ES2290355T3 - Procedimiento espectroscopico de determinacion de una concentracion de analito en una muestra. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento espectroscópico de determinación de una concentración de analito en una muestra biológica que comprende agua y una proteína, comprendiendo el procedimiento: producir un espectro de absorbancia de la muestra; estando caracterizado el procedimiento porque además comprende: desplazar el espectro de absorbancia a cero sustancialmente en una longitud de onda isosbéstica en la que tanto el agua como la proteína tienen sustancialmente la misma absorbancia; y restar una contribución del agua del espectro de absorbancia.

Description

Procedimiento espectroscópico de determinación de una concentración de analito en una muestra.

Antecedentes de la invención Campo de la invención

La descripción en el presente documento se refiere en general a procedimientos para determinar la composición de una muestra de material analizando energía infrarroja que ha sido pasada a través de la muestra de material o ha sido emitida desde la misma.

Descripción de la técnica relacionada

Al tomar mediciones de una muestra de sangre (u otros materiales) para evaluar un aspecto particular como el contenido de glucosa, se producen varios problemas. Se recoge una muestra en/sobre una tira de ensayo, o cubeta, o quizá mediante un medio no invasivo, por el cual se aplica una fuente a la muestra de sangre (o tejido en un sentido no invasivo) y pueden analizarse los constituyentes. Cuando se toman las lecturas iniciales, aparecen muchos analitos sanguíneos en los datos y la siguiente etapa es identificar qué lectura está correlacionada con cada constituyente particular para identificar y cuantificar el analito sanguíneo de interés.

Por ejemplo, se toma una medida de una muestra de sangre y el objetivo es medir la glucosa en sangre de tal manera que se identifique su contenido y se prediga su tendencia (subida, descenso, o sostenida). Cuando se toma la muestra influyen en los datos toda clase de variables. Para obtener medidas exactas es útil comprender qué constituyentes están presentes en el conjunto de datos, comprender sus efectos sobre el analito que está siendo medido (como la glucosa), y corregir cualquier diferencia que puedan causar variables intrínsecas y relacionadas con el dispositivo de medición.

El artículo titulado "Spectroscopic quantitative analysis of blood glucose by Fourier transform infrared spectroscopy with an attenuated total reflection prism", de Ken-ichiro Kajiwara y col., describe una manera alternativa de monitorización de glucemia a largo plazo, que implica medición de glucosa analizando espectros de absorbancia de infrarrojos mediante transformada de Fourier con un prisma de reflexión total atenuada. En la solución acuosa de glucosa, la glucosa tiene absorciones características a los números de onda de 1033 y 1080 cm^{-1} y las intensidades de absorción son proporcionales a las concentraciones de glucosa. En muestras de suero y sangre entera, sin embargo, los corpúsculos de los glóbulos rojos, la seroalbúmina y la gammaglobulina sérica interfieren con los espectros de absorbancia de la glucosa y desplazan el valor inicial hacia arriba significativamente. Por lo tanto, para eliminar estas interferencias en las muestras de suero y sangre entera, se estudió la viabilidad de las curvas de calibración obtenidas usando diferentes espectros de absorbancia con los de muestras en ayunas. Como resultado, se obtuvieron correlaciones altamente significativas entre concentraciones de glucosa estimadas por el procedimiento espectroscópico infrarrojo mediante transformada de Fourier y las medidas por el procedimiento de glucosa oxidasa (r=0,981 y 0,989 para muestras de suero y sangre entera, respectivamente). Se llega a la conclusión de que mediante espectroscopia infrarroja podrían medirse cuantitativamente o monitorizarse concentraciones de glucosa en las muestras de suero y sangre entera si se restaran los desplazamientos del valor inicial y las interferencias.

Según el documento US 6115673 mientras tanto se aplican uno o más conjuntos base a una señal espectroscópica durante el análisis para producir una representación espectral exacta a partir de la cual puede determinarse con exactitud la concentración de analito. Un conjunto base incluye todos los componentes que interfieren encontrados en una muestra, como el suero. Con respecto a un analito, como la glucosa, es necesario definir aquellos componentes de una muestra que tienen una interferencia mayor que la de la glucosa. Puede generarse un conjunto base, por ejemplo, que produce una transformada para los glóbulos rojos que interfieren o dispersan la luz; y también para efectos cutáneos. Una vez que se conocen los espectros de todos estos componentes, luego es necesario determinar cómo interactúa cada uno de estos componentes, por ejemplo tomando datos del suero, extrayendo cada uno de los componentes, y luego comparando los espectros para los componentes individuales con el de los componentes en solución. La invención caracteriza cada componente de una muestra, así como todos los demás componentes que interfieren posibles y, después de producir una representación exacta de cada componente a cada frecuencia de interés, identifica y resta cada componente que interfiere de los espectros producidos a la frecuencia de interés. Los conjuntos base pueden adoptar la forma de transformadas que pueden ser almacenadas en una tabla de consulta para uso durante el análisis.

Resumen de la invención

Según la presente invención se proporciona un procedimiento espectroscópico de determinación de una concentración de analito en una muestra biológica que comprende agua y una proteína, según la Reivindicación independiente 1 adjunta. En las reivindicaciones subordinadas se definen realizaciones preferidas.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista esquemática de un sistema de detección óptica no invasivo.

La Figura 2 es una vista en perspectiva de un montaje de ventana para uso con el sistema de detección no invasivo.

La Figura 2A es una vista en planta de otro montaje de ventana para uso con el sistema de detección no invasivo.

La Figura 3 es una vista esquemática en despiece ordenado de un montaje de ventana para uso con el sistema de detección no invasivo.

La Figura 4 es una vista en planta del montaje de ventana conectado a un sistema de enfriamiento.

La Figura 5 es una vista en planta del montaje de ventana conectado a un depósito frío.

La Figura 6 es una vista en corte de un disipador térmico para uso con el sistema de detección no invasivo.

La Figura 6A es una vista en corte en perspectiva de una parte inferior del sistema de detección no invasivo de la Figura 1.

La Figura 6B es una vista en perspectiva en despiece ordenado de un sistema de instalación de ventana para uso con el sistema de detección óptica no invasivo.

La Figura 6C es una vista en planta parcial del sistema de instalación de ventana de la Figura 6B.

La Figura 6D es una vista seccional del sistema de instalación de ventana de la Figura 6C.

La Figura 7 es una vista esquemática de un sistema de control para uso con el sistema de detección óptica no invasivo.

La Figura 8 representa una primera metodología para determinar la concentración de un analito de interés.

La Figura 9 representa una segunda metodología para determinar la concentración de un analito de interés.

La Figura 10 representa una tercera metodología para determinar la concentración de un analito de interés.

La Figura 11 representa una cuarta metodología para determinar la concentración de un analito de interés.

La Figura 12 representa una quinta metodología para determinar la concentración de un analito de interés.

La Figura 13 es una vista esquemática de un sistema de detección para sangre entera sin reactivo.

La Figura 14 es una vista en perspectiva de una cubeta para uso con el sistema de detección para sangre entera sin reactivo.

La Figura 15 es una vista en planta de otra cubeta para uso con el sistema de detección para sangre entera sin reactivo.

La Figura 16 es una vista en planta desmontada de la cubeta 25 mostrada en la Figura 15.

La Figura 16A es una vista en perspectiva en despiece ordenado de la cubeta de la Figura 15.

La Figura 17 es una vista lateral de la cubeta de la Figura 15.

La Figura 18 es un diagrama de flujo de una realización de un procedimiento para usar espectroscopia para determinar una concentración de analito en una muestra.

La Figura 19 es un gráfico que ilustra un punto isosbéstico entre aproximadamente 4,0 y 4,2 \mum en los espectros de absorbancia del agua y de proteína de sangre entera.

La Figura 20 es un gráfico que ilustra otro punto isosbéstico entre aproximadamente 9,2 \mum y 9,6 \mum en los espectros de absorbancia del agua y proteína en sangre entera.

La Figura 21 es un gráfico que ilustra la extracción progresiva de contribuciones de agua libre a partir de un espectro de absorbancia de una muestra.

La Figura 22 es un gráfico que ilustra la determinación de proteína libre a partir de un espectro de absorbancia de una muestra.

La Figura 23 es un gráfico que ilustra la extracción progresiva de contribuciones de componentes interactivos residuales a partir de un espectro de absorbancia de una muestra.

La Figura 24 es un gráfico que ilustra un espectro de absorbancia con absorbancia residual después de la extracción de datos espectrales de glucosa usados para determinación individual de componentes residuales.

La Figura 25 es un diagrama de flujo de una realización de un procedimiento para proporcionar mediciones insensibles a la longitud del camino de constituyentes sanguíneos en una muestra usando espectroscopia infrarroja (IR).

Descripción detallada

La siguiente descripción proporciona información útil para comprender la presente invención.

I. Visión general de sistemas de detección de analitos

En este documento se desvelan sistemas de detección de analitos, incluyendo un sistema no invasivo tratado ampliamente más adelante en la parte B. También se desvelan diversos procedimientos, incluyendo procedimientos para detectar la concentración de un analito en una muestra de material. Tanto el sistema/procedimiento no invasivo como el sistema/procedimiento para sangre entera pueden emplear medición óptica. Tal como se usa en este documento con referencia al aparato y los procedimientos de medición, "óptico" es un término general y se usa en su sentido ordinario y se refiere, sin limitación, a identificación de la presencia o concentración de un analito en una muestra de material sin requerir que tenga lugar una reacción química. Tal como se trata más adelante con mayor detalle, cada uno de los dos planteamientos puede funcionar independientemente para realizar un análisis óptico de una muestra de material. Los dos planteamientos también pueden combinarse en un aparato, o los dos planteamientos pueden usarse juntos para realizar diferentes etapas de un procedimiento.

Los dos planteamientos pueden combinarse para realizar la calibración de un aparato, por ejemplo, de un aparato que emplea un planteamiento no invasivo. Alternativamente, una combinación ventajosa de los dos planteamientos realiza una medición invasiva para lograr mayor exactitud y una medición de sangre entera para minimizar la incomodidad del paciente. Por ejemplo, la técnica para sangre entera puede ser más exacta que la técnica no invasiva en ciertos momentos del día, por ejemplo, en ciertos momentos después de haberse consumido una comida, o después de haberse administrado un fármaco.

Sin embargo, debe comprenderse que cualquiera de los dispositivos desvelados puede ser manejado de acuerdo con cualquier metodología de detección apropiada, y que cualquier procedimiento desvelado puede ser empleado en el manejo de cualquier dispositivo apropiado. Además, los dispositivos y procedimientos desvelados son aplicables en una amplia variedad de situaciones o modos de manejo, incluyendo pero no limitados a medición invasiva, no invasiva, intermitente o continua, implantación subcutánea, sistemas de detección que se pueden llevar puestos, o cualquier combinación de los mismos.

A. Sistema no invasivo 1. Estructura de monitorización

La Figura 1 representa un sistema de detección óptica no invasivo (en lo sucesivo "sistema no invasivo") 10 en una configuración preferida actualmente. El sistema no invasivo 10 representado es particularmente apropiado para detectar de manera no invasiva la concentración de un analito en una muestra de material S, observando la energía infrarroja emitida por la muestra, como se tratará más adelante con mayor detalle.

Tal como se usa en este documento, el término "no invasivo" es un término general y se usa en su sentido ordinario y se refiere, sin limitación, a dispositivos y procedimientos de detección de analito que tienen la capacidad de determinar la concentración de un analito en muestras de tejido en vivo o fluidos corporales. Sin embargo, debe comprenderse que el sistema no invasivo 10 desvelado en este documento no está limitado a uso no invasivo, puesto que el sistema no invasivo 10 puede ser empleado para analizar una muestra de fluido o tejido in vitro que ha sido obtenida de manera invasiva o no invasiva. Tal como se usa en este documento, el término "invasivo" (o, alternativamente, "tradicional") es un término general y se usa en su sentido ordinario y se refiere, sin limitación, a procedimientos de detección de analito que implican la extracción de muestras de fluido a través de la piel. Tal como se usa en este documento, el término "muestra de material" es un término general y se usa en su sentido ordinario y se refiere, sin limitación, a cualquier recopilación de material que sea apropiado para análisis por el sistema no invasivo 10. Por ejemplo, la muestra de material S puede comprender una muestra de tejido, como un antebrazo humano, colocada contra el sistema no invasivo 10. La muestra de material S también puede comprender un volumen de un fluido corporal, como sangre entera, componente(s) sanguíneo(s), fluido intersticial o fluido intercelular obtenido de manera invasiva, o saliva u orina obtenida de manera no invasiva, o cualquier recopilación de material orgánico o inorgánico. Tal como se usa en este documento, el término "analito" es un término general y se usa en su sentido ordinario y se refiere, sin limitación, a cualquier especie química cuya presencia o concentración se busca en la muestra de material S por el sistema no invasivo 10. Por ejemplo, el analito o analitos que pueden ser detectados por el sistema no invasivo 10 incluyen pero no están limitados a glucosa, etanol, insulina, agua, dióxido de carbono, oxígeno en sangre, colesterol, bilirrubina, cetonas, ácidos grasos, lipoproteínas, albúmina, urea, creatinina, glóbulos blancos, glóbulos rojos, hemoglobina, oxihemoglobina, carboxihemoglobina, moléculas orgánicas, moléculas inorgánicas, fármacos, citocromo, diversas proteínas y cromóforos, microcalcificaciones, electrolitos, sodio, potasio, cloruro, bicarbonato, y hormonas. Tal como se usa en este documento para describir técnicas de medición, el término "continuo" es un término general y se usa en su sentido ordinario y se refiere, sin limitación, a la toma de mediciones discretas más frecuentemente que aproximadamente una vez cada 10 minutos, y/o la toma de una corriente o serie de mediciones u otros datos a lo largo de cualquier intervalo de tiempo apropiado, por ejemplo, a lo largo de un intervalo de uno a varios segundos, minutos, horas, días, o más largo. Tal como se usa en este documento para describir técnicas de medición, el término "intermitente" es un término general y se usa en su sentido ordinario y se refiere, sin limitación, a la toma de mediciones menos frecuentemente que aproximadamente una vez cada 10 minutos.

El sistema no invasivo 10 comprende preferentemente un montaje de ventana 12, aunque en algunas realizaciones puede omitirse el montaje de ventana 12. Una función del montaje de ventana 12 es permitir que entre energía infrarroja E en el sistema no invasivo 10 desde la muestra S cuando se coloca contra una superficie superior 12a del montaje de ventana 12. El montaje de ventana 12 incluye una capa calentadora (véase la exposición más adelante) que se emplea para calentar la muestra de material S y estimular la emisión de energía infrarroja desde la misma. Un sistema de enfriamiento 14, que comprende preferentemente un dispositivo termoeléctrico de tipo Peltier, está en relación térmicamente conductora con el montaje de ventana 12 de manera que la temperatura del montaje de ventana 12 y la muestra de material S pueden ser manipuladas de acuerdo con una metodología de detección tratada con mayor detalle más adelante. El sistema de enfriamiento 14 incluye una superficie fría 14a que está en relación térmicamente conductora con un depósito frío 16 y el montaje de ventana 12, y una superficie caliente 14b que está en relación térmicamente conductora con un disipador térmico 18.

A medida que la energía infrarroja E entra en el sistema no invasivo 10, primero pasa a través del montaje de ventana 12, luego a través de un mezclador óptico 20, y luego a través de un colimador 22. El mezclador óptico 20 comprende preferentemente un conducto de flujo luminoso que tiene superficies interiores reflectantes que distribuye de forma aleatoria la direccionalidad de la energía infrarroja E a medida que pasa través del mismo y se refleja contra las paredes del mezclador. El colimador 22 también comprende un conducto de flujo luminoso que tiene paredes interiores altamente reflectantes, pero las paredes divergen a medida que se extienden alejándose del mezclador 20. Las paredes divergentes hacen que la energía infrarroja E tienda a enderezarse a medida que avanza hacia el extremo más ancho del colimador 22, debido al ángulo de incidencia de la energía infrarroja cuando se refleja contra las paredes del colimador.

Desde el colimador 22 la energía infrarroja E pasa a través de una matriz de filtros 24, cada uno de los cuales permite que pase a través del mismo sólo una longitud de onda o banda de longitudes de onda seleccionadas. Estas longitudes de onda/bandas se seleccionan para resaltar o aislar los efectos absorbentes del analito de interés en la metodología de detección tratada con mayor detalle más adelante. Cada filtro 24 está preferentemente en comunicación óptica con un concentrador 26 y un detector de infrarrojo 28. Los concentradores 26 tienen paredes interiores convergentes altamente reflectantes que concentran la energía infrarroja a medida que avanza hacia los detectores 28, incrementando la densidad de la energía incidente sobre los detectores 28.

Los detectores 28 están en comunicación eléctrica con un sistema de control 30 que recibe señales eléctricas procedentes de los detectores 28 y calcula la concentración del analito en la muestra S. El sistema de control 30 también está en comunicación eléctrica con la ventana 12 y el sistema de enfriamiento 14, para monitorizar la temperatura de la ventana 12 y/o el sistema de enfriamiento 14 y controlar el suministro de potencia eléctrica a la ventana 12 y el sistema de enfriamiento 14.

a. Montaje de ventana

En la Figura 2 se muestra en perspectiva, según se ve desde su parte 30 inferior (en otras palabras, el lado del montaje de ventana 12 opuesto a la muestra S) una configuración preferida del montaje de ventana 12. El montaje de ventana 12 comprende en general una capa principal 32 formada de un material altamente transmisivo de infrarrojo y una capa calentadora 34 fijada a la parte inferior de la cala principal 32. La capa principal 32 está formada preferentemente de diamante, más preferentemente de diamante de deposición química en fase de vapor ("CVD"), con un espesor preferido de aproximadamente 0,25 milímetros. En otras realizaciones pueden usarse materiales alternativos que son altamente transmisivos de infrarrojo, como silicio o germanio, en la formación de la capa principal 32.

La capa calentadora 34 comprende preferentemente barras colectoras 36 situadas en extremos opuestos de una matriz de elementos calentadores 38. Las barras colectoras 36 están en comunicación eléctrica con los elementos 38 de manera que, al conectar las barras colectoras 36 a una fuente de alimentación eléctrica apropiada (no mostrada) puede pasarse una corriente a través de los elementos 38 para generar calor en el montaje de ventana 12. La capa calentadora 34 también pueden incluir uno o más sensores de temperatura (no mostrados), como termistores o sensores de temperatura resistivos (RTD), para medir la temperatura del montaje de ventana 12 y proporcionar realimentación de temperatura para el sistema de control 30 (véase la Figura 1).

Con referencia aún a la Figura 2, la capa calentadora 34 comprende preferentemente una primera capa de adhesión de oro o platino (denominada en lo sucesivo la capa "dorada") depositada sobre una capa de aleación que se aplica a la capa principal 32. La capa de aleación comprende un material apropiado para implementación de la capa calentadora 34 como, a modo de ejemplo, 10/90 titanio/wolframio, titanio/platino, níquel/cromo, u otro material similar. La capa dorada tiene preferentemente un espesor comprendido entre aproximadamente 300 \ring{A} y aproximadamente 500 \ring{A}. La capa dorada y/o la capa de aleación pueden ser depositadas sobre la capa principal 32 por deposición química que incluye, pero no está limitada necesariamente a, deposición en fase de vapor, deposición líquida, revestimiento electrolítico, laminación, colada, sinterización, u otras metodologías de formación o deposición perfectamente conocidas por quienes tengan conocimientos ordinarios de la materia. Si se desea, la capa calentadora 34 puede ser revestida con un revestimiento eléctricamente aislante que también aumenta la adhesión a la capa principal 32. Un material de revestimiento preferido es el óxido de aluminio. Otros materiales aceptables incluyen, pero no están limitados a, dióxido de titanio o seleniuro de cinc.

La capa calentadora 34 puede incorporar una distancia de separación variable entre las líneas centrales de elementos calentadores adyacentes 38 para mantener una densidad de potencia constante, y promover una temperatura uniforme, a través de toda la capa 34. Donde se emplea una distancia de separación constante, la distancia preferida es al menos aproximadamente 50-100 micrómetros. Aunque los elementos calentadores 38 tienen generalmente una anchura preferida de aproximadamente 25 micrómetros, su anchura también puede variarse según se necesite por las mismas razones expuestas anteriormente.

Estructuras alternativas apropiadas para uso como la capa calentadora 34 incluyen, pero no están limitadas a, calentadores termoeléctricos, calentadores de radiofrecuencia (RF), calentadores de radiación infrarroja, calentadores ópticos, intercambiadores de calor, rejillas calentadoras de resistencia eléctrica, rejillas calentadoras de puente de hilo, o calentadores láser. Cualquiera que sea el tipo de capa calentadora que se emplee, se prefiere que la capa calentadora oscurezca aproximadamente el 10% o menos del montaje de ventana 12.

El montaje de ventana 12 comprende sustancialmente sólo la capa principal 32 y la capa calentadora 34. Así, cuando se instala en un sistema de detección óptica como el sistema no invasivo 10 mostrado en la Figura 1, el montaje de ventana 12 facilitará un camino óptico obstruido mínimamente entre una superficie superior (preferentemente plana) 12a del montaje de ventana 12 y los detectores infrarrojos 28 del sistema no invasivo 10. El camino óptico 32 en el sistema no invasivo 10 preferido prosigue sólo a través de la capa principal 32 y la capa calentadora 34 del montaje de ventana 12 (incluyendo cualquier revestimiento antirreflectante, de adaptación de índice, aislante eléctrico o protector aplicado al mismo o colocado en el mismo), a través del mezclador óptico 20 y el colimador 22 y hasta los detectores 28.

La Figura 2A muestra otro montaje de ventana 12 que puede usarse en lugar del montaje de ventana 12 representado en la Figura 2. El montaje de ventana 12 mostrado en la Figura 2A puede ser similar al mostrado en la Figura 2 excepto en cuanto a lo que se describe más adelante. En la disposición de la Figura 2A la capa principal 32 tiene un espesor preferido de hasta aproximadamente 0,012'' (0,305 mm) y más preferentemente aproximadamente 0,010'' o menos, en el que 0,010'' corresponde a 0,254 mm. La capa calentadora 34 también puede incluir uno o más sensores de temperatura resistivos (RTD) 55 para medir la temperatura del montaje de ventana 12 y proporcionar realimentación de temperatura a un sistema de control 30. Los RTD 55 terminan en adaptadores conectores 57.

En la Figura 2A, los elementos calentadores 38 están provistos típicamente de una anchura de aproximadamente 25 micrómetros. La distancia de separación que separa las líneas centrales de elementos calentadores adyacentes 38 puede reducirse, y/o la anchura de los elementos calentadores 38 puede incrementarse, en las zonas del montaje de ventana 12 cercanas al punto(s) de contacto con el difusor térmico 410 (véanse las Figuras 6B-6D y el análisis posterior). Esta disposición promueve ventajosamente un perfil de de temperatura isotérmico en la superficie superior de la capa principal 32 a pesar del contacto térmico con el difusor térmico.

La Figura 2A incluye una pluralidad de elementos calentadores 38 de anchura sustancialmente igual que están espaciados de manera variable a través de la anchura de la capa principal 32. En la Figura 2A, las líneas centrales de los elementos calentadores 38 están espaciadas a una primera distancia de separación de aproximadamente 0,0070'' (0,178 mm) en las partes periféricas 34a de la capa calentadora 34, y a una segunda distancia de separación de aproximadamente 0,015'' (0,381 mm) en una parte central 34b de la capa principal 32. Los elementos calentadores 38 más cercanos al centro están preferentemente espaciados suficientemente para permitir que los RTD 55 se extiendan entre ellos. En la Figura 2A, la capa principal 32 incluye zonas periféricas 32a que se extienden aproximadamente 0,053'' (1,346 mm) desde el elemento calentador más exterior en cada lado de la capa calentadora 34 hasta el borde adyacente de la capa principal 32. Tal como se muestra, las barras colectoras 36 están configuradas y segmentadas preferentemente para dejar espacio para los RTD 55 y los adaptadores conectores de RTD 57, en separaciones intermedias 36a. Los RTD 55 se extienden preferentemente dentro de la matriz de elementos calentadores 38 una distancia que es ligeramente más larga que la mitad de la longitud de un elemento calentador 38 individual. En realizaciones alternativas, los RTD 55 pueden estar situados en los bordes de la capa principal 32, o en otras ubicaciones según se desee para un sistema no invasivo particular.

Continuando con referencia a la Figura 2A, las zonas periféricas de la capa principal 32 pueden incluir partes de bordes metalizados 35 para facilitar la conexión al difusor 410 (tratado más adelante en relación con las Figuras 6B-6D). Las partes de bordes metalizados 35 pueden ser formadas por el mismo procedimiento o procedimientos similares usados en la formación de los elementos calentadores 38 y los RTD 55. En la realización de la Figura 2A, las partes de bordes 35 son típicamente de entre aproximadamente 0,040'' (1,016 mm) y aproximadamente 0,060'' (1,524 mm) de ancho por aproximadamente 0,450'' (11,43 mm) y aproximadamente 0,650'' (16,51 mm) de largo, y en una realización, son de aproximadamente 0,050'' (1,27 mm) por aproximadamente 0,550'' (13,97 mm). Pueden usarse apropiadamente otras dimensiones siempre que el montaje de ventana 12 pueda ser unido en comunicación térmica con el difusor 410 según se necesite.

En la disposición mostrada en la Figura 2A, la capa principal 32 es de aproximadamente 0,690'' (17,526 mm) de largo por aproximadamente 0,571'' (14,503 mm) de ancho, y la capa calentadora (excluyendo las partes de bordes metalizados 35) es de aproximadamente 0,640'' (16,256 mm) de largo por aproximadamente 0,465'' (11,811) de ancho. La capa principal 32 es de aproximadamente 0,010''-0,012'' (0,254 mm-0,305 mm) de espesor, y es ventajosamente más delgada que aproximadamente 0,010'' (0,254 mm) donde sea posible. Cada elemento calentador 38 es de aproximadamente 0,570'' (14,478 mm) de largo, y cada zona periférica 34a es de aproximadamente 0,280'' (7,112 mm) de ancho. Estas dimensiones son meramente ejemplares; por supuesto, pueden usarse otras dimensiones según se desee.

La Figura 3 representa una vista lateral en despiece ordenado de una configuración alternativa para el montaje de ventana 12, que puede usarse en lugar de la configuración mostrada en la Figura 2. El montaje de ventana 12 representado en la Figura 3 incluye cerca de su superficie superior (la superficie pensada para contacto con la muestra S) una capa dispersora 42 altamente transmisiva de infrarrojo, térmicamente conductora. Debajo de la capa dispersora 42 está una capa calentadora 44. Una capa delgada eléctricamente aislante (no mostrada), como una capa de óxido de aluminio, dióxido de titanio o seleniuro de cinc, puede estar dispuesta entre la capa calentadora 44 y la capa dispersora 42. (Una capa de óxido de aluminio también incrementa la adhesión de la capa calentadora 44 a la capa dispersora 42). Adyacente a la capa calentadora 44 está una capa aislante térmica y de adaptación de impedancia 46. Adyacente a la capa aislante térmica 46 está una capa interior térmicamente conductora 48. La capa dispersora 42 está revestida sobre su superficie superior con una capa delgada de revestimiento protector 50. La superficie inferior de la capa interior 48 está revestida de una capa protectora delgada 52. Preferentemente, el revestimiento protector 50 y la capa protectora 52 tienen propiedades antirreflectantes.

La capa dispersora 42 está formada preferentemente de un material altamente transmisivo de infrarrojo que tiene una alta conductividad térmica suficiente para facilitar la transferencia de calor de la capa calentadora 44 uniformemente a la muestra de material S cuando se coloca contra el montaje de ventana 12. Otros materiales eficaces incluyen, pero no están limitados a, diamante CVD, carbono similar a diamante, arseniuro de galio, germanio, y otros materiales transmisivos de infrarrojo que tienen conductividad térmica suficientemente alta. Las dimensiones preferidas para la capa dispersora 42 son aproximadamente una pulgada (25,4 mm) de diámetro y aproximadamente 0,010 pulgadas (0,254 mm) de espesor. Como se muestra en la Figura 3, la capa dispersora 42 incorpora un borde biselado. Aunque no se requiere, se prefiere un bisel de aproximadamente 45 grados.

La capa protectora 50 está pensada para proteger de daños la superficie superior de la capa dispersora 42. Idealmente, la capa protectora es altamente transmisiva de infrarrojo y altamente resistente a daño mecánico, como rayado o abrasión. También se prefiere que la capa protectora 50 y la capa protectora 52 tengan alta conductividad térmica y propiedades antirreflectantes y/o de adaptación de índice. Un material satisfactorio para uso como la capa protectora 50 y la capa protectora 52 es la multicapa Broad Band AntiReflective Coating producida por Deposition Research Laboratories, Inc. de St. Charles, Missouri. También son apropiados los revestimientos de carbono similar a diamante.

Excepto en cuanto a lo apuntado más adelante, la capa calentadora 44 es similar en general a la capa calentadora 34 empleada en el montaje de ventana mostrado en la Figura 2. Alternativamente, la capa calentadora 44 puede comprender un material transmisivo de infrarrojo dopado, como una capa de silicio dopado, con zonas de resistividad más alta y más baja. La capa calentadora 44 tiene preferentemente una resistencia de aproximadamente 2 ohmios y tiene un espesor preferido de aproximadamente 1500 angstroms. Un material preferido para formar la capa calentadora 44 es una aleación de oro, pero otros materiales aceptables incluyen, pero no están limitados a, platino, titanio, wolframio, cobre y níquel.

La capa aislante térmica 46 impide la disipación de calor procedente del elemento calentador 44 mientras que permite que el sistema de enfriamiento 14 enfríe eficazmente la muestra de material S (véase la Figura 1). Esta capa 46 comprende un material que tiene cualidades térmicamente aislantes (por ejemplo, conductividad térmica más baja que la capa dispersora 42) y transmisivas de infrarrojo. Un material preferido es un compuesto de germanioarsénico-selenio de la familia de vidrio de calcogenuro conocida como AMTIR-1 producido por Amorphous Materials, Inc. de Garland, Texas. La disposición representada tiene un diámetro de aproximadamente 0,85 pulgadas (21,59 mm) y un espesor preferido comprendido entre aproximadamente 0,005 a aproximadamente 0,010 pulgadas (0,127-0,254 mm). A medida que el calor generado por la capa calentadora 44 pasa a través de la capa dispersora 42 a la muestra de material S, la capa aislante térmica 46 aísla este calor.

La capa interior 48 está formada de material térmicamente conductor, preferentemente silicio cristalino formado usando un procedimiento convencional de crecimiento de cristal en zona flotante. El propósito de la capa interior 48 es servir como una base mecánica conductora de frío para todo el montaje de ventana estratificado.

La transmisión óptica total del montaje de ventana 12 mostrado en la Figura 3 es preferentemente al menos el 70%. El montaje de ventana 12 de la Figura 3 está preferentemente sujeto junto al sistema no invasivo 10 y fijado al mismo mediante una abrazadera de sujeción (no mostrada). La abrazadera está formada preferentemente de un plástico relleno de vidrio, por ejemplo Ultem 2300, fabricado por General Electric. Ultem 300 tiene baja conductividad térmica que impide la transferencia de calor desde el montaje de ventana estratificado 12.

b. Sistema de enfriamiento

El sistema de enfriamiento 14 (véase la Figura 1) comprende preferentemente un dispositivo termoeléctrico de tipo Peltier. De este modo, la aplicación de una corriente eléctrica al sistema de enfriamiento preferido 14 hace que la superficie fría 14a se enfríe y hace que la superficie caliente opuesta 14b se caliente. El sistema de enfriamiento 14 enfría el montaje de ventana 12 por medio de la situación del montaje de ventana 12 en relación térmicamente conductora con la superficie fría 14a del sistema de enfriamiento 14. Se contempla que el sistema de enfriamiento 14, la capa calentadora 34, o ambos, puedan ser manejados para inducir una temperatura variable con el tiempo deseada en el montaje de ventana 12 para crear un gradiente térmico oscilante en la muestra S, de acuerdo con diversas metodologías de detección de analitos tratadas en este documento.

Preferentemente, el depósito frío 16 está colocado entre el sistema de enfriamiento 14 y el montaje de ventana 12, y funciona como un conductor térmico entre el sistema 14 y el montaje de ventana 12. El depósito frío 16 está formado de un material térmicamente conductor apropiado, preferentemente latón. Alternativamente, el montaje de ventana 12 puede estar situado en contacto directo con la superficie fría 14a del sistema de enfriamiento 14.

En disposiciones alternativas, el sistema de enfriamiento 14 puede comprender un intercambiador de calor a través del cual se bombea un refrigerante, como aire, nitrógeno o agua refrigerada, o un enfriador de conducción pasiva como un disipador térmico. Como alternativa adicional, puede hacerse circular un refrigerante gaseoso como nitrógeno a través del interior del sistema no invasivo 10 para contactar con la parte inferior del montaje de ventana 12 (véase la Figura 1) y conducir el calor desde el mismo.

La Figura 4 es una vista esquemática desde arriba de una disposición preferida del montaje de ventana 12 (de los tipos mostrados en la Figura 2 ó 2A) y el depósito frío 16, y la Figura 5 es una vista esquemática desde arriba de una disposición alternativa en la que el montaje de ventana 12 contacta directamente con el sistema de enfriamiento 14. El depósito frío 16/sistema de enfriamiento 14 contacta preferentemente con la parte inferior del montaje de ventana 12 a lo largo de los bordes opuestos del mismo, en cada lado de la capa calentadora 34. Con la conductividad térmica así establecida entre el montaje de ventana 12 y el sistema de enfriamiento 14, el montaje de ventana puede ser enfriado según se necesite durante el funcionamiento del sistema no invasivo 10. Para promover un perfil de temperatura sustancialmente uniforme o isotérmico sobre la superficie superior del montaje de ventana 12, la distancia de separación entre líneas centrales de elementos calentadores adyacentes 38 puede hacerse menor (incrementando de ese modo la densidad de elementos calentadores 38) cerca de la(s) zona(s) de contacto entre el montaje de ventana 12 y el depósito frío 16/sistema de enfriamiento 14. Como complemento o alternativa, los propios elementos calentadores 38 pueden hacerse más anchos cerca de estas zonas de contacto. Tal como se usa en este documento, "isotérmico" es un término general y se usa en su sentido ordinario y se refiere, sin limitación, a una condición en la que, en un momento dado en el tiempo, la temperatura del montaje de ventana 12 u otra estructura es sustancialmente uniforme a través de una superficie pensada para colocación en relación térmicamente conductora con la muestra de material S. De este modo, aunque la temperatura de la estructura o superficie pueda fluctuar a lo largo del tiempo, en cualquier momento dado en el tiempo la estructura o superficie puede no obstante ser isotérmica.

El disipador térmico 18 evacua el calor residual de la superficie caliente 14b del sistema de enfriamiento 16 y estabiliza la temperatura operacional del sistema no invasivo 10. El disipador térmico preferido 18 (véase la Figura 6) comprende una estructura hueca formada de latón o cualquier otro material apropiado que tenga un calor específico relativamente alto y alta conductividad térmica. El disipador térmico 18 tiene una superficie de conducción 18a que, cuando el disipador térmico 18 está instalado en el sistema no invasivo 10, está en relación térmicamente conductora con la superficie caliente 14b del sistema de enfriamiento 14 (véase la Figura 1). En el disipador térmico 18 está formada una cavidad 54 y contiene preferentemente un material de cambio de fase (no mostrado) para incrementar la capacidad del disipador 18. Un material de cambio de fase preferido es una sal hidratada, como hexahidrato de cloruro de calcio, comercializado bajo el nombre TH29 por PCM Thermal Solutions, Inc., de Naperville, Illinois. Alternativamente, puede omitirse la cavidad 54 para crear un disipador térmico 18 que comprenda una masa sólida unitaria. El disipador térmico 18 también forma varias aletas 56 para incrementar más la conducción de calor desde el disipador 18 hasta el aire circundante.

Alternativamente, el disipador térmico 18 puede estar formado integralmente con el mezclador óptico 20 y/o el colimador 22 como una masa unitaria de material rígido conductor de calor como latón o aluminio. En tal disipador térmico, el mezclador 20 y/o el colimador 22 se extienden axialmente a través del disipador térmico 18, y el disipador térmico define las paredes interiores del mezclador 20 y/o el colimador 22. Estas paredes interiores están revestidas y/o pulidas para tener reflectividad apropiada y no absorbancia en longitudes de onda infrarrojas como se describirá con mayor detalle más adelante. Donde se emplee tal disipador térmico-mezclador-colimador unitario, es deseable aislar térmicamente la matriz de detectores del disipador térmico.

Debe comprenderse que puede emplearse cualquier estructura apropiada para calentar y/o enfriar la muestra de material S, en lugar o además del montaje de ventana 12/sistema de enfriamiento 14 desvelados anteriormente, siempre que se imparta un grado correcto de calentamiento y/o enfriamiento cíclico a la muestra de material S. Además pueden emplearse otras formas de energía como, pero no limitadas a, luz, radiación, calor inducido químicamente, fricción y vibración, para calentar la muestra de material S. Se apreciará además que puede lograrse el calentamiento de la muestra por cualquier procedimiento apropiado, como convección, conducción, radiación, etc.

c. Sistema de instalación de ventana

La Figura 6B ilustra una vista en despiece ordenado de un sistema de instalación de ventana 400 que puede emplearse como parte del sistema no invasivo 10 desvelado anteriormente. Donde se emplea en conexión con el sistema no invasivo 10, el sistema de instalación de ventana 400 complementa o, donde sea apropiado, sustituye cualquiera del montaje de ventana 12, el sistema de enfriamiento 14, el depósito frío 16 y el disipador térmico 18 mostrados en la Figura 1. El sistema de instalación de ventana 400 puede emplearse conjuntamente con el montaje de ventana 12 representado en la Figura 2A; en disposiciones alternativas, los montajes de ventana mostrados en las Figuras 2 y 3 y descritos anteriormente también pueden usarse conjuntamente con el sistema de instalación de ventana 400 ilustrado en la Figura 6B.

En el sistema de instalación de ventana 400, el montaje de ventana 12 está conectado física y eléctricamente (típicamente por soldadura) a una primera placa de circuito impreso ("primera PCB") 402. El montaje de ventana 12 también está en relación térmicamente conductora (típicamente por contacto) con un difusor térmico 410. El montaje de ventana también puede estar fijado al difusor 410 por soldadura.

El difusor térmico 410 comprende en general una capa dispersora de calor 412 que, tal como se mencionó, contacta preferentemente con el montaje de ventana 12, y una capa conductora 414 que está soldada típicamente a la capa dispersora de calor 412. La capa conductora 414 puede estar colocada entonces en contacto directo con un lado frío 418a de un enfriador termoeléctrico (TEC) 418 u otro dispositivo de enfriamiento. El TEC 418, que puede comprender un TEC de 25 W fabricado por MELCOR, está en comunicación eléctrica con una segunda PCB 403, que incluye conductores de alimentación de TEC 409 y terminales de alimentación de TEC 411 para conexión del TEC 418 a una fuente de alimentación apropiada (no mostrada). La segunda PCB 403 también incluye contactos 408 para conexión con terminales de RTD 407 (véase la Figura 6C) de la primera PCB 402. Un disipador térmico 419, que puede adoptar la forma de la camisa de agua ilustrada, el disipador térmico 18 mostrado en la Figura 6, cualquier otra estructura de disipador térmico mencionada en este documento, o cualquier otro dispositivo apropiado, está en comunicación térmica con un lado caliente 418b del TEC 418 (u otro dispositivo de enfriamiento), para eliminar cualquier exceso de calor creado por el TEC 418.

La Figura 6C ilustra una vista en planta de la interconexión del montaje de ventana 12, la primera PCB 402, el difusor 410 y el enfriador termoeléctrico 418. La primera PCB incluye conductores de unión de RTD 406 y adaptadores conectores de unión de calentadores 404 que permiten la unión de los RTD 55 y las barras colectoras 36, respectivamente, del montaje de ventana 12 a la primera PCB 402 mediante soldadura u otras técnicas convencionales. La comunicación eléctrica así establecida ente los elementos calentadores 38 de la capa calentadora 34, y los terminales calentadores 405 formados en los adaptadores conectores de unión de calentadores 404. Igualmente, se establece comunicación eléctrica entre los RTD 55 y los terminales de RTD 407 formados en los extremos de los conductores de unión de RTD 406. Pueden establecerse conexiones eléctricas con los elementos calentadores 38 y los RTD 55 mediante conexión simple a los terminales 405, 407 de la primera PCB 402.

Continuando con la referencia a las Figuras 2A y 6B-6C, la capa dispersora de calor 412 del difusor térmico 410 contacta con la parte inferior de la capa principal 32 del montaje de ventana 12 por medio de un par de raíles 416. Los raíles 416 pueden contactar con la capa principal 32 en las partes de bordes metalizados 35, o en cualquier otro lugar apropiado. La conexión física y térmica entre los raíles 416 y la capa principal de la ventana 32 puede lograrse por soldadura, como se indicó anteriormente. Alternativamente, la conexión puede lograrse por un adhesivo como epoxi, o cualquier otro procedimiento apropiado. El material escogido para la capa principal de la ventana 32 es preferentemente suficientemente conductor térmico como para que pueda eliminarse calor rápidamente de la capa principal 32 a través de los raíles 416, el difusor 410, y el TEC 128.

La Figura 6D muestra una vista de la sección transversal del montaje de la Figura 6C por la línea 22-22. Como puede observarse en la Figura 6D, el montaje de ventana 12 contacta con los raíles 416 de la capa dispersora de calor 412. La capa conductora 414 está debajo de la capa dispersora 412 y puede comprender salientes 426 configurados para extenderse a través de aberturas 424 formadas en la capa dispersora 412. Las aberturas 424 y los salientes 426 están dimensionados para dejar suficiente espacio de dilatación entre ellos, para permitir la dilatación y contracción de la capa conductora 414 sin interferir con, o causar deformación del montaje de ventana 12 o la capa dispersora de calor 412. Por otra parte, los salientes 426 y las aberturas 424 cooperan para impedir el desplazamiento de la capa dispersora 412 con respecto a la capa conductora 414 cuando la capa conductora 414 se dilata y se contrae.

El difusor térmico 410 proporciona una impedancia térmica entre el TEC 418 y el montaje de ventana 12, impedancia que se selecciona para evacuar calor del montaje de ventana a una tasa proporcional a la potencia de salida de la capa calentadora 34. De esta manera, la temperatura de la capa principal 32 puede cambiarse cíclicamente con rapidez entre una temperatura "caliente" y una temperatura "fría", permitiendo así que se induzca un gradiente térmico variable con el tiempo en una muestra S colocada contra el montaje de ventana S.

La capa dispersora de calor 412 está hecha preferentemente de un material que tiene sustancialmente el mismo coeficiente de dilatación térmica 30 que el material usado para formar la capa principal 32 del montaje de ventana, dentro del intervalo esperado de temperatura de funcionamiento. Preferentemente, tanto el material usado para formar la capa principal 32 como el material usado para formar la capa dispersora de calor 412 tienen sustancialmente el mismo coeficiente de dilatación térmica extremadamente bajo. Por esta razón, se prefiere diamante CVD para la capa principal 32 (tal como se mencionó anteriormente); con una capa principal 32 de diamante CVD el material preferido para la capa dispersora de calor 412 es Invar. El Invar tiene ventajosamente un coeficiente de dilatación térmica extremadamente bajo y una conductividad térmica relativamente alta. Como el Invar es un metal, la capa principal 32 y la capa dispersora de calor 412 pueden ser unidas térmicamente entre sí con poca dificultad. Alternativamente, pueden usarse otros materiales para la capa dispersora de calor 412; por ejemplo, puede emplearse cualquiera de varios materiales de vidrio y cerámicos con bajos coeficientes de dilatación térmica.

La capa conductora 414 del difusor térmico 410 es típicamente un material altamente conductor térmico como cobre (o, alternativamente, otros metales o no metales que presenten conductividades térmicas comparables). La capa conductora 414 está típicamente soldada o unida de otro modo a la parte inferior de la capa dispersora de calor 412.

En la disposición ilustrada, la capa dispersora de calor 412 puede estar construida según las siguientes dimensiones, que han de entenderse como ejemplares; por consiguiente, las dimensiones pueden variarse según se desee. La capa dispersora de calor 412 tiene una longitud y anchura totales de aproximadamente 1,170'' (29,718 mm), con una abertura central de aproximadamente 0,590'' (14,986 mm) de largo por 0,470'' (11,938 mm) de ancho. En general, la capa dispersora de calor 412 es de aproximadamente 0,030'' (0,762 mm) de espesor; sin embargo, los raíles 416 se extienden 0,045'' (1,143 mm) más por encima del espesor básico de la capa dispersora de calor 412. Cada raíl 416 tiene una longitud total de aproximadamente 0,710'' (18,034 mm). Por las 0,525'' (13,335 mm) centrales de esta longitud cada raíl 416 es de aproximadamente 0,053'' (1,346 mm) de ancho. A cada lado de la anchura central cada raíl 416 se estrecha, con un radio de aproximadamente 0,6'' (15,24 mm) hasta una anchura de aproximadamente 0,023'' (0,584 mm). Cada abertura 424 es de aproximadamente 0,360'' (9,144 mm) de largo por aproximadamente 0,085'' (2,159 mm) de ancho, con esquinas redondeadas con un radio de aproximadamente 0,033'' (0,838 mm).

En la disposición ilustrada, la capa conductora 414 puede estar construida según las siguientes dimensiones, que han de entenderse como ejemplares; por consiguiente, las dimensiones pueden variarse según se desee. La capa conductora 414 tiene una longitud y anchura totales de aproximadamente 1,170'' (29,718 mm), con una abertura central de aproximadamente 0,590'' (14,986 mm) de largo por 0,470'' (11,938 mm) de ancho. En general, la capa conductora 412 es de aproximadamente 0,035'' (0,889 mm) de espesor; sin embargo, los salientes 426 se extienden unas 0,075''-0,085'' (1,905 mm-2,159 mm) más por encima del espesor básico de la capa conductora 414. Cada saliente 426 es de aproximadamente 0,343'' (8,712 mm) de largo por aproximadamente 0,076'' (1,930 mm) de ancho, con esquinas redondeadas con un radio de aproximadamente 0,035'' (0,889 mm).

Como se muestra en la Figura 6B, pueden usarse primera y segunda placas de sujeción 450 y 452 para sujetar entre sí las partes del sistema de instalación de ventana 400. Por ejemplo, la segunda placa de sujeción 452 está configurada para sujetar el montaje de ventana 12 y la primera PCB 402 al difusor 410 con tornillos u otros medios de unión que se extienden a través de las aberturas mostradas en la segunda placa de sujeción 452, la capa dispersora de calor 412 y la capa conductora 414. Igualmente, la primera placa de sujeción 450 está configurada recubriendo la segunda placa de sujeción 452 y sujetando el resto del sistema de instalación de ventana 400 al disipador térmico 419, intercalando así entre la segunda placa de sujeción 452, el montaje de ventana 12, la primera PCB 402, el difusor 410, la segunda PCB 403 y el TEC 418 entre ellos. La primera placa de sujeción 450 impide el contacto no deseado entre la muestra S y cualquier parte del sistema de instalación de ventana 400 distinta del propio montaje de ventana 12. También pueden usarse según se desee otras placas y mecanismos de montaje.

d. Óptica

Como se muestra en la Figura 1, el mezclador óptico 20 comprende un conducto de flujo luminoso con un revestimiento superficial interior que es altamente reflectante y mínimamente absorbente en las longitudes de onda infrarrojas, preferentemente un revestimiento de oro pulido, aunque pueden usarse otros revestimientos apropiados donde se empleen otras longitudes de onda o radiación electromagnética. El propio tubo puede estar fabricado de otro material rígido como aluminio o acero inoxidable, siempre que las superficies interiores estén revestidas o tratadas de otro modo para que sean altamente reflectantes. Preferentemente, el mezclador óptico 20 tiene una sección transversal rectangular (tomada ortogonal al eje longitudinal A-A del mezclador 20 y el colimador 22), aunque en realizaciones alternativas pueden emplearse otras formas de secciones transversales, como otras formas poligonales o formas circulares o elípticas. Las paredes interiores del mezclador óptico 20 son sustancialmente paralelas al eje longitudinal A-A del mezclador 20 y el colimador 22. Las paredes interiores altamente reflectantes y sustancialmente paralelas del mezclador 20 maximizan el número de veces que la energía infrarroja E será reflejada entre las paredes del mezclador 20, mezclando completamente la energía infrarroja E a medida que se propaga a través del mezclador 20. Preferentemente, el mezclador 20 es de aproximadamente 1,2 pulgadas a 2,4 pulgadas (30,48 mm a 60,96 mm) de largo y su sección transversal es un rectángulo de aproximadamente 0,4 pulgadas (10,16 mm) por aproximadamente 0,6 pulgadas (15,24 mm). Por supuesto, pueden emplearse otras dimensiones al construir el mezclador 20. En particular es ventajoso miniaturizar el mezclador o hacerlo de otro lo más pequeño posible.

Con referencia aún a la Figura 1, el colimador 22 comprende un tubo con un revestimiento superficial interior que es altamente reflectante y mínimamente absorbente en longitudes de onda infrarrojas, preferentemente un revestimiento de oro pulido. El propio tubo puede estar fabricado de otro material rígido como aluminio, níquel o acero inoxidable, siempre que las superficies interiores estén revestidas o tratadas de otro modo para que sean altamente reflectantes. Preferentemente, el colimador 22 tiene una sección transversal rectangular, aunque pueden emplearse otras formas de secciones transversales, como otras formas poligonales o formas circulares, parabólicas o elípticas. Las paredes interiores del colimador 22 divergen a medida que se alejan del mezclador 20. Preferentemente, las paredes interiores del colimador 22 son sustancialmente rectas y forman un ángulo de aproximadamente 7 grados con respecto al eje longitudinal A-A. El colimador 22 alinea la energía infrarroja E para que se propague en una dirección que es generalmente paralela al eje longitudinal A-A del mezclador 20 y el colimador 22, de manera que la energía infrarroja E chocará con la superficie de los filtros 24 en un ángulo tan cercano a 90 grados como sea posible.

En una disposición, el colimador es de aproximadamente 7,5 pulgadas (190,5 mm) de largo. En su extremo estrecho 22a, la sección transversal del colimador 22 es un rectángulo de aproximadamente 0,4 pulgadas por 0,6 pulgadas (10,16 mm por 15,24 mm). En su extremo ancho 22b, el colimador 22 tiene una sección transversal rectangular de aproximadamente 1,8 pulgadas por 2,6 pulgadas (45,72 mm por 66,04 mm). Preferentemente, el colimador 22 alinea la energía infrarroja E a un ángulo de incidencia (con respecto al eje longitudinal A-A) de aproximadamente 0-15 grados antes de que la energía E incida sobre los filtros 24. Por supuesto, pueden emplearse otras dimensiones o ángulos de incidencia al construir y manejar el colimador 22.

Con referencia de nuevo a las Figuras 1 y 6A, cada concentrador 26 comprende una superficie de sección decreciente orientada de manera que su extremo ancho 26a está adaptado para recibir la energía infrarroja que sale del filtro correspondiente 24, y de manera que su extremo estrecho 26b es adyacente al detector 28 correspondiente. Las superficies que dan hacia dentro de los concentradores 26 tienen un revestimiento superficial interior que es altamente reflectante y mínimamente absorbente de en las longitudes de onda infrarrojas, preferentemente un revestimiento de oro pulido. Los propios concentradores 26 pueden estar fabricados de otro material rígido como aluminio, níquel o acero inoxidable, siempre que sus superficies interiores estén revestidas o tratadas de otro modo para que sean altamente reflectantes.

Preferentemente, los concentradores 26 tienen una sección transversal rectangular (tomada ortogonal al eje longitudinal A-A), aunque pueden emplearse otras formas de sección transversal, como otras formas poligonales o formas circulares, parabólicas o elípticas. Las paredes interiores de los concentradores convergen a medida que se extienden hacia el extremo estrecho 26b. Preferentemente, las paredes interiores de los colimadores 26 son sustancialmente rectas y forman un ángulo de aproximadamente 8 grados con respecto al eje longitudinal A-A. Tal configuración está adaptada para concentrar la energía infrarroja a medida que pasa a través de los concentradores 26 desde el extremo ancho 26a hasta el extremo estrecho 26b, antes de llegar a los detectores 28.

En una disposición, cada concentrador 26 es de aproximadamente 1,5 pulgadas (38,1 mm) de largo. En el extremo ancho 26a, la sección transversal de cada concentrador 26 es un rectángulo de aproximadamente 0,6 pulgadas por 0,7 pulgadas (15,24 mm por 17,78 mm). En el extremo estrecho 26b, cada concentrador 26 tiene una sección transversal rectangular de aproximadamente 0,177 pulgadas por 0,177 pulgadas (4,496 mm por 4,496 mm). Por supuesto, pueden emplearse otras dimensiones o ángulos de incidencia al construir los concentradores 26.

e. Filtros

Los filtros 24 comprenden preferentemente filtros infrarrojos convencionales de tipo de interferencia, comercializados extensamente por fabricantes como Optical Coating Laboratory, Inc. ("OCLI") de Santa Rosa, CA. En la disposición ilustrada en la Figura 1, una matriz de 3 X 4 de filtros 24 está colocada encima de una matriz de 3 X 4 de detectores 28 y concentradores 26. Tal como se emplean en esta disposición, los filtros 24 están dispuestos en cuatro grupos de tres filtros que tienen la misma sensibilidad a longitud de onda. Estos cuatro grupos tienen longitudes de onda de centro de paso de banda de 7,15 \mum \pm 0,03 \mum, 8,40 \mum \pm 0,03 \mum, 9,48 \mum \pm 0,04 \mum, y 11,10 \mum \pm 0,04 \mum, respectivamente, que corresponden a longitudes de onda alrededor de las cuales el agua y la glucosa absorben radiación electromagnética. Los anchos de banda típicos para estos filtros están comprendidos entre 0,20 \mum y
0,50 \mum.

En una alternativa, la matriz de filtros de longitud de onda específica 24 puede ser sustituida por un único interferómetro Fabry-Perot, que puede proporcionar sensibilidad a longitud de onda que varía a medida que se toma una muestra de energía infrarroja de la muestra de material S. De este modo, esta disposición permite el uso de sólo un detector 28, cuya señal de salida varía de especifidad de longitud de onda a lo largo del tiempo. La señal de salida puede ser desmultiplexada basándose en las sensibilidades a longitudes de onda inducidas por el interferómetro Fabry-Perot, para proporcionar un perfil de múltiples longitudes de onda de la energía infrarroja emitida por la muestra de material S. En esta realización puede omitirse el mezclador óptico 20, ya que sólo tiene que emplearse un
detector 28.

En otras disposiciones más, la matriz de filtros 24 puede comprender una rueda de filtros que gira diferentes filtros con sensibilidades a longitudes de onda variables sobre un único detector 24. Alternativamente, puede emplearse un filtro infrarrojo sintonizable electrónicamente de una manera similar al interferómetro Fabry-Perot tratado anteriormente, para proporcionar sensibilidad a longitud de onda que varía durante el procedimiento de detección. En cualquiera de estos, puede omitirse el mezclador óptico 20, ya que sólo tiene que emplearse un detector
28.

f. Detectores

Los detectores 28 pueden comprender cualquier tipo de detector apropiado para detectar energía infrarroja, preferentemente en las longitudes de onda del infrarrojo medio. Por ejemplo, los detectores 28 pueden comprender detectores de telururo de mercurio y cadmio (MCT). Es aceptable un detector como un Fermionics (Simi Valley, California.) modelo PV-9.1 con un preamplificador PVA481-1. Pueden sustituirse unidades similares de otros fabricantes como Graseby (Tampa, Florida). Otros componentes apropiados para uso como los detectores 28 incluyen detectores piroeléctricos, pilas termoeléctricas, bolómetros, microbolómetros de silicio y matrices de plano focal de sal de
plomo.

g. Sistema de control

La Figura 7 representa con mayor detalle el sistema de control 30, así como las interconexiones entre el sistema de control y otras partes relevantes del sistema no invasivo. El sistema de control incluye un subsistema de control de temperatura y un subsistema de adquisición de datos.

En el subsistema de control de temperatura, sensores de temperatura (como RTD y/o termistores) situados en el montaje de ventana 12 proporcionan una señal de temperatura de ventana a un sistema de conversión síncrona analógica a digital 70 y un sistema de conversión asíncrona analógica a digital 72. Los sistemas A/D 70, 72 proporcionan a su vez una señal digital de temperatura de ventana a un procesador de señales digitales (DSP) 74. El procesador 74 ejecuta un algoritmo de control de temperatura de ventana y determina entradas de control apropiadas para la capa calentadora 34 del montaje de ventana 12 y/o para el sistema de enfriamiento 14, basándose en la información contenida en la señal de temperatura de ventana. El procesador 74 genera una o más señales digitales de control para un sistema de conversión digital a analógica 76 que a su vez proporciona una o más señales analógicas de control a controladores de corriente 78. En respuesta a la(s) señal(es) de control, los controladores de corriente 78 regulan la potencia suministrada a la capa calentadora 34 y/o el sistema de enfriamiento 14. En una disposición, el procesador 74 proporciona una señal de control a través de un dispositivo de entrada/salida digital 77 a un control de modulador de anchura de impulso (PWM) 80, que proporciona una señal que controla el funcionamiento de los controladores de corriente 78. Alternativamente, un filtro de paso bajo (no mostrado) en la salida del PWM asegura el funcionamiento continuo de los controladores de corriente 78.

En otra disposición, los sensores de temperatura pueden estar situados en el sistema de enfriamiento 14 y conectados apropiadamente al sistema(s) A/D y el procesador para proporcionar también control de bucle cerrado del sistema de enfriamiento.

Alternativamente, un sistema de enfriamiento de detectores 82 está situado en relación térmicamente conductora con uno o más detectores 28. El sistema de enfriamiento de detectores 82 puede comprender cualquiera de los dispositivos desvelados anteriormente que comprenden el sistema de enfriamiento 14, y comprende preferentemente un dispositivo termoeléctrico de tipo Peltier. El subsistema de control de temperatura también puede incluir sensores de temperatura, como RTD y/o termistores, situados en o adyacentes al sistema de enfriamiento de detectores 82, y conexiones eléctricas entre estos sensores y el sistema A/D asíncrono 72. Los sensores de temperatura del sistema de enfriamiento de detectores 82 proporcionan señales de temperatura de detectores al procesador 74. En una realización, el sistema de enfriamiento de detectores 82 funciona independientemente del sistema de control de temperatura de ventana, y las señales de temperatura del sistema de enfriamiento de detectores son muestreadas usando el sistema A/D asíncrono 72. De acuerdo con el algoritmo de control de temperatura, el procesador 74 determina entradas de control apropiadas para el sistema de enfriamiento de detectores 82, basadas en la información contenida en la señal de temperatura de detectores. El procesador 74 genera señales digitales de control para el sistema D/A 76 que a su vez proporciona señales analógicas de control para los controladores de corriente 78. En respuesta a las señales de control, los controladores de corriente 78 regulan la potencia suministrada al sistema de enfriamiento de detectores 14. En una realización, el procesador 74 también proporciona una señal de control a través del dispositivo de entrada/salida digital 77 y el control de PWM 80, para controlar el funcionamiento del sistema de enfriamiento de detectores 82 mediante los controladores de corriente 78. Alternativamente, un filtro de paso bajo (no mostrado) en la salida del PWM asegura el funcionamiento continuo de los controladores de corriente 78.

En el subsistema de adquisición de datos, los detectores 28 responden a la energía infrarroja E incidentes sobre los mismos pasando una o más señales detectoras analógicas a un preamplificador 84. El preamplificador 84 amplifica las señales detectoras y las pasa al sistema A/D síncrono 70, que convierte las señales detectoras en forma digital y las pasa al procesador 74. El procesador 74 determina las concentraciones del analito(s) de interés, basándose en las señales detectoras y un algoritmo de análisis de concentración y/o modelo de regresión de fase/concentración almacenados en un módulo de memoria 88. El algoritmo de análisis de concentración y/o el modelo de regresión de fase/concentración pueden ser desarrollados según cualquiera de las metodologías de análisis tratadas en este documento. El procesador puede comunicar los resultados de concentración y/u otra información a un controlador de pantalla 86, que maneja una pantalla (no mostrada), como una pantalla LCD, para presentar la información al usuario.

Puede emplearse un temporizador controlador de secuencia 94 para asegurar que el procesador 74 está funcionando correctamente. Si el temporizador controlador de secuencia 94 no recibe una señal del procesador 74 en un plazo de tiempo especificado, el temporizador controlador de secuencia 94 reinicia el procesador 74. El sistema de control también puede incluir una interfaz JTAG 96 para permitir el ensayo del sistema no invasivo 10.

En una disposición, el sistema A/D asíncrono 70 comprende un sistema de 14 canales y 20 bits, y el sistema A/D asíncrono 72 comprende un sistema de 16 canales y 16 bits. El preamplificador comprende un preamplificador de 12 canales que corresponde a una matriz de 12 detectores 28.

El sistema de control también puede incluir un puerto serie 90 u otro puerto de datos convencional para permitir la conexión a un ordenador personal 92. El ordenador personal puede emplearse para actualizar el algoritmo(s) y/o el modelo(s) de regresión de fase/concentración almacenados en el módulo de memoria 88, o para descargar una compilación de datos de concentración de analito desde el sistema no invasivo 10. Un reloj de tiempo real u otro dispositivo de temporización pueden ser accesibles por parte del procesador 74 para realizar cualquier cálculo dependiente del tiempo que pueda desear un usuario.

2. Metodología de análisis

El detector(es) 28 del sistema no invasivo 10 se usan para detectar la energía infrarroja emitida por la muestra de material S en diversas longitudes de onda deseadas. A cada longitud de onda medida, la muestra de material S emite energía infrarroja a una intensidad que varía a lo largo del tiempo. Las intensidades variables en el tiempo surgen en gran parte en respuesta al uso del montaje de ventana 12 (incluyendo su capa calentadora 34) y el sistema de enfriamiento 14 para inducir un gradiente térmico en la muestra de material S. Tal como se usa en este documento, "gradiente térmico" es un término general y se usa en su sentido ordinario y se refiere, sin limitación, a una diferencia de temperatura y/o energía térmica entre diferentes lugares, como diferentes profundidades, de una muestra de material, que puede ser inducida por cualquier procedimiento apropiado de incremento o disminución de la temperatura y/o energía térmica en uno o más lugares de la muestra. Como se tratará con mayor detalle más adelante, la concentración de un analito de interés (como glucosa) en la muestra de material S puede determinarse con un dispositivo como el sistema no invasivo 10, comparando los perfiles de intensidad variable en el tiempo de las diversas longitudes de onda medidas.

En este documento se tratan metodologías de análisis dentro del contexto de la detección de la concentración de glucosa dentro de una muestra de material, como una muestra de tejido, que incluye una gran proporción de agua. Sin embargo, resultará evidente que estas metodologías no están limitadas a este contexto y pueden aplicarse a la detección de una amplia variedad de analitos dentro de una amplia variedad de tipos de muestras. También debe comprenderse que pueden emplearse otras metodologías de análisis apropiadas y variaciones apropiadas de las metodologías desveladas al manejar un sistema de detección de analito, como el sistema no invasivo 10.

Como se muestra en la Figura 8, una primera señal de referencia P puede medirse en una primera longitud de onda de referencia. La primera señal de referencia P se mide en una longitud de onda donde el agua absorbe fuertemente (por ejemplo, 2,9 \mum o 6,1 \mum). Como el agua absorbe radiación fuertemente en estas longitudes de onda, la intensidad de las señales detectoras se reduce en esas longitudes de onda. Por otra parte, en estas longitudes de onda el agua absorbe las emisiones de fotones que emanan del interior profundo de la muestra. El efecto neto es que una señal emitida en estas longitudes de onda desde el interior profundo de la muestra no se detecta fácilmente. La primera señal de referencia P es por lo tanto un buen indicador de efectos de gradiente térmico cerca de la superficie de la muestra y puede conocerse como señal de referencia superficial. Esta señal puede calibrarse y normalizarse, en ausencia de calentamiento o enfriamiento aplicado a la muestra, a un valor inicial de 1. Para mayor exactitud, puede medirse más de una primera longitud de onda de referencia. Por ejemplo, pueden escogerse tanto 2,9 \mum como 6,1 \mum como primeras longitudes de onda de referencia.

Como se muestra además en la Figura 8, también puede medirse una segunda señal de referencia R. La segunda señal R puede medirse en una longitud de onda donde el agua tiene absorbancia muy baja (por ejemplo, 3,6 \mum o 4,2 \mum). Esta segunda señal de referencia R proporciona por lo tanto al analista información acerca de las zonas más profundas de la muestra, mientras que la primera señal P proporciona información acerca de la superficie de la muestra. Esta señal también puede calibrarse y normalizarse, en ausencia de calentamiento o enfriamiento aplicado a la muestra, a un valor inicial de 1. Como con la primera señal de referencia (superficial) P, puede obtenerse mayor exactitud usando más de una segunda señal de referencia (profunda) R.

Para determinar la concentración de analito, también se mide una tercera señal (analítica) Q. Esta señal se mide en un punto máximo de absorbancia de IR del analito seleccionado. Los puntos máximos de absorbancia de IR para la glucosa están comprendidos aproximadamente entre 6,5 \mum y 11,0 \mum. Esta señal detectora también puede calibrarse y normalizarse, en ausencia de calentamiento o enfriamiento aplicado a la muestra de material S, a un valor inicial de 1. Como con las señales de referencia P, R, la señal analítica Q puede medirse en más de un punto máximo de absorbancia.

Opcionalmente, o además, pueden medirse señales de referencia en longitudes de onda que encuadran el punto máximo de absorbancia del analito. Estas señales pueden ser monitorizadas ventajosamente en longitudes de onda de referencia que no se superponen a los puntos máximos de absorbancia del analito. Además, es ventajoso medir longitudes de onda de referencia en puntos máximos de absorbancia que no se superponen a los puntos máximos de absorbancia de otros posibles constituyentes contenidos en la muestra.

a. Gradiente térmico básico

Como se muestra además en la Figura 8, las intensidades de señales P, Q, R se muestran inicialmente en la intensidad de señal valor inicial normalizado de 1. Esto, por supuesto, refleja el comportamiento radiactivo de una muestra de ensayo en ausencia de calentamiento o enfriamiento aplicado. En un momento t_{c}, la superficie de la muestra está sometida a un suceso de temperatura que induce un gradiente térmico en la muestra. El gradiente puede ser inducido calentando o enfriando la superficie de la muestra. El ejemplo mostrado en la Figura 8 usa enfriamiento, por ejemplo, usando un suceso de enfriamiento a 10ºC. En respuesta al suceso de enfriamiento, las intensidades de las señales detectoras P, Q, R disminuye a lo largo del tiempo.

Como el enfriamiento de la muestra no es uniforme ni instantáneo, la superficie se enfría antes de que se enfríen las zonas más profundas de la muestra. A medida que disminuye la intensidad de cada una de las señales P, Q, R, surge un patrón. La intensidad de las señales decrece según lo esperado, pero a medida que las señales P, Q, R alcanzan un valor de amplitud dado (o serie de valores de amplitud: 150, 152, 154, 156, 158), se observan ciertos efectos temporales. Después de inducirse el suceso de enfriamiento a t_{c}, la amplitud de la primera señal de referencia (superficial) P decrece lo más rápidamente, alcanzando primero un punto de control 150, en el momento t_{P}. Esto se debe al hecho de que la primera señal de referencia P refleja las características radiativas de la muestra cerca de la superficie de la muestra. Como la superficie de la muestra se enfría antes que las zonas subyacentes, primero desciende la intensidad de la (primera) señal de referencia superficial P.

Simultáneamente, se monitoriza la segunda señal de referencia R. Como la segunda señal de referencia R corresponde a las características de radiación de zonas más profundas de la muestra, que no se enfrían tan 25 rápidamente como la superficie (debido al tiempo necesario para que el enfriamiento superficial se propague al interior de las zonas más profundas de la muestra), la intensidad de la señal R no decrece hasta un poco más tarde. En consecuencia, la señal R no alcanza la magnitud 150 hasta un momento algo más tarde t_{R}. En otras palabras, existe un retardo de tiempo entre el momento t_{P} en el que la amplitud de la primera señal de referencia alcanza el punto de control 150 y el momento t_{R} en el que la segunda señal de referencia R alcanza el mismo punto de control 150. Este retardo de tiempo puede expresarse como una diferencia de fase \phi(\lambda). Además, puede medirse una diferencia de fase entre la señal analítica Q y cualquiera o ambas señales de referencia P, R.

A medida que aumenta la concentración de analito, aumenta la cantidad de absorbancia en la longitud de onda analítica. Esto reduce la intensidad de la señal analítica Q de una manera dependiente de la concentración. En consecuencia, la señal analítica Q alcanza la intensidad 150 en algún momento intermedio t_{Q}. Cuanto más alta es la concentración de analito, más se desplaza a la izquierda la señal analítica Q en la Figura 8. Como resultado, con concentración creciente de analito, la diferencia de fase \phi(\lambda) disminuye en relación con la primera señal de referencia (superficial) P y aumenta en relación con la segunda señal de referencia (tejido profundo) R. La(s) diferencia(s) de fase \phi(\lambda) están relacionadas directamente con la concentración de analito y pueden usare para realizar determinaciones exactas de concentración de analito.

La diferencia de fase \phi(\lambda) entre la primara señal de referencia (superficial) P y la señal analítica Q está representada por a ecuación:

\phi(\lambda) = |t_{P} - t_{Q}|

La magnitud de esta diferencia de fase disminuye con la concentración creciente de analito.

La diferencia de fase \phi(\lambda) entre la segunda señal de referencia (tejido profundo) R y la señal analítica Q está representada por la ecuación:

\phi(\lambda) = |t_{Q} - t_{R}|

La magnitud de esta diferencia de fase aumenta con la concentración creciente de analito.

Puede aumentarse la exactitud escogiendo varios puntos de control, por ejemplo, 150, 152, 154, 156, y 158 y promediando las diferencias de fase observadas en cada punto de control. La exactitud de este procedimiento puede aumentarse más integrando continuamente la(s) diferencia(s) de fase a o largo de todo el periodo de ensayo. Como en este ejemplo sólo ha sido inducido un único suceso de temperatura (aquí, un suceso de enfriamiento), la muestra alcanza una nueva temperatura de equilibrio más baja y las señales se estabilizan en un nuevo nivel constante l_{F}. Por supuesto, el procedimiento funciona igualmente bien con gradientes térmicos inducidos por calentamiento o por la aplicación o introducción de otras formas de energía como, pero no limitadas a luz, radiación, calor inducido químicamente, fricción y vibración.

Esta metodología no está limitada a la determinación de diferencia de fase. En cualquier momento dado (por ejemplo, en un momento t_{X}), la amplitud de la señal analítica Q puede compararse con la amplitud de cualquiera o ambas señales de referencia P, R. Puede observarse y procesarse la diferencia de amplitud para determinar la concentración de analito.

Este procedimiento, las variantes desveladas en este documento, y el aparato desvelado como apropiado para aplicación del procedimiento(s), no están limitados a la detección de concentración de glucosa en vivo. El procedimiento y las variantes y aparatos desvelados pueden usarse sobre objetos de estudio humanos, animales, o incluso plantas, o sobre composiciones orgánicas o inorgánicas en una instalación no médica. El procedimiento puede usarse para tomar mediciones de muestras en vivo o in vitro de prácticamente cualquier clase. El procedimiento es útil para medir la concentración de una amplia gama de analitos químicos adicionales, incluyendo pero no limitados a glucosa, etanol, insulina, agua, dióxido de carbono, oxígeno en sangre, colesterol, bilirrubina, cetonas, ácidos grasos, lipoproteínas, albúmina, urea, creatinina, glóbulos blancos, glóbulos rojos, hemoglobina, hemoglobina, oxihemoglobina, carboxihemoglobina, moléculas orgánicas, moléculas inorgánicas, fármacos, citocromo, diversas proteínas y cromóforos, microcalcificaciones, hormonas, así como otros compuestos químicos. Para detectar un analito dado, sólo se necesita seleccionar longitudes de onda analíticas y de referencia apropiadas.

El procedimiento es adaptable u puede usarse para determinar concentraciones químicas en muestras de fluidos corporales (por ejemplo, sangre, orina o saliva) una vez que han sido extraídos de un paciente. De hecho, el procedimiento puede usarse para la medición de muestras in vitro de prácticamente cualquier clase.

b. Gradiente térmico modulado

Puede emplearse un gradiente térmico modulado periódicamente para realizar determinaciones exactas de concentración de analito.

Como se mostró previamente en la Figura 8, una vez que se induce un gradiente térmico en la muestra, las señales de referencia y analíticas P, Q, R se desfasan unas con respecto a otras. Esta diferencia de fase \phi(\lambda) está presente si el gradiente térmico se induce mediante calentamiento o enfriamiento. Sometiendo alternativamente la muestra de ensayo a un patrón cíclico de calentamiento, enfriamiento, o alternativamente calentamiento y enfriamiento, puede inducirse un gradiente térmico oscilante en una muestra durante un periodo de tiempo prolongado.

Un gradiente térmico oscilante se ilustra usando un gradiente modulado sinusoidalmente. La Figura 9 representa señales detectoras que emanan de de una muestra de ensayo. Como con la metodología mostrada en la Figura 8, se miden una o más señales de referencia J, L. También se monitorizan una o más señales analíticas K. Estas señales pueden calibrarse y normalizarse, en ausencia de calentamiento o enfriamiento aplicado a la muestra, a un valor inicial de 1. La Figura 9 muestra las señales después de la normalización. En algún momento t_{C}, se induce un suceso de temperatura (por ejemplo, enfriamiento) en la superficie de la muestra. Esto causa un decrecimiento en la señal detectora. Como se muestra en la Figura 8, las señales (P, Q, R) decrecen hasta que el gradiente térmico desaparece y se alcanza una nueva señal detectora de equilibrio IF. En el procedimiento mostrado en la Figura 9, a medida que el gradiente comienza a desaparecer a una intensidad de señal 160, se induce un suceso de calentamiento, en el momento t_{W}, en la superficie de la muestra. Como resultado, las señales de salida de los detectores J, K, L subirán a medida que sube la temperatura de la muestra. En algún momento posterior t_{C2}, se induce otro suceso de enfriamiento, haciendo que decrezcan la temperatura y las señales detectoras. Este ciclo de enfriamiento y calentamiento puede repetirse a lo largo de un intervalo de tiempo de duración arbitraria. Por otra parte, si los sucesos de enfriamiento y calentamiento se sincronizan apropiadamente, puede inducirse un gradiente térmico modulado periódicamente en la muestra de ensayo.

Como se explicó anteriormente en las discusiones relativas a la Figura 8, la diferencia de fase \phi(\lambda) puede medirse y usarse para determinar la concentración de analito. La Figura 9 muestra que la primera señal de referencia (superficial) J decrece y sube de intensidad en primer lugar. La segunda señal de referencia (tejido profundo) L decrece y sube de manera retrasada en el tiempo en relación con la primera señal de referencia J. La señal analítica K presenta un retardo de tiempo/fase dependiente de la concentración de analito. Con concentración creciente, la señal analítica K se desplaza a la izquierda en la Figura 9. Como con la Figura 8, puede medirse la diferencia de fase \phi(\lambda). Por ejemplo, puede medirse una diferencia de fase \phi(\lambda) entre la segunda señal de referencia L y la señal analítica K a una amplitud establecida 162 como se muestra en la Figura 9. De nuevo, la magnitud de la señal de fase refleja la concentración de analito de la muestra.

La información sobre diferencia de fase recopilada por cualquiera de las metodologías desveladas en este documento puede ser correlacionada por el sistema de control 30 (véase la Figura 1) con información sobre diferencia de fase determinada previamente para determinar la concentración de analito en la muestra. Esta correlación podría implicar comparación de la información sobre diferencia de fase recibida a partir del análisis de la muestra, con un conjunto de datos que contienen los perfiles de diferencia de fase observados a partir del análisis de una amplia variedad de patrones de concentración de analitos conocidos. En una realización, se establece una curva de fase/concentración o un modelo de regresión aplicando técnicas de regresión a un conjunto de datos de diferencia de fase observados en patrones de concentración de analitos conocidos. Esta curva se usa para estimar la concentración de analito en una muestra basada en la información sobre diferencia de fase recibida de la muestra.

Ventajosamente, la diferencia de fase \phi(\lambda) puede medirse continuamente durante todo el periodo de ensayo. Las mediciones de 30 diferencia de fase pueden integrarse a lo largo de todo el periodo de ensayo para una medida sumamente exacta de diferencia de fase \phi(\lambda). También puede mejorarse la exactitud usando más de una señal de referencia y/o más de una señal analítica.

Como alternativa o como complemento a la medición de diferencia(s) de fase, pueden medirse diferencias de amplitud entre la(s) señal(es) analíticas y de referencia y emplearse para determinar la concentración de analito. Detalles adicionales relativos a esta técnica y que no es necesario repetir aquí pueden encontrarse en la solicitud de patente de EE.UU. del cesionario, nº de serie 09/538.164.

Además, estos procedimientos pueden emplearse ventajosamente para medir simultáneamente la concentración de uno o más analitos. Escogiendo longitudes de onda de referencia y del analito que no se superpongan, pueden medirse y procesarse simultáneamente diferencias de fase para determinar concentraciones de analitos. Aunque la Figura 9 ilustra el procedimiento usado conjuntamente con un gradiente térmico modulado sinusoidalmente, el principio se aplica a gradientes térmicos que se ajustan a cualquier función periódica. En casos más complejos, el análisis que usa procesamiento de señales con transformadas de Fourier u otras técnicas permite determinaciones exactas de diferencia de fase \phi(\lambda) y concentración de analito.

Como se muestra en la Figura 10, la magnitud de las diferencias de fase puede determinarse midiendo los intervalos de tiempo entre los puntos máximos (o mínimos) de amplitud de las señales de referencia J, L y la señal analítica K. Alternativamente, pueden usarse los intervalos de tiempo entre los "pasos por cero" (los puntos en los que la amplitud de señal cambia de positiva a negativa, o negativa a positiva) para determinar la diferencia de fase entre la señal analítica K y las señales de referencia J, L. Esta información se procesa posteriormente y entonces puede realizarse una determinación de concentración de analito. Este procedimiento particular tiene la ventaja de no requerir señales normalizadas.

Como alternativa adicional, pueden emplearse dos o más frecuencias de excitación para determinar concentraciones de analito a profundidades seleccionadas dentro de la muestra. Una frecuencia de excitación lenta (por ejemplo, 1 Hz) crea un gradiente térmico que penetra más profundamente en la muestra que el gradiente creado por una frecuencia de excitación rápida (por ejemplo, 3 Hz). Esto es porque los sucesos individuales de calentamiento y/o enfriamiento duran más donde la frecuencia de excitación es más baja. De este modo, el uso de una frecuencia de excitación lenta proporciona información sobre concentración de analito procedente de una "rebanada" más profunda de la muestra que el uso de una frecuencia de excitación rápida.

Se ha descubierto que al analizar una muestra de piel humana, un suceso de temperatura de 10ºC crea un gradiente térmico que penetra a una profundidad de aproximadamente 150 \mum, después de aproximadamente 500 ms de exposición. En consecuencia, un ciclo de enfriamiento/calentamiento o una frecuencia de excitación de 1 Hz proporciona información a una profundidad de aproximadamente 150 \mum. También se ha determinado que la exposición a un suceso de temperatura de 10ºC durante aproximadamente 167 ms crea un gradiente térmico que penetra a una profundidad de aproximadamente 50 \mum. Por lo tanto, un ciclo de enfriamiento/calentamiento de 3 Hz proporciona información a una profundidad de aproximadamente 50 \mum. Restando la información de la señal detectora medida a una frecuencia de excitación de 3 Hz de la información de la señal detectora medida a una frecuencia de excitación de 1 Hz, se puede determinar la(s) concentración(es) de analito en la zona de piel entre 50 y 150 \mum. Por supuesto, puede usarse un planteamiento similar para determinar concentraciones de analito en cualquier intervalo de profundidad deseado dentro de cualquier tipo de muestra apropiado.

Como se muestra en la Figura 11, pueden inducirse gradientes térmicos profundos y poco profundos alternativos alternando frecuencias de excitación lentas y rápidas. Como con los procedimientos descritos anteriormente, esta variación también implica la detección y medición de diferencias de fase \phi(\lambda) entre señales de referencia G, G' y señales analíticas H, H'. Se miden diferencias de fase tanto a frecuencias de excitación rápidas (por ejemplo, 3 Hz) como lentas (por ejemplo, 1 Hz). La frecuencia de excitación lenta puede continuar durante un número de ciclos escogido arbitrariamente (en la zona SL_{1}), por ejemplo, dos ciclos completos. Luego se emplea la frecuencia de excitación rápida durante una duración seleccionada, en la zona F_{1}. Los datos de diferencia de fase se recopilan de la misma manera que se desveló anteriormente. Además, los datos de diferencia de fase de frecuencia rápida (muestra poco profunda) pueden restarse de los datos de frecuencia lenta (muestra profunda) para proporcionar una determinación exacta de concentración de analito en la zona de la muestra entre la profundidad de penetración de gradiente asociada con la frecuencia de excitación rápida y la asociada con la frecuencia de excitación lenta.

Las frecuencias de excitación (por ejemplo, 1 Hz y 3 Hz) pueden ser multiplexadas como se muestra en la Figura 12. Las frecuencias de excitación rápida (3 Hz) y lenta (1 Hz) pueden ser superpuestas en lugar de ser implementadas de manera secuencial. Durante el análisis, los datos pueden ser separados por frecuencia (usando la transformada de Fourier u otras técnicas) y pueden calcularse mediciones independientes de retardo de fase en cada una de las frecuencias de excitación. Una vez resueltos, los dos conjuntos de datos de retardo de fase son procesados para determinar la absorbancia y la concentración de analito.

Detalles adicionales que no es necesario repetir aquí pueden encontrarse en la patente de EE.UU. Nº 6.198.949, titulada SOLID-STATE NON-INVASIVE INFRARED ABSORPTION SPECTROMETER FOR THE GENERATION AND CAPTURE OF THERMAL GRADIENT SPECTRA FROM LIVING TISSUE, concedida el 6 de marzo de 2001; la patente de EE.UU. Nº 6.161.028, titulada METHOD FOR DETERMINING ANALYTE CONCENTRATION USING PERIODIC TEMPERATURE MODULATION AND PHASE DETECTION, concedida el 12 de diciembre de 2000; la patente de EE.UU. Nº 5.877.500, titulada MULTICHANNEL INFRARED DETECTOR WITH OPTICAL CONCENTRATORS FOR EACH CHANNEL, concedida el 2 de marzo de 1999; la solicitud de patente de EE.UU. de Nº de serie 09/538.164, presentada el 30 de marzo de 2000 y titulada METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING ANALYTE CONCENTRATION USING PHASE AND MAGNITUDE DETECTION OF A RADIATION TRANSFER FUNCTION; la solicitud de patente provisional de EE.UU. Nº 60/336.404, presentada el 29 de octubre de 2001, titulada WINDOW ASSEMBLY; la solicitud de patente provisional de EE.UU. Nº 60/340.435, presentada el 12 de diciembre de 2001, titulada CONTROL SYSTEM FOR BLOOD CONSTITUENT MONITOR; la solicitud de patente provisional de EE.UU. Nº 60/340.654, presentada el 12 de diciembre de 2001, titulada SYSTEM AND METHOD FOR CONDUCTING AND DETECTING INFRARED RADIATION; la solicitud de patente provisional de EE.UU. Nº 60/336.294, presentada el 29 de octubre de 2001, titulada METHOD AND DEVICE FOR INCREASING ACCURACY OF BLOOD CONSTITUENT MEASUREMENT; y la solicitud de patente provisional de EE.UU. Nº 60/339.116, presentada el 7 de noviembre de 2001, titulada METHOD AND APPARATUS FOR IMPROVING CLINICALLY SIGNIFICANT ACCURACY OF ANALYTE MEASUREMENTS.

B. Sistema de detección para sangre entera

La Figura 13 es una vista esquemática de un sistema de detección de analitos para sangre entera sin reactivo 200 (en lo sucesivo "sistema para sangre entera") en una configuración preferida. El sistema para sangre entera 200 puede comprender una fuente de radiación 220, un filtro 230, una cubeta 240 que incluye una celda para muestra 242 y un detector de radiación 250. El sistema para sangre entera 200 también comprende preferentemente un procesador de señales 260 y una pantalla 270. Aunque aquí se muestra una cubeta 240, en el sistema 200 también podrían usarse otros elementos de muestreo, como se describe más adelante. El sistema para sangre entera 200 también puede comprender un extractor de muestras 280, que puede usarse para acceder al fluido corporal desde un apéndice, como el dedo 290, el antebrazo, o cualquier otro lugar adecuado.

Tal como se usan en este documento, los términos "sistema de detección de analitos para sangre entera" y "sistema para sangre entera" son términos generales sinónimos y se usan en su sentido ordinario y se refieren, sin limitación, a dispositivos de detección de analitos que pueden determinar la concentración de un analito en una muestra de material pasando radiación electromagnética por el interior de la muestra y detectando la absorbancia de la radiación por parte de la muestra. Tal como se usa en este documento, el término "sangre entera" es un término general y se usa en su sentido ordinario y se refiere, sin limitación, a sangre que ha sido extraída de un paciente pero que no ha sido procesada de ninguna otra manera, por ejemplo, no ha sido hemolizada, liofilizada, centrifugada o separada de cualquier otra manera, después de ser sacada del paciente. La sangre entera puede contener cantidades de otros fluidos, como fluido intersticial o fluido intracelular, que pueden entrar en la muestra durante el procedimiento de extracción o que están presentes por naturaleza en la sangre. Sin embargo, debe comprenderse que el sistema para sangre entera 200 desvelado en este documento no está limitado a análisis de sangre entera, ya que el sistema para sangre entera 10 puede emplearse para analizar otras sustancias, como saliva, orina, sudor, fluido intersticial, fluido intracelular, sangre hemolizada, liofilizada o centrifugada o cualquier otro material orgánico o inorgánico.

El sistema para sangre entera 200 puede comprender un sistema de ensayo cercano al paciente. Tal como se usa en este documento, "sistema de ensayo cercano al paciente" es un término general y se usa en su sentido ordinario, e incluye, sin limitación, sistemas de ensayo que están configurados para ser usados donde el paciente está más que exclusivamente en un laboratorio, por ejemplo, sistemas que pueden usarse en casa del paciente, en una clínica, en un hospital, o incluso en un entorno móvil. Los usuarios de sistemas de ensayo cercanos al paciente pueden incluir pacientes, miembros familiares de pacientes, profesionales clínicos, enfermeras, o médicos. Un "sistema de ensayo cercano al paciente" también podría incluir un sistema de "diagnóstico inmediato".

El sistema para sangre entera 200 puede ser configurado para ser manejado fácilmente por el paciente o usuario. Como tal, el sistema 200 es preferentemente un dispositivo portátil. Tal como se usa en este documento, "portátil" es un término general y se usa en su sentido ordinario y significa, sin limitación, que el sistema 200 puede ser transportado fácilmente por el paciente y usado donde sea conveniente. Por ejemplo, el sistema 200 es ventajosamente pequeño. El sistema 200 puede ser lo suficientemente pequeño como para caber en un bolso o mochila. El sistema 200 puede ser lo suficientemente pequeño como para caber en el bolsillo de un pantalón. El sistema 200 puede ser los suficientemente pequeño como para ser sostenido en la palma de una mano del usuario.

Puede emplearse un elemento de muestreo para sostener una muestra de material, como una muestra de fluido biológico. Tal como se usa en este documento, "elemento de muestreo" es un término general y se usa en su sentido ordinario e incluye, sin limitación, estructuras que tienen una celda para muestra y al menos una pared de celda para muestra, pero incluye de manera más general cualquiera de varias estructuras que puedan sostener, soportar o contener una muestra de material y que permitan que pase radiación electromagnética a través de una muestra sostenida, soportada o contenida por la misma; por ejemplo, una cubeta, tira de ensayo, etc. Tal como se usa en este documento, el término "desechable" cuando se aplica a un componente, como un elemento de muestreo, es un término general y se usa en su sentido ordinario y significa, sin limitación, que el componente en cuestión se usa un número finito de veces y después se desecha. Algunos componentes desechables se usan sólo una vez y después se desechan. Otros componentes desechables se usan más de una vez y después se desechan.

La fuente de radiación 220 del sistema para sangre entera 200 emite radiación electromagnética en cualquiera de varios intervalos espectrales, por ejemplo, dentro de las longitudes de onda infrarrojas; en las longitudes de onda del infrarrojo medio; por encima de aproximadamente 0,8 \mum; entre aproximadamente 5,0 \mum y aproximadamente 20,0 \mum; y/o entre aproximadamente 5,25 \mum y aproximadamente 12,0 \mum. Sin embargo, el sistema para sangre entera 200 puede emplear una fuente de radiación 220 que emite en longitudes de onda que se encuentran en cualquier lugar desde el espectro visible hasta el espectro de microondas, por ejemplo en cualquier lugar desde aproximadamente 0,4 \mum hasta más de aproximadamente 100 \mum. La fuente de radiación puede emitir radiación electromagnética en longitudes de onda entre aproximadamente 3,5 \mum y aproximadamente 14 \mum, o entre aproximadamente 0,8 \mum y aproximadamente 2,5 \mum, o entre aproximadamente 2,5 \mum y aproximadamente 20 \mum, o entre aproximadamente 20 \mum y aproximadamente 100 \mum, o entre aproximadamente 6,85 \mum y aproximadamente
10,10 \mum.

La radiación emitida desde la fuente 220 puede ser modulada a una frecuencia entre aproximadamente medio hercio y aproximadamente 100 hercios, o entre aproximadamente 2,5 hercios y aproximadamente 7,5 hercios, o a aproximadamente 50 hercios, o aún a aproximadamente 5 hercios. Con una fuente de radiación modulada, las fuentes de luz ambiental, como una lámpara fluorescente parpadeante, pueden ser identificadas más fácilmente y rechazadas al analizar la radiación incidente sobre el detector 250. Una fuente que es apropiada para esta aplicación es producida por ION OPTICS, INC. y se vende bajo el número de pieza NL5LNC.

El filtro 230 permite que pase radiación electromagnética de longitudes de onda seleccionadas e incida sobre la cubeta/elemento de muestreo 240. Preferentemente, el filtro 230 permite que pase radiación hasta la cubeta/elemento de muestreo al menos a aproximadamente las siguientes longitudes de onda: 3,9, 4,0 \mum, 4,05 \mum, 4,2 \mum, 4,75, 4,95 \mum, 5,25 \mum, 6,12 \mum, 7,4 \mum, 8,0 \mum, 8,45 \mum, 9,25 \mum, 9,5 \mum, 9,65 \mum, 10,4 \mum, 12,2 \mum. En otra disposición, el filtro 230 permite que pase radiación hasta la cubeta/elemento de muestreo al menos a aproximadamente las siguientes longitudes de onda: 5,25 \mum, 6,12 \mum, 6,8 \mum, 8,03 \mum, 8,45 \mum, 9,25 \mum, 9,65 \mum, 10,4 \mum, 12 \mum. El filtro 230 puede permitir que pase radiación hasta la cubeta/elemento de muestreo al menos a aproximadamente las siguientes longitudes de onda: 6,85 \mum, 6,97 \mum, 7,39 \mum, 8,23 \mum, 8,62 \mum, 9,02 \mum, 9,22 \mum, 9,43 \mum, 9,62 \mum, y 10,10 \mum. Además, pueden seleccionarse otros subconjuntos de los conjuntos precedentes u otras combinaciones de longitudes de onda. Finalmente, pueden seleccionarse otros conjuntos de longitudes de onda basados en el coste de producción, tiempo de desarrollo, disponibilidad, y otros factores relacionados con el coste, capacidad de fabricación, y tiempo para comercialización de los filtros usados para generar las longitudes de onda seleccionadas, y/o para reducir el número total de filtros necesarios.

El filtro 230 puede ser capaz de cambiar cíclicamente su banda de paso entre una variedad de bandas espectrales estrechas o una variedad de longitudes de onda seleccionadas. El filtro 230 puede comprender así un filtro infrarrojo sintonizable de estado sólido, como el comercializado por ION OPTICS INC. El filtro 230 también podría implementarse como una rueda de filtros con una pluralidad de filtros de banda de paso fija montados en la rueda, generalmente perpendiculares a la dirección de la radiación emitida por la fuente 220. La rotación de la rueda de filtros presenta alternativamente filtros que pasan radiación a longitudes de onda que varían de acuerdo con los filtros a medida que pasan por el campo visual del detector 250.

El detector 250 comprende preferentemente un detector piroeléctrico de 3 mm de largo por 3 mm de ancho. Ejemplos apropiados son producidos por DIAS Angewandte Sensorik Gmbh de Dresden, Alemania, o por BAE Systems (como su detector modelo TGS). El detector 230 podría comprender alternativamente una pila termoeléctrica, un bolómetro, un microbolómetro de silicio, una matriz de plano focal de sal de plomo, o un detector de telururo de mercurio y cadmio (MCT). Cualquiera que sea la estructura que se use como el detector 250, está configurada deseablemente para responder a la radiación incidente sobre su superficie activa 254 para producir señales eléctricas que corresponden a la radiación incidente.

El elemento de muestreo puede comprender una cubeta 240 que a su vez comprende una celda para muestra 242 configurada para sostener una muestra de tejido y/o fluido (como sangre entera, componentes sanguíneos, fluido intersticial, fluido intercelular, saliva, orina, sudor y/u otros materiales orgánicos o inorgánicos) de un paciente dentro de su celda para muestra. La cubeta 240 está instalada en el sistema para sangre entera 200 con la celda para muestra 242 situada al menos parcialmente en el camino óptico 243 entre la fuente de radiación 220 y el detector 250. De este modo, cuando se emite radiación desde la fuente 220 a través del filtro 230 y la celda para muestra 242 de la cubeta 240, el detector 250 detecta la intensidad de la señal de radiación a la(s) longitud(es) de onda de interés. Basándose en esta intensidad de la señal, el procesador de señales 260 determina el grado en el que la muestra de la celda 240 absorbe radiación a la(s) longitud(es) de onda detectada(s). Después se determina la concentración del analito de interés a partir de los datos de absorción por medio de cualquier técnica espectroscópica apropiada.

Como se muestra en la Figura 13, el sistema para sangre entera 200 también puede comprender un extractor de muestra 280. Tal como se usa en este documento, el término "extractor de muestra" es un término general y se usa en su sentido ordinario y se refiere, sin limitación, a cualquier dispositivo que sea apropiado para extraer un material de muestra, como sangre entera, otros fluidos corporales, o cualquier otro material de muestra, a través de la piel de un paciente. En diversas disposiciones, el extractor de muestra puede comprender una lanceta, una lanceta láser, un tomamuestras iontoforético, un perforador de chorro de gas, de chorro de fluido o de chorro de partículas, un intensificador ultrasónico (usado con o sin un intensificador químico), o cualquier otro dispositivo apropiado.

Como se muestra en la Figura 13, el extractor de muestra 280 podría formar una abertura en un apéndice, como el dedo 290, para que la sangre entera acceda a la cubeta 240. Debe entenderse que podrían usarse otros apéndices para extraer la muestra, incluyendo pero no limitados al antebrazo. Con algunas disposiciones del extractor de muestra 280, el usuario forma un orificio diminuto o rebanada a través de la piel, a través de la cual fluye una muestra de fluido corporal como sangre entera. Donde el extractor de muestra 280 comprende una lanceta (véase la Figura 14), el extractor de muestra puede comprender un instrumento de corte afilado hecho de metal u otros materiales rígidos. Una lanceta láser apropiada es la Lasette Plus® producida por Cell Robotics International, Inc. de Albuquerque, New Mexico. Si se usa una lanceta láser, un tomamuestras iontoforético, un perforador de chorro de gas o de chorro de fluido como el extractor de muestra 280, podría estar incorporado dentro del sistema para sangre entera 200 (véase la Figura 13), o podría ser un dispositivo separado.

Puede encontrarse información adicional sobre lancetas láser en la patente de EE.UU. Nº 5.908.416, concedida el 1 de junio de 1999, titulada LASER DERMAL PERFORATOR. Un perforador apropiado de chorro de gas, chorro de fluido o chorro de partículas se desvela en la patente de EE.UU. Nº 6.207.400, concedida el 27 de marzo de 2001, titulada NON-OR MINIMALLY INVASIVE MONITORING METHODS USING PARTICLE DELIVERY METHODS. Un tomamuestras iontoforético apropiado se desvela en la patente de EE.UU. Nº 6.298.254, concedida el 2 de octubre de 2001, titulada DEVICE FOR SAMPLING SUBSTANCES USING ALTERNATING POLARITY OF
IONTOPHORETIC CURRENT. Un intensificador ultrasónico apropiado, e intensificadores químicos apropiados para uso con el mismo, se desvelan en la patente de EE.UU. Nº 5.458.140, titulada ENHANCEMENT OF TRANSDERMAL MONITORING APPLICATIONS WITH ULTRASOUND AND CHEMICAL ENHANCERS, concedida el 17 de octubre de 1995.

La Figura 14 muestra con mayor detalle un elemento de muestreo en forma de una cubeta 240. La cubeta 240 comprende además un conducto de suministro de muestra 248, una parte perforable 249, una primera ventana 244 y una segunda ventana 246, con la celda para muestra 242 extendiéndose entre 244, 246. La cubeta 240 puede no tener una segunda ventana 246. La primera ventana 244 (o la segunda ventana 146) es una forma de una pared de la celda para muestra. Alternativamente, puede usarse cualquier pared de celda para muestra que contenga, sostenga o soporte al menos parcialmente una muestra de material, como una muestra de fluido biológico, y que sea transmisiva de al menos algunas bandas de radiación electromagnética, y que pueda pero no tenga que ser transmisiva de radiación electromagnética en el intervalo visible. La parte perforable 249 es un área del conducto de suministro de muestra 248 que puede ser perforada por el extractor de muestra 280. El extractor de muestra 280 puede perforar la parte 249 y el apéndice 290 para crear una herida en el apéndice 290 y para proporcionar una entrada para que la sangre u otro fluido procedente de la herida entre en la cubeta 240. (El extractor de muestra 280 se muestra en el lado opuesto del elemento de muestreo en la Figura 14, en comparación con la Figura 13, ya que puede perforar la parte 249 desde cualquier lado).

Las ventanas 244, 246 son preferentemente ópticamente transmisivas en el intervalo de radiación electromagnética que es emitida por la fuente 220, o que se permite que pase a través del filtro 230. El material que constituye las ventanas 244, 246 puede ser completamente transmisivo, es decir, no absorbe ninguna de las radiaciones electromagnéticas procedentes de la fuente 220 y el filtro 230 que son incidentes sobre él. En otra disposición, el material de las ventanas 244, 246 tiene algo de absorción en el intervalo electromagnético de interés, pero su absorción es insignificante. Alternativamente, la absorción del material de las ventanas 244, 246 no es insignificante, pero es conocida y estable durante un periodo de tiempo relativamente largo. La absorción de las ventanas 244, 246 puede ser estable durante sólo un periodo de tiempo relativamente corto, pero el sistema para sangre entera 200 está configurado para observar la absorción del material y eliminarla de la medición de analito antes de que las propiedades del material puedan cambiar de manera mensurable.

Las ventanas 244, 246 pueden estar hechas de polipropileno o polietileno, por ejemplo. El polietileno y el polipropileno son materiales que tienen propiedades de manejo y fabricación particularmente ventajosas, como resulta conocido en la técnica. Además, el polipropileno puede disponerse en varias estructuras, por ejemplo isotáctica, atáctica y sindiotáctica, lo cual puede aumentar las características de flujo de la muestra en el elemento de muestreo. Preferentemente, las ventanas 244, 246 están hechas de materiales duraderos y de fabricación fácil, como el polipropileno o el polietileno anteriormente mencionados, o silicio o cualquier otro material apropiado. Las ventanas 244, 246 pueden estar hechas de cualquier polímero apropiado, que puede ser de estructura isotáctica, atáctica o sindiotáctica.

La distancia entre las ventanas 244, 246 comprende una longitud del camino óptico y puede ser entre aproximadamente 1 \mum y aproximadamente 100 \mum. La longitud del camino óptico puede ser entre aproximadamente 10 \mum y aproximadamente 40 \mum, o entre aproximadamente 25 \mum y aproximadamente 60 \mum, o entre aproximadamente 30 \mum y aproximadamente 50 \mum. La longitud del camino óptico puede ser aproximadamente 25 \mum. El tamaño transversal de cada una de las ventanas 244, 246 es preferentemente aproximadamente igual al tamaño del detector 250. Las ventanas pueden ser redondas con un diámetro de aproximadamente 3 mm. Donde la longitud del camino óptico es aproximadamente 25 \mum el volumen de la celda para muestra 242 es aproximadamente 0,177 \muL. La longitud del conducto de suministro de muestra 248 puede ser aproximadamente 6 mm, la altura del conducto de suministro de muestra 248 es aproximadamente 1 mm, y el espesor del conducto de suministro de muestra 248 es aproximadamente igual al espesor de la celda para muestra, por ejemplo, 25 \mum. El volumen del conducto de suministro de muestra es aproximadamente 0,150 \muL. Por lo tanto, el volumen total de la cubeta 240 puede ser aproximadamente 0,327 \muL. Por supuesto, el volumen de la cubeta 240/celda para muestra 242/etc. puede variar, dependiendo de muchas variables, como el tamaño y sensibilidad de los detectores 250, la intensidad de la radiación emitida por la fuente 220, las propiedades esperadas de flujo de la muestra, y si dentro de la cubeta 240 están incluidos intensificadores de flujo (tratados más adelante). El transporte de fluido a la celda para muestra 242 se logra preferentemente mediante acción capilar, pero también puede lograrse mediante efecto de mecha, o una combinación de efecto de mecha y acción capilar.

Las Figuras 15-17 representan otra cubeta 305 que podría usarse en conexión con el sistema para sangre entera 200. La cubeta 305 comprende una celda para muestra 310, un conducto de suministro de muestra 315, un conducto de ventilación 320, y un respiradero 325. Como se observa mejor en las Figuras 16, 16A y 17, la cubeta también comprende una primera ventana de celda para muestra 330 que tiene un lado interior 332, y una segunda ventana de celda para muestra 335 que tiene un lado interior 337. Tal como se trató anteriormente, la(s) ventana(s) 339/335 también pueden comprender pared(es) de celda para muestra. La cubeta 305 también comprende una abertura 317 en el extremo del conducto de suministro de muestra 315 opuesto a la celda para muestra 310. La cubeta 305 es preferentemente de aproximadamente 1/4-1/8 de pulgada (6,35-3,175 mm) de ancho y aproximadamente 3/4 de pulgada (19,05 mm) de largo; sin embargo, son posibles otras dimensiones que siguen logrando las ventajas de la cubeta 305.

La celda para muestra 310 está definida entre el lado interior 332 de la primera ventana de celda para muestra 330 y el lado interior 337 de la segunda ventana de celda para muestra 335. La distancia perpendicular T entre los dos lados interiores 332, 337 comprende una longitud del camino óptico que puede ser entre aproximadamente 1 \mum y aproximadamente 1,22 mm. La longitud del camino óptico puede ser alternativamente entre aproximadamente 1 \mum y aproximadamente 100 \mum. La longitud del camino óptico podría ser alternativamente aún aproximadamente 80 \mum, pero es preferentemente entre aproximadamente 10 \mum y aproximadamente 50 \mum. En otra disposición, la longitud del camino óptico es aproximadamente 25 \mum. Las ventanas 330, 335 están formadas preferentemente de cualquiera de los materiales tratados anteriormente que poseen suficiente transmisividad de radiación. El espesor de cada ventana es preferentemente tan pequeño como sea posible sin debilitar demasiado la celda para muestra 310 o la cubeta 305.

Una vez que se hace una herida en el apéndice 290, la abertura 317 del conducto de suministro de muestra 315 de la cubeta 305 se coloca en contacto con el fluido que sale de la herida. En otra disposición, la muestra se obtiene sin crear una herida, por ejemplo como se hace con una muestra de saliva. En ese caso, la abertura 317 del conducto de suministro de muestra 315 de la cubeta 305 se coloca en contacto con el fluido obtenido sin crear una herida. Después, el fluido es transportado a través del conducto de suministro de muestra 315 y al interior de la celda para muestra 310 por acción capilar. El conducto de ventilación 320 mejora la acción capilar impidiendo la acumulación de presión de aire dentro de la cubeta y permitiendo que la sangre desplace el aire cuando la sangre circula por la misma.

Pueden emplearse otros mecanismos para transportar la muestra a la celda para muestra 310. Por ejemplo, podría usarse el efecto mecha proporcionando un material de efecto mecha en al menos una parte del conducto de suministro de muestra 315. En otra variación, podrían usarse juntos el efecto mecha y la acción capilar para transportar la muestra a la celda para muestra 310. También podrían colocarse membranas dentro del conducto de suministro de muestra 315 para desplazar la sangre filtrando mientras tanto a la vez componentes que pudieran complicar la medición óptica realizada por el sistema para sangre entera 200.

Las Figuras 16 y 16A representan un planteamiento para construir la cubeta 305. En este planteamiento, la cubeta 305 comprende una primera capa 350, una segunda capa 355 y una tercera capa 360. La segunda capa 355 está colocada entre la primera capa 350 y la tercera capa 360. La primera capa 350 forma la primera ventana de celda para muestra 330 y el respiradero 325. Tal como se mencionó anteriormente, el respiradero 325 proporciona un escape para el aire que está en la celda para muestra 310. Aunque el respiradero 325 se muestra sobre la primera capa 350, también podría estar colocado sobre la tercera capa 360, o podría ser un recorte en la segunda capa, y entonces estaría situado entre la primera capa 350 y la tercera capa 360. La tercera capa 360 forma la segunda ventana de celda para muestra 335.

La segunda capa 355 puede estar formada totalmente de un adhesivo que une la primera y la tercera capas 350, 360. La segunda capa puede estar formada de materiales similares a los de la primera y tercera capas, o cualquier otro material apropiado. La segunda capa 355 también puede estar formada como portadora con un adhesivo depositado sobre ambos lados de la misma. La segunda capa 355 forma el conducto de suministro de muestra 315, el conducto de ventilación 320, y la celda para muestra 310. El espesor de la segunda capa 355 puede ser entre aproximadamente 1 \mum y aproximadamente 1,22 mm. Este espesor puede ser alternativamente entre aproximadamente 1 \mum y aproximadamente 100 \mum. Alternativamente, este espesor podría ser aproximadamente 80 \mum, pero es preferentemente entre aproximadamente 10 \mum y aproximadamente 50 \mum. El espesor de la segunda capa puede ser aproximadamente 25 \mum.

La segunda capa 355 puede estar construida como una película 25 adhesiva que tiene una parte recortada para definir los conductos 315, 320, o como un recorte rodeado de adhesivo.

Puede encontrarse más información en la solicitud de patente de EE.UU. Nº 10/055.875, presentada el 21 de enero de 2002, titulada REAGENT-LESS WHOLE-BLOOD GLUCOSE METER.

II. Mediciones insensibles a la longitud del camino

Un algoritmo de longitud del camino óptico variable facilita las mediciones insensibles a la longitud del camino de constituyentes de la sangre. Es decir, que si las mediciones se toman en la superficie de una muestra o a una profundidad del 90% de la muestra, dentro de una cubeta o en tejido vivo, las lecturas son idénticas basadas en un procedimiento de corrección matemática que aplica factores conocidos a los datos antes de que se analicen y de que se dé una lectura para el analito en cuestión.

A continuación se describe un procedimiento que, según la presente invención, logra y resuelve todos los factores variables asociados con la toma de mediciones de analito en sangre en una muestra de sangre, a cualquier profundidad o espesor de la muestra, y que compensa dichas variables.

La Figura 18 es un diagrama de flujo de una realización de un procedimiento 500 para usar espectroscopia para determinar una concentración de analito en una muestra. En un bloque operacional 510, el procedimiento 500 comprende producir un espectro de absorbancia de la muestra. En un bloque operacional 520, el procedimiento 500 comprende además desplazar a cero el espectro de absorbancia en una zona de longitudes de onda. En un bloque operacional 530, el procedimiento 500 comprende además restar del espectro de absorbancia una contribución de agua u otra sustancia.

A. Instalación experimental

En una realización ejemplar, se simularon los componentes principales de la sangre usando albúmina sérica bovina (BSA) por proteína total en sangre y suero fisiológico por suero. Los espectros de absorbancia infrarroja o densidad óptica (OD) de las muestras fueron medidos con un instrumento de infrarrojos de transformada de Fourier (FTIR) de Perkin-Elmer, Inc., de Wellseley, Massachussets. Tal como se usa en este documento, el término "densidad óptica" o "OD" es sinónimo del término "absorbancia". Se estableció el camino óptico de la cubeta con diferentes espaciadores entre ventanas de BaF_{2} en 32 y 20 micrómetros. El patrón de franjas de la cubeta vacía se usó para cálculo de la longitud del camino óptico real dentro de la cubeta. Los tubos flexibles y el tipo de cubeta de flujo continuo permitieron rellenar repetidas veces con diferentes soluciones sin que se hicieran cambios en la instalación experimental. La desviación instrumental y las desviaciones del valor inicial fueron justificadas con mediciones de referencia de la solución salina antes y después de las mediciones de la muestra. Se recopilaron un total de 100 exploraciones por muestra a lo largo de un periodo de aproximadamente 5 minutos. Los datos escaneados fueron almacenados en formato ASCII y transferidos a un programa de hoja de cálculo electrónica (por ejemplo, Lotus 1-2-3 de IBM Corp., de Armonk, New York) para evaluación.

B. Resultados

Se descubrió que los cambios de la proporción de proteína a agua, equivalentes a cambios de hematocrito en sangre, producen al menos 2 puntos isosbésticos en la escala de longitud de onda, donde los componentes proteína y agua presentan idéntica absorbancia de IR, uno de ellos a aproximadamente 4 \mum y el otro a aproximadamente 9,4 \mum para BSA en agua. Como se observa en la Figura 19 y la Figura 20, puede esperarse que el punto isosbéstico efectivo sea algo diferente para diferentes proteínas en diferentes soluciones. El aspecto importante e inesperado de esta observación es que estos intervalos de longitudes de onda pueden usarse para obtener una medida actual de longitud del camino óptico efectivo en la cubeta rellena, antes o durante las mediciones en otros intervalos de longitudes de onda. Tal información es muy útil en cálculos posteriores para compensación de no linealidades de la longitud del camino relacionadas con el instrumento.

También se descubrió que después de ajustar la transmitancia a cero en uno o ambos intervalos de longitudes de onda de alta absorbencia de agua a 6,08 \mum y/o 12,25 \mum, desplazando así la absorbancia a cero preferentemente en el punto isosbéstico más bajo, tendrá como resultado los datos espectrales del valor inicial. En la Figura 21, se puede observar el punto isosbéstico más alto que puede usarse también pero está contaminado parcialmente con absorbancias de componentes sanguíneos que están presentes a bajos niveles de concentración.

También se descubrió que el punto máximo de absorbancia centrado alrededor de 4,7 \mum se debe casi enteramente a absorbancia del agua libre y puede usarse ventajosamente para determinación de agua libre en la muestra: la resta correcta de absorbancia de un agua de referencia almacenada a lo largo de todo el intervalo de longitudes de onda se logra cuando queda absorbancia residual nula entre aproximadamente 4,5 y 5 \mum, como se muestra en la Figura 21.

También se descubrió que el conocimiento previo de la longitud del camino óptico, basada en la absorbancia total de la muestra en el punto isosbéstico así como en la absorbancia del agua entre aproximadamente 4,5 y 5 \mum, permite el uso del espectro correcto del agua de referencia que tiene compensadas las no linealidades en todas las longitudes de onda. Esto es ventajoso para presentación de resultados finales libre de distorsión.

También se descubrió que el punto máximo de absorbancia centrado alrededor de 7,1 \mum se debe casi enteramente a absorbancia de proteína libre y puede usarse ventajosamente para determinación de proteína libre en la muestra: la resta correcta de absorbancia de un espectro de proteína hidratada de referencia almacenada a lo largo de todo el intervalo de longitudes de onda se logra cuando queda absorbancia residual nula entre aproximadamente 7,0 y 7,2 \mum o, alternativamente, en una absorbancia de proteína diferente como el intervalo de aproximadamente 7,9 a 8,1 \mum o, alternativamente, un residuo predefinido en una combinación de intervalos de longitudes de onda, como se muestra en la Figura 22.

También se descubrió que el conocimiento previo de la longitud del camino óptico, basada en la absorbancia total de la muestra en el punto isosbéstico así como en la absorbancia de proteína total entre aproximadamente 7,0 y 7,2 \mum, o, alternativamente, en una absorbancia de proteína diferente como el intervalo de aproximadamente 7,9 a 8,1 \mum, permite el uso del espectro correcto de proteína de referencia que tiene compensadas las no linealidades en todas las longitudes de onda. Esto es ventajoso para presentación de resultados finales libre de distorsión.

La Figura 23 muestra que también se descubrió que la repetición de las últimas dos etapas de extracción de agua y proteína de la muestra completa, tendrá como resultado extracción adicional de componentes interactivos residuales menores, que lo más probable es que representen componentes de la capa límite entre agua y proteína.

También se descubrió que los datos espectrales de desvío instrumental resultante corregido, componentes interactivos con agua y con proteína eliminados, y libres de distorsión inducida por la longitud del camino óptico y los componentes principales pueden estar dotados de datos espectrales de glucosa de referencia en uno o más máximos de absorbancia de glucosa como 9,25 y 9,65 \mum para producir una medida para la glucosa en la muestra original. La absorbancia residual después de la eliminación de los datos espectrales de la glucosa puede usarse además para determinación individual de componentes residuales. En ciertas realizaciones, los componentes residuales incluyen sustancias de alto peso molecular, incluyendo pero no limitadas a otras proteínas, albúmina, hemoglobina, fibrinógeno, lipoproteínas, y transferrina. En ciertas otras realizaciones, los componentes residuales incluyen sustancias de bajo peso molecular, incluyendo pero no limitadas a urea, lactato, y vitamina C. La medida de glucosa final puede ser corregida por la presencia de tales sustancias que interfieren potencialmente de nivel inferior restando espectros de referencia de sustancias específicas, como urea, de los datos residuales, como se muestra en la Figura 24.

También se descubrió que de acuerdo con la definición de glucosa en sangre, es decir, una medida de glucosa por volumen de muestra, se obtiene una medida útil para la concentración de glucosa a partir de cantidades de IR deducidas algorítmicamente como se describió anteriormente, dividiendo la cantidad total de glucosa por el agua total, la proteína total o, alternativamente, una combinación de ambas.

Los procedimientos desvelados en este documento pueden usarse en relación con aparatos y/o procedimientos desvelados en la patente de EE.UU. Nº 6.198.949, titulada SOLID-STATE NON-INVASIVE INFRARED ABSORPTION SPECTROMETER FOR THE GENERATION AND CAPTURE OF THERMAL GRADIENT SPECTRA FROM LIVING TISSUE, concedida el 6 de marzo de 2002; la patente de EE.UU. Nº 6.161.028, titulada METHOD FOR DETERMINING ANALYTE CONCENTRATION USING PERIODIC TEMPERATURE MODULATION AND PHASE DETECTION, concedida el 12 de diciembre de 2000; la solicitud de patente de EE.UU. de Nº de serie 09/538.164, presentada el 30 de marzo de 2000 y titulada METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING ANALYTE CONCENTRATION USING PHASE AND MAGNITUDE DETECTION OF A RADIATION TRANSFER FUNCTION; y la publicación WIPO PCT Nº WO 01/30236 (que corresponde a la solicitud de patente de EE.UU. de Nº de serie 09/427.178), publicado el 3 de mayo de 2001, titulada SOLID-STATE NON-INVASIVE THERMAL CYCLING SPECTROMETER.

La Figura 25 es un diagrama de flujo de una realización de un procedimiento 600 para proporcionar mediciones insensibles a la longitud del camino de constituyentes sanguíneos en una muestra usando espectroscopia IR. En un bloque operacional 610, el procedimiento 600 comprende proporcionar un espectro de absorbancia de la muestra. En un bloque operacional 620, el procedimiento 600 comprende además desplazar el espectro de absorbancia a cero en una longitud de onda isosbéstica. El agua y una proteína dentro de la muestra tienen absorciones aproximadamente equivalentes en la longitud de onda isosbéstica.

Anteriormente se han descrito diversas realizaciones de la presente invención. Aunque esta invención ha sido descrita con referencia a estas realizaciones específicas, la intención es que las descripciones sean ilustrativas de la invención y no se pretende que sean limitadoras. A los expertos en la materia se les pueden ocurrir diversas modificaciones y aplicaciones sin apartarse del ámbito de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

\vskip1.000000\baselineskip

Bibliografía citada en la descripción

La lista de la bibliografía citada por el solicitante es sólo por conveniencia del lector. No forma parte del documento de Patente Europea. Aun cuando se ha tenido mucho cuidado al recopilar la bibliografía, no pueden excluirse errores u omisiones y la Oficina Europea de Patentes renuncia a toda responsabilidad a este respecto.

Documentos de patente citados en la descripción

\bullet US 6115673 A [0005]

\bullet US 33629401 P [0102]

\bullet US 538164 A [0095]

\bullet US 33911601 P [0102]

\bullet US 6198949 B [0102] [0142]

\bullet US 5908416 A [0116]

\bullet US 6161028 A [0102] [0142]

\bullet US 6207400 B [0116]

\bullet US 5877500 A [0102]

\bullet US 6298254 B [0116]

\bullet US 53816400 A [0102] [0142]

\bullet US 5458140 A [0116]

\bullet US 33640401 P

\bullet US 05587502 A [0128]

\bullet US 34043501 P [0102]

\bullet WO 0130236 A [0142]

\bullet US 34065401 P [0102]

\bullet US 42717801 A [0142]

Claims (15)

1. Un procedimiento espectroscópico de determinación de una concentración de analito en una muestra biológica que comprende agua y una proteína, comprendiendo el procedimiento:

producir un espectro de absorbancia de la muestra;

estando caracterizado el procedimiento porque además comprende: desplazar el espectro de absorbancia a cero sustancialmente en una longitud de onda isosbéstica en la que tanto el agua como la proteína

tienen sustancialmente la misma absorbancia; y

restar una contribución del agua del espectro de absorbancia.

2. El procedimiento de la Reivindicación 1, en el que la proteína es una proteína de sangre entera.

3. El procedimiento de la Reivindicación 1, en el que la determinación de concentración de analito es insensible a la longitud del camino.

4. El procedimiento de la Reivindicación 1, en el que restar la contribución del agua del espectro de absorbancia comprende:

proporcionar un espectro de referencia de absorbancia de agua;

cambiar la escala del espectro de referencia de absorbancia de agua multiplicando el espectro de referencia de absorbancia de agua por un factor de escala, en el que el espectro de referencia de absorbancia de

agua a escala es aproximadamente igual al espectro de absorbancia en una longitud de onda predeterminada; y

restar del espectro de referencia el espectro de referencia de absorbancia de agua a escala.

5. El procedimiento de la Reivindicación 4, que además comprende restar del espectro de absorbancia una contribución de la proteína, comprendiendo dicha resta de la contribución de la proteína:

proporcionar un espectro de referencia de absorbancia de proteína;

cambiar la escala del espectro de referencia de absorbancia de proteína multiplicando el espectro de referencia de absorbancia de proteína por un factor de escala, en el que el espectro de referencia de absorbancia de proteína a escala es aproximadamente igual al espectro de absorbancia en una longitud de onda predeterminada; y

restar del espectro de referencia el espectro de referencia de absorbancia de proteína a escala.

6. El procedimiento de la Reivindicación 1, que comprende restar una contribución debida a componentes de una capa límite entre agua y proteína.

7. El procedimiento de la Reivindicación 1, que además comprende restar del espectro de absorbancia una contribución de sustancias que interfieren potencialmente.

8. El procedimiento de la Reivindicación 7, en el que la sustancia que interfiere potencialmente comprende urea.

9. El procedimiento de la Reivindicación 1, que además comprende restar del espectro de absorbancia una contribución de glucosa y determinar una concentración de sustancias residuales en la muestra.

10. El procedimiento de la Reivindicación 9, en el que la sustancia residual comprende lactato.

11. El procedimiento de la Reivindicación 9, en el que la sustancia residual comprende urea.

12. El procedimiento de la Reivindicación 1, en el que el espectro de absorbancia está dotado de datos espectrales de glucosa de referencia, produciendo así una medición de concentración de glucosa en la muestra.

13. El procedimiento de la Reivindicación 12, en el que el espectro de absorbancia está dotado de datos espectrales de glucosa de referencia en al menos un máximo de absorbancia de glucosa.

14. El procedimiento de la Reivindicación 13, en el que el al menos un máximo de absorbancia de glucosa está en aproximadamente 925 \mum.

15. El procedimiento de la Reivindicación 13, en el que el al menos un máximo de absorbancia de glucosa está en aproximadamente 9,65 \mum.