DE60113105T2

DE60113105T2 - Vorrichtung zur messung der konzentration von glukose oder anderer substanzen in blut

Info

Publication number: DE60113105T2
Application number: DE60113105T
Authority: DE
Inventors: Ilya Fine; Boris Fikhte; Mark Vinokur
Original assignee: Orsense Ltd
Current assignee: Orsense Ltd
Priority date: 2000-06-11
Filing date: 2001-06-11
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: US20030137650A1; US6804002B2; EP1609411A1; AU2001274451A1; IL136673A0; ATE303095T1; EP1292216B1; EP1292216A2; DE60113105D1; WO2001096872A3; WO2001096872A2

Description

Diese Erfindung liegt auf dem Gebiet optischer Erfassungsverfahren und betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen der Glucosekonzentration oder anderer Substanzen im Blut, wie beispielsweise Cholesterin, Albumin, etc.. Die vorliegende Erfindung ist sowohl für in vitro als auch in vivo Erfassungen nützlich.
Optische Verfahren zum Bestimmen der chemischen Zusammensetzung von Blut sind bekannt und basieren gewöhnlich auf spektrophotometrischen Erfassungen, die die Gegenwart verschiedener Blutbestandteile, basierend auf den bekannten Spektralverhalten dieser Bestandteile, anzeigen können. Diese spektrophotometrischen Erfassungen können entweder in vitro oder in vivo ausgeführt werden. Die Erfassungen in vitro sind invasiv, d.h. erfordern, dass eine Blutprobe aus dem Körper entnommen und untersucht wird. Gegenwärtig werden diese Erfassungen aufgrund der steigenden Infektionsgefahr unpopulär.
Das einzige anerkannte nicht-invasive optische Erfassungsverfahren zum Erfassen von Blutparametern ist die Puls-Oxymetrie. Die Puls-Oxymetrie ist jedoch einzig für die Bestimmung einer Sauerstoffsättigung im Blut geeignet. Die Bestimmung ist für andere Blutparameter zu unsicher, da deren Spektralabsorptionsverhalten in den roten-NIR-Bereichen nicht so zuverlässig ist wie für oxygeniertes und nicht-oxygeniertes Hämoglobin. Folglich müssen an Diabetes leidende Patienten, die ihre Erkrankung insbesondere nach dem Spazierengehen, Essen oder Training durch Überwachen ihrer Blutglucosewerte kontrollieren, immer noch eine kleine Blutprobe aus ihrer Fingerspitze entnehmen, auf Überwachungsstreifen aufbringen und verwenden und eine kleine Maschine verwenden.
Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt, die darauf abzielen die Erfassung der Glucosekonzentration im Blut eines Patienten zu erleichtern. Diese Verfahren werden beispielsweise in den folgenden Veröffentlichungen offenbart:

– "Blood Analysis: Noninvasive Methods Hover on Horizon", K. Robinson, Biophotonics International, May/June 1998;
– "Glucose- and Blood-Monitoring Systems Vie for Top Spot", Susan M. Reiss, Biophotonics International, May/June 1997;
– "Optical Glucose Sensing in Biological Fluids: and Overview" Roger J. McNichols, Gerard Cote, Journal of Biomedical Optics Vol. 5 No. 1 January 2000, pp. 5–16; und
– US-P-5,209,231; 5,398,681; 5,448,992; 5,687,721; 5,692,504; 5,551,422; 5,676,143; 5,533,509;5,687,721; 4,901,728.

Die meisten der vorstehend erwähnten Verfahren basieren auf dem bekannten Phänomen, welches darin besteht, dass Glucose als ein optisch aktives Medium polarisiertes Licht dreht und je höher die Glucosekonzentration desto größer die Drehung.
Gemäß aller Verfahren des Standes der Technik werden Erfassungen auf eine Blutfluss enthaltendes Medium während des Zustands eines normalen Blutflusses angewendet und die erfassten Signale sind Puls bzw. Pulsations-bezogene Signale.
Ein unterschiedliches Verfahren zum Erfassen verschiedener Blut-bezogener Parameter wurde entwickelt und in der WO 99/65384 offenbart, die dem Inhaber der vorliegenden Anmeldung übertragen ist. Dieses Verfahren nutzt den so genannten Okklusions-Löse-Modus bei dem ein über-systolischer Druck auf ein von Patientenblut durchströmtes fleischliches Medium aufgebracht wird, um so den Zustand eines Blutflussstillstands an der Erfassungsstelle zu erzeugen. Optische Erfassungen werden während einer Zeitdauer, einschließlich der Stillstandszeit, angewendet, während welcher der Zustand eines Blutflussstillstands aufrecht erhalten wird, wobei Zeitabhängigkeiten von "nicht-pulsierenden" Lichtantworten des Mediums werden für mindestens zwei Wellenlängen einfallender Strahlung bestimmt. Dieses Verfahren kann das Lichtantwortsignal verglichen mit dem mit der Puls-Oxymetrie erhaltenen beträchtlich erhöhen. Die EP-A-0030610 offenbart ein System zur polarimetrischen Bestimmung der Konzentration von Substanzen in Patientenblut.
Der grundlegende Gedanke der vorliegenden Erfindung ist wie in den beigefügten Ansprüchen festgelegt. Er beruht auf einem Erfassen der Zeitvariationen von Lichtantworten eines Blut enthaltenden Mediums, das unterschiedlichen Polarisationszuständen detektierten Lichts entspricht. Allgemein gesprochen, basiert die vorliegende Erfindung auf einem Erstellen der Korrelation zwischen den Änderungskinetiken der Eigenschaften des Bluts, das streuungsbeeinflussende oder optisch aktive Substanzen (hauptsächlich Glucose) beinhaltet, und den Änderungskinetiken im Polarisationszustand einer linear polarisierten Strahlung, die durch Blutgefäße und Kapillaren enthaltendes Gewebe gestreut wird.
Somit ist das erfindungsgemäße System nützlich für optische Erfassungsverfahren zum Bestimmen der Konzentration einer Substanz in Patientenblut, wobei das Verfahren die Schritte umfasst von:

– Durchführen optischer Erfassungssitzungen innerhalb einer bestimmten Zeitdauer durch Beleuchten einer Erfassungsstelle einer Blut-enthaltenden Mediums mit einfallendem Licht von mindestens einer gewählten Wellenlänge, Detektieren bei jeder Erfassungssitzung mindestens zweier Lichtantworten des Mediums, das durch mindestens zwei unterschiedliche Polarisationszustände detektierten Lichts in jeweiliger Weise charakterisiert ist, und Erzeugen von hierfür repräsentativen Daten; und
– Erhalten von erfassten Daten in der Form von mindestens zwei Zeitvariationen der Lichtantworten des Mediums, wobei eine Relation zwischen den Zeitvariationen auf die Konzentration der Substanz im Blut schließen lässt.

Es sollte klar sein, dass der Begriff "Erfassungssitzung" mindestens zwei Erfassungen zum Ausdruck bringt, die entweder aufeinanderfolgend oder gleichzeitig ausgeführt werden, einschließlich der Beleuchtung der Erfassungsstelle mit mindestens einer Wellenlänge einfallenden Lichts beziehungsweise die Detektion von mindestens zwei Lichtantworten, die durch unterschiedliche Polarisationszustände des detektierten Lichts charakterisiert sind. Beim Ausführen von mehr als einer Erfassungssitzung werden die Zeitvariationen von Lichtantworten unterschiedlicher Polarisationszustände entweder fortlaufend oder zeitlich getrennt erhalten.
Die vorliegende Erfindung verwendet die Prinzipien des vorstehend aufgezeigten Okklusions bzw. Einschließe-Löse-Verfahrens, um während des Zustands eines Blutflussstillstands an einer Erfassungsstelle optische Erfassungen aufzubringen bzw. anzuwenden. Mit dem erfindungsgemäßen System werden jedoch Erfassungen in einer Weise ausgeführt, um mindestens zwei Lichtantworten des Mediums zu detektieren, die durch zwei unterschiedliche Polarisationszustände in jeweiliger Weise charakterisiert sind und um Zeitvariationen der Lichtantworten zu erfassen. Zu diesem Zweck wird Druck an einer Stelle auf das Blut enthaltende Medium (bspw. über-systolischer Druck, der im Fall nicht-invasiver Erfassungen auf das von Patientenblut durchströmte fleischliche Medium aufgebracht wird) aufgebracht, wobei die Erfassungsstelle an der die optischen Erfassungssitzungen angewendet werden mit Bezug auf die Blutflussrichtung stromabwärts der unter Druck gesetzten Stelle lokalisiert ist. Das Aufbringen von Druck bewirkt eine künstliche Änderung in der Geschwindigkeit des Blutes, namentlich wird der Zustand eines Blutflussstillstandes an einer Stelle stromabwärts der unter Druck gesetzten Stelle bewirkt. Die künstliche Änderung im Blut führt zu einer Aggregation von roten Blutzellen (Rouleaux Effekt) mit einer mit der Zeit variierenden Form- und Größe von Aggregaten. Ist im Zustand des Blutflussstillstands tatsächlich kein Blutfluss vorhanden, dann verhindern keine Scherkräfte den Aggregationsvorgang der Erythrozyten. Folglich kann die Lichtantwort (Übertragung bzw. Transmission oder Reflektion) des blutdurchströmten fleischlichen Mediums im Zustand des Blutflussstillstands als die Zeitabhängigkeit eines Streuens in einem System mit zunehmenden Streuern bzw. Streukörpern angesehen werden.
Glucose stellt die hauptsächliche optisch aktive Blutsubstanz dar, die die optischen Eigenschaften einer gestreuten und teilweise absorbierten Strahlung in einer komplizierten Weise beeinflusst. Glucose führt insbesondere Änderungen in das Verhältnis von Brechungsindices von Erythrozyten und umgebendem Plasma und eine spektralabhängige, optische Drehung (Rotationsdispersion) ein. Im Zustand von kinetischen Änderungen in den Aggregaten im Fall der periodischen Anwendung einer Okklusion (Okklusions-Löse-Sitzungen), führen diese Faktoren zu dynamischen Änderungen im Polarisationszustand, insbesondere des Polarisations- oder Depolaristionsgrads.
Dynamisches Mehrfachstreuen erhöht den optischen Pfad einer Strahlung, die von einer Blutprobe gestreut wird und folglich den Drehwinkel einer Polarisation einfallenden Lichts. Außerdem ist bekannt, dass der Polarisationszustand einfallenden Lichts die Lichtstreueigenschaften (über die Stokes-Parameter) beeinflusst. Somit werden die Ergebnisse der Trans missions- oder Reflektionserfassung durch den Polarisationszustand des einfallenden Lichts bestimmt. Das bedeutet, dass jede Änderung in dem relativen Brechungsindex des Streuers (d.h. rote Blutzellen im Fall von Blut) die erfasste Lichtintensität abhängig vom Polarisationszustand des einfallenden Lichts unterschiedlich beeinflussen wird. Da die Konzentration der Streuungs-beeinflussenden Substanz im Blut (bspw. eine optisch aktive Substanz wie beispielsweise Glucose) den relativen Brechungsindex beeinflusst, wird jeder Parameter unter Verwendung der Kombination von zwei oder mehr verschiedenen Polarisationserfassungen auf die Konzentration dieser Substanz empfindlich werden.
Somit kann die optisch aktive oder Streuungs-beeinflussende Substanz in einem Medium (bspw. Glucose im Blut) die optischen Eigenschaften des Mediums auf zweierlei Weise beeinflussen: (1) durch die optische Aktivität und (2) durch polarisationsabhängiges Streuen. Die optische Antwort des Systems bei dem polarisationsabhängigen Erfassungsaufbau stellt weitere Information hinsichtlich der Substanzkonzentration in dem Medium bereit.
Um im Wesentlichen mehrfach gestreute Strahlung aufzunehmen, wird ein Analysemittel bzw. eine Analyseeinrichtung einer Strahlungsaufnahmeeinheit derart angebracht, dass dessen Ebene bevorzugter Polarisation mit einem vorher festgelegten Winkel (beispielsweise orthogonal) zu der einer Polarisationseinrichtung einer Strahlungsquelle ausgerichtet ist.
Im Allgemeinen können die Erfassungen mit einer Wellenlänge einfallenden Lichts, das im sichtbaren oder nahen infraroten Spektrum liegt, jedoch mit zwei oder mehr verschiedenen Polarisationszuständen von entweder einfallender oder gesammelter Strahlung, ausgeführt werden. Um jedoch, unter Berücksichtigung der Dispersion optischer Drehung, die Genauigkeit von Erfassungen zu erhöhen, können die Erfassungen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen der Lichtantwort für zwei oder mehr Wellenlängen einfallender Strahlung wiederholt werden. Um die zufälligen Schwankungen zu verringern, werden mehrfache Erfassungssitzungen durch den Wechsel von Aggregations-Deaggregations-Zyklen (d.h. mehrfache Okklusions-Löse Sitzungen) mit der Synchronisation von Start- und Endpunkt der Erfassungen und anschließender statistischer Mittelwertbildung ausgeführt.
Durch Standardisieren der Erfassungszustände und Ausführen einer vorläufigen Kalibrierung von Blutproben mit bekannten Glucosekonzentrationen, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren das Glucoseniveau in vitro als auch in vivo bestimmt werden.
Somit besteht das Verfahren im Bestimmen der quantitativen Beziehung zwischen den kinetischen Änderungen in polarisiertem Licht (während des "Fluss-Stopp" Betriebs), das durch ein absorbierendes und streuendes Medium tritt, das eine bestimmte Konzentration einer Streuungs-beeinflussenden Substanz beinhaltet, und der Konzentration dieser Substanz. Das unter Erfassungen stehende Medium ist, wenn es sich um in vivo Erfassungen handelt, das von Patientenblut durchströmte fleischliche Medium, bspw. sein Finger, oder im Fall von in vitro Erfassungen eine Suspension von RBC in einer Küvette.
Das Verfahren besteht aus zwei Stufen: Auf der ersten Stufe wird die Korrelation zwischen der Konzentration einer Substanz (Glucose) und einem vorher festgelegten nicht-dimensionalen Parameter R erfasst. Dieser erfassbare Parameter R zeigt auf eine gewisse Art eine mathematische Relation zwischen den zwei opto-kinetischen Signalen (Okklusionskurven) an, die durch Streuen, Absorption und Polarisationsänderungen, die während des Zustands einer Blutaggregation auftreten, erzeugt werden.
Der Parameter R kann beispielsweise eine parametrische Neigung bzw. Steigung (Tangente des Winkels der Neigung) einer Kurve darstellen, die mehrfach gestreutes polarisiertes Licht repräsentiert. In der graphischen Darstellung ist dies eine geneigte Linie bei den Koordinaten (T₁ – T₂) oder (logT₁ – logT₂), worin T₁ die Lichtantwort des Mediums mit einem Polarisationszustand (bspw. linear polarisiertes Licht) und T₁ die Lichtantwort des Mediums mit einem anderen Polarisationszustand ist. Diese unterschiedlichen Lichtantworten können beispielsweise durch Beleuchten des Mediums mit einfallendem Licht der gleichen Wellenlänge, jedoch unterschiedlichen Polarisationszuständen erhalten werden. Da diese Kurve die kinetischen Kurven anzeigt, die die vollständige Dämpfung des polarisierten beziehungsweise nicht-polarisierten Licht widerspiegeln, stellt sie tatsächlich eine Kurve des mehrfach gestreuten polarisierten Lichts dar.
Ein anderes mögliches Beispiel eines derartigen Parameters R kann der Grad einer Depolarisierung des gesammelten Lichts sein, welches die Funktion der Zeit ist, und kann wie folgt berechnet werden: (T₁ – T₂)/(T₁ + T₂). Diese Funktion ist für verschiedene Wellenlängen einfallenden Lichts unterschiedlich.
Der erfassbare Parameter R (bspw. parametrische Neigung der Kurve T₁(T₂) oder der Grad einer Depolarisierung) zeigt bei Erfassungen die Glucosekonzentration im Blut an. Um die Glucosekonzentration C_gl zu bestimmen werden Referenzdaten in der Form einer Kalibrierungskurve R(C_gl) im Voraus erhalten. Die Kalibrierungskurve kann für verschiedene Erfassungsvorrichtungen unterschiedlich sein. Somit wird auf der zweiten Stufe die Glucosekonzentration unter Verwendung der Kalibrierungskurve bestimmt.
Die Kalibrierungskurve kann durch Aufbringen bzw. Anwenden der Erfassungen mit dem erfindungsgemäßen System auf Blutproben (oder mehrere Patienten) mit der bekannten Glucosekonzentration erhalten werden. Die Kalibrierungskurve kann mit Bezug auf den gleichen Patienten graphisch dargestellt werden, wobei in seinem Blut Änderungen der Glucosekonzentration bewirkt werden, und durch Anwenden des Verfahrens der entsprechende Wert des Parameters R bestimmt wird.
Somit wird mit dem erfindungsgemäßen System ein Verfahren optischer Erfassungen zum Bestimmen der Konzentration einer Substanz in einem Patientenblut ermöglicht, wobei das Verfahren die Schritte umfasst von:

– Erzeugen eines Blutfluss-Stillstandszustands innerhalb einer Erfassungsstelle in einem Blutfluss-beinhaltenden Medium und Erhalten des Zustands während einer bestimmten Stillstandszeit;
– Ausführen optischer Erfassungssitzungen innerhalb einer Zeitdauer einschließlich der bestimmten Stillstandzeit, wobei die optischen Erfassungen einschließen, Beleuchten der Erfassungsstelle mit einfallendem Licht von mindestens einer ausgewählten Wellenlänge, Detektion bei jeder Erfassungssitzung von mindestens zwei Lichtantworten des Mediums, das durch mindestens zwei unterschiedliche Polarisationszustände des detektierten Lichts in jeweiliger Weise gekennzeichnet ist, und Erzeugen repräsentativer Daten hierfür;
– Erhalten erfasster Daten in der Form von mindestens zwei Zeitvariationen der Lichtantworten des Mediums, wobei eine Relation zwischen den Zeitvariationen die Konzentration der Substanz im Blut anzeigt.

Weiterhin wird ein Verfahren optischer Erfassungen für eine nicht-invasive Bestimmung der Konzentration einer Substanz in einem Patientenblut ermöglicht, wobei das Verfahren die Schritte umfasst von:

– Aufbringen eines über-systolischen Drucks auf eine Stelle an dem von Patientenblut durchströmten fleischlichen Mediums, wodurch ein Blutfluss-Stillstandszustand innerhalb einer Erfassungsstelle stromabwärts der Stelle, auf die Druck aufgebracht wurde, erzeugt wird und Erhalten des Zustands während einer bestimmten Stillstandszeit;
– Ausführen optischer Erfassungssitzungen innerhalb einer Zeitdauer einschließlich der bestimmten Stillstandzeit, wobei die optischen Erfassungen einschließen, Beleuchten der Erfassungsstelle mit einfallendem Licht von mindestens einer ausgewählten Wellenlänge, Detektion bei jeder Erfassungssitzung von mindestens zwei Lichtantworten des Mediums, das durch mindestens zwei unterschiedliche Polarisationszustände des detektierten Lichts in jeweiliger Weise gekennzeichnet ist, und Erzeugen repräsentativer Daten hierfür;
– Erhalten erfasster Daten in der Form von mindestens zwei Zeitvariationen der Lichtantworten des Mediums, wobei eine Relation zwischen den Zeitvariationen die Konzentration der Substanz im Blut anzeigt.

Gemäß einer noch anderen Verwendung des erfindungsgemäßen Systems wird ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz in einem Patientenblut ermöglicht, wobei das Verfahren die Schritte umfasst von:

– Bereitstellen von Referenzdaten, die einen vorher eingestellten erfassbaren Parameter als eine Funktion der Konzentrationswerte anzeigen;
– Erzeugen eines Blutfluss-Stillstandszustands innerhalb einer Erfassungsstelle in einem Blutfluss-beinhaltenden Medium und Erhalten des Zustands während einer bestimmten Stillstandszeit;
– Ausführen optischer Erfassungssitzungen innerhalb einer Zeitdauer einschließlich der bestimmten Stillstandzeit, wobei die optischen Erfassungen einschließen, Beleuchten der Erfassungsstelle mit einfallender Strahlung von mindestens einer ausgewählten Wellenlänge, Detektion bei jeder Erfassungssitzung von mindestens zwei Lichtantworten des Mediums, das durch mindestens zwei unterschiedliche Polarisationszustände des detektierten Lichts in jeweiliger Weise gekennzeichnet ist, und Erzeugen repräsentativer Daten hierfür;
– Verwenden der erfassten Daten, um Erfassungsergebnisse in der Form von mindestens zwei kinetischen Kurven der Lichtantworten des Mediums als Funktionen der Zeit zu erhalten, die den unterschiedlichen Polarisationszuständen des detektierten Lichts entsprechen;
– Analysieren der mindestens zwei kinetischen Kurven zum Berechnen des bestimmten Parameters, der eine Relation zwischen ihnen anzeigen; und
– Verwenden des berechneten Wertes und der Referenzdaten zum Bestimmen der Konzentration der Substanz im Patientenblut.

Gemäß noch einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum nicht-invasiven Bestimmen der Konzentration einer Substanz in einem Patientenblut ermöglicht, wobei das Verfahren die Schritte umfasst von:

– Bereitstellen von Referenzdaten, die einen vorher eingestellten erfassbaren Parameter als eine Funktion der Konzentrationswerte anzeigen;
– Aufbringen eines über-systolischen Drucks auf eine Stelle an dem von Patientenblut durchströmten fleischlichen Medium, wodurch mit Bezug auf die Blutflussrichtung ein Blutfluss-Stillstandszustand innerhalb einer Erfassungsstelle stromabwärts der Stelle auf die Druck aufgebracht wurde erzeugt wird und Erhalten des Blutfluss-Stillstandszustands während einer bestimmten Stillstandszeit, die ungeeignet für irreversible Änderungen in dem fleischlichen Medium ist;
– Ausführen optischer Erfassungssitzungen innerhalb einer Zeitdauer einschließlich der bestimmten Stillstandzeit, wobei die optischen Erfassungen einschließen, Beleuchten der Erfassungsstelle mit einfallendem Licht von mindestens einer ausgewählten Wellenlänge, Detektion bei jeder Erfassungssitzung von mindestens zwei Lichtantworten des Mediums, das durch mindestens zwei unterschiedliche Polarisationszustände des detektierten Lichts in jeweiliger Weise gekennzeichnet ist, und Erzeugen repräsentativer Daten hierfür;
– Verwenden der erfassten Daten, um Erfassungsergebnisse in der Form von mindestens zwei kinetischen Kurven der Lichtantworten des Mediums als Funktionen der Zeit zu erhalten, die den unterschiedlichen Polarisationszuständen des detektierten Lichts entsprechen;
– Analysieren der mindestens zwei kinetischen Kurven zum Berechnen des bestimmten Parameters, der eine Relation zwischen ihnen anzeigt; und
– Verwenden des berechneten Wertes und der Referenzdaten zum Bestimmen der Konzentration der Substanz im Patientenblut.

Um Lichtstrahlen unterschiedlicher Polarisationszustände zu detektieren, ist eine der folgenden Ausführungen möglich:

(1) Das Medium (an der Erfassungsstelle) wird mit zwei Strahlen einfallender Strahlung, die unterschiedliche Polarisationszustände (bspw. polarisiertes und nicht-polarisiertes Licht) aufweist, beleuchtet, und ein für beide Strahlen des einfallenden Lichts gemeinsames spezifisches Polarisationsfiltern wird an der Detektionsseite angewendet.

Zu diesem Zweck kann die Beleuchtungseinheit zwei Lichtquellen (bspw. der Reihe nach betreibbar) umfassen, die jeweils zwei Lichtstrahlen erzeugen, und entweder jeweils einen einzelnen Polarisator in dem optischen Pfad von einem der erzeugten Strahl ortsfest angebracht umfassen oder zwei in den optischen Pfaden der zwei Strahlen angebrachte Polarisatoren mit verschiedenen Ausrichtungen ihrer Ebenen bevorzugter Polarisation. Alternativ kann eine einzelne Lichtquelle verwendet werden, um zwei zeitlich getrennte Strahlen einfallenden Lichts zu erzeugen. In diesem Fall ist ein Polarisator der Beleuchtungseinheit zwischen dessen betriebbereiten und nicht betriebsbereiten Positionen verschiebbar, die sich innerhalb beziehungsweise außerhalb des optischen Pfads des einfallenden Lichts befinden.
Mit Bezug auf das Detektionsmittel, umfasst es eine Detektoreinheit, die mit einem Analysator ausgerüstet ist, der in dem optischen Pfad von aus dem Medium (bspw. übertragen) zurückgekehrten Licht ortsfest angebracht ist, vorausgesetzt dass die Ebene bevorzugter Polarisation des Analysators mit Bezug auf die des/der Polarisators/Polarisatoren der Beleuchtungseinheit spezifisch ausgerichtet ist.

(2) Das Medium wird mit einfallendem Licht, das einen bestimmten Polarisationszustand aufweist, beleuchtet und unterschiedliches Polarisationsfiltern wird an der Detektionsseite mit Bezug auf die zwei räumlich getrennten Lichtbestandteile eines übertragenen (oder reflektierten) Strahls in jeweiliger Weise angewendet. Zu diesem Zweck umfasst die Beleuchtungseinheit eine einzelne Lichtquelle, die einen Lichtstrahl aussendet, und einen einzelnen Polarisator, der in dem optischen Pfad des abgestrahlten Strahls angebracht ist. Das Detektionsmittel umfasst ein Paar von Detektoreinheiten beziehungsweise entweder zwei vor den Detektoreinheiten befindliche unterschiedlich ausgerichtete Analysatoren oder lediglich einen einzelnen vor einem der Detektoreinheiten befindlichen Analysator.

Gemäß noch einer anderen breiten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Erfassungssystem zum Bestimmen der Konzentration einer Substanz in einem Patientenblut bereitgestellt, worin das System umfasst:

– eine Erfassungsvorrichtung, die einen Druckaufbau bzw. eine Druckanordnung zum Aufbringen eines Drucks auf ein Blutfluss-beinhaltendes Medium umfasst, um so mit Bezug auf die Richtung des Blutflusses einen Blutfluss-Stillstandszustand an einer Erfassungsstelle in dem Medium stromabwärts der unter Druck gesetzten Stelle zu erzeugen, und eine Erfassungseinheit, um optische Erfassungssitzungen an der Erfassungsstelle auszuführen, wobei die Erfassungseinheit ein Beleuchtungssystem und ein Lichtsammel-/Detektionssystem umfasst, das betriebsbereit ist, um bei jeder Erfassungssitzung mindestens zwei Lichtantworten des Mediums zu detektieren, die durch mindestens zwei unterschiedliche Polarisationszustände von detektiertem Licht gekennzeichnet in jeweiliger Weise sind und erfasste Daten erzeugt, die hierfür repräsentativ sind; und
– eine mit der Erfassungsvorrichtung verbindbare Steuereinheit, um die Erfassungseinheit und den Druckaufbau selektiv zu betreiben, so dass der Blutfluss-Stillstandszustand während einer bestimmten Stillstandszeit aufrechterhalten wird und die optischen Erfassungssitzungen innerhalb einer Zeitdauer einschließlich der Stillstandszeit ausgeführt werden, wobei die Steuereinheit auf die erfassten Daten reagiert, um Zeitvariationen der mindestens zwei Lichtantworten des Mediums zu bestimmen, die mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen des detektierten Lichts entsprechen, und die Zeit variationen analysiert, um einen vorher eingestellten Parameter, der als eine Relation zwischen den Zeitvariationen erfasst wurde, zu bestimmen, und die Konzentration der Substanz unter Verwendung der Referenzdaten zu bestimmen, die den vorher eingestellten erfassbaren Parameter als eine Funktion der Werte der Substanzkonzentration anzeigen.

Gemäß noch einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Erfassungssystem zur nicht-invasiven Bestimmung der Konzentration einer Substanz in einem Patientenblut bereitgestellt, worin das System umfasst:

– eine Erfassungsvorrichtung, die einen Druckaufbau umfasst, der betriebsbereit ist über-systolischen Druck auf eine Stelle an dem von Patientenblut durchströmten fleischlichen Medium aufzubringen, um so einen Blutfluss-Stillstandszustand an der Erfassungsstelle in dem Medium stromabwärts von der Stelle des aufgebrachten Drucks zu erzeugen, und eine Erfassungseinheit umfasst, die betriebsbereit ist, um optische Erfassungssitzungen an der Erfassungsstelle auszuführen, wobei die Erfassungseinheit ein Beleuchtungssystem und ein Lichtsammel-/Detektionssystem umfasst, das betriebsbereit ist, um mindestens zwei Lichtantworten des Mediums zu detektieren, die durch mindestens zwei unterschiedliche Polarisationszustände des detektierten Lichts in jeweiliger Weise gekennzeichnet ist und erfasste Daten erzeugt, die hierfür repräsentativ sind; und
– eine mit der Erfassungsvorrichtung verbindbare Steuereinheit, um die Erfassungseinheit und den Druckaufbau selektiv zu betreiben, so dass der Blutfluss-Stillstandszustand während einer bestimmten Stillstandszeit, die für irreversible Änderungen in dem fleischlichen Medium ungeeignet ist, aufrechterhalten wird, und die optischen Erfassungssitzungen innerhalb einer Zeitdauer einschließlich der Stillstandszeit ausgeführt werden, wobei die Steuereinheit auf die erfassten Daten reagiert, um Zeitvariationen der mindestens zwei Lichtantworten des Mediums zu bestimmen, die mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen des detektierten Lichts entsprechen, und die Zeitvariationen zu analysieren, um einen vorher eingestellten Parameter, der als eine Relation zwischen den Zeitvariationen erfasst wurde, zu bestimmen, und die Konzentration der Substanz unter Verwendung der Referenzdaten zu bestimmen, die den vorher eingestellten erfassbaren Parameter als eine Funktion der Werte der Substanzkonzentration anzeigen.

Gemäß noch einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Erfassungsvorrichtung zum Ausführen nicht-invasiver optischer Erfassungen zum Bestimmen der Konzentration einer Substanz im Patientenblut bereitgestellt, worin die Vorrichtung umfasst:

– einen Druckaufbau, der dazu betrieben werden kann über-systolischen Druck auf eine Stelle an dem von Patientenblut durchströmten fleischlichen Medium aufzubringen, um so einen Blutfluss-Stillstandszustand an einer Stelle in dem Medium stromabwärts der Stelle von aufgebrachtem Druck zu erzeugen, und den Zustand während einer bestimmten Stillstandszeit, die für irreversible Änderungen in dem fleischlichen Medium ungeeignet ist, aufrechtzuerhalten; und
– eine Erfassungseinheit, die betriebsbereit ist, um optische Erfassungssitzungen an der Erfassungsstelle innerhalb einer Zeitdauer einschließlich der Stillstandszeit auszuführen, wobei die Erfassungseinheit ein Beleuchtungssystem und ein Lichtsammel-/Detektionssystem umfasst, dass betrieben werden kann, um bei jeder Erfassungssitzung mindestens zwei Lichtantworten des Mediums zu detektieren, die durch mindestens zwei unterschiedliche Polarisationszustände des detektierten Lichts in jeweiliger Weise gekennzeichnet sind, und erfasste Daten erzeugt, die hierfür repräsentativ sind, wobei die erfassten Daten Zeitvariationen der mindestens zwei Lichtantworten des Mediums anzeigen, die mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen des detektierten Lichts entsprechen, wobei eine Relation zwischen den Zeitvariationen die Konzentration der Substanz anzeigt.

Um die Erfindung zu verstehen und zu erkennen wie sie praktisch ausgeführt werden kann, wird nun eine bevorzugte Ausführungsform durch ein lediglich nicht einschränkendes Beispiel mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1A eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung ist, die für nicht-invasive Erfassungen einer Glucosekonzentration verwendet wird;
1B eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung ist, die für invasive Erfassungen einer Glucosekonzentration verwendet wird;
2A bis 2E fünf verschiedene Beispiele einer erfindungsgemäßen Erfassungseinheit in jeweiliger Weise darstellen, die in der Vorrichtung von entweder 1A oder 1B verwendet werden können;
3 eine Zeitabhängigkeit einer Lichtantwort eines Blut-beinhaltenden Mediums bei einem Okklusions-Löse-Modus beim Betrieb der erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung darstellt;
4 die experimentellen Ergebnisse des Betriebs der Vorrichtung von 1A (in vivo) in der Form von zwei Zeitvariationen der Lichtantworten des Mediums graphisch darstellt, die zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen des detektierten Lichts in jeweiliger Weise entsprechen;
5A die Relation zwischen den zwei Kurven in 4 in logarithmischen Koordinaten für die gleichen Werte einer gegenwärtigen Glucosekonzentration graphisch darstellt, die für die Bestimmung einer parametrischen Neigung verwendet wird;
5B verschiedene Diagramme mit unterschiedlichen parametrischen Neigungen darstellt, die verschiedenen Werten der Glucosekonzentrationen in jeweiliger Weise entsprechen;
6 eine Kalibrierungskurve darstellt, die aus den Diagrammen von 5B erhalten wurden, und zum Bestimmen des Glucosegrad in dem Patientenblut verwendet wurde; und
7 die Korrelation zwischen den Erfassungen einer Glucosekonzentration darstellt, die durch die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung und durch das Standard-Glucometer "Elite" erhalten wurde.
In 1A wird ein Erfassungssystem 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das System ist unter Verwendung eines Okklusions-Löse-basierenden Verfahrens für in vivo optische Erfassungen von Patientenblutparametern vorgesehen. Das System 1 umfasst eine auf den Patientenfinger F (bildet ein Blut-beinhaltendes Medium oder BCM) aufgebrachte Erfassungsvorrichtung und eine Steuereinheit.
Die Erfassungsvorrichtung umfasst derartige Hauptkonstruktionsteile wie eine im allgemeinen mit 10 bezeichnete Erfassungseinheit (oder optischen Sensor) und einen Druckaufbau (den so genannten "Verschlussmittel" bzw. "Okkluder") 20. Die Steuereinheit 30 kann mit der Erfassungsvorrichtung, namentlich mit der Erfassungseinheit 10 und dem Verschlussmittel 20, verbunden werden, um jeden von denen selektiv zu betreiben. Das Verschlussmittel 20 wird durch die Steuereinheit 30 betrieben, um auf eine erste Stelle L₁ auf den Finger F über-systolischen Druck aufzubringen und den Druck während einer bestimmten Zeitdauer (Stillstandszeit) aufrechtzuerhalten. Ein derartiges Aufbringen des über-systolischen Drucks an der Stelle L₁ führt zur Erzeugung des Blutfluss-Stillstandszustands an einer zweiten Stelle L₂, die mit Bezug auf die Blutflussrichtung stromabwärts der ersten Stelle L₁ lokalisiert ist, und wobei Aufrechterhaltung des Blutfluss-Stillstandszustands während der Stillstandszeit für irreversible Änderungen in dem fleischlichen Medium ungeeignet ist. Die Erfassungseinheit 10 kann durch die Steuereinheit 30 betrieben werden, um optische Erfassungen an der Erfassungsstelle L₂ während der Stillstandszeit aufzuwenden.
In dem vorliegenden Beispiel ist das Verschlussmittel 20 aus einer Manschette 21A, die den Finger an der Stelle L₁ (Fingerbasis) umhüllt, und einem Antriebsmittel 22A zusammengesetzt, das mit der Manschette 21A zum Betreiben des Pressens davon verbunden ist. Die Erfassungseinheit 10 umfasst ein Beleuchtungssystem 11 und ein Lichtsammel-/Detektionssystem 13, das in dem vorliegenden Beispiel angepasst ist, um so durch das Medium übertragenes Licht an der Erfassungsstelle L₂ (Fingerspitze) zu detektieren. Es sollte jedoch klar sein, dass durch geeignetes Gestalten der Erfassungseinheit von dem Medium reflektiertes Licht detektiert werden könnte.
Die Steuereinheit 30 umfasst ein Steuermittel 31, das an das Antriebsmittel 22A, das Beleuchtungssystem 11 und den Ausgang bzw. die Ausgabe des Detektionssystems 13 über eine Datenaufnahme- und Signalbearbeitungs-(DASP)-Einrichtung gekoppelt ist. In der Steuereinheit wird ebenfalls ein Speicher 33 zum Speichern bestimmter Referenzdaten (wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird) und einem Monitor 34 bereitgestellt, der zwischen dem Steuermittel 31 und der DASP-Einrichtung 32 verbunden ist.
1B stellt ein Erfassungssystem 100 gemäß eines anderen Beispiels der Erfindung dar, das auf in vitro Erfassungen gerichtet ist. Um das Verständnis zu erleichtern werden die gleichen Bezugsnummern zum Kennzeichnen solcher Bestandteile verwendet, die den Systemen 1 und 100 gemeinsam sind. Ein Fluss der Patientenblutprobe wird durch eine Flussküvette FC geleitet, die somit ein Blut-beinhaltendes Medium (BCM) mit einer darin befindlichen Erfassungsstelle L₂ darstellt. Das Verschlussmittel 20 ist ein pneumatischer Aufbau, der aus einer peristaltischen Pumpe 21B zusammengesetzt ist, die mit deren Antriebsmittel 22B verbunden ist, das mit der Steuereinheit 30 verbunden ist und betrieben wird, um den Blutfluss-Stillstandszustand in der Flussküvette FC zu erzeugen.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist die Konstruktion und der Betrieb der Erfassungseinheit (d.h. Beleuchtungs- und Detektionssysteme) darauf gerichtet die Detektion von mindestens zwei Zeitvariationen von Lichtantworten (Übertragung) des BCM bereitzustellen, die mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen von detektiertem Licht in jeweiliger Weise entsprechen. Zu diesem Zweck wird die Erfassungseinheit betrieben, um mindestens zwei zeitlich getrennte Erfassungssitzungen auszuführen, wobei jede die Beleuchtung der Erfassungsstelle mit mindestens einer Wellenlänge einfallenden Lichts und die Detektion von Lichtantworten des Mediums einschließt, die durch unterschiedliche Polarisationszustände des detektierten Lichts in jeweiliger Weise gekennzeichnet ist. 2A–2E stellen mögliche unterschiedliche Beispiele der Ausführung der Beleuchtungs- und Detektionssysteme dar.
Gemäß der Beispiele von 2A–2C wird der Unterschied in den Polarisationszuständen der detektierten Lichtstrahlen an der Beleuchtungsstelle eingeführt und folglich werden zwei einfallende Lichtstrahlen zeitlich getrennt. In den Beispielen von 2D und 2E wird dieser Unterschied durch Ausführen von Polarisationsfiltern an der Lichtsammel-/Detektionsstufe eingeführt, daher kann ein einzelner einfallender Lichtstrahl erzeugt werden, um zwei Erfassungssitzungen auszuführen.
In dem Beispiel von 2A umfasst das Beleuchtungssystem 11 ein Beleuchtungsmittel, das zwei Lichtquellen oder Emissionsquellen E₁ und E₂ (bspw. LEDs) einschließt, die die Lichtstrahlen B₁ beziehungsweise B₂ erzeugen und einen Polarisator P₁, der in den optischen Pfad von einem der ausgestrahlten Strahlen – Strahl B₁ in dem vorliegenden Beispiel – montiert ist. Somit sind die auf das BCM auftreffenden Strahlen B₁' beziehungsweise B₂' polarisierte und nicht-polarisierte Strahlen. Die Strahlen B₁ und B₂ weisen die gleiche ausgewählte Wellenlänge im sichtbaren oder nahe dem Infraroten Spektrum auf. Die Lichtquellen E₁ und E₂ können durch die Steuereinheit der Reihe nach betrieben werden, um eine zeitliche Trennung zwischen den einfallenden Strahlen B₁' und B₂ bereitzustellen.
Das Detektionssystem 13 umfasst eine Detektoreinheit D (bspw. Photodetektor) und einen Analysator A, die in dem optischen Pfad von Licht angebracht sind, das sich aus dem BCM, namentlich Strahlen B₁'' und B₂'' ergibt, die jeweils den einfallenden Strahlen B₁' und B₂' entsprechen. Der Analysator A weist eine Ebene bevorzugter Polarisation auf, die zu der von Polarisator P₁ verschieden, beispielsweise orthogonal dazu, ausgerichtet ist. Die Detektoreinheit D detektiert eine erste Lichtantwort B₁''' und eine zweite Lichtantwort B₂''' des BCM, die durch unterschiedliche Polarisationszustände von detektiertem Licht gekennzeichnet ist.
Um mindestens zwei zeitlich getrennte Erfassungssitzungen (um Zeitvariationen der Lichtantworten zu erhalten) auszuführen, wird die Beleuchtung mit dem Strahlenpaar B₁' und B₂' zu verschiedenen Zeiten wiederholt oder fortdauernd ausgeführt, in welchem Fall die Detektion an verschiedenen Zeiten ausgeführt wird. Es sollte klar sein, dass obwohl ein gemeinsames Diagramm zur Erläuterung der Lichtausbreitung innerhalb der Erfassungs einheit 10 mit Bezug auf beide einfallenden Strahlen verwendet wird, sich die entsprechenden Diagrammteile auf zeitlich getrennte Ereignisse (Erfassungssitzungen) beziehen.
Es sollte erwähnt werden, dass obwohl nicht speziell gezeigt, die gleiche Wirkung einer Bereitstellung zweier einfallender Strahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen durch die Verwendung einer einzelnen Lichtquelle und eines Polarisators erreicht werden kann, der zwischen dessen betriebsbereiter und nicht-betriebsbereiter Position verschiebbar ist, wobei er sich jeweils innerhalb und außerhalb des optischen Pfads des einfallenden Strahls befindet. Alternativ kann ein Polarisierungsaufbau in den optischen Pfad des einfallenden Strahls ortsfest montiert und selektiv betrieben werden, um die Ebene bevorzugter Polarisation zu ändern.
Gemäß des Beispiels von 2B werden zwei verschiedene Polarisatoren P₁ und P₂ (d.h. mit unterschiedlichen Richtungen von deren Ebenen bevorzugter Polarisation) in die optischen Pfade von abgestrahlten Strahlen B₁ beziehungsweise B₂ montiert, wodurch eine Ausbreitung der Strahlen B₁' und B₂' in Richtung des BCM bereitgestellt wird. In dem Detektionssystem weist dessen Analysator A eine bevorzugte Richtung dessen Ebene von bevorzugter Polarisation auf, die von der des Polarisators P₁ und des Polarisators P₂ verschieden ist. Jeder der sich aus dem BCM ergebenden Strahlen B₁'' und B₂'' tritt durch den Analysator A₃ und wird von dem Detektor D empfangen, was die jeweilige Lichtantwort von BCM darstellt, d.h. B₁''' und B₂'''.
In dem Beispiel von 2C wird ein einzelnes Lichtemissionsmittel E₁ verwendet und ein einzelner Polarisator P₁ ist in den optischen Pfad des abgestrahlten Strahls B₁ montiert. Eine Verzögerungseinrichtung RT, die mit einem Antriebsmittel D_RT assoziiert ist, ist zwischen dem Polarisator P₁ und dem unter Erfassungen stehenden BCM angeordnet, um so mit Bezug auf die jeweils unterschiedlich abgestrahlten Strahlen mit verschiedenen Betriebsweisen zu arbeiten. Die Verzögerungseinrichtung ist entweder zwischen zwei Betriebsweisen umschaltbar oder abstimmbar bzw. einstellbar, um fortdauernd variierende Betriebsweisen bereitzustellen. Die Konstruktion und der Betrieb einer Verzögerungseinrichtung sind per se bekannt und brauchen daher nicht spezieller beschrieben zu werden, ausgenommen der Anmerkung, dass die Verzögerungseinrichtung ein ferroelektrisches Flüssigkristallmaterial (umschaltbares) oder ein spannungsabhängiges (abstimmbares) Flüssigkristall (nematisches)-material verwenden kann.
Der polarisierte Lichtstrahl B₁', der sich in Richtung des BCM ausbreitet, tritt durch die Verzögerungseinrichtung RT, wobei die Ausrichtung der Ebene einer Polarisation des linear polarisierten Lichts beeinflusst wird. Der Lichtstrahl B₁'', der sich von der Verzögerungseinrichtung RT ergibt, breitet sich durch das BCM aus, was einen Ausgabe-Lichtstrahl B₁''' erzeugt, der sich in Richtung des Detektionssystem 13 ausbreitet. Das letztere umfasst einen einzelnen Analysator A mit der Ebene bevorzugter Polarisation, die mit Bezug zu der des Polarisators P₁ spezifisch ausgerichtet ist. Somit stellt das sich aus dem Analysator A ergebende Licht B₁'''' die durch die Detektoreinheit zu detektierende Lichtantwort des Mediums dar. Es sollte klar sein, dass die Beleuchtungs-/Detektionssitzung mindestens zweimal wiederholt wird, um die Zeitabhängigkeiten von unterschiedlichen Lichtantworten (d.h. entsprechend zu unterschiedlichen Polarisationszuständen von detektiertem Licht) zu erhalten, wobei jeweils jede Sitzung zwei Erfassungen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen einfallenden Lichts einschließt.
Gemäß der Beispiele der 2D und 2E umfasst das Beleuchtungssystem 11 ein einzelnes Lichtemissionsmittel E₁ und einen einzelnen Polarisator P₁ in dem optischen Pfad des abgestrahlten Strahls B₁. Das Detektionssystem 13 umfasst zwei Detektoreinheiten D₁ und D₂ und kann Lichtantworten jeweils unterschiedlicher Polarisationszustände von Licht gleichzeitig (d.h. während der gleichen Erfassungssitzung) detektieren.
Zu diesem Zweck wird, wie in dem Beispiel von 2D gezeigt, eine der Detektoreinheiten (D₁) mit während die andere Detektoreinheit (D₂) nicht mit dem Analysator A₁ bereitgestellt wird. Somit trifft ein polarisierter Strahl B₁' auf das BCM. Ein übertragener Strahl B₁'' tritt teilweise durch den Analysator A₁, was zu der Lichtantwort B₁''' führt, die durch den Detektor D₁ empfangen wird, während der andere eine unmittelbar durch den Detektor D₂ empfangene Lichtantwort B₁'' des Mediums darstellt. Diese Lichtantworten B₁''' und B₁'' sind durch unterschiedliche Polarisationszustände gekennzeichnet.
In dem Beispiel aus 2E sind beide Detektoreinheiten D₁ und D₂ mit Analysatoren A1 beziehungsweise A₂ ausgerüstet. Die Lichtantworten B₁''' und B₂''', die durch die Einheiten D₁ beziehungsweise D₂ detektiert werden, weisen unterschiedliche Polarisationszustände auf.
Das System 1 (oder 100) arbeit in der folgenden Weise. Die Steuereinheit 30 betreibt das Verschlussmittel 20, um einen Blutfluss-Stillstandszustand an der Erfassungsstelle L₂ zu erzeugen, diesen Zustand über eine bestimmte Zeitdauer (Stillstandszeit) aufrechtzuerhalten und anschließend den Druck zu lösen. In anderen Worten arbeitet die Vorrichtung in dem so genannten "Okkusions-Löse-Modus". Auf die Erzeugung des Blutfluss-Stillstandszustands betätigt die Steuereinheit 30 die Erfassungseinheit 10, um mindestens zwei Erfassungssitzungen mit jeweils mindestens einer ausgewählten Wellenlänge einfallenden Lichts und mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen des detektierten Lichts auszuführen. Die Detektion von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen innerhalb jeder Erfassungssitzung kann durch Verwendung einer einzelnen Detektoreinheit (2A–2C) zeitlich getrennt oder unter Verwendung zweier Detektoreinheiten (2D und 2E) gleichzeitig ausgeführt werden. Die Steuereinheit 30 empfängt die erfassten Daten von dem/den Detektoren) und Analysiert die empfangenen Daten, um die Glucosekonzentration, wie sie weiter unten ausführlicher beschrieben werden wird, zu bestimmen.
Bezug wird nun auf 3 genommen, die die Grundlagen der Okklusions-Löse-Betriebsweise darstellt. Ein Diagramm G stellt die experimentellen Ergebnisse dar, die durch Anwendung des Okklusions-Löse-Verfahrens auf das von Patientenblut durchströmte fleischliche Medium erhalten wurden, was zeigt, wie die vom Licht übertragene Eigenschaften von Blut unter Anwendung des über-systolischen Drucks verändert wird. Die Übertragungseigenschaft wird hier als die so genannte "relative Übertragung", d.h. in willkürlichen Übertragungseinheiten oder T(A.U.) gezeigt.
Die Anwendung des über-systolischen Drucks beginnt zu einem Moment T_Start und wird für eine Zeitdauer aufrechterhalten, um so keine irreversiblen Änderungen in dem fleischlichen Medium (bspw. 4 Sekunden) zu bewirken. Der Druck wird zu dem Moment T_Lösen gelöst. Erfassungen der relativen Übertragung werden beginnend vor der Anwendung des über-systolischen Drucks fortdauern ausgeführt. Unterschiedliche Zustände des Blutflusses, die als A, B, C, D und E bezeichnet sind werden beobachtet. Zustand A stellt einen Zustand normalen Blutflusses dar bevor der über-systolische Druck aufgebracht wird. Dieser Zustand ist, wie gezeigt, durch einen Standardschwankungswert der relativen Lichtübertragung von Blut gekennzeichnet. Zustand B beginnt zu dem Moment T_Start (wenn der Druck anfänglich aufgebracht wird) und existiert während einer kurzen Zeitdauer T_B (ungefähr 0,5 s) innerhalb der der über-systolische Druck tatsächlich aufgebracht wird. Erfassungen, die während dieser Zeitdauer vorgenommen werden, sollten aufgrund des nicht zu verhindernden Einflusses von Bewegungs- und/oder anderen Artefakten, die nicht-monotonische Schwankungen der Lichtübertragung bewirken, nicht berücksichtig werden.
Zustand C ist ein Zustand des befristeten Stillstands des Blutflusses, der in einer Zeitdauer T_C zwischen einem als (T_Start + T_B) bestimmten Moment und dem Moment T_Lösen liegt. Während dieser Zeitdauer T_C wird die ansteigende Kurve (oder absteigende Kurve abhängig von der einfallenden Wellenlänge) der relativen Lichtübertragung von Blut beobachtet. Sie erreicht ihr Maximum und kann ungefähr 2–5,5 s (gewöhnlich von einer Sekunde bis einige Minuten) andauern.
Es sollte klar sein, dass wenn über-systolischer Druck auf irgendein proximal gelegenen Teil des Körpers aufgebracht wird, immer noch ausreichend Raum für die erneute Verteilung von Blut zwischen dem exakten Bereich der Erfassung (d.h. die Erfassungsstelle, an der der Detektor lokalisiert ist) und den angrenzenden Bereichen vorliegt, die sich in enger Nachbarschaft zu dem Detektor befinden. Wenn beispielsweise der Detektor auf einer Fingerspitze lokalisiert ist und über-systolischer Druck auf die Handfläche aufgebracht wird, dann liegt genug Raum zwischen der Fingerspitze und der Begrenzung des aufgebrachten Drucks vor, um den Blutfluss von einer Stelle zu einer anderen zu "pressen".
Zustand D ist ein vorübergehender Zustand eines Blutflusses, der nach dem Lösen des über-systolischen Drucks auftritt. Dieser Zustand beginnt mit einer kurzen Verzögerung T_a (ungefähr 0,5 s), d.h. zu dem als (T_Lösen + T_a) bestimmten Moment. Während der Zeitdauer T_D der Dauer von Zustand D nimmt die relative Übertragung von Blut einförmig ab, bis sie Werte erreicht, die für den normalen Blutfluss charakteristisch sind. Ein derartiger Moment ist in der Zeichnung als T_Ende gekennzeichnet. Das Ende von Zustand D und der der Beginn von Zustand E wird detektiert, wenn die Änderungen der Lichtübertragung periodisch und minimal werden (ungefähr 2%). Zustand E ist ein Zustand normalen Blutflusses, der Zustand A ähnlich ist.
Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens optischer Erfassungen werden erfasste Daten in der Form von mindestens zwei Zeitvariationen (Entwicklungen) einer Lichtantwort des Mediums erhalten, die unterschiedlichen Polarisationszuständen des detektierten Lichts entsprechen. Die Betriebs-Wellenlänge zur Bestimmung einer Glucosekonzentration wird aus dem sichtbaren oder nahen infraroten Spektrum, bspw. 660 nm, ausgewählt. Es sollte erwähnt werden, dass durch geeignetes Wählen der Wellenlänge des einfallenden Lichts die Konzentration einer spezifischen Substanz von Interesse, bspw. 1,5–2 μm für die Bestimmung von Cholesterin, bestimmt werden könnte.
Es sollte ebenfalls erwähnt werden, dass entweder zwei oder mehrere zeitlich getrennte Erfassungssitzungen vorgenommen werden oder eine lange Erfassungssitzung durchgeführt wird, um die Zeitvariation der Lichtantwort zu erhalten, so dass mindestens ein Erfassungspunkt (Zeitpunkt) entweder dem Zustand C eines befristeten Stillstands des Blutflusses oder dem Zustand D eines vorübergehenden Blutflusses entspricht, d.h. innerhalb einer Zeitdauer, die diese zwei Zustände (T_C + T_D) einschließt.
Nun werden hinwendend zu 4 experimentelle Ergebnisse des Betriebs des Erfassungssystems 1 (in vivo) dargestellt, das derart gestaltet ist, um linear polarisiertes und nicht-polarisiertes detektiertes Licht bereitzustellen. Zwei Diagramme G₁ und G₂ sind dargestellt, wobei jedes die Zeitvariation der Lichtantwort des unter Erfassungen befindlichen Mediums zeigt, namentlich T₁(t) und T₂(t). Diagramm G₁ wird mit dem polarisierten einfallenden Licht (Strahl B₁' in 2A) erhalten und Diagramm G₂ wird mit dem nicht-polarisierten einfallenden Licht (Strahl B₁) erhalten, wobei die zwei Diagramme jeweils unterschiedlichen Polarisationszuständen der detektierten Lichtantworten entsprechen.
Die Lichtantworten, die unterschiedlichen Polarisationszuständen des detektierten Lichts entsprechen, variieren wie gezeigt abhängig von dem Polarisationszustand des einfallenden Lichts verschiedenartig mit der Zeit. Das liegt an der Tatsache, dass Glucose eine streuungsbeeinflussende und optisch aktive Substanz im Blut ist. Sie beeinflusst die Ausrichtung des Vektors einer Polarisation des polarisierten einfallenden Lichts, wodurch die Menge an Licht, die den Detektor (durchtreten des Analysators) erreicht, beeinflusst wird.
Um eine Kurve graphisch darzustellen, die die Relation zwischen den unterschiedlichen Lichtantworten (d.h. mit unterschiedlichen Polarisationszuständen) anzeigt, die durch die gleiche Glucosekonzentration C_gl beeinflusst werden, wird eine Relation zwischen den zwei vorstehend erwähnten Zeitvariationen bestimmt. Die 5 stellt eine derartige Kurve V (in logarithmischen Koordinaten gezeigt) dar, die von den Diagrammen G₁ und G₂ von 4 erhalten wird. Das Diagramm V stellt eine im wesentlichen gerade Linie dar, wobei die Tangente des Neigungswinkels φ dieser Linie mit Bezug auf die Abzissen(achse) eine parametrische Neigung darstellt, die einen erfassbaren Parameter R bildet.
5B zeigt einen Satz Kurven – in dem vorliegenden Beispiel fünf Kurven V₁–V₅, die die experimentellen Ergebnisse eines Anwendens des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Blutproben mit bekannten Glucosekonzentrationswerten darstellen, d.h. 102 mg/dl, 116 mg/dl, 128 mg/dl, 146 ng/dl, und 160 mg/dl. Es ist offenkundig, dass verglichen zu den anderen jede dieser Kurven durch einen unterschiedlichen Wert der parametrischen Neigung R gekennzeichnet ist.
Die Diagramme V₁–V₅ werden verwendet, um Referenzdaten in der Form einer, in 6 gezeigten, Kalibrierungskurve C_cal herzustellen. Die Kalibrierungskurve wird anfänglich entweder bezüglich jedes spezifischen Patienten bei unterschiedlichen Bedingungen der Glucosekonzentration, oder bezüglich verschiedener Patienten mit unterschiedlichen Glucosekonzentrationen im Blut erstellt.
Unter Verwendung der in 5A (T₁(t) und T₂(t)) dargestellten, erfassten Daten, die durch Anwenden der erfindungsgemäßen Erfassungen auf den speziellen Patienten erhalten wurden und der Kalibrierungskurve C_cal von 6, kann die Glucosekonzentration C_gl in dem Patientenblut bestimmt werden. In diesem speziellen Beispiel ist die parametrische Neigung R gleich 1.35 und folglich ergibt sich für die Glucosekonzentration: C_gl = 102 mg/dl.
7 stellt die Korrelation zwischen den Erfassungen von der durch die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung erhaltenen Glucosekonzentration und jenen durch das Standard-Glucometer "Elite" erhaltenen dar.
Wie vorstehend angezeigt, kann der erfassbare Parameter R, der die Bestimmung der Konzentration einer Substanz im Blut unter Verwendung einer Kalibrierungskurve ermöglicht, der Grad einer Depolarisation in dem detektierten Licht sein, d.h. (T₁ – T₂)/(T₁ + T₂), was die Funktion der Zeit ist und von Wellenlänge zu Wellenlänge variiert. Es sollte klar sein, dass obwohl nicht speziell gezeigt, eine entsprechende Kalibrierungskurve in der Form des Depolarisationsgrads als Funktion einer Glucosekonzentration vorliegen wird.
Um die Genauigkeit der Erfassungen zu erhöhen, sollte, obwohl nicht speziell gezeigt, erwähnt werden, dass jede Erfassungssitzung die Beleuchtung der Erfassungsstelle mit mehr als einer Wellenlänge einfallender Strahlung (entweder der Reihe nach oder gleichzeitig, abhängig von der Gestaltung der Erfassungseinheit) einschließen kann, vorausgesetzt, das für jede Wellenlänge zwei unterschiedliche Polarisationszustände des detektierten Lichts erhalten werden. Außerdem kann das Verschlussmittel betrieben werden, um die so genannten Mehrfach-Okklusions-Löse-Sitzungen bereitzustellen, wobei während der Okklusions-Löse-Zyklen für eine oder mehrere Wellenlängen einfallenden Lichts werden Erfassungen ausgeführt werden
Der Fachmann wird leicht erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an den erfindungsgemäßen Ausführungsformen, wie sie hierin vorstehend beschrieben sind, angewendet werden können, ohne von deren Umfang abzuweichen, der in und durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist.

Claims

Optisches Erfassungssystem (1) zum Erhalten von Daten, die auf die Konzentration einer Streuungs-beinflussenden oder optisch aktiven Substanz in Patientenblut schließen lassen, wobei das System umfasst: (a) eine Erfassungsvorrichtung, welche umfasst, einen Druckaufbau (20) und eine Erfassungseinheit (10), wobei der Druckaufbau ein Druckelement (21A) zum Umhüllen eines Bereichs (L1) auf einem Blutfluss-enthaltenden Medium (F) aufweist, welcher betriebsfähig ist, um einen über-systolischen Druck auf den Bereich aufzubringen, um so einen Blutfluss-Stillstandszustand an einer Erfassungsstelle (L2) in dem Medium zu erzeugen, und wobei die Erfassungseinheit betriebsfähig ist, um optische Erfassungssitzungen an der Erfassungsstelle durchzuführen, und umfasst, eine Beleuchtungseinheit (11) zum Beleuchten der Erfassungsstelle mit spezifisch polarisiertem Licht von mindestens einer gewählten Wellenlänge während mindestens zwei Erfassungssitzungen und ein Licht-Sammel-/Detektions-System (13) zum Anwenden von Polarisationsfilterung auf Licht, das sich von der Erfassungsstelle ausbreitet, wobei dadurch ermöglicht wird, ein Detekieren bei jeder Erfassungssitzung von mindestens zwei Lichtantworten des Mediums bei der gleichen Wellenlänge und bei mindestens zwei verschiedenen Polarisationszuständen in jeweiliger Weise, und ein Erzeugen erfasster Daten, die hierfür repräsentativ sind; und (b) eine Steuereinheit (30), die mit der Erfassungsvorrichtung verbunden werden kann, um selektiv die Erfassungseinheit und den Druckaufbau zu betreiben, derart dass der Blutfluss-Stillstandszustand während einer gewissen Stillstandszeit aufrechterhalten wird und die optischen Erfassungssitzungen während einer Zeitspanne innerhalb der gewissen Stillstandszeit durchgeführt werden, wobei die Steuereinheit auf die erfassten Daten anspricht, um Zeitvariationen der Licht-Antworten des Mediums zu bestimmen, die den mindestens zwei verschiedenen Polarisationszuständen des detektierten Lichts entsprechen, die Zeitvariationen zum Bestimmen eines vorher eingestellten Parameters zu analysieren, der als eine Relation zwischen den Zeitvariationen erfasst wird, und die auf die Zeitvariation an Licht-Depolarisation schließen lassen, die durch die Streuungs-beinflussende oder optisch aktive Substanz in dem Medium verursacht wird.
System nach Anspruch 1, worin das Beleuchtungssystem umfasst, eine Beleuchtungseinrichtung, die betriebsfähig ist, um mindestens einen Strahl an einfallenden Licht der gewählten Wellenlänge zu erzeugen, und eine Polarisatoreinheit, wobei das Licht-Sammel-/Detektions-System umfasst, mindestens eine Detektoreinheit und mindestens einen Analysator, wobei eine Ebene an bevorzugter Polarisation des mindestens einen Analysators spezifisch in Bezug auf jene der Polarisator-Einheit ausgerichtet ist, wobei die mindestens eine Detektor-Einheit die Licht-Antworten des Mediums detektiert und die erfassten Daten erzeugt, die hierauf schließen lassen.
System nach Anspruch 1 oder 2, worin die Substanz Glucose ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Erfassungsstelle sich an dem Finger des Patienten befindet.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Erfassungsstelle sich innerhalb einer Fluss-Küvette befindet, durch welche der Fluss an Patientenblutprobe geführt wird.
System nach Anspruch 4, worin das Druckelement des Druckaufbaus eine Manschette zum Umhüllen des Patientenfingers ist, wobei das Pressen der Manschette durch einen Antrieb betrieben wird, der mit der Steuereinheit gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, worin der Druckaufbau umfasst, eine peristaltische Pumpe, die durch einen Antrieb betrieben wird, der mit der Steuereinheit gekoppelt ist.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 7, worin die Beleuchtungseinrichtung betriebsfähig ist, um zwei Lichtstrahlen herzustellen, und die Polarisator-Einheit umfasst, mindestens einen Polarisator, der im optischen Pfad von einem der zwei Strahlen untergebracht ist, wodurch zwei einfallende Strahlen unterschiedlichen Polarisationszustands in jeweiliger Weise hergestellt werden und zwei Ausgangsstrahlen hergestellt werden, die von dem beleuchteten Medium kommen; wobei das Sammel-/Detektions-System den einzelnen Analysator umfasst, der in dem optischen Pfad des Ausgabelichts untergebracht ist, das sich zu der einzelnen Detektoreinheit ausbreitet.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 7, worin die Beleuchtungseinrichtung betriebsfähig ist, um zwei Lichtstrahlen herzustellen, und die Polarisator-Einheit umfasst, einen Polarisator, der im optischen Pfad von jedem der zwei Strahlen untergebracht ist, und eine Verzögerungseinrichtung, die im optischen Pfad von jedem der zwei Strahlen untergebracht ist, und mit verschiedenen Betriebsweisen in Bezug auf die zwei Strahlen betriebsfähig ist, wodurch die Beleuchtungseinrichtung zwei einfallende Strahlen unterschiedlichen Polarisationszustands in jeweiliger Weise herstellt; wobei das Sammel-/Detektions-System den einzelnen Analysator umfasst, der in dem optischen Pfad des Ausgabelichts untergebracht ist, das sich zu der einzelnen Detektoreinheit ausbreitet.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 7, worin die Beleuchtungseinrichtung betriebsfähig ist, um einen Lichtstrahl zu erzeugen, und die Polarisator-Einheit umfasst, einen Polarisator, der im optischen Pfad des erzeugten Strahls untergebracht ist, um zu dem Medium hin fortzuschreiten, wodurch Ausgabelicht, das von dem beleuchteten Medium kommt, hergestellt wird; wobei das Sammel-/Detektions-System umfasst, zwei Detektoreinheiten zum Detektieren von zwei räumlich getrennten Lichtkomponenten des Ausgabelichts, wobei zwei Analysatoren in dem optischen Pfad der zwei Lichtkomponenten in jeweiliger Weise untergebracht sind, die sich zu den Detektionseinheiten ausbreiten, wobei die Analysatoren eine unterschiedliche Ausrichtung von Ebenen bevorzugter Polarisation aufweisen.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der zuvor eingestellte, erfassbare Parameter eine parametrische Neigung einer Kurve ist, die in Form einer Licht-Antwort vorliegt, welche die Funktion der anderen ist.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der zuvor eingestellte, erfassbare Parameter ein Grad an Depolarisation ist, der als Verhältnis zwischen der Differenz der Lichtantwortsintensitäten und ihrer Summe berechnet wird.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Steuereinheit den Druckaufbau betreibt, derart dass die Stillstandszeit, während welcher der über-systolische Druck aufgebracht wird, für irreversible Änderungen in dem fleischlichem Medium unzureichend ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die mindestens eine gewählte Wellenlänge in dem Bereich des sichtbaren Spektrums oder Nah-Infrarot-Spektrums ist.
Erfassungsvorrichtung zur Verwendung in einem optischen Erfassungssystem zum Erhalten von Daten, die auf die Konzentration einer Streuungs-beinflussenden oder optisch aktiven Substanz in Patientenblut schließen lassen, wobei die Erfassungsvorrichtung umfasst, einen Druckaufbau (20) und eine Erfassungseinheit (10); wobei der Druckaufbau ein Druckelement (21A) zum Umhüllen eines Bereichs (L1) auf einem Blutfluss-enthaltenden Medium (F) aufweist, welcher betriebsfähig ist, um einen über-systolischen Druck auf den Bereich aufzubringen, um so einen Blutfluss-Stillstandszustand an einer Erfassungsstelle (L2) in dem Medium zu schaffen, und den Zustand während einer gewissen Stillstandszeit aufrechtzuerhalten; wobei die Erfassungseinheit betriebsfähig ist, um optische Erfassungssitzungen an der Erfassungsstelle während einer Zeitspanne innerhalb der gewissen Stillstandszeit durchzuführen, wobei die Erfassungseinheit umfasst, ein Beleuchtungssystem (11) zum Beleuchten der Erfassungsstelle mit spezifisch polarisierten Licht von mindestens einer gewählten Wellenlänge während mindestens zwei Erfassungssitzungen, und ein Licht-Sammel-/Detektions-System (13) zum Anwenden von Polarisationsfilterung auf Licht, das sich von der Erfassungsstelle ausbreitet, wobei dadurch bei jeder Erfassungssitzung ein Detektieren von mindestens zwei Lichtantworten des Mediums bei der gleichen Wellenlänge und bei mindestens zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen in jeweiliger Weise ermöglicht wird, und Erzeugen hierfür repräsentativer, erfasster Daten, wobei die erfassten Daten auf Zeitvariationen der Lichtantworten des Mediums schließen lassen, die den mindestens zwei verschiedenen Polarisationszuständen des detektierten Lichts entsprechen, wobei ein Verhältnis zwischen den Zeitvariationen auf die Zeitvariation an Depolarisation von Licht schließen lässt, die durch die Streuungs-beeinflussende oder optisch aktive Substanz in dem Medium bewirkt wird.