DE102021132135A1

DE102021132135A1 - Verfahren zum ermitteln einer stoffkonzentration und detektoranorndung

Info

Publication number: DE102021132135A1
Application number: DE102021132135.2A
Authority: DE
Inventors: Klaus Flock; Alexander Prebeck
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-06-07
Also published as: WO2023104898A1

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Stoffkonzentration in einer Partikel enthaltenden Flüssigkeit, insbesondere von Glukose in Blut, wobei ein Brechungsindex der Flüssigkeit von einer Konzentration des darin gelösten Stoffes abhängig ist. Dabei wird ein Messlichtstrahl zumindest einer Wellenlänge auf eine die Flüssigkeit enthaltene Probe gesendet und ein durch Streuung an den in der Flüssigkeit enthaltenen Partikeln erzeugter erster Lichtanteil unter einem ersten Winkel erfasst. Dieser Lichtanteil korrespondiert insbesondere zu einer vorwärtsgerichteten Streuung des Lichtanteils. Ebenso wird ein an den in der Flüssigkeit enthaltenen Partikeln unter einem zweiten Winkel gestreuter zweiter Lichtanteil erfasst. Aus diesen erfassten Lichtanteilen wird eine Konzentration oder eines Anteils des Stoffes in der Flüssigkeit ermittelt, insbesondere durch Bilden eines Verhältnisses aus den erfassten ersten und dem zweiten Lichtanteilen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Stoffkonzentration in einer Partikel enthaltenden Flüssigkeit, insbesondere von Glukose in Blut, wobei ein Brechungsindex der Flüssigkeit von einer Konzentration des darin gelösten Stoffes abhängig ist.
HINTERGRUND
Der derzeitige Standard für die Blutzuckermessung verwendet oftmals eine invasive Technik, bei der eine kleine Menge Blut entnommen und eine anschließende elektrochemische Analyse mit einem Handgerät durchgeführt wird. Diese Methode eignet sich nicht für eine kontinuierliche Überwachung, da für jede Messung der Finger gestochen werden muss, um eine frische Blutprobe zu entnehmen. Eine in jüngerer Zeit entwickelte Technologie arbeitet mit einem Knopf, der auf der Haut sitzt und Zwischenzellflüssigkeit in Teilen des Fettgewebes der Unterhaut mit einem kleinen, nadelähnlichen Sensor miss. Dabei dringt jedoch die Nadel permanent in die Haut ein.
Neben diesen invasiven Methoden existieren auch nicht-invasive Methoden, welche unter anderem aus optischen IR Messungen oder auch Raman-Spektrokopie beruhen. Während in erstem Fall, eine geeignete Wahl des Emitters und des Detektors zu Schwierigkeiten führt, ist der Ansatz basierend auf Raman Spektroskopie wegen des sehr schlechten Signal-Rauschverhältnisses eine Herausforderung.
Insofern besteht das Bedürfnis nach einem Verfahren, welches einen Stoff in einer Flüssigkeit auf einfachere Weise und kontinuierlich ermitteln kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diesem Bedürfnis wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche Rechnung getragen. Weitere Ergänzungen und Ausgestaltungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine Winkelabhängigkeit zwischen einem gestreuten Lichtanteil und einer Konzentration des Stoffes in einer Flüssigkeit besteht. Letztere basiert wiederum auf einer Änderung eines Brechungsindex in Abhängigkeit der Konzentration des Stoffes in der Flüssigkeit. Das vorgeschlagene Verfahren nutzt diese Abhängigkeit aus, um eine relative Messung zwischen zwei Lichtanteilen zu erhalten, die an Partikeln in der Flüssigkeit gestreut wurden, wobei der Lichtanteil ein gestreuter Lichtanteil ist.
Zur Veranschaulichung der grundlegenden Eigenschaft ist es hilfreich, sich das Messlichtsignal als Welle anzusehen, die sich in Vorwärtsrichtung ausbreitet, wenn es keinen Indexkontrast zwischen der Flüssigkeit und darin befindlichen Objekten gibt. Die Objekte, an denen das Licht streuen kann, wären in dieser Umgebung, d.h. bei gleichen Brechungsindizes zwischen Flüssigkeit und Objekt vollkommen unsichtbar. Weichen die Brechungsindizes indes voneinander ab, so ergibt sich eine Wechselwirkung des Lichts mit der Materie zu beobachten, z. B., indem ein Teil des Lichts gestreut wird. Dese Wechselwirkung ist kompliziert und hängt neben den Brechungsindizes auch von der Form und der Größe der Partikel ab. Überraschenderweise ergibt sich aber eine Winkelabhängigkeit, d.h. das an einem Partikel in einer Flüssigkeit gestreute Licht ist nicht gleichmäßig verteilt, sondern besitzt eine Vorzugsrichtung. Die Winkelabhängigkeit ist wiederum zum Teil charakteristisch für die Brechungsindizes bzw. eine Veränderung davon und damit für eine Konzentration eines Stoffes in der Flüssigkeit.
Basierend auf dieser Erkenntnis haben die Erfinder ein Verfahren zur nicht-invasiven Verfolgung des Blutzuckerspiegels entwickelt, und zwar durch eine Auswertung des optischen Rücksignals, das sich im Wesentlichen in einer Vorwärtsrichtung relativ zu einer Referenzrichtung ausbreitet. In der Referenzrichtung wird der zweite Lichtanteil gemessen. Die Erfindung macht sich dabei auch den Umstand zu Nutze, dass die Verteilung des gestreuten Lichts unter anderem durch eine der Mie-Streuung ähnliche Streuung beeinflusst wird, da die in der Flüssigkeit enthaltenen Partikel in der gleichen Größenordnung wie eine Wellenlänge eines Messlichtstrahls liegen.
In einigen Aspekten wird ein Verfahren zum Ermitteln einer Konzentration eines Stoffes vorgeschlagen, welcher in einer Flüssigkeit vorliegt. Die Flüssigkeit umfasst neben diesem Stoff auch Partikel, an denen ein Lichtstrahl gestreut werden kann. Der Brechungsindex der Flüssigkeit oder auch die Differenz der Brechungsindices zwischen der Flüssigkeit mit dem darin gelösten Stoff und den Partikeln wird bestimmt, in dem in einem ersten Schritt ein Messlichtstrahls zumindest einer Wellenlänge auf eine die Flüssigkeit enthaltene Probe trifft und in bzw. an dieser gestreut wird. Sodann wird ein unter einem ersten Winkel, insbesondere unter einem in Vorwärtsrichtung zu dem Messlichtstrahl korrespondierenden erster Winkel gestreuter Lichtanteil erfasst. Das so erfasste gestreute Licht beruht zumindest teilweise bzw. je nach Messwinkel und Wellenlänge des Lichts auf einer winkelabhängigen Streuung, z.B. auf einer zur Mie-Streuung vergleichbaren Streuung. Streuanteile durch Rayleigh-Streuung sind hingegen aufgrund der Größe der Partikel eher von geringerer Bedeutung.
Ebenso wird ein zweiter Lichtanteil unter einem zweiten Winkel erfasst, der an oder in der Flüssigkeit gestreut wird. Aus den beiden erfassten gestreuten Lichtanteilen lässt sich eine Winkelabhängigkeit und damit eine Konzentration oder eines Anteils des Stoffes in der Flüssigkeit bestimmen. Insbesondere kann eine derartige Bestimmung durch Auswerten eines Verhältnisses aus den erfassten ersten und dem zweiten Lichtanteilen erfolgen.
Die Erfinder schlagen somit ein Verfahren vor, welches die Winkelabhängigkeit in der zur Mie-Streuung vergleichbaren Streuung bei verschiedenen Brechungsindizes zwischen Flüssigkeit und Partikeln in derselben bzw. Differenzen hiervon ausnutzt, wobei einer der Brechungsindices von der Konzentration des zu bestimmenden Stoffes abhängt. Die Probe wird dabei unter zwei verschiedenen Winkeln beleuchtet, bzw. ein gestreuter Lichtanteil unter zwei verschiedenen Winkeln erfasst. Je nach Anwendung können hiervon verschiedene Kombinationen gewählt werden, um ein gutes Signal/Rauschergebnis zu erhalten. Obwohl die zur Mie-Streuung vergleichbaren Streuung an sich nur eine leichte Wellenlängenabhängigkeit aufweist, ist eine Messung unter verschiedenen Wellenlängen möglich und je nach Anwendung auch sinnvoll, um so weitere Effekte in der Probe oder den Partikeln kompensieren zu können. Dies mag insbesondere dann sinnvoll erscheinen, wenn eine Oberfläche der Probe eine andere Charakteristik aufweist, und die Messung unterhalb der Probe stattfinden soll, so dass das Messlicht unter möglichst geringer Absorption oder anderer Effekte die Oberfläche durchdringen soll.
Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich insbesondere für eine Bestimmung einer Glukosekonzentration in Blut, da die Größe der roten Blutkörperchen im Bereich der Wellenlänge des Messlichts bewegt. Gleichzeitig können damit auch andere Parameter erfasst werden, so dass das Verfahren sowohl für die Bestimmung von Glukose allein als auch mit weiteren Verfahren kombiniert werden kann. Beispiele hierzu wären, Pulsmessung, Blutdruckmessung und ähnliches. Ebenso lassen sich andere Stoffe, wie z.B. Alkohol oder auch Lactat im Blut nachweisen.
Wie oben erwähnt, gibt es verschiedene Variationen, einerseits Licht unter verschiedenen Winkeln auf die Probe zu senden, und das gestreute Licht zu erfassen, wobei zumindest ein in Vorwärtsrichtung gestreutes Licht und wenigstens ein zweite in eine andere Richtung gestreutes Licht detektiert wird. Es sei an dieser Stelle erwähnt, das Licht generell in alle Raumrichtungen gestreut werden kann. Ist also von einem gestreuten Lichtstrahl die Rede, so wird darunter ein von einem Detektor erfasster Lichtanteil verstanden. Unter dem Begriff „in Vorwärtsrichtung“ wird somit in einigen Aspekten verstanden, dass ein Winkel zwischen dem Messlichtstrahl und dem durch Streuung an den in der Flüssigkeit enthaltenen Partikeln erzeugten und von einem Detektor erfassten ersten Lichtanteil mehr als 90° und insbesondere mehr als 120° beträgt.
Entsprechend wird in einigen Aspekten ein erster Lichtanteil in Vorwärtsrichtung erfasst, wobei dieser Lichtanteil durch eine zur Mie-Streuung vergleichbaren Streuung hervorgerufen wird. Mit anderen Worten fällt der Messlichtstrahl flach auf die Oberfläche der Probe, d.h. in einem Winkel kleiner also 40° und insbesondere kleiner als 30° (oder in einem entsprechend großen Winkel zur Normalen). Ein Detektor zum Messen des gestreuten Lichts wird so positioniert, dass er unter flachem Winkel in Vorwärtsrichtung gestreutes Licht empfängt.
In einem anderen Aspekt beträgt der oben angesprochene erste Winkel gegenüber einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe mehr als 45° und insbesondere mehr als 60. Des Weiteren oder auch alternative kann der zweite Winkel, d.h. der Winkel des zweiten Lichtanteils, auch als Referenzanteil bezeichnet, einen Winkel gegenüber einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe von weniger als 35° und insbesondere weniger als 20° aufweisen. In einer diesbezüglichen Alternative zweite Winkel bezüglich der Normalen zu der Oberfläche der Probe größer als 45° und auch größer als 60° sein, jedoch wird der zweite Lichtanteil dann durch rückgestreutes Licht gebildet, d.h. es wird rückgestreutes Licht mit einem Winkel von größer als 45° oder sogar größer als 60° erfasst.
Einige andere Aspekten beschäftigen sich mit dem Messlichtstrahl, also dem eingestrahlten Licht. In einigen Aspekten weist der Messlichtstrahl einen Einfallswinkel bezüglich einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe auf, der größer als 45° und insbesondere größer als 60° ist. Mit anderen Worten wird der Messlichtstrahl unter einem flachen Winkel auf die Probe gestrahlt. Während der erste Lichtanteil durch vorwärtsgestreutes Licht erfasst wird, kann ein Winkel zwischen dem Messlichtstrahl und dem detektierten gestreuten zweiten Lichtanteil weniger als 60° und insbesondere weniger als weniger als 30° betragen. Der zweite Lichtanteil enthält somit vor allem rückgestreutes Licht, welches von einem Detektor erfasst und der weiteren Auswertung zugeführt wird.
In einigen Aspekten wird zwischen einem Messlichtstrahl und einem Referenzlichtstrahl getrennt. Während der Messlichtstrahl zur Bildung und anschließender Detektion von vorwärtsgestreutem Licht verwendet wird, wird als zweiter Lichtanteil ein durch den Referenzlichtstrahl erzeugtes zurückgestreutes Licht detektiert. In diesen Fällen können entweder unterschiedlich positionierte Emitter verwendet werden, so dass deren erzeugten Lichtstrahlen unter verschiedenen Winkeln auf die Probe fallen, aber von einem einzelnen Detektor erfasst werden.
In einigen Aspekten umfasst somit der Schritt des Erfassens eines an den in der Flüssigkeit enthaltenen Partikeln gestreuten zweiten Lichtanteil ein Aussenden eines Referenzlichtstrahls zumindest einer Wellenlänge auf die Probe. Ein von der Probe gestreutes Licht wird unter einem zweiten Winkel als zweiter Lichtanteil erfasst. Der Referenzlichtstrahl kann dabei unter einem vierten Winkel bezüglich einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe eingestrahlt werden, der kleiner als 45° und insbesondere kleiner als 30° ist.
Referenzlichtstrahl und Messlichtstrahl können zu unterschiedlichen Zeiten ausgesendet werden. Damit wird vermieden, dass die beiden Lichtstrahlen sich gegenseitig beeinflussen. Alternativ können auch verschiedene Wellenlängen benutzt werden, sofern der Detektor zum Erfassen des ersten und/oder zweiten Lichtanteils wellenlängenspezifisch arbeitet.
In einer alternativen Ausgestaltung wird ein einzelner Emitter verwendet, dessen von der Probe gestreutes Licht unter verschiedenen Winkeln von mehreren Detektoren erfasst wird. In diesem Fall wird ein Messlichtstrahl erzeugt und in Vorwärtsrichtung gestreutes Licht als erster Lichtanteil detektiert. Ebenso wird ein unter einem anderen Winkel gestreuter Lichtanteil als zweiter Lichtanteil erfasst.
In einigen Aspekten weisen der Referenzlichtstrahl und der Messlichtstrahl die gleiche Wellenlänge auf. In diesem Zusammenhang ist es aber möglich das die beiden Messstrahlen mehrere unterschiedliche Wellenlängen umfassen, d.h. aus Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen zusammengesetzt sind. Entsprechend können die Messungen für den ersten und den zweiten Lichtanteil entweder mit gleichzeitig mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge erfolgen oder mit Licht gleicher Wellenlänge aber gegebenenfalls zu unterschiedlichen Zeiten. Ebenso ist es auch möglich, mehrere Messungen mit Messlichtstrahlen und/oder Referenzlichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge durchzuführen, um auf diese Weise Absorptions- oder andere Effekte in der Probe kompensieren zu können.
Ein weiterer Aspekt betrifft die Position des auftreffenden Lichtstrahls auf der Probenoberfläche. In einigen Aspekten ist vorgesehen, dass Messlichtstrahl und Referenzlichtstrahl auf den gleichen Ort der Probenoberfläche auftreffen. In einem anderen Aspekt kann der Auftreffpunkt des Messlichtstrahls von einem Ort beabstandet sein, von dem ausgehend rückgestreutes Licht detektiert wird. Dies ist von Vorteil, wenn Streulicht durch Reflexion an der Oberfläche nicht detektiert werden soll. Zudem ist es auf diese Weise möglich auch Streulicht zu empfangen, dass eine grö-ßere Strecke zurückgelegt hat, gegebenenfalls aus tieferen schichten kommt und so mit der zu untersuchenden Flüssigkeit und den Partikeln interagieren konnte.
Ein weiterer Gesichtspunkt betrifft eine Messanordnung oder einen Sensor zum Ermitteln einer Stoffkonzentration in einer Flüssigkeit, und insbesondere von Glukose in Zucker.
Ein derartiger Sensor umfasst ein Gehäuse mit einem Austrittsfenster sowie einem optionalen Eintrittsfenster. Austrittsfenster und Eintrittsfenster können dabei optisch voneinander getrennt sein, um das Übersprechen während einer Messung weiter zu reduzieren. Der optoelektronische Sensor weist wenigstens eine Emittereinheit auf, die unter dem Austrittsfenster angeordnet und ausgebildet ist, Licht unter wenigstens einem ersten Winkel aus dem Austrittsfenster auf die Probe abzugeben. Zudem ist eine Fotodetektoreinheit vorgesehen, die unter dem Eintrittsfenster angeordnet ist. Die Fotodetektoreinheit ist ausgebildet, ein von der Probe gestreutes und unter wenigstens einem ersten Winkel einfallendes Licht zu erfassen.
Erfindungsgemäß ist der Sensor ausgebildet, einen ersten Lichtanteil in Antwort auf ein erstes abgegebenes Licht und einen zweiten Lichtanteil in Antwort auf ein zweites abgegebenes Licht zu erfassen. Dabei unterscheidet sich ein Winkel zwischen dem ersten Lichtanteil und dem ersten abgegebenen Licht um mindestens 60° und insbesondere um mindestens 90° oder auch mindestens 110° von einem Winkel zwischen dem zweiten Lichtanteil und dem zweiten abgegebenen Licht.
Mit anderen Worten ist der Winkel zwischen dem ersten Lichtanteil und dem dazu korrespondierenden auf die Probe fallenden Licht deutlich größer als der Winkel zwischen dem zweiten Lichtanteil und dem dazu korrespondierenden auf die Probe fallenden Licht. In diesem Zusammenhang kann aber noch davon gesprochen werden, dass der Winkel zwischen dem ersten Lichtanteil und dem ersten abgegebenen Licht aus einem von dem ersten abgegebenen Licht vorwärtsgestreuten Lichtanteil besteht und der Winkel zwischen dem zweiten Lichterteilung dem zweiten abgegebenen Licht aus einem entsprechend rückwärtsgestreuten Licht.
In einem zusätzlichen Aspekt ist dann eine Auswerteeinheit vorgesehen, die mit der wenigstens einen Fotodetektoreinheit gekoppelt ist. Mittels der Auswerteeinheit lässt sich aus einem Verhältnis der erfassten ersten und zweiten Lichtanteile eine Stoffkonzentration in der Probe ermitteln.
Der vorgeschlagene optoelektronische Sensor macht sich die Streuung an Streupartikeln in einer Probe insbesondere in einer flüssigen Probe zu Nutze, und ist imstande, dass durch die Streuung erzeugte vorwärtsgestreute Licht sowie das rückwärtsgestreute Licht zu erfassen. Es hat sich herausgestellt, dass die Streuung stark winkelabhängig ist und einige Eigenschaften zeigt, die auch für die Mie-Streuung (weniger für Rayleigh-Streuung) charakteristisch ist, so dass im Folgenden diese Streuung und der Begriff Mie-Streuung synonym verwendet wird.
Die durch die Streuung hervorgerufene starke Winkelabhängigkeit erlaubt es, aus dieser auf den Brechungsindex und insbesondere auf eine Veränderung der Brechungsindices in der Probe rückschließen zu können. Zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführte Messungen erlauben es, somit eine Veränderung der Stoffkonzentration zu ermitteln, die wiederum eine Änderung des Brechungsindex hervorruft welche durch die Messung der Mie-Streuung ermittelbar ist. Die verschiedenen Lichtanteile lassen sich entweder durch unterschiedlich abgegebene Lichtstrahlen als auch aus einem gemeinsamen Lichtstrahl ermitteln, der auf die Probe einwirkt.
Entsprechend umfasst der optoelektronische Sensor in einer Ausgestaltung wenigstens einen Messemitter, der ausgeführt ist, Licht unter einem ersten vorbestimmten Winkel aus dem Austrittsfenster hinauf auf die Probe abzugeben. Optional kann nun ein Referenzemitter vorgesehen sein, der ausgeführt ist, Licht unter einem zweiten vorbestimmten Winkel aus dem Austrittsfenster auf die Probe abzugeben. Der zweite vorbestimmte Winkel ist dabei gegenüber einer normalen zur Probeoberfläche deutlich kleiner als der erste vorbestimmte Winkel. Mit anderen Worten dient der Messemitter dazu, Licht aus dem Austrittsfenster unter einem besonders flachen Winkel auf die Probe fallen zu lassen, während der Referenzemitter wiederum Licht aus einem möglichst steilen Winkel auf die Probe abgibt. Unter einem flachen Winkel wird in diesem Zusammenhang ein vorbestimmter Winkel gegenüber einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe verstanden, der größer ist als 45° und insbesondere größer ist als 55° bzw. 60° und insbesondere größer als 65° ist. Hingegen umfasst der zweite vorbestimmte Winkel einen Winkel gegenüber einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe, der kleiner als 35° und insbesondere kleiner als 20° bzw. kleiner als 15° ist.
In dieser Ausgestaltung werden somit durch den Sensor zwei Lichtstrahlen erzeugt, die unter unterschiedlichen Winkeln auf die Probe auftreffen.
In einem anderen Aspekt umfasst die Fotodetektoreinheit wiederum einen Detektor, der ausgeführt ist, eine von der Probe gestreutes und unter wenigstens einem ersten vorbestimmten Winkel einfallendes Licht zu erfassen. Auch auf dieser Seite kann zudem ein optionaler Referenzdetektor vorgesehen sein, der ausgeführt ist, ein von der Probe gestreutes unter wenigstens einem zweiten vorbestimmten Winkel einfallendes Licht zu erfassen. Der zweite vorbestimmte Winkel ist auch hier gegenüber einer Normalen zur Probenoberfläche nicht kleiner als der erste vorbestimmte Winkel. Entsprechend ist die Fotodetektoreinheit in einigen Aspekten somit ausgeführt, gestreutes Licht unter zwei verschiedenen Winkeln von der Probe zu erfassen. Dies entspricht wiederum einen vorwärtsgestreuten Lichtanteil bzw. einem rückwärtsgestreuten Lichtanteil einer Streuung der Probe die zumindest teilweise Anteile einer zur Mie-Streuung ähnlichen Streuung aufweist.
Der erste vorbestimmte Winkel ist auch hier größer als 45° und insbesondere größer als 55° bzw. 60° gegenüber einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe. Der zweite Winkel erzeugt einen rückgestreuten Lichtanteil, besitzt demgegenüber einen relativ kleinen Wert gegenüber einer normalen zu einer Programmoberfläche insbesondere kleiner als 35° bzw. kleiner als 20°.
Zur Verbesserung eines Signalrauschverhältnisses können zudem zusätzliche Maßnahmen vorgesehen sein. In einigen Aspekten umfasst der elektronische Sensor zu diesem Zweck eine optische Barriere, die in dem Gehäuse angeordnet ist und sich insbesondere von dem Austrittsfenster in Richtung Gehäuseboden erstreckt. Die optische Barriere ist dabei zwischen der Emittereinheit und der Fotodetektoreinheit angeordnet. In diesem Zusammenhang sind mehrere Fotodetektoreinheiten bzw. auch mehrere im Emittereinheiten möglich, die jeweils Licht unterschiedlicher Wellenlänge detektieren bzw. aussenden. Auf diese Weise lassen sich wellenlängenabhängige Absorptionseigenschaften der Probe kompensieren, sodass das Signalrauschverhältnis und damit auch die Signalqualität weiter verbessert wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft die Ausgestaltung mit einem optischen System, welches den einzelnen Emittern der Emittereinheit bzw. die den Fotodetektoren der Fotodetektoreinheit nach bzw. vorgeschaltet ist. Das optische System kann einerseits dazu dienen, das von der Emittereinheit abgegebene Licht umzulenken und auf einen bestimmten Fokuspunkt auf der Probenoberfläche abzubilden. Entsprechend ist das optische System der Fotodetektoreinheit derart ausgeführt, das Licht unter dem gewünschten Winkel zu sammeln und auf den Fotosensor der Detektoreinheit zu lenken.
In bestimmten Anwendungen ist es zweckmäßig, den von der Emittereinheit erzeugten Fokuspunkt auf der Probe beabstandet von einem Punkt zu setzen, von dem ausgehendes Licht unter dem wenigstens einen ersten Winkel durch die Fotodetektoreinheit erfassbar ist. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn direkt von der Probenoberfläche reflektiertes Streulicht möglichst nicht detektiert werden soll. Zu diesem Zweck können auch Blenden oder andere optische Barrieren vorgesehen sein. Vielmehr erlaubt ein derartiger Aufbau, dass das von der Emittereinheit abgegebene Licht in die Probe eindringt und in einer gewissen Tiefe erst durch Streuung in Richtung der Fotodetektoreinheit gestreut wird.
Insofern hat der in den Detektor gelangende Anteil eine größere Wegstrecke zurückgelegt oder stammt aus größerer Tiefe, so dass eine Interaktion mit der Flüssigkeit und den darin enthaltenen Partikeln stark erhöht ist. Daraus lässt sich eine Stoffkonzentration innerhalb einer gewissen Tiefe der Probe ermitteln.
Dieser Aspekt ist vor allem in Anwendungen sinnvoll, bei der eine Glukosekonzentration von Blut eines menschlichen Gewebes erfasst werden soll, da Blut sich in einer gewissen Tiefe unterhalb der Hautoberfläche befindet. Durch die Wahl des Abstandes zwischen den jeweiligen Fokuspunkten ist eventuell eine tiefenabhängige Messung der Stoffkonzentration innerhalb der Probe möglich. Es hat sich herausgestellt, dass sich gute Ergebnisse in bestimmten Anwendungen erreichen lassen, wenn der Abstand zwischen im Fokuspunkt und dem Punkt, von dem das ausgehende Licht durch die Fotodetektoreinheit erfassbar ist, im Bereich zwischen 1 mm bis 6 mm und insbesondere im Bereich zwischen 2 mm bis 4 mm liegt. Ebenso gibt es einen Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und dem Abstand. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Korrelation der Messergebnisse und der Stoffkonzentration erhöht, wenn der Abstand bei kürzeren Wellenlängen ebenfalls etwas kleiner ist als bei längeren Wellenlängen.
Figurenliste
Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

1 zeigt eine Draufsicht und eine Querschnittsdarstellung einer Ausführung eines optoelektronischen Sensors zur Durchführung des Verfahrens nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
2 zeigt in schematischer Weise den optoelektronischen Sensor sowie einen ersten Messchritt zur Durchführung des Verfahrens nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
3 zeigt in schematischer Weise den optoelektronischen Sensor sowie einen zweiten Messchritt zur Durchführung des Verfahrens nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
4 zeigt in schematischer Weise eine zweite Ausführung eines optoelektronischen Sensor, der zur Durchführung des Verfahrens nach dem vorgeschlagenen Prinzip geeignet ist;
5 stellt in schematischer Weise eine dritte Ausführung eines optoelektronischen Sensor dar, der zur Durchführung des Verfahrens nach dem vorgeschlagenen Prinzip geeignet ist;
6 und 7 zeigen jeweils ein Signal-Zeit-Diagramm zur Veranschaulichung eines zeitlichen Verlaufs der Blutzuckerkonzentration gemessen mit zwei unterschiedlichen Verfahren.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu. Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben. Es versteht sich von selbst, dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird.
Einige Aspekte weisen eine regelmäßige Struktur oder Form auf. Es ist zu beachten, dass in der Praxis geringfügige Abweichungen von der idealen Form auftreten können, ohne jedoch der erfinderischen Idee zu widersprechen.
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt, und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein. Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden. Begriffe wie „oben“, „oberhalb“, „unten“, „unterhalb“, „größer“, „kleiner“ und dergleichen werden jedoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt. So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten. Jedoch ist das vorgeschlagene Prinzip nicht hierauf beschränkt, sondern es können verschiedene optoelektronische Bauelemente, mit unterschiedlicher Größe und auch Funktionalität bei der Erfindung eingesetzt werden. In den Ausführungsformen sind wirkungsgleiche oder wirkungsähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen ausgeführt.
1 zeigt in der linken Darstellung eine Detektoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip, wie sie für die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeignet ist. in der rechten Darstellung ist ein Schnitt durch die zwei Seiten der Detektoranordnung gezeigt. Die Detektoranordnung umfasst ein Gehäuse 2, welches in zwei Bereiche durch eine optische Barriere 4 getrennt ist. Die optische Barriere 4 reicht von dem Boden des Gehäuses 2 bis an eine Oberseite, die ein Austrittsfenster 72 und eine davon leicht beanstandet des Eintrittsfenster 71 aufweist. Die entsprechenden Eintritts- bzw. Austrittsfenster sind voneinander beanstandet und durch die optische Barriere 4 getrennt. Die optische Barriere 4 verhindert ein Übersprechen von durch die Mitte abgestrahltes Licht auf die Detektoren während einer Messung und verbessert auf diese Weise das Signalrauschverhältnis.
Der Emitterbereich umfasst einen ersten Messemitter ME sowie einen zweiten Referenzemitter RE, der von dem Messemitter wie dargestellt beabstandet ist. Jedem der beiden Emitter ist eine Auskoppel und Fokussierungsoptik O1 bzw. O1' zugeordnet, die ebenfalls an unterschiedlichen Positionen des Gehäuses angeordnet sind. Die Detektorseite des Gehäuses 2 umfasst seinerseits einen Messdetektor MD sowie einen Referenzdetektor RD dem ebenso vorgeschaltete Optiken 02 zugeordnet sind.
In einem Betrieb der Anordnung erzeugt der Messemitter ME einen Messlichtstrahl MLS den er entlang einer optischen Strecke in Richtung auf die Umlenkoptik O1 abgibt. Dieser lenkt den Messelichtstrahl MLS unter einem relativ flachen Winkel aus dem Austrittsfenster 72. Unter dem Begriff „flacher Winkel“ wird in diesem Fall der Winkel zwischen dem Messelichtstrahl MLS und der Oberseite des Austrittsfensters 72 verstanden. Der Referenzemitter RE gibt seinerseits ein Referenzlichtstrahl RLS ab, der von einer Umlenkoptik O1' aus dem Austrittsfenster unter einer am relativ steilen Winkel, hier unter einem rechten Winkel abgegeben wird. Ein gemeinsamer Fokuspunkt SE für den Messelichtstrahl MLS sowie den Referenzlichtstrahl RLS ist so gewählt, dass dieser etwas oberhalb des Austrittsfensters 72 liegt und damit sich innerhalb einer Probe befindet, die direkt auf das Austrittsfenster aufgelegt wird.
Auf der Detektorseite ist ein Messdetektor MD und ein Referenzdetektor RD vorgesehen. Die beiden Detektoren MD und RD sind ebenfalls voneinander beabstandet. Den Detektoren vorgeschaltet befindet sich jeweils eine Optik 02, die das unter verschiedenen Winkeln eintretende Licht sammelt und auf den entsprechenden Detektor leitet. Hierzu umfasst das Gehäuse zwei Eintrittsfenster 71, welches so ausgestaltet sind, dass ein einfallender Lichtstrahl von der Optik 02 auf den Detektor geleitet wird. Ähnlich wie auf der Emitterseite ist auch hier vorgesehen, dass der auf den Messdetektor einfallende Lichtstrahl MGL unter einem anderen Winkel in das Eintrittsfenster einfällt als ein entsprechender Referenzlichtstrahl RGL auf den Detektor RD. Im Besonderen fällt der Messlichtstrahl MGL unter einem relativ flachen Winkel, insbesondere unter einem Winkel ähnlich wie der Winkel des Messlichtstrahls MLS auf den Detektor MD. Der Referenzlichtstrahl RGL hingegen fällt im Wesentlichen senkrecht auf das Eintrittsfenster 71 und gelangt so in den Detektor RD.
Auch hier befindet sich ein Fokuspunkt etwas oberhalb des Eintrittsfensters 71 innerhalb einer auf dem Eintrittsfenster aufgebrachten Probe. Die Probe überdeckt somit sowohl das Austrittsfenster 72 als auch das Eintrittsfenster 71, die beiden Fokuspunkte SE und SG sind diesem Ausführungsbeispiel voneinander beabstandet.
In einem Betrieb dieser Anordnung mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Messelichtstrahl MLS unter einem flachen Winkel auf den auf Treffpunkt SE auf die Probe oberhalb des Austrittsfensters 72 geleitet und interagiert dort mit Partikeln innerhalb der Probe. Der Messelichtstrahl wird in der Probe von diesen Partikeln nach vorne und nach rückwärts gestreut. Ein Teil dieses nach vorne gestreuten Lichts fällt über den Fokuspunkt SD auf den Messdetektor MD und wird dort in seiner Stärke erfasst. In gleicher Weise wird ein Referenzlichtstrahl auf die Probe gegeben und integriert dort mit den Partikeln der Probe. Diese Interaktion führt neben einer Vorwärtsstreuung auch zu einem rückwärtsgestreuten Lichtanteil, der ausgehend von dem Fokuspunkt in dem Referenzdetektor RD als rückwärts gestreuter Lichtanteil RTL erfasst wird. Durch die Streuung hier insbesondere eine zur Mie-Streuung ähnlichen Streuung an Partikeln in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts ergibt sich eine starke Winkelabhängigkeit zwischen dem vorwärtsgestreuten Licht und dem rückwärtsgestreuten Lichtanteil. Diese wird erfasst und in ein Verhältnis zueinander gesetzt. Wegen der Abhängigkeit des Brechungsindex von einer Stoffkonzentration in der Probe kann aus zeitlich unterschiedlichen Messungen, auf eine Änderung der Konzentration geschlossen werden.
Die 2 und 3 zeigen die Detektoranordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip sowie das vorgesehene nicht intensive Messverfahren zur Ermittlung einer Glukosekonzentration in einem biologischen, insbesondere einem menschlichen Gewebe. Dabei wird die in der 1 gezeigte Detektoranordnung 1A auf die Hautoberfläche einer zu diagnostizieren Person aufgesetzt. Die wesentlichen Bestandteile der Detektoranordnung sind hier nochmals beispielhaft aufgeführt. Die Hautoberfläche ist mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichnet und ist beispielsweise ein Teil des Fingers oder eine andere Hautpartie. Die Detektoranordnung umfasst hierzu einen Rahmen 3 mit einem Fenster 7, der möglichst lichtdicht auf die Hautoberfläche aufgesetzt und leicht an dieser angedrückt wird. Durch den Abschluss mit der Haut wird verhindert (oder zumindest reduziert), dass Streulicht während des Messvorgangs in den Messdetektor gelangt und somit zu einem schlechteren Signalrauschverhältnis führt.
Der Detektor 1A umfasst wie bereits oben erläutert einen Messemitter ME, sowie einen Referenzemitter RE. Vor dem Messemitter ME und dem Referenzemitter RE sind jeweils Optiken O1 angeordnet, die eine Blende und eine nachgeschaltete Fokussierungsoptik aufweisen. Die Optiken O1 sind so ausgeführt, dass sie einen im wesentlichen gemeinsamen Fokuspunkt auf der Hautoberfläche 6 projizieren, und zwar in einem von dem Messemitter und dem Referenzemitter RE ausleuchtbaren Bereich SE. Ein gemeinsamer Fokuspunkt ist nicht grundsätzlich erforderlich, ist aber zweckmäßig, um Messunterschiede aufgrund von Unregelmäßigkeiten bei verschiedenen Messorten zu vermeiden.
Auf der Empfängerseite befindet sich eine Messdetektor MD sowie ein Referenzdetektor RD. Auch diesen beiden Detektoren ist jeweils eine zweite Optik 02 vorgeschaltet, die ihrerseits eine Blende und eine oder mehrere Fokussierungslinsen umfasst. Die Anordnung der beiden Detektoren MD und RD und der vorgeschalteten Optiken 02 ist dergestalt, dass ihr jeweiliger Detektionspunkt auf der Oberfläche der Haut 6 im Bereich SD liegt. Licht, welches aus diesem Bereich abgestrahlt wird, trifft je nach Winkel somit auf den Detektor MD oder den Detektor RD. Die Bereiche SE und SD sind dabei räumlich voneinander beabstandet, wobei der Abstand im Bereich weniger Millimeter liegt. Zudem ist zwischen der Emitterseite und der Detektorseite innerhalb der Detektoranordnung eine optische Barriere 4 vorgesehen, die von dem Fenster 7 aus in die Detektoranordnung 1A reicht und ein Übersprechen von Licht aus dem Messemitter bzw. dem Referenzemitter auf die jeweiligen Detektoren verhindern soll.
Die Anordnung auf der Emitterseite mit dem Messemitter ME und dem Referenzemitter RE ist so ausgeführt, dass ein von dem Messemitter erzeugter Messlichtstrahl unter dem Winkel α auf den Messbereich SE auf der Hautoberfläche 6 fällt. Der Winkel α ist klein und liegt im vorgeschlagenen Beispiel im Bereich von etwa 30°, und zwar bezogen auf die Hautoberfläche bzw. die Oberfläche des auf der Haut platzierten Fensters 7. Demzufolge ist der Winkel bezüglich einer Normalen auf die Hautoberfläche in dem Bereich SE um die 60°. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass ein Winkel bezogen auf die Hautoberfläche gleichbedeutend ist zu 90° weniger diesem Winkel, sofern dies dann auf die Normale zur Hautoberfläche bezogen ist. Ferner wird für die folgenden Beispiele davon ausgegangen, dass das Austrittsfenster parallel zur Hauptoberfläche der Probe verläuft. Licht, welches unter einem bestimmten Winkel aus dem Austrittsfenster heraustritt, fällt dann auch unter diesem Winkel auf die Hautoberfläche.
Hingegen strahlt der Referenzemitter RE ein Referenzlichtstrahl ab, welches unter einem relativ steilen Winkel über 80° und in etwa bei 90° (bezogen auf die Hautoberfläche) auf den Bereich SE fällt. Mit anderen Worten ist der Referenzemitter so positioniert, dass das von ihm erzeugte Licht im Wesentlichen senkrecht auf den zu leuchtenden Bereich SE gelangt. Durch diese Anordnung wird zudem auch gewährleistet, dass sich virtuell die beiden Linien durch den Messemitter und den Messdetektor in einem Punkt unterhalb der Haut oder in einer bestimmten Tiefe der Probe treffen.
In ähnlicher Weise sind auch die Detektoren MD und RD positioniert. Der Messdetektor MD ist so angeordnet, dass gestreutes Licht von dem Bereich SD unter einem flachen Winkel α' in den Messdetektor MD gelangt. Dem gegenüber erfasst der Referenzdetektor RD hauptsächlich Licht, welches im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Haut und zur Oberfläche des Fensters 7 zurückgestreut wird. In einer besonderen Ausführung sind die Emitter und Detektoren symmetrisch um eine Achse durch die optische Barriere angeordnet, die wiederum entlang einer Normalen zur Fenster- bzw. Hautoberfläche liegen. Das bedeutet, dass der Messemitter und der Messdetektor jeweils den gleichen Winkel zur Normalen aufweisen, ebenso wie der Referenzemitter und der Referenzdetektor. Der Messdetektor empfängt somit während der Messung vor allem ein nach vorne gestreutes Licht, während der Referenzdetektor vor allem das rückwärtsgestreute Licht detektiert. Eine derartige symmetrische Anordnung hat den Vorteil, dass eine spätere Auswirkung und gegebenenfalls auch eine Kalibrierung vereinfacht wird.
Da die Lichtstrahlen in die Probe eindringen und der zu messende Stoff eventuell innerhalb der Probe und nicht an der Oberfläche liegt, erschient eine derartige Vorgehensweise zweckmäßig. In der Tat wurde für Glukosemessungen bei Körperpartien festgestellt, dass ein gewisser Abstand zwischen den Bereichen SE und SD das Messergebnis verbessert. Erklärt werden kann dieser Effekt zum einen mit dem Umstand, dass an der Oberfläche reflektierte Lichtbestandteile wirksam ausgeblendet werden, so dass sich das Signal/Rauschverhältnis verbessert. Zum anderen verläuft das Blut, für die die Glukosekonzentration bestimmt werden soll in einer gewissen Tiefe unter der Hautoberfläche.
Durch den flachen Winkel und den Abstand dringt das Messlicht bis in diesen Bereich vor, interagiert dort mit dem Blut in der hier beschriebenen Weise. Das in die Detektoren fallende Licht hat somit einen längeren Weg zurückgelegt und die Wahrscheinlichkeit der Interaktion mit Blut ist stark erhöht. Die Position des Messdetektors ist wiederum so eingestellt, dass das vorwärtsgestreute Licht in der Optik O2 gebündelt und dem Detektor zugeführt wird. Der Detektor ermittelt auf diese Weise das vorwärtsgestreute Licht aus der korrekten Tiefe, d.h. nachdem es mit Blut interagiert hat.
In einem Betrieb der vorgeschlagenen Anordnung wird nun beispielhaft als erstes eine Referenzmessung dargestellt in 2 durchgeführt, gefolgt von einer anschließenden Messung mit dem Messlichtstrahl in 3. Der Referenzlichtstrahl und der Messlichtstrahl besitzen dabei die gleiche Wellenlänge, um einen wellenlängenabhängigen Einfluss auf die Messung zu vermeiden. Für die Erzeugung des Referenzsignals, d. h. des zweiten Lichtanteils wird der Referenzemitter aktiviert und erzeugt einen Referenzlichtstrahl in dem Auftreffbereich SE. Diese reagiert mit den verschiedenen Partikeln und Materiebestandteilen in der Probe bzw. in der Haut und erzeugt unter anderem ein rückwärts gestreutes Licht im Bereich SD, welches von der Optik O2 gesammelt wird und in den Referenzdetektor RD einfällt.
Es hat sich dabei gezeigt, dass es für eine Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses von Vorteil ist, neben der oben angesprochenen Trennung auch die optische Barriere 4 zwischen der Emitterseite und der Detektorseite vorzusehen. Das so gemessene Signal entspricht einem rückwärtsgestreuten Lichtanteil in der zu vermessenen Probe im Bereich 5.
In einem nachfolgenden Schritt wird nun ein Messlichtstrahl mit dem Messemitter ME erzeugt und als Messlichtstrahl auf den Bereich SE der zu vermessenden Probe 5 der Haut 6 gelenkt. Auch hier erfolgt eine Interaktion mit verschiedenen Bestandteilen im Bereich 5, sodass ein Teil des einfallenden Lichtes im Bereich SD zurück gestreut wird und von der Sammeloptik O2 auf den Messdetektor MD gelenkt wird. Durch die Anordnung des Messemitters unter einem flachen Winkel bezogen auf die Oberfläche des Fensters 7, und damit einem steilen Winkel bezüglich der Normalen und einem entsprechend flachen Winkel des Messdetektors MD wird somit vor allem vorwärts gestreutes Licht des Messlichtstrahls empfangen.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, ist somit der Winkel zwischen dem Messlichtstrahl und dem vorwärtsgestreuten Licht deutlich größer als der Winkel zwischen dem Referenzlichtstrahl vom Emitter RD und dem rückgestreuten Licht. Wegen der starken Winkelabhängigkeit der Streuung sollte also ein deutlicher Unterschied messbar sein. Da die Winkelabhängigkeit zudem von einer Änderung des Brechungsindex abhängig ist, lässt sich aus der Differenz der Verhältnisse zu unterschiedlichen Messzeiten Rückschlüsse auf Veränderungen in der Probe schließen bzw. eine Kalibrierung durchführen.
Das vorwärtsgestreute Licht korrespondiert zu dem ersten Lichtanteil und beruht im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen auf einer zur Mie-Streuung vergleichbaren Streuung des Messlichtstrahl an roten Blutkörperchen innerhalb des glukosehaltigen Blutplasmas. Auch hier hat sich gezeigt, dass die beiden Messbereiche SE und SD voneinander beabstandet sein sollten. Zum einen hat dies den Vorteil der bereits erwähnten Reduzierung eines optischen Übersprechens; zum anderen erlaubt die Trennung auch aus tiefer liegenden Schichten der Haut und insbesondere innerhalb des Blutplasmas ein ausreichend starkes Lichtsignal durch die Vorwärtsstreuung zu erhalten. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Messlichtstrahl, der unter dem Winkel α auf die Hautoberfläche trifft, diese durchdringt und bis in die Blutbahn gelangt, sowie anschließend in dem Blutplasma und den darin vorhandenen Blutkörperchen gestreut wird.
Aus dem Abstand zwischen den Bereichen SE und SD folgt somit auch eine gewisse Tiefe unterhalb der Hautoberfläche, in der die Interaktion und die Streuung stattfindet. Durch eine entsprechende Wahl des Abstandes zwischen den beiden Bereichen SE und SD auf der Hautoberfläche kann somit eine Streuung vor allem im Bereich von Blutplasma unterhalb der Haut erzeugt und das vorwärtsgestreute Licht von dem Detektor MD erfasst werden. Daneben hat sich auch gezeigt, dass die Wellenlänge einen gewissen Einfluss hat, den dort ist zur Erzeugung guter Ergebnisse mit hoher Korrelation zu korrekten Werten ein etwas geringerer Abstand zweckmäßig.
Die beiden erfassten Signale (erster und zweiter Lichtanteil, d.h. vorwärtsgestreutes Messsignal und rückgestreutes Referenzsignal) lassen sich zueinander ins Verhältnis setzen, wobei das daraus resultierende Verhältnis eine Abhängigkeit des Brechungsindex des Blutplasmas beinhaltet. Dabei wird angenommen, dass der Brechungsindex der roten Blutkörperchen unabhängig von einer Veränderung der Konzentration der Glukose innerhalb des Blutplasmas ist und Wesentlichen konstant bleibt. Daraus ergibt sich, dass das Verhältnis und insbesondere die Differenz des Verhältnisses zwischen zwei zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführten Messungen Aufschluss über die Konzentrationsänderung eines den Brechungsindex des blutplasmaverändernden Stoffes gibt.
Als Anwendungsbeispiel dient eine Veränderung der Glukosekonzentration im Blut. Die 6 und 7 zeigen diesbezüglich einen Vergleich zwischen dem optischen Scan, der mit einem Sensor der vorgeschlagenen Art durchgeführt wurde, gegenüber einer invasiven Methode zur Blutzuckermessung als Vergleichswert. Dargestellt in der 6 ist auf der x-Achse die jeweilige Zeit in Stunden, und auf der Achse eine optische Streuung in Form eines Verhältnisses Signal/Referenz bzw. einer dazu korrespondierenden Glukosekonzentration in Milligramm/Deziliter. Die Messung wurde bei einem grünen Mess- und Referenzlichtstrahl durchgeführt, wobei der Abstand zwischen den Bereichen SD und MD in etwa 2 mm betrug.
Wie aus der Kurve der Blutzuckermessung zu entnehmen, steigt die Glukosekonzentration während der Zunahme von Nahrung um etwa 12:30 Uhr bis 12:40 Uhr steil an, um anschließend leicht unter einigen Schwankungen wieder abzufallen. Der optische Scan zeigt einen sehr ähnlichen Verlauf, der auf eine Korrelation zwischen einer Änderung des Brechungsindex im Blutplasma während dieses Zeitraumes schließen lässt. Durch Vergleich mit der Blutzuckermessung lässt sich der optische Scan auf einfache Weise kalibrieren.
Der Unterschied und die Schwankungen zwischen der invasiven Blutzuckermessung und dem optischen Scannen nach dem vorgeschlagenen Prinzip lässt sich durch die Farbe des eingestreuten Lichts (in diesem Fall mit einer Wellenlänge im grünen Bereich erklären), der Form und Oberflächenbeschaffenheit des Fingers und weiterer Parameter erklären. Darüber hinaus wurde diese Messung bei einem geringen Abstand von nur 2 mm zwischen dem Bereich des eingestreuten Lichts SE und dem Bereich des Rück gestreuten bzw. vorwärtsgestreuten Lichts SD durchgeführt, wobei die verwendete Wellenlänge hier eine gute Korrelation zeigt.
7 zeigt eine zweite Messung bei einer anderen Wellenlänge (nahen Infrarot Bereich) und darüber hinaus einem größeren Abstand zwischen den Bereichen SE und SD auf der Oberfläche der Haut von etwa 4mm. Hier ist eine noch deutlich größere Übereinstimmung des zeitlichen Verlaufs zwischen dem optischen Scan auf der einen Seite und der invasiven Blutzuckermessung auf der anderen Seite zu erkennen. Die invasive Blutzuckermessung gegeben durch den Glukosewert in Milligramm pro Deziliter ist dabei zwischen den 6 und 7 gleich, lediglich die Stärke der optischen Streuung, d. h. das Verhältnis von Mess- zu Referenzsignal ist bei den beiden durchgeführten Messungen aufgrund der unterschiedlichen Wellenlänge des unterschiedlichen Abstandes verschieden. Die jedoch hohe Korrelation zwischen dem optischen Scannen und der invasiven Blutzuckermessung spricht für eine gute Übereinstimmung und eine deutliche messbare Abhängigkeit.
Die 4 und 5 zeigen alternative Ausgestaltungsformen eines Detektors, der zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeignet ist. Die Anordnungen erlauben nach dem grundlegenden Prinzip, unter verschiedenen Winkeln gestreute Lichtanteile auszuwerten und ineinander ins Verhältnis zu setzen. 5 umfasst eine Anordnung 1b, die lediglich einen Messemitter ME dafür jedoch zwei Detektoren RD und MD umfasst. Der Messemitter ME ist ähnlich der Ausführungsform der 3 so angeordnet, dass das von ihm abgegebene Licht auf den Bereich der Probe im Bereich SE unter einem flachen Winkel α zur Oberfläche des Fensters 7 des Detektors fällt. Mit anderen Worten trifft der von dem Emitter ME abgegebene Lichtstrahl unter einem großen Winkel bezüglich der Normalen auf die Oberfläche der Probe.
Auf der Detektorseite ist der Referenzdetektor RD so positioniert, dass er das im Wesentlichen zur Probe senkrecht gestreute und abgegebene Licht empfängt. Demgegenüber ist der Messdetektor MD so positioniert, dass er lediglich vorwärts gestreutes Licht, d. h. Licht unter einem flachen Winkel α, bezogen auf die Oberfläche des Fensters 7 detektiert. Ähnlich wie in der vorangegangenen Ausführungsformen ist der Detektor RD somit zur Detektion von rückgestreutem Licht und der Messdetektor MD zur Detektion von vorwärtsgestreutem Licht, insbesondere verursacht durch eine zur Mie-Streuung vergleichbaren oder ähnlichen Streuung, ausgeführt.
In einem Betrieb der Detektoranordnung 1b wird von dem Emitter ME ein Lichtstrahl erzeugt und auf den Bereich SE der Probe gelenkt. Der Lichtstrahl kann dabei sowohl als Mess- Als auch als Referenzlichtstrahl dienen. Das eingestrahlte Licht interagiert mit der Probe und führt im Bereich SD zu einem vorwärts gestreuten Lichtanteil sowie einem zweiten und einem anderen Winkel rückgestreute Lichtanteil. Der zweite Lichtanteil wird daher auch als rückwärts gestreutes Licht bezeichnet und gelangt über die Sammeloptik O2 in den Referenzdetektor RD. Über eine zweite Sammeloptik vor dem Messdetektor MD wird das vorwärtsgestreute Licht gesammelt und detektiert.
In diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, einen einzelnen Lichtstrahl zu erzeugen und mit der Probe interagieren zu lassen.
Es kann sowohl eine Detektion von rückwärts gestreutem Licht mittels des Referenzdetektor RD als auch vorwärts gestreutes Licht mit dem Messdetektor MD gleichzeitig empfangen werden. Alternativ ist es möglich, den Lichtstrahl als gepulsten Lichtstrahl auszusenden, umso in zwei unterschiedlichen Messungen einmal den rückwärtsgestreuten Lichtanteil mit dem Detektor RD und einmal den vorwärtsgestreuten Lichtanteil mit Detektor MD zu empfangen.
6 zeigt eine alternative Ausgestaltungsform, die sich zunutze macht, dass es im Wesentlichen auf die Winkeldifferenz zwischen dem einfallenden Licht und dem in der Probe gestreuten Lichtanteil ankommt. Daher besteht auch die Möglichkeit, auf einen der beiden Detektoren zu verzichten, aber dafür unterschiedlich positionierte Emitter bereitzustellen. Somit erfolgt eine Detektion des ersten Lichtanteils (Messsignal) und des zweiten Lichtanteils (Referenzsignal) mit dem gleichen Detektor. Ferner umfasst eine Anordnung 1b zwei verschiedene Emitter MD und RD zur Erzeugung eines Messlichtstrahls und eines Referenzlichtstrahls. Die beiden Emitter sind so positioniert, dass sie das von ihnen abgegebene Licht unter unterschiedlichen Winkeln α bzw. β auf den Bereich SE lenken. Im Einzelnen fällt das Licht vom Messemitter unter einem flachen Winkel α auf den Bereich SE (wieder bezogen auf die horizontale Fläche des Fensters 7, während der zweite Lichtstrahl vom Referenzemitter im Wesentlichen senkrecht, d. h. unter einem sehr steilen Winkel auf den Bereich SE fällt.
Der Messdetektor MD ist hingegen unter einem Winkel a' angeordnet, sodass er das von dem Bereich SD gestreute Licht unter diesem Winkel empfängt. Aus dieser Anordnung ergibt sich nun, dass ein Referenzlichtsignal, welches auf den Bereich SE fällt und ein rückgestreutes Licht im Bereich SD erzeugt, stets einen anderen gesamten Winkel aufweist als der Messlichtstrahl, der unter dem flacheren Winkel α auf den Bereich SE fällt. Im Beispiel ist der Winkel zwischen Messlichtstrahl und gestreutem Licht auf den Detektor MD größer als der Winkel von Referenzlichtstrahl und gestreutem Licht.
Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren wird ausgenutzt, dass sich die Winkelabhängigkeit auf verschiedene Weisen äußert. Zum einen kann sich diese durch die Position des Referenz- bzw. Messdetektors und der beiden Emitter direkt ergeben. Im Ausführungsbeispiel der 6 die Winkelabhängigkeit maßgeblich durch den Winkel zwischen dem einfallenden Licht und dem zurückgestreuten Licht bestimmt. Im Fall des Referenzlichtstrahls, d. h. des von dem Emitter RE abgegebenen Lichtstrahl ist der Winkel zwischen Emitter und dem detektierten Licht deutlich kleiner als bei einer Detektion von vorwärtsgerichtet gestreutem Licht, welches durch den Messlichtstrahl von Messemitter ME erzeugt wird. Entsprechend ergibt es sich auch hier eine Winkelabhängigkeit, dessen Verhältnis sich Abhängigkeit einer Glukosekonzentration innerhalb der Probe 5 verändert.
Diese Gesetzmäßigkeit ergibt sich in gleicher Weise auch aus den anderen Beispielen. In allen ist der Winkel zwischen dem auf die Probe gerichtetem Referenzlicht und dem davon rückgestreuten und detektierten Licht kleiner als der Winkel zwischen dem auf die Probe gerichtetem Messlichtstrahl und dem detektierten vorwärtsgestreutem Licht. Dies ist notwendig, da sich das vorwärtsgestreute Licht und das rückgestreute Licht aus einer zur Mie-Streuung ähnlichen Streuung ergibt. Die Bildung eines Verhältnisses ist robust gegenüber Hautänderungen oder andere die Messung verändernde Parameter und erlaubt den Rückschluss auf die Glukosekonzentration.
Darüber hinaus erlaubt das Verfahren auch Rückschlüsse auf andere Gesundheitsrelevanten Parameter. Da die Streuung innerhalb eines bestimmten Gewebevolumens von der Konzentration der streuenden Objekte abhängt, erlaubt das vorgeschlagenen Verfahren auch die Menge des Wassers im Verhältnis zur Menge der roten Blutkörperchen zu bestimmen. Dies erlaubt Hinweise auf eine mögliche Hydration oder Dehydration zu erhalten.
Bezugszeichenliste

1a: Detektorvorrichtung
3: Rahmen
4: optische Barriere
5: Bereich der Interaktion
6: Probenbereich
7: Fenster
ME: Messemitter
RE: Referenzemitter
RD: Referenzdetektor
MD: Messdetektor
O1: Emitteroptik
O2: Detektoroptik

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer Stoffkonzentration in einer Partikel enthaltenden Flüssigkeit, insbesondere von Glukose in Blut, wobei ein Brechungsindex der Flüssigkeit von einer Konzentration des darin gelösten Stoffes abhängig ist, umfassend die Schritte: - Aussenden eines Messlichtstrahls zumindest einer Wellenlänge auf eine die Flüssigkeit enthaltene Probe; - Erfassen eines durch Streuung an den in der Flüssigkeit enthaltenen Partikeln unter einem ersten Winkel gestreuten ersten Lichtanteils, der insbesondere zu einer vorwärtsgerichteten Streuung des Lichtanteils korrespondiert; - Erfassen eines an den in der Flüssigkeit enthaltenen Partikeln unter einem zweiten Winkel gestreuten zweiten Lichtanteils; - Ermitteln einer Konzentration oder eines Anteils des Stoffes in der Flüssigkeit aus den erfassten ersten und dem zweiten Lichtanteilen, insbesondere durch Bilden eines Verhältnisses aus den erfassten ersten und dem zweiten Lichtanteilen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Winkel zwischen dem ersten Lichtanteil und dem Messlichtstrahl um mindesten 60° und insbesondere mindestens 90° größer ist als ein Winkel zwischen dem zweiten Lichtanteil und einem diesen Lichtanteil an der Probe erzeugender Lichtstrahl.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Winkel gegenüber einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe größer als 45° und insbesondere größer als 55° ist; und/oder bei dem der zweite Winkel gegenüber einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe kleiner als 35° und insbesondere kleiner als 20° ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Messlichtstrahl unter einem dritten Winkel bezüglich einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe eingestrahlt wird, der größer als 45° und insbesondere größer als 60° ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Winkel zwischen dem Messlichtstrahl und dem durch Streuung an den in der Flüssigkeit enthaltenen Partikeln erzeugten ersten Lichtanteil mehr als 90° und insbesondere mehr als 120° beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Winkel zwischen dem Messlichtstrahl und dem gestreuten zweiten Lichtanteils weniger als 60° und insbesondere weniger als 30° beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Aussendens eines Messlichtstrahls ein Aussenden eines Messlichtstrahls einer ersten Wellenlänge und Aussenden eines Messlichtstrahls einer zweiten Wellenlänge umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt des Erfassens eines an den in der Flüssigkeit enthaltenen Partikeln gestreuten zweiten Lichtanteil umfasst: - Aussenden eines Referenzlichtstrahls zumindest einer Wellenlänge auf die Probe; - Erfassen eines von dem Referenzlichtstrahl gestreuten Lichts als zweiten Lichtanteil unter dem zweiten Winkel;
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Referenzlichtstrahl unter einem vierten Winkel bezüglich einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe eingestrahlt wird, der kleiner als 45° und insbesondere kleiner als 30° ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, bei dem der Messlichtstrahl und der Referenzlichtstrahl zu unterschiedlichen Zeiten ausgesendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem Referenzlichtstrahl und der Messlichtstrahl die gleichen Wellenlängen oder unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Auftreffort des Messlichtstrahls auf die Probe von einem Ort beabstandet ist, von dem ausgehend der erste und/oder zweite Lichtstrahl erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Abstand im Bereich von 1 mm bis 8 mm und insbesondere zwischen 2 mm und 4 mm liegt.
Optoelektronischer Sensor zum Detektieren einer Stoffkonzentration in einer Probe, umfassend: - ein Gehäuse mit einem Austrittsfenster und einem optionalen Eintrittsfenster, - wenigstens eine Emittereinheit (ME, RE), die unter dem Austrittsfenster angeordnet und ausgebildet ist, Licht unter wenigstens einem ersten Winkel aus dem Austrittsfenster auf die Probe abzugeben; - wenigstens eine Fotodetektoreinheit (MD, RD), die unter dem Eintrittsfenster angeordnet und ausgebildet ist, ein von der Probe gestreutes und unter wenigstens einem ersten Winkel einfallendes Licht zu erfassen; wobei der Sensor ausgebildet ist, einen ersten Lichtanteil in Antwort auf ein erstes abgegebenes Licht und einen zweiten Lichtanteil in Antwort auf ein zweites abgegebenes Licht zu erfassen; wobei ein Winkel zwischen dem ersten Lichtanteil und dem ersten abgegebenen Licht um mindesten 60° und insbesondere mindestens 90° größer ist als ein Winkel zwischen dem zweiten Lichtanteil und dem zweiten abgegebenen Licht; - eine Auswerteeinheit, die mit der wenigstens einen Fotodetektoreinheit (MD, RD) gekoppelt und ausgeführt ist, aus einem Verhältnis der erfassten ersten und zweiten Lichtanteile eine Stoffkonzentration in der Probe zu ermitteln.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 14, bei dem erster und zweiter Lichtanteil zumindest teilweise durch eine Streuung an Streupartikeln in der Probe gebildet sind, wobei insbesondere der erste Lichtanteil durch vorwärtsgestreutes Licht und der zweite Lichtanteil durch rückwärtsgestreutes Licht gebildet ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 15, bei dem die wenigstens eine Emittereinheit (ME, RE) aufweist: - einen Messemitter (ME), der ausgeführt ist, Licht unter einem ersten vorbestimmten Winkel aus dem Austrittsfenster auf die Probe abzugeben; - optional einen Referenzemitter (ME), der ausgeführt ist, Licht unter einem zweiten vorbestimmten Winkel aus dem Austrittsfenster auf die Probe abzugeben; wobei der zweite vorbestimmte Winkel gegenüber einer Normalen zur Probenoberfläche kleiner ist als der erste vorbestimmte Winkel;
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 16, wobei der erste vorbestimmte Winkel gegenüber einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe größer als 45° und insbesondere größer als 55° ist; und/oder bei dem der zweite vorbestimmte Winkel gegenüber einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe kleiner als 35° und insbesondere kleiner als 20° ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dem die wenigstens eine Fotodetektoreinheit aufweist: - einen Messdetektor (MD), der ausgeführt ist, ein von der Probe gestreutes und unter wenigstens einem ersten vorbestimmten Winkel einfallendes Licht zu erfassen; - optional einen Referenzdetektor (RD), der ausgeführt ist, ein von der Probe gestreutes und unter wenigstens einem zweiten vorbestimmten Winkel einfallendes Licht zu erfassen; wobei der zweite vorbestimmte Winkel gegenüber einer Normalen zur Probenoberfläche kleiner ist als der erste vorbestimmte Winkel.
Optoelektronischer Sensor nach einem nach Anspruch 18, bei dem der erste vorbestimmte Winkel gegenüber einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe größer als 45° und insbesondere größer als 55° ist; und/oder bei dem der zweite vorbestimmte Winkel gegenüber einer Normalen zu einer Oberfläche der Probe kleiner als 35° und insbesondere kleiner als 20° ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 19, weiter umfassend eine optische Barriere, die in dem Gehäuse angeordnet ist, und sich von dem Austrittsfenster in Richtung Gehäuseboden erstreckend zwischen der Emittereinheit (ME, RE) und der Fotodetektoreinheit (MD, RD) angeordnet ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei die Emittereinheit (ME, MD) und/oder die Fotodetektoreinheit (RD, RE) ein optisches System (01, 02) umfasst, welches zur Erzeugung eines Fokuspunkts (SD, SE) auf der Probe ausgebildet ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei durch Licht der Emittereinheit (ME, RE) erzeugter Fokuspunkt (SE) auf der Probe beabstandet ist von einem Punkt (SD), von dem ausgehendes Licht unter dem wenigstens einem ersten Winkel durch die Fotodetektoreinheit (RD, RE) erfassbar ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 21 bis 22, bei dem der Abstand zwischen dem Fokuspunkt und dem Punkt im Bereich von 1 mm und 6 mm liegt und insbesondere im Bereich von 2 mm und 4 mm.