DE102009010955A1

DE102009010955A1 - Method for determining level of e.g. glucose, in diabetic patient by optical spectroscopy, involves determining blood sugar level from received absorption spectrum, and transmitting determined blood sugar level to appliance unit

Info

Publication number: DE102009010955A1
Application number: DE200910010955
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Roß-Meßemer
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-09-02

Abstract

The method involves implanting an optical, monolithic, miniaturized spectrometer as an implant into a body of a human such that a measuring cell receives a remitted absorption spectrum of a stray radiation in a bloodstream of the human. The measuring cell is brought into the bloodstream and connected with a micro spectrometer. A blood sugar level is determined from the received absorption spectrum, and the determined blood sugar level is evaluated, stored and transmitted telemetrically to an externally provided appliance unit i.e. insulin pump. An independent claim is also included for a measuring instrument for determining blood-sugar-and/or other blood levels of a human by optical spectroscopy.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Messgerät zur Bestimmung von Blutwerten eines Menschen, insbesondere zur Bestimmung von Blutzuckerwerten in Form der Glukose- oder Fruktosebestimmung im Blut eines Menschen mittels der optischen Spektroskopie.The The invention relates to a method and a measuring device for Determination of blood values of a human, in particular for determination of blood sugar levels in the form of glucose or fructose determination in the blood of a human by means of optical spectroscopy.

Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Einrichtungen zur Bestimmung von Glukose oder Fruktose durch spektroskopische Messungen und die Auswertung von Spektren in den verschiedenen IR-Spektralbereichen zur Bestimmung der Blutzuckerwerte bekannt, sowie der Einsatz von Spektrometern zur online-Vermessung von Blutzuckerwerten zur Steuerung von Insulinpumpen. In der DE 10 2004 064 983 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum spektroskopischen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen und chemischen Mitteln im nahen und mittleren Infrarotbereich beschrieben, wobei eine von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung nach Durchlauf einer Probe von einem Reflektor durch Reflexion an einem Mikrospiegel auf ein Beugungsgitter gelenkt und anschließend die gebeugte Strahlung durch Reflexion an dem Mikrospiegel und an dem Reflektor auf einen Detektor gelenkt wird. Es kann auch ein mikromechanischer Monochromator mit einem steuerbaren dispersen Element vorgesehen sein, das entweder in einem monolitischen Drehspiegel mit einem daran befestigten Beugungsgitter oder in einem monolithischen Torsionsgitter mit Ein- und Ausgangsschlitzen eingebaut ist. In der DE 198 53 754 A1 wird weiterhin ein simultanes Doppelgitterspektrometer mit Halbleiterzeilensensoren oder Photoelektronenvervielfachern beschrieben, bei dem zur Vergrößerung des verfügbaren Spektralbereiches und zur Optimierung der spektralen Auflösung unter Beibehaltung eines kompakten Spektrometeraufbaus zwei Dispersionsgitter auf einer gemeinsamen Fokalkurve (Rowlandkreis) in Paschen-Runge-Anordnung betrieben werden, wobei zwei konkave Dispersionsgitter mit gleichem Krümmungsradius derart angeordnet sind, dass die Fokalkreise der beiden Gitter deckungsgleich sind. Aus der DE 20 2006 016 176 U1 ist ein nicht invasives Blutzuckermessgerät zur Glukosebestimmung im Blut eines Patienten bekannt, das unter Ausnutzung des Zusammenhangs zwischen arterieller, partieller Sauerstoffsättigung und dem Glukosespiegel die Glukose im Blut spektralfotometrisch bei zwei Wellenlängen an einem Finger des Patienten misst, und durch einen Mikrokontroller die Auswertung der Sauerstoffsättigung und Umrechung in den entsprechenden Blutzuckerwert erfolgt, der an dem Gerät angezeigt wird. Ein spektroskopischer Detektor und ein Verfahren zur Bestimmung von Blut und biologischen Markersubstanzen in Flüssigkeiten ist aus der DE 10 2006 029 899 A1 bekannt und aus der US 2007/0066877 A1 ein in einen Menschen implantiertes Mikrospektrometer mit einem Sensor zur Glukosemessung, wobei die Batterie zum Betrieb des Mikrocontrollers elektromagnetisch durch die Haut aufgeladen wird, wobei allgemein Batterien im Körper eines Menschen immer problematisch sind. Die Position des Spektrometers im Körper ist dabei im Bauchbereich des Menschen vorgesehen und das Insulin wird in der Nähe der Messstelle injiziert bzw. zugeführt, wobei das Spektrometer ein Absorptionsspektrum misst. Dies setzt voraus, dass der lichtemittierende Teil auf das Spektrometer justiert werden muss. In der US 2005 5009 658 A1 wird weiterhin ein System aus zwei oder mehreren Komponenten zur Glukosemessung und zur Regelung des Insulinbedarfs beschrieben, durch das zu vorgegebenen Zeiten geringe definierte Mengen eines Blutserums angesaugt werden und automatisch eine definierte Menge eines Indikators hinzugegeben wird, so dass daraus mittels einer elektronischen Messeinheit der Blutzuckerwert bestimmt wird und mittels eines Mikrocomputers eine bestimmte Menge Insulin berechnet wird, die den Blutzuckerwert in einen vorgegebenen Bereich bringt, wobei das Insulin mittels eines weiteren externen Gerätes, beispielsweise einer Insulinpumpe, zugeführt wird, die diese Daten von der Messstation erhält und prozessgesteuert aus einem Vorratsbehälter das Insulin injiziert.The prior art discloses methods and devices for the determination of glucose or fructose by spectroscopic measurements and the evaluation of spectra in the various IR spectral ranges for the determination of blood glucose values, and the use of spectrometers for the online measurement of blood glucose values for the control of insulin pumps , In the DE 10 2004 064 983 A1 describes an apparatus and a method for the spectroscopic detection and determination of biological and chemical agents in the near and middle infrared range, wherein a radiation emitted by the radiation source radiation after passing a sample from a reflector by reflection on a micromirror is directed to a diffraction grating and then the diffracted radiation is directed to a detector by reflection at the micromirror and at the reflector. There may also be provided a micromechanical monochromator with a controllable dispersive element incorporated either in a monolithic rotating mirror with a diffraction grating attached thereto or in a monolithic torsion grid with input and output slots. In the DE 198 53 754 A1 Furthermore, a simultaneous double-grating spectrometer with semiconductor line sensors or photomultipliers is described in which two dispersion grids are operated on a common focal curve (Rowlandkreis) in Paschen-Runge arrangement to increase the available spectral range and to optimize the spectral resolution while maintaining a compact spectrometer design, wherein two concave Dispersion grating with the same radius of curvature are arranged such that the focal circles of the two gratings are congruent. From the DE 20 2006 016 176 U1 A non - invasive blood glucose meter is known to measure glucose in a patient 's blood by taking blood glucose in blood spectrophotometrically at two wavelengths on a patient' s finger using a correlation between arterial partial oxygen saturation and glucose level, and by a microcontroller to evaluate oxygen saturation and blood pressure Is converted to the corresponding blood glucose value displayed on the device. A spectroscopic detector and a method for the determination of blood and biological marker substances in liquids is known from DE 10 2006 029 899 A1 known and from the US 2007/0066877 A1 a human-implanted microspectrometer having a glucose measurement sensor, wherein the battery is electromagnetically charged through the skin for operation of the microcontroller, and generally, batteries in a human body are always problematic. The position of the spectrometer in the body is provided in the abdominal area of the human and the insulin is injected or supplied in the vicinity of the measuring point, wherein the spectrometer measures an absorption spectrum. This requires that the light emitting part must be adjusted to the spectrometer. In the US 2005 5009 658 A1 Furthermore, a system of two or more components for measuring glucose and for regulating the insulin requirement is described, are sucked at predetermined times small defined amounts of a blood serum and automatically a defined amount of an indicator is added, so that determines it by means of an electronic measuring unit, the blood sugar value is calculated and by means of a microcomputer, a certain amount of insulin, which brings the blood glucose value in a predetermined range, wherein the insulin is supplied by another external device, such as an insulin pump, which receives this data from the measuring station and process controlled from a reservoir Insulin injected.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Messgerät zur Bestimmung von Blutwerten eines Menschen, insbesondere zur Bestimmung von Blutzuckerwerten in Form der Glukose- oder Fruktosebestimmung mittels der optischen Spektroskopie im nahen und mittleren Infrarotbereich durch ein optisch sehr kleines und kompakt aufgebautes Spektrometer zu schaffen, das in den Körper eines Menschen implantierbar ist.outgoing From this prior art, the invention is based on the object a method and instrument for determining blood levels of a human, in particular for the determination of blood glucose values in the form of glucose or fructose determination by means of optical Spectroscopy in the near and mid infrared through an optical To create a very small and compact spectrometer, the is implantable in the body of a human.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung von Blutzuckerwerten eines Menschen, insbesondere zur Bestimmung von Blutzuckerwerten mittels der optischen Spektroskopie vor, bei dem ein optisches, monolithisches, miniaturisiertes Spektrometer als Implantat so in den Körper eines Menschen implantiert wird, dass eine in die Blutbahn eines Menschen eingebrachte und mit dem Mikrospektrometer verbundene Messzelle ein remittiertes Absorptionsspektrum der Streustrahlung in der Blutbahn des Menschen aufnimmt, dass anschließend aus dem aufgenommenen Absorptionsspektrum der Blutzuckerwert und/oder andere Blutwerte bestimmt werden und dass abschließend die ermittelten Blutzuckerwerte und/oder andere Blutwerte ausgewertet, gespeichert oder die Messdaten telemetrisch als Messsignal an eine extern vorgesehene Geräteeinheit, beispielsweise eine Insulinpumpe übertragen werden. Da die meisten Diabetiker Probleme mit den Blutfettwerten haben, ist es von großem Vorteil, dass man erfindungsgemäß nur mit remittierten Absorptionsspektren der Streustrahlung direkt in der Blutbahn im menschlichen Körper arbeitet, um das Plaqueproblem, d. h. die Ablagerung durch Blutfettwerte besser kontrollieren zu können, so dass eine verbesserte und genauere Ermittlung der Blutzuckerwerte und andere Blutwerte erhalten wird.To solve this problem, the invention proposes a method for the determination of blood glucose levels of a human, in particular for the determination of blood glucose levels by means of optical spectroscopy, in which an optical, monolithic, miniaturized spectrometer is implanted as an implant in the body of a human that a the bloodstream of a human being introduced and connected to the microspectrometer absorbs a remitted absorption spectrum of the scattered radiation in the human bloodstream, then the blood sugar value and / or other blood values are determined from the recorded absorption spectrum and finally the determined blood sugar values and / or other blood values are evaluated , stored or the measurement data telemetrically transmitted as a measurement signal to an externally provided device unit, such as an insulin pump. Since most diabetics have problems with the blood lipid levels, it is of great advantage that according to the invention working only with remitted absorption spectra of the scattered radiation directly in the bloodstream in the human body to better control the plaque problem, ie the deposition of blood lipid levels, so as to obtain an improved and more accurate determination of blood sugar levels and other blood levels.

Das Messgerät zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung der Blutzucker- und/oder anderer Blutwerte eines Menschen mittels der optischen Spektroskopie, das Mittel zur Auswertung, Speicherung, Übermittelung und Anzeige der Messdaten aufweist, umfasst ein mit einer Rowlandanordnung ausgebildetes Mikrospektrometer, das eine als Messfaser ausgebildete Messzelle aufweist, wobei die Messfaser mit einem Faserende direkt in die Blutbahn eines Menschen einführbar ist, mit einer vom Blut ständig umspülten Ausnehmung, und die Messfaser an einem gegenüberliegenden Faserende an einer Koppelstelle mit einer lichtleitenden Scheibe verbunden ist, wobei die lichtleitende Scheibe nachfolgend einen Verbund mit einer Siliziumscheibe aufweist, auf der einen Auswerteeinheit angeordnet ist, die die Messdaten auswertet, speichert oder die Messdaten telemetrisch direkt an eine Insulinpumpe oder eine Pulsmessuhr eines Patienten zur Ermittlung des Blutzuckerwertes überträgt, wobei die Weiterleitung der Messdaten mittels eines jeweils individuellen Datenschlüssel erfolgen muss, um Insulinunter- oder -überversorgungen auszuschließen. Das Mikrospektrometer ist dabei insbesondere im Armgelenk eines Menschen und nicht im Bauchbereich implantiert, um Fehlmessungen zu vermeiden, die dann entstehen können, wenn das Insulin in der Nähe der Messstelle injiziert bzw. zugeführt wird.The Measuring device for carrying out the method for Determination of the blood sugar and / or other blood values of a human by means of optical spectroscopy, the means for evaluation, storage, transmission and display of the measured data includes a trained with a Rowlandanordnung Microspectrometer, which is a measuring fiber designed as a measuring fiber having the measuring fiber with a fiber end directly into the The bloodstream of a human being is insertable, with one of the blood constantly flushed recess, and the measuring fiber at an opposite fiber end at a coupling point is connected to a photoconductive disk, wherein the photoconductive Disk subsequently has a composite with a silicon wafer, is arranged on the one evaluation, which the measurement data evaluates, stores or transmits the measured data telemetrically directly to a Insulin pump or a heart rate monitor of a patient for identification the blood glucose value transmits, with the forwarding the measured data by means of an individual data key must be done to insulin under- or over supplies excluded. The microspectrometer is in particular implanted in the wrist joint of a human and not in the abdominal region, to avoid erroneous measurements, which can then occur if the insulin is injected near the site or is supplied.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Messfaser als Gradientenindexfaser ausgebildet ist, die ihren Fokus im Bereich eines Rowlandkreises hat und in ihrer Länge so dimensioniert ist, dass sie mit dem Rowlandkreis formschlüssig verbunden ist. Das Faserende der Messfaser, das in eine Blutbahn eines Menschen eingeführt wird, ist als Retroreflektor mit einer abgerundeten Spitze zur Vermeidung von Verletzungen ausgebildet. Die in der Messfaser ausgebildete und vom Blut ständig umspulte Ausnehmung ist dabei vorteilhaft mindestens bis zur Fasermitte der Messfaser ausgebildet. Das Faserende der Messerfaser ist in weiteren Ausführungsformen zudem vorteilhaft als Paraboloid mit einem Freiformübergang ohne Unstetigkeitsstellen und ohne Aussparung ausgebildet, damit sich vorhandene Fettpartikel im Blut eines Menschen daran nicht absetzen können und damit die Funktion des Mikrospektrometers beeinflussen. Für spezielle Anwendungsfälle kann das Faserende der Messfaser zur besseren Strahllenkung und Reflektion auch eine Aussparung oder eine prismatische Ausformung aufweisen.Advantageous it is provided that the measuring fiber is designed as gradient index fiber which has its focus in the area of a Rowland circle and in their length is dimensioned so that they are with the Rowlandkreis is positively connected. The fiber end of the measuring fiber, which is introduced into a human bloodstream is as a retroreflector with a rounded tip for avoidance trained by injuries. The formed in the measuring fiber and the blood constantly rewound recess is advantageous formed at least to the fiber center of the measuring fiber. The fiber end the knife fiber is also in other embodiments advantageous as a paraboloid with a free-form transition without Discontinuities and without recess formed so that Do not expose existing fat particles in a person's blood can and thus influence the function of the microspectrometer. For special applications, the fiber end the measuring fiber for better beam steering and reflection also a Have recess or a prismatic shape.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass auf der mit der Messfaser verbundenen lichtleitenden Scheibe direkt auf der Rowlandanordnung LED's so angeordnet sind, dass die LED's an der Einkoppelstelle der Messfaser an die lichtleitende Scheibe in der –1. Ordnung Licht in die Messfaser einleiten und das rücklaufende Licht in der +1. Ordnung detektiert wird, so dass die Koppelstelle zwischen Messfaser und lichtleitender Scheibe damit eine Doppelfunktion erfüllt.Prefers is provided that on the optical fiber connected to the measuring fiber Disc directly on the rowland arrangement LED's are arranged so that the LEDs at the coupling point of the measuring fiber to the light-conducting Slice in the -1. Order light into the measuring fiber and the returning light in the +1. Order detected so that the coupling point between measuring fiber and photoconductive Disc fulfills a double function.

Vorteilhafterweise ist vor jeder LED eine Optik angeordnet, die nicht rotationssymetrisch sondern zur entsprechenden LED gerichtet flach ausgebildet ist, so dass auftretendes Falschlicht der LED reduziert wird. Die LED's sind insbesondere mittels Richtkitten auf die lichtleitende Scheibe aufgebracht, so dass eine optimale Einkopplung des Lichtes in die Messfaser erreicht wird.advantageously, Before each LED is arranged an optic that is not rotationally symmetrical but directed to the corresponding LED is designed flat, so that occurring stray light of the LED is reduced. The LEDs are in particular by means of directional kitten on the photoconductive disc applied, so that an optimal coupling of the light into the measuring fiber is reached.

Eine bevorzugte Ausführungsform wird darin gesehen, dass auf dem Rand der lichtleitenden Scheibe ein oder mehrere geeignete Gitter (Rowlandanordnung) angeordnet und so ausgebildet sind, dass das Licht dominant nur in ein Richtung gebeugt wird, wobei das gebeugte Licht über in der lichtleitenden Scheibe integrierte polierte Schrägen auf Detektorflächen der Siliziumscheibe totalreflektiert wird. Die auf den Detektorflächen der Siliziumscheibe vorgesehenen Detektorstrukturen bestehen aus einer Vielzahl von Einzeldetektoren, die vorzugsweise auf einem Kreisrandausschnitt angeordnet sind.A preferred embodiment is seen in that one or more suitable gratings at the edge of the light-guiding disc (Rowland arrangement) are arranged and designed so that the Light dominant is bent only in one direction, with the bent Light via integrated in the light-conducting disc polished Oblique on detector surfaces of the silicon wafer is totally reflected. The on the detector surfaces of the Silicon wafer provided detector structures consist of a variety of single detectors, preferably on a circular edge detail are arranged.

Die Gitter auf dem Rand der lichtleitenden Scheibe sind dabei so ausgeführt, dass ein großes Gitter, vorzugsweise ein Metallgitter, hergestellt und nachträglich in Steifen geschnitten wird, die auf die lichtleitende Scheibe mittels geeigneter Applikationstechnik, vorzugsweise mittels eines Immersionsklebers, aufgebracht und justiert werden, so dass zur Falschlichtreduktion an den Detektoren auch Polarisationseffekte genutzt werden können. Alternativ ist auch ein einziges Gitter auf dem Rand der lichtleitenden Scheibe vorgesehen, welches bevorzugt als ein Sinusgitter oder ein sinusoides Gitter mit einer für den vorgesehenen Wellenlängenbereich optimierten Furchentiefe ausgebildet ist.The Grids on the edge of the light-guiding disc are designed in this way that a large grid, preferably a metal grid, produced and subsequently cut into strips, the on the light-conducting disc by means of suitable application technology, preferably by means of an immersion adhesive, applied and adjusted so that to reduce the light density at the detectors too Polarization effects can be used. alternative is also a single grid on the edge of the photoconductive disk which is preferred as a sine grid or sinusoidal Grid with one for the intended wavelength range optimized groove depth is formed.

Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass die auf den Detektorflächen der Siliziumscheibe vorgesehenen und aus einer Vielzahl von Einzeldetektoren bestehenden Detektorstrukturen entweder gemeinsam oder einzeln durch eine auf der Siliziumscheibe integrierte Auswerteeinheit, die in Form eines programmierbaren integrierten Schaltkreise ausgebildet ist, ausgewertet werden, wobei vorteilhaft zum Ausgleichen der Messunterschiede zwischen den verschiedenen Fasern die Kalibrierdaten im Speicherbereich der Auswerteeinheit auch im implantierten Zustand eingeschrieben werden können. Die Energieversorgung des Messgerätes erfolgt durch einen Doppelschichtkondensator, der durch eine auf die Siliziumscheibe aufgebrachte Sekundärspule aufgeladen wird.It is furthermore preferably provided that the detector structures provided on the detector surfaces of the silicon wafer and consisting of a large number of individual detectors are evaluated either jointly or individually by an evaluation unit integrated on the silicon wafer, which is designed in the form of a programmable integrated circuit, advantageously for equalization the measurement differences between the different fibers, the calibration data in the memory area of the evaluation can be written in the implanted state. The power supply of the meter is done by a Double-layer capacitor, which is charged by a secondary coil applied to the silicon wafer.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass die lichtleitende Scheibe mit einem elektrisch nichtleitenden, körperverträglichen Kleber auf der Siliziumscheibe durch Richtkleben befestigt ist, wobei der Brechungsindex der Siliziumscheibe größer als der der lichtleitenden Scheibe ist. Alternativ ist vorgesehen, dass die lichtleitende Scheibe selbst einen bevorzugt parabolischen Brechzahlgradienten aufweist, mit dem erreicht wird, dass die Gitter lokal und parallel bestrahlbar vorgesehen sind.A further advantageous embodiment is seen therein that the photoconductive disk is electrically non-conductive, biocompatible adhesive on the silicon wafer is fixed by directional bonding, wherein the refractive index of the silicon wafer larger than that of the photoconductive disk. Alternatively, it is provided that the photoconductive disk itself a preferred parabolic refractive index gradient, with which is achieved that the grating can be irradiated locally and in parallel are provided.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The The invention is described below with reference to a schematic in drawings illustrated embodiment explained in more detail.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Messfaser eines Messgerätes zur Bestimmung von Blutzuckerwerten; 1 a measuring fiber of a measuring device for the determination of blood glucose values;

2 eine Prinzipdarstellung des Messgerätes in Seitenansicht; 2 a schematic diagram of the meter in side view;

3 eine lichtleitende Scheibe des Messgerätes in Draufsicht; 3 a photoconductive disc of the measuring device in plan view;

4 eine Siliziumscheibe des Messgerätes in Draufsicht; 4 a silicon wafer of the measuring device in plan view;

5 eine Anordnung von LED's auf einer lichtleitenden Scheibe. 5 an arrangement of LEDs on a photoconductive disk.

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Messfaser 1 eines Messgerätes zur Bestimmung von Blutwerten, insbesondere von Blutzuckerwerten eines Menschen. Das Messgerät, ein optisches, monolithisches, miniaturisiertes Spektrometer, wird als Implantat so in den Körper eines Menschen implantiert, dass die Messfaser 1 direkt in die Blutbahn eines Menschen eingebracht wird und in Verbindung mit dem Mikrospektrometer ein remittiertes Absorptionsspektrum der Streustrahlung in der Blutbahn aufnimmt und daraus mit bekannten Mitteln Blutzuckerwerte und/oder andere Blutwerte ermittelt und auswertet, wobei die Messdaten an vorgesehene Orte übertragen oder direkt anzeigt werden. Das Mikrospektrometer ist dabei insbesondere im Armgelenk eines Menschen implantiert, um Fehlmessungen zu vermeiden, die dann entstehen können, wenn das Insulin in der Nähe der Messstelle injiziert bzw. zugeführt wird. 1 shows the basic structure of a measuring fiber 1 a measuring device for the determination of blood values, in particular of blood sugar values of a human. The measuring device, an optical, monolithic, miniaturized spectrometer, is implanted as an implant in the body of a human that the measuring fiber 1 is introduced directly into the bloodstream of a human and in conjunction with the microspectrometer absorbs a reflected absorption spectrum of the scattered radiation in the bloodstream and determines and evaluates therefrom by known means blood sugar values and / or other blood values, wherein the measurement data are transmitted to intended locations or displayed directly. The microspectrometer is implanted in particular in the arm joint of a human to avoid erroneous measurements, which can occur when the insulin is injected or supplied in the vicinity of the measuring point.

Das Mikrospektrometer arbeitet dabei in einem bestimmten Wellenlängenbereich von beispielsweise 780 bis 1060 nm mit einem ausgewählten Detektor, der in diesem Wellenlängenbereich empfindlich ist. Die Messgenauigkeit der spektroskopischen Auswertung beträgt etwa 20 bis 30 mg/dl, wobei Störgrößen, die beispielsweise durch periodische Blutwertschwankungen auftreten, sehr groß sind, so dass man in diesem Wellenlängenbereich im Anwendungsfall individuelle Kalibrierungen vornehmen muss, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen. Um die Detektorgenauigkeit zu steigern, werden spezielle Lichtleitfasern eingesetzt. Die als Messfaser 1 ausgebildete Messzelle des Mikrospektrometers wird mit einem Faserende 2 direkt in die Blutbahn eines Menschen einführt und weist eine vom Blut ständig umspülte Ausnehmung 6 auf, wobei die Messfaser 1 in Verbindung mit dem miniaturisierten, implantierten Mikrospekrometer ein remittiertes Absorptionsspektrum der Streustrahlung in der Blutbahn des Menschen aufnimmt. Die Messfaser 1 ist dazu in ihrer Länge so dimensioniert, dass sie, wenn sie als Gradientenindexfaser ausgebildet ist und ihren Fokus im Bereich eines Rowlandkreises hat sowie mit dem Rowlandkreis formschlüssig verbunden ist. Der Vorteil einer Gradientenindexfaser besteht darin, dass die Ein- und Auskoppelbedingungen des Lichtes, beispielsweise von LED's 23 aus dem Mikrospektrometer heraus und in das Mikrospektrometer hinein besser gewährleistet sind. Das Faserende 2 der Messfaser 1, dass direkt in die Blutbahn eines Menschen eingeführt wird, ist als ein Retroreflektor 3 mit einer abgerundeten Spitze 4 ausgeführt, so dass keine unnötigen Verletzungen der Blutgefäße auftreten können. In der Messfaser 1 ist kurz vor den jeweiligem Faserende 2 mindestens eine bis zu einer Fasermitte 5 reichende Ausnehmung 6 ausgebildet. Diese Ausnehmung 6 wird zur Messung vom Blut ständig umspült und repräsentiert die eigentliche Messzelle. Die Ausbildung des Faserendes 2 der Messfaser 1, das direkt in die Blutbahn eines Menschen einführt wird, ist für die Messung von großer Bedeutung, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Faserende 2 vorzugsweise nahezu als Paraboloid mit einem Freiformübergang oder einer strukturierten Freiformfläche ohne Unstetigkeitsstellen und ohne Aussparung ausgebildet, damit sich vorhandene Fettpartikel im Blut eines Menschen daran nicht absetzen können und dann die Funktion des Mikrospektrometers beeinflussen, so dass häufigere Eingriffe notwendig wären und die Gefahr einer Überzuckerung besteht. Das Faserende 2 kann auch in Abhängigkeit von der Strahllenkung und der zu erreichenden Reflektion eine Aussparung, beispielsweise in Form eines Schlitzes oder eine prismatische Ausformung aufweisen.The microspectrometer operates in a specific wavelength range of, for example, 780 to 1060 nm with a selected detector which is sensitive in this wavelength range. The measurement accuracy of the spectroscopic evaluation is about 20 to 30 mg / dl, with disturbances that occur, for example, by periodic Blutwertschwankungen are very large, so that in this wavelength range in the application, individual calibrations must be made in order to achieve the desired accuracy. In order to increase the detector accuracy, special optical fibers are used. The as measuring fiber 1 Trained measuring cell of the microspectrometer is equipped with a fiber end 2 introduces directly into the bloodstream of a human and has a constantly lapped by the blood recess 6 on, with the measuring fiber 1 in conjunction with the miniaturized, implanted microspectrometer absorbs a remitted absorption spectrum of scattered radiation in the human bloodstream. The measuring fiber 1 For this purpose, its length is dimensioned in such a way that, if it is designed as a gradient index fiber and has its focus in the region of a Rowland circle, it is positively connected to the Rowland circle. The advantage of a gradient index fiber is that the coupling and decoupling conditions of the light, for example of LEDs 23 out of the microspectrometer and into the microspectrometer. The fiber end 2 the measuring fiber 1 that is introduced directly into the bloodstream of a human being is considered a retro-reflector 3 with a rounded tip 4 performed so that no unnecessary injury to the blood vessels can occur. In the measuring fiber 1 is just before the respective fiber end 2 at least one to a fiber center 5 reaching recess 6 educated. This recess 6 is constantly bathed around the blood for measurement and represents the actual measuring cell. The formation of the fiber end 2 the measuring fiber 1 , which is introduced directly into the bloodstream of a human, is of great importance for the measurement, in the present embodiment, the fiber end 2 preferably formed almost paraboloid with a free-form transition or a structured free-form surface without discontinuities and no recess so that existing fat particles in the blood of a person can not settle and then affect the function of the microspectrometer, so that more frequent interventions would be necessary and there is a risk of hypoglycemia , The fiber end 2 can also have a recess, for example in the form of a slot or a prismatic shape, depending on the beam steering and the reflection to be achieved.

Die 2, 3, 4 und 5 zeigen das Messgerät auf Basis des optischen, monolithischen, miniaturisierten Mikrospektrometers mit der als Messzelle ausgebildeten Messfaser 1, deren eines Faserende 2 direkt in die Blutbahn des Menschen einführbar ist und an einem gegenüberliegenden Faserende an einer Koppelstelle 8 mit einer lichtleitenden Scheibe 7 verbunden ist, wobei die lichtleitende Scheibe 7 nachfolgend einen Verbund mit einer Siliziumscheibe 15 aufweist, auf der eine Auswerteeinheit 20 angeordnet ist, die die Messdaten auswertet, speichert oder die Messdaten telemetrisch oder direkt an eine an eine nicht dargestellte Insulinpumpe überträgt. Die Weiterleitung der Daten bedarf dabei eines individuellen Datenschlüssels, um Insulinunter- oder -überversorgung auszuschließen.The 2 . 3 . 4 and 5 show the measuring device based on the optical, monolithic, miniaturized microspectrometer with trained as a measuring cell measuring fiber 1 whose one fiber end 2 can be inserted directly into the bloodstream of the human and opposite to one another the fiber end at a coupling point 8th with a light-conducting disc 7 is connected, wherein the light-conducting disc 7 below a composite with a silicon wafer 15 has, on the one evaluation 20 is arranged, which evaluates the measurement data, stores or transmits the measurement data telemetrically or directly to an insulin pump, not shown. The forwarding of the data requires an individual data key in order to exclude insulin sub- or oversupply.

Auf der mit der Messfaser 1 verbundenen lichtleitenden Scheibe 7 sind auf einer Rowlandanordnung LED's 23 so angeordnet, dass die LED's 23 an der Koppelstelle 8 des Rowlandkreises an die lichtleitende Scheibe 7 in der –1. Ordnung Licht in die Messfaser 1 einleiten und das rücklaufende Licht in der +1. Ordnung detektiert wird. Die Koppelstelle 8 zwischen Messfaser 1 und lichtleitender Scheibe 7 hat damit eine Doppelfunktion. Vor jeder LED 23 ist eine Optik 24 angeordnet, die nicht rotationssymetrisch, sondern zur LED 23 gerichtet flach ausgebildet ist, so dass das auftretende Falschlicht der LED 23 reduziert wird. Die LED's 23 werden vorzugsweise mittels Richtkitten auf die lichtleitende Scheibe 7 so aufgebracht, dass eine optimale Einkopplung des Lichtes in die Messfaser 1 erreicht wird.On the with the measuring fiber 1 connected photoconductive disk 7 are on a rowland layout LED's 23 arranged so that the LED's 23 at the coupling point 8th of the Rowland circle to the light-guiding disc 7 in the -1. Order light into the measuring fiber 1 initiate and the returning light in the +1. Order is detected. The coupling point 8th between measuring fiber 1 and photoconductive disk 7 thus has a double function. In front of each LED 23 is an optic 24 arranged, not rotationally symmetrical, but to the LED 23 directed flat, so that the occurring stray light of the LED 23 is reduced. The LEDs 23 are preferably by means of directional kitten on the photoconductive disc 7 so applied, that an optimal coupling of the light into the measuring fiber 1 is reached.

Auf dem Rand der lichtleitenden Scheibe 7 sind mehrere geeignete Gitter 9, 10 angeordnet (Rowlandanordnung), die so angeordnet sind, dass das Licht dominant nur in ein Richtung gebeugt wird. Zwei Gitter 9, 10 haben den Vorteil, dass man einen größeren Spektralbereich abdecken kann. Es ist dabei vorteilhaft, ein großes Gitter, vorzugsweise ein Metallgitter, herzustellen und nachträglich in Steifen zu schneiden, die auf die lichtleitende Scheibe 7 mittels geeigneter Applikationstechnik, vorzugsweise mittels eines Immersionsklebers, aufgebracht und justiert werden. Mit dieser Technik kann man Gitter in sub-Lambda-Technologie erzeugen, so dass zur Falschlichtreduktion an den Detektoren auch Polarisationseffekte genutzt werden können. Wird anstatt der beiden Gitter 8, 9 ein einziges Gitter verwendet, so ist dies vorzugsweise als ein Sinusgitter oder ein sinusoides Gitter mit einer für den vorgesehenen Wellenlängenbereich optimierten Furchentiefe ausgebildet. Das gebeugte Licht wird über in der lichtleitenden Scheibe 7 integrierte polierte Schrägen 11, 12 auf Detektorflächen 13, 14 der Siliziumscheibe 15 totalreflektiert. Auf die Detektorflächen 13, 14 sind lithographisch Detektorstrukturen 16, 17 aufgebracht. Die Detektorstrukturen 16, 17 sind dabei nicht, wie üblich, auf einer gestreckten Linie, sondern auf einer gekrümmten Linie, vorzugsweise auf einem Kreisrandausschnitt 18 angeordnet und bestehen aus einer Vielzahl von Einzeldetektoren 19. Die Anzahl der Einzeldetektoren 19 sollte dabei vorzugsweise größer als 255 sein. Die Einzeldetektoren 19 werden entweder gemeinsam oder einzeln durch eine auf der Siliziumscheibe 15 integrierte Auswerteeinheit 20 ausgewertet. Die Auswerteeinheit 20 übermittelt die Daten vorzugsweise telemetrisch. Das Auswerteprogramm kann umgekehrt auch nachträglich in der Auswerteeinheit 20 verändert werden. Die Energieversorgung des Messgerätes erfolgt mittels eines Doppelschichtkondensators 21, der durch eine lithographisch auf die Siliziumscheibe 15 aufgebrachte Sekundärspule 22 aufgeladen wird. Der Doppelschichtkondensator 21 wirkt dabei gleichzeitig gegen mögliche Störfelder. Durch polierte Goldkontakte, die chemisch gegenüber dem umgebenden Gewebe resistent sind, werden außerdem Plaqueablagerungen vermieden. Die lichtleitende Scheibe 7 wird mit einem elektrisch nichtleitenden, körperverträglichen Kleber auf der Siliziumscheibe 15 durch Richtkleben befestigt, wobei der Brechungsindex der Siliziumscheibe 15 größer als der der lichtleitenden Scheibe 7 ist. In einer besonderen Ausführungsform weist die lichtleitende Scheibe 7 selbst einen bevorzugt parabolischen Brechzahlgradienten auf, mit dem erreicht wird, dass die Gitter 9, 10 lokal und parallel bestrahlt werden.On the edge of the photoconductive disk 7 are several suitable grids 9 . 10 arranged (Rowland arrangement), which are arranged so that the light is diffracted dominant only in one direction. Two lattices 9 . 10 have the advantage that you can cover a larger spectral range. It is advantageous in this case to produce a large grid, preferably a metal grid, and subsequently cut into strips which rest on the light-conducting pane 7 be applied and adjusted by means of a suitable application technique, preferably by means of an immersion adhesive. With this technique, one can produce grids in sub-lambda technology, so that also polarization effects can be used for the reduction of false light at the detectors. Will instead of the two grids 8th . 9 a single grating is used, this is preferably formed as a sine or a sinusoidal grating with optimized for the intended wavelength range groove depth. The diffracted light is transmitted in the photoconductive disk 7 integrated polished bevels 11 . 12 on detector surfaces 13 . 14 the silicon wafer 15 totally reflected. On the detector surfaces 13 . 14 are lithographic detector structures 16 . 17 applied. The detector structures 16 . 17 are not, as usual, on a stretched line, but on a curved line, preferably on a circular edge detail 18 arranged and consist of a plurality of individual detectors 19 , The number of individual detectors 19 should preferably be greater than 255. The single detectors 19 be either together or individually through one on the silicon wafer 15 integrated evaluation unit 20 evaluated. The evaluation unit 20 preferably transmits the data telemetrically. Conversely, the evaluation program can also be retrofitted in the evaluation unit 20 to be changed. The power supply of the measuring device takes place by means of a double-layer capacitor 21 passing through a lithograph on the silicon wafer 15 applied secondary coil 22 is charged. The double-layer capacitor 21 At the same time it acts against possible interference fields. Polished gold contacts, which are chemically resistant to surrounding tissue, also prevent plaque deposits. The light-guiding disc 7 is applied to the silicon wafer with an electrically non-conductive, biocompatible adhesive 15 fixed by directional bonding, the refractive index of the silicon wafer 15 larger than that of the photoconductive disk 7 is. In a particular embodiment, the light-guiding disc 7 itself a preferably parabolic refractive index gradient, with which is achieved that the lattice 9 . 10 be irradiated locally and in parallel.

Um Messunterschiede zwischen den verschiedenen Fasern aus Fertigungsgründen auszugleichen, können Kalibrierdaten im Speicherbereich der Auswerteeinheit 20 auch im implantierten Zustand eingeschrieben werden, in Analogie zur Herzschrittmachertechnologie.In order to compensate for measurement differences between the different fibers for production reasons, calibration data can be stored in the memory area of the evaluation unit 20 also be implanted in the implanted state, in analogy to cardiac pacemaker technology.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das Ausführungsbeispiel, sondern ist in der Ausgestaltung des Mikrospektrometers und der Ausbildung der Messfaser 1 variabel.The invention is not limited to the embodiment, but is in the embodiment of the microspectrometer and the formation of the measuring fiber 1 variable.

11: Messfasermeasuring fiber
22: Faserendefiber end
33: Retroreflektorretroreflector
44: abgerundete Spitzerounded top
55: Fasermittefiber center
66: Ausnehmung in Messfaserrecess in measuring fiber
77: lichtleitende Scheibephotoconductive disc
88th: Koppelstelle der Messfasercoupling point the measuring fiber
99: Gittergrid
1010: Gittergrid
1111: Schrägeslope
1212: Schrägeslope
1313: Detektorflächedetector surface
1414: Detektorflächedetector surface
1515: Siliziumscheibesilicon chip
1616: Detektorstrukturdetector structure
1717: Detektorstrukturdetector structure
1818: KreisrandausschnittCircle edge cutting
1919: Einzeldetektorsingle detector
2020: Auswerteinheitevaluation
2121: DoppelschichtkondensatorDouble-layer capacitor
2222: Sekundärspulesecondary coil
2323: LEDLED
2424: Optikoptics

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims

Method for determining blood values of a human, in particular for determining blood sugar values in the form of glucose or fructose determination in the blood of a human by means of optical spectroscopy, characterized in that an optical, monolithic, miniaturized spectrometer is implanted as an implant in the body of a human in that a measuring cell introduced into the bloodstream of a human and connected to the microspectrometer records a remitted absorption spectrum of the scattered radiation in the human bloodstream, that the blood glucose value and / or other blood values are subsequently determined from the recorded absorption spectrum, and finally the blood sugar values determined and / or other blood values are evaluated, stored or the measurement data telemetrically transmitted directly to an externally provided device unit.

Measuring device for carrying out the method according to claim 1, for the determination of blood sugar and / or other blood values of a human by means of optical spectroscopy and means for evaluation, storage, transmission and display of the measured data, characterized in that the microspectrometer as a measuring fiber ( 1 ) formed measuring cell, wherein the measuring fiber ( 1 ) with a fiber end ( 2 ) can be introduced directly into the bloodstream of a human being, with a recess constantly flushed around by the blood ( 6 ), and the measuring fiber ( 1 ) at an opposite fiber end at a coupling point ( 8th ) with a light-conducting disk ( 7 ), wherein the light-guiding disc ( 7 ) below a composite with a silicon wafer ( 15 ), on which an evaluation unit ( 20 ) is arranged, which evaluates the measurement data, stores or transmits the measurement data telemetrically directly to an insulin pump or a heart rate monitor of a human.

Measuring device according to claim 2, characterized in that the measuring fiber ( 1 ) is formed in particular as gradient index fiber and has its focus in the region of a Rowlandkreises, wherein the measuring fiber ( 1 ) is dimensioned in its length so that it is positively connected to the Rowlandkreis.

Measuring device according to claim 2 and 3, characterized in that the fiber end (inserted into the bloodstream of a human) ( 2 ) of the measuring fiber ( 1 ) as a retroreflector ( 3 ) is formed with a rounded tip, wherein the constantly lapped by the blood recess ( 6 ) of the measuring fiber ( 1 ) at least up to one fiber center ( 5 ) of the measuring fiber ( 1 ) is trained.

Measuring device according to claim 2 and 3, characterized in that the fiber end ( 2 ) of the measuring fiber ( 1 ) is designed as a paraboloid with a free-form transition without discontinuities and without recess.

Measuring device according to claim 2 and 3, characterized in that the fiber end ( 2 ) of the measuring fiber ( 1 ) in particular has a recess or a prismatic shape.

Measuring device according to one of claims 2 to 6, characterized in that on the with the measuring fiber ( 1 ) connected to the light-guiding disc ( 7 ) directly on the rowland array LED's ( 23 ) are arranged so that the LEDs ( 23 ) at the coupling point ( 8th ) of the Rowland circle to the light-guiding disc ( 7 ) in the -1. Order light into the measuring fiber ( 1 ), and wherein the returning light in the +1. Order is detectable.

Measuring device according to one of claims 2 to 7, characterized in that in front of each LED ( 23 ) an optic ( 24 ), which are connected to the corresponding LED ( 23 ) formed flat, wherein occurring false light of the LED ( 23 ) is reducible.

Measuring device according to one of claims 2 to 8, characterized in that the LEDs ( 23 ) for optimal coupling of the light into the measuring fiber ( 1 ) in particular by means of directional kitten on the photoconductive disc ( 7 ) are applied.

Measuring device according to one of claims 2 to 9, characterized in that on the edge of the light-guiding disc ( 7 ) in particular two grids ( 9 . 10 ) are arranged and are formed so that the light is diffracted only in one direction, wherein the diffracted light over in the photoconductive disc ( 7 ) integrated bevels ( 11 . 12 ) on detector surfaces ( 13 . 14 ) of the silicon wafer ( 15 ) is totally reflectable.

Measuring device according to one of claims 2 to 10, characterized in that the grids ( 9 . 10 ) formed in particular as a metal grid and cut into strips on the light-conducting disc ( 7 ) are provided by means of application technology, preferably cohesively, applied and adjustable.

Measuring device according to one of claims 2 to 10, characterized in that when a grid is arranged on the edge of the light-guiding disc ( 7 ) the grid is designed, in particular, as a sine grid or a sinusoidal grid with a groove depth optimized for the intended wavelength range.

Measuring device according to one of claims 2 to 12, characterized in that on the detector surfaces ( 13 . 14 ) of the silicon wafer ( 15 ) detector structures ( 16 . 17 ) on a curved line, preferably on a circular edge section ( 18 ), wherein the detector structures ( 16 . 17 ) a plurality of individual detectors ( 19 ) exhibit.

Measuring device according to one of claims 2 to 13, characterized in that the individual detectors ( 19 ) both together and individually by means of on the silicon wafer ( 7 ) integrated evaluation unit ( 20 ) are provided evaluable, wherein the evaluation unit ( 20 ) is designed as a programmable, integrated and evaluable circuit.

Measuring device according to one of claims 2 to 14, characterized in that the light-conducting disc ( 7 ) cohesively, in particular with an electrically non-conductive, biocompatible adhesive on the silicon wafer ( 15 ) is attached.

Measuring device according to one of claims 2 to 15, characterized in that the light-guiding disc ( 7 ) has a particular parabolic refractive index gradient, wherein the gratings ( 9 . 10 ) are provided locally and in parallel irradiated.

Measuring device according to one of claims 2 to 16, characterized in that for energy supply of the measuring device in particular as a double-layer capacitor ( 21 ) designed component is provided, wherein the provided with particular gold contacts double-layer capacitor ( 21 ) by means of a silicon wafer ( 15 ) applied secondary coil ( 22 ) is rechargeable.

Measuring device according to one of claims 2 to 17, characterized in that to compensate for the measurement differences between the different fibers of the measuring fiber ( 1 ) the calibration data in the memory area of the evaluation unit ( 20 ) are also inscribed in the implanted state.

Measuring device according to one of the claims 2 to 18, characterized in that the microspectrometer in particular implanted in the wrist joint of a human.