DE602004007771T2

DE602004007771T2 - Vorrichtung zur messung der konzentration eines analyten in einer augenflüssigkeit

Info

Publication number: DE602004007771T2
Application number: DE602004007771T
Authority: DE
Inventors: Achim Müller; Roland Schmieder; Klaus Haberstroh
Original assignee: Eyesense AG
Current assignee: Eyesense AG
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2024-02-14
Also published as: US20060155179A1; EP1599131B1; ES2288251T3; US7406345B2; WO2004071287A1; ATE367764T1; DE602004007771D1; EP1599131A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein tragbares Fluoreszenzphotometer und Verfahren zur Messung eines Analytlevels, vorzugsweise eines Blutglukoselevels von einer Augenflüssigkeit. Das Photometer ist in der Lage, selbst die korrekte Position relativ zum Auge für eine Messung zu definieren. Sowie die Vorrichtung korrekt positioniert ist, erfolgt die Analytmessung automatisch.
Ein wichtiger Aspekt bei der Behandlung von Diabetes besteht in der exakten Kontrolle der Blutglukoselevel, was eine häufige Überwachung von Blutglukoseleveln von Patienten erforderlich macht, um die Nahrungsaufnahme und die Dosierung und das Timing von Insulin-Injektionen zu steuern. Derzeit sind Millionen von Diabetikern gezwungen, sich täglich Blut abzunehmen, um ihre Blutzuckerlevel zu bestimmen. Um die fortwährende Unannehmlichkeit und Unbill dieser Personen zu vermindern, wurde eine erhebliche Anstrengung unternommen hinsichtlich der Suche nach einer nicht-invasiven oder minimal-invasiven Technologie, um genaue Blutglukoselevel zu bestimmen.
Verschiedene nicht-invasive oder minimal-invasive Technologien um Blutglukoselevel aus einer Augenflüssigkeit, wie beispielsweise Tränen, Kammerwasser oder interstitieller Flüssigkeit, zu messen sind beschrieben worden. Relevant für die vorliegende Erfindung ist der Augensensor für Glukose, welcher in WO-A-01/13783 offenbart wird. Der Augensensor, der in WO-A-01/13783 beschrieben wird, ist eine Augenlinse, welche einen Glukoserezeptor umfasst, der mit einem ersten Fluoreszenzmarker markiert ist, und ein Glukose-Wettbewerber, welcher mit einem zweiten Fluoreszenzmarker markiert ist. Die beiden Fluoreszenzmarker sind derart ausgewählt, dass, wenn der Wettbewerber an den Rezeptor gebunden ist, die Fluoreszenz des zweiten Fluoreszenzmarkers über einen fluoreszenten Resonanz-Energietransfer unterdrückt (gequencht) wird. Indem die Änderung der Fluoreszenzintensität bei einer Wellenlänge um das Maximum der Fluoreszenz des unterdrückbaren Fluoreszenzmarkers herum überwacht wird, wird die Menge des fluoreszent markierten Wettbewerbers, welche durch die Glukose vom Rezeptor weggedrängt wurde, gemessen, und stellt ein Mittel zur Bestimmung der Glukosekonzentration in einer Augenflüssigkeit zur Verfügung. Diese Messung kann wiederum derart manipuliert werden, dass eine Messung des Blutglukoselevels bereitgestellt wird.
Vorteilhafterweise könnte der erste Fluoreszenzmarker als ein interner Standard bei der Bestimmung der Glukosekonzentration in einer Augenflüssigkeit dienen und könnte dadurch die Genauigkeit der Bestimmung der Glukosekonzentration in einer Augenflüssigkeit verbessern.
WO-A-02/087429 offenbart ein Fluoreszenzphotometer zur Messung des Blutglukoselevels aus einer Augenflüssigkeit, welches in der Lage ist, gleichzeitig zwei Fluoreszenzintensitäten bei zwei verschiedenen Wellenlängen zu messen, und welches daher von dem in WO-A-01/13783 offenbarten Messsystem profitieren könnte.
Das Problem dieser Technologie liegt jedoch in ihrem hohen Preis und der Komplexität zur Positionierung des Messwerkzeuges relativ zum Auge des Patienten. Die Positionierung des Messstrahles muss mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern erfolgen. Während dies vielleicht mit einem statischen Messsystem möglich ist, ist dies bislang unmöglich hinsichtlich einer in vivo Messanordnung mit einer tragbaren Vorrichtung. Es besteht daher der Bedarf, eine Vorrichtung zur Messung von Glukosekonzentration in Augenflüssigkeiten zu entwickeln, welche auch in der Lage ist, selbst die korrekte Position für die Messung zu definieren, mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern. Darüber hinaus erfordert die Messung an der Augenoberfläche mit einem tragbaren Fluoreszenzphotometer ein Konzept, welches sicherstellt, dass lediglich die Fluoreszenz der Augenflüssigkeit oder der Kontaktlinse, nicht jedoch die Hintergrundfluoreszenz des darunter liegenden Gewebes gemessen wird.
Der Begriff „okulare Analytkonzentration" oder „okularer Analytlevel", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Analytkonzentration in einer Augenflüssigkeit.
Der Begriff „Blut-Analytkonzentration oder -level" oder „okularer Analytlevel", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Analytkonzentration im Blutstrom einer Person.
Die vorliegende Erfindung stellt in einer Hinsicht ein tragbares Fluoreszenzphotometer zum Messen eines Analytlevels, vorzugsweise eines Blutglukoselevels, von einer Augenflüssigkeit bereit, basierend auf einem zweistrahligen Messsystem, welches vorzugsweise konfokale optische Wege aufweist.
Das Fluoreszenzphotometer gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst:

a) mindestens ein erstes Bestrahlungsmittel zum Bereitstellen eines Pilotstrahls im Betrieb, wobei der Pilotstrahl von außerhalb der Cornea des Auges auf das Auge eines Benutzers eingestrahlt wird, um die Pupillenfluoreszenz oder erste Fluoreszenz anzuregen, wobei sich die Pupillenfluoreszenz entlang eines ersten optischen Weges ausbreitet;
b) ein erstes Detektormittel, welches auf dem ersten optischen Weg angeordnet ist, um die Intensität der Pupillenfluoreszenz innerhalb des vorgegebenen Wellenlängenbereichs zu detektieren;
c) ein zweites Bestrahlungsmittel, um im Betrieb einen Messstrahl bereitzustellen, wobei der Messstrahl von außerhalb der Cornea des Auges auf das Auge eines Benutzers eingestrahlt wird, um einen okularen Analytsensor anzuregen, wobei der okulare Analytsensor in Kontakt steht mit einer Augenflüssigkeit und bei Bestrahlung mit dem Bestrahlungsmittel eine Gesamtfluoreszenz emittiert, welche mindestens einen zweiten Fluoreszenzwellenlängenbereich aufweist, wobei sich die zweite Fluoreszenz entlang einem zweiten optischen Weg ausbreitet;
d) ein zweites Detektormittel, welches auf dem zweiten optischen Weg angeordnet ist, um die Intensität der zweiten Fluoreszenz bei der vorgegebenen Wellenlänge zu detektieren; wobei, wenn das Fluoreszenzphotometer in Betrieb ist, der Pilotstrahl bei einem festen Winkel und einem Abstand zum Messstrahl positioniert ist, und wobei der Winkel größer ist als 0 Grad und kleiner ist als 90 Grad.

Die korrekte Positionierung der Vorrichtung wird erreicht, indem die Pupillenfluoreszenzintensität gemessen wird, welche auch als erste Fluoreszenzintensität bezeichnet wird, mittels des optischen Weges des Pilotstrahls. Die Intensität der Pupillenfluoreszenz ist de facto korreliert zum Abstand des Messwerkzeuges vom Auge.
Nur wenn die Distanz des Messwerkzeuges vom Auge derart ist, dass der Messstrahl die Iris beleuchtet, beginnt die eigentliche Messung. Die Iris weist eine Eigenfluoreszenz auf, welche ungefähr 100-fach geringer ist als die Fluoreszenz der Pupille. Es ist daher, um ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erreichen, vorteilhaft, den Messstrahl derart zu lenken, dass dieser die Iris des Auges des Patienten trifft. Wenn das Photometer falsch positioniert ist, stoppt der Messstrahl automatisch.
Die kleinen Dimensionen, zusammen mit der hohen Genauigkeit, welche durch das Photometer gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht wird, ermöglichen es zum ersten Mal, zwei Strahlen gleichzeitig in das Auge eines Patienten zu fokussieren und damit von einem Zweistrahl-Messsystem zu profitieren.
Das Photometer umfasst weiterhin ein Berechnungsmittel oder einen Verarbeitungsschaltkreis zur Bestimmung, basierend auf den gemessenen Fluoreszenzintensitäten:

a) einer Distanz zwischen dem Photometer und dem Auge des Patienten;
b) einer okularen Analytkonzentration in der Augenflüssigkeit des Benutzers entsprechend einer vorgegebenen Kallibrationstabelle oder Kallibrationskurve;

In einem weiteren Aspekt stellt diese Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Analytlevels, vorzugsweise eines Blutglukoselevels, von einer Augenflüssigkeit bereit. Ein derartiges Verfahren umfasst:

a) Bereitstellen eines okularen Analytsensors in Kontakt mit der Tränenflüssigkeit;
b) Bereitstellen eines tragbaren Fluoreszenzphotometers vor dem Auge des Patienten, wobei im Betrieb das Photometer einen Pilotstrahl und einen Messstrahl bereitstellt;
c) Einstrahlen eines Pilotstrahls von außerhalb der Cornea des Auges auf das Auge eines Benutzers, um die Pupillenfluoreszenz oder erste Fluoreszenz anzuregen, wobei die erste Fluoreszenz sich entlang eines ersten optischen Weges ausbreitet;
d) Detektieren der Intensität der ersten Fluoreszenz innerhalb des vorgegebenen Wellenlängenbereichs;
e) Korrelieren der Intensität der Pupillenfluoreszenz mit dem Abstand des Fluoreszenzphotometers zum Auge, und dabei Bestimmen der genauen Position des Fluoreszenzphotometers für die Messung; sobald die genaue Position erreicht worden ist
f) Einstrahlen eines Messstrahles von außerhalb der Cornea des Auges auf das Auge eines Benutzers, um den okularen Analytsensor anzuregen, wobei der okulare Analytsensor eine Gesamtfluoreszenz emittiert, welche bei Bestrahlung mit dem Bestrahlungsmittel mindestens einen zweiten Fluoreszenzwellenlängenbereich aufweist;
g) Detektieren der Intensität der zweiten Fluoreszenz bei der vorgegebenen Wellenlänge;
h) Korrelieren der Intensität der zweiten Fluoreszenz mit dem Analytlevel.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Geometrie des Fluoreszenzphotometers derart, dass, wenn das Fluoreszenzphotometer in Betrieb ist, der Pilotstrahl in einem festen Winkel und in einer Distanz zum Messstrahl positioniert ist, wobei der Winkel größer ist als 0 Grad und kleiner ist als 90 Grad; und der Messstrahl wird auf die Iris des Auges des Patienten eingestrahlt.
Figuren
1 zeigt das Grundprinzip des Messsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt die schematische Anordnung der Positionierung des Messstrahls und des Pilotstrahls relativ zum Auge eines Patienten;
3 zeigt den optischen Weg des Pilotstrahls in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt den optischen Weg des Messsystems in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt den kombinierten optischen Weg des Messstrahls und des Pilotstrahls relativ zum Auge eines Patienten in einem speziellen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das Grundprinzip der Messsystems der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Zunächst bestrahlt ein Pilotstrahl 1, welcher eine wohldefinierte Wellenlänge aufweist, die Pupille 2 eines Auges 3 eines Patienten, der einen okularen Analytsensor (nicht dargestellt) trägt. Eine derartige Bestrahlung bewirkt, dass die Pupille 2 eine erste Fluoreszenz 11 in einem definierten Wellenlängenbereich emittiert, welche sich entlang eines ersten optischen Weges ausbreitet und welche mittels eines Detektors gemessen wird. Der gemessene Bereich der Fluoreszenzintensität wird dann mit dem Abstand zwischen dem Fluoreszenzphotometer und dem Auge korreliert.
Die Geometrie des vorliegenden Fluoreszenzphotometers ist dergestalt, dass der Pilotstrahl 1 und ein Messstrahl 5, welcher für die eigentliche Analytmessung eingesetzt wird, in einem festen Winkel α relativ zum Auge 3 des Patienten positioniert sind, wie es in 2 dargestellt ist. Wenn der Abstand des Photometers vom Auge derart ist, dass entsprechend der vorliegenden Geometrie der Messstrahl die Iris 6 des Patienten bestrahlt, sendet ein interner Schaltkreis (nicht dargestellt) ein Signal, um die eigentliche Analytmessung zu starten. Nur dann bestrahlt der Messstrahl 5 die Iris 6 des Auges 3 des Patienten. Bei Bestrahlung emittiert der okulare Analytsensor eine Gesamtfluoreszenz 55, welche mindestens einen zweiten Wellenlängenbereich aufweist, welche sich entlang eines zweiten optischen Weges ausbreitet und welche mittels eines Detektors gemessen wird. Die gemessene Fluoreszenzintensität wird dann korreliert mit der Analytkonzentration im Blut des Patienten.
Der Winkel α wird derart gewählt, dass der Messstrahl die Oberfläche des Auges in der Iris 6 bestrahlt, mit Grenzen, die durch die Pupille 2 und die Sclera vorgegeben sind, in Abhängigkeit von der Optik des Photometers und der optimalen Distanz für die Messung. Der Winkel α ist größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad. Vorzugsweise liegt der Winkel α zwischen 20 und 50 Grad und weiter bevorzugt zwischen 30 und 40 Grad. Eine bevorzugte Messdistanz liegt zwischen 100 mm und 1 mm, vorzugsweise zwischen 5 und 30 mm.
Der Pilotstrahl 1 bewirkt außerdem, dass Fluoreszenz vom okularen Sensor emittiert wird, eine derartige Fluoreszenz kann jedoch im Vergleich zu der von der Pupille 2 emittierten Fluoreszenz vernachlässigt werden. Analog bewirkt der Messstrahl 5, dass die Iris 6 eine Fluoreszenz emittiert, eine derartige Fluoreszenz kann jedoch im Vergleich zur vom okularen Glukosesensor generierten Fluoreszenz vernachlässigt werden.
Vorteilhafterweise wird die Pupille 2 selbst, wenn der Pilotstrahl die Pupille 2 des Auges 3 des Patienten bestrahlt, kleiner, was das Messsystems unabhängig von den Abmessungen der Pupille 2 gegenüber der Iris 6 macht, welche von Patient zu Patient und entsprechend den Beleuchtungsbedingungen variieren können.
3 beschreibt schematisch den optischen Weg des Pilotstrahls 1 (auch dargestellt in 5) relativ zum Auge im Fluoreszenzphotometer gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Ein derartiges Fluoreszenzphotometer umfasst eine erste lichtemittierende Diode 7, welche als Bestrahlungsmittel dient, dichroitische Spiegel 8, 9 mit der doppelten Funktion einer Reflexion und Teilung des Strahls, Filter 10, 12 und ein erstes Detektormittel 13.
Die erste lichtemittierende Diode 7 emittiert Anregungslicht eines definierten Wellenlängenbereichs, welches sich durch den Filter 10 ausbreitet, um einen monochromatischen Strahl oder Pilotstrahl zu erzeugen. Der dichroitische Spiegel 8 lenkt den Messstrahl hin zum Auge 3 des Patienten. Bevor der Pilotstrahl 1 die Pupille 2 des Auges 3 des Patienten trifft, wird dieser kollimiert und korrekt fokussiert mittels gewöhnlicher Linsen (nicht dargestellt). Eine derartige Bestrahlung im Auge 3 bewirkt, dass die Pupille 2 eine charakteristische Fluoreszenz emittiert, welche auch als erste Fluoreszenz bezeichnet wird, welche sich zurück zum dichroitischen Spiegel 8 ausbreitet. Dann blockiert der dichroitische Spiegel 8 das reflektierte Anregungslicht und erlaubt es der Pupillenfluoreszenz, welche ein höheres Wellenlängenband aufweist, sich weiter auf ihrem optischen Weg auszubreiten. Der dichroitische Spiegel 9 lenkt die Pupillenfluoreszenz zum Filter 12, welcher sicherstellt, dass nur die Pupillenfluoreszenz, welche einen wohldefinierten Wellenlängenbereich aufweist, den Detektor 13 erreicht und gemessen wird.
4 zeigt schematisch den optischen Weg des Messstrahls 5 relativ zum Auge 3 des Patienten im Fluoreszenzphotometer in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel wird ein okularer Glukosesensor verwendet, welcher eine Gesamtfluoreszenz emittiert, die eine zweite Fluoreszenz und eine dritte Fluoreszenz bei wohldefinierten Wellenlängen aufweist.
Die Vorrichtung umfasst mindestens eine zweite lichtemittierende Diode 17, welche als Bestrahlungsmittel dient, dichroitische Spiegel 18, 19 mit der doppelten Funktion der Reflexion und der Teilung des Strahls, einen einfachen Spiegel 20, Filter 21, 22, 23, ein zweites und drittes Detektormittel 24, 25.
Die zweite lichtemittierende Diode 17 emittiert Anregungslicht in einem definierten Wellenlängenbereich, welches sich durch den Filter 21 ausbreitet, um einen monochromatischen Strahl oder Messstrahl 5 zu erzeugen. Der dichroitische Spiegel 18 lenkt den Messstrahl 5 auf das Auge 3 des Patienten. Bevor der Messstrahl 5 die Iris 6 des Auges 3 des Patienten trifft, wird dieser kollimiert und korrekt fokussiert mittels gewöhnlicher Linsen (nicht dargestellt). Eine derartige Bestrahlung der Iris 6 bewirkt, dass der Glukose-Okularsensor eine Gesamtfluoreszenz emittiert, welche sich zurück zum dichroitischen Spiegel 18 ausbreitet. Dann blockiert der dichroitische Spiegel 18 das reflektierte Anregungslicht und ermöglicht es der Gesamtfluoreszenz, welche ein höheres Wellenlängenband aufweist, sich weiter auf ihrem optischen Weg auszubreiten. Der dichroitische Spiegel 19 teilt die Gesamtfluoreszenz in eine zweite Fluoreszenz, welche einen zweiten Wellenlängenbereich aufweist und eine dritte Fluoreszenz, welche einen dritten Wellenlängenbereich aufweist. Die zweite Fluoreszenz, welche einen niedrigeren Wellenlängenbereich aufweist, wird dann abgelenkt zum Filter 22, und der dritten Fluoreszenz wird es ermöglicht, hindurchzutreten. Der Filter 22 erlaubt es lediglich der zweiten Fluoreszenz mit einer wohldefinierten Wellenlänge, den zweiten Detektor 24 zu erreichen.
Der dritte Fluoreszenzbereich erreicht auf seinem optischen Weg den Spiegel 20, welcher dieses nach einem Herausfiltern zum dritten Detektor 25 lenkt. Die dritte Fluoreszenz, welche eine wohldefinierte Wellenlänge aufweist, wird dann gemessen.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der optische Weg des Messstrahls mehr als eine Lichtquelle. Ein Beispiel dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels ist in 5 dargestellt, wobei der optische Weg des Messstrahls weiterhin eine dritte lichtemittierende Diode 27, einen zusätzlichen dichroitischen Spiegel 28 und einen zusätzlichen Filter 29 umfasst. Das Anregungslicht, welches von der zweiten lichtemittierenden Diode 17 ausgestrahlt wird, wird eingesetzt, um besonders die zweite Fluoreszenz des Okularsensors anzuregen, und die dritte lichtemittierende Diode 27 wird eingesetzt, um besonders die dritte Fluoreszenz des Okularsensors anzuregen. Auf dieselbe Weise wie die zuvor beschriebenen dichroitischen Spiegel blockiert der dichroitische Spiegel 28 eine niedrigere Wellenlänge und ermöglicht es dem höheren Wellenlängenbereich, den optischen Weg fortzusetzen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Photometer der vorliegenden Erfindung weiterhin ein oder mehrere zusätzliche Bestrahlungsmittel zum Bereitstellen des Pilotstrahls. Die Lichtquellen werden dann vorzugsweise der Reihe nach während der Positionierung der Vorrichtung und der Messung eingesetzt.
5 zeigt weiterhin eine mögliche Kombination des bevorzugten optischen Weges des Pilotstrahls 1 und des Messstrahls 5 in dem Fluoreszenzphotometer gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das Photometer schließt vorzugsweise weiterhin ein Berechnungsmittel oder einen Verarbeitungsschaltkreis (nicht dargestellt) ein, um, basierend auf den gemessenen Fluoreszenzintensitäten, zu bestimmen:

a) einen Abstand zwischen dem Photometer und dem Auge des Patienten;
b) eine okulare Glukosekonzentration in der Augenflüssigkeit des Benutzers gemäß einer vorgegebenen Kalibrationstabelle oder Kalibrationskurve;

Für den Fachmann wird es offensichtlich erscheinen, wie die oben beschriebene Vorrichtung zu modifizieren ist, im Falle, in welchem der Okularsensor eine Fluoreszenz mit lediglich einem Wellenlängenbereich emittiert, oder in dem Fall, in welchem der Okularsensor eine Fluoreszenz mit mehr als zwei Wellenlängenbereichen emittiert. Beispielsweise kann die Anzahl dichroitischer Spiegel im optischen Weg des Messstrahls verringert oder vergrößert werden. Analog kann die Anzahl von Lichtquellen nach Bedarf vergrößert werden.
Der zu messende Analyt kann Glukose sowie jegliche andere Substanz, die in einer Augenflüssigkeit vorliegt, sein, wie beispielsweise Hormone. Das Fluoreszenzphotometer muss dann entsprechend innerhalb des Konzeptes der Erfindung modifiziert werden. Beispielsweise müssen sowohl die Positionen des dichroitischen Spiegels als auch die des Filters relativ zum optischen Weg des Mess- und/oder Pilotstrahls optimiert werden, in Abhängigkeit vom okularen Analytsensor und der eingesetzten Optik.
Die Lichtquellen sind vorzugsweise oberflächenmontierte (Surface Mounted Device) lichtemittierende Dioden, welche einen definierten Wellenlängenbereich aufweisen, welche charakterisiert sind durch eine gleichmäßige Lichtverteilung und eine geringere Leistung im Vergleich zu gewöhnlichen lichtemittierenden Dioden. Alternativ könnte jegliche Art von lichtemittierenden Dioden, Lasern oder elektroluminiszierenden Lichtquellen eingesetzt werden.
Dichroitische Spiegel blockieren niedrigere Wellenlängen und erlauben es höheren Wellenlängenbereichen, den optischen Weg fortzusetzen. Deren Positionierung relativ zu dem optischen Weg der Strahlen sowie die Positionierung des Filters muss für jeden speziellen Fall eines Messsystems optimiert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, in welchem der okulare Glukosesensor eine zweite Fluoreszenz bei 520 nm und eine dritte Fluoreszenz bei 590 nm aussendet, wird eine oberflächenmontierte lichtemittierende Diode verwendet, welche ein Anregungslicht von 465 nm aufweist. Die dichroitischen Spiegel und die Filter haben vorzugsweise einen Winkel von 45 und 90 Grad relativ zu den optischen Wegen des Pilotstrahls und des Messstrahls. Der Winkel α zwischen dem Pilotstrahl und dem Messstrahl in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt 35 Grad.
Das Photometer könnte, um diese Messungen durchzuführen, verschiedene Konfigurationen einnehmen, wie beispielsweise die eines Laborgerätes mittlerer Größe oder die einer kleinen, handgehaltenen, tragbaren, unabhängigen Einheit, welche geeignet ist, um vom Benutzer leicht in einer Tasche oder Handtasche getragen zu werden. Beispielsweise liegt die Länge des Fluoreszenzphotometers vorzugsweise zwischen 3 und 20 cm, vorzugsweise zwischen 5 und 15 cm und besonders bevorzugt zwischen 7 und 10 cm. Die Dicke liegt beispielsweise zwischen 1 und 7 cm, vorzugsweise zwischen 2 und 4 cm. Das Instrument wird eingesetzt, indem in ein optisches Fenster geblickt wird, während die Vorrichtung vor dem Auge in einem Abstand gehalten wird, der durch den Pilotstrahl 1 bestimmt wird, wenn das Instrument im Betrieb ist. Vorzugsweise wird ein umschließendes Gehäuse vorgesehen, um die optischen Elemente zu schützen. Ein Display, welches vorzugsweise Flüssigkristalle oder lichtemittierende Dioden einsetzt, welches eine Auslesung des Analytwertes bereitstellt, und eine Instrumenten-Diagnostik, die einen Batteriestatus einschließt, ist an der inneren Oberfläche eines derartigen Gehäuses 31 positioniert. In einer alternativen Ausgestaltung ist das Display auf einem äußeren Gehäuse positioniert. Ein Batteriegehäuse ist am gegenüberliegenden Ende des Instrumentes vorgesehen.
Um mit den kleinen Dimensionen des Photometers zurechtzukommen, weisen der Pilotstrahl wie auch der Messstrahl vorzugsweise konfokale Optiken auf. Um das Photometer genau relativ zum Auge des Patienten zu positionieren ist es vorteilhaft, wenn der Pilotstrahl einen scharfen Fokus aufweist. Um die Auswirkung einer Augenbewegung während der Glukosemessung zu verringern, weist der Messstrahl vorzugsweise einen diffuseren Fokus auf.
Ein anfänglicher Kalibrationsprozess kann beispielsweise erforderlich sein, um Unterschiede in der natürlichen Fluoreszenz der Patienten und spezifische Charakteristika der eingesetzten okularen Analytsensoren zu berücksichtigen.
Zusätzlich kann eine Standardisierung durchgeführt werden, indem die Fluoreszenzintensität eines Referenzfarbstoffes gemessen wird, welcher in dem okularen Analytsensor eingebettet sein kann, wobei ein derartiger Farbstoff inaktiv ist hinsichtlich des Analyten.
Wenn der Okularsensor mehr als einen Fluoreszenzmarker umfasst, so kann einer als interner Standard bei der Bestimmung der Analytkonzentration in einer Augenflüssigkeit dienen. Eine zusätzliche Kalibration kann durchgeführt werden, indem ein Fluoreszenzmarker gemessen wird, während ein anderer angeregt wird. Dies würde die Variation (sofern eine derartige auftritt) in der Intensität des Pilotstrahls, wenn der Abstand vom Auge leicht variiert wird (in der Größenordnung von Mikrometern), kompensieren.
Eine Kalibrationstabelle oder Kalibrationskurve, so wie sie hier verwendet wird, bedeutet eine Tabelle oder Kurve, welche in korrelierter Form Fluoreszenzintensität oder Fluoreszenzintensitätsverhältnisse und ihre entsprechenden tatsächlichen Analytkonzentrationen umfasst.
Wenn der Analyt Glukose ist, so kann eine Kalibrationstabelle oder Kalibrationskurve beispielsweise einmal täglich erhalten werden, oder kurz vor dem Testen der Blutglukoselevel, indem mindestens drei Standardlösungen mit bekannten Glukosekonzentrationen über einen Glukosekonzentrationsbereich von 30 bis 500 mg/l verwendet werden. Die erhaltene Kalibrationstabelle oder -kurve wird vorzugsweise in der Vorrichtung gespeichert, welche nachfolgend verwendet wird, um die Blutglukosekonzentration zu bestimmen.
Die Korrelation zwischen Blutglukosekonzentration und okularer Glukosekonzentration kann durch im Stand der Technik wohlbekannte Methoden bestimmt werden. Siehe beispielsweise Manch et al., Diabetes Care 5, 259–265, 1982. Es ist bevorzugt, eine derartige Korrelation zwischen Blutglukosekonzentration und okularer Glukosekonzentration in der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu speichern, so dass die Messung der okularen Glukosekonzentration in einen Wert der Blutglukosekonzentration umgewandelt werden kann.
Standardlösungen können einem Benutzer in Kalibrations-Ausrüstungen bereitgestellt werden. Diese sind in Behältern gespeichert, vorzugsweise in einem rechteckigen Behälter, welcher eine Mehrzahl separater Fächer umfasst. Die Ausrüstungen können auch eine Kalibrationsanleitung umfassen.
Weiterhin kann der gemessene Wert der Blutglukosekonzentration an ein anderes Ausrüstungsteil über einen Draht oder ein Kabel oder drahtlos, wie beispielsweise über Radiofrequenz oder Infrarottransmission, übertragen werden. Ein telemetrisches Signal kann an eine Infusionspumpe übertragen werden, welche Insulin bereitstellen kann, um geeignete Level von Glukose im Körper aufrechtzuerhalten. Das telemetrische Signal kann analog oder digital sein.
Infusionspumpen sind im Stand der Technik wohlbekannt, um eine ausgewählte Medikation bereitzustellen an einen Patienten, einschließlich Menschen und anderen Tieren, in Übereinstimmung mit einem Verabreichungszeitplan, welcher vorausgewählt oder, in manchen Fällen, vorprogrammiert sein kann. Pumpen für den Einsatz in dieser Erfindung können extern getragen werden oder können direkt in den Körper eines Säugetieres, einschließlich eines Menschen, implantiert werden, um speziell Insulin an das Säugetier in kontrollierten Dosen über einen längeren Zeitraum zu liefern. Derartige Pumpen sind wohlbekannt und sind beispielsweise beschrieben in den US-Patenten 5,957,890, 4,923,375, 4,573,994, und 3,731,681.
Unter einem weiteren Aspekt stellt diese Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Analytlevels bereit, vorzugsweise eines Blutglukoselevels, von einer Augenflüssigkeit. Zunächst wird ein okularer Analytsensor bereitgestellt, welcher in Kontakt mit der Augenflüssigkeit steht. Als nächstes wird das Fluoreszenzphotometer gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Das Photometer wird eingesetzt, indem in ein optisches Fenster geblickt wird, während der Apparat vor das Auge gehalten wird.
Um die Vorrichtung exakt zu positionieren, wird der Pilotstrahl in die Pupille des Auges des Patienten eingestrahlt, und die Pupillenfluoreszenz wird gemessen. Sobald das Photometer exakt positioniert ist, wird der Messstrahl auf das Auge des Patienten eingestrahlt, vorzugsweise auf die Iris, um den okularen Analytsensor anzuregen. Bei Anregung emittiert der okulare Analytsensor eine Fluoreszenz, welche mindestens einen Wellenlängenbereich aufweist. Die detektierte Fluoreszenzintensität, welche von dem Sensor emittiert wird, wird dann mit der okularen Konzentration und/oder Blutkonzentration des Analyten korreliert.
Ein geeigneter Okularsensor ist beispielsweise eine Augenlinse, welche einen Analytrezeptor aufweist, der mit einem ersten Fluoreszenzmarker markiert ist, und einen Analytkonkurrenten, der mit einem zweiten Fluoreszenzmarker markiert ist. Die beiden Fluoreszenzmarker sind derart ausgewählt, dass, wenn der Konkurrent an den Rezeptor gebunden ist, die Fluoreszenz eines der zwei Fluoreszenzmarker über einen fluoreszenten Resonanzenergietransfer durch den anderen Fluoreszenzmarker unterdrückt (gequencht) wird. Indem die Veränderung der Fluoreszenzintensität bei einer Wellenlänge um das Maximum der Fluoreszenz des unterdrückbaren Fluoreszenzmarkers herum überwacht wird, wird die Menge des fluoreszent markierten Konkurrenten, welche durch den Analyten vom Rezeptor verdrängt wurde, gemessen, und stellt ein Mittel bereit, um die Analytkonzentration in einer Augenflüssigkeit zu bestimmen.
Fluoreszenzmarker, wie beispielsweise Fluorescein, Indocyanin-Grün, Malachit-Grün und Rhodamin, welche unterdrück werden, wenn die Konkurrentengruppe gebunden ist, welche jedoch nicht unterdrückt sind, wenn die Konkurrentengruppe nicht gebunden ist, sind bevorzugt für den Einsatz als unterdrückbare Fluoreszenzmarker in dem okularen Glukosesensor. Eine besonders bevorzugte Kombination von Fluoreszenzmarkern ist die Kombination von Fluorescein (Donor) und Rhodamin (Akzeptor).
Die Sensitivität des okularen Glukosesensors kann gesteuert werden, indem die Konzentration des unterdrückbaren Fluoreszenzmarkers verändert wird. Eine Erhöhung der Konzentration des unterdrückbaren Fluoreszenzmarkers in dem okularen Glukosesensor erhöht den Bereich der Fluoreszenzintensität und vergrößert somit die Sensitivität der resultierenden Messungen.
Die Glukose-Rezeptorgruppe umfasst eine oder mehrere Bindungsstellen für Glukose. Die Bindungsstelle bindet auch eine Gruppe, die mit Glukose um die Bindung konkurriert, und wird daher hier auch als „Glukose/Konkurrentengruppen-Bindungsstelle" bezeichnet. Eine Bindung sowohl der Konkurrentengruppe als auch der Glukose an die Glukose/Konkurrentengruppen-Bindungsstelle ist reversibel. Die Rezeptorgruppe kann beispielsweise Antikörper, Boronsäure, ein genetisch gestaltetes bakterielles Fluoriprotein, oder vorzugsweise Concanavalin A (Mansouri & Schultz, Bio/Tech 2:385 (1984)), sein.
Es ist dem Fachmann wohlbekannt, wie eine Konkurrentengruppe auszuwählen ist, welche mit Glukose um die Bindung an eine Glukose/Konkurrentengruppen-Bindungsstelle konkurriert. Beispielsweise sind geeignete Konkurrenten zur Glukose für die Bindung an Concanavalin A polymerische Kohlenhydrate, insbesondere Dextran oder ein Glycoconjugat, wie in US 5,342,789 beschrieben.
Ein besonders bevorzugtes Rezeptor-Konkurrentensystem ist ein System von markiertem Concanavalin A und ein markiertes Dextran, insbesondere Rhodamin-Concanavalin A und Fluorescein-Dextran.
In einer Alternative kann ein geeigneter okularer Analytsensor eine Augenlinse sein, welche ein Protein-detektierendes Molekül umfasst, welches geeignet ist, den Analyt zu binden, und welches die Eigenschaft aufweist, bei Bestrahlung ein Fluoreszenzlicht zu emittieren, welches mindestens einen Fluoreszenzbereich aufweist, welches sich in seiner Intensität oder Zerfallszeit in einer konzentrationsabhängigen Weise ändert, wenn das Molekül an den Analyten gebunden ist. Wenn der Analyt Glukose ist, ist vorzugsweise das Protein ein E. Coli Glukose-bindendes Protein GGBP oder funktionell äquivalente Fragmente davon. Andere Proteine als GGBP können eingesetzt werden, beispielsweise Hexokinase, Glukokinase oder Mutanten von Hexokinase oder Mutanten von GGBP. Beispielsweise ist es besonders zweckmäßig, das GGBP-Molekül derart zu modifizieren, dass dieses Cystein-Reste einschließt, wie beschrieben in US 6,197,534 . Zusätzlich kann das Sensormolekül markiert werden mit einem oder mehreren detektierbaren Markern, wie Lösungsmittel-sensitiven Sonden, wie beispielsweise Dansyl-Sonden, Anilinonaphthalin-Sonden, Deproxyl-Sonden oder ähnlichen Sonden, welche sensitiv auf die Polarität der lokalen Umgebung sind. Andere zweckmäßige Sonden schließen Donor-Akzeptor-Paare ein, wie beispielsweise Fluorescein zu Rhodamin, Coumarin zu Fluorescein oder Rhodamin. Eine weitere Klasse zweckmäßiger Marker-Paare schließt Flourophor-Quencher-Paare ein, wie beispielsweise Acrylamid-Gruppen, Jod oder Bromat etc., in welchen die zweite Gruppe ein Quencher ist, welcher die Fluoreszenzintensität der Fluoreszenzgruppe verringert.
Ein geeigneter okularer Analytsensor kann zusätzlich einen Referenzfarbstoff umfassen, zum Beispiel für Standardisierungs- oder Kalibrationszwecke, welcher bei Bestrahlung eine charakteristische Fluoreszenz emittiert, wobei ein derartiger Farbstoff inaktiv ist hinsichtlich des Analyten.
Eine Augenlinse ist beispielsweise eine entfernbare Linse, wie beispielsweise eine Kontaktlinse, oder eine permanent implantierte Linse, wie beispielsweise eine intraokulare Linse, eine subkonjunktivale Linse, oder eine intracorneale Linse. Permanent implantierte Linsen sind besonders gut geeignet für den Einsatz bei Personen, welche eine eingeschränkte Augenfunktion (z.B. Katarakte) haben und gleichzeitig die Krankheit Diabetes.
Augenlinsen können korrektive Linsen sein oder können derart ausgestaltet sein, dass diese die Sehschärfe nicht beeinflussen. Kontaktlinsen können optional einen Farbton umfassen und sind vorzugsweise Einweglinsen, was das Risiko einer Infektion für den Benutzer reduziert. So wie er hier verwendet wird, kann der Ausdruck „Augenlinse" sich auch auf eine Verbindung oder ein Implantat beziehen, welches in dem subkonjunktivalen Teil des Auges verbleiben kann.
Augenlinsen entsprechend Ausführungsbeispielen der Erfindung können permanent getragen werden, um wiederholte Messungen zu ermöglichen, oder können für eine einzelne Messung getragen werden. Sowohl qualitative als auch quantitative Messungen können durchgeführt werden.

Claims

Tragbares Fluoreszenzphotometer zum Messen eines Analytlevels von einer Augenflüssigkeit, umfassend: a) mindestens ein erstes Bestrahlungsmittel zum Bereitstellen eines Pilotstrahles im Betrieb, wobei der Pilotstrahl von außerhalb der Cornea des Auges auf das Auge eines Benutzers eingestrahlt wird, um die Pupillen-Fluoreszenz oder erste Fluoreszenz anzuregen, wobei sich die Pupillen-Fluoreszenz entlang eines ersten optischen Weges ausbreitet; b) ein erstes Detektormittel, welches auf dem ersten optischem Weg angeordnet ist, um die Intensität der Pupillen-Fluoreszenz innerhalb des vorgegebenen Wellenlängenbereichs zu detektieren; c) ein zweites Bestrahlungsmittel zum Bereitstellen eines Messstrahles im Betrieb, wobei der Messstrahl von außerhalb der Cornea des Auges auf das Auge eines Benutzers eingestrahlt wird, um einen okularen Analytsensor anzuregen, wobei der okulare Analytsensor in Kontakt steht mit einer Augenflüssigkeit und bei Bestrahlung mit dem Bestrahlungsmittel eine Gesamtfluoreszenz emittiert, welche mindestens ein zweites Fluoreszenzwellenlängenband aufweist, wobei sich die zweite Fluoreszenz entlang eines zweiten optischen Weges ausbreitet; d) ein zweites Detektormittel, welches auf dem zweiten optischen Weg angeordnet ist, um die Intensität der zweiten Fluoreszenz bei der vorgegebenen Wellenlänge zu detektieren; wobei, wenn das Fluoreszenzphotometer im Betrieb ist, der Pilotstrahl in einem festen Winkel und in einer Distanz von dem Messstrahl positioniert ist, wobei der Winkel größer ist als 0 Grad und kleiner ist als 90 Grad.
Fluoreszenzphotometer gemäß Anspruch 1, wobei der Messstrahl auf die Iris des Auges des Patienten eingestrahlt wird.
Fluoreszenzphotometer gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Pilotstrahl sowie der Messstrahl konfokale optische Wege aufweisen.
Fluoreszenzphotometer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Analyt Blutglukose ist.
Fluoreszenzphotometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei, wenn das Fluoreszenzphotometer in Betrieb ist, der okulare Analytsensor bei Bestrahlung mit dem Bestrahlungsmittel eine Gesamtfluoreszenz emittiert, die den zweiten und den dritten Wellenlängenbereich aufweist, und wobei das Fluoreszenzphotometer weiterhin aufweist: e) einen optischen Weg, der Strahlteilermittel aufweist, zum Aufteilen der Gesamtfluoreszenz, die beide Bereiche aufweist, in die zweite Fluoreszenz, die den zweiten Wellenlängenbereich aufweist, und die dritte Fluoreszenz, die den dritten Wellenlängenbereich aufweist, wobei die zweite Fluoreszenz sich entlang dem zweiten optischen Weg ausbreitet und wobei die dritte Fluoreszenz sich entlang einem dritten optischen Weg ausbreitet; f) ein drittes Detektormittel, welches in dem dritten optischen Weg angeordnet ist, zum Detektieren der Intensität der dritten Fluoreszenz bei einer dritten Wellenlänge.
Fluoreszenzphotometer gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein drittes Bestrahlungsmittel, wobei das zweite Bestrahlungsmittel eingesetzt wird, um die zweite Fluoreszenz anzuregen, und das dritte Bestrahlungsmittel eingesetzt wird, um die dritte Fluoreszenz anzuregen.
Fluoreszenzphotometer gemäß einem der vorgehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Verarbeitungsschaltkreis und/oder ein Rechenmittel, ein Display und eine Energieversorgung.
Verfahren zum Bestimmen eines Analytlevels aus einer Augenflüssigkeit, umfassend: a) Bereitstellen eines okularen Analytsensors, welcher in Kontakt steht mit der Augenflüssigkeit; b) Bereitstellen eines tragbaren Fluoreszenzphotometers vor dem Auge des Patienten, wobei im Betrieb das Photometer einen Pilotstrahl und einen Messstrahl bereitstellt; c) Einstrahlen eines Pilotstrahls auf das Auge eines Benutzers von außerhalb der Cornea des Auges, um die Pupillenfluoreszenz oder die erste Fluoreszenz anzuregen, wobei die erste Fluoreszenz sich entlang eines ersten optischen Weges ausbreitet; d) Detektieren der Intensität der ersten Fluoreszenz innerhalb des vorgegebenen Wellenlängenbereichs; e) Korrelieren der Intensität der Pupillenfluoreszenz mit dem Abstand zwischen dem Fluoreszenzphotometer und dem Auge und dabei Bestimmen der genauen Position des Fluoreszenzphotometers für die Messung; sobald die genaue Position erreicht ist; f) Einstrahlen eines Messstrahles auf das Auge eines Benutzers von außerhalb der Cornea des Auges, um den okularen Analytsensor anzuregen; wobei der okulare Analytsensor bei Bestrahlung mit dem Bestrahlungsmittel eine Gesamtfluoreszenz emittiert, die mindestens einen zweiten Fluoreszenzwellenlängenbereich aufweist; g) Detektieren der Intensität der zweiten Fluoreszenz bei der vorgegebenen Wellenlänge; h) Korrelieren der Intensität der zweiten Fluoreszenz mit dem Analytlevel.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei, wenn das Fluoreszenzphotometer im Betrieb ist, der Pilotstrahl bei einem festen Winkel und einer Distanz vom Messstrahl positioniert ist, wobei der Winkel größer ist als 0 Grad und kleiner ist als 90 Grad.
Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei der Messstrahl in die Iris des Auges des Patienten eingestrahlt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Analyt Blutglukose ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei ein Verarbeitungsschaltkreis ein Signal aussendet, um automatisch von Schritt f) zu Schritt g) überzugehen.