DE102021004609A1

DE102021004609A1 - Vorrichtung und damit durchführbares Verfahren zur non-invasiven Konzentrationsbestimmung von Komponenten im menschlichen Blutkreislauf und Verwendung des Verfahrens.

Info

Publication number: DE102021004609A1
Application number: DE102021004609.9A
Authority: DE
Inventors: Patrick Lindner
Original assignee: Eques Consulting GmbH
Current assignee: Eques Consulting GmbH
Priority date: 2021-09-11
Filing date: 2021-09-11
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist im Bereich der nicht-invasiven Detektion von Konzentrationen in lebendem Gewebe angesiedelt. Nachteilig ist dabei, dass etablierte, programmierbare Baugruppen in diesem Bereich zu teuer sind, um mit breiter Marktakezeptanz und Marktdurchsetzung für Fortschritt notwendige Mengen an Messdaten zu generieren.
Aufgabe ist, den Nachteil zu überwinden.
Die Lösung erfolgt mit einer Vorrichtung, bei der als Emittergruppe eine kompakte Laser-Dioden-Kombination genutzt wird, wie sie auch in CDR/DVD/Blueray-Multilaufwerken Verwendung findet; dadurch werden industrielle Massenpreise zugänglich und die Vorrichtung ist gewerblich und wissenschaftlich in passendem Maßstab marktfähig. Über programmierbare und individualisierbare Messverfahren und passende Software werden Datensätze drahtlos sammelbar und in passendem Maßstab verfügbar, sodass Fortschritt im Sinne neuer Verwendungen möglich wird.

Description

WISSENSCHAFTLICHER BEREICH
Der Bereich der zerstörungslosen sowie nicht-eindringenden Bestimmung von Eigenschaften ist immer dann relevant, wenn ein sehr wertvolles Werkstück oder auch ein empfindlicher Patient ohne potentiell schädliche Änderung der Struktur oder schmerzhafte Probenentnahme untersucht werden soll. Entsprechende Dokumente betreffen mithin medizinische Anwendungen, technische Vorrichtungen und Verfahren zur Auswertung entsprechender Daten.
Als medizinische Anwendung offenbart bereits 1971 die GB 1 521 113 A eine Kontaktlinse mit integriertem Sensor, welcher durch kontinuierliche Überwachung der Augenflüssigkeit schmerzfrei Rückschlüsse den Glucose-Spiegel des Trägers ermöglicht. Die DE 33 45 739 C2 offenbart, wie Ultraschall-Sender und -Detektoren in einer Armbanduhr zur Pulserfassung verwendet werden können.
Im Bereich technische Vorrichtungen schlägt die DE 25 01 782 vor, Festkörperlaser als Sender mit Multiplex-Funktion mit Wellenlängen-Selektion in Halbleiterbausteine zu integrieren. Die DE 692 20 942 erläutert ergänzend, wie ein Dioden-Laser mit zwei oder mehr Emmissions-Maxima erhalten werden kann. Ergänzend beschreibt die DE 3 141 448 A1 einen Scanner mit fliegendem Lichtpunkt, bei dem Sender und Empfänger auf das Abtasten/Untersuchen einer Fläche ausgelegt sind; piezoelektrisch aktuierte Spiegel mit optionalen Spiegeln fungieren hier als Wellenlängen-Selektor, um spezifische Wellenlängen separat in geeigneten Detektoren zu erfassen. Die DE 4014019 A erläutert ergänzend, wie Piezo-Translatoren zur hochgenauen Phasenverschiebung bei der Interferometrie nutzbar sind. Ergänzend erläutert die DE 35 87 492 T2 im Jahre 1985, wie ein im Wesentlichen modulierter Strahl verbessert zur Abstandsbestimmung per Interferenzmuster-Vergleich genutzt werden kann. Ergänzende, optoelektronische Schalter sowie Transistoren sind in der DE 40 00 023 A1 erläutert; nützliche CVD-Verfahren hierzu können der DE 690 12 727 T2 entnommen werden. Die DE 100 00 324 A1 erläutert, wie sowohl FTIR-Daten als auch Mikrowellen-Daten zeitgleich an einer Probe gewonnen werden können. Die US 2002 0 026 106 A erläutert ergänzend, wie über einen Multidetektor und verschiedene Wärmeprofile und Lokaltemperaturen zusätzliche Aussagen erhalten werden können. Die WO 2002 069 791 erläutert, wie impedanzspektroskopisch durch Wechselstrom-Modulation bei variierter Frequenz des Wechselstroms physiologische Daten und herleitbare Aussagen gewonnen und genutzt werden können.
ALLGEMEINER HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein damit durchführbares Verfahren und dessen Anwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. Wesentlich ist die non-invasive Konzentrationsbestimmung von Komponenten im menschlichen Blutkreislauf.
Eine grundsätzliche Vorrichtung, ihre Verwendung bei Tier, Mensch oder Pflanze sowie die Ausformung als am Handgelenk tragbare, Uhrähnliche Baugruppe, ist in der DD 300 132 A5 erläutert; dieses Dokument sowie seine parallelen, prioritätsbegründenden Dokumente können als wissenschaftliche und konzeptionelle Basis der vorliegenden Anmeldung angesehen werden, welche das Wissen und Können des hier relevanten Fachmanns umreißt. Nachfolgend seien weitere Dokumente erläutert, welche spezifische Aspekte dieses Wissens näher erläutern.
Die US 4,655,225 A beschreibt 1987, wie man spektrophotometrisch die Glukose-Konzentration über charakteristische Signale durch Selektion der entsprechenden Wellenlängen, Kalibrierung mit bekannten Konzentrationswerten und Korrelation der identifizierten, charakteristischen Werte bestimmen kann. Typische Wellenlängen und mögliche Strahlungs-Arten werden ergänzend erläutert. Passend hierzu wird in der DE 38 01 158 A1 im Jahre 1989 eine passende Schaltung und ein zugehöriges Messverfahren vorgeschlagen.
Die JP H02191434 A offenbart 1990, dass am Handgelenk eine Vene mit einer Vorrichtung mit getrennter IR-Emitter- und IR-Detektorkammer untersucht und so zur optischen Bestimmung des Blutglukose-Spiegels genutzt werden kann. Die EP 0 426 358 A1 schlägt hierzu grundsätzliche Baugruppen und Komponenten sowie die Verwendung eines vorteilhaft hoch integrierten Ein-Chip-Auswertprozessors in einer passenden Vorrichtung vor.
Die DE 37 00 577 A1 erläutert 1988, wie bei Durchstrahlung von Gewebe mit breitem Wellenlängenbereich Transmissions- und/oder Absorbtions-Werte korrelliert und mit einer Konzentration verknüpft werden können, um z. B. an einem Finger Werte wie den Sauerstoffgehalt messen zu können. Die DE 42 42 083 A1 erläutert ergänzend, wie durch schlüssiges Auflegen eines optischen Wellenleiters auf die Haut Messfehler durch verschieden zusammengesetzte Raumluft und Luftspalte vermieden werden kann. Die DE 44 23 663 A offenbart für den allgemeinen IR-Bereich Eindringtiefen und dadurch zugängliche Informationen als Funktion der Wellenlänge. Die DE 44 00 674 A1 schlägt vor, einen photoakustischen Sensor zusätzlich so auszurüsten, dass die Eindringtiefe der emittierten Strahlung sowie das sich abbildende und erfassbare Reflektions- und Streu-Volumen im lebenden Gewebe über Regelbaugruppen anpassbar ausgelegt werden, um spezifische Gewebe- oder Gefäß-Abschnitte gezielt untersuchen zu können. Fortbildend dazu erläutert die DE 43 31 010 A1 wie mit einem Sensor-Array mit mindestens zwei Strahlungsquellen eine entsprechende Vorrichtung sowohl eine korrekte Ausrichtung zum Gewebe als auch eine Kalibrierung und die nachfolgende Messung durchführbar für verschiedene Stoffe im menschlichen Blut mit passenden Baugruppen bereitstellen kann. Halbleiter-Paarungen mit entsprechenden Bandlücken und deren Verwendung in einem Breitband-Spektrometer werden ergänzend in der DE 197 24 682 A1 näher erläutert.
Verwendung solcher Vorrichtungen im Verbund sind in der US 5,628,324 erläutert: Drahtlos-Schnittstellen erlauben verschiedenen Baugruppen den Datenaustausch; Messung, Speicherung, Bewertung und auch Behandlung von gefährlich abweichenden, kontinuierlich prüfbaren Konzentrationswerten sind hier beschreiben. Erfassungs-, Bewertungs- und Regel-Kreise solcher Systeme werden ergänzend in der WO1997047237 A1 erläutert. WO 1999 058048A und WO 1999 07278 A erläutern mögliche, vorteilhafte Vorrichtungen im Lichte langjährig verfügbarer Technik.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Gattungsgemäße Gegenstände gemäß der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche sehen das Korrelieren von Daten vor.
Aus der US 6,477,393 B1 ist bekannt, Messdaten und Messzeiten einer optischen, non-invasiven Messung zu korrelieren, um die Zeitabschnitte, in denen das Venöse Blut in Abhängigkeit des Herzschlags das stärkste Signal liefert, zur Auswertung und Bestimmung von Eigenschaften des Blutes heranzuziehen. Mithin wird hier die Korrelation von Daten offenbart, um relevante Daten mit besserer Aussagekraft zu identifizieren und auswerten zu können. Gleichsinnig sieht die WO 2005/078411 die Korrelation von optischen Daten, Laser-Daten und Mikrowellen-Daten unter Verwendung spezieller Emitter, Filter und Detektoren vor.
Alternativ schlägt die DE 10 2008 023725 B4 vor, die Rotation der Polarisationsebene von linear plarisiertem, einfallendem Licht mit der Intensität der Streustrahlung zu korrelieren, um exakter auf die Blutglucose-Konzentration schließen zu können.
Aus der EP 3 359 038 B1 ist eine Vorrichtung und ein vorrichtungsgemäßes Verfahren bekannt, bei denen IR-Daten und LED-Blaulicht-Daten korreliert werden, um einen Blutzuckergehalt inklusive Fehler zu berechnen; die Reihenfolge der Datenermittlung ist dabei unabhängig voneinander.
Nachteilig ist bei den gattungsgemäßen Vorrichtungen, dass diese der aktuellen Nachfrage im Markt nicht gerecht werden; der zunehmend vernetzte Markt der persönlichen Daten erwartet bei Indsutrietypischen Preisen eine zunehmend weiter entwickelte Funktionalität. Dem steht entgegen, dass die entwickelten Konzepte, Verfahren und Produkte nicht in industrieller Menge verfügbar sind; mithin sind die Preise zu hoch. Weiterhin werden die verfügbaren Geräte, insbesondere Blutzuckermessgeräte, zwar als günstig aber nicht modern genug bewertet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung, das damit mögliche Verfahren und dessen Verwendung so bereitzustellen, dass trotz eines innovativen Konzepts ein attraktiver Massenpreis ermöglicht werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß weist die beanspruchte Vorrichtung zur non-invasiven Konzentrationsbestimmung von Komponenten im menschlichen Blutkreislauf einen optischen Emitter, einen Wellenlängen-selektiven Filter und einen Detektor auf. Wesentlich ist, dass die Vorrichtung mindestens eine Emitterbaugruppe aufweist, wobei die Emitterbaugruppe als eine kompakte Baugruppe ausgebildet ist und mindestens 3 integrierte Laserdioden aufweist. Solche Emitterbaugruppen sind zum Beispiel für CD-R/DVD/Bluray-Multi-Laufwerke etabliert und über diesen Bereich in großen Stückzahlen verfügbar; bei Schreib/Lese-Laufwerken findet sich in manchen Varianten noch eine zusätzliche, leistungsfähigere Schreib-Laserdiode. Mithin ermöglicht die Verwendung dieser kompakten, im parallelen Bereich etablierten Baugruppen einen industriellen Massenpreis, der bei üblicher Kleinserie im hier relevanten Bereich der Analytik-Geräte so nicht zugänglich ist. Die mindestens 3 Laserdioden sind in der Bauguppe mit einer gemeinsamen Emitter-Optik verbunden und über die Emitterbaugruppe ist wahlweise mindestens nicht gut sichtbare Infrarot-Strahlung, rotes Licht oder blaues Licht ausgebbar; im Falle von Schreib/Lese-Baugruppen ist mindestens eine weitere Emmission höherer Intensität und/oder abweichender Wellenlänge verfügbar und kann vorteilhaft mehr korrelierbare Daten bereitstellen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILHAFTER MERKMALE
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zur non-invasiven Konzentrationsbestimmung von Komponenten im menschlichen Blutkreislauf einen optischen Emitter, einen Wellenlängen-selektiven Filter und einen Detektor auf. Die Vorrichtung umfasst dabei mindestens eine Emitterbaugruppe, in der mindestens 3 Laserdioden kompakt in einer Einheit verbaut sind. Die mindestens 3 Laserdioden sind mit einer gemeinsamen Emitter-Optik verbunden. Über die Emitterbaugruppe ist wahlweise mindestens Infrarot-Strahlung, rotes Licht oder blaues Licht ausgebbar. Infrarot-Strahlung umfasst hierbei den direkt an das sichtbare Spektrum anschließenden Wellenlängenbereich von grob 780nm (violett/indigo; noch sichtbar) bis 15 Mikrometer (nahes bis mittleres IR). Mit rotem sowie blauem Licht kann dabei optisch zunächst eine Hautfläche auf blutführende Gefäße geprüft werden, um die Ortskoordinaten der Gefäße zu erfassen.
Bevorzugt weist die Vorrichtung abgabeseitig zur Emitter-Optik mindestens eine Spulen-aktuierte Spiegel-Ablenkeinheit auf; solche Ablenkeinheiten sind im Bereich der Scanner-Pistolen von Kassiersystemen etabliert; die Mechanik erlaubt das gezielte Ablenken eines emittierten Strahls auf eine Fläche. Im direkten Vergleich mit Piezo-aktuierten Spiegeln erwies sich der Stromverbrauch als deutlich geringer. Viele Piezo-Aktuatoren sind auf höchste Genauigkeit ausgelegt und variieren die Steuerspannung nachteilig verlustreich über mehrere Regelkreise. Dem gegenüber erwies sich die Spulen-aktuierte Spiegelablenkung überaschender Weise als für die vorliegende Nutzung - hier zur Identifikation und gezielten Bestrahlung von subkutanen Gefäßbereichen - als ausreichend genau und deutlich sparsamer.
Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Wellenlängen-selektive Filterbaugruppe auf. Über auswählbare Bereichs-Filter können dabei Wellenlängenbereiche eingegrenzt und auch vorgegeben werden. Zwei gegneinander verfahrbare, piezo-aktuierte Rechteck-Lochblenden erlauben das präzise Einstellen einer Spaltmaske / eines Streuspalts. So können sowohl Streumuster als auch bestimmte Strahlbereiche, besonders bevorzugt mit wellenlängenspezifischer Brechung kombiniert, eingestellt und auf eine Zielkoordinate projeziert werden. Die so erzeugte Streustrahlung, je nach Wellenlänge und Streumuster umfassend luminszente, fluoreszente sowie infrarote Anteile, wird mit einem Detektor-Array erfasst. Detektor-Array bezeichnet hierbei eine Mehrzahl an Photosensoren, welche die verschiedenen Anteile der Streustrahlung in ein elektrisch verarbeitbares Signal wandeln.
Bevorzugt umfasst das Detektor-Array einen Multifilter-Raumtemperatur-Photosensor. Solche sind besonders preisgünstig und robust und können über zusätzliche Multifilter auf bestimmte Wellenlängen ausgerichtet werden. Dieser bevorzugte Photosensor kann Photonen des mittleren bis nahen IR bis 15 Mikrometer Wellenlänge und sichtbares Licht in ein Mess-Signal wandeln. Der Multifilter erlaubt eine monochromatische Selektion innerhalb des sichtbaren Lichtspektrums, insbesondere umfassend Photonen roten Lichts, Photonen orangen Lichts, Photonen gelben Lichts, Photonen grünen Lichts, Photonen blauen Lichts, Photonen violetten Lichts und im ungefilterten Zustand Photonen-Ströme kontinuierlichen, weißen Lichts. Der Photosensor ist mithin gegenüber sichtbarem bis infrarotem Licht empfindlich und kann über den Multifilter auf bestimmte, vorgebbare Wellenlängenbereiche vorteilhaft ausgerichtet werden; bevorzugt umfassen die Filter Kombinationen, welche auf +-50 1/cm genau im Wellenzahl-Bereich 800 bis 1600 1/cm kombinierbar sind, um charakteristische Schwingungen organischer Verbindungen und ihrer Substituenten gezielt auf Absorbtion prüfen und/oder über ihre Emmission erfassen zu können.
Bevorzugt weist die Vorrichtung als digitale Schnittstelle und Auswerteinheit einen FRAM-basierten, programmierbaren Microcontroller mit integrierter, abschaltbarer Drahtlos-Kommunikations-Schnittstelle auf. FRAM-Speicher sind nicht flüchtige Speicher, welche auch bei Stromausfall die eingespeicherten Daten in den ferroelektrischen Strukturen speichern und später auslesen können. Vorteilhaft können solche Speicher stromlos geschaltet werden und so zu einem optimierten Stromverbrauch erheblich beitragen. Ein kontinuierlicher Stütz-Strom, welcher Daten konserviert, ist hier nicht nötig. Im praktischen Test erwies sich ein FRAM-Speicher als überraschend stabil: Auch in der Nähe zu eingeschalteten und aktiven Mobiltelefonen und üblichen, Feld erzeugenden Geräten wie Radios und Netztrafos konnte der FRAM-Chip, integriert in eine Uhr-förmige, am Handgelenk getragene Vorrichtung, sicher Daten speichern und trotz minimalstem Stromverbrauch fehlerfrei abrufen und nutzen.
In einem mit der vorbeschriebenen Vorrichtung durchführbaren Verfahren sind mindestens folgende Verfahrensschritte vorgesehen:

d) optisches Scannen eines Punktrasters auf einer Oberfläche eines lebenden Körpers; hierbei lenkt bevorzugt eine Spulen-aktuierte Spiegeleinheit den jeweils emittierten Laserstrahl in Zeilen und Reihen auf bestimmte Messpunkte. Optisch wird dies als eine Abfolge von äquidistanten Linien auf der Haut sichtbar. Der Detektor wird - passend getaktet - die Streustrahlung der jeweiligen Messpunkte sukzessiv erfassen, in ein verarbeitbares Signal wandeln und das gewandelte Signal wird als passender Datensatz für den Messpunkt mit vorgebbarer Emitter-Wellenlänge und einstellbarer Detektor-Wellenlänge gekoppelt gespeichert;
e) Identifikation und Speicherung der Punktraster-Koordinaten, welche eine vorgebbare Farbigkeit im reflektierten Signal aufweisen; durch Prüfung auf spezifische Farbigkeiten können Bereiche identifiziert werden, in denen Blutgefäße mit arteriellem und/oder venösem Blut sichtbar sind und für eine Messung genutzt werden können. Die Ortskoordinaten dieser Bereiche werden bei händisch grob ausgerichtetem Scanner relativ zu optischen Referenzpunkten der Haut oder bei realtiv zur Haut fixiertem Scanner als absolute x-y-Koordinaten des Punkterasters erfasst und gespeichert. So wird ein Satz Punktraster-Koordinaten generiert, welcher zur nachfolgenden Messung verwendet werden kann.
g1) Scannen der gespeicherten Punktraster-Koordinaten mit anregendemn optischem Licht einer Wellenlänge und Selektion einer ersten Untergruppe über ein erstes, vorgebbares Auswahlkriterium; aus den Punktraster-Koordinaten werden nach erster Messung jene ausgewählt, welche eine ausreichende Signalstärke und/oder passende Antwort-Wellenlänge in der detektierten Strahlung erkennen lassen; dadurch wird die Anzahl der relevanten Messpunkte wirksam optimiert und die Messzeit kann auf ein Minimum beschränkt werden.
g2.0) Abgleich der Punktraster-Koordinaten der ersten Untergruppe mit vorliegenden Punktraster-Koordinaten der ersten Untergruppe unter Erfassung und Speicherung von Abweichungen.
g2.1) optional Eliminierung von unsteten Rasterpunkt-Koordinaten aus der ersten Untergruppe; bei mehrfachen Mess-Zyklen wird die Konstanz des Signals eines Messpunkts kontinuierlich als Wert erfasst und kann bei g2.1) vorteilhaft zur Eliminierung von Messpunkten genutzt werden, um effektiv und wirksam nur relevante Messpunkte in eine Endauswertung einfließen zu lassen.
g3) Scannen der ersten Untergruppe von Punktraster-Koordinaten für mindestens einen vorgebbaren Wellenlängen-Wert, bevorzugt im detektierbaren Rot- bis IR-Bereich, und kumulatives Speichern der Messdaten für den mindestens einen Wellenlängen-Wert, optional für jede Rasterpunkt-Koordinate; der vorgebbare Wellenlängen-Wert ist ein für die gesuchte Substanz charakteristischer Wert oder eine charakteristische Wert-Kombination. Die an den relevanten Messpunkten erhaltene Antwort kann in Summe - für höhere Genauigkeiten auch auf Messpunkte aufgeteilt - in mehreren Messungen aufsummiert und mit einer hinterlegten Tabelle von Signaintensität und zugehöriger Konzentration abgegblichen werden, um einen zugehörigen Konzentrationswert einzeln oder in Summe zu bilden.
g4) Rücksprung zu Schritt g1 für erneuten Messzyklus, bis eine vorgebbare Anzahl an Messzyklen und/oder Datensätzen vorliegt; je mehr Messzyklen/Datensätze in eine Auswertung einfließen, desto exakter kann die Genauigkeit und zugehörige Schwankung des Messwerts erfasst werden. Vorteilhaft sind hier Regelkreise im Programm vorgesehen, welche bis zum Erreichen einer mindest-Genauigkeit 5 und mehr Messzyklen vorsehen; optional kann durch nutzerseitigen Eingriff die Anzahl der Messzyklen sukzessive per Feedback-Schleife vergrößert werden, bis die Aussagekraft den Ansprüchen des jeweiligen Nutzers genügt.
h) Auswertung und Ausgabe der kumulativen Messdaten, wobei die erfassten und gespeicherten Abweichungen zur Bewertung und Angabe der Qualität der Messung herangezogen werden; vorteilhaft wird dem Nutzer die Anzahl der relevanten Messpunkte und die Anzahl der Messzyklen ergänzend als grafische Veranschaulichung präsentiert; bevorzugt können typische Fehlerquellen wie verschmutzte Emitteroptik oder nicht ausreichend sichtbare Haut als Hinweise einprogrammiert und ausgegeben werden, wenn die Anzahl der relevanten Messpunkte und/oder deren Konstanz unter vorgebbare Schwellenwerte fällt.

Bevorzugt umfasst das Verfahren weiterhin die Schritte i) Speichern der Ausgabe-Daten mit Zeitstempel; j) Abgleich der Ausgabe-Daten mit früheren Ausgabe-Daten und Bewertung der Gleichmäßigkeit der Ausgabedaten für einen vorgebbaren Zeitraum. Durch die Schritte i) und j) wird es dem Nutzer und /oder einem Supervisor oder Programm ermöglicht, statistische Ausreißer, welche auf eine dramatische Änderung und dafür mögliche, akute Ursachen hinweisen können, frühzeitig im Lichte üblicher und etablierter Messwerte zu erkennen. Bevorzugt kann dies bei plötzlichen Unstetigkeiten die automatisierte Nachprüfung auf Instabilitäten im Kardiogramm, Fieber, akute Entzündungs-Kenngrößen o. ä. umfassen, um direkt übliche und mögliche Ursachen prüfen und ggf. erkannte Auffälligkeiten direkt mit angeben zu können.
Bevorzugt umfasst das Verfahren weiterhin die Schritte a10) Positionieren der Vorrichtung an vorgegebener Stelle eines Nutzers a11) Erfassen nutzerspezifischer Daten im Rahmen einer ersten Kalibrierungs-Messung; b) drahtloses Hochladen von verschlüsselten Nutzerdaten; c) Eingabe, optional drahtlose NFC-Übermittlung, eines Passworts durch den Nutzer; d) Entschlüsseln der Nutzerdaten unter Korrelation der Daten aus a1) und c); so können verschiedene Nutzer auf ihre jeweiligen Daten über ein drahtloses Daten-Netzwerk zugreifen, wobei durch die nutzerspezifische Verschlüsselung über nutzereigene Merkmale und vom Nutzer bereitgestellte Codes eine biobasierte Authentifizierung mit mindestens zwei Faktoren gewährleistet ist. Dies erlaubt es, mit einer Vorrichtung mehreren Nutzern ihre spezifisch hinterlegten und angelegten Daten nacheinander bereitzustellen und zu ergänzen, ohne dass eine Einsichtnahme eines Nutzers in Daten eines anderen Nutzers zu befürchten ist.
Bevorzugt umfasst das Verfahren weiterhin die Schritte a01) Aktivieren eines Substanz-Kalibriermodus unter Eingabe eines Substanznamens; a02) Erzeugen eines ersten Datensatzes für eine Null-Linie; a03) Eingabe eines bekannten Konzentratinswertes als Referenzwert und Scannen einer Körperfläche, welche den bekannten Konzentrationswert aufweist unter Erzeugung eines weiteren Datensatzes für den bekannten Konzentrationswert; a04) Erzeugen eines Differenzdatensatzes für eine Signalkorrelation a02 und a03; a05) Rücksprung zu a03 unter Änderung des bekannten Konzentrationswertes;
bis für einen angestrebten Konzentrationsbereich mehrere Datensätze erzeugt worden sind;
a06) Auswertung der mehreren Datensätze;
a07) Identifikation mindestens eines charakteristischen Wellenlängen-Werts;
a08) Korrelation von Signalstärke und Konzentration für die identifizierten, charakteristischen Wellen-Längen-Werte unter Berechnung der zu erwartenden Schwankung;
a09) Speicherung oder Export der Korrelations-Daten aus a08 als vorgebbarer Wellenlängen-Wert mit Korrelationstabelle.
Die Schritte a01 bis a09 erlauben es Nutzern, spezifische und auch auf Nutzer individuell abstimmbare Korrelationstabellen selbst zu erzeugen; Metaboliten und/oder Blutkennwerte für weitere Substanzen und/oder Stoffwechselprodukte können so von Nutzern für individuelle Anwendungsbereiche wie z. B. bilanzierte Diät, individuelle Stoffwechselgeschwindigkeiten für Eiweiße Kohlenhydrate oder Fette, Abbaukinetik von Schmerzmitteln u.v.m. erstellt, vorteilhaft in gemeinsamem Datenpool gesammelt und der Wissenschaft zur Verfügung gestellt, werden.
Vor diesem Hintergrund offenbart die vorliegende Beschreibung auch eine Software auf/in einem Datenträger, welche das erläuterte Verfahren ausführbar auf einem Rechner, bevorzugt auf einer Vorrichtung der vorbeschriebenen Art mit Ein-Chip-Prozessor mit drahtlos-Kommunikation, bereitstellt, bevorzugt zusätzlich mit einer zentralen Datensatzerfassung und Datenerfassung verbindet.
In bevorzugten Abwandlungen kann das Verfahren zu neuem Zweck verwendet werden, der Zweck ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Überwachung einer chemischen Reaktion in einem Druckprozess; Erfassung der Permeationsgeschwindigkeit von fluoreszensmarkiertem, versoffwechselbarem Mikroplastik in lebendem Gewebe; anonymisierte Überprüfung Pandemie-spezifischer Merkmalskombinationen in Zugangsbereichen; kontinuierliche Begleitung einer bilanzierten Diät im Pferdesportbereich; Tumor-Analytik; sportmedizinische Begleitung; Viren-Detektion; Bakterien-Detektion; Detektion pathogener Infektionen über charakteristische Metaboliten; Detektion charakteristischer Metaboliten von Medikamenten; Detektion charakteristischer Metaboliten von Hormonen; Detektion charakteristischer Metaboliten von Drogen; Detektion charakteristischer Metaboliten von Alkohol; Integration in Kassier- und Überwachungs-Systeme; Synthese von Chemikalien; Prozessführung bei der Chemikalien-Synthese; Gaschromatografie; DNA-Analyse; HIV-Test-Verfahren; Schwangerschafts-Tests; Test auf Empfängnisbereitschaft für Zucht- und Plan-Systeme; Untersuchung von Entzündungen; Lebensmittel-Untersuchungen; Untersuchung der Verstoffwechselungskinetik von Lebensmitteln; Ermitteln des GI-Index von Lebensmitteln; Überprüfung auf Vergiftung; Verwendung in Arbeits-Schutz- und Arbeits-Sicherheits-Systemen; Blutanalytik; Notfall-Anamnese; Ambulanz-Anamnese; Korngrößenmessung; technische Prüfsysteme; Farb-Synthese; Pigmentierungs-Analyse; Metall-Analysen; Getränke-Analyse.
Weitere Vorteile ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel. Die vorbeschriebenen Merkmale und Vorteile und nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind - sofern nicht epxlizit als solche beschrieben - nicht als abschließende Merkmalskombinationen aufzufassen. Zusätzliche, vorteilhafte Merkmale, Maßnahmen und Baugruppen und zusätzliche Merkmalskombinationen, wie sie in der Beschreibung erläutert und im wissenschaftlichen Bereich sowie im allgemeinen Hintergrund etabliert sind, können im Rahmen der unabhängigen Ansprüche im beanspruchten Gegenstand sowohl einzeln als auch abweichend kombiniert verwirklicht werden, ohne dass der Bereich der Erfindung verlassen würde.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Eine Emitterbaugruppe eines Multikompatiblen Schreib-/Lese-Laufwerks kompatibel zum Emitter-Typ KES490A wurde in eine Spulen-aktuierte X-Y-Ablenkeinheit eines Handscanners integriert. Die Steuerung erfolgt über einen passend entworfenen Einplatinen-Einchip-Computer auf FRAM-Basis, programmierbar in Assembler oder C. Als Gehäuse dient die Displayeinheit einer am Handgelenk tragbaren Bedieneinheit aus dem IoT-Bereich, deren Unterseite mit Durchbrüchen für Emitter und Detektor versehen wurden. Als Detektor dient ein Raumemperatur-Multi-Array mit wählbarem, vorschaltbarem Multifilter. Als Machbarkeitsnachweis wurde zunächst eine Schrittreihenfolge, umfassend die Identifizierung, Prüfung und Auswahl geeigneter Punktraster-Koordinaten, Bewertung der Signal-Qualität und Korrelation mit einer Mess-Signal-Konzentrations-Tabelle programmiert. 18 Patienten wurden anonym und unter paralleler Ermittlung des Blutglucose-Pegels mit üblichem Stich-Test als Datenbasis gepüft; bei 66% ergab die erste, nicht korrigierte Koorelation Ergebnisse innerhalb des Genauigkeits-Bereiches des Referenzsystems (+- 15%). Bei 33% wurde ein höherer oder niederigerer Wert ermittelt.
Ergänzung der Software mit einem Verfahren mit Mehrfachmessung zur Selektion relevanter, zuverlässiger Sensormesspunkte erhöhte die Genauigkeit der Analyse erheblich: Die Genauigkeit der Ergebnisse zeigte eine geringere Schwankung als dies das per Stechlanzette und Blutprobe operierende Referenzsystem zusagte.
Erstmals konnte mit einer kompakten Multi-Emitterbaugruppe aus dem Bereich der Unterhaltungselektronik gewerblich verwertbar und massentauglich ein Messgerät bereitgetsellt werden, welches über seine programmierbare Schnittstelle eine breite, Fortschritt fördernde Anwendung und weiterbildende Verwendungen ermöglicht.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die vorliegende Erfindung ist im Bereich der nicht-invasiven Detektion von Konzentrationen in lebendem Gewebe angesiedelt. Nachteilig ist dabei, dass etablierte, programmierbare Baugruppen in diesem Bereich zu teuer sind, um mit breiter Marktakezeptanz und Marktdurchsetzung für Fortschritt notwendige Mengen an Messdaten zu generieren.
Aufgabe ist, den Nachteil zu überwinden.
Die Lösung erfolgt mit einer Vorrichtung, bei der als Emittergruppe eine kompakte Laser-Dioden-Kombination genutzt wird, wie sie auch in CDR/DVD/Blueray-Multilaufwerken Verwendung findet; dadurch werden industrielle Massenpreise zugänglich und die Vorrichtung ist gewerblich und wissenschaftlich in passendem Maßstab marktfähig. Über programmierbare und individualisierbare Messverfahren und passende Software werden Datensätze drahtlos sammelbar und in passendem Maßstab verfügbar, sodass Fortschritt im Sinne neuer Verwendungen möglich wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 3345739 C2 [0002]
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DE 102008023725 B4 [0012]
EP 3359038 B1 [0013]

Claims

Vorrichtung zur non-invasiven Konzentrationsbestimmung von Komponenten im menschlichen Blutkreislauf, aufweisend einen optischen Emitter, einen Wellenlängen-selektiven Filter und einen Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Emitterbaugruppe aufweist, wobei die Emitterbaugruppe mindestens 3 Laserdioden aufweist und die mindestens 3 Laserdioden mit einer gemeinsamen Emitter-Optik verbunden sind und über die Emitterbaugruppe wahlweise mindestens Infrarot-Strahlung, rotes Licht oder blaues Licht ausgebbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung abgabeseitig zur Emitter-Optik mindestens eine Spulen-aktuierte Spiegel-Ablenkeinheit aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Wellenlängen-selektive Filterbaugruppe aufweist, umfassend auswählbare Bereichs-Filter, zwei gegneinander verfahrbare, piezo-aktuierte Rechteck-Lochblenden und ein Detektor-Array.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektor-Array aus einem Multifilter-Raumtemperatur-Photosensor besteht, welcher ausgebildet ist, Photonen des mittleren bis nahen IR bis 15 Mikrometer Wellenlänge, insbesondere Photonen im Wellenzahl-Bereich 800 bis 1600 1/cm, sowie Photonen roten Lichts, Photonen gelben Lichts, Photonen blauen Lichts und Photonen-Ströme kontinuierlichen weißen Lichts, in ein Messignal zu wandeln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als digitale Schnittstelle und Auswerteinheit einen FRAM-basierten, programmierbaren Microcontroller mit integrierter, abschaltbarer Drahtlos-Kommunikations-Schnittstelle aufweist.
Verfahren, durchführbar mit einer Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte umfasst d) optisches Scannen eines Punktrasters auf einer Oberfläche eines lebenden Körpers; e) Identifikation und Speicherung der Punktraster-Koordinaten, welche eine vorgebbare Farbigkeit im reflektierten Signal aufweisen; g1) Scannen der gespeicherten Punktraster-Koordinaten mit anregendemn optischem Licht einer Wellenlänge und Selektion einer ersten Untergruppe über ein erstes, vorgebbares Auswahlkriterium; g2.0) Abgleich der Punktraster-Koordinaten der ersten Untergruppe mit vorliegenden Punktraster-Koordinaten der ersten Untergruppe unter Erfassung und Speicherung von Abweichungen g2.1) optional Eliminierung von unsteten Rasterpunkt-Koordinaten aus der ersten Untergruppe g3) Scannen der ersten Untergruppe von Punktraster-Koordinaten für mindestens einen vorgebbaren Wellenlängen-Wert, bevorzugt im detektierbaren Rot- bis IR-Bereich, und kumulatives Speichern der Messdaten für den mindestens einen Wellenlängen-Wert, optional für jede Rasterpunkt-Koordinate g4) Rücksprung zu Schritt g1 für erneuten Messzyklus, bis eine vorgebbare Anzahl an Messzyklen und/oder Datensätzen vorliegt h) Auswertung und Ausgabe der kumulativen Messdaten, wobei die erfassten und gespeicherten Abweichungen zur Bewertung und Angabe der Qualität der Messung herangezogen werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin die Schritte i) Speichern der Ausgabe-Daten mit Zeitstempel; j) Abgleich der Ausgabe-Daten mit früheren Ausgabe-Daten und Bewertung der Gleichmäßigkeit der Ausgabedaten für einen vorgebbaren Zeitraum; umfasst.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin die Schritte a10) Positionieren der Vorrichtung an vorgegebener Stelle eines Nutzers a11) Erfassen nutzerspezifischer Daten im Rahmen einer ersten Kalibrierungs-Messung; b) drahtloses Hochladen von verschlüsselten Nutzerdaten; c) Eingabe, optional drahtlose NFC-Übermittlung, eines Passworts durch den Nutzer; d) Entschlüsseln der Nutzerdaten unter Korrelation der Daten aus a1) und c); umfasst.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin die Schritte a01) Aktivieren eines Substanz-Kalibriermodus unter Eingabe eines Substanznamens; a02) Erzeugen eines ersten Datensatzes für eine Null-Linie; a03) Eingabe eines bekannten Konzentratinswertes als Referenzwert und Scannen einer Körperfläche, welche den bekannten Konzentrationswert aufweist unter Erzeugung eines weiteren Datensatzes für den bekannten Konzentrationswert; a04) Erzeugen eines Differenzdatensatzes für eine Signalkorrelation; a05) Rücksprung zu a03 unter Änderung des bekannten Konzentrationswertes, bis für einen angestrebten Konzentrationsbereich mehrere Datensätze erzeugt worden sind; a06) Auswertung der mehreren Datensätze; a07) Identifikation mindestens eines charakteristischen Wellenlängen-Werts; a08) Korrelation von Signalstärke und Konzentration für die identifizierten, charakteristischen Wellen-Längen-Werte unter Berechnung der zu erwartenden Schwankung; a09) Speicherung oder Export der Korrelations-Daten aus a08 als vorgebbarer Wellenlängen-Wert mit Korrelationstabelle.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche zu neuem Zweck, der Zweck ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Überwachung einer chemischen Reaktion in einem Druckprozess; Erfassung der Permeationsgeschwindigkeit von fluoreszensmarkiertem, versoffwechselbarem Mikroplastik in lebendem Gewebe; anonymisierte Überprüfung Pandemie-spezifischer Merkmalskombinationen in Zugangsbereichen; Begleitung einer bilanzierten Diät im Pferdesportbereich; Tumor-Analytik; sportmedizinische Begleitung; Viren-Detektion; Bakterien-Detektion; Detektion pathogener Infektionen über charakteristische Metaboliten; Detektion charakteristischer Metaboliten von Medikamenten; Detektion charakteristischer Metaboliten von Hormonen; Detektion charakteristischer Metaboliten von Drogen; Detektion charakteristischer Metaboliten von Alkohol; Integration in Kassier- und Überwachungs-Systeme; Synthese von Chemikalien; Prozessführung bei der Chemikalien-Synthese; Gaschromatografie; DNA-Analyse; HIV-Test-Verfahren; Schwangerschafts-Tests; Test auf Empfängnisbereitschaft für Zucht- und Plan-Systeme; Untersuchung von Entzündungen; Lebensmittel-Untersuchungen; Untersuchung der Verstoffwechselungskinetik von Lebensmitteln; Ermitteln des GI-Index von Lebensmitteln; Überprüfung auf Vergiftung; Verwendung in Arbeits-Schutz- und Arbeits-Sicherheits-Systemen; Blutanalytik; Notfall-Anamnese; Ambulanz-Anamnese; Korngrößenmessung; technische Prüfsysteme; Farb-Synthese; Pigmentierungs-Analyse; Metall-Analysen; Getränke-Analyse.