JP5695089B2 - 特に、血中グルコースを測定するための、測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光源および検出器を含む光度測定ユニットを有し、およびサンプルが適用できる分析的試験要素、特に体液、および分析物の最適な検出のため、光源と検出器の間のビーム経路に設置される、特に血中グルコースを測定するための測定装置に関する。さらに、本発明は、対応する測定方法に関する。

血中グルコースを測定するための実行において、このタイプの知られた装置は、試験ストリップまたは試験テープの形態で不可逆的に担体に結合した試験要素を反応することに基づく。これらは、また、糖尿病の治療で必要に応じて、十分な精度で、実験室環境の外で、自動化された小型携帯装置で処理することにより、専門家でなくても血中グルコースを測定できることを意図する。当該測定プロセスは、血液サンプルの適用の後、分析物濃度を、適当に繰り返された光度測定を用いて測定することを提供する。このために、測定の境界域の条件についての変化が、分析物の実際の検出と独立して検出されることが重要である。

これに基づいて、本発明は、先行技術について知られた装置および方法を改良する目的を有し、および特に、測定プロセスの品質および精度、ここで、限られた費用で、効率のいいおよび小型装置が得られる。

この目的を達成するために、独立クレームで示される特徴の組み合わせが提案される。本発明の有利な設計と開発は、従属クレームから得られる。

従って、測定装置に関して、光源が、パルス化された変調光（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ）を放出するための第一波長帯で発動できる第一エミッタ、および蛍光（ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ ｌｉｇｈｔ）を放出するため、第二波長帯で励起される第二エミッタを含むことを提案する。この態様では、小型および効率的な多波長光源が得られ、そしてそれは、さまざまな波長帯について制御できる放射線を放出し、および選択的シグナル評価を可能にする。この態様では、また、必要な測定品質を保証するために、分析物およびコントロール測定を同時に実行することができる。

選択的なシグナル検出のため、変調光が、パルス持続時間を有し、蛍光が、蛍光寿命で減衰し、および蛍光寿命が、パルス持続時間よりも大きい複数時間であることが有利である。この方法により、フィルターなどを介しての精巧な波長選択の代わりに電子的な選択のために、さまざまな波長帯内に異なる寿命または減衰寿命を使用することを可能にする。

構造的に有利な設計では、第一エミッタが、特に、ＵＶ帯で光を放出する発光ダイオードの形態をとることを提供する。また、第二エミッタが、特に、可視蛍光を送達するためにパルス状第一エミッタを用いて光学的に励起する蛍光物質の形態をとるなら、有利である。発光ダイオードは、高輝度を有し、およびそれゆえ、強力に束ねられた光ビームを形成するために効果的に使用できる。蛍光物質との組み合わせにより、さまざまな場所に配置される多数のそれぞれのＬＥＤの必要を排除することができ、そしてそれは、精巧なプロセスにより均質な光を形成するために束ねられるのみでよい。

両方のエミッタは、試験要素の測定表面にくっついて統合された光伝送経路またはビーム経路を介して集合的に方向づけされることが特に好ましい。他の改良が、特に構造的なスペースに関して得られ、ここで、それぞれの光コンポーネントが、単一構造コンポーネントによって作成されてもよいように、第二エミッタが、第一エミッタの放出表面に対して蛍光体層として適用される。

有利なことに、検出器は、変調光および蛍光の集合的な検出のための光受信機並びに測定値の波長選択的決定のための２の増幅器チャンネルを含む。

変調光により発生するパルス化した光シグナルコンポーネントの時間分解分離検出のため、変調光のパルス周波数で調節できるロックイン増幅器を有する検出器が有利である。

検出器が、増幅器、特に、パルス化した光および蛍光により発生した複合シグナルを検出するための、インテグレータとして機能する増幅器、および変調光および蛍光のシグナルコンポーネントを決定するための、特に複合シグナルからパルス化した光シグナルコンポーネントを減算するためのシグナルプロセッサを含むなら、シグナルプロセッシングにとって有利である。

現場で患者により行われる測定にとって、仮に測定ユニットが、携帯装置中に統合されるなら、試験要素が、携帯装置において一回使い切りの使い捨てアイテムとして構成されることが好都合である。

試験要素は、光源と反射光度測定のための検出器の間のビーム経路中に反射物として配置され、および好ましくは、サンプルと接する試薬層によりサンプル中の分析物の光度検出を可能にする。この目的のため、試験要素は、試験要素が、サンプルの適用のための受信領域を有利に有し、一方で、仮に適用可能なら、試験サンプルの測定領域が、分離または受信領域の後部上に外方を向いており、検出器に向かって前記放射を、好ましくは散乱態様で反射する光源のエミッタから放射を受け取る。試験要素の光学的な特性は、サンプルまたはその中に含まれる分析物のそれぞれにより変更され、従って、対応して変更された測定シグナルを生じる。

特に有利な設計は、試験要素が、光学ユニット、特に光ファイバにより光源と一体となっており、および光学接続が、波長帯の一つについて分離シグナル評価により監視されることを提供する。できる限り小さな光源が、高い結合効率を達成するために、薄い光ファイバ内に光源を結合するために必要である。高度の損失を被る一方で、複数の分離ＬＥＤのみが結合できることに留意すべきである。

本方法に関して、上で明示した目的は、光源の第一エミッタが、パルス化した変調光を放出するために第一波長帯について発動し、および第二エミッタが、変調光とくっついて重畳された蛍光を放出するために第二波長について励起することについて達成される。

このプロセスでは、変調光と関連するシグナルコンポーネントは、時間分解シグナル検出により、好ましくはロックイン増幅器により検出できる。他の利点は、一の波長帯についてサンプル中の分析物についての値が測定され、および他の波長帯について、測定ユニットに対して試験要素の光学的な結合についてのコントロール値が測定されることに由来する。

以下で、本発明は、図面で模式的に示された実施態様について参照でより詳細に説明する。

図１は、多波長光度計で血中グルコースを測定するための測定装置の回路図である。 図２は、図１による光度計のパルスエミッタおよび蛍光エミッタのビーム強度の経時的曲線である。 図３は、多波長測定の他の実施態様について対数時間スケールでのビーム強度である。

図１中で示された測定装置１０は、それぞれ特異的に血液サンプル中の血中グルコース測定のため、サンプル上で一回の試験のために使用される、その中に挿入できる携帯型試験装置１２および試験要素１４を含む。この目的のために、試験装置１２は、使い捨て試験要素１４、例えば、試験ストリップまたは試験テープの形態で置くことができるビーム経路１８中に光度測定ユニット１６を特徴とし、ここで試験要素１４についてサンプルの直接適用が、本体部分のサポート巻取り（ｔａｋｅ−ｕｐ）装置２０により可能となる。試験要素１４は、乾燥化学試薬層を備え、そしてそれは測光法で測定できる変色を伴う分析物（例えば、グルコース）と反応する。本試薬層は、個別の試験領域として透明な担体を適用できる。

光度測定ユニット１６は、多波長光源２２および２チャンネル検出器２４を含む。光源２２の第一パルス化エミッタ２６は、パルス化した変調光２８を放出するために操作され、一方で第二蛍光エミッタ３０は、蛍光３２を放出するために第一エミッタ２６の光により励起され、そしてそれは、より長い波長を有する。第一エミッタ２６は、ＵＶ帯について光を産生するための発光ダイオードとしてこの目的のために構成され、および第二エミッタは、可視波長帯について光を放出するための発光ダイオードを適用する蛍光層として構成される。この態様では、エミッタ２６，２８の両方は、単一コンポーネントとして動力を供給でき、および試験要素１４の測定表面３４に集合的に向かって方向づけられる。集光レンズ３６および／または光ファイバは、２のエミッタの共有した光伝送経路で可能な限り最小な測定スポットに光を収束するために提供できる

試験要素１４の光学結合の状態についての変化を検出しおよび光伝送挙動をチェックするために、コントロール値が蛍光により測定でき、一方で、分析物に反応するＵＶ光が、ユーザー用の濃度データとしてディスプレイ３８上にデジタル形式で表示され得る測定値の決定を可能にする。

コントロール値の測定は、任意の装置側の発動による測定条件上の任意の意図しない影響または試験要素調製中でのユーザー側の干渉の検出を可能にする。例えば、本体部分により試験要素１４に対して圧力の適用のために、サンプルは、意図していない変形および変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）を被るかもしれない。さらに、試験領域の湿潤が、均質な態様で急激に起こらず、および光学特性が変化を受けるため、サンプル適用の最初の測定値の検出は、不安定または不正確である。これを改善するために、装置の制限された量を使用することで、二重波長測定により、障害に関して必要な測定精度および安定性が保証できる。

この目的のために、検出器２４は、波長帯および２の増幅段階の両方について高感度である受光器４０、または測定値の波長選択的決定のためそれに接続されたチャンネル４２、４４を有する。ロックインアンプ４６は、変調光シグナルコンポーネントの時間分解検出のため第一増幅段階４２において配置される。変調光および蛍光により発生する複合シグナルの統合された検出のため統合型アンプ４８は、第二増幅段階において位置する。その後のシグナルプロセッサ５０は、複合シグナルから変調光シグナルコンポーネントの減算を可能にし、およびそれによって、蛍光、連続光、シグナルコンポーネントの分離検出を可能にする。

図２で見られるように、第一エミッタ２６は、マイクロ秒サイクルで、例えば、パルス化した変調光を放出するために、速い電流パルスにより発動され得る。ＵＶ光２８は、電流パルスによりほとんど即座に発生し、１μｓのパルス持続期間を有する個々の分解できる光パルス５２を生じる。それにより励起される第二エミッタの蛍光は、しかしながら、著しくより長い時間定数で減衰するので、この周波数に従えない。示された例について、２０マイクロ秒の蛍光寿命サイクルを有する蛍光層３０として使用されるフルオロフォアについてのシグナル減退は、ダッシュ／ドット曲線５４により示される。例では、ハニーウェル（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ）製の商品名Ｌｕｍｉｌｕｘ ＣＤ １６３の市販のフルオロフォアであり、そしてそれは、緑スペクトル領域について最大５１７ｎｍで蛍光を放出する。速いパルスシークエンスおよび相対的に長い蛍光寿命サイクルのため、シグナル減退は、ただ制限された周期性のおよびランダムな偏差を有する連続光コンポーネントが観察されるように、対応して短縮される。従って、短波光２８の速い脈動は、より長い波長を有する蛍光３２のほとんど一定の連続光でこの方法により重ねられる。検出の間、連続光コンポーネントおよびパルス光コンポーネントの間を識別することができるので、別々に、２のエミッタ２６，２８によりおよび波長フィルターなどを使用せずに、放出された異なる光コンポーネントを測定できる。

変調光コンポーネントの測定は、特に、単純な方法、ロックインアンプ４６により、可能である。これにより、変調されたＵＶ光の周波数を有する基準シグナルが発生し、および移相器によりその位相に調節する。移相器の代替として、いわゆるダブルロックアンプがまた使用でき、そしてそれは、０および９０度の位相で二重測定により、位相に依存せずに、変調光を検出できる。実際の測定シグナルは、その後、有限の出力シグナルの変調光コンポーネントのみが、送達されおよび緑連続光の主要コンポーネントが、その中に検出されないような、倍増管（ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）により基準シグナルで増幅される。

より長い期間を通してアンプ４８によるシグナル統合は、ＵＶ光２８および緑光３２の合計である。シグナルプロセッサ５０における単純なアルゴリズムは、その後、複合シグナルから変調光コンポーネントを減算でき、それにより、連続光コンポーネントのための分離測定値を得る。

一般に、非常に強力な異なる周波数を有する変調光および連続光を完全に別々に検出する必要はない。互いに接近した周波数でさえ、２の波長の異なる部分を有する２の異なるシグナルが得られ、そしてそれは、方程式（２の変数を伴う２の方程式）のシステムを解くことにより決定できる。インテグレータは、適当な異なる周波数を有するアンプで置換でき、およびプロセッサは、単純な減算に制限する必要がない。

以下の表で模式的に示されるように、上で説明した多波長測定原理は、２超の波長またはフルオロフォアにより発生する適当な減衰期間を伴う発光色を拡張できる。このため、減衰期間１０回に対応する周波数は、高パルス振幅を得るためカットオフ周波数として与えられる。

１０ＭＨｚの変調光は、それによってＵＶ強度のみ含み、１００ｋＨｚの変調光は、ＵＶの全量および青光を含み、一方で、１ｋＨｚの周波数または未満で、累積の光強度が検出される。

測定は、また、長方形の光パルス５６が、電流パルスにより発生することについて、図３に従って、実行でき、およびその減衰が、測定される。対数時間スケールの個々の時間帯について、それぞれの波長帯５８、６０，６２のそれぞれの減衰を別々にすることができる。本方法は、蛍光寿命サイクルの決定のため、それ自体が知られる測定方法と対応する。指数関数的減衰曲線は、それによって、調節パラメーターとして１、２または３の蛍光寿命サイクルおよび対応強度コンポーネントで調節される。本適用では、特徴的な寿命サイクルは、３つの波長帯５８、６０、６２について、あらかじめ知られている。従って、調節は、ただ３のパラメーター、特にそれぞれの波長帯について３の強度コンポーネントで実行できる。ＵＶ放射は、ＬＥＤの減衰に従い、および発光体の減衰曲線は、蛍光寿命サイクルに従い、そしてそれは、実用的な目的のため、例えば、少なくとも３のファクターにより十分に異なるように選択される。このため、増加した減衰期間の結果として起こる増加した測定期間に対するより大きい寿命サイクル相違点の結果としての、より鋭い波長識別の可能性の利点を考慮しなければならない。

本発明の一実施態様は、サンプル、特に体液が、使い捨て要素として使用され得る試験要素（１４）に適用され、および前記試験要素（１４）が、光源（２２）および検出器（２４）を含む光度測定ユニット（１６）により光学的にスキャンされ、前記光源（２２）の第一エミッタ（２６）が、パルス化された変調光（２８）を放出するために第一波長帯で発動し、および蛍光物質により形成された第二エミッタ（３０）が、変調光（２８）上に重なる蛍光（３２）を放出するためにパルス化した第一エミッタ（２６）により第二波長帯で励起され、ここで両エミッタが試験要素（１４）の測定表面（３４）の方に共同して方向付けられることを特徴とする測定方法、特に血中グルコースを測定するための測定方法である。

Claims (15)

1. 光源（２２）および検出器（２４）を含む光度測定ユニット（１６）、並びに分析物の光学的検出のため光源（２２）および検出器（２４）の間のビーム経路（１８）に配置され得る、体液が適用できる分析用試験要素（１４）を有し、前記光源（２２）が、パルス化された変調光（２８）を放出するための第一波長帯で発動できる第一エミッタ（２６）と蛍光物質の形態をとりそして第二波長帯で蛍光（３２）を放出するためにパルス化された第一エミッタ（２６）により励起される第二エミッタ（３０）を含み、ここで両エミッタが、試験要素（１４）の測定表面（３４）の方へ共同して方向付けられることを特徴とする、血中グルコース測定のための測定装置。
2. 前記変調光（２８）が、パルス持続期間を有しおよび前記蛍光（３２）が、蛍光寿命サイクルで減衰し、および蛍光寿命サイクルが、パルス持続期間より複数回大きいことを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
3. 前記第一エミッタ（２６）が、ＵＶ領域について、発光ダイオードの発光の形式であることを特徴とする、請求項１または２に記載の測定装置。
4. 前記第二エミッタ（３０）が、可視蛍光（３２）を放出するために光学的に励起され得ることを特徴とする、請求項１‐３のいずれか一項に記載の測定装置。
5. 前記第二エミッタ（３０）が、前記第一エミッタ（２６）の放出表面に蛍光性の層として適用されることを特徴とする、請求項１‐４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 前記検出器（２４）が、変調光および蛍光（２８、３２）の集合的検出のための受光器（４０）を含むことを特徴とする、請求項１‐５のいずれか一項に記載の測定装置。
7. 前記検出器（２４）が、測定値の波長選択的測定のための２のアンプチャンネル（４２，４４）を含むことを特徴とする、請求項１‐６のいずれか一項に記載の測定装置。
8. 前記検出器（２４）が、前記変調光（２８）により発生する変調光シグナルコンポーネントを検出するための前記変調光（２８）のパルス周波数で調節できるロックインアンプ（４６）を含むことを特徴とする、請求項１‐７のいずれか一項に記載の測定装置。
9. 前記検出器（２４）が、前記変調光（２８）および蛍光（３２）により発生する複合シグナルを検出するためのインテグレータ（４８）として機能するアンプを含むことを特徴とする、請求項１‐８のいずれか一項に記載の測定装置。
10. 前記検出器（２４）が、前記複合シグナルから前記変調光シグナルコンポーネントを減算するために前記変調光および／または前記蛍光の前記シグナルコンポーネントを測定するためのシグナルプロセッサ（５０）を含むことを特徴とする、請求項１‐９のいずれか一項に記載の測定装置。
11. 前記光度測定ユニット（１６）が、携帯式装置（１２）中に統合され、および前記試験要素（１４）が、前記携帯式装置（１２）で一回使用のための使い捨てとして設計されることを特徴とする、請求項１‐１０のいずれか一項に記載の測定装置。
12. 前記試験要素（１４）が、光学ユニット（３６）により前記光源（２２）と結合でき、および光学的結合が、前記波長帯の一つで分離シグナル評価により監視できることを特徴とする、請求項１‐１１のいずれか一項に記載の測定装置。
13. 体液が、使い捨て要素として使用され得る試験要素（１４）に適用され、および前記試験要素（１４）が、光源（２２）および検出器（２４）を含む光度測定ユニット（１６）により光学的にスキャンされ、前記光源（２２）の第一エミッタ（２６）が、パルス化された変調光（２８）を放出するために第一波長帯で発動し、および蛍光物質により形成された第二エミッタ（３０）が、変調光（２８）上に重なる蛍光（３２）を放出するためにパルス化した第一エミッタ（２６）により第二波長帯で励起され、ここで両エミッタが試験要素（１４）の測定表面（３４）の方に共同して方向付けられることを特徴とする、血中グルコースを測定するための測定方法。
14. 前記変調光（２８）に関するシグナルコンポーネントが、ロックインアンプ（４６）によって検出されることを特徴とする、請求項１３に記載の測定方法。
15. 一の波長帯で、体液中の分析物についての測定値が検出され、および他の波長帯で、コントロール値が、前記試験要素（１４）と前記光度測定ユニット（１６）との光学的結合の状態の変化を検出するために測定されることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の測定方法。

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