DE19538372A1 - Nicht invasive Glukosemessung - Google Patents
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Description
Es soll ein Verfahren und Vorrichtung entwickelt werden, die es ge
stattet, nicht invasiv und nach Möglichkeit im wesentlichen berüh
rungsfrei den momentanen Wert der Blutglukose zu bestimmen. Dabei
sollen Vorrichtung und Verfahren nach Möglichkeit so einfach hand
habbar sein, daß der Diabethiker die Ermittlung des momentanen
Blutglukosewertes im Selbsttest vornehmen kann.
In den vergangenen 20 Jahren sind eine Vielzahl von Ansätzen zur
nicht invasiven Glukosebestimmung vorgeschlagen worden, die im
wesentlichen alle entweder auf dem Prinzip der Bestimmung der
Absorptionsänderung bei glukosespezifischen Wellenlängen im
Nahinfraroten oder mittleren Infraroten beruhen und im wesentlichen
transkutan entweder am Ohrläppchen, der Innenlippe oder der
Fingerbeere angewandt werden sollen. Mit diesen Verfahren ist jedoch
das Problem verbunden, daß in der Regel das glukosespezifische
Signal außerordentlich klein gegenüber Untergrundsignalen durch
Wasser- und Gewebeabsorption ist. Insbesondere ändert sich der hohe
Wert der Wasserabsorption temperaturabhängig, so daß praktisch kein
quantitatives Mess-Signal gewonnen werden kann. Darüber hinaus
haben diese transkutanen Messungen den Nachteil, daß gleichzeitig
sowohl die sogenannte Gewebsglukose wie die Blutglukose simultan
gemessen werden und praktisch keine Möglichkeit der
Differenzierung beider Signale besteht. Weiterhin sind in der Regel
diese Messungen dadurch verfälscht, daß die Lichtausbreitung im
Gewebe als Vielfachstreuprozeß nicht adäquat berücksichtigt ist.
Andere Methoden beruhen auf der Ermittlung der optischen Aktivität,
daß heißt also der Änderung der Polarisationsrichtung polarisierten
Lichtes durch die rechtsdrehende Glukose. Auch diese Verfahren
haben den Nachteil, soweit sie in der Literatur beschrieben sind, daß
die Lichtausbreitung im Gewebe nicht entsprechend berücksichtigen,
und daß insbesondere Querempfindlichkeiten mit anderen optisch
aktiven Substanzen des Stoffwechsels und des Gewebes bestehen. Ein
weiterer Nachteil der vorgenannten Verfahren besteht darin, daß sie
extrem schichtdickenabhängige Signale liefern, so daß die
Schichtdicke zusätzlich zu ermitteln ist, was entweder einen erhöhten
technischen Aufwand bedeutet bzw. in der Regel nicht möglich ist.
Es konnte überraschenderweise gezeigt werden, daß die Flüssigkeit
der Vorderkammer des menschlichen Auges als Ultrafiltrat des
Blutplasmas zu betrachten ist und daher in strenger Korrelation einen
Glukosegehalt aufweist, der dem des Blutplasmas entspricht.
Erfindungsgemäß soll daher ein glukosekonzentrationsproportionales
Signal mit Methoden der Raman-Spektroskopie in der Vorderkammer
gewonnen werden. Dabei hat sich weiterhin überraschenderweise ge
zeigt, daß es möglich ist, glukosespezifische Ramanbanden durch An
regung mit Nahinfrarotlicht zu detektieren. Gleichzeitig ist zu berück
sichtigen, daß die im hinteren Augenteil befindliche, extrem
lichtempfindliche Retina durch die Erregerstrahlung nicht geschädigt
wird. Die Vermeidung der Retinaschädigung kann dabei erfindungsge
mäß auf zweierlei Weise erfolgen:
- 1. Durch Verwendung einer Wellenlänge < 1,5 µm, die aufgrund der vorhandenen hohen Wasserabsorption erfahrungsgemäß die Retina nicht mehr erreicht oder
- 2. durch Verwendung eines Anregungsstrahlenganges, der eine Be lichtung der Retina über die Pupillen verbreitet.
Im folgenden sollen daher die erfindungsgemäßen beiden bevorzugten
Ausführungsbeispiele beschrieben werden.
- 1. Erzeugung der Ramanstrahlung unter Vermeidung der direkten
Belichtung der Retina
Hierzu wird vor dem Auge des Patienten eine kurzbrennweitige, hochaperturige sogenannte Dunkelfeldbeleuchtung, wie sie bei spielsweise aus der Lichtmikroskopie bekannt ist, angeordnet, wobei die Erregerstrahlung radial symmetrisch in die Vorderkammer fokussiert wird. Dabei wird der lichterfüllte Doppelkonus derart fokussiert, daß er im distalen Fokusbereich bereits wieder soweit divergent ist, daß er nicht durch die Pupille auf die Retina fällt. Gleichzeitig wird über den zentralen Beobachtungsstrahlengang mittels einer hochaperturigen Linse das Ramanstreulicht aus dem Fokusbereich gewonnen und im Hinblick auf die glukosespezifischen Ramanlinien nach dem Stand der Technik ausgewertet. Gleichzeitig wird über diesen zentralen Nachweisstrahlengang dem Probanden eine Fixiermarke angeboten, die wahlweise als selbstleuchtende oder beleuchtete geometrische Figur oder aber als Videosignal einer miniaturisierten Videodisplays dargestellt wird. Die Helligkeit dieser Fixierhilfe wird derart eingestellt, daß die Pupille des Probanden maximal enggestellt ist zur weiteren Erhöhung der Sicherheit, daß kein Erregerlicht in die hintere Augenkammer und damit auf die Retina fallen kann. Diese optische Anordnung wird in einem Teil eines binokularen Beobachtungstubus, wie er bei spielsweise aus der Stereomikroskopie oder bei Ferngläsern oder bei Stereobetrachtungsgeräten bekannt ist, angeordnet. In dem ge genüberliegenden Tubusteil bzw. in einem darunter angeordneten Versorgungsteil wird die benötigte Elektronik zur Versorgung und Auswertung untergebracht, und im augennahen Teil des zweiten des Binotubus wird eine Display mit der Anzeige der aktuell ermittelten Glukosekonzentration angebracht. - 2. Bei Benutzung von Anregungswellenlängen oberhalb von 1,5 µm können der Anregungs- und Beobachtungsstrahlengang koaxial über die gleiche hochaperturige, kurzbrennweitige Optik geführt werden, die wiederum einen Fokus in der Vorderkammer erzeugt, wobei die Wellenlänge derart ausgewählt ist, daß sie im Maximum einer Absorptionsbande der Glukose in diesem Bereich liegt und damit sogenannte Resonanz-Ramanstreuung angeregt werden kann. Der Nachweis der Strahlung erfolgt dann wie im ersten Ausführungsbeispiel geschildert nach dem Stand der Technik, vorzugsweise unter Ausnutzung der Technologien der sogenannten Fourrier-Transform-Infrarotramanspektroskopie.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele sind in Abb. 1 bis 3
naher ausgeführt. Dabei zeigt Abb. 1 eine Anordnung zur
Erzeugung der Ramanstrahlung in der Augenvorkammer unter
Vermeidung der direkten Belichtung der Retina. Das von einer
geeigneten Anregungsquelle ausgestrahlte Strahlungsbündel (1.1) wird
dabei durch eine Aufweitungsoptik (1.2) auf den erforderlichen
Strahlquerschnitt gebracht und mit einem ringförmigen Spiegel (1.3)
auf die Dunkelfeldbeleuchtungsoptik (1.4) gelenkt. Durch diese wird
das ringförmige Strahlenbündel in der Vorderkammer des Auges (1.5)
unter einem großen Konvergenzwinkel so fokussiert, daß es nach
Durchlaufen des Fokus auf die Iris (1.6) fällt und somit die
empfindliche Retina hinter der Augenlinse (1.7) nicht gefährdet. Die
je nach Glukosekonzentration in der Vorderkammer entstehende
unterschiedlich starke Ramanstrahlung wird durch die hochaperturige
Linse (1.8) gebündelt und bevor sie den Strahlungsdetektor (1.9)
erreicht durch ein Filter (1.10) geschickt, welches die die störenden
Strahlungsanteile unterdrückt.
Zur Fixierung des Auges wird über einen Fixiermarkenprojektor
(1.11) eine Fixiermarke mit der hochaperturigen Linse (1.8) so in das
Auge abgebildet, daß sie nur dann die Retina vollständig erreicht,
wenn sich das Auge in der günstigsten Meßposition befindet.
Abb. 2 zeigt, daß der in Abb. 1 gezeigte Meßstrahlengang
im Meßtubus (2.1) eines binokularen Gerätes angeordnet wird,
welches auch die für die Auswertung der Ramansignale und die
Versorgung der Strahlenquellen erforderliche Auswerteelektronik
(2.2) aufnehmen kann. Ein weiterer Beobachtungstubus (2.3) enthält
das zur Anzeige von Meßwerten und Instruktionen erforderliche
Display (2.4). Beide Tuben sind durch Augenmuscheln (2.5) gegen
Störlicht abgeschirmt.
Abb. 3 zeigt eine koaxiale Anordnung des Meß- und Beleuch
tungsstrahlenganges. Die Strahlungsquelle (3. 1) sendet solche Strah
lung aus, die vom Augengewebe (3.2) stark absorbiert wird, so daß in
die Augenpupille (3.3) nur ein ungefährlicher Anteil der Strahlung ge
langen kann. Das Strahlenbündel wird mit einer
Kollimationslinse (3.4) über einen teildurchlässigen Spiegel (3.5) und
eine Fokussierlinse (3.6) in die Augenvorderkammer (3.7) des Auges
fokussiert. Die von der Glukosekonzentration abhängige
Ramanstrahlung wird durch die hochaperturige Fokussierlinse (3.6)
gesammelt und durchdringt den teildurchlässigen Spiegel (3.5), der für
die spektrale Intensitätsverteilung der Ramanstrahlung ein hohe
Transparenz aufweist. Durch eine Einrichtung zur Auswertung der
hindurchgelangenden Strahlung (3.8), z. B. ein Fourier-Transform-
Infrarot-Raman-Spektroskop wird die Strahlung detektiert und mit
einer Auswerteelektronik verarbeitet, so daß der Meßwert angezeigt
werden kann.
Claims (7)
1. Verfahren und Vorrichtung zur nicht invasiven, berührungslosen
Gluskosekonzentrationsmessung,
dadurch gekennzeichnet, daß
mit Methoden der Nahinfrarot-Ramanspektroskopie ein dem
Blutglukosespiegel proportionales Signal aus der Vorderkammer
des menschlichen Auges gewonnen wird.
2. Verfahren und Vorrichtung zur nicht invasiven Glukosemessung
nach 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Erregerstrahlung Laserstrahlung im Spektralbereich zwischen
650 nm und 2,5 µm verwendet wird.
3. Nicht invasive Glukosemessung nach 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Anregung und Detektion der Ramanstrahlung ein hochapertu
riges, kurzbrennweitiges Dunkelfeldobjektiv verwendet wird.
4. Verfahren und Vorrichtung zur nicht invasiven Glukosemessung
nach 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Fixationshilfe eine selbstleuchtende oder beleuchtete
geometrische Figur solcher Leuchtdichte verwendet wird, daß
eine maximale Engstellung der Pupille erreicht wird.
5. Verfahren und Vorrichtung nach 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
als Fixationshilfe ein miniaturisiertes Videodisplay mit solcher
Leuchtdichte verwendet wird, daß eine maximale Engstellung der
Pupille erreicht wird.
6. Verfahren und Vorrichtung nach 1, 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
ausschließlich Laserstrahlung im Spektralbereich zwischen 1,5
und 2,5 µm verwendet wird, und gleichzeitig der
Beleuchtungsstrahlengang identisch mit dem
Nachweisstrahlengang aus einem einzigen hochaperturigen
Objektiv angepaßter Brennweite besteht.
7. Verfahren und Vorrichtung nach 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die gesamte Anordnung in einem Binokulartubus angeordnet
wird, wobei der eine Tubusteil zur Gewinnung des Ramansignales
verwendet wird und der andere Tubusteil zur Aufnahme der
Versorgungs- und Auswerteelektronik sowie der Anzeige des
momentanen Glukosewertes.
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