JP2023508741A - 体液中の分析物質の存在及び／又は濃度を測定するためのシステム - Google Patents
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Abstract
本発明は、体液に溶解された分析物質の存在及び／又は濃度を特に経皮的に測定するためのシステム（１０）であって、赤外波長範囲の励起光（１４）を放射するための光源（１２）を含み、励起光のために、光源からサンプル（２０）の測定領域（１８）までの励起ビーム経路（２２）を定義し、且つサンプルの測定領域からの検出光（２４）のために、サンプルの測定領域から検出デバイス（２６）までの検出ビーム経路（２８）を定義する光学デバイス（１６）を含み、及び検出光を検出するための検出デバイスを含むシステム（１０）に関する。検出デバイスは、感光性センサ（３６）と、検出ビーム経路に配置された少なくとも１つのフィルタ要素（３８）とを含み、少なくとも１つのフィルタ要素は、分析物質について特徴的であるように指定される、選択されたＩＲ吸収帯の周りの指定された分析波長範囲外の波長を有する光の透過を抑制するように設計される。
Description
本発明は、請求項１の前文による、体液に溶解された分析物質、特に血糖の存在及び／又は濃度を測定するためのシステムに関する。
そのようなシステムにより、体液、例えば細胞内液若しくは細胞外液又は間質液に溶解された分析物質の存在及び／又は濃度を判定し、好ましくは、事前に採取する必要がある対応するサンプル、例えば組織又は血液サンプルなしで正確なものにすること（いわゆる非侵襲的測定）が可能になる。例として、そのようなシステムにより、人間の血液中の血糖値を判定することが可能になる。特に、測定は、経皮的な方式において、すなわち皮膚層を通して実施することができる。このようにして、患者は、定期的に、退屈であり且つおそらく不快である、例えば一滴の血液を採取するために指を刺す必要がない。
そのようなシステムを使用した分析物質の存在及び／又は濃度の測定は、赤外線分光法（ＩＲ分光法）による、検査されるサンプル（例えば、体液を含む人間の皮膚表面下の組織領域）の分析に基づく。この場合、サンプルの測定領域は、最初に、赤外線波長範囲、特に１．５μｍ～２５μｍの励起光を使用して照射される。次いで、サンプルによって透過又は反射された光（検出光）がスペクトル分析される。特徴的な分子振動、特に原子又は分子結合の伸縮振動及び／又は変形振動は、赤外線波長範囲の特定の波長（エネルギー）で励起され得る。励起光は、これらの波長で分析物質によってかなりの程度吸収される。この点において、分析物質のＩＲスペクトルは、これらの波長で局所的な吸収最大値（検出光の強度最小値）を有し、これは、「ＩＲ吸収帯」と呼ばれる。振動を励起するために必要なエネルギー、したがってそれぞれのＩＲ吸収帯の波長は、それぞれの結合について特徴的であるため、分析物質の構造は、ＩＲ吸収帯の分析から推測することができる。いわば、ＩＲ吸収帯は、検査される分析物質の指紋である。この点において、サンプル中の分析物質の存在は、特定の波長での吸収帯の存在の有無から明確に判断され得る。更に、ＩＲ吸収帯の波長における検出光の強度の、この波長における励起光の強度に対する比は、検査されたサンプル中の分析物質の濃度に関する情報を提供することができる。
例えば、分光計装置は、検出光のスペクトル分析のために従来技術で使用されている。これらは、通常、検出光の空間スペクトル分割のための拡散又は分散要素及び分割光の波長依存検出のための空間分解検出器を含む。分光計を備えたこのタイプのシステムの欠点は、回折又は分散要素と検出器との間の相対位置における（例えば、落下又は温度変化の結果としての）既に比較的小さい変化がビーム経路の変位につながり、その結果、誤った測定結果をもたらす可能性があることである。この理由により、システムを定期的にチェックし、サービスの範囲内に較正する必要があり、これには、専門知識が必要である。更に、検出光のスペクトル成分を互いに空間的に分離して検出できるようにするために、光のスペクトル分割に対して、分散／回折要素と検出器との間に特定の長さのビーム経路が必要である。したがって、対応するシステムは、通常、比較的大きく、その結果、日常動作中に不利を有し得る。
そのため、本発明は、わずかな較正費用及びコンパクトな構造で、体液に溶解された分析物質の信頼できる分析を容易にするという課題を考慮する。更に、費用効果の高い実施形態が望ましい。
前記目的は、請求項１に記載の特徴を有するシステムによって達成される。
システム全体は、物の集合体という意味で複数のデバイスからなる装置であり、これらは、特に、接続されて装置を形成するか、又は上位の装置に統合される。本システムは、特に経皮的な方式において、体液に溶解された分析物質の存在及び／又は濃度を測定し、特に血糖濃度を判定するのに役立つ。血糖は、特に、体液（例えば、人間の血液）に溶解された糖、特にグルコースを意味すると理解される。
本システムは、赤外波長範囲の励起光、特に広帯域励起光を放射するための光源を含む。特に、光源は、１．５μｍ超、特に１．５μｍ～２５μｍの波長で励起光を放射するように設計される。
本システムは、励起光のために、光源からサンプルの測定領域までの励起ビーム経路を定義し、且つサンプルの測定領域からの検出光のために、サンプルの測定領域から検出デバイスまでの検出ビーム経路を定義する光学デバイスを含む。光学ユニットは、複数の光学要素（例えば、レンズ、反射器、プリズム、ストップ、光ファイバ）を含むことができ、それにより励起ビーム経路及び検出ビーム経路を定義する。特に、サンプルは、体液を含み、且つ人間の皮膚表面下、例えば腕又は指の領域に位置する組織領域であり得る。
本システムは、検出光を検出するための検出デバイスを更に含む。検出デバイスは、特に、捕捉された光から測定信号、好ましくは電気測定信号を生成するように設計される感光性センサを含む。
更に、検出デバイスは、検出ビーム経路に配置された少なくとも１つのフィルタ要素を含み、少なくとも１つのフィルタ要素は、分析物質について特徴的であるように指定されるＩＲ吸収帯の周りの事前定義された分析波長範囲外の波長を有する光の透過を抑制するように設計される。この点において、少なくとも１つのフィルタ要素は、それぞれのＩＲ吸収帯の分析に関連のない検出光の波長が実質的にフィルタリング除去され得る、すなわちセンサに送信されないように設計される。特に、少なくとも１つのフィルタ要素は、吸収光のそれぞれの選択された吸収試験波長の周りの指定された分析波長範囲外の波長における光の透過を抑制するように設計され、その吸収試験波長は、分析物質の化学構造について特徴的である分析物質の原子結合又は分子結合の伸縮振動及び／又は変形振動を励起することが可能な吸収試験波長である。
そのような構成により、分析物質が特定の閾値濃度でサンプル中に存在するかどうかの影響に対する概算評価が既に容易になる。なおも以下で更に詳細に説明するように、それぞれのＩＲ吸収帯の更なるスペクトル分解能が存在する場合、測定の信頼性を更に高めることができる。更に、このタイプのシステムは、例えば、分光計装置において、ビームを波長成分に空間的に分割するために必要とされるビーム経路を省くことができるため、コンパクトな構造を有する。このタイプのシステムを有する血糖測定機器は、その取り扱いを単純化する比較的小さい実施形態を有し得る。更に、このタイプのシステムを有する血糖測定機器は、特に堅牢である。特に、（従来技術から既知であるシステムの場合に通常必要とされる）分光計の定期的な較正が省かれるため、メンテナンスのための費用が削減される。糖尿病患者は、定期的に（したがって外出時又は旅行時にも）血糖値を監視する必要があるため、これは、特に有利である。本システムは、必要とされる高精度のために比較的高価であるグレーティングなどのスペクトル分割効果を有する要素を必要としないため、比較的費用効果も高い。
分析物質の特徴的なＩＲ吸収帯が１つのみ分析されるべきであることが可能である。したがって、少なくとも１つのフィルタ要素は、このＩＲ吸収帯の周りの分析波長範囲外の波長を有する光の透過を抑制するように設計され得る。複数のＩＲ吸収帯が分析されるべきであることも可能である。したがって、少なくとも１つのフィルタ要素は、分析されるそれぞれのＩＲ吸収帯の周りのそれぞれの分析波長範囲外の波長を有する光の透過を抑制するように設計され得る。
光源及び検出デバイスをサンプルの反対側に配置すること（透過構成）が考えられる。そのうえ、検出光は、特に、サンプルによって透過された励起光の少なくとも一部を含む。光源及び検出デバイスをサンプルの同じ側に配置すること（反射構成）も考えられる。そのうえ、検出光は、特に、サンプルによって反射された励起光の少なくとも一部を含む。
好ましくは、それぞれの分析波長範囲は、１．５μｍ超、特に１．５μｍ～２５μｍ、更に特に１．５μｍ～３μｍである。濃度の判定に関連する、人間の血液に溶解されたグルコースのＩＲ吸収帯は、この波長範囲に位置する。分析波長は、１．７μｍ～２．６μｍの波長範囲のサブレンジにあることが特に望ましい。
更に、それぞれの分析波長範囲は、分析物質の選択された特徴的なＩＲ吸収帯の周り、より特に人間の体液中の溶液としてのグルコースの指定されたＩＲ吸収帯の周りの±５０ｎｍ、より特に±１０ｎｍ、更に特に±５ｎｍ、更に特に±２．５ｎｍ、更に特に±１ｎｍの波長範囲内であることが好ましい。これにより、例えば、更なるＩＲ吸収帯の結果としての更なる外乱信号を回避しながら、分析物質の指定されたＩＲ吸収帯の選択的な分析が容易になる。例として、グルコースの関連するＩＲ吸収帯は、２１４０ｎｍ、２２７０ｎｍ及び２３３０ｎｍである。
好ましくは、少なくとも１つのフィルタ要素は、少なくとも１つのフィルタ要素によって影響されないままであった基準光として、検出ビーム経路内の光の成分がセンサ、特にセンサの一部に当たるように配置及び／又は設計される。特に、少なくとも１つのフィルタ要素は、サンプルによって弾性的に散乱された励起光の少なくとも１つの成分がセンサに当たるように配置及び／又は設計される。これにより、機能に関して光源をチェックし、且つ／又は光学デバイスの較正をチェックすることが可能になる。この目的のために、センサの一部は、少なくとも１つのフィルタ要素で覆われていない可能性がある。したがって、光は、少なくとも１つのフィルタ要素を通過してセンサに当たることができる。
有利な構成では、少なくとも１つのフィルタ要素は、平面範囲を有する構成要素として設計される。そのうえ、検出光の正確な空間的フォーカスは、必要なく、これにより較正費用を更に削減することができる。特に、少なくとも１つのフィルタ要素は、平面内において延びる。例として、少なくとも１つのフィルタ要素がスラブ様の実施形態を有することが可能である。
特に、センサは、検出センサ表面を含む。特に好ましくは、少なくとも１つのフィルタ要素は、センサ表面上に配置される。特に、センサ表面は、平面の実施形態を有することができ、したがって、少なくとも１つのフィルタ要素は、スラブ様の方式で平面センサ表面に配置され得る。これにより、検出光の平面検出が容易になるため、センサ表面の特定の領域に検出光をフォーカスさせる必要がない。更に、検出デバイスの特にコンパクトな構造は、少なくとも１つのフィルタ要素がセンサ表面上に配置されるという事実によって得られる。
少なくとも１つのフィルタ要素及びセンサが互いに確実に接続され、特にモノリシック形態で具体化されるか、又は事前に組み立てられた構成部品に結合されることが特に好ましい。この点において、フィルタ要素とセンサとの間のビーム経路の不注意なシフト又は妨害があり得ない。このようにして、特に堅牢な構造が得られ、その結果、（例えば、システムが地面に落ちた結果としての）不要な調整不良のリスクを排除することが可能であり、したがって較正費用を最小限に抑えることが可能である。例として、対応するフィルタ構造がセンサ表面に蒸着されるか、又はリソグラフィによってセンサ表面上に生成されることが可能である。
特に好ましい構成では、センサは、入射光を検出するように設計される感光性ピクセルのアレイを含む。例として、感光性ピクセルを行及び列に配置することが可能である。更に、少なくとも１つのフィルタ要素が複数の狭帯域フィルタ領域を有することが好ましい。好ましくは、狭帯域フィルタ領域は、中心波長の周りの通過範囲外の波長を有する光の透過を抑制するように設計される。特に、狭帯域領域は、分析波長範囲と比較して狭い対応する波長範囲のためのバンドパスフィルタとして機能する。
更に、１つのフィルタ領域は、隣接して配置されたピクセルの１つのピクセルグループ、特に１つのピクセルにそれぞれ割り当てられることが好ましい。好ましくは、フィルタ領域は、各ピクセル上に配置される。特に、フィルタ領域及びそれらの割り当てられたピクセルグループ又はピクセルは、検出ビーム経路に沿って、それぞれのフィルタ領域を通過する光が、それぞれ割り当てられたピクセルグループ又はそれぞれ割り当てられたピクセルによってのみ捕捉されるように互いに対して配置される。例として、少なくとも１つのフィルタ要素のフィルタ領域を行及び列に配置することが可能であり、フィルタ領域は、フィルタ領域がセンサの各ピクセルの前に配置されるように配置される。
特に、それは、フィルタ領域が少なくとも１つのピクセル又は少なくとも１つのピクセルグループの前に配置されない場合にも有利であり得る。したがって、検出ビーム経路内の光の成分、特にサンプルによって弾性的に散乱された励起光は、この少なくとも１つのピクセルに当たり、上で説明したように基準光として検出され得る。例として、少なくとも１つのフィルタ要素は、ピクセルのサイズ又はピクセルグループのサイズに対応する局所的な切り欠きを有することが考えられる。例えば、センサのエッジ領域又はセンサ表面において、フィルタ構造が少なくとも１つのピクセル上に蒸着されないことも考えられる。
全てのフィルタ領域が同じ中心波長を有することが可能である。しかしながら、フィルタ領域は、互いに異なる中心波長を備えることが好ましい。特に、中心波長は、１つのセンサのみを使用して異なるスペクトル範囲が検出されるように選択され得る。これにより、分析されるＩＲ吸収帯のスペクトル曲線を概算し、したがって例えば測定された強度の最小値（吸収の最大値）がＩＲ吸収帯を表すか、又は単に外乱信号を表すかを区別することが可能である。そのような構成により、１つのセンサ及び１つのフィルタ要素のみを使用して、複数の特徴的なＩＲ吸収帯を分析することも可能になる。ここで、これは、例えば、体液中の分析物質の濃度を正確に判定するために有利であり得、且つ／又は体液に溶解された異なる物質（例えば、グルコース及び乳酸塩若しくは医療用有効成分）の特徴的なＩＲ吸収帯に対して有利であり得る、分析物質の複数のＩＲ吸収帯に関連することができる。
フィルタ要素の各フィルタ領域は、異なる中心波長を有することが可能である。したがって、異なる中心波長を有するフィルタ領域をセンサの各ピクセル／各ピクセルグループに割り当てることができる。フィルタ要素の複数のフィルタ領域が同じ中心波長、特に同じ通過範囲を有することが特に好ましい。したがって、同じ中心波長、特に同じ通過範囲を有するフィルタ領域を複数のピクセル／ピクセルグループに割り当てることができる。このようにして、特定の波長の光を複数のピクセルによって検出することができ、これは、信号対雑音比に対してプラスの効果を有する。
検査されるＩＲ吸収帯の詳細な分析（例えば、形状、半値全幅、吸収最大値での波長など）を容易にするために、中心波長は（それぞれの）分析波長範囲にわたってスペクトル的に離れた間隔で分布されることが好ましい。好ましくは、間隔は、等距離に分布される。それぞれの分析波長範囲に割り当てられたフィルタ領域の中心波長間の間隔は、５ｎｍ未満、好ましくは２ｎｍ未満、更に好ましくは１ｎｍ未満、更に好ましくは０．５ｎｍ未満、更に好ましくは０．２ｎｍ未満であることが特に好ましい。指定されるピクセル数を想定すると、より高いスペクトル分解能（分析波長範囲内のより多くの測定ポイント）に対してより小さい測定間隔が有利である。対照的に、より大きい間隔は、より高い信号対雑音比に対して有利である（より多くのピクセルが同じ波長の光を検出する）。
好ましくは、それぞれの分析波長範囲に割り当てられたフィルタ領域は、フィルタ要素にわたって繰り返す、好ましくは周期的に繰り返すフィルタグループを形成する。分析物質の特徴的なＩＲ吸収帯が１つのみ分析されるべきであることが可能である。この場合、このＩＲ吸収帯の分析波範囲に割り当てられたフィルタ領域によって形成される単一のフィルタグループを提供することができる。このフィルタグループは、フィルタ要素にわたり、例えば線又はモザイクのように周期的に繰り返すことができる。複数の特徴的なＩＲ吸収帯（例えば、分析物質の複数のＩＲ吸収帯又は体液に溶解された異なる物質のＩＲ吸収帯）が分析されるべきであることも可能である。この場合、フィルタ要素は、複数の異なるフィルタグループを有することができ、それぞれのフィルタグループは、それぞれの分析波長範囲に割り当てられたフィルタ領域によって形成される（すなわち１つのフィルタグループがそれぞれ１つのそれぞれの分析波長範囲に割り当てられる）。
フィルタ要素のフィルタ領域は、行及び列に配置することが可能である。したがって、フィルタグループのフィルタ領域は、行／列に沿って配置することができ、これが行／列に沿って繰り返す（ラインパターン）。しかしながら、フィルタグループのフィルタ領域は、同じ数の列及び行、好ましくは２列及び２行、更に好ましくは４列及び４行、特に５列及び５行にわたって延びることができる。したがって、このフィルタグループは、フィルタ要素にわたってモザイクのように繰り返し得る（モザイクパターン）。
検出デバイスのセンサは、好ましくは、例えばＧａＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ又はＨｇＣｄＴｅに基づく半導体センサである。そのようなセンサは、特に血糖値からのＩＲ吸収帯の分析に関連する赤外線範囲内の波長を有する光に対する高感度によって特に区別される。更に、そのようなセンサは、比較的費用効果の高い方式で利用可能であり、これは、マスマーケット製品としてそのようなセンサを有する本発明によるシステムの使用に対して有利である。例として、センサは、フォトダイオードの形態であり得る。
ＩＲ吸収帯の詳細なスペクトル分析に対して、励起光が特定のスペクトル幅を有すること、すなわち異なる波長の光成分を含むことが更に有利である。特に、光源は、それによって放射される励起光のスペクトル幅（すなわち励起光が消失しない強度を有する電磁スペクトルの波長間隔）が１０ｎｍ超、特に５０ｎｍ超、更に特に１００ｎｍ超、更に特に５００ｎｍ超、更に特に１μｍ超のサイズを有するように設計される。更に、そのような構成は、１つの光源のみを使用して、異なる波長におけるＩＲ吸収帯（例えば、分析物質の複数のＩＲ吸収帯又は異なる物質のＩＲ吸収帯）を分析することを可能にする。
好ましくは、光源は、レーザ光源である。レーザ光は、高い光度によって区別され、比較的低濃度でのみ存在する分析物質の分析に有利である。
レーザ光源は、レーザ光を放射するための複数のレーザダイオードを含むレーザダイオードアレイの形態であり得る。レーザダイオードは、好ましくは、例えばＧａＳｂ又はＩｎＰに基づく半導体ダイオードであり得る。特に、レーザダイオードアレイは、個々のレーザダイオードによって放射されたレーザビームが重ね合わされて励起光を形成するように設計される。例として、レーザダイオードがベースプレート上に互いに隣り合って配置されることが考えられる。レーザ光源がモノリシックレーザダイオードアレイの形態であることも考えられる。所与のスペクトル幅を有する励起光を生成するために、レーザダイオードアレイのレーザダイオードは、それぞれの場合に異なる中心波長を有するレーザ光を出力するように設計されることが好ましい。好ましくは、レーザダイオードは、レーザダイオードの発光スペクトルが特定の領域でスペクトル的に重なるように設計される。そのうえ、励起光のスペクトル強度分布は、特に均一である。
レーザ光源は、異なる中心波長を有するレーザ光を同時に放射するように設計される少なくとも１つの量子カスケードレーザを含むことも可能である。この点において、少なくとも１つの量子カスケードレーザは、電子遷移が起こり得るように特別に設計され、その範囲内において、それぞれの場合に異なるエネルギー（波長）の光子が放射される。好ましくは、少なくとも１つの量子カスケードレーザは、同じエネルギー差を有するエネルギー準位間に多数の電子遷移が存在するように設計される。そのうえ、放射されるレーザ光の強度は、特に高い。
レーザ光源が少なくとも１つの帯域間カスケードレーザを含むことも可能である。
レーザ光源は、レーザ光を放射するための複数の多量子ウェル領域を有する少なくとも１つの多量子ウェルダイオードを含むことも可能である。好ましくは、個々の多量子ウェル領域は、単一のレーザチップ内に配置される。多量子ウェルダイオードは、低い閾値電流における比較的高い効率によって区別される。例として、ＧａＳｂ、ＧａＡｓ又はＩｎＰがそのような多量子ウェルダイオードのベース材料として考えられ得る。好ましくは、多量子ウェル領域は、それらが、それぞれ異なる中心波長を有するレーザ光を放射するように設計される。更に、多量子ウェル領域の発光スペクトルは、特定の領域でスペクトル的に重なることが好ましい。そのうえ、励起光のスペクトル強度分布は、特に均一である。
好ましくは、システムは、制御デバイスを更に含む。特に、制御デバイスは、１つ以上の基準スペクトルが記憶可能であるか又は記憶されている不揮発性メモリを含む。この場合、少なくとも１つの基準スペクトルは、好ましくは、少なくとも、分析物質のそれぞれの選択されたＩＲ吸収帯の波長及び／又はそれぞれの選択されたＩＲ吸収帯の周りの指定された分析波長範囲の波長を含む。基準スペクトルは、光源の発光スペクトル、特に励起光のスペクトルであることが可能である。基準スペクトルは、検査される体液のＩＲスペクトル又はこの体液に類似した基準溶液のＩＲスペクトルであることも可能である。更に、基準スペクトルは、検査される体液中又はこの体液に類似した基準溶液中の、特定の濃度を有する溶液としての分析物質のＩＲスペクトル、例えば人間の血液中の溶液としてのグルコースのＩＲスペクトルであると考えられる。とりわけ、これにより、検出光の測定された強度を正規化することが可能になり、したがって検査されたサンプル中の分析物質の濃度を（絶対的に）判定することが可能になる。
システムの有利な構成の範囲内において、光学デバイスは、光源からのサンプルの測定領域までのその光路の少なくとも一部において励起光をガイドするように設計される少なくとも１つの第１の光ファイバ又は導波路を含み得る。この場合及び現在の状況では、導波路は、より特に、半導体技術で典型的に実施されるように、定義された方式でシリコン基板に適用される酸化ケイ素又は窒化ケイ素を示す。更に、光学デバイスは、サンプルの測定領域から検出デバイスまでのその光路の少なくとも一部において検出光をガイドするように設計される少なくとも１つの第２の光ファイバ又は導波路を含み得る。そのような構成により、励起光又は検出光のためのビーム経路の正確な定義を容易にし、特に例えばたとえミラーなどの追加の光学的手段がなくても、曲線に沿った励起光又は検出光のガイドを容易にし、システムのコンパクト設計を促進する。更に、ビーム経路の望ましくない調整不良のリスクを低減することができ、その結果、較正費用を最小限に抑えることができる。光ファイバを備えた１つの構成では、光学デバイスは、したがって、例えば適切に設計されたレンズ手段の形態において、それぞれの光ファイバへの光の入力結合及び／又は出力結合のための入力結合手段及び／又は出力結合手段を任意選択的に含み得る。
赤外波長範囲の光を可能な限り無損失でガイドすることができるようにするために、少なくとも１つの第１の光ファイバ及び／又は少なくとも１つの第２の光ファイバは、中空ファイバの形態であることが好ましい。この点において、少なくとも１つの第１の光ファイバ及び／又は少なくとも１つの第２の光ファイバは、好ましくは、ファイバ、好ましくは円筒状ファイバとして設計され、特に断面においてそれらの長手方向範囲に沿って少なくとも１つの連続空洞を有する。例として、そのような中空繊維は、ポリマー又はガラス、より特に溶融石英（溶融シリカ）から製造され得る。
本発明は、図面に基づいて以下でより詳細に説明される。
以下の説明及び図面では、同一の又は対応する機能に対して、それぞれの場合に同じ参照記号が使用される。
図１～図４は、体液に溶解された分析物質の存在及び／又は濃度を測定するためのシステム１０の異なる構成のスケッチ図を示す。特に、システム１０は、体液に溶解された糖、特にグルコースの濃度を判定するように設計される。
システム１０は、特に１．５μｍ～２５μｍの波長において、赤外線波長範囲で励起光１４を放射するための光源１２を含む。例として、光源１２は、異なる中心波長を有するレーザ光をそれぞれ放射する複数の半導体レーザダイオードを有するレーザダイオードアレイであり得る。光源１２は、赤外線波長範囲のレーザ光を同時に放射するように設計される少なくとも１つの量子カスケードレーザを含むことも可能である。更に、光源１２は、多量子ウェルダイオードを含むと考えられる。
システム１０は、励起光１４を光源１２からサンプル２０の測定領域１８まで、例えば人体の血液含有組織領域にガイドするように設計される光学デバイス１６を更に含む。この目的のために、光学デバイス１６は、特に、ビーム偏向及び／又はビームガイドのための１つ以上の光学要素３０を含むことができ、これは、励起光１４のために、光源１２からサンプル２０の測定領域１８までの励起ビーム経路２２を定義する（図４を参照されたい）。
光学デバイス１６は、検出光２４をサンプル２０の測定領域１８から検出デバイス２６までガイドするように更に設計される。この目的のために、光学デバイス１６は、特に、ビーム偏向及び／又はビームガイドのための１つ以上の光学要素３２、３４を含むことができ、これは、検出光２４のために、サンプル２０の測定領域１８から検出デバイス２６までの検出ビーム経路２８を定義する（図４を参照されたい）。
励起光１４及び／又は検出光２４は、自由ビームとして伝播することが可能である（図１～図３を参照されたい）。したがって、光学デバイス１６は、特に、励起ビーム経路２２及び検出ビーム経路２８を定義するために、レンズ、反射器、偏向ミラー、プリズムなど（ここでは示されていない）の形態の光学要素を含むことができる。
励起光１４及び／又は検出光２４は、光ファイバ３０、３２によってそれぞれの光路に沿ってガイドされることも可能である（図４を参照されたい）。したがって、光学デバイス１６は、例えば、第１の光ファイバ３０を含むことができ、これは、励起光１４のために、光源１２からサンプル２０の測定領域１８までのその光路の少なくとも一部のための励起ビーム経路２２を定義する（図４においてスケッチ表現で示されている）。更に、光学デバイス１６は、検出光２４のために、サンプル２０の測定領域１８から検出デバイス２６までのその光路の少なくとも一部のための検出ビーム経路２８を定義する第２の光ファイバ３２を含むことができる。そのうえ、第２の光ファイバ３２について図４において例示的な方式で示されるように、光学デバイス１６は、励起光１４又は検出光２４をそれぞれの光ファイバ３０、３２に入力結合／出力結合するために、例えばレンズ手段の形態の１つ以上の入力／出力結合手段３４を更に含み得る。例示的で好ましい方式では、光ファイバ３０、３２は、中空繊維の形態である。
図１は、光源１２及び検出デバイス２６がサンプル２０の反対側に配置される、透過構成におけるシステム１０を示す。そのような構成では、検出光２４は、サンプル２０によって透過された励起光１４の少なくとも一部を含む。
図２～図４は、反射構成におけるシステム１０を示し、ここで、光源１２及び検出デバイス２６は、サンプル２０の同じ側に配置される。そのような構成では、検出光２４は、サンプル２０によって反射された励起光１４の少なくとも一部を含む。
検出光２４を検出するために、検出デバイス２６は、捕捉された光から電気測定信号を生成するように設計される感光性センサ３６を含む。例示的で好ましい方式では、センサ３６は、赤外線範囲の波長を有する光を検出するように設計される半導体センサである。
検出デバイス２６は、サンプル２０とセンサ３６との間の検出ビーム経路２８に配置されたフィルタ要素３８を更に含む。例示的で好ましい方式では、フィルタ要素３８は、全体的に平面範囲を有する構成要素として設計され、それは、実質的に平面内において延びる。フィルタ要素３８は、選択された分析物質、特に人間の血液に溶解された血糖（グルコース）のそれぞれの指定されたＩＲ吸収帯の周りの指定された分析波長範囲外の波長を有する光の透過を抑制する（上記を参照されたい）ように具体化される。
図３及び図４に示されるように、検出デバイス２６の好ましい構成の場合、センサ３６は、同様に平面形態を有する検出センサ表面４０を含む。センサ表面４０は、それ自体が既知である方式で行及び列に配置されるため、より詳細に説明されない感光性ピクセル４２のアレイを含む（図５を参照されたい）。次いで、フィルタ要素３８は、好ましくは、センサ３６のセンサ表面４０上に配置される。特に、フィルタ要素３８は、恒久的に組み立てられた構成部品を形成するために、センサ３６に接続され、特に一体的に接続される。
図６は、上面図におけるフィルタ要素３８の好ましい構成を示す。フィルタ要素３８は、行及び列に配置された複数の狭帯域フィルタ領域４４を有する。この場合、フィルタ領域４４は、フィルタ領域４４がセンサ３６の各ピクセル４２の前に配置されるように配置される（図５を参照されたい）。例示的で好ましい方式では、ピクセル４２及びフィルタ領域４４は、センサ表面４０上で直交して見られるのと同じ寸法を有する。この点において、それぞれのフィルタ領域４４は、それに割り当てられたピクセル４２の検出面全体を覆い、特にこのピクセルを独占的に覆い、他のピクセルを覆わない。好ましくは、フィルタ領域４４は、それぞれのピクセル４２を用いてモノリシック方式で形成される。例示的で好ましい方式では、フィルタ領域４４は、それぞれのピクセル４２のセンサ表面４０上に蒸着されるか、又はリソグラフィによってその上に生成されたフィルタ構造によって形成される。
図６に示されるフィルタ要素３８の例示的な構成では、２５（５×５）のフィルタ領域４４が一緒になってフィルタグループ４６を形成し、フィルタグループ４６は、モザイク様の方式でフィルタ要素３８にわたって繰り返す。フィルタグループ４６のフィルタ領域４４は、中心波長λ１～λ２５を有し、これらは、互いにずれており、分析される分析物質のＩＲ吸収帯の周りの分析波長範囲にある。この点において、分析波長範囲内の２５の異なるスペクトル範囲（帯域）は、示された構成において互いに独立して検出され得る。
中心波長λ１～λ２５は、好ましくは、分析波長範囲にわたって等距離の間隔で分布される。例として、分析波長範囲は、指定されたＩＲ吸収帯の周りの±２．５ｎｍの範囲であると考えられる。この場合、合計２５のフィルタ領域４４が存在するとき、０．２ｎｍの間隔が発生する。
ここに示されていない構成では、それぞれの分析波長範囲に割り当てられたフィルタ領域４４は、フィルタ要素３８にわたって不規則な方式で繰り返すことも可能である。
フィルタ領域４６は、任意選択的に、センサ３６の１つ以上のピクセル４２の前に配置されなくてもよい。したがって、サンプル２０によって反射又は透過された励起光１４は、これらのピクセル４２によって基準光として検出され得る。例として、ピクセル又はピクセルグループのサイズに対応する局所的な切り欠きがフィルタ要素３６に提供されることが考えられる（これは、図６において、黒で陰影を付けられた領域４８によって概略的に示されている）。これらの領域４８は、好ましくは、フィルタ要素３８のエッジ領域に配置される。
複数のＩＲ吸収帯を分析するために、フィルタ要素３８は、分析されるＩＲ吸収帯の１つがそれぞれ割り当てられる複数の異なるフィルタグループ４６を含むことができる。したがって、フィルタグループ４６は、特に、それぞれのフィルタグループ４６を形成するためのフィルタ領域４４ａが、分析されるそれぞれのＩＲ吸収帯の周りの分析波長範囲内にあるように設計される。異なるフィルタグループ４６は、したがって、例えば交互のモザイク様の方式でフィルタ要素３８にわたって繰り返し得る。
１０ システム
１２ 光源
１４ 励起光
１６ 光学デバイス
１８ 測定領域
２０ サンプル
２２ 励起ビーム経路
２４ 検出光
２６ 検出デバイス
２８ 検出ビーム経路
３０ 第１の光ファイバ
３２ 第２の光ファイバ
３４ 結合手段
３６ 感光性センサ
３８ フィルタ要素
４０ センサ表面
４２ ピクセル
４４ フィルタ領域
４６ フィルタグループ
４８ 領域
１２ 光源
１４ 励起光
１６ 光学デバイス
１８ 測定領域
２０ サンプル
２２ 励起ビーム経路
２４ 検出光
２６ 検出デバイス
２８ 検出ビーム経路
３０ 第１の光ファイバ
３２ 第２の光ファイバ
３４ 結合手段
３６ 感光性センサ
３８ フィルタ要素
４０ センサ表面
４２ ピクセル
４４ フィルタ領域
４６ フィルタグループ
４８ 領域
Claims (15)
- 体液に溶解された分析物質、特に血糖の存在及び／又は濃度を特に経皮的に測定するためのシステム（１０）であって、
－ 赤外波長範囲の励起光（１４）を放射するための光源（１２）、
－ 前記励起光（１４）のために、前記光源（１２）からサンプル（２０）の測定領域（１８）までの励起ビーム経路（２２）を定義し、且つ前記サンプル（２０）の前記測定領域（１８）からの検出光（２４）のために、前記サンプル（２０）の前記測定領域（１８）から検出デバイス（２６）までの検出ビーム経路（２８）を定義する光学デバイス（１６）、
－ 前記検出光（２４）を検出するための検出デバイス（２６）
を含み、前記検出デバイス（２６）は、感光性センサ（３６）と、前記検出ビーム経路（２８）に配置された少なくとも１つのフィルタ要素（３８）とを含み、前記少なくとも１つのフィルタ要素（３８）は、前記分析物質について特徴的である、選択されたＩＲ吸収帯の周りの指定された分析波長範囲外の波長を有する光の透過を抑制するように設計される、システム（１０）。 - 前記（それぞれの）分析波長範囲は、１．５μｍ超、更に特に１．５μｍ～２５μｍ、更に特に１．７μｍ～２．６μｍである、請求項１に記載のシステム（１０）。
- 前記分析波長範囲は、前記分析物質の前記選択されたＩＲ吸収帯の周りの±５０ｎｍ、特に±１０ｎｍ、更に特に±５ｎｍ、更に特に±２．５ｎｍ、更に特に±１ｎｍの波長範囲内である、請求項１又は２に記載のシステム（１０）。
- 前記少なくとも１つのフィルタ要素（３８）は、前記少なくとも１つのフィルタ要素（３８）によって影響されないままであった基準光として、前記検出ビーム経路（２８）内の前記検出光（２４）の成分が前記センサ（３６）、特に前記センサ（３６）の一部に当たるように配置及び／又は設計される、請求項１～３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
- 前記少なくとも１つのフィルタ要素（３８）は、特に１つの平面内において延びる、平面範囲を有する構成要素として設計される、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
- 前記センサ（３６）は、検出センサ表面（４０）を含み、前記少なくとも１つのフィルタ要素（３８）は、前記センサ表面（４０）上に配置される、請求項１～５のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
- 前記センサ（３６）は、感光性ピクセル（４２）のアレイを含み、前記少なくとも１つのフィルタ要素（３８）は、複数の狭帯域フィルタ領域（４４）を有し、１つのフィルタ領域（４４）は、隣接して配置されたピクセル（４２）の１つのピクセルグループ、特に１つのピクセル（４２）に、特に、前記検出ビーム経路（２８）に沿って、それぞれのフィルタ領域（４４）を通過する光が、前記それぞれ割り当てられたピクセルグループ又は前記それぞれ割り当てられたピクセル（４２）によってのみ捕捉されるようにそれぞれ割り当てられる、請求項１～６のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
- 互いに異なる中心波長を有するフィルタ領域（４４）が提供され、前記中心波長は、前記それぞれの分析波長範囲にわたって等距離の間隔で分布される、請求項７に記載のシステム（１０）。
- （それぞれの）分析波長範囲に割り当てられた前記フィルタ領域（４４）は、前記フィルタ要素（３８）にわたって繰り返す、好ましくは周期的に繰り返すフィルタグループ（４６）を形成する、請求項７又は８に記載のシステム（１０）。
- 前記光源（１２）は、前記励起光（１４）のスペクトル幅が１０ｎｍ超、より特に５０ｎｍ超、更に特に１００ｎｍ超、更に特に５００ｎｍ超、更に特に１μｍ超であるように設計される、請求項１～９のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
- 前記光源（１２）は、それぞれ異なる中心波長を有する複数のレーザダイオードを含むレーザダイオードアレイの形態であり、前記レーザダイオードの発光スペクトルは、より特に、特定の領域において重なる、請求項１～１０のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
- 前記光源（１２）は、異なる中心波長を有するレーザ光を同時に放射するように設計される少なくとも１つの量子カスケードレーザを含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
- 前記光源（１２）は、少なくとも１つの多量子ウェルダイオードを含み、
前記少なくとも１つの多量子ウェルダイオードは、レーザ光を放射するための複数の多量子ウェル領域を含み、
前記多量子ウェル領域は、それらが、異なる中心波長を有するレーザ光をそれぞれ放射するように設計される、請求項１～１０のいずれか一項に記載のシステム（１０）。 - 前記分析物質の前記選択されたＩＲ吸収帯の波長を含み、より特に前記選択されたＩＲ吸収帯の周りの前記分析波長範囲の波長を含む１つ以上の基準スペクトルが記憶可能であるか又は記憶されている不揮発性メモリを有する制御デバイスを更に含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
- 前記光学デバイス（１６）は、少なくとも１つの第１の光ファイバ（３０）、より特に前記光源（１２）から前記サンプル（２０）の前記測定領域（１８）までのその光路の少なくとも一部において前記励起光（１４）をガイドするように設計される中空ファイバを含み、及び／又は
前記光学デバイス（１６）は、少なくとも１つの第２の光ファイバ（３２）、より特に前記サンプル（２０）の前記測定領域（１８）から前記検出デバイス（２６）までのその光路の少なくとも一部において前記検出光（２４）をガイドするように設計される中空ファイバを含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載のシステム（１０）。
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