DE4415728A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Analyse von Glucose in einer biologischen Probe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Glu­ cose in einer biologischen Probe sowie ein entsprechendes Glucosemeßerät.

Der Begriff "biologische Probe" bezeichnet eine Körper­ flüssigkeit oder ein Gewebe eines lebenden Organismus. Biologische Proben sind meist optisch heterogen, d. h. sie enthalten eine Vielzahl von Streuzentren, an denen einge­ strahltes Licht gestreut wird. Im Falle von biologischem Gewebe, insbesondere Hautgewebe, werden die Streuzentren von den Zellwänden und anderen in dem Gewebe enthaltenen Bestandteilen gebildet.

Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut, sind ebenfalls optisch heterogene biologische Proben, weil sie Partikel enthalten, an denen die Primärstrahlung gestreut wird. Auch Milch und andere in der Lebensmittelchemie zu unter­ suchende Flüssigkeiten enthalten vielfach eine hohe Kon­ zentration von Streuzentren, beispielsweise in Form von emulgierten Fetttröpfchen.

Zur qualitativen und quantitativen analytischen Bestim­ mung von Komponenten solcher biologischen Proben werden im allgemeinen Reagenzien bzw. Reagenziensysteme einge­ setzt, die mit der jeweiligen Komponente chemisch reagie­ ren. Die Reaktion führt zu einer physikalisch nachweisba­ ren Änderung der Reaktionslösung, beispielsweise einer Änderung ihrer Farbe, die als Meßgröße gemessen werden kann. Durch Kalibration mit Standardproben bekannter Kon­ zentration wird eine Korrelation zwischen den bei unter­ schiedlichen Konzentrationen gemessenen Werten der Meß­ größe und der jeweiligen Konzentration bestimmt. Diese Verfahren ermöglichen Analysen mit hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit, machen es jedoch erforderlich, eine flüssige Probe, insbesondere eine Blutprobe, zur Analyse dem Körper zu entnehmen ("Invasive Analyse"). Diese Pro­ benentnahme ist unangenehm und schmerzhaft und führt zu einem gewissen Infektionsrisiko.

Dies gilt vor allem, wenn eine Krankheit sehr häufige Analysen erforderlich macht. Das wichtigste Beispiel ist der Diabetes mellitus. Um schwere Folgeerkrankungen und kritische Zustände des Patienten zu vermeiden, ist es bei dieser Krankheit erforderlich, den Glucosegehalt des Blu­ tes sehr häufig oder sogar kontinuierlich zu bestimmen.

Es sind deshalb bereits eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen worden, um Glucose in Blut, Gewebe oder anderen biologischen Proben in vivo und nicht-invasiv zu bestimmen.

Ein Überblick über physikochemische (reagenzienfreie) Be­ stimmungen von Glucose in vivo wird gegeben in:
J.D. Kruse-Jarres "Physicochemical Determinations of Glu­ cose in vivo", J. Clin. Chem. Clin. Biochem. 26 (1988), 201-208. Als nicht-invasive Verfahren werden dabei unter anderem die Kernspinresonanz (NMR, nuclear magnetic resonance), Elektronenspinresonanz (ESR, electron spin resonance) sowie die Infrarotspektroskopie genannt. Kei­ nes dieser Verfahren hat jedoch bis jetzt praktische Be­ deutung erlangen können. Teilweise sind extrem große und aufwendige Apparaturen erforderlich, die für die Routine­ analytik oder gar die Selbstkontrolle des Patienten (home monitoring) völlig ungeeignet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Teilgruppe solcher Verfahren, bei denen Meßlicht von einem Lichtsender durch eine die Probe begrenzende Grenzfläche als Primärlicht in diese eingestrahlt und aus der biologischen Probe durch eine diese begrenzende Grenzfläche austretendes Licht von einem Lichtempfänger detektiert wird, um eine durch die Wechselwirkung mit der biologischen Probe (ohne Verwen­ dung von Reagenzien) veränderliche physikalische Eigen­ schaft des Lichts zu bestimmen, die mit der Konzentration von Glucose in der biologischen Probe korreliert. Ein solcher Verfahrens schritt wird nachfolgend als "Detektionsschritt" bezeichnet.

Die in einem Detektionsschritt bestimmte (detektierte) mit der Glucosekonzentration korrelierende physikalische Eigenschaft des Lichtes, die man auch als "quantifizier­ barer Parameter" (englisch: quantifiable parameter) be­ zeichnen kann, wird nachfolgend einfachheitshalber als "Meßgröße" bezeichnet. Dieser Begriff darf aber nicht da­ hingehend verstanden werden, daß ein bestimmter Betrag der Meßgröße in einer entsprechenden Maßeinheit gemessen werden muß.

Da die hier diskutierten Verfahren keine Absolutmessung der Glucosekonzentration ermöglichen, ist (ebenso wie bei den gebräuchlichen, auf chemischen Reaktionen basierenden Analyseverfahren) eine Kalibration erforderlich. Übli­ cherweise wird in mindestens einem Kalibrationsschritt, der meßtechnisch in gleicher Weise wie der Detektions­ schritt ausgeführt wird, die Meßgröße an einer biologi­ schen Probe mit bekannter Glucosekonzentration bestimmt. Dabei kann die jeweilige Glucosekonzentration in der Probe mit irgendeinem vorbekannten Verfahren zur Bestim­ mung der absoluten Konzentration der Glucose ermittelt werden.

In einem Auswerteschritt des Analyseverfahrens wird die Glucosekonzentration aus der Änderung der Meßgröße bei mindestens einem Detektionsschritt im Vergleich zu minde­ stens einem Kalibrationsschritt ermittelt. Der Auswerte­ schritt umfaßt einen Auswertealgorithmus, in dem die Glu­ cosekonzentration in vorbestimmter Weise aus den Ergeb­ nissen von mindestens einem Detektionsschritt ermittelt wird.

Die Wellenlängen des Lichts, die für solche Verfahren diskutiert werden, liegen allgemein zwischen etwa 300 nm und mehreren tausend nm, also im Spektralbereich zwischen dem nahen UV- und infrarotem Licht. Der Begriff "Licht" darf nicht als Einschränkung auf den sichtbaren Spektral­ bereich des Lichtes verstanden werden.

Nahezu alle bekannten Verfahren dieser Art basieren auf den Prinzipien der Spektroskopie. Grundlage ist dabei die Wechselwirkung des eingestrahlten Primärlichtes mit Vi­ brations- und Rotationszuständen der zu analysierenden Moleküle. Die Meßgröße ist dabei die Lichtintensität I, deren Abnahme durch Absorption in der biologischen Probe in Abhängigkeit von der Wellenlänge L bestimmt wird. Üb­ licherweise wird die Schwächung des Lichts als Extinktion E(L) = lg [I(L)/I₀(L)] ausgedrückt, wobei I die Intensi­ tät des Sekundärlichtes und I₀ die Intensität des Primär­ lichtes bezeichnen.

Die Vibrations- und Rotations-Grundzustände der Glucose befinden sich im IR-Bereich bei Wellenlängen von mehr als 2500 nm. Sie können wegen der starken Absorption des in biologischen Proben stets in hoher Konzentration gegen­ wärtigen Wassers nicht für die nicht-invasive Analyse von Glucose verwendet werden. Im Bereich des nahen Infrarot (NIR) ist die Absorption des Wassers geringer (sogenann­ tes "Wasser-Transmissionsfenster"). Die spektrale Analyse von Glucose in diesem Bereich basiert auf der Absorption durch Obertöne (overtones) und Kombinationsschwingungen der Vibrations- und Rotationsgrundzustände des Glucose­ moleküls (vgl. vorstehend zitierter Artikel von Kruse-Jarres und EP-A-0 426 358).

Die praktische Realisierung eines nicht-invasiven Glucose-Sensors auf Basis dieser Prinzipien verursacht außerordentlich große Schwierigkeiten. Das Nutzsignal (die Änderung des Absorptionsspektrums in Abhängigkeit von einer Änderung der Glucosekonzentration) ist sehr ge­ ring im Vergleich zu Störsignalen, die insbesondere von der spektralen Absorption von Wasser und anderen stark absorbierenden Komponenten resultieren. Außerdem bildet die starke Streuung im Gewebe oder Blut einen großen Störfaktor.

Zur Lösung dieses Problems wurden zahlreiche unterschied­ liche Versuche unternommen. Vielfach sollen dabei die Störeinflüsse durch eine geeignete Wahl der Meßwellen­ länge in Verbindung mit einer Differenzmessung eliminiert werden. Weit verbreitet ist vor allem die "Zwei-Wellen­ längen-Spektroskopie", bei der eine erste Meßwellenlänge so gewählt ist, daß die Glucose möglichst stark ab­ sorbiert, während eine zweite Wellenlänge als Referenz­ wellenlänge so gewählt ist, daß die Lichtabsorption mög­ lichst wenig von der Glucosekonzentration abhängt. Solche oder ähnliche Verfahren sind beispielsweise Gegenstand der EP-A-0 160 768, der WO 93/00856 und des US-Patentes 5,028,787.

In der europäischen Patentschrift 0 074 428 ist ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Bestimmung von Glucose durch Laser-Lichtstreuung beschrieben. Dabei wird davon ausgegangen, daß die Glucosemoleküle einen durch die Lösung transmittierten Lichtstrahl streuen und daß sich daraus die Glucosekonzentration ableiten läßt. Entsprechend dieser Theorie wird die Raumwinkelverteilung der aus einer Untersuchungsküvette oder einem untersuch­ ten Körperteil austretenden transmittierten Lichtintensi­ tät als mit der Glucosekonzentration korrelierende Meß­ größe verwendet. Insbesondere wird die Intensität des transmittierten Lichtes in einem Winkelbereich, in dem die Änderung in Abhängigkeit von der Glucosekonzentration möglichst groß ist, gemessen und in Beziehung zu der an dem Zentralstrahl, welcher die Probe in gerader Richtung durchdringt, gemessenen Intensität gesetzt.

Trotz dieser Bemühungen ist es bisher nicht gelungen, einen praktisch funktionsfähigen nicht-invasiven Glucose­ sensor zur Verfügung zu stellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die analytische Bestimmung von Glucose in einer bio­ logischen Probe zur Verfügung zu stellen, welches reagen­ zienfrei und nicht-invasiv arbeitet und eine gute Analy­ segenauigkeit, zum Beispiel für die Beobachtung der Ände­ rung der Analytkonzentration (Verlaufskontrolle) über einen ausreichenden Zeitraum, ermöglicht.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren, welches mindestens einen Detektionsschritt und einen Auswerteschritt im Sinne der vorstehenden Erläuterungen umfaßt, dadurch ge­ löst, daß ein Teil des von dem Lichtsender abgestrahlten Lichts auf einem Referenzlichtweg mit einer definierten optischen Lichtweglänge dem Lichtempfänger zugeführt wird, der aus dem primärseitigen Meßlichtweg, dem Proben­ lichtweg und dem sekundärseitigen Meßlichtweg bestehende Gesamtmeßlichtweg eine definierte optische Lichtweglänge hat, der sekundärseitige Probenlichtweg und der Referenz­ lichtweg vor dem Lichtempfänger derartig zusammengeführt werden, daß das Sekundärlicht und das Referenzlicht mit­ einander interferieren, wobei der Lichtempfänger ein In­ terferenzsignal mißt und das Interferenzsignal in dem Auswerteschritt zur Ermittlung der Glucosekonzentration verwendet wird.

Gegenstand der Erfindung ist darüber hinaus ein Glucose­ meßgerät zur analytischen Bestimmung der Konzentration von Glucose in einer biologischen Probe, umfassend einen Lichtsender zur Erzeugung von Meßlicht, in einer defi­ nierten Position bezüglich der biologischen Probe posi­ tionierte Lichteinstrahlungsmittel, mit einer Lichtöff­ nung, durch die das Meßlicht durch eine Grenzfläche der Probe in die biologische Probe eingestrahlt wird, einen primärseitigen Meßlichtweg, der den Lichtsender und die Grenzfläche verbindet, in einer definierten Position be­ züglich der biologischen Probe positionierbare Lichtauf­ nahmemittel für nach Wechselwirkung mit der Probe an ei­ ner Grenzfläche aus dieser austretendes Meßlicht und einen sekundärseitigen Probenlichtweg, der die Grenzflä­ che, an der das Meßlicht aus der Probe austritt, mit ei­ nem Lichtempfänger verbindet, welches dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß der Lichtsender und der Lichtempfänger über einen Referenzlichtweg, der eine definierte optische Weglänge hat, miteinander verbunden sind, und in dem se­ kundärseitigen Probenlichtweg ein optischer Koppler ange­ ordnet ist, durch den der sekundärseitige Meßlichtweg und der Referenzlichtweg so zusammengeführt werden, daß sie an der gleichen Stelle auf den Lichtempfänger auftreffen und ein Interferenzsignal erzeugen.

Ein wesentliches Element der Erfindung ist die Erkennt­ nis, daß für die Analyse von Glucose wesentliche Informa­ tionen aus der Interferenz des Meßlichtes mit einem auf einem definierten Lichtweg, der nicht durch die Probe führt, verlaufenden Referenzlichtstrahl gewonnen werden können. Um ein Interferenzsignal im Sinne der Erfindung zu erzeugen, sind folgende grundlegenden meßtechnischen Voraussetzungen zu beachten.

Interferenz setzt voraus, daß die interferierenden Teil­ strahlen kohärent sind. Für besonders wichtige Ausfüh­ rungsformen der Erfindung ist Licht mit kurzer Kohärenz­ länge besonders bevorzugt, wobei insbesondere eine Leuchtdiode oder eine Superlumineszenzdiode als Lichtsen­ der verwendet wird.

Das Meßlicht und das Referenzlicht werden von dem glei­ chen Lichtsender abgestrahlt und von dem gleichen Licht­ empfänger (Detektor) detektiert. Üblicherweise werden bei Interferenzanordnungen optische Koppler verwendet, um das von einem Lichtsender ausgehende Licht in einen Referenz­ lichtstrahl und in einen Meßlichtstrahl zu teilen und vor dem Lichtempfänger wieder zusammenzuführen.

Der Gesamtmeßlichtweg (bestehend aus dem primärseitigen Meßlichtweg von dem Lichtsender zu der Proben-Grenzflä­ che, dem von dem Meßlicht in der Probe zurückgelegten Probenlichtweg und dem sekundärseitigen Meßlichtweg von der Probengrenzfläche, an der das Meßlicht aus der Probe austritt, bis zu dem Lichtempfänger) und der Referenz­ lichtweg müssen jeweils eine definierte optische Licht­ weglänge haben. Eine "definierte Lichtweglänge" in diesem Sinne ist dahingehend zu verstehen, daß die Lichtwege während der Messung entweder konstant sind oder sich in definierter und kontrollierter Weise ändern. Mit anderen Worten muß das Auswertesystem des Analysegerätes stets über Änderungen der optischen Lichtwege informiert sein.

Die optische Lichtweglänge ist der Weg der Photonen unter Berücksichtigung der Gruppengeschwindigkeit im Medium. In einem homogenen Medium entspricht die optische Licht­ weglänge l_o dem Produkt aus dem Brechungsindex n und der geometrischen Lichtweglänge l_g (l_o = n·l_g).

Als Interferenzsignal im Sinne der Erfindung ist ein von dem Lichtempfänger erzeugtes elektrisches Signal bzw. ein Signalanteil anzusehen, das bzw. der davon abhängig ist, daß das Meßlicht und das Referenzlicht interferieren. Ein Interferenzsignal wird also nur gemessen, wenn an dem Meßort (der lichtempfindlichen Fläche des Lichtempfän­ gers) Interferenz der beiden Lichtanteile auftritt.

Um in interferrometrischen Meßverfahren den auf Interfe­ renz zurückzuführenden Anteil des Detektorsignals mög­ lichst isoliert zu erfassen, ist es üblich, mit einer Mo­ dulation zu arbeiten, wobei das Licht in mindestens einem der Lichtwege (Referenzlichtweg oder Meßlichtweg) modu­ liert wird. Gebräuchlich ist beispielsweise die Modula­ tion mit Hilfe eines piezoelektrischen Übertragers (piezoelectric transducer, PZT). Die Modulation führt zu einer oszillierenden geringfügigen Veränderung der Licht­ weglänge (mit einer Längenänderung, die in der Regel kleiner als die Wellenlänge des Lichtes ist und einer Frequenz, die üblicherweise bei einigen zig Kilohertz liegt). Diese Lichtweglängen-Modulation in Verbindung mit der Interferenz führt zu einer AC-Komponente mit der Mo­ dulationsfrequenz im Signal des Lichtempfängers, das mit üblichen frequenzselektiven Meßverfahren (beispielsweise mit dem Lock-In-Prinzip) selektiv verstärkt und gemessen werden kann. "Messen" bedeutet in diesem Zusammenhang die reproduzierbare meßtechnische Bestimmung einer dem Inter­ ferenzsignal entsprechenden elektrischen Größe. Eine Ab­ solutmessung im Sinne einer Zuordnung zu einer Maßeinheit ist selbstverständlich nicht notwendig, weil das gemes­ sene Signal aufgrund der Kalibration zu der gesuchten analytischen Konzentration weiterverarbeitet wird.

Interferrometrische Meßverfahren sind für andere Anwen­ dungszwecke bekannt und vielfach verwendet worden. Dies gilt insbesondere auch für die Interferrometrie unter Ver­ wendung von Lichtsendern mit kurzer Kohärenzlänge, die auch als Niederkohärenz-Interferrometrie (Low Coherence Interferometry, LCI) bezeichnet wird. Verwiesen sei bei­ spielsweise auf folgende Publikationen:
Danielson et al: "Guided-wave reflectometry with micrometer resolution", Applied Optics, 26 (1987), 2836-2842.
Takada et al: "New measurement system for fault loca­ tion in optical waveguide devices based on an inter­ ferometric technique", Applied Optics, 26 (1987), 1603-1606.
Schmitt et al: "Measurement of Optical Properties of Biological Tissues by Low-Coherence Reflectometry", Applied Optics, 32 (1993), 6032-6042.
WO 92/19930.

In diesen Publikationen werden sowohl technische Objekte (Lichtleitfasern für Informationsübertragungssysteme) als auch biologische Gewebe auf ihre optischen Eigenschaften untersucht bzw. in dem letztgenannten Fall in Form eines dreidimensionalen Bildgebungsverfahrens dargestellt. Die Publikationen (vor allem die WO 92/19930) enthalten eine Vielzahl von meßtechnischen Einzelheiten, die auch bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft verwendet werden können und auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird. Ein Hinweis auf die Möglichkeit der Analyse der Konzentration von Komponenten biologischer Proben, insbe­ sondere der Glucosekonzentration, ist den Publikationen nicht zu entnehmen.

Das Interferenzsignal kann in dem Auswerteschritt auf un­ terschiedliche Weise zur Ermittlung der Glucosekonzentra­ tion verwendet werden. Insbesondere sind die nachfolgend erläuterten drei Verfahrensweisen bevorzugt, wobei nähere Erklärungen anhand bevorzugter Ausführungsformen im Zu­ sammenhang mit der Beschreibung der Figuren gegeben wer­ den.

Das erste und nach derzeitigem Kenntnisstand der Erfinder aussichtsreichste dieser Verfahren geht von der Erkennt­ nis aus, daß der optische Weg von Photonen innerhalb ei­ ner biologischen Probe (die man auch als Matrix bezeich­ nen kann) in einem analytisch nutzbaren Ausmaß von der Glucosekonzentration abhängt. Mit Hilfe des interferrome­ trischen Verfahrens läßt sich mit hoher Genauigkeit eine Meßgröße bestimmen, die der Gruppengeschwindigkeit des Lichts in der Probe oder mit anderen Worten dem Bre­ chungsindex der Probe entspricht. Wie dies geschehen kann, wird anhand der Figuren weiter unten erläutert.

Bei einer zweiten Verfahrensweise wird eine Meßgröße er­ faßt, die einer Änderung des Streuquerschnittes streuen­ der Teilchen in der biologischen Probe entspricht. Zu diesem Zweck wird eine Reflexionsanordnung verwendet, bei der aus der Probe reflektiertes Licht in den sekundärsei­ tigen Meßlichtweg eintritt. Geometrisch ausgedrückt be­ findet sich der primärseitige Meßlichtweg und der sekun­ därseitige Meßlichtweg in dem gleichen von einer Grenz­ fläche der Probe definierten Halbraum, wobei in der Re­ flexions-Interferrometrie üblicherweise die gleichen opti­ schen Elemente den primärseitigen und den sekundärseiti­ gen Meßlichtweg bilden, d. h. aus der Probe in den glei­ chen Meßlichtweg zurückreflektiertes Licht erfaßt wird. Außerdem ist es bei diesem Verfahren erforderlich, einen Lichtsender mit kurzer Kohärenzlänge zu verwenden. Um eine dem Streuquerschnitt entsprechende, für die Glucose­ konzentration charakteristische Meßgröße zu bestimmen, wird die Relation der Lichtweglänge des Probenlichtweges im Verhältnis zu der Lichtweglänge des Referenzlichtweges auf unterschiedliche Werte eingestellt. Dies kann durch Veränderung der Länge des Probenlichtweges und/oder des Referenzlichtweges geschehen, wobei die Änderung des Re­ ferenzlichtweges konstruktiv einfacher und deswegen be­ vorzugt ist. Die Relation der optischen Weglängen wird dabei so eingestellt, daß das Interferenzsignal Reflexio­ nen in unterschiedlichen Tiefen der Probe entspricht, wo­ bei die Konzentration der Glucose aus der Abhängigkeit des Interferenzsignals von der Relation der optischen Weglängen (d. h. von der Tiefe der Probe, aus der das Meß­ licht reflektiert wurde) ermittelt wird.

Bei einer dritten Verfahrensweise wird ähnlich wie bei den weiter oben erläuterten spektroskopischen Verfahren die Wellenlängenabhängigkeit der optischen Absorption als Meßgröße bestimmt. Im Rahmen der Erfindung wird der In­ formationsgehalt des Referenzsignals genutzt, um die op­ tische Weglänge des Lichts in der Probe zu bestimmen. Da­ durch werden Meßfehler vermieden, die bei den bisherigen Verfahren vor allem auf Unsicherheiten hinsichtlich der Länge des Lichtweges in der Probe zurückzuführen waren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines für die Erfindung verwendbaren Reflexions-Interferrome­ ters und

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm eines für die Erfindung verwendbaren Transmissions-Interferro­ meters.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsge­ mäßen Kurzkohärenz-Reflexions-Interferrometers 1 (short coherence reflection interferometer, nachfolgend auch als SCRI bezeichnet). Es hat einen Lichtsenderarm 3, einen Probenarm 4, einen Referenzarm 5 und einen Detektorarm 6, die durch einen Lichtkoppler 7 miteinander verbunden sind.

In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist das Interferrometer 1 faseroptisch aufgebaut, d. h. die Licht­ wege des Interferrometers werden durch Monomode-Lichtleit­ fasern (single mode optical fibers) gebildet und der Lichtkoppler ist ein faseroptischer Koppler.

Das von einem Halbleiter-Lichtsender 10, vorzugsweise ei­ ner Superlumineszenzdiode, abgestrahlte Meßlicht, welches eine kurze Kohärenzlänge (und zugleich entsprechend große spektrale Bandbreite) hat, wird in einen Eingang des op­ tischen Kopplers 7 eingekoppelt. Über den Probenarm 4 wird das Meßlicht zu insgesamt mit 11 bezeichneten Ein­ strahlungsmitteln geleitet. Die Einstrahlungsmittel 11 umfassen einen Meßkopf 13 und eine Lichtöffnung 12, durch die das Meßlicht in die Probe 14 eingestrahlt wird. Die Grenzfläche, durch die das Licht in die Probe eindringt, ist mit 15 bezeichnet.

In dem wichtigsten Anwendungsfall ist die Probe menschli­ ches Hautgewebe, insbesondere an der Fingerbeere, der Oberbauchdecke, der Lippe, der Zunge, dem inneren Oberarm oder es ist das Gewebe der Skleren, wobei die Gewebeober­ fläche die Grenzfläche 15 bildet. Soweit die biologische Probe eine Flüssigkeit (insbesondere Blut) ist, die sich in einem optisch transparenten Gefäß (Küvette) befindet, ist als Grenzfläche der biologischen Probe die Grenzflä­ che zwischen der Flüssigkeit und der inneren von der Flüssigkeit benetzten Gefäßwand anzusehen. Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf Hautgewebe als Probe Bezug genommen.

Das in die Probe auf einem Probenlichtweg 16 eindringende Meßlicht wird von einem symbolisch dargestellten Streu­ zentrum 17 in Richtung auf den Meßkopf 13 reflektiert. Das dabei in die Lichtöffnung 12 des Meßkopfes 13 ein­ fallende Licht gelangt über den Probenarm 4 zurück zu dem Lichtkoppler 7.

Auf der Ausgangsseite des Lichtkopplers 7 ist auch der Referenzarm 5 angeschlossen, durch den ein Anteil der von der Lichtquelle 10 in den Lichtkoppler 7 eingestrahlten Lichtenergie einer insgesamt mit 19 bezeichneten Reflek­ toranordnung zugeführt wird. Sie enthält einen in der op­ tischen Achse beweglichen Reflektor 20 (Spiegel), der das auftreffende Licht in die entgegengesetzte Raumrichtung zurückreflektiert. Der Reflektor 20 ist in Richtung der optischen Achse beweglich, wobei im dargestellten Bei­ spielsfall als Bewegungseinrichtung 21 ein Linearantrieb dient.

Das von der Probe 14 und dem Reflektor 20 reflektierte Licht wird in dem Lichtkoppler 7 zusammengeführt und ge­ langt über den Detektorarm 6 zu einem Lichtempfänger 23. Durch die gleichzeitige Anwesenheit des Meßlichtes und des Referenzlichtes im gleichen Raumelement ist (z. B. an der Detektoroberfläche) die räumliche Kohärenzbedingung erfüllt. Interferenz tritt ein, wenn die beiden in dem Detektorarm 7 transportierten Lichtanteile auch zeitlich kohärent sind.

Der primärseitige Meßlichtweg 22, auf dem das Meßlicht in die Probe 14 eingestrahlt wird, besteht bei der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 1 also aus dem Lichtsenderarm 3 und dem Probenarm 4, während der sekundärseitige Meßlichtweg aus dem Probenarm 4 und dem Detektorarm 6 besteht. Der insgesamt mit 26 bezeichnete Referenzlichtweg wird von dem Lichtsenderarm 3, dem Referenzarm 5 und dem Detek­ torarm 6 gebildet. Bei der dargestellten Ausführungsform stimmt also der primärseitige Meßlichtweg 22 und der se­ kundärseitige Meßlichtweg 24 teilweise (nämlich zwischen dem optischen Koppler 7 und der Grenzfläche 15) überein, so daß beide Lichtwege durch die gleichen optischen Bau­ elemente verlaufen.

Voraussetzung für eine meßtechnische Nutzung der Interfe­ renz im Sinne der vorliegenden Erfindung ist, daß der von dem primärseitigen Meßlichtweg 22, dem Probenlichtweg 16 und dem sekundärseitigen Meßlichtweg 24 gebildete Gesamt­ meßlichtweg und der Referenzlichtweg 26 jeweils eine de­ finierte Länge haben. Für den bevorzugten Fall, daß der Lichtsender 10 eine kurze Kohärenzlänge (von vorzugsweise weniger als 50 µm, besonders bevorzugt weniger als 10 µm) hat, ist darüberhinaus Voraussetzung für Interferenz, daß die optischen Lichtweglängen des Gesamtmeßlichtweges und des Referenzlichtweges gleich groß sind. Andernfalls ist die erforderliche zeitliche Kohärenz der Lichtanteile nicht gegeben. In der dargestellten Ausführungsform be­ deutet dies, daß der optische Lichtweg von dem optischen Koppler 7 durch den Probenarm 4 bis zu dem reflektieren­ den Streuzentrum 17 einerseits und von dem optischen Koppler 7 durch den Referenzarm 5 bis zu dem Reflektor 20 andererseits gleich groß sein müssen. Nur wenn diese Be­ dingung innerhalb von durch die Kohärenzlänge des Licht­ senders 10 definierten Grenzen gegeben ist, kann der Lichtsender 23 ein Interferenzsignal messen.

Zur selektiven Erfassung des Interferenzsignals ist im dargestellten Beispiel ein PZT 27 vorgesehen, durch den einer der nur von dem Meßlicht oder nur von dem Referenz­ licht durchlaufenen Teil-Lichtwege, im dargestellten Fall der Probenarmarm 4, in seiner optischen Lichtweglänge mo­ duliert wird. Der PZT 27, der Lichtsender 10 und der Be­ wegungsantrieb 21 des Reflektors 20 werden von einer Steuer- und Meßelektronik 29 angesteuert, an der auch das Ausgangssignal des Lichtempfängers 23 anliegt. Durch die Meßschaltung der Steuer- und Meßelektronik 29 wird schmalbandig selektiv nur derjenige Anteil des elektri­ schen Ausgangssignals des Lichtempfängers 23 erfaßt, der der Modulationsfrequenz des PZT entspricht. Elektronische Meßverfahren, die dies ermöglichen, wie beispielsweise das Lock-in-Verfahren, sind bekannt und müssen hier nicht näher erläutert werden.

Wie erwähnt, sind interferrometrische Meßverfahren und insbesondere das Verfahren der Kurzkohärenz-Reflexions-Inter­ ferrometrie (SCRI) für andere Anwendungszwecke be­ kannt. Dabei werden zahlreiche Variationen und besondere meßtechnische Maßnahmen verwendet, wie sie beispielsweise in den oben erwähnten Literaturstellen beschrieben wer­ den. Diese können auf Basis der hier gegebenen Informa­ tionen auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung Verwen­ dung finden. Nachfolgend werden lediglich beispielhaft einige Möglichkeiten von alternativen und besonderen Maß­ nahmen erörtert.

Der geometrische Querschnitt der Monomode-Lichtleitfasern ist so klein, daß sie Lichtwege mit definierter Licht­ weglänge bilden, d. h. unterschiedliche Lichtwege durch unterschiedliche Reflexionen an den Faserwänden vermieden werden. Es ist gebräuchlich und auch im Rahmen der Erfin­ dung vorteilhaft, den dünnen Lichtstrahl vor dem Auftref­ fen auf die Probe 14 bzw. den Reflexionsspiegel 20 aufzu­ weiten. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind hierfür lediglich symbolisch angedeutete optische Elemente 13a, 19a in dem Meßkopf 13 bzw. der Reflektoran­ ordnung 19 vorgesehen. Die Einstrahlung und die Detektion an der Grenzfläche 15 der Probe 14 erfolgt jeweils in ei­ nem definierten Flächenbereich. Dessen Größe muß unter Berücksichtigung der Signalintensität und der Schärfe der Tiefeninformation optimiert werden. Die Signalintensität spricht eher für einen größeren Durchtrittsbereich des Lichts, während die Schärfe der Kohärenz mit zunehmender Größe des beobachteten Bereiches abnimmt. Vorzugsweise liegt der Durchmesser des Flächenpunktes, durch den das Meßlicht in die Probe 14 eintritt und innerhalb dessen aus der Probe austretendes Licht von der Meßanordnung er­ faßt wird, zwischen etwa 0,1 mm und 1 mm.

Statt der dargestellten faseroptischen Anordnung kann grundsätzlich auch eine Freistrahloptik verwendet werden, wobei der optische Koppler als Strahlteiler realisiert ist. Die Faseroptik ermöglicht jedoch eine besonders kom­ pakte und kostengünstige Konstruktion.

Die Modulationstechnik kann in mehrerlei Weise variiert werden. Insbesondere kann der Reflektor 20 selbst zur Mo­ dulation verwendet werden, wenn er in oszillierende Schwingungen entsprechend der Modulationsfrequenz ver­ setzt wird. Dies erfordert jedoch eine verhältnismäßig schnelle mechanische Bewegung.

Es besteht auch die Möglichkeit, mit mehreren unter­ schiedlichen Lichtsendern zu arbeiten, die unterschiedli­ che Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche haben. Das Licht unterschiedlicher Lichtquellen kann durch zusätzli­ che Lichtkoppler in den Meßlichtweg eingekoppelt werden.

Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Relation der Lichtweglänge des Gesamt-Meßlichtweges einerseits und des Referenzlichtweges andererseits durch die axiale Ver­ schiebung des Reflektors 20 in der optischen Achse des Referenzlichtstrahls realisiert, während sich die Probe 14 in einer definierten und konstanten Position relativ zu der Austrittsöffnung 12 des Meßkopfes 13 befindet. Es ist grundsätzlich auch möglich, wenn auch konstruktiv aufwendiger, statt der Länge des Referenzlichtweges 26 die Länge der Meßlichtwege 22, 24 zu variieren, wobei bei­ spielsweise der Meßkopf 13 relativ zu einer in einer de­ finierten Position befindlichen Probe 14 verschoben wer­ den kann.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer für die Er­ findung geeigneten Meßapparatur. In einer praktischen Re­ alisierung werden sämtliche dargestellten Bauelemente mit Ausnahme der Steuer- und Meßelektronik 29 in einem einzi­ gen kompakten Meßmodul integriert, der an einer definier­ ten Stelle mit gleichmäßigem Druck an die Hautoberfläche angedrückt werden kann. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Temperatur an der jeweiligen Meßstelle konstant zu halten oder sie zu messen und bei der Ermittlung der Glu­ cosekonzentration zu berücksichtigen.

Mit dem dargestellten Kurzkohärenz-Reflexionsinterferrome­ ter ist es möglich, gezielt Interferenzsignale zu messen, die aus einer definierten Tiefe der Probe 14 reflektiert werden. Wie erwähnt, ist Voraussetzung für das Auftreten eines Interferenzsignals am Empfänger 23, daß der Licht­ weg in dem Probenarm 5 und der Lichtweg in dem Refe­ renzarm 4 einschließlich des Probenlichtwegs 16 überein­ stimmen (maximal um den Betrag der Kohärenzlänge vonein­ ander abweichen). Um eine Tiefenabtastung (depth scan) zu ermöglichen, wird das Interferrometer so aufgebaut, daß die kürzeste im Betrieb eingestellte optische Weglänge des Referenzarmes 5 etwas kürzer als die optische Weglänge des Probenarms 4 (von dem Lichtkoppler 7 bis zu der Grenzfläche 15) ist. Wird ausgehend von dieser Posi­ tion der Referenzarm durch Bewegung des Reflektors 20 (in Fig. 1 von links nach rechts) verlängert, so tritt durch die an der Grenzfläche 15 stattfindende Fresnel-Reflexion ein starker Signalpeak auf, wenn die genannten optischen Weglängen übereinstimmen. Bei weiterer Verlängerung des Referenzarmes 5 verschiebt sich der Reflexionspunkt in der Probe 14, d. h. der Probenweg 16 nimmt zu, wobei die optische Weglänge des Probenweges 16 der Differenz zwi­ schen den optischen Weglängen des Referenzarms 5 und des Probenarms 4 entspricht.

Ein Interferenzsignal tritt an dem Empfänger 23 dabei nur auf, wenn sich in der entsprechenden Tiefe der Probe 14 ein reflektierendes Streuzentrum 17 befindet. In biologi­ schen Proben ist die Dichte von streuenden Strukturen so hoch, daß für nahezu jede Einstellung der Tiefenabtastung Licht reflektiert wird. Selbstverständlich führt die hohe Dichte der Streuzentren und die Gegenwart absorbierender Substanzen in der biologischen Probe 14 dazu, daß der bei weitem größte Anteil des eingestrahlten Lichtes absor­ biert wird oder durch Streuung an irgendwelchen auf dem Lichtweg liegenden Streuzentren bzw. durch Mehrfachstreu­ ung verlorengeht. Die Kurzkohärenz-Reflexionsinterferrome­ trie erlaubt es jedoch, selektiv nur solche Photonen zu erfassen, die ungestreut zu dem reflektierenden Streuzen­ trum 17 und von diesem zurück an die Grenzfläche 15 ge­ langen. Alle anderen Lichtanteile erfüllen nicht die Ko­ härenzbedingung und werden deswegen nicht als Interfe­ renzsignal detektiert.

Die analytische Konzentration von Glucose in der Probe läßt sich mit der in Fig. 1 dargestellten Meßapparatur mit den drei bereits grundsätzlich erläuterten Verfahren wie folgt bestimmen.

Zur Bestimmung einer dem Brechungsindex entsprechenden Meßgröße mit einer Reflexionsanordnung gemäß Fig. 1 wird vorteilhaft die variable Tiefenabtastung verwendet. Der Betrag der Variation der optischen Weglänge des Referenz­ lichtweges in Relation zu der optischen Weglänge des Meß­ lichtweges sollte dabei größer sein als die mittlere freie Weglänge des Lichtes in der Probe. Vorzugsweise be­ trägt er ein Vielfaches dieser Weglänge (beispielsweise ein oder zwei Millimeter), so daß sich der Reflexions­ punkt während der Tiefenabtastung über eine Vielzahl von Streuzentren verschiebt. Das dabei gemessene Interferenz­ signal zeigt eine charakteristische Struktur in Abhängig­ keit von der Abtasttiefe. Diese Struktur des Interferenz­ signals dokumentiert die optische Weglänge zwischen den die Struktur erzeugenden Streuzentren. Demzufolge wird der Abstand zwischen Strukturmerkmalen (beispielsweise Peaks) des Interferenzsignals von einer Änderung des Bre­ chungsindex infolge der Änderung der Glucosekonzentration beeinflußt. Beispielsweise ist also der Abstand zwischen zwei bestimmten Peaks in der erwähnten Interferenzsignal-Struktur (Abhängigkeit der Intensität von der Abtast­ tiefe) ein Maß für die Glucosekonzentration. Dieser Ab­ stand läßt sich aus der Interferenzsignal-Struktur be­ stimmen, wobei in der Praxis vorzugsweise nicht ein bestimmter Abstand zwischen zwei bestimmten Peaks verwen­ det wird, sondern die gesamte Strukturinformation mit ge­ eigneten numerischen Verfahren ausgewertet wird.

Die Tiefenabtastung erfolgt vorzugsweise oszillierend, wobei die Verstellkurve des Reflektors beispielsweise dreiecksförmig, sägezahnförmig oder sinusförmig sein kann. Dabei werden die Daten über eine Vielzahl von Os­ zillationen gesammelt, um das Signal-/Rauschverhältnis zu verbessern.

Bevorzugt werden dabei Messungen mit mehreren verschie­ denen Wellenlängen des Meßlichts verwendet. Da der Bre­ chungsindex von der Wellenlänge abhängt, können durch die Messung bei mehreren Wellenlängen zusätzliche Informatio­ nen gewonnen werden. In einem einfachen Beispiel können zur Erhöhung der Meßgenauigkeit zwei Wellenlängen verwen­ det werden, von denen eine eine starke Abhängigkeit des Brechungsindex von der Glucosekonzentration und die an­ dere eine möglichst geringe Abhängigkeit des Brechungsin­ dex von der Glucosekonzentration hat.

Die Größe der Änderung des optischen Weges, die durch die Änderung der Glucosekonzentration im physiologischen Be­ reich verursacht wird, läßt sich wie folgt abschätzen. Eine Änderung der Glucosekonzentration um 1 mM entspricht einer Brechungsindexänderung von etwa 0,002%. Bei einer Gesamtlänge des Probenlichtweges 16 von etwa 2 mm (Eindringtiefe in die Probe 1 mm) wird der optische Weg um ca. 40 nm verschoben. Bei einer Wellenlänge des Meß­ lichts von 800 nm entspricht dies einer Phasenverschie­ bung um ca. 18°. Diese Änderung läßt sich meßtechnisch so gut bestimmen, daß eine für die Zwecke der Überwachung des Glucosespiegels von Diabetikern ausreichende Meß­ genauigkeit erzielt wird.

Um bei dem zweiten Verfahren zu Ermittlung der Glucose­ konzentration aus dem Interferenzsignal eine Meßgröße zu gewinnen, die dem Streuquerschnitt streuender Teilchen in der biologischen Probe entspricht, wird die Intensität des Interferenzsignals I für unterschiedliche Längen des Probenlichtweges 16, also für unterschiedliche Eindring­ tiefen x bestimmt. Zu diesem Zweck wird die Länge des Re­ ferenzlichtweges 26 durch axiale Verschiebung des Reflek­ tors 20 auf unterschiedliche Werte eingestellt. In der Praxis geschieht dies zweckmäßigerweise auch in diesem Falle oszillierend. Bei unterschiedlichen Einstellungen des Reflektors 20 werden automatisch Meßvorgänge ausge­ löst, um die Abhängigkeit I(x) der Intensität I von der Eindringtiefe x in einem gewünschten Eindringtiefen-Be­ reich zu bestimmen. Im Hinblick auf die Meßgenauigkeit soll die Funktion I(x) über einen möglichst großen Be­ reich der Eindringtiefe x gemessen werden. Praktisch sind mit vertretbaren Intensitäten nach dem gegenwärtigen Stand der experimentellen Erprobung Eindringtiefen von etwa 2 mm möglich. Je größer der abgetastete Eindringtie­ fenbereich ist, desto größer wird die abgetastete geome­ trische Länge und damit die Genauigkeit der Messung. In manchen Anwendungsfällen kann es jedoch auch wünschens­ wert sein, nur einen kleinen Tiefenbereich zu erfassen, um in einer bestimmten Tiefe unter der Hautoberfläche die Glucosekonzentration bestimmen zu können.

Die Korrelation des Streuquerschnitts mit der Glucosekon­ zentration kann dadurch erklärt werden, daß der Streu­ querschnitt in dem heterogenen System des Gewebes von der Relation der Brechungsindices der Streuzentren zu dem Brechungsindex der Gewebsflüssigkeit abhängig ist. Wenn sich der letztgenannte Brechungsindex infolge einer Ände­ rung der Glucosekonzentration ändert, so ändert sich auch der Streuquerschnitt.

Bei dem vorstehend beschriebenen Meßverfahren kann die Berechnung der Glucosekonzentration aus der gemessenen Meßgröße I(x) über die explizite Berechnung des Streu­ querschnittes erfolgen, wie dies in der oben zitierten Publikation von Schmitt et al. beschrieben ist. Für die Praxis ist es jedoch vorzuziehen, ein numerisches Korre­ lationsverfahren anzuwenden, bei dem die Gesamtheit der gewonnenen Meßdaten durch Kalibration mit den (aus kon­ ventionellen Messungen bekannten) Glucosekonzentrationen korreliert wird. Gebräuchlich ist zu diesem Zweck bei­ spielsweise das partial least square (PLS) Verfahren.

Um bei der dritten Verfahrensweise zur Ermittlung der Glucosekonzentration die spektrale Abhängigkeit des In­ terferenzsignals zu ermitteln, ist eine Information über die Abhängigkeit des Interferenzsignals I von der Ein­ dringtiefe x nicht unbedingt erforderlich. Mit anderen Worten kann (ebenso wie bei der Glucosebestimmung über den Brechungsindex) mit einer konstanten Einstellung der Lichtweglänge des Referenzlichtweges 26 gearbeitet wer­ den. Es kann jedoch auch hier vorteilhaft sein, zusätzli­ che Informationen durch die Wiederholung der Messung mit unterschiedlichen Lichtweglängen des Referenzlichtweges und demzufolge unterschiedlichen Längen des Probenlicht­ weges 16 zu gewinnen.

Bei dieser Verfahrensweise basiert, wie bereits erläu­ tert, die eigentliche Analyse auf den bekannten spektro­ skopischen Prinzipien. So kann beispielsweise, wie bei der Zwei-Wellenlängen-Spektroskopie, mit zwei unter­ schiedlichen Wellenlängen des Meßlichts gearbeitet wer­ den, wobei eine Meßwellenlänge L₁ in einem Wellenlängen­ bereich gewählt ist, in dem eine starke Abhängigkeit der Absorption von der Glucosekonzentration besteht, während bei einer zweiten Wellenlänge L₂, die als Referenzwellen­ länge bezeichnet wird, eine möglichst geringe Abhängig­ keit der Absorption von der Glucosekonzentration besteht.

Dadurch, daß das Interferenzsignal eines SCRI-Verfahrens zur Grundlage der spektralanalytischen Untersuchung ge­ macht wird, wird eine wichtige Fehlerquelle der bisheri­ gen Verfahren vermieden, nämlich die Unsicherheit hin­ sichtlich des Lichtweges bzw. die Tatsache, daß bei un­ terschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Lichtwege in der Probe berücksichtigt werden müssen. Bei der Spek­ troskopie ist es dagegen gewünscht, daß die Länge, die das Licht in der Probe zurückgelegt hat, konstant oder zumindest reproduzierbar ist. Dies wird bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren gewährleistet, weil die jeweilige "Küvettenlänge", also der Probenlichtweg, den das Licht in der Probe zurücklegt, durch die Einstellung der Licht­ weglänge des Referenzlichtweges definiert ist.

Fig. 2 zeigt ein Transmissions-Interferrometer, bei dem das Licht nicht von der Probe 14 reflektiert wird, son­ dern diese durchdringt. Eine solche Anordnung ist zur Un­ tersuchung dünner Schichten biologischer Flüssigkeiten oder auch zur in-vivo-Bestimmung der Glucose an entspre­ chend dünnen Hautfalten (zwischen den Fingern oder am Ohrläppchen) anwendbar. Von einem Lichtsender 10 wird Meßlicht einem ersten Lichtkoppler 32 zugeleitet, der die Lichtenergie in zwei Anteile aufspaltet, von dem ein er­ ster Anteil der Probe 14 und ein zweiter Anteil einer Re­ ferenzanordnung 33 mit definierter, vorzugsweise ein­ stellbarer Lichtweglänge zugeführt wird.

Das aus der Probe 14 austretende Meßlicht wird über einen zweiten Lichtkoppler 34 einem Detektor 23 zugeführt. An dem Lichtkoppler 34 erfolgt die Zusammenführung des Meß­ lichtes mit dem von der Referenzanordnung 33 kommenden Referenzlicht.

Der Weg des Meßlichtes von dem Lichtsender 10 über den ersten Lichtkoppler 32 bis zu der vorderen Grenzfläche 35 der Probe 14, durch die das Meßlicht in diese eindringt, wird als primärseitiger Meßlichtweg 37 bezeichnet. Der Weg des Lichts von der hinteren Grenzfläche 38, durch die das Licht, nachdem es in der Probe 14 den Probenlichtweg 16 zurückgelegt hat, aus der Probe 14 austritt, und dem Lichtempfänger 23 ist der sekundärseitige Meßlichtweg 39. Der Weg des Lichts von dem Lichtsender 10 über den ersten Lichtkoppler 32 und die Referenzanordnung 33 sowie den zweiten Lichtkoppler 34 bis zu dem Lichtempfänger 23 bil­ det einen Referenzlichtweg 40. Die Länge des Referenz­ lichtweges 34 ist veränderbar, wobei die Einstellbarkeit beispielsweise, wie in der Figur angedeutet, durch zwei Spiegel 41, 42 und ein in Strahlrichtung 43 verschiebbares Prisma 44 realisiert sein kann. Ebenso wie bei Fig. 1 ist zur Modulation ein PZT 27 in einen der Lichtwege, im dargestellten Fall in den primärseitigen Meßlichtweg 37, vorgesehen. Optische Elemente 46, 47 dienen zur Aufweitung des Strahls vor der Probe 14 und zur Einkopplung des se­ kundärseitigen Meßlichtes in den Faser-Lichtleiter, der den größten Teil des sekundärseitigen Meßlichtweges 39 bildet.

Bei einer Transmissionsanordnung gemäß Fig. 2 liegt die geometrische Lichtweglänge des Probenlichtweges 16 in der Probe fest. Eine Veränderung des Brechungsindex in der Probe 14 führt zu einer Änderung der optischen Licht­ weglänge. Diese läßt sich mit der dargestellten Anordnung unmittelbar messen. Verwendet man eine Lichtquelle 10 mit kurzkohärentem Licht und hat bei einer ersten Glucosekon­ zentration die Länge des Referenzlichtweges 40 so einge­ stellt, daß am Detektor 23 ein Interferenzsignal gemessen wird, so hat der Gesamtmeßlichtweg, der aus dem primär­ seitigen Meßlichtweg 37, dem Probenlichtweg 16 und dem sekundärseitigen Meßlichtweg 39 besteht, die gleiche op­ tische Lichtweglänge wie der Referenzlichtweg 40. Wenn sich danach die Glucosekonzentration und damit die opti­ sche Lichtweglänge des Probenlichtweges 16 ändert, ist zur Aufrechterhaltung des Interferenzsignales eine Ände­ rung der Längeneinstellung des Referenzlichtweges erfor­ derlich, die ein unmittelbares Maß für die Glucosekonzen­ tration ist.

Bei Verwendung eines Lichtsenders 10 mit großer Kohärenz­ länge, wie beispielsweise eines Lasers, ist die Messung der Änderung der optischen Lichtweglänge des Probenlicht­ weges 16 über eine Messung der Phasenverschiebung zwi­ schen dem dem PZT 27 zugeführten Modulationssignal und der entsprechenden Modulation des Interferenzsignals ebenfalls möglich.

Schließlich kann aus dem Interferenzsignal bei einer An­ ordnung gemäß Fig. 2 wiederum die Glucosekonzentration durch Untersuchung von dessen spektraler Abhängigkeit er­ mittelt werden. Sowohl bei der Anordnung nach Fig. 1, als auch bei der Anordnung nach Fig. 2 wird dabei vorzugs­ weise nicht eine spektrale Aufteilung des Primärlichtes, beispielsweise durch Einkopplung des Lichtes mehrerer un­ terschiedlicher Leuchtdioden bestimmt. Vielmehr wird nur eine Lichtquelle 10 mit einem breitbandigen Spektrum ein­ gesetzt, deren spektrale Breite den gesamten gewünschten Wellenlängenbereich abdeckt. Die Lichtweglänge des Refe­ renzlichtweges 26 bzw. 40 wird (durch Bewegung der Ele­ mente 20 bzw. 43) oszillierend verändert und aus den dabei gemessenen Interferenzmustern wird die spektrale Abhängigkeit mit dem bekannten Verfahren der Fourier- Transform-Spektrometrie rechnerisch ermittelt.

Claims (24)

1. Verfahren zur analytischen Bestimmung der Konzentra­ tion von Glucose in einer biologischen Probe, bei welchem
in einem Detektionsschritt Meßlicht von einem Licht­ sender auf einem primärseitigen Meßlichtweg in die Probe eingestrahlt wird, das Meßlicht auf einem Pro­ benlichtweg innerhalb der Probe verläuft und aus der Probe austretendes Licht auf einem sekundärseitigen Meßlichtweg zu einem Lichtempfänger geleitet und von diesem detektiert wird, um eine durch die Wechselwir­ kung mit der biologischen Probe veränderliche meßbare physikalische Eigenschaft des Lichtes zu bestimmen, die mit der Konzentration von Glucose in der biologi­ schen Matrix korreliert, und
in einem Auswerteschritt die Glucosekonzentration auf Basis der bei mindestens einem Detektionsschritt be­ stimmten physikalischen Eigenschaft des Lichtes er­ mittelt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Teil des von dem Lichtsender abgestrahlten Lichts auf einem Referenzlichtweg mit einer definierten op­ tischen Lichtweglänge dem Lichtempfänger zugeführt wird,
der aus dem primärseitigen Meßlichtweg, dem Proben­ lichtweg und dem sekundärseitigen Meßlichtweg beste­ hende Gesamtmeßlichtweg eine definierte optische Lichtweglänge hat,
der sekundärseitige Probenlichtweg und der Referenz­ lichtweg vor dem Lichtempfänger derartig zusammenge­ führt werden, daß das Sekundärlicht und das Referenz­ licht miteinander interferieren, wobei der Lichtemp­ fänger ein Interferenzsignal mißt und
das Interferenzsignal in dem Auswerteschritt zur Er­ mittlung der Glucosekonzentration verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht in mindestens einem der Lichtwege mit einem Modulationssignal moduliert und das Interfe­ renzsignal unter Verwendung des Modulationssignals ausgewertet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht auf dem Refe­ renzlichtweg durch ein reflektierendes optisches Ele­ ment in die entgegengesetzte Raumrichtung zurückre­ flektiert wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Licht­ weglänge von mindestens einem der Lichtwege veränder­ lich ist und auf mehrere unterschiedliche Längen ein­ gestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Lichtweglänge des Referenzlichtweges veränderlich ist und auf mehrere unterschiedliche Längen eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Lichtweglänge oszil­ lierend verändert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Lichtweglänge durch Bewegung eines reflektierenden optischen Elementes verändert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender Licht mit einer kurzen Kohärenzlänge von höchstens 50 µm, be­ vorzugt höchstens 10 µm erzeugt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der primärseitige Meßlichtweg und der sekundär­ seitige Meßlichtweg in dem gleichen von einer Grenz­ fläche der Probe definierten Halbraum verlaufen, so daß von der Probe reflektiertes Licht in den sekun­ därseitigen Probenlichtweg eintritt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der primärseitige Meßlichtweg und der sekundär­ seitige Meßlichtweg zusammenfallen und ein optischer Koppler sowohl zum Aufteilen des primärseitigen Pro­ benlichtweges und des Referenzlichtweges als auch zum Zusammenführen des sekundärseitigen Probenlichtweges und des Referenzlichtweges dient.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Bestimmung einer Glucosekonzentra­ tion mehrere unterschiedliche Relationen der Licht­ weglängen des Gesamtmeßlichtweges in Relation zu dem Referenzlichtweg eingestellt werden, bei denen die optische Weglänge des Referenzlichtweges größer als die Summe der optischen Weglängen des primärseitigen Meßlichtweges und des sekundärseitigen Meßlichtweges ist, so daß das Interferenzsignal Reflexionen in un­ terschiedlichen Tiefen der Probe entspricht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Glucose aus der Abhängig­ keit des Interferenzsignals von der eingestellten Re­ lation der optischen Lichtweglängen ermittelt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge des Proben­ lichtweges zur Ermittlung der Glucosekonzentration verwendet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung einer Glucosekon­ zentration mindestens zwei unterschiedliche Meßlicht-Wellen­ längen verwendet werden und die Wellenlängenab­ hängigkeit des Interferenzsignals zur Ermittlung der Glucosekonzentration verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14 in Verbindung mit einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender ein breitbandiges Spektrum ausstrahlt und die Wellenlängenabhängigkeit mit dem Fourier- Transform-Spektroskopie-Verfahren ermittelt wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der biolo­ gischen Probe gemessen und bei der Ermittlung der Glucosekonzentration berücksichtigt wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die biologische Probe eine biologische Flüssigkeit, insbesondere Blut, ist.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die biologische Probe ein biologisches Gewebe ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das biologische Gewebe Hautgewebe, insbesondere an der Fingerbeere, der Oberbauchdecke, dem Nagel­ bett, der Lippe, der Zunge oder dem inneren Oberarm des Menschen oder das Gewebe der Skleren ist.

20. Glucosemeßgerät zur analytischen Bestimmung der Kon­ zentration von Glucose in einer biologischen Probe (14) mit einem Verfahren nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, umfassend
einen Lichtsender (10) zur Erzeugung von Meßlicht,
in einer definierten Position bezüglich der biologi­ schen Probe (14) positionierte Lichteinstrahlungsmit­ tel (11), mit einer Lichtöffnung (12), durch die das Meßlicht durch eine Grenzfläche (15, 35) der Probe (14) in die biologische Probe (14) eingestrahlt wird,
einen primärseitigen Meßlichtweg (22, 37), der den Lichtsender (10) und die Grenzfläche (15, 35) verbin­ det,
in einer definierten Position bezüglich der biologi­ schen Probe positionierbare Lichtaufnahmemittel für nach Wechselwirkung mit der Probe (14) an einer Grenzfläche (15, 38) aus dieser austretendes Meßlicht und
einen sekundärseitigen Meßlichtweg (24, 39), der die Grenzfläche (15, 38), an der das Meßlicht aus der Probe (14) austritt, mit einem Lichtempfänger verbin­ det,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Lichtsender (10) und der Lichtempfänger (23) über einen Referenzlichtweg (26, 40), der eine definierte optische Weglänge hat, miteinander verbunden sind, und
in dem sekundärseitigen Meßlichtweg ein optischer Koppler (7) angeordnet ist, durch den der sekundär­ seitige Meßlichtweg (24, 39) und der Referenzlichtweg (26, 40) so zusammengeführt werden, daß sie an der gleichen Stelle auf den Lichtempfänger auftreffen und ein Interferenzsignal erzeugen.

21. Glucosemeßgerät nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Licht auf mindestens einem Teil der Lichtwege (22, 24, 37, 39; 26, 40) in Monomode-Lichtleit­ fasern (9) geführt wird.

22. Glucosemeßgerät nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (10) ein Dioden-Lichtsender, insbesondere eine Superlumines­ zenzdiode ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, da­ durch gekennzeichnet, daß der primärseitige Meßlicht­ weg (22) und der sekundärseitige Meßlichtweg (24) teilweise übereinstimmen und durch dieselben opti­ schen Bauelemente verlaufen.

24. Glucosemeßgerät nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzlichtweg (26, 40) zur Einstellung seiner Lichtweglänge ein in der optischen Achse verschiebbares reflektierendes optisches Element (20, 44) aufweist.