DE602004009894T2 - Implantierbarer chemischer Sensor - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Dokument WO-A-99/49302 zeigt einen Sensor, wie er in dem Oberbegriff von Anspruch 1 definiert ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den folgenden Figuren der Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. gleichartige Elemente bezeichnen und
  • 1 eine vereinfachte schematische Querschnittsansicht eines implantierbaren chemischen Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 24 vereinfachte schematische Seitenquerschnittsansichten des optoelektronischen Abschnitts des Sensors von 1 sind, die weitere Einzelheiten zeigen und verschiedenen Ausführungsformen entsprechen;
  • 5A–B bis 8A–B vereinfachte Seitenansichten (A) und Unteransichten (B) des optoelektronischen Abschnitts der 24 sind, die weitere Einzelheiten zeigen und nochmals weiteren Ausführungsformen entsprechen; und
  • 9 eine vereinfachte schematische Querschnittsansicht ähnlich zu 1 eines implantierbaren chemischen Sensors gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 14 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.
  • 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 14 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die 24 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 24 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.
  • 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 24 veranschaulichten Anordnungen gleichzeitig oder zusammen in unterschiedlichen Gebieten des Fensters 13 verwendet sein.
  • Die 5A–B bis 8A–B sind vereinfachte Seitenansichten (A) bzw. Unteransichten (B) des optischen Moduls 30 der 14, die weitere Einzelheiten zeigen und nochmals weiteren Ausführungsformen 305, 306, 307, 308 entsprechen. Es sind gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet. In den 58 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 24 veranschaulichten Varianten auch auf die optischen Erfassungsmodule 305308 der 58 richten. Die 58 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 58 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 58 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 385388 der Module 305308, die in den 58 gezeigt sind, umfassen, unabhängig davon, ob die Seiten des Kegelstumpfs gekrümmt, flach oder eine Kombination hiervon sind.
  • 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.
  • 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 302308 der 28 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.
  • 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.
  • Die optischen Module 30-1, 30-2, 30-3 weisen jeweils Außenflächen 131-1, 131-2, 131-3 analog zu der Außenfläche 131 der 14 auf, auf denen sich Sensorschichten 36-1, 36-2 und 36-3 äquivalent zu den Schichten 36, 361364, die in den 14 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, 302308 der 18 im Wesentlichen in derselben Weise aus, wobei die Erläuterung und die Varianten, die mit den 18 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.
  • 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.

Claims (7)

  1. Chemischer Sensor zum Erfassen oder Messen eines interessierenden Parameters in einem Probenfluid, mit: einem Gehäuse (12), das gegenüber dem Probenfluid chemisch resistent ist; einem Sensorelement (30), das sich im Wesentlichen in dem Gehäuse befindet, wobei das Sensorelement eine Erfassungsschicht (36) und einen optisch transparenten Körper (38) mit einer von dem Gehäuse freigegebenen bzw. exponierten 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 bzw. -emitter (40) auf einer zweiten Oberfläche des Körpers, die mit der ersten Oberfläche optisch gekoppelt ist, aufweist, um die optische Stimulation bereitzustellen; wobei das Sensorelement einen ersten Detektor (42, 44) 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.
  2. Sensor nach Anspruch 1, wobei die erste Oberfläche so beschaffen ist, dass sie eine weitere Antwort von einer Referenzkomponente (62) empfängt, die der Erfassungsschicht (36) zugeordnet ist, um in Reaktion auf eine optische Stimulation ein zweites Signal bereitzustellen, das durch den interessierenden Parameter nicht beeinflusst ist.
  3. Sensor nach Anspruch 2, der ferner einen zweiten Detektor (44, 42) auf einer vierten Oberfläche des Körpers (38), die mit der ersten Oberfläche optisch gekoppelt ist, aufweist, um auf das zweite Signal anzusprechen.
  4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner ein Steuermodul (16) aufweist, das sich in dem Gehäuse (12) befindet und mit dem Sensorelement (30) gekoppelt ist, um die Stimulation hervorzurufen und um das erste Signal zu messen.
  5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner einen Temperatur- oder Drucksensor, der mit dem Steuermodul gekoppelt ist, aufweist.
  6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner mit: einem Steuermodul (16), das sich in dem Gehäuse (12) befindet und mit dem Sensorelement gekoppelt ist, um die Stimulation hervorzurufen und das erste Signal zu messen; einem Sender (20), der sich in dem Gehäuse befindet und mit dem Steuermodul gekoppelt ist; und einer Antenne (22), die sich in dem Gehäuse befindet und mit dem Sender gekoppelt ist, um die Ergebnisse der Messung des ersten Signals mit der äußeren Umgebung des Moduls zu koppeln.
  7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit einem zweiten Sensorelement, das sich im Wesentlichen im selben Gehäuse (12) befindet, wobei das zweite Sensorelement einen optisch transparenten zweiten Körper mit einer von dem Gehäuse freigegebenen ersten Oberfläche zum Empfangen einer auf einen anderen interessierenden Parameter in dem Probenfluid ansprechenden zweiten Probe und zum Empfangen eines ersten Signals von der zweiten Erfas sungsschicht in Reaktion auf deren optische Stimulation besitzt; wobei das Sensorelement einen Lichtsender auf einer zweiten Oberfläche des zweiten Körpers, die mit der ersten Oberfläche optisch gekoppelt ist, um die optische Stimulation zu schaffen, aufweist; wobei das zweite Sensorelement einen ersten Detektor auf einer dritten Oberfläche des zweiten Körpers, die mit der ersten Oberfläche optisch gekoppelt ist, um das erste Signal zu erfassen, aufweist; und wobei von der ersten, der zweiten und der dritten Oberfläche des zweiten Körpers zwei Oberflächen einander gegenüberliegen und eine verbleibende Oberfläche die gegenüberliegenden Oberflächen koppelt.
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