DE112017006536T5

DE112017006536T5 - Messgerät für biologische materialien und verfahren zur messung von biologischem material

Info

Publication number: DE112017006536T5
Application number: DE112017006536.4T
Authority: DE
Inventors: Kentaro ENOKI; Kosuke Shinohara; Koichi Akiyama; Shimpei OGAWA; Daisuke Fujisawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-10-10
Also published as: WO2018123169A1; JPWO2018123169A1; CN110087544B; JP6739550B2; US11197614B2; CN110087544A; US20200060549A1

Abstract

Eine Infrarot-Lichtquelle (32) strahlt auf ein ATR-Prisma (20) Infrarotlicht ganz oder teilweise eines Wellenlängenbereichs mit Absorptionswellenlängen eines biologischen Materials aus. Das ATR-Prisma (20) kann an eine Mess-Haut (40) angeheftet werden. Eine Prismen-Schwingungssteuerung (52) ist auf dem ATR-Prisma (20) montiert und schwingt das ATR-Prisma (20) senkrecht zu einer Kontaktfläche (60) zwischen dem ATR-Prisma (20) und der Mess-Haut (40). Eine Steuerung (50) bewirkt, dass ein Infrarot-Fotodetektor (30) Infrarotlicht synchron zur Schwingung des ATR-Prismas (20) erfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Messgeräte für biologische Materialien und Verfahren zur Messung biologischen Materials, insbesondere auf eine Messvorrichtung für biologische Materialien und ein Verfahren zur Messung eines biologischen Materials wie Zucker im lebenden Körper unter Verwendung von Infrarotlicht.
STAND DER TECHNIK
Ein herkömmlicher invasiver Sensor entnimmt Blut mit einer Nadel und analysiert eine Komponente eines Materials im lebenden Körper. Insbesondere bei den häufig verwendeten Blutzuckerspiegelsensoren ist ein nicht-invasiver Typ erwünscht, um die durch die Punktion verursachten Schmerzen des Patienten zu lindern. Wenn auch im Beispiel eine Art von nicht-invasivem Blutzuckerspiegelsensor mit Infrarotlicht in der Lage ist, ein Fingerabdruckspektrum von Zucker direkt zu erfassen, kann Infrarotlicht keinen tiefen Bereich der Hautoberfläche erreichen, da Infrarotlicht gut von Wasser absorbiert wird. Unter diesen Umständen ist eine Technik erforderlich, die den Blutzuckerspiegel stabil und mit hoher Genauigkeit erfasst, auch wenn die Aufnahme von Zucker im lebenden Körper gering ist.
Zur Lösung des Problems weist beispielsweise die in Patentdokument 1 beschriebene Vorrichtung ein SN-Verhältnis auf, das durch Messung mit einem gedämpften Totalreflexionsprisma (ATR) verbessert wird. Das durch das ATR-Prisma ausgestrahlte Infrarotlicht wiederholt die Reflexion an der Grenzfläche zwischen einer Mess-Haut und dem ATR-Prisma. An der Grenzfläche, an der die Reflexion stattfindet, wird evaneszierendes Licht erzeugt, das dann in die Mess-Haut eindringt. Da das evaneszierende Licht absorbiert und durch Wasser, Zucker und jedes andere biologische Material gestreut wird, schwächt sich die Intensität des durch das ATR-Prisma ausgestrahlten Infrarotlichts ab. So wird die Intensität des weitergeleiteten Infrarotlichts mit wachsender Anzahl von Wiederholungen der Reflexion immer mehr gedämpft. Gemäß dieser Druckschrift kann ein Halbleiter-Quantenkaskadenlaser zum Einbau in ein Mobiltelefon als Infrarot-Lichtquelle verwendet werden, um die Infrarot-Lichtquelle zu miniaturisieren.
Patentdokument 2 beschreibt eine Vorrichtung, die den Druck ändert, der auf ein Messobjekt ausgeübt wird, das zwischen einem Prisma und einem Stellglied angeordnet ist, und die ein Infrarot-Absorptionsspektrum misst.
STAND DER TECHNIK

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2003-42 952 A
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2003-35 661 A

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Die Haut besteht aus einer Epidermis in der Nähe der Hautoberfläche und einer Lederhaut unterhalb der Epidermis. Die Epidermis umfasst -von der Hautoberfläche aus gezählt- ein Stratum corneum, ein Stratum granulosum, ein Stratum spinosum und ein Stratum basale. Zucker und jedes andere biologische Material, die in einer interstitiellen Flüssigkeit der Epidermis vorhanden sind, sind wahrscheinlich ungleichmäßig in Tiefenrichtung verteilt, was die Struktur der Epidermis wiedergibt.
Wenn die Epidermis durch den Kontakt zwischen ATR-Prisma und Hautoberfläche belastet wird, verformt sich die Struktur der Epidermis. Da eine Änderung des Kontaktzustands zwischen ATR-Prisma und Hautoberfläche die Kontaktspannung verändert, die die Hautoberfläche durch das ATR-Prisma erfährt, ändert sich auch die Verteilung der Interstitialflüssigkeit in der Epidermis. Dies kann zu Schwankungen in der Intensität des evaneszierenden Infrarotlichts führen, das von Zucker und anderen biologischen Materialien absorbiert wird.
Gemäß Patentdokument 2 wird periodisch ein Druck auf ein Messmaterial ausgeübt, wobei das Messmaterial an einem Prisma haftet, und als Reaktion auf die Druckänderung wird ein modulierendes Signal extrahiert. Wenn ein lebender Körper jedoch ein Messobjekt ist, ist es schwierig, den Druck auf der Seite des Messmaterials periodisch zu ändern.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Messvorrichtung für biologisches Material und ein Verfahren zum Messen eines biologischen Materials bereitzustellen, mit denen die Menge des biologischen Materials in einer Mess-Haut gemessen wird, und welche die Verminderung der Genauigkeit abhängig vom Kontaktzustand zwischen einem ATR-Prisma und der Mess-Haut verhindern können.
Mittel zum Lösen der Probleme
Zur Lösung des obigen Problems weist ein Messvorrichtung für biologisches Material nach der vorliegenden Erfindung ein ATR-Prisma, eine Infrarot-Lichtquelle, einen Infrarot-Fotodetektor, eine Prismen-Schwingungssteuerung und eine Steuerung auf. Das ATR-Prisma kann an eine Mess-Haut angeheftet werden. Die Infrarot-Lichtquelle ist ausgebildet, um Infrarotlicht mit einem Wellenlängenbereich auf das ATR-Prisma zu abstrahlen, der ganz oder teilweise mit den Absorptionswellenlängen des biologischen Materials übereinstimmt. Der Infrarot-Fotodetektor ist ausgebildet, um das vom ATR-Prisma abgegebene Infrarotlicht zu erfassen. Die Prismen-Schwingungssteuerung ist auf dem ATR-Prisma montiert und ausgebildet, um das ATR-Prisma senkrecht zur Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut schwingen zu lassen. Die Steuerung ist so ausgebildet, dass der Infrarot-Fotodetektor das Infrarotlicht synchron zur Schwingung erfasst.
Effekt der Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung wird das ATR-Prisma senkrecht zur Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut in Schwingung versetzt und Infrarotlicht wird synchron zur Schwingung erfasst, wodurch eine Verschlechterung der Genauigkeit, mit der eine Menge des biologischen Materials in einer Mess-Haut gemessen wird, abhängig vom Kontaktzustand zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut verhindert wird.
Figurenliste

1 zeigt einen exemplarischen Einsatz der mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensoren 80 der Ausführungsformen 1 bis 5;
2 zeigt die Konfiguration des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 1;
3 zeigt die Konfiguration des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 1;
4 zeigt ein Fingerabdruckspektrum von Zucker;
5 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf des mobilen Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 1 darstellt;
6 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 2 darstellt;
7 zeigt Beispiele für einen Messzeitpunkt k×T/8 und ΣdSk;
8 ist ähnlich wie 7, wobei der Messzeitpunkt der horizontalen Achse von 7 in Abhängigkeit zum Pressabstand dargestellt wird, mit dem das ATR-Prisma 20 gegen die Hautoberfläche 60 gedrückt wird;
9 zeigt die Konfiguration des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 3;
10 zeigt die Konfiguration eines Lock-in-Verstärkers 70;
11 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf des nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 3 darstellt;
12 zeigt ein Beispiel für die Eindringlänge von evaneszierendem Licht in Bezug auf den Einfallswinkel von Infrarotlicht bei den Brechungsindizes n1 und n2;
13 zeigt die Konfiguration des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 4, und
14 zeigt die Konfiguration des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 5.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Ausführungsform 1
Wenn auch im Beispiel die Beschreibung im Folgenden anhand des Blutzuckerspiegels als exemplarisches Messobjekt erfolgen soll, ist ein Messgerät der vorliegenden Erfindung sowohl für die Messung des Blutzuckerspiegels als auch für die Messung eines anderen biologischen Materials geeignet.
1 zeigt einen exemplarischen Einsatz der mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensoren 80 nach Ausführungsformen 1 bis 5.
Wie in 1 dargestellt, wird der Blutzuckerspiegel eines lebenden Körpers eines Probanden gemessen, während der Kopf des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 mit der Lippe des Probanden mit ihrer dünnen Keratinschicht in Kontakt gebracht wird. Wenn auch im Beispiel die Messstelle eine Lippe mit einer dünnen Keratinschicht ist, kann sie eine andere Stelle sein. Es genügt, dass die Messstelle eine andere ist als eine Stelle mit einer dicken Keratinschicht, wie beispielsweise die Handfläche. So können beispielsweise auch Messungen an einer Gesichtswange, einem Ohrläppchen oder am Handrücken durchgeführt werden.
Die 2 und 3 zeigen die Konfiguration des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 1. Der Kontaktzustand zwischen dem nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensor 80 und einer Mess-Haut 40 unterscheidet sich zwischen den 2 und 3.
Wie in den 2 und 3 dargestellt, weist der nicht-invasive Blutzuckerspiegelsensor 80 ein ATR-Prisma 20, eine Prismen-Schwingungssteuerung 52, eine Infrarot-Lichtquelle 32, einen Infrarot-Fotodetektor 30, eine Steuerung 50 und ein Display 54 auf.
Die Infrarot-Lichtquelle 32 strahlt auf das ATR-Prisma 20 Infrarotlicht ganz oder teilweise in einem Wellenlängenbereich mit Absorptionswellenlängen des biologischen Materials aus.
Der Infrarot-Fotodetektor 30 erkennt das vom ATR-Prisma 20 abgegebene Infrarotlicht. Dabei kann ein zu erfassender Wert die Intensität (Leistung) des Lichts mit einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Lichtspektrum sein. Die weitere Beschreibung erfolgt unter der Annahme, dass die Intensität bei einer bestimmten Wellenlänge erfasst wird.
Die Steuerung 50 steuert die Prismen-Schwingungssteuerung 52, die Infrarot-Lichtquelle 32 und den Infrarot-Fotodetektor 30. Die Steuerung 52 erfasst die Konzentration des Blutzuckerspiegels eines lebenden Körpers basierend auf der Intensität des vom Infrarot-Fotodetektor 30 erfassten Infrarotlichts.
Das ATR-Prisma 20 wird auf dem Kopf des nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 montiert. Das ATR-Prisma 20 ist in Kontakt mit der Hautoberfläche 60 der Mess-Haut 40.
4 zeigt ein Fingerabdruckspektrum von Zucker.
Wenn der nicht-invasive Blutzuckerspiegelsensor 80 aktiviert wird wobei das ATR-Prisma 20 mit der Hautoberfläche 60 des Probanden in Kontakt steht, strahlt die Infrarot-Lichtquelle 32 Infrarotlicht ganz oder teilweise im Wellenlängenbereich von 8,5 µm bis 10 µm ab, was das Fingerabdruckspektrum von Zucker beinhaltet. Einfallendes Infrarotlicht 11a, das von der Infrarot-Lichtquelle 32 emittiert wird, wird von einer Stirnseite 20c des ATR-Prismas 20 reflektiert und verwandelt sich dann in weitergeleitetes Infrarotlicht 11b. Das weitergeleitete Infrarotlicht 11b durchläuft das ATR-Prisma 20, wobei es in Kontakt mit der Mess-Haut 40 steht und die Reflexion an den Stirnflächen 20a und 20b vom ATR-Prisma 20 wiederholt wird. Weitergeleitetes Infrarotlicht 11b, das durch das ATR-Prisma 20 gegangen ist, wird von einer Stirnseite 20d vom ATR-Prisma 20 reflektiert und verwandelt sich dann in abgestrahltes Infrarotlicht 11c. Der Infrarot-Fotodetektor 30 erfasst die Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11c.
An der Grenzfläche (Endfläche 20a) zwischen ATR-Prisma 20 und Mess-Haut 40 wird evaneszierendes Licht erzeugt. Dieses evaneszierende Licht dringt in die Mess-Haut 40 ein und wird vom Zucker aufgenommen.
Eine kleinere Differenz im Brechungsindex zwischen Mess-Haut 40 und ATR-Prisma 20 führt zu intensiverem evaneszierendem Licht. Das evaneszierende Licht, das vom ATR-Prisma 20 in Richtung Mess-Haut 40 in Reflexion an der Grenzfläche (Endfläche 20a) ausgetreten ist, wird vom biologischen Material in der Mess-Haut 40 absorbiert, so dass die Intensität des von der Endfläche 20a reflektierten Infrarotlichts abgeschwächt wird. Eine größere Menge an biologischem Material führt dementsprechend zu einer höheren Absorption von evaneszierendem Licht, was zu einer stärkeren Dämpfung der Intensität des reflektierten Infrarotlichts führt.
Die Haut besteht aus einer Epidermis in der Nähe der Hautoberfläche und einer Lederhaut unterhalb der Epidermis. Die Epidermis beinhaltet ein Stratum corneum, ein Stratum granulosum, ein Stratum spinosum und ein Stratum basale (von der Hautoberfläche aus gesehen), deren Dicken etwa 10 µm, etwa mehrere Mikrometer, etwa 100 µm bzw. etwa mehrere Mikrometer betragen. Im Stratum basale werden Zellen produziert und auf dem Stratum spinosum gestapelt. Da Wasser (Interstitialflüssigkeit) das Stratum granulosum nicht erreicht, sterben die Zellen ab. Die abgestorbenen Zellen werden im Stratum corneum verhärtet. Zucker und jedes andere biologische Material ist in der interstitiellen Flüssigkeit der Epidermis vorhanden. Die Interstitialflüssigkeit nimmt vom Stratum corneum bis zum Stratum spinosum zu. Die Intensität des reflektierten Infrarotlichts ändert sich entsprechend der Eindringlänge des evaneszierenden Lichts. Dabei wird die Eindringlänge auch als Eindringtiefe bezeichnet.
Evaneszierendes Licht wird von der Grenzfläche in Richtung Mess-Haut 40 exponentiell gedämpft und hat eine Eindringlänge, die ungefähr gleich seiner Wellenlänge ist. Die Spektroskopie mit einem ATR-Prisma 20 kann somit die Menge des biologischen Materials im Bereich bis zur Penetrationslänge messen. So hat beispielsweise das Fingerabdruckspektrum von Zucker Wellenlängen von 8,5 µm bis 10 µm, und entsprechend kann die Zuckermenge im Bereich von etwa 8,5 µm bis 10 µm von der Prismenoberfläche des ATR-Prismas 20 erkannt werden.
Das ATR-Prisma 20 hat die Form eines rechteckigen Quaders mit fehlenden Bereichen. Der Querschnitt des ATR-Prismas hat eine Form, die durch das Schneiden von zwei vertikalen Winkeln aus einem Rechteck in einem bestimmten Winkel erhalten wird. Die kürzere Fläche, auf welcher der vertikale Winkel geschnitten wird, wird mit der Mess-Haut 40 als Messfläche in Kontakt gebracht. Der Winkel der Stirnfläche 20c des ATR-Prismas 20 ist so eingestellt, dass weitergeleitetes Infrarotlicht 11b im ATR-Prisma 20 von den Stirnflächen 20a und 20b des ATR-Prismas 20 reflektiert wird. Der Winkel der Stirnfläche 20d des ATR-Prismas 20 ist so eingestellt, dass abgestrahltes Infrarotlicht 11c in Richtung Infrarot-Fotodetektor 30 wandert. So ist der Endflächenwinkel 20d vom ATR-Prisma 20 beispielsweise so eingestellt, dass abgestrahltes Infrarotlicht 11c senkrecht in den Infrarot-Fotodetektor 30 eintritt.
Die Infrarot-Lichtquelle 32 und das ATR-Prisma 20 sind so angeordnet, dass sie einen konstanten Einfallswinkel aufweisen, bei dem Infrarotlicht von der Infrarot-Lichtquelle 32 in das ATR-Prisma 20 eintritt. Die Stirnfläche 20c, auf der einfallendes Infrarotlicht 11a von der Infrarot-Lichtquelle 32 einfällt, und die Stirnfläche 20d, aus der abgestrahltes Infrarotlicht 11c zum Infrarot-Fotodetektor 30 austritt, sind entspiegelt. Alternativ kann einfallendes Infrarotlicht 11a von der Infrarot-Lichtquelle 32 als p-polarisiertes Licht erzeugt werden und die Einfallsfläche 20c und die Emissionsfläche 20d können gesplittet werden, um einen Einfalls-/Ausstrahlungswinkel zum Brewster-Winkel zu machen.
Als Material für das ATR-Prisma 20 wird ein Einkristall aus Zinksulfid (ZnS) verwendet, das im mittleren Infrarotbereich transparent ist und einen relativ niedrigen Brechungsindex aufweist. Das Material für das ATR-Prisma 20 ist nicht auf einen Einkristall von Zinksulfid (ZnS) beschränkt und kann auch ein anderes bekanntes Material wie Zinkselenid (ZnSe) sein. Die Kontaktfläche 20a des ATR-Prismas 20, die mit der Mess-Haut 40 in Kontakt kommt, ist mit einer dünnen Schicht aus z.B. SiO₂ oder SiN beschichtet, um den menschlichen Körper nicht zu schädigen.
Als Infrarot-Lichtquelle 32 wird beispielsweise ein breitbandiges Quantenkaskadenlasermodul verwendet. Ein Quantenkaskadenlaser, der eine einzige Lichtquelle aufweist und eine hohe Leistung und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SN-Verhältnis) aufweist, ist in der Lage, hochpräzise Messungen durchzuführen. Eine Linse zum Kollimieren eines Strahls ist im Quantenkaskadenlasermodul montiert. Der breitbandige Quantenkaskadenlaser strahlt Infrarotlicht im Wellenlängenbereich von 8,5 µm bis 10 µm ganz oder teilweise aus.
Neben einem breitbandigen Quantenkaskadenlaser kann die Infrarot-Lichtquelle 32 eine thermische Lichtquelle des Typs sein, der zum Heizen Strom durch ein Filament fließen lässt. In diesem Fall kann die Temperatur durch die Menge des angelegten Stroms gesteuert werden und entsprechend werden breitbandige Infrarotstrahlen als Schwarzkörperstrahlung abgestrahlt. Alternativ kann die Infrarot-Lichtquelle 32 kein Filament sondern eine Plasmon- oder Metamaterial-Lichtquelle sein, die ein periodisches Muster in einem Heizabschnitt aufweist. Die Infrarot-Lichtquelle 32 ist in diesem Fall eine hocheffiziente Lichtquelle, da der Strahlungswellenlängenbereich durch die Oberflächenstruktur definiert ist und somit unnötige Strahlung reduziert wird.
Vom ATR-Prisma 20 abgestrahltes Infrarotlicht 11c wird vom Infrarot-Fotodetektor 30 empfangen. Der Infrarot-Fotodetektor 30 erkennt das vom ATR-Prisma 20 abgegebene Licht. Der hierin ermittelte Wert kann ein Lichtspektrum oder eine Leistung mit einer bestimmten Wellenlänge sein. Der Infrarot-Fotodetektor 30 kann eine Reihe von nicht-kühlenden Infrarotsensoren aufweisen, die jeweils Licht mit einer anderen Wellenlänge erfassen. Der nicht kühlende Infrarotsensor kann ein wellenlängenselektiver Absorber sein, der eine Plasmonenresonanz auf der Oberfläche eines lichtempfindlichen Abschnitts verwendet. Der nicht kühlende Infrarotsensor (thermischer Infrarotsensor) kann ein pyroelektrischer Sensor oder ein Sensor mit einem Bolometer, einer Thermosäule oder einer Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Diode sein.
Abhängig vom Kontaktzustand zwischen ATR-Prisma 20 und Hautoberfläche 60 des Probanden kann sich die Struktur der Mess-Haut 40 deformieren oder die Dicke des Wassers, der Öle und Fette o.ä. zwischen ATR-Prisma 20 und Hautoberfläche 60 kann sich ändern, was einen Bereich verändert, an dem evaneszierendes Licht ankommt. Je nach der Kraft, mit der das ATR-Prisma 20 aufgedrückt wird, erhöht oder verringert sich beispielsweise die Dicke des Stratum corneum, wodurch evaneszierendes Licht in das Stratum granulosum oder das Stratum spinosum gelangen kann oder eben auch nicht.
Aus diesem Grund wird eine Prismen-Schwingungssteuerung 52 verwendet, um das ATR-Prisma 20 in der vorliegenden Ausführungsform in Schwingungen zu versetzen. Infrarot-Licht wird von der Infrarot-Lichtquelle 32 unter Schwingung des ATR-Prismas 20 abgestrahlt und das Infrarot-Licht wird vom Infrarot-Fotodetektor 30 erfasst. Es werden also die Prismen-Schwingungssteuerung 52 und der Infrarot-Fotodetektor 30 durch die Steuerung 50 synchron gesteuert.
Die Prismen-Schwingungssteuerung 52 ist auf dem ATR-Prisma 20 montiert und bewirkt, dass das ATR-Prisma 20 senkrecht zur Hautoberfläche 60, also der Kontaktfläche zwischen ATR-Prisma 20 und Mess-Haut 40, schwingt. So verschiebt sich die Prismen-Schwingungssteuerung 52 oder dehnt sich die Prismen-Schwingungssteuerung 52 aus oder zieht sich zusammen als Reaktion auf das Signal von der Steuerung 50, um das ATR-Prisma 20 in Schwingung zu versetzen. Die Prismen-Schwingungssteuerung 52 kann beispielsweise aus einem piezoelektrischen Stellglied oder dergleichen bestehen. Die Steuerung 50 bewirkt, dass der Infrarot-Fotodetektor 30 Infrarotlicht synchron mit der Schwingung des ATR-Prismas 20 erfasst.
3 zeigt den Zustand, in dem das ATR-Prisma 20 durch die das ATR-Prisma 20 in Schwingung versetzende Prismen-Schwingungssteuerung 52 gegen die Hautoberfläche 60 gedrückt wird.
In 2 ebenso wie in 3 steht das ATR-Prisma 20 mit der Hautoberfläche 60 in Kontakt, jedoch unterscheidet sich das Ausmaß, in dem das ATR-Prisma 20 gegen die Hautoberfläche 60 gedrückt wird in den Zuständen der 2 und 3.
Wie in 2 dargestellt, steht das ATR-Prisma 20 während einer Schwingungsperiode des ATR-Prismas 20 in Kontakt mit der Hautoberfläche 60. Hierin bezieht sich ein schwacher Haftungszustand auf einen Zustand, in dem während einer Schwingungsperiode des ATR-Prismas 20 das ATR-Prisma 20 nicht in Richtung Mess-Haut 40 gedrückt wird, und der geringste Druck auf die Hautoberfläche 60, also die Kontaktfläche zwischen ATR-Prisma 20 und Mess-Haut 40 einwirkt.
Ein starker Haftungszustand bezieht sich auf den Zustand, in dem während einer Schwingungsperiode des ATR-Prismas 20 das ATR-Prisma 20 am tiefsten in Richtung Mess-Haut 40 gedrückt wird, und der höchste Druck auf die Hautoberfläche 60 wirkt, d.h. der Kontaktzustand zwischen ATR-Prisma 20 und Mess-Haut 40 ist so wie in 3 dargestellt.
Die Prismen-Schwingungssteuerung 52 bewirkt, dass das ATR-Prisma 20 den Schwingungsvorgang wiederholt, bei dem ein Zustandsübergang vom schwachen Haftungszustand von 2 über den starken Haftungszustand von 3 zum schwachen Haftungszustand von 2 eine Periode beträgt. Dabei genügt es, dass die Schwingungsamplitude, d.h. die Differenz im Pressabstand zwischen dem schwachen und dem starken Haftungszustand nicht mehr als ein paar Millimeter beträgt.
Der Infrarot-Fotodetektor 30 erkennt vom ATR-Prisma 20 abgestrahltes Infrarotlicht 11c synchron zum Betrieb der Prismen-Schwingungssteuerung 52. Normalerweise enthält abgestrahltes Infrarotlicht 11c, das vom Infrarot-Fotodetektor 30 erkannt wird, ein spektrales Signal und elektrische Rauschsignale der Umgebung vom Detektor. Darüber hinaus kann jeder Spalt zwischen dem ATR-Prisma 20 und der Hautoberfläche 60 des Probanden, die miteinander in Kontakt stehen, Rauschen verursachen, das das Signal-Rausch-Verhältnis S/N des erfassten Wertes verschlechtert und die Eindringlänge von evaneszierendem Licht reduziert.
So erkennt der Infrarot-Fotodetektor 30 abgestrahltes Infrarotlicht 11c mehrmals in gleichen Abständen während einer Schwingungsperiode. In der vorliegenden Ausführungsform erkennt der Infrarot-Fotodetektor 30 abgestrahltes Infrarotlicht 11c zweimal in gleichen Abständen während einer Periode. Dabei beinhalten zwei Erkennungszeitpunkte einen Zeitpunkt, zu dem der schwache Haftungszustand von 2 vorliegt, und einen Zeitpunkt, zu dem der starke Haftungszustand von 3 vorliegt, um eine hohe Erkennungsempfindlichkeit zu erhalten.
Dann berechnet die Steuerung 50 eine Differenz dS (=S(a)-S(b)), wobei S(a) die Intensität des vom Infrarot-Fotodetektor 30 erfassten Infrarotlichts 11c im schwachen Haftungszustand von 2 und S(b) die Intensität des vom Infrarot-Fotodetektor 30 erfassten abgestrahlten Infrarotlichts 11c im starken Haftungszustand von 3 ist. Die Steuerung 50 bestimmt eine Vielzahl von Differenzen dS durch eine Vielzahl von Messungen und berechnet davon die Summe ΣdS.
5 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsablauf des Blutzuckerspiegelsensors 80 in Ausführungsform 1 zeigt.
Im Schritt S100 gibt die Infrarot-Lichtquelle 32 Infrarotlicht aus.
Im Schritt S101 wird das ATR-Prisma 20 mit der Hautoberfläche 60 des Probanden in Kontakt gebracht.
Im Schritt S102 setzt die Steuerung 50 eine begrenzte Anzahl N für die Datensamplings.
Im Schritt S103 bewirkt die Steuerung 50, dass die Prismen-Schwingungssteuerung 52 schwingt, um die Schwingung des ATR-Prismas 20 zu starten.
Die Verarbeitungsreihenfolge der obigen Schritte S100 bis S103 kann geändert werden.
In den Schritten S104 und S105 erkennt der Infrarot-Fotodetektor 30 S(a) und S(b) synchron mit der Schwingung des ATR-Prismas 20. Im Schritt S104 veranlasst die Steuerung 50 den Infrarot-Fotodetektor 30, die Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11c zu erfassen und an die Steuerung 50 auszugeben. Die Steuerung 50 nimmt die erhaltene Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11c als S(a) auf. Im Schritt 105 veranlasst die Steuerung 50 den Infrarot-Fotodetektor 30, die Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11c zu erfassen und an die Steuerung 50 auszugeben. Die Steuerung 50 nimmt die erhaltene Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11 als S(b) auf. Hierin kann die Reihenfolge der Schritte S104 und S105 geändert werden.
Im Schritt S106 berechnet und speichert die Steuerung 50 dS=S(a)-S(b). Wenn das ATR-Prisma 20 und die Mess-Haut 40 zur Vorbereitung der Messung manuell miteinander in Kontakt gebracht werden, bevor das ATR-Prisma 20 in Schwingungen versetzt wird, um die Zuckermenge in der Mess-Haut 40 zu berechnen, ist es schwierig, beispielsweise die Größe eines Spaltes zwischen dem ATR-Prisma 20 und der Mess-Haut 40 in jeder Messung konstant zu halten. Das heißt, es ist schwierig, den schwachen Haftungszustand, der ein Anfangszustand ist, manuell zu bestimmen. Wenn auch im Beispiel S(a) und S(b) dementsprechend unterschiedliche Werte für jede Messung aufweisen, kann die Differenz zwischen S(a) und S(b) einen Wert für jede Messung erhalten, der nicht von Schwankungen beeinflusst wird. Das heißt, dS kann die Zuckermenge in der Mess-Haut 40 mit hoher Genauigkeit wiedergeben.
Im Schritt S107 vergleicht die Steuerung 50 die Anzahl von bisher erhaltenen dS-Samplings n mit der begrenzten Anzahl N von Samplings, die im Schritt S103 eingestellt wurde. Wenn die Anzahl der Samplings n kleiner als die begrenzte Anzahl N der Samplings ist, kehrt der Prozess zu Schritt S104 zurück und die Prozesse der Schritte S104 bis 107 werden wiederholt. Wenn die Anzahl der Samplings n gleich der begrenzten Anzahl der Samplings N wird, fährt der Prozess mit Schritt S108 fort.
Im Schritt S108 berechnet die Steuerung 50 die Summe ΣdS aller gespeicherten Werte von dS. Um diesen Messfehler zu glätten, wird die Summe ΣdS ermittelt. Die Summe ΣdS kann weiter durch die begrenzte Anzahl N von Samplings geteilt werden, um eine durchschnittliche Summe ΣdS/N zu erhalten.
Im Schritt S109 zeigt die Steuerung 50 den berechneten Wert ΣdS auf der Anzeige 54 an.
Hierbei kann die begrenzte Anzahl N von Samplings im Schritt 103 vom Benutzer oder Anwender frei bestimmt werden. Eine zunehmende begrenzte Anzahl N von Samplings kann das Signal-Rausch-Verhältnis S/N von ΣdS, das im Schritt 108 erhalten wurde, verbessern, während sich die für die Messung benötigte Zeit ebenfalls erhöht.
Die vorliegende Ausführungsform kann Infrarotlicht, das vom ATR-Prisma 20 abgestrahlt wird, synchron mit der Schwingung des ATR-Prismas 20, wie oben beschrieben, erkennen. Die Menge des biologischen Materials in der Mess-Haut 40 kann genau gemessen werden, indem man die Differenz zwischen der Intensität von Infrarotlicht zwischen dem ATR-Prisma 20 und der Mess-Haut 40 im starken Haftungszustand und der Intensität von Infrarotlicht zwischen dem ATR-Prisma 20 und der Mess-Haut 40 im schwachen Haftungszustand erhält.
Anmerkungen
Die Messvorrichtung (80) für biologisches Material und das Verfahren zum Messen eines biologischen Materials der Ausführungsform 1 haben die folgenden Eigenschaften.
(1) Die biologische Materialmessvorrichtung (80) weist ein ATR-Prisma (20), eine Infrarot-Lichtquelle (32), einen Infrarot-Fotodetektor (30), eine Prismen-Schwingungssteuerung (52) und eine Steuerung (50) auf. Das ATR-Prisma (20) ist an einer Mess-Haut (40) anheftbar. Die Infrarot-Lichtquelle (32) strahlt auf das ATR-Prisma (20) Infrarotlicht ganz oder teilweise mit Absorptionswellenlängen des biologischen Materials aus. Der Infrarot-Fotodetektor (30) erfasst das vom ATR-Prisma (20) abgegebene Infrarotlicht. Die Prismen-Schwingungssteuerung (52) ist auf dem ATR-Prisma (20) montiert und schwingt das ATR-Prisma (20) senkrecht zu einer Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma (20) und der Mess-Haut (40) hin und her. Die Steuerung (50) veranlasst den Infrarot-Fotodetektor (30), das Infrarotlicht synchron zur Schwingung zu erfassen.
Dadurch kann die Menge des biologischen Materials in der Mess-Haut (40) genau gemessen werden.
(2) Die Prismen-Schwingungssteuerung (32) versetzt das ATR-Prisma (20) periodisch in Schwingungen. Die Steuerung (50) veranlasst den Infrarot-Fotodetektor (30), Infrarotlicht zwei- oder mehrmalig während einer Periode der Schwingung des ATR-Prismas (20) zu erfassen.
Dadurch kann eine hohe Detektionsempfindlichkeit erreicht werden.
(3) Die Steuerung (50) veranlasst den Infrarot-Fotodetektor (30), das Infrarotlicht zu einem Zeitpunkt eines schwachen Haftungszustandes zu erfassen, in dem der niedrigste Druck während der Schwingungsdauer auf die Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma (20) und dem Mess-Haut (40) wirkt, und das Infrarotlicht zu einem Zeitpunkt eines starken Haftungszustandes zu erfassen, in dem der höchste Druck während der Schwingungsdauer auf die Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma (20) und dem Mess-Haut (40) wirkt.
Dadurch kann eine höhere Detektionsempfindlichkeit erreicht werden.
(4) Die Steuerung (50) berechnet die Differenz zwischen einem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands während der Schwingungsdauer erfasst wird, und einem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des starken Haftungszustands während der Schwingungsdauer erfasst wird.
Dadurch kann die Menge des biologischen Materials ohne Einfluss von Schwankungen im Haftungszustand zwischen dem ATR-Prisma (20) und der Mess-Haut (40) für jede Messung gemessen werden.
(5) Die Steuerung (50) berechnet eine Vielzahl der Differenzen über eine Vielzahl der Perioden und berechnet die Summe oder den Durchschnitt der Vielzahl der berechneten Differenzen.
Dadurch kann eine in einem Messwert enthaltene Rauschkomponente eliminiert werden.
(6) Das Verfahren zum Messen eines biologischen Materials weist folgende Schritte auf: durch eine Infrarot-Lichtquelle (32) wird Infrarotlicht ganz oder teilweise in einem Wellenlängenbereich mit Absorptionswellenlängen des biologischen Materials ausgestrahlt; ein ATR-Prisma (20), das mit einer Mess-Haut (40) in Kontakt steht, empfängt Infrarotlicht, das von der Infrarot-Lichtquelle (32) ausgestrahlt wird, wobei das Infrarotlicht durch das ATR-Prisma (20) hindurchgelassen und dann nach außen abgegeben wird; das ATR-Prisma (20) wird senkrecht zur Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma (20) und der Mess-Haut (40) in Schwingung versetzt; während einer Periode der Schwingung wird durch den Infrarot-Fotodetektor (30) das von dem ATR-Prisma (20) emittierte Infrarotlicht zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands, in dem der niedrigste Druck auf die Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut wirkt, erfasst und durch den Infrarot-Fotodetektor (30) wird das von dem ATR-Prisma (20) emittierte Infrarotlicht zu einem Zeitpunkt des starken Haftungszustands erfasst, in dem der höchste Druck auf die Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma (20) und der Mess-Haut (40) einwirkt; und die Differenz zwischen dem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands während der Periode der Schwingung erfasst wird, und dem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des starken Haftungszustands während der Periode der Schwingung erfasst wird, wird berechnet.
Dadurch kann die Menge eines biologischen Materials in der Mess-Haut (40) genau gemessen werden.
Ausführungsform 2
Die Konfiguration eines nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 2 ist ähnlich wie die Konfiguration des nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors der Ausführungsform 1, mit Ausnahme der Funktion der Steuerung 50.
Ausführungsform 2 unterscheidet sich von Ausführungsform 1 dadurch, dass die Anzahl der Erfassungswerte des abgestrahlten Infrarotlichts 11c im Infrarot-Fotodetektor 30 während einer Schwingungsperiode des ATR-Prismas 20 zwei- oder mehrmalig ist. In der vorliegenden Ausführungsform erfasst der Infrarot-Fotodetektor 30 die Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11c achtmal in gleichen Abständen während einer Schwingungsperiode des ATR-Prismas 20.
Angenommen, die Schwingungsamplitude des ATR-Prismas 20 ist d, die Schwingungsdauer ist T und die Anzahl der Samplings während einer Periode ist achtmal höher. Das Intervall zwischen den Samplings ist auf jeden Fall jeweils gleich, unabhängig davon, ob die Anzahl der Probenahmen bei gröberen Messungen weniger als achtmal -wie im Beispiel- oder bei feineren Messungen mehr als achtmal beträgt.
6 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsablauf des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 in der Ausführungsform 2 zeigt.
Die Schritte S200 bis S203 sind ähnlich den Schritten S 100 bis S 103 der Ausführungsform 1, deren Beschreibung nicht wiederholt wird.
In den Schritten S204 und S205 erkennt der Infrarot-Fotodetektor 30 die Werte S0 bis S7 synchron zur Schwingung. Im Schritt S204 veranlasst die Steuerung 50 den Infrarot-Fotodetektor 30, die Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11c zu erfassen und an die Steuerung 50 auszugeben. Die Steuerung 50 nimmt die erhaltene Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11c als S0. Im Beispiel ist der Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands der Startzeitpunkt in 6, zu dem eine Messung gestartet wird, es kann aber der schwache Haftungszustand oder der starke Haftungszustand sein.
Im Schritt S205 veranlasst die Steuerung 50 den Infrarot-Fotodetektor 30, abgestrahltes Infrarotlicht 11c jedes Mal zu erkennen, wenn eine T/8-Periode aus Schritt S204 vergeht, und diesen Wert an die Steuerung 50 auszugeben. Die Steuerung 50 nimmt die Intensitäten des abgestrahlten Infrarotlichts 11c sequentiell als S1, S2, S3, S4, S5, S6 und S7 auf.
Im Schritt S206 berechnet und speichert die Steuerung 50 die Differenzen dS 1 (=S0-S1), dS2 (=S0-S2), dS3 (=S0-S3), dS4 (=S0-S4), dS5 (=S0-S5), dS6 (=S0-S6) und dS7 (=S0-S7) zwischen dem in Schritt S204 erhaltenen Wert S0 und den in Schritt S205 erhaltenen Werten S1 bis S7. Die Werte dS1 bis dS7 werden wie vorstehend beschrieben bestimmt, um die Verteilung des Zuckers für jede Tiefe der Hautoberfläche 60 in der Mess-Haut 40 zu erhalten. So ist beispielsweise die Differenz zwischen dS2 und dS1 ein Wert, der einer Differenz zwischen der Zuckermenge in einer Tiefe der Hautoberfläche 60, die einer Eindringlänge von evaneszierendem Licht zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands zum Zeitpunkt T/8 entspricht, und der Zuckermenge in einer Tiefe der Hautoberfläche 60, die einer Eindringlänge von evaneszierendem Licht zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands zum Zeitpunkt 2T/8 entspricht.
Im Schritt S207 vergleicht die Steuerung 50 die Anzahl n von Samplings von jedem dSi (1 bis 7), die bisher erhalten wurden, und die begrenzte Anzahl N von Samplings, die im Schritt S203 festgelegt wurde. Wenn die Anzahl der Samplings n kleiner als die begrenzte Anzahl N der Samplings ist, kehrt der Prozess zu Schritt S204 zurück und die Prozesse der Schritte S204 bis 207 werden wiederholt. Wenn die Anzahl der Samplings n gleich der begrenzten Anzahl N der Samplings wird, fährt der Prozess mit Schritt S208 fort.
Im Schritt S208 berechnet die Steuerung 50 die Summen ΣdS1, ΣdS2, ΣdS3, ΣdS4, ΣdS5, ΣdS6 und ΣdS7 aller gespeicherten Werte von dS1, dS2, dS3, dS4, dS5, dS6 und dS7. Zum Beispiel ist ΣdS1 eine Summe der Werte von dS 1 in N-facher Messung. Um den Messfehler zu glätten, wird die Summe ΣdS ermittelt. Die Beträge ΣdS1 bis ΣdS7 können weiterhin durch eine begrenzte Anzahl N von Samplings geteilt werden, um Durchschnittswerte von ΣdS1/N bis ΣdS7/N zu erhalten.
Im Schritt S209 zeigt die Steuerung 50 die berechneten Werte ΣdS1, ΣdS2, ΣdS3, ΣdS3, ΣdS4, ΣdS5, ΣdS6 und ΣdS7 auf dem Display 54 an.
7 zeigt Beispiele für den Messzeitpunkt k×T/8 und ΣdSk.
In 7 stellt die horizontale Achse die Messzeitpunkte dar, d.h. Zeitpunkte, zu denen abgestrahltes Infrarotlicht 11c vom Infrarot-Fotodetektor 30 erfasst wird, wenn das ATR-Prisma 20 in einer Periode T in Schwingung versetzt wird; die vertikale Achse stellt die Summe ΣdSk zu jedem Zeitpunkt k×T/8 dar.
Da vorab eine Schwingungsamplitude d des ATR-Prismas 20 erhalten wird, kann die Steuerung 50 den Messzeitpunkt von 7 in einen Pressabstand umwandeln, um den das ATR-Prisma 20 senkrecht gegen die Mess-Haut 40 gedrückt wird. Er wird in einen senkrechten Abstand zur Mess-Haut 40 umgewandelt. Das heißt, die Messzeitpunkte 0, T/8, 2T/8, 3T/8, 4T/8, 5T/8, 6T/8 und 7T/8 werden jeweils in die Pressabstände 0, d/4, d/2, 3d/4, d, 3d/4, d/2 und d/4 umgerechnet, mit denen das ATR-Prisma 20 senkrecht gegen die Mess-Haut 40 gedrückt wird.
8 ähnelt 7, wo der Messzeitpunkt, dargestellt durch die horizontale Achse von 7, in einen Pressabstand geändert wird, um den das ATR-Prisma 20 senkrecht gegen die Mess-Haut 40 gedrückt wird.
Wie in den 7 und 8 dargestellt, nimmt der Wert von ΣdSk den Minimalwert zum Messzeitpunkt T/2 und Pressabstand d an und kehrt dann zu seinem Ausgangswert zurück.
Die Ausführungsform 2 kann, wie oben beschrieben, Informationen über die Verteilung des Zuckers für jede Tiefe, gemessen von der Hautoberfläche, erhalten.
Anmerkungen
Die Messvorrichtung (80) für biologisches Material und das Verfahren zum Messen des biologischen Materials nach der Ausführungsform 2 haben die folgenden Eigenschaften.
(1) Die Steuerung (50) veranlasst den Infrarot-Fotodetektor (30), Infrarotlicht bei drei oder mehr Zeitpunkten während der Dauer der Schwingung des ATR-Prismas (20) zu erfassen.
Dadurch kann die Verteilung des biologischen Materials senkrecht zur Oberfläche des Mess-Haut (40) gemessen werden.
(2) Die Steuerung (50) veranlasst den Infrarot-Fotodetektor (30), das Infrarotlicht zu einem Zeitpunkt eines schwachen Haftungszustands zu erfassen, bei dem der niedrigste Druck während der Dauer der Schwingung auf die Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma (20) und der Mess-Haut (40) wirkt, und berechnet zu jedem Zeitpunkt die Differenz zwischen einem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands während der Schwingungsdauer erfasst wird, und einem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zu jedem Zeitpunkt der drei oder mehr Zeitpunkte während der Schwingungsdauer erfasst wird, mit Ausnahme des Zeitpunkts des schwachen Haftungszustands.
Dadurch kann die Verteilung des biologischen Materials senkrecht zur Oberfläche des Mess-Haut (40) fein gemessen werden.
(3) Die Steuerung (50) berechnet eine Vielzahl von Differenzen zu jedem Zeitpunkt über eine Vielzahl von Perioden und berechnet eine Summe oder einen Mittelwert aus der Vielzahl der zu jedem Zeitpunkt berechneten Differenzen.
Dadurch kann eine in einem Messwert enthaltene Rauschkomponente eliminiert werden.
(4) Die Steuerung (50) wandelt den Erfassungszeitpunkt, zu dem das Infrarotlicht erfasst wird, in einen Pressabstand um, mit dem das ATR-Prisma (20) senkrecht gegen die Mess-Haut (40) gedrückt wird.
Dadurch kann eine Menge des biologischen Materials in mehreren Abständen senkrecht zur Oberfläche des Mess-Haut (40) gemessen werden.
(5) Die Steuerung (50) bewirkt, dass der Infrarot-Fotodetektor (30) das Infrarotlicht in gleichen Zeitabständen während des Zeitraums erfasst.
Dadurch kann die Menge des biologischen Materials, die für jedes bestimmte Intervall senkrecht zur Oberfläche des Mess-Haut (40) vorhanden ist, gemessen werden.
(6) Das Verfahren zum Messen des biologischen Materials weist folgende Schritte auf: durch eine Infrarot-Lichtquelle (32) wird Infrarotlicht ganz oder teilweise in einem Wellenlängenbereich mit Absorptionswellenlängen des biologischen Materials abgestrahlt; durch ein ATR-Prisma (20), das mit einer Mess-Haut (40) in Kontakt steht, wird das von der Infrarot-Lichtquelle (32) abgestrahlte Infrarotlicht empfangen, wobei das Infrarotlicht unter Wiederholung der Reflexion durch das ATR-Prisma (20) geleitet und dann das Infrarotlicht nach außen abgegeben wird; das ATR-Prisma (20) schwingt senkrecht zu einer Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma (20) und der Mess-Haut (40); durch einen Infrarot-Fotodetektor (30) wird das von dem ATR-Prisma (20) emittierte Infrarotlicht zu einem Zeitpunkt eines schwachen Haftungszustands, bei dem der niedrigste Druck während einer Zeitspanne der Schwingung auf die Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma (20) und der Mess-Haut (40) einwirkt, erfasst und durch den Infrarot-Fotodetektor (30) wird das vom ATR-Prisma (20) emittierte Infrarotlicht zu zwei oder mehr Zeitpunkten während der Zeitspanne der Schwingung, die sich von dem Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands unterscheidet, erfasst; und es wird die Differenz zwischen dem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands während der Dauer der Schwingung erfasst wird, und dem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zu jedem Zeitpunkt der zwei oder mehr Zeitpunkte, die nicht zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands gehören, erfasst.
Dadurch kann die Verteilung des biologischen Materials senkrecht zur Oberfläche der Mess-Haut (40) gemessen werden.
Ausführungsform 3
9 zeigt die Konfiguration eines mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 3.
Wie in 9 dargestellt, weist der Blutzuckerspiegelsensor 80 die Infrarot-Lichtquelle 32, das ATR-Prisma 20, den Infrarot-Fotodetektor 30, die Prismen-Schwingungssteuerung 52, die Steuerung 50 und einen Lock-in-Verstärker 70 auf.
Die Konfiguration des Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 3 unterscheidet sich von der Konfiguration des Blutzuckerspiegelsensors 80 nach den Ausführungsform 1 oder 2 dadurch, dass der Blutzuckerspiegelsensor 80 der Ausführungsform 3 den Lock-in-Verstärker 70 aufweist.
Ein Messsignal, das die Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11c anzeigt, das vom Infrarot-Fotodetektor 30 erfasst wird, wird in den Lock-in-Verstärker 70 eingegeben. Dieses Messsignal ist ein schwaches Signal. Bei der Erkennung eines schwachen Signals muss das Rauschen eliminiert werden, da Rauschen die Erkennung stark beeinträchtigt. Ein Beispiel für die Beseitigung von Rauschen ist ein Bandpassfilter. Wenn die für den Bandpassfilter verwendete Vorrichtung variiert, schwankt die Mittenfrequenz, die die Amplitude des Signals beeinflusst. Der Bandpassfilter ist daher instabil zur Erkennung eines schwachen Signals.
Die vorliegende Ausführungsform verwendet eine Frequenzumwandlungstechnik des Lock-in-Verstärkers 70, um ein Messsignal zu erfassen, das ein schwaches Signal im Rauschen ist. Die Frequenzumwandlungstechnik verwendet einen phasenempfindlichen Detektor (PSD), um ein schwaches Zielsignal aus den im Rauschen vergrabenen Signalen zu extrahieren. Da es sich bei dem Signal, das durch die Eliminierung des Rauschens des Lock-in-Verstärkers 70 erhalten wird, um einen Gleichstrom handelt, kann der Filter, dessen Bandbreite begrenzt ist, möglicherweise nur einen Tiefpassfilter benötigen. Im Tiefpassfilter schwankt die Grenzfrequenz auch bei Schwankungen eines verwendeten Gerätes lediglich, was den Wert des Gleichstromsignals nicht beeinflusst.
10 zeigt die Konfiguration des Lock-in-Verstärkers 70.
Der Lock-in-Verstärker 70 weist einen Vorverstärker 81, eine Wellenformform-Formgebungsschaltung 82, eine Phasenschaltung 83, ein PSD 84 und einen Tiefpassfilter (LPF) 85 auf.
Der Lock-in-Verstärker 70 empfängt einen Eingang eines Messsignals S(t), das die Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11c anzeigt, das durch S(t)=Asin(ωt+a) ausgedrückt wird, wobei die (Schwingungs-) Frequenz des ATR-Prismas 20 f ist, wobei ω=2πf. Der Lock-in-Verstärker 70 empfängt auch einen Eingang eines Referenzsignals R(t), das durch R(t)=Asin(ωt+b) ausgedrückt wird.
Der Vorverstärker 81 verstärkt das Messsignal S(t) auf eine gewünschte Spannung.
Die Wellenformform-Formgebungsschaltung 82 formt das Referenzsignal R(t) zu einer Rechteckwelle. Die Phasenschaltung 83 justiert die Phasendifferenz zwischen der Rechteckwelle R'(t) aus dem Referenzsignal und dem Messsignal S(t). Insbesondere stellt die Phasenschaltung 83 die Phasendifferenz (a-b) zwischen dem Referenzsignal R'(t) und dem Messsignal S(t) auf „0“ ein.
Das PSD 84 multipliziert die Signalwellenformen des Messsignals S(t) und des Referenzsignals R'(t) miteinander. Durch eine Einstellung derart, dass a=b wird es dem PSD 84 ermöglicht, eine maximale DC-Komponente A/2×cos(b-a)(=A/2) und eine AC-Komponente A/2×cos(2ωt+a+b)(=A/2×cos(2ωt+2a)) mit einer doppelten Frequenz zu erhalten.
Das LPF 85 entfernt die AC-Komponente aus dem Signalausgang des PSD 84 und extrahiert die DC-Komponente, wodurch eine DC-Komponente des Messsignals S(t) ausgegeben wird. Somit kann nur das im Rauschen vergrabene Zielsignal als Maximalwert der DC-Komponente extrahiert werden.
11 ist ein Flussdiagramm, das den Betriebsablauf des Blutzuckerspiegelsensors 80 nach Ausführungsform 3 zeigt.
Wenn auch im Beispiel das von der Infrarot-Lichtquelle abgegebene Infrarotlicht die Reflexion innerhalb des ATR-Prismas wiederholt und in den Infrarot-Fotodetektor eintritt, kann ein vom Infrarot-Fotodetektor erfasstes Signal ein schwaches Signal sein, und dementsprechend muss das Signal mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis SN erhalten werden.
Im Schritt S300 gibt die Infrarot-Lichtquelle 32 Infrarotlicht aus.
Im Schritt S301 wird das ATR-Prisma 20 mit der Hautoberfläche 60 des Probanden in Kontakt gebracht.
Im Schritt S302 setzt die Steuerung 50 die Frequenz f der Verschiebung des ATR-Prismas 20 fest.
Im Schritt S303 bewirkt die Steuerung 50, dass die Prismen-Schwingungssteuerung 52 die Schwingung bei der Frequenz f startet, um die Schwingung des ATR-Prismas 20 bei der Frequenz f der Verschiebung zu starten.
Hier genügt es, wenn die Schwingung des ATR-Prismas 20 eine Bewegungsbreite aufweist, bei der das ATR-Prisma 20 nicht von der Hautoberfläche 60 des Probanden abhebt, das bedeutet also ein Messziel in den Auf- und Abwärtsbewegungen der Schwingungen, die beispielsweise eine Hin- und Herbewegung zwischen dem schwachen Haftungszustand von 2 und dem starken Haftungszustand von 3 sein können.
Im Schritt S304 veranlasst die Steuerung 50 den Infrarot-Fotodetektor 30, die Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11c in vorgegebenen Abständen zu erfassen und an die Steuerung 50 auszugeben. Die Steuerung 50 erzeugt ein Messsignal S(t), das die erhaltene Intensität des abgestrahlten Infrarotlichts 11 anzeigt.
Im Schritt S305 gibt die Steuerung 50 ein Referenzsignal R(t)=Asin(ωt+b) mit der Frequenz f an den Lock-in-Verstärker 70 aus.
Im Schritt S306 verstärkt der Vorverstärker 81 des Lock-in-Verstärkers 70 das Messsignal S(t) auf eine gewünschte Spannung, die die Intensität des in vorgegebenen Abständen vom Infrarot-Fotodetektor 30 abgestrahlten Infrarotlichts 11c anzeigt. Die Wellenformform-Formgebungsschaltung 82 des Lock-in-Verstärkers 70 formt das Referenzsignal R(t) zu einer Rechteckwelle. Die Phasenschaltung 83 des Lock-in-Verstärkers 70 stellt die Phasendifferenz zwischen dem Referenzsignal R'(t) der Rechteckwelle und dem Messsignal S(t) auf „0“ ein. Das PSD 84 des Lock-in-Verstärkers 70 multipliziert die Signalwellenformen des Messsignals S(t) und des Referenzsignals R'(t) miteinander. Die Einstellung einer Phasendifferenz auf „0“ durch die Phasenschaltung 83 ermöglicht es dem PSD 84, eine maximale DC-Komponente und eine AC-Komponente mit der doppelten Frequenz auszugeben.
Im Schritt S307 entfernt das LPF 85 des Lock-in-Verstärkers 70 die AC-Komponente aus dem Signalausgang des PSD 84 und extrahiert die DC-Komponente, wodurch die DC-Komponente des Messsignals S(t) ausgegeben wird. Wenn das Messsignal S(t) als Asin(ωt+a) ausgedrückt wird, wird A/2 ausgegeben.
Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Ausführungsform einen maximalen DC-Wert eines Zielsignals erhalten, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.
Anmerkungen
Eine Messvorrichtung (80) für biologisches Material der Ausführungsform 3 weist die folgenden Eigenschaften auf.
(1) Die Messvorrichtung (80) für biologisches Material weist weiterhin einen Lock-in-Verstärker (70) auf, der ausgebildet ist, um einen Eingang eines vom Infrarot-Fotodetektor (30) ausgegebenen Signals zu empfangen.
Dadurch kann ein vom Infrarot-Fotodetektor (30) ausgegebenes Signal auch dann erkannt werden, wenn das Signal eine so schwache Größe aufweist, dass es im Rauschen untergeht.
(2) Die Steuerung (50) steuert die Prismen-Schwingungssteuerung (52) so, dass das ATR-Prisma (20) mit einer Frequenz schwingt, die gleich der Frequenz eines Referenzsignaleingangs des Lock-in-Verstärkers (70) ist.
Dadurch kann der Lock-in-Verstärker (70) zur Erhöhung der Messgenauigkeit einen maximalen DC-Wert des vom Infrarot-Fotodetektor (30) ausgegebenen Signals ausgeben.
Ausführungsform 4
Wie in den obigen Ausführungsformen beschrieben, wird an einer Grenzfläche, an der Reflexion auftritt, evaneszierendes Licht erzeugt, und das evaneszierende Licht durchdringt eine Mess-Haut. Da das evaneszierende Licht zu diesem Zeitpunkt von Wasser, Zucker und anderem biologischen Material absorbiert und gestreut wird, schwächt sich die Intensität des durch das ATR-Prisma 20 ausgestrahlten Infrarotlichts ab. Eine Eindringlänge dp dieses evaneszierenden Lichts wird durch den folgenden Ausdruck dargestellt:
[Gleichung 1] $dp = \frac{λ}{2 π n 1} {[{sin}^{2} θ - {(n 2 /n 1)}^{2}]}^{- 1 / 2}$
wobei n1 der Brechungsindex des Prismas, n2 der Brechungsindex des Messobjekts, θ der Einfallswinkel und λ die zu verwendende Wellenlänge sind.
12 zeigt ein Beispiel für die Eindringlänge von evaneszierendem Licht im Verhältnis zum Einfallswinkel von Infrarotlicht bei den Brechungsindizes n1 und n2.
Wie in 12 dargestellt, erreicht die Eindringlänge des evaneszierenden Lichts bei einem Einfallswinkel von 40° ihren Maximalwert. Eine leichte Änderung des Einfallswinkels verändert die Eindringlänge des evaneszierenden Lichts stark.
13 zeigt die Konfiguration des mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 4. Der Blutzuckerspiegelsensor 80 in 13 unterscheidet sich vom Blutzuckerspiegelsensor 80 in Ausführungsform 1 in 2 dadurch, dass der Blutzuckerspiegelsensor 80 in 13 Winkeleinstelleinheiten 90a und 90b aufweist.
Die Winkeleinstelleinheit 90a ist zwischen der Infrarot-Lichtquelle 32 und dem ATR-Prisma 20 abgeordnet. Die Winkeleinstelleinheit 90a besteht aus einem Spiegel oder einer Linse. Die Winkeleinstelleinheit 90a stellt den Einfallswinkel des Infrarotlichts in Bezug auf das ATR-Prisma 20 ein.
Die Winkeleinstelleinheit 90b ist zwischen dem ATR-Prisma 20 und dem Infrarot-Fotodetektor 30 angeordnet. Die Winkeleinstelleinheit 90b weist einen Spiegel oder eine Linse auf. Die Winkeleinstelleinheit 90b stellt die Ausbreitungsrichtung des Infrarotlichts so ein, dass das vom ATR-Prisma 20 abgegebene Infrarotlicht in Richtung Infrarot-Fotodetektor 30 geht.
Wenn der Einfallswinkel des Infrarotlichts gegenüber dem ATR-Prisma 20, bei dem die Eindringlänge des evaneszierenden Lichts ihren Maximalwert erreicht, θ0 ist, ändert die Winkeleinstelleinheit 90a periodisch den Einfallswinkel um θ0 in einem Bereich, in dem die Eindringlänge gesichert werden kann. Folglich schwingt der Einfallswinkel in Bezug auf das ATR-Prisma 20 in einem bestimmten Bereich und die Eindringlänge des evaneszierenden Lichts ändert sich periodisch von großer Länge über kleine Länge bis große Länge. Die Winkeleinstelleinheit 90b passt den Winkel des vom ATR-Prisma 20 emittierten Lichts synchron zur Winkeleinstelleinheit 90a an.
Der Winkel der Stirnfläche 20d des ATR-Prismas 20 ist so eingestellt, dass abgestrahltes Infrarotlicht 11c ohne Winkeleinstelleinheit 90a senkrecht in den Infrarot-Fotodetektor 30 eintreten kann. Wenn auch im Beispiel die Einstellung des Einfallswinkels des Infrarotlichts durch die Winkeleinstelleinheit 90a den Abstrahlwinkel des vom ATR-Prisma 20 abgestrahlten Infrarotlichts ändert, kann die Winkeleinstelleinheit 90b die Ausbreitungsrichtung des vom ATR-Prisma 20 abgestrahlten Infrarotlichts so anpassen, dass das Infrarotlicht 11c senkrecht in den Infrarot-Fotodetektor 30 eintreten kann. Wie weit der Winkel durch die Winkeleinstelleinheit 90b im Verhältnis zum Einfallswinkel, der durch die Winkeleinstelleinheit 90a eingestellt wird, eingestellt werden soll, kann im Voraus bestimmt werden.
Im Beispiel von 12 stellt die Winkeleinstelleinheit 90a den Winkel des auf das ATR-Prisma 20 fallenden Infrarotlichts periodisch so ein, dass sich der Einfallswinkel des Infrarotlichts gegenüber dem ATR-Prisma 20 periodisch von 38° bis 41° bis 38° ändert. Die Winkeleinstelleinheit 90b passt die Ausbreitungsrichtung des vom ATR-Prisma 20 emittierten Infrarotlichts synchron zur Winkeleinstelleinheit 90a periodisch so an, dass das vom ATR-Prisma 20 emittierte Infrarotlicht senkrecht in den Infrarot-Fotodetektor 30 eintritt.
Die Perioden, in denen die Winkel durch die Winkeleinstelleinheit 90a und die Winkeleinstelleinheit 90b eingestellt werden, stimmen mit den Perioden überein, in denen die Prismen-Schwingungssteuerung 52 in Ausführungsform 1 schwingt.
In Ausführungsform 1 wiederholt die Prismen-Schwingungssteuerung 52 den starken Haftungszustand und den schwachen Haftungszustand. In der vorliegenden Ausführungsform stellt die Winkeleinstelleinheit 90a den Einfallswinkel des Infrarotlichts gegenüber dem ATR-Prisma 20 so ein, dass der Einfallswinkel des Infrarotlichts gegenüber dem ATR-Prisma 20 während einer Schwingungsperiode sein Maximum im schwachen Haftungszustand erreicht und dass der Einfallswinkel des Infrarotlichts gegenüber dem ATR-Prisma 20 während einer Schwingungsperiode sein Minimum im starken Haftungszustand erreicht. Somit dringt evaneszierendes Licht im starken Haftungszustand tiefer in ein Messobjekt ein und evaneszierendes Licht dringt im schwachen Haftungszustand flacher in das Messobjekt ein.
In der vorliegenden Ausführungsform kann, wie vorstehend beschrieben, der Einfallswinkel des Infrarotlichts in Bezug auf das ATR-Prisma 20 geändert werden, um die Intensität des Infrarotlichts im starken Haftungszustand und die Intensität des Infrarotlichts im schwachen Haftungszustand zu bestimmen, wie bei dem Verfahren zum Schwingen des ATR-Prismas 20 in Ausführungsform 1. Somit kann die vorliegende Ausführungsform auch die Menge des biologischen Materials in der Mess-Haut 40 genau messen wie in Ausführungsform 1.
Anmerkungen
Die Messvorrichtung (80) für biologisches Material der Ausführungsform 4 weist die folgenden Eigenschaften auf.
(1) Die Messvorrichtung (80) für biologisches Material weist eine erste Winkeleinstelleinheit (90a) und eine zweite Winkeleinstelleinheit (90b) auf. Die erste Winkeleinstelleinheit (90a) ist zwischen der Infrarot-Lichtquelle (32) und dem ATR-Prisma (20) vorgesehen, um den Einfallswinkel des Infrarotlichts in Bezug auf das ATR-Prisma (20) einzustellen. Die zweite Winkeleinstelleinheit (90b) ist zwischen dem ATR-Prisma (20) und dem Infrarot-Fotodetektor (32) zum Einstellen einer Ausbreitungsrichtung des von dem ATR-Prisma (20) emittierten Infrarotlichts vorgesehen.
Damit kann die Menge des biologischen Materials in der Mess-Haut (40) genau gemessen werden.
(2) Die Messvorrichtung (80) für biologisches Material weist eine Winkeleinstelleinheit (90a) zwischen der Infrarot-Lichtquelle (32) und dem ATR-Prisma (20) auf. Die Winkeleinstelleinheit (90a) stellt den Einfallswinkel des Infrarotlichts gegenüber dem ATR-Prisma (20) so ein, dass der Einfallswinkel des Infrarotlichts gegenüber dem ATR-Prisma (20) während einer Schwingungsperiode sein Maximum im schwachen Haftungszustand erreicht und dass der Einfallswinkel des Infrarotlichts gegenüber dem ATR-Prisma (20) sein Minimum während einer Schwingungsperiode im starken Haftungszustand erreicht.
Dadurch kann eine höhere Detektionsempfindlichkeit erreicht werden.
Ausführungsform 5
14 zeigt die Konfiguration eines mobilen nicht-invasiven Blutzuckerspiegelsensors 80 der Ausführungsform 5. Der Blutzuckerspiegelsensor 80 in 14 unterscheidet sich vom Blutzuckerspiegelsensor 80 nach der Ausführungsform 3 in 9 dadurch, dass der Blutzuckerspiegelsensor 80 in 14 Winkeleinstelleinheiten 90a und 90b aufweist.
Die Winkeleinstelleinheit 90a und die Winkeleinstelleinheit 90b werden angeordnet und arbeiten wie in Ausführungsform 4 beschrieben.
Es ist zu verstehen, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen zur Veranschaulichung dargestellt werden und in jeder Hinsicht uneinschränkend sind. Es ist daher beabsichtigt, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung alle Änderungen und Variationen umfasst, die in Bedeutung und Umfang der Offenbarung gleichwertig sind.
Bezugszeichenliste

11a: einfallendes Infrarotlicht
11b: weitergeleitetes Infrarotlicht
11c: abgestrahltes Infrarotlicht
20: ATR-Prisma
20a: ATR Prismen-Endfläche
20b: ATR Prismen-Endfläche
20c: ATR Prismen-Endfläche
20d: ATR Prismen-Endfläche
30: Infrarot-Fotodetektor
32: Infrarot-Lichtquelle
40: Mess-Haut
50: Steuerung
52: Prismen-Vibrationssteuerung
54: Display
60: Hautoberfläche
80: Blutzuckerspiegelsensor
81: Vorverstärker
82: Wellenform-Formgebungsschaltung
83: Phasenstromkreis
84: PSD
85: LPF
90a: Winkeleinstelleinheit
90b: Winkeleinstelleinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2003042952 A [0004]
JP 2003035661 A [0004]

Claims

Messvorrichtung für biologisches Material, die folgendes aufweist: - ein ATR-Prisma, das an einer Mess-Haut haften kann; - eine Infrarot-Lichtquelle, die ausgebildet ist, um Infrarotlicht ganz oder teilweise in einem Wellenlängenbereich mit Absorptionswellenlängen des biologischen Materials auf das ATR-Prisma auszustrahlen; - einen Infrarot-Fotodetektor, der ausgebildet ist, um von dem ATR-Prisma emittiertes Infrarotlicht zu erfassen; - eine Prismen-Schwingungssteuerung, die auf dem ATR-Prisma montiert und ausgebildet ist, um das ATR-Prisma senkrecht zu einer Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut zu schwingen; und - eine Steuerung, die ausgebildet ist, um den Infrarot-Fotodetektor zu veranlassen, das Infrarotlicht synchron mit der Schwingung zu erfassen.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 1, worin die Prismen-Schwingungssteuerung so ausgebildet ist, dass sie das ATR-Prisma periodisch zum Schwingen bringt, und die Steuerung ausgebildet ist, um den Infrarot-Fotodetektor zu veranlassen, Infrarotlicht zwei- oder mehrmalig während einer Periode der Schwingung des ATR-Prismas zu erfassen.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 2, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um den Infrarot-Fotodetektor zu veranlassen, dass er das Infrarotlicht zu einem Zeitpunkt eines schwachen Haftungszustands, bei dem ein niedriger Druck auf die Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut während der Dauer der Schwingung wirkt, und zu einem Zeitpunkt eines starken Haftungszustands erfasst, in dem ein höchster Druck auf die Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut während der Dauer der Schwingung wirkt.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 3, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um die Differenz zwischen einem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands während der Schwingungsdauer erfasst wird, und einem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des starken Haftungszustands während der Schwingungsdauer erfasst wird, zu berechnen.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 4, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um eine Vielzahl der Differenzen über eine Vielzahl der Perioden zu berechnen und eine Summe oder einen Mittelwert der Vielzahl der berechneten Differenzen zu berechnen.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 2, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um den Infrarot-Fotodetektor zu veranlassen, das Infrarotlicht bei drei oder mehr Zeitpunkten während der Dauer der Schwingung des ATR-Prismas zu erfassen.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 6, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um den Infrarot-Fotodetektor veranlassen, das Infrarotlicht zu einem Zeitpunkt eines schwachen Haftungszustandes zu erfassen, in dem während der Dauer der Schwingung ein niedriger Druck auf die Kontaktfläche zwischen ATR-Prisma und Mess-Haut wirkt, und als Differenz zu jedem Zeitpunkt eine Differenz zwischen einem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustandes während der Schwingungsdauer erfasst wird, und einem Erfassungswert des Infrarotlichts zu berechnen, der zu jedem Zeitpunkt der drei oder mehr Zeitpunkte während der Schwingungsdauer erfasst wird, mit Ausnahme des Zeitpunktes des schwachen Haftungszustandes.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 7, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um eine Vielzahl der Differenzen zu jedem Zeitpunkt über eine Vielzahl von Perioden zu berechnen und eine Summe oder einen Durchschnitt der Vielzahl der Differenzen zu berechnen, die zu jedem Zeitpunkt berechnet wurden.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um einen Erfassungszeitpunkt, bei dem das Infrarotlicht erfasst wird, in einen Pressabstand umzuwandeln, bei dem das ATR-Prisma senkrecht gegen die Mess-Haut gedrückt wird.
Messvorrichtung für biologisches Material nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um den Infrarot-Fotodetektor zu veranlassen, das Infrarotlicht in gleichen Zeitabständen während der Periode zu erfassen.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 1, die ferner einen Lock-in-Verstärker aufweist, der ausgebildet ist, um einen Eingang eines Signalausgangs vom Infrarot-Fotodetektor zu empfangen.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 11, wobei die Steuerung ausgebildet ist, um die Prismen-Schwingungssteuerung so zu steuern, dass das ATR-Prisma mit einer Frequenz schwingt, die gleich einer Frequenz eines Referenzsignals ist, das in den Lock-in-Verstärker eingegeben wird.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 1, wobei eine erste Winkeleinstelleinheit (90a) vorgesehen ist, die zwischen der Infrarot-Lichtquelle und dem ATR-Prisma angeordnet ist, um einen Einfallswinkel des Infrarotlichts in Bezug auf das ATR-Prisma einzustellen; und eine zweite Winkeleinstelleinheit (90b) vorgesehen ist, die zwischen dem ATR-Prisma und dem Infrarot-Fotodetektor angeordnet ist, um die Ausbreitungsrichtung des von dem ATR-Prisma emittierten Infrarotlichts einzustellen.
Messvorrichtung für biologisches Material nach Anspruch 3, wobei eine Winkeleinstelleinheit (90a) vorgesehen ist, die zwischen der Infrarot-Lichtquelle und dem ATR-Prisma angeordnet ist, wobei die Winkeleinstelleinheit ausgebildet ist, um einen Einfallswinkel des Infrarotlichts in Bezug auf das ATR-Prisma so einzustellen, dass der Einfallswinkel des Infrarotlichts in Bezug auf das ATR-Prisma sein Maximum im schwachen Haftungszustand während der Schwingungsdauer erreicht und der Einfallswinkel des Infrarotlichts in Bezug auf das ATR-Prisma während der Schwingungsdauer sein Minimum im starken Haftungszustand erreicht.
Verfahren zum Messen eines biologischen Materials, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - eine Infrarot-Lichtquelle strahlt Infrarotlicht ganz oder teilweise in einem Wellenlängenbereich mit Absorptionswellenlängen des biologischen Materials ab; - ein ATR-Prisma, das mit einer Mess-Haut in Kontakt steht, empfängt das von der Infrarot-Lichtquelle abgestrahlte Infrarotlicht, das Infrarotlicht wird durch das ATR-Prisma geleitet und gibt dann das Infrarotlicht nach außen ab; - das ATR-Prisma wird senkrecht zur Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut in Schwingung versetzt; - das von dem ATR-Prisma emittierte Infrarotlicht wird durch einen Infrarot-Fotodetektor zu einem Zeitpunkt eines schwachen Haftungszustandes erfasst, in dem ein niedriger Druck auf die Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut während einer Periode der Schwingung wirkt; - durch den Infrarot-Fotodetektor wird das von dem ATR-Prisma emittierte Infrarotlicht zu einem Zeitpunkt eines starken Haftungszustands erfasst, in dem ein Höchstdruck auf die Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut während der Dauer der Schwingung wirkt; und - eine Differenz wird berechnet zwischen einem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands während der Dauer der Schwingung erfasst wird, und einem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des starken Haftungszustands während der Dauer der Schwingung erfasst wird.
Verfahren zum Messen eines biologischen Materials, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - durch eine Infrarot-Lichtquelle wird Infrarotlicht ganz oder teilweise in einem Wellenlängenbereich mit Absorptionswellenlängen des biologischen Materials abgestrahlt; - ein ATR-Prisma, das mit einer Mess-Haut in Kontakt steht, empfängt das von der Infrarot-Lichtquelle abgestrahlte Infrarotlicht und das Infrarotlicht wird unter Wiederholung der Reflexion durch das ATR-Prisma geleitet und dann nach außen abgegeben; - das ATR-Prisma wird senkrecht zu einer Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut in Schwingung versetzt; - ein Infrarot-Fotodetektor erfasst das von dem ATR-Prisma emittierte Infrarotlicht zu einem Zeitpunkt eines schwachen Haftungszustands, in dem ein niedrigster Druck auf die Kontaktfläche zwischen dem ATR-Prisma und der Mess-Haut während der Dauer der Schwingung einwirkt; - durch den Infrarot-Fotodetektor wird das von dem ATR-Prisma emittierte Infrarotlicht zu zwei oder mehr Zeitpunkten während der Schwingungsdauer erfasst, die nicht der Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands sind; und - die Differenz wird berechnet zwischen einem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands während der Dauer der Schwingung erfasst wird, und einem Erfassungswert des Infrarotlichts, der zu jedem Zeitpunkt der zwei oder mehr Zeitpunkte, die nicht zum Zeitpunkt des schwachen Haftungszustands gehören, erfasst wird.