DE102009020701A1

DE102009020701A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz in einem streuenden und/oder absorbierenden Medium

Info

Publication number: DE102009020701A1
Application number: DE102009020701A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr.-Ing. Müller; Oliver Dipl.-Ing. Rausch
Original assignee: Mueller Stefan Dr Ing
Current assignee: ELOPTO OHG, DE
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-05-12
Also published as: DE102009020701B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz in einem Medium (26) unter Verwendung zumindest zweier das Medien (26) durchleuchtender Lichtquellen (1, 2). Die Lichtquellen (1, 2) werden von einer Steuereinrichtung (14) abwechselnd aktiviert und senden jeweils linear polarisiertes Licht aus, wobei sich deren Polarisationsrichtungen (44, 45) um einen ersten Winkel (2α) unterscheiden. Weiterhin wird zumindest ein Sensor (10, 3) verwendet, welcher die Intensität des aus dem Medium (26) austretenden Lichts misst und für Licht einer Polarisationsrichtung (47) empfindlich ist, die um einen zweiten Winkel gegenüber der mittleren Polarisationsrichtung (46) der Lichtquellen (1, 2) verdreht ist. Aus dem der ersten Lichtquelle (1) zugeordneten Messsignal und dem der zweiten Lichtquelle (2) zugeordneten Messsignal wird die Differenz und die Summe gebildet, anschließend der Quotient aus der Differenz und der Summe gebildet und die Konzentration aus dem Quotienten ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz in einem streuenden und/oder absorbierenden Medium, insbesondere der Konzentration von Glucose in einer Körperflüssigkeit oder in biologischem Gewebe, unter Verwendung zumindest zweier das Medium durchleuchtender Lichtquellen, die von einer Steuereinrichtung abwechselnd aktiviert werden und die jeweils linear polarisiertes Licht aussenden, wobei sich deren Polarisationsrichtungen um einen ersten Winkel (2α) unterscheiden, sowie unter Verwendung zumindest eines Sensors, welcher die Intensität des aus dem Medium austretenden Lichts misst und für Licht einer Polarisationsrichtung empfindlich ist, die um einen zweiten Winkel gegenüber der mittleren Polarisationsrichtung der Lichtquellen verdreht ist. Zur Ermittlung der Konzentration werden aus dem der ersten Lichtquelle zugeordneten Messsignal und dem der zweiten Lichtquelle zugeordneten Messsignal die Differenz und die Summe und anschließend der Quotient aus der Differenz und der Summe gebildet.
Aus der DE 3908114 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die zu untersuchende Probe mit Licht zweier Lichtquellen durchleuchtet, deren Polarisationsrichtungen sich um einen definierten Winkel unterscheiden. Die Auswertung der durch die optische Aktivität der Probe verursachten Drehung der Polarisationsrichtung erfolgt mit einem Lichtempfänger, der über einen Polarisationsfilter verfügt, welcher näherungsweise senkrecht zur mittleren Polarisationsrichtung der Lichtquellen ausgerichtet ist. Es wird weiterhin vorgeschlagen, die beiden so gewonnenen Messsignale durch Differenz- oder Quotientenbildung in Relation zu setzten, um eine hohe Messempfindlichkeit zu erzielen.
Die vorgeschlagenen Verfahren weisen jedoch bezüglich der praktischen Anwendbarkeit in streuenden und absorbierenden Medien, wie beispielsweise in Körperflüssigkeiten oder biologischem Gewebe, erhebliche Nachteile auf, welche im Folgenden aufgezeigt werden sollen. 5 stellt die in DE 3908114 C1 vorgeschlagene Ausrichtung der Polarisationsrichtungen der beiden Lichtquellen 44 und 45 und der Polarisationsrichtung des Lichtempfängers 47 dar. Die Polarisationsrichtungen der beiden Lichtquellen 44 und 45 sind um den Betrag 2α gegeneinander verdreht, wobei ihre mittlere Polarisationsrichtung 46 senkrecht zu der Polarisationsrichtung des Lichtempfängers 47 liegt. Durchstrahlen die Lichtquellen eine optisch klare Substanz (ohne Polarisation, Absorption und Streuung) so ergibt sich für die vom Lichtempfänger gemessenen Intensitäten unter der Voraussetzung eines kleinen Winkels α: I1 = I0·sinα ≈ I0·α I2 = I0·sinα ≈ I0·α
I₀ stellt hierbei die Intensität des von den Lichtquellen abgestrahlten Lichts dar. Befindet sich in dem zu vermessenden Medium eine optisch aktive Substanz und findet zudem Streuung und/oder Absorption statt, ergeben sich folgende Gleichungen: I1 = cs·I0·sin(α + αp) ≈ cs·I0·(α + αp) I2 = cs·I0·sin(α – αp) ≈ cs·I0·(α – αp)
α_p ist hierbei der Drehwinkel, um den die Polarisationsebene durch die optisch aktive Substanz gedreht wird. Die Konstante c_s beschreibt die Intensitätsabschwächung durch Streuung bzw. Absorption. In DE 3908114 C1 wird unter anderem die Differenzbildung der beiden gemessenen Intensitäten vorgeschlagen. Das hieraus resultierende Sensorsignal S beinhaltet neben der Information über den zu bestimmenden Winkel α_p jedoch unverändert die Störgröße C_s: S = I1 – I2 = cs·I0·sin(α + αp) – cs·I0·sin(α – αp) ≈ 2·cs·I0·αp
Mit diesem Verfahren kann daher nicht festgestellt werden, ob eine Intensitätsänderung durch eine optisch aktive Substanz im Medium oder durch Streuung bzw. Absorption verursacht wurde. Es kann daher nicht für die Messung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz in einem streuenden und/oder absorbierenden Medium, beispielsweise biologischem Gewebe, herangezogen werden.
Eine Möglichkeit, ein korrigiertes Signal zu gewinnen, welches unabhängig von Streuung und Absorption ist, besteht darin, statt der Differenz den Quotienten der beiden gemessenen Intensitäten I₁ und I₂ zu bilden. Dieses Vorgehen wird in DE 3908114 C1 ebenfalls vorgeschlagen:
Es ist aus der Gleichung unmittelbar erkennbar, dass das Sensorsignal hierdurch nicht mehr von der Störgröße c_s beeinflusst wird. Auch dieses Verfahren besitzt jedoch einen entscheidenden Nachteil, der in 6 dargestellt ist. Die Sensorkennlinie 32, die die Gleichung S = I₁/I₂ veranschaulicht, besitzt eine starke Nichtlinearität. Für negative Polarisationswinkel α_p die gegen –α gehen, ergibt sich eine Steigung nahe 0, während für α_p gegen +α die Steigung gegen unendlich strebt. Dies bedeutet unmittelbar, dass die Sensorempfindlichkeit über den Messbereich stark variiert. Diese Nichtlinearität erschwert es, die Konzentration einer optisch aktiven Substanz in einem streuenden und/oder absorbierenden Medium, insbesondere bei stark optisch aktiven Substanzen zu ermitteln.
Auch eine Kombination der beiden vorgeschlagenen Verfahren, nämlich Differenz- und anschließende Quotientenbildung kann die Nichtlinearität der Sensorkennlinie nicht beheben:
Die entsprechende Kennlinie 33 für S = (I₁ – I₂)/I₂ ist gegenüber der zuvor beschrieben Kennlinie 32 verschoben, besitzt jedoch die gleiche Nichtlinearität, wie ebenfalls aus 6 ersichtlich ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche die Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz in einem streuenden und/oder absorbierenden Medium, insbesondere die Bestimmung der Glucosekonzentration in Körperflüssigkeiten oder Gewebe ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen formuliert.
Zur Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz in einem streuenden und/oder absorbierenden Medium, wird eine zu untersuchende Probe des Mediums im schnellen Wechsel von zwei Lichtquellen durchleuchtet, die linear polarisiertes Licht aussenden, welches sich in seiner Polarisationsrichtung um einen vorbestimmten Winkel voneinander unterscheidet. Die Lichtintensität nach dem Durchlaufen der Probe wird dabei von einem Sensor erfasst, der für Licht einer Polarisationsrichtung empfindlich ist, die um einen zweiten Winkel gegenüber der mittleren Polarisationsrichtung der Lichtquellen verdreht ist. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Polarisationsfilters erfolgen, der senkrecht zu der mittleren Polarisationsrichtung der beiden Lichtquellen ausgerichtet ist. Durch Signalverarbeitungsmittel wird die Differenz der vom Empfänger gemessenen Intensitäten, die durch die beiden unterschiedlich polarisierten Lichtwellen hervorgerufen werden, ermittelt. Ebenso erfolgt durch die Signalverarbeitungsmittel die Bestimmung der Summe der beiden gemessenen Intensitäten. Anschließend wird das Sensorsignal S durch Quotientenbildung aus der Differenz und der Summe der gemessenen Intensitäten berechnet:
I₁ stellt dabei das der ersten Lichtquelle zugeordnete Messsignal, I₂ das der zweiten Lichtquelle zugeordneten Messsignal dar. Aus der Gleichung ist unmittelbar zu erkennen, dass der Einfluss von Streuung und Absorption, repräsentiert durch c_s, durch das erfindungsgemäße Verfahren vollständig eliminiert wird. Gleiches gilt für Schwankungen der von den Lichtquellen emittierten Lichtintensität I₀. Weiterhin hängt das Sensorsignal 34, wie in 6 dargestellt, linear von dem zu bestimmenden Winkel α_p ab. Der Sensor weist daher eine gleich bleibende Empfindlichkeit im gesamten Messbereich zwischen –α und α auf. Diese Eigenschaften gewährleisten eine zuverlässige und genaue Messung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz in einem streuenden Medium, insbesondere von Glucose in Körperflüssigkeiten oder Gewebe.
Die Konzentration c kann anschließend mittels einer Auswerteeinheit auf einfache Weise aufgrund ihrer linearen Abhängigkeit von dem Signal S bestimmt werden. Es gilt:
Die Konstante α_s ist ein für die zu bestimmende Substanz, beispielsweise Glucose, spezifischer Drehwinkel. Die Größe d stellt die Dicke der untersuchten Probe dar.
Die Signalverarbeitungsmittel können einen Mikrocontroller umfassen, der zur Bildung der Summe, der Differenz und des Quotienten in digitaler Form eingerichtet ist. Die Berechnung der Summe, Differenz und des Quotienten kann durch Programmierung des Mikrocontrollers auf besonders einfache Weise erzielt werden. Darüberhinaus kann ein Mikrocontroller aufgrund seiner geringen Größe platzsparend in tragbaren Messgeräten verwendet werden.
Alternativ zur digitalen Ermittlung der Summe und der Differenz können die Signalverarbeitungsmittel eine Einrichtung umfassen, die die Bildung der Summe und der Differenz in analoger Weise vornimmt, wobei nur die Bildung des Quotienten in digitaler Weise von dem Mikrocontroller durchgeführt wird.
Das abwechselnde Durchleuchten des Mediums kann mittels einer Steuereinrichtung erfolgen, die die Lichtquellen in einem Takt aktiviert bzw. deaktiviert. Die Steuereinrichtung kann von einem Mikrocontroller gebildet sein, welcher entsprechende Schaltbefehle an eine Bestromungseinrichtung gibt. Vorzugsweise ist der Mikrocontroller derselbe, der auch die Quotientenbildung vornimmt. Auf diese Weise können Bauteile eingespart werden.
Die Steuereinrichtung kann den Sensor oder eine Einrichtung der Signalverarbeitungsmittel synchron zum Wechsel der Lichtquellen takten, so dass das Messsignal des Sensors in das der ersten Lichtquelle zugeordnete Sensorsignal und das der zweiten Lichtquelle zugeordnete Sensorsignal aufgelöst werden kann. Die Einrichtung kann ein Verstärker sein. Alternativ können die Steuereinrichtung und die Einrichtung zur Auflösung des Messsignals von ein und demselben Bauteil, insbesondere dem Mikrocontroller, gebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass Signalwege und damit Fehlerquellen eingespart werden können, da der Mikrocontroller für die Ansteuerung der Lichtquellen die Taktung vornimmt und damit synchron zu der Taktung das Messsignal der jeweiligen Lichtquelle zuordnen kann.
Der Sensor kann einen Messempfänger und einen diesem vorgelagerten Polarisationsfilter aufweisen. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Ausführung des Sensors.
Weiterhin können die Signalverarbeitungsmittel einen von der Steuerungseinheit getakteten Lock-In Verstärker zur phasensensitiven Verstärkung des analogen Ausgangssignals des Sensors umfassen. Dies hat den Vorteil, dass durch entsprechende Ansteuerung des Lock-In Verstärkers Störsignale, beispielsweise Umgebungslicht, wirkungsvoll unterdrückt werden können. Der Lock-In Verstärker kann zusätzlich auch dazu eingerichtet sein, die Auflösung des Messsignals in das der ersten Lichtquelle zugeordnete Sensorsignal und das der zweiten Lichtquelle zugeordnete Sensorsignal vorzunehmen. Weiterhin kann der Lock-In Verstärker bei entsprechender zu den Steuersignalen der Lichtquellen synchroner Ansteuerung zusätzlich die Bildung der Summe und der Differenz auf analogem Wege vornehmen. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere das Differenzsignal mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann.
Weiterhin können die Signalverarbeitungsmittel einen Analog/Digital-Wandler zur Wandlung des verstärkten Sensorsignals umfassen. Dies hat den Vorteil, dass das Sensorsignal in digitaler Form durch einen Mikrocontroller weiterverarbeitet werden kann. Hierdurch werden Verluste und Störungen, die bei analoger Verarbeitung die Signalqualität beeinträchtigen, vermieden.
Die Lichtquellen können Leuchtdioden umfassen, wodurch neben einem platzsparenden Aufbau eine sehr geringe Stromaufnahme realisiert werden kann. Dies kann insbesondere für die Verwendung in tragbaren, batteriebetriebenen Messgeräten vorteilhaft sein.
Alternativ können die Lichtquellen Laserdioden umfassen, wodurch ebenfalls ein platzsparender Aufbau erreicht werden kann. Weiterhin kann bei Verwendung von Laserdioden auf nachgeordnete Polarisationsfilter verzichtet werden, da das von Laserdioden emittierte Licht bereits überwiegend linear polarisiert ist. Hierdurch kann der mechanische Aufbau der Vorrichtung vereinfacht werden. Dies kann ebenfalls für die Verwendung in batteriebetriebenen Handgeräten vorteilhaft sein.
Die Lichtquellen können Polarisationsfilter umfassen. Senden die lichtemittierenden Elemente kein linear polarisiertes Licht aus, wie es beispielsweise bei Leuchtdioden der Fall ist, sind Polarisationsfilter zur Erzeugung linear polarisierten Lichts erforderlich. Senden die lichtemittierenden Elemente bereits überwiegend linear polarisiertes Licht aus, kann durch zusätzliche Polarisation durch einen nachgeordneten Polarisationsfilter die Signalqualität verbessert werden.
Der Messempfänger kann eine Fotodiode, einen Fototransistor oder ein Spektrometer umfassen. Durch Verwendung einer Fotodiode oder eines Fototransistors kann eine geringe Baugröße des Messempfängers erreicht werden, wodurch diese Ausführungsform besonders für tragbare Geräte vorteilhaft ist. Die Verwendung eines Spektrometers bietet den Vorteil, dass hierdurch die gleichzeitige Messung bei unterschiedlichen Lichtwellenlängen ermöglicht wird, was insbesondere für die Verwendung in Laborgeräten vorteilhaft ist.
Die Lichtquellen können in einem Sendergehäuse angeordnet sein, wodurch ein Schutz vor mechanischen Einwirkungen und Verschmutzung erreicht werden kann.
Der Sensor kann in einem Empfängergehäuse angeordnet sein. Hierdurch kann neben dem Schutz vor mechanischen Einwirkungen und Verschmutzung zusätzlich eine Abschirmung des Sensors vor Umgebungslicht und damit eine Verbesserung der Messgenauigkeit erzielt werden.
Der Abstand zwischen Sendergehäuse und Empfängergehäuse kann variabel sein. Dies bietet den Vorteil, dass Proben unterschiedlicher Dicke, insbesondere biologisches Gewebe, untersucht werden können.
Die Vorrichtung kann einen Wegaufnehmer umfassen. Hierdurch wird die Messung der Probendicke ermöglicht. Diese zusätzliche Information wird zur Bestimmung der Konzentration in einer Probe unbekannter Dicke benötigt.
Zwischen den lichtemittierenden Elementen und den linearen Polarisationsfiltern kann jeweils ein Lichtwellenleiter angeordnet sein. Zwischen dem linearen Polarisationsfilter und dem Messempfänger kann ebenfalls ein Lichtwellenleiter angeordnet sein. Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass durch den Einsatz von Lichtwellenleitern sowohl die Lichterzeugung als auch die Auswertung der Messsignale räumlich getrennt vom Messort erfolgen können. Dies bietet den Vorteil, dass durch die geringen Abmessungen von Lichtwellenleitern eine Messung an schwer zugänglichen Orten ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass das optische Messsignal über vergleichsweise große Strecken übertragen werden kann, ohne das eine nennenswerte Beeinflussung durch elektromagnetische Störungen erfolgt.
Die Vorrichtung kann Lochblenden aufweisen, die in Richtung der Lichtstrahlen vor und/oder nach der Probe angeordnet sind. Hierdurch wird erreicht, dass das die Probe durchleuchtende Licht auf einen räumlich begrenzten Bereich beschränkt wird. Dies ermöglicht eine örtlich aufgelöste Messung, was insbesondere bei stark inhomogenen Proben von Vorteil ist.
Die Lochblenden können hierbei Teil des Sendergehäuses und/oder des Empfängergehäuses sein. Hierdurch wird eine besonders einfache Ausführung erreicht, da die Lochblenden nicht als zusätzliches Bauteil ausgeführt werden müssen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Längenmessvorrichtung, um die die Vorrichtungen nach 1 und 2 ergänzt werden können, um die Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz bei variabler Dicke der Probe zu ermöglichen.
4a und 4b zeigen die mögliche Anwendung einer Vorrichtung gemäß 1 und 3 am Ohrläppchen 42 oder an der Hautfalte zwischen Daumen und Zeigefinger 43.
4c zeigt die mögliche Anwendung einer Vorrichtung gemäß 1 unter Verwendung einer Küvette 48, die mit einer flüssigen Probe 26 gefüllt ist.
5 zeigt die schematische Darstellung der Ausrichtung der Polarisationsrichtungen der beiden Lichtquellen und des Lichtempfängers nach dem Stand der Technik sowie der Vorrichtungen nach 1 und 2.
6 zeigt die Sensorkennlinien der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren im Vergleich zu der Kennlinie des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung weist eine erste Lichtquelle 1 und eine zweite Lichtquelle 2 auf. Vorzugsweise umfassen die Lichtquellen 1, 2 jeweils ein identisches lichtemittierendes Element 1a, 2a, beispielsweise Leuchtdioden 1a oder Laserdioden 1a sowie einen jeweils vor dem lichtemittierenden Element 1a, 2a angeordneten linearen Polarisationsfilter 8, 9. Die beiden Polarisationsfilter 8 und 9 sind gemäß 5 so angeordnet, dass sie das Licht der beiden Lichtquellen 1 und 2 linear polarisieren. Die Polarisationsrichtung 44 des ersten linearen Polarisationsfilters 8 und die Polarisationsrichtung 45 des zweiten linearen Polarisationsfilters 9 schließen dabei einen Winkel des Betrags 2a ein. Hierdurch ergibt sich eine gedachte mittlere Polarisationsrichtung 46, die in Bezug auf die Polarisationsrichtungen 44 und 45 eine Symmetrieachse bildet und mit diesen jeweils einen Winkel α einschließt.
Die Lichtquellen 1 und 2 sind in einem lichtdichten Sendergehäuse 5 angeordnet. Dieses weist an der Vorderseite, welche der zu untersuchenden Probe 26 zugewandt ist, eine Lochblende 7 auf, wodurch das von den Lichtquellen 1 und 2 emittierte Licht in die Probe 26 eintritt. In dem Sendergehäuse 5 befindet sich ein Referenz-Lichtempfänger 4, welcher die Lichtintensität der beiden Lichtquellen 1 und 2 misst. Als Referenz-Lichtempfänger 4 wird vorzugsweise eine Fotodiode oder ein Fototransistor verwendet. Das Messsignal 17 des Referenz-Lichtempfängers 4 dient als Istwert für einen elektronischen Regler 13, mittels welchem die Lichtintensitäten der Lichtquellen 1 und 2 konstant gehalten werden. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Lichtintensitäten der beiden Lichtquellen 1 und 2 identisch gehalten und zeitliche Veränderungen, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen ausgeglichen werden. Das erste Sollwertsignal 15 der ersten Lichtquelle 1 und das zweite Sollwertsignal 16 der zweiten Lichtquelle 2 werden von einem Mikrocontroller 14 so gesteuert, dass die beiden Lichtquellen 1 und 2 im Wechsel ein- und ausgeschaltet werden.
Ein Mess-Lichtempfänger 3 ist in einem lichtdichten Empfängergehäuse 6 angeordnet. Als Mess-Lichtempfänger 3 wird vorzugsweise eine Fotodiode oder ein Fototransistor verwendet, alternativ kann an dieser Stelle auch ein spektral auflösender Sensor verwendet werden, um die Messung bei unterschiedlichen Wellenlängen zu ermöglichen. Das Empfängergehäuse 6 ist auf der dem Sendergehäuse 5 gegenüberliegenden Seite der Probe 26 angeordnet und weist an der der Probe zugewandten Seite ebenfalls eine Lochblende 7 auf, durch die das aus der Probe wieder austretende Licht durch einen dritten linearen Polarisationsfilter 10 auf den Mess-Lichtempfänger 3 fällt. Die Polarisationsrichtung 47 des dritten linearen Polarisationsfilters 10 ist dabei gemäß 5 so ausgerichtet, dass sie zu der mittleren Polarisationsrichtung 46 einen Winkel von 90° aufweist. Das Empfängersignal 19 des Mess-Lichtempfängers 3 wird einem Lock-In Verstärker 11 zugeführt. Der Lock-In Verstärker 11 wird von dem Mikrocontroller 14 über ein Steuersignal 18 so angesteuert, dass die durch die Lichtquellen 1 und 2 auf dem Mess-Lichtempfänger 3 hervorgerufenen Lichtintensitäten phasenempfindlich detektiert werden. Hierdurch können Störungen, beispielsweise hervorgerufen durch Umgebungslicht, wirkungsvoll unterdrückt werden.
Das vom Lock-In Verstärker 11 bereitgestellte analoge Ausgangssignal 20 wird mittels eines Analog-Digital-Wandlers 12 in ein digitales Signal 21 umgewandelt, welches dem Mikrocontroller 14 zugeführt wird. Das digitale Signal 21 ist somit proportional zu der auf dem Mess-Empfänger 3 gemessenen Intensität, welche von der zum Zeitpunkt der Messung eingeschalteten Lichtquelle 1 oder 2 hervorgerufen wurde. Durch abwechselndes Einschalten der Lichtquellen 1 und 2 werden auf diese Weise zwei Werte bestimmt.
Der Mikrocontroller 14 berechnet sowohl die Differenz als auch die Summe der beiden gemessenen Einzelwerte und bildet hieraus den Quotienten. Das Ergebnis dieser Berechnung bildet das Messsignal 22, welches vom Mikrocontroller 14 in analoger oder digitaler Form ausgegeben wird. Dieses Messsignal wird einer nicht dargestellten Auswerteeinheit zugeführt, die aus dem Quotienten die Konzentration der optisch aktiven Substanz in dem Medium ermittelt.
Besonders vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, dass unter Verwendung von Halbleiterelementen die Vorrichtung sehr Platz sparend aufgebaut werden kann, wodurch sie sich insbesondere für die Verwendung in tragbaren Geräten eignet.
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung weist eine erste Lichtquelle 1 und eine zweite Lichtquelle 2 auf. Vorzugsweise umfassen die Lichtquellen 1, 2 jeweils ein identisches lichtemittierendes Element 1a, 2a, beispielsweise Leuchtdioden 1a oder Laserdioden 1a. Das Licht der ersten Lichtquelle 1 wird in einen ersten Lichtwellenleiter 23 eingekoppelt, das Licht der zweiten Lichtquelle 2 wird in einen zweiten Lichtwellenleiter 24 eingekoppelt.
Die Enden der Lichtwellenleiter 23 und 24 sind in einem lichtdichten Sendergehäuse 5 angeordnet. Dieses weist an der Vorderseite, welche der zu untersuchenden Probe 26 zugewandt ist, eine Lochblende 7 auf, wodurch das aus den Enden der Lichtwellenleiter 23 und 24 austretende Licht in die Probe 26 eintritt. Vor dem Ende des ersten Lichtwellenleiters 23 ist ein erster linearer Polarisationsfilter 8 und vor dem Ende des zweiten Lichtwellenleiter 24 ist ein zweiter linearer Polarisationsfilter 9 angeordnet, wodurch das aus den Lichtwellenleitern 23 und 24 austretende Licht vor dem Eintritt in die Probe 26 linear polarisiert wird. Die beiden Polarisationsfilter 8 und 9 sind gemäß 5 in gleicher Art und Weise angeordnet wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. In dem Sendergehäuse 5 befindet sich ein Referenz-Lichtempfänger 4, welcher die Lichtintensität der beiden Lichtquellen 1 und 2 misst. Als Referenz-Lichtempfänger 4 wird vorzugsweise eine Fotodiode oder ein Fototransistor verwendet. Das Messsignal 17 des Referenz-Lichtempfängers 4 dient als Istwert für einen elektronischen Regler 13, wodurch die Lichtintensitäten der Lichtquellen 1 und 2 konstant gehalten werden. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Lichtintensitäten der beiden Lichtquellen 1 und 2 identisch sind und zeitliche Veränderungen, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen ausgeglichen werden. Das erste Sollwertsignal 15 der ersten Lichtquelle 1 und das zweite Sollwertsignal 16 der zweiten Lichtquelle 2 werden von einem Mikrocontroller 14 so gesteuert, dass die beiden Lichtquellen 1 und 2 im Wechsel ein- und ausgeschaltet werden.
Das Ende eines dritten Lichtwellenleiters 25 ist in einem lichtdichten Empfängergehäuse 6 angeordnet. Das Empfängergehäuse 6 ist auf der dem Sendergehäuse 5 gegenüberliegenden Seite der Probe 26 angeordnet und weist an der der Probe zugewandten Seite ebenfalls eine Lochblende 7 auf, durch die das aus der Probe wieder austretende Licht durch einen dritten linearen Polarisationsfilter 10 in den dritten Lichtwellenleiter 25 eingekoppelt wird. Die Polarisationsrichtung 47 des dritten linearen Polarisationsfilters 10 ist dabei gemäß 5 in gleicher Art und Weise ausgerichtet, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Das aus dem dritten Lichtwellenleiter 25 wieder austretende Licht fällt auf einen Mess-Lichtempfänger 3. Als Mess-Lichtempfänger 3 wird vorzugsweise eine Fotodiode oder ein Fototransistor verwendet, alternativ kann an dieser Stelle auch ein spektral auflösender Sensor verwendet werden, um die Messung bei unterschiedlichen Wellenlängen zu ermöglichen. Das Empfängersignal 19 des Mess-Lichtempfängers 3 wird einem Lock-In Verstärker 11 zugeführt. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt in gleicher Art und Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Längenmessvorrichtung, um die die Vorrichtungen nach 1, beschrieben im ersten Ausführungsbeispiel, und 2, beschrieben im zweiten Ausführungsbeispiel, ergänzt werden können, um die Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz bei variabler Dicke der Probe zu ermöglichen.
Das Empfängergehäuse 6 ist gegenüber dem Sendergehäuse 5 in x-Richtung verschiebbar. Das Empfängergehäuse 6 ist über ein Verbindungselement 28 mit dem Hebel 41 eines Wegaufnehmers 27 verbunden. Der Wegaufnehmer 27 ist vorzugsweise als resistiver Sensor (Potentiometer) ausgeführt, alternativ können jedoch auch kapazitive, induktive oder optische Messprinzipien verwendet werden. Das Ausgangssignal 29 des Wegaufnehmers 27 wird einem Verstärker 30 zugeführt. Das vom Verstärker aufbereitete Signal 31 wird einer nachgeschalteten Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt.
Da bei der Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz die Dicke der Probe 26 in das Messergebnis eingeht, ist es insbesondere bei der Anwendung des Messverfahrens an biologischem Gewebe, dessen genaue Dicke in der Regel unbekannt ist, für die Bestimmung eines exakten Messergebnisses unerlässlich.
4a und 4b zeigen die mögliche Anwendung einer Vorrichtung gemäß 1 und 3. Das Sendergehäuse 5 ist fest auf einer Grundplatte 35 montiert, während das Empfängergehäuse 6 entsprechend dem in 3 dargestellten Prinzip verschiebbar ist. Dies wird dadurch realisiert, dass das Empfängergehäuse 6 auf einem Schieber 36 montiert ist, der auf der Grundplatte 35 gleitend gelagert ist. Durch Drücken eines Betätigungsknopfes 40, der über eine Achse 38 mit dem Schieber 36 verbunden ist, kann so der Abstand zwischen Sendergehäuse 5 und Empfängergehäuse 6 so vergrößert werden, dass Körpergewebe in den so entstandenen Zwischenraum gebracht werden kann. Zwei besonders vorteilhafte Körperstellen sind, wie in 4a und 4b dargestellt, das Ohrläppchen 42 oder die Hautfalte zwischen Daumen und Zeigefinger 43. Nach Loslassen des Betätigungsknopfes 40 wird durch eine Feder 39 die Achse 38, welche in einer Lagerbuchse 37 gelagert ist, und der damit verbundene Schieber 36 in Richtung des Empfängergehäuses 5 gedrückt. Hierdurch wird das Ohrläppchen 42 oder die Hautfalte zwischen Daumen und Zeigefinger 43 zwischen Sendergehäuse 5 und Empfängergehäuse 6 fixiert. Der Schieber 36 ist über ein Verbindungselement 28 mit dem Hebel 41 des Wegaufnehmers 27 verbunden. Hierdurch wird die Messung der Dicke der Probe 26, in diesem Fall das Ohrläppchen 42 oder die Hautfalte zwischen Daumen und Zeigefinger 43, ermöglicht. Die Messung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz, in diesem Fall beispielsweise Glucose, erfolgt nach dem im ersten Ausführungsbeispiel entsprechend 1 beschriebenen Prinzip.
4c zeigt die mögliche Anwendung einer Vorrichtung gemäß 1. Zwischen dem Sendergehäuse 5 und dem Empfängergehäuse 6 befindet sich eine Küvette 48. Die Küvette 48 besteht aus einem optisch transparenten Material und weist einen Hohlraum mit definierten Abmessungen auf. Über einen ersten Schlauch 49 gelangt die in diesem Fall flüssige Probe 26, beispielsweise eine Körperflüssigkeit in den Hohlraum der Küvette 48, über einen zweiten Schlauch 50 verlässt die Probe 26 die Küvette wieder. Auf eine Längenmessvorrichtung gemäß 3 kann in diesem Anwendungsfall verzichtet werden, da die Dicke der Probe 26 durch die Abmessungen des Hohlraums der Küvette 48 festgelegt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3908114 C1 [0002, 0003, 0005, 0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz in einem Medium (26) unter Verwendung zumindest zweier das Medium (26) durchleuchtender Lichtquellen (1, 2), die von einer Steuereinrichtung (14) abwechselnd aktiviert werden und die jeweils linear polarisiertes Licht aussenden, wobei sich deren Polarisationsrichtungen (44, 45) um einen ersten Winkel (2α) unterscheiden, sowie unter Verwendung zumindest eines Sensors (10, 3), welcher die Intensität des aus dem Medium (26) austretenden Lichts misst und für Licht einer Polarisationsrichtung (47) empfindlich ist, die um einen zweiten Winkel gegenüber der mittleren Polarisationsrichtung (46) der Lichtquellen (1, 2) verdreht ist, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem der ersten Lichtquelle (1) zugeordneten Messsignal und dem der zweiten Lichtquelle (2) zugeordneten Messsignal die Differenz und die Summe gebildet, anschließend der Quotient aus der Differenz und der Summe gebildet wird und die Konzentration aus dem Quotienten ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Winkel (2α) zwischen den Polarisationsrichtungen (44, 45) der beiden Lichtquellen (1, 2) ein Wert zwischen 0° und 90° gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den zweiten Winkel zwischen der mittleren Polarisationsrichtung (46) der beiden Lichtquellen (1, 2) und der Polarisationsrichtung (47), für die der Sensor empfindlich ist, ein Wert von im Wesentlichen 90° gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal des Sensors (3, 10) von einem synchron zum Wechsel der Lichtquellen (1, 2) getakteten Signalverarbeitungsmittel (11, 14) in das der ersten Lichtquelle (1) zugeordnete Sensorsignal und das der zweiten Lichtquelle (2) zugeordnete Sensorsignal aufgelöst wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung der Konzentration einer optisch aktiven Substanz in einem Medium (26) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit mindestens zwei Lichtquellen (1, 2) zur jeweiligen Aussendung linear polarisierten Lichts unterschiedlicher Polarisationsrichtungen (44, 45) durch das Medium (26), mit einer Steuereinrichtung (14) zur abwechselnden Aktivierung der Lichtquellen (1, 2), mit einem Sensor (10, 3) zur Messung der Intensität des aus dem Medium (26) austretenden Lichts, wobei der Sensor (3, 10) für Licht einer Polarisationsrichtung (47) empfindlich ist, die um einen zweiten Winkel gegenüber der mittleren Polarisationsrichtung (46) der Lichtquellen (1a, 2a) verdreht ist, gekennzeichnet durch – Signalverarbeitungsmittel (11, 12, 14) zur Verarbeitung des Messsignals des Sensors (3, 10), die dazu eingerichtet sind, aus dem der ersten Lichtquelle (1) zugeordneten Messsignal und dem der zweiten Lichtquelle (2) zugeordneten Messsignal die Differenz und die Summe zu bilden und anschließend den Quotienten aus der Differenz und der Summe zu bilden, und – eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der Konzentration aus dem Quotienten.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsmittel (11, 12, 14) einen Mikrocontroller (14) umfassen, der zur Bildung der Summe, der Differenz und des Quotienten in digitaler Form eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsmittel (11, 12, 14) eine Einrichtung (11) zur Bildung der Summe und der Differenz auf analoge Weise sowie einen Mikrocontroller (14) zur Bildung des Quotienten auf digitale Weise umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (14) von dem Mikrocontroller (14) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (3, 10) einen Messempfänger (3) und einen diesem vorgelagerten Polarisationsfilter (10) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsmittel (11, 12, 14) einen Lock-In Verstärker (11) zur phasensensitiven Verstärkung des analogen Ausgangssignals des Sensors (3, 10) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsmittel (11, 12, 14) einen Analog/Digital-Wandler (12) zur Wandlung des verstärkten Sensorsignals umfassen und das Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandler (12) dem Mikrocontroller (14) zugeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (1, 2) als lichtemittierende Elemente (1a, 2a) Leuchtdioden umfassen, denen jeweils ein linearer Polarisationsfilter (8, 9) nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (1, 2) als lichtemittierende Elemente (1a, 2a) Laserdioden umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass den lichtemittierenden Elementen (1a, 2a) jeweils ein linearer Polarisationsfilter (8, 9) nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messempfänger (3) eine Fotodiode, ein Fototransistor oder ein Spektrometer ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (1, 2) in einem Sendergehäuse (5) angeordnet sind und der Sensor (3, 10) in einem Empfängergehäuse (6) angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen Sendergehäuse (5) und Empfängergehäuse (6) variabel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Wegaufnehmer (27) zur Erfassung des Abstands zwischen Sendergehäuse (5) und Empfängergehäuse (6).
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den lichtemittierenden Elementen (1a, 2a) und den linearen Polarisationsfiltern (8, 9) jeweils ein Lichtwellenleiter (23, 24) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem linearen Polarisationsfilter (10) und dem Messempfänger (3) ein Lichtwellenleiter (25) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Lichtstrahlen der Lichtquellen (1, 2) vor und/oder nach dem Medium (26) eine Lochblende (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochblende (7) oder die Lochblenden (7) Teil des Sendergehäuses (5) bzw. des Empfängergehäuses (6) ist/sind.