DE19519051B4

DE19519051B4 - Verfahren und Vorrichtung zur polarimetrischen Bestimmung der Blutzuckerkonzentration

Info

Publication number: DE19519051B4
Application number: DE1995119051
Authority: DE
Inventors: Arno Dr. Müller
Original assignee: Diabetic Trust AG
Current assignee: UTZ, HEINZ-PETER, DE
Priority date: 1995-05-24
Filing date: 1995-05-24
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2015-05-25
Also published as: DE19519051A1

Abstract

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 Drehwinkel der Polarisation und der Blutzuckerkonzentration der aktuelle Blutzuckerwert bestimmt wird, wobei das aus der Haut mit einem Austrittswinkel von bis zu 10° zur Senkrechten austretende Streulicht aus einem zum Einstrahllichtfleck konzentrischen Ringbereich analysiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur polariemetrischen Bestimmung der Blutzuckerkonzentration.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind beispielsweise aus dem Buch von Arno Müller "Blutzuckermessungen ohne Verletzungen", Patris Verlag, 1994" bekannt. Dort werden Methoden vorgestellt, mit denen man den Blutzuckergehalt durch optische Methoden bestimmen kann, so dass die Notwendigkeit einer Blutentnahme entfällt. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, 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 transmittierten, reflektierten oder gestreuten Lichtes ist ein Maß für die Blutzuckerkonzentration. Gegenüber einem Laborversuch mit definierten Randbedingungen ergeben sich bei der In-vivo-Untersuchung am menschlichen Körper Probleme hinsichtlich des Einflusses von Faktoren, die von Person zu Person oder je nach untersuchtem Körperbereich verschiedene Einflüsse auf das Messergebnis haben können. Zu solchen Faktoren gehört die Beschaffenheit der Hautoberfläche, die Transparenz der Haut und des Gewebes für die verwendete Lichtwellenlänge und die Dichte von Streuzentren im untersuchten Gewebe.

Aus der US 5,383,452 ist ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Blutzuckerbestimmung auf der Basis der Ermittlung des Polarisationsverhältnisses der Blutlumineszenz vorbekannt. Konkret wird gemäß dieser Lehre Licht mit einer Wellenlänge von ca. 640 nm eingestrahlt, wobei die Messung der Lumineszenzerscheinungen im Bereich um 700 nm erfolgt.

Bei der EP 0074428 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung gelöster Substanzen in Ein- und Mehrkomponentensystemen durch Laser-Lichtstreuung beschrieben. Bei dieser Lehre wird auf die Untersuchung der Lichtstreuung abgestellt und erläutert, dass bei einem bio logischen System, wie etwa dem menschlichen Blut, sehr viele verschiedene Moleküle unterschiedlicher Größe enthalten sind, sodass sich eine selektive Bestimmung nur einer Komponente, z.B. der Glukose, problematisch gestaltet.

Bei dem Verfahren nach DE 4314835 A1 wird zur Analyse von Glukose von mindestens zwei so genannten Detektionsmessungen ausgegangen und hierbei eine erste Detektionsmessung als ortsauflösende Streulichtmessung vorgenommen, bei der das Primärlicht an einem definierten Einstrahlungsort eingebracht und die Intensität an einem definierten Detektionsort bestimmt wird. Der Lichtweg bei einer zweiten, quasi Vergleichs-Detektionsmessung ist dann von dem der ersten Detektionsmessung verschieden.

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

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8 gelöst.

Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gerichtet.

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

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung rückgestreuten Lichtes;
2 eine Vorrichtung analog zu der in 1 gezeigten Ausführung für Durchlichtmessungen und
3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen 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 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 Ausgangslichtstrahl senkrecht auf die Hautoberfläche des Mediums 2 gerichtet. 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-Grenzfläche 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 Konusmantels im Bereich der Konusspitze und dem kreisförmigen Aus schnitt der Lochblende 8 definiert. Streulicht, welches aus der Haut austritt und durch die Lochblende 8 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 maximal 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 werden. 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 Winkelbereich von 10° um die Senkrechte herum aus der Haut austretendes Streulicht trifft unter mehrfacher Reflexion an der äußeren Mantelfläche des trompetenförmigen Konus schließlich auf im Bereich der Basis des Konus mit gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Detektoren 10, die die Intensität des mehrfach an der Mantelfläche des Konus reflektierten Lichts erfassen. Durch die mehrfachen hintereinander erfolgenden 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 abgestrahlen Lichts, läßt sich die Blutzuckerkonzentration in dem durchstrahlten Körperbereich ermitteln. Die oben geschilderte Anordnung des trompetenförmigen Konus 6 erlaubt, aus dem gesamten, in alle Richtungen abgestrahlten Streulicht nur solches auszuwerten, welches im wesentlichen senkrecht aus der Hautoberfläche austritt. Dieses Streulicht ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel im wesentlichen anti-parallel zu der Einstrahlrichtung. Es hat sich gezeigt, daß bei der ausschließlichen Analyse dieses Streulichtanteils das Signal/Rausch-Verhältnis besonders groß ist, so daß signifikante Intensitätsunterschiede an den einzelnen Detektoren auftreten, wodurch der Drehwinkel der Polarisation eindeutig bestimmt werden kann. Ferner haben Modellrechnungen gezeigt, daß die optische Weglänge für diesen Streulichtanteil besonders groß ist, so daß auch der Drehwinkel 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 Signalverstärkung an den Detektoren wird entsprechend getriggert. Die Lochblende 8 trägt auf ihrer zur Hautoberfläche hin weisenden Seite Detektoren 11, die die Intensität des Streulichtes erfassen und die als Bezugssignal für die Auswertung der Signale der einzelnen Detektoren 10 an der Kegelbasis dienen.
2 zeigt eine Abwandlung der in 1 gezeigten Ausführungsform insoweit, als hier eine Durchlichtmessung erfolgt. Das heißt, es wird ein von zwei Seiten zugänglicher Körperbereich, wie beispielsweise das Ohrläppchen, von dem Licht der Lichtquelle 3 durchstrahlt und auf der gegenüberliegenden Seite des Körperbereichs wird das aus der Haut austretende 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 Winkelbereich 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 wesentlichen parallele Richtung zur Ausbreitungsrichtung des Lichts der Lichtquelle 3. Auf der rechten Seite der 2 ist schematisch die Anordnung von zwölf Detektoren 10 auf einem Kreis konzentrisch und außerhalb des Umfangs der Konusbasis dargestellt.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform läßt sich die Probendicke genau bestimmen, wodurch die vom Streulicht zurückgelegte 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 untersuchten Körperbereichs variiert. Das bedeutet andererseits, daß weniger Streuzentren an der Lichtstreuung teilgenommen haben, als dies bei der Rückstreuung gemäß der Ausführungsform nach 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 1 der Fall ist.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der anstatt eines trompetenförmigen Kegels Lichtwellenleiter verwendet werden. Ein beispielsweise 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 Hautoberfläche 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 verschiedene Analysatorstellungen bezüglich der Polarisationsrichtung des eingestrahlten Lichtes erfassen. Somit kann aus der Winkellage des Eintrittsendes der entsprechenden Lichtwellenleiterfaser 13 bezüglich der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes der Drehwinkel der Polarisationsrichtung bestimmt werden und daraus die Blutzuckerkonzentration ermittelt werden.
Als Variante dieser Ausführungsform ist es auch denkbar, alle Austrittsenden 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 Lichtintensität 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 Anordnung von mehreren kreissegmentförmigen Detektoren, von denen jeweils ein Analysator mit zur Kreismitte ausgerichteter Polarisation angeordnet ist. Der Detektor, dessen Intensitätssignal am größten ist gibt den Winkelbereich an, in den die Polarisation ausgerichtet ist.
Die Verwendung von Lichtwellenleitern ermöglicht eine sehr weitgehende Miniaturisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In Abwandlung des in 3 gezeigten Aufbaus kann analog zu 2 ebenfalls eine Anordnung für Durchlichtmessungen vorgesehen werden, wobei lediglich der Kranz mit den Eintrittsenden der zweiten Lichtwellenleiter 13 auf der anderen Seite des zu untersuchenden Körperbereichs etwa spiegelsymmetrisch zur in 3 gezeigten Anordnung angeordnet sein sollte. Ebenfalls wie bei den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen ist eine Lochblende 8 mit Referenzdetektoren 11 vorgesehen, die nicht analysiertes Streulicht abschattet. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform wird ebenfalls im wesentlichen senkrecht aus der Hautoberfläche austretendes Streulicht analysiert, was sich einerseits durch den Abstand d der Eintrittsenden 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 Bezug auf die Ausführungsformen gemäß 1 und 2 erläuterten Vorteilen.

Claims

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 Drehwinkel der Polarisation und der Blutzuckerkonzentration der aktuelle Blutzuckerwert bestimmt wird, wobei das aus der Haut mit einem Austrittswinkel von bis zu 10° zur Senkrechten austretende Streulicht aus einem zum Einstrahllichtfleck konzentrischen Ringbereich analysiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das linear polarisierte Licht im wesentlichen senkrecht zur Hautoberfläche in den Körperbereich eingestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das linear polarisierte Licht eine Wellenlänge von etwa 800 nm hat.
Verfahren nach Anspruch 1, 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.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das analysierte Streulicht im wesentlichen anti-parallel zum einfallenden polarisierten Licht rückgestreutes Licht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das analysierte Streulicht im wesentlichen parallel zum einfallenden polarisierten Licht vorwärts gestreutes Licht ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über Lichtdetektoren in der Nähe des Ringbereichs die Intensität des aus der Haut austretenden Lichts als Bezugssignal gemessen wird.
Vorrichtung zur polarimetrischen In-vivo-Bestimmung der Blutzuckerkonzentration zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Lichtquelle zur Bestrahlung eines durchbluteten Körperbereichs mit linear polarisiertem Licht, einer Detektoranordnung, die mindestens ein als Analysator wirkendes Bauteil und mindestens einen Detektor aufweist, wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysator ein sich trompetenförmig aufweitender Kegel 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, wobei die Erzeugende des Kegels die Kurve einer Exponentialfunktion beschreibt und die Kegelspitze eine axiale Öffnung für den Durchtritt des linear polarisierten Lichts der Lichtquelle oder des ungestreuten Primärstrahls aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, 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.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle auf der Achse des Kegels auf der gegenüberliegenden Seite des zu untersuchenden Körperbereichs angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende einen schmalen Ringspalt um die Spitze des Kegels herum bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Haut zugewandten Seite der Blende Referenzdetektoren zur Bestimmung der Intensität des Streulichts angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das linear polarisierte Licht der Lichtquelle über einen ersten Lichtwellenleiter bis auf die Hautoberfläche geführt ist, und mindestens ein zweiter Lichtwellenleiter, dessen Eintrittsende mit einem bestimmten Abstand von der Hautoberfläche angeordnet ist, das im wesentlichen senkrecht aus der Hautoberfläche austretende Streulicht aufnimmt und zu einer Analysator-Detektor-Anordnung führt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zweite Lichtwellenleiter mit ihren Eintrittsenden 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 Hautoberfläche erfasst wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsenden der zweiten Lichtwellenleiter gebündelt sind und das aus allen zweiten Lichtwellenleitern austretende Streulicht gemeinsam einem Analysator und einem Photodetektor zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, 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, welcher Detektor die maximale Intensität misst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle gepulstes Licht emittiert und getriggerte Messverstärker nur das gepulste Streulicht verstärken.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtwellenleiter und die zweiten Lichtwellenleiter auf entgegengesetzten Seiten des zu untersuchenden Körperbereichs angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektorenfeld kreissegmentförmige Detektoren aufweist, die jeweils von Analysatoren abgedeckt sind, deren Polarisationsrichtung zu der Kreisanordnung radial verläuft.