signals. Based on this evaluation, the concentration of the analyte is determined. The result can then be shown in a display (1 18). The CPU unit (16) may be further configured to control the excitation sources (100a, 100b) and / or the cooling elements (106, 110, 14).
Die Innenoberfläche des Messsystems kann gegebenenfalls mit einer für IR- Strahlung nicht reflektierenden Beschichtung versehen sein. Weiterhin kann das Messsystem eine thermische Isolierung gegenüber der Umgebung aufweisen. Optionally, the inner surface of the measuring system may be provided with a coating which does not reflect IR radiation. Furthermore, the measuring system may have a thermal insulation from the environment.
Figur 7 zeigt eine ausführliche Darstellung der Anregungsquellen in der Vorrichtung gemäß Figur 5. Die Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung besteht aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Einheiten (A, B), die auf einem ringförmigen Peltier- Element (106) angeordnet sind. Jede der Einheiten A und B umfasst eine IR- Strahlungsquelle (100a, 100b), bei der es sich jeweils um einen Widerstand, z.B. einen Heizwiderstand oder einen Attenuator und insbesondere jeweils um einen Array bestehend aus einer Vielzahl von Widerständen, insbesondere Heizwiderständen oder Attenuatoren, handelt. Darüber hinaus weisen die Einheiten A und B erste Filterelemente (104a) bzw. zweite Filterelemente (104b) auf, die selektiv für IR-Strahlung mit einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich bzw. für IR-Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich, wie zuvor beschrieben, durchlässig sind. Zusätzlich können die Anregungsquellen Linsenelemente, wie zuvor beschrieben, aufweisen. Figure 7 shows a detailed representation of the excitation sources in the device according to Figure 5. The unit for generating IR radiation consists of a plurality of different units (A, B), which are arranged on an annular Peltier element (106). Each of the units A and B comprises an IR radiation source (100a, 100b), which in each case is a resistor, for example a heating resistor or an attenuator and in particular in each case an array consisting of a multiplicity of resistors, in particular heating resistors or attenuators, is. In addition, the units A and B have first filter elements (104a) and second filter elements (104b) which are selective for IR radiation having a first wavelength or a first wavelength Wavelength range or for IR radiation having a second wavelength or a second wavelength range, as described above, are permeable. In addition, the excitation sources may include lens elements as described above.

Claims

Ansprüche claims
Vorrichtung zur nicht-invasiven quantitativen Bestimmung eines Analyten im Blut eines Testsubjekts, umfassend: Apparatus for noninvasive quantitative determination of an analyte in the blood of a test subject, comprising:
(a) eine Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung, die eine oder mehrere IR- Strahlungsquellen, insbesondere eine oder mehrere Breitband-IR- Strahlungsquellen umfasst und zur Bestrahlung eines von dem Testsubjekt stammenden Körperbereichs eingerichtet ist,  (a) an IR radiation generating unit comprising one or more IR radiation sources, in particular one or more broadband IR radiation sources, arranged to irradiate a body region originating from the test subject,
(b) eine Einheit zur Aufnahme des zu untersuchenden Körperbereichs, (b) a unit for receiving the body area to be examined,
(c) eine Einheit zur Erfassung von reflektierter IR-Strahlung aus dem bestrahlten Körperbereich, die zur separaten Erfassung von IR-Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 3-20 μιη, vorzugsweise von 8- 12 μιη eingerichtet ist, (c) a unit for detecting reflected IR radiation from the irradiated body region, which is set up for the separate detection of IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 3-20 μιη, preferably of 8-12 μιη,
wobei bei einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und  wherein at a first wavelength or a first wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and
wobei bei einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert und  wherein at a second wavelength or a second wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined and
wobei die Einheit gegebenenfalls zusätzlich zur unspezifischen Erfassung von reflektierter IR-Strahlung eingerichtet ist, und  wherein the unit is optionally arranged in addition to the nonspecific detection of reflected IR radiation, and
(d) eine Einheit, die zur Auswertung der von der Erfassungseinheit (c) stammenden Signale und zur Ermittlung der Konzentration des Analyten auf Basis der ausgewerteten Signale eingerichtet ist,  (d) a unit which is set up to evaluate the signals originating from the detection unit (c) and to determine the concentration of the analyte on the basis of the evaluated signals,
wobei die Einheit zur selektiven Auswertung von reflektierter IR- Strahlung eingerichtet ist, die aus Kapillarblutgefäßen der Dermis des bestrahlten Körperbereichs stammt.  wherein the unit is adapted to selectively evaluate reflected IR radiation derived from capillary blood vessels of the dermis of the irradiated body region.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2. Apparatus according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Einheit zur Erzeugung der IR-Strahlung (a) so eingerichtet ist, dass eine maximale Eindringtiefe der emittierenden IR-Strahlung von etwa 2,5 bis 3 mm in den bestrahlten Körperbereich erreicht wird. the unit for generating the IR radiation (a) is set up in such a way that a maximum penetration depth of the emitting IR radiation of about 2.5 to 3 mm is achieved in the irradiated body area.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, Apparatus according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung (a) mehrere IR- Strahlungsquellen, wie etwa Glühkerzen oder Widerstände, insbesondere Heizwiderstände oder Attenuatoren umfasst. in that the unit for generating IR radiation comprises (a) a plurality of IR radiation sources, such as glow plugs or resistors, in particular heating resistors or attenuators.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Device according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung (a) mehrere IR- Strahlungsquellen in ringförmiger Anordnung und/oder auf einem Träger mit konkaver Oberfläche umfasst. in that the unit for generating IR radiation comprises (a) a plurality of IR radiation sources in an annular arrangement and / or on a substrate with a concave surface.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, Device according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung (a) mehrere IR- Strahlungsquellen mit Filterelementen umfasst, die zur separaten Abgabe von IR-Strahlung bei mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 3-20 μιη, vorzugsweise von 8- 12 μιη eingerichtet sind, wobei bei einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und wobei bei einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert. in that the unit for generating IR radiation comprises (a) a plurality of IR radiation sources with filter elements which allow the separate emission of IR radiation at at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 3-20 μιη, preferably of 8-12 μιη wherein, at a first wavelength or a first wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and wherein at a second wavelength or a second wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation is dependent changes from the concentration of the analyte to be determined.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Device according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung (a) weiterhin ein Kühlelement für die eine oder mehreren IR-Strahlungsquellen, insbesondere ein Peltier-Element umfasst. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, the unit for generating IR radiation (a) furthermore comprises a cooling element for the one or more IR radiation sources, in particular a Peltier element. Device according to one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Einheit zur Erzeugung von IR-Strahlung (a) IR-Strahlungsquellen umfasst, die Linsenelemente, z.B. Plankonvexlinsen, zur Fokussierung der emittierten IR-Strahlung aufweisen. in that the unit for generating IR radiation comprises (a) IR radiation sources, the lens elements, e.g. Plankonvexlinsen, to focus the emitted IR radiation.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, Device according to one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Einheit zur Aufnahme des zu untersuchenden Körperbereichs (b) ein für IR-Strahlung in der Wellenlängenregion von 3-20 μηι, vorzugsweise von 8-12 μηπ zumindest teilweise transparentes Element zur Auflage des zu untersuchenden Körperbereichs umfasst, das gegebenenfalls mit einem Kühlelement, insbesondere einem Peltier-Element, in Verbindung steht. in that the unit for receiving the body region (b) to be examined comprises an element which is at least partially transparent to IR radiation in the wavelength region of 3-20 μm, preferably of 8-12 μm, for supporting the body region to be examined, optionally with a cooling element. in particular a Peltier element, in connection.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, Device according to one of claims 1 to 8,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Einheit zur Aufnahme des zu untersuchenden Körperbereichs (b) Mittel, z.B. Sensoren, zur Erfassung und/oder Kontrolle von Auflageposition und/oder Auflagedruck des zu untersuchenden Körperbereichs umfasst. in that the unit for receiving the body region (b) to be examined comprises means, e.g. Sensors, for detecting and / or control of support position and / or contact pressure of the body region to be examined comprises.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, Device according to one of claims 1 to 8,
dadurch gekennzeichnet characterized
dass die Einheit zur Erfassung von reflektierter IR-Strahlung (c) mindestens einen ersten Sensor, mindestens einen zweiten Sensor und gegebenenfalls mindestens einen dritten Sensor umfasst, the unit for detecting reflected IR radiation (c) comprises at least one first sensor, at least one second sensor and optionally at least one third sensor,
wobei der erste Sensor zur Erfassung von IR-Strahlung mit einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich in der Region von 3- 20 μιη, vorzugsweise von 8-12 μιη eingerichtet ist, wo die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, wherein the first sensor for detecting IR radiation having a first wavelength or a first wavelength range in the region of 3- 20 μιη, preferably 8-12 μιη is set up, where the intensity of the reflected IR radiation of the concentration of the determined Analyte is essentially independent,
wobei der zweite Sensor zur Erfassung von IR-Strahlung mit einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich in der Region von 3- 20 mm, vorzugsweise von 8-12 μιη eingerichtet ist, wo sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert, und wobei der dritte Sensor zur Referenzierung der reflektierten IR-Strahlung eingerichtet ist. Vorrichtung nach Anspruch 10, wherein the second sensor for detecting IR radiation having a second wavelength or a second wavelength range in the region of 3- 20 mm, preferably 8-12 μιη is set up where the intensity of the reflected IR radiation depending on the concentration of the changes to be determined analytes, and wherein the third sensor is arranged for referencing the reflected IR radiation. Device according to claim 10,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der erste Sensor und/oder der zweite Sensor als Bolometer mit einem für die zu erfassende Wellenlänge oder den zu erfassenden Wellenlängenbereich durchlässigen Filterelement oder einer Kombination von Filterelementen oder als Quantenkaskaden-Sensoren ausgebildet sind. the first sensor and / or the second sensor are designed as bolometers with a filter element permeable to the wavelength to be detected or the wavelength range to be detected or a combination of filter elements or as quantum cascade sensors.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , Device according to one of claims 1 to 1 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Einheit zur Erfassung von reflektierter IR-Strahlung (c) mindestens einen Sensor umfasst, der zur zeitabhängigen separaten Erfassung von IR- Strahlung mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen in der Region von 3-20 pm, vorzugsweise von 8- 12 pm, eingerichtet ist, in that the unit for detecting reflected IR radiation (c) comprises at least one sensor which is capable of time-dependent separate detection of IR radiation having at least two different wavelengths or wavelength ranges in the region of 3-20 μm, preferably 8-12 μm, is set up,
wobei bei einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und wherein at a first wavelength or a first wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation is substantially independent of the concentration of the analyte to be determined, and
wobei bei einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert. wherein at a second wavelength or a second wavelength range, the intensity of the reflected IR radiation changes depending on the concentration of the analyte to be determined.
Vorrichtung nach Anspruch 12, Device according to claim 12,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der Sensor als Fabry-Perot Interferometer ausgebildet ist. that the sensor is designed as a Fabry-Perot interferometer.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, Device according to one of claims 1 to 13,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Einheit zur Erfassung von reflektierter IR-Strahlung (c) mindestens einen Sensor aufweist, der mit einem Linsenelement, z.B. einer Bikonvexlinse, ausgestattet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Bestimmung von Glucose in Blut, wobei die erste Wellenlänge oder der erste Wellenlängenbereich ein Absorptionsminimum von Glucose und die zweite Wellenlänge oder der zweite Wellenlängenbereich ein Absorptionsband von Glucose oder einen Teil davon umfasst. in that the unit for detecting reflected IR radiation (c) has at least one sensor which is equipped with a lens element, for example a biconvex lens. Device according to one of claims 1 to 14 for the determination of glucose in blood, wherein the first wavelength or the first wavelength range comprises an absorption minimum of glucose and the second wavelength or the second wavelength range comprises an absorption band of glucose or a part thereof.
Vorrichtung nach Anspruch 15, Device according to claim 15,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die erste Wellenlänge oder der erste Wellenlängenbereich die Region von 8,1 ± 0,2 μιη und/oder 8,5 ± 0,2 μηι, insbesondere die Region von 8,1 ± 0,1 μΓη und/oder 8,5 ± 0,1 μΓη umfasst und/oder die zweite Wellenlänge bzw. der zweite Wellenlängenbereich die Region von 9,1 ± 0,2 μιη, 9,3 ± 0,2 μιη und/oder 9,6 ± 0,2 μιη, insbesondere die Region von 9,1 ± 0,1 μιη, 9,3 ± 0,1 μιη und/oder 9,6 ± 0,1 μιη umfasst. that the first wavelength or the first wavelength range, the region of 8.1 ± 0.2 μιη and / or 8.5 ± 0.2 μηι, in particular the region of 8.1 ± 0.1 μΓη and / or 8.5 ± 0.1 μΓη comprises and / or the second wavelength or the second wavelength range, the region of 9.1 ± 0.2 μιη, 9.3 ± 0.2 μιη and / or 9.6 ± 0.2 μιη, in particular the Region of 9.1 ± 0.1 μιη, 9.3 ± 0.1 μιη and / or 9.6 ± 0.1 μιη comprises.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur nichtinvasiven quantitativen Bestimmung eines Analyten, insbesondere zur Bestimmung von Glucose im Blut eines Testsubjekts. Use of a device according to one of claims 1 to 16 for the non-invasive quantitative determination of an analyte, in particular for the determination of glucose in the blood of a test subject.
Verfahren zur nicht-invasiven quantitativen Bestimmung eines Analyten im Blut eines Testsubjekts, umfassend die Schritte: Method for the non-invasive quantitative determination of an analyte in the blood of a test subject, comprising the steps:
(i) Bestrahlen eines von dem Testsubjekt stammenden Körperbereichs mit IR-Strahlung,  (i) irradiating a body region originating from the test subject with IR radiation,
(ii) separates Erfassen von reflektierter IR-Strahlung aus dem bestrahlten Körperbereich mit mindestens einer ersten Wellenlänge oder einem ersten Wellenlängenbereich in der Region von 3-20 μπτι, vorzugsweise von 8-12 μιη, wo die Intensität der reflektierten IR- Strahlung von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten im Wesentlichen unabhängig ist, und mit mindestens einer zweiten Wellenlänge oder einem zweiten Wellenlängenbereich in der Region von 3-20 μιη, vorzugsweise von 8-12 μιη, wo sich die Intensität der reflektierten IR-Strahlung abhängig von der Konzentration des zu bestimmenden Analyten ändert, und gegebenenfalls unspezifisches Erfassen von reflektierter IR-Strahlung aus dem bestrahlten Körperoberflächenbereich zur Referenzierung, (iii) Auswerten der in (ii) erfassten Signale, wobei eine selektive Auswertung von reflektierter IR-Strahlung aus Kapillarblutgefäßen der Dermis des bestrahlten Körperbereichs erfolgt und (ii) separately detecting reflected IR radiation from the irradiated body region having at least a first wavelength or a first wavelength range in the region of 3-20 μπτι, preferably of 8-12 μιη, where the intensity of the reflected IR radiation of the concentration of the analyte to be determined is substantially independent, and having at least one second wavelength or a second wavelength range in the region of 3-20 μιη, preferably from 8-12 μιη, where the intensity of the reflected IR radiation depends on the concentration of determining analyte, and optionally non-specific detection of reflected IR radiation from the irradiated body surface area for referencing, (iii) evaluating the signals detected in (ii), whereby a selective evaluation of reflected IR radiation from capillary blood vessels of the dermis of the irradiated body region takes place, and
(iv) Ermitteln der Konzentration des Analyten auf Basis der ausgewerteten Signale.  (iv) determining the concentration of the analyte based on the evaluated signals.
Verfahren nach Anspruch 18, Method according to claim 18,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass das aus Blutgefäßen stammende Signal aufgrund seiner von der Pulsfrequenz des Testsubjekts abhängigen zeitlichen Variation bestimmt wird. the signal originating from blood vessels is determined on the basis of its temporal variation, which is dependent on the pulse frequency of the test subject.
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