DE102009034467A1 - Portable hand device for non-invasive measuring of blood glucose level for treating diabetes mellitus of patient, has receiver coils with windings, where change of flux penetrating coil effects voltage at connection of windings of coils - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Von besonderem Nutzen im Hinblick auf eine nicht invasive Messung von Körperflüssigkeitsanteilen ist die Bestimmung von Blutzuckerwerten. Die Überwachung von Blutzuckerkonzentrationen ist besonders wichtig bei der Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten, z. B. der Diabetes mellitus und um den Stoffwechsel während z. B. einer physischen Betätigung einer Person nachvollziehen zu können.From particular benefit in terms of a non-invasive measurement of Body fluid ratios is the provision of blood sugar levels. The monitoring of blood sugar concentrations is particularly important in the treatment of a variety of diseases, z. As the diabetes mellitus and the metabolism during z. B. a physical operation of a person understand to be able to.
Diabetes mellitus ist eine der Haupttodesursachen in entwickelten Ländern. Es wird geschätzt, dass die Zahl derjenigen, die daran leiden, von über 100 Mio. Menschen im Jahr 2000 auf über 300 Mio. Menschen im Jahr 2030 ansteigen wird. Unkontrollierte oder schlecht überwachte Diabetes führt zu Über- oder Unterzuckerung, was Langzeitschädigungen in Form von Blindheit, Nierenversagen, koronare Herzkrankheiten und dergleichen mehr zur Folge hat. Diese Schädigungen können vermieden bzw. ihr Fortschritt deutlich verlangsamt werden durch die strikte Kontrolle der Blutzuckerkonzentration.diabetes Mellitus is one of the leading causes of death in developed countries. It is estimated that the number of those who participate in it suffer from over 100 million people in the year 2000 300 million people in 2030 will increase. Uncontrolled or poorly controlled diabetes leads to or hypoglycaemia, causing long-term damage in the form of Blindness, kidney failure, coronary heart disease and the like has more. These damages can avoided or slowed their progress significantly Strict control of blood sugar concentration.
Daher ist die Überwachung der Blutzuckerkonzentration ein wesentlicher Bestandteil einer Diabetes-Behandlung, bei welcher versucht wird, die Einstellung eines normalen Blutzuckerspiegels zu erreichen.Therefore monitoring blood glucose levels is an essential Part of a diabetes treatment that attempts to to achieve the setting of a normal blood sugar level.
Hierzu wird beispielsweise Blut aus einem Einstich eines Fingers entnommen. Die Blutmenge wird auf einen Teststreifen aufgebracht, der mit Blutzucker reagiert. Anschließend wird eine Analyse durch UV/VIS Spektroskopie durchgeführt. Bei dieser Art von Spektroskopie wird sowohl ultraviolettes als auch sichtbares Licht genutzt. Anhand der Energieabsorption erhält man Informationen über die Zusammensetzung der Probe, insbesondere die Blutzuckerkonzentration.For this For example, blood is taken from a puncture of a finger. The amount of blood is applied to a test strip containing blood sugar responding. Subsequently, an analysis by UV / VIS spectroscopy carried out. In this type of spectroscopy is both used ultraviolet as well as visible light. Based on the energy absorption you get information about the composition the sample, especially the blood sugar concentration.
Allerdings sind derartige Tests nicht schmerzlos und unbequem. Daher sind sie für eine häufige oder sogar regelmäßige Überwachung des Blutzuckerspiegels insbesondere bei der Arbeit oder während physischer Aktivitäten bzw. im Schlaf im Wesentlichen nicht geeignet.Indeed Such tests are not painless and uncomfortable. That's why they are for frequent or even regular monitoring the blood sugar level, especially at work or during physical activities or in sleep essentially not suitable.
Deshalb ist die Entwicklung von nicht invasiven Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung des Blutzuckerspiegels vorrangig für die zukünftige Diabetesfürsorge.Therefore is the development of non-invasive methods for continuous monitoring the blood sugar level prioritized for the future Diabetes care.
Derzeit zur Verfügung stehende Vorrichtungen für die nicht invasive in vivo Überwachung des Blutzuckerspiegels basieren im Wesentlichen auf optischen Verfahren. Bekannt sind z. B. die Infrarot-Spektroskopie, die Raman-Spektroskopie, die fotoakustische Spektroskopie, um nur Einige zu nennen.Currently available devices for the not invasive in vivo monitoring of blood sugar levels are based essentially on optical processes. Are known z. B. the Infrared spectroscopy, Raman spectroscopy, photoacoustic Spectroscopy, just to name a few.
Aufgrund
der Komplexität von menschlichem Gewebe und der niedrigen
optischen Rückkopplung von Glukose sind derartige Verfahren
aufgrund einer zu geringen Genauigkeit ungeeignet für klinische
Anwendungen. Ein anderer Ansatz für die nicht invasive Messung
des Zuckerspiegels basiert auf der Kernspinresonanzspektroskopie.
Im
Eine
weitere Einrichtung zur Bestimmung eines Zuckerwertes ist aus dem
Um eine Unterscheidung zwischen einem Kernspinresonanzsignal von Wasser und Zucker vornehmen zu können, ist eine Homogenität des magnetischen Feldes bei der Kernspinspektroskopie im Bereich um 10–6 erforderlich. Dadurch sind aufwändige Abschirm- und Homogenisierungsmittel für das Magnetfeld notwendig. Dies führt zu hohen Kosten und damit zu einer begrenzten Verbreitung derartiger Vorrichtungen.In order to make a distinction between a nuclear magnetic resonance signal of water and sugar, a homogeneity of the magnetic field in nuclear spin spectroscopy in the range of 10 -6 is required. As a result, complex shielding and homogenizing the magnetic field are necessary. This leads to high costs and thus to a limited distribution of such devices.
Aufgabe und Vorteile der ErfindungPurpose and advantages of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur nicht invasiven Messung von Körperflüssigkeitsanteilen, insbesondere des Blutzuckerspiegels bei Menschen, bereitzustellen, die einen einfachen klinischen Einsatz erlaubt.Of the Invention is based on the object, a device for not invasive measurement of body fluid levels, especially the blood sugar level in humans, provide which allows a simple clinical use.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.These The object is solved by the features of claim 1.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung genannt.In the dependent claims are advantageous and expedient developments of the invention called.
Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zur nicht invasiven Messung von Körperflüssigkeitsanteilen mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR-Spektroskopie = nuclear magnetic resonance Spektroskopie) aus, die erste Magnetfeldmittel umfasst, um ein statisches magnetisches Grundfeld B0 bereitzustellen sowie zweite Magnetfeldmittel für die Erzeugung eines quer, insbesondere senkrecht zum magnetischen Grundfeld B0 ausgerichteten, zeitveränderlichen magnetischen Feld B1 aufweist. Außerdem sind Empfängerspulen vorgesehen, deren aufgespannte Spulenfläche sich quer, insbesondere senkrecht zur Ausrichtung des Grundfeldes B0 erstreckt. Der Kern der Erfindung liegt nun darin, dass eine Vielzahl von Empfängerspulen auf einem Substrat, insbesondere Halbleiterchip angeordnet sind, und dass die Empfängerspulen Ringspulen mit wenigstens einer Windung sind, wobei eine Änderung eines der Empfängerspulen durchdringenden magnetischen Flusses eine Induktionsspannung an jeweils insbesondere zwei Anschlüssen der wenigstens einen Windung der Empfängerspulen bewirkt. Als Substrat können Halbleitersubstrate, Keramiksubstrate oder Glassubstrate zum Einsatz kommen. Das eröffnet die Möglichkeit, Empfängerspulen klein genug auszubilden, so dass in der magnetisch wirksamen Fläche der Empfängerspulen das Grundfeld B0 eine Homogenität aufweist, die in dem o. g. Bereich von 10–6 und kleiner liegt. Außerdem kann durch die Anordnung auf einem Substrat oder Chip die genaue Position von einzelnen Empfängerspulen zum Grundfeld exakt bestimmt werden. Es ist z. B. denkbar, auf einer Fläche von z. B. 1 × 1 mm 100 Spulen feldartig oder matrixförmig anzuordnen. Auch ist es denkbar auf einem Halbleiterchip für einzelne oder alle Empfangspulen, die auf dem Chip angeordnet sind, separate Verstärkerschaltungen zu integrieren.The invention is based on a device for the non-invasive measurement of body fluid fractions with the aid of nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR spectroscopy), which comprises first magnetic field means to provide a static basic magnetic field B0 and second magnetic field means for generating a transverse, in particular having perpendicular to the basic magnetic field B0 aligned, time-varying magnetic field B1. In addition, receiver coils are provided, the spanned coil surface is transverse, in particular perpendicular to the orientation of the basic field B0 he stretches. The core of the invention lies in the fact that a plurality of receiver coils on a substrate, in particular semiconductor chip are arranged, and that the receiver coils are toroidal coils with at least one turn, wherein a change of the receiver coils penetrating magnetic flux an induction voltage to each case in particular two terminals causes at least one turn of the receiver coils. The substrate used may be semiconductor substrates, ceramic substrates or glass substrates. This opens up the possibility of forming receiver coils small enough so that in the magnetically active surface of the receiver coils the basic field B0 has a homogeneity which lies in the abovementioned range of 10 -6 and smaller. In addition, the exact position of individual receiver coils to the basic field can be determined exactly by the arrangement on a substrate or chip. It is Z. B. conceivable, on an area of z. B. 1 × 1 mm 100 coils field-like or matrix-shaped. It is also conceivable to integrate separate amplifier circuits on a semiconductor chip for individual or all receiver coils which are arranged on the chip.
Zur Bereitung des Grundfeldes B0 kann z. B. ein Dauermagnet zum Einsatz kommen.to Preparation of the basic field B0 can z. B. a permanent magnet used come.
Unter dem Ausdruck „Körperflüssigkeit” wird erfindungsgemäß sowohl eine intrazellulare als auch extrazellulare Flüssigkeit verstanden. Mit der vorliegenden Vorrichtung bietet sich insbesondere die Möglichkeit, kontinuierlich den Blutzuckerspiegel von Patienten, die an Diabetes mellitus leiden und anderen Personen zu messen, deren Blutzuckerspiegel überwacht werden muss, z. B. während schwerer physischer Belastungen.Under the term "body fluid" is according to the invention both an intracellular as well as extracellular fluid Understood. In particular, it is possible with the present device the ability to continuously monitor the blood sugar levels of patients, who suffer from diabetes mellitus and to measure other people, whose blood sugar levels need to be monitored, eg. During heavy physical stress.
Das Grundfeld B0 kann z. B. durch eine Anordnung von zwei Permanentmagneten, die sich gegenüber stehen, bereitgestellt werden. Auch Magnetspulen sind denkbar, um das Grundfeld B0 auszubilden. Das zeitveränderliche Magnetfeld B1 kann durch eine oder mehrerer weiterer Spulen erzeugt werden, die so ausgerichtet sind, dass im Idealfall das resultierende Feld senkrecht zum Grundfeld B0 steht. Die Messung der Kernspinresonanzantwort erfolgt durch die Vielzahl der auf dem Substrat angeordneten Spulen.The Basic field B0 can z. B. by an arrangement of two permanent magnets, which are opposite, be provided. Also Magnetic coils are conceivable to form the basic field B0. The time-varying magnetic field B1 can be replaced by one or more additional coils are generated, which are aligned in the Ideally, the resulting field is perpendicular to the basic field B0. The measurement of the nuclear magnetic resonance response is carried out by the plurality the coils arranged on the substrate.
Wird z. B. ein Grundfeld B0 von 1,4 Tesla vorgegeben, liegt die Mittenfrequenz der Kernspinantwort bei ca. 60 MHz für die 1H Resonanz, bei 15 MHz für die 13C Resonanz oder bei 24 MHz für die 31P Resonanz. Von dem erhaltenen Spektrum können die Konzentrationen von Wasser (1H Spektrum), Zucker (1H und/oder 13C Spektrum), Cholesterin (1H und/oder 13C Spektrum), ATP (Adenosintriphosphat 31P Spektrum) und andere Blutanteile abgeleitet werden. Die Konzentration von Wasser wird zur Kalibrierung für die individuelle Messung von relevanten Blutanteilen eingesetzt.If z. For example, given a basic field B0 of 1.4 Tesla, the center frequency of the nuclear spin response is about 60 MHz for the 1 H resonance, 15 MHz for the 13 C resonance, or 24 MHz for the 31 P resonance. From the spectrum obtained can be derived the concentrations of water ( 1 H spectrum), sugar ( 1 H and / or 13 C spectrum), cholesterol ( 1 H and / or 13 C spectrum), ATP (adenosine triphosphate 31 P spectrum) and other blood components become. The concentration of water is used for calibration for the individual measurement of relevant blood components.
Sofern kostengünstige Permanentmagnete oder Spulen zum Einsatz kommen, um das Grundfeld B0 zu erzeugen, ist die Homogenität des Grundfeldes begrenzt, womit gegebenenfalls die erforderliche Auflösung der Signale nicht erreicht werden kann. Um dieses Problem zu lösen, kann die magnetisch wirksame Fläche der Empfängerspulen reduziert werden. Vorzugsweise weisen eine Vielzahl von Empfängerspulen eine maximale magnetisch wirksame geometrische Dimension im Grundfeld von kleiner als 100 Mikrometer, vorzugsweise 50 Mikrometer auf. Die geometrische Dimension bezieht sich z. B. auf eine Seitenlänge oder einen Durchmesser. Gegebenenfalls kann die Größe der Spulen auch noch ein oder zwei 10er Potenzen kleiner sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die magnetisch wirksame Fläche der Empfängerspulen um mindestens 4, vorzugsweise 5 oder 6 oder mehr Zehnerpotenzen kleiner als eine vom Hauptfeld der ersten Magnetfeldmittel durchfluteten Fläche.Provided inexpensive permanent magnets or coils for use come to create the basic field B0, is the homogeneity limited to the basic field, which, where appropriate, the required resolution the signals can not be reached. To solve this problem, may be the magnetically effective area of the receiver coils be reduced. Preferably, a plurality of receiver coils a maximum magnetically effective geometric dimension in the basic field less than 100 microns, preferably 50 microns. The geometric dimension relates z. B. on one side or a diameter. If necessary, the size the coils also be one or two 10 powers smaller. In A preferred embodiment of the invention is the magnetic effective area of the receiver coils by at least 4, preferably 5 or 6 or more orders of magnitude smaller than one from the main field of the first magnetic field means flooded surface.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung als tragbares Handgerät ausgestaltet. Vorzugsweise hat das Handgerät ein Volumen von < 1000 cm3.In a particularly preferred embodiment of the invention, the device is designed as a portable hand-held device. Preferably, the handset has a volume of <1000 cm 3 .
Damit wird es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung an vielfältigen Orten einzusetzen, z. B. für eine laufende Messung bei einem Zuckerkranken während einer physischen Anstrengung.In order to it is possible, the inventive Use device in a variety of places, eg. For example a running measurement in a diabetic during a physical effort.
Im Weiteren ist es bevorzugt, wenn Steuermittel vorgesehen sind, die unter Heranziehung der Position der Empfängerspulen im Grundfeld B0 durch Überlagerung aus Einzelsignalen der Empfängerspulen ein Gesamtsignal erzeugen. Je nach Position der jeweiligen Empfängerspule im Grundfeld muss das Signal der Empfängerspulen beim Überlagern zu einem Gesamtsignal gewichtet werden. Denn über die Fläche aller Empfängerspulen darf sich das Grundfeld B0 ändern, was beim Einsatz von nur einer Spule auf die gleiche Fläche bezogen eine viel zu große Ungenauigkeit hervorrufen würde, um mit ausreichender Präzision Messvorgaben erfüllen zu können. Für eine gewichtete Einzelempfängerspule kann jedoch eine geforderte Homogenität eingehalten werden.in the Further, it is preferred if control means are provided which using the position of the receiver coils in the Basic field B0 by superposition of single signals of Receiver coils generate a total signal. Depending on the position the respective receiver coil in the basic field must have the signal the receiver coils when superimposed to a total signal be weighted. Because about the area of all receiver coils may the basic field B0 change, which is only possible when using a coil on the same area a lot too Great inaccuracy would cause to mess with sufficient precision to meet measurement specifications can. For a weighted single receiver coil However, a required homogeneity can be maintained.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung sind Steuermittel vorgesehen und dazu ausgebildet, um ein gepulstes zeitveränderliches Feld B1 an einer Probe zu erzeugen und die Kernspinresonanzantwort mit den Empfängerspulen zu messen. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn die Steuermittel die Kernspinresonanzantwort für jede von einer Vielzahl von Empfängerspulen im Frequenzbereich durch eine Fast-Fourier-Transformation für den Erhalt des Spektrum auswertet. Die Einzelspektren werden dann vorzugsweise gewichtet in Bezug auf die Position im Grundfeld B0 zu einem Gesamtspektrum zusammengeführt.In a further particularly preferred embodiment, control means are provided and designed to generate a pulsed time-variant field B1 on a sample and to measure the nuclear magnetic resonance response with the receiver coils. In this connection, it is preferable that the control means carry out the nuclear magnetic resonance response for each of a plurality of receiver coils in the frequency domain by a fast filter rier transformation for the preservation of the spectrum. The individual spectra are then preferably weighted with respect to the position in the basic field B0 combined into an overall spectrum.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung als transportables Handgerät ausgeführt, um Messungen an Extremitäten wie einem Finger, einem Ohrläppchen oder einer anderen geeigneten Teil eines menschlichen Körpers durchführen zu können.In A preferred embodiment of the invention is the device designed as a portable handset to take measurements on extremities like a finger, an earlobe or any other suitable part of a human body to be able to.
Um noch größere Inhomogenitäten in einem Grundfeld B0 zulassen zu können, sind vorzugsweise die Dimensionen der Empfängerspulen im unteren Mikrometerbereich bis in den Nanometerbereich angesiedelt.Around even larger inhomogeneities in a basic field To allow B0 are preferably the dimensions the receiver coils in the lower micrometer range up to the nanometer range settled.
Zur Bestimmung einer absoluten Konzentration eines Körperflüssigkeitsanteils kann die Messung der 1H-NMR-Intensität von Wasser als Referenz herangezogen werden.To determine an absolute concentration of a body fluid fraction, the measurement of the 1 H NMR intensity of water can be used as a reference.
Die Erzeugung des zeitveränderlichen Feldes B1 kann mit mehreren Spulen erfolgen. Eine oder mehrere dieser Spulen können auch als Empfänger benutzt werden.The Generation of the time-varying field B1 can with several Coils take place. One or more of these coils can also be used as a receiver.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- - US 6163154 [0009] - US 6163154 [0009]
- - US 6404197 [0009] US 6404197 [0009]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20140201 |