DE4242083C2 - Sensor device for reproducible, non-invasive measurement of blood glucose - Google Patents
Sensor device for reproducible, non-invasive measurement of blood glucoseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur reproduzierbaren nichtinvasiven Messung der Blutglucose mittels Infrarot(IR-)Spektroskopie.The invention relates to a sensor device for reproducible, non-invasive Measurement of blood glucose using infrared (IR) spectroscopy.
Durch Absorption von Strahlung des mittleren infraroten Spektralbereichs (MIR) mit Wellenlängen im Bereich von ca. λ=2.5-25 µm werden Moleküle zu substanzspezi fischen Schwingungen angeregt. In den Absorptionsspektren des nahen infraroten Spektralbereichs (NIR) von ca. λ=0.8-2.5 µm treten Obertöne und Kombinationstöne der Grundschwingungen im MIR auf. Wegen des hohen Gehaltes an substanzspezi fischer Information ist die IR-Spektroskopie eine der wichtigsten Untersuchungs methoden der analytischen Chemie.By absorption of radiation in the mid-infrared spectral range (MIR) with Wavelengths in the range of approx. Λ = 2.5-25 µm make molecules substance-specific fish vibrations. In the absorption spectra of the near infrared Spectral range (NIR) of approx. Λ = 0.8-2.5 µm overtones and combination tones occur of the fundamental vibrations in the MIR. Because of the high content of substance-specific fischer Information, IR spectroscopy is one of the most important investigations methods of analytical chemistry.
IR-spektroskopische Messungen des diffusen Reflexionsgrades menschlicher Haut bzw. des Transmissionsgrades einzelner menschlicher Körperpartien wie z. B. des Ohrläppchens werden zur quantitativen Analyse medizinisch wichtiger Blut inhaltsstoffe genutzt. Wesentliche Vorteile der nichtinvasiven ("unblutigen") spektroskopischen Verfahren gegenüber den herkömmlichen klinisch-chemischen Methoden mit Blutentnahme sind die Schmerzfreiheit und die Möglichkeit zur on-line Überwachung über größere Zeiträume.IR spectroscopic measurements of the diffuse reflectance of human skin or the degree of transmission of individual human body parts such. B. of Earlobes are used for quantitative analysis of medically important blood ingredients used. Main advantages of non-invasive ("bloodless") spectroscopic methods compared to conventional clinical-chemical Blood collection methods are freedom from pain and the possibility of on-line Monitoring over longer periods.
Ein wichtiges Beispiel ist die seit längerer Zeit routinemäßig angewandte spektroskopische Messung der Sauerstoffsättigung des Blutes (siehe Literaturhinweis [1] am Ende der Beschreibung).An important example has been for a long time Time routinely applied spectroscopic measurement of oxygen saturation the blood (see literature reference [1] at the end of the description).
Durch den rasanten technischen Fortschritt insbesondere auch auf dem Gebiet der Halbleitertechnik konnten die Nachweisgrenzen der spektroskopischen Analyse verfahren in den letzten Jahren entscheidend verbessert werden. Zudem steht heute praktisch unbegrenzt Rechenkapazität zur quantitativen Auswertung großer Datenmengen (breiter Spektralbereiche) zur Verfügung. In neuerer Zeit wird deshalb verstärkt die Anwendung IR-spektroskopischer Verfahren zur nichtinvasiven Messung solcher Blutinhaltsstoffe diskutiert, deren Absorptionssignale im Vergleich zur Gesamtabsorption des Blutes klein sind und die keine charakteristischen Wellenlängen für die quantitative Analyse aufweisen. Das Hauptgewicht der Forschungsaktivitäten gilt hierbei der Blutglucose ("Blutzucker"), da diesem Blutinhaltsstoff im Zusammenhang mit der Volkskrankheit Diabetes mellitus entscheidende Bedeutung zukommt (neueste Ergebnisse siehe Literaturhinweis [2]).Due to the rapid technical progress, especially in the field of Semiconductor technology was able to detect the limits of detection by spectroscopic analysis procedures have been significantly improved in recent years. It also says today practically unlimited computing capacity for the quantitative evaluation of large Amounts of data (wide spectral ranges) are available. Therefore, in more recent times reinforces the application of IR spectroscopic methods for non-invasive Measurement of such blood substances discussed, their absorption signals compared to total blood absorption are small and not characteristic Show wavelengths for quantitative analysis. The main weight of the Research activities here apply to blood glucose ("blood sugar") because of this Blood ingredient in connection with the common disease diabetes mellitus of crucial importance (for the latest results see literature reference [2]).
Biologisches Gewebe ist wegen seines zellulären Aufbaus und zahlreicher weiterer biologischer Varlabilitäten optisch nicht homogen. Neben der Absorption, die für Wellenlängen λ1400 nm praktisch identisch zur Wasserabsorption ist, spielt bei der Ausbreitung optischer Strahlung in Haut deshalb die diffuse Streuung im Gewebe eine entscheidende Rolle. Transmissionsmessungen durch dünnere Körperpartien wie z. B. Ohrläppchen oder Finger sind nur im sog. "therapeutischen Spektralfenster" mit Wellenlängen von ca. 600λ1300 nm sinnvoll [3], während Messungen der diffusen Reflexion der Haut (diffuse Rückstrahlung) im gesamten Spektralbereich des NIR möglich sind. Detektiert wird jeweils die mittlere Konzentration des gesuchten Stoffes im spektroskopierten Gewebevolumen. Der Fehler einer nichtinvasiven IR-spektroskopischen Messung bei der Bestimmung der Glucose im Blut ist eine Überlagerung des "technischen Fehlers" durch die nichtideale Meßapparatur (Rauschen) sowie des "physiologischen Fehlers" durch die oftmals nur eingeschränkt gültige Korrelation der Glucosekonzentration im Blut und im spektroskopierten Gewebe. Beispielsweise sollte vor einer IR-spektroskopischen Untersuchung der Haut sichergestellt sein, daß die übliche Gewebetemperatur vorliegt: Durch z. B. Abkühlen des Gewebes wird der Blutstrom im Gewebe - speziell in den Kapillaren der oberen Hautschichten - verringert, wodurch eine niedrigere Glucosekonzentration im Blut vorgetäuscht wird.Biological tissue is because of its cellular structure and numerous others biological variability optically not homogeneous. In addition to the absorption required for Wavelengths λ1400 nm is practically identical to water absorption The spread of optical radiation in the skin is therefore the diffuse scatter in the tissue a crucial role. Transmission measurements through thinner parts of the body such as B. earlobes or fingers are only in the so-called "therapeutic spectral window" with wavelengths of approx. 600λ1300 nm makes sense [3], while measurements of the diffuse reflection of the skin (diffuse reflection) in the entire spectral range of the NIR are possible. The mean concentration of the sought is detected in each case Substance in the spectroscopic tissue volume. The mistake of a non-invasive IR spectroscopic measurement when determining glucose in the blood is one Overlay of the "technical error" by the non-ideal measuring apparatus (Noise) and the "physiological error" due to the often only limited valid correlation of the glucose concentration in the blood and in the spectroscopic Tissue. For example, before an IR spectroscopic examination of the Skin to be ensured that the usual tissue temperature is present. B. As the tissue cools, the blood flow in the tissue - especially in the capillaries of the upper layers of the skin - decreased, causing a lower glucose concentration is faked in the blood.
Der Stand der Technik soll nachfolgend anhand derjenigen Patentschriften dargestellt werden, die in jüngster Zeit mit Vorschlägen zur Realisierung einer nichtinvasiven Blutglucosemessung veröffentlicht wurden. Zusätzlich werden auch Ergebnisse eigener Arbeiten beschrieben.The state of the art will be based on those patents are presented in the recent past with proposals for realizing a non-invasive blood glucose measurement have been published. In addition, too Results of own work described.
- (1) Eine Transmissionsmessung des Fingers im Wellenlängenbereich von 600-1100 nm ist im US-Patent Nr. 5,086,229 [4] beschrieben, wobei Leuchtdioden mit zwei, vier oder sechs verschiedenen Wellenlängen eingesetzt werden (bevorzugte Kombina tion: 771, 791, 1070 und 1080 nm). Eine genauere Betrachtung der vorgestellten Ergebnisse zeigt, daß die Transmissionsmessung durch erhebliche Unreproduzier barkeiten gestört ist und in der dargestellten Form nicht für eine Messung mit akzeptabler Bestimmungsgenauigkeit verwendet werden kann. (In Fig. 15 der US 5,086,229 ist ein nichtinvasiv gemessenes angebliches Absorptionsspektrum der Glucose dargestellt: Ein Vergleich mit dem Absorptionsspektrum des chemisch ähnlichen Glycerin zeigt, daß das dargestellte Absorptionsspektrum um mehrere Größenordnungen zu groß ist und offensichtlich auf Unreproduzierbarkeiten der Messung beruht.) Zwar sind in [4] mechanische Vorrichtungen zur Positionierung der auf gegenüberliegenden Seiten des Fingers aufliegenden Komponenten des Meßsystems beschrieben, mit denen ein enger Kontakt zur Haut gewährleistet ist (Prinzip ähnlich einer Wäscheklammer), jedoch werden reproduzierbare Meßbedingungen durch Einhal tung eines konstanten Anpreßdrucks nicht sichergestellt. Auch für identische Probanden entstehen Unreproduzierbarkeiten z. B. durch Verdrehungen des Fingers. Generell ist eine reproduzierbare Messung der Fingertransmission durch das Vorhandensein des Fingerknochens im Strahlengang erschwert.(1) A transmission measurement of the finger in the wavelength range from 600-1100 nm is described in US Pat. No. 5,086,229 [4], light emitting diodes having two, four or six different wavelengths can be used (preferred Kombina tion: 771, 791, 1070 and 1080 nm). A closer look at the presented Results shows that the transmission measurement by considerable reproducibility barkeiten is disturbed and in the form shown for a measurement acceptable accuracy of determination can be used. (In Fig. 15 of US 5,086,229 is a alleged absorption spectrum of glucose measured non-invasively: A comparison with the absorption spectrum of the chemically similar glycerin shows that the absorption spectrum shown is too large by several orders of magnitude and is obviously based on the reproducibility of the measurement.) [4] mechanical devices for positioning the on opposite Components of the measuring system resting on the sides of the finger are described with who are guaranteed close contact with the skin (principle similar to one Clothespin), however reproducible measurement conditions are determined by Einhal a constant contact pressure is not ensured. Even for identical ones Subjects develop reproducibility z. B. by twisting the finger. Generally, a reproducible measurement of the finger transmission by the The presence of the finger bone in the beam path is difficult.
- (2) Im US-Patent Nr. 5,070,874 [5] sind Absorptionsspektren von einer Transmissions messung durch ein menschliches Ohr dargestellt (Fig. 10-12), deren quantitative Auswertung durch Berechnung der zweiten Ableitung nach der Wellenlänge in einem schmalen Spektralbereich um 1660 nm erfolgen soll. Für dieses Experiment werden aber im Gegensatz zu den ebenfalls dort durchgeführten Untersuchungen mit flüssigen Proben (Vollblut, Blutplasma und wäßrige Glucoselösungen) keine Kalibrationsergebnisse angegeben, so daß eine Beurteilung der quantitativen Bestimmungsgenauigkeit der nichtinvasiven Methode nicht möglich ist. Es läßt sich aber mit Bestimmtheit sagen, daß der Bereich der klinischen Akzeptanz nicht erreicht wird. Ganz offensichtlich sind auch diese Messungen durch Unreproduzier barkeiten der Meßbedingungen gestört.(2) In US Patent No. 5,070,874 [5] are absorption spectra from a transmission measurement represented by a human ear (Fig. 10-12), its quantitative Evaluation by calculating the second derivative according to the wavelength in one narrow spectral range around 1660 nm. For this experiment but in contrast to the investigations also carried out there liquid samples (whole blood, blood plasma and aqueous glucose solutions) none Calibration results are given so that an assessment of the quantitative Determination accuracy of the non-invasive method is not possible. It can be but definitely say that the area of clinical acceptance is not is achieved. These measurements by unreproducers are also quite obvious availability of the measurement conditions disturbed.
- (3) Bei eigenen Experimenten mit größeren Patientenpopulationen wurde die diffuse Reflexion der Haut gemessen, die in den o.g. US-Patenten Nr. 5,086,229 und Nr. 5,070,874 ebenfalls erwähnt wird. Ein Vorteil gegenüber der Transmissionsmessung ist die geringere biologische Variabilität zwischen verschiedenen Patienten. Mit einem geeigneten optischen Zubehör wurde der diffuse Reflexionsgrad der inneren Unterlippe bestimmt, die von den Probanden jeweils gegen die plane Fläche einer raumfesten Immersionslinse gedrückt wurde. Die Ergebnisse bei einer Meßzeit von einer Minute und bei Auswertung geeigneter breiter Spektralbereiche mit bekannten multivariaten Auswerteverfahren [6] lauten wie folgt: Die Vorhersagegüte wird nicht durch das Signal/Rausch-Verhältnis der Messung, sondern durch den "physiolo gischen Fehler", d. h. die Unreproduzierbarkeit der Lippenmessung hauptsächlich aufgrund der Variation des Lippenanpreßdrucks begrenzt. Der mittlere quadratische Bestimmungsfehler für Glucose beträgt ca. 45-50 mg/dL, d. h. ungefähr das Doppelte der für ein Gerät zur Blutzuckerselbstkontrolle medizinisch tolerierbaren Fehler grenze (physiologischer Normalbereich bei etwa 80-120 mg/dL). Bei alleiniger Limitierung durch das Signal/Rausch-Verhältnis läge der Bestimmungsfehler bei etwa 25 mg/dL. Äquivalente Aussagen gelten für Einpersonenkalibrationen mit oralem Glucosetoleranztest (Beobachtung des Blutglucoseverlaufs nach Trinken eines Zuckersirups), obwohl diese Probanden zu großer Sorgfalt hinsichtlich der Reproduzierbarkeit der Messungen angehalten waren und vor Beginn des Experiments eine entsprechende "Übungsphase" durchlaufen hatten.(3) In our own experiments with larger patient populations, the diffuse Reflection of the skin measured in the above U.S. Patents No. 5,086,229 and No. 5,070,874 is also mentioned. An advantage over the transmission measurement is the lower biological variability between different patients. With A suitable optical accessory was the diffuse reflectance of the inner Lower lip determined by the subjects against the flat surface of each fixed immersion lens was pressed. The results with a measuring time of one minute and when evaluating suitable broad spectral ranges with known ones multivariate evaluation methods [6] are as follows: The prediction quality is not by the signal / noise ratio of the measurement, but by the "physiolo error ", i.e. mainly the unreproducibility of the lip measurement limited due to the variation in lip pressure. The middle square Determination error for glucose is approx. 45-50 mg / dL, i.e. H. about twice the medically tolerable error for a device for self-monitoring of blood sugar limit (normal physiological range around 80-120 mg / dL). With sole Limitation due to the signal-to-noise ratio, the determination error would be approximately 25 mg / dL. Equivalent statements apply to one-person calibrations with oral Glucose tolerance test (observation of the course of blood glucose after drinking a Sugar syrups), although these subjects took great care with regard to the Reproducibility of the measurements were stopped and before the start of the Experiments had gone through a corresponding "practice phase".
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen IR-optischen Sensor für die nichtinvasive Messung der Blutglucose zu schaffen, durch dessen Anwendung die Glucosekonzentration im spektroskopierten Gewebevolumen nicht oder nur in vorhersagbarer Weise beeinflußt wird, d. h. den o.g. "physiologischen Fehler" der Messung zu verkleinern und Bestimmungsgenauigkeiten im Bereich der klinischen Akzeptanz zu erreichen.The invention has for its object an IR optical sensor for the to create non-invasive measurement of blood glucose by using which Glucose concentration in the spectroscopic tissue volume not or only in is influenced in a predictable manner, d. H. the above "physiological error" of Reduce measurement and determination accuracy in the field of clinical To achieve acceptance.
Die Aufgabe wird durch eine Sensorvorrichtung nach den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs angegebenen Merkmalen gelöst.The task is performed by a sensor device according to the in the characterizing part of the features specified solved.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß die Volumenkonzentration der Gefäße (Arterien, Kapillaren und Venen) im spektroskopierten Gewebevolumen von Messung zu Messung reproduzierbar ist. Hierzu kann das Ausgangssignal des mindestens einen Drucksensors zunächst für eine prinzipielle Ja/Nein-Entscheidung über die Zulässigkeit der Meßbedingungen herangezogen werden, d. h., es wird für jede Messung überprüft, ob der Anpreßdruck der beweglichen Elemente (2) gegen die Haut (1) sich innerhalb eines erlaubten Dynamikbereiches bewegt. Weiterhin kann das zeitgleich zum IR-Signal gemessene Drucksignal als zusätzlicher Meßparameter auch dazu benutzt werden, den Blutglucosevorhersagefehler durch die verbleibende Variation des Anpreßdruckes dadurch zu eliminieren, daß der druckabhängige Umrechnungsfaktor der gemessenen Glucosekonzentration im spektroskopierten Gewebe in die Blutglucosekonzentration für jede Messung individuell bestimmt wird. Hierdurch wird die Korrelation der gemessenen IR-Signale mit der Glucosekonzentration im Blut verbessert und Bestimmungsgenauigkeiten im Bereich der klinischen Akzeptanz ermöglicht. Natürlich beschränkt sich der erzielbare Vorteil nicht auf diese spezielle Anwendung, sondern erstreckt sich auch auf andere Blutinhaltsstoffe und auch auf andere nichtinvasive Meßverfahren.The advantage achieved by the invention is that the volume concentration of the vessels (arteries, capillaries and veins) in the spectroscopic tissue volume can be reproduced from measurement to measurement. For this purpose, the output signal of the at least one pressure sensor can initially be used for a basic yes / no decision regarding the admissibility of the measurement conditions, i.e. it is checked for each measurement whether the contact pressure of the movable elements ( 2 ) against the skin ( 1 ) is correct moved within an allowed dynamic range. Furthermore, the pressure signal measured at the same time as the IR signal can also be used as an additional measurement parameter to eliminate the blood glucose prediction error by the remaining variation in the contact pressure by individually determining the pressure-dependent conversion factor of the measured glucose concentration in the spectroscopic tissue into the blood glucose concentration for each measurement. This improves the correlation of the measured IR signals with the glucose concentration in the blood and enables accuracy of determination in the area of clinical acceptance. Of course the achievable advantage is not limited to this special application, but also extends to other blood substances and also to other non-invasive measuring methods.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Volumenkonzentration der Glucose im spektroskopierten Körpergewebe nicht nur von der gesuchten Stoffkon zentration im Blut, sondern auch von anderen Einflußgrößen abhängig ist. Neben einer Reihe weiterer physiologischer Größen spielen hier die von außen angelegten physikalischen Bedingungen eine entscheidende Rolle. Neben der Temperatur ist der Druck eine Haupteinflußgröße. Die Glucose ist im Körpergewebe in unterschied licher Konzentration im Gefäßraum und im interstitiellen Zellzwischenraum vorhanden, während die Konzentration im zellulären Raum (Zellinneres) vernach lässigbar ist. Da rund 90 Vol-% des spektroskopierten Gewebes aus zellulärem Raum bestehen, bedeutet dies, daß die Glucose im Körper vergleichsweise Inhomogen verteilt ist und daß die effektive Volumenkonzentration im Gewebe durch äußere Beeinflussungen des Blutstromes durch die Gefäße großen relativen Änderungen ausgesetzt ist. Temperatur und Anpreßdruck der auf der Haut aufliegenden IR-spektroskopischen Sensorelemente beeinflussen insbesondere den Blutstrom durch die nahe der Hautoberfläche gelegenen Kapillargefäße.The invention is based on the knowledge that the volume concentration of the Glucose in the spectroscopic body tissue not only from the desired substance con concentration in the blood, but also depends on other influencing factors. Next A number of other physiological variables play here from the outside physical conditions play a crucial role. In addition to the temperature pressure is a major factor. The glucose is different in the body tissue concentration in the vascular space and in the interstitial space between cells present, while the concentration in the cellular space (cell interior) declines is casual. Since around 90 vol% of the spectroscopic tissue is made of cellular If there is space, this means that the glucose in the body is comparatively high Inhomogeneously distributed and that the effective volume concentration in the tissue by external influences on the blood flow through the vessels large relative Is subject to change. Temperature and contact pressure on the skin resting IR spectroscopic sensor elements in particular influence the Blood flow through the capillaries located near the skin surface.
Die Messungen der Interaktion infraroter Strahlung mit Haut werden in bekannter Weise durchgeführt [4, 5] und ausgewertet [6]. Als Strahlungsquellen können günstigerweise Leuchtdioden, eventuell mit vorgeschalteten schmalbandigen Interferenzfiltern, oder Laserdioden (verfügbar bis ca. λ1.8 µm) verwendet werden, so daß eine aufwendige spektrale Zerlegung der detektierten IR-Strahlung entfällt. Da die nichtinvasiven Meßgeräte möglichst als kleine und robuste Taschengeräte aufgebaut sein sollen, finden vorzugsweise Glasfaserbündel Verwendung. Die diffuse Reflexion kann mit verzweigten Faserbündeln (in Form eines "Y") gemessen werden, bei dem sich die Fasern des strahlungszuführenden und des strahlungssammelnden Bündelarmes in einem gemeinsamen Bündelende vereinigen, das auf die Haut aufgesetzt wird. Die Fasern am gemeinsamen Ende können entweder zufällig verteilt sein, oder sie zeigen eine geometrische Ordnung, wobei zumeist ein Zentrum von strahlungszuführenden Fasern von strahlungssammelnden Fasern umgeben ist. Für Transmissionsmessungen werden zwei getrennte Faserbündel benutzt. Bei Verwendung von Glasfaserbündeln ist wichtig, daß die Fasern in mechanisch stabilen Halterungen geführt werden, weil die Transmissionscharakteristik einer Glasfaser von der Durchbiegung abhängig ist.The measurements of the interaction of infrared radiation with skin are known Were carried out [4, 5] and evaluated [6]. Can be used as radiation sources conveniently light-emitting diodes, possibly with upstream narrow-band ones Interference filters or laser diodes (available up to approx. Λ1.8 µm) are used, so that complex spectral decomposition of the detected IR radiation is eliminated. Since the non-invasive measuring devices as small and robust pocket devices as possible Glass fiber bundles are preferably used. The diffuse Reflection can be measured with branched fiber bundles (in the form of a "Y") in which the fibers of the radiation-supplying and the radiation-collecting Combine bundle arms in a common bundle end that is on the skin is put on. The fibers at the common end can either be randomly distributed or they show a geometrical order, whereby mostly a center of radiation-supplying fibers is surrounded by radiation-collecting fibers. For Transmission measurements use two separate fiber bundles. At Using fiberglass bundles is important to keep the fibers in mechanical stable mounts are performed because the transmission characteristics of a Glass fiber depends on the deflection.
Da die Körpertemperatur an der Körperoberfläche erfahrungsgemäß erheblichen Schwankungen ausgesetzt sein kann, und zudem die Lage der Absorptionsbanden des Wassers im NIR-Spektralbereich stark in Abhängigkeit von der Temperatur driftet, ist eine Thermostatisierung des spektroskopierten Gewebevolumens sinnvoll. Günstigerweise wird eine Temperatur knapp oberhalb der normalen Körper temperatur gewählt. Optimale Reproduzierbarkeit der Meßbedingungen bzgl. der Konstanz von Anpreßdruck und Temperatur kann durch Regelung dieser Größen in geschlossenen Regelkreisen erreicht werden. Als Meßglieder können druck- bzw. temperatursensitive Fasern benutzt werden, die bei Verwendung von Glasfaser bündeln zur Führung der IR-Meßstrahlung vorteilhafterweise direkt in diese integriert werden können; als Stellglieder können mechanische oder pneumatische Aktuatoren bzw. diverse Thermostate eingesetzt werden.Since experience has shown that the body temperature on the body surface is considerable Can be exposed to fluctuations, and also the location of the absorption bands of water in the NIR spectral range is strongly dependent on the temperature drifts, thermostatting of the spectroscopic tissue volume makes sense. Conveniently, a temperature is just above the normal body temperature selected. Optimal reproducibility of the measurement conditions with respect to the The contact pressure and temperature can be kept constant by regulating these values closed control loops can be achieved. As measuring elements, pressure or Temperature sensitive fibers are used when using glass fiber bundle for guiding the IR measuring radiation advantageously integrated directly into this can be; mechanical or pneumatic actuators can be used as actuators or various thermostats are used.
Ein weiterer Einflußfaktor auf die Reproduzierbarkeit der Messung ist die Ortsab hängigkeit der physiologischen Eigenschaften des Gewebes, z. B. durch größere Fettklumpen in der Haut. Zur Verminderung dieses Fehleranteils wird ein minimaler Fokusdurchmesser der IR-Strahlung auf der Haut von mindestens ca. 2 mm vorgeschlagen. Im US-Patent Nr. 5,086,229 [4] ist eine aufwendigere Methode beschrieben, bei der eine Stelle der Hautoberfläche mit einer Schablone und z. B. einem Filzstift markiert wird (vgl. Fig. 1 und Fig. 3). Als besonders geeignet für eine Messung mit hoher Reproduzierbarkeit kann der Hautbereich der Innenlippen angesehen werden: Vorteile sind u. a. die Ähnlichkeit der Lippengewebe verschiedener Personen, der relativ hohe Diffusionskoeffizient der Mundschleimhäute, die Temperaturkonstanz und die außergewöhnlich gute Durchblutung dieses Gewebes.Another factor influencing the reproducibility of the measurement is the spatial dependency of the physiological properties of the tissue, for. B. by larger clumps of fat in the skin. To reduce this proportion of errors, a minimum focus diameter of the IR radiation on the skin of at least approx. 2 mm is proposed. A more complex method is described in US Pat. No. 5,086,229 [4], in which one site of the skin surface is covered with a stencil and e.g. B. a felt pen is marked (see. Fig. 1 and Fig. 3). The skin area of the inner lips can be regarded as particularly suitable for a measurement with high reproducibility: advantages include the similarity of the lip tissues of different people, the relatively high diffusion coefficient of the oral mucosa, the temperature constancy and the extraordinarily good blood circulation of this tissue.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt, die ausschnittsweise ein auf der Haut (1) aufliegendes, relativ zum Gehäuse (3) der Vorrichtung bewegliches Element (2) zeigt, das mit zwei mechanischen Federn (4) mit konstantem Anpreßdruck gegen die Haut (1) gedrückt wird. Element (2) wird in der Ausführung von Fig. 1 für die Zuführung oder Sammlung der IR-Strahlung benutzt und kann z. B. ein in einer geeigneten mechanischen Halterung durchbiegungssicher geführtes Glasfaserbündel sein. Natürlich ist in Fig. 1 lediglich eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung schematisch dargestellt. Zahlreiche andere Ausführungen mit Spiralfedern oder anderen Federelementen sind Stand der Technik und können bei einer Realisierung der Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 verwendet werden. Dem Fachmann sind im Rahmen der genannten Patent ansprüche vielfältige Modifikationen offensichtlich, wie z. B. auch Konstruktionen mit umständlicherer Bedienung, bei denen - relativ zum Gehäuse (3) - nicht ein Element (2) gegen die ortsfeste Haut (1), sondern umgekehrt die Haut (1) gegen ein ortsfestes Element (2) bewegt wird.An embodiment of the invention is shown in Fig. 1, which shows a section of an element ( 2 ) lying on the skin ( 1 ), movable relative to the housing ( 3 ) of the device, which with two mechanical springs ( 4 ) with constant contact pressure against the Skin ( 1 ) is pressed. Element ( 2 ) is used in the embodiment of FIG. 1 for supplying or collecting the IR radiation and can e.g. B. be a deflection-proof guided glass fiber bundle in a suitable mechanical holder. Of course, only one possible embodiment of the invention is shown schematically in FIG. 1. Numerous other designs with spiral springs or other spring elements are state of the art and can be used in realizing the sensor device according to claim 1. The expert claims within the scope of the patent claims manifold modifications, such as. B. also constructions with more complicated operation, in which - relative to the housing ( 3 ) - not an element ( 2 ) against the stationary skin ( 1 ), but conversely the skin ( 1 ) is moved against a stationary element ( 2 ).
1. M. Cope, D.T. Delpy, System for Long-Term Measurement of Cerebral Blood and Tissue Oxygenation on Newbom Infants by Near Infrared Transillumination, Med. & Biol. Eng. & Comput. 26, 289-294 (1988)1. M. Cope, D.T. Delpy, System for Long-Term Measurement of Cerebral Blood and Tissue Oxygenation on Newbom Infants by Near Infrared Transillumination, Med. & Biol. Eng. & Comput. 26, 289-294 (1988)
2. D.M. Haaland, M.R. Robinson, G.W. Koepp, E.V. Thomas, R.P. Eaton, Reagentless Near-Infrared Determination of Glucose in Whole Blood Using Multivariate Calibration, Appl. Spectrosc. 46, 1575-1578 (1992) 2. D.M. Haaland, M.R. Robinson, G.W. Koepp, E.V. Thomas, R.P. Eaton, Reagentless Near-Infrared Determination of Glucose in Whole Blood Using Multivariate Calibration, Appl. Spectrosc. 46, 1575-1578 (1992)
3. B.C. Wilson, S.L. Jacques, Optical Reflectance and Transmittance of Tissues: Principles and Applications, IEEE J. Quantum Electron. 26, 2186-2199 (1990)3. B.C. Wilson, S.L. Jacques, Optical Reflectance and Transmittance of Tissues: Principles and Applications, IEEE J. Quantum Electron. 26, 2186-2199 (1990)
4. R.D. Rosenthal, L.N. Paynter, L.H. Mackie, Non-Invasive Measurement of Blood Glucose, US-Patent Nr. 5,086,229 (Filed: Jun.27, 1990; Date of Patent: Feb.4, 1992)4. R.D. Rosenthal, L.N. Paynter, L.H. Mackie, Non-Invasive Measurement of Blood Glucose, U.S. Patent No. 5,086,229 (Filed: Jun. 27, 1990; Date of Patent: Feb. 4, 1992)
5. R.H. Barnes, J.W. Brasch Sr., Non-Invasive Determination of Glucose Concentration in Body of Patients, US-Patent Nr. 5,070,874 (Filed: Jan.30, 1990; Date of Patent: Dec.10, 1991)5. R.H. Barnes, J.W. Brasch Sr., Non-Invasive Determination of Glucose Concentration in Body of Patients, U.S. Patent No. 5,070,874 (Filed: Jan.30, 1990; Date of Patent: Dec.10, 1991)
6. R. Marbach, H.M. Heise, Calibration Modeling by Partial-Least Squares and Principal Component Regression and its Optimization Using Improved Leverage Correction for Prediction Testing, Chem. Int. Lab. Sys. 9, 45-63 (1990)6. R. Marbach, H.M. Heise, Calibration Modeling by Partial Least Squares and Principal Component Regression and its Optimization Using Improved Leverage Correction for Prediction Testing, Chem. Int. Lab. Sys. 9, 45-63 (1990)
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