JP2019509865A - 検体測定パッチ - Google Patents

Abstract

検体、特にはグルコースの濃度の侵襲的測定のための検体測定パッチが開示される。検体測定パッチは、作用電極（１０１）、対向電極（１０３）および参照電極（１０２）を有するセンサを備える。パッチは、マイクロコントローラ（１２００）および電流測定ユニットを有する電子ユニットを備える。マイクロコントローラ（１２００）は、制御出力（ＤＡＣ）、第１アナログ入力（ＡＤＣ−１）および第２アナログ入力（ＡＤＣ−２）を備える。制御出力（ＤＡＣ）は、制御電極と動作可能に接続され、制御電極は、作用電極（１０１）または対向電極（１０３）のいずれかである。第１アナログ入力（ＡＤＣ−２）は、電流測定ユニットを介して測定電極と動作可能に接続され、測定電極は、作用電極（１０１）または対向電極（１０３）のいずれかである。第２アナログ入力（ＡＤＣ−１）は、参照電極（１０２）と動作可能に接続される。マイクロコントローラ（１２００）は、制御電圧を制御出力（ＤＡＣ）に提供することにより、作用電極（１０１）と対向電極（１０３）との間の電位差を、予め定められた分極電圧に等しくなるべく制御するように構成される。

Description

本開示は、体液または体の組織内の検体の測定、特にはグルコースの測定の分野に関する。特には連続的な検体測定のための、測定および制御回路の設計に関する。

連続的検体測定システムは、患者の体液または組織の検体濃度の侵襲的な生体外での測定として知られている。システムは、たとえば、数週間におよぶ多くの日数の長い期間に亘って糖尿病患者のグルコースレベルを連続して監視するために使用され、その後、典型的には直接患者または身内などにより取り換えられる。

かかるシステムに用いられるセンサは、典型的には、電流滴定の測定原理に基づき、典型的には伸展された電極キャリアの上に設けられる多数の電極を含む。適用にあたっては、電極キャリアの電極載置部は、患者の皮下組織に置かれ、グルコース濃度が間質液中で測定される。各種のセンサおよび電極設計がその技術の分野において知られている。センサ電極および検体を含む周囲の体液および／または組織は、組み合わされて電気化学セルを形成する。明確に異なって説明されない限り、かかる配置は、以下においても想定される。

かかるシステムを操作するために、かかるセンサに加えて、複雑なインターフェースおよび測定回路が要求される。典型的な設計では、センサは、３つの電極、すなわち、作用電極、対向電極および参照電極を含み、インターフェースおよび測定回路は、一般的にポテンショスタットとして知られる回路設計に基づく。操作においては、ポテンショスタットは、制御された可変電圧を対向電極に印加し、それによって作用電極と参照電極との間の電位差または電圧を所定の一定レベルに保つ（分極電圧）。対向電極と作用電極との間に流れる電流は、濃縮された検体と関連付けられて、評価のために測定される。

多様なポテンショスタット設計が関連する技術分野において知られ、一般的に利用可能である一方、多くの制約および限界条件が、ここで検討されている利用に関連して存在し、それらは、ポテンショスタット設計および利用可能な設計オプションにかなりの影響があり、実行不可能または少なくとも有利ではない多くの知られた設計をもたらしている。

インターフェースおよび測定回路は、好ましくは、できるだけセンサの近くに設けられる。従って、それは、できるだけ小さく、コンパクトで、軽量であるべきである。電極キャリアは、通常粘着パッドに貼り付けられ、患者の皮膚に置かれる粘着パッドから突出する。インターフェースおよび測定回路との取り外し可能な電気的かつ機械的結合のために、電気的かつ機械的インターフェース構造が、さらに、典型的には患者の皮膚上に直接設けられる。しかしながら、古典的なポテンショスタット設計は、数種類の演算増幅器（オペアンプ）などの比較的多くの複雑な構成要素を含む。センサおよび回路に、単電池、たとえば、ボタン電池で動力を供給することがさらに望ましい。しかしながら、非対称電源は、回路の複雑度および必要な電子部品の数を著しく増やす。

センサにおける、関連する電圧および電流は小さく、直接測定結果に影響を与えるので、センサの接触は重要である。電極を備えるセンサは、組織から取り外された後に処分されることが必要な使い捨て品であるが、典型的なインターフェースおよび測定回路は、比較的短い利用時間の後に処分されるには高価すぎる。従って、コストのかかる、重要な電気コネクタがセンサと回路との間に必要である。

本発明の全体的な目的は、連続的検体測定、特には連続的グルコース測定のための測定回路の回路設計に関する技術水準を向上させることである。好ましくは、先行技術の解決手段の前記欠点の１つ以上が、完全にまたは部分的に回避される。一般的には、全体的な目的は、独立請求項の主題により達成される。例示的な、また特に好ましい実施形態が、従属請求項および本明細書の全体的な開示によりさらに定義される。

ある態様において、全体的な目的は、検体濃度の侵襲的な測定のための検体測定パッチによって達成される。検体測定パッチは、患者の組織における経皮的な配置のためのセンサを備えていてもよく、センサは、作用電極、対向電極および参照電極を備える。検体測定パッチは、患者の皮膚上への配置のためのパッドをさらに備えていてもよく、センサはパッドの粘着面から突出する。検体は、特にグルコースであってもよいが、患者の身体の体液に存在する検体であってもよい。検体濃度が測定される体液は、たとえば、血液または間質液であってもよく、後者は、グルコース濃度の測定の場合に特に好ましい。

作用電極、対向電極および参照電極は、互いに異なり、典型的にはガルバニック接続によって、別々に動作可能に電子ユニットに接続される。電極は、略垂直に、代替的には組織における角度付けられた配置のための異なる角度でパッドの粘着表面から突出する、硬質、半硬質または軟質の電極キャリア上に配置される。典型的には、電極キャリアは、引き伸ばされた基板片として実現される。半硬質または軟質（直接組織への挿入が可能なほどに充分に固くなく、硬質ではない）センサの場合、硬質の補助挿入エレメントが、たとえば、挿入のためにセンサがその内部に置かれるカニューレの形態で存在していてもよい。成功裏に挿入後、補助挿入エレメントは、組織から後退させられる。ガイドされ、任意に自動化された、たとえば、ばね駆動された挿入工程を確実にするために、挿入装置があってもよい。任意には、かかる挿入具は、たとえば、補助挿入エレメントの自動後退のために設計されてもよい。挿入装置に適したセンサの設計は、この技術において一般的に知られている。

検体測定パッチは、電子ユニットをさらに備えてもよく、電子ユニットは、マイクロコントローラおよび電流測定ユニットを備える。マイクロコントローラは、制御出力、第１アナログ入力および第２アナログ入力を備える。制御出力は制御電極と動作可能に接続され、制御電極は作用電極または対向電極のいずれかである。第１アナログ入力は電流測定ユニットを介して測定電極と動作可能に接続され、測定電極は作用電極または対向電極のいずれかである。第２アナログ入力は、参照電極と動作可能に接続される。マイクロコントローラは、制御電圧を制御出力に提供することにより、作用電極と対向電極との間の電位差を、予め定められた分極電圧に等しくなるべく制御するように構成される。

検体の濃度は、電子ユニット、典型的にはマイクロコントローラによって、電流測定ユニットを用いた、測定電極を介した電流の電流滴定によって測定される。

本開示によれば、マイクロコントローラは、作用電極と参照電極との間の電位差が略一定に保たれるように、潜在的な周辺の電子機器と共に、制御電極の電位を制御するデジタルポテンショスタットとして機能する。この目的のために、マイクロコントローラのファームウエアは、デジタルクロ―ズドループコントローラを実装するようにプログラムされる。作用電極と参照電極との間の電位差としてプリセットされた分極電圧は、制御ループの設定値を確定する。典型的な範囲としては、たとえば、１００〜５００ミリボルト、例示的には３５０ミリボルトであってもよい。作用電極と参照電極との間の実際の電位差は、制御ループの実際の値を定める。それは、第１アナログ入力および第２アナログ入力のそれぞれに提供された電圧から決められる。この目的のために、マイクロコントローラは、第１、第２アナログ入力それぞれに関連付けられた第１、第２アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）それぞれを備える。代わりに、第１、第２アナログ入力それぞれの電圧を、たとえば、多重化により選択的に処理する単一のＡＤＣが存在していてもよい。ＡＤＣの分解能は、たとえば、１２ビットであってもよい。実際の電位差（作用電極と参照電極との間の電圧）と予め定められた分極電圧との間の差は、制御ループの制御偏差を確定する。

好ましくは、変動する供給電圧に対して一定に保たれた基準電圧を備えた基準電圧供給が、マイクロコントローラの一部として、または、電子ユニットの別の一部として存在する。この一定の基準電圧およびクローズドループコントローラにより、参照電極と作用電極との間の分極電圧は、変動する条件下に一定に保たれる。

提案された設計のために、ポテンショスタットを実現するのに典型的に必要な、構造的に異なる別々の電子部品の大部分が省かれ、マイクロコントローラに加えて必要なのは少数の構成要素だけである。マイクロコントローラは、多数のアナログ入力およびさらなる入力／出力インターフェースを典型的に備える市販の技術水準にあるマイクロコントローラであってもよい。

本開示による装置のために、分極電圧は、センサ設計次第で、正であっても、負であってもよい。さらに、電流の流れは、作用電極から対向電極への流れであってもよく、その反対でもよい。さらに、作用電極および対向電極のいずれが制御電極として用いられてもよく、作用電極および対向電極のいずれが測定電極として用いられてもよい。これらの多数の変形例は、例示的な実施形態の関連においてより詳細に説明される。

幾つかの実施形態において、アナログ入力におけるＡＤＣによって変換され得る入力電圧範囲も、アナログ出力における出力電圧範囲も、電子ユニットの供給電圧に依存する。以下に想定されるある実施形態では、変換され得る最低電圧は、（グランドに対する測定で）ゼロに等しいか、または略ゼロに等しく、変換され得る最高電圧は、略（正の）供給電圧に一致し、すなわち電圧範囲は、略供給電圧に等しい。

以下に想定される幾つかの好ましい実施形態では、マイクロコントローラは、内部電圧基準、特には、電池の供給電圧の広い範囲に亘って略一定の絶対基準電圧を提供する、アナログ−デジタル変換のための電圧基準をさらに備える。このようにして、電池の供給電圧は変動しても、分極電圧は、一定の絶対値に保たれ得る。しかしながら、マイクロコントローラの外部の電圧基準の利用は任意である。

ある実施形態において、電子ユニットは、ボルテージフォロアを備え、参照電極は、ボルテージフォロアを介して、第２アナログ入力と動作可能に接続される。ボルテージフォロアは、この技術の分野において一般的に知られているように、演算増幅器（オペアンプ）に基づいて実現され得る。正確な測定結果のために、および参照電極を通過する電流の流れから生じる潜在的なセンサ損傷を避けるために、静的な方法で、すなわち、参照電極を通過する電流の流れを無視できる状態で、参照電極の電位を測定することが重要である。結果として、電流の流れは、作用電極と対向電極との間のみに存在する。特定の実施形態では、ボルテージフォロアのオペアンプは、参照電極と第２アナログ入力との間の唯一の電子部品であり、ボルテージフォロアのオペアンプの出力は、第２アナログ入力に直接ガルバニック接続され、参照電極は、好ましくは、ボルテージフォロアのオペアンプの非反転入力に直接ガルバニック接続される。本明細書の中において、「直接ガルバニック接続」は、流路において電子部品の無い接続を意味するが、必ずしも電気接点またはコネクタの存在を排除しない。

ある実施形態において、マイクロコントローラは、制御出力と動作可能に接続されているデジタル−アナログ変換器を備え、制御電極は、直接ガルバニック接続を介して、または、サンプル−ホールドユニットを介して、制御出力と動作可能に接続され、サンプル−ホールドユニットは、好ましくは、受動ＲＣ回路網である。制御出力は、連続して電圧を出力してもよく、この場合、制御電極は、このましくは、直接ガルバニック接続される。省エネルギーの理由で、制御出力は、単に各々断続的に、比較的低いデューティサイクルで周期的に、制御電圧を提供してもよい。幾つかの実施形態では、デューティサイクルは、５〜１０％程度の低いものであってよい。絶対周波数は、たとえば、１０Ｈｚから数百ｋＨｚまでの広い範囲内で選択され得る。好ましくは受動的な「サンプル−ホールド」ユニット、ローパスフィルタそれぞれは、制御電極に連続して十分な安定度で制御電圧を供給するために設けられ得る。かかる「サンプル−ホールド」ユニット、ローパスフィルタそれぞれは、この技術の分野において一般的に知られているような、たとえば、単一のレジスタおよび単一のキャパシタを備えるＲＣ回路網によって実現され得る。

１つまたは複数のＤＡＣが多くの最新式のマイクロコントローラに備えられているが、これは必ずしも実相ではない。ＤＡＣによって制御電圧を直接生成することに代えて、制御出力は、デジタル２進出力であってもよく、マイクロコントローラは、パルス幅変調（ＰＷＭ）によって２進制御信号を出力する。この場合、受動ローパスフィルタＲＣ回路網が、パルス幅変調された信号から制御電圧を生成するために設けられてもよい。

ある実施形態では、電流測定ユニットは、差動増幅器ユニットまたは電流−電圧変換器ユニットを備える。

差動増幅器および電圧変換器は、両方共、この技術の分野において知られているように、オペアンプおよび追加の受動素子、特には抵抗器に基づいていてもよい。回路は、追加の構成要素および／または機能性ユニット、特には、好ましくはオペアンプに基づいて実現される反転および／または非反転増幅器をさらに備えていてもよい。

例示的な、また特に好ましくは特定の回路設計が、例示的な実施形態との関連において以下でさらに説明される。

ある実施形態では、制御電極は測定電極とは異なる。しかしながら、代わりに、制御電極と作用電極は、同一であってもよい。

ある実施形態では、制御電極は対向電極であり、測定電極は作用電極である。作用電極が測定電極とは異なる代替的な実施形態では、制御電極が作用電極であり、測定電極が対向電極である。

ある実施形態では、電子ユニットは、非対称電源、特には、単電圧電源と動作可能に連結されるか、または動作可能に連結されるように設計される。非対称電源は、たとえば、ボタンセル型の単電池で実現され得るので好ましい。本発明による検体測定パッチは、顕著な量の追加の回路または構成要素を要することなく、非対称電源によって好ましく実現され得る。

幾つかの実施形態では、作用電極または対向電極の１つの電位が、直接ガルバニック接続により基準電位、たとえば、グランドに固定される。

幾つかの実施形態では、電極の１つ、特には対向電極の電位が、オフセット補償目的のため、および／または、作用電極と対向電極との間の、センサおよび回路設計に従う標準の電流方向と反対の電流の測定を可能にするために、対応する回路によってシフトされる。かかる電位のシフトは、受動ＲＣ回路網、ＤＡＣを介して生成されるシフト電圧、関連するフィルタリングおよび／または平滑化回路によるＰＷＭ信号、追加の電圧基準または電圧レギュレータを介して実現され得る電位シフトユニットによって実現され得る。

ある実施形態では、マイクロコントローラは、作用電極、対向電極および／または参照電極のうちの少なくとも１つと接触している気泡を検出するように構成される。

気泡は、マイクロコントローラによって実行され得る、対応するアルゴリズムによって検出され得る。気泡の存在は、かなりの信号ひずみとなって表れる。１つまたは複数の電極に接触しているか、または１つまたは複数の電極を取り囲む気泡によって、検体濃度測定が不正確になったり、また検体濃度測定が不可能になったりする。

同様に、マイクロコントローラは、対応するアルゴリズムを実行することによって、さらなるエラー、欠陥、および／または、欠陥要素または壊れたセンサの接続などの危険状態を検出するように構成されていてもよい。この目的のために、コントローラが、たとえば、テストスケジュールにしたがって、たとえば、１日に１回、短い時間の間、制御電圧および／または分極電圧を一時的に変動させ、アナログ入力を介してセンサから受取られた信号が、予想される変動を反映するかどうかを検出するように構成される。

幾つかの実施形態では、マイクロコントローラは、検体濃度測定に関連するさらなるルーチン、たとえば、測定信号のＡＣおよびＤＣ成分の分離、および／または、平滑化、ひずみ／人為結果の除去、較正、線形化などの信号の調節を実行するように構成されてもよい。かかるルーチンまたはアルゴリズムは、カルマンフィルタなどの適応フィルタを含む、この分野の技術で一般的に知られたデジタル信号処理およびフィルタリングアルゴリズムを含んでいてもよい。

ハザード／エラー検出および信号処理などの上記の機能性の幾つかまたは全ては、以下によりさらに詳細に説明されるように、選択的にまたは追加として、検体測定システムのさらなるユニットまたは装置において実行されてもよい。

ある実施形態では、電子ユニットおよびセンサは、取り外し不能に機械的に連結される。かかる実施形態では、パッチのセンサ、パッドおよび電子部品は、ある適用期間使用され、その後全体的に処分される、構造的にコンパクトで一体的なユニットを形成する。回路は、好ましくは、対応する容器またはハウジング内に配置され、かつ、センサの反対側であるパッドの非粘着面上に配置される。かかる容器またはハウジングは、電源、たとえば、ボタンセル電池、および各種システム構造に関連して以下にさらに説明されるような、さらなる構成要素も備え得る。好ましくは、電極と回路との間のガルバニック接続は固くワイヤ接続され、これによって分離可能な電気コネクタを回避する。

ある実施形態では、センサおよび電子ユニットは、取り外し可能に機械的に連結されるか、または取り外し可能に機械的に連結されるように設計される。この種の実施形態には、分離可能な、または取り外し可能な接点が、センサ電極および電子ユニットの電気接続のために設けられる。対応する電気的および機械的インターフェース構造が、パッドの非粘着面および電子ユニットの容器またはハウジングの上に設けられてもよく、それによって分離可能な、または取り外し可能な連結、たとえば、スナップ嵌めが提供される。この種の実施形態では、パッドおよびセンサは、比較的短い適用時間の共同の使い捨てセンサおよびパッドユニットを形成し、一方、好ましくは電源を含む電子ユニットの適用時間は、たとえば、１年またはそれ以上の範囲においてかなり長いことがあり、複数のセンサおよびパッドユニットと共に次々と使用され得る。

検体測定パッチの全体的なシステム設計の幾つかの好ましい例が、例示的な実施形態に関連して、以下にさらにより詳細に説明される。

ある実施形態では、電子ユニットは、データ通信ユニットを備え、電子ユニットは、データ通信ユニットを介して、さらなる電子ユニットと、データ、特には検体濃度データまたは検体濃度に相関するデータを交換するように設計される。

通信されるデータは、処理された検体濃度データであり得る。これは、電子ユニット、すなわちマイクロコントローラが、線形化補正、フィルタリングなどのためのルーチンやアルゴリズムなどの、検体濃度の演算のためのデータ処理アルゴリズムやルーチンを実行する実施形態の場合である。代わりに、送信されるデータは、前処理された測定データまたは生データであってもよい。

ある実施形態では、データ通信ユニットは、無線データ通信ユニット、好ましくは近距離通信ユニットである。好ましくは、電子ユニットは、環境に対して密封されている。近距離通信ユニットは、市販のＲＦＩＤ通信ユニットでもよく、または特定用途向け誘導性および／または容量性通信ユニットなどの他の種類の無線データ通信ユニットであってもよい。環境に対して密封することは、好ましくは、電子ユニットが、シャワーまたは入浴などの典型的な日常の状況において使用されることを可能にする密閉や保護を提供する。

ある実施形態では、検体測定パッチは、さらなる電子ユニットをさらに備え、さらなる電子ユニットは、データ通信ユニットと動作可能に連結するためのさらなるデータ通信ユニットを備え、さらなる電子ユニットが電子ユニットと取り外し可能に機械的に連結するように設計されている。

かかる実施形態では、検体測定パッチの電子ユニットは、測定に直接関連する回路を主に備える。さらなる電子ユニットは、一つまたは複数の、さらなるマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、データ記憶装置、高レベル信号評価および／または信号分析ユニットなどを備えていてもよい。

検体測定パッチのある実施形態では、電子ユニットおよびさらなる電子ユニットが、それぞれ別の電源を備える。

ある実施形態では、検体測定パッチが、無線遠隔装置通信ユニットをさらに備え、無線遠隔装置通信ユニットは、マイクロコントローラと動作可能に連結され、データ、特には、検体の濃度データまたは検体の濃度に相関するデータを、さらなる別の遠隔装置と交換するように設計されている。

さらなる態様では、全体的な目的は、検体、特にはグルコースの濃度を測定する方法および／または検体測定パッチを操作する方法によって実現される。方法は、検体測定パッチを提供することを含む。検体測定パッチは、患者の組織における経皮的な配置のためのセンサを備える。センサは、作用電極、対向電極および参照電極、並びに、患者の皮膚上への配置のためのパッドを備え、センサはパッドの粘着面から突出する。検体測定パッチは、電子ユニットをさらに備え、電子ユニットは、マイクロコントローラおよび電流測定ユニットを備える。

方法は、マイクロコントローラの制御出力を制御電極に動作可能に接続することを含んでもよく、制御電極は、作用電極または対向電極のいずれかである。方法は、マイクロコントローラの第１アナログ入力を電流測定ユニットを介して測定電極に動作可能に接続することをさらに含んでもよく、測定電極は、作用電極または対向電極のいずれかである。方法は、マイクロコントローラの第２アナログ入力を参照電極に動作可能に接続することをさらに含んでもよい。代わりに、作用電極、対向電極および参照電極が、方法を実行する前に、検体測定パッチの一部として動作可能に接続されてもよい。方法は、制御電圧を制御出力に供給することにより、作用電極と対向電極との間の電位差を、予め定められた分極電圧に等しくなるように制御することをさらに含んでもよい。

本開示による検体測定パッチは、本開示による方法を実行するために用いられてもよい。従って、検体測定パッチの特定の実施形態は、同時に、検体の濃度を測定する方法の対応する実施形態を開示し、逆もまた同様である。

検体測定パッチの例示的実施形態を示す。 検体測定パッチのさらなる例示的実施形態を示す。 検体測定パッチのさらなる例示的実施形態を示す。 測定および制御回路の例示的実施形態を示す。 測定および制御回路のさらなる例示的実施形態を示す。 測定および制御回路のさらなる例示的実施形態を示す。 測定および制御回路のさらなる例示的実施形態を示す。 測定および制御回路のさらなる例示的実施形態を示す。 測定および制御回路のさらなる例示的実施形態を示す。 測定および制御回路のさらなる例示的実施形態を示す。 測定および制御回路のさらなる例示的実施形態を示す。 測定および制御回路のさらなる例示的実施形態を示す。

以下において、最初に図１を参照する。図１は、概略的に組み合された構造／機能図において、本開示による検体測定パッチ１の例示的実施形態を示す。以下のさらなる図面と同様に、個々の要素の特定の配置および相対的位置は、明確に異なって記載されない限り、如何なる特定の設計および／または幾何学的な配置を意味するものではない。例示として、検体はグルコースであり、検体測定パッチ１は、間質組織内のグルコース濃度を測定するように設計される。

検体測定パッチ１は、センサ１０、パッド１１および電子ユニット１２を含む。

センサ１０は、手動で、または挿入装置を用いて患者の組織内に経皮的に配置されるように設計される電極キャリア１００を含む。皮下部分、すなわち適用中に皮膚下に配置される部分において、電極キャリア１００は、３つの電極、すなわち、作用電極１０１、参照電極１０２および対向電極１０３を保持し、３つの電極は、互いに異なっている。検体測定パッチ１に関連して使用され得る適切なセンサ設計は、この技術の分野において知られている。

パッド１１は、患者の皮膚に貼り付けられるように設計された粘着面１１０を、粘着性面１１０から（例示的に示されるように）垂直に、または他の所望の角度でそれぞれ突出するセンサ１０および電極キャリア１００と共に備える。３つの電極１０１、１０２、１０３は、皮膚から離れる方に向いている、パッド１１の（典型的には非粘着性の）片面に配置される対応するセンサ接点１０４のセットとガルバニック接続またはワイヤ接続されている。機械的インターフェース構造１１１は、以下に説明されるように、電子ユニットとの分離可能な機械的連結のためにパッチ上に設けられ、この技術の分野において一般的に知られたスナップ嵌めエレメント、キャッチャ、ラッチなどを備えていてもよい。示される実施形態において、センサ１０、パッド１１およびそれらの関連の構成要素は、数週間にも亘って多くの日数の限られた期間に使用され、その後処分されるように設計された非分離型の使い捨てユニットを形成する。

電子ユニット１２は、マイクロコントローラベースのデジタルポテンショスタットユニット１２０、１セットの電子ユニット接点１２１、補助電子ユニット１２２、遠隔装置通信ユニット１２３および単電池１２４の形態の電源、たとえばボタン電池を備える。

電子ユニット１２の上記の構成要素は、ハウジング１２５によって囲まれている。ハウジング１２５は、パッド上の機械的インターフェース構造１１１との分離可能な係合が意図されている。１セットの電子ユニット接点１２１は、ハウジングの外側からアクセス可能で、ハウジング１２５と機械的インターフェース構造１１１との係合により、センサ接点のセット１０４の対応する接点と接続し、それによって電極１０１、１０２、１０３とデジタルポテンショスタットユニット１２０とのガルバニック接続を提供するように設けられる。ある実施形態では、ハウジング１２５は、気密に環境に対して封止され、特には、防水性であり、開けることは意図されていない。かかる実施形態では、電池１２４は、電子ユニット１２の全耐用期間、たとえば６か月または１２か月の間電力を提供するように設計されていてもよく、または、再充電可能で、たとえば、追加の充電接点（図示されず）の誘導結合により充電されてもよい。代わりに、電池１２４は、交換可能であってもよい。電子ユニット１２は、複数の使い捨てユニットと順に組み合わせて使用されるように設計される。

補助電子ユニット１２２は、デジタルポテンショスタットユニット１２０に加えて必要な機能性を提供し、デジタルポテンショスタットユニット１２０と動作可能に連結される。補助電子ユニット１２２は、上記のような線形化、フィルタリング、較正、データ保管などの機能性を提供する。

遠隔装置通信ユニット１２３を介して、電子ユニット１２は、たとえば、ブルートゥース（登録商標）規格、または任意のその他の好適な、汎用的または独占的な通信規格および／または通信プロトコルに従って、さらなる遠隔装置２と動作可能に連結されるか、またはデータを交換する。さらなる遠隔装置２は、たとえば、携帯電話と同様の設計および形状の糖尿病管理装置であってもよい。遠隔装置２は、典型的には、検体の測定値、検体／時間グラフ、統計的評価などを示すように使用される。遠隔装置２は、さらには、測定された検体濃度を記憶するように設計されてもよく、さらには、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などのさらなる装置に結合されるように設計されてもよい。遠隔装置は、さらに、データ、特には較正データを電子ユニットに送信するために用いられてもよい。

ある実施形態では、電子ユニット１２および遠隔装置２は、測定された検体濃度データが連続的に遠隔装置２に送信されている状態で、略連続的に動作可能に結合されるように設計される。代替的に、電子ユニットは、内部に、たとえば、補助電子ユニットに、測定された検体濃度データを保存し、随時データを所定のスケジュールで、または要求に応じて送信するように設計されてもよく、送信は、たとえば、ユーザによって遠隔装置において開始される。さらなる変形例において、単一の検体濃度値、たとえば、血中グルコース値のみが、要求に応じて測定され、遠隔装置２に送信される。

糖尿病管理デバイスの代わりに、遠隔装置２は、ドラッグデリバリ装置、特には、インスリンポンプであってもよい。かかる実施形態では、パッチ１によって測定される検体濃度データは、この技術の分野において知られているように、たとえば、クローズドループまたはセミクローズドループに従って、ドラッグデリバリ装置により薬剤投与を制御するために使用される。さらなる実施形態では、電子ユニット１２は、その遠隔装置通信ユニット１２３を介して、多くの遠隔装置に繋がるように設計される。

なお、電子ユニット１２の各単一の機能性ユニット間の分離、特には、デジタルポテンショスタットユニット１２０と補助電子ユニット１２２との間の分離は、明確性のためのみであって、特定の技術的な履行を意味するものではない。典型的には、補助電子ユニット１２２の機能性は、デジタルポテンショスタットユニット１２０および付随するファームウエアに用いられるものと同様のマイクロコントローラによって、全て、または部分的に実現される。補助電子ユニット１２２およびデジタルポテンショスタットユニットは、従って、共通のユニットと考えられてもよい。

以下では、追加的に図２が参照される。図２は、図１と同様に、概略的に組み合わされた構造／機能図において、本開示による検体測定パッチ１のさらなる例示的な実施形態を示す。図２の実施形態は、多くの観点において図１の実施形態に対応し、逸脱するまたは相違する特徴のみが以下に説明される。

図２の実施形態では、機械的インターフェース構造１１１、センサ接点のセット１０４および電子ユニット接点のセット１２１は省略される。代わりに、電子ユニット１２、電子ユニットハウジング１２５それぞれは、たとえば、接着または超音波溶着によって、パッド１１に取り外し不能に取付けられる。ハウジング１２５は、好ましくは、電子ユニット１２の構成要素を、環境に対して密に、および特に防水式に取り囲み、収容する。

図２の実施形態は、技術的な観点、および取り扱い性もしくは応用性の観点の両方から、多くの利点を有する。上記において説明したように、電極１０１、１０２、１０３とデジタルポテンショスタット回路との間の取り外し可能な電気接点の省略は、影響を受ける電圧および電流それぞれの比較的に低い潜在性の観点から、技術的に好ましい。さらに、環境に対して密封することは容易である。図１の実施形態では、密封手段は接点のセット１０４、１２１のエリアに好ましく設けられている。一方、図２の実施形態では、かかる手段は必要ない。取り外し可能な結合が無く、従って、取り扱いの手順数が減らされているために、日々の適用は、特に簡便である。この態様は、しばしば視覚的におよび／または触覚的に障害のある糖尿病患者に関連する。

図２の実施形態の欠点は、原理的に再使用可能な電子部品や電池を含む検体測定パッチ１全体を、その比較的に短い耐用期間の終わりに処分する必要があることである。長期間の適用コストは、従って重要である。電子ユニットの設計に必要な電子部品、すなわち本開示によるデジタルポテンショスタットの比較的低いコストのお蔭で、経済性の観点から実現可能である。

以下において、さらに、図３を参照する。図３は、検体測定パッチ１のさらなる実施形態を示す。この実施形態では、電子ユニットは、概して図２の実施形態と同様の方法で設計され、センサ１０、パッド１１および電子ユニット１２は、好ましくは、共通の、取り外し可能なユニット、特には電極１０１、１０２、１０３とデジタルポテンショスタット回路１２０との間を直接ガルバニック接続するユニットを形成する。

しかしながら、図２の実施形態とは違って、電子ユニット１２は、データ通信ユニット１２６、特には、ＲＦＩＤユニットなどの近距離通信（ＮＦＣ）ユニットを備える。

さらなる電子ユニットハウジング１３５を備えたさらなる電子ユニット１３が存在する。電子ユニット１２およびさらなる電子ユニット１３は、結合構造１３７により信頼性の高い結合となるように設計されている。好ましくは、さらなる電子ユニットハウジング１３５は、さらなる電子ユニット１３を環境に対して密封する。

さらなる電子ユニット１３は、データ通信ユニット１２６とデータを交換するように、特にデータ通信ユニット１２６からデータを受取るように設計された、さらなるデータ通信ユニット１３６を備える。さらなる電子ユニット１３は、さらなるデータ通信ユニット１３６と動作可能に結合する電子モジュール１３０をさらに備え、図１および図２の代替的実施形態における補助電子ユニット１２２の機能性を基本的に引き継ぐ。電子モジュール１３０は、上述の遠隔装置２とのデータ交換のための無線遠隔装置通信ユニット１３３と動作可能に結合される。さらなる電子ユニット１３は、さらなる電子ユニット電源１３４、たとえば、電池により電力が与えられる。電子ユニット１２とは違って、さらなる電子ユニット１３は、再使用可能であり、延長された寿命のために使用されるように設計される。

図３の実施形態は、センサ１０の接続のための分離可能な接点が必要ではなく、電子ユニットハウジング１２５が、好ましくは環境的に密閉されるように設計され得るという、図２の実施形態と同様の利点を示している。加えて、電力を与える部品が少なく、近距離データ通信のみが必要なため、電池１２４は、図２の実施形態に比べて小さくなり得る。加えて、使い捨ての電子ユニット１２にはより少ない電子部品が存在する。特には、遠隔装置通信ユニット１３３（たとえば、前に説明されたブルートゥルースモジュール）などの比較的に高価な構成要素は使い捨てではない。

変形例において、補助電子ユニット１２２は、依然として電子ユニット内に存在し、フィルタリング、較正および／または線形化などのタスクを行い、一方、電子モジュール１３０は、高レベルのデータ評価、データ保存などのために使用される。さらなる変形例では、電子ユニット。

さらなる変形例では、電子ユニット１２の電源または電池１２４は、省略され、電子ユニット１２には、さらなる電子ユニットから、たとえば誘導結合を介して電力が供給される。

特定の種類の実施形態とは独立して、警報装置、たとえば、音響変換器の形態の音響警報装置および／またはページャ振動の形態の触知性警報装置が、たとえば、装置の故障、または、たとえば検体がグルコースである場合の低血糖または高血糖の状況などの、測定された検体濃度に関する重大な状況の場合に、ユーザに警報を提供するために任意に存在していてもよい。図１または図２の実施形態に関して、警報装置は、使い捨て電子ユニット、たとえば補助電子ユニット１２２の一部であってもよい。図３の実施形態では、警報装置は、好ましくは、さらなる電子ユニット１３、たとえば、電子モジュール１３０の一部であってもよい。

以下において、さらに、図４が参照される。図４は、本開示による例示的な測定および制御回路またはデジタルポテンショスタット回路１２０の回路図を示す。デジタルポテンショスタット回路１２０は、マイクロコントローラ１２００、非反転増幅器１２０１、ボルテージフォロア１２０２および電流−電圧変換器１２０３を備える。上記にて説明されたように、マイクロコントローラは、さらなるタスクを実行するように付加的に構成され、またはプロウラムされ得る。なお、マイクロコントローラの示された型式は、例示的なものであり、各種のその他のマイクロコントローラによって置き換えられ得る。

図４およびさらなる例示的な実施形態において、また説明の記載において、以下の決まりごとが用いられる。分極電圧Ｖｐｏｌは、参照電極の電位が作用電極の電位よりも低い場合、正とみなされる。作用電極と対向電極との間の電流は、回路図において対応する電圧および電流の矢印によって示されるように、作用電極から対向電極に流れる場合、正とみなされる。しかしながら、その他の決まりごとが、同様に使用され得る。

実施形態では、作用電極と対向電極との間の電流は、対向電極１０３に接続される抵抗器Ｒ１の形態の電流−電圧変換器１２０３によって、比例する電圧に変換される。この電圧は、オペアンプベースの非反転増幅器１２０１に送られ、マイクロコントローラ１２００の第１アナログ入力ＡＤＣ−２に送られる。従って、対向電極は、測定電極として機能する。

参照電極１０２は、ボルテージフォロア１２０２を介してマイクロコントローラ１２００の第２アナログ入力ＡＤＣ−１に接続される。ボルテージフォロア１２０２は、仮想的に入力インピーダンスが無限のインピーダンス変換器として機能し、第２アナログ入力における電圧が、参照電極の（グランドに対して測定される）電圧に一致することを保証するが、参照電極１０２を通る電流の流れは無い。唯一の電流の流れは、作用電極１０１と対向電極１０３との間にある。

作用電極１０１は、マイクロコントローラ１２００のデジタル−アナログ変換器の制御出力ＤＡＣに直接ガルバニック接続される。従って作用電極は、制御電極として機能する。

マイクロコントローラ１２００は、制御出力において制御電圧を出力し、それによって作用電極１０１と対向電極１０３との間の電流を調整し、作用電極１０１と参照電極１０２との間の電圧がプリセットされた分極電圧に一致する。制御電圧の更新および出力が、繰り返し、または略連続して、たとえば１秒当たり１〜５０回行われる。

図４の回路図において、さらに以下に説明されるさらなる回路図におけるように、マイクロコントローラ１２００の接続子Ｖｒｅｆに接続される電圧源は、マイクロコントローラ１２００の、たとえば１．２Ｖの内部電圧基準に対する供給電圧を提供する。しかしながら、電圧基準の電圧は、Ｖｒｅｆに供給される正にその電圧には依存せず、従ってＶｒｅｆに供給される電圧は、安定化される必要はない。従って、それは電池１２４に接続されるだけでよく、電池電圧Ｖｃｃが供給される。マイクロコントローラ１２００のＡＤＣおよびＤＡＣによって変換され得る最小および最大電圧は、前述のように、Ｖｃｃによって定められる。

以下において、さらに、図５が参照される。図５は、デジタルポテンショスタット回路１２０のさらなる実施形態を示す。図５に示されるデザインは、概ね、図４に示されるデザインと同様である。しかしながら、図５のデザインにおいて、作用電極１０１は、測定電極および制御電極として機能し、一方、対向電極１０３は、グランドにガルバニック接続され、安定性に関して有利である。この実施形態では、作用電極１０１は、オペアンプベースの差動増幅器１２０３の負／反転入力、および第３のアナログ−デジタル変換器の第３のアナログ入力ＡＤＣ−３の両方に接続される。差動増幅器１２０４の正／非反転入力は制御出力ＤＡＣに接続され、差動増幅器１２０４の出力は第１アナログ入力ＡＤＣ−２に接続される。Ｒ１は、入力インピーダンス（正／非反転入力と負／反転入力との間のインピーダンス）を定める抵抗器であり、抵抗器Ｒｇａｉｎは、差動増幅器１２０４の利得を定める。この実施形態では、第３アナログ入力および第３アナログ−デジタル変換器が、入力インピーダンスＲ１における電圧降下を補償するために必要とされる。

以下において、さらに、図６が参照される。図６は、デジタルポテンショスタット回路１２０のさらなる実施形態を示す。この実施形態では、対向電極１０３は、制御電極として機能し、制御出力ＤＡＣに直接接続される。作用電極１０１は測定電極として機能し、（反転）電流−電圧変換器１２０３および反転オペアンプベースの増幅器１２０５の直列接続を介して第１アナログ入力ＡＤＣ−２に接続される。この例では、電流−電圧変換器１２０３もオペアンプベースである。

図６の実施形態では、さらなる外部の２．５Ｖ基準電圧源１２４ａが備えられ、電流−電圧変換器１２０３のオペアンプおよび反転オペアンプベース増幅器１２０５の非反転入力に接続される。この例では、電流−電圧変換器１２０３は、２．５Ｖの出力電圧（外部基準電圧源１２４によって供給される基準電圧）およびＶｃｃを有し、一方、反転増幅器１２０５は出力電圧０〜２．５Ｖを提供する。さらにこの例では、マイクロコントローラ１２００の接触子Ｖｒｅｆは外部基準電圧源１２４ａに接続されているが、必須ではない。

以下において、さらに、図７が参照される。図７は、デジタルポテンショスタット回路１２０のさらなる実施形態を示す。図４の実施形態におけるものと同様に、作用電極１０１は、制御電極として機能し、一方、対向電極１０３は、測定電極として機能する。しかしながら、図４の実施形態とは違って、対向電極１０３／測定電極は、差動増幅器１２０４を介して第１アナログ入力ＡＤＣ−２に接続される。

以下において、さらに、図８が参照される。図８は、デジタルポテンショスタット回路１２０のさらなる実施形態を示す。大部分の態様では、図８の実施形態は、図７の実施形態と同様である。しかしながら、この実施形態では、電位シフトユニットとして機能し、対向電極１０３の電位をシフトする追加のＲＣ回路網１２０６が存在する。対向電極の電位をシフトすることは、負の電流の検出を可能にする、および／または、非反転増幅器１２０１においてオペアンプのオフセットを補償するのに有利なことがある。マイクロコントローラ１２００の第３アナログ入力ＡＤＣ−３は、この実施形態では、電位シフトを測定するために使用される。

以下において、さらに、図９が参照される。図９は、デジタルポテンショスタット回路１２０のさらなる実施形態を示す。大部分の態様では、図９の実施形態は、図８の実施形態と同様である。しかしながら、対向電極１０３は、非反転増幅器１２０１ではなく差動増幅器１２０４を介して第１アナログ入力ＡＤＣ−２に接続されている。対向電極１０３は、正／非反転入力に接続され、ＲＣ回路網１２０６によって決められるシフト電圧は、差動増幅器１２０４の負−反転入力に送られる。図８の実施形態とは違って、図９の実施形態は、第３アナログ入力を必要としない。

以下において、さらに、図１０が参照される。図１０は、デジタルポテンショスタット回路１２０のさらなる実施形態を示す。図１０の実施形態は、正の分極電圧、および、作用電極１０１と対向電極１０３との間の負の電流のために設計され、この構成のために特に少数の構成要素を要する。図１０の実施形態では、対向電極１０３はアナログ出力ＤＡＣに接続され、従って制御電極として機能する。作用電極１０１は、測定電極として機能し、オペアンプベースの電流−電圧変換器１２０３を介して、第１アナログ入力ＡＤＣ−２に接続され、オペアンプの正／非反転入力は、供給電圧に接続されている。電圧−電流変換器１２０３に代わって、電流測定のために差動増幅器が用いられ得る。さらなる変形例において、作用電極１０１は制御電極として機能し、電流測定は、対向電極１０３で実行され、作用電極１０１または対向電極１０３のいずれかは、測定電極として機能する。

以下において、さらに、図１１が参照される。図１１は、デジタルポテンショスタット回路１２０のさらなる実施形態を示す。図１１の実施形態は、負の分極電圧、および、作用電極１０１と対向電極１０３との間の正の電流のために設計され、この構成のために特に少数の構成要素を要する。図１１の実施形態は、図１０の実施形態と同様である。唯一の相違点として、オペアンプの正／非反転入力が、供給電圧ではなくグランドに接続されている。

変形例において、作用電極１０１は、制御電極として機能し、電流は、対向電極において電圧−電流変換器を介して測定され、従って対向電極は、測定電極として機能する。

以下において、さらに、図１２が参照される。図１２は、デジタルポテンショスタット回路１２０のさらなる実施形態を示す。図１２の実施形態は、負の分極電圧、および、作用電極１０１と対向電極１０３との間の負の電流のために設計され、この構成のために特に少数の構成要素を要する。図１２の実施形態は、図４の実施形態と同様である。唯一の相違点として、制御電極と測定電極の役割が逆にされている。図４の実施形態では、対向電極１０３は測定電極として機能し、非反転増幅器１２０１を介して第１アナログ入力ＡＤＣ−２に接続される。図１２の実施形態では、反対に、作用電極１０１が測定電極として機能し、非反転増幅器１２０１を介して第１アナログ入力ＡＤＣ−２に接続される。同様に、図４の実施形態では、作用電極１０１が制御電極として機能し、制御出力ＤＡＣに直接接続される。図１２の実施形態では、反対に、対向電極１０３が制御電極として機能し、制御出力ＤＡＣに直接続される。

変形例では、作用電極１０１または対向電極１０３のいずれかにおいて差動増幅器を用いて電流が測定される。さらなる変形例では、作用電極１０１が制御電極として機能し、電流が、差動増幅器を用いて、作用電極１０１または対向電極１０３で測定される。

前述したように、有利には受動的な、サンプルアンドホールドユニットが、前述の実施形態において、エネルギー消費の低減のために、制御出力および制御電極の接続に、一般的に使用され得る。

Claims (15)

1. 検体、特にはグルコースの濃度を侵襲的に測定する検体測定パッチ（１）であって、前記検体測定パッチは、
   作用電極（１０１）、対向電極（１０３）および参照電極（１０２）を備えている、患者の組織における経皮的な配置のためのセンサ（１０）と、
   患者の皮膚上への配置のためのパッド（１１）であって、前記センサ（１０）が前記パッド（１１）の粘着面（１１０）から突出するパッド（１１）と、
   マイクロコントローラ（１２００）および電流測定ユニットを備える電子ユニット（１２）と、を備え、
   前記マイクロコントローラ（１２００）は、制御出力（ＤＡＣ）、第１アナログ入力（ＡＤＣ−２）および第２アナログ入力（ＡＤＣ−１）を備え、
   前記制御出力（ＤＡＣ）は制御電極と動作可能に接続され、前記制御電極は前記作用電極（１０１）または前記対向電極（１０３）のいずれかであり、
   前記第１アナログ入力（ＡＤＣ−２）は前記電流測定ユニットを介して測定電極と動作可能に接続され、前記測定電極は前記作用電極（１０１）または前記対向電極（１０３）のいずれかであり、
   前記第２アナログ入力（ＡＤＣ−１）は前記参照電極（１０２）と動作可能に接続され、
   前記マイクロコントローラ（１２００）は、前記制御出力（ＤＡＣ）に制御電圧を供給することにより、前記作用電極（１０１）と前記対向電極（１０３）との間の電位差を、予め定められた分極電圧に等しくなるべく制御するように構成される、検体測定パッチ。
2. 前記電子ユニット（１２）は、ボルテージフォロア（１２０２）を備え、前記参照電極（１０２）は、前記ボルテージフォロア（１２０２）を介して前記第２アナログ入力（ＡＤＣ−１）と動作可能に接続される請求項１記載の検体測定パッチ（１）。
3. 前記マイクロコントローラ（１２００）は、前記制御出力と動作可能に接続されているデジタル−アナログ変換器を備え、前記制御電極は、直接ガルバニック接続を介して、または、好ましくは受動ＲＣ回路網であるサンプルアンドホールドユニットを介して、前記制御出力と動作可能に連結される、請求項１または２記載の検体測定パッチ（１）。
4. 前記電流測定ユニットは、差動増幅器ユニット（１２０４）または電流−電圧変換器ユニット（１２０３）を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の検体測定パッチ（１）。
5. 前記制御電極（１０１）は、前記測定電極（１０２）とは異なる請求項１〜４のいずれか１項に記載の検体測定パッチ（１）。
6. 前記制御電極が前記対向電極（１０３）であり、前記測定電極が前記作用電極（１０１）である請求項５記載の検体測定パッチ（１）。
7. 前記電子ユニット（１２）が、非対称電源（１２４）に動作可能に連結されているか、または動作可能に連結されるように設計されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の検体測定パッチ（１）。
8. 前記マイクロコントローラ（１２００）が、前記作用電極（１０１）、前記対向電極（１０３）および／または前記参照電極（１０２）のうちの少なくとも１つと接触している気泡を検出するように構成されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の検体測定パッチ（１）。
9. 前記電子ユニット（１２）および前記センサ（１０）が、取り外し不能に機械的に連結されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の検体測定パッチ（１）。
10. 前記センサ（１０）および前記電子ユニット（１２）が、取り外し可能に機械的に連結されているか、または取り外し可能に機械的に連結されるように設計されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の検体測定パッチ（１）。
11. 前記電子ユニット（１２）は、データ通信ユニット（１２６）を備え、前記電子ユニット（１２）は、前記データ通信ユニット（１２６）を介して、さらなる電子ユニット（１３）と、データ、特には検体濃度データまたは検体濃度に相関するデータを交換するように設計されている請求項１〜１０のいずれか１項に記載の検体測定パッチ（１）。
12. 前記データ通信ユニット（１２６）が、無線データ通信ユニット、好ましくは近距離通信ユニットであり、前記電子ユニット（１２）が、環境に対して密封されている請求項１１記載の検体測定パッチ（１）。
13. さらなる電子ユニット（１３）をさらに備え、前記さらなる電子ユニット（１３）は、前記データ通信ユニット（１２６）と動作可能に連結するためのさらなるデータ通信ユニット（１３６）を備え、前記さらなる電子ユニット（１３）が前記電子ユニット（１２）と取り外し可能に機械的に連結するように設計されている請求項１１または１２記載の検体測定パッチ（１）。
14. 前記電子ユニット（１２）および前記さらなる電子ユニットが、それぞれ別の電源を備える請求項１３記載の検体測定パッチ（１）。
15. 無線遠隔装置通信ユニット（１２３、１３３）をさらに備え、前記無線遠隔装置通信ユニット（１２３、１３３）は、前記マイクロコントローラ（１２００）と動作可能に連結され、データ、特には、検体濃度データまたは検体濃度に相関するデータを、さらなる別の遠隔装置（２）と交換するように設計されている請求項１〜１４のいずれか１項に記載の検体測定パッチ（１）。

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