DE112017004707T5

DE112017004707T5 - Optisches Blutzuckermessgerät

Info

Publication number: DE112017004707T5
Application number: DE112017004707.2T
Authority: DE
Inventors: William M. Baker; M. Paige Ouzts
Original assignee: Furman Univ; Furman University
Current assignee: Furman Univ; Furman University
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2019-06-13
Also published as: US20220133186A1; CA3037705A1; US20200046274A1; US10492714B2; US20190336052A1; US11259720B2; WO2018057598A1

Abstract

Hierin werden Vorrichtungen und Verfahren zum Detektieren von Blutzuckerwerten bei einem Probanden offenbart, die passives Quantifizieren von Emissionen im mittleren Infrarotbereich von dem Auge des Probanden beinhalten.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Patentanmeldung Nr. 62/397,181 , eingereicht am 20. September 2016, mit dem Titel „OPTICAL GLUCOMETER“, deren Offenbarung hierin durch Erwähnung vollumfänglich ausdrücklich aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft nichtinvasive optische Verfahren und Vorrichtungen zum Messen von Blutzuckerkonzentrationen.
HINTERGRUND
Viele Diabetiker werden aufgefordert, ihren Blutzucker bis zu sechsmal oder mehr pro Tag zu testen, um ihre Insulindosen für eine engmaschigere Kontrolle ihrer Blutzuckerwerte einzustellen. Infolge der Unannehmlichkeit testen viele dieser Patienten nicht so häufig wie von ihrem Arzt empfohlen, mit der Folge mangelhafter Blutzuckerkontrolle. Diese mangelhafte Kontrolle führt nachweislich zu vermehrten Komplikationen durch diese Erkrankungen. Zu den Komplikationen zählen Erblindung, Herzerkrankung, Nierenerkrankung, ischämische Gliedmaßenerkrankung und Schlaganfall. Somit wäre es wünschenswert, schnelle und zuverlässige Messungen der Blutzuckerkonzentration mithilfe einfacherer und weniger invasiver Verfahren zu erhalten.
D-Glucose- oder Dextrose-Monohydrat ist ein einfaches Molekül mit der chemischen Formel C₆H₁₂O₆, doch ist das Bestimmen der Konzentration in Blut mithilfe optischer Verfahren komplex. Dieses Molekül weist Signaturschwingungsmoden in dem Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums auf. Diese Schwingungsbänder ermöglichen eine Spektralidentifikation des Moleküls. Im dem interessierenden Bereich von 980-1200 cm^-1 werden diese spektralen Peaks der C-O-Streckung in dem Glukosemolekül zugeordnet.
ZUSAMMENFASSUNG
Offenbart werden hierin Vorrichtungen und Verfahren zum Detektieren von Blutzuckerwerten bei einem Probanden, die das passive Quantifizieren von Emissionen im mittleren Infrarotbereich vom Auge des Probanden beinhalten. Bei manchen Ausführungsformen werden die Emissionen im mittleren Infrarotbereich bei einer Wellenlänge von 8 bis 11 µm quantifiziert. Die Vorrichtungen und Verfahren können dass das Vergleichen der Emissionen im mittleren Infrarotbereich mit Kontrollwerten (z.B. auf Glucosewerte normierte Kontrollwerte) beinhalten, um Glucosewerte in dem Auge zu detektieren.
Hierin wird eine beispielhafte Einrichtung zum Detektieren von Blutzuckerwerten bei einem Probanden beschrieben. Die Einrichtung umfasst eine thermographische Bildgebungsvorrichtung, welche ausgebildet ist, um elektromagnetische Emissionen im mittleren Infrarotbereich (MIR) zu erfassen, und eine Rechenvorrichtung, die an die thermographische Bildgebungsvorrichtung kommunikativ angebunden ist. Die Rechenvorrichtung umfasst einen Prozessor und einen Speicher, der mit dem Prozessor wirkverbunden ist, wobei der Speicher darin gespeicherte, von einem Rechner ausführbare Befehle aufweist. Die Rechenvorrichtung ist ausgebildet, um mehrere Bilder des Auges des Probanden, die von der thermographischen Bildgebungsvorrichtung aufgenommen werden, zu empfangen, einen mittleren Strahldichtewert für eine interessierende Pixelregion mithilfe mehrerer Bilder des Auges des Probanden zu berechnen, den mittleren Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion beruhend auf einer Temperatur des Auges des Probanden zum Zeitpunkt der Bildaufnahme zu korrigieren und den korrigierten mittleren Strahldichtewert für die interessierenden Pixelregion mit einem Blutzuckerwert des Probanden zu korrelieren.
Bei manchen Umsetzungen handelt es sich bei den mehreren Bildern um vier Bilder.
Alternativ oder zusätzlich liegen die elektromagnetischen MIR-Emissionen in einem Wellenlängenbereich von etwa 9,7 µm bis etwa 11 µm. Optional liegen die elektromagnetischen MIR-Emissionen in einem Wellenlängenbereich von etwa 9,7 µm bis etwa 10,3 µm.
Alternativ oder zusätzlich umfasst der Schritt des Berechnens des mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion das Berechnen eines jeweiligen mittleren Strahldichtewerts in der interessierenden Pixelregion für jedes der mehreren Bilder. Der mittlere Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion ist ein Mittelwert der jeweiligen mittleren Strahldichtewerte.
Alternativ oder zusätzlich ist die thermographische Bildgebungsvorrichtung eine Infrarotkamera. Bei manchen Umsetzungen handelt es sich bei der thermographischen Bildgebungsvorrichtung um ein Mikrobolometer. Optional ist das Mikrobolometer ein Mikrobolometer auf der Basis von Vanadiumoxid (VOX) oder amorphem Silizium (a-Si). Alternativ oder zusätzlich umfasst das Mikrobolometer ein Focal-Plane-Array von etwa 100 x 100 aktiven Pixeln.
Alternativ oder zusätzlich umfasst der Schritt des Korrigierens des mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion beruhend auf der Temperatur des Auges des Probanden zum Zeitpunkt der Bildaufnahme das Skalieren des mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion auf einen entsprechenden Strahldichtewert bei etwa 33,5°C.
Alternativ oder zusätzlich umfasst der Schritt des Korrelierens des korrigierten mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion auf den Blutzuckerwert des Probanden das Abfragen einer Datenbank, um den Blutzuckerwert des Probanden zu erhalten, der dem korrigierten mittleren Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion entspricht.
Alternativ oder zusätzlich umfasst der Schritt des Korrelierens des korrigierten mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion auf den Blutzuckerwert des Probanden weiterhin das Nutzen eines Suchalgorithmus, um einen wahrscheinlichsten Blutzuckerwert des Probanden zu identifizieren, der dem korrigierten mittleren Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion entspricht.
Alternativ oder zusätzlich umfasst die Einrichtung weiterhin einen Rahmen, der ausgebildet ist, um einen Sensor der thermographischen Bildgebungsvorrichtung vor dem Auge des Probanden auszurichten, und einen Kollimationsring, der ein Sichtfeld des Sensors auf eine festgelegte Region um die Mitte des Auges des Probanden beschränkt. Der Kollimationsring legt den Abstand von dem Detektor zu dem Auge des Probanden fest.
Alternativ oder zusätzlich ist das System in eine tragbare elektronische Vorrichtung integriert.
Hierin wird ein beispielhaftes Verfahren zum Detektieren von Blutzuckerwerten bei einem Probanden beschrieben. Das Verfahren umfasst das Aufnehmen mithilfe einer thermographischen Bildgebungsvorrichtung von mehreren Bildern des Auges des Probanden, das Berechnen mithilfe einer Rechenvorrichtung eines mittleren Strahldichtewerts für eine interessierende Pixelregion beruhend auf den mehreren Bildern des Auges des Probanden, das Korrigieren mithilfe der Rechenvorrichtung des mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion beruhend auf einer Temperatur des Auges des Probanden zum Zeitpunkt der Bildaufnahme und das Korrelieren mithilfe der Rechenvorrichtung des korrigierten mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion mit einem Blutzuckerwert des Probanden.
Bei manchen Umsetzungen umfasst das Verfahren weiterhin das Senden der mehreren Bilder des Auges des Probanden über eine Kommunikationsverbindung zu der Rechenvorrichtung.
Bei manchen Umsetzungen umfasst das Verfahren weiterhin das Analysieren einer Blutprobe von dem Probanden, um einen Blutzuckerwert zu messen, wenn als Reaktion auf den Korrelationsschritt ein anomaler Zuckerwert geliefert wird.
Bei manchen Umsetzungen umfasst das Verfahren weiterhin das Einstellen des Zuckerwerts des Probanden beruhend auf dem als Reaktion auf den Korrelationsschritt gelieferten Zuckerwert.
Hierin wird ein weiteres beispielhaftes Verfahren zum Detektieren von Blutzuckerwerten bei einem Probanden beschrieben. Das Verfahren umfasst das passive Quantifizieren von elektromagnetischen Emissionen im mittleren Infrarotbereich (MIR) vom Auge des Probanden und das Vergleichen der MIR-Emissionen mit Standardkontrollwerten, um Zuckerwerte im Auge zu schätzen.
Bei manchen Umsetzungen werden die MIR-Emissionen bei einer Wellenlänge von etwa 8 bis 11 µm detektiert. Optional werden die MIR-Emissionen bei einer Wellenlänge von etwa 10 µm detektiert.
Alternativ oder zusätzlich werden die MIR-Emissionen mithilfe einer bolometerartigen Infrarotbildgebungsvorrichtung detektiert.
Alternativ oder zusätzlich werden die MIR-Emissionen mithilfe einer Mikrobolometer-Infrarotkamera detektiert.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren das Analysieren einer Blutprobe von dem Probanden, um Blutzuckerwerte zu messen, wenn anomale Zuckerwerte geschätzt werden.
Alternativ oder zusätzlich umfasst das Verfahren ferner das Einstellen von Zuckerwerten bei dem Probanden beruhend auf den geschätzten Zuckerwerten.
Hierin wird eine beispielhafte Blutzuckerdetektionseinrichtung beschrieben. Die Einrichtung umfasst einen Sensor für elektromagnetische Emissionen im mittleren Infrarotbereich (MIR) mit einem Sichtfeld, einen Rahmen, der ausgebildet ist, um den Sensor vor einem Auge eines Probanden auszurichten, einen Kollimationsring, der das Sichtfeld auf eine festgelegte Region um die Mitte des Auges beschränkt, und einen Prozessor sowie rechnergestützten Speicher, die ausgebildet sind, um bei dem Probanden Blutzuckerkonzentration durch Initiieren von rechnerimplementierten Befehlen. Der Kollimationsring legt den Abstand von dem Detektor zu dem Auge des Probanden fest. Der Prozessor ist ausgebildet, um einen Satz von Standardkontrollwerten zu speichern, wobei der Satz von Standardkontrollwerten ein jeweiliges Mittel von Kontrollspannungswerten umfasst, die an Pixeln des Sensors für mittlere Infrarotstrahlung (MIR) für MIR induziert werden, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Zuckerkonzentrationen emittiert wird, um während eines Messzyklus Spannungsmessungen zu speichern, die jeder Spannung entsprechen, die von mittlerer Infrarotstrahlung (MIR) induziert wird, die von dem Auge emittiert wird und auf die Pixel trifft, um die Spannungsmessungen zu integrieren und um einen einzelnen Spannungswert für den Messzyklus zu erzeugen, um eine mittlere Spannungsmessung der einzelnen Spannungsmessungen über mehrere Messzyklen zu berechnen und um die mittlere Spannungsmessung mit der bekannten Blutzuckerkonzentration mit einem Kontrollspannungswert gleich der mittleren Spannungsmessung zu korrelieren.
Alternativ oder zusätzlich besteht der Kollimationsring aus einem Material mit einem Emissionsgrad von etwa 1.
Alternativ oder zusätzlich umfasst die Einrichtung weiterhin eine Vorrichtung für kontinuierliche Medikamentenverabreichung, die mit der Einrichtung in Datenverbindung steht, ausgebildet ist, um den Blutzuckerwert von der Einrichtung zu empfangen, und weiterhin ausgebildet ist, um dem Probanden zur Blutzuckerregelung Insulin zu verabreichen.
Hierin wird eine andere beispielhafte Blutzuckerdetektionseinrichtung beschrieben. Die Einrichtung umfasst einen Sensor für elektromagnetische Emissionen im mittleren Infrarotbereich (MIR) mit einem Sichtfeld, einen Rahmen, der ausgebildet ist, um den Sensor vor einem Auge eines Probanden auszurichten, einen Kollimationsring, der das Sichtfeld auf eine festgelegte Region um die Mitte des Auges beschränkt, und einen Prozessor sowie rechnergestützten Speicher, die ausgebildet sind, um bei dem Probanden Blutzuckerkonzentration durch Initiieren von rechnerimplementierten Befehlen. Der Kollimationsring legt den Abstand von dem Detektor zu dem Auge des Probanden fest. Der Prozessor ist ausgebildet, um einen Satz von Standardkontrollwerten, die mittlere Kontrollstrahldichtewerte umfassen, für eine ausgewählte Wellenzahl zu speichern, die an den Pixeln für MIR induziert wird, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Zuckerkonzentrationen emittiert wird, wobei der Prozessor auf die Kontrollwerte zugreifen kann, um in einem Messzyklus, der die ausgewählte Wellenzahl nutzt, eine Strahldichtemessung zu erhalten, die MIR entspricht, die auf jeden der jeweiligen Pixel auftrifft, um eine mittlere Strahldichtemessung von den jeweiligen Strahldichtemessungen zu berechnen, die jeweiligen Messzyklen in mehreren Messzyklen entsprechen, und um die mittlere Strahldichtemessung mit der bekannten Zuckerkonzentration mit einem Kontrollstrahldichtewert gleich der mittleren Strahldichtemessung zu korrelieren.
Hierin wird ein weiteres beispielhaftes Verfahren zum Messen von Blutzuckerkonzentration beschrieben. Das Verfahren umfasst das Speichern eines Satzes von Standardkontrollwerten, wobei der Satz von Standardkontrollwerten ein jeweiliges Mittel von Kontrollspannungswerten umfasst, die an Pixeln eines Sensors für mittlere Infrarotstrahlung (MIR) für MIR induziert werden, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Zuckerkonzentrationen emittiert wird, das Speichern während eines Messzyklus von Spannungsmessungen, die jeder Spannung entsprechen, die von mittlerer Infrarotstrahlung (MIR) induziert wird, die von dem Auge emittiert wird und auf die Pixel trifft, das Integrieren der Spannungsmessungen und das Erzeugen eines einzelnen Spannungswerts für den Messzyklus, das Berechnen einer mittleren Spannungsmessung der einzelnen Spannungsmessungen über mehrere Messzyklen und das Korrelieren der mittleren Spannungsmessung mit der bekannten Blutzuckerkonzentration mit einem Kontrollspannungswert gleich der mittleren Spannungsmessung.
Alternativ oder zusätzlich werden Spannungen an den Pixeln auf Referenzwerte normiert, die als Referenzspannungen berechnet werden, die an Pixeln durch eine Schwarzkörper-Referenzemission von MIR induziert werden.
Hierin wird ein beispielhaftes optisches Blutzuckermessgerät beschrieben. Das optische Blutzuckermessgerät umfasst einen Sensor für den mittleren Infrarotbereich (MIR) mit einem Pixelarray, das mit einem Prozessor verbunden ist, der Blutzuckerwerte mit Spannungsmesswerten korreliert, die von auf die jeweiligen Pixel auftreffender MIR induziert werden, sowie einen mit dem Prozessor verbundenen Rechnerspeicher, wobei der Rechnerspeicher einen Satz von Kontrollwerten speichert, die ein jeweiliges Mittel von Kontrollspannungen umfassen, die an den Pixeln für MIR induziert werden, die durch bekannte Zuckerkonzentrationen emittiert wird, wobei der Prozessor auf die Kontrollwerte zugreifen kann. Der Prozessor ist ausgebildet, um in einem Messzyklus Spannungsmessungen zu empfangen, die jeder Spannung entsprechen, die durch auf die jeweiligen Pixel auftreffende MIR induziert wird, um die Spannungsmessungen zu integrieren und einen einzelnen Spannungswert für den Messzyklus zu erzeugen, um eine mittlere Spannungsmessung aus den einzelnen Spannungswerten zu berechnen, die jeweiligen Messzyklen in mehreren Messzyklen entsprechen, und um die mittlere Spannungsmessung mit der in dem Speicher gespeicherten bekannten Zuckerkonzentration zu korrelieren, die einen Kontrollspannungswert gleich der mittleren Spannungsmessung aufweist.
Hierin wird ein weiteres beispielhaftes optisches Blutzuckermessgerät beschrieben. Das optische Blutzuckermessgerät umfasst eine Infrarotkamera mit einem Pixelarray, das mit einem Prozessor verbunden ist, der Blutzuckerwerte mit Strahldichtemessungen korreliert, die durch auf die jeweiligen Pixel auftreffende Strahlung im mittleren Infrarotbereich (MIR) induziert werden, und einen mit dem Prozessor verbundenen Rechnerspeicher, wobei der Rechnerspeicher einen Satz von Standardkontrollwerten, welche mittlere Kontrollstrahldichtewerte umfassen, für eine ausgewählte Wellenzahl speichert, die an den Pixeln für MIR induziert werden, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Zuckerkonzentrationen emittiert werden, wobei der Prozessor auf die Kontrollwerte zugreifen kann. Der Prozessor ist ausgebildet, um in einem die gewählte Wellenzahl nutzenden Messzyklus eine Strahldichtemessung, die einer auf jeden der jeweiligen Pixel auftreffenden MIR entspricht, zu empfangen, um eine mittlere Strahldichtemessung von den jeweiligen Strahldichtemessungen, die den jeweiligen Messzyklen in mehreren Messzyklen entsprechen, zu berechnen und um die mittlere Strahldichtemessung mit der bekannten Zuckerkonzentration mit einem Kontrollstrahldichtewert gleich der mittleren Strahldichtemessung zu korrelieren.
Bei manchen Umsetzungen ist das Pixelarray ausgebildet, um ein Wärmebild eines Auges zu dem Prozessor zu senden, und der Prozessor ist ausgebildet, um das Wärmebild in ein Graustufenbild von Strahldichtewerten umzuwandeln.
Bei manchen Umsetzungen ist der Prozessor ausgebildet, um die Strahldichtemessungen für eine Teilmenge von Pixeln zu empfangen, die einem lokalisierten Teilstück eines Bilds des Auges entsprechen, und um vor dem Berechnen des Mittels die jeweiligen Strahldichtemessungen für jedes Pixel mit einem entsprechenden Graufstufenbildwert zu multiplizieren.
Bei manchen Umsetzungen werden Strahldichtewerte an den Pixeln auf Referenzwerte normiert, die als Referenzstrahldichtewerte berechnet werden, die an Pixeln durch eine Schwarzkörper-Referenzemission von MIR induziert werden.
Hierin wird ein beispielhaftes Verfahren zum Messen von Blutzuckerkonzentration im Auge beschrieben. Das Verfahren umfasst das Speichern eines Satzes von Standardkontrollwerten, wobei der Satz von Standardkontrollwerten mittlere Kontrollstrahldichtewerte für eine ausgewählte Wellenzahl umfasst, die an Pixeln eines Sensors für mittlere Infrarotstrahlung (MIR) für MIR induziert werden, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Zuckerkonzentrationen emittiert wird, das Speichern während eines Messzyklus von Strahldichtemessungen, die mittlerer Infrarotstrahlung (MIR) entsprechen, die von dem Auge emittiert wird und auf die Pixel auftrifft, das Berechnen einer mittleren Strahldichtemessung aus den jeweiligen Strahldichtemessungen, die jeweiligen Messzyklen in mehreren Messzyklen entsprechen, und das Korrelieren der mittleren Strahldichtemessung mit der bekannten Blutzuckerkonzentration mit einem mittleren Kontrollstrahldichtewert gleich der mittleren Strahldichtemessung.
Bei manchen Umsetzungen beträgt die Wellenzahl 1030 cm^-1 oder 1078 cm^-1.
Bei manchen Umsetzungen umfasst das Verfahren weiterhin das Extrahieren aus einem Wärmebild der Pixel der mittleren Strahldichtemessung und eines Temperaturwerts für einen lokalisierten Bereich der Pixel.
Bei Prüfung der folgenden Zeichnungen und der eingehenden Beschreibung werden für den Fachmann andere Systeme, Verfahren, Merkmale und/oder Vorteile offensichtlich. Alle diese zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und/oder Vorteile sollen in dieser Beschreibung aufgenommen und von den begleitenden Ansprüchen geschützt sein.
Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung werden in den Begleitzeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen hervor.
Figurenliste
Die Komponenten in den Zeichnungen sind relativ zueinander nicht unbedingt maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichneten in den gesamten mehreren Ansichten entsprechende Teile.

1 ist ein Wärmebild, das räumliche Auflösung von möglichen Strahldichte- und Temperaturreaktionen unter Verwenden einer Kamera für den mittleren Infrarotbereich (MIR) zur Bildgebung des Auges mit einer Spektralregion von 8 bis 12 Mikrometer, zentriert auf 10 Mikrometer, darstellt.
2A bis 2D sind Graphen, die Spannung (gemessen durch MIR-Kamera) als Funktion von Glucose (g/300 ml Wasser) für warme Glucoselösungen in MIR-transparenten Beuteln zeigen.
3A und 3B sind Graphen, die Glucosekonzentration (mg/dl) als Funktion von Spannung (gemessen durch bolometrischen Detektor) zeigen.
4 ist ein Wärmebild eines Auges, aufgenommen mit einer MIR-Kamera. Der dunkle Ring um das Auge wird als Referenz genutzt. Die kleinen Punkte sind Messpunkte, an denen Pixelwerte in drei Farben erhalten werden. Der Gesamtwert entspricht einer pro Pixel emittierten MIR-Energie.
5A und 5B sind Graphen, die MIR-Pixelwerte als Funktion von Glucosekonzentration (mg/dl) von einem Blutzuckermessgerät für einen Diabetiker (5A) und einen Nichtdiabetiker (5B) zeigen.
6A ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften optischen Blutzuckermessgeräts mit einem Sensor-/Bildgebungssystem für den mittleren Infrarotbereich, MIR, für Glucosemessung in der Flüssigkeit der Augenoberfläche gemäß einer hierin beschriebenen Umsetzung.
6B ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften optischen Blutzuckermessgeräts mit einer FLIR LEPTON Kamera oder einer Zuckerwertmessung in der Flüssigkeit der Augenoberfläche gemäß einer hierin beschriebenen Umsetzung.
6C und 6D zeigt Aspekte des in 6B dargestellten beispielhaften optischen Blutzuckermessgeräts. 6C zeigt den oberen Teil des Verschlusses. 6D zeigt den unteren Teil des Verschlusses.
6E ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Rechenvorrichtung.
7 ist eine graphische Darstellung des Sensoransprechverhaltens in dem MIR-Bereich eines FLIR-Sensors (FLIR Systems, Inc.). Das wesentliche Merkmal ist, dass das maximale Sensoransprechen in dem Bereich von 9 bis 10,5 Mikrometer auftritt.
8 zeigt den Transmissionsgrad von Glucose über dem MIR-Bereich (National Institute of Standards and Technology -NIST). Glucose lässt in dem Bereich von 9 bis 10 Mikrometer die kleinste Strahlungsmenge durch.
9 zeigt den Transmissionsgrad von Wasser über dem MIR-Bereich (NIST-Datenbank). Es lässt in dem Bereich von 9 bis 10 Mikrometer etwa 80% der Strahlung durch.
10 ist eine graphische Darstellung von Transmission als Funktion von Wellenzahl für zwei sich ändernde Konzentrationen von Glucose in wässriger Lösung. Das Spektrum wurde mit dem Spektrometer Varian 640-IR FT-IR aufgenommen. In der interessierenden Region liegen zwei Spitzen für Glucose, 1030 cm^-1 und 1078 cm^-1 (9,7 bzw. 9,3 Mikrometer (µm)).
11 ist eine graphische Darstellung der Transmissionsspitze bei 1030 cm^-1, 9,7 Mikrometer (µm) für verschiedene Glucosekonzentrationen. Die FTIR-Transmission bei dieser Wellenzahl steht mit der Konzentration in Verbindung.
12 ist eine graphische Darstellung der Transmissionsspitze bei 1030 cm^-1, 9,7 Mikrometer (µm) für Glucosekonzentrationen, die sich bei einem eingestellten Diabetiker am häufigsten finden würden.
13 zeigt Bolometer-Spannungsdatenverhältnisse, die bezüglich einer Schwarzkörperreferenz genommen wurden, mit Blutzuckerwerten unter Verwenden eines Standardblutzuckermessgeräts. In diesem Datensatz finden sich 30 Messwerte. Die graphische Darstellung ist wie erwartet geradlinig und nimmt mit steigendem Blutzuckerwert (BGV) ab, da es sich um einen absorbierenden Film handelt.
14 betrifft Strahldichtedaten mit Blutzuckerwerten unter Verwenden der FLIR-Kameradaten. In diesem Datensatz finden sich 45 Messwerte. Die graphische Darstellung ist wie erwartet geradlinig und nimmt mit steigendem BGV ab, da es sich um einen absorbierenden Film handelt.
15 zeigt eine beispielhafte MIR-Kamera zur Verwendung bei dem offenbarten optischen Blutzuckermessgerät.
16 zeigt ein beispielhaftes optisches Blutzuckermessgerät mit einer FLIR-Kamera, woran eine Kopfstütze und Blende montiert sind.
17 zeigt beispielhafte Operationen zum Detektieren von Blutzuckerwerten eines Patienten gemäß einer hierin beschriebenen Umsetzung.
18A zeigt ein mithilfe von Strahldichtedaten erzeugtes Bild. 18B zeigt ein mithilfe von Temperaturdaten erzeugtes Bild. 18C zeigt eine Maske, die zum Festlegen der interessierenden Pixelregion in jedem der Bilder verwendet werden kann.
19A zeigt drei Beispiele für Transmission gegen Wellenzahl über die interessierende primäre Region, Wellenzahlen 1000 bis 1100 cm^-1, wo Glucoseabsorption am offensichtlichsten ist. 19B zeigt eine graphische Darstellung aller FTIR-Daten. Die graphische Darstellung der Konzentration 1000 mg/dl ist die niedrigste Linie, während Wasser die oberste ist. 19C zeigt die Mittelbereich unter jeder Kurve, um die beiden Spitzen in den FTIR-Spektraldaten, mit der Änderung der Lösungskonzentration.
20 zeigt einen Datensatz von einer die FLIR A325sc Kamera beinhaltenden Einrichtung, bestehend aus 103 Messwerten.
21 zeigt eine graphische Darstellung von Rauschverteilung.
22 zeigt das Histogramm des Rauschens.
23A (Wahrscheinlichkeitsdichtehistogramm und Normalverteilungsdatenanpassung) und 23B (willkürlich erzeugtes Datenwahrscheinlichkeitsdichtehistogramm und Normalverteilungsdatenanpassung) zeigen, dass das Rauschen im Grunde willkürlich ist, was dem entspricht, was bei Untersuchungen zu sehen ist.
24 zeigt den nichtlinearen Korrekturfaktor (NLAFunc) als Funktion von BGV.
25 zeigt Strahldichte gegen BGV gemäß dem EyeModel für einen vergrößerten Bereich, ohne Rauschen.
26 zeigt experimentelle Daten, CharacteristicFunct und EyeModel mit graphischen Rauschdarstellungen.
27 wiederholt die graphischen Darstellungen von 26 mit der Anzahl von IR-Bildern und somit Messungen um einen Faktor 10 erhöht.
28 zeigt einen neuen Datensatz, MeterData, der mit dem Ausdruck EyeModel plus willkürlich erzeugtem Rauschen erhalten wurde.
29 zeigt die Ergebnisse des MeterData-Satzes, die durch EyeModel plus willkürlich erzeugtes Rauschen erhalten wurden, wobei die 5 kleinsten DT-Werte in dem gestrichelten Kästchen gezeigt sind.
30 ist eine vergrößerte Darstellung der in 29 gezeigten 5 kleinsten DT-Werte.
31 zeigt Bilder einer Schwarzkörperreferenz und eines Patientenauges, aufgenommen mithilfe einer bezüglich 6B-6D beschriebenen Einrichtung.
32 zeigt eine Reihe von 24 Bildern, die mithilfe der bezüglich 6B-6D beschriebenen Einrichtung aufgenommen wurden.
33 zeigt eine graphische Darstellung, die den erwarteten Trend darstellt, d.h. dass Strahldichte mit steigenden BGVs abnimmt.
34 zeigt eine graphische Darstellung des Verhältnisses von Auge zu Schwarzkörper(BB)-Strahldichtereferenz gegenüber BGV.
35 zeigt eine graphische Darstellung des Verhältnisses von Auge zu Schwarzkörper(BB)-Strahldichtereferenz gegenüber BGV.
36A-36D zeigen ein beispielhaftes tragbares optisches Blutzuckermessgerät.

EINGEHENDE BESCHREIBUNG
Soweit nicht anderweitig festgelegt haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie üblicherweise von einem Durchschnittsfachmann verstanden werden. Verfahren und Materialien, die den hierin beschriebenen ähnlich oder dazu äquivalent sind, können beim Praktizieren oder Testen der vorliegenden Offenbarung genutzt werden. Wie in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen verwendet, umfassen die Singularformen „ein/eine/einer“, „der/die/das“ den Plural, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes vorgibt. Der Begriff „umfassend“ und Varianten davon, so wie er hierin verwendet wird, wird synonym mit dem Begriff „enthaltend“ und Varianten davon verwendet, und es handelt sich dabei um offene, nicht einschränkende Begriffe. Mit dem hierin verwendeten Begriff „optional“ ist gemeint, dass das Merkmal, das Ereignis oder der Umstand, die im Folgenden beschrieben sind, auftreten können, aber nicht müssen, und dass die Beschreibung Fälle beinhaltet, in denen das Merkmal, das Ereignis oder der Umstand vorliegt, und Fälle beinhaltet, in denen dies nicht der Fall ist. Bereiche können hierin von „etwa“ einem jeweiligen Wert und/oder bis zu „etwa“ einem anderen jeweiligen Wert angegeben werden. Wird ein solcher Bereich angegeben, umfasst ein Aspekt von dem einen jeweiligen Wert und/oder bis zu dem anderen jeweiligen Wert. Wenn analog Werte durch den Zusatz „etwa“ als Näherungen ausgedrückt werden, versteht sich, dass der jeweilige Wert einen anderen Aspekt bildet. Ferner versteht sich, dass die Endpunkte jedes der Bereiche sowohl hinsichtlich des anderen Endpunkts als auch unabhängig von dem anderen Endpunkt signifikant sind.
Offenbart werden nichtinvasive optische Mittel zum Ermitteln von Blutzuckerwerten bei Diabetikern, die die derzeitige Fingerstechtechnologie ersetzen können. Dies würde die Notwendigkeit von Teststreifen beseitigen, die mit Blutzuckermessgeräten verwendet werden, und wäre weitaus weniger schmerzhaft. Dies senkt auch die Kosten für die Zuckerüberwachung und würde eine häufigere Überwachung des Blutzuckerwerts erlauben, was für die Selbstüberwachung und Einstellung von Diabetikern maßgeblich ist.
Glucose ist in Flüssigkeitsfilmen (Tränen) auf der Augapfeloberfläche vorhanden. Glucose ist auch in der Augenlinse vorhanden und kann zu Änderungen der Form der Linse führen. Wie hierin offenbart kann die Glucosemenge in dem Augenflüssigkeitsfilm durch Quantifizieren von elektromagnetischen Emissionen im mittleren Infrarotbereich (MIR) ermittelt werden. Unter verwenden von kontrollierten Testlösungen erwies sich der MIR, der um 10 Mikrometer zentriert ist, für diesen Zweck als effektiv.
Bei manchen Ausführungsformen wird daher das Vorhandensein von Glucose durch von der Augapfeloberfläche emittierte MIR angezeigt. Diese Emissionen treten auf, da das Auge warm ist und Strahlung von einem warmen Schwarzkörper, der durch den Film, der Glucose enthält, gefiltert wird, aufgezeichnet wird. Zum Entwickeln/Reflektieren eines Signals wird keine Laser- oder Lichtquelle auf das Auge gerichtet. Dies ist also eine vollständig passive und nichtinvasive Technologie.
Bei manchen Ausführungsformen quantifizieren die Verfahren und Vorrichtungen MIR-Emissionen in dem Auge bei Wellenlängen von etwa 8 bis 11 µm, einschließlich von etwa 9,6 µm bis etwa 11 µm, von etwa 9,8 µm bis etwa 10 µm. Bei manchen Umsetzungen quantifizieren die Verfahren und Vorrichtungen MIR-Emissionen in dem Auge bei Wellenlängen von etwa 9,7 µm bis etwa 10,3 µm. Es können zusätzliche Wellenlängen detektiert werden; über 11 Mikrometer hinaus absorbiert aber Wasser mehr IR-Strahlung und verringert daher die Signalübertragung. Geht man bis auf 8 Mikrometer hinunter, reduziert dies ebenfalls das Signal, da Glucose weniger absorbierend wird.
Bei manchen Ausführungsformen wird MIR-Strahlung unter Verwenden einer oder mehrerer bolometerartiger Infrarotbildgebungsvorrichtungen (z.B. Mikrobolometer), die Spannung, Strom oder eine Kombination davon messen, detektiert. In manchen Fällen ist die bolometerartige Bildgebungsvorrichtung auf die Region von 10 Mikrometer zentriert.
Beispielweise stellt Micro-Epsilon aus Ortenburg, Deutschland, einen kompakten Infrarot(IR)-Sensor THERMOMETER CS mit integralem Steuergerät her, der einen Spektralbereich von 8 bis 14 µm und optionale Auflösung von 15:1 aufweist. Der bolometrische Sensor kann die Infrarotstrahlung über der gesamten Augenoberfläche integrieren, und der Sensor und Verstärker erzeugen einen einzelnen Spannungswert. In einem nicht einschränkenden Beispiel können diese Werte über einen Zeitraum von 2 Sekunden bei 100 Hz aufgezeichnet werden. Es sind viele Aufzeichnungsgeschwindigkeiten und Zeitintervalle möglich, solange eine ausreichende Anzahl von Messwerten, z.B. 100 Messwerte, erfasst werden. Eine ausreichend große Probengröße verbessert das Unterdrücken von Rauschen und die mittlere Genauigkeit.
Diese Messwerte können dann gemittelt werden, um die Ausgabe zu erzeugen. Das Auge wird allgemein lokalisiert, wenn es ein paar Zentimeter von der Detektorlinse entfernt ist.
In manchen Ausführungsformen wird MIR-Strahlung mithilfe einer Mikrobolometer-Infrarotkamera detektiert. Ein Mikrobolometer ist eine bestimmte Art von Bolometer, die in einer Wärmekamera als Detektor verwendet wird. Infrarotstrahlung mit Wellenlängen zwischen 7,5-14 µm trifft auf das Detektormaterial auf, erwärmt dieses dabei und ändert somit dessen elektrischen Widerstand. Diese Widerstandsänderung wird gemessen und zu Temperaturen verarbeitet, die zum Erzeugen eines Bilds genutzt werden können.
Ein Mikrobolometer besteht aus einem Array von Pixeln, wobei jedes Pixel aus mehreren Schichten besteht. Jedes Unternehmen, das Mikrobolometer herstellt, hat sein eigenes einzigartiges Vorgehen beim Erzeugen derselben und verwendet sogar verschiedene unterschiedliche absorbierende Materialien. In manchen Fällen besteht die unterste Schicht aus einem Siliziumsubstrat und einer integrierten Ausleseschaltung (ROIC). Es werden elektrische Kontakte abgeschieden und dann selektiv weggeätzt. Unter dem IR-absorbierenden Material wird ein Reflektor, beispielsweise ein Titanspiegel, erzeugt. Da etwas Licht durch die absorbierende Schicht treten kann, leitet der Reflektor dieses Licht zurück nach oben, um die größtmögliche Absorption sicherzustellen, was somit das Erzeugen eines stärkeren Signals erlaubt. Als Nächstes wird eine Opferschicht so abgeschieden, dass später in dem Prozess ein Spalt erzeugt werden kann, um das IR-absorbierende Material von der ROIC thermisch zu isolieren. Dann wird eine Schicht des absorbierenden Materials abgeschieden und selektiv geätzt, so dass die endgültigen Kontakte erzeugt werden können. Zum Erzeugen der endgültigen brückenartigen Struktur wird die Opferschicht entfernt, so dass das absorbierende Material etwa 2 µm über der Ausleseschaltung hängt. Da Mikrobolometer keine Kühlung erfahren, muss das absorbierende Material von der unteren ROIC und der brückenartigen Struktur thermisch isoliert werden, damit dies eintritt. Nach Erzeugen des Arrays von Pixeln wird das Mikrobolometer unter einem Unterdruck eingekapselt, um die Langlebigkeit der Vorrichtung zu steigern. In manchen Fällen erfolgt der gesamte Fertigungsprozess ohne Unterbrechen des Unterdrucks.
Die Qualität der von Mikrobolometern erzeugten Bilder ist kontinuierlich gestiegen. Das Mikrobolometer-Array findet sich häufig in zwei Größen, 320x240 Pixel oder kostengünstiger 160x120 Pixel. Die aktuelle Technologie hat zur Herstellung von Vorrichtungen mit 640x480 oder 1024x768 Pixeln geführt. Es ist auch zu einer Verringerung der einzelnen Pixelmaße gekommen. Die Pixelgröße betrug bei älteren Vorrichtungen typischerweise 45 µm und ist bei aktuellen Vorrichtungen auf 17 µm gesunken. Bei proportionalem Verringern der Pixelgröße und der Anzahl an Pixeln pro Flächeneinheit wird ein Bild mit höherer Auflösung, aber mit einer höheren NETD (rauschäquivalente Temperaturdifferenz (Differential)) erzeugt, da kleinere Pixel nicht auf IR-Strahlung ansprechen.
Die zwei am häufigsten verwendeten IR-Strahlung detektierenden Materialien bei Mikrobolometern sind amorphes Silizium (a-Si) und Vanadiumoxid (VOX). Andere Materialien, die untersucht wurden, umfassen: Titan (Ti), Yttriumbariumkuperoxid (YBaCuO), Germaniumsiliziumoxid (GeSiO), Polysiliziumgermanium (SiGe), Wismutlanthanstrontiummanganoxid (BiLaSrMnO) und ein proteinbasiertes Cytochrom C und Rinderserumalbumin. Amorphes Si (a-Si) funktioniert gut, da es mühelos in den komplementären Metalloxidhalbleiter(CMOS)-Herstellungsprozess integriert werden kann, hochstabil ist, eine schnelle Zeitkonstante und eine lange mittlere Zeit bis zum Ausfall aufweist. Zum Erzeugen der geschichteten Struktur und Strukturierung kann der CMOS-Herstellungsprozess genutzt werden, es erfordert aber, dass Temperatur im Schnitt unter 200°C bleiben. Ein Problem bei manchen potentiellen Materialien besteht darin, dass zum Erzeugen der erwünschten Eigenschaften ihre Abscheidungstemperaturen eventuell zu hoch sind, auch wenn dies für a-Si-Dünnschichten kein Problem ist. a-Si besitzt auch ausgezeichnete Werte beim thermischen Widerstandsbeiwert (TCR), 1/f-Rauschen und Widerstand, wenn die Abscheidungsparameter optimiert werden.
Vanadiumoxid-Dünnschichten können ebenfalls, wenngleich aus Temperaturgründen nicht so einfach wie a-Si, in den CMOS-Herstellungsprozess integriert werden. VOX ist eine ältere Technologie als a-Si, und aus diesen Gründen sind seine Leistung und Langlebigkeit geringer. Die Abscheidung bei hohen Temperaturen und das Ausführen von Nachglühen erlaubt die Erzeugen von Filmen mit ausgezeichneten Eigenschaften, wenngleich immer noch annehmbare Filme hergestellt werden können, die anschließend die Temperaturanforderungen erfüllen. VO₂ hat eine geringe Beständigkeit, durchläuft aber nahe 67°C einen Metall-Isolator-Phasenwechsel und weist auch einen niedrigeren TCR-Wert auf. V₂O₅ dagegen weist hohe Beständigkeit und auch einen hohen TCR auf. Es gibt viele VOX-Phasen, doch es scheint, dass x≈1,8 bei Mikrobolometeranwendungen am beliebtesten geworden ist.
Die meisten Mikrobolometer können einen temperaturempfindlichen Widerstand enthalten, was sie zu einer passiven elektronischen Vorrichtung macht. In manchen Fällen verwenden die Mikrobolometer einen Dünnfilmtransistor (TFT), der eine besondere Art von Feldeffekttransistor ist. Die Hauptänderung bei diesen Vorrichtungen wäre das Hinzufügen einer Gate-Elektrode. Auch wenn die Hauptkonzepte der Vorrichtungen ähnlich sind, ermöglicht das Verwenden dieses Designs das Ausnutzen der Vorteile des TFT. Manche Vorteile umfassen das Abstimmen der Beständigkeit und Aktivierungsenergie und die Verringerung von periodischen Rauschmustern. Im Jahr 2004 war diese Vorrichtung noch in der Testphase und wurde nicht bei kommerzieller IR-Bildgebung verwendet.
Beispielsweise stellt FLIR Systems, Inc. aus Wilsonville, OR, eine nicht gekühlte Mikrobolometer-Infrarotkamera (FLIR A325sc) mit einer 320 x 240 langen Wellenlängen(LWIR)-Auflösung und einem Spektralbereich von 7,5 bis 13,0 µm her. In diesen Ausführungsformen weist die Infrarotkamera eine Linse auf, die einem ein direkteres Fokussieren auf das Auge und den Referenzring erlaubt. In manchen Fällen wird eine rechteckige Region eines Infrarotsensors so positioniert, dass sie das Auge abdeckt, so dass sich das Auge ordnungsgemäß in dem Sichtfeld der Infrarotkamera befindet. Diese kann beispielsweise etwa 400 Pixel, z.B. etwa 10 mal 10 Pixel, umfassen. Diese kann genutzt werden, um die mittleren Strahldichtewerte zu erhalten. Die Region des Infrarotsensors, die der Bildgebung eines Augapfels gewidmet ist, kann in Größe und Form entsprechend der Patientenanatomie, der Umgebungsbeleuchtung, Probengrößen und Kameraparametern, die typischerweise für Testbedingungen angepasst werden, variieren. Diesbezüglich kann der Satz an Pixeln, die auf das Auge ansprechen, kreisförmig, elliptisch oder von anderen passenden Formen sein, die eine Datenerfassung unter den gegebenen Umständen erlauben. Wie in 4 gezeigt6 ist, sammelt der Sensor ausreichend Bilddaten, um eine erwünschte Anzahl an Strahldichte- und/oder Temperaturmesswerten von ausgewählten Positionen auf dem und um das Auge, insbesondere in der Mitte des Auges, vorzusehen. Die Anzahl von Messwerten, die in 4 gezeigt sind, ist nicht für die für Analyse verfügbaren Messwerte einschränkend, und in einem nicht einschränkenden Beispiel können mindestens 50 Messwerte über die Mitte der Oberfläche des Auges und den optischen Film darauf erfasst werden. Das Nachverfolgen der Region, aus der Strahldichte- und Temperaturmesswerte erfasst werden, ist weiterhin beim Anlegen einer Softwaremaske zum Erfassen von normalisierten Datenmesswerten über dem Sensor brauchbar, wodurch die nötigen Temperatur- und Strahldichtedaten erhalten werden.
Die Infrarotbildgebung hat eine viel höhere räumliche Auflösung. Sie bietet auch eine verbesserte Temperaturauflösung, die von dem Bolometer nicht geboten wird. Sie kann auch Daten als rote/grüne/blaue Bilder zusammen mit Datendateien von dem Bild ausgeben, das hinsichtlich Strahldichtedaten (Watt/Quadratzentimeter pro Steradiant) und Temperaturen, Grad Celsius für jeden Pixel präsentiert wurde. Diese Kamera wurde genutzt, um bolometrische Beobachtungen zu bestätigen und um nach Strategien zum Ermitteln der Glucosewerte von dem Auge zu suchen. Augentemperaturen schwanken, aber die Glucoselösung scheint quer über das Auge gleichmäßig zu sein.
Die Infrarotbildgebung kann an Stelle von oder als Bestätigung von bolometrischen Daten genutzt werden. Die Infrarotbildgebung ermöglicht auch die Detektion von Glucoseverteilung über die Augenoberfläche. Die Infrarotbildgebung ist empfindlicher, doch das Bolometer ist empfindlich genug und kann billiger und in einer medizinischen Vorrichtung weniger kompliziert sein.
In manchen Ausführungsformen quantifiziert die Vorrichtung Pixelwerte, die MIR-Emissionen an mehreren vorbestimmten oder willkürlichen Punkten im Auge darstellen. In manchen Fällen misst die Vorrichtung Pixelwerte über das gesamte Bild der Linse oder eine Teilmenge davon (hierin auch als „interessierende Pixelregion“ bezeichnet).
Anhand von 6A nun wird ein Blockdiagramm eines beispielhaften optischen Blutzuckermessgeräts mit einem MIR-Sensor/Bildgebungssystem für Zuckerwertmessung in der Augenoberflächenflüssigkeit gezeigt. Das optische Blutzuckermessgerät kann eine thermographische Bildgebungsvorrichtung 102 umfassen, die ausgebildet ist, um elektromagnetische MIR-Emissionen zu erfassen. Die thermographische Bildgebungsvorrichtung 102 kann genutzt werden, um ein oder mehrere Bilder eines Auges 104 eines Probanden aufzunehmen. Beispielsweise kann die thermographische Bildgebungsvorrichtung 102 wie hierin beschrieben eine Infrarotkamera, etwa eine Vorrichtung von bolometrischer Art oder mikrobolometischer Art, sein. Wie in 6A gezeigt ist, kann die thermographische Bildgebungsvorrichtung einen MIR-Sensor und Datenerfassungshardware/-software (z.B. Mikroprozessor, A/D-Wandler, Filter, Verstärker, etc.) umfassen. Wie hierin beschrieben kann der MIR-Sensor für Spitzenempfindlichkeit bei Wellenlängen in einem Bereich von etwa 9 µm bis etwa 11 µm ausgebildet sein. Bei manchen Umsetzungen kann der MIR-Sensor für Spitzenempfindlichkeit bei Wellenlängen in einem Bereich von etwa 9,7 µm bis etwa 10,3 µm ausgebildet. Dies kann mithilfe der inhärenten Detektorempfindlichkeit eines MIR-Sensors und/oder mit Hardware/Software erreicht werden. Diese Wellenlängenbereiche überlappen mit 9-10 µm, wo Glucose in dem Augenfilm als Filter wirkt, der die Transmission von Licht hemmt. Glucose hemmt die Transmission von IR-Licht mit Spitzen von spezifischem Interesse bei 9,7 und 10,3 µm. Es versteht sich, dass der MIR-Sensor für Spitzenempfindlichkeit bei Wellenlängen in anderen Bereichen als den vorstehend beispielhaft vorgesehenen ausgebildet sein kann.
Bolometer und Mikrobolometer sind in dem Gebiet bekannt. Bolometer umfassen, ohne aber darauf beschränkt zu sein, die thermische Bildgebungskamera FLIR A325sc von FLIR Systems, Inc. aus Wilsonville, OR, die nur beispielhaft vorgesehen ist. Mikrobolometer umfassen, ohne aber darauf beschränkt zu sein, die FLIR LEPTON thermische Bildgebungskamera von FLIR Systems, Inc. aus Wilsonville, OR, die nur beispielhaft vorgesehen ist. Die FLIR LEPTON Kamera ist eine LWIR-Kamera mit einer relativ kleinen IR-Kamera (d.h. kleiner als eine US-amerikanische 10-Cent-Münze) verglichen mit einem Bolometer und kann in tragbare elektronische Vorrichtungen wie ein Smartphone oder Tablet oder ein optisches Blutzuckermessgerät integriert werden. Die FLIR LEPTON Kamera nutzt ein Focal-Plane-Array von 160 x 120 oder 80 x 60 aktiven Pixeln, was das Integrieren in eine tragbare Vorrichtung erleichtert. Auch wenn die FLIR LEPTON Kamera für nicht gekühlte thermische Bildgebung ausgebildet ist, zieht diese Offenbarung in Betracht, dass die Bilder wie in Beispiel 3 beschrieben mithilfe einer Schwarzkörperreferenz kalibriert werden können. Es versteht sich, dass die FLIR A325sc und LEPTON Kameras nur als beispielhafte Bolometer bzw. Mikrobolometer vorgesehen sind. Diese Offenbarung zieht andere Bolometer und/oder Mikrobolometer als die beispielhaft vorgesehenen in Betracht. Beispielsweise kann in manchen Umsetzungen ein Mikrobolometer mit einem Focal-Plane-Array von etwa 100 x 100 Pixeln verwendet werden. Mit dieser Art von Auflösung ist es möglich, eine ausreichende Verbesserung von Signal zu Rauschen zu erreichen. Das optische Blutzuckermessgerät kann auch eine Rechenvorrichtung 106 beinhalten. Beispielsweise kann die Rechenvorrichtung 106 die beispielhafte Rechenvorrichtung sein, wie sie bezüglich 6E beschrieben ist. Die thermographische Bildgebungsvorrichtung 102 und die Rechenvorrichtung 106 können beispielsweise durch ein oder mehrere Kommunikationsverbindungen kommunikativ gekoppelt sein. Diese Offenbarung zieht in Betracht, dass es sich bei den Kommunikationsverbindungen um eine beliebige geeignete Kommunikationsverbindung handelt. Beispielsweise kann eine Kommunikationsverbindung durch ein beliebiges Medium implementiert werden, das Datenaustausch zwischen der thermographischen Bildgebungsvorrichtung 102 und der Rechenvorrichtung 106 erleichtert, einschließlich aber nicht ausschließlich drahtgebunden, drahtlos und optische Verbindungen. Beispielhafte Kommunikationsverbindungen umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, einen internen Datenbus, ein LAN, ein WAN, ein MAN, Ethernet, das Internet oder eine beliebige andere drahtgebundene oder drahtlose Verbindung wie Wifi, WiMax, 3G oder 4G. Es versteht sich, dass die hierin bezüglich der verschiedenen Figuren beschriebenen logischen Operationen (1) als Folge von rechnerimplementierten Maßnahmen oder Programmmodulen (d.h. Software), die auf einer Rechenvorrichtung (z.B. der in 6E beschriebenen Rechenvorrichtung) laufen, (2) als miteinander verbundene Maschinenlogikschaltungen oder Schaltungsmodule (d.h. Hardware) in der Rechenvorrichtung und/oder (3) als Kombination von Software und Hardware der Rechenvorrichtung implementiert werden können. Somit sind die hierin diskutierten logischen Operationen nicht auf eine beliebige spezifische Kombination von Hardware und Software beschränkt. Die Umsetzung ist eine Frage der Wahl abhängig von der Leistung und anderen Anforderungen der Rechenvorrichtung. Demgemäß werden die hierin beschriebenen logischen Operationen verschiedentlich als Operationen, strukturelle Vorrichtungen, Maßnahmen oder Module bezeichnet. Diese Operationen, strukturellen Vorrichtungen, Maßnahmen und Module können in Software, Firmware, digitaler Sonderzwecklogik und einer beliebigen Kombination derselben umgesetzt werden. Es versteht sich, dass mehr oder weniger Operationen als in den Figuren gezeigt und hierin beschrieben durchgeführt werden können. Diese Operationen können auch in einer anderen Reihenfolge als den hierin beschriebenen durchgeführt werden.
Anhand von 6E wird eine beispielhafte Rechenvorrichtung 600, auf der Ausführungsformen der Erfindung implementiert werden können, gezeigt. Es versteht sich, dass die beispielhafte Rechenvorrichtung 600 nur ein Beispiel für eine geeignete Rechenumgebung ist, auf der Ausführungsformen der Erfindung implementiert werden können. Optional kann es sich bei der Rechenvorrichtung 600 um ein gut bekanntes Rechensystem, einschließlich aber nicht ausschließlich um Personal Computers, Server, handgehaltene Vorrichtungen oder Laptopvorrichtungen, Multiprozessorsysteme, mikroprozessorbasierte Systeme, netzwerkgebundene Personal Computers (PCs), Minicomputer, Mainframe-Rechner, eingebettete Systeme und/oder dezentrale Rechenumgebungen, einschließlich mehrerer von beliebigen der vorstehenden Systeme oder Vorrichtungen, handeln. Dezentrale Rechenumgebungen ermöglichen Fernrechenvorrichtungen, die mit einem Kommunikationsnetzwerk oder einem anderen Datenübertragungsmedium verbunden sind, um verschiedene Aufgaben auszuführen. Bei der dezentralen Rechenumgebung können die Programmmodule, Anwendungen und andere Daten auf lokalen und/oder fernen Rechnerspeichermedien gespeichert sein.
In ihrer einfachsten Konfiguration beinhaltet die Rechenvorrichtung 600 typischerweise mindestens eine Verarbeitungseinheit 606 und einen Systemspeicher 604. Abhängig von der exakten Konfiguration und Art der Rechenvorrichtung kann der Systemspeicher 604 flüchtig (etwa ein Direktzugriffsspeicher (RAM)), nicht flüchtig (etwa ein Festspeicher (ROM), Flash-Speicher, etc.) oder eine Kombination der beiden sein. Diese einfachste Konfiguration ist in 6E durch die Strichlinie 602 dargestellt. Die Verarbeitungseinheit 606 kann ein programmierbarer Standardprozessor sein, der arithmetische und logische Operationen ausführt, die für den Betrieb der Rechenvorrichtung 600 erforderlich sind. Die Rechenvorrichtung 600 kann auch einen Bus oder anderen Kommunikationsmechanismus zum Kommunizieren von Informationen unter verschiedenen Komponenten der Rechenvorrichtung 600 umfassen.
Die Rechenvorrichtung 600 kann zusätzliche Merkmale/Funktionalität aufweisen. Beispielsweise kann die Rechenvorrichtung 600 zusätzlichen Speicher, etwa Wechselspeicher 608 und nicht wechselbaren Speicher 610, einschließlich aber nicht ausschließlich magnetische oder optische Platten oder Bänder, umfassen. Die Rechenvorrichtung 600 kann auch Netzwerkverbindung(en) 616 enthalten, die der Vorrichtung das Kommunizieren mit anderen Vorrichtungen erlauben. Die Rechenvorrichtung 600 kann auch Eingabevorrichtung(en) 614 aufweisen, etwa eine Tastatur, eine Maus, einen Touchscreen etc. Ausgabevorrichtung(en) 612 wie etwa ein Display, Lautsprecher, Drucker, etc. können ebenfalls enthalten sein. Die zusätzlichen Vorrichtungen können mit dem Bus verbunden sein, um die Kommunikation von Daten unter den Komponenten der Rechenvorrichtung 600 zu erleichtern. Alle diese Vorrichtungen sind in dem Gebiet gut bekannt und müssen hier nicht ausführlich erläutert werden.
Die Verarbeitungseinheit 606 kann ausgebildet sein, um Programmcode, der in greifbaren, computerlesbaren Medien kodiert ist, auszuführen. Greifbare, computerlesbare Medien bezeichnen beliebige Medien, die Daten bereitstellen können, die die Rechenvorrichtung 600 (d.h. eine Maschine) in einer bestimmten Weise arbeiten lassen können. Es können verschiedene computerlesbare Medien genutzt werden, um der Verarbeitungseinheit 606 auszuführende Befehle zu liefern. Beispielhafte greifbare, computerlesbare Medien können, ohne aber darauf beschränkt zu sein, flüchtige Medien, nicht flüchtige Medien, Wechselmedien und nicht wechselbare Medien umfassen, die in einem beliebigen Verfahren oder einer beliebigen Technologie für Speicherung von Information etwa computerlesbaren Befehlen, Datenstrukturen, Programmmodulen oder anderen Daten implementiert sein können. Der Systemspeicher 604, der Wechselspeicher 608 und der nicht wechselbare Speicher 610 sind alles Beispiele für greifbare, computerlesbare Medien. Beispielhafte greifbare, computerlesbare Aufzeichnungsmedien umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine integrierte Schaltung (z.B. ein feldprogrammierbares Gate-Array oder eine anwendungsspezifische IC), eine Festplatte, eine optische Platte, eine magneto-optische Platte, eine Floppy Disk, ein Magnetband, ein holographisches Speichermedium, eine Solid-State-Vorrichtung, RAM, ROM, elektrisch löschbaren programmierbaren Festwertspeicher (EEPROM), Flash-Speicher oder andere Speichertechnologie, CD-ROM, Digital Versatile Disks (DVD) oder einen anderen optischen Speicher, Magnetkassetten, Magnetband, Magnetplattenspeicher oder andere Magnetspeichervorrichtungen.
In einer beispielhaften Umsetzung kann die Verarbeitungseinheit 606 in dem Systemspeicher 604 gespeicherten Programmcode ausführen. Beispielsweise kann der Bus Daten zu dem Systemspeicher 604 befördern, von wo die Verarbeitungseinheit 606 Befehle erhält und ausführt. Die von dem Systemspeicher 604 erhaltenen Daten können vor oder nach Ausführen durch die Verarbeitungseinheit 606 optional in dem Wechselspeicher 608 oder dem nicht wechselbaren Speicher 610 gespeichert werden.
Es versteht sich, dass die hierin beschriebenen verschiedenen Techniken in Verbindung mit Hardware oder Software oder ggf. mit einer Kombination derselben implementiert werden können. Somit können die Verfahren und Einrichtungen des vorliegend offenbarten Gegenstands oder bestimmte Aspekte oder Teile desselben die Form von Programmcode (d.h. Befehlen) annehmen, die in greifbaren Medien wie Floppy Disks, DC-ROMs, Festplatten oder einem beliebigen anderen maschinell lesbaren Speichermedien eingebettet sind, wobei, wenn der Programmcode in eine Maschine geladen und von dieser ausgeführt wird, etwa einer Rechenvorrichtung, die Maschine eine Einrichtung zum Praktizieren des vorliegend offenbarten Gegenstands wird. Im Fall von Programmcodeausführung auf programmierbaren Rechnern umfasst die Rechenvorrichtung allgemein einen Prozessor, ein Speichermedium, das von dem Prozessor lesbar ist (einschließlich flüchtiger und nicht flüchtiger Speicher und/oder Speicherelemente), mindestens eine Eingabevorrichtung und mindestens eine Ausgabevorrichtung. Ein oder mehrere Programme können die in Verbindung mit dem vorliegend offenbarten Gegenstand beschriebenen Prozesse implementieren oder nutzen, z.B. durch die Nutzung einer Programmierschnittstelle (API), von wiederverwendbaren Steuerungen oder dergleichen. Solche Programme können in einer prozeduralen oder objektorientierten Programmiersprache auf hohem Niveau implementiert sein, um mit einem Rechnersystem zu kommunizieren. Das Programm/die Programme kann/können aber nach Bedarf in Assembliersprache oder Maschinensprache implementiert sein. In jedem Fall kann die Sprache eine kompilierte oder interpretierte Sprache sein und kann mit Hardware-Umsetzungen kombiniert sein.
Unter Verweis nun auf 17 ist ein Flussdiagramm gezeigt, das beispielhafte Operationen zum Detektieren von Glucosewerten bei einem Probanden darstellt. Wie hierin beschrieben kann die Infrarotstrahlung, die von dem menschlichen Auge emittiert und von Glucose in dem Augenflüssigkeitsfilm gefiltert wird, detektiert und mit Standardfingerstich-Blutzuckerwerten, BGV, korreliert werden. Diese Offenbarung erwägt, dass die Operationen mithilfe des beispielhaften optischen Blutzuckermessgeräts (z.B. eines Patientenselbstüberwachungssystems), das beispielsweise bezüglich 6A oder 6B beschrieben ist, implementiert werden können. Bei 1702 können mehrere Bilder des Auges des Probanden mithilfe einer thermographischen Bildgebungsvorrichtung (z.B. der thermographischen Bildgebungsvorrichtung 102 von 6A oder der IR-Kamera 655 von 6B) aufgenommen werden. Diese Offenbarung zieht das Aufnehmen von mehreren Bildern zum Reduzieren von Rauschen in Betracht. Beispielsweise können in manchen Umsetzungen vier Bilder aufgenommen werden. Auch wenn vier Bilder als Beispiel vorgesehen werden, zieht diese Offenbarung das Aufnehmen von mehr oder weniger als vier Bildern in Betracht. Es versteht sich, dass es zwischen Rauschminderung und Verarbeitungs-/Speicheranforderungen bei einer steigenden Anzahl von Bildern Kompromisse gibt. Die Bilder können von der thermographischen Bildgebungsvorrichtung über eine Kommunikationsverbindung für weitere Verarbeitung zu einer Rechenvorrichtung (z.B. Rechenvorrichtung 600 von 6E) übermittelt werden.
Bei 1704 kann ein mittlerer Strahldichtewert für eine interessierende Pixelregion mithilfe der mehreren Bilder des Auges des Probanden berechnet werden. Die interessierende Pixelregion kann optional eine Region des Infrarotsensors sein, der so positioniert ist, dass er eine Region des Auges des Probanden in einem Sichtfeld der thermographischen Bildgebungsvorrichtung abdeckt. Wie hierin beschrieben ist, kann die interessierende Pixelregion verschiedene Größen und/oder Formen (z.B. kreisförmig, elliptisch oder andere passende Formen) aufweisen, beispielsweise bedarfsweise auf die Patientenanatomie, die Umgebungsbeleuchtung, Probengrößen und/oder Kameraparameter zugeschnitten sein. Bei einer beispielhaften Umsetzung kann die interessierende Pixelregion 400 Pixel umfassen, z.B. etwa 10 mal 40 Pixel, was lediglich beispielhaft vorgesehen ist. Diese Offenbarung zieht eine interessierende Pixelregion von mehr oder weniger als 400 Pixeln in Betracht. Zum Berechnen des mittleren Strahldichtewertes für die interessierende Pixelregion kann ein jeweiliger mittlerer Strahldichtewert für die Pixel in jedem der mehreren Bilder berechnet werden. Dies kann für jedes Bild durch Integrieren des jeweiligen Strahldichtewertes für jeden der Pixel in der interessierenden Pixelregion verwirklicht werden, um einen einzelnen Strahldichtewert zu erhalten. Der einzelne mittlere Strahldichtewert für jedes der Bilder kann dann gemittelt werden, um den mittleren Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion zu erhalten (d.h. einen einzelnen mittleren Strahldichtewert über alle Bilder).
Bei 1706 kann der mittlere Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion beruhend auf einer Temperatur des Auges des Probanden zum Zeitpunkt der Bildaufnahme korrigiert werden. Wie nachstehend in Beispiel 3 beschrieben kann der mittlere Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion bei etwa 33,5°C auf einen entsprechenden Strahldichtewert skaliert werden. Diese Korrektur kann das wellenlängenabhängige Ansprechen des IR-Sensors der thermographischen Bildgebungsvorrichtung kompensieren.
Bei 1708 kann der korrigierte mittlere Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion mit einem Blutzuckerwert des Probanden korreliert werden. Wie hierin beschrieben kann der Blutzuckerwert durch Datenbanksuche erhalten werden. Optional kann, wie nachstehend in Beispiel 3 beschrieben, ein Suchalgorithmus verwendet werden, um einen wahrscheinlichsten Blutzuckerwert des Probanden zu identifizieren, der dem korrigierten mittleren Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion entspricht.
BEISPIELE
Beispiel 1
Messungen wurden mithilfe von drei IR-Sensortypen erhalten. Zwei sind Vorrichtungen von bolometrischem Typ, wobei einer Spannung und der andere Strom misst, sie empfindlich in den Regionen 8 bis 12 Mikrometer sind und die gesamte Strahlung mit einer maximalen Empfindlichkeit von etwa 10 Mikrometer aufzeichnen. Sie erfassten die gesamte MIR-Strahlung mit der Glucosesignatur. Sie waren ausreichend empfindlich, um Änderungen der Glucosewerte festzustellen, wie nachstehend angegeben. Die optische Konfiguration war solcher Art, dass das gesamte Auge in dem Strahlungserfassungsfeld enthalten war.
Die dritte Vorrichtung war eine MIR-Kamera, die eine hohe räumliche Auflösung hatte, und damit waren punktweise Messwerte über dem Auge möglich. Die Spektralregion war wiederum 8 bis 12 Mikrometer, zentriert auf 10 Mikrometer.
1 zeigt die räumliche Auflösung, die mithilfe einer MIR-Kamera möglich ist. Die dunkle Scheibe ist die Referenz für den bildweisen Vergleich.
Es wurde ein großes Volumen warmer Lösung in einem MIR-transparenten Beutel verwendet, um Infrarotstrahlung mit Konzentrationen zu vergleichen. Diese Lösungen waren nicht Filme, sondern vielmehr Sammelproben. 2A bis 2D zeigen die Trends und demonstrieren, dass es zwischen Konzentration und MIR-Signal, das mithilfe eines bolometrischen Detektors detektiert wird, eine starke Beziehung gibt.
In 2A bis 2D handelt es sich bei der vertikalen Achse um Volt, während es sich bei der horizontalen Achse um Gramm Glucosepulver, aufgelöst in 300 ml Wasser, handelt. Blutzuckermessgeräte messen in Milligramm pro Deziliter, so dass es sich um einen breiten Bereich handelt. 2C behandelt die Region, über der ein Diabetiker seine Zuckerwerte erwarten dürfte, d.h. von etwa 67 bis 300 mg/dl reichend. 2D zeigt einen verfeinerten Skalenbereich von 16, ein sehr niedriger Wert für einen Patienten, bis zu 100 mg/dl.
3A und 3B zeigen an der vertikalen Achse Blutzuckermessgerätwerte in mg/dl, und die horizontale Achse sind Detektorspannungswerte bei Verwenden eines bolometrischen Detektors. Bei 3A handelt es sich um Daten eines einzelnen Tags, und bei 3B um eine Kombination von Messwerten mehrerer Tage, die auf einen eingestellten Standardwert kalibriert sind.
4 ist ein Bild eines Auges unter Verwenden einer MIR-Kamera. Die Spektralwahl ist auf das maximale Kameraansprechen, zentriert auf eine Region von 10 Mikrometer, zurückzuführen. Der dunkle Ring um das Auge wurde als Referenz genutzt. Die kleinen Punkte, die in dem Bild zu sehen sind, sind Messpunkte, an denen Pixelwerte in drei Farben erhalten werden. Der Gesamtwert entspricht der pro Pixel emittierten MIR-Energie.
Die Mittelwerte über den Augenwerten wurden auf den Referenzring normalisiert. 5A und 5B sind graphische Darstellungen von MIR-Graustufen-Pixelwerten gegen Blutzuckermessgerät-Messwerten für einen Diabetiker (5A) und einen Nichtdiabetiker (5B). Nicht nur lag eine starke Korrelation zwischen Graustufen-Pixelwerten und Blutzuckermessgerät-Messwerten vor, auch die Empfindlichkeit ist ausreichend, so dass man zwischen Messwerten von 125 und 129 mg/dl unterscheiden kann (5A). 5A und 5B nutzen eine Pixelwertskala, die mit Photonenzählungen in Verbindung steht, die der Sensor eines Sensors liest. Diese sind mittels Algorithmen, die mittels eines computerlesbaren Speichers programmiert sind, und eines entsprechenden Prozessors in der Einrichtung mit der Strahldichte oder Temperatur korreliert, z.B. Pixelwerte, die hinsichtlich Photonenzählungen oder Energie auf Graustufenintensität beruhen. Die Graustufenbilder beseitigen Rot-Grün-Blau-Farbwerteffekte. Diese Graustufenwerte können als Multi-Bit-Intensitätswerte, indexierte Intensitätswerte oder auf einer logarithmischen Skala für Photonenemissionen ausgedrückt werden, die dann mittels einer in der hierin beschriebenen Einrichtung gespeicherten Software an Strahldichte- und Temperaturkorrelationen angepasst werden.
Wie in 5B gezeigt ist, besteht wie zuvor eine starke Korrelation zwischen Graustufen-Pixelwerten und Blutzuckermessgerät-Messwerten. Die Empfindlichkeit ist wiederum gut, d.h. 97 und 102 mg/dl werden einfach unterschieden.
Daher besteht eine starke Korrelation zwischen MIR-Werten, die in Augenflüssigkeitsfilmen gemessen werden, und Blutzuckerwerten. Dies öffnet die Tür für eine neue Klasse von medizinischen Vorrichtungen, die bei Diabetikerselbstüberwachung effektiv genutzt werden können.
Beispiel 2
7 ist eine graphische Darstellung von Sensoransprechverhalten in dem MIR-Bereich, die von einem beispielhaften Hersteller stammen (z.B. FLIR Systems, Inc.). Das wesentliche Merkmal ist, dass das maximale Sensoransprechen in dem Bereich von 9 bis 10,5 Mikrometer auftritt. Es versteht sich, dass es sich zwar um FLIR-Kameradaten handelt, doch hat das Bolometer ein ähnliches Ansprechverhalten.
8 zeigt den Transmissionsgrad von Glucose über dem MIR-Bereich (vom National Institute of Standards and Technology -NIST erhaltene Figur). Glucose lässt in dem Bereich von 9 bis 10 Mikrometer die kleinste Strahlungsmenge durch. Diese Kurve ist eine ausgezeichnete Annäherung an eine Glucose- und Wasserlösung.
9 zeigt den Transmissionsgrad von Wasser über dem MIR-Bereich (NIST-Datenbank). Es lässt in dem Bereich von 9 bis 10 Mikrometer etwa 80% der Strahlung durch.
Aus den in 7-9 gezeigten graphischen Darstellungen ist ersichtlich, dass diese Detektoren, kombiniert mit dem Transmissionsgrad von Glucose und Wasser, angeben, dass die maximale Wirkung einer Glucoselösung in der Augenflüssigkeit in dem Spektralbereich auftreten würde, in dem die Empfindlichkeit der Sensoren optimiert ist, d.h. 9 bis 10 Mikrometer.
Dies ist der beste Spektralbereich, um Glucose zu detektieren. Diese Arbeit ist in einer Studie zur Anwendung von Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie zusammengefasst. In klinischen Beispielen für die Kontrollgruppen von 10-12 wurde eine Fourier-Transformations-Analyse von Infrarotbild-Pixelwerten (FT-IR) für gedämpfte Gesamtreflexionsgrad(ATR)-Daten, die für Kontrolllösungen gesammelt wurden, durchgeführt. Während in-vivo-Tests des Auges eines Probanden Infrarotemissionen im mittleren Bereich von einem Augapfel messen, ohne gerichtete Infrarotstrahlung von der Kamera zu dem Auge, nutzt die ATR-Analyse der Kontrollproben das ATR-Verfahren des Richtens von Infrarotstrahlung auf die Probe und des Messens von Strahlung, die zurück auf den Sensor reflektiert wird. Bei 10-12 wurde ATR FT-IR-Spektroskopie genutzt, um die Konzentration von Glucose in wässrigen Proben, einschließlich solchen, die mit künstlichen Tränen gemischt waren, um die Zusammensetzung der intraokularen Flüssigkeit nachzuahmen, zu messen. Die Schwingungsmoden von Glucose in der Region, 980-1200 cm^-1, wurden als Identifikatoren der Konzentration der Glucose genutzt. Die Transmission an den zwei für Analyse gewählten Spitzen (1030 cm^-1 und 1078 cm^-1) ist proportional zur Konzentration der Glucose in der Probe. Bei Konzentrationen über 90 mg/dl scheint dieses Verfahren eine brauchbare Technik zum Messen der Konzentration von Glucose in wässrigen Lösungen mit einer Empfindlichkeit von 20 mg/dl zu sein.
Wie in 10-12 ersichtlich ist, variiert der Transmissionswert für die Glucosespitzen bei verschiedenen Konzentrationen von Wasser. Dies gilt für Kontrollproben mit Glucose sowohl in Wasser als auch in Wasser, dem künstliche Tränen beigemischt sind. Wenn die Transmission als Funktion von Konzentration bei höheren Konzentrationen (90-1000 mg/dl) aufgetragen wird, besteht eine lineare Beziehung, die unabhängig von der Spitze, 1030 oder 1078 cm^-1, auftritt, analysiert (siehe 10). Bei niedrigeren Konzentrationen von Glucose (50-90 mg/dl) ist die graphische Darstellung jedoch nicht mehr linear. Die Linearpassung bei den höheren Konzentrationen ist reproduzierbar. Unterschiede von 20 mg/dl Glucosekonzentrationen sind mithilfe dieses Verfahrens detektierbar.
10 zeigt die Ergebnisse eines Kontrolltests, der MIR-Transmission als Funktion von Wellenzahl für zwei variierende Konzentrationen von Glucose in wässriger Lösung aufträgt. Das Spektrum wurde mit dem Spektrometer Varian 640-IR FT-IR aufgenommen. In der interessierenden Region liegen zwei Spitzen für Glucose, 1030 cm^-1 und 1078 cm^-1 (9,7 bzw. 9,3 Mikrometer).
Es wurden verschiedene Glucosekonzentrationsstandards erzeugt und die Spektren genommen. 11 ist eine Kontrolldarstellung der verschiedenen Konzentrationen und der Transmissionsspitze bei der Wellenzahl von 1030 cm^-1 und Wellenlänge bei 9,7 Mikrometer. Die FTIR-Transmission bei dieser Wellenzahl steht mit der Konzentration in Verbindung.
12 ist wie 11, doch konzentriert sich auf die niedrigeren Glucosekonzentrationen. Dies ist die Region, in der die Glucosewerte am häufigsten für einen eingestellten Diabetiker gefunden würden.
Der bolometrische Sensor
Bei dem Micro-Epsilon Sensor kann die Vorrichtung in einem Montageständer fixiert werden, so dass der Proband sein Auge auf in etwa 2 cm zu dem Sensor bewegen kann. Es können Kopf- und Augenstützen vorhanden sein, damit Bewegung beschränkt wird. Bei direktem Blick auf den Sensor können Linse und Daten 2 Sekunden lang erfasst werden. Dies kann 200 Messwerte erzeugen, die dann automatisch durch das Datenerfassungssystem gemittelt werden. Unmittelbar nach der Augenmessung wird vor den Detektor an der gleichen Position des Auges wie bei dem vorherigen Test ein Schwarzkörper platziert und die Messungen werden wiederholt, um Schwarzkörper-Referenzwerte bereitzustellen. Die Differenz zwischen den Bolometer-Augenwerten und den Schwarzkörperreferenz(BB)-Werten, AV, wird als „Daten für die Korrelation mit Blutzuckerwerten (BGVs) herangezogen. Die Mittelwerte werden als AV/BB für die Korrelation mit BGV herangezogen.
Der bolometrische Sensor ist im Allgemeinen preisgünstig. Eine medizinische Überwachungsvorrichtung, die auf dieser Klasse von Sensor beruht, sollte einfach zu entwickeln sein. Diese Art von Sensor ist auch im Allgemeinen weniger empfindlich als es ein ähnlicher wie bei der Voll-IR-Kamera wäre.
13 betrifft Bolometer-Spannungsdatenverhältnisse, die bezüglich einer Schwarzkörperreferenz genommen wurden, mit Blutzuckerwerten unter Verwenden eines Standardblutzuckermessgeräts. In diesem Datensatz finden sich 30 Messwerte. Die graphische Darstellung ist wiederum wie erwartet geradlinig und nimmt mit steigendem BGV ab, da es sich um einen absorbierenden Film handelt.
Die Datenstreuung ist vorrangig auf Augentemperatur zurückzuführen. Ansonsten liegt Zufallsrauschen im Signal vor. Die Daten in dieser graphischen Darstellung wurden vor der Darstellung rauschgefiltert. Die mittlere Linie ist die Linearpassung und die beiden Seitenlinien stellen plus/minus eine Standardabweichung dar.
Die FLIR-Kamera
Die FLIR-Kamera ist empfindlicher und liefert Strahldichtedaten sowie Temperaturwerte. Aus diesem Grund wurde sie für die grundlegende Machbarkeitsstudie verwendet.
Vorgehenswseise:
Zuerst kann ein Infrarotbild (IR) des Auges erstellt werden, das in einem mehrfarbigen Format dargestellt wird. Auch hier kann die Kopf- und Augenpositionierung durch eine Kopfstütze und eine optische Blende eingeschränkt werden. Diese behalten jedes Mal die gleiche Konfiguration bei. Es sind die Strahldichtedaten, die am wertvollsten sind. Im Folgenden wird gezeigt, wie diese Daten für bestimmte Augenregionen isoliert werden.
Eine Blende kann verwendet werden, um die relative Position zwischen der Kamera und dem Auge des Probanden zu halten. Es kann auch eine Referenz für das Temperatur- und Strahldichtedatenfeld liefern.
Gleichzeitig mit der Aufnahme dieses Bildes kann die Kamera eine Strahldichtedatei und eine Temperaturangabe pro Pixel erzeugen, die dem Farbbild entspricht.
Diese Dateien können als Graustufenbilder dargestellt werden. Da es schwierig ist, Regionen im Auge aus einem Graustufen-Strahldichtedatenbild zu finden, kann das mehrfarbige Bild verwendet werden, um eine Maske zu erstellen, die jeden interessierenden Bereich im Auge lokalisiert:
Die interessierenden Bereiche sind in einigen Fällen der linke und rechte Augenwinkel und die Mitte des Auges. Die höchsten Augentemperaturen liegen im Allgemeinen im rechten Augenwinkel (in der Nähe der Nase), gefolgt vom linken und dann der Mitte. Es gibt etwa 2 Grad C Abweichung zwischen diesen Werten.
Das Maske und das Graustufenstrahldichtebild können dann multipliziert werden, um ein weiteres Bild von Strahldichtedaten zu bilden, die innerhalb der interessierenden Bereiche isoliert sind.
Die Strahldichtedaten können dann über jede Region gemittelt werden, um Informationen zu liefern, wie etwa:
{127, 0,00428962, 0,00428217, 0,004344389}
127 ist ein für Veranschaulichungszwecke hinzugefügter BGV und 0,00428962 ist in Watt/cm2-strd.
Mit dem gleichen Verfahren kann für jeden Bereich ein Temperaturwert, Grad C nachstehend, erhalten werden:
{127, 0,00428962, 0,00428217, 0,00434438, 33,6500, 33,3320, 34,3795}
Ergebnisse:
14 betrifft Strahldichtedaten mit Blutzuckerwerten unter Verwenden der FLIR-Kameradaten. In diesem Datensatz finden sich 45 Messwerte. Die graphische Darstellung ist wie erwartet geradlinig und nimmt mit steigendem BGV ab, da es sich um einen absorbierenden Film handelt.
Die Datenstreuung ist vorrangig auf Augentemperatur zurückzuführen. Ansonsten liegt Zufallsrauschen im Signal vor. Die Daten in dieser graphischen Darstellung wurden vor der Darstellung rauschgefiltert. Die mittlere Linie ist die Linearpassung und die beiden Seitenlinien stellen plus/minus eine Standardabweichung dar.
Da es Temperaturschwankungen im Auge und zwischen Testsitzungen gibt, wurden Modelle entwickelt, mit denen Anpassungen für diese Schwankungen vorgenommen werden können. Diese basieren auf idealen Schwarzkörpern, dem Ansprechverhalten der Kamera und der Wasserdämpfung des Signals.
Diese wären Teil der Datenanalysesoftware des Systems.
Ein weiteres Problem ist die tägliche Verfolgung der Messwerte. Dies wird dadurch erreicht, dass alle Messwerte auf einen Standard bezogen werden, d.h. Schwarzkörperwerte oder Kontrollglucoselösungen.
Ausführungsformen eines optischen Blutzuckermessgeräts, wie hierin offenbart, können hinsichtlich Verfahren und Einrichtungen, welche die Korrelation zwischen MRI-induzierten Spannungen und Blutzuckerwerten wie zuvor beschrieben verwenden, in Betracht gezogen werden. Die physikalische Korrelation zwischen optischen Glucosekonzentrationen und Spannungsreaktionen in der offenbarten Hardware für ein Bolometer ermöglicht Verfahren und Vorrichtungen, die in komfortabler Weise Blutzuckerwerte für einen Probanden liefern. In einem weiteren Beispiel liefert die physikalische Korrelation zwischen Strahldichteemissionen des Auges eines Probanden und einer zugeordneten Wärmebildanalyse, die bei einer bestimmten Wellenzahl durchgeführt wird, eine ähnliche Blutzuckereinschätzung.
Betrachtet man zunächst eine Bolometer-Ausführung, so kann ein Bolometer in einer Ausführungsform verwendet werden, um ein Verfahren zum Bestimmen von Blutzuckerkonzentration in optischer Flüssigkeit durchzuführen, z.B. Tränen, die Flüssigkeitsfilme auf einer Augapfeloberfläche bilden. Das Verfahren beinhaltet die Messung der Blutzuckerkonzentration eines Probanden (Mensch oder Tier) durch Messung der Glucosekonzentration in den Tränen auf dem Augapfel. Diese Messungen erfolgen in vivo mit Echtzeit-Datenanalyse.
Das Verfahren zum Messen der Blutzuckerkonzentration in einem Flüssigkeitsfilm auf einem Augapfel eines Probanden umfasst einen Satz von Standardkontrollwerten für bekannte Glucosekonzentrationen, wie beispielsweise Kontrollwerte, die durch die Kontrolltestergebnisse der 2A-2D und 3A und 3B bestimmt werden. Das Tabellieren eines Satzes von Standardkontrollwerten für bekannte Glucosekonzentrationen kann das Bestimmen und Speichern eines jeweiligen Mittelwertes von Kontrollspannungswerte beinhalten, die an Pixeln eines MIR-Sensors (Strahlung im mittleren Infrarotbereich) für MIR induziert werden, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Glucosekonzentrationen emittiert wird. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung eines Pixels durch Pixelanalyse von Spannungen, die an jedem jeweiligen Pixel durch MIR, die auf ein Pixelarray in einem Bolometer auftrifft, induziert werden. In einem Aspekt beinhaltet ein Messzyklus für die Blutzuckerkonzentration das Erfassen aller notwendigen Spannungsmessungen an jedem relevanten Pixel in einem Array von MIR-empfindlichen Pixeln und das Speichern von Spannungsmessungen während des Messzyklus, die jeder Spannung entsprechen, die durch die vom Auge emittierte und auf die relevanten Pixel auftreffende mittlere Infrarotstrahlung (MIR) induziert wird. Ein Ziel des Verfahrens ist es, eine hochgenaue Mittelspannungsmessung zu identifizieren, die mit Kontrollspannungen, wie sie in 2A-3B dargestellt sind, korreliert werden kann, und eine Glucosekonzentration eines Probanden in der Augenflüssigkeit zu bestimmen. In einer nicht einschränkenden Analyse verarbeitet das Bolometer mehrere Messzyklen und umfasst für jeden Messzyklus das Integrieren des Satzes der an jedem Pixel in dem Sensorarray gesammelten Spannungsmessungen, um einen einzigen Spannungswert für den jeweiligen Messzyklus zu erzeugen. Unter Verwendung einer einzelnen Spannungsmessung, die aus dem Array von Pixeln für jeden Messzyklus bestimmt wird, umfasst das Verfahren das Berechnen eines mittleren Spannungsmesswerts der einzelnen Spannungsmesswerte über mehrere Messzyklen. Der mittlere Spannungsmesswert kann dann verwendet werden, um eine entsprechende Blutzuckerkonzentration zu bestimmen, indem eine bekannte Blutzuckerkonzentration mit einem Kontrollspannungswert ausgewählt wird, der gleich dem mittleren Spannungsmesswert ist. Die induzierten Schwarzkörper-Referenzspannungen, wie in 4 dargestellt, bieten die notwendige Skalierung für Genauigkeitszwecke.
In einer Ausführungsform ist das Bolometer konfiguriert, um Spannungen an Pixeln in einem Sensor mit einem Array von Pixeln zu induzieren, so dass die Spannungen für MIR mit einer Wellenlänge von etwa 8 bis 11 Mikrometer induziert werden. Eine weitere Ausführungsform umfasst das Induzieren von Spannung an den Pixeln für MIR, die auf die Pixel mit einer Wellenlänge von etwa 10 Mikrometer auftrifft. Diese Wellenlängenbestimmungen können entweder durch eine Linsenkonfiguration in dem Bolometer erreicht werden, die die MIR einer bestimmten Wellenlänge auf das Array von Pixeln richtet, oder durch die Materialien, die zur Bildung der Pixel verwendet werden, so dass Spannungen für besonders ausgewählte Wellenlängen induziert werden. Dementsprechend kann die Wellenlänge von MIR, die auf einen Sensor gerichtet wird, auf die geeignete Wellenlänge für die Glucoseanalyse abgestimmt werden, wie in den vorstehenden Ausführungen dargelegt ist.
Das vorstehend erwähnte Verfahren kann in einem optischen Blutzuckermessgerät mit einem MIR-Sensor (mittlerer Infrarotbereich) implementiert werden, der ein Array von Pixeln umfasst, das mit einem Prozessor verbunden sind, der Blutzuckerwerte mit Spannungsmesswerten korreliert, die durch MIR-Einstrahlung auf die jeweiligen Pixel induziert werden. Ein Rechnerspeicher ist mit dem Prozessor verbunden, wobei der Rechnerspeicher einen Satz der vorstehend beschriebenen Kontrollwerte speichert, der einen jeweiligen Mittelwert der an den Pixeln induzierten Kontrollspannungswerte für MIR enthält, die durch bekannte Glucosekonzentrationen emittiert wird. Das Blutzuckermessgerät ist so konfiguriert, dass der Prozessor auf die Kontrollwerte zugreifen kann. In einem nicht einschränkenden Beispiel der Datenanalyse kann der Prozessor mit rechnerimplementierten Befehlen oder Software konfiguriert werden, die auf rechnerlesbaren Medien gespeichert sind, so dass der Prozessor in einem einzigen Messzyklus Spannungsmessungen erhält, die jeder Spannung entsprechen, die durch das MIR-Auftreffen auf jeweilige Pixel in einem Array von Pixeln induziert wird. Der Prozessor integriert die Spannungsmessungen und erzeugt einen einzigen Spannungswert für den Messzyklus. Mit dieser einzigen Spannungsmessung für mehrere Messzyklen verfügt der Prozessor über ausreichende Daten, um aus den einzelnen Spannungswerten, die jeweiligen Messzyklen in mehreren Messzyklen entsprechen, eine mittlere Spannungsmessung zu berechnen. Der Prozessor korreliert dann die mittlere Spannungsmessung mit einer im Speicher gespeicherten bekannten Glucosekonzentration, indem er eine bekannte Glucosekonzentration mit einem Kontrollspannungswert gleich der mittleren Spannungsmessung auswählt.
In einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren zum Bestimmen der Blutzuckerkonzentration durch Analysieren der optischen Flüssigkeit über dem Auge eines Probanden unter Verwendung eines Wärmebildes von einer Infrarotkamera implementiert werden. Eine Infrarotkamera verfügt auch über ein Pixel-Array, das mit einem Prozessor verbunden ist, der die Blutzuckerwerte mit Strahldichtemessungen korreliert, die durch die auf die jeweiligen Pixel auftreffende mittlere Infrarotstrahlung (MIR) induziert werden. Der Prozessor und das Pixel-Array sind mit einem Rechnerspeicher verbunden, der einen Satz von Standardkontrollwerten speichert. Die Standardkontrollwerte umfassen mittlere Kontrollstrahldichtewerte für eine ausgewählte Wellenzahl, die an den Pixeln von MIR induziert werden, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Glucosekonzentrationen emittiert wird. Die Kontrollwerte sind für den Prozessor zugänglich, um eine mittlere Strahldichtemessung aus einem Wärmebild mit einer bekannten Glucosekonzentration zu korrelieren, die unter Kontrollbedingungen den gleichen Strahldichtewert aufweist. Die Infrarotkamera ist konfiguriert, um ein Wärmebild eines Auges eines Probanden oder eines Teils davon zu erzeugen und am Prozessor eine Strahldichtemessung zu empfangen, die dem MIR-Auftreffen auf jedes der jeweiligen Pixel in dem Kamerasensor-Array entspricht. Der Kamerasensor kann über Linsen oder die Materialien des Sensors selbst abgestimmt werden, um ein Wärmebild bei einer bestimmten Wellenzahl für einen bestimmten Messzyklus zu erzeugen. Die Kamera ist konfiguriert, um die Messungen über mehrere Wärmebilder zu wiederholen, und berechnet einen mittleren Strahldichtemesswert über mehrere Wärmebilder. Der mittlere Strahldichtemesswert ist mit einer bekannten Glucosekonzentration mit einem Kontrollstrahldichtewert korreliert, der gleich dem mittleren Strahldichtemesswert ist
Wie in 10 dargestellt, werden Glucosekonzentrationen am ehesten in Wärmebildern von Kameras mit Wellenzahlen von 1030 cm^-1 oder 1078 cm^-1 detektiert. Unter Verwendung einer dieser Wellenzahlen bei der Kameraeinrichtung werden die Wärmebilder für die Implementierung des Verfahrens der Korrelation von Strahldichtemesswerten mit Kontrollstrahldichtewerten wie beschrieben angepasst.
Ausführungsformen eines Blutzuckermessgeräts, wie hierin beschrieben, können Hard- und Software beinhalten, die es einem Blutzuckermessgerät ermöglicht, die Datenpunkte an der Stelle des Auges des Probanden zu erfassen und die Daten für Datenverarbeitung und Ergebnisse an einen entfernten Server zu übertragen. Um diese Ausführungsform zu implementieren, kann das Blutzuckermessgerät eine tragbare Vorrichtung sein, die einen Sender-Empfänger für drahtlose Kommunikation über ein Netzwerk, wie beispielsweise das Internet, beinhaltet. Das Blutzuckermessgerät kann auch physikalische Abmessungen aufweisen, die eine geeignete Wellenzahl für die Glucoseanalyse wie hierin dargelegt bereitstellen. In einer Ausführungsform beinhaltet das Blutzuckermessgerät einen Kollimationsring, der nicht nur den Abstand des Sensors vom Auge des Probanden bestimmt, sondern auch Referenzdaten in einem erfassten Bild liefert. Der Kollimationsring kann aus einem Material mit einem Emissionsvermögen von etwa 1 bestehen. In einem Beispiel wird die Temperatur des Kollimationsrings in einem Bereich von etwa 33 Grad Celsius bis etwa 35 Grad Celsius gehalten, insbesondere entweder 33 Grad Celsius oder 34 Grad Celsius, und die resultierenden Strahldichtewerte werden zur Kalibrierung verwendet.
Beispiel 3
Um ein System zur Patienten-Selbstüberwachung bereitzustellen, wird nachstehend eine kompaktere Version des Systems im Vergleich zu dem System mit der FLIR-Kamera (z.B. FLIR A325sc-Kamera) beschrieben. Ein solches System kann eine verhältnismäßig kleinere thermographisches Bildgebungsvorrichtung wie etwa die FLIR LEPTON-Kamera als IR-Sensor beinhalten, die die gleiche Glucosedetektion wie die FLIR-Kamera durchführen kann.
Die FLIR LEPTON-Kamera verfügt über den gleichen Typ von IR-Sensorchip, das VOX-Mikrobolometer, den die weiterentwickelte FLIR A325sc verwendet, jedoch ohne Kühlung. Auch wenn es ein rot-grün-blaues (RBG) Bild liefert, wird es nicht von einer umfangreichen Analysesoftware in der Kamera unterstützt. Diese Offenbarung erwägt, dass die Empfindlichkeit bei Bedarf durch Kühlung mit Peltier-basierten Vorrichtungen verbessert werden könnte. Außerdem ist ein vereinfachtes Datenanalysesystem erforderlich, um die Interpretation der Messwerte zu vorzunehmen. Die für die Bildaufnahme und -analysen notwendige Software sowie ein Mittel, um daraus Vorhersagen über den BGV der Patienten zu machen, wurden wie nachfolgend beschrieben entwickelt. Die Methodik und die zugehörigen Vorrichtungen drehen sich um die Detektion der Strahlung und dann um die Identifizierung der entsprechenden Signale.
Datenerfassung
Im Folgenden wird die Vorgehensweise bei Verwendung der FLIR A325sc-Kamera zur Messung von Blutzucker, BGV, im Auge beschrieben. Das Verfahren ist für ein Detektionssystem auf Basis der FLIR LEPTON-Kamera das gleiche wie für ein Detektionssystem auf Basis der FLIR A325sc.
Der Patient schaut aus einer Entfernung von ca. 0,1 m direkt in die Kamera, während die Kamera ein Bild des Auges aufnimmt und das Bild als CSV-Dateien speichert. Es versteht sich, dass das Datenformat (d.h. die CSV-Datei) nur als Beispiel angegeben wird und dass andere Datenformate verwendet werden können. Dieser Vorgang wird in schneller Folge mehrmals (z.B. 4 mal) wiederholt und die resultierenden Daten werden gemittelt.
Es werden zwei Datensätze verwendet, um Korrekturen aufgrund von Temperaturschwankungen zu ermöglichen. Eine der CSV-Dateien enthält Strahldichtedaten (Watt/cm²-Sr) pro Pixel und die andere Datei Temperaturdaten °C. Diese beiden Dateien bilden den Kern der Datenmessungen, die zur Bestimmung des Glucosewertes im Auge durchgeführt werden. 18A zeigt ein mithilfe von Strahldichtedaten erzeugtes Bild. 18B zeigt ein mithilfe von Temperaturdaten erzeugtes Bild. 18C zeigt eine Maske, die zum Festlegen der interessierenden Pixelregion in jedem der Bilder verwendet werden kann. In 18C ist die Maske von rechteckiger Form und entspricht einer zentralen Region des Auges. Wie hierin beschrieben ist die Größe, Form und/oder Position der Maske nicht auf das Beispiel in 18C beschränkt. Die Maske stellt sicher, dass der gleiche Bereich innerhalb der Augenbilder verglichen wird, unabhängig davon, ob es sich um Strahldichte- oder Temperaturfelddaten handelt. Das maskierte Bild wird dann beschnitten, um das interessierende Strahldichte-/Temperaturdatenfeld zu entfernen, wie nachstehend gezeigt ist.
Dieses zugeschnittene Bild ist ein {17,33} Pixelwertfeld, 561 Elemente, mit typischen Daten der Form:
{0,00430927, 0,00431093, 0,00430939, 0,00430872, 0,00430759, \ 0,00430621, 0,0043061, 0,0043072, 0,00430605, 0,00430715, 0,00430791, \ 0,0043081, 0,0043076, 0,00431006, 0,00431159, 0,00431252, 0,00431627, \ 0,00431841, 0,00432107, 0,00432293, 0,00432496, 0,00432592, \ 0,00432877, 0,00432923, 0,00433073, 0,00433161, 0,00433528, \ 0,00433538, 0,00433793, 0,00433763, 0,00434009, 0,0043405, 0,00434075}
Das Feldmittel beträgt 0,00431981 Watt/cm²-Sr.
Auf die gleiche Weise wird das Mitteltemperaturfeld über dieser Region erhalten, in diesem Fall beträgt es 33,9346 C.
Die Datensätze bestehen aus drei Zahlen; eine davon ist der Blutzuckerwert (aus direkten Blutzuckermessgerät-Blutmessungen), die Strahldichte und die Temperatur des Auges. Das Datenformat ist {BGV, Strahldichte, Temperatur C}. In diesem Fall ist der Satz:
{157, 0,00431981, 33,9346}
Es wurde festgestellt, dass die Augentemperatur im Allgemeinen mit etwa 33,5 °C nahezu konstant ist. Da das Auge wie ein Schwarzkörper wirkt, der durch den Augenflüssigkeitsfilm, der im Wesentlichen ein Filter ist, emittiert, absorbiert die Glucose die Strahlung des Auges. Die nahezu konstante Temperatur ermöglicht es einem Betrachter, die Werte des Blutzuckers im Augenfilm von der Hintergrundstrahlung zu unterscheiden. Bei signifikanten Temperaturschwankungen (z.B. +/- ein Grad oder mehr) zwischen Messungen ist es notwendig, eine Temperaturskalierung oder -korrektur TC auf die Strahldichtewerte durchzuführen, damit alle Daten 33,5°C entsprechen.
Das Temperaturkorrekturverfahren basiert auf einer temperaturabhängigen Funktion. Die temperaturabhängige Funktion ist gerätespezifisch und kann für eine bestimmte thermographische Bildgebungsvorichtung unter Verwendung eines Standard-Schwarzkörpers und direkter Messungen der Strahldichte aus dem Schwarzkörperhohlraum entwickelt werden. Dies ermöglicht eine Korrelation zwischen der tatsächlichen Schwarzkörpertemperatur und der vom Schwarzkörper emittierten Strahldichte, wie sie von der thermographischen Bildgebungsvorrichtung aufgezeichnet wird. Dabei wird das wellenlängenabhängige Ansprechen des Detektors berücksichtigt, der in der thermographischen Bildgebungsvorrichtung (z.B. einer FLIR A 325sc oder FLIR LEPTON Kamera) verwendet wird. Die Region, in der die Kamera am empfindlichsten ist, der Bereich 8 bis 14 µm, liefert eine Strahldichte im Vergleich zu einer Funktion von Temperatur, die linear ist. Die Funktion, die sich aus dem vorstehend beschriebenen Verfahren ergibt, ist 71% eines theoretischen Schwarzkörpers, der über die gleiche Region bei den entsprechenden Temperaturen emittiert; $DatafitBB [Tp] = 0,002139894400283821' + 0,00006380427549443183' Tp$
Die Korrektur wird dann erhalten durch: $StrahldichteTC = (gemessene Strahldichte) * (DatafitBB [33,5] /DatafitBB [Tgemessen] .$
Für diesen Datensatz führen die Korrekturen zu den Datenelementen {157, 0,00429228, 33,5}, wobei der Strahldichtewert 99,4% seines Testwertes beträgt.
Nach dem vorstehend dargelegten Vorgehen wurden größere Datensätze gewonnen und bei der Entwicklung der Analysemittel für den BGV-Nachweis eingesetzt. Die mit diesem experimentellen Verfahren erhaltenen Datensätze sind patientenabhängig und können verallgemeinert werden, indem Daten von einer sehr großen Gruppe von Personen über einen längeren Zeitraum erfasst werden. Diese Arbeit hat gezeigt, dass Modelle entwickelt werden können, die die Erzeugung eines „Schulungs“-Datensatzes ermöglichen, der in einem Detektionssystem verwendet werden kann. Diese Modelle werden nachstehend näher beschrieben.
IR-Transmission durch Lösungen
Es hat sich gezeigt, dass eine wässrige Glucoselösung tatsächlich Strahlung im Spektralbereich von 8 bis 14 Mikrometer stark absorbiert und dass die Absorption mit zunehmender Glucosekonzentration zunimmt. Es wurde nicht die Absorption, sondern die Transmission von Strahlung durch die Glucose untersucht, da dies am besten die Filterwirkung beschreibt.
Die ersten Tests zur Bestätigung wurden mit einem Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer Varian 640 FTIR durchgeführt. In diesen Tests wurden 10 µL Lösungen in die ATR-Zelle des Spektrometers eingebracht und der Transmissionsgrad für jede Lösung über das Spektrum gemessen. Die Konzentrationen reichen von etwa 50 bis 2000 mg/dl. Durch die Verwendung dieses extrem breiten Bereichs und hoher Werte für die Glucosekonzentration gelang es, die Trends in den Daten zu verifizieren. 19A zeigt drei Beispiele für Transmission gegen Wellenzahl über die interessierende primäre Region, Wellenzahlen 1000 bis 1100 cm^-1, wo Glucoseabsorption am offensichtlichsten ist. 19B zeigt eine graphische Darstellung aller FTIR-Daten. Die graphische Darstellung der Konzentration 1000 mg/dl ist die niedrigste Linie, während Wasser die oberste ist. 19C zeigt die Mittelbereich unter jeder Kurve, um die beiden Spitzen in den FTIR-Spektraldaten, mit der Änderung der Lösungskonzentration. Alle Lösungen wurden bei Raumtemperatur durchgeführt, so dass es keine anderen thermischen Effekte gab. Das gleiche Muster ergibt sich, wenn die Konzentration als Funktion der Höhe des Peaks aufgetragen wird. Diese Offenbarung sieht vor, dass eine Glucose-Transmissionsgleichung aus den FTIR-Daten von 19C abgeleitet werden kann. So kann beispielsweise die Glucose-Transmissionsgleichung ein polynomialer Ausdruck sein, der sich aus den FTIR-Daten ergibt. Dieser Ausdruck kann ein Modell sein, das am besten die FTIR-Daten wiedergibt. Dieses Modell mit der besten Wiedergabe der FTIR-Daten wird durch die durchgehende Linie in 19C dargestellt.
EyeModel
Ein System mit der FLIR A325sc-Kamera wurde verwendet, um einen großen Datensatz für die Studie zu erzeugen. 20 zeigt einen Datensatz von einem die FLIR A325sc Kamera beinhaltenden System, bestehend aus 103 Messwerten. Die Korrelationsmatrix für diese Daten ist:

1 -0,13055

-0,13055 1
Dies steht im Einklang mit den negativen Korrelationen zwischen Strahldichte und BGV, die in den FTIR- und Surrogat-Augenstudien festgestellt wurden.
Die Linie in der graphischen Darstellung ist die beste lineare Anpassung an die Daten und ist ihre charakteristische Funktion: $\begin{array}{l} CharacteristicFunct [BGV] = 0,00431027914307337 - 1,387389894556692 \\ \times 10^{- 7} BGV \end{array}$
Die Mittelwerte für diesen Datensatz sind {132,675, 0,00429187, 33,5383} mit den Standardabweichungen {25,11, 0,0000266844, 0,370433}. Zu beachten ist, dass die mittlere Temperatur 33,5 C beträgt und dass Σ = 0,000266844.
Aus der graphischen Darstellung scheint die Streuung der Messwerte zufällig über die CharacteristicFunct-Linie verteilt zu sein. Dies wird durch Subtraktion der CharacteristicFunct-Werte vom Datensatz deutlich, was zu einer Rauschverteilung führt, wie sie in 21 dargestellt ist. 22 zeigt das Histogramm des Rauschens. 23A (Wahrscheinlichkeitsdichtehistogramm und Normalverteilungsdatenanpassung) und 23B (willkürlich erzeugtes Datenwahrscheinlichkeitsdichtehistogramm und Normalverteilungsdatenanpassung) zeigen, dass das Rauschen im Grunde willkürlich ist, was dem entspricht, was bei Untersuchungen zu sehen ist.
Nachdem die Zufälligkeit des Rauschens festgestellt wurde, kann geschlossen werden, dass das Mittel vieler Messungen, vielleicht 100, pro Bewertungssitzung die Streuung verringern würde.
Es kann ein theoretischer Ausdruck für CharacteristicFunct erzeugt werden, der als EyeModel bezeichnet wird. Dieses Modell ist eine Funktion von BGV und hat die funktionale Form: $(\begin{array}{l} EyeModel [BGV] \\ = NLAFunc [BGV] * (Glucose - Transmission - Gleichung [BGV] * DatafitBB [33,5]) \end{array})$
Das heißt, das Augenmodell ist gleich einem nichtlinearen Korrekturfaktor, NLA, multipliziert mit dem Produkt aus der Glucose-Transmissions-Gleichung und der Schwarzkörperstrahldichte bei 33,5 C. Wie vorstehend beschrieben kann die Glucose-Transmissions-Gleichung aus Fourier-Transformations-Infrarotspektrometerdaten abgeleitet werden.
Hier wird der Ausdruck des nichtlinearen Korrekturfaktors erhalten durch: $NLAFunc [BGV] = 1,0080879109912388 - 0,00002801460985031528 * BGV$
Dieser nichtlineare Korrekturfaktor variiert von 1,006 bis 1,002, ein dimensionsloser Faktor, über den BGV-Bereich von 70 bis 250. Dies ist also eine kleine Korrektur, wie in 24 dargestellt, die den nichtlinearen Korrekturfaktor als Funktion von BGV veranschaulicht.
Auch wenn der nichtlineare Korrekturfaktor für diesen Datensatz fast eins ist, ist er im Allgemeinen patientenabhängig und stellt den einzigen Punkt dar, an dem die Einzigartigkeit des Patienten auftritt.
Das Endergebnis für das EyeModel für einen erweiterten Bereich, ohne Rauschen, ist in 25 dargestellt.
Vorhersage von Blutzuckerwerten aus dem EveModel
Das EyeModel passt genau zu CharacteristicFunct[BGV] ohne das Rauschfeld. Um ein gültiges Werkzeug für BGV-Messungen zu sein, muss das Rauschen berücksichtigt werden, da es jeder Messwert einer Vorrichtung in das Signal enthalten wird. Die folgenden graphischen Darstellungen fassen die Erkenntnisse zu diesem Punkt zusammen.
26 zeigt experimentelle Daten, CharacteristicFunct und EyeModel mit graphischen Rauschdarstellungen. Das Rauschen wird durch die Verwendung eines willkürlichen normalverteilten Datenfeldes dargestellt, das zu den EyeModel-Werten addiert wird.
27 wiederholt die graphischen Darstellungen von 26 mit der Anzahl von IR-Bildern und somit Messungen um einen Faktor 10 erhöht. Diese werden gemittelt, um das Rauschfeld zu bilden, das wie erwartet verengt wird.
Die Erhöhung der Anzahl an Bildern pro BGV-Auswertung verbessert die Messgenauigkeit. In einem optischen Blutzuckermessgerät kann die Datenerfassungsstrategie die Erfassung und Mittelung von etwa 50 Bildern oder mehr beinhalten. Die benötigte Zeit würde im Sekundenbereich liegen, so dass ein Patient die Datenerfassung und -verarbeitung nicht merken würde.
Es gibt zwei Arten von Daten, die bei Glucosemessungen für BGV-Bestimmungen verwendet werden können. Eine davon sind die experimentellen Daten oder die historischen Daten für einen bestimmten Patienten. Die andere ist ein Datensatz, der durch die Verwendung des EyeModel und statistischer Variationen um dieses herum erzeugt wird, die in Bezug auf seinen Bereich den historischen Daten entsprechen. Im Folgenden wird der Suchalgorithmus, der zur Identifizierung des wahrscheinlichsten Glucosewertes verwendet werden kann, veranschaulicht.
Das Suchverfahren bezieht sich auf eine so genannte Nächste-Nachbar-Suche. Um diese Technik anwenden zu können, müssen jedoch die Grunddaten erstellt und in einen Datenraum gestellt werden. Der folgende Ausdruck zeigt, wie der Entfernungsdatensatz bestimmt wird. Im ersten Fall werden die historischen Daten verwendet.
Historische Daten:
Dieses Verfahren verwendet den bekannten BGV und multipliziert die zugehörigen Strahldichtewerte mit 10000. Dies bewirkt, dass sich die Einheiten von Strahlungsdichte in Watt/cm² auf Watt/m² ändern. Dadurch entsteht ein zweidimensionaler Raum aus vergleichbaren Einheiten, und der Abstand zwischen allen Punkten kann dann mit der pythagoreischen Methode bestimmt werden. $\begin{array}{l} AbsHistDaten = \\ = Tabelle [{HistorischeDaten [[i, 1]],1000HistorischeDaten [[i, 2]]}, {i, AnzahlvonDatenelement}] \end{array}$
d.h. die AbstHistDaten ist der eingestellte BGV und die Strahldichte in Watt/m² über alle Datenelemente.
Aus diesen Daten kann eine Abstandsmatrix berechnet werden. Diese Matrix ist jedoch ein Array von zweidimensionalen Abstandsmatrizen. Denn die Abstände werden durch Erstrecken über die Gesamtzahl der historischen Datenpunkte und dann über den Bereich des möglichen BGV ermittelt. Das folgende Beispiel veranschaulicht das Verfahren.
Angenommen, ein Patient möchte seinen Blutzuckerwert bestimmen und verwendet einen Infrarotsensor (z.B. ein optisches Blutzuckermesssystem wie hierin beschrieben) und der Patient misst einen Strahldichtewert von 0,004287 Radiant pro Quadratzentimeter. Bei Anwendung des EyeModel beträgt der prognostizierte BGV 167,75 mg/dl.
Die historischen Daten enthalten nicht diesen Strahldichte- oder Rad-Wert, aber es gibt nahe Werte in den historischen Daten, d.h. {0,00428749, 157,975}, {0,00428761, 128,6}, {0,00428794, 136,1}. Diese weisen auf einen BGV zwischen 126 und 158 hin. Die EyeModel-Vorhersage liegt bei 168 außerhalb dieses Bereichs.
Die Abstandsmatrix wird berechnet mithilfe von $\begin{matrix} DT \\ = T a b e l l e [T a b e l l e [{\sqrt{{(10000 R a d - A b s t H i s t D a t e n [[i, 2]])}^{2}} + {(P - A b s t H i s t D a t e n [[i, 1]])}^{2}}, {P,30,230}], {i, 38}] . \end{matrix}$
DT ist das Array aller Abstände zwischen allen historischen Datenpunkten und allen möglichen Punkten mit einer Strahldichte von 0,004287 Watt /cm² und allen BGV-Werten. In diesem Fall ist DT ein {38, 201, 1} Array. Hier ist „P“ eine Variable, die BGV repräsentiert, die über alle möglichen ganzzahligen Werte von 30 bis 230 reicht, während „i“ über alle historischen Datenpunkte, hier etwa 100, reicht. Die 5 kleinsten Abstandswerte oder diejenigen, die dem beobachteten Strahldichtewert 0,004287 am nächsten sind, werden dann gefunden und aufgelistet;
{0,0254805, 0,045561, 0,0556082, 0,100436, 0,00579}, was folgenden Punkten entspricht:
{158,0,00428749}, {130,0,00429156}, {154,0,00429197}, {136,0,00428794}, {105,0,00428592}}.
Die beste Übereinstimmung ist ein BGV von 158, der sich per Design innerhalb des historischen Datensatzes befindet.
Generierte Daten:
Eine wesentlich höhere Genauigkeit kann durch eine Erhöhung des Suchdatensatzes erreicht werden. 28 zeigt einen neuen Datensatz, MeterData, der wie vorstehend beschrieben mit dem Ausdruck EyeModel plus willkürlich erzeugtem Rauschen erhalten wurde. Diese Daten simulieren den Durchschnitt von 40 IR-Bildern. Im Beispiel wird der BGV-Bereich von 70 bis 500 verwendet.
Wieder wird DT berechnet, aber jetzt unter Verwendung der MeterData und in diesem Fall ist DT ein Array. Hier reicht „P“ über alle möglichen ganzzahligen BGVs von 70 bis 180, während „i“ über alle 216 MeterData-Punkte reicht. Der P-Bereich ist auf Geschwindigkeitsberechnungen reduziert. Die 5 kleinsten DT-Werte (dargestellt durch ein gestricheltes Kästchen in 29) werden dann gefunden und aufgelistet:
{168,0,00428706}, {150,0,00428733}, {124,0,00428655}, {142,0,00428653}, {136,0,00428753}
Nun der nächstgelegene Punkt, der dem BGV 168 entspricht. 29 zeigt die Ergebnisse des MeterData-Satzes, die durch EyeModel plus willkürlich erzeugtem Rauschen erhalten wurden, wobei die 5 kleinsten DT-Werte in dem gestrichelten Kästchen gezeigt sind. 30 ist eine vergrößerte Darstellung der 5 kleinsten DT-Werte, die in 29 gezeigt sind, mit dem Strahldichtemesswert (horizontale Linie) und dem EyeModel-Diagramm (diagonale Linie). Während 5 DT-Wertpunkte identifiziert wurden, befindet sich nur ein DT-Wert auf der EyeModel-Plotlinie bei 168.
Eine weitere Möglichkeit, diese Ergebnisse zu interpretieren, besteht darin, dass das Mittel der 5 Punkte {144, 0,004287} beträgt, mit einer Standardabweichung von {16,4317, 4,53313*10^-7} Der BGV beträgt daher 144 +/- 16,4. Der wahrscheinlichere Wert wäre 144 + 16,4, 160,4, da dieser näher an der EyeModel-Linie liegt.
System mit FLIR LEPTON-Kamera
Unter Bezugnahme auf 6B-6D ist nun ein beispielhaftes System mit einer FLIR LEPTON Kamera dargestellt. Das Basissystem mit den Lepton-Detektoren verwendet eine Schwarzkörperreferenz, die idealerweise bei einer festen Temperatur nahe der mittleren Augentemperatur gehalten wird, sowie die Lepton-Kamera und eine Rechenvorrichtung. Der Detektor zeichnet die Referenztemperatur auf und macht Bilder vom Auge des Patienten. Wie in 6B dargestellt ist, ist das System konfiguriert, um Bilder vom Auge des Patienten 651 aufzunehmen. Das System beinhaltet einen Okulartubus mit einem beweglichen Abschnitt 652 und einem festen Abschnitt 653. Zusätzlich umfasst das System eine Wärmereferenz 654 (d.h. einen Schwarzkörper (BB)) und eine IR-Kamera (d.h. FLIR LEPTON-Kamera) 655. Das System umfasst weiterhin einen Verschluss 656. Der Verschluss 656 ist eine bewegliche Anordnung, die es der IR-Kamera 655 ermöglicht, die BB-Referenz 653 zu beobachten. Er besteht aus einem oberen Teil (siehe 6C), der der normale optische Weg zwischen dem Auge 651 und der IR-Kamera 655 ist. Der untere Teil (siehe 6D) ändert den optischen Weg so, dass die Strahlungsfront der BB-Referenz 654 direkt zur IR-Kamera 655 geht. Der Verschluss 656 bietet eine Möglichkeit, die Augentemperatur über das Sichtfeld zu ermitteln. Dies kann durch Erwärmen oder Kühlen der BB-Referenz 654 erreicht werden, bis das Verhältnis von AUGE/BB-Wert eins ist. Dies kann die Genauigkeit der Messungen verbessern.
Unter Bezugnahme auf 31 werden Bilder einer Schwarzkörperreferenz und des Patientenauges dargestellt, die mit einem in Bezug auf die 6B-6D beschriebenen System aufgenommen wurden. 31 veranschaulicht auch die Maske, mit der ein Teil des Patientenauges isoliert wird. Die IR-Kamera macht innerhalb eines Zeitraums von 6 Sekunden eine Serie von 24 oder mehr Bildern (z.B. Bilder mit 80 x 40 Pixel), die eine Schwarzkörperreferenz und die Augen des Patienten beinhalten. Die Anzahl der Pixel, die für die Strahlungsdetektion im Auge verwendet werden, beträgt etwa 100, während für den Schwarzkörper 480 Pixel verwendet werden. 32 veranschaulicht eine Reihe von 24 Bildern, die wie oben beschrieben aufgenommen wurden.
In diesem Beispiel sind die ersten 6 Bilder vom BB und wenn sie auf Graustufen(GS)-Pixelwerte reduziert werden, ergibt sich ein Mittelwert von 0,9202 pro Pixel, der BB-Wert. Die letzten 9 Bilder sind von der Augenmitte und haben einen Grauwert(GS)-Pixelmittelwert von 0,8963, der AUGEN-Wert. In Verbindung mit der BB-Temperatur erhält man einen Datensatz wie z.B.:
{BB, AUGE, Temperatur} -> {0,920156, 0,896342, 30,7}.
Ein Beispiel für typische Daten hat die folgende Form:
{0,8844190268700072', 0,8598140885984022', 31,4'}, was einem BGV von 134 mg/dl entspricht. Die Messwerte von BB und AUGE liegen in mittleren Graustufen-Pixelwerten vor.
Diese Daten werden dann hinsichtlich AUGE/BB-Verhältnissen verarbeitet und mit dem BGV verglichen.
33-35 veranschaulichen graphische Darstellungen, die mit einem Algorithmus des gleitenden Mittelwerts geglättet sind, und stellen die Ergebnisse dar. Der hier verwendete Datensatz umfasst 29 unabhängige Punkte.
33 zeigt eine graphische Darstellung, die den erwarteten Trend darstellt, d.h. dass Strahldichte mit steigenden BGVs abnimmt. Da die gesamte bisherige Arbeit in Bezug auf Radiant durchgeführt wurde, wurden die in 33 dargestellten Daten auch in Radiant gegen BGV umgewandelt.
34 und 35 zeigen Darstellungen des Strahldichtereferenzverhältnisses von Auge zu Schwarzkörper (BB). Die graphischen Darstellungen sind in allgemeiner Form nicht identisch, da die Umwandlung eine Schwarzkörperfunktion verwendet, um Radianten pro GSU-Pixel (Grauwerteinheit) zu bestimmen, die temperaturabhängig ist.
Die beiden graphischen Darstellungen in 34 und 35 zeigen ein „Auftauchen“ von BGV über 160 mg/dl. Dies scheint ein Rauschen in den Daten zu sein und sollte nicht vorhanden sein, wenn mehr Daten enthalten sind. Insbesondere für die hier untersuchte diabetische Testperson sind BGV über 160 selten, so dass die höheren Werte hier nicht den Vorteil eines größeren Bevölkerungsdurchschnitts haben.
Diese Wirkung wird reduziert, wenn man die Strahldichteverhältnisse berücksichtigt, wie in der folgenden 35 dargestellt ist. Diese Daten wurden mit einem Algorithmus des gleitenden Mittelwerts geglättet. Zwischen diesem Verhältnis und dem BGV besteht ein starker Zusammenhang.
Obwohl die FLIR LEPTON-Kamera über einen VOX-Sensor verfügt, ist sie anfälliger für Signaldrift als ein System mit komplexerer Kamera (z.B. FLIR A325sc-Kamera). Eine Möglichkeit, die Signaldrift anzugehen, besteht darin, das Verhältnis von AUGE/BB zu verwenden, das in Bezug auf die Signaldrift invariant ist, nicht aber in Bezug auf die Schwankungen der Augenstrahldichte. Die kontinuierliche Überwachung eines Schwarzkörperstandards würde eine relativ genaue Diagnosemessung ermöglichen.
36A-36D veranschaulichen ein Beispiel für ein tragbares optisches Blutzuckermessgerät, mit dem die in 33-35 dargestellten Daten erfasst werden. Das tragbare optische Blutzuckermessgerät umfasst einen Vorrichtungskörper 670, in dem eine IR-Kamera 675 (d.h. FLIR LEPTON-Kamera) montiert ist. Der Vorrichtungskörper 670 ist ausgelegt, um das Auge in einem festen und gleichbleibenden Abstand zur IR-Kamera 675 zu halten. Diese Konstruktion passt auch in die Augenhöhle, so dass das Auge immer im Sichtfeld der IR-Kamera 675 zentriert ist. Das Auge ist ca. 4 cm von der IR-Kamera 675 entfernt, so dass kein Kontakt besteht. Man muss keinen hohen Druck aufwenden, um die Vorrichtung ortsfest zu halten, so dass der Patient nicht beeinträchtigt wird. Wie hierin beschrieben ist, kann die IR-Kamera 675 mit einer Rechenvorrichtung (z.B. der Rechenvorrichtung 600 aus 6E) zur Bildverarbeitung und -analyse verbunden werden. Diese Offenbarung sieht vor, dass die Rechenvorrichtung Teil oder außerhalb des optischen tragbaren Blutzuckermessgeräts sein kann
Die Fachleute werden viele Äquivalente zu den hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen der Erfindung erkennen oder mithilfe von nicht mehr als routinemäßigen Experimenten feststellen können. Diese Äquivalente sollen durch die folgenden Ansprüche abgedeckt werden.
Auch wenn der Gegenstand in einer Sprache beschrieben wird, die für strukturelle Merkmale und/oder methodologische Maßnahmen spezifisch ist, versteht sich, dass der in den beigefügten Ansprüchen definierte Gegenstand nicht unbedingt auf die vorstehend beschriebenen spezifischen Merkmale und Maßnahmen beschränkt ist. Die vorstehend beschriebenen spezifischen Merkmale und Maßnahmen werden als beispielhafte Formen der Umsetzung der Ansprüche offenbart.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62397181 [0001]

Claims

Einrichtung zum Detektieren von Blutzuckerwerten bei einem Probanden, umfassend: eine thermographische Bildgebungsvorrichtung, welche ausgebildet ist, um elektromagnetische Emissionen im mittleren Infrarotbereich (MIR) aufzunehmen; und eine Rechenvorrichtung, die mit der thermographischen Bildgebungsvorrichtung kommunikativ verbunden ist, wobei die Rechenvorrichtung einen Prozessor und einen Speicher, der mit dem Prozessor wirkverbunden ist, umfasst, wobei der Speicher rechnerausführbare Befehle darin gespeichert aufweist, die bei Ausführen durch den Prozessor den Prozessor veranlassen: mehrere Bilder eines Auges des Probanden, die von der thermographischen Bildgebungsvorrichtung aufgenommen werden, zu empfangen; mithilfe der mehreren Bilder des Auges des Probanden einen mittleren Strahldichtewert für eine interessierende Pixelregion zu berechnen; den mittleren Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion beruhend auf einer Temperatur des Auges des Probanden zum Zeitpunkt der Bildaufnahme zu korrigieren; und den korrigierten mittleren Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion mit einem Blutzuckerwert des Probanden zu korrelieren.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei den mehreren Bildern um vier Bilder handelt.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektromagnetischen MIR-Emissionen in einem Wellenlängenbereich von etwa 9 µm bis etwa 11 µm liegen.
Einrichtung nach Anspruch 3 , wobei die elektromagnetischen MIR-Emissionen in einem Wellenlängenbereich von etwa 9,7 µm bis etwa 10,3 µm liegen.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das Berechnen des mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion das Berechnen eines jeweiligen mittleren Strahldichtewerts in der interessierenden Pixelregion für jedes der mehreren Bilder umfasst und wobei der mittlere Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion ein Mittelwert der jeweiligen mittleren Strahldichtewerte ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die thermographische Bildgebungsvorrichtung eine Infrarotkamera ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, wobei die thermographische Bildgebungsvorrichtung ein Mikrobolometer ist.
Einrichtung nach Anspruch 7, wobei das Mikrobolometer ein Mikrobolometer auf der Basis von Vanadiumoxid (VOX) oder amorphem Silizium (a-Si) ist.
Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Mikrobolometer ein Focal-Plane-Array von etwa 100 x 100 aktiven Pixeln umfasst.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, wobei das Korrigieren des mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion beruhend auf der Temperatur des Auges des Probanden zum Zeitpunkt der Bildaufnahme das Skalieren des mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion auf einen entsprechenden Strahldichtewert bei etwa 33,5°C umfasst.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, wobei das Korrelieren des korrigierten mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion auf den Blutzuckerwert des Probanden das Abfragen einer Datenbank umfasst, um den Blutzuckerwert des Probanden zu erhalten, der dem korrigierten mittleren Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion entspricht.
Einrichtung nach Anspruch 11, wobei das Korrelieren des korrigierten mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion auf den Blutzuckerwert des Probanden weiterhin das Nutzen eines Suchalgorithmus umfasst, um einen wahrscheinlichsten Blutzuckerwert des Probanden zu identifizieren, der dem korrigierten mittleren Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion entspricht.
Einrichtung nach einem der Patentansprüche 1-12, welche weiterhin umfasst: einen Rahmen, der ausgebildet ist, um einen Sensor der thermographischen Bildgebungsvorrichtung vor dem Auge des Probanden auszurichten; und einen Kollimationsring, der ein Sichtfeld des Sensors auf eine festgelegte Region um die Mitte des Auges des Probanden beschränkt, wobei der Kollimationsring den Abstand von dem Detektor zu dem Auge des Probanden festlegt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, wobei das System in eine tragbare elektronische Vorrichtung integriert ist.
Verfahren zum Detektieren von Blutzuckerwerten bei einem Probanden, umfassend: mithilfe einer thermographischen Bildgebungsvorrichtung Aufnehmen von mehreren Bildern des Auges des Probanden; mithilfe einer Rechenvorrichtung Berechnen eines mittleren Strahldichtewerts für eine interessierende Pixelregion beruhend auf den mehreren Bildern des Auges des Probanden; mithilfe der Rechenvorrichtung Korrigieren des mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion beruhend auf einer Temperatur des Auges des Probanden zum Zeitpunkt der Bildaufnahme; und mithilfe der Rechenvorrichtung Korrelieren des korrigierten mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion auf einen Blutzuckerwert des Probanden.
Verfahren nach Anspruch 15, welches weiterhin das Senden der mehreren Bilder des Auges des Probanden über eine Kommunikationsverbindung zu der Rechenvorrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Berechnen des mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion das Berechnen eines jeweiligen mittleren Strahldichtewerts in der interessierenden Pixelregion für jedes der mehreren Bilder umfasst und wobei der mittlere Strahldichtewert für die interessierende Pixelregion ein Mittelwert der jeweiligen mittleren Strahldichtewerte ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15-17, wobei das Korrigierens des mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion beruhend auf der Temperatur des Auges des Probanden zum Zeitpunkt der Bildaufnahme das Skalieren des mittleren Strahldichtewerts für die interessierende Pixelregion auf einen entsprechenden Strahldichtewert bei etwa 33,5°C umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15-18, welches weiterhin das Analysieren einer Blutprobe des Probanden umfasst, um einen Blutzuckerwert zu messen, wenn als Reaktion auf den Korrelationsschritt ein anomaler Zuckerwert ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15-19, welches weiterhin das Einstellen des Zuckerwerts bei dem Probanden beruhend auf dem als Reaktion auf den Korrelationswert ausgegebenen Zuckerwert umfasst.
Verfahren zum Detektieren von Blutzuckerwerten bei einem Probanden, welches das passive Quantifizieren von elektromagnetischen Emissionen im mittleren Infrarotbereich (MIR) vom Auge des Probanden und das Vergleichen der MIR-Emissionen mit Standardkontrollwerten umfasst, um Zuckerwerte im Auge zu schätzen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die MIR-Emissionen bei einer Wellenlänge von etwa 8 bis 11 µm detektiert werden.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die MIR-Emissionen bei einer Wellenlänge von etwa 10 µm detektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21-23, wobei die MIR-Emissionen mithilfe einer bolometerartigen Infrarot-Bildgebungsvorrichtung detektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21-23, wobei die MIR-Emissionen mithilfe einer mikrobolometerartigen Infrarotkamera detektiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21-25, welches weiterhin das Analysieren einer Blutprobe des Probanden umfasst, um Blutzuckerwerte zu messen, wenn anomale Zuckerwerte geschätzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21-26, welches weiterhin das Einstellen von Zuckerwerten bei dem Probanden beruhend auf den geschätzten Zuckerwerten umfasst.
Blutzuckerdetektionseinrichtung, umfassend: einen Sensor für elektromagnetische Emissionen im mittleren Infrarotbereich (MIR) mit einem Sichtfeld, einen Rahmen, der ausgebildet ist, um den Sensor vor einem Auge eines Probanden auszurichten, einen Kollimationsring, der das Sichtfeld auf eine festgelegte Region um die Mitte des Auges beschränkt, wobei der Kollimationsring den Abstand von dem Detektor zu dem Auge des Probanden festlegt; einen Prozessor und einen rechnergestützten Speicher, die ausgebildet sind, um Blutzuckerkonzentration bei dem Probanden zu messen, indem rechnerimplementierte Befehle ausgelöst werden, um: einen Satz von Standardkontrollwerten zu speichern, wobei der Satz von Standardkontrollwerten ein jeweiliges Mittel von Kontrollspannungswerten umfasst, die an Pixeln des Sensors für Strahlung im mittleren Infrarotbereich (MIR) für MIR induziert werden, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Zuckerkonzentrationen emittiert wird; während eines Messzyklus Spannungsmesswerte zu speichern, die jeder Spannung entsprechen, die von der Strahlung im mittleren Infrarotbereich (MIR) induziert wird, die von dem Auge emittiert wird und auf die Pixel fällt; die Spannungsmesswerte zu integrieren und einen einzigen Spannungswert für den Messzyklus zu erzeugen; einen mittleren Spannungsmesswert der einzelnen Spannungsmesswerte über mehreren Messzyklen zu berechnen; und den mittleren Spannungsmesswert auf die bekannte Blutzuckerkonzentration mit einem Kontrollspannungswert gleich dem mittleren Spannungsmesswert zu korrelieren.
Einrichtung nach Anspruch 28, wobei der Kollimationsring aus einem Material mit einem Emissionsvermögen von etwa 1 besteht.
Einrichtung nach Anspruch 28, welche weiterhin eine Vorrichtung für kontinuierliche Medikamentenverabreichung umfasst, die mit der Einrichtung in Datenverbindung steht und ausgebildet ist, um den Blutzuckerwert von der Einrichtung zu empfangen, und weiterhin ausgebildet ist, um dem Probanden zur Zuckereinstellung Insulin zu verabreichen.
Blutzuckerdetektionseinrichtung, umfassend: einen Sensor für elektromagnetische Emissionen im mittleren Infrarotbereich (MIR) mit einem Sichtfeld, einen Rahmen, der ausgebildet ist, um den Sensor vor einem Auge eines Probanden auszurichten, einen Kollimationsring, der das Sichtfeld auf eine festgelegte Region um die Mitte des Auges beschränkt, wobei der Kollimationsring den Abstand von dem Detektor zu dem Auge des Probanden festlegt, einen Prozessor und einen rechnergestützten Speicher, die ausgebildet sind, um Blutzuckerkonzentration bei dem Probanden zu messen, indem rechnerimplementierte Befehle ausgelöst werden, um: einen Satz von Standardkontrollwerten, die mittlere Kontrollstrahldichtewerte umfassen, für eine ausgewählte Wellenzahl, induziert an den Pixeln für MIR, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Zuckerkonzentrationen emittiert wird, zu speichern, wobei der Prozessor auf die Kontrollwerte zugreifen kann, in einem Messzyklus unter Verwenden der gewählten Wellenzahl einen Strahldichtemesswert zu erhalten, der MIR entspricht, die auf jeden der jeweiligen Pixel auftrifft; einen mittleren Strahldichtemesswert aus den jeweiligen Strahldichtemesswerten zu berechnen, die den jeweiligen Messzyklen in mehreren Messzyklen entsprechen; den mittleren Strahldichtemesswert auf die bekannte Zuckerkonzentration mit einem Kontrollstrahldichtewert gleich dem mittleren Strahldichtemesswert zu korrelieren.
Verfahren zum Messen von Blutzuckerkonzentration, umfassend: Speichern eines Satzes von Standardkontrollwerten, wobei der Satz von Standardkontrollwerten ein jeweiliges Mittel von Kontrollspannungswerten umfasst, die an Pixeln eines Sensors für Strahlung im mittleren Infrarotbereich (MIR) für MIR induziert werden, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Zuckerkonzentrationen emittiert wird; während eines Messzyklus Speichern von Spannungsmesswerten, die jeder Spannung entsprechen, die durch Strahlung im mittleren Infrarotbereich (MIR) induziert wird, die von dem Auge emittiert wird und auf die Pixel fällt; Integrieren der Spannungsmesswerte und Erzeugen eines einzigen Spannungswerts für den Messzyklus; Berechnen eines mittleren Spannungsmesswerts der einzelnen Spannungsmesswerte über mehrere Messzyklen; und Korrelieren des mittleren Spannungsmesswerts auf die bekannte Blutzuckerkonzentration mit einem Kontrollspannungswert gleich dem mittleren Spannungsmesswert.
Verfahren nach Anspruch 32, welches weiterhin das Induzieren von Spannung an den Pixeln für MIR, die auf die Pixel mit einer Wellenlänge von etwa 8 bis 11 Mikrometer fällt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 33, welches weiterhin das Induzieren von Spannung an den Pixeln für MIR, die auf die Pixel mit einer Wellenlänge von etwa 10 Mikrometer fällt.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei Spannungen an den Pixeln auf Referenzwerte normiert werden, die als Referenzspannungen berechnet werden, die an Pixeln durch eine Schwarzkörper-Referenzemission von MIR induziert werden.
Optisches Blutzuckermessgerät, umfassend: einen Sensor für den mittleren Infrarotbereich (MIR), welcher ein Array von Pixeln umfasst, das mit einem Prozessor verbunden ist, der Blutzuckerwerte auf Spannungsmesswerte korreliert, die von auf die jeweiligen Pixel auftreffende MIR induziert werden; und einen Rechnerspeicher, der mit dem Prozessor verbunden ist, wobei der Rechnerspeicher einen Satz von Kontrollwerten speichert, die ein jeweiliges Mittel von Kontrollspannungswerten umfassen, die an den Pixeln für MIR induziert werden, die durch bekannte Zuckerkonzentrationen emittiert wird, wobei der Prozessor auf die Kontrollwerte zugreifen kann und wobei der Prozessor ausgebildet ist, um: in einem Messzyklus Spannungsmessungen zu empfangen, die jeder Spannung entsprechen, die von MIR induziert wird, die auf die jeweiligen Pixel auftrifft; die Spannungsmesswerte zu integrieren und einen einzigen Spannungswert für den Messzyklus zu erzeugen; einen mittleren Spannungsmesswert aus den einzelnen Spannungswerten zu berechnen, die jeweiligen Messzyklen in mehreren Messzyklen entsprechen; und den mittleren Spannungsmesswert auf die in dem Speicher gespeicherte bekannte Zuckerkonzentration mit einem Kontrollspannungswert gleich dem mittleren Spannungsmesswert zu korrelieren.
Optisches Blutzuckermessgerät nach Anspruch 36, welches Spannung an den Pixeln für MIR, die auf die Pixel mit einer Wellenlänge von etwa 8 bis 11 Mikrometer fällt, induziert.
Optisches Blutzuckermessgerät nach Anspruch 37, welches weiterhin das Induzieren von Spannung an den Pixeln für MIR, die auf die Pixel mit einer Wellenlänge von etwa 10 Mikrometer fällt, umfasst.
Optisches Blutzuckermessgerät nach Anspruch 36, wobei Spannungen an den Pixeln auf Referenzwerte normiert werden, die als Referenzspannungen berechnet werden, die an Pixeln durch eine Schwarzkörper-Referenzemission von MIR induziert werden.
Optisches Blutzuckermessgerät, umfassend: eine Infrarotkamera mit einem Pixel-Array, das mit einem Prozessor verbunden ist, der Blutzuckerwerte mit Strahldichtemesswerten korreliert, die durch auf die jeweiligen Pixel auftreffende mittlere Infrarotstrahlung (MIR) induziert werden; und einen Rechnerspeicher, der mit dem Prozessor verbunden ist, wobei der Rechnerspeicher einen Satz von Standardkontrollwerten, die mittlere Kontrollstrahldichtewerte umfassen, für eine ausgewählte Wellenzahl, induziert an den Pixeln für MIR, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Zuckerkonzentrationen emittiert wird, speichert, wobei der Prozessor auf die Kontrollwerte zugreifen kann und wobei der Prozessor ausgebildet ist, um: in einem Messzyklus unter Verwenden der gewählten Wellenzahl einen Strahldichtemesswert zu erhalten, der MIR entspricht, die auf jeden der jeweiligen Pixel auftrifft; einen mittleren Strahldichtemesswert aus den jeweiligen Strahldichtemesswerten zu berechnen, die den jeweiligen Messzyklen in mehreren Messzyklen entsprechen; den mittleren Strahldichtemesswert auf die bekannte Zuckerkonzentration mit einem Kontrollstrahldichtewert gleich dem mittleren Strahldichtemesswert zu korrelieren.
Optisches Blutzuckermessgerät nach Anspruch 40, wobei das Pixelarray ausgebildet ist, um ein Wärmebild eines Auges zu dem Prozessor zu senden, und der Prozessor ist ausgebildet, um das Wärmebild in ein Graustufenbild von Strahldichtewerten umzuwandeln.
Optisches Blutzuckermessgerät nach Anspruch 40, wobei der Prozessor ausgebildet ist, um die Strahldichtemesswerte für eine Teilmenge von Pixeln zu empfangen, die einem lokalisierten Teilstück eines Bilds des Auges entsprechen, und um vor dem Berechnen des Mittels die jeweiligen Strahldichtemesswerte für jedes Pixel mit einem entsprechenden Graufstufenbildwert zu multiplizieren.
Optisches Blutzuckermessgerät nach Anspruch 42, wobei Strahldichtewerte an den Pixeln auf Referenzwerte normiert werden, die als Referenzstrahldichtewerte berechnet werden, die an Pixeln durch eine Schwarzkörper-Referenzemission von MIR induziert werden.
Verfahren zum Messen von Blutzuckerkonzentration im Auge, umfassend: Speichern eines Satzes von Standardkontrollwerten, wobei der Satz von Standardkontrollwerten mittlere Kontrollstrahldichtewerte für eine ausgewählte Wellenzahl umfasst, die an Pixeln eines Sensors für Strahlung im mittleren Infrarotbereich (MIR) für MIR induziert werden, die durch jeweilige Transmissionsmedien mit bekannten Zuckerkonzentrationen emittiert wird; während eines Messzyklus Speichern von Strahldichtemesswerten, die Strahlung im mittleren Infrarotbereich (MIR) entsprechen, die von dem Auge emittiert wird und auf die Pixel fällt; Berechnen eines mittleren Strahldichtemesswerts aus den jeweiligen Strahldichtemesswerten, die jeweiligen Messzyklen in mehreren Messzyklen entsprechen; und Korrelieren des mittleren Strahldichtemesswerts auf die bekannte Blutzuckerkonzentration mit einem mittleren Kontrollstrahldichtewert gleich dem mittleren Strahldichtemesswert.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei die Wellenzahl 1030 cm^-1 oder 1078 cm^-1 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 44, welches weiterhin das Extrahieren aus einem Wärmebild der Pixel des mittleren Strahldichtemesswerts und eines Temperaturwerts für einen lokalisierten Bereich der Pixel umfasst.