DE19734618A1 - Analyser for in-vivo determination of analytes in body of patient - Google Patents

Analyser for in-vivo determination of analytes in body of patient

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DE19734618A1
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Gerhard Werner
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Abstract

The analyser includes a cannula (18) which is inserted into the skin. An optical fibre (22) couples light into the cannula, which is perforated (19) in a section that is inserted in the skin, so that interstitial liquid penetrates through the cannula wall to a measuring point on the optical fibre to produce a measurable optical change.

Description

Die Erfindung betrifft eine Analysevorrichtung zur Be­ stimmung eines Analyten im Körper eines (menschlichen, u. U. auch tierischen) Patienten mit einer Meßsonde, die eine in die Haut einstechbare Kanüle aufweist.The invention relates to an analysis device for loading mood of an analyte in the body of a (human, u. U. also animal) patients with a measuring probe, the has a cannula that can be inserted into the skin.

Die Konzentration der Komponenten von Körperflüssigkeiten (Analyten) wird für medizinische Zwecke praktisch aus­ schließlich mittels Reagenzien bestimmt. Dabei wird eine Probe der Körperflüssigkeit (insbesondere Blut) entnommen und im Labor in vitro analysiert. Obwohl diese Verfahren ständig verbessert wurden und mittlerweile für wichtige Analyten, wie insbesondere die Blutglucose, kleine hand­ liche Analysesysteme zur Verfügung stehen, ist nachtei­ lig, daß für jede einzelne Untersuchung eine Blutentnahme erforderlich und keine kontinuierliche Messung möglich ist.The concentration of components of body fluids (Analyte) is practically made for medical purposes finally determined using reagents. Doing so A sample of the body fluid (especially blood) is taken and analyzed in vitro in the laboratory. Although this procedure have been constantly improved and now for important ones Analytes, such as blood glucose in particular, small hand available analysis systems is disadvantageous lig that a blood sample for each individual examination required and no continuous measurement possible is.

Es gibt deshalb bereits seit langem Bemühungen, reagenzi­ enfreie Analyseverfahren zu entwickeln, die überwiegend auf den Prinzipien der Spektroskopie basieren. Konventio­ nelle Absorptionspektroskopie ist an Blut allerdings in weiten Teilen des Spektrums nicht möglich, weil es sehr stark absorbierende Substanzen enthält (insbesondere Hämoglobin), die die charakteristischen Spektralbanden der gesuchten Analyten überlagern. Selbst wenn man das Hämoglobin durch Zentrifugation entfernt, bleiben sehr starke störende optische Absorptionen in den besonders interessanten Bereichen des Infrarot-Spektrums.Therefore, there has been a long effort, reagenzi to develop free analysis methods that predominantly  based on the principles of spectroscopy. Conventio Absorption spectroscopy on blood is in large part of the spectrum not possible because it is very contains strongly absorbent substances (in particular Hemoglobin), which are the characteristic spectral bands overlay of the analytes sought. Even if you do that Hemoglobin removed by centrifugation remain very strong disruptive optical absorption in the particularly interesting areas of the infrared spectrum.

Zur Untersuchung wässriger biologischer Flüssigkeiten, insbesondere Blut, wurden deshalb die Möglichkeiten der ATR(Attenuated Total Reflection)-Spektroskopie unter­ sucht. Verwiesen sei insbesondere auf folgenden Publika­ tionen:
1) Y. Mendelson: "Blood Glucose Measurement by Multiple Attenuated Total Reflection and Infrared Absorption Spectroscopy", IEEE Transactions on Biomedical Engi­ neering, 1990, 458-465;
2) H.M. Heise et al.: "Multicomponent Assay for Blood Substrates in Humas Plasma by Mid-Infrared Spectros­ copy and its Evaluation for Clinical Analysis", Applied Spectroscopy, 1994, 85-95;
3) R. Simhi et al.: "Multicomponent Analysis of Human Blood using Fiberoptic Evanescent Wave Spectroscopy", SPIE Proc. Vol. 2331: Medical Sensors II and Fiber Optic Sensors, 09/06-09/10/94, Lille, France, A.V. Scheggi et al. (Eds.), ISBN 0-8194-1664-9, published 1995, pp. 166-172.
To investigate aqueous biological fluids, especially blood, the possibilities of ATR (Attenuated Total Reflection) spectroscopy were therefore examined. Please refer in particular to the following publications:
1) Y. Mendelson: "Blood Glucose Measurement by Multiple Attenuated Total Reflection and Infrared Absorption Spectroscopy", IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 1990, 458-465;
2) HM Heise et al .: "Multicomponent Assay for Blood Substrates in Humas Plasma by Mid-Infrared Spectros copy and its Evaluation for Clinical Analysis", Applied Spectroscopy, 1994, 85-95;
3) R. Simhi et al .: "Multicomponent Analysis of Human Blood Using Fiberoptic Evanescent Wave Spectroscopy", SPIE Proc. Vol. 2331: Medical Sensors II and Fiber Optic Sensors, 09 / 06-09 / 10/94, Lille, France, AV Scheggi et al. (Eds.), ISBN 0-8194-1664-9, published 1995, pp. 166-172.

Diese Literaturstellen zeigen, daß es mit der ATR-Spek­ troskopie grundsätzlich möglich ist, wichtige Analyten im Blut, insbesondere Glucose, reagenzienfrei spektrosko­ pisch zu bestimmen. Die ATR-Spektroskopie basiert darauf, daß Licht in einem Lichtleiter transportiert wird, dessen äußere Oberfläche in Kontakt mit der Probe steht. Die Brechungsindices im Lichtleiter und in der Probe und die Reflexionswinkel des Lichtes an der Grenzfläche müssen dabei so gewählt sein, daß Totalreflexion des Lichtes stattfindet. Bei der Totalreflexion dringt eine evanes­ zente Welle in das benachbarte Medium (die Probe) ein. Eine dabei auftretende Absorption führt zu einer Schwächung der Intensität des in dem Lichtleiter trans­ portierten Lichtes. Diese Lichtschwächung kann wellenlän­ genabhängig ausgewertet werden, um aus dem Spektrum In­ formationen über die Gegenwart des Analyten in der Probe zu gewinnen. Nähere Einzelheiten können der einschlägigen Literatur, insbesondere den obigen Zitaten 1) bis 3) ent­ nommen werden.These references show that the ATR spec troscopy is possible in principle, important analytes in the  Blood, especially glucose, without reagents, spectroscopic to be determined. ATR spectroscopy is based on that light is transported in a light guide whose outer surface is in contact with the sample. The Refractive indices in the light guide and in the sample and the Reflection angle of the light at the interface must be chosen so that total reflection of the light takes place. With total reflection an evanes penetrates center wave into the neighboring medium (the sample). An absorption that occurs leads to a Attenuation of the intensity of the trans in the light guide ported light. This weakening of light can be as long as a wave gene-dependent to be evaluated from the spectrum In information about the presence of the analyte in the sample to win. Further details can be found in the relevant Literature, especially the above citations 1) to 3) ent be taken.

Routinemäßig werden für ATR-Messungen spezielle ATR-Meß­ zellen eingesetzt, bei denen der Lichtleiter eine prisma­ tische Form hat. Als Alternative wurden vielfach bereits faserförmige Lichtleiter vorgeschlagen. Ein Beispiel, das sich auf die medizinische Analytik von Blutbestandteilen bezieht, ist das Zitat 3).Special ATR measurements are routinely used for ATR measurements cells are used in which the light guide has a prism table shape. As an alternative, many have already been fibrous light guide proposed. An example that medical analysis of blood components is the quote 3).

In der Literaturstelle
4) US-Patentschrift 5,436,454
ist eine Vorrichtung beschrieben, mit der die ATR-Spek­ troskopie in vivo im Blut eines Patienten möglich sein soll. Zu diesem Zweck wird eine dünne Kanüle ähnlich ei­ ner Spritzennadel verwendet, die für in vivo-Messungen durch die Haut des Patienten in ein Blutgefäß eingeführt werden kann. In der Kanüle verläuft eine dünne Lichtleit­ faser bis an deren Spitze, wird dort in einer engen Schleife in die Gegenrichtung zurückgebogen und läuft in der Kanüle zurück. Durch einen in der Kanüle verlaufenden Lichtleiterschenkel wird Meßlicht zu der Schleife trans­ portiert. Durch den zweiten Schenkel wird es zu einem De­ tektor zurückgeleitet. Die Kanüle hat einen Durchmesser von etwa 3 mm und eine Innenbohrung von etwa 2 mm zur Aufnahme von Lichtleitfasern mit etwa 0,7 mm bis 1 mm Durchmesser. In der Druckschrift wird erläutert, daß in dem Bereich der Schleife sehr viel mehr Reflexionen des in dem Lichtleiter transportierten Lichts stattfinden, als in dessen geraden Abschnitten. Dadurch wird im Be­ reich der Schleife eine wesentlich erhöhte Empfindlich­ keit erreicht. An der Spitze der Kanüle, aus der die Schleife im Meßzustand geringfügig herausragt, wird durch eine Abdichtung das Eindringen der Probe in die Kanüle verhindert. Dadurch wird die Messung ausschließlich auf den Bereich der Schleife konzentriert. Die Messungen sol­ len im Spektralbereich zwischen etwa 7.000 und 700 Wel­ lenzahlen (entsprechend 1,5 bis 15 µm) durchgeführt wer­ den. Als Material für die Lichtleitfasern wird Chalcoge­ nid-Glas vorgeschlagen.
In the literature
4) U.S. Patent 5,436,454
describes a device with which ATR spectroscopy should be possible in vivo in the blood of a patient. For this purpose, a thin cannula similar to a syringe needle is used, which can be inserted into a blood vessel through the patient's skin for in vivo measurements. A thin optical fiber runs in the cannula to the tip, is bent back in a tight loop in the opposite direction and runs back in the cannula. Measuring light is transported to the loop by a light guide leg running in the cannula. Through the second leg, it is returned to a detector. The cannula has a diameter of approximately 3 mm and an inner bore of approximately 2 mm for receiving optical fibers with a diameter of approximately 0.7 mm to 1 mm. The publication explains that in the area of the loop there are many more reflections of the light transported in the light guide than in its straight sections. As a result, a significantly increased sensitivity is achieved in the area of the loop. At the tip of the cannula, from which the loop slightly protrudes in the measurement state, a seal prevents the sample from penetrating into the cannula. As a result, the measurement is concentrated exclusively on the area of the loop. The measurements should be carried out in the spectral range between approximately 7,000 and 700 wave numbers (corresponding to 1.5 to 15 µm). Chalcogenide glass is proposed as the material for the optical fibers.

Ein weiteres Beispiel für eine Publikation, die sich mit der ATR-Spektroskopie zur in vivo-Analyse von Körperbe­ standteilen, insbesondere Glucose, befaßt, ist
5) WO 91/18548.
Another example of a publication dealing with ATR spectroscopy for the in vivo analysis of parts of the body, in particular glucose, is concerned
5) WO 91/18548.

Ein anderes Meßprinzip, nämlich die Messung des Bre­ chungsindex wird zur Messung von Glucose in Blut empfoh­ len in
6) WO 90/01697.
Another measuring principle, namely the measurement of the refractive index is recommended for measuring glucose in blood
6) WO 90/01697.

Auf Basis dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbessere Analysevorrichtung zur Bestimmung eines Analyten in vivo im Körper eines Pa­ tienten zur Verfügung zu stellen.The invention is based on this prior art the task of an improved analysis device for the determination of an analyte in vivo in the body of a Pa to make available to clients.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Analysevorrichtung, umfassend eine Meßsonde mit einer in die Haut einstechba­ ren Kanüle und eine in der Kanüle verlaufenden Lichtleit­ faser, durch die von einer Lichtquelle ausgehendes, in die Lichtleitfaser eingekoppeltes Licht in die Kanüle und somit in das Körperinnere geleitet wird, wobei das in der Lichtleitfaser transportierte Licht in der Meßsonde eine für die Gegenwart des Analyten charakteristische Verände­ rung erfährt und eine Meß- und Auswerteeinheit, um die Veränderung zu messen und aus der Veränderung eine Infor­ mation über die Gegenwart des Analyten in dem Körper zu gewinnen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ka­ nüle mindestens auf einem als Meßabschnitt dienenden Tei­ labschnitt ihrer in die Haut einstechbaren Länge per­ foriert ist, so daß interstitielle Flüssigkeit durch die Kanülenwand zu einem in der Kanüle verlaufenden Meßab­ schnitt der Lichtleitfaser gelangt und die für die Gegen­ wart des Analyten charakteristische Veränderung des Lichtes aus einer Wechselwirkung mit der interstitiellen Flüssigkeit in dem Meßabschnitt resultiert.The problem is solved by an analysis device, comprising a measuring probe with an insertable into the skin ren cannula and a light guide running in the cannula fiber through which a light source emanates the optical fiber coupled light into the cannula and thus is directed into the inside of the body, the in the Optical fiber transported light in the probe changes characteristic of the presence of the analyte experience and a measuring and evaluation unit to the Measure change and information from the change tion about the presence of the analyte in the body win, which is characterized in that the Ka at least on a part serving as a measuring section cut of their length that can be inserted into the skin per is perforated, so that interstitial fluid through the Cannula wall to a measuring section running in the cannula cut the optical fiber and that for the counter characteristic change of the analyte Light from an interaction with the interstitial Liquid results in the measuring section.

Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß es im Ge­ gensatz zu der in der Publikation 4) gegebenen Empfehlung vorteilhaft ist, wenn die Messung nicht auf eine Schleife an der Spitze der Kanüle konzentriert wird, sondern ein längerer Meßabschnitt von vorzugsweise zwischen 3 mm und 10 mm Länge innerhalb einer über die Länge dieses Meßab­ schnittes perforierten Kanüle zur Verfügung steht. Das Meßmedium ist dabei nicht das Blut in einer Ader, sondern die interstitielle Flüssigkeit im Hautgewebe, vorzugs­ weise im subcutanen Hautgewebe. Dabei wird eine verbes­ serte Genauigkeit und Empfindlichkeit erreicht, unter an­ derem weil im Rahmen der Erfindung festgestellt wurde, daß bei einer eng lokalisierten Messung ein hohes Risiko von Meßfehlern durch lokale Störungen sowohl hinsichtlich der Meßsonde, als auch hinsichtlich des umgebenden Haut­ gewebes besteht.In the context of the invention it was found that it is in Ge Contrary to the recommendation given in publication 4) is advantageous if the measurement is not on a loop is concentrated at the tip of the cannula, but a longer measuring section of preferably between 3 mm and 10 mm in length within the length of this meas cut perforated cannula is available. The The measuring medium is not the blood in one vein, but rather  the interstitial fluid in the skin tissue, preferably wise in subcutaneous skin tissue. In doing so, a verbes achieved accuracy and sensitivity, among others whose because it was found in the context of the invention, that with a closely localized measurement a high risk of measurement errors due to local disturbances both with regard to the measuring probe, as well as with regard to the surrounding skin fabric exists.

Die Ziele der Erfindung, vor allem eine gute Meßgenauig­ keit und Verträglichkeit für den Patienten bei einer kon­ tinuierlichen Messung über einen längeren Zeitraum (mindestens jeweils einen Tag, vorzugsweise mindestens drei Tage), können noch besser erreicht werden, wenn die nachfolgenden, bevorzugten Maßnahmen einzeln oder in Kom­ bination miteinander angewendet werden.The objectives of the invention, especially a good measurement tity and tolerance for the patient with a con continuous measurement over a longer period of time (at least one day each, preferably at least three days) can be achieved even better if the subsequent, preferred measures individually or in com combination can be used together.

Das Meßverfahren basiert vorzugsweise auf der ATR- Spek­ troskopie. Die für die Gegenwart des Analyten charakteri­ stische Veränderung des in der Lichtleitfaser transpor­ tierten Lichts ist dabei dessen wellenabhängige Schwächung in dem Meßabschnitt. Hinsichtlich der dabei üblichen Meß- und Auswerteverfahren kann in vollem Umfang auf die einschlägige Literatur, insbesondere auf die oben zitierten Publikationen verwiesen werden.The measuring method is preferably based on the ATR spec microscopy. The characteristics of the presence of the analyte static change in the transport in the optical fiber light is its wave-dependent Weakening in the measuring section. Regarding the usual measurement and evaluation methods can be used in full on the relevant literature, in particular on the above publications cited.

Die Wellenlänge des Meßlichts liegt bevorzugt im Bereich des mittleren Infrarot (MIR), insbesondere zwischen etwa 7 µm und 13 µm. Dieser Wellenlängenbereich ist insbeson­ dere für die Analyse von Glucose als Analyt geeignet.The wavelength of the measuring light is preferably in the range mid-infrared (MIR), especially between about 7 µm and 13 µm. This wavelength range is in particular suitable for the analysis of glucose as analyte.

Das Material der Lichtleitfaser soll in dem Spektralbe­ reich des Meßlichtes möglichst transparent sein. Für die Zwecke der Erfindung ist insbesondere eine Silberhaloge­ nid-Verbindung, insbesondere AgCl, AgBr oder Gemische davon, geeignet. Besonders bevorzugt sind Gemische mit einem überwiegenden Anteil an AgBr. Diese Materialien ha­ ben in dem angesprochenen Spektralbereich eine sehr ge­ ringe Absorption und können in Form von sehr dünnen ela­ stischen Fasern hergestellt werden. Ein potentielles Pro­ blem bei der Verwendung im Kontakt mit Körperflüssigkei­ ten besteht darin, daß diese stets erhebliche Konzentra­ tionen an Ionen enthalten und deshalb auf Silberhaloge­ nid-Verbindungen korrosiv wirken. Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch festgestellt, daß Silberhalogenid-Fasern selbst ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen in unmittelbarem Kontakt zu der interstitiellen Flüssigkeit für einen Zeitraum von mehreren Tagen ohne ein ihre Funktion ge­ fährdendes Maß an Korrosion eingesetzt werden können.The material of the optical fiber is said to be in the spectral spectrum range of the measuring light should be as transparent as possible. For the The purpose of the invention is in particular a silver halogen nid compound, especially AgCl, AgBr or mixtures  of which, suitable. Mixtures with are particularly preferred a predominant share in AgBr. These materials ha ben in the spectral range mentioned a very rings absorption and can be in the form of very thin ela tical fibers are produced. A potential pro problem when used in contact with body fluids ten is that this is always a significant concentration ions contain ions and therefore on silver halogens nid connections have a corrosive effect. Within the scope of the invention however, it was found that silver halide fibers even without additional protective measures in immediate Contact with the interstitial fluid for one Period of several days without a function hazardous degree of corrosion can be used.

Die Verwendung von Silberhalogenid-Fasern für nicht-medi­ zinischen Analysen ist beispielsweise aus folgenden Lite­ raturstellen bekannt:
7) R. Göbel et al.: "Enhancing the Sensitivity of Chemi­ cal Sensors for Chlorinated Hydrocarbons in Water by the Use of Tapered Silver Halide Fibers and Tunable Diode Lasers", Applied Spectroscopy, 1995, 1174 bis 1177;
8) J.F. Kastner et al.: "Optimizing the optics for Evanescent Wave Analysis With Laser Diodes (EWALD) for monitoring chlorinated hydrocarbons in water", SPIE Vol. 2783 (1996), 294 bis 306;
9) DE 40 38 354 C2.
The use of silver halide fibers for non-medical analyzes is known, for example, from the following literature locations:
7) R. Göbel et al .: "Enhancing the Sensitivity of Chemical Sensors for Chlorinated Hydrocarbons in Water by the Use of Tapered Silver Halide Fibers and Tunable Diode Lasers", Applied Spectroscopy, 1995, 1174 to 1177;
8) JF Kastner et al .: "Optimizing the optics for Evanescent Wave Analysis With Laser Diodes (EWALD) for monitoring chlorinated hydrocarbons in water", SPIE Vol. 2783 (1996), 294 to 306;
9) DE 40 38 354 C2.

Als weiteres, wenn auch weniger bevorzugtes, Material für die Lichtleitfaser kommt Chalcogenid-Glas in Betracht. Another, albeit less preferred, material for the optical fiber comes into chalcogenide glass.  

Nach neuesten Erkenntnissen läßt sich auch Diamant in Form einer geeigneten Faser herstellen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung genügt ein relativ kurzes, sehr dünnes Stück des Lichtleitfaser-Materials. Im Falle von Diamant hat die Faser bevorzugt aus Herstel­ lungsgründen einen quadratischen oder rechteckigen Quer­ schnitt. Nähere Einzelheiten sind der gleichzeitig einge­ reichten deutschen Patentanmeldung "Vorrichtungen zum Un­ tersuchen einer Probensubstanz mittels abgeschwächter To­ talreflexion" der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., München, Anwaltszeichen: IPM-P119, zu entnehmen.According to the latest knowledge, diamond can also be found in Form a suitable fiber. For the purposes a relatively short, very thin piece of optical fiber material. In the event of von Diamant prefers the fiber from Herstel a square or rectangular cross cut. More details are on at the same time handed German patent application "devices to Un testing a sample substance using attenuated To Talreflexion "by the Fraunhofer Society for Promotion of applied research e.V., Munich, attorney's mark: IPM-P119.

Im Rahmen der Erfindung muß die Lichtleitfaser allgemein keinen runden Querschnitt haben. Der Begriff "Faser" ist in dem Sinn zu verstehen, daß es sich um ein Stück Licht­ leitendes Material mit einer Länge handelt, die der zum Einstechen in die Haut erforderlichen Länge der Kanüle (mindestens etwa 3 mm) entspricht und dessen Querschnitt im Verhältnis zu der Länge sehr klein ist. Bevorzugt sollte die Kanüle einen Außendurchmesser von maximal 0,8 mm, besonders bevorzugt höchstens 0,3 mm haben. Bei einer Wandstärke von 0,05 mm resultiert hieraus ein In­ nenquerschnitt mit einem Durchmesser von 0,7 mm bezie­ hungsweise 0,2 mm. Der Faserquerschnitt muß so sein, daß er in dieses kleine Lumen der Kanüle paßt, wobei im Fall einer nicht runden Faser auch die Kanüle vorzugsweise eine entsprechende nicht-runde Querschnittsgestaltung hat.In the context of the invention, the optical fiber in general do not have a round cross-section. The term "fiber" is in the sense of understanding that it is a piece of light conductive material with a length that is to the Pricking the length of the cannula required in the skin (at least about 3 mm) and its cross section is very small in relation to the length. Prefers the cannula should have a maximum outside diameter 0.8 mm, particularly preferably at most 0.3 mm. At A wall thickness of 0.05 mm results in an In cross section with a diameter of 0.7 mm approximately 0.2 mm. The fiber cross section must be such that it fits into this small lumen of the cannula, although in the case the cannula is preferably a non-round fiber a corresponding non-round cross-sectional design Has.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen, die anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher er­ läutert werden, sehen folgende Merkmale vor:
Further preferred embodiments, which are explained in more detail using the exemplary embodiments shown in the figures, provide the following features:

  • - Der Querschnitt der Lichtleitfaser im Meßabschnitt ist nicht durchgängig gleich, sondern variiert. Es findet also ein- oder mehrfach ein Übergang von einem größeren Lichtleitfaser-Querschnitt zu einem kleine­ ren Lichtleitfaser-Querschnitt statt. Durch diese in anderem Zusammenhang in den vorstehend genannten Pu­ blikationen bereits beschriebene Maßnahme wird die Zahl der Reflexionen in der Lichtleitfaser und infol­ gedessen die Empfindlichkeit der Messung erhöht.- The cross section of the optical fiber in the measuring section is not the same throughout, but varies. It so one or more times finds a transition from one larger fiber cross section to a small one ren optical cross-section instead. Through this in other connection in the above Pu The measure already described will be applied Number of reflections in the optical fiber and infol the sensitivity of the measurement increased.
  • - Die Lichtleitfaser ist von einer semipermeablen Mem­ bran derartig umhüllt, daß die interstitielle Flüs­ sigkeit in dem Meßabschnitt nur durch die Membran an die Oberfläche der Lichtleitfaser gelangen kann. Die semipermeable Membran hat dabei eine Ausschlußgrenze für große Moleküle mit einer Molekülgröße von mehr als 5.000 Da, bevorzugt für Moleküle mit einer Mole­ külgröße von mehr als 1.000 Da. Durch diese Maßnahme wird bei gegebenem meßtechnischem Aufwand die Genau­ igkeit erhöht bzw. es ist möglich, eine gewünschte Meßgenauigkeit mit reduziertem Aufwand zu erreichen, weil Störeinflüsse der größeren Moleküle (vor allem Proteine) vermieden werden. Beispielsweise ist es möglich, die Anzahl der für die Auswertung notwendi­ gen Wellenlängen zu reduzieren. Darüber hinaus redu­ ziert die semipermeable Membran die Abstoßungsreak­ tion des Körpers gegen die in die Haut eingestochene Sonde. Hieraus resultiert eine Verlängerung der er­ reichbaren Aufenthaltsdauer im Körper. Als Material der Membran kommen insbesondere Polysulfon-Polyamid, Polyethylen, Polycarbonat und Cellulose in Betracht.- The optical fiber is of a semi-permeable membrane bran so enveloped that the interstitial rivers liquid in the measuring section only through the membrane the surface of the optical fiber can get. The semipermeable membrane has an exclusion limit for large molecules with a molecular size of more than 5,000 Da, preferred for molecules with one mole cooling size of more than 1,000 Da. By this measure with the given metrological effort, the accuracy ity increased or it is possible to choose a desired one To achieve measuring accuracy with reduced effort, because the larger molecules (especially Proteins) can be avoided. For example it is possible, the number of necessary for the evaluation to reduce wavelengths. In addition redu the semipermeable membrane adorns the rejection craze tion of the body against the pierced skin Probe. This results in an extension of the attainable length of stay in the body. As a material the membrane comes in particular polysulfone polyamide, Polyethylene, polycarbonate and cellulose.
  • - Die Lichtleitfaser ist in dem Meßbereich mit einer Beschichtung versehen, die mehrere Aufgaben erfüllen kann. Zum einen kann sie als Schutz gegen Korrosion der Faser dienen. Zum zweiten kann sie einen Ab­ standshalter bilden, um einen unmittelbaren Kontakt zwischen der Lichtleitfaser und einer sie umhüllenden semipermeablen Membran zu verhindern. Drittens kann ein Material für die Beschichtung gewählt werden, welches zu einer Anreicherung des Analyten an der Oberfläche der Lichtleitfaser führt.- The optical fiber is in the measuring range with a Provide coating that perform multiple tasks can. For one, it can protect against corrosion  serve the fiber. Second, she can make an Ab Stand up to direct contact between the optical fiber and one enveloping it to prevent semi-permeable membrane. Third, can a material for the coating can be selected, which leads to an enrichment of the analyte on the Surface of the optical fiber leads.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen weiter erläutert; es zeigen:The invention is described below with reference to the figures schematically illustrated embodiments explained; show it:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Analysevorrichtung in perspektivischer Darstellung, Fig. 1 is an analysis apparatus according to the invention in perspective view;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Elektro­ nikeinheit der Vorrichtung von Fig. 1, Fig. 2 is a perspective view of the electric nikeinheit of the apparatus of Fig. 1,

Fig. 3 eine Querschnittdarstellung des Sondenkopfes der Vorrichtung von Fig. 1, Fig. 3 is a cross-sectional view of the probe head of the apparatus of Fig. 1,

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung der Einstrahlungs- und Detektionsmittel bei einer ersten Ausführungs­ form der Erfindung, Fig. 4 is a schematic representation of the irradiation and detection means at a first execution of the invention,

Fig. 5 eine alternative Ausführungsform der einstech­ baren Meßsonde, Fig. 5 shows an alternative embodiment of the infeed cash measuring probe,

Fig. 6 eine weitere alternative Ausführungsform der einstechbaren Meßsonde, Fig. 6 shows a further alternative embodiment of the pierceable probe,

Fig. 7 eine Prinzipdarstellung von für die Meßsonde nach Fig. 6 geeigneten Lichteinstrahlungs- und Detektionsmitteln. Fig. 7 is a schematic diagram of appropriate for the probe of FIG. 6 light irradiation and detection means.

Die in Fig. 1 dargestellte Analysevorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einem Sondenkopf 2 mit einer in die Haut einstechbaren Meßsonde (Einstechsonde) 3 und einer Meß- und Auswerteeinheit 4. Die Meß- und Auswerteeinheit 4 hat im dargestellten bevorzugten Fall zwei räumlich getrennte Teile, nämlich eine gemeinsam mit dem Sonden­ kopf 2 am Körper des Patienten tragbare Elektronikeinheit 5, die vorzugsweise nur diejenigen elektronischen Elemente enthält, die erforderlich sind, um das Meßlicht in die Sonde 3 einzuspeisen und an dem aus der Sonde 3 zurückkommenden Meßlicht eine für die Konzentration des Analyten charakteristische Veränderung zu messen. Die dabei resultierenden Meßsignale werden in der Elektronik­ einheit 5 gespeichert und zur Auswertung - vorzugsweise drahtlos - an eine zentrale Auswerteelektronik 6 über­ tragen, die der zweite Bestandteil der Meß- und Auswerte­ einheit 4 ist und elektronische Mittel zum Empfangen der Meßsignale und zur Weiterverarbeitung in der jeweils benötigten Art und Weise aufweist.The analyzing apparatus 1 shown in Fig. 1 consists essentially of a probe head 2 having a puncturable in the skin measuring probe (insertion probe) 3, and a measuring and evaluation unit 4. The measuring and evaluation unit 4 has two spatially separate parts in the preferred case shown, namely a joint with the probe head 2 on the patient's body portable electronic unit 5 , which preferably contains only those electronic elements that are necessary to the measuring light in the probe 3 and to measure a change characteristic of the concentration of the analyte on the measuring light returning from the probe 3 . The resulting measurement signals are stored in the electronics unit 5 and transmitted for evaluation - preferably wireless - to a central evaluation electronics 6 , which is the second component of the measurement and evaluation unit 4 and electronic means for receiving the measurement signals and for further processing in the each required manner.

Einzelheiten der Funktion der Meß- und Auswerteeinheit und der Verteilung dieser Funktion auf die beiden darge­ stellten Komponenten 5 und 6 hängen von dem jeweiligen Einzelfall ab. Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, daß die Elektronikeinheit 5 ein ausreichendes Maß an In­ telligenz enthält, um Konzentrationswerte des zu bestim­ menden Analyten zu ermitteln und mittels eines Display anzuzeigen. Die Auswerteelektronik 6 erfüllt langfristi­ gere Aufgaben, insbesondere die längerfristige Speiche­ rung der Meßdaten, die Darstellung von Kurven etc. Wenn die Analysevorrichtung zur Bestimmung der Blutglucose bei Diabetikern ausgebildet ist, kann es beispielsweise zweckmäßig sein, die Blutglucosewerte laufend an der Elektronikeinheit anzuzeigen und beim Unter- bzw. Über­ schreiten bestimmter Grenzwerte ein Alarmsignal auszulö­ sen. Die Auswerteelektronik dient dann dazu, Daten für die Verwendung durch den Arzt zu speichern und möglicher­ weise Insulindosierungen für die Therapie des Patienten zu berechnen. Details of the function of the measuring and evaluation unit and the distribution of this function to the two components 5 and 6 shown Darge depend on the individual case. For example, it may be expedient that the electronics unit 5 contains a sufficient degree of intelligence to determine the concentration values of the analyte to be determined and to display them on a display. The evaluation electronics 6 performs long-term tasks, in particular the long-term storage of the measurement data, the display of curves, etc. If the analysis device is designed to determine the blood glucose in diabetics, it may be expedient, for example, to display the blood glucose values continuously on the electronics unit and at the bottom - or to trigger an alarm signal if certain limit values are exceeded. The evaluation electronics then serve to store data for use by the doctor and to possibly calculate insulin doses for the therapy of the patient.

Nähere Einzelheiten der Elektronikeinheit 5 und der Meß­ sonde 2 sind in den Fig. 2 und 3 zu erkennen. In der Elektronikeinheit 5, die in Fig. 2 mit abgenommenem Deckel dargestellt ist, befindet sich mindestens eine Lichtquelle 8 zur Erzeugung des Meßlichts. Im dargestell­ ten Fall sind fünf Halbleiterlichtquellen 9 (Leuchtdioden oder Laserdioden) vorgesehen, deren Licht durch eine Strahl-Zusammenfassungseinheit (beam combiner) zusammen­ gefaßt wird. Der resultierende Lichtstrahl wird in ein faseroptisches Kabel 11 eingespeist, durch das die Elek­ tronikeinheit 5 mit der Sonde 2 verbunden ist.Further details of the electronics unit 5 and the measuring probe 2 can be seen in FIGS. 2 and 3. In the electronics unit 5 , which is shown in FIG. 2 with the cover removed, there is at least one light source 8 for generating the measuring light. In the illustrative case, five semiconductor light sources 9 (light-emitting diodes or laser diodes) are provided, the light of which is combined by a beam combining unit (beam combiner). The resulting light beam is fed into a fiber optic cable 11 through which the electronics unit 5 is connected to the probe 2 .

In dem Sondenkopf 2 ist die Einstechsonde 3 mit Hilfe von zwei Haltescheiben 14 und 15 gelagert (Fig. 3). Die obere Haltescheibe 15 dient zugleich als Zugentlastung und Füh­ rung für das faseroptische Kabel 11. Zur Befestigung an der Haut ist eine Hautkontaktscheibe 16 vorgesehen, die beispielsweise eine klebende Unterschicht 17 haben kann, um die Sonde 3 an der Hautoberfläche zu befestigen.In the probe head 2, the penetration probe 3 by means of two supporting discs 14 and 15 mounted (Fig. 3). The upper holding disc 15 also serves as strain relief and guide for the fiber optic cable 11th For attachment to the skin, a skin contact disk 16 is provided, which for example can have an adhesive underlayer 17 , in order to attach the probe 3 to the skin surface.

Die Einstechsonde 3 besteht im wesentlichen aus einer mit Löchern 19 perforierten Kanüle 18, aus einem physiolo­ gisch unbedenklichen Metall (zum Beispiel Edelstahl), in der zwei Faserstrecken 20 und 21 einer Lichtleitfaser 22 parallel verlaufen sowie einem im Bereich des distalen Endes 23 der Kanüle 18 angeordneten prismatischen Reflek­ tor 24. Der Reflektor 24 ist so an die distalen Enden der Faserstrecken 20 und 21 angekoppelt, daß über eine der Fasern (einleitende Faserstrecke 20) eingekoppeltes Licht in die andere Faser (ausleitende Faserstrecke 21) zurück­ reflektiert wird.The penetration probe 3 consists essentially of a cannula 18 perforated with holes 19 , made of a physiologically harmless metal (for example stainless steel) in which two fiber paths 20 and 21 of an optical fiber 22 run parallel and one in the region of the distal end 23 of the cannula 18 arranged prismatic reflector gate 24 . The reflector 24 is coupled to the distal ends of the fiber paths 20 and 21 in such a way that light coupled into one of the fibers (leading fiber path 20 ) is reflected back into the other fiber (leading fiber path 21 ).

Bei der dargestellten Ausführungsform verlaufen in dem faseroptischen Kabel 11 zwei Lichtleitfaserstrecken in­ nerhalb einer flexiblen Umhüllung 12 parallel. Das Meß­ licht wird von der Strahlzusammenfassungseinheit 10 in die erste (einleitende) Lichtleitfaserstrecke 25 des Ka­ bels 11 eingekoppelt und in die einleitende Faserstrecke 20 der Meßsonde 3 geleitet. Nach Reflexion an dem Reflek­ tor 24 wird es durch die rückleitende Faserstrecke 21 der Meßsonde 3 und eine entsprechende rückleitende Faser­ strecke 26 des faseroptischen Kabels 11 in die Elektro­ nikeinheit 5 zurückgeleitet, wo das Meßlicht von einem Detektor 27 detektiert wird.In the embodiment shown, two optical fiber paths run parallel within a flexible sheath 12 in the fiber optic cable 11 . The measuring light is coupled from the beam combining unit 10 into the first (introductory) optical fiber section 25 of the cable 11 and passed into the introductory fiber section 20 of the measuring probe 3 . After reflection at the reflector gate 24 , it is passed back through the returning fiber path 21 of the measuring probe 3 and a corresponding returning fiber path 26 of the fiber optic cable 11 into the electronic unit 5 , where the measuring light is detected by a detector 27 .

Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die einleitenden Faserstrecken 25 und 20 sowie die aus­ leitenden Faserstrecken 26 und 21 der Sonde 3 und des fa­ seroptischen Kabels 11 jeweils einstückig ausgebildet, d. h. sie bestehen jeweils aus einer durchgehenden Faser eines einheitlichen Fasermaterials. Dies ist im Hinblick auf eine leichte Herstellung und geringe Intensitätsver­ luste bevorzugt.In the preferred embodiment shown, the introductory fiber sections 25 and 20 and the conductive fiber sections 26 and 21 of the probe 3 and the fiber optic cable 11 are each formed in one piece, ie they each consist of a continuous fiber of a uniform fiber material. This is preferred in view of easy manufacture and low intensity losses.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die in der Meß­ sonde 3 verlaufenden Faserstrecken aus einem anderen Ma­ terial als die außerhalb der Meßsonde (in dem faseropti­ schen Kabel 11) verlaufenden Faserstrecken herzustellen und das Licht im Bereich des proximalen Endes 28 der Ka­ nüle 18 in die jeweils anschließende Faserstrecke einzu­ koppeln. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn tech­ nologische Schwierigkeiten bestehen, ein ausreichend lan­ ges Stück aus dem Fasermaterial herzustellen, das für die in der Sonde verlaufenden Strecken 20, 21 der Lichtleitfa­ ser 22 verwendet wird.However, there is also the possibility of producing the fiber sections extending in the measuring probe 3 from a different material than the material extending outside the measuring probe (in the fiber optic cable 11's ) and extending the light in the area of the proximal end 28 of the cannula 18 in to couple the respective subsequent fiber section. This is particularly useful if there are technological difficulties in producing a sufficiently long piece from the fiber material that is used for the lines 20 , 21 of the light guide 22 running in the probe.

Die Perforationslöcher 19 erstrecken sich über einen Teilabschnitt der Kanüle 18. Die entsprechende Teillänge der in der Kanüle 18 verlaufenden Lichtleitfaser 22 (im dargestellten Fall beider Faserstrecken 21 und 22) wird als Meßabschnitt 30 bezeichnet. In dem Meßabschnitt 30 steht die Außenseite der Lichtleitfaser 22 in dem Hautge­ webe über die Perforationslöcher 19 mit der die Kanüle 18 umgebenden interstitiellen Flüssigkeit in Kontakt. Um einen intensiven Austausch zu ermöglichen, ist die Kanüle 18 möglichst stark perforiert. Bei einer sehr dünnen Ka­ nüle von 0,3 mm Durchmesser wird ein Lochdurchmesser von etwa 0,1 mm verwendet. Die Löcher können insbesondere durch Laserbohrverfahren erzeugt werden. Der Flächenan­ teil der Perforationslöcher an der Oberfläche der Kanüle in dem Meßabschnitt 30 sollte ausreichend groß sein. Der­ zeit wird ein Porenanteil von mindestens 20%, bevorzugt mindestens 50% angestrebt.The perforation holes 19 extend over a partial section of the cannula 18 . The corresponding partial length of the optical fiber 22 running in the cannula 18 (in the illustrated case both fiber sections 21 and 22 ) is referred to as the measuring section 30 . In the measuring section 30 , the outside of the optical fiber 22 is in the skin weave via the perforation holes 19 with the cannula 18 surrounding interstitial fluid in contact. In order to enable an intensive exchange, the cannula 18 is perforated as much as possible. For a very thin cannula with a diameter of 0.3 mm, a hole diameter of approximately 0.1 mm is used. The holes can be created in particular by laser drilling processes. The area of the perforation holes on the surface of the cannula in the measuring section 30 should be sufficiently large. A pore fraction of at least 20%, preferably at least 50%, is currently sought.

Die Kanüle 18 kann neben der Diagnose des Analyten zugleich dazu dienen, ein Arzneimittel (insbesondere In­ sulin) subkutan zu applizieren. In diesem Fall enthält das Gehäuse der Elektronikeinheit 5 eine nicht darge­ stellte Insulinpumpe und das faseroptische Kabel 11 einen nicht dargestellten Schlauch zum Transport des Arzneimit­ tels in die Kanüle 18. Das Arzneimittel strömt in der Ka­ nüle 18 an der Lichtleitfaser 22 vorbei und gelangt durch die Perforationslöcher 19 in das Gewebe. Dadurch wird der Kontakt zwischen der interstitiellen Flüssigkeit und der Oberfläche der Lichtleitfaser unterbrochen. Dies kann zur Null-Kalibration der optischen Messung vorteilhaft ge­ nutzt werden.In addition to diagnosing the analyte, the cannula 18 can also be used to apply a drug (in particular in sulin) subcutaneously. In this case, the housing of the electronics unit 5 contains an insulin pump, not shown, and the fiber optic cable 11 contains a hose, not shown, for transporting the medicament into the cannula 18 . The medicament flows in the cannula 18 past the optical fiber 22 and passes through the perforation holes 19 into the tissue. This breaks the contact between the interstitial fluid and the surface of the optical fiber. This can advantageously be used for zero calibration of the optical measurement.

Als Lichtquelle für das Meßlicht ist eine Laserlicht­ quelle bevorzugt, insbesondere weil sie eine hohe spek­ trale Leuchtdichte ermöglicht und sich gut auf die Stirn­ flächen sehr dünner Lichtleitfasern fokussieren läßt. La­ serlichtquellen sind monochromatisch und haben in der Re­ gel eine feste unveränderliche Wellenlänge. In Fig. 4 ist dargestellt, in welcher Weise bei der Erfindung eine spektroskopische Messung mit mehreren Laserlichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen möglich ist.A laser light source is preferred as the light source for the measuring light, in particular because it enables a high spectral luminance and can be focused on the end faces of very thin optical fibers. Laser light sources are monochromatic and generally have a fixed, unchangeable wavelength. FIG. 4 shows how a spectroscopic measurement with several laser light sources of different wavelengths is possible in the invention.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind für drei ver­ schiedene Wellenlängen drei Laser 31 bis 33 vorgesehen. Der Ausgang des ersten Lasers 31 ist unmittelbar in die optische Achse der Anordnung gerichtet. Das Licht der beiden anderen Laser 32 und 33 wird mittels halbdurchläs­ siger Spiegel 34 und 35 in die gleiche optische Achse ge­ lenkt. Zur Einkopplung in die einleitende Faserstrecke 25, 20 ist eine Koppeloptik 36 vorgesehen. Eine zweite Koppeloptik 37 dient dazu, das über die ausleitenden Fa­ serstrecken 21, 26 zugeführte Meßlicht auf den Detektor 27 ausgekoppelt. Die spektrale Empfindlichkeit des Detektors 27 ist hinreichend breitbandig, daß er sämtliche Wellen­ längen der Laser 31 bis 33 detektieren kann.In the illustrated embodiment, three lasers 31 to 33 are provided for three different wavelengths. The output of the first laser 31 is directed directly into the optical axis of the arrangement. The light from the other two lasers 32 and 33 is deflected by means of semitransparent mirrors 34 and 35 into the same optical axis. A coupling optic 36 is provided for coupling into the introductory fiber section 25 , 20 . A second coupling optic 37 is used to couple the measuring light supplied via the diverting fiber paths 21 , 26 to the detector 27 . The spectral sensitivity of the detector 27 is sufficiently broadband that it can detect all the wavelengths of the lasers 31 to 33 .

Selbstverständlich können zur Messung mit mehr als drei Wellenlängen entsprechend mehr Laser verwendet werden. Bevorzugt kommen zur Messung im mittleren Infrarot Quan­ tenkaskadenlaser zum Einsatz.Of course, you can measure with more than three Wavelengths corresponding to more lasers can be used. Quan is preferred for measurements in the middle infrared cascade laser for use.

Eine weitere Besonderheit der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform gegenüber Fig. 3 besteht darin, daß vor dem Eintritt der Lichtleitfaser 22 in die Kanüle 18 ein Übergang von einer dickeren in dem Kabel 11 verlaufenden Faserstrecke 25 zu einer im Querschnitt dünneren Faser­ strecke 20 in der Kanüle 18 stattfindet. Entsprechend findet auf der Austrittsseite ein Übergang von einer dün­ neren Faserstrecke 21 in der Kanüle 18 zu einer dickeren Faserstrecke 26 in dem Kabel 11 statt. In Fig. 4 ist le­ diglich aus Gründen der Anschaulichkeit dargestellt, daß die Faserstrecken 25 und 26 in entgegengesetzte Richtung verlaufen. In aller Regel wird es zweckmäßiger sein, sie durch ein einziges Kabel 11 zu führen. Another special feature of the embodiment shown in Fig. 4 compared to Fig. 3 is that before the entry of the optical fiber 22 in the cannula 18, a transition from a thicker in the cable 11 extending fiber path 25 to a thinner fiber section 20 in the Cannula 18 takes place. Correspondingly, a transition from a thinner fiber section 21 in the cannula 18 to a thicker fiber section 26 in the cable 11 takes place on the exit side. In Fig. 4 le diglich is shown for reasons of clarity that the fiber sections 25 and 26 extend in the opposite direction. As a rule, it will be more convenient to run them through a single cable 11 .

Die in Fig. 4 dargestellte Verjüngung 38 der Lichtleit­ faser 22 vor dem Eintritt in die Kanüle 18 hat den Vor­ teil, daß in dem faseroptischen Kabel eine verhältnismä­ ßig dicke Lichtleitfaser verwendet werden kann, die sich durch eine bessere mechanische Stabilität und geringere optische Verluste auszeichnet. Darüber hinaus hat es sich nicht nur wegen des geringeren Schmerzes bei einer dünnen Kanüle 18, sondern aus Gründen der Meßempfindlichkeit als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Lichtleitfaser in der Kanüle 18 einen sehr kleinen Querschnitt (entspre­ chend einem Durchmesser von weniger als 0,2 mm) hat.The taper 38 shown in Fig. 38 of the optical fiber 22 before entering the cannula 18 has the part before that a relatively thick optical fiber can be used in the fiber optic cable, which is characterized by better mechanical stability and lower optical losses . In addition, it has proven to be advantageous not only because of the lower pain in a thin cannula 18 , but also for reasons of measurement sensitivity, if the optical fiber in the cannula 18 has a very small cross-section (corresponding to a diameter of less than 0.2 mm) Has.

In der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform mit der Verjüngung 38 ist es vorteilhaft, wenn - wie bereits oben erläutert - die Faserstrecken 20, 21 getrennt von den Fa­ serstrecken 26, 26 hergestellt sind und möglicherweise aus einem anderen Material bestehen. Die Überkopplungsstellen im Bereich des proximalen Endes 28 sind in Fig. 4 mit 55 bezeichnet. Die Faserstrecken 20, 21 in der Kanüle 18 sind durch einen beidseitig verspiegelten Metallstreifen 56 getrennt. Dadurch wird optisches Übersprechen verhindert. Außerdem können die zu diesem Zweck bevorzugt im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildeten Faserstrecken 20, 21 bei der Montage des Sensors zunächst an dem Trenn­ streifen 56 befestigt und dann gemeinsam in die Kanüle eingeführt werden.In the embodiment shown in FIG. 4 with the taper 38 , it is advantageous if - as already explained above - the fiber lines 20 , 21 are made separately from the fiber lines 26 , 26 and possibly consist of a different material. The coupling points in the area of the proximal end 28 are designated 55 in FIG. 4. The fiber sections 20 , 21 in the cannula 18 are separated by a metal strip 56 mirrored on both sides. This prevents optical crosstalk. In addition, the fiber sections 20 , 21 , which are preferably semicircular in cross-section for this purpose, are first attached to the separating strip 56 when the sensor is mounted and then inserted together into the cannula.

In Fig. 5 ist eine Einstechsonde 3 dargestellt, bei der ebenso wie bei Fig. 3 in der Kanüle 18 zwei Lichtleitfa­ serstrecken 20, 21 parallel verlaufen, wobei das Licht durch eine einleitende Faserstrecke 20 in Richtung auf das distale Ende 23 der Kanüle 18 transportiert wird. Ebenso wie bei Fig. 3 findet im Bereich des distalen En­ des 23 der Kanüle 18 eine Umlenkung in die Gegenrichtung statt und das Licht wird durch die aus leitende Faser­ strecke 21 aus der Kanüle 18 ausgeleitet. Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 3 hinsichtlich der nachfol­ genden Merkmale.In Fig. 5, a penetration probe 3 is shown in which, as in Fig. 3 in the cannula 18, two Lichtleitfa serstrecken 20, run 21 in parallel, with the light through an initial length of fiber 20 toward the distal end 23 of cannula 18 is transported becomes. As with Fig. 3 of 23 of the cannula 18 is in the region of the distal En a deflection in the opposite direction, instead of the light and is discharged through the track made of conductive fiber 21 from the cannula 18. The embodiment shown in FIG. 5 differs from the embodiment according to FIG. 3 with regard to the following features.

Die Umlenkung des Lichts im Bereich des distalen Endes 23 der Kanüle 18 wird hier durch eine enge Umlenkschleife 39 einer durchgehenden Lichtleitfaser 22 erreicht. Im Gegen­ satz zu Zitat 4) wird der Bereich der Umlenkschleife 39 nicht zur Messung benutzt. Im Gegenteil wird durch eine verspiegelte Kappe 40 gewährleistet, daß das Licht mit möglichst geringen Reflexionsverlusten und ohne Auskopp­ lung umgelenkt wird.The deflection of the light in the area of the distal end 23 of the cannula 18 is achieved here by a narrow deflection loop 39 of a continuous optical fiber 22 . In contrast to quote 4), the area of the deflection loop 39 is not used for the measurement. On the contrary, a mirrored cap 40 ensures that the light is deflected with the lowest possible reflection losses and without decoupling.

Die Lichtleitfaserstrecken 20 und 21 weisen jeweils eine Verjüngungsstelle 13 auf, an der der Querschnitt der Lichtleitfaser von einem größeren Wert auf einen kleine­ ren Wert übergeht, um dadurch, wie beschrieben, die An­ zahl der Reflexionen und die Empfindlichkeit der Messung zu erhöhen. Statt der dargestellten relativ schnellen Übergänge, kann auch eine langsame Verjüngung über den gesamten Meßabschnitt 30 vorteilhaft sein. Es ist auch möglich, in jeder in dem Meßabschnitt 30 verlaufenden Lichtleitfaserstrecke mehrere Bereiche vorzusehen, in denen der Querschnitt der Lichtleitfaser variiert.The optical fiber paths 20 and 21 each have a taper point 13 at which the cross section of the optical fiber changes from a larger value to a smaller value in order to thereby, as described, increase the number of reflections and the sensitivity of the measurement. Instead of the relatively fast transitions shown, a slow taper over the entire measuring section 30 can also be advantageous. It is also possible to provide a plurality of areas in each optical fiber section running in the measuring section 30 , in which the cross section of the optical fiber varies.

Die Lichtleitfaser 22 in Fig. 5 ist mit einer Beschich­ tung 41 versehen, die einerseits die Messung nicht stören darf, andererseits eine oder mehrere der oben erwähnten Aufgaben erfüllt. In Betracht kommen insbesondere zwei Typen von Beschichtungsmaterialien.The optical fiber 22 in Fig. 5 is provided with a coating device 41 which on the one hand must not interfere with the measurement, on the other hand fulfills one or more of the above-mentioned tasks. Two types of coating materials are particularly suitable.

Die Beschichtung kann aus einer sehr dünnen (beispiels­ weise aufgedampften) Metallschicht bestehen. Das Metall (bevorzugt Edelmetall, vor allem Silber) bildet einen Schutz der Lichtleitfaser 22 gegen Korrosion. Außerdem ist es als Abstandshalter für eine die Lichtleitfaser 22 umgebende Membran 42 geeignet. Da der Austritt evaneszen­ ter Wellen schon durch eine sehr dünne metallische Be­ schichtung erheblich beeinträchtigt wird, sollte sie im Falle von ATR-Messungen unterbrochen sein, so daß auf einem erheblichen Teil der Oberfläche ein unmittelbarer Kontakt zwischen der interstitiellen Flüssigkeit und der Oberfläche der Lichtleitfaser möglich ist. In Verbindung mit einer dünnen metallischen Beschichtung ist jedoch auch ein anderer Wechselwirkungsmechanismus zwischen dem in der Lichtleitfaser 22 transportierten Licht und der interstitiellen Flüssigkeit, nämlich über Oberflächen­ plasmonen, möglich.The coating can consist of a very thin (for example evaporated) metal layer. The metal (preferably noble metal, especially silver) protects the optical fiber 22 against corrosion. It is also suitable as a spacer for a membrane 42 surrounding the optical fiber 22 . Since the exit of evanescent waves is already considerably affected by a very thin metallic coating, it should be interrupted in the case of ATR measurements, so that direct contact between the interstitial liquid and the surface of the optical fiber is possible on a considerable part of the surface is. In conjunction with a thin metallic coating, however, another interaction mechanism between the light transported in the optical fiber 22 and the interstitial liquid, namely via plasmonic surfaces, is also possible.

Alternativ kann es vorteilhaft sein, die Lichtleitfaser 22 (zumindest in dem Meßabschnitt 30) mit einer Beschich­ tung aus einem polymeren Material zu versehen. Das ver­ wendete Polymer darf in dem Spektralbereich des Meßlichts nur eine geringe Absorption haben. Auch die polymere Be­ schichtung dient dem Schutz der Faser vor Korrosion und verhindert als Abstandshalter eine unmittelbare Berührung zwischen der Membranhülle 42 und der Lichtleitfaser 22. Nach derzeitigem Kenntnisstand kommen als geeignete Poly­ mere insbesondere folgende Materialien in Betracht: Poly­ tetafluorethylen, Polyisobutylen Polycarbonat.Alternatively, it may be advantageous to provide the optical fiber 22 (at least in the measuring section 30 ) with a coating made of a polymeric material. The polymer used may only have a low absorption in the spectral range of the measuring light. The polymeric coating also serves to protect the fiber from corrosion and, as a spacer, prevents direct contact between the membrane cover 42 and the optical fiber 22 . According to the current state of knowledge, the following materials are particularly suitable as suitable poly mers: poly tetafluoroethylene, polyisobutylene polycarbonate.

Besonders bevorzugt ist eine polymere Beschichtung, die analytanreichernde Eigenschaften hat. Für nichtmedizini­ sche ATR-Meßverfahren ist dies in den Zitaten 8) und 9) beschrieben. Eine Beschichtung, die diese Eigenschaften hat, muß jeweils für den gewünschten Analyten experimen­ tell gefunden werden. A polymer coating is particularly preferred has analyte-enriching properties. For non-medical professionals ATR measurement procedure in citations 8) and 9) described. A coating that has these properties has to experiment for the desired analyte tell can be found.  

Eine weitere Besonderheit der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform besteht darin, daß eine die Lichtleitfa­ ser 22 in dem Meßabschnitt 30 umhüllende Membran 42 vor­ gesehen ist. Wie bereits erwähnt, verhindert die Membran den Zutritt hochmolekularer Substanzen an die Oberfläche der Lichtleitfaser 22, wodurch eine verbesserte Meßgenau­ igkeit mit verhältnismäßig geringem meßtechnischem Auf­ wand erreicht werden kann. Selbstverständlich muß dabei durch geeignete Abdichtungsmaßnahmen erreicht werden, daß die interstitielle Flüssigkeit nicht durch verbleibende Spalten in einem praktisch störenden Umfang an die Licht­ leitfaser 22 gelangen kann. Im dargestellten Fall ist beispielsweise die Kanüle 18 durch einen Tropfen 44 Epo­ xidharz verschlossen, der gleichzeitig die untere Abdich­ tung der Membran 42 sicherstellt.A further peculiarity of the embodiment shown in FIG. 5 is that one of the Lichtleitfa water 22 in the measuring section 30 enveloping membrane 42 is seen before. As already mentioned, the membrane prevents the access of high molecular substances to the surface of the optical fiber 22 , whereby an improved measurement accuracy can be achieved with a relatively low metrological effort. Of course, suitable sealing measures must be taken to ensure that the interstitial fluid cannot reach the optical fiber 22 to a practically disruptive extent through remaining gaps. In the illustrated case, for example, the cannula 18 is closed by a drop of 44 epoxy resin, which at the same time ensures the lower sealing device of the membrane 42 .

Geeignete Membranmaterialien, die die mechanischen, che­ mischen und Dialyseeigenschaften für die vorliegende An­ wendung haben, sind von sogenannten Mikrodialyseverfahren bekannt. Hierzu kann insbesondere verwiesen werden auf:
10) US-Patent 4,694,832 und die darin zitierten Literaturstellen.
Suitable membrane materials that have the mechanical, chemical mixing and dialysis properties for the present application are known from so-called microdialysis processes. In particular, reference can be made to:
10) U.S. Patent 4,694,832 and the references cited therein.

Besonders geeignete Membranmaterialien wurden weiter oben bereits erwähnt.Particularly suitable membrane materials have been described above already mentioned.

Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, daß die vor­ teilhafte Wirkung einer die Lichtleitfaser 22 umhüllenden Membran 42 wesentlich dadurch beeinflußt werden kann, daß die Membran die Lichtleitfaser 22 unmittelbar berührt. Der Lichttransport des Meßlichts in der Lichtleitfaser 22 kann dadurch in einer für die Meßgenauigkeit sehr ungün­ stigen Weise beeinträchtigt werden. Deswegen ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, daß die Membran von der äußeren Oberfläche der Lichtleit­ faser 22 im wesentlichen beabstandet ist. "Im wesentli­ chen beabstandet" ist dabei dahingehend zu verstehen, daß eventuell verbleibende Berührungsflächen zwischen der Membran und der äußeren Oberfläche der Lichtleitfaser 22 so klein sind, daß die Meßgenauigkeit hierdurch nicht in einem störenden Umfang beeinträchtigt wird. Die Berüh­ rungsfläche sollte jedenfalls weniger als 50%, bevorzugt weniger als 20% und besonders bevorzugt weniger als 10% der Oberfläche der Lichtleitfaser 22 in dem Meßabschnitt 30 betragen. Als Abstandshalter kann - wie in Fig. 5 dargestellt - eine Beschichtung 41 der Lichtleitfaser 22 dienen. Der Abstand zwischen der Membran 42 und der Lichtleitfaser 22 ist nicht erforderlich, wenn die Mem­ bran in dem Spektralbereich des Meßlichtes keine störende Absorption hat.In the context of the invention, it was found that the advantageous effect of a membrane 42 enveloping the optical fiber 22 can be significantly influenced by the membrane touching the optical fiber 22 directly. The light transport of the measuring light in the optical fiber 22 can thereby be affected in a very unfavorable manner for the measuring accuracy. Therefore, it is particularly preferred in the context of the present invention that the membrane is substantially spaced from the outer surface of the optical fiber 22 . "Substantially Chen spaced" is to be understood to mean that any remaining contact surfaces between the membrane and the outer surface of the optical fiber 22 are so small that the measurement accuracy is not impaired to a disruptive extent. The contact area should in any case be less than 50%, preferably less than 20% and particularly preferably less than 10% of the surface of the optical fiber 22 in the measuring section 30 . As shown in FIG. 5, a coating 41 of the optical fiber 22 can serve as a spacer. The distance between the membrane 42 and the optical fiber 22 is not necessary if the membrane has no disturbing absorption in the spectral range of the measuring light.

In Fig. 6 ist eine alternative Möglichkeit zur Erzeugung eines Abstands zwischen der Lichtleitfaser 22 und der Membran 42 dargestellt. Die Membran 42 ist hier auf die innere Oberfläche der Kanüle 18 beschichtet. Die Licht­ leitfaser 22 ist mit Abstandsringen 43 in der Kanüle 18 fixiert. Alternativ - wenn auch nach derzeitigem Kennt­ nisstand weniger bevorzugt, besteht auch die Möglichkeit, die Membran auf der äußeren Oberfläche der Kanüle 18 auf­ zubringen, wobei der Abstand zu der Oberfläche der Licht­ leitfaser 22 dann selbstverständlich durch die Wand der Kanüle 18 gewährleistet wird.In FIG. 6, an alternative way of producing a distance between the optical fiber 22 and the membrane 42 is shown. The membrane 42 is coated on the inner surface of the cannula 18 here . The light guide fiber 22 is fixed with spacer rings 43 in the cannula 18 . Alternatively - although less preferred according to the current state of knowledge, there is also the possibility of applying the membrane to the outer surface of the cannula 18 , the distance from the surface of the optical fiber 22 then of course being ensured by the wall of the cannula 18 .

Eine weitere Besonderheit der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform besteht darin, daß innerhalb der in die­ sem Fall unten geschlossenen Kanüle 18 in dem Meßab­ schnitt 30 nur eine Lichtleitfaserstrecke 45 verläuft, an deren distalem Ende 46 eine Verspiegelung 47 vorgesehen ist, durch das das Licht in die gleiche Lichtleitfaser­ strecke 45 zurückreflektiert wird.A further peculiarity of the embodiment shown in Fig. 6 is that within the cannula 18 , which is closed at the bottom in this case, in section 30 only one optical fiber path 45 extends, at the distal end 46 of which a mirror coating 47 is provided, through which the light in the same optical fiber path 45 is reflected back.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist es erforderlich, das Meßlicht in geeigneter Weise in die einzige Lichtleitfaserstrecke 45 ein- und wieder aus die­ ser auszukoppeln. Eine Möglichkeit hierzu ist in Fig. 7 schematisch dargestellt. Aus dem Licht einer breitbandig emittierenden Lichtquelle 50 wird mittels eines Bandpaß-Spektral­ filters 51 der gewünschte Wellenlängenbereich se­ lektiert. Das resultierende Licht fällt durch einen Strahlteiler 52 über eine Koppeloptik 53 in die Licht­ leitfaser 22. Nach Reflexion an dem Reflektor 47 fällt das Licht durch die Koppeloptik 53 auf den Strahlteiler 52 zurück und wird von diesem in den Detektor 27 reflek­ tiert. Statt der breitbandigen Lichtquelle 50 kann auch in diesem Fall eine Anordnung mehrerer Laser (wie bei Fig. 4) eingesetzt werden.In the embodiment shown in FIG. 6, it is necessary to couple the measuring light in a suitable manner into the single optical fiber path 45 and to couple it out again. One possibility for this is shown schematically in FIG. 7. From the light of a broadband emitting light source 50 , the desired wavelength range is selected by means of a bandpass spectral filter 51 . The resulting light falls through a beam splitter 52 via a coupling optics 53 into the optical fiber 22 . After reflection on the reflector 47 , the light falls back through the coupling optics 53 onto the beam splitter 52 and is reflected by the latter into the detector 27 . Instead of the broadband light source 50 , an arrangement of several lasers (as in FIG. 4) can also be used in this case.

Claims (16)

1. Analysevorrichtung zur Bestimmung eines Analyten in vivo im Körper eines Patienten, umfassend
eine Meßsonde mit einer in die Haut einstechbaren Ka­ nüle (18) und eine in der Kanüle (18) verlaufenden Lichtleitfaser (22), durch die von einer Lichtquelle (8) ausgehendes, in die Lichtleitfaser (22) eingekop­ peltes Licht in die Kanüle (18) und somit in das Körperinnere geleitet wird, wobei das in der Licht­ leitfaser (22) transportierte Licht in der Meßsonde (3) eine für die Gegenwart des Analyten charakteri­ stische Veränderung erfährt und
eine Meß- und Auswerteeinheit (4), um die Veränderung zu messen und aus der Veränderung eine Information über die Gegenwart des Analyten in dem Körper zu ge­ winnen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kanüle (18) mindestens auf einem als Meßabschnitt (30) dienenden Teilabschnitt ihrer in die Haut ein­ stechbaren Länge perforiert ist, so daß interstiti­ elle Flüssigkeit durch die Kanülenwand zu einem in der Kanüle (18) verlaufenden Meßabschnitt der Licht­ leitfaser gelangt und die für die Gegenwart des Ana­ lyten charakteristische Veränderung des Lichtes aus einer Wechselwirkung mit der interstitiellen Flüssig­ keit in dem Meßabschnitt resultiert.
1. An analysis device for determining an analyte in vivo in the body of a patient, comprising
a measuring probe having a pierceable into the skin Ka Nuele (18) and extending within the cannula (18) optical fiber (22) through which light emanating from a light source (8) into the optical fiber (22) eingekop peltes light into the cannula ( 18 ) and thus directed into the interior of the body, the light carried in the optical fiber ( 22 ) in the measuring probe ( 3 ) undergoing a characteristic change for the presence of the analyte and
a measuring and evaluation unit ( 4 ) to measure the change and to obtain information about the presence of the analyte in the body from the change, characterized in that
the cannula ( 18 ) is perforated at least on a section serving as a measuring section ( 30 ) of a length that can be pricked into the skin, so that interstitial fluid passes through the cannula wall to a measuring section of the optical fiber running in the cannula ( 18 ) and for the presence of the analyte characteristic change of light results from an interaction with the interstitial fluid in the measuring section.
2. Analysevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Querschnitt der Lichtleitfaser (24) in dem Meßabschnitt (30) variiert.2. Analysis device according to claim 1, characterized in that the cross section of the optical fiber ( 24 ) in the measuring section ( 30 ) varies. 3. Analysevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kanüle (18) in dem Meßab­ schnitt (30) nur eine Lichtleitfaserstrecke (45) ver­ läuft, an deren distalem Ende eine Verspiegelung (47) vorgesehen ist, durch die das Licht in die gleiche Lichtleitfaserstrecke (45) zurückreflektiert wird.3. Analysis device according to claim 1 or 2, characterized in that in the cannula ( 18 ) in the Meßab section ( 30 ) only one optical fiber path ( 45 ) runs ver, at the distal end of which a mirror coating ( 47 ) is provided, through which the Light is reflected back into the same optical fiber path ( 45 ). 4. Analysevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kanüle (18) in dem Meßab­ schnitt (30) zwei Lichtleitfaserstrecken (20, 21) par­ allel verlaufen, wobei das Licht durch die eine Lichtleitfaserstrecke (20) in Richtung auf das dis­ tale Ende (23) der Kanüle (18) transportiert, in dem Bereich des distalen Endes (23) der Kanüle (18) umge­ lenkt und durch die andere Lichtleitfaserstrecke (21) ausgeleitet wird.4. Analysis device according to claim 1 or 2, characterized in that in the cannula ( 18 ) in the Meßab section ( 30 ) two optical fiber paths ( 20 , 21 ) run par allel, the light through the one optical fiber path ( 20 ) in the direction of dis the tale end (23) of the cannula (18) is transported, the cannula (18) deflects the other way in the area of the distal end (23) and is discharged through the other fiber span (21). 5. Analysevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Umlenkung des Lichts im Bereich des distalen Endes (23) der Kanüle (18) ein prismatischer Reflektor (24) angeordnet ist.5. Analysis device according to claim 4, characterized in that a prismatic reflector ( 24 ) is arranged for deflecting the light in the region of the distal end ( 23 ) of the cannula ( 18 ). 6. Analysevorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfa­ ser (22) in dem Meßabschnitt beschichtet ist.6. Analysis device according to one of the preceding claims, characterized in that the Lichtleitfa water ( 22 ) is coated in the measuring section. 7. Analysevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschichtung (41) metallisch ist.7. Analysis device according to claim 6, characterized in that the coating ( 41 ) is metallic. 8. Analysevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschichtung (41) polymer ist. 8. Analysis device according to claim 6, characterized in that the coating ( 41 ) is polymer. 9. Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (41) analyt-anreichernde Eigenschaften hat.9. Analysis device according to one of claims 6 to 8, characterized in that the coating ( 41 ) has analyte-enriching properties. 10. Analysevorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßabschnitt (30) der Lichtleitfaser (22) von einer semipermeablen Membran (42) derartig umhüllt ist, daß die intersti­ tielle Flüssigkeit in dem Meßabschnitt nur durch die Membran (42) an die Oberfläche der Lichtleitfaser (22) gelangt.10. Analysis device according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring section ( 30 ) of the optical fiber ( 22 ) is encased by a semipermeable membrane ( 42 ) such that the interstitial liquid in the measuring section is only through the membrane ( 42 ) reaches the surface of the optical fiber ( 22 ). 11. Analysevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran (42) innerhalb der Kanüle (18) angeordnet ist.11. Analysis device according to claim 10, characterized in that the membrane ( 42 ) is arranged within the cannula ( 18 ). 12. Analysevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran (42) von der äußeren Ober­ fläche der Lichtleitfaser im wesentlichen beabstandet ist.12. Analysis device according to claim 10, characterized in that the membrane ( 42 ) from the outer upper surface of the optical fiber is substantially spaced. 13. Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran auf Poly­ carbonat basiert.13. Analysis device according to one of claims 10 to 12, characterized in that the membrane on poly carbonate based. 14. Analysevorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Lichtleitfaser 22 ausgewählt ist aus der Gruppe be­ stehend aus Silberhalogenid, Chalcogenid-Glas und Diamant. 14. Analysis device according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the optical fiber 22 is selected from the group consisting of silver halide, chalcogenide glass and diamond. 15. Analysevorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des von der Lichtquelle (8) ausgehenden Lichts zwi­ schen 7 µm und 13 µm liegt.15. Analysis device according to one of the preceding claims, characterized in that the wavelength of the light emanating from the light source ( 8 ) is between 7 µm and 13 µm. 16. Analysevorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (8) mindestens einen Quantenkaskadenlaser (31-33) aufweist.16. Analysis device according to one of the preceding claims, characterized in that the light source ( 8 ) has at least one quantum cascade laser ( 31-33 ).
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