DE69736556T2 - IMPLANTABLE SENSOR AND ARRANGEMENT FOR IN-VIVO MEASUREMENT AND CONTROL OF CONCENTRATIONS IN LIQUIDS AND GASES - Google Patents

IMPLANTABLE SENSOR AND ARRANGEMENT FOR IN-VIVO MEASUREMENT AND CONTROL OF CONCENTRATIONS IN LIQUIDS AND GASES Download PDF

Info

Publication number
DE69736556T2
DE69736556T2 DE69736556T DE69736556T DE69736556T2 DE 69736556 T2 DE69736556 T2 DE 69736556T2 DE 69736556 T DE69736556 T DE 69736556T DE 69736556 T DE69736556 T DE 69736556T DE 69736556 T2 DE69736556 T2 DE 69736556T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
light
sensor
spectra
detector
blood
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE69736556T
Other languages
German (de)
Other versions
DE69736556D1 (en
Inventor
D. Katherine Gladwyne CROTHALL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Animas LLC
Original Assignee
Animas LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Animas LLC filed Critical Animas LLC
Priority claimed from PCT/US1997/011832 external-priority patent/WO1998001071A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE69736556D1 publication Critical patent/DE69736556D1/en
Publication of DE69736556T2 publication Critical patent/DE69736556T2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3577Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing liquids, e.g. polluted water

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.
In medicine, measuring the composition of blood and other body fluids is often a valuable diagnostic tool used as the basis for drug titration and therapy setting. Roughly speaking, there are two classes of devices for measuring chemical constituents: chemical and optical devices. Chemical techniques are the most common and in particular all techniques used in the clinical laboratory are based on chemical techniques. Chemical techniques inevitably rely on the reactant-responsive ingredient and either optical or electrical measurement of the reagent or reaction by-products Unfortunately, current chemical techniques have numerous disadvantages, including the following:
  • (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.
As mentioned above, it should theoretically be possible to determine the concentration of constituents by infrared spectroscopy, provided there is sufficient signal-to-noise ratio, but in practice this determination has proved to be a major challenge. In particular, the blood glucose measurement proved to be very difficult, even in vitro. There are mutliple reasons for this:
  • (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:

1 eine schematische Ansicht eines in-vivo-Sensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic view of an in vivo sensor according to a preferred embodiment of the present invention;

2 eine schematische Ansicht einer Quelle, die im Sensor von 1 verwendet werden kann; 2 a schematic view of a source in the sensor of 1 can be used;

3A eine Schnittansicht einer ersten physikalischen Umsetzung einer Vorrichtung zur Befestigung von implantierbaren Teilen des Sensors aus 1 darauf, wenn die Vorrichtung an eine Vene befestigt ist; 3A a sectional view of a first physical implementation of a device for attachment of implantable parts of the sensor 1 when the device is attached to a vein;

3B eine seitliche Draufsicht der Vorrichtung aus 3A; 3B a lateral plan view of the device 3A ;

3C eine Schnittansicht einer zweiten physikalischen Umsetzung einer Vorrichtung zur Befestigung von implantierbaren Teilen des Sensors aus 1 darauf, wenn die Vorrichtung an eine Vene befestigt ist; 3C a sectional view of a second physical implementation of a device for attachment of implantable parts of the sensor 1 when the device is attached to a vein;

4A eine Schnittansicht einer dritten physikalischen Umsetzung einer Vorrichtung zur Befestigung von implantierbaren Teilen des Sensors aus 1 darauf, wenn die Vorrichtung an eine Gefäßmembrane befestigt ist; 4A a sectional view of a third physical implementation of a device for attachment of implantable parts of the sensor 1 when the device is attached to a vessel membrane;

4B eine seitliche Draufsicht auf die Vorrichtung aus 4A; 4B a side view of the device from 4A ;

4C eine Schnittansicht einer vierten physikalischen Umsetzung einer Vorrichtung zur Befestigung von implantierbaren Teilen des Sensors aus 1 darauf, wenn die Vorrichtung an eine Gefäßmembrane befestigt ist; 4C a sectional view of a fourth physical implementation of a device for attachment of implantable parts of the sensor 1 when the device is attached to a vessel membrane;

5 eine schematische Ansicht der Quelle mit einem einzelnen Ausgang, der im Sensor aus 1 verwendet werden kann; 5 a schematic view of the source with a single output in the sensor off 1 can be used;

6 eine schematische Ansicht einer weiteren Quelle mit einem einzelnen Ausgang, die im Sensor aus 1 verwendet werden kann; 6 a schematic view of another source with a single output in the sensor off 1 can be used;

7 eine schematische Ansicht einer alternativen Quelle und einer Detektoranordnung zur Verwendung im Sensor aus 1; 7 a schematic view of an alternative source and a detector arrangement for use in the sensor 1 ;

8 und 9 schematische Ansichten von in-vivo-Sensoren gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die für Messungen in interstitiellen Flüssigkeiten oder in einem Gel besonders nützlich sind; und 8th and 9 schematic views of in vivo sensors according to further embodiments of the present invention, which are particularly useful for measurements in interstitial fluids or in a gel; and

10 ein Fließdiagramm der Schritte zur Bearbeitung von Spektren, die vom erfindungsgemäßen in-vivo-Sensor erhalten wurden. 10 a flow chart of the steps for processing spectra obtained from the in vivo sensor according to the invention.

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.

1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines implantierbaren Sensorsystems 10 zur Analyse der chemischen Bestandteile von Körperflüssigkeiten in einem Säugetier, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform weist die Konzentration eines chemischen Bestandteils in Blut nach, das durch eine Vene fließt, und eignet sich besonders zum Nachweis der Konzentration der Blutzuckerwerte. Die physikalische Konstruktion einer Ausführungsform des Sensorsystems 10 ist in 3A-3C gezeigt und wird unten besprochen. Die in den Figuren gezeigten Komponenten sind nicht maßstabsgerecht. 1 FIG. 10 is a schematic block diagram of an implantable sensor system. FIG 10 for analyzing the chemical constituents of body fluids in a mammal, according to a first embodiment of the present invention. This embodiment detects the concentration of a chemical constituent in blood flowing through a vein, and is particularly useful for detecting the concentration of blood glucose levels. The physi cal construction of an embodiment of the sensor system 10 is in 3A - 3C shown and discussed below. The components shown in the figures are not to scale.

In 1 enthält das Sensorsystem 10 (i) eine Lichtquelle 12 zum Aussenden einer Vielzahl von unterschiedlichen Infrarot-Wellenlängen in die Vene 14, (ii) einen Detektor 16 zum Nachweis von Licht, das von der Lichtquelle 12 ausgesendet wurde und mit dem Blut in der Vene 14 reagiert hat, und zum Abgeben eines Signals, das Spektralinformationen über Blutbestandteile enthält, und (iii) einen Prozessor 18 zur Auswertung der darin enthaltenen Spektralinformationen und zum Bestimmen der Konzentration mindestens eines chemischen Bestandteils im Blut aus der Spektralinformation. Eine Anzeige 20 und ein Alarm 22 sind mit dem Prozessor 18 verbunden, um aufgrund der festgestellten Konzentration Daten und Alarmzustände vom Prozessor 18 zu erhalten. Der Ausgang des Prozessors 18 kann wahlweise auch zur Feedback-Kontrolle verwendet werden, beispielsweise für die automatische Kontrolle eines Medikamentenspenders 23. Eine Art von Medikamentenspender 23 kann eine extern befestigte oder intern implantierte Insulininfusionspumpe sein.In 1 contains the sensor system 10 (i) a light source 12 for sending a variety of different infrared wavelengths into the vein 14 , (ii) a detector 16 to detect light coming from the light source 12 was sent out and with the blood in the vein 14 and outputting a signal containing spectral information about blood components, and (iii) a processor 18 for evaluating the spectral information contained therein and for determining the concentration of at least one chemical constituent in the blood from the spectral information. An ad 20 and an alarm 22 are with the processor 18 connected to data and alarm conditions from the processor due to the detected concentration 18 to obtain. The output of the processor 18 Optionally, it can also be used for feedback control, such as automatic control of a drug dispenser 23 , A kind of drug donor 23 may be an externally attached or internally implanted insulin infusion pump.

Die Lichtquelle 12 und der Detektor 16 sind extravaskulär positioniert und sich gegenüberliegend und aufeinander zu weisend angeordnet, so dass der Ausgang der Lichtquelle 12 ungefähr durch die Mitte der Vene 14 verläuft. Der Ausgang der Lichtquelle 12 und der Eingang des Detektors 16 liegen in der Nähe oder in Kontakt mit der Außenwand der Vene 14, wie ausführlicher mit Bezug auf 2 beschrieben ist. In einer geeigneten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Durchmesser der. Vene 14 zwischen 0,3 und 1,0 mm beträgt, ist der Abstand zwischen dem Ausgang der Lichtquelle 12 und der Venenwand und der Abstand zwischen dem Eingang des Detektors 16 und der Venenwand weniger als 100 μm (0,1 mm).The light source 12 and the detector 16 are positioned extravascularly and disposed opposite and facing each other so that the output of the light source 12 approximately through the middle of the vein 14 runs. The output of the light source 12 and the input of the detector 16 are near or in contact with the outer wall of the vein 14 as more fully related to 2 is described. In a suitable embodiment of the invention, wherein the diameter of the. vein 14 between 0.3 and 1.0 mm, is the distance between the output of the light source 12 and the vein wall and the distance between the input of the detector 16 and the vein wall is less than 100 μm (0.1 mm).

Je nach den Bedürfnissen des Patienten und dem anspruchsvollen Design und der Miniaturisierung der Systemkomponenten werden einige oder alle Komponenten des Sensorsystems 10 implantiert. In 1 sind die Lichtquelle 12 und der Detektor 16 in der Person implantiert und der Prozessor 18 befindet sich außerhalb der Person. Der Prozessor 18 kann beispielsweise am Handgelenk oder Gürtel einer Person getragen werden. Die implantierten Komponenten kommunizieren über einen geeigneten Telemetrie-Kreislauf mit den externen Komponenten, wie z.B. einem Paar von HF-Empfängern 24 und 26, die mit den implantierten bzw. nicht implantierten Komponenten in Verbindung stehen. Alternativ kann der Prozessor 18 implantiert und direkt mit dem Ausgang des Detektors 16 verbunden werden, und die Anzeige 20 und der Alarm 22 können sich außerhalb der Person befinden. In dieser Konfiguration kann der Prozessor 18 über HF-Empfänger, die mit dem Ausgang des Prozessors 18 bzw. mit den Eingängen der Anzeige 20 und des Alarms 22 verbunden sind, mit der Anzeige 20 und dem Alarm 22 kommunizieren. Wenn der Ausgang des Prozessors 18 als Feedback-Kontrolle verwendet wird, kann sich der Medikamentenspender 23 entweder außerhalb der Person oder in der Person befinden.Depending on the needs of the patient and the sophisticated design and miniaturization of the system components will be some or all components of the sensor system 10 implanted. In 1 are the light source 12 and the detector 16 implanted in the person and the processor 18 is outside the person. The processor 18 can be worn for example on the wrist or belt of a person. The implanted components communicate via a suitable telemetry loop with the external components, such as a pair of RF receivers 24 and 26 which are associated with the implanted or non-implanted components. Alternatively, the processor 18 implanted and directly to the output of the detector 16 be connected, and the ad 20 and the alarm 22 can be outside the person. In this configuration, the processor 18 via rf receiver connected to the output of the processor 18 or with the inputs of the display 20 and the alarm 22 connected with the ad 20 and the alarm 22 communicate. If the output of the processor 18 As feedback control is used, the drug donor may become 23 either outside the person or in person.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die Lichtquelle 12, die Licht mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Infrarot-Wellenlängen aussendet, wobei das Licht der Wellenlängen einen im Wesentlichen kollinearen Lichtpfad zueinander hat. Diese Kollinearität ist wichtig, weil der Sensor 10 relative Unterschiede in der Absorptionsfähigkeit in der Größenordnung von einem Teil in 10° von einer Wellenlänge zur nächsten nachweisen muss, um relativ verdünnte Substanzen in einer Körperflüssigkeit, wie z.B. Glukose im Blut, messen zu können. Wenn die Lichtpfade nicht im Wesentlichen kollinear sind, können Schwankungen in der Streuung, Absorption oder Pfadlängenunterschiede die gewünschten Spektralinformationen verdecken.An important feature of the invention is the light source 12 which emits light having a plurality of different infrared wavelengths, the light of the wavelengths having a substantially collinear light path to each other. This collinearity is important because of the sensor 10 In order to measure relatively dilute substances in a body fluid, such as glucose in the blood, relative differences in absorbency on the order of one part at 10 ° from one wavelength to the next must be demonstrated. If the light paths are not substantially collinear, variations in scattering, absorption, or path length differences may mask the desired spectral information.

1 zeigt eine bevorzugte Lichtquelle 12 für die Erzeugung eines Ausgangs, der für die Messung der Blutzuckerkonzentrationen besonders nützlich ist. 1 shows a preferred light source 12 for generating an output that is particularly useful for measuring blood glucose levels.

Die Lichtquelle 12 enthält eine Licht aussendende Vorrichtung 28 in Form einer Laserdioden-Anordnung mit einer Vielzahl einzelner Laserdioden, beispielsweise dreizehn einzelne Laserdioden 301 -3013 . Jede Laserdiode 30 erzeugt eine diskrete Wellenlänge λ113. Manchmal kann es notwendig sein, den Ausgang einer der Dioden 30 einer Spektralfiltration zu unterziehen, um einen Ausgang mit höherer spektraler Reinheit zu erhalten. Der Zustand der Licht aussendenden Vorrichtung 28 und der Zustand der einzelnen Laserdioden 301 -3013 wird von einem Regler 29 kontrolliert. Der Ausgang jeder Laserdiode 30 ist mit einem Eingang einer jeweiligen Einzelmodus-Faseroptik 321 -3213 verbunden, die einen Kerndurchmesser von ca. 9 μm aufweist. Der Ausgang der jeweiligen Faseroptiken 321 -3213 ist über einen Bragg Beugungsgitter-Kuppler 36 oder einen Wellenlängen-Teilungsmultiplexer/Demultiplexer mit einem Eingang einer Einzelmodus-Faseroptik 34 ähnlicher Konstruktion und mit einem ähnlichen Kerndurchmesser wie die Faseroptik 32 verbunden. Am Ausgang des Kupplers 36 ist das Licht von allen einzelnen Wellenlängen im Wesentlichen kollinear. Diese Kupplungstechnik sorgt somit dafür, dass Licht bei jeder Wellenlänge den gleichen Lichtpfad aufweist wie das Licht jeder anderen Wellenlänge.The light source 12 contains a light-emitting device 28 in the form of a laser diode array having a plurality of individual laser diodes, for example, thirteen individual laser diodes 30 1 - 13 13 , Every laser diode 30 generates a discrete wavelength λ 113 . Sometimes it may be necessary to check the output of one of the diodes 30 subjected to spectral filtration to obtain an output of higher spectral purity. The state of the light-emitting device 28 and the state of the individual laser diodes 30 1 - 13 13 is from a regulator 29 controlled. The output of each laser diode 30 is with an input of a respective single mode fiber optic 32 1 - 32 13 connected, which has a core diameter of about 9 microns. The output of the respective fiber optics 32 1 - 32 13 is via a Bragg diffraction grating coupler 36 or a wavelength division multiplexer / demultiplexer having an input of a single-mode fiber optic 34 similar construction and with a similar core diameter as the fiber optic 32 connected. At the exit of the coupler 36 For example, the light from all individual wavelengths is essentially collinear. This coupling technique ensures that light at each wavelength has the same light path as the light of any other wavelength.

Der Ausgang der Faseroptik 34, der mit 38 gekennzeichnet ist, ist der Ausgang der Lichtquelle 12. Ein Teil des Ausgangs der einen Faseroptik 34 wird über einen (nicht gezeigten) Strahlenteiler zu einem Kalibrationsdetektor 40 umgelenkt, um vom Prozessor 18 für die Kalibrierung des Ausgangs der Laserdioden 301 -3013 verwendet zu werden. Der Ausgang des Kalibrationsdetektors 40 wird dann zu einem Vorverstärker (nicht gezeigt), einem Analog-Digital- Wandler (A/D-Wandler) 41 und schließlich einem HF-Sender/Empfänger 24 geführt. Wahlweise kann der Ausgang des Kalibrationsdetektors 40 zur Anpassung der von der Licht aussendenden Vorrichtung 28 ausgegebenen Energie (in 1 die Laserdioden-Anordnung) auch mit dem Regler 29 verbunden werden, um von Impuls zu Impuls eine konstante Energieausgabe zu erhalten. Ein geeigneter Kalibrationsdetektor ist ein InGaAs-Detektor mit einem zweistufigen Vorverstärker. Eine einfache Temperaturmessvorrichtung kann manchmal anstelle des Kalibrationsdetektors 40 zur Messung des Ausgangs jeder Diode 301 -3013 verwendet werden.The output of the fiber optic 34 , the one with 38 is the output of the light source 12 , Part of the output of a fiber optic 34 becomes a calibration detector via a beam splitter (not shown) 40 diverted to from the processor 18 for the calibration of the output of the laser diodes 30 1 - 13 13 to be used. The output of the calibration detector 40 is then fed to a preamplifier (not shown), an analog-to-digital converter (A / D converter) 41 and finally an RF transmitter / receiver 24 guided. Optionally, the output of the calibration detector 40 for adapting the light emitting device 28 spent energy (in 1 the laser diode arrangement) also with the regulator 29 be connected to receive a constant energy output from pulse to pulse. A suitable calibration detector is an InGaAs detector with a two-stage preamplifier. A simple temperature measuring device can sometimes be used instead of the calibration detector 40 to measure the output of each diode 30 1 - 13 13 be used.

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
There are several well-known techniques for correlating the spectra with the measured values of the constituents, including the Norris regression algorithm, the partial least squares approach, the regression of the major constituents, and neural networks. On the blood samples of the 450 people, the different techniques were tried on a trial basis in order to achieve the following goals:
  • 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 30 so viel Energie abgeben, dass mindestens 1 mW an den Photodetektor 44 abgegeben wird. In der Regel bedeutet dies, dass der Ausgang von der Quelle mindestens 10 mW bei ca. 2200 nm aufweisen sollte.For measuring the blood sugar concentration in blood, in the preferred embodiment, each laser diode should be 30 so much energy that at least 1 mW to the photodetector 44 is delivered. In general, this means that the output from the source should be at least 10 mW at approximately 2200 nm.

Der Detektor 16 enthält eine Auffang-Faseroptik 42, die auf der anderen Seite der Vene 14, dem Ausgang der Lichtquelle 12 diametral gegenüberliegend angeordnet ist, um das von der Lichtquelle 12 ausgesendete Licht nach Durchfließen der Vene 14 aufzufangen. Die Auffang-Faseroptik 42 besitzt einen größeren Kerndurchmesser als die Faseroptik 34 des Lichtquellenausgangs, optimal von ca. 0,2 bis ca. 1,0 mm, je nach Größe der für die Messung verwendeten Vene und je nachdem, ob die Vene vom Sensor 10 zusammengepresst wird oder nicht. Die Auffang-Faseroptik 42 muss so gewählt werden, dass sie gute Auffangeigenschaften aufweist. Deshalb sollte sie idealerweise eine numerische Blende (NA) von 0,39 oder größer für die Messung von stark streuenden Flüssigkeiten, wie z.B. Blut, aufweisen. Im Hinblick auf die Auffangeffizienz und damit den Signal-zu-Rauschabstand ist ein Kern mit großem Durchmesser für die Auffang-Faseroptik 42 vorzuziehen. Eine zu große Faser kann aber aufgrund von Pfadlängenunterschieden (durch die Vene) des aufgefangenen Lichts in unterschiedlichen Bereichen über der Öffnung der Auffang-Faseroptik 42 oder des Photodetektors 44 (wie unten besprochen) zu Nichtlinearitäten führen. Der Ausgang der Auffang-Faseroptik 42 wird in einen Photodetektor 44 geführt, beispielsweise in einen nicht gekühlten InGaAs-Detektor mit einem zweistufigen linearen Vorverstärker. Der Photodetektor 44 und der Vorverstärker sollten (1) ein hohes Maß an Linearität, (2) einen großen Signal-zu-Rauschabstand und (3) eine ausreichend breite Spektralbandbreite zur Erfassung der gesamten Spektralbande der Quelle 12 aufweisen. Für die genaue Messung der Absorption von Glukose müssen die Lichtenergiewerte, die vom Photodetektor 44 gemessen wurden, um 105 größer sein als der Signal-zu-Rauschabstand, so dass der Photodetektor 44 über 5 Dekaden linear sein muss. Bei der Verwendung von Infrarot-Wellenlängen lässt die Anforderung nach 5 Dekaden nur wenig Raum zwischen der Rauschschwelle einerseits und dem Linearitätsgrad andererseits. Vor dem Photodetektor 44 ist kein Spektralfilter erforderlich, es sei denn, der Photodetektor kann Wellenlängen nachweisen, die länger als 3000 Nanometer sind, wo Schwarzkörper-Strahlung signifikant wird. In der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird zur Begrenzung von 1/f Rauschen und Hochfrequenzrauschen ein elektronischer Bandpassfilter (nicht gezeigt) verwendet. Der elektronische Bandpassfilter grenzt in der Regel eine Frequenz von ca. 1/2T bis ca. 2/T aus, wobei T die Impulsbreite eines Laserdiodenimpulses ist. Der Photodetektor 44 ist vorzugsweise eine Vorrichtung mit einem Element, die über den gesamten Bereich der empfangenen Infrarot-Wellenlängen empfindlich ist.The detector 16 Contains a collecting fiber optic 42 on the other side of the vein 14 , the Output of the light source 12 is arranged diametrically opposite to that of the light source 12 emitted light after flowing through the vein 14 catch. The catching fiber optic 42 has a larger core diameter than the fiber optic 34 the light source output, optimally from about 0.2 to about 1.0 mm, depending on the size of the vein used for the measurement and depending on whether the vein from the sensor 10 is compressed or not. The catching fiber optic 42 must be chosen so that it has good catching properties. Therefore, ideally, it should have a numerical aperture (NA) of 0.39 or greater for the measurement of high scattering liquids, such as blood. In terms of capture efficiency and hence signal-to-noise ratio is a large diameter core for the capture fiber optic 42 preferable. However, too large a fiber may be due to path length differences (through the vein) of the collected light in different regions above the aperture of the capture fiber optic 42 or the photodetector 44 (as discussed below) lead to nonlinearities. The output of the collection fiber optics 42 becomes a photodetector 44 For example, in a non-cooled InGaAs detector with a two-stage linear preamplifier. The photodetector 44 and the preamplifier should have (1) a high degree of linearity, (2) a large signal-to-noise ratio and (3) a sufficiently broad spectral bandwidth to capture the entire spectral band of the source 12 exhibit. For the accurate measurement of the absorption of glucose, the light energy levels required by the photodetector 44 were measured to be 10 5 larger than the signal-to-noise ratio, leaving the photodetector 44 must be linear over 5 decades. When using infrared wavelengths, the requirement after 5 decades leaves little room between the noise threshold on the one hand and the degree of linearity on the other hand. In front of the photodetector 44 No spectral filter is required unless the photodetector can detect wavelengths longer than 3000 nanometers where blackbody radiation becomes significant. In the preferred embodiment of the invention, an electronic bandpass filter (not shown) is used to limit 1 / f noise and high frequency noise. The electronic bandpass filter usually limits a frequency of about 1 / 2T to about 2 / T, where T is the pulse width of a laser diode pulse. The photodetector 44 is preferably a device with an element that is sensitive over the entire range of received infrared wavelengths.

Der Ausgang des Photodetektors 44 wird an einen A/D-Wandler 46 geschickt und das digitalisierte Ausgangssignal wird vom HF-Sender/Empfänger 24 übertragen, vom externen HF-Sender/Empfänger 26 empfangen und an den externen Prozessor 18 geschickt. Die HF-Sender/Empfänger 24 und 26 haben vorzugsweise eine Reichweite von ca. ein bis ca. drei Meter. Alternativ können die Sender/Empfänger 24 und 26 durch Infrarot-Sender/Empfänger ersetzt werden.The output of the photodetector 44 gets to an A / D converter 46 sent and the digitized output signal from the RF transmitter / receiver 24 transmitted from the external RF transceiver 26 received and sent to the external processor 18 cleverly. The RF transmitter / receiver 24 and 26 preferably have a range of about one to about three meters. Alternatively, the transmitter / receiver 24 and 26 be replaced by infrared transmitter / receiver.

In einigen Fällen ist keine Auffang-Faseroptik 42 notwendig. Statt dessen kann der Photodetektor 44 das Licht nach dem Durchfließen der Vene 14 direkt erfassen. Ein Vorteil der Verwendung einer Auffang-Faseroptik zum Empfangen des Lichts ist, dass sie im Vergleich zum Photodetektor 44 relativ leicht und klein ist, so dass die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass die Vene nicht mehr durchgängig ist. In einer Auffang-Faseroptik kann sich auch weniger Kapselgewebe ansammeln als in einem Photodetektor 44, weil eine Faseroptik im Hinblick auf eine Vene mechanisch leichter zu befestigen ist als ein Photodetektor, so dass Abschürfungen leichter vermieden werden können.In some cases, there is no catching fiber optic 42 necessary. Instead, the photodetector can 44 the light after flowing through the vein 14 record directly. An advantage of using a capture fiber optic to receive the light is that it is compared to the photodetector 44 is relatively light and small, so the likelihood is less that the vein is no longer consistent. In a collecting fiber optic, less capsule tissue can accumulate than in a photodetector 44 because a fiber optic is mechanically easier to fix with respect to a vein than a photodetector, so that abrasions can be more easily avoided.

Der Ausgang des Kalibrationsdetektors 40 wird nach seiner Verstärkung und Digitalisierung zur Übertragung an den Prozessor 18 mit dem HF-Sender/Empfänger 24 verbunden. Der Prozessor 18 empfängt somit ein Signal vom Kalibrationsdetektor 40 und vom Auffangdetektor 16. Der Prozessor 18 verwendet die gemessene Stärke der beiden Signale, um bestimmte Korrekturen wie unten besprochen vorzunehmen.The output of the calibration detector 40 is after its amplification and digitization for transmission to the processor 18 with the RF transmitter / receiver 24 connected. The processor 18 thus receives a signal from the calibration detector 40 and the catch detector 16 , The processor 18 uses the measured strength of the two signals to make certain corrections as discussed below.

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. 1 zeigt Kapselgewebe 48 am Ausgang 38 der Faseroptik 34 und am Eingang der Auffang-Faseroptik 42. In der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform können die Faseroptiken 32 und 34 von einem hermetischen und biokompatiblen Mantel umschlossen sein, und an den frei liegenden Enden ein Infrarot-Fenster, wie z.B. Saphir, aufweisen. Der Mantel und das Fenster können zur Minimierung des Wachstums von Kapselgewebe mit einem Hydrogel oder einem ähnlichen Material beschichtet sein. Der Mantel kann aus Titan oder Edelstahl oder einem anderen hermetischen und biokompatiblen Material bestehen. Mit solchen Maßnahmen können zwar Abstoßung und Wachstum von Kapselgewebe minimiert werden, aber dieses Gewebe bildet sich mit hoher Wahrscheinlichkeit an frei liegenden Flächen und muss bei der Auswertung der Spektralinformationen berücksichtigt werden.When a foreign object is implanted in a living body, tissue tends to accumulate on the article, even if the article is made of a biocompatible material. This tissue is known as "capsular tissue." Capsule tissue usually forms over time to a certain extent, after which its growth stops and reaches a steady state, usually within 4-6 weeks. 1 shows capsule tissue 48 at the exit 38 the fiber optic 34 and at the entrance of the collection fiber optic 42 , In the preferred embodiment of the invention, the fiber optics 32 and 34 be surrounded by a hermetic and biocompatible coat, and at the exposed ends of an infrared window, such as sapphire have. The sheath and window may be coated with a hydrogel or like material to minimize growth of capsular tissue. The jacket can be made of titanium or stainless steel or another hermetic and biocompatible material. With such measures, although rejection and growth of capsular tissue can be minimized, this tissue is likely to form on exposed surfaces and must be considered in the evaluation of spectral information.

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 30 der Laserdioden-Anordnung über einen bestimmten Zeitraum sequentiell gepulst, wobei zwischen den verschiedenen Diodenimpulsen eine Auszeit liegt. In einer Ausführungsform der Erfindung, die sich für die Messung der Blutzuckerkonzentration in Blut eignet, kann in bestimmten Venen eine Veränderung der Pfadlänge von ca. 10% über eine Sekunde erwartet werden, während die Vene aufgrund des Blutflusses pulsiert. Eine Blutzuckerkonzentration von 100 mg/dl trägt bei einer Pfadlänge des Bluts von 0,5 mm eine Absorption in der Größenordnung von 0,7 × 10–4 bei 2273 nm bei, eine der stärksten Glukosebande im Nahinfrarot-Bereich. Wenn zwei aufeinanderfolgende Wellenlängenmessungen mit einer Genauigkeit von einem Teil in 105 gewünscht werden, müssen die Messungen innerhalb von 0,1 Millisekunden voneinander erfolgen, um eine zeitlich zusammenfallende Messung zu erhalten. Das bedeutet, dass die gesamten Spektren innerhalb von 0,1 Millisekunden aufgenommen werden müssen. In einer Ausführungsform der Erfindung, die dieses Kriterium erfüllt, wird jede Diode 30 ca. 3 μsec lang sequentiell gepulst, wobei zwischen den verschiedenen Diodenimpulsen eine Auszeit von 3 μsec liegt. Eine Ausführungsform mit dreizehn Wellenlängen benötigt somit 75 μsec (0,075 Millisekunden) für einen vollständigen Pulszyklus. Die Pulsierung der Dioden wird vom Regler 29 kontrolliert.In operation, each diode 30 the laser diode array sequentially pulsed over a certain period of time, with a time-out between the different diode pulses. In one embodiment of the invention suitable for measuring blood glucose concentration in blood vessels, a change in path length of about 10% over one second may be expected in certain veins as the vein pulsates due to blood flow. A blood glucose concentration of 100 mg / dl, with a blood path length of 0.5 mm, contributes an absorbance of the order of 0.7 × 10 -4 at 2273 nm, one of the strongest bands of glucose in the near infrared region. If two consecutive wavelength measurements with an accuracy of one part in 10 5 are desired, the measurements must be made within 0.1 milliseconds of each other to obtain a temporally coincident measurement. This means that the entire spectra must be recorded within 0.1 milliseconds. In an embodiment of the invention that satisfies this criterion, each diode becomes 30 pulsed sequentially for approximately 3 .mu.sec., with a timeout of 3 .mu.sec between the various diode pulses. Thus, a thirteen wavelength embodiment requires 75 μsec (0.075 milliseconds) for a complete pulse cycle. The pulsation of the diodes is controlled by the controller 29 controlled.

Um Zeitartefakte weiter zu minimieren, sollten Diodenpaare 30, die in ihrer Wellenlänge sehr nahe beieinander liegen oder die für die Pfadlängenkalibrierung verwendet werden, nacheinander gepulst werden. Für die oben aufgeführten Proben-Wellenlängen werden die Dioden 30 mit die Pfadlängenkalibrierung betreffenden Wellenlängen von 1964 nm und 2259 nm nebeneinander gepulst, wie dies auch bei den Dioden 30 mit den nahen Wellenlängenpaaren 1964 nm und 1970 nm bzw. 2154 nm und 2146 nm der Fall ist.To further minimize time artefacts, diode pairs should be used 30 that are very close in wavelength or that are used for path length calibration, are pulsed one after the other. For the sample wavelengths listed above, the diodes become 30 wavelengths of 1964nm and 2259nm are pulsed side by side, as with the diodes 30 with the near wavelength pairs 1964 nm and 1970 nm and 2154 nm and 2146 nm, respectively.

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 18 würde dann entweder die N-Spektren mitteln oder die Konzentration des Bestandteils ausrechnen und dann die N vorhergesagten Werte des Bestandteils bzw. der Bestandteile mitteln. Ein solches Schema ergibt eine Quadratwurzel-N-Verbesserung des Signal-zu-Rauschabstands. Bei Veränderungen der Pfadlänge, des pH-Werts oder der Temperatur bei den N Proben ist es allgemein vorzuziehen, die vorhergesagte Konzentration der Bestandteile zu mitteln anstatt die Spektren zu mitteln und dann die Konzentrationen vorherzusagen.To improve the signal-to-noise ratio, a number of repeated spectra N can be recorded over a relatively short period of time. The period should be so short that there is no significant change in the concentration of the ingredient. For a blood glucose sensor, this period can be several minutes. The processor 18 would then either average the N spectra or calculate the concentration of the component and then average the N predicted values of the component (s). Such a scheme yields a square root N improvement in signal-to-noise ratio. With changes in path length, pH, or temperature in the N samples, it is generally preferable to average the predicted concentration of ingredients rather than averaging the spectra and then predicting the concentrations.

In 1 (und 3C, 4C und 5-7 wie unten besprochen) fungieren die Faseroptiken 34 und 42 als Lichtabgabesystem für die aktiven Elemente der Quelle 12 und des Detektors 16, und sie sorgen für Flexibilität bei der Anordnung der Sensorkomponenten im Gehäuse. In 2 hat die Faseroptik 54 eine ähnliche Licht abgebende Funktion. Wenn andere Mittel verwendet werden, um das Licht von der Vielzahl unterschiedlicher Quellen-Wellenlängen angemessen zu mischen, kann eine oder alle Faseroptiken 34, 42 und 54 eliminiert werden und Licht kann direkt von den jeweils aktiven Sensorkomponenten empfangen oder abgegeben werden. Der Ausgang des Kupplers 36 kann beispielsweise direkt in die Vene 14 abgegeben werden und der Photodetektor 44 kann so angeordnet werden, dass er ausgesendetes Licht, das durch die Vene 14 fließt, direkt empfängt. Nichtsdestotrotz verwendet die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung Faseroptiken zum Abgeben des Lichts an die aktiven Sensorkomponenten.In 1 (and 3C . 4C and 5 - 7 as discussed below), the fiber optics function 34 and 42 as a light delivery system for the active elements of the source 12 and the detector 16 , and they provide flexibility in the arrangement of the sensor components in the housing. In 2 has the fiber optic 54 a similar light-emitting function. If other means are used to adequately mix the light from the plurality of different source wavelengths, one or all of the fiber optics may be used 34 . 42 and 54 can be eliminated and light can be received or delivered directly from the respectively active sensor components. The output of the coupler 36 for example, directly into the vein 14 are discharged and the photodetector 44 can be arranged so that it emits emitted light through the vein 14 flows, receives directly. Nonetheless, the preferred embodiment of the invention uses fiber optics to deliver the light to the active sensor components.

2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Lichtquelle 12'. In dieser Ausführungsform wird die Lichtausgabe der Laserdioden-Anordnung durch Mischen der Strahlen in einer langen Faseroptik kollinear. Insbesondere werden die Ausgänge der einzelnen Laserdioden 301 -3013 in einzelne Multimodus-Faseroptiken 501 -5013 geführt. Eine geeignete Multimodus-Faser 50 besitzt einen Kerndurchmesser von ca. 100 μm und bildet ein Faserbündel 52 mit einem Durchmesser von ca. 0,5 mm. Der Ausgang des Multimodus-Faserbündels 52 wird in den Eingang einer einkernigen Multimodus-Faseroptik 54 geführt, die etwa den gleichen Durchmesser hat wie das Faserbündel 52. Die einkernige Multimodus-Faser 54 besitzt eine signifikante Länge, beispielsweise eine Länge von mehr als 1 Meter, damit bei der Bewegung des Lichtstrahls zum Ausgang erhebliches Wellenlängenmischen stattfinden kann. (Obwohl von „Wellenlängenmischen" gesprochen wird, werden die einzelnen Dioden sequentiell und nicht gleichzeitig gepulst.) Zur Minimierung des für die lange Faseroptik 54 benötigten Raums kann die Faser 54 zu engen Schlaufen aufgerollt werden. 2 shows an alternative embodiment of a light source 12 ' , In this embodiment, the light output of the laser diode array becomes collinear by mixing the beams in a long fiber optic. In particular, the outputs of the individual laser diodes 30 1 - 13 13 into individual multimode fiber optics 50 1 - 50 13 guided. A suitable multi-mode fiber 50 has a core diameter of about 100 microns and forms a fiber bundle 52 with a diameter of approx. 0.5 mm. The output of the multimode fiber bundle 52 gets into the input of a mononuclear multimode fiber optic 54 guided, which has about the same diameter as the fiber bundle 52 , The mononuclear multimode fiber 54 has a significant length, for example a length of more than 1 meter, so that substantial wavelength mixing can occur as the light beam travels to the exit. (Although "wavelength mixing" is used, the individual diodes are pulsed sequentially rather than simultaneously.) To minimize the long fiber optic 54 required space can be the fiber 54 to be rolled up into tight loops.

In 1 muss die Einzelmodus-Faseroptik 34 keine bedeutende Länge aufweisen, weil das Wellenlängenmischen der im Kuppler 36 stattfindet, so dass das Licht der Vielzahl von Wellenlängen bereits am Eingang der Faseroptik 34 gemischt wird. Der für die Ausführungsform von 2 verwendete Detektor ist nicht gezeigt, aber er sollte einen ähnlichen Durchmesser aufweisen wie die Faseroptik 54.In 1 must be the single mode fiber optic 34 have no significant length, because the wavelength mixing in the coupler 36 takes place, so that the light of the multiplicity of wavelengths already at the entrance of the fiber optics 34 is mixed. The for the embodiment of 2 The detector used is not shown, but it should be similar in diameter to the fiber optic 54 ,

3A zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer ringförmigen Vorrichtung 60 zum Befestigen von implantierbaren Teilen des Sensorsystems 10 darauf und zum Aufrechterhalten einer festen Beziehung zwischen dem Ausgang der Lichtquelle 12 und dem Eingang des Detektors 16. 3B zeigt eine seitliche Draufsicht auf den Sensor aus 3A. Sowohl die Quelle 12 als auch der Detektor 16 sind in 3B nicht zu sehen. Die Quelle 12 ist in 3B als Phantom gezeigt. In 3A und 3B verläuft die Vene 14 durch die Mitte der Vorrichtung 60. Die Vorrichtung 60 besteht vorzugsweise aus Titan oder einem anderen geeigneten biokompatiblen Material. Die Lichtquelle 12 und der Detektor 16 sind in einer Tasche der Vorrichtung 60 angebracht und ihre jeweiligen Ausgänge und Eingänge sind durch Fenster 62 und 64 aus biokompatiblem und für Infrarot durchlässigem Material, wie z.B. Saphir, geschützt. Die Fenster 62 und 64 und der ringförmige Abschnitt der Vorrichtung 60 können mit einem Hydrogel oder einem anderen Polymer beschichtet sein, um das Wachstum von Kapselgewebe zu minimieren. Zur weiteren Hemmung des Wachstums von Kapselgewebe sollte die Vorrichtung 60 so konstruiert sein, dass scharfe Kanten minimiert werden. Die Vorrichtung 60 kann in zwei C-förmigen Hälften konstruiert sein, die an den Verbindungen 66 und 68 nach der Platzierung um die Vene 14 miteinander verbunden werden. 3A shows a sectional view of a first embodiment of an annular device 60 for attaching implantable parts of the sensor system 10 and maintaining a fixed relationship between the output of the light source 12 and the input of the detector 16 , 3B shows a lateral plan view of the sensor 3A , Both the source 12 as well as the detector 16 are in 3B not to be seen. The source 12 is in 3B shown as a phantom. In 3A and 3B runs the vein 14 through the middle of the device 60 , The device 60 is preferably made of titanium or another suitable biocompatible material. The light source 12 and the detector 16 are in a pocket of the device 60 attached and their respective exits and entrances are through windows 62 and 64 made of biocompatible and infrared transparent material such as sapphire. The window 62 and 64 and the annular portion of the device 60 may be coated with a hydrogel or other polymer to minimize the growth of capsular tissue. To further inhibit the growth of capsular tissue, the device should 60 be designed so that sharp edges are minimized. The device 60 can be constructed in two C-shaped halves, which are at the joints 66 and 68 after placement around the vein 14 be connected to each other.

Wie oben besprochen kann das von der Quelle ausgesendete Licht direkt in die Vene 14 gestrahlt und direkt von den jeweils aktiven Sensorkomponenten nachgewiesen werden, oder Faseroptiken können als Lichtabgabesystem für die aktiven Elemente der Quelle 12 und des Detektors 16 verwendet werden. 3A zeigt die direkte Aussendung. 3C zeigt eine zweite Ausführungsform einer Befestigungsvorrichtung 82, die mit dem Lichtabgabesystem arbeitet, bei dem die Ausgangs- und Eingangsenden der Faseroptiken 34 und 42 jeweils an der Vorrichtung 82 befestigt sind. Im Lichtabgabesystem sind die aktiven Komponenten der Vorrichtung 82, einschließlich die Lichtquelle 28 und der Photodetektor 44, von der Vorrichtung 82 entfernt angeordnet.As discussed above, the light emitted by the source can be directly into the vein 14 blasted and detected directly from the respective active sensor components, or fiber optics can be used as a light delivery system for the active elements of the source 12 and the detector 16 be used. 3A shows the direct transmission. 3C shows a second embodiment of a fastening device 82 working with the light delivery system, where the output and input ends of the fiber optics 34 and 42 each on the device 82 are attached. In the light delivery system are the active components of the device 82 including the light source 28 and the photodetector 44 , from the device 82 arranged away.

Der Sensor 10 kann auch zur Messung der Konzentration eines Flüssigkeitsbestandteils in einer Gefäßmembran, wie z.B. in einer Peritonealmembran, verwendet werden. 4A zeigt eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer direkten Aussendevorrichtung 84 zur Verwendung mit einer Gefäßmembran 86. 4B zeigt eine seitliche Draufsicht auf den Sensor aus 4A. In 4A und 4B ist die Vorrichtung 84 im Allgemeinen U-förmig wie in 4A orientiert (bei Drehung um 90 Grad nach links oder rechts C-förmig), so dass sie einen Schlitz 88 definiert. Die Gefäßmembran 86 ist im Schlitz 88 angeordnet. Implantierbare Teile des Sensorsystems 10 sind in Taschen der Vorrichtung 84 auf beiden Seiten des Schlitzes 88 angeordnet. Die Vorrichtung 84 hält so eine feste Beziehung zwischen dem Ausgang der Lichtquelle 12 und dem Eingang des Detektors 16 aufrecht. Die Vorrichtung 84 kann die gleichen Überzüge und Fenster 62 und 64 aufweisen und aus den gleichen Werkstoffen bestehen wie die Vorrichtung 60 aus 3A. Im Gegensatz zur Vorrichtung 60, für die ein zweiteiliges Gehäuseteil erforderlich ist, kann das Gehäuseteil der Vorrichtung 84 wahlweise aus einem einzelnen einstückigen U-förmigen Material bestehen. 4C zeigt eine vierte Ausführungsform einer Vorrichtung 90 zur Verwendung mit einer Gefäßmembran 86, die das Lichtabgabesystem verwendet, wobei das Ausgangs- bzw. Eingangsende der Faseroptiken 34 bzw. 42 an der Vorrichtung 90 befestigt ist.The sensor 10 may also be used to measure the concentration of a liquid component in a vascular membrane, such as in a peritoneal membrane. 4A shows a sectional view of a third embodiment of a direct transmission device 84 for use with a vascular membrane 86 , 4B shows a lateral plan view of the sensor 4A , In 4A and 4B is the device 84 generally U-shaped as in 4A oriented (when rotated 90 degrees to the left or right C-shaped), leaving a slot 88 Are defined. The vascular membrane 86 is in the slot 88 arranged. Implantable parts of the sensor system 10 are in pockets of the device 84 on both sides of the slot 88 arranged. The device 84 so holds a firm relationship between the output of the light source 12 and the input of the detector 16 upright. The device 84 can the same coatings and windows 62 and 64 and consist of the same materials as the device 60 out 3A , Unlike the device 60 , for which a two-part housing part is required, the housing part of the device 84 optionally consist of a single integral U-shaped material. 4C shows a fourth embodiment of a device 90 for use with a vascular membrane 86 using the light emitting system, the output end of the fiber optics 34 respectively. 42 at the device 90 is attached.

In 1 und 2 kann die Lichtquelle 12 jede Licht aussendende Vorrichtung 28 verwenden, die eine Lichtausgabe mit der erforderlichen Energie, Wellenlängen und Spektralschärfe liefert. Glukose ist ein verdünnter Bestandteil von Blut. Aufgrund dieser Tatsache gibt es für die Messung der Blutzuckerkonzentration nur eine eingeschränkte Anzahl von Licht aussendenden Vorrichtungen, die alle diese Kriterien erfüllen und akzeptable Effizienz aufweisen.In 1 and 2 can the light source 12 every light emitting device 28 which provides a light output with the required energy, wavelengths and spectral sharpness. Glucose is a dilute component of blood. Due to this fact, there are only a limited number of light-emitting devices for the measurement of the blood glucose concentration that fulfill all these criteria and have acceptable efficiency.

Leuchtdioden (LEDs) sind eine geeignete Lichtquelle, die anstelle einer oder mehrerer der Laserdioden 30 verwendet werden kann. Einige LEDs benötigen einen Spektralfilter, wie z.B. einen Schmalbandfilter, während andere ohne Spektralfilter verwendet werden können. Ein Nachteil von LEDs ist die Tatsache, dass sie weniger effizient sind als Laserdioden, insbesondere nach Bereitstellung der erforderlichen Spektralfilterung. Darüber hinaus sind LEDs Vorrichtungen mit hoher Divergenz, die mit Effizienzen weit über 20% nur schwer mit einer Faseroptik zu verbinden sind. Einige Vorteile von LEDs gegenüber Laserdioden sind, dass sie preiswert sind und das gesamte Spektrum von 800 nm bis 2500 nm im Handel erhältlich ist.Light-emitting diodes (LEDs) are a suitable light source, which instead of one or more of the laser diodes 30 can be used. Some LEDs require a spectral filter, such as a narrow band filter, while others may be used without spectral filters. A disadvantage of LEDs is the fact that they are less efficient than laser diodes, especially after providing the required spectral filtering. In addition, LEDs are devices with high divergence, which, with efficiencies well over 20%, are difficult to achieve with fiber optics connect. Some advantages of LEDs over laser diodes are that they are inexpensive and the full spectrum from 800 nm to 2500 nm is commercially available.

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 12 ausgesendet werden sollen, hängt von dem zu messenden Flüssigkeitsbestandteil, den verfügbaren Lichtquellen und von geeigneten Detektoren, der Wasserabsorption und Rauschüberlegungen ab. Im Allgemeinen wählt man Spektralregionen in der Nähe der Absorptionsbande(n) des zu messenden Bestandteils bzw. der zu messenden Bestandteile. Die stärksten Glukosebande liegen beispielsweise um 10.000 nm, gefolgt von den Banden bei ca. 2240 und 2080 nm, und schließlich gefolgt von einer noch schwächeren Bande bei 1600 nm. Viele andere Blutbestandteile zeigen ähnliche Absorptionsmuster. Einerseits werden Wasserabsorption und Einschränkungen der Vorrichtung, insbesondere die Verfügbarkeit von Dioden und ungekühlten empfindlichen Detektoren, über 2500 nm sehr problematisch. Wie oben besprochen muss der Photodetektor 44 einen fünf-dekadischen dynamischen Bereich haben, um Glukose genau nachweisen zu können.The selection of the spectral region (s) coming from the source 12 are to be emitted depends on the liquid component to be measured, the available light sources and suitable detectors, the water absorption and noise considerations. In general, one selects spectral regions in the vicinity of the absorption band (s) of the component to be measured or of the components to be measured. For example, the strongest glucose bands are around 10,000 nm, followed by the bands at about 2240 and 2080 nm, and finally followed by an even weaker band at 1600 nm. Many other blood components show similar absorption patterns. On the one hand, water absorption and device limitations, in particular the availability of diodes and uncooled sensitive detectors, over 2500 nm become very problematic. As discussed above, the photodetector must be 44 have a five decade dynamic range to accurately detect glucose.

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 5 kann die Licht aussendende Vorrichtung 28 aus 1 auch ein abstimmbarer Laser 70 sein, der so programmiert ist, dass er einen wiederholten Ausgang bei den gewünschten Wellenlängen ergibt. Ein abstimmbarer Laser gibt inhärent kollineares Licht zur Vielzahl von Wellenlängen aus, weil er nur einen einzigen Ausgang besitzt. Der Ausgang des abstimmbaren Lasers 70 kann somit direkt mit dem Eingangsende der Faseroptik 34 aus 1 verbunden werden. Wie bei der Laserdioden-Anordnung 28 sollte das gesamte gewünschte Spektrum im Wesentlichen innerhalb des gleichen Zeitraums aufgenommen werden. Der Kalibrationsdetektor 40, der Auffangdetektor 16, der Prozessor 18 und die relevanten Komponenten sind in 5 nicht gezeigt und können die gleichen sein wie in 1.In 5 can the light emitting device 28 out 1 also a tunable laser 70 which is programmed to give a repeated output at the desired wavelengths. A tunable laser inherently emits collinear light at multiple wavelengths because it has only a single output. The output of the tunable laser 70 can thus be directly connected to the input end of the fiber optic 34 out 1 get connected. As with the laser diode arrangement 28 the entire desired spectrum should be recorded substantially within the same time frame. The calibration detector 40 , the catch detector 16 , the processor 18 and the relevant components are in 5 not shown and can be the same as in 1 ,

Ferner kann die Licht aussendende Vorrichtung 28 eine Weißlichtquelle sein, beispielsweise eine Weißlichtquelle mit einer maximalen Ausgangsenergie im Nahinfrarot-Bereich. Eine Weißlichtquelle gibt ebenfalls inhärent Licht mit Wellenlängen ab, die zueinander kollinear sind, weil nur ein einziger Ausgang existiert. Der Ausgang der Weißlichtquelle kann somit ebenfalls direkt mit dem Eingangsende der Faseroptik 34 aus 1 verbunden sein. Bei der Verwendung einer Weißlichtquelle muss der Ausgang der Weißlichtquelle spektral getrennt werden, um Spektralinformationen für die gewünschten Wellenlängen zu erhalten. Bei einer Technik, die in 6 zu sehen ist, ist ein abstimmbarer Spektralfilter 72 zwischen der Weißlichtquelle 74 und dem Photodetektor 44 angeordnet, beispielweise zwischen dem Ausgang der Weißlichtquelle 74 und dem Eingangsende der Faseroptik 34. Der abstimmbare Spektralfilter 72 ist so programmiert, dass er wiederholt Licht mit den gewünschten Wellenlängen ausgibt. Wie bei der Laserdioden-Anordnung 28 muss das gesamte gewünschte Spektrum im Wesentlichen innerhalb eines einzelnen Zeitraums aufgenommen werden. Zur Konservierung der Energie wird das Weißlicht nur eingepulst, wenn ein Spektrum aufgenommen werden soll. Der abstimmbare Spektralfilter 72 kann entweder durch eine Drehscheibe mit verschiedenen optischen Spektral-Bandpassfiltern oder durch ein rotierendes Gitter umgesetzt werden, das die gewünschten Spektren in die Faseroptik 34 kuppelt.Furthermore, the light emitting device 28 a white light source, for example a white light source with a maximum output energy in the near infrared range. A white light source also inherently emits light at wavelengths that are collinear with one another because there is only a single output. The output of the white light source can thus also directly with the input end of the fiber optic 34 out 1 be connected. When using a white light source, the output of the white light source must be spectrally separated to obtain spectral information for the desired wavelengths. In a technique that in 6 is a tunable spectral filter 72 between the white light source 74 and the photodetector 44 arranged, for example between the off passage of the white light source 74 and the input end of the fiber optic 34 , The tunable spectral filter 72 is programmed to repeatedly emit light at the desired wavelengths. As with the laser diode arrangement 28 The entire desired spectrum must essentially be recorded within a single period of time. To conserve energy, the white light is only pulsed when a spectrum is to be recorded. The tunable spectral filter 72 can be implemented either by a turntable with different spectral optical bandpass filters or by a rotating grating that transmits the desired spectra into the fiber optic 34 couples.

Bei einer anderen Technik, die in 7 zu sehen ist, ist ein festes Gitter 76 am Eingang eines Photodetektors 78 angeordnet, um das Breitband-Weißlicht in unterschiedliche räumliche Pakete in Bezug auf die dreizehn Wellenlängen spektral zu teilen. (Der Photodetektor 78 ersetzt den Photodetektor 44 aus 1.) Der Photodetektor 78 besteht aus einer Reihe von Photodetektoren 801 -8013 , wobei jeder Photodetektor 80 eine der dreizehn Wellenlängen nachweist. Da jeder Photodetektor 801 -8013 in 7 mit der gleichen Auffang-Faseroptik 42 verbunden ist, ist die Forderung, dass Licht bei jeder Wellenlänge sich räumlich überlappt, erfüllt.In another technique, in 7 is visible, is a solid grid 76 at the entrance of a photodetector 78 arranged to spectrally divide the broadband white light into different spatial packets with respect to the thirteen wavelengths. (The photodetector 78 replaces the photodetector 44 out 1 .) The photodetector 78 consists of a series of photodetectors 80 1 - 80 13 , each photodetector 80 detects one of the thirteen wavelengths. Because every photodetector 80 1 - 80 13 in 7 with the same collection fiber optics 42 is connected, the requirement that light overlaps spatially at each wavelength, is met.

Die Sensoren in 5 und 6 enthalten ähnliche Kalibrationsdetektor-, Auffangdetektor- und Prozessorkomponenten wie in 1. Nur die Auffang-Faseroptik 42 ist in diesen Figuren zu sehen. Auch der Sensor in 7 enthält ähnliche Kalibrationsdetektor- und Prozessorkomponenten wie in 1. Die Auffang-Faseroptik 42 in diesen Figuren ist eine Multimodus-Faser, in der Regel mit einem Durchmesser von 0,5 mm oder mehr, wenn Nichtlinearität aufgrund von Pfadlängenabweichungen über der Faseröffnung kein Problem darstellt.The sensors in 5 and 6 contain similar calibration detector, catch detector and processor components as in FIG 1 , Only the collection fiber optics 42 can be seen in these figures. Also the sensor in 7 contains similar calibration detector and processor components as in FIG 1 , The catching fiber optic 42 in these figures, a multimode fiber, typically 0.5 mm or larger in diameter, is not a problem if non-linearity due to path length deviations across the fiber opening presents no problem.

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 1 erreichen, wo eine Vielzahl von Einzelmodus-Fasern mit einer Einzelmodus-Faser über ein Bragg Brechungsgitter verbunden sind. Das Ausmaß der notwendigen räumlichen Überlappung des Lichts bei den verschiedenen Wellenlängen relativ zueinander hängt von der Stärke des Signals ab, das durch den gewünschten Flüssigkeitsbestandteil erzeugt wird, und von dem erwarteten Grad räumlicher Inhomogenität. Blut und die meisten anderen menschlichen Gewebe neigen dazu räumlich sehr inhomogen zu sein, was hauptsächlich an der Streuung liegt. Ein 1 mm Blutpfad mit einer Glukosekonzentration von 100 mg/dl verursacht beispielsweise eine Peakabsorption in der Größenordnung von 10–4 bei 2273 nm (aufgrund der Glukose). Zwei Wellenlängen, die um 0,1 mm getrennt sind, könnten ein scheinbares Signal von 3 × 10–4 erzeugen, wenn die Schwankungen in der Streuung in der Größenordnung von 1% pro mm liegen. Bei einer räumlichen Schwankung in der Streuung in der Größenordnung von 1% pro mm und bei einer Trennung der beiden Lichtwellenlängen um 0,1 mm hätte der Detektor 16 beispielsweise Schwierigkeiten, den Glukose-Absorptionspeak über die Schwankung in der Streuung zu sehen.Light having a plurality of different wavelengths that flow substantially over the same light path (and thus are collinear) is most easily reconciled with the source configuration in FIG 1 where a plurality of single mode fibers are connected to a single mode fiber via a Bragg refraction grid. The extent of the necessary spatial overlap of the light at the different wavelengths relative to each other depends on the strength of the signal generated by the desired liquid constituent and the expected degree of spatial inhomogeneity. Blood and most other human tissues tend to be very inhomogeneous in space, which is mainly due to scattering. For example, a 1 mm blood path with a glucose concentration of 100 mg / dl causes peak absorption on the order of 10 -4 at 2273 nm (due to glucose). Two wavelengths separated by 0.1 mm could produce an apparent signal of 3 × 10 -4 if the variations in the scattering are of the order of 1% per mm. With a spatial variation in the scattering of the order of 1% per mm and with a separation of the two wavelengths of light by 0.1 mm, the detector would have 16 for example, difficulty seeing the glucose absorption peak over the variation in scattering.

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 12 mit einer einzigartigen vorab festgelegten Frequenz frequenzmoduliert werden. Bei Verwendung eines Schemas mit Frequenzmodulation können alle einzelnen Lichtquellen gleichzeitig gepulst werden, wodurch garantiert wird, dass der Ausgang der Lichtquelle 12 bei der Vielzahl von Wellenlängen zeitlich zusammenfällt.In an alternative embodiment of the invention, each individual light source in the light source 12 be frequency modulated with a unique predetermined frequency. When using a frequency modulation scheme, all the individual light sources can be pulsed simultaneously, which guarantees that the output of the light source 12 temporally coincident at the plurality of wavelengths.

Die Sensoren aus 1-7 sind extravaskulär, aber sie können auch intravaskulär verwendet werden. Intravaskuläre Sensoren sind aber nicht bevorzugt, weil sie mit klinischen und technischen Komplikationen, wie z.B. Thrombose und Abstoßung, verbunden sein können.The sensors off 1 - 7 are extravascular, but they can also be used intravascularly. However, intravascular sensors are not preferred because they may be associated with clinical and technical complications such as thrombosis and rejection.

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 1-7 sind so angeordnet, dass sie Licht von der Quelle messen, das direkt durch die Vene 14 oder eine andere anatomische Struktur fließt. Die Sensoren können aber auch so angeordnet sein, dass sie reflektiertes oder gestreutes Licht oder Kombinationen von übertragenem, reflektiertem oder gestreutem Licht erfassen. Zurzeit wird davon ausgegangen, dass eine präzise Kupplung zwischen der Quelle 12 und der Messprobe (Vene 14 in 1) kritischer ist, wenn reflektierte Messung anstelle von Übertragungsmessungen durchgeführt werden.The sensors off 1 - 7 are arranged to measure light from the source directly through the vein 14 or another anatomical structure flows. However, the sensors can also be arranged so that they detect reflected or scattered light or combinations of transmitted, reflected or scattered light. At present, it is assumed that a precise coupling between the source 12 and the test sample (Ve ne 14 in 1 ) is more critical when performing reflected measurement rather than transmission measurements.

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 1-7 eignen sich für eine Vielzahl von Umgebungen in vivo, wie zum Beispiel Venen, Gefäßmembranen, Muskeln, Arterien und dergleichen. Um genaue Messungen von Flüssigkeitsbestandteilen in bestimmten Arten von Umgebungen in vivo zu erhalten, kann es notwendig sein, die Sensorkomponenten (insbesondere den Ausgang der Quelle und den Eingang des Detektors) und/oder den Messbereich vor Kontakt mit unerwünschten Bestandteilen zu schützen, insbesondere bei der Messung von Flüssigkeitsbestandteilen in interstitieller Flüssigkeit.The sensors off 1 - 7 are suitable for a variety of environments in vivo, such as veins, vascular membranes, muscles, arteries, and the like. In order to obtain accurate measurements of fluid constituents in certain types of environments in vivo, it may be necessary to protect the sensor components (particularly the output of the source and the detector input) and / or the sensing area from contact with undesirable components, particularly in the case of Measurement of fluid components in interstitial fluid.

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.

8 zeigt einen Sensor 100, der sich für die Überwachung eines Flüssigkeitsbestandteils in interstitieller Flüssigkeit 102 eignet. Interstitielle Regionen enthalten interstitielles Gel aus einer interstitiellen Flüssigkeit und einem hauptsächlich aus Kollagenfasern bestehenden festen Material. Zeitweise können Zelltrümmer in der interstitiellen Region schwimmen. Die Zelltrümmer, das benachbarte Gewebe und das feste Material (hiernach „Gewebe und Zelltrümmer") können die Genauigkeit der Messungen herabsetzen, wenn sie in die Messzone eindringen. Der Sensor 100 ist so beschaffen, dass er verhindert, dass diese Bestandteile in eine Messzone oder Kammer 104 zwischen einer Quelle 106 und einem Detektor 108 eindringen. Der Sensor 100 enthält eine Barriere oder einen Mantel 109 mit einer Wand oder Barriere 110 und Endkappen oder Deckeln 112, 114. Die Wand 110 besteht aus einem inerten biokompatiblen Material mit einer Porosität, die so gewählt ist, dass die interstitielle Flüssigkeit und das Gel durch es hindurch gelangen können (guter Flüssigkeitsaustausch), während benachbartes Gewebe und Zelltrümmer blockiert werden. Geeignete Materialien für die Herstellung der Wand 110 sind Polytetrafluorethylen (z.B. TEFLON®) mit mehreren Perforationen, poröse Keramik und ein biokompatibles Maschenmaterial. Die Deckel 112 und 114 können aus einem inerten hermetischen biokompatiblen Material, wie z.B. Titan, bestehen. Der Mantel 109 ist vorzugsweise zylindrisch, aber auch andere Formen sind geeignet. 8th shows a sensor 100 responsible for monitoring a fluid component in interstitial fluid 102 suitable. Interstitial regions contain interstitial fluid composed of an interstitial fluid and a solid material mainly composed of collagen fibers. At times, cell debris can float in the interstitial region. The cell debris, adjacent tissues and solid material (hereafter "tissue and cell debris") can reduce the accuracy of the measurements as they enter the measurement zone 100 is designed so that it prevents these components from entering a measuring zone or chamber 104 between a source 106 and a detector 108 penetration. The sensor 100 contains a barrier or a coat 109 with a wall or barrier 110 and end caps or lids 112 . 114 , The wall 110 consists of an inert biocompatible material with a porosity chosen so that the interstitial fluid and gel can pass through it (good fluid exchange) while blocking adjacent tissue and cell debris. Suitable materials for the production of the wall 110 are polytetrafluoroethylene (such as TEFLON ®) having a plurality of perforations, porous ceramic and a biocompatible mesh material. The lids 112 and 114 may be made of an inert hermetic biocompatible material, such as titanium. The coat 109 is preferably cylindrical, but other shapes are suitable.

Eine Barriere 110 aus einem biokompatiblen Maschenmaterial hält benachbartes Gewebe davon ab, sich durch die Barriere 110 zu drücken, aber es verhindert nicht, dass Kapselgewebe auf den Sensorkomponenten wächst, es sei denn, das Maschenmaterial ist extrem fein und hält die Proteine und Leukozyten davon ab, durchzudringen.A barrier 110 a biocompatible mesh keeps adjacent tissue from passing through the barrier 110 but it does not prevent capsular tissue from growing on the sensor components unless the mesh is extremely fine and prevents the proteins and leukocytes from penetrating.

Alternativ kann die Barriere 110 aus einem biokompatiblen Drahtgitter bestehen, das ein Schild oder einen Käfig formt, der so fein ist, dass er verhindert, dass sich benachbartes Gewebe in die Sensorkammer 104 drückt und die Lichtübertragung stört. Dieses Schema verhindert natürlich nicht das Wachstum von Kapselgewebe auf den Sensorkomponenten.Alternatively, the barrier 110 consist of a biocompatible wire mesh that forms a shield or cage that is so fine that it prevents adjacent tissue from entering the sensor chamber 104 pushes and disturbs the light transmission. Of course, this scheme does not prevent the growth of capsular tissue on the sensor components.

8 zeigt benachbartes Gewebe und Zelltrümmermoleküle 116, die nicht durch die Barriere 110 dringen können, während Glukosemoleküle 118 in der interstitiellen Flüssigkeit 102 durch die Barriere 110 und in die Kammer 104 dringen können. Da die interstitielle Flüssigkeit 102 frei durch die Barriere 110 dringt, ist die Glukosekonzentration im Sensor 100 und im Bereich um den Sensor 100 im Wesentlichen gleich. In 8 kann die Quelle 106 eine der oben beschriebenen direktes Licht aussendenden Quellen enthalten oder die Quelle 106 kann das Ausgangsende einer Faseroptik sein, die mit der Licht aussendenden Quelle verbunden ist. Der Detektor 108 kann auch einer der oben beschriebenen Photodetektoren sein, die mit der jeweiligen Quelle kompatibel sind, oder der Detektor 108 kann das Eingangsende einer Auffang-Faseroptik sein, die mit einem oder einer Vielzahl von Photodetektoren verbunden ist. wenn die Quelle 106 und der Detektor 108 die Faseroptiken sind, können die Licht aussendenden Quellen und der/die Photodetektor(en) vom Mantel 109 entfernt liegen. Die Quelle 106 und der Detektor 108 sind an den jeweiligen Enden des Mantels 109 befestigt. 8th shows adjacent tissue and cell debris molecules 116 that are not through the barrier 110 can penetrate while glucose molecules 118 in the interstitial fluid 102 through the barrier 110 and in the chamber 104 can penetrate. Because the interstitial fluid 102 free through the barrier 110 penetrates, is the glucose concentration in the sensor 100 and in the area around the sensor 100 essentially the same. In 8th can the source 106 contain one of the direct light emitting sources described above or the source 106 may be the output end of a fiber optic connected to the light emitting source. The detector 108 may also be one of the photodetectors described above, which are compatible with the respective source, or the detector 108 may be the input end of a trap fiber optic connected to one or a plurality of photodetectors. if the source 106 and the detector 108 The fiber optics are the light emitting sources and the photodetector (s) can be from the cladding 109 away lie. The source 106 and the detector 108 are at the respective ends of the mantle 109 attached.

Unabhängig davon, ob die Quelle 106 und der Detektor 108 in 8 direkt oder über ein Faseroptik-Abgabesystem gekoppelt sind, ist es zur Minimierung des Abbaus der Quelle 106 und des Detektors 108 notwendig, sie mit hermetischen Mänteln 126 bzw. 128 und biokompatiblen, hermetisch versiegelten transparenten Fenstern 130 und 132 zu versehen. Die hermetischen Mäntel 126 und 128 bestehen aus einem geeigneten inerten, biokompatiblen Material, wie z.B. Titan. Die Mäntel 126 und 128 hindern alle Substanzen und Bestandteile der interstitiellen Flüssigkeit daran, mit den Sensorkomponenten in Berührung zu kommen. Um das Wachstum von Kapselgewebe weiter zu minimieren, kann ein Überzeug aus Hydrogel oder einem ähnlichen Material den Fenstern 130 und 132 und den Mänteln 126 und 128 hinzugefügt werden.Regardless of whether the source 106 and the detector 108 in 8th coupled directly or via a fiber optic delivery system, it is to minimize the degradation of the source 106 and the detector 108 necessary, they with hermetic coats 126 respectively. 128 and biocompatible, hermetically sealed transparent windows 130 and 132 to provide. The hermetic coats 126 and 128 consist of a suitable inert, biocompatible material, such as titanium. The coats 126 and 128 prevent all substances and components of the interstitial fluid from coming into contact with the sensor components. To further minimize the growth of capsular tissue, a hydrogel or similar material layer can be used on the windows 130 and 132 and the coats 126 and 128 to be added.

TEFLON® wird nicht benetzt. Wenn also TEFLON® zur Herstellung des Mantels 109 verwendet wird, kann die Sensorkammer 104 vor der Einführung des Sensors 100 in die interstitielle Flüssigkeit mit Alkohol oder Kochsalzlösung gefüllt werden. Alternativ wird die Sensorkammer 104 unmittelbar nach dem Einführen mit der Lösung unter Druck gesetzt. In beiden Fällen tauscht sich die Lösung allmählich von selbst mit der Flüssigkeit außerhalb der Kammer aus und der Innenraum der Kammer erreicht ein Gleichgewicht in Hinblick auf die Außenseite der Kammer. Ein Einführmundstück 119 kann durch einen der Deckel 112 oder 114 geführt sein, um das Füllen der Kammer zu erleichtern.TEFLON ® is not wetted. So if TEFLON ® for the production of the coat 109 can be used, the sensor chamber 104 before the introduction of the sensor 100 be filled into the interstitial fluid with alcohol or saline. Alternatively, the sensor chamber 104 immediately after insertion with the solution pressurized. In either case, the solution gradually self-exchanges with the liquid outside the chamber and the interior of the chamber attains equilibrium with respect to the outside of the chamber. An insertion mouthpiece 119 can through one of the lids 112 or 114 be guided to facilitate the filling of the chamber.

9 zeigt eine andere Ausführungsform eines offenen Sensors 120, der für die Verwendung in einer interstitiellen Flüssigkeit geeignet ist. Dieser Sensor 120 enthält eine Quelle 106 und einen Detektor 108 ähnlich denen in 8, die von ähnlichen Mänteln 126 und 128 und optisch transparenten Fenstern 130 und 132 geschützt sind. Der Ausgang der Quelle 122 und der Eingang des Detektors 124 sind um einen vorab festgelegten Abstand voneinander getrennt. Ein starrer Kuppler 125, der an den Mänteln 126 und 128 befestigt ist, hält den vorab festgelegten Abstand zwischen der Quelle 122 und dem Detektor 124 aufrecht. 9 shows another embodiment of an open sensor 120 which is suitable for use in an interstitial fluid. This sensor 120 contains a source 106 and a detector 108 similar to those in 8th that of similar coats 126 and 128 and optically transparent windows 130 and 132 are protected. The output of the source 122 and the input of the detector 124 are separated by a predetermined distance. A rigid coupler 125 who is wearing the coats 126 and 128 is fixed, keeps the predetermined distance between the source 122 and the detector 124 upright.

In 9 kann die Quelle 122 eine direkte Licht aussendende Quelle oder wie oben beschrieben eine Vielzahl von Quellen sein, und der Detektor 124 kann ein einzelner Photodetektor oder eine Vielzahl von Photodetektoren wie oben beschrieben sein. Alternativ können die Quelle 122 und der Detektor 124 Faseroptiken sein, die mit jeweiligen Licht aussendenden Quellen und Photodetektoren verbunden sind, wobei die Faseroptiken als Lichtabgabesystem fungieren. Im letzteren Fall können die Licht aussendenden Quellen und die Photodetektoren vom offenen Sensor 120 entfernt angeordnet sein.In 9 can the source 122 a direct light-emitting source, or a variety of sources as described above, and the detector 124 For example, a single photodetector or a plurality of photodetectors may be as described above. Alternatively, the source 122 and the detector 124 Be fiber optics, which are connected to respective light-emitting sources and photodetectors, the fiber optics acting as a light delivery system. In the latter case, the light emitting sources and the photodetectors may be from the open sensor 120 be located away.

In jeder der in 1-9 gezeigten Ausführungsformen können auch andere Techniken zur Verhinderung oder Unterdrücken des Wachstums von Kapselgewebe an den oder um die Sensorkomponenten verwendet werden. Beispiele für mögliche geeignete Schemata sind die Verwendung von Wärme, elektrischen Feldern oder elektrischem Strom, entweder konstant oder sporadisch. Beispielsweise denaturiert Protein bei 60°C. Eine tägliche Wärmebestrahlung über einige Sekunden kann deshalb ausreichen, um das Wachstum zu verhindern. Eine alternative Technik für eine physikalische Barriere, die verhindert, dass benachbartes Gewebe zwischen die Quelle und den Detektor gelangt, ist die Platzierung des Sensors in der interstitiellen Flüssigkeit, so dass die Messkammer erheblich vom benachbarten Gewebe entfernt ist.In each of the in 1 - 9 In other embodiments, other techniques for preventing or suppressing the growth of capsular tissue on or about the sensor components may also be used. Examples of possible suitable schemes are the use of heat, electric fields or electric current, either constant or sporadic. For example, protein denatures at 60 ° C. A daily heat radiation over a few seconds may therefore be sufficient to prevent growth. An alternative physical barrier technique that prevents adjacent tissue from getting between the source and the detector is placement of the sensor in the interstitial fluid so that the measurement chamber is significantly removed from adjacent tissue.

Die am Ausgang des Photodetektors 44 oder seines Äquivalents erhaltenen Spektralinformationen werden zur Spektralanalyse an den Prozessor 18 weitergeleitet. Wie oben besprochen empfängt der Prozessor 18 auch ein Signal vom Kalibrationsdetektor 40. Bei der Messung von Blutbestandteilen mit dem Sensor 10 aus 1 enthält das vom Photodetektor 44 empfangene Signal Spektralinformationen von allen Substanzen, die Licht von der Quelle 36 empfangen haben. Deshalb gibt es Spektralinformationen von der interessierenden Flüssigkeit (z.B. Blut) und Spektralinformationen von Fremdgewebe, einschließlich der Gewebewand der Vene 14 und des Kapselgewebes 48. Zusätzliche Spektralinformationen können aus der interstitiellen Flüssigkeit und dem Gel zwischen dem Sensor 10 und der Vene 14 vorliegen. Hiernach wird die Spektralinformation, die sich auf die interessierende Flüssigkeit bezieht, als „Spektrum der Flüssigkeit" oder „Flüssigkeitsspektrum" bezeichnet, während die Spektralinformationen, die sich auf das Fremdgewebe beziehen, einschließlich der Venenwand der Vene 14 und des Kapselgewebes 48 und alle Feststoffe im interstitiellen Gel als „Spektrum des Gewebes" oder „Gewebespektrum" bezeichnet werden. Die Kombination beider Spektren wird als „zusammengesetzte Spektren" bezeichnet. Ein Ziel des Prozessors 18 ist die Extraktion der Flüssigkeitsspektren aus den zusammengesetzten Spektren und die Verwendung der Flüssigkeitsspektren zur Messung der Konzentration des interessierenden Flüssigkeitsbestandteils oder alternativ zur Korrektur um die Beiträge der Gewebespektren, um genaue Vorhersagen der Konzentration des Bestandteils zu erhalten.The at the output of the photodetector 44 or its equivalent, spectral information is sent to the processor for spectral analysis 18 forwarded. As discussed above, the processor receives 18 also a signal from the calibration detector 40 , When measuring blood components with the sensor 10 out 1 contains this from the photodetector 44 received signal spectral information from all substances, the light from the source 36 have received. Therefore, there is spectral information from the fluid of interest (eg blood) and spectral information from foreign tissue, including the tissue wall of the vein 14 and capsule tissue 48 , Additional spectral information may be from the interstitial fluid and the gel between the sensor 10 and the vein 14 available. Hereinafter, the spectral information relating to the liquid of interest is referred to as "spectrum of liquid" or "liquid spectrum", while the spectral information relating to the foreign tissue, including the vein wall of the vein 14 and capsule tissue 48 and all solids in the interstitial gel are referred to as the "spectrum of tissue" or "tissue spectrum". The combination of both spectra is referred to as "composite spectra." A goal of the processor 18 is the extraction of the liquid spectra from the composite spectra and the use of the liquid spectra to measure the concentration of the liquid constituent of interest or alternatively to correct for the contributions of the tissue spectra to obtain accurate predictions of the concentration of the constituent.

10 ist ein Fließdiagramm der Schritte, die unter Verwendung des Sensors 10 aus 1 im Prozessor 18 durchgeführt werden. Im Allgemeinen nimmt der Prozessor 18 die vom Detektor 16 ausgegebenen Spektraldaten und legt einen in-vitro-Algorithmus an, um die interessierenden Flüssigkeitsbestandteile zu bestimmen. Der in-vitro-Algorithmus wird durch Korrelation der Fourier-Transform-Infrarot-(FT-IR) Spektroskopieübertragungsmessungen von Flüssigkeitsproben einer statistisch signifikanten Anzahl von Personen mit den Flüssigkeitsproben, die mit herkömmlichen Techniken gemessen wurden (d.h. andere Techniken als die erfindungsgemäßen Techniken) generiert. Ein statistisches Modell wird an die FT-IR-Daten angelegt und der in-vitro-Algorithmus wird für den Least-Square-Vorhersagefehler und die geringste Anzahl Spektralpunkte optimiert. Der in-vitro-Algorithmus bestimmt daher die zu messenden Spektralpunkte und ihre relative Gewichtung der Absorptionsfähigkeit. Der Algorithmus wird dann auf die in vivo gemessenen Spektraldaten angelegt, um die Konzentration der ausgewählten Flüssigkeitsbestandteile zu bestimmen. 10 is a flow chart of the steps using the sensor 10 out 1 in the processor 18 be performed. In general, the processor takes 18 the one from the detector 16 out given spectral data and creates an in vitro algorithm to determine the liquid constituents of interest. The in vitro algorithm is generated by correlating Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy transmission measurements of fluid samples of a statistically significant number of persons with the fluid samples measured by conventional techniques (ie, techniques other than the techniques of the invention) , A statistical model is applied to the FT-IR data and the in vitro algorithm is optimized for the least squares prediction error and the least number of spectral points. The in vitro algorithm therefore determines the spectral points to be measured and their relative weighting of the absorption capacity. The algorithm is then applied to the in vivo measured spectral data to determine the concentration of the selected liquid components.

In 10 berechnet der Prozessor 18 die Absorptionsspektren mithilfe des Log des Quotienten von Ausgang des Detektors 16 zum Ausgang des Kalibrationsdetektors 40 für jede Wellenlänge (Schritt 100) und Hinzufügen eines Korrekturfaktors (Schritt 200) für die Bereinigung um (1) Variabilität im Ansprechen zwischen den Detektoren 16 und 40 und (2) chromatische Unterschiede in den optischen Systemen. Das resultierende Signal ist das zusammengesetzte Absorptionsspektrum oder einfach das „zusammengesetzte Spektrum" wie oben beschrieben.In 10 the processor calculates 18 the absorption spectra by means of the log of the quotient of the output of the detector 16 to the output of the calibration detector 40 for each wavelength (step 100 ) and adding a correction factor (step 200 ) for adjustment for (1) variability in response between detectors 16 and 40 and (2) chromatic differences in the optical systems. The resulting signal is the composite absorption spectrum or simply the "composite spectrum" as described above.

Als nächstes legt der Prozessor 18 einen in-vitro-Algorithmus wie in Schritten 300-600 in den gestrichelten Linien in 10 definiert an das zusammengesetzte Spektrum an. Der erste Schritt im in-vitro-Algorithmus ist das Anlegen einer Pfadlängen-Korrektur an das zusammengesetzte Spektrum (Schritt 300). Ein Verfahren zur Durchführung dieses Schritts ist die Division des zusammengesetzten Spektrums durch den Unterschied in der Absorption des zusammengesetzten Spektrums bei zwei Wellenlängen, die für die Pfadlängen-Normalisierung gewählt werden. Ein weiteres Verfahren ist die Division des zusammengesetzten Spektrums um die „berechnete Pfadlänge", bestimmt nach dem Partial Least Squares Algorithmus.Next, the processor sets 18 an in vitro algorithm as in steps 300 - 600 in the dashed lines in 10 defined to the composite spectrum. The first step in the in vitro algorithm is to apply a pathlength correction to the composite spectrum (step 300 ). One method of performing this step is to divide the composite spectrum by the difference in absorbance of the composite spectrum at two wavelengths chosen for path length normalization. Another method is to divide the composite spectrum by the "calculated path length" as determined by the partial least squares algorithm.

Nach Abschluss der Pfadlängen-Korrektur legt der Prozessor 18 eine Baseline-Korrektur an das zusammengesetzte Spektrum an (Schritt 400). Ein Verfahren zur Durchführung einer Baseline-Korrektur ist die Subtraktion der Absorption (auch Pfadlängen-Korrektur) bei einer dritten Wellenlänge von dem um die Pfadlänge korrigierten zusammengesetzten Spektrum. Das resultierende zusammengesetzte Spektrum ist nun um die Pfadlänge und den Ausgangswert korrigiert. Alternativ kann die Baseline-Korrektur vor der Pfadlängen-Korrektur erfolgen, indem die Reihenfolge der Schritte 300 und 400 umgekehrt wird.After completion of the path length correction, the processor sets 18 a baseline correction to the composite spectrum (step 400 ). One method of performing a baseline correction is to subtract the absorption (also path length correction) at a third wavelength from the path length corrected composite spectrum. The resulting composite spectrum is now corrected for the path length and the output value. Alternatively, the baseline correction may be made before the path length correction by the order of the steps 300 and 400 is reversed.

Danach berechnet der Prozessor 18 eine „unkorrigierte" Konzentration der gewünschten Bestandteile durch Multiplikation des um die Pfadlänge und den Ausgangswert korrigierten zusammengesetzten Spektrums mit Beta-Koeffizienten (Schritt 500) und Hinzufügen einer Konstante zum Ergebnis (Schritt 600). Die Konzentration wird als „unkorrigiert" bezeichnet, weil die Beta-Koeffizienten an das zusammengesetzte Spektrum angelegt werden, das Fremdgewebe-Spektren und nicht nur die interessierende Flüssigkeitsspektren enthält.After that, the processor calculates 18 an "uncorrected" concentration of the desired constituents by multiplying the compound spectrum with beta coefficients corrected by the path length and the output value (step 500 ) and adding a constant to the result (step 600 ). The concentration is said to be "uncorrected" because the beta coefficients are applied to the composite spectrum containing foreign tissue spectra and not just the liquid spectra of interest.

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 300, 400 und 500 werden die für die Pfadlängen-Korrektur verwendeten Wellenlängen, die Baseline-Korrektur und die Beta-Koeffizienten vorzugsweise reiterativ optimiert, um die Least Squares Anpassung zu erhalten. Vor dieser Optimierung müssen jedoch zunächst die Wellenlängen geschätzt werden.When creating the in vitro algorithm for use in step 300 . 400 and 500 For example, the wavelengths used for the path length correction, the baseline correction, and the beta coefficients are preferably reiteratively optimized to provide the Least Squares get customization. Before this optimization, however, the wavelengths must first be estimated.

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 300 und 400) und zur Berechnung einer unkorrigierten Konzentration der erwünschten Bestandteile (Schritt 500 und 600). Nach diesen Schritten ist es immer noch notwendig, um Gewebespektren zu korrigieren und „korrigierte" Konzentrationen zu erhalten.The method described above provides an in vitro algorithm for calibrating the measured spectra at a finite number of wavelengths to the measured concentration (step 300 and 400 ) and for calculating an uncorrected concentration of the desired constituents (step 500 and 600 ). After these steps, it is still necessary to correct tissue spectra and obtain "corrected" concentrations.

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 600) zu den in vitro mit herkömmlichen Mitteln gemessenen Konzentrationen durchgeführt, wobei ein Satz bester linearer Anpassungskoeffizienten erhalten wird. Diese Messung sollte nach einem ausreichend langen Zeitraum erfolgen, damit das Kapselgewebe einen Steady State erreicht (in der Regel mehr als vier Wochen). Diese Koeffizienten werden im Prozessor 18 für Schritt 700 gespeichert. Die Koeffizienten werden an die unkorrigierte Konzentration der Bestandteile angelegt, um vorhergesagte Konzentrationen zu erhalten, die um Fremdgewebe „korrigiert" sind (Schritt 700).In a preferred compensation method, for each individual patient, a best linear fit of the uncorrected concentration of the ingredients (output from step 600 ) to the concentrations measured in vitro by conventional means, whereby a set of best linear coefficient of adaptation is obtained. This measurement should be taken after a sufficient period of time for the capsule tissue to reach a steady state (usually more than four weeks). These coefficients are in the processor 18 for step 700 saved. The coefficients are applied to the uncorrected concentration of the components to obtain predicted concentrations that are "corrected" for foreign tissue (step 700 ).

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 300, 400 und 500 in 10 wie folgt verändert: Schritt 300 (Pfadlängen-Korrektur) – (1) Bestimmung der Pfadlänge durch Anwendung der Beta-Koeffizienten für die oben bestimmte Pfadlänge an das zusammengesetzte Spektrum, und (2) Division des zusammengesetzten Spektrums durch die berechnete Pfadlänge.Using this alternative route will take steps 300 . 400 and 500 in 10 changed as follows: step 300 (Path Length Correction) - (1) Determine the path length by applying the beta coefficients for the above-determined path length to the composite spectrum, and (2) Divide the composite spectrum by the calculated path length.

Schritt 400 (Baseline-Korrektur) – Dies ist ein wahlweiser Schritt, der vor oder nach Schritt 300 durchgeführt werden kann.step 400 (Baseline Correction) - This is an optional step before or after step 300 can be carried out.

Schritt 500 – Anwendung der wie oben bestimmten Beta-Koeffizienten im PLS-Algorithmus an das um die Pfadlänge korrigierte zusammengesetzte Spektrum.step 500 Apply the beta coefficients in the PLS algorithm as determined above to the composite spectrum corrected for the path length.

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 700 in 10 durchgeführt werden.The most obvious way to correct for extraneous tissue is to select wavelengths for the in vitro algorithm where the composite spectrum is not particularly affected by foreign tissue. In many cases this is not possible. Therefore, a correction as in step 700 in 10 be performed.

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 200 und 300 in 10 eingefügt. Das repräsentative Spektrum des Fremdgewebes würde von dem zusammengesetzten Spektrum subtrahiert werden, um ein Spektrum zu erhalten, das für die Flüssigkeit allein repräsentativ ist. Das „repräsentative Spektrum" (das wie unten beschrieben erhalten wurde) wäre für den Patienten spezifisch. Schritt 300 bis Schritt 600 würden dann nicht für das zusammengesetzte Spektrum in 10, sondern für das „Flüssigkeitsspektrum" angewandt werden. Schritt 700 würde entfallen, weil er nicht notwendig wäre.Another possible method for correcting for extraneous tissue is to subtract a "representative spectrum" from the foreign tissue, an additional step between step 200 and 300 in 10 inserted. The representative spectrum of the foreign tissue would be subtracted from the composite spectrum to obtain a spectrum representative of the liquid alone. The "representative spectrum" (obtained as described below) would be specific to the patient 300 until step 600 would not be in the composite spectrum then 10 , but for the "liquid spectrum" are used 700 would be omitted because it would not be necessary.

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 1 können die korrigierten Konzentrationen der Bestandteile auf der Anzeige 20 gezeigt werden, die zum Auslösen des Alarms 22 oder zur Steuerung des Medikamentenspenders 23 verwendet wird. Die korrigierten Konzentrationswerte und das Datum und die Uhrzeit der Messung können wahlweise in einem (nicht gezeigten) Speicher des Prozessors 18 gespeichert werden. Der Prozessor 18 kann dem implantierbaren Sensor 10 über Telemetrie signalisieren, dass er häufiger Messungen vornehmen soll, wenn der Trend oder der Messwert der Bestandteile problematisch sind. Im Idealfall würde ein Arzt die Parameter für die Alarm- und Messhäufigkeit festsetzen.In 1 may be the corrected concentrations of the ingredients on the display 20 are shown, which trigger the alarm 22 or to control the medication dispenser 23 is used. The corrected concentration values and the date and time of the measurement may optionally be stored in a memory (not shown) of the processor 18 get saved. The processor 18 may be the implantable sensor 10 via telemetry signal that he should take measurements more frequently if the trend or the measurement of the components are problematic. Ideally, a clinician would set the parameters for alarm and measurement frequency.

Der Prozessor 18 erfasst auch „Ausreißerdaten", d.h. Daten, die aufgrund von Fehlfunktionen des Sensors außerhalb der vorgegebenen Grenzen liegen. Wenn Ausreißer-Daten erhalten werden, signalisiert der Prozessor 18 dem Sensor 10 über Telemetrie, eine andere Messung durchzuführen, und er löst den Alarm 22 aus, wenn auch die folgenden Messungen außerhalb der vorgegebenen Grenzen liegen.The processor 18 also captures "outlier data", ie data that is out of limits due to sensor malfunctions, and when outlier data is received, the processor signals 18 the sensor 10 via telemetry, to perform another measurement, and he triggers the alarm 22 off, even if the following measurements are outside the specified limits.

Der Prozessor 18 kann sporadisch gegen herkömmlich erhaltene Messungen von Flüssigkeitsbestandteilen kalibriert werden, um eine Langzeitverschiebung zu vermeiden. Wenn der Sensor 10 beispielsweise für die Blutzuckerüberwachung verwendet wird, kann der Prozessor 18 sporadisch gegen Blutzuckerwerte kalibriert werden, die mit einem chemischen Assay gemessen wurden. Eine Form dieser Kalibrierung ist die Zufuhr eines neuen Satzes von Koeffizienten für die beste lineare Anpassung in Schritt 700.The processor 18 can be sporadically calibrated against conventionally obtained measurements of liquid components to avoid long-term shift. If the sensor 10 For example, for blood glucose monitoring, the processor can 18 sporadically calibrated against blood glucose levels measured by a chemical assay. One form of this calibration is the supply of a new set of coefficients for the best linear fit in step 700 ,

Wenn der Prozessor 18 für die Feedback-Kontrolle verwendet wird, kann das Ausgangssignal des Prozessors für die direkte Steuerung des Spenders 23 verwendet werden, oder der Spender 23 kann einen eigenen Prozessor (nicht gezeigt) für den Empfang des Ausgangssignals und zur Kontrolle der ausgegebenen Dosis haben.If the processor 18 Used for feedback control, the output signal of the processor can be used for direct control of the dispenser 23 be used, or the donor 23 may have its own processor (not shown) for receiving the output signal and controlling the output dose.

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)

Implantierbarer Sensor zur Verwendung in einem In-vivo-Spektroskopiegerät mit einem Prozessor (18) zur Auswertung von Signalen vom Sensor und zur Bestimmung der Konzentration eines Bestandteiles einer Körperflüssigkeit, wobei der Sensor Folgendes umfasst: eine Lichtquelle (12) zum Aussenden von Licht, und einen Detektor (16) zum Nachweisen des ausgesendeten Lichts, wobei die Lichtquelle (12) und der Detektor (16) so angeordnet sind, dass das ausgesendete Licht mit der Körperflüssigkeit interagiert, bevor es vom Detektor (16) nachgewiesen wird, während der Detektor (16) ein Signal abgibt, das ein Spektrum der Körperflüssigkeit enthält, worin die Lichtquelle (12) zum Aussenden von Licht mit einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen geeignet ist, wobei mindestens eine Wellenlänge im Infrarotbereich liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht von jeder der Vielzahl von unterschiedlichen Wellenlängen eine im Wesentlichen kollineare optische Weglänge durch die Körperflüssigkeit relativ zueinander aufweist, und dass der Detektor (16) ein zusammengesetztes Spektrum, das Spektren der Körperflüssigkeit und Spektren des Fremdgewebes beinhaltet, erhalten kann, wenn das Infrarotlicht durch die den Bestandteil und Fremdgewebe enthaltende Körperflüssigkeit dringt, während der Prozessor (18) eine Bereinigung um die Spektren des Fremdgewebes durchführen kann.Implantable sensor for use in an in vivo spectroscopy device with a processor ( 18 ) for evaluating signals from the sensor and for determining the concentration of a constituent of a body fluid, the sensor comprising: a light source ( 12 ) for emitting light, and a detector ( 16 ) for detecting the emitted light, wherein the light source ( 12 ) and the detector ( 16 ) are arranged so that the emitted light interacts with the body fluid before it is removed from the detector ( 16 ) while the detector ( 16 ) emits a signal containing a spectrum of body fluid, wherein the light source ( 12 ) for emitting light of a variety unterschiedli wavelength, wherein at least one wavelength is in the infrared range, characterized in that the light from each of the plurality of different wavelengths has a substantially collinear optical path length through the body fluid relative to each other, and that the detector ( 16 ) can obtain a composite spectrum including spectra of the body fluid and spectra of the foreign tissue when the infrared light penetrates through the body fluid containing the component and foreign tissue, while the processor (FIG. 18 ) can perform a cleanup around the spectra of the foreign tissue. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor eine Bereinigung um die Spektren des Fremdgewebes durchführen kann, indem er eine Weglängenkorrektur in den zusammengesetzten Spektren anwendet, eine Ausgangswertkorrektur an den zusammengesetzten Spektren durchführt, die Weglänge der zusammengesetzten Spektren und die Ausgangswerte der zusammengesetzten Spektren mit Beta-Koeffizienten multipliziert und eine Konstante hinzu addiert, um eine Konzentration des mindestens einen Bestandteils zu erhalten, die nicht um die Gewebespektren bereinigt ist, und indem er Koeffizienten für die beste lineare Anpassung an die unbereinigte Konzentration des mindestens einen Bestandteils der Körperflüssigkeit anlegt, um eine Konzentration des mindestens einen Bestandteils zu erhalten, die um die Gewebespektren bereinigt ist.Sensor according to claim 1, characterized in that the processor does a cleanup around the spectra of the foreign tissue carry out can by doing a path length correction applies in the composite spectra, an output value correction at the composite spectra, the path length of the composite spectra and the output values of the composite Spectra multiplied by beta coefficients and a constant added to a concentration of the at least one component which is not adjusted to the tissue spectra, and by giving coefficients for the best linear adjustment to the unadjusted concentration of the at least one component of the body fluid applies to a concentration of the at least one constituent that is around the tissue spectra is cleaned up. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle zum Aussenden von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen in einem im Wesentlichen einzelnen Zeitraum geeignet ist.Sensor according to one of claims 1 to 2, characterized that the light source for emitting light with different Wavelengths in a substantially single period is suitable. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen einzelne Zeitraum weniger als ca. 100 Mikrosekunden beträgt.Sensor according to claim 3, characterized in that the essentially single period is less than about 100 microseconds is. Sensor nach Anspruch 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Licht in einer Vielzahl von Impulsen innerhalb des im Wesentlichen einzelnen Zeitraums aussenden kann.Sensor according to Claims 3 to 4, characterized that the light source will light in a variety of pulses of the essentially single period. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Körperflüssigkeit Blut ist und der mindestens eine Bestandteil Glucose ist.Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized that the body fluid is blood is and the at least one component is glucose. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der implantierbare Sensor so beschaffen ist, dass er neben einer Gefäßmembran implantiert werden kann.Sensor according to one of claims 1 to 6, characterized that the implantable sensor is such that it is next to a vascular membrane can be implanted. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Licht mit Wellenlängen im Nahinfrarotbereich aussendet.Sensor according to one of claims 1 to 7, characterized that the light source is light with wavelengths in the near-infrared range sending out. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor reflektiertes und gestreutes Licht nachweisen kann.Sensor according to one of claims 1 to 8, characterized that the detector detect reflected and scattered light can. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Prozessor eine Aufzeichnung eines Verhältnisses des Ausgangssignals des Detektors und der Ausgangsenergie der Lichtquelle von jeder Wellenlänge zur Verfügung gestellt wird.Sensor according to one of claims 1 to 9, characterized that the processor is a record of a ratio of the output signal of the detector and the output energy of the light source of each wavelength to disposal is provided.
DE69736556T 1997-07-08 1997-07-08 IMPLANTABLE SENSOR AND ARRANGEMENT FOR IN-VIVO MEASUREMENT AND CONTROL OF CONCENTRATIONS IN LIQUIDS AND GASES Expired - Lifetime DE69736556T2 (en)

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
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

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE69736556T2 (en)
HK (1) HK1021126A1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
HK1021126A1 (en) 2000-06-02
DE69736556D1 (en) 2006-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6049727A (en) Implantable sensor and system for in vivo measurement and control of fluid constituent levels
EP1130998B1 (en) Device for non-invasively detecting the oxygen metabolism in tissues
DE69727776T2 (en) METHOD FOR DETERMINING THE FRACTIONAL OXYGEN SATURATION
DE10311452B4 (en) Analysis system for the reagent-free determination of the concentration of an analyte in living tissue
DE69737031T2 (en) DEVICE FOR NON-INVASIVE DETERMINATION OF BLOOD PARAMETERS
DE69632320T2 (en) ANALYSIS OF BLOOD COMPONENTS CONTROLLED BY ACTIVE IMPULSES
DE69333456T2 (en) SYSTEM METHOD FOR NON-INVASIVE MONITORING OF HEMATOCRIT VALUE
DE102006036920B3 (en) Measuring glucose concentration in pulsating blood involves determining concentration in first measurement cycle, repeating, measuring transmission, scattering for near infrared wavelengths, computing indicator value, comparing with table
DE10011284B4 (en) Apparatus for in vivo measurement of the concentration of an ingredient of a body fluid
EP2584956B1 (en) Device and method for recognising and monitoring physiological blood values
US6741876B1 (en) Method for determination of analytes using NIR, adjacent visible spectrum and discrete NIR wavelenths
EP0707826B1 (en) Method and device for determining glucose in biologic medium
DE60223787T2 (en) METHOD AND DEVICE FOR IMPROVING THE ACCURACY OF NONINVASIVE HEMATOCRIT MEASUREMENTS
EP1259791B1 (en) Method for non-invasive spectrophotometric blood oxygenation monitoring
US7698105B2 (en) Method and apparatus for improving performance of noninvasive analyte property estimation
Ferrari et al. Noninvasive determination of hemoglobin saturation in dogs by derivative near-infrared spectroscopy
CA2383725A1 (en) Method for determination of analytes using nir, adjacent visible spectrum and discrete nir wavelengths
WO2001028414A2 (en) Device for carrying out the non-invasive determination of the concentration of constituents in the blood
DE4242083C2 (en) Sensor device for reproducible, non-invasive measurement of blood glucose
DE69736556T2 (en) IMPLANTABLE SENSOR AND ARRANGEMENT FOR IN-VIVO MEASUREMENT AND CONTROL OF CONCENTRATIONS IN LIQUIDS AND GASES
DE202007019341U1 (en) Device for non-invasive measurement of blood sugar
DE19629342C2 (en) Method and arrangement for the non-invasive, transcutaneous determination of substance concentrations in body tissues
DE69333010T2 (en) NON-INVASIVE METHOD AND TOOL FOR MEASURING THE BLOOD SUGAR LEVEL
DE19937699C1 (en) Method and device for non-invasive measurement of blood components and clinical parameters
DE102009017797A1 (en) Implantable device i.e. reflective photoplethysmograph sensor, for extravascular detection of blood pressure of patient, has light absorbing optical barrier provided between solid body light source and solid body photodetector

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition