DE102006020862A1

DE102006020862A1 - Vorrichtung zur Durchführung einer Analyse

Info

Publication number: DE102006020862A1
Application number: DE102006020862A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ehben; Jochem Knoche; Ulrich Saugeon; Christian Dr. Zilch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2007-07-19

Abstract

Eine Vorrichtung zur Durchführung einer Analyse besteht aus wenigstens einer Analyseeinheit und einem Auslesegerät (3, 101). Die Analyseeinheit umfasst eine Übertragungseinheit, über die Messdaten der Analyse drahtlos durch eine Kommunikationseinheit (27) des Auslesegeräts (3, 101) erfassbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer Analyse, bestehend aus wenigstens einer Analyseeinheit und einem Auslesegerät.

Die Übermittlung von Messdaten wird in einigen Bereichen der Datentechnik bereits drahtlos vorgenommen. Es ist bekannt, dass mittels RFID (Radio Frequency Identification) Daten drahtlos, d.h. ohne Berührung und ohne galvanische Kontaktierung, übertragen werden können. Diese bei Smart Cards häufig verwendete Technik bietet beispielsweise den Vorteil, dass Personen auf einfache Zugang zu einem Gebäude erlangen können.

In der medizinischen Forschung und Diagnostik gewinnen Nukleinsäurediagnostiksysteme, beispielsweise so genannte Lab-on-a-Chip-System, zunehmend an Bedeutung. Dabei sind verschiedene Möglichkeiten zum Nachweis von Nukleinsäurefragmenten in einer Probe, beispielsweise einem Bluttropfen, bekannt. Auch der Nachweis von Proteinen ist möglich. So können z.B. elektrochemische oder optische Detektionsverfahren eingesetzt werden. Im Fall von elektrochemischer Detektion sind beispielsweise auf einem Chip mehrere Elektroden angeordnet, durch die bei Vorliegen der nachzuweisenden Nukleinsäure oder des Proteins ein elektrisches Signal erfassbar ist. Dabei werden die Elektroden durch ein Steuergerät gesteuert.

Es gibt Vorschläge für Systeme (vgl. DE 10111457 A1 ), bei denen der Chip in einer Cartridge angeordnet ist, in der auch eine Aufbereitung der Probe zum nachfolgenden Nachweis vorgenommen werden kann. Die Cartridge ist eine einmal verwendbare Einheit, weshalb die in ihr enthaltenen Komponenten kostengünstig herstellbar sein müssen. Für so genannte low-cost Applikationen mit geringer Parameterzahl sind etwa 100 bis 300 Messspots bzw. Elektroden erforderlich. Diese werden elektrisch von einem Steuergerät angesteuert und die mit ihnen ge messenen Stromsignale durch das Steuergerät empfangen und ausgewertet. Die Cartridge wird zum Durchführen der Analyse in das Auslesegerät eingeschoben, wodurch sich ein elektrischer Kontakt zwischen der Cartridge, die im allgemeinen Fall ein elektrisches Kontaktfeld aufweist und im Steuergerät zustande kommt. Die Ansteuerung der Elektroden erfolgt durch Stromsignale aus dem Steuergerät, ebenfalls werden die Messdaten über den Kontakt zwischen dem Kontaktfeld und entsprechenden Kontaktmitteln des Steuergeräts übertragen.

Bei derartigen kontaktbehafteten Schnittstellen werden im Falle eines passiven Chips in der Cartridge sehr kleine Spannungen oder Ströme im Steuergerät gemessen. Die Messung erfolgt dabei über die Kontakte der Cartridge. Bei einer großen Anzahl von Elektroden, typischerweise mehr als 100, ist die direkte elektrische Kontaktierung aller Elektroden im Allgemeinen kostenintensiv und wartungsaufwändig. Die Kontakte müssen entsprechend filigran gestaltet sein, um die Cartridge nicht unnötig in ihrer Größe auszudehnen.

Aufwändige Kontaktfelder erfordern im Allgemeinen aufgrund der Abnutzung der Kontakte einen hohen Wartungsaufwand des Steuergeräts. Dabei kann es beispielsweise erforderlich sein, durch Einsatz einer Testcartridge und Verwendung von Testsignalen die Fehlerfreiheit der Kontaktstellen regelmäßig zu überprüfen. Dieser Aufwand ist bei integrierten Biochipsystemen signifikant reduziert.

Es ist beispielsweise bekannt, Elektroden auf integrierten Silizium-Chips auszubilden, so dass bereits in der Cartridge ein Teil der Signalverarbeitung durchgeführt werden kann. Das Kontaktfeld kann in diesem Fall deutlich einfacher gestaltet werden, beispielsweise durch eine Verringerung der Anzahl von Kontaktstellen. Diese Kontaktstellen zum Steuergerät werden sequenziell auf die einzelnen, in großer Zahl auf den Biochips vorliegenden Elektroden geschaltet und so deren Messsignale an das Steuergerät übertragen.

Derartige bekannte integrierte Lap-on-a-Chip-Systeme arbeiten im Allgemeinen flüssigkeitsbasiert. So wird die Probe in die Cartridge eingegeben und in dieser mit Reagenzien vermengt, um beispielsweise eine Nukleinsäure aus Zellen zu extrahieren. Der Nachweis der Nukleinsäure in der eingeführten Probe erfolgt dann durch die spezielle Ausgestaltung des Biochips durch einen elektrochemischen oder optischen Nachweis. Im Allgemeinen kann nicht ausgeschlossen werden, dass es durch Fehlfunktionen der Cartridge oder des Steuergeräts zum Austritt von Flüssigkeiten aus der Cartridge kommt. Eine Kontaminationsgefahr des Gerätes ist gegeben, da die auf dem Gerät befindlichen Flüssigkeiten unter Umständen in nachfolgend ins Steuergerät eingeführte Cartridges eindringen können. Dies kann zu einer Beeinträchtigung der Funktion und damit zu einer Fehldiagnose führen. Kontaminationen der Cartridge und des Steuergerätes können auch durch Bedienfehler des Anwenders entstehen. Bei einer Kontamination des Steuergerätes ist insbesondere die Reinigung der bei bekannten Lösungen kompliziert gestalteten Schnittstellen problematisch. Insbesondere kann es bei Reinigungsversuchen zu einer Verschleppung der Kontamination, beispielsweise in ein Fluidiksystem des Steuergerätes, kommen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Analyse- und Diagnostiksystem anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß Anspruch 1 besteht die Vorrichtung zur Durchführung der Analyse aus wenigstens einer Analyseeinheit und einem Auslesegerät. Die Analyseeinheit umfasst eine Übertragungseinheit, über die Messdaten der Analyse drahtlos durch eine Kommunikationseinheit des Auslesegerätes erfassbar sind.

Durch die drahtlose Übertragung der Messdaten von der Analyseeinheit zum Auslesegerät wird eine Berührung und somit ein elektrischer Kontakt der Analyseeinheit mit dem Auslesegerät überflüssig. Insbesondere müssen keine elektrischen Schnitt stellen zwischen der Analyseeinheit und dem Auslesegerät mehr vorhanden sein, so dass eine Reinigung im Falle einer Kontamination einfach durchführbar ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Analyseeinheit konfigurierbar und/oder kalibrierbar und entsprechende Konfigurations- und/oder Kalibrierungsdaten sind von der Kommunikationseinheit über die Übertragungseinheit übertragbar. Dies erleichtert die Handhabung des drahtlos funktionierenden Systems, so dass verschiedene Informationen übertragen werden können. Die Informationen sind nicht auf Messdaten beschränkt.

Bevorzugt umfasst die Analyseeinheit wenigstens eine Überwachungseinheit zur Überwachung der Analyse, wobei die Überwachungseinheit mit der Übertragungseinheit verbunden ist und durch diese Überwachungsdaten an das Auslesegerät übertragbar ist. So lassen sich auch während der Durchführung der Analyse relevante Parameter drahtlos überwachen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Analyseeinheit einen Speicher, der mit der Übertragungseinheit verbunden ist, wobei durch die Übertragungseinheit Daten in den Speicher schreibbar und aus diesem lesbar sind. Dies ist insbesondere bei komplexen Analyseeinheiten sinnvoll, bei denen die Datenrate der drahtlosen Übertragung nicht ausreicht. So können Messergebnisse zwischengespeichert werden.

Vorteilhaft ist ein Speicher derart, dass der Speicher einen nicht beschreibbaren Speicherbereich umfasst, im dem Identifikationsdaten hinterlegt sind. So kann eine Verwechslung verschiedener Analyseeinheiten vermieden und die Betriebssicherheit der Vorrichtung erhöht werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zum drahtlosen Übertragen von elektrischer Energie vom Auslesegerät zur Analyseeinheit vorgesehen. So kann der zur Durchführung der Analyse benötigte Strom ebenfalls drahtlos bereit gestellt werden, so dass keine kontaktbehafteten elektrischen Schnittstellen mehr zwischen Analyseeinheit und Auslesegerät notwendig sind.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Analyseeinheit zur Durchführung einer biochemischen Analyse ausgebildet. Gerade bei biochemischen Analysen, beispielsweise in der Medizin oder der Medikamentenherstellung, ist Kontaminationssicherheit von Bedeutung, so dass drahtlose Signalübertragung wichtig ist.

In vorteilhafter Weise ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel derart ausgestaltet, dass die Analyseeinheit wenigstens einen Biochip umfasst. Biochips sind als im Allgemeinen kleine Bauteile besonders leicht drahtlos mit Energie versorgbar, da der Stromverbrauch gering ist. Insbesondere Lab-on-a-Chip-Systeme profitieren von der drahtlosen, elektrischen Kontaktierung.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Analyseeinheit als in das Auslesegerät einschiebbares Modul ausgeführt. Im Modul (Cartridge) können dabei diverse Aufbereitungsschritte und der vollständige Analyseprozess ablaufen und die Messdaten im Auslesegerät zur Verfügung gestellt werden. Gerade bei kompakten Bauformen bietet die drahtlose Übertragung Vorteile, da diese beispielsweise im Fall einer Kontamination aufwändig zu reinigen sind.

Vorzugsweise weist das Modul eine derart ausgeformte Aussparung auf und der ist Empfänger derart im Modul angeordnet, dass der Sender des Auslesegeräts bei eingeschobenem Modul in der Aussparung positioniert ist und mit dem Empfänger korrespondiert. Bei dieser Anordnung liegen Sender und Empfänger bei eingeschobenem Modul direkt nebeneinander und können störungsfrei miteinander kommunizieren. Das Gerät kann so ausgelegt werden, dass ein störender Einfluss auf die Umgebung oder sonstige Komponenten des Geräts selbst vermieden wird.

In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Analyseeinheit in einem Lebewesen angeordnet. So lässt sich die Möglichkeit der drahtlosen Übertragung von Messdaten auch für Implantate verwenden und diverse Analysen und Überwachungen im Körperinneren durchführen. Der Zugang zu den Messdaten ist im Vergleich zu drahtgebundenen Lösungen stark vereinfacht.

Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Analysesystem bestehend aus einer Cartridge und einem Auslesegerät,
2 im Schnitt eine Cartridge im Auslesegerät,
3 bis 7 Teilansichten verschiedener Ausführungsbeispiele einer Cartridge,
8 implantierte Biosensoren,
9 einen eingeklappten Stent,
10 einen ausgeklappten Stent,
11 einen implantierten Stent und
12 einen implantierbaren Biochip.
In der 1 ist schematisch ein Analysemodul, hier in Form einer Cartridge 1, und ein entsprechendes Steuer- bzw. Auslesegerät 3 abgebildet. Die Cartridge 1 besteht aus einem Kunststoffkörper, der ein Mikrofluidiksystem 5 und eine Aufbereitungseinheit 7 zur Verarbeitung einer Probe aufweist. Die Aufbereitungseinheit 7 ist hier lediglich schematisch dargestellt und ist Teil des Mikrofluidiksystems 5. Sie kann im Rahmen der Vorbereitung der Analyse diverse Aufgaben übernehmen. So ist es beispielsweise möglich, dass über einen in der Cartridge 1 ausgebildeten Probenport 9 eine Blutprobe in die Cartridge 1 und in das Mikrofluidiksystem 5 einbringbar ist. In der Aufbereitungseinheit 7 kann ein Zellaufschluss des Vollbluts mit entsprechend vorgelagerten oder von außen einzubringenden Reagenzien durchgeführt werden. Die nach dem Zellaufschluss in Lösung befindlichen Nukleinsäurefragmente können mittels einer Amplifikationsreaktion, wiederum mit entsprechend innerhalb des Mikrofluidiksystems 5 bzw. der Aufbereitungseinheit 7 gelagerten Reagenzien, amplifiziert werden. Die Cartridge 1 umfasst zum Nachweis der Nukleinsäuremoleküle einen Biochip 11, auf dem mehrere Spots 13 ausgebildet sind. In der Zeichnung sind der Einfachheit halber lediglich acht Spots 13 dargestellt, im Allgemeinen können es mehrere 100 oder 1000 sein. Der Biochip 11 kann beispielsweise auf CMOS-Technologie basieren und diverse Signalverarbeitungseinheiten aufweisen, so dass ein Großteil der Verarbeitung der Messsignale bereits im Biochip 11 selbst vorgenommen werden kann. Der Biochip 11 ist mit einer Transpondereinheit 15 verbunden, durch die Daten beispielsweise bei einer Frequenz von 13,56 MHz übertragbar sind.
Ebenfalls mit der Transpondereinheit 15 ist eine Überwachungs- und Steuereinheit 17 verbunden. Durch diese Überwachungs- und Steuereinheit 17 lassen sich alle Vorgänge auf der Cartridge 1, also insbesondere die Amplifikation und der Nachweis der Nukleinsäure auf dem Biochip 11, steuern. Die Cartridge 1 umfasst zusätzlich eine Speichereinheit 19, die mit der Überwachungs- und Steuereinheit 17 verbunden ist. In der Speichereinheit 19 sind beispielsweise Konfigurations- und Identifikationsdaten ablegbar. Er umfasst einen beschreibbaren Speicherbereich 21 und einen nicht-beschreibbaren Speicherbereich 23. Es ist vorgesehen, in dem nicht beschreibbaren Speicherbereich 23 der Speichereinheit 19 Informationen über den Typ der Cartridge 1 sowie Konfigurations- und Identifikationsdaten zu hinterlegen. Dabei sind Informationen notwendig, die beim Einschieben der Cartridge 1 in das Steuergerät 3 Aufschluss darüber geben, für welchen Typ von Analyse die Cartridge 1 geeignet ist. Dies ist maßgeblich durch die Gestaltung des Mikrofluidiksystems 5, der Aufbereitungseinheit 7 und des Biochips 11 gegeben. Das Auslesegerät 3 weist eine Aufnahme 25 auf, in die die Cartridge 1 einschiebbar ist. Unterhalb der Aufnahme 25 ist eine Kommunikationseinheit 27 ausgebildet, die bei eingeschobener Cartridge 1 genau unterhalb der Transpondereinheit 15 der Cartridge 1 liegt. Auf diese Weise lassen sich Transpondereinheit 15 und Kommunikationseinheit 27 als so genanntes Close-Coupling-System ausbilden. Dies bedeutet, dass ein Auslesen der Cartridgedaten aus der Transpondereinheit 15 lediglich bei eingeschobener Cartridge 1, also bei sehr geringem Abstand von Transpondereinheit 15 und Kommunikationseinheit 27, möglich ist. Alternativ ist auch eine derartige Auslegung des Systems möglich, dass eine gewisse Entfernung zwischen Cartridge und Auslesegerät überbrückbar ist.
Es ist ebenfalls vorgesehen, die zur Durchführung der Analyse innerhalb der Cartridge 1 notwendige elektrische Energie drahtlos vom Auslesegerät 3 in die Cartridge 1 zu übertragen. Dazu enthält die Kommunikationseinheit 27 einen Sender 29. Dieser korrespondiert mit einem Empfänger 31 der Cartridge 1, so dass sich induktiv Spannungsimpulse übertragen lassen. Da der Strombedarf der Cartridge 1 für die Durchführung der Analyse nur sehr gering ausfällt, lässt sich beispielsweise mit einer Transponder-Frequenz von 125 kHz ausreichend elektrische Energie drahtlos vom Auslesegerät 3 in die Cartridge 1 übertragen. Zusätzlich kann das Auslesegerät 3 weitere Steuerkomponenten für den Mikrofluidikprozess aufweisen, die hier allerdings nicht dargestellt sind. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Übertragungssystem für Reagenzien oder sonstige Flüssigkeiten, wie z.B. Wasser, handeln, aber auch eine Thermozyklisierungseinheit zur Steuerung der Amplifikation.
Der Analyseprozess auf dem Biochip 11 wird in einem Ausführungsbeispiel elektrochemisch durchgeführt werden. Dabei befindet sich in jedem Spot 13 Goldelektroden, an denen bei Vorliegen der nachzuweisenden Nukleinsäure eine Spannung zu messen ist. Dies kann beispielsweise auf einem Redox-cycling-Prozess beruhen. Über auf den Elektroden angeordnete Oligonukleotide oder andere Fängermoleküle lässt sich der Biochip 11 auf den Nachweis einer Vielzahl von verschiedenen biologischen Molekülen ausrichten. So können beispielsweise Fänger für Proteine vorliegen. Ebenfalls lassen sich anhand verschieden gearteter Oligonukleotide verschiedenste Erreger oder so genannte SNPs (Single Nucleotide Polymorphism), also Einzelmutationen in DNA-Sequenzen, nachweisen.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Darstellung zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine in ein Auslesegerät 101 eingeschobene Cartridge 103. Anhand der 2 soll eine Möglichkeit der Energieübertragung zwischen Auslesegerät 101 und Cartridge 103 erläutert werden. Auf die Darstellung der übrigen Komponenten wurde verzichtet. Sie können analog dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vorliegen. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Cartridge 103 nicht als flaches Kartenmodul ausgebildet, sondern voluminös. Die Einschubrichtung in das Auslesegerät liegt in der Bildebene und ist durch den Pfeil 105 verdeutlicht. Die Cartridge 103 weist im unteren Bereich eine Aussparung 107 auf. Diese kann beispielsweise zylindrisch oder auch rechteckig sein. Um die Aussparung 107 herum ist eine Aufnahmespule 109 angeordnet. Das Auslesegerät 101 weist an entsprechender Stelle eine Ausformung 111 auf, in der eine Induktionsspule 113 mit einem Ferritkern 115 angeordnet ist. Bei in das Auslesegerät 101 eingeschobener Cartridge 103 liegt die Ausformung 111 genau innerhalb der Aussparung 107 der Cartridge 103, so dass die Aufnahmespule 109 in der Cartridge 103 und die Induktionsspule 113 im Auslesegerät 101 zueinander ausgerichtet vorliegen. Wird nun an die Induktionsspule 113 eine Wechselspannung angelegt, so überträgt diese sich induktiv auf die Aufnahmespule 109. Das so erzeugte Spannungssignal wird zur Stromversorgung der Cartridge 103 verwendet. Eine Übertragung von Daten ist ebenfalls möglich.
In 3 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Cartridge 201 dargestellt. Zur Wahrung der Übersicht wurden lediglich die hier relevanten Teile der Cartridge 201 schematischdargestellt. Die Cartridge umfasst einen RFID-Interface-Chip 203, der mit einer Aufnahmespule 205 verbunden ist. Die Aufnahmespule 205 ist zum Senden und Empfangen von Signalen ausgebildet. Ebenfalls umfasst die Cartridge 201 einen Speicherchip 207 und einen Chip 209 für die Datenumwandlung und die Ablaufsteuerung. Ein Biochip 211 mit einer Anzahl von Spots 213 ist ebenfalls vorgesehen. Sämtliche Komponenten sind auf einer PCB-Platine 215 angeordnet, die über die Aufnahmespule 205 aus dem Auslesegerät induktiv mit Strom versorgt werden kann.
In 4 ist ein alternativer Aufbau der PCB-Platine 215a gezeigt. Hier ist die Aufnahmespule 205a als flächige Ringantenne ausgeführt.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Platine 217 gezeigt. Auf der Platine 217 ist ein integrierter Siliziumchip 219 ausgeführt, der ebenfalls über eine Aufnahmespule 221 mit Strom versorgt wird. Der Siliziumchip 219 weist zwei Bereiche auf, von denen einer einen Microarray 223 mit einer Vielzahl von Messspots 225 umfasst. Ein zweiter Bereich 227 vereint sämtliche sonstigen Funktionen, also Überwachung und Steuerung der Analyse sowie Speicher für Daten und Identifikationsmuster. Ebenfalls werden die Funktionen für die drahtlose Daten- und Stromübertragung in diesem Bereich integriert.
In 6 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem eine Ringantenne 229 zur Datenübertragung eingesetzt wird. Sämtliche elektronischen Komponenten 231 und auch der Microarray 223a sind in Polymerelektronik ausgeführt.
7 zeigt eine Cartridge 201a mit hier nicht dargestellter Mikrofluidik, auf der ein Biochip 211a mit mehreren Messspots angeordnet ist. Der Biochip 211a ist mit einem RFID-Interface-Chip 203a zur Datenübertragung verbunden. In dem RFID-Interface-Chip 203a ist eine Ringantenne 229a zur Stromversorgung und Datenübertragung integriert. Der RFID-Interface-Chip 203a und der Biochip 211a sind mittels „wire-bonding" durch Drähte 233 verbunden worden.
Durch die Anwendung der RFID-Technik auf Biochips und entsprechenden Analyseeinheiten ergibt sich die Möglichkeit, implantierbare Biochips zu konstruieren, die beispielsweise Körper funktionen messen können. Die Auslesung erfolgt dabei per RFID drahtlos, so dass nach der Implantation kein nachfolgender Eingriff zum Auslesen der Messdaten mehr notwendig ist. Der implantierte Biochip kann über eine Batterie oder einen Akku mit Strom versorgt werden, der Akku ist analog zur oben beschriebenen Energieversorgung drahtlos aufladbar. So ist eine lange Standzeit des Implantats gewährleistet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 8 schematisch dargestellt. In einem Patienten 301 sind mehrere Biochip-Systeme 303 implantiert, die an verschiedenen Stellen des Körperinneren Körperfunktionen überwachen. Sie stehen via RFID mit einer von einem Patienten 301 tragbaren Empfangseinheit 305 in Verbindung, die dem Patienten 301 oder einem Arzt ein Feedback über die Funktion der Implantate und die Messergebnisse liefert. Über die Empfangseinheit 305 können zusätzlich Konfigurationsdaten an die Implantate übermittelt werden, so dass auch bei einer Umprogrammierung kein Eingriff erforderlich ist. Die Empfangseinheit 305 umfasst dazu eine Anzeigeeinheit 307 und eine Eingabeeinheit 309 zur Steuerung. Ein hier nicht dargestellter Akku der Implantate ist drahtlos mit Energie versorgbar und dadurch ohne Eingriff aufladbar.
Es ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, mit derartigen Implantaten Körperfunktionen zu überwachen. In einem Ausführungsbeispiel ist das Implantat ein Protein-Biochip zur Messung biologischer Parameter in Körperflüssigkeiten. Der Protein-Biochip kann prinzipiell als impedanz-, elektrochemischer-, SAW-, oder gravimetrischer Chip mit integrierter Signalverarbeitung (CMOS) und RFID-Funktion ausgeführt sein. Auf der jeweiligen Sensorfläche des Biochips befinden sich chemische oder biologische Strukturen (Fängermoleküle), die spezifische in Körperflüssigkeiten befindliche Proteine zu binden vermögen. Bei den Fängermolekülen kann sich beispielsweise um Antikörper und Peptide handeln, die eine hohe Affinität zu den Zielmolekülen ausweisen. Aufgrund der geringeren Abbaubarkeit durch körpereigene Enzyme (beispielsweise Proteasen) können aber auch modifizierte Proteine oder chemisch synthetisierte Polymere verwendet werden, insbesondere dann, wenn die implantierten Biochips eine lange Lebensdauer aufweisen müssen.
Die Wahl der auf der Sensoroberfläche aufgebrachten Fängermoleküle hängt von der jeweiligen Applikation ab. Im Folgenden sollen einige Beispiele erläutert werden.
Beispielsweise können zur Messung von Herzinfarkt-Parametern Fängermoleküle verwendet werden, die bei einem Herzinfarkt freigesetzte Proteine Troponin, Myoglobin und CK-MB zu binden vermögen. Dadurch wird regelmäßig die Konzentration dieser Proteine gemessen und an die Empfangseinheit übermittelt. Wird dabei ein Schwellenwert überschritten, so löst die Empfangseinheit einen Alarm aus, um eine sofortige Intervention zu ermöglichen. Die Empfangseinheit kann mit bekannten drahtlosen Übertragungstechnologien kombiniert werden oder mit Sensoren, die physikalische Herzparameter wie EKG oder Sauerstoffsättigung messen, vernetzt werden. Alternativ könnte ein implantierter Defibrillator, der beispielsweise in einen Herzschrittmacher integriert ist, ausgelöst werden.
Zur Messung von akuten immunologischen Parametern werden die Biochips mit Fängermolekülen bestückt, die pro- und antiinflammatorischer Zytokine, wie Interleukine, Interferone oder andere Entzündungsparameter wie beispielsweise C-reaktives Protein binden können. Die temporäre oder dauerhafte Implantierung eines Inflammations-Chips bietet sich insbesondere bei Patienten an, die Infektionsgefährdet sind, beispielsweise frisch Operierte, AIDS-Patienten oder andere immunsupprimierte Patienten. Die Änderung immunologischer Parameter im Blut könnte beispielsweise auf eine bevorstehende Sepsis hindeuten und dem Krankenhauspersonal frühzeitige Interventionsmöglichkeiten bieten.
Bei der Messung von chronischen Krankheits-Parametern können Biochips je nach Implantationsort im menschlichen Körper die Veränderung unterschiedlicher biologischer Parameter über einen längeren Zeitraum bestimmen. Dadurch könnten sich manifes tierende Krankheiten frühzeitig erkannt werden. Beispielsweise deuten inflammatorische Parameter im Blut oder der Titer von Auto-Antikörpern auf Autoimmunkrankheiten hin. Hormonelle Schwankungen im Blut können auf Schilddrüsenerkrankungen, Erkrankungen der Nebenniere, der Hirnanhangdrüse oder der Sexualorgane hindeuten. Die Anzahl der potentiellen Applikationen im Bereich der Messung chronischer Erkrankungsparameter ist sehr groß und sollte in einer gesonderten Applikationsanalyse adressiert werden.
Statt des Protein-Biochips kann auch ein elektrochemischer Sensor zur Messung chemischer Parameter eingesetzt werden. Der Sensor ist an den Elektrodenoberflächen mit Enzymen ausgestattet, die in eine 3-D Matrix eingebettet sind und in der Lage sind, Kohlenhydrate, Eiweiße oder Lipide zu spalten und dabei eine Änderung des elektrochemischen Potenzials an den Elektroden auslösen. Diese elektrochemische Potenzialänderung kann detektiert werden. Das Signal wird mithilfe eines A/D-Wandlers auf dem CMOS-Chip in ein digitales Signal umgewandelt und drahtlos an die extrakorporale Empfangseinheit gesandt, wo die Signalauswertung stattfindet.
Eine wichtige Applikation ist zum Beispiel die kontinuierliche Blutzuckermessung bei Diabetikern. Das beschriebene Gerät könnte mit einem implantierten Injektionsapparat für Insulin kombiniert werden, der über einen Feedback-Regelkreis zu jedem Zeitpunkt die richtige Menge Insulin dosiert.
Die Veränderung chemischer Parameter im Harn, wie Ketone, Glukose, Amylase, Lipide, Eiweiße, alkalische Phosphatase, Harnstoff, Harnsäure oder der pH-Wert können auf eine sich abzeichnende Erkrankung von Nieren, Leber oder andere Organe hindeuten. Fraglich ist bei dieser Applikation, ob ein implantierter Chip (beispielsweise in der Blase oder an der Harnröhre) einem extrakorporalen Nachweis der entsprechenden Parameter vorzuziehen wäre.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist ein Piezo-Chip 401 mit einem Ultraschallsensor 403 in einen Stent 405 integriert und dient zu hämodynamischen Messungen. Wie in der 9 dargestellt ist, befindet sich auf einer Seite des Stents 405 sich ein Ultraschall-Signalgeber in Form des Piezo-Chips 401, der beispielsweise durch eine Batterie/Akkumulator 407 in der Nachbarschaft oder direkt am Stent 405 integriert gespeist wird. Der Akkumulator 407 wird beispielsweise regelmäßig durch ein extrakorporales elektromagnetisches Feld aufgeladen. Alternativ könnte ein im Stent 405 integrierter Minigenerator, der durch den Blutdurchfluss angetrieben wird, gespeist werden. Direkt neben dem Piezo-Chip 401 oder diametral zum Piezo-Chip 401 befindet sich der Ultraschallsensor 403, der mit einer RFID-Sendeeinrichtung 409 gekoppelt ist. Als Antenne kann beispielsweise die Drahtstruktur des Stent oder eine externe Antenne verwendet werden. In 9 ist der Stent 405 in eingeklapptem Zustand dargestellt. 10 zeigt den Stent 405 in ausgeklapptem Zustand. Die Batterie/Akkumulator 407 und die RFID-Sendeeinrichtung 409 können in einem alternativen Ausführungsbeispiel auch innerhalb des Stent angeordnet sein.
In 11 ist ein in ein Blutgefäß 411 implantierter Stent 405 dargestellt. Zur besseren Übersicht wurde auf die Darstellung der Gitterstruktur verzichtet. Im Betrieb werden die Ultraschallwellen 413 des Piezo-Chips 401 in das Innere des implantierten Stents 405 projiziert. Der direkt neben dem Piezo-Chip 401 oder diametral dazu angeordnete Ultraschallsensor 403, der die durch vorbeistreichende Blutzellen 415 nicht absorbierten und reflektierten Ultraschallwellen 417 detektiert. Die Frequenz des reflektierten Ultraschallsignals ändert sich je nach der Durchflussgeschwindigkeit der Blutzellen 415 durch den Stent 405 und verursacht eine so genannte Dopplerverschiebung, die vom Ultraschallsensor 403 gemessen wird. Anhand dieser Dopplerverschiebung lassen sich physiologische Parameter wie Herzschlagrate und indirekt auch der Blutdruck und das Blutvolumen ableiten. Die Signale werden mithilfe der am Stent 405 befindlichen RFID-Sendeeinrichtung 409 in Radiosignale umgewandelt und durch ein extrakorporales Analysegerät empfan gen. Bei diesem Analysegerät kann es sich beispielsweise um ein kompaktes, vom Patienten tragbares oder neben dem Krankenbett installiertes Gerät handeln, das die RFID-Signale auswertet und den behandelnden Arzt alarmiert, wenn die Parameter von programmierten Normalwerten abweichen sollten. Alternativ zur Ultraschallmessung könnte die Durchflussmessung mit der so genannten magnetisch-induktiven Durchflussmessung oder mittels Wärmetransferverfahren (Δϑ-Methode) durchgeführt werden.
In 12 ist schematisch ein Biochip 501 gezeigt, der analog zu den Ausführungen der 6 und 7 mit RFID-Technik zu Auslesen und Steuern verbunden sein kann. Der Biochip 501 ist zur Implantation in den menschlichen Körper vorgesehen (vgl. 8) und soll beispielsweise Biomarker erkennen. Er umfasst dazu mehrere Sensorreihen 503 bis 509 die jeweils mehrere Sensorfelder 503a-509d umfassen, mittels denen verschiedene Analysen durchführbar sind. In der hier gezeigten Ausführung sind durch die Sensorfelder 503a-503d vier verschiedene Analysen durchführbar. Die Sensorfelder 505a-505d, 507a-507d und 509a-509d sind zur Durchführung derselben Analysen ausgebildet wie die Sensorfelder 503a-503d. Die unterschiedlichen Sensorreihen 503-509 sollen einen Betrieb des Biochips 501 im menschlichen Körper über einen längeren Zeitraum ermöglichen. Dazu sind die Sensorfelder 505a-509d mit Schutzschichten verschiedener Dicken abgedeckt. Diese Schutzschichten werden nach dem Implantieren biologisch abgebaut, so dass nach einer bestimmten Zeit, vorzugsweise, wenn die Sensorreihe 503 verbraucht ist, die Sensorreihe 505 freigelegt ist und die Messungen fortgesetzt werden können. Wenn die Sensorreihe 505 verbraucht ist, ist die Sensorreihe 507 freigelegt usw. Auf diese Weise wird eine Langzeiterfassung ermöglicht, ohne den Biochip 501 ständig erneuern zu müssen. Dabei sind beliebige Kombinationen von Schichtdicken der Schutzschichten und Ausbildungen der Sensorfelder zum Überwachen und Analysieren des Patienten denkbar.
Die Schutzschichten bestehen beispielsweise aus Materialien, die durch Enzyme des menschlichen Körpers sukzessiv abgebaut werden. Dieses biologisch abbaubare Medium kann ein Biopolymer sein, beispielsweise ein Protein. An Proteinen steht eine Vielzahl an vorstellbaren Ausführungen, beispielsweise Gelatine oder Collagen, zur Verfügung, die leicht durch entsprechende Enzyme abgebaut werden können. Ebenso könnte das Biopolymer ein Polysaccharid sein. An Polysacchariden können beispielsweise Dextran, Stärke oder Cellulose verwendet werden.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele bieten unter Anderem den Vorteil, dass die Cartridge ohne elektrischen Kontakt zum Auslese- und Steuergerät und die damit verbundenen Nachteile, wie z.B. Abnutzung oder Kontaminierung, betreibbar sind. Zur Ausbildung der Cartridge als RFID-System sind aktive Komponenten auf der Cartridge vorzusehen. Diese können beispielsweise als elektronische Chips auf der Cartridge vorliegen. So ist beispielsweise ein Chip vorzusehen, der elektrische Messgrößen des Biochips und der Detektion, wie z.B. Ströme oder Spannungen der Messelektroden, erfasst. Diese Messgrößen sind nach der Erfassung umzuwandeln und als digitales Ausgangssignal bereitzustellen. Dieses Ausgangssignal wird drahtlos zur weiteren Verarbeitung und Visualisierung der Messgrößen an das Auslesegerät gesendet bzw. von diesem ausgelesen. Dabei befindet sich zu jedem auf der Cartridge angeordneten RFID-Bauteil eine entsprechende Komponente im Auslesegerät. Die Cartridge und das Auslesegerät ermöglichen einen bidirektionalen Datenaustausch.
Die Spannungsversorgung der Bauteile der Cartridge erfolgt wie bereits beschrieben wurde ebenfalls drahtlos. So können beispielsweise die Nutzdaten bei einer Frequenz von 13,56 MHz übertragen werden, während die Versorgungsspannung bei 125 kHz übertragen wird. Auslesegerät und Cartridge werden vorzugsweise als Close-coupling-System mit induktiver oder kapazitiver Kopplung betrieben. Die Reichweise der Komponenten liegt deutlich unter 5 cm, so dass eine versehentliche Inbetriebnahme einer außerhalb des Steuergeräts befindlichen Cartridge ausgeschlossen werden kann. Aus Sicherheitsgründen ist allerdings zusätzlich im Auslesegerät eine entsprechende Abschirmung ab zusehen. Dies dient zur Sicherheit ebenfalls dazu, dass keine anderen RFID-Geräte störenden Einfluss auf den Analyseprozess haben können. Ebenfalls wird so aktiv ein mögliches Abhören der patientenrelevanten Daten verhindert. So ist eine anonyme Speicherung von Patienten- und Anwenderdaten sichergestellt.
Die vorteilhafte Kombination der beiden angegebenen Frequenzbereiche ermöglicht eine schnelle Datenübertragung der Mess- und Zusatzdaten, die durch den Biochip bereitgestellt werden. Die im 125 kHz-Bereich noch überwiegend induktive Signalkomponente schafft eine effiziente Form der Energieversorgung der elektronischen Schaltkreise der Cartridge. Besonders effizient lässt sich die Energieübertragung erreichen, wenn die Sendeantenne für das 125 kHz-Signal als Spule ausgebildet ist. Ein entsprechendes Gegenstück der Cartridge kann derart in der Cartridge angeordnet sein, dass die beiden Spulen bei eingeschobener Cartridge ineinander liegen, so dass eine effiziente Energieübertragung über einen kurzen Abstand möglich ist (vgl. auch 2).
Die Übertragung der Daten erfolgt bidirektional. Dies ermöglicht nicht nur die kontaktlose Übertragung von Messdaten der Cartridge zum Gerät, sondern auch für den Messablauf erforderlicher Zusatzdaten.

Claims

Vorrichtung zur Durchführung einer Analyse bestehend aus wenigstens einer Analyseeinheit und einem Auslesegerät (3, 101), dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit eine Übertragungseinheit umfasst, über die Messdaten der Analyse drahtlos durch eine Kommunikationseinheit (27) des Auslesegeräts (3, 101) erfassbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Übertragungseinheit Daten übertragbar sind und die Kommunikationseinheit (27) zum Empfang der Daten der Übertragungseinheit ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinheit als Transponder ausgeführt ist, der durch die Kommunikationseinheit (27) auslesbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Übertragungseinheit Daten empfangbar sind und die Kommunikationseinheit (27) zum Senden dieser Daten der Übertragungseinheit ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit konfigurierbar und/oder kalibrierbar ist und entsprechende Konfigurations- und/oder Kalibrierungsdaten von der Kommunikationseinheit (27) über die Übertragungseinheit übertragbar sind.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslesegerät (3, 101) konfigurierbar und/oder kalibrierbar ist und entsprechende Konfigurations- und/oder Kalibrierungsdaten von der Übertragungseinheit über die Kommunikationseinheit (27) übertragbar sind.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit wenigstens eine Überwachungseinheit zur Überwachung der Analyse umfasst, wobei die Überwachungseinheit mit der Übertragungseinheit verbunden ist und durch diese Überwachungsdaten an das Auslesegerät (3, 101) übertragbar sind.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit einen Speicher umfasst, der mit der Übertragungseinheit verbunden ist, wobei durch die Übertragungseinheit Daten in den Speicher schreibbar und aus diesem lesbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher einen nicht beschreibbaren Speicherbereich (23) umfasst, im dem Identifikationsdaten hinterlegt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher einen beschreibbaren Speicherbereich (21) umfasst, in dem Anwendungsdaten hinterlegbar sind.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum drahtlosen Übertragen von elektrischer Energie vom Auslesegerät (3, 101) zur Analyseeinheit vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Übertragen von elektrischer Energie als eine drahtlos arbeitende Sender-Empfänger-Vorrichtung ausgeführt sind, wobei der Sender im Auslesegerät (3, 101) und der Empfänger in der Analyseeinheit angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger in den Transponder integriert ist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit zur Durchführung einer biochemischen Analyse ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit wenigstens einen Biochip (11, 211, 211a) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Biochip (11, 211, 211a) als Lab-on-a-Chip-System ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit und das Auslesegerät (3, 101) lösbar mechanisch koppelbar sind.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit als in das Auslesegerät (3, 101) einschiebbares Modul ausgeführt ist und das Auslesegerät (3, 101) eine Aufnahme aufweist, in die die Analyseeinheit zur Durchführung der Analyse einführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul eine derart ausgeformte Aussparung aufweist und der Empfänger (31) derart im Modul angeordnet ist, dass der Sender des Auslesegeräts (3, 101) bei eingeschobenem Modul in der Aussparung positioniert ist und mit dem Empfänger (31) korrespondiert.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (31) wenigstens zwei Empfangseinheiten umfasst, die derart im Modul angeordnet sind, dass der Sender bei eingeschobenem Modul zwischen den Empfangseinheiten positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinheit und die Kommunikationseinheit (27) derart ausgebildet sind, dass eine Übertragung von Messdaten und/oder elektrischer Energie nur bei in das Auslesegerät (3, 101) eingeschobener Modul erfolgen kann.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse vollständig innerhalb der Analyseeinheit durchführbar ist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslesegerät (3, 101) eine Abschirmung aufweist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Analyseeinheit und Auslesegerät (3, 101) ein RFID-System bilden.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslesegerät (3, 101) eine Schutzhülle aufweist, die zum Schutz des Auslesegeräts (3, 101) vor einer Kontamination ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle austauschbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit mit einem Implantat verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Implantat ein Stent (405) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit eine Ultraschalleinheit aufweist, die mit der Übertragungseinheit verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Biochip derart ausgestattet ist, dass durch ihn wenigstens eine Körperfunktion des Lebewesens analysierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Biochip Fängermoleküle aufweist, durch die nachzuweisende Substanzen bindbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Fängermoleküle chemisch synthetisierte Polymere sind.
Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Fängermoleküle modifizierte Proteine sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit einen Akkumulator (407) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (407) mit dem Empfänger verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit einen Generator aufweist, der derart ausgestaltet ist, dass durch ihn elektrische Energie aus einer Bewegung einer Flüssigkeit gewinnbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator mit dem Akkumulator (407) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit einen elektrochemischen Sensor umfasst.