DE19952215A1 - Testelement-Analysesystem - Google Patents

Abstract

Testelement-Analysesystem (1) zur analytischen Untersuchung einer Probe (8), insbesondere einer Körperflüssigkeit von Menschen oder Tieren, umfassend Testelemente (3) mit einer Meßzone (7), in die die zu untersuchende Probe zur Durchführung einer Analyse gebracht wird, um eine für die Analyse charakteristische Meßgröße zu messen und ein Auswertegerät (2) mit einer Testelementhalterung (5), um ein Testelement (3) in einer Meßposition zur Durchführung der Messung zu positionieren und einer Meß- und Auswerteelektronik (15) zur Messung der charakteristischen Veränderung und Ermittlung eines hierauf basierenden Analyseresultates. DOLLAR A Um durch eine verbesserte Temperaturkompensation eine erhöhte Meßgenauigkeit zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Auswertegerät (2) zur Bestimmung der im Bereich der Meßzone (7) des Testelementes (3) herrschenden Temperatur einen Infrarotdetektor (20) und die Meßzone (7) mit dem Infrarotdetektor (20) ortsselektiv verbindende Infrarotstrahlen-Transportmittel (22) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Testelement-Analysesystem zur analytischen Untersuchung einer Probe, insbesondere einer Körperflüssigkeit von Menschen oder Tieren. Zu dem System gehören zwei Bestandteile, nämlich Testelemente, die eine Meßzone aufweisen, in die die zu untersuchende Probe zur Durchführung einer Analyse gebracht wird, um eine für die Analyse charakteristische Meßgröße zu messen, und ein Auswertegerät mit einer Testelementhalterung, um ein Testelement in einer Meßposition zur Durchführung der Messung zu positionieren und einer Meß- und Auswerteelek­ tronik zur Messung der charakteristischen Meßgröße und Ermittlung eines hierauf basierenden Analyseresultates.

Testelement-Analysesysteme sind insbesondere in der Medi­ zin für die Analyse von Urin und Blut gebräuchlich. Die Testelemente haben meist die Form von Teststreifen, je­ doch sind auch andere Formen von Testelementen, bei­ spielsweise flache, näherungsweise quadratische Plätt­ chen, gebräuchlich.

In der Regel enthalten die Testelemente Reagenzien, deren Reaktion mit der Probe zu einer physikalisch nachweisba­ ren Veränderung des Testelementes führt, die mit dem zu dem System gehörigen Auswertegerät gemessen wird. Ge­ bräuchlich sind insbesondere photometrische Analyse­ systeme, bei denen die Reaktion eine Farbänderung in einer Nachweisschicht des Testelementes verursacht, die photometrisch gemessen wird. Daneben haben elektrochemi­ sche Analysesysteme eine erhebliche Bedeutung, bei denen infolge der Reaktion eine als Spannung oder Stromfluß meßbare elektrochemische Veränderung des Testelementes stattfindet. Neben diesen mit Reagenzien arbeitenden Ana­ lysesystemen werden auch reagenzfreie Analysesysteme dis­ kutiert, bei denen nach Kontaktierung des Testelementes mit der Probe eine analytisch charakteristische Eigen­ schaft der Probe selbst (beispielsweise deren optisches Absorptionsspektrum) gemessen wird. Die Erfindung ist grundsätzlich für alle diese Verfahren verwendbar.

Teilweise werden Testelement-Analysesysteme in medizini­ schen Labors eingesetzt. Die Erfindung richtet sich je­ doch insbesondere auf Anwendungsfälle, bei denen die Ana­ lyse durch den Patienten selbst durchgeführt wird, um seinen Gesundheitszustand laufend zu überwachen ("home- monitoring"). Von besonderer medizinischer Bedeutung ist dies für die Behandlung von Diabetikern, die die Konzen­ tration von Glucose im Blut mehrfach täglich bestimmen müssen, um ihre Insulininjektionen danach einzustellen. Für derartige Zwecke müssen die Auswertegeräte leicht und klein, batteriebetrieben und robust sein.

Ein grundlegendes Problem besteht darin, daß die für die Analyse charakteristische Meßgröße meist stark tempera­ turabhängig ist. Diese Temperaturabhängigkeit liegt häufig bei ein bis zwei Prozent pro Grad. Im Bereich des home-monitoring ist es unvermeidlich, daß das Analyse­ system starken Temperaturänderungen ausgesetzt ist. Dort muß mit Schwankungen der Temperatur von mindestens ±5° gerechnet werden, wobei wesentlich höhere Temperatur­ schwankungen vorkommen können, wenn die Messung auch unter ungewöhnlichen Bedingungen (beispielsweise im Auto oder im Freien) möglich sein soll.

Um die daraus resultierenden Meßungenauigkeiten zu ver­ meiden, wurde vorgeschlagen, die Meßzone des Testelemen­ tes mittels einer entsprechenden Temperierungseinrichtung auf eine bestimmte konstante Temperatur zu temperieren. Beispielsweise ist in dem US-Patent 5,035,862 die Tempe­ rierung individueller Testfelder von Urinteststreifen mittels induktiver Beheizung beschrieben. Derartige Ver­ fahren sind jedoch bei kleinen batteriebetriebenen Gerä­ ten wegen des hohen Energieverbrauches unpraktikabel.

Bei manchen Analysesystemen wird die Temperatur während der Messung in dem Gehäuse des Auswertegerätes elektrisch (mittels eines Thermoelementes oder Thermowiderstandes) bestimmt und die so gemessene Temperatur bei der Ermitt­ lung des Analyseresultates berücksichtigt. Eine solche Korrektur kann genau sein, wenn sich die Temperatur in der Umgebung des Auswertegerätes und des Testelementes vor der Messung längere Zeit nicht geändert hat und des­ wegen die tatsächliche Temperatur der Probe in der Meß­ position mit der elektrisch gemessenen Temperatur gut übereinstimmt. Insbesondere im Bereich des home-monito­ ring ist diese Bedingung vielfach jedoch nicht erfüllt, weil die Lebensumstände des Patienten es erfordern, daß er Analysen an verschiedenen Orten und unter wechselnden Temperaturbedingungen durchführt.

Zur Lösung dieses Problems wird in dem US-Patent 5,405,511 vorgeschlagen, die Temperatur wiederholt in regelmäßigen Abständen zu messen und die Korrekturtempe­ ratur durch Extrapolation auf Basis des über einen gewissen Zeitraum gemessenen Temperaturverlaufs zu be­ stimmen. Dies erfordert allerdings, daß die Temperatur vor der Analyse über einige Minuten fortlaufend oder in bestimmten Abständen bestimmt wird. Um die damit verbun­ dene Wartezeit vor Durchführung des Tests zu vermeiden, werden gemäß dem US-Patent 5,405,511 auch dann Tempera­ turmessungen im Abstand von einigen Minuten durchgeführt, wenn das Gerät ausgeschaltet ist. Dadurch kann die Extra­ polation auf die Korrekturtemperatur unmittelbar nach dem Einschalten des Gerätes durchgeführt werden. Mit diesem Verfahren ist jedoch ein erhöhter Energieverbrauch ver­ bunden, weil die Geräteelektronik jeweils im Abstand von wenigen Minuten zur Bestimmung der Temperatur in Betrieb gesetzt werden muß. Außerdem ist die Abschätzung der Kor­ rekturtemperatur mittels eines Extrapolationsalgorithmus nicht unter allen Betriebsbedingungen zuverlässig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Testele­ ment-Analysesystem zur Verfügung zu stellen, mit dem durch eine verbesserte Temperaturkompensation eine er­ höhte Meßgenauigkeit erreicht wird. Dies soll mit einem geringen Aufwand, der für home-monitoring-Systeme ver­ tretbar ist, möglich sein.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Hauptaspekt der Er­ findung bei einem Testelement-Analysesystem der vorste­ hend erläuterten Art dadurch gelöst, daß das Auswertege­ rät zur Bestimmung der im Bereich der Meßzone des Test­ elementes herrschenden Temperatur einen Infrarotdetektor und die Meßzone mit dem Infrarotdetektor ortsselektiv verbindende Infrarotstrahlen-Transportmittel aufweist.

Die speziellen Anforderungen üblicher Teststreifen-Ana­ lysesysteme bringen es mit sich, daß es in den meisten Fällen nicht möglich ist, einen Infrarotdetektor so zu positionieren, daß er unmittelbar die von der Meßzone kommende IR-Strahlung hinreichend selektiv und empfind­ lich detektiert, um die erforderliche Genauigkeit der Temperaturmessung zu gewährleisten. Im Rahmen der Erfin­ dung wurde festgestellt, daß dieses Problem dadurch über­ wunden werden kann, daß die Meßzone und der Infrarot­ detektor durch ortsselektive Infrarotstrahlen-Transport­ mittel miteinander verbunden sind, die folgende Anforde­ rungen erfüllen:

• - Sie führen dem Detektor erfaßt selektiv die von der Meßzone kommende IR-Strahlung zu.
• - Ein sehr hoher Anteil der von der Meßzone ausgehenden IR-Strahlung gelangt zu dem Detektor, d. h. die Trans­ portmittel arbeiten weitgehend verlustfrei.

Diese Anforderungen können im Prinzip mit Hilfe eines op­ tischen Ausbildungssystems erfüllt werden, das mindestens eine Linse aufweist. Wesentlich bevorzugte Bestandteile der Infrarotstrahlen-Transportmittel sind jedoch ein Hohlleiter mit für Infrarotstrahlen reflektierender In­ nenwand, insbesondere aus metallisiertem Kunststoff, und/oder ein innerhalb des Gehäuses angeordneter Abbil­ dungsspiegel. Diese Elemente ermöglichen einen nahezu verlustfreien Transport der IR-Strahlung von der Meßzone zu dem Infrarotdetektor und zugleich eine sehr gute Se­ lektivität. Dabei sind die Kosten gering und es ist ohne Probleme möglich, einen gekrümmt oder mehreckig ver­ laufenden (nichtgeraden) Strahlengang zwischen der Meßzone und dem Infrarotdetektor zu realisieren. Dadurch ist eine auf die Bedürfnisse eines Testelement-Analyse­ systems optimal abgestimmte Realisierung der Infrarot- Temperaturmessung der Meßzone möglich.

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

Fig. 1 Ein erfindungsgemäßes Testelement-Analysesystem in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine Teil-Schnittdarstellung eines erfindungs­ gemäßen Analysesystems,

Fig. 3 eine Teil-Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform,

Fig. 4 eine Schnitt-Prinzipskizze einer weiteren al­ ternativen Ausführungsform,

Fig. 5 eine Schnitt-Prinzipskizze einer dritten alter­ nativen Ausführungsform.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Analysesystem 1 besteht aus einem Auswertegerät 2 und zur einmaligen Ver­ wendung vorgesehenen (disposiblen) Testelementen 3.

Das Auswertegerät 2 hat eine Testelementhalterung 5, mit der ein Testelement 3 in der in Fig. 2 dargestellten Meßposition positioniert wird. Das Testelement 3 ist durch geeignete Mittel, beispielsweise eine Blattfeder 6, in der Meßposition fixiert.

Zur Durchführung einer Messung wird die Probenflüssigkeit (beispielsweise Blut) in eine Meßzone 7 gebracht. Bei der dargestellten Ausführungsform eines Testelementes 3 geschieht dies dadurch, daß ein Blutstropfen 8 auf eine am Ende des Testelementes 3 vorgesehene Probenauftrags­ zone 9 aufgebracht und von dort in einem Kapillarspalt 10 zu der Meßzone 7 gesaugt wird. In der Meßzone 7 befindet sich eine Reagenzschicht 12, die von der Probenflüssig­ keit aufgelöst wird und mit deren Bestandteilen reagiert.

Die Reaktion führt zu einer meßbaren Veränderung in der Meßzone 7. Im dargestellten Fall eines elektrochemischen Testelementes erfolgt die Messung einer elektrischen Meß­ größe mittels in der Meßzone vorgesehener, in den Figuren nicht dargestellter Elektroden, die mit Kontaktstreifen 13 verbunden sind. Die Kontaktstreifen 13 stellen in der Meßposition einen elektrischen Kontakt zu entsprechenden Gegenkontakten 14 der Testelementhalterung 5 her, die mit einer Meß- und Auswerteelektronik 15 verbunden sind. Im Hinblick auf eine möglichst kompakte Bauweise und hohe Zuverlässigkeit ist die Meß- und Auswerteelektronik 15 hochintegriert. Im dargestellten Fall besteht sie im we­ sentlichen aus einer Leiterplatine 16 und einem Spezial- IC (ASIC) 17.

Auf der Leiterplatine 16 ist auch ein Infrarotdetektor 20 zur Bestimmung der im Bereich der Meßzone 7 herrschenden Temperatur montiert. Geeignete Infrarotdetektoren sind kostengünstig verfügbar. Vorzugsweise wird ein Detektor­ typ gewählt, der zur Eigenkalibration einen integrierten Temperatursensor (z. B. ein NTC-Halbleiterelement) ein­ schließt.

Generell ist es vorteilhaft, wenn der Infrarotdetektor 20 in dem Sinne in die Meß- und Auswerteelektronik 15 inte­ griert ist, daß eine starre mechanische Verbindung zwi­ schen dem Infrarotdetektor 20 und den übrigen Bestandtei­ len der Meß- und Auswerteelektronik 15 besteht. Durch kurze und mechanisch starre Leiterverbindungen zwischen dem Infrarotdetektor 20 und den übrigen Bestandteilen der Meß- und Auswerteelektronik 15 wird nicht nur eine kom­ pakte Bauweise, sondern vor allem eine hohe mechanische und elektronische Stabilität sowie eine gute langfristige Zuverlässigkeit erreicht.

Nachteilig erscheint dabei zunächst, daß der in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnete Übertragungsweg 21, den die IR-Strahlung von der Meßzone 7 zu dem Infrarotdetektor 20 zurücklegen muß, relativ lang und nicht gerade ist. Dies gilt insbesondere, wenn das Auswertegerät die in der Pra­ xis (im Hinblick auf eine einfache Handhabung) gewünschte sehr flache Bauform hat und infolgedessen die Testele­ menthalterung 5 und die Elektronikeinheit 15 nicht über­ einander angeordnet werden können.

Besondere zusätzliche Probleme ergeben sich, wenn das Testelement und die Halterung des Auswertegerätes - wie dargestellt - so ausgebildet sind, daß das Testelement 3 in der Meßposition aus dem Gehäuse 23 des Auswertegerätes 2 herausragt. Diese Bauweise ist für die Handhabung des Analysesystems vorteilhaft, weil die Probe in die Meßzone 7 gebracht werden kann, während sich das Testelement in der Meßposition befindet. Für die Bestimmung der im Be­ reich der Meßzone 7 herrschenden Temperatur ist damit je­ doch der Nachteil verbunden, daß der Übertragungsweg 21 durch ein in dem Gehäuse 2 vorgesehenes Fenster 26 ver­ laufen muß und einen außerhalb des Gehäuses 23 verlaufen­ den Abschnitt 21a einschließt.

Die insgesamt mit 22 bezeichneten Infrarotstrahlen-Trans­ portmittel ermöglichen auch in derartig problematischen Fällen eine selektive und empfindliche Erfassung der von der Meßzone 7 ausgehenden Infrarotstrahlung. Im dargestellten Fall bestehen sie aus einem Hohlleiter 24 mit für Infrarotstrahlen reflektierender Innenwand und einem innerhalb des Gehäuses 23 des Auswertegerätes 2 an­ geordneten Abbildungsspiegel 25.

Der Hohlleiter 24 ist als zumindest auf seiner Innenseite metallisiertes (insbesondere vergoldetes) Kunststoffteil realisiert. Mittels eines solchen Hohlleiters 24 kann auf einfache und kostengünstige Weise der gewünschte Übertra­ gungsweg 21 für die IR-Strahlen innerhalb des Gehäuses 25 realisiert werden.

Soweit - wie bei dem dargestellten Testelement-Analyse­ system - der Übertragungsweg 21 der IR-Strahlen auch einen außerhalb des Gehäuses 25 des Auswertegerätes 2 verlaufenden Abschnitt 21a aufweist, ist es vorteilhaft, wenn auf diesem Abschnitt die erforderliche selektive Er­ fassung der aus der Meßzone 7 kommenden IR-Strahlung mit­ tels eines optischen Abbildungssystems realisiert, wobei die in Fig. 2 dargestellte Verwendung eines konkav ge­ krümmten Abbildungsspiegels 25 bevorzugt ist. Das opti­ sche Fenster 26 ist vorzugsweise mittels einer für Infra­ rotstrahlen durchlässigen Scheibe 28, insbesondere einer Polyethylenfolie, staubdicht verschlossen.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausgestaltung gezeigt, bei der das optische Abbildungssystem von einer in die Scheibe 28 integrierte optischen Linse gebildet und die erforderliche Strahlumlenkung der IR-Strahlen auf dem Übertragungsweg 21 durch einen Planspiegel 29 gewährlei­ stet wird.

Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungs­ form basiert die Funktion der ortselektiven Lichttrans­ portmittel 22 weitgehend auf der Wirkung eines optischen Abbildungssystems, das mittels des Abbildungsspiegels 25 oder der Linse 27 realisiert ist. In dem Hohlleiter 24 ist hauptsächlich dessen hintere, schräg geneigte als Planspiegel 30 wirkende Fläche wirksam, die für die erforderliche Umlenkung zu dem IR-Detektor 20 sorgt.

Eine sehr wirksame und dabei besonders kostengünstige Realisierung der ortselektiven Infrarotstrahlen-Trans­ portmittel läßt sich (auch ohne ein optisches Abbildungs­ system) mittels eines innenseitig verspiegelten Hohllei­ ters 24 erreichen, der - wie in den Fig. 4 und 5 dar­ gestellt - so ausgebildet ist, daß seine der Meßzone 7 zugewandte Eingangsöffnung 31 einen größeren Öffnungs­ querschnitt als die dem Infrarotdetektor 20 zugewandte Austrittsöffnung 32 hat. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich der Hohlleiter 24 zwischen der Eintrittsöffnung 31 und der Austrittsöffnung 32 im wesentlichen kontinuierlich verjüngt, sein Querschnitt also allmählich immer kleiner wird. Dadurch wird eine Konzentration der Intensität der an den Wänden des Hohlleiters 24 reflektierten Infrarotstrahlung erreicht.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform verläuft die Achse des Hohlleiters 24 gerade. Die lichtempfindli­ che Fläche des Detektors 20 befindet sich in diesem Fall seitwärts. Es ist jedoch auch problemlos möglich, den Hohlleiter 24 in einer gekrümmten Form, wie in Fig. 5 dargestellt, herzustellen. Eine solche gekrümmte Form er­ möglicht eine besonders flexible Gestaltung und Positio­ nierung des Testelementes 3 mit der Testzone 7 und der Leiterplatine 16 mit dem Detektor 20.

Obwohl in den Fig. 4 und 5 kein optisches Abbildungs­ system dargestellt ist, besteht selbstverständlich die Möglichkeit, einen Hohlleiter 24 der in diesen Figuren dargestellten Bauart mit einem optischen Abbildungssystem in Form einer Linse oder in Form eines Abbildungsspiegels zu kombinieren.

Claims (9)

1. Testelement-Analysesystem (1) zur analytischen Unter­ suchung einer Probe (8), insbesondere einer Körper­ flüssigkeit von Menschen oder Tieren umfassend
Testelemente (3) mit einer Meßzone (7), in die die zu untersuchende Probe zur Durchführung einer Analyse gebracht wird, um eine für die Analyse charakteristi­ sche Meßgröße zu messen und
ein Auswertegerät (2) mit einer Testelementhalterung (5), um ein Testelement (3) in einer Meßposition zur Durchführung der Messung zu positionieren und einer Meß- und Auswerteelektronik (15) zur Messung der cha­ rakteristischen Veränderung und Ermittlung eines hierauf basierenden Analyseresultates,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Auswertegerät (2) zur Bestimmung der im Bereich der Meßzone (7) des Testelementes (3) herrschenden Temperatur einen Infrarotdetektor (20) und die Meß­ zone (7) mit dem Infrarotdetektor (20) ortsselektiv verbindende Infrarotstrahlen-Transportmittel (22) aufweist.

2. Analysesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Infrarotdetektor (20) in die Meß- und Auswerteelektronik (15) integriert ist.

3. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotstrah­ len-Transportmittel (22) einen Hohlleiter (24) mit für Infrarotstrahlen reflektierender Innenwand ein­ schließen.

4. Analysesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hohlleiter (24) aus metallisiertem Kunststoff besteht.

5. Analysesystem nach einem der Ansprüche 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die der Meßzone (7) zuge­ wandte Eingangsöffnung (31) des Hohlleiters (24) einen größeren Öffnungsquerschnitt als die dem Infra­ rotdetektor (20) zugewandte Ausgangsöffnung (32) des Hohlleiters (24) hat.

6. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die ortsselektiven Infrarotstrahlen-Transportmittel (22) einen innerhalb des Gehäuses (23) des Auswertegerätes angeordneten Abbildungsspiegel (25) einschließen.

7. Analysesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß
das Testelement (3) in der Meßposition derartig aus dem Gehäuse (23) des Auswertegerätes (2) herausragt, daß die Probe (8) in die Meßzone (7) gebracht werden kann, während sich das Testelement in der Meßposition befindet,
der Detektor (20) in dem Gehäuse (22) positioniert ist,
das Gehäuse (23) ein für Infrarotstrahlen durchläs­ siges optisches Fenster (26) aufweist und
der Übertragungsweg (21) der Infrarotstrahlen zwi­ schen der Meßzone (7) und dem Infrarotdetektor (20) durch das optische Fenster (26) führt.

8. Analysesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das optische Fenster (26) mit einer für In­ frarotstrahlen durchlässigen Scheibe (28), insbe­ sondere einer Polyethylenfolie, staubdicht verschlos­ sen ist.

9. Analysesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die für Infrarotstrahlen durchlässige Scheibe (28) des optischen Fensters (26) mit einer optischen Linse (27) kombiniert ist, die einen Teil der Infrarotstrahlen-Transportmittel (22) bildet.