DE19519051A1

DE19519051A1 - Verfahren und Vorrichtung zur polarimetrischen Bestimmung der Blutzuckerkonzentration

Info

Publication number: DE19519051A1
Application number: DE1995119051
Authority: DE
Inventors: Arno Dr Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: UTZ, HEINZ-PETER, DE
Priority date: 1995-05-24
Filing date: 1995-05-24
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2015-05-25
Also published as: DE19519051B4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur polarimetrischen Bestimmung der Blutzucker konzentration nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 10.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Durch führung dieses Verfahrens sind beispielsweise aus dem Buch von Arno Müller "Blutzuckermessungen ohne Verletzungen, Pa tris Verlag, 1994" bekannt. Dort werden Methoden vorge stellt, mit denen man den Blutzuckergehalt durch optische Methoden bestimmen kann, so daß die Notwendigkeit einer Blu tentnahme entfällt. Dabei wird von der Erkenntnis ausge gangen, daß linear polarisiertes Licht beim Durchgang durch ein mit Zucker versetztes Medium seine Polarisationsrichtung in Abhängigkeit von der Konzentration der Zuckerlösung dreht. Die Drehung der Polarisationsrichtung des transmit tierten, reflektierten oder gestreuten Lichtes ist ein Maß für die Blutzuckerkonzentration. Gegenüber einem Laborver such mit definierten Randbedingungen ergeben sich bei der In-vivo-Untersuchung am menschlichen Körper Probleme hin sichtlich des Einflusses von Faktoren, die von Person zu Person oder je nach untersuchtem Körperbereich verschiedene Einflüsse auf das Meßergebnis haben können. Zu solchen Fak toren gehört die Beschaffenheit der Hautoberfläche, die Transparenz der Haut und des Gewebes für die verwendete Lichtwellenlänge und die Dichte von Streuzentren im unter suchten Gewebe.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Dre hung der Polarisationsrichtung des Streulichtes zuverlässig und eindeutig mit einem großen Signal/Rausch-Verhältnis be stimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 10 gelöst.

Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das senkrecht aus der Mautoberfläche austretende Streulicht die gewünschte Information mit dem geringsten Anteil an Unter grundsignalen beinhaltet, so daß die selektive Untersuchung dieses Streulichtanteils sich besser zur Bestimmung des Drehwinkels eignet als eine Streulichtanalyse, die hinsicht lich der Richtung des gestreuten und aus der Mautoberfläche austretenden Lichtes nicht differenziert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform einer er findungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung rückge streuten Lichtes;

Fig. 2 eine Vorrichtung analog zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführung für Durchlichtmessungen und

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsge mäßen Vorrichtung. Die allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung ist auf eine Körperpartie 2 aufgesetzt, die gut durchblutet sein soll, damit das Streulicht möglichst viel Information über den optisch aktiven Anteil des Blutes enthält. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung wertet das zurückgestreute Licht aus, wie im folgenden näher erläutert wird.

Die Lichtquelle 3, vorzugsweise eine Laserdiode mit einer Lichtwellenlänge von 800 nm ist mit ihrem Ausgangslicht strahl senkrecht auf die Hautoberfläche des Mediums 2 ge richtet. Der Lichtstrahl tritt durch eine Öffnung 5 in der Spitze eines trompetenförmigen Kegels aus und trifft auf der Haut auf. In dem unter der Haut liegenden Körperbereich wird das Licht in alle Richtungen gestreut, wobei aufgrund der großen Dichte der Streuzentren es zu vielen Streuprozessen mit Richtungsänderung kommt, so daß Licht aus dem unter der Haut liegenden Körperbereich zurück auf die Haut/Luft-Grenz fläche gestreut wird, wo es wieder nach außen tritt. Ein zur optischen Achse 4 konzentrischer Ringspalt 7 wird durch eine Lochblende 8 zwischen der äußeren Oberfläche des Konusman tels im Bereich der Konusspitze und dem kreisförmigen Aus schnitt der Lochblende 8 definiert. Streulicht, welches aus der Haut austritt und durch die Lochblende 7 hindurch auf die äußere Oberfläche 9 des Konus 6 trifft, wird dort an dieser Oberfläche reflektiert, wenn es in einem bestimmten Winkelbereich um die Senkrechte auf der Hautoberfläche auf den Konus auftritt. Der Winkelbereich ist vorzugsweise maxi mal 10° um die Senkrechte herum. Gestreutes Licht, welches unter einem schrägeren Winkel auf die äußere Oberfläche des Konus 6 auftrifft, wird dort höchstens einmal unter einem verhältnismäßig spitzen Winkel reflektiert, um anschließend schräg nach oben von der Vorrichtung weg abgestrahlt zu wer den. Auch Licht, welches so schräg von der Hautoberfläche abgestrahlt wird, daß es nicht auf die Oberfläche des Konus trifft, wird nicht ausgewertet. Lediglich in einem Winkel bereich von 10° um die Senkrechte herum aus der Haut austre tendes Streulicht trifft unter mehrfacher Reflexion an der äußeren Mantelfläche des trompetenförmigen Konus schließlich auf im Bereich der Basis des Konus mit gleichem Winkelab stand zueinander angeordnete Detektoren 10, die die Inten sität des mehrfach an der Mantelfläche des Konus reflektier ten Lichts erfassen. Durch die mehrfachen hintereinander er folgenden Reflexionen an der trompetenförmig gekrümmten äußeren Kegelmantelfläche erfährt das Streulicht jeweils eine Polarisation, die hier als Analysator wirkt. Das heißt, ein Detektor am oberen äußeren Rand der Kegelbasis wird mit Licht bestrahlt, dessen Polarisationsrichtung durch die mehrfache Reflexion an der äußeren Kegeloberfläche parallel zu der Tangente an der Kegelbasis am Orte des Detektors ist.

Nachdem mehrere Detektoren mit gleichem Winkelabstand an der äußeren Kegelbasis auf einem Kreis angeordnet sind, erhält man Intensitätsinformationen über Analysatorstellungen in entsprechend vielen Winkelschritten. Über die Winkellage des die größte Intensität anzeigenden Detektors 10 bezüglich der Orientierung der Polarisation des von der Lichtquelle 3 ab gestrahlen Lichts, läßt sich die Blutzuckerkonzentration in dem durchstrahlten Körperbereich ermitteln. Die oben ge schilderte Anordnung des trompetenförmigen Konus 6 erlaubt, aus dem gesamten, in alle Richtungen abgestrahlten Streu licht nur solches auszuwerten, welches im wesentlichen senk recht aus der Hautoberfläche austritt. Dieses Streulicht ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel im wesentli chen anti-parallel zu der Einstrahlrichtung. Es hat sich ge zeigt, daß bei der ausschließlichen Analyse dieses Streu lichtanteils das Signal/Rausch-Verhältnis besonders groß ist, so daß signifikante Intensitätsunterschiede an den ein zelnen Detektoren auftreten, wodurch der Drehwinkel der Po larisation eindeutig bestimmt werden kann. Ferner haben Mo dellrechnungen gezeigt, daß die optische Weglänge für diesen Streulichtanteil besonders groß ist, so daß auch der Dreh winkel der Polarisation beim Wiederaustritt aus dem Körper besonders groß ist.

Um Tageslichteinflüsse aus dem Meßsignal zu entfernen, wird das Lichtsignal der Lichtquelle 3 gepulst und die Signalver stärkung an den Detektoren wird entsprechend getriggert. Die Lochblende 8 trägt auf ihrer zur Hautoberfläche hin weisen den Seite Detektoren 11, die die Intensität des Streulichtes erfassen und die als Bezugssignal für die Auswertung der Si gnale der einzelnen Detektoren 10 an der Kegelbasis dienen.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Ausfüh rungsform insoweit, als hier eine Durchlichtmessung erfolgt. Das heißt, es wird ein von zwei Seiten zugänglicher Körper bereich, wie beispielsweise das Ohrläppchen, von dem Licht der Lichtquelle 3 durchstrahlt und auf der gegenüberliegen den Seite des Körperbereichs wird das aus der Haut austre tende Streulicht wiederum durch die Lochblende 8 geschickt, die zusammen mit dem trompetenförmigen Konus 6 nur Licht zu den Detektoren 10 gelangen läßt, welches in einem engen Win kelbereich um die optische Achse 4 zu den Detektoren 10 über mehrfache Reflexionen auf der Kegelmantelfläche gelangen läßt. Das hier analysierte Streulicht hat somit eine im we sentlichen parallele Richtung zur Ausbreitungsrichtung des Lichts der Lichtquelle 3. Auf der rechten Seite der Fig. 2 ist schematisch die Anordnung von zwölf Detektoren 10 auf einem Kreis konzentrisch und außerhalb des Umfangs der Ko nusbasis dargestellt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform läßt sich die Probendicke genau bestimmen, wodurch die vom Streulicht zu rückgelegte optische Weglänge genauer bestimmbar ist. Da nur unter kleinem Winkel zur optischen Achse vorwärtsgestreutes Streulicht analysiert wird, kann man davon ausgehen, daß die optische Weglänge nicht wesentlich von der Dicke des unter suchten Körperbereichs variiert. Das bedeutet andererseits, daß weniger Streuzentren an der Lichtstreuung teilgenommen haben, als dies bei der Rückstreuung gemäß der Ausführungs form nach Fig. 1 der Fall ist, so daß auch der Drehwinkel der Polarisationsrichtung des Streulichtes bei gleicher Blutzuckerkonzentration kleiner ausfallen wird als dies bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 der Fall ist.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Vorrichtung, bei der anstatt eines trompetenförmigen Kegels Lichtwellenleiter verwendet werden. Ein beispielswei se zylinderförmiger Lichtwellenleiter 12 wird mit seiner Achse senkrecht auf einen Körperbereich 2 aufgesetzt. Die Lichtquelle 3 strahlt am anderen Ende des Lichtwellenleiters vorzugsweise gepulstes Laserlicht mit einer Wellenlänge von 800 nm ein. Der Mantel des Lichtwellenleiters ist optisch dicht beschichtet. Ein Ring von Eintrittsenden von zweiten Lichtwellenleiterfasern 13 ist koaxial zur optischen Achse 4 des Lichtwellenleiters 12 im Abstand d von der Hautoberflä che um den ersten Lichtwellenleiter 12 herum angeordnet. Die Lichtwellenleiter 13 führen jeweils zu linearen Analysatoren und dahinter angeordneten Detektoren. Die Analysatoren sind in gleichmäßigen Winkelschritten winkelversetzt zueinander orientiert, so daß die Gesamtheit aller Detektoren in der Anzahl der Detektoren entsprechenden Winkelschritten ver schiedene Analysatorstellungen bezüglich der Polarisations richtung des eingestrahlten Lichtes erfassen. Somit kann aus der Winkellage des Eintrittsendes der entsprechenden Licht wellenleiterfaser 13 bezüglich der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes der Drehwinkel der Polarisationsrich tung bestimmt werden und daraus die Blutzuckerkonzentration ermittelt werden.

Als Variante dieser Ausführungsform ist es auch denkbar, alle Austritt senden der zweiten Lichtwellenleiter zu bündeln und durch Rotation eines Analysators am Austrittsende der Lichtwellenleiter und einen dahinter angeordneten Detektor die Analysatorstellung, bei der sich die maximale Lichtin tensität einstellt, zu ermitteln. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß nur ein Detektor verwendet wird, so daß kein Abgleich der einzelnen Detektoren untereinander stattfinden muß. Ebenfalls denkbar ist ein Detektorenfeld mit einer An ordnung von mehreren kreissegmentförmigen Detektoren, von denen jeweils ein Analysator mit zur Kreismitte ausgerichte ter Polarisation angeordnet ist. Der Detektor, dessen Inten sitätssignal am größten ist gibt den Winkelbereich an, in den die Polarisation ausgerichtet ist.

Die Verwendung von Lichtwellenleitern ermöglicht eine sehr weitgehende Miniaturisierung der erfindungsgemäßen Vorrich tung. In Abwandlung des in Fig. 3 gezeigten Aufbaus kann analog zu Fig. 2 ebenfalls eine Anordnung für Durchlichtmes sungen vorgesehen werden, wobei lediglich der Kranz mit den Eintritt senden der zweiten Lichtwellenleiter 13 auf der an deren Seite des zu untersuchenden Körperbereichs etwa spie gelsymmetrisch zur in Fig. 3 gezeigten Anordnung angeordnet sein sollte. Ebenfalls wie bei den in Fig. 1 und 2 ge zeigten Ausführungsformen ist eine Lochblende 8 mit Refe renzdetektoren 11 vorgesehen, die nicht analysiertes Streu licht abschattet. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungs form wird ebenfalls im wesentlichen senkrecht aus der Haut oberfläche austretendes Streulicht analysiert, was sich ei nerseits durch den Abstand d der Eintritt senden der zweiten Lichtwellenleiter 13 von der Hautoberfläche und andererseits durch die Größe des Ringspalts zwischen der Blendenöffnung 8 und dem ersten Lichtwellenleiter 12 ergibt. Schräg aus der Haut austretendes Streulicht trifft somit die Eintrittsenden der zweiten Lichtwellenleiter nicht. Somit erfolgt ebenfalls eine Selektion des analysierten Streulichts mit den mit Be zug auf die Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 erläuterten Vorteilen.

Claims

1. Verfahren zur polarimetrischen In-vivo-Bestimmung der Blutzuckerkonzentration, bei dem aus einem mit linear polarisiertem Licht bestrahlten durchbluteten Bereich des Körpers austretendes Streulicht analysiert wird und aus der Korrelation zwischen dem so ermittelten Dreh winkel der Polarisation und der Blutzuckerkonzentration der aktuelle Blutzuckerwert bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur das im wesentlichen senkrecht aus der Hautoberfläche austretende Streulicht analysiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das linear polarisierte Licht im wesentlichen senkrecht zur Hautoberfläche in den Körperbereich eingestrahlt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das linear polarisierte Licht eine Wellenlänge von etwa 800 nm hat.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Haut austretende Streulicht aus einem zum Einstrahllichtfleck konzentrischen Ringbereich analy siert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Ringbereichs geringfügig größer ist als der Durchmesser des kreisförmigen Lichtflecks auf der Haut und daß der Ring im Vergleich zu seinem Durchmesser eine geringe Dicke aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das analysierte Streulicht im wesentlichen anti-parallel zum einfallenden polarisierten Licht rückgestreutes Licht ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das analysierte Streulicht im wesentlichen parallel zum einfallenden polarisierten Licht vorwärts gestreutes Licht ist.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Streulicht mit einem Austrittswinkel von bis zu 10° zur Senkrechten auf der Hautoberfläche analysiert wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über Lichtdetektoren in der Nähe des Ringbereichs die Intensität des au,s der Haut austretenden Lichts als Be zugssignal gemessen wird.

10. Verfahren zur polarimetrischen In-vivo-Bestimmung der Blutzuckerkonzentration, bei dem aus einer mit linear polarisiertem Licht bestrahlten Probe austretendes Streulicht analysiert wird und aus der Korrelation zwischen dem so ermittelten Drehwinkel der Polarisation der Blutzuckerwert bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur das im wesentlichen parallel oder antiparallel zur Einfallsrichtung gestreute Licht analysiert wird.

11. Vorrichtung zur polarimetrischen In-vivo-Bestimmung der Blutzuckerkonzentration, mit
einer Lichtquelle zur Bestrahlung eines durchbluteten Körperbereichs mit linear polarisiertem Licht,
einer Detektoranordnung, die mindestens ein als Analysa tor wirkendes Bauteil und mindestens einen Detektor auf weist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende und/oder das als Analysator wirkende Bauteil so ausgebildet ist, daß nur im wesentlichen senkrecht aus der Haut austretendes Streulicht analysiert und die Intensität des analysierten Lichts erfaßt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator ein sich trompetenförmig aufweitender Ke gel ist, auf dessen äußerer Mantelfläche Streulicht durch mehrfache Reflexion von dessen Spitze aus bis zu einer Anordnung mehrerer mit gleichem Winkelabstand am Rand seiner Basis angeordneter Detektoren geführt wird.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende des Kegels die Kurve einer Exponential funktion beschreibt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelspitze eine axiale Öffnung für den Durchtritt des linear polarisierten Lichts der Lichtquelle oder des ungestreuten Primärstrahls aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle auf der Achse des Kegels angeordnet ist und Licht axial durch den Kegel und durch die Öffnung an dessen Spitze auf die Haut emittiert.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle auf der Achse des Kegels auf der gegen überliegenden Seite des zu untersuchenden Körperbereichs angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende einen schmalen Ringspalt um die Spitze des Kegels herum bildet.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Haut zugewandten Seite der Blende Referenz detektoren zur Bestimmung der Intensität des Streulichts angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
das linear polarisierte Licht der Lichtquelle über einen ersten Lichtwellenleiter bis auf die Hautoberfläche ge führt ist, und
mindestens ein zweiter Lichtwellenleiter, dessen Ein trittsende mit einem bestimmten Abstand von der Haut oberfläche angeordnet ist, das im wesentlichen senkrecht aus der Hautoberfläche austretende Streulicht aufnimmt und zu einer Analysator-Detektor-Anordnung führt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß zweite Lichtwellenleiter mit ihren Eintritt senden auf einem konzentrischen Kranz um die Achse des ersten Lichtwellenleiters angeordnet sind und der Kranz einen Abstand d von der Hautoberfläche hat, der so bestimmt ist, daß aus der Haut austretendes Streulicht mit einem Winkel von bis zu 10° zur Senkrechten auf der Hautober fläche erfaßt wird.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Austritt senden der zweiten Lichtwellenleiter gebün delt sind und das aus allen zweiten Lichtwellenleitern austretende Streulicht gemeinsam einem Analysator und einem Photodetektor zugeführt wird.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der zweiten Lichtwellenleiter ein Analysator mit einer bestimmten Winkelstellung zugeordnet ist, und dem jeweiligen Analysator ein Detektor nachgeschaltet ist, so daß in gleichen Winkelschritten alle interessierenden Drehwinkelbereiche erfaßt sind und der Drehwinkel der Polarisation des Streulichts danach bestimmt wird, wel cher Detektor die maximale Intensität mißt.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle gepulstes Licht emittiert und getrig gerte Meßverstärker nur das gepulste Streulicht ver stärken.

24. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtwellenleiter und die zweiten Lichtwellen leiter auf entgegengesetzten Seiten des zu untersuchen den Körperbereichs angeordnet sind.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektorenfeld kreissegmentförmige Detektoren auf weist, die jeweils von Analysatoren abgedeckt sind, deren Polyrisationsrichtung zu der Kreisanordnung radi al verläuft.

26. Vorrichtung zur polarimetrischen Bestimmung der Blut zuckerkonzentration mit einer Lichtquelle zur Bestrah lung einer Probe mit linear polarisiertem Licht, einer Detektoranordnung, die mindestens ein als Analy sator wirkendes Bauteil und mindestens einen Detektor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung und/oder das als Analysator wir kende Bauteil so ausgebildet ist, daß nur im wesentli chen parallel oder antiparallel gestreutes Licht analy siert und die Intensität des analysierten Lichts erfaßt wird.