DE29508678U1

DE29508678U1 - Vorrichtung zur polarimetrischen Bestimmung der Blutzuckerkonzentration

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Publication number: DE29508678U1
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Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-24
Filing date: 1995-05-24
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2005-05-25

Description

BEETZ & PARTNER / ^:··· · ^:. ^:.pdienign^ofte steinsdorfstr. &iacgr;&ogr; · D-8OOO München 22 European Patent Attorneys

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Dr.-Ing. R. BEETZ jun. 709-49 331G Dr.-Ing. W. TIMPE

Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED

Prof. Dr.rer.nat. W. SCHMITT-FUMIAN

Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. C-M. MAYR

24. Mai T995

Dr. Arno Müller,
D-89079 Ulm-Eggingen

VORRICHTUNG ZUR POLARIMETRISCHEN BESTIMMUNG DER BLUTZUCKERKONZENTRATION

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur polarimetrischen Bestimmung der Blutzuckerkonzentration nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 10.

Eine solche Vorrichtung ist 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

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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.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der 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. 10 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:

Fig. 1 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 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 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 Fig. 1 gezeigte Vorrichtet 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 Ausschnitt 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 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,

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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.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 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

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läßt. Das hier analysierte Streulicht hat somit eine im wesentlichen 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 Konusbasis dargestellt.

Bei der in Fig. 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 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 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 Analysatorsteilung, 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 Fig. 3 gezeigten Aufbaus kann analog zu Fig. 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 spie-

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gelsymmetrisch zur in Fig. 3 gezeigten Anordnung angeordnet sein sollte. Ebenfalls wie bei den in Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen ist eine Lochblende 8 mit Referenzdetektoren 11 vorgesehen, die nicht analysiertes Streulicht abschattet. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform wird ebenfalls im wesentlichen senkrecht aus der Hautoberflache 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 Fig. 1 und 2 erläuterten Vorteilen.

Claims

-X2709-CM/Kf/mx Ansprüche

1. 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 Analysator wirkendes Bauteil und mindestens einen Detektor aufweist,

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.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
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.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

die Erzeugende des Kegels die Kurve einer Exponentialfunktion beschreibt.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelspitze eine axiale Öffnung für den Durchtritt des linear polarisierten Lichts der Lichtquelle oder des ungestreuten Primärstrahls aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, 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.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle auf der Achse des Kegels auf der gegenüberliegenden Seite des zu untersuchenden Körperbereichs angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis &bgr;, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende einen schmalen Ringspalt um die Spitze des Kegels herum bildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Haut zugewandten Seite der Blende Referenzdetektoren zur Bestimmung der Intensität des Streulichts angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 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 Hautoberflache angeordnet ist, das im wesentlichen senkrecht aus der Hautoberfläche austretende Streulicht aufnimmt und zu einer Analysator-Detektor-Anordnung führt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9
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.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, 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.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, 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.

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13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß

die Lichtquelle gepulstes Licht emittiert und getriggerte Meßverstärker nur das gepulste Streulicht verstärken.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß

der erste Lichtwellenleiter und die zweiten Lichtwellenleiter auf entgegengesetzten Seiten des zu untersuchenden Körperbereichs angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Detektorenfeld kreissegmentförmige Detektoren aufweist, die jeweils von Analysatoren abgedeckt sind, deren Polyrisationsrichtung zu der Kreisanordnung radial verläuft.

16. Vorrichtung zur polarimetrischen Bestimmung der Blutzuckerkonzentration mit einer Lichtquelle zur Bestrahlung einer Probe mit linear polarisiertem Licht, einer Detektoranordnung, die mindestens ein als Analysator wirkendes Bauteil und mindestens einen Detektor aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Detektoranordnung und/oder das als Analysator wirkende Bauteil so ausgebildet ist, daß nur im wesentlichen parallel oder antiparallel gestreutes Licht analysiert und die Intensität des analysierten Lichts erfaßt wird.