EP1365681A2

EP1365681A2 - Verfahren zur bestimmung eines lichttransportparameters in einer biologischen matrix

Info

Publication number: EP1365681A2
Application number: EP02719907A
Authority: EP
Inventors: Uwe Kraemer; Heinz-Michael Hein; Dietmar Volz
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG; Roche Diagnostics GmbH; Boehringer Mannheim GmbH
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG; Roche Diagnostics GmbH
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2002-02-23
Publication date: 2003-12-03
Also published as: WO2002069790A3; WO2002069790A2; US20040152089A1; AU2002251002A1; US7565249B2; DE10110599A1

Abstract

Verfahren zur selektiven Bestimmung eines für die Lichtstreuung in einer biologischen Matrix (5) charakteristischen Lichttransportparameters, insbesondere zum Zwecke der nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von Glucose in der biologischen Matrix. Es schliesst eine Mehrzahl von Detektionsmessungen ein, bei denen jeweils Licht als Primärlicht in die biologische Matrix eingestrahlt und ein Intensitätsmesswert von an einem Detektionsort der sich bei der Mehrzahl von Detektionmessungen in unterschiedlichen Messabständen von dem Einstrahlungsort befindet, austretendem Sekundärlicht gemessen wird. In einem Auswerteschritt wird der für die Lichtstreuung in der biologischen Matrix charakteristische Lichttransportparameter mittels eines Auswertealgorithmus aus den Intensitätsmesswerten abgeleitet. Zur selektiven Bestimmung des Streukoeffizienten wird vorgeschlagen, dass der Auswertealgorithmus einen Schritt einschliesst, bei dem aus mindestes zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten gewonnenen Intensitätsmesswerten ein die zeitliche Änderung des Intensitätsmesswertes beschreibender Zeitableitungswert DELTA tI(r) berechnet wird.

Description

Verfahren zur Bestimmung eines Lichttransportparameters in einer biologischen Matrix

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Bestimmung eines für die Lichtstreuung in einer biologi- sehen Matrix charakteristischen Lichttransportparameters, insbesondere zum Zwecke der nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von Glucose in der biologischen Matrix.

Der Begriff "biologische Matrix" bezeichnet eine Körper- flüssigkeit oder ein Gewebe eines lebenden Organismus.

Biologische Matrices, auf die sich die Erfindung bezieht, sind optisch heterogen, d.h. sie enthalten eine Vielzahl von Streuzentren, an denen eingestrahltes Licht gestreut wird. Im Falle von biologischem Gewebe, insbesondere Hautgewebe, werden die Streuzentren von den Zellwänden und anderen in dem Gewebe enthaltenen festen Bestandteilen, gebildet . Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut, sind ebenfalls optisch heterogene biologische Matrices, weil sie Partikel enthalten, an denen Licht vielfach ge- streut wird. Der Transport von Licht in einer biologischen Matrix wird im wesentlichen durch die Lichtstreuung an in der Matrix enthaltenen Streuzentren und durch die optische Absorpti- on bestimmt. Physikalische Größen, die diese beiden Eigenschaften quantitativ beschreiben, werden als Lichttransportparameter (Streuparameter bzw. Absorptionsparameter) bezeichnet. Als Streuparameter in diesem Sinne ist in erster Linie der Streukoeffizient μ_s und als Absorpti- onsparameter in erster Linie der optische Absorptionskoeffizient μ_a gebräuchlich. Es ist allerdings im Rahmen der Erfindung nicht erforderlich, daß diese Parameter quantitativ in den gebräuchlichen Maßeinheiten bestimmt werden. Vielmehr ist es das Ziel der Erfindung, reprodu- zierbar und selektiv einen Parameter zu ermitteln, der die optische Streuung in der biologischen Probe unabhängig von deren optischer Absorption beschreibt. Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf den Streukoeffizienten μ_s als Beispiel für einen Streuparame- ter Bezug genommen.

Die selektive Bestimmung des Streukoeffizienten in einer biologischen Matrix ist aus verschiedenen Gründen von Interesse, beispielsweise zur Charakterisierung von Hautei- genschaften in der Dermatologie .

Von besonderer Bedeutung ist die Untersuchung des Streuverhaltens einer biologischen Matrix zum Zwecke der nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von Glucose. Der Zusammenhang zwischen der Glucosekonzentration und der Lichtstreuung in biologischen Matrices wird in der EP 0659055 Bl beschrieben. Wie darin (und in zahlreichen anderen Publikationen, die sich mit der Analyse von Glucose im menschlichen Körper befassen) erläutert wird, ist die Qualität der Therapie von Diabetikern entscheidend davon abhängig, • daß der zeitliche Verlauf des Blutzuckerspiegels in ihrem Körper sehr häufig, nach Möglichkeit kontinuierlich, bestimmt wird. Dadurch können schwerwiegende Spätschäden des Diabetes Mellitus, wie Erblindung oder schwere Durchblutungsstörungen, die zur Amputation von Gliedmaßen führen können, vermieden werden. Die wünschenswerte kontinuierliche Beobachtung des Blutzuckerspiegels ist mit den konventionellen invasiven Methoden (bei denen ein Blutstropfen aus dem Körper des Patienten gewonnen und mit einem Analysesystem ausgewertet wird) nicht möglich. Es hat deshalb schon zahlreiche Versuche gegeben, die Konzentration der Glucose auf nichtinvasivem Wege zu bestimmen. Eine nähere Darlegung ist der genannten europäischen Patentschrift zu entnehmen.

Bei dem in der EP 0659055 Bl beschriebenen Verfahren wird zur Bestimmung eines Glucosewertes eine Mehrzahl von "De- tektionsmessungen" durchgeführt, bei denen jeweils Licht als Primärlicht an einem definierten Einstrahlungsort in die biologische Matrix eingestrahlt wird, das Licht in der biologischen Matrix entlang einem Lichtweg propagiert und ein Intensitätsmeßwert von an einem definierten De- tektionsort austretendem Sekundärlicht gemessen wird. Aus der Abhängigkeit des Intensitätsmeßwertes von dem Meßab- stand zwischen dem jeweiligen Einstrahlungsort und dem jeweiligen Detektionsort wird in einem Auswerteschritt mittels eines Auswertealgorithmus und einer Kalibration die Glucosekonzentration ermittelt.

Die überraschende Erkenntnis, daß mit einem derartigen Meßverfahren der Verlauf der Glucosekonzentration in Hautgewebe oder einer anderen biologischen Matrix gemessen werden kann, wird in der EP 0659055 Bl damit erklärt, daß die mit der Änderung der Glucosekonzentration verbun- dene Änderung des Brechungsindex .der in der Matrix ent- haltenen Flüssigkeit (obwohl sehr klein) für die Bestimmung der Glucosekonzentration verwendet werden kann, wenn man das Streuverhalten des Lichts unter Beachtung des dort beschriebenen Meßverfahrens untersucht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sollen in dem Auswerteschritt die Einflüsse der Absorption und der Streuung durch Auswertung der Intensitätsverteilung des Sekundärlichts als Funktion des Abstandes des Detektionsortes von dem Einstrahlungsort getrennt werden.

Auch in der wissenschaftlichen Literatur wird bereits seit längerem diskutiert, μ_a und μ_s aus der Abhängigkeit I(r) der Intensität I des Sekundärlichts von dem Meßabstand r (nachfolgend als "Intensitätsprofil" bezeichnet) zu bestimmen. Als theoretische Grundlagen dienen dabei die Diffusionstheorie sowie num erisch-statistische Verfahren (Monte Carlo-Rechnungen) . Die Theorie bildet ein Modell zur Beschreibung des Lichtausbreitungsverhaltens in einer streuenden Matrix, durch das ein mathematischer Zusammenhang zwischen dem Intensitätsprofil I (r) und den in dem Modell verwendeten Modellparametern (vor allem den Lichttransportparametern μ_a und μ_s und der Intensität des eingestrahlten Primärlichts I₀) hergestellt wird. Im Prinzip ist es möglich, die Lichttransportparameter da- durch zu bestimmen, daß man einen Fit durchführt, bei dem durch Variation der Modellparameter das theoretisch berechnete Intensitätsprofil optimal an experimentelle Ergebnisse angepaßt wird. Hierzu kann beispielsweise auf folgende Publikationen verwiesen werden:

1) T.J. Farrell et al . : "A diffusion theory odel of spatially resolved, steady-state diffuse reflectance for the noninvasive determination of tissue optical properties in vivo", Med. Phys . 1_9, 879 bis 888 (1992) 2) R.C. Haskeil et al . : "Boundary conditions for the diffusion equation in radiative transfer", J. Opt.Soc.Am Ä, 11,2727' bis 2741 (1994).

Obwohl darin über eine gute Übereinstimmung von Meßwerten und theoretischen Berechnungen berichtet wird, haben diese Verfahren keine praktische Bedeutung (insbesondere für die Bestimmung der Gluocosekonzentration in • einer biolo- gischen Matrix) erlangt.

In der Patentliteratur sind verschiedene Verfahren be- .^"; schrieben, deren Ziel es ist, in einer biologischen Matrix μ_a und μ_s mit dem Ziel zu bestimmen, daraus analyti- sehe Daten für medizinische Zwecke, insbesondere zur Bestimmung der Glucosekonzentration, zu gewinnen:

3) Gemäß der EP 0760091 Bl werden für jeweils mindestens zwei unterschiedliche Meßlichtwege jeweils mindestens zwei Frequenzdomänen-spektroskopische Messungen durchgeführt, bei denen jeweils die Phasenverschiebung des Sekundärlichts gegenüber dem Primärlicht sowie ein Intensitätsmeßwert (nämlich die DC-Intensität oder die AC-Intensität) bestimmt wird. Aus diesen mindestens vier Meßwerten wird ein Absorptionsparameter und/oder ein Streuparameter abgeleitet. Frequenzdomänen-Meßverfahren arbeiten mit im GHz-Bereich moduliertem Licht und bedingen dadurch einen großen meßtechnischen Aufwand.

4) In der EP 0774658 A2 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem zur Analyse der Streueigenschaf en einer biologischen Matrix die Reflexionseigenschaften an der Oberfläche der Matrix variiert werden. Beispielsweise kann die Kontaktfläche des für die Messung verwende- ten Meßkopfes unterschiedliche Teilbereiche mit unterschiedlicher Reflektivität aufweisen. Auf diese Weise werden bei zwei Meßabständen die Reflexionsei- geήschaften mindestens zweifach variiert. In der Pu- blikation wird dargelegt, daß diese mindestens vier Meßwerte verwendet werden können, um (entweder auf Basis der Diffusionstheorie oder empirisch- nummerisch) Absorption und Streuung zu trennen. Auch dieses Verfahren ist jedoch relativ aufwendig.- Außer- dem ist es schwierig, die für die Analyse der Glucosekonzentration erforderliche Reproduzierbarkeit der Meßwerte zu erreichen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun- de, in einer biologischen Matrix μ_s (oder einen anderen die Lichtstreuung beschreibenden Parameter) selektiv mit einem Verfahren zu bestimmen, das sich durch einfache Handhabung, einen geringen apparativen Aufwand und hohe Genauigkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur selektiven Bestimmung eines für die Lichtstreuung in einer biologischen Matrix charakteristischen Lichttransportparameters, insbesondere zum Zwecke der nichtinvasiven Be- Stimmung der Konzentration von Glucose in der biologischen Matrix, umfassend eine Mehrzahl von Detektionsmes- sungen, bei denen jeweils Licht als Primärlicht an einem Einstrahlungsort in die biologische Matrix eingestrahlt wird, das Licht in der biologischen Matrix entlang einem Lichtweg propagiert und ein Intensitätsmeßwert von an einem Detektionsort, der sich bei der Mehrzahl von Detekti- onsmessungen in unterschiedlichen Meßabständen von dem Einstrahlungsort befindet, austretendem Sekundärlicht gemessen wird und einen Auswerteschritt, bei dem der für die Lichtstreuung in der biologischen Matrix charakteri- stische Lichttransportparameter mittels eines Auswertealgorithmus aus den bei der Mehrzahl von Detektionsmessun- gen gemessenen Intensitätsmeßwerten abgeleitet wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Auswertealgorithmus einen Schritt einschließt, bei dem aus mindestens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten gewonnenen Intensitätsmeßwerten ein die zeitliche Änderung des Intensitätsmeßwertes beschreibender Zeitableitungswert Ä^I (r) berechnet wird und der Zeitableitungswert zur Bestimmung des Licht- transportparameters verwendet wird.

Die Messung des Intensitätsmeßwertes ist vorzugsweise eine DC-Messung, bei der Primärlicht mit konstanter Intensität eingestrahlt wird. Es kann jedoch auch gechoptes oder intensitätsmoduliertes Primärlicht und ein frequenzselektives Meßverfahren verwendet werden. Bei sehr hohen Modulationsfrequenzen (im GHz-Bereich) führt ein frequenzmoduliertes Verfahren zur Messung der AC-Intensität . Wegen des erhöhten Meßaufwandes bei sehr hohen Meßfre- quenzen ist ein solches Verfahren derzeit weniger bevorzugt .

Die Intensität des Sekundärlichts muß im Rahmen der Erfindung nicht absolut gemessen werden. Vielmehr genügt eine Relativmessung zu mindestens zwei Meßzeitpunkten, aus der ein Zeitableitungswert berechnet werden kann. Ein Intensitätsmeßwert im Sinne der Erfindung ist demzufolge ein Wert einer Meßgröße in beliebigen Maßeinheiten, der eine Aussage über die relative Änderung der Intensität des Sekundärlichts erlaubt. Ein solcher Intensitätsmeßwert für einen Zeitpunkt t und einen Meßabstand r wird nachfolgend als I(r,t) bezeichnet.

Mathematisch ausgedrückt entspricht der Zeitableitungs- wert (die relative zeitliche Änderung des für einen be- stimmten Meßabstand r gemessenen Intensitätsmeßwertes) der partiellen Ableitung der Funktion I(r,t) nach der Zeit

( 1 ) d_tI(r) = dIn I(r, t)ldt = dl(r, t) /[dt ^■ I(r)]

In der Praxis wird die Intensität zu mindestens zwei diskreten Meßzeitpunkten tj_ gemessen. Der Zeitableitungswert wird daraus als Differenzenquotient berechnet gemäß

Die Erfindung erfordert in ihrer allgemeinsten Form mindestens zwei Detektionsmessungen zu zwei unterschiedli- chen Meßzeitpunkten t für einen festen Meßabstand r₀.

Bevorzugt werden zu mindestens zwei MeßZeitpunkten Intensitätsmeßwerte für mehrere unterschiedliche Meßabstände (Intensitätsprofile) gemessen.

Eine wichtige Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, daß sich die Funktion, die die relative zeitliche Änderung des Intensitätsmeßwertes in Abhängigkeit von den Lichttransportparametern μ_a und μ_s und der Intensität I₀ des Primärlichts beschreibt, als Summe schreiben läßt, deren Summenglieder jeweils nur von einem der Modellparameter (μ_a, μ_s, Io) abhängig sind. Es gilt:

Darin bezeichnet Pi die Modellparameter, d_tP_t deren zeitliche Ableitung { d_tP_j = dP_t I dt ) und Sp. die Sensitivität des Intensitätsprofils I (r) hinsichtlich des Parameters Pj_., die berechnet wird gemäß :

,₄, _{Sβ W =} _ i

S,P,

Für die meßtechnische Praxis bedeutet dieser mathemati- sehe Zusammenhang, daß der die relative zeitliche Änderung des Intensitätsprofils beschreibende Zeitableitungswert ein Zwischenwert ist, der es in sehr vorteilhafter Weise ermöglicht, die Einflüsse der unterschiedlichen Modellparameter voneinander zu trennen und dadurch den Streukoeffizienten selektiv zu bestimmen. Im Gegensatz zu dem vorbekannten Stand der Technik wird der Zeitableitungswert dabei nicht berechnet, um eine Information über die zeitliche Änderung des Streukoeffizienten oder der Glucosekonzentration zu gewinnen. Vielmehr stellt der Zeitableitungswert einen Zwischenwert innerhalb des Algorithmus zur Bestimmung des Streukoeffizienten bzw-. der Glucosekonzentration dar. Er kann unmittelbar verwendet werden, beispielsweise um einen Parameter zu eliminieren, dessen Sensitivitätsverlauf in Abhängigkeit von dem Meß- abstand bekannt ist. Der auf Basis dieses Zeitableitungswertes berechnete Wert (z.B. des Streukoeffizienten bzw. der Glucosekonzentration) wird dem mittleren Zeitpunkt der Detektions essungen zugeordnet, aus denen der Zeitableitungswert berechnet wurde.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform schließt der Auswertealgorithmus Schritte ein, bei denen für mindestens zwei unterschiedliche Meßabstände, zwischen Einstrahlungsort und Detektionsort Detektionsmessungen zu mindestens zwei Zeitpunkten durchgeführt werden. Aus den dabei gemessenen (mindestens vier) Intensitätsmeßwerten, werden mindestens zwei Zeitableitungswerte berechnet, aus denen wiederum die räumliche Ableitung des Zeitableitungswertes nach dem Meßabstand berechnet wird. Das Ergebnis dieser Operationen ist unabhängig' von Schwankungen der Primär- lichtintensität I₀. Schwankungen der Lichtquellenintensität, die im Signal eine sogenannte "Co mon Mode-Drift" verursachen, werden demzufolge aus dem Meßergebnis eliminiert .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält der Auswertealgorithmus Schritte, bei denen für mindestens drei unterschiedliche Meßabstände zwischen Einstrahlungsort und Detektionsort Detektionsmessungen "zu jeweils mindestens zwei Zeitpunkten durchgeführt werden. Aus den dabei gewonnenen (mindestens sechs) Intensitätsmeßwerten werden mindestens drei Zeitableitungswerte berechnet. Aus diesen Zeitableitungswerten wird die zweite räumliche Ableitung des Zeitableitungswertes nach dem Meßabstand berechnet. Die zweite räumliche Ableitung ent- spricht der Krümmung der Funktion d_tI(r) . Das dabei gewonnene Meßergebnis ist im wesentlichen unabhängig von dem Absorptionskoeffizienten μ_a . Soweit Gültigkeit des Absorptionsgesetzes von Lambert-Beer vorausgesetzt werden kann, läßt sich dies einfach dadurch erklären, daß die gemäß der Gleichung (4) berechnete Sensitivität Sμ (r) eine lineare Funktion von r ist. Die zweite Ableitung einer linearen Funktion ist Null.

Bevorzugt erfolgen die Detektionsmessungen, die in dem vorstehend erläuterten Algorithmus verwendet werden, mit ungewöhnlich kurzen Meßabständen. Vorzugsweise betragen ^•die Meßabstände der zwei bzw. drei Detektionsmessungen

(allgemeiner gesagt sämtlicher Detektionsmessungen, die für den Auswertealgorithmus verwendet werden) weniger als die vierfache, besonders bevorzugt weniger als die drei- fache mittlere freie Weglänge (mean free path; MFP) des Lichts in der biologischen Matrix. Besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine der Detektionsmessungen mit einem Meßabstand durchgeführt wird, der kleiner als die mittlere freie Weglänge ist. In den obersten Schichten der menschlichen Haut liegt die mittlere freie Weglänge etwa bei 0,7 mm. Daraus ergibt sich, daß alle Meßabstände für im Rahmen der Erfindung verwendete Messungen an der Haut vorzugsweise unter 3 mm und besonders bevorzugt un- ter 2 mm liegen. Diese kurzen Meßabstände erlauben eine sehr kompakte Gestaltung des Meßkopfes. Die Erfindung eignet sich aus diesem Grund sehr gut für die medizinische Diagnostik, einschließlich endoskopischer Untersuchungen, an Gewebe.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltun- gen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung für die optische Analyse einer biologischen Matrix, Fig. 2 einen ersten Plot eines erfindungsgemäß gemessenen Verlaufs der Glucosekonzentration im Körper eines Probanden im Vergleich zu konventionell invasiv gewonnenen Meßergebnissen, Fig. 3 einen Plot entsprechend Fig. 2, jedoch mit an- deren Meßabständen,

Fig. 4 einen Plot entsprechend Fig. 2, jedoch mit nochmals anderen Meßabständen, Fig. 5 einen Plot ähnlich Fig. 2, bei dem ein konventionell invasiv gemessener Verlauf der Glucose- konzentration mit den Meßergebnissen eines vor- bekannten nichtinvasiven Verfahrens auf Basis der Diffusionstheorie verglichen wird,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Streusensitivität Sμ von dem Meßabstand,

Fig. 7 eine dreidimensionale graphische Darstellung der Abhängigkeit der Relation der Streusensitivität Sμ zu der Absorptionssensitivität Sμ_a von dem Meßabstand r und dem Abstand d zwischen den Detektionsorten.

Die in Figur 1 stark schematisiert dargestellte Vorrichtung zur selektiven Bestimmung von μ_s in einer biologischen Matrix besteht im wesentlichen aus einem Meßkopf 1 und einer Signalverarbeitungs- und Auswerteeinheit 2.

Der Meßkopf 1 liegt mit der Unterseite einer Probenkontaktplatte 3 auf einer Grenzfläche 4 der zu untersuchenden biologischen Matrix 5 auf, die eine Vielzahl von Streuzentren 6 enthält. Im Inneren des Meßkopfes 1 befin- den sich Lichteinstrahlungsmittel 7, die im dargestellten Fall durch eine Leuchtdiode 8 gebildet werden und dazu dienen, Primärlicht (Pfeil 9) in die biologische Matrix 5 einzustrahlen. Der Einstrahlungsort 10 des Primärlichts wird durch eine entsprechende Ausnehmung der Hautkontakt- platte 3 definiert.

Durch Pfeile 12 symbolisiertes Sekundärlicht, das an drei ebenfalls von entsprechenden Äusnehmungen der Probenkontaktplatte 3 definierten Detektionsorten 13, 14 und 15 austritt, wird von insgesamt mit 16 bezeichneten Detekti- onsmitteln detektiert. Die Detektionsmittel 16 schließen bei der dargestellten Ausführungsform Lichtleitfasern 17 ein, durch die das Sekundärlicht aller drei Detektionsor- te einem gemeinsamen Fotoempfänger 18 (beispielsweise ei- ner Fotodiode, insbesondere Avalanche-Fotodiode 18, zuge- führt wird. Um die notwendige Trennung der Intensitätsmeßwerte der drei Detektionsorte zu ermöglichen, enthalten die Lichtleitfasern 17 (nicht dargestellte) optische Schalter.

Die Lichtwege, längs der das in die biologische Matrix 5 eingestrahlte Licht zwischen dem Einstrahlungsort 11 und dem Detektionsort 12 bis 14 propagiert, sind in Figur 1 symbolisch dargestellt und mit 20 bis 22 bezeichnet. In- folge der Streuung in der biologischen Matrix lassen sich selbstverständlich keine scharf begrenzten Lichtwege angeben. Es ist jedoch davon auszugehen, daß die meisten der als Sekundärlicht detektierten Photonen näherungsweise auf einem gekrümmten Lichtweg - ähnlich wie darge- stellt - propagieren, wobei die mittlere Eindringtiefe mit der Größe des Meßabstandes r zwischen Einstrahlungsort 10 und Detektionsort 12 bis 14 zunimmt.

Das Ausgangssignal des Fotoempfängers wird über ein Kabel 24 einer Signalverarbeitungselektronik 25 zugeführt. Dort wird es in üblicher Weise verstärkt, aufbereitet und digitalisiert, so daß an ihrem Ausgang in digitaler Form Intensitätsmeßwerte zur Verfügung stehen, die der Intensität des an den Detektionsorten 13 bis 15 austretenden Sekundärlichts entsprechen.

Insoweit ist die dargestellte Vorrichtung konventionell und muß deshalb nicht näher erläutert werden. Sowohl die Einstrahlungsmittel als auch die Detektionsmittel' können in Form von unmittelbar in die Probenkontaktplatte 3 integrierten Lichtsendern bzw. lichtempfindlichen Elementen oder mit Hilfe von Lichtleitfasern realisiert sein, die das Licht von einem weiter entfernten Lichtsender zu der Hautkontaktplatte 3 hinführen bzw. von dieser zu einem Lichtempfänger transportieren. Die unterschiedlichen Meß- abstände können durch unterschiedliche Kombinationen von Einstrahlungs- und Detektionsorten realisiert sein. Beispielsweise können die in Figur 1 dargestellten drei Meßabstände ri, r₂ und r₃ auch dadurch realisiert sein, daß an drei unterschiedlichen Einstrahlungsorten eingestrahlt und an einem Detektionsort gemessen wird. Weitere Einzelheiten zur Konstruktion des Meßkopfes, zur Durchführung der Detektionsmessungen und zur Messung der Intensitätsmeßwerte für unterschiedliche Meßabstände können dem pu- blizierten Stand der Technik entnommen werden. Dabei kann insbesondere auf die EP 0659055 Bl verwiesen werden, in der unterschiedliche Anordnungen und Konstruktionen der Lichteinstrahlungsmittel und der Detektionsmittel be- . schrieben ■ sind. Der Inhalt dieser Druckschrift wird durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Der Meßkopf 1 und die Signalverarbeitungselektronik 25 sind jedenfalls so ausgebildet, daß von der Signalverarbeitungselektronik 25 Intensitätsmeßwerte für jeden ge- wünschten Meßzeitpunkt und für die bei dem j-eweiligen

Meßkopf möglichen Meßabstände (im dargestellten Fall die Meßabstände ri, r₂ und r₃) bestimmt und in digitaler Form an die Auswerteelektronik 26 weitergeleitet werden. Dort werden, wie weiter oben erläutert, aus jeweils mindestens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten gemessenen Intensitätsmeßwerten Zeitableitungswert berechnet (Gleichung 2) und diese zur Bestimmung des Lichttransportparameters verwendet. Diese Berechnungen erfolgen mittels eines handelsüblichen Digitalcomputers.

Mit einer Vorrichtung, deren prinzipieller Aufbau der Darstellungen in Figur 1 entsprach, wurde im Rahmen der experimentelle Erprobung der Erfindung der nachfolgend beschriebene Versuch durchgeführt. Einem gesunden, männlichen Probanden wurde oral ein Glu- cosetrunk verabreicht, der einen Anstieg seines Blutglu- cosewertes um 130 mg/dl (von 80 mg/dl auf 210 mg/dl) bewirkte. Danach fiel der Glucosewert auf den Normalwert von 80 mg/dl zurück. Auf der Haut am Bauch dieses Probanden wurde ein Meßkopf mit einem Einstrahlungsort (kreis- punktförmig, 0,1 mm Durchmesser) und sechs Detektionsor- ten (jeweils kreissegmentförmig mit einem Öffnungswinkel von 30°) fixiert. Die Hautkontaktplatte des Kopfes und damit die Haut war auf eine Temperatur von 33,5°C temperiert. Die in dem Meßkopf möglichen Abstände zwischen dem Einstrahlungsort und dem Detektionsort betrugen 0,8 mm, 1,2 mm, 1_/6 mm, 2,0 mm, 2,4 mm und 2,8 mm. Das- Primärlicht wurde mit einer Wellenlänge von 805 nm einge- strahlt. Die Auswertung der gemessenen Intensitätsmeßwerte I(r,t) erfolgte mit folgendem Algorithmus:

Zunächst wurden gemäß Gleichung (2) für jeweils drei Meßabstände r Zeitableitungswerte A_tI(r) berechnet. Aus den diesen Zeitableitungswerten wurde die zweite räumliche Ableitung des Zeitableitungswertes nach dem Meßabstand berechnet gemäß :

(5) Δ,²(V(r)) = Δ,/(/i)- 2Δ,/(r₂) + V(r₃)

Diese relativ einfache Formel gilt für den bevorzugten Sonderfall, daß sich die Meßabstände ri, r₂ und r₃ bei den mindestens drei Detektionsmessungen um den jeweils gleichen Betrag unterscheiden. Für beliebige Meßabstände r_x, r₂ und r₃ gilt:

(6) Δ_Γ ²( VW) = OΪ) - Δ,/(r₂) Dieser Algorithmus wurde mit drei unterschiedlichen Meßabstand-Trippeln durchgeführt, nämlich

a ) r_x = 0,8mm, r₂ = 1,2mm, r₃ = 1,6mm

b ) r_x = \,2mm, r₂ = \,6mm, r₃ = 2,0mm

c ) r_j = l,6rnm, r₂ = 2,0mm, r₃ = 2,4mm

Die Ergebnisse sind in den Figuren 2 bis 4 als Meßkurve NI dargestellt, nämlich Figur 2 für das Meßabstandstrip- pel a, Figur 3 für das Meßabstandstrippel b und Figur 4 für das Meßabstandstrippel c. Darin bezeichnet jeweils die Kurve NI das Ergebnis des Auswertealgorithmus. Die dickere Kurve I stellt eine Vergleichsmessung dar, bei der auf konventionelle Weise die Konzentration C_G der Glucose im Blut invasiv bestimmt wurde. Beide Kurven wurden an einem Punkt normiert. Dies entspricht einer Eichung des erfindungsgemäßen nichtinvasiv gemessenen Glucosever- laufes NI mittels einer einzigen invasiven Kontrollmessung.

Die Ergebnisse zeigen: - Der Verlauf der invasiv und nichtinvasiv gemessenen Meßkurven stimmt sehr gut überein. Daraus folgt, daß der erfindungsgemäße Algorithmus, bei dem die relativen zeitlichen Änderungen eines gemessenen Intensitätsprofils (nicht, wie im bisherigen Stand der Tech- nik, die gemessenen Intensitätsprofile selbst) als

Grundlage der Auswertung herangezogen werden, auf einfache Weise eine sehr gute nichtinvasive Kontrolle des zeitlichen Verlaufs des Blutzuckerspiegels ermöglicht.

Die Ergebnisse sind umso besser, je kürzer die in dem jeweiligen Algorithmus verwendeten Meßabstände sind. Figur 5 zeigt die Ergebnisse eines Vergleichsversuches, bei dem die gleichen Intensitätsmeßwerte mit einem Algorithmus nach dem Stand der Technik ausgewertet wurden. Zu diesem Zweck wurde das gemessene Intensitätsprofil (unter Verwendung sämtlicher Meßabstände zwischen 0,8 mm und 2,4 mm) an ein mittels der Diffusionstheorie errechnetes Modell gefittet. Auch in diesem Fall ist das Ergebnis der nichtinvasiven Messung mit NI bezeichnet, wobei in einem Punkt eine Normierung auf die ebenfalls eingetragene konventionell gemessene Meßkurve I erfolgte. Es ist festzustellen, daß keine akzeptable Korrelation der berechneten Ergebnisse der nichtinvasiven Messung mit der tatsächlichen Glucosevariation zu erkennen ist.

Wie dargelegt, werden die besten Ergebnisse bei sehr kurzen Meßabständen erzielt. Insoweit unterscheidet sich die Erfindung grundlegend von vorbekannten auf der Diffusionstheorie basierenden Verfahren, bei denen - wie bei den einleitend zitierten Publikationen 1) und 2) - relativ große Meßabstände für die Auswertung herangezogen werden. Dies wird unter anderem auch in der Publikation

5) F. Bevilacqua et al . "In vivo local determination of tissue optical properties", SPIE Vol. 3194, 262 bis 268

bestätigt. Da das dort beschriebene Verfahren für die optische Biopsie zur Erkennung maligner Gewebestrukturen eingesetzt werden soll, wird eine hohe örtliche Auflösung angestrebt und deshalb eine Meßsonde mit kurzen Meßabständen (weniger als 2 mm) verwendet. Das Verfahren erfordert jedoch eine Absolutmessung und die Verwendung theoretischer Vorgaben hinsichtlich des Streukoeffizien- ten (berechnet nach der Mie-Theorie) . Es ist deshalb mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht vergleichbar.

Um die gefundenen experimentellen Ergebnisse besser zu verstehen, haben die Erfinder Streusensitivitäten Sμ gemäß Gleichung (4) auf Basis der Diffusionstheorie berechnet. Für den Fall äquidistanter Meßabstände mit einem Abstand von 0,4 mm der Detektionsorte untereinander, ergibt sich die in Figur 6 dargestellte funktionale Abhängigkeit der zweiten räumlichen Ableitung der Streusensitivität A_r ² Sμ (Ordinate in willkürlichen Einheiten) als Funktion des Meßabstandes (r in mm) . Man sieht eine ' näherungsweise exponentielle Abnahme der Streusensitivität mit zunehmendem Meßabstand. Dies bestätigt, daß die selektive Messung der Streuung am besten mit kurzen Meßabständen gelingt.

Figur 7 zeigt für den Fall äquidistanter Meßabstände die zweite räumliche Ableitung des Verhältnisses der Streusensitivität Sμ zu der Absorptionssensitivität Sμ als Funktion des Meßabstandes r und des Abstandes d zwischen den Detektionsorten in mm. Aus dieser graphischen Dar- Stellung läßt sich erkennen, daß sich das Verhältnis zwischen Sμ und Sμ für kleine Meßabstände vergrößert. Auch dadurch werden die experimentellen Ergebnisse bestätigt.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur selektiven Bestimmung eines für die Lichtstreuung in einer biologischen Matrix (5) charakteristischen Lichttransportparameters, insbesonde- re zum Zwecke der nichtinvasiven Bestimmung der Konzentration von Glucose in der biologischen Matrix (5) , umfassend eine Mehrzahl von Detektionsmessungen, bei denen jeweils Licht als Primärlicht (9) an einem Einstrah- lungsort (10) in die biologische Matrix (5) eingestrahlt wird, das Licht in der biologischen Matrix entlang einem Lichtweg (20 bis 22) propagiert und ein Intensitätsmeßwert von an einem Detektionsort (12 bis 14), der sich bei der Mehrzahl von Detektionsmessun- gen in unterschiedlichen Meßabständen (r_x bis r₃) von dem Einstrahlungsort befindet, austretendem Sekundärlicht (12) gemessen wird und einen Auswerteschritt, bei dem der Lichttransportparameter mittels eines Auswertealgorithmus aus den bei der Mehrzahl von Detektionsmessungen gemessenen Intensitätsmeßwerten abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertealgorithmus einen Schritt einschließt, bei dem aus mindestens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten gewonnenen Intensitätsmeßwerten ein die zeitliche Änderung des Intensitätsmeßwertes beschreibender Zeitableitungswert Δ-hΙ(r) berechnet wird und der Zeitableitungswert zur Bestimmung des Lichttransportparameters verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertealgorithmus Schritte einschließt, bei denen für mindestens zwei unterschiedliche Meßabstän- de zwischen Einstrahlungsort und Detektionsort ein

Zeitableitungswert und daraus die räumliche Ableitung des Zeitableitungswertes nach dem Meßabstand berechnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der mindestens zwei Meßabstände kleiner als die vierfache, bevorzugt kleiner als die dreifache mittlere freie Weglänge des Lichts in- der biologischen Matrix ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswertealgorithmus Schritte einschließt, bei denen für mindestens drei unterschiedliche Meßabstände zwischen Einstrahlungsort und Detektionsort ein Zeitableitungswert und daraus die zweite räumliche Ableitung des Zeitableitungswertes nach dem Meßabstand berechnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der mindestens drei Meßabstände kleiner als die vierfache, bevorzugt kleiner als die dreifache mittlere freie Weglänge des Lichts in der biologischen Matrix ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßabstände zwischen dem Einstrahlungsort und dem Detektionsort bei den mindestens drei Detektionsmessungen sich um den jeweils gleichen Betrag unterscheiden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Meßabstände kleiner als die mittlere freie Weglänge des Lichts in der biologischen Matrix ist.

8. Computerprogrammprodukt, das direkt in den Speicher eines digitalen Computers geladen werden kann und Softwareabschnitte umfaßt, mit denen die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausge- führt werden, wenn das Produkt auf einem Computer läuft .

9. Computergeeignetes Speichermedium mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8.

10. Vorrichtung zur optischen Analyse einer biologischen Matrix enthaltend ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 8.