DE69736556T2 - IMPLANTABLE SENSOR AND ARRANGEMENT FOR IN-VIVO MEASUREMENT AND CONTROL OF CONCENTRATIONS IN LIQUIDS AND GASES - Google Patents
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein medizinische Geräte und Verfahren zur in-vivo-Bestimmung der Konzentration eines chemischen Bestandteils in einer Körperflüssigkeit anhand einer direkten spektroskopischen Analyse der Flüssigkeit und zur Entfernung oder Beseitigung von tatsächlichen oder potenziellen Artefakten aus gemessenen Spektraldaten.The The present invention relates generally to medical devices and methods for in vivo determination the concentration of a chemical constituent in a body fluid by means of a direct spectroscopic analysis of the liquid and to remove or eliminate actual or potential Artifacts from measured spectral data.
In der Medizin ist die Messung der Zusammensetzung von Blut und anderen Körperflüssigkeiten häufig ein wertvolles Diagnoseinstrument, das als Grundlage für die Titration von Medikamenten und die Festlegung der Therapie verwendet wird. Grob gesagt gibt es zwei Klassen von Geräten zur Messung von chemischen Bestandteilen: nämlich chemische und optische Geräte. Die chemischen Techniken sind am verbreitetsten und insbesondere alle Techniken, die im klinischen Labor zur Anwendung kommen, beruhen auf chemischen Techniken. Chemische Techniken verlassen sich unvermeidlich auf den Bestandteil, der mit einem „Reagens" reagiert, und entweder auf eine optische oder eine elektrische Messung des Reagens oder der Reaktionsnebenprodukte. Leider haben die gegenwärtigen chemischen Techniken zahlreiche Nachteile, darunter die folgenden:
- (1) Die derzeitigen handelsüblichen Instrumente sind invasiv und benötigen im Allgemeinen einen Tropfen Flüssigkeit zur Bestimmung der chemischen Bestandteile.
- (2) Die derzeitigen handelsüblichen Instrumente benötigen ein einzigartiges chemisches Reagens für die Bestimmung der einzelnen Bestandteile. Die Reagenzien sind im Allgemeinen Einwegprodukte, die häufig nach jeder Messung ersetzt werden müssen. Die Unterhaltung der Instrumente ist daher teuer und unzweckmäßig, insbesondere wenn es sich um ein implantierbares Produkt handelt.
- (3) Implantierbare chemische Sensoren werden aufgrund der mangelnden Stabilität der Reagenzien bei Körpertemperatur im Zeitverlauf abgedrängt und weisen eine nur kurze Lebensdauer aufgrund von Biokompatibilitätsproblemen auf.
- (4) Chemische Sensoren verbrauchen im Allgemeinen den Bestandteil, den sie messen sollen, und beeinflussen so die Genauigkeit. Bei einem implantierbaren Sensor führt die Gewebereaktion mit dem Sensor unweigerlich zu einer Verringerung des Vorrats der Bestandteile, wodurch auch die Genauigkeit reduziert wird.
- (1) The current commercial instruments are invasive and generally require one drop of liquid to determine the chemical constituents.
- (2) The current commercial instruments require a unique chemical reagent for the determination of the individual constituents. The reagents are generally disposable products that often need to be replaced after each measurement. The maintenance of the instruments is therefore expensive and inconvenient, especially if it is an implantable product.
- (3) Implantable chemical sensors are stalled over time due to the lack of stability of reagents at body temperature, and have a short life due to biocompatibility problems.
- (4) Chemical sensors generally consume the component they are to measure, thereby affecting accuracy. In an implantable sensor, the tissue reaction with the sensor inevitably leads to a reduction in the supply of components, which also reduces the accuracy.
Optische Techniken wurden von Forschern als Mittel zur Überwindung aller Probleme im Zusammenhang mit chemischen Techniken gepriesen, weil sie kein Reagens oder irgendeine Art von chemischer Reaktion benötigen und auch keine direkte Interaktion des Sensors mit dem chemischen Bestandteil erforderlich ist. Optische Techniken können theoretisch für eine kontinuierliche nichtinvasive gleichzeitige Bestimmung mehrerer chemischer Bestandteile sorgen. Trotz des vielversprechenden Ansatzes optischer Techniken und der Bemühungen zahlreicher Gruppen auf der ganzen Welt, diese Techniken zu perfektionieren, kommen optische Techniken in der klinischen Medizin nur selten zum Einsatz. Der Pulsoximeter und ein Instrument zur Messung des prozentualen Körperfettanteils sind bemerkenswerte Ausnahmen.optical Techniques have been used by researchers as a means of overcoming all problems in the Related to chemical techniques because they are not reagents or need some kind of chemical reaction and no direct Interaction of the sensor with the chemical component required is. Optical techniques can theoretically for a continuous non-invasive simultaneous determination of several chemical ingredients. Despite the promising approach optical techniques and efforts numerous groups around the world to perfect these techniques, optical techniques are rarely used in clinical medicine Commitment. The pulse oximeter and an instrument for measuring the percentage Body fat are notable exceptions.
Ein Sensor, der von den Forschern besonders gesucht wird, ist ein Blutzuckersensor für den Hausgebrauch für Personen mit insulinabhängigem Diabetes. Im Idealfall wäre ein solcher Sensor nichtinvasiv oder permanent implantierbar, würde die kontinuierliche oder quasikontinuierliche Messung des Blutzuckerspiegels ermöglichen und wäre über den physiologischen Bereich der Blutchemie und anderer Bedingungen genau, und er würde nur minimale Intervention beim Patienten erforderlich machen. Es gibt Berichten zufolge über 60 Gruppen auf der ganzen Welt, die zurzeit versuchen, einen solchen Sensor zu entwickeln, aber bisher ist noch von keiner Gruppe bekannt, dass sie einem Erfolg nahe ist. Der Grund für diese Bemühungen sind die steigenden Kosten der Diabeteskomplikationen für den Patienten und das Gesundheitssystem. In Studien konnte gezeigt werden, dass die Diabeteskomplikationen signifikant reduziert werden können, wenn der Blutzucker engmaschig überwacht wird.One Sensor specially sought by researchers is a blood sugar sensor for home use for persons with insulin-dependent diabetes. Ideally would be Such a sensor would be non-invasive or permanently implantable, the continuous or allow quasi-continuous measurement of blood sugar levels and would be over the physiological area of blood chemistry and other conditions exactly and he would only require minimal intervention in the patient. It are reportedly over 60 groups around the world who are currently trying such a sensor to develop, but so far no group is known that she is close to a success. The reason for these efforts is the rising costs the diabetes complications for the patient and the healthcare system. In studies could be shown will significantly reduce diabetes complications can, when the blood sugar is closely monitored becomes.
Diabetes ist eine wichtige chronische Erkrankung, die in den Vereinigten Staaten alleine Gesundheitskosten in Höhe von $90 bis $110 Milliarden jährlich verursacht. Ungefähr 750.000 Menschen in den Vereinigten Staaten leiden an insulinabhängigem Diabetes mellitus (IDDM), der auch als Diabetes Typ I, Jugenddiabetes oder Insulinmangel-Diabetes bezeichnet wird. Weitere 16 Millionen Menschen leiden an nichtinsulinabhängigem Diabetes mellitus (NIDDM), der auch als Diabetes Typ II oder Erwachsenendiabetes bezeichnet wird. Global gesehen schätzt die Weltgesundheitsorganisation die Anzahl Diabetiker auf über 80 Millionen, wovon viele Fälle noch nicht diagnostiziert sind.diabetes is an important chronic disease in the United States alone have health costs ranging from $ 90 to $ 110 billion yearly caused. Approximately 750,000 people in the United States suffer from insulin-dependent diabetes Mellitus (IDDM), also known as type I diabetes, juvenile diabetes or Insulin deficiency diabetes is referred to. Another 16 million people suffer from non-insulin dependent Diabetes mellitus (NIDDM), also known as type II diabetes or adult diabetes referred to as. Globally, the World Health Organization estimates the number of diabetics on over 80 million, of which many cases still are not diagnosed.
Zu den akuten Komplikationen des Diabetes zählen Stoffwechselanomalien, wie z.B. Hypoglykämie und Ketoazidose. Langfristige Komplikationen betreffen die Blutgefäße und Gewebe und führen zu Retinopathie, Schlaganfall, Myokardinfarkt, Herzversagen, arteriellen Verschlusskrankheiten, Nephropathie, Nierenversagen und peripherer Neuropathie. Diabetes führte beispielsweise bei über 39.000 Menschen in den Vereinigten Staaten im letzten Jahr zur Erblindung. Ungefähr 25% aller Patienten mit IDDM und 10% derjenigen mit NIDDM leiden innerhalb von 15 Jahren nach der Diagnose des Diabetes an proliferativer Retinopathie. Ungefähr 34% der Patienten mit IDDM und 19% der Fälle von NIDDM bekommen innerhalb von 15 Jahren nach der Diagnose eine diabetische Nierenerkrankung. Obwohl diese Krankheiten alle auch in der allgemeinen Bevölkerung auftreten, treten sie bei Diabetikern früher und weitaus häufiger auf und schreiten schneller fort.The acute complications of diabetes include metabolic abnormalities such as hypoglycaemia and ketoacidosis. Long-term complications affect the blood vessels and tissues, leading to retinopathy, stroke, myocardial infarction, heart failure, arterial occlusive disease, nephropathy, renal failure, and peripheral neuropathy. For example, diabetes has affected over 39,000 people in the United States last year Blindness. Approximately 25% of all IDDM patients and 10% of those with NIDDM suffer from proliferative retinopathy within 15 years after diagnosis of diabetes. Approximately 34% of patients with IDDM and 19% of cases of NIDDM have diabetic kidney disease within 15 years of diagnosis. Although these diseases all occur in the general population, they occur earlier and more frequently in diabetics and progress faster.
In mehreren Studien wurde bewiesen, dass das Auftreten oder Fortschreiten von Komplikationen des Diabetes bei Diabetikern mit IDDM erheblich reduziert werden kann, wenn ihr Blutzuckerspiegel auf einem fast normalen Niveau gehalten werden kann. Bei der Studie Diabetes Control and Complications Trial (DCCT) handelte es sich um eine neun Jahre dauernde randomisierte prospektive Studie mit mehr als 1400 Probanden. Die DCCT verglich die Komplikationsrate nach einer Standardbehandlung von IDDM (mittlerer Blutzuckerwert 195 mg/dl) mit einer engmaschigen Kontrolle mit häufigen Finger-Bluttests und häufigen Insulininjektionen (mittlerer Blutzuckerwert 155 mg/dl). Es zeigte sich, dass die Intensivbehandlung das Risiko für das Auftreten einer Retinopathie um 76% senkte und das Fortschreiten der Retinopathie um 54% verringerte. Eine kleinere Studie, die sogenannte Oslo-Studie, beobachtete 45 insulinabhängige Diabetiker, die in drei Gruppen randomisiert worden waren: mehrere Insulininjektionen, kontinuierliche subkutane Insulininfusion (CSII) und herkömmliche zweimal tägliche Insulininjektionen. Mit CSII und mehrfachen Injektionen konnte fast Normoglykämie erreicht werden, nicht aber mit der herkömmlichen Therapie. Nach zwei Jahren zeigten die Gruppen mit CSII und mehrfachen Injektionen nur wenig Verschlechterung, gemessen anhand der Anzahl von Mikroaneurysmen und Blutungen, während die Gruppe mit herkömmlicher Therapie eine erhebliche Verschlechterung zeigte.In Several studies have proven that the onset or progression of complications of diabetes in diabetics with IDDM significantly can be reduced if their blood sugar levels are on one almost normal level can be maintained. In the study Diabetes Control and Complications Trial (DCCT) was a nine-year randomized prospective study of more than 1400 subjects. The DCCT compared the complication rate after standard treatment from IDDM (mean blood sugar 195 mg / dl) with a close-meshed Control with frequent Finger blood tests and frequent Insulin injections (mean blood sugar 155 mg / dl). It showed that intensive care is at risk for the onset of retinopathy decreased by 76% and decreased the progression of retinopathy by 54%. A smaller study, the so-called Oslo study, observed 45 insulin-dependent Diabetics randomized into three groups: several Insulin injections, continuous subcutaneous insulin infusion (CSII) and conventional twice daily Insulin injections. With CSII and multiple injections could almost normoglycemia achieved, but not with conventional therapy. After two Years, the groups with CSII and multiple injections showed little Deterioration as measured by the number of microaneurysms and bleeding while the Group with conventional Therapy showed a significant deterioration.
Im
Hinblick auf diese Studien können
mehrere Beobachtungen gemacht werden:
Obwohl eine engmaschige
Kontrolle die sekundäre Komplikationsrate
von Diabetes im Vergleich mit lose kontrolliertem Diabetes verringert,
ist das Risiko für diese
Komplikationen dennoch mehrfach höher als in der Bevölkerung
ohne Diabetes.With regard to these studies, several observations can be made:
Although close monitoring reduces the secondary complication rate of diabetes compared to loosely controlled diabetes, the risk of complications is still several times higher than in those without diabetes.
Eine engmaschige Kontrolle beinhaltet erhebliche Unannehmlichkeiten und Schmerzen, so dass die Einhaltung des Behandlungsschemas für viele, wenn nicht sogar für die meisten Diabetiker nicht verwirklichbar ist. Zur Bestimmung der angemessenen Insulininjektion muss ein Diabetiker beispielsweise seinen Blutzuckerwert mindestens fünf bis sechs Mal täglich messen, wobei er zur Blutentnahme in seinen Finger stechen muss, um dann den Blutzuckerwert mit einem Blutzuckermessgerät zu messen. Für viele Patienten ist die Blutentnahme ein schmerzhafter und unangenehmer Vorgang, der in der Tat erheblich schmerzhafter und unangenehmer ist als die eigentliche Insulininjektion.A Close control involves significant inconvenience and inconvenience Pain, so adherence to the treatment regimen for many, if not for Most diabetics can not be realized. For determination For example, the appropriate insulin injection needs a diabetic measure your blood glucose at least five to six times a day, where he has to prick blood into his finger, and then to measure the blood glucose value with a blood glucose meter. For many Patients taking blood is a painful and unpleasant one Process that is in fact considerably more painful and unpleasant as the actual insulin injection.
Beide Studien wiesen auf eine signifikante Zunahme (um das Zwei- bis Dreifache) schwerer und manchmal symptomloser Hypoglykämie bei den Patienten unter engmaschiger Kontrolle im Vergleich mit denen unter der konventionellen Therapie hin. Eine schwere Hypoglykämie führt zu Bewusstlosigkeit und manchmal sogar zu Koma. Bei den engmaschig überwachten Patienten betrug die Inzidenz schwerer Hypoglykämie 0,6 bis 0,8 Fälle pro Jahr, während sie bei Patienten unter herkömmlicher Therapie bei 0,2 bis 0,4 Fällen pro Jahr lag. Aus diesem Grund ist ein kontinuierlicher oder quasikontinuierlicher Sensor, der einen Alarm abgeben kann, wünschenswert.Both Studies showed a significant increase (two to three times) severe and sometimes asymptomatic hypoglycaemia in the patients tight control compared to those under conventional Therapy. A severe hypoglycemia leads to unconsciousness and sometimes even coma. In the closely monitored patients was the incidence of severe hypoglycemia 0.6 to 0.8 cases during the year they are common among patients Therapy in 0.2 to 0.4 cases a year. For this reason, a continuous or quasicontinuierlicher Sensor that can give an alarm, desirable.
Die Blutzuckerwerte von engmaschig überwachten Patienten zeigen einen Mittelwert von 155 mg/dl und schwanken im Tagesverlauf zwischen einem Mindestwert von 120 mg/dl und einem Höchstwert von 190 mg/dl. Diese Werte sind noch immer ziemlich höher als die Glykämie-Werte von Nichtdiabetikern, die im Mittel bei 110 mg/dl liegen und im Tageslauf zwischen 90 und 120 mg/dl schwanken. Obwohl die DCCT Studie darauf hinweist, dass eine weitere Senkung des Blutzuckers wünschenswert ist, spricht das Hypoglykämie-Risiko gegen eine weitere Senkung.The Blood glucose levels monitored closely Patients show a mean of 155 mg / dl and fluctuate in the Daily course between a minimum value of 120 mg / dl and a maximum value of 190 mg / dl. These values are still pretty much higher than the glycemic values of non-diabetics, which are on average 110 mg / dl and during the day run between 90 and 120 mg / dl. Although the DCCT study points out that further lowering of blood sugar is desirable, that speaks Risk of hypoglycaemia against another cut.
Es wird angenommen, dass ein System, das den Blutzucker auf wirklich normalen Werten (90-120 mg/dl) halten kann, die diabetesbedingten Komplikationen potenziell eliminieren kann. Ein solches System wäre mit einer Insulin-Infusionspumpe und einem Glukosesensor ausgestattet. Weder die Pumpe noch der Sensor würden eine Interaktion auf Seiten des Patienten erfordern, und beide wären sicherlich schmerzlos. Die Entwicklung der Pumpen ist bereits weit fortgeschritten. Das fehlende Glied ist ein Sensor, der kontinuierlich den Blutzucker messen kann, nichtinvasiv oder implantierbar ist und über einen großen physiologischen Bereich genaue Messwerte liefert.It It is believed that a system that raises blood sugar really normal values (90-120 mg / dl) can keep the diabetes-related Can potentially eliminate complications. Such a system would be with a Insulin infusion pump and a glucose sensor. Neither the pump would still be the sensor require an interaction on the part of the patient, and both would certainly be painless. The development of the pumps is already well advanced. The Missing limb is a sensor that continuously monitors blood sugar can measure, is non-invasive or implantable and has a large physiological Range provides accurate readings.
Die von den Forschern beschrittenen Wege zur Messung des Blutzuckers umfassen eine Vielzahl verschiedener Techniken, sowohl optische als auch chemische. Verschiedene Forscher haben versuche mit implantierbaren chemischen Sensoren unternommen, aber diese Sensoren scheinen aus den oben genannten Gründen unweigerlich zu Fehlschlägen zu führen. In US-Patent Nr. 5.353.792 (Lubbers et al.) wird eine Abwandlung des chemischen Sensors offenbart, der mit "optisch erregbaren und leicht ablesbaren Substanzen" arbeitet, von denen eine vermutlich mit Glukose interagieren könnte. Der Nachteil dieses Wegs ist derselbe wie bei den anderen chemischen Techniken, d.h. die Substanzen müssen vermutlich direkt mit dem zu messenden Bestandteil interagieren und können so mit der Zeit möglicherweise erschöpft werden, oder alternativ die Substanzen können von der Wechselwirkung mit dem Bestandteil durch Verkapselungsgewebe blockiert werden. Eine weitere Abwandlung der Vorgehensweise von Lubbers et al. sind Affinitätssensoren, die auf Faseroptik basieren und in Schultz, J.S. et al., „Affinity Sensor: A New Technique for Developing Implantable Sensors for Glucose and Other Metabolites" [Affinitätssensor: Eine neue Technik zur Entwicklung von implantierbaren Sensoren für Glukose und andere Metaboliten], Diabetes Care, Band 5, Nr. 3, S. 243, Mai-Juni 1982; und Mansouri, S. et al., Bio/technology, Band 2, S. 385, 1984, beschrieben sind. Diese Sensoren leiden ebenfalls langfristig an einer Abnahme der Sensitivität.Researchers' pathways for measuring blood sugar include a variety of different techniques, both optical and chemical. Several researchers have attempted implantable chemical sensors, but these sensors seem to inevitably fail because of the above reasons. U.S. Patent No. 5,353,792 (Lubbers et al.) Discloses a modification of the chemical sensor which employs "optically excitable and easily readable substances" one of which could presumably interact with glucose. The disadvantage this way is the same as with the other chemical techniques, ie the substances probably have to interact directly with the component to be measured and thus may eventually become depleted over time, or alternatively the substances may be blocked from interacting with the component by encapsulation tissue. Another variation of the approach of Lubbers et al. are affinity sensors based on fiber optics and described in Schultz, JS et al., "Affinity Sensor: A New Technique for Developing Implantable Sensors for Glucose and Other Metabolites" [Affinity Sensor: A New Technique for Developing Implantable Sensors for Glucose and Other Metabolites] , Diabetes Care, Vol. 5, No. 3, p. 243, May-June 1982; and Mansouri, S. et al., Bio / Technology, Vol. 2, p. 385, 1984. These sensors also suffer in the long term a decrease in sensitivity.
Die optischen Techniken beinhalten auch eine Reihe von unterschiedlichen Methoden. Bei den meisten Versuchen wurden nichtinvasive transkutane Wege mit Infrarot-Spektroskopie benutzt. Die Infrarot-Spektroskopie beruht auf der Absorption von Infrarotlicht. Die Absorptionsmenge hängt von der Konzentration und der Weglänge des Lichts durch die zu messende Flüssigkeit ab. Jeder chemische Bestandteil hat seine eigenen einzigartigen Absorptionsspektren, je nach Gewicht jedes Atoms und Stärke jeder Molekularbindung in einem Molekül. Wenn ein genügend großer Signal-zu-Rauschabstand vorhanden ist, sollte es theoretisch möglich sein, die Anwesenheit und Konzentration jedes chemischen Bestandteils in einer Flüssigkeit, wie z.B. Blut, präzise zu bestimmen. Transkutane Infrarot-Spektroskopietechniken zeigen Variabilität bei der optischen Kupplung, einen schwachen Signal-zu-Rauschabstand und übermäßig viele Artefakte. Bisher konnte noch bei keiner offenbarten Technik gezeigt werden, dass sie zuverlässig arbeitet. Eine Technik, die in der US-Patentanmeldung Nr. 08/500.388, eingereicht am 6. Juli 1995 mit dem Titel „IMPLANTABLE SENSOR AND SYSTEM FOR MEASUREMENT AND CONTROL OF BLOOD CONSTITUTENT LEVELS" [IMPLANTIERBARER SENSOR UND SYSTEM ZUR MESSUNG UND KONTROLLE DER KONZENTRATIONEN VON BLUTBESTANDTEILEN] offenbart wird, konnte das Problem mit der Kupplung und dem Signal-zu-Rauschabstand durch Implantation des Sensors anstelle seiner transkutanen Anwendung teilweise lösen. Eine genauere Analyse dieser beiden Vorgehensweisen wird nachstehend erörtert.The Optical techniques also include a number of different ones Methods. In most experiments, noninvasive transcutaneous Paths with infrared spectroscopy used. Infrared spectroscopy is based on the absorption of infrared light. The absorption amount depends from the concentration and the path of light through the to measuring liquid from. Every chemical ingredient has its own unique Absorption spectra, depending on the weight of each atom and strength of each Molecular binding in a molecule. If one is enough greater Signal-to-Noise Ratio is present, it should be theoretically possible the presence and concentration of each chemical constituent in a liquid, such as. Blood, precise too determine. Transcutaneous infrared spectroscopy techniques show variability in the optical coupling, a weak signal-to-noise ratio and an excessive number Artifacts. So far could not be shown in any disclosed technique Be that reliable is working. A technique disclosed in U.S. Patent Application No. 08 / 500,388, filed on 6 July 1995 with the title "IMPLANTABLE SENSOR AND SYSTEM FOR MEASUREMENT AND CONTROL OF BLOOD CONSTITUTENT LEVELS "[IMPLANTABLE SENSOR AND SYSTEM FOR MEASURING AND CONTROL OF CONCENTRATIONS OF BLOOD COMPONENTS], the problem with the Coupling and the signal-to-noise ratio by implantation of the sensor partially solve it instead of its transcutaneous application. A A more detailed analysis of these two approaches will be provided below discussed.
Daneben wurden auch noch mehrere weitere optische Wege probiert. US-Patent Nr. 4.704.029 (Van Heuvelen) offenbart eine implantierbare Vorrichtung, bei der aus der Messung des Brechungsindex von Blut mit einer optischen Vorrichtung, die direkt mit dem Blut in Kontakt ist, auf die Glukosekonzentration geschlossen wird. Diese Vorrichtung ist mit zahlreichen Nachteilen behaftet, wovon einer die Notwendigkeit des direkten Kontakts der Vorrichtung mit Blut ist. US-Patent Nr. 5.209.231 (Cote et al.) offenbart einen etwas anderen Weg, bei dem die Drehung einer Ebene von polarisiertem Licht durch Blut oder eine andere Körperflüssigkeit gemessen wird. Diese Technik und andere ähnliche Techniken arbeiten mit einer sehr geringen Drehung (Milligrad) und erzeugen deshalb ein sehr kleines Signal, so dass die Methode sehr empfindlich auf Streuung, Bewegung und Schwankungen der Weglänge reagiert.Besides were also tried several other optical ways. US Patent No. 4,704,029 (Van Heuvelen) discloses an implantable device, from the measurement of the refractive index of blood with an optical Device which is in direct contact with the blood, on the glucose concentration is closed. This device has numerous disadvantages one of which is the need for direct contact with the Device with blood is. U.S. Patent No. 5,209,231 (Cote et al.) reveals a slightly different way in which the rotation of a plane of polarized light by blood or other body fluid is measured. This technique and other similar techniques work with a very small turn (milligrams) and therefore produce a very small signal, making the method very sensitive to Scattering, movement and fluctuations in the path length reacts.
Wie bereits erwähnt sollte es theoretisch möglich sein, sofern ein ausreichender Signal-zu-Rauschabstand vorhanden ist, die Konzentration der Bestandteile durch Infrarot-Spektroskopie zu bestimmen, aber in der Praxis stellten sich diese Bestimmung als große Herausforderung heraus. Insbesondere die Blutzuckermessung erwies sich als sehr schwierig, selbst in vitro. Dafür gibt es mehrere Gründe:
- (1) Körpergewebe und insbesondere Blut bestehen hauptsächlich aus Wasser. Wasser weist eine sehr starke intrinsische Absorption im Infrarotbereich (IR-Bereich) auf, insbesondere im mittleren IR-Bereich. Die starke Absorption durch Wasser führt zu einer starken Abnahme des Signal-zu-Rauschabstands, wenn die Weglängen verhältnismäßig gering sind. Im mittleren und nahen IR-Bereich müssen die Weglängen bei ca. 25 oder 1000 μm liegen, um einen akzeptablen Signal-zu-Rauschabstand zu erhalten.
- (2) Die Konzentrationen der Bestandteile sind im Vergleich zu Wasser gering. Die Spektren der verschiedenen Bestandteile von Blut und anderen Körperflüssigkeiten neigen dazu, sich selbst und das Spektrum von Wasser zu überlappen, und fast die gesamten Konzentrationen der Bestandteile schwanken über den physiologischen Bereich. Bei der Messung der Blutzuckerkonzentration muss die Messung beispielsweise gegen einen Hintergrund durchgeführt werden, bei dem die Konzentration der anderen Bestandteile sich ständig ändert und die Spektren der anderen Bestandteile das von Glukose überlappen.
- (3) Im nahen IR-Bereich verschieben sich beide Positionen der Peaks und die Intensität der Wasserspektren mit der Temperatur und dem pH-Wert, so dass die Messung komplizierter wird.
- (4) Blut und andere Körpergewebe neigen dazu, Licht erheblich zu streuen, so dass der vom Sensor nachgewiesene Signal-zu-Rauschabstand weiter reduziert und die Variabilität verstärkt wird.
- (1) Body tissues and especially blood are mainly water. Water has a very high intrinsic absorption in the infrared range (IR range), in particular in the middle IR range. The strong absorption by water leads to a sharp decrease of the signal-to-noise ratio when the path lengths are relatively low. In the middle and near IR range, the path lengths must be about 25 or 1000 μm in order to obtain an acceptable signal-to-noise ratio.
- (2) The concentrations of the components are low compared to water. The spectra of the various constituents of blood and other body fluids tend to overlap themselves and the spectrum of water, and almost all of the concentrations of the components vary over the physiological range. For example, when measuring the blood glucose concentration, the measurement must be performed against a background where the concentration of the other ingredients is constantly changing and the spectra of the other ingredients are overlapping with those of glucose.
- (3) In the near IR region, both positions of the peaks and the intensity of the water spectra shift with the temperature and the pH value, so that the measurement becomes more complicated.
- (4) Blood and other body tissues tend to scatter light significantly, further reducing the signal-to-noise ratio detected by the sensor and increasing variability.
Trotz dieser Unterschiede konnten mehrere Forscher die Konzentration von Glukose und anderen Bestandteilen mit akzeptabler oder nahezu akzeptabler Genauigkeit in vitro bestimmen, wobei sie multivariate Techniken für die Auswertung der Spektren anwendeten. Es ist zu betonen, dass diese Messungen in vitro mit einem Spektrophotometer des Standes der Technik, gut optimiertem Setup und allgemein mit Faktoren erfolgten, die in vivo nicht reproduzierbar sind (d.h. Temperaturstabilität, konstante Weglänge). Darüber hinaus erforderten diese Messungen in der Regel eine große Anzahl von Spektralpunkten (>100), um gute und genaue Vorhersagen der Konzentration des Bestandteils treffen zu können. Um diese Messungen in vivo durchführen zu können, müssen daher außerordentliche Maßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, dass der Signal-zu-Rauschabstand genauso gut oder besser als die Messungen in vitro ist und dass es keine zusätzlichen Artefakte gibt.Despite these differences, several researchers have been able to determine the concentration of glucose and other components in vitro with acceptable or nearly acceptable accuracy, using multivariate techniques for the evaluation of spotting tren used. It should be emphasized that these measurements were made in vitro using a prior art spectrophotometer, well-optimized setup, and generally with factors that are not reproducible in vivo (ie, temperature stability, constant path length). In addition, these measurements typically required a large number of spectral points (> 100) in order to make good and accurate predictions of the concentration of the component. Therefore, to be able to perform these measurements in vivo, extraordinary measures must be taken to ensure that the signal-to-noise ratio is as good or better than the measurements in vitro and that there are no additional artifacts.
Angesichts der Schwierigkeiten bei den Messungen in vitro sollte es nicht überraschen, dass die transkutanen Wege nicht funktionierten. Bei einem transkutanen Sensor „sieht" das Licht eine viel größere Anzahl von Variablen als dies in vitro der Fall ist, was an der Interaktion des Lichts mit Haut, Fett, Knochen und dergleichen liegt. Das Aussondern der Spektren wird sehr schwierig. Darüber hinaus ist der Signal-zu-Rauschabstand, der auf diese Weise erhältlich ist, aufgrund der erheblich schlechteren optischen Kupplung, des Vorliegens von zusätzlich streuendem Gewebe (z.B. Haut) und der Absorption des Gewebes, das keine Glukose enthält (z.B. Fett), signifikant geringer als bei den Messungen in vitro. Angesichts der notwendigen Genauigkeit bei den Spektren für eine genaue Bestimmung der Konzentration des Bestandteils können übermäßige Artefakte diese Messungen verschleiern.in view of the difficulties in measuring in vitro should not come as a surprise that the transcutaneous routes did not work. In a transcutaneous Sensor "sees" the light a lot larger number of variables than is the case in vitro, indicating the interaction of light with skin, fat, bones and the like. The separating the spectra becomes very difficult. In addition, the signal-to-noise ratio, which is available in this way is due to the significantly poorer optical coupling, the Presence of additionally scattering Tissue (e.g., skin) and the absorption of tissue that does not contain glucose contains (e.g., fat), significantly lower than in vitro measurements. in view of the necessary accuracy in the spectra for an accurate determination of the Concentration of the ingredient can cause excessive artifacts Disguise measurements.
Es wurde versucht, einige der Probleme im Zusammenhang mit dem transkutanen Infrarot-Sensor zu überwinden, indem ein implantierbarer Glukosesensor verwendet wurde, wie er in der US-Patentanmeldung Nr. 08/500.388, eingereicht am 6. Juli 1995, mit dem Titel „IMPLANTABLE SENSOR AND SYSTEM FOR MEASUREMENT AND CONTROL OF BLOOD CONSTITUTENT LEVELS" [IMPLANTIERBRRER SENSOR UND SYSTEM ZUR MESSUNG UND KONTROLLE DER KONZENTRATIONEN VON BLUTBESTANDTEILEN] beschrieben ist. Dieser Sensor verbesserte beispielsweise den Signal-zu-Rauschabstand durch Implantation des Sensors, wodurch einige der Quellen für optischen Verlust eliminiert wurden. Der Sensor in dieser Patentanmeldung besteht aus voneinander beabstandeten Paaren von Infrarot-Lichtquellen und Infrarot empfindlichen Detektoren. Jede Quelle und jedes Detektorpaar ist so voneinander beabstandet, dass Licht von der Quelle durch ein Blutgefäß fließt und vom Detektor aufgenommen wird. Jede Quelle gibt ein unterschiedliches diskretes schmales Lichtband ab. Der erhebliche räumliche Abstand zwischen jedem Paar aus Quelle/Detektor verursacht einen erheblichen räumlichen Abstand der Spektrallinien, die von den Quellen abgegeben werden. Jeder Detektor „sieht" somit eine unterschiedliche räumliche Region des Blutgefäßes. Aufgrund dieser Tatsache und des dynamischen Charakters der Blutgefäße wird angenommen, dass die von den Detektoren ausgegebenen Spektralinformationen nicht verwendet werden können, um ausreichend genaue Blutzuckerwerte zu erhalten.It was trying to address some of the problems associated with the transcutaneous To overcome infrared sensor, by using an implantable glucose sensor like his in U.S. Patent Application No. 08 / 500,388, filed July 6, 1995, entitled "IMPLANTABLE SENSOR AND SYSTEM FOR MEASUREMENT AND CONTROL OF BLOOD CONSTITUTENT LEVELS "[IMPLANT BRANDER SENSOR AND SYSTEM FOR MEASURING AND CONTROL OF CONCENTRATIONS OF BLOOD COMPONENTS]. This sensor improved For example, the signal-to-noise ratio by implantation of Sensors, which eliminates some of the sources of optical loss were. The sensor in this patent application consists of each other spaced pairs of infrared light sources and infrared sensitive ones Detectors. Each source and detector pair are so different spaced, that light from the source flows through a blood vessel and from the detector is recorded. Each source gives a different discreet one narrow band of light. The considerable spatial distance between each Pair of source / detector causes a significant spatial Distance of the spectral lines emitted by the sources. Each detector thus "sees" a different one spatial Region of the blood vessel. by virtue of this fact and the dynamic nature of the blood vessels assumed that the spectral information output by the detectors can not be used to obtain sufficiently accurate blood glucose levels.
Außerdem korrigiert die Messtechnik in der oben beschriebenen Patentanmeldung nicht um Spektralartefakte aufgrund der Streuung und Absorption durch die Blutgefäßwand und anderem Gewebe, das sich im Lichtweg zwischen dem Ausgang jeder Quelle und dem Eingang des entsprechenden Detektors befinden kann. Darüber hinaus ist der Durchmesser eines Blutgefäßes zeitlich weder konstant, da sich ein Blutgefäß mit jedem Herzschlag wölbt und wieder kollabiert, noch gleichförmig im Durchmesser. Ferner ist Blut räumlich nicht homogen, so dass bei der Streuung von Punkt zu Punkt erhebliche Variabilität vorliegen kann. Die Variabilität in der Weglänge bei den in der oben aufgeführten Patentanmeldung beschriebenen Messtechniken kann somit in der Größenordnung von 1 Teil zu 100 liegen (in Absorptionseinheiten), was groß genug ist, um den Nutzen der daraus erhaltenen Spektralinformationen zu zerstören.Also corrected the measuring technique in the patent application described above not to spectral artifacts due to scattering and absorption by the blood vessel wall and other tissue located in the light path between the exit of each source and the input of the corresponding detector. Furthermore the diameter of a blood vessel is neither constant over time, there is a blood vessel with each Heartbeat bulges and again collapses, still uniform in diameter. Further is blood spatially not homogeneous, so that in the scatter from point to point considerable variability may be present. The variability in the path length the one listed above Patent application described measuring techniques can thus on the order of magnitude from 1 part to 100 (in absorbance units), which is big enough is to take advantage of the spectral information obtained from it to destroy.
Viele der oben besprochenen Probleme entstehen auch, wenn andere Bestandteile von Körperflüssigkeiten gemessen werden. Insgesamt ergeben sich erhebliche Hindernisse für genaue Messungen von Körperflüssigkeitsbestandteilen in vivo. Trotz eines seit langem bestehenden Bedarfs konnten die Sensoren und Spektralanalysetechniken diese Aufgabe bis jetzt noch nicht lösen. Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis und stellt sowohl Sensoren als auch Spektralanalysetechniken bereit, die genaue Messungen von Körperflüssigkeitsbestandteilen in vivo liefern.Lots The problems discussed above also arise when other components of body fluids be measured. Overall, there are significant obstacles to accurate Measurements of body fluid components in vivo. Despite a long-standing need, the sensors could and spectral analysis techniques do not yet do this job to solve. The present invention fulfills this need and provides both sensors and spectral analysis techniques the exact measurements of body fluid components deliver in vivo.
Aus EP-A-404562 ist ein implantierbarer Sensor für die in-vivo-Spektroskopie bekannt, der zur Auswertung der vom Sensor kommenden Signale und zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteils einer Körperflüssigkeit einen Prozessor verwendet, wobei eine Lichtquelle Licht aussendet und ein Detektor das ausgesendete Licht, das mit der Körperflüssigkeit interagiert, nachweist.Out EP-A-404562 is an implantable sensor for in vivo spectroscopy known for evaluating the signals coming from the sensor and for determining the concentration of a constituent of a body fluid uses a processor, where a light source emits light and a detector the emitted light, that with the body fluid interacts, proves.
Die bereits früher eingereichte WO-A-9701986 offenbart einen ähnlichen Sensor, bei dem Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen über einen im Wesentlichen kollinearen Lichtweg durch die Körperflüssigkeit übertragen wird.The earlier filed WO-A-9701986 discloses a similar sensor in which light with a variety of wavelengths over one essentially collinear light path is transmitted through the body fluid.
Abweichend vom oben aufgeführten Stand der Technik ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zu entwickeln, der ein zusammengesetztes Spektrum erhalten kann, d.h. Körperflüssigkeit und Fremdgewebe, und der Mittel zur Korrektur für die Spektren einer Fremdkomponente enthält.Notwithstanding the above-mentioned prior art, it is the object of the present invention to develop a sensor which is a composite tes spectrum, ie body fluid and foreign tissue, and the means for correcting for the spectra of a foreign component.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.These The object is achieved by the characterizing features of claim 1. Further advantageous embodiments of the present invention the dependent claims be removed.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENSHORT DESCRIPTION THE DRAWINGS
Die folgende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung ist in Verbindung mit den anhängenden Zeichnungen besser verständlich. Zur Veranschaulichung der Erfindung zeigen die Zeichnungen Ausführungsformen, die zurzeit bevorzugt sind. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die exakten Anordnungen und Instrumente wie gezeigt beschränkt ist. In den Zeichnungen zeigen:The The following detailed description of preferred embodiments The invention is better in connection with the attached drawings understandable. To illustrate the invention, the drawings show embodiments which currently preferred. It is understood, however, that the invention is not limited to the exact arrangements and instruments as shown. In the drawings show:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, dass die Konzentration eines chemischen Bestandteils einer Körperflüssigkeit in vivo genau nachgewiesen werden kann, wenn elektromagnetische Strahlung oder Lichtenergie (hiernach „Licht") mit einer Vielzahl unterschiedlicher Infrarot-Wellenlängen und insbesondere Nahinfrarot-Wellenlängen durch die Körperflüssigkeit geleitet wird, so dass das Licht der Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen einen im Wesentlichen kollinearen Weg zueinander bei der Passage durch die Flüssigkeit einnimmt. Ferner wurde entdeckt, dass die Konzentration von Glukose ein chemischer Bestandteil der Körperflüssigkeit ist, der auf diese Weise genau nachgewiesen werden kann, und dass der Glukosespiegel in einem Blutgefäß (z.B. einer Vene), in einer Gefäßmembran oder in einer interstitiellen Flüssigkeit oder einem Gel (hiernach „interstitielle Flüssigkeit") gemessen werden kann. Ferner wurde entdeckt, dass zur genauen Bestimmung der Konzentrationen von chemischen Bestandteilen von Körperflüssigkeiten, wie z.B. Glukose, in sich schnell verändernden anatomischen Strukturen, wie Venen oder ..., zum Aussenden und Nachweisen aller der verschiedenen Wellenlängen des Lichts in einem im Wesentlichen einzelnen Zeitraum notwendig sind.The The present invention is based on the discovery that the concentration of a chemical constituent of a body fluid in vivo can be when electromagnetic radiation or light energy (hereafter "light") with a multitude different infrared wavelengths and in particular near-infrared wavelengths the body fluid is guided so that the light of the many different wavelength a substantially collinear path to each other in the passage through the liquid occupies. It was also discovered that the concentration of glucose a chemical component of the body fluid is that can be accurately detected in this way and that the level of glucose in a blood vessel (e.g., a vein) in one vascular membrane or in an interstitial fluid or a gel (hereafter "interstitial Liquid ") are measured can. It has also been discovered that for accurate determination of concentrations of chemical constituents of body fluids, e.g. glucose, in fast changing anatomical structures, such as veins or ..., for sending and detecting all of the different wavelengths of the light in a substantially single period necessary are.
In
Die
Lichtquelle
Je
nach den Bedürfnissen
des Patienten und dem anspruchsvollen Design und der Miniaturisierung
der Systemkomponenten werden einige oder alle Komponenten des Sensorsystems
Ein
wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Lichtquelle
Die
Lichtquelle
Der
Ausgang der Faseroptik
Zum
Nachweis der Blutzuckerkonzentration im Blut mit einer Genauigkeit
von ±18
mg/dl über
den physiologischen Bereich von Temperatur, pH und Blutchemie, reicht
es aus, ca. dreizehn verschiedene Wellenlängen zu verwenden, wobei zwei
Wellenlängen
(oder mehr) zur Normalisierung von Pfadlängenschwankungen verwendet
werden, eine Wellenlänge für den Ausgangsversatz
verwendet wird und die restlichen zehn Wellenlängen für die Glukosemessung herangezogen
werden. Mit einer genauen Messung der Temperatur der Körperflüssigkeit
könnte
es möglich
sein, die Anzahl von Wellenlängen
zu reduzieren. Im Idealfall werden die beiden für die Normalisierung der Pfadlänge verwendeten
Wellenlängen nicht
von „fremdem" Gewebe beeinflusst,
das die zu messende Flüssigkeit
umgibt (in diesem Fall Blut). Das heißt, der Unterschied in der
Absorptionsfähigkeit
zwischen den beiden Wellenlängen
wird vom „fremden" Gewebe nicht beeinflusst.
Ein für
den Nachweis der Blutzuckerkonzentration bei einer Blut-Pfadlänge von
0,5 mm oder weniger geeigneter Wellenlängensatz (in Nanometer) ist
wie folgt:
1300, 2259, 1964, 2038, 1970, 1839, 2146, 1376, 2084,
1391, 2186, 1434, 2154 nm.To detect the blood glucose concentration in the blood with an accuracy of ± 18 mg / dl over the physiological range of temperature, pH and blood chemistry, it is sufficient to use about thirteen different wavelengths, with two wavelengths (or more) used to normalize path length variations be used, a wavelength for the output offset and the remaining ten wavelengths are used for the glucose measurement. With accurate measurement of body fluid temperature, it may be possible to reduce the number of wavelengths. Ideally, the two wavelengths used to normalize the path length are not affected by "foreign" tissue surrounding the fluid to be measured (in this case, blood), that is, the difference in absorbance between the two wavelengths is "foreign". Tissue not affected. A wavelength set (in nanometers) suitable for the detection of blood glucose concentration at a blood path length of 0.5 mm or less is as follows:
1300, 2259, 1964, 2038, 1970, 1839, 2146, 1376, 2084, 1391, 2186, 1434, 2154 nm.
Die erste Wellenlänge (1300) wird für den Ausgangsversatz verwendet, während die nächsten beiden Wellenlängen (2259 und 1964) für die Normalisierung der Pfadlänge verwendet werden.The first wavelength (1300) is for used the output offset while the next two wavelength (2259 and 1964) for the normalization of the path length be used.
Wenn längere Pfadlängen verwendet werden, verschieben sich die optimalen Wellenlängen etwas in den kürzeren Wellenlängenbereich. Alternativ können zum Nachweis anderer chemischer Bestandteile Wellenlängen geeignet sein, die weiter im Infrarot-Bereich oder im sichtbaren Bereich liegen. Es kann also einige Wellenlängen geben, die nicht im Infrarot-Bereich liegen. Die genaue Anzahl und der Wert der Wellenlängen hängt vom interessierenden Bestandteil und der gewünschten Genauigkeit der Konzentration ab. Im Allgemeinen ist es aber vorzuziehen, Spektralbereiche mit hoher Wasserabsorption zu vermeiden. Deshalb wird der Nahinfrarot-Bereich im Allgemeinen gegenüber dem mittleren Infrarot-Bereich bevorzugt.If longer path lengths used, the optimal wavelengths shift slightly in the shorter Wavelength range. Alternatively you can suitable wavelengths for the detection of other chemical constituents be that in the infrared range or in the visible range lie. So there may be some wavelengths that are not in the infrared range lie. The exact number and value of the wavelengths depends on the component of interest and the desired accuracy of concentration from. In general, it is preferable to use spectral ranges to avoid high water absorption. That's why the near-infrared area generally opposite the mid-infrared range is preferred.
Die jeweils gewählten Wellenlängen und Spektralbereiche werden auf reiterativer versuchsweiser Basis in Verbindung mit der Bestimmung eines in-vitro-Algorithmus (wie unten besprochen) festgelegt, wobei die Absorptionsspitzen der interessierenden Bestandteile, die Wasserabsorption, Hardware-Überlegungen und andere Überlegungen, wie beispielsweise andere möglicherweise störende Gewebe, berücksichtigt werden. Im Fall des Glukosesensors wurde der Bereich zwischen 900 nm und 2500 nm gewählt, weil Wellenlängen über 2500 nm übermäßige Wasserabsorption zeigten und Einschränkungen im Hinblick auf die Vorrichtung unterworfen waren, und Wellenlängen unter 900 nm zeigten zu schwache Absorption. Angesichts dessen wurden über 450 Personen Blutproben entnommen, von denen jeweils ein FT-IR-Spektrum zwischen 900 nm und 2500 nm aufgenommen wurde.The each chosen wavelength and spectral ranges are based on a reiterative tentative basis in connection with the determination of an in vitro algorithm (as discussed below), the absorption peaks of the constituents of interest, the water absorption, hardware considerations and other considerations, like others, for example disturbing Tissue, considered become. In the case of the glucose sensor, the range was between 900 nm and 2500 nm, because wavelengths over 2500 nm excessive water absorption showed and limitations were subjected to the device, and wavelengths below 900 nm showed too weak absorption. In the face of it were over 450 Individuals were sampled from each of which a FT-IR spectrum was recorded between 900 nm and 2500 nm.
Es gibt mehrere wohlbekannte Techniken zur Korrelierung der Spektren mit den gemessenen Werten der Bestandteile, darunter der Norris Regressionsalgorithmus, die Methode mit dem Partial Least Squares Ansatz, die Regression der Hauptbestandteile und Neuralnetzwerke. An den Blutproben der 450 Personen wurden versuchsweise die unterschiedlichen Techniken ausprobiert, um folgende Ziele zu erreichen:
- 1. Erhalt der besten Kreuzvalidierung, Kalibrierung und prädiktiver Standardfehler
- 2. Verwendung von möglichst wenigen Wellenlängen
- 3. Verwendung von möglichst kurzen Wellenlängen
- 1. Obtain the best cross validation, calibration and standard predictive error
- 2. Use of as few wavelengths as possible
- 3. Use of the shortest possible wavelengths
Jeder dieser Algorithmen führt letztendlich zur Wahl der Wellenlängen und des entsprechenden Algorithmus, der die gemessenen Spektren mit der Konzentration der Bestandteile korreliert. Im Abschnitt „BESTIMMUNG DES IN-VITRO-ALGORITHMUS" unten wird die Optimierung dieses Algorithmus mit der Norris Regression besprochen. Dies ist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.Everyone these algorithms leads finally to the choice of wavelengths and the corresponding algorithm, the measured spectra with the concentration of the components correlated. In the section "DETERMINATION THE IN VITRO ALGORITHM "below will be optimizing this algorithm with the Norris regression discussed. This is the preferred embodiment of the invention.
Zur
Messung der Blutzuckerkonzentration in Blut sollte in der bevorzugten
Ausführungsform
jede Laserdiode
Der
Detektor
Der
Ausgang des Photodetektors
In
einigen Fällen
ist keine Auffang-Faseroptik
Der
Ausgang des Kalibrationsdetektors
Wen
ein Fremdkörper
in einen lebenden Körper
implantiert wird, neigt Gewebe dazu, sich auf dem Gegenstand anzusammeln,
auch wenn der Gegenstand aus einem biokompatiblen Material besteht.
Dieses Gewebe ist als „Kapselgewebe" bekannt. Kapselgewebe
bildet sich üblicherweise
im Lauf der Zeit bis zu einem bestimmten Ausmaß, wonach sein Wachstum stoppt
und einen Steady State erreicht, in der Regel innerhalb von 4-6
Wochen.
Bei Messungen in sich schnell bewegenden anatomischen Strukturen, wie pulsierenden Venen, zeigte sich auch, dass die Spektren für eine genaue Messung in einem „im Wesentlichen einzelnen Zeitraum" aufgenommen werden müssen (d.h. die Spektren müssen im Wesentlichen zeitlich zusammenfallen). Dies erfordert, dass die Vielzahl von Dioden mit unterschiedlichen Wellenlängen in einem „im Wesentlichen einzelnen Zeitraum" gepulst werden. Insbesondere sollten die Spektren innerhalb einer Zeit aufgenommen werden, die so kurz ist, dass Schwankungen zwischen Signal und Pfadlänge über die Messzeit viel geringer ausfallen als das erwartete Signal des Bestandteils der Flüssigkeit. Experimentelle Daten zeigen, dass der „im Wesentlichen einzelne Zeitraum" in Venen und dergleichen für die Messung von Blutzucker bei unter ca. 100 μsec liegen sollte. Wie hierin definiert bedeutet ein „im Wesentlichen einzelner Zeitraum" nicht gleichzeitig, sondern einen Zeitraum, der so kurz ist, dass er im Hinblick auf die Veränderungen, die der Flüssigkeitsbestandteil im Messzeitraum erfährt, im Wesentlichen gleichzeitig ist. Für Messungen in anatomischen Strukturen ohne schnelle Veränderungen, beispielsweise interstitielle Flüssigkeit oder Gel, sind längere Zeiträume akzeptabel.When measuring fast moving in itself Anatomical structures, such as pulsating veins, have also been shown to require the spectra to be taken in a "substantially single time period" for accurate measurement (ie, the spectra must be substantially coincident in time), which requires that the plurality of diodes be different Wavelengths are pulsed in a "substantially single period". In particular, the spectra should be recorded within a time that is so short that fluctuations between signal and path length over the measurement time will be much lower than the expected signal of the constituent of the fluid. Experimental data show that the "substantially single time period" in veins and the like for the measurement of blood glucose should be less than about 100 μsec. As defined herein, a "substantially single period" means not a time but a period of time in short, it is essentially the same in terms of the changes that the fluid component undergoes during the measurement period. For measurements in anatomical structures without rapid changes, such as interstitial fluid or gel, longer periods are acceptable.
Im
Betrieb wird jede Diode
Um
Zeitartefakte weiter zu minimieren, sollten Diodenpaare
Zur
Verbesserung des Signal-zu-Rauschabstands kann eine Anzahl wiederholter
Spektren N über
einen relativ kurzen Zeitraum aufgenommen werden. Der Zeitraum sollte
so kurz sein, dass es keine nennenswerte Veränderung in der Konzentration des
Bestandteils gibt. Für
einen Blutzuckersensor kann dieser Zeitraum mehrere Minuten betragen.
Der Prozessor
In
In
Wie
oben besprochen kann das von der Quelle ausgesendete Licht direkt
in die Vene
Der
Sensor
In
Leuchtdioden
(LEDs) sind eine geeignete Lichtquelle, die anstelle einer oder
mehrerer der Laserdioden
Die vielleicht wichtigste Entscheidung bei der Konstruktion eines spektroskopischen chemischen Infrarotsensors betrifft die Auswahl der Spektralregion(en) und Wellenlängen, insbesondere wenn eine Weißlichtquelle unpraktisch oder im Wesentlichen nicht optimal ist. Die Wahl der Wellenlängen und Spektralregion(en) bestimmt letztendlich die Hardware und die Software (in-vitro-Algorithmus). Bei einem in-vivo-Setup beträgt die absolute Mindestzahl von Wellenlängen im Allgemeinen drei Punkte (sofern keine anderen Mittel verwendet werden können, um Hintergrund, Streuung, Absorption durch andere Bestandteile herauszuziehen, wie z.B. die Verwendung der pulsativen Komponente, wie im Pulsoximeter). Mindestens ein Punkt wird für die Pfadlängenkalibrierung benötigt und zwei weitere Punkte werden zur Messung der Höhe des Absorptionspeaks benötigt. Bei komplexen Medien, wie z.B. in Blut, bei dem es eine Reihe von überlappenden Bestandteilen gibt, nimmt die Anzahl der erforderlichen Wellenlängen erheblich zu. Als allgemeine Regel kann man davon ausgehen, dass ein oder zwei Spektralpunkte pro chemischem Bestandteil, dessen Konzentration unabhängig schwankt und der eine Spektralstruktur im und um den für die Bestimmung des interessierenden Bestandteils verwendeten Absorptionspeak aufweist, hinzugefügt werden. Für die Bestimmung der Blutzuckerkonzentration im Nahinfrarot-Bereich benötigt man zusätzliche Spektralpunkte zum Ausgleich von überlappendem Globulin, Cholesterin, Albumin, Harnstoff, Hämoglobin, Harnsäure und natürlich Wasser. Darüber hinaus gibt es zweifellos auch andere chemische Spezies, die ausgeglichen werden müssen. Die Mittel zur Auswahl der Wellenlängen werden unten besprochen.The perhaps most important decision in the construction of a spectroscopic chemical infrared sensor concerns the selection of the spectral region (s) and wavelengths, especially when a white light source impractical or substantially non-optimal. The choice of wavelength and spectral region (s) ultimately determines the hardware and the Software (in vitro algorithm). For an in-vivo setup, the absolute minimum number of wavelength generally three points (unless other means are used can be to Background, scattering, extracting absorption by other ingredients, such as. the use of the pulsatile component, as in the pulse oximeter). At least one point will be for the path length calibration need and two more points are needed to measure the height of the absorption peak. at complex media, e.g. in blood, where there are a number of overlapping Components, the number of required wavelengths decreases considerably to. As a general rule, one can assume that one or two spectral points per chemical component, its concentration independently fluctuates and a spectral structure in and around the for the determination of the constituent of interest used have absorption peak added. For the Determination of blood sugar concentration in the near infrared range is needed additional Spectral points to compensate for overlapping globulin, cholesterol, Albumin, urea, hemoglobin, uric acid and of course water. About that In addition, there are undoubtedly other chemical species that are balanced Need to become. The means for selecting the wavelengths are discussed below.
Die
Auswahl der Spektralregion(en), die von der Quelle
Bei einer implantierbaren Vorrichtung, die nicht kryogen gekühlt werden kann, verringert sich die erforderliche Linearität bei Verwendung von Wellenlängen über 3000 nm für Bestandteile mit niedriger Konzentration, weil ungekühlte Detektoren oberhalb dieser Wellenlänge keine geeigneten Leistungsmerkmale mehr aufweisen.at an implantable device that are not cryogenically cooled can reduce the required linearity when using wavelengths above 3000 nm for Low concentration components because uncooled detectors above this wavelength have no more suitable features.
Außerdem wird die Wasserabsorption oberhalb von 2500 nm erheblich problematischer. Lichtenergie bei 10.000 nm erfährt einen Verlust von über 10 dB durch eine Wasserschicht von 0,1 mm, so dass es sehr schwierig wird, einen akzeptablen Signal-zu-Rauschabstand für eine implantierbare Vorrichtung zu erhalten. Für die Messung von Glukose und der meisten anderen Blutbestandteile ist es daher im Allgemeinen bevorzugt, Licht mit einer Wellenlänge unter 2500 nm zu verwenden, auch wenn es für die meisten Blutbestandteile erhebliche Spektralinformationen über 2500 nm gibt. Sogar unter 2500 nm gibt es einige Wasserabsorptionsbande, die bei längeren Pfadlängen zu einer übermäßigen Abschwächung führen können; eine bei 1899 nm und eine bei 1454 nm.In addition, will the water absorption above 2500 nm significantly more problematic. Light energy at 10,000 nm learns a loss of over 10 dB through a water layer of 0.1 mm, making it very difficult will provide an acceptable signal-to-noise ratio for an implantable device To get device. For the measurement of glucose and most other blood components Therefore, it is generally preferred to have light of one wavelength below 2500 nm, even if it is for most blood components gives significant spectral information over 2500 nm. Even under 2500 nm, there are some water absorption bands that increase at longer path lengths cause excessive weakening; a at 1899 nm and one at 1454 nm.
In
Ferner
kann die Licht aussendende Vorrichtung
Bei
einer anderen Technik, die in
Die
Sensoren in
Licht
mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Wellenlängen, die im Wesentlichen über den
selben Lichtpfad fließen
(und die somit kollinear sind) lässt sich
am einfachsten mit der Quellenkonfiguration in
Wie oben besprochen stellt eine Weißlichtquelle in Bezug auf die Kollinearität kein Problem dar, aber es muss sorgsam darauf geachtet werden, dass die räumliche Beziehung zwischen der Quelle und dem Detektor während der Aufnahmezeit der Spektren konstant bleibt.As discussed above represents a white light source in terms of collinearity not a problem, but care must be taken that the spatial Relationship between the source and the detector during the recording time of the Spectra remains constant.
Zur Erzeugung des gewünschten kollinearen Quellenstrahls von LEDs oder einzelnen Laserdioden können auch andere Techniken ohne Gitter oder lange Faseroptiken verwendet werden. Die LEDs oder Laserdioden können beispielsweise physisch sehr nahe beieinander liegen, so dass der Lichtpfad des Lichts jeder Wellenlänge im Wesentlichen kollinear zueinander relativ zur das Licht aufnehmenden Flüssigkeit ist. Zur Verbesserung der Kollinearität kann auch eine negative Linse oder Blende verwendet werden.to Generation of the desired Collinear source beam of LEDs or individual laser diodes can also Other techniques without grids or long fiber optics are used. The LEDs or laser diodes can for example physically very close to each other so that the Light path of the light of each wavelength is substantially collinear each other relative to the light receiving liquid. For improvement of collinearity can Also a negative lens or aperture can be used.
In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung kann jede einzelne Lichtquelle in der Lichtquelle
Die
Sensoren aus
Alternativ könnten die Sensoren in einem Knochen platziert werden. Das Risiko einer Infektion ist in Knochen aber viel höher als in anderen Stellen im Inneren des Körpers.alternative could the sensors are placed in a bone. The risk of a Infection is much higher in bones than elsewhere Inside of the body.
Die
Sensoren aus
Es wird ferner davon ausgegangen, dass der Signal-zu-Rauschabstand, der bei der Blutzuckermessung mit Reflexionsspektroskopie erhalten wird, niedriger ist als der Signal-zu-Rauschabstand bei der Übertragungsspektroskopie im Nahinfrarot-Bereich.It It is further assumed that the signal-to-noise ratio, the obtained in the blood glucose measurement with reflectance spectroscopy, lower is the signal-to-noise ratio in transmission spectroscopy in the Near-infrared range.
Die
Sensoren aus
Es ist bekannt, dass die Glukosekonzentration in interstitieller Flüssigkeit genau mit den Blutzuckerspiegeln korreliert und für die Diabeteskontrolle und -behandlung verwendet werden kann. Es ist beispielsweise bekannt, dass die Glukosespiegel in interstitieller Flüssigkeit um ca. 20 Minuten hinter den Glukosewerten im Blut liegen. Bei der Messung der Glukosekonzentration besitzt die interstitielle Flüssigkeit zahlreiche Vorteile gegenüber Blut. Interstitielle Flüssigkeit und Gel haben kein oder nur wenig Hämoglobin und Erythrozyten, die beide Artefakte in spektroskopischen Messungen hervorrufen. Erythrozyten verursachen beispielsweise Streuung. Durch Messung der interstitiellen Flüssigkeit können auch andere Quellen möglicher Artefakte in Blutmessungen beseitigt werden, darunter auch Artefakte durch pulsierende Blutgefäße und die Verwechslung zwischen Glukosespektren und Hämoglobinspektren. Pfadlängen-Variabilität ist bei Messungen in interstitieller Flüssigkeit weniger bedeutend als bei Blutmessungen. Interstitielle Flüssigkeit kann auch eine niedrigere Proteinkonzentration aufweisen als Blut, so dass sich Glukose leichter und mit höherer prädiktiver Genauigkeit vom Blutspektrum unterscheiden lässt. Somit sind für genaue Konzentrationsmessungen weniger Wellenlängen der Quelle notwendig.It It is known that the glucose concentration in interstitial fluid accurately correlated with blood sugar levels and for diabetes control and Treatment can be used. For example, it is known that the glucose levels in interstitial fluid by about 20 minutes lie behind the glucose levels in the blood. When measuring the glucose concentration owns the interstitial fluid numerous advantages over Blood. Interstitial fluid and gel have little or no hemoglobin and red blood cells, which cause both artifacts in spectroscopic measurements. Erythrocytes cause, for example, scattering. By measurement the interstitial fluid can other sources also possible Artifacts in blood measurements are eliminated, including artifacts through pulsating blood vessels and the Confusion between glucose spectra and hemoglobin spectra. Path length variability is included Measurements in interstitial fluid less significant than blood measurements. Interstitial fluid may also have a lower protein concentration than blood, making glucose easier and with higher predictive accuracy from the blood spectrum can distinguish. Thus, for accurate concentration measurements of less wavelengths of the source necessary.
Eine
Barriere
Alternativ
kann die Barriere
Unabhängig davon,
ob die Quelle
TEFLON® wird
nicht benetzt. Wenn also TEFLON® zur
Herstellung des Mantels
In
In
jeder der in
Die
am Ausgang des Photodetektors
In
Als
nächstes
legt der Prozessor
Nach
Abschluss der Pfadlängen-Korrektur legt
der Prozessor
Danach
berechnet der Prozessor
BESTIMMUNG DES IN-VITRO-ALGORITHMUSDETERMINATION THE IN VITRO ALGORITHM
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet das Norris-Regressionsmodell zur Erstellung des optimalen in-vitro-Algorithmus. In der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Wahl der Wellenlängen und ihrer entsprechenden Beta-Koeffizienten außerdem auf in-vitro-Basis und idealerweise auf Kreuzpopulations-Basis bestimmt. Flüssigkeitsproben, die für die zu messende Flüssigkeit repräsentativ sind, werden von einer statistisch signifikanten Gruppe von Personen, beispielsweise von einigen hundert Personen, entnommen, Dabei sollte sorgfältig darauf geachtet werden, dass die Chemie der Flüssigkeitsproben nicht durch Kontakt mit Luft, Zeit und dergleichen verändert wird. Im Idealfall überspannen die chemischen Bestandteile der erwünschten Bestandteile und anderer Bestandteile mit Einfluss auf die Spektren im Wesentlichen den gesamten physiologischen Bereich für gesunde und kranke Personen. Es ist auch wichtig, dass andere physiologische Variablen, wie z.B. Temperatur und pH-Wert, den gesamten physiologischen Bereich abdecken, so dass das Kalibrationsmodell über eine große Schwankungsbreite von gesundheitlichen Zuständen zutrifft.The preferred embodiment The invention uses the Norris regression model for creation the optimal in vitro algorithm. In the preferred embodiment of the invention the choice of wavelengths and their corresponding beta coefficients also on an in vitro basis and ideally determined on a cross-population basis. Liquid samples suitable for the measuring liquid representative are, by a statistically significant group of people, for example It should be carefully followed by a few hundred people Care should be taken that the chemistry of the fluid samples is not through Contact with air, time and the like is changed. Ideally, span the chemical components of the desired constituents and others Ingredients having influence on the spectra essentially the whole physiological area for healthy and sick persons. It is also important that other physiological Variables, such as Temperature and pH, the entire physiological range cover, so that the calibration model over a wide fluctuation range of health conditions true.
Nach Entnahme der Flüssigkeitsproben wird ein Spektrum der Flüssigkeit mit einer herkömmlichen spektrophotometrischen Technik aufgenommen, beispielweise durch einen Scanning- oder FT-IR-Spektrophotometer mit einer Weißlichtquelle. Darüber hinaus werden auch die Konzentrationen der gewünschten Bestandteile (z.B. Glukose), mit einem herkömmlichen nicht-spektroskopischen Mittel gemessen, wie z.B. mit einem chemischen Assay. Für die Pfadlängen-Korrektur sollten Küvetten mit mehreren Pfadlängen verwendet werden, die den Bereich der letztendlich in vivo gemessenen Pfadlängen abdecken.To Taking the fluid samples becomes a spectrum of the liquid with a conventional one spectrophotometric technique, for example, by a scanning or FT-IR spectrophotometer with a white light source. Furthermore Also, the concentrations of the desired ingredients (e.g. Glucose), with a conventional one non-spectroscopic means, e.g. with a chemical Assay. For the path length correction should be cuvettes with several path lengths used, which measured the range of ultimately in vivo path lengths cover.
Bei
der Erstellung des in-vitro-Algorithmus zur Anwendung in Schritt
Für die Pfadlängen-Korrektur, für die mindestens zwei Wellenlängen notwendig sind, kann die erste Wellenlänge durch Berechnung des Korrelationskoeffizienten für das von den in vitro Proben erhaltene Spektrum mit der gemessenen Pfadlänge und Wahl des Koeffizienten, der eine Korrelation möglichst nahe Eins ergibt, erhalten werden. Die Schätzung der zweiten Wellenlänge kann durch Berechnung des Korrelationskoeffizienten bei jeder Wellenlänge des Spektrums dividiert durch den Unterschied zwischen der Absorption bei jeder Wellenlänge und der Absorption bei der ersten Wellenlänge mit der gemessenen Pfadlänge und wiederum Wahl eines Korrelationskoeffizienten möglichst nahe bei Eins erhalten werden.For the path length correction, for the at least two wavelengths necessary, the first wavelength can be calculated by calculating the correlation coefficient for the from the in vitro samples obtained spectrum with the measured path length and Choice of the coefficient, which gives a correlation as close as possible one obtained become. The estimation the second wavelength can be calculated by calculating the correlation coefficient at each wavelength of the Spectrum divided by the difference between the absorption at every wavelength and the absorption at the first wavelength with the measured path length and again choosing a correlation coefficient as close to unity as possible become.
Die tatsächliche Pfadlängen-Korrektur beinhaltet die Division des Absorptionsspektrums durch den Unterschied in der Absorption bei der ersten und zweiten Wellenlänge, wie oben beschrieben.The actual Path length correction involves the division of the absorption spectrum by the difference in the absorption at the first and second wavelength, like described above.
Für die Baseline-Korrektur kann die erste Schätzung für die Offset-Wellenlänge empirisch festgelegt werden, indem die Spektren überprüft und dann eine Wellenlänge im Bereich der größten Flachheit gewählt wird.For the baseline correction can be the first estimate for the Offset Wavelength be determined empirically by checking the spectra and then a wavelength in the range the greatest flatness chosen becomes.
Für die Beta-Koeffizienten können die ersten Schätzungen für die Wellenlängen durch Berechnung der Korrelation der gemessenen Bestandteile mit dem Spektrum und Wahl der Wellenlängen mit Korrelationskoeffizienten, die möglichst nahe bei +1 oder –1 liegen, festgelegt werden. Die ersten Wellenlängen können noch besser erraten werden, wenn Wellenlängen verwendet werden, die die größten Beta-Koeffizienten (in absoluten Werten) aufweisen, wie mit der Partial Least Squares (PLS) Routine bestimmt.For the beta coefficients can the first estimates for the wavelength by calculating the correlation of the measured components with the spectrum and choice of wavelengths with correlation coefficients, the possible close to +1 or -1 be set. The first wavelengths can be guessed even better if wavelengths which are the largest beta coefficients (in absolute values), as with the partial least squares (PLS) Routine determined.
Die Beta-Koeffizienten werden gewählt, indem Koeffizienten gesucht werden, die eine beste Least Square Anpassung der Spektren bei den zunächst geschätzten Wellenlängen zur gemessenen Konzentration der Bestandteile ergeben. Sobald die Beta-Koeffizienten für die ersten „geschätzten" Wellenlängen optimiert sind, wird das Verfahren wiederholt, wobei sequentiell die Wellenlänge variiert und die Beta-Koeffizienten erneut optimiert werden, um die beste Least Square Anpassung zu erhalten, wobei ein optimiertes Set diskreter Wellenlängen und entsprechender Beta-Koeffizienten erhalten wird. Letztendlich nähert sich der Standardfehler der Kalibrierung asymptomatisch einem Mindestwert.The Beta coefficients are chosen by finding coefficients that are a best least square Adaptation of the spectra at the initially estimated wavelengths measured concentration of the components. Once the beta coefficients for the optimized "estimated" wavelengths The process is repeated, sequentially varying the wavelength and the beta coefficients are optimized again to be the best Least Square customization, with an optimized set more discrete wavelength and corresponding beta coefficients is obtained. Finally approaches the standard error of the calibration is asymptomatic to a minimum value.
Das
oben beschriebene Verfahren liefert einen in-vitro-Algorithmus für die Kalibrierung
der gemessenen Spektren bei einer endlichen Anzahl von Wellenlängen zur
gemessenen Konzentration (Schritt
Bei einem implantierten Sensor wird die Flüssigkeit, die die gewünschten Bestandteile enthält und das zu messende Spektrum liefert, unweigerlich von Fremdgewebe umgeben. Es gibt Schwankungen von Person zu Person im Hinblick auf die chemische Zusammensetzung und die Dicke des Kapselgewebes und in anderen Fremdgeweben. Im Allgemeinen verändert das Fremdgewebe das vom Sensor aufgenommene Spektrum. Wenn nicht die eine oder andere Methode verwendet wird, um das Fremdgewebe zu kompensieren, führt es zu einem Fehler in den berechneten Konzentrationen der chemischen Bestandteile, da der in-vitro-Algorithmus unter Verwendung von Flüssigkeitsproben in vitro (die kein Fremdgewebe enthalten) entwickelt wurde. Solange das Kapselgewebe aber im Zeitverlauf stabil bleibt, kann dieses Problem vollständig behoben werden.at an implanted sensor becomes the fluid that the desired Contains ingredients and provides the spectrum to be measured, inevitably surrounded by foreign tissue. There are variations from person to person in terms of chemical composition and the thickness of the capsular tissue and in other foreign tissues. in the Changed in general the foreign tissue is the spectrum recorded by the sensor. Unless one or the other method is used to add the foreign tissue compensate, leads it made a mistake in the calculated concentrations of the chemical Ingredients because of the in vitro algorithm using fluid samples in vitro (containing no foreign tissue) has been developed. So long but the capsule tissue remains stable over time, this can Problem completely be resolved.
VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG EINES ALGORITHMUS ZUR KOMPENSIERUNG VON FREMDGEWEBEMETHOD FOR GENERATING AN ALGORITHM FOR COMPENSATING FOREIGN FABRICS
Bei
einer bevorzugten Kompensierungsmethode wird für jeden einzelnen Patienten
eine beste lineare Anpassung der unkorrigierten Konzentration der
Bestandteile (Ausgang von Schritt
Für eine äußerst genaue Kalibrierung der unkorrigierten Konzentrationen zu den korrigierten Konzentrationen sollten die Konzentrationen der erwünschten Bestandteile für einen bestimmten Patienten den wahrscheinlichen Messbereich überspannen.For a very accurate Calibration of the uncorrected concentrations to the corrected ones Concentrations should be the concentrations of the desired Ingredients for a particular patient span the probable range of measurement.
Wenn der Sensor beispielsweise ein Blutzuckersensor ist, sollte die Kalibrierung über einen Bereich der Glukosewerte von 25 mg/dl bis 300 mg/dl erfolgen.If For example, if the sensor is a blood glucose sensor, the calibration should be done via a Range of glucose levels from 25 mg / dl to 300 mg / dl.
ALTERNATIVE AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR BESTIMMUNG DES IN-VITRO-ALGORITHMUSALTERNATE EMBODIMENTS FOR DETERMINING THE IN VITRO ALGORITHM
Ein alternativer Weg zur Bestimmung der Werte für den in-vitro-Algorithmus ist die Anwendung einer multivariaten Analyse mit PLS-Optimierung an den in vitro erhaltenen Daten. Dabei werden exakt dieselben Daten in vitro (Spektren, Konzentrationen und Pfadlängen) auf Kreuzpopulations-Basis wie oben im Abschnitt „BESTIMMUNG DES IN-VITRO-ALGORITHMUS" beschrieben gesammelt. In einem Beispiel korrigiert eine PLS-Routine von Galactic Industries, Salem, New Hampshire, um die Pfadlängen-Variabilität durch Verwendung der gemessenen Pfadlänge als erster Bestandteil und der anderen gemessenen Bestandteile als zweite und weitere Bestandteile. Zunächst kann der gesamte Spektralbereich verwendet werden. Danach bestimmt die Routine den Standardvorhersagefehler auf Kreuzkalibrierungs-Basis und die Beta-Koeffizienten für die Pfadlänge und für jeden chemischen Bestandteil.One alternative way of determining the values for the in vitro algorithm is the application of a multivariate analysis with PLS optimization on the data obtained in vitro. This will be exactly the same data in vitro (spectra, concentrations and path lengths) on a cross-population basis as described above in the section "DETERMINATION OF THE IN VITRO ALGORITHM " collected. In one example, a Galactic PLS routine corrects Industries, Salem, New Hampshire, by the path length variability through Use of the measured path length as the first component and the other measured components as second and further components. First, the entire spectral range be used. Thereafter, the routine determines the standard prediction error Cross calibration base and the beta coefficients for the path length and for each chemical ingredient.
Bei
Verwendung dieses alternativen Wegs werden Schritte
Schritt
Schritt
Bei der PLS-Technik ergibt die Verwendung des gesamten Spektralbereichs, gemessen mit einem Spektrophotometer, in der Regel nicht den besten Vorhersagefehler oder Standardfehler der Kalibrierung, und es ist auch nicht die effizienteste Methode. Verbesserungen der Genauigkeit und Effizienz des in-vitro-Algorithmus sind möglich durch Wahl von Spektralbereichen, in denen die Beta-Koeffizienten am größten sind, und durch Eliminierung von Spektralbereichen, in denen die Beta-Koeffizienten am kleinsten sind. Dieses Verfahren umfasst die reiterative Optimierung ausgewählter Spektralbereiche und die Suche nach einer begrenzten Anzahl von Spektralpunkten, die eine ausreichende Kreuzkalibrierung und einen angemessenen Vorhersagefehler ergeben. Im Idealfall sollten möglichst wenige Spektralpunkte gewählt werden, entsprechend einem geringen Kreuzkalibrierungsfehler, um die Kosten und Komplexität des Sensors zu minimieren. Jeder Spektralpunkt kann beispielsweise einer anderen Diode entsprechen.at the PLS technique results in the use of the entire spectral range, measured with a spectrophotometer, usually not the best Prediction error or standard error of calibration, and it is also not the most efficient method. Improvements in accuracy and efficiency of the in vitro algorithm are possible by choice of spectral regions, where the beta coefficients are greatest and by elimination of spectral regions where the beta coefficients are smallest. This Method includes the reiterative optimization of selected spectral ranges and the search for a limited number of spectral points, the sufficient cross-calibration and reasonable prediction error result. Ideally, it should be as possible selected few spectral points be, corresponding to a low cross calibration error the cost and complexity to minimize the sensor. For example, each spectral point correspond to another diode.
Andere statistische Modelle, die alternativ zur Erstellung des optimalen Algorithmus verwendet werden können, sind die Regression der Hauptkomponenten, Neurale Netzwerke und Kombinationen der oben beschriebenen Modelle. Zweite abgeleitete Daten werden zur Minimierung von Problemen mit Baseline-Verschiebung und Spektralstrukturverstärkung durch Streuung und Pfadlängen-Variabilität eingesetzt.Other statistical models that are alternative to creating the optimal Algorithm can be used are the regression of the major components, neural networks and Combinations of the models described above. Second derived data be used to minimize problems with baseline shift and Spektralstrukturverstärkung used by scattering and path length variability.
ALTERNATIVE VERFAHREN ZUR KORREKTUR UM FREMDGEWEBEALTERNATIVE PROCESS FOR CORRECTION TO FOREIGN FABRICS
Die
offensichtlichste Methode zur Korrektur um Fremdgewebe ist die Auswahl
von Wellenlängen für den in-vitro-Algorithmus,
bei denen das zusammengesetzte Spektrum nicht besonders stark vom Fremdgewebe
beeinflusst wird. In vielen Fällen
ist dies nicht möglich.
Deshalb muss eine Korrektur wie in Schritt
Eine
andere mögliche
Methode zur Korrektur um Fremdgewebe ist die Subtraktion eines „repräsentativen
Spektrums" vom Fremdgewebe.
Bei dieser Methode wird ein zusätzlicher
Schritt zwischen Schritt
Das repräsentative Spektrum kann auf mehreren Wegen erhalten werden. Ein Weg ist, eine Anzahl Flüssigkeitsproben jedes Patienten in vitro zu entnehmen, nachdem der Sensor ausreichend lange implantiert war, dass Kapselgewebe den Steady State erreicht. Gleichzeitig mit der Entnahme der Flüssigkeitsproben in vitro würden die Spektren des entsprechenden zusammengesetzten Spektrums vom implantierbaren Sensor aufgenommen werden. Das Spektrum der Flüssigkeitsproben in vitro würde entweder mit einem FT-IR-, einem Scanning-Spektrophotometer oder einem speziellen Spektrophotometer ähnlich dem implantierten aufgenommen werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass das repräsentative Spektrum des Fremdgewebes von Probe zu Probe für jeden Patienten konstant ist. Das repräsentative Spektrum des Fremdgewebes kann somit gefunden werden, indem das Spektrum gesucht wird, das am besten auf den Unterschied zwischen dem zusammengesetzten Spektrum und dem Produkt einer Konstante mal dem Spektrum der entsprechenden Flüssigkeitsprobe in vitro passt. Die Konstante, die mit dem Spektrum der Flüssigkeitsprobe in vivo multipliziert wird, soll Schwankungen in der Flüssigkeitspfadlänge in vivo beispielsweise aufgrund von Veränderungen des Blutflusses berücksichtigen. Das repräsentative Fremdgewebe-Spektrum wird anschließend im Prozessor gespeichert und für den weiteren Schritt verwendet.The representative spectrum can be obtained in several ways. One way is to take a number of fluid samples of each patient in vitro, after the sensor has been implanted for a sufficient time for capsule tissue to reach steady state. Simultaneously with taking the fluid samples in vitro, the spectra of the corresponding composite spectrum would be picked up by the implantable sensor. The spectrum of fluid samples in vitro would be picked up with either a FT-IR, a scanning spectrophotometer or a special spectrophotometer similar to the implanted one. It can be assumed that the representative spectrum of foreign tissue from sample to sample is constant for each patient. The representative spectrum of foreign tissue can thus be found by looking for the spectrum that best suits the difference between the composite spectrum and the pro a constant times the spectrum of the corresponding fluid sample fits in vitro. The constant, which is multiplied by the spectrum of the liquid sample in vivo, is intended to account for variations in liquid path length in vivo due to, for example, changes in blood flow. The representative foreign tissue spectrum is then stored in the processor and used for the further step.
Die Schwierigkeit bei diesem Weg ist, dass extrem sorgfältig sichergestellt werden muss, dass die Temperatur, bei der die in-vitro-Probe genommen wird, dieselbe ist wie die der entsprechenden in-vivo-Probe.The Difficulty with this way is that extremely carefully ensured that the temperature at which the in vitro sample is taken, the same as that of the corresponding in vivo sample.
Eine Abwandlung der Bestimmung des repräsentativen Fremdgewebe-Spektrums ist die Aufnahme des Spektrums der repräsentativen Bestandteile des Fremdgewebes, wie z.B. Venenwand, Kollagen und dergleichen, und die Bestimmung der besten linearen Kombination dieser Bestandteile, die am besten auf den Unterschied zwischen dem zusammengesetzten Spektrum und dem Produkt einer Konstanten mal dem Spektrum der entsprechenden Flüssigkeitsprobe in vitro passt. Jeder andere Schritt ist wie oben beschrieben.A Modification of the determination of the representative foreign tissue spectrum is the recording of the spectrum of the representative components of the Foreign tissue, such as Venous wall, collagen and the like, and the determination of the best linear combination of these components, the best on the difference between the compound Spectrum and the product of a constant times the spectrum of the corresponding fluid sample fits in vitro. Every other step is as described above.
Noch ein anderer Weg zur Kompensierung der Beiträge von Gewebespektren bei der Messung über einem pulsierenden Blutgefäß, wie z.B. einer Arterie, ist die Aufnahme des zusammengesetzten Spektrums beim Maximum und Minimum des Pulses, und die anschließende Subtraktion der beiden Spektra. Das subtrahierte Spektrum ist im Wesentlichen das von Blut allein, aber es gibt auch noch eine kleine Komponente aufgrund der Veränderung der Dicke der Gefäßwand.Yet another way to compensate for the contributions of tissue spectra in the Measurement over a pulsating blood vessel, e.g. an artery, is the recording of the composite spectrum at the maximum and minimum of the pulse, and the subsequent subtraction the two Spektra. The subtracted spectrum is essentially that from blood alone, but there is also a small component due the change the thickness of the vessel wall.
EINZELHEITEN ZUM PROZESSORDETAILS TO THE PROCESSOR
In
Der
Prozessor
Der
Prozessor
Wenn
der Prozessor
Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders zum Nachweis der Glukosekonzentration im Blut und in interstitieller Flüssigkeit. Die Erfindung kann aber auch zur Messung anderer Körperflüssigkeitsbestandteile verwendet werden, wie z.B. Proteine, Cholesterin und andere Blutbestandteile.The The present invention is particularly useful for detecting the glucose concentration in the blood and in interstitial fluid. The invention can but also to measure other body fluid components can be used, e.g. Proteins, cholesterol and other blood components.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen verändert werden könnten, ohne vom groben Erfindungskonzept abzuweichen. Es versteht sich daher, dass diese Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass sie auch Modifikationen im Rahmen der vorliegenden Erfindung wie in den anhängenden Ansprüchen definiert umfasst.It is for those skilled in the art will appreciate that the embodiments described above changed could become, without departing from the rough concept of invention. It goes without saying Therefore, this invention is not limited to the disclosed embodiments limited is, but that they are also modifications within the present Invention as in the appended claims includes defined.
Claims (10)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/US1997/011832 WO1998001071A1 (en) | 1996-07-08 | 1997-07-08 | Implantable sensor and system for in vivo measurement and control of fluid constituent levels |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE69736556D1 DE69736556D1 (en) | 2006-10-05 |
DE69736556T2 true DE69736556T2 (en) | 2007-09-20 |
Family
ID=36999294
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE69736556T Expired - Lifetime DE69736556T2 (en) | 1997-07-08 | 1997-07-08 | IMPLANTABLE SENSOR AND ARRANGEMENT FOR IN-VIVO MEASUREMENT AND CONTROL OF CONCENTRATIONS IN LIQUIDS AND GASES |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE69736556T2 (en) |
HK (1) | HK1021126A1 (en) |
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1997
- 1997-07-08 DE DE69736556T patent/DE69736556T2/en not_active Expired - Lifetime
-
1999
- 1999-12-21 HK HK99106000A patent/HK1021126A1/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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DE69736556D1 (en) | 2006-10-05 |
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Legal Events
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---|---|---|---|
8364 | No opposition during term of opposition |