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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Sachgebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Sensor zum Überwachen
eines Bestandteils oder eines Zustands in einem Medium, und, insbesondere,
auf einen Sensor, der lebende Muskelzellen verwendet, die eine physikalische
Bewegung in Abhängigkeit
von dem Bestandteil oder dem Zustand in dem Medium erzeugen. Eine
optische Messvorrichtung misst die Bewegung der Muskelzellen und
korreliert diese Bewegung zu Änderungen
in dem Pegel des Bestandteils oder des Zustands.
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2. Beschreibung des in
Bezug stehenden Stands der Technik
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Verschiedene
Anwendungen verwenden Sensoren für
die Messung und die Kontrolle von chemischen Konzentrations-Pegeln.
Zum Beispiel werden die Konzentrations-Pegel von bestimmten Chemikalien, z.
B. von Blei, Fluorid, usw., in öffentlichen Wasserversorgungen
typischerweise so überwacht, um
die chemischen Pegel innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten.
Die Wasserversorgungen können
auch hinsichtlich des Vorhandenseins von toxischen Chemikalien überwacht
werden.
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In
Umgebungen, in denen gefährliche
Materialien vorhanden sein können,
z. B. an industriellen Stellen, wird die Konzentration der gefährlichen
Materialien in der Umgebungsluft und in anderen Fluiden an dieser
Stelle auch überwacht
und kontrolliert. Ähnlich
werden in Herstellprozessen die chemischen Pegel in Materialien,
die während
der Prozesse verwendet werden, überwacht
und kontrolliert. In vielen Anwendungen werden Sensoren auch dazu
verwendet, das Vorhandensein von physikalischen Parametern oder
Zuständen,
wie beispielsweise Temperatur, Druck und pH-Wert, zu erfassen.
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Die Überwachung
und die Kontrolle von medizinischen Zuständen ist eine andere Anwendung, bei
der Sensoren verwendet werden, um die Pegel von Bestandteilen und
physikalischen Zuständen
zu messen und zu kontrollieren. Abweichungen von den normalen Bestandteil-Pegeln
in dem Blut und in Körpergeweben
sind zahlreichen Erkrankungen und physiologischen Zuständen zugeordnet.
Zum Beispiel sind erhöhte
Blut- und Gewebe-Kaliumionen- und
Harnstoff-Pegel Nierenerkrankungen zugeordnet; er höhte Blut-Glykose-Pegel
sind Diabetes zugeordnet; und niedrige Thyroxin-Pegel sind verschiedenen
Schilddrüsen-Fehlfunktionen
zugeordnet.
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Die
früheren
US-Patente Nr.'n
5,101,814 und 5,368,028 beziehen sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Verwenden von subkutan implantierten, lebenden Zellen als Sensoren,
um Blut-Glykose- oder andere chemische Pegel zu überwachen. Die lebenden Zellen
erfassen einen Bestandteil oder einen Zustand in dem Körpergewebe
und erzeugen ein chemisches, elektrisches oder optisches Signal
in Abhängigkeit
des Bestandteil- oder Zustand-Pegels in dem Gewebe, das die Zellen
umgibt. Das Signal wird dann erfasst und interpretiert, um einen
Anhaltspunkt zu erhalten, der für
den Bestandteil- oder Zustand-Pegel kennzeichnend ist. Die Sensorablesung kann
dazu verwendet werden, eine Medikamenten-Dosierung zu bestimmen,
eine implantierte Pumpe zu steuern oder irgendeine andere, erwünschte Behandlung
vorzunehmen.
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Die
lebenden Zellen können
von irgendeinem Typ von Zellen sein, die für einen spezifischen Bestandteil
oder Zustand sensitiv sind, und die mit dem Bestandteil oder Zustand
durch Erzeugen eines chemischen, elektrischen oder optischen Signals
reagieren. Zum Beispiel erzeugen Alpha- und Beta-Zellen der Bauchspeicheldrüse ein vorhersagbares, elektrisches
Signal auf Glykose-Pegel in dem Medium, das die Zellen umgibt, hin.
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Die
lebenden Zellen, die implantiert werden müssen, können in einer Kapsel, impermeabel
für große Moleküle, wie
beispielsweise Antikörper,
und permeabel für
kleinere Moleküle,
wie beispielsweise Nährstoffe,
enthalten sein. Falls die Zellen von dem Typ sind, der ein elektrisches
Signal auf den Bestandteil hin, der erfasst werden soll, erzeugt,
z. B. Langerhans-Inseln zum Erfassen von Blut-Glykose-Pegel, messen
metallische Elektroden in der Kapsel das elektrische Signal von
den Zellen. Die Erzeugung von elektrischen Signalen durch solche
lebenden Zellen, und die Erfassung solcher Signale, ist in den vorstehend
angegebenen US-Patenten und in den US-Patenten Nr.'n 5,190,041 und 5,529,066
beschrieben.
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Während die
US-Patente Nr.'n
5,101,814 und 5,368,028 die Verwendung von lebenden Zellen als Sensoren
offenbaren, sind diese Zellen von dem Typ, der ein elektrisches
Signal, ein chemisches oder optisches Signal in Abhängigkeit
eines Bestandteils oder eines Zustands, für den die Zellen empfindlich sind,
erzeugt. Andere Typen von Zellen, z. B. Muskelzellen, unterliegen
einer physikalischen Bewegung, wenn sie einem Zustand oder einer
Bedingung, auf die die Zellen empfindlich sind, ausgesetzt sind. Dementsprechend
existiert ein Bedarf nach einem Sensor, der den letzteren Typ von
lebenden Zellen verwendet, um Bestandteil- und Zustand-Pegel zu erfassen,
und nach einem optischen Messsystem zum Erfassen der Bewegung der
lebenden Zellen und zum Korrelieren der Bewegung zu einem Bestandteil-
oder Zustand-Pegel basierend auf einer vorbestimmten Ansprechcharakteristik
für die
Zellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist ein System zum Überwachen eines Bestandteils
oder eines Zustands in einem Medium, wie es in den beigefügten Ansprüchen beansprucht
ist. Das System verwendet lebende Muskelzellen, die in das Medium
eingetaucht sind. Die Muskelzellen sind für den Bestandteil oder den
Zustand empfindlich und sprechen durch physikalische Bewegung an,
wenn sie dem Bestandteil oder dem Zustand ausgesetzt werden.
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Eine
optische Messvorrichtung misst die physikalische Bewegung der Muskelzellen
und korreliert die physikalische Bewegung zu einem Pegel des Bestandteils
oder des Zustands in dem Medium oder einer Änderung davon. In einer Ausführungsform
ist das Medium menschliches Körpergewebe
und die Muskelzellen sind subkutan implantiert, entweder chirurgisch
oder durch eine hypoderme Nadel. Alternativ kann das Medium irgendein
Fluid sein, in Bezug auf das erwünscht
ist, den Bestandteil oder den Zustand, für den die Zellen empfindlich
sind, zu erfassen.
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Eine
Ausgabevorrichtung ist mit der optischen Messvorrichtung verbunden.
Die Ausgabevorrichtung kann, zum Beispiel, i) ein Alarm zum Erzeugen
eines Alarmsignals, falls der Pegel des Bestandteils oder des Zustands
in dem Medium außerhalb
eines vorbestimmten Bereichs liegt, ii) ein Speicher zum Speichern
des Pegels des Bestandteils oder des Zustands über eine Zeitperiode; oder
iii) eine Anzeige zum Anzeigen des Pegels des Bestandteils oder
des Zustands; sein.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die optische Messvorrichtung eine Lichtquelle zum Transmittieren
eines Lichtstrahls zu den Muskelzellen hin, einen Reflektor, der
an den Muskelzellen zum Reflektieren des Lichtstrahls angebracht
ist, wobei der Reflexionswinkel mit der physikalischen Bewegung
der Muskelzellen variiert, und einen Detektor zum Detektieren einer Änderung
des Reflexionswinkels. Ein Prozessor korreliert die Änderung
in dem Reflexionswinkel zu der Änderung
in dem Pegel des Bestandteils oder des Zustands in dem Medium.
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In
einer alternativen Ausführungsform
umfasst die optische Messvorrichtung eine Lichtquelle zum Transmittieren
eines Lichtstrahls zu den Muskelzellen hin, und einen Fotodetektor
zum Erfassen der Menge an Licht, das durch die Muskelzellen und
um diese herum transmittiert ist. Die Muskelzellen können zwischen
der Lichtquelle und dem Fotodetektor angeordnet sein oder die Muskelzellen
können
zwischen der Lichtquelle und einem Reflektor angeordnet sein, wobei
der Fotodetektor zum Aufnehmen des Lichts, reflektiert durch den
Reflektor, positioniert ist. Ein Prozessor korreliert eine Änderung
in dem Teil des Lichts, der durch die Muskelzellen und um diese herum
führt,
zu dem Pegel des Bestandteils oder des Zustands in dem Medium.
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In
einer anderen, alternativen Ausführungsform
umfasst die optische Messvorrichtung eine Lichtquelle zum Transmittieren
eines Lichtstrahls zu den Muskelzellen hin, und einen Fotodetektor
zum Erfassen der Menge an Licht, das durch die Muskelzellen hindurchführt. Die
Muskelzellen können
zwischen der Lichtquelle und dem Fotodetektor angeordnet sein oder
die Muskelzellen können
zwischen der Lichtquelle und einem Reflektor angeordnet sein, wobei
der Fotodetektor zum Aufnehmen des Lichts, das durch den Reflektor
reflektiert ist, und zum Erfassen der Menge an Licht, das durch
die Muskelzellen hindurchführt,
positioniert ist. Ein Prozessor korreliert eine Änderung in der Menge an Licht,
das durch die Muskelzellen hindurchführt, zu dem Pegel des Bestandteils
oder des Zustands in dem Medium.
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Elektroden
können
an den Muskelzellen zum Stimulieren der physikalischen Bewegung
der Muskelzellen angebracht sein. Falls die Muskelzellen subkutan
implantiert sind, ist die optische Messvorrichtung vorzugsweise
zumindest teilweise außerhalb
des Körpers
angeordnet. Die optische Messvorrichtung kann auch einen subkutan
implantierten Sender und einen Empfänger, angeordnet außerhalb des
Körpers,
umfassen, wobei der Sender und ein Empfänger außerhalb des Körpers angeordnet
sind, wobei der Sender Informationen, die sich auf die physikalische
Bewegung der Muskelzellen beziehen, zu dem Empfänger sendet.
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Die
Muskelzellen und der Detektor oder der Reflektor können innerhalb
einer Kapsel eingehüllt sein.
Die Kapsel umfasst i) eine Membran, die für große Moleküle im permeabel ist und für Nährstoffe permeabel
ist, und ii) einen Bereich, der für Licht transparent ist.
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Schließlich umfasst
ein System zum Überwachen
eines Bestandteils oder eines Zustands in einem Medium:
- (a) lebende Muskelzellen des Typs, der vorstehend beschrieben
ist, eingetaucht in das Medium;
- (b) eine subkutan implantierbare Kapsel, die die lebenden Muskelzellen
umgibt, wobei die Kapsel einen transparenten Bereich aufweist; und
- (c) Mittel, um optisch die physikalische Bewegung der Muskelzellen
durch den transparenten Bereich zu messen und um die physikalische
Bewegung zu einem Pegel einer Änderung
in dem Pegel des Bestandteils oder des Zustands in dem Medium zu
korrelieren.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A–1B stellen
schematische Ansichten des Systems der vorliegenden Erfindung dar.
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2A–2B stellen
schematische Ansichten einer alternativen Ausführungsform des Systems der
Erfindung dar.
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3A–3B stellen
schematische Ansichten einer anderen, alternativen Ausführungsform des
Systems der Erfindung dar.
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4 stellt
eine schematische Ansicht einer anderen, alternativen Ausführungsform
der Erfindung dar, in der die Zellen in einer Kapsel eingeschlossen
sind.
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5 stellt
eine schematische Ansicht einer anderen, alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar, in der die Zellen in einer Kapsel
eingeschlossen sind.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Sensor, bei dem das Element, das die
Erfassung durchführt,
eine Masse an lebenden Muskelzellen des Typs ist, der sich in einer
vorbestimmten Art und Weise zusammenzieht, oder in anderer Weise
mit einer vorbestimmten, physikalischen Bewegung reagiert, und zwar
unter Aussetzen eines Bestandteils, oder wenn er einem Zustand unterworfen
wird, für
den die Muskelzellen empfindlich sind.
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Wie
in 1A dargestellt ist, ist ein optischer Detektor 12 in
enger Nähe
zu den lebenden Muskelzellen 10 des Typs, der vorstehend
beschrieben ist, platziert, um optisch das bewegungsmäßige Ansprechverhalten
der Muskelzellen zu messen. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Muskelzellen 10 subkutan implantiert und werden
verwendet, um Bestandteile oder Zustände in dem menschlichen Körper zu
erfassen. Für
subkutane Anwendungen misst die Zellen-Masse 10 vorzugsweise
weniger als 1 mm im Durchmesser, so dass die Zellen über eine
hypoderme Nadel injiziert werden können. Für andere Anwendungen können die
Zellen in irgendeiner Umgebung platziert werden, in der es erwünscht ist,
den Bestandteil oder den Zustand, für den die Zellen empfindlich
sind, zu erfassen.
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Der
optische Detektor 12 ist vorzugsweise oberhalb der Haut,
in irgendeinem erwünschten
Gehäuse,
angeordnet, und optische Messungen der Zellenbewegung werden transkutan
vorgenommen. Der optische Detektor 12 wird vorzugsweise
mittels Batterie angetrieben, obwohl irgendeine erwünschte Energieversorgungsquelle
verwendet werden kann, und umfasst eine Lichtquelle 14,
einen Reflektor 16 und einen Detektor 18. Die
Lichtquelle 14 ist eine Glühlampe, eine LED, ein Laser,
oder irgendeine andere, geeignete Lichtquelle, und erzeugt einen
Lichtstrahl unter irgendeiner geeigneten Wellenlänge. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Lichtstrahl von einer infraroten oder sichtbaren Wellenlänge, der
transkutan ohne nicht akzeptierbare Verluste transmittiert werden
kann. Der Reflektor 16 ist ein Spiegel, eine Metalloberfläche oder
irgendein anderes Material, das Licht reflektiert. Der Reflektor 16 wird
an die Muskelzellen 10 durch ein Klebemittel angebracht,
oder durch irgendeine andere Befestigungstechnik. Falls erwünscht, kann
der Reflektor 16 aus einem nicht reflektiven Material,
beschichtet mit einem Material, das Licht reflektiert, aufgebaut
sein.
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Der
Detektor 18 nimmt das Licht, reflektiert von dem Reflektor 16,
auf und überwacht
den Winkel des reflektierten Lichts, um Änderungen in der relativen
Kontraktion oder den Bewegungen von Muskelzellen 10 zu
erfassen. Der Detektor 18 ist vorzugsweise ein lineares
Feld aus Lichterfassungselementen, wie beispielsweise Fotodetektoren
oder ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCD's). Jedes Lichterfassungselement erzeugt
ein Ausgangssignal, das für die
Lichtmenge, aufgebracht auf jedes Element, kennzeichnend ist, oder
ein Signal, das anzeigt, wenn die Menge an Licht, aufgebracht auf
das Element, einen Schwellwert übersteigt.
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Im
Betrieb richtet die Lichtquelle 14 einen Lichtstrahl 20 transkutan
zu einem Reflektor 16. Der Reflektor 16 reflektiert
dann das Licht transkutan zu dem Detektor 18. Wie in den 1A und 1B dargestellt
ist, ändert
sich der Reflexionswinkel des Lichtstrahls 20, der den
Detektor 18 erreicht, in Abhängigkeit einer Kontraktion
der Muskelzellen 10. 1A stellt
Muskelzellen 10 in einem nicht-kontrahierten Zustand dar,
wobei das Detektorelement „A" beleuchtet ist. 1B stellt
Muskelzellen 10 in einem kontrahierten Zustand dar, wobei
das Detektorelement „B" beleuchtet ist.
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Ein
Prozessor (nicht dargestellt) ist mit einem Ausgang des Detektors 18 verbunden.
Der Prozessor überwacht
die Elemente des Detektors 18, die beleuchtet sind, und
bestimmt die Änderung,
oder die Rate einer Änderung,
in dem Reflexionswinkel des Lichtstrahls 20 basierend auf Änderungen
in den Elementen, die beleuchtet sind. Die Charakteristika eines
Ansprechens der lebenden Zellen sind so vorbestimmt, dass der Prozessor
eine Durchsichtstabelle umfasst, um eine Bewegung der Zellen zu Änderungen
in dem Bestandteil oder dem Zustand, für den die Zellen empfindlich
sind, zu korrelieren. Wenn der Prozessor einmal eine winkelmäßige Bewegung
des Reflektors bestimmt hat, korreliert er die Charakteristika einer
solchen Änderung
(z. B. die Größe oder
die Frequenz der Änderung
zu einer Änderung
in dem Bestandteil oder dem Zustand in dem Medium, in dem die Muskelzellen
angeordnet sind, basierend auf den vorbestimmten Charakteristika
für die
Muskelzellen.
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Falls
erwünscht,
kann der Prozessor einen Ausgang erzeugen, der für den Pegel des Bestandteils
oder des Zustands kennzeichnend ist, ein Alarmsignal kann erzeugt
werden, oder korrigierende Maßnahmen
können
vorgenommen werden, um den Bestandteil- oder Zustand-Pegel innerhalb
eines erwünschten
Bereichs, usw., einzustellen.
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Die „lebenden
Muskelzellen", wie
sie hier verwendet sind, können
irgendein Typ eines lebenden Gegenstands sein, ob nun technische
Muskelzellen oder nicht, z. B. Wachstumskegel, die mit einer vorbestimmten,
physikalischen Bewegung unter Aussetzen gegenüber einem Bestandteil reagieren,
oder wenn sie einem Zustand unterworfen werden, für den der
lebende Gegenstand empfindlich ist. Solche Zellen oder Teile davon
werden normalerweise einer Kontraktion unterworfen, wobei deren
kontraktilen Charakteristika unter Aussetzen gegenüber dem
Bestandteil oder dem Zustand geändert
werden. Allgemein bezieht sich, wenn die Muskelzellen in einer Masse
vorhanden sind, die physikalische Bewegung, die hier diskutiert
ist, auf eine Kontraktion oder Bewegung der Masse, im Gegensatz
dazu, dass sie sich auf eine Kontraktion oder Bewegung der individuellen
Zellen in der Masse bezieht. Die physikalische Bewegung kann eine
Variation in der Rate einer Kontraktion der Muskelzellen, eine Variation
in der Größe der Kontraktion,
oder beides, sein. Auch können
andere Kontraktions-Parameter, z. B. Kontraktionsdauer, Frequenz,
und dergleichen, überwacht
werden, und zwar zusätzlich
zu, oder anstelle von, einer Überwachung
der Intensität
oder der Rate einer Muskelzellenkontraktion. Zum Beispiel können lebende
Zellen 10 Herzmuskelzellen sein. Bei diesem Typ einer Zelle ändert sich
die Rate einer Kontraktion der Muskelzellen in Abhängigkeit
von Hormonen, wie beispielsweise Adrenalin, von Mitteln, wie beispielsweise
Acetylcholin und verschiedenen Beta-Blockern, ebenso wie von physikalischen
Zuständen,
wie beispielsweise mechanische Spannung, Temperatur oder anderer
Stimulationen.
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Die
Muskelzellen können
alternativ von der Gebärmutter
oder anderen Muskeln von dem weiblichen Gebärsystem sein, das auf Hormone,
wie beispielsweise Östrogene,
Progesterone, luteinisierende Hormone (LH), und andere Hormone,
durch Ändern
deren Rate einer Kontraktion anspricht.
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Es
wird verständlich
werden, dass verschiedene Typen von Muskelzellen in dem System der
Erfindung verwendet werden können,
vorausgesetzt, dass die Muskelzellen für die Zusammensetzung oder
den Zustand, der erfasst werden soll, empfindlich sind, und dass
die mechanischen Aspekte der Erfassungsvorrichtung entsprechend
dem Typ eines Ansprechens der Zellen, gezeigt in Bezug auf die Zusammensetzung
oder den Zustand, modifiziert werden. Es wird auch ersichtlich werden,
dass das System der Erfindung in einer Vielzahl von nicht-medizinischen
Anwendungen ebenso verwendet werden kann, wie beispielsweise ein Überwachen
von Wasser, von Luft und von anderen Fluiden für eine Vielfalt von Bestandteilen
oder Zuständen.
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Die 2A–2B stellen
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung dar. Lebende Muskelzellen 30 des Typs, der
vorstehend diskutiert ist, werden subkutan implantiert, entweder
durch Injektion oder durch chirurgische Implantation, oder werden
in irgendeinem anderen Medium platziert, um eine Zusammensetzung
oder einen Zustand, für
den die Zellen 30 in dem Körpergewebe oder dem Medium
empfindlich sind, zu überwachen.
Eine optische Messvorrichtung 31, die vorzugsweise oberhalb
der Haut angeordnet ist, umfasst eine Lichtquelle 32 des Typs,
der vorstehend beschrieben ist, die einen Lichtstrahl 36 transkutan
auf die Muskelzellen richtet. Während
die Muskel zellen vorzugsweise etwas transparent für Licht
sind, wird die Größe der Zellen-Masse
so ausgewählt,
dass dann, wenn sich die Muskelzellen 30 in einem nicht-kontrahierten
Zustand befinden (2A), kein Licht von dem Lichtstrahl 36 durch
das Fotodetektorfeld 34 erfassbar ist, entweder da das
Licht nicht das Feld erreicht oder da das Feld einen Schwellwertdetektor
umfasst und das Licht, das das Feld erreicht, nicht den Schwellwert übersteigt.
Wenn sich Muskelzellen 30 aufgrund einer Änderung
in der chemischen Konzentration oder dem Vorhandensein des Zustands ändern, erhöht sich
das Licht, das den Fotodetektor 34 erreicht. Diese Erhöhung, oder
Rate einer Erhöhung,
in dem Anteil des Lichtstrahls 36, der den Fotodetektor 34 erreicht,
kann zu einer Änderung
in dem Bestandteil- oder Zustand-Pegel durch einen Prozessor (nicht dargestellt)
korreliert werden, der mit dem Fotodetektor verbunden ist. Es wird
ersichtlich werden, dass der Prozessor so aufgebaut sein kann, um
den Pegel der chemischen Konzentration oder das Vorhandensein des
Zustands basierend auf einer Änderung in
der Menge an Licht, das durch die Muskelzellen hindurchführt und
den Fotodetektor erreicht, zu bestimmen. Dementsprechend kann eine
bestimmte Lichterfassung an dem Fotodetektor mit den Muskelzellen
in einem nicht-kontrahiertem Zustand auftreten, falls dies erwünscht ist.
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Die 3A–3B stellen
eine andere, alternative Ausführungsform
der Erfindung dar. In 3A sind Muskelzellen 30 in
einem nicht-kontrahiertem Zustand dargestellt. Wenn eine Änderung
in dem Bestandteil- oder Zustand-Pegel bewirkt, dass sich Muskelzellen 30 kontrahieren,
wie dies in 3B dargestellt ist, verändert sich
die Menge an Licht, absorbiert durch die Muskelzellen, aufgrund des
mechanischen Ansprechverhaltens der Muskelzellen. Je stärker die
Kontraktion der Muskelzellen 30 ist, desto länger ist
der Durchgangsweg von Licht durch die Muskelzellen 30,
wodurch eine größere Schwächung des
Lichtstrahls 36 und eine geringere Intensität des Lichts,
das den Fotodetektor 34 erreicht, verursacht wird. Falls
nur die Größe des Lichts,
das durch die Zellen-Masse hindurchführt, in dem Korrelationsvorgang
verwendet wird, muss der Fotodetektor 34 kein Feld von
Detektoren sein, sondern anstelle davon kann ein einzelner Fotodetektor verwendet
werden, der die Menge an Licht, die empfangen ist, in ein elektrisches
Signal umwandelt.
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4 stellt
eine Ausführungsform
der Erfindung dar, in der eine Kapsel 40 Muskelzellen 42 und einen
Reflektor 44 enthält.
Die Kapsel 40 ist vorzugsweise unter der Hautfläche 45 eines
Patienten implantiert. Eine Befestigungseinrichtung 46 kann
zum Befestigen des Reflektors 44 an Muskelzellen 42 vorgesehen
sein. Die Befestigungseinrichtung 46 kann virtuell irgendeine
geeignete Einrichtung zum Befestigen von Muskelzellen 42 an
dem Reflektor 44 sein, einschließlich einer mechanischen Befestigungseinrichtung,
einer chemischen Befestigungseinrichtung, von Klebemitteln, und
dergleichen. Zusätzlich
können
die Muskelzellen 42 an dem Reflektor an einem einzelnen
Punkt befestigt sein, wie dies in 4 dargestellt
ist, oder an mehreren Punkten (nicht dargestellt).
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Die
Kapsel 40 weist äußere Wände 47 auf, die
sich vollständig
um die lebenden Zellen herum erstrecken. Wie in weiterem Detail
nachfolgend diskutiert ist, umfasst ein Bereich der äußeren Wände der Kapsel
eine Membran 48, die für
große
Moleküle
impermeabel ist, und für
Nährstoffe,
notwendig für
ein Überleben
der Muskelzellen, permeabel ist. Ein Bereich 49 der Kapsel
ist für
Licht transparent.
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Eine
externe, optische Messvorrichtung 50 ist oberhalb der Haut
zum Messen von Änderungen in
den Muskelzellen positioniert. Die Messvorrichtung 50 umfasst
eine Lichtquelle 52, um einen Lichtstrahl 53 auf
den Reflektor 44 zu richten, und einen Detektor 54,
um die Änderung
in der Menge oder der Intensität
des Lichts, reflektiert durch den Reflektor 44, aufgrund
einer Bewegung der Muskelzellen auf eine Änderung in dem Bestandteil-
oder Zustand-Pegel in der Nähe
der Muskelzellen hin, zu messen. Ein Prozessor 56, der
mit dem Detektor 54 verbunden ist, bestimmt die Bewegung
der Muskelzellen aufgrund der Lichtmenge, empfangen an dem Detektor,
und korreliert diese zu der Änderung
in dem Bestandteil- oder Zustand-Pegel. Diese Informationen werden
zu einer Ausgabeeinrichtung 58 geschickt, die eine Anzeige,
einen Alarm, oder irgendeine andere, geeignete Ausgabevorrichtung
sein kann, oder die Informationen können einfach für ein späteres Abspielen
aufgezeichnet werden. Eine optionale Einrichtung zum Vornehmen von
korrigierenden Maßnahmen 60,
z. B. eine Pumpe, ist mit der Ausgabeeinrichtung 58 verbunden.
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Die
Messvorrichtung 50 ist entweder vorzugsweise in der Hand
haltbar oder an der Haut nahe der Stelle befestigt, wo die Kapsel 40 implantiert
worden ist. Zum Beispiel kann die Messvorrichtung 50 an dem
Körper, ähnlich einer
Armbanduhr, aufgebracht auf einem Klebefeld, angeschnallt werden,
oder kann durch irgendeine andere Befestigungseinrichtung, wie beispielsweise
Klebemittel, und dergleichen, befestigt werden. Um die Ausrichtung
der Messvorrichtung zu der Kapsel beizubehalten, kann eine transkutane
Befestigung, z. B. ein sehr dünner
Draht, zwischen der Messvorrichtung und der Kapsel vorgenommen werden.
Für nicht-medizinische
Anwendungen kann die Ausrichtung durch irgendeine geeignete, physikalische
Struktur beibehalten werden.
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Im
Betrieb sendet die Lichtquelle 52 einen Lichtstrahl 53 durch
die Muskelzellen 42 und zurück zu dem Detektor 54.
Eine Änderung
in der chemischen Konzentration oder dem Zustand, für die die Zellen
empfindlich sind, bewirkt eine Kontraktion der Muskelzellen 42,
was eine erfassbare Änderung
in der Intensität
des Lichtstrahls 53, reflektiert von dem Reflektor 44 zurück zu dem
Detektor 54, verursacht. Der Detektor 54 erfasst
die Änderung,
oder die Rate einer Änderung,
in der Intensität
des Lichtstrahls 53 und der Prozessor 56 korreliert
diese Änderung
zu den vorbestimmten Ansprechcharakteristika für die Muskelzellen.
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5 stellt
eine noch andere Ausführungsform
der Erfindung dar. Eine subkutan implantierte Kapsel 70 umgibt
die Muskelzellen 72 und einen Fotodetektor 74.
Eine Befestigungseinrichtung 76 befestigt die Muskelzellen 72 an
dem Fotodetektor 74. Ein Bereich der äußeren Wände 78 der Kapsel
weist eine Membran 79 auf, die für große Moleküle impermeabel ist und für Nährstoffe,
notwendig für
ein Überleben
der Muskelzellen 72, permeabel ist. Die Kapsel 70 besitzt
einen Bereich 80, der für
Licht transparent ist.
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Ein
Sender 81 empfängt
den Ausgang des Fotodetektors 74 und verstärkt ihn
und sendet den Ausgang zu der Hautoberfläche. Eine Messvorrichtung 82,
die oberhalb der Hautfläche
angeordnet ist, umfasst eine Lichtquelle 83, die einen
Lichtstrahl 92 erzeugt, und einen Empfänger 84. Der Sender 81 und
der Empfänger 84 sind
vorzugsweise so kompatibel, dass ein Signal, erzeugt durch den Sender 81, durch
den Empfänger 84 empfangen
wird. Der Sender 81 ist vorzugsweise ein herkömmlicher
HF- oder Mikrowellensender. Energie kann entweder direkt zu dem
Sender mittels einer Batterie oder einem vorab aufgeladenen Kondensator
(nicht dargestellt), implantiert innerhalb der Kapsel, durch eine
indirekte Einrichtung von oberhalb der Haut, wie beispielsweise
eine induktive oder kapazitive Kopplung, oder durch Implantieren
einer Fotozelle, die den Sender mit Energie versorgt, unter Verwendung
des Lichts von der Lichtquelle 83, versorgt werden. Der
Sender 81 kann irgendein Typ einer Kommunikationsvorrichtung
sein, geeignet, ein Signal von unterhalb der Hautfläche zu oberhalb
der Hautfläche
zu übertragen.
Ein Prozessor 86 korreliert die mechanische Bewegung der
Muskelzellen zu ei ner Änderung
in der chemischen Konzentration oder dem Vorhandensein des Zustands,
für den
die Zellen empfindlich sind. Der Prozessor sendet den korrelierten
Wert zu einer Ausgangs- oder Speichervorrichtung 88. Eine
optionale Einrichtung zum Erzeugen eines Alarmsignals oder zum Vornehmen
korrigierender Maßnahmen 90 ist
mit der Ausgabeeinrichtung 88 verbunden.
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Im
Betrieb ist die Kapsel 70 unter der Hautfläche 91 eines
Patienten implantiert. Aufgrund der Größe des Senders kann es für die Implantierung notwendig
sein, dass sie chirurgisch vorgenommen wird. Eine Messvorrichtung 82 wird über der
Kapsel gehalten, oder an dem Körper
des Patienten nahe der Stelle der Kapsel befestigt. Eine Lichtquelle 83 richtet
einen Lichtstrahl 92 durch die Muskelzellen 72 zu
dem Fotodetektor 74. Der Sender 81 verstärkt und sendet
das Signal, empfangen durch den Fotodetektor 74, das telemetrisch
durch die Hautfläche 91 durch
einen Empfänger 84 erfasst
wird.
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Viele
Typen von Muskelzellen zeigen spontan die physikalische Bewegung,
die hier beschrieben ist, z. B. eine Kontraktion, mit den Änderungen
in der Bewegung, z. B. Änderungen
in der Größe, der Rate,
der Dauer, der Frequenz, usw., der Konzentration, unter Aussetzen
dem Bestandteil oder dem Zustand, was auch spontan erfolgen kann.
Bestimmte andere Typen von Muskelzellen können nicht spontan auf den
Bestandteil oder den Zustand ansprechen, für den die Zellen empfindlich
sind, erfordern allerdings eine externe Stimulation, um ein solches Ansprechen
zu zeigen. Dementsprechend sind optionale Elektroden 93 in
Kontakt mit den Muskelzellen vorgesehen, um periodisch, elektrisch
die Muskelzellen 72 zu stimulieren. Die Elektroden werden
durch die Batterie oder eine andere Energieversorgungsquelle mit
Energie versorgt und werden dazu verwendet, zu bewirken, dass die
Muskelzellen auf Änderungen
in dem Zusammensetzung- oder Zustand-Pegel ansprechen. In der Praxis
werden die Zellen stimuliert, während
Licht auf die Zellen gerichtet wird und während Messungen in Bezug auf
die Bewegung vorgenommen werden. Auf diese Art und Weise zeigen die
Zellen das erwünschte
Ansprechverhalten, z. B. eine Kontraktion, unter einer Rate oder
Größe, die
zu dem Bestandteil- oder Zustand-Pegel in Bezug gesetzt sind, während Bewegungs-Messungen
vorgenommen werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
(nicht dargestellt) wird das vorliegende System in Kombination mit
einem System zum Erfassen der elektrischen, chemischen oder optischen
Charakteristika der Zellen verwendet, wie dies in dem US-Patent
Nr. 5,368,028 diskutiert ist. Die Verwendung von zwei Typen von
Signalen, erzeugt durch die Zellen-Masse, liefert eine verbesserte
Genauigkeit des Systems.
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In
Ausführungsformen
der Erfindung, bei denen die Zellen in einer Kapsel enthalten sind,
wird die Implantierung vorzugsweise an einer Stelle vorgenommen,
wo die Haut dünn
und relativ transparent ist, wie beispielsweise die innere (plantare)
Seite des distalen Teils des Unterarms. Allgemein gesagt ist die Kapsel
von dem Typ, der in den früheren
Patenten beschrieben ist. Die Kapsel ist vorzugsweise 0,3–1,0 mm
in der Größe, obwohl
die Kapsel so dimensioniert sein kann, um die Erfordernisse der
Anwendung zu erfüllen.
Zumindest ein Teil der Kapselwand umfasst eine semipermeable Membran,
die ermöglicht,
dass Nährstoffe
und Ausscheidungen in die Kapsel eintreten und diese verlassen,
während
die Bewegung von großen
Molekülen,
wie beispielsweise Proteinen und Antikörpern, die Molekulargewichte
von ungefähr 30.000–50.000
haben, blockiert werden. Die Diffusion nach innen von Nährstoffen
und die Diffusion nach außen
von Ausscheidungen in der Kapsel sollten ausreichend sein, um ein
langzeitiges Überleben
von Muskelzellen zu unterstützen.
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Falls
die Kapsel in medizinischen Anwendungen verwendet wird, wird sie
vorzugsweise aus biokompatiblen Materialien, wie beispielsweise
PSF (Polysylfon) und PVC/PAN (Polyvinylchlorid/Polyacrylonitril)
Polymeren, aufgebaut.
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Es
wird ersichtlich werden, dass, obwohl die vorliegende Erfindung
im Detail in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben worden
ist, sie in Arten und Weisen modifiziert werden kann, die für Fachleute
auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden. Zum Beispiel
wird, wenn ein Lichtstrahl auf die Muskelzellen aufgebracht wird,
ein Schatten erzeugt. Ein Detektor könnte verwendet werden, um eine
Bewegung des Schattens zu erfassen und um diese Bewegung zu Änderungen
in dem Bestandteil oder dem Zustand, für den die Zellen empfindlich
sind, zu korrelieren. Die Bewegung des Schattens kann unter Verwendung
irgendeiner geeigneten Kantenerfassungstechnik erfasst werden.
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Noch
allgemeiner existieren, obwohl die vorliegende Erfindung im Detail
unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen und Beispiele
beschrieben worden ist, Variationen und Modifikationen, die innerhalb
des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung fallen, wie sie in
den nachfolgenden Ansprüchen
definiert sind.