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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Sensoren zum Messen
eines oder mehrerer Parameter eines Probenfluids, wobei sie sich
insbesondere auf implantierbare Sensoren zum Messen von Parametern
von Probenfluiden in situ bezieht.
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Die
Verwendung elektrooptischer Erfassungsvorrichtungen zum Erfassen
des Vorhandenseins oder der Konzentration eines Analyten (d. h.
eines zu messenden Parameters) in einem flüssigen oder gasförmigen Medium
ist im Gebiet bekannt. Zum Beispiel beschreiben die
US-Patente mit den Nummern 6.454.710 ,
6.330.464 ,
6.304.766 ,
6.119.028 ,
6.081.736 ,
5.910.661 ,
5.894.351 ,
5.728.422 und
WO-A-99/49302 verschiedene
Aspekte dieser Technik einschließlich selbstständiger Erfassungsvorrichtungen,
die als geeignet für
eine Verwendung bei Menschen zur In-situ-Erfassung verschiedener Analyten
angegeben werden.
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Kompakte
chemische Sensoren, die interessierende Analyten in Zusammenhang
mit der menschlichen und tierischen Gesundheit erfassen können, insbesondere
Anordnungen, die implantierbar sind, sind von großem praktischem
Nutzen. Die verbreitetste Konfiguration eins optischen chemischen
Sensors verwendet eine LED, um stimulierendes Licht bereitzustellen,
das optisch mit einer Indikatorschicht gekoppelt wird, in oder auf
der Moleküle angeordnet
sind, deren Fluoreszenz oder Absorption, d. h. der Parameter, der
gemessen werden soll, durch die Anwesenheit des Analyten beeinflusst
wird. Ein Photodetekor ist gleichfalls optisch mit der Indikatorschicht
gekoppelt, um die Fluoreszenzstärke,
die Fluoreszenzlöschung
oder die Fluoreszenzabsorption zu erfassen, die durch die Wechselwirkung
der Indikatormoleküle
bei Vorhandensein des stimulierenden Lichts und des Analyten hervorgerufen
werden.
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Auf
diese Weise kann die Konzentration von Zuckern, Sauerstoff und weiteren
interessierenden Parametern oder Analyten in situ gemessen werden. Verschiedene
Konfigurationen und Anordnungen wie z. B. optische Fasern oder Wellenleiter
oder ein optisch transparentes Einkapselungsmaterial werden verwendet,
um das stimulierende Licht zu den Indikatormolekülen und deren optische Antwort
zurück
zu den Photodetektoren zu koppeln.
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Das
Dokument
WO-A-99/49302 zeigt
einen Sensor, wie er in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definiert
ist.
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Allerdings
weisen die Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik eine
Anzahl von Beschränkungen
wie z. B. hohe Kosten, eine zerbrechliche bzw. fragile Konstruktion,
eine schwierige Herstellung, eine ineffiziente optische Kopplung
und eine unter gewissen Umständen
eingeschränkte
Empfindlichkeit auf.
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Die
Erfindung schafft einen chemischen Sensor zum Erfassen oder Messen
eines interessierenden Parameters in einem Probenfluid, mit:
einem
Gehäuse,
das gegenüber
dem Probenfluid chemisch resistent ist;
einem Sensorelement,
das sich im Wesentlichen in dem Gehäuse befindet, wobei das Sensorelement eine
Erfassungsschicht und einen optisch transparenten Körper mit
einer von dem Gehäuse
freigegebenen ersten Oberfläche
zum Aufnehmen einer auf den interessierenden Parameter ansprechenden Probe
in dem Probenfluid und zum Empfangen eines ersten Signals von der
Erfassungsschicht in Reaktion auf deren optische Stimulation besitzt;
wobei
das Sensorelement einen Lichtsender auf einer zweiten Oberfläche des
Körpers,
die mit der ersten Oberfläche
optisch gekoppelt ist, aufweist, um die optische Stimulation zu
schaffen;
wobei das Sensorelement einen ersten Detektor auf einer
dritten Oberfläche
des Körpers,
die mit der ersten Oberfläche
optisch gekoppelt ist, aufweist, um das erste Signal zu erfassen;
und dadurch gekennzeichnet, dass von der ersten, der zweiten und
der dritten Oberfläche
des Körpers
zwei Oberflächen
einander gegenüberliegen
und eine verbleibende Oberfläche
die gegenüberliegenden
Oberflächen
koppelt.
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Der
chemische Sensor der Erfindung ist ein verbesserter Sensor, insbesondere
ein verbesserter implantierbarer Sensor, der widerstandsfähig, hoch integriert,
leicht herzustellen und zweckmäßig für die In-situ-Erfassung
des Vorhandenseins und/oder der Menge bzw. Stärke verschiedener Analyten
oder Parameter in menschlichen und tierischen Körpern ist und der kaum oder
keine negativen Reaktionen im Körper
erzeugt.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den folgenden
Figuren der Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche
bzw. gleichartige Elemente bezeichnen und
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1 eine
vereinfachte schematische Querschnittsansicht eines implantierbaren
chemischen Sensors gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2–4 vereinfachte
schematische Seitenquerschnittsansichten des optoelektronischen Abschnitts
des Sensors von 1 sind, die weitere Einzelheiten
zeigen und verschiedenen Ausführungsformen
entsprechen;
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5A–B bis 8A–B vereinfachte
Seitenansichten (A) und Unteransichten (B) des optoelektronischen
Abschnitts der 2–4 sind,
die weitere Einzelheiten zeigen und nochmals weiteren Ausführungsformen
entsprechen; und
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9 eine
vereinfachte schematische Querschnittsansicht ähnlich zu 1 eines
implantierbaren chemischen Sensors gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Die
folgende ausführliche
Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, wobei
sie die Erfindung oder die Anwendung und die Verwendungen der Erfindung
nicht einschränken
soll. Der Fachmann auf dem Gebiet versteht die allgemeinen Prinzipien
der Funktion optisch stimulierter chemischer Sensoren und die üblicherweise
verwendeten Erfassungsschichtmaterialien. Irgendeine bestimmte Auswahl
von Erfassungsmaterialien und Erfassungsschichtstrukturen hängt von
den bestimmten interessierenden Analyten ab. Diese Erfindung betrifft
insbesondere die wirksame Kopplung von Licht in und aus der Erfassungsschicht
sowie die Schaffung einer besonders widerstandsfähigen, wirksamen, leicht herzustellenden
und kompakten Struktur eines chemischen Sensors.
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1 ist
eine vereinfachte schematische Querschnittsansicht eines implantierbaren
chemischen Sensors 10 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der chemische Sensor 10 weist eine hermetische bzw. dichtende
Hülle oder
ein hermetisches Gehäuse 12 auf,
die bzw. das entlang einer Verbindung 14 abdichtbar ist.
Im Gehäuse 12 sind
vorteilhaft ein optisches Modul 30, ein elektronisches
Steuermodul 16, eine Energiequelle 18 (z. B. eine
oder mehrere Batterien), ein optionaler Sender/Empfänger 20,
eine optionale Antenne 22 und ein optionaler Drucksensor 56 mit
einer Fühlermembran,
die mit der Umgebung 37 über eine Außenwand des Gehäuses 12 in
Verbindung steht, angeordnet. Das optische Modul 30 darin weist
einen Lichtsender bzw. Lichtsender 40, die mit dem Steuermodul 16 über Leitungen 51 gekoppelt sind,
Lichtdetektoren 42, 44, die mit dem Steuermodul 16 jeweils über Leitungen 53, 55 gekoppelt
sind, und weitere Komponenten, wie sie sogleich beschrieben werden,
auf. Das Steuermodul 16 ist mit der Energiequelle 18 über eine
Leitung bzw. Leitungen 17 und mit dem Sender/Empfänger 20 über eine
Leitung bzw. Leitungen 15 gekoppelt. Der Sender/Empfänger 20 ist
mit der Antenne 22 über
eine Leitung bzw. Leitungen 21 gekoppelt. Obwohl der Sender/Empfänger 20 und
die Antenne 22 vorteilhafterweise für eine Kommunikation zum und
vom Sensor 10 vorgesehen sind, sind sie nicht unbedingt
erforderlich, wobei ebenso eine extern gekoppelte Leitung bzw. Leitungen 57 verwendet
werden können,
um bidirektionale Kommunikationen mit dem Sensor 10 vorzusehen. Obwohl
es ferner wünschenswert
ist, dass Anweisungen oder andere Befehle zum Sensor 10 gesendet
werden können,
wobei in situ eine Leitung bzw. Leitungen 57 oder die Antenne 22 verwendet
werden, ist dies nicht unbedingt erforderlich. Der Sensor 10 kann
vorprogrammiert sein, um nach der Implantation ohne weitere Anweisungen
von außen
gemessene Daten lediglich zu melden.
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Die
Hülle oder
das Gehäuse 12 schützen die inneren
Komponenten vor dem Probenfluid. Das Gehäuse 12 ist zweckmäßigerweise
undurchsichtig, obgleich dies nicht unbedingt erforderlich ist.
Das Gehäuse
oder die Hülle 12 ist
vorzugsweise aus einem bioinerten Material hergestellt, das für eine Langzeitplatzierung
in einem menschlichen oder tierischen Körper geeignet ist. Titan ist
ein Beispiel eines geeigneten Materials, wobei andere Materialien
ebenso nützen.
Ein Temperatursensor [T] ist ebenso wünschenswert im Steuermodul 16 oder
anderswo im Gehäuse 12 enthalten,
um Umgebungstemperaturinformationen zum Einstellen oder Ausgleichen
der verschiedenen Signale, die durch das Steuermodul 16 verarbeitet
werden, bereitzustellen, wobei dies nicht unbedingt erforderlich
ist. Das Gehäuse 12 kann
außerdem
vorteilhaft mit einer Schicht (nicht gezeigt) aus einem chemisch
inerten Material wie etwa z. B. Teflon® oder
dergleichen beschichtet sein.
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Das
Gehäuse 12 besitzt
ein optisch transparentes Fenster 13 mit einer Außenfläche 131.
Das Fenster 13 ist hermetisch am Gehäuse 12 durch z. B. Laserschweißen, Löten oder
Kleben oder andere im Gebiet gut bekannte geeignete Dichtungs- und
Befestigungsmittel an der hier beispielsweise gezeigten Einfassungsnahtstelle 34 befestigt.
Saphir, Quarz, Gläser
und optisch transparente Kunststoffe sind Beispiele zweckmäßiger Materialien
für das
optische Fenster 13. Andere optische Materialien können ebenso
verwendet sein. In der bevorzugten Ausführungsform ist es notwendig,
dass das Fenster 13 hermetisch zum Gehäuse 12 abgedichtet
ist, um ein Lecken in das Gehäuse 12 über die
Befestigungsnahtstelle (z. B. die Nahtstelle 34) auszuschließen, und dass
das Fenster 13 für
die interessierenden Lichtwellenlängen durchlässig ist. Das Fenster 13 ist
in geeigneter Weise mit dem Gehäuse 38 des
optischen Moduls 30 oder einem Teil des Gehäuses an einer
Schnittstelle 32 verbunden. Das Fenster 13 und das
Gehäuse 38 des
optischen Moduls 30 können einteilig
ausgebildet sein, d. h., aus einem einzigen Materialstück hergestellt
sein, in welchem Fall die Schnittstelle 32 eine hypothetische
Ebene innerhalb des Körpers 38 ist,
oder das Fenster 13 und der Körper 38 können an
einer realen Schnittstelle 32 wie z. B. unter Verwendung
optisch transparenter Epoxid- oder Lotgläser oder durch andere im Gebiet
gut bekannte Mittel verbunden sein. Beide Anordnungen sind nützlich,
wobei die Auswahl von der Einfachheit der Herstellung und den optischen
Gesamteigenschaften abhängt.
Wichtig ist, dass die maximale Lichtmenge vom Körper 38 in und aus
der Erfassungsschicht 36 auf der Oberfläche 131 gekoppelt wird.
Wie sie hier verwendet werden, sollen die Ausdrücke "optischer Körper" und "monolithischer optischer Körper" beide Anordnungen,
z. B. ein befestigtes oder ein integrales Fenster, umfassen. Das
Fenster 13 mit der Außenfläche 131,
auf der eine Sensorschicht 36 unterstützt wird, ist hier mit einer
flachen Außenfläche 131 in
Kontakt mit der Sensorschicht 36 gezeigt, wobei dies lediglich
der Einfachheit der Erläuterung
dient und nicht einschränkend
sein soll. Die Oberfläche 131 des
Fensters 13 kann eine gekrümmte Form oder irgendeine andere
Form in Kontakt mit der Sensorschicht 36 aufweisen, vorausgesetzt, dass
eine solche Form die optische Kopplung zwischen der Sensorschicht 36 und
dem optischen Modul 30 nicht stört.
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Das
optische Modul 30 besitzt ein optisch transparentes Gehäuse 38,
das mit der Oberfläche 131,
auf der sich die Erfassungsschicht 36 befindet, gekoppelt
oder einteilig mit ihr ausgebildet ist. Das Gehäuse 38 ist zweckmäßigerweise
aus der gleichen Klasse optisch transparenter Materialien gebildet, wie
in Zusammenhang mit dem Fenster 13 erläutert ist. Die Erfassungsschicht 36 ist
dem Umgebungsfluid oder den Umgebungsgasen 37 ausgesetzt,
dessen bzw. deren Zusammensetzung oder Eigenschaften analysiert
werden sollen. Der Körper 38 des
optischen Moduls 30 koppelt Lichtenergie 41 von
der Lichtquelle 40, z. B. eine oder mehrere LEDs, in die Erfassungsschicht.
Die Lichtenergie 41 wird durch die Lichtquelle bzw. die
Lichtquellen 40 erzeugt und läuft günstigerweise durch ein Eingangsfilter 50,
bevor sie in den optischen Körper 38 eintritt.
Das Eingangsfilter 50 ist nützlich, um aus dem Licht, das durch
die Lichtquelle bzw. die Lichtquellen 40 ausgestrahlt wird,
genau die Wellenlängen
auszuwählen, die
die Erfassungsschicht 36 anregen sollen. Obwohl das optische
Filter 50 wünschenswert
ist, ist es nicht unbedingt erforderlich. Die Lichtquelle bzw. die
Lichtquellen 40 können
eine einzelne größerflächige LED oder
andere Strahler oder eine Anordnung kleinerer Strahler, wie sie z.
B. in den 1–4 gezeigt sind,
sein. Jede der Anordnungen ist geeignet. Obwohl LEDs zweckmäßige Lichtquellen
sind und bevorzugt werden, können
andere Lichtquellen verwendet werden, wie z. B. und nicht als Einschränkung gedacht
Elektrolumineszenz- oder Gasentladungslichtquellen oder andere Arten
von Lichtquellen, die im Gebiet gut bekannt sind. Wie er hier verwendet
wird, soll der Begriff "LED" diese und andere
Arten von Lichtquellen umfassen. Obwohl das Filter 50 als
eine einzelne Einheit gezeigt ist, ist dies nicht unbedingt erforderlich
und nicht als Einschränkung
gedacht. Zum Beispiel kann das Filter 50 über unterschiedlichen
LEDs, die die Lichtquelle 40 bilden, unterschiedlich sein
oder es kann mehrere Durchlassbereiche aufweisen, so dass mehrere
ausgewählte Wellenlängen, die
von derselben oder unterschiedlichen LEDs ausgestrahlt werden, wahlweise
in den optischen Körper 38 gekoppelt
werden. Somit brauchen die LEDs 40 und das Filter 50 nicht
auf eine einzige Wellenlänge
beschränkt
werden.
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Das
Gehäuse 38 des
Moduls 30 koppelt außerdem
Lichtenergie 43, 45 von der Erfassungsschicht 36 in
verschiedene Fotodetektoren 42, 44. Die Lichtenergie 43, 45 kann
aus der in der Erfassungsschicht 36 durch die Lichtenergie 41 erzeugten Fluoreszenz
resultieren oder ein Teil der Lichtenergie 41 sein, die
von der Schicht 36 reflektiert oder zurückgestreut wird. Das Filter 52 befindet
sich zwischen dem Photodetektor bzw. den Photodetektoren 42 und
dem optischen Körper 38 und
das Filter 54 befindet sich zweckmäßigerweise zwischen dem Photodetektor
bzw. den Photodetektoren 44 und dem optischen Körper 38.
Die Filter 52, 54 schwächen vorteilhaft Störlicht ab,
so dass die Photodetektoren 42, 44 lediglich bestimmte
erwünschte
Wellenlängen des
jeweiligen Lichts 43, 45 erfassen und messen. Obwohl
die Filter 52, 54 wünschenswert sind, sind sie nicht unbedingt
erforderlich. Die Filter 52, 54 sollten Durchlassbereiche
aufweisen, die auf die Wellenlängen
abgestimmt sind, die durch die jeweiligen Photodetektoren 42, 44 erfasst
werden sollen. Die Photodetektoren 42, 44 können eine
einzelne großflächige Photozelle
oder eine Anordnung kleinerer Photozellen umfassen; wobei beide
Ausführungen
nützlich sind.
In den 1–4 ist
die Ausführung
unter Verwendung mehrerer Photozellen 42, 44 veranschaulicht,
wobei diese jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Wie sie hier
verwendet werden, sollen die Wörter "Photodetektor" und "Photodetektoren" oder "Photodetektor bzw.
Photodetektoren" beide
Ausführungen
umfassen.
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Obwohl
gewöhnlich
Filter-Photodetektor-Paare 42, 52 und 44, 54 vorgesehen
sind, um jeweils eine bestimmte Wellenlänge zu erfassen, ist dies nicht
unbedingt erforderlich, und die Filter-Photodetektor-Paare können aus
mehreren Filter-Photodetektor-Elementen bestehen, die unterschiedliche Wellenlängen erfassen
können.
Zum Beispiel kann unter Umständen,
wenn es erwünscht
ist, die Leistung der Sensorschichten 36 unabhängig bei
mehreren Wellenlängen
zu überwachen,
das Filter-Photodetektor-Paar 42, 52 ein erstes
Segment aufweisen, das eine erste Wellenlänge erfasst, und ein zweites Segment,
das unabhängig
eine zweite Wellenlänge erfasst,
was folglich ermöglicht,
die Intensität
des Lichts der zwei Wellenlängen
zu vergleichen. Das Filter-Photodetektor-Paar 44, 54 kann ähnlich beschaffen
sein, so dass es mehrere unabhängige
Elemente aufweist. Die vorliegende Erfindung und die beigefügten Ansprüche sollen
solche Varianten einschließen.
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Die
Stimulationslichtquelle 40 ist mit dem Steuermodul 16 durch
Leitungen 51 gekoppelt. Der Photodetektor 42 ist
mit dem Steuermodul 16 durch Leitungen 53 gekoppelt
und der Photodetektor 44 ist mit dem Steuermodul 16 durch Leitungen 55 gekoppelt.
Der Raum im Gehäuse 12,
der die getrennten Komponenten 16, 18, 20, 22, 30 und
die verschiedenen Verbindungsleitungen oder -busse umgibt, ist praktischerweise
mit einem inerten Kunststofffüll- oder
-vergussmaterial 58 gefüllt,
um Robustheit, mechanische Stoßfestigkeit,
eine verbesserte Hermetizität
und eine verbesserte elektrische Isolierung zu erzielen. Ein Asspekt
der vorliegenden Erfindung ist, dass das Füllmaterial 58 nicht
optisch transparent sein muss, wodurch ein weiter Bereich an Materialauswahlen
geschaffen wird sowie die Möglichkeit, vorteilhaftere
mechanische, elektrische und optische Eigenschaften auszuwählen, als
sie bei Vorrichtungen des Standes der Technik vorhanden sind, in
denen das Füll-
oder Vergussmaterial als ein optischer Wellenleiter oder ein optischer
Weg von den Lichtsendern zur Erfassungsschicht und zurück zu den optischen
Detektoren verwendet wird.
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Im
Betrieb erzeugt die Stimulationslichtquelle 40, die unter
der Steuerung des elektronischen Moduls 16 arbeitet, Licht 41,
das durch das Filter 50 und den optischen Körper 38 zur
Erfassungsschicht 36 läuft.
Die Erfassungsschicht 36 enthält verschiedene Indikatormoleküle 60,
die z. B. fluoreszieren, wenn sie mit Licht 41 angestrahlt
werden. Die Indikatormoleküle 60 sind
empfindlich für
den Analyten, der in den Umgebungsfluiden oder -gasen 37 erfasst werden
soll. In einer typischen Situation, wenn der gewünschte Analyt in der Umgebung 37 vorhanden ist,
nimmt die Fluoreszenz, z. B. durch die Indikatormoleküle 60 ausgestrahltes
Licht 43, proportional zu der Konzentration des Analyten,
für den
die Indikatormoleküle
empfindlich sind, zu oder nimmt proportional zu ihr ab. Solche Indikatormoleküle sind
im Gebiet gut bekannt, wobei ihre Auswahl von der Umgebung 37 und
dem besonderen Analyten, der erfasst werden soll, abhängt. Das
Fluoreszenzlicht 43 läuft durch
das Eingangsfilter 52 und wird durch den Photodetektor 42 gemessen.
Das Filter 52 ist so ausgewählt, dass es die Wellenlänge der
Fluoreszenz, die durch die Indikatormoleküle 60 ausgestrahlt
wird, durchlässt
und andere Wellenlängen,
z. B. Wellenlängen
des Lichts 41, 45, abschwächt.
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Um
die Messgenauigkeit zu erhöhen
und eine Abweichung in Bezug auf die Temperatur und den Druck auszugleichen,
ist es wünschenswert, dass
ein Referenzsignal bereitgestellt wird, mit dem die analytabhängigen Signale,
die durch den Photodetektor 42 aufgezeichnet werden, verglichen
werden können.
Dies wird wünschenswerterweise
erreicht, indem Referenzindikatormoleküle 62 in der Erfassungsschicht 36 aufgenommen
werden. Solche Referenzindikatormoleküle sind im Gebiet gut bekannt.
Es werden Referenzindikatormoleküle 62 gewählt, die
z. B. bei einer anderen Wellenlänge
als die Indikatormoleküle 60 fluoreszieren
und gegenüber dem
Analyten unempfindlich sind. Solche Moleküle sind im Gebiet gut bekannt.
Die Referenzmoleküle 62 strahlen
z. B. Fluoreszenzlicht 45 aus, das durch den optischen
Körper 38 und
das Filter 54 in den Photodetektor 44 gekoppelt
wird. Das Filter 54 schwächt wünschenswerterweise andere Wellenlängen ab,
z. B. des Lichts 41, 43, so dass der Photodetektor 44 im Wesentlichen
nur die Leistung der Referenzindikatormoleküle 62 misst. Der Ausgang
des Photodetektors 44 ist über die Leitungen 55 mit
dem elektronischen Steuermodul 16 gekoppelt, in dem das
durch den Photodetektor 44 aufgenommene Referenzsignal verwendet
wird, um das analytabhängige
Signal vom Photodetektor 42 hinsichtlich der Änderungen
in den Bedingungen auszugleichen.
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Das
Steuermodul 16 verwendet praktischerweise einen Sender
oder einen Sender/Empfänger 20,
um die Testergebnisse an die Antenne 22 zu senden, wo sie
zu einem Empfänger
außerhalb
des Körpers übertragen
werden. Dem Fach mann auf dem Gebiet ist klar, wie die Sender- oder
Sender/Empfänger-Frequenzen
auszuwählen
sind, um dies zu erreichen. Genauso kann das Steuermodul 16 Programmanweisungen
von außerhalb
des Körpers über die Antenne 22 und
den Sender/Empfänger 20 empfangen.
Auf diese Weise kann der Betrieb des Steuermoduls 16 extern
programmiert werden, um z. B. Tests zu unterschiedlichen Zeitpunkten
oder mit unterschiedlichen Folgefrequenzen oder unterschiedlichen
Lichtstimulationspegeln oder anderen Variationen durchzuführen. Alternativ
oder in Kombination können
extern gekoppelte Drähte 57 verwendet
werden, um Anweisungen in das Sensormodul 10 einzugeben
und Daten von ihm zu empfangen. Beide Anordnungen sind geeignet.
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Die 2–4 sind
vereinfachte schematische Seitenquerschnittsansichten des optischen Moduls 30 des
Sensors 10 von 1, die weitere Einzelheiten
zeigen und den einzelnen Ausführungsformen 302, 303, 304 entsprechen.
Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Elemente. Die 2–4 unterscheiden
sich lediglich in der Zusammensetzung und Anordnung der Erfassungsschicht 36.
Weitere Asspekte der Module 302, 303, 304 sind
dieselben wie in Bezug auf das Modul 30 von 1.
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In 2 weist
die Erfassungsschicht 36 des optischen Moduls 302 Analytindikatormoleküle 60 und
Referenzindikatormoleküle 62 auf,
die im Wesentlichen homogen in der Schicht 36 verteilt
sind. Bei dem optischen Modul 303 von 3 ist
eine geschichtete Anordnung für
die Erfassungsschicht 36 verwendet, bei der z. B. die Analytindikatormoleküle 60 in
einer Schicht 361 verteilt sind, wobei die Referenzindikatormoleküle 62 in
einer Schicht 362 verteilt sind. Bei dem Modul 303 von 3 ist
die Schicht 361 die Schicht 362 überlagernd
gezeigt, wobei dies jedoch lediglich der Einfachheit der Erläuterung dient.
Dem Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass die Reihenfolge der Schichten
je nach dem Analyten und dem Referenzindukator vertauscht sein kann,
d. h. mit der Schicht 362 zuäußerst und der Schicht 361 zuinnerst.
Beide Anordnungen reichen je nach dem Analyten und der Referenz,
die betroffen sind, aus. Bei dem optischen Modul 304 von 4 sind
die Gebiete der Erfassungsschicht 36, die die Analytindikatormoleküle 60 und
die Referenzindikatormoleküle 62 enthalten,
seitlich ausgeprägt.
Bei dem optischen Modul 304 liegen die Analytindikatormoleküle 60 im Gebiet 363,
während
die Referenzindikatormoleküle 62 im
Gebiet 364 liegen, wobei diese Gebiete jedoch vertauscht
sein können.
Es können
auch andere seitliche Trennanordnungen verwendet sein, wobei z.
B. die Gebiete 363 und 364 in abwechselnden Streifen oder
abwechselnden konzentrischen Kreisen oder anderweitig verteilt sein
können,
wobei 4 lediglich vorgesehen ist, um die seitliche Trennung
zu veranschaulichen, und nicht, um auf die bestimmte Anordnung,
die gezeigt ist, einzuschränken. Ähnlich können die
in den 2–4 veranschaulichten Anordnungen
gleichzeitig oder zusammen in unterschiedlichen Gebieten des Fensters 13 verwendet sein.
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Die 5A–B bis 8A–B sind
vereinfachte Seitenansichten (A) bzw. Unteransichten (B) des optischen
Moduls 30 der 1–4, die weitere Einzelheiten
zeigen und nochmals weiteren Ausführungsformen 305, 306, 307, 308 entsprechen.
Es sind gleiche Bezugszeichen für
gleiche Elemente verwendet. In den 5–8 sind die Einzelheiten der Erfassungsschicht 36 weggelassen
und die Filterschichten 50, 52, 54 sind
nicht gezeigt, wobei dies jedoch lediglich der Einfachheit der Erläuterung
dient und nicht einschränkend
sein soll. Der Fachmann auf dem Gebiet versteht auf Grund der Beschreibung hier,
dass sich die in den 2–4 veranschaulichten
Varianten auch auf die optischen Erfassungsmodule 305–308 der 5–8 richten. Die 5–8 veranschaulichen verschiedene alternative Anordnungen 305, 306, 307, 308 des
optischen Erfassungsmoduls 30 mit unterschiedlichen Positionen und
Formen des Photodetektors 42 zum Empfangen eines Analyterfassungslichtsignals 43 und
des Photodetektors 44 zum Empfangen des Referenzlichtsignals 45 und
eines Photoemitters 40 zum Erzeugen des stimulierenden
Lichts 41. Der Einfachheit der Erläuterung halber und nicht beabsichtigt,
um einzuschränken,
sind in den 5–8 Varianten
der optischen Erfassungsmodule 30 durch die Bezugszeichen 305, 306, 307, 308 gekennzeichnet,
wobei Varianten des Analytsignaldetektors 42 durch die
Bezugszeichen 425, 426, 427, 428 gekennzeichnet sind,
Varianten des Referenzsignaldetektors 44 durch die Bezugszeichen 445, 446, 447, 448 gekennzeichnet
sind, Varianten des Stimulationslichtsenders 40 durch die
Bezugszeichen 405, 406, 407, 408 gekennzeichnet
sind, Varianten des optischen Körpers 38 durch
die Bezugszeichen 385, 386, 387, 388 gekennzeichnet
sind und Varianten der unteren Oberfläche 33 des optischen
Körpers 38 durch
die Bezugszeichen 335, 336, 337, 338 gekennzeichnet sind.
Der Einfachheit halber sind die Erfassungsschicht 36 und
die Indikatormoleküle 60, 62 aus
den 5–8 weggelassen,
wobei dem Fachmann auf dem Gebiet jedoch klar ist, dass solche auf
dem Fenster 13 vorhanden sind, wenn das optische Modul 30 im
Gehäuse 12 enthalten
ist. Die vorhin gegebenen Erläuterungen über die
Elemente 30, 33, 38, 42, 44 richten
sich ebenso auf die hier angegebenen Varianten.
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5A ist
eine Seitenansicht und 5B ist eine Unteransicht des
optischen Erfassungsmoduls 305, die gegenüberliegende
Paare von Photodetektoren 425 und gegenüberliegende Paare von Photodetektoren 445 zeigen.
Ein Stimulationslichtsender 405 befindet sich auf der Unterseite 335 des
elektrooptischen Moduls 305 gegenüber der Außenfläche 131 des Fensters 13,
auf der sich die Erfassungsschicht 36 (nicht gezeigt) befindet.
Der optische Körper 385 besitzt
allgemein eine Kegelstumpfform, wobei der obere Abschnitt mit dem
größeren Durchmesser
mit dem Gehäuse 12 und
der Oberfläche 131 zur Unterstützung der
Erfassungsschicht 36 zusammenpasst. Mit den in gegenüberliegenden
Paaren angeordneten Photodetektoren erhöht sich die optische Kopplung
durch den optischen Körper 385,
wobei ein starkes Signal erzielt wird.
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6A ist
eine Seitenansicht und 6B ist eine Unteransicht des
optischen Erfassungsmoduls 306, die gegenüberliegende
Paare von Photodetektoren 426 und gegenüberliegende Paare von Photodetektoren 446 zeigen.
Ein Stimulationslichtsender 406 befindet sich auf der Unterseite 336 des
elektrooptischen Moduls 306 gegenüber der Außenfläche 131, auf der sich
die Erfassungsschicht 36 (nicht gezeigt) befindet. Der
optische Körper 386 besitzt
allgemein eine Kegelstumpfform, wobei der obere Abschnitt mit dem
größeren Durchmesser
mit dem Gehäuse 12 und
der Oberfläche 131 zur
Unterstützung der
Erfassungsschicht 36 zusammenpasst. Der untere kegelförmige Abschnitt
weist zwei gekrümmte
Seiten auf, auf denen sich die Detektoren 426 befinden, sowie
zwei flache Seiten 346, auf denen sich die Detektoren 426 befinden.
Mit den in gegenüberliegenden
Paaren angeordneten Photodetektoren erhöht sich die optische Kopplung
durch den optischen Körper 386,
wobei ein starkes Signal erzielt wird.
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7A ist
eine Seitenansicht und 7B ist eine Unteransicht des
optischen Erfassungsmoduls 307, die Fotodetektoren 427 und
Photodetektoren 447 in einer gegenüberliegenden Anordnung zeigen. Ein
Stimulationslichtsender 407 befindet sich auf der Unterseite 337 des
elektrooptischen Moduls 307 gegenüber der Außenfläche 131 des Fensters 13,
auf der sich die Erfassungsschicht 36 (nicht gezeigt) befindet.
Der optische Körper 387 besitzt
allgemein eine Kegelstumpfform, wobei der obere Abschnitt mit dem größeren Durchmesser
mit dem Gehäuse 12 und
der Oberfläche 131 zur
Unterstützung
der Erfassungsschicht 36 zusammenpasst. Mit den Photodetektoren,
die so angeordnet sind, dass sie sich im Wesentlichen um die Seite 347 der
Kegelform wickeln, erhöht
sich die optische Kopplung durch den optischen Körper 387, wobei ein
starkes Signal erzielt wird.
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8A ist
eine Seitenansicht und 8B ist eine Unteransicht des
optischen Erfassungsmoduls 308, die gegenüberliegende
Paare von Photodetektoren 428 und gegenüberliegende Paare von Photodetektoren 448 zeigen.
Ein Stimulationslichtsender 408 befindet sich auf der Unterseite 338 des
elektrooptischen Moduls 308 gegenüber der Außenfläche 131 des Fensters 13,
auf der sich die Erfassungsschicht 36 (nicht gezeigt) befindet.
Der optische Körper 388 besitzt
allgemein eine Pyramidenstumpfform, wobei der größere obere Abschnitt mit dem
Gehäuse 12 und
der Oberfläche 131 zur
Unterstützung
der Erfassungsschicht 36 zusammenpasst, sowie gegenüberliegende
flache Seiten 348, 348'. Mit den in gegenüberliegenden
Paaren angeordneten Photodetektoren 428, 448 erhöht sich
die optische Kopplung durch den optischen Körper 388, wobei ein
starkes Signal erzielt wird. Wie er hier verwendet wird, soll der
Ausdruck "Kegelstumpf" jede der Formen
der Körperabschnitte 385–388 der
Module 305–308,
die in den 5–8 gezeigt
sind, umfassen, unabhängig davon,
ob die Seiten des Kegelstumpfs gekrümmt, flach oder eine Kombination
hiervon sind.
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9 ist
eine vereinfachte schematische Querschnittsansicht ähnlich zu 1 eines
implantierbaren chemischen Sensors 10' gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der chemische Sensor 10' umfasst eine
hermetische Hülle
oder ein hermetisches Gehäuse 12', die bzw. das
längs einer
Verbindung 14' ab dichtbar
ist. Optische Module 30-1, 30-2, 30-3,
ein elektronisches Steuermodul 16', eine Energiequelle 18' (z. B. eine
oder mehrere Batterien), ein optionaler Sender/Empfänger 20' und eine optionale
Antenne 22' befinden
sich praktischerweise innerhalb des Gehäuses 12'. Die optischen Module 30-1, 30-2, 30-3 weisen
darin einen Lichtsender bzw. Lichtsender 40-1, 40-2, 40-3,
der bzw. die mit dem Steuermodul 16' durch Leitungen 51-1, 51-2, 51-3 gekoppelt
sind, Lichtdetektoren 42-1, 42-2, 42-3,
und 44-1, 44-2, 44-3, die mit dem Steuermodul 16' durch Leitungen 53-1, 53-2, 53-3 bzw. 55-1, 55-2, 55-3 gekoppelt
sind, sowie weitere Komponenten, wie sie sogleich beschrieben werden,
auf. Das Steuermodul 16' ist
mit der Energiequelle 18' durch
eine Leitung bzw. Leitungen 17' und mit dem Sender/Empfänger 20' durch eine
Leitung bzw. Leitungen 15' gekoppelt.
Der Sender/Empfänger 20' ist mit der
Antenne 22' durch
eine Leitung bzw. Leitungen 21' gekoppelt. Obwohl der Sender/Empfänger 20' und die Antenne 22' zweckmäßigerweise
für eine
Kommunikation zum und vom Sensor 10' vorgesehen sind, sind sie nicht
unbedingt erforderlich, wobei ebenso eine extern gekoppelte Leitung
bzw. Leitungen 57' verwendet
werden können.
Obwohl es ferner wünschenswert
ist, dass Anweisungen oder andere Befehle zum Sensor 10' gesendet werden
können,
wobei in situ die Leitung bzw. Leitungen 57' oder die Antenne 22' verwendet werden,
ist dies nicht unbedingt erforderlich. Der Sensor 10' kann vorprogrammiert
sein, um nach der Implantation ohne weitere Anweisungen von außen lediglich gemessene
Daten zu melden.
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Der
Sensor 10' unterscheidet
sich vom Sensor 10 von 1 dadurch,
dass der Sensor 10' drei zu
dem Modul 30 von 1 und den
Modulen 302–308 der 2–8 analoge optische Module 30-1, 30-2 und 30-3 darin
aufweist. Obwohl drei optische Module in 9 gezeigt
sind, ist dem Fachmann auf dem Gebiet klar, dass dies lediglich
der Einfachheit der Erläuterung
dient und dass irgendeine Anzahl größer als eins im Sensor 10' übereinstimmend
mit den Raumbeschränkungen,
wo der Sensor 10' platziert
werden soll, und der Anzahl unterschiedlicher Analyten, die gleichzeitig
erfasst oder gemessen werden sollen, vorgesehen werden kann.
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Die
Module 30-1, 30-2 und 30-3 sind in der Hülle 12' hermetisch
abgedichtet und elektrisch mit dem Steuermodul 16' gekoppelt.
Die optischen Module 30-1, 30-2, 30-3 wiesen
jeweils optische Körper 38-1, 38-2, 38-3 analog
zum optischen Körper 38 des Sensors 10 und
entsprechende Lichtquellen 40-1, 40-2, 40-3 und
Detektoren 42-1, 42-2, 42-3 und 44-1, 44-2, 44-3 analog
zu der Lichtquelle 40 und den Detektoren 42, 44 des
Sensors 10 von 1 auf. Die Verbindungsleitungen 51-1, 51-2, 51-3; 53-1, 53-2, 53-3 und 55-1, 55-2, 55-3 sind
analog zu den Leitungen 51, 53 und 55 des
Sensors 10 von 1. Der Einfachheit halber sind
ein getrenntes Fenster bzw. getrennte Fenster 13 und Filter 50, 52, 54 bei
den Sensorelementen 30-1, 30-2, 30-3 von 9 nicht gezeigt,
wobei dem Fachmann auf dem Gebiet jedoch klar ist, dass sie nach
Bedarf enthalten sein können.
Der Temperatursensor [T], der Drucksensor 56 und die Lichtstrahlen 41, 43, 45,
die in 1 gezeigt sind, sind zur Klarheit aus 9 weggelassen, wobei
dies nicht einschränkend
sein oder bedeuten soll, dass solche Merkmale oder Elemente nicht
enthalten sind.
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Die
optischen Module 30-1, 30-2, 30-3 weisen
jeweils Außenflächen 131-1, 131-2, 131-3 analog
zu der Außenfläche 131 der 1–4 auf,
auf denen sich Sensorschichten 36-1, 36-2 und 36-3 äquivalent
zu den Schichten 36, 361–364, die in den 1–4 gezeigt
sind, befinden. In ähnlicher Weise
sind der Einfachheit halber und nicht einschränkend beabsichtigt die Indikatormoleküle und die Referenzmoleküle 60, 62 aus 9 weggelassen.
Die optischen Module 30-1, 30-2, 30-3 führen im Wesentlichen
die gleiche Funktion wie die optischen Module 30, 302–308 der 1–8 im Wesentlichen in derselben Weise aus,
wobei die Erläuterung
und die Varianten, die mit den 1–8 verbunden sind, auf die Module 30-1, 30-2, 30-3 und
den Sensor 10' von 9 anwendbar
sind. In 9 ist ferner in Bezug auf das
Modul 30-2 die optionale Verwendung einer nicht ebenen
Außenfläche 131-2,
die die Sensorschicht 36-2 unterstützt, veranschaulicht.
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Die
optischen Module 30-1, 30-2, 30-3 im Sensor 10' werden vorteilhaft
mit Sensorschichten 36-1, 36-2 und 36-3 unterschiedlicher
Zusammensetzung, mit unterschiedlichen Erfassungs- und/oder Referenzmolekülen, verwendet.
Die durch die Lichtquellen 40-1, 40-2, 40-3 ausgestrahlten
Wellenlängen
und die mit den Lichtquellen 40-1, 40-2, 40-3 und den
Detektoren 42-1, 42-2, 42-3 und 44-1, 44-2, 44-3 verwendeten
Filter können
passend für
die unterschiedlichen Erfassungsschichten modifiziert werden, die
auf unterschiedliche Analyten ansprechen sollen. Auf diese Weise
können
unterschiedliche Analyten aus der Umgebung 37 unter Verwendung eines
einzigen implantierbaren Sensors 10' gleichzeitig getrennt überwacht
werden. Ferner können Sensormoleküle und Referenzmoleküle in Situationen,
in denen sie sich unerwünscht
gegenseitig beeinflussen können,
auf unterschiedlichen Sensorelementen sitzen anstatt gemeinsam auf
demselben Sensorelement. Somit kann die Verwendung mehrerer optischer
Module in demselben Gehäuse
die Fähigkeit,
eine wichtige biologische und/oder chemische Aktivität in einem
menschlichen oder tierischen Körper
in situ zu überwachen,
stark verbessern. Wie es hier verwendet wird, soll das Wort "tierisch" jeden nichtmenschlichen
lebenden Organismus auf dem Land oder im Meer oder in der Luft einschließen. Dem
Fachmann auf dem Gebiet ist außerdem
klar, dass, ob wohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit
lebenden Organismen besonders nützlich
ist, sie ebenso in jeder Situation verwendet werden kann, in der
eine In-situ-Messung
oder -Erfassung von bestimmten Analyten erwünscht ist und entsprechende
Sensormoleküle
vorhanden sind.