CN101375794A - 体内监测分析物浓度的测量系统及检测该系统故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的名称是“体内监测分析物浓度的测量系统及检测该系统故障的方法”。本发明涉及用于体内监测分析物浓度的测量系统，包括：电极系统，包括工作电极、参考电极和对电极；以及恒电位器，用于将所述工作电极的电位与所述参考电极的电位之间的电位差调节到规定值，并且用于检测所述工作电极与所述对电极之间的电流，所述恒电位器包括用于与所述工作电极连接的工作电极端子、用于与所述参考电极连接的参考电极端子以及用于与所述对电极连接的对电极端子。根据本发明，提供评估单元，它监测对电极的电位，并且在所述电位达到超出规定参考范围时产生故障信号。本发明还涉及一种检测用于使用三个电极体内测量分析物浓度的测量系统的故障的方法。

Description

体内监测分析物浓度的测量系统及检测该系统故障的方法

技术领域

本发明涉及具有权利要求1的前序部分所定义的特征的、用于体内监测分析物浓度的测量系统。这样一种测量系统包括作为第一部分的电极系统，它植入或插入患者身体以便执行这类测量。电极系统包括工作电极、参考电极和对电极。作为第二部分，那种测量系统包括恒电位器(potentiostat)，用于将工作电极与参考电极之间的电位差设置成可预定义(predefinable)值，并用于检测工作电极与对电极之间的电流。然后可从那个电流的强度得出待测量的分析物浓度。

背景技术

可植入或可插入的电极系统允许在患者体内测量生理上重要的分析物、如葡萄糖或乳酸盐。与体液的样本被提取并在体外被分析的过程相比，这类体内测量提供许多实质性优点，尤其是包括自动地连续获取测量值的可能性。

尽管具有那些优点，但是，用于体内监测分析物浓度的测量系统在市场上至今尚未普遍接受，尤其是对于例如“家庭监测”应用等便携应用，其中非专业医务人员在医院外部监测其血糖水平或其它某种分析物浓度。这在很大程度上是因为以下事实：已知的便携测量系统仅在例外情况下才允许在数天的时间中以医疗应用所需的准确性和可靠性来测量分析物浓度值。

发明内容

现在，本发明的目的是表明可以如何改进使用便携测量系统的体内测量的可靠性。

那个目的通过具有权利要求1所定义的特征的测量系统来实现。本发明的其它有利发展是从属权利要求的主题。本发明还通过具有权利要求9所定义的特征的、用于检测测量系统的故障的方法来实现。

根据本发明，监测对电极的电位，以便检测测量系统的故障。使用那个电位可发现测量系统的可能故障，并且可由评估单元迅速产生故障信号。例如，故障信号可用于通过告警信号来警告用户关于该故障。或者，故障信号可由系统在内部处理，而用户可以仅间接地知道这样一种信号(如果有的话)。例如，可暂时断开测量系统，作为对故障信号的反应。此外，可响应故障信号而将故障持续存在的时期中所产生的测量分类为不可靠测量，使得评估不会被测量系统的故障持续存在的时期所得到的数据搞错。

在根据本发明的一个测量系统中，评估单元将在发现对电极的电位超出预定义参考范围的极限时产生故障信号。优选地，相对于工作电极来测量对电极的电位。但是，还存在相对于不同的参考电位来测量对电极的电位并且相应地规定参考范围的可能性。

对电极的电位的参考范围定义对电极的电位相对于参考电位或结点电位(mass potential)的预计值在无故障操作期间所处的值的范围。如果发现对电极的电极电位的任何值超出参考范围，则这是故障的指示。

可对于给定电极系统严格地定义参考范围。优选地，将参考范围、即它的极限定义为工作电极与对电极之间的电流的函数。然后，参考范围的极限可由评估单元根据预定义公式来计算，或者可取自预存表。可通过存储介质使对应数据可用于评估单元，存储介质可与电极一起交付，并且例如还可包含与测量灵敏度有关的校准数据。

根据另一种可能性，可将参考范围、或者更具体来说是它的极限定义为工作电极与对电极之间的电压的形态值(former value)的函数。其原因在于，工作电极与对电极之间的电压的迅速变化指示故障，就生理原因来说，身体组织内的分析物浓度或者传感器附近的体液可能只是比较缓慢地改变。可能尤其以与不良接触条件有关的电压峰值的形式发生极迅速的变化。

恒电位器的参考电极端子和对电极端子可经由安全电阻器相互连接。工作电极与对电极之间的差分电位的错误测量可导致过度驱动恒电位器和损坏电极。可通过参考电极端子与对电极端子之间的高电阻安全电阻器来防止这种损坏。优选地，安全电阻器具有至少一百兆欧姆、尤其是至少一千兆欧姆的电阻。

在使用这样一种安全电阻器的情况下，优选地还监测对电极与参考电极的电位之间的差分电位。本发明人已经发现，测量系统的故障还可通过评估那个电位来检测。例如，对电极端子与参考电极端子的电位的识别指示参考电极的不良接触条件。因此，也可具有独立重要性的、本发明的另一个方面涉及具有权利要求1的前序部分所定义的特征的测量系统，其中，恒电位器的参考电极端子和对电极端子经由安全电阻器相互连接，以及评估单元在操作中监测对电极与参考电极的电位之间的电位差。虽然另外监测对电极的电位是有利的并且允许以较高可靠性来检测故障，但是，通过单独监测对电极与参考电极之间的电位差可能已经检测到某些故障。

但是，使用这样一种安全电阻器的缺点在于，它可产生泄漏电流。通过连续监测对电极的电位并且在发现电位超出规定参考范围时断开测量系统的配置，可避免电极因过度驱动恒电位器而被损坏的风险，而无需使用安全电阻器。

优选地，根据本发明的测量系统包括允许执行自测试的测试电阻器。通过经由测试电阻器将恒电位器的工作电极端子与恒电位器的对电极端子连接以便进行测试，能够将标称电压施加到测试电阻器，并且将流经测试电阻器的电流与恒电位器正常运行时所得到的标称值进行比较。为了执行这样一种自测试，优选地通过启动与恒电位器的相应端子串联的开关，使测量系统的工作电极、对电极、参考电极与恒电位器分离。

考虑使用测试电阻器所执行的自测试允许与评估对电极的电位无关地检测测量系统的故障，这样一种测试电阻器构成也可具有独立重要性的、本发明的一个方面。因此，本发明还涉及具有权利要求1的前序部分所定义的特征的测量系统，其特征在于测试电阻器以及与测试电阻器串联的至少一个开关，所述开关用于将工作电极端子与对电极端子连接以及优选地还经由测试电阻器与恒电位器的参考电极端子连接以便进行测试。

附图说明

下面参照本发明的一个实施例并参照附图来说明本发明的其它细节和优点。附图包括：

图1示出根据本发明的测量系统的电路图。

图1示出根据本发明的测量系统的电路图。测量系统中构成消耗组件的第一部分由可植入电极系统组成，其中包括工作电极1、参考电极2和对电极3。电极1、2、3优选地设置在公共载体、如塑料箔上，用于插入患者身体、例如插入皮下脂肪组织。

具体实施方式

工作电极1携带酶层，其中包含酶，它通过催化转化分析物来产生电荷截流子，使得产生与待测量的分析物浓度相关的、在工作电极1与对电极3之间流动的电流。为了测量葡萄糖浓度，例如葡萄糖氧化酶可用作酶。

参考电极2为工作电极1提供通过在参考电极上发生的氧化还原反应、如银/氯化银反应所定义的参考电位。

电极系统1、2、3与形成测量系统的第二部分的恒电位器4连接。恒电位器4包括工作电极1经由开关13所连接的工作电极端子15、参考电极2经由开关25所连接的参考电极端子19以及对电极3经由开关14所连接的对电极端子16。

在操作中，恒电位器4将工作电极1与参考电极2之间的电位调节到规定值，使得没有或者只有可忽略的电流流经参考电极2。将施加到恒电位器4的电压输入端6的预期差分电位定义为U_cntr。

为了控制工作电极1与参考电极2之间的电位，参考电极2与恒电位器4中的输出级(follower stage)26的输入端连接。将输出级26的输出端提供给阻抗变压器27的输入端，阻抗变压器27的输出端提供对电极3的电压。

在所述实施例中，恒电位器4还检测流经工作电极1、即对电极3与工作电极1之间的电流，并结合电流电压置换器(current-to-voltageconverter)7产生与所测量电流成比例的电压信号U_i，电压信号U_i在恒电位器4的电压输出端8输出。一个输入端与那个电压输出端8连接的评估单元9评估电压信号U_i，以便从其中进一步确定待测量的分析物浓度。

在所述实施例中，评估单元9配置为同时充当恒电位器4的控制单元的处理器。控制和评估单元9能够执行电压信号U_i的完整评估，其中包括确定分析物浓度。在所述实施例中，只有预先评估或数据简化步骤才由评估单元9来执行，评估单元9以后(latter)与恒电位器4一起在患者身体上携带。稍后则由独立单元21来执行浓度值的最终评估和计算，独立单元21以无线方式与评估单元9进行通信，并且包括用于显示所测量的分析物浓度值的显示器22以及用于输入控制命令的其它操作元件23。

在下列事实中看到所述实施例的具体特征：对电极3的电位可经由恒电位器4的电压输出端10进行分支(tapped)。工作电极1在所述实施例中与结点(mass)连接，在对电极3所测量的电位对应于工作电极1与对电极3之间的电压。

在操作中，评估单元9经由恒电位器4的电压输出端10来监测对电极3的电位U_CE，并在那个电位U_CE达到超出规定参考范围时、例如与参考值偏差超过门限值时产生故障信号。例如，可将故障信号作为视觉或听觉告警信号传送给用户。但是还存在以下可能性：故障信号可使系统断开，以便防止后续(consequential)损坏。假设在这样一种情况下，系统将在规定时间、例如1至5分钟之后自动接通，因为暂时故障可能例如由植入电极1、2、3的环境中的液体的不充分交换所引起，并且在某些环境下可通过患者的运动来自动矫正。但是，还存在以下可能性：在遇到故障信号时最初继续操作测量系统，并且只是将出现故障信号之后所得到的那些测量结果分类为不可靠。在那种情况下，有利的是以如下方式来规定门限值并设置评估单元9：当对电极3的电位U_CE与参考范围偏差超过门限值时，断开测量系统。例如，可通过无线电将故障信号传送给指示器单元(indicator unit)22。

在无故障操作期间预计的电位值取决于所使用传感器的类型，例如取决于电极表面的大小以及在工作电极1上产生电荷截流子的电化学反应的条件。可对于给定电极系统预置参考范围。优选地，将参考范围定义为工作电极1与对电极3之间的电流的函数。在那种情况下，参考范围可由评估单元8根据规定公式从任何时间所测量的电流的值中计算，或者可取自预存表。

在所述实施例的情况下，将第一参考范围规定为工作电极1与对电极3之间流动的电流的函数。为了甚至允许检测到短时间的暂时干扰，定义附加的第二参考范围，其极限是工作电极1与对电极3之间的电压的形态值的函数。

给定分析物浓度在人体内比较缓慢地变化的事实，作为在数分钟或数小时的时间的规则，例如在不到30秒钟之内发生的任何突然变化也被视为故障的指示。作为对电极3的电位的形态值的函数的参考范围允许更迅速地检测到这类干扰。在最简单的情况下，规定值或者规定数量的形态值的平均值可用作参考值，并且可将相关门限值规定为绝对值，以便定义参考范围，在这个参考范围之内，可将例如与参考值偏差超过门限值的电位值定义为超出该参考范围。

分析物浓度在人体内变化的速度当然取决于相应的分析物、例如葡萄糖或乳酸盐，使得无法规定一般有效的值。但是，至少通过试验，例如通过确定可以是先前值的函数的参考值的门限值，并且通过尤其是当目的是将不良接触条件所引起的电压峰值分类为错误条件时将那个值规定为绝对值，通常对于分析物浓度可找到适当的参考范围。

一般来说，所述测量系统的故障可能由电极1、2、3、通过不良接触条件、或者甚至由断线(interrupted lead)、或者由恒电位器4的缺陷所引起。为了能够更准确地查找任何检测到的故障的原因，所述实施例包括用于执行自测试的测试电阻器12。

测试电阻器12的一端与开关13、14、25连接。使用开关13、14，测试电阻器12可将工作电极端子15与恒电位器4的对电极端子16连接，以便进行测试。另外，参考电极端子19可经由开关25与对电极端子16的电位连接。

为了执行测量系统的自测试，工作电极1、参考电极2、对电极3分别经由开关13、14、25与恒电位器4的相应端子15、16、19分离。当已知电压、例如参考电极2与工作电极1之间的差分电位的标称电压U_cntr然后经由开关17与对电极端子16连接时，由系统来测量流经测试电阻器12的电流，而不是通常在对电极3与工作电极1之间流动的电流。当测试电阻器12的电阻为已知时，可将这样测量的电流与预计电流进行比较，以及当存在大偏差(deviation)时，这种情况可视作恒电位器4的故障的指示。

优选地，评估单元9经过设置，使得在由于工作电极1与对电极3之间或者参考电极2与对电极3之间的可疑电位而产生故障信号时，将自动执行前面所述的自测试。在那个自测试期间假如检测到恒电位器4的故障，可通过告警信号、例如听觉信号向用户指明这种情况，以便可调换恒电位器4。如果没有检测到恒电位器4的故障，则可分别假定已经由电极1、2、3或者它们的植入环境引起了故障。由于植入环境对患者的任何运动都敏感地起反应，因此，这样引起的任何故障都会经常自行消失，使得仅在故障持续存在延长时间段(extendperiod of time)时才需要通知用户关于从电极系统1、2、3产生的故障。

如果在测试电阻器12所执行的自测试期间没有检测到恒电位器4的故障，则所述测量系统将执行另一个自测试，其中对电极3通过启动开关14来与恒电位器4的对电极端子16分离，而工作电极1和参考电极2与恒电位器4的相应端子耦合。在那种情况下，没有明显的(notable)电流会流经电极系统1、2、3。因此(with the result that)，工作电极1上存在的电位由于在那个点上发生的电化学过程而改变，从而趋向于达到新的平衡。

在无电流条件下在工作电极1上存在的电位可描述为开路电位。工作电极1的电位U_pot由恒电位器4在其电压输出端18输出，并且同样由评估单元8进行测试，以便检测任何不规则性。当开路电位与标称值偏差超过规定门限值时，这可被视作工作电极1和/或恒电位器4的故障的指示。由于工作电极或参考电极的表面的变化条件，显著增加的值是经常的。极高的值指示接触问题。

在恒电位器4中，工作电极1与参考电极2之间的差分电位的错误测量可能是因为例如参考电极2或工作电极1的不良接触条件所引起，可使恒电位器4过度驱动并且引起损坏，尤其是损坏电极。可通过经由安全电阻器24将参考电极端子19与对电极端子16连接来防止这种情况。优选地，安全电阻器24具有至少一百兆欧姆、优选地至少一千兆欧姆的电阻值。

参考标号列表：

1　　工作电极

2    参考电极

3    对电极

4    恒电位器

7    电流电压转换器

8    恒电位器的信号输出端

9    评估单元

10   恒电位器用于对电极电压的电压输出端

12   测试电阻器

13    开关

14    开关

15    恒电位器的工作电极端子

16    恒电位器的对电极端子

17    开关

18    恒电位器的电压输出端

19    恒电位器的参考电极端子

21    显示器

22    指示器的指示部件

23    指示器的操作元件

24    安全电阻器

25    开关

26    输出级

U_CE   工作电极的电位

U_pot  工作电极1与参考电极2之间的差分电位

U_cntr 差分电位U_pot的标称值

U_i   与工作电极和对电极之间的电流成比例的电压信号

Claims (10)

1.一种用于体内监测分析物浓度的测量系统，包括

电极系统，包括工作电极(1)、参考电极(2)和对电极(3)，以及

恒电位器(4)，用于将所述工作电极(1)的电位与所述参考电极(2)的电位之间的电位差调节到规定值，并且用于测量所述工作电极(1)与所述对电极(3)之间流动的电流，所述恒电位器(4)包括用于与所述工作电极(1)连接的工作电极端子(15)、用于与参考电极(2)连接的参考电极端子(19)以及用于与所述对电极(3)连接的对电极端子(16)，

其特征在于

评估单元(9)，它监测所述对电极(3)的电位(UCE)，并且在所述电位超出规定参考范围时产生故障信号。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，将所述参考范围规定为所述工作电极(1)与所述对电极(3)之间流动的电流的函数。

3.如以上权利要求中的任一项所述的测量系统，其特征在于，将所述参考范围规定为所述对电极(3)的电位(U_CE)的形态值的函数。

4.如以上权利要求中的任一项所述的测量系统，其特征在于，所述参考电极端子(19)和所述对电极端子(16)经由安全电阻器(24)相互连接。

5.如以上权利要求中的任一项所述的测量系统，其特征在于，开关(14)用于将所述对电极(3)与所述恒电位器(4)的所述对电极端子(19)分离的开关(14)和/或用于将所述工作电极(1)与所述恒电位器(4)的所述工作电极端子(15)分离的开关(13)。

6.如以上权利要求中的任一项所述的测量系统，其特征在于，测试电阻器(12)以及与所述测试电阻器(12)串联的至少一个开关(13)，所述开关(13)用于经由所述测试电阻器(12)将所述工作电极端子(15)与所述恒电位器(4)的所述对电极端子(3)连接以便进行测试。

7.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于，测试开关(17)，用于将标称电位(U_cntr)提供给所述恒电位器(4)的所述对电极端子(16)以便进行测试。

8.如以上权利要求中的任一项所述的测量系统，其特征在于，用于显示测量的分析物浓度值的显示器(22)，其中，所述评估单元(8)以无线方式与所述显示器(22)进行通信，以便向所述显示器(22)传送所述故障信号，所述故障信号在所述工作电极(1)与所述对电极(3)之间的电压(U_CE)与所述参考值偏差超过所述门限值时产生。

9.一种检测用于体内测量分析物浓度的测量系统的故障的方法，所述系统包括恒电位器(4)和电极系统，所述电极系统设置在患者体内并与所述恒电位器连接，所述电极系统包括工作电极(1)、参考电极(2)和对电极(3)，所述方法包括测量在所述工作电极(1)与所述对电极(3)之间流动的电流，其强度与待测量的所述分析物浓度相关，其特征在于，监测和评估所述对电极(3)的电位(U_CE)，以便检测所述测量系统的故障。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，为了测试所述测量系统，所述对电极(3)与所述恒电位器(4)分离，并且测量那时在所述工作电极(1)上出现的电位(U_pot)，此后，检测测量电位(U_pot)与门限值的任何偏差，并且在所述偏差超过规定门限值时推断出存在故障。

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