DE69812400T2

DE69812400T2 - Messung der konzentration einer substanz

Info

Publication number: DE69812400T2
Application number: DE69812400T
Authority: DE
Inventors: Borivoj Vojnovic; K. William YOUNG; Peter P.O. Box 100 WARDMAN
Original assignee: Cancer Research Campaign Technology Ltd
Current assignee: Cancer Research Campaign Technology Ltd
Priority date: 1997-11-03
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2018-06-20
Also published as: CA2309089A1; DE69812400D1; GB2330903B; DK1029233T3; AU8118898A; ATE235049T1; GB2330903C; GB9723229D0; EP1029233B1; US6531097B1; JP2002529682A; PT1029233E; CA2309089C; AU746460B2; ES2195356T3; EP1029233A1; WO1999023476A1; GB2330903A; JP4221150B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz. In einer speziellen Anwendung bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in lebenden Gewebezellen.
Zur Klärung sei erwähnt, dass der Begriff „Testsubstanz" in dieser Beschreibung verwendet wird, um die spezielle Substanz zu bezeichnen, die eine Vorrichtung oder ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung detektieren soll.
Es ist weithin bekannt, dass eine große Anzahl an fluoreszierenden Farbstoffen ihre Fluoreszenzeigenschaften in Abhängigkeit der Konzentration spezifischer Substanzen messbar verändern. Es ist z. B. bekannt, dass die Fluoreszenz von Fluorophor Tris-(4,7-diphenyl-1,10-phenanthrolin)rutheniumchlorid im umgekehrten Verhältnis zur Sauerstoffkonzentration abnimmt. Es ist bewiesen, dass sowohl die Intensität als auch die Dauer des durch die Fluoreszenz dieser Substanz emittierten Lichts in der Gegenwart von Sauerstoff reduziert wird.
Dieses Phänomen wurde bei der Messung der Sauerstoffspannung in Tumoren angewendet, wie z. B. im Aufsatz von W. K. Young, B. Vojnovic und P. Wardman „Measurement of oxygen tension in tumours by time-resolved fluorescence", British Journal of Cancer 74 (Beilage XXVII), 256–259 (1996), offenbart wird. In dieser Offenbarung umfasst das Gerät zur Messung der Sauerstoffspannung einen Sensor, in welchem ein Fluorophor in einem Polymer lokalisiert ist und an einer Endfläche einer optischen Faser aufgetragen ist. Ein Impulslaser wird dazu verwendet, Pumplicht auf die Faser aufzubringen, das an das Ffuorophor übertragen wird. Dem Impuls folgend emittiert das Fluorophor Licht, das sich entlang der Faser zurück zu einem Detektor ausbreitet. Eine Bestimmung der vorliegenden Sauerstoffkonzentration wird auf der Basis der bis zum Abklingen der Fluoreszenzemission benötigten Zeit vorgenommen, wobei die Abklingrate mit zunehmender Konzentration ansteigt. Dieser Sensor weist den Vorteil auf, dass er mit biologischem Gewebe relativ nichtreagierend ist und lebende Zellen selbst nach längerem Kontakt mit ihnen nicht beeinträchtigt, sowie dass er während des Detektionsvorganges keinen Sauerstoff verbraucht.
Der Betrieb einer solchen Vorrichtung ist größtenteils zufriedenstellend, weist jedoch einen gravierenden Nachteil auf: Um Fluoreszenz zu erzeugen, deren Intensität ausreichend ist, um gemessen zu werden, wird eine intensitätsstarke Lichtquelle benötigt. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass es dafür einer Laserquelle bedarf. Laserquellen sind zwar leicht verfügbar, jedoch relativ kostspielig, so dass sie einen signifikanten Anteil der Gesamtkosten eines Sensors ausmachen.
Die EP-A-0252578 offenbart ein System zur Messung der Konzentration einer Testsubstanz mittels eines Fluorphors.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein alternatives System zur Detektion der Konzentration einer Testsubstanz bereitzustellen, das sämtliche Vorteile der oben erwähnten Systeme nach dem Stand der Technik in sich vereint.
Gemäß einem ersten ihrer Aspekte, sieht die Erfindung einen Sensor zur Detektion der Konzentration einer Testsubstanz vor, der eine optische Faser mit einer Endfläche umfasst, auf der ein Polymerkörper angeordnet ist, in dem eine Vielzahl von Teilchen immobilisiert sind, wobei auf diesen Teilchen ein Fluorophor adsorbiert ist, wobei das Polymer so beschaffen ist, dass es das Eindringen der Testsubstanz in den Körper zulässt, so dass sie in Kontakt mit dem Fluorphor kommt, und das Fluorophor so gewählt ist, dass es eine Fluoreszenzaktivität aufweist, die bei Vorhandensein der Testsubstanz messbar verändert ist.
Es wurde herausgefunden, dass das Distributionsmuster des Fluorophors in einem Sensor als Ausführungsform der Erfindung beim Übertragen eines hohen Anteils von Licht, das vom Fluorophor erzeugt wurde, entlang der Faser zurück zur Detektion besonders effektiv ist.
Der Sensor umfasst vorzugsweise eine einzelne optische Faser, die Licht von einer Pumplichtquelle zum Polymerkörper und vom Fluorophor emittiertes Licht vom Polymerkörper zu einem Detektor überträgt. Dies vereinfacht darüber hinaus die Konstruktion des Sensors.
Man hat festgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn die numerische Apertur der optischen Faser über 0,3, in manchen Ausführungsformen vorzugsweise über 0,4, ist. In besonders bevorzugten Ausführungsformen wird eine numerische Apertur im Bereich von 0,45 bis 0,5 gewählt. Numerische Aperturen dieser Größenordnungen eignen sich besonders zum Sammeln von Licht vom Fluorophor im Körper aus aktivem Material.
Eine optische Faser für die Verwendung in einem Sensor als Ausführungsform der Erfindung besitzt vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als 300 μm. Ein Durchmesser von etwa 200 μm hat sich als besonders bevorzugt erwiesen.
Die Teilchen können geeigneterweise Kieselgelteilchen sein. Im Allgemeinen ist es vorzuziehen, dass solche Teilchen eine kleinstmögliche Größe aufweisen, da dadurch der Oberflächenbereich, auf dem Farbstoff adsorbiert werden kann, maximiert wird, und auch eine Vernetzung der Polymermatrix gefördert wird. Derzeit sind Kieselteilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 5 μm im Handel erhältlich. Die Kieselteilchen besitzen vorzugsweise einen durchschnittlichen Durchmesser von 5 μm oder weniger.
In einer besonders nützlichen Ausführungsform der Erfindung ist die Testsubstanz Sauerstoff. Ein für solche Ausführungsformen geeignetes Polymer ist ein Silicongummi. Als Fluorophor zur Verwendung in solchen Ausführungsformen eignet sich ein Rutheniumkomplex-Farbstoff, z. B. Tris(4,7-diphenyl-1,10-phenanthrolin). Es könnten jedoch auch zahlreiche andere Farbstoffen herangezogen werden, wobei eine der wichtigsten erwünschten Eigenschaften ist, dass der Farbstoff eine relativ lange Fluoreszenzlebensdauer aufweist, vorzugsweise in einer Größenordnung von mehreren μs wenn sie nicht durch die Testsubstanz gelöscht.
Im Prinzip könnte auch ein Farbstoff mit einer kurzen Fluoreszenzlebensdauer verwendet werden. Wenn dies der Fall ist, muss eine entsprechend schnelle Lichtquelle benutzt werden, um das Fluorophor anzuregen, und die Lichtquelle muss durch eine geeignet schnelle Umschaltschaltung kontrolliert werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines für das System der Erfindung geeigneten Sensors zur Messung der Konzentration einer Testsubstanz, ist so gestaltet, dass ein Fluoreszenzfarbstoff auf einer Vielzahl von festen Teilchen adsorbiert wird, die Teilchen daraufhin in einem flüssigen Polymer dispergiert werden, das flüssige Polymer und die enthaltenen Teilchen auf eine Endfläche einer optischen Faser aufgetragen werden und das flüssige Polymer gehärtet wird, um einen Polymerkörper an der Endfläche der optischen Faser auszubilden, wobei der Farbstoff so gewählt wurde, dass er eine Fluoreszenzaktivität aufweist, die in der Gegenwart der Testsubstanz messbar verändert ist, und das Polymer in gehärtetem Zustand für die Testfläche durchlässig ist.
Die optischen Fasern für solche Verfahren umfassen typischerweise einen Kern, einen Mantel und eine schützende Pufferschicht, die den Mantel umhüllt. In diesem Fall schließt das Verfahren ein Entfernen der Pufferschicht vor dem Anwenden des flüssigen Polymers von einem Endabschnitt der Faser ein. Nach der Härtung des flüssigen Polymers wird eine Schutzschicht an diesem Endabschnitt und dem Polymerkörper angebracht. Bei solchen Ausführungsformen kann die Schutzschicht aus demselben flüssigen Polymer ausgebildet werden, wie das am Endabschnitt der Faser angebrachte. Das Polymer der Schutzschicht kann im Wesentlichen rein sein, oder es kann nichttransparente Teilchen wie Ruß enthalten. Letzteres isoliert das Fluorophor vom Umgebungslicht, während die vorher erwähnte Ausführungsform eine größere Akzeptanz für die Verwendung im Kontakt mit biologischem Gewebe mit sich bringt.
Das Verfahren kann alternativ auch das Einführen des Endabschnitts durch ein hohles Element einschließen, so dass seine Endfläche, auf der das flüssige Polymer aufgetragen ist, aus dem hohlen Element herausragt, und nach erfolgtem Härten der Polymerschicht eine Schutzschicht angebracht wird, um eine Endfläche des röhrenförmigen Elements und den Polymerkörper zu bedecken. Das hohle Element kann eine hohle Nadel aus z. B. Stahl oder einem keramischem Metall sein. Die in diesem Absatz beschriebene Ausführungsform besitzt den Vorteil, dass sie eine hohe mechanische Beständigkeit aufweist.
In einem dritten ihrer Aspekte stellt die Erfindung ein System zur Messung der Konzentration einer Testsubstanz bereit, umfassend:
einen Sensor, der einen Fluorophor umfassenden Sensorkörper aufweist, wobei das Fluorophor eine Fluoreszenzaktivität aufweist, die sich in Relation zur Konzentration der Testsubstanz messbar verändert, und der ein Lichtübertragungsmittel zum Übertragen von Licht auf das und von dem Fluorophor aufweist;
eine Pumplichtquelle, die beim Betrieb dem Lichtübertragungsmittel Licht zuführt, um das Fluorophor zu aktivieren;
ein Detektor zum Detektieren von Licht, das vom Fluorophor im Polymerkörper emittiert wird, und zur Erzeugung eines Signals als Antwort;
ein Analysegerät zum Analysieren des vom Detektor erzeugten Signals und zum Berechnen der Konzentration der vom Sensor detektierten Testsubstanz aus diesem Signal; dadurch gekennzeichnet, dass
der Detektor im Betrieb transiente Veränderung beim vom Fluorophor emittierten Licht während des gleichzeitigen Betriebs der Pumplichtquelle, um Licht auf das Lichtübertragungsmittel zu übertragen, detektiert.
Dieses System ist besonders vorteilhaft, da der gleichzeitige Betrieb der Lichtquelle und des Detektors in einer deutlich höheren Fluoreszenzlichtleistung resultiert, als mit einer Impulsquelle gleicher Leuchtkraft, die kurz vor dem Betrieb des Detektors betrieben wird, erzeugt werden könnte. Aus diesem Grund muss die Lichtquelle kein Laser sein, sondern kann z. B. eine oder mehrere Leuchtdioden umfassen.
Ein System gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann durch das Analysieren der Veränderung im vom Fluorophor emittierten Licht, die nach der Inbetriebnahme der Lichtquelle einsetzt, betrieben werden. Das System als solches analysiert die Kinetik des Lichtausgangssignalszuwachses, der als Reaktion auf den Betrieb der Lichtquelle eintritt. In einem derartigen System ist es normal, die Lichtquelle für eine Zeitspanne zu betreiben, die wesentlich länger ist, als die Zeitspanne während der sich vom Fluorophor emittiertes Licht nach dem Beginn des Betriebs der Lichtquelle verändert.
In den meisten praktischen Ausführungsformen wird die Lichtquelle wiederholt betrieben, wobei das Analysemittel so betrieben werden kann, dass es einen Mittelwert aus einer Vielzahl berechneter Konzentrationswerte berechnet. Dieses Verfahren stellt sicher, dass Zufallsabweichungen in einer der Messungen die Genauigkeit des Systems nicht wesentlich beeinträchtigen.
Der Sensor in einem System gemäß diesem Aspekt der Erfindung besitzt vorzugsweise eine einzelne optische Faser, die Licht an das Fluorophor überträgt, und die Licht vom Fluorophor zum Detektor überträgt. In derartigen Ausführungsformen umfasst das System typischerweise weiters eine optische Einrichtung wie einen Strahlenteiler, um Licht, das aus der optischen Faser heraustritt, von Licht, das von der Lichtquelle in die Faser eintritt, abzuspalten.
In einem weiteren ihrer Aspekte schließt die Erfindung ein Analysesystem zur Berechnung der Lebensdauer eines sich exponentiell verändernden Signals ein, umfassend:
drei oder mehr Integrierschaltungen, die jeweils einen Eingang zum Empfangen des Signals und einen Ausgang aufweisen, an dem ein Signal erzeugt wird, das für den Wert des über die Zeit integrierten Eingangssignals repräsentativ ist;
für jeden Integrator eine Umschaltschaltung mit einem Steuereingang, die im Betrieb den Eingang des zugeordneten Integrators in Abhängigkeit vom Zustand deren Steuereingangs selektiv mit dem Signal verbindet oder von diesem trennt;
Zeitgebermittel, die auf den Beginn exponentieller Änderung des Signals ansprechen und in Betrieb sind, um Steuersignale zum Anlegen an die Steuereingänge der Umschaltschaltungen zu erzeugen, wobei die Steuersignale so getaktet sind, dass die drei Schalter ihre jeweiligen Integrierschaltungen wiederum mit dem Signal für drei gleiche und aufeinanderfolgende Zeiträume während der exponentiellen Änderung des Signals verbinden; und
Berechnungsmittel, die im Betrieb Ausgangssignale von den Integrierschaltungen erhalten und an ihnen eine Analyse vornehmen, wodurch der Lebensdauerwert der exponentiellen Änderung bestimmt werden kann.
Dieses System eignet sich besonders zum Einsatz in Systemen der obigen Aspekte der Erfindung. Sein spezieller Vorteil liegt darin, dass die mathematisch schwierige Aufgabe der Integration von schneller, kostengünstiger zweckbestimmter Hardware durchgeführt wird. Das Berechnungsmittel kann also eine relativ geringe Leistung besitzen, da es nur einige wenige einfache mathematische Operationen durchführen muss.
Die Integrierschaltungen können als Operationsverstärker-Integrierschaltung ausgeführt sein.
Wird ein Farbstoff mit relativ kurzer Fluoreszenzlebensdauer verwendet, kann es sein, dass andere, schnelle Integrierschaltungen notwendig wären.
Das Berechnungsmittel umfasst typischerweise einen Digitalcomputer mit einem Analog-Digital-Wandler, der zwischen den Integrierschaltungen und dem Berechnungsmittel vorgesehen ist. In besonders geeigneten Ausführungsformen umfasst das Berechnungsmittel einen Allzweck-PC auf Mikroprozessorbasis, wie z. B. ein Desktop-PC.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung im Detail durch ein Beispiel und mit Verweis auf die begleitenden Abbildungen beschrieben, worin:
1 eine Querschnittsansicht eines Sensors ist, der in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann;
2 ein alternativer Sensor zu dem in 1 dargestellten ist;
3 eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung als Ausführungsform der Erfindung ist;
4 eine Übersicht über die Signalverarbeitungsschaltungskonstruktion der Vorrichtung als Ausführungsform der Erfindung ist;
5 ein Diagramm der Fluoreszenzaktivität in einem Sensor ist, die während des Betriebs eines Systems als Ausführungsform der Erfindung gegen die Zeit aufgetragen wurde;
6 ein Diagramm ist, das die relative zeitliche Steuerung der Signale innerhalb des Systems (die horizontale Zeitachse muss nicht skaliert sein) darstellt; und
7 ein Schaltungsdiagramm einer elektronischen Umschaltschaltung ist, die sich zur Schnellschaltung einer LED-Diode eignet.
In den 1 und 2 sind zwei alternative Sensoranordnungen dargestellt, die verschiedene Aspekte der Erfindung in ihrer Ausführungsform vereinen, oder Teil dieser Aspekte sind.
Der Sensor 10 umfasst eine optische Faser, die aus einem lichtübertragenden Kern 12 umgeben von einem Mantel 14 aufgebaut ist. Eine schützende Pufferschicht 16 umgibt den Mantel 14, um der Faser mechanische Festigkeit und Beständigkeit zu verleihen.
Der Durchmesser der Faser, der mit dem Wert A bezeichnet ist, beträgt etwa 200 μm. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform wurde als Faser eine TECS^® optische Faser, hergestellt von der Firma 3M®, verwendet.
Die Faser besitzt eine Endfläche 20. Ein Endabschnitt der Faser 18, der sich von der Endfläche 20 weg erstreckt, ist von der Pufferschicht 16 befreit. An der Endfläche 20 ist ein Körper 22 ausgebildet. Der Körper umfasst eine Anzahl an geformten Polymeren, die so ausgebildet sind, dass sie gekrümmt von der Endfläche 20 vorragen. Innerhalb des Körpers 22 ist eine Vielzahl von Teilchen dispergiert.
Jedes der Teilchen 24 besteht aus Kieselgel. Der durchschnittliche Durchmesser der Teilchen liegt bei etwa 5 μm. Vor der Einbindung der Kieselgelteilchen in den Körper ist auf ihrer Oberfläche ein fluoreszierender Farbstoff – Tris-(4,7-diphenyl-1,10-phenanthrolin)Ru(II)Cl – adsorbiert. Dadurch ist der Farbstoff im Körper 22 immobilisiert.
In einer ersten Sensoranordnung sind der Endabschnitt 18 und der Körper 22 von einer geformten Schutzschicht 26 umhüllt, die aus demselben reinen (d. h. keine Kieselteilchen enthaltenden) Polymer wie der Körper besteht. Die Schutzschicht 26 dient dazu, dem Körper 22 mechanischen Schutz zu geben, und isoliert ihn vom klinischen Umfeld, in dem er eingesetzt werden wird. Bei einer in 2 dargestellten, alternativen Anordnung ist der Endabschnitt 18 in eine röhrenförmige feste Nadel 28 eingeführt, die zentral entlang der Achse durchbohrt ist. Die Nadel 28 ist so angeordnet, dass die Endfläche 20 der Faser im Wesentlichen an einem freien, offenen Ende der Bohrung vorliegt. Eine Schutzschicht 30 ist angebracht, um den Körper 22 und eine umgebende Endfläche der Nadel 28 zu umhüllen. Die Nadel 28 ist auch gegenüber der Pufferschicht 16 abgedichtet. Durch die Verwendung einer festen Nadel 28 entsteht ein Sensor, der eine robuste Abfühlspitze hat. Die Nadel kann aus Stahl, anderen Metallen, Keramik oder anderen Materialien hergestellt sein. Die Materialwahl hat nur eine geringe Auswirkung auf den Betrieb des Sensors. In manchen Ausführungsformen, wie z. B. ein Magnetresonanz-Abbildungsscanner, kann jedoch das Vorhandensein einer magnetischen oder leitenden Sonde unerwünscht sein. Als Alternative dazu, kann das Ende der Faser in der Bohrung der Nadel eingeschlossen sein.
Bezugnehmend auf 3 wird nun ein System beschrieben, das den Sensor aus 1 oder 2 enthält.
Eine Übersicht über das System ist in 3 dargestellt. Das System umfasst eine Lichtquelle, die aus einer Licht emittierenden Diode (LED) 40 besteht. Das Licht der LED 40 durchdringt einen 450 nm Acetatfilter 42, um in eine erste optische Faser 44 zu gelangen.
Ein Y-Strahlenteiler wird von einem 2 × 2-Teiler 46 ausgebildet, wobei ein Anschluß ungenutzt ist. Eine erste optische Faser 44 ist auf einer ersten Seite des Teilers 46 mit einem ersten Anschluß verbunden. Eine zweite optische Faser 48 ist mit einem Anschluß auf der zweiten Seite des Teilers 46 verbunden, so dass durch die erste optische Faser 44 in den Teiler 46 eintretendes Licht auf die zweite optische Faser 48 übertragen wird. Die zweite optische Faser 48 verbindet den Teiler 46 mit einem Koppler 50. Eine dritte optische Faser 52 ist mit einem zweiten Ausgang auf der ersten Seite des Teilers 46 verbunden. Die dritte optische Faser 52 verbindet den Teiler 46 mit einem Detektorelement 54, das unten detaillierter beschrieben wird.
Die LED 40, der Teiler 46 und das Detektorelement 54 sind alle in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Der Koppler 50 ermöglicht, dass eine außerhalb des Gehäuses liegende Faser durch die Wand 56 mit der zweiten optischen Faser 48 optisch verbunden wird. Hierbei ist ein Sensor 10, wie in den 1 oder 2 dargestellt, mit dem Koppler 50 verbunden.
Während des Betriebs wird von der LED 40 Licht emittiert, das durch den Acetatfilter 42 hindurch in die erste optische Faser 44 dringt. Von dort geht das Licht durch den Teiler 46 in eine zweite optische Faser 48, und anschließend durch den Koppler 50 in den Sensor 10. Das Licht führt innerhalb des Körpers 22 auf der Endfläche des Sensors 10 zu einer Fluoreszenzaktivität. Durch diese Fluoreszenzaktivität entsteht Licht mit einem Emissionsspektrum, dessen Spitze bei etwa 600 nm liegt. Dieses Licht wird vom Sensor 10 durch den Koppler 50 in die zweite optische Faser 48 übertragen. Anschließend dringt es durch den Teiler 46 in die dritte optische Faser 52, um von dort auf das Detektorelement 54 übertragen zu werden.
Das Detektorelement 54 umfasst eine Kopplungslinse 60, einen 590 nm Langpassfilter sowie eine Fotovervielfacher-Röhre 64. Aus der dritten optischen Faser 52 stammendes Licht wird von der Kopplunglinse 60 aufgenommen, und durchdringt dann den Filter 62, um von der Fotovervielfacher-Röhre empfangen zu werden. Die Fotovervielfacher-Röhre 64 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das proportional zur eingegangenen Lichtmenge ist. Die Vorrichtung sowie das Verfahren zur Verarbeitung dieses Signals werden unten beschrieben.
Bezugnehmend auf 4 wird das elektrische Signal der Fotovervielfacher-Röhre 64 bei einem Verbinder 70 in die Signalverarbeitungsschaltungen aufgenommen.
Der erste Schritt zur Verarbeitung des vom Verbinder empfangenen Signals wird von einer Verstärkerstufe 72 vorgenommen. Die Verstärkerstufe umfasst einen Operationsverstärker, der als invertierender Gleichspannungsverstärker geschaltet ist. Der Ausgang der Verstärkerstufe 74 ist ein Signal mit einer Spannung, die proportional zur von der Fotovervielfacher-Röhre 64 empfangenen Lichtmenge ist.
Dieses Signal der Verstärkerstufe wird in einen Eingang einer Integrierstufe 76 gespeist. Die Integrierstufe 76 umfasst drei idente Integrierkanäle, von denen jeder eine herkömmliche Operationsverstärker-Integrierschaltung mit einem Operationsverstärker 80, der einen zwischen seinem Ausgang und seinem nicht-invertierenden Eingang liegenden Kondensator 82 besitzt, aufweist. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 80 ist geerdet. Die Integrierschaltung verfügt an ihrem Eingang über einen Reihenwiderstand 84.
Die Integrierstufe 76 umfasst zudem drei elektronische Hochgeschwindigkeitskanalschalter 86. jeder dieser Schalter 86 verbindet einen zugehörigen Integrierkanal mit dem Eingang der Integrierstufe 76. Ein zugehöriger elektronischer Rücksetzschalter 88 ist zu jedem der Kondensatoren 82 parallel geschaltet, um durch eine Entladung des Kondensators 82 ein Zurücksetzen der Integrierschaltung zwischen den Integriervorgängen zu ermöglichen.
Die Integrierstufe 76 besitzt drei Ausgänge 90, von denen jeder mit dem Ausgang eines zugehörigen Integrierkanals verbunden ist.
Die Ausgänge 90 der lntegrierstufe 76 sind jeweils mit einem zugehörigen Eingang eines Vielkanal-Analog-Digital-Wandlers 92 verbunden. Der Analog-Digital-Wandler 92 erzeugt ein digitales Ausgangssignal, das zur Verarbeitung in einen Computer 94 eingegeben wird.
Die obenstehend beschriebene Schaltung wird von einer Zeitgeberstufe 96 gesteuert. Die Zeitgeberstufe 96 verfügt über einen Ausgang 98, um die LED 40 zu überwachen, Ausgänge 100, 102, 104, von denen jeder einen zugehörigen elektronischen Kanalschalter 86 steuert, einen Steuerausgang 106 zur Steuerung des Betriebs des Analog-Digital-Wandlers 92 sowie einen Rücksetzausgang 108, der gleichzeitig die drei Rücksetzschalter 88 bedient. Die Zeitgeberstufe weist ebenso eine Startaktivierungs-Eingangsleitung 110 auf.
Eine Systemsteuerschaltung 112 ist bereitgestellt, um die Zeitgeberstufe 96 durch die Aktivierungs-Eingangsleitung in Betrieb zu nehmen. Die Systemsteuerschaltung 112 überwacht mittels einer Interrupt-Leitung 114 auch den Betrieb des Computers.
Nach erfolgter Beschreibung des Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist es nun angebracht, die dem Betrieb zugrundeliegenden Prinzipien und nachfolgend die Betriebsweise darzulegen.
Sofort nach der Inbetriebnahme der LED 40 beginnt das Fluorophor im Sensor 10 zu fluoreszieren. Eine sauerstoffabhängige Komponente der durch derartige Fluoreszenz emittierten Lichtmenge wächst innerhalb weniger μs exponentiell bis zu einem konstanten Maximalwert. In einem solchen System variiert der Lebensdauerwert τ für das exponentielle Wachstum in Abhängigkeit des Fluoreszenzaktivitätsausmaßes in Sensor 10. Da die Fluoreszenzaktivität von der Sauerstoffkonzentration an der Sondenspitze abhängig ist, kann die Sauerstoffkonzentration ermittelt werden, wenn der Wert τ bestimmt werden kann.
Unter Verweis auf den Graphen in 5 wird das vom Ausgang der Verstärkerstufe 72 erzeugte Signal (und somit auch die von der Fluoreszenzaktivität in Sensor 10 stammenden Lichtmenge, die die Fotovervielfacher-Röhre erreicht) durch die Linie 120 dargestellt, und gegen die Zeit auf der X-Achse aufgetragen. Im Graphen ist die LED 40 bei t_zero aktiviert. Die Fotovervielfacher-Röhre detektiert, wie durch die stufenartige Niveauänderung bei 122 dargestellt, eine geringe Menge des Lichts von der LED 40, die durch den Strahlenteiler 46 entweicht.
Direkt anschließend beginnt die Fotovervielfacher-Röhre 64 Licht zu detektieren, das durch Fluoreszenz im Sensor emittiert wird. Das Licht nimmt exponentiell zu, was in einem exponentialen Ausgangssignal der Verstärkerstufe 72, dargestellt in 5, resultiert.
Es hat sich gezeigt, dass die Lebensdauer τ eines transienten exponentialen Wachstums durch Integration einer transienten Kurve über drei gleich beabstandete und gleich lange Zeitperioden berechnet werden kann.
Im Folgenden repräsentiert I1 ein Integral der Zeit t0 bis t1, I2 ein Integral der Zeit t1 bis t2 und I3 ein Integral der Zeit von t2 bis t3. Jedes der Intervalle t1–t0, t2–t1 und t3–t2 steht für die Zeit Δt. Somit gilt:
Die Anfangs- und Endwerte können ebenfalls mittels folgender Formeln bestimmt werden:
Bei der vorliegenden Erfindung werden die Integrationen, die notwendig sind, um die Werte von I1, I2 und I3 zu bestimmen, durch die drei Integrierkanäle der Integrierstufe 76 durchgeführt. Darüber hinaus wird die Integration wiederholt für eine Vielzahl an Aktivierungsstufen der LED 40 ausgeführt, um dadurch den Integrationswert zu mitteln, so dass die Auswirkung von Zufallsabweichungen im Integralwert, die durch Störungen oder andere Ursachen entstehen können, abgeschwächt werden.
Bezugnehmend auf 6 wird nun eine Messsequenz im Detail beschrieben.
In 6 ist die Zeit horizontal dargestellt. Die horizontalen Linien repräsentieren jeweils die Abweichung vom Logikzustand einer bestimmten Signalleitung innerhalb des Systems in Abhängigkeit von der Zeit. Jede Linie in 6 ist mit einem Bezugszeichen versehen, das dem jeweiligen Vorrichtungsbestandteil oder obiger Signalleitung entspricht, die durch dieses Signal gesteuert wird.
Der untere Abschnitt der 6 zeigt einen kompletten Messzyklus. Das angezeigte Intervall A–B ist 1 Sekunde.
Ein Messzyklus wird durch die Steuerschaltung 112 initiiert, die die Startaktivierungs-Eingangsleitung 110 auf LOW setzt (aktiv). Gleichzeitig wird die Interrupt-Leitung 114 auf HIGH gesetzt (inaktiv). Nach einer Verzögerung wird die Rücksetzleitung 108 auf aktiv HIGH gepulst und anschließend wieder auf LOW gesetzt, wobei die Abfallflanke des Pulses genau 1 Sekunde nach der Aktivierung der Aktivierungs-Eingangsleitung 110 eintritt.
Nun wird eine Erfassungssequenz gestartet, die sich über das Intervall C erstreckt. Jede Erfassungssequenz umfasst eine Vielzahl an Integrationssequenzen, die sich jeweils über einen variablen Zykluszeitraum, der als D im oberen Abschnitt der 6 dargestellt ist, ausdehnen. Im oberen Abschnitt der 6 ist ein Zeitdiagramm für eine Minimallängeintegrationssequenz mit einer Dauer von 50 μs (oberes Diagramm) und einer Maximallängeintegrationssequenz mit einer Dauer von 204,8 μs dargestellt. Die Anzahl der Integrationssequenzen innerhalb einer Erfassungssequenz variiert in Abhängigkeit der Länge jeder Integrationssequenz, so dass die letzte Integrationssequenz nicht später als 900 ms nach dem Start der Erfassungssequenz beginnt.
Jede Integrationssequenz umfasst folgende Schritte:

1. Zu einem Zeitpunkt L (gemessen vom Start der Integrationssequenz) wird der LED-Kontrollausgang 98 auf HIGH gesetzt, um die LED 40 einzuschalten.
2. Zwischen den Zeiten t0 und ti wird der Ausgang 100 auf HIGH gesetzt, um den ersten Kanalschalter 86 einzuschalten. Zwischen den Zeiten t1 und t2 wird der Ausgang 102 auf HIGH gesetzt, um den zweiten Kanalschalter 86 einzuschalten, und zwischen den Zeiten t1 und t3 wird der Ausgang 104 auf HIGH gesetzt, um den dritten Kanalschalter 86 einzuschalten. Jeder Kanal wird für dieselbe Zeitdauer Δt eingeschaltet (d. h. Δt = t3 – t2 = t2 – t1 = t1 – t0).
3. Nach t3 wird der LED-Kontrollausgang 98 abgeschaltet.
4. Durch das Vorsehen einer Verzögerung (bis zur gesamten Zyklusperiode D) läßt man jegliche Fluoreszenzaktivität vollständig abklingen.

Da die Zyklusperiode D variiert, bleibt das Zeitintervall zwischen L und t0 konstant. Da Δt variiert, bleibt der Verhältnis von LED-Einschaltzeit (L bis t3) zu Zyklusperiode D konstant (bei der vorliegenden Ausführungsform bei einem Verhältnis über 1 : 8). Der Hauptgrund für eine solche Variation liegt darin, sicherzustellen, dass die drei Integrationen über einen Zeitraum stattfinden, in welchem das Ausmaß an Fluoreszenzemissionen rasch variiert. Es hat sich herausgestellt, dass die Zyklusperiode D vorzugsweise so anzupassen ist, das die Beziehung
0,4τ ≤ ΔT ≤ 2,5τ
eingehalten wird.
Nach dieser Sequenz wird sich zeigen, dass jede Integrierschaltung eine Integration des Wertes der Fluoreszenzaktivität ausgeführt hat, die mit einem zugehörigen Wert der Integrale I1, I2 oder I3 aus obiger Formel entspricht.
Am Ende der Erfassungssequenz wird die Integration viele Male durchgeführt worden sein, wodurch die Auswirkung jeglicher Zufallsabweichungen im vom Fotodetektor 74 stammenden Signal abgeschwächt wird. Derartige Schwankungen können sowohl durch elektronisches Rauschen als auch durch die Quanten-Natur der zu detektierenden Photonenflußdichte entstehen. Nun wird eine Messsequenz E von etwa 100 ms gestartet.
In der Messsequenz E wird zuerst eine Verzögerung ausgeführt, um sicherzustellen, dass die letzte Integrationssequenz vollständig abgelaufen ist. Zur selben Zeit werden dann die Unterbrechungsleitung 114 und der Steuerausgang 106 aktiviert, um den Betrieb des Analog-Digital-Wandlers 92 auszulösen, der die Ausgangssignale der drei Integrierschaltungen liest, und jeweils einen entsprechenden Digitalwert erzeugt. Dieser Digitalwert wird dann bereitgestellt, um von Computer 94 gelesen zu werden.
Einen Zeitraum F vor dem Start der nächsten Erfassungssequenz, wird der Rücksetzausgang 108 aktiviert, um die Integrierschaltungen wieder bereit für den nächsten Erfassungszyklus zu machen.
Es wird sich herausstellen, dass der Computer 94 nun durch einfache arithmetische Operationen sowie eine einzelne logarithmische Berechnung einen Wert für τ ermitteln kann. Diese Berechnungen können problemlos von einem Computer mit relativ geringer Leistung innerhalb des Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Efassungsequenzen durchgeführt werden. Dies ist ein deutlicher Unterschied zu der alternativen Möglichkeit, den Computer für die Ausführung der Integrationen heranzuziehen; ein Prozess der eine wesentlich längere Verarbeitungszeit benötigen würde, wofür wiederum ein sehr leistungsstarker (und kostspieliger) Computer notwendig wäre, um derartige Berechnungen in Echtzeit durchzuführen.
Wenn der Wert von τ einmal bekannt ist, ist es auf einfache Art und Weise möglich, die prozentuelle Sauerstoffkonzentration an der Sondenspitze mittels der Stern-Volmer Beziehung zu ermitteln, die festlegt, dass:

worin τ₀ der Lebensdauerwert der Sonde in Abwesenheit von Sauerstoff ist.
Es muss festgestellt werden, dass diese ideale Beziehung nicht bei jeder beliebigen Sauerstoffspannung strikt eingehalten wird. Wenn der Farbstoff in eine Silica/Polymer-Masse eingebunden ist, kann eine bessere Näherung der Sauerstoffspannung durch die Verwendung einer modifizierten Stern-Volmer Beziehung erzielt werden, die eine Langmuirische Adsorptionsisotherme beinhaltet:

worin S und N Kalibrierfaktoren sind.
Nach der Berechnung des Werts von k kann der Computer diesen sofort einer Bedienungsperson anzeigen, oder er kann verarbeitet und in jeder beliebigen Form gespeichert werden. Der Computer kann zum Beispiel eine Tabelle mit Sauerstoffkonzentrationswerten speichern, ein sofortiges Aufzeigen der Sauerstoffkonzentration vorsehen oder einen Plotter ansteuern, der eine kontinuierliche Aufzeichnung der Variationen in der Sauerstoffkonzentration über die Zeit erstellt.
Ein Großteil der Bestandteile des Systems kann problemlos zusammengefügt werden. Man muss jedoch sichergehen, dass der elektronische Schalter, die die LED 40 steuert, eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit aufweist, so dass die LED in einem Zeitrahmen von 30 ns eingeschaltet werden kann. Dadurch kann eine genaue Messung von τ durchgeführt werden. Ein Beispiel für eine geeignete Steuerschaltung ist in 7 dargestellt. Wie zu verstehen ist, ist die Zeit, die benötigt wird, um die LED auszuschalten, nicht von Bedeutung, und kann bis zu ein paar Mikrosekunden betragen.
Obwohl sich die vorhergehende Beschreibung auf einen Sauerstoffsensor bezogen hat, kann die vorliegende Erfindung in alternativen Ausführungsformen dafür herangezogen werden, durch die Auswahl eines geeigneten Fluorophors Sensoren für andere Testsubstanzen herzustellen. Man könnte z. B. die Wasserstoffionen-Konzentration (pH) mittels eines Sulfonsäureanilids oder eines anderen aromatischen Kohlenwasserstoff-Fluorophors, eines Rhodamin-Farbstoffes, oder Hydroxypyrentrisulfonsäure messen. Die Sauerstoffkonzentration könnte alternativ mit einem Fluoranthen-Farbstoff, Pyren-Buttersäure, polycyclischem, homocyclischem oder heterocyclischem aromatischem Kohlenwasserstoff oder Lanthanoid und/oder Osmiumkomplexen ermittelt werden; die Kohlendioxidkonzentration könnte mittels Methylumbelliferon und Natriumbicarbonat, und vorhandenes Schwefeldioxid oder Wasserstoffperoxid mittels einem Fluorohor umfassenden Metallkomplex in Kombination mit einem langkettigen, Alkyl- oder Alkangruppe-Ammonium oder -Sulfat-lon bestimmt werden. Es wird angenommen, dass die Erfindung auch zur Detektion von Enzymen verwendet werden kann, wenn ein Fluorophor herangezogen wird, das Hydrolase-Oxidasen oder -dehydrogenasen des Typs des zu detektierenden Enzyms umfasst. Es wird anerkannt, dass die jeweilige für eine spezielle Messaufgabe notwendige Formulierung von Fluorophor, durch routinemäßige Versuche von Fachleuten auf dem Gebiet bestimmt werden kann.

Claims

System zum Messen der Konzentration einer Testsubstanz, umfassend: einen Sensor (10), der einen Fluorophor umfassenden Polymerkörper (22) aufweist, wobei das Fluorophor eine Fluoreszenzaktivität aufweist, die sich in Relation zur Konzentration der Testsubstanz messbar verändert, und der ein Lichtübertragungsmittel (12) zum Übertragen von Licht auf das und von dem Fluorophor aufweist; eine Pumplichtquelle (40), die beim Betrieb dem Lichtübertragungsmittel (44, 48, 12) Licht zuführt, um das Fluorophor zu aktivieren; einen Detektor (54) zum Detektieren von Licht, das vom Fluorophor im Polymerkörper (22) emittiert wird, und zur Erzeugung eines Signals als Antwort darauf; ein Analysegerät (76, 92, 94, 96) zum Analysieren des vom Detektor erzeugten Signals und zum Berechnen der Konzentration der vom Sensor (10) detektierten Testsubstanz, aus diesem Signal; dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (54) im Betrieb eine transiente Änderung des vom Fluorophor emittierten Lichts detektiert, während die Pumplichtquelle (40) gleichzeitig in Betrieb ist, um dem Lichtübertragungsmittel (44, 48, 12) Licht zuzuführen.
System nach Anspruch 1, bei dem das Analysegerät (76, 92, 94, 96) das Anwachsen des vom Fluorophor emittierten Lichts analysiert, das während eines Zeitraums nach dem Beginn des Betriebs der Pumplichtquelle (40) auftritt.
System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Lichtquelle (40) während einer Zeitspanne in Betrieb ist, die wesentlich länger als die Zeitspanne ist, während der sich das vom Fluorophor emittierte Licht nach dem Beginn des Betriebs der Pumplichtquelle verändert.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Pumplichtquelle (40) wiederholt in Betrieb ist, wobei das Analysemittel so betrieben werden kann, dass es einen Mittelwert aus einer Vielzahl berechneter Konzentrationswerte berechnet.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Pumplichtquelle (40) und der Detektor im Betrieb einem einzelnen Lichtübertragungsmittel (12) Licht zuführen und von diesem Licht empfangen.
System nach Anspruch 5, das weiters eine optische Einrichtung (46) umfasst, die im Betrieb Licht, das aus dem Lichtübertragungsmittel (48) vom Fluorophor heraustritt, vom Weg des Lichts (44) abspaltet, das von der Pumplichtquelle (40) in die optische Faser eintritt.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Pumplichtquelle (40) eine oder mehrere Licht emittierenden Diode(n) umfasst.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Lichtübertragungsmittel (44, 48, 12) eine oder mehrere optische Fasern umfasst.
System nach Anspruch 8, bei dem das Sensorlichtübertragungsmittel eine einzelne optische Faser (48) umfasst, die Licht von einer Pumplichtquelle (40) zum Polymerkörper überträgt, und die vom Fluorophor emittiertes Licht vom Polymerkörper zu einem Detektor überträgt.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Sensor (10) eine optische Faser (12) mit einer Endfläche (20) umfasst, auf der ein Polymerkörper (22) angeordnet ist, in dem eine Vielzahl von Teilchen (24) immobilisiert sind, wobei auf diesen Teilchen das Fluorophor adsorbiert ist, wobei das Polymer so beschaffen ist, dass es das Absorbieren der Testsubstanz in den Körper zulässt, so dass sie mit dem Fluorophor in Kontakt kommt, und das Fluorophor so gewählt ist, dass es eine Fluoreszenzaktivität aufweist, die bei Vorhandensein der Testsubstanz messbar verändert ist.
System nach Anspruch 10, bei dem die Teilchen (24) Kieselgelteilchen sind.
System nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Teilchen (24) einen mittleren Durchmesser von 5 μm oder weniger aufweisen.
System nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Polymer ein Silikongummi ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem die optische Faser (12) eine nummerische Apertur über 0,3 aufweist.
System nach Anspruch 14, bei dem die optische Faser (12) eine nummerische Apertur über 0,4 aufweist.
System nach Anspruch 15, bei dem die optische Faser (12) eine nummerische Apertur im Bereich von 0,45 bis 0,5 aufweist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei dem die optische Faser (12) einen Durchmesser unter 300 μm aufweist.
System nach Anspruch 17, bei dem die optische Faser (12) einen Durchmesser von etwa 200 μm aufweist.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, das so konfiguriert ist, dass es die Konzentration von Sauerstoff als Testsubstanz misst.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Fluorophor ein Rutheniumkomplex-Farbstoff ist.
System nach Anspruch 20, bei dem das Fluorophor Tris-(4,7-diphenyl-1,10-phenanthrolin)rutheniumchlorid ist.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem sich die Fluorophoraktivität mit zunehmender Konzentration der Testsubstanz reduziert.
Verfahren zum Betreiben eines Systems zum Messen der Konzentration einer Testsubstanz nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Integrationsabfolge: (a) die Pumplichtquelle (40) betrieben wird, um dem Lichtübertragungsmittel (44, 48, 12) Licht zuzuführen; (b) während des Betriebs der Pumplichtquelle vom Fluorophor emittiertes Licht als Ausgangsgröße des Sensors detektiert wird und aus dieser ein elektrisches Signal erzeugt wird; (c) das Signal verarbeitet wird, um drei oder mehr Integrationswerte des über drei oder mehrere aufeinanderfolgende Zeiträume während eines Zeitraums exponentiellen Wachstums des Signals integrierten Signals zu berechnen; in einer Datenerfassungsabfolge die Integrationsabfolge mehrfach durchgeführt wird und drei oder mehr Summen berechnet werden, die den Summen der Integrationswerte entsprechen; und ein Zeitwert aus den Summen der Integrationswerte berechnet wird und aus diesem Zeitwert die Konzentration der Testsubstanz bestimmt wird.
System zum Messen der Konzentration einer Testsubstanz, umfassend: einen Sensor (10), der einen Fluorophor umfassenden Polymerkörper (22), aufweist, wobei das Fluorophor eine Fluoreszenzaktivität aufweist, die sich in Relation zur Konzentration der Testsubstanz messbar verändert, und der ein Lichtübertragungsmittel (12) zum Übertragen von Licht auf das und von dem Fluorophor aufweist; eine Pumplichtquelle (40), die beim Betrieb dem Lichtübertragungsmittel (44, 48, 12) Licht zuführt, um das Fluorophor zu aktivieren; einen Detektor (54) zum Detektieren von Licht, das vom Fluorophor im Polymer-körper (22) emittiert wird, und zur Erzeugung eines Signals als Antwort; ein Analysegerät (76, 92, 94, 96) zum Analysieren des vom Detektor erzeugten Signals und zum Berechnen der Konzentration der vom Sensor (10) detektierten Testsubstanz aus diesem Signal; dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (54) im Betrieb Licht detektiert, das vom Fluorophor während eines transienten Zeitraums exponentiellen Anwachsens dieses Lichts emittiert wird, das während eines Zeitraums nach der Zeit auftritt, zu der die Pumplichtquelle (40) in Betrieb geht; und dass das Analysegerät (76, 92, 94, 96) vom Detektor erzeugte Signale integriert, um eine Lebensdauer für das exponentielle Anwachsens abzuleiten.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 22 und 24, worin das Analysegerät die Lebensdauer eines sich exponentiell verändernden Signals berechnet und umfasst: drei oder mehr Integrierschaltungen (76), die jeweils einen Eingang zum Empfangen des Signals und einen Ausgangs aufweisen, an dem ein Signal erzeugt wird, das für den Wert des über die Zeit integrierten Eingangssignals darstellt; für jeden Integrator (76) eine Umschaltschaltung mit einem Steuereingang, die im Betrieb den Eingang des zugeordneten Integrators in Abhängigkeit vom Zustand deren Steuereingangs selektiv mit dem Signal verbindet oder von diesem trennt; Zeitgebermittel (96),die auf den Beginn exponentieller Änderung des Signals ansprechen und in einer Zeitablauffolge in Betrieb sind, um Steuersignale zum Anlegen an die Steuereingänge der Umschaltschaltungen zu erzeugen, wobei die Steuersignale so getaktet sind, dass die drei Schalter ihre jeweiligen Integrierschaltungen wiederum mit dem Signal für drei gleiche und aufeinanderfolgende Zeiträume während der exponentiellen Änderung des Signals verbinden; und Berechnungsmittel (94), die im Betrieb Ausgangssignale von den Integrierschaltungen (76) erhalten und an ihnen eine Analyse vornehmen, wodurch der Lebensdauerwert der exponentiellen Änderung bestimmt werden kann.
System nach Anspruch 25, bei dem das Signal die Intensität der Fluoreszenz in einer Sonde anzeigt.
System nach Anspruch 25 oder 26, bei dem jede Integrierschaltung (76) eine Operationsverstärker-Integrierschaltung umfasst.
System nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem das Berechnungsmittel einen Digitalcomputer (94) umfasst, wobei das System weiters einen Analog-Digital-Wandler (92) umfasst, um dem Computer digitale Signale bereitzustellen, die die Ausgangssignale der Integrierschaltungen (76) darstellen.
System nach Anspruch 28, bei dem der Digitalcomputer (94) ein Allzweck-PC auf Mikroprozessorbasis ist.
System nach einem der Ansprüche 26 bis 29, bei dem das Zeitgebermittel (96) im Betrieb ein Signal an das Berechnungsmittel (94) sendet, um anzuzeigen, dass eine Integrationsabfolge abgeschlossen worden ist, und dass die Ausgangssignale der Integrierschaltungen (76) analysiert werden können.
System nach einem der Ansprüche 26 bis 30, bei dem die Zeitablauffolge mehrfach innerhalb einer Integrationsabfolge wiederholt wird, so dass die Ausgangssignale der Integrierschaltungen die Summe aus der Vielzahl von Integrationen des Eingangssignals darstellen.