DE102005033327A1 - Medical test device and method for optical analysis of an analyte - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein medizinisches Testgerät zur optischen Messung eines medizinisch bedeutsamen Analyten in einer Probe einer wäßrigen Flüssigkeit, insbesondere in Blut, umfassend eine Lichtquelle (5) zum Bestrahlen der Probe mit Primärlicht (4), einen Signallichtdetektor (10), der ein analoges Meßsignal erzeugt, das die Intensität von detektiertem Licht charakterisiert, wobei der Signallichtdetektor (10) zur Detektion von Sekundärlich (6) angeordnet ist, das durch Wechselwirkung von Primärlicht (4) mit der Probe entsteht, einen Untergrundlichtdetektor (13), der ein analoges Untergrundsignal erzeugt, das die Intensität von detektiertem Licht charakterisiert, wobei der Untergrundlichtdetektor (13) zur Detektion von Umgebungslicht (9) angeordnet ist, das Primärlich (4) enthalten kann, ein Auswertemittel (15) zum Auswerten der von dem Signallichtdetektor (10) und dem Untergrundlichtdetektor (13) erzeugten Signale, um den Analyten in der Probe nachzuweisen und/oder seine Konzentration zu bestimmen. Zum Kompensieren des durch Umgebungslicht (9), das von dem Signallichtdetektor (10) zusammen mit Sekundärlicht (6) detektiert wird, verursachten Anteils des Meßsingals sind der Signallichtdetektor (10) und der Untergrundlichtdetektor (13) derart an eine gemeinsame Leitung (14), die zu dem Auswertemittel (15) führt, angeschlossen, daß die von den Lichtdetektoren (10, 13) erzeugten Analogsignale voneinander subtrahiert werden und ein kompensiertes Analogsignal entsteht, das ...The invention relates to a medical test device for the optical measurement of a medically significant analyte in a sample of an aqueous liquid, in particular in blood, comprising a light source (5) for irradiating the sample with primary light (4), a signal light detector (10) which generates an analog measurement signal generated, which characterizes the intensity of detected light, the signal light detector (10) being arranged for the detection of secondary (6), which is created by the interaction of primary light (4) with the sample, an background light detector (13) which generates an analog background signal , which characterizes the intensity of detected light, wherein the background light detector (13) is arranged for the detection of ambient light (9) which can contain primary light (4), an evaluation means (15) for evaluating the signal light detector (10) and the background light detector (13) generated signals to detect the analyte in the sample and / or its concentrates on to determine. To compensate for the portion of the measurement signal caused by ambient light (9) which is detected by the signal light detector (10) together with secondary light (6), the signal light detector (10) and the background light detector (13) are connected to a common line (14), which leads to the evaluation means (15), connected so that the analog signals generated by the light detectors (10, 13) are subtracted from one another and a compensated analog signal is produced which ...
Description
Die Erfindung betrifft ein medizinisches Testgerät und ein Verfahren zur optischen Messung eines medizinisch bedeutsamen Analyten in einer Probe einer wäßrigen Flüssigkeit, insbesondere in Blut.The The invention relates to a medical test device and a method for optical Measurement of a medically significant analyte in a sample of a aqueous liquid, especially in blood.
Die quantitative Bestimmung von chemischen und biochemischen Komponenten farbiger wäßriger Flüssigkeiten, insbesondere farbiger biologischer Flüssigkeiten wie Blut oder Urin, und Produkten aus biologischen Flüssigkeiten wie Blutserum und Blutplasma, ist für medizinische Anwendungen wie die Diagnose und Behandlung von Krankheiten von stetig zunehmender Bedeutung. Üblicherweise wird eine Körperflüssigkeit wie Blut oder Urin mit einem Handgerät und dazugehörenden Teststreifen untersucht. Der Teststreifen hat eine Reaktionszone, die mit Reagenzien imprägniert ist, die mit einem Analyten der Flüssigkeit reagieren und dabei eine Farbänderung bewirken. Die Farbänderung kann mittels photometrischer Analyse quantitativ ausgewertet werden. Eine weitverbreitete Anwendung ist die Messung des Blutglucosegehalts von Diabetikern.The quantitative determination of chemical and biochemical components colored aqueous liquids, especially colored biological fluids such as blood or urine, and products from biological fluids such as blood serum and Blood plasma, is for medical applications such as the diagnosis and treatment of diseases of steadily increasing importance. Usually will a body fluid as blood or urine with a handheld device and associated test strips examined. The test strip has a reaction zone impregnated with reagents, those with an analyte of the liquid react while changing the color cause. The color change can be quantitatively evaluated by photometric analysis. A widely used application is the measurement of blood glucose content of diabetics.
Für derartige Anwendungen müssen photometrische Signale mit sehr hoher Präzision erfaßt und ausgewertet werden. Die Meßsignale sind jedoch üblicherweise im Verhältnis zu auftretendem Rauschen und unerwünschten Signalbestandteilen sehr schwach. Typischerweise muß das Meßsignal um einen Faktor von mindestens 1000 verstärkt werden, damit es von dem Rauschen und den Störsignalen getrennt werden kann.For such Applications need Photometric signals are detected and evaluated with very high precision. The measuring signals however are common in relation to too much noise and unwanted signal components weak. Typically, that must Measuring signal to a factor of at least 1000 will be amplified to make it from the Noise and the interfering signals can be separated.
Chemische und biochemische Komponenten von wäßrigen Flüssigkeiten können auch durch die Untersuchung von Fluoreszenzlicht quantitativ bestimmt werden. Eine zwischen Fluoreszenzlicht und Anregungslicht auftretende Wellenlängenverschiebung erleichtert es zwar, das Fluoreszenzlicht von dem Anregungslicht, beispielsweise durch Einsatz geeigneter Filter, zu trennen, jedoch sind Fluoreszenzsignale wesentlich schwächer als photometrische Signale. Dadurch wird die Notwendigkeit einer sehr hohen Präzision bei der Messung und Auswertung verstärkt.Dry and biochemical components of aqueous liquids may also quantitatively determined by the examination of fluorescent light become. An occurring between fluorescent light and excitation light Wavelength shift makes it easier, the fluorescent light from the excitation light, for example, by using suitable filters to separate, however Fluorescence signals are much weaker than photometric signals. This adds the need for very high precision strengthened the measurement and evaluation.
Die in elektronischer Hinsicht bei der Verstärkung extrem schwacher Signale auftretenden Probleme umfassen Verstärkerschwankungen, Spannungsbeiträge von verschiedenen Bauteilen, hoch- und niederfrequentes Rauschen sowie Leck- und Restströme verschiedener Art. Diese Probleme der Meß- und Auswerteelektronik werden durch den Einfluß von Umgebungslicht auf die Messung selbst verstärkt. In diesem Zusammenhang umfaßt der Begriff Umgebungslicht Licht von externen Quellen wie die Sonne oder Glühbirnen ebenso wie Streulicht von einer internen Lichtquelle, das den Detektor ohne Wechselwirkung mit der Probe erreicht.The in electronic terms, in amplifying extremely weak signals Problems encountered include amplifier fluctuations, voltage contributions from different ones Components, high and low frequency noise and leakage and residual currents of various Art. These problems of measuring and Evaluation electronics are due to the influence of ambient light on the Measurement itself amplified. Included in this context the term ambient light from external sources such as the sun or light bulbs as well as stray light from an internal light source, which is the detector achieved without interaction with the sample.
In
der
Das bekannte Gerät hat eine Meßphotodiode zum Detektieren von Sekundärlicht, das durch Wechselwirkung von Primärlicht mit der Probe entsteht, und eine Referenzphotodiode zum Detektieren von Umgebungslicht. Ein Meß- und Integrationsschaltkreis wertet abwechselnd Signale der Meßphotodiode und der Referenzphotodiode aus. Die Signale werden integriert und anschließend digitalisiert. Der Einfluß von Umgebungslicht auf die Messung wird numerisch von einem Mikroprozessor kompensiert, der aus einem digitalisierten Wert, der auf integrierten Signalen der Meßphotodiode beruht, und einem Referenzmeßwert, der auf integrierten Signalen der Referenzphotodiode beruht, einen Quotienten berechnet. Die Lichtquelle des Geräts wird in vorgegebenen Zeitintervallen ein- und ausgeschaltet. Signale der Photodioden werden in gleicher Weise in der Beleuchtungsphase und der Dunkelphase ausgewertet. Durch Subtrahieren von Resultaten der Dunkelphase von Resultaten der Beleuchtungsphase lassen sich Rauschen und Störsignalanteile wesentlich reduzieren.The known device has a measuring photodiode for detecting secondary light, caused by interaction of primary light with the sample, and a reference photodiode for detecting ambient light. A measuring and integration circuit alternately evaluates signals of the measuring photodiode and the reference photodiode off. The signals are integrated and subsequently digitized. The influence of Ambient light on the measurement is given numerically by a microprocessor Compensated, from a digitized value, to integrated Signals of the measuring photodiode based, and a Referenzmeßwert, which is based on integrated signals of the reference photodiode, a Quotient calculated. The light source of the device is at predetermined time intervals switched on and off. Signals of the photodiodes are in the same Evaluated way in the lighting phase and the dark phase. By subtracting results of the dark phase of results The lighting phase can be noise and noise components significantly reduce.
Jedoch führt eine fortschreitende Reduktion von Probenvolumina im Interesse einer Minimierung von Schmerz und Unannehmlichkeiten bei Blutglucosemessungen zu einem zunehmend ungünstigen Signal-Rausch-Verhältnis, so daß sich mit im Stand der Technik bekannten Handgeräten Meßwerte nicht mehr mit der gewünschten Präzision ermitteln lassen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Testgerät zur Verfügung zu stellen, das eine verbesserte Unterdrückung und/oder Kompensation unerwünschter Signalbeiträge wie Umgebungslicht ermöglicht.however leads one progressive reduction of sample volumes in the interest of a Minimizing pain and discomfort in blood glucose measurements to an increasingly unfavorable Signal-to-noise ratio, so that With handheld devices known in the art, readings are no longer with the desired precision can be determined. The object of the present invention is therefore to a test device to disposal to provide an improved suppression and / or compensation of undesirable signal posts as ambient light allows.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein medizinisches Testgerät zur optischen Messung eines medizinisch bedeutsamen Analyten in einer Probe einer wäßrigen Flüssigkeit, insbesondere in Blut, umfassend: eine Lichtquelle zum Bestrahlen der Probe mit Primärlicht, einen Signallichtdetektor, der ein analoges Meßsignal erzeugt, das die Intensität von detektiertem Licht charakterisiert, wobei der Signallichtdetektor zur Detektion von Sekundärlicht angeordnet ist, das durch Wechselwirkung von Primärlicht mit der Probe entsteht, einen Untergrundlichtdetektor, der ein analoges Untergrundsignal erzeugt, das die Intensität von detektiertem Licht charakterisiert, wobei der Untergrundlichtdetektor zur Detektion von Umgebungslicht angeordnet ist, das Primärlicht enthalten kann, Auswertemittel zum Auswerten der von dem Signallichtdetektor und dem Untergrundlichtdetektor erzeugten Signale, um den Analyten in der Probe nachzuweisen und/oder seine Konzentration zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kompensieren des durch Umgebungslicht, das von dem Signallichtdetektor zusammen mit Sekundärlicht detektiert wird, verursachten Anteils des Meßsignals der Signallichtdetektor und der Untergrundlichtdetektor derart an eine gemeinsame Leitung, die zu dem Auswertemittel führt, angeschlossen sind, daß die von den Lichtdetektoren erzeugten Analogsignale voneinander abgezogen werden und ein kompensiertes Analogsignal entsteht, das dem Auswertemittel zugeführt wird.This object is achieved by a medical test device for optical measurement of a medically significant analyte in a sample of an aqueous liquid, in particular in blood, comprising: a light source for irradiating the sample with primary light, a signal light detector which generates an analog measurement signal which determines the intensity of characterized in that the signal light detector is arranged to detect secondary light produced by interaction of primary light with the sample, a background light detector which generates an analog background signal which characterizes the intensity of detected light, the background detection sub-detector is arranged, which may contain primary light, evaluation means for evaluating the signals generated by the signal light detector and the background light detector to detect the analyte in the sample and / or to determine its concentration, characterized in that for compensating the by ambient light emitted by the Signal light detector is detected together with secondary light, caused proportion of the measurement signal of the signal light detector and the background light detector so connected to a common line leading to the evaluation, are connected, that the analog signals generated by the light detectors are subtracted from each other and a compensated analog signal is formed, the evaluation is supplied.
Diese Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur optischen Messung eines medizinisch bedeutsamen Analyten in einer wäßrigen Flüssigkeitsprobe, insbesondere in Blut, mit einem medizinischen Testgerät, umfassend die folgenden Schritte: Bestrahlen der Probe mit Primärlicht, Zuführen von Sekundärlicht, das durch Wechselwirkung von Primärlicht mit der Probe entsteht, zu einem Signallichtdetektor, der ein analoges Meßsignal erzeugt, das die Intensität des detektierten Lichts charakterisiert, Detektieren von Umgebungslicht, das Primärlicht enthalten kann, mittels eines Untergrundlichtdetektors, der ein analoges Untergrundsignal erzeugt, das die Intensität von Umgebungslicht charakterisiert, Auswerten des Meßsignals und des Untergrundsignals, um den Analyten in der Probe nachzuweisen und/oder seine Konzentration zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal und das Untergrundsignal voneinander abgezogen werden, so daß ein kompensiertes Analogsignal entsteht, das dann zum Nachweis und/oder der Bestimmung der Konzentration des Analyten in der Probe ausgewertet wird.These Task is further solved by a method of optically measuring a medically significant one Analytes in an aqueous fluid sample, especially in blood, with a medical testing device the following steps: irradiating the sample with primary light, Respectively of secondary light, caused by interaction of primary light with the sample, to a signal light detector, which is an analog measurement signal that generates the intensity characterized the detected light, detecting ambient light, contain the primary light can, by means of an underground light detector, the an analog underground signal that generates the intensity characterized by ambient light, evaluation of the measured signal and the background signal to detect and / or detect the analyte in the sample to determine its concentration, characterized in that the measuring signal and the background signal are subtracted from each other, so that a compensated Analog signal is generated, which then for detection and / or determination the concentration of the analyte in the sample is evaluated.
Durch die vorliegende Erfindung wird das Problem gelöst, daß der Signallichtdetektor eines Testgeräts unvermeidlich Umgebungslicht ebenso wie Sekundärlicht, das durch Wechselwirkung mit der Probe entsteht, erfaßt. Folglich enthält das von dem Detektor erzeugte Meßsignal stets einen Anteil, der auf Umgebungslicht beruht. Dieser unvermeidliche Beitrag muß kompensiert werden, damit die für medizinische Anwendungen erforderliche Präzision erreicht werden kann. Anstatt den Einfluß von Umgebungslicht durch Berechnungen zu kompensieren, die auf komplexen mathematischen Algorithmen basieren, wird mit der vorliegenden Erfindung eine Kompensation von Umgebungslicht auf einfache, präzise und effiziente Weise erreicht, bevor das Meßsignal digitalisiert und mit dem Auswertemittel ausgewertet wird.By The present invention solves the problem that the signal light detector of a test apparatus is inevitable Ambient light as well as secondary light, which results from interaction with the sample detected. consequently contains the measurement signal generated by the detector always has a share, based on ambient light. This inevitable contribution must be compensated be so for the medical applications required precision can be achieved. Instead of the influence of To compensate for ambient light through calculations that are complex Mathematical algorithms are based on the present invention a compensation of ambient light on simple, accurate and achieved efficient manner before the measurement signal digitized and with the evaluation is evaluated.
Der Signallichtdetektor und der Untergrundlichtdetektor erzeugen bei Detektion von Licht jeweils ein analoges Signal, bei dem es sich üblicherweise um einen elektrischen Strom handelt, das jedoch auch eine Spannung sein kann. Das von dem Signallichtdetektor erzeugte Meßsignal enthält einen Nutzanteil, der durch von der Probe stammendes Sekundärlicht verursacht wird, und einen unerwünschten Anteil, der durch Umgebungslicht bewirkt wird. Das Untergrundsignal beruht vollständig auf Umge bungslicht. Durch Überlagern werden diese Signale voneinander subtrahiert, so daß ein Analogsignal entsteht, das prinzipiell nur den Anteil des Meßsignals enthält, der durch von der Probe stammendes Sekundärlicht verursacht wurde.Of the Signal light detector and the background light detector generate at Detection of light in each case an analog signal, which is usually around is an electric current, but also a voltage can be. The measurement signal generated by the signal light detector contains a useful portion caused by secondary light originating from the sample will, and an unwanted portion, which is caused by ambient light. The background signal is based Completely on ambient light. By overlaying These signals are subtracted from each other, so that an analog signal arises, which contains in principle only the portion of the measuring signal, the was caused by secondary light originating from the sample.
Auf diese Weise läßt sich mit der Erfindung eine Umgebungslichtkompensation erreichen, die sowohl einfach als auch sehr präzise ist.On this way can be achieve with the invention, an ambient light compensation, both simple as well as very precise is.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Identische und einander entsprechende Teile sind durch übereinstimmende Bezugszahlen gekennzeichnet. Die darin dargestellten Merkmale können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:Further Details and advantages of the invention will be made in the following of exemplary embodiments with reference to the attached Drawings explained. Identical and corresponding parts are by matching Reference numbers marked. The features shown therein can be individually or used in combination to further preferred embodiments to provide the invention. Show it:
Das
Testfeld
Bei
dem dargestellten Beispiel handelt es sich um das Sekundärlicht
Der
Signallichtdetektor
Das
kompensierte Analogsignal besteht im wesentlichen aus dem durch
detektiertes Sekundärlicht
verursachten Anteil des Meßstroms.
Der restliche Anteil des Meßstroms,
der durch Umgebungslicht
Die
beschriebene Kompensation des Einflusses von Umgebungslicht funktioniert
ersichtlich am besten, wenn die beiden Lichtdetektoren
Aus
diesem Grund handelt es sich bei dem Signallichtdetektor
Das
durch Überlagerung
und Subtraktion des Meßsignals
und des Untergrundsignals erzeugte kompensierte Signal wird in einen
Strom-/Spannungswandler
Damit
eventuelle Nichtlinearitäten
der Kennlinie des Signallichtdetektors
Wenn
die Intensität
des Umgebungslichts und die Kennlinie der Lichtdetektoren bekannt
sind, kann eine Nichtlinearität
der Kennlinie durch das Auswertemittel
Die
Intensität
des Umgebungslichts
Die
in
Üblicherweise
ist die Intensität
des Umgebungslichts
Der
Signallichtdetektor
Selbstverständlich kann
eine optische Referenzfaser parallel zu der optischen Signalfaser
Bevorzugt
werden mehrere Signalfasern
Bevorzugt
ist jeder Signalfaser
Wenn
beispielsweise zwei Lichtquellen
Die
Anzahl der Signallichtdetektoren
Das
Auswertemittel
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